JP6406495B2

JP6406495B2 - 車両用電池システム

Info

Publication number: JP6406495B2
Application number: JP2014024801A
Authority: JP
Inventors: 浩舟越
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2018-10-17
Anticipated expiration: 2034-02-12
Also published as: EP2907702B1; CN104827990A; EP2907702A1; CN104827990B; JP2015150957A

Description

本発明は、エンジンを備える車両に搭載される第１及び第２の蓄電池を備える車両用電池システムに関し、特に、オルタネータの発電による第１及び第２の蓄電池の充電に関する。

自動車等の車両には、ヘッドライト、スモールライト、ブレーキランプ、室内灯等のランプ類や、パワーウィンドウ、ワイパー、空調機器やラジエータのファン等の駆動モータ、エンジンの始動時のスタータ、オーディオ、ナビゲーション装置等の各種電気機器（電気負荷）が搭載されている。そして、これらの電気負荷により消費される電力は、充放電可能なバッテリにより供給されている。また車両には、エンジンにより駆動されるオルタネータ（発電機）が備えられており、バッテリはこのオルタネータによって発電した電力により適宜充電されるようになっている。

また近年は、電気負荷の増加や、車両の燃費向上を図るために、複数のバッテリを搭載した車両が実用化されてきている。例えば、エンジンを始動させるためのスタータを含む電気負荷に電力を供給するための鉛電池である第１の蓄電池と、第１の蓄電池とは並列に接続された第２の蓄電池と、を備えるようにしたものがある。

このような第１の蓄電池と第２の蓄電池とを備えた車両用電池システムでは、第１及び第２の蓄電池の充電が同時に行われることがある。具体的には、例えば、オルタネータ及び鉛蓄電池（第１の蓄電池）と、リチウムイオン蓄電池（第２の蓄電池）とを接続する接続配線にリレーなどの開閉手段を配置し、開閉手段の開閉により、第２の蓄電池からの充電や放電を制御している（特許文献１参照）。

特開２０１３−１９８３１８号公報

上述のように第１の蓄電池と第２の蓄電池とを同時に充電しようとすると、第１の蓄電池及び第２の蓄電池に充電に必要な十分な電力を共有することができず、各蓄電池の充電量が極端に低下してしまう虞がある。例えば、アイドリング中に電気負荷により消費される電力が比較的大きい状況等においては、オルタネータの発電余裕が少なく、各蓄電池の充電量が極端に低下してしまう虞がある。特に、ニッケル水素電池等で構成される第２の蓄電池は、鉛電池で構成される第１の蓄電池に比べて理論起電力が大きく、第１の蓄電池よりも放電速度が速いため、充電量が極端に低下しやすい。

そして、ニッケル水素電池等で構成される第２の蓄電池は、充電量が所定値よりも低くなると、すなわち過放電状態になると、劣化が進みやすいという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、第２の蓄電池の劣化の進行を抑制することができる車両用電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、エンジンを始動するためのスタータに電力を供給する第１の蓄電池と、前記第１の蓄電池と並列に接続されるとともに、前記第１の蓄電池との接続状態を切り替える内部開閉手段を有する第２の蓄電池と、前記第１及び第２の蓄電池に接続され、前記エンジンの駆動により発電するオルタネータと、を備える車両用電池システムであって、前記第２の蓄電池の充電状態を検出する充電状態検出手段と、前記充電状態検出手段の検出結果に基づいて前記オルタネータの発電状態及び前記内部開閉手段の開閉状態を制御する充電制御手段と、前記オルタネータの発電余裕の有無を判定する発電余裕判定手段と、を有し、前記充電制御手段は、前記発電余裕判定手段によって前記発電余裕が有ると判定された場合には、前記第１の蓄電池又は前記第２の蓄電池の充電率が予め設定された充電開始閾値以下であれば、前記内部開閉手段を閉状態として前記第１の蓄電池及び前記第２の蓄電池の充電を行い、前記発電余裕判定手段によって前記発電余裕が無いと判定された場合にも、前記第１の蓄電池又は前記第２の蓄電池の充電率が前記充電開始閾値以下であれば、前記内部開閉手段を閉状態として前記第１の蓄電池及び前記第２の蓄電池の充電を行うが、その後、前記充電状態検出手段によって前記第２の蓄電池の充電率が当該第２の蓄電池の充電開始閾値よりも低い下限閾値以下であることが検出されると、前記内部開閉手段を開状態に制御することを特徴とする車両用電池システムにある。

