JP6402698B2 - 車両用電源システム - Google Patents

Description

本発明は、車両用電源システムに関する。

従来、鉛電池とリチウムイオン電池とを備える車両用電源システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この車両用電源システムにおいて、鉛電池及びリチウムイオン電池は、エンジンの動力が伝達されるオルタネータに接続されており、オルタネータが出力する発電エネルギーを回収することにより充電される。

特開２００４−２２９４７８号公報

ところで、上記の技術では、車両に搭載される負荷の消費電力がオルタネータの発電する電力よりも大きくなると、リチウムイオン電池を連続して放電（以下「連続放電」ともいう。）させることにより、不足する電力を負荷に供給する場合がある。

しかしながら、リチウムイオン電池を連続放電させると出力が低下するため、例えば、連続放電の後にオルタネータから供給される電力が失陥した場合、リチウムイオン電池の出力がバックアップ負荷の作動に必要な電力を下回る場合がある。

そこで、上記課題に鑑み、リチウムイオン電池の出力がバックアップ負荷の作動に必要な電力を下回ることを抑制可能な車両用電源システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る車両用電源システムは、
車両に搭載される負荷に電力を供給可能なオルタネータと、
前記オルタネータに接続された鉛電池と、
前記鉛電池と並列に、前記オルタネータにＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続され、バックアップ負荷に電力を供給することが可能なリチウムイオン電池と、
制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記リチウムイオン電池が連続放電しているか否かを判定する放電判定部と、
前記放電判定部により前記リチウムイオン電池が連続放電していると判定された場合、一定時間が経過したか否かを判定する時間判定部と、
前記時間判定部により前記一定時間が経過したと判定された場合、前記リチウムイオン電池の放電特性を測定する測定部と、
前記測定部により測定された前記放電特性に基づいて前記リチウムイオン電池が出力可能な電流を推定する推定部と、
前記推定部により推定された前記リチウムイオン電池が出力可能な電流が前記バックアップ負荷の作動に必要な電流よりも小さいか否かを判定する電流判定部と、
前記電流判定部により前記リチウムイオン電池が出力可能な電流が前記バックアップ負荷の作動に必要な電流よりも小さいと判定された場合、前記リチウムイオン電池の連続放電を停止する停止制御部と、
を有する。

本実施形態によれば、リチウムイオン電池が出力可能な電流がバックアップ負荷の作動に必要な電流よりも小さい場合にリチウムイオン電池の連続放電を停止するので、リチウムイオン電池の出力がバックアップ負荷の作動に必要な電力を下回ることを抑制することができる。

本実施形態の車両用電源システムの概略構成図である。 リレーの動作を説明する図である。 本実施形態の車両用電源システムの動作を示すフローチャートである。 リチウムイオン電池の放電電流を変化させたときの電池電圧の変化を示すグラフである。 リチウムイオン電池の放電電流と電池電圧との関係を示すグラフである。

以下、発明を実施するための形態について添付の図面を参照しながら説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複した説明を省略する。

本実施形態の車両用電源システムについて、図１に基づき説明する。図１は、本実施形態の車両用電源システムの概略構成図である。

図１に示すように、車両用電源システムは、鉛電池１２と、リチウムイオン電池１４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６と、リレー１８と、オルタネータ２０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２２とを有する。また、車両用電源システムには、負荷２４と、バックアップ負荷２６とが電気的に接続されている。

鉛電池１２は、オルタネータ２０、負荷２４及びバックアップ負荷２６と電気的に接続されている。鉛電池１２は、オルタネータ２０から供給される電力を蓄えると共に、蓄えている電力を負荷２４及びバックアップ負荷２６に供給する充放電可能な二次電池である。

リチウムイオン電池１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を介して鉛電池１２、オルタネータ２０、負荷２４及びバックアップ負荷２６と電気的に接続されている。リチウムイオン電池１４は、オルタネータ２０から供給される電力を蓄えると共に、蓄えている電力を負荷２４及びバックアップ負荷２６に供給する充放電可能な二次電池である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、内蔵するパワートランジスタのスイッチング動作に従って、鉛電池１２側の電圧を昇圧してリチウムイオン電池１４側へ供給する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、内蔵するパワートランジスタのスイッチング動作に従って、リチウムイオン電池１４側の電圧を降圧して鉛電池１２側へ供給する。

