JP2018069900A - 車両用電源システムの制御方法および車両用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】 充電遅延の抑制と自動運転に必要な電力の確保とを両立できる車両用電源システムの制御方法および車両用電源システムを提供する。【解決手段】 ジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを遮断した状態で鉛酸蓄電池4を充電中にドライバの自動運転要求がなされると、ジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを導通させ、ジェネレータ2の出力電圧を低下させる。【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用電源システムの制御方法および車両用電源システムに関する。

特許文献１には、第１蓄電デバイスと第１蓄電デバイスよりも内部抵抗が小さな第２蓄電デバイスを有する車両用電源システムが開示されている。

特開2015-204699号公報

本発明の目的の一つは、発電機と第２蓄電デバイスとを遮断した状態で第１蓄電デバイスの充電中にドライバの自動運転要求がなされたとき、充電遅延の抑制と自動運転に必要な電力の確保とを両立できる車両用電源システムの制御方法および車両用電源システムを提供することにある。

本発明の一実施形態にかかる車両用電源システムの制御方法は、発電機と第２蓄電デバイスとを遮断した状態で第１蓄電デバイスを充電中にドライバの自動運転要求がなされると、発電機と第２蓄電デバイスとを導通させ、発電機の出力電圧を低下させる。

よって、本発明にあっては、充電遅延の抑制と自動運転に必要な電力の確保とを両立できる。

実施形態１の車両用電源システムの構成図である。 コントローラ8の処理の流れを示すフローチャートである。 鉛酸蓄電池4およびリチウムイオン蓄電池5のSOC-OCV特性図である。

〔実施形態１〕
図１は、実施形態１の車両用電源システム1の構成図である。
実施形態１の車両用電源システム（以下、電源システム）1は、エンジン（内燃機関）を駆動源として走行する車両に搭載されている。電源システム1は、ジェネレータ（発電機）2、スタータ3、鉛酸蓄電池（第１蓄電デバイス）4、リチウムイオン蓄電池（第２蓄電デバイス）5、リレー6、電装品7およびコントローラ8を有する。鉛酸蓄電池4、リチウムイオン蓄電池5、スタータ3および電装品7は、給電線9によりジェネレータ2に対して並列に接続する。給電線9は、上記の各電気要素について相互に給電経路を形成する。

ジェネレータ2は、エンジンの回転を駆動源とする交流発電機、整流器およびボルテージレギュレータを有するオルタネータである。交流発電機は、エンジンのクランク軸と直接またはベルトやプーリを介して間接的に連結する。交流発電機が発電した交流電力は整流器で直流電力に整流され、鉛酸蓄電池4およびリチウムイオン蓄電池5に蓄えられる。ボルテージレギュレータは、ジェネレータ2の出力電圧を設定された発電指示電圧（以下、指示電圧）に維持する。指示電圧の設定は、コントローラ8が行う。
スタータ3は、エンジン始動時にエンジンのクランク軸と歯車機構を介して噛み合い、クランク軸に対して外部よりトルクを与えてエンジンを始動させる。

鉛酸蓄電池4は、電極に鉛を用いた周知の汎用蓄電池である。
リチウムイオン蓄電池5は、電極にリチウムイオンを用いた蓄電池である。リチウムイオン蓄電池5は、鉛酸蓄電池4に比べて部品の内部抵抗が小さいため、大電流充電（短時間充電）および大電流放電（高出力）の特性に優れている。リチウムイオン蓄電池5は、複数の単電池を直列に接続した組電池を有する。
リレー6は、リチウムイオン蓄電池5のプラス端子側でリチウムイオン蓄電池5と直列に接続する。リレー6は、ジェネレータ2およびリチウムイオン蓄電池5間の導通および遮断を切り替える。リレー6は、非通電時にオフ（開）し、通電時にオン（閉）するノーマルオープン型の機械式リレーである。リレー6の開閉は、コントローラ8が行う。

