JP2016047707A

JP2016047707A - 電源装置

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Publication number: JP2016047707A
Application number: JP2014173883A
Authority: JP
Inventors: 名手　洋; Hiroshi Nate; 洋名手
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-08-28
Filing date: 2014-08-28
Publication date: 2016-04-07
Anticipated expiration: 2034-08-28
Also published as: EP2991191A1; CA2902084A1; CN105383421A; JP6379866B2; CN105383421B; US20160059722A1; KR20160026734A; US9718369B2

Abstract

【課題】車両の電源装置を構成するバッテリの劣化を抑制する。【解決手段】電源装置（１００）は、車両に搭載された複数の負荷機器各々と電気的に接続されると共に、該複数の負荷機器各々に対して電力を供給する第１バッテリ（１１）と、該第１バッテリ及び複数の負荷機器各々と、スイッチ（ＳＷ１）を介して電気的に接続され、複数の負荷機器各々に対して電力を供給可能な第２バッテリ（１２）と、複数の負荷機器のうち高負荷機器（２１）が作動していないことを条件に、スイッチをオフ状態として、第２バッテリと複数の負荷機器各々との間の電気的接続を切断する制御手段（１３）と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載された発電機により充電されるバッテリを備え、該車両に搭載された複数の負荷機器に対し電力を供給する電源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、複数の電気二重層キャパシタからなる蓄電装置とが互いに電気的に並列に接続された装置が提案されている。ここでは特に、例えばスタータ、パワーステアリング装置等の電気的負荷容量が比較的大きい高負荷機器と、上記蓄電装置とをＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気的に接続する第１経路と、上記高負荷機器と上記蓄電装置とをＤＣ／ＤＣコンバータを介さずに電気的に接続する第２経路と、第１経路及び第２経路各々をオン／オフするスイッチとが設けられている。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷が許容範囲内の場合には、第１経路を用いて上記高負荷機器に電力を供給し、ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷が許容値以上の場合には、第１経路をオフ状態とすると共に第２経路を用いて上記高負荷機器に電力を供給することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ及び第２経路を保護する技術が開示されている。

特開２０１２−２４０５９３号

しかしながら、上述の背景技術によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷状況によっては、蓄電装置と高負荷機器とが比較的長い時間電気的に接続され、該蓄電装置の充放電量が比較的大きくなることに起因して、該蓄電装置の劣化が早まる可能性があるという技術的問題点がある。該技術的問題点は、蓄電装置として、例えばニッケル水素電池等の蓄電池を用いた場合に顕著である。

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、電源装置を構成するバッテリの劣化を抑制することができる電源装置を提供することを課題とする。

本発明の電源装置は、上記課題を解決するために、車両に搭載された複数の負荷機器各々と電気的に接続され、前記複数の負荷機器各々に対して電力を供給する第１バッテリと、前記第１バッテリ及び前記複数の負荷機器各々と、スイッチを介して電気的に接続され、前記複数の負荷機器各々に対して電力を供給可能な第２バッテリと、前記複数の負荷機器のうち、基準消費電力が電力閾値以上の負荷機器である高負荷機器が作動していないことを条件に、前記スイッチをオフ状態とする制御手段と、を備える。

本発明の電源装置によれば、当該電源装置は、第１バッテリ、第２バッテリ及び制御手段を備えて構成されている。

第１バッテリは、車両に搭載された、例えばライト、電動パワーステアリング装置、電動スタビライザ、ＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ：電子制御ユニット）等の電装品である複数の負荷機器に対して電力を供給する。第２バッテリは、スイッチがオン状態である場合に、複数の負荷機器に対して電力を供給可能である。

第１バッテリ及び第２バッテリは、電力を繰り返し充電及び放電することができるものであり、例えば鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池や、例えば電気二重層キャパシタ等のキャパシタを適用可能である。

例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる制御手段は、複数の負荷機器のうち高負荷機器が作動していないことを条件に、スイッチをオフ状態として、第２バッテリと複数の負荷機器各々との間の電気的接続を切断する。

本発明に係る「高負荷機器」は、基準消費電力が電力閾値以上の負荷機器を意味する。ここで、「電力閾値」は、実験的又は経験的に、或いはシミュレーションによって、例えば基準消費電力と一時的な電圧低下の程度との関係を求め、該求められた関係に基づいて、他の負荷機器に対する影響が許容可能な電圧低下の程度の最大値に対応する基準消費電力として、或いは、該基準消費電力よりも所定値だけ低い基準消費電力として、設定すればよい。

