JP6128491B2 - 車両用の電源装置及びこの電源装置を備える車両 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載しているスターターモータと電装機器に電力を供給する車両用の電源装置とこの電源装置を備える車両に関する。

電気特性が異なる複数のバッテリ、たとえば、鉛バッテリと、リチウム蓄電池などの鉛バッテリよりも高エネルギー密度のバッテリを並列に接続する車両用の電源装置が開発されてきている。（特許文献１参照）
特許文献１の電源装置は、鉛バッテリに、スイッチを介して、高エネルギー密度のバッテリであるリチウム蓄電池を接続している。この電源装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく、リチウム蓄電池が鉛バッテリに並列接続される。この電源装置は、回路構成を簡単にしながら、発電機でもって、鉛バッテリとリチウム蓄電池の両方を充電し、また鉛バッテリとリチウム蓄電池の両方から車両側の負荷に電力を供給できる。さらに、以上の電源装置は、鉛バッテリとリチウム蓄電池とからなる電気特性の異なるバッテリを並列に接続することで、単一のバッテリでは実現できない優れた電気特性を実現できる。たとえば、鉛バッテリは、安価で充放電容量が大きく、しかも優れた大電流放出特性を実現し、リチウム蓄電池は重量や容積に対する容量が大きく、また発電機の大電流で効率よく充電できる等の特徴がある。したがって、電気特性が異なるバッテリを並列に接続する電源装置は、鉛バッテリのみで実現できない優れた特性を実現する。

特開２０１１−１５５１６号公報

さらに、以上の電源装置は、鉛バッテリを車両側負荷と発電機とスターターモータとに接続して、リチウム蓄電池は開閉回路のスイッチを介して鉛バッテリに接続している。この電源装置では、スイッチを制御してリチウム蓄電池を鉛バッテリに接続する。スイッチは、リチウム蓄電池を保護しながら充放電できるように、言い換えると、リチウム蓄電池が過充電や過放電されない状態に限ってオン状態に切り換えられ、通常はオフ状態に制御される。すなわち、スイッチは、ノーマルオフ状態に接続される。この電源装置は、スイッチをノーマルオフ状態に制御して、リチウム蓄電池を保護しながら充放電できる。しかしながら、スイッチのオフ状態において、リチウム蓄電池は鉛バッテリに接続されないので、鉛バッテリのみが充電され、また鉛バッテリとリチウム蓄電池とが別々の負荷に放電されて、電圧差が発生する。鉛バッテリとリチウム蓄電池とに電圧差が発生する状態で、スイッチがオフからオンに切り換えられると、極めて大きな電流が流れてスイッチを損傷させる原因となる。とくに、鉛バッテリやリチウム蓄電池は、発電機で効率よく充電できるように内部抵抗が小さく、わずかな電圧差によっても極めて大きな電流が流れてスイッチを損傷させる。

本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、電気特性が異なる複数のバッテリを接続して、発電機の電力で効率よく充電することに加えて、並列に接続されるバッテリの電圧差を小さくすることで、スイッチの寿命低下を防止できる車両用の電源装置及びこの電源装置を備える車両を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の車両用の電源装置は、車両２００のスターターモータ２２と車両負荷２１と発電機２５に接続してなる第１バッテリ１と、この第１バッテリ１と電気特性が異なる第２バッテリ２と、第１バッテリ１と第２バッテリ２との間に接続されて、オン状態で第２バッテリ２を第１バッテリ１に並列接続する接続スイッチ４と、この接続スイッチ４をコントロールする制御回路５とを備えており、接続スイッチ４のオン状態において、発電機２５が第１バッテリ１と第２バッテリ２を充電する。車両用の電源装置は、制御回路５が、スターターモータ２２に電力を供給する状態と、第１バッテリ１及び／又は第２バッテリ２の異常な状態を含むオープン条件を検出する状態において、接続スイッチ４をオフ状態に切り換え、オープン条件を検出しないノーマル状態においては、接続スイッチ４をオン状態に保持制御する。

以上の電源装置は、電気特性が異なる複数のバッテリを接続して、発電機の電力で効率よく充電できると共に、並列に接続されるバッテリの電圧差を小さくして、スイッチの寿命低下を防止できる特徴がある。それは、以上の電源装置が、オープン条件を満足するときに限って接続スイッチをオフ状態に切り換えるノーマルオン状態に制御して、オフ状態を特定の状態に制限するからである。

以上の電源装置が発電電力で効率よくバッテリを充電できるのは、第１バッテリと第２バッテリとを、ノーマルオン状態に制御される接続スイッチで並列接続することで、通常の使用状態において、常に第２バッテリを第１バッテリに並列接続してバッテリの容量（Ａｈ）を大きくできるからである。容量（Ａｈ）の大きいバッテリは、回生発電の大電力で充電されても過充電されず、回生発電の大電力でバッテリを効率よく充電して、バッテリに蓄える電気エネルギーを大きくできる。すなわち、発電機から出力される電気エネルギーを効率よくバッテリに蓄えることができる。これに対して、容量（Ａｈ）の小さいバッテリが回生発電の大電力で充電されると過充電される確率が高くなって充電が制限され、あるいは、バッテリ電圧が上昇して充電電流が小さくなることから、発電機から出力される電気エネルギーを効率よくバッテリに蓄えることができなくなる。

