(57)【要約】【課題】大電流の急激な放電を避けつつ、低温時の性能低下を低減し得る電源ユニットを提供する。【解決手段】電源ユニット１は、スタータジェネレータ３の駆動源として使用され、リチウムイオン電池のバッテリ２と、バッテリ２と並列に接続されるキャパシタ１１とを有する。キャパシタ１１は、熱伝導シート２２を介してバッテリ２に取り付けられる。電源ユニット１には、ＦＥＴ１２と抵抗１３とを備えキャパシタ１１が接続された第１回路１５と、バッテリ２とスタータジェネレータ３側とを直接接続しコンタクタ１７により開閉される第２回路１６が設けられている。エンジン始動時には、抵抗１３によってバッテリ２からの電流量を抑えつつ、キャパシタ１１から電力を供給する。キャパシタ給電の際には、キャパシタ１１の発熱を利用してバッテリ２を加温する。【選択図】図１
2020136163.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動の被駆動装置に接続される電源ユニットであって、
前記被駆動装置に対し電力を供給するバッテリと、
前記バッテリの近傍に配置され、回路上、前記バッテリと前記被駆動装置の間に前記バッテリと並列に接続されるキャパシタと、を有することを特徴とする電源ユニット。
【請求項２】
請求項１記載の電源ユニットにおいて、
前記キャパシタは、熱伝導部材を介して前記バッテリに取り付けられることを特徴とする電源ユニット。
【請求項３】
請求項１又は２記載の電源ユニットにおいて、
前記バッテリは直方体状に形成され、その一面に前記被駆動装置と電気的に接続される端子を有し、
前記キャパシタは、前記バッテリにおいて前記端子が存在しない面に取り付けられることを特徴とする電源ユニット。
【請求項４】
請求項３記載の電源ユニットにおいて、
前記端子は、前記バッテリの上面に配置され、
前記キャパシタは、前記バッテリの側面に配置されることを特徴とする電源ユニット。
【請求項５】
請求項１又は２記載の電源ユニットにおいて、
前記バッテリは直方体状に形成され、その一面に前記被駆動装置と電気的に接続される端子を有し、
前記キャパシタは、前記バッテリにおいて前記端子が存在する面に、前記端子を避けて取り付けられることを特徴とする電源ユニット。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項に記載の電源ユニットにおいて、
前記熱伝導部材は、前記キャパシタを被覆して設けられることを特徴とする電源ユニット。
【請求項７】
請求項１〜６の何れか１項に記載の電源ユニットにおいて、
前記バッテリと前記キャパシタとの間に、抵抗素子とスイッチング素子を設けたことを特徴とする電源ユニット。
【請求項８】
請求項７の何れか１項に記載の電源ユニットにおいて、
前記抵抗素子と前記スイッチング素子とを備え、前記キャパシタが接続された第１回路と、
前記第１回路と並列に設けられ、前記バッテリと前記被駆動装置とを直接接続する第２回路と、
前記第２回路に設けられ、該第２回路を開閉するコンタクタと、を有することを特徴とする電源ユニット。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の電源ユニットにおいて、
前記バッテリはリチウムイオン電池であることを特徴とする電源ユニット。
【請求項１０】
請求項１〜８の何れか１項に記載の電源ユニットにおいて、
前記被駆動装置は、自動車のエンジンを始動させると共に前記エンジンによって駆動されて発電を行うスタータジェネレータであることを特徴とする電源ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータ等に電力を供給する電源ユニット関し、特に、リチウムイオン電池を用いた電源ユニットに適用して有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、ハイブリッド自動車や電気自動車の電力供給源として、エネルギー密度が高く小型・軽量であり、大電流が得られることから、リチウムイオンを利用した二次電池（リチウムイオン電池）が使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１８−７３５３５号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１４４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、リチウムイオン電池を用いたシステムでは、リチウムイオン電池から大電流を流すモードを繰り返し行うと、電池の寿命を短くしてしまうという問題がある。また、リチウムイオン電池は、低温時に機能が低下する特性があり、低温時には電池から取り出せる電流量が小さくなってしまうという問題もあった。
