JP5189607B2 - 車両用電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両用電源装置に関し、特に複数の電力貯蔵装置を搭載した車両用電源装置に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド自動車など、バッテリおよび走行用モータを搭載する車両を見かけるようになってきている。バッテリによる走行時間を長くできるように、バッテリを複数搭載することについても検討されている。

特許第３６５５２７７号公報（特許文献１）には、高電圧インバータ・モータ・セットを低電圧電池モジュールで使用するための電源制御システムが開示されている。この車両の電動牽引モータの電源制御システムは、電動牽引モータに調整済みの電力を提供する少なくとも１つのインバータと、それぞれが電池とブースト／バック直流・直流コンバータを有し、並列に配線され、前記少なくとも１つのインバータに直流電力を提供する複数の電源ステージとを備える。電源ステージは前記少なくとも１つのインバータへの出力電圧を維持するよう制御される。

特許第３６５５２７７号公報 特開２００７−１７４８６７号公報 特開２００４−３２０８７２号公報

上記の特許第３６５５２７７号公報に開示される技術では、複数のバッテリ間の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）のずれを無くすことを目的としている。特に限定されてはいないが、複数のバッテリが同一出力特性を有する場合でないと、それぞれの充電状態をそろえるとは言い難いため、入出力特性が異なるバッテリを複数使用することを前提としていない。

また、負荷を効率的に運転させるために電力貯蔵装置（蓄電装置としてのバッテリやキャパシタも含む）の電圧を昇圧する場合があるが、昇圧コンバータの昇圧比には限界があるので、電力貯蔵装置の電圧をあまり低くすることはできない。

この発明の目的は、異なる特性を有する電力貯蔵装置を搭載し、性能が向上した車両用電源装置を提供することである。

この発明は、要約すると、車両に搭載される電気負荷との間で電力授受を行なう車両用電源装置であって、第１の電力貯蔵装置と、第１の電力貯蔵装置の正極に接続される第１の正母線と、第１の電力貯蔵装置の負極に接続される第１の負母線と、第１の正母線および第１の負母線からなる第１の母線対と電気負荷との間に設けられる第１の電力変換器と、第２の電力貯蔵装置と、第２の電力貯蔵装置の正極に接続される第２の正母線と、第２の電力貯蔵装置の負極に接続される第２の負母線と、第２の正母線および第２の負母線からなる第２の母線対と第１の母線対との間に設けられる第２の電力変換器とを備える。

好ましくは、車両用電源装置は、第１の電力変換器および第２の電力変換器を制御する制御装置をさらに備える。制御装置は、第１の電力変換器および第２の電力変換器を協働させることにより、第１の電力貯蔵装置と電気負荷との間の双方向送電、第２の電力貯蔵装置と電気負荷との間の双方向送電、および第１の電力貯蔵装置と第２の電力貯蔵装置との間の双方向送電を実現する。

好ましくは、第２の電力貯蔵装置は、第１の電力貯蔵装置よりも、エネルギ密度が低く、かつ入出力可能電力が高い。

好ましくは、第１の電力貯蔵装置と、第２の電力貯蔵装置とは、温度が変化した場合の入出力可能電力特性が異なる変化を示す。

好ましくは、制御装置は、第１の電力貯蔵装置と第２の電力貯蔵装置のいずれか一方の電力貯蔵装置の充電状態を満充電状態に対して５０パーセント以上に制御するとともに、いずれか他方の電力貯蔵装置の充電状態を満充電状態に対して５０パーセント未満に制御する。

より好ましくは、充電状態が満充電状態に対して５０パーセント以上に制御された一方の電力貯蔵装置は、充電状態が満充電状態に対して５０パーセント未満に制御された他方の電力貯蔵装置よりも出力特性に優れる。充電状態が満充電状態に対して５０パーセント未満に制御された他方の電力貯蔵装置は、充電状態が満充電状態に対して５０パーセント以上に制御された一方の電力貯蔵装置よりも入力特性に優れる。

本発明によれば、異なる特性を有する電力貯蔵装置を搭載し、性能が向上した車両用電源装置を実現できる。

本実施の形態の車両用電源装置の基本的な構成を説明するための図である。 本実施の形態の車両用電源装置を搭載した車両のより詳細な構成を説明するための回路図である。 主電源と補助電源の組合せの効果について説明するための図である。 電力貯蔵装置の組合せの例Ａ〜Ｇを示した図である。 ＳＯＣと電力貯蔵装置の入出力性能の関係の一例を示した図である。 ＳＯＣの異なる電池Ａ２，Ｂ２を組合せて使用する場合の制御を説明するための波形図である。 実施の形態３において、制御装置が分担率を決定する制御を説明するためのフローチャートである。 出力可能値のマップについて説明するための図である。 入力可能値のマップについて説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、本実施の形態の車両用電源装置の基本的な構成を説明するための図である。

