JP5282876B2 - 車両用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用電源装置に係り、より詳細には、キャパシタを構成するキャパシタセルのセルショート異常を検出することができる車両用電源装置に関する。

近年、車両の燃費向上及び環境負荷の低減の観点から、車両の停車時にエンジンを停止させるアイドリングストップが奨励されている。そして、アイドリングストップ後のエンジン再始動によるバッテリ消耗を回避するために、キャパシタの利用が考えられる。すなわち、停車のための車両減速時にモータージェネレータの回生制動により発生した電力をキャパシタに蓄積し、キャパシタに蓄積された電力をアイドリングストップ後のエンジンの再始動に使用することが考えられる。キャパシタは、短時間に充放電可能であるので、このようなエンジンの再始動の電源として好適である。

キャパシタは、互いに直列に接続された複数のキャパシタセルから構成されている。そして、各キャパシタセルの端子電圧をそれぞれ監視し、キャパシタセルの端子電圧のばらつきによる特定セルの蓄電不足を抑制し、キャパシタ全体のフェイルを抑制する技術が、下記の特許文献１に開示されている。

特開２００１−２６８７１８号公報

ところで、キャパシタを構成する複数のキャパシタセルのうち、一つ以上のキャパシタセルがショートしてしまうことがある。一部のキャパシタセルがショートすると、キャパシタ全体の耐電圧が低下する。その結果、キャパシタに供給する回生制動による電力の印加電圧を下げる必要が生じる場合がある。このため、キャパシタのセルショート異常を検出する必要性がある。

そこで、本発明は、キャパシタのセルショート異常を容易且つ高精度で検出することができる車両用電源装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明の車両用電源装置によれば、直列に接続された複数のキャパシタセルから構成されるキャパシタと、車両減速時の回生制動により、電力を上記キャパシタに供給するモータージェネレータと、上記キャパシタの電圧及び電流を検出するキャパシタ電圧電流検出手段と、上記モータージェネレータから上記キャパシタに電力が供給されるときに、上記キャパシタ電圧電流検出手段によって検出された上記キャパシタの電圧及び電流に基づいて、上記キャパシタのセルショート異常の有無を判定する異常判定手段と、を備え、上記異常判定手段は、キャパシタへ流れる充電電流の積算値に対するキャパシタ電圧の上昇率が、所定の閾値以下である場合に、上記キャパシタを構成する何れか一つ以上のキャパシタセルにセルショート異常があると判定することを特徴としている。

このように、本発明の車両用電源装置によれば、個々のキャパシタセルの電圧ではなく、充電電流積算値に対するキャパシタ全体の電圧の上昇率によりセルショート異常が検出される。このため、キャパシタのセルショート異常を容易且つ高精度で検出することができる。

また、本発明において好ましくは、上記モータージェネレータから上記キャパシタに印加される印加電圧を制御する電圧制御手段を更に備え、上記異常判定手段がセルショート異常ありと判定した場合、上記印加電圧を低下させる。

これにより、セルショートしていない残りのキャパシタセルの耐電圧が補償される。
なお、キャパシタへの印加電圧は、ショートしたキャパシタセルの数が多いほど低下させることが望ましい。すなわち、ショートしたキャパシタセルの数に応じて、段階的に低下させることが望ましい。

また、本発明において好ましくは、電圧変換を行う電圧変換手段と、上記電圧変換手段を介して、上記キャパシタと並列に接続されたバッテリと、上記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、を更に備え、上記電圧制御手段は、上記異常判定手段がセルショート異常ありと判定した場合において、上記印加電圧を低下させるときに、上記印加電圧を上記バッテリ電圧以上となるように維持する。

このように、モータージェネレータからキャパシタに印加される印加電圧が、バッテリ電圧以上に維持されれば、バッテリから電圧変換手段を介してキャパシタへ電流が流れることが防止される。その結果、バッテリの上がりが防止される。

また、本発明において好ましくは、所定のエンジン停止条件が成立すると、エンジンを自動的に停止させ、かつ、自動停止後に所定のエンジン再始動条件が成立すると、上記キャパシタから上記モータジェネレータに電力を供給してエンジンを再始動させる自動停止始動制御手段を更に備え、上記異常判定手段がセルショート異常ありと判定した場合、上記自動停止始動制御手段は、エンジンの自動停止を実行しない。

このように、セルショート異常を有するキャパシタは、耐電圧が下がり、十分な電力を蓄積できない場合がある。このため、セルショート異常を有するキャパシタに蓄積された電力を利用して、アイドリングストップ後のエンジンを再始動させようとすると、再始動不良となるおそれがある。そこで、キャパシタにセルショート異常が検出された場合、アイドリングストップを行わないことにすれば、キャパシタを利用したエンジンの再始動不良の発生が未然に防止される。

