JP6319558B2 - 車両用電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、エンジンを備える車両に搭載される第1の蓄電池及び第2の蓄電池を備える車両用電池システムに関し、特に、オルタネータの発電による第1の蓄電池及び第2の蓄電池の充電に関する。
自動車等の車両には、ヘッドライト、スモールライト、ブレーキランプ、室内灯等のランプ類や、パワーウィンドウ、ワイパー、空調機器やラジエータのファン等の駆動モータ、エンジンの始動時のスタータ、オーディオ、ナビゲーション装置等の各種電気機器(電気負荷)が搭載されている。そして、これらの電気負荷により消費される電力は、充放電可能な蓄電池により供給されている。また車両には、エンジンにより駆動されるオルタネータ(発電機)が備えられており、蓄電池はこのオルタネータによって発電した電力により適宜充電されるようになっている。
また近年は、電気負荷の増加や、車両の燃費向上を図るために、複数の蓄電池を搭載した車両が実用化されてきている。例えば、エンジンを始動させるためのスタータを含む電気負荷に電力を供給するための鉛電池である第1の蓄電池と、第1の蓄電池とは並列に接続された第2の蓄電池と、を備えるようにしたものがある。
このような第1の蓄電池と第2の蓄電池とを備えた車両用電池システムでは、第1及び第2の蓄電池の充電が同時に行われることがある。具体的には、例えば、オルタネータ及び鉛蓄電池(第1の蓄電池)と、リチウムイオン蓄電池(第2の蓄電池)とを接続する接続配線にリレーなどの開閉手段を配置し、開閉手段の開閉により、リチウムイオン蓄電池からの充電や放電を制御している(特許文献1参照)。
特開2013−198318号公報
このように第1の蓄電池と第2の蓄電池とを同時に充電する場合、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等で構成される第2の蓄電池は、過充電状態になってしまう虞がある。例えば、オルタネータの発電量が、第1の蓄電池の充電に必要な第1の充電電圧と、第2の蓄電池の充電に必要な第2の充電電圧との高い方の電圧に応じて決定される場合、車両の運転状態や環境状態によって第1の充電電圧が第2の充電電圧よりも高くなり、第2の蓄電池が過充電状態になる虞がある。
そして、ニッケル水素電池等で構成される第2の蓄電池は、このように過充電状態では、劣化の進行が早まるという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、第2の蓄電池の劣化の進行を抑制することができる車両用電池システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の第1の態様は、エンジンを始動するためのスタータに電力を供給する第1の蓄電池と、前記第1の蓄電池と並列に接続されて内部開閉手段を有する第2の蓄電池と、前記第1の蓄電池及び前記第2の蓄電池に接続され、前記エンジンの駆動により発電するオルタネータと、を備える車両用電池システムであって、前記第1の蓄電池及び前記第2の蓄電池の充電状態を検出する充電状態検出手段と、前記充電状態検出手段の検出結果に基づいて前記オルタネータの発電状態及び前記内部開閉手段の開閉状態を制御する充電制御手段と、前記第1の蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、を有し、前記充電制御手段は、前記第1の蓄電池を予め設定された充電終了閾値に達するまで充電するのに必要な第1の充電電圧と前記第2の蓄電池を予め設定された充電終了閾値に達するまで充電するのに必要な第2の充電電圧とのうち高い方の電圧に合わせて前記オルタネータの発電状態を制御するが、前記第1の充電電圧に合わせて前記オルタネータの発電状態を制御する場合、前記充電状態検出手段によって前記第2の蓄電池の充電率が予め設定された第1の閾値以上になったことが検出されると、前記オルタネータの発電状態を制御して発電量を低下させ、更に前記温度検出手段によって前記第1の蓄電池の温度が所定温度以下であることが検出された場合に、前記オルタネータの発電状態を制御して発電量を低下させることを特徴とする車両用電池システムにある。
