JP6068192B2 - バッテリ状態推定装置及び車両の制御システム - Google Patents

Description

本発明は、発電機を用いてバッテリを充電するバッテリ状態推定装置及び車両の制御システムに関する。

下記に示す特許文献１には、モータの駆動デューティ比を検出し、該デューティ比に基づいてバッテリの残容量を推定することで、バッテリの充電電流及び放電電流を検出するための充・放電電流センサを不要とする技術が記載されている。

特開２００１−４７２３号公報

しかしながら、発電機によりバッテリを充電する場合は、上記特許文献１に記載の技術を使用することはできないため、バッテリの残容量を検出するためには、電流センサが必要となる。

そこで、本発明は、発電機によってバッテリを充電する場合であっても、電流センサを用いずにバッテリの残容量を推定するバッテリ状態推定装置及び車両の制御システムを提供することを目的とする。

本発明に係るバッテリ状態推定装置（１０）は、以下の特徴を有する。

第１の特徴；回転子と、各相の巻線（２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ）を有する固定子とを備える三相交流発電機（１２）と、前記各相の巻線（２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ）から出力される三相の交流電流を複数のスイッチング素子（２６ｕａ、２６ｕｂ、２６ｖａ、２６ｖｂ、２６ｗａ、２６ｗｂ）で直流電流に変換してバッテリ（１６）に供給するドライバ回路（２４）と、前記ドライバ回路（２４）の出力電圧を検出する電圧検出手段（２８）と、前記三相交流発電機（１２）の回転数に応じた位相角度が記憶された複数のマップ（５０、５２、５４）と、前記複数のスイッチング素子（２６ｕａ、２６ｕｂ、２６ｖａ、２６ｖｂ、２６ｗａ、２６ｗｂ）に対して通電・非通電の切り替えを指示する駆動信号の位相角度を前記ドライバ回路（２４）の前記出力電圧と目標電圧とに基づいて設定し、前記三相交流発電機（１２）の誘起電圧の位相を基準とした前記位相角度の前記駆動信号で前記複数のスイッチング素子（２６ｕａ、２６ｕｂ、２６ｖａ、２６ｖｂ、２６ｗａ、２６ｗｂ）の通電・非通電タイミングを制御する制御回路（３０）と、を備え、前記制御回路（３０）は、前記ドライバ回路（２４）の前記出力電圧と前記目標電圧とに基づいて設定した前記位相角度に基づいて前記マップ（５０、５２、５４）を切り替え、所定の前記マップ（５０、５２、５４）に切り替わった場合に、前記バッテリ（１６）の容量が低下又は回復したと判断する。

本発明に係る車両の制御システム（１１）は、以下の特徴を有する。

第２の特徴；前記バッテリ状態推定装置（１０）と、所定条件が成立した時に一時的にエンジンを停止させるアイドルストップ制御装置（４０）とを備える車両の制御システム（１１）において、前記制御回路（３０）は、設定した前記位相角度が閾値以上遅角している場合は、バッテリ容量が低下していると判断し、アイドルストップ制御を禁止するアイドルストップ許可判断部（３８）を備える。

第３の特徴；前記バッテリ状態推定装置（１０）と、所定条件が成立した時に一時的にエンジンを停止させるアイドルストップ制御装置（４０）とを備える車両の制御システム（１１）において、前記制御回路（３０）は、設定した前記位相角度が前記閾値より進角している場合は、前記エンジンが再起動可能なバッテリ容量が確保されていると判断し、アイドルストップ制御を許可するアイドルストップ許可判断部（３８）を備える。

第４の特徴；前記ドライバ回路（２４）の出力電圧を検出する電圧検出手段（２８）を備え、前記制御回路（３０）は、前記出力電圧と目標電圧とに基づいて、前記位相角度を設定し、前記電圧検出手段（２８）、前記ドライバ回路（２４）、及び前記制御回路（３０）は、エンジン制御ユニット（１４）に搭載される。

