JP6327046B2 - 電源システムおよび自動車 - Google Patents

Description

本発明は電源システムおよび自動車に係り、特に、車両に搭載され、制動時にオルタネータから供給される回生電力を受入可能かつ放電負荷に放電可能な蓄電デバイスを備えた電源システムおよび該電源システムを備えた自動車に関する。

従来、自動車等の移動体（車両）では、普通ガソリン車に見られるように、制動時を除く走行中にオルタネータから供給された電力を鉛蓄電池等の蓄電デバイスに充電し、蓄電デバイスをほぼ満充電状態に保っていた。近年、二酸化炭素排出抑制の観点から、このようなガソリン車において、アイドリングストップ・システム（ＩＳＳ）機能を有する車両（ＩＳＳ車）も徐々に増加している。

ＩＳＳ車では、車両停止時にエンジンを停止し（従って、オルタネータから蓄電デバイスへの充電も停止し）、その間のランプや電装機器等の補機への電力供給はすべて蓄電デバイスで賄い、さらに、アイドリングストップ後のスタート時には蓄電デバイスに蓄電された電力でスタータ（セルモータ）を駆動させてエンジンを始動する。従って、ＩＳＳ車では、車両停止時にエンジンを停止するため、普通ガソリン車と比べて燃費も向上する。

近時、ガソリンの小売価格の上昇も手伝って燃費改善のニーズはとりわけ高く、燃費効率の高い車両が大幅に販売台数を伸ばしている。このような実情に即して、自動車（製造）会社では、制動時にオルタネータから供給される回生電力で蓄電デバイスを充電するオルタネータ回生車両の開発が進められている。このようなオルタネータ回生車両の中には、上述したＩＳＳ機能を有する車両も含まれ、そのような車両はμＨＥＶまたはマイクロハイブリッドと呼ばれることもある。

オルタネータ回生車両では、普通ガソリン車で熱消費されていた、オルタネータから制動時に供給される回生電力で蓄電デバイスを充電し、制動時を除く走行中は原則的にオルタネータの動作を停止して（蓄電デバイスへの充電を停止して）オルタネータを作動させるためのエンジンによるガソリン消費を低減させる。オルタネータ停止中の補機への電力供給はすべて蓄電デバイスで賄われる。なお、蓄電デバイスの充電状態（ＳＯＣ）が予め定めた設定値以下となったときには、蓄電デバイスの過放電等を防止するために、走行中または走行前にオルタネータを作動させて蓄電デバイスを充電する。

このようなオルタネータ回生車両に搭載される電源システムでは、制動時にオルタネータから供給される回生電力を受け入れるために、蓄電デバイス自体や制御技術を始めとする種々の研究・開発がなされている。例えば、非特許文献１には、鉛蓄電池において、充放電特性の改善や長寿命化を図る技術が開示されている。また、特許文献１には、水系の鉛蓄電池（メイン電池）と充電受入性の高い非水系のリチウムイオン電池（サブ電池）とで構成される蓄電デバイスを備えた電源システムが開示されている。

特開２００３−１３４６８９号公報（段落「００３０」〜「００３４」、図１参照）

近藤 隆文ほか、オルタネータ回生車両用バッテリの開発、新神戸テクニカルレポートＮｏ．１８（２００８−２）

ところで、特許文献１の技術では、一旦リチウムイオン電池（サブ電池）に蓄えられた電力は充放電中（走行中）サブ電池に蓄電されたままであり、充放電休止時（車両駐車時）に鉛蓄電池（メイン電池）に移動させる（サブ電池とメイン電池とを並列接続する）制御を行っている。充放電休止時を待つことなく（サブ電池とメイン電池とを並列接続せず）サブ電池に蓄えられた電力を放電負荷に放電可能な構成とすれば、走行中の蓄電デバイス全体の利用効率（放電効率）を向上させることができる。

このように利用効率を高めた蓄電デバイスでは、サブ電池の容量や充電状態等に応じて、サブ電池から放電負荷へ、またはメイン電池から放電負荷への切り替え制御が行われる。この切り替えには一般にスイッチングデバイスが用いられる。スイッチングデバイスは一瞬ではあるが切り替え時間を必要とする。そして、この切り替え時間に配慮しないと、放電負荷は、メイン電池およびサブ電池で構成される蓄電デバイスから一瞬電力が供給されない瞬断状態に陥るおそれがある。

本発明は上記事案に鑑み、放電負荷への電力供給の瞬断を防止可能な電源システムおよび該電源システムを備えた自動車を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、車両に搭載され、制動時にオルタネータから供給される回生電力を受入可能かつ放電負荷に放電可能な蓄電デバイスを備えた電源システムにおいて、第１の蓄電デバイスと、第２の蓄電デバイスと、前記第１および第２の蓄電デバイスの充放電電流を切り替えるスイッチ手段と、前記回生電力を前記蓄電デバイスで受け入れる際に、最初に前記第２の蓄電デバイスを予め設定された所定時間定電圧充電し次いで前記所定時間が経過したときに前記第１の蓄電デバイスを定電圧充電し、前記蓄電デバイスから前記放電負荷に放電する際に、最初に前記第２の蓄電デバイスから前記放電負荷に放電し次いで前記第１の蓄電デバイスから前記放電負荷に放電するように前記スイッチ手段を制御する制御手段と、前記放電負荷に並列に接続され、前記スイッチ手段による前記第２の蓄電デバイスから前記第１の蓄電デバイスへの前記放電負荷に対する放電切り替え中に前記放電負荷に電力を供給するキャパシタと、を備える。

