JP2009180125A

JP2009180125A - 車両用電源制御装置

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Publication number: JP2009180125A
Application number: JP2008019189A
Authority: JP
Inventors: Yasuhide Kawakami; 泰秀川上; Akira Hirai; 明平井
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2008-01-30
Filing date: 2008-01-30
Publication date: 2009-08-13
Anticipated expiration: 2028-01-30
Also published as: JP5234590B2

Abstract

【課題】アイドルストップの機能を有する車両にエンジン始動の電源として、少なくとも蓄電動作に化学反応を含むキャパシタを備えた新規な車両用電源制御装置であって、キャパシタの寿命低下を防止するようにした具体的構成の装置を提供する。
【解決手段】車両１のエンジン始動の電源として、少なくとも、蓄電動作に化学反応を含むキャパシタによって構成された大容量キャパシタ２を備える。さらに、キャパシタ電圧検出部９ｂにより、大容量キャパシタ２の電圧の検出に基づき、大容量キャパシタ２の電圧が放電限界の目安とする変曲点の電圧以上に設定した閾値電圧に低下したか否かを判断し、判断・禁止部９ｃにより、大容量キャパシタ２の電圧が前記閾値電圧に低下した場合にアイドルストップを禁止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アイドルストップ等のエンジン始動の電源として、少なくとも、ハイブリッドキャパシタ等の蓄電動作に化学反応を含むキャパシタを備えた車両用電源制御装置に関し、詳しくは、キャパシタの寿命低下の防止に関する。

従来、アイドルストップ（アイドリングストップとも呼ばれる）の機能を備えていわゆる「エコラン」を行う車両は、赤信号等により、ブレーキペダルが踏み込まれ、停車状態になると、エンジンを停止してアイドリングをストップする。また、青信号に変わる等により、ブレーキペダルから足が離れる等のアイドルストップ解除条件が満たされると、スタータ（セルモータ）を駆動してエンジンを始動（再始動）する。

そして、走行中にアイドルストップによるエンジンの停止と始動が頻繁にくり返されるため、この種の車両においては、バッテリのみによりスタータを駆動してエンジンを始動する構成では、バッテリの寿命が極めて短くなる。

そこで、エンジンの始動電源として、車両にバッテリだけでなくキャパシタも搭載し、このキャパシタをオルタネータの発電出力で充電し、アイドルストップによるエンジンの始動時、前記キャパシタの蓄積エネルギによりスタータを駆動してエンジンを始動することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−８７１６３号公報（段落［０００８］、［００１２］、［００１７］、［００６３］、図１６等）

前記特許文献１等に記載の従来キャパシタは、化学反応を伴わない電気二重層コンデンサである。

この電気二重層コンデンサの従来キャパシタは、電圧（端子間電圧）が容量と比例関係にある。また、図５の充放電特性に示すように最大電圧Ｖｍａｘ以下の電圧範囲において電圧は充電量に比例する。図５の実線ａは充電特性、実線ｂは放電特性である。さらに、寿命は充電状態に左右される。そして、最も特徴的には、エネルギ密度がバッテリより劣り、単位セルあたりの電圧（作動電圧）も高くない。

そして、車両に搭載された従来キャパシタは、エンジンスタート後、イグニッションキーが「オン」の位置になると、リレー動作により負荷（補機類）の給電線に接続されて使用が開始され、バッテリやオルタネータの出力による充電と、アイドルストップの解除に基づくスタータ駆動の放電とがくり返される。さらに、イグニッションキーが「オフ」の位置になると、従来キャパシタは、リレー動作により給電線から切り離されて使用が終了する。このとき、寿命を少しでも延ばすため、従来キャパシタは残存エネルギが強制放電されて電圧Ｖ０（＝０（Ｖ））に初期化される。

このような従来キャパシタは、使用を開始する際に大電流（突入電流）が流入し、その過電流によってキャパシタ自身の電圧破壊や前記給電線等の異常発熱を引き起こし易い。また、使用を終了するときには、残存エネルギが無駄に強制放出される。そのため、故障等のおそれがあるとともに、充電電力を十分に有効利用することができず、ひいては燃費の改善を図ることができない。

