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JP2016117354A - 電源管理装置 - Google Patents

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亨裕 宮下
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康平 栃木
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Abstract

【課題】電池を接続するリレーの切り替え頻度を抑制しつつ、SOCを適切に管理する。【解決手段】電源管理装置(100)は、車両に搭載された2以上の電池各々に係るSOCを検出する検出手段(20)と、該検出されたSOCに基づいて、2以上の電池各々の充放電の優先度を設定する優先度設定手段(20)と、車両の減速時以外のときに、設定された優先度の最も高い電池に係る要求電圧を、車両の発電手段(11)の発電電圧として設定する制御手段(20)と、を備える。優先度設定手段は、2以上の電池各々について、検出されたSOCが、該2以上の電池各々について予め定められたSOCの適正範囲の上限値に近づくほど又は下限値に近づくほど、優先度を高く設定する。【選択図】図2

Description

本発明は、例えば自動車等の車両の電源管理装置の技術分野に関する。
この種の装置として、例えば、鉛蓄電池とリチウム蓄電池とが並列接続されており、発電機とリチウム蓄電池との通電及び遮断を切り替えるMOS−FETと、該MOS−FETとリチウム蓄電池との間に配置され、リチウム蓄電池に対する通電及び遮断を切り替えるリレーと、を備える装置において、リチウム蓄電池の残存容量が適正範囲よりも高い場合に、MOS−FETにより発電機とリチウム蓄電池との通電を遮断すると共に、リレーを通電させることによりリチウム蓄電池を放電する装置が提案されている(特許文献1参照)。
或いは、複数の電池を備え、定期的又は任意のタイミングでシステム全体としての充放電電力値を各電池に配分するシステムであって、複数の電池各々のSOC(State Of Charge)に関する劣化特性に基づいて、各時点で複数の電池各々に優先順位付けを行い、該優先順位に従い、充放電電力値を配分するシステムが提案されている(特許文献2参照)。
特開2011−176958号公報 特開2014−171335号公報
特許文献1に記載の技術によれば、例えば、リチウム蓄電池の残存容量が適正範囲の境界値近傍で変動する場合に、リレー開閉の切り替えが比較的頻繁に生じ、該リレーの劣化が早く進む可能性があるという技術的問題点がある。特許文献2に記載の技術では、この問題点を解決することはできない。
本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、リレーの切り替え頻度を抑制しつつ、電池のSOCを適切に管理することができる電源管理装置を提供することを課題とする。
本発明の電源管理装置は、上記課題を解決するために、2以上の電池と、発電手段と、前記2以上の電池に夫々対応し、対応する電池と前記発電手段との通電及び遮断を切り替える複数のリレーと、を備える車両の電源管理装置であって、前記2以上の電池各々に係るSOCを検出する検出手段と、前記検出されたSOCに基づいて、前記2以上の電池各々の充放電の優先度を設定する優先度設定手段と、前記車両の減速時以外のときに、前記設定された優先度の最も高い電池に係る要求電圧を前記発電手段の発電電圧として設定する制御手段と、を備え、前記優先度設定手段は、前記2以上の電池各々について、前記検出されたSOCが、前記2以上の電池各々について予め定められたSOCの適正範囲の上限値に近づくほど又は下限値に近づくほど、前記優先度を高く設定する。
本発明の電源管理装置によれば、当該電源管理装置は、2以上の電池と、発電手段と、該2以上の電池に夫々対応し、対応する電池と発電手段との通電及び遮断を切り替える複数のリレーと、を備える車両に搭載される。つまり、該車両では、各電池と発電手段との間にリレーが配置されている。
当該電源管理装置は、検出手段と、優先度設定手段及び制御手段を備えて構成されている。
検出手段は、2以上の電池各々に係るSOCを検出する。SOCの検出方法には、公知の各種態様を適用可能であるので、その詳細についての説明は割愛する。
