JP5924306B2

JP5924306B2 - 車両用電源制御装置

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Publication number: JP5924306B2
Application number: JP2013110486A
Authority: JP
Inventors: 敏貴 ▲高▼橋
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2033-05-27
Also published as: JP2014230448A

Description

本発明は、パワー電池と、該パワー電池よりも出力密度が小さくかつエネルギー密度が大きいエネルギー電池とを備えた車両用電源制御装置に関する技術分野に属する。

従来より、電気自動車等において、車両駆動用の電動モータに電力を供給する車両用電源として、パワー電池やエネルギー電池を用いることが知られている。パワー電池及びエネルギー電池は、出力密度及びエネルギー密度が互いに異なり、エネルギー電池は、パワー電池よりもエネルギー密度が大きく、高容量にすることが可能である一方、パワー電池は、エネルギー電池よりも出力密度が大きくて、高出力にすることが可能である。

ここで、車両用電源をパワー電池又はエネルギー電池のいずれか単独で構成して、このような電源によって電動モータの要求出力と要求走行距離の両方を満たそうとすると、電源が大型化する等、冗長設計となるという問題がある。

そこで、例えば特許文献１では、パワー電池とエネルギー電池とを車両駆動用の電動モータに対して並列に接続して、該各電池の電動モータへの電圧及び電流を制御することが開示されている。これによれば、要求出力と要求走行距離の両方を満たしながら、電源が冗長設計となることを抑制することができる。

また、例えば特許文献２では、パワー電池とエネルギー電池とを、エネルギー電池の電圧を受けて昇圧した電圧をパワー電池に加える昇圧手段（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を介して並列に接続するとともに、上記昇圧手段によって電圧を昇圧する昇圧状態と、昇圧を停止してパワー電池とエネルギー電池とを並列接続する昇圧停止状態とに切り換えるようにすることが開示されている。

特開２０１１−２５０６８６号公報特開２００６−１２１８７４号公報

しかし、特許文献２の電源では、エネルギー電池からパワー電池又は車両駆動用の電動モータに電力を供給する場合、その電力供給は、常に昇圧手段（ＤＣ−ＤＣコンバータ）を介して行われるため、エネルギーロスが発生するという問題がある。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、パワー電池とエネルギー電池とを備えた車両用電源制御装置において、エネルギー電池からパワー電池又は車両駆動用の電動モータへの電力供給を出来る限り効率良く行いながら、要求出力と要求走行距離の両方を満たすようにすることにある。

上記の目的を達成するために、本発明では、パワー電池と、該パワー電池よりも出力密度が小さくかつエネルギー密度が大きいエネルギー電池とを備えた車両用電源制御装置を対象として、上記パワー電池から車両駆動用の電動モータに電力を供給する第１電力供給回路と、上記第１電力供給回路に接続されて、記エネルギー電池から上記パワー電池又は上記電動モータに電力を供給する第２電力供給回路とを備え、上記第２電力供給回路は、上記エネルギー電池の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、該昇圧回路をバイパスするバイパス回路と、該第２電力供給回路を、上記バイパス回路を介して上記エネルギー電池から上記パワー電池又は上記電動モータに電力を供給可能な第１電力供給可能状態と上記昇圧回路を介して上記エネルギー電池から上記パワー電池又は上記電動モータに電力を供給可能な第２電力供給可能状態とに切り換える切換手段とを有し、上記エネルギー電池の出力電圧から上記パワー電池の出力電圧を引いた値である電圧差が、所定値よりも大きいか否かを判定する電圧判定手段と、上記切換手段を制御する切換制御手段とを更に備え、上記切換制御手段は、上記電圧判定手段により上記電圧差が上記所定値よりも大きいと判定されたときには、上記切換手段により上記第２電力供給回路を上記第１電力供給可能状態にする一方、上記電圧判定手段により上記電圧差が上記所定値よりも大きくないと判定されたときには、上記切換手段により上記第２電力供給回路を上記第２電力供給可能状態にするように構成されている、という構成とした。

上記の構成により、エネルギー電池の出力電圧からパワー電池の出力電圧を引いた値である電圧差が、所定値（０乃至０よりも僅かに大きい値）よりも大きい場合には、バイパス回路を介してエネルギー電池からパワー電池又は電動モータに電力を供給することができ、エネルギー電池からパワー電池又は電動モータへの電力供給を効率良く行うことができる。一方、上記電圧差が上記所定値よりも大きくなくても、昇圧回路を介してエネルギー電池からパワー電池又は電動モータに電力を供給することができる。ここで、電動モータによる車両走行中であれば、パワー電池から電動モータに電力を供給するとともに、エネルギー電池からも電動モータに電力を供給することができる。この場合、エネルギー電池の出力密度は小さいので、エネルギー電池から電動モータへの電力供給量は少なく、エネルギー電池からの電力で足りない分を、パワー電池からの放電により対応することができる。この結果、パワー電池からの放電を出来る限り抑制することができる。また、高速道路の長時間走行時のように停止及び減速の機会が少ない場合であっても、長距離を連続して走行することができる。一方、車両停止中であれば、エネルギー電池からパワー電池に電力を供給して充電することができ、パワー電池の残容量の低下を抑制することができる。したがって、要求出力と要求走行距離の両方を満たすことができる。また、上記のようにパワー電池は、エネルギー電池からの電力だけでは足りない分の電力を放電する必要があるため、パワー電池の出力電圧の方がエネルギー電池の出力電圧よりも低くなる傾向にある。これにより、基本的には、バイパス回路を介してエネルギー電池からパワー電池又は電動モータに電力が供給されることになる。この結果、エネルギー電池からパワー電池又は電動モータへの電力供給を出来る限り効率良く行うことができる。

