JP6428086B2 - 電源システムおよび自動車 - Google Patents
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Description
まず、本実施形態の電源システムに言及する前に、電源システムに関連するオルタネータ回生車両(μHEV)の主要構成について簡単に説明する。なお、μHEVとは、ISS機能を有し、オルタネータから供給される回生電力を受け入れ可能かつ放電負荷に放電可能な蓄電デバイスを備えたガソリン車またはディーゼル車をいう。
図1に示すように、オルタネータ回生車両20は、オルタネータ回生車両20全体の動作を制御する車両制御部(ECU)16を備えている。車両制御部16は、図示しないイグニッションスイッチ(以下、IGNと略称する。)が、OFF位置、ON/ACC位置、START位置のいずれに位置しているかを把握するとともに、アクセル、ブレーキ、エンジン等の作動状態、速度、加速度その他の車両状態を把握し、把握した状態に応じた走行制御を行う。また、車両制御部16は、電源システムの制御部と通信線18を介して通信し、電源システムを構成する蓄電デバイスの状態情報の報知を受けるとともに、電源システムの制御部に車両の状態情報(IGNの位置情報、オルタネータの作動情報)を報知する。なお、オルタネータの作動情報には、後述するように、回生開始情報、回生終了情報およびオルタネータ始動情報が含まれる。
また、オルタネータ回生車両20は、制動時やアクセルオフ時に図示を省略したエンジンの回転力を(回生)電力に変換するオルタネータ12を備えている。なお、後述するように、蓄電デバイス(後述するメイン電池1)の状態に応じて、回生電力受け入れ時以外にもオルタネータ12による発電がなされる場合がある。
さらに、オルタネータ回生車両20は、図示を省略したスタータ(セルモータ)および補機で構成される放電負荷14を有している。補機には、例えば、ランプ(ライト)、エンジンポンプ(スパークプラグ)、エアコン、ファン、ラジオ、テレビ、CDプレーヤー、カーナビゲーション等を挙げることができる。放電負荷14の他端はGNDに接続されている。上記補機は、作動するための最低電圧(例えば8V)をメイン電池またはサブ電池から供給されればよい。
次に、本実施形態の電源システム10について説明する。電源システム10は、例えば、図2に示すように、オルタネータ回生車両20のエンジンルームに搭載されるが、本発明はこれに限定されるものではない。
メイン電池1の電槽には、内部を仕切る隔壁によって6個のセル室を画定するモノブロック電槽が用いられている。モノブロック電槽の中央部の隔壁には上部側から略中央部までセンサ挿入孔が形成されている。センサ挿入孔にはメイン電池1の中央部の温度を検出するサーミスタ等の温度センサが挿入されており、温度センサは接着剤でセンサ挿入孔内に固定されている。
一方、サブ電池2は、例えば4V系リチウムイオン電池を複数本(本例では4本)直列に接続することで最上位電位側に正極端子、最下位電位側に負極端子を有して構成されており、負極端子はGNDに接続されている。また、これに代えて、近時研究・開発されている5V系リチウムイオン電池を複数本直列に接続して構成するようにしてもよい。さらに、負極活物質としてチタン酸リチウムを用いた2〜3V系リチウムイオン電池を複数本直列に接続して構成するようにしてもよい。サブ電池2を構成するリチウムイオン電池の本数は、リチウムイオン電池の仕様とオルタネータ12の出力電圧とで定められる。これらのリチウムイオン電池のうち中央部に配された1本のリチウムイオン電池の電池缶表面には、接着剤によりサーミスタ等の温度センサが固着されている。
図1に示すように、電源システム10は、メイン電池1およびサブ電池2の充放電電流を切り替えるセレクタ5(スイッチ手段)を備えており、セレクタ5の他側一端および他端はそれぞれメイン電池1およびサブ電池2の正極端子に接続されている。セレクタ5は、大電流が通電可能な複数のスイッチング素子(例えば、パワーMOSFET)で構成されている。ここで、セレクタ5の機能について説明すると、オルタネータ12から供給される回生電力を蓄電デバイスで受け入れる際に、オルタネータ12からメイン電池1およびサブ電池2のいずれか一方に接続するスイッチの役割を果たすとともに、蓄電デバイスから放電負荷14に放電する際に、メイン電池1およびサブ電池2のいずれか一方から放電負荷14に接続するスイッチの役割を果たす。なお、セレクタ5は、オルタネータ12/放電負荷14がメイン電池1およびサブ電池2のいずれにも接続されない状態「0」(図3(A)参照)、オルタネータ12/放電負荷14がメイン電池1に接続される状態「1」(図3(B)参照)、オルタネータ12/放電負荷14がサブ電池2に接続される状態「2」(図3(C)参照)のいずれかの状態を採る(メイン電池1とサブ電池2とが並列接続される状態は採らない。)。
