JP2013026058A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の負荷が電力を消費中であっても、バッテリの開放、または内部短絡を判断することが可能な車両用電源装置の提供。
【解決手段】車両用電源装置１０は充放電回路１５と、蓄電部１９と、制御回路２３を備え、制御回路２３は車両のアイドリングストップ中に、入出力電圧（Ｖｂ）が、所定のバッテリ開放電圧（Ｖｂｏ）より大きい所定初期電圧（Ｖｂｓ）から、バッテリ開放電圧（Ｖｂｏ）より小さい所定終了電圧（Ｖｂｅ）まで下がるように、かつ、蓄電部１９を放電するように、充放電回路１５を制御した後に、入出力電圧（Ｖｂ）を検出し、入出力電圧（Ｖｂ）が所定終了電圧（Ｖｂｅ）以下であれば、バッテリ１１が開放しているか、または内部短絡していると判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アイドリングストップ機能と回生電力回収機能を有する車両における車両用電源装置に関するものである。

近年、車両の燃料消費低減のために、信号待ち等で車両が停止した時にエンジンを停止するアイドリングストップ機能や、制動時に発生する回生電力を回収し、制動時以外に回生電力を有効活用する機能を備えた車両が提案されている。

このような車両において、特にアイドリングストップ機能を有する車両は、エンジンの再始動を行う必要があるので、バッテリ（鉛蓄電池）の状態管理が重要となる。そのために、一般的にはバッテリに電流センサを設け、検出された電流値からバッテリの充電状態（ＳＯＣ）や異常を判断する構成が適用されている。

ここで、バッテリの異常については、バッテリの開放（断線やターミナル外れ）が発生すると、電流値が０になり、バッテリの短絡（車体への漏電等）が発生すると、電流値が極めて大きくなる。従って、バッテリの開放や短絡は、簡単に電流センサにより検出することができる。

これに対し、バッテリの劣化進行に伴う内部極板間の短絡（以下、内部短絡という）は、バッテリ電流が大きく変わらないため、上記した電流センサでは検出が難しい。

そこで、バッテリの内部短絡の発生を判定し寿命を判定する方法が特許文献１に提案されている。このような鉛蓄電池の寿命測定方法を実行する装置の概略構成図を図４に示す。

図４に示す装置は、蓄電池１００（バッテリ）に接続される充電回路１０１、および放電回路１０２と、充電回路１０１、および放電回路１０２を制御する充放電制御手段１０３と、蓄電池１００の端子電圧を測定する電圧測定手段１０４と、電圧測定手段１０４で測定した測定結果を記憶するとともに必要な演算と判定とを実行する演算装置１０５とを備える。

次に、このような装置による鉛蓄電池の寿命測定方法を述べる。蓄電池１００は、周期的に定電流で放電すると、寿命に近づくに従って、各放電終了時毎の電圧は低下する傾向があり、測定した端子電圧が前回の放電終了時の端子電圧と実質的に同一にはならない。従って、この電圧差から鉛蓄電池の寿命を判定する。また、端子電圧が実質的に同一となっても、その直後の放電における放電直前の端子電圧と放電終了後の端子電圧との差電圧を求め、その差電圧が基準電圧よりも大きい場合には、極板間短絡等の発生による電池容量劣化と判断する。

特許第２９７９９３８号公報

上記した図４の装置によると、極板間短絡の発生を判断することができるのであるが、そのためには、蓄電池１００を周期的に定電流で放電する必要がある。しかし、アイドリングストップ中の車両は、その電装品負荷（以下、負荷という）を動かした状態であり、その消費電流も状況によって変化する。従って、アイドリングストップ中にバッテリを周期的に定電流で放電することは困難である。これに対し、車両の使用後であれば、バッテリを周期的に定電流で放電することもできる。しかし、アイドリングストップ車においては、エンジンの再始動性が極めて重要であるので、車両の使用中にバッテリの内部短絡が発生し、エンジン再始動ができなくなると、アイドリングストップ車の信頼性が低下してしまう。従って、アイドリングストップ車では、即時的にバッテリの状態、特に内部短絡を判断する必要がある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、車両の負荷が電力を消費中であっても、バッテリの開放、または内部短絡を判断すること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、車両のバッテリに電気的に接続される入出力端子と、前記入出力端子に電気的に接続される充放電回路と、前記充放電回路の蓄電部端子に電気的に接続され、前記車両の回生電力を蓄える蓄電部と、前記入出力端子に電気的に接続され、前記入出力端子における入出力電圧（Ｖｂ）を検出する入出力電圧検出回路と、前記充放電回路、および前記入出力電圧検出回路と電気的に接続される制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記車両のアイドリングストップ中に、前記入出力電圧（Ｖｂ）が、所定のバッテリ開放電圧（Ｖｂｏ）より大きい所定初期電圧（Ｖｂｓ）から、前記バッテリ開放電圧（Ｖｂｏ）より小さい所定終了電圧（Ｖｂｅ）まで下がるように、かつ、前記蓄電部を放電するように、前記充放電回路を制御した後に、前記入出力電圧（Ｖｂ）を検出し、前記入出力電圧（Ｖｂ）が前記所定終了電圧（Ｖｂｅ）以下であれば、前記バッテリが開放しているか、または内部短絡していると判断するようにしたものである。