リレー１８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６と、互いに並列接続されたオルタネータ２０、鉛電池１２及び負荷２４と、の間に設けられている。図２は、リレーの動作を説明する図である。より具体的には、図２（ａ）はオルタネータが発電している場合の状態を示し、図２（ｂ）はオルタネータが発電していない場合の状態を示している。

図２（ａ）に示すように、リレー１８は、オルタネータ２０が発電している場合にオンされる。これにより、オルタネータ２０から供給される電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１６により昇圧されてリチウムイオン電池１４に蓄えられる。また、リチウムイオン電池１４に蓄えられている電力がＤＣ／ＤＣコンバータ１６により降圧されて負荷２４、バックアップ負荷２６等に供給される。

一方、図２（ｂ）に示すように、リレー１８は、オルタネータ２０が発電していない場合にオフされる。これにより、リチウムイオン電池１４に蓄えられている電力がバックアップ負荷２６に供給される。このため、オルタネータ２０が発電していない場合であっても、バックアップ負荷２６が作動する。

オルタネータ２０は、車両に搭載されたエンジンの回転を動力源として発電する。オルタネータ２０は、鉛電池１２、負荷２４及びバックアップ負荷２６と電気的に接続されている。オルタネータ２０は、鉛電池１２、負荷２４及びバックアップ負荷２６に電力を供給することにより、鉛電池１２を充電することができると共に、負荷２４及びバックアップ負荷２６を作動させることができる。また、オルタネータ２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を介してリチウムイオン電池１４と電気的に接続されており、リチウムイオン電池１４に電力を供給することにより、リチウムイオン電池１４を充電することができる。

負荷２４は、例えば、エアコン、オーディオ、メータ類、デフォガ、ワイパ、パワーウィンドウ、ライト類等の車両に搭載される補機である。負荷２４は、オルタネータ２０及び鉛電池１２と電気的に接続されており、オルタネータ２０及び鉛電池１２から電力の供給を受けて作動する。また、負荷２４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を介してリチウムイオン電池１４と電気的に接続されており、リチウムイオン電池１４から電力の供給を受けて作動する。

バックアップ負荷２６は、オルタネータ２０から供給される電力が低下したり失陥したりしても動作し続ける必要がある負荷である。バックアップ負荷２６は、オルタネータ２０、鉛電池１２及びリチウムイオン電池１４と電気的に接続されている。

バックアップ負荷２６は、車両がエンジンにより走行する際には、オルタネータ２０から電力の供給を受けて作動する。一方、バックアップ負荷２６は、オルタネータ２０から供給される電力が低下したり失陥したりしている際には、オルタネータ２０から電力が供給されないため、リチウムイオン電池１４から電力の供給を受けて作動する。これにより、バックアップ負荷２６は、オルタネータ２０から供給される電力が低下したり失陥したりしている場合であっても作動することができる。

バックアップ負荷２６としては、例えば、電気ブレーキが挙げられる。この場合、オルタネータ２０から供給される電力が低下したり失陥したりしている場合であっても、リチウムイオン電池１４から電気ブレーキに電力が供給されるため、電気ブレーキが作動し、安全に車両を停止することができる。

ＥＣＵ２２は、マイクロコンピュータ、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力インタフェース等を有する制御装置の一例である。

ＥＣＵ２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６の動作を制御する信号（以下「充放電要求信号」ともいう。）、オルタネータ２０の動作を制御する信号（以下「ＡＬＴ発電要求信号」ともいう。）、及び、リレー１８の動作を制御する信号（以下「リレーＯＮ／ＯＦＦ信号」ともいう。）を出力する。

また、ＥＣＵ２２には、リチウムイオン電池１４を管理するのに必要な信号（以下「ＬｉＢ状態信号」）が入力される。ＬｉＢ状態信号としては、例えば、リチウムイオン電池１４の電池電圧、放電電流、充電電流、温度、劣化度合い、放電開始からの経過時間等の信号が挙げられる。

また、ＥＣＵ２２には、鉛電池１２を管理するのに必要な信号（以下「Ｐｂ−ＢＡＴ状態信号」ともいう。）が入力される。Ｐｂ−ＢＡＴ状態信号としては、例えば、鉛電池１２の電池電圧、放電電流、充電電流等の信号が挙げられる。