かかる第１の態様では、第２の蓄電池の極端な充電率の低下を抑制でき、それに伴い劣化の進行を遅らせることができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様の車両用電池システムであって、前記充電制御手段は、前記内部開閉手段を開状態に制御した後、前記発電余裕判定手段によって前記発電余裕が有ると判定されると、前記内部開閉手段を閉状態に制御することを特徴とする車両用電池システムにある。
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様の車両用電池システムであって、前記充電制御手段は、前記充電状態検出手段によって前記第２の蓄電池の充電率が前記下限閾値以下であることが検出された後、当該第２の蓄電池の充電率がさらに所定量低下した時点で、前記内部開閉手段を開状態に制御することを特徴とする車両用電池システムにある。

かかる第３の態様では、内部開閉手段の操作回数を極力少なく抑えることができる。また第２の蓄電池の充電率の低下を適切なタイミングで止めることができ、第２の蓄電池の電力を効率的に利用することができる。

以上説明したように、かかる本発明では、第２の蓄電池の劣化を効果的に抑制することができる。

本発明の一実施形態に係る車両用電池システムの構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る車両用電池システムの構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る車両用電池システムの構成を示す図である。本発明の一実施形態に係る車両用電池システムの構成を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る車両用電池システムについて、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る車両用電池システム１０は、車両に搭載されている各種電気負荷に電力供給するものであり、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２の２つの蓄電池を備えている。第１の蓄電池１１は鉛電池で構成され、第２の蓄電池１２は、ニッケル水素電池、或いはリチウムイオン電池等で構成される。本実施形態に係る第２の蓄電池１２は、電池セルユニット１３を備え、図示は省略するが、この電池セルユニット１３は、複数個、例えば、１０個程度の電池セル（ニッケル水素電池）が直列に接続されて構成されている。

これら第１の蓄電池１１と第２の蓄電池１２とは並列に接続されている。具体的には、車両用電池システム１０は、第１の蓄電池１１を含む第１の電気回路１４と、第２の蓄電池１２を含む第２の電気回路１５と、を有し、これら第１の電気回路１４と、第２の電気回路１５とは接続配線１６を介して接続されている。

第１の電気回路１４には、第１の蓄電池１１と共に、エンジン１７により駆動されて発電するオルタネータ（発電機）１８と、エンジン１７を始動させるためのスタータ１９と、第１の電気負荷２０とを並列に接続することで構成されている。また第１の電気回路１４には、第１の蓄電池１１の充電状態、例えば、充電率（ＳＯＣ）や温度等を検出するバッテリセンサ（第１の充電状態検出手段）２１が設けられている。なお第１の電気負荷２０とは、エンジン１７の始動時に再起動が行われても構わない電気負荷、すなわち車両の走行中に電力が供給されれば問題ない電気負荷であり、例えば、車両のヘッドランプやヒータ等が挙げられる。

一方、第２の電気回路１５は、第２の蓄電池１２と、第２の電気負荷２２とを並列に接続することで構成されている。第２の電気負荷２２とは、第１の電気負荷２０とは逆に、エンジン１７の始動時に再起動が行われない方が好ましい電気負荷であり、例えば、カーナビゲーション装置や、オーディオ等が挙げられる。なお各種電気負荷の第１の電気負荷２０と第２の電気負荷２２との切り分けは、上述したものに限定されず、必要に応じて適宜設定されればよい。

そして、このような第１の電気回路１４と第２の電気回路１５とを接続する接続配線１６には、第２の電気回路１５側から第１の電気回路１４側への電気の流れを遮断可能な外部リレーユニット（外部開閉手段）２３が設けられている。外部リレーユニット２３は、スイッチ部２３ａと共に、ダイオードで構成される整流部２３ｂを備えている。

図１に示すようにスイッチ部２３ａが閉状態（接続状態）である場合には、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２の充電状態やオルタネータ１８の発電状態、第１の電気負荷２０及び第２の電気負荷２２で消費される消費電力量等に応じて、第１の電気回路１４側から第２の電気回路１５側への電気の流れも、第２の電気回路１５側から第１の電気回路１４側への電気の流れも生じ得る。すなわち、第１の蓄電池１１或いはオルタネータ１８から第２の電気負荷２２に電力が供給されることもあるし、第２の蓄電池１２から第１の電気負荷２０に電力が供給されることもある。

例えば、エンジン１７が運転中で第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２の充電量が十分であるときには、スイッチ部２３ａは閉状態に制御される。この状態では、第１の蓄電池１１だけでなく第２の蓄電池１２からも第１の電気負荷２０に対して電力が供給される。これにより、オルタネータ１８の発電量を抑制でき、それに伴い燃費の向上を図ることがきる。

