JP6782414B2 - 車両用電源システムおよび自動車 - Google Patents
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Description
1−1.車両側の構成
まず、本実施形態の電源システム10に言及する前に、図1を参照して電源システム10が搭載されるオルタネータ回生車両(μHEV)20の主要構成について簡単に説明する。なお、μHEVとは、ISS機能を有し、オルタネータから供給される回生電力を受け入れ可能かつ放電負荷(スタータおよび補機)に放電可能な蓄電デバイスを備えたガソリン車またはディーゼル車をいう。
図1に示すように、オルタネータ回生車両20は、普通ガソリン車と同様に、イグニッションスイッチ11(以下、IGN11と略称する。)を備えている。IGN11は、ドライバにより、OFF位置、ON/ACC位置、START位置のいずれかに位置付けられる。すなわち、車両駐車時にはOFF位置、車両走行前および走行時にはON/ACC位置、エンジン始動時にはSTART位置に位置付けられる。なお、「ACC」はアクセサリ、すなわち、補機(に蓄電デバイス1から電力を供給するための位置)を意味する。IGN11はその位置が変更される度に車両制御部15に報知する。
また、オルタネータ回生車両20は、オルタネータ回生車両20全体の動作を制御する車両制御部(ECU)15を備えている。車両制御部15は、IGN11の位置情報を把握するとともに、アクセル、ブレーキ、エンジン等の作動状態、速度、加速度その他の車両状態を把握し、把握した状態に応じた車両制御を行う。
オルタネータ回生車両20は、制動時やアクセルオフ時に図示を省略したエンジンの回転力を回生電力に変換するオルタネータ12を備えている。オルタネータ12には電磁クラッチ(不図示)を介してエンジンの(回転)駆動力が伝達される。本実施形態では、オルタネータ12の出力電圧は14.0[V]に設定されている。なお、後述するように、蓄電デバイス1のデバイス状態に応じて、回生発電時以外にもオルタネータ12による発電がなされる場合がある。
また、オルタネータ回生車両20は、エンジンを始動するスタータ13を備えている。スタータ13は、公知のように、フィールド(励磁)コイルとアーマチュア(回転)コイルとを有する直流直巻型モータ(セルモータ)と、モータに蓄電デバイス1の電力を供給するためのメイン接点と、プランジャの周りに配されプランジャを進退・保持するプルイン(引き込み)コイルおよびホールディング(保持)コイルと、プランジャに固着した導体部材とを有して構成されている。スタータ13の他端はGNDに接続されている。
さらに、オルタネータ回生車両20には種々の補機(アクセサリ)14が搭載されている。補機14には、例えば、ランプ、ライト、パワーウインド、エンジンポンプ(スパークプラグ)、エアコン、ファン、ラジオ、テレビ、CDプレーヤ、カーナビゲーション等を挙げることができる。補機14の他端はGNDに接続されている。なお、補機14は、最低作動電圧(例えば、8[V])以上の作動電圧を蓄電デバイス1から供給されればよい。
次に、本実施形態の電源システム10の構成について説明する。電源システム10は、例えば、オルタネータ回生車両20のエンジンルームに搭載されるが、本発明はこれに限定されるものではない。
図1に示すように、本実施形態の電源システム10は、オルタネータ12から供給される回生電力を受け入れ可能かつスタータ13および補機14(以下、両者を総称する場合は放電負荷という。)に放電可能な蓄電デバイス1を備えている。蓄電デバイス1は、メイン電池2(本例では鉛蓄電池)と、リチウムイオンキャパシタ3(以下、LIC3と略称する。)との複合蓄電デバイスとして構成されている。
メイン電池2の電槽には、内部を仕切る隔壁によって6個のセル室を画定するモノブロック電槽が用いられている。モノブロック電槽の中央部の隔壁には上部側から略中央部までセンサ挿入孔が形成されている。センサ挿入孔にはメイン電池2の中央部の温度を検出するサーミスタ等の温度センサが挿入されており、温度センサは接着剤でセンサ挿入孔内に固定されている。
一方、LIC3は、単体の(ユニット)リチウムイオンキャパシタ(以下、単体キャパシタと略称する。本例では、使用下限電圧2.2[V]、使用上限電圧3.5[V])を4個直列に接続したキャパシタ群(組キャパシタ)で、最上位電位側に正極端子、最下位電位側に負極端子を有して構成されている。単体キャパシタの容量は、例えば、1000F〜4000Fとすることができるが(本例では1800F)、本発明はこれに限定されるものではない。負極端子はGNDに接続されている。これら4個の単体キャパシタのうち1個の単体キャパシタの表面には、接着剤によりサーミスタ等の温度センサが固着している。なお、本実施形態のLIC3の使用上限電圧は14.0[V](3.5[V]×4個)、使用下限電圧は8.8[V](2.2[V]×4個)に設定されている。