また、以上の電源装置は、接続スイッチをノーマルオン状態として、常に第１バッテリと第２バッテリとを並列に接続して、第２バッテリを第１バッテリから切り離す割合を少なくできる。したがって、第２バッテリが第１バッテリから切り離されて両方のバッテリに電圧差が発生する時間が短く、第１バッテリと第２バッテリとの間に発生する電圧差を小さくできる。第１バッテリと第２バッテリの電圧差が小さい状態で接続スイッチがオンに切り換えられるので、接続スイッチに大きな突入電流が流れず、スイッチの損傷を少なくして、スイッチの寿命低下を防止できる。

本発明の車両用の電源装置は、制御回路５が、第１バッテリ１と第２バッテリ２との電圧差を検出する電圧差検出部１６を備え、接続スイッチ４のオフ状態において、電圧差検出部１６で検出される電圧差が設定値よりも大きい状態をオープン条件を満足するとして、制御回路５が接続スイッチ４をオフ状態に保持することができる。

以上の電源装置は、第１バッテリと第２バッテリとの電圧差が設定値よりも大きい状態において、接続スイッチをオンに切り換えないので、大きな電圧差のある状態で、接続スイッチがオンに切り換えられて大電流が流れることがない。このため、接続スイッチをオンに切り換える過大電流で接続スイッチが溶着するのを効果的に防止できる。

本発明の車両用の電源装置は、制御回路５が車両側に接続される通信回路１４を備え、この通信回路１４を介して車両側から入力される第１バッテリ１の電圧が正常範囲外である状態をオープン条件を満足すると判定して、接続スイッチ４をオフ状態に切り換えることができる。

以上の電源装置は、第１バッテリの電圧が車両側から通信回路を介して入力されるので、第１バッテリの電圧を検出する回路を設ける必要がなく、回路構成を簡単にできる。また、車両側から入力される第１バッテリの電圧が正常範囲外にある状態をオープン条件を満足するとして接続スイッチをオフに切り換えるので、第２バッテリを異常な電圧から保護しながら充放電できる。

本発明の車両用の電源装置は、制御回路５が第２バッテリ２の残容量を検出する残容量検出部１７と、車両側の発電状態と非発電状態とを判定する発電判定部１８とを備えて、残容量検出部１７で検出される残容量が最大残容量よりも大きく、かつ発電判定部１８が発電状態を検出する状態をオープン条件を満足する状態と判定し、さらに、残容量検出部１７で検出される残容量が、最低残容量よりも小さく、かつ発電判定部１８が非発電状態を検出する状態をオープン条件を満足する状態と判定して、制御回路５が接続スイッチ４をオフ状態とすることができる。

以上の電源装置は、第２バッテリの過充電や過放電を防止しながら、第２バッテリを第１バッテリに接続して充放電できる。とくに、接続スイッチを制御して、最大残容量の第２バッテリを放電して、最低残容量の第２バッテリを充電するので、第２バッテリの残容量を好ましい範囲にコントロールしながら充放電できる。

本発明の車両用の電源装置は、第２バッテリ２と直列に接続してなるヒューズ４３と、このヒューズ４３の断線を検出する断線検出部４４とを備えて、断線検出部４４がヒューズ４３両端の電圧を検出してヒューズ４３の断線を判定することができる。

以上の電源装置は、接続スイッチのオン状態とオフ状態の両方の状態においてヒューズの断線を検出できる。それは、接続スイッチのオンオフに影響されることなく、ヒューズが断線される状態において、ヒューズ両端の電圧差が大きくなり、ヒューズが断線されない状態では、ヒューズ両端の電圧がほぼ０Ｖとなるからである。

本発明の車両用の電源装置は、接続スイッチ４の溶着を判定する溶着判定部４６を備え、この溶着判定部４６で接続スイッチ４両端の電圧を検出して接続スイッチ４の溶着を判定することができる。

以上の電源装置は、接続スイッチの溶着を確実に検出できる。それは、接続スイッチが溶着されると、制御回路が接続スイッチをオフ状態に制御する状態で、接続スイッチ両端の電圧がほぼ０Ｖとなり、溶着されない状態では、接続スイッチ両端の電圧が大きくなるからである。

本発明の車両用の電源装置は、第１バッテリ１を鉛バッテリとして、第２バッテリ２を第１バッテリ１よりも高エネルギー密度のバッテリとすることができる。

以上の電源装置は、第２バッテリに高エネルギー密度バッテリを使用するので、バッテリ全体の容積や重量に対する充放電容量を大きくして、発電機の発電電力で効率よく充電し、また放電できる特徴が実現される。バッテリ全体を軽量化し、かつコンパクトにして充放電容量を大きくできることは、回生発電でバッテリを充電し、またアイドルストップ機能のある車両においては、燃費を向上できる優れた効果を実現する。それは、回生制動のエネルギーでのバッテリの充電量を大きくして、充電されたバッテリでエンジンを始動できるからである。回生制動でバッテリが充分に充電されないと、エンジン３１を始動するためにエンジン３１で発電機２５を駆動してバッテリを充電し、また車両側の負荷２０に電力を供給するためにもエンジン３１で発電機２５を駆動してバッテリを充電する必要があるので、アイドルストップ機能しながら燃費が低下する。

