JP2007030650A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本来の寿命までキャパシタユニットの使用が可能な車両用電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】充電または放電時にキャパシタユニット１１の温度補正後の内部抵抗補正計算値と、キャパシタユニット１１の温度補正後の容量補正計算値を求め、あらかじめ温度に対して求めた複数の異なる劣化判定式の内、前記容量補正計算値の数値範囲に対応した前記劣化判定式に前記容量補正計算値を代入して判定基準値を計算し、前記判定基準値が前記内部抵抗補正計算値以下の場合に、キャパシタユニット１１が劣化していると判断するものである。
【選択図】図１

Description

本発明はバッテリ等を利用した電子機器の非常用電源に関するものであり、特に、車両の制動を電気的に行う電子ブレーキシステム等に利用される車両用電源装置に関するものである。

近年、ハイブリッドカーや電気自動車の開発が急速に進められており、それに伴い車両の制動についても、従来の機械的な油圧制御から電気的な油圧制御への各種の提案がなされてきている。

一般に車両の油圧制御を電気的に行うためには、電源としてバッテリが用いられるが、その場合バッテリだけでは何らかの原因で電力の供給が断たれると油圧制御ができなくなり、車両の制動が不可能になる可能性がある。

そこで、バッテリとは別に補助電源として大容量キャパシタ等を搭載することにより非常時の対応ができるような車両用電源装置が提案されている。

しかし、車両用電源装置は非常時の車両制動に関わるため、非常時に確実に電力供給が行われることが極めて重要なポイントであり、そのため車両用電源装置のキーデバイスであるキャパシタの劣化判断を確実に行う必要がある。

これに対し、従来の車両用電源装置は複数のキャパシタからなるキャパシタユニットの内部抵抗値と容量値を求め（両者の詳細な求め方は後述する実施の形態に示す）、キャパシタユニット近傍に設けた温度センサから求めた温度により内部抵抗値と容量値を補正した値と、その温度に対応した劣化判定基準値データと対比することで劣化を判断していた。

すなわち、負荷への電力供給を満たす場合にはキャパシタユニットの内部抵抗値は容量値の逆数とある相関関係を有しているが、キャパシタユニットが劣化すると、前記相関関係がシフトしていく。

そこで、その性質を利用し、劣化した後のキャパシタユニットの内部抵抗値と容量値の関係を温度毎に制御部（マイクロコンピュータ）に接続したＲＯＭに記憶させておき、現在の温度で補正した容量値に対する内部抵抗値が、記憶している内部抵抗値の劣化の判定基準値に達すれば車両用電源装置が劣化したと判断していた。

容量値に対する内部抵抗値の劣化の判定基準値データの一例を図９に示す。図９において、横軸は容量値、縦軸は内部抵抗値を示す。また、両者の相関関係は温度によって異なるので、１５℃刻みで−３０℃から３０℃までを示した。

図９において、例えば現在の温度が０℃で内部容量が１０Ｆ、内部抵抗が１３０ｍΩであった場合、０℃における劣化の判定基準値（限界値）は図９より１０Ｆ時の丸印プロット（０℃）から２３０ｍΩであることがわかる。従って、現在はまだ判定基準値に達していないのでキャパシタユニットは劣化していないと判断できる。

同様に、現在が１５℃、１１Ｆ、１１５ｍΩの場合、図９より１１Ｆ時の四角印プロット（１５℃）から劣化の判定基準値（限界値）が１８０ｍΩであることがわかり、現在の内部抵抗（１１５ｍΩ）が判定基準値に達していないので、キャパシタユニットは劣化していないと判断できる。

一方、現在が３０℃、１１Ｆ、１１０ｍΩの場合、図９より１１Ｆ時のバツ印プロット（３０℃）から判定基準値（限界値）が８０ｍΩであることがわかり、現在の内部抵抗（１１０ｍΩ）が判定基準値を超えてしまっているので、キャパシタユニットが劣化したと判断できる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００５−２８９０８号公報

前記したように従来の車両用電源装置は確かにキャパシタユニットの劣化を判定することができ、しかも温度毎に行っているので、より精度の高い判定が可能であることがわかる。

しかし、図９に示した劣化判定基準値データ、あるいは各プロットを結ぶことで得られる劣化判定式はキャパシタユニットから負荷へ電力を１回だけ連続供給した時のものであり、負荷への電力供給が何度かに分かれて断続的に行われた時は、電力供給毎に劣化判定式が変化することがわかった（この詳細については実施の形態で述べる。）。

なお、負荷への電力供給を断続的に行う例としては、バッテリ電力供給が断たれた非常時に車両制動を行う場合、ごく一般のブレーキ操作としてブレーキを何度かに分けて踏み込むことで停車させる場合が想定される。

これに対し、前記従来の技術では負荷へ断続的に電力供給されても１回だけ供給した時の劣化判定式のみで劣化を判断していた。

そのため、実際はキャパシタユニットが劣化していないのに前記劣化判定式により劣化したと判断してしまい、その結果まだキャパシタユニットが使えるにもかかわらず寿命に至ったと誤判定され交換されてしまうという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、キャパシタユニットの劣化判断をより正確にすることで、本来の寿命までの使用が可能な車両用電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の車両用電源装置は、温度に応じたキャパシタユニットの内部抵抗値と容量値の補正計算の結果得られる内部抵抗補正計算値と容量補正計算値から、複数の異なる前記劣化判定式の内、前記容量補正計算値の数値範囲に対応した前記劣化判定式に前記容量補正計算値を代入して判定基準値を計算し、前記判定基準値が前記内部抵抗補正計算値以下であれば、前記キャパシタユニットが劣化していると判断するものである。

