JP2015180140A - 車両用電源システム - Google Patents

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直人 中西
Naoto Nakanishi
直人 中西
宏之 巽
Hiroyuki Tatsumi
宏之 巽
敏宏 坂谷
Toshihiro Sakatani
敏宏 坂谷
越智 誠
Makoto Ochi
誠 越智
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Abstract

【課題】車両内の電力不足による補機の機能停止を可及的に回避する技術を提供する。
【解決手段】高圧蓄電部は、モータジェネレータ20に高圧電流経路を介して接続する。DC−DCコンバータ12は、高圧蓄電部より電圧が低い低圧蓄電部が接続される低圧電流経路と、高圧電流経路との間に設けられる。スイッチS1は、高圧電流経路と、高圧蓄電部との間に設けられる。制御装置13は、高圧蓄電部のSOC(State Of Charge)が、低圧電流経路に接続される負荷のバックアップ電源として高圧蓄電部に確保すべき下限設定値を下回るとスイッチS1をオフする。
【選択図】図1

Description

本発明は、車両に搭載されるべき車両用電源システムに関する。
近年、48V電源を使用したモータジェネレータで回生やアシストの効果を高めるマイルドハイブリッド車が注目されている。マイルドハイブリッド車は、ストロングハイブリッド車よりもコストを抑えることができる。48V電源と、既存の12V電源とはDC−DCコンバータを介して電気的に接続される構成が一般的である。
特開2014−14270号公報
12V電源には鉛電池が用いられることが一般的である。ライトの消し忘れ等により鉛電池が充電不足になると鉛電池から補機に電力を供給できなくなる。例えば、スタータを稼働できなくなると、エンジンを始動するのが困難になる。
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、車両内の電力不足による補機の機能停止を可及的に回避する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システムは、モータジェネレータに高圧電流経路を介して接続する高圧蓄電部と、前記高圧蓄電部より電圧が低い低圧蓄電部が接続される低圧電流経路と、前記高圧電流経路との間に設けられるDC−DCコンバータと、前記高圧電流経路と、前記高圧蓄電部との間に設けられるスイッチと、前記高圧蓄電部のSOC(State Of Charge)が、前記低圧電流経路に接続される負荷のバックアップ電源として前記高圧蓄電部に確保すべき下限設定値を下回ると前記スイッチをオフする制御装置と、を備える。
本発明によれば、車両内の電力不足による補機の機能停止を可及的に回避できる。
本発明の実施の形態に係る車両の電装系の概略構成を示す図である。 5Ahのリチウムイオン電池と25Ahのリチウムイオン電池のI−V特性を示す図である。 25Ahのリチウムイオン電池のI−V特性を示す図である。 本発明の実施の形態に係る、モータジェネレータ、オルタネータ、鉛電池、リチウムイオン電池、及び第1スイッチの状態をまとめた図である。 本発明の実施の形態に係る制御装置の動作を説明するためのフローチャートである。
図1は、本発明の実施の形態に係る車両100の電装系の概略構成を示す図である。本実施の形態ではマイルドハイブリッドタイプの車両100を想定する。ハイブリッドカーには大別すると、ストロングハイブリッドタイプとマイルドハイブリッドタイプがある。ストロングハイブリッドタイプは比較的大型の二次電池とモータを搭載し、エンジンが停止した状態でも二次電池に蓄えられたエネルギーで走行できるタイプである。マイルドハイブリッドタイプは比較的小型の二次電池とモータを搭載し、原則的にエンジンが停止した状態では走行せず、二次電池に蓄電されたエネルギーで主にパワーアシストするタイプである。マイルドハイブリッドタイプは、燃費はストロングハイブリッドタイプに及ばないが、構造が簡単で比較的低コストで構成できる。マイルドハイブリッドタイプでは一般に、パラレル方式が採用される。パラレル方式はエンジンとモータの両方で車輪を駆動可能な方式である。一方、シリアル方式は、エンジンで発電したエネルギーを二次電池に蓄え、専らモータで車輪を駆動する方式である。
