JP6553916B2 - 車両用電源装置 - Google Patents

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、車両減速時にオルタネ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させるようにした電源装置が開発されている（特許文献１参照）。これにより、車両減速時に多くの電力を回生させることができ、車両のエネルギー効率を向上させることができる。

特開２０１４−３６５５７号公報

ところで、車両減速時に回生制動を行う車両においては、蓄電体の出力性能だけでなくオルタネータの発電能力が高められている。このため、オルタネータと蓄電体とを接続する通電ラインに短絡が生じた場合には、オルタネータや蓄電体から通電ラインに大電流が流される虞がある。オルタネータや蓄電体の大電流放電に対処するためには、通電ラインにヒューズを設置することが一般的である。しかしながら、通電ラインにヒューズを設置することは、通電ラインの定格電流を増加させる要因であることから、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、エンジンに接続される発電機と、前記発電機に接続される第１蓄電体と、前記第１蓄電体と並列に前記発電機に接続され、前記第１蓄電体よりも内部抵抗の大きい第２蓄電体と、前記第１蓄電体と前記第２蓄電体とを接続する通電経路に設けられ、前記発電機と前記第１蓄電体とを接続または遮断するスイッチと、前記発電機を制御する発電機制御部と、前記第１蓄電体の放電電流を算出する放電電流算出部と、前記第１蓄電体の放電電流が第１閾値を上回ると、前記第１蓄電体と前記発電機とを含む回路に短絡が生じたと判断し、前記スイッチを用いて前記発電機と前記第１蓄電体とを遮断し、前記発電機を発電休止状態に制御する、フェイルセーフ制御部と、を有し、前記フェイルセーフ制御部は、前記発電機が発電休止状態に制御されていないと判断すると、前記発電機制御部に対する電力供給を遮断して、前記発電機の発電動作を強制的に終了させる。

本発明によれば、第１蓄電体の放電電流が閾値を上回る場合に、スイッチ制御部にスイッチ遮断信号を出力し、発電機制御部に発電停止信号を出力する。これにより、短絡時に第１蓄電体や発電機の放電を止めることができるため、ヒューズを削減して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ブロック図である。 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発電制御の一例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。 車両用電源装置の短絡状況を示す説明図である。 車両用電源装置の短絡状況を示す説明図である。 フェイルセーフ制御の実行手順を示すフローチャートである。 フェイルセーフ制御過程におけ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過程におけ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手順を示すフローチャートである。 フェイルセーフ制御過程におけ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（発電機）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が機械的に接続されている。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を始動回転させ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（発電機制御部）２４が設けられている。ＩＳＧコントローラ２４には、モータジェネレータ１６の発電電圧や発電電流を検出するセンサ（発電電流算出部）２４ａが接続されている。

モータジェネレータ１６を発電機として機能させる際には、ＩＳＧコントローラ２４によってフィールドコイルの通電状態が制御される。フィールドコイルの通電状態を制御することにより、モータジェネレータ１６の発電電圧を制御することができる。また、モータジェネレータ１６を発電駆動する際に、ＩＳＧコントローラ２４のインバータを制御することで、モータジェネレータ１６の発電電流を制御することが可能である。一方、モータジェネレータ１６を電動機として機能させる際には、ＩＳＧコントローラ２４によってステータコイルの通電状態が制御される。なお、ＩＳＧコントローラ２４は、後述する制御ユニット５０からの制御信号に基づいて、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。

続いて、車両用電源装置１０の構成について説明する。図２は車両用電源装置１０の構成例を示すブロック図である。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蓄電体であるリチウムイオンバッテリ２７と、第２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および鉛バッテリ２８は、モータジェネレータ１６に並列に接続されている。リチウムイオンバッテリ２７の正極端子２７ａには、第１電源ライン２９が接続されており、鉛バッテリ２８の正極端子２８ａには、第２電源ライン３０が接続されている。また、モータジェネレータ１６の発電電流を出力する出力端子１６ａには、通電ライン３１が接続されている。第１電源ライン２９、第２電源ライン３０および通電ライン３１は、接続点であるノード３２を介して互いに接続されている。すなわち、リチウムイオンバッテリ２７と鉛バッテリ２８との正極端子２７ａ，２８ａは、第１電源ライン２９、第２電源ライン３０およびノード３２からなる通電経路１００を介して接続されている。