I×t=Y×X×10−6[C]
Q=CVより、
Y×X×10−6=C(メイン電池1またはサブ電池2(切り替え前に接続されていた電池)の電圧−補機が作動するため最低電圧)
C=Y×X×10−6/(メイン電池1またはサブ電池2(切り替え前に接続されていた電池)の電圧−補機が作動するため最低電圧)[F]以上のキャパシタを使用することが好ましい。
また、図1に示すように、電源システム10は、メイン電池1、サブ電池2の電池状態をそれぞれ検出するメイン電池コントローラ3、サブ電池コントローラ4(以下、両者を総称する場合はコントローラ3、4という。)を備えている。コントローラ3、4は、充放電中(車両走行中および車両走行前)にそれぞれメイン電池1、サブ電池2の温度、電圧、電流等の電池状態を検出する。
図1に示すように、電源システム10は、メイン電池1およびサブ電池2の電池状態を演算するとともに、セレクタ5による電流切り替え動作を制御する制御部6(制御手段)を備えている。制御部6は、マイクロコントローラ(以下、マイコンという。)、通信IC、I/O、入力ポート、出力ポートを有するマイクロプロセッサとして構成されており、図1では、制御部6の役割を明確にするために機能別に細部を表している。
次に、本実施形態の電源システム10の動作について、制御部6のマイコンのCPU(以下、CPUと略称する。)を主体として説明する。
車両走行後の車両駐車開始時には、ドライバによりIGNがON/ACC位置からOFF位置に位置付けられ、イグニッションキーがIGNから引き抜かれる。車両制御部16はIGNを監視しており、IGNがOFF位置に位置付けられると、制御部6にその旨を報知する。
1.充放電時の一般制御
車両駐車後の車両走行前には、ドライバによりIGNにイグニッションキーが挿入され、IGNはOFF位置からON/ACC位置に位置付けられ、さらにON/ACC位置からSTART位置に位置付けられた後、再度ON/ACC位置に位置付けられる。車両制御部16はIGNが最初にON/ACC位置に位置付けられると、制御部6にその旨を報知する。報知を受けたCPUは、コントローラ3、4および制御部6を作動状態に移行させる。
本発明の充放電制御の特徴について一言すれば、オルタネータ12からの回生電力を蓄電デバイスで受け入れる際に、サブ電池2を使用上限SOCまで充電した後、メイン電池1を充電するようにセレクタ5を制御し、蓄電デバイスから放電負荷14に放電する際に、サブ電池2が予め定められたSOCとなるまで放電した後、メイン電池1から放電するようにセレクタ5を制御する点にあるが、詳しくは以下のとおりである。
CPUは、車両制御部16からオルタネータ12による回生電力の供給が開始することを表す回生開始情報の報知を受ける(受信する)と、原則として、サブ電池2を使用上限SOCまで充電するようにセレクタ5を制御する(セレクタ5に状態「2」を選択させる。)。オルタネータ12は上述したようにボルテージレギュレータを有しているため、サブ電池2は使用上限SOCまで定電圧充電される。ただし、サブ電池2が使用上限SOCとなる前に、車両制御部16からオルタネータ12による回生電力の供給が終了することを表す回生終了情報の報知を受けた(受信した)場合には、回生電力が供給されないため、その時点でサブ電池2への充電は打ち切られ直ちにサブ電池2から放電負荷14に放電するようにセレクタ5を制御する(セレクタ5に状態「2」を選択させたままの状態とする。)。
CPUは、車両制御部16から回生終了情報を受信すると、サブ電池2から放電負荷14に、原則として、サブ電池2が予め定められた第1のSOC(図6(A)参照。ただし、第1のSOC≧使用下限SOC)となるまで放電するように、セレクタ5を制御する(セレクタ5に状態「2」を選択させる。)。回生電力の利用効率を高めるために、この第1のSOCをサブ電池2の使用下限SOCとするようにしてもよい(以下では、使用下限SOCまで放電する例について説明する。)。ただし、サブ電池2が使用下限SOCとなる前に、車両制御部16から回生開始情報を受信した場合には、回生電力が供給されるため、その時点でサブ電池2から放電負荷14への放電は打ち切られ直ちに回生電力でサブ電池2を充電するようにセレクタ5を制御する(セレクタ5に状態「2」を選択させたままの状態とする。)。
