JP4797487B2 - 車両用電源装置 - Google Patents

Description

本発明はバッテリ等を利用した電子機器の非常用電源に関するものであり、特に、車両の制動を電気的に行う電子ブレーキシステム等に利用される車両用電源装置に関するものである。

近年、ハイブリッドカーや電気自動車の開発が急速に進められており、それに伴い車両の制動についても、従来の機械的な油圧制御から電気的な油圧制御への各種の提案がなされてきている。

一般に車両の油圧制御を電気的に行うためには、電源としてバッテリが用いられるが、その場合バッテリだけでは何らかの原因で電力の供給が断たれると油圧制御ができなくなり、車両の制動が不可能になる可能性がある。

そこで、バッテリとは別に補助電源として大容量キャパシタ等を搭載することにより非常時の対応ができるような車両用電源装置が提案されている。

しかし、車両用電源装置は非常時の車両制動に関わるため、非常時に確実に電力供給が行われることが極めて重要なポイントであり、そのため車両用電源装置のキーデバイスであるキャパシタの劣化判断を確実に行う必要がある。

これに対し、従来の車両用電源装置は複数のキャパシタからなるキャパシタユニットの内部抵抗値と容量値を求め（両者の詳細な求め方は後述する実施の形態に示す）、キャパシタユニット近傍に設けた温度センサから求めた温度により内部抵抗値と容量値を補正した値と、その温度に対応した劣化判定基準値データと対比することで劣化を判断していた。

すなわち、負荷への電力供給を満たす場合にはキャパシタユニットの内部抵抗値は容量値の逆数とある相関関係を有しているが、キャパシタユニットが劣化すると、前記相関関係がシフトしていく。

そこで、その性質を利用し、劣化した後のキャパシタユニットの内部抵抗値と容量値の関係を温度毎に制御部（マイクロコンピュータ）に接続したＲＯＭに記憶させておき、現在の温度で補正した容量値に対する内部抵抗値が、記憶している内部抵抗値の劣化の判定基準値に達すれば車両用電源装置が劣化したと判断していた。

容量値に対する内部抵抗値の劣化の判定基準値データの一例を図７に示す。図７において、横軸は容量値、縦軸は内部抵抗値を示す。また、両者の相関関係は温度によって異なるので、１５℃刻みで−３０℃から３０℃までを示した。

図７において、例えば現在の温度が０℃で内部容量が１０Ｆ、内部抵抗が１３０ｍΩであった場合、０℃における劣化の判定基準値（限界値）は図７より１０Ｆ時の丸印プロット（０℃）から２３０ｍΩであることがわかる。従って、現在はまだ判定基準値に達していないのでキャパシタユニットは劣化していないと判断できる。

同様に、現在が１５℃、１１Ｆ、１１５ｍΩの場合、図７より１１Ｆ時の四角印プロット（１５℃）から劣化の判定基準値（限界値）が１８０ｍΩであることがわかり、現在の内部抵抗（１１５ｍΩ）が判定基準値に達していないので、キャパシタユニットは劣化していないと判断できる。

一方、現在が３０℃、１１Ｆ、１１０ｍΩの場合、図７より１１Ｆ時のバツ印プロット（３０℃）から判定基準値（限界値）が８０ｍΩであることがわかり、現在の内部抵抗（１１０ｍΩ）が判定基準値を超えてしまっているので、キャパシタユニットが劣化したと判断できる。

なお、この出願に関連する先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００５−２８９０８号公報

前記したように従来の車両用電源装置は確かにキャパシタユニットの劣化を判定することができ、しかも温度毎に行っているので、より精度の高い判定が可能であることがわかる。

しかし、劣化判定基準値データはＲＯＭの記憶容量の関係で無制限に多くすることができないため、図７に示した各プロットのみしか記憶できなかった。

従って、容量値がプロットの存在する値であれば精度よく劣化判定ができるのであるが、プロットの存在しない値であった場合は、最も近いプロットの値を採用していた。これは正確な劣化判定基準値ではないため、プロットのない場合の劣化判定の精度が不十分であるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、キャパシタユニットの高精度な劣化判定が可能な車両用電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の車両用電源装置は、キャパシタユニットが劣化した際の容量値と内部抵抗値の関係を劣化判定式として求めておき、前記キャパシタユニットの容量値を前記劣化判定式に代入、計算して得られた判定基準値が前記キャパシタユニットの内部抵抗値以下であれば劣化していると判断する際に、温度センサが断線または短絡した場合は前記キャパシタユニット使用温度範囲における、最も負荷条件の厳しい温度を適用して前記キャパシタユニットの劣化を判断するものである。

本構成によって劣化時の判定基準値を劣化判定式に従って計算で求めることが可能となる。さらに、温度センサが断線または短絡などの故障をしていた場合に最も負荷条件の厳しい温度を適用して劣化判定を行う。その結果、前記目的を達成することができる。

