JP2016032361A - 車両の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】鉛電池の他に追加の蓄電装置を備えた車両の電源装置において、サルフェーションを適切に抑制する。【解決手段】車両の電源装置１は、モータジェネレータ２と、ニッケル水素電池２１と、モータジェネレータ２およびニッケル水素電池２１に対して断接可能な鉛電池１１とを備える。ニッケル水素電池２１は、鉛電池１１の上限電圧よりも高い電圧において充電可能である。電源装置１は、鉛電池１１がモータジェネレータ２およびニッケル水素電池２１から遮断されている場合に、鉛電池１１の電圧に応じて、鉛電池１１をモータジェネレータ２およびニッケル水素電池２１に接続する。【選択図】図３

Description

この発明は車両の電源装置に関する。

車両の電源装置に鉛電池を用いることが公知である。鉛電池は、低電圧で放電するとサルフェーションが発生し、劣化につながるおそれがある。

また、車両の電源装置として、鉛電池と、追加の蓄電装置とを備えたものも公知である。特許文献１には、このような構成の例が記載されている。

特開２０１２−２５４７４４号公報

鉛電池の他に追加の蓄電装置を備えた構成では、サルフェーションを適切に抑制する制御が困難であるという問題があった。
たとえば、制御内容によっては鉛電池を放電させつつ追加の蓄電装置を充電するという動作が長時間継続する場合があり、このような場合には鉛電池の電圧が低下してサルフェーションが発生する。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、鉛電池の他に追加の蓄電装置を備えた車両の電源装置において、サルフェーションを適切に抑制することを目的とする。

この発明に係る車両の電源装置は、発電機と、蓄電装置と、発電機および蓄電装置に対して断接可能な鉛電池とを備え、蓄電装置は、鉛電池の上限電圧よりも高い電圧において充電可能であり、鉛電池が発電機および蓄電装置から遮断されている場合に、鉛電池の状態を表す第１の値に応じて、鉛電池を発電機および蓄電装置に接続する。

このような構成によれば、鉛電池の状態に応じ、鉛電池が発電機および蓄電装置に接続される。

鉛電池が発電機および蓄電装置に接続されている場合に、第１の値または鉛電池の状態を表す第２の値に応じて、鉛電池を発電機および蓄電装置から遮断してもよい。
第２の値は鉛電池の電圧であってもよい。
第１の値は鉛電池の電圧であってもよい。

この発明に係る車両の電源装置によれば、鉛電池が状態に応じて発電機および蓄電装置に接続されて充電されるので、鉛電池の電圧低下を回避し、サルフェーションを抑制することができる。

この発明の実施の形態１に係る車両の電源装置を含む構成を示す図である。 図１の電源装置の回生動作における処理を示すフローチャートである。 図２の処理に伴う鉛電池およびニッケル水素電池の電圧の変化を示すグラフである。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電源装置１を含む構成を示す図である。
電源装置１は車両の電源装置であり、車両に搭載される負荷に電力を供給する。

電源装置１は、モータジェネレータ２を備える。モータジェネレータ２はインバータを備えており、制御に応じて、インバータを介して発電機として電力を供給し、またはインバータを介して負荷として電力を消費する。モータジェネレータ２には電流センサ３が直列に接続され、モータジェネレータ２の発電または消費に係る電流を検出する。

モータジェネレータ２に、第一スイッチ４および第一回路部１０が接続される。第一スイッチ４と第一回路部１０とは直列に接続される。第一回路部１０は、鉛電池１１と、電流センサ１２と、スタータ１３と、補機１４と、電圧センサ１５とを備える。

鉛電池１１と、スタータ１３と、補機１４と、電圧センサ１５とは、モータジェネレータ２に対して並列に接続される。また、電流センサ１２は鉛電池１１と直列に接続され、鉛電池１１に流れる電流を検出する。スタータ１３および補機１４は負荷の例である。これら以外の負荷が第一回路部１０に含まれてもよい。電圧センサ１５は、鉛電池１１の両極間の電圧を検出する。

また、モータジェネレータ２に対して、第一スイッチ４および第一回路部１０と並列に、第二スイッチ５および第二回路部２０が接続される。第二スイッチ５と第二回路部２０とは直列に接続される。第二回路部２０は、ニッケル水素電池２１および電圧センサ２２を備える。ニッケル水素電池２１と電圧センサ２２とは、互いに並列に接続される。電圧センサ２２は、ニッケル水素電池２１の両極間の電圧を検出する。第二回路部２０は負荷を含んでもよい。

