(57)【要約】【課題】従来一般に使われている鉛蓄電池を前提とした各種機器の電源として、そのまま適用することが可能な捲回電池を用いた車載電源システムを提供する。【解決手段】発電機２と、発電機２で発電された電力を蓄積する蓄電池５とを備える車載電源システムにおいて、蓄電池５は、正負電極及び隔膜を渦巻状に配置した捲回式鉛蓄電池の単位電池を複数直列接続して構成される。蓄電池５には、直列接続された単位電池の一方端に位置する単位電池の他の単位電池と接続されていない電極が接続される第１の電圧端子５０，直列接続された単位電池の他方端に位置する単位電池の他の単位電池と接続されていない電極が接続される第２の電圧端子５３、及び、直列接続された単位電池の途中に位置する単位電池の電極に接続された第３の電圧端子５１，５２が設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの駆動力により駆動されて発電を行う発電機と、該発電機に接続され、前記発電機により発電された電力を蓄積する蓄電池とを有する車載電源システムであって、前記蓄電池は、正負電極及び隔膜を渦巻状に配置した捲回式鉛蓄電池により構成される単位電池を複数直列接続してなり、直列接続された単位電池の一方端に位置する単位電池の他の単位電池と接続されていない電極が接続された第１の電圧端子と、直列接続された単位電池の他方端に位置する単位電池の他の単位電池と接続されていない電極が接続された第２の電圧端子と、直列接続された単位電池の途中に位置する単位電池の電極に接続された少なくとも１つの第３の電圧端子とを有することを特徴とする車載電源システム。
【請求項２】
前記第１の電圧端子は、負極であり、前記第２の電圧端子が正極であって、前記少なくとも１つの第３の電圧端子は、前記第２の電圧端子よりも前記単位電池１つ分電圧が低い電圧を出力する第４の電圧端子と、該第４の電圧端子より前記単位電池１つ分低い電圧を出力する第５の電圧端子とを含むことを特徴とする請求項１記載の車載電源システム。
【請求項３】
前記第４の端子が公称電圧端子とされることを特徴とする請求項２記載の車載電源システム。
【請求項４】
前記第２の電圧端子及び前記第５の電圧端子は、形状及び大きさの少なくとも一方が前記第１の電圧端子及び前記第４の電圧端子とは異なっていることを特徴とする請求項３記載の車載電源システム。
【請求項５】
前記第２の電圧端子及び前記第５の電圧端子は、前記蓄電池のケース上面に形成された凹部に設けられることを特徴とする請求項３または４記載の車載電源システム。
【請求項６】
前記発電機は、前記第１の電圧端子と前記第２の電圧端子とに接続されることを特徴とする請求項１乃至５記載の車載電源システム。
【請求項７】
前記蓄電池は、前記単位電池として大きさの異なる複数の単位電池の組合せにより構成され、中心部に空間が構成されるように前記複数の単位電池が配置されていることを特徴とする請求項１記載の車載電源システム。
【請求項８】
前記エンジンを始動するためのスタータモータと、前記オルタネータに接続され前記オルタネータに供給される電力を制御し、前記オルタネータをモータとして動作させて前記エンジンを始動するためのインバータとを備え、前記オルタネータが、前記第１の電圧端子と前記第５の電圧端子とに接続され、前記インバータが、前記第１の電圧端子と前記第２の電圧端子とに接続されることを特徴とする請求項２乃至７記載の車載電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関を用いた自動車等の車両に搭載される車載電源システムに係り、特に、二次電池として捲回電池を用いた車載電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関を用いた自動車等の車両では、内燃機関の駆動力により発電機を動作させ、発電された電力を用いて各種アクチュエータを駆動し、あるいは、ヘッドライト等の照明機器を点灯するとともに、発電電力に余力がある場合には、余った電力を二次電池に蓄積しておき、発電機の発電電力が不足する場合には、二次電池に蓄積された電力でこれを補っている。一般に、このような二次電池としては、鉛蓄電池が広く用いられている。
【０００３】
鉛蓄電池は、内部インピーダンスが高いため、高負荷，大電流時には、内部の電圧降下が大きく、端子間電圧が低くなる。このため、車内の電子機器に供給される電圧が規定値よりも下がってしまう恐れがあった。また、低温時には、電圧が低下し、スタータモータによる内燃機関の始動が困難になる場合も生じるなどの問題があった。
【０００４】
