JP2015050009A

JP2015050009A - 車両用電源装置

Info

Publication number: JP2015050009A
Application number: JP2013180362A
Authority: JP
Inventors: 敏宏坂谷; Toshihiro Sakatani; 裕政杉井; Hiromasa Sugii; 曲　佳文; Yoshifumi Magari; 佳文曲; 越智　誠; Makoto Ochi; 誠越智; 柳田　勝功; Katsuisa Yanagida; 勝功柳田; 喜田　佳典; Yoshinori Kida; 佳典喜田
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-03-16

Abstract

【課題】鉛電池と鉛電池以外の蓄電デバイスが並列接続された車両用電源装置にて、鉛電池の寿命を延ばす。
【解決手段】車両用電源装置１００において、蓄電デバイスは、鉛電池１０と並列に接続される。蓄電デバイスの放電電圧が、鉛電池の放電時の最大電圧を下回るときの蓄電デバイスのＳＯＣが５％以下である。また蓄電デバイスの充電電圧が、車両内の発電機の設定出力電圧に到達するときの蓄電デバイスのＳＯＣ（State Of Charge）が９５％以上であることが好ましい。
【選択図】図５

Description

本発明は、アイドリングストップ、エネルギー回生システムに適した車両用電源装置に関する。

現在、アイドリングストップシステムやエネルギー回生システムに使用される蓄電池には通常、鉛電池が用いられる。鉛電池では、性能劣化を抑えるために満充電維持が望まれる。上述の用途では鉛電池が頻繁に充放電されるため、鉛電池の性能劣化が加速し、電池寿命が短くなってしまう。特にアイドリングストップシステムでは、アイドリングストップの状態からエンジンを再始動させる際に、相当量の放電が必要となる。鉛電池は放電深度（DOD：Depth of Discharge）が深いほど劣化が加速する。

これに対して鉛電池と並列に、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの蓄電デバイスを接続して容量を増強する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。鉛電池の寿命を延ばすには、できるだけ蓄電デバイスの方から、車両内の負荷に給電することが望まれる。

特開２０１１−１５５１６号公報

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、鉛電池と鉛電池以外の蓄電デバイスが並列接続された車両用電源装置にて、鉛電池の寿命を延ばす技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の車両用電源装置は、鉛電池と、鉛電池と並列に接続される蓄電デバイスと、を備える。蓄電デバイスの放電電圧が、鉛電池の放電時の最大電圧を下回るときの蓄電デバイスのＳＯＣ（State Of Charge）が５％以下である。

本発明の別の態様もまた、車両用電源装置である。この装置は、鉛電池と、鉛電池と並列に接続されるリチウムイオン電池と、を備える。リチウムイオン電池は、リン酸鉄リチウムを用いる正極活物質と、非水溶媒に電解質が溶解されている非水電解液とを有する。非水溶媒は、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルを含有している。

本発明によれば、鉛電池と鉛電池以外の蓄電デバイスが並列接続された車両用電源装置にて、鉛電池の寿命を延ばすことができる。

図１（ａ）−（ｂ）は、環境温度２５℃、０．５Ｉｔ電流での各電池の充放電電圧を示し、鉛電池と、鉛電池と並列接続すべき蓄電デバイスとの電圧適合性を示す図である。図２（ａ）−（ｂ）は、図１（ａ）−（ｂ）における鉛電池の特性と充電電圧範囲および放電電圧範囲を抜き出した図である。図３（ａ）−（ｂ）は、図１（ａ）−（ｂ）における鉛電池（Ｐｂ）の特性、リチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））の特性、充電電圧範囲および放電電圧範囲を抜き出した図である。図３（ａ）と図３（ｂ）を重ね合わせた図である。本発明の実施の形態に係る車両用電源装置を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態に係る車両用電源装置について説明する。以下の説明では当該車両用電源装置が、アイドリングストップ機能およびエネルギー回生機能を有する車両に搭載されることを想定する。

