(57)【要約】【課題】効率よく二次電池に充電可能な電源システムを提供する。【解決手段】電源システム１１は、モータジェネレータ３及び負荷４へ電力を供給する充放電システム部１０を備えている。充放電システム部１０は、主電池１、補助電池部８及び充放電制御部１５を有しており、補助電池部８は複数のスイッチと複数のキャパシタとで構成されたキャパシタモジュール５、及び、主電池１へ電力を供給する補助電池２を有している。主電池１の充電状態が５０％未満のときに、スイッチのオン・オフ状態を制御することで主電池１と補助電池部８とを並列に接続すると共に、補助電池２及びキャパシタモジュール５を直列に接続する。昇圧された補助電池部８の電圧で主電池１が充電される。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
主電池部と該主電池部に並列接続可能な補助電池部とを備えた電源システムであって、前記補助電池部は、補助電池と該補助電池の電圧を昇圧する電圧昇圧手段とが直列に接続されたことを特徴とする電源システム。
【請求項２】
前記電圧昇圧手段がＤＣ−ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記電圧昇圧手段が、複数のスイッチを有するキャパシタ群であることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項４】
前記キャパシタ群と並列接続可能な発電機を更に備え、前記スイッチのオン・オフ制御により前記キャパシタ群と前記発電機とが並列接続されて前記キャパシタ群が充電されることを特徴とする請求項３に記載の電源システム。
【請求項５】
前記スイッチのオン・オフ制御により前記補助電池及びキャパシタ群、又は、前記主電池部、補助電池及びキャパシタ群が並列接続されて前記キャパシタ群が充電されることを特徴とする請求項３に記載の電源システム。
【請求項６】
前記補助電池部から独立した充電手段を更に備え、前記キャパシタ群と前記充電手段とが並列接続されて前記キャパシタ群が充電されることを特徴とする請求項３に記載の電源システム。
【請求項７】
前記補助電池部の電圧に応じて、前記スイッチのオン・オフ制御により前記キャパシタ群を構成するキャパシタの直列接続数が変更されることを特徴とする請求項３に記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源システムに係り、特に、主電池部と該主電池部に並列接続可能な補助電池部とを備えた電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、排気ガス等による地球温暖化や環境汚染が大きな問題として注目されており、自動車や発電所などでのエネルギー効率の向上や排気ガスを全く出さないクリーンなエネルギーの利用が望まれている。自動車用途では、排気ガスの低減を可能とする、二次電池を利用したエネルギー管理システムが一部で利用されている。ブレーキ時の回生電力を二次電池の充電に利用する技術は、その代表的なエネルギー管理技術であり、自動車でのエネルギー効率を大きく高めることができる。回生電力による充電機能を有する自動車には、リチウム二次電池やニッケル水素電池が利用されており、簡易型のシステムでは鉛電池も利用されている。
【０００３】
ところが、二次電池には入力（電力受入）性能に優劣があり、例えば、鉛電池は、リチウム二次電池と比較して低コストであるが、入力性能が低い。このような入力性能の低い二次電池の性能を補うため、例えば、特開平４−３４０３２８号公報には、二次電池とキャパシタとを並列に組み合わせ、回生時にキャパシタを利用する電源装置（ハイブリッド電源）の技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、キャパシタは充電により電圧が大きく上昇するため、短い時間で発電機からの回生電力により最大電圧に達し、それ以上充電されなくなる。また、二次電池とキャパシタとが満充電状態では回生電力を受け入れることができないため、二次電池もキャパシタもある程度放電した状態にある必要がある。更に、頻繁に回生電力を受け入れるためには、回生により一旦キャパシタに蓄えた電力を速やかに二次電池の充電や負荷に利用してキャパシタを放電させることが望ましい。また、大きな電流で二次電池の充電を行うためにはある程度高い充電電圧を維持する必要があるが、キャパシタは放電により電圧が大きく低下するため、キャパシタから二次電池への充電では、短い時間で充電電流が減少して電荷の移動に時間がかかる、という問題がある。
【０００５】
また、二次電池とキャパシタとのハイブリッド電源で使用される電圧範囲は主に二次電池の電圧範囲によって決定され、例えば、鉛電池で想定される高い電流効率での充電電圧は１．９５〜２．５Ｖ／セル程度と非常に狭い電圧範囲に限定される。このため、キャパシタに蓄えられた電気量のうち、実際に二次電池の充電に利用可能な容量は２０％程度と僅かな電気量でしかなく、本来ゼロボルト（０Ｖ）まで放電できるキャパシタの能力を使い切っていない。