本発明の車両用電源装置によれば、車両が発生する回生電力を蓄電部へ充放電する機能を活用し、制御回路による充放電回路への入出力電圧（Ｖｂ）の制御と、入出力電圧（Ｖｂ）の検出のみで、バッテリの状態（開放、または内部短絡）を検出することができる。従って、アイドリングストップ中にバッテリから負荷へ電力を供給しつつも、バッテリの開放、または内部短絡を即時的に判断できるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１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１における車両用電源装置のバッテリの開放、または内部短絡判断時の動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態１における車両用電源装置のバッテリの開放、または内部短絡判断時の各種特性の経時変化図であり、（ａ）は入出力端子の電圧指令値Ｖｂａの経時変化図、（ｂ）はバッテリが正常時の入出力電圧Ｖｂの経時変化図、（ｃ）はバッテリが開放時、または内部短絡時の入出力電圧Ｖｂの経時変化図 従来の鉛蓄電池の寿命測定方法を実行する装置の概略構成図

以下、本発明を実施するため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１）
図１は、本発明の実施の形態１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１における車両用電源装置のバッテリの開放、または内部短絡判断時の動作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１における車両用電源装置のバッテリの開放、または内部短絡判断時の各種特性の経時変化図であり、（ａ）は入出力端子の電圧指令値Ｖｂａの経時変化図、（ｂ）はバッテリが正常時の入出力電圧Ｖｂの経時変化図、（ｃ）はバッテリが開放時、または内部短絡時の入出力電圧Ｖｂの経時変化図を、それぞれ示す。なお、図１において太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。

図１において、車両用電源装置１０は、車両のバッテリ１１に電気的に接続される入出力端子１３と、入出力端子１３に電気的に接続される充放電回路１５と、充放電回路１５の蓄電部端子１７に電気的に接続され、車両の回生電力を蓄える蓄電部１９と、入出力端子１３に電気的に接続され、入出力端子１３における入出力電圧Ｖｂを検出する入出力電圧検出回路２１と、充放電回路１５、および入出力電圧検出回路２１と電気的に接続される制御回路２３と、を備える。そして、制御回路２３は、車両のアイドリングストップ中に、入出力電圧Ｖｂが、所定のバッテリ開放電圧Ｖｂｏより大きい所定初期電圧Ｖｂｓから、バッテリ開放電圧Ｖｂｏより小さい所定終了電圧Ｖｂｅまで下がるように、かつ、蓄電部１９を放電するように、充放電回路１５を制御した後に、入出力電圧Ｖｂを検出し、入出力電圧Ｖｂが所定終了電圧Ｖｂｅ以下であれば、バッテリ１１が開放しているか、または内部短絡していると判断する。

これにより、車両が発生する回生電力を蓄電部１９へ充放電する機能を活用し、制御回路２３による充放電回路１５への入出力電圧Ｖｂの制御と、入出力電圧Ｖｂの検出のみで、バッテリ１１の状態（開放、または内部短絡）を検出することができる。従って、アイドリングストップ中にバッテリ１１から負荷へ電力を供給しつつも、バッテリ１１の開放、または内部短絡を判断できる。

以下、より具体的に本実施の形態１の構成、動作について説明する。

図１において、車両に搭載される発電機２５は、図示しないエンジンにより電力を発生する。また、車両の制動時には回生電力を発生する。この発電機２５にはバッテリ１１と負荷２７が電力系配線で電気的に接続されている。ここで、バッテリ１１は鉛バッテリであり、負荷２７は車両に搭載される電装品である。

バッテリ１１には、バッテリ１１に流れる電流Ｉを検出して出力する電流センサ２９が接続されている。電流センサ２９はシャント抵抗器を用いたものでもよいし、ホール素子を用いて磁気的に検出するものでもよい。

また、バッテリ１１には、車両用電源装置１０が電気的に接続される。具体的には、バッテリ１１の正極が車両用電源装置１０の入出力端子１３に電気的に接続されるとともに、バッテリ１１の負極がグランドを経由して車両用電源装置１０のグランド端子３３に電気的に接続される。

車両用電源装置１０には、データ端子３５を介して車両用制御回路３７が信号系配線で電気的に接続される。車両用制御回路３７は車両全体の制御を司るものであり、マイクロコンピュータとメモリ等の周辺回路で構成される。従って、車両用制御回路３７には、電流センサ２９を始めとして、車両に搭載された各種電装品と電気的に接続される。そして、電流Ｉを含む各種信号を読み込むとともに、各種制御信号を出力する。なお、図１では本実施の形態１の説明で必要な信号系配線以外は省略している。また、車両用制御回路３７は上記したように車両用電源装置１０とも接続されるため、データ信号ｄａｔａにより両者が様々な情報の送受信を行う。

次に、車両用電源装置１０の詳細構成について説明する。

バッテリ１１の正極には入出力端子１３を介して充放電回路１５が電気的に接続される。具体的には、充放電回路正極端子３９が入出力端子１３と電気的に接続される。また、充放電回路負極端子４１は、グランド端子３３と電気的に接続される。

