JP6165522B2 - 蓄電システム - Google Patents

Description

本発明は、アイドリングストップ、エネルギー回生システムに適した蓄電システムに関する。

現在、アイドリングストップシステムやエネルギー回生システムに使用される蓄電池には通常、鉛電池が用いられる。鉛電池では、性能劣化を抑えるために満充電維持が望まれる。上述の用途では鉛電池が頻繁に充放電されるため、鉛電池の性能劣化が加速し、電池寿命が短くなってしまう。特にアイドリングストップシステムでは、アイドリングストップの状態からエンジンを再始動させる際に、相当量の放電が必要となる。鉛電池は放電深度（DOD：Depth of Discharge）が深いほど劣化が加速する。一般的に鉛電池の推奨DOD範囲は０〜１０％である。

これに対して、電力供給に必要な放電容量に対して、鉛電池の容量を大きくすることで、放電深度が深くなることを抑制することが考えられる。ただし鉛電池の容量を大きくすると、サイズ、質量が大きくなり、コストも増大する。

ニッケル水素電池、リチウムイオン電池は、電池劣化に対する放電深度の影響が相対的に小さく、広いＤＯＤ範囲で使用することが可能である。一般的にニッケル水素電池、リチウムイオン電池の推奨DOD範囲は２０〜８０％である。従って鉛電池の代わりに、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池を使用する場合、蓄電システムの小型化、軽量化が可能である。

特開２０１１−１６２１１２号公報

ところで車両のエンジン始動を行う場合、瞬間的な大電流放電が必要となる。ニッケル水素電池、リチウムイオン電池は、一般的に低温で反応抵抗が増大する。従ってニッケル水素電池、リチウムイオン電池では放電電圧が低下すると、十分な始動性能を得られない場合がある。そこでニッケル水素電池またはリチウムイオン電池と並列に、瞬間放電に優れたキャパシタを接続することが考えられる。しかしながら、電池とキャパシタを並列接続した蓄電システムは、電池単体の場合と比較して管理が複雑になる。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、電池とキャパシタを並列接続した蓄電システムの管理を簡素化する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の蓄電システムは、車両内の負荷に給電するための二次電池と、二次電池と並列接続されたキャパシタと、を備える。キャパシタの上限電圧が二次電池の上限電圧より高くなるように設けられている。

本発明によれば、電池とキャパシタを並列接続した蓄電システムの管理を簡素化できる。

本発明の実施の形態に係る車載用蓄電システムを説明するための図である。 図２（ａ）−（ｂ）は、二次電池とキャパシタのＯＣＶ−ＳＯＣ特性の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る車載用蓄電システムの動作例を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態に係る車載用蓄電システムについて説明する。以下の説明では当該車載用蓄電システムが、アイドリングストップ機能およびエネルギー回生機能を有する車両に搭載されることを想定する。

アイドリングストップ機能は、車両停止時に自動的にエンジンを停止させ、発進時に自動的にエンジンを再始動させる機能である。エネルギー回生機能は、主に減速する際の車両の運動エネルギーにより燃料を使用せずにオルタネータを作動させ、オルタネータが発電したエネルギーにより車載用蓄電システム等に電力を供給する機能である。いずれの機能も燃費を向上させる効果がある。

アイドリングストップ機能が搭載された車両ではエンジンの始動回数が多くなる。エンジンは通常、車載用蓄電システムにより駆動されるスタータにより始動される。従ってエンジンの始動回数が多くなるとバッテリの消費電力が大きくなり、放電回数が多くなる。またエネルギー回生機能が搭載された車両では、車両の減速時に集中的にオルタネータにより発電されるため、大容量で効率的な充電が可能な車載用蓄電システムが求められる。

従来、車載用蓄電システムには鉛電池が多く使用されている。放電により鉛電池が放電下限電圧に到達した場合、オルタネータを稼動させ、鉛電池を充電する。これにより鉛電池の放電深度が深くなることを抑制し、鉛電池の劣化を抑制している。しかしながら、このような制御によりアイドリングストップ時間が短くなり、燃費改善効果が小さくなっている。

また地球環境保護の観点から、鉛フリーの蓄電システムが検討されており、車両用途の蓄電システムにおいても鉛電池の代替としてニッケル水素電池、リチウムイオン電池などが検討されている。上述のようにニッケル水素電池、リチウムイオン電池は、鉛電池と比較し、深い放電深度まで利用することができるが、低温になると放電特性が急激に低下するという問題がある。車載用途では、低温時のエンジン始動性能を十分に確保できなくなる。

