JP6654890B2 - 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、車両減速時に発電機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、車両減速時の回生電力を効率良く回収することができ、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、車両用電源装置には、発電機やバッテリ等の接続状態を制御するスイッチが組み込まれている。このように車両用電源装置に組み込まれるスイッチは、電源装置の充放電状況に応じて、導通状態や遮断状態に切り替えられている。このようなスイッチに抵抗増加や開固着等の故障が発生していた場合には、車両用電源装置を適切に機能させることが困難になることから、スイッチが故障しているか否かを判定することが求められている。

本発明の目的は、スイッチの故障を判定することにある。

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、電気負荷が接続される第２蓄電体と、前記発電機と前記第１蓄電体とを接続する導通状態と、前記発電機と前記第１蓄電体とを切り離す遮断状態と、に制御される第１スイッチと、互いに並列接続される複数の半導体素子からなる半導体スイッチであり、前記発電機と前記第２蓄電体とを接続する導通状態と、前記発電機と前記第２蓄電体とを切り離す遮断状態と、に制御される第２スイッチと、前記第２蓄電体の充電状態が閾値を下回ることにより、前記第１スイッチが遮断状態に制御され、前記第２スイッチが導通状態に制御され、かつ前記発電機が発電状態に制御された状態のもとで、前記第２蓄電体の放電が継続された場合に、前記第２スイッチに電気抵抗の増加を伴う故障が生じていると判定する、故障判定部と、を有する。

本発明によれば、第２蓄電体の充電状態が閾値を下回る場合に、第１スイッチが遮断状態に制御され、第２スイッチが導通状態に制御された状態のもとで、第２蓄電体の充放電状況に基づいて第２スイッチの故障を判定する故障判定部を有する。これにより、第２スイッチの故障を判定することができる。

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制御状況とリチウムイオンバッテリの充電状態との推移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。 車両用電源装置の電力供給状況を示す説明図である。 故障判定制御の実行状況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。 故障判定制御の実行手順の一例を示すフローチャートである。

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。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２４が設けられている。さらに、モータジェネレータ１６には、発電電圧を検出する電圧センサ２５や、発電電流を検出する電流センサ２６が設けられている。ＩＳＧコントローラ２４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、発電機として機能するモータジェネレータ１６の発電電圧や発電電流を制御することができる。また、ＩＳＧコントローラ２４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、電動機として機能するモータジェネレータ１６の駆動トルクや回転数を制御することができる。

続いて、車両用電源装置１０の構成について詳細に説明する。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、このリチウムイオンバッテリ２７に並列に接続される第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と鉛バッテリ２８とは、互いに並列となってモータジェネレータ１６に電気的に接続されている。

リチウムイオンバッテリ２７の正極端子２７ａには、正極ライン２９が接続されており、鉛バッテリ２８の正極端子２８ａには、正極ライン３０が接続されている。また、発電電流を出力するモータジェネレータ１６の正極端子１６ａには、正極ライン３１が接続されている。これらの正極ライン２９〜３１は、接続点３２を介して互いに接続されている。さらに、リチウムイオンバッテリ２７の負極端子２７ｂには、負極ライン３３が接続されており、鉛バッテリ２８の負極端子２８ｂには、負極ライン３４が接続されている。また、モータジェネレータ１６の負極端子１６ｂには、負極ライン３５が接続されている。これらの負極ライン３３〜３５は、基準電位点３６に接続されている。

リチウムイオンバッテリ２７に接続される負極ライン３３には、第１スイッチである開閉スイッチＳＷ１が設けられている。また、鉛バッテリ２８に接続される正極ライン３０には、第２スイッチである開閉スイッチＳＷ２が設けられている。これらの開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子によって構成される半導体スイッチである。この半導体スイッチとして、例えば、互いに並列接続された複数の半導体素子からなる半導体スイッチを用いることができる。このような開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は、閉じられた状態つまり導通状態（ＯＮ状態）と、開かれた状態つまり遮断状態（ＯＦＦ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とを電気的に切り離す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とを電気的に切り離す遮断状態とに切り替えられる。なお、図示する例では、リチウムイオンバッテリ２７の負極ライン３３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。例えば、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の正極ライン２９に対し、開閉スイッチＳＷ１を設けることも可能である。