図１を参照して、本実施の形態の車両用電源装置は、主電力貯蔵装置Ｂ（例えばバッテリ）と、電力変換器１２Ｂとで構成された主電源装置７と、補助電力貯蔵装置２３（例えばキャパシタ）と電力変換器１２Ｃとで構成された補助電源装置２とを含む。補助電源装置は、並列に複数個設けられても良い。

電力変換器１２Ｃは、入力側が補助電力貯蔵装置２３に接続され、出力側が主電力貯蔵装置と電力変換器１２Ｂとの接続ノードに接続される。

主電力貯蔵装置Ｂと車両電気負荷４とは電力変換器１２Ｂを介して双方向に電力授受が可能である。補助電力貯蔵装置２３と車両電気負荷４とは電力変換器１２Ｃおよび電力変換器１２Ｂを介して双方向に電力授受が可能である。また、主電力貯蔵装置Ｂと補助電力貯蔵装置２３とは電力変換器１２Ｃを介して双方向に電力授受が可能である。

このように複合的な電源システムを構成することで、電力変換装置（昇圧コンバータ、降圧コンバータ、昇降圧コンバータなど）により、各電力貯蔵装置の電圧の違いを吸収するとともに、各電力貯蔵装置の入出力電力を独立に制御して負荷とやり取りすることが可能となる。また、各電力貯蔵装置間で電力をやり取りすることも可能となる。

図２は、本実施の形態の車両用電源装置を搭載した車両のより詳細な構成を説明するための回路図である。図２では、主電力貯蔵装置Ｂの例として二次電池（バッテリ）が使用され、補助電力貯蔵装置２３の例としてキャパシタが使用される例を示し、電力変換器１２Ｂ，１２Ｃとして昇圧コンバータを用いる例を示している。したがって、名称が異なっていても対応する要素には図１と同じ参照符号を付して説明することにする。

図２を参照して、本実施の形態に係る車両は、主電源装置７と、補助電源装置２と、車両電気負荷４と、制御装置３０とを含む。

主電源装置７は、電池ユニット４０Ｂと、昇圧コンバータ１２Ｂと、平滑用コンデンサＣ１、Ｃ２と、電圧センサ１３，２１とを含む。補助電源装置２は、キャパシタユニット４０Ｃと、昇圧コンバータ１２Ｃとを含む。車両電気負荷４は、インバータ１４と、モータジェネレータＭ１とを含む。

平滑用コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１Ｂと接地ラインＳＬ間に接続される。電圧センサ２１は、平滑用コンデンサＣ１の両端間の電圧ＶＬを検知して制御装置３０に対して出力する。昇圧コンバータ１２Ｂは、平滑用コンデンサＣ１の端子間電圧を昇圧する。平滑用コンデンサＣ２は、昇圧コンバータ１２Ｂによって昇圧された電圧を平滑化する。電圧センサ１３は、平滑用コンデンサＣ２の端子間電圧ＶＨを検知して制御装置３０に出力する。

電池ユニット４０Ｂは電源ラインＰＬ１Ｂと接地ラインＳＬに接続されている。電池ユニット４０Ｂは、バッテリＢと、バッテリＢの負極と接地ラインＳＬとの間に接続されるシステムメインリレーＳＢＧと、バッテリＢの正極と電源ラインＰＬ１Ｂとの間に接続されるシステムメインリレーＳＢＰとを含む。システムメインリレーＳＢＰ，ＳＢＧは、制御装置３０から与えられる制御信号ＳＥに応じて導通／非導通状態が制御される。

電池ユニット４０Ｂは、さらに、バッテリＢの端子間の電圧ＶＢを測定する電圧センサ１０Ｂと、バッテリＢに流れる電流ＩＢを検知する電流センサ１１Ｂとを含む。バッテリＢとしては、後に詳細に説明するが、たとえば、高容量リチウムイオン電池等の二次電池を用いることができる。

キャパシタユニット４０Ｃは電源ラインＰＬ１Ｃと接地ラインＳＬに接続されている。キャパシタユニット４０Ｃは、蓄電用の大容量キャパシタ２３と、キャパシタ２３の負極と接地ラインＳＬとの間に接続されるシステムメインリレーＳＣＧと、キャパシタ２３の正極と電源ラインＰＬ１Ｃとの間に接続されるシステムメインリレーＳＣＰとを含む。システムメインリレーＳＣＰ，ＳＣＧは、制御装置３０から与えられる制御信号ＳＥに応じて導通／非導通状態が制御される。

キャパシタユニット４０Ｃは、さらに、キャパシタ２３の端子間の電圧ＶＣを測定する電圧センサ１０Ｃと、キャパシタ２３に流れる電流ＩＣを検知する電流センサ１１Ｃとを含む。

