WO2010021076A1 - 車両の電源装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

　二次電池１とキャパシタ２とを併設した車両の電源装置において、自己放電等で低下したキャパシタ２の電圧を迅速に充電回復させ、キャパシタ２の利用頻度を上げる。 　キャパシタ２と二次電池１の電流経路間に、ＭＯＳＦＥＴのような半導体スイッチを使用し、キャパシタからの放電を遮断する向きにボディダイオードを配した放電遮断スイッチを備え、この放電遮断スイッチと直列に、キャパシタ２への充電を遮断できる向きにボディダイオードを配した充電遮断スイッチ６と、この充電遮断スイッチ６と同様の向きの制限充電用スイッチ７と電流制限用抵抗８の直列体を並列に接続した構成として、前記キャパシタ２の充電時に、前記キャパシタと前記二次電池との電位差および前記キャパシタの温度によって充電モードを切替える。

Description

車両の電源装置およびその制御方法

　本発明は、キャパシタと二次電池のハイブリッド構成による車両の電源装置構成およびその制御方法に関する。

　環境問題への配慮や、国が定める燃費基準の強化を背景に、各自動車メーカは低環境負荷仕様の自動車の開発に力を入れている。内燃機関と電動機を組み合わせたハイブリッド自動車や、化石燃料を使用せず、電力だけで駆動する電気自動車などがその代表例である。また、アイドルストップシステムのように、既存のガソリン自動車に新しい燃費向上機能を追加することで燃費対策を講じているものもある。

　上記のように、様々な低環境負荷仕様の自動車が開発される中、アイドルストップシステムを搭載した自動車の市場は、今後急激に伸びていくと予想される。ハイブリッド車や電気自動車は、従来のガソリン自動車に比べて低燃費ではあるが、依然として開発コストの関係で車体価格が高く、一般に広く普及するには時間がかかると見られる。

　他方、アイドルストップシステムは、既存のガソリン車の車体構造を変更することなく採用可能な低燃費システムであり、ハイブリッド自動車などと比べて低コストでの開発が可能であることなどから、一般に普及し易いと予測される。

　アイドルストップシステム車両は、従来のガソリン車に搭載される鉛蓄電池に加えて補助的な蓄電デバイスが併設される場合が多い。これは、アイドルストップに際して生じる以下のような問題を解消するためである。ひとつに、エンジン一時停止の状態から再始動する際に、セルモータに大電流の供給が必要であるため、鉛蓄電池のみである場合、電源電圧が瞬間的に低下し、カーナビ、オーディオなどの車載電装品がリセットしてしまう。
さらに、エンジン始動回数が格段に増えるため、鉛蓄電池への負担が増し、電池が劣化しやすくなる。これらの問題を解消するために、鉛蓄電池とこれを補助する蓄電デバイスとを併設することで、車載電装品への安定した電力供給をしつつ確実なエンジン始動性を得ることと、二次電池の劣化低減を実現している。

　アイドルストップ車両に搭載される補助蓄電デバイスのひとつとしてキャパシタが知られている。キャパシタは、二次電池等と比べて出力特性に優れ、瞬間的な高出力が要求されるアイドルストップシステムには適した蓄電デバイスであると言える。

　ただし、キャパシタにも欠点はある。一般的にキャパシタは二次電池に比べて自己放電が大きいため、長期間充電せずに放置するとエンジン始動不可能なレベルまで電圧が低下することがある。

　キャパシタの電圧が低下している場合でも、キャパシタの代わりに鉛蓄電池等の二次電池でセルモータを駆動できるよう、両デバイスを電気的に並列接続し、どちらを使用するかを適宜スイッチで切替える手法が、特許文献１などで知られている。この特許文献１には、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子を用いて電気二重層キャパシタと鉛蓄電池等の二次電池との切替え回路を構成して、車両に適した電源装置を提供する方法が記載されている。