本構成によって断続的な電力供給によって変化する容量補正計算値の数値範囲に対応した劣化判定式を使用するので、より正しい劣化判定式で判定基準値を求めることが可能となる。その結果、前記目的を達成することができる。

本発明の車両用電源装置によれば、断続的な電力供給下においても、より正確な劣化時の判定基準値が求められるので、より正確な劣化判定ができ本来の寿命までの使用が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における車両用電源装置のブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態における車両用電源装置の動作の考え方を示すフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態における車両用電源装置の充電時のキャパシタユニットの電圧値の経時変化図である。図４は、本発明の実施の形態における車両用電源装置のキャパシタユニットの標準特性の温度変化図であり、（ａ）は容量値の温度変化図を、（ｂ）は内部抵抗値の温度変化図をそれぞれ示す。図５は、本発明の実施の形態における車両用電源装置から連続的に電力供給した際のキャパシタユニットの電流電圧特性における経時変化図であり、（ａ）は負荷電流の経時変化図を、（ｂ）はキャパシタユニット電圧の経時変化図をそれぞれ示す。図６は、本発明の実施の形態における車両用電源装置における連続的に電力供給した際の劣化判定式による容量値と内部抵抗の劣化判定基準値の相関図であり、（ａ）は代表相関図を、（ｂ）は温度毎の相関図をそれぞれ示す。図７は、本発明の実施の形態における車両用電源装置から断続的に電力供給した際のキャパシタユニットの電流電圧特性における経時変化図であり、（ａ）は負荷電流の経時変化図を、（ｂ）はキャパシタユニット電圧の経時変化図をそれぞれ示す。図８は、本発明の実施の形態における車両用電源装置における断続的に電力供給した際の劣化判定式による容量値と内部抵抗の劣化判定基準値の相関図であり、（ａ）は代表相関図を、（ｂ）は温度毎の相関図をそれぞれ示す。

図１において、バッテリ１は、車両の動作を開始および終了させるためのイグニッションスイッチ２を介して、車両用電源装置３に設けられたＩＧ（イグニッションジェネレータ）端子４に接続されるとともに、車両用電源装置３に電力を供給するための＋ＢＣ端子５および電子制御部６に設けた電源供給端子７に接続されている。

車両用電源装置３と電子制御部６は、電子制御部６から車両用電源装置３へ信号を入力するための通信入力端子８、車両用電源装置３から電子制御部６へ信号を出力するための通信出力端子９、バッテリ電圧検出手段１０で検出したバッテリ１の電圧異常時に車両用電源装置３の内部に設けた複数のキャパシタからなるキャパシタユニット１１に蓄電された補助電力を出力するためのＯＵＴ端子１２を介して接続されている。

ここで、車両用電源装置３の構成について説明する。

車両用電源装置３は、バッテリ１の異常時に車両制動用の電子制御部６へ電力供給を行うための補助電源としてキャパシタユニット１１を有しており、キャパシタユニット１１は、例えば急速に充放電が可能な電気二重層コンデンサを複数用いて形成している。

また車両用電源装置３には、キャパシタユニット１１へ充電を行うための充電回路１３と、放電を行うための放電回路１４を有しており、これらは制御部としてのマイクロコンピュータ１５からの指示に基づき制御される。

なお、充電回路１３には、充電中におけるキャパシタユニット１１の電圧上昇を一定に近づけるため、定電流制御手段を備えている。

バッテリ電圧検出手段１０はバッテリ１の電圧異常を検出したときにキャパシタユニット１１からＯＵＴ端子１２を介して電子制御部６に補助電力を供給するためのＦＥＴからなるスイッチ１６が設けられている。

また、車両用電源装置３には、キャパシタユニット１１の電圧を検出するためのキャパシタユニット電圧検出手段１７ａ、およびキャパシタユニット１１に対する電流を検出するキャパシタユニット電流検出手段１７ｂが設けられている。

さらに、キャパシタユニット１１の近傍には、その部分の温度を検出するための温度センサ１８が設けられている。なお、温度センサ１８には温度感度が大きく検出回路が容易になるサーミスタを用いた。

以上の構成から、マイクロコンピュータ１５には温度センサ１８、充電回路１３、バッテリ電圧検出手段１０、放電回路１４、スイッチ１６、キャパシタユニット電圧検出手段１７ａ、キャパシタユニット電流検出手段１７ｂが電気的に接続された構造となっている。

なお、スイッチ１６は図１ではバッテリ電圧検出手段１０に接続されているが、スイッチ１６への指令はバッテリ電圧検出手段１０を介してマイクロコンピュータ１５から発せられる構成としているので、電気的にはスイッチ１６とマイクロコンピュータ１５は接続された状態となっている。