上記車両用電源制御装置において、上記エネルギー電池の温度が所定範囲内にあるか否かを判定する温度判定手段を更に備え、上記切換手段は、上記第２電力供給回路を更に、上記エネルギー電池から上記パワー電池及び上記電動モータに電力を供給不能な電力供給不能状態に切り換えることが可能に構成されており、上記切換制御手段は、上記温度判定手段により上記エネルギー電池の温度が上記所定範囲内にあると判定されたときには、上記電圧判定手段による判定結果に応じて、上記切換手段により上記第２電力供給回路を上記第１又は第２電力供給可能状態にする一方、上記温度判定手段により上記エネルギー電池の温度が上記所定範囲内にないと判定されたときには、上記切換手段により上記第２電力供給回路を上記電力供給不能状態にするように構成されている、ことが好ましい。

このことにより、エネルギー電池の温度が所定範囲内になければ、第２電力供給回路が電力供給不能状態になり、エネルギー電池からパワー電池及び電動モータへの電力供給は行われない。上記所定範囲を、これを外れた温度でエネルギー電池からの放電を行うと、エネルギー電池の寿命を短縮するような温度範囲に設定しておけば、エネルギー電池が早期に劣化するのを抑制することができる。

上記車両用電源制御装置において、上記エネルギー電池から、上記電動モータ及び上記パワー電池以外の車載電装品に電力を供給する第３電力供給回路を更に備えている、ことが好ましい。

こうすることで、パワー電池からの放電を出来る限り抑制して、要求出力と要求走行距離の両方を満たすようにすることができる。

上記車両用電源制御装置の一実施形態では、上記第２電力供給回路は、車両外部の普通充電器と接続される普通充電器接続回路を更に有し、上記切換手段は、上記第２電力供給回路を更に、上記普通充電器により上記普通充電器接続回路及び上記昇圧回路を介して上記パワー電池及び上記エネルギー電池を充電可能な普通充電可能状態に切り換えることが可能に構成されており、上記切換制御手段は、上記普通充電器接続回路が上記普通充電器と接続されたときに、上記切換手段により上記第２電力供給回路を上記普通充電可能状態にするように構成されている。

このことにより、車両外部の普通充電器（家庭用電源）によるパワー電池及びエネルギー電池への普通充電を、第２電力供給回路の昇圧回路を利用して行うことができ、これにより、普通充電のために別途に昇圧回路を設ける必要がなく、車両のコスト及び重量を低減することができる。また、車両外部の普通充電器によりパワー電池及びエネルギー電池を同時に充電することができ、１回の普通充電で車両の走行可能な距離を長くすることができる。

上記車両用電源制御装置の別の実施形態では、上記第２電力供給回路は、車両外部の急速充電器と接続される急速充電器接続回路を更に有し、上記切換手段は、上記第２電力供給回路を更に、上記急速充電器により上記急速充電器接続回路を介して上記パワー電池及び上記エネルギー電池を充電可能な急速充電可能状態に切り換えることが可能に構成されており、上記切換制御手段は、上記急速充電器接続回路が上記急速充電器と接続されたときに、上記切換手段により上記第２電力供給回路を上記急速充電可能状態にするように構成されている。

このことで、車両外部の急速充電器によりパワー電池及びエネルギー電池を同時に充電することができ、１回の急速充電で車両の走行可能な距離を長くすることができる。

以上説明したように、本発明の車両用電源制御装置によると、エネルギー電池の出力電圧からパワー電池の出力電圧を引いた値である電圧差が、所定値よりも大きい場合には、切換手段により第２電力供給回路を第１電力供給可能状態（バイパス回路によりエネルギー電池からパワー電池又は車両駆動用の電動モータに電力を供給可能な状態）にする一方、上記電圧差が上記所定値よりも大きくない場合には、上記切換手段により第２電力供給回路を第２電力供給可能状態（昇圧回路を介してエネルギー電池からパワー電池又は電動モータに電力を供給可能な状態）にするようにしたことにより、エネルギー電池からパワー電池又は電動モータへの電力供給を出来る限り効率良く行いながら、要求出力と要求走行距離の両方を満たすようにすることができる。

