JP5975068B2 - 車両の電源装置 - Google Patents

Description

この発明は車両の電源装置に関する。

車両の減速時のエネルギーを回収するため（回生機能）、通常の補機バッテリの他にキャパシタを備えた電源装置が普及してきている。このような電源装置では、電圧を調整するために、オルタネータや補機バッテリなどとキャパシタとの間に、ＤＣ／ＤＣコンバータが設けられる。

このような電源装置において、アイドリングストップにより停止した内燃機関の再始動のためにスタータに電力を供給する際には、二次電池でなくキャパシタの電力を用いる制御が行われる場合がある。ここで、キャパシタが劣化すると、スタータに印加される電圧が低下し、内燃機関の再始動ができなくなる場合がある。特許文献１には、キャパシタの内部抵抗に応じてキャパシタの下限電圧を変更することが記載されている。

特開２０１３−２３３０１１号公報

しかしながら、従来の技術では、キャパシタの劣化度合に応じたアイドリングストップの制御が適切に行えないという問題があった。
たとえば特許文献１では、キャパシタの内部抵抗に基づいて劣化度合を評価しているが、他の具体的な評価基準については記載されていない。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、キャパシタの劣化度合に応じたアイドリングストップの制御が適切に行える、車両の電源装置を提供することを目的とする。

この発明に係る車両の電源装置は、二次電池と、二次電池に対して並列に接続される、補機およびＤＣ／ＤＣコンバータと、二次電池および補機に対して、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されるキャパシタと、キャパシタに接続されるスタータとを備え、ＤＣ／ＤＣコンバータは、キャパシタの容量を推定する容量推定手段を備え、電源装置は、推定されたキャパシタの容量に応じ、スタータを用いて始動される内燃機関のアイドリングストップに係る制御の基準値としてのキャパシタの電圧指令値を、キャパシタの容量が低下すると、キャパシタの電圧指令値を増加するように変更し、アイドリングストップ中の前記キャパシタの電圧が前記電圧指令値を超えている場合には前記キャパシタを放電させる。

このような構成によれば、キャパシタの容量に応じ、アイドリングストップに係る制御の基準値が変更される。

キャパシタを放電させる制御は、
‐キャパシタの電圧が、電圧指令値を超え、
‐二次電池およびキャパシタの双方から補機に電力を供給可能であり、かつ
‐二次電池またはキャパシタから補機に電力を供給する必要がある
場合には、キャパシタから補機に電力を供給する制御を含んでもよい。
内燃機関を始動する際に、キャパシタの電圧が電圧指令値未満である場合には、キャパシタおよび二次電池からスタータに電力を供給してもよい。
アイドリングストップに係る制御は、キャパシタの電圧が電圧指令値以下である場合にはキャパシタから補機への電力の供給を行わない制御を含んでもよい。
アイドリングストップに係る制御は、アイドリングストップ中にキャパシタの電圧が電圧指令値以下となった場合に内燃機関を始動する制御を含んでもよい。

この発明に係る車両の電源装置によれば、キャパシタの容量に応じてアイドリングストップに係る制御の基準値が変更されるので、キャパシタの劣化度合に応じたアイドリングストップの制御が適切に行える。

この発明の実施の形態１に係る車両の電源装置を含む構成を示す図である。 図１のキャパシタの容量に基づく電圧指令値の決定方法を説明する図である。 図１の電源装置の動作の一例を説明するフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電源装置１を含む構成を示す図である。
電源装置１は車両の電源装置であり、車両に搭載される負荷に電力を供給する。負荷は、たとえば補機２である。

電源装置１は、オルタネータ３、補機バッテリ４、キャパシタ５、ＤＣ／ＤＣコンバータ６およびスタータ７を備える。オルタネータ３は、モータまたはジェネレータとして機能する。補機バッテリ４は二次電池であり、たとえば鉛バッテリである。キャパシタ５はたとえばリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）や電気二重層キャパシタである。

