JP6082420B2 - 車両用電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車両に搭載される車両用電源装置に関する。
車両に搭載される車両用電源装置として、複数の蓄電体を備えた電源装置が開発されている。このような電源装置を構成する蓄電体として、鉛バッテリやリチウムイオンバッテリ等が用いられている（特許文献１参照）。特許文献１に記載される電源装置は、車両減速時に回収される回生電力を、鉛バッテリだけでなくリチウムイオンバッテリに充電している。これにより、車両減速時に多くの電力を回生させることができ、車両のエネルギー効率を向上させることができる。
特開２０１４−３６５５７号公報
しかしながら、特許文献１に記載の電源装置においては、リチウムイオンバッテリの端子電圧が、鉛バッテリの端子電圧よりも低く設定されている。このため、特許文献１に記載のリチウムイオンバッテリを積極的に充放電させるためには、リチウムイオンバッテリ側に放電専用回路を設置することや、電源装置にコンバータを組み込むことが必要となっていた。また、再始動時に瞬低保護負荷を放電専用回路に接続して保護する必要があった。このように、電源装置の制御方法や回路構造を複雑にすることは、車両用電源装置のコストを増加させる要因であった。
本発明の目的は、第１蓄電体と第２蓄電体とを備えた車両用電源装置のコストを下げることにある。
本発明の車両用電源装置は、車両に搭載される車両用電源装置であって、エンジンに接続される発電機と、前記発電機に接続される第１蓄電体と、前記第１蓄電体と並列に前記発電機に接続され、前記第１蓄電体よりも端子電圧の低い第２蓄電体と、前記発電機の発電電圧を制御し、前記第１蓄電体の充放電を制御する充放電制御部と、を有し、前記第１蓄電体の充放電範囲における下限電圧は、前記第２蓄電体の充放電範囲における上限電圧よりも高く設計され、前記充放電制御部は、前記発電電圧を前記第１蓄電体の端子電圧よりも上げることにより、前記発電機から前記第１蓄電体に電力を供給し、前記発電電圧を前記第１蓄電体の端子電圧よりも下げることにより、前記第１蓄電体から電気負荷に電力を供給する。
本発明によれば、発電機の発電電圧を制御することにより、第１蓄電体の充放電を制御することができる。これにより、車両用電源装置を簡単に構成することができ、車両用電源装置のコストを下げることができる。
本発明の一実施の形態である車両用電源装置を備えた車両の構成例を示す概略図である。 車両用電源装置の構成例を示すブロック図である。 車両用電源装置の構成を簡単に示した回路図である。 バッテリの端子電圧と充電状態との関係を示す線図である。 モータジェネレータの発電制御の一例を示すタイミングチャートである。 車両用電源装置の電力供給状況を示す説明図である。 車両用電源装置の電力供給状況を示す説明図である。 車両用電源装置の電力供給状況を示す説明図である。 車両用電源装置の電力供給状況を示す説明図である。 本発明の他の実施の形態である車両用電源装置の構成を示す回路図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である車両用電源装置１０を備えた車両１１の構成例を示す概略図である。図１に示すように、車両１１には、エンジン１２を備えたパワーユニット１３が搭載されている。エンジン１２のクランク軸１４には、ベルト機構１５を介してモータジェネレータ（発電機，始動装置）１６が連結されている。このように、エンジン１２には、モータジェネレータ１６が機械的に接続されている。また、エンジン１２にはトルクコンバータ１７を介して変速機構１８が連結されており、変速機構１８にはデファレンシャル機構１９等を介して車輪２０が連結されている。さらに、パワーユニット１３には、クランク軸１４を始動回転させるスタータモータ２１が設けられている。
モータジェネレータ１６は、所謂ＩＳＧ（integrated starter generator）であり、クランク軸１４に駆動されて発電する発電機として機能するだけでなく、クランク軸１４を始動回転させる電動機として機能している。モータジェネレータ１６は、ステータコイルを備えたステータ２２と、フィールドコイルを備えたロータ２３と、を有している。また、モータジェネレータ１６には、ステータコイルやフィールドコイルの通電状態を制御するため、インバータ、レギュレータおよびマイクロコンピュータ等を備えたＩＳＧコントローラ２４が設けられている。
モータジェネレータ１６を発電機として機能させる際には、ＩＳＧコントローラ２４によってフィールドコイルの通電状態が制御される。フィールドコイルの通電状態を制御することにより、モータジェネレータ１６の発電電圧を制御することができる。また、モータジェネレータ１６を発電機として機能させる際には、ＩＳＧコントローラ２４のインバータを制御することにより、モータジェネレータ１６の発電電流を制御することが可能である。さらに、モータジェネレータ１６を電動機として機能させる際には、ＩＳＧコントローラ２４によってステータコイルの通電状態が制御される。
