JP2007267454A

JP2007267454A - 車両用バッテリ装置

Info

Publication number: JP2007267454A
Application number: JP2006086212A
Authority: JP
Inventors: Nobuaki Takeda; 信章武田
Original assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Current assignee: Mitsubishi Fuso Truck and Bus Corp
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2007-10-11

Abstract

【課題】低電圧で作動する電装品をＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく接続できるようにするとともに、各バッテリ電圧のバランスが崩れるのを防止する。
【解決手段】複数のバッテリのうち高圧側に接続された第１バッテリ２ａと、低圧側に接続された第２バッテリ２ｂと、２つのバッテリ２ａ，２ｂの電圧を比較する比較手段６と、比較手段６により第１バッテリ２ａと第２バッテリ２ｂとの電圧差が第１所定値以上であると判定されると、２つのバッテリ２ａ，２ｂの電圧差を解消する電圧差解消手段７と、直列接続された複数のバッテリ全体２を充電する充電手段４とを備えて構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のバッテリを直列接続して個々のバッテリの電圧よりも高い電圧を得るようにした車両用バッテリ装置に関するものである。

従来より、多くのトラックやバスではバッテリの電圧は２４Ｖに設定されており、１２Ｖのバッテリを２個直列に接続することにより２４Ｖを得ている。また、図４に示すように、バッテリ２はエンジン３により発電駆動されるオルタネータ４によって充電される。
一方、乗用車ではバッテリ電圧は１２Ｖに設定されている。また、生産・販売されている車両の個体数としては乗用車の方がバスやトラックに比べて圧倒的に多く、このためアフターマーケットで販売される車両用の電装品はほとんどが１２Ｖ仕様となっている。

このような１２Ｖ仕様の電装品９を２４Ｖバッテリ２の車両に搭載する場合には、車両１の電圧と電装品９の作動電圧とが異なるので車両に電装品９を直接取り付けることはできない。このため、従来は、例えば図４に示すような２通りの接続手法により電装品９を接続していた。
ひとつは、電装品９と２４Ｖ回路との間にＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介装し、２４Ｖの電圧を１２Ｖに降圧する手法（第１の従来技術という）であって、もうひとつは、電装品９を直列接続された２つの１２Ｖバッテリ２ａ，２ｂのうち一方のバッテリ２ｂのみに接続して電力を供給する手法（第２の従来技術という）である。なお、特許文献１には第１の従来技術と同様の技術が開示されている。
特開平１１−２６２１９５号公報

しかしながら、従来の技術では以下のような課題があった。まず、第１の従来技術ではＤＣ／ＤＣコンバータ１１を設ける分だけコスト増を招くことになる。ここで、電装品として例えばＣＤプレーヤのような電流消費の小さいものを接続するのであれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１も小型で済みコスト増もあまり大きくならないが、消費電流の大きい電装品を取り付ける場合には、大電流に対応したＤＣ／ＤＣコンバータ１１を設ける必要があり、コストが大幅に増大する場合がある。

ここで、電装品としてはオーディオ等のアフターマーケット用品に限らず、例えばトラックメーカがサプライヤから購入し、車両製造ラインで装着するような装備品も含まれる。特に、ＡＢＳ（アンチロックブレーキシステム）のように普及率の高い装置は、あえて２４Ｖ仕様の製品を設計，製造するよりも、１２Ｖ仕様の製品（汎用品）をサプライヤから購入したほうがコストを抑制することができる。

一方、ＡＢＳにはブレーキ油圧を制御するための種々のアクチュエータやモータが設けられているが、これらのモータやアクチュエータは頻繁に作動するようなものではないが、作動時には消費する電流が非常に大きいため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介して１２Ｖ仕様のＡＢＳを接続する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１にはＡＢＳ作動時の大電流に対する十分な耐久性が要求される。