本発明の車両用電源装置によれば、計算によって劣化時の判定基準値が求められるので、従来の劣化判定基準値データを用いた場合のように飛び飛びの値で判定するよりも高精度に劣化判定が可能となる。さらに、温度センサの故障時に、キャパシタユニットの劣化判断の精度を損なう可能性を低減することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における車両用電源装置のブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態における車両用電源装置の動作の考え方を示すフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態における車両用電源装置の充電時のキャパシタユニットの電圧値の経時変化図である。図４は、本発明の実施の形態における車両用電源装置のキャパシタユニットの標準特性の温度変化図であり、（ａ）は容量値の温度変化図を、（ｂ）は内部抵抗値の温度変化図をそれぞれ示す。図５は、本発明の実施の形態における車両用電源装置のキャパシタユニットの各温度における劣化判定式による容量値と内部抵抗値の劣化判定基準値の相関図である。図６は、本発明の実施の形態における車両用電源装置のマイクロコンピュータ処理の時間制御を示すフローチャートである。

図１において、バッテリ１は、車両の動作を開始および終了させるためのイグニッションスイッチ２を介して、車両用電源装置３に設けられたＩＧ（イグニッションジェネレータ）端子４に接続されるとともに、車両用電源装置３に電力を供給するための＋ＢＣ端子５および電子制御部６に設けた電源供給端子７に接続されている。

車両用電源装置３と電子制御部６は、電子制御部６から車両用電源装置３へ信号を入力するための通信入力端子８、車両用電源装置３から電子制御部６へ信号を出力するための通信出力端子９、バッテリ電圧検出手段１０で検出したバッテリ１の電圧異常時に車両用電源装置３の内部に設けた複数のキャパシタからなるキャパシタユニット１１に蓄電された補助電力を出力するためのＯＵＴ端子１２を介して接続されている。

ここで、車両用電源装置３の構成について説明する。

車両用電源装置３は、バッテリ１の異常時に車両制動用の電子制御部６へ電力供給を行うための補助電源としてキャパシタユニット１１を有しており、キャパシタユニット１１は、例えば急速に充放電が可能な電気二重層コンデンサを複数用いて形成している。

また車両用電源装置３には、キャパシタユニット１１へ充電を行うための充電回路１３と、放電を行うための放電回路１４を有しており、これらは制御部としてのマイクロコンピュータ１５からの指示に基づき制御される。

なお、充電回路１３には、充電中におけるキャパシタユニット１１の電圧上昇を一定に近づけるため、定電流制御手段を備えている。

バッテリ電圧検出手段１０はバッテリ１の電圧異常を検出したときにキャパシタユニット１１からＯＵＴ端子１２を介して電子制御部６に補助電力を供給するためのＦＥＴからなるスイッチ１６が設けられている。

また、車両用電源装置３には、キャパシタユニット１１の電圧を検出するためのキャパシタユニット電圧検出手段１７ａ、およびキャパシタユニット１１に対する電流を検出するキャパシタユニット電流検出手段１７ｂが設けられている。

さらに、キャパシタユニット１１の近傍には、その部分の温度を検出するための温度センサ１８が設けられている。なお、温度センサ１８には温度感度が大きく検出回路が容易になるサーミスタを用いた。

以上の構成から、マイクロコンピュータ１５には温度センサ１８、充電回路１３、バッテリ電圧検出手段１０、放電回路１４、スイッチ１６、キャパシタユニット電圧検出手段１７ａ、キャパシタユニット電流検出手段１７ｂが電気的に接続された構造となっている。

なお、スイッチ１６は図１ではバッテリ電圧検出手段１０に接続されているが、スイッチ１６への指令はバッテリ電圧検出手段１０を介してマイクロコンピュータ１５から発せられる構成としているので、電気的にはスイッチ１６とマイクロコンピュータ１５は接続された状態となっている。

次に、車両用電源装置３の動作について説明する。

まず、車両の動作を開始させるためにイグニッションスイッチ２をオンにすると、バッテリ１からＩＧ端子４を介してマイクロコンピュータ１５に電源が供給され起動する。

また別に＋ＢＣ端子５を通してバッテリ１から電圧１２Ｖの電源が車両用電源装置３に供給され、電子制御部６へは電源供給端子７を通じて供給されている。

次に、マイクロコンピュータ１５は充電回路１３を制御してバッテリ１からキャパシタユニット１１への充電を行う。

この際、バッテリ１の電圧が基準値（例えば９．５Ｖ）以上であればバッテリ１の電圧が正常であり、バッテリ１から電源供給端子７へ給電があるため、車両の制動を正常に行うことが可能な状態であり、補助電力は不要である。

