JP6088355B2 - バッテリー状態判定装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリー状態判定装置に関する。

高電圧バッテリーと低電圧バッテリーを備える電気自動車などにおいて、低電圧バッテリーの劣化状態を判定する手法として、これら２つのバッテリーを双方向コンバータを介して接続し、低電圧バッテリーの電力を高電圧バッテリーへ充電し、その充電時における低電圧バッテリーの出力電圧を測定することによって低電圧バッテリーの劣化状態を判定する方法が知られている。

特開２００６−３３３６６２号公報

従来の方法では、低電圧バッテリーの劣化状態を判定するために、高電圧バッテリーと低電圧バッテリーの両方を使用する必要がある。しかし、電気自動車などは、車両停止時に安全上高電圧バッテリーをリレーで遮断するため、車両停止時は高電圧バッテリーを使用することができず、低電圧バッテリーの劣化状態を判定することができない。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、車両停止時に低電圧バッテリーの劣化状態が判定可能なバッテリー状態判定装置を提供することである。

本発明の一態様に係わるバッテリー状態判定装置は、第１のバッテリーと、第２のバッテリーと、第１のバッテリーと第２のバッテリーとの間に接続され、第１のバッテリーおよび第２のバッテリーを相互に充電するための双方向コンバータと、負荷に電力を供給するインバータと、該インバータの電源と並列に接続されたコンデンサと、第１のバッテリーとインバータとの間に接続されたリレーと、車両が停止状態であり且つリレーがオフ状態の場合に、双方向コンバータに第２のバッテリーから電力を取り出してコンデンサを充電させる充電手段と、充電手段によって充電する際に第２のバッテリーの特性を検出する検出手段と、検出手段により検出される特性に基づいて第２のバッテリーの内部抵抗値を推定し、当該推定した内部抵抗値よりリレーがオフ状態における第２のバッテリーの劣化度を判定する処理を車両が停止してから一定時間ごとに行う判定手段とを有する。

本発明によれば、車両停止時にバッテリーの劣化状態を判定することができる。

図１は、本発明の実施形態１に係るバッテリー状態判定装置１の構成図である。 図２は、メインリレー５がオン状態の場合におけるメインバッテリー２とサブバッテリー３との間の電力のやり取りを示すとともに、メインバッテリー２と平滑コンデンサ７との間の電力のやり取りを示す回路図である。 図３は、メインリレー５がオフ状態の場合における平滑コンデンサ７とサブバッテリー３との間の電力のやり取りを示す回路図である。 図４は、実施形態１に係るバッテリー状態判定装置１の動作を示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施形態２に係るバッテリー状態判定装置１の構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１の実施形態］
図１は、第１実施形態に係るバッテリー状態判定装置１の構成図である。バッテリー状態判定装置１は、電気自動車などの車両に用いられる。

バッテリー状態判定装置１は、メインバッテリー２（第１のバッテリー）と、サブバッテリー３（第２のバッテリー）と、双方向コンバータ４と、メインリレー５と、インバータ６と、モータ９と、プリチャージリレー１０と、車両制御装置１３と、状態判定装置１４とを備える。メインバッテリー２とサブバッテリー３は、メインリレー５と双方向コンバータ４を介して接続される。サブバッテリー３には、電流センサ１１が直列に接続され、電圧センサ１２が並列に接続されている。

メインバッテリー２は、例えば、１００〜４００Ｖ程度の直流電源であり、本実施形態では、リチウムイオンバッテリーを用いるが、これに限られることはなく、ニッケル水素バッテリーを用いることができる。通常の走行時において、メインバッテリー２は、インバータ６を介してモータ９に電力を供給するとともに双方向コンバータ４を介してサブバッテリー３を充電する。また、メインバッテリー２は、制動時におけるモータ９の回生電力により充電される。サブバッテリー３は、従来の一般的な車両が備える１２Ｖバッテリーである。メインリレー５はメインバッテリー２の保護を目的とした遮断器である。

車両制御装置１３は、車両の状態に応じて、メインリレー５のオンオフを切り替える。具体的には、車両走行時は、メインリレー５をオン状態にし、車両停止時は、メインリレー５をオフ状態にする。また、車両制御装置１３は、車両の状態を示す信号を状態判定装置１４に送信する。

双方向コンバータ４は、メインバッテリー２とサブバッテリー３との間で双方向に充電を行うことができるＤＣ／ＤＣコンバータである。車両走行時は、メインリレー５がオン状態であり、双方向コンバータ４はメインバッテリー２から電力を供給され、サブバッテリー３を充電する。車両停止時は、メインリレー５がオフ状態であり、双方向コンバータ４はサブバッテリー３から電力を供給され、平滑コンデンサ７を充電する。

