JP2013090474A - 蓄電システム及び電流センサ異常を検出する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサの異常を精度よく検出する。
【解決手段】本発明の蓄電システムは、充放電を行う蓄電装置と蓄電装置の電力を受けて動作する第１負荷との間で電圧変換を行う昇圧器を流れる電流を検出する第１電流センサと、昇圧器及び蓄電装置の間に接続されて蓄電装置からの電力を受けて動作する第２負荷と蓄電装置との間に設けられ、蓄電装置の充放電電流を検出する第２電流センサと、電流センサの異常を検出するコントローラと、を有する。コントローラは、所定期間における、第１電流センサの検出値の変動量と第２電流センサの検出値の変動量を比較することによって、電流センサの異常を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両に搭載される蓄電システムの電流センサ異常を検出する技術に関する。

特許文献１では、二次電池近くの電流センサの検出値を、二次電池の負荷となるインバータや電動機側に設けられる電流センサの検出値と比較することによって二次電池近くの電流センサの故障を検出している。

特許文献１の電流センサの故障検出は、インバータや電動機以外の負荷によって二次電池に近い電流センサの電流値よりもインバータや電動機の負荷側で検出される電流値の方が低くなることを前提とし、二次電池近くの電流センサの電流値の方がインバータ等に設けられた電流センサで検出された電流値よりも低い場合に、二次電池近くの電流センサの故障と判別している。

特開２００８−０４３１８８号公報 特開２００５−１９２３２４号公報

しかしながら、二次電池近くの故障した電流センサの検出値が、必ずインバータや電動機の負荷側で検出される検出値よりも低くなるとは限らない。また、インバータや電動機以外の負荷によって二次電池の近くで検出される電流値よりもインバータや電動機の負荷側で検出される電流値の方が低くなる場合があり、単純に両者の電流値を比較するだけでは、電流センサの異常を検出することができない。

本願第１の発明である蓄電システムは、蓄電装置と第１負荷の間で電圧変換を行う昇圧器を流れる電流を検出する第１電流センサの検出値と、昇圧器及び蓄電装置の間に接続されて蓄電装置からの電力を受けて動作する第２負荷と蓄電装置との間に設けられて蓄電装置の充放電電流を検出する第２電流センサの検出値とを用いて、所定期間における、第１電流センサの検出値の変動量と第２電流センサの検出値の変動量を比較することによって、電流センサの異常を検出する。

本願第１の発明によれば、第１電流センサ及び第２電流センサの各検出値を単純に比較するのではなく、所定期間における各電流センサの検出値の変動量の差分と所定の閾値とを比較して電流センサの異常を検出するので、各検出値の相違や大小関係に関わらずに電流センサの異常を適正かつ精度よく検出することができ、第１電流センサの検出値が昇圧器及び蓄電装置の間の第２負荷によって第２電流センサの検出値と相違していても、電流センサの異常を精度よく検出することができる。

第２負荷の負荷変動が所定の基準値よりも小さい場合に電流センサの異常を検出することで、各電流センサの検出値に含まれる第２負荷の負荷変動によって検出精度が低下することを抑制することができる。

蓄電装置に対して第２負荷が複数接続されている場合、少なくとも１つの第２負荷の負荷電動が基準値よりも大きいと判別された状態での電流センサの異常検出を行わないことにより、各電流センサの検出値に含まれる第２負荷の負荷変動によって検出精度が低下すること（誤検出）を抑制することができる。

第１電流センサは、昇圧器のリアクトルを流れる電流を検出する電流センサを用いることができ、第１電流センサの一端をリアクトルに接続し、他端を蓄電装置の正極端子に接続される接続ラインに接続することができる。

第２負荷として、車室空調装置（エアコン）又は補機電源に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータを用いることができる。また、第１負荷として、蓄電装置からの電力を受けて、車両の走行に用いられる運動エネルギを生成するモータ・ジェネレータを用いることができる。