図1に示す車両100は、電源システム10、モータジェネレータ20、48V系負荷30、鉛電池40、12V系負荷50、スタータ60、第2スイッチS2及びオルタネータ70を備える。電源システム10は、リチウムイオン電池11、第1スイッチS1、抵抗R1、双方向DC−DCコンバータ12及び制御装置13を備える。制御装置13は、電圧電流検出回路14、処理部15、記憶部16及び駆動回路17を含む。リチウムイオン電池11、モータジェネレータ20及び48V系負荷30は、48V系電流経路Phに接続される。鉛電池40、12V系負荷50、スタータ60及びオルタネータ70は、12V系電流経路Plに接続される。双方向DC−DCコンバータ12は、12V系電流経路Plと48V系電流経路Phとの間に設けられる。
図1に示す車両100は動力源として図示しないエンジンと、モータジェネレータ20を備える。モータジェネレータ20は、モータとオルタネータを統合したものであり、モータとして機能する力行モードと発電機として機能する回生モードを切替可能な構成である。モータジェネレータ20は例えば、小型の三相交流同期モータで構成される。力行モードではモータジェネレータ20は、リチウムイオン電池11、又は双方向DC−DCコンバータ12を介して鉛電池40から供給される電力をもとに回転し、車両100の発進および加速のアシストを行う。なお低速領域ではモータジェネレータ20の駆動力のみで自走できるモードが設定されてもよい。また回生モードでは、車両の減速エネルギーにもとづく回転により発電し、発電した電力を48V系電流経路Phに出力する。
オルタネータ70は、図示しないエンジンのトルクにより発電し、発電した電力を12V系電流経路Plに出力する。スタータ60は、第2スイッチS2を介して12V系電流経路Plに接続される。第2スイッチS2にはリレー、IGBT、MOSFET等を用いることができる。スタータ60はエンジン始動用モータである。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たとき、又はアイドリングストップの状態から復帰する場合、図示しないECU(Electronic Control Unit)からの制御信号にもとづき第2スイッチS2がターンオンする。図示しないエンジンが始動すると第2スイッチS2はターンオフする。
車両100内には、モータジェネレータ20及びスタータ60以外にも各種の負荷(補機)が設けられる。例えばヘッドライト、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負荷が設けられる。従来の12V系電源しか存在しないシステムでは、全ての負荷が12V系に接続されていた。これに対して本実施の形態のように48V系電源を搭載するシステムでは、消費電力が大きい負荷(例えば、エアコン)を48V系電源に接続することができる。これにより、消費電力が大きい負荷の電流値を下げることができる。車両メーカの設計者は、車両100内の各種負荷のそれぞれを、12V系電流経路Plに接続するか、48V系電流経路Phに接続するかを適宜選択できる。本実施の形態では12V系電流経路Plに接続する負荷を12V系負荷50、48V系電流経路Phに接続する負荷を48V系負荷30と表記している。
鉛電池40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、主にスタータ60及び12V系負荷50に給電するための電池である。
本実施の形態に係るリチウムイオン電池11は、正極活物質材料にNCM三元系リチウム遷移金属化合物、負極活物質材料に黒鉛を使用している。リチウムイオン電池11は、代表電圧3.6〜3.7Vのリチウムイオン電池セルが12個または13個直列接続されて構成される。
各リチウムイオン電池セルの充放電可能な使用電圧範囲は2.0V〜4.3Vに設定される。従って12個直列接続された場合のリチウムイオン電池11の使用電圧範囲は24.0〜51.6Vになり、13個直列接続された場合のリチウムイオン電池11の使用電圧範囲は26.0V〜55.9Vとなる。60V以下では厳格な絶縁処理が不要であるため上限電圧を60V以下に抑えている。放電時の電力を大きくするという観点では13直列を採用すべきであるが、充電電圧を抑えてリチウムイオン電池11を保護するという観点では12直列を採用すべきである。設計者は各国の事情等を踏まえ適宜選択できる。リチウムイオン電池11の容量は20Ah以上、より好ましくは25Ah以上に設計される。