続いて、車両用電源装置１０の構成について説明する。図２は車両用電源装置１０の構成例を示すブロック図である。図３は車両用電源装置１０の構成を簡単に示した回路図である。図１〜図３に示すように、車両用電源装置１０は、第１蓄電体であるリチウムイオンバッテリ２７と、第２蓄電体である鉛バッテリ２８と、を備えている。リチウムイオンバッテリ２７および鉛バッテリ２８は、モータジェネレータ１６に並列に接続されている。リチウムイオンバッテリ２７の正極端子２７ａには、第１電源ライン２９が接続されており、鉛バッテリ２８の正極端子２８ａには、第２電源ライン３０が接続されている。また、モータジェネレータ１６の発電電流を出力する出力端子１６ａには、通電ライン３１が接続されている。第１電源ライン２９、第２電源ライン３０および通電ライン３１は、接続点であるノード３２を介して互いに接続されている。すなわち、リチウムイオンバッテリ２７と鉛バッテリ２８との正極端子２７ａ，２８ａは、第１電源ライン２９、第２電源ライン３０およびノード３２からなる通電経路１００を介して接続されている。
通電経路１００を構成する第１電源ライン２９には、開閉スイッチＳＷ１が設けられている。また、通電経路１００を構成する第２電源ライン３０には、開閉スイッチＳＷ２が設けられている。なお、開閉スイッチＳＷ２は、第２電源ライン３０における正極端子２８ａとノード３２との間に設けられている。これらの開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、閉じられた状態つまり導通状態（オン状態）と、開かれた状態つまり遮断状態（オフ状態）とに動作可能である。すなわち、開閉スイッチＳＷ１は、モータジェネレータ１６とリチウムイオンバッテリ２７とを電気的に接続する導通状態と、モータジェネレータ１６とリチウムイオンバッテリ２７とを電気的に分離する遮断状態とに切り替えられる。同様に、開閉スイッチＳＷ２は、モータジェネレータ１６と鉛バッテリ２８とを電気的に接続する導通状態と、モータジェネレータ１６と鉛バッテリ２８とを電気的に分離する遮断状態とに切り替えられる。
第２電源ライン３０には、瞬低保護負荷（電気負荷）３３および車体負荷３４等が接続されている。また、第２電源ライン３０には、スタータリレー３５を介してスタータモータ２１が接続されており、ＩＳＧリレー３６を介してＩＳＧコントローラ２４が接続されている。さらに、第２電源ライン３０には、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４、スタータモータ２１およびＩＳＧコントローラ２４等を保護するヒューズ３７が設けられている。なお、図示する例では、第１電源ライン２９に開閉スイッチＳＷ１を設けているが、これに限られることはない。図３に一点鎖線で示すように、リチウムイオンバッテリ２７の負極端子２７ｂに接続される通電ライン３８に、開閉スイッチＳＷ１を設けても良い。すなわち、リチウムイオンバッテリ２７と鉛バッテリ２８との負極端子２７ｂ，２８ｂは、通電ライン３８，３９からなる通電経路１０１を介して接続されている。この通電経路１０１を構成する通電ライン３８に、開閉スイッチＳＷ１を設けても良い。
図１および図２に示すように、車両用電源装置１０には、リチウムイオンバッテリ２７およびモータジェネレータ１６を備えた第１電源回路４１が設けられている。また、車両用電源装置１０には、鉛バッテリ２８、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４およびスタータモータ２１等を備えた第２電源回路４２が設けられている。そして、第１電源回路４１と第２電源回路４２とは、開閉スイッチ（スイッチ）ＳＷ２を介して接続されている。なお、第１電源回路４１に設けられる開閉スイッチＳＷ１は、車両用電源装置１０からリチウムイオンバッテリ２７を電気的に分離するスイッチである。また、車両用電源装置１０にはバッテリモジュール４３が設けられており、このバッテリモジュール４３にリチウムイオンバッテリ２７および開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２が組み込まれている。
バッテリモジュール４３には、リチウムイオンバッテリ２７の電流、電圧、温度等を検出するバッテリセンサ４４が設けられている。また、バッテリモジュール４３には、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２の作動状態を制御するため、駆動回路部やマイクロコンピュータ等を備えたバッテリコントローラ４５が設けられている。バッテリコントローラ４５は、後述する制御ユニット５０からの制御信号に基づいて、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御している。また、バッテリコントローラ４５は、リチウムイオンバッテリ２７の過度な充放電電流や温度上昇が検出された場合に、開閉スイッチＳＷ１を開いて車両用電源装置１０からリチウムイオンバッテリ２７を切り離している。なお、図示していないが、バッテリコントローラ４５は、前述したＩＳＧコントローラ２４と同様に、第２電源ライン３０に接続される。
前述したように、第２電源ライン３０には、瞬低保護負荷３３が接続されている。この瞬低保護負荷３３は、後述するアイドリングストップ制御のエンジン再始動時に、作動状態を継続することが必要な電気機器である。瞬低保護負荷３３として、エンジン補機類、ブレーキアクチュエータ、パワーステアリングアクチュエータ、インストルメントパネル、各種電子制御ユニット等が挙げられる。また、第２電源ライン３０には、車体負荷３４が接続されている。この車体負荷３４は、アイドリングストップ制御のエンジン再始動時に、瞬間的な停止状態が許容される電気機器である。車体負荷３４として、ドアミラーモータ、パワーウィンドウモータ、ラジエータファンモータ等が挙げられる。
