JPWO2018042765A1 - 管理装置、及び電源システム - Google Patents

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Abstract

車両内に増強された蓄電デバイスを有効活用するために、管理装置（２０）は、車両内の負荷に給電するための第１蓄電デバイスを補強する第２蓄電デバイス（１０）を管理する。管理装置（２０）の電源部（２１）は、第１蓄電デバイス（２）から供給される電圧を降圧する。制御部（２２）は、電源部（２１）により生成される電圧を電源電圧とし、第２蓄電デバイス（１０）の状態を監視し、第２蓄電デバイス（１０）の充放電を制御する。スイッチ（ＳＷ２）は、第２蓄電デバイス（１０）と電源部（２１）を導通／非導通する。スイッチ（ＳＷ２）は、イグニッションオン状態でオンし、イグニッションオフ状態でオフする。

Description

本発明は、蓄電デバイスを管理する管理装置、及び電源システムに関する。
現在、多くの車両には鉛蓄電池が搭載されている。この鉛蓄電池から、スタータモータや各種の電装品に電力が供給されている。鉛蓄電池は安価であるが、ニッケル水素蓄電池やリチウムイオン蓄電池と比較し、サイクル寿命が短いという特性がある。アイドリングストップ機能を有した車両では充放電回数が多くなるため、鉛蓄電池の寿命は特に短くなる。また近年、車両に搭載される電装品の数および消費電力が増えている。
そこで既存の鉛蓄電池と並列に、別の蓄電デバイス（例えば、リチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池、電気二重層キャパシタ）を接続する手法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２０１６−２８５４３号公報 特開２０１６−１２３２１２号公報
従来、新たに搭載された蓄電デバイスの状態を管理し、当該蓄電デバイスの充放電を制御する制御基板への電源供給は、鉛蓄電池からなされていた。従って鉛蓄電池が使用不能になると、蓄電デバイスに容量が残っていても蓄電デバイスから電装品に電源を供給することができなくなっていた。
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、車両内に増強された蓄電デバイスを有効活用する技術を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある態様の管理装置は、車両内の負荷に給電するための第１蓄電デバイスを補強する第２蓄電デバイスを管理する管理装置であって、前記第１蓄電デバイスから供給される電圧を降圧する電源部と、前記電源部により生成される電圧を電源電圧とし、前記第２蓄電デバイスの状態を監視し、前記第２蓄電デバイスの充放電を制御する制御部と、前記第２蓄電デバイスと前記電源部を導通／非導通するスイッチと、を備える。
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
本発明によれば、車両内に増強された蓄電デバイスを有効活用することができる。
本発明の実施の形態に係る電源システムを説明するための図である。 図１の管理装置の詳細な構成を示す図である。 第２スイッチのオン／オフ状態をまとめた図である。
図１は、本発明の実施の形態に係る電源システム１を説明するための図である。電源システム１は、鉛蓄電池２を補強するサブバッテリシステムである。鉛蓄電池２及び電源システム１が搭載される車両には、それらに関連する部材として、イグニッションスイッチ３、スタータ４、オルタネータ５及び電装品６が搭載される。
イグニッションスイッチ３はエンジン始動用のスイッチである。スタータ４はエンジン始動用のモータである。スタータ４は、鉛蓄電池２から供給される電力により回転し、エンジンを始動させる。運転者の操作によりイグニッションスイッチ３がオンされると、鉛蓄電池２から給電線Ｌ１を介してスタータ４に電力が供給され、スタータ４が始動する。オルタネータ５は、エンジンのクランク軸の回転エネルギーにより発電する。オルタネータ５は、発電した電力を給電線Ｌ１を介して、鉛蓄電池２及び／又は電源システム１に供給する。
