JP2004507996A - 自動車用二重電圧バッテリ - Google Patents
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Abstract
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、エンジン及びモータを有する車両の駆動装置に関し、特に、2種類の電力を供給できる単一バッテリを備える上記のごとき駆動装置に関する。
【0002】
従来の慣行において、各種電気装置用の12Vバッテリのものより大きいメイン供給電圧(以下、36Vバッテリと言う)を必要とするアイドルストップ装置(駆動装置)に追加バッテリが設けられる。好ましくは、36Vバッテリが劣化或は消耗した際に別個の12Vバッテリによって外部からその装置をジャンプスタートさせるべく14Vステータ又は双方向DC/DCコンバータも設けられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の構成は、既存のスタータ技術を保持して、新規バッテリ及びアイドル・スタータを取り付けることによって機能させることができる。しかし、既存の12Vシステムを保持したままでスペースを節約する或は重量を低減することは不可能である。従って、そのシステムは限られた数の車種にだけしか設置できないため製造費用及び製品コストは増大する。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、新規のバッテリ操作手順を採用することにより、バッテリ・エネルギーを最適状態に管理することに関する。また、本発明は、アイドルストップ機能を提供するとともに、小型システムによって燃費の向上を図るため、モータ・コントローラとDC/DCコンバータを調和するように制御する方法に関する。
【0005】
本発明は、一面において、エンジンと、エンジン駆動軸に連結されたモータとを備える車両駆動装置を駆動するメインバッテリを提供する。メインバッテリは、各種電気装置用12Vバッテリと、タイプの異なる低容量若しくは補助バッテリを含む。低容量バッテリは、ウルトラキャパシタ、リチウム・バッテリ、ニッケル・バッテリ、高出力鉛バッテリ、その他の改良型バッテリとすればよい。
【0006】
本発明を包含する車両の作用において、モータは発電機として機能する。しかしながら、12Vバッテリ・ユニットは、各種電気装置に電力を常時供給しなければならない。従って、DC/DCコンバータは、充電・放電のバランスを乱すことを回避するため別個の充電ルートを介してモータ(発電機)と12Vバッテリとの間に接続される。12Vバッテリ・ユニットの容量はDC/DCコンバータの定格を変更することによって低減することができる。
【0007】
本発明は、より効率的にエネルギーを利用するための方法にも関する。本発明の方法により、車両の動作状態(アイドルストップ、始動、加速、クルージング並びに減速)が決定される。決定された車両の動作状態に基づき、モータ・コントローラの設定電圧とDC/DCコンバータのモードが切り替えられ、バッテリが最適状態に制御される。
【0008】
自動車バッテリの電圧が下がってしまった場合、或いは、放置の結果として完全に放電してしまった場合、エンジンは始動しない。そうした場合に採られる緊急対策は、新規バッテリを調達するか、別の車両から電力を獲得することである。既存の車両バッテリは12Vの電圧を有しており、従って36Vバッテリ・システムを組み込んだ従来の自動車をジャンプスタートさせるのに有効ではない。本発明のバッテリを備えることにより、極が物理的に反転可能なウルトラキャパシタを補助バッテリとして使用すれば、12V電源からの外部始動が実現される。一方、補助バッテリが極の反転ができないものである場合、12Vバッテリと補助バッテリとの間に単一のスイッチを設けてそれらバッテリを制御する。
【0009】
本発明は、既存の別個の12Vシステムの必要性を排除し、小型で軽量なシステムを提供する。本発明は、モータ・コントローラとDC/DCコンバータの協働的制御(協力し合うように制御すること)によって最適なバッテリ管理を実現し、もってアイドルストップ機能及び燃費の向上を図る。
【0010】
本発明の上記特徴および更なる特徴は、以下の説明及び図面を参照すれば、より明白となる。