　ところで、自己放電等でキャパシタの電圧が低下していても、エンジン運転中にオルタネータからの電力供給により迅速にキャパシタを充電することができれば、エンジン再始動時のキャパシタ利用頻度を上げることができる。これにより、結果的に、二次電池の負担を減らすことが可能である。

　しかし通常、キャパシタを充電する際、充電開始時は電流量を制限して充電するプリチャージと呼ばれるステップを経るため、特に大容量のキャパシタを充電する場合は、充電完了までに時間がかかり、キャパシタ利用頻度を低下させてしまうという問題がある。

特開２００６－１５２８２０号公報

　本発明が解決しようとする課題は、上記のような二次電池とキャパシタとを併設した車両の電源装置において、キャパシタの充電を迅速に行い、自己放電などによって低下したキャパシタ電圧を回復させ、キャパシタの利用頻度を向上させることにある。

　特に、大容量キャパシタを充電する際、従来のように電流量を制限した充電では充電完了までに長時間を要してしまう。

　本発明は、より迅速にキャパシタを充電して、キャパシタ利用頻度を増すことで、結果として鉛蓄電池等の二次電池の負担を減らすことができる車両の電源装置を提供することを目的とする。

　本発明はその一面において、エンジン動力や車両減速エネルギによって発電する発電機と、鉛蓄電池等の二次電池と、キャパシタと、二次電池の電圧を検出する検出部と、キャパシタの電圧を検出する検出部とを備え、前記発電機の出力回路を、充電遮断用スイッチング素子と、放電遮断用スイッチング素子とを介して前記キャパシタに接続した車両の電源装置において、前記キャパシタの温度を検出する検出部と、電流抑制機能付充電遮断用スイッチング素子とを備え、前記二次電池と前記キャパシタの電位差および前記キャパシタの温度に基づいて、前記キャパシタを充電する経路を、前記充電遮断用スイッチング素子または前記電流抑制機能付充電遮断用スイッチング素子を経由するように切替える切替手段を備えたことを特徴とする。

　本発明の望ましい実施態様においては、前記切替手段は、前記キャパシタの電圧が前記二次電池の電圧よりも低く、かつ両者の電位差が、前記キャパシタの温度によって変動する規定値以下の場合、前記キャパシタを充電する経路を、前記充電遮断用スイッチング素子経由とし、前記両者の電位差が、前記キャパシタの温度によって変動する規定値を越えている場合、前記電流抑制機能付充電遮断用スイッチング素子を経由させる。

　本発明のもうひとつの望ましい実施態様においては、前記切替手段は、
（１）前記キャパシタの電圧が前記二次電池の電圧よりも低く、かつ両者の電位差が、前記キャパシタの温度によって変動する規定値以下の場合、前記キャパシタを充電する経路を、前記充電遮断用スイッチング素子経由とし、
（２）前記両者の電位差が、前記キャパシタの温度によって変動する規定値を越え、前記キャパシタの温度によって変動する第２の判定値以下の場合、オンした前記充電遮断用スイッチング素子経由でかつオフ状態にある前記放電遮断用スイッチング素子を経由させ、（３）前記両者の電位差が、前記キャパシタの温度によって変動する規定値を越え、かつ前記キャパシタの温度によって変動する第２の判定値をも越えている場合、前記電流抑制機能付充電遮断用スイッチング素子を経由させる。

　本発明の望ましい実施態様によれば、キャパシタ充電時、キャパシタと二次電池との電位差およびキャパシタ温度を判断材料とし、これらの条件によって、充電電流を制限しない経路でキャパシタを充電できる。このため、キャパシタ充電時間の短縮が可能となり、キャパシタ利用頻度を向上させることができる。さらに、これによって、鉛蓄電池等の二次電池への負担が軽減されるので、二次電池の小型化、低価格化、長寿命化、電源装置全体の高信頼化にも効果的である。