負荷のうち少なくとも一部（図１の例では補機２）と、オルタネータ３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６とは、補機バッテリ４に対して並列に接続される。また、キャパシタ５は、補機バッテリ４および補機２に対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して接続され、スタータ７はスタータ起動スイッチ８を介してキャパシタ５に接続される。とくに、本実施形態では、キャパシタ５およびスタータ７は、補機２、オルタネータ３および補機バッテリ４に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して、並列に接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６の内部構成はとくに説明しないが、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、オルタネータ３および補機バッテリ４の少なくとも一方から供給される電力の電圧を変換し、キャパシタ５に供給する機能を有する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、キャパシタ５から供給される電力の電圧を変換し、補機２、オルタネータ３および補機バッテリ４のうち少なくとも１つに供給する機能を有する。

言い換えると、負荷の一部（補機２）は、補機バッテリ４には直接的に接続され、キャパシタ５にはＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して接続される。このため、補機２が補機バッテリ４から電力の供給を受ける場合には、補機バッテリ４の電圧がそのまま印加されることになる。一方、補機２がキャパシタ５から電力の供給を受ける場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して電圧の制御が可能である。

スタータ７は、キャパシタ５から電力の供給を受けて内燃機関（図示せず）の始動を行う。

また、とくに図示しないが、電源装置１は、電源装置１の動作を制御する制御装置を備える。制御装置はたとえば演算手段および記憶手段を備えるコンピュータ（たとえばマイクロプロセッサ等）によって構成される。また、以下ではとくに明記しないが、オルタネータ３、補機バッテリ４、キャパシタ５、ＤＣ／ＤＣコンバータ６およびスタータ７の制御は、この制御装置により実行される。

さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、キャパシタ５の容量を測定するための容量測定手段を備える。容量測定手段は、たとえば電圧測定手段９および電流測定手段１０を用いて構成することができる。このような容量測定手段は、キャパシタ５の容量を、たとえば定電流による充電中の電圧の変化に基づいて測定する。

容量の推定は、たとえば定期的に行われる。推定方法の具体例は、次のようなものである。
時刻０から時刻Ｔ＋ΔＴまでの間、キャパシタ５が充電されたとする。現在時刻をＴとし、Ｔ＋ΔＴの推定値を求める。現在時刻（Ｔ）でのキャパシタ５の電荷をＱ（Ｔ）とし、Ｔ＋ΔＴ時点でのキャパシタ５の電荷をＱ（Ｔ＋ΔＴ）とする。また、求めるべきキャパシタ５の容量をＣ（Ｔ＋ΔＴ）とし、充電に係る電流をＩ（Ｔ）とする。さらに、キャパシタ５の電圧は、時間ΔＴの間一定とみなせるものとし、これをＶ（Ｔ）とする（一定とみなせない場合には、時刻Ｔ＋ΔＴにおけるキャパシタ５の電圧Ｖ（Ｔ）をもって近似する）。このように置くと、次の２式が成り立つ。
Ｃ（Ｔ＋ΔＴ）＝Ｑ（Ｔ＋ΔＴ）／Ｖ（Ｔ）
Ｑ（Ｔ＋ΔＴ）＝Ｉ（Ｔ）＊ΔＴ＋Ｑ（Ｔ）
これらの２式において、ΔＴ、Ｉ（Ｔ）、Ｖ（Ｔ）およびＱ（Ｔ）が既知であれば、キャパシタ５の容量Ｃ（Ｔ＋ΔＴ）を求めることができる。

なお、容量測定手段の構成および容量の測定方法は、他の任意の公知技術を用いて実現可能である。また、容量を表す情報（たとえば容量の値）を制御装置等に通知してもよい。

次に、実施の形態１に係る電源装置１の動作を説明する。
車両の減速時には、電源装置１は、オルタネータ３により発電を行う。発生した電力の少なくとも一部は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６で電圧および電流を調整した後にキャパシタ５に充電する。