【0011】
【発明の実施の形態】
図1を参照するに、本発明に係る車両駆動システムが示されている。この駆動システムは、車両エンジン1と、モータ/発電機2と、メインバッテリ6とモータ/発電機との間の電気の流れを制御するコントローラ3と、を含む。メインバッテリ6は、12Vバッテリ4と、以下で補助又は追加のバッテリと呼ばれる低容量24Vバッテリ5とを含む。エンジン1及びモータ2は、好ましくは、共通のエンジン駆動軸に連結される。モータ2は、始動、駆動アシスト、発電並びに再発電(電力再生)の各機能を有する。
【0012】
メインバッテリ6は、二重電圧バッテリであり、12Vバッテリ4を介して12Vの電力、或は、36Vの電力を提供することができる。12Vバッテリ4は、モータに電力供給するメインバッテリ6の一部としての役割を果たすと共に、各種電気装置(ラジオ、ライト、燃料噴射、燃料ポンプ等)の電源の一部としての役割を果たす。追加バッテリ5はメインバッテリ6の他の部分を構成する。以下に詳細に記載されるように、補助バッテリ5は、12Vバッテリ4を再充電するため、或いは、モータ2に電力供給するため単独で使用してもよく、以下に十分に記載されるようにモータ2に電力供給するため12Vバッテリと組合せて使用してもよい。
【0013】
DC/DCコンバータ7は、12Vバッテリ4への電力供給を制御すべく設けられている。電子制御ユニット、即ちECU8は、DC/DCコンバータ7のオン/オフの切り替えを行うとともに、コントローラ3を駆動、再発電(regeneration)又は発電(電流、電圧)の各モードで動作させるため設けられている。図中の矢印は信号線を示す。一般に、DC/DCコンバータは、モータ・コントローラ3を介して或は補助バッテリ5からの12Vバッテリの再充電を制御するよう操作する。
【0014】
図2A乃至2Dは、第1実施例の作用を示す、制御フローチャートである。図2Aにおいて、6つの別個のモードが示されており、(左から右へ)アイドルストップ、始動、加速(acceleration)、クルーズ(cruising)、減速(deceleration)並びにアイドルストップ(idle stop)が示されている。図中の各コラムは、車両駆動システム(即ち、モータ/発電機)の異なる動作状態或いはモードを表しており、以下で説明する。これらの動作モードは順に示されているが、異なる順序で発生すると考えられ、実際上、典型的に加速/クルージング/減速の間で変動する。
【0015】
図2Bを参照するに、アイドルストップの実行前に、ECU8は、補助バッテリ5をその容量及び可能性ある異常についで検査する(ステップ30)。ECU8は、DC/DCコンバータを停止し(ステップ32)、再始動が可能であることを確認後にアイドルストップを実行する(ステップ36)。容量問題或は他の異常が存在すれば、アイドルストップが禁止され(ステップ34)、制御は加速/クルージング部分(図2C)に移行する。
【0016】
次に、始動要求が生成されると(ステップ38)、ECUは駆動指令をモータ・コントローラ3に付与する(ステップ40)。この結果、モータ2はメインバッテリ6によって駆動される。
【0017】
その後、図2Cに示されるように、加速/クルージング時に、発電或は放電が補助バッテリ5の容量に基づいて実行されるべきかどうかが決定される(ステップ42)。ECU8が、補助バッテリ容量に基づき、発電が必要であると決定した場合、発電要求(ステップ44)がECU8からモータ・コントローラ3に付与され、DC/DCコンバータ7が起動される(ステップ46)。こうしてバッテリ6はDC/DCコンバータ7によって充電される。その後、システムは車両減速に関してモニタされる(ステップ48)。
【0018】
ステップ42において、補助バッテリの放電が必要とECUが決定すると、ECUは、システムの動作状態とバッテリの状態とに基づき、放電をどのように実行すべきかを決定する(ステップ50)。放電は、バッテリをモータへの電力供給に使用することによるパワーアシスト(電力供給支援)放電、或は、補助バッテリを12Vバッテリの充電に使用することによるDC/DCコンバータ放電の何れかによって実行される。
【0019】
