JP2007259597A - 車両用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電源の電力供給能力が不足した場合の電力供給を確保可能な車両用電源システムの提供を目的とする。
【解決手段】車両のエンジン９を始動させるスタータモータ３と、エンジン９を動力源とするオルタネータ１と、オルタネータ１の発電状態を取得可能なＥＣＵ１０とを有する車両用電源システムにおいて、ＥＣＵ１０は、エンジン９の動作中にオルタネータ１の発電量が所定値以下である場合にはスタータモータ３をエンジン９に接続させて、スタータモータ３を発電機として作動させることを特徴とする、車両用電源システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用電源システムに関し、より詳細には、電源の電力供給能力を調整可能な車両用電源システムに関する。

従来から、電源として二つのバッテリを有する車両用電源システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。本車両用電源システムは、副電源に優先して一般電気負荷への電力供給を行う主電源と、車両減速時に発電機にて発電される回生電力を回収するとともに発電機の発電電力を蓄電する副電源とを備え、副電源から主電源への充電を可能にするものである。
特開２００４−３２８９８８号公報

ところで、上述の従来技術をはじめ、発電機によって発電された電力をバッテリに蓄電可能なシステムの場合、システムの信頼性を確保するために、故障等による発電機の発電不良時の被害をできるだけ最小限に抑える機能をシステムに備えておくことが望ましい。この点、上述の従来技術では、発電機が故障等によって発電不能になり電力供給能力が足りない場合には、副電源に充電ができなくなるため、副電源から主電源への充電を可能にするという本来の機能を発揮することができなくなる。

そこで、本発明は、電源の電力供給能力が不足した場合の電力供給を確保可能な車両用電源システムの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、第１の発明として、
車両のエンジンを始動させるスタータモータと、
前記エンジンを動力源とする発電機と、
前記発電機の発電量を検出する発電動作検出手段とを有する車両用電源システムにおいて、
前記エンジンの動作中に前記発電量検出手段によって所定値以下の発電量が検出される場合に前記スタータモータを前記エンジンに接続させるスタータモータ接続手段を備えることを特徴とする、車両用電源システムを提供する。

また、上記課題を解決するため、第２の発明として、
車両のエンジンを始動させるスタータモータと、
蓄電手段と、
前記蓄電手段に充電可能に接続され、前記エンジンを動力源とする発電機と、
前記発電機の発電量を検出する発電量検出手段と、
前記蓄電手段の充電率を検出する充電率検出手段とを有する車両用電源システムにおいて、
前記エンジンの動作中に、前記発電量検出手段によって前記発電機が最大限発電可能な発電量が検出され、且つ、前記充電率検出手段によって所定値以下の充電率が検出される場合に、前記スタータモータを前記エンジンに接続させるスタータモータ接続手段を備えることを特徴とする、車両用電源システムを提供する。

また、上記課題を解決するため、第３の発明として、
車両のエンジンを始動させるスタータモータと、
蓄電手段と、
前記蓄電手段に充電可能に接続され、前記エンジンを動力源とする発電機と、
前記発電機の発電量を検出する発電量検出手段と、
前記蓄電手段の放電状態を検出する放電状態検出手段とを有する車両用電源システムにおいて、
前記エンジンの動作中に、前記発電量検出手段によって前記発電機が最大限発電可能な発電量が検出され、且つ、前記放電状態検出手段によって前記蓄電手段の放電量が所定値以上検出される場合に、前記スタータモータを前記エンジンに接続させるスタータモータ接続手段を備えることを特徴とする、車両用電源システムを提供する。

また、上記課題を解決するため、第４の発明として、
車両のエンジンを始動させるスタータモータと、
蓄電手段と、
前記蓄電手段に充電可能に接続され、前記エンジンを動力源とする発電機と、を有する車両用電源システムにおいて、
車両の減速時に前記蓄電手段に回生電力を蓄える回生制御可能なモータと、
前記エンジンの動作中に前記回生制御可能なモータが回生制御される場合に前記スタータモータを前記エンジンに接続させるスタータモータ接続手段を備えることを特徴とする、車両用電源システムを提供する。