本願第２の発明は、上述した蓄電システムの電流センサ異常を検出する制御方法である。蓄電装置と第１負荷の間で電圧変換を行う昇圧器を流れる電流を検出する第１電流センサの検出値と、蓄電装置の充放電電流を検出する第２電流センサの検出値とを用いて、所定期間における、第１電流センサの検出値の変動量と第２電流センサの検出値の変動量を比較することによって、電流センサの異常を検出する。

本願第２の発明によれば、所定期間における各電流センサの検出値の変動量の差分と所定の閾値とを比較して電流センサの異常を検出するので、各検出値の相違や大小関係に関わらずに電流センサの異常を適正かつ精度よく検出することができる。

電池システムの構成を示す概略図である。 電流センサの検出結果の一例を示す図である。 電流センサの異常検出動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
本発明の実施例１である電池システム（蓄電システムに相当する）について説明する。図１は、本実施例の電池システムの構成を示す概略図である。本実施例の電池システムは、車両に搭載されている。車両としては、ハイブリッド自動車や電気自動車がある。ハイブリッド自動車は、車両を走行させるための動力源として、後述する組電池に加えて、エンジン又は燃料電池を備えている。電気自動車は、車両の動力源として、組電池だけを備えている。

組電池（蓄電装置に相当する）１０は、直列に接続された複数の単電池（蓄電素子に相当する）１１を有する。単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタ（コンデンサ）を用いることができる。組電池１０を構成する単電池１１の数は、要求出力などに基づいて、適宜設定することができる。また、組電池１０は、並列に接続された複数の単電池１１を含んでいてもよい。

リレー３１，３２は、コントローラ５１からの制御信号を受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。リレー３１，３２がオフであるとき、組電池１０の充放電が禁止される。リレー３１，３２がオンであるとき、組電池１０の充放電が許容される。

電流センサ１２（第２電流センサに相当する）は、組電池１０の充放電電流を検出し、検出結果をコントローラ５１に出力する。電流センサ１２は、組電池１０の正極端子と後述する昇圧回路４０の接続ラインＰＬ１に設けられている。接続ラインＰＬ１にはリレー３１が設けられ、図１の例では、組電池１０の正極端子とリレー３１を接続する接続ラインＰＬ１に電流センサ１２が設けられている。

本実施例の電池システムは、昇圧回路４０（昇圧器に相当する）を有する。昇圧回路４０は、組電池１０の正極端子及び負極端子それぞれと接続する接続ラインＰＬ１，ＮＬ１を介して組電池１０と接続している。昇圧回路４０は、組電池１０の出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータ５２に出力する。また、昇圧回路４０は、インバータ５２の出力電圧を降圧し、降圧後の電力を組電池１０に出力することができる。昇圧回路４０は、コントローラ５１からの制御信号を受けて動作する。

昇圧回路４０は、リアクトル４１と、ダイオード４２，４３と、スイッチング素子としてのトランジスタ（ｎｐｎ型トランジスタ）４４，４５と、電流センサ４６（第１電流センサに相当する）と、を有する。リアクトル４１は、一端がリレー３１に接続され、他端がトランジスタ４４，４５の接続点に接続されている。

電流センサ４６は、接続ラインＰＬ１とリアクトル４１の接続ラインに設けられ、リアクトル４１に流れる電流を検出する。電流センサ４６の一端は、組電池１０の正極端子に接続される接続ラインＰＬ１と接続し、他端がリアクトル４１に接続している。電流センサ４６は、組電池１０から昇圧回路４０に流れてリアクトル４１で昇圧される前の電流、又はインバータ５２から出力された電力がリアクトル４１で降圧された後の組電池１０に出力される電流を検出し、検出結果をコントローラ５１に出力する。