【０００５】
一方、自動車では、例えば、エンジン始動の際にスタータモータに大電流を流す必要がある。このため、リチウムイオン電池を自動車に用いる場合、ハイブリッド車やアイドリングストップ車では、エンジン始動が繰り返し行われるため、電池寿命への影響が懸念される。また、自動車は−３０℃などの極寒の地でも使用されるため、低温時におけるエンジン始動も課題となる。
【０００６】
このため、従来より、電池にヒータを取り付けたり、鉛蓄電池にて作動するスタータモータを別途設け、低温時はこちらのモータを使用したりするなどの解決策も提案されている。しかしながら、これらの解決策も、部品点数の増大や重量増、車載レイアウト上の問題などがあり、決定的なものは言い難い。特に、エンジンのスタータとして、発電機を兼用した始動発電機（ISG：Integrated starter generator）を用いる場合、スタータモータを別途設けると、スタータの位置にモータドライバを配置できなくなり、レイアウト的に厳しいという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、大電流の急激な放電を避けつつ、低温時の性能低下を低減し得る電源ユニットを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電源ユニットは、電動の被駆動装置に接続される電源ユニットであって、前記被駆動装置に対し電力を供給するバッテリと、前記バッテリの近傍に配置され、回路上、前記バッテリと前記被駆動装置の間に前記バッテリと並列に接続されるキャパシタと、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明にあっては、バッテリと並列にキャパシタを配することにより、被駆動装置の起動時など、大電流が必要な場合に、キャパシタから電力を供給することができる。これにより、バッテリからの大電流出力も抑えられ、バッテリの延命化が図られる。また、バッテリの近傍にキャパシタを配することにより、キャパシタから給電を行う際など、キャパシタの発熱を利用してバッテリを加温することができる。これにより、低温時にバッテリを早く使用可能な状態にすることが可能となる。
【００１０】
前記電源ユニットにおいて、前記キャパシタを、熱伝導部材を介して前記バッテリに取り付けても良い。これにより、キャパシタから発せられる熱を効率良くバッテリに伝えることができる。
【００１１】
また、前記バッテリが、直方体状に形成され、その一面に前記被駆動装置と電気的に接続される端子を有するものであるとき、前記キャパシタを、前記バッテリの前記端子が存在しない面に取り付けるようにしても良い。この場合、前記端子が前記バッテリの上面に配置されているときは、前記キャパシタを、前記バッテリの側面に配置するようにしても良い。
【００１２】
さらに、前記バッテリが、直方体状に形成され、その一面に前記被駆動装置と電気的に接続される端子を有するものであるとき、前記キャパシタを、前記バッテリにおいて前記端子が存在する面に、前記端子を避けて取り付けても良い。
【００１３】
加えて、前記熱伝導部材を、前記キャパシタを被覆するように設けても良い。これにより、キャパシタの熱を無駄なく利用してバッテリを加温することができる。
【００１４】
一方、前記バッテリと前記キャパシタとの間に、抵抗素子とスイッチング素子を設けても良い。この場合、当該電源ユニットに、前記抵抗素子と前記スイッチング素子とを備え、前記キャパシタが接続された第１回路と、前記第１回路と並列に設けられ、前記バッテリと前記被駆動装置とを直接接続する第２回路と、前記第２回路に設けられ、該第２回路を開閉するコンタクタと、を設けても良い。
【００１５】
また、前記バッテリは、リチウムイオン電池であっても良く、前記被駆動装置は、自動車のエンジンを始動させると共に前記エンジンによって駆動されて発電を行うスタータジェネレータであっても良い。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の電源ユニットによれば、電動の被駆動装置に対し電力を供給するバッテリと並列にキャパシタを配したので、被駆動装置の起動時など、大電流が必要な場合に、キャパシタから電力を供給することができる。これにより、バッテリからの大電流出力も抑えられ、バッテリ寿命を延ばすことが可能となる。また、バッテリの近傍にキャパシタを配するようにしたので、キャパシタの発熱を利用してバッテリを加温することができ、低温時にバッテリを早く使用可能な状態にすることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態である電源ユニットを用いたＩＳＧ駆動回路の構成を示す説明図である。