本発明の車両用の電源装置は、第２バッテリ２の高エネルギー密度バッテリを、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池の少なくとも一つとすることができる。

第１バッテリを鉛バッテリとして第２バッテリをニッケル水素電池とする電源装置は、互いに近似する鉛バッテリとニッケル水素電池の電圧特性によって、ニッケル水素電池の過充電を防止しながら、回生発電で第１バッテリと第２バッテリとを効率よく充電できる。それは、第１バッテリである鉛バッテリの過充電を防止するように、車両側の発電機の出力電圧を制御することで、第２バッテリのニッケル水素電池の過充電を防止できるからである。

また、第２バッテリをリチウムイオン電池やリチウムポリマー電池とする電源装置は、第２バッテリをコンパクトで軽量化しながらバッテリ全体の充放電容量を大きくできる。

本発明の車両用の電源装置は、接続スイッチ４と並列に接続してなる、電流制限抵抗４１と均等化スイッチ４２との直列回路からなる均等化回路４０を備え、制御回路５が接続スイッチ４のオフ状態において、均等化回路４０の均等化スイッチ４２を制御して第１バッテリ１と第２バッテリ２との電圧を均等化することができる。

以上の車両用の電源装置は、第１バッテリと第２バッテリの電圧差を均等化回路で均等化して接続スイッチをオンに切り換えることができるので、第１バッテリと第２バッテリに電圧差があっても、接続スイッチをオンに切り換える時に、過大な突入電流が流れるのを小さくして、突入電流による接続スイッチの損傷を防止できる。

本発明の車両は、第１バッテリ１と第２バッテリ２とを、ノーマルオン状態に制御される接続スイッチ４を介して並列接続してなる上記のいずれかに記載される電源装置を電装用の電源として使用している。

本発明の一実施形態にかかる車両用の電源装置のブロック図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置及びこの電源装置を備える車両を例示するものであって、本発明は電源装置及び車両を以下のものに特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定するものでは決してない。

図１に示す車両用の電源装置は、回生制動で発電機２５を駆動し、かつアイドルストップ機能のある車両２００に搭載されて、車両２００の燃費を有効に改善できる。なお、本実施形態では、回生制動で発電機２５を駆動するが、燃費を改善する効果が期待できることから、アイドルストップ機能のない車両に搭載してもよい。

図１の電源装置は、第１バッテリ１と第２バッテリ２と接続スイッチ４と制御回路５とを備える。第１バッテリ１は、車両２００の発電機２５と車両負荷２１とスターターモータ２２とに接続されている。スターターモータ２２は、スターターリレー２３を介して第１バッテリ１に接続されている。第２バッテリ２は、第１バッテリ１と電気特性が異なるバッテリである。接続スイッチ４は、第１バッテリ１と第２バッテリ２との間に接続してされている。制御回路５は、接続スイッチ４のオンオフを切り換える。

発電機２５は、回生制動の発電電力で第１バッテリ１と第２バッテリ２とを充電しうる。回生制動は、減速された分の車両の運動エネルギーで発電機２５を駆動する。回生制動時においては、車輪（図示せず）が発電機２５に連結されて車輪で発電機２５を駆動する。このとき、発電機２５のロータコイル３７の励磁電流を制御して発電機２５の出力電圧を調整しながら、第１バッテリ１と第２バッテリ２とを充電する。励磁電流を大きくすると、発電機２５の出力電圧が大きくなって、車輪の制動力も大きくなる。したがって、ロータコイル３７の励磁電流は、車両に要求される制動力と発電機２５の出力電圧で最適値にコントロールされる。回生制動の発電電力のみでは第１バッテリ１と第２バッテリ２を所定の容量まで充電できない状態、すなわち第１バッテリ１や第２バッテリ２の残容量や電圧が設定値よりも小さくなる状態においては、エンジン３１で発電機２５を駆動して、第１バッテリ１と第２バッテリ２を充電する。

車両負荷２１は、ライト、ワイパー、エアコン、ウインドガラスのデフロスター用ヒーター、カーオーディオ、カーナビゲーションなどの電装品である。スターターモータ２２は、スターターリレー２３を介して第１バッテリ１に接続される。スターターリレー２３は、車両のメインスイッチであるイグニッションスイッチ３２がオンに切り換えられたときにオン状態に切り換えられる。アイドルストップ機能の車両にあっては、信号などで停止した車両を移動させるときに、車両側からの信号でオン状態に切り換えられてエンジン３１を始動する。

接続スイッチ４はリレーである。ただし、接続スイッチは、リレーに代わって、ＦＥＴやトランジスタ等の半導体スイッチング素子も使用できる。接続スイッチ４のオン状態において、第１バッテリ１と第２バッテリ２は、並列に接続される。この状態において、第１バッテリ１と第２バッテリ２は、両方から車両負荷２１に電力を供給する。また、この状態において、発電機２５は、回生発電でもって、第１バッテリ１と第２バッテリ２の両方を充電する。図１の電源装置は、ノーマル状態において接続スイッチ４をオン状態に保持し、オープン条件のときに限って接続スイッチ４をオフ状態に切り換える。

接続スイッチ４のオフ状態において、第２バッテリ２は第１バッテリ１に接続されない。この状態で、発電機２５は第１バッテリ１のみを充電する。また、この状態においては、第１バッテリ１のみからスターターモータ２２と車両負荷２１とに電力を供給する。接続スイッチ４のオフ状態において、第２バッテリ２は、車両負荷２１とスターターモータ２２の両方に電力を供給しない。また、発電機２５による充電も停止される。