　本発明のその他の目的と特徴は、以下に述べる実施態様の中で明らかにする。

本発明の実施例１による車両の電源装置の構成図である。 本発明における実施例１の第１の制限制御モードでの回路図である。 本発明の実施例１における処理フローチャートである。 本発明の第１，実施例２の第２の制限制御モードでの回路図である。 本発明における実施例２の第３の制限制御モードでの回路図である。 本発明における実施例２における処理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説明する。

　図１は、本発明の実施例１による車両の電源装置の制御構成図である。

　本実施例の構成は、まず、電源として、鉛蓄電池などの二次電池１とキャパシタ２を備え、これら二次電池の電圧を検出する検出部３、キャパシタの電圧を検出する検出部４を設けている。また、充放電制御用デバイスとして、放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ５、充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ６、および制限充電用ＭＯＳＦＥＴ７と充電電流制限用の抵抗８を備えている。さらに、充電用の電源となる車両のオルタネータ９がある。そして、充放電制御を実行するための、ＭＯＳＦＥＴスイッチの制御回路１０およびキャパシタの温度検出手段（図示せず）を備えている。

　電力経路においては、キャパシタ２から二次電池１へのプラス側の供給経路において、キャパシタ２に対して、放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ５と充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ６が直列に接続されている。また、制限充電用ＭＯＳＦＥＴ７と電流制限用抵抗８の直列体が、充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ６に並列に接続された構成となっている。

　放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ５は、ボディダイオードがキャパシタ２の放電方向と逆向きとなるように接続され、充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ６と制限充電用ＭＯＳＦＥＴ７は、キャパシタ２への充電方向とボディダイオードの向きが逆向きとなるように接続されている。

　次に、本実施例の制御方法について述べる。

　通常状態においては、放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ５、充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ６、制限充電用ＭＯＳＦＥＴ７はいずれもオンの状態となっている。

　電源装置起動時、はじめにＭＯＳＦＥＴスイッチ制御回路１０は、キャパシタ２の電圧と、二次電池１の電圧とを検出し、その電位差を計算する。同時に制御回路１０は、キャパシタ２の温度情報を取り込む。キャパシタ２の電圧が、二次電池１の電圧よりも低く、かつ両者の電位差が、キャパシタ２の温度に依存して決まる閾値を越えている場合は、次に説明する第１の制限制御モードとなる。

　図２は、本発明の実施例１における第１の制限制御モードでの回路図である。

　図３は、後述する第２の制限制御モードと併せた処理フローチャートである。

　図３のステップ３０１において、キャパシタ２の電圧が、二次電池１の電圧よりも低く、かつ両者の電位差が、キャパシタ２の温度に依存して決まる閾値（１）を越えていると判定した場合は、ステップ３０２に進む。ステップ３０２において、第１の制限制御モードとして、充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ６をオフするモードとなる。この充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ６がオフとなると、ステップ３０３のキャパシタ２の充電時の電流経路は、制限充電用ＭＯＳＦＥＴ７および電流制限用抵抗８を通過し、放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ５を経てキャパシタ２へと電流が流れることとなる。この電流経路では、電流制限用抵抗８によって、充電電流の大きさが低減される。

　本第１の制限制御モードにより、自己放電などにより電圧が低下しているキャパシタを充電する際、充電電流量を低減できるため、大電流が流れ込むことによるキャパシタのセルの故障や劣化を抑制することができる。

　次に、制御回路１０が第２の制限制御モードとなる場合について説明する。キャパシタ２の電圧が二次電池１の電圧よりも低く、かつ両者の電位差が、キャパシタの温度に依存して決まる閾値以下である場合、図３のステップ３０４に進み、ステップ３０５でのキャパシタ２の充電電流経路は、図４に示す第２の制限制御モードとなる。

