JP2016116255A - 電力供給ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】適切な補充電により、効率よくバッテリの充電を行う。
【解決手段】電力供給ユニット１は、車両に設けられたバッテリ１４と、車両のエンジン１０の回転を動力源として電力を生成し、生成した電力を少なくともバッテリに供給するオルタネータ１２と、オルタネータからバッテリまでの経路に流れる電流を測定する電流センサ１８と、電流センサが測定した電流値を積分してバッテリの蓄電率を導出する蓄電率導出部４２と、蓄電率導出部が導出したエンジンの始動時の蓄電率に基づいて目標充電量を決定し、目標充電量相当の補充電が完了するまで、バッテリの蓄電率を漸増させる補充電モードに基づいてオルタネータの出力を制御するオルタネータ制御部４４と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両のエンジンの回転を動力源としてオルタネータが電力を生成し、その電力をバッテリに供給する電力供給ユニットに関する。

車両では、例えば、エンジンを始動する際、スタータに電力を供給するためバッテリが設けられている。また、エンジンの回転を動力源としてオルタネータが電力を生成し、その生成された電力によってバッテリが充電され、その蓄電率（ＳＯＣ：State Of Charge）が、蓄電率の目標となる目標蓄電率に維持される。

また、エンジン始動時には、エンジン停止時の自然放電によって蓄電率が低下したバッテリを補充すべく、蓄電率を強制的に漸増させる補充電も行われる。例えば、エンジン停止時の蓄電率やソーク時間に基づき、現在の蓄電率を適切に推測し、その現在の蓄電率に基づいて補充電を行う総時間を決定する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−１１８６６４号公報

上述したように、エンジンの始動時には、始動時の蓄電率から補充電を実行する総時間が一義的に決定され、補充電が実行される。しかし、バッテリは、複数搭載されているとき個々の暗電流量が異なる等、蓄電性能に個別差があったり、さらに、１のバッテリ内においても経時によって蓄電性能が低下する場合がある。したがって、蓄電性能が個々にまたは経時的に異なる場合においても、画一的な時間で補充電を行うと、過充電や充電不足を招き、バッテリの寿命を低下させるおそれがある。

また、補充電が適切に行われず、例えば、補充電完了時に充電不足であった場合、蓄電率を目標蓄電率に近づけるため、蓄電率を強制的に漸増させる強制充電が行われることとなる。このように急速な充電を行うと、その間のオルタネータの発電がエンジン負荷となり、結果的に燃費の向上を図れないといった問題を招いていた。

本発明は、このような課題に鑑み、適切な補充電により、効率よくバッテリの充電を行うことが可能な電力供給ユニットを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の電力供給ユニットは、車両に設けられたバッテリと、車両のエンジンの回転を動力源として電力を生成し、生成した電力を少なくともバッテリに供給するオルタネータと、オルタネータからバッテリまでの経路に流れる電流を測定する電流センサと、電流センサが測定した電流値を積分してバッテリの蓄電率を導出する蓄電率導出部と、蓄電率導出部が導出したエンジンの始動時の蓄電率に基づいて目標充電量を決定し、目標充電量相当の補充電が完了するまで、バッテリの蓄電率を漸増させるようにオルタネータの出力を制御するオルタネータ制御部と、を備えることを特徴とする。

オルタネータ制御部は、目標充電量相当の補充電が完了していなくとも、バッテリに流れる電流値が予め定められた所定閾値未満となる状態が所定時間連続すると、オルタネータの出力制御を停止してもよい。

電流センサは、バッテリに入出力される電流を測定するとしてもよい。

本発明によれば、適切な補充電により、効率よくバッテリの充電を行うことが可能となる。

電力供給ユニットの構成を示した機能ブロック図である。 目標蓄電率維持モードの制御系を示した説明図である。 目標蓄電率維持モードの具体的な動作を説明するための説明図である。 従来の補充電モードを説明するための説明図である。 補充電モードを説明するための説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（電力供給ユニット１）
図１は、電力供給ユニット１の構成を示した機能ブロック図である。図１において、実線は電力の流れを、破線は制御信号の流れを示している。電力供給ユニット１は、エンジン１０と、オルタネータ１２と、バッテリ１４と、車両負荷１６と、電流センサ１８と、電圧センサ２０と、制御ユニット２２とを含んで構成される。

