CN102161315A

CN102161315A - 车辆用电源装置

Info

Publication number: CN102161315A
Application number: CN2011100366423A
Authority: CN
Inventors: 小室正树; 佐藤丰; 小野干夫
Original assignee: Fuji Heavy Industries Ltd
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2010-02-12
Filing date: 2011-02-11
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2031-02-11
Also published as: JP5520629B2; CN102161315B; US20110198920A1; JP2011162112A; DE102011000665A1

Abstract

本发明涉及一种车辆用电源装置，其可以使交流发电机的再生量增大，提高车辆的燃料消耗性能。由交流发电机(18)和主电池(20)构成第1电源系统(21)。由电气设备(26)和副电池(22)构成第2电源系统(27)。另外，在第1电源系统(21)和第2电源系统(27)之间设置开关(31)。在车辆减速时，开关被切换至断开状态，第1电源系统和第2电源系统被断开。这样，不对电气设备施加过大的电压，可提高交流发电机的发电电压，增大再生量。这样，因为在减速时可以充分对主电池充电，所以可以在加速时或恒速行驶时使交流发电机停止。另外，通过使交流发电机停止而减轻发动机的负载，可以提高车辆的燃料消耗性能。

Description

车辆用电源装置

技术领域

本发明涉及一种在车辆上搭载的车辆用电源装置。

背景技术

在当前的车辆中，一般使用铅蓄电池向电气设备供给电力。该铅蓄电池尽管可以确保大的蓄电容量，但具有由于充放电而显著老化的特性。因此，在搭载铅蓄电池的车辆上，由于总是使交流发电机(发电机)进行发电驱动，所以可以防止铅蓄电池的充放电。但是，总是驱动交流发电机成为使发动机负载增大并降低燃料消耗性能的因素。因此，提出了以下的技术方案，即：在铅蓄电池的基础上还具有锂离子电池，并且在加速时将交流发电机的发电电压控制为0，另一方面，在减速时提高交流发电机的发电电压(例如，参照专利文献1)。这样，通过在避免增大发动机负载的同时控制交流发电机，可以提高车辆的燃料消耗性能。此外，在停止交流发电机的发电驱动时，通过从锂离子电池向电气设备供给电力而可以防止铅蓄电池的放电。

专利文献1：日本特开2004-225649号公报

发明内容

但是，在专利文献1中所述的车辆中，电气设备与交流发电机的电力系统连接，不可能大幅度提高交流发电机的发电电压。即，因为不可以超过电气设备的上限电压而设定发电电压，所以在减速时难以充分确保交流发电机的再生量。这样，在无法充分确保减速时的再生量的情况下，因为必须使交流发电机在减速以外的情况下也进行发电驱动，所以成为使得发动机负载增大并降低车辆的燃料消耗性能的主要原因。

本发明的目的在于，通过增加发电机的再生量而提高车辆的燃料消耗性能。

本发明的车辆用电源装置，其特征在于，具有：第1电源系统，其具有发电机和与该发电机连接的第1蓄电体；第2电源系统，其具有电气负载和与该电气负载连接的第2蓄电体，该电气负载的上限电压比上述发电机低；以及开关，其设置在所述第1电源系统和所述第2电源系统之间，在将所述第1电源系统和所述第2电源系统接通的接通状态、和将所述第1电源系统和所述第2电源系统断开的断开状态之间进行切换。

本发明的车辆用电源装置，其特征在于，在将所述开关切换至断开状态时，所述发电机的发电电压设定为高于所述电气负载的上限电压，另一方面，将所述开关切换至接通状态时，所述发电机的发电电压设定为小于或等于所述电气负载的上限电压。

本发明的车辆用电源装置，其特征在于，所述开关在车辆减速时被切换至断开状态。

发明的效果

根据本发明，通过将第1电源系统和第2电源系统之间的开关切换至断开状态，可以提高发电机的发电电压，并可以增大发电机的再生量。这样，可以积极地使发电机停止，并可以提高车辆的燃料消耗性能。

