JP6774406B2 - 電源システム制御装置及び電源システム制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、二つの二次電池を備える車両の電源システムの制御に関する。

二つの二次電池としてリチウムイオン電池と鉛電池とを備える車両用の電源システムが知られている。ＪＰ５４９４４９８Ｂには、当該電源システムの制御として、発電機から出力される電力の電圧（設定電圧）を可変に制御する電圧可変制御が記載されている。さらに当該文献には、ヘッドライトやワイパ等のように要求電圧の大きい電装負荷が作動した場合には、設定電圧を電圧可変制御における電圧の上限と下限との間に固定して電圧可変制御を禁止することや、電圧可変制御における設定電圧の上限を低下させ、下限を上昇させる制御が記載されている。

しかしながら、上記文献に記載の制御は、ワイパ等が作動したら開始される。したがって、例えば、要求電圧が上昇したときに発電機とリチウムイオン電池とが導通していると、要求電圧の上昇に応じて発電機の発電電圧を上昇させても、発電した電力がリチウムイオン電池に吸収されることにより、電装負荷へ供給される電圧が上昇するまでに遅れが生じてしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電装負荷の要求電圧が上昇した場合に、要求電圧の上昇に対して遅れることなく電力を供給し得る制御装置及び制御方法を提供することにある。

本発明のある態様によれば、発電機と、発電機の発電電力を充放電可能な鉛蓄電池と、発電電力を充放電可能であり、鉛蓄電池より充電され易い非水電解質二次電池と、発電機と鉛蓄電池と非水電解質二次電池と車両の電装負荷とを繋ぐ経路とを備える電源システムを制御する電源システム制御装置が提供される。電源システム制御装置は、発電機と前記鉛蓄電池と非水電解質二次電池と車両の電装負荷とを繋いだ状態で、電装負荷が大きいほど非水電解質二次電池の充電残量の下限値を上昇させる。

図１は、本発明にかかる実施形態の前提となるエンジンシステムの概略図である。 図２は、第１実施形態にかかる電源システムを示す構成図である。 図３は、リチウムイオン電池のＳＯＣ下限値の設定に用いるテーブルの一例である。 図４は、発電機の発電電圧下限値の設定に用いるテーブルの一例である。 図５は、リチウムイオン電池のＳＯＣ下限値の設定に用いるテーブルの他の例である。 図６は、発電機の発電電圧下限値の設定に用いるテーブルの他の例である。 図７は、第１実施形態の制御を実行した場合のタイムチャートである。 図８は、第１実施形態にかかる制御の作用効果を説明するためのタイムチャートである。 図９は、第１実施形態の他の例にかかる電源システムの構成図である。 図１０は、第２実施形態にかかる電源システムの構成図である。 図１１は、第２実施形態の制御を実行した場合のタイムチャートである。 図１２は、第２実施形態の他の例にかかる電源システムの構成図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の前提となるアイドリングストップ機能付きエンジンのシステム概略図である。

図１に示すように、エンジン１は一方の側面に発電機２を、他方の側面にエアコンコンプレッサ４を、それぞれ図示しないブラケット等を介して備えている。エンジン１のクランクシャフト先端に装着したクランクプーリ５と、発電機２の回転軸先端に装着した発電機プーリ６と、エアコンコンプレッサ４の回転軸先端に装着したコンプレッサプーリ７とが、ベルト８に巻掛けられ、これらが機械的に連結されている。

なお、図１ではクランクプーリ５、発電機プーリ６、及びコンプレッサプーリ７の３つのプーリが一本のベルト８で機械的に連結されているが、発電機プーリ６とコンプレッサプーリ７をそれぞれ別のベルト８でクランクプーリ５と機械的に連結してもよい。また、ベルトに代えてチェーンを用いてもよい。

エンジン１は自動変速機１１との連結部付近にスタータ９を備える。スタータ９は、一般的な始動用のスタータと同様に進退動するピニオンギヤを備える。そして、スタータ９の作動時には、ピニオンギヤがクランクシャフト基端部に装着されたドライブプレートの外周に設けたギヤに係合することで、クランキングが行なわれる。スタータ９への電力供給については後述する。

自動変速機１１は、アイドリングストップ中の制御油圧を確保するための電動オイルポンプ１０を備える。電動オイルポンプ１０は自動変速機コントローラ２０の指令に応じて作動し、アイドリングストップからの発進時の応答性を向上している。

