(57)【要約】【課題】定格電圧の異なる複数の電池を搭載したハイブリッド自動車において、DC/DCコンバータを用いることなく、オルタネータが発生する回生エネルギを各電池へ効率よく充電する。【解決手段】定格電圧が１２Ｖの電池２および４８Ｖの電池３には、それぞれ電池コントローラ２ａ，３ａが併設され、所定のサンプリング周期で電池状態が検知される。充電制御部６において、SOC計算部６ａは各電池状態に基づいて各電池のSOCを推定する。電池選択部６ｂは、各電池の推定SOCに基づいて回生充電の対象電池を選択し、選択結果を充電経路セレクタ７へ通知する。可変電圧設定部６ｃは、選択された電池の定格電圧に応じた出力電圧を可変電圧オルタネータ１に設定する。充電経路セレクタ７は、可変電圧オルタネータ１と前記選択された電池との間に回生充電用の経路を確立する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可変電圧オルタネータが出力する回生エネルギの電池への充電を制御する車両用充電制御装置において、
定格電圧の異なる複数の電池の充電状態を検知する手段と、
各電池の充電状態に基づいて充電対象の電池を選択する手段と、
前記選択結果に基づいて可変電圧オルタネータの出力電圧を設定する手段と、
可変電圧オルタネータと前記選択された電池との間に充電経路を確立する手段とを具備したことを特徴とするハイブリッド自動車の充電制御装置。
【請求項２】
前記充電状態を検知する手段は、各電池のSOCを検知することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド自動車の充電制御装置。
【請求項３】
前記電池を選択する手段は、SOCがより低い電池を選択することを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド自動車の充電制御装置。
【請求項４】
前記電池を選択する手段は、SOCが所定の上限値以下の範囲でより低い電池を選択することを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド自動車の充電制御装置。
【請求項５】
前記電池を選択する手段は、SOCが所定の下限値以上の範囲でより低い電池を選択することを特徴とする請求項２に記載のハイブリッド自動車の充電制御装置。
【請求項６】
前記充電状態を検知する手段は、各電池の充放電履歴から求まる充電残量、端子電圧の割合および内部インピーダンスの少なくとも一つを検知し、
前記電池を選択する手段は、前記少なくとも一つの検知結果がより低い電池を選択することを特徴とする請求項１に記載のハイブリッド自動車の充電制御装置。
【請求項７】
制動時の回生エネルギを電池へ充電するハイブリッド自動車において、
出力電圧が可変の可変電圧オルタネータと、
定格電圧の異なる複数の電池と、
各電池の充電状態を検知する手段と、
各電池の充電状態に基づいて充電対象の電池を選択する手段と、
前記選択結果に基づいて可変電圧オルタネータの出力電圧を設定する手段と、
可変電圧オルタネータと前記選択された電池との間に充電経路を確立する手段とを具備したことを特徴とするハイブリッド自動車。
【請求項８】
前記充電状態を検知する手段は、各電池のSOCを検知することを特徴とする請求項７に記載のハイブリッド自動車。
【請求項９】
前記電池を選択する手段は、SOCがより低い電池を選択することを特徴とする請求項８に記載のハイブリッド自動車。
【請求項１０】
前記電池を選択する手段は、SOCが所定の上限値以下の範囲でより低い電池を選択することを特徴とする請求項８に記載のハイブリッド自動車。
【請求項１１】
前記電池を選択する手段は、SOCが所定の下限値以上の範囲でより低い電池を選択することを特徴とする請求項８に記載のハイブリッド自動車。
【請求項１２】
前記充電状態を検知する手段は、各電池の充放電履歴から求まる充電残量、端子電圧の割合および内部インピーダンスの少なくとも一つを検知し、
前記電池を選択する手段は、前記少なくとも一つの検知結果がより低い電池を選択することを特徴とする請求項７に記載のハイブリッド自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ハイブリッド自動車およびその充電制御装置に係り、特に、定格電圧の異なる複数の車載電池へ制動時の回生エネルギを効率的に充電するハイブリッド自動車およびその充電制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車とエンジン自動車とを組み合わせたハイブリッド自動車として、電気モータをエンジン駆動力のアシストに利用する方式と利用しない方式とが知られており、後者では、停車時にエンジンを自動停止させるアイドリングストップ機能（ISS）と制動時の回生エネルギを電池へ充電する回生充電機能とを備えた車両が、特にμHEVとして注目されている。