附图说明

图1是表示具有本发明的一个实施方式的车辆用电源装置的车辆的构成概略图。

图2是表示开关的控制状态的说明图。

图3是表示车辆用电源装置的电力供给状态的说明图。

图4的(a)及(b)是表示车辆用电源装置的电力供给状态的说明图。

图5是表示开关的切换控制和交流发电机的再生控制之间关系的说明图。

图6的(a)及(b)是表示在发动机起动时车辆用电源装置的电力供给状态的说明图。

图7是表示具有本发明的其他的实施方式的车辆用电源装置的车辆的构成概略图。

图8是表示具有本发明的其他的实施方式的车辆用电源装置的车辆的构成概略图。

具体实施方式

以下，基于附图对本发明的实施方式详细地进行说明。图1是表示具有本发明的一个实施方式的车辆用电源装置10的车辆11的构成概略图。如图1所示，在车辆11上搭载发动机12及变速器13。变速器13的输出轴14经由差速器机构15与驱动轮16连接。另外，在发动机12上安装起动电动机17。并且，作为发电机的交流发电机18经由驱动皮带19与发动机12连接。此外，图示的车辆11是所谓的微混合动力车辆，在车辆11上搭载使用交流发电机18的低电压系统的再生系统。在加速器踏板的踏入被解除的减速时，使交流发电机18进行发电驱动，从而可以积极地将车辆11的动能变换成电能而进行回收。另外，在加速器踏板被踏入的加速时或进行恒速行驶时，使由交流发电机18进行的发电停止而减轻发动机的负载。这样，通过控制交流发电机18以不增加发动机负载，可以提高车辆11的燃料消耗性能。

为了提高车辆11的燃料消耗性能，如上述所述，重要的是在加速时或恒速行驶时使交流发电机18的发电驱动停止。但是，在当前作为蓄电体仅具有铅蓄电体的车辆中，由于要防止由铅蓄电池的充放电引起的老化，所以难以停止交流发电机18的发电驱动。为了解决该问题，考虑采用难以因充放电引起较强老化的锂离子电池等作为蓄电体，但采用锂离子电池成为导致蓄电体的高成本化的主要原因。即，在车辆11上搭载的蓄电体，要求下述的蓄电容量，即，在车辆放置规定期间(例如3个月)后也可以可靠地驱动起动电动机17。但是，因为锂离子电池的每单位蓄电容量的成本高，所以为了确保所需的蓄电容量，会导致蓄电体的高成本化。为了避免这种蓄电体的高成本化，作为本发明的一个实施方式的车辆用电源装置10如下地构成。

以下对车辆用电源装置10的构成进行说明。在车辆用电源装置10中设置主电池20作为第1蓄电体。另外，在主电池20上连接起动电动机17及交流发电机18。这样，由主电池20、起动电动机17及交流发电机18构成第1电源系统21。此外，构成第1电源系统21的主电池20、交流发电机18的容许电压范围，设定为约12～18V。即，主电池20、交流发电机18的控制上的上限电压设定为18V。另外，作为主电池20，可以使用充放电电阻小且循环特性优良的蓄电体。作为这样的蓄电体，可以举出包括锂离子电池、锂离子电容器、电气双重电容器、镍氢电池等所谓摇椅型蓄电体。此外，在这里的所谓摇椅型蓄电池，是指通过锂离子、氢离子等在电极间往复而进行充放电的蓄电体。摇椅型蓄电体的蓄电装置，因为不伴有电极的物理构造变化(溶解·析出)，所以具有充放电电阻小且循环优良的特性。

在车辆用电源装置10上设置副电池22作为第2蓄电体。另外，在副电池22上连接作为电气负载的前照灯23、点火线圈24及电子控制单元25等电气设备26。这样，由副电池22及电气设备26构成第2电源系统27。此外，构成第2电源系统27的副电池22及电气设备26的容许电压范围，设定为约12～15V。即，副电池22及电气设备26的控制上的上限电压设定为15V。另外，作为副电池22，可以使用具有规定蓄电容量的蓄电体。作为副电池22的蓄电容量，考虑车辆放置规定期间后的起动性能而设定。作为这样的蓄电体，可以举出低成本且蓄电容量大的铅蓄电池等所谓储备型蓄电池。此外，在这里所谓的储备型蓄电池，是指可以通过离子从电极的金属等向电解液中溶解，电解液中的离子作为金属等而向电极析出，从而进行充放电的蓄电体。储备型蓄电体的蓄电机构，因为伴有电极的物理构造变化(溶解·析出)，所以与摇椅型蓄电体相比，具有充放电电阻大且循环特性差的特性。另外，副电池22并不限于储备型蓄电体，如果可以以低成本确保规定的蓄电容量，则也可以将摇椅型蓄电体作为副电池22使用。