発電機２は、エンジン１の駆動力により駆動して発電し、発電する際に発電電圧をＬＩＮ（Ｌｏｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信またはハードワイヤーにより可変制御することが可能である。また、発電機２は、車両の減速時に車両の運動エネルギを電力として回生することもできる。これら発電や回生の制御はエンジンコントロールモジュール（以下、ＥＣＭと称する。）１９が行う。

ＥＣＭ１９は、クランク角センサ１２、バッテリセンサ、大気圧センサ等の各種センサの検出信号や、ブレーキスイッチ等の各種スイッチ類の信号を読み込み、燃料噴射量や点火時期等の制御の他、アイドリングストップ制御を実行する。また、ＥＣＭ１９は、ＡＢＳ・ＶＤＣユニット２１、エアコンアンプ２２、電動パワーステアリングユニット２５、車両制御コントローラ２６、電源分配コントローラ２３、メータユニット２４、及び運転支援システム（ＡＤＡＳ）ユニット２７と、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を介して相互通信を行い、車両に最適な制御を行っている。

なお、ＥＣＭ１９は中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。ＥＣＭ１９を複数のマイクロコンピュータで構成することも可能である。

図１に示すシステムは、第１蓄電手段としての鉛蓄電池及び第２蓄電手段としての非水電解質二次電池の２つの二次電池を備える。以下、鉛蓄電池は鉛酸電池１５、非水電解質二次電池はリチウムイオン二次電池１６とする。なお、鉛酸電池１５の満充電状態での開放電圧は１２．７Ｖ、リチウムイオン二次電池１６の満充電状態での開放電圧は１３．１Ｖとする。

後述するが、鉛酸電池１５とリチウムイオン二次電池１６とは２つの経路Ｃ１、Ｃ２を介して相互に並列接続されており、これら２つの経路にはそれぞれ、切り替え手段として機能するＭＯＳＦＥＴ５０と鉛酸電池経路リレー５１が接続されている。

鉛酸電池１５は全電装負荷３０へ電力を供給する。特に、本システムでは、アイドリングストップからのエンジン自動再始動の開始段階において、スタータ９を駆動することによる瞬間的な電圧降下（以下、瞬低ともいう。）の影響を防止するために、鉛酸電池経路リレー５１がオフ状態（非導通状態）とされる。これにより、全電装負荷３０の作動電圧が保証される。

発電機２の発電電力（回生による電力も含む。以下同様）は、鉛酸電池１５及びリチウムイオン二次電池１６のいずれにも充電される。

なお、鉛酸電池１５及びリチウムイオン二次電池１６から全電装負荷３０へ電力を供給する際や、発電機２の発電電力を鉛酸電池１５又はリチウムイオン二次電池１６に充電する際には、発電機２の界磁電流制御によって電圧の調整が行われる。

また、上記システムにおいては一般的なアイドリングストップ制御が実行される。具体的には、例えば、アクセルペダルが全閉、ブレーキペダルが踏み込まれた状態、及び車速が所定車速以下等の諸条件を満たす場合はエンジン１を自動停止し、ブレーキペダルの踏み込み量が所定量以下になった場合等にエンジン１を自動再始動する。

図２は、スタータ９や電装負荷３０への電力供給を行う電源システムの第１構成（以下、タイプ１の電源システムとも称する）を説明する図である。

図２に示すように、本実施形態にかかる電源システム１００には、鉛酸電池１５とリチウムイオン二次電池１６とは２つの経路Ｃ１及び経路Ｃ２により、相互に並列に繋がれている。そして、一の経路である経路Ｃ２には該経路Ｃ２の導通状態と非導通状態を切り替える第１スイッチとしての鉛酸電池経路リレー５１が接続されている。また、他の経路である経路Ｃ１には該経路Ｃ１の導通状態と非導通状態を切り替える第２スイッチとしてのＭＯＳＦＥＴ５０が接続されている。これら鉛酸電池経路リレー５１及びＭＯＳＦＥＴ５０により切り替え手段が構成される。

すなわち、鉛酸電池経路リレー５１は、リチウムイオン二次電池１６から鉛酸電池１５へ至る経路Ｃ２に配置されている。そして、ＭＯＳＦＥＴ５０は、リチウムイオン二次電池１６から鉛酸電池１５へ至る経路Ｃ１に配置されている。