本発明の実施形態に係る車両用電源制御装置を示す概略回路図であって、第１乃至第３スイッチにより第２電力供給回路が第１電力供給可能状態にあるときを示す。パワー電池の充電可能量がエネルギー電池の第１電池モジュールの放電可能量よりも小さい場合の、エネルギー電池によるパワー電池の充電の一例を説明するための図である。パワー電池の充電可能量がエネルギー電池の第１電池モジュールの放電可能量よりも大きい場合の、エネルギー電池によるパワー電池の充電の一例を説明するための図である。第１乃至第３スイッチにより第２電力供給回路が第２電力供給可能状態にあるときを示す図１相当図である。第１乃至第３スイッチにより第２電力供給回路が電力供給不能状態にあるときを示す図１相当図である。第１乃至第３スイッチにより第２電力供給回路が普通充電可能状態にあるときを示す図１相当図である。第１乃至第３スイッチにより第２電力供給回路が急速充電可能状態にあるときを示す図１相当図である。コントローラによる、第２電力供給回路における第１及び第２電力供給可能状態並びに電力供給不能状態の切換えに関する制御動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る車両用電源制御装置１を示す。この車両用電源制御装置１は、電動車両（電気自動車）に搭載されたものである。

車両用電源制御装置１は、パワー電池２（図１では、Ｐ電池と記載）と、該パワー電池２よりも出力密度が小さくかつエネルギー密度が大きいエネルギー電池３（図１では、Ｅ電池と記載）とを備えている。ここでは、上記出力密度は、重量出力密度及び体積出力密度の両方を含み、上記エネルギー密度は、重量エネルギー密度及び体積エネルギー密度の両方を含む。本実施形態では、パワー電池２及びエネルギー電池３の開放電圧は、例えば３００〜４００Ｖであり、初期の開放電圧は略同じであることが好ましい。

上記パワー電池２は、本実施形態では、リチウムイオン二次電池である。パワー電池２は、単一の電池モジュール１４を有している（図２及び図３参照）。この各電池モジュール１４は、複数（本実施形態では６個）の電池セル１５を含んでいる。これらの電池セル１５は、互いに直列接続されている。尚、パワー電池２が、互いに並列接続された複数の電池モジュール１４を有していてもよい。

パワー電池２のエネルギー容量は、市場一般の１日当たりの車両走行距離を走行可能な量に設定される。具体的には、市場一般の所定のパーセンタイル（本実施形態では８０パーセンタイル）をカバーする（賄う）１日当たりの走行距離をＬ（ｋｍ）、電費（電気自動車の電力消費率）をε（ｋｍ／ｋＷｈ）、パワー電池２の実効エネルギー容量をＥ′（ｋＷｈ）とし、パワー電池２の充電率（ＳＯＣ）の使用範囲（パワー電池２の所定の上限充電率から所定の下限充電率までの範囲）をβとすると、パワー電池２のエネルギー容量Ｅ（ｋＷｈ）は、
Ｌ／ε≦Ｅ′＝Ｅ・β…（１）
を満たす。

例えば、市場一般の８０パーセンタイルをカバーする１日当たりの走行距離Ｌを４０（ｋｍ）、電費εを１０（ｋｍ／ｋＷｈ）、パワー電池２の充電率の使用範囲βを０．７（パワー電池２の上限充電率が０．９、下限充電率が０．２）に設定する。このとき、これらの値を式（１）に代入して変形すると、
Ｅ≧Ｌ／（ε・β）＝４０／（１０×０．７）＝５．７
となる。この条件を満たしかつ後述の電動モータ５の要求出力を満たす電池が、本実施形態のパワー電池２として選択される。こうして選択されるパワー電池２は、軽量・コンパクトなものであることが好ましい。

上記エネルギー電池３は、本実施形態では、リチウムイオン二次電池である。エネルギー電池３は、複数（本実施形態ではＬ個（Ｌ≧３））の電池モジュール３０を有している（図２及び図３を参照）。これらの電池モジュール３０は、互いに並列接続されている。各電池モジュール３０は、複数（本実施形態では８個）の電池セル３１をそれぞれ含んでいる。各電池モジュール３０の該複数の電池セル３１は、互いに直列接続されている。エネルギー電池３は、電池容量がパワー電池２よりも大きい。エネルギー電池３は、その全部又は一部を交換可能になっている。

エネルギー電池３は、その許容連続放電Ｃレートで放電することでパワー電池２を予め設定された所定の要求充電時間内（例えば、３０分以内）に充電可能になっている。具体的には、パワー電池２の充電率の使用範囲をβ、パワー電池２のエネルギー容量に対するエネルギー電池３のエネルギー容量の比をα、エネルギー電池３の許容連続放電Ｃレートをｘ（Ｃ）、エネルギー電池３の充電率の使用範囲（エネルギー電池３の所定の上限充電率から所定の下限充電率までの範囲）をβ′、要求充電時間をＴ（ｈ）とすると、エネルギー電池３は、
β／（ｘ・α・β′）≦Ｔ…（２）
を満たす。

例えば、パワー電池２の充電率の使用範囲βを０．７（パワー電池２の上限充電率が０．９、下限充電率が０．２）、エネルギー電池３の充電率の使用範囲β′を０．９、要求充電時間Ｔを０．５（ｈ）に設定する。このとき、これらの値を式（２）に代入して変形すると、
ｘ・α≧β／（β′・Ｔ）＝０．７／（０．９×０．５）＝１．５６
となる。この条件を満たす電池が、本実施形態のエネルギー電池３として選択される。こうして選択されるエネルギー電池３は、軽量・コンパクトなものであることが好ましい。