アイドリングストップ機能は、車両停止時に自動的にエンジンを停止させ、発進時に自動的にエンジンを再始動させる機能である。エネルギー回生機能は、主に減速する際の車両の運動エネルギーによりオルタネータを作動させ、オルタネータが発電したエネルギーにより車両用電源装置などに電力を供給する機能である。アイドリングストップ機能によって、車両停止時にオルタネータ稼動も停止されるので、燃費が改善される。

アイドリングストップ機能が搭載された車両ではエンジンの始動回数が多くなる。エンジンは通常、車両用電源装置により駆動されるスタータにより始動される。従ってエンジンの始動回数が多くなるとバッテリの消費電力が大きくなり、放電回数が多くなる。またエネルギー回生機能が搭載された車両では、車両の減速時に集中的にオルタネータが発電されるため、大容量で効率的な充電が可能な車両用電源装置が求められる。

従来、車両用電源装置には鉛電池が多く使用されている。放電により鉛電池が放電下限電圧に到達した場合、オルタネータを稼動させ、鉛電池を充電する。これにより鉛電池の放電深度が深くなることを抑制し、鉛電池の劣化を抑制している。しかしながら、このような制御によりアイドリングストップ時間が短くなり、燃費改善効果が小さくなっている。

そこで鉛電池と並列に、別の蓄電デバイスを接続して車両用電源装置を増強することが考えられる。鉛電池と並列に接続する蓄電デバイスの候補として、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、電気二重層コンデンサが考えられる。

図１（ａ）−（ｂ）は、環境温度２５℃、０．５Ｉｔ電流での各電池の充放電電圧を示し、鉛電池と、鉛電池と並列接続すべき蓄電デバイスとの電圧適合性を示す図である。図１（ａ）は充電電圧の適合性を示し、横軸がＳＯＣ（State Of Charge）を、縦軸が充電電圧を示している。図１（ｂ）は放電電圧の適合性を示し、横軸がＳＯＣを、縦軸が放電電圧を示している。なお鉛電池および各種蓄電デバイスの電圧は、開回路電圧と異なり充電電流または放電電流が流れている状態の電圧である。本発明の実施の形態では図１（ａ）に示すように、鉛電池と蓄電デバイスの並列システムの充電電圧範囲は約１３〜１５Ｖの範囲に設定している。また図２（ｂ）に示すように、当該並列システムの放電電圧範囲は約１２〜１４Ｖの範囲に設定している。

図２（ａ）−（ｂ）は、図１（ａ）−（ｂ）における鉛電池の特性と充電電圧範囲および放電電圧範囲を抜き出した図である。車両内の電源システムは１２Ｖシステムが主流である。従って１２Ｖシステム用の鉛電池（Ｐｂ）は、代表電圧２．０Ｖの鉛電池セルが６個直列接続され、パッケージ化されて構成される。

電池には種類や組成にもとづき充電終止電圧が設定されている。充電終止電圧より高い電圧で充電すると過充電となり、電池劣化を加速させる要因となる。本実施の形態では充電終止電圧が約１５Ｖの鉛電池（Ｐｂ）を使用しており、その充電終止電圧を当該充電電圧範囲の上限電圧に設定している。電池には種類や組成にもとづき放電終止電圧が設定されている。放電終止電圧より低い電圧で放電すると過放電となり、電池劣化を加速させる要因となる。この例では放電終止電圧が約１２Ｖの鉛電池（Ｐｂ）を使用しており、その放電終止電圧を当該放電電圧範囲の下限電圧に設定している。なお、本実施の形態における放電終止電圧は、車両内に搭載される各種の補機への電力供給に対して設定される閾値であり、スタータへの電力供給については除外されるものとする。つまり、スタータへの電力供給については、補機への電力供給と同じ充放電制御を行っても良いし、スタータへの電力供給については、別の充放電制御を行うように構成することもできる。

本実施の形態に係る鉛電池（Ｐｂ）の開回路電圧は約１２．８Ｖであるが、鉛電池（Ｐｂ）を負荷に接続すると、電池内部抵抗により電池電圧は低下する（図２（ｂ）参照）。この例では実際に放電が開始される最大電圧は約１２．３Ｖとなる。この放電開始時の最大電圧（以下、放電開始電圧という）は、満充電状態から放電が開始される場合の電圧である。

