JP2012090404A - バッテリシステム制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】アイドルストップ中止の機会を減らして燃費向上を促進させることと、回生充電量の増大を図ることとのバランスを最適にできるバッテリシステム制御装置を提供する。
【解決手段】オルタネータ（発電機）による発電電力を充電可能な鉛蓄電池と、鉛蓄電池に対して電気的に並列接続されて車載電気負荷への電力供給及び発電電力の充電が可能なリチウム蓄電池（第２蓄電池）と、オルタネータ及び鉛蓄電池とリチウム蓄電池との間に電気接続されて通電及び遮断を切り替えるＭＯＳ−ＦＥＴ（開閉手段）と、ＳＯＣ(Li)が目標ＳＯＣ(Li)（目標充電量）に近づくよう、ＭＯＳ−ＦＥＴの作動を制御するＥＣＵ（制御手段）と、を備える。そして、リチウム蓄電池の内部抵抗値（状態量）を検出し、その検出結果に応じて目標ＳＯＣ(Li)を可変設定する。
【選択図】 図７

Description

本発明は、鉛蓄電池と、鉛蓄電池に比べて出力密度又はエネルギ密度の高い第２蓄電池（例えばリチウム蓄電池）との両蓄電池を備えたバッテリシステムの制御装置に関する。
内燃機関を走行駆動源とする車両には、スタータモータ等の各種電気負荷へ電力供給する鉛蓄電池が搭載されているのが一般的である。鉛蓄電池は、ニッケル蓄電池やリチウム蓄電池等の高出力・高エネルギ密度の蓄電池（高性能蓄電池）に比べて安価であるものの、頻繁な充放電（累積充放電量）に対する耐久性が低い。特にアイドルストップ機能を有した車両においては、鉛蓄電池が頻繁に放電されることとなり早期劣化が懸念される。また、車両の回生エネルギによりオルタネータを発電させて充電する車両においては、鉛蓄電池が頻繁に充電されることにもなるため、早期劣化が懸念される。これらの懸念に対し、鉛蓄電池を上記高性能蓄電池に替えただけでは、大幅なコストアップを招く。
そこで特許文献１〜５では、頻繁な充放電に対する耐久性の高い高性能蓄電池（第２蓄電池）と安価な鉛蓄電池との両方を、並列接続して搭載することが提案されている。すなわち、アイドルストップ中における電気負荷への電力供給や充電（特に回生充電）は、高性能蓄電池が優先的に実施することで、鉛蓄電池の劣化軽減を図る。一方、車両を駐車する場合等、長時間に亘って要求される電力供給（暗電流補給）に対しては、安価な鉛蓄電池が実施することで、高性能蓄電池を小容量化してコストアップ抑制を図る。
特開２００７−４６５０８号公報 特開２００７−１３１１３４号公報 特開２００８−２９０５８号公報 特開２００８−１５５８１４号公報 特開２００９−１２６３９５号公報
ところで、リチウム蓄電池（高性能蓄電池）が回生充電を優先的に実施する旨は上述した通りであるが、回生充電を開始する時のリチウム蓄電池の充電量が少ないほど（つまり空き容量が大きいほど）、回生充電量の増大を図ることができる。そこで本発明者らは、発電機及び鉛蓄電池とリチウム蓄電池との間に半導体スイッチ（図１の符号５０，６０参照）を設け、回生せずに内燃機関を運転させている通常運転時にはリチウム蓄電池の充電量をできるだけ少なくするように半導体スイッチを作動させることを検討した。
例えば、通常運転時には半導体スイッチをオフさせることにより、発電機からリチウム蓄電池への充電及び発電機から電気負荷への電力供給を遮断させる。これにより、リチウム蓄電池が充電されないようにするとともに、リチウム蓄電池から電気負荷への放電量を増大させる。これにより、リチウム蓄電池の空き容量を大きくしておく。そして、回生運転時には半導体スイッチをオンさせることにより、空き容量の大きいリチウム蓄電池へ回生電力を充電させる。
ところで、リチウム蓄電池の充電量には適正範囲があり、適正範囲を超えて放電又は充電すると、リチウム蓄電池の劣化を招く。そのため、アイドルストップ期間中にリチウム蓄電池のＳＯＣ（State of charge：満充電時の充電量に対する実際の充電量の割合）が適正範囲よりも低くなった場合には、アイドルストップを中止してエンジンを再始動させ、オルタネータの発電電力をリチウム蓄電池へ充電させることが要求される。
したがって、エンジン運転期間中におけるリチウム蓄電池の目標ＳＯＣ（目標充電量）を高い値に設定するほど、アイドルストップ開始時点でのＳＯＣが高くなるので、アイドルストップ期間中にＳＯＣが適正範囲よりも低くなってアイドルストップを中止（エンジン再始動）させる、といった機会を減らすことができ、燃費向上を促進できる。しかしその反面、エンジン運転期間中におけるリチウム蓄電池の目標ＳＯＣを高い値に設定するほど、回生運転開始時点での空き容量が小さくなるので、回生充電量を十分に増大できなくなる。
要するに、アイドルストップ中止の機会を減らして燃費向上を促進させることと、回生充電量の増大を図ることとはトレードオフの関係にあり、この両者のバランスが最適になるよう目標ＳＯＣを設定することが望まれる。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、アイドルストップ中止の機会を減らして燃費向上を促進させることと、回生充電量の増大を図ることとのバランスを最適にできるバッテリシステム制御装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について記載する。
請求項１記載の発明では、車両に搭載された内燃機関の出力軸により駆動して発電するとともに、回生エネルギによる回生発電が可能な発電機と、前記発電機による発電電力を充電可能な鉛蓄電池と、前記鉛蓄電池に比べて出力密度又はエネルギ密度の高い蓄電池であって、前記鉛蓄電池に対して電気的に並列接続され、車両に搭載された電気負荷への電力供給及び前記発電電力の充電が可能な第２蓄電池と、を備えるバッテリシステムに適用されることを前提とする。