エネルギー電池３は、その一部の電池セル３１によってパワー電池２を充電可能なときには、その一部の電池セル３１のみによってパワー電池２を充電可能になっている。具体的には、図２に示すように、例えば、パワー電池２の充電可能量がエネルギー電池３の第１電池モジュール３０の放電可能量よりも小さい場合は、パワー電池２の充電をエネルギー電池３の第１電池モジュール３０の電池セル３１のみによって行う。一方、図３に示すように、例えば、パワー電池２の充電可能量がエネルギー電池３の第１電池モジュール３０の放電可能量よりも大きい場合は、パワー電池２の充電を、エネルギー電池３の第１電池モジュール３０の放電可能な電池セル３１と第２電池モジュール３０の電池セル３１によって行う。

車両用電源制御装置１は、パワー電池２から、高電圧・高出力の電気負荷である車両駆動用の電動モータ５に電力を供給する第１電力供給回路８と、エネルギー電池３からパワー電池２又は電動モータ５に電力を供給する第２電力供給回路２０とを備えている。

上記第１電力供給回路８には、電動モータ５を駆動制御するためのインバータ４が設けられており、パワー電池２からの電力がインバータ４を含む第１電力供給回路８を介して電動モータ５に供給される。電動モータ５は、その駆動力によって当該車両の駆動輪（不図示）を駆動する。また、電動モータ５は、インバータ４によって、車両減速時に回生電力を生じるようになされ、この回生電力は、第１電力供給回路８を介してパワー電池２に供給されて充電される。尚、インバータ４は後述のコントローラ１２によって制御される。

上記第２電力供給回路２０は、上記第１電力供給回路８に接続されていて、エネルギー電池３からの電力を第１電力供給回路８を介してパワー電池２又は電動モータ５に供給する。本実施形態では、電動モータ５による車両走行中であるときには、パワー電池２から電動モータ５に電力が供給されるとともに、エネルギー電池３からも電動モータ５に電力が供給される。エネルギー電池３の出力密度は小さいので、エネルギー電池３からの供給電力量（エネルギー電池３の放電電力量）は、所定量以下の一定値であり、エネルギー電池からの電力で足りない分を、パワー電池２からの放電により対応する。また、車両停止中であるときには、エネルギー電池３からパワー電池２に電力を供給して充電する。

また、車両用電源制御装置１は、エネルギー電池３から、電動モータ５及びパワー電池２以外の車載電装品に電力を供給する第３電力供給回路９を更に備えている。この車載電装品としては、電動モータ５よりも低電圧・低出力の電気負荷であって、図１に示すように、電動空調装置４１やカーアクセサリ４２（図１では、ＡＣＣと記載）等が挙げられる。また、本実施形態では、上記車載電装品として、エンジンにより駆動される車両に一般的に搭載されている１２Ｖの鉛蓄電池４３（図１では、１２Ｖ電池と記載）が設けられている。この鉛蓄電池４３は、電動モータ５よりも低電圧・低出力の電気負荷（ここでは、コントローラ１２等）に電力を供給するものであって、エネルギー電池３からの電力がＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して供給されて充電される。

電動空調装置４１は、エネルギー電池３からの電力が供給されて作動して、車両の車室内の空気の温度や湿度、清浄度等の調節を行う。カーアクセサリー４２は、エネルギー電池３からの電力がＤＣ−ＤＣコンバータ１３を介して供給されて作動する。尚、カーアクセサリー４２に鉛蓄電池４３からの電力を供給するようにしてもよい。カーアクセサリー４２は、具体的には、カーオーディオやカーナビゲーション等である。電動空調装置４１とカーアクセサリー４２とは、互いに並列接続されている。

上記第２電力供給回路２０は、エネルギー電池３の出力電圧を昇圧する、ＤＣ−ＤＣコンバータを含む昇圧回路２１と、該昇圧回路２１をバイパスするバイパス回路２２と、第１乃至第３スイッチ２３〜２５とを有している。

第１スイッチ２３は、エネルギー電池３と接続された端子２３ａを、バイパス回路２２が接続された端子２３ｂに接続した第１状態（図１、図６及び図７に示す状態）と、端子２３ａを端子２３ｃに接続した第２状態（図４及び図５に示す状態）とに切り換え可能になっている。

第２スイッチ２４は、昇圧回路２１の入力側が接続された端子２４ａを、端子２３ｃに接続された端子２４ｂ（ここでは、第１スイッチ２３の端子２３ｃと共用とする）に接続した第１状態（図１、図４及び図５に示す状態）と、端子２４ａを、後述の普通充電器接続回路２７が接続された端子２４ｃに接続した第２状態（図６に示す状態）と、端子２４ａを、端子２４ｂ及び端子２４ｃのいずれにも接続しない第３状態（図７に示す状態）とに切り換え可能になっている。

第３スイッチ２５は、昇圧回路２１の出力側が接続された端子２５ａを、第１電力供給回路８及びバイパス回路２２と接続された端子２５ｂに対して非接続にした開状態（図１、図５及び図７に示す状態）と、端子２５ａを端子２５ｂに接続した閉状態（図４及び図６に示す状態）とに切り換え可能になっている。