電流センサ１１は、サブバッテリー３からの放電電流値またはサブバッテリー３への充電電流値を検出し、検出した電流値を状態判定装置１４へ送信する。電圧センサ１２は、サブバッテリー３の電圧値を検出し、検出した電圧値を状態判定装置１４へ送信する。

インバータ６は、メインバッテリー２から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ９に供給するパワーモジュール８と、パワーモジュール８の直流側端子に並列接続された平滑コンデンサ７とを有する。

平滑コンデンサ７は、その容量が例えば１０００μＦであり、車両走行時は、メインバッテリー２からの電力を充電する。また、平滑コンデンサ７は始動時に、メインリレー５がオン状態になる前に、プリチャージリレー１０を介して予め充電される。プリチャージリレー１０とは、メインリレー５に並列に接続された小容量のリレーのことで、抵抗器（図示しない）を付けておくことで事前に少しずつ電流を流す回路である。プリチャージリレー１０は、始動時に平滑コンデンサ７を充電して、平滑コンデンサ７の電圧をメインバッテリー２と同等な電圧にすることで、サージ電流がメインリレー５に流れることを防止する。

状態判定装置１４は、サブバッテリー３の劣化状態を判定するものである。通常バッテリーは充放電を繰り返すことによって劣化してその内部抵抗値が大きくなっていく。そこで、本実施形態では、バッテリーの劣化度合いと内部抵抗値の増加度合いの関係から、バッテリー劣化を判断するための閾値を予め状態判定装置１４の内部メモリに記憶し、後述するサブバッテリー３の内部抵抗値とこの閾値とを比較することによってバッテリーの劣化状態ＳＯＨ（ＳＴＡＴＥ ＯＦ ＨＥＡＬＴＨ）を判定する。なお、この閾値は、実験またはシミュレーションから求めることができるが、内部抵抗値の初期値を用いてもよい。

次に、図２を参照して、車両走行時におけるバッテリー状態判定装置１の電力の流れを説明する。図２に示すように、車両走行時は、メインリレー５がオン状態であり、メインバッテリー２は、平滑コンデンサ７を充電するとともに、双方向コンバータ４を介してサブバッテリー３を充電する。

次に、図３を参照して、車両停止時におけるバッテリー状態判定装置１の電力の流れを説明する。図３に示すように、車両停止時は、メインリレー５がオフ状態であり、サブバッテリー３は双方向コンバータ４を介して、平滑コンデンサ７を充電する。

次に、サブバッテリー３の劣化状態を判定する具体的な処理手順を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。この処理は、図１に示した状態判定装置１４により実行される。この処理は、例えば、車両が停止した際に実行されるが、車両が停止してから一定時間ごとに行ってもよい。

初めに、ステップＳ１０１において状態判定装置１４は、車両が停止状態であり、かつメインリレー５がオフ状態であるか否かを判断する。車両制御装置１３から車両が停止状態であるという信号を受信し、かつメインリレー５がオフ状態であるという信号をメインリレー５から受信した場合にステップＳ１０２へ進む。車両制御装置１３およびメインリレー５からその他の信号を受信した場合は待機する。

ステップＳ１０２において状態判定装置１４は、双方向コンバータ４にサブバッテリー３からの電力を平滑コンデンサ７に充電するように指示する。

ステップＳ１０３において状態判定装置１４は、ステップＳ１０２の充電時における双方向コンバータ４とサブバッテリー３との間の電流値およびサブバッテリー３の電圧値を、それぞれ電流センサ１１および電圧センサ１２を用いて検出する。

ステップＳ１０４〜Ｓ１０６において状態判定装置１４は、ステップＳ１０３で検出した電流および電圧を用いてサブバッテリー３の内部抵抗値を推定し、推定された内部抵抗値とバッテリー劣化を判断するための閾値とを比較することにより、バッテリーの劣化状態を判定する。すなわち、サブバッテリー３の内部抵抗値が閾値よりも高ければサブバッテリー３は劣化していると判定され、ステップＳ１０７へ進む。サブバッテリー３の内部抵抗値が閾値よりも低ければサブバッテリー３は劣化していないと判定され、一連の判定処理を終了する。

ステップＳ１０７において状態判定装置１４は、サブバッテリー３が劣化していると判定した場合には、その旨をユーザに報知する。ユーザに報知するタイミングとして、本実施形態に係るバッテリーの状態判定は車両停止時に判定するため、例えば、次にユーザが車両を始動するときに報知することができる。このように報知することにより、ユーザはいち早くバッテリーの異常に気づき、バッテリーの交換などを行うことができる。ユーザへの報知手段としては、例えば、音声で知らせたり、カーナビゲーションディスプレイへのメッセージ表示がある。