トランジスタ４４，４５は、直列に接続されており、各トランジスタ４４，４５のベースには、コントローラ５１からの制御信号が入力される。トランジスタ４４，４５は、コントローラ５１からの制御信号を受けて、オンおよびオフの間で切り替わる。トランジスタ４４，４５のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオード４２，４３がそれぞれ接続されている。具体的には、ダイオード４２，４３のアノードが、トランジスタ４４，４５のエミッタと接続され、ダイオード４２，４３のカソードが、トランジスタ４４，４５のコレクタと接続されている。

トランジスタ４４，４５としては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることもできる。また、ｎｐｎ型トランジスタに代えて、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）等の電力スイッチング素子を用いることもできる。

昇圧回路４０の昇圧動作を行うとき、コントローラ５１は、トランジスタ４５をオンにするとともに、トランジスタ４４をオフ状態にする。これにより、組電池１０からリアクトル４１に電流が流れ、リアクトル４１には、電流量に応じた磁場エネルギが蓄積される。次に、コントローラ５１は、トランジスタ４５をオンからオフに切り替えることにより、リアクトル４１からダイオード４２を介して、インバータ５２に電流を流す。これにより、リアクトル４１で蓄積されたエネルギが放出され、昇圧動作が行われる。

降圧動作を行うとき、コントローラ５１は、トランジスタ４４をオンにするとともに、トランジスタ４５をオフにする。これにより、インバータ５２からの電力が組電池１０に供給され、組電池１０の充電が行われる。

インバータ５２は、コントローラ５１からの制御信号を受けて動作し、組電池１０からの直流電力を交流電力に変換してモータ・ジェネレータ５３に出力する。モータ・ジェネレータ５３（第１負荷に相当する）としては、三相交流モータを用いることができる。モータ・ジェネレータ５３は、インバータ５２からの交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギを生成する。モータ・ジェネレータ５３によって生成された運動エネルギは、車輪に伝達される。

車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータ５３は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギに変換する。モータ・ジェネレータ５３によって生成された交流電力は、インバータ５２によって直流電力に変換された後に、組電池１０に出力される。組電池１０は、回生電力を蓄えることができる。

コントローラ５１は、組電池１０の充放電制御を行う制御装置である。コントローラ５１は、出力要求に基づいて負荷に組電池１０の電力を出力する放電制御、車両が減速したり、停止したりする際の車両制動時における回生電力を組電池１０に充電する充電制御と共に、組電池１０の電流センサ１２及び昇圧回路４０の電流センサ４６を用いた電流センサの異常検出を行う。なお、電流センサの異常検出は、コントローラ５１とは別個のコントローラによって行うように構成してもよい。

負荷６０は、昇圧回路４０及び組電池１０の間に接続され、組電池１０からの電力を受けて動作する、車室空調装置（エアコンのインバータやモータ等）や補機電源（補機バッテリ）に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータである。

負荷６０は、リレー３１と昇圧回路４０との間に接続され、その一端は、電流センサ１２と電流センサ４６との間の接続ラインＰＬ１と接続する。負荷６０が複数ある場合、それぞれの負荷がリレー３１と昇圧回路４０との間に接続されている。組電池１０と負荷６０は、リレー３１，３２を介して接続され、リレー３１，３２がオフであるとき、組電池１０から負荷６０への電力供給が禁止され、リレー３１，３２がオンであるとき、組電池１０から負荷６０への電力供給が許容される。

本実施例の電流センサ１２は、負荷６０と組電池１０との間に設けられているので、電流センサ１２及び電流センサ４６との間には、モータ・ジェネレータ５３以外の負荷６０が接続されてことになる。なお、電流センサ１２が設けられる位置は、図１の例以外にも、例えば、組電池１０を構成する複数の単電池１１間や組電池１０の負極端子と昇圧回路４０を接続する接続ラインでもよい。