図２に示すように、車両用電源装置１０は、モータジェネレータ１６やバッテリモジュール４３等を制御する制御ユニット５０を有している。制御ユニット５０は、リチウムイオンバッテリ２７の充放電を制御する充放電コントローラ（充放電制御部）５１を有している。充放電コントローラ５１は、他のコントローラやセンサからの入力信号に基づいて、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態や、アクセルペダルおよびブレーキペダルの操作状況を判定する。そして、充放電コントローラ５１は、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態等に基づいて、モータジェネレータ１６の発電電圧を制御し、リチウムイオンバッテリ２７の充放電を制御する。
また、制御ユニット５０は、エンジン１２の停止や再始動を制御するＩＳＳコントローラ（エンジン制御部）５２を有している。ＩＳＳコントローラ５２は、他のコントローラやセンサからの入力信号に基づいて、エンジン１２の停止条件や始動条件を判定する。そして、ＩＳＳコントローラ５２は、停止条件が成立した場合にエンジン１２を自動的に停止する一方、始動条件が成立した場合にエンジン１２を自動的に再始動する。エンジン１２の停止条件としては、例えば、車速が所定車速以下であり、かつブレーキペダルが踏み込まれることが挙げられる。また、エンジン１２の始動条件としては、例えば、ブレーキペダルの踏み込みが解除されることや、アクセルペダルが踏み込まれることが挙げられる。なお、ＩＳＳコントローラ５２のＩＳＳとは、「idling stop system」である。
制御ユニット５０に接続されるセンサとして、鉛バッテリ２８の充放電電流や充電状態等を検出するバッテリセンサ５３、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルセンサ５４、ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキセンサ５５がある。また、制御ユニット５０に接続されるセンサとして、車両１１の走行速度である車速を検出する車速センサ５６、エンジン始動時に手動操作されるスタートスイッチ５７等がある。また、制御ユニット５０には、ＩＳＧコントローラ２４から、モータジェネレータ１６の発電電圧、発電電流、回生トルク、駆動トルク等が入力される。同様に、制御ユニット５０には、バッテリコントローラ４５から、リチウムイオンバッテリ２７の充放電電流や充電状態、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２の作動状態等が入力される。さらに、制御ユニット５０には、車両用電源装置１０の異常を乗員に通知する警告灯５８が接続されている。
なお、制御ユニット５０には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等によって構成されるマイクロコンピュータや、各種アクチュエータに対する制御電流を生成する駆動回路等が設けられる。また、制御ユニット５０、モータジェネレータ１６およびバッテリモジュール４３等は、ＣＡＮやＬＩＮ等の車載ネットワーク５９を介して互いに接続されている。
［バッテリの電圧特性］
続いて、リチウムイオンバッテリ２７および鉛バッテリ２８の電圧特性について説明する。図４はバッテリの端子電圧と充電状態ＳＯＣとの関係を示す線図である。なお、充電状態ＳＯＣ（state of charge）とは、バッテリの充電度合を示す値であり、バッテリの設計容量に対する残存容量の比率である。また、図４に示される端子電圧Ｖ１，Ｖ２とは、電流が流れていないときのバッテリ電圧つまり開放端電圧である。また、図４に示される符号ＧＨは、モータジェネレータ１６の最大発電電圧を示している。
図４に示すように、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１は、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ２よりも高く設定されている。すなわち、リチウムイオンバッテリ２７の充放電範囲Ｘ１における下限電圧Ｖ１Ｌは、鉛バッテリ２８の充放電範囲Ｘ２における上限電圧Ｖ２Ｈよりも高く設定されている。また、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１は、鉛バッテリ２８の充電電圧上限（例えば、１６Ｖ）よりも低く設定されている。すなわち、リチウムイオンバッテリ２７の充放電範囲Ｘ１における上限電圧Ｖ１Ｈは、鉛バッテリ２８の充電電圧上限よりも低く設定されている。これにより、リチウムイオンバッテリ２７と鉛バッテリ２８とを並列接続した場合であっても、リチウムイオンバッテリ２７による鉛バッテリ２８の過充電を回避することができ、鉛バッテリ２８の劣化を回避することができる。なお、充電電圧上限とは、蓄電体の劣化を抑制する観点から、蓄電体の種類毎に設定される充電電圧の上限値である。
また、図４に示すように、リチウムイオンバッテリ２７はサイクル特性に優れることから、リチウムイオンバッテリ２７には広い充放電範囲Ｘ１が設定されている。一方、鉛バッテリ２８には、バッテリ劣化を防止する観点から、満充電付近の狭い充放電範囲Ｘ２が設定されている。さらに、リチウムイオンバッテリ２７の内部抵抗は、鉛バッテリ２８の内部抵抗よりも小さく設定されている。
