JP5621873B2 - 車両用電源システム - Google Patents

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    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries

Description

本発明は、車両用電源システムに関するものである。
電源として複数の電池を並列接続して使用する技術が知られている(例えば特許文献1)。
特開平11−252711号公報
ところで、並列接続された二種類の電池について、二種類の電池は、各々、出力特性等が異なり、並列接続された二種類の電池(電池群)を一つの電池とみたときには特性が劣る電池で特性が決まってしまう。
本発明の目的は、鉛蓄電池と蓄電デバイスについて個々の特性を有効に発揮させることができる車両用電源システムを提供することにある。
請求項1に記載の発明では、少なくとも発電機能を有する発電機能付機器と、前記発電機能付機器から電力の供給を受ける充放電可能な鉛蓄電池と、前記鉛蓄電池に並列接続され、上限電圧が前記鉛蓄電池の上限電圧より高い充放電可能な蓄電デバイスと、前記鉛蓄電池に並列接続されたスタータモータと、前記鉛蓄電池に並列接続された鉛蓄電池用負荷と、前記鉛蓄電池の電流経路に設けられた鉛蓄電池専用開閉手段と、前記鉛蓄電池専用開閉手段のオンオフを制御する制御ユニットと、を備え、前記制御ユニットは、前記発電機能付機器が供給する電力が前記鉛蓄電池の充電可能電力より高い場合に、前記鉛蓄電池専用開閉手段をオフにして前記鉛蓄電池への充電をしないようにすることを要旨とする。
請求項1に記載の発明によれば、鉛蓄電池の電流経路に設けられた鉛蓄電池専用開閉手段を用いて鉛蓄電池と蓄電デバイスについて個々の特性を有効に発揮させることができる。
請求項2に記載のように、請求項1に記載の車両用電源システムにおいて、前記蓄電デバイスの電流経路に蓄電デバイス専用開閉手段を更に備えると、蓄電デバイス専用開閉手段を用いて鉛蓄電池と蓄電デバイスについて個々の特性を有効に発揮させる上でより好ましいものになる。
請求項3に記載のように、請求項2に記載の車両用電源システムにおいて、前記蓄電デバイスに並列接続された蓄電デバイス用負荷を更に備えるとよい。
請求項4に記載のように、請求項1〜3のいずれか1項に記載の車両用電源システムにおいて、前記発電機能付機器は、モータジェネレータであるとよい。
請求項5に記載のように、請求項1〜4のいずれか1項に記載の車両用電源システムにおいて、前記蓄電デバイスは、ニッケル水素電池であるとよい。
本発明によれば、鉛蓄電池と蓄電デバイスについて個々の特性を有効に発揮させることができる。
実施形態の車両用電源システムの電気的構成を示す図。 車両用電源システムの作用を説明するためのタイムチャート。 別例の車両用電源システムの電気的構成を示す図。 他の別例の車両用電源システムの電気的構成を示す図。
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
本実施形態では、車両としてのハイブリッド車(HV車)の電源システムに具体化している。ハイブリッド車は、動力源としてモータとエンジンを搭載しており、これらを用いて車軸を駆動する。
図1に示すように、電源システム10は、少なくとも発電機能を有する発電機能付機器としてのモータジェネレータ(MG)20と、インバータ21と、鉛蓄電池30と、蓄電デバイスとしてのニッケル水素電池40を備えている。さらに、電源システム10は、スタータモータ50と、鉛蓄電池用負荷としての補機60と、スイッチ70と、バッテリECU(ECU;電子制御ユニット)80と、モータジェネレータECU81を備えている。
図1において、鉛蓄電池30は、起電力(開回路電圧:OCV)を発生させる部位に対する内部抵抗を有する。ニッケル水素電池40は、起電力(開回路電圧:OCV)を発生させる部位に対する内部抵抗を有する。鉛蓄電池30とニッケル水素電池40の内部抵抗の値は相違している。