かかる第1の態様では、第2の蓄電池の充電率の過度な上昇が抑えられ、過充電による第2の蓄電池の劣化を抑制することができる。さらに、第1の蓄電池の充電効率の低下を抑えつつ、第2の蓄電池の充電率の過度の上昇も効果的に抑制することができる。
本発明の第2の態様は、第1の態様の車両用電池システムにおいて、前記充電制御手段は、前記オルタネータの発電状態を制御して発電量を低下させる際、前記第2の充電電圧に合わせた発電量となるようにすることを特徴とする車両用電池システムにある。
かかる第2の態様では、過充電による第2の蓄電池の劣化の進行をより効果的に抑制することができる。
本発明の第の態様は、第1又は2の態様の車両用電池システムにおいて、前記充電制御手段は、前記オルタネータの発電状態を制御して発電量を低下させた後、当該第2の蓄電池の充電率がさらに所定値だけ上昇すると、前記内部開閉手段を開状態に制御することを特徴とする車両用電池システムにある。
かかる第の態様では、過充電による第2の蓄電池の劣化をより確実に抑えることができる。また内部開閉手段を適切なタイミングで開状態に制御でき、内部開閉手段の作動回数を極力少なく抑えることができる。
以上説明したように、かかる本発明では、過充電による第2の蓄電池の劣化の進行を効果的に抑制することができる。
本発明の一実施形態に係る車両用電池システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る車両用電池システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態に係る充電制御の一例を示すフローチャートである。
以下、本発明の一実施形態に係る車両用電池システムについて、図面を参照して詳細に説明する。
図1に示すように、本実施形態に係る車両用電池システム10は、車両に搭載されている各種電気負荷に電力供給するものであり、第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12の2つの蓄電池を備えている。第1の蓄電池11は鉛電池で構成され、第2の蓄電池12は、ニッケル水素電池、或いはリチウムイオン電池等で構成される。本実施形態に係る第2の蓄電池12は、電池セルユニット13を備え、図示は省略するが、この電池セルユニット13は、複数個、例えば、10個程度の電池セル(ニッケル水素電池)が直列に接続されて構成されている。
これら第1の蓄電池11と第2の蓄電池12とは並列に接続されている。具体的には、車両用電池システム10は、第1の蓄電池11を含む第1の電気回路14と、第2の蓄電池12を含む第2の電気回路15と、を有し、これら第1の電気回路14と、第2の電気回路15とは接続配線16を介して接続されている。
第1の電気回路14には、第1の蓄電池11と共に、エンジン17により駆動されて発電するオルタネータ(発電機)18と、エンジン17を始動させるためのスタータ19と、第1の電気負荷20とを並列に接続することで構成されている。また第1の電気回路14には、第1の蓄電池11の充電状態、例えば、充電率(SOC)や温度等を検出するバッテリセンサ(第1の充電状態検出手段)21が設けられている。なお第1の電気負荷20とは、エンジン17の始動時に再起動が行われても構わない電気負荷、すなわち車両の走行中に電力が供給されれば問題ない電気負荷であり、例えば、車両のヘッドランプやヒータ等が挙げられる。
一方、第2の電気回路15は、第2の蓄電池12と、第2の電気負荷22とを並列に接続することで構成されている。第2の電気負荷22とは、第1の電気負荷20とは逆に、エンジン17の始動時に再起動が行われない方が好ましい電気負荷であり、例えば、カーナビゲーション装置や、オーディオ等が挙げられる。なお各種電気負荷の第1の電気負荷20と第2の電気負荷22との切り分けは、上述したものに限定されず、必要に応じて適宜設定されればよい。
そして、このような第1の電気回路14と第2の電気回路15とを接続する接続配線16には、第2の電気回路15側から第1の電気回路14側への電気の流れを遮断可能な外部リレーユニット(外部開閉手段)23が設けられている。外部リレーユニット23は、スイッチ部23aと共に、ダイオードで構成される整流部23bを備えている。
