JP6371791B2 - 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ISG(integrated starter generator)等の発電電動機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)。特許文献1に記載される電源装置は、蓄電体として互いに並列接続される鉛バッテリおよびリチウムイオンバッテリを有している。これにより、鉛バッテリだけでなくリチウムイオンバッテリにも回生電力を充電することができ、回生電力を増やして車両のエネルギー効率を高めることができる。
特開2014−36557号公報
ところで、電源装置には各種アクチュエータやコントローラ等の電気負荷が接続されており、これら電気負荷の消費電力は年々増加する傾向にある。このため、電気負荷の作動状況によっては、電源装置の電源電圧が瞬間的に大きく低下するという問題が生じていた。このような電源電圧の大幅な低下は、コントローラやインジケータ等の動作を不安定にする要因であり、鉛バッテリ等の過放電を招いてしまう要因である。このため、車両用電源装置の電源電圧を安定させることが求められている。
本発明の目的は、車両用電源装置の電源電圧を安定させることにある。
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発電電動機、および前記発電電動機に接続される第1蓄電体、を備える第1電源回路と、前記第1蓄電体列接続される第2蓄電体、および前記第2蓄電体に接続される電気負荷群、を備える第2電源回路と、前記第1電源回路と前記第2電源回路とを互いに接続する導通状態と、前記第1電源回路と前記第2電源回路とを互いに切り離す遮断状態と、に切り替えられる通電スイッチと、前記発電電動機が力行状態に制御される場合に、前記通電スイッチを導通状態から遮断状態に切り替えるスイッチ制御部と、を有し、前記スイッチ制御部は、前記通電スイッチ遮断状態に切り替えられた状態のもとで、前記第2蓄電体が閾値を上回って放電する場合に、前記通電スイッチを遮断状態から導通状態に切り替え、前記第2蓄電体が接続される前記電気負荷群に対し、導通状態に切り替えられた前記通電スイッチを介して、前記第2蓄電体よりも内部抵抗の小さな前記第1蓄電体を接続する。
本発明によれば、通電スイッチを遮断状態に切り替えた状態のもとで、第2蓄電体が閾値を上回って放電する場合に、通電スイッチを遮断状態から導通状態に切り替える。これにより、車両用電源装置の電源電圧を安定させることができる。
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。 電源回路の一例を示す回路図である。 スタータジェネレータを発電状態に制御したときの電力供給状況を示す図である。 スタータジェネレータを発電休止状態に制御したときの電力供給状況を示す図である。 スイッチ開閉制御の実行手順の一例を示すフローチャートである。 (a)および(b)は、スイッチ開閉制御の実行過程における電力供給状況を示す図である。
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、動力源であるエンジン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を介してスタータジェネレータ(発電電動機)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。
エンジン12に連結されるスタータジェネレータ16は、発電機および電動機として機能する所謂ISG(integrated starter generator)である。スタータジェネレータ16は、クランク軸14に駆動される発電機として機能するだけでなく、所謂アイドリングストップ制御においてクランク軸14を始動回転させる電動機として機能する。スタータジェネレータ16は、ステータコイルを備えたステータ21と、フィールドコイルを備えたロータ22と、を有している。また、スタータジェネレータ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コンピュータ等からなるISGコントローラ23が設けられている。ISGコントローラ23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、スタータジェネレータ16の発電トルクや力行トルク等を制御することができる。
[電源回路]
車両用電源装置10が備える電源回路30について説明する。図2は電源回路30の一例を示す回路図である。図2に示すように、電源回路30は、スタータジェネレータ16に電気的に接続されるリチウムイオンバッテリ(第1蓄電体)31と、これと並列にスタータジェネレータ16に電気的に接続される鉛バッテリ(第2蓄電体)32と、を備えている。なお、リチウムイオンバッテリ31を積極的に放電させるため、リチウムイオンバッテリ31の端子電圧は、鉛バッテリ32の端子電圧よりも高く設計されている。また、リチウムイオンバッテリ31を積極的に充放電させるため、リチウムイオンバッテリ31の内部抵抗は、鉛バッテリ32の内部抵抗よりも小さく設計されている。