電装品7は、ジェネレータ2およびスタータ3を除く電気負荷（例えば、ワイパモータ、ヘッドライト、エアコンディショナおよびオーディオ機器等）である。電装品7は、自動運転や燃費制御に用いるアクチュエータおよびコントローラを含む。自動運転は、自動停止ブレーキのような部分的自動運転を含む。燃費制御は、アイドルストップ、減速時にエンジンを停止するコーストストップ、コースト走行中にエンジンを停止するセーリングストップ、発進加速時にスタータ3を駆動するトルクアシスト等である。

コントローラ8は、リレー6の開閉およびジェネレータ2の出力電圧を制御する。コントローラ8は、イグニッションスイッチ信号、鉛酸蓄電池4のSOC（State Of Charge：充電率[%]。電気容量に対して、充電している電気量を比率で表したもの）および自動運転スイッチ信号に応じてリレー6を開閉するための信号を生成する。自動運転スイッチ信号は、ドライバにより自動運転スイッチがオンされるとオン、オフされるとオフとなる。また、コントローラ8は、鉛酸蓄電池4のSOCおよび自動運転スイッチ信号に応じてジェネレータ2の指示電圧を設定する。さらに、コントローラ8は、自動運転スイッチ信号およびリレー6の状態に応じて自動運転モードを許可または禁止する。実施形態１では、コントローラ8により自動運転が禁止されている間は自動運転モードに移行しないものとする。

コントローラ8は、イグニッションオンからの初回エンジン始動後において、鉛酸蓄電池4の充電中にドライバが自動運転スイッチをオンしたとき、鉛酸蓄電池4の充電遅延の抑制と自動運転に必要な電力の確保との両立を狙いとし、図２に示す制御を実行する。
図２は、コントローラ8の処理の流れを示すフローチャートである。コントローラ8は、この処理を所定のサンプリング周期で繰り返し実行する。
ステップS1では、イグニッションスイッチ信号がオンであるかを判定する。YESの場合はステップS2へ進み、NOの場合はステップS3へ進む。
ステップS2では、鉛酸蓄電池4のSOCが充電完了を示す所定%（例えば80%）以上であるかを判定する。YESの場合はステップS4へ進み、NOの場合はステップS5へ進む。SOCの算出方法は任意であり、例えば周知の充電積算法や開放電圧法等を用いて算出する。
ステップS3では、リレー6をオフ(開)する。
ステップS4では、リレー6をオン（閉）する。

ステップS5では、自動運転スイッチ信号がオンであるかを判定する。YESの場合はステップS7へ進み、NOの場合はステップS8へ進む。
ステップS6では、自動運転スイッチ信号がオンであるかを判定する。YESの場合はステップS10へ進み、NOの場合はリターンへ進む。
ステップS7では、鉛酸蓄電池4およびリチウムイオン蓄電池5の開放電圧に応じて、ジェネレータ2の指示電圧を第２指示電圧に設定する。第２指示電圧は、鉛酸蓄電池4の開放電圧よりも高く、かつ、リチウムイオン蓄電池5の開放電圧以下の値とする。
ステップS8では、ジェネレータ2の指示電圧を第１指示電圧に設定する。第１指示電圧は固定値であり、ジェネレータ2の出力電圧の最大値とする。
ステップS9では、リレー6をオンする。
ステップS10では、自動運転を許可する。

次に、実施形態１の作用効果を説明する。
図２に示したフローチャートにおいて、イグニッションオフ時は、S1→S3へと進む流れとなり、リレー6をオフし、リチウムイオン蓄電池5を電源システム1から切り離す。よって、イグニッションオフ時には、鉛酸蓄電池4のみが電装品7へ電力を供給する。
イグニッションスイッチがオンされると、S1→S2→S5→S8へと進む流れとなり、エンジン始動後、ジェネレータ2の出力電圧を第1指示電圧に維持する。よって、鉛酸蓄電池4の充電が完了するまでの間に、自動運転スイッチがオンされない場合には、鉛酸蓄電池4をジェネレータ2の最大出力電圧で充電する。
鉛酸蓄電池4の充電完了前に自動運転スイッチがオンされると、S1→S2→S5→S7→S9→S10へと進む流れとなり、ジェネレータ2の出力電圧を第2指示電圧に設定してからリレー6をオンし、リチウムイオン蓄電池5を電源システム1に接続すると共に、自動運転を許可する。第2指示電圧はリチウムイオン蓄電池5の開放電圧以下であるため、リチウムイオン蓄電池5は充電されず、鉛酸蓄電池4の充電は継続される。その後、鉛酸蓄電池4の充電完了前に自動運転スイッチがオフされると、S1→S2→S5→S8へと進む流れに戻り、リチウムイオン蓄電池5を電源システム1から切り離し、鉛酸蓄電池4をジェネレータ2の最大出力電圧で充電する。