正極ライン３０には、瞬低保護負荷３７、車体負荷３８およびスタータモータ２１等が接続されている。このように、鉛バッテリ２８には、正極ライン３０を介して、瞬低保護負荷３７、車体負荷３８およびスタータモータ２１等の電気負荷が接続されている。また、正極ライン３０には、瞬低保護負荷３７、車体負荷３８およびスタータモータ２１等を保護するヒューズ４０が設けられている。なお、瞬低保護負荷３７とは、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負荷である。瞬低保護負荷３７として、エンジン１２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、各種コントローラ等が挙げられる。また、車体負荷３８とは、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負荷である。車体負荷３８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によって第１電源回路４１が構成されている。また、車両用電源装置１０には、鉛バッテリ２８、瞬低保護負荷３７、車体負荷３８およびスタータモータ２１等によって第２電源回路４２が構成されている。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。なお、第１電源回路４１に設けられる開閉スイッチＳＷ１は、車両用電源装置１０からリチウムイオンバッテリ２７を電気的に切り離すスイッチとして機能している。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の電流、電圧、温度等を検出するバッテリセンサ４４が設けられている。また、バッテリモジュール４３には、開閉スイッチＳＷ１の作動状態を制御するため、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。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を開閉制御する。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を切り離す。

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、バッテリモジュール４３および開閉スイッチＳＷ２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は、モータジェネレータ１６の発電電圧等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機能を有している。制御ユニット５０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を判定する。そして、制御ユニット５０は、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態や車体負荷３８等の消費電流に基づいて、モータジェネレータ１６の発電電圧および発電電流を制御し、リチウムイオンバッテリ２７の充放電を制御する。

また、制御ユニット５０は、エンジン１２の停止や再始動を制御する機能を有している。制御ユニット５０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、制御ユニット５０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。

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５１、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５２、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５３がある。また、制御ユニット５０に接続されるセンサとして、車両１１の走行速度である車速を検出する車速センサ５４、エンジン始動時に手動操作されるスタートスイッチ５５等がある。また、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、発電電流、発電トルク、駆動トルク等が入力される。同様に、制御ユニット５０には、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の充放電電流や充電状態、開閉スイッチＳＷ１の作動状態等が入力される。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５６が接続されている。

なお、制御ユニット５０には、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が設けられる。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５７を介して互いに接続されている。

［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蓄電量の比率である。また、図４に示される端子電圧Ｖ_ＬＩＢや端子電圧Ｖ_Ｐｂ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Ｖ_ＬＩＢは、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ_Ｐｂ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Ｌａは、鉛バッテリ２８の充放電範囲Ｘ２における上限電圧Ｈｂ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Ｖ_ＬＩＢ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Ｈａ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。

また、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。さらに、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ている。

［リチウムイオンバッテリの充放電制御］
続いて、モータジェネレータ１６を用いたリチウムイオンバッテリ２７の充放電制御について説明する。図５はモータジェネレータ１６の制御状況とリチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ_ＬＩＢとの推移を示すタイミングチャートである。また、図６〜図８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にはモータジェネレータ１６を燃焼発電状態または回生発電状態に制御したときの状況が示されており、図７にはモータジェネレータ１６を回生待機電状態に制御したときの状況が示されている。また、図８にはモータジェネレータ１６を発電停止状態に制御したときの状況が示されている。

まず、図５に符号Ａ１で示すように、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ_ＬＩＢが、所定値Ｓｂ（例えば３０％）を下回る場合、つまり充電ゾーンに位置する場合について説明する。充電状態Ｓ_ＬＩＢが充電ゾーンに位置する場合には、リチウムイオンバッテリ２７を充電するため、モータジェネレータ１６が燃焼発電状態に制御される。なお、モータジェネレータ１６の燃焼発電状態とは、エンジン動力によってモータジェネレータ１６を発電させることにより、エンジン１２に供給される燃料の熱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。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、モータジェネレータ１６の発電電圧Ｖ_ＩＳＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ_ＬＩＢよりも高い所定電圧Ｖａに制御される（符号Ｂ１）。これにより、図６に黒塗りの矢印で示すように、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および車体負荷３８等に供給される。なお、モータジェネレータ１６を燃焼発電状態に制御する際に、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は導通状態に保持される。