リチウムイオン電池11と48V系電流経路Phとの間に、第1スイッチS1が接続される。第1スイッチS1にはリレー、IGBT、MOSFET等を用いることができる。リチウムイオン電池11と直列に抵抗R1が接続される。抵抗R1は、リチウムイオン電池11に流れる電流を検出するためのシャント抵抗である。なお抵抗R1の代わりにホール素子を用いてもよい。
制御装置13の電圧電流検出回路14は、リチウムイオン電池11の各セルのそれぞれの電圧を検出する。電圧電流検出回路14は、検出した各セル電圧値を処理部15に出力する。また電圧電流検出回路14は、抵抗R1の両端電圧を検出して、検出した両端電圧に対応する電流値を処理部15に出力する。電圧電流検出回路14は、専用のカスタムICであるASIC(Application Specific Integrated Circuit)で構成できる。
処理部15は、記憶部16と連携してリチウムイオン電池11を管理制御するための処理を実行する。処理部15はCPUで構成でき、記憶部16はROM、RAMで構成できる。処理部15は、図示しないCAN(Controller Area Network)を介してECUと通信可能である。
処理部15は、電圧電流検出回路14により検出された電圧値および/または電流値をもとに、リチウムイオン電池11のSOCを推定する。SOCは例えば、OCV(Open Circuit Voltage)法または電流積算法により推定できる。これらの推定方法は一般的な技術であるため、その詳細な説明は省略する。
処理部15は、推定したSOCおよび/またはECUからの指示信号に基づき、第1スイッチS1のオン/オフを制御するための制御信号を生成する。また処理部15は、推定したSOCおよび/またはECUからの指示信号に基づき、双方向DC−DCコンバータ12の稼働/停止を制御するための制御信号を生成する。それらの制御信号は駆動回路17に出力される。駆動回路17は処理部15からの制御信号をもとに、第1スイッチS1をオン/オフするための駆動信号、及び双方向DC−DCコンバータ12のスイッチング素子をオン/オフするための駆動信号を生成する。
本実施の形態では48V系電源としてリチウムイオン電池を使用している。リチウムイオン電池は、鉛電池と比較して過充電や過放電に弱く、それを防止するための保護機能が必要である。リチウムイオン電池は、HEV用途ではSOC範囲が20〜80%の範囲で使用されることが一般的である。またPHEVやEV用途では10〜95%の範囲で使用されることが一般的である。本実施の形態ではリチウムイオン電池11を原則的に30〜70%のSOC範囲で使用する。これにより過充電、過放電を回避し、より安全な運用が可能となる。
図2は、5Ahのリチウムイオン電池と25Ahのリチウムイオン電池のI−V特性を示す図である。図2(a)は−30℃の環境下でリチウムイオン電池から1秒間、放電した場合のI−V特性を示し、図2(b)は−30℃の環境下でリチウムイオン電池から10秒間、放電した場合のI−V特性を示している。
上述のように本実施の形態では、20Ah以上のリチウムイオン電池11を使用する。以下、25Ahのリチウムイオン電池を使用することを想定する。25Ahのリチウムイオン電池のSOC50%のI−V特性と、5Ahのリチウムイオン電池のSOC80%のI−V特性は、ほぼ等しくなる。即ち、25Ahのリチウムイオン電池にSOC50%を確保しておけば、5Ahのリチウムイオン電池のSOC80%に相当する電力を負荷に供給できることになる。
上述のように本実施の形態では、リチウムイオン電池11の使用SOC範囲を原則的に30〜70%に設定している。低SOC領域を使用しないことで十分に蓄えられているエネルギーを、12V系電流経路Plに接続された負荷のバックアップ電源として確保する。特にスタータ60のバックアップ電源として確保する。車両100が停車した状態でスタータ60を起動できなくなると、エンジンを始動するのが困難になる。