第１の態様では、蓄電デバイスが第１および第２の蓄電デバイスを有して構成されており、制御手段の制御に従ってスイッチ手段により第１および第２の蓄電デバイスの充放電電流が切り替えられる。制御手段は、回生電力を蓄電デバイスで受け入れる際に、最初に第２の蓄電デバイスを予め設定された所定時間定電圧充電し次いで所定時間が経過したときに第１の蓄電デバイスを定電圧充電し、蓄電デバイスから放電負荷に放電する際に、最初に第２の蓄電デバイスから放電負荷に放電し次いで第１の蓄電デバイスから放電負荷に放電するようにスイッチ手段を制御する。蓄電デバイスから放電負荷に電力が供給される際に、第２の蓄電デバイスから第１の蓄電デバイスへの放電負荷に対する放電を切り替えるときには、一瞬ではあるがスイッチ手段の切り替え時間が必要となり、この切り替え時間中は蓄電デバイスから放電負荷に電力が供給されないおそれがある。第１の態様では、放電負荷に並列に接続され、スイッチ手段による第２の蓄電デバイスから第１の蓄電デバイスへの放電負荷に対する放電切り替え中に放電負荷に電力を供給するキャパシタを備えている。このため、スイッチ手段により第２および第１の蓄電デバイス間の放電切り替えがあっても、キャパシタに蓄えられた電力が放電負荷に流れるので、放電負荷への電力供給の瞬断を防止することができる。

第１の態様において、制御手段によるスイッチ手段の切り替え制御処理時間とスイッチ手段による切り替え所要時間との和で定義される切り替え時間をＸ［μｓ］、第１または第２の蓄電デバイスから放電負荷に流れる電流をＹ［Ａ］としたときに、キャパシタは、［（Ｘ×Ｙ×１０^−６）／｛（切り替え前に放電負荷に接続されていた第１または第２の蓄電デバイスの電圧）−（放電負荷が作動するための最低電圧）｝］［Ｆ］以上の容量を有することが好ましい。また、キャパシタは、スイッチ手段を介して第１および第２の蓄電デバイスと並列に接続されていることが望ましい。

また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様は、第１の態様の電源システムを備えた自動車である。

本発明によれば、制御手段は、回生電力を蓄電デバイスで受け入れる際に、最初に第２の蓄電デバイスを予め設定された所定時間定電圧充電し次いで所定時間が経過したときに第１の蓄電デバイスを定電圧充電し、蓄電デバイスから放電負荷に放電する際に、最初に第２の蓄電デバイスから放電負荷に放電し次いで第１の蓄電デバイスから放電負荷に放電するようにスイッチ手段を制御するが、放電負荷に並列に接続され、スイッチ手段による第２の蓄電デバイスから第１の蓄電デバイスへの放電負荷に対する放電切り替え中に放電負荷に電力を供給するキャパシタを備えているため、スイッチ手段により第２および第１の蓄電デバイス間の放電切り替えがあっても、キャパシタに蓄えられた電力が放電負荷に流れるので、放電負荷への電力供給の瞬断を防止することができる、という効果を得ることができる。

本発明が適用可能な実施形態の電源システムのブロック回路図である。 オルタネータ回生車両における本実施形態の電源システムの搭載位置を模式的に示す説明図である。 セレクタの接続状態を模式的に示す説明図であり、（Ａ）は状態０、（Ｂ）は状態１、（Ｃ）は状態２を示す。 回生電力受け入れによるサブ電池のＳＯＣを模式的に示す説明図であり、（Ａ）は本実施形態での定常充電におけるサブ電池のＳＯＣ、（Ｂ）は本実施形態でのブレーキ開放による充電打ち切りにおけるサブ電池のＳＯＣ、（Ｃ）本実施形態での使用上限ＳＯＣによる充電打ち切りにおけるサブ電池のＳＯＣ、（Ｄ）は他の実施形態でのサブ電池のＳＯＣを示す。 放電負荷への放電によるサブ電池のＳＯＣを模式的に示す説明図であり、（Ａ）は本実施形態での定常放電におけるサブ電池のＳＯＣ、（Ｂ）は本実施形態での使用下限ＳＯＣによる放電打ち切りにおけるサブ電池のＳＯＣ、（Ｃ）は他の実施形態でのサブ電池のＳＯＣを示す。

以下、図面を参照して、本発明を、オルタネータ回生車両に搭載可能な電源システムに適用した実施の形態について説明する。

（車両側の構成）
まず、本実施形態の電源システムに言及する前に、電源システムに関連するオルタネータ回生車両（μＨＥＶ）の主要構成について簡単に説明する。なお、μＨＥＶとは、ＩＳＳ機能を有し、制動時にオルタネータから供給される回生電力を受け入れ可能かつ放電負荷に放電可能な蓄電デバイスを備えたガソリン車またはディーゼル車をいう。

＜車両制御部１６＞
図１に示すように、オルタネータ回生車両２０は、オルタネータ回生車両２０全体の動作を制御する車両制御部（ＥＣＵ）１６を備えている。車両制御部１６は、図示しないイグニッションスイッチ（以下、ＩＧＮと略称する。）が、ＯＦＦ位置、ＯＮ／ＡＣＣ位置、ＳＴＡＲＴ位置のいずれに位置しているかを把握するとともに、アクセル、ブレーキ、エンジン等の作動状態、速度その他の車両状態を把握し、把握した状態に応じた走行制御を行う。また、車両制御部１６は、電源システムの制御部と通信線１８を介して通信し、電源システムを構成する蓄電デバイスの状態情報の報知を受けるとともに、電源システムの制御部に車両の状態情報（ＩＧＮの位置情報、ブレーキの作動情報）を報知する。なお、ブレーキ作動情報には、ブレーキ（ペダル）が踏まれたことを表す制動開始情報と、ブレーキが開放されたことを表す制動終了情報とが含まれる。

＜オルタネータ１２＞
また、オルタネータ回生車両２０は、主として制動時に図示を省略したエンジンの回転力を（回生）電力に変換するオルタネータ１２を備えている。なお、後述するように、蓄電デバイス（後述するメイン電池１）の状態に応じて、制動時以外にもオルタネータ１２による発電がなされる場合がある。

オルタネータ１２は、ステータおよびロータで構成される発電部と、発電部で発電された交流電力を直流電力に変換する整流部と、整流部で変換された直流電力の電圧を一定とするためのボルテージレギュレータとを有して構成されている。本実施形態では、オルタネータ１２の出力電圧の上限が１４Ｖに設定されている。なお、オルタネータ１２の一端はグランド（車両のシャーシと同電位。以下、ＧＮＤと略称する。）に接続されており、他端は後述する放電負荷１４の一端およびセレクタ５の一側端に接続されている。