続いて、図５に符号Ａ２で示すように、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ_ＬＩＢが、所定値Ｓｂを上回りかつ所定値Ｓａ（例えば４０％）を下回る場合、つまり回生待機ゾーンに位置する場合について説明する。充電状態Ｓ_ＬＩＢが回生待機ゾーンに位置する場合には、モータジェネレータ１６の発電電流を抑制しながら回生発電の機会を待つため、モータジェネレータ１６が回生待機状態に制御される。モータジェネレータ１６を回生待機状態に制御する際には、モータジェネレータ１６の発電電圧Ｖ_ＩＳＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ_ＬＩＢよりも低く、かつ鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ_Ｐｂよりも高い所定電圧Ｖｂに制御される（符号Ｂ１）。これにより、図７に黒塗りの矢印で示すように、モータジェネレータ１６の発電電流は、車体負荷３８等の消費電流を賄うように第２電源回路４２に供給される。また、モータジェネレータ１６を回生待機状態においては、リチウムイオンバッテリ２７の充放電電流がほぼ「０」に制御されている。なお、モータジェネレータ１６を回生待機状態に制御する際に、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は導通状態に保持される。

続いて、図５に符号Ａ３で示すように、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ_ＬＩＢが、所定値Ｓａを上回る場合、つまり放電ゾーンに位置する場合について説明する。充電状態Ｓ_ＬＩＢが放電ゾーンに位置する場合には、リチウムイオンバッテリ２７に蓄えられた電力を積極的に放電させるため、モータジェネレータ１６が発電停止状態に制御される。モータジェネレータ１６を発電停止状態に制御する際には、モータジェネレータ１６の発電電圧Ｖ_ＩＳＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ_ＬＩＢよりも低い「０」に制御される（符号Ｂ４）。これにより、図８に黒塗りの矢印で示すように、リチウムイオンバッテリ２７の放電電流は、車体負荷３８等の消費電流を賄うように第２電源回路４２に供給される。なお、モータジェネレータ１６を発電停止状態に制御する際に、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は導通状態に保持される。

このように、モータジェネレータ１６は、リチウムイオンバッテリ２７の充電状態Ｓ_ＬＩＢに基づいて、燃焼発電状態、回生待機状態または発電停止状態に制御されるが、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観点から、車両減速時にはモータジェネレータ１６が回生発電状態に制御される。なお、モータジェネレータ１６の回生発電状態とは、車両減速時にモータジェネレータ１６を発電させることにより、車両１１の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電状態である。このモータジェネレータ１６による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は、モータジェネレータ１６が回生発電状態に制御される。一方、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は、モータジェネレータ１６の回生発電状態が解除される。なお、モータジェネレータ１６の回生発電状態が解除されると、モータジェネレータ１６は、解除時点の充電状態Ｓ_ＬＩＢに基づいて、燃焼発電状態、回生待機状態または発電停止状態に制御される。

例えば、図５に符号Ｃ１で示すように、ブレーキペダルが踏み込まれると、モータジェネレータ１６が回生発電状態に制御される。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、モータジェネレータ１６の発電電圧Ｖ_ＩＳＧが、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ_ＬＩＢよりも高い所定電圧Ｖｂに制御される（符号Ｂ３）。これにより、図６に黒塗りの矢印で示すように、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および第２電源回路４２に供給される。なお、モータジェネレータ１６を回生発電状態に制御する際に、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２は導通状態に保持される。

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Ｖ_ＩＳＧ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Ｖ_ＩＳＧを端子電圧Ｖ_ＬＩＢ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Ｖ_ＩＳＧを端子電圧Ｖ_ＬＩＢ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Ｖ_ＬＩＢを、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ_Ｐｂ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つつ、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が発電する際には、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、鉛バッテリ２８に対する充電を抑制することができる。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、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８に示すように、モータジェネレータ１６の発電が休止する際には、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、鉛バッテリ２８の放電を抑制することができる。すなわち、リチウムイオンバッテリ２７の端子電圧Ｖ_ＬＩＢは、鉛バッテリ２８の端子電圧Ｖ_Ｐｂよりも高いことから、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。

［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９および図１０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９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１０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９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、開閉スイッチＳＷ２が閉じられた後に、スタータリレー５８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、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、寒冷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１０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、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３７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３７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。

［開閉スイッチＳＷ２の故障判定制御］
以下、開閉スイッチＳＷ２の故障判定制御について説明する。前述したように、鉛バッテリ２８や車体負荷３８等からなる第２電源回路４２には、モータジェネレータ１６やリチウムイオンバッテリ２７から開閉スイッチＳＷ２を経て電力が供給されている。この開閉スイッチＳＷ２は、並列接続される複数の半導体素子によって構成されており、一部の半導体素子に故障が発生した場合には、開閉スイッチＳＷ２の電気抵抗が増加することになっていた。また、開閉スイッチＳＷ２の電気抵抗の増加は、モータジェネレータ１６等から第２電源回路４２に流入する電流を減少させる要因であり、この減少する電流を補うように鉛バッテリ２８を放電させる要因である。そこで、車両用電源装置１０は、制御ユニット５０に故障判定制御を実行する故障判定部６０を有している。制御ユニット５０の故障判定部６０は、鉛バッテリ２８の電力枯渇を未然に防止する観点から、故障判定制御を実行することで開閉スイッチＳＷ２の故障状態を判定する。