ＭＯＳＦＥＴ５０は、その寄生ダイオードの順方向とリチウムイオン二次電池１６側から鉛酸電池１５側へ向かう方向とが一致するように接続されている。これにより、ＭＯＳＦＥＴ５０のオン・オフ状態に依らず、経路Ｃ１において鉛酸電池１５からリチウムイオン二次電池１６への通電が防止される。また、鉛酸電池経路リレー５１としては、コイルに通電されていない状態でオン状態（導通状態）となる、いわゆるノーマルクローズタイプのリレーが用いられる。なお、ＭＯＳＦＥＴ５０の瞬時最大電流容量は、例えば１８０Ａであり、鉛酸電池経路リレー５１の瞬時最大電流容量は、例えば１２００Ａである。

また、リチウムイオン二次電池１６には、リチウムイオン二次電池付属リレー５２が直列に接続されている。リチウムイオン二次電池付属リレー５２は、コイルに通電されていない状態でオフ状態（非導通状態）となる、いわゆるノーマルオープンタイプのリレーにより構成される。ここで、リチウムイオン二次電池付属リレー５２の瞬時最大電流容量は例えば８００Ａである。

なお、本実施形態ではリチウムイオン二次電池１６、リチウムイオン二次電池付属リレー５２、ＭＯＳＦＥＴ５０、及びバッテリーコントローラ６０が一つにまとめられ、リチウム電池パックＰとして構成されている。ここでバッテリーコントローラ６０は、ＥＣＭ１９から、エンジン１の運転状態に応じたスタータ９や全電装負荷３０への放電指令又は充電指令に係る信号を受信し、この信号に基づいてリチウムイオン二次電池付属リレー５２とＭＯＳＦＥＴ５０のオン・オフ制御を行う。

そして、タイプ１の電源システム１００では、全電装負荷３０は、鉛酸電池経路リレー５１に対して鉛酸電池１５側に接続されている。スタータ９及び発電機２は、鉛酸電池経路リレー５１に対してリチウムイオン二次電池１６側に接続されている。

以下では、上記電源システムにおいて、エンジンの始動状況に応じた鉛酸電池経路リレー５１、リチウムイオン二次電池付属リレー５２、及びＭＯＳＦＥＴ５０のオン・オフ制御と、発電機２の発電時における下限電圧及びリチウムイオン二次電池１６の充電残量（ＳＯＣ）の制御とについて説明する。

図７は、鉛酸電池経路リレー５１、リチウムイオン二次電池付属リレー５２、ＭＯＳＦＥＴ５０のオン・オフ制御、発電機２の発電電圧、ワイパの作動頻度、及びリチウムイオン二次電池１６のＳＯＣを示したタイムチャートである。当図には、それぞれ、イグニションキー（図示せず）のオン・オフ状態及びエンジン速度の大きさと対比して、鉛酸電池経路リレー５１、リチウムイオン二次電池付属リレー５２、及びＭＯＳＦＥＴ５０のオン・オフ状態、発電機２の発電時における下限電圧、ワイパの作動頻度、及びリチウムイオン二次電池１６のＳＯＣが経時的に示されている。ここでは、ワイパの作動頻度を、ワイパが作動する周期Ｔｓに基づいて算出した周波数（１／Ｔｓ）で表す。

また、以下では、鉛酸電池経路リレー５１、リチウムイオン二次電池付属リレー５２、及びＭＯＳＦＥＴ５０がオンされている状態とはこれらが導通状態であることを意味し、鉛酸電池経路リレー５１、リチウムイオン二次電池付属リレー５２、及びＭＯＳＦＥＴ５０がオフされている状態とはこれらが非導通状態であることを意味する。

まず、鉛酸電池経路リレー５１、リチウムイオン二次電池付属リレー５２、及びＭＯＳＦＥＴ５０のオン・オフ制御について説明する。

図示のように、例えばイグニションキー操作やスタートボタン操作といった運転者の始動操作に応じてエンジン１を初回始動する時刻ｔ０〜時刻ｔ１の間においては、ノーマルクローズタイプである鉛酸電池経路リレー５１はオン状態であり、ＭＯＳＦＥＴ５０はオフ状態であり、ノーマルオープンタイプのリチウムイオン二次電池付属リレー５２はオフ状態である。