モータジェネレータ20は、インバータ21と接続されている。そして、回生時にモータジェネレータ20が発電機として機能する場合には、モータジェネレータ20で発生した交流をインバータ21において直流に変換して充電用電力として鉛蓄電池30やニッケル水素電池40に供給することが可能となる。また、力行時にモータジェネレータ20でトルクを得る場合には、インバータ21において鉛蓄電池30やニッケル水素電池40の直流を交流に変換してモータジェネレータ20に供給してモータジェネレータ20により車軸を回転駆動するための回転力を得ることができるようになっている。
鉛蓄電池30は、例えば上限電圧が14.4ボルトであり、下限電圧が7.2ボルトである。また、鉛蓄電池30は、SOC(state of charge)が例えば90%以上で使用される。鉛蓄電池30の負極端子はインバータ21と接続されているとともに鉛蓄電池30の正極端子はスイッチ70を介してインバータ21と接続されている。即ち、鉛蓄電池30の電流経路にスイッチ70が設けられている。そして、充放電可能な鉛蓄電池30は、鉛蓄電池専用開閉手段としてのスイッチ70を介してモータジェネレータ20(インバータ21)から電力の供給を受ける。スイッチ70として、パワートランジスタ等の半導体スイッチング素子やリレースイッチが用いられる。
鉛蓄電池30にエンジンを始動するためのスタータモータ50が並列接続されている。また、鉛蓄電池30に補機60が並列接続されている。補機60は、ラジオ、メータ、ECU、オイルポンプ、ヘッドランプ、テールランプ等の車載用機器である。
鉛蓄電池30の負極端子とインバータ21の間において電流センサ31が設けられている。電流センサ31により鉛蓄電池30への充電電流および鉛蓄電池30からの放電電流が検出される。また、鉛蓄電池30に並列に電圧センサ32が設けられている。電圧センサ32により鉛蓄電池30の両端電圧が検出される。さらに、鉛蓄電池30には温度センサ33が設けられている。温度センサ33により鉛蓄電池30の温度が検出される。
ニッケル水素電池40は10個のセルを直列接続して構成されている。ニッケル水素電池40は、例えば上限電圧が16ボルトであり、下限電圧が9ボルトである。よって、充放電可能なニッケル水素電池40は上限電圧が鉛蓄電池30の上限電圧より高い。また、ニッケル水素電池40は、SOCが例えば20%〜80%で使用される。ニッケル水素電池40は、鉛蓄電池30に比べ充電受入性が良い。また、一般的に、ニッケル水素電池40は、鉛蓄電池30に比べて低温特性が悪いという性質がある。ニッケル水素電池40の負極端子はインバータ21と接続されているとともにニッケル水素電池40の正極端子はインバータ21と接続されている。そして、充放電可能なニッケル水素電池40はモータジェネレータ20から電力の供給を受ける。
ニッケル水素電池40の負極端子とインバータ21の間に電流センサ41が設けられている。電流センサ41によりニッケル水素電池40への充電電流およびニッケル水素電池40からの放電電流が検出される。また、ニッケル水素電池40に並列に電圧センサ42が設けられている。電圧センサ42によりニッケル水素電池40の両端電圧が検出される。さらに、ニッケル水素電池40には温度センサ43が設けられている。温度センサ43によりニッケル水素電池40の温度が検出される。
バッテリECU80には、電流センサ31、電圧センサ32、温度センサ33が接続され、各センサ31,32,33の検出信号を入力する。また、バッテリECU80には、電流センサ41、電圧センサ42、温度センサ43が接続され、各センサ41,42,43の検出信号を入力する。
バッテリECU80にはスイッチ70が接続され、バッテリECU80はスイッチ70をオンオフ(開閉)制御することができるようになっている。また、モータジェネレータECU81にはインバータ21が接続され、モータジェネレータECU81はインバータ21(モータジェネレータ20)の出力電力等を制御することができるようになっている。