另外，在将第1电源系统21和第2电源系统27连接的通电线路30上，设有n沟道FET等开关31。通过将该开关31切换至接通状态，可以使第1电源系统21和第2电源系统27电气连接。另一方面，通过将开关31切换至断开状态，可以使第1电源系统21和第2电源系统27电气切断。为了执行该开关31的切换控制，在车辆用电源装置10中设置电源控制单元(开关控制单元)32。电源控制单元32由以下部分构成：CPU，其执行程序；ROM，其存储程序等；RAM，其暂时存储数据；以及输入输出接口等，该输入输出接口与各种传感器及致动器等连接。作为与电源控制单元32连接的传感器，包括检测加速器踏板的操作状况的加速器开度传感器33、检测车速的车速传感器34、检测主电池20的电压的电压传感器35、检测主电池20的电流的电流传感器36、检测主电池20的温度的温度传感器37、检测副电池22的电压的电压传感器38、检测副电池22的电流的电流传感器39等。

下面，对通过电源控制单元32对开关31进行的切换控制进行说明。图2是表示开关31的控制状态的说明图。图3是表示车辆用电源装置10的电力供给状态的说明图。在图3中表示加速器踏板被踏入的车辆加速时或恒速行驶时的状态，即，停止交流发电机18的再生控制的状态。另外，图4(a)及(b)是表示车辆用电源装置10的电力供给状态的说明图。在图4(a)及(b)中表示加速器踏板的踏入被解除的车辆减速时的状态，即，通过交流发电机18执行再生控制的状态。此外，在图3及图4中，使用涂黑的箭头表示电力供给状态。

如图2及图3所示，在加速器踏板被踏入的情况下(加速器ON)，电源控制单元(发电控制单元)32将交流发电机18的目标发电电流设定为“0”，交流发电机18停止发电。此时，电源控制单元32使开关31保持接通状态(ON)，成为电气设备26与主电池20及副电池22接通的状态。在这里，主电池20的能够充分利用蓄电容量的电压范围，与副电池22的能够充分利用蓄电容量的电压范围相比设计得较高。因此，主要由主电池20对电气设备26供给电力，另一方面抑制从副电池22的电力供给。此外，在表示主电池20及副电池22的蓄电比例的充电状态SOCm、SOCs降低的情况下，如图3中虚线的箭头所示，也可以根据状况对交流发电机18进行发电驱动。

然后，如图2所示，在加速器踏板的踏入被解除的情况下(加速器OFF)，电源控制单元32根据车速设定交流发电机18的目标发电电流，交流发电机18对发电电压进行调整，以可以获得目标发电电流。在该交流发电机18的再生控制中，重要的是增加交流发电机18的再生量(发电量)。因此，电源控制单元32根据主电池20及副电池22的充电状态SOCm、SOCs，将开关31从接通状态(ON)切换至断开状态(OFF)。在这里，如图4(a)所示，在将开关31保持在接通状态的情况下，第1电源系统21和第2电源系统27成为电气接通状态。即，为了保护上限电压为15V的第2电源系统27，必须将交流发电机18的发电电压限制为小于或等于15V。另一方面，如图4(b)所示，在将开关31从接通状态切换至断开状态的情况下，第1电源系统21和第2电源系统27成为电气断开状态。即，因为将交流发电机18及主电池20从第2电源系统27切断，所以可以超过第2电源系统27的上限电压(15V)而设定交流发电机18的发电电压。

这样，通过将开关31切换至断开状态，可以提高交流发电机18的发电电压，可以使再生量急剧增加。而且，因为由摇椅型蓄电体构成的主电池20的充电电阻小，所以可以以大电流(例如200A)输入电力。因此，可以将伴随着发电电压的提高而增大的发电电力，不浪费地积蓄在主电池20中。此外，因为即使在开关31被断开的情况下，也由副电池22向电气设备26供给电力，所以可以使电气设备26正常地继续工作。