その後、車両の動作を終了させるためにイグニッションスイッチ２をオフにすると、ＩＧ端子４はオフとなり、車両用電源装置３は動作をオフモードとする。

この時、マイクロコンピュータ１５は放電回路１４を介してキャパシタユニット１１に蓄えられた補助電力（電荷）を放電する。これによりキャパシタの寿命を延ばすことができる。

以上が、正常時の動作であるが、次にバッテリ１の電圧低下時または異常時における車両用電源装置３の動作について説明する。

車両の使用中にバッテリ電圧検出手段１０の検出電圧が基準値（９．５Ｖ）未満になれば、マイクロコンピュータ１５はバッテリ１の電圧が異常であると判断する。

その結果、マイクロコンピュータ１５は通常オフになっているスイッチ１６をオンにし、キャパシタユニット１１からＯＵＴ端子１２を介して電子制御部６へ補助電力を供給する。

さらに、マイクロコンピュータ１５はバッテリ１の異常信号を通信出力端子９へ送信し、電子制御部６を介して、例えばバッテリ１の異常を車両内部に表示し、直ちに車両を停止するように運転者に指示する。この時、キャパシタユニット１１に蓄えられた補助電力が電子制御部６に供給されるので、運転者はブレーキを作動させて車両を安全に停止させることができる。

また、車両の使用中にキャパシタユニット１１の異常をキャパシタユニット電圧検出手段１７ａにて検出した場合、マイクロコンピュータ１５は通信出力端子９を介してキャパシタユニット１１の異常信号を電子制御部６へ送信し、運転者に知らせる。これにより運転者は整備会社にキャパシタユニット１１の点検、交換等の依頼を行うことができる。

このような、キャパシタユニット１１自身の異常検出方法について、キャパシタの短絡や断線など急激な故障については上記の通りキャパシタ電圧検出手段１７ａで電圧を監視すればよいが、異常に到る変化が遅いキャパシタの劣化に起因する異常検出方法については、その基本的な動作の考え方を図２のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、車両使用開始時は、上記のようなキャパシタユニット１１に補助電力としての電荷を充電する。その際の温度を温度センサ１８で測定する（Ｓ１）。

次に、充電開始時から経時的にキャパシタユニット電圧検出手段１７ａによりキャパシタユニット１１に充電されている電圧を検出する。同時にキャパシタユニット電流検出手段１７ｂによりキャパシタユニット１１への充電電流を検出する。

この電流、電圧測定からキャパシタユニット１１の容量値Ｃおよび内部抵抗値Ｒｃを求める（Ｓ２）。これらは以下のようにして求めている。

図３は定電流で充電を開始してからのキャパシタユニット１１の電圧経時変化を表すグラフであり、横軸は時間、縦軸は電圧である。

充電を開始すると、時間とともにキャパシタユニット１１に電荷が蓄えられ、キャパシタユニット１１の電圧が上昇していく。

この時、充電を途中で中断する。これにより、キャパシタユニット１１の電圧が変化し、その内部抵抗分だけ降下する。

その後、充電を再開するのであるが、充電の中断前後で充電電圧が変化する性質を利用して、電圧降下幅をキャパシタユニット電圧検出手段１７ａにより求める。この電圧降下幅と、充電時におけるキャパシタユニット電流検出手段１７ｂで求めた電流値を抵抗計算式（前者を後者で割る）に代入することにより、キャパシタユニット１１の内部抵抗値を求めることができる。

なお、内部抵抗値は充電再開前後の電圧上昇幅から求めてもよい。

このように充電を途中で中断することで、より正確な内部抵抗値を求めることができる。

充電再開後は、キャパシタユニット１１の充電が完了するまでの充電区間中に充電電圧変化率（図３の傾き）をキャパシタ電圧検出手段１７ａで検出する。

この際、充電電圧変化率はキャパシタユニット１１における電圧が所定の電圧差（本実施の形態では２Ｖとした）を得るのに要した時間ｔを求めることによって決定した。

なお、充電電圧変化率（傾き）は単位時間（１秒）当たりの電圧変化幅を測定するのが一般的であるが、この方法は次の理由で精度が悪かった。

本実施の形態に用いたマイクロコンピュータ１５は汎用の８ビットのものであるので、それに対応してキャパシタ電圧検出回路１７ａの電圧出力をデジタル変換して読み込むＡＤコンバータ（図示せず）も１０ビット程度のものを用いている。

従って、１秒間の電圧変化はわずかであるので、これを１０ビットＡＤコンバータで読み込むと量子化誤差が大きくなってしまう。

これを改善するため従来は複数回読み込んで平均化していたが、ソフト処理が複雑になる割には大きな精度向上が得られなかった。これは量子化誤差が大きすぎるためである。

そこで、本実施の形態で用いたＡＤコンバータでも精度よく検出できる２Ｖ程度の大きな所定電圧差を得るまでに要した時間を検出することで充電電圧変化率の高精度化を図った。時間の検出はＡＤコンバータによる電圧検出より約１桁精度が良いので、この手法により充電電圧変化率を従来より１桁高精度に決定できた。