そして、前記発電機及び前記鉛蓄電池と前記第２蓄電池との間に電気接続され、前記発電機及び前記鉛蓄電池と前記第２蓄電池との通電及び遮断を切り替える開閉手段と、前記内燃機関の運転期間中に前記第２蓄電池の充電量が目標充電量に近づくよう、前記開閉手段の作動を制御する制御手段と、前記第２蓄電池による回生充電状態及び前記第２蓄電池の放電状態の少なくとも一方と相関のある状態量に応じて、前記目標充電量を可変設定する目標充電量可変設定手段と、を備えることを特徴とする。
ここで、目標充電量を高めに設定してアイドルストップ中止の機会を減らすことと、目標充電量を低めに設定して回生充電量を増大させることとの最適バランスは、第２蓄電池の状態や車載電気負荷の状態、車両の走行状態等に応じて異なってくる。例えば、第２蓄電池の内部抵抗が大きい場合には、放電時の電圧降下が大きくなることを加味して目標充電量を高めに設定することが望ましい。また、アイドルストップ期間中に空調装置やヘッドライト等の電気負荷を作動させる場合には、目標充電量を高めに設定することが望ましい。また、車両の高速走行時に回生させる場合には、回生電力量が多く見込まれることを加味して目標充電量を低めに設定することが望ましい。
これらの点を鑑みた上記発明では、第２蓄電池による回生充電状態及び第２蓄電池の放電状態の少なくとも一方と相関のある状態量に応じて、目標充電量を可変設定するので、アイドルストップ中止の機会を減らすことと回生充電量を増大させることとのバランスを、前記状態量に応じた最適なバランスにできる。
請求項２記載の発明では、前記第２蓄電池の内部抵抗値を前記状態量として検出する内部抵抗検出手段を備え、前記目標充電量可変設定手段は、検出した前記内部抵抗値に応じて前記目標充電量を可変設定することを特徴とする。
第２蓄電池の内部抵抗値は、その時の温度や経年劣化の具合等に応じて変化する。そして、内部抵抗値が大きくなっているほど、放電時の電圧降下が大きくなるので、アイドルストップ期間中に第２蓄電池のＳＯＣ（充電量）が適正範囲よりも低くなってアイドルストップを中止（エンジン再始動）させる、といった機会が増えることが懸念される。つまり、目標充電量を高めに設定してアイドルストップ中止の機会を減らすことと、目標充電量を低めに設定して回生充電量を増大させることとの最適バランスは、内部抵抗値が大きいほど目標充電量を高めに設定する側に遷移していくと言える。この点を鑑みた上記発明では、第２蓄電池の内部抵抗値に応じて目標充電量を可変設定するので、前記バランスの最適化を図ることができる。
請求項３記載の発明では、前記電気負荷の電気負荷量を前記状態量として検出する電気負荷量検出手段を備え、前記目標充電量可変設定手段は、検出した前記電気負荷量に応じて前記目標充電量を可変設定することを特徴とする。
ここで、アイドルストップ期間中における電気負荷の電気負荷量が多いほど、アイドルストップ期間中に第２蓄電池のＳＯＣ（充電量）が適正範囲よりも低くなってアイドルストップを中止（エンジン再始動）させる、といった機会が増えることが懸念される。つまり、目標充電量を高めに設定してアイドルストップ中止の機会を減らすことと、目標充電量を低めに設定して回生充電量を増大させることとの最適バランスは、電力消費量が多いほど目標充電量を高めに設定する側に遷移していくと言える。この点を鑑みた上記発明では、アイドルストップ期間中における電気負荷の電気負荷量に応じて目標充電量を可変設定するので、前記バランスの最適化を図ることができる。
なお、電気負荷量検出手段は、電気負荷に流れる電流値を電気負荷量として検出し、目標充電量可変設定手段は、検出した電流値（状態量）に応じて目標充電量を可変設定してもよいし、検出した電流値に基づき消費電力量（状態量）を算出し、算出した消費電力量に応じて目標充電量を可変設定してもよい。
請求項４記載の発明では、前記電気負荷量検出手段は、前記発電機が停止状態である時に、前記鉛蓄電池の電流値及び前記第２蓄電池の電流値を検出し、これらの検出値に基づき前記電気負荷量を算出することを特徴とする。
上記発明に反し、発電機が作動中に両蓄電池の電流値を検出して電気負荷量を算出しようとすると、電気負荷に流れ込んだ電流値（電気負荷量に相当）は、両蓄電池の電流値に発電機の電流値を加算した値になるので、発電機の電流値も検出しなければ電気負荷量を算出できなくなる。これに対し上記発明によれば、発電機が停止状態である時に、両蓄電池の電流値を検出して電気負荷量を算出するので、発電機の電流値の検出を不要にできる。
請求項５記載の発明では、車両の走行速度を前記状態量として検出する車速検出手段を備え、前記目標充電量可変設定手段は、検出した前記走行速度に応じて前記目標充電量を可変設定することを特徴とする。
ここで、回生発電を開始する時点での車速が速いほど、可能な回生発電量は多くなる。すると、第２蓄電池の空き容量不足が原因で十分な回生充電を実施できない、といった機会が増えることが懸念される。つまり、目標充電量を高めに設定してアイドルストップ中止の機会を減らすことと、目標充電量を低めに設定して回生充電量を増大させることとの最適バランスは、高車速であるほど（回生発電可能量が多くなるほど）目標充電量を低めに設定する側に遷移していくと言える。この点を鑑みた上記発明では、車両の走行速度に応じて目標充電量を可変設定するので、前記バランスの最適化を図ることができる。
ちなみに、前記制御手段の制御に関し、目標充電量にヒステリシスと持たせて開閉手段の作動を制御すれば、開閉手段のハンチング動作を回避できる点で望ましい。