＜放電負荷１４＞
さらに、オルタネータ回生車両２０は、図示を省略したスタータ（セルモータ）および補機で構成される放電負荷１４を有している。補機には、例えば、ランプ（ライト）、エンジンポンプ（スパークプラグ）、エアコン、ファン、ラジオ、テレビ、ＣＤプレーヤー、カーナビゲーション等を挙げることができる。放電負荷１４の他端はＧＮＤに接続されている。上記補機は、作動するための最低電圧（例えば８Ｖ）をメイン電池またはサブ電池から供給されればよい。

なお、オルタネータ回生車両２０のエンジン始動時には、ＩＧＮがＳＴＡＲＴ位置に位置付けられると、蓄電デバイス（後述するメイン電池１）からスタータへ電力が供給されスタータが回転し、エンジンの回転軸には図示しないクラッチ機構を介してスタータの回転駆動力が伝達されエンジンが始動する。

（電源システムの構成）
次に、本実施形態の電源システム１０について説明する。電源システム１０は、例えば、図２に示すように、オルタネータ回生車両２０のエンジンルームに搭載されるが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、本実施形態の電源システム１０は、制動時にオルタネータ１２から供給される回生電力を受け入れ可能かつ放電負荷１４に放電可能な蓄電デバイスを備えている。蓄電デバイスは、水系若しくは非水系の電池で構成されるメイン電池１（第１の蓄電デバイス）と、水系若しくは非水系の電池またはキャパシタで構成されるサブ電池２（第２の蓄電デバイス）とで構成されている。なお、本実施形態で「メイン電池」とはエンジンを始動させるための電池をいい、「サブ電池」とはそれ以外の電池またはキャパシタをいう。

メイン電池１には、例えば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池およびリチウムイオン電池（ＬＩＢ）で構成される群から選択される１種を用いることができ、サブ電池２には、例えば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタ（ＬＩＣ）および電気二重層キャパシタで構成される群から選択される１種を用いることができる。以下では、説明を簡単にするために、メイン電池１に鉛蓄電池、サブ電池２にリチウムイオン電池を用いた例について説明する。なお、本実施形態の電源システム１０は１４Ｖ系電源システムを構成している。

＜メイン電池１＞
メイン電池１の電槽には、内部を仕切る隔壁によって６個のセル室を画定するモノブロック電槽が用いられている。モノブロック電槽の中央部の隔壁には上部側から略中央部までセンサ挿入孔が形成されている。センサ挿入孔にはメイン電池１の中央部の温度を検出するサーミスタ等の温度センサが挿入されており、温度センサは接着剤でセンサ挿入孔内に固定されている。

メイン電池１の各セル室には、複数の正極板と負極板とをセパレータを介して積層した極板群が１組ずつ収容されており、水系電解液である希硫酸が注液されている。メイン電池１の正極活物質には二酸化鉛、負極活物質には海綿状鉛を用いることができる。また、回生電力を受け入れやすい構造とするために、非特許文献１にも開示されているように、負極活物質合剤には、上述した負極活物質の他にリグニンおよびカーボン等を含む負極添加剤が混入されている。各セル室はモノブロック電槽の開口を一体に覆う蓋で密閉化されており、各セル室間は導電性の接続部材により直列に接続されている。メイン電池１の上部対角位置には、外部出力端子となる正極端子および負極端子が立設されている。各セルの公称電圧は例えば２Ｖであり、メイン電池１の公称電圧は例えば１２Ｖである。なお、メイン電池１の負極端子はＧＮＤに接続されている。

＜サブ電池２＞
一方、サブ電池２は、例えば４Ｖ系リチウムイオン電池を複数本（本例では４本）直列に接続することで最上位電位側に正極端子、最下位電位側に負極端子を有して構成されており、負極端子はＧＮＤに接続されている。また、これに代えて、近時研究・開発されている５Ｖ系リチウムイオン電池を複数本直列に接続して構成するようにしてもよい。更に、負極活物質としてチタン酸リチウムを用いた２〜３Ｖ系リチウムイオン電池を複数本直列に接続して構成するようにしてもよい。サブ電池２を構成するリチウムイオン電池の本数は、リチウムイオン電池の仕様とオルタネータ１２の出力電圧とで定められる。これらのリチウムイオン電池のうち中央部に配された１本のリチウムイオン電池の電池缶表面には、接着剤によりサーミスタ等の温度センサが固着されている。

各リチウムイオン電池は、アルミニウム箔に正極活物質を塗着した正極と銅箔に負極活物質を塗着した負極とを微多孔性のセパレータを介して捲回または積層した電極群を有しており、電極群は、６フッ化リン酸リチウム（ＬｉＰＦ_６）等のリチウム塩がエチレンカーボネート、ジメチルカーボネート等の混合溶媒に溶解された非水電解液に浸潤されて円筒型、扁平円筒型または角型の電池缶内に収容されている。リチウムイオン電池の正極活物質にはリチウムマンガン複合酸化物等のリチウム遷移金属複合酸化物、負極活物質には炭素材料またはチタン酸リチウムを用いることができる。なお、本実施形態の各リチウムイオン電池の公称電圧は３．８Ｖ、サブ電池２の公称電圧は１５．２Ｖである。

＜セレクタ５＞
図１に示すように、電源システム１０は、メイン電池１およびサブ電池２の充放電電流を切り替えるセレクタ５（スイッチ手段）を備えており、セレクタ５の他側一端および他端はそれぞれメイン電池１およびサブ電池２の正極端子に接続されている。セレクタ５は、大電流が通電可能な複数のスイッチング素子（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ）で構成されている。ここで、セレクタ５の機能について説明すると、制動時にオルタネータ１２から供給される回生電力を蓄電デバイスで受け入れる際に、オルタネータ１２からメイン電池１およびサブ電池２のいずれか一方に接続するスイッチの役割を果たすとともに、蓄電デバイスから放電負荷１４に放電する際に、メイン電池１およびサブ電池２のいずれか一方から放電負荷１４に接続するスイッチの役割を果たす。なお、セレクタ５は、オルタネータ１２／放電負荷１４がメイン電池１およびサブ電池２のいずれにも接続されない状態「０」（図３（Ａ）参照）、オルタネータ１２／放電負荷１４がメイン電池１に接続される状態「１」（図３（Ｂ）参照）、オルタネータ１２／放電負荷１４がサブ電池２に接続される状態「２」（図３（Ｃ）参照）のいずれかの状態を採る（メイン電池１とサブ電池２とが並列接続される状態は採らない。）。