電源装置１は、上述の構成のうち、少なくとも、モータジェネレータ２、第一スイッチ４、第二スイッチ５、鉛電池１１およびニッケル水素電池２１を備えて構成され、負荷（たとえばスタータ１３および補機１４）に電力を供給する。

鉛電池１１の温度を検出するための温度センサ６が設けられてもよく、また、ニッケル水素電池２１の温度を検出するための温度センサ７が設けられてもよい。

また、とくに図示しないが、電源装置１は、電源装置１の動作を制御する制御装置を備える。制御装置はたとえば演算手段および記憶手段を備えるコンピュータ（たとえばマイクロプロセッサ等）によって構成される。また、以下ではとくに明記しないが、図１に示す各構成要素の制御は、この制御装置により実行される。

第一スイッチ４は、オンおよびオフに制御可能であり、第一スイッチ４がオンである場合には、第一回路部１０（とくに鉛電池１１）はモータジェネレータ２に接続され、第一スイッチ４がオフである場合には、第一回路部１０（とくに鉛電池１１）はモータジェネレータ２から遮断される。なお、本明細書において、ある回路要素が他の回路要素から「遮断される」という表現は、これらの回路要素の双方を通って電流が流れるような回路が構成されていないことを意味し、必ずしもこれらの回路要素が互いに完全に絶縁されていることまでは意味しない。

同様に、第二スイッチ５は、オンおよびオフに制御可能であり、第二スイッチ５がオンである場合には、第二回路部２０（とくにニッケル水素電池２１）はモータジェネレータ２に接続され、第二スイッチ５がオフである場合には、第二回路部２０（とくにニッケル水素電池２１）はモータジェネレータ２から遮断される。

第一スイッチ４および第二スイッチ５の双方がオンである場合には、第一回路部１０（とくに鉛電池１１）と第二回路部２０（とくにニッケル水素電池２１）とは接続され、第一スイッチ４および第二スイッチ５のうちいずれか一方がオンで他方がオフである場合には、第一回路部１０（とくに鉛電池１１）と第二回路部２０（とくにニッケル水素電池２１）とは遮断される。

以上のように、とくに鉛電池１１は、モータジェネレータ２およびニッケル水素電池２１に対して断接可能となっている。

また、電源装置１の制御装置は、鉛電池１１の上限電圧および下限電圧を予め記憶している。鉛電池１１の上限電圧とは、たとえば制御の基準となる所定の閾値を意味する。上限電圧は、鉛電池１１のガス発生電位であってもよく、その場合にはたとえば１４．４Ｖである。また、電源装置１の制御装置は、鉛電池１１の電圧がこの上限電圧を超えないように制御してもよい。このような制御の具体的内容は、当業者が適宜設計可能である。

鉛電池１１の下限電圧もまた、たとえば制御の基準となる所定の閾値を意味する。下限電圧は、たとえば鉛電池１１のサルフェーションが発生しない（または発生しにくい）電圧範囲の下限である。なお、サルフェーションが発生しない、またはサルフェーションが発生しにくいという表現の技術的な定義は、当業者が適宜決定することができる。

ニッケル水素電池２１は、鉛電池１１の上限電圧よりも高い電圧において充電可能な蓄電装置の例である。鉛電池１１の上限電圧よりも高い電圧において充電可能な蓄電装置は、ニッケル水素電池２１以外にリチウムイオン電池などの二次電池またはキャパシタを用いても構成可能である。

次に、実施の形態１に係る電源装置１の動作を説明する。
図２は、電源装置１の回生動作における処理を示すフローチャートである。
図３は、電源装置１の回生動作における処理に伴う、鉛電池およびニッケル水素電池の電圧の変化を示すグラフである。なお、図３において、鉛電池１１の電圧とニッケル水素電池２１の電圧とが等しい場合には、その電圧を実線で表す。また、鉛電池１１の電圧とニッケル水素電池２１の電圧とが異なる場合には、鉛電池１１の電圧を破線で表し、ニッケル水素電池２１の電圧を一点鎖線で表す。

回生動作が開始されると、電源装置１は、第一スイッチ４および第二スイッチ５の双方をオンとする（ステップＳ１）。これによって、鉛電池１１およびニッケル水素電池２１の双方が充電される。たとえば図３に示す時刻Ｔ１において充電が開始されたとすると、鉛電池１１およびニッケル水素電池２１は互いに接続されるため等しい電圧が印加され、またこの電圧は鉛電池１１およびニッケル水素電池２１の充電が進むにつれて上昇する。これはたとえば図３において時刻Ｔ１からＴ２までの区間に対応する。

