JP6320929B2 - 車載用蓄電システム - Google Patents

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Description

本発明は、蓄電システムに関し、特に車両の電装部品に電力を供給するための蓄電部における充放電を制御する車載用蓄電システムに関する。
現在、車両におけるアイドリングストップシステムや回生システムの蓄電池として鉛バッテリが用いられている。鉛バッテリは、放電深度（lang=EN-US>Depth Of Discharge；ＤＯＤ）が深い放電をすると劣化の速度が速くなるため深い放電は推奨されず、満充電を維持することが好ましい。アイドリングストップシステムや回生システムに鉛バッテリのみを用いる場合、これらのシステムが必要とする充放電機能を満たすことが困難なことも起こりうる。
このため、鉛バッテリに加えて、他の蓄電装置を控えとして備える蓄電システムも提案されている（特許文献１参照）。
特開２０１１−１７６９５８号公報
鉛バッテリに加えて備えられる蓄電装置としては、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池があげられる。これらの二次電池は高温環境下で使用すると、場合によっては充放電性能の低下が早まったり、所定の充放電性能を達成できなくなったりする場合がある。車両におけるアイドリングストップシステムや回生システムの蓄電池はエンジンルーム等の高温環境下で使用されるため、蓄電池の性能低下を抑制する技術が望まれている。
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、高温環境下における蓄電池の性能低下を抑制する技術を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明のある態様は車載用蓄電システムである。このシステムは、蓄電部と、前記蓄電部から電力が供給される車載用の電装部品と、前記蓄電部を充電可能なオルタネータと、前記蓄電部の温度を取得する温度取得部と、前記温度取得部が取得した前記蓄電部の温度をもとに、前記蓄電部の充放電を制御する充放電制御部とを備える。ここで前記充放電制御部は、前記蓄電部への充電の可否を決定するために定められた充電許可温度Ｔｃよりも前記蓄電部の温度が低い場合に前記蓄電部への充電を許可するとともに、前記蓄電部からの放電の可否を決定するために定められた放電許可温度Ｔｄよりも前記蓄電部の温度が低い場合に前記蓄電部への放電を許可し、充電許可温度Ｔｃは放電許可温度Ｔｄよりも低い温度である。
本発明によれば、高温環境下における蓄電池の性能低下を抑制する技術を提供することができる。
本発明の実施の形態に係る車載用蓄電システムの概要を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係る車載用蓄電システムの回路構成を模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係る判定部および計測部の機能構成を模式的に示す図である。 蓄電部の温度とその内部抵抗との関係の一例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る蓄電部の劣化判定処理の流れを説明するフローチャートである。 蓄電部の環境温度と充電効率特性との関係を計測した実験結果、および蓄電部の状態判定を示す表である。 蓄電部の環境温度と充電効率特性との関係を計測した実験結果を示すグラフである。 本発明の実施の形態に係る蓄電部の充放電制御処理の流れを説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態に係るサブ蓄電部の内部構成を模式的に示す図である。
（車載用蓄電システムの概要）
図１を参照して本発明の実施の形態の概要を述べる。図１は、本発明の実施の形態に係る車載用蓄電システム１００の概要を模式的に示す図である。実施の形態に係る車載用蓄電システム１００は、自動車等の車両に搭載される電装部品４１０等の負荷４００に電力を供給する蓄電部３００と、蓄電部３００の状態を計測したり、蓄電部３００の充放電を制御したりする蓄電制御部２００を備える。実施の形態に係る蓄電部３００は、例えば車両のエンジンルーム等の高温となりうる環境下に設置されることが想定されており、蓄電制御部２００は、蓄電部３００の温度を計測し、その温度に応じて蓄電部３００の充放電の可否を制御する。このため蓄電制御部２００は、蓄電部３００の物理特性を計測する計測部７００、計測部７００の計測結果をもとに蓄電部３００の充放電の可否を判定する判定部６００、および蓄電部３００の充放電を制御する充放電制御部２１０を備える。
実施の形態に係る蓄電部３００は、車載用の蓄電部として従来から使用される鉛バッテリ３１０と、鉛バッテリ３１０と並列に接続されたサブ蓄電部３２０を備える。判定部６００はまた、計測部７００が計測した蓄電部３００の物理特性をもとに、鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０との状態を判定する。以下本明細書においては、サブ蓄電部３２０としてニッケル水素電池を利用することを前提に説明するが、サブ蓄電部３２０は、例えばリチウムイオン電池等の二次電池やキャパシタ等を用いても実現できる。