　第２の制限制御モードとしては、制限充電用ＭＯＳＦＥＴ７をオフするモードとなる。
この制限充電用ＭＯＳＦＥＴ７がオフされると、キャパシタ２の充電時の電流経路は、充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ６および放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ５を経てキャパシタ２へと電流が流れ込むこととなる。この電流経路では、前記第１の制限制御モードに比べると電流制限抵抗等がないが、キャパシタセルの温度に依存するキャパシタの内部抵抗が電流制限抵抗と同等の役割を果たすため、充電開始時に大電流が流れ込むことはない。

　キャパシタの充電が進むと、セル自体の発熱によりキャパシタの内部抵抗は減少してくる。しかし、充電と同時にキャパシタの電位が上昇し、二次電池との電位差が少なくなるため、充電でキャパシタに流れ込んでくる電流値の急激な増加は抑制され、キャパシタセルを故障させることはない。

　このように、自己放電などにより電圧が低下しているキャパシタを充電する際、電池とキャパシタの電位差が、キャパシタの温度によって変動する電位差閾値以下であれば、キャパシタの内部抵抗が規定値よりも大きいと判断できる。したがって、電流制限用抵抗を通さずに充電できる。このため、キャパシタ２と二次電池１との電位差だけで充電経路を判定する制御方法に比べると充電時間の短縮が可能である。

　本実施例では、実施例１の制限制御に追加して、第３の制限制御モードを設けたことが特徴である。以下にその詳細を述べる。

　図５は、本発明の実施例２における第３の制限制御モードでの回路図である。

　図６は、本発明の実施例２における処理フローチャートである。

　図６のステップ６０１において、キャパシタ２の電圧が、二次電池１の電圧よりも低く、かつ両者の電位差が、キャパシタ２の温度に依存して決まる閾値（２）を越えていると判定した場合は、ステップ６０２に進む。この閾値（２）は、実施例１における閾値よりも若干大きく設定してある。ステップ６０２においては、実施例１と同様に、第１の制限制御モードとして、充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ６をオフするモードとなる。この充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ６がオフとなると、ステップ６０３のキャパシタ２の充電時の電流経路は、電流制限用抵抗８によって、充電電流の大きさが低減される。

　本第１の制限制御モードにより、自己放電などにより電圧が低下しているキャパシタを充電する際、充電電流量を低減できるため、大電流が流れ込むことによるキャパシタのセルの故障や劣化を抑制することができることは、実施例１と同じである。

　次に、制御回路１０が第２の制限制御モードとなる場合について説明する。キャパシタ２の電圧が二次電池１の電圧よりも低く、かつ両者の電位差が、キャパシタの温度に依存して決まる閾値（１）（実施例１に同じ）以下である場合には、図６のステップ６０４からステップ６０５に進む。そして、ステップ６０６でのキャパシタ２の充電時の電流経路は、図４に示したような第２の制限制御モードとなる。

　第２の制限制御モードは、前述したように、制限充電用ＭＯＳＦＥＴ７をオフするモードであり、キャパシタ２の充電時の電流経路は、充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ６および放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ５を経てキャパシタ２へと電流が流れ込む。この電流経路では、キャパシタセルの温度に依存するキャパシタの内部抵抗が電流制限抵抗と同等の役割を果たすため、充電開始時に大電流が流れ込むことはない。その他は、実施例１で述べたとおりである。

　次に、第３の制限制御モードについて説明する。

　図６において、ステップ６０４で、前記両者の電位差が、キャパシタのセル温度に依存する電位差閾値（１）を超えていると判定すると、第３の制限制御モードとなり、ステップ６０７，６０８へ移行する。

　第３の制限制御モードとしては、制限充電用ＭＯＳＦＥＴ７および放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ５をオフするモードとなる。この場合、キャパシタ２の充電時の電流経路は、前記第２の制限制御のモードと似ている。しかし、放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ５がオフされていることから、放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ５がオンされている時に比べ、そのボディダイオードの順方向電圧降下の分だけ電圧が下がる。したがって、二次電池１側からみたキャパシタ側の直列抵抗成分の大きさは、前記第２の制限制御モードよりも大きく見える。