充放電回路１５は双方向のＤＣ／ＤＣコンバータで構成される。そして、充放電回路１５は蓄電部端子１７を備える。蓄電部端子１７には蓄電部１９が電気的に接続される。従って、充放電回路１５を双方向のＤＣ／ＤＣコンバータとすることで、蓄電部１９に車両の回生電力を蓄えたり、蓄えた回生電力を放電したりすることができる。

なお、充放電回路１５は、電流検出回路（図示せず）を内蔵しており、蓄電部１９の充放電時における過電流を監視している。すなわち、前記電流検出回路の出力が所定の電流値（過電流値よりマージン分低く設定された電流値）に至れば、その電流値になるように優先制御する機能を有する。これにより、充放電回路１５の過熱等の可能性を低減している。

また、充放電回路１５は双方向のＤＣ／ＤＣコンバータに限定されるものではなく、例えば単方向のＤＣ／ＤＣコンバータを２個用いて、一方を充電回路、もう一方を放電回路として使用する構成としてもよい。この場合、充電回路と放電回路とは別体であるが、これらをまとめて充放電回路１５とする。

また、蓄電部１９は、急峻に発生する車両の回生電力を蓄えるために、本実施の形態１では急速充放電特性に優れる大容量の電気二重層キャパシタを用いた。これにより、回生電力の発生に追従して、取りこぼしが少なく回収することができる。ここで、電気二重層キャパシタとしては、定格電圧２．５Ｖのものを用い、これを４個直列に接続することで蓄電部１９を構成している。従って、蓄電部１９の満充電電圧は１０Ｖとなる。また、蓄電部１９が過放電にならないように、通常の放電時には、充放電回路１５は蓄電部電圧Ｖｃが下限電圧である５Ｖまでの範囲で放電するように制御回路２３により制御される。従って、通常、蓄電部電圧Ｖｃは５Ｖから１０Ｖまでの範囲で充放電が行われる。

なお、蓄電部１９は電気二重層キャパシタによる構成に限定されるものではなく、回生電力を十分に回収できる充電受け入れ特性を持つものであれば、他の蓄電デバイス（例えば電気化学キャパシタやリチウムイオン二次電池等）であってもよい。

入出力端子１３には、その電圧（入出力電圧Ｖｂ）を検出するための入出力電圧検出回路２１が電気的に接続される。同様に、蓄電部端子１７には、その電圧（以下、蓄電部電圧Ｖｃという）を検出するための蓄電部電圧検出回路４３が電気的に接続される。

充放電回路１５、入出力電圧検出回路２１、および蓄電部電圧検出回路４３は、それぞれ信号系配線で制御回路２３と電気的に接続されている。さらに、制御回路２３はデータ端子３５とも電気的に接続される。制御回路２３は、マイクロコンピュータとメモリ等の周辺回路で構成される。このような構成により、制御回路２３は入出力電圧Ｖｂと蓄電部電圧Ｖｃを読み込む。また、制御回路２３は、充放電回路１５と制御信号ｃｏｎｔを送受信する。これにより、制御回路２３が充放電回路１５の制御を行なうとともに、充放電回路１５の温度や異常などの各種状態信号、充放電回路１５に流れる電流信号等の情報を読み込む。また、上記したように、制御回路２３はデータ端子３５を介して車両用制御回路３７とも信号系配線で接続されているので、データ信号ｄａｔａにより各種情報の送受信を行う。

次に、このような車両用電源装置１０の動作について説明する。

まず、通常の車両使用時における車両用電源装置１０の動作を述べる。

走行中の車両が制動により減速すると、車両用制御回路３７はデータ信号ｄａｔａにより、車両が制動中であることを制御回路２３に送信する。これを受け、制御回路２３は蓄電部電圧検出回路４３から蓄電部電圧Ｖｃを読み込み、蓄電部電圧Ｖｃが満充電電圧（＝１０Ｖ）に至っていなければ、発電機２５が発生している回生電力を蓄電部１９に充電するように充放電回路１５を制御信号ｃｏｎｔにより制御する。このような動作により、回生電力を蓄電部１９に回収することができる。なお、蓄電部１９の充電中に蓄電部電圧Ｖｃが満充電電圧に至ると、制御回路２３は充放電回路１５の充電動作を停止する。

車両が停止すると、車両用制御回路３７はアイドリングストップ条件が成立すればエンジンを停止し、アイドリングストップを行う。アイドリングストップ条件は、例えば車速が０である、ブレーキペダルが踏み込まれ、アクセルペダルが踏まれていない状態である、バッテリの充電量が閾値以上である、などに基く。そして、車両用制御回路３７はアイドリングストップを開始したことを制御回路２３にデータ信号ｄａｔａで知らせる。