パワーアシスト放電時、DC/DCコンバータ7はオフとされ(ステップ52)、駆動指示がモータ・コントローラに付与されて(ステップ54)、モータがメインバッテリから電力供給される。DC/DC放電時、停止指示がモータ・コントローラに付与され(このとき、モータはメインバッテリ6から電力供給されない−ステップ56)、DC/DCコンバータ7が起動されて(ステップ58)、12Vバッテリ4が補助バッテリ5によって充電される。何れの場合にも、補助バッテリ電圧がモニタされ(ステップ60)、補助バッテリ5が所望電圧であれば、制御は発電/放電ループに戻り、DC/DCコンバータ7が起動されて12Vバッテリがコントローラ3を介してモータ2によって充電され、車両は減速についてモニタされる。さもなければ、制御はステップ50に戻り、バッテリ放電方法が再び決定される。
【0020】
ステップ48で車両が減速中であると決定されれば、モータ・コントローラは、再発電するようECU8から指示され、こうしてバッテリ6が再充電される(ステップ62)。バッテリ6が電圧及び異常についてモニタされ(ステップ64)、バッテリ電圧が所定限度内で異常が何等存在しないと推定されると、要求に応じてアイドルストップモードが始動可能となる(ステップ30)。
【0021】
上述の動作モード時の様々な動作パラメータが図2Aに図示されている。先ず、アイドルストップ時、エンジン1は停止している。(12Vバッテリと補助バッテリの組合せである)メインバッテリ電圧に直に関連する、モータ・コントローラ3への入力電圧は、ゆっくり降下する。補助バッテリ電圧は一定に維持される。従来の電気装置に電力を供給する12Vバッテリ4は放電して行き、その電圧はゆっくりと降下する。DC/DCコンバータ7はオフである。
【0022】
始動時、モータ・コントローラ3はメインバッテリ6によって駆動される。補助バッテリ5及び12Vバッテリ4は放電して行き、それらの電圧は降下する。モータ・コントローラはモータ2を駆動するため放電或は電流供給している。DC/DCコンバータ7はオフになっている。
【0023】
加速時、DC/DCコンバータ7はオンとされ、モータ・コントローラ3はDC/DCコンバータ7を介してモータ2から12Vバッテリ4に充電電流を供給し、これによって12Vバッテリ4を再充電する。従って12Vバッテリ4の電圧は増大し、安定する。補助バッテリ5の電圧とモータ・コントローラ3も安定するが、アイドルストップ時のものよりも低いレベルである。よって、ECU8は始動直後にモータ・コントローラ3に発電を要求しない。
【0024】
バッテリ5及び6の状態に応じて、モータ・コントローラ3は後続の加速時にモータ2の駆動を支援するよう更に指示され、この場合(駆動アシストと云われる)、DC/DCコンバータ7は動作しない。図2Aは、駆動アシストが実行されない状態を示している。図2Dは、以下で説明する、駆動アシストが実行される際の動作パラメータを示している。
【0025】
クルージング時、ECU8はバッテリ5を制御して、再生エネルギーが回復可能な設定量(容量)になるようにする。つまり、補助バッテリ電圧が所望の充電不足レベルまで放電され、その所望充電不足レベルに維持される。補助バッテリ5の放電はモータ・コントローラをオフにし、補助バッテリからDC/DCコンバータを介して12Vバッテリに電流を供給することによって実行される。補助バッテリ5電圧が所望充電不足レベルに達すると、モータ・コントローラ3は充電モードに戻り、12VバッテリをDC/DCコンバータ7を介して充電する。留意すべきは、12Vバッテリ電圧が、この間、実質的に一定に維持することである。補助バッテリ5の充電不足レベルは、補助バッテリが後続する減速或は発電モードでの動作時に必要とされる始動電圧まで再充電され得るレベルである。
【0026】
上述のプロセスの結果、エネルギーは効率的に利用され、補助バッテリ5は所望電圧までに放電される。補助バッテリの放電後、発電機能が可能とされ、エネルギーがモータ・コントローラ3及びDC/DCコンバータ7を介して12Vバッテリに供給される。
【0027】
減速時、メインバッテリ6(即ち、補助バッテリ5及び12Vバッテリ4)は、モータ・コントローラ3を介して回復エネルギーによって充電される。メインバッテリ6は、保存エネルギーが始動に充分となるまでモータ発電によって充電され、その後システムはアイドルストップに移行される。DC/DCコンバータ7は、減速時、オフ状態である。