これにより、経路Ｃ２を介して鉛酸電池１５のみからスタータ９への電力供給が行われる。なお、初回始動時に、バッテリーコントローラ６０がリチウムイオン二次電池付属リレー５２をオン状態とすることで、鉛酸電池１５及びリチウムイオン二次電池１６の２つの電池からスタータ９に電力供給するようにしても良い。

そして、エンジン初回始動が終了した後の運転中である時刻ｔ１〜時刻ｔ２の間においては、バッテリーコントローラ６０が、リチウムイオン二次電池付属リレー５２をオン状態に切り替える。

これにより、発電機２の発電電力が鉛酸電池１５だけでなく、経路Ｃ２を介してリチウムイオン二次電池１６にも充電され得る状態となる。

ここで、リチウムイオン二次電池１６は鉛酸電池１５に比べて発電機２の発電電力が充電され易い上に、鉛酸電池１５は満充電時では充電電圧が１３Ｖを超えるとほとんど充電されなくなるという特性がある。したがって、発電機２の発電電力は主にリチウムイオン二次電池１６に充電されることとなる。

そして、アイドルストップに移行する前の減速回生段階が開始される時刻ｔ２では、バッテリーコントローラ６０がＭＯＳＦＥＴ５０をオン状態に切り替える。そして、ＥＣＭ１９は、時刻ｔ₂から所定時間Δｔ経過した後に鉛酸電池経路リレー５１をオフ状態に切り替える。

このようにＭＯＳＦＥＴ５０がオン状態に切り替えられてから所定時間経過後に鉛酸電池経路リレー５１がオフ状態に切り替えられることで、鉛酸電池経路リレー５１をその両端電位差を減少した状態でオフにすることができるので、遮断時アークの発生を防止することができる。

なお、上記所定時間Δｔは、鉛酸電池経路リレー５１の両端電位差をある程度解消できる程度の時間として適宜設定することができる。

さらに、減速回生段階が終了した後の時刻ｔ３から時刻ｔ４のアイドルストップ中においても、鉛酸電池経路リレー５１はオフ状態に維持され、バッテリーコントローラ６０は、ＭＯＳＦＥＴ５０及びリチウムイオン二次電池付属リレー５２もオン状態に維持されたままである。

したがって、時刻ｔ３から時刻ｔ４のアイドルストップ中においては、鉛酸電池経路リレー５１がオフ状態であっても、リチウムイオン二次電池１６と全電装負荷３０の通電が経路Ｃ１により確保されている。したがって、鉛酸電池１５及びリチウムイオン二次電池１６のいずれからも全電装負荷３０へ電力供給が可能である。

なお、例えば発電機２の制御が不能になり発電電圧が過剰に高くなった場合には、バッテリーコントローラ６０によりリチウムイオン二次電池付属リレー５２をオフ状態とすることが好ましい。これにより、リチウムイオン二次電池１６に過電圧がかかることが防止される。

また、リチウムイオン二次電池１６及び鉛酸電池１５の特性上、全電装負荷３０への電力供給は主にリチウムイオン二次電池１６から行われる。さらに、上述したように発電電力はリチウムイオン二次電池１６に充電され易いという特性を有するので、後述するリチウムイオン二次電池１６の電力でスタータ９を駆動する自動再始動の開始段階を除き、リチウムイオン二次電池１６の電圧は鉛酸電池１５の電圧以上に維持される。

ところで、リチウムイオン二次電池１６は鉛酸電池１５に比べてエネルギ密度及び充放電エネルギ効率が高いという特性を有する。また、リチウムイオン二次電池１６は充放電時に電極材料の溶解析出反応を伴わないので、長寿命が期待できるという特徴も有する。これに対し鉛酸電池１５は、同じ容量であればリチウムイオン二次電池１６に比べて低コストであるが、放電することによって電極が劣化するため、繰り返しの充放電に対する耐久性ではリチウムイオン二次電池１６に劣る。

そこで本実施形態では、アイドリングストップが終了する直前である再始動開始段階（時刻ｔ４〜ｔ５）において、バッテリーコントローラ６０は、ＭＯＳＦＥＴ５０をオフ状態に切り替える。

これにより、鉛酸電池経路リレー５１及びＭＯＳＦＥＴ５０がともにオフ状態であるので、スタータ９側（リチウムイオン二次電池１６）と全電装負荷３０側（鉛酸電池１５）との間の通電が完全に遮断される。したがって、スタータ９のモータに流れる大電流により全電装負荷３０の電圧が瞬時低下することが防止される。一方で、リチウムイオン二次電池付属リレー５２はオン状態に維持されているので、リチウムイオン二次電池１６とスタータ９との間の通電は確保されており、リチウムイオン二次電池１６の放電によるスタータ９の始動を行うことは可能である。