如上述所述，因为设置由主电池20及交流发电机18构成的第1电源系统21、和由副电池22及电气设备26构成的第2电源系统27，并且在第1电源系统21和第2电源系统27之间设置开关31，所以可以使减速时的交流发电机18的再生量急剧增加。这样，因为可以在减速时对主电池20充分地充电，所以可以在加速时及恒速行驶时使交流发电机18停止。这样，可以减轻发动机负载并提高车辆11的燃料消耗性能。另外，并不是单纯地依靠主电池20的充电电阻，还可以通过如上述所述提高发电电压，从而增大减速时的交流发电机18的再生量。这样，在由锂离子电池等组成的主电池20中，因为减少为了降低充电电阻而增加并联数量的必要，所以可以将蓄电容量设计得较小，可以实现车辆用电源装置10的小型化及低成本化。此外，主电池20的蓄电容量设计得比副电池22的蓄电容量小。另外，通过在加速时使交流发电机18停止，可以抑制发动机负载而提高车辆11的加速性能。

另外，因为设置确保了规定蓄电容量的副电池22，所以在车辆放置规定时间后，也可以保持良好的起动性能。作为该副电池22，通过使用低成本且蓄电容量大的铅蓄电池等储备型蓄电体，可以抑制车辆用电源装置10的高成本化。另外，如上述所述，在交流发电机18的再生控制被停止的状况下，使开关31接通而从主电池20向电气设备26供给电力。这样，因为可以抑制副电池22的充放电，所以即使在使用伴随频繁的充放电而老化的储备型蓄电体的情况下，也可以抑制副电池22的老化。此外，因为由摇椅型蓄电体构成的主电池20的循环特性良好，所以即使频繁地充放电，也不会显著地引起主电池20的老化。

另外，作为开关断开时备用而设置的副电池22，与当前的电池相比可以削减蓄电容量。这样，即使在将主电池20和副电池22相组合的情况下，也可以将其大小抑制为与当前的电池组相当。即，可以与仅具有铅蓄电池的当前的车辆相同地，将车辆用电源装置10搭载在发动机舱中。这样，可以不大幅度改变车体构造而搭载本发明的车辆用电源装置10。

另外，在车辆用电源装置10中，将能够充分利用蓄电容量的电压范围(约12～18V)高的主电池20、和能够充分利用蓄电容量的电压范围(约11～12.8V)低的副电池22并联连接。这样，即使在使用铅蓄电池作为副电池22的情况下，与仅具有铅蓄电池的当前的车辆相比，可以不使铅蓄电池放电而大幅度增加可使用蓄电容量(有效蓄电容量)。而且，因为通过将主电池20和副电池22并联连接，可以降低作为电池的总电阻，所以可以实现向电气设备26施加的电压的稳定化。

以下，对开关31的切换控制及交流发电机18的再生控制进行详细的说明。图5是表示开关31的切换控制和交流发电机18的再生控制之间的关系的说明图。此外，图5所示的端子电压、开路电压、充电电流，是主电池20的端子电压及开路电压，以及对主电池20的充电电流。另外，图5表示加速器踏板的踏入被解除的减速时状态，即由交流发电机18执行再生控制的状态。首先，电源控制单元32基于主电池20的电压、电流、温度，计算主电池20的充电状态SOCm。另外，电源控制单元32基于副电池22的电压及电流，计算副电池22的充电状态SOCs。

而且，如图5所示，在主电池20的充电状态SOCm低于规定值M1的情况下(符号α)，电源控制单元32将开关31保持在接通状态。这样，在充电状态SOCm降低的情况下，因为主电池20的开路电压低，所以可以不将发电电压提高至15V就可以获得规定的目标发电电流(例如200A)。即，所谓的规定值M1，是发电电压在低于15V的范围内可以获得的规定的目标发电电流的值，是基于实验及模拟而预先设定的值。为了在不断开开关31而可以获得必要的发电电流的情况下抑制副电池22的充放电，在开关31被接通的状态下使交流发电机18进行发电驱动。此外，在使用铅蓄电池作为副电池22的情况下，为了防止伴随着过放电而发生的老化，优选将发电电压控制为大于或等于12.8V。