また、上記課題を解決するため、第５の発明として、
車両のエンジンを始動させるスタータモータと、
蓄電手段と、
前記蓄電手段に充電可能に接続され、前記エンジンを動力源とする発電機とを有し、
前記発電機は、車両の減速時に前記蓄電手段に回生電力を蓄える回生制御可能なモータとして動作する、車両用電源システムにおいて、
前記エンジンの動作中に前記発電機が回生制御される場合に前記スタータモータを前記エンジンに接続させるスタータモータ接続手段を備えることを特徴とする、車両用電源システムを提供する。

なお、第１から第５のいずれかの発明に係る車両用電源システムに、前記ステータ接続手段によって前記スタータモータが前記エンジンに接続された場合に車両音響装置及び車両空調装置への電源の供給を停止させる電源停止手段を更に備えることが好ましい。

本発明によれば、電源の電力供給能力が不足した場合の電力供給を確保することができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明の車両用電源システムの一実施形態を示す構成図である。車両は、様々な電気負荷を搭載している。車載の電気負荷として、例えば、空調装置、音響装置、シートヒータ、シガーソケット、各種ＥＣＵ（Electronic Control Unit）、ソレノイドバルブが挙げられる。なお、これらの電気負荷は、あくまで例示であって負荷の種類を限定するものではない。これらの電気負荷の電源は、オルタネータ１やバッテリ２である。オルタネータ１やバッテリ２は、電源ライン１４を介して、各電気負荷に電力を供給する。

本実施例の車両用電源システムでは、車両に搭載される電気負荷を２つのグループに分類している。第１グループに分類される電気負荷は、車両の走行に不可欠な電気負荷６であり、第２グループに分類される電気負荷は、車両の走行に不必要な電気負荷７である。

第１グループの電気負荷６として、例えば、車両を走行させる駆動装置、車両の走行安定を図る装置、走行に必要な照明装置が挙げられる。より具体的には、エンジンＥＣＵやブレーキＥＣＵ、各種アクチュエータ、ヘッドライト等が挙げられる。

第２グループの電気負荷７は、乗員の利便性や快適性を確保するための装置であって、車両を走行させる上では直接的には関連のない電気負荷である。より具体的には、冷暖房装置や空気清浄装置等の空調装置、アンプやスピーカ等の音響装置、シートヒータ、シガーソケット、デフォッガ等が挙げられる。

オルタネータ１は、エンジン９を動力源とする発電機であって、車両を走行させるためのエンジン９の出力によって発電を行う。オルタネータ１で発生した電力によって、電気負荷が動作したり、バッテリ２が充電されたりする。

なお、バッテリ２への充電等はモータ（電動機）を回生動作させても可能なので、オルタネータ１以外の発電手段として、回生制御が可能なモータを本実施例の車両用電源システムに備えてもよい。例えば、車両の減速時に制動力を確保するために、車輪駆動軸に連結されるモータを回生制御することによって、インバータを介してバッテリ２に充電をすることができる。

また、オルタネータ１は、発電機の機能と回生制御可能なモータの機能の両方備えるモータ／ジェネレータ（いわゆる、ＭＧ）でもよい。例えば、ＭＧは、車両減速時に回生制御することによって、バッテリ２に充電をすることができる。

バッテリ２も、オルタネータ１と同様に、電源ライン１４を介して電気負荷に電力を供給する。バッテリ２は、オルタネータ１の電力供給能力が足りない時に電気負荷に電力を供給し、また、エンジン９を始動させるためのスタータモータ３に電力を供給する。バッテリ２の具体例として、鉛バッテリ、ニッケル水素電池、リチウムイオンバッテリがある。なお、バッテリ２は、電気二重層キャパシタに置き換えてもよい。また、バッテリ２は、鉛バッテリとリチウムイオンバッテリとニッケル水素電池と電気二重層キャパシタの中でいずれかを組み合わせたものでもよい。