そこでニッケル水素電池、リチウムイオン電池と並列に、温度依存性が小さく瞬時放電に優れたキャパシタを接続することが考えられる。これにより低温下での大電流放電時の瞬間的な電圧低下を抑制できる。

図１は、本発明の実施の形態に係る車載用蓄電システム（車載用電源装置）１００を説明するための図である。当該車載用蓄電システム１００が搭載される車両には、車載用蓄電システム１００に関連する部材として、オルタネータ２００、スタータ３００、電装品４００、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５００が搭載される。

オルタネータ２００は、図示しないエンジンにより交流電力を発電し、さらにエネルギー回生機能の車両においては減速時の運動エネルギーによっても発電する。本実施の形態では主に減速中の発電について述べる。オルタネータ２００が発電した交流は、図示しないレギュレータ、整流器等の回路により直流に変換され、オルタネータ２００の電力が電装品４００、車載用蓄電システム１００に供給される。本実施の形態ではオルタネータ２００からの出力電圧は１４〜１５Ｖに設計する。

スタータ３００はエンジン始動用モータである。スタータ３００はスタータスイッチＳ１を介して、車載用蓄電システム１００の出力系統に接続される。スタータスイッチＳ１にはリレー又は半導体スイッチを用いることができる。運転者の操作により図示しないイグニッションスイッチがオンされると、スタータスイッチＳ１がオンし、車載用蓄電システム１００からスタータ３００に電力が供給され、スタータ３００が始動する。スタータ３００によりエンジンが始動すると、スタータスイッチＳ１がオフされる。スタータスイッチＳ１がオンしてからオフするまでの時間は通常約１秒以内である。

電装品４００は、ヘッドライト、エアコン、デフォッガ、オーディオ、メータ、ストップランプ、フォグランプ、ウィンカ、パワーステアリング、パワーウインドウ、エンジン電装品などの車両内に搭載される各種電気負荷を示す総称である。なお本明細書では自走可能な高出力な走行用モータは電装品４００に含まれないとする。エンジン走行をアシストする比較的低出力な走行アシストモータは電装品４００に含むとする。即ち、マイルドハイブリッド車に搭載される走行アシストモータは電装品４００に含むとする。

なお本実施の形態では説明の便宜上、オルタネータ２００、スタータ３００、ＥＣＵ５００は電装品４００とは別に扱っている。電装品４００は、オルタネータ２００または車載用蓄電システム１００から供給される電力により駆動される。

ＥＣＵ５００は車両内に搭載される各種の補機、センサ、スイッチに接続され、エンジン及び各種補機を電子制御する。アイドリングストップ機能を実行する場合、ＥＣＵ５００はブレーキ、車速センサ等から入力される信号をもとに車両の停止または設定速度以下への減速を検出する。ＥＣＵ５００は、それらを検出するとエンジンを停止させる。またＥＣＵ５００はブレーキ解除を検出すると車両走行開始と判定する。アイドリングストップ機能を実行してエンジンが停止した後に車両走行開始を検出すると、ＥＣＵ５００はエンジンを再始動させる。その際、スタータスイッチＳ１をオンして、車載用蓄電システム１００からスタータ３００に電力が供給されるよう制御し、スタータ３００を作動させる。以上の説明では、ブレーキ解除の検出をもって車両走行開始と判定したが、その判定方法は一例である。例えば、車速センサやアクセルの状態をもとに車両走行開始を判定してもよい。

ＥＣＵ５００は通常走行時、原則的にオルタネータ２００を停止させる。またエネルギー回生機能を実行する際にはＥＣＵ５００は、ブレーキ、車速センサ等から入力される信号をもとに車両の減速を検出するとオルタネータ２００を作動させる。なお車載用蓄電システム１００の蓄電エネルギーが設定下限値より低い場合は、ＥＣＵ５００は通常走行時でもオルタネータ２００を作動させる。エンジン走行中のオルタネータ２００の作動時間を少なくするほど燃費が向上する。

車載用蓄電システム１００は、二次電池１０、キャパシタ２０、管理部３０を含む。二次電池１０及びキャパシタ２０は並列接続される。二次電池１０には、低劣化で放電深度の深い領域まで利用できる電池を用いる。このような鉛電池より推奨ＤＯＤが広い二次電池１０として例えば、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池、ニッケル・カドミウム電池が挙げられる。本実施の形態では、リチウムイオン電池より電圧・温度管理が簡単なニッケル水素電池を用いる例を考える。ニッケル水素電池は充放電上限温度が比較的高いため、エンジンルームへの設置も可能である。キャパシタ２０には、体積当たりの蓄電効率が高い電気二重層コンデンサを用いる例を考える。