一方、図２に示すように、スイッチ部２３ａが開状態（切断状態）である場合、第２の電気回路１５側から第１の電気回路１４側への電気の流れのみが遮断される。すなわち外部リレーユニット２３が備える整流部２３ｂによって、図中矢印で示すように第１の電気回路１４側から第２の電気回路１５側への電気の流れが維持される。したがって、この状態では、第２の電気負荷２２に対しては、第２の蓄電池１２と共に、第１の蓄電池１１或いはオルタネータ１８から電力が供給されることはあるが、第１の電気負荷２０に対しては、第１の蓄電池１１或いはオルタネータ１８から電力が供給され、第２の蓄電池１２から電力が供給されることはない。

さらに、第２の蓄電池１２は、例えば、機械式の内部リレー（内部開閉手段）２４を備え、電池セルユニット１３と接続配線１６との接続状態をこの内部リレー２４によって適宜切り替えられるように構成されている。なお、内部開閉手段２４は、機械式リレーの他、半導体リレー等で構成されていてもよい。

これら外部リレーユニット２３及び内部リレー２４は、ＥＣＵ２５からの信号に基づいて、バッテリ制御部（ＢＭＵ）２６によって適宜制御される。なお、このＢＭＵ２６は、第２の蓄電池１２を構成する電池セルユニット１３の充電状態等を検出するバッテリセンサ（第１の充電状態検出手段）や、外部リレーユニット２３及び内部リレー２４を制御するためのコントロールユニット等で構成される。またＢＭＵ２６は、本実施形態では、第２の蓄電池１２が備えているが、第２の蓄電池１２とは別途設けられていてもよい。

ＥＣＵ（電子制御ユニット）２５は、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類を備え、各種センサ類からの情報に基づいて、オルタネータ１８やスタータ１９等を含むエンジン１７の総合的な制御を行うものである。

このＥＣＵ２５は、本実施形態に係る車両用電池システム１０の一部を兼ねている。そしてＥＣＵ２５は、例えば、上述のようにＢＭＵ２６を介して外部リレーユニット２３及び内部リレー２４の開閉状態を制御すると共にオルタネータ１８の発電状態（発電量）を適宜制御する。これにより、各種電気負荷に所望の電力を供給しつつ、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２の充電状態（充電率）を適宜制御している。

以下、車両用電池システム１０における蓄電池の充電状態の制御（充電制御）の一例について説明する。

ＥＣＵ２５は、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２の充電状態（充電率）を制御するための手段として、充電制御手段２７と、発電余裕判定手段２８と、を備えている。

充電制御手段２７は、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２の充電状態（充電率）に応じてオルタネータ１８の発電量を制御して第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２の充電を実行する。本実施形態では、バッテリセンサ（第１の充電状態検出手段）２１によって第１の蓄電池１１の充電状態が検出され、ＢＭＵ（第２の充電状態検出手段）２６によって第２の蓄電池１２の充電状態が検出される。そして、充電制御手段２７は、これらバッテリセンサ２１及びＢＭＵ２６による検出結果の他、車両の運転状態、環境状態等に基づいて、オルタネータ１８による発電量が所望の値となるようにエンジン１７の駆動を適宜制御する。

充電制御手段２７は、第１の蓄電池１１又は第２の蓄電池１２が放電気味になると、即ち、第１の蓄電池１１又は第２の蓄電池１２の充電率（ＳＯＣ）が充電開始閾値以下になると、オルタネータ１８の発電を開始して第１の蓄電池１１又は第２の蓄電池１２の充電を開始する。そして、充電終了閾値に達した時点でオルタネータ１８の発電を終了する。

なお、上記充電開始閾値及び充電終了閾値は各蓄電池１１，１２の特性等に応じて適宜決定される。本実施形態では、第１の蓄電池１１の充電開始閾値は９０％，充電終了閾値は９５％として設定し、第２の蓄電池１２の充電開始閾値は３０％、充電終了閾値は５０％として設定している。

通常時、充電制御手段２７は、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２を充電する際、内部リレー２４を閉状態（接続状態）とする（図１参照）。この状態では、例えば、車両の減速時やアイドリング時に、オルタネータ１８で発電される電力は、図中に矢印で示すように、第１の電気負荷２０及び第２の電気負荷２２に供給されると共に、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２に供給され、各蓄電池１１，１２が同時に充電される。なお、ここでいう「通常時」とは、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２のいずれか一方又は両方が放電気味、即ち充電開始閾値以下であるが、オルタネータ１８の発電余裕が有る状態を言う。例えば、第１の蓄電池１１又は第２の蓄電池１２の充電率が充電開始閾値以下であるが、後述するオルタネータ１８の発電余裕率が所定値以上である状態が「通常時」に相当する。