【０００３】
μHEVは、図６(a)に示したように、定格電圧が１２Ｖの電池（鉛電池）のみを搭載し、制動時にオルタネータが出力する回生エネルギを電池の充電および低電圧補機での消費に利用するように構成されるが、例えば特許文献１，２に開示されるように、充電効率の向上や電池の長寿命化の観点から、様々な方式が提案されている。
【０００４】
同図(b)のμHEVは、いずれも１２Ｖのメイン電池（鉛電池）およびサブ電池（鉛/リチウムイオンキャパシタ（LIC）/リチウムイオン電池（LIB））を搭載し、各電池のSOC（State Of Charge：充電量又は電池残量）を常時監視し、制動時にオルタネータが出力する回生エネルギを、セレクタにより選択された、よりSOCの低い電池へ充電する。
【０００５】
同図(c)のμHEVは、いずれも１２Ｖのメイン電池（鉛電池）およびサブ電池（LIB）を搭載し、エンジン走行時には発電せずに各電池から各補機へ給電し、制動時にはスイッチSWを閉じて各電池へ回生エネルギを充電する。
【０００６】
同図(d)のμHEVは、エンジン始動および補機用の１２Ｖメイン電池（鉛）および回生充電用の２５Ｖサブ電池（キャパシタ）を搭載し、オルタネータは出力電圧が可変であり、エンジン走行時は１２Ｖの充電電圧でメイン電池をバイパスリレー経由で充電し、制動時にはオルタネータの出力電圧を２５Ｖへ切り替えてサブ電池を充電し、さらにDC/DCコンバータ経由でメイン電池を充電する。
【０００７】
同図(e)のμHEVは、いずれも１２Ｖのメイン電池（鉛電池）およびサブ電池(NiMh）を並列に接続し、サブ電池の充放電を優先的に行うことでメイン電池の放電負荷を低減し、電池の長寿命化を可能にしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３７０３７４９号公報
【特許文献２】国際特許２０１４／０６８９５３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
乗用自動車の電源システムは、これまで１２Ｖの単一電源システムが一般的であったが、効率の改善および冗長性の向上のために、４８Ｖの電源システムとDC/DCコンバータとを組み合わせ、１２Ｖ補機および４８Ｖ補機の併用を可能にした電源システムが注目されている。
【００１０】
しかしながら、このような電源システムの自動車をハイブリッド車両化し、さらに回生充電システムを適用しようとすると、オルタネータが出力する回生エネルギを、定格電圧範囲の広いキャパシタ系のサブ電池へはそのまま、定格電圧が略１２Ｖのメイン電池へはDC/DCコンバータで降圧してから供給しなければならならない。したがって、回生制動時の大電流を処理可能な高価で大型のDC/DCコンバータの利用が不可欠であった。
【００１１】
本発明の目的は、上記の技術課題を解決し、定格電圧の異なる複数の電池を搭載したハイブリッド自動車において、DC/DCコンバータを用いることなく、オルタネータが発生する回生エネルギを各電池へ効率よく充電できるハイブリッド自動車およびその充電制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の目的を達成するために、本発明は、可変電圧オルタネータが出力する回生エネルギによる充電を制御するハイブリッド自動車およびその充電制御装置において、以下の構成を具備した点に特徴がある。
【００１３】
(1) 定格電圧の異なる複数の電池の充電状態を検知する手段と、各電池の充電状態に基づいて充電対象の電池を選択する手段と、選択された電池に合わせて可変電圧オルタネータの出力電圧を設定する手段と、可変電圧オルタネータが発生する回生エネルギを選択された電池へ充電する経路を確立する手段とを具備した。
(2) 充電状態を検知する手段は各電池のSOCを検知し、電池を選択する手段はSOCがより低い電池を選択するようにした。
(3) 電池を選択する手段は、各電池の充電残量、定格電圧、電力消費量および／または内部インピーダンスを検知し、これらに基づいて充電効率のより高い電池を選択するようにした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、以下のような効果が達成される。