これを受け、制御回路２３は、アイドリングストップにより発電機２５が停止しているので、バッテリ１１よりも優先して、蓄電部１９へ回収した回生電力を負荷２７へ供給するように充放電回路１５を制御する。そのために、制御回路２３は、充放電回路１５に、入出力電圧Ｖｂがバッテリ開放電圧Ｖｂｏ（＝１２Ｖ）よりも高くなるように電圧指令値Ｖｂａを制御信号ｃｏｎｔにより出力する。これを受け、充放電回路１５は入出力電圧Ｖｂが電圧指令値Ｖｂａになるように、かつ、蓄電部１９を放電するように動作する。電圧指令値Ｖｂａはバッテリ開放電圧Ｖｂｏより高い値であればよいが、充放電回路１５の電圧降下等を考慮し、本実施の形態１では１４Ｖとした。

これにより、アイドリングストップ中に蓄電部１９の回生電力が負荷２７へ供給されるので、その有効活用が図れる。なお、制御回路２３は蓄電部電圧Ｖｃを監視しており、下限電圧（＝５Ｖ）に至れば、蓄電部１９からの放電を停止する。従って、その後の負荷２７への電力供給はバッテリ１１から行われる。

次に、運転者により、車両が走行を開始する操作（例えばブレーキペダルからアクセルペダルへ踏みかえる）が行われると、車両用制御回路３７はバッテリ１１の電力によりエンジンを再始動する。これにより、車両は加速、定速走行を行う。

以上の動作を繰り返すことにより、車両が制動時に発生する回生電力を蓄電部１９に蓄え、アイドリングストップ時に放電することで、回生電力の有効活用が図れるとともに、アイドリングストップによる燃料節約も併せて、車両の省燃費化が図れる。

このような車両の通常動作の中で、制御回路２３はアイドリングストップ中にバッテリ１１の状態を判断する動作を行う。その詳細について図２を参照しながら説明する。なお、バッテリ１１の外部における短絡状態（例えば地絡）については、車両用制御回路３７が電流センサ２９から出力される電流Ｉの値を監視しているので、車両用制御回路３７が過電流を検出することでバッテリ１１の外部短絡を判断している。従って、図２におけるバッテリ１１の状態判断とは、バッテリ１１の開放、または内部短絡の判断である。

図２は、制御回路２３のマイクロコンピュータが実行するメインルーチン（図示せず）から呼び出される、バッテリ１１の状態判断サブルーチンである。メインルーチンは、車両がアイドリングストップ中に図２のサブルーチンを実行する。なお、図２のサブルーチンはアイドリングストップ中であればいつ実行しても構わない。また、本実施の形態１では、バッテリ１１の状態判断の精度を向上するために、アイドリングストップ中に複数回繰り返して実行している。

図２のサブルーチンが実行されると、制御回路２３は充放電回路１５に対し、入出力端子１３における電圧指令値を所定初期電圧Ｖｂｓから所定終了電圧Ｖｂｅまで徐々に下げるように蓄電部１９を放電制御する（ステップ番号Ｓ１１）。これにより、充放電回路１５は、入出力電圧Ｖｂが所定初期電圧Ｖｂｓから所定終了電圧Ｖｂｅまで徐々に下げるように動作する。この時、充放電回路１５は蓄電部１９の放電動作のみを行うように制御され、蓄電部１９への充電動作は禁止される。これは、次の理由による。もし、充放電回路１５の蓄電部１９への充電動作が許可されていれば、充放電回路１５は、入出力電圧Ｖｂが所定初期電圧Ｖｂｓから所定終了電圧Ｖｂｅまで徐々に下がる過程で、入出力電圧Ｖｂがバッテリ開放電圧Ｖｂｏ以下となった際に、アイドリングストップ中にバッテリ１１の電力を蓄電部１９へ充電する動作を行う。従って、バッテリ１１からの不要な電力の持ち出しが発生し効率が低下するとともに、バッテリ１１の負担も増す。従って、バッテリ１１の状態判断を行う場合は、制御回路２３は充放電回路１５の蓄電部１９への充電動作を禁止している。

ここで、所定初期電圧Ｖｂｓと所定終了電圧Ｖｂｅについて述べる。制御回路２３は、バッテリ１１の状態を判断するために、あえて入出力電圧Ｖｂを変化させる動作を行う。この時の入出力電圧Ｖｂの変化初期値が所定初期電圧Ｖｂｓ、変化終了値が所定終了電圧Ｖｂｅである。所定初期電圧Ｖｂｓはバッテリ開放電圧Ｖｂｏより大きな電圧として、所定終了電圧Ｖｂｅはバッテリ開放電圧Ｖｂｏより小さな電圧として、それぞれ予め決定してメモリに記憶しておく。

所定初期電圧Ｖｂｓと所定終了電圧Ｖｂｅは、具体的には次のようにして決定される。

本実施の形態１では、一般にバッテリ開放電圧Ｖｂｏが１２Ｖであるので、所定初期電圧Ｖｂｓは、バッテリ開放電圧Ｖｂｏより大きな電圧として１４Ｖ、所定終了電圧Ｖｂｅは、バッテリ開放電圧Ｖｂｏより小さな電圧として１１Ｖと決定している。なお、所定初期電圧Ｖｂｓは１４Ｖに、所定終了電圧Ｖｂｅは１１Ｖに、それぞれ限定されるものではないが、次に述べる条件を満たす電圧として決定する必要がある。