【０００６】
上記事案に鑑み本発明は、効率よく二次電池に充電可能な電源システムを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、主電池部と該主電池部に並列接続可能な補助電池部とを備えた電源システムであって、前記補助電池部は、補助電池と該補助電池の電圧を昇圧する電圧昇圧手段とが直列に接続されている。本発明によれば、補助電池と電圧昇圧手段とが直列に接続されているので、補助電池の電圧と電圧昇圧手段で昇圧された補助電池の電圧とにより主電池部を充電することができる。
【０００８】
この場合において、電圧昇圧手段をＤＣ−ＤＣコンバータとしてもよい。また、電圧昇圧手段を、複数のスイッチを有するキャパシタ群としてもよい。このとき、キャパシタ群と並列接続可能な発電機を更に備え、スイッチのオン・オフ制御によりキャパシタ群と発電機とを並列接続してキャパシタ群を充電すれば、発電機によりキャパシタ群が充電されるので、発電機からの電力をキャパシタ群に蓄えることができる。また、スイッチのオン・オフ制御により補助電池及びキャパシタ群、又は、主電池部、補助電池及びキャパシタ群を並列接続してキャパシタ群を充電すれば、補助電池又は主電池部及び補助電池によりキャパシタ群が充電されるので、補助電池又は主電池部及び補助電池からの電力をキャパシタ群に蓄えることができる。更に、補助電池部から独立した充電手段を更に備え、キャパシタ群と充電手段とを並列接続してキャパシタ群を充電すれば、充電手段によりキャパシタ群が充電されるので、充電手段からの電力をキャパシタ群に蓄えることができる。そして、補助電池部の電圧に応じて、スイッチのオン・オフ制御によりキャパシタ群を構成するキャパシタの直列接続数を変更すれば、キャパシタの直列接続数に応じて電圧が昇圧されるので、補助電池部の電圧の高低に拘わらず効率よく主電池部を充電することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明を適用した車載用電源システムの第１の実施の形態について説明する。
【００１０】
（構成）
図１に示すように、電源システム１１は、車両駆動モータ等の機能を有するモータジェネレータ３、レギュレータ７を介して接続された負荷４、並びに、モータジェネレータ３及び負荷４へ電力を供給する充放電システム部１０を備えている。
【００１１】
モータジェネレータ３は、車両駆動及びエンジンの始動を行うモータ、エンジンの回転力により発電するオルタネータ及び車両制動時の回生エネルギーを電気エネルギーに変換するジェネレータの３つの機能を有している。
【００１２】
モータジェネレータ３は、車両の始動から車速３０ｋｍ／時程度までの車両走行時には、車両駆動源となるモータとして機能する。このとき、モータジェネレータ３には、充放電システム部１０から電力が供給される。また、モータジェネレータ３は、エンジン駆動中、エンジンの回転力によりオルタネータ（発電機）として機能する。このとき、発電電力により充放電システム部１０は充電可能である。更に、車両制動時には、モータジェネレータ３は高出力のジェネレータとして機能する。このとき、回生電力により後述する補助電池２及びキャパシタモジュール５は充電可能である。なお、モータジェネレータ３は、図示を省略した車両制御システムにより上述した３つの機能のいずれかに切り替えられる。
【００１３】
負荷４には、例えば、ランプ、ワイパ、ラジオ等を挙げることができ、充放電システム部１０又はモータジェネレータ３から電力が供給される。なお、レギュレータ７は、モータジェネレータ３が車両制動時の回生電力の最大電流を制限するために挿入されている。
【００１４】
充放電システム部１０は、電力供給の主電源となる主電池１、主電池１を充電する補助電池部８、並びに、主電池１及び補助電池部８の充放電状態を制御する充放電制御部１５を有している。補助電池部８は、複数のスイッチと複数のキャパシタ（コンデンサ）とで構成され、ＤＣ−ＤＣコンバータとして機能するキャパシタモジュール５、及び、主電池１への充電電力を供給する補助電池２を有しており、キャパシタモジュール５と補助電池２とは直列に接続されている。
【００１５】
充放電制御部１５は、中央演算処理装置として機能するＣＰＵ、充放電制御部１５の基本制御プログラム及び種々の設定値等が格納されたＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くと共に種々のデータを一時的に記憶するＲＡＭ、Ａ／Ｄコンバータ、後述するスイッチにハイレベル信号を送出する出力ポート、これらを接続するバス等を含んで構成されている。充放電制御部１５は、主電池１及び補助電池２の電流・電圧を検出して、それぞれの充放電状態を制御する。なお、充放電制御部１５のＣＰＵは、図示を省略した車両制御システムのＣＰＵから通信により車両及びモータジェネレータ３の機能・状態について報知を受ける。