このように、ＡＢＳ等の大電流が流れる電装品を装着する場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１自体が大型化且つ高価なものとなり、重量増やコスト増を招くことになる。
また、第２の従来技術のように、直列に接続した２つの１２Ｖバッテリ２ａ，２ｂのうち一方のバッテリ２ｂに電装品を接続した場合、一方のバッテリ２ｂのみ電力が消費されて電圧が低下するため、２つのバッテリ２ａ，２ｂの充電率のバランスが崩れる。このように充電率のバランスが崩れた状態でオルタネータ４により充電が実行されると、他方のバッテリ２ａが過充電となって、耐久性が低下する。

つまり、オルタネータ４では２個のバッテリ２ａ，２ｂの合計電圧に基づいて充電を開始及び停止するので、例えば第１バッテリ２ａの電圧が１２Ｖ、第２バッテリ２ｂの電圧が１０Ｖの合計２２Ｖとなって充電を開始した場合、充電後バッテリ電圧が合計２４Ｖに達した時には各バッテリの電圧はそれぞれ１３Ｖ，１１Ｖとなってしまい、もともと電圧が１２Ｖあった第１バッテリ２ａが、過充電状態となってしまう。

そして、このような過充電が繰り返されるとバッテリ２の耐久性が大幅に劣化してしまい、短期間でバッテリ２を交換しなければならなくなるという課題がある。
本発明は、このような課題に鑑み創案されたもので、低電圧で作動する電装品をＤＣ／ＤＣコンバータを用いることなく接続できるようにするとともに、各バッテリ電圧のバランスが崩れるのを防止できるようにした、車両用バッテリ装置を提供することを目的とする。

このため、本発明の車両用バッテリ装置は、車両に搭載された複数のバッテリを直列に接続することによって前記バッテリが単体で出力する電圧よりも高圧の電圧を出力する車両用バッテリ装置において、該複数のバッテリのうち高圧側に接続された第１バッテリと、該第１バッテリよりも低圧側に接続された第２バッテリと、該第１バッテリの電圧と該第２バッテリの電圧とを比較する比較手段と、該比較手段により該第１バッテリと該第２バッテリとの電圧差が第１所定値以上であると判定されると、該第１バッテリと該第２バッテリとの電圧差を解消する電圧差解消手段と、該直列接続された複数のバッテリのうち最も高圧側に接続されたバッテリに電圧を加えることで該直列接続された複数のバッテリ全体を充電する充電手段とを備えることを特徴としている（請求項１）。

また、該電圧差解消手段は、該第１バッテリを放電させるのが好ましい（請求項２）。
また、該充電手段は、該第１バッテリの電圧と該第２バッテリの電圧との合計が第２所定値未満になると、該第１及び第２バッテリの充電を開始するのが好ましい（請求項３）。
また、該電圧差解消手段は、該充電手段により該充電を開始する前には、該電圧差が該第１所定値未満になるまで該第１バッテリを放電させるのが好ましい（請求項４）。

また、該電圧差解消手段は、該電圧差が該第１所定値よりも小さい値に設定された第３所定値未満になるまで該第１バッテリを放電させるのが好ましい（請求項５）。
また、該車両はトラック又はバスであって、該複数のバッテリが第１バッテリと第２バッテリとから構成されるとともに、該第１及び該第２バッテリはいずれも１２ボルトのバッテリであって、該第２バッテリにはＡＢＳが接続されるのが好ましい（請求項６）。

本発明の車両用バッテリ装置によれば、比較手段により第１バッテリと第２バッテリとの電圧差が第１所定値以上であると判定されると、電圧差解消手段により第１バッテリと第２バッテリとの電圧差が解消されるので、各バッテリ電圧の平衡化を図ることができる。したがって、バッテリ充電時に、一方のバッテリが過充電になるような事態を回避でき、バッテリの耐久性低下を防止することができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の機器を用いずに２４Ｖ仕様の電装品と１２Ｖの電装品とを接続できるので、コスト増等を回避することができる（以上、請求項１）。
また、電圧差解消手段は、第１バッテリを放電させることでバッテリ電圧の平衡化を図るので、２つのバッテリを容易に且つ確実に平衡化させることができる利点がある。したがって、より確実にバッテリの過充電を防止することができる（請求項２）。