本実施例の電流センサの異常検出について説明する。以下では、組電池１０から昇圧回路４０に電力が供給される際（組電池１０の放電）の電流値を電流センサ１２，４６それぞれで検出する場合を一例に説明するが、昇圧回路４０を通じて組電池１０に電力が供給される場合（組電池１０への充電）も、本実施例の電流センサの異常検出を行うことができる。

本実施例では、所定期間における各電流センサ１２，４６それぞれの検出値の各変動量を比較して電流センサの異常を検出する。図２は、電流センサ１２によって検出された電流値（Ｉ_A）と電流センサ４６によって検出された電流値（Ｉ_B）の検出結果を示す図である。縦軸は検出された電流値（Ｉ）、横軸は時間（ｔ）である。

図２に示すように、時間ｔｎにおける電流センサ１２で検出された電流値Ｉ_A（ｔ_ｎ）は、負荷６０に流れる電流値Ｉ_ｃ（ｔ_ｎ）（負荷６０が複数の負荷を含む場合、各負荷に流れる電流（Ｉ_ｃ１，Ｉ_ｃ２・・・）を合計した値）とリアクトル４１に流れる電流値Ｉ_B（ｔ_ｎ）との加算となる。そして、所定期間ｔ_ｎ−１〜ｔ_ｎで検出された電流の変動量ΔＩ_A（ｔ_ｎ）は、Ｉ_A（ｔ_ｎ）からＩ_A（ｔ_ｎ-1）を減算した値となり、同様に所定期間ｔ_ｎ−１〜ｔ_ｎで検出された電流の変動量ΔＩ_B（ｔ_ｎ）は、Ｉ_B（ｔ_ｎ）からＩ_B（ｔ_ｎ-1）を減算した値となる。このとき、負荷６０に流れる電流値Ｉ_ｃが所定期間ｔ_ｎ−１〜ｔ_ｎで変動しない場合（一定の場合）、負荷６０に流れる電流値Ｉ_ｃの変動値は０となるので、変動量ΔＩ_A（ｔ_ｎ）＝変動量ΔＩ_B（ｔ_ｎ）となる。

各電流センサ１２，４６で検出された電流値（Ｉ_A）と電流値（Ｉ_B）は、図２に示すように、負荷６０に流れる電流分のずれが生じるが、負荷６０に流れる電流に変動がなく一定（０を含む）と見なせる場合、所定期間ｔ（ｎ）〜ｔ（ｎ−１）の負荷６０に流れる電流値Ｉ_ｃが相殺され、負荷６０に流れる電流の影響を受けない変動量ΔＩ_A（ｔ_ｎ）と変動量ΔＩ_B（ｔ_ｎ）とが算出される。

なお、電流センサの異常検出を行う際に例えば、車内空調装置の出力レベル（強弱やオン／オフなど）が変更されたり、補機電源を使用する車両の電気機器のスイッチがオン／オフされたり、エンジンが始動した場合は、負荷６０に流れる電流に変動がなく一定と見なすことができないため、電流センサの異常検出を行わない。負荷６０は、出力レベルの変更やスイッチのオン／オフなどの負荷変動に関する情報をコントローラ５１に出力する。

コントローラ５１は、負荷６０に流れる電流に変動がなく一定と見なせる場合、言い換えれば、負荷変動に関する情報に基づいて、車内空調装置の出力レベル（強弱やオン／オフなど）が変更されたり、補機電源を使用する車両の電気機器のスイッチがオン／オフされたり、エンジンが始動されていないと判別された場合に、負荷６０の負荷変動が小さいと判断して電流センサの異常検出を行い、負荷６０に流れる電流に変動があって一定と見なせない場合（負荷６０の負荷変動が大きい場合）は、電流センサの異常検出を行わない。

なお、コントローラ５１は、負荷６０から出力される負荷変動に関する情報に基づいて、負荷６０に流れる電流値の変動量が所定の範囲内である場合、負荷６０の変動負荷が小さく、所定の範囲を超える場合に負荷６０の負荷変動が大きいと判断することもできる。