例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる優先度設定手段は、検出されたSOCに基づいて、2以上の電池各々の充放電の優先度を設定する。ここで特に、優先度設定手段は、2以上の電池各々について、検出されたSOCが、該2以上の電池各々について予め定められたSOCの適正範囲の上限値に近づくほど又は下限値に近づくほど、優先度を高く設定する。
つまり、本発明では、過充電状態又は過放電状態になる可能性の高い電池ほど、優先度が高く設定される。
尚、各バ電池のSOCの適正範囲の設定方法には、公知の各種態様を適用可能であるが、例えば電池のSOCと開路電圧との関係を示す特性曲線に基づいて設定すればよい。
例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる制御手段は、車両の減速時以外のときに、設定された優先度の最も高い電池に係る要求電圧を発電手段の発電電圧として設定する。
ここで、「要求電圧」は、優先度の最も高い電池のSOCに応じて決定される。具体的には例えば、該電池のSOCが、適正範囲の上限値近傍の値であった場合、要求電圧は、該電池が放電するような電圧とされる。他方、該電池のSOCが、適正範囲の下限値近傍の値であった場合、要求電圧は、該電池が充電されるような電圧とされる。
優先度の最も高い電池に係る要求電圧が、発電手段の発電電圧として設定された場合、その他の電池は、その端子電圧と発電電圧との関係に応じて充電又は放電される。
本願発明者の研究によれば、以下の事項が判明している。即ち、電池が過放電状態や過充電状態となる可能性が高い場合、リレーにより、該電池と発電手段とを遮断する(即ち、該電池が切り離される)ことが多い。つまり、リレーにより電池の通電と遮断とを切り替えることにより、該電池のSOCが管理されることが多い。すると、リレーの開閉頻度が比較的高くなり、該リレーの劣化が早く進む可能性がある。
しかるに本発明では、優先度設定手段により電池毎に優先度が設定され、制御手段により設定された優先度の最も高い電池に係る要求電圧が発電手段の発電電圧として設定される。優先度は、上述の如く、過充電状態又は過放電状態になる可能性の高い電池ほど、高くなるように設定される。
優先度の最も高い電池(言い換えれば、過充電状態又は過放電状態になる可能性の比較的高い電池)に係る要求電圧が、発電手段の発電電圧として設定されることにより、該電池を切り離すことなく、該電池のSOCを適切に制御することができる。この結果、リレーの開閉頻度を抑制することができるので、該リレーの劣化の進行を抑制することができる。
以上の結果、本発明の電源管理装置によれば、リレーの切り替え頻度を抑制しつつ、電池のSOCを適切に管理することができる。
本発明の電源管理装置の一態様では、前記2以上の電池は、鉛蓄電池と、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池とを含み、前記優先度設定手段は、前記2以上の電池に夫々対応し、SOCと優先度との関係を規定する複数のマップを有し、前記複数のマップのうち前記ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池に対応するマップにおける、前記ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のSOCの適正範囲の下限値近傍の優先度は、前記複数のマップのうち前記鉛蓄電池に対応するマップにおける、前記鉛蓄電池のSOCの適正範囲の下限値近傍の優先度よりも高く、前記ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池に対応するマップにおける、前記ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のSOCの適正範囲の上限値近傍の優先度は、前記鉛蓄電池に対応するマップにおける、前記鉛蓄電池のSOCの適正範囲の上限値近傍の優先度よりも高く、前記ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池に対応するマップにおける、前記ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のSOCの適正範囲の中央領域の優先度は、前記鉛蓄電池に対応するマップにおける、前記鉛蓄電池のSOCの適正範囲の中央領域の優先度よりも低い。
