WO2018078785A1 - 車両用電源システムの制御方法および車両用電源システム - Google Patents

Abstract

ジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを遮断した状態で鉛酸蓄電池4を充電中、ドライバが自動運転を要求した場合には、鉛酸蓄電池4の充電率が所定%未満であってジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを導通させ、ドライバが自動運転を要求しない場合には、鉛酸蓄電池4の充電率が所定%に達した後にジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを導通させる。

Description

車両用電源システムの制御方法および車両用電源システム

　本発明は、車両用電源システムの制御方法および車両用電源システムに関する。

　特許文献１には、第１蓄電デバイスと第１蓄電デバイスよりも内部抵抗が小さな第２蓄電デバイスを有する車両用電源システムが開示されている。

特開2015-204699号公報

　本発明の目的の一つは、発電機と第２蓄電デバイスとを遮断した状態で第１蓄電デバイスの充電中にドライバの自動運転要求がなされたとき、充電遅延の抑制と自動運転に必要な電力の確保とを両立できる車両用電源システムの制御方法および車両用電源システムを提供することにある。

　本発明の一実施形態にかかる車両用電源システムの制御方法は、発電機と第２蓄電デバイスとを遮断した状態で第１蓄電デバイスを充電中、ドライバが自動運転を要求した場合には、第１蓄電デバイスの充電率が所定充電率未満であっても発電機と第２蓄電デバイスとを導通させ、ドライバが自動運転を要求しない場合には、第１蓄電デバイスの充電率が所定充電率に達した後に発電機と前記第２蓄電デバイスとを導通させる。

　よって、本発明にあっては、充電遅延の抑制と自動運転に必要な電力の確保とを両立できる。

実施形態１の車両用電源システムの構成図である。 実施形態１におけるコントローラ8の処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態２におけるコントローラ8の処理の流れを示すフローチャートである。 実施形態３におけるコントローラ8の処理の流れを示すフローチャートである。

1　車両用電源システム
2　ジェネレータ（発電機）
3　スタータ
4　鉛酸蓄電池（第１蓄電デバイス）
5　リチウムイオン蓄電池（第２蓄電デバイス）
6　リレー
7　電装品
8　コントローラ
9　給電線

　〔実施形態１〕
  図１は、実施形態１の車両用電源システム1の構成図である。
  実施形態１の車両用電源システム（以下、電源システム）1は、エンジン（内燃機関）を駆動源として走行する車両に搭載されている。電源システム1は、ジェネレータ（発電機）2、スタータ3、鉛酸蓄電池（第１蓄電デバイス）4、リチウムイオン蓄電池（第２蓄電デバイス）5、リレー6、電装品7およびコントローラ8を有する。鉛酸蓄電池4、リチウムイオン蓄電池5、スタータ3および電装品7は、給電線9によりジェネレータ2に対して並列に接続する。給電線9は、上記の各電気要素について相互に給電経路を形成する。

　ジェネレータ2は、エンジンの回転を駆動源とする交流発電機、整流器およびボルテージレギュレータを有するオルタネータである。交流発電機は、エンジンのクランク軸と直接またはベルトやプーリを介して間接的に連結する。交流発電機が発電した交流電力は整流器で直流電力に整流され、鉛酸蓄電池4およびリチウムイオン蓄電池5に蓄えられる。ボルテージレギュレータは、ジェネレータ2の出力電圧を設定された発電指示電圧に維持する。
  スタータ3は、エンジン始動時にエンジンのクランク軸と歯車機構を介して噛み合い、クランク軸に対して外部よりトルクを与えてエンジンを始動させる。