【００１６】
主電池１には、鉛電池が用いられている。鉛電池の電槽には、内部を１８個のセル室に画定したモノブロック電槽が用いられている。各セル室には、複数の正極板と負極板とをガラス繊維セパレータを介して積層した極板群が１組ずつ収容されており、電解液（希硫酸）が注液されている。各セル室はモノブロック電槽の開口を一体に覆う蓋で密閉されており、各セル室上部に制御弁が配設され密閉化されている。各セル室間は導電性の接続部材により直列に接続されている。各セルの公称電圧は２Ｖであり、鉛電池１は、容量２０Ａｈ、公称群電圧３６Ｖの制御弁式鉛電池である。
【００１７】
補助電池２は、１０個のリチウムイオン電池（以下、単電池という。）を直列に接続して構成されている。単電池は、アルミニウム箔に正極活物質を塗着した正極と銅箔に負極活物質を塗着した負極とを微多孔性のセパレータを介して捲回した捲回式の電極体を有しており、電極体は非水電解液に浸潤されて円筒状の電池缶内に収容されている。各電池缶は、正極端子を兼ねる封口体で密閉されている。単電池の正極活物質にはマンガン酸リチウム、負極活物質には開路電圧（ＯＣＶ）と充電状態（ＳＯＣ）との相関関係の高い非晶質炭素を用いることが好ましい。単電池の公称電圧は３．６Ｖであり、容量は３．５Ａｈである。
【００１８】
主電池１及び補助電池２の負極外部端子は、主電池１及び補助電池２に流れる電流を検出するホール素子等の図示しない電流センサの一端がそれぞれ接続されており、図示しない電流センサの各他端はグランドに接続されている。各電流センサの出力端子、主電池１の正負極外部端子、補助電池２の最上位電位側、最下位電位側単電池の端子は、充放電制御部１５内のＡ／Ｄコンバータに接続されている。このため、充放電制御部１５のＣＰＵは、主電池１及び補助電池２の電流・電圧をデジタル値として取り込むことが可能である。
【００１９】
モータジェネレータ３の一端は接続点Ｐに接続されている。主電池１の正極外部端子は、スイッチＳを介して接続点Ｐに接続されている。また、補助電池部８（キャパシタモジュール５）の一端は、接続点Ｐに接続されている。負荷４の一端はレギュレータ７の一端に接続されており、レギュレータ７の他端は接続点Ｐに接続されている。モータジェネレータ３及び負荷４の他端は、それぞれグランドに接続されている。従って、主電池１、補助電池部８、モータジェネレータ３及び負荷４は、並列接続可能とされている。
【００２０】
図２に示すように、キャパシタモジュール５は、１８個の同容量のキャパシタＣ１〜Ｃ１８と２４個のスイッチＳ１〜Ｓ２４とで構成されている。スイッチＳ３〜Ｓ２２は、キャパシタＣ１〜Ｃ１８の直並列接続数の変更を行い、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ２３、Ｓ２４は、接続点Ｐ−キャパシタ間の接続・切断及び補助電池２−キャパシタ間の直並列接続を行う。
【００２１】
スイッチＳ２の一端は接続点Ｐに接続されており、スイッチＳ２の他端はスイッチＳ１、Ｓ３〜Ｓ７のそれぞれの一端に接続されている。スイッチＳ１の他端には、補助電池２の最上位電位側単電池の正極端子及びスイッチＳ２３の一端が接続されている。スイッチＳ２３の他端には、スイッチＳ１９〜Ｓ２２、Ｓ２４のそれぞれの一端及びキャパシタＣ１８の一端が接続されている。スイッチＳ２４の他端はグランドに接続されている。
【００２２】
上述したスイッチＳ、Ｓ１〜Ｓ２４には、例えば、スイッチ素子として機能するＦＥＴを用いることができ、ＦＥＴのゲートには、充放電制御部１５の出力ポートが接続されている。従って、充放電制御部１５の出力ポートからＦＥＴのゲートに微弱なハイレベル信号が入力されるとドレインとソースとの間に電流が流れ、スイッチはオン状態となる。
【００２３】
各キャパシタには、モータジェネレータ３の回生時の最大許容電流（例えば、８０Ａ）に耐え、極力容量の小さいものを使用することが好ましい。補助電池２からの電力でキャパシタモジュール５を充電するときは、単純に補助電池２とキャパシタモジュール５とを並列に接続すると過大な電流がキャパシタモジュール５に流れるおそれがあるので、少なくともキャパシタモジュール５の充電開始時は下式（１）で算出される抵抗値に近い抵抗Ｒ１がキャパシタモジュール５のスイッチＳ１と補助電池２との間に挿入されていることが好ましい。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