図１１は故障判定制御の実行状況の一例を示すタイミングチャートである。図１２および図１３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１２および図１３には故障判定制御に伴って実行される鉛バッテリ充電モードでの状況が示されている。

図１１に示すように、鉛バッテリ２８の充電状態Ｓ_Ｐｂが、所定の閾値Ｓ１（例えば８０％）を下回ると（符号ａ１）、鉛バッテリ２８を積極的に充電する鉛バッテリ充電モードの実行が決定される。鉛バッテリ充電モードを実行する際には、モータジェネレータ１６の発電電圧Ｖ_ＩＳＧが所定電圧Ｖ１に向けて引き上げられ（符号ｂ１）、開閉スイッチＳＷ２を導通状態（ＯＮ状態）に保持したまま、開閉スイッチＳＷ１が遮断状態（ＯＦＦ状態）に切り替えられる（符号ｃ１）。このように、鉛バッテリ充電モードにおいては、モータジェネレータ１６からリチウムイオンバッテリ２７が切り離されるため、モータジェネレータ１６の発電電流は第２電源回路４２だけに供給される。これにより、第２電源回路４２の鉛バッテリ２８を積極的に充電することができる。

ここで、図１２に示すように、モータジェネレータ１６と第２電源回路４２とを接続する開閉スイッチＳＷ２が正常であった場合には、モータジェネレータ１６から第２電源回路４２に十分な電流を供給することが可能である。このため、モータジェネレータ１６の発電電流は、消費電流として車体負荷３８等に供給されるだけでなく、充電電流Ｉ_Ｐｂとして鉛バッテリ２８に供給されることになる。一方、図１３に示すように、モータジェネレータ１６と第２電源回路４２とを接続する開閉スイッチＳＷ２が故障していた場合には、開閉スイッチＳＷ２の電気抵抗が増加するため、モータジェネレータ１６から第２電源回路４２に十分な電流を供給することが不可能である。このように、モータジェネレータ１６から第２電源回路４２に供給される電流が不足する場合には、不足する電流を補うために鉛バッテリ２８から車体負荷３８等に対して電流Ｉ_Ｐｂが供給される。すなわち、開閉スイッチＳＷ２が故障していた場合には、鉛バッテリ充電モードを実行したとしても、鉛バッテリ２８の放電が継続されることになる。そこで、制御ユニット５０の故障判定部６０は、鉛バッテリ充電モードの実行中に鉛バッテリ２８の充放電状況を検出し、この鉛バッテリ２８の充放電状況に基づいて開閉スイッチＳＷ２の故障を判定する。

例えば、図１１に符号ｄ１で示すように、鉛バッテリ充電モードが実行されたにも拘わらず、鉛バッテリ２８の充放電電流Ｉ_Ｐｂが放電側の所定値Ｉ１（例えば−５Ａ）を下回る場合、つまり鉛バッテリ２８の放電が継続される場合に、開閉スイッチＳＷ２が故障していると判定される。一方、符号ｄ２で示すように、鉛バッテリ充電モードの実行に伴って、鉛バッテリ２８の充放電電流Ｉ_Ｐｂが充電側に転じる場合、つまり鉛バッテリ２８が充電される場合に、開閉スイッチＳＷ２が正常であると判定される。

また、図１１に符号ａ２で示すように、鉛バッテリ充電モードが実行されたにも拘わらず、鉛バッテリ２８の充電状態Ｓ_Ｐｂが所定の基準値（例えば、所定時間当たり５％）を超えた速度で減少する場合、つまり鉛バッテリ２８の放電が継続される場合に、開閉スイッチＳＷ２が故障していると判定される。一方、符号ａ３で示すように、鉛バッテリ充電モードの実行に伴って、鉛バッテリ２８の充電状態Ｓ_Ｐｂが増加する場合、つまり鉛バッテリ２８が充電される場合に、開閉スイッチＳＷ２が正常であると判定される。

