JP6768039B2 - 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には、鉛バッテリやリチウムイオンバッテリ等の蓄電体が設けられるとともに、オルタネータやＩＳＧ（Integrated Starter Generator）等の発電機が設けられている（特許文献１〜３参照）。
特開２００８−１６８７５４号公報 特開２０１７−９９２４９号公報 特開２０１７−１１８６９９号公報
ところで、オルタネータ等の発電機に異常が発生した場合には、車両に搭載される各種制御システムの機能を維持するため、蓄電体から各種制御システムへの電力供給を継続することが必要である。しかしながら、各種制御システムに対して蓄電体から電力を供給し続けた場合には、蓄電体を過度に放電させて蓄電体を大幅に劣化させる虞がある。このように、発電機の異常に伴って蓄電体を劣化させてしまうことは、発電機の修理だけでなく蓄電体の交換も必要になることから、車両用電源装置の修理コストを増加させる要因となっていた。このため、発電機に異常が発生した場合であっても、車両用電源装置の修理コストを低減することが求められている。
本発明の目的は、車両用電源装置の修理コストを低減することにある。
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、第１蓄電体と、前記第１蓄電体に接続される電気負荷と、を備える第１電源系と、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２蓄電体と、を備える第２電源系と、前記第１電源系と前記第２電源系との間に設けられ、前記第１蓄電体と前記第２蓄電体とを並列接続する通電径路と、前記電気負荷と前記第２蓄電体とを接続するオン状態と、前記電気負荷と前記第２蓄電体とを切り離すオフ状態と、に制御されるスイッチと、前記第２蓄電体の充電状態が第１閾値を下回る場合に、前記発電機の発電電圧を前記第２蓄電体の端子電圧よりも上げる発電制御部と、前記発電機に異常が発生した場合に、前記スイッチをオン状態に制御してから、前記スイッチをオフ状態に制御するスイッチ制御部と、を有し、前記第１電源系の前記電気負荷は、前記車両の自動運転制御を実行する運転制御部を備え、前記スイッチ制御部は、前記自動運転制御の停止中に、前記発電機の異常発生に基づき前記スイッチをオン状態に制御した場合には、前記第２蓄電体の充電状態が前記第１閾値よりも小さな第２閾値を下回る場合に前記スイッチをオフ状態に制御し、前記自動運転制御の実行中に、前記発電機の異常発生に基づき前記スイッチをオン状態に制御した場合には、前記第２蓄電体の充電状態が前記第２閾値よりも小さな第３閾値を下回る場合に前記スイッチをオフ状態に制御する。
本発明によれば、発電機に異常が発生した場合に、スイッチをオン状態に制御してから、スイッチをオフ状態に制御する。これにより、発電機に異常が発生した場合であっても、スイッチをオン状態に制御することで、第２蓄電体から電気負荷に電力を供給することができ、電気負荷を適切に動作させることができる。その後、スイッチをオフ状態に制御することで、第２蓄電体と電気負荷とが切り離されるため、第２蓄電体の過度な放電を抑制することができ、車両用電源装置の修理コストを低減することができる。
本発明の一実施の形態である車両用電源装置が搭載された車両の構成例を示す概略図である。 電源回路の一例を簡単に示した回路図である。 車両に設けられる制御系の一例を示すブロック図である。 スタータジェネレータを燃焼発電状態に制御したときの電流供給状況の一例を示す図である。 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流供給状況の一例を示す図である。 スタータジェネレータを回生発電状態に制御したときの電流供給状況の一例を示す図である。 ＩＳＧ制御部による燃焼発電状態と発電休止状態との切替状況の一例を示す図である。 スタータジェネレータを力行状態に制御したときの電流供給状況の一例を示す図である。 フェイルセーフ制御におけるスイッチの作動状況および充電状態の推移状況の一例を示すタイミングチャートである。 （Ａ）および（Ｂ）は、フェイルセーフ制御における電流供給状況の一例を示す図である。 フェイルセーフ制御の実行手順の一例を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。
［車両構成］
図１は本発明の一実施の形態である車両用電源装置１０が搭載された車両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を動力源に用いたパワーユニット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（発電機）１６が連結されている。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、クランク軸１４を駆動する電動機として機能する。例えば、アイドリングストップ制御においてエンジン１２を再始動させる場合や、発進時や加速時においてエンジン１２を補助する場合に、スタータジェネレータ１６は力行状態に制御され、スタータジェネレータ１６は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、マイコンおよび各種センサ等からなる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の発電電圧、発電トルク、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の一例を簡単に示した回路図である。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鉛バッテリ（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リチウムイオンバッテリ（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３２を積極的に放電させるため、リチウムイオンバッテリ３２の端子電圧は、鉛バッテリ３１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３２を積極的に充放電させるため、リチウムイオンバッテリ３２の内部抵抗は、鉛バッテリ３１の内部抵抗よりも小さく設計されている。