図1に示すようにスイッチ部23aが閉状態(接続状態)である場合には、第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12の充電状態やオルタネータ18の発電状態、第1の電気負荷20及び第2の電気負荷22で消費される消費電力量等に応じて、第1の電気回路14側から第2の電気回路15側への電気の流れも、第2の電気回路15側から第1の電気回路14側への電気の流れも生じ得る。すなわち、第1の蓄電池11或いはオルタネータ18から第2の電気負荷22に電力が供給されることもあるし、第2の蓄電池12から第1の電気負荷20に電力が供給されることもある。
例えば、エンジン17が運転中で第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12の充電量が十分であるときには、スイッチ部23aは閉状態に制御される。この状態では、第1の蓄電池11だけでなく第2の蓄電池12からも第1の電気負荷20に対して電力が供給される。これにより、オルタネータ18の発電量を抑制でき、それに伴い燃費の向上を図ることができる。
一方、図2に示すように、スイッチ部23aが開状態(切断状態)である場合、第2の電気回路15側から第1の電気回路14側への電気の流れのみが遮断される。すなわち外部リレーユニット23が備える整流部23bによって、図中矢印で示すように第1の電気回路14側から第1の電気回路14側への電気の流れが維持される。したがって、この状態では、第2の電気負荷22に対しては、第2の蓄電池12と共に、第1の蓄電池11或いはオルタネータ18から電力が供給されることはあるが、第1の電気負荷20に対しては、第1の蓄電池11或いはオルタネータ18から電力が供給され、第2の蓄電池12から電力が供給されることはない。
さらに、第2の蓄電池12は、例えば、機械式の内部リレー(内部開閉手段)24を備え、電池セルユニット13と接続配線16との接続状態をこの内部リレー24によって適宜切り替えられるように構成されている。なお、内部開閉手段24は、機械式リレーの他、半導体リレー等で構成されていてもよい。
これら外部リレーユニット23及び内部リレー24は、ECU25からの信号に基づいて、バッテリ制御部(BMU)26によって適宜制御される。なお、このBMU26は、第2の蓄電池12を構成する電池セルユニット13の充電状態等を検出するバッテリセンサや、外部リレーユニット23及び内部リレー24を制御するためのコントロールユニット(図示は省略)等で構成される。またBMU26は、本実施形態では、第2の蓄電池12が備えているが、第2の蓄電池12とは別途設けられていてもよい。
ECU(電子制御ユニット)25は、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類を備え、各種センサ類からの情報に基づいて、オルタネータ18やスタータ19等を含むエンジン17の総合的な制御を行うものである。
このECU25は、本実施形態に係る車両用電池システム10の一部を兼ねている。そしてECU25は、例えば、上述のようにBMU26を介して外部リレーユニット23及び内部リレー24の開閉状態を制御すると共にオルタネータ18の発電状態(発電量)を適宜制御する。これにより、各種電気負荷に所望の電力を供給しつつ、第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12の充電状態(充電率)を適宜制御している。
以下、車両用電池システム10における蓄電池の充電状態の制御(充電制御)の一例について説明する。
ECU25は、第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12の充電状態(充電率)を制するための手段として、充電制御手段27を備えている。
充電制御手段27は、第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12の充電状態(充電率)に応じてオルタネータ18の発電量を制御して第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12の充電を実行する。本実施形態では、バッテリセンサ(第1の充電状態検出手段)21によって第1の蓄電池11の充電状態が検出され、BMU(第2の充電状態検出手段)26によって第2の蓄電池12の充電状態が検出される。バッテリセンサ21は、本実施形態では、第1の蓄電池11の温度を検出する温度検出手段としての機能を兼ね備える。そして、充電制御手段27は、これらバッテリセンサ21及びBMU26による検出結果の他、車両の運転状態、環境状態等に基づいて、オルタネータ18による発電量が所望の値となるようにエンジン17の駆動を適宜制御する。
