(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉛電池と、
前記鉛電池の電圧より高い電圧の充放電が可能なリチウムイオン電池と、
前記鉛電池と前記リチウムイオン電池の間に接続され、出力電圧を制御できる降圧ＤＣＤＣコンバータと、
前記リチウムイオン電池と前記降圧ＤＣＤＣコンバータとに接続された発電機と、
前記リチウムイオン電池の充電状態を検出するリチウムイオン電池ＳＯＣ検出手段と、
前記リチウムイオン電池と、前記発電機および降圧ＤＣＤＣコンバータとの接続および遮断を行うリチウムイオン電池用リレーと、
前記リチウムイオン電池の充電状態に基づいて、前記リチウムイオン電池用リレーの接続および遮断を制御する制御手段と、
前記リチウムイオン電池の温度を検出するリチウムイオン電池温度検出手段を備え、
前記制御手段は、前記リチウムイオン電池の温度が所定温度範囲より低いか、もしくは高い場合、前記リチウムイオン電池用リレーを遮断し、前記降圧ＤＣＤＣコンバータを連続通電させた状態で前記発電機を作動させる
ことを特徴とする車両用電源システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記リチウムイオン電池の充電状態が所定値以下で、かつエンジン回転数が低い場合には、前記リチウムイオン電池用リレーを遮断し、前記降圧ＤＣＤＣコンバータを連続通電させた状態で前記発電機を作動させることを特徴とする請求項１記載の車両用電源システム。
【請求項３】
前記制御手段は、
前記リチウムイオン電池用リレーの接続または遮断を行う際には、前記発電機および降圧ＤＣＤＣコンバータを停止させた後、前記充放電電流が所定値以下になってから前記リチウムイオン電池用リレーの接続または遮断を実行することを特徴とする請求項１または２記載の車両用電源システム。
【請求項４】
前記制御手段は、
減速時に回生発電する際は、前記降圧ＤＣＤＣコンバータを停止し、前記リチウムイオン電池の充電電流が目標発電電流と一致するように前記発電機を制御することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一つに記載の車両用電源システム。
【請求項５】
前記鉛電池の充電状態を検出する鉛電池充電状態検出手段を備え、
前記制御手段は、
前記鉛電池の充電状態が所定値以上の場合は、前記降圧ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を前記鉛電池が放電しない電圧に設定し、前記鉛電池の充電状態が所定値以下の場合は、前記降圧ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を前記鉛電池を充電できる電圧に設定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一つに記載の車両用電源システム。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リチウムイオン電池と鉛電池の２バッテリ電源系を有する車両用電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉛電池よりも充電受入れ性のよいリチウムイオン電池やキャパシタを備え、減速時に得られる回生エネルギーを電気エネルギーとして蓄えて、減速以外の運転状態のときに蓄えた電気エネルギーを使用する２バッテリ電源システムが公知である。
減速時に機械ブレーキから熱に変換して捨てていた運動エネルギーを電力として蓄えるので、発電機の発電回数を減らすことができ、その結果、エンジンにかかる発電機の負荷を低減して燃費を向上させることができる。
【０００３】
一般に公称電圧が異なる２バッテリを使用する場合、そのまま接続すると電圧の高い方から低い方へ電流が流れてしまうため、電圧差を補償するためにバッテリ間に直流から直流への電圧変換回路、すなわちＤＣＤＣコンバータが接続される。
【０００４】
また、発電機は、ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）からローターへの界磁電流を操作でき、発電量を制御できるものが一般的に用いられ、減速時には発電量を多くするなど、運転状態に応じて発電量が制御されている。
【０００５】
リチウムイオン電池は、エネルギー密度が大きく、充電受入れ性にも優れているが、その反面、安全に使用できる電圧や温度の範囲が限られており、過充電や過放電に弱く、低温・高温での使用にも弱い。
使用温度域外で使用したり、過放電・過充電を繰り返すと、電池の劣化もしくは発火に至るおそれがあることが知られている。