一方、いわゆる大容量キャパシタの分野においては、近年、蓄電動作に化学反応を含むキャパシタとしてハイブリッドキャパシタが開発され、注目されている。

ハイブリッドキャパシタには、正極に活性炭を使用し、負極にリチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能なカーボン材（リチウムイオン電池の負極と同じ材料）を用いたものや、正極にＰＦ_６ ⁻などのアニオンを電気化学的に吸蔵・放出可能なグラファイトを使用し、負極に活性炭を用いたものなどがある。そして、いずれのキャパシタも、従来キャパシタよりはるかに高出力、大容量でセル電圧も高い。

そこで、アイドルストップの機能を備えた車両に、エンジン始動の電源として、電気二重層コンデンサの従来キャパシタに代えて、前記ハイブリッドキャパシタを搭載し、従来キャパシタの上述のような不都合を解消することが考えられるが、ハイブリッドキャパシタをエンジン始動の電源として搭載する構成は何等提案されていない。

つぎに、ハイブリッドキャパシタの典型的な充放電特性について、代表的なハイブリッドキャパシタの例で説明する。

ハイブリッドキャパシタは、自動車に搭載されるような比較的高電圧の電池や電気二重層キャパシタと同様に、通常、複数個の単位セルを直並列に接続して形成される。そして、１個の単位セルの構成であっても、複数個の単位セルの直並列の構成であっても、図６の充放電特性に示すように変曲点を有する特性で充放電する。図６の実線ｃは充電特性、実線ｄは放電特性である。そして、充放電特性それぞれの破線丸印で囲んだ部分α、βが変曲点の部分であり、充放電のいずれも、変曲点以下の電圧変化はそれ以上の電圧の変化より急峻である。

そして、ハイブリッドキャパシタは前記変曲点の電圧より高い電圧範囲で使用すれば充放電を数万回くり返すことができる程長寿命であるが、前記変曲点の電圧を跨ぐ電圧範囲でくり返し使用すると、充放電を数千回くり返すことができる程度の寿命しかない。すなわち、ハイブリッドキャパシタは変曲点を跨ぐ電圧範囲で使用すると寿命が低下する。

このような充放電特性は概ね全てのハイブリッドキャパシタにも同様に当てはまり、この種のキャパシタは、変曲点を跨ぐ電圧範囲で使用すれば寿命が低下する。

そのため、ハイブリッドキャパシタをアイドルストップの機能を有する車両にエンジン始動の電源として搭載する場合、アイドルストップとハイブリッドキャパシタの寿命低下とを考慮してどのように構成すればよいのかが重要な課題であるが、そのための具体的な構成は発明されていない。

本発明は、アイドルストップの機能を有する車両にエンジン始動の電源として、少なくとも蓄電動作に化学反応を含むキャパシタを備えた新規な車両用電源制御装置であって、そのキャパシタの寿命低下を防止するようにした具体的構成の装置を提供することを目的とする。

上記した目的を達成するために、請求項１にかかる本発明の車両用電源制御装置は、アイドルストップの機能を有する車両に搭載され、エンジン始動の電源として、少なくとも、蓄電動作に化学反応を含むキャパシタ（ハイブリッドキャパシタ）を備えた車両用電源制御装置であって、前記キャパシタの電圧を検出する検出手段と、前記検出手段の検出電圧から前記キャパシタの電圧が放電限界の目安とする変曲点の電圧以上に設定した閾値電圧に低下したか否かを判断する判断手段と、前記判断手段の判断結果に基づき、前記キャパシタの電圧が前記閾値電圧に低下した場合に前記アイドルストップを禁止する禁止手段とを備えたことを特徴としている。

本発明の車両用電源制御装置は、アイドルストップの機能を有する車両にエンジン始動の電源として、少なくともハイブリッドキャパシタを備えた新規な車両用電源制御装置を提供することができる。しかも、ハイブリッドキャパシタの前記充放電特性の変曲点の電圧に着目して変曲点の電圧以上の閾値電圧を設定し、ハイブリッドキャパシタの電圧が閾値電圧に低下したときにアイドルストップを禁止し、ハイブリッドキャパシタの電圧が変曲点の電圧を跨いで変化する事態の発生を防止し、アイドルストップ機能のエンジン始動によるハイブリッドキャパシタの寿命低下を防止することができる。