図１（ａ）−（ｂ）に示すように、鉛電池（Ｐｂ）と並列接続すべき蓄電デバイスの候補として、（１）代表電圧３．６Ｖのリチウムイオン電池セルが４個直列接続されたリチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．６Ｖ／４直））、（２）代表電圧１．２Ｖのニッケル水素電池セルが１０個直列接続されたニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ（１．２Ｖ／１０直））、（３）代表電圧３．３Ｖのリチウムイオン電池セルが４個直列接続されたリチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））、（４）定格電圧２．５Ｖの電気二重層コンデンサセルが１０個直列接続された電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ（２．５Ｖ／１０直））の４つを挙げている。なお、ここで、リチウムイオン電池の代表電圧は、主に正極、負極活物質材料によって調整可能であり、ＳＯＣ１０％からＳＯＣ９０％の範囲で示される、開回路電圧の代表値とする。鉛電池及びニッケル水素電池の代表電圧とは、電池工業会規格に定義される公称電圧と同義とする。コンデンサの定格電圧とは、日本工業規格（JIS D 1401）に規定される、耐久性試験によって定める電圧とする。

４つの候補のうち、鉛電池（Ｐｂ）との電圧適合性が高い蓄電デバイスは、ニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ（１．２Ｖ／１０直））と、リチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））である。鉛電池（Ｐｂ）との電圧適合性が低い蓄電デバイスを選択した場合、鉛電池（Ｐｂ）と蓄電デバイス間の電位差が大きくなり、その電位差を補償するためのＤＣ−ＤＣコンバータを設置する必要がある。

ニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ（１．２Ｖ／１０直））は、鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧と下限電圧の間の範囲に対応するＳＯＣ範囲が広い。図１（ａ）−（ｂ）に示す例では、約１５〜１００％のＳＯＣ範囲が、鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧と下限電圧の間の範囲に入る。次に、鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧と放電開始電圧の間の範囲との適合性を考える。図１（ａ）−（ｂ）に示す例では、約２５〜１００％のＳＯＣ範囲が、鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧と放電開始電圧の間の範囲に入る。放電開始電圧を下限とすると、ニッケル水素電池（Ｎｉ−ＭＨ（１．２Ｖ／１０直））のＳＯＣ範囲は狭まる。

一方、リチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））は、鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧と下限電圧の間の範囲および鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧と放電開始電圧の間の範囲のいずれにおいても、対応するＳＯＣ範囲が広い。図１（ａ）−（ｂ）に示す例では、約５〜９８％のＳＯＣ範囲が、鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧と放電開始電圧の間の範囲に入る。

放電時にて、蓄電デバイスの放電電圧が鉛電池（Ｐｂ）の放電電圧より高い状態では、鉛電池（Ｐｂ）からは放電されず、蓄電デバイスの電力が使用される。従って蓄電デバイスの放電電圧が鉛電池（Ｐｂ）の放電電圧より高い状態を維持できるほど、鉛電池（Ｐｂ）の使用が減り、鉛電池（Ｐｂ）の寿命が延びることになる。そこで本実施の形態では蓄電デバイスとして、リチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））を選択する。

図３（ａ）−（ｂ）は、図１（ａ）−（ｂ）における鉛電池（Ｐｂ）の特性、リチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））の特性、充電電圧範囲および放電電圧範囲を抜き出した図である。図４は、図３（ａ）と図３（ｂ）を重ね合わせた図である。図３（ｂ）に示すようにリチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））の放電電圧が、鉛電池（Ｐｂ）の放電開始電圧を下回るときのリチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））のＳＯＣが約５％である。

リチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））が使用する使用上限電圧は、鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧に対応させる。図３（ａ）に示すようにリチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））の充電電圧が、鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧を上回るときのリチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））のＳＯＣは約９８％である。