車両用電源システムとして、例えば、特許文献１では、発電機と副電源とを接続して減速時の回生電力を副電源へ充電し、ＤＣＤＣコンバータおよびスイッチを介して、主電源および電気負荷へ電力供給を行うものが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２では、副電源を電源系から切り離すリレーを含み、副電源であるリチウムイオン電池が過充電または過放電である場合に、リレーを遮断してリチウムイオン電池を切り離し、ＤＣＤＣコンバータを介して発電機の発電電力を鉛電池および電気負荷へ供給するものが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３９７２９０６号公報
【特許文献２】特許第４１０００２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１、２では、リチウムイオン電池の温度が使用温度範囲を超えている場合でも充放電を行うため、リチウムイオン電池の劣化を促進するおそれがあった。
また、特許文献２では、発電機は通常、リチウムイオン電池と接続されており、発電開始時は最初、リチウムイオン電池からの外部電力供給により界磁電流を作って発電を開始した後、自ら発電した内部電力に切り替えて界磁電流を作って発電を行う。
そのため、リレーをオフしてリチウムイオン電池を電源系から切り離した場合、発電機は発電開始に必要な界磁電流を作ることができなくなり、発電不能になるおそれがあった。
【０００９】
また、特許文献１，２の電源構成のように、発電機が高圧系であるリチウムイオン電池に接続された場合、発電機にかかる電圧はリチウムイオン電圧と同じ電圧になり、アイドル運転のようなエンジン回転数が低い状態では、発電機の発電電圧が低下して発電電力を出力できなくなるおそれがあった。
【００１０】
また、特許文献２では、リチウムイオン電池を電源系から切り離すときに、リレーに電流が流れた状態でリレーのオン・オフを繰り返して接点部分が溶着し、リレーの劣化を促進させるおそれがあった。
【００１１】
また、特許文献１、２では、減速回生時にリチウムイオン電池、およびＤＣＤＣコンバータを介して鉛電池および電気負荷へ電力供給している最中に、突然電気負荷がなくなるとリチウムイオン電池への充電量が急増し、リチウムイオン電池に過電流が流れたり、過電圧になってしまうおそれがあった。
さらには、発電機の温度によって発電機の出力電力が変動するため、リチウムイオン電池への充電電流量を適切に制御できないおそれがあった。
また、特許文献１、２では、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧を常に鉛電池を充電できる電圧、つまり１４．５Ｖに設定すると、鉛電池に並列接続された１２Ｖ系電気負荷の無駄な消費電力が増えてしまうおそれがあった。
【００１２】
本発明は、前記のような問題点を解決しようとするもので、リチウムイオン電池と鉛電池の２バッテリ電源系を有する車両用電源システムにおいて、リレーによってリチウムイオン電池が遮断されても、鉛電池への電力供給を確実に確保し得る車両用電源システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の車両用電源システムは、鉛電池と、前記鉛電池の電圧より高い電圧の充放電が可能なリチウムイオン電池と、前記鉛電池と前記リチウムイオン電池の間に接続され、出力電圧を制御できる降圧ＤＣＤＣコンバータと、前記リチウムイオン電池と前記降圧ＤＣＤＣコンバータとに接続された発電機と、前記リチウムイオン電池の充電状態を検出するリチウムイオン電池ＳＯＣ検出手段と、前記リチウムイオン電池と、前記発電機および降圧ＤＣＤＣコンバータとの接続および遮断を行うリチウムイオン電池用リレーと、前記リチウムイオン電池の充電状態に基づいて、前記リチウムイオン電池用リレーの接続および遮断を制御する制御手段とおよび遮断を制御する制御手段と、前記リチウムイオン電池の温度を検出するリチウムイオン電池温度検出手段を備え、前記制御手段は、前記リチウムイオン電池の温度が所定温度範囲より低いか、もしくは高い場合、前記リチウムイオン電池用リレーを遮断し、前記降圧ＤＣＤＣコンバータを連続通電させた状態で前記発電機を作動させるものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の車両用電源システムによれば、リチウムイオン電池の充電状態に応じて、電源系からリチウムイオン電池を接続または遮断できるので、リチウムイオン電池の劣化を防ぎ、安全に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１による車両用電源システムの構成を示すブロック図である。
【図２】発電電圧の違いによるオルタネータ回転数と出力電力の関係の一例を示す説明図である。