(1) 高価でエネルギ効率の悪いDC/DCコンバータを用いることなく、定格電圧の異なる複数の電池へ回生エネルギを効率よく充電できるようになる。
【００１５】
(2) 回生エネルギを効率的な充電により十分に消費できるので、オルタネータにより大きな回生制動力を得られるようになる。
【００１６】
(3) 各電池の充電状態を比較し、回生エネルギをより効率的に充電できる一の電池を選択して優先的に充電するようにしたので、回生エネルギの更なる有効利用が可能になり、さらに大きな回生制動力を得られるようになる。
【００１７】
(4) 各電池の充電効率を、その充電残量、定格電圧、電力消費量および／または内部インピーダンスに基づいて定量的に評価するようにしたので、充電効率のより高い電池を正確に選択できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明を適用した車両用充電システムおよびその搭載車両の構成を示したブロック図である。
【図２】充電制御部がメイン電池およびサブ電池のいずれか一方をそのSOCに応じて充電対象に選択する方法を示した図である。
【図３】充電対象電池の選択手順を示したフローチャート（その１）である。
【図４】充電対象電池の選択手順を示したフローチャート（その２）である。
【図５】充電経路セレクタが充電対象電池の選択結果に基づいて充電経路を確立する方法を示した図である。
【図６】従来のμHEVにおける回生充電方式を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。図１は、本発明を適用したハイブリッド自動車およびその充電制御装置の主要部の構成を示したブロック図である。
【００２０】
本実施形態では、図１に示す構成のハイブリッド自動車への適用を例にして説明するが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、可変電圧オルタネータと端子電圧（定格電圧）の異なる複数の電池とを搭載し、車両制動時の回生エネルギを各電池へ充電するシステムであれば、どのような充電システムにも適用できる。
【００２１】
エンジンEが発生する駆動力は、駆動軸３１およびデファレンシャルギア３２を介して駆動輪３３に伝達されると共に、動力分配機構３４を介して可変電圧オルタネータ１の回転軸に入力される。オルタネータ１は、制動時には回生エネルギを出力し、通常走行時も必要に応じて充電エネルギを出力できる。
【００２２】
メイン電池２は低電圧電池であり、本実施形態では定格電圧が１２V程度の鉛電池、NiMH電池、NiZn電池またはLIB等を想定している。サブ電池３は高電圧電池であり、本実施形態では定格電圧が４８V程度の鉛電池、LIC、LIB、NiZn電池、NiMH電池またはEDLCを想定している。
【００２３】
低電圧補機４は、定格電圧が低電圧（１２Ｖ）で消費電力の比較的小さな灯火器等の補機である。高電圧補機５は、定格電圧が高電圧（４８Ｖ）で消費電力の比較的大きな電動機器等の補機である。
【００２４】
各電池２，３には、それぞれ電池コントローラ２ａ，３ａが併設され、所定のサンプリング周期（例えば、10ms間隔）で各電池２，３の定格電圧、温度および充放電電流等の電池状態を検知する。充放電電流は、ホール素子またはシャント抵抗等の電流センサ８により検知することができる。
【００２５】
充電制御部６において、SOC計算部６ａは、各電池コントローラ２ａ，３ａから収集した電池状態に基づいて各電池のSOC（State Of Charge：充電量又は電池残量）を推定する。電池選択部６ｂは、各電池の推定SOCに基づいて回生充電の対象電池を選択し、選択結果を充電経路セレクタ７へ通知する。可変電圧設定部６ｃは、前記選択された電池の定格電圧に応じた出力電圧をオルタネータ１に設定する。
【００２６】
充電経路セレクタ７は、制動時の回生エネルギが前記選択された電池へ優先的に充電されるように、オルタネータ１と各電池２，３および各補機４，５との間に充電経路を確立する。
【００２７】
図２は、前記充電制御部６がメイン電池２およびサブ電池３のいずれか一方を、その推定SOC等に応じて回生充電の対象電池として選択する方法を示した図であり、図３，４は、その手順を示したフローチャートである。
【００２８】