【図２】キャパシタの取付構造を示す説明図である。
【図３】キャパシタをバッテリ上面に取り付けた例を示す説明図である。
【図４】キャパシタをバッテリ下面に取り付けた例を示す説明図である。
【図５】キャパシタを熱伝導シートによって被覆した例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。図１は、本発明の一実施形態である電源ユニットを用いたＩＳＧ駆動回路の構成を示す説明図である。図１の電源ユニット１は、リチウムイオン電池のバッテリ２を電力供給源として使用しており、ＳＲモータ(Switched reluctance motor)を用いたスタータジェネレータ（被駆動装置）３に対し、ドライバ４を介して電力を供給する。本発明による電源ユニット１は、バッテリ２に加えてキャパシタ１１を有しており、エンジン始動時にはまずキャパシタ１１から電力供給を行うとともに、キャパシタ放電時の発熱を利用してバッテリ２を温め、低温時におけるバッテリの性能低下を抑制する。
【００１９】
ドライバ４は、ＦＥＴを用いた３相（Ｕ,Ｖ,Ｗ）独立のブリッジ回路５を有している。ブリッジ回路５の前段には、ＦＥＴを用いたスイッチ部６が配されている。ブリッジ回路５とスイッチ部６は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット：エンジン制御装置）７によって制御される。ＥＣＵ７は、イグニッションスイッチ８がＯＮされると、バッテリ２の電力により各相のコイル９を順次励起し、スタータジェネレータ３を駆動させる。スタータジェネレータ３は、エンジンのスタータとして機能する一方、エンジン始動後はジェネレータ（発電機）としても機能する。
【００２０】
電源ユニット１には、大容量のキャパシタ１１が設けられている。図１に示すように、キャパシタ１１は、回路上、バッテリ２とドライバ４との間にバッテリ２と並列になるように接続されている。キャパシタ１１とバッテリ２との間には、ＦＥＴ（スイッチング素子）１２と抵抗（抵抗素子）１３を備えたスイッチユニット１４が配されている。ＦＥＴ１２と抵抗１３は、バッテリ２とドライバ４とを接続する第１回路１５上に直列に設けられている。キャパシタ１１は、第１回路１５のスイッチユニット１４の後段（ドライバ４側）に接続されている。ＦＥＴ１２は、ＥＣＵ７によって制御される。
【００２１】
また、電源ユニット１には、第１回路１５とは別経路にてバッテリ２とドライバ４間を接続する第２回路１６が設けられている。第２回路１６は、第１回路１５とは並列に設けられており、第１回路１５を開閉するコンタクタ１７を備えている。コンタクタ１７もまたＥＣＵ７によって制御され、コンタクタ１７をＯＮすることにより、ＦＥＴ１２や抵抗１３を介することなく、バッテリ２の電力をドライバ４側に供給できるようになっている。
【００２２】
一方、本発明による電源ユニット１では、キャパシタ１１がバッテリ２の近傍に配置されており、キャパシタ１１の熱がバッテリ２に伝わるようになっている。図２は、キャパシタ１１の取付構造を示す説明図である。図２に示すように、バッテリ２は直方体状に形成されており、キャパシタ１１は、バッテリ２の側面２１に熱伝導シート（熱伝導部材）２２を介して取り付けられている。キャパシタ１１には電気二重層キャパシタが使用されており、耐圧性を考慮して複数個が直列に接続された状態で側面２１に固定されている。キャパシタ１１とバッテリ２は熱伝導シート２２を挟んで接触しており、キャパシタ１１で発生した熱は熱伝導シート２２を通してバッテリ２に伝導するようになっている。
【００２３】
また、バッテリ２の上面２３には、ドライバ４と電気的に接続される端子２４が設けられている。電源ユニット１では、この端子２４が存在しないバッテリ２の側面２１にキャパシタ１１が取り付けられている。この場合、端子２４のある上面２３よりも、端子２４のない側面２１の方がキャパシタ１１を配置しやすい。つまり、端子２４が存在しない側面２１の方がレイアウト性が良く、設計的な自由度も高い。さらに、バッテリ２には、バッテリ温度を検出するための温度センサ１８が取り付けられている。バッテリ２の温度は温度センサ１８にて検出され、その検出値はＥＣＵ７に送られる。