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、車両に高負荷機器が搭載されている場合、電圧安定化の観点から複数のバッテリ（本発明では、“第１バッテリ”及び“第２バッテリ”）から複数の負荷機器各々に対して電力が供給される。しかしながら、全てのバッテリを常時、複数の負荷機器各々と電気的に接続しておくと、バッテリの充放電の頻度が比較的高くなり、該バッテリが比較的早く劣化する可能性があるという技術的問題点がある。該問題点に対して、例えばバッテリを大型化することにより、充放電の頻度に耐えうる寿命を持たせることは可能であるが、例えば車両の製造コストや重量の増加を招くという技術的問題点がある。

そこで本発明では、上述の如く、複数の負荷機器のうち高負荷機器が作動していないことを条件に、制御手段により、スイッチがオフ状態とされ、第２バッテリと複数の負荷機器各々との間の電気的接続が切断される。

このため、例えば電動アクティブスタビライザ等の短期的に大電力を必要とする高負荷機器が作動する際には、複数のバッテリから電力を供給することによって、車両電源電圧の低下を防止することができる。他方で、高負荷機器が作動していない場合には、第２バッテリを、複数の負荷機器から電気的に切断することにより、該第２バッテリの充放電に起因する劣化を防止することができる。

本発明の電源装置の一態様では、前記高負荷機器は、電動アクティブスタビライザであり、前記制御手段は、横加速度が加速度閾値以上であることを条件に、前記スイッチをオン状態とする。

この態様によれば、高負荷機器である電動アクティブスタビライザの動作時には、該電動アクティブスタビライザに対し第１バッテリ及び第２バッテリの両方から電力を供給することができるので、車両電源電圧の低下を防止することができ、実用上非常に有利である。

本発明に係る「加速度閾値」は、スイッチをオン状態とするか否かを決定する値であり、予め固定値として、又は何らかの物理量若しくはパラメータに応じた可変値として設定されている。このような「加速度閾値」は、実験的又は経験的に、或いはシミュレーションによって、例えば横加速度と電動アクティブスタビライザの消費電力との関係を求め、該求められた関係に基づいて、電圧低下が生じると予測される消費電力に対応する横加速度よりも所定値だけ小さい横加速度として設定すればよい。

本発明の電源装置の他の態様では、前記第１バッテリと前記第２バッテリとは、互いにバッテリの種類が異なっており、前記第２バッテリは、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池又は電気二重層キャパシタである。

この態様によれば、交換費用が比較的高額となる第２バッテリの劣化を抑制して、該第２バッテリの寿命を延ばすことができるので、実用上非常に有利である。

本発明の電源装置の他の態様では、前記第１バッテリと前記第２バッテリとは、互いに電気的に並列に接続されている。

この態様によれば、スイッチがオン状態とされた場合に、第１バッテリ及び第２バッテリの両方から、高負荷機器に対して安定して電力を供給することができ、もって、該高負荷機器の安定した動作を確保することができる。

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。

第１実施形態に係る電源装置の概要を示す概略構成図である。電動アクティブスタビライザの動作時における消費電流の一例を示す図である。第１実施形態に係る電源制御処理を示すフローチャートである。第２実施形態に係る電源装置の概要を示す概略構成図である。

本発明の電源装置に係る実施形態を図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
本発明の電源装置に係る第１実施形態について、図１乃至図３を参照して説明する。

（電源装置の構成）
先ず、第１実施形態に係る電源装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る電源装置の概要を示す概略構成図である。当該電源装置は、自動車等の車両に搭載されている。

図１において、電源装置１００は、本発明に係る「第１バッテリ」の一例としての、鉛バッテリ１１と、本発明に係る「第２バッテリ」としての、ニッケル水素電池１２と、ＥＣＵ１３とを備えて構成されている。

鉛バッテリ１１及びニッケル水素電池１２各々は、オルタネータ（ＡＬＴ）の回生発電の電力により充電可能に構成されている。尚、オルタネータは、例えばハイブリッド車両等におけるモータ・ジェネレータとして構成されていてもよい。