【図３】実施の形態１における減速回生制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図４】実施の形態１における鉛電池充電制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図５】実施の形態１におけるリチウムイオン電池の低温・高温時の発電制御ルーチンを表すである。
【図６】実施の形態１におけるオルタネータ低回転時の発電制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図７】実施の形態１におけるリチウムイオン電池リレーのオン・オフ制御シーケンスを表すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１における車両用電源システムの構成を示すブロック図である。
図１において、本電源系は、鉛電池９（公称電圧１２Ｖ）とそれより電圧の高いリチウムイオン電池５（例えば、５セル直列結合とした場合、公称電圧１８．５Ｖ）を組合せたもので、両者の電圧差を補償するために、降圧ＤＣＤＣコンバータ３が挿入されている。
リチウムイオン電池５は、エネルギー密度、充電受入れ性に優れた電池であるが、反面、過充電や過放電に弱く、発火のおそれがあるため、安全に使用するために様々な保護機能が必要である。
温度に関しても、一般に−２０℃から６０℃まで使用可能とされているが、安全に使用するためには０℃以下での充電禁止、５０℃以上での充放電禁止が必要である。
【００１７】
降圧ＤＣＤＣコンバータ３は、入力電圧＞出力電圧となる直流から直流への電圧変換装置であり、マイコンを搭載したチョッパ型のコンバータである。
降圧ＤＣＤＣコンバータ３とバッテリＥＣＵ(Electrical Control Unit)１は、例えばＬ
ＩＮで結ばれており、降圧ＤＣＤＣコンバータ３はバッテリＥＣＵ１の指示に従って動作する。
バッテリＥＣＵ１は、降圧ＤＣＤＣコンバータ３に指示を与え、ＤＣＤＣコンバータ３を作動もしくは停止させたり、目標出力電圧を変更して、出力電圧を制御することもできる。
【００１８】
バッテリＥＣＵ１は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよび入出力装置などを含むマイクロコンピュータである。
リチウムイオン電池５の電圧を検出するリチウムイオン電池電圧検出手段６、リチウムイオン電池５の温度を検出するリチウムイオン電池温度センサ７、リチウムイオン電池５のＳＯＣ（充電状態）を検出するリチウムイオン電池ＳＯＣ検出手段８に基づき、リチウムイオン電池５を監視し、過充電・過放電とならないようにリチウムイオン電池５への充放電を管理している。
また、鉛電池９の電圧を検出する鉛電池電圧検出手段１１、鉛電池９のＳＯＣを検出する鉛電池ＳＯＣ検出手段１２に基づき、鉛電池９が過充電・過放電とならないように鉛電池９への充放電を管理している。
リチウムイオン電池ＳＯＣ検出手段８、鉛電池ＳＯＣ検出手段１２は、リチウムイオン電池５への充放電電流を検出するリチウムイオン電池充放電検出手段と、検出した充放電電流の積算値に基づき、リチウムイオン電池５の充電状態を検出する充電状態検出手段とで構成され、電流積算法を用いて、｛充放電電流(A)×サンプル時間(s)｝／電池容量(As)で正規化した値を演算する。
【００１９】
エンジンＥＣＵ１３もＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭおよび入出力装置などを含むマイクロコンピュータで構成されている。
エンジンＥＣＵ１３とバッテリＥＣＵ１は、例えばＣＡＮで結ばれており、リチウムイオン電池５の温度や充電状態などの情報を通信している。
エンジンＥＣＵ１３は、エンジン（図示せず）の減速状態やリチウムイオン電池５の温度
や充電状態に基づき、リチウムイオン電池５が過充電もしくは過放電にならないようにオルタネータ２の発電量を制御する。
【００２０】
オルタネータ２は、エンジン出力軸とベルトでつながれ、１４〜２１Ｖを発生することができる発電機であり、エンジンＥＣＵ１３からの界磁デューティ信号によって、ロータ部の界磁電流を操作し、発電電流を制御することができる。
発電機はロータ部の回転によってステータ部に生じる誘起電圧を利用して発電するため、発電電圧が高くなると、発電電力を出力し始める回転数が高くなってしまう。
オルタネータ２の出力電圧が１８．５Ｖと１４．０Ｖの場合における出力特性の一例を図２に示す。
図２に示すように、例えば出力電圧を１４．０Ｖから１８．５Ｖに上げると、出力電力特性が右にシフトして、発電電力を出力開始できるエンジン回転数が高くなる。
リチウムイオン電源系では、オルタネータ２とリチウムイオン電池５が直接つながっているので、発電時のオルタネータ２の電圧は、リチウムイオン電池５の電圧に等しくなる。従って、リチウムイオン電池５が接続された状態では、アイドリングのようなオルタネータ２の回転数が低い場合は発電をすることができなくなってしまう。