ＥＣＵ２２は、放電判定部２２１と、時間判定部２２２と、測定部２２３と、推定部２２４と、電流判定部２２５と、停止制御部２２６とを有する。

放電判定部２２１は、ＬｉＢ状態信号に基づいて、リチウムイオン電池１４が連続放電しているか否かを判定する。

時間判定部２２２は、ＬｉＢ状態信号に基づいて、リチウムイオン電池１４が連続放電しているときに、一定時間が経過したか否かを判定する。

測定部２２３は、ＬｉＢ状態信号に基づいて、リチウムイオン電池１４の放電特性を測定する。

推定部２２４は、測定部２２３により測定されたリチウムイオン電池１４の放電特性に基づいて、リチウムイオン電池１４が出力可能な電流を推定する。

電流判定部２２５は、リチウムイオン電池１４が出力可能な電流がバックアップ負荷２６の作動に必要な電流よりも小さいか否かを判定する。

停止制御部２２６は、リチウムイオン電池１４の放電の停止を制御する。

ところで、車両に搭載される負荷２４の消費電力がオルタネータ２０の発電する電力よりも大きい場合、リチウムイオン電池１４を連続放電させることにより、不足する電力を負荷２４に供給する場合がある。このとき、リチウムイオン電池１４を連続放電させると出力が低下するため、連続放電の後にオルタネータ２０から供給される電力が失陥した場合、リチウムイオン電池１４の出力がバックアップ負荷２６の作動に必要な電力を下回る場合がある。

そこで、本実施形態では、リチウムイオン電池１４が連続放電しているときに一定時間が経過すると、ＥＣＵ２２がリチウムイオン電池１４の放電特性を測定する。また、ＥＣＵ２２は、測定された放電特性に基づいてリチウムイオン電池１４が出力可能な電流を推定し、リチウムイオン電池１４が出力可能な電流がバックアップ負荷２６の作動に必要な電流よりも小さい場合、リチウムイオン電池１４の連続放電を停止する。

これにより、リチウムイオン電池１４の出力がバックアップ負荷２６の作動に必要な電力を下回ることを抑制することができる。

以下、本実施形態の車両用電源システムの具体的な動作について、図３から図５に基づき具体的に説明する。図３は、本実施形態の車両用電源システムの動作を示すフローチャートである。図４は、リチウムイオン電池の放電電流を変化させたときの電池電圧の変化を示すグラフであり、図４（ａ）は時間と電流との関係を示し、図４（ｂ）は時間と電圧との関係を示している。図５は、リチウムイオン電池の放電電流と電池電圧との関係を示すグラフである。

まず、図３に示すように、ＥＣＵ２２は、放電判定部２２１により、リチウムイオン電池１４が連続放電しているか否かを判定する（ステップＳ２）。具体的には、ＥＣＵ２２は、放電判定部２２１により、リチウムイオン電池１４から入力されるＬｉＢ状態信号（例えば、放電電流）に基づいて、リチウムイオン電池１４が連続放電しているか否かを判定する。

ステップＳ２において、リチウムイオン電池１４が連続放電していると判定された場合、ＥＣＵ２２は、時間判定部２２２により、一定時間が経過したか否かを判定する（ステップＳ４）。具体的には、ＥＣＵ２２は、時間判定部２２２により、リチウムイオン電池１４から入力されるＬｉＢ状態信号（例えば、放電開始からの経過時間）に基づいて、一定時間が経過したか否かを判定する。一定時間は、リチウムイオン電池１４の性能、リチウムイオン電池１４の使用環境等に応じて設定することができ、例えば、数秒とすることができる。

なお、リチウムイオン電池１４の連続放電は、オルタネータ２０の発電する電力よりも負荷２４において消費される電力が大きい場合に発生する。オルタネータ２０の発電する電力よりも負荷２４において消費電力が大きい場合としては、例えば、アイドリングストップ制御によりオルタネータ２０が停止している場合、燃費向上や加速感向上のためにオルタネータ２０の発電する電力を抑制している場合、ヒータ等の消費電力が大きい負荷２４を作動させている場合が挙げられる。なお、アイドリングストップ制御とは、車両が停車中において不必要なエンジンの運転を停止する制御である。