リチウムイオンバッテリ31の正極端子31aには正極ライン33が接続され、鉛バッテリ32の正極端子32aには正極ライン34が接続され、スタータジェネレータ16の正極端子16aには正極ライン35が接続される。これらの正極ライン33〜35は、接続点36を介して互いに接続されている。また、リチウムイオンバッテリ31の負極端子31bには負極ライン37が接続され、鉛バッテリ32の負極端子32bには負極ライン38が接続され、スタータジェネレータ16の負極端子16bには負極ライン39が接続される。これらの負極ライン37〜39は、基準電位点40に接続されている。
リチウムイオンバッテリ31の負極ライン37には、導通状態と遮断状態とに切り替えられるスイッチSW1が設けられている。スイッチSW1を導通状態に制御することにより、スタータジェネレータ16とリチウムイオンバッテリ31とを接続することができる。一方、スイッチSW1を遮断状態に制御することにより、スタータジェネレータ16とリチウムイオンバッテリ31とを切り離すことができる。また、鉛バッテリ32の正極ライン34には、導通状態と遮断状態とに切り替えられるスイッチ(通電スイッチ)SW2が設けられている。スイッチSW2を導通状態に制御することにより、スタータジェネレータ16と鉛バッテリ32とを接続することができる。一方、スイッチSW2を遮断状態に制御することにより、スタータジェネレータ16と鉛バッテリ32とを切り離すことができる。これらのスイッチSW1,SW2は、MOSFET等の半導体素子によって構成されるスイッチであっても良く、電磁力等を用いて接点を機械的に開閉させるスイッチであっても良い。なお、スイッチSW1,SW2は、リレーやコンタクタ等とも呼ばれている。
電源回路30には、バッテリモジュール41が設けられている。このバッテリモジュール41には、リチウムイオンバッテリ31が組み込まれるとともに、スイッチSW1,SW2が組み込まれている。また、バッテリモジュール41には、コンピュータ等からなるバッテリコントローラ42が設けられている。バッテリコントローラ42は、リチウムイオンバッテリ31の充電状態SOC、充放電電流、端子電圧、セル温度等を監視する機能や、スイッチSW1,SW2を制御する機能を有している。
鉛バッテリ32の正極ライン34には、複数の電気負荷からなる電気負荷群50が接続されている。電気負荷群50を構成する電気負荷として、車両の走行姿勢を安定させる横滑り防止装置51、運転手のステアリング操作を補助する電動パワーステアリング装置52、車両前方に光を照射するヘッドライト53、乗員に各種情報を表示するインストルメントパネル54等が設けられている。例示した電気負荷のうち、横滑り防止装置51、電動パワーステアリング装置52およびヘッドライト53は、消費電力が所定の電力閾値を上回る大容量デバイス(大容量負荷)である。なお、消費電力の大きな大容量デバイスとしては、前述した各装置に限られることはなく、例えば、ヒータブロワ、PTCヒータおよび電熱ヒータ等の装置も大容量デバイスに相当する。
また、図示していないが、鉛バッテリ32の正極ライン34には、ISGコントローラ23、バッテリコントローラ42、後述するメインコントローラ60等の各種コントローラが電気負荷として接続される。つまり、各種コントローラ23,42,60は、電気負荷群50を構成する電気負荷の1つとして設けられている。また、鉛バッテリ32の負極ライン38には、バッテリセンサ55が設けられている。このバッテリセンサ55は、鉛バッテリ32の充電電流、放電電流、端子電圧、充電状態SOCを検出する機能を有している。なお、正極ライン34には、電気負荷群50等を保護するヒューズ56が設けられている。
[バッテリ充放電制御]
リチウムイオンバッテリ31の充放電制御について説明する。リチウムイオンバッテリ31の充放電を制御するため、車両用電源装置10にはコンピュータ等からなるメインコントローラ60が設けられている。メインコントローラ60や前述した各コントローラ23,42は、CANやLIN等の車載ネットワーク61を介して互いに通信自在に接続されている。メインコントローラ60は、リチウムイオンバッテリ31の充電状態SOCに基づいて、スタータジェネレータ16を発電状態または発電休止状態に制御することにより、リチウムイオンバッテリ31の充放電を制御する。なお、充電状態SOC(state of charge)とは、バッテリの設計容量に対する蓄電量の比率である。この充電状態SOCは、バッテリコントローラ42からメインコントローラ60に送信される。