車載用電源として一般的な１２Ｖ系のシステムを構築する場合、例えば公称電圧１．２Ｖのニッケル水素電池を１０個直列に接続した二次電池１０と、定格電圧２．５Ｖの電気二重層コンデンサを６個直列に接続したキャパシタ２０を並列接続して構築できる。６個直列に接続するとキャパシタ２０の定格電圧、即ち安全性が確保された上限電圧は、１５Ｖになる。このように１２Ｖ系のシステムにおいてキャパシタ２０の上限電圧を１５Ｖ以上に設計する。また二次電池１０、キャパシタ２０は、さらにニッケル水素電池、電気二重層コンデンサをそれぞれ並列接続することにより蓄電容量を増大できる。本実施の形態では二次電池１０の蓄電容量を２０Ａｈ以上に設計する。例えば、公称電圧１．２Ｖのニッケル水素電池を１０個直列に接続した直列回路を４並列以上接続することにより実現できる。これにより車両放置時における車両補機への暗電流を確保できる。なお上述の説明では、二次電池１０の蓄電容量を２０Ａｈ以上に設計するための構成として、並列接続するニッケル水素電池を並列接続する構成を例示したが、１個あたりの蓄電容量を向上させることで二次電池１０の蓄電容量を増やすこともできる。例えば電極に塗布される活物質量を増加させることで、１個あたりの蓄電容量を増やすことができる。

管理部３０は二次電池１０及びキャパシタ２０を管理する。管理部３０は二次電池１０から監視データ（具体的には電圧値、電流値）を取得し、図示しない温度センサから温度値を取得する。管理部３０は二次電池１０の上限電圧を基準に、二次電池１０及びキャパシタ２０を管理する。

管理部３０及びＥＣＵ５００間は例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network）により接続され、両者の間で通信される。管理部３０は、二次電池１０及びキャパシタ２０の状態をＥＣＵ５００に通知し、車両情報を受領する。例えば、正常／異常、残容量（ＳＯＣ：State of Charge）を通知し、オルタネータ２００の稼働状況を受領する。

また管理部３０は、二次電池１０の電圧が設定上限電圧を上回ると、オルタネータ２００の停止指示をＥＣＵ５００に通知し、二次電池１０の電圧が設定下限電圧を下回ると、オルタネータ２００の稼働指示をＥＣＵ５００に通知する。ＥＣＵ５００は管理部３０からの指示に応じて、オルタネータ２００を稼働／停止させる。

以上に説明した車載用蓄電システム１００において、キャパシタ２０の上限電圧が二次電池１０の上限電圧より高くなるよう設計する。キャパシタは電池と異なり、充放電において化学反応を伴わない蓄電素子である。そのため、過放電、過充電による電解液分解反応が起こりにくく、内圧上昇によるリーク等が問題とならず、基本的に耐圧オーバーを抑制できれば保護できる。従ってキャパシタ２０の上限電圧が二次電池１０の上限電圧より高くなるよう設計し、二次電池１０の電圧をもとにキャパシタ２０を管理すれば、キャパシタ２０の保護が可能となる。

例えば、二次電池１０の上限電圧が１４．５Ｖの場合、オルタネータ２００の後段に接続される図示しないレギュレータの上限電圧を１４．５Ｖに設定してもよい。オルタネータ２００の発電電圧は走行状態により変動するが、レギュレータにより二次電池１０の上限電圧に抑えれば、キャパシタ２０の耐圧オーバーを防止できる。

図２（ａ）−（ｂ）は、二次電池とキャパシタのＯＣＶ（Open Circuit Voltage）−ＳＯＣ特性の一例を示す。図２（ａ）は、公称電圧１．２Ｖのニッケル水素電池（ＮｉＭＨ）セルを１０個直列に接続した二次電池のＯＣＶ−ＳＯＣ特性、及び定格電圧２．５Ｖの電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）セルを６個直列に接続したキャパシタのＯＣＶ−ＳＯＣ特性を示す表である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のデータを折れ線グラフで示した図である。