［モータジェネレータの発電制御］
続いて、モータジェネレータ１６の発電制御について説明する。図５はモータジェネレータ１６の発電制御の一例を示すタイミングチャートである。図５には、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧ、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１および充電状態Ｓ１、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ２および充電状態Ｓ２が示されている。また、図５に示されるブレーキＯＮとは、ブレーキペダルが踏み込まれた状態を意味し、ブレーキＯＦＦとは、ブレーキペダルの踏み込みが解除された状態を意味している。
図５に示すように、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ１は、充放電範囲Ｘ１内で制御されている。例えば、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ１が、放電に伴って下限値ＳＬまで低下した場合には、モータジェネレータ１６が発電状態に制御されてリチウムイオンバッテリ２７が充電される。ここで、モータジェネレータ１６の発電状態として、燃焼発電状態と回生発電状態とがある。燃焼発電状態とは、エンジン１２動力によってモータジェネレータ１６を発電させ、燃料のエネルギーを電気エネルギーに変換する発電状態である。また、回生発電状態とは、車両減速時にモータジェネレータ１６を発電させ、車両１１の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電状態である。車両１１のエネルギー効率を向上させて燃費性能を高めるためには、モータジェネレータ１６の回生発電状態を増やすことにより、モータジェネレータ１６の燃焼発電状態を減らしてエンジン１２の燃料消費量を抑制することが望ましい。すなわち、モータジェネレータ１６の回生電力をリチウムイオンバッテリ２７に積極的に蓄え、この回生電力をリチウムイオンバッテリ２７から車体負荷３４等に放出することにより、モータジェネレータ１６の燃焼発電状態を減らすことが望ましい。
モータジェネレータ１６を燃焼発電状態に制御するか否かは、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ１に基づいて決定される。すなわち、充放電コントローラ５１は、充電状態Ｓ１が下限値ＳＬまで低下したときに、モータジェネレータ１６を燃焼発電状態に制御する。そして、充放電コントローラ５１は、充電状態Ｓ１が第１上限値ＳＨ１に到達するまで、モータジェネレータ１６の燃焼発電状態を継続する。一方、モータジェネレータ１６を回生発電状態に制御するか否かは、アクセルペダルやブレーキペダルの操作状況に基づいて決定される。すなわち、充放電コントローラ５１は、アクセルペダルの踏み込みが解除される車両減速時や、ブレーキペダルが踏み込まれる車両減速時に、モータジェネレータ１６を回生発電状態に制御する。そして、充放電コントローラ５１は、アクセルペダルが踏み込まれた場合や、ブレーキペダルの踏み込みが解除された場合に、モータジェネレータ１６の回生発電状態を解除し、モータジェネレータ１６を発電休止状態に制御する。なお、モータジェネレータ１６が回生発電状態に制御された状態のもとで、充電状態Ｓ１が第２上限値ＳＨ２まで上昇した場合には、リチウムイオンバッテリ２７の過充電を防止するため、モータジェネレータ１６の回生発電状態は解除され、モータジェネレータ１６は発電休止状態に制御される。
［車両用電源装置の電力供給状況］
続いて、車両用電源装置１０の電力供給状況について説明する。図６および図７は車両用電源装置１０の電力供給状況を示す説明図である。図６にはリチウムイオンバッテリ充電時の電力供給状況が示されており、図７にはリチウムイオンバッテリ放電時の電力供給状況が示されている。
まず、図５に示すように、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ１が、下限値ＳＬまで低下すると（符号Ａ１）、充放電コントローラ５１は、モータジェネレータ１６を燃焼発電状態に制御する。この燃焼発電状態においては、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも高い所定電圧Ｖａに引き上げられる（符号Ｂ１）。ここで、図６に示すように、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧを、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも上げる際には、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は閉じられた状態に保持される。これにより、図６に矢印で示すように、モータジェネレータ１６の発電電力は、リチウムイオンバッテリ２７、鉛バッテリ２８、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４に供給される。