電源装置１は、キャパシタ５への充電を行う際に、容量測定手段によりキャパシタ５の容量を測定する。そして、キャパシタ５の容量に応じ、内燃機関のアイドリングストップに係る制御の基準値を変更する。

この基準値は、たとえば、アイドリングストップ中のキャパシタ５の電圧制御の目標となる電圧指令値Ｖｃである。電源装置１の制御装置は、アイドリングストップ中のキャパシタ５の電圧を、電圧指令値Ｖｃに近づけるよう制御する。または、電源装置１の制御装置は、アイドリングストップ中のキャパシタ５の電圧が、電圧指令値Ｖｃから遠ざからないよう制御する。

ここで、電圧指令値Ｖｃとしては、たとえば、スタータ７を介して内燃機関の始動（または再始動）が可能であるキャパシタ５の電圧値の下限を表す内燃機関始動可能下限電圧値を用いてもよく、この下限電圧値にある程度の余裕を持たせた値を用いてもよい。また、「近づけるよう制御する」とは、たとえば電圧を積極的に変更して、電圧指令値Ｖｃとの差が小さくなるよう制御するという意味である。また、「遠ざからないよう制御する」とは、上記の「近づけるよう制御する」ことを含み、さらに、電圧指令値Ｖｃとの差が拡大しないよう制御すること（たとえば電圧を変更しないよう制御すること）を含む。

図２に、電圧指令値Ｖｃの決定方法の具体例を示す。キャパシタ５の容量の値が求まると、図示のマップに基づき、容量に応じて電圧指令値Ｖｃの値が決定される。図２の例では、キャパシタ５の劣化等の原因により容量が低下すると、これに応じてキャパシタ５の電圧指令値が増加することになる。これはつまり、容量が低下しても電圧指令値Ｖｃを高めることで内燃機関の始動が可能である。また、容量が大きい場合は無理にキャパシタ５の電圧を上げずにスタータ電流を抑制して、部品劣化を抑制している。

図３は、アイドリングストップ中の制御において、電圧指令値Ｖｃを基準値として用いる場合の、電源装置１の動作の一例を説明するフローチャートである。
まず電源装置１は、電圧指令値Ｖｃを取得する（ステップＳ１）。たとえば図２のマップに基づいて決定される値が取得される。次に、電源装置１は、キャパシタ５の電圧と、電圧指令値Ｖｃとを比較する（ステップＳ２）。

ステップＳ２においてキャパシタ５の電圧が電圧指令値Ｖｃを超えている場合には、電源装置１はキャパシタ５を放電させる（ステップＳ３）。一方、ステップＳ２においてキャパシタ５の電圧が電圧指令値Ｖｃ未満である場合（図３の例では等しい場合も含む）には、電源装置１はキャパシタ５を充電する（ステップＳ４）。

キャパシタ５を放電させる動作としては、たとえば、キャパシタ５が補機バッテリ４より優先して補機２に電力を供給するという動作が可能である。言い換えると、キャパシタ５の電圧がＶｃを超えており、補機バッテリ４およびキャパシタ５の双方から補機２に電力を供給可能であり、かつ、補機バッテリ４またはキャパシタ５から補機２に電力を供給する必要がある（たとえばオルタネータ３が発電していない状態）場合には、補機バッテリ４から補機２には電力を供給せず、補機２への電力の供給はキャパシタ５から行うよう制御される。

また、キャパシタ５を放電させる動作としては、たとえば、キャパシタ５からＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して補機バッテリ４に電力を供給するという動作が可能である。
また、キャパシタ５を放電させる制御は、キャパシタ５を充電することを禁止する制御であってもよく、そのような制御を含んでもよい。

一方、キャパシタ５を充電する動作としては、たとえば、たとえば、補機バッテリ４からＤＣ／ＤＣコンバータ６を介してキャパシタ５に電力を供給するという動作が可能である。