昇圧コンバータ１２Ｂは、一方端が電源ラインＰＬ１Ｂに接続されるリアクトルＬ１Ｂと、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｂ，Ｑ２Ｂと、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｂ，Ｑ２Ｂにそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１Ｂ，Ｄ２Ｂとを含む。

リアクトルＬ１Ｂの他方端はＩＧＢＴ素子Ｑ１ＢのエミッタおよびＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｂのコレクタに接続される。ダイオードＤ１ＢのカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｂのコレクタと接続され、ダイオードＤ１ＢのアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｂのエミッタと接続される。ダイオードＤ２ＢのカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｂのコレクタと接続され、ダイオードＤ２ＢのアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｂのエミッタと接続される。

昇圧コンバータ１２Ｃは、一方端が電源ラインＰＬ１Ｃに接続されるリアクトルＬ１Ｃと、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｃ，Ｑ２Ｃと、ＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｃ，Ｑ２Ｃにそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１Ｃ，Ｄ２Ｃとを含む。

リアクトルＬ１Ｃの他方端はＩＧＢＴ素子Ｑ１ＣのエミッタおよびＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｃのコレクタに接続される。ダイオードＤ１ＣのカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｃのコレクタと接続され、ダイオードＤ１ＣのアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ１Ｃのエミッタと接続される。ダイオードＤ２ＣのカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｃのコレクタと接続され、ダイオードＤ２ＣのアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ２Ｃのエミッタと接続される。

インバータ１４は、昇圧コンバータ１２Ｂまたは１２Ｃから与えられる直流電圧を三相交流に変換してモータジェネレータＭ１に出力する。

インバータ１４は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬに接続されている。インバータ１４は車輪を駆動するモータジェネレータＭ１に対して昇圧コンバータ１２Ｂおよび１２Ｃの出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。またインバータ１４は、回生制動に伴い、モータジェネレータＭ１において発電された電力を昇圧コンバータ１２Ｂおよび１２Ｃに戻す。このとき昇圧コンバータ１２Ｂおよび１２Ｃは降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。

インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とを含む。Ｕ相アーム１５，Ｖ相アーム１６，およびＷ相アーム１７は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に並列に接続される。

Ｕ相アーム１５は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ３，Ｄ４とを含む。ダイオードＤ３のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続される。ダイオードＤ４のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続される。

Ｖ相アーム１６は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ５，Ｄ６とを含む。ダイオードＤ５のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続される。ダイオードＤ６のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続される。

Ｗ相アーム１７は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８と、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ７，Ｄ８とを含む。ダイオードＤ７のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ７のコレクタと接続され、ダイオードＤ７のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ７のエミッタと接続される。ダイオードＤ８のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ８のコレクタと接続され、ダイオードＤ８のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ８のエミッタと接続される。

各相アームの中間点は、モータジェネレータＭ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭ１は、三相の永久磁石同期モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々一方端が中点に共に接続されている。そして、Ｕ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の接続ノードに接続される。またＶ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の接続ノードに接続される。またＷ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の接続ノードに接続される。

電流センサ２４は、モータジェネレータＭ１に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ１として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ１を制御装置３０へ出力する。

制御装置３０は、トルク指令値ＴＲ１、モータ回転数ＭＲＮ１、電圧ＶＢ，ＶＣ，ＶＨ、電流ＩＢ，ＩＣの各値、モータ電流値ＭＣＲＴ１および起動信号ＩＧＯＮを受ける。また制御装置３０は、温度センサ４１Ｂ，４１Ｃから温度ＴＢ，ＴＣを受ける。そして制御装置３０は、昇圧コンバータ１２Ｂに対して昇圧指示を行なう制御信号ＰＷＵＢ，降圧指示を行なう制御信号ＰＷＤＢおよび動作禁止を指示する信号ＣＳＤＮを出力する。

さらに、制御装置３０は、インバータ１４に対して昇圧コンバータ１２Ｂ，１２Ｃの出力である直流電圧をモータジェネレータＭ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ１と、モータジェネレータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２Ｂ，１２Ｃ側に戻す回生指示ＰＷＭＣ１とを出力する。

キャパシタ２３は、平滑用コンデンサＣ２よりも容量が大きい蓄電装置であり、たとえば直列接続される複数の電気二重層コンデンサを含む。なお、電気二重層コンデンサはエネルギ密度が高いが、１セル当たりの耐圧が２．５〜２．７Ｖ程度であるので、１００Ｖを超える電圧に用いるためには各セルに電圧を分担させるために複数の電気二重層コンデンサのセルを直列に接続して用いる必要がある。