このような従来の鉛蓄電池における問題点を解決する蓄電池として、例えば、特開2004−２０７１２７号公報に開示されるような、鉛電極を極力薄くして隔膜を挟んで負極板と正極板を巻き取るようにして構成された捲回式の鉛蓄電池（捲回電池）が開発されてきている。
【特許文献１】特開２００４−２０７１２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述したように捲回電池は、従来の鉛蓄電池に比べ、その内部インピーダンスが低く、大電流を取り出しても電圧降下を小さく抑えることができる。しかし、例えば、従来の鉛蓄電池での使用を前提としたスタータモータの電源として捲回電池を用いると、動作時における電池端子の電圧が、鉛蓄電池に比べ高くなり、より多くの電流が流れることになる。この結果、クランキングの回転数が炊くなり、スタータモータの機械的強度を高める必要があり、現用されている車両の蓄電池として、捲回電池をそのまま用いるには問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、従来一般に使われている鉛蓄電池を前提とした各種機器の電源として、そのまま適用することが可能な捲回電池を用いた車載電源システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的を達成するために、本発明の車載電源システムは、正負電極及び隔膜を渦巻状に配置した捲回式鉛蓄電池の単位電池を複数直列接続してなり、直列接続された単位電池の一方端に位置する単位電池の他の単位電池と接続されていない電極が接続された第１の電圧端子と、直列接続された単位電池の他方端に位置する単位電池の他の単位電池と接続されていない電極が接続された第２の電圧端子と、直列接続された単位電池の途中に位置する単位電池の電極に接続された第３の電圧端子とを有する。
【発明の効果】
【０００８】
従来一般に使われている鉛蓄電池を前提とした各種機器の電源として、そのまま適用することが可能な捲回電池を用いた車載電源システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は、本発明の一実施形態における車載電源システムの構成を示すブロック図である。
【００１０】
エンジン１は、例えば、ガソリン等の燃料を燃焼させて得られる出力により車輪を回転させて車両を駆動する。エンジン１には、スタータモータ２とオルタネータ３が連結されている。オルタネータ３は、エンジン１とベルトを介して連結されており、エンジン１の回転に比例してオルタネータ３の回転子が回転し、発電を行う。また、オルタネータ３は、インバータ４に接続されており、インバータ４による電力制御により、エンジン１をモータ駆動する。オルタネータ３とインバータ４とで補助エンジン始動装置が構成されている。
【００１１】
本実施形態では、電源として用いられる二次電池として、捲回電池５が設けられている。捲回電池５は、正負電極及び隔膜を渦巻状に配置した捲回式鉛蓄電池からなる単位電池を複数直列接続して構成され、接地（ＧＮＤ）端子５０の他、捲回電池５の公称電圧を出力する公称電圧端子５１，公称電圧端子５１よりも単電池１セル分だけ低い電圧を出力する低電圧端子５２、及び公称電圧端子５１よりも単電池１セル分だけ高い電圧を出力する高電圧端子５３を備えている。
【００１２】
接地端子５０は、エンジン１及び図示しない車体に接続され、基準電位を形成する。本実施形態において、公称電圧端子５１には１２Ｖ電圧が出力されており、現在一般に用いられているライトやＥＣＵ等の負荷６が接続される。低電圧端子５２には、１０Ｖ電圧が出力されており、スタータモータ２が接続される。また、高電圧端子５３には、１４Ｖ電圧が出力されており、オルタネータ３及び、補助エンジン始動装置としてインバータ４が接続される。
【００１３】
図２は、蓄電池の垂下特性を示す特性図である。図中、横軸は、蓄電池の放電電流、縦軸は、蓄電池の端子間電圧を示している。
【００１４】
曲線ａは、電池が放電していない無負荷状態のときの端子間電圧が１２Ｖの鉛蓄電池の電流特性を示している。曲線ｂは、無負荷状態における端子間電圧が１２Ｖの捲回電池の電流特性を示している。
【００１５】
曲線ａにより示されるように、従来の鉛蓄電池では、スタータモータ２の起動電流に相当する３００Ａの負荷電流を取り出すと、端子電圧は約７Ｖまで低下する。これに対して、捲回電池では、曲線ｂで示されるように、同じ３００Ａの電流を取り出しても、端子間電圧は、１０Ｖ程度までしか低下しない。このため、同じスタータモータを接続した場合、電圧のバランスが崩れ、流れる電流が更に増加することが予想される。この結果、スタータモータ２の動作回転数が高まり、クランキング回転数が高くなることから、スタータモータ２のピニオンギアやエンジン側のクランクギアにより大きな力が作用することとなり、これらの強度を高める必要が生じる。従って、無負荷時に１２Ｖの端子間電圧を有する捲回電池を現行の車両に搭載しようとする場合には、電流制限等の機構を設けることが好ましくなる。この場合、流れる電流が大きいため、電流制限素子の発熱などに対する対策を施す必要が生じる。