［フローチャート（故障判定制御）］
以下、前述した故障判定制御をフローチャートに沿って説明する。図１４は故障判定制御の実行手順の一例を示すフローチャートである。図１４に示すように、ステップＳ１０では、鉛バッテリ２８の充電状態Ｓ_Ｐｂが、所定の閾値Ｓ１（例えば８０％）以下であるか否かが判定される。ステップＳ１０において、充電状態Ｓ_Ｐｂが閾値Ｓ１以下であると判定された場合には、ステップＳ１１に進み、モータジェネレータ１６の発電電圧Ｖ_ＩＳＧが所定電圧Ｖ１に向けて引き上げられる。続いて、ステップＳ１２では、開閉スイッチＳＷ１が遮断状態（ＯＦＦ状態）に切り替えられ、開閉スイッチＳＷ２が導通状態（ＯＮ状態）に保持される。このように、充電状態Ｓ_Ｐｂが閾値Ｓ１以下であると判定された場合には、鉛バッテリ２８を積極的に充電する鉛バッテリ充電モードが実行される。

続くステップＳ１３では、鉛バッテリ充電モードの実行状況を判断するため、モータジェネレータ１６の発電電圧Ｖ_ＩＳＧが所定電圧Ｖ２以上であり、かつリチウムイオンバッテリ２７の充放電電流Ｉ_ＬＩＢが「０」であるか否かが判定される。ステップＳ１３において、発電電圧Ｖ_ＩＳＧが所定電圧Ｖ２を下回ると判定された場合には、モータジェネレータ１６が正常に発電していない虞があることから、開閉スイッチＳＷ２の故障判定を行うことなくルーチンを抜ける。同様に、ステップＳ１３において、充放電電流Ｉ_ＬＩＢが「０」以外であると判定された場合には、開閉スイッチＳＷ１が遮断状態に切り替えられていない虞があることから、開閉スイッチＳＷ２の故障判定を行うことなくルーチンを抜ける。

ステップＳ１３において、モータジェネレータ１６の発電電圧Ｖ_ＩＳＧが所定電圧Ｖ２以上であり、かつリチウムイオンバッテリ２７の充放電電流Ｉ_ＬＩＢが「０」であると判定された場合には、ステップＳ１４に進み、鉛バッテリ２８の充放電状況が判定される。ステップＳ１４では、鉛バッテリ２８の充放電電流Ｉ_Ｐｂが、所定時間ｔ１に渡り、放電側の所定値Ｉ１（例えば−５Ａ）を下回るか否かが判定される。ステップＳ１４において、充放電電流Ｉ_Ｐｂが所定値Ｉ１を下回ると判定された場合、つまり鉛バッテリ充電モードにおいて鉛バッテリ２８の放電が継続された場合には、ステップＳ１５に進み、開閉スイッチＳＷ２が故障していると判定される。このステップＳ１５においては、乗員に対して開閉スイッチＳＷ２の故障発生を通知するため、警告灯５６を点灯させる等のフェールセーフ処理が実行される。

また、ステップＳ１４において、充放電電流Ｉ_Ｐｂが所定値Ｉ１を上回ると判定された場合には、ステップＳ１６に進み、鉛バッテリ２８の充電状態Ｓ_Ｐｂが、所定時間ｔ２に渡り、所定速度を超えて減少するか否かが判定される。ステップＳ１６においては、充電状態Ｓ_Ｐｂに基づいて、充電状態Ｓ_Ｐｂの変化速度ｄｔＳ_Ｐｂが算出される。続いて、ステップＳ１６においては、変化速度ｄｔＳ_Ｐｂが、所定時間ｔ２に渡り、放電側の所定値Ｄ１（例えば、所定時間当たり５％減少）を下回るか否かが判定される。そして、ステップＳ１６において、変化速度ｄｔＳ_Ｐｂが所定値Ｄ１を下回ると判定された場合、つまり鉛バッテリ充電モードにおいて鉛バッテリ２８の放電が継続された場合には、ステップＳ１５に進み、開閉スイッチＳＷ２が故障していると判定される。一方、ステップＳ１６において、変化速度ｄｔＳ_Ｐｂが所定値Ｄ１を上回ると判定された場合、つまり鉛バッテリ充電モード中に鉛バッテリ２８が充電された場合には、ステップＳ１７に進み、開閉スイッチＳＷ２が正常であると判定される。