スタータジェネレータ１６の正極端子１６ａには正極ライン３３が接続され、リチウムイオンバッテリ３２の正極端子３２ａには正極ライン３４が接続され、鉛バッテリ３１の正極端子３１ａには正極ライン３５を介して正極ライン３６が接続される。これらの正極ライン３３，３４，３６は、接続点３７を介して互いに接続されている。また、スタータジェネレータ１６の負極端子１６ｂには負極ライン３８が接続され、リチウムイオンバッテリ３２の負極端子３２ｂには負極ライン３９が接続され、鉛バッテリ３１の負極端子３１ｂには負極ライン４０が接続される。これらの負極ライン３８〜４０は、基準電位点４１を介して互いに接続されている。
図１に示すように、鉛バッテリ３１の正極ライン３５には、正極ライン４２が接続されている。この正極ライン４２には、各種アクチュエータや各種コントローラ等の電気機器（電気負荷）４３からなる電気機器群４４が接続されている。また、鉛バッテリ３１の負極ライン４０には、バッテリセンサ４５が設けられている。バッテリセンサ４５は、鉛バッテリ３１の充放電状況を検出する機能を有している。鉛バッテリ３１の充放電状況としては、例えば、鉛バッテリ３１の充電電流、放電電流、端子電圧、充電状態ＳＯＣ等が挙げられる。
また、電源回路３０には、鉛バッテリ３１および電気機器４３からなる第１電源系５１が設けられており、リチウムイオンバッテリ３２およびスタータジェネレータ１６からなる第２電源系５２が設けられている。そして、第１電源系５１と第２電源系５２との間に設けられる正極ライン（通電径路）３６を介して、鉛バッテリ３１とリチウムイオンバッテリ３２とは互いに並列接続されている。この正極ライン３６には、過大電流によって溶断する電力ヒューズ５３が設けられるとともに、オン状態とオフ状態とに制御される第１スイッチＳＷ１が設けられている。また、リチウムイオンバッテリ３２の正極ライン３４には、オン状態とオフ状態とに制御される第２スイッチＳＷ２が設けられている。
正極ライン３６に設けられたスイッチＳＷ１をオン状態に制御することにより、第１電源系５１と第２電源系５２とを互いに接続することができる一方、スイッチＳＷ１をオフ状態に制御することにより、第１電源系５１と第２電源系５２とを互いに切り離すことができる。また、スイッチＳＷ１をオン状態に制御することにより、電気機器４３とリチウムイオンバッテリ３２とを互いに接続することができる一方、スイッチＳＷ１をオフ状態に制御することにより、電気機器４３とリチウムイオンバッテリ３２とを互いに切り離すことができる。
第２電源系５２に設けられたスイッチＳＷ２をオン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３２とを互いに接続することができる一方、スイッチＳＷ２をオフ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３２とを互いに切り離すことができる。また、スイッチＳＷ２をオン状態に制御することにより、電気機器４３とリチウムイオンバッテリ３２とを互いに接続することができる一方、スイッチＳＷ２をオフ状態に制御することにより、電気機器４３とリチウムイオンバッテリ３２とを互いに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。また、スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオン状態とは、電気的に接続される通電状態や導通状態を意味しており、スイッチＳＷ１，ＳＷ２のオフ状態とは、電気的に切断される非通電状態や遮断状態を意味している。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。
図１に示すように、電源回路３０には、バッテリモジュール５４が設けられている。このバッテリモジュール５４は、リチウムイオンバッテリ３２を有するとともに、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を有している。また、バッテリモジュール５４は、マイコンや各種センサ等からなるバッテリコントローラ５５を有している。バッテリコントローラ５５は、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態ＳＯＣ、充電電流、放電電流、端子電圧、セル温度、内部抵抗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。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。換言すれば、充電状態ＳＯＣとは、バッテリの満充電容量に対して残存する電気量の比率である。また、以下の説明では、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態ＳＯＣを、充電状態Ｓ_ＬｉＢとして記載する。