電装品６は、ヘッドライト、パワーステアリング、オイルポンプ、カーナビゲーションシステム、オーディオなどの車両内に搭載される各種電気負荷（補機）を示す総称である。なお本明細書では説明の便宜上、スタータ４、オルタネータ５は電装品６と別に描いている。電装品６は、鉛蓄電池２及び／又は電源システム１から給電線Ｌ１を介して供給される電力により駆動される。
鉛蓄電池２は、オルタネータ５により発電された電力を蓄え、スタータ４及び電装品６に給電するためのメインバッテリである。電源システム１は、ニッケル水素蓄電池１０、管理装置２０、第１スイッチＳＷ１、シャント抵抗Ｒ１及びサーミスタＴ１を含む。ニッケル水素蓄電池１０は、オルタネータ５により発電された電力を蓄え、電装品６に給電するためのサブバッテリである。ニッケル水素蓄電池１０の容量は、鉛蓄電池２の容量より小さく設計される。鉛蓄電池２とニッケル水素蓄電池１０は並列接続される。
鉛蓄電池２は比較的安価、比較的広い温度範囲で動作可能、高出力などの長所があり、車両用の蓄電池として広く普及している。ただし充放電エネルギー効率が低い、過放電に弱い、サイクル寿命が短いなどの短所がある。ニッケル水素蓄電池１０は、充放電エネルギー効率が比較的高い、過充電および過放電に強い、使用温度範囲が広い、ＳＯＣ（State Of Charge）範囲が広い、サイクル寿命が比較的長いなどの長所がある。
なお、ニッケル水素蓄電池１０の代わりにリチウムイオン蓄電池を用いてもよい。リチウムイオン蓄電池は、エネルギー密度および充放電エネルギー効率が高く、高性能な蓄電池である。ただし、厳格な電圧・温度管理が必要となる。またニッケル水素蓄電池１０の代わりに、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ等のキャパシタを用いてもよい。
ニッケル水素蓄電池１０の正極は第１スイッチＳＷ１を介して給電線Ｌ１に接続され、ニッケル水素蓄電池１０の負極はグラウンドに接続される。第１スイッチＳＷ１には、リレー又は半導体スイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor））を用いることができる。ニッケル水素蓄電池１０の負極に接続される電流路にシャント抵抗Ｒ１が挿入される。なおシャント抵抗Ｒ１は、正極側に挿入されてもよい。ニッケル水素蓄電池１０の近傍にサーミスタＴ１が設置される。
図２は、図１の管理装置２０の詳細な構成を示す図である。管理装置２０は、電源回路２１、制御部２２、電圧検出回路２３、温度検出回路２４、電流検出回路２５、イグニッション入力信号検出回路２６、通信回路２７、第２スイッチＳＷ２、第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２を含む。本実施の形態では、これらが１つの制御基板に実装される。
電圧検出回路２３は、ニッケル水素蓄電池１０の電圧を検出して制御部２２に出力する。電圧検出回路２３は例えば、アンプ、ＡＤ変換器を含んで構成される。温度検出回路２４はサーミスタＴ１に接続され、サーミスタＴ１の出力値をもとにニッケル水素蓄電池１０の温度を検出して制御部２２に出力する。温度検出回路２４は例えば、分圧抵抗、アンプ、ＡＤ変換器を含んで構成される。電流検出回路２５はシャント抵抗Ｒ１の両端電圧をもとにニッケル水素蓄電池１０の電流を検出して制御部２２に出力する。電流検出回路２５は例えば、アンプ、ＡＤ変換器を含んで構成される。
イグニッション入力信号検出回路２６は、イグニッションスイッチ３の状態を示すイグニッション入力信号を検出して制御部２２に出力する。通信回路２７は、車両内の通信ネットワーク（例えば、ＣＡＮ（Controller Area Network））に接続するための通信処理を実行する。