　鉛酸蓄電池4は、電極に鉛を用いた周知の汎用蓄電池である。
  リチウムイオン蓄電池5は、電極にリチウムイオンを用いた蓄電池である。リチウムイオン蓄電池5は、鉛酸蓄電池4に比べて部品の内部抵抗が小さいため、大電流充電（短時間充電）および大電流放電（高出力）の特性に優れている。リチウムイオン蓄電池5は、複数の単電池を直列に接続した組電池を有する。
  リレー6は、リチウムイオン蓄電池5のプラス端子側でリチウムイオン蓄電池5と直列に接続する。リレー6は、ジェネレータ2およびリチウムイオン蓄電池5間の導通および遮断を切り替える。リレー6は、非通電時にオフ（開）し、通電時にオン（閉）するノーマルオープン型の機械式リレーである。リレー6の開閉は、コントローラ8が行う。

　電装品7は、ジェネレータ2およびスタータ3を除く電気負荷（例えば、ワイパモータ、ヘッドライト、エアコンディショナおよびオーディオ機器等）である。電装品7は、自動運転や燃費制御に用いるアクチュエータおよびコントローラを含む。自動運転は、自動停止ブレーキのような部分的自動運転を含む。燃費制御は、アイドルストップ、減速時にエンジンを停止するコーストストップ、コースト走行中にエンジンを停止するセーリングストップ、発進加速時にスタータ3を駆動するトルクアシスト等である。

　コントローラ8は、リレー6の開閉を制御する。コントローラ8は、イグニッションスイッチ信号、鉛酸蓄電池4のSOC（State Of Charge：充電率[%]。電気容量に対して、充電している電気量を比率で表したもの）および自動運転スイッチ信号に応じてリレー6を開閉するための信号を生成する。自動運転スイッチ信号は、ドライバにより自動運転スイッチがオンされるとオン、オフされるとオフとなる。さらに、コントローラ8は、自動運転スイッチ信号およびリレー6の状態に応じて自動運転モードを許可または禁止する。実施形態１では、コントローラ8により自動運転が禁止されている間は自動運転モードに移行しないものとする。

　コントローラ8は、イグニッションオンからの初回エンジン始動後において、鉛酸蓄電池4の充電中にドライバが自動運転スイッチをオンしたとき、鉛酸蓄電池4の充電遅延の抑制と自動運転に必要な電力の確保との両立を狙いとし、図２に示す制御を実行する。
  図２は、コントローラ8の処理の流れを示すフローチャートである。コントローラ8は、この処理を所定のサンプリング周期で繰り返し実行する。
  ステップS1では、イグニッションスイッチ信号がオンであるかを判定する。YESの場合はステップS2へ進み、NOの場合はステップS3へ進む。
  ステップS2では、鉛酸蓄電池4のSOCが充電完了を示す所定%（例えば80%）以上であるかを判定する。YESの場合はステップS4へ進み、NOの場合はステップS5へ進む。SOCの算出方法は任意であり、例えば周知の充電積算法や開放電圧法等を用いて算出する。
  ステップS3では、リレー6をオフ(開)する。
  ステップS4では、リレー6をオン（閉）する。

　ステップS5では、自動運転スイッチ信号がオンであるかを判定する。YESの場合はステップS7へ進み、NOの場合はステップS8へ進む。
  ステップS6では、自動運転スイッチ信号がオンであるかを判定する。YESの場合はステップS10へ進み、NOの場合はリターンへ進む。
  ステップS7では、鉛酸蓄電池4のSOCがSOC下限閾値よりも高いかを判定する。YESの場合はステップS8へ進み、NOの場合はリターンへ進む。SOC下限閾値は、充電完了を示す所定%よりも低い値であって、この値以下で使用すると鉛酸蓄電池4の劣化が促進されるSOC（例えば50%）とする。
  ステップS8では、ステップS9では、リレー6をオンする。
  ステップS10では、自動運転を許可する。