【００１６】
一方、従来あるスタータモータをそのまま適用するため、３００Ａの電流を取り出したとき、すなわち、スタータモータの起動時の負荷状態で端子間電圧が７Ｖ近辺となるような捲回電池を用いることが考えられる。図中、曲線ｂ′は、無負荷時端子間電圧が１２Ｖの捲回電池の特性曲線を、スタータモータ２の起動時電流である３００Ａ負荷時に曲線ａと交差するように、平行移動させたものである。図からわかるように、この場合の無負荷状態における端子間電圧は、８.６Ｖ程度であることが理解される。
【００１７】
捲回電池５の単位電池１セルの電圧は無負荷状態で約２Ｖであることから、複数の電池セルを組み合わせて作れる電池電圧は、２ｎＶ（ｎ：１，２，３・・・）となる。上述したように、３００Ａ負荷時に端子間電圧７Ｖととなる捲回電池の無負荷時の端子間電圧は８.６Ｖ であることから、その前後となる単位電池を４つ直列接続した８Ｖ、あるいは、単位電池を５つ直列接続した１０Ｖの捲回電池を用いることが考えられる。しかし、無負荷時に８.６Ｖ よりも低い端子間電圧の捲回電池を用いた場合には、特性曲線が下方に移動することになり、エンジン１の始動時に要求されるスタータモータの特性を満足できない恐れがある。このため、本実施形態では、捲回電池５の電圧端子として、１０Ｖの端子を設け、この端子にスタータモータ２を接続するようにしている。
【００１８】
なお、上述した電池の特性は、使用する捲回電池の特性により変わるものである。従って、スタータモータに接続する端子の端子電圧は、使用する捲回電池の特性に応じて決定されることとなる。
【００１９】
図３は、捲回電池５内部における単電池の配置図である。
【００２０】
従来一般に使われている鉛蓄電池と同様に端子間電圧が１２Ｖのみの電池を構成する場合、図３（ａ）に示すように、同一の円筒形状を持つ６つの単位電池５１０を直方体形状に配列することで、直方体形状の外部ケース５００に収めることができる。
【００２１】
本実施形態では、端子間電圧が、公称電圧である１２Ｖよりも単位電池１セル分だけ電圧の高い高電圧端子５３を有するため、少なくとも７つの単位電池が必要となる。この場合、例えば、図３（ｂ）に示すように同一形状の単位電池５１０を略円柱状になるように配置してそれらを直列に接続すればよい。あるいは、１つの単位電池を２分割し、単位電池５１０よりもサイズの小さい単位電池５１０ｂとして図３（ｃ）のように配置することで、直方体形状の配置とすることができる。
【００２２】
ただし、これらの単位電池の配置では、他の単位電池に周囲を囲まれる単位電池510ａ，ｂが存在することになる。このように、他の単位電池に周囲を囲まれた単位電池510ａ，ｂは、冷却条件が他の単位電池と比べ悪くなり、周囲の単位電池に比べ寿命が短くなる恐れがある。したがって、使用環境によっては必ずしもこのような単位電池の配置は好ましくないものとなり得る。
【００２３】
そこで、本実施形態では、１つの単位電池を４分割したサイズの小さい４つの単位電池５１０ｃを用い、分割されていない６つの単位電池５１０と共に、図４（ｄ）に示すような直方体形状に配置して外部ケースに収容している。このように、単位電池５１０，510cを配置することで、中心部分に空間が形成され、一部の単位電池の冷却条件が悪化することを防ぐことができる。さらに、外部ケースとして、このようにして形成された空間に積極的に空気を通せるような構造のケースを用いることで、各単位電池５１０を効率よく冷却でき、電池の寿命を延ばすことができる。
【００２４】
単位電池５１０ｃは４つを並列に接続することで、単位電池５１０とほぼ等しい容量を持つように構成される。このように、単位電池５１０ｃ並列接続したものを単位電池とみなし、他の単位電池５１０を含む７つの単位電池を直列に接続することで捲回電池５が形成される。
【００２５】
このように直列接続された単位電池のうち、負極が他の単位電池と接続されない単位電池を基準単位電池と考えた場合、基準単位電池の負極が接地端子５０と接続される。また、基準単位電池とは反対側に位置する単位電池の正極は、高電圧端子５３に接続される。そして、基準単位電池から５番目と６番目の単位電池の接続部が低電圧端子５２に接続され、基準単位電池から６番目と７番目の単位電池の接続部が公称電圧端子５１に接続される。
