JP6272291B2 - 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、車両減速時にモータジェネレータを回生発電させる電源装置が提案されている（特許文献１参照）。このような電源装置は、モータジェネレータによって発電された電力を、鉛バッテリだけでなくリチウムイオンバッテリに充電することが多い。これにより、車両減速時の回生電力を効率良く回収することができ、車両のエネルギー効率を高めることができる。
また、エンジンに連結されるモータジェネレータは、車両減速時に回生発電を行うだけでなく、エンジン再始動時にスタータモータとして駆動されることや、エンジン負荷を低減する観点から車両加速時に駆動されることも多い。このように、モータジェネレータを積極的に活用することにより、車両のエネルギー効率は高められている。そして、エネルギーの更なる高効率化を達成するため、近年、モータジェネレータの発電性能や出力性能は高められる傾向にある。
特開２０１４−３６５５７号公報
ところで、モータジェネレータの発電性能や出力性能を高めることは、モータジェネレータに異常が生じた場合に、モータジェネレータの過度な発電を招く要因であり、モータジェネレータの出力を過度に増加させる要因である。このため、モータジェネレータに異常が生じた場合には、モータジェネレータを速やかに停止させることが求められている。
そこで、モータジェネレータに自己診断機能を搭載し、モータジェネレータの作動状況を監視することにより、必要に応じてモータジェネレータを停止させることが考えられる。しかしながら、モータジェネレータに自己診断機能を搭載することは、モータコントローラの高機能化を招くとともに、車両用電源装置のコストを増加させる要因となっていた。
本発明の目的は、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、エンジンに連結されるモータジェネレータと、前記モータジェネレータに接続される第１蓄電体と、前記モータジェネレータに接続され、かつ前記第１蓄電体に並列に接続される第２蓄電体と、前記モータジェネレータと前記第１蓄電体とを接続する導通状態と、前記モータジェネレータと前記第１蓄電体とを切り離す遮断状態と、に制御される第１スイッチと、前記モータジェネレータと前記第２蓄電体とを接続する導通状態と、前記モータジェネレータと前記第２蓄電体とを切り離す遮断状態と、に制御される第２スイッチと、前記モータジェネレータとは別個に設けられ、前記モータジェネレータの異常を検出する異常検出部と、前記モータジェネレータとは別個に設けられ、前記モータジェネレータの異常が検出された場合に、前記第１スイッチと前記第２スイッチとの双方を導通状態から遮断状態に制御するスイッチ制御部と、を有する。
本発明によれば、モータジェネレータとは別個に設けられ、モータジェネレータの異常を検出する異常検出部と、モータジェネレータとは別個に設けられ、モータジェネレータの異常が検出された場合に、スイッチを導通状態から遮断状態に制御するスイッチ制御部と、を有する。これにより、モータジェネレータの異常が検出された場合には、モータジェネレータの発電や力行を速やかに止めることができる。また、異常検出部およびスイッチ制御部は、モータジェネレータと別個に設けられるため、モータジェネレータ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回路図である。 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制御状況とリチウムイオンバッテリの充電状態との推移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。 車両用電源装置の電力供給状況を示す説明図である。 フェイルセーフ制御の実行状況の一例を示すフローチャートである。 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。
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が機械的に連結されている。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を回転駆動す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。さらに、モータジェネレータ１６には、発電電圧を検出する電圧センサ２５や、発電電流を検出する電流センサ２６が設けられている。ＩＳＧコントローラ２４によっ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、発電機として機能するモータジェネレータ１６の発電電圧や発電電流を制御することができる。また、ＩＳＧコントローラ２４によっ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、電動機として機能するモータジェネレータ１６の駆動トルクや回転数を制御することができる。
続いて、車両用電源装置１０の構成について詳細に説明する。図２は車両用電源装置１０の構成例を示す回路図である。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（蓄電体）であるリチウムイオンバッテリ２７と、このリチウムイオンバッテリ２７に並列に接続される第２蓄電体（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と鉛バッテリ２８とは、互いに並列となってモータジェネレータ１６に電気的に接続されている。
リチウムイオンバッテリ２７の正極端子２７ａには、正極ライン（第１通電経路）２９が接続されており、鉛バッテリ２８の正極端子２８ａには、正極ライン（第２通電経路）３０が接続されている。また、発電電流を出力するモータジェネレータ１６の正極端子１６ａには、正極ライン（第３通電経路）３１が接続されている。これらの正極ライン２９〜３１は、接続点３２を介して互いに接続されている。さらに、リチウムイオンバッテリ２７の負極端子２７ｂには、負極ライン３３が接続されており、鉛バッテリ２８の負極端子２８ｂには、負極ライン３４が接続されている。また、モータジェネレータ１６の負極端子１６ｂには、負極ライン３５が接続されている。これらの負極ライン３３〜３５は、基準電位点３６に接続されている。