次に、車両用電源装置３の動作について説明する。

まず、車両の動作を開始させるためにイグニッションスイッチ２をオンにすると、バッテリ１からＩＧ端子４を介してマイクロコンピュータ１５に電源が供給され起動する。

また別に＋ＢＣ端子５を通してバッテリ１から電圧１２Ｖの電源が車両用電源装置３に供給され、電子制御部６へは電源供給端子７を通じて供給されている。

次に、マイクロコンピュータ１５は充電回路１３を制御してバッテリ１からキャパシタユニット１１への充電を行う。

この際、バッテリ１の電圧が基準値（例えば９．５Ｖ）以上であればバッテリ１の電圧が正常であり、バッテリ１から電源供給端子７へ給電があるため、車両の制動を正常に行うことが可能な状態であり、補助電力は不要である。

その後、車両の動作を終了させるためにイグニッションスイッチ２をオフにすると、ＩＧ端子４はオフとなり、車両用電源装置３は動作をオフモードとする。

この時、マイクロコンピュータ１５は放電回路１４を介してキャパシタユニット１１に蓄えられた補助電力（電荷）を放電する。これによりキャパシタの寿命を延ばすことができる。

以上が、正常時の動作であるが、次にバッテリ１の電圧低下時または異常時における車両用電源装置３の動作について説明する。

車両の使用中にバッテリ電圧検出手段１０の検出電圧が基準値（９．５Ｖ）未満になれば、マイクロコンピュータ１５はバッテリ１の電圧が異常であると判断する。

その結果、マイクロコンピュータ１５は通常オフになっているスイッチ１６をオンにし、キャパシタユニット１１からＯＵＴ端子１２を介して電子制御部６へ補助電力を供給する。

さらに、マイクロコンピュータ１５はバッテリ１の異常信号を通信出力端子９へ送信し、電子制御部６を介して、例えばバッテリ１の異常を車両内部に表示し、直ちに車両を停止するように運転者に指示する。この時、キャパシタユニット１１に蓄えられた補助電力が電子制御部６に供給されるので、運転者はブレーキを作動させて車両を安全に停止させることができる。

また、車両の使用中にキャパシタユニット１１の異常をキャパシタユニット電圧検出手段１７ａにて検出した場合、マイクロコンピュータ１５は通信出力端子９を介してキャパシタユニット１１の異常信号を電子制御部６へ送信し、運転者に知らせる。これにより運転者は整備会社にキャパシタユニット１１の点検、交換等の依頼を行うことができる。

このような、キャパシタユニット１１自身の異常検出方法について、キャパシタの短絡や断線など急激な故障については上記の通りキャパシタユニット電圧検出手段１７ａで電圧を監視すればよいが、異常に到る変化が遅いキャパシタの劣化に起因する異常検出方法については、その基本的な動作の考え方を図２のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、車両使用開始時は、上記のようにキャパシタユニット１１に補助電力としての電荷を充電する。その際の温度を温度センサ１８で測定する（Ｓ１）。

次に、充電開始時から経時的にキャパシタユニット電圧検出手段１７ａによりキャパシタユニット１１に充電されている電圧を検出する。同時にキャパシタユニット電流検出手段１７ｂによりキャパシタユニット１１への充電電流を検出する。

この電流、電圧測定からキャパシタユニット１１の容量値Ｃおよび内部抵抗値Ｒを求める（Ｓ２）。これらは以下のようにして求めている。

図３は定電流で充電を開始してからのキャパシタユニット１１の電圧経時変化を表すグラフであり、横軸は時間、縦軸は電圧である。

充電を開始すると、時間とともにキャパシタユニット１１に電荷が蓄えられ、キャパシタユニット１１の電圧が上昇していく。

この時、充電を途中で中断する。これにより、キャパシタユニット１１の電圧が変化し、その内部抵抗分だけ降下する。

その後、充電を再開するのであるが、充電の中断前後で充電電圧が変化する性質を利用して、電圧降下幅をキャパシタユニット電圧検出手段１７ａにより求める。この電圧降下幅と、充電時におけるキャパシタユニット電流検出手段１７ｂで求めた電流値を抵抗計算式（前者を後者で割る）に代入することにより、キャパシタユニット１１の内部抵抗値Ｒを求めることができる。

なお、内部抵抗値Ｒは充電再開前後の電圧上昇幅から求めてもよい。

このように充電を途中で中断することで、より正確な内部抵抗値Ｒを求めることができる。

充電再開後は、キャパシタユニット１１の充電が完了するまでの充電区間中に充電電圧変化率（図３の傾き）をキャパシタユニット電圧検出手段１７ａで検出する。

この際、充電電圧変化率はキャパシタユニット１１における電圧が所定の電圧差（本実施の形態では２Ｖとした）を得るのに要した時間ｔを求めることによって決定した。

得られた時間ｔに、キャパシタユニット電流検出手段１７ｂの出力から得られた充電電流を掛け、所定電圧（２Ｖ）で割ると容量値Ｃを得ることができる。

すなわち、電荷Ｑ＝電圧Ｖ×容量値Ｃで表され、一方、電荷Ｑ＝電流Ａ×時間ｔであるから、Ｃ＝Ａ×ｔ／Ｖとなるので、この容量計算式により容量値Ｃが得られる。

次に、キャパシタユニット電圧検出手段１７ａの出力が充電終了電圧である１２Ｖになると充電を完了する。

内部抵抗値Ｒ、容量値Ｃは充電完了後には上記のようにして測定することができないので、以後は充電中に得られたこれらの値を基にキャパシタユニット１１の温度により推定している。その方法を以下に説明する。