＜キャパシタ９＞
状態「２」から状態「１」にセレクタ５を切り替える際（または、状態「１」から状態「２」にセレクタ５を切り替える際）には、メイン電池１およびサブ電池２のいずれかから放電負荷１４に放電電流が流れない状態「０」と同様の状態が一瞬生じる。この間、放電負荷１４は、メイン電池１およびサブ電池２で構成される蓄電デバイスから電力が供給されない状態となる。このような瞬断を防止するために、放電負荷１４に並列に接続される瞬断防止用キャパシタ９が配置されている。言い直すと、キャパシタ９は、一側（＋側）がオルタネータ１２に、他側（−側）がＧＮＤにそれぞれ接続されており、セレクタ５を介してメイン電池１およびサブ電池２と並列に接続されている。

メイン電池１およびサブ電池２の電圧は、補機が作動するための最低電圧以上に設定されている。ここで、キャパシタ９の容量は、例えば以下のようにして算出される値以上のものを用いることが好ましい。すなわち、メイン電池１およびサブ電池２が切り替わる時間（マイクロコントローラによるセレクタ５の制御処理時間＋セレクタ５による切り替え所要時間）をＸ［μｓ］とし、放電負荷１４に流れる電流をＹ［Ａ］とすると、
Ｉ×t＝Ｙ×Ｘ×10⁻⁶[Ｃ]
Ｑ＝ＣＶより、
Ｙ×Ｘ×10⁻⁶＝Ｃ(メイン電池１またはサブ電池２（切り替え前に接続されていた電池）の電圧−補機が作動するため最低電圧)
Ｃ＝Ｙ×Ｘ×10⁻⁶／(メイン電池１又はサブ電池２（切り替え前に接続されていた電池）の電圧−補機が作動するため最低電圧)[Ｆ]以上のキャパシタを使用することが好ましい。なお、本実施形態では、キャパシタ９に容量が１２５［μＦ］の電解キャパシタが用いられている。

＜コントローラ３、４＞
また、図１に示すように、電源システム１０は、メイン電池１、サブ電池２の電池状態をそれぞれ検出するメイン電池コントローラ３、サブ電池コントローラ４（以下、両者を総称する場合はコントローラ３、４という。）を備えている。コントローラ３、４は、充放電中（車両走行中および車両走行前）にそれぞれメイン電池１、サブ電池２の温度、電圧、電流等の電池状態を検出する。

すなわち、本実施形態では、上述したメイン電池１の温度センサはメイン電池コントローラ３に接続されており、メイン電池コントローラ３は所定時間毎に（例えば、１０ｍｓ間隔で）温度センサの電圧をサンプリングし、サンプリング結果をＲＡＭに格納する。また、メイン電池１の電圧を検知するために、メイン電池１の正極端子および負極端子はメイン電池コントローラ３に接続されている。さらに、メイン電池１に流れる充放電電流を検出するために、メイン電池１およびセレクタ５間にはホール素子またはシャント抵抗等の電流センサ７が配されており、電流センサ７はメイン電池コントローラ３に接続されている。メイン電池コントローラ３は、メイン電池１の電圧およびメイン電池１に流れる電流を所定時間毎に（例えば、２ｍｓ間隔で）サンプリングし、サンプリング結果をＲＡＭに格納する。また、メイン電池コントローラ３は、充放電休止時（車両駐車時）に、メイン電池１の開回路電圧（以下、ＯＣＶと略称する。）およびそのときの温度を検出する。

一方、サブ電池コントローラ４も上述したメイン電池コントローラ３と同様の構成を有しているが（サブ電池２に流れる充放電電流を電流センサ８で検出）、サブ電池２の総電圧の検出に加え、過放電・過充電を監視するために各リチウムイオン電池の電圧も検出する点で、メイン電池コントローラ３が検出する以外の電圧検出も行う。

コントローラ３、４は、制御部６（状態把握部６Ａ）に接続されており、充放電時に、ＲＡＭに格納したメイン電池１およびサブ電池２の温度、電圧、電流、サブ電池２を構成する各リチウムイオン電池の電圧を制御部６に出力し、充放電休止時に、検出したＯＣＶおよびそのときの温度を制御部６に出力する。

＜制御部６＞
図１に示すように、電源システム１０は、メイン電池１およびサブ電池２の電池状態を演算するとともに、セレクタ５による電流切り替え動作を制御する制御部６（制御手段）を備えている。制御部６は、マイクロコンピュータ（以下、マイコンという。）、通信ＩＣ、Ｉ／Ｏ、入力ポート、出力ポートを有するマイクロプロセッサとして構成されており、図１では、制御部６の役割を明確にするために機能別に細部を表している。

すなわち、マイコンはメイン電池１およびサブ電池２の電池状態を把握（演算）するＣＰＵ、基本制御プログラムおよび後述するテーブル等のプログラムデータを記憶したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くとともに種々のデータを一時的に記憶するＲＡＭおよびこれらを接続する内部バスで構成されている。内部バスは外部バスに接続されており、外部バスは入力ポートを介して上述したコントローラ３、４に接続されている。また、外部バスには、セレクタ５に信号を出力するための出力ポート、および、Ｉ／Ｏ、通信線１８を介して車両制御部１６と通信するための通信ＩＣが接続されている。

従って、制御部６のマイコンおよび入力ポートは図１の状態把握部６Ａに、マイコンおよび出力ポートはセレクタ制御部６Ｂに、通信ＩＣおよびＩ／Ｏは通信部６Ｃにそれぞれ対応する。制御部６はその他の機能（例えば、後述する省エネモードへ移行させるための機能）も有しているが、図１では捨象している。セレクタ５と出力ポートとは制御線で接続されており、制御部６を構成するマイコンの破損を防止するために制御線には抵抗が挿入されている。なお、制御線には出力ポートを介してハイレベル信号（Ｈ）またはローレベル信号（Ｌ）が出力される。