リチウムイオンバッテリ２７に接続される負極ライン３３には、第１スイッチ（スイッチ）である開閉スイッチＳＷ１が設けられている。また、鉛バッテリ２８に接続される正極ライン３０には、第２スイッチ（スイッチ）である開閉スイッチＳＷ２が設けられている。これらの開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子によって構成される半導体スイッチである。この半導体スイッチとして、例えば、互いに並列接続された複数の半導体素子からなる半導体スイッチを用いることができる。このような開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、閉じられた状態つまり導通状態（ＯＮ状態）と、開かれた状態つまり遮断状態（ＯＦＦ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とを電気的に切り離す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とを電気的に切り離す遮断状態とに切り替えられる。なお、図示する例では、リチウムイオンバッテリ２７の負極ライン３３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。例えば、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の正極ライン２９に対し、開閉スイッチＳＷ１を設けることも可能である。
また、正極ライン３０には、正極ライン（第４通電経路）３７を介して、瞬低保護負荷３８、車体負荷３９およびスタータモータ２１等が接続されている。すなわち、鉛バッテリ２８の正極端子２８ａには、正極ライン３７を介して、瞬低保護負荷３８、車体負荷３９およびスタータモータ２１等の電気負荷が接続されている。また、正極ライン３０には、瞬低保護負荷３８、車体負荷３９およびスタータモータ２１等を保護するヒューズ４０が設けられている。なお、瞬低保護負荷３８とは、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負荷である。瞬低保護負荷３８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、各種コントローラ等が挙げられる。また、車体負荷３９とは、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負荷である。車体負荷３９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によって第１電源回路４１が構成されている。また、車両用電源装置１０には、鉛バッテリ２８、瞬低保護負荷３８、車体負荷３９およびスタータモータ２１等によって第２電源回路４２が構成されている。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を電気的に切り離すスイッチとして機能している。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を開閉制御する。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を切り離す。
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、バッテリモジュール４３および開閉スイッチＳＷ２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、モータジェネレータ１６の発電電圧等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機能を有している。すなわち、制御ユニット５０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、制御ユニット５０は、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態や車体負荷３９等の消費電流に基づいて、モータジェネレータ１６の発電電圧および発電電流を制御し、リチウムイオンバッテリ２７の充放電を制御する。なお、制御ユニット５０は、ＩＳＧコントローラ２４に制御信号を出力することにより、モータジェネレータ１６の発電電圧および発電電流を制御している。
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機能を有している。制御ユニット５０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、制御ユニット５０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。
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５１、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５２、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５３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５４、エンジン始動時に手動操作されるスタートスイッチ５５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、発電トルク、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５６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５７を介して互いに接続されている。また、図１に示すように、制御ユニット５０は正極ライン３７に接続されており、制御ユニット５０には鉛バッテリ２８が電源として接続されている。
［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蓄電量の比率である。また、図４に示される端子電圧Ｖ_ＬＩＢや端子電圧Ｖ_Ｐｂ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Ｖ_ＬＩＢは、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ_Ｐｂ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Ｌａは、鉛バッテリ２８の充放電範囲Ｘ２における上限電圧Ｈｂ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Ｖ_ＬＩＢ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Ｈａ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。