まず、所定初期電圧Ｖｂｓについては、所定初期電圧Ｖｂｓが負荷２７の許容最大電圧を上回ると、負荷２７に過電圧が印加されるので、許容最大電圧より低くする必要がある。ここでは、一般的な車両用の発電機２５の通常発電電圧が１４．５Ｖであるので、所定初期電圧Ｖｂｓは、それより低く設定するものとした。また、上記したように所定初期電圧Ｖｂｓはバッテリ開放電圧Ｖｂｏ（１２Ｖ）より大きな電圧である。従って、本実施の形態１では、所定初期電圧Ｖｂｓを１４Ｖと決定した。

次に、所定終了電圧Ｖｂｅについては、負荷２７が駆動できる最低電圧（例えば１０Ｖ）より高く設定する必要がある。従って、所定終了電圧Ｖｂｅは負荷２７の駆動最低電圧（１０Ｖ）より高くバッテリ開放電圧Ｖｂｏ（１２Ｖ）より低い範囲とする必要がある。そこで、本実施の形態１では、所定終了電圧Ｖｂｅを１１Ｖと決定した。

これらのことから、充放電回路１５の入出力電圧Ｖｂが所定初期電圧Ｖｂｓから所定終了電圧Ｖｂｅまで徐々に下がることにより、入出力電圧Ｖｂがバッテリ開放電圧Ｖｂｏより大きい間、すなわち入出力電圧Ｖｂが１４Ｖから１２Ｖまでの間は、蓄電部１９の電力が放電される。そして、入出力電圧Ｖｂがバッテリ開放電圧Ｖｂｏより小さくなる間、すなわち入出力電圧Ｖｂが１２Ｖから１１Ｖまでの間は、バッテリ１１が正常であれば、充放電回路１５は次のように動作する。上記したように充放電回路１５は放電動作のみを行うので、入出力電圧Ｖｂを下げることができず、充放電回路１５は動作を停止する。従って、図２のＳ１１を実行することにより、蓄電部１９の電力は入出力電圧Ｖｂがバッテリ開放電圧Ｖｂｏに至るまで放電される。

なお、所定初期電圧Ｖｂｓと所定終了電圧Ｖｂｅとの電圧差は、３Ｖ（＝１４Ｖ−１１Ｖ）に限定されるものではないが、電圧差が小さいと、入出力電圧検出回路２１の精度によっては、バッテリ状態の誤判断の要因となるので、入出力電圧検出回路２１の精度を考慮した電圧差を決定し、その電圧差から所定初期電圧Ｖｂｓと所定終了電圧Ｖｂｅを決定すればよい。

また、本実施の形態１では、制御回路２３は、入出力電圧Ｖｂが所定初期電圧Ｖｂｓから所定終了電圧Ｖｂｅまで徐々に小さくする制御を行なっているが、この徐々に小さくする期間を１．５秒としている。これは、あまり早すぎると、ライトの明滅やワイパの速度変動など、負荷２７の動作に影響する可能性があるためである。また、あまり遅すぎると、入出力電圧Ｖｂを変化させている間に負荷２７の消費電流が変動して、それにより入出力電圧Ｖｂが影響を受け、バッテリ１１の状態を誤判断する可能性がある。従って、負荷２７の動作に影響をほとんど及ぼさない電圧変動速度は約２Ｖ／秒であるので、この電圧変動速度で、入出力電圧Ｖｂを、所定初期電圧Ｖｂｓから所定終了電圧Ｖｂｅまでの３Ｖの電圧差分、徐々に小さくすればよい。ゆえに、入出力電圧Ｖｂを徐々に小さくする期間は１．５秒と決定される。なお、この期間は１．５秒に限定されるものではなく、前記電圧差や前記電圧変動速度に応じて適宜決定すればよい。

なお、本実施の形態１では、前記期間を１．５秒としているが、その間にも負荷２７の消費電流変動が起こる可能性はある。従って、本実施の形態１では、メインルーチンが図２のサブルーチンをアイドリングストップ中に複数回実行して、最終的なバッテリ１１の状態判断を行うようにしている。

また、Ｓ１１の動作中は、負荷２７には最低でも所定終了電圧Ｖｂｅが印加される。従って、負荷２７はＳ１１の動作中も駆動し続けることができる。

ここで、図２に戻り、Ｓ１１の動作が終了すると、制御回路２３は入出力電圧検出回路２１から入出力電圧Ｖｂを読み込む（Ｓ１３）。

次に、制御回路２３は、入出力電圧Ｖｂと所定終了電圧Ｖｂｅとを比較する（Ｓ１５）。ここで、両者を比較することにより、バッテリ１１の状態をどのように判断するかを、図３を参照しながら説明する。なお、図３（ａ）〜（ｃ）において、横軸は時刻ｔを示す。また、図３（ａ）の縦軸は、入出力端子１３の電圧指令値Ｖｂａを示す。図３（ｂ）の縦軸は、バッテリ１１が正常時の入出力電圧Ｖｂを示す。図３（ｃ）の縦軸は、バッテリ１１の状態が開放、または内部短絡時の入出力電圧Ｖｂを示す。