また、オルタネータ１が停止している状態では、バッテリ２から電気負荷に電力を供給し得る。例えば、エンジン９が停止してオルタネータ１の不作動状態である停車状態で必要とされる電力は、バッテリ２から電気負荷に電力を供給することができる。

スタータモータ３は、バッテリ２から電力供給を受けてエンジン９を始動させるものである。スタータモータ３を始動させる操作信号が入力された場合、スタータモータ３への通電がなされ、スタータモータ３のピニオンギアとエンジン９のフライホイールのリングギアとが噛み合う（接続する）。これにより、スタータモータ３が回転することによってフライホイールを介してエンジン９のクランクシャフトが回転し、エンジン９が始動する。スタータモータ３を停止させる操作信号が入力された場合（スタータモータ３を始動させる操作信号の入力が無くなった場合）、スタータモータ３のピニオンギアとエンジン９のフライホイールのリングギアは離れ、非通電となって、スタータモータ３の回転は停止する。

逆に言えば、スタータモータ３のピニオンギアとエンジン９のフライホイールのリングギアとが噛み合っている場合（接続している場合に）、エンジン９が回転することによってスタータモータ３が回されれば、スタータモータ３を発電機として作動させることができる。なお、後述するＥＣＵ１０が、スタータモータ３をエンジン９に接続させる制御信号を送信する。スタータモータ３は、その制御信号を受信することによって、エンジン９との接続動作を行う。

他ＥＣＵ１６は、ＥＣＵ１０が必要とする車両に関する状態情報（具体例を挙げるならば、車速情報、エンジン回転数情報、ブレーキ情報、サイドブレーキ情報、ニュートラルやパーキングなどのシフトポジション情報など）の送付元である。なお、ＥＣＵ１０は、車速センサからの車速情報やシフトポジションセンサからのシフトポジション情報など、車両の状態情報を検知する所定のセンサから車両の状態情報を直接取得してもよいので、他ＥＣＵ１６とは、特にＥＣＵに限っているわけではない。

ＥＣＵ１０は、他ＥＣＵ１６からの車両の状態情報に基づいて減速状態であるか否かを判断する。例えば、ＥＣＵ１０は、ブレーキ情報が作動状態である場合に減速状態であると判断し、ブレーキ情報が作動状態でない場合に減速状態でないと判断する。または、ＥＣＵ１０は、車速の微分値が負の場合に減速状態であると判断し、車速の微分値が負でない場合に減速状態ではないと判断する。なお、車速情報、ブレーキ情報、エンジン回転数情報、加減速度センサ情報のいずれかを組み合わせて減速状態を判断することもできる。例えば、ブレーキ情報が作動状態且つ車速の微分値が負の場合に減速状態であると判断してもよい。また、ＥＣＵ１０は、他ＥＣＵ１６からの減速状態を表す減速信号を受信した場合に減速状態であると判断してもよい。

また、ＥＣＵ１０は、バッテリ２の充放電電流を検出する電流センサ４の出力値に基づいてバッテリ２の充放電電流値（バッテリ電流値）を算出する。電流センサ４に内蔵される電流検出部には、ホール素子によって電流を検出するタイプやシャント抵抗によって電流を検出するタイプなどがある。電流センサ４は、例えば、検出した電流に応じた電圧（０〜５Ｖ）を出力する。また、ＥＣＵ１０は、バッテリ２の電圧を検出する電圧センサ５の出力値に基づいてバッテリ２の電圧値を算出する。バッテリ２の電圧とは、図１からも明らかなように、電源ライン１４の電圧であって電気負荷６，７に印加される電圧に相当する。

また、ＥＣＵ１０は、バッテリ２の充放電電流を検出する電流センサ４やバッテリ２の電圧を検出する電圧センサ５を用いてバッテリ２の電流値や電圧値を検出することによって、バッテリ２の容量がどれだけ残っているのかを示す「充電率（ＳＯＣ：State of Charge）」を算出する。充電率は、満充電容量に対する残容量を示すものである。ＥＣＵ１０は、例えば、バッテリ２の充放電電流の積算（積分）などにより充電率（残容量）を算出する。電気量（バッテリ２の容量）の時間的変化の割合が、電流に相当するからである。残容量はバッテリ２の満充電時の容量からバッテリ２から放電された放電容量を引いた値に相当することから、ＥＣＵ１０は、バッテリ２に接続される電源ラインを電流センサ４等によってバッテリ２の充放電電流をモニターしその履歴をメモリに記録することによって、充電率（残容量）を算出することが可能になる。なお、満充電時の初期容量は、メモリに記憶されている。