負荷４００は、電装部品４１０の他、エンジンを始動するためのスタータ４２０も含む。車載用の電装部品４１０としては、例えばヘッドライト、エアコン、デフォッガ、オーディオ、メータ、ストップランプ、フォグランプ、ウィンカ、パワーステアリング、パワーウインドウ、エンジン電装品等が挙げられる。
オルタネータ５００は、エンジンの動力を利用して交流電力を発電する。オルタネータ５００が発電した交流電力は、図示しないレギュレータや整流器を介して負荷４００に供給されたり、充放電制御部２１０の制御の下、蓄電部３００に蓄電されたりする。
以下、本発明の実施の形態に係る蓄電部３００の状態判定と蓄電部３００の充放電制御とについて詳細に説明する。
（蓄電部の状態判定）
図２は、本発明の実施の形態に係る車載用蓄電システム１００の回路構成を模式的に示す図である。上述したように、車載用蓄電システム１００は、蓄電部３００と、蓄電制御部２００とを備える。車載用蓄電システム１００はさらに、鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０とのそれぞれを通電および遮断するスイッチ８００、鉛バッテリ３１０の電流を計測するシャント抵抗６００ａ、およびサブ蓄電部３２０の電流を計測するシャント抵抗６００ｂも備える。蓄電部３００は鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０との他に、蓄電部３００の温度を計測するサーミスタ３３０を含む。ここでスイッチ８００は、例えば既知のリレースイッチや半導体スイッチを用いて実現できる。
蓄電制御部２００は、ＣＰＵ（lang=EN-US>Central Processing Unit）２５０、記憶部２６０、スイッチ制御回路２７０、および電圧電流検出回路２８０を含む。電圧電流検出回路２８０は、蓄電部３００の電圧を検出する。電圧電流検出回路２８０はまた、シャント抵抗６００ａとシャント抵抗６００ｂとのそれぞれにおける電圧降下から、鉛バッテリ３１０およびサブ蓄電部３２０それぞれの電流を検出する。
ＣＰＵ２５０は、蓄電制御部２００の動作を統括的に制御する。具体的には、ＣＰＵ２５０は記憶部２６０に格納された制御用プログラムを読み出して実行することで、蓄電制御部２００の動作を統括的に制御する。図示はしないが、記憶部２６０はＣＰＵ２５０が実行可能な制御用プログラムを格納するＲＯＭ（lang=EN-US>Read Only Memory）の他、ＣＰＵ２５０の作業用領域となるＲＡＭ（Random Access Memory）を備える。またスイッチ制御回路２７０は、ＣＰＵ２５０の制御の下、スイッチ８００を開閉する。これにより、上述した充放電制御部２１０の機能が実現される。
図３は、本発明の実施の形態に係る判定部６００および計測部７００の機能構成を模式的に示す図である。実施の形態に係る計測部７００は、温度取得部７１０、第１電流取得部７２０、第２電流取得部７３０、および電圧取得部７４０を備える。
電圧取得部７４０は、蓄電部３００の電圧を取得する。より具体的には、電圧取得部７４０は、蓄電部３００が搭載された車両の始動前における蓄電部３００の開路電圧Ｖｏと、蓄電部３００の通電時における閉路電圧Ｖｃとを取得する。ここで蓄電部３００の電圧とは、鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０とをあわせた全体での電圧を意味する。第１電流取得部７２０は、蓄電部３００の通電時において鉛バッテリ３１０の電流Ｉｐを取得する。また第２電流取得部７３０は、蓄電部３００の通電時においてサブ蓄電部３２０の電流Ｉｓを取得する。電圧取得部７４０は、上述した電圧電流検出回路２８０とＣＰＵ２５０とで実現される。
判定部６００は、電圧取得部７４０が取得した開路電圧Ｖｏと閉路電圧Ｖｃ、第１電流取得部７２０が取得した電流Ｉｐ、および第２電流取得部７３９が取得した電流Ｉｓをもとに、蓄電部３００の状態を判定する。このため判定部６００は、制御パラメータ記憶部６１０、比較部６２０、減算部６３０、除算部６４０、および一時記憶部６５０を備える。制御パラメータ記憶部６１０と一時記憶部６５０とは、上述した記憶部２６０で実現される。また比較部６２０、減算部６３０、および除算部６４０は、上述したＣＰＵ２５０で実現される。
一時記憶部６５０は開路電圧記憶部６５２と閉路電圧記憶部６５４とを含む。開路電圧記憶部６５２は、電圧取得部７４０が取得した蓄電部３００の開路電圧Ｖｏを記憶する。また閉路電圧記憶部６５４は、電圧取得部７４０が取得した蓄電部３００の閉路電圧Ｖｃを記憶する。減算部６３０は、閉路電圧記憶部６５４と開路電圧記憶部６５２とのそれぞれから閉路電圧Ｖｃと開路電圧Ｖｏとを取得し、閉路電圧Ｖｃの値から開路電圧Ｖｏの値を減算して差分電圧Ｖｄ＝Ｖｃ−Ｖｏを取得する。
除算部６４０内の鉛バッテリ抵抗取得部６４２は第１電流取得部７２０から鉛バッテリ３１０の電流Ｉｐを取得する。鉛バッテリ抵抗取得部６４２はさらに、オームの法則に基づいて、減算部６３０が取得した閉路電圧Ｖｃと開路電圧Ｖｏとの差分電圧Ｖｄを電流Ｉｐで除算することによって鉛バッテリ３１０の抵抗値Ｒｐ＝（Ｖｃ−Ｖｏ）／Ｉｐを取得する。