本発明の第１実施形態にかかるバッテリシステムを示す電気ブロック図。 図１のバッテリシステムにおいて、回生充電時の作動を示す図。 図１のバッテリシステムにおいて、自動再始動時の作動を示す図。 図１のバッテリシステムにおいて、アイドルストップ時（Ｖｄ(Pb)＞Ｖｄ(Li)）の作動を示す図。 図１のバッテリシステムにおいて、アイドルストップ時（Ｖｄ(Pb)≦Ｖｄ(Li)）の作動を示す図。 第１実施形態において、目標ＳＯＣ(Li)を可変設定する手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施形態において、目標ＳＯＣ(Li)を可変設定する手順を示すフローチャート。 本発明の第３実施形態において、目標ＳＯＣ(Li)を可変設定する手順を示すフローチャート。 車速と回生時間との関係を説明するタイムチャート。 図８の処理で用いるマップの変形例を示す図。
以下、本発明を具体化した各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。
（第１実施形態）
本実施形態にかかる電源装置が搭載される車両は、内燃機関（エンジン）を走行駆動源とした車両であり、所定の自動停止条件を満たした場合に内燃機関を自動停止させ、所定の自動再始動条件を満たした場合に内燃機関を自動再始動させる、アイドルストップ機能を有する。また、回生エネルギにより発電して充電する回生充電機能を有する。なお、内燃機関の始動時にクランク軸を回転させるスタータモータは搭載されているものの、車両走行をアシストする走行用モータは搭載されていない。
図１に示すように、当該車両には、以下に説明するオルタネータ１０（発電機）、レギュレータ１１、鉛蓄電池２０、リチウム蓄電池３０（第２蓄電池）、各種の電気負荷４１，４２，４３、及び２つのＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０（開閉手段）が搭載されており、これら鉛蓄電池２０、リチウム蓄電池３０及び電気負荷４１〜４３はオルタネータ１０に対して並列に電気接続されている。
半導体スイッチとして機能するＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０は、オルタネータ１０及び鉛蓄電池２０と、リチウム蓄電池３０との間に配置されており、オルタネータ１０及び鉛蓄電池２０に対するリチウム蓄電池３０の通電（オン）と遮断（オフ）を切り替える開閉手段として機能する。
また、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０は、その内部構造上必然的に整流手段を有していると言える。すなわち、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０の内部回路は、半導体スイッチ部５２，６２と寄生ダイオード５１，６１（整流手段）とを並列接続した回路と等価であると言える。なお、半導体スイッチ部５２，６２のゲートへの入力信号は電子制御装置（ＥＣＵ８０）により制御される。つまり、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０のオン作動（通電作動）とオフ作動（遮断作動）とは、ＥＣＵ８０により切り替えられるよう制御される。
２つのＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０は、寄生ダイオード５１，６１が互いに逆向きになるよう直列に接続されている。そのため、２つのＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオフ作動させた場合において、２つの寄生ダイオード５１，６１を通じて電流が流れることを完全に遮断できる。よって、２つのＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオフ作動させれば、リチウム蓄電池３０から鉛蓄電池２０の側に放電されることも回避でき、鉛蓄電池２０の側からリチウム蓄電池３０へ充電されることも回避できる。
電気負荷４１〜４３のうち符号４３に示す負荷は、供給電力の電圧が概ね一定、又は少なくとも所定範囲内で変動するよう安定であることが要求される定電圧要求電気負荷４３であり、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０に対してリチウム蓄電池３０の側に電気接続される。これにより、定電圧要求電気負荷４３への電力供給は、リチウム蓄電池３０が分担することとなる。
定電圧要求電気負荷４３の具体例としてはナビゲーション装置やオーディオ装置が挙げられる。例えば、供給電力の電圧が一定ではなく大きく変動している場合、或いは前記所定範囲を超えて大きく変動している場合には、電圧が瞬時的に最低動作電圧よりも低下するとナビゲーション装置等の作動がリセットする不具合が生じる。そこで、定電圧要求電気負荷４３へ供給される電力は、電圧が最低動作電圧よりも低下することのない一定の値に安定していることが要求される。
電気負荷４１〜４３のうち符号４１に示す負荷は内燃機関を始動させるスタータモータであり、符号４２に示す負荷は、定電圧要求電気負荷４３及びスタータモータ４１以外の一般的な電気負荷である。一般電気負荷４２の具体例としてはヘッドライト、フロントウインドシールド等のワイパ、空調装置の送風ファン、リヤウインドシールドのデフロスタ用ヒータ等が挙げられる。
これらのスタータモータ４１及び一般電気負荷４２は、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０に対して鉛蓄電池２０の側に電気接続される。これにより、スタータモータ４１及び一般電気負荷４２への電力供給は鉛蓄電池２０が分担することとなる。