本発明の第１の特徴によれば、設定された駆動信号の位相角度に基づいてバッテリの充電状態を推定するので、電流センサを用いずにバッテリの残容量を推定することができる。

また、本発明の第１の特徴によれば、所定のマップに切り替わった場合に、バッテリの容量が低下又は回復したと判断するので、バッテリの残容量の推定が容易になる。

本発明の第２の特徴によれば、設定された位相角度が閾値以上遅角している場合は、アイドルストップ制御を禁止するので、アイドルストップ制御の実施の可否を容易に判定することができる。

本発明の第３の特徴によれば、設定した位相角度が閾値より進角している場合は、アイドルストップ制御を許可するので、アイドルストップ制御の実施の可否を容易に判定することができる。

本発明の第４の特徴によれば、電圧検出手段、ドライバ回路、及び制御回路は、エンジン制御ユニットに搭載されるので、電圧検出手段、ドライバ回路、及び制御回路の回路が簡素化し、コンパクトにまとめることができる。

バッテリ状態推定装置を備える車両の制御システムの構成図である。 図２Ａは、位置センサによって検出された各相の巻線にそれぞれ対応するロータの位置検出信号の波形を示す図、図２Ｂは、三相交流発電機の各相の誘起電圧を示す図、図２Ｃは、位相角度が０度の時のスイッチング素子に供給される駆動信号を示す図である。 出力電圧と目標電圧とによって設定される駆動信号の位相角度の概略を示す図である。 位相角度設定部によって設定される位相角度のタイムチャートの一例を示す図である。 マップの説明図である。

本発明に係るバッテリ状態推定装置及び前記バッテリ状態推定装置を備える車両の制御システムについて、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

図１は、バッテリ状態推定装置１０を備える車両の制御システム１１の構成図である。バッテリ状態推定装置１０は、三相交流発電機（例えば、ＡＧＣ）１２が発電した三相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電流を、制御部としてのエンジン制御ユニット（ＥＣＵ：Engine Control Unit）１４が直流電流に変換して、二次電池であるバッテリ１６や負荷（自動二輪車のスタータモータ、ヘッドライト等）１８に供給するものである。

三相交流発電機１２は、磁石が設けられた回転子としてのロータ（図示略）と、三相の巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗを有する固定子としてのステータ（図示略）とを備えるものであり、一般的に使用されている発電機である。前記ロータには、三相の巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗに対応して前記磁石がそれぞれ設けられている。前記ロータは、図示しない車両のエンジンのクランク軸に接続されており、エンジンの駆動力によって前記ロータが回転し、三相交流発電機１２は電力を発生する。

三相交流発電機１２には、ホールＩＣ等で構成される位置センサ（位置検出手段）２２が設けられている。この位置センサ２２は、各相の巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗにそれぞれ対応する前記ロータの回転位置を検出するものである。図２Ａは、位置センサ２２によって検出された各相の巻線２０ｕ、２０ｖ、２０ｗにそれぞれ対応する前記ロータの位置検出信号の波形を示すものである。三相交流発電機１２の運転が定常の場合は、図２Ａに示すように、各相の位置検出信号は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の順に位相が１２０度ずつずれている。各相の位置検出信号の立上りから立下りまでの期間は、半周期分（１８０度）に相当する。この各相の位置検出信号は、図２Ｂに示すように、三相交流発電機１２の各相の誘起電圧と同期している。

エンジン制御ユニット１４のドライバ回路２４は、三相交流発電機１２が発生した三相の交流電流を直流電流に変換するものである。ドライバ回路２４は、６つのスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）２６ｕａ、２６ｕｂ、２６ｖａ、２６ｖｂ、２６ｗａ、２６ｗｂを有する。このＵ相のスイッチング素子２６ｕａ、２６ｕｂは巻線２０ｕに接続され、Ｖ相のスイッチング素子２６ｖａ、２６ｖｂは巻線２０ｖに接続され、Ｗ相のスイッチング素子２６ｗａ、２６ｗｂは巻線２０ｗに接続されている。各スイッチング素子２６ｕａ、２６ｕｂ、２６ｖａ、２６ｖｂ、２６ｗａ、２６ｗｂをオン・オフ（通電・非通電）にすることで、ドライバ回路２４は、交流電流を直流電流に変換する。エンジン制御ユニット１４の電圧検出センサ（電圧検出手段）２８は、ドライバ回路２４の出力電圧Ｖｄを検出するものである。