この態様によれば、優先度設定手段は、電池毎に、SOCと優先度との関係を規定するマップを有している。このように構成すれば、比較的容易にして、各電池の優先度を、検出されたSOCに応じて決定することができ、実用上非常に有利である。
本発明では特に、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池に対応するマップにおける、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のSOCの適正範囲の下限値近傍の優先度は、鉛蓄電池に対応するマップにおける、鉛蓄電池のSOCの適正範囲の下限値近傍の優先度よりも高い。
このように構成すれば、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池と、鉛蓄電池との両方が過放電状態となる可能性が高まった場合に、比較的高価なニッケル水素電池又はリチウムイオン電池が優先的に保護されるので、実用上非常に有利である。
また、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池に対応するマップにおける、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のSOCの上限値近傍の優先度は、鉛蓄電池に対応するマップにおける、鉛蓄電池のSOCの適正範囲の上限値近傍の優先度よりも高い。
このように構成すれば、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池と、鉛蓄電池との両方が過充電状態となる可能性が高まった場合に、比較的高価なニッケル水素電池又はリチウムイオン電池が優先的に保護されるので、実用上非常に有利である。
ここで、SOCの適正範囲は電池毎に異なるので、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のSOCの適正範囲の下限値又は上限値に対応するSOCの値と、鉛蓄電池のSOCの適正範囲の下限値又は上限値に対応するSOCの値とは、異なることに留意されたい。つまり、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のSOCと、鉛蓄電池のSOCとが同一である場合の優先度の大小関係ではないことに留意されたい。
尚、「下限値近傍」は、下限値を含む所定のSOCの範囲を意味してよい、或いは、適正範囲の中央(例えば、適正範囲の上限値及び下限値の平均値)よりも下限値に近いSOCを意味してよい。同様に、「上限値近傍」は、上限値を含む所定のSOCの範囲を意味してよい、或いは、適正範囲の中央よりも上限値に近いSOCを意味してよい。
他方で、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池に対応するマップにおける、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のSOCの適正範囲の中央領域の優先度は、鉛蓄電池に対応するマップにおける、鉛蓄電池のSOCの適正範囲の中央領域の優先度よりも低い。
このように構成すれば、過充電状態又は過放電状態となる可能性が比較的低いSOCの領域では、例えば車両のメインバッテリとして用いられることの多い鉛蓄電池が優先的に保護されるので、実用上非常に有利である。
尚、「適正範囲の中央領域」は、適正範囲の上限値及び下限値の平均値を含む所定のSOCの範囲を意味してよい、或いは、適正範囲の上限値又は下限値よりも該平均値に近いSOCを意味してよい。
本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。
実施形態に係る電源管理装置の概要を示す概略構成図である。 実施形態に係る電源管理処理を示すフローチャートである。 SOCと優先度との関係を規定するマップの具体例である。
本発明の電源管理装置に係る実施形態を、図面に基づいて説明する。
(電源管理装置の構成)
実施形態に係る電源管理装置の構成について、図1を参照して説明する。図1は、実施形態に係る電源管理装置の概要を示す概略構成図である。尚、図1では、本実施形態に関連しない部材については、適宜図示を省略している。
図1において、電源管理装置100が搭載される車両は、発電機11、第1電源系統12、第2電源系統13、及び第3電源系統14を備えて構成されている。
ここで、第1電源系統12は、例えばスタータモータ(図示せず)の作動に起因して生じる電圧降下等の、電力の瞬間的な大きな変動が生じたとしても、作動に影響のない又殆どない負荷(図1における“補機負荷1”参照)に対して電力を供給する系統である。第1電源系統12のリレー(図1における“1st用リレー”参照)は、発電機11と電池15との通電及び遮断を切り替える。