また、本車両用電源装置が搭載される車両内のオルタネータの設定出力電圧も、鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧に対応させる。本実施の形態では若干のマージンを持たせて１４．８Ｖに設定される。従ってリチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））の充電電圧が、オルタネータの設定出力電圧に到達するときのリチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））のＳＯＣは９５％以上となる。このように鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧とリチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））の使用上限電圧とオルタネータの設定出力電圧を、ほぼ同じ水準に設定することにより、回路設計を簡素化できる。過充電保護回路も簡素なもので足りる。

鉛電池（Ｐｂ）と蓄電デバイスの並列システムにて、理想的なのは放電時に鉛電池（Ｐｂ）の電力を使用せず専ら蓄電デバイスの電力を使用し、充電時に鉛電池（Ｐｂ）と蓄電デバイスの両方が充電されることである。これを満たすために以下の設計条件が望まれる。蓄電デバイスの使用ＳＯＣ範囲を、鉛電池（Ｐｂ）の放電開始電圧に対応するＳＯＣから鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧に対応するＳＯＣまでの範囲とし、当該使用ＳＯＣ範囲を少なくとも５％〜９５％以上とする。また、この設計条件を少し緩和して以下の設計条件としてもよい。鉛電池（Ｐｂ）の放電開始電圧に対応する蓄電デバイスのＳＯＣを０〜１０％の範囲内とし、鉛電池（Ｐｂ）の上限電圧に対応する蓄電デバイスのＳＯＣを９０〜１００％の範囲内とする。

以上の設計条件を満たす蓄電デバイスは、リチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））であり、蓄電デバイスのスペックが過剰にならず、かつ鉛電池（Ｐｂ）の電力を極力使用しないように構成できる。

以下、代表電圧が３．３Ｖのリチウムイオン電池セルについて詳しく説明する。３．３Ｖリチウムイオン電池は、正極活物質を有する正極と、負極活物質を有する負極と、セパレータと、非水電解液とを備える非水電解質二次電池である。正極活物質はオリビン型構造を有するリン酸鉄リチウムからなる。負極活物質は、炭素材料からなる。

負極活物質に用いる炭素材料としては、例えば、天然黒鉛、人造黒鉛、メソフェーズピッチ系炭素繊維（ＭＣＦ）、メソカーボンマイクロビーズ（ＭＣＭＢ）、コークス、ハードカーボン等を用いることができ、なかでも、放電電圧の適合性から、黒鉛系炭素材料が好ましい。

本実施の形態のように車両用の１２Ｖシステムで使用する場合、非晶質炭素を含む黒鉛系炭素材料が、放電電圧の適合性が高く、なおかつオルタネータの設定出力電圧（約１４〜１５Ｖ）での充電効率を高めることができるため好ましい。

非晶質炭素を含む黒鉛系炭素材料としては、黒鉛系炭素と非晶質炭素との単なる混合や、表面を非晶質炭素で被覆した黒鉛系炭素を用いることができ、さらに表面を非晶質炭素で被覆した黒鉛系炭素と非晶質炭素とを混合してもよい。放電電圧の適合性と、オルタネータの設定出力電圧（約１４〜１５Ｖ）での充電効率とを両立させるためには、表面を非晶質炭素で被覆した黒鉛系炭素を用いることが好ましく、特に、非晶質炭素で被覆した黒鉛系炭と非晶質炭素との混合材料が、オルタネータの設定出力電圧（約１４〜１５Ｖ）での充電効率を更に高めることができるため、より好ましい。

負極活物質に含まれる非晶質炭素の割合としては、０．１重量％〜４０重量％の範囲であることが好ましく、１重量％〜２０重量％の範囲であることがより好ましい。非晶質炭素材料の割合が、上記の範囲より少なくなると、オルタネータの設定出力電圧（約１４〜１５Ｖ）での充電効率が低下する。また、非晶質炭素材料の割合が、上記の範囲を超えると、放電時の電池電圧が低下し、放電電圧の適合性が低下する。