オルタネータ１０は、クランク軸の回転エネルギにより発電するものである。具体的には、オルタネータ１０のロータがクランク軸により回転すると、ロータコイル１０ａに流れる励磁電流に応じてステータコイルに交流電流が誘起され、図示しない整流器により直流電流に変換される。そして、ロータコイル１０ａに流れる励磁電流をレギュレータ１１が調整することで、発電された直流電流の電圧を目標電圧Ｖｔｒｇとなるよう調整する。例えば、オルタネータ１０の出力電圧（調整電圧Ｖｒｅｇ）が目標電圧Ｖｔｒｇよりも低くなっていれば、励磁電流を増大させるよう制御して調整電圧Ｖｒｅｇを上昇させ、調整電圧Ｖｒｅｇが目標電圧Ｖｔｒｇよりも高くなっていれば、励磁電流を減少させるよう制御して調整電圧Ｖｒｅｇを低下させる。
オルタネータ１０で発電した電力は、各種電気負荷４１〜４３へ供給されるとともに、鉛蓄電池２０及びリチウム蓄電池３０へ供給される。内燃機関の駆動が停止してオルタネータ１０で発電されていない時には、鉛蓄電池２０及びリチウム蓄電池３０から電気負荷４１〜４３へ電力供給される。鉛蓄電池２０及びリチウム蓄電池３０から電気負荷４１〜４３への放電量、及びオルタネータ１０からの充電量は、ＳＯＣ（State of charge：満充電時の充電量に対する実際の充電量の割合）が過充放電とならない範囲（適正範囲）となるよう、目標電圧Ｖｔｒｇを調整する制御（Ｖｒｅｇ通常制御）、及びＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０の作動制御を実施している。
また、本実施形態では、車両の回生エネルギによりオルタネータ１０を発電させて両蓄電池２０，３０（主にはリチウム蓄電池３０）に充電させる減速回生を行っている。この減速回生は、車両が減速状態であること、内燃機関への燃料噴射をカットしていること、等の条件が成立した時に実施される。
鉛蓄電池２０は周知の汎用蓄電池である。具体的には、正極活物質が二酸化鉛（ＰｂＯ２）、負極活物質が鉛（Ｐｂ）、電解液が硫酸（Ｈ２ＳＯ４）である。そして、これらの電極から構成された複数の電池セルを直列接続して構成されている。なお、鉛蓄電池２０の蓄電容量は、リチウム蓄電池３０の蓄電容量よりも大きく設定している。
一方、リチウム蓄電池３０の正極活物質には、リチウムを含む酸化物（リチウム金属複合酸化物）が用いられており、具体例としては、ＬｉＣｏＯ２、ＬｉＭｎ２Ｏ４、ＬｉＮｉＯ２、ＬｉＦｅＰＯ４等が挙げられる。リチウム蓄電池３０の負極活物質には、カーボン（Ｃ）やグラファイト、チタン酸リチウム（例えばＬｉｘＴｉＯ２）、Ｓｉ又はＳｕを含有する合金等が用いられている。リチウム蓄電池３０の電解液には有機電解液が用いられている。そして、これらの電極から構成された複数の電池セルを直列接続して構成されている。特に本実施形態では、リチウム蓄電池３０の負極活物質にチタン酸リチウムを採用している。
なお、図１中の符号２１，３１は、鉛蓄電池２０及びリチウム蓄電池３０の電池セル集合体を表し、符合２２，３２は鉛蓄電池２０及びリチウム蓄電池３０の電池セル集合体の内部抵抗を表している。また、以下の説明において、蓄電池の開放電圧Ｖ０とは、電池セル集合体２１，３１により生じた電圧のことであり、蓄電池の端子電圧Ｖｄ，Ｖｃとは、次の式１，２で表される電圧のことである。
Ｖｄ＝Ｖ０−Ｉｄ×Ｒ・・・（式１）
Ｖｃ＝Ｖ０＋Ｉｃ×Ｒ・・・（式２）
なお、放電電流をＩｄ、充電電流をＩｃ、蓄電池の内部抵抗をＲ、蓄電池の開放電圧をＶ０とする。これらの式１，２に示すように、放電時の端子電圧Ｖｄは内部抵抗Ｒが大きいほど小さい値となり、充電時の端子電圧Ｖｃは内部抵抗Ｒが大きいほど大きい値となる。
ここで、両蓄電池２０，３０は並列接続されているため、オルタネータ１０から充電する際には、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオン作動させていれば、端子電圧Ｖｃの低い側の蓄電池へオルタネータ１０の起電流がより多く流れ込むこととなる。一方、電気負荷４２，４３へ電力供給（放電）する際には、非発電時にＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオン作動させていれば、端子電圧Ｖｄの高い側の蓄電池から電気負荷へ放電されることとなる。
そして、回生充電時には、リチウム蓄電池３０の端子電圧Ｖｃ(Li)が鉛蓄電池２０の端子電圧Ｖｃ(Pb)より低くなる機会が多くなるようにして、鉛蓄電池２０よりも優先してリチウム蓄電池３０に充電されるように設定している。また、放電時には、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオフ作動させ、リチウム蓄電池３０から定電圧要求電気負荷４３へ放電されるように設定している。
以下、回生充電時にＶｃ(Li)＜Ｖｃ(Pb)、放電時にＶｄ(Li)＞Ｖｄ(Pb)となる機会を多くする設定の詳細について説明する。
鉛蓄電池２０のＳＯＣの適正範囲(Pb)は例えばＳＯＣ８８％〜９２％であり、リチウム蓄電池３０のＳＯＣ適正範囲(Li)は例えばＳＯＣ３５％〜８０％である。適正範囲(Li)の上限は適正範囲(Pb)の上限より小さく、適正範囲(Li)の下限は適正範囲(Pb)の下限より小さい。そして、以下の条件（ａ）〜（ｃ）を満たすリチウム蓄電池３０の電圧特性（開放電圧とＳＯＣとの関係）となるよう、リチウム蓄電池３０は設定されている。具体的には、リチウム蓄電池３０の正極活物質、負極活物質及び電解液の組み合わせを選定することで、条件（ａ）〜（ｃ）を満たす電圧特性を作りこむことができる。
条件（ａ）：鉛蓄電池２０の適正範囲(Pb)とリチウム蓄電池３０の適正範囲(Li)とで、鉛蓄電池２０の開放電圧Ｖ０(Pb)とリチウム蓄電池３０の開放電圧Ｖ０(Li)とが一致するポイントＶｄＳが存在する。
条件（ｂ）：リチウム蓄電池３０の適正範囲(Li)のうち一致ポイントＶｄｓの上限側では、リチウム蓄電池３０の開放電圧Ｖ０(Li)が、鉛蓄電池２０の開放電圧Ｖ０(Pb)よりも高い。
条件（ｃ）：リチウム蓄電池３０の適正範囲(Li)のうち一致ポイントＶｄｓの下限側では、リチウム蓄電池３０の開放電圧Ｖ０(Li)が鉛蓄電池２０の開放電圧Ｖ０(Pb)よりも低い。