また、第１バッテリと第２バッテリとの合計電圧が第２所定値未満になると、第１及び第２バッテリの充電を開始するので、バッテリ電圧の低下を防止できる（請求項３）。
また、充電開始前には、必ず電圧差が第１所定値未満になるまで第１バッテリを放電させるので、やはり確実にバッテリの過充電を防止することができる（請求項４）。
また、電圧差解消手段は、電圧差が第１所定値よりも小さい値に設定された第３所定値未満になるまで第１バッテリを放電させるので、正確にバッテリ電圧の平衡化を図ることができる（請求項５）。

また、本装置をトラックやバス等に適用し、第２バッテリにＡＢＳを接続することで、１２Ｖ仕様の汎用のＡＢＳを搭載することができ、コストの抑制を図ることができる（請求項６）。

以下、図面により、本発明の一実施形態にかかる車両用バッテリ装置について説明すると、図１に示すように、車両１には２４Ｖのバッテリ２が搭載されている。ここで、バッテリ２はそれぞれの電圧が１２Ｖの第１バッテリ２ａ及び第２バッテリ２ｂを備えて構成されており、これらの２つのバッテリ２ａ，２ｂを直列に接続することで２４Ｖの電源として機能している。

また、車両１にはエンジン３が搭載されるとともに、このエンジン３の近傍にはオルタネータ（充電手段）４が設けられている。また、エンジン３とオルタネータ４とはベルト５を介して接続されており、これによりオルタネータ４はエンジン３の駆動力によって駆動されるようになっている。
また、本実施形態では、第１バッテリ２ａのほうが高圧側に接続され、第２バッテリ２ｂは第１バッテリ２ａよりも低圧側に接続されている。具体的には、図１に示すように、第１バッテリ２ａの一方の端子（＋側端子）はオルタネータ４に接続されるとともに、他方の端子(−側端子)は第２バッテリ２ｂの一方の端子（＋側端子）に接続されている。また、第２バッテリ２ｂの他方の端子（−側端子）はボディ等のグラウンド（ＧＮＤ）に接続されてアースされている。

そして、通常は、第１バッテリ２ａの＋側端子に２４Ｖ仕様の電装品（又は、第１電装品という）８の＋側が接続され、−側はＧＮＤにアースされる。これにより、第１電装品８に２４Ｖの電力が供給されて第１電装品８が作動可能となる。
一方、第１バッテリ２ａと第２バッテリ２ｂとの間には１２Ｖの電圧を取り出すための端子２ｃが設けられており、この端子２ｃとＧＮＤとの間に１２Ｖ仕様の電装品（又は第２電装品という）９が接続できるようになっている。そして、この端子２ｃとＧＮＤとの間に第２電装品９を接続することにより、第２電装品９に第２バッテリ２ｂから１２Ｖの電力が供給されるようになっている。なお、本実施形態では、第２電装品９としてＡＢＳが第２バッテリ２ｂに接続されている。

ところで、従来技術の課題として説明したように、このように１２Ｖ仕様の電装品に一方のバッテリからのみ電力を供給すると、一方のバッテリのみ電力を消費してしまい、２つのバッテリの充電率のバランスが崩れてしまうことになる。また、バランスが崩れると、電力消費の少ないバッテリが過充電となり耐久性が低下するという課題がある。
そこで、本装置では、２つの１２Ｖバッテリ２ａ，２ｂが電力的に平衡状態を保持するようにして、バッテリ２ａ，２ｂの電圧バランスが崩れるのを防止するように構成されている。以下、詳しく説明すると、本装置には、図２に示すように、第１バッテリ２ａの電圧Ｖａと第２バッテリ２ｂの電圧Ｖｂとをそれぞれ検出するとともに、これらの電圧の差ΔＶを所定値（第１所定値）と比較するコンパレータ（比較手段；図１では省略）６と、コンパレータ６により電圧差ΔＶが所定値以上となると２つのバッテリ２ａ，２ｂの電圧差を解消するバランサ（電圧差解消手段）７とが設けられている。