このようにして得られた２Ｖ変化するまでの時間に、キャパシタユニット電流検出手段１７ｂの出力から得られた充電電流を掛け、所定電圧（２Ｖ）で割ることで容量値Ｃを得ることができる。

すなわち、電荷Ｑ＝電圧Ｖ×容量値Ｃで表され、一方、電荷Ｑ＝電流Ａ×時間ｔであるから、Ｃ＝Ａ×ｔ／Ｖとなるので、この容量計算式により容量値Ｃが得られる。

次に、キャパシタ電圧検出手段１７ａの出力が充電終了電圧である１２Ｖになると充電を完了する。

なお、本実施の形態では、キャパシタユニット１１の内部抵抗値、容量値は温度が０℃の時、例えばそれぞれ１３０ｍΩ、１０Ｆであった。

内部抵抗値、容量値は充電完了後には上記のようにして測定することができないので、以後は充電中に得られたこれらの値を基にキャパシタユニット１１の温度により推定している。その方法を以下に説明する。

図４（ａ）はキャパシタユニット１１の容量値の標準値における温度特性を示す。標準値とは多数の新品キャパシタユニット１１の容量値を平均化したものである。従って、新品のキャパシタユニット１１の容量値は図４（ａ）の温度特性線近くの値となる。

しかし、キャパシタユニット１１を使い続けることにより劣化が進行すると、その容量値は徐々に小さくなっていく。よって、例えば本実施の形態で得られた０℃時に１０Ｆという容量値は新品の容量値１４Ｆに比べ４Ｆも小さいので、新品の状態から４Ｆ分の劣化が進んでいることになる。

これを他の温度で比べてみても、図４（ａ）に示したとおり、新品との差は全て４Ｆであった。

このことから、図２のフローチャートのＳ２で測った容量値と図４（ａ）の特性図があれば、温度に関わらず新品との差が４Ｆと一定であるので、現在の容量値を推定することができる。

例えば、現在の温度が１５℃であれば、１５℃の標準容量値を図４（ａ）から求め（この場合、１５Ｆ）、新品との差４Ｆを差し引くことで実際の容量値は１１Ｆであると推定できる。

このようにして、任意の温度下でのキャパシタユニット１１の容量値を、その時の温度のみから推定することができる。なお、容量値の新品との差（本実施の形態では４Ｆ）を以後劣化補正値と呼び、これを図２のフローチャートのＳ３で求めておく。

同様にして内部抵抗値も温度のみによって推定できる。この場合は図４（ｂ）における０℃の内部抵抗値１３０ｍΩに対し、新品の平均内部抵抗値は６０ｍΩであるから、両者の差（劣化補正値）＝７０ｍΩ分の内部抵抗値が増え、劣化が進んでいることになる。

この値も図２のフローチャートのＳ２で求めた内部抵抗値と図４（ｂ）から、内部抵抗値の劣化補正値としてＳ３で求めておく。

次に、Ｓ２で求めた容量値Ｃや内部抵抗値Ｒｃの少なくともいずれかが、あらかじめ求めたキャパシタユニット１１の劣化判定値を満たさない場合（Ｃが劣化判定値より小さい場合、またはＲｃが劣化判定値より大きい場合）は（Ｓ４ａのＹｅｓ）、キャパシタユニット１１が劣化したと判断し、マイクロコンピュータ１５はその事実を通信出力端子９を介して電子制御部６に劣化異常信号を送信する（Ｓ５）。

Ｓ４ａでＮｏの場合は、Ｓ１で求めた温度に応じて、Ｓ２で求めた容量値Ｃをキャパシタユニットの温度毎の劣化判定式（詳細な求め方は後述する）に代入することで、現在の温度に応じた判定基準値を計算する（Ｓ４ｂ）。

次に求めた前記判定基準値が内部抵抗値Ｒｃ以下であればキャパシタユニットが劣化していると判断し（Ｓ４ｃのＹｅｓ）、Ｓ５を実行する。

このようにして、キャパシタユニット起動時に劣化判定式を用いて劣化を判定できるので、従来の有限個の劣化判定基準値データで判定するよりも高精度な判断が可能となる。

次に、Ｓ４ｃでＮｏの場合は車両使用中におけるキャパシタユニットの経時的な劣化を調べる。これにより所定時間毎に劣化判定ができるため、さらなる高精度判断が可能となる。

この場合、現在の温度を基に内部抵抗値、容量値を以下のように推定する。

まず、キャパシタユニット１１の近傍の温度を測定する（Ｓ６）。

その結果、もし温度センサ１８が断線または短絡などの故障をしていた場合は（Ｓ７のＹｅｓ）温度がわからないので、本実施の形態では現在の温度をキャパシタユニット１１の最高使用温度にセットし（Ｓ８）、以後この温度を基に後述する内部抵抗値の補正計算値などを求めてキャパシタユニット１１の劣化判断を行うようにしている。