【００２１】
リチウムイオン電池用リレー４は、オルタネータ２とリチウムイオン電池５の間に接続される。
リレー４はコイル式のリレーまたは半導体素子を用いたリレーであって、バッテリＥＣＵ１からの駆動信号により、リレー４がオン(接続)される。
電気負荷１０は、例えばヘッドランプやワイパーなどであり、コストや寿命の制約から鉛電池９の１２Ｖ系に接続される。
【００２２】
次に、制御動作の詳細について、図３から図７のフローチャートを用いて説明する。
なお、図３から図７においてＬＩＢはリチウムイオン電池５、ＡＬＴはオルタネータ２、ＬＩＢリレーはリチウムイオン電池用リレー４を意味している。
図３から図７の制御ルーチンはエンジンＥＣＵ１３で実行される制御ルーチンの一部であり、エンジンＥＣＵ１３のメインルーチンではエンジンへの燃料噴射量や点火時期をはじめ、オルタネータ２など補機類の制御演算が実行されている。
【００２３】
図３は減速回生制御ルーチンを示し、車両が減速しているときに、オルタネータ２を作動させる制御動作のフローチャートである。
まず、所定の車速以上で運転者がアクセルをオフし、燃料カット制御に入った状態を減速回生モードとする。
ステップS101において、減速回生モードである場合には、ステップS102へ進み、降圧ＤＣＤＣコンバータ３を停止させ、オルタネータ２が発電した電流はすべてリチウムイオン電池５へ流れるようにする。
次にステップS103では、車両の目標減速トルクからオルタネータ２が発電する目標発電電流を算出する。
目標減速トルクは、あらかじめ車速に応じて設定されたテーブルからルックアップ参照されて設定される。
さらに目標減速トルクはブレーキの踏み込みを検出するブレーキスイッチのオン・オフに応じて切り替えられ、ブレーキが踏まれている場合は、ブレーキが踏まれていない場合に比べて、目標減速トルクは大きな値が設定されてより大きな減速エネルギーを回生するようにされている。
【００２４】
ステップS104では、リチウムイオン電池５への充電電流が目標発電電流に一致するようにオルタネータ２の発電量をフィードバック制御する。
オルタネータ２は同じ界磁デューティを与えても温度によって出力電流が変動し、冷えた
状態では出力電流が大きくなる傾向がある。
したがって、オープンループで制御した場合、リチウムイオン電池５へ過電流が流れて、リチウムイオン電池５の劣化を早めてしまうおそれがある。
そこで、降圧ＤＣＤＣコンバータ３をオフし、オルタネータ２の発電電流とリチウムイオン電池５への充電電流が等しくなる状態を作り、リチウムイオン電池５に備えた電流センサを用いて、オルタネータ２の発電電流を精度良く制御する。
このように制御すれば、電気負荷１０が急変した場合やオルタネータ２の温度が変動した場合においても、リチウムイオン電池５への過電流および過充電を防ぎ、リチウムイオン電池５の劣化を抑制することができる。
再びアクセルが踏まれたり、車速が所定値以下になると、減速回生モードを終了する。
【００２５】
回生発電モード以外においては、図４に示す鉛電池充電制御ルーチンが実行される。
ステップS201において、リチウムイオン電池５の電圧が所定電圧以上かつリチウムイオン電池５のＳＯＣが所定値以上である場合、リチウムイオン電池５の放電が許可される。
【００２６】
リチウムイオン電池５が放電できる状態にある場合、ステップS202において、鉛電池９のＳＯＣに基づいて鉛電池９を充電するか否かを判定する。
鉛電池９のＳＯＣが所定値以下である場合、つまり、充電不足の場合はステップS203へ進んで、降圧ＤＣＤＣコンバータ３の目標出力電圧を鉛電池９の充電電圧、例えば、１４．５Ｖに設定し、降圧ＤＣＤＣコンバータ３を駆動させて鉛電池９を充電する。
鉛電池９の充電が進み、ＳＯＣが所定値より大きくなった場合は降圧ＤＣＤＣコンバータ３の目標出力電圧を鉛電池９が放電しないが充電もされない電圧、例えば、１２．８Vに
下げて設定し、電気負荷１０への無駄な電力供給を減らして、リチウムイオン電池５に蓄えた電力を有効に活用する。
このように制御すれば、前記回生発電による燃費向上に加え、さらに燃費を良くすることができる。
【００２７】
一方、ステップS201において、リチウムイオン電池５が充電不足で放電許可されなかった場合、ステップS206へ進み、降圧ＤＣＤＣコンバータ３を停止する。
以上が通常状態におけるリチウムイオン電池５を減速回生に活用する制御ルーチンである。
【００２８】
次にリチウムイオン電池５の温度が安全にかつ劣化しない温度範囲を超えていた場合における発電制御ルーチンを図５を用いて説明する。
リチウムイオン電池５は低温、例えば、０℃以下で充電したり、高温、例えば、６０℃以上で充放電したりすると、劣化が著しく進む。