并且，在副电池22的充电状态SOCs超过规定值S1的状态的基础上，如果主电池20的充电状态SOCm超过规定值M1(符号β)，则电源控制单元32将开关31切换至断开状态。这样，在伴随着SOCm的上升而主电池20的端子电压超过15V的状况下，开关31被切换至断开状态。这样，可以将发电电压提高至大于或等于15V，并可以确保规定的目标发电电流(例如200A)。另外，因为在开关断开时从副电池22向电气设备26供给电力，所以在确认副电池22的充电状态SOCs的基础上断开开关31。即，在充电状态SOCs低于规定值S1的情况下，由电源控制单元32禁止开关31的断开。此外，规定值S1是可以由副电池22对电气设备26供给充足的电力的值，是基于实验及模拟而预先设定的值。

而且，如果伴随着充电而主电池20的充电状态SOCm超过规定值M2(符号γ)，则电源控制单元32再次将开关31切换至接通状态。这样，在充电状态SOCm超过规定值M2的定时，因为主电池20的开路电压达到电气设备26的上限电压15V，所以如果持续大于或等于15V的发电，则主电池20的开路电压会超过电气设备26的上限电压即15V。即，如果持续提高发电电压，则主电池20的开路电压处于超过15V的状况，所以从防止向电气设备26施加过大电压而造成损坏的观点出发，将开关31接通而使交流发电机18的发电电压返回至15V。此外，所谓规定值M2，是与电气设备26的上限电压相当的主电池20的充电状态SOC，是基于电气设备26的规格而预先设定的值。这样，主电池20的充电状态SOCm在低于规定值M1或高于规定值M2的情况下，开关31被控制为接通状态。即，在充电状态SOCm不位于由规定值M1、M2划分出的规定范围M3内的情况下，通过电源控制单元31禁止开关31的断开。

如上述所述，在将开关31断开的状态的基础上，发电电压被提高至第1电源系统21的上限电压即18V。这样，主电池20的端子电压也上升至18V，但在这种情况下，对于主电池20的开路电压，也被设计为低于第2电源系统27的上限电压即15V。这样，在伴随着开关断开而提高发电电压时，主电池20的开路电压也被控制为低于15V。这样，可以安全地将开关31从断开状态切换至接通状态。此外，第1电源系统21的上限电压即18V，是基于电气设备26的耐电压实验中的试验电压(18V)而设定的。这样，在将发电电压提高到18V时，即使在开关31由于误操作而被接通的情况下，也可以避免电气设备26的损坏。

另外，在将开关31切换至断开状态时，不仅判定充电状态SOCm、SOCs，还在同一再生期间中对开关31的断开历史进行判定。即，在加速器踏板的踏入被解除后的同一再生期间中，只允许开关31断开一次。这样，可以防止开关31在断开状态和接通状态间反复切换的摆动。

此外，作为主电池20中的充电状态SOCm的计算方法，可以举出如下的计算方法：对基于充放电电流的积算值的充电状态SOCc、和基于推定的开路电压的充电状态SOCv进行计算，并将这些充电状态SOCc、SOCv加权合成而计算充电状态SOCm(例如，参照日本特开2005-201743号公报)。另外，作为副电池22中的充电状态SOCs的计算方法，可以举出如下的计算方法：对充放电电流进行积算而计算充电状态SOCs。作为充电状态SOCm、SOCs的计算方法，并不限于上述方法，当然也可以使用其他的计算方法。

下面，对发动机起动时车辆用电源装置10的电力供给状态进行说明。图6(a)及(b)是表示在发动机起动时车辆用电源装置10的电力供给状况的说明图。此外，在图6(a)及(b)中，使用涂黑的箭头表示电力供给状态。例如，在外气温超过0℃的情况下，在发动机起动时，开关31被切换至断开状态。如图6(a)所示，在将开关31切换至断开状态的情况下，一方面从主电池20向起动电动机17供给电力，另一方面从副电池22向电气设备26供给电力。这样，在发动机12容易起动的环境下，仅由来自主电池20的电力驱动起动电动机17。这样，可以避免由大的起动器电流引起的副电池22的电压降低。这样，可以防止与下限电压较低的电气设备(例如ECU(Engine Control Unit)、TCU(Transmission Control Unit)等行驶涉及的控制单元)相比，下限电压较高的电气设备(例如导航装置、前照灯等灯具类)的瞬间停电。另外，例如，在外气温低于0℃的情况下，在发动机起动时，开关31切换至接通状态。如图6(b)所示，在将开关31切换至接通状态的情况下，从主电池20和副电池22这两者对起动电动机17及电气设备26供给电力。这样，在难以起动发动机12的环境下，由来自主电池20及副电池22的电力驱动起动电动机17。此外，如图6(a)及(b)所示，与开关31的控制状态无关地，均从副电池22向电气设备26供给电力。因此，可以避免伴随向起动电动机17供给大电流而导致的瞬间性的电压降低，并可以避免发动机起动时的控制系统的停机。