式（１）において、Ｖ１は補助電池２の開路電圧、Ｖ２はキャパシタモジュール５の両端電圧、Ｉ１はキャパシタモジュール５の許容電流、Ｒ２は許容電流Ｉ１での補助電池２の内部抵抗、Ｒ３はキャパシタモジュール５の内部抵抗を示す。なお、式（１）の計算値が、マイナスの値のとき又は（Ｒ２＋Ｒ３）の値より充分小さい値の場合には、抵抗Ｒ１を挿入する必要はない。また、キャパシタモジュール５の充電に要する時間を短くするためには、許容電流Ｉ１が大きいキャパシタを用いＲ１を小さくすることが好ましい。
【００２６】
補助電池２からキャパシタモジュール５に電気量Ｑ１を充電すると、抵抗Ｒ１でジュール熱として失われるエネルギーＥ１は、抵抗Ｒ１の抵抗値によらず下式（２）で概算することができる。
【００２７】
【数２】
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【００２８】
キャパシタモジュール５からの電力で主電池１を充電するときは、キャパシタモジュール５から主電池１への電荷の移動時間を確保するため、キャパシタモジュール５の充電に要する充電時間ｔ１は、キャパシタモジュール５の放電時間ｔ２より小さくする必要がある。充電時間ｔ１及び放電時間ｔ２は、それぞれ下式（３−１）及び（３−２）で求めることができる。下式（３−１）及び（３−２）において、Ｃはキャパシタの容量、Ｒ４は主電池１の充電時の直流抵抗を示す。Ｒ１をＲ４より小さい値とすることで、キャパシタモジュール５から主電池１への電荷の移動時間を確保することができる。
【００２９】
【数３】
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【００３０】
また、式（３−１）及び（３−２）から、キャパシタモジュール５の充放電に必要な時間ｔは、充電時間ｔ１と放電時間ｔ２との加算、すなわち、ｔ＝Ｃ・（Ｒ１＋Ｒ４）で概算することができる。この時間ｔと同等かそれより短い時間でキャパシタモジュール５を連続的に充放電することで、キャパシタモジュール５を高い電圧に維持することができ、主電池１に対して比較的大きい電流で充電可能となる。
【００３１】
（動作）
次に、本実施形態の車載用電源システム１１の動作について、充放電制御部１５のＣＰＵ（以下、単にＣＰＵという。）を主体として説明する。
【００３２】
＜電池状態演算＞
主電池１は、モータジェネレータ３がオルタネータとして機能するときはモータジェネレータ３により充電され、モータジェネレータ３が停止状態のとき（モータ、オルタネータ及びジェネレータのいずれとしても機能しないとき）は補助電池部８により充電される。主電池１は、充電状態が５０％未満のときに充電が開始され、充電状態が９５％のときに充電が停止される。一方、主電池１の充電状態が５０％以上のときは、主電池１の放電によりモータとして機能するモータジェネレータ３及び／又は負荷４に電力が供給される。
【００３３】
補助電池２は、モータジェネレータ３がオルタネータ又はジェネレータとして機能するときに充電される。オルタネータ機能による補助電池２の充電は、充電状態が５％未満のときに開始され、充電状態が５０％のときに停止される。また、補助電池２は、モータジェネレータ３のジェネレータ機能により車両の制動時には充電状態が９５％までは充電が許容される。キャパシタモジュール５は、モータジェネレータ３のジェネレータ機能又は補助電池２から充電される。
【００３４】
ＣＰＵは、車両駐車（車両のイグニッションスイッチがオン位置に位置する前）中、車両制御システムからの指示により所定時間（例えば、６時間）毎に、主電池１の開路電圧ＯＣＶを検出する。検出した主電池１の開路電圧ＯＣＶからＲＡＭに展開されている主電池１の電池状態マップにより補間法を利用して、主電池１の残存容量Ｑｒｅｓ及び充電状態ＳＯＣを演算しＲＡＭに格納する。
【００３５】
下表１に示すように、電池状態マップは、例えば、開路電圧ＯＣＶ、残存容量Ｑｒｅｓ及び充電状態ＳＯＣ等がそれぞれ対応した状態で充放電制御部１５のＲＯＭに予め記憶されており初期設定においてＲＡＭに展開されている。なお、表１は、温度２５°Ｃ、電流２５０Ａにおける一例を示したものである。
【００３６】
【表１】
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【００３７】
また、ＣＰＵは、図示を省略した車両制御システムからイグニッションスイッチがオン位置に位置した旨の報知を受けると、主電池１の電流を検出し検出した電流を積算し、所定時間（例えば、１０秒）毎に、積算電気量（積算した電流の量）を求める。ＣＰＵは、ＲＡＭに格納した主電池１の残存容量Ｑｒｅｓに積算電気量を順次加（減）算することで現在の主電池１の残存容量を推定して、表１の電池状態マップから現在の残存容量に対応する現在の充電状態ＳＯＣを算出する。同様に、充放電制御部１５のＲＡＭに展開されている補助電池２の電池状態マップにより、補助電池２の残存容量Ｑｒｅｓ及び充電状態ＳＯＣを算出する。
【００３８】
次に、スイッチＳ、Ｓ１〜Ｓ２４のオン・オフ状態の制御による主電池１、補助電池２及びキャパシタモジュール５の充放電制御について、車両制御システムから報知されるモータジェネレータ３の状態に分けて説明する。