図１に示すように、第１スイッチ２３が上記第１状態にありかつ第２スイッチ２４が上記第１状態にありかつ第３スイッチ２５が上記開状態にあるとき、第２電力供給回路２０は、バイパス回路２２を介してエネルギー電池３からパワー電池２又は電動モータ５に電力を供給可能な第１電力供給可能状態となる。この第１電力供給可能状態では、エネルギー電池３の出力電圧がそのままの状態で、エネルギー電池３からの電力がパワー電池２又は電動モータ５に供給されることになる。

また、図４に示すように、第１スイッチ２３が上記第２状態にありかつ第２スイッチ２４が上記第１状態にありかつ第３スイッチ２５が上記閉状態にあるとき、第２電力供給回路２０は、昇圧回路２１を介してエネルギー電池３からパワー電池２又は電動モータ５に電力を供給可能な第２電力供給可能状態となる。この第２電力供給可能状態では、昇圧回路２１によりエネルギー電池３の出力電圧が昇圧された状態で、エネルギー電池３からの電力がパワー電池２又は電動モータ５に供給されることになる。

このように第１乃至第３スイッチ２３〜２５は、第２電力供給回路２０を第１電力供給可能状態と第２電力供給可能状態とに切り換える切換手段を構成する。第１乃至第３スイッチ２３〜２５は、コントローラ１２に設けられたスイッチ制御部１２ａによって制御されて、その状態がそれぞれ切り換えられて、第２電力供給回路２０を第１電力供給可能状態と第２電力供給可能状態とに切り換える。コントローラ１２は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。コントローラ１２のスイッチ制御部１２ａは、第１乃至第３スイッチ２３〜２５（切換手段）を制御する切換制御手段を構成することになる。

図５に示すように、第１スイッチ２３が上記第２状態にありかつ第２スイッチ２４が上記第１状態にありかつ第３スイッチ２５が上記開状態にあるとき、第２電力供給回路２０は、エネルギー電池３からパワー電池２及び電動モータ５に電力を供給不能な電力供給不能状態になる。このように第１乃至第３スイッチ２３〜２５（切換手段）は、第２電力供給回路２０を更に電力供給不能状態に切り換えることが可能になっている。

第２電力供給回路２０は、車両外部の普通充電器（家庭用電源）と接続される普通充電器接続回路２７と、車両外部の急速充電器と接続される急速充電器接続回路２８とを更に有している。

普通充電器接続回路２７は、第２スイッチ２４の端子２４ｃに接続されているとともに、車両の乗員によって不図示のプラグを介して普通充電器に接続される。普通充電器接続回路２７が上記普通充電器と接続されたとき（当該接続により不図示のスイッチがＯＮになったとき）に、コントローラ１２のスイッチ制御部１２ａによって、第１スイッチ２３が上記第１状態とされかつ第２スイッチ２４が上記第２状態とされかつ第３スイッチ２５が上記閉状態とされるようになっている。これにより、図６に示すように、第２電力供給回路２０は、上記普通充電器により普通充電器接続回路２７及び昇圧回路２５を介してパワー電池２及びエネルギー電池３を充電可能な普通充電可能状態となる。

上記普通充電器によりパワー電池２やエネルギー電池３を充電しようとすると、昇圧回路が必要になるが、本実施形態では、第２電力供給回路２０の昇圧回路２１を利用して行うことができ、これにより、普通充電のために別途に昇圧回路を設ける必要がない。また、本実施形態では、上記普通充電器によりパワー電池２及びエネルギー電池３を同時に充電することができる。

また、急速充電器接続回路２８は、第３スイッチ２５の端子２５ｂ（つまり第１電力供給回路８及びバイパス回路２２）に接続されているとともに、車両の乗員によって不図示のプラグを介して急速充電器に接続される。この急速充電器は、自動車販売店やコンビニエンスストア、高速道路のパーキングエリア等に設置された、普通充電器よりも高電圧（４００Ｖ程度）の充電器である。急速充電器接続回路２８が上記急速充電器と接続されたとき（当該接続により不図示のスイッチがＯＮになったとき）に、コントローラ１２のスイッチ制御部１２ａによって、第１スイッチ２３が上記第１状態とされかつ第２スイッチ２４が上記第３状態とされかつ第３スイッチ２５が上記開状態とされるようになっている。これにより、図７に示すように、第２電力供給回路２０は、上記急速充電器により急速充電器接続回路２８を介してパワー電池２及びエネルギー電池３を充電可能な急速充電可能状態となる。本実施形態では、上記普通充電器による普通充電時と同様に、急速充電時においても、上記急速充電器によりパワー電池２及びエネルギー電池３を同時に充電することができる。

このように第１乃至第３スイッチ２３〜２５（切換手段）は、第２電力供給回路２０を更に上記普通充電可能状態及び上記急速充電可能状態に切り換えることが可能になっており、コントローラ１２のスイッチ制御部１２ａは、普通充電器接続回路２７が上記普通充電器と接続されたときには、第１乃至第３スイッチ２３〜２５により第２電力供給回路２０を上記普通充電可能状態にするとともに、急速充電器接続回路２８が上記急速充電器と接続されたときには、第１乃至第３スイッチ２３〜２５により第２電力供給回路２０を上記急速充電可能状態にする。