制御部２２はニッケル水素蓄電池１０の状態を監視し、ニッケル水素蓄電池１０の充放電を制御する。制御部２２は例えば、ＣＰＵで構成される。制御部２２は電圧検出回路２３、温度検出回路２４及び電流検出回路２５から入力される電圧、温度、及び電流をもとにニッケル水素蓄電池１０の状態を管理する。例えば、電圧、温度、及び電流をもとに、ニッケル水素蓄電池１０のＳＯＣ(State Of Charge)管理、及びＳＯＨ（State Of Health）管理を行う。また制御部２２は、過電圧、過小電圧、高温異常、低温異常または過電流を検出すると、第１スイッチＳＷ１をターンオフして充放電を停止させる。また制御部２２は通信回路２７を介して、車両内の各種ＥＣＵ（Electronic Control Unit）と各種の情報をやりとりする。
電源回路２１は、電源システム１の外部の鉛蓄電池２から供給される電圧を降圧し、降圧した電圧を制御部２２、電圧検出回路２３、温度検出回路２４、電流検出回路２５、イグニッション入力信号検出回路２６、及び通信回路２７にそれぞれ電源電圧として供給する。電源回路２１は例えば、スイッチングレギュレータで構成され、鉛蓄電池２から供給される１２Ｖを３〜５Ｖに降圧する。
本実施の形態では電源回路２１は、電源システム１内のニッケル水素蓄電池１０からも電源供給を受けることができる。第２スイッチＳＷ２は、ニッケル水素蓄電池１０と電源回路２１との導通／非導通を制御するためのスイッチである。第２スイッチＳＷ２には、リレー又は半導体スイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ）を用いることができる。
鉛蓄電池２と電源回路２１との間に、鉛蓄電池２側がアノード及び電源回路２１側がカソードとなる向きに第１ダイオードＤ１が挿入される。第１ダイオードＤ１のカソード端子と電源回路２１間の第１接続点Ｎ１と、第２スイッチＳＷ２との間に、第２スイッチＳＷ２側がアノード及び第１接続点Ｎ１側がカソードとなる向きに第２ダイオードＤ２が挿入される。
電圧検出回路２３は、鉛蓄電池２と第１ダイオードＤ１間の第２接続点Ｎ２の電圧を、鉛蓄電池２の電圧として検出し、制御部２２に出力する。なお第１ダイオードＤ１のカソード側の電圧を検出すると、ニッケル水素蓄電池１０から電源回路２１に給電されている状態では鉛蓄電池２の電圧を正確に検出することができない。
以上の回路構成において第２スイッチＳＷ２は、イグニッション入力信号により制御される。具体的にはイグニッション入力信号がオンのときオン状態に制御され、イグニッション入力信号がオフのときオフ状態に制御される（第２スイッチＳＷ２の基本制御）。
また第２スイッチＳＷ２は、制御部２２からの信号により制御される。制御部２２は、電圧検出回路２３から入力される鉛蓄電池２の電圧が、所定の下限電圧（例えば、８Ｖ）を下回ったとき、第２スイッチＳＷ２にオン状態に制御する。
図３は、第２スイッチＳＷ２のオン／オフ状態をまとめた図である。イグニッション入力信号がオンのときは鉛蓄電池２の電圧に関係なく、第２スイッチＳＷ２はオン状態に制御される。イグニッション入力信号がオフのときは、鉛蓄電池２の電圧が正常な場合は第２スイッチＳＷ２がオフ状態に制御され、鉛蓄電池２の電圧が下限値未満の場合は第２スイッチＳＷ２がオン状態に制御される。
以上説明したように本実施の形態によれば、鉛蓄電池２が失陥した場合でも、ニッケル水素蓄電池１０からの電源供給により、ニッケル水素蓄電池１０の監視と第１スイッチＳＷ１の制御を継続することができる。従って鉛蓄電池２が失陥した場合でも、第１スイッチＳＷ１をオン状態に制御して、ニッケル水素蓄電池１０から電装品６に電源を供給することができる。従来は鉛蓄電池２が失陥した場合、ニッケル水素蓄電池１０の監視と第１スイッチＳＷ１の制御が停止し、ニッケル水素蓄電池１０に容量が残っていても、ニッケル水素蓄電池１０から電装品６に電源を供給することができなかった。このように本実施の形態によれば従来と比較して、ニッケル水素蓄電池１０の容量を有効活用することができる。
また、ニッケル水素蓄電池１０から電源回路２１への電源供給を、イグニッション入力信号がオフの間、遮断することで、鉛蓄電池２の容量よりニッケル水素蓄電池１０の容量を小さくすることができる。これに対して、イグニッション入力信号がオフの間もニッケル水素蓄電池１０から電源回路２１へ電源供給する場合、ニッケル水素蓄電池１０の容量低下を防ぐために、ニッケル水素蓄電池１０の容量を鉛蓄電池２の容量と同等にする必要がある。