次に、エンジンの運転状態に応じてＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０のオンオフをどのように切り替えるのかを説明する。
図２に示すように、減速回生によりオルタネータ１０を発電させている場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオン作動させる。これにより、減速回生による発電電力はリチウム蓄電池３０へ充電される。また、回生エネルギの一部は、電気負荷４２，４３及び鉛蓄電池２０へ供給される。
図３に示すように、アイドルストップ機能による自動再始動時には、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオフ作動させる。これにより、スタータモータ４１への電力供給は鉛蓄電池２０から為されることとなり、リチウム蓄電池３０からスタータモータ４１への放電は回避される。スタータモータ４１への供給電力は、他の電気負荷４２，４３への供給電力に比べて桁違いに大きい。そのため、鉛蓄電池２０に比べて容量の小さいリチウム蓄電池３０からスタータモータ４１へ電力供給すると、リチウム蓄電池３０のＳＯＣ（Ｌｉ）は直ぐに過放電の状態となってしまう。そこで、上述の如くリチウム蓄電池３０からスタータモータ４１への放電を回避することで、リチウム蓄電池３０の過放電を防止している。なお、一般電気負荷４２へは鉛蓄電池２０から電力供給され、定電圧要求電気負荷４３へはリチウム蓄電池３０から電力供給される。
図４に示すように、アイドルストップ機能によるアイドルストップ時（自動停止時）であって、鉛蓄電池２０の端子電圧Ｖｄ(Pb)がリチウム蓄電池３０の端子電圧Ｖｄ(Li)より高い時には、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオフ作動させる。これにより、鉛蓄電池２０からリチウム蓄電池３０へ電流が流れ込むことを回避して、リチウム蓄電池３０の過充電が回避される。なお、一般電気負荷４２へは鉛蓄電池２０から電力供給され、定電圧要求電気負荷４３へはリチウム蓄電池３０から電力供給される。
一方、図５に示すように、アイドルストップ機能によるアイドルストップ時であって、Ｖｄ(Pb)≦Ｖｄ(Li)である時には、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオン作動させる。これにより、一般電気負荷４２へリチウム蓄電池３０から優先的に電力供給される。また、鉛蓄電池２０はリチウム蓄電池３０から充電され、定電圧要求電気負荷４３へはリチウム蓄電池３０から電力供給される。
また、リチウム蓄電池３０のＳＯＣ(Li)に応じてＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０のオンオフを切り替えることで、ＳＯＣ(Li)が適正範囲となるよう制御する。具体的には、ＳＯＣ(Li)が上限閾値ＴＨ１よりも大きい時には、図４に示すようにＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオフ作動させる。これにより、定電圧要求電気負荷４３へはリチウム蓄電池３０から電力供給させる。また、オルタネータ１０又は鉛蓄電池２０からリチウム蓄電池３０への充電が禁止され、リチウム蓄電池３０の過充電回避を図ることができる。一方、ＳＯＣ(Li)が下限閾値ＴＨ２以下である時には、図２に示すようにＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオン作動させる。これにより、定電圧要求電気負荷４３へは鉛蓄電池２０又はオルタネータ１０から電力供給させる。
次に、上述の如くＳＯＣ(Li)を適正範囲にするための制御（ＳＯＣ(Li)上下限制御）について説明する。
ＥＣＵ８０は、両蓄電池２０，３０の端子電圧Ｖｃ，Ｖｄ又は開放電圧Ｖ０(Li)の検出値を常時取得するとともに、電流検出手段７１，７２（図１参照）により検出される両蓄電池２０，３０の電流値を常時取得する。また、リチウム蓄電池３０の温度（リチウム温度）、及び鉛蓄電池２０の温度（鉛温度）を常時取得する。そして、取得したリチウム蓄電池３０の端子電圧及びリチウム温度等に基づきＳＯＣ(Li)を算出する。また、取得した鉛蓄電池２０の端子電圧及び鉛温度等に基づきＳＯＣ(Pb)を算出する。
そして、算出したＳＯＣ(Li)の値に応じて、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０のオンオフ作動を以下の如く制御する。すなわち、ＳＯＣ(Li)が上限閾値ＴＨ１（例えばＴＨ１＝８０〜９０％）より大きい場合には、リチウム蓄電池３０の過充電回避を図るべく、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０のオン作動を禁止する。これにより、オルタネータ１０又は鉛蓄電池２０からリチウム蓄電池３０への充電が禁止される（図４参照）。
一方、ＳＯＣ(Li)が下限閾値ＴＨ２（例えばＴＨ２＝３０〜４０％）以下の場合には、リチウム蓄電池３０の過放電回避を図るべく、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオン作動させる。これにより、オルタネータ１０又は鉛蓄電池２０からリチウム蓄電池３０へ充電させる（図２参照）。なお、これらの上限閾値ＴＨ１及び下限閾値ＴＨ２は、ＳＯＣ(Li)の上昇時と下降時とで異なる値となるようヒステリシスを有して設定されている。
以上により、上述したＳＯＣ(Li)上下限制御を実施すれば、ＳＯＣ(Li)がＴＨ１〜ＴＨ２の範囲から外れて過放電、過充電になることを抑制できる。