［リチウムイオンバッテリの充放電制御］
続いて、モータジェネレータ１６を用いたリチウムイオンバッテリ２７の充放電制御について説明する。図５はモータジェネレータ１６の制御状況とリチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ_ＬＩＢとの推移を示すタイミングチャートである。また、図６〜図８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にはモータジェネレータ１６を燃焼発電状態または回生発電状態に制御したときの状況が示されており、図７にはモータジェネレータ１６を回生待機電状態に制御したときの状況が示されている。また、図８にはモータジェネレータ１６を発電停止状態に制御したときの状況が示されている。
まず、図５に符号Ａ１で示すように、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ_ＬＩＢが、所定値Ｓｂ（例えば３０％）を下回る場合、つまり充電ゾーンに位置する場合について説明する。充電状態Ｓ_ＬＩＢが充電ゾーンに位置する場合には、リチウムイオンバッテリ２７を充電するため、モータジェネレータ１６が燃焼発電状態に制御される。なお、モータジェネレータ１６の燃焼発電状態とは、エンジン動力によってモータジェネレータ１６を発電させることにより、エンジン１２に供給される燃料の熱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。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、モータジェネレータ１６の発電電圧Ｖ_ＩＳＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ_ＬＩＢよりも高い所定電圧Ｖａに制御される（符号Ｂ１）。これにより、図６に黒塗りの矢印で示すように、モータジェネレータ１６の発電電流は、リチウムイオンバッテリ２７および車体負荷３９等に供給される。なお、モータジェネレータ１６を燃焼発電状態に制御する際に、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は導通状態に保持される。
続いて、図５に符号Ａ２で示すように、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ_ＬＩＢが、所定値Ｓｂを上回りかつ所定値Ｓａ（例えば４０％）を下回る場合、つまり回生待機ゾーンに位置する場合について説明する。充電状態Ｓ_ＬＩＢが回生待機ゾーンに位置する場合には、モータジェネレータ１６の発電電流を抑制しながら回生発電の機会を待つため、モータジェネレータ１６が回生待機状態に制御される。モータジェネレータ１６を回生待機状態に制御する際には、モータジェネレータ１６の発電電圧Ｖ_ＩＳＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ_ＬＩＢよりも低く、かつ鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ_Ｐｂよりも高い所定電圧Ｖｂに制御される（符号Ｂ２）。これにより、図７に黒塗りの矢印で示すように、モータジェネレータ１６の発電電流は、車体負荷３９等の消費電流を賄うように第２電源回路４２に供給される。また、モータジェネレータ１６の回生待機状態においては、リチウムイオンバッテリ２７の充放電電流がほぼ「０」に制御されている。なお、モータジェネレータ１６を回生待機状態に制御する際に、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は導通状態に保持される。
続いて、図５に符号Ａ３で示すように、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ_ＬＩＢが、所定値Ｓａを上回る場合、つまり放電ゾーンに位置する場合について説明する。充電状態Ｓ_ＬＩＢが放電ゾーンに位置する場合には、リチウムイオンバッテリ２７に蓄えられた電力を積極的に放電させるため、モータジェネレータ１６が発電停止状態に制御される。モータジェネレータ１６を発電停止状態に制御する際には、モータジェネレータ１６の発電電圧Ｖ_ＩＳＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ_ＬＩＢよりも低い「０」に制御される（符号Ｂ４）。これにより、図８に黒塗りの矢印で示すように、リチウムイオンバッテリ２７の放電電流は、車体負荷３９等の消費電流を賄うように第２電源回路４２に供給される。なお、モータジェネレータ１６を発電停止状態に制御する際に、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は導通状態に保持される。
このように、モータジェネレータ１６は、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ_ＬＩＢに基づいて、燃焼発電状態、回生待機状態または発電停止状態に制御されるが、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観点から、車両減速時にはモータジェネレータ１６が回生発電状態に制御される。なお、モータジェネレータ１６の回生発電状態とは、車両減速時にモータジェネレータ１６を発電させることにより、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。このモータジェネレータ１６による回生発電を実行するか否かについては、アクセルペダルやブレーキペダルの操作状況等に基づいて決定される。例えば、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は、モータジェネレータ１６が回生発電状態に制御される。一方、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は、モータジェネレータ１６の回生発電状態が解除される。なお、モータジェネレータ１６の回生発電状態が解除されると、モータジェネレータ１６は、解除時点の充電状態Ｓ_ＬＩＢに基づいて、燃焼発電状態、回生待機状態または発電停止状態に制御される。