なお、温度センサ１８が故障した場合、現在の温度をキャパシタユニット１１の最高使用温度（本実施の形態の場合３０℃）にセットするのは、図７から明らかなように、本実施の形態ではキャパシタユニット１１の使用温度が高いほど劣化の判定基準値が厳しくなるからである。

この結果、温度がわからない場合に最も負荷条件の厳しい温度を適用して劣化判定を行うことになるので、キャパシタユニット１１の劣化判断の精度を損なう可能性（劣化しているのに正常と判断してしまう）を低減することができる。

温度センサ１８が正常であった場合（Ｓ７のＮｏ）、現在の温度がキャパシタユニット１１の使用温度範囲（本実施の形態では−３０℃〜３０℃）を超えていると（Ｓ９のＹｅｓ）、キャパシタユニット１１の劣化判断は行わない。

これは、温度センサ１８にサーミスタを用いているため、使用温度範囲を超えるとサーミスタの感度が極めて大きくなるか極めて小さくなり、温度測定の精度が悪くなってしまうのと、補助電源としての能力自身も保証できないためである。

従って、車両用電源装置３が使用温度範囲内に入るまでは劣化判定をしないように制御している。

Ｓ８、Ｓ９のＮｏのいずれの場合も現在のキャパシタユニット１１の容量値、内部抵抗値の推定補正値を、Ｓ３で求めた劣化補正値（本実施の形態ではそれぞれ４Ｆ、７０ｍΩ）およびＳ６で求めた温度から図４（ａ）、（ｂ）の特性図を用いて求める（Ｓ１０ａ）。

具体的には、まず求めた温度に対応する容量値、内部抵抗値の標準値を図４（ａ）、（ｂ）の特性図からそれぞれ求める。

次に、各標準値に対し劣化補正値を、容量値の場合は差し引き、内部抵抗値の場合は加えることで、容量補正計算値Ｃｃａｌ、および内部抵抗補正計算値Ｒｃａｌを求める。

次に、後述するキャパシタユニット１１の劣化判定式に容量補正計算値Ｃｃａｌを代入し判定基準値を求める（Ｓ１０ｂ）。

なお、容量値に対する各温度での劣化判定式の計算結果をグラフ化したものを図５に示す。図５で横軸は容量値、縦軸は内部抵抗値（判定基準値）をそれぞれ示す。

図５より現在の温度に対応して得られた判定基準値が内部抵抗補正計算値Ｒｃａｌ以下の場合はキャパシタユニット１１が劣化したと判断し（Ｓ１０ｃのＹｅｓ）、Ｓ５と同様に劣化異常信号を送信する（Ｓ１０ｄ）。

その後、劣化の有無にかかわらずＳ６に戻って、以下同様の動作を繰り返す。これにより、所定時間毎に劣化判定を行うことができる。

次に、マイクロコンピュータ処理の時間制御に基づいた具体的動作について、図６のフローチャートを用いて説明する。

一般にマイクロコンピュータの制御においては、常にメインプログラム制御は、規定の内部周期（通常数ミリ秒のオーダーで、本実施の形態では６ミリ秒）で回っており、ある周期内にイベント発生など都度処理が必要な場合、その対応処理を行い、その後次の周期を待つという、処理の時間制御を行っている。

従って、図２で説明した動作は全て内部周期内毎に処理が順次行われている。

具体的には図６において、まずイグニッションスイッチ２をオンにすることによりマイクロコンピュータ１５に電源が供給されると、イニシャル処理を行う（Ｓ１１）。

次に、電子制御部６とマイクロコンピュータ１５が信号を送受信する際にあらかじめ決定した内部周期が経過したかを判断する（Ｓ１２）。

もし内部周期分経過していなければ（Ｓ１２のＮｏ）、再びＳ１２に戻り、内部周期が経過するまで待つ。

内部周期が経過すれば（Ｓ１２のＹｅｓ）、図２で説明した入力処理や車両用電源装置制御処理に加え、通信信号処理、ダイアグノーシス処理等の各種処理ルーチンを順次実行する（Ｓ１３）。

次に劣化判定を行うための計算（図２のＳ１０）をＳ１４で行うが、ここでこの計算処理方法について詳細を以下に説明する。

今、バッテリ１の電圧が既定値（９．５Ｖ）より下がり、車両用電源装置３が動作して運転者が車両制動を行った場合を考える。

キャパシタユニット１１の電圧は車両用電源装置３の動作前にＶｓｔｒであったものが、動作により一定負荷電流Ｉｃｎｔが時間ｔだけ流れ、動作後の電圧がＶｅｎｄになったとする。