［制御系］
図３は車両１１に設けられる制御系の一例を示すブロック図である。図３に示すように、車両１１は、前述したＩＳＧコントローラ２３やバッテリコントローラ５５を有するだけでなく、エンジン１２を制御するエンジンコントローラ６０や、変速機構１８を制御するミッションコントローラ６１を有している。また、車両１１は、車輪を制動するブレーキアクチュエータ６５を制御するブレーキコントローラ６２や、車輪を操舵するステアリングアクチュエータ６６を制御するステアリングコントローラ６３を有している。さらに、車両１１は、各コントローラ２３，５５，６０〜６３を統括して制御するメインコントローラ６４を有している。これらのコントローラ２３，５５，６０〜６４は、マイコン等によって構成されるとともに、ＣＡＮやＬＩＮ等の車載ネットワーク６７を介して互いに通信自在に接続されている。また、各コントローラ２３，５５，６０〜６４は、鉛バッテリ３１等からの電力を用いて起動されている。つまり、各コントローラ２３，５５，６０〜６４は、第１電源系５１を構成する電気機器４３の１つとして設けられている。
車両用電源装置１０の一部を構成するメインコントローラ６４は、パワーユニット１３や電源回路３０等を制御する機能を有している。メインコントローラ６４は、スタータジェネレータ１６を制御するＩＳＧ制御部（発電制御部）７０、スイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御するスイッチ制御部７１、エンジン１２を制御するエンジン制御部７２、および自動運転制御を実行する運転制御部７３等を有している。前述したように、メインコントローラ６４は電気機器４３の１つであることから、メインコントローラ６４が備える各種制御部７０〜７３も電気機器４３の１つとして機能している。なお、メインコントローラ６４は、ＩＳＧコントローラ２３を介してスタータジェネレータ１６を制御し、バッテリコントローラ５５を介してスイッチＳＷ１，ＳＷ２を制御し、エンジンコントローラ６０を介してエンジン１２を制御する。また、メインコントローラ６４は、後述する自動運転制御を実行する際に、ミッションコントローラ６１を介して変速機構１８を制御し、ブレーキコントローラ６２を介してブレーキアクチュエータ６５を制御し、ステアリングコントローラ６３を介してステアリングアクチュエータ６６を制御する。
自動運転制御を実行するため、メインコントローラ６４には、車両前方を撮像するフロントカメラ８０、車両後方の障害物を検出する後側方レーダ８１等が接続されている。メインコントローラ６４の運転制御部７３は、カメラ８０やレーダ８１等の情報に基づいて車両周辺の状況を監視するとともに、周辺状況に応じて車両１１の操舵や加減速を自動的に制御する。つまり、運転制御部７３は、車両周辺状況に応じて各種コントローラに制御信号を出力し、エンジン１２、変速機構１８、ブレーキアクチュエータ６５およびステアリングアクチュエータ６６等を制御する。
また、メインコントローラ６４の運転制御部７３が実行する自動運転制御には、運転操作の一部を自動的に行う運転支援制御も含まれる。このような運転支援制御として、例えば、先行車両に追従しながら加減速走行を行うアダプティブクルーズコントロールがあり、走行車線を逸脱させないように車輪を操舵する車線維持制御があり、車両前方の障害物に接近した場合に車輪を制動する自動ブレーキ制御がある。なお、前述の説明では、フロントカメラ８０を用いて車両前方の周辺状況を検出し、後側方レーダ８１を用いて車両後方の周辺状況を検出しているが、これに限られることはなく、例えば、レーダを用いて車両前方の周辺状況を検出し、カメラを用いて車両後方の周辺状況を検出しても良い。
［スタータジェネレータ発電制御］
続いて、スタータジェネレータ１６の発電制御について説明する。メインコントローラ６４のＩＳＧ制御部７０は、ＩＳＧコントローラ２３に制御信号を出力し、スタータジェネレータ１６を発電状態に制御する。例えば、ＩＳＧ制御部７０は、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが低下すると、スタータジェネレータ１６の発電電圧を上げて燃焼発電状態に制御する一方、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが上昇すると、スタータジェネレータ１６の発電電圧を下げて発電休止状態に制御する。
図４はスタータジェネレータ１６を燃焼発電状態に制御したときの電流供給状況の一例を示す図である。なお、スタータジェネレータ１６の燃焼発電状態とは、エンジン動力によってスタータジェネレータ１６を発電させる状態、つまりエンジン内で燃料を燃焼させてスタータジェネレータ１６を発電させる状態である。例えば、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが所定値を下回る場合には、リチウムイオンバッテリ３２を充電するため、エンジン動力によってスタータジェネレータ１６を発電させる。このように、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、鉛バッテリ３１およびリチウムイオンバッテリ３２の端子電圧よりも上げられる。これにより、図４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３２、電気機器群４４および鉛バッテリ３１等に対して電流が供給され、リチウムイオンバッテリ３２や鉛バッテリ３１が緩やかに充電される。