このうち、コンパレータ６では第１バッテリ２ａの電圧Ｖａと第２バッテリ２ｂの電圧Ｖｂとに基づいて電圧差ΔＶ（＝Ｖａ−Ｖｂ）を算出するようになっている。そして、算出された電圧差ΔＶが予め設定された所定値Ｖ_TH1以上になったか否かを判定するようになっている。
また、バランサ７は、図１に示すように、オンオフスイッチＳと抵抗Ｒとを備えており、これらのスイッチＳと抵抗Ｒとが直列に接続されている。また、スイッチＳはバッテリ２４に接続され、抵抗Ｒは２つのバッテリ２ａ，２ｂとの間（つまり、端子２ｃと等しい電位）に接続されている。

そして、バランサ７では、コンパレータ６により２つのバッテリの電圧差ΔVが所定値Ｖ_TH1以上となったと判定されると、スイッチＳがオンになる（閉じる）ようになっている。この場合、スイッチがオンとなると、第１バッテリ２ａから抵抗Ｒに電力が供給されて、抵抗Ｒにより電力が熱エネルギとなって消費されるようになっている。
つまり、１２Ｖ仕様の電装品（第２電装品）９を接続して第２バッテリ２ｂから電力を供給すると、第２バッテリ２ｂの方が早く電圧が低下してしまい、２つのバッテリ２ａ，２ｂの電圧バランスが崩れる。そこで、第１バッテリ２ａの電圧Ｖａと第２バッテリＶｂとの電圧差ΔＶが所定値Ｖ_TH1以上となると、第１バッテリ２ａの電力を放熱により低下させ、第１バッテリ２ａと第２バッテリ２ｂとで電力の平衡化を図るようにしているのである。

また、図１では省略するが、本装置には、図２に示すように、第１バッテリ２ａの電圧Ｖａと第２バッテリ２ｂの電圧Ｖｂとを加算する加算手段１０が設けられており、この加算手段１０により２つのバッテリ２ａ，２ｂの電圧の和（すなわち２４Ｖバッテリ２の電圧）が算出されるようになっている。なお、本実施形態では、ＶａとＶｂとを加算しているが、バッテリ２ａの正極側の電位を直接求めるようにしても良い。

そして、この加算手段１０により、Ｖａ＋Ｖｂが第２所定値Ｖ_TH2（例えば２８Ｖ）未満であると判定された場合には、オルタネータ４を作動させてバッテリ２ａ，２ｂを充電するようになっている。なお、このようなＶａ＋Ｖｂの算出はコンパレータ６で行っても良いし、オルタネータ４内で行ってもよい。
また、オルタネータ４を作動させて充電を実行する際には、必ずその前にコンパレータ６で電圧差ΔＶを算出し、バランサ７によりバッテリ間の電圧差を解消してから充電を行うようにしても良い。これにより、バッテリ２ａ，２ｂの電圧バランスが不均衡な状態で充電を行うような事態を確実に回避できる。

また、本実施形態では、バランサ７が作動してスイッチＳがオンとなった後は、電圧差ΔVが第３所定値Ｖ_TH3（≦Ｖ_TH1）未満となると、スイッチＳがオフになる（開く）ようになっている。したがって、放電終了時には、２つのバッテリ２ａ，２ｂの電圧を高い精度でバランスさせることができる。
本発明の一実施形態に係る車両用バッテリ装置は、上述のように構成されているので、例えば図３に示すフローチャートにしたがって、電圧制御が実行される。