この場合、負荷要求上、Ｖｅｎｄは最低電圧Ｖｍｉｎ以上でなくてはならない。
よって（１）式を満たす必要がある。

Ｖｅｎｄ≧Ｖｍｉｎ （１）
一方、キャパシタユニット１１の電圧降下ΔＶは
ΔＶ＝Ｖｓｔｒ−Ｖｅｎｄ （２）
であるので、（１）式を代入して
ΔＶ≦Ｖｓｔｒ−Ｖｍｉｎ （３）
となる。

電圧降下ΔＶは車両制動によるもの以外に配線系統によるものやキャパシタの内部抵抗によるものの和として表される。

車両制動による電圧降下Ｖｌｏａｄはキャパシタユニット１１の電荷量をＱ、容量値をＣとすると、次式で表される。

Ｑ＝Ｃ・Ｖｌｏａｄ
∴Ｖｌｏａｄ＝Ｑ／Ｃ （４）
ここで、電荷量Ｑは車両制動により消費されるので、
Ｑ＝Ｉｃｎｔ・ｔ （５）
となる。よって、（５）式を（４）式に代入して
Ｖｌｏａｄ＝（Ｉｃｎｔ・ｔ）／Ｃ （６）
次に、配線系統による電圧降下Ｖｄｒはダイオードのように電流依存が少ない一定の電圧降下Ｖｆと配線抵抗やスイッチング素子の抵抗などの総抵抗Ｒｌｏｓｓより、次式で表される。

Ｖｄｒ＝Ｖｆ＋（Ｒｌｏｓｓ・Ｉｃｎｔ） （７）
次に、キャパシタの内部抵抗による電圧降下Ｖｃは、キャパシタユニット１１の内部抵抗値をＲｃとすると、
Ｖｃ＝Ｒｃ・Ｉｃｎｔ （８）
以上より、全体の電圧降下ΔＶは
ΔＶ＝Ｖｃ＋Ｖｌｏａｄ＋Ｖｄｒ
＝Ｒｃ・Ｉｃｎｔ＋（Ｉｃｎｔ・ｔ）／Ｃ＋Ｖｄｒ （９）
（９）式を（３）式に代入すると、
（Ｖｓｔｒ−Ｖｍｉｎ）
≧Ｒｃ・Ｉｃｎｔ＋（Ｉｃｎｔ・ｔ）／Ｃ＋Ｖｄｒ （１０）
Ｒｃの式に直すと、
Ｒｃ≦（（Ｖｓｔｒ−Ｖｍｉｎ）−Ｖｄｒ
−（Ｉｃｎｔ・ｔ）／Ｃ）／Ｉｃｎｔ （１１）
ここで、温度が一定ならＶｓｔｒ、Ｖｍｉｎ、Ｖｄｒ、Ｉｃｎｔ、ｔは一定であるので、（１１）式は簡単には（１２）式のように表される。

Ｒｃ≦Ａ−Ｂ／Ｃ （１２）
なお、係数Ａ、Ｂは定数である。

（１２）式より負荷を満たすためのキャパシタユニット１１の容量値Ｃと内部抵抗値Ｒｃの関係式が得られた。すなわち、理論的にはＣとＲｃは（１２）式を満たしていなければならないことがわかる。

この（１２）式から次のようにしてキャパシタユニット１１の劣化を判断できる。

すなわち、例えば図２のＳ４ｂでＣを（１２）式に代入する。この時、Ｒｃが（１２）式を満たせば、つまり、Ｒｃの方が（１２）式の右辺を計算した結果である判定基準値以下であれば、キャパシタユニット１１は正常であり、（１２）式を満たさなければキャパシタユニット１１は劣化したと判断できる。

同様に、図２のＳ１０ａでＣとＲｃの補正計算値Ｃｃａｌ、Ｒｃａｌを求め、次にＣｃａｌを（１２）式に代入する（Ｓ１０ｂ）。この時、Ｒｃａｌが（１２）式を満たせば、つまり、Ｒｃａｌの方が（１２）式の右辺を計算した結果である判定基準値以下であれば、キャパシタユニット１１は正常であり、（１２）式を満たさなければキャパシタユニット１１は劣化したと判断できる。

以上の計算からキャパシタユニット１１の劣化判定式を得ることができた。

なお、定数Ａ、Ｂは実際にはキャパシタユニット１１のＲｃやＣの測定誤差等のマージンを考慮して、劣化判定が厳しくなる方向に設定している。具体的には内部抵抗値Ｒｃは２０％、容量値Ｃは１５％のマージンをそれぞれ加味し、
Ｒｃ≦０．８・（Ａ−（Ｂ／Ｃ）・１．１５）
≦Ａ’−Ｂ’／Ｃ （１３）
とした。なお、Ａ’、Ｂ’はマージン加味後の定数である。