図５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流供給状況の一例を示す図である。例えば、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが所定値を上回る場合には、リチウムイオンバッテリ３２を積極的に放電させるため、エンジン動力を用いたスタータジェネレータ１６の発電が休止される。このように、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、鉛バッテリ３１およびリチウムイオンバッテリ３２の端子電圧よりも下げられる。これにより、図５に黒塗りの矢印で示すように、リチウムイオンバッテリ３２から電気機器群４４に電流が供給されるため、スタータジェネレータ１６の発電を停止させることができ、エンジン負荷を軽減することができる。なお、発電休止状態におけるスタータジェネレータ１６の発電電圧としては、リチウムイオンバッテリ３２を放電させる発電電圧であれば良い。例えば、スタータジェネレータ１６の発電電圧を０Ｖに制御しても良く、スタータジェネレータ１６の発電電圧を０Ｖよりも高く制御しても良い。
前述したように、メインコントローラ６４のＩＳＧ制御部７０は、充電状態Ｓ_ＬｉＢに基づきスタータジェネレータ１６を燃焼発電状態や発電休止状態に制御しているが、車両減速時には多くの運動エネルギーを回収して燃費性能を高めることが求められる。そこで、車両減速時には、スタータジェネレータ１６の発電電圧が引き上げられ、スタータジェネレータ１６は回生発電状態に制御される。これにより、スタータジェネレータ１６の発電電力を増加させることができるため、運動エネルギーを積極的に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高めて燃費性能を向上させることができる。このような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き決定される。つまり、アクセルペダルの踏み込みが解除される減速走行時や、ブレーキペダルが踏み込まれる減速走行時には、スタータジェネレータ１６が回生発電状態に制御される。
ここで、図６はスタータジェネレータ１６を回生発電状態に制御したときの電流供給状況の一例を示す図である。スタータジェネレータ１６を回生発電状態に制御する際には、前述した燃焼発電状態よりもスタータジェネレータ１６の発電電圧が上げられる。これにより、図６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３２や鉛バッテリ３１に対して大きな電流が供給されるため、リチウムイオンバッテリ３２や鉛バッテリ３１は急速に充電される。また、リチウムイオンバッテリ３２の内部抵抗は、鉛バッテリ３１の内部抵抗よりも小さいことから、発電電流の大部分はリチウムイオンバッテリ３２に供給される。
なお、図４〜図６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はオン状態に保持されている。つまり、車両用電源装置１０においては、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の切替制御を行うことなく、スタータジェネレータ１６の発電電圧を制御するだけで、リチウムイオンバッテリ３２の充放電を制御することが可能である。これにより、簡単にリチウムイオンバッテリ３２の充放電を制御することができるだけでなく、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の耐久性を向上させることができる。
次いで、スタータジェネレータ１６における燃焼発電状態と発電休止状態との切り替えについて説明する。前述したように、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが低下すると、スタータジェネレータ１６は燃焼発電状態に切り替えられる。このスタータジェネレータ１６の燃焼発電状態においては、発電電圧がリチウムイオンバッテリ３２の端子電圧よりも上げられ、リチウムイオンバッテリ３２が充電される。一方、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが上昇すると、スタータジェネレータ１６は発電休止状態に切り替えられる。このスタータジェネレータ１６の発電休止状態においては、発電電圧がリチウムイオンバッテリ３２の端子電圧よりも下げられ、リチウムイオンバッテリ３２の放電が促される。
ここで、図７はＩＳＧ制御部７０による燃焼発電状態と発電休止状態との切替状況の一例を示す図である。図７に符号ａ１で示すように、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが、所定の発電閾値Ｓ１ａを下回る場合には、スタータジェネレータ１６が燃焼発電状態に制御される。そして、充電によってリチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが、所定の休止閾値Ｓ１ｂまで上昇すると（符号ａ２）、スタータジェネレータ１６が発電休止状態に制御される。続いて、放電によってリチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが、発電閾値Ｓ１ａまで低下すると（符号ａ３）、再びスタータジェネレータ１６が燃焼発電状態に制御される。その後、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが休止閾値Ｓ１ｂまで上昇すると（符号ａ４）、再びスタータジェネレータ１６が発電休止状態に制御される。