車両電気負荷４を効率的に運転させるために、昇圧コンバータ１２Ｂによって電圧ＶＬを電圧ＶＨに昇圧する。昇圧コンバータ１２Ｂの昇圧比には限界があるため、電圧ＶＨと電圧ＶＬとの差をあまり大きくすることはできない。車両電気負荷４の効率運転に必要な電圧ＶＨが決まっているとすれば、電圧ＶＬはあまり下げることはできない。たとえば、電圧ＶＨを２００Ｖから６００Ｖまで昇圧する場合、昇圧比の限界が４であるとすると、電圧ＶＬの最低電圧は１５０Ｖとなる。もしも電圧ＶＬにキャパシタ２３を接続するとすれば、１５０Ｖ以上の電圧に耐えられるように、キャパシタの直列接続数を多くする必要がある。その結果、車両の製造コストが高くなる。

本実施の形態の回路では、キャパシタ２３は、昇圧コンバータ１２Ｃを介して電源ラインＰＬ１Ｂおよび接地ラインＳＬに接続され、さらに昇圧コンバータ１２Ｂを介して車両電気負荷４に接続されている。この場合には、キャパシタの電圧は昇圧コンバータ１２Ｃおよび昇圧コンバータ１２Ｂによって電圧ＶＨまで昇圧できる電圧であれば良い。

仮に、昇圧比を最大で４まで取れる昇圧コンバータを使用する場合では、電圧ＶＬの最大値２００Ｖとすると２００Ｖ／４＝５０Ｖの耐圧を有する直列接続数のキャパシタを用意すればよくなり、コストダウンを図ることができる。

図３は、主電源と補助電源の組合せの効果について説明するための図である。
図３を参照して、横軸には温度、縦軸には電源の常温時を１としたときの出力可能なパワーが示されている。ラインＬ１は例えばリチウムイオン電池の特性を示すラインである。リチウムイオン電池では、０℃以下の低温時に出力が極端に出しにくくなるという特性がある。ラインＬ２は、たとえば電気二重層キャパシタの特性を示すラインである。ラインＬ２の特性も低温時に出力可能パワーの低下が見られるが、ラインＬ１の特性ほどではない。したがって、ラインＬ１の特性を有する電力貯蔵装置（たとえばリチウムイオン電池）とラインＬ２の特性を有する電力貯蔵装置（たとえば電気二重層キャパシタ）とを組合せて使用することにより、低温の出力可能パワーを改善することが可能となる。

現状、ハイブリッド車両や電気自動車などで用いられている二次電池は、低温での入出力性能が常温での入出力性能に比べて低く、そのため常温での車両要求性能を満たすように電池仕様を設計すると、低温では要求パワーを入出力することができず、車両要求性能（燃費、ドライバビリティ、排気規制など）を満たすことができなくなる。

逆に、低温での車両要求性能を満たすために、電池仕様を設計すると、常温では過剰性能となる傾向があり、コスト高となってしまう。すなわち、二次電池単独で車両要求仕様を満たすように電池仕様を設計した場合、図３のラインＬ１に示すような電池の特性があるため、低温時における車両要求性能で電池仕様が決まってしまう。すると常温では電池の性能は過剰なものとなってしまう。

そこで、二次電池とは温度に対する入出力特性の異なる他の電力貯蔵装置を併用することを考える。たとえば電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｏｕｂｌｅ ｌａｙｅｒ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）は、二次電池と比べてエネルギ密度は小さいが、充放電時には化学反応を伴わないため、低温時においても内部抵抗の上昇は相対的に小さく、短時間であれば大電力の入出力が可能であるといった特徴がある。そこで、低温時における短時間かつ大電力の入出力を電気二重層キャパシタに担わせることにより、低温で二次電池に要求される入出力パワーの要求を小さくすることができ、その結果二次電池を小型化できる。

なお、他にも特性が異なる電力貯蔵装置の組合せの例を紹介する。
図４は、電力貯蔵装置の組合せの例Ａ〜Ｇを示した図である。

図４には、組合せ例Ａとしてエネルギ型電源に（１）高容量リチウムイオン電池を採用し、パワー型電源に（３）高出力型鉛電池を採用した例が示されている。組合せ例Ａは、入出力の温度依存性が小さいという利点を有する。また、組合せ例Ｂとしてエネルギ型電源に（２）高容量ニッケル水素電池を採用し、パワー型電源に（３）高出力型鉛電池を採用した例が示されている。組合せ例Ｂは、入出力の温度依存性が小さいという利点を有する。ただし組合せ例Ａよりも小型化には不利である。

これらのように、特性の異なる２つ以上の電力貯蔵装置を併用することで、単独の電力貯蔵装置では達成できない電力および電力量に対する要求を満たすことも可能となる。

また、組合せる２つの電力貯蔵装置がリチウムイオン電池どうしであっても、特性が異なるものもある。組合せ例Ｃとしてエネルギ型電源に（１）高容量リチウムイオン電池を採用し、パワー型電源に（５）高出力リチウムイオン電池を採用した例が示されている。