除算部６４０内のサブ蓄電部抵抗取得部６４４は第２電流取得部７３０からサブ蓄電部３２０の電流Ｉｓを取得する。サブ蓄電部抵抗取得部６４４はさらに、減算部６３０が取得した閉路電圧Ｖｃと開路電圧Ｖｏとの差分電圧Ｖｄを電流Ｉｓで除算してサブ蓄電部３２０の抵抗値Ｒｓ＝（Ｖｃ−Ｖｏ）／Ｉｓを取得する。
ここで電圧取得部７４０は、蓄電部３００の通電時における閉路電圧Ｖｃを取得するが、そのとき蓄電部３００を流れる電流が大きい方が計測値の信頼性を向上しうる点で好ましい。一般に、エンジンの始動時には蓄電部３００の電力を用いてスタータ４２０を作動させ、そのとき蓄電部３００に流れる電流は大きくなることが知られている。そこで、電圧取得部７４０は、蓄電部３００が搭載された車両の始動時における蓄電部３００の電圧を閉路電圧Ｖｃとして取得してもよい。
制御パラメータ記憶部６１０は、蓄電部３００の状態判定や蓄電部３００の制御に利用する各種物理量やパラメータを格納する。具体例として、制御パラメータ記憶部６１０は、鉛バッテリ抵抗取得部６４２が取得した抵抗値Ｒｐと比較することによって鉛バッテリ３１０の状態が劣化状態であるか否かを判定するために定められた状態判定閾値Ｔｐを格納する。
一般に、鉛バッテリ３１０は使用することで劣化が進み、充放電の容量が低下することが知られている。また鉛バッテリ３１０は、状態の劣化が進むにしたがって内部抵抗が大きくなることも知られている。そこで、鉛バッテリ抵抗取得部６４２が取得した抵抗値Ｒｐをもとに鉛バッテリ３１０の劣化の有無を判定することができる。
ここで鉛バッテリ３１０の内部抵抗は、鉛バッテリ３１０の温度によって変化する。具体的には、鉛バッテリ３１０の温度が高い場合は、低い場合と比較して、内部抵抗が小さくなる。また上述したように、実施の形態に係る蓄電部３００はエンジンルーム等の温度が変化しうる環境下に設置されるため、蓄電部３００の温度も変化しうる。そこで、温度取得部７１０は、蓄電部３００の温度を取得する。温度取得部７１０は、上述したサーミスタ３３０とＣＰＵ２５０とで実現される。
図４は、蓄電部３００の温度とその内部抵抗との関係の一例を示す図である。より具体的には、図４は劣化状態となった鉛バッテリ３１０に関する、温度と内部抵抗との関係の一例を示す図である。したがって、ある温度における鉛バッテリ３１０の抵抗値Ｒｐを計測し、図４に示すグラフを参照してその温度における劣化状態の内部抵抗との大小関係を比較することにより、鉛バッテリ３１０の劣化状態を判定することができる。この意味で、図４のグラフに示す内部抵抗値は、状態判定閾値Ｔｐとして機能する。図４に示すように、鉛バッテリ３１０の温度が高い場合は、低い場合と比較して、状態判定閾値Ｔｐの値は小さくなる。なお、図４に示す鉛バッテリ３１０の温度と内部抵抗との関係は、例えば表形式で制御パラメータ記憶部６１０に格納されている。
劣化状態となった鉛バッテリ３１０の内部抵抗は一般に数ミリΩ程度である。図４に示すように、例えば、鉛バッテリ３１０の温度が２０℃のときの内部抵抗は、０℃のときの内部抵抗はよりも小さい。このように、鉛バッテリ３１０の状態が劣化状態であるか否かを判定するための状態判定閾値Ｔｐは鉛バッテリ３１０の温度に依存するので、鉛バッテリ３１０の温度を勘案して適切な状態閾値Ｔｐを選択することで、状態判定の精度を高めることが可能となる。鉛バッテリ３１０がある温度のときに鉛バッテリ抵抗取得部６４２が取得した抵抗値Ｒｐが、その温度における状態判定閾値Ｔｐよりも小さければ、鉛バッテリ３１０の状態は劣化状態ではなく、正常状態であると判定できる。反対に、抵抗値Ｒｐが状態判定閾値Ｔｐ以上の場合、鉛バッテリ３１０の状態は劣化状態と判定できる。
そこで比較部６２０は、温度取得部７１０が取得した蓄電部３００の温度における状態判定閾値Ｔｐを制御パラメータ記憶部６１０から取得する。比較部６２０はまた、鉛バッテリ抵抗取得部６４２から鉛バッテリ３１０の抵抗値Ｒｐを取得する。比較部６２０は、状態判定閾値Ｔｐと抵抗値Ｒｐとの大小関係を比較して、抵抗値Ｒｐが状態判定閾値Ｔｐ未満の場合、鉛バッテリ３１０は正常状態と判定する。比較部６２０はまた、抵抗値Ｒｐが状態判定閾値Ｔｐ以上の場合、鉛バッテリ３１０は劣化状態と判定する。
なお上記では、制御パラメータ記憶部６１０が鉛バッテリ３１０の温度と内部抵抗との関係を格納する場合について説明したが、制御パラメータ記憶部６１０は特定の温度（例えば４０℃）における状態判定閾値Ｔｐの固定値を格納してもよい。この場合、比較部６２０は、温度取得部７１０が取得した温度が４０℃となったときに、鉛バッテリ３１０の状態を判定する。これにより、制御パラメータ記憶部６１０が格納すべきパラメータを減らすことができる。制御パラメータ記憶部６１０は例えばＲＯＭ（lang=EN-US>Read Only Memory）等の不揮発メモリを用いて実現できるが、一般にメモリは高価である。したがって、制御パラメータ記憶部６１０が格納すべきパラメータを減らすことは制御パラメータ記憶部６１０を実現するためのメモリを減らすことにつながり、ひいては実施の形態に係る車載用蓄電システム１００のコストを下げることが可能となる。
制御パラメータ記憶部６１０はまた、サブ蓄電部抵抗取得部６４４が取得した抵抗値Ｒｓと比較することでサブ蓄電部３２０の状態が劣化状態であるか否かを判定するために定められた状態判定閾値Ｔｓも格納する。図示はしないが、鉛バッテリ３１０の場合と同様に、制御パラメータ記憶部６１０はサブ蓄電部３２０温度と内部抵抗との関係を表形式で格納する。サブ蓄電部３２０の温度と内部抵抗との関係は、サブ蓄電部３２０が例えばニッケル水素電池であるのか、あるいはリチウムイオン電池であるのか等によって異なる。そこで、サブ蓄電部３２０の温度と内部抵抗との関係は、サブ蓄電部３２０の種類等を考慮して実験により定めればよい。