　次に、実施形態１の作用効果を説明する。
  図２に示したフローチャートにおいて、イグニッションオフ時は、S1→S3へと進む流れとなり、リレー6をオフし、リチウムイオン蓄電池5を電源システム1から切り離す。よって、イグニッションオフ時には、鉛酸蓄電池4のみが電装品7へ電力を供給する。
  イグニッションスイッチがオンされた後、鉛酸蓄電池4の充電完了前に自動運転スイッチがオンされると、鉛酸蓄電池4のSOCがSOC下限閾値を超えるまでの間、S1→S2→S5→S7へと進む流れとなり、鉛酸蓄電池4のみを充電する。鉛酸蓄電池4のSOCがSOC下限閾値を超えると、S1→S2→S5→S7→S8→S9へと進む流れとなり、リレー6をオンし、リチウムイオン蓄電池5を電源システム1に接続すると共に、自動運転を許可する。その後、鉛酸蓄電池4の充電完了前に自動運転スイッチがオフされると、S1→S2→S5→S7へと進む流れに戻り、リチウムイオン蓄電池5を電源システム1から切り離し、鉛酸蓄電池4のみを充電する。

　近年、燃費制御の性能向上を目的として、従来の鉛酸蓄電池に加えて鉛酸蓄電池よりも充放電性能に優れたリチウムイオン蓄電池を備えた車両用電源システムが知られている。この２つの蓄電デバイスを備えた電源システムでは、駐車中（イグニッションオフ中）におけるリチウムイオン蓄電池の過放電を防止すべく、イグニッションオフ時はリチウムイオン蓄電池をシステムから切り離し、鉛酸蓄電池のみで電装品に電力供給（暗電流供給）を行っている。つまり、鉛酸蓄電池はイグニッションオフ中もSOCが低下するため、イグニッションオンからの初回エンジン始動後は、燃費制御開始の早期化を図るために、リチウムイオン蓄電池をシステムから切り離した状態のまま、鉛酸蓄電池のみを充電するのが好ましい。鉛酸蓄電池の充電中にリチウムイオン蓄電池をジェネレータに接続すると、発電電力の大部分が内部抵抗の低いリチウムイオン蓄電池に充電されてしまうため、鉛酸蓄電池の充電が遅れ、燃費制御開始の早期化が阻害される。加えて、大電流が流れることでジェネレータの負荷が過大となる。

　一方、自動運転モードを有する車両では、オルタネータ（ジェネレータ）が故障した場合であっても、ドライバに警告を発してからドライバが運転状態に復帰するまでの間に車両を安全に保つための電力を供給しなければならない。この期間はドライバの運転操作を期待できないため、自動運転モードを有さない車両におけるオルタネータ故障時に要求される電力（鉛酸蓄電池が供給可能な最大電力）よりも大きな電力を担保する必要がある。つまり、自動運転を開始するためには、リチウムイオン蓄電池がシステムに接続されていることが必須条件である。
  このため、上記鉛酸蓄電池の充電中にドライバが自動運転スイッチをオンしても、リチウムイオン蓄電池がシステムから切り離されているため、自動運転モードに移行できず、ドライバの利便性を損なう。

　これに対し、実施形態１では、ジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを遮断した状態で鉛酸蓄電池4を充電中、ドライバが自動運転を要求した場合には、鉛酸蓄電池4の充電率が所定%未満であってジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを導通させ、ドライバが自動運転を要求しない場合には、鉛酸蓄電池4の充電率が所定%に達した後にジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを導通させる。これにより、ドライバが自動運転を要求していない場合には、鉛酸蓄電池4の充電を優先し、鉛酸蓄電池4の充電遅延を抑制できる。よって、燃費制御開始を早期化できる。一方、ドライバが自動運転を要求している場合には、鉛酸蓄電池4が充電中であっても電源システム1にリチウムイオン蓄電池5を接続することで、自動運転に必要な電力を確保できる。よって、自動運転を即時開始でき、ドライバの利便性を向上できる。

　また、ドライバの自動運転要求時に鉛酸蓄電池4のSOCがSOC下限閾値未満の場合には、ジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5との遮断状態を維持する。これにより、鉛酸蓄電池4の寿命が著しく低下するのを抑制できる。