また、キャパシタ５を充電する制御は、キャパシタ５を放電させることを禁止する制御であってもよく、そのような制御を含んでもよい。たとえば、キャパシタ５から補機２への電力の供給を禁止する制御としてもよい。

このように、電源装置１は、ステップＳ１〜Ｓ４の制御により、アイドリングストップ中のキャパシタ５の電圧を、電圧指令値Ｖｃに近づけるよう制御する。または、アイドリングストップ中のキャパシタ５の電圧が、電圧指令値Ｖｃから遠ざからないよう制御する。これにより、アイドリングストップ中のキャパシタ５の電圧が電圧指令値Ｖｃ前後に保たれる。

次に、電源装置１は、内燃機関を始動させることが指令されているか否かを判定する（ステップＳ５）。指令されていない場合（たとえばアイドリングストップをそのまま継続する場合）には、処理をステップＳ１に戻す。

一方、内燃機関を始動させることが指令されている場合（たとえば、アイドリングストップ中において、運転者の操作等に応じ、内燃機関を再始動させることが必要となった場合）には、電源装置１は、キャパシタ５の電圧と、電圧指令値Ｖｃとを比較する（ステップＳ６）。

電圧指令値Ｖｃと内燃機関始動可能下限電圧値が同じであったり余裕が少ない場合、実際に内燃機関を再始動させる時点において、キャパシタ５の電圧が電圧指令値Ｖｃより低下してしまう場合がある。本実施形態においてはこのような事態においても対応可能である。ステップＳ６においてキャパシタ５の電圧が電圧指令値Ｖｃ未満である場合には、電源装置１は、スタータ電流の不足分を算出する（ステップＳ７）。スタータ電流の不足分ΔＩは、たとえば次の式に基づいて求められる。
ΔＩ＝ΔＱ／Ｔｓｔ
ただしＴｓｔはスタータ７に電流が供給される時間であり、たとえば内燃機関の始動が完了するまでに許容される最大時間に対応する。つまり、運転者が違和感のない範囲で可能なかぎり長い時間とする。また、ΔＱは、キャパシタ５からスタータ７に供給される電荷から、内燃機関を始動するためにスタータ７に供給されるべき電荷を減算した値であり、ΔＱ＝Ｃ＊（Ｖ−Ｖｃ）である。ただしＶはその時点でのキャパシタ５の電圧を表す。ステップＳ７ではＶ＜Ｖｃなので、Ｔｓｔを正とするとΔＩおよびΔＱは負となる。

次に、電源装置１は、スタータ電流の不足分ΔＩに基づき、スタータ７に電力を供給して内燃機関を始動する（ステップＳ８）。すなわち、キャパシタ５からスタータ７に電流を供給するとともに、他の電源（たとえば補機バッテリ４）からスタータ７に、不足分ΔＩに相当する電流を供給する。
上記のとおりΔＩの算出においてＴｓｔを内燃機関の始動が完了するまでに許容される最大時間にした場合、ΔＩは許容される最小値になるので、最低限の電流値を流すだけでよく、スタータ電流を抑制できる。

ステップＳ６においてキャパシタ５の電圧が電圧指令値Ｖｃを超えている場合（図３の例では等しい場合も含む）には、電源装置１は、キャパシタ５からスタータ７に電力を供給して内燃機関を始動する（ステップＳ９）。この場合には、補機バッテリ４からスタータ７へは電力は供給されない。

以上説明するように、本発明の実施の形態１に係る車両の電源装置１によれば、キャパシタ５の劣化度合に応じて、アイドリングストップの制御を適切に行うことができる。一般的に、キャパシタ５が劣化すると容量が減少し、これに応じて高い電圧にキャパシタ５を充電しておかないと、内燃機関の始動に必要な電力がスタータ７に供給されず、内燃機関が正常に始動できないおそれがある。本発明によれば、図２に示すように容量の減少に応じて電圧指令値Ｖｃが増加するので、このような事態を回避し、内燃機関を確実に始動することができる。または、内燃機関の始動に関する補機バッテリ４の負担を最低限に抑えることができる。