図４（ａ）はキャパシタユニット１１の容量値の標準値における温度特性を示す。標準値とは多数の新品キャパシタユニット１１の容量値を平均化したものである。従って、新品のキャパシタユニット１１の容量値は図４（ａ）の温度特性線近くの値となる。

しかし、キャパシタユニット１１を使い続けることにより劣化が進行すると、その容量値は徐々に小さくなっていく。よって、例えば図４（ａ）に示すように容量値が０℃時に１０Ｆであったとすると新品の容量値１４Ｆに比べ４Ｆも小さいので、新品の状態から４Ｆ分の劣化が進んでいることになる。

これを他の温度で比べてみても、図４（ａ）に示したとおり、新品との差は全て４Ｆであった。

このことから、図２のフローチャートのＳ２で測った容量値Ｃと図４（ａ）の特性図があれば、温度に関わらず新品との差が４Ｆと一定であるので、現在の容量値を推定することができる。

例えば、現在の温度が１５℃であれば、１５℃の標準容量値を図４（ａ）から求め（この場合、１５Ｆ）、新品との差４Ｆを差し引くことで実際の容量値は１１Ｆであると推定できる。

このようにして、任意の温度下でのキャパシタユニット１１の容量値を、その時の温度のみから推定することができる。なお、容量値の新品との差（例えば４Ｆ）を以後劣化補正値と呼び、これを図２のフローチャートのＳ３で求めておく。ここで、容量値Ｃに対する劣化補正値をＣｃｏｒとする。

同様にして内部抵抗値も温度のみによって推定できる。この場合は例えば図４（ｂ）に示すように０℃の内部抵抗値が１３０ｍΩであったとすれば、新品の平均内部抵抗値は６０ｍΩであるから、両者の差（劣化補正値）＝７０ｍΩ分の内部抵抗値が増え、劣化が進んでいることになる。

この値も図２のフローチャートのＳ２で求めた内部抵抗値と図４（ｂ）から、内部抵抗値の劣化補正値ＲｃｏｒとしてＳ３で求めておく。

次に、Ｓ２で求めた容量値Ｃや内部抵抗値Ｒの少なくともいずれかが、あらかじめ求めたキャパシタユニット１１の容量に対する劣化判定値Ｃｌｉｍや内部抵抗に対する劣化判定値Ｒｌｉｍを満たさない場合、すなわち、ＣがＣｌｉｍ以下の場合、またはＲがＲｌｉｍ以上の場合は（Ｓ４のＹｅｓ）、キャパシタユニット１１が劣化したと判断し、マイクロコンピュータ１５はその事実を通信出力端子９を介して電子制御部６に劣化異常信号を送信する（Ｓ５）。

なお、内部抵抗値Ｒの劣化判定値Ｒｌｉｍは、これ以上大きければキャパシタユニット１１として用いえない限界値のことで、本実施の形態では新品の平均内部抵抗値の約５倍とした。また、容量値Ｃの劣化判定値Ｃｌｉｍは、これ以上小さければキャパシタユニット１１として用いえない限界値のことで、本実施の形態では新品の平均容量値の約４分の１とした。

Ｓ４でＮｏの場合は、既にキャパシタユニット１１への充電は終わっているので、上記した方法を基に現在の内部抵抗値、容量値を以下のように推定する。

まず、キャパシタユニット１１の近傍の温度を測定する（Ｓ６）。

その結果、もし温度センサ１８が断線または短絡などの故障をしていた場合は（Ｓ７のＹｅｓ）温度がわからないので、本実施の形態では現在の温度をキャパシタユニット１１の最高使用温度にセットし（Ｓ８）、以後この温度を基に後述する内部抵抗値の補正計算値などを求めてキャパシタユニット１１の劣化判断を行うようにしている。

なお、温度センサ１８が故障した場合、現在の温度をキャパシタユニット１１の最高使用温度（本実施の形態の場合３０℃）にセットするのは、図９から明らかなように、キャパシタユニットの使用温度が高いほど劣化の判定基準値が厳しくなるからである。

この結果、温度がわからない場合に最も負荷条件の厳しい温度を適用して劣化判定を行うことになるので、キャパシタユニット１１の劣化判断の精度を損なう可能性（劣化しているのに正常と判断してしまう）を低減することができる。

温度センサ１８が正常であった場合（Ｓ７のＮｏ）、現在の温度がキャパシタユニット１１の使用温度範囲（本実施の形態では−３０℃〜３０℃）を超えていると（Ｓ９のＹｅｓ）、キャパシタユニット１１の劣化判断は行わない。

これは、温度センサ１８にサーミスタを用いているため、使用温度範囲を超えるとサーミスタの感度が極めて大きくなるか極めて小さくなり、温度測定の精度が悪くなってしまうのと、補助電源としての能力自身も保証できないためである。

従って、車両用電源装置３が使用温度範囲内に入るまでは劣化判定をしないように制御している。

Ｓ８、Ｓ９のＮｏのいずれの場合も現在のキャパシタユニット１１の容量値、内部抵抗値の補正計算値を、Ｓ３で求めた劣化補正値Ｃｃｏｒ、Ｒｃｏｒ（本実施の形態ではそれぞれ４Ｆ、７０ｍΩ）およびＳ６で求めた温度から図４（ａ）、（ｂ）の特性図を用いて求める（Ｓ１０）。