また、ＥＣＵ１０は、放電初期時のバッテリ２の電圧の極小値を測定することによって充電率を推定してもよい。放電初期時の電圧の落ち込みにより生じる極小値と充電率は相関があることが知られているため、ＥＣＵ１０は、その相関関係（例えば、マップデータ）に基づいて充電率を推定することができる。

また、ＥＣＵ１０は、放電初期時のバッテリ２の内部抵抗を測定することによって充電率及び満充電容量を算出してもよい。内部抵抗は、初期放電電流と初期放電電圧によって算出される。内部抵抗と充電率、ならびに、内部抵抗と満充電容量は、相関があることが知られている。ＥＣＵ１０は、バッテリ２の内部抵抗に対する充電率の算出マップを参照して、バッテリ２の内部抵抗に対応する充電率を算出する。ＥＣＵ１０は、バッテリ２の内部抵抗に対する満充電容量の算出マップを参照して、バッテリ２の内部抵抗に対応する満充電容量を算出する。

なお、バッテリ２が電気二重層キャパシタに置換可能であり、その静電容量が既知であるならば、ＥＣＵ１０は、電気二重層キャパシタの電圧値と静電容量に基づいて電気二重層キャパシタの充電率（残容量）を算出することができる。

また、充電率は、所定の充電率を上下限値とするＳＯＣ管理幅に保たれるように充放電の制御が実行される。ＳＯＣ管理幅を設けることによって、例えば過度の充放電を原因とするバッテリ２の劣化の進行速度が速まるのを防ぐことができる。

また、ＥＣＵ１０は、主として電圧センサ５の出力値に基づいて、バッテリ２の電圧が所定の一定値となるようにオルタネータ１の発電量を調整するフィードバック制御を行う。なお、ＥＣＵ１０はオルタネータ１が実際に発電しているか否かを判断するためにオルタネータ１の発電状態を情報として取得してもよい。そのためには、発電中か否かを示す発電状態をＥＣＵ１０に出力する手段をオルタネータ１に備えればよい。具体例として、発電中である場合にはＨｉ信号を出力し発電中でない場合にはＬｏ信号を出力する、いわゆるＬ端子が流用可能である。また、オルタネータ１にそのような手段を備えずに、ＥＣＵ１０がオルタネータ１の出力電流や出力電圧を直接監視することによってオルタネータ１が実際に発電しているか否かを判断することもできる。また、実際の発電量を取得するために、ＥＣＵ１０はオルタネータ１の出力電流や出力電圧に基づいてオルタネータ１の実際の発電量を算出してもよいし、検出した発電量をＥＣＵ１０に出力する検出手段をオルタネータ１に備えてもよい。

なお、ＥＣＵ１０は、制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭ、制御プログラムの処理データを一時的に記憶するＲＡＭ、制御プログラムを処理するＣＰＵ、外部と情報をやり取りするための入出力インターフェースなどの複数の回路要素によって構成されたものである。また、ＥＣＵ１０は一つの制御ユニットとは限らず、制御が分担されるように複数の制御ユニットであってよい。

それでは、本実施例に係る車両用電源システムの動作フローについて説明する。

図２は、本実施例に係る車両用電源システムの動作フローの第１の例である。ＥＣＵ１０は、オルタネータ１の発電状態の情報を取得することによって、オルタネータ１が発電不良であるか否かを判断する（ステップ１０）。他ＥＣＵ１６が有するエンジン回転数情報等に基づきエンジン９が動作中にもかかわらずオルタネータ１が発電中でなければ（若しくは、発電量が規定の正常値以下であれば）、オルタネータ１が発電不良の状態であると判断することができる。ＥＣＵ１０は、オルタネータ１に発電不良があると判断した場合には、電力の供給源を確保するため、スタータモータ１をエンジン９に接続する（ステップ１２）。