エンジン１０は、車両の動力源であり、クラッチや変速機を介して駆動輪を回動する。オルタネータ１２は、エンジン１０の回転軸に直接またはプーリ機構を介して連結され、エンジン１０の回転を動力源として電力を生成する。具体的に、エンジン１０の回転によって、オルタネータ１２のフィールドコイルに界磁電流が供給され、三相交流の誘起電流を生じさせる。そして、フィールドコイルの界磁電流が、レギュレータ等を通じて調整され、その発電電圧（出力電圧）が主として１４Ｖに制御される。また、オルタネータ１２では、エンジン１０からトルク（発電トルク）を入力して積極的に発電するエンジン発電と、駆動輪や変速機側からトルク（制動トルク）を入力して発電する回生発電とが実行される。前者では、その発電のためにエンジン１０が燃料を消費するが、後者ではこの制動トルクが車輪の制動に寄与して燃料の消費は生じない。生成された電力は、バッテリ１４に充電されるとともに、エンジン１０の電気系統や車両負荷１６として費やされる。

バッテリ１４は、オルタネータ１２に接続され、オルタネータ１２で生成された電力を蓄積（充電）する。また、エンジン１０や、補機等の車両負荷１６で電力を必要とする場合、例えば、エンジン１０の始動時にスタータに電力を供給する場合、バッテリ１４は、蓄積した電力をエンジン１０や車両負荷１６に供給（放電）する。

電流センサ１８は、オルタネータ１２からバッテリ１４までの経路に流れる電流を測定し、測定した電流値を制御ユニット２２に送信する。ただし、本実施形態において、電流センサ１８は、オルタネータ１２からバッテリ１４までの経路のうち、バッテリ１４に入出力（充放電）される電流を測定する。電圧センサ２０は、バッテリ１４の端子電圧を測定し、その測定値を制御ユニット２２に送信する。

制御ユニット２２は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ、車両の走行に必要な情報を保持する情報保持部等を含む半導体集積回路で構成され、各種センサの値を読み出し、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）通信を通じて電力供給ユニット１全体を制御する。また、制御ユニット２２は、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行させて、蓄電率導出部４２、オルタネータ制御部４４等の機能部として機能する。

蓄電率導出部４２は、電流センサ１８の電流値を積分して蓄電率（ＳＯＣ）を導出する。ここでは、電流センサ１８がバッテリ１４に入出力する電流を測定しているので、蓄電率導出部４２は、より正確にバッテリ１４の蓄電率を導出することができる。また、蓄電率導出部４２は、エンジン１０の停止時の蓄電率を保持すべく、導出した蓄電率を、導出時刻に関連付けて情報保持部に逐次保持する。本実施形態では、蓄電率を電流値の積分で導出しているが、電圧センサ２０の電圧に基づいて、その時点の蓄電率を直接導出することもできる。したがって、蓄電率導出部４２は、かかる電圧に基づく蓄電率も用い、電流値に基づく蓄電率の妥当性を判断する。

オルタネータ制御部４４は、オルタネータ１２のレギュレータ等を調整することで発電電圧を制御する。以下、オルタネータ制御部４４によるバッテリ１４の蓄電率の制御モード（目標蓄電率維持モード、補充電モード）について詳述する。

（目標蓄電率維持モード）
バッテリ１４は、エンジン１０や車両負荷１６への電力供給によって蓄電率が低下する。したがって、蓄電率を補充すべく、オルタネータ１２からバッテリ１４への充電が行われる。しかし、蓄電率の低下を防止すべく、オルタネータ１２から常にバッテリ１４に充電するとなると、オルタネータ１２の発電がエンジン負荷となり、結果的に燃費の低下を招くこととなる。そこで、オルタネータ制御部４４は、予め定められた所定値を、蓄電率の目標となる目標蓄電率とし、バッテリ１４の蓄電率が目標蓄電率に維持されるように、オルタネータ１２の発電電圧を制御する（目標蓄電率維持モード）。

図２は、目標蓄電率維持モードの制御系を示した説明図である。図２に示すように、目標蓄電率維持モードでは、目標蓄電率とバッテリ１４の蓄電率との差分に応じて、オルタネータ１２等を制御し、バッテリ１４への充電電流およびバッテリ１４からの放電電流を制御する。具体的に、オルタネータ制御部４４は、目標蓄電率とバッテリ１４の蓄電率との差分が所定の蓄電率の範囲（例えば９５±１％）にあるときは、直前のオルタネータ１２等の発電電圧の制御状態を維持し、所定の蓄電率の範囲を超えると、その値に比例した制御量で充放電制御を行う。