【００３９】
＜モータ機能の状態＞
モータジェネレータ３がモータとして機能する場合に、主電池１の充電状態が５０％以上のときは、スイッチＳをオン状態とし、スイッチＳ２をオフ状態とする。これにより、主電池１とモータジェネレータ３及び負荷４とが並列に接続され、主電池１の電力がモータジェネレータ３及び負荷４に供給される。一方、主電池１の充電状態が５０％未満のときは、車両制御システムにエンジンの始動が必要な旨を報知する。この報知を受けた車両制御システムはエンジンを始動させると共に、モータジェネレータ３をオルタネータ機能として主電池１を充電する。
【００４０】
＜オルタネータ機能の状態＞
図３に示すように、モータジェネレータ３がオルタネータとして機能する場合に、主電池１の充電状態が５０％未満のとき又は補助電池２の充電状態が５％未満のときは、スイッチＳ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ２４をオン状態とし、スイッチＳ３、Ｓ５〜Ｓ２３をオフ状態とすることで、キャパシタＣ１〜Ｃ１８を直列に接続し、主電池１、補助電池２及びキャパシタモジュール５をモータジェネレータ３と並列に接続する。これにより、主電池１、補助電池２及びキャパシタモジュール５は、オルタネータからの電力により充電され、負荷４にはオルタネータからの電力が供給される。主電池１の充電状態が９５％以上のときにスイッチＳをオフ状態とすることで、主電池１の充電を停止する。また、補助電池２の充電状態が５０％以上のときにスイッチＳ１をオフ状態とすることで、補助電池２の充電を停止する。また、キャパシタモジュール５の充電が完了したときにスイッチＳ４、Ｓ２４をオフ状態とすることで、キャパシタモジュール５の充電を停止する。なお、図３では、オフ状態のスイッチを捨象しオン状態のスイッチのみを示している（以下、図４〜図１０においても同じ。）。
【００４１】
＜ジェネレータ機能の状態＞
図４に示すように、モータジェネレータ３がジェネレータとして機能するときは、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ２４をオン状態とし、スイッチＳ３、Ｓ５〜Ｓ２３をオフ状態とすることで、キャパシタＣ１〜Ｃ１８を直列に接続し、補助電池２及びキャパシタモジュール５をモータジェネレータ３と並列に接続する。これにより、補助電池２及びキャパシタモジュール５はモータジェネレータ３からの回生電力により充電され、負荷４には回生電力が供給される。補助電池２の充電状態が９５％以上のときにスイッチＳ２をオフ状態とすることで、回生電力による補助電池２の充電を停止する。また、キャパシタモジュール５の充電が完了したときにスイッチＳ４、Ｓ２４をオフ状態とすることで、キャパシタモジュール５の充電を停止する。
【００４２】
＜停止状態＞
モータジェネレータ３が停止状態のときは、スイッチＳをオン状態とし、スイッチＳ２をオフ状態とすることで、主電池１から負荷４へ電力を供給する。主電池１の充電状態が５０％未満のときに、スイッチＳ３〜Ｓ２２のオン・オフ状態を制御することでキャパシタの直列接続数を変更し、スイッチＳ２、Ｓ２３をオン状態としスイッチＳ１、Ｓ２４をオフ状態とすることで補助電池２及びキャパシタモジュール５を直列に接続する。これにより、補助電池２及びキャパシタモジュール５から主電池１へ電力を供給させ、主電池１を充電する。
【００４３】
ＣＰＵは、補助電池２の電圧に応じて、キャパシタの直列接続数を選択するために、必要な直並列接続数が予め定められたテーブルを参照する。このとき、補助電池部８の電圧は主電池１の電圧より高くなるように設定されている。
【００４４】
すなわち、図５に示すように、スイッチＳ３、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ８〜Ｓ２２をオン状態とし、スイッチＳ４、Ｓ７をオフ状態とすると、キャパシタＣ１〜Ｃ１８が各々並列に接続される。また、図６に示すように、スイッチＳ４、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１５、Ｓ１７、Ｓ１９、Ｓ２０をオン状態とし、スイッチＳ５、Ｓ６、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１６、Ｓ１８、Ｓ２１、Ｓ２２をオフ状態とすると、２つのキャパシタが直列に接続され、かつ、９並列に接続される。更に、図７に示すように、スイッチＳ６、Ｓ８、Ｓ１１、Ｓ１６、Ｓ１９、Ｓ２２をオン状態とし、スイッチＳ３〜Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１２〜Ｓ１５、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ２０、Ｓ２１をオフ状態とすると、３つのキャパシタが直列に接続され、かつ、６並列に接続される。また更に、図８に示すように、スイッチＳ４、Ｓ８、Ｓ１９をオン状態とし、スイッチＳ３、Ｓ５〜Ｓ７、Ｓ９〜Ｓ１８、Ｓ２０〜Ｓ２２をオフ状態とすると、キャパシタＣ１〜Ｃ６、キャパシタＣ１２〜Ｃ７、キャパシタＣ１３〜Ｃ１８の６つのキャパシタがそれぞれ直列に接続され、かつ、３並列に接続される。更にまた、図９に示すように、スイッチＳ４をオン状態とし、スイッチＳ３、Ｓ５〜Ｓ２２をオフ状態とすると、キャパシタＣ１〜Ｃ１８が直列に接続される。