なお、ステップＳ２において、リチウムイオン電池１４が連続放電していないと判定された場合、ステップＳ２を繰り返す。

ステップＳ４において、一定時間が経過したと判定された場合、ＥＣＵ２２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６を制御することにより、リチウムイオン電池１４の放電電流を変化させながら、測定部２２３により、放電電流（Ｉ）−電池電圧（Ｖ）特性を測定する（ステップＳ６）。以下では、リチウムイオン電池１４の放電電流を「ＬｉＢ電流」、リチウムイオン電池１４の電池電圧を「ＬｉＢ電圧」ともいう。具体的には、ステップＳ４においては、図４（ａ）に示すように、ＬｉＢ電流が大きくなるように、又は、小さくなるように変化させる。これにより、図４（ｂ）に示すように、ＬｉＢ電圧は、ＬｉＢ電流を大きくしたときに小さくなり、ＬｉＢ電流を小さくしたときに大きくなる。これは、ＬｉＢ電流が大きくなると、リチウムイオン電池１４の内部抵抗による抵抗損失が大きくなるためである。

なお、ステップＳ６においては、ＥＣＵ２２は、ＬｉＢ電流と、ＬｉＢ電流に対応するＬｉＢ電圧との関係を複数のＬｉＢ電流において測定することが好ましい。複数のＬｉＢ電流において、ＬｉＢ電流とＬｉＢ電圧との関係を測定することにより、リチウムイオン電池１４が出力可能な電流を推定するときの精度を高めることができる。本実施形態では、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示すように、ＬｉＢ電流を変化させた際に、９つのポイントでＬｉＢ電流及びＬｉＢ電圧を測定した。

また、ステップＳ６においては、ＥＣＵ２２は、負荷２４に印加される電圧が一定に維持されるように、オルタネータ２０から出力される電流（以下「ＡＬＴ電流」ともいう。）を制御しながら、ＬｉＢ電流を変化させることが好ましい。具体的には、図４（ａ）に示すように、ＬｉＢ電流を増加させる場合、増加させるＬｉＢ電流に対応させてＡＬＴ電流を減少させる。一方、ＬｉＢ電流を減少させる場合、減少させるＬｉＢ電流に対応させてＡＬＴ電流を増加させる。これにより、オルタネータ２０、鉛電池１２及びリチウムイオン電池１４から供給される電流の総量が一定となるため、図４（ｂ）に示すように、負荷２４に印加される電圧（負荷電圧）が一定に維持される。その結果、負荷電圧が変動することによるライト類の明滅、ワイパの速度変化、エアコンの風量変化等の電圧変動による違和感や、電圧低下によるＥＣＵリセット等のＥＣＵ２２の誤動作の発生を抑制することができる。

また、ステップＳ６においては、ＬｉＢ電流を変化させている期間（以下「測定時間」ともいう。）におけるＬｉＢ電流の平均値が、ＬｉＢ電流を変化させていない期間のＬｉＢ電流と等しくなるようにＬｉＢ電流を変化させることが好ましい。これにより、ＬｉＢ電流を変化させることによるリチウムイオン電池１４の特性変化や、劣化を抑制することができる。

なお、ステップＳ４において、一定時間が経過していないと判定された場合、ステップＳ４を繰り返す。

次に、ＥＣＵ２２は、推定部２２４により、リチウムイオン電池１４が出力可能な電流（以下「ＬｉＢ出力可能電流」ともいう。）を推定する（ステップＳ８）。ＬｉＢ出力可能電流とは、ＬｉＢ電圧がリチウムイオン電池１４の放電終止電圧（以下「ＬｉＢ下限許容電圧」ともいう。）と等しくなるときの電流である。具体的には、まず、図５に示すように、横軸をＬｉＢ電流、縦軸をＬｉＢ電圧として、ステップＳ６において測定されたＬｉＢ電流とＬｉＢ電圧との関係をプロットする。続いて、例えば、最小二乗法により、プロットされた複数の測定点を用いてＬｉＢ電流とＬｉＢ電圧との関係を示す関係式（ｙ＝ａｘ＋ｂ）を算出する。続いて、ＬｉＢ電圧ｙがＬｉＢ下限許容電圧と等しくなるときのＬｉＢ電流を算出する。ＥＣＵ２２は、この時に算出されるＬｉＢ電流をＬｉＢ出力可能電流と推定する。