ただし、ここでは、バッテリ１４の蓄電率として、仮想蓄電率と実測蓄電率の２つの概念を用いる。仮想蓄電率と実測蓄電率とは、いずれも蓄電率として電流センサ１８の電流値を積分したものに相当するが、その積分の入力処理が異なる。実測蓄電率は、電流値をそのまま積分しており、実際の蓄電率そのものを示しているのに対し、仮想蓄電率は、電流値に任意の係数を乗じた後、積分している。ここでは、正の電流値（充電電流の値）に１近傍の係数αを乗じ、負の電流値（放電電流の値）に１近傍の係数βを乗じる。

説明の便宜上、仮に係数αおよび係数βを１とすると、仮想蓄電率および実測蓄電率は、いずれもバッテリ１４の現在の蓄電率そのものを示すことになる。したがって、当該目標蓄電率維持モードの制御系によると、目標蓄電率と仮想蓄電率との差分による適切な充放電制御により、仮想蓄電率を目標蓄電率に維持することが可能となる。

ただし、本実施形態では係数αおよび係数βの値を任意に設定している。例えば、放電電流に乗じる係数βを１．０１とし、係数βを充電電流に乗じる係数α＝１．００より高めたとする。この場合、負の電流値（放電電流値）については、電流センサ１８で取得された実際の電流値より係数βと１との差分だけ大きく積分されることとなり、仮想蓄電率が本来の蓄電率である実測蓄電率より小さく見積もられる。その結果、仮想蓄電率を目標蓄電率に維持しようとすると、充放電の指令が本来の指令より正側（充電側）に偏り、実際の蓄電率（実測蓄電率に相当）が徐々に大きくなる。ここでは、蓄電率の単位時間あたりの平均上昇率を第１上昇率と呼ぶ。このように、実測蓄電率を徐々に大きくする構成により、バッテリ１４における自然放電や、経時による蓄電性能の低下を回避することができる。

しかし、このように、実測蓄電率を徐々に大きくする構成とするだけでは、実測蓄電率が、いずれバッテリ１４の最大蓄電率（例えば１００％）に到達してしまう。そこで、オルタネータ制御部４４は、仮想蓄電率に加え実測蓄電率も監視し、実測蓄電率が最大蓄電率に到達すると、実測蓄電率によって仮想蓄電率を書き換える。こうして、仮想蓄電率が目標蓄電率から乖離するので、実測蓄電率を低下させることができる。本実施形態では、実測蓄電率が最大蓄電率に到達する度に、実測蓄電率の書き換えを行うので、バッテリ１４における自然放電や、経時による蓄電性能の低下を回避しつつ、バッテリ１４の過充電を防止することが可能となる。

図３は、目標蓄電率維持モードの具体的な動作を説明するための説明図である。上述したように、オルタネータ制御部４４は、目標蓄電率として所定値（例えば９５％）を設定し、図３（ａ）に示すように、仮想蓄電率を目標蓄電率に維持する。

したがって、オルタネータ制御部４４は、仮想蓄電率が目標蓄電率に対して例えば＋１％以上となるまで上昇するとバッテリ１４を放電し、仮想蓄電率が目標蓄電率に対して例えば−１％以下になるまで下降するとバッテリ１４を充電する。そして、図３（ｂ）のＡ時点に示すように、実測蓄電率が最大蓄電率に到達すると、仮想蓄電率をその実測蓄電率に書き換える。したがって、仮想蓄電率は、図３（ａ）に示すように、Ａ時点から段階的に値が変化し、徐々に目標蓄電率に戻ることとなる。

（補充電モード）
上述したように、車両が走行している間、オルタネータ制御部４４は、目標蓄電率維持モードにより、バッテリ１４の蓄電率が目標蓄電率に維持されるように充放電制御する。しかし、一度エンジン１０を停止（イグニッションオフ）すると、エンジン１０が停止している間の自然放電によって蓄電率が低下し、目標蓄電率から乖離してしまう。そこで、エンジン１０の始動（イグニッションオン）時には、自然放電により低下したバッテリ１４の蓄電率を強制的に漸増させる補充電が行われる。