第2電源系統13は、電力の瞬間的な大きな変動の影響を受ける負荷、或いは電源バックアップを必要とする負荷(図1における“補機負荷2”参照)に対して電力を供給する系統である。第2電源系統13のリレー(図1における“2nd用リレー”参照)は、発電機11と電池16との通電及び遮断を切り替える。
第3電源系統14は、例えば電力の回生効率を高め、燃費の向上を図るために用いられる電池17や負荷(図1における“補機負荷3”参照)を備える系統である。第3電源系統14のリレー(図1における“3rd用リレー”参照)は、発電機11と電池17との通電及び遮断を切り替える。
各リレーは、電池15、16及び17各々のSOCや、補機負荷の作動状態に応じて適宜開閉される。尚、各リレーの制御には、公知の各種態様を適用可能であるので、その詳細についての説明は割愛する。
本実施形態では、電池15は、例えば鉛蓄電池であり、電池16は、例えばニッケル水素電池又はリチウムイオン電池であるとする。尚、電源系統は、第1電源系統12及び第2電源系統13のみであってもよいし、或いは、4以上の電源系統を備えていてもよい。
本実施形態に係る電源管理装置100は、ECU(Electronic Control Unit:電子制御ユニット)20を備えて構成されている。つまり、本実施形態では、車両の各種電子制御に用いられるECU20の機能の一部を、電源管理装置100の一部として用いている。
(電源管理処理)
次に、電源管理装置100が、主に車両の走行中に実施する電源管理処理について、図2のフローチャートを参照して説明する。
図2において、先ず、電源管理装置100の一部としてのECU20は、電池15、16及び17各々のSOCを算出(検出)する(ステップS101)。SOCの算出方法には、公知の各種態様を適用可能であるので、その詳細についての説明は割愛する。
次に、ECU20は、電池15、16及び17各々のSOCに基づいて、電池15、16及び17各々の充放電に係る優先度を決定する(ステップS102)。
ここで、優先度の決定方法について、図3を参照して説明を加える。尚、図3において、「上限」及び「下限」は、SOCの適正範囲(以降、適宜“適正SOC範囲”と称する)の「上限値」及び「下限値」を意味する。図3において、「中心」は、適正SOC範囲の「中心(つまり、適正SOC範囲の上限値と下限値との平均値)」を意味する。また、図3の各マップの縦軸(即ち、“優先度”)のスケールは同じである。
ECU20には、電池15、16及び17に夫々対応し、SOCと優先度との関係を規定する複数のマップ(図3参照)が予め格納されている。SOCと優先度との関係(つまり、マップ)は、例えば電池の種類、及び/又は該電池が電気的に接続されている電源系統とにより決定される。
具体的には例えば、定常的に使用できるSOCが比較的広い電池の場合は、図3(a)に示すような、適正SOC範囲の中心値からある程度の範囲内では優先度は変化せず、適正SOC範囲の上限値近傍及び下限値近傍で、優先度が上昇するマップとなる。このように構成すれば、電池が、過放電状態や過充電状態となることを少なくとも抑制することができる。
或いは、バックアップ電源としての機能を果たすために低SOCを回避する必要がある電池(即ち、第2電源系統13に用いられる電池)や、過放電に比較的弱い電池の場合は、図3(b)に示すような、SOCが、適正SOC範囲の中心値から下限値に近づくにつれて、優先度が急激に上昇するマップとなる。尚、どの程度まで低SOCを許容できるかによって、優先度の上昇の程度(即ち、傾き)を設定すればよい。このように構成すれば、電池が低SOCや過放電状態となることを防止することができる。
電池の過充電に対して、例えばガス発生対策等の措置が車両側で採られている場合、図3(c)に示すような、SOCが、適正SOC範囲の中心値から上限値側に多少変化したとしても、優先度が変わらないマップが適用されてよい。
本実施形態では、図3(a)に示すマップが、電池15としての鉛蓄電池のマップに設定されており、図3(b)に示すマップが、電池16としてのニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のマップに設定されているものとする。この場合、図3(a)のマップのSOCの上限値及び下限値は、夫々、例えば100%及び90%である。図3(b)のマップのSOCの上限値及び下限値は、夫々、例えば70%及び30%である。