つぎに、本発明をより詳細に説明するため、本発明の一実施形態について、図１〜図３にしたがって詳述する。

図１はアイドルストップの機能を有する車両１に搭載された本実施形態の車両用電源制御装置のブロック図であり、この車両用電源制御装置は、蓄電動作に化学反応を含むキャパシタ（ハイブリッドキャパシタ）構成の大容量キャパシタ２を備える。ここで、本実施形態の大容量キャパシタ２とは、ハイブリッドキャパシタを複数個接続して構成されたキャパシタモジュールである。また、蓄電動作に化学反応を含むキャパシタとは、正極に活性炭を使用し、負極にリチウムイオンを電気化学的に吸蔵・放出可能なカーボン材（リチウムイオン電池の負極と同じ材料）を用いたものや、正極にＰＦ_６ ⁻などのアニオンを電気化学的に吸蔵・放出可能なグラファイトを使用し、負極に活性炭を用いたものである。

図２、図３は図１の大容量キャパシタ２のスタータ駆動に伴う放電の電圧変化等の一例、他の例のタイミングチャートである。

図１に示すように、車両１の給電線３は、周知の車両の給電線と同様、ヒューズ４を介して負荷（補機類）５が接続されるとともに、例えば１２Ｖのバッテリ（鉛バッテリ）６、オルタネータ７が接続され、リレースイッチ８ａを介してスタータ８が接続される。さらに、給電線３に、アイドルストップの頻繁なスタータ駆動（エンジン再始動）の電源として、大容量キャパシタ２も接続される。なお、負荷５、バッテリ６、オルタネータ７、スタータ８、大容量キャパシタ２は、いずれもホット側の一端が給電線３に接続され、グランド側の他端は車体フレームにアースされる。

大容量キャパシタ２は、エネルギ密度がバッテリ６より優れ、単位セルあたりの電圧（作動電圧）もバッテリ６より高いが、寿命は長くないので、寿命低下を防止するため、上述したように図６に示した充放電特性の前記変曲点の電圧（詳しくは、充放電特性の高い方の変曲点の電圧）を下回らない電圧範囲で使用する必要がある。また、同図中の最大電圧ＶＭＡＸに長期間保持すると劣化するおそれがあるので、最大電圧ＶＭＡＸより低い電圧で使用しなければならない。

これらの条件を考慮すると、大容量キャパシタ２は、前記変曲点の電圧以上、好ましくは前記変曲点の電圧より少し上の電圧に維持することが好ましいと考えられる。

そして、大容量キャパシタ２の前記変曲点の電圧は、ハイブリッドキャパシタの場合、最大電圧ＶＭＡＸの約１／２前後となることが多い。

一方、車両１が例えば１２Ｖ電源の一般的な乗用車の場合、オルターネータ７の充電電圧（高電圧）は約１４．５Ｖ〜１２Ｖ（最小１０．５Ｖ）に維持される。このとき、オルタネータ７の出力に対してバッテリ６と並列に接続された大容量キャパシタ２も、オルタネータ７の出力によって１４．５Ｖ〜１２Ｖ（最小１０．５Ｖ）に維持される。

そして、前記１４．５Ｖ〜１２Ｖ（最小１０．５Ｖ）を大容量キャパシタ２の直列接続された各単位セルが分担し、各単位セルの分担電圧は、単位セルの直列個数によって異なる。例えば、直列個数が４個の４直列の場合は、各単位セルの分担電圧の最大が３．６２５Ｖ、最小が２．６２５Ｖとなる。