比較部６２０は、温度取得部７１０が取得した蓄電部３００の温度における状態判定閾値Ｔｓを制御パラメータ記憶部６１０から取得する。比較部６２０はまた、サブ蓄電部抵抗取得部６４４から鉛バッテリ３１０の抵抗値Ｒｓを取得する。比較部６２０は、状態判定閾値Ｔｓと抵抗値Ｒｓとの大小関係を比較して、抵抗値Ｒｓが状態判定閾値Ｔｓ未満の場合、サブ蓄電部３２０は正常状態と判定する。比較部６２０はまた、抵抗値Ｒｓが状態判定閾値Ｔｓ以上の場合、サブ蓄電部３２０は劣化状態と判定する。
比較部６２０は、鉛バッテリ抵抗取得部６４２が取得した鉛バッテリ３１０の抵抗値Ｒｐが状態判定閾値Ｔｐ以上の場合、またはサブ蓄電部抵抗取得部６４４が取得したサブ蓄電部３２０の抵抗値Ｒｓが状態判定閾値Ｔｓ以上の場合の少なくともいずれか一方の場合、蓄電部３００の状態は劣化状態と判定する。判定部６００は、図示しないＣＡＮ（lang=EN-US>Controller Area Network）通信部を介して車両本体の制御部に通知するようにしてもよい。これにより、車両本体の制御部は、例えばダッシュボード等の表示領域に蓄電部３００の劣化状態を表示することができ、車載用蓄電システム１００を搭載した車両のユーザに劣化状態を通知することが可能となる。
上述したように、実施の形態に係る蓄電部３００は、鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０とが並列に接続している。実施の形態に係る判定部６００は、蓄電部３００の全体としての閉路電圧Ｖｃおよび開路電圧Ｖｏ、鉛バッテリ３１０の電流Ｉｐ、およびサブ蓄電部３２０の電流Ｉｓをもとに鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０との抵抗値を取得する。したがって、鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０とが並列に接続している場合であっても、それらを一時的に切り離して鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０とのそれぞれの電圧を読み出すことなく、各部の抵抗値を取得できる。これにより、鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０とを一時的に切り離すためのリレー等の部材が不要となり、また、各部の抵抗値を取得するために測定すべき項目を削減することができる。
また、各部の抵抗値を取得するために測定すべき項目や必要な部材を削減することができるので、上述した実施の形態に係る電圧取得部７４０、第１電流取得部７２０、第２電流取得部７３０、判定部６００を実現するための回路規模を小さくすることもできる。そこで、これらの各部を同一基板上に実装された回路で実現してもよい。車載用蓄電システム１００はエンジンルーム等のスペースが限られた場所に設置することが前提となるため、蓄電部３００の状態判定を実装する回路基板を配置する際の自由度が増加しうる点で効果がある。
図５は、本発明の実施の形態に係る蓄電部３００の劣化判定処理の流れを説明するフローチャートである。本フローチャートにおける処理は、例えば車載用蓄電システム１００を搭載する車両のエンジンが始動する前に開始する。
電圧取得部７４０は、蓄電部３００が搭載された車両の始動前における蓄電部３００の開路電圧Ｖｏを取得する（Ｓ２）。電圧取得部７４０は、蓄電部３００が搭載された車両の始動時における蓄電部３００の閉路電圧Ｖｃを取得する（Ｓ４）。減算部６３０は、閉路電圧Ｖｃの値から開路電圧Ｖｏの値を減算して差分電圧Ｖｄ＝Ｖｃ−Ｖｏを取得する（Ｓ６）。
第１電流取得部７２０は、蓄電部３００の通電時において鉛バッテリ３１０を流れる電流Ｉｐを取得する（Ｓ８）。第２電流取得部７３０は、蓄電部３００の通電時においてサブ蓄電部３２０を流れる電流Ｉｓを取得する（Ｓ１０）。
鉛バッテリ抵抗取得部６４２は、閉路電圧Ｖｃと開路電圧Ｖｏとの差分電圧Ｖｄを鉛バッテリ３１０の電流Ｉｐで除算することによって、鉛バッテリ３１０の抵抗値Ｒｐを取得する（Ｓ１２）。サブ蓄電部抵抗取得部６４４は、閉路電圧Ｖｃと開路電圧Ｖｏとの差分電圧Ｖｄをサブ蓄電部３２０の電流Ｉｓで除算することによってサブ蓄電部３２０の抵抗値Ｒｓを取得する（Ｓ１４）。
比較部６２０は、制御パラメータ記憶部６１０から、鉛バッテリ３１０の状態が劣化状態であるか否かを判定するための状態判定閾値Ｔｐを取得する（Ｓ１６）。比較部６２０はまた、制御パラメータ記憶部６１０から、サブ蓄電部３２０の状態が劣化状態であるか否かを判定するための状態判定閾値Ｔｓを取得する（Ｓ１８）。サブ蓄電部３２０の状態判定閾値Ｔｓとサブ蓄電部３２０の抵抗値Ｒｓとの大小関係を比較した結果、抵抗値Ｒｓが状態判定閾値Ｔｓ未満の場合（Ｓ２０のＹ）、比較部６２０は、サブ蓄電部３２０の状態は正常状態であると判定する（Ｓ２２）。抵抗値Ｒｓが状態判定閾値Ｔｓ以上の場合（Ｓ２０のＮ）、比較部６２０は、サブ蓄電部３２０の状態は劣化状態であると判定する（Ｓ２４）。