近年、燃費制御の性能向上を目的として、従来の鉛酸蓄電池に加えて鉛酸蓄電池よりも充放電性能に優れたリチウムイオン蓄電池を備えた車両用電源システムが知られている。この２つの蓄電デバイスを備えた電源システムでは、駐車中（イグニッションオフ中）におけるリチウムイオン蓄電池の過放電を防止すべく、イグニッションオフ時はリチウムイオン蓄電池をシステムから切り離し、鉛酸蓄電池のみで電装品に電力供給（暗電流供給）を行っている。つまり、鉛酸蓄電池はイグニッションオフ中もSOCが低下するため、イグニッションオンからの初回エンジン始動後は、燃費制御開始の早期化を図るために、リチウムイオン蓄電池をシステムから切り離した状態のまま、鉛酸蓄電池のみを充電するのが好ましい。鉛酸蓄電池の充電中にリチウムイオン蓄電池をジェネレータに接続すると、発電電力の大部分が内部抵抗の低いリチウムイオン蓄電池に充電されてしまうため、鉛酸蓄電池の充電が遅れ、燃費制御開始の早期化が阻害される。加えて、大電流が流れることでジェネレータの負荷が過大となる。

一方、自動運転モードを有する車両では、オルタネータ（ジェネレータ）が故障した場合であっても、ドライバに警告を発してからドライバが運転状態に復帰するまでの間に車両を安全に保つための電力を供給しなければならない。この期間はドライバの運転操作を期待できないため、自動運転モードを有さない車両におけるオルタネータ故障時に要求される電力（鉛酸蓄電池が供給可能な最大電力）よりも大きな電力を担保する必要がある。つまり、自動運転を開始するためには、リチウムイオン蓄電池がシステムに接続されていることが必須条件である。
このため、上記鉛酸蓄電池の充電中にドライバが自動運転スイッチをオンしても、リチウムイオン蓄電池がシステムから切り離されているため、自動運転モードに移行できず、ドライバの利便性を損なう。

これに対し、実施形態１のコントローラ8は、初回エンジン始動後、鉛酸蓄電池4の充電が完了するまでの間にドライバが自動運転スイッチをオンすると、ジェネレータ2の出力電圧の指示電圧を鉛酸蓄電池4の開放電圧よりも高く、かつ、リチウムイオン蓄電池5の開放電圧以下の第2指示電圧に設定し、リレー6をオンして自動運転を許可する。
図３は、鉛酸蓄電池(LAB)4およびリチウムイオン蓄電池(LIB)5のSOC-OCV特性図である。電源システム1における鉛酸蓄電池4およびリチウムイオン蓄電池5のSOC常用域は、両特性曲線の交点よりも高いSOCの領域（例えば50〜80%）である。図３に示すように、SOC常用域では、SOCが同じ場合、鉛酸蓄電池4の開放電圧はリチウムイオン蓄電池5の開放電圧よりも低くなる。また、イグニッションオフ時間が長いほど、初回エンジン始動直後における鉛酸蓄電池4のSOCはリチウムイオン蓄電池5のSOCよりも低下している。したがって、鉛酸蓄電池4およびリチウムイオン蓄電池5の常用域において、鉛酸蓄電池4の開放電圧は、リチウムイオン蓄電池5の開放電圧よりも常に低い値となる。よって、リチウムイオン蓄電池5を電源システム1と接続した状態であっても、ジェネレータ2の出力電圧を第1指示電圧（最大出力電圧）からリチウムイオン蓄電池5の開放電圧以下まで低下させることにより、リチウムイオン蓄電池5を充電せずに、鉛酸蓄電池4のみを充電できる。