そして、前記４直列の場合、各単位セルは、３．６２Ｖからは、直列接続の各単位セルあたりの前記最大電圧ＶＭＡＸ（以下、単位セルあたりの最大電圧をＶｍａｘとする）が３．７Ｖ以上となる。また、２．６２５Ｖからは、この電圧が直列接続の各単位セルの前記変曲点の電圧より少し上の電圧とすると、前記変曲点の電圧はそれより低い２．６Ｖ以下であり、前記変曲点の電圧を最大電圧Ｖｍａｘの１／２とする条件下でＩＲ＝０．２５Ｖの場合には、前記最大電圧Ｖｍａｘは２．６Ｖの倍より少し低い４．９Ｖ以下となる。したがって、各単位セルは前記最大電圧Ｖｍａｘをセル電圧とすると、セル電圧が３．９Ｖ〜４．９Ｖのものでなければならない。

同様にして、５直列のセル電圧は３．２Ｖ〜３．９Ｖ、６直列のセル電圧は２．７Ｖ〜３．２Ｖ、７直列のセル電圧は２．３５Ｖ〜２．７Ｖとなり、これらの関係は、次の表１で示される。

したがって、前記変曲点の電圧を最大電圧Ｖｍａｘの１／２とする条件下、大容量キャパシタ２を前記変曲点の電圧より少し高い電圧以上、前記最大電圧ＶＭＡＸ以下の範囲で使用するには、大容量キャパシタ２の単位セルの直列個数とセル電圧とは、次の表２に示す関係を備えるものでなければならない。換言すれば、表２の関係を満足する構成であれば、大容量キャパシタ２は前記変曲点の電圧を跨ぐことがなく、また、最大電圧ＶＭＡＸを超えることもない。

そこで、本実施形態の大容量キャパシタ２は、前記表２の条件を満足する直列個数の単位セルによって形成される。なお、大容量キャパシタ２を構成する単位セルの直列個数は単位セルの電圧特性によっても異なり、単位セルの直列個数は、３個以下（極端な場合は１個）であってもよく、逆に、８個以上であってもよい。

つぎに、リレースイッチ８ａはリレーコイル８ｂの通電、非通電によって閉（オン）、開（オフ）し、リレーコイル８ｂは、マイクロコンピュータ構成のアイドルストップ制御用のＥＣＵ９によって通電制御される。

ＥＣＵ９は、後段の燃料噴射制御用のＥＣＵ１０等の車内の各種ＥＣＵと同様、給電線３から常時給電されて動作し、ブレーキ液圧、水温、車速等の各種状態のセンサ信号や、サイドブレーキ等の各種操作の信号に基づくソフトウエア処理により、アイドルストップ処理部９ａ、キャパシタ電圧検出部９ｂ、判断・禁止部９ｃ等を形成し、車両１の状態を認識してＥＣＵ１０に燃料供給の各種の制御指令等を送るとともにリレーコイル８ｂの通電を制御する。

アイドルストップ処理部９ａは、各種状態のセンサ信号や、サイドブレーキ等の各種操作の信号に基づき、車両１が赤信号等により、例えばシフトレバーをＰやＮの位置にしてブレーキペダルが踏み込まれた状態で一定時間停車していることを検出すると、アイドルストップの指令、すなわち、燃料噴射の停止指令をＥＣＵ１０に送り、自動的にエンジンを停止してアイドリングをストップする。また、青信号に変わる等により、シフトレバーがＤに操作される等のアイドルストップ解除条件が満たされ、エンジン始動のタイミングになると、リレーコイル８ｂを通電してスタータ８を駆動し、自動的にエンジンをかける。

ＥＣＵ９のキャパシタ電圧検出部９ｂは本発明の検出手段を形成し、その後段の判断・禁止部９ｃは本発明の判断手段及び禁止手段を形成する。

キャパシタ電圧検出部９ｂが形成する本発明の検出手段は、大容量キャパシタ２の時々刻々の電圧を検出する。なお、図１の場合、大容量キャパシタ２が給電線３に直接接続されているので、大容量キャパシタ２の電圧は給電線３の電圧に等しくなるが、接続構成によっては、大容量キャパシタ２の電圧が給電線３の電圧に等しくならない場合もある。