さらに本実施形態では、下限閾値ＴＨ２〜上限閾値ＴＨ１の範囲内でＳＯＣ(Li)の目標値（目標ＳＯＣ(Li)）を設定しており、ＴＨ２〜ＴＨ１の範囲にあるＳＯＣ(Li)をさらに目標ＳＯＣ(Li)へ近づけるように、ＥＣＵ８０はＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０の作動を制御（ＳＯＣ(Li)適正化制御）する。なお、目標ＳＯＣ(Li)は「目標充電量」に相当する。
具体的には、ＳＯＣ(Li)が目標ＳＯＣ(Li)より大きい場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０のオン作動を禁止して、リチウム蓄電池３０の充電を禁止させるとともに、リチウム蓄電池３０から定電圧要求電気負荷４３への放電を促進させる（図４参照）。一方、ＳＯＣ(Li)が目標ＳＯＣ(Li)以下の場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオン作動させて、オルタネータ１０又は鉛蓄電池２０からリチウム蓄電池３０へ充電させる（図２参照）。目標ＳＯＣ(Li)は、ＳＯＣ(Li)の上昇時と下降時とで異なる値となるようヒステリシスを有して設定されている。
なお、エンジン運転中にＳＯＣ(Li)が目標ＳＯＣ(Li)以上であれば、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオフ作動させることは上述した通りであるが、例外として、減速回生時であり、かつ、ＳＯＣ(Li)が目標ＳＯＣ(Li)以上であっても上限閾値ＴＨ１以下であれば、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオン作動させて、リチウム蓄電池３０へ回生充電させる。
ところで、アイドルストップ期間中にＳＯＣ(Li)が下限閾値ＴＨ２よりも低くなった場合には、アイドルストップを中止してエンジンを再始動させて、オルタネータ１０の発電電力をリチウム蓄電池３０へ充電させることが要求される。したがって、エンジン運転期間中における目標ＳＯＣ(Li)を高い値に設定するほど、アイドルストップ開始時点でのＳＯＣ(Li)が高くなるので、アイドルストップを中止（エンジン再始動）させるといった機会を減らすことができ、燃費向上を促進できる。
しかしその反面、目標ＳＯＣ(Li)を高い値に設定するほど、回生充電を開始する時点でのＳＯＣ(Li)の空き容量が小さくなるので、回生充電量を十分に増大できなくなる。要するに、アイドルストップ中止の機会を減らして燃費向上を促進させることと、回生充電量の増大を図ることとはトレードオフの関係にあり、この両者のバランスが最適になるよう目標ＳＯＣ(Li)を設定することが望まれる。
そこで本実施形態では、以下に説明するように目標ＳＯＣ(Li)を可変設定することで、前記バランスの最適化を図っている。図６は、上述の如く目標ＳＯＣ(Li)を可変設定する手順を示すフローチャートであり、このフローチャートに示す処理は、ＥＣＵ８０が有するマイコンにより所定周期で繰り返し実行される。
先ず、図６のステップＳ１０では、リチウム蓄電池３０の端子電圧Ｖｃ，Ｖｄと、電流検出手段７２による電流値を検出する。続くステップＳ１１（内部抵抗検出手段）では、ステップＳ１０で検出した電圧及び電流に基づき、リチウム蓄電池３０の内部抵抗３２の値を算出する。なお、内部抵抗値はリチウム蓄電池３０の温度に依存して変化するので、リチウム蓄電池３０の温度を検出し、その温度から内部抵抗３２を算出するようにしてもよい。また、ステップＳ１１で算出する内部抵抗値は、「第２蓄電池の放電状態と相関のある状態量」に相当する。
続くステップＳ１２では、ステップＳ１１で算出した内部抵抗値に基づき、図中の符号Ｍ１に示すマップを参照して目標ＳＯＣ(Li)を設定する。マップＭ１は、内部抵抗に応じた目標ＳＯＣ(Li)の最適値を示すものであり、ＥＣＵ８０のメモリに予め記憶されたものである。そして、内部抵抗値が大きいほど目標ＳＯＣ(Li)を高くするようマップＭ１は設定されているので、検出した内部抵抗値が高いほど目標ＳＯＣ(Li)は高い値に設定される。
ここで、リチウム蓄電池３０の内部抵抗値は、その時の温度や経年劣化の状態等に応じて変化する。そして、内部抵抗値が大きくなっているほど、放電時の電圧降下が大きくなるので、アイドルストップ期間中にリチウム蓄電池３０のＳＯＣ（充電量）が下限閾値ＴＨ２よりも低くなってアイドルストップを中止（エンジン再始動）させる、といった機会が増えることが懸念される。つまり、目標ＳＯＣ(Li)を高めに設定してアイドルストップ中止の機会を減らすことと、目標ＳＯＣ(Li)を低めに設定して回生充電量を増大させることとの最適バランスは、内部抵抗値が大きいほど目標ＳＯＣ(Li)を高めに設定する側に遷移していくと言える。
この点を鑑みた本実施形態によれば、リチウム蓄電池３０の電圧及び電流を検出することで内部抵抗値を算出し、算出した内部抵抗値が大きいほど目標ＳＯＣ(Li)を高くするよう可変設定するので、前記バランスの最適化を図ることができる。
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、リチウム蓄電池３０の内部抵抗値が大きいほど目標ＳＯＣ(Li)を高くするよう可変設定しているが、本実施形態では、アイドルストップ期間中における電気負荷４２，４３の負荷電流が多いほど、目標ＳＯＣ(Li)を高くするよう可変設定する。
図７は、本実施形態にかかる目標ＳＯＣ(Li)を可変設定する処理手順を示すフローチャートであり、このフローチャートに示す処理は、ＥＣＵ８０が有するマイコンにより所定周期で繰り返し実行される。