例えば、図５に符号Ｃ１で示すように、ブレーキペダルが踏み込まれると、モータジェネレータ１６が回生発電状態に制御される。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、モータジェネレータ１６の発電電圧Ｖ_ＩＳＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ_ＬＩＢよりも高い所定電圧Ｖｂに制御される（符号Ｂ３）。これにより、図６に黒塗りの矢印で示すように、モータジェネレータ１６の発電電流は、リチウムイオンバッテリ２７および第２電源回路４２に供給される。なお、モータジェネレータ１６を回生発電状態に制御する際に、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は導通状態に保持される。
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Ｖ_ＩＳＧ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Ｖ_ＩＳＧを端子電圧Ｖ_ＬＩＢ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Ｖ_ＩＳＧを端子電圧Ｖ_ＬＩＢ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Ｖ_ＬＩＢを、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ_Ｐｂ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つつ、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、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、鉛バッテリ２８に対する充電を抑制することができる。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、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８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、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、鉛バッテリ２８の放電を抑制することができる。すなわち、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ_ＬＩＢは、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ_Ｐｂよりも高いことから、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。
［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９および図１０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９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１０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９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、開閉スイッチＳＷ２が閉じられた後に、スタータリレー５８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。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１０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、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、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３８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３８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。
［フェイルセーフ制御］
以下、車両用電源装置１０によって実行されるフェイルセーフ制御について説明する。制御ユニット５０がモータジェネレータ１６を制御する際には、制御ユニット５０からＩＳＧコントローラ２４に制御信号が出力される。ここで、ＩＳＧコントローラ２４内のインバータやレギュレータが故障した場合や、制御ユニット５０とＩＳＧコントローラ２４との通信異常が発生した場合等には、モータジェネレータ１６を適切に制御することが困難である。このようなモータジェネレータ１６の異常発生時には、速やかにモータジェネレータ１６を停止させることが求められる。そこで、車両用電源装置１０の制御ユニット５０は、モータジェネレータ１６の異常を検出する異常検出部６０と、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御するスイッチ制御部６１と、を有している。そして、制御ユニット５０は、後述するフェイルセーフ制御を実行することにより、モータジェネレータ１６における異常の有無を検出し、異常の検出結果に基づいて開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御する。
図１１はフェイルセーフ制御の実行状況の一例を示すフローチャートである。図１２〜図１４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１２にはモータジェネレータ１６の発電異常時における状況が示されている。図１３にはモータジェネレータ１６の異常検出に伴って開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を遮断したときの状況が示されている。図１４にはモータジェネレータ１６の駆動異常時における状況が示されている。