なおバッテリセンサ21は、第1の蓄電池11の温度を直接検出してもよいが、例えば、外気温を検出し、この外気温に基づいて第1の蓄電池11の温度を推定するようにしてもよい。
充電制御手段27は、第1の蓄電池11又は第2の蓄電池12が放電気味になると、即ち、第1の蓄電池11又は第2の蓄電池12の充電率(SOC)が充電開始閾値以下になると、オルタネータ18の発電を開始して第1の蓄電池11又は第2の蓄電池12の充電を開始する。そして、充電終了閾値に達した時点でオルタネータ18の発電を終了する。
なお、上記充電開始閾値及び充電終了閾値は各蓄電池11,12の特性等に応じて適宜決定される。本実施形態では、第1の蓄電池11の充電開始閾値は90%,充電終了閾値は95%として設定し、第2の蓄電池12の充電開始閾値は30%、充電終了閾値は50%として設定している。
通常時、充電制御手段27は、第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12を充電する際、内部リレー24を接続状態とする(図1参照)。この状態では、図中に矢印で示すように、オルタネータ18で発電された電力が第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12に供給され、各蓄電池11,12が同時に充電されることになる。
その後、第1の蓄電池11又は第2の蓄電池12の充電率(SOC)が充電終了閾値以上となると、エンジン17によるオルタネータ18の発電量を抑制し、各蓄電池11,12の充電を終了する。なお、上述の「通常時」とは、第1の蓄電池11又は第2の蓄電池12が放電気味である状態、すなわち第1の蓄電池11又は第2の蓄電池12の充電率が充電開始閾値以下の状態であり、第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12の充電率が充電終了閾値よりも低い状態をいう。
上述のように充電制御手段27は、通常時には、第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12を同時に充電すべく、オルタネータ18の発電量を適宜制御するが、以下に説明するように、第2の蓄電池12の充電状態(充電率)等によっては、第2の蓄電池12の充電を中断する。
第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12を充電する際には、オルタネータ18の発電量は、第1の蓄電池11の充電に必要な第1の充電電圧(電力)と、第2の蓄電池12の充電に必要な第2の充電電圧(電力)との大きい方の値に応じて決定される。この値は、多くの場合、第1の充電電圧よりも第2の充電電圧の方が高いため、オルタネータ18の発電量は第2の充電電圧に応じて決定される。このため、第2の蓄電池12が過充電状態になることはない。ただし、例えば、第1の蓄電池11の温度が極低温(例えば、−20℃程度以下)まで低くなった場合等には、第1の蓄電池11の充電受入性が低下し、第2の充電電圧よりも第1の充電電圧の方が高くなることがある。このような場合、第2の充電電圧よりも高い第1の充電電圧に応じてオルタネータ18の発電量が決定されるため、第2の蓄電池12が過充電状態(例えば、SOCが80%以上)となってしまう虞がある。そして、第2の蓄電池12は、過充電状態が続くことで劣化の進行が早まってしまう虞がある。
そこで、本実施形態に係る充電制御手段27は、このような第2の蓄電池12の過充電状態を解消すべく、オルタネータ18の発電状態及び内部リレー24の開閉状態を適宜制御している。具体的には、充電制御手段27は、第1の充電電圧に合わせてオルタネータの発電状態(発電量)を制御する場合、BMU26によって第2の蓄電池12の充電率が第1の閾値(例えば、60%程度)以上であることが検出されると、まずは、オルタネータ18の発電状態を制御して発電量を低下させる。なお、第1の閾値は充電終了閾値と等しい値として設定してもよい。