図1に示すように、電源システム10は、メイン電池2およびLIC3の充放電電流を切り替えるスイッチ6を備えている。スイッチ6は、直列に接続された2つのスイッチ、スイッチSW1とスイッチSW2とで構成されている。スイッチSW1とスイッチSW2との接続点は放電負荷の一端およびオルタネータ12の他端に接続されている。スイッチSW1、SW2の他端はそれぞれメイン電池2およびLIC3の正極端子に接続されている。スイッチSW1、SW2は大電流が通電可能なスイッチング素子(例えば、パワーMOSFET)で構成されている。
蓄電デバイス1から補機14に放電する際、例えば状態1から状態2に切り替えるときには、メイン電池2およびLIC3のいずれからも補機14に電力が供給されない一瞬が生じるおそれがある。このため、スイッチSW1、SW2の接続点とGNDとの間には、この一瞬の電力を補機14に補償・供給する補償キャパシタC(電解キャパシタ)が挿入されている。
また、電源システム10は、メイン電池2、LIC3の状態をそれぞれ検出するメイン電池コントローラ4、LICコントローラ5(以下、両者を総称する場合はコントローラ4、5という。)を備えている。コントローラ4、5は、充放電中(車両走行中および車両走行前)にそれぞれメイン電池2、LIC3の温度、電圧、電流等の状態を検出する。
さらに、電源システム10は、メイン電池2およびLIC3のデバイス状態を演算するとともに、スイッチ6による充放電電流の切り替え動作を制御する制御部7を備えている。制御部7は、マイクロコントローラ(以下、MCと略称する。)、通信IC、I/O、入力ポート、出力ポートを有するマイクロプロセッサとして構成されており、図1では、制御部7の役割を明確にするために機能別に細部を表している。
次に、本実施形態の電源システム10の動作について、制御部7を構成する一方のMCのCPU(以下、CPUと略称する。)を主体として説明する。なお、必要に応じて、他方のMC並びに車両制御部15による制御についても言及する。
車両制御部15と制御部7(CPU)は協調制御を行う。すなわち、車両制御部15は車両状態および蓄電デバイス1のデバイス状態に応じて車両を制御し、制御部7(CPU)は車両状態および蓄電デバイス1のデバイス状態に応じてスイッチ6のオン、オフを制御する。このため、CPUは車両の状態情報が必要となり、車両制御部15は蓄電デバイス1のデバイス状態の把握が必要となる。車両の状態情報および蓄電デバイス1のデバイス状態は上述した通信線16を介して両者間で共有される。以下では、CPUによる充放電制御に言及する前にその前提として、共有される情報について説明する。
(1−1)IGN位置情報
車両駐車後の車両走行前には、ドライバによりIGN11にイグニッションキーが挿入され、IGN11はOFF位置からON/ACC位置に位置付けられ、さらにON/ACC位置からSTART位置に位置付けられてエンジンが始動した後、再度ON/ACC位置に位置付けられる。これにより、オルタネータ回生車両20は走行状態(車両走行中)となる。車両制御部15はIGN11が最初にON/ACC位置に位置付けられると、制御部7にその旨を報知する。この報知を受けたCPUは、コントローラ4、5および制御部7をスリープ状態(省エネモード)から作動状態に移行(アウェーク)させる。
オルタネータ回生車両20は回生発電機能を有しているため、車両制御部15は、ブレーキが踏まれたとき(制動時)、または、アクセルが開放されたとき(アクセルオフ時)に、上述した電磁クラッチをオン状態に移行させエンジンの駆動力を回生電力に変換して回生電力を蓄電デバイス1に供給するようにオルタネータ12を制御するとともに、CPUにその旨を報知する。また、ブレーキが開放されたとき、または、アクセルオフの結果車両の加速度が0となったときに、電磁クラッチをオフ状態に移行させオルタネータ12の作動を停止させるように制御するとともに、その旨をCPUに報知する。
CPUは、充放電中(車両走行前および車両走行中)は、コントローラ4、5で所定時間毎に検出されたメイン電池2およびLIC3のデータ(LIC3を構成する各単電池の電圧を含む。)を取得するとともに、メイン電池2、LIC3の基準SOC(後述)およびメイン電池2、LIC3の容量(既知)に基づいて、コントローラ4、5で所定時間毎に検出された電流値を積算してメイン電池2およびLIC3の現在のデバイス状態を演算する。なお、電圧値、電流値は基準温度(例えば、室温)での値に温度補正される。そして、所定時間毎に、メイン電池2およびLIC3の現在のデバイス状態を車両制御部15に報知する。