判断・禁止部９ｃが形成する本発明の判断手段は、前記検出手段の検出電圧から大容量キャパシタ２の電圧が放電限界の目安とする前記変曲点の電圧以上に設定した閾値電圧に低下したか否かを判断する。具体的には、図６の充放電特性の変曲点の電圧のうちの高い方の電圧を考慮してそれより少し上に設定された閾値電圧をＶｃとすると、前記電圧検出手段の検出電圧と閾値電圧Ｖｃとを比較して検出電圧が閾値電圧Ｖに低下したか否かを判断する。

なお、閾値電圧Ｖｃを変曲点の電圧より少し高い電圧に設定するのは、このように設定すると、大容量キャパシタ２の電圧は、閾値電圧Ｖｃ以下にならず、確実に変曲点の電圧を跨いで変化する事態を防止できるからである。

また、大容量キャパシタ２は、エンジン始動後のオルタネータ７の出力で充電され、アイドルストップ解除毎のエンジンの始動時（再始動時）、リレースイッチ８ａか閉じてスタータ８に蓄積エネルギを給電することによって放電し、エンジンがかかってリレースイッチ８ａが開くと、オルタネータ７の出力で再び充電される。そのため、大容量キャパシタ２の電圧は図２又は図３に示すように、リレースイッチ８ａが閉じてスタータ８が駆動（スタータＯＮ）される瞬時に、スタータ負荷によって大きく低下し、その後、上昇して回復し、エンジンが始動する。このとき、大容量キャパシタ２の蓄積エネルギが十分に大きければ、図２に示すようにスタータ負荷によって低下した大容量キャパシタ２の電圧は閾値電圧Ｖｃを下回ることがないが、大容量キャパシタ２の蓄積エネルギが少なければ、図３に示すようにスタータ負荷によって低下した大容量キャパシタ２の電圧は閾値電圧Ｖｃを下回るようになる。図２のＶ１、図３のＶ２はそれぞれ放電前の大容量キャパシタ２の電圧を示し、両図のＶＬは放電した大容量キャパシタ２の最低電圧である。また、図２の斜線部はスタータ負荷の使用（消費）エネルギを示す。

そして、前記判断手段は、大容量キャパシタ２を極力長もちさせるため（長寿命化を図るため）、大容量キャパシタ２の電圧が１度でも閾値電圧Ｖｃに低下すると、直ちにその低下が発生したと判断してもよいが、大容量キャパシタ２は電圧が１乃至数回程度閾値電圧Ｖｃを下回った程度では寿命への影響は少ないので、大容量キャパシタ２の電圧検出の安定性等を望む場合は、大容量キャパシタ２の電圧が設定回数以上閾値電圧Ｖｃに低下して初めて、大容量キャパシタ２の電圧が閾値電圧Ｖｃに低下したと判断してもよい。

判断・禁止部９ｃが形成する本発明の禁止手段は、前記判断手段の判断結果に基づき、大容量キャパシタ２の電圧が閾値電圧Ｖｃに低下した場合に、アイドルストップ禁止の指令信号をアイドルストップ処理部９ａに送り、アイドルストップのための燃料噴射停止指令の出力を、アイドルストップ禁止の解除信号を出力するまで禁止して、アイドルストップを禁止する。

アイドルストップ禁止の前記解除信号は、例えば、大容量キャパシタ２が取り替えられたりして、放電前、放電後のいずれか一方又は両方の大容量キャパシタ２の前記検出電圧が設定された健全電圧以上に大きくなることを検出して自動的に出力されるか、手動の解除操作によって出力される。

したがって、本実施形態の場合、変曲点を有するハイブリッドキャパシタにより構成された大容量キャパシタ２の電圧が閾値電圧Ｖｃに低下すると、「エコラン」を禁止することで、大容量キャパシタ２の蓄積エネルギが大きく、大容量キャパシタ２にキャパシタ容量が十分にあるときにのみアイドルストップを実施して「エコラン」を行い、大容量キャパシタ２の電圧が変曲点の電圧を下回ってアイドルストップの充放電をくり返すと、大容量キャパシタ２の寿命低下を招来する可能性があるときには、自動的にアイドルストップを禁止して「エコラン」を行わないようにすることができ、大容量キャパシタ２の寿命低下を確実に防止して、大容量キャパシタ２を用いた従来にない新規なアイドルストップを実施して良好な「エコラン」を実現できる。