まず、ステップＳ１において、第１バッテリ電圧Ｖａ及び第２バッテリ電圧Ｖｂを取得する。次に、ステップＳ２に進み、第１バッテリ電圧Ｖａと第２バッテリ電圧Ｖｂとの差ΔＶが第１閾値Ｖ_TH1以上か否かを判定し、ΔＶが第１閾値Ｖ_TH1以上であれば、２つのバッテリ２ａ，２ｂのバランスが崩れていると判定できるので、この場合にはステップＳ３に進んで、第１バッテリ２ａの放電を行う。つまり、この場合には、スイッチＳをオンにして、抵抗Ｒで電力を消費させる。

そして、ステップＳ４において、第１バッテリ電圧Ｖａと第２バッテリ電圧Ｖｂとの差ΔＶが第３閾値Ｖ_TH3（≦Ｖ_TH1）未満となったと判定されると第1バッテリ２ａの放電により２つのバッテリ２ａ，２ｂの電力が平衡状態となったと判定して、ステップＳ５において第１バッテリの放電を終了し、リターンする。また、ステップＳ４でΔＶが第３閾値Ｖ_TH3以上と判定されると、ΔＶ＜Ｖ_TH3となるまで放電を継続する。

一方、ステップＳ２で電圧差ΔＶが第１閾値Ｖ_TH1未満と判定された場合にはステップＳ６に進み、第１バッテリ電圧Ｖａと第２バッテリ電圧Ｖｂとの和、（即ち２４Ｖバッテリ２の電圧）が第２閾値Ｖ_TH2未満か否かを判定する。
そして、第２閾値Ｖ_TH2未満であれば、ステップＳ７に進んで、オルタネータ４を作動させてバッテリ２ａ，２ｂを充電し、リターンする。また、第２閾値Ｖ_TH2以上であればそのままリターンする。なお、この充電制御（ステップＳ６及びＳ７）については従来と同じ制御である。

以上詳述したように、本装置によれば、コンパレータ６により第１バッテリ２ａと第２バッテリ２ｂとの電圧差が第１所定値以上であると判定されると、バランサ７により第１バッテリ２ａと第２バッテリ２ｂとの電圧差が解消されるので、各バッテリの電圧状態を平衡化させることできる。
したがって、バッテリ充電時に、一方のバッテリが過充電になるような事態を回避でき、バッテリの耐久性低下を防止することができる。

また、本装置では、スイッチＳと抵抗Ｒとからなるバランサ７を追加するのみで、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の機器を用いずに２４Ｖ仕様の電装品８と１２Ｖの電装品９とを接続できるので、コスト増等を回避できる。
また、バランサ７は、第１バッテリ２ａと第２バッテリ２ｂとの電圧差が所定値Ｖ_TH1未満になるまで第１バッテリを放電させるので、２つのバッテリを容易に且つ確実に平衡化させることができる利点がある。したがって、より確実にバッテリの過充電を防止することができる。

また、第１バッテリ２ａと第２バッテリ２ｂとの合計電圧が第２所定値Ｖ_TH2未満になると、オルタネータ４を作動させて第１及び第２バッテリ２ａ，２ｂの充電を開始するので、従来同様、バッテリ電圧の低下を防止できる。また、充電開始前には、必ず電圧差が第１所定値未満になるまで第１バッテリを放電させるようにすれば、一層確実にバッテリの過充電を防止することができる。

また、本装置は特にトラックやバス等に適用するのが好ましく、また、第２電装品９としてはＡＢＳが特に有効である。これは、ＡＢＳのように普及率の高い装置は、あえて２４Ｖ仕様の製品を設計，製造するよりも、１２Ｖ仕様の汎用品をサプライヤから購入したほうがコストを抑制することができるからである。ただし、ＡＢＳは作動時には消費する電流が非常に大きいため、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて接続しようとすると大型のＤＣ／ＤＣコンバータが必要となり、重量増やコスト増を招くことになる。

そこで、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いずに、ＡＢＳを第２バッテリ２ｂに直接接続することが考えられるが、この場合には、ＡＢＳ作動時に大電流が消費されるため、第２バッテリ２ｂのみ電圧が低下して、２つのバッテリ２ａ，２ｂのバランスが崩れてしまう。
これに対して、本装置のように、第１バッテリ電圧Ｖａと第２バッテリ電圧Ｖｂとを比較するコンパレータ６と、２つのバッテリの電圧差ΔＶが第１所定値以上Ｖ_TH1であると、第１バッテリＶａを放電して電圧差を解消するバランサ７とを設けることにより、このような課題を解決することができる。