次に、フローチャートを参照して、CPUが実行する充放電制御について説明する。まず、図2を参照してCPUが実行する充放電制御の全体像について説明する。
(1)エンジン始動前充放電処理
CPUは、図2のS108において、LIC3の電圧が設定電圧V2(図8(A)参照、本例では11.8[V])を越えるか否かを判断し、肯定判断のときは、スイッチ6を状態1(SW1:オン、SW2:オフ)とする。これにより、車両駐車後エンジン始動前の補機14への電力供給(放電)はLIC3からなされる。なお、設定電圧V2は、LIC3からスタータ13に放電することでエンジンを始動可能な最低電圧以上の電圧値として設定されている。一方、否定判断のときは(補機14への放電の結果、LIC3の電圧が設定電圧V2となったときも含む。)、メイン電池2のSOCがエンジンを始動可能な第1のSOC(図8(B)参照、本例では70[%])以上か否かを判断し、この判断が肯定のときは、スイッチ6を状態2(SW1:オフ、SW2:オン)として始動前充放電処理を終了し図2のS102に戻る。これにより、車両駐車後エンジン始動前の補機14への電力供給はメイン電池2からなされる。
上述したように、IGN11がON/ACC位置に位置付けられた後は、START位置に位置付けられてエンジンが始動する。CPUは、図2のS114において、エンジン始動前に「0」とされていたSTART情報受信フラグを「1」に変更した後、LIC3の電圧が設定電圧V2を越えるときは、スイッチ6を状態1としてLIC3からスタータ13に電力を供給することでエンジンを始動させ、LIC3の電圧が設定電圧V2以下のときは、スイッチ6を状態2としてメイン電池2からスタータ13に電力を供給することでエンジンを始動させてエンジン始動処理を終了し、図2のS102に戻る。
図3は、図2のS110の詳細を示す回生充放電処理サブルーチンのフローチャートである。この回生充放電処理サブルーチンでは、まず、S152においてLIC系に異常があるか否かを判断する。ここで、LIC系とは、LIC3の充放電に関連する強電および弱電系統をいい、LIC3、LICコントローラ5、並びに、LICコントローラ5および状態把握部7A間の出力線が含まれる。
CPUは、このS152において、(a)LIC3の異常の有無、(b)電圧検出線、出力線および第2スイッチング素子制御線の断線の有無、並びに、(c)LICコントローラ5の異常の有無を判定し、これらのいずれかに異常を認めたときにLIC系に異常があると判断する。
CPUは、このS154において、上述したLIC系の異常判断と同様に、(a)メイン電池2の異常の有無、(b)出力線および第1スイッチング素子制御線の断線の有無、並びに、(c)メイン電池コントローラ4の異常の有無を判定し、これらのいずれかに異常を認めたときにメイン電池系に異常があると判断する。
上述したメイン単独回生充放電処理またはLIC単独回生充放電処理と並行して、CPUは、LIC系またはメイン電池系の異常状態から正常状態への復帰を試行するとともに、復帰不能な場合にはその故障原因を特定するための復帰処理を実行する。なお、以下では、メイン単独回生充放電処理中の(LIC系に異常がある場合の)復帰処理を中心に説明する。
車両制御部15は、電源システム10から何らかの異常の報知を受けた際には、車両の安全走行を確保するために、電源システム10の制御部7の(一方の)MCが正常に作動しているか否かを判断(診断)する。一方のMCが正常に動作しているかの診断は、例えば最も簡易的な方法としては、通信線16を介して制御部7に特定の信号を送りその補数を返させることで、正しい補数を返せるときは正常、そうでないときは異常と診断できる。このような診断は、例えば、一方のMCの演算負荷が比較的少ない、図7に示したS302で(待機中に)行われる。
図2のS116の充放電休止処理の状態でオルタネータ回生車両20は駐車しており、車両制御部15からOFF情報を受信したCPUは、スイッチ6を状態0(SW1:オフ、SW2:オフ)とし、コントローラ4、5および制御部7をスリープ状態(省エネモード)とする制御を行う。すなわち、コントローラ4、5にメイン電池2、LIC3の温度、電圧、電流等の検出・出力を停止させ、CPU自体もメイン電池2、LIC3のデバイス状態の演算および車両制御部15への報知を停止する。また、CPUは、上述したSTART情報受信フラグを「1」から「0」に変更する。なお、蓄電デバイス1は車両駐車直前のオルタネータ12による回生電力で充電されており、LIC3は使用上限電圧近傍の電圧となっている。