このように負荷６０に流れる電流に変動がなく一定と見なせる場合、変動量ΔＩ_A（ｔ_ｎ）と変動量ΔＩ_B（ｔ_ｎ）とを比較することで、電流センサの異常を検出する。具体的には、変動量ΔＩ_A（ｔ_ｎ）と変動量ΔＩ_B（ｔ_ｎ）との差分を算出し、算出した差分と所定の閾値とを比較して所定の閾値を超えているか否かを判別し、超えている場合はセンサ異常、超えていない場合は正常と検出する。

本実施例によれば、単に電流センサ１２及び電流センサ４６の各検出値を比較する場合に比べて、電流センサ１２の検出値と電流センサ４６の検出値との相違がそのまま電流センサの異常として検出されないので、電流センサの異常検出を適正かつ精度よく検出することができる。

また、例えば、電流センサ１２が故障するとその検出値が電流センサ４６の検出値よりも低くなるとセンサ異常があると判別すると、故障した電流センサ１２の検出値が電流センサ４６の検出値よりも高い場合は、適正に電流センサの異常を検出することができないが、本実施例は、所定期間の各検出値の変動量の差分と所定の閾値との大小関係で電流センサの異常を判断するので、故障した電流センサ１２の検出値が電流センサ４６の検出値よりも高く検出されても、適正に電流センサの異常を検出することができる。

さらに、負荷６０に流れる電流に変動がなく一定と見なせる場合の変動量ΔＩ_A（ｔ_ｎ）と変動量ΔＩ_B（ｔ_ｎ）は、負荷６０による電流変動の影響がないため、負荷６０の電流変動を考慮せずに、各電流センサ１２，４６の検出結果のみを用いて電流センサの異常検出を精度よく行うことができ、各電流センサ１２，４６の各検出値に含まれる負荷６０の負荷変動によって検出精度が低下することを抑制することができる。

図３は、本実施例の電流センサの異常検出の動作を示すフローチャートである。図３に示す処理は、車両のイグニッションスイッチがオフからオンに切り替わった後、コントローラ５１によって実行される。図３に示す処理を開始するとき、リレー３１，３２はオンであり、組電池１０と昇圧回路４０とは接続状態にある。

ステップＳ１０１において、コントローラ５１は、負荷６０から出力される負荷変動に関する情報に基づいて、負荷６０の負荷変動が大きいか否かを判別する。このとき、負荷６０が複数ある場合、負荷毎に負荷変動が大きいか否かを判別し、少なくとも１つの負荷の負荷変動が大きい場合には、電流センサの異常検出を行わない。

負荷６０の負荷変動が小さいと判別された場合、ステップＳ１０２に進み、コントローラ５１は、電流センサ１２，４６を用いて所定期間ｔ_ｎ−１〜ｔ_ｎの各電流値を測定する。時間ｔ_ｎ−１における各電流値と、次の時間ｔ_ｎにおける各電流値が測定されると、コントローラ５１は、電流センサ１２の所定期間ｔ_ｎ−１〜ｔ_ｎの電流変動量ΔＩ_A（ｔ_ｎ）と、電流センサ４６の所定期間ｔ_ｎ−１〜ｔ_ｎの電流変動量ΔＩ_B（ｔ_ｎ）を算出する。

ステップＳ１０３において、コントローラ５１は、算出した電流変動量ΔＩ_A（ｔ_ｎ）と電流変動量ΔＩ_B（ｔ_ｎ）との差分を算出し、算出された差分と所定の閾値とを比較して、差分が所定の閾値よりも小さいか否かを判別する（Ｓ１０４）。算出された差分が閾値よりも小さい場合は、ステップＳ１０５に進み、電流センサは正常であると判別する。

一方、ステップＳ１０４において、算出された差分が所定の閾値よりも大きいと判別された場合は、ステップＳ１０６に進み、電流センサが異常であると判別するとともに、所定のセンサ異常処理を行う（Ｓ１０７）。