一方、ＥＣＵ１０は、オルタネータ１に発電不良がないと判断した場合には（ステップ１０；Ｎｏ）、オルタネータ１の発電量が最大であるか否かを判断する（ステップ１８）。オルタネータ１の発電量が最大であると判断した場合には（ステップ１８；Ｙｅｓ）、バッテリ２の充電率が規定の正常値以下であるか否かを判断する（ステップ２０）。バッテリ２の充電率が規定値以下である場合には（ステップ２０；Ｙｅｓ）、オルタネータ１の発電量が最大であるにも関わらずバッテリ２を蓄電できていないとして、電力の供給源を確保するため、スタータモータ１をエンジン９に接続する（ステップ１２）。なお、オルタネータ１の発電量が最大ではないと判断した場合（ステップ１８；Ｎｏ）、あるいは、バッテリ２の充電率が規定値以下ではない場合（ステップ２０；Ｎｏ）、発電能力に問題がないとして、本フローは終了する。

ステップ１２においてスタータモータ１をエンジン９に接続後、ＥＣＵ１０は、バッテリ２の放電が規定の正常値以上あるか否かを判断する（ステップ１４）。バッテリ２の放電が規定値以上ある場合には（ステップ１４；Ｙｅｓ）、オルタネータ１の発電不良によってバッテリ２から規定値以上の放電が発生しているとして、あるいは、オルタネータ１の発電量が最大であるにも関わらず電気負荷の消費電力が大きくてバッテリ２から規定値以上の放電が発生しているとして、電気負荷７への電力供給を遮断回路８によって遮断する（ステップ１６）。なお、バッテリ２の放電が規定値以上ない場合には（ステップ１４；Ｎｏ）、発電能力に問題がないとして、本フローは終了する。

図３は、本実施例に係る車両用電源システムの動作フローの第２の例である。この場合の車両用電源システムには、車両の減速時の回生制御によってバッテリ２に回生電力を蓄電可能なモータあるいはＭＧを備えているものとする。

ＥＣＵ１０は、オルタネータ１の発電状態の情報を取得することによって、オルタネータ１が発電不良であるか否かを判断する（ステップ３０）。他ＥＣＵ１６が有するエンジン回転数情報等に基づきエンジン９が動作中にもかかわらずオルタネータ１が発電中でなければ（若しくは、発電量が規定の正常値以下であれば）、オルタネータ１が発電不良の状態であると判断することができる。ＥＣＵ１０は、オルタネータ１に発電不良があると判断した場合には、電力の供給源を確保するため、スタータモータ１をエンジン９に接続する（ステップ３２）。

一方、ＥＣＵ１０は、オルタネータ１に発電不良がないと判断した場合には（ステップ３０；Ｎｏ）、車両が減速しているか否かを判断する（ステップ３６）。車両が減速している場合には、バッテリ２に回生電力を蓄電可能なモータやＭＧが回生制御されることによってバッテリ２に回生電力が供給されている。したがって、車両が減速していると判断した場合には（ステップ３６；Ｙｅｓ）、電力の供給源を確保するため、スタータモータ１をエンジン９に接続する（ステップ３２）。なお、車両が減速していないと判断した場合には（ステップ３６；Ｎｏ）、発電能力に問題ないとして、本フローは終了する。

したがって、本実施例の車両用電源システムによれば、オルタネータ１に発電不良が発生したとしても、スタータモータ３をエンジン９に接続することによって、スタータモータ３を発電機として作動させるので、電気負荷への電力供給能力はバッテリ２のみの電力供給能力に比べ向上する。その結果、電気負荷への電力供給が可能な時間が延長されるため、走行距離の延長や駐車時間の延長等を図ることができる。また、走行に不必要な電気負荷への電力供給を遮断することで、より一層の電力供給可能時間の延長を図ることができる。