通電経路１００を構成する第１電源ライン２９には、開閉スイッチ（スイッチ）ＳＷ１が設けられている。また、通電経路１００を構成する第２電源ライン３０には、開閉スイッチ（第２のスイッチ）ＳＷ２が設けられている。なお、開閉スイッチＳＷ２は、第２電源ライン３０における正極端子２８ａとノード３２との間に設けられている。これらの開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、閉じられた状態つまり導通状態（オン状態）と、開かれた状態つまり遮断状態（オフ状態）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とを電気的に分離する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とを電気的に分離する遮断状態とに切り替えられる。

第２電源ライン３０には、瞬低保護負荷３３および車体負荷３４等が接続されている。また、第２電源ライン３０には、スタータリレー３５を介してスタータモータ２１が接続されており、ＩＳＧリレー３６を介してＩＳＧコントローラ２４が接続されている。さらに、第２電源ライン３０には、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４、スタータモータ２１およびＩＳＧコントローラ２４等を保護するヒューズ３７が設けられている。また、図示する例では、第１電源ライン２９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。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の負極端子２７ｂに接続される通電ライン３８に、開閉スイッチＳＷ１を設けても良い。すなわち、リチウムイオンバッテリ２７と鉛バッテリ２８との負極端子２７ｂ，２８ｂは、通電ライン３８，３９からなる通電経路１０１を介して接続されている。この通電経路１０１を構成する通電ライン３８に、開閉スイッチＳＷ１を設けても良い。

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を備えた第１電源回路４１が設けられている。また、車両用電源装置１０には、鉛バッテリ２８、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４およびスタータモータ２１等を備えた第２電源回路４２が設けられている。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。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，ＳＷ２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の充電状態、放電電流、充電電流、端子電圧、温度等を検出するバッテリセンサ（放電電流算出部）４４が設けられている。また、バッテリモジュール４３には、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。このバッテリコントローラ４５には、開閉スイッチＳＷ１を制御する第１スイッチ制御部（スイッチ制御部）４５ａ、および開閉スイッチＳＷ２を制御する第２スイッチ制御部（第２のスイッチ制御部）４５ｂ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，ＳＷ２を制御する。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を分離する。なお、図示していないが、バッテリコントローラ４５は、前述したＩＳＧコントローラ２４と同様に、第２電源ライン３０に接続される。

前述したように、第２電源ライン３０には、瞬低保護負荷３３が接続されている。この瞬低保護負荷３３は、後述する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機器である。瞬低保護負荷３３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、各種電子制御ユニット等が挙げられる。また、第２電源ライン３０には、車体負荷３４が接続されている。この車体負荷３４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機器である。車体負荷３４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やバッテリモジュール４３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には、リチウムイオンバッテリ２７の充放電を制御する充放電コントローラ５１が設けられている。充放電コントローラ５１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等を判定する。そして、充放電コントローラ５１は、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態等に基づいて、モータジェネレータ１６の発電状態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。なお、充放電コントローラ５１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を備えている。

制御ユニット５０には、エンジン１２の停止や再始動を制御するＩＳＳコントローラ５２が設けられている。ＩＳＳコントローラ５２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、ＩＳＳコントローラ５２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。なお、ＩＳＳコントローラ５２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を備えている。また、ＩＳＳコントローラ５２のＩＳＳとは、「idling stop system」である。

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５３、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５４、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５５がある。また、制御ユニット５０に接続される他のセンサ類として、車両１１の走行速度である車速を検出する車速センサ５６、エンジン始動時に手動操作されるスタートスイッチ５７等がある。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５８が接続されている。