ECU20は、電池15、16及び17各々のSOCに基づいて、該電池15、16及び17に夫々対応するマップから、電池15、16及び17各々の優先度を決定する。
再び図2に戻り、ECU20は、電池15、16及び17のうち、優先度の最も高い電池に係る要求電圧を設定する(ステップS103)。尚、該「要求電圧」は、優先度の最も高い電池の特性(例えば、SOCと開路電圧との関係を示す特性曲線や、優先度が決定された時点のSOC等)により決定される。要求電圧の設定方法には、公知の各種態様を適用可能であるので、その詳細についての説明は割愛する。
車両の減速時以外のときは、要求電圧が、電池の端子電圧よりも低く設定されることが、燃費向上の観点からは望ましい。優先度の最も高い電池のSOCが、適正SOC範囲の下限値に近づいたことにより該電池の優先度が高い場合、要求電圧は、優先度の最も高い電池が放電しないような電圧であって、他の電池の端子電圧よりも低い電圧とすればよい。このように構成すれば、優先度の最も高い電池の保護と、燃費向上との両方を図ることができる。
次に、ECU20は、車両の電源系が正常であるか否か、及び、電池15、16及び17各々のSOCが、夫々対応する適正SOC範囲内であるか否か、を判定する(ステップS104)。
車両の電源系が正常であり、電池15、16及び17各々のSOCが、夫々対応する適正SOC範囲内であると判定された場合(ステップS104:Yes)、ECU20は、車両が減速中であるか否かを判定する(ステップS105)。
車両が減速中であると判定された場合(ステップS105:Yes)、ECU20は、発電機11の発電電圧を、回生時の要求電圧に設定する(ステップS106)。尚、「回生時の要求電圧」は、リレーを介して発電機11に電気的に接続されている全ての電池の端子電圧よりも高い電圧である。
他方、車両が減速中でないと判定された場合(ステップS105:No)、ECU20は、発電機11の発電電圧を、上記ステップS103の処理で設定された、優先度の最も高い電池に係る要求電圧に設定する(ステップS107)。
このように構成すれば、優先度の最も高い(言い換えれば、最優先で保護すべき)電池に適した発電電圧となるので、例えばリレーにより該電池を発電機11から切り離すことなく、該電池のSOC管理を適切に行うことができる。
具体的には例えば、優先度の最も高い電池のSOCが、適正SOC範囲の下限値近傍である場合(即ち、過放電状態となる可能性が高い場合)、優先度の最も高い電池が、それ以上放電しない又は充電される発電電圧とされるので、該電池が過放電状態となることに起因して該電池に接続されたリレーが開状態となることを防止することができる。
或いは、優先度の最も高い電池のSOCが、適正SOC範囲の上限値近傍である場合(即ち、過充電状態となる可能性が高い場合)、優先度の最も高い電池が、それ以上充電されない又は放電する発電電圧とされるので、該電池が過充電状態となることに起因して該電池に接続されたリレーが開状態となることを防止することができる。
この結果、リレーの開閉頻度を低減することができ、リレーの劣化を抑制することができる。加えて、リレーの開閉頻度が比較的低いので、例えば比較的高価な半導体リレーに代えて、機械式リレーを採用することができ、例えば製造コストの低減を図ることができる。
本実施形態では特に、電池16に対応するマップ(図3(b)参照)のSOCの下限値の優先度が、電池15に対応するマップ(図3(a)参照)のSOCの下限値の優先度よりも高くなる。このため、電池16としてのニッケル水素電池又はリチウムイオン電池が、過放電状態になる可能性が比較的高い場合には、電池15としての鉛蓄電池が過放電状態になる可能性が比較的高い場合であっても、優先的に保護されることとなる。
また、電池16に対応するマップ(図3(b)参照)のSOCの上限値の優先度が、電池15に対応するマップ(図3(a)参照)のSOCの上限値の優先度よりも高くなる。このため、電池16としてのニッケル水素電池又はリチウムイオン電池が、過充電状態になる可能性が比較的高い場合には、電池15としての鉛蓄電池が過充電状態になる可能性が比較的高い場合であっても、優先的に保護される。
つまり、本実施形態では、鉛蓄電池よりも高価なニッケル水素電池又はリチウムイオン電池が、過放電状態又は過充電状態となることを確実に防止することができる。このため、例えばニッケル水素電池又はリチウムイオン電池の劣化を抑制することができ、実用上非常に有利である。