（１）高容量リチウムイオン電池は、一般的なリチウムイオン電池で、正極材料としてコバルト酸リチウムを用いたものである。これに対して（５）高出力リチウムイオン電池は、たとえば、オリビン型リン酸鉄リチウムを正極材料として用いたリチウムイオン電池である。

また、負極材料の異なるリチウムイオン電池であってもよい。電力貯蔵装置に二次電池、特にリチウムイオン電池を用いる場合において、負極材料の異なる２種類以上のリチウムイオン電池を併用することにより、入力性能を向上させつつ、出力性能の低下も抑えることができる。

たとえば、グラファイトを負極に用いたリチウムイオン電池は負極電位が低く出力密度に優れるという特徴を有するが、一方で金属リチウム電位を下回るのに必要な電流レートが小さく、リチウム析出に対する耐性が低いという欠点も有る。

また、負極にチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池は、グラファイトを負極に用いたリチウムイオン電池に比べて負極電位が高く、その結果金属リチウム電位を下回るのに必要な電流レートが大きくなるため、リチウム析出に対する耐性が高く入力密度に優れるとともに安全性にも優れるという特徴がある。その一方で、負極の開放電位が高いために出力密度がグラファイトを負極に用いたリチウムイオン電池に比べて低い。

そこで、これら負極にグラファイトを用いたリチウムイオン電池（電池Ａ１とする）と負極にチタン酸リチウムを用いたリチウムイオン電池（電池Ｂ１とする）を併用した複合電源システムを構成する。大電力での充電時には電池Ｂ１を優先的に充電することにより、リチウム析出を防止しつつ入力性能を確保し、大電力での放電時には電池Ａ１を優先的に放電させることにより出力性能を確保することができる。

このように２種類のリチウムイオン電池を組合せる組合せ例Ｃは、組合せ例Ａ，Ｂよりも入出力の温度依存性が大きくなるが、小型化に有利であるという利点を有する。

組合せＣと同様なことがニッケル水素電池にも言える。図４の組合せ例Ｄとしてエネルギ型電源に（２）高容量ニッケル水素電池を採用し、パワー型電源に（４）高出力ニッケル水素電池を採用した例が示されている。組合せ例Ｄは、組合せ例Ｃほどではないが小型化が可能であり、組合せ例Ｃよりも入出力の温度依存性が小さくなる。

さらに、図４の組合せ例Ｅとしてエネルギ型電源に（１）高容量リチウムイオン電池または（２）高容量ニッケル水素電池を採用し、パワー型電源に（７）電気二重層キャパシタを採用した例が示されている。（７）電気二重層キャパシタは、二次電池に比べ内部抵抗が低く大電流で短時間に充放電が行なえるという特徴がある。組合せ例Ｅは、入出力の温度依存性が小さく、かつ小型化が可能という利点を有する。

また、組合せ例Ｆとしてエネルギ型電源に（１）高容量リチウムイオン電池または（２）高容量ニッケル水素電池を採用し、パワー型電源に（６）リチウムイオンキャパシタを採用した例が示されている。（６）リチウムイオンキャパシタは、たとえばプレムリス（Ｐｒｅｍｌｉｓ（登録商標））として知られる、正極にナノゲートカーボン（登録商標）を用い、負極に黒鉛系カーボンを採用した、非対称型キャパシタである。組合せ例Ｆは、組合せ例Ｅよりは劣るが入出力の温度依存性が小さく、かつ組合せ例Ｅよりもさらに小型化が可能という利点を有する。

また、組合せ例Ｇとしてエネルギ型電源に（６）リチウムイオンキャパシタを採用し、パワー型電源に（７）電気二重層キャパシタを採用した例が示されている。組合せ例Ｇは、入出力の温度依存性が小さく、かつ最もパワーを大きくできるという利点があるが、最も大型になる。

以上のように、特性の異なる２つ以上の電力貯蔵装置を併用することで、単独の電力貯蔵装置では達成できない電力および電力量に対する要求を満たすことも可能となる。

また、他の例としてたとえば、電池の有機電解液を無機系固体電解質に置き換えた全固体電池を使用することも考えられる。全固体電池はエネルギ密度が高いものの、入出力密度は低いため、大電力での使用が困難であるといった課題がある。しかしながら、例えば、エネルギ密度の高い全固体電池と入出力密度の高い電気二重層キャパシタとを併用して複合電源システムとすることにより、電力変動の吸収を電気二重層キャパシタで行ない、低レートでのエネルギ授受を全固体電池と電気二重層キャパシタとの間で行なうことにより、エネルギ蓄積は全固体電池に行なうようにすることが可能となる。

このようにすることで、ハイブリッド車両や電気自動車のような大電力での入出力が要求される用途にも、全固体電池の高エネルギ密度というメリットを生かすことができる。他の例として、全固体電池と液系電解液を用いた電池とを併用したものについても同様な効果が得られる。