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５９を介して互いに接続されている。すなわち、ＩＳＧコントローラ２４、バッテリコントローラ４５、充放電コントローラ５１、ＩＳＳコントローラ５２および各種センサは、車載ネットワーク５９を介して通信自在に接続されている。この車載ネットワーク５９を介して、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の発電電圧や発電電流等が入力され、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の充電状態や放電電流等が入力される。そして、制御ユニット５０は、車両用電源装置１０の作動状態や車両１１の走行状況を判定し、ＩＳＧコントローラ２４やバッテリコントローラ４５に制御信号を出力する。

［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残存容量の比率である。また、図４に示される端子電圧Ｖ１，Ｖ２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Ｖ１は、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ２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Ｖ１Ｌは、鉛バッテリ２８の充放電範囲Ｘ２における上限電圧Ｖ２Ｈ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Ｖ１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Ｖ１Ｈ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。

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。また、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る。つまり、鉛バッテリ２８の内部抵抗は、リチウムイオンバッテリ２７の内部抵抗よりも大きく設定される。

［モータジェネレータの発電制御］
続いて、モータジェネレータ１６の発電制御について説明する。図５はモータジェネレータ１６の発電制御の一例を示すタイミングチャートである。図５には、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧ、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１および充電状態Ｓ１、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ２および充電状態Ｓ２が示されている。また、図５に示されるブレーキＯＮとは、ブレーキペダルが踏み込まれた状態を意味し、ブレーキＯＦＦとは、ブレーキペダルの踏み込みが解除された状態を意味している。

図５に示すように、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ１は、充放電範囲Ｘ１内で制御されている。例えば、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ１が、放電に伴って下限値ＳＬまで低下した場合には、モータジェネレータ１６が発電状態に制御されてリチウムイオンバッテリ２７が充電される。ここで、モータジェネレータ１６の発電状態として、燃焼発電状態と回生発電状態とがある。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、燃料の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。また、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、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。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ためには、モータジェネレータ１６の回生発電状態を増やすことにより、モータジェネレータ１６の燃焼発電状態を減らしてエンジン１２の燃料消費量を抑制することが望ましい。すなわち、モータジェネレータ１６の回生電力をリチウムイオンバッテリ２７に積極的に蓄え、この回生電力をリチウムイオンバッテリ２７から車体負荷３４等に放出することにより、モータジェネレータ１６の燃焼発電状態を減らすことが望ましい。

モータジェネレータ１６を燃焼発電状態に制御するか否かは、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ１に基づいて決定される。すなわち、充放電コントローラ５１は、充電状態Ｓ１が下限値ＳＬまで低下したときに、モータジェネレータ１６を燃焼発電状態に制御する。そして、充放電コントローラ５１は、充電状態Ｓ１が第１上限値ＳＨ１に到達するまで、モータジェネレータ１６の燃焼発電状態を継続する。一方、モータジェネレータ１６を回生発電状態に制御するか否かは、アクセルペダルやブレーキペダルの操作状況に基づいて決定される。すなわち、充放電コントローラ５１は、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、モータジェネレータ１６を回生発電状態に制御している。そして、充放電コントローラ５１は、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、モータジェネレータ１６の回生発電状態を解除し、モータジェネレータ１６を発電休止状態に制御している。なお、モータジェネレータ１６が回生発電状態に制御された状態のもとで、充電状態Ｓ１が第２上限値ＳＨ２まで上昇した場合には、リチウムイオンバッテリ２７の過充電を防止するため、モータジェネレータ１６の回生発電状態は解除され、モータジェネレータ１６は発電休止状態に制御される。

［車両用電源装置の電力供給状況］
続いて、車両用電源装置１０の電力供給状況について説明する。図６および図７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にはリチウムイオンバッテリ充電時の電力供給状況が示されており、図７にはリチウムイオンバッテリ放電時の電力供給状況が示されている。

まず、図５に示すように、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ１が、下限値ＳＬまで低下すると（符号Ａ１）、充放電コントローラ５１は、モータジェネレータ１６を燃焼発電状態に制御する。この燃焼発電状態においては、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも高い所定電圧Ｖａに引き上げられる（符号Ｂ１）。ここで、図６に示すように、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧを、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも上げる際には、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は閉じられた状態に保持される。これにより、図６に矢印で示すように、モータジェネレータ１６の発電電力は、リチウムイオンバッテリ２７、鉛バッテリ２８、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４に供給される。