三相交流発電機１２の制御回路３０は、ドライバ回路２４を駆動制御するものである。詳しくは、制御回路３０は、ドライバ回路２４の複数のスイッチング素子２６ｕａ、２６ｕｂ、２６ｖａ、２６ｖｂ、２６ｗａ、２６ｗｂのオン・オフを指示する駆動信号Ｓを生成するドライバ制御部３２を有する。Ｕ相のスイッチング素子２６ｕａのオン・オフを指示する駆動信号ＳをＵ相の駆動信号Ｓｕとし、Ｖ相のスイッチング素子２６ｖａのオン・オフを指示する駆動信号ＳをＶ相の駆動信号Ｓｖとする。同様に、Ｗ相のスイッチング素子２６ｗａのオン・オフを指示する駆動信号ＳをＷ相の駆動信号Ｓｗとする。

なお、Ｕ相のスイッチング素子２６ｕｂ、Ｖ相のスイッチング素子２６ｖｂ、Ｗ相のスイッチング素子２６ｗｂには、駆動信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗを反転させた信号が入力されるので、スイッチング素子２６ｕｂ、２６ｖｂ、２６ｗｂに入力される駆動信号Ｓについては説明を省略する。

制御回路３０は、駆動信号Ｓの位相角度θｐを設定する位相角度設定部３４を有し、ドライバ制御部３２は、三相交流発電機１２の誘起電圧の位相を基準とした位相角度θｐの駆動信号Ｓで、複数のスイッチング素子２６ｕａ、２６ｕｂ、２６ｖａ、２６ｖｂ、２６ｗａ、２６ｗｂのオン・オフタイミングを制御する。

より具体的に説明すると、Ｕ相のスイッチング素子２６ｕａ、Ｖ相のスイッチング素子２６ｖａ、及び、Ｗ相のスイッチング素子２６ｗａのオン・オフタイミングは、それぞれ三相交流発電機１２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の誘起電圧の位相を基準とした位相角度θｐの駆動信号Ｓｕ、Ｓｖ、Ｓｗで制御される。

この位相角度θｐは、電圧検出センサ２８が検出したドライバ回路２４の出力電圧Ｖｄが、バッテリ１６を充電するのに適した目標電圧Ｖｔとなるように設定される。バッテリ１６の残容量が低下すると、バッテリ１６に供給される電流（充電電流）が大きくなるのでドライバ回路２４の出力電圧Ｖｄは低下し、逆にバッテリ１６が充電され残容量が高くなると、充電電流が小さくなるのでドライバ回路２４の出力電圧Ｖｄは高くなるが、位相角度θｐを制御することで、出力電圧Ｖｄを目標電圧Ｖｔに保つことができる。

この周知技術である位相角度の制御について簡単に説明すると、位相角度θｐは、出力電圧Ｖｄと目標電圧Ｖｔとに基づいて設定される。図３に示すように、出力電圧Ｖｄと目標電圧Ｖｔとを比較し、出力電圧Ｖｄが目標電圧Ｖｔより小さい場合は、Ｕ相の駆動信号Ｓｕの位相角度θｐを、Ｕ相の誘起電圧に対して遅角させた位相角度に設定し、出力電圧Ｖｄが目標電圧Ｖｔより大きい場合は、Ｕ相の駆動信号Ｓｕの位相角度θｐを、Ｕ相の誘起電圧に対して進角させた位相角度に設定する。なお、出力電圧Ｖｄと目標電圧Ｖｔとの比較は、所定の周期で行われるので、位相角度θｐの設定も所定の周期で行われる。