なお、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば上述の実施形態では２個のバッテリを直列接続した場合について説明したが、３個以上のバッテリを直列接続した場合にも適用可能である。この場合少なくとも相対的に電位の高い方のバッテリが第１バッテリとなり電位の低いバッテリが第２バッテリとなる。

また、本実施形態において、バランサ７には第１バッテリ２ａの電力を放電するために抵抗Ｒを設けたが、電力を消費する手段であれば、他の手段を設けても良い。例えば１２Ｖで作動する他の電装品（オーディオ等）で消費させるようにしてもよい。
また、バランサは、電圧の高い第１バッテリ２ａの電力を消費することで第１及び第２バッテリ２ａ，２ｂの平衡化を図るように構成されているが、電圧の低い第２バッテリ２ｂに電力を供給することで第１及び第２バッテリ２ａ，２ｂの平衡化を図るようにしても良い。また、第２電装品９としてはＡＢＳに限られるものではなく種々の１２Ｖ仕様の電装品を適用可能である。

本発明の一実施形態にかかる車両用バッテリ装置の構成について説明するための概略的な回路図である。本発明の一実施形態にかかる車両用バッテリ装置の要部構成の機能に着目して示す模式的なブロック図である。本発明の一実施形態にかかる車両用バッテリ装置の作用について説明するためのフローチャートである。従来技術について説明するための図である。

符号の説明

１車両
２バッテリ
２ａ第１バッテリ
２ｂ第２バッテリ
３エンジン
４オルタネータ（充電手段）
５ベルト
６コンパレータ（比較手段）
７バランサ（電圧差解消手段）
８２４Ｖ仕様の電装品（又は第１電装品）
９１２Ｖ仕様の電装品（又は第２電装品）
１０加算手段

Claims

車両に搭載された複数のバッテリを直列に接続することによって前記バッテリが単体で出力する電圧よりも高圧の電圧を出力する車両用バッテリ装置において、
該複数のバッテリのうち高圧側に接続された第１バッテリと、
該第１バッテリよりも低圧側に接続された第２バッテリと、
該第１バッテリの電圧と該第２バッテリの電圧とを比較する比較手段と、
該比較手段により該第１バッテリと該第２バッテリとの電圧差が第１所定値以上であると判定されると、該第１バッテリと該第２バッテリとの電圧差を解消する電圧差解消手段と、
該直列接続された複数のバッテリのうち最も高圧側に接続されたバッテリに電圧を加えることで該直列接続された複数のバッテリ全体を充電する充電手段とを備える
ことを特徴とする、車両用バッテリ装置。
該電圧差解消手段は、該第１バッテリを放電させる
ことを特徴とする、請求項１記載の車両用バッテリ装置。
該充電手段は、該第１バッテリの電圧と該第２バッテリの電圧との合計が第２所定値未満になると、該第１及び第２バッテリの充電を開始する
ことを特徴とする、請求項１又は２記載の車両用バッテリ装置。
該電圧差解消手段は、充電手段により該充電を開始する前には、該電圧差が該第１所定値未満になるまで該第１バッテリを放電させる
ことを特徴とする、請求項２記載の車両用バッテリ装置。
該電圧差解消手段は、該電圧差が該第１所定値よりも小さい値に設定された第３所定値未満になるまで該第１バッテリを放電させる
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項記載の記載の車両用バッテリ装置。
該車両はトラック又はバスであって、該複数のバッテリが第１バッテリと第２バッテリとから構成されるとともに、該第１及び該第２バッテリはいずれも１２ボルトのバッテリであって、該第２バッテリにはＡＢＳが接続されている
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項記載の車両用バッテリ装置。