このように、モータジェネレータ１６が燃焼発電状態に制御されると、リチウムイオンバッテリ２７が充電されるため、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ１は徐々に上昇する。そして、図５に示すように、充電状態Ｓ１が第１上限値ＳＨ１に到達すると（符号Ａ２）、充放電コントローラ５１は、モータジェネレータ１６を発電休止状態に制御する。この発電休止状態においては、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも低い「０」に引き下げられる（符号Ｂ２）。ここで、図７に示すように、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧを、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも下げる際には、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は閉じられた状態に保持される。これにより、図７に矢印で示すように、リチウムイオンバッテリ２７に蓄えられた電力が、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４および鉛バッテリ２８に供給される。

次いで、図５に示すように、ブレーキペダルが踏み込まれると（符号Ｃ１）、充放電コントローラ５１は、モータジェネレータ１６を回生発電状態に制御する。この回生発電状態においては、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも高い所定電圧Ｖｂに引き上げられる（符号Ｂ３）。ここで、図６に示すように、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧを、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも上げる際には、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は閉じられた状態に保持される。これにより、図６に矢印で示すように、モータジェネレータ１６の発電電力は、リチウムイオンバッテリ２７、鉛バッテリ２８、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４に供給される。

その後、図５に示すように、ブレーキペダルの踏み込みが解除されると（符号Ｃ２）、充放電コントローラ５１は、モータジェネレータ１６を発電休止状態に制御する。この発電休止状態においては、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも低い「０」に引き下げられる（符号Ｂ４）。ここで、図７に示すように、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧを、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１よりも下げる際には、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は閉じられた状態に保持される。これにより、図７に矢印で示すように、リチウムイオンバッテリ２７に蓄えられた電力が、瞬低保護負荷３３、車体負荷３４および鉛バッテリ２８に供給される。

これまで説明したように、モータジェネレータ１６の発電電圧ＶＧ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ＶＧを端子電圧Ｖ１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ＶＧを端子電圧Ｖ１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Ｖ１を、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ２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る車両用電源装置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を発電させる際には、鉛バッテリ２８の充電を抑制しつつ、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、鉛バッテリ２８の充電を抑制しつつ、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７に示すように、モータジェネレータ１６の発電を休止させる際には、鉛バッテリ２８の放電を抑制しつつ、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る。すなわち、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ１は、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ２よりも高いことから、鉛バッテリ２８の放電を抑制しつつ、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。

なお、前述の説明では、発電電圧ＶＧを端子電圧Ｖ１よりも下げる際に、モータジェネレータ１６を発電休止状態に制御しているが、これに限られることはない。モータジェネレータ１６の発電状態を維持したまま、発電電圧ＶＧを端子電圧Ｖ１よりも下げた場合であっても、リチウムイオンバッテリ２７を放電させることが可能である。このとき、モータジェネレータ１６の発電電流を調整することにより、リチウムイオンバッテリ２７の放電電流を制御することが可能である。すなわち、モータジェネレータ１６の発電電流を増加させることにより、リチウムイオンバッテリ２７の放電電流を減少させることができる。一方、モータジェネレータ１６の発電電流を減少させることにより、リチウムイオンバッテリ２７の放電電流を増加させることができる。

［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８および図９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８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９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８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、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチＳＷ２が閉じられた後に、スタータリレー３５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、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチ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、極寒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９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、バッテリモジュール４３内の開閉スイッチ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３３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３３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］
続いて、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。前述したように、モータジェネレータ１６は回生発電状態や燃焼発電状態に制御され、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や鉛バッテリ２８に供給される。このとき、図６に示すように、モータジェネレータ１６の発電電流は、通電ライン３１から接続部であるノード３２に流れた後に、ノード３２から分岐してリチウムイオンバッテリ２７と鉛バッテリ２８とに供給される。つまり、モータジェネレータ１６とノード３２とを接続する通電ライン３１には、車両用電源装置１０の中でも大電流が流れる通電ラインとなっている。特に、回生制動に使用されるモータジェネレータ１６は、高い発電能力を有することから、通電ライン３１の定格電流は増加する傾向にある。