回生電力でメイン電池1を充電する際には、メイン電池1に回生電力をできるだけ多く蓄えるために、メイン電池1を使用上限SOCまで充電することが好ましい。一方、メイン電池1を第2のSOC(70%)まで放電した際、劣化を防止するためにメイン電池1を充電するときは、オルタネータ12を作動させる必要がある。このオルタネータ12の作動には図示しないエンジンの動力をオルタネータ12に接続するためガソリン消費を伴う。このため、第2のSOCから使用上限SOCまで充電してもよいが、予め定められた第3のSOC(図6(B)参照、(第2のSOC)<(第3のSOC)<(使用上限SOC))まで充電すれば、その後回生電力によりメイン電池1がさらに充電されることもあるため、燃費向上を図ることができる。
CPUは、サブ電池2を構成する各リチウムイオン電池の電圧値が所定範囲にあるか否やサブ電池2の温度も監視する。各リチウムイオン電池の電圧値やサブ電池2の温度が予め設定された所定範囲から外れた場合にはその旨も車両制御部16に報知する。このような異常は段階別に処理を異ならせることが好ましく、車両制御部16は必要に応じてインストールメントパネルにその旨を表示する。CPUは、異常状態に応じて、メイン電池1およびサブ電池2のいずれか一方を使用せず、いずれか他方のみを使用するようにセレクタ5に状態を選択させるようにしてもよい。
次に、本実施形態の電源システム10の作用効果等について説明する。
2 サブ電池(第2の蓄電デバイス)
5 セレクタ(スイッチ手段)
6 制御部(制御手段、SOC推定手段)
10 電源システム
12 オルタネータ
14 放電負荷
20 オルタネータ回生車両(車両、自動車)
Claims (5)
- 車両に搭載され、オルタネータから供給される回生電力を受入可能かつ放電負荷に放電可能な蓄電デバイスを備えた電源システムにおいて、
エンジン始動用の第1の蓄電デバイスと、
第2の蓄電デバイスと、
前記第1および第2の蓄電デバイスの充放電電流を切り替えるスイッチ手段と、
前記第1および第2の蓄電デバイスの充電状態(SOC)を推定するSOC推定手段と、
前記SOC推定手段で推定された前記第2の蓄電デバイスのSOCに基づいて前記スイッチ手段による電流切り替え動作を制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記回生電力を前記蓄電デバイスで受け入れる際、前記第2の蓄電デバイスを使用上限SOCまで充電した後、前記第1の蓄電デバイスを充電し、前記蓄電デバイスから前記放電負荷に放電する際、前記第2の蓄電デバイスが予め定められた第1のSOCとなるまで放電した後、前記第1の蓄電デバイスから放電し、前記第1の蓄電デバイスをSOCが70%以上の予め定められた第2のSOCまで放電したときに、前記第1の蓄電デバイスを前記第1の蓄電デバイスの使用上限SOC未満の予め定められた第3のSOCまで充電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする電源システム。 - 前記制御手段は、前記蓄電デバイスから前記放電負荷に放電する際、前記第2の蓄電デバイスが使用下限SOCとなるまで放電した後、前記第1の蓄電デバイスから放電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項1に記載の電源システム。
- 前記車両側から前記オルタネータによる回生電力の供給が開始することを表す回生開始情報および前記オルタネータによる回生電力の供給が終了することを表す回生終了情報を取得する取得手段を備え、
前記制御手段は、前記取得手段が前記回生開始情報を取得したときに、前記回生電力による前記第2の蓄電デバイスへの充電を開始するように前記スイッチ手段を制御し、前記取得手段が前記回生終了情報を取得したときに、前記回生電力による前記第2ないし第1の蓄電デバイスへの充電を打ち切るとともに前記第2の蓄電デバイスから前記放電負荷に放電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電源システム。 - 前記第1の蓄電デバイスは鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池およびリチウムイオン電池で構成される群から選択される1種であり、前記第2の蓄電デバイスは鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタおよび電気二重層キャパシタで構成される群から選択される1種であることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載の電源システム。
- 請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載の電源システムを備えた自動車。
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