【0028】
図2Dに図示されたパラメータは図2Aの場合と幾つかの点で類似するが、加速モードの代わりに特に支援(アシスト)放電を示す。先ず、アイドルストップ時、エンジン1は停止している。(12Vバッテリと補助バッテリの組合せである)メインバッテリ電圧に直に関連する、モータ・コントローラ3への入力電圧は、ゆっくり降下する。補助バッテリ電圧は一定に維持される。従来の電気装置に電力を供給する12Vバッテリ4は放電し、その電圧はゆっくりと降下する。DC/DCコンバータ7はオフである。
【0029】
始動時、モータ・コントローラ3はメインバッテリ6によって駆動される。補助バッテリ5及び12Vバッテリ4は放電し、その電圧は降下する。モータ・コントローラはモータ2を駆動するため放電或は電流供給している。DC/DCコンバータ7は、これがオンされる始動モードの終了までオフに維持される。モータ・コントローラ3を介するモータ2からの電力は12Vバッテリ4を再充電するため供給される。
【0030】
次に、アシスト放電モード時、DC/DCコンバータ7はオフとされ、モータ・コントローラ3は放電する、即ちメインバッテリ6からモータ2に電流供給し、メインバッテリ6の電圧は降下する。アシスト放電モードの終了は、補助バッテリ5が所定充電不足レベルになったときに発生する。これが発生すると(つまり、クルージング・モードでは)、DC/DCコンバータ7がオンされ、12Vバッテリ4がDC/DCコンバータ7を介してモータ2及びモータ・コントローラ3からの電力によって再充電される。従って12Vバッテリ4の電圧は上昇する。補助バッテリ5は所定充電不足レベルに維持される。
【0031】
減速時、メインバッテリ6(つまり、補助バッテリ5及び12Vバッテリ)は、モータ・コントローラ3を介して回復エネルギーによって充電される。メインバッテリ6は、保存エネルギーが始動に充分となるまでモータ発電によって充電され、その後システムはアイドルストップに移行される。DC/DCコンバータ7は、減速時、オフとされる。
【0032】
本発明によれは、補助バッテリ5は、過剰充電されると、車両設計を変更せずに保存される。これは、バッテリに対する電荷を低減或は消滅させるため放電時に使用されるものと同じタイプのクルージング時の制御を採用することによって達成される。このアプローチを採用することにより、補助バッテリの放電をクルージング時に実行することができる。補助バッテリが完全に損耗すると、モータによって発生した電力は、モータ・コントローラ3の電圧をメインバッテリ6の電圧に重畳するよう続行することによってDC/DCコンバータ7にのみ供給される。かくして、車両の正常動作を維持するよう設計されたバッテリ4は、不断のエネルギー供給を行う。
【0033】
図3A及び図3Bは、本発明による外部電力供給および始動システムのブロック図である。これらの図は、メインバッテリ6が劣化或は寿命切れしたときに12Vの電力が外部の別個のバッテリから或は他の車両から供給される状態を示す。
【0034】
図3Aは、補助バッテリ5をウルトラキャパシタとして作用せしめるための接続方法を示している。図3Aは、メインバッテリ6から電力が供給されない、又は、バッテリ4の放電電圧が10V以下である、又は、補助バッテリ5(この場合、ウルトラキャパシタ)が0Vに近い状態を示している。この状態において、バッテリ4と外部バッテリ9を並列に接続することにより、補助バッテリ5の極性の反転、外部バッテリ9からの電流の流れおよびモータ・コントローラ3への電力供給を可能としている。
【0035】
図3Bは、補助バッテリ5が大量放電によって損耗した普通バッテリである場合の接続方法を示している。この場合、システムはスイッチ10を含み、通常の制御ルーチンは変更される。初期状態において、スイッチ10のB側は閉じられる。メインバッテリ6が正常状態であり且つ外部バッテリ9が接続されていない場合、ECU8が始動指示を送信すると、電力は全く供給されない。この場合、ECU8は外部バッテリが接続されていないことを確認できる。ECU8は、引き続いてスイッチ10をそのA側で閉じて、再始動指示を発する。補助バッテリ5の電圧を特定し、容量が電力供給に充分であることを確認し、スイッチ10をA側で閉じるといった方法もある。
【0036】