具体的には、まず求めた温度に対応する容量値、内部抵抗値の標準値を図４（ａ）、（ｂ）の特性図からそれぞれ求める。

次に各標準値に対し劣化補正値Ｃｃｏｒ、Ｒｃｏｒを、容量値の場合は差し引き、内部抵抗値の場合は加えることで、容量補正計算値Ｃｃａｌ、および内部抵抗補正計算値Ｒｃａｌを求める。

次に、Ｓ４と同様に、上記で求めた内部抵抗補正計算値Ｒｃａｌがその劣化判定値Ｒｌｉｍ以上か、または容量補正計算値Ｃｃａｌがその劣化判定値Ｃｌｉｍ以下の場合は（Ｓ１１のＹｅｓ）、劣化限界を超えているのでキャパシタユニット１１が劣化していると判断し、マイクロコンピュータ１５は劣化異常信号を送信する（Ｓ５）。

Ｓ１１でＮｏの場合は容量補正計算値Ｃｃａｌの値に応じた劣化判定式の係数をＲＯＭから取り込む（Ｓ１２〜Ｓ１５）。

ここで、係数取り込みの考え方を説明する。

詳細は後述するが、負荷に対して断続的に電力を供給すると、供給の回数に応じて劣化判定式が異なる。この複数の異なった劣化判定式は容量補正計算値Ｃｃａｌの数値範囲に対応しているので、Ｃｃａｌの値に対応する劣化判定式の係数がそれぞれ存在する。

従って、もしＣｃａｌの値が１回目の電力供給時の劣化判定式の数値範囲に入っていれば、１回目の劣化判定式の係数を取り込む（Ｓ１３）。

同様に、Ｃｃａｌが２回目の数値範囲なら２回目の係数を（Ｓ１４）、Ｃｃａｌが３回目の数値範囲なら３回目の係数を（Ｓ１５）それぞれ取り込む。

こうして得られた係数とＣｃａｌを劣化判定式に代入することで内部抵抗における劣化の判定基準値Ｒｓｔｄを求める（Ｓ１６）。

この判定基準値Ｒｓｔｄは劣化の限界値に相当するため、現在の内部抵抗補正計算値Ｒｃａｌと比較し、もし判定基準値Ｒｓｔｄが内部抵抗補正計算値Ｒｃａｌ以下であれば（Ｓ１７のＹｅｓ）、劣化限界を超えているのでキャパシタユニット１１が劣化していると判断し、マイクロコンピュータ１５は劣化異常信号を送信する（Ｓ５）。

Ｓ１７でＮｏの場合はまだ劣化限界に達していないので、正常と判断しＳ６に戻り、同様に劣化判定を継続する。

以上が車両用電源装置の概略動作であるが、ここで、劣化判定手法について詳細を説明する。

まず、従来の連続的に負荷へ電力供給を行った場合について述べる。

連続供給の場合に流れる負荷電流とキャパシタユニット電圧の経時的変化を図５（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す。

図５（ａ）のように、ある時間に負荷電流Ｉｃｎｔを連続して流すと（負荷オン）、図５（ｂ）に示すようにキャパシタユニット電圧は最初のＶｓｔｒから若干電圧降下したあと下がり続け、時間ｔで負荷をオフにするとキャパシタユニット電圧は若干上昇してある一定値Ｖｅｎｄとなる。

このような使い方をしたときの容量値に対する内部抵抗の劣化判定基準値は図６（ａ）の曲線で示される。従って、キャパシタユニット１１の現在の容量補正計算値Ｃｃａｌを劣化判定式（図６（ａ）の曲線で表わされる）に代入すれば判定基準値Ｒｓｔｄが求められる。

ここで、Ｒｓｔｄが内部抵抗補正計算値Ｒｃａｌ以下であれば劣化と判断していることから、Ｒｃａｌがこの曲線上か、それより上の部分にあれば劣化と判断し、Ｒｃａｌがこの曲線より下の部分にあれば正常と判断している。

これは、一般にキャパシタの劣化は容量が下がり、内部抵抗が上がる傾向にあるためであり、図６（ａ）で示すと右下ほど正常で、左上ほど劣化していることになる。そして、正常と劣化の判断基準が前記曲線に相当する。

ここで、この劣化判定式の求め方を以下に示す。

今、バッテリ１の電圧が既定値（９．５Ｖ）より下がり、車両用電源装置３が動作して運転者が車両制動を行った場合を考える。

キャパシタユニット１１の電圧は車両用電源装置３の動作前にＶｓｔｒであったものが、動作により一定負荷電流Ｉｃｎｔが時間ｔだけ流れ、動作後の電圧がＶｅｎｄになったとする（図５（ａ）、（ｂ）参照）。

この場合、負荷要求上、Ｖｅｎｄは最低電圧Ｖｍｉｎ以上でなくてはならない。よって（１）式を満たす必要がある。

Ｖｅｎｄ≧Ｖｍｉｎ （１）
一方、キャパシタユニット１１の電圧降下ΔＶは
ΔＶ＝Ｖｓｔｒ−Ｖｅｎｄ （２）
であるので、（１）式を代入して
ΔＶ≦Ｖｓｔｒ−Ｖｍｉｎ （３）
となる。