　本制限制御を追加することにより、実施例１では第１の制限制御モードで充電しなければならない状況であっても、放電遮断用ＭＯＳＦＥＴをオフすることで充電経路の直列抵抗成分を増加させ、電流制限用抵抗８を使用しないで済む充電ケースが増える。結果としてキャパシタ２の平均充電時間を短縮させ、キャパシタ利用頻度を向上できる。

　以上の実施例においては、各ＭＯＳＦＥＴにＮチャネルＭＯＳＦＥＴを使用し、より低抵抗な構成としたが、各ＭＯＳＦＥＴのすべてもしくはいずれか１つにＰチャネルＭＯＳＦＥＴを使用しても構わないし、同様の機能を実現できるものを適用しても構わない。

　また、放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ５、充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ６、制限充電用ＭＯＳＦＥＴ７にＮチャネルＭＯＳＦＥＴを使用し、ＭＯＳＦＥＴスイッチの制御回路１０内にＭＯＳＦＥＴのゲート駆動用の昇圧型ゲートドライバを備えているものを想定している。しかし、昇圧型ゲートドライバはチャージポンプ型等ＮチャネルＭＯＳＦＥＴのゲート駆動可能なものであれば構わない。

　ＭＯＳＦＥＴスイッチの制御回路には、前記ゲート駆動機能に加えて、各部電圧の監視機能、上位ＥＣＵへの通信機能等を備える。制御回路には専用のＩＣや汎用マイコンを使用することを想定しているが、同様の機能が実現できるものであれば構わない。

　ＭＯＳＦＥＴスイッチの制御回路の各部の電圧の監視機能は、内蔵したＡ／Ｄコンバータを想定しているが、同様の機能が実現できるものであれば構わない。また、監視する各部電圧は、鉛蓄電池等の二次電池の総電圧、キャパシタ電圧、温度検出手段の出力を想定しているが、必要に応じて追加、削除しても構わない。

　温度検出手段は、ＮＴＣサーミスタもしくはＰＴＣサーミスタと抵抗の分圧による検出や温度ＩＣによる検出を想定しているが、これも同様の機能が実現できるものであれば構わない。温度検出の対象としては、キャパシタセル、基板、筐体を想定しているが、必要に応じて追加しても構わない。また、検出した温度値は、制御回路に内蔵したＡ／Ｄコンバータにより取得することを想定しているが、これも同様の機能が実現できるものであれば構わない。

　本実施例では、キャパシタとして過放電閾値を持つハイブリッドキャパシタを適用し、実施例１および実施例２に加えて、ハイブリッドキャパシタの下限電圧への対応も追加したことが特徴である。以下にその詳細を述べる。

　制御回路が、ハイブリッドキャパシタのセル電圧が所定の下限値を下回っているかどうかを判定する。ハイブリッドキャパシタのセル電圧が所定の下限値を下回っていた場合は、第４の制限制御モードになる。

　第４の制限制御としては、放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ５をオフとする。これにより、キャパシタ側からの放電はなくなり、充電のみが許可される。また、本制限制御により、二次電池１への電流の流れ込みが停止されるため、過放電によるセルの故障を防止できる。ハイブリッドキャパシタは過放電の状態になると、内部でガス発生等が生じることがあり、キャパシタの性能が著しく劣化するため、本制御はハイブリッドキャパシタの、安全性向上および長寿命化に効果的である。

　以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

　１…二次電池、２…キャパシタ、３…二次電池の電圧を検出する検出部、４…キャパシタの電圧を検出する検出部、５…放電遮断用ＭＯＳＦＥＴ、６…充電遮断用ＭＯＳＦＥＴ、７…制限充電用ＭＯＳＦＥＴ、８…充電電流制限用の抵抗、９…オルタネータ、１０…ＭＯＳＦＥＴスイッチ制御回路。

Claims (10)