図４は、従来の補充電モードを説明するための説明図である。補充電では、蓄電率を強制的に漸増させる単純制御が可能なので、例えば、エンジン１０の始動時に補充電を実行する総時間を決定し、その総時間が経過することで補充電を完了することができる。しかし、バッテリ１４は、暗電流量が異なる等、蓄電性能に個別差があり、さらに、１のバッテリ１４内においても経時によって蓄電性能が低下する場合がある。

したがって、蓄電性能が個々にまたは経時的に異なる場合においても、画一的な時間で補充電を行うと、例えば、図４（ａ）のように、白抜き両矢印で示される補充電の総時間経過時に、蓄電率が目標蓄電率を大きく上回ったり（過充電）、また、例えば、図４（ｂ）のように、白抜き両矢印で示される補充電の総時間経過時に、蓄電率が目標蓄電率を大きく下回る（充電不足）場合がある。これらの場合、バッテリ１４の寿命を低下させるおそれがある。

また、補充電が適切に行われず、例えば、図４（ｂ）のように、補充電完了時に充電不足であった場合、蓄電率を目標蓄電率に近づけるため、蓄電率を強制的に漸増させる強制充電が行われることとなる。このように急速な充電を行うと、その間のオルタネータ１２の発電がエンジン負荷となり、結果的に燃費の向上を図れなくなってしまう。

そこで、本実施形態では、時間ではなく、エンジン１０の始動時におけるバッテリ１４の蓄電率に基づいて補充電に必要な充電量である目標充電量を決定し、エンジン１０始動後のバッテリ１４への充電量が目標充電量に到達するまで補充電を行うこととする。

図５は、補充電モードを説明するための説明図である。具体的に、まず、蓄電率導出部４２は、図５に示すように、エンジン１０が始動すると、エンジン１０の停止時に情報保持部に保持された蓄電率（ここでは９５％）を読み出す。そして、蓄電率導出部４２は、エンジン１０の停止時（最後に蓄電率が保持された導出時刻）からエンジン１０の始動時までのソーク時間を求め、エンジン１０の停止時の単位時間あたりの蓄電率の低下想定値にソーク時間を乗じ、その結果（ここでは８％）をエンジン１０の停止時における蓄電率（９５％）から減算する。こうして、図５に示すエンジン１０の始動時の蓄電率（ここでは８７％）が導出される。

続いて、オルタネータ制御部４４は、エンジン１０の始動時の蓄電率（例えば８７％）に基づいて、白抜き両矢印で示すように、エンジン１０の始動時の蓄電率と目標蓄電率（例えば９５％）とを比較し、補充電モードでの目標充電量(ｍＡ・ｓ)を決定する。補充電モードでの目標充電量は、補充電モードでの充電によって目標蓄電率に到達させるために必要な充電量であることから、エンジン１０始動時の蓄電率と目標蓄電率との差が大きいほど目標充電量は大きな値となる。そこで、オルタネータ制御部４４は、エンジン１０始動時の蓄電率と目標蓄電率との差ごとに必要となる充電量を予め実験やシミュレーション等に基づいて算出したマップを参照して目標充電量を決定する。なお、目標蓄電率は予め設定された固定値であることから、エンジン１０始動時の蓄電率に基づいて目標充電量を決定するようにマップを作成してもよい。そして、電流センサ１８で検出される電流値に基づき、バッテリ１４に対して目標充電量相当の補充電が完了するまで、バッテリ１４の蓄電率を第２上昇率（急速な充電）で漸増させる補充電モードに基づいてオルタネータ１２の出力を制御する。ここで、第２上昇率は、バッテリ１４の蓄電率に拘わらず必ずバッテリ１４の充電が行われる電圧にオルタネータ１２の出力電圧を設定したときの、蓄電率の単位時間あたりの平均上昇率であり、かつ、上記第１上昇率より大きい値である。こうして、バッテリ１４の蓄電率を漸増させ、目標蓄電率に近づけることができる。

また、オルタネータ制御部４４は、目標充電量相当の補充電が完了すると、補充電を完了し、図５の如く、補充電モードを目標蓄電率維持モードに切り換え、充放電制御を開始する。