【００４５】
キャパシタモジュール５を放電時間ｔ２の間放電したときは、図１０に示すように、スイッチＳ１、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ８〜Ｓ２２、Ｓ２４をオン状態とし、スイッチＳ２、Ｓ４、Ｓ７、Ｓ２３をオフ状態とすることで、キャパシタＣ１〜Ｃ１８のキャパシタを各々並列に接続し、キャパシタモジュール５と補助電池２とを並列に接続する。これにより、キャパシタモジュール５は補助電池２からの電力により充電される。キャパシタモジュール５を充電時間ｔ１の間充電したときは、上述したように主電池１へ電力を供給させ、主電池１を例えば、充電状態５５％まで充電する。
【００４６】
補助電池２からの電力によるキャパシタモジュール５の充電では、上述したように充電時間ｔ１を放電時間ｔ２より小さくする必要があるため、各キャパシタが並列に接続される。なお、各キャパシタを並列接続しても、補助電池２の容量が小さいため、各キャパシタが大型化することを防止することができる。これに対して、上述したモータジェネレータ３のオルタネータ機能又はジェネレータ機能によるキャパシタモジュール５の充電では、放電時間の考慮は不要のため、各キャパシタが直列に接続され充電される。キャパシタモジュール５の充電電圧は１８個のキャパシタに分圧され、許容電圧の小さなキャパシタを用いてもモータジェネレータ３からの大きな電圧に対応することができる。
【００４７】
（作用等）
次に、本実施形態の車載用電源システム１１の作用等について説明する。
【００４８】
本実施形態の電源システム１１では、補助電池部８が、補助電池２とキャパシタモジュール５とが直列に接続されており、モータジェネレータ３が停止状態で主電池１の充電状態が５０％未満のときに、主電池１と補助電池部８とが並列に接続される。このとき、補助電池２の電圧がキャパシタモジュール５で昇圧され、高い電圧の補助電池部８から主電池１へ電力が供給されるので、主電池１を比較的大きな電流で充電することができる。
【００４９】
また、本実施形態の電源システム１１では、補助電池２の電圧に応じて、テーブルを参照することでキャパシタの直並列接続数が変更される。このとき、補助電池２の電圧が低いときは直列接続数が増加される。補助電池２の電圧が低くても、補助電池部８の電圧を主電池１より高い電圧とすることができ、高い電流効率で主電池１を充電することができる。従って、車載用電源システム１１によれば、補助電池部８の利用効率を高めることができる。
【００５０】
更に、本実施形態の電源システム１１では、補助電池２とキャパシタモジュール５とが並列に接続されキャパシタＣ１〜Ｃ１８の各キャパシタが並列に接続される。各キャパシタが並列接続されるため、補助電池２からの電力によるキャパシタモジュール５の充電時間ｔ１を小さくすることができる。従って、キャパシタモジュール５から主電池１への電荷移動時間（キャパシタモジュール５の放電時間ｔ２）を充電時間ｔ１より大きくすることができ、補助電池部８の電力を主電池１に効率よく供給することができる。
【００５１】
また更に、本実施形態の電源システム１１では、補助電池２とキャパシタモジュール５との間に抵抗Ｒ１が接続されているので、補助電池２からの過大電流が直接キャパシタモジュール５に流れることを防止することができる。
【００５２】
更にまた、本実施形態の電源システム１１では、モータジェネレータ３がジェネレータ又はオルタネータとして機能するときは、キャパシタＣ１〜Ｃ１８が直列に接続されると共に、補助電池部８又は主電池１及び補助電池部８がモータジェネレータ３と並列に接続される。このため、補助電池部８は、モータジェネレータ３がジェネレータとして機能するときはモータジェネレータ３からの回生電力により、又は、主電池１及び補助電池部８は、モータジェネレータ３がオルタネータとして機能するときはモータジェネレータ３からの電力によりそれぞれ充電される。直列に接続された各キャパシタに掛かる充電電圧が分圧されるので、キャパシタの耐電圧を越えてキャパシタを劣化乃至破損することもない。
【００５３】
なお、本実施形態では、補助電池２に１０個の単電池を直列に接続して用いる例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、５個の単電池を用いるようにしてもよい。このようにすれば、補助電池２のコスト低減を図ることができる。