鉛蓄電池２が失陥すると、鉛蓄電池２からイグニッションスイッチ３への給電も停止する。車両走行中に鉛蓄電池２が失陥した場合、イグニッション入力信号がオフの状態でも、ニッケル水素蓄電池１０から電源回路２１への給電を継続する必要性が高い。そこで、イグニッション入力信号がオンからオフに変化したとき、鉛蓄電池２の電圧が下限電圧を下回っている場合、制御部２２は鉛蓄電池２が失陥したと判定し、ニッケル水素蓄電池１０のＳＯＣが下限値に到達するまで、第２スイッチＳＷ２のオン状態を維持する。これにより、車両走行中に鉛蓄電池２が失陥しても、カーディーラや修理工場に自走で車両を移動させることができる。
また管理装置２０内において、鉛蓄電池２とニッケル水素蓄電池１０が直接導通しないように第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２を逆向きに挿入する。これにより、管理装置２０内に大きな循環電流が流れることを防止することができる。第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２が挿入されていない場合、鉛蓄電池２とニッケル水素蓄電池１０間に給電線Ｌ１と管理装置２０内の給電路を経由して、第１スイッチＳＷ１または第２スイッチＳＷ２の過渡状態において大電流が流れる可能性がある。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
例えば、管理装置２０内に鉛蓄電池２用の電源回路と、ニッケル水素蓄電池１０用の電源回路を２つ設けてもよい。この場合、管理装置２０内において第１ダイオードＤ１及び第２ダイオードＤ２を設けなくても、鉛蓄電池２とニッケル水素蓄電池１０を完全に分離することができる。
また上述の実施の形態では、メインバッテリに鉛蓄電池２を用いる例を説明したが、メインバッテリにもニッケル水素蓄電池またはリチウムイオン蓄電池を用いてもよい。
なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。
［項目１］
車両内の負荷（４、６）に給電するための第１蓄電デバイス（２）を補強する第２蓄電デバイス（１０）を管理する管理装置（２０）であって、
前記第１蓄電デバイス（２）から供給される電圧を降圧する電源部（２１）と、
前記電源部（２１）により生成される電圧を電源電圧とし、前記第２蓄電デバイス（１０）の状態を監視し、前記第２蓄電デバイス（１０）の充放電を制御する制御部（２２）と、
前記第２蓄電デバイス（１０）と前記電源部（２１）を導通／非導通するスイッチ（ＳＷ２）と、
を備えることを特徴とする管理装置（２０）。
これによれば、第２蓄電デバイス（１０）から必要に応じて電源部（２１）に給電することができ、第２蓄電デバイス（１０）を有効活用することができる。
［項目２］
前記スイッチ（ＳＷ２）は、イグニッションオン状態でオンし、イグニッションオフ状態でオフすることを特徴とする項目１に記載の管理装置（２０）。
これによれば、車両の停止中に第２蓄電デバイス（１０）の容量が管理装置（２０）で消費されることを防止することができる。
［項目３］
前記第１蓄電デバイス（２）の電圧を検出し、前記制御部（２２）に出力する電圧検出部（２３）をさらに備え、
前記制御部（２２）は、イグニッションオン状態からイグニッションオフ状態に変化し、かつ前記第１蓄電デバイス（２）の電圧が下限電圧を下回ったとき、前記スイッチ（ＳＷ２）のオン状態を維持するように制御することを特徴とする項目２に記載の管理装置（２０）。
これによれば、第１蓄電デバイス（２）が使用不能な状態になった場合でも、第２蓄電デバイス（１０）から管理装置（２０）への給電を継続させることができる。
［項目４］
前記第１蓄電デバイス（２）と前記第２蓄電デバイス（１０）は、並列接続されており、
前記第１蓄電デバイス（２）と前記電源部（２１）との間に、前記電源部（２１）側がカソードとなる向きに挿入される第１ダイオード（Ｄ１）と、