第１バッテリ１は、定格電圧を１２Ｖとする鉛バッテリである。ただし、第１バッテリ１は、第２バッテリ２よりも大電流特性に優れる全てのバッテリ、たとえば、リチウムイオン電池なども使用できる。第１バッテリ１からスターターモータ２２に電力を供給するからである。第１バッテリ１に使用される車載用の鉛バッテリは、定格電圧を１２Ｖとするが、定格電圧を１２Ｖとする鉛バッテリを複数個直列に接続して、定格電圧を２４Ｖ〜４８Ｖとすることもできる。第１バッテリの定格電圧を高くすることは、回生制動の充電電流を小さくして、回生発電で効率よく充電することに効果がある。ただ、第１バッテリの定格電圧を２４Ｖ〜４８Ｖとする電源装置は、第１バッテリの電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで降圧して車両負荷に電力を供給する必要がある。

第１バッテリ１は、電圧調整回路２６で電圧を制御している発電機２５で充電される。電圧調整回路２６は、定格電圧を１２Ｖとする第１バッテリ１を充電する発電機２５の出力電圧を、好ましくは１３．５Ｖ〜１４．５Ｖ、最高電圧が１５Ｖを越えないように制御する。発電機２５は、電圧調整回路２６でもって、その出力電圧を、第１バッテリ１である鉛バッテリを最適な電圧範囲で充電できる電圧にコントロールされる。電圧調整回路２６は、発電機２５の出力電圧を高く、すなわち、第１バッテリ１の充電電圧を高くして、第１バッテリ１と第２バッテリ２の充電量を大きくできる。ただ、充電電圧が高すぎると、第１バッテリ１と第２バッテリ２が過充電されて寿命が短くなる。反対に充電電圧を低くすると充電容量が小さくなって第１バッテリ１と第２バッテリ２が過放電されやすくなり、寿命が短くなる。したがって、電圧調整回路２６でコントロールされる発電機２５の出力電圧は、第１バッテリ１と第２バッテリ２の充電量を大きくしながら、過放電を防止できるように、前述の範囲に制御される。

電圧調整回路２６は、発電機２５のロータコイル３７の励磁電流を制御して出力電圧をコントロールする。電圧調整回路２６は、制御回路５に制御される。制御回路５は、ロータコイル３７の励磁電流を大きくして発電機２５の出力電圧を高くし、励磁電流を小さくして発電機２５の出力電圧を低くする。

第２バッテリ２は、第１バッテリ１と電気特性が異なるバッテリであって、第１バッテリ１よりもエネルギー密度の高いバッテリ、すなわち高エネルギー密度バッテリである。高エネルギー密度バッテリは、ニッケル水素電池である。ニッケル水素電池の定格電圧は１．２Ｖ／セルである。したがって、１０個のニッケル水素電池を直列に接続して、定格電圧を１２Ｖとする第１バッテリ１の鉛バッテリと並列に接続できる。ただし、本発明は、第２バッテリの高エネルギー密度バッテリをニッケル水素電池には特定しない。第２バッテリの高エネルギー密度バッテリには、ニッケル水素電池に代わって、リチウムイオン電池やリチウムポリマー電池等の非水系電解液電池も使用できる。

また、第２バッテリに第１バッテリよりも内部抵抗の小さいバッテリを使用することによって、第１バッテリだけの場合に比べて、回生発電で効率よく充電できる。

制御回路５は、駆動回路１０と第１検出回路１１と処理回路１３と第２検出回路１２と通信回路１４と電源回路１５とを備えている。駆動回路１０は、接続スイッチ４をオンオフに切り換える。第１検出回路１１は、第２バッテリ２の電圧、電流、温度を検出するＡＳＩＣからなる。処理回路１３は、第１検出回路１１から入力される信号で、駆動回路１０を介して接続スイッチ４をオンオフに制御する。第２検出回路１２は、車両側のイグニッションスイッチ３２の信号を検出する。通信回路１４は車両側に設けられた車両側制御部２７と通信する。電源回路１５は、これ等の回路に動作電力を供給する。

駆動回路１０は、接続スイッチ４をリレーとする回路構成にあっては、リレーの励磁コイルの通電を制御して、オンオフに切り換える。また、接続スイッチ４を半導体スイッチング素子とする回路構成にあっては、駆動回路１０は半導体スイッチング素子をオンオフに制御する制御信号を接続スイッチ４に出力する。

第１検出回路１１は、所定のサンプリング周期、たとえば、１０μｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃのサンプリング周期で、第２バッテリ２の電圧、充放電電流、温度を検出し、検出する信号をデジタル信号に変換して処理回路１３に出力する。車両側で第１バッテリ１の電圧信号を検出し、検出する第１バッテリ１の電圧信号を、通信回路１４を介して処理回路１３に電送する回路構成においは、第１検出回路１１は、第１バッテリ１の電圧を検出する必要がない。ただ、第１検出回路が、第１バッテリの電圧を検出することもできる。この第１検出回路は、接続スイッチの車両側の電圧を検出して、第１バッテリの電圧を検出する。