実施の形態に係るリチウムイオン電池11のSOCの下限設定値は、12V系電流経路Plに接続された負荷のバックアップ電源として確保すべきSOC以上に設定される。具体的には、スタータ60を稼働させるに必要なSOC以上に設定される。本実施の形態では、−28℃の環境下で1秒間稼働するのに必要な電力が3.0kWのスタータ60を使用している。従って−28℃の環境下で3.0kW以上の電力を供給できるSOCをリチウムイオン電池11に確保しておく必要がある。
図3は、25Ahのリチウムイオン電池のI−V特性を示す図である。図3には、−30℃の環境下でSOC30%の状態から1秒間、放電する場合のI−V特性を示している。この状態のリチウムイオン電池から125Aの電流で放電した場合、セル電圧は2.0〜2.5Vになる。12直列の構成では24.0〜30.0Vの放電電圧となり、12直列の使用電圧範囲の24.0〜51.6Vに収まる。13直列の構成では26.0〜32.5Vの放電電圧となり、13直列の使用電圧範囲の26.0V〜55.9Vに収まる。
12直列の構成で125Aの電流、24.0Vの電圧で放電した場合、3.0kWの電力を負荷に供給できる。13直列の構成では、より大きな電力を負荷に供給できる。従って本実施の形態では、25Ahのリチウムイオン電池11のSOCを30%以上に保つことにより、スタータ60を稼働させるためのバックアップ電源をリチウムイオン電池11に確保できる。
処理部15は、リチウムイオン電池11のSOCが下限設定値(本実施の形態では30%)を下回ると、第1スイッチS1をオフさせるための制御信号を生成して駆動回路17に出力する。駆動回路17は、第1スイッチS1をオフさせるための駆動信号を生成して第1スイッチS1に供給する。これにより第1スイッチS1がターンオフする。
処理部15は車両100内の発電機能が停止中で、かつ鉛電池40からの電力供給でスタータ60を稼働できない場合、リチウムイオン電池11のSOCの下限設定値を、過放電防止用の下限SOCに引き下げる。本実施の形態では、過放電防止用の下限SOCとして10%に設定している。
車両100内の発電機能が停止中とは主に、車両100が停止中でモータジェネレータ20もオルタネータ70も稼働できない状態を指す。なお、モータジェネレータ20及びオルタネータ70の両方に不具合が生じて両者ともに稼働できない状態も含む。鉛電池40からの電力供給でスタータ60を稼働できない場合とは、鉛電池40のSOCが、スタータ60を稼働させるに必要な下限SOCを下回っている状態を指す。当該下限SOCは、スタータ60及び鉛電池40の仕様により異なるが、本実施の形態では当該下限SOCは70%になる。
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たとき、又はアイドリングストップの状態から復帰する場合、ECUは第2スイッチS2に制御信号を送信して、第2スイッチS2をターンオンさせる。第2スイッチS2がターンオンしてから所定期間が経過してもエンジンが始動しない場合、ECUは鉛電池40のSOCが、スタータ60を稼働させるに必要な下限SOCを下回っていると判定する。ECUは、その判定結果を処理部15に通知する。処理部15は当該通知を受けることにより、鉛電池40からの電力供給でスタータ60を稼働できない状態を認識できる。
なおリチウムイオン電池11の制御装置13と同様に、鉛電池40にも鉛電池40を管理制御する制御装置が設けられる場合、当該制御装置は鉛電池40のSOCを推定する。当該制御装置は、CAN等のネットワークを介して、推定した鉛電池40のSOCをリチウムイオン電池11の制御装置13に通知する。処理部15は、受信した鉛電池40のSOCが上記の下限SOCを下回っている場合、鉛電池40からの電力供給でスタータ60を稼働できない状態と認識する。例えば車両100の長期間放置、ランプの消し忘れ等により、鉛電池40のSOCが上記の下限SOCを下回ることがある。
処理部15は車両100内の発電機能が停止中で、かつ鉛電池40からの電力供給でスタータ60を稼働できない場合、リチウムイオン電池11のSOCが30%を下回っていても10%を以上であれば、第1スイッチS1をターンオンさせるための制御信号および双方向DC−DCコンバータ12を稼働させるための制御信号を生成する。なおリチウムイオン電池11のSOCが30%以上であれば無条件に、第1スイッチS1をターンオンさせるための制御信号を生成する。