先ず、図７のステップＳ２０では、オルタネータ１０での発電を停止している状態であるか否かを判定する。ちなみに、オルタネータ１０の励磁電流をゼロにしている時や、アイドルストップ等によりエンジンを停止させている時に、発電停止状態となる。発電停止状態であると判定（Ｓ２０：ＹＥＳ）されれば、続くステップＳ２１（電気負荷量検出手段）において、鉛蓄電池２０及びリチウム蓄電池３０の電流値を電流検出手段７１，７２により検出し、検出した電流値が負荷電流となる。なお、ステップＳ２１で算出する負荷電流は、「第２蓄電池の放電状態と相関のある状態量（電気負荷量）」に相当する。
また、ステップＳ２１で算出される負荷電流は、空調装置の圧縮機やヘッドライト等、車両運転中に頻繁には大きく負荷電流が変化しない電気負荷を想定している。したがって、例えばアイドルストップ期間中にステップＳ２１で算出された負荷電流は、次回のアイドルストップ期間中にも同じ負荷電流になっているとみなしている。
続くステップＳ２２では、ステップＳ２１で算出した負荷電流に基づき、図中の符号Ｍ２に示すマップを参照して目標ＳＯＣ(Li)を設定する。マップＭ２は、負荷電流に応じた目標ＳＯＣ(Li)の最適値を示すものであり、ＥＣＵ８０のメモリに予め記憶されたものである。そして、負荷電流が大きいほど目標ＳＯＣ(Li)を高くするようマップＭ２は設定されているので、検出した負荷電流が大きいほど目標ＳＯＣ(Li)は高い値に設定される。ちなみに、前記マップＭ２では負荷電流に比例して目標ＳＯＣ(Li)を変化させているが、図７中の符号Ｍ２ａに示す如く、負荷電流の大きさに対してステップ状に目標ＳＯＣ(Li)を変化させるようにしてもよい。
ちなみに、上記マップＭ２，Ｍ２ａでは、電流検出手段７２により検出した負荷電流に対する目標ＳＯＣ(Li)を示しているが、検出した負荷電流に基づき電力消費量を演算し、演算した電力消費量に対する目標ＳＯＣ(Li)を示すマップを採用してもよい。要するに、検出電流に基づき目標ＳＯＣ(Li)を設定してもよいし、検出電流から演算される電力に基づき目標ＳＯＣ(Li)を設定してもよい。なお、検出電流に基づき目標ＳＯＣ(Li)を設定する場合には、検出電流を電力に変換する演算処理を不要にできるので、演算処理負荷を軽減できる。
ここで、アイドルストップ期間中における電気負荷４２，４３の負荷電流が多いほど、アイドルストップ期間中にＳＯＣ(Li)やＳＯＣ(Pb)が下限閾値ＴＨ２よりも低くなってアイドルストップを中止（エンジン再始動）させる、といった機会が増えることが懸念される。つまり、目標充電量を高めに設定してアイドルストップ中止の機会を減らすことと、目標充電量を低めに設定して回生充電量を増大させることとの最適バランスは、負荷電流が多いほど目標ＳＯＣ(Li)を高めに設定する側に遷移していくと言える。
この点を鑑みた本実施形態によれば、アイドルストップ期間中の負荷電流を算出し、算出した負荷電流が大きいほど目標ＳＯＣ(Li)を高くするよう可変設定するので、前記バランスの最適化を図ることができる。さらに本実施形態によれば、オルタネータ１０が発電停止状態である時に、両蓄電池の電流を検出するので、オルタネータ１０の電流値等を検出して発電量を算出することなく負荷電流を算出できる。
（第３実施形態）
上記第２実施形態では、アイドルストップ期間中における負荷電流が大きいほど目標ＳＯＣ(Li)を高くするよう可変設定しているが、本実施形態では、車速が速いほど目標ＳＯＣ(Li)を低くするよう可変設定する。
図８は、本実施形態にかかる目標ＳＯＣ(Li)を可変設定する処理手順を示すフローチャートであり、このフローチャートに示す処理は、ＥＣＵ８０が有するマイコンにより所定周期で繰り返し実行される。
先ず、図８のステップＳ３０では、車両の走行速度を検出する。続くステップＳ３１では、ステップＳ３０で検出した車速に基づき、図中の符号Ｍ３に示すマップを参照して目標ＳＯＣ(Li)を設定する。マップＭ３は、車速に応じた目標ＳＯＣ(Li)の最適値を示すものであり、ＥＣＵ８０のメモリに予め記憶されたものである。そして、車速が速いほど目標ＳＯＣ(Li)を低くするようマップＭ３は設定されているので、検出した車速が速いほど目標ＳＯＣ(Li)は低い値に設定される。
ちなみに、前記マップＭ３では車速に比例して目標ＳＯＣ(Li)を変化させているが、図１０中の符号Ｍ３ａに示す如く、車速の大きさに対してステップ状に目標ＳＯＣ(Li)を変化させてもよいし、符号Ｍ３ｂ〜Ｍ３ｄに示す如く、ステップ状に変化させる領域と比例して変化させる領域とを組み合わせてもよいし、符号Ｍ３ｅ，Ｍ３ｆに示す如く、曲線状に変化させてもよい。なお、ステップＳ３０で検出する車速は、「第２蓄電池による回生充電状態と相関のある状態量」に相当する。
ここで、図９中の符号Ｔ１，Ｔ２に示すように、回生発電を開始する時点での車速が速いほど、車速がゼロになるまでの回生発電時間が長くなる（Ｔ１＞Ｔ２）。このことは、車速が速いほど回生可能な発電量は多くなることを意味する。そして、回生可能な発電量が多くなるほど、リチウム蓄電池３０の空き容量不足が原因で十分な回生充電を実施できない、といった機会が増えることが懸念される。
つまり、目標ＳＯＣ(Li)を高めに設定してアイドルストップ中止の機会を減らすことと、目標ＳＯＣ(Li)を低めに設定して回生充電量を増大させることとの最適バランスは、高車速であるほど（回生発電可能量が多くなるほど）目標ＳＯＣ(Li)を低めに設定する側に遷移していくと言える。この点を鑑みた本実施形態によれば、車速が速いほど目標ＳＯＣ(Li)を低くするよう可変設定するので、前記バランスの最適化を図ることができる。
（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、以下のように変更して実施してもよい。また、各実施形態の特徴的構成をそれぞれ任意に組み合わせるようにしてもよい。
・上記第１実施形態では内部抵抗値、第２実施形態では負荷電流、第３実施形態では車速に応じて、目標ＳＯＣ(Li)を可変設定しているが、これらを組み合わせて、内部抵抗値、負荷電流及び車速のうち少なくとも２つ以上に応じて目標ＳＯＣ(Li)を設定してもよい。