この状態では、モータジェネレータ２が負荷（たとえば補機１４）に電力を供給する。また、モータジェネレータ２の電圧によっては、鉛電池１１およびニッケル水素電池２１が負荷に電力を供給する可能性もある。

次に、電源装置１は、鉛電池１１の電圧が、所定の上限電圧ＶＨより高いか否かを判定する（ステップＳ２）。たとえばＶＨ＝１４．４［Ｖ］である。鉛電池１１の電圧が上限電圧ＶＨ以下である場合には、電源装置１は処理をステップＳ１に戻す。

鉛電池１１の電圧が上限電圧ＶＨよりも高い場合には、電源装置１は、第一スイッチ４をオフとする（ステップＳ３）。これによって、第一回路部１０（鉛電池１１を含む）はモータジェネレータ２およびニッケル水素電池２１から遮断される。第一回路部１０は補機１４を含んでいるので、ステップＳ３実行直後には、鉛電池１１のみが負荷に電力を供給することになる。一方、ニッケル水素電池２１は単独でモータジェネレータ２からの充電を受け続ける。このため、鉛電池１１の電圧は下降し、ニッケル水素電池２１の電圧はさらに上昇する。これはたとえば図３において時刻Ｔ２からＴ３までの区間に対応する。

ステップＳ３の後、電源装置１は、鉛電池１１の電圧が、所定の下限電圧ＶＬより低いか否かを判定する（ステップＳ４）。鉛電池１１の電圧が下限電圧ＶＬ以上である場合には、電源装置１は処理をステップＳ３に戻す。

鉛電池１１の電圧が下限電圧ＶＬよりも低い場合には、電源装置１は処理をステップＳ１に戻す。すなわち、電源装置１は、第一スイッチ４および第二スイッチ５の双方をオンとし、鉛電池１１およびニッケル水素電池２１の双方を充電する。これによって鉛電池１１およびニッケル水素電池２１は互いに接続されるため電圧が等しくなる。これはたとえば図３において時刻Ｔ３に対応し、この時点で双方の電圧はＶ１となる。

さらに回生動作が継続すると、図２に示すステップＳ１〜Ｓ４のループが繰り返される場合がある。このような場合には、図３に示すように、鉛電池１１およびニッケル水素電池２１の双方が充電される時間帯と、ニッケル水素電池２１が単独で受電される時間帯とが交互に繰り返されることになる。

以上をまとめると、電源装置１は、鉛電池１１がモータジェネレータ２およびニッケル水素電池２１に接続されている場合に、鉛電池１１の電圧に応じて、鉛電池１１をモータジェネレータ２およびニッケル水素電池２１から遮断するということができる。また、電源装置１は、鉛電池１１がモータジェネレータ２およびニッケル水素電池２１から遮断されている場合に、鉛電池１１の電圧に応じて、鉛電池１１をモータジェネレータ２およびニッケル水素電池２１に接続するということができる。

とくに、鉛電池１１の電圧が下限電圧ＶＬよりも低くなると、鉛電池１１とモータジェネレータ２およびニッケル水素電池２１とが接続されて鉛電池１１の充電が開始されるので、鉛電池１１は低電圧で放電を継続することがなく、鉛電池１１のサルフェーションが防止または抑制される。

また、鉛電池１１の電圧が下限電圧ＶＬよりも低くなり、鉛電池１１とニッケル水素電池２１とが接続されると、ニッケル水素電池２１の電圧が一時的に低下する（図３の時刻Ｔ３およびＴ５）。このため、ニッケル水素電池２１の過充電を防止することができる。さらに、鉛電池１１とニッケル水素電池２１とが接続された後は、充電電流の一部が鉛電池１１に流れるので、ニッケル水素電池２１が大電流で充電され続ける時間を短縮することができ、ニッケル水素電池２１の温度上昇を抑制することができる。

上述の実施の形態１において、次のような変形を施すことができる。
実施の形態１では、第一スイッチ４の制御の基準としてステップＳ４で用いられる値（第１の値）は電圧である。すなわち、電源装置１は、鉛電池１１の電圧に応じて、鉛電池１１をモータジェネレータ２およびニッケル水素電池２１に接続する。変形例として、ステップＳ４で用いられる値は、鉛電池１１におけるサルフェーションの発生度合に影響する値であれば、鉛電池１１の状態を表す他の値であってもよい。