コントローラ１２には、パワー電池２に出入りする電流及びパワー電池２の電圧を検出するＰ電池電流・電圧センサ１６、エネルギー電池３に出入りする電流及びエネルギー電池３の電圧を検出するＥ電池電流・電圧センサ１７、及び、エネルギー電池３の温度を検出するＥ電池温度センサ１８からの情報が入力されるようになっている。

そして、コントローラ１２に設けられた電圧判定部１２ｂが、Ｐ電池電流・電圧センサ１６及びＥ電池電流・電圧センサ１７からの情報に基づいて、エネルギー電池３の出力電圧からパワー電池２の出力電圧を引いた値である電圧差が、所定値よりも大きいか否かを判定する。この所定値は、０乃至０よりも僅かに大きい値であって、エネルギー電池３の出力電圧がパワー電池２の出力電圧よりも確実に大きいか否かを判定するために設定されたものである。Ｐ電池電流・電圧センサ１６、Ｅ電池電流・電圧センサ１７及びコントローラ１２の電圧判定部１２ｂは、上記電圧差が上記所定値よりも大きいか否かを判定する電圧判定手段を構成することになる。

パワー電池２の出力電圧Ｖｐは、パワー電池２の内部抵抗をＲｐ、パワー電池２の出力直前の開放電圧をＶｏｐ、パワー電池２の出力電流をＩｐとすると、
Ｖｐ＝Ｖｏｐ−Ｒｐ・Ｉｐ
となる。

エネルギー電池３の出力電圧Ｖｅは、エネルギー電池３の内部抵抗をＲｅ、エネルギー電池３の出力直前の開放電圧をＶｏｅ、エネルギー電池３の出力電流をＩｅとすると、
Ｖｅ＝Ｖｏｅ−Ｒｅ・Ｉｅ
となる。

エネルギー電池３の出力電圧Ｖｅがパワー電池２の出力電圧Ｖｐよりも大きいか否かという判定（ここでは、上記所定値を０とする）は、
Ｖｏｅ−Ｒｅ・Ｉｅ＞Ｖｏｐ−Ｒｐ・Ｉｐ…（３）
を満たすか否かという判定に置き換えることができる。

上記式（３）の不等式を変形して整理すると、
Ｉｐ＞（Ｖｏｐ−Ｖｏｅ＋Ｒｅ・Ｉ）／（Ｒｐ＋Ｒｅ）…（４）
となる。ここで、Ｉは、電動モータ５の要求負荷電流であり、Ｉ＝Ｉｐ＋Ｉｅとなる。

したがって、例えばパワー電池２及びエネルギー電池３の出力電圧を直接検出できないような場合には、コントローラ１２の電圧判定部１２ｂは、パワー電池２の出力電圧Ｖｐとエネルギー電池３の出力電圧Ｖｅとを比較する代わりに、上記式（４）の不等式を満たすか否かを判定するようにしてもよい。

上記電圧差が上記所定値よりも大きい場合には、エネルギー電池３の出力電圧を昇圧する必要はなく、バイパス回路２２を介してエネルギー電池３からの電力をパワー電池２又は電動モータ５に供給すればよい。一方、上記電圧差が上記所定値よりも大きくない場合には、エネルギー電池３の出力電圧を昇圧する必要があり、昇圧回路２１を介してエネルギー電池３からの電力をパワー電池２又は電動モータ５に供給する。昇圧回路２１による昇圧後の電圧は、パワー電池２の出力電圧よりも大きくなる。

そこで、コントローラ１２のスイッチ制御部１２ａは、電圧判定部１２ｂにより上記電圧差が上記所定値よりも大きいと判定されたときには、第１乃至第３スイッチ２３〜２５により第２電力供給回路２０を上記第１電力供給可能状態（図１に示す状態）にする一方、電圧判定部１２ｂにより上記電圧差が上記所定値よりも大きくないと判定されたときには、第１乃至第３スイッチ２３〜２５により第２電力供給回路２０を上記第２電力供給可能状態（図４に示す状態）にするように構成されている。

ここで、本実施形態では、コントローラ１２に温度判定部１２ｃが設けられており、この温度判定部１２ｃは、Ｅ電池温度センサ１８からの情報に基づいて、エネルギー電池３の温度が所定範囲内にあるか否かを判定する。この所定範囲は、これを外れた温度でエネルギー電池３からの放電を行うと、エネルギー電池３の寿命を短縮してエネルギー電池３が早期に劣化するような温度範囲である。Ｅ電池温度センサ１８及びコントローラ１２の温度判定部１２ｃは、エネルギー電池３の温度が所定範囲内にあるか否かを判定する温度判定手段を構成する。