また、Ａ’、Ｂ’は温度により変動する値（温度係数）であるので、各温度におけるＡ’、Ｂ’をＲＯＭに記憶するようにした。このデータは従来の図７に示したような劣化判定基準値データに比べてはるかに少ないため、従来以上にＲＯＭの記憶容量を増やすことなく記憶させることができる。

このように各温度におけるＡ’、Ｂ’を用いて（１３）式（劣化判定式）をグラフ化した結果（図５）より、温度毎に任意の容量値に対する劣化限界内部抵抗値（判定基準値）を正確に知ることができ、図７のような飛び飛びの値に比べ格段に（具体的には１桁）劣化判定精度が向上することがわかる。

以上の計算を用いて図６のフローチャートに戻り、マイクロコンピュータ制御による実際の劣化判定手法を説明する。

各種処理ルーチン（Ｓ１３）を実行後、前記した容量値Ｃ、内部抵抗値Ｒｃの補正計算値Ｃｃａｌ、Ｒｃａｌを用いて劣化判定を行う。

ここで、簡単にはそのまま（１３）式に容量補正計算値Ｃｃａｌを代入して得られた判定基準値と内部抵抗補正計算値Ｒｃａｌとを比較すればよいが、計算に当たってはＣｃａｌの逆数（除算）を計算する必要がある。マイクロコンピュータにはコスト制約から汎用の８ビットマイクロコンピュータを用いているので、除算を実行すると計算時間がかかってしまう。

特に高精度な劣化判定を行うには除算の有効桁数を増やす必要があるが、そのためにマイクロコンピュータでの計算を倍精度、１６ビット（１ワード）に拡張して除算を行った場合、１ワード同士の除算用アルゴリズムを作成し実行すると、極めて計算に時間がかかることがわかった。

一方で、車両用電源装置は車両制動用の電子制御部コンピュータと通信によりデータ交換を行うなど、マイクロコンピュータは内部周期に定められたタイミングのデータを生成する必要がある。

従って、（１３）式の高精度な計算（特に１ワード同士の除算）を実行してしまうと内部周期内に計算が終了せず、制御周期が乱れ生成データがずれてしまう。

そこで、（１３）式の除算を内部周期内に収まる計算時間になるように分割したプログラムを作成し、それを順次実行するようにした。この手法を図６のフローチャート（Ｓ１４）を用いて説明する。

まず、計算の分割を本実施の形態では６分割とした。すなわち、６つに分割した除算ルーチンを全て順に実行し終わると１ワード同士の高精度な除算を含め（１３）式の計算が終了する。

実際には、次にどの計算を行うかをカウントＮの値で判断する（Ｓ１４ａ）。

もしＮ＝１なら、最初の分割された計算処理１を実行する（Ｓ１４ｂ）。例えば、計算処理１では（１３）式を計算するのに必要な定数Ａ’、Ｂ’を温度に応じてＲＯＭから読み込む動作を行う。

この後、カウントＮを増分（１加える）して、計算が完了したか否かを判断する（Ｓ１４ｃ）。

計算が完了していなければ、すなわちＮが６でなければ（Ｓ１４ｃのＮｏ）、内部周期経過待ちに戻る（Ｓ１２）。

同様にして、Ｓ１４ａでカウントＮが２であれば２番目に分割された計算処理２を実行する（Ｓ１４ｄ）。ここでは例えば（１３）式のＢ’／Ｃの計算を１ワード同士で行うためのアルゴリズムのうち最初の１／４を実行する。

その後、カウントＮを増分してＳ１４ｃで計算完了を判断するが、この場合まだ終わっていないので（Ｓ１４ｃのＮｏ）、Ｓ１２に戻る。

このようにして、カウントＮに応じて計算処理３（Ｓ１４ｅ）以降を順次計算していく。

最後にＳ１４ａでカウントＮが６になると、最後の計算処理６を実行する（Ｓ１４ｆ）。ここでは例えばＢ’／Ｃの計算は計算処理５（図示せず）で終了しているので、Ａ’−Ｂ’／Ｃを求める。これにより内部抵抗の計算値、すなわち判定基準値を得ることができる。

このように計算を分割して行うようにしたことで、内部周期内に各計算が収まるため、内部周期に決められたタイミングのデータをずれることなく生成することが可能となる。

次に計算が完了したので（Ｓ１４ｃのＹｅｓ）、得られた判定基準値とＲｃの補正計算値を比較することにより、劣化の判定処理を行う（Ｓ１４ｇ）。すなわち、計算で得られた判定基準値が内部抵抗値Ｒｃａｌ以下なら劣化していると判断する（劣化ダイアグノーシス処理）。その後、Ｓ１２に戻る。

以上の動作を繰り返すことにより、キャパシタユニット１１の劣化を判定している。

なお、本実施の形態では（１３）式の計算をマイクロコンピュータ１５の内部制御周期毎に分割実行する例を示したが、これは他の計算（例えばＣやＲｃの温度による補正計算など）でも計算時間がかかる場合には同様に分割実行すればよい。