［実施の形態２］
２つ以上の電力貯蔵装置を用いた複合電源システムにおいて、異なる種類の電力貯蔵装置を用いるのではなく、同じ種類の電力貯蔵装置を用いた場合でも、その充電状態に応じた入出力特性の変化を用いることにより、単独で用いる場合に比べて入出力性能を向上させることも可能となる。

図５は、ＳＯＣと電力貯蔵装置の入出力性能の関係の一例を示した図である。
図５の上段を参照して、例えば、ある種のリチウムイオン電池においては、ＳＯＣが２０％の時の１０秒出力（１０秒間連続して出力することが可能な電力）ＰＯ（２０％）に比べて、ＳＯＣが８０％のときの１０秒出力ＰＯ（８０％）は約１０倍である。この場合ＳＯＣが高いほど出力特性は良くなる。一方、図５の下段に示すように、ＳＯＣが２０％の時の入力性能ＰＩ（２０％）は、ＳＯＣが８０％の時の入力性能ＰＩ（８０％）の約４倍である。すなわちＳＯＣが低いほど入力特性は良くなる。

図６は、ＳＯＣの異なる電池Ａ２，Ｂ２を組合せて使用する場合の制御を説明するための波形図である。

図６を参照して、同じ種類の２つのリチウムイオン電池を用いて複合電源システムを構成した場合のＳＯＣの時間変化について説明する。一方の電池（電池Ａ２とする）を低ＳＯＣ（たとえばＳＯＣ＝２０％）を中心に上限値ＭＡＸ（Ａ２）と下限値ＭＩＮ（Ａ２）の間にＳＯＣを制御する。他方の電池（電池Ｂ２とする）を高ＳＯＣ（例えばＳＯＣ＝８０％）を中心に上限値ＭＡＸ（Ｂ２）と下限値ＭＩＮ（Ｂ２）の間にＳＯＣを制御する。そして、大電力放電時には電池Ｂ２から優先的に出力させる（時刻ｔ１〜ｔ２）。逆に、大電力充電時には電池Ａ２に優先的に行なう（時刻ｔ３〜ｔ４）。２つの電力コンバータを制御して、このように２つの電力貯蔵装置に異なるＳＯＣの目標値を設定して電池の充放電を行なうことによって、２つの電力貯蔵装置を同じＳＯＣを中心に制御した場合に比べてより大電力での入出力が可能となる。

［実施の形態３］
実施の形態３では、実施の形態１，２で説明した複合電源システムにおいて、電気負荷の要求する要求電力Ｐのうち、補助電源装置で分担する分担率Ｋを算出し、主電源装置の電力変換器１２Ｂは、出力電力が（１−Ｋ）×Ｐとなるように制御し、補助電源装置の電力変換器１２Ｃは出力電力がＫ×Ｐとなるように制御する。

図７は、実施の形態３において、制御装置が分担率を決定する制御を説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は、所定のメインルーチンから一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとに呼び出されて実行される。

図１、図７を参照して、まずステップＳ１において、制御装置３０は、主電源（バッテリＢ）の温度ＴＢを取得する。温度ＴＢは温度センサ４１Ｂで測定されている。続いてステップＳ２において、制御装置３０は、主電源（バッテリＢ）のＳＯＣを取得する。ＳＯＣは、電圧ＶＢおよび電流ＩＢの積算等にもとづいて算出されたものを用いる。そして、ステップＳ３において、制御装置３０は、主電源（バッテリＢ）の入出力可能値ＰＢをマップから取得する。

次に、ステップＳ４において、制御装置３０は、補助電源（キャパシタ２３）の温度ＴＣを取得する。温度ＴＣは温度センサ４１Ｃで測定されている。続いてステップＳ５において、制御装置３０は、補助電源（キャパシタ２３）のＳＯＣを取得する。ＳＯＣは、電圧ＶＣおよび電流ＩＣの積算等にもとづいて算出されたものを用いる。そして、ステップＳ６において、制御装置３０は、補助電源（キャパシタ２３）の入出力可能値ＰＣをマップから取得する。

図８は、出力可能値のマップについて説明するための図である。
図９は、入力可能値のマップについて説明するための図である。

図８、図９を参照して、温度−３０℃〜６０℃、ＳＯＣが０％〜１００％の組合せに対して入力可能値ＰＩＮ（ｋＷ）、出力可能値ＰＯＵＴ（ｋＷ)がマップに記憶されている。たとえば、温度が５℃ごと、ＳＯＣが５％ごとに対応するＰＩＮ、ＰＯＵＴのデータがあらかじめ実験などによって定められマップに記憶されている。この出力可能値マップ、入力可能値マップは、主電源、補助電源の各々の特性に基づいて別々に定められている。