図3はスタータジェネレータ16を発電状態に制御したときの電力供給状況を示す図である。図4はスタータジェネレータ16を発電休止状態に制御したときの電力供給状況を示す図である。なお、スタータジェネレータ16の発電状態として、エンジン動力によってスタータジェネレータ16を回転駆動する燃焼発電状態と、車両減速時の運動エネルギーによってスタータジェネレータ16を回転駆動する回生発電状態とがある。
図3に示すように、例えばリチウムイオンバッテリ31の蓄電量が枯渇している場合には、スタータジェネレータ16が燃焼発電状態に制御される。つまり、リチウムイオンバッテリ31の充電状態SOCが所定の下限値を下回る場合には、リチウムイオンバッテリ31を充電して充電状態SOCを高めるため、スタータジェネレータ16が燃焼発電状態に制御される。スタータジェネレータ16を燃焼発電状態に制御する際には、スタータジェネレータ16の発電電圧がリチウムイオンバッテリ31の端子電圧よりも引き上げられる。これにより、図3に黒塗りの矢印で示すように、スタータジェネレータ16から、リチウムイオンバッテリ31、電気負荷群50および鉛バッテリ32等に対して電力が供給されるため、スタータジェネレータ16によってリチウムイオンバッテリ31が充電される。
図4に示すように、例えばリチウムイオンバッテリ31の蓄電量が十分に確保されている場合には、スタータジェネレータ16が発電休止状態に制御される。つまり、リチウムイオンバッテリ31の充電状態SOCが所定の上限値を上回る場合には、リチウムイオンバッテリ31の放電を促してエンジン負荷を低減するため、スタータジェネレータ16は発電休止状態に制御される。スタータジェネレータ16を発電休止状態に制御する際には、スタータジェネレータ16の発電電圧がリチウムイオンバッテリ31の端子電圧よりも引き下げられる。これにより、図4に黒塗りの矢印で示すように、リチウムイオンバッテリ31から電気負荷群50に対して電力が供給されるため、スタータジェネレータ16の発電を抑制することができ、エンジン負荷を低減することができる。
前述したように、スタータジェネレータ16は、充電状態SOCに基づき燃焼発電状態や発電休止状態に制御されるが、車両11の燃費性能を向上させる観点から、車両減速時にはスタータジェネレータ16が回生発電状態に制御される。これにより、車両11の運動エネルギーを電気エネルギーに変換して回収することができ、車両11のエネルギー効率を向上させることができる。スタータジェネレータ16の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た場合や、ブレーキペダルが踏み込まれた場合には、スタータジェネレータ16の発電電圧がリチウムイオンバッテリ31の端子電圧よりも引き上げられ、図3に示すように、スタータジェネレータ16が回生発電状態に制御される。なお、図3および図4に示すように、スタータジェネレータ16を燃焼発電状態、回生発電状態および発電休止状態に制御する際に、スイッチSW1,SW2は導通状態に保持される。
[スイッチ開閉制御]
メインコントローラ60によって実行されるスイッチSW2の開閉制御について説明する。図5はスイッチ開閉制御の実行手順の一例を示すフローチャートである。図6(a)および(b)は、スイッチ開閉制御の実行過程における電力供給状況を示す図である。図5および図6には、スイッチSW2の導通状態がONで示されており、スイッチSW2の遮断状態がOFFで示されている。図5および図6には、スタータジェネレータ16がISGとして記載している。なお、スイッチ制御部であるメインコントローラ60には、図1に示すように、車載ネットワーク61を介して、バッテリコントローラ42、バッテリセンサ55、横滑り防止装置51、電動パワーステアリング装置52およびヘッドライト53が通信自在に接続されている。
図5に示すように、ステップS10では、スタータジェネレータ16が力行状態に制御される状況であるか否かが判定される。スタータジェネレータ16が力行状態に制御される状況とは、エンジン再始動時にスタータジェネレータ16によってエンジン12を始動回転させる状況や、車両発進時にスタータジェネレータ16によってエンジン12をアシスト駆動する状況である。ステップS10において、スタータジェネレータ16が力行状態に制御される状況であると判定された場合には、ステップS11に進み、スイッチSW2が導通状態から遮断状態に切り替えられる。続くステップS12では、スタータジェネレータ16が力行状態に制御される。
このように、スタータジェネレータ16を力行状態に制御する際には、スイッチSW2が導通状態から遮断状態に切り替えられる。図6(a)に示すように、スイッチSW2を遮断状態に切り替えることにより、リチウムイオンバッテリ31およびスタータジェネレータ16からなる電源回路(第1電源回路)62と、鉛バッテリ32および電気負荷群50からなる電源回路(第2電源回路)63と、が互いに切り離される。これにより、図6(a)に黒塗りの矢印で示すように、スタータジェネレータ16の消費電流が増加する場合であっても、鉛バッテリ32から電気負荷群50に電力を供給することができるため、電気負荷群50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、乗員に違和感を与えることなく車両11を制御することができる。