・上記各実施形態において、エンジン運転中にＳＯＣ(Li)が目標ＳＯＣ(Li)未満となったことに起因して、回生時以外の時にＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０をオン作動させる場合には、所定の発電量をオルタネータ１０で発電させるのに要した燃料消費量の比率（電費）が所定比率未満であり、電費が安くなっているエンジン運転状態の時にオン作動させる。これによれば、燃費を向上できる。
・上記各実施形態において、アイドルストップ時にＳＯＣ(Li)が下限閾値ＴＨ２未満であれば、アイドルストップを中止してエンジンを再始動させる。一方、アイドルストップ時にＳＯＣ(Li)が目標ＳＯＣ(Li)未満であっても、下限閾値ＴＨ２未満でなければアイドルストップを継続させる。
・上記第２実施形態では、図７のステップＳ２０において、発電停止状態時に両蓄電池２０，３０の電流値を検出し、検出した電流値に基づき負荷電流を算出しているが、発電中に検出した両蓄電池２０，３０の電流値に基づき負荷電流を算出するようにしてもよい。但しこの場合には、オルタネータ１０の電流値も検出して発電量を算出し、両蓄電池２０，３０からの電流供給量に発電量を加算した値を負荷電流として算出することを要する。
・上記各実施形態において、目標ＳＯＣ(Li)の設定に用いるマップＭ１，Ｍ２，Ｍ３は、リチウム蓄電池３０の放電状態と相関のある状態量や、リチウム蓄電池３０の充電状態と相関のある状態量に対して比例して目標ＳＯＣ(Li)を変化させている。この変形例として、前記状態量に対してステップ状に目標ＳＯＣ(Li)を変化させてもよいし、曲線状に変化させてもよい。また、比例して変化させる領域、ステップ状に変化させる領域及び曲線状に変化させる領域のうち、２つ以上の領域を組み合わせたマップとしてもよい。
但し、いずれのマップとした場合においても、負荷電流が大きいほど目標ＳＯＣ(Li)を高く、内部抵抗値が大きいほど目標ＳＯＣ(Li)を高く、車速が速いほど目標ＳＯＣ(Li)を低く設定することが望ましい。
・上記各実施形態では、２つのＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０のソース端子を互いに接続させているが、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０及びＭＯＳ−ＦＥＴ６０の位置を入れ替えて、ドレイン端子を互いに接続させるようにしてもよい。また、ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０の数は２つに限らず３つ以上でもよい。また、半導体スイッチ（ＭＯＳ−ＦＥＴ５０，６０）に替えて、機械式接点の電磁リレーを用いてもよい。
・上記各実施形態では、第２蓄電池として非水電解液系のリチウム蓄電池３０を採用しているが、本発明の第２蓄電池はリチウム蓄電池３０に限定されるものではなく、例えば、電極にニッケル化合物を用いたニッケル蓄電池を採用してもよい。但し、上記条件（ａ）〜（ｃ）を満たすものであることが望ましい。
１０…オルタネータ（発電機）、２０…鉛蓄電池、３０…リチウム蓄電池（第２蓄電池）、５０…ＭＯＳ−ＦＥＴ（開閉手段）、８０…ＥＣＵ（制御手段）、Ｓ１１…内部抵抗検出手段、Ｓ１２，Ｓ２２，Ｓ３１…目標充電量可変設定手段、Ｓ２１…電気負荷量検出手段、Ｓ３０…車速検出手段。

Claims (5)

  1. 車両に搭載された内燃機関の出力軸により駆動して発電するとともに、回生エネルギによる回生発電が可能な発電機と、
    前記発電機による発電電力を充電可能な鉛蓄電池と、
    前記鉛蓄電池に比べて出力密度又はエネルギ密度の高い蓄電池であって、前記鉛蓄電池に対して電気的に並列接続され、車両に搭載された電気負荷への電力供給及び前記発電電力の充電が可能な第２蓄電池と、
    を備えるバッテリシステムに適用され、
    前記発電機及び前記鉛蓄電池と前記第２蓄電池との間に電気接続され、前記発電機及び前記鉛蓄電池と前記第２蓄電池との通電及び遮断を切り替える開閉手段と、
    前記内燃機関の運転期間中に前記第２蓄電池の充電量が目標充電量に近づくよう、前記開閉手段の作動を制御する制御手段と、
    前記第２蓄電池による回生充電状態及び前記第２蓄電池の放電状態の少なくとも一方と相関のある状態量に応じて、前記目標充電量を可変設定する目標充電量可変設定手段と、
    を備えることを特徴とするバッテリシステム制御装置。
  2. 前記第２蓄電池の内部抵抗値を前記状態量として検出する内部抵抗検出手段を備え、
    前記目標充電量可変設定手段は、検出した前記内部抵抗値に応じて前記目標充電量を可変設定することを特徴とする請求項１に記載のバッテリシステム制御装置。
  3. 前記電気負荷の電気負荷量を前記状態量として検出する電気負荷量検出手段を備え、
    前記目標充電量可変設定手段は、検出した前記電気負荷量に応じて前記目標充電量を可変設定することを特徴とする請求項１又は２に記載のバッテリシステム制御装置。
  4. 前記電気負荷量検出手段は、前記発電機が停止状態である時に、前記鉛蓄電池の電流値及び前記第２蓄電池の電流値を検出し、これらの検出値に基づき前記電気負荷量を算出することを特徴とする請求項３に記載のバッテリシステム制御装置。
  5. 車両の走行速度を前記状態量として検出する車速検出手段を備え、
    前記目標充電量可変設定手段は、検出した前記走行速度に応じて前記目標充電量を可変設定することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のバッテリシステム制御装置。
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