図３のステップS１では、メイン電池２およびサブ電池３のそれぞれについて、前記電池コントローラ２ａ，３ａにより所定のサンプリング周期で検知される定格電圧Vm，Vs、充放電電流Im，Isの積算値および温度Tならびに既知の電池容量Cm，Cs等に基づいて、現在の推定SOC（SOCm，SOCs）が前記SOC計算部６ａにより推定される。このとき、端子電圧Vm，Vsおよび充放電電流Im，Isは基準温度に対応した値に温度補償される。
【００２９】
ステップS２では、各電池２，３の推定SOCm，SOCsが所定の下限基準値SOCref2と比較される。本実施形態では、過放電により電池寿命の劣化が促進され得るSOCの最大値が予め下限基準値SOCref2に設定されている。下限基準値SOCref2が電池ごとに異なる場合は、それぞれ固有の下限基準値と比較されるようにしても良い。
【００３０】
ここで、図２(a)に示したように、一方の電池（ここでは、メイン電池２）の推定SOCmが下限基準値SOCref2を下回っていると、ステップS３へ進んで強制充電が開始され、回生充電を待たずに通常走行時のオルタネータ１の発電出力で前記一方の電池が充電される。
【００３１】
すなわち、メイン電池２への強制充電であれば、充電制御部６によりオルタネータ１の出力電圧が１２Ｖに設定される。さらに、オルタネータ１の出力がメイン電池２へ供給されるように、充電経路セレクタ７に対して充電経路の確立が指示される。
【００３２】
これに対して、サブ電池３への強制充電であれば、充電制御部６によりオルタネータ１の出力電圧が４８Ｖに設定される。さらに、オルタネータ１の出力がサブ電池３へ供給されるように、充電経路セレクタ７に対して充電経路の確立が指示される。
【００３３】
一方、前記ステップS２において、推定SOCが下限基準値SOCref2を下回る電池が存在しないと判定されればステップS４へ進み、前記ステップS３で開始された強制充電が継続中であるか否かが判定される。強制充電が継続中であれば、これを終了してステップＳ５へ進む。ステップS５では、制動時の回生エネルギを各電池へ充電する回生充電制御が実施される。
【００３４】
図４は、前記回生充電の制御方法を示したフローチャートである。ステップS１０１では、回生制動が開始されたか否かが判断され、ステップＳ１１２では、回生制動が終了したか否かが判定される。回生制動の開始または終了は、例えばエンジンへの燃料供給が遮断されているか否かに基づいて判断できる。
【００３５】
回生制動の開始が検知されるとステップS１０２へ進み、各電池２，３の推定SOCm，SOCsが所定の上限基準値SOCref1と比較される。本実施形態では、過充電により電池寿命の劣化が促進され得るSOCの最小値が上限基準値SOCref1に設定されている。上限基準値SOCref1が電池ごとに異なる場合は、それぞれ固有の上限基準値と比較するようにしても良い。
【００３６】
ここで、図２(b)に示したように、推定SOCm，SOCsのいずれもが上限基準値SOCref1を上回っていれば、更なる充電は過充電による電池寿命の劣化を招くのでステップS１０３へ進む。ステップS１０３では、前記電池選択部６ｂにより、回生充電の対象電池が「無し」とされる。
【００３７】
ステップＳ１０６では、後に詳述するように、いずれの電池へも回生充電が行われず、各補機４，５へそれぞれ対応する電池２，３から給電が行われるように、前記充電経路セレクタ７により充電経路が切り換えられる。
【００３８】
これに対して、図２(c)，(d)に示したように、推定SOCm，SOCsの一方のみが上限基準値SOCref1を上回り、他方が上限基準値SOCref1を下回っていればステップS１０４へ進み、当該他方の推定SOCを示す電池が、前記電池選択部６ｂにより今回の充電対象電池に選択される。
【００３９】
ステップＳ１０５では、オルタネータ１の出力電圧が、前記可変電圧設定部６ｃにより、前記選択された電池に応じて１２Ｖ相当または４８Ｖ相当に設定される。ステップＳ１０６では、後に詳述するように、オルタネータ１の出力により前記選択された電池のみが充電されるように、前記充電経路セレクタ７により充電経路が切り換えられる。
【００４０】
また、図２(e)，(f)に示したように、推定SOCm，SOCsのいずれもが上限基準値SOCref1を下回っていると判定されればステップＳ１０７へ進み、推定SOCm，SOCsの差分ΔSOC（=｜SOCm-SOCs｜）が基準差分Δrefと比較される。
【００４１】
その結果、図２(e)に示したように、差分ΔSOCが基準差分Δrefよりも大きければ、各電池のSOCに有意な差があると判定してステップＳ１０８へ進み、推定SOCの低い方の電池が、前記電池選択部６ｂにより今回の充電対象電池に選択される。
【００４２】