このように、モータジェネレータ１６が燃焼発電状態に制御されると、リチウムイオンバッテリ２７が充電されるため、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ１は徐々に上昇する。そして、図５に示すように、充電状態Ｓ１が第１上限値ＳＨ１に到達すると（符号Ａ２）、充放電コントローラ５１は、モータジェネレータ１６を発電休止状態に制御する。この発電休止状態においては、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも低い「０」に引き下げられる（符号Ｂ２）。ここで、図７に示すように、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧを、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも下げる際には、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は閉じられた状態に保持される。これにより、図７に矢印で示すように、リチウムイオンバッテリ２７に蓄えられた電力が、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４および鉛バッテリ２８に供給される。
次いで、図５に示すように、ブレーキペダルが踏み込まれると（符号Ｃ１）、充放電コントローラ５１は、モータジェネレータ１６を回生発電状態に制御する。この回生発電状態においては、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも高い所定電圧Ｖｂに引き上げられる（符号Ｂ３）。ここで、図６に示すように、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧを、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも上げる際には、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は閉じられた状態に保持される。これにより、図６に矢印で示すように、モータジェネレータ１６の発電電力は、リチウムイオンバッテリ２７、鉛バッテリ２８、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４に供給される。
その後、図５に示すように、ブレーキペダルの踏み込みが解除されると（符号Ｃ２）、充放電コントローラ５１は、モータジェネレータ１６を発電休止状態に制御する。この発電休止状態においては、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも低い「０」に引き下げられる（符号Ｂ４）。ここで、図７に示すように、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧを、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも下げる際には、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は閉じられた状態に保持される。これにより、図７に矢印で示すように、リチウムイオンバッテリ２７に蓄えられた電力が、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４および鉛バッテリ２８に供給される。
これまで説明したように、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧを制御することにより、リチウムイオンバッテリ２７の充放電を制御することができる。すなわち、発電電圧ＶＧを端子電圧Ｖ１よりも上げることにより、リチウムイオンバッテリ２７を充電することができる。一方、発電電圧ＶＧを端子電圧Ｖ１よりも下げることにより、リチウムイオンバッテリ２７を放電させることができる。しかも、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１を、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ２よりも高く設定したので、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を閉じた状態に保持したまま、リチウムイオンバッテリ２７を充放電させることができる。すなわち、リチウムイオンバッテリ２７から鉛バッテリ２８を切り離さずに、リチウムイオンバッテリ２７を放電させることができるため、車両用電源装置１０の回路構造やスイッチ制御を複雑にすることなく、リチウムイオンバッテリ２７を積極的に充放電させることが可能である。これにより、車両１１のエネルギー効率を向上させる車両用電源装置１０のコストを下げることができる。