非水電解液は非水溶媒に電解質が溶解されているものである。この非水溶媒は環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルを含有している。例えば非水溶媒として、エチレンカーボネート（ＥＣ）、エチルメチルカーボネート（＝メチルエチルカーボネート）（ＥＭＣ）、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）を混合した溶媒を用いる。混合比率はＥＣ：ＥＭＣ：ＤＭＣ＝３：３：４である。その他、非水溶媒にはプロピレンカーボネート（ＰＣ）、ブチレンカーボネート（ＢＣ）、シクロペンタノン、スルホラン、３−メチルスルホラン、２，４−ジメチルスルホラン、３−メチル−１，３−オキサゾリジン−２−オン、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）、メチルプロピルカーボネート、メチルブチルカーボネート、エチルプロピルカーボネート、エチルブチルカーボネート、ジプロピルカーボネート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン、１，２−ジメトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、酢酸メチル、酢酸エチル、１，４−ジオキサンなどを用いることができる。

非水電解液の溶質としてリチウム塩を用いる。例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）を１．２ｍｏｌ／Ｌの濃度で非水溶媒に溶解させる。ＬｉＰＦ_６以外では、ＬｉＢＦ_４、ＬｉＣＦ_３ＳＯ_３、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_２、ＬｉＮ（ＣＦ_３ＳＯ_２）（Ｃ_４Ｆ_９ＳＯ_２）、ＬｉＣ（ＣＦ_３ＳＯ_２）_３、ＬｉＣ（Ｃ_２Ｆ_５ＳＯ_２）_３、ＬｉＡｓＦ_６、ＬｉＣｌＯ_４、Ｌｉ_２Ｂ_１０Ｃｌ_１０、Ｌｉ_２Ｂ_１２Ｃｌ_１２などを用いることができる。

添加剤として、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、フルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、リチウムビスオキサラートボラート（ＬｉＢＯＢ）、ジフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＯ_２Ｆ_２）、アニソール等のアルコキシベンゼン誘導体などを適宜選択して使用する。ビニレンカーボネート（ＶＣ）を添加することにより、電解液の劣化による電池特性低下を抑制できる。またフルオロエチレンカーボネート（ＦＥＣ）、リチウムビスオキサラートボラート（ＬｉＢＯＢ）、またはジフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＯ_２Ｆ_２）を添加することにより、充放電サイクル特性が向上する。即ち、充放電サイクルの増加に伴う容量低下を抑制できる。またアルコキシベンゼン誘導体を添加することにより、所定の電位となるとアルコキシベンゼン誘導体が分解されてガスが発生するようになるため、内圧の変化によって電池の過充電状態を検知することができる。このように、アルコキシベンゼン誘導体は、過充電保護剤として用いることができ、特にアニソールは反応電位が低いために正極活物質としてリン酸鉄リチウムを用いた非水電解質二次電池用の過充電保護剤として適している。一方で、添加剤の添加量と充電電圧との間には相関があって、添加量や充電終始電圧によって充放電サイクル特性が変化することがある。そのため、電解液の組成や添加剤に応じて、適切な充放電制御を行うことが好ましい。

リン酸鉄リチウムを正極活物質として使用するリン酸鉄リチウムイオン電池の場合、リチウム遷移金属酸化物を正極活物質として使用する一般的なリチウムイオン電池より充電電圧が低く、サイクル特性等の電池特性への影響を考慮してリン酸鉄リチウムイオン電池の最大充電電圧（充電終止電圧）を３．５〜４．０Ｖ（好ましくは３．６Ｖ〜３．８Ｖ）の間に設定されることが多い。最大充電電圧は、電解液の分解が開始される電圧より低く設定される必要がある。電解液の分解が開始される電圧は溶媒の組み合わせによって調整できる。