再び図７を参照して、ステップＳ３およびステップＳ６において主電源の入出力可能値ＰＢおよび補助電源の入出力可能値ＰＣが得られた後、ステップＳ７では、ＰＢ＋ＰＣを超えない範囲で主電源および補助電源を含む電源装置への入出力要求値ＰＡを決定する。

ステップＳ８では、｜ＰＣ｜−｜ＰＡ｜＞０が成立するか否かが判断される。｜ＰＣ｜−｜ＰＡ｜＞０が成立している場合は、補助電源に要求値ＰＡを入力する、または補助電源から要求値ＰＡを出力するだけで、主電源を使わなくてもよい場合である。この場合にはステップＳ９において主電源の入出力値ＰＭ＝０と設定され、補助電源の入出力値ＰＳ＝ＰＡに設定される。

一方、｜ＰＣ｜−｜ＰＡ｜＞０が成立しなかった場合は、補助電源だけでは、要求値ＰＡを受け入れることができない場合か、または要求値ＰＡを出力することができない場合である。これらの場合には、主電源を使う必要がある。この場合にはステップＳ１０において主電源の入出力値ＰＭ＝ＰＡ−ＰＣと設定され、補助電源の入出力値ＰＳ＝ＰＣに設定される。

以上、分担率を定める方法の一例を示したが、分担率の設定については他の方法でも構わない。このように補助電源の分担率を定めて制御装置３０で電力コンバータを制御することにより、主電源装置と補助電源装置の分担割合を任意に制御することが可能となる。
［変形例］
なお、図１の主電源側の電力変換器１２Ｂについては、車両電気負荷４の出力端間の電圧が所定値になるように電圧制御を実行する。同時に、補助電源側の電力変換器１２Ｃについては所定の電力を補助電力貯蔵装置２３から車両電気負荷４に向けて供給するように制御するようにしてもよい。

このようにすることによって、車両電気負荷４の効率の良い電圧で車両電気負荷４を稼働させるとともに、任意の電力を補助電源装置から供給することが可能となる。

最後に、図１、図２等を参照して、本願の実施の形態について総括する。車両に搭載される電気負荷（車両電気負荷４）との間で電力授受を行なう車両用電源装置は、第１の電力貯蔵装置（バッテリＢ）と、第１の電力貯蔵装置の正極に接続される第１の正母線と、第１の電力貯蔵装置の負極に接続される第１の負母線と、第１の正母線および第１の負母線からなる第１の母線対と電気負荷との間に設けられる第１の電力変換器（昇圧コンバータ１２Ｂ）と、第２の電力貯蔵装置（キャパシタ２３）と、第２の電力貯蔵装置の正極に接続される第２の正母線と、第２の電力貯蔵装置の負極に接続される第２の負母線と、第２の正母線および第２の負母線からなる第２の母線対と第１の母線対との間に設けられる第２の電力変換器（昇圧コンバータ１２Ｃ）とを備える。

好ましくは、車両用電源装置は、第１の電力変換器および第２の電力変換器を制御する制御装置３０をさらに備える。制御装置３０は、第１の電力変換器および第２の電力変換器（昇圧コンバータ１２Ｂおよび１２Ｃ）を協働させることにより、第１の電力貯蔵装置と電気負荷との間の双方向送電、第２の電力貯蔵装置と電気負荷との間の双方向送電、および第１の電力貯蔵装置と第２の電力貯蔵装置との間の双方向送電を実現する。

好ましくは、第２の電力貯蔵装置は、第１の電力貯蔵装置よりも、エネルギ密度が低く、かつ入出力可能電力が高い。たとえば、第１の電力貯蔵装置をリチウムイオンバッテリ、第２の電力貯蔵装置を電気二重層コンデンサとすることができるが、他の組合せであっても良い。

好ましくは、図３に示すように、第１の電力貯蔵装置と、第２の電力貯蔵装置とは、温度が変化した場合の入出力可能電力特性が異なる変化を示す。

好ましくは、図５、図６で説明したように、制御装置３０は、第１の電力貯蔵装置と第２の電力貯蔵装置のいずれか一方の電力貯蔵装置の充電状態を満充電状態に対して５０パーセント以上に制御するとともに、いずれか他方の電力貯蔵装置の充電状態を満充電状態に対して５０パーセント未満に制御する。