1. 　エンジン動力や車両減速エネルギによって発電する発電機と、鉛蓄電池等の二次電池と、キャパシタと、二次電池の電圧を検出する検出部と、キャパシタの電圧を検出する検出部とを備え、
   　前記発電機の出力回路を、充電遮断用スイッチング素子と、放電遮断用スイッチング素子とを介して前記キャパシタに接続した車両の電源装置において、前記キャパシタの温度を検出する検出部と、電流抑制機能付充電遮断用スイッチング素子とを備え、前記二次電池と前記キャパシタの電位差および前記キャパシタの温度に基づいて、前記キャパシタを充電する経路を、前記充電遮断用スイッチング素子または前記電流抑制機能付充電遮断用スイッチング素子を経由するように切替える切替手段を備えたことを特徴とする車両の電源装置。
2. 　請求項１において、前記電流抑制機能付充電遮断用スイッチング素子は、スイッチング素子と充電電流制限用の抵抗の直列回路を備えたことを特徴とする車両の電源装置。
3. 　請求項１において、前記切替手段は、前記キャパシタの電圧が前記二次電池の電圧よりも低く、かつ両者の電位差が、前記キャパシタの温度によって変動する規定値以下の場合、前記キャパシタを充電する経路を、前記充電遮断用スイッチング素子経由とし、前記両者の電位差が、前記キャパシタの温度によって変動する規定値を越えている場合、前記電流抑制機能付充電遮断用スイッチング素子を経由させることを特徴とする車両の電源装置。
4. 　請求項１において、前記切替手段は、
   （１）前記キャパシタの電圧が前記二次電池の電圧よりも低く、かつ両者の電位差が、前記キャパシタの温度によって変動する規定値以下の場合、前記キャパシタを充電する経路を、前記充電遮断用スイッチング素子経由とし、
   （２）前記両者の電位差が、前記キャパシタの温度によって変動する規定値を越え、前記キャパシタの温度によって変動する第２の判定値以下の場合、オンした前記充電遮断用スイッチング素子経由でかつオフ状態にある前記放電遮断用スイッチング素子を経由させ、
   （３）前記両者の電位差が、前記キャパシタの温度によって変動する規定値を越え、かつ前記キャパシタの温度によって変動する第２の判定値をも越えている場合、前記電流抑制機能付充電遮断用スイッチング素子を経由させることを特徴とする車両の電源装置。
5. 　請求項１において、前記キャパシタの電圧が、その上限電圧よりも上回ったとき、前記充電遮断用スイッチング素子をオフする充電阻止手段を備えたことを特徴とする車両の電源装置。
6. 　請求項１において、前記キャパシタは、正極材および負極材に異なる電極材料を用いたハイブリッド構成であって、負極にリチウムイオンがドープされたハイブリッドキャパシタであることを特徴とする車両の電源装置。
7. 　請求項６において、前記ハイブリッドキャパシタの電圧が、過放電電圧閾値を下回ったとき、前記放電遮断用スイッチング素子をオフする放電阻止手段を備えたことを特徴とする車両の電源装置。
8. 　請求項１において、前記スイッチング素子の制御用に１つの判別制御手段を備えたことを特徴とする車両の電源装置。
9. 　請求項１において、前記スイッチング素子は、それぞれ、ＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする車両の電源装置。
10. 　エンジン動力や車両減速エネルギによって発電する発電機と、鉛蓄電池等の二次電池と、キャパシタと、二次電池の電圧を検出する検出部と、キャパシタの電圧を検出する検出部とを備え、前記発電機の出力回路を、充電遮断用スイッチング素子と、放電遮断用スイッチング素子とを介して前記キャパシタに接続した車両の電源装置制御方法において、前記キャパシタの温度を検出するステップと、前記二次電池と前記キャパシタの電位差および前記キャパシタの温度に基づいて、前記キャパシタを充電する経路を、前記充電遮断用スイッチング素子または電流抑制機能付きの充電遮断用スイッチング素子を経由するように切替えるステップを備えたことを特徴とする車両の電源装置制御方法。

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