ここでは、エンジン１０の始動時の蓄電率と目標蓄電率とを比較して決定した目標充電量相当の補充電が完了するまで補充電を行っているので、蓄電率が確実に目標蓄電率となった状態で補充電を完了できる。したがって、過充電や充電不足によってバッテリ１４の寿命を低下させてしまうこともない。また、補充電モードから目標蓄電率維持モードに切り換わった際、最初から、蓄電率が目標蓄電率となっているので、不要にオルタネータ１２に発電させることもなく、結果的に燃費の向上を図ることができる。このような適切な補充電により、効率よくバッテリ１４の充電を行うことが可能となる。

なお、ここでは、オルタネータ制御部４４は、エンジン１０の始動時の蓄電率と目標蓄電率とを比較する例を挙げて説明しているが、かかる場合に限らず、エンジン１０の始動時の蓄電率と、補充電モードでの目標充電量との関係をテーブルで対応付け、オルタネータ制御部４４は、そのテーブルに基づいて目標充電量を導出してもよい。

また、補充電完了後の蓄電率が所定の閾値（例えば８０％）以下の場合、車両のスムーズな走行を支援すべく、満充電になるまで第２上昇率による急速な充電を行うとしてもよい。

ただし、蓄電率導出部４２が導出している蓄電率は、電流値に基づく推定値に過ぎない。したがって、蓄電率導出部４２が導出した蓄電率と、実際のバッテリ１４の蓄電率が異なる場合が生じうる。そうすると、実際のバッテリ１４では、充電が十分になされているのに、蓄電率導出部４２が導出した蓄電率が目標蓄電率を下回っている状態が生じ、オルタネータ制御部４４が、さらなる充電を試みる場合がある。

そこで、目標充電量相当の補充電が完了していなくとも（蓄電率導出部４２が導出した蓄電率が目標蓄電率に到達していなくとも）、バッテリ１４に流れる電流値が予め定められた所定閾値未満となる状態が所定時間連続すると、すなわち、実際のバッテリ１４が十分に充電された状態であり、既にオルタネータ１２から電力の供給を受けていない場合、オルタネータ制御部４４は、補充電モードに基づくオルタネータ１２の出力制御を停止し、目標蓄電率維持モードに切り換える。こうすることで、実際のバッテリ１４が十分に充電された状態における無用な充電を回避することが可能となる。

以上、説明したように、本実施形態では、過充電や充電不足によってバッテリ１４の寿命を低下させてしまうこともなく、オルタネータ１２の不要な発電を回避し、燃費の向上を図ることができる。

また、コンピュータを、電力供給ユニット１として機能させるプログラムや当該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段をいう。

また、上述した実施形態では、制御ユニット２２において、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭが協働して各機能部を動作させる例を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の集積回路によって実現してもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、車両のエンジンの回転を動力源としてオルタネータが電力を生成し、その電力をバッテリに供給する電力供給ユニットに利用することができる。

１ 電力供給ユニット
１０ エンジン
１２ オルタネータ
１４ バッテリ
１６ 車両負荷
１８ 電流センサ
２２ 制御ユニット
４２ 蓄電率導出部
４４ オルタネータ制御部

Claims (3)

1. 車両に設けられたバッテリと、
   前記車両のエンジンの回転を動力源として電力を生成し、該生成した電力を少なくとも前記バッテリに供給するオルタネータと、
   前記オルタネータから前記バッテリまでの経路に流れる電流を測定する電流センサと、
   前記電流センサが測定した電流値を積分して前記バッテリの蓄電率を導出する蓄電率導出部と、
   前記蓄電率導出部が導出した前記エンジンの始動時の蓄電率に基づいて目標充電量を決定し、該目標充電量相当の補充電が完了するまで、前記バッテリの蓄電率を漸増させるように前記オルタネータの出力を制御するオルタネータ制御部と、
   を備えることを特徴とする電力供給ユニット。
2. 前記オルタネータ制御部は、前記目標充電量相当の補充電が完了していなくとも、前記バッテリに流れる電流値が予め定められた所定閾値未満となる状態が所定時間連続すると、前記オルタネータの出力制御を停止することを特徴とする請求項１に記載の電力供給ユニット。
3. 前記電流センサは、前記バッテリに入出力される電流を測定することを特徴とする請求項１または２に記載の電力供給ユニット。

Images