以上のように、実施形態１では、ジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを遮断した状態で鉛酸蓄電池4を充電中に自動運転が要求された場合、リチウムイオン蓄電池5をシステムと接続して自動運転に必要な電力を確保しつつ、ジェネレータ2の出力電圧を低下させる。これにより、ジェネレータ2の出力電圧を低下させない場合と比べて、リチウムイオン蓄電池5の充電量を減らせるため、鉛酸蓄電池4の充電遅延を抑制できる。この結果、鉛酸蓄電池4の充電遅延の抑制と自動運転に必要な電力の確保とを両立できる。

さらに、ジェネレータ2の出力電圧を低下させる際、リチウムイオン蓄電池5の開放電圧以下まで低下させる。これにより、リチウムイオン蓄電池5を充電せず鉛酸蓄電池4のみを充電できるため、鉛酸蓄電池4の充電遅延を防止できる。

実施形態１では、イグニッションオフ時にジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを遮断し、イグニッションオンから初回エンジン始動後に鉛酸蓄電池4の充電が完了するとジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを導通させる。これにより、駐車中におけるリチウムイオン蓄電池5の過放電を防止できると共に、燃費制御開始の早期化が図れる。

実施形態１の電源システム1は、エンジンにより駆動されるジェネレータ2と、ジェネレータ2に対してそれぞれ並列に接続する鉛酸蓄電池4および鉛酸蓄電池4よりも内部抵抗が小さなリチウムイオン蓄電池5と、ジェネレータ2およびリチウムイオン蓄電池5間の導通および遮断を切り替えるリレー6と、リレー6のオフ状態で鉛酸蓄電池4を充電中にドライバの自動運転要求がなされると、リレー6をオン状態とし、ジェネレータ2の出力電圧を低下させるコントローラ8と、を備える。これにより、鉛酸蓄電池4の充電遅延の抑制と自動運転に必要な電力の確保とを両立できる。

〔他の実施形態〕
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の具体的な構成は、実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、第１蓄電デバイスおよび第２蓄電デバイスの一方をキャパシタとしてもよい。

1 車両用電源システム
2 ジェネレータ（発電機）
3スタータ
4 鉛酸蓄電池（第１蓄電デバイス）
5 リチウムイオン蓄電池（第２蓄電デバイス）
6 リレー
7 電装品
8 コントローラ
9 給電線

Claims (4)

1. 内燃機関により駆動される発電機と、
   前記発電機に対してそれぞれ並列に接続する第１蓄電デバイスおよび前記第１蓄電デバイスよりも内部抵抗が小さな第２蓄電デバイスと、
   を備える車両用電源システムの制御方法であって、
   前記発電機と前記第２蓄電デバイスとを遮断した状態で前記第１蓄電デバイスを充電中にドライバの自動運転要求がなされると、前記発電機と前記第２蓄電デバイスとを導通させ、前記発電機の出力電圧を低下させる車両用電源システムの制御方法。
2. 請求項１に記載の車両用電源システムの制御方法において、
   前記発電機の出力電圧を低下させる際、前記第２蓄電デバイスの開放電圧以下まで低下させる車両用電源システムの制御方法。
3. 請求項１または２に記載の車両用電源システムの制御方法において、
   イグニッションオフ時に前記発電機と前記第２蓄電デバイスとを遮断し、イグニッションオンからの初回内燃機関始動後に前記第１蓄電デバイスの充電が完了すると前記発電機と前記第２蓄電デバイスとを導通させる車両用電源システムの制御方法。
4. 内燃機関により駆動される発電機と、
   前記発電機に対してそれぞれ並列に接続する第１蓄電デバイスおよび前記第１蓄電デバイスよりも内部抵抗が小さな第２蓄電デバイスと、
   前記発電機および前記第２蓄電デバイス間の導通および遮断を切り替えるリレーと、
   前記リレーのオフ状態で前記第１蓄電デバイスを充電中にドライバの自動運転要求がなされると、前記リレーをオン状態とし、前記発電機の出力電圧を低下させるコントローラと、
   を備える車両用電源システム。

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