なお、ＬｉＢ電流とＬｉＢ電圧との関係を示す関係式における傾きａは、リチウムイオン電池１４の劣化度合い、温度、放電電流の積算値等によって変化するため、ＬｉＢ出力可能電流もこれらの変化に対応して変化する。具体的には、例えば、リチウムイオン電池１４の劣化度合いが大きくなるほど傾きａの絶対値は大きくなり、ＬｉＢ出力可能電流が小さくなる。また、例えば、リチウムイオン電池１４の温度が低くなるほど傾きａの絶対値は大きくなり、ＬｉＢ出力可能電流が小さくなる。また、例えば、リチウムイオン電池１４の放電電流の積算値が大きくなるほど傾きａは大きくなり、ＬｉＢ出力可能電流が小さくなる。

次に、ＥＣＵ２２は、電流判定部２２５により、リチウムイオン電池１４のＬｉＢ出力可能電流がバックアップ負荷２６の作動に必要な電流（以下「バックアップ電流」ともいう。）よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ１０）。

ステップＳ１０において、リチウムイオン電池１４のＬｉＢ出力可能電流がバックアップ電流よりも小さいと判定された場合、ＥＣＵ２２は、停止制御部２２６により、リチウムイオン電池１４の連続放電を中止した後（ステップＳ１２）、処理を終了する。ステップＳ１０において、リチウムイオン電池１４のＬｉＢ出力可能電流がバックアップ電流以上であると判定された場合、ステップＳ２へ戻る。

以上に説明したように、本実施形態の車両用電源システムは、リチウムイオン電池１４が連続放電しているときに一定時間が経過すると、ＥＣＵ２２がリチウムイオン電池１４の放電特性を測定する。また、ＥＣＵ２２は、測定された放電特性に基づいてリチウムイオン電池１４が出力可能な電流を推定し、リチウムイオン電池１４が出力可能な電流がバックアップ負荷２６の作動に必要な電流よりも小さい場合、リチウムイオン電池１４の連続放電を停止する。

これにより、リチウムイオン電池１４の出力がバックアップ負荷２６の作動に必要な電力を下回ることを抑制することができる。

以上、車両用電源システムを実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

本実施形態では、ＬｉＢ電流とＬｉＢ電圧との実測値に基づいて、ＬｉＢ出力可能電流を推定したが、これに限定されない。例えば、実測値に代えて、実測値と予め定められたマップによる推定結果との組み合わせに基づいて、ＬｉＢ出力可能電流を推定してもよい。なお、マップは、リチウムイオン電池の劣化度合い、温度、放電電流の積算値をパラメータとすることができる。また、実測値とマップによる推定結果とを組み合わせる場合には、マップの推定精度に応じて重み付けしてもよい。

１２ 鉛電池
１４ リチウムイオン電池
１６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０ オルタネータ
２２ ＥＣＵ
２２１ 放電判定部
２２２ 時間判定部
２２３ 測定部
２２４ 推定部
２２５ 電流判定部
２２６ 停止制御部
２６ バックアップ負荷

Claims (1)

1. 車両に搭載される負荷に電力を供給可能なオルタネータと、
   前記オルタネータに接続された鉛電池と、
   前記鉛電池と並列に、前記オルタネータにＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続され、バックアップ負荷に電力を供給することが可能なリチウムイオン電池と、
   制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記リチウムイオン電池が連続放電しているか否かを判定する放電判定部と、
   前記放電判定部により前記リチウムイオン電池が連続放電していると判定された場合、一定時間が経過したか否かを判定する時間判定部と、
   前記時間判定部により前記一定時間が経過したと判定された場合、前記リチウムイオン電池の放電特性を測定する測定部と、
   前記測定部により測定された前記放電特性に基づいて前記リチウムイオン電池が出力可能な電流を推定する推定部と、
   前記推定部により推定された前記リチウムイオン電池が出力可能な電流が前記バックアップ負荷の作動に必要な電流よりも小さいか否かを判定する電流判定部と、
   前記電流判定部により前記リチウムイオン電池が出力可能な電流が前記バックアップ負荷の作動に必要な電流よりも小さいと判定された場合、前記リチウムイオン電池の連続放電を停止する停止制御部と、
   を有する、
   車両用電源システム。

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