なお、リチウムイオン二次電池１６とスタータ９の間に、所定の抵抗とこれに並列接続されたバイパスリレーを介在させても良い。この構成の下、リチウムイオン二次電池１６からの電力供給によりスタータ９を駆動して１００〜１５０ｍｓ程度経過した後に、バイパスリレーを非導通状態から導通状態とすることにより、スタータ９の始動時のスパイク電流を大幅に低減させることができ、始動性能が確保される。この場合、エンジン完爆後に所定時間が経過したら、通常の走行時の状態へと戻す制御を行う。

次に、再始動開始段階が終了した後には、再始動初期段階（時刻ｔ５〜時刻ｔ６）に突入する。ここで、再始動初期段階の突入時である時刻ｔ５において、バッテリーコントローラ６０はＭＯＳＦＥＴ５０をオン状態に切り替える。一方、ＥＣＭ１９は、ＭＯＳＦＥＴ５０がオン状態に切り替えられた所定時間（図のΔｔ´）後に、鉛酸電池経路リレー５１をオン状態に切り替える。

このように、先ず、ＭＯＳＦＥＴ５０がオン状態に切り替えられた後に、所定時間（ディレイ）Δｔをもって鉛酸電池経路リレー５１がオン状態に切り替えられる。これにより、再始動初期段階の開始時（時刻ｔ５）において、鉛酸電池経路リレー５１よりも応答速度の速いＭＯＳＦＥＴ５０によって遅延なく経路Ｃ１を導通させて鉛酸電池１５及びリチウムイオン二次電池１６の双方による全電装負荷３０への放電を可能とすることができる。また、ＭＯＳＦＥＴ５０をオン状態していることで鉛酸電池経路リレー５１の両端間の電位差が減少する。したがって、この状態で鉛酸電池経路リレー５１がオン状態に切り替えられることで、突入電流の発生が防止される。

そして、再始動初期段階が終了した後におけるエンジン運転中の状態（時刻ｔ６〜時刻ｔ７）では、バッテリーコントローラ６０は、ＭＯＳＦＥＴ５０をオフ状態に切り替える。

その後、時刻ｔ７においてイグニションキーをオフ状態とするエンジンの停止段階が開始される。時刻ｔ７〜時刻ｔ８はエンジンが停止に至るまでの停止開始段階である。図からわかるように、本実施形態においては、エンジンの回転数がゼロとなる時刻ｔ８において、ノーマルオープンタイプのリチウムイオン二次電池付属リレー５２がオフ状態に切り替わる。一方で、ノーマルクローズタイプの鉛酸電池経路リレー５１はオン状態のままである。したがって、次回のエンジン初期始動時（時刻ｔ０）においては、鉛酸電池１５とスタータ９が導通した状態で初期始動を行うことができる。

次に、上述した鉛酸電池経路リレー５１、リチウムイオン二次電池付属リレー５２、及びＭＯＳＦＥＴ５０のオン・オフ制御による作用効果を説明する。

電源システム１００において、仮にエンジン１の自動再始動開始時（時刻ｔ４）に鉛酸電池１５の電力を用いるとすると、上述したようにリチウムイオン二次電池１６に比べて繰り返しの充放電に対する耐久性が低い鉛酸電池１５は、アイドリングストップを実行する度に劣化が促進されるので、交換サイクルが短くなる。

これに対し本実施形態では、エンジン１の自動再始動の開始段階に鉛酸電池経路リレー５１及びＭＯＳＦＥＴ５０がオフ状態であり、鉛酸電池１５からスタータ９への電力供給通路が遮断されている。したがって、自動再始動にリチウムイオン二次電池１６の電力のみが用いられるので、鉛酸電池１５の交換サイクルを長期化することができる。

なお、図２ではＭＯＳＦＥＴ５０及び鉛酸電池経路リレー５１の双方により、鉛酸電池１５とスタータ９との通電と遮断を切り替えている。しかしながら、この通電と遮断を、ＭＯＳＦＥＴ５０または鉛酸電池経路リレー５１のいずれか一方のみ又は他のスイッチを用いて行うようにしても良い。