本実施の形態のように車両用の１２Ｖシステムで使用する場合、電解液の分解が開始される電圧がオルタネータの設定出力電圧以上に調整することが好ましい。オルタネータの設定出力電圧が１４．８Ｖの場合、リン酸鉄リチウムイオン電池の電解液の分解が開始される電圧は、３．７Ｖ（＝１４．８÷４）以上に調整することが好ましい。この電圧は高いほうが安全性の観点では好ましいが、上述の充放電サイクル特性の向上効果が薄れていく。これらを踏まえ、リン酸鉄リチウムイオン電池の電解液の分解が開始される電圧を３．７〜３．８Ｖまたは３．７Ｖ〜４．０Ｖの間に設定する。また、上述通り、リン酸鉄リチウムイオン電池の最大充電電圧（充電終止電圧）は、３．５〜４．０Ｖ（好ましくは３．６Ｖ〜３．８Ｖ）の間に設定されることが多いが、本実施の形態のように車両用の１２Ｖシステムで使用する場合は、条件が異なってくる。具体的には、オルタネータの設定出力電圧が１４．８Ｖの場合、上述のリン酸鉄リチウムイオン電池の最大充電電圧（充電終止電圧）を３．７〜４．０Ｖ（好ましくは３．８〜４．０Ｖ）の間に設定することが好ましい。このように車両用の１２Ｖシステムで使用する場合においては、最大充電電圧（充電終止電圧）をオルタネータの設定出力電圧より高くすることで、リン酸鉄リチウムイオン電池の電池特性を最大限利用できるように構成することができる。具体的には、最大充電電圧（充電終止電圧）は、３．５〜４．０Ｖの範囲内でかつオルタネータの設定出力電圧に対応する電圧以上に設定されることが好ましい。なお、最大充電電圧（充電終止電圧）が３．５〜４．０Ｖの範囲内であれば、充放電サイクル特性の低下を充分に抑制することができる。

図５は、本発明の実施の形態に係る車両用電源装置１００を説明するための図である。当該車両用電源装置１００が搭載される車両には、車両用電源装置１００に関連する部材として、オルタネータ２００、スタータ３００、電装品４００、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５００が搭載される。

オルタネータ２００は、図示しないエンジンにより交流電力を発電し、さらにエネルギー回生機能の車両においては減速時の運動エネルギーによっても発電する。ここでは主に減速中の発電について述べる。オルタネータ２００が動作すべきタイミングは、後述のＥＣＵ５００によって指示される。オルタネータ２００が発電した交流電力は、図示しないレギュレータ、整流器等の回路により直流電力に変換され、オルタネータ２００の電力が電装品４００、車両用電源装置１００に供給される。

スタータ３００は、エンジン始動用モータである。スタータ３００は、車両用電源装置１００の出力系統に接続される。運転者の操作により図示しないイグニッションスイッチがオンされる場合、あるいはアイドリングストップの状態から復帰する場合、ＥＣＵ５００からの指示によって、スタータ３００のスタータスイッチ（図示せず）がオンとなり車両用電源装置１００からスタータ３００に電力が供給され、スタータ３００が始動する。スタータ３００によりエンジンが始動すると、スタータスイッチがオフされる。

電装品４００は、ヘッドライト、エアコン、デフォッガ、オーディオ、メータ、ストップランプ、フォグランプ、ウィンカ、パワーステアリング、パワーウインドウ、エンジン電装品などの車両内に搭載される各種電気負荷を示す総称である。ここでは、説明の便宜上、オルタネータ２００、スタータ３００、ＥＣＵ５００は電装品４００とは別に扱っている。また、電装品４００は、車両用電源装置１００から供給される電力により駆動されている。

ＥＣＵ５００は、車両内に搭載される各種の補機、センサ、スイッチに接続され、エンジンおよび各種補機を電子制御する。アイドリングストップ機能を実行する場合、ＥＣＵ５００は、ブレーキ、車速センサ等から入力される信号をもとに車両の停止または設定速度以下への減速を検出すると、エンジンを停止させる。また、ＥＣＵ５００は、ブレーキの解除を検出したことでもって、車両が走行を開始したと判定する。ＥＣＵ５００は、アイドリングストップ機能を実行してエンジンが停止した後に、車両の走行開始を検出するとエンジンを再始動させる。その際、車両用電源装置１００からスタータ３００に電力が供給されるよう制御し、スタータ３００を作動させる。なお、ここでは、ブレーキの解除を検出したことでもって、車両の走行開始を判定しているが、必ずしもこの構成に限定する必要はない。例えば、車速センサや、アクセルの状態をもとに車両の走行開始を判定するように構成することもできる。