他方で、電池15に対応するマップ(図3(a)参照)のSOCの中央領域の優先度は、電池16に対応するマップ(図3(b)参照)のSOCの中央領域の優先度よりも高い。このため、電池15、16及び17のいずれもが、過充電状態又は過放電状態となる可能性が比較的低い場合には、電池15としての鉛蓄電池が優先的に保護される。
上述したステップS104の処理において、車両の電源系に異常がある、或いは、電池15、16及び17のうち少なくとも一つの電池のSOCが、該電池に対応する適正SOC範囲から外れている(即ち、該電池が過充電状態又は過放電状態である)と判定された場合(ステップS104:No)、ECU20は、発電機11の発電電圧を、予め定められた電源系の異常時の要求電圧、或いは、過充電状態又は過放電状態である電池に応じた要求電圧に設定する(ステップS108)。
尚、電源系の異常時の要求電圧、及び、過充電状態又は過放電状態である電池に応じた要求電圧の設定方法には、公知の各種態様を適用可能であるので、その詳細についての説明は割愛する。
実施形態に係る「ECU20」は、本発明に係る「検出手段」、「優先度設定手段」及び「制御手段」の一例である。実施形態に係る「電池15、16及び17」は、本発明に係る「2以上の電池」の一例である。実施形態に係る「発電機11」は、本発明に係る「発電手段」の一例である。
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電源管理装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
11…発電機、12…第1電源系統、13…第2電源系統、14…第3電源系統、15、16、17…電池、20…ECU、100…電源管理装置

Claims (2)

  1. 2以上の電池と、発電手段と、前記2以上の電池に夫々対応し、対応する電池と前記発電手段との通電及び遮断を切り替える複数のリレーと、を備える車両の電源管理装置であって、
    前記2以上の電池各々に係るSOCを検出する検出手段と、
    前記検出されたSOCに基づいて、前記2以上の電池各々の充放電の優先度を設定する優先度設定手段と、
    前記車両の減速時以外のときに、前記設定された優先度の最も高い電池に係る要求電圧を前記発電手段の発電電圧として設定する制御手段と、
    を備え、
    前記優先度設定手段は、前記2以上の電池各々について、前記検出されたSOCが、前記2以上の電池各々について予め定められたSOCの適正範囲の上限値に近づくほど又は下限値に近づくほど、前記優先度を高く設定する
    ことを特徴とする電源管理装置。
  2. 前記2以上の電池は、鉛蓄電池と、ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池とを含み、
    前記優先度設定手段は、前記2以上の電池に夫々対応し、SOCと優先度との関係を規定する複数のマップを有し、
    前記複数のマップのうち前記ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池に対応するマップにおける、前記ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のSOCの適正範囲の下限値近傍の優先度は、前記複数のマップのうち前記鉛蓄電池に対応するマップにおける、前記鉛蓄電池のSOCの適正範囲の下限値近傍の優先度よりも高く、
    前記ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池に対応するマップにおける、前記ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のSOCの適正範囲の上限値近傍の優先度は、前記鉛蓄電池に対応するマップにおける、前記鉛蓄電池のSOCの適正範囲の上限値近傍の優先度よりも高く、
    前記ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池に対応するマップにおける、前記ニッケル水素電池又はリチウムイオン電池のSOCの適正範囲の中央領域の優先度は、前記鉛蓄電池に対応するマップにおける、前記鉛蓄電池のSOCの適正範囲の中央領域の優先度よりも低い
    ことを特徴とする請求項1に記載の電源管理装置。
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