前記第１ダイオード（Ｄ１）のカソード端子と前記電源部（２１）との間の接続点（Ｎ１）と、前記スイッチ（ＳＷ２）との間に、前記接続点（Ｎ１）側がカソードとなる向きに挿入される第２ダイオード（Ｄ２）と、
をさらに備えることを特徴とする項目１から３のいずれかに記載の管理装置（２０）。
これによれば、第１蓄電デバイス（２）と第２蓄電デバイス（１０）間に循環電流が流れることを防止することができる。
［項目５］
前記第１蓄電デバイス（２）は、鉛蓄電池（２）であり、
前記第２蓄電デバイス（１０）は、ニッケル水素蓄電池（１０）またはリチウムイオン蓄電池であることを特徴とする項目１から４のいずれかに記載の管理装置（２０）。
これによれば、ニッケル水素蓄電池（１０）またはリチウムイオン蓄電池により、鉛蓄電池（２）を補強することができる。
［項目６］
車両内の負荷（４、６）に給電するための第１蓄電デバイス（２）を補強する第２蓄電デバイス（１０）と、
前記第２蓄電デバイス（１０）を管理する項目１から５のいずれかに記載の管理装置（２０）と、
を備えることを特徴とする電源システム（１）。
これによれば、第２蓄電デバイス（１０）から必要に応じて電源部（２１）に給電することができ、第２蓄電デバイス（１０）を有効活用できる電源システム（１）を構築することができる。
１ 電源システム、 ２ 鉛蓄電池、 ３ イグニッションスイッチ、 ４ スタータ、 ５ オルタネータ、 ６ 電装品、 １０ ニッケル水素蓄電池、 Ｌ１ 給電線、 ＳＷ１ 第１スイッチ、 ＳＷ２ 第２スイッチ、 Ｔ１ サーミスタ、 Ｒ１ シャント抵抗、 ２０ 管理装置、 ２１ 電源回路、 ２２ 制御部、 ２３ 電圧検出回路、 ２４ 温度検出回路、 ２５ 電流検出回路、 ２６ イグニッション入力信号検出回路、 ２７ 通信回路、 Ｄ１ 第１ダイオード、 Ｄ２ 第２ダイオード。

Claims (6)

  1. 車両内の負荷に給電するための第１蓄電デバイスを補強する第２蓄電デバイスを管理する管理装置であって、
    前記第１蓄電デバイスから供給される電圧を降圧する電源部と、
    前記電源部により生成される電圧を電源電圧とし、前記第２蓄電デバイスの状態を監視し、前記第２蓄電デバイスの充放電を制御する制御部と、
    前記第２蓄電デバイスと前記電源部を導通／非導通するスイッチと、
    を備えることを特徴とする管理装置。
  2. 前記スイッチは、イグニッションオン状態でオンし、イグニッションオフ状態でオフすることを特徴とする請求項１に記載の管理装置。
  3. 前記第１蓄電デバイスの電圧を検出し、前記制御部に出力する電圧検出部をさらに備え、
    前記制御部は、イグニッションオン状態からイグニッションオフ状態に変化し、かつ前記第１蓄電デバイスの電圧が下限電圧を下回ったとき、前記スイッチのオン状態を維持するように制御することを特徴とする請求項２に記載の管理装置。
  4. 前記第１蓄電デバイスと前記第２蓄電デバイスは、並列接続されており、
    前記第１蓄電デバイスと前記電源部との間に、前記電源部側がカソードとなる向きに挿入される第１ダイオードと、
    前記第１ダイオードのカソード端子と前記電源部との間の接続点と、前記スイッチとの間に、前記接続点側がカソードとなる向きに挿入される第２ダイオードと、
    をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の管理装置。
  5. 前記第１蓄電デバイスは、鉛蓄電池であり、
    前記第２蓄電デバイスは、ニッケル水素蓄電池またはリチウムイオン蓄電池であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の管理装置。
  6. 車両内の負荷に給電するための第１蓄電デバイスを補強する第２蓄電デバイスと、
    前記第２蓄電デバイスを管理する請求項１から５のいずれかに記載の管理装置と、
    を備えることを特徴とする電源システム。
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