さらにＥＣＵ５００は、車両の走行中であっても所定の条件を満たす場合に、エンジンを停止させてもよい。所定の条件は例えば、一定期間にわたって減速が続くこと、あるいは一定期間にわたって速度が変化しないことのように設定される。このような条件によってエンジンを停止した後に、アクセルの踏み込みによる加速の必要性を検出した場合に、前述のようにエンジンを再始動させる。しかしながら、ＥＣＵ５００は通常走行時、原則的にオルタネータ２００を停止させる。エネルギー回生機能を実行する際には、ＥＣＵ５００は、ブレーキ、車速センサ等から入力される信号をもとに車両の減速を検出するとオルタネータ２００を作動させる。なお、車両用電源装置１００の蓄電エネルギーが設定下限値より低い場合は、ＥＣＵ５００は通常走行時でもオルタネータ２００を作動させる。

車両用電源装置１００は、鉛電池１０、リチウムイオン電池２０、第１蓄電池制御部３０、第２蓄電池制御部４０を含む。鉛電池１０およびリチウムイオン電池２０は、上述の鉛電池（Ｐｂ）とリチウムイオン電池（Ｌｉ−ｉｏｎ（３．３Ｖ／４直））の並列システムである。

第１蓄電池制御部３０は鉛電池１０を管理制御する。具体的には鉛電池１０の電圧、電流、温度を取得し、鉛電池１０のＳＯＣおよび異常発生の有無を監視する。第１蓄電池制御部３０は、鉛電池１０のＳＯＣを第２蓄電池制御部４０に通知するとともに、鉛電池１０の正常または異常をＥＣＵ５００に通知する。第１蓄電池制御部３０は、鉛電池１０の電圧が放電下限電圧を下回ると、鉛電池１０を充電するためにオルタネータ２００の稼働指示をＥＣＵ５００に通知する。第１蓄電池制御部３０はＥＣＵ５００から車両情報を受領する。例えば、オルタネータ２００の稼働状況を受領する。

第２蓄電池制御部４０はリチウムイオン電池２０を管理制御する。具体的にはリチウムイオン電池２０の電圧、電流、温度を取得し、リチウムイオン電池２０のＳＯＣおよび異常発生の有無を監視する。第２蓄電池制御部４０はリチウムイオン電池２０を構成する各リチウムイオン電池セルの電圧を取得し、各リチウムイオン電池セルの電圧を均等化するよう制御する。第２蓄電池制御部４０は、リチウムイオン電池２０のＳＯＣを第１蓄電池制御部３０に通知するとともに、リチウムイオン電池２０の正常または異常をＥＣＵ５００に通知する。第２蓄電池制御部４０は、リチウムイオン電池２０の電圧が放電下限電圧を下回ると、リチウムイオン電池２０を充電するためにオルタネータ２００の稼働指示をＥＣＵ５００に通知する。第２蓄電池制御部４０はＥＣＵ５００から車両情報を受領する。例えば、オルタネータ２００の稼働状況を受領する。第１蓄電池制御部３０、第２蓄電池制御部４０、ＥＣＵ５００間は例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）により通信される。

以上説明したように本実施の形態によれば、鉛電池と蓄電デバイスの並列システムにて、鉛電池の放電開始電圧を下回るときのＳＯＣが５％以下となる蓄電デバイスを使用することにより、放電時の鉛電池の使用を極力抑えることができ、鉛電池の寿命を延ばすことができる。また上記に加えて、オルタネータの設定出力電圧に到達するときのＳＯＣが９５％以上となる蓄電デバイスを使用することにより、蓄電デバイスの使用ＳＯＣ範囲を上側にも拡大できる。従って蓄電デバイスのスペックを抑えつつ、鉛電池の使用を極力抑えることができる。