第２検出回路１２は、車両側のメインスイッチであるイグニッションスイッチ３２からの信号を検出する。第２検出回路１２は、イグニッションスイッチ３２をオンに切り換えて車両を走行させるオン状態と、スターターモータ２２を起動する信号とを検出する。

処理回路１３は、第１検出回路１１と第２検出回路１２から入力される信号で、駆動回路１０を介して接続スイッチ４をオンオフに制御する。処理回路１３は、ノーマル状態において、常に接続スイッチ４をオン状態、すなわちノーマルオン状態に制御する。処理回路１３は、オープン条件を検出する状態においてのみ、接続スイッチ４をオフ状態に切り換え、オープン条件を検出しないノーマル状態においては、常に接続スイッチ４をオン状態に保持する。処理回路１３は、可能な限り接続スイッチ４をオン状態に保持して、第２バッテリ２と第１バッテリ１とを並列に接続する。第１バッテリ１と第２バッテリ２の電圧差をできる限り少なくするためである。

ここで、処理回路１３で検出されるオープン条件は、以下の状態を含んでいる。
（１）スターターモータ２２に電力を供給する状態。
（２）第１バッテリ１及び／又は第２バッテリ２が異常な状態。

（１）の状態は、イグニッションスイッチがオンに切り換えられて、スターターモータ２２を始動する状態である。

（２）の状態には、以下の（ａ）〜（ｆ）の状態がある。
（ａ）第１バッテリ１の電圧と第２バッテリ２の電圧の電圧差が所定値以上の状態。
（ｂ）第１バッテリ１の電圧が正常範囲外である状態。
（ｃ）第２バッテリ２の残容量があらかじめ設定している最大残容量よりも大きく、かつ発電機が発電状態にある状態。
（ｄ）第２バッテリ２の残容量があらかじめ設定している最低残容量よりも小さく、かつ発電機が非発電状態にある状態。
（ｅ）第２バッテリ２の電圧が最低電圧まで低下して、発電機２５が非発電状態にある状態。
（ｆ）第２バッテリ２の温度が最高温度よりも高く、あるいは最低温度よりも低い状態。

オープン条件は、スターターモータ２２に電力を供給する状態を含んでいる。スターターモータ２２は、車両負荷２１に比較して極めて大きな電流、たとえば１００Ａ〜３００Ａの電流を消費する。第１バッテリ１は、スターターモータ２２にこの電流を供給する特性を有する鉛バッテリなどを使用する。スターターモータ２２の大電流が第２バッテリ２を劣化させるのを防止するために、第２バッテリ２はスターターモータ２２に電力を供給しない。スターターモータ２２が起動される状態は、第２検出回路１２から入力される。処理回路１３は、第２検出回路１２から入力される信号でスターターモータ２２の起動タイミングを検出し、スターターモータ２２が起動される状態、すなわちスターターリレー２３がオン状態に切り換えられる状態をオープン条件を満足するとして、一時的に接続スイッチ４をオフ状態に切り換える。エンジン３１が始動されると、スターターモータ２２には電流が供給されなくなる。

接続スイッチ４のオフ状態において、処理回路１３は、第１バッテリ１と第２バッテリ２の電圧差を検出する。処理回路１３は、第１バッテリ１と第２バッテリ２の電圧差を検出するために電圧差検出部１６を備える。この電圧差検出部１６は、第１バッテリ１の電圧と、第２バッテリ２の電圧との差電圧を検出する。第１バッテリ１の電圧は、車両側から通信回路１４を介して入力され、あるいは第１検出回路１１で検出される。第２バッテリ１の電圧は、第１検出回路１１で検出される。処理回路１３は、電圧差検出部１６で検出される第１バッテリ１と第２バッテリ２との電圧差が設定値よりも小さいと、オフ状態の接続スイッチ４をオン状態に切り換える。処理回路１３は、第２検出回路１２から入力される信号で、スターターモータ２２の電流が遮断されたことを検出し、かつ電圧差検出部１６で第１バッテリ１と第２バッテリ２の電圧差が設定値よりも小さくなったことを検出して、接続スイッチ４をオフ状態からオン状態に切り換える。

スターターモータ２２の起動時における接続スイッチ４のオフ時間は、通常は数秒程度と極めて短い。このため、スターターモータ２２の起動後に、電圧差検出部１６が検出する第１バッテリ１と第２バッテリ２の電圧差は小さい。したがって、処理回路１３は、通常のエンジン使用状態においては、エンジン始動後に、接続スイッチ４をオフ状態からオン状態に切り換える。ただ、スターターモータ２２の起動時間が長くなって、第１バッテリ１と第２バッテリ２との電圧差が設定値よりも大きくなると、電圧差検出部１６が検出する電圧差が設定値よりも大きくなる。この状態にあると、処理回路１３は、オープン条件を満足するとして、接続スイッチ４をオフ状態に保持する。接続スイッチ４のオフ状態で、発電機２５は第１バッテリ１のみを充電する。充電される第１バッテリ１は電圧が上昇する。第１バッテリ１の電圧が上昇して、電圧差検出部１６が検出する第１バッテリ１と第２バッテリ２との電圧差が設定値よりも小さくなると、処理回路１３は接続スイッチ４をオフ状態からオン状態に切り換える。