図１に沿って制御部６の各部の機能を説明すると、状態把握部６Ａは、コントローラ３、４から出力された検出データをＲＡＭに一旦格納し、メイン電池１およびサブ電池２の現在の電池状態等を演算（推定）する。通信部６Ｃは、状態把握部６Ａが演算したメイン電池１およびサブ電池２の現在の電池状態を所定時間（例えば、２ｍｓ）毎に車両制御部１６に報知するとともに、車両制御部１６から車両の状態情報（ＩＧＮの位置情報、ブレーキの作動情報）の報知を受ける。なお、車両制御部１６は、上述した電磁クラッチを作動させるときとほぼ同じタイミングでブレーキの作動情報を通信部６Ｃに報知する。セレクタ制御部６Ｂは、車両制御部１６から報知されたブレーキの作動情報および状態把握部６Ａで演算したメイン電池１およびサブ電池２の電池状態に従ってセレクタ５を制御する。

なお、本実施形態では、コントローラ３、４、セレクタ５、制御部６および車両制御部１６はメイン電池１から供給される電力で作動する。

（動作）
次に、本実施形態の電源システム１０の動作について、制御部６のマイコンのＣＰＵ（以下、ＣＰＵと略称する。）を主体として説明する。

＜充放電休止時（車両駐車時）＞
車両走行後の車両駐車開始時には、ドライバによりＩＧＮがＯＮ／ＡＣＣ位置からＯＦＦ位置に位置付けられ、イグニッションキーがＩＧＮから引き抜かれる。車両制御部１６はＩＧＮを監視しており、ＩＧＮがＯＦＦ位置に位置付けられると、制御部６にその旨を報知する。

車両制御部１６からＩＧＮがＯＦＦ位置に位置付けられた旨の報知を受けたＣＰＵは、コントローラ３、４および制御部６をスリープ状態（省エネモード）とする制御を行う。すなわち、セレクタ５を上述した状態「０」とし、コントローラ３、４にメイン電池１、サブ電池２の温度、電圧、電流等の検出・出力を停止させ、ＣＰＵ自体もメイン電池１、サブ電池２の電池状態の演算および車両制御部１６への報知を停止して、車両制御部１６からＩＧＮがＯＦＦ位置に位置付けられた旨の報知を受けたときから所定時間が経過したか否かを判断する計時処理のみ行う。この所定時間は、例えば、メイン電池１の負極の分極状態が解消したとみなされる６時間に設定することができる。

ＣＰＵは、車両制御部１６からＩＧＮがＯＦＦ位置に位置付けられた旨の報知を受けたときから所定時間が経過したと判断すると、コントローラ３、４をアウェーク（作動状態に移行）させ、上述したように、メイン電池１およびサブ電池２のＯＣＶおよびそのときの温度を検出・出力させた後、コントローラ３、４を再度スリーブ状態とする。

次いで、ＣＰＵは、メイン電池１およびサブ電池２のＯＣＶからメイン電池１およびサブ電池２の充電状態（以下、ＳＯＣと略称する。）を演算し、プログラムデータとして予めＲＯＭに格納されＲＡＭに展開されたテーブルまたは数式を参照して演算したＳＯＣを基準温度（例えば、２５°Ｃ）におけるＳＯＣに温度補正してメイン電池１およびサブ電池２の基準ＳＯＣを演算（算出）する。この場合に、メイン電池１およびサブ電池２の健康状態（以下、ＳＯＨと略称する。）も併せて演算し、ＳＯＨに応じてＳＯＣを補正するようにしてもよい。なお、上述した所定時間が経過しない場合には、メイン電池１の分極状態が解消されず基準ＳＯＣが不正確となるため、このような状態でのコントローラ３、４によるＯＣＶの検出やＣＰＵによる基準ＳＯＣの演算は行わず、直近に取得していた基準ＳＯＣを基準ＳＯＣとして取り扱う。

次に、ＣＰＵは、基準ＳＯＣおよび電圧値を車両制御部１６に報知し、その後、制御部６を再度スリープ状態とする。言い直すと、制御部６は、コントローラ３、４によるＯＣＶおよび温度の検出・出力時、基準ＳＯＣの演算時および車両制御部１６への報知時のみ作動状態となる。なお、車両走行後にＩＧＮがＯＦＦ位置に位置付けられたときは車両制御部１６も所定の処理（データ保存等）を行った後スリープ状態となり、制御部６からのＯＣＶおよび温度の報知時のみ作動状態となる。

＜充放電時＞
１．充放電時の一般制御
車両駐車後の車両走行前には、ドライバによりＩＧＮにイグニッションキーが挿入され、ＩＧＮはＯＦＦ位置からＯＮ／ＡＣＣ位置に位置付けられ、さらにＯＮ／ＡＣＣ位置からＳＴＡＲＴ位置に位置付けられた後、再度ＯＮ／ＡＣＣ位置に位置付けられる。車両制御部１６はＩＧＮが最初にＯＮ／ＡＣＣ位置に位置付けられると、制御部６にその旨を報知する。報知を受けたＣＰＵは、コントローラ３、４および制御部６を作動状態に移行させる。

ＣＰＵは、充放電中（車両走行中および車両走行前）は、コントローラ３、４で所定時間毎に検出されたメイン電池１およびサブ電池２の電圧値（サブ電池２を構成する各リチウムイオン電池の電圧値を含む。）を取得するとともに、上述した基準ＳＯＣおよびメイン電池１、サブ電池２の電池容量（既知）に基づいて、コントローラ３、４で所定時間毎に検出された電流値を積算してメイン電池１およびサブ電池２の現在のＳＯＣを推測（演算）する。なお、電圧値、電流値は上述した基準温度に温度補正される。そして、所定時間毎に、メイン電池１およびサブ電池２の現在のＳＯＣおよび電圧値を車両制御部１６に報知する。

一方、この報知を受けた車両制御部１６は、メイン電池１およびサブ電池２の現在のＳＯＣおよび電圧値を参照して、上述した電磁クラッチを作動させ図示しないエンジンの回転力をオルタネータ１２に伝達させるか（オルタネータ１２を発電させ蓄電デバイスを充電するか）否かを判断する。すなわち、例えば、メイン電池１が使用上限電圧値に近い場合には過充電状態に陥るおそれがあるためオルタネータ１２を作動させないように電磁クラッチを制御し、逆に、メイン電池１が使用下限ＳＯＣ、使用下限電圧値に近い場合にはアイドリングストップ後にエンジンを再起動できなくなるおそれがあるため、ドライバのブレーキ操作による回生充電を待たずに、車両走行中または車両走行前にオルタネータ１２を作動させてメイン電池１を充電するように電磁クラッチを制御する。