そして、本実施形態では、スイッチ制御部１２ａは、温度判定部１２ｃによりエネルギー電池３の温度が上記所定範囲内にあると判定されたときには、上記の如く、電圧判定部１２ｂによる判定結果に応じて、第１乃至第３スイッチ２３〜２５により第２電力供給回路２０を上記第１又は第２電力供給可能状態にする一方、温度判定部１２ｃによりエネルギー電池３の温度が上記所定範囲内にないと判定されたときには、エネルギー電池３の早期劣化を抑制するべく、第１乃至第３スイッチ２３〜２５により第２電力供給回路２０を上記電力供給不能状態（図５に示す状態）にするように構成されている。この電力供給不能状態では、エネルギー電池３からパワー電池２及び電動モータ５への電力供給は行うことはできず、パワー電池２のみから電動モータ５に電力を供給することになる。尚、温度判定部１２ｃによる判定結果に関係なく、電圧判定部１２ｂによる判定結果に応じて、第１乃至第３スイッチ２３〜２５により第２電力供給回路２０を上記第１又は第２電力供給可能状態にするようにしてもよい。

上記コントローラ１２による、第２電力供給回路２０における上記第１及び第２電力供給可能状態並びに上記電力供給不能状態の切換えに関する制御動作について、図８のフローチャートに基づいて説明する。

最初のステップＳ１で、各センサ１６〜１８からの情報を読み込み、次のステップＳ２で、電圧判定部１２ｂが、エネルギー電池３の出力電圧Ｖｅからパワー電池２の出力電圧Ｖｐを引いた電圧差が、所定値ΔＶよりも大きいか否かを判定する。

上記ステップＳ２の判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ３に進んで、温度判定部１２ｃが、エネルギー電池３の温度が所定範囲内にあるか否かを判定する。このステップＳ３の判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ４に進んで、スイッチ制御部１２ａが、第１乃至第３スイッチ２３〜２５により第２電力供給回路２０を上記第１電力供給可能状態にし、しかる後にリターンする。

一方、上記ステップＳ２の判定がＮＯであるときには、ステップＳ５に進んで、温度判定部１２ｃが、エネルギー電池３の温度が上記所定範囲内にあるか否かを判定する。このステップＳ５の判定がＹＥＳであるときには、ステップＳ６に進んで、スイッチ制御部１２ａが、第１乃至第３スイッチ２３〜２５により第２電力供給回路２０を上記第２電力供給可能状態にし、しかる後にリターンする。

上記ステップＳ３の判定がＮＯであるとき、及び、上記ステップＳ５の判定がＮＯであるときには、ステップＳ７に進んで、スイッチ制御部１２ａが、第１乃至第３スイッチ２３〜２５により第２電力供給回路２０を上記電力供給不能状態にし、しかる後にリターンする。

したがって、本実施形態では、上記電圧差が上記所定値よりも大きい場合には、バイパス回路２２を介してエネルギー電池３からパワー電池２又は電動モータ５に電力を供給することができ、エネルギー電池３からパワー電池２又は電動モータ５への電力供給を効率良く行うことができる。一方、上記電圧差が上記所定値よりも大きくなくても、昇圧回路２１を介してエネルギー電池３からパワー電池２又は電動モータ５に電力を供給することができる。そして、電動モータ５による車両走行中であれば、パワー電池２から電動モータ５に電力が供給されるとともに、エネルギー電池３からも電動モータ５に電力が供給される。エネルギー電池３からの供給電力量（エネルギー電池３の放電電力量）は、所定量以下の一定値であり、エネルギー電池３からの電力で足りない分を、パワー電池２からの放電により対応することができる。この結果、パワー電池２からの放電を出来る限り抑制することができる。また、高速道路の長時間走行時のように停止及び減速の機会が少ない場合であっても、長距離を連続して走行することができる。一方、車両停止中であれば、エネルギー電池３からパワー電池２に電力を供給して充電することができ、パワー電池２の残容量の低下を抑制することができる。したがって、要求出力と要求走行距離の両方を満たすことができる。また、上記のようにパワー電池３は、エネルギー電池３からの電力だけでは足りない分の電力を放電する必要があるため、初期の開放電圧が略同じであっても、パワー電池２の出力電圧の方がエネルギー電池３の出力電圧よりも低くなる傾向にある。これにより、基本的には、バイパス回路２２を介してエネルギー電池３からパワー電池２又は電動モータ５に電力が供給されることになる。この結果、エネルギー電池３からパワー電池２又は電動モータ５への電力供給を出来る限り効率良く行うことができる。

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

例えば、上記実施形態では、パワー電池２及びエネルギー電池３を共にリチウムイオン二次電池としたが、パワー電池２及びエネルギー電池３を互いに異なる種類の電池としてもよい。また、エネルギー電池３が一次電池であってもよく、例えば、亜鉛空気電池のような金属空気電池や固体電池を用いることも可能である。

エネルギー電池３が一次電池である場合、普通充電器又は急速充電器による充電時に、パワー電池２のみを充電すればよいので、この場合の普通充電可能状態及び急速充電可能状態は、上記実施形態の普通充電可能状態及び急速充電可能状態から、第１スイッチ２３を上記第２状態に変更したものとすればよい。また、一次電池であるエネルギー電池３を交換する場合、複数の電池モジュール３０のうち放電不能になった電池モジュール３０のみを交換するようにすればよい。この交換は、当該電池モジュール３０の全体の交換であってもよく、金属空気電池の場合には、電極のみの交換であってもよい。