図１１に示すように、ステップＳ１０においては、制御ユニット５０から出力されるＩＳＧ指示電圧（指示電圧）が、所定の上限電圧（電圧閾値）Ｖｍａｘを下回るか否かが判定される。ここで、ＩＳＧ指示電圧とは、制御ユニット５０からＩＳＧコントローラ２４に指示される目標電圧であり、このＩＳＧ指示電圧に基づいて、ＩＳＧコントローラ２４はモータジェネレータ１６の発電電圧を制御する。そして、ステップＳ１０において、ＩＳＧ指示電圧が上限電圧Ｖｍａｘを下回ると判定された場合には、ステップＳ１１に進み、ＥＣＵ端子電圧が上限電圧Ｖｍａｘ以上であるか否かが判定される。ここで、ＥＣＵ端子電圧とは、正極ライン３７から制御ユニット５０に印加される電圧、つまりモータジェネレータ１６の発電電圧に相当する電圧である。
ステップＳ１０において、ＩＳＧ指示電圧が上限電圧Ｖｍａｘを下回ると判定され、続くステップＳ１１において、ＥＣＵ端子電圧が上限電圧Ｖｍａｘ以上であると判定された場合には、ステップＳ１２に進み、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２が導通状態から遮断状態に制御される。そして、ステップＳ１２において、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２が遮断されると、ステップＳ１３に進み、モータジェネレータ１６の異常を乗員に通知するため、警告灯５６が点灯される。
ＩＳＧ指示電圧が上限電圧Ｖｍａｘを下回る状態のもとで、ＥＣＵ端子電圧つまりモータジェネレータ１６の発電電圧が上限電圧Ｖｍａｘを上回る状況とは、図１２に示すように、モータジェネレータ１６に発電異常が発生している状況である。このように、モータジェネレータ１６に発電異常が発生していると判定された場合には、モータジェネレータ１６が過度に発電することから、リチウムイオンバッテリ２７や鉛バッテリ２８等が過度に充電される虞がある。このため、図１３に示すように、制御ユニット５０は、双方の開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を遮断状態に切り替え、第１および第２電源回路４１，４２からモータジェネレータ１６を切り離している。これにより、モータジェネレータ１６の発電を停止させることができ、リチウムイオンバッテリ２７等の過充電を防止することができる。なお、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２が遮断された場合であっても、車体負荷３９等には鉛バッテリ２８から電力が供給される。
一方、ステップＳ１０において、ＩＳＧ指示電圧が上限電圧Ｖｍａｘを上回ると判定された場合や、ステップＳ１１において、ＥＣＵ端子電圧が上限電圧Ｖｍａｘ未満であると判定された場合には、ステップＳ１４に進む。ステップＳ１４においては、制御ユニット５０からモータジェネレータ１６に対し、ＩＳＧ駆動要求（駆動指示）が未出力であるか否かが判定される。ここで、ＩＳＧ駆動要求とは、制御ユニット５０からＩＳＧコントローラ２４に出力される力行指示であり、このＩＳＧ駆動要求が出力されると、ＩＳＧコントローラ２４によってモータジェネレータ１６は力行状態に制御される。そして、ステップＳ１４において、ＩＳＧ駆動要求が出力されていないと判定された場合には、ステップＳ１５に進み、バッテリ２７，２８の放電状況が判定される。ステップＳ１５においては、鉛バッテリ２８の充放電電流Ｉ_Ｐｂとリチウムイオンバッテリ２７の充放電電流Ｉ_ＬＩＢとの合計値が、放電側（マイナス側）に設定される所定電流（電流閾値）Ｉｘ以下であるか否かが判定される。つまり、ステップＳ１５においては、鉛バッテリ２８およびリチウムイオンバッテリ２７の放電電流が、所定電流Ｉｘを超えるか否かが判定される。
ステップＳ１４において、モータジェネレータ１６にＩＳＧ駆動要求が出力されていないと判定され、続くステップＳ１５において、鉛バッテリ２８およびリチウムイオンバッテリ２７の放電電流が所定電流Ｉｘを超えると判定された場合には、ステップＳ１２に進み、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２が導通状態から遮断状態に制御される。そして、ステップＳ１２において、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２が遮断されると、ステップＳ１３に進み、モータジェネレータ１６の異常を乗員に通知するため、警告灯５６が点灯される。
モータジェネレータ１６にＩＳＧ駆動要求が出力されていない状態のもとで、鉛バッテリ２８およびリチウムイオンバッテリ２７の放電電流が所定電流Ｉｘを上回る状況とは、図１４に示すように、モータジェネレータ１６に駆動異常が発生している状況である。このモータジェネレータ１６の駆動異常とは、モータジェネレータ１６が過度な電流消費を伴って力行される状況であり、モータジェネレータ１６の駆動トルクが過度に増加する状況である。そして、モータジェネレータ１６が駆動異常であると判定された場合には、モータジェネレータ１６の駆動トルクが過度に増加するため、エンジン１２を適切に制御することが困難である。このため、図１３に示すように、制御ユニット５０は、双方の開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を遮断状態に切り替え、第１および第２電源回路４１，４２からモータジェネレータ１６を切り離している。これにより、モータジェネレータ１６の力行を停止させることができ、エンジン１２を適切に制御することができる。なお、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２が遮断された場合であっても、車体負荷３９等には鉛バッテリ２８から電力が供給される。
これまで説明したように、モータジェネレータ１６に発電異常や駆動異常が認められた場合には、制御ユニット５０によって開閉スイッチＳＷ１と開閉スイッチＳＷ２との双方を遮断状態に切り替えている。これにより、モータジェネレータ１６の発電や力行を速やかに停止させることができ、車両用電源装置１０の信頼性を向上させることができる。しかも、モータジェネレータ１６とは別個の制御ユニット５０によって、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を遮断するようにしたので、モータジェネレータ１６を簡単に構成することができ、車両用電源装置１０のコストを下げることができる。つまり、ＩＳＧコントローラ２４に自己診断機能を組み込む必要がないため、ＩＳＧコントローラ２４を簡単に構成することができ、モータジェネレータ１６のコストを下げることができる。さらに、開閉スイッチＳＷ２は正極ライン３７に設けられることから、モータジェネレータ１６の異常検出に伴って開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を遮断した場合であっても、車体負荷３９等には電源として鉛バッテリ２８が接続される。これにより、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２が遮断された場合であっても、車体負荷３９等を正常に機能させることができ、最低限の走行性能を確保することができる。