本発明者らは、この蓄電デバイスとして、正極活物質にリン酸鉄リチウムを使用し、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルを含有している非水溶媒に電解質が溶解されている非水電解液を使用しているリチウムイオン電池が適していることを見出した。このリチウムイオン電池は、電解液の分解が開始される電圧が高いため、ＳＯＣが９５％を超える領域の、過充電保護回路なしでの使用も原理的に可能となる。従ってオルタネータの通常の設定出力電圧（約１４〜１５Ｖ）を変更することなく、かつ充電停止制御を導入せずに、そのまま使用できる。一般的な車載用のリチウムイオン電池では、ＳＯＣが９０％に到達すると、スイッチオフや発電停止などにより充電を停止させる制御が導入されている。

またリチウムビスオキサラートボラート（ＬｉＢＯＢ）及び／またはジフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＯ_２Ｆ_２）を添加剤として使用し、かつ電解液の分解が開始される電圧を、オルタネータの設定出力電圧に対応する電圧より高く、４．０Ｖより低い範囲に調整する。これにより、上記の効果を享受しつつ、リチウムイオン電池の寿命も延ばすことができる。

また、殆どの状態でリチウムイオン電池の放電電圧が、鉛電池の放電電圧を上回ることになるため、鉛電池と負荷を電気的に切り離すスイッチを設けなくても、鉛電池の休止状態を維持できる。

また、本発明者らは、この蓄電デバイスとして、正極活物質にリン酸鉄リチウムを使用し、負極活物質に非晶質炭素を含む黒鉛系炭素材料を使用しているリチウムイオン電池が適していることを見出した。このリチウムイオン電池は、放電電圧の適合性が高く、なおかつオルタネータの設定出力電圧（約１４〜１５Ｖ）での充電効率が高い。従って、車両の減速時のエネルギー回生効率を高めることが可能となり、燃費改善効果を大きくすることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。こられ実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１００車両用電源装置、２００オルタネータ、３００スタータ、４００電装品、５００ＥＣＵ、１０鉛電池、２０リチウムイオン電池、３０第１蓄電池制御部、４０第２蓄電池制御部。

Claims

鉛電池と、
前記鉛電池と並列に接続される蓄電デバイスと、を備え、
前記蓄電デバイスの放電電圧が、前記鉛電池の放電時の最大電圧を下回るときの前記蓄電デバイスのＳＯＣ（State Of Charge）が５％以下であることを特徴とする車両用電源装置。
前記鉛電池および前記蓄電デバイスは、車両内の発電機により発電される電力により充電され、
前記蓄電デバイスの充電電圧が、前記発電機の設定出力電圧に到達するときの前記蓄電デバイスのＳＯＣが９５％以上であることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。
前記鉛電池は、代表電圧２．０Ｖの鉛電池セルが６個直列接続されて構成され、
前記蓄電デバイスは、代表電圧３．３Ｖのリチウムイオン電池セルが４個直列接続されて構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の車両用電源装置。
前記蓄電デバイスは、非水溶媒に電解質が溶解されている非水電解液を有し、
前記非水溶媒は、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルを含有していることを特徴とする請求項３に記載の車両用電源装置。
鉛電池と、
前記鉛電池と並列に接続されるリチウムイオン電池と、を備え、
前記リチウムイオン電池は、
リン酸鉄リチウムを用いる正極活物質と、
非水溶媒に電解質が溶解されている非水電解液とを有し、
前記非水溶媒は、環状炭酸エステルと鎖状炭酸エステルを含有していることを特徴とする車両用電源装置。
前記リチウムイオン電池は、さらに、非晶質炭素を含む黒鉛系炭素材料を用いる負極活物質を有することを特徴とする請求項５に記載の車両用電源装置。
前記リチウムイオン電池は、前記負極活物質に含まれる非晶質炭素の割合が、０．１重量％〜４０重量％の範囲であることを特徴とする請求項６に記載の車両用電源装置。
前記鉛電池は、代表電圧２．０Ｖの鉛電池セルが６個直列接続されて構成され、
前記リチウムイオン電池は、代表電圧３．３Ｖのリチウムイオン電池セルが４個直列接続されて構成されることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の車両用電源装置。