２．回生充放電時の制御
本発明の特徴の１つは、オルタネータ１２からの回生電力を蓄電デバイスで受け入れる際に、最初にサブ電池２を充電し、次いでメイン電池１を充電するようにセレクタ５を制御し、蓄電デバイスから放電負荷１４に放電する際に、最初にサブ電池２から放電負荷１４に放電し、次いでメイン電池１から放電負荷１４に放電するようにセレクタ５を制御する点にある。以下では、ＣＰＵによる回生充放電時の制御について詳述する。

２−１．回生充電時の制御
ＣＰＵは、車両制御部１６からブレーキが踏まれたことを表す制動開始情報の報知を受けると、原則として、予め設定された第１の所定時間Ｔ１の間、サブ電池２を充電する（図４（Ａ）参照）ように、セレクタ５を制御する（セレクタ５に状態「２」を選択させる。）。オルタネータ１２は上述したようにボルテージレギュレータを有しているため、サブ電池２は定電圧充電される。ただし、（１）ＣＰＵが、車両制御部１６からブレーキが踏まれたことを表す制動開始情報の報知を受けた後、第１の所定時間Ｔ１の経過前に、車両制御部１６からブレーキが開放されたことを表す制動終了情報の報知を受けた場合（図４（Ｂ）参照）、および、（２）第１の所定時間Ｔ１の間、サブ電池２を定電圧充電すると、サブ電池２の予め設定された使用上限ＳＯＣを越えて充電され、サブ電池２が過充電状態に陥るおそれがある場合（図４（Ｃ）参照）の２つの例外がある。

このため、ＣＰＵは、車両制御部１６から制動開始情報の報知を受けると、図４（Ｃ）に示すように、推定した現在のＳＯＣ（推定ＳＯＣ）から使用上限ＳＯＣまでの充電時間Ｔ１’’を演算し、第１の所定時間Ｔ１が演算した充電時間Ｔ１’’より長いか否かを判断する。このような充電時間Ｔ１’’の演算には、例えば、予めＲＯＭに格納されＲＡＭに展開された、ＳＯＣと使用上限ＳＯＣまでの時間との関係を表すテーブルや数式が用いられる。なお、本実施形態では、ＣＰＵは、車両制御部１６から制動開始情報の報知を受けたときに（サブ電池２の回生充電中に）充電時間Ｔ１’’を演算するが、現在のＳＯＣを演算する際に併せて充電時間Ｔ１’’も予め演算（サブ電池２の回生充電前に演算）しておくようにしてもよい。

第１の所定時間Ｔ１が演算した充電時間Ｔ１’’がより短い場合（否定判断のとき、図４（Ａ）参照）には、第１の所定時間Ｔ１の間、状態「２」を選択させるようにセレクタ５を制御し、第１の所定時間Ｔ１が経過したときに、状態「１」を選択させるようにセレクタ５を制御する。一方、第１の所定時間Ｔ１が演算した充電時間Ｔ１’’より長い場合（肯定判断のとき、図４（Ｃ）参照）には、演算した充電時間Ｔ１’’の間、状態「２」を選択させるようにセレクタ５を制御し、演算した充電時間Ｔ１’’が経過したときに、状態「１」を選択させるようにセレクタ５を制御する。ただし、第１の所定時間Ｔ１または演算した充電時間Ｔ１’’（Ｔ１’’＜Ｔ１）の間に（回生電力によるサブ電池２の充電中に）、ＣＰＵが車両制御部１６から制動終了情報の報知を受けると、サブ電池２への回生充電はその時点で打ち切られる。図４（Ｂ）では、充電開始からＴ１’経過した時点で打ち切られることを示している。この場合には、メイン電池１への回生充電は行われない。なお、ＣＰＵは、回生電力によるメイン電池１中に、車両制御部１６から制動終了情報の報知を受けると、メイン電池１への充電を停止させる制御を行う。

２−２．回生放電時の制御
ＣＰＵは、オルタネータ１２からの回生電力をサブ電池２ないしメイン電池１で受け入れた後、車両制御部１６から制動終了情報の報知を受けると、直ちにサブ電池２から放電負荷１４に、予め設定された第２の所定時間Ｔ２の間、放電するようにセレクタ５を制御する（図５（Ａ）参照）。ただし、第２の所定時間Ｔ２の間、サブ電池２から放電負荷１４に放電すると、サブ電池２の予め設定された使用下限ＳＯＣを越えて放電され、サブ電池２が過放電に陥るおそれがある場合（図５（Ｂ）参照）には例外がある。

このため、ＣＰＵは、車両制御部１６から制動終了情報の報知を受けると、図５（Ｂ）に示すように、推定した現在のＳＯＣ（推定ＳＯＣ）から使用下限ＳＯＣまでの放電時間Ｔ２’を演算し、第２の所定時間Ｔ２が演算した放電時間Ｔ２’より長いか否かを判断する。このような放電時間Ｔ２’の演算にも、ＳＯＣと使用下限ＳＯＣまでの時間との関係を表すテーブルや数式が用いられる。なお、本実施形態では、ＣＰＵは、車両制御部１６から制動終了情報の報知を受けたとき（サブ電池２の放電中に）放電時間Ｔ２’を演算するが、現在のＳＯＣを演算する際に併せて放電時間Ｔ２’も予め演算（サブ電池２の放電前に演算）しておくようにしてもよい。