すなわち、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが発電閾値（第１閾値）Ｓ１ａを下回る場合には、スタータジェネレータ１６が燃焼発電状態に制御される。このスタータジェネレータ１６の燃焼発電状態は、上昇する充電状態Ｓ_ＬｉＢが休止閾値Ｓ１ｂに到達するまで継続される。一方、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが休止閾値Ｓ１ｂを上回る場合には、スタータジェネレータ１６が発電休止状態に制御される。このスタータジェネレータ１６の発電休止状態は、低下する充電状態Ｓ_ＬｉＢが発電閾値Ｓ１ａに到達するまで継続される。
このように、スタータジェネレータ１６を燃焼発電状態と発電休止状態とに制御することにより、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢを、発電閾値Ｓ１ａや休止閾値Ｓ１ｂの近傍に留めておくことができる。つまり、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢを下げて満充電状態を回避することにより、リチウムイオンバッテリ３２の空き容量αを確保することができ、減速走行時の回生機会を逃すことなくスタータジェネレータ１６を回生発電状態に制御することができる。すなわち、図７に一点鎖線（符号ｂ１，ｂ２）で示すように、回生機会を逃すことなくスタータジェネレータ１６を回生発電状態に制御することができるため、多くの電力を回収して車両１１のエネルギー効率を高めることができる。
［スタータジェネレータ力行制御］
続いて、スタータジェネレータ１６の力行制御について説明する。メインコントローラ６４のＩＳＧ制御部７０は、例えば、アイドリングストップ制御においてエンジン１２を再始動させる場合に、スタータジェネレータ１６を力行状態に制御する。ここで、図８はスタータジェネレータ１６を力行状態に制御したときの電流供給状況の一例を示す図である。図８に示すように、アイドリングストップ制御におけるエンジン再始動時に、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ＳＷ１がオン状態からオフ状態に切り替えられる。これにより、リチウムイオンバッテリ３２からスタータジェネレータ１６に大電流が供給される場合であっても、電気機器群４４に対する瞬間的な電圧低下を防止することができ、電気機器群４４等を正常に機能させることができる。
なお、図８に示した例では、スタータジェネレータ１６を力行状態に制御する際に、スイッチＳＷ１をオフ状態に切り替えているが、これに限られることはなく、スイッチＳＷ１をオン状態に保持したままスタータジェネレータ１６を力行状態に制御しても良い。例えば、発進時や加速時にエンジン１２を補助するモータアシスト制御においては、前述したエンジン再始動時に比べてスタータジェネレータ１６の消費電力が小さいため、スタータジェネレータ１６の力行時にはスイッチＳＷ１がオン状態に保持される。このように、消費電力の小さなモータアシスト制御においては、スイッチＳＷ１をオン状態に保持したとしても、鉛バッテリ３１からスタータジェネレータ１６に大電流が流れることはなく、電気機器群４４の電源電圧を安定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、スタータジェネレータ１６を燃焼発電状態や回生発電状態に制御することにより、スタータジェネレータ１６から電源回路３０に電力が供給さるため、電源回路３０内の電気機器群４４を適切に動作させることができる。ここで、スタータジェネレータ１６に異常が発生した場合、つまりスタータジェネレータ１６が発電不能に陥った場合には、スタータジェネレータ１６からの電力供給が遮断されるため、電気機器群４４を適切に動作させることが困難になる。これらの電気機器群４４には、各種コントローラや各種アクチュエータが含まれるため、スタータジェネレータ１６に異常が発生することは、前述した自動運転等の各種制御システムを停止させてしまう要因であった。
そこで、車両用電源装置１０のメインコントローラ６４は、スタータジェネレータ１６に異常が発生した場合に、所定時間に渡って電気機器群４４に対する電力供給を継続し、各種制御システムを適切に停止させるフェイルセーフ制御を実行する。ここで、図３に示すように、メインコントローラ６４には、フェイルセーフ制御を実行するフェイルセーフ制御部７４、およびスタータジェネレータ１６の異常を検出する異常検出部７５が設けられている。なお、異常検出部７５は、スタータジェネレータ１６の発電電圧や発電電流、リチウムイオンバッテリ３２の端子電圧や充放電電流、鉛バッテリ３１の端子電圧や充放電電流、ＩＳＧコントローラ２３から送信される異常情報等に基づいて、スタータジェネレータ１６が発電不能になる異常状態を検出する。
ここで、図９はフェイルセーフ制御におけるスイッチＳＷ１，ＳＷ２の作動状況および充電状態Ｓ_ＬｉＢの推移状況の一例を示すタイミングチャートである。また、図１０（Ａ）および（Ｂ）は、フェイルセーフ制御における電流供給状況の一例を示す図である。なお、図１０（Ａ）および（Ｂ）において、黒塗りの矢印は電流の供給状況を示す矢印である。