3−1.作用効果
次に、本実施形態の電源システム10の作用効果等について説明する。
なお、本実施形態では、オルタネータ回生車両20に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限らず、例えば、(普通)ガソリン車、ディーゼル車、ISS車に搭載される車両用電源システムにも適用可能である。また、本実施形態では14V系車両用電源システム10を例示したが、本発明はこれに制限されるものではなく、例えば、42V系車両用電源システム等の14V系以外の車両用電源システムに適用してもよい。
2 メイン電池(第1の蓄電デバイス)
3 LIC(第2の蓄電デバイス)
4 メイン電池コントローラ(検出回路)
5 LICコントローラ(検出回路)
6 スイッチ
7 制御部(制御手段)
10 電源システム(車両用電源システム)
12 オルタネータ
13 スタータ
14 補機
15 車両制御部(車両側制御部)
20 オルタネータ回生車両(自動車)
Claims (8)
- 複数の蓄電デバイスを有し、オルタネータから供給される回生電力を受入可能かつ放電負荷に放電可能な複合蓄電デバイスと、
前記複数の蓄電デバイスに対応して各蓄電デバイスの少なくとも電圧を検出する複数の検出回路を有する検出手段と、
前記検出手段の出力に基づいて前記複合蓄電デバイスに異常があるかを判断する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記検出手段の出力が予め定められた設定範囲外のときに、該設定範囲外の出力をした前記検出回路をリセットした後、前記リセットされた検出回路の出力が前記設定範囲外かを再判断することを特徴とする車両用電源システム。 - 前記制御手段は、前記検出手段の出力が前記設定範囲外のときに、前記複数の蓄電デバイスのうち前記設定範囲内の出力をした前記検出回路に対応する蓄電デバイスのみで充放電を行うことを特徴とする請求項1に記載の車両用電源システム。
- 前記制御手段は、前記再判断が肯定のときに、前記リセットされた検出回路に対応する蓄電デバイス系に異常があると判定して前記設定範囲内の出力をした前記検出回路に対応する蓄電デバイスのみでの充放電を行い、前記再判断が否定のときに、前記リセットされた検出回路に対応する蓄電デバイス系が正常に復帰したと判定して前記複数の蓄電デバイスで充放電を行うことを特徴とする請求項2に記載の車両用電源システム。
- 前記検出回路はその作動電力が対応する前記蓄電デバイスからそれぞれ作動スイッチを介して供給され、前記制御手段は、前記作動スイッチをオフ状態とした後オン状態とすることで前記設定範囲外の出力をした検出回路をリセットすることを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載の車両用電源システム。
- 前記制御手段は、前記再判断が肯定のときに、前記リセットされた検出回路に対応する蓄電デバイス系に異常があることを車両側制御部に報知し、前記車両側制御部により正常に作動しているかの診断を受けることを特徴とする請求項4に記載の車両用電源システム。
- 前記車両側制御部による診断は、前記制御手段が前記作動スイッチをオフ状態とした後、オン状態とする前に行われることを特徴とする請求項5に記載の車両用電源システム。
- 前記複合蓄電デバイスは、少なくとも第1の蓄電デバイスと第2の蓄電デバイスとを有しており、前記第1の蓄電デバイスは、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池およびリチウムイオン電池で構成される群から選択される1種であり、前記第2の蓄電デバイスは、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、ニッケル亜鉛電池、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタおよび電気二重層キャパシタで構成される群から選択される1種であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか一項に記載の車両用電源システム。
- 請求項1ないし請求項7のいずれか一項に記載の車両用電源システムを備えた自動車。
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