また上述したように、第2の蓄電池12の過充電は、例えば、第1の蓄電池11の温度が極低温である場合に起こり易い。このため、充電制御手段27は、上記条件を満たし、さらに、バッテリセンサ21によって第1の蓄電池11の温度が所定温度(例えば、−20℃)以下であることが検出された場合に、オルタネータ18の発電状態を制御して発電量を低下させるようにしてもよい。
このようにオルタネータ18の発電量を低下させることで、第2の蓄電池12が過充電状態となることを抑制することができ、第2の蓄電池12の劣化の進行を遅らせることができる。
このとき低下させる発電量は、第2の蓄電池12の特性等に応じて、第2の蓄電池12が過充電状態とならないように適宜決定すればよいが、例えば、充電制御手段27によって発電状態が制御された後のオルタネータ18の発電量が、第2の充電電圧に応じた値となるようにすることが好ましい。これにより、第1の蓄電池11の充電効率の低下を抑えつつ、第2の蓄電池12の劣化を抑制することができる。
さらに本実施形態では、充電制御手段27は、BMU26によって第2の蓄電池12の充電率が上述した第1の閾値以上になったことが検出された後、第2の蓄電池12の充電率がさらに所定値上昇すると、内部リレー24を開状態に制御する。上述のようにオルタネータ18の発電量を低下させたにも拘わらず、例えば、車両の運転状態の変化、或いはオルタネータ18の故障等によって、第2の蓄電池12の充電率が上昇することが想定される。このような場合には、充電制御手段27は、第2の蓄電池12の充電率が、所定値、例えば、2%程度上昇すると、内部リレー24を開状態に制御する。
これにより、オルタネータ18の故障等が生じた場合でも、第2の蓄電池12の過充電を抑制することでき、それに伴う第2の蓄電池12の劣化も抑制することができる。またこのようなタイミングで内部リレー24を開状態に制御することで、第2の蓄電池12の劣化を抑制しつつ、内部リレー24の作動回数を極力少なく抑えることができる。
内部リレー24を開閉する際には、比較的大きい音が発生するため、内部リレー24の開閉制御が頻繁に行われると、乗員に不快感を与えてしまう虞がある。特に、第2の蓄電池12が車両のフロア下に配置されている場合には、乗員に不快感を与えやすい。しかしながら、上述のように内部リレー24の作動回数を極力少なく抑えることで、乗員の不快感も最小限に抑えることができる。
以下、図3のフローチャートを参照して、本実施形態の充電制御の一例についてさらに説明する。
まずステップS1で、第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12の充電状態が放電気味であるか否かを判定する。具体的には、第1の蓄電池11の充電率(SOC)が充電開始閾値(例えば、90%)以下であり、且つ第2の蓄電池12の充電率が充電開始閾値(例えば、30%)以下であるか否かを判定する。ここで、第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12の充電状態が放電気味である場合には(ステップS1:Yes)、例えば、アイドリング状態におけるエンジン17の回転数を制御して、オルタネータ18の発電量を増加させることで、第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12の充電を開始する(ステップS2)。
次に、ステップS3で第1及び第2の蓄電池11,12の充電率が充電終了閾値以上となったか否かを判定する。具体的には、第1の蓄電池11の充電率が95%よりも高く且つ第2の蓄電池12の充電率が50%よりも高いか否かを判定する。両蓄電池11,12の充電率が充電終了閾値に達していない場合には(ステップS3:No)、ステップS4で第2の蓄電池12の充電率が第1の閾値(例えば、60%)以上であるか否かを判定する。第2の蓄電池12の充電率が第1の閾値以上である場合、すなわち第1の蓄電池11の充電率が充電終了閾値よりも小さく且つ第2の蓄電池12の充電率が第1の閾値以上である場合には(ステップS4:Yes)、ステップS5でオルタネータ18による発電量を適宜調整する。すなわち第2の蓄電池12の充電率の上昇を抑制するように、オルタネータ18の発電量を必要に応じて適宜減少させる。例えば、上述のように第1の蓄電池11が極低温でありオルタネータ18の発電量を第1の充電電圧に基づいて制御している場合に、オルタネータ18の発電量を適宜減少させる。