図5に示すように、ステップS12において、スタータジェネレータ16が力行状態に制御されると、ステップS13に進み、鉛バッテリ32の端子電圧V_Pbが、所定の電圧閾値V1を下回るか否かが判定される。ステップS13において、端子電圧V_Pbが電圧閾値V1を下回ると判定された場合には、ステップS14に進み、スイッチSW2が遮断状態から導通状態に切り替えられる。ここで、端子電圧V_Pbが電圧閾値V1を下回る状況とは、鉛バッテリ32から電気負荷群50に供給される電力が増加する状況であり、鉛バッテリ32が所定の閾値を上回って放電する状況である。このため、図6(b)に示すように、スイッチSW2が遮断状態から導通状態に切り替えられ、電気負荷群50にリチウムイオンバッテリ31が接続される。つまり、図6(b)に黒塗りの矢印で示すように、リチウムイオンバッテリ31から電気負荷群50に電力を供給することができ、鉛バッテリ32の過度な放電を抑制することができる。これにより、車両用電源装置10の電源電圧を安定させることができるため、電気負荷群50を正常に機能させることができる。
ステップS13において、鉛バッテリ32の端子電圧V_Pbが電圧閾値V1以上であると判定された場合には、ステップS15に進み、鉛バッテリ32の放電電流I_Pbが、所定の電流閾値I1を上回るか否かが判定される。ステップS15において、放電電流I_Pbが電流閾値I1を上回ると判定された場合には、ステップS14に進み、スイッチSW2が遮断状態から導通状態に切り替えられる。ここで、放電電流I_Pbが電流閾値I1を上回る状況とは、鉛バッテリ32から電気負荷群50に供給される電力が増加する状況であり、鉛バッテリ32が所定の閾値を上回って放電する状況である。このため、図6(b)に示すように、スイッチSW2が遮断状態から導通状態に切り替えられ、電気負荷群50にリチウムイオンバッテリ31が接続される。つまり、図6(b)に黒塗りの矢印で示すように、リチウムイオンバッテリ31から電気負荷群50に電力を供給することができ、鉛バッテリ32の過度な放電を抑制することができる。これにより、車両用電源装置10の電源電圧を安定させることができるため、電気負荷群50を正常に機能させることができる。
ステップS15において、鉛バッテリ32の放電電流I_Pbが電流閾値I1以下であると判定された場合には、ステップS16に進み、消費電力の大きな大容量デバイス51〜53が作動しているか否かが判定される。ステップS16において、電気負荷群50を構成する電気負荷のうち、横滑り防止装置51、電動パワーステアリング装置52およびヘッドライト53の少なくとも何れか1つが作動すると判定された場合には、ステップS14に進み、スイッチSW2が遮断状態から導通状態に切り替えられる。ここで、横滑り防止装置51等の大容量デバイスが作動する状況とは、電気負荷群50による消費電力の増加が予測される状況であり、鉛バッテリ32が所定の閾値を上回って放電することが予測される状況である。このため、図6(b)に示すように、鉛バッテリ32の端子電圧V_Pbや放電電流I_Pbが大きく変化する前に、スイッチSW2が遮断状態から導通状態に切り替えられ、電気負荷群50にリチウムイオンバッテリ31が接続される。これにより、図6(b)に黒塗りの矢印で示すように、リチウムイオンバッテリ31から電気負荷群50に電力を供給することができ、車両用電源装置10の電源電圧を安定させることができる。
また、ステップS16において、全ての大容量デバイス51〜53が停止していると判定された場合には、スイッチSW2を導通状態に切り替えることなくルーチンを抜ける。つまり、ステップS13において端子電圧V_Pbが高いと判定され、ステップS15において放電電流I_Pbが低いと判定され、かつステップS16において全ての大容量デバイス51〜53が停止すると判定された場合には、鉛バッテリ32が大電流で放電する状況ではないことから、スイッチSW2は遮断状態に保持される。
なお、ステップS14において、スイッチSW2が導通状態に切り替えられた後に、鉛バッテリ32の過度な放電が解消され、かつスタータジェネレータ16の力行が継続される場合には、図6(a)に示すように、再びスイッチSW2は導通状態から遮断状態に切り替えられる。この場合には、スイッチSW2のハンチング動作を回避するため、前述した閾値V1,I1とは異なる閾値を用いて、鉛バッテリ32の放電状況を判定することが望ましい。