このとき、出力電圧Ｖｄと目標電圧Ｖｔとの差（差の絶対値）の大きさに応じて、遅角又は進角させる量（位相角度θｐの大きさ）を変える。例えば、出力電圧Ｖｄが目標電圧Ｖｔより小さい場合であって、出力電圧Ｖｄと目標電圧Ｖｔとの差が大きい場合は、小さい場合に比べ遅角量を大きくした位相角度θｐを設定する。この位相角度θｐの大きさは、出力電圧Ｖｄの傾き（変動率の大きさ）に応じて決定してもよい。なお、Ｕ相についてのみ説明したが、Ｖ相、Ｗ相についても同様の処理を行うので説明を割愛する。

仮に、位相角度θｐが０度の場合は、図２Ｃに示すように、Ｕ相のスイッチング素子２６ｕａに供給される駆動信号Ｓｕは、Ｕ相誘起電圧の波形（Ｕ相の位置検出信号）と同期し、Ｖ相のスイッチング素子２６ｖａに供給される駆動信号Ｓｖは、Ｖ相の誘起電圧（Ｖ相の位置検出信号）と同期し、Ｗ相のスイッチング素子２６ｗａに供給される駆動信号Ｓｗは、Ｗ相の位置検出信号と同期する。

制御回路３０は、更に、位相角度設定部３４が設定した位相角度θｐに基づいてバッテリ１６の充電状態を推定するバッテリ状態推定部３６と、バッテリ状態推定部３６が推定したバッテリ１６の充電状態に基づいてアイドルストップ制御を禁止・許可するアイドルストップ許可判断部３８とを備える。具体的には、アイドルストップ許可判断部３８は、バッテリ状態推定部３６によって、設定された位相角度θｐが閾値θｔ以上遅角していると判断された場合は、バッテリ容量が低下していると判断してアイドルストップ制御を禁止し、位相角度θｐが閾値θｔより進角していると判断された場合は、エンジンが再起動可能なバッテリ容量が確保されていると判断してアイドルストップ制御を許可する。

バッテリ１６の残容量が多くなると位相角度θｐは進角側に移行していくので、この位相角度θｐを見ることでバッテリ１６の充電状態を推定することができる。また、位相角度θｐが閾値θｔ以上遅角している状態では、前記エンジンの始動若しくは再始動に必要な電力がバッテリ１６に蓄えられていないので、かかる状態時にアイドルストップ制御を禁止する。

車両の制御システム１１は、更に、アイドルストップ制御装置４０を備える。アイドルストップ制御装置４０は、所定条件（車速が所定速度以下、前記エンジンのスロットル開度が所定開度以下で、且つ、ブレーキ操作がされている等の条件）が成立した時に、アイドルストップ制御を実行する、つまり、一時的に前記エンジンを停止させるものである。アイドルストップ制御装置４０は、アイドルストップ許可判断部３８によってアイドルストップ制御が許可されている場合のみ、アイドルストップ制御を実行する。

図４は、位相角度設定部３４によって設定される位相角度θｐのタイムチャートの一例を示す図である。タイミングｔ１で、バッテリ１６の電力を用いて前記エンジンが駆動すると、三相交流発電機１２が発電する。図４に示す例では、バッテリ１６の残容量が少ないために、位相角度設定部３４によって位相角度θｐは閾値θｔより遅角側に設定されているが、バッテリ１６が充電され残容量が増加していくと、設定される位相角度θｐは、徐々に進角側に移動していく。位相角度θｐが閾値θｔ以上遅角している場合は、バッテリ１６には、前記エンジンの再始動等に必要な電力が蓄えられていないと推定できるので、アイドルストップ許可判断部３８によってアイドルストップ制御が禁止される。従って、この場合は、所定条件が成立したとしてもアイドルストップ制御は行われない。

一方、位相角度θｐが閾値θｔとなるタイミングｔ２を経過した後は、バッテリ１６には、前記エンジンの再始動等に必要な電力が蓄えらえていると推定できるので、アイドルストップ許可判断部３８によってアイドルストップ制御が許可される。従って、この場合は、所定条件が成立した場合はアイドルストップ制御が実行される。