図６に示すように、モータジェネレータ１６が発電する際には、鉛バッテリ２８の充電を抑制しつつ、リチウムイオンバッテリ２７を積極的に充電することができる。すなわち、リチウムイオンバッテリ２７の内部抵抗は、鉛バッテリ２８の内部抵抗よりも小さいことから、鉛バッテリ２８の充電を抑制しつつ、リチウムイオンバッテリ２７に積極的に充電することが可能である。また、図７に示すように、モータジェネレータ１６の発電が休止する際には、鉛バッテリ２８の放電を抑制しつつ、リチウムイオンバッテリ２７を積極的に放電させることができる。すなわち、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１は、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ２よりも高いことから、鉛バッテリ２８の放電を抑制しつつ、リチウムイオンバッテリ２７を積極的に放電させることが可能である。このように、鉛バッテリ２８の充放電を抑制することができるため、鉛バッテリ２８に求められる出力特性やサイクル特性を緩和することができ、鉛バッテリ２８のコストを下げることが可能である。この点からも、車両用電源装置１０のコストを下げることができる。
なお、前述の説明では、発電電圧ＶＧを端子電圧Ｖ１よりも下げる際に、モータジェネレータ１６を発電休止状態に制御しているが、これに限られることはない。モータジェネレータ１６の発電状態を維持したまま、発電電圧ＶＧを端子電圧Ｖ１よりも下げた場合であっても、リチウムイオンバッテリ２７を放電させることが可能である。このとき、モータジェネレータ１６の発電電流を調整することにより、リチウムイオンバッテリ２７の放電電流を制御することが可能である。すなわち、モータジェネレータ１６の発電電流を増加させることにより、リチウムイオンバッテリ２７の放電電流を減少させることができる。一方、モータジェネレータ１６の発電電流を減少させることにより、リチウムイオンバッテリ２７の放電電流を増加させることができる。
［エンジン始動制御］
続いて、エンジン始動時における車両用電源装置１０の電力供給状況について説明する。図８および図９は車両用電源装置１０の電力供給状況を示す説明図である。図８にはスタートスイッチ操作によるエンジン初始動時の電力供給状況が示されており、図９にはアイドリングストップ制御によるエンジン再始動時の電力供給状況が示されている。
図８に示すように、運転手のスタートスイッチ操作によるエンジン初始動時においては、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチＳＷ２が閉じられた後に、スタータリレー３５が閉じられる。これにより、鉛バッテリ２８からスタータモータ２１に電力が供給され、スタータモータ２１のクランキング動作によってエンジン１２が始動される。なお、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチＳＷ１は、エンジン１２が始動された後に閉じられる。前述の説明では、リチウムイオンバッテリ２７の放電を抑制する観点から、開閉スイッチＳＷ１は開かれているが、これに限られることはない。例えば、寒冷地等の低温環境下においては、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を閉じることにより、鉛バッテリ２８とリチウムイオンバッテリ２７との双方から、スタータモータ２１に対して電力を供給しても良い。
図９に示すように、アイドリングストップ制御によるエンジン再始動時においては、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチＳＷ２が開かれた後に、モータジェネレータ１６の目標駆動トルクが引き上げられる。これにより、リチウムイオンバッテリ２７からモータジェネレータ１６に電力が供給され、始動装置であるモータジェネレータ１６のクランキング動作によってエンジン１２が始動される。アイドリングストップ制御によるエンジン再始動時においては、開閉スイッチＳＷ２を開いて第１電源回路４１と第２電源回路４２とを切り離すことにより、第２電源回路４２の瞬低保護負荷３３に対する瞬間的な電圧低下つまり瞬低を防止することができる。これにより、エンジン再始動時に瞬低保護負荷３３の作動状態を継続することができるため、車両品質を向上させることができる。
［他の実施形態］
以下、本発明の他の実施の形態について説明する。図１０は本発明の他の実施の形態である車両用電源装置２００の構成を示す回路図である。なお、図１０において、図２に示す部品や部材と同様の部品や部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。
車両用電源装置２００は、発電機であるオルタネータ２０１を有している。このオルタネータ２０１は、前述したモータジェネレータ１６と同様に、エンジン１２のクランク軸１４に機械的に接続されている。オルタネータ２０１は、ステータコイルを備えたステータ２０２と、フィールドコイルを備えたロータ２０３と、を有している。また、オルタネータ２０１には、ステータコイルやフィールドコイルの通電状態を制御するため、インバータ、レギュレータおよびマイクロコンピュータ等を備えた発電コントローラ２０４が設けられている。発電コントローラ２０４を用いて、フィールドコイルやステータコイルの通電状態を制御することにより、オルタネータ２０１の発電電圧や発電電流を制御することが可能である。
このようなオルタネータ２０１には、リチウムイオンバッテリ２７および鉛バッテリ２８が並列に接続されている。リチウムイオンバッテリ２７の正極端子２７ａには第１電源ライン２９が接続されており、鉛バッテリ２８の正極端子２８ａには第２電源ライン３０が接続されている。第１電源ライン２９には開閉スイッチＳＷ１が設けられており、第２電源ライン３０には開閉スイッチＳＷ２が設けられている。また、オルタネータ２０１の出力端子２０１ａには通電ライン２０５が接続されており、スタータモータ２１にはスタータリレー３５を介して通電ライン２０６が接続されている。オルタネータ２０１から延びる通電ライン２０５は、第２電源ライン３０に接続されている。また、第１電源ライン２９、第２電源ライン３０および通電ライン２０６は、ノード２０７を介して互いに接続されている。