モータジェネレータECU81には車両ECU82が接続されている。また、バッテリECU80には車両ECU82が接続されている。
バッテリECU80は、2つの電池(鉛蓄電池30、ニッケル水素電池40)を制御するECUである。詳しくは、バッテリECU80は、2つの電池(鉛蓄電池30、ニッケル水素電池40)のエネルギーをマネージメントする働きをするもので、電圧や電流、温度、SOCなどの情報から2つの電池(鉛蓄電池30、ニッケル水素電池40)への電力の出入りを制御する。具体的には、スイッチ70をオンオフ(開閉)制御する。つまり、スイッチ70のオンオフ制御がバッテリECU80からの信号で行われる。
モータジェネレータECU81は、モータジェネレータ20(インバータ21)を制御するECUである。モータジェネレータECU81は、車減速要求や加速要求を車両ECU82から受け、モータジェネレータ20をモータ駆動(力行)とするかジェネレータ駆動(回生)とするかを制御する。さらに、モータジェネレータECU81はバッテリECU80からの情報に基づいて電池30,40への出力を制限する。具体的には、インバータ21(モータジェネレータ20)の出力電力を制御して電池30,40への出力を制限する。
車両ECU82はモータジェネレータECU81やバッテリECU80を制御して充放電動作を行わせるようになっている。即ち、車両ECU82は、回生時に車両として回生エネルギーがどれだけか推定して走行負荷に応じた電池要求電力をモータジェネレータECU81やバッテリECU80に指令する。この指令を受けてモータジェネレータECU81はインバータ21を、また、バッテリECU80はスイッチ70を制御する。
次に、このように構成した電源システム10の作用について説明する。
バッテリECU80は、充電可能電力Winおよび放電可能電力Woutについて、制限を加えるためのWin値およびWout値を演算する。
詳しくは、バッテリECU80は、鉛蓄電池30について、電流センサ31により検出された鉛蓄電池30の充放電電流、電圧センサ32により検出された鉛蓄電池30の両端電圧、温度センサ33により検出された鉛蓄電池30の温度から、SOCを求める。SOCは電流積算で求められ、具体的には、初期SOCと充放電電流の時間積分値との和によって求められる。この電流積分によるSOCの検出は電流センサの誤差の蓄積によってずれが発生するので、ずれの補正のために各温度における開放電圧とSOCの関係を予め求めておき、そのときの開放電圧に対するSOCを求めて補正を行う。また、電池の充放電電力を算出すべく、そのときの温度とそのときのSOCにおける電流を流し始めてから所定の時間(例えば充放電の開始から10秒経過時点)における電流値と電圧値の関係を予め求めている。そして、電池の上限電圧と下限電圧に対応する充電最大電流と放電最大電流を求め、上限電圧と充電最大電流との積算値を充電可能な電力(充電可能電力)Winとするとともに下限電圧と放電最大電流との積算値を放電可能な電力(放電可能電力)Woutとする。
同様に、バッテリECU80は、ニッケル水素電池40について、電流センサ41により検出されたニッケル水素電池40の充放電電流、電圧センサ42により検出されたニッケル水素電池40の両端電圧、温度センサ43により検出されたニッケル水素電池40の温度から、SOCを求める。SOCは電流積算で求められ、具体的には、初期SOCと充放電電流の時間積分値との和によって求められる。この電流積分によるSOCの検出は電流センサの誤差の蓄積によってずれが発生するので、ずれの補正のために各温度における開放電圧とSOCの関係を予め求めておき、そのときの開放電圧に対するSOCを求めて補正を行う。また、電池の充放電電力を算出すべく、そのときの温度とそのときのSOCにおける電流を流し始めてから所定の時間(例えば充放電の開始から10秒経過時点)における電流値と電圧値の関係を予め求めている。そして、電池の上限電圧と下限電圧に対応する充電最大電流と放電最大電流を求め、上限電圧と充電最大電流との積算値を充電可能な電力(充電可能電力)Winとするとともに下限電圧と放電最大電流との積算値を放電可能な電力(放電可能電力)Woutとする。