また、電源装置１は、内燃機関を始動する際に、キャパシタ５の電圧が電圧指令値Ｖｃ未満である場合には、キャパシタ５および補機バッテリ４からスタータ７に電力を供給するので、キャパシタ５の電圧が電圧指令値Ｖｃより小さくなっていたとしても、確実に内燃機関を始動させることができる。

このため、電圧指令値Ｖｃに過剰な余裕を持たせず必要最低限の小さい値とすることができる。電圧指令値Ｖｃが過剰な余裕を含む大きな値に設定されていると、内燃機関の始動時に、過大な電力がスタータ７に供給される場合がある。これは、キャパシタ５やスタータ７の寿命が悪化する原因となり得る。本発明によれば、このような事態を回避し、キャパシタ５やスタータ７の寿命を延長することができる。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１において、キャパシタ５の電圧が低下した場合の制御を変更するものである。以下、実施の形態１との相違点を説明する。
実施の形態２では、アイドリングストップに係る制御の一部として、アイドリングストップ中にキャパシタ５の電圧が電圧指令値Ｖｃ以下となった場合に内燃機関を始動する制御を含む。

これはたとえば、図３のステップＳ４において、キャパシタ５を充電する制御に代えて、内燃機関の始動を指令する制御を行うことにより実現される。このようにすると、アイドリングストップ中には、ステップＳ１〜Ｓ３およびＳ５のループによりキャパシタ５の電圧が徐々に低下してゆき、電圧指令値Ｖｃ以下となった時点でステップＳ４が実行されて、ステップＳ５からステップＳ６へと処理が分岐し、内燃機関が始動することになる。

本発明の実施の形態２に係る車両の電源装置によれば、実施の形態１と同様に、キャパシタ５の劣化度合に応じて、アイドリングストップの制御を適切に行うことができる。

１ 電源装置、２ 補機、４ 補機バッテリ（二次電池）、５ キャパシタ、６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、７ スタータ、９ 電圧測定手段（容量測定手段）、１０ 電流測定手段（容量測定手段）、Ｖｃ 電圧指令値。

Claims (5)

1. 車両の電源装置であって、
   二次電池と、
   前記二次電池に対して並列に接続される、補機およびＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記二次電池および前記補機に対して、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されるキャパシタと、
   前記キャパシタに接続されるスタータと
   を備え、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記キャパシタの容量を推定する容量推定手段を備え、
   前記電源装置は、推定された前記キャパシタの容量に応じ、前記スタータを用いて始動される内燃機関のアイドリングストップに係る制御の基準値としての前記キャパシタの電圧指令値を、前記キャパシタの容量が低下すると、前記キャパシタの電圧指令値を増加するように変更し、アイドリングストップ中の前記キャパシタの電圧が前記電圧指令値を超えている場合には前記キャパシタを放電させる、
   車両の電源装置。
2. 前記キャパシタを放電させる前記制御は、
   ‐前記キャパシタの電圧が、前記電圧指令値を超え、
   ‐前記二次電池および前記キャパシタの双方から前記補機に電力を供給可能であり、かつ
   ‐前記二次電池または前記キャパシタから前記補機に電力を供給する必要がある
   場合には、前記キャパシタから前記補機に電力を供給する制御を含む、請求項１に記載の車両の電源装置。
3. 前記内燃機関を始動する際に、前記キャパシタの電圧が電圧指令値未満である場合には、前記キャパシタおよび前記二次電池から前記スタータに電力を供給する、請求項１または２に記載の車両の電源装置。
4. 前記アイドリングストップに係る前記制御は、前記キャパシタの電圧が前記電圧指令値以下である場合には前記キャパシタから前記補機への電力の供給を行わない制御を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の車両の電源装置。
5. 前記アイドリングストップに係る制御は、アイドリングストップ中に前記キャパシタの電圧が前記電圧指令値以下となった場合に前記内燃機関を始動する制御を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両の電源装置。

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