ところで、発電電流を案内する通電ライン３１等に万一短絡が発生した場合には、車両用電源装置１０の回路に設計値を超えた電流が流れてしまう虞がある。ここで、図１０および図１１は、車両用電源装置１０の短絡状況を示す説明図である。図１０に示すように、通電ライン３１に短絡が発生した場合には、モータジェネレータ１６から大きな発電電流が短絡部位ＳＣ１に流れ、リチウムイオンバッテリ２７や鉛バッテリ２８から大きな放電電流が短絡部位ＳＣ１に流れる。また、図１１に示すように、開閉スイッチＳＷ２とヒューズ３７とを接続する電源ライン３０に短絡が発生した場合であっても、モータジェネレータ１６から大きな発電電流が短絡部位ＳＣ２に流れ、リチウムイオンバッテリ２７や鉛バッテリ２８から大きな放電電流が短絡部位ＳＣ２に流れる。このように、通電ライン３１や電源ライン３０等が短絡した場合には、車両用電源装置１０の回路に対して設計値を超えた電流が流れてしまう虞がある。なお、短絡時には鉛バッテリ２８からの放電電流によってヒューズ３７は溶断される。

このような短絡時の大電流放電に対処するためには、例えば、通電ライン３１にヒューズを設置することが考えられる。しかしながら、通電ライン３１にヒューズを設置することは、通電ライン３１の定格電流を過剰に引き上げる要因であることから、通電ライン３１にヒューズを設置することなく、短絡時の大電流放電に対処することが求められていた。そこで、制御ユニット５０の充放電コントローラ５１は、短絡時の大電流放電に対処するため、通電ライン３１や電源ライン３０等が短絡した場合に、モータジェネレータ１６やバッテリモジュール４３を制御するフェイルセーフ制御を実行している。すなわち、充放電コントローラ５１は、フェイルセーフ制御部として機能している。

［制御例１］
以下、フェイルセーフ制御の一例である制御例１について説明する。図１２はフェイルセーフ制御（制御例１）の実行手順を示すフローチャートである。また、図１３および図１４は、フェイルセーフ制御過程における車両用電源装置１０の電力供給状況を示す説明図である。

図１２に示すように、ステップＳ１０においては、リチウムイオンバッテリ２７の放電電流が、過電流判定値（第１閾値）Ｚ１を上回るか否かが判定される。ステップＳ１０において、放電電流が過電流判定値Ｚ１を上回ると判定された場合には、通電ライン３１や電源ライン３０等の短絡が想定されるため、ステップＳ１１に進み、充放電コントローラ５１からバッテリコントローラ４５の第１スイッチ制御部４５ａに向けて、開閉スイッチＳＷ１のスイッチ遮断信号が出力される。これにより、図１３に示すように、第１スイッチ制御部４５ａによって開閉スイッチＳＷ１が遮断状態（オフ状態）に制御され、リチウムイオンバッテリ２７の放電が停止される。

また、図１３に示すように、開閉スイッチＳＷ１を遮断しただけでは、モータジェネレータ１６の発電電流が、短絡部位ＳＣ１や短絡部位ＳＣ２に流れ続ける。そこで、図１２に示すように、続くステップＳ１２では、充放電コントローラ５１からＩＳＧコントローラ２４に向けて、モータジェネレータ１６の発電停止信号が出力される。これにより、図１４に示すように、ＩＳＧコントローラ２４によってモータジェネレータ１６の発電トルクがゼロに制御され、モータジェネレータ１６が発電休止状態に制御される。

続いて、図１２に示すように、ステップＳ１３では、回路異常を乗員に通知するために警告灯５８が点灯され、ステップＳ１４では、モータジェネレータ１６の発電電流が発電停止判定値（第２閾値）Ｚ２を上回るか否かが判定される。ステップＳ１４において、発電電流が発電停止判定値Ｚ２を上回ると判定された場合には、ステップＳ１５に進み、充放電コントローラ５１によってＩＳＧリレー３６が遮断される。