まず、図２のＳ１１が実行されると、図３（ａ）に示すように、制御回路２３から充放電回路１５に出力される入出力端子１３の電圧指令値Ｖｂａは、時刻ｔ０で所定初期電圧Ｖｂｓ（＝１４Ｖ）となり、その１．５秒後の時刻ｔ２で所定終了電圧Ｖｂｅ（＝１１Ｖ）まで、徐々に、直線的に下がる。この電圧指令値Ｖｂａに入出力電圧Ｖｂが追従するように、充放電回路１５が蓄電部１９の放電動作を行う。

この時、車両はアイドリングストップ中であるので、発電機２５は停止している。従って、時刻ｔ０で入出力電圧Ｖｂが１４Ｖになるようにするために、充放電回路１５は、蓄電部１９の電力を放電する。これにより、入出力電圧Ｖｂがバッテリ開放電圧Ｖｂｏ（＝１２Ｖ）より高い電圧とすることができる。その結果、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、バッテリ１１の状態によらず、入出力電圧Ｖｂは１４Ｖとなる。

その後、図３（ａ）に示す電圧指令値Ｖｂａに追従して、図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、入出力電圧Ｖｂは経時的に低下する。そして、電圧指令値Ｖｂａがバッテリ開放電圧Ｖｂｏと等しくなる時刻ｔ１で、バッテリ１１の状態により入出力電圧Ｖｂの挙動が変化する。

まず、バッテリ１１が正常である場合について述べる。時刻ｔ１を越えると、電圧指令値Ｖｂａがバッテリ開放電圧Ｖｂｏを下回るので、充放電回路１５は、入出力電圧Ｖｂをバッテリ開放電圧Ｖｂｏより下げようとする。しかし、充放電回路１５は放電動作のみが許可されているので、入出力電圧Ｖｂを下げる動作ができず、充放電回路１５は停止する。

従って、充放電回路１５は、時刻ｔ１以降で停止するため、それ以降は電圧指令値Ｖｂａによる入出力電圧Ｖｂの制御が行なわれない。その結果、図３（ｂ）の時刻ｔ１以降で、入出力電圧Ｖｂはバッテリ開放電圧Ｖｂｏのままとなる。ゆえに、電圧指令値Ｖｂａが所定終了電圧Ｖｂｅに至る時刻ｔ２の時点でも、バッテリ１１が正常であれば、入出力電圧Ｖｂはバッテリ開放電圧Ｖｂｏのままとなる。

次に、バッテリ１１が開放、または内部短絡を起こしている場合について図３（ｃ）を参照しながら述べる。

まず、時刻ｔ０から時刻ｔ１までは、図３（ｂ）と同じであるので、説明を省略する。

次に、時刻ｔ１で電圧指令値Ｖｂａがバッテリ開放電圧Ｖｂｏ（＝１２Ｖ）に至った場合、バッテリ１１の電力系配線が断線等により開放状態であれば、入出力端子１３にはバッテリ開放電圧Ｖｂｏが印加されない。従って、時刻ｔ１以降で電圧指令値Ｖｂａがバッテリ開放電圧Ｖｂｏより下がっても、充放電回路１５は蓄電部１９の電力を放電し続ける。そして、時刻ｔ２で入出力電圧Ｖｂは図３（ｃ）に示すように、所定終了電圧Ｖｂｅ（＝１１Ｖ）に至る。従って、バッテリ１１が開放故障をしている場合、入出力電圧Ｖｂは時刻ｔ０から時刻ｔ２まで電圧指令値Ｖｂａと同じ挙動を示す。

次に、バッテリ１１が内部短絡を起こしている場合について述べる。

一般に鉛バッテリは発電電圧が２Ｖのセルを６セル直列に接続した構成を有する。従って、バッテリ開放電圧Ｖｂｏは１２Ｖ（＝２Ｖ×６セル）となる。この鉛バッテリは、劣化の進行とともに電極上に硫化物が析出する。この硫化物が成長し、車両の振動等によりセルの電極間で脱落すると、内部短絡が発生する。この時の硫化物と電極との接触状態により、そのセルの内部抵抗は数ｍΩ程度の小さい値になる場合もあれば、数１０Ω程度の大きい値になる場合もある。ここで、前者の場合は、内部短絡の発生とともに１セル分がほぼ導通状態となるので、バッテリ開放電圧Ｖｂｏが急に１２Ｖから１０Ｖに下がる。従って、図２のサブルーチンを実行するまでもなく、アイドリングストップ中の制御回路２３による定常的な入出力電圧Ｖｂの監視により、バッテリ１１の内部短絡を検出できる。

一方、後者の場合、硫化物の電極間短絡によって、そのセルの内部抵抗が例えば１０Ωとすると、内部短絡したセルへは、もはや充放電ができないので、電気的には、開放電圧が１０Ｖのバッテリに１０Ωの抵抗が直列接続された回路と等価となる。このような状態のバッテリ１１へ充放電を行うと、次のようになる。