ＣＰＵは、第２の所定時間Ｔ２が演算した放電時間Ｔ２’がより短い場合（否定判断のとき、図５（Ａ）参照）には、第２の所定時間Ｔ２の間、状態「２」を選択させるようにセレクタ５を制御し、第２の所定時間Ｔ２が経過したときに、状態「１」を選択させるようにセレクタ５を制御する。一方、第２の所定時間Ｔ２が演算した放電時間Ｔ２’より長い場合（肯定判断のとき、図５（Ｂ）参照）には、演算した放電時間Ｔ２’の間、状態「２」を選択させるようにセレクタ５を制御し、演算した放電時間Ｔ２’が経過したときに、状態「１」を選択させるようにセレクタ５を制御する。なお、車両制御部１６からの制動終了情報に従って回生電力によるサブ電池２の充電中にサブ電池２への充電を打ち切った場合には（図４（Ｂ）参照）、直ちにサブ電池２から放電負荷１４に放電されるため、セレクタ５に状態「２」を選択させた状態のままとなる。

上述した使用上限ＳＯＣ、使用下限ＳＯＣは、サブ電池２の種類、容量等により大きく変動するが、一般に、例えば、使用上限ＳＯＣについては９０％〜９８％の範囲の任意の値を選択することができ、使用下限ＳＯＣについては５％〜４０％の範囲の任意の値を選択することができる。ここで、使用下限ＳＯＣは、補機が作動するための最低電圧以上である状態が好ましく、電圧範囲はオーディオ切れとなる目安の電圧８Ｖよりも高い電圧で使用されるため、それぞれのデバイスでその下限電圧に対応したＳＯＣが下限ＳＯＣとなることが好ましい。

また、上記では、回生充放電時の制御を簡潔に説明するために、サブ電池２のＳＯＣを中心に説明したが、本実施形態では、サブ電池２の使用上限ＳＯＣ、使用下限ＳＯＣの他に、サブ電池２の使用上限電圧Ｖ_Ｕ、使用下限電圧Ｖ_Ｌ、さらに、サブ電池２を構成する各リチウムイオン電池の使用上限電圧、使用下限電圧も予め設定されており、サブ電池２が使用上限電圧Ｖ_Ｕに達した場合には、図４（Ｃ）に示した場合と同様に、回生電力によるサブ電池２への充電を打ち切りメイン電池１を充電し、サブ電池２が使用下限電圧Ｖ_Ｌに達した場合には、図５（Ｂ）に示した場合と同様に、サブ電池２から放電負荷１４への放電を打ち切りメイン電池１から放電負荷１４に放電する制御も行っている。本実施形態では、メイン電池１もサブ電池２と同様に、使用上限ＳＯＣ、使用下限ＳＯＣ、使用上限電圧、使用下限電圧が設定されている。

３．その他の処理
３−１．ＩＳＳとの関係
μＨＥＶでは、ＩＳＳ車と同様、アイドリングストップの際にブレーキが踏まれるため、上記２の場合と同様の制御がなされる。また、アイドリングストップ時の車両停止中は、サブ電池２ないしメイン電池１から放電負荷１４に放電がなされる。なお、エンジン再始動時には、上述したエンジン始動の際と同様に、メイン電池１からスタータへ電力が供給されエンジンが始動する。

アイドリングストップ後のエンジン再始動の際に、メイン電池１からスタータへ電力が供給されるため、メイン電池１は、上述した使用下限ＳＯＣ、使用下限電圧以上の値に保たれている必要がある。この点は、車両走行前においても同じである。車両制御部１６は、制御部６から所定時間毎にメイン電池１の現在のＳＯＣの推定値、電圧値の報知を受けているため、メイン電池１が使用下限ＳＯＣ、使用下限電圧値、または、その近傍値まで放電されると、上述したように、エンジンを始動しメイン電池１を充電する。その際、ＣＰＵは、車両制御部１６から報知を受け、この報知に従って、状態「１」をセレクタ５に選択させる。

３−２．異常処理
ＣＰＵは、サブ電池２を構成する各リチウムイオン電池の電圧値が所定範囲にあるか否やサブ電池２の温度も監視する。各リチウムイオン電池の電圧値やサブ電池２の温度が予め設定された所定範囲から外れた場合にはその旨も車両制御部１６に報知する。このような異常は段階別に処理を異ならせることが好ましく、車両制御部１６は必要に応じてインストールメントパネルにその旨を表示する。ＣＰＵは、異常状態に応じて、メイン電池１およびサブ電池２のいずれか一方を使用せず、いずれか他方のみを使用するようにセレクタ５に状態を選択させるようにしてもよい。

（作用効果等）
次に、本実施形態の電源システム１０の作用効果等について説明する。

本実施形態の電源システム１０では、放電負荷１４に並列に接続され、セレクタ５によるサブ電池２およびメイン電池１のいずれか一方からいずれか他方への放電負荷１４に対する放電切り替え中に放電負荷１４に電力を供給するキャパシタ９を備えている。このため、セレクタ５によりメイン電池１およびサブ電池２間の放電切り替えがあっても、キャパシタ９に蓄えられた電力が放電負荷１４に流れるので、放電負荷１４への電力供給の瞬断を防止することができる。

また、本実施形態の電源システム１０では、制御部６が、オルタネータ１２からの回生電力を蓄電デバイスで受け入れる際に、最初にサブ電池２を充電し、次いでメイン電池１を充電するようにセレクタ５を制御し、蓄電デバイスから放電負荷１４に放電する際に、最初にサブ電池２から放電負荷１４に放電し、次いでメイン電池１から放電負荷１４に放電するようにセレクタ５を制御する。このため、電源システム１０によれば、特許文献１の電源システムのように充放電休止時を待つことなく、サブ電池２に蓄えられた回生電力を放電負荷１４に放電可能なため、蓄電デバイス全体の利用効率を高めることができる。従って、電源システム１０を搭載したオルタネータ回生車両２０は燃費改善率を向上させることができる。

さらに、本実施形態の電源システム１０では、制御部６が、オルタネータ１２からの回生電力をサブ電池２ないしメイン電池１で受け入れた後、直ちにサブ電池２から放電負荷１４に放電するようにセレクタ５を制御する。サブ電池２に蓄えられた回生電力を直ちに放電負荷１４に放電できるため、高い利用効率を確保することができる。