そして、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。

例えば、前記実施形態においては、閾値電圧Ｖｃを大容量キャパシタ２の前記変曲点の電圧より少し上の電圧としたが、閾値電圧Ｖｃを前記変曲点の電圧以上に設定すれば、大容量キャパシタ２の電圧が前記変曲点の電圧を跨いで変化する事態を防止することができるので、大容量キャパシタ２によっては、閾値電圧Ｖｃは前記変曲点の電圧に設定してもよい（請求項２対応）。

つぎに、大容量キャパシタ２の出力（蓄積エネルギ）の温度特性は例えば図４に示すようになり、略常温（２０℃）から下がると、大容量キャパシタ２の出力は同じ電圧であっても温度に比例して低下する。そこで、この温度特性を考慮し、大容量キャパシタ２の周囲温度或いは液温を温度センサによって検出し、その検出温度が例えば常温或いは０℃から低下すると、温度変化の逆に前記閾値電圧Ｖｃを高く補正し、温度特性も考慮してアイドルストップを禁止して「エコラン」を行わないようにすれば、大容量キャパシタ２の一層の長寿命化を図ることができる。なお、温度変化の逆に前記閾値電圧Ｖｃを高くする補正は、温度変化の逆に増加ずる補正式を設定し、この補正式の演算によって前記閾値電圧Ｖｃの補正量を求めて行うようにしてもよいが、例えば、温度に対する閾値電圧Ｖｃのデータマップを予め作成してメモリに記憶保持し、検出温度に応じた閾値電圧Ｖｃをメモリから読み出すことで簡単に実現できる。

また、大容量キャパシタ２の経年変化や充放電回数等も考慮して前記閾値電圧を補正し、一層正確に変曲点の電圧を下回ったと判断して推定するようにしてもよい。この場合、例えば大容量キャパシタ２の経年変化や充放電回数等に応じた補正係数を前記メモリから読み出した閾値電圧に乗算して実現することができる。

そして、大容量キャパシタ２は、どのような構造、材質、形状、容量のハイブリッドキャパシタで構成されたキャパシタモジュールであってもよい。

また、大容量キャパシタ２を構成する単位キャパシタ（ハイブリッドキャパシタ）の直列個数は、上述したように、その変曲点の電圧、最大電圧ＶＭＡＸ等に基づいて種々に設定することができる。

さらに、本発明の検出手段、判断手段、禁止手段の構成等はどのようであってもよい。

また、前記実施形態においては、エンジン始動の電源として、大容量キャパシタ２とともにバッテリ６を搭載した構成の場合について説明したが、本発明は、エンジン始動の電源として、少なくとも大容量キャパシタ２を搭載した種々の構成の場合に適用することができる。

そして、本発明は、種々の車両に搭載される、ハイブリッドキャパシタを備えた車両用電源制御装置に適用することができる。

本発明の一実施形態の結線図である。図１の大容量キャパシタのスタータ駆動による電圧変化等の一例のタイミングチャートである。図１の大容量キャパシタのスタータ駆動による電圧変化等の他の例のタイミングチャートである。図１の大容量キャパシタの出力の温度特性図である。蓄電動作に化学反応を含むキャパシタの充放電特性図である。電気二重層コンデンサの充放電特性図である。

符号の説明

１車両
２大容量キャパシタ
９ｂキャパシタ電圧検出部
９ｃ判断・禁止部

Claims

アイドルストップの機能を有する車両に搭載され、エンジン始動の電源として、少なくとも、蓄電動作に化学反応を含むキャパシタを備えた車両用電源制御装置であって、
前記キャパシタの電圧を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出電圧から前記キャパシタの電圧が放電限界の目安とする変曲点の電圧以上に設定した閾値電圧に低下したか否かを判断する判断手段と、
前記判断手段の判断結果に基づき、前記キャパシタの電圧が前記閾値電圧に低下した場合に前記アイドルストップを禁止する禁止手段とを備えたことを特徴とする車両用電源制御装置。