ステップＳ１０９では、オルタネータ１の出力電圧が、前記可変電圧設定部６ｃにより、前記選択された電池に応じて１２Ｖ相当または４８Ｖ相当に設定される。ステップＳ１０６では、オルタネータ１の出力により前記選択された電池のみが充電されるように、前記充電経路セレクタ７により充電経路が切り換えられる。
【００４３】
これに対して、図２(f)に示したように、前記差分ΔSOCが基準差分Δrefよりも小さければ、各電池のSOCに有意な差がないと判定してステップＳ１１０へ進む。ステップＳ１１０では、充電効率が高い電池として、例えばサブ電池３が固定的に、又は充放電履歴から求まる充電残量がより少ない電池、端子電圧の割合（Vs／１２，Vm／４８）がより低い電池あるいは内部インピーダンスのより小さい電池が、前記電池選択部６bにより今回の回生充電の対象電池に選択される。あるいは、直近の充放電履歴を参照し、放電総量のより多い電池を今回の充電対象として選択するようにしても良い。
【００４４】
ステップＳ１１１では、オルタネータ１の出力電圧が、前記可変電圧設定部６ｃにより、前記選択された電池に応じて１２Ｖ相当または４８Ｖ相当に設定される。ステップＳ１０６では、オルタネータ１の出力により前記選択された電池のみが充電されるように、前記充電経路セレクタ７により充電経路が切り換えられる。
【００４５】
その後、前記ステップＳ１１２において回生制動の終了が検知されると、ステップＳ１１３へ進んで充電対象が「無し」とされる。ステップＳ１０６では、いずれの電池へも充電が行われず、各補機４，５へそれぞれ対応する電池２，３から給電が行われるように、前記充電経路セレクタ７により充電経路が切り換えられる。
【００４６】
図５は、充電経路セレクタ７が充電制御部６による充電対象電池の選択結果に基づいて充電経路を確立する方法を示した図である。
【００４７】
前記図２(b)に示したように、推定SOCm，SOCsのいずれもが上限基準値SOCref1を上回っており、充電対象電池が「無し」であれば、図５(a)に示したように、オルタネータ１の出力を１２Ｖ系統に接続するスイッチSW1および４８Ｖ系統に接続するスイッチSW2のいずれもがオフにされる。
【００４８】
さらに、メイン電池２を１２Ｖ系統に接続するスイッチSW3、１２Ｖ補機を１２Ｖ系統に接続するスイッチSW4、サブ電池３を４８Ｖ系統に接続するスイッチSW5および４８Ｖ補機を４８Ｖ系統に接続するスイッチSW6のいずれもがオンにされる。これにより、各補機４，５へそれぞれ対応する電池２，３から給電が行われるようになる。
【００４９】
一方、前記図２(c)に示したように、又は図２(e)，(f)の各ケースでサブ電池３が回生充電の対象に選択されると、図５(b)に示したように、スイッチSW1はオフにされ、それ以外のスイッチSW2〜SW6は全てオンにされる。その結果、オルタネータ１の回生エネルギはサブ電池３への充電および４８Ｖ補機での消費に利用されるようになる。
【００５０】
さらに、前記図２(d)に示したように、又は図２(e)，(f)の各ケースでメイン電池２が回生充電対象に選択されると、図５(c)に示したように、スイッチSW2はオフにされ、それ以外のスイッチSW1，SW3〜SW6は全てオンにされる。その結果、オルタネータ１の回生エネルギはメイン電池２への充電および１２Ｖ補機での消費に利用されるようになる。
【００５１】
このように、本実施形態によれば、高価で効率の悪いDC/DCコンバータを用いることなく、定格電圧の異なる複数の電池へオルタネータの回生エネルギを効率よく充電できるようになる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、回生エネルギを効率良く電池へ充電でき、回生エネルギを十分に消費できるので、十分な回生制動力を得られるようになる。
【００５３】
さらに、本実施形態によれば、回生エネルギをより効率的に充電できる一の電池を優先的に充電するので、回生エネルギの更なる有効利用が可能になる。
【符号の説明】
【００５４】
１…可変電圧オルタネータ，２…メイン電池，２ａ…電池コントローラ，３…サブ電池，３ａ…電池コントローラ，４…低電圧補機，５…高電圧補機，６…充電制御部，７…充電経路セレクタ，８…電流センサ，３１…駆動軸，３２…デファレンシャルギア，３３…駆動輪，３４…動力分配機構
【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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