JP2015220867A - 車載電源システム、および電源システムを搭載した車両 - Google Patents

Abstract

【課題】好適な電圧特性を得ることができる車載電源システム、および電源システムを搭載した車両を提供することである。
【解決手段】実施形態の車載電源システムは、アイドリングストップ制御を行う車両に搭載される。車載電源システムは、リチウムイオン電池と、鉛蓄電池とを持つ。リチウムイオン電池は、ニオブ系酸化物を負極に使用したものである。鉛蓄電池は、前記リチウムイオン電池に並列に接続される。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、車載電源システム、および電源システムを搭載した車両に関する。

従来、鉛蓄電池とリチウムイオン電池を並列に接続し、車載用に用いられる電源システムが知られている。この種の電源システムでは、好適な電圧特性を得ることができない場合があった。

特開２０１１−１５５１６号公報

本発明が解決しようとする課題は、好適な電圧特性を得ることができる車載電源システム、および電源システムを搭載した車両を提供することである。

実施形態の車載電源システムは、アイドリングストップ制御を行う車両に搭載される。車載電源システムは、リチウムイオン電池と、鉛蓄電池とを持つ。リチウムイオン電池は、ニオブ系酸化物を負極に使用したものである。鉛蓄電池は、前記リチウムイオン電池に並列に接続される。

実施形態の車載電源システムが搭載された車両１の機能構成例を示す図。 実施形態のリチウムイオン電池６０と、他の態様のリチウムイオン電池との間で電圧特性を比較した図。 実施形態のバッテリ制御部７０により実行される処理の流れの一例を示すフローチャート。

以下、実施形態の車載電源システム、および電源システムを搭載した車両を、図面を参照して説明する。図１は、実施形態の車載電源システムが搭載された車両１の機能構成例を示す図である。車両１は、例えば、エンジン１０と、オルタネータ１２と、スタータモータ１４と、鉛蓄電池５０と、変速機１８と、エンジンＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０と、アクセル開度センサ２２と、ブレーキセンサ２４と、シフト位置センサ２６と、車速センサ２８と、車軸３０と、補機４０と、鉛蓄電池５０と、スイッチ５５と、リチウムイオン電池６０と、バッテリ制御部７０とを備える。

エンジン１０は、ガソリン等の炭化水素系の燃料を内部で燃焼させることによって動力を出力する。エンジン１０の出力する動力は、変速機１８や図示しないクラッチ、デファレンシャルギヤ等を介して車軸３０に出力される。オルタネータ１２は、エンジン１０の出力する動力を用いて発電したり、車両１の減速時に車軸３０から入力される動力を用いて発電（回生）したりする。オルタネータ１２の発電した電力は、鉛蓄電池５０やリチウムイオン電池６０を充電するのに用いられる。スタータモータ１４は、エンジン１０が停止している状態においてエンジンＥＣＵ２０により駆動されてクランキング動作を行い、エンジン１０を始動させる。また、スタータモータ１４は、車両１の発進時や加速時に、走行用の駆動力を出力する機能を有していてもよい。この場合、スタータモータ１４は、車両１の制動時に回生によって発電することも可能になる。

なお、エンジン１０、オルタネータ１２、スタータモータ１４は、入出力軸が直接または間接的に連結されていればよく、図１に示す並び順は、これらの連結態様を特定するものではない。

エンジンＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ２２、ブレーキセンサ２４、シフト位置センサ２６、車速センサ２８等から入力される値に基づいて、エンジン１０、オルタネータ１２、スタータモータ１４の制御を行う。エンジンＥＣＵ２０は、例えば、アクセル開度センサ２２とシフト位置センサ２６、車速センサ２８から入力される値に基づいて、エンジン１０のスロットル開度を調整したり、点火時期を適切に調整する制御を行う。また、エンジンＥＣＵ２０は、車両１の走行状態や鉛蓄電池５０の充電率に基づいて、オルタネータ１２のオン／オフ制御を行う。エンジンＥＣＵ２０は、例えば、車両１が加速する際にはオルタネータ１２をオフ状態にし、それ以外の場面では、バッテリＥＣＵ７０から入力される、鉛蓄電池５０やリチウムイオン電池６０のＳＯＣ（充電率）が所定値を下回ったときに、オルタネータ１２をオン状態にするといった制御を行う。