制御回路５の処理回路１３は、スターターモータ２２の起動状態に加えて、第１バッテリ１の電圧が正常範囲外にある状態でオープン条件と判定する。この処理回路１３は、車両側から通信回路１４を介して入力される第１バッテリ１の電圧を正常範囲と比較し、第１バッテリ１の電圧が、正常範囲の最低電圧よりも低く、あるいは正常範囲の最高電圧よりも高いと、オープン条件を満足するとして、接続スイッチ４をオフ状態に保持する。この処理回路１３は、オープン条件を特定する第１バッテリ１の電圧の正常範囲の最低電圧と最高電圧とをメモリ（図示せず）に記憶している。第１バッテリ１を、定格電圧を１２Ｖとする鉛バッテリとする場合、正常範囲の最低電圧は、例えば６Ｖとし、正常範囲の最高電圧は、例えば１５Ｖとすることができる。すなわち、処理回路１３は、検出される第１バッテリ１の電圧が６Ｖよりも小さく、または１５Ｖよりも大きい状態では、オープン条件を満足するとして、接続スイッチ４をオフに保持する。ただし、第１バッテリの電圧は、第１検出回路で検出することもできる。

制御回路５の処理回路１３は、第２バッテリ２の残容量からもオープン条件を判定する。この処理回路１３は、残容量検出部１７と発電判定部１８とを備える。残容量検出部１７は、第２バッテリ２の残容量を検出する。発電判定部１８は、車両側の発電状態と非発電状態とを判定する。

残容量検出部１７は、第１検出回路１１から入力される第２バッテリ２の電流を演算して、第２バッテリ２の残容量（％）を算出する。すなわち、第２バッテリ２の既存容量（Ａｈ）に充電電流を積算した充電容量（Ａｈ）を加算し、放電電流を積算した放電容量（Ａｈ）を減算して変動する容量（Ａｈ）を算出し、算出される容量（Ａｈ）と満充電容量（Ａｈ）との比率から残容量（％）を算出する。残容量検出部１７は、第１検出回路１１で検出される第２バッテリ２の温度で充電効率を補正して、より正確に残容量（％）を算出することもできる。

発電判定部１８は、通信回路１４を介して車両側制御部２７から入力される信号で、発電機２５の発電状態と非発電状態とを判定する。車両側制御部２７は、発電機２５が回生制動し、あるいはエンジン３１で発電機２５を発電状態とする状態で発電信号を出力し、発電機２５が発電しない状態で非発電信号を出力して、通信回路１４を介して処理回路１３に入力する。ただし、発電判定部１８は、車両側からの入力信号によらず、第１バッテリ１の電圧から発電状態と非発電状態とを判別することもできる。発電機２５の発電状態と非発電状態とで第１バッテリ１の電圧が変動するからである。発電機２５の発電状態における第１バッテリ１の電圧は、発電機２５の電圧調整回路２６で設定される。定格電圧を１２Ｖとする鉛バッテリを充電する発電機２５の電圧調整回路２６は、発電状態における発電機２５の出力電圧を１３．５Ｖ〜１４．５Ｖに設定する。したがって、発電状態において第１バッテリ１の電圧は１３．５Ｖ〜１４．５Ｖとなる。第１バッテリ１は、非発電状態においては、１２Ｖ〜１３Ｖに低下する。したがって、発電判定部１８は、第２バッテリ２の電圧が１３Ｖよりも高い状態を発電状態、１３Ｖよりも低い状態を非発電状態と判定できる。

以上の処理回路１３は、残容量検出部１７で検出される第２バッテリ２の残容量があらかじめ設定している最大残容量よりも大きく、かつ発電判定部１８が発電状態を検出する状態をオープン条件を満足する状態と判定して接続スイッチ４をオフ状態に切り換える。すなわち、第２バッテリ２の残容量（％）が最大残容量に上昇すると、発電状態では接続スイッチ４をオフ、非発電状態では接続スイッチ４をオン状態として、充電を禁止して、放電を許容する状態とする。最大残容量は、たとえば８０％〜１００％、好ましくは８０％〜９５％に設定される。処理回路１３は、第２バッテリ２の残容量が最大残容量よりも大きくなる発電状態で充電を停止し、非発電状態では放電を許容するので、最大残容量まで充電された第２バッテリ２は残容量が最大残容量よりも大きくならず、過充電されない。

さらに、処理回路１３は、残容量検出部１７で検出される第２バッテリ２の残容量が、あらかじめ設定している最低残容量よりも小さく、かつ発電判定部１８が非発電状態を検出する状態をオープン条件を満足する状態と判定して接続スイッチ４をオフ状態とする。すなわち、第２バッテリ２の残容量（％）が最低残容量まで低下すると、発電状態では接続スイッチ４をオン状態として充電し、非発電状態では接続スイッチ４をオフ状態として放電を禁止する。この処理回路１３は、第２バッテリ２の残容量が最低残容量よりも小さくなる発電状態で充電し、非発電状態では放電を禁止するので、最低残容量まで放電された第２バッテリ２は残容量が最低残容量よりも小さくならず、過放電されない。最低残容量は０％〜２０％、好ましくは５％〜１０％に設定される。最大残容量と最低残容量は、処理回路１３のメモリ（図示せず）に記憶される。