その後、第１の蓄電池１１又は第２の蓄電池１２の充電率（ＳＯＣ）が充電終了閾値以上となると、例えば、アイドリング時のエンジン１７によるオルタネータ１８の発電量を抑制し、各蓄電池１１，１２の充電を終了する。

上述のように充電制御手段２７は、通常時には、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２の充電状態に応じてオルタネータ１８の発電を制御するが、以下に説明するように、第２の蓄電池１２の充電状態（充電率）及び発電余裕判定手段２８の判定結果によっては、第２の蓄電池１２の内部リレー２４を開状態とする。

発電余裕判定手段２８は、オルタネータ１８の発電余裕の有無を判定する。本実施形態では、オルタネータ１８の発電余裕率が、所定値以下であるか否かを判定する。充電余裕（発電余裕率）とは、オルタネータ１８の発電状態がどの程度余裕を残しているのかを示す値である。具体的には、第１の電気負荷２０及び第２の電気負荷２２によって消費されている消費電力量と、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２を充電するのに必要な必要電力量との合計値と、オルタネータ１８の最大発電量との比率である。例えば、上記合計値がオルタネータ１８の最大発電量以上である場合、発電余裕率は０％となる。

なお発電余裕判定手段２８は、オルタネータ１８の発電余裕が有るか無いかを判定するが、ここでいう「発電余裕が無い」とは必ずしも発電余裕率が０％である状態を意味するものではない。例えば、一時的に発電余裕率が所定値以下であるときや、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２を充電するには時間がかかり過ぎる等、両蓄電池１１，１２を同時に充電するほどの余裕がない状態も「発電余裕が無い」状態に含まれる。本実施形態では、発電余裕判定手段２８は、発電余裕率が第１の所定値（例えば、１０％程度）以下である場合に、「発電余裕が無い」と判定する。

ところで、このようにオルタネータ１８の発電余裕が無い状態では、例えば、第１の電気負荷２０又は第２の電気負荷２２の消費電力が高まると、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２を充電しようとしても、図３中に電気の流れを矢印で示すように、第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２は放電されて各蓄電池１１，１２の充電率は徐々に低下してしまうことになる。またニッケル水素電池等で構成される第２の蓄電池１２は、鉛電池で構成される第１の蓄電池１１に比べて理論起電力が大きいため、第２の蓄電池１２の放電速度は第１の蓄電池１１よりも速い。したがって、このような第１の蓄電池１１及び第２の蓄電池１２の放電が続くと、第２の蓄電池１２の充電量が極端に減少してしまう虞がある。

そこで、充電制御手段２７は、このような第２の蓄電池１２の充電量の極端な減少を抑えるべく、内部リレー２４の開閉状態を適宜制御している。具体的には、充電制御手段２７は、ＢＭＵ２６によって第２の蓄電池１２の充電率が充電開始閾値より低い所定の下限閾値（例えば、１０％程度）以下であることが検出され、更に発電余裕判定手段２８によって「発電余裕が無い」と判定された場合、すなわち発電余裕率が所定値以下であると判定された場合に、図４に示すように、第２の蓄電池１２が備える内部リレー２４を、ＢＭＵ２６を介して制御して開状態（切断状態）とする。

これにより、第２の蓄電池１２の放電が防止される。すなわち、第２の蓄電池１２の充電量が下限閾値を超えて極端に低下することがない。したがって、第２の蓄電池１２の充電量の低下に伴う劣化を抑制することができる。

また充電制御手段２７は、その後、発電余裕判定手段２８によって「発電余裕が有る」と判定されると、すなわち発電余裕率が第２の所定値以上であると判定されると、内部リレー２４を開状態から閉状態（接続状態）に切り替える。これにより、第１の蓄電池１１と共に第２の蓄電池１２の充電が再開される。なお第２の所定値は、第１の所定値と同一値であってもよいが、第１の所定値よりも大きい値に設定しておくことが好ましい。

第２の所定値を第１の所定値と同一値とすると、車両の運転状態によっては、内部リレー２４の開閉操作が頻繁に行われる虞がある。内部リレー２４を開閉する際には、比較的大きい音が発生するため、内部リレー２４の開閉制御が頻繁に行われると、乗員に不快感を与えてしまう虞がある。特に、第２の蓄電池１２が車両のフロア下に配置されている場合には、乗員に不快感を与えやすい。しかしながら、第２の所定値を第１の所定値よりも大きい値に設定しておくことで、内部リレー２４の開閉制御回数を極力少なく抑えることができる。