このように、本発明の車両用電源装置によれば、キャパシタのセルショート異常を容易且つ高精度で検出することができる。

以下、添付の図面を参照して、本発明の車両用電源装置の実施形態を説明する。
まず、図１のブロック図を参照して、実施形態の車両用電源装置の構成説明する。本実施形態の車両用電源装置は、停車時のアイドリングストップ後のエンジン再始動時に、バッテリではなく、キャパシタからモータージェネレータに電力を供給するのに好適な構成を有する。

図１に示すように、実施形態の車両用電源装置は、直列に接続された複数のキャパシタセルから構成されるキャパシタ１と、車両減速時の回生制動により、電力を上記キャパシタ１に供給するモータージェネレータ２と、キャパシタ１の電圧及び電流を検出するキャパシタ電圧電流検出手段３と、モータージェネレータ２からキャパシタ１に電力が供給されるときに、キャパシタキャパシタ電圧電流検出手段３によって検出されたキャパシタ１の電圧及び電流に基づいて、キャパシタ１のセルショート異常の有無を判定する異常判定手段の機能を有するＥＣＵ（electric control unit：電子制御装置）７とを備えている。

モータージェネレータ２の回転軸は、ベルト等の動力伝達手段を介して、エンジン６の回転軸に連結されている。そして、イグニッションによるエンジン始動時には、リレースイッチ９が閉じて導通状態となり、バッテリ５からモータージェネレータ２へ電力が供給される。その結果、モータージェネレータ２がモーターとして駆動され、その回転軸の回転力がエンジン６の回転軸に伝達される。なお、エンジン始動時には、キャパシタ１からもモータージェネレータ２に電力が供給される。しかし、アイドリングストップ後のエンジン再始動時には、バッテリ５の消耗を回避するため、キャパシタ１からのみモータージェネレータ２に電力が供給される。

一方、車両の減速時には、回生制動によりモータージェネレータ２が発電機として機能する。モータージェネレータ２の出力電圧は、インバータ８により交流電圧から所望の直流電圧に変換される。回生電力は、キャパシタ１に供給されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を介してバッテリ５にも供給される。

本実施形態のキャパシタ１は、直列に接続された９つのキャパシタセルから構成されている。キャパシタセル一つ当たりの最大電圧は、２．８Ｖである。したがって、正常なキャパシタ１全体の最大電圧は、２５．２Ｖ（＝２．８Ｖ×９）である。
なお、本発明では、キャパシタ１を構成するキャパシタセルの数は任意好適な数を選択することができる。ただし、キャパシタ１全体の最大電圧が、バッテリ５の電圧以上であることが望ましい。

キャパシタ電圧は、キャパシタ１全体の両端子間の電位差として測定される。すなわち、キャパシタ１の両端子のうちの一方の端子が接地されており、他方の端子の電位として測定される。また、キャパシタ電流は、この他方の端子を流れる電流として測定される。

セルショート異常の有無を判定するにあたっては、異常判定手段は、キャパシタへ流れる充電電流の積算値に対するキャパシタ電圧の上昇率が、所定の閾値以下である場合に、キャパシタを構成する何れか一つ以上のキャパシタセルにセルショート異常があると判定する。

ここで、図２のグラフを参照して、キャパシタへ流れる充電電流の積算値と、キャパシタ電圧との関係を説明する。図２のグラフの横軸は、キャパシタ充電電流（Ｉｃ）の積算値（Ｑ）を表し、縦軸は、キャパシタ電圧（Ｖ）を表す。そして、グラフ中、セルショート異常のない正常なキャパシタに充電電流（Ｉｃ）を流したときのキャパシタ電圧（Ｖ）を、直線Ｉで示す。これに対して、セルショート異常があるキャパシタに充電電流（Ｉｃ）を流したときのキャパシタ電圧（Ｖ）を、破線IIIで示す。

図２のグラフ中の直線Ｉと破線IIIとの比較から分かるように、セルショート異常がある場合の充電電流の積算値Ｑ（＝∫Ｉｃ）に対するキャパシタ電圧Ｖ（＝Ｑ／Ｃ）の上昇率（＝ΔＶ／∫Ｉｃ）が、セルショート異常がない場合のものよりも低くなっている。すなわち、グラフ中の破線IIIの傾きが、直線Ｉの傾きよりも緩やかになっている。これは、直列に接続されたキャパシタセルの一部が短絡すると、キャパシタ全体の容量Ｃが大きくなるためである。