しかしながら、鉛酸電池１５とスタータ９との通電と遮断をＭＯＳＦＥＴ５０のみで行うと、ＭＯＳＦＥＴ５０が頻繁にオン・オフされることとなり熱発生による弊害が生じる。また、鉛酸電池１５とスタータ９との通電と遮断を鉛酸電池経路リレー５１のみで行うと、リレースイッチの応答性が低いため、自動再始動条件が成立してからオフ状態に制御したのでは自動再始動までに時間を要することになる。一方、アイドリングストップ中に鉛酸電池経路リレー５１をオフ状態にすると、ＭＯＳＦＥＴ５０もオフ状態であることから、アイドリングストップ中にリチウムイオン二次電池１６からの電力供給ができなくなる。

さらに、製品としての安全性や耐久性をより高めるという観点からも、鉛酸電池１５とスタータ９との通電と遮断をＭＯＳＦＥＴ５０または鉛酸電池経路リレー５１のいずれか一方のみに構成するのではなく、これら両方を含む冗長回路とすることが好ましい。

そして、本実施形態では、アイドリングストップ中（時刻ｔ３〜時刻ｔ４）に、鉛酸電池経路リレー５１がオフ状態、及びＭＯＳＦＥＴ５０がオン状態とされ、自動再始動の開始時（時刻ｔ４）には応答性に優れるＭＯＳＦＥＴ５０をオン状態からオフ状態に切り替えることにより、鉛酸電池１５からスタータ９への電力供給通路を確実に遮断して、全電装負荷３０の電圧低下を引き起こすことなく速やかな自動再始動が可能となる。

特に、本実施形態では、再始動開始段階（時刻ｔ４〜時刻ｔ５）を除いて、リチウムイオン二次電池１６の電圧は鉛酸電池１５の電圧以上の値をとる。逆に言えば、再始動開始段階（時刻ｔ４〜時刻ｔ５）にのみ鉛酸電池１５の電圧がリチウムイオン二次電池１６の電圧を超えて鉛酸電池１５側からリチウムイオン二次電池１６側へ電流が流れる可能性がある。したがって、再始動開始段階（時刻ｔ４〜時刻ｔ５）に鉛酸電池経路リレー５１及びＭＯＳＦＥＴ５０をオフ状態にすれば、鉛酸電池１５側からリチウムイオン二次電池１６側へ電流が流れることを防止できる。

これにより、ＭＯＳＦＥＴ５０の寄生ダイオードの順方向と反対方向を順方向とする寄生ダイオードを備えたＭＯＳＦＥＴを配置することなく、鉛酸電池１５側からリチウムイオン二次電池１６側へ電流が流れることを防止できる。したがって、使用するＭＯＳＦＥＴの数を削減してコストを抑制することができる。

本実施形態における電源システム１００は、鉛酸電池１５と全電装負荷３０とを接続した部分については、バッテリを１つだけ備える一般的な車両の電装回路と同様の構成になる。

さらに、本実施形態では、上述のように自動再始動にリチウムイオン二次電池１６のみを用いており、鉛酸電池１５を用いていない。したがって、本実施形態に係る電源システム１００を、アイドリングストップ機能を有する車両に実装する場合においても、鉛酸電池１５の容量を、アイドリングストップ機能を有しない車両に比べて大きくする必要がなく、同じ仕様とすることができる。したがって、アイドリングストップシステムを車両に導入するコストを低減することができる。

また、本実施形態によれば、例えばリチウムイオン二次電池１６のマイナス端子が外れる等の原因によってリチウムイオン二次電池１６からスタータ９への電力供給が不可能な状態になっても、鉛酸電池経路リレー５１を閉じることで鉛酸電池１５からスタータ９へ電力を供給できるので、自動再始動が可能である。すなわち、自動再始動に係るシステムに対する冗長化が実現される。

なお、本実施形態では、リチウムイオン二次電池パックＰが、リチウムイオン二次電池１６、ＭＯＳＦＥＴ５０、リチウムイオン二次電池付属リレー５２、及びバッテリーコントローラ６０を有し、鉛酸電池経路リレー５１がリチウムイオン二次電池パックＰ外に配置される構成をとっている。