すなわち、ステップＳ１４において、発電電流が発電停止判定値Ｚ２を上回る状況とは、ＩＳＧコントローラ２４に対する発電停止信号の出力後にも拘わらず、モータジェネレータ１６の発電状態が継続される状況である。このため、ステップＳ１５に進み、ＩＳＧリレー３６を遮断してＩＳＧコントローラ２４の電源を遮断し、モータジェネレータ１６の発電動作を強制的に終了させる。これにより、ＩＳＧコントローラ２４に通信異常が発生していた場合であっても、モータジェネレータ１６の発電を確実に停止させることができる。

これまで説明したように、リチウムイオンバッテリ２７の放電電流が過電流判定値Ｚ１を上回る場合には、充放電コントローラ５１によるフェイルセーフ制御が実行される。このフェイルセーフ制御においては、開閉スイッチＳＷ１のスイッチ遮断信号を出力することにより、リチウムイオンバッテリ２７の放電を停止させることができる。また、フェイルセーフ制御においては、モータジェネレータ１６の発電停止信号を出力することにより、モータジェネレータ１６の発電を停止させることができる。これにより、通電ライン３１に大電流が流れる短絡が発生した場合であっても、大電流の供給源であるモータジェネレータ１６やリチウムイオンバッテリ２７を素早く停止させることができる。

このように、フェイルセーフ制御によって通電ライン３１の大電流を素早く遮断することができるため、通電ライン３１からヒューズを削減することができ、通電ライン３１を設計する際の定格電流を下げることができる。これにより、通電ライン３１のコストや重量を下げることができ、車両用電源装置１０のコストや重量を下げることができる。特に、モータジェネレータ１６とバッテリモジュール４３とが、車両前後に分けて設置される車両においては、本発明の効果を大きく得ることができる。例えば、モータジェネレータ１６が車両前部に設置され、バッテリモジュール４３が車両後部に設置される場合には、長い通電ライン３１を採用する必要がある。この場合において、通電ライン３１を設計する際の定格電流を下げることができるため、通電ライン３１のコストや重量を大幅に下げることが可能である。

なお、図１４に示すように、フェイルセーフ制御によってモータジェネレータ１６やリチウムイオンバッテリ２７を停止させた場合であっても、第２電源回路４２を機能させることができる。これにより、鉛バッテリ２８の電力を用いて車両１１の制御系を機能させることができ、車両１１の最低限の走行性能を確保することができる。

［制御例２］
続いて、フェイルセーフ制御の他の例である制御例２について説明する。図１５はフェイルセーフ制御（制御例２）の実行手順を示すフローチャートである。また、図１６はフェイルセーフ制御過程における車両用電源装置１０の電力供給状況を示す説明図である。なお、図１５のフローチャートにおいて、図１２に示したステップと同じステップには、同一の符号を付してその説明を省略する。

図１５に示すように、ステップＳ１０において、放電電流が過電流判定値Ｚ１を上回ると判定された場合には、ステップＳ１１に進み、開閉スイッチＳＷ１のスイッチ遮断信号が出力されるだけでなく、ステップＳ２０に進み、充放電コントローラ５１から第２スイッチ制御部４５ｂに向けて、開閉スイッチＳＷ２のスイッチ遮断信号が出力される。このように、リチウムイオンバッテリ２７の過電流によって通電ライン３１等の短絡が想定された場合には、開閉スイッチＳＷ１が遮断状態に切り替えられるだけでなく、開閉スイッチＳＷ２についても遮断状態に切り替えられる。

これにより、図１６に示すように、開閉スイッチＳＷ２とヒューズ３７とを接続する電源ライン３０が短絡した場合には、より確実に、通電ライン３１に流れる大電流を遮断することができる。すなわち、開閉スイッチＳＷ２を遮断状態に切り替えることにより、短絡部位ＳＣ２からモータジェネレータ１６を切り離すことができるため、モータジェネレータ１６の発電が継続されていた場合であっても、通電ライン３１に流れる大電流を遮断することができる。