そこで、図２のグラフ中に細線IIで示すように、正常時の上昇率（直線Ｉ）と異常時の上昇率（破線III）との間の傾きとなる所定の閾値の上昇率を設定する。そして、この閾値と検出結果とを比較して、検出結果の上昇率（直線の傾き）が閾値の上昇率（細線の高向き）以下の場合に、セルショート異常が有ると判定する。

なお、閾値の細線IIの傾きの大きさは、セルショート異常がない場合の上昇率の傾きの大きさと、１つのキャパシタセルがショートした場合の上昇率の傾きの大きさとの中間であるとよい。これにより、１つのキャパシタセルがショートしただけでもセルショート異常が検出される。

更に好ましくは、閾値は、ショートするキャパシタセルの数ごとに複数設定されることが望ましい。その場合、ショートするキャパシタセルの数が多くなるほど、図２のグラフ中で閾値を表す線の傾きは緩やかになっていく。例えば、２つのキャパシタセルのショートを検出するための閾値の直線の傾きは、１つのキャパシタセルがショートした場合の上昇率の傾きと、２つのキャパシタセルがショートした場合の上昇率の傾きとの中間であるのがよい。また、３つのキャパシタセルのショートを検出するための閾値の直線の傾きは、２つのキャパシタセルがショートした場合の上昇率の傾きと、３つのキャパシタセルがショートした場合の上昇率の傾きとの中間であるのがよい。このようにして、ｎ個（ｎは自然数）のキャパシタセルのショートを検出するための閾値の直線の傾きは、（ｎ−１）個のキャパシタセルがショートした場合の上昇率の傾きと、ｎ個のキャパシタセルがショートした場合の上昇率の傾きとの中間であるのがよい。このように閾値を設定することにより、ショートしたキャパシタセルの数を検出することができる。

さらに、本実施形態では、ＥＣＵ７とインバータ８とにより、モータージェネレータ２からキャパシタ１に印加される印加電圧を制御する電圧制御手段が構成されている。そして、セルショート異常ありと判定された場合、セルショートしていない残りのキャパシタセルの耐電圧を補償するように、電圧制御手段は印加電圧を低下させる。

セルショートするキャパシタセルの数が多いほど、キャパシタを構成する残りのキャパシタセルに印加される電圧が高くなる。このため、キャパシタへの印加電圧は、ショートしたキャパシタセルの数が多いほど低下させることが望ましい。例えば、電圧制御手段は、セルショートしたキャパシタセルの数に応じて、キャパシタ１への印加電圧を段階的に低下させることが望ましい。これにより、より適切にキャパシタの耐電圧が補償される。

さらに、本実施形態では、電圧変換を行う電圧変換手段としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１０と、電圧変換手段１０を介して、キャパシタ１と並列に接続された１４Ｖ系のバッテリ５と、バッテリ５の電圧を検出するバッテリ電圧検出手段４とを更に備えている。このＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、キャパシタ１側からバッテリ５側への降圧コンバータ機能のみを有し、昇圧機能は有していない。バッテリ電圧は、バッテリの両端子間の電位差として測定される。

なお、電圧制御手段は、セルショート異常ありと判定されて、キャパシタ１への印加電圧を低下させても、印加電圧（Ｖｃ）をバッテリ電圧（Ｖｂ）以上となるように維持する。これにより、バッテリ５に上がりが防止される。

さらに、本実施形態では、ＥＣＵ７は、所定のエンジン停止条件が成立すると、エンジン６を自動的に停止させてアイドリングストップを実行し、かつ、エンジン自動停止後に所定のエンジン再始動条件が成立すると、キャパシタ１からモータジェネレータ２に電力を供給してエンジン６を再始動させる自動停止始動制御手段の機能を果たす。

エンジン停止条件としては、例えば、車速がゼロ（停車中）であり、アクセル開度が全閉であり、かつ、ブレーキが作動している状態とするのがよい。車速は、不図示の車速センサによって検知される。また、アクセル開度は、不図示のアクセルセンサによって検知される。また、ブレーキの作動は、不図示のブレーキセンサによって検知される。かかるエンジン停止条件を検出することにより、アイドリングストップが実行される。
なお、エンジン停止条件は、上記の条件に限定されず、任意好適な条件を設定することができる。例えば、上記の条件を満たす状態になってから所定時間が経過することを更なる条件としてもよい。

また、エンジン再始動条件としては、例えば、エンジン停止条件成立後に、ブレーキの作動が停止した状態とするのがよい。エンジン再始動条件は、イグニッションによるエンジン始動の動作が行われる前に、運転者の発進意図を反映させる条件であることが望ましい。