このように、バッテリ状態推定部３６は、設定された駆動信号Ｓの位相角度θｐに基づいて充電状態を推定するので、電流センサを用いずにバッテリ１６の残容量を推定することができる。また、アイドルストップ許可判断部３８は、設定された位相角度θｐが閾値θｔ以上遅角している場合はアイドルストップ制御を禁止し、閾値θｔより進角している場合はアイドルストップ制御を許可するので、アイドルストップ制御の実施の可否を容易に判断することができる。

また、電圧検出センサ２８、ドライバ回路２４、及び制御回路３０は、エンジン制御ユニット１４に搭載されるので、電圧検出センサ２８、ドライバ回路２４、及び制御回路３０の回路が簡素化し、コンパクトにまとめることができる。

（変形例）上記実施の形態は、次のように変形してもよい。本変形例では、制御回路３０は、位相角度θｐが記憶された複数のマップ５０、５２、５４を有する。この複数のマップ５０、５２、５４は、図５に示すように、エンジン回転数（即ち、三相交流発電機１２の回転数）に応じて、三相交流発電機１２の誘起電圧の位相に対する位相角度θｐを記憶したものである。また、マップ５０は、最大発電量を設定する位相角度θｐが記憶されたマップであり、マップ５２は、最大発電量より小さい第１発電量を設定する位相角度θｐが記憶されたマップであり、マップ５４は、第１発電量より小さい第２発電量を設定する位相角度θｐが記憶されたマップである。

第１発電量は、バッテリ１６の充電電流が所定値（例えば、略０）以下の時であって、負荷１８の消費電力が大きい時の発電量であり、第２発電量は、バッテリ１６の充電電流が所定値以下の時であって、負荷１８の消費電力が小さい時の発電量である。

そして、位相角度設定部３４は、ドライバ回路２４の出力電圧Ｖｄと目標電圧Ｖｔとに基づいて、複数のマップ５０、５２、５４の中から１つのマップを選択することで、現在のエンジン回転数に対応する位相角度θｐを設定する。具体的には、出力電圧Ｖｄと目標電圧Ｖｔとの大小、及びその差（若しくは出力電圧Ｖｄの傾き）に応じて何れか１つのマップを選択する。

例えば、上記実施の形態で説明したように、出力電圧Ｖｄと目標電圧Ｖｔとの大小、及びその差によって設定される位相角度θｐがθｐ１の場合で、現在のエンジン回転数が４０００ｒｐｍの場合は、マップ５２、５４では、位相角度θｐ１より進角した位相角度θｐが記憶されているので、位相角度θｐ１以上遅角した位相角度θｐが記憶されているマップ５０を選択する。そして、現在のエンジン回転数に応じた位相角度θｐをマップ５０から取得して設定する。

そして、バッテリ状態推定部３６は、位相角度設定部３４によって選択されるマップがマップ５０に切り替わった場合は、バッテリ１６の残容量が低下したと判断し、選択されるマップがマップ５２、５４に切り替わった場合は、バッテリ１６の残容量が回復したと判断する。これにより、バッテリ１６の残容量の推定が容易になる。

この場合は、アイドルストップ許可判断部３８は、バッテリ状態推定部３６によってバッテリ１６の残容量が低下したと判断された場合はアイドルストップ制御を禁止し、バッテリ１６の残容量が回復したと判断された場合は、アイドルストップ制御を許可してもよい。また、上記実施の形態の様に、アイドルストップ許可判断部３８は、バッテリ状態推定部３６によって、マップ５０、５２、５４から取得した現在のエンジン回転数に応じた位相角度θｐが閾値θｔ以上遅角していると判断された場合は、アイドルストップ制御を禁止し、位相角度θｐが閾値θｔより進角していると判断された場合は、アイドルストップ制御を許可してもよい。

以上、本発明について好適な実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態の記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。また、特許請求の範囲に記載された括弧書きの符号は、本発明の理解の容易化のために添付図面中の符号に倣って付したものであり、本発明がその符号をつけた要素に限定されて解釈されるものではない。