このようにして、本実施形態に係るバッテリー状態判定装置１では、車両が停止状態であり、かつメインリレー５がオフ状態の場合に、サブバッテリー３から平滑コンデンサ７に電力を供給し、その時の電流値および電圧値からサブバッテリー３の内部抵抗値を推定し、推定した内部抵抗値と閾値と比較して、サブバッテリー３の劣化状態を判定する。このような判定により、車両の停止時にサブバッテリー３の劣化状態を判定することができる。また、判定の際に、サブバッテリーのみ使用するため、特許文献１に記載の方法のように、２つのバッテリーを使用することがない。そのため、互いのバッテリーになんら影響を与えることなく、バッテリーの劣化状態を判定することができる。

［第２の実施形態］
図５は、本発明の第２の実施形態に係るバッテリー状態判定装置１４の構成図である。本実施形態のバッテリー状態判定装置１４が、第１の実施形態のそれと相違する点は、プリチャージリレー１０が不要となることにある。なお、第１の実施形態と重複する構成については符号を引用してその説明は省略することとし、以下、相違点を中心として説明を行う。

本実施形態では、サブバッテリー３の劣化状態判定時に用いるサブバッテリー３の電力を利用する。すなわち、サブバッテリー３の電力を双方向コンバータ４に供給して、平滑コンデンサ７を充電する。このとき、双方向コンバータ４の変換電圧をメインバッテリー２の電圧に等しくし、平滑コンデンサ７の電圧がメインバッテリー２の電圧と等しくなるように充電する。このようにして平滑コンデンサ７が充電された状態は、メインリレー５の両側の電位差が０に近い状態であるため、始動時のようにメインリレー５が接続された際の突入電流が発生しにくくなる。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、メインリレー５への突入電流を減らすことができ、メインリレー５の接点の寿命を延ばすことができる。また、始動時に平滑コンデンサ７を充電する必要がなくなるため、プリチャージリレー１０が不要となり、生産コストを抑えることができる。

なお、上述した各実施形態は、本発明の一適用例を例示的に示したものであり、本発明の技術的範囲がこれらの実施形態として開示した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、上述した各実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

１ バッテリー状態判定装置
２ メインバッテリー
３ サブバッテリー
４ 双方向コンバータ
５ メインリレー
６ インバータ
７ 平滑コンデンサ
８ パワーモジュール
９ モータ
１０ プリチャージリレー
１１ 電流測定部
１２ 電圧測定部
１３ 車両制御装置
１４ 状態判定装置

Claims (3)

1. 車両のバッテリー状態判定装置であって、
   第１のバッテリー（２）と、
   第２のバッテリー（３）と、
   前記第１のバッテリー（２）と前記第２のバッテリー（３）との間に接続され、前記第１のバッテリー（２）および前記第２のバッテリー（３）を相互に充電するための双方向コンバータ（４）と、
   負荷に電力を供給するインバータ（６）と、
   前記インバータの電源と並列に接続されたコンデンサ（７）と、
   前記第１のバッテリー（２）と前記インバータ（６）との間に接続されたリレー（５）と、
   前記車両が停止状態であり且つ前記リレー（５）がオフ状態の場合に、前記双方向コンバータ（４）に前記第２のバッテリー（３）から電力を取り出して前記コンデンサ（７）を充電させる充電手段と、
   前記充電手段により充電する際に前記第２のバッテリー（３）の特性を検出する検出手段と、
   前記検出手段により検出される特性に基づいて前記第２のバッテリー（３）の内部抵抗値を推定し、当該推定した内部抵抗値より前記リレー（５）がオフ状態における前記第２のバッテリー（３）の劣化度を判定する処理を前記車両が停止してから一定時間ごとに行う判定手段と
   を有することを特徴とするバッテリー状態判定装置。
2. 請求項１に記載のバッテリー状態判定装置において、
   前記判定手段は、前記第２のバッテリー（３）の劣化度を判定するための閾値を予め記憶し、前記推定した内部抵抗値と前記閾値との比較を行うことを特徴とするバッテリー状態判定装置。
3. 請求項１又は２に記載のバッテリー状態判定装置において、
   前記充電手段は、前記コンデンサ（７）を充電する際に、前記コンデンサ（７）と前記第１のバッテリー（２）との電圧差が０に近づくように充電する
   ことを特徴とするバッテリー状態判定装置。

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