次いで、外部バッテリ9が接続されたときに初期始動指示によって始動が開始する。ECU8は、外部バッテリ9を識別し、エンジン始動を確認した後で、スイッチ10をA側に切り替える。こうしてシステムは、その外部バッテリ9が接続解除されたとしても機能を正常に続行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
本発明の第1実施例による車両駆動システムのブロック図である。
【図2A】
図1の第1実施例の作用を概略的に示すタイムチャートである。
【図2B】
第1実施例の制御フローチャートである。
【図2C】
第1実施例の制御フローチャートである。
【図2D】
図2Aに類似する、放電支援モードのタイムチャートである。
【図3A】
本発明による外部電力供給及び始動システムの第1実施例のブロック図である。
【図3B】
本発明による外部電力供給及び始動システムの第2実施例のブロック図である。
Claims (17)
- 車両駆動システムであって、
エンジンと、
前記エンジンとモータとによって駆動されるエンジン駆動軸と、
前記モータを、駆動、再発電又は発電モードで動作させるよう前記モータと作用的に連携する第1コントローラと、
前記モータを駆動するため前記モータに電圧を供給するとともに、第1の電圧を供給する第1電源と、前記第1電圧より値の低い第2電圧を電気負荷に対して供給する第2の電源とを有するメインバッテリと、
前記第2電源と前記第1コントローラとの間に接続されるとともに、前記第2電源に供給される電圧を制御し、前記第2電源が前記電気負荷に対して前記第2電圧を常時供給するようにするDC/DCコンバータと、
前記DC/DCコンバータに接続されるとともに、前記DC/DCコンバータのオン/オフの切り替えを行い、前記モータを前記駆動、再発電又は発電モードで動作させるよう前記第1コントローラに働きかける第2コントローラと、
を備える車両駆動システム。 - 前記第2コントローラは、前記DC/DCコンバータをオフに切り替えて、前記第1コントローラに前記モータを再発電モードで動作させ、前記車両がアイドルストップ状態であると前記第2コントローラが決定したときに、前記メインバッテリ及び前記DC/DCコンバータを充電する、請求項1に記載の車両駆動システム。
- 前記第2コントローラは、前記DC/DCコンバータをオフに切り替えて、前記モータ・コントローラに前記モータを駆動モードで動作させ、前記車両が高負荷駆動状態であることを前記第2コントローラが決定したときに、前記エンジンの前記駆動軸を駆動する、請求項2に記載の車両駆動システム。
- 前記第2コントローラが、前記DC/DCコンバータをオンに切り替えて、前記第1コントローラに前記モータを発電モードで動作させ、前記車両が低負荷駆動状態であることを前記第2コントローラが決定したときに、前記メインバッテリを所定値の電圧に充電する、請求項3に記載の車両駆動システム。
- 前記第2コントローラが、前記DC/DCコンバータをオンに切り替えて、前記メインバッテリが放電状態であると決定したときに、前記第1電源に前記第2電源へ電圧を供給させる、請求項3に記載の車両駆動システム。
- 前記第2コントローラが、前記DC/DCコンバータをオンに切り替えて、前記第1電源が過剰充電されていると決定したときに、前記第1電源に前記第2電源へ電圧を供給させる、請求項3に記載の車両駆動システム。
- 前記第2コントローラが、前記DC/DCコンバータをオンに切り替えて、前記第1コントローラに前記モータを発電モードで動作させ、前記第1電源が前記モータ車両へ電圧を供給していないことを前記第2コントローラが決定したときに、前記第2電源へ電圧を供給する、請求項3に記載の車両駆動システム。
- 前記第2電源と接続された外部バッテリを含み、前記第1電源が逆転されたその極性を有して、電流が前記外部バッテリから前記モータ車両へ流れることを可能としている、請求項1に記載のシステム。
- 前記第1コントローラへ電圧を供給すべく前記DC/DCコンバータと接続された外部バッテリと、
前記外部バッテリ及び前記第2コントローラの間に接続されたスイッチと、
を含み、
前記外部バッテリの前記DC/DCコンバータとの接続を解除する開成位置と、前記外部バッテリの前記DC/DCコンバータとの接続を為す閉成位置とを前記スイッチが有しており、