さらに、処理回路１３は、第１検出回路１１で検出される第２バッテリ２の電圧が最低電圧まで低下して、発電機２５が非発電状態にあると、オープン条件を満足するとして、接続スイッチ４をオフ状態に切り換える。第２バッテリ２の電圧が最低電圧まで低下しても、発電機２５が発電状態にあるとオープン条件を満足しないとして、接続スイッチ４をオン状態に保持して発電機２５で充電する。第２バッテリ２の最低電圧は、たとえば定格電圧の８０％に設定される。

第２バッテリ２をニッケル水素電池とする電源装置は、処理回路１３でもって、第２バッテリ２の電圧が低下する状態における非発電状態をオープン条件を満足するとして接続スイッチ４をオフ状態とするが、第２バッテリ２の電圧が上昇する状態ではオープン条件を判定することなく、つねに接続スイッチ４をオン状態に保持する。第２バッテリ２の電圧が、電圧調整回路２６で制御される発電機２５の出力電圧で過充電されることがないからである。

さらに、処理回路１３は、第１検出回路１１で検出する第２バッテリ２の温度が最高温度よりも高く、あるいは最低温度よりも低い状態をオープン条件を満足するとして、接続スイッチ４をオフに切り換えることもできる。この処理回路１３は、オープン条件を特定する第２バッテリ２の最低温度と最高温度とをメモリ（図示せず）に記憶している。最低温度は、例えば−２０℃〜−３０℃とし、最高温度は、例えば７０℃〜８０℃する。これにより、低温状態における第２バッテリの充放電を制限して電池を保護し、また、高温状態における第２バッテリの充放電を制限することで、安全性を確保しながら電池を保護できる。

以上の電源装置は、制御回路５がオープン条件を検出する状態に限って接続スイッチ４をオフ状態に切り換えるので、第２バッテリ２を保護しながら、接続スイッチ４に大きな突入電流が流れるのを防止して、接続スイッチ４の寿命低下を防止できる。また、制御回路５がオープン条件を検出しない状態では、接続スイッチ４をノーマルオン状態に制御して、並列接続される第１バッテリ１と第２バッテリ２とを、発電機２５の電力で効率よく充電できる。

さらに、図１の電源装置は、接続スイッチ４と並列に接続する均等化回路４０を備える。均等化回路４０は、電流制限抵抗４１と均等化スイッチ４２との直列回路である。均等化回路４０の均等化スイッチ４２は、制御回路５で制御される。制御回路５は、接続スイッチ４をオフ状態からオン状態に切り換えるとき、第１バッテリ１と第２バッテリ２の電圧差を検出して、電圧差が設定値よりも大きいと、均等化スイッチ４２をオンに切り換えて、第１バッテリ１と第２バッテリ２の電圧差を均等化した後、オフ状態の接続スイッチ４をオン状態に切り換える。制御回路５が均等化スイッチ４２をオン状態に切り換えるタイミングは、第１バッテリ１と第２バッテリ２の均等化電流で判定する。第１バッテリ１と第２バッテリ２が均等化されると、均等化電流は小さくなる。したがって、均等化する状態で第１バッテリ１と第２バッテリ２に流れる電流、すなわち均等化電流が積算値よりも小さくなると、均等化されたと判定して、接続スイッチ４をオン状態に切り換える。

第１バッテリ１と第２バッテリ２の均等化電流は、電流制限抵抗４１の電気抵抗と電圧差で特定される。均等化回路４０は、電流制限抵抗４１の電気抵抗を小さくして、均等化電流を大きく、すなわち速やかに均等化できる。電流制限抵抗４１の電気抵抗は、第１バッテリ１と第２バッテリ２の均等化を速やかに完了し、かつ均等化が完了するまで、均等化電流が車両負荷２１の電流よりも大きくなるように設定される。

均等化回路４０は、接続スイッチ４のオフ状態であって、第１バッテリ１と第２バッテリ２との電圧差が大きい状態において、接続スイッチ４をオン状態に切り換えるときの突入電流を小さくできる。ただ、本発明の電源装置は、接続スイッチ４をノーマルオン状態に制御することで、接続スイッチ４をオフ状態とするタイミングを可能な限り短くして、第１バッテリ１と第２バッテリ２の電圧差を小さくするので、必ずしも均等化回路４０を設ける必要はない。

さらに、図１の電源装置は、第２バッテリ２と直列に接続してなるヒューズ４３と、ヒューズ４３の断線を検出する断線検出部４４とを備える。断線検出部４４は、ヒューズ４３両端の電圧を検出する差動アンプ４５と、差動アンプ４５で検出される電圧からヒューズ４３の断線を判定する処理回路１３とで構成される。処理回路１３は、差動アンプ４５から入力される検出電圧を、あらかじめメモリ（図示せず）に記憶している設定電圧に比較し、検出電圧が設定電圧よりも高いとヒューズ４３が断線されたと判定する。ヒューズ４３が断線されると、第１バッテリ１と第２バッテリ２は接続されない状態となり、差動アンプ４５の一方の入力端子は第１バッテリ１に、他方の入力端子は第２バッテリ２に接続される。ヒューズ４３が断線されることで、第２バッテリ２に接続されない第１バッテリ１のみが、発電機２５で充電され、また車両負荷２１で放電される。したがって、ヒューズ４３が断線されると、第１バッテリ１と第２バッテリ２に電圧差が発生する。したがって、第１バッテリ１と第２バッテリ２の電圧差が設定値よりも大きくなることを検出して、ヒューズ４３の断線は判定される。ヒューズ４３が断線されると、接続スイッチ４のオンオフに関係なく、ヒューズ４３両端に電圧差が発生する。したがって、以上の断線検出部４４は、接続スイッチ４のオンオフに関係なく、ヒューズ４３の断線を検出できる。