また、上記実施形態では、本発明の車両用電源制御装置１を電動車両（電気自動車）に適用したが、これ以外の車両、例えばハイブリッド車両に適用することも可能である。

上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

本発明は、パワー電池と、該パワー電池よりも出力密度が小さくかつエネルギー密度が大きいエネルギー電池とを備えた車両用電源制御装置に有用である。

１車両用電源制御装置
２パワー電池
３エネルギー電池
５電動モータ
８第１電力供給回路
１２コントローラ
１２ａスイッチ制御部（切換制御手段）
１２ｂ電圧判定部（電圧判定手段）
１２ｃ温度判定部（温度判定手段）
１６Ｐ電池電流・電圧センサ（電圧判定手段）
１７Ｅ電池電流・電圧センサ（電圧判定手段）
１８Ｅ電池温度センサ（温度判定手段）
２０第２電力供給回路
２１昇圧回路
２２バイパス回路
２３第１スイッチ（切換手段）
２４第２スイッチ（切換手段）
２５第３スイッチ（切換手段）
２７普通充電器接続回路
２８急速充電器接続回路
４１電動空調装置（車載電装品）
４２カーアクセサリ（車載電装品）
４３鉛蓄電池（車載電装品）

Claims

パワー電池と、該パワー電池よりも出力密度が小さくかつエネルギー密度が大きいエネルギー電池とを備えた車両用電源制御装置であって、
上記パワー電池から車両駆動用の電動モータに電力を供給する第１電力供給回路と、
上記第１電力供給回路に接続されて、上記エネルギー電池から上記パワー電池又は上記電動モータに電力を供給する第２電力供給回路とを備え、
上記第２電力供給回路は、上記エネルギー電池の出力電圧を昇圧する昇圧回路と、該昇圧回路をバイパスするバイパス回路と、該第２電力供給回路を、上記バイパス回路を介して上記エネルギー電池から上記パワー電池又は上記電動モータに電力を供給可能な第１電力供給可能状態と上記昇圧回路を介して上記エネルギー電池から上記パワー電池又は上記電動モータに電力を供給可能な第２電力供給可能状態とに切り換える切換手段とを有し、
上記エネルギー電池の出力電圧から上記パワー電池の出力電圧を引いた値である電圧差が、所定値よりも大きいか否かを判定する電圧判定手段と、
上記切換手段を制御する切換制御手段とを更に備え、
上記切換制御手段は、上記電圧判定手段により上記電圧差が上記所定値よりも大きいと判定されたときには、上記切換手段により上記第２電力供給回路を上記第１電力供給可能状態にする一方、上記電圧判定手段により上記電圧差が上記所定値よりも大きくないと判定されたときには、上記切換手段により上記第２電力供給回路を上記第２電力供給可能状態にするように構成されていることを特徴とする車両用電源制御装置。
請求項１記載の車両用電源制御装置において、
上記エネルギー電池の温度が所定範囲内にあるか否かを判定する温度判定手段を更に備え、
上記切換手段は、上記第２電力供給回路を更に、上記エネルギー電池から上記パワー電池及び上記電動モータに電力を供給不能な電力供給不能状態に切り換えることが可能に構成されており、
上記切換制御手段は、上記温度判定手段により上記エネルギー電池の温度が上記所定範囲内にあると判定されたときには、上記電圧判定手段による判定結果に応じて、上記切換手段により上記第２電力供給回路を上記第１又は第２電力供給可能状態にする一方、上記温度判定手段により上記エネルギー電池の温度が上記所定範囲内にないと判定されたときには、上記切換手段により上記第２電力供給回路を上記電力供給不能状態にするように構成されていることを特徴とする車両用電源制御装置。
請求項１又は２記載の車両用電源制御装置において、
上記エネルギー電池から、上記電動モータ及び上記パワー電池以外の車載電装品に電力を供給する第３電力供給回路を更に備えていることを特徴とする車両用電源制御装置。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の車両用電源制御装置において、
上記第２電力供給回路は、車両外部の普通充電器と接続される普通充電器接続回路を更に有し、
上記切換手段は、上記第２電力供給回路を更に、上記普通充電器により上記普通充電器接続回路及び上記昇圧回路を介して上記パワー電池及び上記エネルギー電池を充電可能な普通充電可能状態に切り換えることが可能に構成されており、
上記切換制御手段は、上記普通充電器接続回路が上記普通充電器と接続されたときに、上記切換手段により上記第２電力供給回路を上記普通充電可能状態にするように構成されていることを特徴とする車両用電源制御装置。
請求項１〜４のいずれか１つに記載の車両用電源制御装置において、
上記第２電力供給回路は、車両外部の急速充電器と接続される急速充電器接続回路を更に有し、
上記切換手段は、上記第２電力供給回路を更に、上記急速充電器により上記急速充電器接続回路を介して上記パワー電池及び上記エネルギー電池を充電可能な急速充電可能状態に切り換えることが可能に構成されており、
上記切換制御手段は、上記急速充電器接続回路が上記急速充電器と接続されたときに、上記切換手段により上記第２電力供給回路を上記急速充電可能状態にするように構成されていることを特徴とする車両用電源制御装置。