下面，对本发明的其他的实施方式的车辆用电源装置40、50进行说明。图7及图8是表示具有本发明的其他的实施方式的车辆用电源装置40、50的车辆41、51的构成概略图。此外，在图7及图8中，对与图1相同的构成要素使用相同的标号并省略其说明。如图7所示，车辆用电源装置40在从第1电源系统21上切断主电池20的位置上具有开关42。这样，通过在主电池20的正极线43上设置开关42，可以在主电池20发生异常时从车辆用电源装置10上切断主电池20。这样，可以不使异常状态的主电池20工作，可以使用副电池22起动车辆41。因此，可以提高车辆41的安全性。

另外，如图8所示，车辆用电源装置50在将第1电源系统21和第2电源系统27连接的通电线30上具有开关单元52。该开关单元52由多个并联连接的开关53构成。另外，构成开关单元52的多个开关53，可以在相同的定时在接通状态和断开状态间切换。而且，开关单元52上设有检测开关前后的电位差的电压传感器54。而且，电源控制单元32通过将来自电压传感器54的电压信号与规定的判定值进行比较，判定开关单元52的故障状态。即，电源控制单元32规定将所有的开关53均正常接通时的电压下降量规定为判定值，并判定实际的电压下降量是否不在判定值的范围内。在实际的电压下降量比判定值大的情况下，判定为处于开关单元52的内阻大的状态，即处于所有的开关53未正常接通的异常状态。该开关单元52的异常判定，因为在开关单元52上电压下降较大时出现，所以优选从副电池22向起动电动机17供给电流时进行。这样，通过在发动机起动时进行开关单元52的异常判定，可以在车辆行驶前把握开关单元52的异常状态。这样，可以在车辆行驶前采取显示警告灯等的对应，可以提高车辆51的安全性。

本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离其要点的范围内可以做各种改变。例如，在如图示所示的情况下，本发明适用于作为动力源而仅具有发动机12的车辆11、41、51，但并不仅限于此，本发明也可以适用于作为动力源而具有发动机12及电动发动机的混合动力车辆。特别地，对于电力消耗量多的车辆，也可以有效适用本发明。例如，在一定条件下使发动机12自动停止的所谓怠速停止的车辆中，因为有必要频繁地驱动起动电动机17，所以可以极其有效地适用本发明。

另外，在上述的说明中，在对交流发电机18进行发电驱动时，可以根据车速设定目标发电电流，但并不仅限于此，也可以基于其他信息设定目标发电电流。而且，在如图示所示的情况下，分别设置交流发电机18和起动电动机17，但也可以设置兼具有交流发电机18和起动电动机17功能的电动机。此外，在上述的说明中，第1电源系统21的容许电压范围设定为约12～18V，但并不限于该电压范围。同样地第2电源系统27的容许电压范围设定为约12～15V，但并不限于该电压范围。

Claims

1.一种车辆用电源装置，其特征在于，具有：

第1电源系统，其具有发电机和与该发电机连接的第1蓄电体；

第2电源系统，其具有电气负载和与该电气负载连接的第2蓄电体，该电气负载的上限电压比上述发电机低；以及

开关，其设置在所述第1电源系统和所述第2电源系统之间，在将所述第1电源系统和所述第2电源系统接通的接通状态、和将所述第1电源系统和所述第2电源系统断开的断开状态之间进行切换。

2.根据权利要求1所述的车辆用电源装置，其特征在于，

在将所述开关切换至断开状态时，所述发电机的发电电压设定为高于所述电气负载的上限电压，

另一方面，将所述开关切换至接通状态时，所述发电机的发电电压设定为小于或等于所述电气负载的上限电压。

3.根据权利要求1或2所述的车辆用电源装置，其特征在于，

所述开关在车辆减速时被切换至断开状态。