また本実施形態では、第２の蓄電池１２の充電率が下限閾値（例えば、１０％程度）以下であることが検出されると、内部リレー２４を開状態（切断状態）に制御するようにしたが、内部リレー２４の開閉状態を制御するタイミングは、これに限定されない。例えば、第２の蓄電池１２の充電率が下限閾値以下であることが検出された後、第２の蓄電池１２の充電率がさらに所定量（例えば、２％）低下した時点で、内部リレー２４を開状態に制御するようにしてもよい。また、第２の蓄電池１２の充電率が所定量低下したか否かは、充電率が下限閾値以下である時間に基づいて判定してもよい。具体的には、第２の蓄電池１２の充電率が下限閾値以下であることが検出されると、その継続時間を計測し、継続時間が所定時間以上である場合に、第２の蓄電池１２の充電率が所定量（例えば、２％）低下したと判定するようにしてもよい。

このように、第２の蓄電池１２の充電率が所定量（例えば、２％）低下した時点で、内部リレー２４を開状態に制御することで、より適切なタイミングで、内部リレー２４を閉状態に制御することができる。例えば、第２の蓄電池１２の充電率が下限閾値以下となった場合でも、その後、第１の電気負荷２０及び第２の電気負荷２２の消費電力が減少し、第２の蓄電池１２の充電率が短時間で下限閾値よりも高くなることも想定される。このような場合にまで内部リレー２４の開閉状態を制御すると、内部リレー２４の開閉制御が頻繁に行われ、上述したように乗員に不快感を与えてしまう虞がある。しかしながら、上述のように第２の蓄電池１２の充電率が所定量低下した時点で内部リレー２４を開状態に制御することで、内部リレー２４の開閉制御回数を極力少なく抑えることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、勿論、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更が可能なものである。

１０車両用電池システム
１１第１の蓄電池
１２第２の蓄電池
１３電池セルユニット
１４第１の電気回路
１５第２の電気回路
１６接続配線
１７エンジン
１８オルタネータ
１９スタータ
２０第１の電気負荷
２１バッテリセンサ（第１の充電状態検出手段）
２２第２の電気負荷
２３外部リレーユニット
２３ａスイッチ部
２３ｂ整流部
２４内部リレー（内部開閉手段）
２５ＥＣＵ
２６ＢＭＵ（第２の充電状態検出手段）
２７充電制御手段
２８発電余裕判定手段

Claims

エンジンを始動するためのスタータに電力を供給する第１の蓄電池と、
前記第１の蓄電池と並列に接続されるとともに、前記第１の蓄電池との接続状態を切り替える内部開閉手段を有する第２の蓄電池と、
前記第１及び第２の蓄電池に接続され、前記エンジンの駆動により発電するオルタネータと、
を備える車両用電池システムであって、
前記第２の蓄電池の充電状態を検出する充電状態検出手段と、
前記充電状態検出手段の検出結果に基づいて前記オルタネータの発電状態及び前記内部開閉手段の開閉状態を制御する充電制御手段と、
前記オルタネータの発電余裕の有無を判定する発電余裕判定手段と、を有し、
前記充電制御手段は、
前記発電余裕判定手段によって前記発電余裕が有ると判定された場合には、前記第１の蓄電池又は前記第２の蓄電池の充電率が予め設定された充電開始閾値以下であれば、前記内部開閉手段を閉状態として前記第１の蓄電池及び前記第２の蓄電池の充電を行い、
前記発電余裕判定手段によって前記発電余裕が無いと判定された場合にも、前記第１の蓄電池又は前記第２の蓄電池の充電率が前記充電開始閾値以下であれば、前記内部開閉手段を閉状態として前記第１の蓄電池及び前記第２の蓄電池の充電を行うが、その後、前記充電状態検出手段によって前記第２の蓄電池の充電率が当該第２の蓄電池の充電開始閾値よりも低い下限閾値以下であることが検出されると、前記内部開閉手段を開状態に制御する
ことを特徴とする車両用電池システム。
請求項１に記載の車両用電池システムであって、
前記充電制御手段は、前記内部開閉手段を開状態に制御した後、前記発電余裕判定手段によって前記発電余裕が有ると判定されると、前記内部開閉手段を閉状態に制御する
ことを特徴とする車両用電池システム。
請求項１又は２に記載の車両用電池システムであって、
前記充電制御手段は、前記充電状態検出手段によって前記第２の蓄電池の充電率が前記下限閾値以下であることが検出された後、当該第２の蓄電池の充電率がさらに所定量低下した時点で、前記内部開閉手段を開状態に制御する
ことを特徴とする車両用電池システム。