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、充放電コントローラ５１をフェイルセーフ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い。例えば、バッテリコントローラ４５、ＩＳＧコントローラ２４、ＩＳＳコントローラ５２等の他のコントローラを、フェイルセーフ制御部として機能させても良い。また、１つのコントローラによってフェイルセーフ制御部を構成することなく、複数のコントローラによってフェイルセーフ制御部を構成しても良い。例えば、バッテリコントローラ４５内にフェイルセーフ制御部を設けることにより、リチウムイオンバッテリ２７の過電流が検出された場合に、バッテリコントローラ４５だけで開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２を遮断しても良い。同様に、バッテリコントローラ４５をスイッチ制御部として機能させ、ＩＳＧコントローラ２４を発電機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い。例えば、他のコントローラをスイッチ制御部や発電機制御部として機能させても良い。また、複数のコントローラによってスイッチ制御部や発電機制御部を構成しても良い。

また、図１２に示したフローチャートでは、開閉スイッチＳＷ１のスイッチ遮断信号を出力した後に、モータジェネレータ１６の発電停止信号を出力しているが、スイッチ遮断信号や発電停止信号の出力順序はこれに限られることはない。例えば、モータジェネレータ１６の発電停止信号を出力した後に、開閉スイッチＳＷ１のスイッチ遮断信号を出力しても良い。同様に、図１５に示したフローチャートでは、開閉スイッチＳＷ１のスイッチ遮断信号を出力した後に、開閉スイッチＳＷ２のスイッチ遮断信号を出力しているが、スイッチ遮断信号の出力順序はこれに限られることはない。例えば、開閉スイッチＳＷ２のスイッチ遮断信号を出力した後に、開閉スイッチＳＷ１のスイッチ遮断信号を出力しても良い。

前述したように、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、これに限られることはなく、第１蓄電体や第２蓄電体として如何なる蓄電体を採用しても良い。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を採用することが望ましい。

前述の説明では、通電経路１００を構成する第２電源ライン３０に、開閉スイッチＳＷ２を設けているが、これに限られることはなく、通電経路１０１を構成する通電ライン３９に、開閉スイッチＳＷ２を設けていても良い。例えば、第２電源ライン３０にヒューズ３７が設けられていない場合には、通電経路１０１の開閉スイッチＳＷ２を遮断状態に切り替えることにより、通電ライン３１等の短絡に伴う鉛バッテリ２８の放電を止めることができる。また、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２としては、接触子を電磁力によって動作させる電磁式のスイッチであっても良く、半導体素子を用いて構成される半導体式のスイッチであっても良い。

前述の説明では、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、発電電圧ＶＧを所定電圧Ｖａに引き上げ、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、発電電圧ＶＧを所定電圧Ｖｂに引き上げているが、これに限られることはない。例えば、モータジェネレータ１６の目標発電電圧を、燃焼発電状態と回生発電状態とで一致させても良い。また、燃焼発電状態や回生発電状態において、モータジェネレータ１６の目標発電電圧を、車速、アクセル操作量、ブレーキ操作量に基づき変化させても良い。また、前述の説明では、発電機および電動機として機能するモータジェネレータ１６を用いているが、これに限られることはなく、電動機として機能しない発電機を用いても良い。なお、モータジェネレータ１６としては、誘導発電機に限られることはなく、他の形式の発電機を採用しても良い。

前述の説明では、アイドリングストップ制御のエンジン再始動時に、モータジェネレータ１６を電動機として駆動しているが、これに限られることはない。例えば、エンジン始動後の加速走行時に、モータジェネレータ１６を電動機として駆動することにより、エンジン１２の負荷を軽減しても良い。また、車両用電源装置１０が搭載される車両１１としては、アイドリングストップ機能を備えた車両に限られることはなく、アイドリングストップ機能を備えていない車両であっても良い。さらに、前述の説明では、第１電源回路４１に車体負荷３４を接続しているが、これに限られることはなく、第２電源回路４２だけに車体負荷３４を接続しても良く、第１電源回路４１と第２電源回路４２との双方に車体負荷３４を接続しても良い。