さらに、図１の電源装置は、接続スイッチ４の溶着を検出する溶着判定部４６を備える。溶着判定部４６は、接続スイッチ４両端の電圧を検出する差動アンプ４７と、差動アンプ４７で検出される電圧から接続スイッチ４の断線を判定する処理回路１３とで構成される。処理回路１３は、接続スイッチ４をオフ状態に制御する状態で、差動アンプから入力される検出電圧を、あらかじめメモリ（図示せず）に記憶している設定電圧に比較し、検出電圧が設定電圧よりも低いと接続スイッチ４が溶着されたと判定する。接続スイッチ４が溶着されると、両端の電圧はほぼ０Ｖとなり、溶着されないと、第１バッテリ１と第２バッテリ２の電圧差となる。したがって、接続スイッチ４両端の電圧が設定値よりも小さくなることを検出して、接続スイッチ４の溶着を判定できる。

本発明に係る車両用の電源装置は、車両に搭載しているスターターモータや車両負荷に電力を供給する電源装置として好適に利用できる。

１…第１バッテリ
２…第２バッテリ
４…接続スイッチ
５…制御回路
１０…駆動回路
１１…第１検出回路
１２…第２検出回路
１３…処理回路
１４…通信回路
１５…電源回路
１６…電圧差検出部
１７…残容量検出部
１８…発電判定部
２１…車両負荷
２２…スターターモータ
２３…スターターリレー
２５…発電機
２６…電圧調整回路
２７…車両側制御部
３１…エンジン
３２…イグニッションスイッチ
３７…ロータコイル
４０…均等化回路
４１…電流制限抵抗
４２…均等化スイッチ
４３…ヒューズ
４４…断線検出部
４５…差動アンプ
４６…溶着判定部
４７…差動アンプ
２００…車両

Claims (8)

1. 車両のスターターモータと車両負荷と発電機に接続される第１バッテリと、
   前記第１バッテリと電気特性が異なる第２バッテリであって、前記第１バッテリに並列接続される、該第２バッテリと、
   前記第１バッテリと前記第２バッテリとの間に接続される接続スイッチと、
   前記接続スイッチをコントロールする制御回路であって、前記第２バッテリの残容量を検出する残容量検出部と、車両側の発電状態と非発電状態とを判定する発電判定部を含んでいる、該制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、予め設定されているオープン条件を満たすと判定する場合に、前記接続スイッチをオフ状態に切り替え、該オープン条件を満たさないと判定する場合に、前記接続スイッチをオン状態に保持制御するように構成されており、
   前記制御回路は、少なくとも、
   前記スターターモータに電力を供給する状態と、
   前記残容量検出部で検出される残容量が最大残容量よりも大きく、かつ前記発電判定部が発電状態を検出する状態と、
   前記残容量検出部で検出される残容量が最小残容量よりも小さく、かつ前記発電判定部が非発電状態を検出する状態のいずれか一つの状態に該当する場合に、前記オープン条件を満たすと判定することを特徴とする車両用の電源装置。
2. 前記制御回路は、さらに、前記第１バッテリと前記第２バッテリとの電圧差を検出する電圧差検出部を含むと共に、
   前記接続スイッチがオフに制御されており、かつ前記電圧差検出部で検出される電圧差が設定値よりも大きい状態に該当する場合にも、前記オープン条件を満たすと判定することを特徴とする請求項１に記載される車両用の電源装置。
3. さらに、車両側に接続され、前記第１バッテリの状態に関する情報が取得する通信回路を備えており、
   前記制御回路は、前記通信回路を介して取得した情報に基づいて、前記第１バッテリの電圧を検出すると共に、
   前記第１バッテリの電圧が予め設定されている正常範囲に含まれない値となっている状
   態に該当する場合にも、前記オープン条件を満たすと判定することを特徴とする請求項１または２に記載される車両用の電源装置。
4. さらに、前記第２バッテリと直列に接続されるヒューズと、
   前記ヒューズの断線を検出する断線検出部と、を備え、
   前記断線検出部は、前記ヒューズの両端の電圧に基づいて該ヒューズの断線を判定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載される車両用の電源装置。
5. さらに、前記接続スイッチの溶着を判定する溶着判定部を備え、
   前記溶着判定部は、前記接続スイッチの両端の電圧に基づいて該接続スイッチの溶着を判定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載される車両用の電源装置。
6. 前記第１バッテリは、鉛バッテリであり、
   前記第２バッテリは、前記第１バッテリよりも高エネルギー密度のバッテリであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載される車両用の電源装置。
7. 前記第２バッテリは、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、リチウムポリマー電池の少なくとも一つであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載される車両用の電源装置。
8. さらに、前記接続スイッチに並列に接続される均等化回路を備え、
   前記均等化回路は、電流制限抵抗と均等化スイッチとの直列回路を含んでおり、
   前記制御回路が前記接続スイッチをオフの状態において、前記均等化スイッチをオンに制御することを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載される車両用の電源装置。

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