ステップＳ１０７のセンサ異常処理としては、例えば、ユーザなどに対して異常が発生していることを通知することができる。この通知は、ユーザの視覚又は聴覚で認識できるものであればよく、例えば、異常検出ランプを点灯させたり、スピーカを用いて異常が発生していることを示す情報を出力したり、異常が発生していることを示す情報をディスプレイに表示させることができる。

また、電流センサ異常を検出した場合に、本実施例の電池システムを搭載するハイブリッド車両では、エンジンのみを駆動源とする走行モードに設定したり、電気自動車では、走行を中止する通知を行うなど、組電池１０からの電力を用いた走行や機器の駆動を行わないようにすることもできる。

１０ 組電池（蓄電装置）
１１ 単電池
１２ 電流センサ（第２電流センサ）
３１，３２ リレー
４０ 昇圧回路（昇圧器）
４１ リアクトル
４２，４３ ダイオード
４４，４５ トランジスタ
４６ 電流センサ（第１電流センサ）
５１ コントローラ
５２ インバータ
５３ モータ・ジェネレータ
６０ 負荷
ＰＬ１ 接続ライン

Claims (8)

1. 充放電を行う蓄電装置と前記蓄電装置の電力を受けて動作する第１負荷との間で電圧変換を行う昇圧器を流れる電流を検出する第１電流センサと、
   前記昇圧器及び前記蓄電装置の間に接続されて前記蓄電装置からの電力を受けて動作する第２負荷と前記蓄電装置との間に設けられ、前記蓄電装置の充放電電流を検出する第２電流センサと、
   前記電流センサの異常を検出するコントローラと、を有し、
   前記コントローラは、所定期間における、前記第１電流センサの検出値の変動量と前記第２電流センサの検出値の変動量を比較することによって、前記電流センサの異常を検出することを特徴とする蓄電システム。
2. 前記コントローラは、前記第２負荷の負荷変動に関する情報に基づいて前記第２負荷の負荷変動が基準値よりも小さいと判別される場合に、前記電流センサの異常を検出する処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 複数の前記第２負荷が前記蓄電装置に接続されており、
   前記コントローラは、少なくとも１つの前記第２負荷の負荷電動が基準値よりも大きいと判別された場合、前記電流センサの異常を検出する処理を行わないことを特徴とする請求項２に記載の電システム。
4. 前記第１電流センサは、前記昇圧器のリアクトルを流れる電流を検出する電流センサであり、
   前記第１電流センサの一端は、前記リアクトルに接続し、他端は、前記蓄電装置の正極端子に接続される接続ラインに接続していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の蓄電システム。
5. 前記第２負荷は、車室空調装置又は補機電源に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の蓄電システム。
6. 前記第１負荷は、前記蓄電装置からの電力を受けて、車両の走行に用いられる運動エネルギを生成するモータ・ジェネレータであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の蓄電システム。
7. 蓄電システムの電流センサ異常を検出する方法であって、
   前記蓄電システムは、
   充放電を行う蓄電装置と前記蓄電装置の電力を受けて動作する第１負荷との間で電圧変換を行う昇圧器を流れる電流を検出する第１電流センサと、
   前記昇圧器及び前記蓄電装置の間に接続されて前記蓄電装置からの電力を受けて動作する第２負荷と前記蓄電装置との間に設けられ、前記蓄電装置の充放電電流を検出する第２電流センサと、
   前記電流センサの異常を検出するコントローラと、を有し、
   所定期間における、前記第１電流センサの検出値の変動量と前記第２電流センサの検出値の変動量を比較することによって、前記電流センサの異常を検出することを特徴とする方法。
8. 前記第２負荷の負荷変動に関する情報に基づいて、前記所定期間における前記第２負荷の負荷変動が基準値よりも小さいと判別される場合に、前記電流センサの異常を検出することを特徴とする請求項７に記載の方法。

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