バッテリECU80は、このようにして算出した鉛蓄電池30のWin値、ニッケル水素電池40のWin値、鉛蓄電池30のWout値、ニッケル水素電池40のWout値を、モータジェネレータECU81に送る。つまり、複数の電池が並列接続されて構成された電源での各電池で充放電可能な充放電可能電力(Win/Wout)を算出して得た充放電可能電力(Win/Wout)を上位ECUであるモータジェネレータECU81に渡す。
なお、バッテリECU80は、算出した鉛蓄電池30のWin値とニッケル水素電池40のWin値の和を求めるとともに鉛蓄電池30のWout値とニッケル水素電池40のWout値の和を求め、モータジェネレータECU81に送るようにしてもよい。つまり、複数の電池が並列接続されて構成された電源での充放電可能電力(Win/Wout)として、各電池で充放電可能な充放電可能電力(Win/Wout)を算出して、それらの和とし、このようにして得た充放電可能電力(Win/Wout)を上位ECUであるモータジェネレータECU81に渡すようにしてもよい。
モータジェネレータECU81やバッテリECU80は車両ECU82から電池要求電力指令を受ける。この電池要求電力(充放電要求電力)に対し制限値(制限Win,Wout)に基づいてバッテリECU80においては電池要求電力の大きさによって図1のスイッチ70(鉛蓄電池専用スイッチ70)のオンオフの制御を行うとともにモータジェネレータECU81においてはインバータ21の出力制御を行う。一例として、図2に示すような電池要求充電電力L1が要求されたとする。
図2において、横軸に時間をとり、縦軸に回生電力をとっている。この図2において、
回生電力について第1の閾値Wth1と第2の閾値Wth2が設定されている。第1の閾値Wth1は、鉛蓄電池30の充電可能電力(Win)であり、鉛蓄電池30の上限電圧の14.4ボルトに相当する。第2の閾値Wth2は、ニッケル水素電池40の充電可能電力(Win)であり、ニッケル水素電池40の上限電圧の16ボルトに相当する。第1の閾値Wth1よりも小さな回生電力を第1領域Z1としている。第1の閾値Wth1から第2の閾値Wth2までの回生電力を第2領域Z2としている。第2の閾値Wth2よりも大きな回生電力を第3領域Z3としている。
バッテリECU80は電池への要求電力が第1領域Z1の範囲にある場合は、スイッチ70をオンの状態にしてインバータ21(モータジェネレータ20)からの充電電力を鉛蓄電池30およびニッケル水素電池40で受けるようにする。つまり、この第1領域Z1は、電池の上限電圧が14.4ボルトの場合のスイッチ70がオンの時に充電可能な電力の領域である。
また、バッテリECU80は電池への要求電力が第2領域Z2の範囲にある場合は、スイッチ70をオフの状態にしてニッケル水素電池40で充電電力を受けるようにする。つまり、第2領域Z2は、電池の上限電圧が16ボルトのときに、ニッケル水素電池40単独で充電可能な電力の領域であり、鉛蓄電池30の上限電圧は14.4ボルトなので、14.4ボルト以上の充電はしないようにして、鉛蓄電池30の上限電圧以上の充電による劣化の促進を防止して鉛蓄電池30の短寿命化を回避する。
バッテリECU80は電池への要求電力が第3領域Z3の範囲にある場合は、スイッチ70をオフの状態にしてニッケル水素電池40で充電電力を受けるようにする。また、第3領域Z3は、ニッケル水素電池40単独で充電可能な電力範囲である第2領域Z2を越えているため、モータジェネレータECU81はインバータ21(モータジェネレータ20)からの充電電力を絞る。
上記のような第1領域Z1〜第3領域Z3を設定することにより、図2に示すように電池要求充電電力L1に対し制限が加わり制限後充電電力L2のようになる。