まず、図９に時刻ｔ１で示すように、スタータジェネレータ１６の燃焼発電状態においては、双方のスイッチＳＷ１，ＳＷ２がオン状態に制御され（符号ａ１，ｂ１）、発電する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３２が充電される。これにより、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢは徐々に上昇する（符号ｃ１）。このスタータジェネレータ１６の燃焼発電状態から、時刻ｔ２で示すように、スタータジェネレータ１６に異常が発生すると（符号ｄ１）、双方のスイッチＳＷ１，ＳＷ２がオン状態のまま保持される（符号ａ２，ｂ２）。つまり、スタータジェネレータ１６に異常が発生した場合には、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をオン状態に保持することにより、リチウムイオンバッテリ３２と電気機器群４４との接続状態が維持される。
これにより、図１０（Ａ）に示すように、リチウムイオンバッテリ３２から電気機器群４４に電力が供給されるため、スタータジェネレータ１６からの電力供給は停止するものの、電気機器群４４を適切に動作させることができる。すなわち、自動運転等の各種制御システムが直ちに停止することはなく、各種制御システムの作動状態を維持することができるため、各種制御システムの信頼性を高めることができる。なお、図１０（Ａ）に示すように、スタータジェネレータ１６に異常が発生した場合には、電気機器群４４にリチウムイオンバッテリ３２と鉛バッテリ３１との双方が接続されるが、リチウムイオンバッテリ３２の内部抵抗は鉛バッテリ３１の内部抵抗よりも小さいことから、電気機器群４４の消費電力の多くはリチウムイオンバッテリ３２から供給される。
また、スタータジェネレータ１６からの電力供給が遮断された状態のもとで、リチウムイオンバッテリ３２から電気機器群４４に電力が供給されるため、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢは徐々に低下する。ところで、リチウムイオンバッテリ３２を過度に放電させることは、リチウムイオンバッテリ３２を大幅に劣化させる要因であることから、リチウムイオンバッテリ３２の過放電を防止することが重要である。そこで、図９に時刻ｔ３で示すように、メインコントローラ６４は、放電するリチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが、発電閾値（第１閾値）Ｓ１ａよりも小さな下限閾値（第２閾値）Ｓ２まで低下すると、スイッチＳＷ２をオフ状態に切り替える（符号ｂ３）。
このように、スイッチＳＷ２をオフ状態に制御することにより、図１０（Ｂ）に示すように、電気機器群４４からリチウムイオンバッテリ３２が切り離されるため、リチウムイオンバッテリ３２の放電を停止させることができ、リチウムイオンバッテリ３２の過放電を防止することができる。また、充電状態Ｓ_ＬｉＢと比較判定される下限閾値Ｓ２は、フェイルセーフ制御が実行された場合であっても、リチウムイオンバッテリ３２を大幅に劣化させることのない閾値、つまりリチウムイオンバッテリ３２の交換を必要としない閾値に設定される。なお、電気機器群４４からリチウムイオンバッテリ３２が切り離された場合であっても、電気機器群４４には鉛バッテリ３１から電力が供給されることから、所定時間に渡って電気機器群４４を適切に動作させることができる。
これまで説明したように、メインコントローラ６４は、スタータジェネレータ１６に異常が発生した場合に、スイッチＳＷ２をオン状態に制御してから、スイッチＳＷ２をオフ状態に制御する。つまり、メインコントローラ６４は、スタータジェネレータ１６の異常発生に基づきスイッチＳＷ２をオン状態に制御してから、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ２を下回る場合にスイッチＳＷ２をオフ状態に制御する。これにより、スタータジェネレータ１６に異常が発生した場合であっても、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ２を下回るまでは、リチウムイオンバッテリ３２から電気機器群４４に電力が供給される。すなわち、スタータジェネレータ１６に異常が発生した場合であっても、リチウムイオンバッテリ３２の過放電を防止しながら電気機器群４４に電力を供給することができ、車両１１の各種制御システムを適切に動作させることができる。
前述したように、スタータジェネレータ１６に異常が発生した場合であっても、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ２に到達するまでは、電気機器群４４に対する電力供給を継続することができ、車両１１の各種制御システムを適切に動作させることができる。そこで、メインコントローラ６４は、図９に時刻ｔ２で示すように、スタータジェネレータ１６に異常が発生すると（符号ｄ１）、自動運転等の各種制御システムを通常モードから退避モードに切り替える（符号ｅ１）。ここで、各種制御システムの退避モードとは、各種制御システムを適切に停止させるための制御モードである。例えば、自動運転制御が実行されている場合には、通常モードから退避モードに移行することにより、警告音等による自動運転の解除予告が行われ、操舵や加減速等の自動運転が段階的に解除される。これにより、メインコントローラ６４の運転制御部７３が主導する自動運転状況から、乗員に対して運転権限を適切に委譲することができる。また、例えば、ステアリング操作のアシスト制御が実行されている場合には、通常モードから退避モードに移行することにより、警告音等によるアシスト制御の解除予告が行われ、ステアリングアクチュエータ６６のアシスト力が段階的に下げられる。これにより、乗員に違和感を与えることなく、ステアリング操作のアシスト制御を解除することができる。