また、本実施例の車両用電源システムによれば、車両の減速時にスタータモータ３をエンジン９に接続することによって、回生制御可能なモータやＭＧからの回生電力に加え、エンジン９に回されることによるスタータモータ３からの回生電力も得ることができるので、より多くの回生電力を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、図２のステップ１０とステップ１８との間に図３のステップ３６で行われる車両の減速判定を挿入してもよい。車両が減速していると判断すれば、ステップ１８に移行し、減速していないと判断すれば、発電能力に問題ないとして、本フローは終了する。

本発明の車両用電源システムの一実施形態を示す構成図である。 本実施例に係る車両用電源システムの動作フローの第１の例である。 本実施例に係る車両用電源システムの動作フローの第２の例である。

符号の説明

１ オルタネータ
２ バッテリ
３ スタータモータ
４ 電流センサ
５ 電圧センサ
６ 走行に不可欠な電気負荷
７ 走行に不必要な電気負荷
８ 遮断回路
１０ ＥＣＵ
１４ 電源ライン
１６ 他ＥＣＵ

Claims (6)

1. 車両のエンジンを始動させるスタータモータと、
   前記エンジンを動力源とする発電機と、
   前記発電機の発電量を検出する発電動作検出手段とを有する車両用電源システムにおいて、
   前記エンジンの動作中に前記発電量検出手段によって所定値以下の発電量が検出される場合に前記スタータモータを前記エンジンに接続させるスタータモータ接続手段を備えることを特徴とする、車両用電源システム。
2. 車両のエンジンを始動させるスタータモータと、
   蓄電手段と、
   前記蓄電手段に充電可能に接続され、前記エンジンを動力源とする発電機と、
   前記発電機の発電量を検出する発電量検出手段と、
   前記蓄電手段の充電率を検出する充電率検出手段とを有する車両用電源システムにおいて、
   前記エンジンの動作中に、前記発電量検出手段によって前記発電機が最大限発電可能な発電量が検出され、且つ、前記充電率検出手段によって所定値以下の充電率が検出される場合に、前記スタータモータを前記エンジンに接続させるスタータモータ接続手段を備えることを特徴とする、車両用電源システム。
3. 車両のエンジンを始動させるスタータモータと、
   蓄電手段と、
   前記蓄電手段に充電可能に接続され、前記エンジンを動力源とする発電機と、
   前記発電機の発電量を検出する発電量検出手段と、
   前記蓄電手段の放電状態を検出する放電状態検出手段とを有する車両用電源システムにおいて、
   前記エンジンの動作中に、前記発電量検出手段によって前記発電機が最大限発電可能な発電量が検出され、且つ、前記放電状態検出手段によって前記蓄電手段の放電量が所定値以上検出される場合に、前記スタータモータを前記エンジンに接続させるスタータモータ接続手段を備えることを特徴とする、車両用電源システム。
4. 車両のエンジンを始動させるスタータモータと、
   蓄電手段と、
   前記蓄電手段に充電可能に接続され、前記エンジンを動力源とする発電機と、を有する車両用電源システムにおいて、
   車両の減速時に前記蓄電手段に回生電力を蓄える回生制御可能なモータと、
   前記エンジンの動作中に前記回生制御可能なモータが回生制御される場合に前記スタータモータを前記エンジンに接続させるスタータモータ接続手段を備えることを特徴とする、車両用電源システム。
5. 車両のエンジンを始動させるスタータモータと、
   蓄電手段と、
   前記蓄電手段に充電可能に接続され、前記エンジンを動力源とする発電機とを有し、
   前記発電機は、車両の減速時に前記蓄電手段に回生電力を蓄える回生制御可能なモータとして動作する、車両用電源システムにおいて、
   前記エンジンの動作中に前記発電機が回生制御される場合に前記スタータモータを前記エンジンに接続させるスタータモータ接続手段を備えることを特徴とする、車両用電源システム。
6. 前記ステータ接続手段によって前記スタータモータが前記エンジンに接続された場合に車両音響装置及び車両空調装置への電源の供給を停止させる電源停止手段を更に備える、請求項１から５のいずれかに記載の車両用電源システム。

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