なお、充電時の説明を行ったが、放電時についても同様にしてスイッチ70のオンオフ制御およびインバータ21(モータジェネレータ20)の出力制御を行う。
一方、スタータモータ50は鉛蓄電池30で駆動される。ここで、鉛蓄電池30はニッケル水素電池40に比べ低温特性が良いのでスタータモータ50を駆動する上で好ましい。
また、補機60が鉛蓄電池30で駆動される。つまり、鉛蓄電池仕様の補機60なので鉛蓄電池30で補機60を駆動することができる。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
(1)電源システム10の構成として、モータジェネレータ20と、鉛蓄電池30と、鉛蓄電池30に並列接続され、上限電圧が鉛蓄電池の上限電圧より高い充放電可能な蓄電デバイスとしてのニッケル水素電池40を備える。さらに、鉛蓄電池30に並列接続されたスタータモータ50と、鉛蓄電池30に並列接続された補機60と、鉛蓄電池30の電流経路に設けられたスイッチ70とを備える。よって、スイッチ70を用いて鉛蓄電池30とニッケル水素電池40について個々の特性を有効に発揮させることができる。
(2)詳しくは、鉛蓄電池とニッケル水素電池を単に並列接続した場合にはニッケル水素電池の上限電圧は鉛蓄電池の上限電圧よりも高いが鉛蓄電池の14ボルトが上限電圧となり、図2での第1の閾値(14.4ボルト相当)以上は充電出力制限をかけることになるが、本実施形態では第2の閾値(16ボルト相当)まで広くできる。よって、ニッケル水素電池40の電圧範囲を広く使えることにより回生電力を多く回収することができる。具体的には、例えば、鉛蓄電池とニッケル水素電池(10直列)の場合において、ニッケル水素電池の上限電圧が16ボルトなのに対して、鉛蓄電池の上限電圧は14.4ボルトである。そのため、単に並列接続しただけではニッケル水素電池+鉛蓄電池の充電が14.4ボルトに制限され、充電電力が小さくなる。
これに対し、本実施形態では、鉛蓄電池30、ニッケル水素電池40のそれぞれの電圧範囲を広範囲で使えるとともに電圧範囲に対応するSOC範囲を広範囲で使える。そのため、充放電を行う電力を大きくすることができる。詳しくは、スイッチ70を用いた回路構成にすることで、電池30,40を単純並列接続した場合に比べ、大きな電力を充放電することができる。具体的には、鉛蓄電池30とニッケル水素電池(10直列)40の場合において、ニッケル水素電池40を16ボルトで充電できるため大きな電力を充電することができる。
また、本実施形態ではニッケル水素電池40の電圧が16ボルトになっても、補機60にかかる電圧が16ボルトにならないため、ニッケル水素電池40の電圧を16ボルトまで上げられる。つまり、補機60の電圧範囲は16ボルト以下に設計されている車両が多く、ニッケル水素電池を16ボルトで充電できないが、本実施形態では可能となる。
(3)スタータモータ50は、鉛蓄電池30と並列に接続する構成としている。これにより、スタータモータ50は、鉛蓄電池30の上限電圧14.4ボルト以上となることは無いため、鉛蓄電池30とニッケル水素電池40を用いた構成であっても汎用されている車両用のスタータモータを特別な回路などを介することなく使用することができる。
(4)補機60は、鉛蓄電池30と並列に接続する構成とした。これにより、補機60は、鉛蓄電池の上限電圧14.4ボルト以上となることは無いため、鉛蓄電池30とニッケル水素電池40を用いた構成であっても汎用されている車両の補機を特別な回路などを介することなくそのまま使用することができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・図1に代わり、図3に示すように、ニッケル水素電池40の電流経路に、蓄電デバイス専用開閉手段としてのスイッチ71を設けてもよい。詳しくは、鉛蓄電池30とスイッチ70の直列回路に対し、ニッケル水素電池40とスイッチ71の直列回路を並列接続する。そして、ニッケル水素電池40はスイッチ71を介してモータジェネレータ20(インバータ21)から電力の供給を受けるようにする。この場合、スイッチ71を用いてより高度な制御が可能となり、鉛蓄電池とニッケル水素電池(蓄電デバイス)について個々の特性を有効に発揮させる上でより好ましいものになる。例えば、バッテリECU80等によりニッケル水素電池40の温度が閾値よりも高くなるとスイッチ71を開くようにすることもできる。即ち、高温時にニッケル水素電池40を動作させることで寿命が低下することがあるが、ニッケル水素電池40のスイッチ71を追加することで、寿命延伸が可能となる。