まず、例えば蓄電部１９から充放電回路１５を介してバッテリ１１を充電することにより、バッテリ１１に電圧が印加されると、バッテリ１１の電圧（入出力電圧Ｖｂ）は充放電回路１５から印加された電圧になる。一方、バッテリ１１から例えば負荷２７へ放電を始めると、１０Ωの抵抗成分に起因して、即時的にバッテリ１１の電圧が１０Ｖより下がり、全ての負荷２７が停止する可能性が高まる。従って、以下に説明するバッテリ１１の内部短絡時における動作では、負荷２７が停止しない範囲の電圧、すなわち所定終了電圧Ｖｂｅ（＝１１Ｖ）以上の電圧で、徐々に入出力端子１３の電圧指令値Ｖｂａが小さくなるよう制御している。

なお、多数のセルが同時に内部短絡を起こすと、バッテリ開放電圧Ｖｂｏはさらに低くなるが、通常のバッテリ１１の使用範囲で、複数のセルが同時に内部短絡を起こす可能性は極めて低いため、１セルが内部短絡を起こしたものとして説明する。

１セルが内部短絡した状態（内部抵抗１０Ω）のバッテリ１１が車両用電源装置１０に接続されている状態で、図３（ａ）のように電圧指令値Ｖｂａを変化させる。この時の入出力電圧Ｖｂの変化は、バッテリ１１が開放状態である場合と同様、図３（ｃ）の挙動となる。

すなわち、まず時刻ｔ０から時刻ｔ１までは図３（ｂ）と同じであるので、説明を省略する。

次に、時刻ｔ１で正常なバッテリ１１におけるバッテリ開放電圧Ｖｂｏ（＝１２Ｖ）に達する。ここでのバッテリ１１は内部短絡を起こしているので、そのバッテリ開放電圧Ｖｂｏは上記したとおり１０Ｖとなる。ゆえに、電圧指令値Ｖｂａの方が、内部短絡を起こしたバッテリ１１のバッテリ開放電圧Ｖｂｏより高いので、充放電回路１５は時刻ｔ１以降も蓄電部１９を放電するように動作する。

そして、時刻ｔ２に至ると、電圧指令値Ｖｂａは所定終了電圧Ｖｂｅに至るが、所定終了電圧Ｖｂｅ（＝１１Ｖ）は内部短絡を起こしたバッテリ１１のバッテリ開放電圧Ｖｂｏ（＝１０Ｖ）より高い。ゆえに、時刻ｔ０から時刻ｔ２まで充放電回路１５は蓄電部１９を放電し続ける。そして、時刻ｔ２で入出力電圧Ｖｂは所定終了電圧Ｖｂｅとなる。

このバッテリ１１の内部短絡発生時における挙動は、バッテリ１１の開放状態における挙動と同じである。従って、入出力電圧Ｖｂが図３（ｃ）の挙動を示せば、バッテリ１１は開放しているか、または内部短絡していることになる。

以上の挙動を基に、制御回路２３は次のようにしてバッテリ１１の状態を判断する。

図２のＳ１５に戻り、制御回路２３は入出力電圧Ｖｂと所定終了電圧Ｖｂｅを比較する。ここで、Ｓ１５における入出力電圧ＶｂはＳ１１の動作が終わった後にＳ１３で読み込まれているので、図３の時刻ｔ２における入出力電圧Ｖｂである。そして、図３（ｂ）に示すように、バッテリ１１が正常であれば、入出力電圧Ｖｂはバッテリ開放電圧Ｖｂｏ（＝１２Ｖ）と検出誤差範囲内で実質的に等しくなる。一方、図３（ｃ）に示すように、バッテリ１１が開放、または内部短絡している場合、入出力電圧Ｖｂは所定終了電圧Ｖｂｅと検出誤差範囲内で実質的に等しくなる。

このような挙動を利用して、制御回路２３は図２のＳ１５で、もし入出力電圧Ｖｂが所定終了電圧Ｖｂｅ以下であれば（Ｓ１５のＹｅｓ）、バッテリ１１が開放、または内部短絡をしていると判断する。そして、その情報をデータ信号ｄａｔａにより車両用制御回路３７に出力する（以上、Ｓ１７）。その後、図２のサブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。

一方、入出力電圧Ｖｂが所定終了電圧Ｖｂｅ以下でなければ（Ｓ１５のＮｏ）、バッテリ１１は正常なので、そのまま図２のサブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。

このような制御を行なうことにより、車両用制御回路３７はバッテリ１１の開放、または内部短絡の状態を即時的に知ることができるので、その結果を基に運転者へ警告を発したり、内部短絡であれば、それに対応したアイドリングストップ制御（例えばアイドリングストップの禁止）を行なうことができ、信頼性の向上を図ることも可能となる。

なお、車両用制御回路３７は、次のようにしてバッテリ１１の開放、または内部短絡の区別を行う。制御回路２３からバッテリ１１の開放、または内部短絡の情報を得ると、車両用制御回路３７は電流センサ２９から出力される電流Ｉの値を参照し、もし、電流Ｉが流れていなければバッテリ１１が開放していると判断する。一方、電流Ｉが流れていれば、バッテリ１１は内部短絡しているものの電流Ｉを供給しているものと判断する。