電圧降下ΔＶは車両制動によるもの以外に配線系統によるものやキャパシタの内部抵抗によるものの和として表される。

車両制動による電圧降下Ｖｌｏｄはキャパシタユニット１１の電荷量をＱ、容量値をＣとすると、次式で表される。

Ｑ＝Ｃ・Ｖｌｏａｄ
∴Ｖｌｏａｄ＝Ｑ／Ｃ （４）
ここで、電荷量Ｑは車両制動により消費されるので、
Ｑ＝Ｉｃｎｔ・ｔ （５）
となる。よって、（５）式を（４）式に代入して
Ｖｌｏａｄ＝（Ｉｃｎｔ・ｔ）／Ｃ （６）
次に、配線系統による電圧降下Ｖｄｒはダイオードのように電流依存が少ない一定の電圧降下Ｖｆと配線抵抗やスイッチング素子の抵抗などの総抵抗Ｒｌｏｓｓより、次式で表される。

Ｖｄｒ＝Ｖｆ＋（Ｒｌｏｓｓ・Ｉｃｎｔ） （７）
次に、キャパシタの内部抵抗による電圧降下Ｖｃは、キャパシタユニット１１の内部抵抗をＲとすると、
Ｖｃ＝Ｒ・Ｉｃｎｔ （８）
以上より、全体の電圧降下ΔＶは
ΔＶ＝Ｖｃ＋Ｖｌｏａｄ＋Ｖｄｒ
＝Ｒ・Ｉｃｎｔ＋（Ｉｃｎｔ・ｔ）／Ｃ＋Ｖｄｒ （９）
（９）式を（３）式に代入すると、
（Ｖｓｔｒ−Ｖｍｉｎ）
≧Ｒ・Ｉｃｎｔ＋（Ｉｃｎｔ・ｔ）／Ｃ＋Ｖｄｒ （１０）
Ｒの式に直すと、
Ｒ≦（（Ｖｓｔｒ−Ｖｍｉｎ）−Ｖｄｒ
−（Ｉｃｎｔ・ｔ）／Ｃ）／Ｉｃｎｔ （１１）
ここで、温度が一定ならＶｓｔｒ、Ｖｍｉｎ、Ｖｄｒ、Ｉｃｎｔ、ｔは一定であるので、（１１）式は簡単には（１２）式のように表される。

Ｒ≦Ａ−Ｂ／Ｃ （１２）
なお、係数Ａ、Ｂは定数である。

（１２）式より負荷を満たすためのキャパシタユニット１１の容量値Ｃと内部抵抗値Ｒの関係式が得られた。すなわち、理論的にはＣとＲは（１２）式を満たしていなければならないことがわかる。

なお、係数Ａ、Ｂは実際にはキャパシタユニット１１のＲやＣの測定誤差等のマージンを考慮して、劣化判定が厳しくなる方向に設定している。具体的には内部抵抗値Ｒは２０％、容量値Ｃは１５％のマージンをそれぞれ加味し、
Ｒ≦０．８・（Ａ−（Ｂ／Ｃ）・１．１５）
≦Ａ’−Ｂ’／Ｃ （１３）
とした。なお、係数Ａ’、Ｂ’はマージン加味後の定数である。

以上の計算からキャパシタユニット１１の劣化判定式（図６（ａ）の曲線）を得ることができた。

なお、Ａ’、Ｂ’は温度により変動する値（温度係数）であるので、温度毎の劣化判定式（１３）をグラフ化すると図６（ｂ）のようになる。

従って、温度センサ１８の出力に応じたＡ’、Ｂ’を劣化判定式（１３）に代入することによって、現在の温度に対する劣化判定式を得ることができる。

これにより、温度に応じたより正確な劣化判定が可能となる。

以上が従来の連続的に負荷に電力を供給した場合の劣化判定手法である。

これに対し、断続的に負荷に電力を供給した場合の劣化判定手法について説明する。

断続供給の場合に流れる負荷電流とキャパシタユニット電圧の経時的変化を図７（ａ）、（ｂ）にそれぞれ示す。なお、ここでは断続回数を３回として説明する。

図７（ａ）のように、ある時間に負荷電流Ｉｃｎｔを流すと（負荷オン）、図７（ｂ）に示すようにキャパシタユニット電圧は最初のＶｓｔｒから若干電圧降下したあと下がり、時間ｔ１で負荷をオフにするとキャパシタユニット電圧は若干上昇してある一定値となる。

この状態で再び負荷電流Ｉｃｎｔを流すと（負荷オン）、図７（ｂ）に示すようにキャパシタユニット電圧は前回の電圧値から若干電圧降下したあと下がり、時間ｔ２で負荷をオフにするとキャパシタユニット電圧は若干上昇してある一定値となる。

同様に、３回目の負荷電流Ｉｃｎｔを流し、時間ｔ３で負荷をオフにするとキャパシタユニット電圧は若干上昇してある一定値Ｖｅｎｄとなる。

このような使い方をしたときの容量値に対する内部抵抗の劣化判定基準値は負荷への電力供給回数に応じて図８（ａ）に示す３つの曲線（劣化判定式）で示されることがわかった。