処理部15により生成された制御信号は駆動回路17に出力される。駆動回路17は当該制御信号にもとづき、第1スイッチS1をオフさせるための駆動信号を生成し、かつ双方向DC−DCコンバータ12を稼働させるための駆動信号を生成し、それぞれに供給する。これにより、リチウムイオン電池11からスタータ60に給電でき、スタータ60を稼働させ、エンジンを始動させることができる。なおリチウムイオン電池11のSOCが10%を下回っている場合、リチウムイオン電池11を保護するため、第1スイッチS1をオフ状態に維持する。
図4は、本発明の実施の形態に係る、モータジェネレータ20、オルタネータ70、鉛電池40、リチウムイオン電池11、及び第1スイッチS1の状態をまとめた図である。モータジェネレータ20及びオルタネータ70が停止中で、鉛電池40のSOCが0〜70%の場合、リチウムイオン電池11からの電力供給なしにスタータ60を稼働できない状態である。この状態では、リチウムイオン電池11のSOCが10〜70%の場合、第1スイッチS1をターンオンしてリチウムイオン電池11からスタータ60に給電する。リチウムイオン電池11のSOCが0〜10%の場合、第1スイッチS1をオフ状態に制御する。この場合、鉛電池40の交換などの別の方法でエンジンを始動する必要がある。
モータジェネレータ20及びオルタネータ70が停止中で、鉛電池40のSOCが70〜100%の状態は、鉛電池40からの電力供給でスタータ60が稼働できる状態である。この状態では、リチウムイオン電池11のSOCが30〜70%の場合、第1スイッチS1をオン状態に制御し、48V系電流経路Phに接続された負荷にリチウムイオン電池11から電力を供給する。リチウムイオン電池11のSOCが0〜30%の場合、第1スイッチS1をオフ状態に制御し、48V系電流経路Phに接続された負荷へのリチウムイオン電池11からの給電を停止する。この状態でも双方向DC−DCコンバータ12を稼働させることにより、48V系電流経路Phに接続された負荷に鉛電池40から給電可能である。
モータジェネレータ20及びオルタネータ70の少なくも一方が稼働中で、鉛電池40のSOCが0〜100%の状態は、モータジェネレータ20及び/又はオルタネータ70の発電電力により、車両100内の各種負荷が稼働できる状態である。この状態では、リチウムイオン電池11のSOCが0〜70%の場合、第1スイッチS1をオン状態に制御する。リチウムイオン電池11のSOCが70%を超えると、過充電を回避するため第1スイッチS1をターンオフさせる。
図5は、本発明の実施の形態に係る制御装置13の動作を説明するためのフローチャートである。鉛電池40のSOCが下限設定値(本実施の形態では70%)未満であり(S10のY)、モータジェネレータ20及びオルタネータ70が停止中の場合(S11のY)、処理部15はリチウムイオン電池11のSOCの下限設定値を第2設定値(本実施の形態では10%)に設定する(S12)。鉛電池40のSOCが下限設定値以上(S10のN)、又はモータジェネレータ20及びオルタネータ70の少なくも一方が稼働中の場合(S11のN)、処理部15はリチウムイオン電池11のSOCの下限設定値を第1設定値(本実施の形態では30%)に設定する(S13)。
処理部15はリチウムイオン電池11のSOCを推定し、推定したSOCが下限設定値未満のとき(S14のY)、第1スイッチS1をオフ状態に制御し(S15)、下限設定値以上のとき(S14のN)、第1スイッチS1をオン状態に制御する(S16)。以上に説明したステップS10〜S16の処理を、イグニッションオフされない間(S17のN)継続し、イグニッションオフされると(S17のY)、当該処理を終了する。
以上説明したように本実施の形態によれば、リチウムイオン電池11に、12V系電流経路Plに接続された負荷(特にスタータ60)のバックアップ電源を確保することにより、車両100内の電力不足による補機の機能停止を可及的に回避できる。特に車両100内の電力不足によるスタータ60の起動不可を回避し、エンジンの始動を確保できる。リチウムイオン電池11のSOCの下限設定値を切り替えることにより、リチウムイオン電池11を保護しつつ、バックアップ電源の容量確保とバックアップ電源の使用を制御できる。
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。