また、本実施の形態１では、制御回路２３は、バッテリ１１の開放、または内部短絡を判断すると、メインルーチンにおいて蓄電部電圧Ｖｃが下限電圧（＝５Ｖ）に至るまで、蓄電部１９の電力を放電するように充放電回路１５を制御する。これにより、バッテリ１１からの十分な電力供給が期待できない分、蓄電部１９の電力を供給することで、回生電力を有効に活用できる上、運転者への警告動作等を行うことができ、安全性の向上が図れる。

なお、上記したように、図２のサブルーチンはアイドリングストップ中であればいつ実行しても構わないと述べたが、バッテリ１１の開放、または内部短絡を判断した後、蓄電部１９の電力を放電するためには、蓄電部１９に十分な電力が蓄えられている必要がある。従って、この場合、図２のサブルーチンは蓄電部１９に電力が残った状態で完了することが必要となる。そのために、本実施の形態１では、制御回路２３はアイドリングストップが開始された後の早い段階で、図２のサブルーチンを複数回実行するようにしている。

以上の構成、動作により、車両が発生する回生電力を蓄電部１９へ充放電する機能を活用し、制御回路２３による充放電回路１５への入出力電圧Ｖｂの制御と、入出力電圧Ｖｂの検出のみで、バッテリ１１の状態（開放、または内部短絡）を検出することができる。従って、アイドリングストップ中にバッテリ１１から負荷２７へ電力を供給しつつも、バッテリ１１の開放、または内部短絡を即時的に判断可能な車両用電源装置１０を実現できる。

なお、本実施の形態１では、車両が停止していて、かつアイドリングストップ中にバッテリ１１の開放、または内部短絡を判断しているが、これは例えば車両が減速走行時にエンジンを停止してポンピングロスを低減し省燃費化を図る際に、バッテリ１１の状態を判断するようにしてもよい。この場合のバッテリ１１の状態判断は、発電機２５が停止しているので、車両停止時のアイドリングストップ中のバッテリ１１の状態判断と同様にして行うことができる。このことから、本実施の形態１では、減速走行中のエンジン停止もアイドリングストップであると定義する。

また、本実施の形態１では、制御回路２３は、バッテリ１１の開放、または内部短絡を判断すると、メインルーチンにおいて蓄電部電圧Ｖｃが下限電圧（＝５Ｖ）に至るまで、蓄電部１９の電力を放電するように充放電回路１５を制御している。しかし、この蓄電部１９の電力を放電する動作は必須ではなく、制御回路２３はバッテリ１１の状態が開放、または内部短絡であれば、その結果を車両用制御回路３７に出力するだけの動作でもよい。この場合、車両用制御回路３７がバッテリ１１の開放、または内部短絡に応じた制御を行えばよい。

また、本実施の形態１では、制御回路２３は、バッテリ１１の開放、または内部短絡を判断すると、その結果を車両用制御回路３７に出力しているが、これは、車両用制御回路３７に出力する構成に限定されるものではなく、例えば制御回路２３に警告灯を接続し、バッテリ１１の開放、または内部短絡を判断すれば、警告灯を直接点灯するようにしてもよい。

本発明にかかる車両用電源装置は、バッテリの開放、または内部短絡を判断することができるので、特に回生電力回収機能付きアイドリングストップ車の高信頼性を得るための車両用電源装置等として有用である。

１０ 車両用電源装置
１１ バッテリ
１３ 入出力端子
１５ 充放電回路
１７ 蓄電部端子
１９ 蓄電部
２１ 入出力電圧検出回路
２３ 制御回路
３５ データ端子
３７ 車両用制御回路

Claims (3)

1. 車両のバッテリに電気的に接続される入出力端子と、
   前記入出力端子に電気的に接続される充放電回路と、
   前記充放電回路の蓄電部端子に電気的に接続され、前記車両の回生電力を蓄える蓄電部と、
   前記入出力端子に電気的に接続され、前記入出力端子における入出力電圧（Ｖｂ）を検出する入出力電圧検出回路と、
   前記充放電回路、および前記入出力電圧検出回路と電気的に接続される制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、前記車両のアイドリングストップ中に、前記入出力電圧（Ｖｂ）が、所定のバッテリ開放電圧（Ｖｂｏ）より大きい所定初期電圧（Ｖｂｓ）から、前記バッテリ開放電圧（Ｖｂｏ）より小さい所定終了電圧（Ｖｂｅ）まで下がるように、かつ、前記蓄電部を放電するように、前記充放電回路を制御した後に、前記入出力電圧（Ｖｂ）を検出し、
   前記入出力電圧（Ｖｂ）が前記所定終了電圧（Ｖｂｅ）以下であれば、前記バッテリが開放しているか、または内部短絡していると判断するようにした車両用電源装置。
2. 前記制御回路は、前記バッテリの開放、または内部短絡を判断すると、前記蓄電部の電力を放電するように前記充放電回路を制御するようにした請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記制御回路は、データ端子を介して車両用制御回路に電気的に接続される構成を有し、
   前記制御回路は、前記バッテリの開放、または内部短絡を判断すると、その結果を前記車両用制御回路に出力するようにした請求項１に記載の車両用電源装置。

Images