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。前述の説明では、蓄電体として２つのバッテリ２７，２８を設けているが、これに限られることはなく、蓄電体として１つの蓄電体を設けても良い。また、前述の説明では、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を採用しているが、これらの蓄電体に限られることはない。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。さらに、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。なお、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。
前述の説明では、スイッチとして２つの開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を設けているが、これに限られることはなく、スイッチとして１つのスイッチを設けても良い。また、モータジェネレータ１６の異常検出に伴って開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を遮断する際には、開閉スイッチＳＷ１を先に遮断しても良く、開閉スイッチＳＷ２を先に遮断しても良い。また、前述の説明では、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２として、半導体素子からなる半導体スイッチを用いているが、これに限られることはなく、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２として、電磁力等を用いて機械的に接点を開閉させるスイッチを用いても良い。さらに、前述の説明では、バッテリモジュール４３と開閉スイッチＳＷ２とを別個に設けているが、これに限られることはなく、バッテリモジュール４３に開閉スイッチＳＷ２を組み込んでも良い。また、バッテリモジュール４３から開閉スイッチＳＷ１を切り離しても良い。
前述の説明では、ＥＣＵ端子電圧に基づきモータジェネレータ１６の発電電圧を判定しているが、これに限られることはなく、モータジェネレータ１６の発電電圧を直に検出する電圧センサからの信号に基づいて、モータジェネレータ１６の発電電圧を判定しても良い。なお、前述の説明では、制御ユニット５０に異常検出部６０およびスイッチ制御部６１を設けているが、これに限られることはなく、他の制御ユニット５０やコントローラに異常検出部６０やスイッチ制御部６１を設けても良い。
１０ 車両用電源装置
１２ エンジン
１６ モータジェネレータ
２１ スタータモータ（電気負荷）
２７ リチウムイオンバッテリ（蓄電体，第１蓄電体）
２８ 鉛バッテリ（蓄電体，第２蓄電体）
２９ 正極ライン（第１通電経路）
３０ 正極ライン（第２通電経路）
３１ 正極ライン（第３通電経路）
３２ 接続点
３７ 正極ライン（第４通電経路）
３８ 瞬低保護負荷（電気負荷）
３９ 車体負荷（電気負荷）
５０ 制御ユニット
６０ 異常検出部
６１ スイッチ制御部
ＳＷ１ 開閉スイッチ（スイッチ，第１スイッチ）
ＳＷ２ 開閉スイッチ（スイッチ，第２スイッチ）
Ｖｍａｘ 上限電圧（電圧閾値）
Ｉｘ 所定電流（電流閾値）
Ｉ_Ｐｂ 充放電電流（放電電流）
Ｉ_ＬＩＢ 充放電電流（放電電流）

Claims (5)

  1. 車両に搭載される車両用電源装置であって、
    エンジンに連結されるモータジェネレータと、
    前記モータジェネレータに接続される第１蓄電体と、
    前記モータジェネレータに接続され、かつ前記第１蓄電体に並列に接続される第２蓄電体と、
    前記モータジェネレータと前記第１蓄電体とを接続する導通状態と、前記モータジェネレータと前記第１蓄電体とを切り離す遮断状態と、に制御される第１スイッチと、
    前記モータジェネレータと前記第２蓄電体とを接続する導通状態と、前記モータジェネレータと前記第２蓄電体とを切り離す遮断状態と、に制御される第２スイッチと、
    前記モータジェネレータとは別個に設けられ、前記モータジェネレータの異常を検出する異常検出部と、
    前記モータジェネレータとは別個に設けられ、前記モータジェネレータの異常が検出された場合に、前記第１スイッチと前記第２スイッチとの双方を導通状態から遮断状態に制御するスイッチ制御部と、
    を有する、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、
    前記異常検出部は、前記モータジェネレータに対する指示電圧が電圧閾値を下回る状態のもとで、前記モータジェネレータの発電電圧が前記電圧閾値を上回る場合に、前記モータジェネレータが異常であると判定する、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、
    前記異常検出部は、前記モータジェネレータに駆動指示が出力されていない状態のもとで、前記第１蓄電体および前記第２蓄電体からの放電電流が電流閾値を上回る場合に、前記モータジェネレータが異常であると判定する、車両用電源装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用電源装置において、
    前記第１蓄電体の正極端子に接続される第１通電経路と、
    前記第２蓄電体の正極端子に接続される第２通電経路と、
    前記モータジェネレータの正極端子に接続される第３通電経路と、
    前記第１通電経路、前記第２通電経路および前記第３通電経路を、互いに接続する接続点と、
    前記第２蓄電体の正極端子に第４通電経路を介して接続される電気負荷と、
    を有し、
    前記第２スイッチは、前記第２通電経路に設けられる、車両用電源装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に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。
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