鉛バッテリ３１０の状態判定閾値Ｔｐと鉛バッテリ３１０の抵抗値Ｒｐとの大小関係を比較した結果、抵抗値Ｒｐが状態判定閾値Ｔｐ未満の場合（Ｓ２６のＹ）、比較部６２０は、鉛バッテリ３１０の状態は正常状態であると判定する（Ｓ２８）。抵抗値Ｒｐが状態判定閾値Ｔｐ以上の場合（Ｓ２６のＮ）、比較部６２０は、鉛バッテリ３１０の状態は劣化状態であると判定する（Ｓ３０）。比較部５２０が鉛バッテリ３１０の状態を判定すると、本フローチャートにおける処理は終了する。
計測部７００および判定部６００は、所定のタイミングで図５に示す劣化判定処理を実行することにより、蓄電部３００の劣化を検出する。所定のタイミングは、蓄電部３００が備える鉛バッテリ３１０やサブ蓄電部３２０の特性を考慮して実験により定めればよいが、一例としては実施の形態に係る車載用蓄電システム１００を搭載した車両の始動のタイミングである。あるいは、車両が始動した後、蓄電部３００の温度が初めて所定の温度となるタイミングでもよい。
（蓄電部の充放電制御）
以上、蓄電部３００の状態判定について説明した。続いて、蓄電部３００が正常状態の場合における、蓄電部３００の充放電制御について説明する。
上述したように、実施の形態に係る車載用蓄電システム１００は、例えば車両のエンジンルーム等の、環境温度が高温となり得る所定の設置位置に設置される。二次電池やコンデンサは高温環境下で充放電されると著しく劣化して寿命が低下する問題がある。蓄電部３００のサブ蓄電部３２０としてニッケル水素電池を採用する場合、ニッケル水素電池の充電および放電を高温環境下で繰り返すことになる。ニッケル水素電池は、高温環境下における充放電による寿命低下は、他の二次電池、たとえばリチウムイオン電池と比べると比較的小さい。しかしながら、高温環境下における充放電による劣化が生じないわけではないため、ニッケル水素電池を採用した場合であっても、蓄電部３００の劣化を抑制するために充放電を許可する温度に上限を定めることが好ましい。一方で、本願の発明者は、ニッケル水素電池をエンジンルームに配置するために、ニッケル水素電池の劣化と高温環境下での充放電との関係を検討した。その結果、高温環境下における放電よりも、高温環境下における充電のほうが、ニッケル水素電池の劣化を促進することがわかった。本願の発明者は、さらに後述する実験により、ニッケル水素電池の高温環境下での充電とニッケル水素電池の劣化との関係を検討し、ニッケル水素電池を所定の温度以上の高温環境で充電することにより、ニッケル水素電池が著しく劣化しうることを実験によって確認した。これは、高温環境下ではニッケル水素電池の正極充電効率が低下し、正極から発生する酸素によって水素吸蔵合金が酸化劣化することが一因と考えられる。
図６および図７は、実施の形態に係る蓄電部３００の環境温度と充電効率特性との関係を示す図である。より具体的には、図６は実施の形態に係る蓄電部３００の環境温度と充電効率特性との関係を計測した実験結果および蓄電部３００の状態判定を示す表であり、図７は蓄電部３００の環境温度と充電効率特性との関係を計測した実験結果を示すグラフである。試験条件については、以下に記載する。
（試験条件）
ニッケル水素電池の充電効率特性を以下の条件で評価した。
（ｉ） 放置：所定環境温度（２５℃〜８０℃）、３時間
（ｉｉ） 充電：０．５Ｉｔ、電池容量８０％相当充電
（ｉｉｉ） 放電：０．５Ｉｔ、放電下限電圧０．９Ｖ
ここで（ｉｉ）充電容量に対する（ｉｉｉ）放電容量比率から充電効率特性を算出した。
図７に示すように、蓄電部３００の環境温度が増加するにしたがって、蓄電部３００の充電効率特性が減少することが実験により明らかになった。特に、蓄電部３００の環境温度が７５℃を超えると、蓄電部３００の充電効率特性が著しく減少することを本願の発明者は見いだした。このため図６に示すように、蓄電部３００の環境温度が７５℃までは充電効率特性は正常と判定できるが、環境温度が７５℃を超えた場合、蓄電部３００の充電効率特性は異常と判定できる。
上述したように、オルタネータ５００が発電した電力は、充放電制御部２１０の制御の下、蓄電部３００に充電される。また実施の形態に係る車載用蓄電システム１００が、例えばハイブリッドカー（lang=EN-US>Hybrid Electric Vehicle；ＨＥＶ）や電気自動車のように駆動用モータ（図示せず）を搭載する車両に設置された場合、回生制動に伴う電力も蓄電部３００に充電されうる。そこで、蓄電部３００の環境温度に応じて蓄電部３００の充電を制御することで、蓄電部３００の劣化を抑制することが期待できる。なお、上述の通り、高温環境下における放電によってもニッケル水素電池が劣化するため、放電についても上限温度を定めている。放電側の上限温度は、充電側の上限温度である７５℃よりも高い温度とし、具体的には８５℃とすることが好ましい。
計測部７００中の温度取得部７１０は蓄電部３００の温度を取得し、充放電制御部２１０は、温度取得部７１０が取得した蓄電部３００の温度をもとに、蓄電部３００の充放電を制御する。より具体的には、充放電制御部２１０は、蓄電部３００への充電の可否を決定するために定められた充電許可温度Ｔｃよりも蓄電部３００の温度が低い場合、蓄電部３００への充電を許可する。充放電制御部２１０はまた、蓄電部３００からの放電の可否を決定するために定められた放電許可温度Ｔｄよりも蓄電部３００の温度が低い場合、蓄電部３００への放電を許可する。