すなわち、１回目の電力供給時はＩの曲線（劣化判定式）で、２回目の時はIIの曲線で、３回目の時はIIIの曲線でそれぞれ示される。

従って、劣化判定式に代入するＣｃａｌの数値範囲によってＩ、II、IIIのいずれかの曲線に対応した係数Ａ’、Ｂ’を用いる必要があることがわかる。

具体的には、例えばＣｃａｌが図８（ａ）の横軸に示したＢの数値範囲にあるときはＩの劣化判定式を用いて劣化を判断する。

同様にＣｃａｌがＣの数値範囲ならIIの劣化判定式を、Ｄの数値範囲ならIIIの劣化判定式をそれぞれ用いて劣化判断する。

よって、図８（ａ）の太線で示した屈曲線が負荷へ断続的に電力供給した時の劣化判定線になり、現在の内部抵抗補正計算値Ｒｃａｌがこの線より下側なら正常、上側なら劣化と判断できる。

なお、図２のフローチャートのＳ１１で示したように、前記判定の以前に元々のキャパシタユニット１１の劣化限界特性としての劣化判定値ＲｌｉｍやＣｌｉｍと比較しているが、これについても図８（ａ）のｘｙ座標上に示しておく。

従って、劣化判定式の数は上記Ｉ、II、IIIの３式（＝負荷への電力供給３回に対応）となり、これに劣化判定値ＲｌｉｍやＣｌｉｍを加えた屈曲線（図８（ａ）の太線）によりキャパシタユニット１１の断続使用時における劣化を判定する。

ゆえに、この屈曲線は１つの式では表されないので、Ｃｃａｌが図８（ａ）の横軸の領域ＡおよびＥの場合は劣化判定式を図２のフローチャートのＳ１１に示した２式として劣化を判断し、Ｃｃａｌが領域Ｂ、Ｃ、Ｄの場合ではＣｃａｌの数値範囲によって係数を変え、その範囲に応じた劣化判定式（Ｉ、II、III）に代入、計算することによって劣化判断を行っている。

次に、このような複数（３式）の異なった劣化判定式を用いる場合の劣化判定を従来の１式のみの劣化判定式（太点線）と比較しながら、その特長を説明する。

図８（ａ）において、キャパシタユニット１１が新品であったときのＣｃａｌとＲｃａｌが座標（Ｃ１、Ｒ１）にあったとする。

この時の劣化判定は従来の１式のみの劣化判定式（太点線）で行うと、図８（ａ）より明らかに座標（Ｃ１、Ｒ１）は劣化判定式（太点線）の下側にあるので、正常と判断できる。もちろん、Ｃ１を（１３）式に代入してＲｓｔｄを求め、Ｒｉと比較しても同じ結果が得られる。

これに対し、本実施の形態である３式からなる劣化判定式（太線）で劣化判定を行うと、Ｃ１の数値範囲が図８（ａ）の横軸に示したＤの範囲にあるので、劣化判定式はIIIを使用することになる。

そこでIIIの係数とＣ１を代入して計算すると、Ｒｓｔｄ＞Ｒ１となる。これは図８（ａ）で座標（Ｃ１、Ｒ１）が太線の下側にあることからも明らかである。

従って、本実施の形態の劣化判定手法においてもキャパシタユニット１１はまだ劣化していないと判断する。

次に、キャパシタユニット１１の使用に伴い劣化が図８（ａ）の点線矢印の方向に進行し、ＣｃａｌとＲｃａｌが座標（Ｃ２、Ｒ２）になったとする。なお、前記したように一般にキャパシタの劣化は容量が下がり、内部抵抗が上がる傾向なので、図８（ａ）において、前記座標（Ｃ２、Ｒ２）を（Ｃ１、Ｒ１）の左上方向とした。

この座標において従来の劣化判定を行うと、（１３）式にＣ２を代入して計算した結果、Ｒｓｔｄ＝Ｒ２となり、ちょうど劣化判定式の曲線上にあることがわかる。その結果、従来の判定手法ではキャパシタユニット１１が劣化したと判断してしまう。

一方、本実施の形態である３式の劣化判定式（太線）で劣化判定を行うと、Ｃ２の数値範囲が図８（ａ）の横軸に示したＣの範囲にあるので、劣化判定式はIIを使用することになる。

そこでIIの係数とＣ２を代入して計算すると、Ｒｓｔｄ＞Ｒ２となる。これは図８（ａ）で座標（Ｃ２、Ｒ２）が太線の下側にあることからも明らかである。

従って、本実施の形態の劣化判定手法ではキャパシタユニット１１はまだ劣化していないと判断する。

以上のことから、従来の劣化判定手法は断続的な負荷への電力供給時には不正確であることが明らかになった。

さらに、図８（ａ）の実線矢印で示すようにキャパシタユニット１１の劣化が進行し、座標（Ｃ３、Ｒ３）に至ったとする。

従来の劣化判定手法では図８（ａ）のグラフからも明らかなように座標（Ｃ３、Ｒ３）は劣化判定線（太点線）の上側になるので、劣化していると判断する。

一方、本実施の形態である３式からなる劣化判定式（太線）で劣化判定を行うと、Ｃ３の数値範囲が図８（ａ）の横軸に示したＢの範囲にあるので、劣化判定式はＩを使用することになる。

そこでＩの係数とＣ３を代入して計算すると、Ｒｓｔｄ＝Ｒ３となる。ここに至って初めてキャパシタユニット１１が劣化したと判断する。

これらのことをまとめると、従来の劣化判定手法ではまだ劣化していない座標（Ｃ２、Ｒ２）で劣化と判断してしまい、座標（Ｃ２、Ｒ２）から本来の劣化が発生する座標（Ｃ３、Ｒ３）に至るまでの時間分、寿命を短く見積もっていたことがわかる。