１０…バッテリ状態推定装置 １１…車両の制御システム
１２…三相交流発電機 １４…エンジン制御ユニット
１６…バッテリ １８…負荷
２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ…巻線 ２２…位置センサ
２４…ドライバ回路
２６ｕａ、２６ｕｂ、２６ｖａ、２６ｖｂ、２６ｗａ、２６ｗｂ…スイッチング素子
２８…電圧検出センサ ３０…制御回路
３２…ドライバ制御部 ３４…位相角度設定部
３６…バッテリ状態推定部 ３８…アイドルストップ許可判断部
４０…アイドルストップ制御装置 ５０、５２、５４…マップ

Claims (4)

1. 回転子と、各相の巻線（２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ）を有する固定子とを備える三相交流発電機（１２）と、
   前記各相の巻線（２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ）から出力される三相の交流電流を複数のスイッチング素子（２６ｕａ、２６ｕｂ、２６ｖａ、２６ｖｂ、２６ｗａ、２６ｗｂ）で直流電流に変換してバッテリ（１６）に供給するドライバ回路（２４）と、
   前記ドライバ回路（２４）の出力電圧を検出する電圧検出手段（２８）と、
   前記三相交流発電機（１２）の回転数に応じた位相角度が記憶された複数のマップ（５０、５２、５４）と、
   前記複数のスイッチング素子（２６ｕａ、２６ｕｂ、２６ｖａ、２６ｖｂ、２６ｗａ、２６ｗｂ）に対して通電・非通電の切り替えを指示する駆動信号の位相角度を前記ドライバ回路（２４）の前記出力電圧と目標電圧とに基づいて設定し、前記三相交流発電機（１２）の誘起電圧の位相を基準とした前記位相角度の前記駆動信号で前記複数のスイッチング素子（２６ｕａ、２６ｕｂ、２６ｖａ、２６ｖｂ、２６ｗａ、２６ｗｂ）の通電・非通電タイミングを制御する制御回路（３０）と、
   を備え、
   前記制御回路（３０）は、前記ドライバ回路（２４）の前記出力電圧と前記目標電圧とに基づいて設定した前記位相角度に基づいて前記マップ（５０、５２、５４）を切り替え、所定の前記マップ（５０、５２、５４）に切り替わった場合に、前記バッテリ（１６）の容量が低下又は回復したと判断する
   ことを特徴とするバッテリ状態推定装置（１０）。
2. 請求項１に記載のバッテリ状態推定装置（１０）と、所定条件が成立した時に一時的にエンジンを停止させるアイドルストップ制御装置（４０）とを備える車両の制御システム（１１）において、
   前記制御回路（３０）は、設定した前記位相角度が閾値以上遅角している場合は、バッテリ容量が低下していると判断し、アイドルストップ制御を禁止するアイドルストップ許可判断部（３８）を備える
   ことを特徴とする車両の制御システム（１１）。
3. 請求項１に記載のバッテリ状態推定装置（１０）と、所定条件が成立した時に一時的にエンジンを停止させるアイドルストップ制御装置（４０）とを備える車両の制御システム（１１）において、
   前記制御回路（３０）は、設定した前記位相角度が前記閾値より進角している場合は、前記エンジンが再起動可能なバッテリ容量が確保されていると判断し、アイドルストップ制御を許可するアイドルストップ許可判断部（３８）を備える
   ことを特徴とする車両の制御システム（１１）。
4. 請求項２又は３に記載の車両の制御システム（１１）において、
   前記ドライバ回路（２４）の出力電圧を検出する電圧検出手段（２８）を備え、
   前記制御回路（３０）は、前記出力電圧と目標電圧とに基づいて、前記位相角度を設定し、
   前記電圧検出手段（２８）、前記ドライバ回路（２４）、及び前記制御回路（３０）は、エンジン制御ユニット（１４）に搭載される
   ことを特徴とする車両の制御システム（１１）。

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