蓄電部３００は車載用の電装部品に電力を供給することを目的としているため、蓄電部３００は可能な限り放電が許可されることが好ましい。また、充電の場合とは異なり、放電に際しては、図６および図７を参照して上述した環境温度による蓄電部３００の劣化は緩やかである。したがって、放電許可温度Ｔｄは充電許可温度Ｔｃ以上であること、すなわち充電許可温度Ｔｃは放電許可温度Ｔｄよりも低い温度であることが好ましい。
より具体的には、制御パラメータ記憶部６１０が放電許可温度Ｔｄおよび充電許可温度Ｔｃを格納しており、判定部６００内の比較部６２０が、温度取得部７１０が取得した温度と放電許可温度Ｔｄおよび充電許可温度Ｔｃとを比較する。充放電制御部２１０は、比較部６２０が比較した結果をもとに、蓄電部３００の充放電を制御する。
上述したように、実施の形態に係る蓄電部３００は、鉛バッテリ３１０と鉛バッテリ３１０と並列に接続されたサブ蓄電部３２０とを備え、サブ蓄電部３２０は例えばニッケル水素電池である。鉛バッテリ３１０は、ニッケル水素電池と比較すると、図６および図７を参照して上述した環境温度による充電効率特性の低下は少ない。
そこで、蓄電部３００が鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０としてニッケル水素電池を備える場合、充放電制御部２１０は、蓄電部３００の温度をもとにサブ蓄電部３２０の充放電の可否を決定するが、蓄電部３００の温度に関わらず鉛バッテリ３１０の充電および放電を許可するようにしてもよい。これにより、蓄電部３００の温度に関わらず、車載用の電装部品に電力を安定して供給しつつ、サブ蓄電部３２０の劣化を抑制することができる。
また、蓄電部３００を備える車載用蓄電システム１００は、エンジンルーム等の車両内の所定の設置位置に設置される。設置位置がエンジンルームの場合、蓄電部３００の環境温度の温度変化の範囲は、車両が存在する場所の外気温を下限とし、エンジンの稼働時における温度である８５℃程度を上限とする。
そこで、放電許可温度Ｔｄおよび充電許可温度Ｔｃは、蓄電部３００の環境温度の温度変化の範囲内に含まれるように定める。具体例としては、充電許可温度Ｔｃは、図７に示すように蓄電部３００の充電効率特性が著しく減少する温度である７５℃とするのが好ましい。また放電許可温度Ｔｄは、エンジンルームの環境温度の温度変化の上限付近である８５℃に設定してもよい。これにより、ニッケル水素電池の正極充電効率の低下を抑制することができる。
図８は、本発明の実施の形態に係る蓄電部３００の充放電制御処理の流れを説明するフローチャートである。本フローチャートにおける処理は、例えば車載用蓄電システム１００を搭載する車両のエンジンが始動するときに開始する。
判定部６００内の比較部６２０は、制御パラメータ記憶部６１０から放電許可温度Ｔｄを取得する（Ｓ４０）。比較部６２０はまた、制御パラメータ記憶部６１０から充電許可温度Ｔｃも取得する（Ｓ４２）。比較部６２０は続いて、温度取得部７１０から蓄電部３００の現在の温度Ｔを取得する（Ｓ４４）。
比較部６２０は、蓄電部３００の現在の温度Ｔと放電許可温度Ｔｄとの大小関係を比較する。比較の結果、蓄電部３００の現在の温度Ｔが放電許可温度Ｔｄ未満の場合（Ｓ４６のＹ）、充放電制御部２１０は、蓄電部３００の放電を許可する（Ｓ４８）。比較の結果、蓄電部３００の現在の温度Ｔが放電許可温度Ｔｄ以上の場合（Ｓ４６のＮ）、充放電制御部２１０は、蓄電部３００の放電を禁止する（Ｓ４８）。
上述したとおり、充電許可温度Ｔｃは放電許可温度Ｔｄよりも低い温度である。したがって蓄電部３００の現在の温度Ｔが放電許可温度Ｔｄ以上の場合（Ｓ４６のＮ）、必然的に蓄電部３００の現在の温度Ｔは放電許可温度Ｔｃよりも高い温度である。そこで、蓄電部３００の現在の温度Ｔが放電許可温度Ｔｄ以上の場合（Ｓ４６のＮ）、充放電制御部２１０は、蓄電部３００の充電も禁止する（Ｓ５６）。
蓄電部３００の現在の温度Ｔが放電許可温度Ｔｄ未満の場合（Ｓ４６のＹ）、充放電制御部２１０は、蓄電部３００の現在の温度Ｔと充電許可温度Ｔｃとの大小関係を比較する。比較の結果、蓄電部３００の現在の温度Ｔが充電許可温度Ｔｃ未満の場合（Ｓ５２のＹ）、充放電制御部２１０は、蓄電部３００の充電を許可する（Ｓ５４）。蓄電部３００の現在の温度Ｔが充電許可温度Ｔｃ以上の場合（Ｓ５２のＮ）、充放電制御部２１０は、蓄電部３００の充電を禁止する（Ｓ５６）。
車載用蓄電システム１００を搭載する車両が停止する等により本処理を終了すべき場合（Ｓ５８のＹ）本フローチャートにおける処理は終了する。それ以外の場合（Ｓ５８のＮ）、ステップＳ４４に戻ってステップＳ４４以降の処理を継続する。
（サブ蓄電部の構成）
以上、蓄電部３００が正常状態の場合における、蓄電部３００の充放電制御について説明した。上述した蓄電部３００の充放電制御は、サブ蓄電部３２０がニッケル水素電池である場合を前提とする。そこで、以下サブ蓄電部３２０がニッケル水素電池である場合のサブ蓄電部３２０の構成について簡単に説明する。
図９は、本発明の実施の形態に係るサブ蓄電部３２０の内部構成を模式的に示す図であり、より具体的にはニッケル水素電池の内部構成の一例を模式的に示す図である。