以上の構成、動作により、劣化判定式を計算しても制御周期の乱れや生成データへの影響を与えることなく、高精度な測定や計算が可能となることから、キャパシタユニット１１の劣化判定精度を従来に比べ１桁以上向上することができる。

なお、本実施の形態では容量値や内部抵抗値を充電時に求めたが、これはイグニッションスイッチ２をオフにしてキャパシタユニット１１の補助電力を放電する際に充電時と同様の手法で求めて記憶しておいてもよい。

本発明にかかる車両用電源装置によれば、キャパシタユニットの劣化判定精度を極めて向上できるので、特に、車両の制動を電気的に行う電子ブレーキシステムの非常用電源等として有用である。

本発明の実施の形態における車両用電源装置のブロック回路図 本発明の実施の形態における車両用電源装置の動作の考え方を示すフローチャート 本発明の実施の形態における車両用電源装置の充電時のキャパシタユニットの電圧値の経時変化図 本発明の実施の形態における車両用電源装置のキャパシタユニットの標準特性の温度変化図であり、（ａ）容量値の温度変化図、（ｂ）内部抵抗値の温度変化図 本発明の実施の形態における車両用電源装置のキャパシタユニットの各温度における劣化判定式による容量値と内部抵抗値の劣化判定基準値の相関図 本発明の実施の形態における車両用電源装置のマイクロコンピュータ処理の時間制御を示すフローチャート 従来の車両用電源装置のキャパシタユニットの各温度における劣化判定式による容量値と内部抵抗値の劣化判定基準値の相関図

符号の説明

３ 車両用電源装置
１１ キャパシタユニット
１３ 充電回路
１４ 放電回路
１５ マイクロコンピュータ
１６ スイッチ
１７ａ キャパシタユニット電圧検出手段
１７ｂ キャパシタユニット電流検出手段
１８ 温度センサ

Claims (6)

1. 補助電力を蓄える複数のキャパシタからなるキャパシタユニットと、
   前記キャパシタユニット近傍の温度を測定する温度センサと、
   前記キャパシタユニットを充電する充電回路と、
   前記キャパシタユニットの電流を測定するキャパシタユニット電流検出手段と、
   前記キャパシタユニットの電圧を測定するキャパシタユニット電圧検出手段と、
   前記補助電力の必要時に前記キャパシタユニットから出力するよう切り替えるスイッチと、
   前記温度センサ、前記充電回路、前記キャパシタユニット電流検出手段、前記キャパシタユニット電圧検出手段、前記スイッチが電気的に接続された制御部を有し、
   前記キャパシタユニットを定電流で充電または放電する際に、
   途中で充電または放電を中断、再開し、その時の前記キャパシタユニットの中断、再開前後の充電電圧または放電電圧の変化を前記キャパシタユニット電圧検出手段により検出するとともに、前記キャパシタユニット電流検出手段の出力とから前記キャパシタユニットの内部抵抗値を求め、
   充電または放電の区間中における前記キャパシタユニットの充電または放電の電圧変化率と、前記キャパシタユニット電流検出手段の出力から前記キャパシタユニットの容量値を求め、
   その後、前記温度センサから求めた温度に応じて、前記容量値から前記キャパシタユニットの劣化判定式により判定基準値を計算し、
   前記判定基準値が前記内部抵抗値以下であれば、前記キャパシタユニットが劣化していると判断する際に、前記温度センサが断線または短絡した場合は前記キャパシタユニット使用温度範囲における、最も負荷条件の厳しい温度を適用して前記キャパシタユニットの劣化を判断する車両用電源装置。
2. 所定時間毎に、温度センサから求めた温度に応じて、内部抵抗値と容量値を補正計算することで内部抵抗補正計算値および容量補正計算値を求めるとともに、前記容量補正計算値からキャパシタユニットの劣化判定式を用いて判定基準値を計算し、
   前記判定基準値が前記内部抵抗補正計算値以下であれば、前記キャパシタユニットが劣化していると判断する際に、
   前記各計算のうち少なくとも１つを前記制御部の内部制御周期毎に分割実行する請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 充電または放電の電圧変化率はキャパシタユニットにおける所定の電圧差を得るのに要した時間を求めることによって決定する請求項１に記載の車両用電源装置。
4. キャパシタユニットの充電または放電時に求めた内部抵抗値、容量値の少なくともいずれかが、あらかじめ求めた前記キャパシタユニットの劣化判定値を満たさない場合は、前記キャパシタユニットが劣化したと判断する請求項１に記載の車両用電源装置。
5. 温度センサはサーミスタである請求項１に記載の車両用電源装置。
6. 温度センサの出力がキャパシタユニットの使用温度範囲を超えた場合は前記キャパシタユニットの劣化判断を行わない請求項１に記載の車両用電源装置。

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