　実施形態１では、イグニッションオフ時にジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを遮断し、イグニッションオンから初回エンジン始動後に鉛酸蓄電池4を充電する。これにより、駐車中におけるリチウムイオン蓄電池5の過放電を防止できると共に、燃費制御開始の早期化が図れる。

　実施形態１の電源システム1は、エンジンにより駆動されるジェネレータ2と、ジェネレータ2に対してそれぞれ並列に接続する鉛酸蓄電池4および鉛酸蓄電池4よりも内部抵抗が小さなリチウムイオン蓄電池5と、ジェネレータ2およびリチウムイオン蓄電池5間の導通および遮断を切り替えるリレー6と、リレー6のオフ状態で鉛酸蓄電池4を充電中、ドライバが自動運転を要求した場合には、鉛酸蓄電池4の充電率が所定%未満であってもリレー6をオン状態とし、ドライバが自動運転を要求しない場合には、鉛酸蓄電池4のSOCが所定%に達した後にリレー6をオン状態とするコントローラ8と、を備える。これにより、鉛酸蓄電池4の充電遅延の抑制と自動運転に必要な電力の確保とを両立できる。

　〔実施形態２〕
  実施形態２の基本的な構成は実施形態１と同じであるため、実施形態１と相違する部分のみ説明する。
  図３は、実施形態２におけるコントローラ8の処理の流れを示すフローチャートである。
  ステップS10では、停車中（車速≒0）であるかを判定する。YESの場合はリターンへ進み、NOの場合はステップS8へ進む。

　次に、実施形態２の作用効果を説明する。
  図３に示したフローチャートにおいて、鉛酸蓄電池4の充電中に自動運転スイッチがオンされると、ステップS10で停車判定を行う。ステップS10で停車中と判定された場合には、S1→S2→S5へと進む流れとなり、鉛酸蓄電池4のみを充電する。ステップS10で走行中と判定された場合には、S1→S2→S5→S10→S8→S9へと進む流れとなり、リレー6をオンし、リチウムイオン蓄電池5を電源システム1に接続すると共に、自動運転を許可する。

　実施形態２では、自動運転要求時に車両が停止している場合には、ジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5との遮断状態を維持し、自動運転は許可しない。停車中に実施される自動運転（例えば自動発進）に必要な電力量は小さいため、電源冗長は不要である。また、停車中は自動運転に必要な電力が不足しても直ちに車両が不安定な状態となることはない。よって、この場合はジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5との遮断状態を維持することにより、車両挙動の不安定化を招くことなく鉛酸蓄電池4の充電を早期化できる。
  他の作用効果は実施形態１と同じであるため、説明は省略する。

　〔実施形態３〕
  実施形態３の基本的な構成は実施形態１と同じであるため、実施形態１と相違する部分のみ説明する。
  図４は、実施形態３におけるコントローラ8の処理の流れを示すフローチャートである。
  ステップS11では、ジェネレータ2が故障しているかを判定する。YESの場合はステップS8へ進み、NOの場合はステップS9へ進む。

　次に、実施形態３の作用効果を説明する。
  図４に示したフローチャートにおいて、鉛酸蓄電池4の充電中に自動運転スイッチがオンされ、鉛酸蓄電池4のSOCがSOC下限閾値を超えると、ステップS10でジェネレータ2の故障判定を行う。ステップS10でジェネレータ2が故障していない判定された場合には、S1→S2→S5→S7→S11→S9へと進む流れとなり、リレー6をオフしたまま自動運転を許可する。ステップS10でジェネレータ2が故障していると判定された場合には、S1→S2→S5→S7→S11→S8→S9へと進む流れとなり、リレー6をオンし、リチウムイオン蓄電池5を電源システム1に接続すると共に、自動運転を許可する。