実施の形態に係るサブ蓄電部３２０は図９に示すように外装缶１７を備え、外装缶１７の内部にアルカリ電解液を充填するアルカリ蓄電池である。外装缶１７内部には、水酸化ニッケルを主正極活物質とするニッケル正極１１と、水素吸蔵合金を負極活物質とする水素吸蔵合金負極１２と、セパレータ１３とを備える。図９は、水素吸蔵合金負極１２を網点で塗りつぶした領域で示している。またニッケル正極１１は、隣り合うふたつの水素吸蔵合金負極１２の間に存在する斜線で示された領域であり、セパレータ１３は、隣り合うニッケル正極１１と水素吸蔵合金負極１２との間の白色で塗りつぶされた領域である。
上述した図６および図７は、アルカリ電解液に、タングステン化合物、モリブデン化合物、ニオブ化合物から選択されるいずれか１種以上の化合物を添加した場合における、サブ蓄電部３２０の環境温度と充電効率特性との関係を示す図である。本願の発明者は、アルカリ電解液に上述の化合物を添加することにより、サブ蓄電部３２０の高温環境下における充電効率特性を飛躍的に改善できることを見いだした。
このため実施の形態に係るサブ蓄電部３２０のアルカリ電解液は、タングステン化合物、モリブデン化合物、ニオブ化合物から選択されるいずれか１種以上の化合物を含む。より具体的には、実施の形態に係るサブ蓄電部３２０のアルカリ電解液は、タングステン化合物、モリブデン化合物、ニオブ化合物から選択されるいずれか１種以上の化合物の金属元素質量が、アルカリ電解液１ｇ当たりに、２０ｍｇ以上、５０ｍｇ以下で含有されている。これにより、上述した蓄電部３００の充放電制御との相乗効果により、蓄電部３００の高温環境下における充電効率特性の劣化をさらに抑制することができる。
以上、本発明の実施の形態に係る車載用蓄電システム１００によれば、鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０とを並列に備える蓄電部３００において、各部の抵抗値を取得するために測定すべき項目を削減することができる。また高温環境下における蓄電池の性能低下を抑制する技術を提供することができる。
以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
上記では、蓄電部３００の状態判定と蓄電部３００の充放電制御とを個別に説明したが、実施の形態に係る車載用蓄電システム１００は蓄電部３００の状態判定と蓄電部３００の充放電制御とを組み合わせて同時に実施してもよい。この場合、実施の形態に係る車載用蓄電システム１００は、上述した蓄電部３００の状態判定による効果と蓄電部３００の充放電制御による効果とを合わせ持つ。
上記では鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０との電流および電圧の値は、電圧電流検出回路２８０が検出して取得する場合について説明したが、鉛バッテリ３１０とサブ蓄電部３２０との少なくともいずれか一方の電流および電圧については、ＣＡＮ通信部を介してＣＰＵ２５０が取得するようにしてもよい。例えば鉛バッテリ３１０は従来から車両用の電力供給源として用いられているので、鉛バッテリ３１０の電圧または電流を取得する手段が備えられていることもある。そのよう場合、既存の手段が計測した値をＣＡＮ通信部を介して取得して流用することにより、計測部のコスト削減や省スペース化に資する。
なお、本実施の形態に係る発明は、以下に記載する項目によって特定されてもよい。
（項目１−１）
蓄電部と、
前記蓄電部から電力が供給される車載用の電装部品と、
前記蓄電部を充電可能なオルタネータと、
前記蓄電部の温度を取得する温度取得部と、
前記温度取得部が取得した前記蓄電部の温度をもとに、前記蓄電部の充放電を制御する充放電制御部とを備え、
前記充放電制御部は、前記蓄電部への充電の可否を決定するために定められた充電許可温度Ｔｃよりも前記蓄電部の温度が低い場合に前記蓄電部への充電を許可するとともに、前記蓄電部からの放電の可否を決定するために定められた放電許可温度Ｔｄよりも前記蓄電部の温度が低い場合に前記蓄電部への放電を許可し、
充電許可温度Ｔｃは放電許可温度Ｔｄよりも低い温度であることを特徴とする車載用蓄電システム。
（項目１−２）
前記蓄電部は、
鉛バッテリと、
前記鉛バッテリと並列に接続されたサブ蓄電部とを備え、
前記充放電制御部は、前記蓄電部の温度をもとに前記サブ蓄電部の充放電の可否を決定するとともに、前記蓄電部の温度に関わらず前記鉛バッテリの充電および放電を許可することを特徴とする項目１−１に記載の車載用蓄電システム。
（項目１−３）
前記蓄電部は、車両内の所定の設置位置に設置されるものであり、
前記充電許可温度Ｔｃは、前記設置位置における環境温度の温度変化の範囲内に含まれることを特徴とする項目１−２に記載の車載用蓄電システム。
（項目１−４）
前記所定の設置位置は、車両のエンジンルームであることを特徴とする項目１−３に記載の車載用蓄電システム。
（項目１−５）
前記サブ蓄電部は外装缶を備えるアルカリ蓄電池であり、
水酸化ニッケルを主正極活物質とするニッケル正極と、
水素吸蔵合金を負極活物質とする水素吸蔵合金負極と、
セパレータと、
アルカリ電解液とを前記外装缶内に備え、
前記アルカリ電解液は、タングステン化合物、モリブデン化合物、ニオブ化合物から選択されるいずれか１種以上の化合物の金属元素質量が、アルカリ電解液１ｇ当たりに、２０ｍｇ以上、５０ｍｇ以下で含有されていることを特徴とする項目１−２から項目１−４のいずれかに記載の車載用蓄電システム。