図２（ａ）−（ｂ）を参照すると、二次放電のＳＯＣが０％のときの開回路電圧は１２．２Ｖ、１００％のときの開回路電圧は１４．３Ｖである。この例では二次放電の上限電圧はマージンを設けない場合、１４．３Ｖとなる。一方、キャパシタのＳＯＣが０％のときの開回路電圧は０．０Ｖ、１００％のときの開回路電圧は１５．０Ｖである。従って二次放電の上限電圧である１４．３Ｖを上限電圧の基準電圧として、管理部３０が二次電池１０及びキャパシタ２０を充放電制御すれば、基本的にキャパシタ２０が耐圧オーバーとなることはない。

一般的に、電池を並列接続する蓄電システムは、並列接続される電池間の電圧差が生じることで、並列接続される電池に電流が逆流する問題（循環電流の問題）がある。電圧差のある電池を並列に接続した場合、見掛け上、出力側に現れる電圧（端子電圧）は一致するが、実際には、電圧（起電力）が低い方の蓄電素子へ電流が逆流することになる。電流が逆流すると、２つの電池の間に無駄な電流が流れ、負荷へ供給される電流量が減少する。そのため、異種の電池を並列に接続する蓄電システムでは、使用範囲の電圧をある程度揃える必要がある。このように異種の電池を並列に接続する蓄電システムでは、複雑な電池の状態管理や定格電圧のマッチングが重要となる。

これに対して、以上に説明した車載用蓄電システム１００では、キャパシタと二次電池とを並列接続する蓄電システムとなっている。キャパシタのＯＣＶ−ＳＯＣ特性は、上述の通り、図２に示すような特性となっているため、必ずしも複雑な蓄電素子の状態管理や定格電圧のマッチングは重要とはならない。具体的には、キャパシタのＯＣＶ−ＳＯＣ特性は、二次電池と比較して、鋭角に変化する曲線となっているため、キャパシタの上限電圧（定格電圧）が二次電池の上限電圧（定格電圧）より大きい場合、キャパシタの上限電圧を大きくしても必ずキャパシタと二次電池の使用電圧範囲が一致する領域がある。加えて、キャパシタのＯＣＶ−ＳＯＣ特性は、直線的な変化であるため、仮に、キャパシタと二次電池間に電圧差が生じても、すぐに電圧差が解消される。そのため、以上に説明した車載用蓄電システム１００では、キャパシタの上限電圧を二次電池の上限電圧よりも高くすることができるようになっている。

一方、リチウムイオン電池や鉛電池のような二次電池は、キャパシタとはＯＣＶ−ＳＯＣ特性の傾向が異なっている。そのため、ニッケル水素電池よりも上限電圧が大きい二次電池の下限電圧が、必ずしもニッケル水素電池の下限電圧よりも小さくなるとは限らない。二次電池のＯＣＶ−ＳＯＣ特性は、電解液の組成である程度、変化させることが可能であるが、電解液の組成はさまざまな電池性能に影響を及ぼすため、自由に設計できるわけではない。ニッケル水素電池に並列接続される二次電池の下限電圧が、ニッケル水素電池の下限電圧よりも小さくならなければ、結局、両方の二次電池の電圧を監視する必要があり、制御が複雑になる問題がある。

なお耐圧オーバー防止の観点からはＥＤＬＣセルを７個以上直列に接続して、上限電圧を１７．５Ｖ以上に設定することも考えられる。しかしながら電装品４００の中には、１５Ｖを超える高電圧が供給されることが好ましくないものもある。例えば、ヘッドライトは高電圧が供給されると高輝度になり、対向車や歩行者にとって眩しすぎる光量になる場合がある。従って電装品４００への供給電圧は１５．０Ｖ程度に抑える構成が一般的であり、その場合、１７．５Ｖ以上の上限電圧はオーバースペックとなる。

図３は、本発明の実施の形態に係る車載用蓄電システム１００の動作例を説明するためのフローチャートである。この動作例では、二次電池１０が充電上限電圧になるとオルタネータ２００を停止させ、充電下限電圧になると稼働させる充電制御方式を採用している。

管理部３０は二次電池１０の電圧値が充電上限電圧以上になると（Ｓ１０のＹ）、ＥＣＵ５００にオルタネータ２００の停止指示を送出する（Ｓ１１）。オルタネータ２００はＥＣＵ５００からの指示により停止する（Ｓ１２）。この充電上限電圧は、満充電状態の開回路電圧であってもよいし、電池の劣化を考慮したＳＯＣの開回路電圧であってもよい。例えば図２（ａ）−（ｂ）の二次放電でＳＯＣ８０％を上限とする場合、充電上限電圧は１３．９Ｖとなる。キャパシタ２０の上限電圧（本実施の形態では１５Ｖ）は、この充電上限電圧より高くなるため、この充電制御方式により耐圧オーバーは発生しない。