【００２６】
図４は、本実施形態における捲回電池５の概観斜視図である。
【００２７】
捲回電池５には、接地端子５０，１２Ｖ電圧の公称電圧端子５１，１０Ｖ電圧の低電圧端子５２、及び１４Ｖ電圧の高電圧端子５３の４つの端子が設けられている。
【００２８】
接地端子５０と公称電圧端子５１は、捲回電池５の外部ケース上面一端側寄りに所定の間隔を置いて設けられている。一方、低電圧端子５２と高電圧端子５３は、外部ケース上面の他端側寄りに所定の間隔を置いて設けられている。また、低電圧端子５２と高電圧端子５３は、外部ケース上面に設けられ、外部ケース上面よりも一段低く形成された凹部に配置されている。このように、従来の鉛蓄電池に対して、新たに設けられた低電圧端子
５２と高電圧端子５３を外部ケースの上面に形成された凹部内に設けることで、ユーザがこれら端子を利用しない場合に、これらの端子が邪魔にならないようにしている。また、低電圧端子５２と高電圧端子５３の上部をシールで覆うことで、誤配線や短絡事故等が発生することを防止できる。
【００２９】
接地端子５０と公称電圧端子５１には、従来の鉛蓄電池で使われている端子と同じものを用いる。一方、低電圧端子５２と高電圧端子５３には、接地端子５０，公称電圧端子
５１とは、形状、あるいは大きさの少なくとも一方が異なる端子を用いる。このように、低電圧端子５２と高電圧端子５３の形状、あるいは大きさを変えることで、誤配線の発生を防止することできる。
【００３０】
図５は、本実施形態の車載電源システムが適用された車両のエンジン始動時における始動方式の判定フローチャートである。
【００３１】
本実施形態における車載電源システムは、スタータモータ２、及びオルタネータ３とインバータ４により構成される補助エンジン始動装置のいずれかを用いることでエンジン１を始動させることができる。エンジン１が冷えている場合は、エンジンオイルの粘性が高く、クランキングに必要とされるトルクが大きくなる。このため、本実施形態では、エンジン１が冷えているときには、スタータモータ２を用いてエンジン１を始動する。一方、信号待ちや渋滞時に行われるアイドリングストップや、エンジン１の停止後間もない再始動時のように、エンジン１が暖まった状態でエンジン１を始動するときには、スタータモータ２に代えて、補助エンジン始動装置を用いてエンジン１が始動される。
【００３２】
具体的には、エンジン１の始動要求が発生したときに、アイドリングストップ状態か否か判断する（ステップ１００）。アイドリングストップ状態でのエンジン始動であれば、ステップ１１０に処理が移り、オルタネータ３及びインバータ４で構成される補助エンジン始動装置を使ってエンジン１を始動する。
【００３３】
一方、ステップ１００においてアイドリングストップ状態ではないと判断された場合は、続いて、エンジン温度が所定の温度よりも高いか否かが判断される。エンジン温度は、例えば、エンジン冷却水の温度を検出するセンサの出力値に基づいて検出すればよい（ステップ１２０）。
【００３４】
ステップ１２０において、エンジン温度が所定の温度よりも高いと判断されたときは、ステップ１１０に処理が移り、補助エンジン始動装置を用いてエンジン１が始動される。ステップ１２０において、エンジン温度が所定の温度以下であると判断されたときは、ステップ１３０に処理が移り、スタータモータ２を用いてエンジンが始動される。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態の車載電源システムによれば、捲回電池に機器の電源として必要とされる電源特性に応じた電圧端子が設けられているので、従来一般に使われている鉛蓄電池を前提とした各種機器の電源としてそのまま適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態における車載電源システムの構成を示すブロック図である。
【図２】蓄電池の垂下特性を示す特性図である。
【図３】捲回電池内部における単位電池の配置図である。
【図４】捲回電池の概観斜視図である。
【図５】エンジン始動時における始動方式の判定フローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１…エンジン、２…スタータモータ、３…オルタネータ、４…インバータ、５…捲回電池、５０…接地端子、５１…公称電圧端子、５２…低電圧端子、５３…高電圧端子、510，５１０ａ，５１０ｂ，５１０ｃ…単位電池。
【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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