車両用電源装置２００には、リチウムイオンバッテリ２７およびスタータモータ２１を備えた第１電源回路２１１が設けられている。また、車両用電源装置２００には、鉛バッテリ２８、瞬低保護負荷３３および車体負荷３４等を備えた第２電源回路２１２が設けられている。そして、第１電源回路２１１と第２電源回路２１２とは、開閉スイッチ（スイッチ）ＳＷ２を介して接続されている。すなわち、第１電源回路２１１と第２電源回路２１２とを電気的に接続する導通状態と、第１電源回路２１１と第２電源回路２１２とを電気的に分離する遮断状態とに切り替えられる。なお、図示する例では、第１電源ライン２９に開閉スイッチＳＷ１を設けているが、これに限られることはなく、負極側の通電ライン３８に開閉スイッチＳＷ１を設けても良い。
このような回路構成を備える車両用電源装置２００であっても、前述した車両用電源装置１０と同様に機能させることが可能である。すなわち、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２が閉じられた状態のもとで、オルタネータ２０１の発電電圧を、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも引き上げることにより、オルタネータ２０１の発電電力を、リチウムイオンバッテリ２７、鉛バッテリ２８、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４に供給することができる。一方、オルタネータ２０１の発電電圧を、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも引き下げることにより、リチウムイオンバッテリ２７に蓄えられた電力を、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４および鉛バッテリ２８に供給することができる。このように、オルタネータ２０１の発電電圧を制御することにより、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を閉じた状態に保持したまま、リチウムイオンバッテリ２７の充放電を制御することができる。
また、前述した車両用電源装置１０と同様に、運転手のスタートスイッチ操作によるエンジン初始動時においては、開閉スイッチＳＷ２が閉じられた後にスタータリレー３５が閉じられる。これにより、鉛バッテリ２８からスタータモータ２１に電力が供給され、スタータモータ２１のクランキング動作によってエンジン１２が始動される。なお、開閉スイッチＳＷ１は、エンジン１２が始動された後に閉じられる。また、アイドリングストップ制御によるエンジン再始動時においては、開閉スイッチＳＷ２が開かれた後に、スタータリレー３５が閉じられる。これにより、リチウムイオンバッテリ２７からスタータモータ２１に電力が供給され、始動装置であるスタータモータ２１のクランキング動作によってエンジン１２が始動される。アイドリングストップ制御によるエンジン再始動時においては、開閉スイッチＳＷ２を開いて第１電源回路２１１と第２電源回路２１２とを切り離すことにより、第２電源回路２１２の瞬低保護負荷３３に対する瞬間的な電圧低下つまり瞬低を防止することができる。これにより、エンジン再始動時に瞬低保護負荷３３の作動状態を継続することができるため、車両品質を向上させることができる。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。前述したように、第１蓄電体としてリチウムイオンバッテリ２７を採用し、第２蓄電体として鉛バッテリ２８を採用している。リチウムイオンバッテリ２７と鉛バッテリ２８とを組み合わせる際には、リチウムイオンバッテリ２７として、正極材料にリン酸鉄リチウムを適用したリン酸鉄リチウムイオンバッテリが好ましい。しかしながら、第１蓄電体や第２蓄電体としては、リチウムイオンバッテリ２７や鉛バッテリ２８に限られることはなく、如何なる蓄電体を採用しても良い。例えば、第１蓄電体として、鉛バッテリ、ニッケル水素バッテリ、電気二重層キャパシタ等を採用しても良い。また、第２蓄電体として、リチウムイオンバッテリ、ニッケル水素バッテリ、電気二重層キャパシタ等を採用しても良い。なお、第１蓄電体および第２蓄電体として、端子電圧や内部抵抗の異なる同種の蓄電体を採用しても良いことはいうまでもない。
前述の説明では、発電機および電動機として機能するモータジェネレータ１６を用いているが、これに限られることはなく、電動機として機能しない発電機を用いても良い。この場合であっても、発電機の発電電圧を制御することにより、第１蓄電体の充放電を制御することが可能である。また、モータジェネレータ１６としては、誘導発電機に限られることはなく、他の形式の発電機を採用しても良い。