続いて、前述したフェイルセーフ制御の実行手順をフローチャートに沿って説明する。図１１はフェイルセーフ制御の実行手順の一例をフローチャートである。図１１に示すように、ステップＳ１０では、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢに基づいて、スタータジェネレータ１６の発電制御が実行される。つまり、スタータジェネレータ１６の正常時においては、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが発電閾値（第１閾値）Ｓ１ａを下回る場合に、スタータジェネレータ１６が燃焼発電状態に制御される。これにより、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢは、発電閾値Ｓ１ａ（例えば３０％）を上回るように制御される。
続くステップＳ１１では、スタータジェネレータ１６に異常が発生しているか否かが判定される。ステップＳ１１において、スタータジェネレータ１６に異常が発生していると判定された場合には、ステップＳ１２に進み、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオン状態に制御され、ステップＳ１３に進み、各種制御システムに関し、通常モードから退避モードへの移行が指示される。これにより、リチウムイオンバッテリ３２から電気機器群４４に電力を供給することで各種制御システムの動作を維持するとともに、各種制御システムを適切に停止させるための退避モードが実行される。
次いで、ステップＳ１４では、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値（第２閾値）Ｓ２を下回るか否かが判定される。ステップＳ１４において、充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ２（例えば１５％）を下回ると判定された場合には、ステップＳ１５に進み、スイッチＳＷ２がオン状態からオフ状態に切り替えられ、ルーチンを抜ける。一方、ステップＳ１４において、充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ２以上であると判定された場合には、ステップＳ１２に進み、スイッチＳＷ１，ＳＷ２がオン状態のまま保持され、ステップＳ１３に進み、各種制御システムの退避モードが実行される。
このように、スタータジェネレータ１６に異常が発生した場合には、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ２を下回るまで、リチウムイオンバッテリ３２からの電力供給によって各種制御システムの動作が維持されるとともに、各種制御システムを適切に停止させるための退避モードが実行される。そして、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ２を下回った場合には、スイッチＳＷ２をオフ状態に切り替えることにより、電気機器群４４からリチウムイオンバッテリ３２が切り離される。これにより、リチウムイオンバッテリ３２の過放電を防止することができ、リチウムイオンバッテリ３２の交換を回避することができるため、車両用電源装置１０の修理コストを低減することができる。
また、前述の説明では、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ２を下回った場合に、第２電源系５２に設けられたスイッチＳＷ２をオフ状態に切り替え、電気機器群４４からリチウムイオンバッテリ３２を切り離しているが、これに限られることはない。すなわち、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ２を下回った場合に、スイッチＳＷ２をオン状態に保持したまま、正極ライン３６に設けられたスイッチＳＷ１をオフ状態に切り替えても良い。このように、スイッチＳＷ１をオフ状態に切り替えた場合であっても、電気機器群４４からリチウムイオンバッテリ３２を切り離すことができるため、リチウムイオンバッテリ３２の過放電を防止することができる。なお、リチウムイオンバッテリ３２の充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ２を下回った場合に、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の一方をオフ状態に切り替えるだけでなく、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の双方をオフ状態に切り替えても良い。
また、前述の説明では、充電状態Ｓ_ＬｉＢと比較する下限閾値として、１つの下限閾値Ｓ２を設定しているが、これに限られることはなく、複数の下限閾値を設定しても良い。例えば、図９に示すように、充電状態Ｓ_ＬｉＢと比較される下限閾値として、下限閾値Ｓ２と、下限閾値Ｓ２よりも小さな下限閾値（第３閾値）Ｓ３を設定しても良い。このように、複数の下限閾値Ｓ２，Ｓ３を設定した場合には、各種制御システムの作動状況に応じて、充電状態Ｓ_ＬｉＢと比較する下限閾値Ｓ２，Ｓ３を分けることが可能である。例えば、自動運転制御の停止中にスタータジェネレータ１６に異常が発生した場合には、充電状態Ｓ_ＬｉＢが上方の下限閾値Ｓ２と比較される一方、自動運転制御の実行中にスタータジェネレータ１６に異常が発生した場合には、充電状態Ｓ_ＬｉＢが下方の下限閾値Ｓ３と比較される。