鉛バッテリ１１及びニッケル水素電池１２は、スタータモータ、例えばウォータポンプ、ワイパ、ライト等の負荷、電動アクティブスタビライザ２１、冗長電源負荷等に電気的に接続されている。尚、ＥＣＵ１３も、鉛バッテリ１１及びニッケル水素電池１２に電気的に接続された負荷に含まれるが、説明の便宜上、図１に示すように該負荷とは別に記載している。

冗長電源負荷には、例えばブレーキ、シフトバイワイヤ、ナビゲーションシステム等、バックアップ電源を必要とする電装品が含まれる。電動アクティブスタビライザ２１は、本発明に係る「高負荷機器」の一例である。図１には明記していないが、本発明に係る「高負荷機器」の他の例としての、電動パワーステアリング装置、電子制御サスペンション、電動型制御ブレーキ等が、備えられていてもよい。

図１に示すように、ニッケル水素電池１２は、スイッチＳＷ１及びＳＷ２を介して、鉛バッテリ１１や電動アクティブスタビライザ２１等と電気的に接続されている。スイッチＳＷ１及びＳＷ２各々は、ＥＣＵ１３により制御される。

具体的には例えば、ＥＣＵ１３は、ニッケル水素電池１２の過放電時や過充電時、又は該ニッケル水素電池１２が劣化した場合に、スイッチＳＷ２をオフ状態とする。或いは、ＥＣＵ１３は、鉛バッテリ１１が故障した場合に、スイッチＳＷ１をオフ状態とすると共に、スイッチＳＷ２をオン状態として、ニッケル水素電池１２を冗長電源負荷のバックアップ電源として機能させる。

ここで、電動アクティブスタビライザ２１について、図２を参照して説明を加える。図２は、電動アクティブスタビライザの動作時における消費電流の一例を示す図である。

図２（Ａ）に示すように、車両の走行中に車線変更が行われた場合、該車両が曲がり始めると該車両には横加速度が加わる（図２（Ｂ）中段の時刻ｔ１以降参照）。車両に横加速度が加わると、電動アクティブスタビライザ２１が作動し、加わる横加速度の大きさに応じて消費電流が増加する（図２（Ｂ）上段参照）。

電動アクティブスタビライザ２１の消費電流は、車両に加わる横加速度の大きさにもよるが、例えば、時速６０ｋｍで走行中に０．７Ｇの横加速度が加わった場合、消費電流のピーク値は１８０Ａとなる。

ところで、電動アクティブスタビライザ２１のように、短期間に大電流を消費する装置が作動すると、電圧低下が生じ、他の電装品に影響が出るおそれがある。そこで、電圧安定化の観点から、車両電源として複数のバッテリを設ける技術が提案されている。他方で、当該電源装置１００のように、ニッケル水素電池を車両電源に用いる場合に、該ニッケル水素電池を、常時、オルタネータや電装品等に電気的に接続しておくと、充放電の頻度が比較的高くなることに起因して、該ニッケル水素電池が比較的早く劣化するおそれがある。ニッケル水素電池が劣化し交換が必要な場合、例えば交換費用は、鉛バッテリに比べて高額になるため、ユーザの負担を低減する観点からも、ニッケル水素電池の劣化が抑制されることが望ましい。尚、ニッケル水素電池に限らず、例えばリチウムイオン電池や電気二重層キャパシタ等についても同様のことが言える。

そこで本実施形態では、必要とされる電力を鉛バッテリ１１のみで賄える場合には、スイッチＳＷ１をオフ状態にして、ニッケル水素電池１２の劣化を抑制すると共に、必要とされる電力が比較的大きくなる場合には、スイッチＳＷ１をオン状態にして、鉛バッテリ１１及びニッケル水素電池１２から電力が出力されるようにしている。

具体的には、図２（Ｂ）において、車両に加わる横加速度が横加速度閾値以上となった場合（図２（Ｂ）の時刻ｔ２参照）、電動アクティブスタビライザ２１のピーク電流値が比較的大きくなると予測されるので、ＥＣＵ１３は、スイッチＳＷ１（図２における“バックアップリレー”に相当）をオン状態とする。この結果、鉛バッテリ１１及びニッケル水素電池１２の両方から、電動アクティブスタビライザ２１に電力が供給され、該電動アクティブスタビライザ２１の作動に起因する電圧低下を防止することができる。