管理部３０は二次電池１０の電圧値が充電下限電圧未満になると（Ｓ１３のＹ）、オルタネータ２００の稼働指示をＥＣＵ５００に送出する（Ｓ１４）。オルタネータ２００はＥＣＵ５００からの指示により再稼働する（Ｓ１５）。この充電下限電圧は、電池の劣化を考慮したＳＯＣの開回路電圧に設定される。例えば図２（ａ）−（ｂ）の二次放電でＳＯＣ２０％を下限とする場合、充電上限電圧は１３．２Ｖとなる。以上のステップＳ１０〜Ｓ１５までの処理が、イグニッションオフされるまで（Ｓ１６のＹ）、繰り返し実行される（Ｓ１６のＮ）。以上の充電制御方式により、オルタネータ２００停止時のエンジン負荷が低減し、オルタネータ２００が常時稼働する制御方式と比較して燃費が向上する。

以上説明したように本実施の形態によれば、ニッケル水素電池を用いた二次電池１０にキャパシタ２０を並列接続することにより、鉛電池を使用せずに車両の始動性能を確保できる。鉛フリーの蓄電システムであるため、環境負荷も小さい。また鉛電池と比較し、交換回数を減らすことができる。

またキャパシタ２０の上限電圧を二次電池１０の上限電圧より高く設計することにより、蓄電システム１００の管理を簡素化できる。即ち、二次電池１０を通常通り制御すれば、自動的にキャパシタ２０の耐圧オーバーを防止できることになり、キャパシタ２０に対する個別の耐圧保護を基本的に実行する必要がなくなる。従って二次電池１０とキャパシタ２０のそれぞれの劣化特性や安全性を考慮した、充放電制御や切り離し機構が不要となる。従って蓄電システム１００を簡素化でき、管理部３０による管理制御も簡略化できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。こられ実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の説明では二次電池１０の監視データのみを使用して二次電池１０及びキャパシタ２０を制御する例を示した。これは原理的にそのような制御が可能なことを示したものであり、キャパシタ２０の電圧を監視データとして取得したり、二次電池１０とキャパシタ２０を電気的に切り離すための機構を設けることを排除するものではない。より安全性を高めるため、また電圧管理以外の要請により、それらが追加されてもよい。ただし、その場合でも管理部３０で実行される管理アルゴリズムを簡略化できる効果は発揮される。

また上述の実施の形態ではオルタネータ２００及びスタータ３００を搭載する車両を説明したが、オルタネータ２００及びスタータ３００の代わりにモータジェネレータが搭載されてもよい。この場合、モータジェネレータはアイドリングストップ状態からの再始動に限らず、初回始動にも使用される。スタータと、モータジェネレータが両方搭載される場合、アイドリングストップ状態からの再始動にはモータジェネレータが使用され、初回始動にはスタータが使用される。

また上述の実施の形態では蓄電システムを、アイドリングストップ、エネルギー回生システムを有する車両に搭載する例を説明したが、これらの機能を有する車両への搭載に限定されるものではない。

１００ 車載用蓄電システム、 ２００ オルタネータ、 ３００ スタータ、 ４００ 電装品、 ５００ ＥＣＵ、 １０ 二次電池、 ２０ キャパシタ、 ３０ 管理部、 Ｓ１ スタータスイッチ。

Claims (4)

1. 車両内の負荷に給電するための二次電池と、
   前記二次電池と並列接続されたキャパシタであって、前記二次電池よりも高い上限電圧となる特性を有している該キャパシタと、
   前記二次電池から電圧情報を含む監視データを取得する管理部であって、前記二次電池の上限電圧を基準にして前記二次電池および前記キャパシタへの充電が制御されるように、前記二次電池から取得した前記監視データに基づいて、前記管理部が稼動指示および停止指示を含む指示信号を車両に搭載されているオルタネータに送信し、前記キャパシタ及び前記二次電池の状態を管理している、該管理部と、
   を備える蓄電システム。
2. 前記キャパシタの上限電圧は１５Ｖ以上に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄電システム。
3. 前記キャパシタは、定格電圧２．５Ｖの電気二重層コンデンサが６個直列接続されて構成され、
   前記二次電池は、公称電圧１．２Ｖのニッケル水素電池セルが１０個直列接続されて構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電システム。
4. 前記二次電池および前記キャパシタから給電する負荷には、エンジンを始動するためのモータが含まれることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の蓄電システム。

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