なおステップS4で第2の蓄電池12の充電率が第1の閾値よりも小さい場合(ステップS4:No)には、ステップS3に戻り、両蓄電池11,12の充電をそのまま継続する。
ステップS5でオルタネータ18の発電量を調整した後は、ステップS6で、第2の蓄電池12の充電率がさらに所定値(例えば、2%)上昇したか否かを判定する。第2の蓄電池12の充電率が所定値上昇していない場合には(ステップS6:No)、ステップS3に戻る。例えば、車両の運転状態の変化等に起因して、第2の蓄電池12の充電率が所定値上昇した場合には(ステップS6:Yes)、ステップS7で内部リレー24を開状態に制御した後、ステップS3に戻る。その後、両蓄電池11,12の充電率が充電終了閾値以上であることが検出されると(ステップS3:Yes)、ステップS8でオルタネータ18の発電量を通常時に戻し、一連の充電制御を終了する。なおその際、内部リレー24が閉状態であれば、内部リレー24を閉状態に制御して、充電制御を終了する。
このように、第1の蓄電池11及び第2の蓄電池12を充電する際、オルタネータ18の発電状態及び内部リレー24の開閉状態を適宜制御することで、第2の蓄電池12が過充電状態となることを抑制することができ、第2の蓄電池12の劣化の進行を遅らせることができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能なものである。
10 車両用電池システム
11 第1の蓄電池
12 第2の蓄電池
13 電池セルユニット
14 第1の電気回路
15 第2の電気回路
16 接続配線
17 エンジン
18 オルタネータ
19 スタータ
20 第1の電気負荷
21 バッテリセンサ
22 第2の電気負荷
23 外部リレーユニット
23a スイッチ部
23b 整流部
24 内部リレー
25 ECU
26 BMU
27 充電制御手段

Claims (3)

  1. エンジンを始動するためのスタータに電力を供給する第1の蓄電池と、
    前記第1の蓄電池と並列に接続されて内部開閉手段を有する第2の蓄電池と、
    前記第1の蓄電池及び前記第2の蓄電池に接続され、前記エンジンの駆動により発電するオルタネータと、
    を備える車両用電池システムであって、
    前記第1の蓄電池及び前記第2の蓄電池の充電状態を検出する充電状態検出手段と、
    前記充電状態検出手段の検出結果に基づいて前記オルタネータの発電状態及び前記内部開閉手段の開閉状態を制御する充電制御手段と、
    前記第1の蓄電池の温度を検出する温度検出手段と、
    を有し、
    前記充電制御手段は、
    前記第1の蓄電池を予め設定された充電終了閾値に達するまで充電するのに必要な第1の充電電圧と前記第2の蓄電池を予め設定された充電終了閾値に達するまで充電するのに必要な第2の充電電圧とのうち高い方の電圧に合わせて前記オルタネータの発電状態を制御するが、
    前記第1の充電電圧に合わせて前記オルタネータの発電状態を制御する場合、前記充電状態検出手段によって前記第2の蓄電池の充電率が予め設定された第1の閾値以上になったことが検出されると、前記オルタネータの発電状態を制御して発電量を低下させ
    更に前記温度検出手段によって前記第1の蓄電池の温度が所定温度以下であることが検出された場合に、前記オルタネータの発電状態を制御して発電量を低下させる
    ことを特徴とする車両用電池システム。
  2. 請求項1に記載の車両用電池システムにおいて、
    前記充電制御手段は、
    前記オルタネータの発電状態を制御して発電量を低下させる際、前記第2の充電電圧に合わせた発電量となるようにする
    ことを特徴とする車両用電池システム。
  3. 請求項1又は2に記載の車両用電池システムにおいて、
    前記充電制御手段は、
    前記オルタネータの発電状態を制御して発電量を低下させた後、当該第2の蓄電池の充電率がさらに所定値だけ上昇すると、前記内部開閉手段を開状態に制御する
    ことを特徴とする車両用電池システム。
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