それに対し、本実施の形態の劣化判定方法では、より正確な劣化判定が可能であることが明らかとなった。

従って、図８（ａ）全体について太線と太点線で囲まれた部分に相当するだけ寿命を正確に長く判定することができるようになった。

なお、本実施の形態の３式からなる劣化判定式も従来の劣化判定式と同様に温度により係数が変化する。この様子を図８（ｂ）に示す。図６（ｂ）と同様に温度に対して劣化判定式がシフトしていることがわかる。

このことから、マイクロコンピュータ１５に内蔵されたＲＯＭには温度に応じて複数の劣化判定式を有するよう温度毎の係数を記憶させてあり、現在の温度に応じて適切な係数を適用している。

以上の構成、動作により、従来より正確に劣化を判定できるので、キャパシタユニット１１を本来の寿命まで使用することが可能になった。

なお、本実施の形態では容量値Ｃや内部抵抗値Ｒを充電時に求めたが、これはイグニッションスイッチ２をオフにしてキャパシタユニット１１の補助電力を放電する際に充電時と同様の手法で求めて記憶しておいてもよい。

本発明にかかる車両用電源装置によれば、キャパシタユニットを本来の寿命まで長く使用できるので、特に、車両の制動を電気的に行う電子ブレーキシステムの非常用電源等として有用である。

本発明の実施の形態における車両用電源装置のブロック回路図 本発明の実施の形態における車両用電源装置の動作の考え方を示すフローチャート 本発明の実施の形態における車両用電源装置の充電時のキャパシタユニットの電圧値の経時変化図 本発明の実施の形態における車両用電源装置のキャパシタユニットの標準特性の温度変化図であり、（ａ）容量値の温度変化図、（ｂ）内部抵抗値の温度変化図 本発明の実施の形態における車両用電源装置から連続的に電力供給した際のキャパシタユニットの電流電圧特性における経時変化図であり、（ａ）負荷電流の経時変化図、（ｂ）キャパシタユニット電圧の経時変化図 本発明の実施の形態における車両用電源装置における連続的に電力供給した際の劣化判定式による容量値と内部抵抗の劣化判定基準値の相関図であり、（ａ）代表相関図、（ｂ）温度毎の相関図 本発明の実施の形態における車両用電源装置から断続的に電力供給した際のキャパシタユニットの電流電圧特性における経時変化図であり、（ａ）負荷電流の経時変化図、（ｂ）キャパシタユニット電圧の経時変化図 本発明の実施の形態における車両用電源装置における断続的に電力供給した際の劣化判定式による容量値と内部抵抗の劣化判定基準値の相関図であり、（ａ）代表相関図、（ｂ）温度毎の相関図 従来の車両用電源装置のキャパシタユニットの各温度における劣化判定式による容量値と内部抵抗値の劣化判定基準値の相関図

符号の説明

３ 車両用電源装置
１１ キャパシタユニット
１３ 充電回路
１４ 放電回路
１５ マイクロコンピュータ
１６ スイッチ
１７ａ キャパシタユニット電圧検出手段
１７ｂ キャパシタユニット電流検出手段
１８ 温度センサ

Claims (4)

1. 補助電力を蓄える複数のキャパシタからなるキャパシタユニットと、
   前記キャパシタユニット近傍の温度を測定する温度センサと、
   前記キャパシタユニットを充電する充電回路と、
   前記キャパシタユニットの電流を測定するキャパシタユニット電流検出手段と、
   前記キャパシタユニットの電圧を測定するキャパシタユニット電圧検出手段と、
   前記補助電力の必要時に前記キャパシタユニットから出力するよう切り替えるスイッチと、
   前記温度センサ、前記充電回路、前記キャパシタユニット電流検出手段、前記キャパシタユニット電圧検出手段、前記スイッチが電気的に接続された制御部を有し、
   前記キャパシタユニットを定電流で充電または放電する際に、
   途中で充電または放電を中断、再開し、その時の前記キャパシタユニットの中断、再開前後の充電または放電の電圧の変化を前記キャパシタユニット電圧検出手段により検出するとともに、前記キャパシタユニット電流検出手段の出力とから前記キャパシタユニットの内部抵抗値を求め、
   充電または放電の区間中における前記キャパシタユニットの充電または放電の電圧変化率と、前記キャパシタユニット電流検出手段の出力から前記キャパシタユニットの容量値を求め、
   その後、所定時間毎に、前記温度センサから求めた温度に応じて、前記内部抵抗値と前記容量値を補正計算することで内部抵抗補正計算値および容量補正計算値を求めるとともに、
   前記容量補正計算値の数値範囲に対応した複数の異なる劣化判定式を用いて前記容量補正計算値から判定基準値を計算し、
   前記判定基準値が前記内部抵抗補正計算値以下であれば、前記キャパシタユニットが劣化していると判断する車両用電源装置。
2. 劣化判定式の数は、断続的に負荷に電力を供給する回数と等しい請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 内部抵抗補正計算値があらかじめ求めた内部抵抗の劣化判定値以上か、または容量補正計算値があらかじめ求めた容量の劣化判定値以下の場合はキャパシタユニットが劣化していると判断する請求項１に記載の車両用電源装置。
4. 温度に応じて複数の劣化判定式を有する請求項１に記載の車両用電源装置。

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