また、バッテリECU80等によりスイッチ71を開けることにより鉛蓄電池30のリフレッシュ制御(定電圧充電を行った後にサルフェーション防止のために例えば20時間に1回満充電する制御)を行うが可能となる。即ち、ニッケル水素電池40のスイッチ71が無いと、鉛蓄電池30の定電圧充電を行うと、ニッケル水素電池40が過充電になる可能性があるが、これを防止することができる。また、スイッチ70,71があることにより鉛蓄電池30の下限電圧(7.2ボルト)、ニッケル水素電池40の下限電圧(9ボルト)まで使える。
また、バッテリECU80等によりSOCの制御を個別に制御できる。さらに、ニッケル水素電池40を個別制御できるため、ニッケル水素電池40のSOC範囲を広く使える。
なお、スイッチ71として、パワートランジスタ等の半導体スイッチング素子やリレースイッチが用いられる。
・図3に代わり、図4に示すように、ニッケル水素電池40に、蓄電デバイス用負荷としての補機90を並列接続してもよい。ニッケル水素電池40に並列接続された補機90を更に備えると、16ボルト仕様の補機90を安定的に駆動することができる。
・蓄電デバイスはニッケル水素電池に限ることなく、鉛蓄電池よりも上限電圧が高ければ良く、例えばリチウムイオン二次電池やキャパシタ等であってもよい。
・モータジェネレータ20とインバータ21とを備えていたが、オルタネータ(交流発電機)とインバータを備える構成としてもよい。即ち、発電機能のみ有する機器としてもよい。この場合、スイッチ70を閉じることによりニッケル水素電池40で鉛蓄電池30を充電することができる。
10…蓄電デバイス、20…モータジェネレータ、30…鉛蓄電池、40…ニッケル水素電池、50…スタータモータ、60…補機、70…スイッチ、71…スイッチ、90…補機。

Claims (5)

  1. 少なくとも発電機能を有する発電機能付機器と、
    前記発電機能付機器から電力の供給を受ける充放電可能な鉛蓄電池と、
    前記鉛蓄電池に並列接続され、上限電圧が前記鉛蓄電池の上限電圧より高い充放電可能な蓄電デバイスと、
    前記鉛蓄電池に並列接続されたスタータモータと、
    前記鉛蓄電池に並列接続された鉛蓄電池用負荷と、
    前記鉛蓄電池の電流経路に設けられた鉛蓄電池専用開閉手段と、
    前記鉛蓄電池専用開閉手段のオンオフを制御する制御ユニットと、
    を備え
    前記制御ユニットは、前記発電機能付機器が供給する電力が前記鉛蓄電池の充電可能電力より高い場合に、前記鉛蓄電池専用開閉手段をオフにして前記鉛蓄電池への充電をしないようにすることを特徴とする車両用電源システム。
  2. 前記蓄電デバイスの電流経路に蓄電デバイス専用開閉手段を更に備えたことを特徴とする請求項1に記載の車両用電源システム。
  3. 前記蓄電デバイスに並列接続された蓄電デバイス用負荷を更に備えたことを特徴とする請求項2に記載の車両用電源システム。
  4. 前記発電機能付機器は、モータジェネレータであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の車両用電源システム。
  5. 前記蓄電デバイスは、ニッケル水素電池であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の車両用電源システム。
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