より好ましくは、充電状態が満充電状態に対して５０パーセント以上に制御された一方の電力貯蔵装置は、充電状態が満充電状態に対して５０パーセント未満に制御された他方の電力貯蔵装置よりも出力特性に優れる。充電状態が満充電状態に対して５０パーセント未満に制御された他方の電力貯蔵装置は、充電状態が満充電状態に対して５０パーセント以上に制御された一方の電力貯蔵装置よりも入力特性に優れる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２ 補助電源装置、４ 車両電気負荷、７ 主電源装置、１０Ｂ，１０Ｃ，１３，２１ 電圧センサ、１１Ｂ，１１Ｃ，２４ 電流センサ、１２Ｂ，１２Ｃ 昇圧コンバータ、１４ インバータ、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、２３ キャパシタ、３０ 制御装置、４０Ｃ キャパシタユニット、４０Ｂ 電池ユニット、４１Ｂ，４１Ｃ 温度センサ、Ｂ バッテリ、Ｃ１，Ｃ２ 平滑用コンデンサ、Ｄ１Ｂ，Ｄ２Ｂ，Ｄ１Ｃ，Ｄ２Ｃ，Ｄ３〜Ｄ８ ダイオード、Ｌ１Ｂ，Ｌ１Ｃ リアクトル、Ｍ１ モータジェネレータ、ＰＬ１Ｂ，ＰＬ１Ｃ，ＰＬ２ 電源ライン、Ｑ１Ｂ，Ｑ２Ｂ，Ｑ１Ｃ，Ｑ２Ｃ，Ｑ３〜Ｑ８ ＩＧＢＴ素子、ＳＢＰ，ＳＢＧ，ＳＣＰ，ＳＣＧ システムメインリレー、ＳＬ 接地ライン。

Claims (5)

1. 車両に搭載される電気負荷との間で電力授受を行なう車両用電源装置であって、
   第１の電力貯蔵装置と、
   前記第１の電力貯蔵装置の正極に接続される第１の正母線と、
   前記第１の電力貯蔵装置の負極に接続される第１の負母線と、
   前記第１の正母線および前記第１の負母線からなる第１の母線対と前記電気負荷との間に設けられる第１の電力変換器と、
   第２の電力貯蔵装置と、
   前記第２の電力貯蔵装置の正極に接続される第２の正母線と、
   前記第２の電力貯蔵装置の負極に接続される第２の負母線と、
   前記第２の正母線および前記第２の負母線からなる第２の母線対と前記第１の母線対との間に設けられる第２の電力変換器と、
   前記第１の電力変換器および前記第２の電力変換器を制御する制御装置とを備え、
   前記第１の電力貯蔵装置は、バッテリを含み、
   前記第２の電力貯蔵装置は、直列に接続された複数のキャパシタを含み、
   前記第２の電力変換器は、前記第１の母線対の電圧が前記第２の母線対の電圧以上となるように昇圧動作可能に構成され、
   前記第１の電力変換器は、前記電気負荷の電圧が前記第１の母線対の電圧以上となるように昇圧動作可能に構成され、
   前記直列に接続された複数のキャパシタの耐圧は、前記第１の母線対の最大電圧よりも低く、
   前記制御装置は、検出温度に対する前記第１の電力貯蔵装置と前記第２の電力貯蔵装置の各々の入出力可能範囲の合計以下となるように要求値を決定し、前記要求値の大きさが前記第２の電力貯蔵装置の入出力可能範囲内である場合は、前記第２の電力貯蔵装置から前記要求値に対応する電力を入出力させ、前記要求値の大きさが前記第２の電力貯蔵装置の入出力可能範囲を超えた場合は、前記第２の電力貯蔵装置から前記入出力可能範囲の上限値に対応する電力を入出力させ、前記第１の電力貯蔵装置から前記要求値と前記上限値との差に対応する電力を入出力させる、車両用電源装置。
2. 前記制御装置は、前記第１の電力変換器および前記第２の電力変換器を協働させることにより、前記第１の電力貯蔵装置と前記電気負荷との間の双方向送電、前記第２の電力貯蔵装置と前記電気負荷との間の双方向送電、および前記第１の電力貯蔵装置と前記第２の電力貯蔵装置との間の双方向送電を実現する、請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記第１の電力貯蔵装置と、前記第２の電力貯蔵装置とは、温度が変化した場合の入出
   力可能電力特性が異なる変化を示す、請求項１に記載の車両用電源装置。
4. 前記制御装置は、前記第１の電力貯蔵装置と前記第２の電力貯蔵装置のいずれか一方の電力貯蔵装置の充電状態を満充電状態に対して５０パーセント以上に制御するとともに、いずれか他方の電力貯蔵装置の充電状態を満充電状態に対して５０パーセント未満に制御する、請求項１に記載の車両用電源装置。
5. 充電状態が満充電状態に対して５０パーセント以上に制御された前記一方の電力貯蔵装置は、充電状態が満充電状態に対して５０パーセント未満に制御された前記他方の電力貯蔵装置よりも出力特性に優れ、
   充電状態が満充電状態に対して５０パーセント未満に制御された前記他方の電力貯蔵装置は、充電状態が満充電状態に対して５０パーセント以上に制御された前記一方の電力貯蔵装置よりも入力特性に優れる、請求項４に記載の車両用電源装置。

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