前述の説明では、通電経路１００を構成する第２電源ライン３０に、開閉スイッチＳＷ２を設けているが、これに限られることはなく、通電経路１０１を構成する通電ライン３９に、開閉スイッチＳＷ２を設けても良い。このように、通電経路１０１に開閉スイッチＳＷ２を設けた場合であっても、電源回路に対する鉛バッテリ２８の接続状態を制御することができる。また、車両用電源装置１０に設けられる開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２としては、接触子を電磁力によって動作させる電磁式のスイッチであっても良く、半導体素子を用いて構成される半導体式のスイッチであっても良い。
前述の説明では、１つの制御ユニット５０に、充放電コントローラ５１およびＩＳＳコントローラ５２を設けているが、これに限られることはない。例えば、充放電コントローラ５１が組み込まれる制御ユニットと、ＩＳＳコントローラ５２が組み込まれる制御ユニットとを分けても良い。また、車両用電源装置１０が搭載される車両１１としては、アイドリングストップ機能を備えた車両に限られることはなく、アイドリングストップ機能を備えていない車両であっても良い。また、前述の説明では、第１電源回路４１に車体負荷３４を接続しているが、これに限られることはなく、第２電源回路４２だけに車体負荷３４を接続しても良く、第１電源回路４１と第２電源回路４２との双方に車体負荷３４を接続しても良い。
前述の説明では、モータジェネレータ１６を燃焼発電状態に制御する際には、発電電圧ＶＧを所定電圧Ｖａに引き上げ、モータジェネレータ１６を回生発電状態に制御する際には、発電電圧ＶＧを所定電圧Ｖｂに引き上げているが、これに限られることはない。例えば、モータジェネレータ１６の目標発電電圧を、燃焼発電状態と回生発電状態とで一致させても良い。また、燃焼発電状態や回生発電状態において、モータジェネレータ１６の目標発電電圧を、車速、アクセル操作量、ブレーキ操作量に基づき変化させても良い。また、前述の説明では、アイドリングストップ制御のエンジン再始動時に、モータジェネレータ１６を電動機として駆動しているが、これに限られることはない。例えば、エンジン始動後の加速走行時に、モータジェネレータ１６を電動機として駆動することにより、エンジン１２の負荷を軽減しても良い。
１０ 車両用電源装置
１１ 車両
１２ エンジン
１６ モータジェネレータ（発電機，始動装置）
２１ スタータモータ（始動装置）
２７ リチウムイオンバッテリ（第１蓄電体）
２７ａ 正極端子
２７ｂ 負極端子
２８ 鉛バッテリ（第２蓄電体）
２８ａ 正極端子
２８ｂ 負極端子
３３ 瞬低保護負荷（電気負荷，電気機器）
４１ 第１電源回路
４２ 第２電源回路
５０ 制御ユニット
５１ 充放電コントローラ（充放電制御部）
５２ ＩＳＳコントローラ（エンジン制御部）
１００ 通電経路
１０１ 通電経路
２００ 車両用電源装置
２０１ オルタネータ（発電機）
２１１ 第１電源回路
２１２ 第２電源回路
ＳＷ２ 開閉スイッチ（スイッチ）
Ｖ１ 端子電圧
Ｖ２ 端子電圧
ＶＧ 発電電圧

Claims (6)

  1. 車両に搭載される車両用電源装置であって、
    エンジンに接続される発電機と、
    前記発電機に接続される第１蓄電体と、
    前記第１蓄電体と並列に前記発電機に接続され、前記第１蓄電体よりも端子電圧の低い第２蓄電体と、
    前記発電機の発電電圧を制御し、前記第１蓄電体の充放電を制御する充放電制御部と、
    を有し、
    前記第１蓄電体の充放電範囲における下限電圧は、前記第２蓄電体の充放電範囲における上限電圧よりも高く設計され、
    前記充放電制御部は、
    前記発電電圧を前記第１蓄電体の端子電圧よりも上げることにより、前記発電機から前記第１蓄電体に電力を供給し、
    前記発電電圧を前記第１蓄電体の端子電圧よりも下げることにより、前記第１蓄電体から電気負荷に電力を供給する、車両用電源装置。
  2. 請求項１記載の車両用電源装置において、
    前記第１蓄電体の内部抵抗は、前記第２蓄電体の内部抵抗よりも小さい、車両用電源装置。
  3. 請求項１または２記載の車両用電源装置において、
    前記第１蓄電体を備える第１電源回路と、
    前記第２蓄電体と前記電気負荷とを備える第２電源回路と、
    前記第１電源回路と前記第２電源回路とを接続するスイッチと、
    を有し、
    前記充放電制御部は、
    前記スイッチが閉じられた状態のもとで、前記発電電圧を前記第１蓄電体の端子電圧よりも上げることにより、前記発電機から前記第１蓄電体に電力を供給し、
    前記スイッチが閉じられた状態のもとで、前記発電電圧を前記第１蓄電体の端子電圧よりも下げることにより、前記第１蓄電体から電気負荷に電力を供給する、車両用電源装置。
  4. 請求項３記載の車両用電源装置において、
    停止条件に基づき前記エンジンを自動的に停止し、始動条件に基づき前記エンジンを自動的に再始動するエンジン制御部を有し、
    前記電気負荷は、前記エンジン制御部によるエンジン再始動時に作動状態が継続される電気機器であり、
    前記エンジン制御部は、前記スイッチが開かれた状態のもとで、始動装置を駆動して前記エンジンを再始動させる、車両用電源装置。
  5. 請求項４記載の車両用電源装置において、
    前記発電機は、前記エンジンを始動回転させる前記始動装置である、車両用電源装置。
  6. 請求項３記載の車両用電源装置において、
    前記スイッチは、前記第１蓄電体と前記第２蓄電体との正極端子を接続する通電経路に設けられる、車両用電源装置。
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