また、エンジンＥＣＵ２０は、例えば、車速センサ２８から入力される値と、アクセル開度センサ２２から入力される値が共に微小値未満（ゼロとみなされる値）であり、且つ、ブレーキセンサ２４から入力される値または信号がブレーキ中であることを示す場合に、エンジン１０を停止させる制御（アイドリングストップ制御）を行う。エンジンＥＣＵ２０は、アイドリングストップ制御によりエンジン１０が停止した状態において、例えばブレーキセンサ２４から入力される値または信号がブレーキ解除を示し、且つアクセル開度センサ２２から入力される値が所定値を上回った場合には、リチウムイオン電池６０のＳＯＣに基づいて，リチウムイオン電池６０を優先的にスタータモータ１４の電力源となるよう制御して、スタータモータ１４を駆動してエンジン１０を始動させる。

鉛蓄電池５０は、リチウムイオン電池６０と並列に接続される。鉛蓄電池５０およびリチウムイオン電池６０は、スタータモータ１４やエンジンＥＣＵ２０、バッテリ制御部７０等の各種ＥＣＵ、補機４０等に電力を供給する。鉛蓄電池５０には、電圧センサ５２や図示しない電流センサ、温度センサ等が取り付けられている。また、鉛蓄電池５０とオルタネータ１２との間には、スイッチ５５が設けられている。スイッチ５５は、鉛蓄電池５０とオルタネータ１２とを接続状態または遮断状態にすることができる。

リチウムイオン電池６０は、例えば、正極側にマンガンを、負極側にニオブ系酸化物を、それぞれ用いたリチウムイオン電池であり、電池セルを５個直列に接続した電池パックである。リチウムイオン電池６０は、正極と負極とがセパレータを挟んで対向する構造を複数積層しており、複数の正極に接続された正極端子と、複数の負極に接続された負極端子と、ガス排出弁が筐体表面に設けられている。リチウムイオン電池６０を、このような態様とすることにより、車載用途に好適な電圧特性を得ることができる。なお、リチウムイオン電池６０にも、図示しない電圧センサや電流センサ、温度センサ等が取り付けられてよい。

バッテリ制御部７０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサ、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ、各種インターフェース装置等がバスを介して接続されたコンピュータ装置である。また、バッテリ制御部７０は、エンジンＥＣＵ２０と類似な回路構成であってよい。バッテリ制御部７０は、鉛蓄電池５０やリチウムイオン電池６０の充放電電流を積算すること等により、これらのＳＯＣを算出する。また、バッテリ制御部７０は、５個直列接続された電池セルの残存容量が均等になるよう制御する。

図２は、実施形態のリチウムイオン電池６０と、他の態様のリチウムイオン電池との間で電圧特性を比較した図である。図中、（１）は、正極側にニッケル系酸化物を、負極にチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池であって、電池セルを６個直列に接続したものの電圧特性を示している。（２）は、正極側にマンガンを、負極側にチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池であって、電池セルを５個直列に接続したものの電圧特性を示している。（３）は、正極側にマンガンを、負極側にチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池であって、電池セルを６個直列に接続したものの電圧特性を示している。そして、（４）は、実施形態のリチウムイオン電池６０（正極側にマンガンを、負極側にニオブ系酸化物を用いたリチウムイオン電池であって、電池セルを５個直列に接続したもの）の電圧特性を示している。

ここで、車載用途として鉛蓄電池と並列に使用されるリチウムイオン電池に対しては、以下のような要求がある。（Ａ）鉛蓄電池の劣化を抑制するために、鉛蓄電池の電圧が保護電圧Ｖｄ（例えば１２.８［Ｖ］）で一定に維持されるようにしたい。（Ｂ）リチウムイオン電池の充電許容最大電圧が、ＥＣＵや補機が正常に作動できる上限電圧Ｖｕ（例えば１５.５［Ｖ］）程度となるようにしたい。これにより、保護電圧Ｖｄ以上となるＳＯＣ範囲を、なるべく広くなるようにすることができ、より耐久性の高いリチウムイオン電池を鉛蓄電池より優先して使用することができる。また、アイドリングストップ状態からのエンジン再始動において、保護電圧Ｖｄからリチウムイオン電池の放電許容最低電圧までの電位が充分にあると、優先的にスタータモータ１４の電力源としてリチウムイオン電池が使用できるので、鉛蓄電池の放電も抑制される（なお、この場合はスイッチ５５をオフ状態にしてエンジン再始動させる）。