ただし、セルショート異常ありと判定された場合には、エンジンの自動停止は実行されない。アイドリングストップ後のエンジン再始動時に、キャパシタ１から十分な電力が供給されず、エンジン再始動不良となるおそれがあるからである。

なお、図１に示すように、バッテリ５には、負荷１１も接続されている。負荷１１には、ヘッドライトやカーエアコンといった車両搭載の電気機器が該当する。

次に、図３のフローチャートを参照して、本発明の実施形態の動作例を説明する。
まず、図示しない車速センサにより車速の減速が検出された場合（Ｓ１で「Ｙｅｓ」の場合）、ＥＣＵ７は、キャパシタ電圧電流検出手段３によって検出されたキャパシタ電圧（Ｖｃ）及びキャパシタ電流（Ｉｃ）を取得する（Ｓ２）。

続いて、ＥＣＵ７は、キャパシタ１のセルショート異常の有無を判定する（Ｓ３）。
なお、好ましくは、上述のように、ショートしたキャパシタセルの数も判定されることが望ましい。

セルショート異常ありと判定された場合（Ｓ３で「Ｙｅｓ」の場合）、ＥＣＵ７は、インバータ８により、モータージェネレータ２からキャパシタ１に印加される電圧を低下させる（Ｓ４）。

なお、好ましくは、上述のように、ショートしたキャパシタセルに数に応じて、残りのキャパシタセルの耐電圧を補償するように、印加電圧が低下することが望ましい。ただし、印加電圧は、バッテリ５の上がりを防止するため、バッテリ電圧Ｖｃ以上に維持される。

続いて、ＥＣＵ７は、エンジンの自動停止を禁止する（Ｓ５）。アイドリングストップ後のエンジン再始動時に、キャパシタ１から十分な電力が供給されず、エンジン再始動不良となるおそれがあるからである。

上述した各実施形態においては、本発明を特定の条件で構成した例について説明したが、本発明は種々の変更及び組合せを行うことができ、これに限定されるものではない。

本発明の実施形態の車両用電源装置の構成を説明するブロック図である。 キャパシタ充電電流積算値とキャパシタ電圧との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態の車両用電源装置の動作例を説明するフローチャートである。

符号の説明

１ キャパシタ
２ モータージェネレータ
３ キャパシタ電圧電流検出手段
４ バッテリ電圧検出手段
５ バッテリ
６ エンジン
７ ＥＣＵ
８ インバータ
９ リレースイッチ
１０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ 負荷

Claims (4)

1. 直列に接続された複数のキャパシタセルから構成されるキャパシタと、
   車両減速時の回生制動により、電力を上記キャパシタに供給するモータージェネレータと、
   上記キャパシタの電圧及び電流を検出するキャパシタ電圧電流検出手段と、
   上記モータージェネレータから上記キャパシタに電力が供給されるときに、上記キャパシタ電圧電流検出手段によって検出された上記キャパシタの電圧及び電流に基づいて、上記キャパシタのセルショート異常の有無を判定する異常判定手段と、
   を備え、
   上記異常判定手段は、キャパシタへ流れる充電電流の積算値に対するキャパシタ電圧の上昇率が、所定の閾値以下である場合に、上記キャパシタを構成する何れか一つ以上のキャパシタセルにセルショート異常があると判定する、
   ことを特徴とする、車両用電源装置。
2. 上記モータージェネレータから上記キャパシタに印加される印加電圧を制御する電圧制御手段を更に備え、
   上記異常判定手段がセルショート異常ありと判定した場合、上記電圧制御手段は、上記印加電圧を低下させる、ことを特徴とする請求項１記載の車両用電源装置。
3. 電圧変換を行う電圧変換手段と、
   上記電圧変換手段を介して、上記キャパシタと並列に接続されたバッテリと、
   上記バッテリの電圧を検出するバッテリ電圧検出手段と、
   を更に備え、
   上記電圧制御手段は、上記異常判定手段がセルショート異常ありと判定した場合において、上記印加電圧を低下させるときに、上記印加電圧を上記バッテリ電圧以上となるように維持する、ことを特徴とする請求項２記載の車両用電源装置。
4. 所定のエンジン停止条件が成立すると、エンジンを自動的に停止させ、かつ、自動停止後に所定のエンジン再始動条件が成立すると、上記キャパシタから上記モータジェネレータに電力を供給してエンジンを再始動させる自動停止始動制御手段を更に備え、
   上記異常判定手段がセルショート異常ありと判定した場合、上記自動停止始動制御手段は、エンジンの自動停止を実行しない、ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の車両用電源装置。

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