　実施形態３では、自動運転要求時にジェネレータ2が故障していない場合には、ジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを遮断させた状態で自動運転を許可する。ジェネレータ2が正常に動作している場合には、リチウムイオン蓄電池5が電源システム1に接続されていなくても、ジェネレータ2および鉛酸蓄電池4によって自動運転に必要な電力を担保できる。つまり、ジェネレータ2が故障していない場合には電源冗長は不要である。よって、この場合はジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5との遮断状態を維持することにより、自動運転に必要な電力を確保しつつ鉛酸蓄電池4の充電を早期化できる。一方、自動運転要求時にジェネレータ2が故障した場合には、ジェネレータ2とリチウムイオン蓄電池5とを接続し、自動運転を許可する。ジェネレータ2が故障すると自動運転に必要な電力を担保できないため、この場合は鉛酸蓄電池4が充電中であっても電源システム1にリチウムイオン蓄電池5を接続することで、自動運転に必要な電力を確保できる。
  他の作用効果は実施形態１と同じであるため、説明は省略する。

　〔他の実施形態〕
  以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明の具体的な構成は、実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。例えば、第１蓄電デバイスおよび第２蓄電デバイスの少なくとも一方をキャパシタとしてもよい。

Claims (6)

1. 　内燃機関により駆動される発電機と、
   　前記発電機に対してそれぞれ並列に接続する第１蓄電デバイスおよび前記第１蓄電デバイスよりも内部抵抗が小さな第２蓄電デバイスと、
   　を備える車両用電源システムの制御方法であって、
   　前記発電機と前記第２蓄電デバイスとを遮断した状態で前記第１蓄電デバイスを充電中、ドライバが自動運転を要求した場合には、前記第１蓄電デバイスの充電率が所定充電率未満であっても前記発電機と前記第２蓄電デバイスとを導通させ、ドライバが自動運転を要求しない場合には、前記第１蓄電デバイスの充電率が前記所定充電率に達した後に前記発電機と前記第２蓄電デバイスとを導通させる車両用電源システムの制御方法。
2. 　請求項１に記載の車両用電源システムの制御方法において、
   　前記自動運転要求時に前記第１蓄電デバイスの充電率が前記所定充電率よりも低い下限閾値未満の場合には、前記発電機と前記第２蓄電デバイスとの遮断状態を維持する車両用電源システムの制御方法。
3. 　請求項１または２に記載の車両用電源システムの制御方法において、
   　前記自動運転要求時に車両が停止している場合には、前記発電機と前記第２蓄電デバイスとの遮断状態を維持する車両用電源システムの制御方法。
4. 　請求項１ないし３のいずれかに記載の車両用電源システムの制御方法において、
   　前記自動運転要求時に前記発電機が故障していない場合には、前記発電機と前記第２蓄電デバイスとの遮断状態を維持し、自動運転を許可する車両用電源システムの制御方法。
5. 　請求項１ないし４のいずれかに記載の車両用電源システムの制御方法において、
   　イグニッションオフ時に前記発電機と前記第２蓄電デバイスとを遮断し、イグニッションオンからの初回内燃機関始動後に前記第１蓄電デバイスを充電する車両用電源システムの制御方法。
6. 　内燃機関により駆動される発電機と、
   　前記発電機に対してそれぞれ並列に接続する第１蓄電デバイスおよび前記第１蓄電デバイスよりも内部抵抗が小さな第２蓄電デバイスと、
   　前記発電機および前記第２蓄電デバイス間の導通および遮断を切り替えるリレーと、
   　前記リレーのオフ状態で前記第１蓄電デバイスを充電中、ドライバが自動運転を要求した場合には、前記第１蓄電デバイスの充電率が所定充電率未満であっても前記リレーをオン状態とし、ドライバが自動運転を要求しない場合には、前記第１蓄電デバイスの充電率が前記所定充電率に達した後に前記リレーをオン状態とするコントローラと、
   　を備える車両用電源システム。

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