（項目１−６）
前記充電許可温度Ｔｃは７５℃であることを特徴とする項目１−１から項目１−５いずれかのいずれかに記載の車載用蓄電システム。
（項目２−１）
鉛バッテリおよび当該鉛バッテリと並列に接続されたサブ蓄電部を備える車載用蓄電部と、
前記車載用蓄電部の電圧を取得する電圧取得部と、
前記鉛バッテリの電流を取得する第１電流取得部と、
前記サブ蓄電部の電流を取得する第２電流取得部と、
前記電圧取得部が取得した電圧、前記第１電流取得部が取得した電流、および前記第２電流取得部が取得した電流をもとに、前記車載用蓄電部の状態を判定する判定部と、
を備えることを特徴とする車載用蓄電システム。
（項目２−２）
前記電圧取得部は、前記車載用蓄電部が搭載された車両の始動前における前記車載用蓄電部の開路電圧Ｖｏと、前記車載用蓄電部の通電時における閉路電圧Ｖｃとを取得し、
前記第１電流取得部は、前記車載用蓄電部の通電時において前記鉛バッテリの電流Ｉｐを取得し、
前記第２電流取得部は、前記車載用蓄電部の通電時において前記サブ蓄電部の電流Ｉｓを取得し、
前記判定部は、
閉路電圧Ｖｃの値から開路電圧Ｖｏの値を減算した値を前記鉛バッテリの電流Ｉｐの値で除算して前記鉛バッテリの抵抗値Ｒｐを取得する鉛バッテリ抵抗取得部と、
閉路電圧Ｖｃの値から開路電圧Ｖｏの値を減算した値を前記サブ蓄電部の電流Ｉｓの値で除算して前記サブ蓄電部の抵抗値Ｒｓを取得するサブ蓄電部抵抗取得部と、
前記鉛バッテリ抵抗取得部が取得した前記鉛バッテリの抵抗値Ｒｐと、前記サブ蓄電部抵抗取得部が取得した前記サブ蓄電部の抵抗値Ｒｓとをもとに、前記車載用蓄電部の劣化を判定することを特徴とする項目２−１に記載の車載用蓄電システム。
（項目２−３）
前記電圧取得部は、前記車載用蓄電部が搭載された車両の始動時における前記車載用蓄電部の電圧を閉路電圧Ｖｃとして取得することを特徴とする項目２−１または項目２−２に記載の車載用蓄電システム。
（項目２−４）
前記電圧取得部、前記第１電流取得部、前記第２電流取得部、および前記判定部は、同一基板上に実装された回路で実現されていることを特徴とする項目２−１から項目２−３のいずれかに記載の車載用蓄電システム。
１１ ニッケル正極、
１２ 水素吸蔵合金負極、
１３ セパレータ、
１７ 外装缶、
１００ 車載用蓄電システム、
２００ 蓄電制御部、
２１０ 充放電制御部、
３００ 蓄電部、
３１０ 鉛バッテリ、
３２０ サブ蓄電部、
４００ 負荷、
４１０ 電装部品、
４２０ スタータ、
５００ オルタネータ、
５２０ 比較部、
６００ 判定部、
６１０ 制御パラメータ記憶部、
６２０ 比較部、
６３０ 減算部、
６４０ 除算部、
６４２ 鉛バッテリ抵抗取得部、
６４４ サブ蓄電部抵抗取得部、
６５０ 一時記憶部、
６５２ 開路電圧記憶部、
６５４ 閉路電圧記憶部、
７００ 計測部、
７１０ 温度取得部、
７２０ 第１電流取得部、
７３０，７３９ 第２電流取得部、
７４０ 電圧取得部

Claims (5)

  1. 鉛バッテリと、前記鉛バッテリと並列に接続されたサブ蓄電部を含む蓄電部と、
    前記蓄電部から電力が供給される車載用の電装部品と、
    前記蓄電部を充電可能なオルタネータと、
    前記蓄電部の温度を取得する温度取得部と、
    前記蓄電部の温度をもとに前記サブ蓄電部の充放電の可否を決定するとともに、前記蓄電部の温度に関わらず前記鉛バッテリの充電および放電を許可する充放電制御部とを備え、
    前記充放電制御部は、放電許可温度Ｔｄと、前記放電許可温度Ｔｄよりも低い温度である充電許可温度Ｔｃが予め定められており、前記充電許可温度Ｔｃよりも前記蓄電部の温度が低い場合に前記サブ蓄電部への充電を許可し、前記放電許可温度Ｔｄよりも前記蓄電部の温度が低い場合に前記サブ蓄電部からの放電を許可することを特徴とする車載用蓄電システム。
  2. 前記蓄電部は、車両内の所定の設置位置に設置されるものであり、
    前記充電許可温度Ｔｃは、前記設置位置における環境温度の温度変化の範囲内に含まれることを特徴とする請求項１に記載の車載用蓄電システム。
  3. 前記所定の設置位置は、車両のエンジンルームであることを特徴とする請求項２に記載の車載用蓄電システム。
  4. 前記サブ蓄電部は外装缶を備えるアルカリ蓄電池であり、
    水酸化ニッケルを主正極活物質とするニッケル正極と、
    水素吸蔵合金を負極活物質とする水素吸蔵合金負極と、
    セパレータと、
    アルカリ電解液とを前記外装缶内に備え、
    前記アルカリ電解液は、タングステン化合物、モリブデン化合物、ニオブ化合物から選択されるいずれか１種以上の化合物の金属元素質量が、アルカリ電解液１ｇ当たりに、２０ｍｇ以上、５０ｍｇ以下で含有されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の車載用蓄電システム。
  5. 前記充電許可温度Ｔｃは７５℃であることを特徴とする請求項１から４いずれかのいずれかに記載の車載用蓄電システム。
JP2014544230A 2012-10-29 2013-10-11 車載用蓄電システム Active JP6320929B2 (ja)

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