前記第2コントローラが前記メインバッテリから所定値の電圧を検出したときに、前記スイッチが閉成位置になることから成る、請求項1に記載のシステム。 - 前記第2コントローラが前記メインバッテリの前記第1電源から所定値の電圧を検出したときに、前記スイッチが閉成位置になる、請求項9に記載のシステム。
- 自動車用メインバッテリのバッテリ・エネルギーを管理する方法であって、前記自動車が、駆動軸を有するエンジンと、前記駆動軸に連結されたモータと、前記モータを駆動、再発電又は発電モードで動作させるべく前記モータと作用的に連携する第1コントローラと、を含み、前記メインバッテリが、前記モータに電力供給して、前記モータに前記駆動軸を駆動させるようにするため前記モータに電気エネルギーを供給するように動作でき、前記メインバッテリが、第1電圧を供給する第1電源と、前記第1電圧よりも低い値の第2電圧を供給する第2電源とを有する、バッテリ・エネルギー管理方法において、
前記自動車がアイドルストップ状態であることを決定するステップと、
前記車両が前記アイドルストップ状態であると決定されたときに前記メインバッテリを充電するステップと、
前記自動車が始動状態であることを決定するステップと、
前記自動車が高負荷駆動状態であると決定されたときに、前記自動車の駆動をアシストするよう前記モータを動作させるステップと、
前記バッテリの前記電圧をモニタするステップと、
前記バッテリの電圧が所定値未満であると決定されたときに、前記モータを発電モードで動作させるステップと、
前記自動車が低負荷駆動状態であることを決定するステップと、
前記自動車が低負荷駆動状態であると決定されたときに、前記モータを再発電モードで動作させるステップと、
から成る管理方法。 - 前記バッテリの電圧が所定値以上であると決定されたときに、前記バッテリを放電するステップを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記第1電源から前記第2電源に電圧を供給するステップを含む、請求項12に記載の方法。
- 前記第1電源が電圧を供給していないことを決定し、前記第1電源が電圧を供給していないと決定されたときに前記第2電源に電圧を供給するするステップを含む、請求項11に記載の方法。
- 車両駆動システムであって、
駆動軸を有するエンジンと、
前記駆動軸に接続されたモータと、
前記モータと作用的に連携して前記モータを駆動、再発電又は発電モードで動作させる第1制御手段と、
前記駆動軸を駆動するため前記モータに電圧を供給するとともに、第1電圧を供給する第1電源と、前記第1電圧より値の小さい第2電圧を電気負荷に対して供給する第2電源とを有するメインバッテリと、
前記第2電源と前記第1コントローラとの間に接続されて、前記第2電源が前記電気負荷に対する前記第2電圧を常時供給するように前記第2電源に供給される電圧を制御する電圧変換手段と、
前記電圧変換手段に接続されて、前記定電圧変換手段のオン/オフを切り替え、前記モータを前記駆動、再発電又は発電モードで動作させるよう前記第1コントローラに働きかける第2制御手段と、
を備える車両駆動システム。 - エンジンと前記エンジンの駆動軸に連結されたモータとを備える車両駆動装置であって、共通して使用される12Vバッテリがウルトラキャパシタ或は異なるタイプの低容量バッテリと直列に接続されて、2つの異なる供給電圧を有する電気的構成要素が12V或はより高いメイン電源を含む単一バッテリによって電力供給されることを可能としていることを特徴とすると共に、各種電気装置に対する12Vバッテリ・ユニットが、前記メインバッテリを通過するルートと、前記DC/DCコンバータから来るルートとの2つのルートを介して充電されることを特徴とする車両駆動装置。
- 前記モータが、前記バッテリ状態に従った前記DC/DCコンバータ及び前記モータ・コントローラの協働的制御による制御方式で停止され、始動され、そして、再発電されることを特徴とする共に、前記メインバッテリが劣化或は満了した際に始動が為され得て、14V或はそれ以上のメイン供給電圧に定格が定められたモータがスタータ機能を提供することになる車両駆動装置へ別個の14Vスタータを提供する必要性を排除していることを特徴とする、請求項16に記載のシステム。
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