【００５４】
また、本実施形態では、補助電池２の電圧を昇圧するキャパシタモジュール５を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、トランジスタを用いた電圧増幅器、サイリスタを用いた直流チョッパ等のＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する機器を用いて昇圧するようにしてもよい。
【００５５】
また、本実施形態では、１組のキャパシタモジュール５を補助電池２と直列に接続する例を示したが、例えば、並列に接続した２組のキャパシタモジュールをそれぞれスイッチを介して補助電池と直列に接続するようにしてもよい。スイッチの制御により２組のキャパシタモジュールを交互に充放電させることで、主電池１を連続的に充電することができる。
【００５６】
更に、本実施形態では、キャパシタモジュール５のスイッチにスイッチ素子として機能するＦＥＴを用いる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、ＦＥＴの中でもＭＯＳ型とすることでスイッチ素子の消費電力を低減することができる。
【００５７】
また更に、本実施形態では、キャパシタの直列接続数を、補助電池２の電圧に応じて予め定められたテーブルを参照選択する例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、主電池１の充電状態ＳＯＣや残存容量Ｑｒｅｓに応じて選択するようにしてもよい。
【００５８】
更にまた、本実施形態では、充放電制御部１５のＣＰＵが車両制御システムのＣＰＵと通信する例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、車両制御システムのＣＰＵが充放電制御を行うようにしてもよい。このようにすれば、通信することなく、車両制御システムのＣＰＵが車両及び電源システムを制御することができる。
【００５９】
また、本実施形態では、補助電池２とキャパシタモジュール５との間に抵抗Ｒ１を接続する例を示したが、抵抗Ｒ１に代えてランプやモータ等の利用価値のある負荷で抵抗Ｒ１を置き換えることにより、キャパシタモジュール５の充電時に抵抗Ｒ１でジュール熱として損失されるエネルギーを有効利用するようにしてもよい。
【００６０】
更に、本実施形態では、充電状態等の具体的な数値を挙げて例示した（例えば、５％、９５％）が、本発明はこれらの数値に限定されるものではなく、主電池１、補助電池２の仕様等により適宜変更するようにしてもよい。
【００６１】
そして、本実施形態では、主電池１として３６Ｖの群電圧を有する鉛電池を例示したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、現在車両に一般的に用いられている１２Ｖの鉛電池を電源システムに適用するようにしてもよい。
【００６２】
（第２実施形態）
次に、本発明を適用した車載用電源システムの第２の実施の形態について説明する。本実施形態では、キャパシタモジュール５の充電を補助電池部８から独立したモジュール充電部で行うものである。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる箇所のみ説明する。
【００６３】
図１に示すように、本実施形態の電源システム１１は、キャパシタモジュール５に電力を供給するモジュール充電部６を更に備えている。モジュール充電部６には、燃料電池、太陽電池や発電機等の、補助電池２から独立した発電手段が用いられる。モジュール充電部６は、主電池１や補助電池２の電圧より大幅に低い電圧の発電手段でもよい。一般に、燃料電池は、単セルでは電圧が低いため、セルを大量に積層した構造が採られるが、キャパシタモジュール５により昇圧されるので、セルの積層数を低減し構造を簡素化することができる。
【００６４】
モジュール充電部６の一端は、図示しないスイッチＳｃを介してキャパシタモジュール５のスイッチＳ１〜Ｓ７のそれぞれの一端に接続されており、モジュール充電部６の他端はグランドに接続されている。モジュール充電部６とキャパシタモジュール５とを並列に接続すると過大な電流がキャパシタモジュール５に流れるおそれがある場合には、モジュール充電部６とスイッチＳｃとの間に、例えば、トランジスタと抵抗とで構成される熱消費回路を挿入してもよい。
【００６５】