前述の説明では、センサ２４ａによって発電電流（誘起電流）が算出されているが、これに限られることはなく、各種センサから送信される情報に基づいて、ＩＳＧコントローラ２４や他のコントローラが、モータジェネレータ１６の発電電流を算出しても良い。例えば、センサによって検出されたモータジェネレータ１６の界磁電流に基づいて、ＩＳＧコントローラ２４や他のコントローラが、モータジェネレータ１６の発電電流を算出しても良い。この場合には、ＩＳＧコントローラ２４や他のコントローラが、発電電流算出部として機能することになる。また、前述の説明では、バッテリセンサ４４によって放電電流が算出されているが、これに限られることはなく、バッテリコントローラ４５や他のコントローラが、リチウムイオンバッテリ２７の放電電流を算出しても良い。この場合には、バッテリコントローラ４５や他のコントローラが、放電電流算出部として機能することになる。

１０ 車両用電源装置
１１ 車両
１２ エンジン
１６ モータジェネレータ（発電機）
２４ ＩＳＧコントローラ（発電機制御部）
２４ａ センサ（発電電流算出部）
２７ リチウムイオンバッテリ（第１蓄電体）
２７ａ 正極端子
２７ｂ 負極端子
２８ 鉛バッテリ（第２蓄電体）
２８ａ 正極端子
２８ｂ 負極端子
４４ バッテリセンサ（放電電流算出部）
４５ バッテリコントローラ
４５ａ 第１スイッチ制御部（スイッチ制御部）
４５ｂ 第２スイッチ制御部（第２のスイッチ制御部）
５１ 充放電コントローラ（フェイルセーフ制御部）
１００ 通電経路
１０１ 通電経路
ＳＷ１ 開閉スイッチ（スイッチ）
ＳＷ２ 開閉スイッチ（第２のスイッチ）
Ｚ１ 過電流判定値（第１閾値）
Ｚ２ 発電停止判定値（第２閾値）

Claims (5)

1. 車両に搭載される車両用電源装置であって、
   エンジンに接続される発電機と、
   前記発電機に接続される第１蓄電体と、
   前記第１蓄電体と並列に前記発電機に接続され、前記第１蓄電体よりも内部抵抗の大きい第２蓄電体と、
   前記第１蓄電体と前記第２蓄電体とを接続する通電経路に設けられ、前記発電機と前記第１蓄電体とを接続または遮断するスイッチと、
   前記発電機を制御する発電機制御部と、
   前記第１蓄電体の放電電流を算出する放電電流算出部と、
   前記第１蓄電体の放電電流が第１閾値を上回ると、前記第１蓄電体と前記発電機とを含む回路に短絡が生じたと判断し、前記スイッチを用いて前記発電機と前記第１蓄電体とを遮断し、前記発電機を発電休止状態に制御する、フェイルセーフ制御部と、
   を有し、
   前記フェイルセーフ制御部は、前記発電機が発電休止状態に制御されていないと判断すると、前記発電機制御部に対する電力供給を遮断して、前記発電機の発電動作を強制的に終了させる、
   車両用電源装置。
2. 請求項１に記載の車両用電源装置において、
   前記発電機の発電電流を算出する発電電流算出部、を有し、
   前記フェイルセーフ制御部は、
   前記発電機を発電休止状態に制御する発電停止信号の出力後に、前記発電機の発電電流が第２閾値を上回ると、
   前記発電機が発電休止状態に制御されていないと判断し、前記発電機制御部に対する電力供給を遮断する、車両用電源装置。
3. 請求項１または２に記載の車両用電源装置において、
   前記第１蓄電体と前記第２蓄電体とを接続する通電経路に設けられ、前記発電機と前記第２蓄電体とを接続または遮断する第２のスイッチ、を有し、
   前記フェイルセーフ制御部は、前記第１蓄電体の放電電流が第１閾値を上回ると、前記第２のスイッチを用いて前記発電機と前記第２蓄電体とを遮断する、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蓄電体と前記第２蓄電体とを接続する通電経路は、前記第１蓄電体と前記第２蓄電体との正極端子を接続する通電経路、または前記第１蓄電体と前記第２蓄電体との負極端子を接続する通電経路である、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、
   前記発電機は、車両前部に設置され、
   前記第１蓄電体は、車両後部に設置される、車両用電源装置。

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