【００２４】
ＥＣＵ７には、ドライバ４のブリッジ回路５やスイッチ部６を制御するドライバ制御部３１と、電源ユニット１のＦＥＴ１２やコンタクタ１７を制御する電源制御部３２、温度センサ１８からの検出値に基づきバッテリ２の温度を把握するバッテリ温度取得部３３が設けられている。ドライバ制御部３１は、イグニッションスイッチ８のＯＮ・ＯＦＦに伴い、ブリッジ回路５やスイッチ部６のＦＥＴを制御し、各相のコイル９に対し適宜給電を行う。電源制御部３２もまた、イグニッションスイッチ８のＯＮ・ＯＦＦに伴ってＦＥＴ１２を制御するとともに、バッテリ温度取得部３３にて得たバッテリ温度を参照しつつ、必要に応じてコンタクタ１７を適宜ＯＮさせる。
【００２５】
このような電源ユニット１を用いたＩＳＧ駆動回路では、次のようにしてスタータジェネレータ３を駆動させる。ここではまず、イグニッションスイッチ８がＯＮされると、ＥＣＵ７は、ドライバ制御部３１によりスイッチ部６をＯＮさせる。スイッチ部６がＯＮされると、電源ユニット１のキャパシタ１１に蓄えられていた電荷がドライバ４側に流入する。それに伴い、ドライバ制御部３１は、ブリッジ回路５中のＦＥＴを適宜ＯＮさせてコイル９を励磁する。その際、ドライバ４側にはキャパシタ１１から大きな電流が供給されるため、低温時においても、スタータジェネレータ３は大電流にて駆動される。したがって、外気温が低いコールド始動状態においても、エンジンを順調に始動させることが可能となる。
【００２６】
また、イグニッションスイッチＯＮに伴い、ＥＣＵ７は、電源制御部３２によりＦＥＴ１２をＯＮさせる。ＦＥＴ１２がＯＮされると、バッテリ２からドライバ４側に電流が供給されると共に、放電によりキャパシタ１１の電圧が低下すると、キャパシタ１１はバッテリ２によって充電される。この際、電源ユニット１では、抵抗１３によって第１回路１５を流れる電流量が抑えられ、バッテリ２から急激に大電流が持ち出されるのを防止できる。このため、始動時における大電流の出力を抑制でき、ハイブリッド車やアイドリングストップ車などにおいても、バッテリ２から大電流が繰り返し流されることがなく、リチウムイオン電池の寿命を延ばすことが可能となる。また、抵抗１３により、スタータジェネレータ３を発電機として使用する際の充電電流も抑制され、その結果、バッテリ２に対する急激な大電流による充放電の繰り返しを避けることができ、電池寿命の延命化が図られる。
【００２７】
一方、エンジン始動に際し、キャパシタ１１から大電流が出力されると、それに伴ってキャパシタ１１が発熱する。電源ユニット１では、図２に示すように、キャパシタ１１はバッテリ２の近傍に取り付けられており、キャパシタ１１で生じた熱は熱伝導シート２２を介して効率良くバッテリ２に伝わる。すなわち、バッテリ２は、キャパシタ１１が発する熱によって温められる。前述のように、リチウムイオン電池は低温時には性能が低下し、エンジン始動時における大電流の供給が課題となっている。この点、電源ユニット１は、始動時の大電流をキャパシタ１１にて供給すると共に、その発熱を利用してバッテリ２を加温する。これにより、バッテリ温度を上げることができ、低温時にバッテリ２をいち早く使用可能な状態にすることが可能となる。なお、キャパシタ充電時の発熱も利用可能である。
【００２８】
また、電源ユニット１では、温度センサ１８によってバッテリ２の温度が監視されている。前述のように、エンジン始動時には、抵抗１３によってバッテリ２からの電流量を抑えつつ、キャパシタ１１から電力を供給する。その一方、エンジンを急いで始動しなければならないときなど、ドライバ４側に早く給電する必要がある場合も存在する。その場合、キャパシタ１１からの電力供給の後、抵抗１３にて抑えられた電流では求められる給電量に応じられない可能性がある。そこで、電源ユニット１にあっては、バッテリ２から抵抗１３を介すことなくドライバ４側に直接給電可能な第２回路１６が設けられており、急速給電が必要な場合は、ＥＣＵ７は、電源制御部３２により、コンタクタ１７をＯＮさせる。
【００２９】
ただし、コンタクタ１７のＯＮにより、バッテリ２からは大電流が供給されるため、このバッテリ−ドライバ直結制御は、低温時以外（バッテリ２の温度が概ね０℃以上）に限り行われる。すなわち、ＥＣＵ７は、バッテリ温度取得部３３で取得したバッテリ２の温度を参照し、それが所定閾値（ここでは、０℃）以上であるときのみ、必要に応じてコンタクタ１７ＯＮさせ、バッテリ２とドライバ４とを直結する。これにより、ドライバ４にはバッテリ２から、電流量を抑えることなく電力が供給され、必要な電力がドライバ４側にいち早く提供される。