充放電制御部１５のＣＰＵは、キャパシタモジュール５を放電時間ｔ２の間放電したときは、スイッチＳｃ、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ８〜Ｓ２２、Ｓ２４をオン状態とし、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ７、Ｓ２３をオフ状態とすることで、キャパシタＣ１〜Ｃ１８のキャパシタを各々並列に接続し、キャパシタモジュール５とモジュール充電部６とを並列に接続する。これにより、キャパシタモジュール５はモジュール充電部６からの電力により充電される。キャパシタモジュール５を充電時間の間充電したときは、主電池１へ電力を供給させ、主電池１を充電する。
【００６６】
本実施形態の電源システム１１では、モジュール充電部６の電力によりキャパシタモジュール５が充電される。キャパシタモジュール５の充電に補助電池２の電力を消費することがないので、補助電池２の電力を主電池１の充電に有効に利用することができる。
【００６７】
【実施例】
次に、上述した第１実施形態に従って、車載用電源システム１１で主電池１の充電を行った実施例について説明する。なお、比較のために行った比較例についても併記する。
【００６８】
（実施例１）
実施例１では、充電電圧４２Ｖの電圧を発生する発電機を使用した。充電状態（ＳＯＣ）が８０％になるまで放電した状態の主電池１と、このときの主電池１の開路電圧３７．６Ｖと同じになるように放電した補助電池２を使用した。
【００６９】
（実施例２）
キャパシタモジュール５に代えて、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた以外は実施例１と同様にした。
【００７０】
（比較例１）
比較例１では、１０００Ｆのキャパシタと主電池１を直接並列に接続した電源システムを使用した。従って、比較例２は、補助電池を有していない電源システムである。
【００７１】
（試験）
車両搭載時の回生充電に想定されうる５０Ａの電流を１０秒間流した後、３分間放置というサイクルを３０回行った後、主電池１の残存容量を測定し充電状態を求めた。充電時には、キャパシタモジュール５と補助電池２、主電池１が並列となるようにスイッチのオン・オフ状態を制御し、放置時には、補助電池２−キャパシタモジュール５の直列回路が主電池１に並列に接続されるように制御した。サイクル後の充電状態の結果を下表２に示す。
【００７２】
【表２】
2004048913.tif 000007
【００７３】
表２に示すように、比較例１の電源システムでは、主電池１の充電状態が５６％と低かったのに対し、実施例１及び実施例２の電源システム１１では、サイクル試験後の主電池１の充電状態は９６％であり、主電池１の充電に優れていることが判った。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、補助電池と電圧昇圧手段とが直列に接続されているので、補助電池の電圧と電圧昇圧手段で昇圧された補助電池の電圧とにより主電池部を充電することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の電源システムの概略ブロック図である。
【図２】実施形態のキャパシタモジュールのキャパシタ及びスイッチの接続を示すブロック回路図である。
【図３】１８個のキャパシタを直列に接続し、キャパシタモジュール、補助電池、主電池及びモータジェネレータを並列接続した状態を示すキャパシタモジュールのブロック回路図である。
【図４】１８個のキャパシタを直列に接続し、キャパシタモジュール、補助電池及びモータジェネレータを並列接続した状態を示すブロック回路図である。
【図５】１８個のキャパシタを並列に接続し、キャパシタモジュールと補助電池とを直列接続した状態を示すブロック回路図である。
【図６】２個のキャパシタを直列に接続して９並列に接続し、キャパシタモジュールと補助電池とを直列接続した状態を示すブロック回路図である。
【図７】３個のキャパシタを直列に接続して６並列に接続し、キャパシタモジュールと補助電池とを直列接続した状態を示すブロック回路図である。
【図８】６個のキャパシタを直列に接続して３並列に接続し、キャパシタモジュールと補助電池とを直列接続した状態を示すブロック回路図である。
【図９】１８個のキャパシタを直列に接続し、キャパシタモジュールと補助電池とを直列接続した状態を示すブロック回路図である。
【図１０】１８個のキャパシタを並列に接続し、キャパシタモジュールと補助電池とを並列接続した状態を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１　主電池（主電池部の一部）
２　補助電池（補助電池部の一部）
３　モータジェネレータ（発電機）
５　キャパシタモジュール（電圧昇圧手段、補助電池部の一部）
６　モジュール充電部（充電手段）
８　補助電池部
Ｓ　スイッチ（主電池部の一部）
１１　電源システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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