また、本実施形態の電源システム１０では、充電時間Ｔ１（図４（Ａ）参照）、放電時間Ｔ２（図５（Ａ）参照）を予め設定された固定時間とし、使用上限ＳＯＣまでの充電時間Ｔ１’’（図４（Ｃ）参照）および使用下限ＳＯＣまでの放電時間Ｔ２’（図５（Ｂ）参照）のみ演算して充電時間Ｔ１、放電時間Ｔ２と比較するので、制御部６の演算負荷（消費電力）を低減させることができる。なお、サブ電池コントローラ４から出力された電圧値を監視し、サブ電池２の電圧値が使用上限ＳＯＣおよび使用下限ＳＯＣに対応する電圧値となったときに回生電力によるサブ電池２への充電を打ち切る制御とすれば、充電時間Ｔ１’’や放電時間Ｔ２’の演算や充電時間Ｔ１、放電時間Ｔ２との比較も不要となるので、制御部６の演算負荷をより低減させることができる。

なお、本実施形態では、充電時間Ｔ１、放電時間Ｔ２を予め設定された固定時間とした例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図４（Ａ）に示した充電時間Ｔ１に代えて、図４（Ｄ）に示すように、推定した現在のＳＯＣ（推定ＳＯＣ）から使用上限ＳＯＣまでの充電時間Ｔ’を都度演算し、図５（Ａ）に示した放電時間Ｔ２に代えて、図５（Ｃ）に示すように、推定した現在のＳＯＣ（推定ＳＯＣ）から使用下限ＳＯＣまでの放電時間Ｔ’’を都度演算するようにしてもよい。このような充電時間Ｔ’、放電時間Ｔ’’は可変時間と考えられる。

また、本実施形態では、電源システム１０の構成を把握しやすいように、メイン電池コントローラ３、サブ電池コントローラ４、制御部６に分けて説明したが、これらを一体に構成するようにしてもよい。さらに、本実施形態では、コントローラ３、４から出力されたメイン電池１、サブ電池２の検出データに応じて制御部６でメイン電池１、サブ電池２の電池状態を演算する例を示したが、このような演算は車両制御部２で行うようにしてもよい。このような態様では、制御部６の主機能はセレクタ制御部６Ｂと通信部６Ｃとになる。

さらに、本実施形態では、エンジン始動をメイン電池１で行う例を示したが、本発明はこれに制限されず、エンジン始動をサブ電池２で行うようにしてもよい。また、本実施形態では、コントローラ３、４、制御部６、車両制御部１６の作動電力がメイン電池１から供給される例を示したが、サブ電池２から供給されるようにしてもよく、また、コントローラ３、４、制御部６、車両制御部１６への作動電力をメイン電池１、サブ電池２が協働ないし分担して供給するようにしてもよい。従って、本発明では、メイン電池１の電池容量がサブ電池２の電池容量より大きくても、小さくても、または同じであってもよい。

また、本実施形態では、メイン電池１を構成する鉛蓄電池に合わせて車両駐車の６時間後にメイン電池１やサブ電池２のＯＣＶの測定を行う例を示したが、本発明はこれに制限されるものではない。サブ電池２にＬＩＢやＬＩＣが用いられる場合には、サブ電池２の分極解消は６時間より短い時間となるので、サブ電池２についてはメイン電池１と異なる時間でＯＣＶを測定するようにしてもよい。このような態様では、サブ電池２の基準ＳＯＣの把握精度を高めることができため、サブ電池２の電池容量が大きく放電負荷１４への電力供給が大きくなるに従い検討すべき課題となる。また、本実施形態では、制御部６のＣＰＵが６時間を計時する例を示したが、車両制御部１６が計時し、制御部６、コントローラ３、４をスリープ状態からアウェーク（作動状態と）させるようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、制御部６は、車両制御部１６を介してブレーキの作動情報を取得する例を示したが、本発明はこれに限らず、例えば、ブレーキを制御するブレーキ制御部から直接ブレーキの作動情報を取得するようにしてもよい。

また、本実施形態では１４Ｖ系電源システム１０を例示したが、本発明はこれに制限されることなく、例えば、４２Ｖ系電源システム等の１４Ｖ系電源システム以外の電源システムにも適用可能である。

本発明は放電負荷への電力供給の瞬断を防止可能な電源システムおよび該電源システムを備えた自動車を提供するものであるため、電源システムや自動車の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

１ メイン電池（第１の蓄電デバイス）
２ サブ電池（第２の蓄電デバイス）
５ セレクタ（スイッチ手段）
６ 制御部（制御手段）
９ キャパシタ
１０ 電源システム
１２ オルタネータ
１４ 放電負荷
２０ オルタネータ回生車両（車両、自動車）

Claims (4)

1. 車両に搭載され、制動時にオルタネータから供給される回生電力を受入可能かつ放電負荷に放電可能な蓄電デバイスを備えた電源システムにおいて、
   第１の蓄電デバイスと、
   第２の蓄電デバイスと、
   前記第１および第２の蓄電デバイスの充放電電流を切り替えるスイッチ手段と、
   前記回生電力を前記蓄電デバイスで受け入れる際に、最初に前記第２の蓄電デバイスを予め設定された所定時間定電圧充電し次いで前記所定時間が経過したときに前記第１の蓄電デバイスを定電圧充電し、前記蓄電デバイスから前記放電負荷に放電する際に、最初に前記第２の蓄電デバイスから前記放電負荷に放電し次いで前記第１の蓄電デバイスから前記放電負荷に放電するように前記スイッチ手段を制御する制御手段と、
   前記放電負荷に並列に接続され、前記スイッチ手段による前記第２の蓄電デバイスから前記第１の蓄電デバイスへの前記放電負荷に対する放電切り替え中に前記放電負荷に電力を供給するキャパシタと、
   を備えた電源システム。
2. 前記制御手段による前記スイッチ手段の切り替え制御処理時間と前記スイッチ手段による切り替え所要時間との和で定義される切り替え時間をＸ［μｓ］、前記第１または第２の蓄電デバイスから前記放電負荷に流れる電流をＹ［Ａ］としたときに、前記キャパシタは、［（Ｘ×Ｙ×１０^−６）／｛（切り替え前に前記放電負荷に接続されていた前記第１または第２の蓄電デバイスの電圧）−（前記放電負荷が作動するための最低電圧）｝］［Ｆ］以上の容量を有することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記キャパシタは、前記スイッチ手段を介して前記第１および第２の蓄電デバイスと並列に接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源システム。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電源システムを備えた自動車。

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