【００３０】
このように、本発明の電源ユニット１では、エンジン始動時には、抵抗１３によってバッテリ２からの電流量を抑えつつ、キャパシタ１１から電力を供給する。これにより、エンジン始動の際、キャパシタ１１からの大電流によりスタータジェネレータ３が駆動され、冷態時においても順調にエンジンを始動させることができる。また、エンジン始動の際におけるバッテリ２からの大電流出力も抑えられるため、バッテリ寿命を延ばすことも可能となる。
【００３１】
さらに、電源ユニット１は、キャパシタ１１を加温手段として利用すべくバッテリ２の近傍に配置し、キャパシタ給電の際、キャパシタ１１の発熱を利用してバッテリ２を加温する。これにより、低温時にバッテリ２を早く使用可能な状態にすることができ、バッテリの使用効率を向上させることが可能となると共に、リチウムイオン電池の使用範囲の拡大も図られる。加えて、電源ユニット１では、抵抗１３を介することなくバッテリ２とドライバ４側を接続する第２回路１６を設け、バッテリ温度を監視しつつ、コンタクタ１７により、必要に応じて第２回路１６を開閉する。これにより、低温時以外でドライバ４への給電量を大きくする必要がある場合は、必要な電力がドライバ４側にいち早く提供される。
【００３２】
本発明は前記実施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言うまでもない。
例えば、前述の実施形態では、キャパシタ１１をバッテリ２の側面２１に取り付けた例を示したが、図２のような側面２１以外にも、上面２３（図３）や、下面２５（図４）に取り付けることも可能である。その場合、上面２３のキャパシタ１１は、端子２４を避けて配置される。また、下面２５に取り付けた場合は、熱は上方に伝わりやすく、熱が台座２６の内部空間にこもりやすいため、キャパシタ１１の熱を効率良く利用することができる。なお、端子２４の配置場所は上面２３には限られず、側面２１や下面２５に配される場合もあり、その場合も端子２４とキャパシタ１１の関係は、前述同様、端子２４のない面にキャパシタ１１を配置した方がレイアウト的には有利である一方、端子２４のある面にキャパシタ１１を設ける場合には、端子２４を避けて配置する。さらに、キャパシタ１１をバッテリ２の複数面に分散させて配置することも可能であり、これにより、バッテリ２を複数面から加温することできる。
【００３３】
加えて、キャパシタ１１は、図２のように外部に露出した状態ではなく、図５に示すように、熱伝導シート２２でキャパシタ１１を包み込むように配置しても良い。このように、キャパシタ１１の側面を熱伝導シート２２にて被覆することにより、キャパシタ１１の熱を無駄なく利用してバッテリ２を加温することができる。また、熱伝導シート２２をキャパシタ１１の配置面のみならず、バッテリ２の他の面やバッテリ全面など複数の面に設けても良く、これにより、キャパシタ１１の熱をバッテリ２に効率的に拡散付与することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
前述の実施の形態では、本発明の電源ユニットを自動車用エンジンのスタータモータの電源として用いた例を示したが、その適用対象はこれには限定されず、例えば、電動の産業機器を駆動するモータの電源として使用することも可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１    電源ユニット
２    バッテリ
３    スタータジェネレータ
４    ドライバ
５    ブリッジ回路
６    スイッチ部
７    ＥＣＵ
８    イグニッションスイッチ
９    コイル
１１    キャパシタ
１２    ＦＥＴ
１３    抵抗
１４    スイッチユニット
１５    第１回路
１６    第２回路
１７    コンタクタ
１８    温度センサ
２１    側面
２２    熱伝導シート
２３    上面
２４    端子
２５    下面
２６    台座
３１    ドライバ制御部
３２    電源制御部
３３    バッテリ温度取得部
【図１】
2020136163.tif 000003
【図２】
2020136163.tif 000004
【図３】
2020136163.tif 000005
【図４】
2020136163.tif 000006
【図５】
2020136163.tif 000007