すなわち、図９に示すように、自動運転制御が停止している状態のもとで、スタータジェネレータ１６に異常が発生した場合には、充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ２（例えば１５％）を下回るタイミング（時刻ｔ３，符号ｃ２）で、スイッチＳＷ２がオフ状態に切り替えられる（符号ｂ３）。一方、自動運転制御が実行されている状態のもとで、スタータジェネレータ１６に異常が発生した場合には、充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ３（例えば１０％）を下回るタイミング（時刻ｔ４，符号ｃ３）で、スイッチＳＷ２がオフ状態に切り替えられる（符号ｂ４）。これにより、自動運転制御が実行されている場合には、電気機器群４４からリチウムイオンバッテリ３２が切り離されるまでの時間を延ばすことができ、退避モードの実行時間を確保してより適切に自動運転制御を停止させることができる。一方、自動運転制御が停止されている場合には、充電状態Ｓ_ＬｉＢの低下を抑制することができ、リチウムイオンバッテリ３２の劣化を防止することができる。
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、スタータジェネレータ１６の異常発生に基づきスイッチＳＷ２をオン状態に制御してから、充電状態Ｓ_ＬｉＢが下限閾値Ｓ２を下回る場合にスイッチＳＷ２をオフ状態に制御しているが、これに限られることはない。例えば、スタータジェネレータ１６の異常発生に基づきスイッチＳＷ２をオン状態に制御してから、所定の設定時間が経過した場合にスイッチＳＷ２をオフ状態に制御しても良い。また、前述の説明では、発電機として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、発電機としてオルタネータを採用しても良い。
また、前述の説明では、第１蓄電体として鉛バッテリ３１を用いているが、これに限られることはなく、第１蓄電体として他の種類のバッテリやキャパシタを用いても良い。また、第２蓄電体としてリチウムイオンバッテリ３２を用いているが、これに限られることはなく、第２蓄電体として他の種類のバッテリやキャパシタを用いても良い。また、図１および図２に示した例では、リチウムイオンバッテリ３２の正極ライン３４にスイッチＳＷ２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３２の負極ライン３９にスイッチＳＷ２を設けても良い。また、前述の説明では、メインコントローラ６４に、各種制御部７０〜７５を設けているが、これに限られることはない。他のコントローラに、各種制御部７０〜７５の一部や全部を設けても良い。
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（発電機）
３１ 鉛バッテリ（第１蓄電体）
３２ リチウムイオンバッテリ（第２蓄電体）
３６ 正極ライン（通電径路）
４３ 電気機器（電気負荷）
５１ 第１電源系
５２ 第２電源系
７０ ＩＳＧ制御部（発電制御部）
７１ スイッチ制御部
７３ 運転制御部
ＳＷ１ 第１スイッチ（スイッチ）
ＳＷ２ 第２スイッチ（スイッチ）
Ｓ_ＬｉＢ 充電状態
Ｓ１ａ 発電閾値（第１閾値）
Ｓ２ 下限閾値（第２閾値）

Claims (4)

  1. 車両に搭載される車両用電源装置であって、
    第１蓄電体と、前記第１蓄電体に接続される電気負荷と、を備える第１電源系と、
    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２蓄電体と、を備える第２電源系と、
    前記第１電源系と前記第２電源系との間に設けられ、前記第１蓄電体と前記第２蓄電体とを並列接続する通電径路と、
    前記電気負荷と前記第２蓄電体とを接続するオン状態と、前記電気負荷と前記第２蓄電体とを切り離すオフ状態と、に制御されるスイッチと、
    前記第２蓄電体の充電状態が第１閾値を下回る場合に、前記発電機の発電電圧を前記第２蓄電体の端子電圧よりも上げる発電制御部と、
    前記発電機に異常が発生した場合に、前記スイッチをオン状態に制御してから、前記スイッチをオフ状態に制御するスイッチ制御部と、
    を有し、
    前記第１電源系の前記電気負荷は、前記車両の自動運転制御を実行する運転制御部を備え、
    前記スイッチ制御部は、
    前記自動運転制御の停止中に、前記発電機の異常発生に基づき前記スイッチをオン状態に制御した場合には、前記第２蓄電体の充電状態が前記第１閾値よりも小さな第２閾値を下回る場合に前記スイッチをオフ状態に制御し、
    前記自動運転制御の実行中に、前記発電機の異常発生に基づき前記スイッチをオン状態に制御した場合には、前記第２蓄電体の充電状態が前記第２閾値よりも小さな第３閾値を下回る場合に前記スイッチをオフ状態に制御する、
    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、
    前記スイッチは、前記第２電源系に設けられる、
    車両用電源装置。
  3. 請求項１に記載の車両用電源装置において、
    前記スイッチは、前記通電径路に設けられる、
    車両用電源装置。
  4. 請求項１〜３の何れか１項に記載の車両用電源装置において、
    前記第２蓄電体の内部抵抗は、前記第１蓄電体の内部抵抗よりも小さい、
    車両用電源装置。
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