図２の電圧特性から、上記要求（Ａ）、（Ｂ）を最も好適に満たすのは、実施形態のリチウムイオン電池６０（正極側にマンガンを、負極側にニオブ系酸化物を用いたリチウムイオン電池であって、電池セルを５個直列に接続したもの）である。従って、実施形態の車載電源システムによれば、好適な電圧特性を得ることができる。

また、上記（Ａ）の要求を満たすため、実施形態のバッテリ制御部７０は、鉛蓄電池５２が充電されている状態のときに、鉛蓄電池５２の電圧が所定電圧以上となると、スイッチ５５を遮断状態にしてオルタネータ１２と鉛蓄電池５０とを電気的に切り離すことにより、鉛蓄電池５０への充電を停止させる。これによって、鉛蓄電池５０の劣化を抑制することができる。

図３は、実施形態のバッテリ制御部７０により実行される処理の流れの一例を示すフローチャートである。まず、バッテリ制御部７０は、エンジンＥＣＵ２０から入力されるオルタネータ１２やスタータモータ１４の動作状態、鉛蓄電池５０やリチウムイオン電池に取り付けられた電流センサの検出値などに基づいて、鉛蓄電池５０が充電状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１００）。

鉛蓄電池５０が充電状態にない場合、バッテリ制御部７０は、スイッチ５５を導通状態に変更または維持する（ステップＳ１０２）。

鉛蓄電池５０が充電状態にある場合、バッテリ制御部７０は、電圧センサ５２の検出値Ｖが、保護電圧Ｖｄ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。電圧センサ５２の検出値Ｖが、保護電圧Ｖｄ以上である場合、バッテリ制御部７０は、スイッチ５５を遮断状態に変更または維持する（ステップＳ１０６）。一方電圧センサ５２の検出値Ｖが、保護電圧Ｖｄ未満である場合、バッテリ制御部７０は、スイッチ５５を導通状態に変更または維持する（ステップＳ１０２）。

係る制御によって、実施形態の車載電源システムは、鉛蓄電池５０の電圧が保護電圧Ｖｄ以上にならないようにし、保護電圧Ｖｄ以上の電圧をリチウムイオン電池６０から供給し、保護電圧Ｖｄ未満の電圧を鉛蓄電池５０とリチウムイオン電池６０の双方から供給するようにすることができる。また、リチウムイオン電池６０の放電電力を大きくすることができるため、鉛蓄電池５０をなるべく満充電に近い状態に維持することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、ニオブ系酸化物を負極に使用したリチウムイオン電池６０と、リチウムイオン電池６０に並列に接続される鉛蓄電池５０とを持つことにより、車載用途に好適な電圧特性を得ることができる。

なお、上記実施形態におけるオルタネータ１２、スタータモータ１４、およびスイッチ５５が、「充電部」の一例である。また、バッテリ制御部７０が、「制御部」の一例である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０…エンジン、１２…オルタネータ、１４…スタータモータ、２０…エンジンＥＣＵ、４０…補機、５０…鉛蓄電池、５２…電圧センサ、５５…スイッチ、６０…リチウムイオン電池、７０…バッテリ制御部

Claims (4)

1. アイドリングストップ制御を行う車両に搭載される車載電源システムであって、
   ニオブ系酸化物を負極に使用したリチウムイオン電池と、
   前記リチウムイオン電池に並列に接続される鉛蓄電池と、
   を備える車載電源システム。
2. 前記鉛蓄電池の電圧が所定電圧以上である場合に、前記鉛蓄電池への充電を停止させる制御部を備える、
   請求項１記載の車載電源システム。
3. アイドリングストップ制御を行う車両に搭載される車載電源システムであって、
   リチウムイオン電池と、
   前記リチウムイオン電池に並列に接続される鉛蓄電池と、
   前記鉛蓄電池の電圧が所定電圧以上である場合に、前記鉛蓄電池への充電を停止させる制御部と、
   を備える車載電源システム。
4. 走行のための動力を出力するエンジンと、
   ニオブ系酸化物を負極に使用したリチウムイオン電池と、
   前記リチウムイオン電池に並列に接続される鉛蓄電池と、
   前記エンジンの出力する動力、または車両の減速時に回生される電力を用いて前記リチウムイオン電池および前記鉛蓄電池を充電する充電部と、
   前記車両の停止時に前記エンジンを停止させる制御部と、
   を備える電源システムを搭載した車両。

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