たとえば、鉛電池１１の状態を表す値は、鉛電池１１の温度であってもよく、温度センサ６によって検出される鉛電池１１の温度に基づいて第一スイッチ４の制御が行われてもよい。すなわち、電源装置１は、鉛電池１１の温度に応じて、鉛電池１１をモータジェネレータ２およびニッケル水素電池２１に接続するように構成してもよい。また、鉛電池１１のサルフェーションが発生しない（または発生しにくい）温度範囲の上限または下限は、当業者であれば適宜決定可能である。

同様に、鉛電池１１の状態を表す値は、鉛電池１１のＳＯＣ（State Of Charge）であってもよい。鉛電池１１のＳＯＣを検出するための構成はとくに説明しないが、当業者であれば公知技術に基づいて適宜設計可能である。また、鉛電池１１のサルフェーションが発生しない（または発生しにくい）ＳＯＣ範囲の下限は、当業者であれば適宜決定可能である。

また、複数の値を組み合わせた基準を用いてもよい。たとえば、あらかじめ電圧と温度とによる２次元の表を構成して表の各セルに第一スイッチ４の状態を定義しておき、電圧と温度とに基づきこの表を参照して第一スイッチ４を制御してもよい。

鉛電池１１の状態を表す１種類以上の値を変数とする関数を用いてもよい。たとえば、電圧を変数とする関数の値を基準として第一スイッチ４を制御してもよく、電圧および温度を変数とする関数の値を基準として第一スイッチ４を制御してもよい。

また、ステップＳ２における判定にも、鉛電池１１におけるサルフェーションの発生度合に影響する他の値（たとえば温度またはＳＯＣ）を用いることができる。この場合の上限または下限は、当業者が適宜決定可能である。

第一スイッチ４をオフに切り替える際の判定（ステップＳ２）に用いる基準と、第一スイッチ４をオンに切り替える際の判定（ステップＳ４）に用いる基準とは、同一の値を用いてもよいし（たとえば実施の形態１ではいずれも電圧に基づいて判定する）、異なる値を用いてもよい。たとえば、ステップＳ４では第１の値として温度を基準とし、ステップＳ２では第２の値として電圧を基準としてもよい。このようにすると、鉛電池１１におけるガスの発生と、鉛電池１１のサルフェーションの発生とを、それぞれ異なる基準において判定することができ、よりきめ細かい制御が可能となる。

なお、図２の制御では、第二スイッチ５は常にオンとなるため、第二スイッチ５の配置を省略してもよい。また、第二スイッチ５の具体的な制御内容は、当業者であれば適宜設計可能である。

実施の形態１では、図２の処理が実行されるのは回生動作中に限られるが、回生動作中でない場合にも図２の処理が実行されてもよい。たとえば、図２の処理の実行中に回生動作を終了しても、図２の処理はそのまま継続可能な場合がある。具体例として、ステップＳ３およびＳ４のループ処理中にニッケル水素電池２１の電圧が所定の上限電圧を超えた場合には、回生動作を終了してもよい。この場合には、ステップＳ４からステップＳ１に分岐することによって第一スイッチ４がオンとなっても、充電は行われない可能性がある。

１ 電源装置、２ モータジェネレータ（発電機）、１１ 鉛電池、２１ ニッケル水素電池（蓄電装置）。

Claims (4)

1. 発電機と、
   蓄電装置と、
   前記発電機および前記蓄電装置に対して断接可能な鉛電池と
   を備え、
   前記蓄電装置は、前記鉛電池の上限電圧よりも高い電圧において充電可能であり、
   前記鉛電池が前記発電機および前記蓄電装置から遮断されている場合に、前記鉛電池の状態を表す第１の値に応じて、前記鉛電池を前記発電機および前記蓄電装置に接続する、
   車両の電源装置。
2. 前記鉛電池が前記発電機および前記蓄電装置に接続されている場合に、前記第１の値または前記鉛電池の状態を表す第２の値に応じて、前記鉛電池を前記発電機および前記蓄電装置から遮断する、請求項１に記載の車両の電源装置。
3. 前記第２の値は前記鉛電池の電圧である、請求項２に記載の車両の電源装置。
4. 前記第１の値は前記鉛電池の電圧である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両の電源装置。

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