このような場合、リチウムイオン電池５の使用を中止し、降圧ＤＣＤＣコンバータ３を介して、鉛電池９または電気負荷１０へ直接オルタネータ２の発電電力を供給する必要がある。
【００２９】
したがって、まずステップS301において、リチウムイオン電池５があらかじめ設定された所定温度より低温もしくは所定温度より高温であった場合、リチウムイオン電池５の使用を中止するため、ステップS302へ進む。
ステップS302では、リチウムイオン電池用リレー４をオフし、リチウムイオン電池５を電源系から切り離す。
リチウムイオン電池用リレー４をオン・オフする制御シーケンスの詳細については、図７を用いて後述する。
【００３０】
次にステップS303では、降圧ＤＣＤＣコンバータ３の駆動デューティを１００％とし直結状態とする。
通常、オルタネータ２は発電開始時に、接続された電池から電力を供給されて発電に必要な界磁電流を生成し、発電できるようになった後には自ら発電した電力を利用して界磁電流を生成する仕組みとなっている。
そのため、リチウムイオン電池５を切り離した場合、発電開始時には一時的に鉛電池９から電力を供給してもらう必要があるので、最初に降圧ＤＣＤＣコンバータ３を直結しないとオルタネータ２は発電を開始することができない。
【００３１】
その後、ステップS304において、降圧ＤＣＤＣコンバータ３を直結した状態で鉛電池９および電気負荷１０への電圧が１４．５Ｖになるようにオルタネータ２を制御する。
このように制御すれば、リチウムイオン電池５を電源系から切り離した場合においても、鉛電池９および電気負荷１０へ安定して電力を供給することができる。
【００３２】
ここで、リチウムイオン電池用リレー４をオン→オフ、もしくはオフ→オンする場合における制御シーケンスについて、図７を用いて説明する。
まず、ステップS501において、リチウムイオン電池用リレー４のオン・オフ状態を切り替える場合、ステップS502へ進み、オルタネータ２および降圧ＤＣＤＣコンバータ３を停止させる。
次に、ステップS503でリチウムイオン電池５に流れる電流を確認し、リチウムイオン電池電流が所定値以下になったら、ステップS504以降へ進んで、リチウムイオン電池用リレー４のオン・オフ状態を切り替える。
【００３３】
このようにシーケンス制御することにより、リチウムイオン電池用リレー４へ流れる電流がほぼゼロになったことを検出してから、オン・オフ状態を切り替えることができ、リレー４の劣化を防ぐことができる。
また、リレー４への要求スペックを下げることができるので、リレー４のサイズを小さくでき、コストを下げることができる。
【００３４】
また、図１のような電源系構成の場合、オルタネータ２の発電電圧はリチウムイオン電池５の電圧に一致するため、例えば、５セルの場合には約１８．５Ｖ近傍の電圧となる。発電電圧が高くなると、オルタネータ２が出力を開始する回転数が高くなるため、アイドル運転のような低いエンジン回転数においては、オルタネータ２が１８．５Ｖもの電圧を出力することができず、リチウムイオン電池５を充電できない。
アイドル運転が続くとリチウムイオン電池５が充電不足となり、したがって鉛電池９も充電不足となってしまうおそれがある。
【００３５】
そこで、図６に示すように、アイドル運転時にはステップS402へ進み、リチウムイオン電池５が放電可能か？つまり、十分充電されているかどうかを判定する。
放電できない状態である場合、ステップS403へ進み、図７のシーケンスに従ってリチウムイオン電池用リレー４をオフする。
その後、降圧ＤＣＤＣコンバータ３を直結状態にして、オルタネータ２を駆動し、降圧ＤＣＤＣコンバータ３を介してオルタネータ２の発電電力を鉛電池９や電気負荷１０へ供給する。
このように制御すれば、アイドル状態が続いた状態でも鉛電池９の充電不足を回避し、鉛電池９および電気負荷１０へ安定して電力を供給することができる。
【００３６】
一方、ステップS402において、アイドル運転時でもリチウムイオン電池５のＳＯＣが十分であり、放電できる状態では、リチウムイオン電池用リレー４はオンのままとし、降圧ＤＣＤＣコンバータ３を介してリチウムイオン電池５から鉛電池９を充電する。
【符号の説明】
【００３７】
１ バッテリＥＣＵ
２ オルタネータ
３ 降圧ＤＣＤＣコンバータ
４ リチウムイオン電池用リレー
５ リチウムイオン電池
６ リチウムイオン電池電圧検出手段
７ リチウムイオン電池温度センサ
８ リチウムイオン電池ＳＯＣ検出手段
９ 鉛電池
１０ 電気負荷
１１ 鉛電池電圧検出手段
１２ 鉛電池ＳＯＣ検出手段
１３ エンジンＥＣＵ
【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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