（電源制御処理）
以上のように構成された電源装置１００において実施される電源制御処理について、図３のフローチャートを参照して説明する。

図３において、ＥＣＵ１３は、横加速度センサ２２の出力信号に基づいて、車両に横加速度閾値以上の横加速度が生じているか否かを判定する（ステップＳ１０１）。具体的にはＥＣＵ１３は、横加速度センサ２２の出力信号に基づく横加速度の絶対値が、横加速度閾値の一例としての“０．３Ｇ”や“０．５Ｇ”以上であるか否かを判定する。

横加速度閾値以上の横加速度が生じていると判定された場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１３は、スイッチＳＷ１（図３における“並列リレー”に相当）をオン状態にする（ステップＳ１０２）。この結果、電動アクティブスタビライザ２１に対し、鉛バッテリ１１及びニッケル水素電池１２の両方から電力が供給される。

他方、横加速度閾値以上の横加速度が生じていないと判定された場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、ＥＣＵ１３は、横加速度センサ２２の出力信号に基づいて、横加速度が一定時間生じていないか否かを判定する（ステップＳ１０３）。つまり、ＥＣＵ１３は、電動アクティブスタビライザ２１が一定時間作動していないか否かを判定する。

横加速度が一定時間生じていないと判定された場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、ＥＣＵ１３は、例えば電動パワーステアリング装置、電子制御サスペンション、電動型制御ブレーキ等の、電動アクティブスタビライザ２１以外の高負荷機器が作動していないことを条件に、スイッチＳＷ１をオフ状態とする（ステップＳ１０４）。

横加速度が生じなくなってから一定時間経過していないと判定された場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、ＥＣＵ１３は、一旦処理を終了する。

本実施形態に係る「ＥＣＵ１３」は、本発明に係る「制御手段」の一例である。つまり、本実施形態では、車両の各種電子制御用のＥＣＵ１３の機能の一部を、電源装置１００の一部として用いている。尚、電源装置１００には、ニッケル水素電池１２に代えて、リチウムイオン電池や電気二重層キャパシタ等が用いられてもよい。

＜第２実施形態＞
本発明の電源装置に係る第２実施形態について、図４を参照して説明する。第２実施形態では、鉛バッテリとニッケル水素電池との電気的な接続方法が異なる以外は、上述した第１実施形態と同様である。よって、第２実施形態について、第１実施形態と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図４を参照して説明する。

本実施形態に係る電源装置２００では、図４に示すように、ニッケル水素電池１２が、リレー回路を介して鉛バッテリ１１に電気的に直列に接続されている。ＥＣＵ１３は、必要とされる電力を鉛バッテリ１１のみで賄える場合には、リレー１をオフ状態にすると共にリレー２をオン状態として、ニッケル水素電池１２の劣化を抑制する。他方、電動アクティブスタビライザ２１の作動時等、必要とされる電力が比較的大きくなる場合には、リレー１をオン状態にすると共にリレー２をオフ状態として、鉛バッテリ１１及びニッケル水素電池１２から電力が出力されるようにする。

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…鉛バッテリ、１２…ニッケル水素電池、１３…ＥＣＵ、１００、２００…電源装置

Claims

車両に搭載された複数の負荷機器各々と電気的に接続され、前記複数の負荷機器各々に対して電力を供給する第１バッテリと、
前記第１バッテリ及び前記複数の負荷機器各々と、スイッチを介して電気的に接続され、前記複数の負荷機器各々に対して電力を供給可能な第２バッテリと、
前記複数の負荷機器のうち、基準消費電力が電力閾値以上の負荷機器である高負荷機器が作動していないことを条件に、前記スイッチをオフ状態とする制御手段と、
を備えることを特徴とする電源装置。
前記高負荷機器は、電動アクティブスタビライザであり、
前記制御手段は、横加速度が加速度閾値以上であることを条件に、前記スイッチをオン状態とする
ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記第１バッテリと前記第２バッテリとは、互いにバッテリの種類が異なっており、
前記第２バッテリは、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池又は電気二重層キャパシタである
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
前記第１バッテリと前記第２バッテリとは、互いに電気的に並列に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電源装置。