上述の実施の形態では低圧蓄電部として12Vの鉛電池40、高圧蓄電部として48Vのリチウムイオン電池11を使用する例を説明した。この構成は一例であり、その構成に限定されるものではない。例えば、高圧蓄電部に36Vのリチウムイオン電池を使用してもよい。また高圧蓄電部にリチウムイオン電池ではなく、ニッケル水素電池、電気二重層コンデンサ等の他の蓄電装置を使用してもよい。また低圧蓄電部に24Vの鉛電池を使用してもよい。また低圧蓄電部に鉛電池ではなく、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、電気二重層コンデンサ等の他の蓄電装置を使用してもよい。
また上述の実施の形態に係る車両100にて、オルタネータ70を設けない構成も可能である。この場合、モータジェネレータ20の力行モードの機会を限定し、減速時以外にもエンジンのトルクにより発電する必要がある。例えば、モータアシストを発進時および加速時に限定し、速度変化が一定の範囲に収まる定速時にはモータジェネレータ20は、エンジンのトルクにより発電する。この構成では、双方向DC−DCコンバータ12は、ほぼ常に動作し、鉛電池40はモータジェネレータ20により発電された電力を充電する。
100 車両、 10 電源システム、 20 モータジェネレータ、 30 48V系負荷、 40 鉛電池、 50 12V系負荷、 60 スタータ、 70 オルタネータ、 11 リチウムイオン電池、 12 双方向DC−DCコンバータ、 13 制御装置、 14 電圧電流検出回路、 15 処理部、 16 記憶部、 17 駆動回路、 S1 第1スイッチ、 S2 第2スイッチ、 R1 抵抗、 Pl 12V系電流経路、 Ph 48V系電流経路。

Claims (6)

  1. モータジェネレータに高圧電流経路を介して接続する高圧蓄電部と、
    前記高圧蓄電部より電圧が低い低圧蓄電部が接続される低圧電流経路と、前記高圧電流経路との間に設けられるDC−DCコンバータと、
    前記高圧電流経路と、前記高圧蓄電部との間に設けられるスイッチと、
    前記高圧蓄電部のSOC(State Of Charge)が、前記低圧電流経路に接続される負荷のバックアップ電源として前記高圧蓄電部に確保すべき下限設定値を下回ると前記スイッチをオフする制御装置と、
    を備えることを特徴とする車両用電源システム。
  2. 前記低圧電流経路には、エンジン始動用モータが接続され、
    前記下限設定値は、前記エンジン始動用モータを稼働させるに必要なSOC以上に設定されることを特徴とする請求項1に記載の車両用電源システム。
  3. 前記制御装置は、車両内の発電機能が停止中で、かつ前記低圧蓄電部からの電力供給で前記エンジン始動用モータを稼働できない場合、前記高圧蓄電部の下限設定値を、過放電防止用の下限SOCに引き下げることを特徴とする請求項2に記載の車両用電源システム。
  4. 前記高圧蓄電部の容量は20Ah以上に設定され、
    前記高圧蓄電部に確保すべき下限設定値は30%以上に設定されることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の車両用電源システム。
  5. 前記低圧蓄電部は、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、
    前記高圧蓄電部は、代表電圧3.6〜3.7Vのリチウムイオン電池セルが12個直列接続されて構成され、使用電圧範囲が24.0〜51.6Vに設定されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の車両用電源システム。
  6. 前記低圧蓄電部は、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、
    前記高圧蓄電部は、代表電圧3.6〜3.7Vのリチウムイオン電池セルが13個直列接続されて構成され、使用電圧範囲が26.0〜55.9Vに設定されることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の車両用電源システム。
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