これまで説明したように、鉛バッテリ２８の充電状態Ｓ_Ｐｂが閾値Ｓ１を下回る場合には、開閉スイッチＳＷ１が遮断状態に制御され、開閉スイッチＳＷ２が導通状態に制御された状態のもとで、鉛バッテリ２８の充放電状況に基づいて開閉スイッチＳＷ２の故障が判定される。これにより、開閉スイッチＳＷ２の故障診断を行うためのセンサや診断回路を追加することなく、開閉スイッチＳＷ２の故障を検出することができ、車両用電源装置１０のコストを抑制することができる。特に、バッテリモジュール４３に開閉スイッチＳＷ２が組み込まれていない場合には、バッテリコントローラ４５による開閉スイッチＳＷ２の故障診断が困難であるが、制御ユニット５０等を用いて簡単に開閉スイッチＳＷ２の故障診断を実行することができる。

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、これらの蓄電体に限られることはない。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と鉛バッテリとを組み合わせる際には、リチウムイオンバッテリとして、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が好ましい。

前述の説明では、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２として、半導体素子からなる半導体スイッチを用いているが、これに限られることはなく、開閉スイッチＳＷ１，ＳＷ２として、電磁力等を用いて機械的に接点を開閉させるスイッチを用いても良い。例えば、開閉スイッチＳＷ２として、機械的に接点を開閉させるスイッチを用いた場合であっても、前述した故障判定制御を実行することにより、電気抵抗が増大するスイッチの故障を検出することができ、遮断状態で固着するスイッチの開固着等の故障を検出することができる。また、前述の説明では、バッテリモジュール４３と開閉スイッチＳＷ２とを別個に設けているが、これに限られることはなく、バッテリモジュール４３に開閉スイッチＳＷ２を組み込んでも良い。

前述の説明では、鉛バッテリ２８の充放電電流Ｉ_Ｐｂと充電状態Ｓ_Ｐｂとの双方に基づいて、鉛バッテリ２８の放電が継続しているか否かを判定しているが、これに限られることはない。例えば、鉛バッテリ２８の充放電電流Ｉ_Ｐｂに基づいて、鉛バッテリ２８の放電が継続しているか否かを判定しても良い。また、鉛バッテリ２８の充電状態Ｓ_Ｐｂに基づいて、鉛バッテリ２８の放電が継続しているか否かを判定しても良い。

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。また、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。また、前述の説明では、制御ユニット５０に故障判定部６０を設けているが、これに限られることはなく、他の制御ユニットやコントローラに故障判定部６０を設けても良い。

１０ 車両用電源装置
１２ エンジン
１６ モータジェネレータ（発電機）
２１ スタータモータ（電気負荷）
２７ リチウムイオンバッテリ（第１蓄電体）
２８ 鉛バッテリ（第２蓄電体）
３７ 瞬低保護負荷（電気負荷）
３８ 車体負荷（電気負荷）
６０ 故障判定部
ＳＷ１ 開閉スイッチ（第１スイッチ）
ＳＷ２ 開閉スイッチ（第２スイッチ，半導体スイッチ）
Ｓ１ 閾値
Ｓ_Ｐｂ 充電状態
Ｉ_Ｐｂ 充放電電流

Claims (5)

1. 車両に搭載される車両用電源装置であって、
   エンジンに連結される発電機と、
   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、電気負荷が接続される第２蓄電体と、
   前記発電機と前記第１蓄電体とを接続する導通状態と、前記発電機と前記第１蓄電体とを切り離す遮断状態と、に制御される第１スイッチと、
   互いに並列接続される複数の半導体素子からなる半導体スイッチであり、前記発電機と前記第２蓄電体とを接続する導通状態と、前記発電機と前記第２蓄電体とを切り離す遮断状態と、に制御される第２スイッチと、
   前記第２蓄電体の充電状態が閾値を下回ることにより、前記第１スイッチが遮断状態に制御され、前記第２スイッチが導通状態に制御され、かつ前記発電機が発電状態に制御された状態のもとで、前記第２蓄電体の放電が継続された場合に、前記第２スイッチに電気抵抗の増加を伴う故障が生じていると判定する、故障判定部と、
   を有する、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、
   前記第１蓄電体の負極端子に接続される負極ラインと、
   前記第１蓄電体の正極端子に接続される正極ラインと、を有し、
   前記第１スイッチは、前記負極ラインに接続され、
   前記第２スイッチは、前記正極ラインに接続される、
   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蓄電体の内部抵抗は、前記第２蓄電体の内部抵抗よりも小さい、
   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蓄電体の端子電圧は、前記第２蓄電体の端子電圧よりも高い、
   車両用電源装置。
5. 請求項４に記載の車両用電源装置において、
   前記第１蓄電体の充放電範囲における下限電圧は、前記第２蓄電体の充放電範囲における上限電圧よりも高い、
   車両用電源装置。

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