また、前述の説明では、鉛バッテリ32が所定の閾値を上回って放電する場合に、スイッチSW2を遮断状態から導通状態に切り替えることにより、電気負荷群50の電源電圧を安定させているが、これに限られることはない。例えば、図5に破線のステップS20で示すように、スイッチSW2を遮断状態から導通状態に切り替えつつ、スタータジェネレータ16の力行状態を中止しても良い。例えば、車両発進時にスタータジェネレータ16によってエンジン12をアシスト駆動している場合には、スタータジェネレータ16によるアシスト駆動を中止しても良い。これにより、リチウムイオンバッテリ31から電気負荷群50に多くの電力を供給することができ、電気負荷群50の消費電力が大きく増加する場合であっても、車両用電源装置10の電源電圧を安定させることができる。なお、スタータジェネレータ16の力行トルクを低下させて消費電力を抑制することにより、リチウムイオンバッテリ31から電気負荷群50に多くの電力を供給しても良いことはいうまでもない。
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、第1蓄電体としてリチウムイオンバッテリ31を採用し、第2蓄電体として鉛バッテリ32を採用しているが、これに限られることはなく、他の種類のバッテリやキャパシタを採用しても良い。また、第1蓄電体と第2蓄電体とは、異なる種類の蓄電体に限られることはなく、同じ種類の蓄電体であっても良いことはいうまでもない。また、前述の説明では、発電電動機としてISGであるスタータジェネレータ16を採用しているが、これに限られることはなく、ハイブリッド車両の動力源であるモータジェネレータを発電電動機として採用しても良い。
前述の説明では、鉛バッテリ32が所定の閾値を上回って放電する状況を判定するため、ステップS13,S15において、端子電圧V_Pbおよび放電電流I_Pbを判定しているが、これに限られることはない。例えば、端子電圧V_Pbだけに基づいて、鉛バッテリ32の過度な放電状況を判定しても良く、放電電流I_Pbだけに基づいて、鉛バッテリ32の過度な放電状況を判定しても良い。
前述の説明では、メインコントローラ60をスイッチ制御部として機能させているが、これに限られることはなく、バッテリコントローラ42等の他のコントローラをスイッチ制御部として機能させても良い。また、前述の説明では、リチウムイオンバッテリ31の負極ライン37にスイッチSW1を設けているが、これに限られることはない。例えば、図2に一点鎖線で示すように、リチウムイオンバッテリ31の正極ライン33にスイッチSW1を設けても良い。
10 車両用電源装置
11 車両
12 エンジン
16 スタータジェネレータ(発電電動機)
31 リチウムイオンバッテリ(第1蓄電体)
32 鉛バッテリ(第2蓄電体)
50 電気負荷群
51 横滑り装置(大容量負荷)
52 電動パワーステアリング装置(大容量負荷)
53 ヘッドライト(大容量負荷)
60 メインコントローラ(スイッチ制御部)
SW2 スイッチ(通電スイッチ)
V_Pb 端子電圧
I_Pb 放電電流
V1 電圧閾値
I1 電流閾値

Claims (3)

  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発電電動機、および前記発電電動機に接続される第1蓄電体、を備える第1電源回路と、
    前記第1蓄電体列接続される第2蓄電体、および前記第2蓄電体に接続される電気負荷群、を備える第2電源回路と、
    前記第1電源回路と前記第2電源回路とを互いに接続する導通状態と、前記第1電源回路と前記第2電源回路とを互いに切り離す遮断状態と、に切り替えられる通電スイッチと、
    前記発電電動機が力行状態に制御される場合に、前記通電スイッチを導通状態から遮断状態に切り替えるスイッチ制御部と、
    を有し、
    前記スイッチ制御部は、前記通電スイッチ遮断状態に切り替えられた状態のもとで、前記第2蓄電体が閾値を上回って放電する場合に、前記通電スイッチを遮断状態から導通状態に切り替え、
    前記第2蓄電体が接続される前記電気負荷群に対し、導通状態に切り替えられた前記通電スイッチを介して、前記第2蓄電体よりも内部抵抗の小さな前記第1蓄電体を接続する、
    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2蓄電体が閾値を上回って放電する場合とは、前記第2蓄電体の放電電流が電流閾値を上回る場合と、前記第2蓄電体の端子電圧が電圧閾値を下回る場合と、の少なくとも何れか一方である、
    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、
    前記第2蓄電体に接続される前記電気負荷群のうち、消費電力が電力閾値を上回る大容量負荷を有し、
    前記スイッチ制御部は、前記通電スイッチが遮断状態に切り替えられた状態のもとで、前記大容量負荷が作動する場合に、前記通電スイッチを遮断状態から導通状態に切り替える、
    車両用電源装置。
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