しかしながら、この構成は電源システム１００の回路による作用を変えない範囲で任意に変更が可能である。例えば、鉛酸電池経路リレー５１を、ＭＯＳＦＥＴ５０に対して並列な状態のままリチウム電池パックＰ内に配置するようにしても良い。また、バッテリーコントローラ６０は、リチウムイオン二次電池パックＰ外に設けても良い。

次に、発電機２の発電時における下限電圧及びリチウムイオン二次電池１６のＳＯＣの制御について説明する。

上述したように、全電装負荷３０への電力供給は、リチウムイオン二次電池１６及び鉛酸電池１５から行われる。そして、リチウムイオン二次電池１６及び鉛酸電池１５を、全電装負荷３０の要求電圧を賄える状態に維持するため、発電機２の発電時における電圧には下限値（以下、下限電圧ともいう）が設定されている。下限電圧は、通常の状態においては例えば１２Ｖに設定されている。ここでいう「通常」とは、ワイパ、燃料ポンプまたはラジエータファン等のように作動を保証する為に必要な電圧が他の電装品に比べて高い電装品が作動していない、または作動していても全電装負荷３０の要求電圧が相対的に低い状態のことをいう。例えば、雨の降り始めや小雨のなかを低中速走行する場合は通常の状態に含まれる。これに対して、例えば大雨の場合のようにワイパを高速作動させる必要がある状態や、高速走行中のようにワイパを風圧に抗して高速作動させる必要がある状態は、通常よりも要求電圧が高まる。つまり、通常よりも高電圧が必要になる状態となる。

また、リチウムイオン二次電池１６のＳＯＣは下限ＳＯＣを下回らないように制御される。下限ＳＯＣは、全電装負荷３０への電力供給と、車両減速時における回生電力の回収効率とを考慮して設定されたものであり、通常の状態においては、例えば６０％程度に設定する。

通常よりも高電圧が必要になる状態において、発電機２の発電における下限電圧を通常の状態と同じにしておくと、全電装負荷３０への安定した電力供給が難しくなる。そこで、下限電圧を上昇させる必要がある。しかし、通常よりも高電圧が必要になってから下限電圧を上昇させても、発電電力が二次電池、特にリチウムイオン二次電池１６に吸収されてしまうため、全電装負荷３０への供給電圧はただちには上昇しない。

そこで本実施形態では、バッテリーコントローラ６０が、通常よりも高電圧が必要になることが予測される場合には予めリチウムイオン二次電池１６のＳＯＣを上昇させておく。リチウムイオン二次電池１６のＳＯＣを上昇させておけば、発電機２の発電電圧を上昇させた場合にリチウムイオン二次電池１６に吸収される電力が減少する。これにより、全電装負荷３０の要求電圧の上昇にすみやかに対応することが可能となる。

通常よりも高電圧が必要になることの予測は、ワイパの駆動頻度等に基づいて行う。ワイパの駆動頻度が高くなるほど、通常よりも高電圧が必要になる状態に近づいたと判断できるからである。

以下、この制御について具体的に説明する。

図３は、ワイパの駆動頻度ｆと下限ＳＯＣとの関係を示すテーブルである。なお、駆動頻度ｆは、ワイパの作動周期をＴｓ（秒）とした場合にｆ＝１/Ｔｓで表される。

図３のテーブルでは、通常の状態（ｆ＜ｆ１）において、ワイパの駆動頻度が高くなるのに応じて下限ＳＯＣが上昇している。下限ＳＯＣを上昇させるのは、リチウムイオン二次電池１６のＳＯＣを上昇させるためである。

下限ＳＯＣを図３のテーブルにしたがって制御した場合について、図７を参照して説明する。時刻ｔ１〜ｔ２の間に、ワイパの駆動頻度が徐々に上昇して、通常の状態から通常より高電圧が必要な状態に移行している。ワイパの駆動頻度が上昇すると上記のようにリチウムイオン二次電池１６の下限ＳＯＣが上昇するので、発電機２の下限電圧が上昇してリチウムイオン二次電池１６のＳＯＣが上昇している。

このように、ワイパが作動したら、バッテリーコントローラ６０は通常の状態のうちからリチウムイオン二次電池１６のＳＯＣを上昇させておく。これにより、通常よりも高電圧が必要になる状態になった場合に、発電機２の発電電圧を上昇させれば速やかに対応することができる。なお、リチウムイオン二次電池１６のＳＯＣを７０％程度に維持しておけば、突然のスコール等により通常よりも高電圧が必要な状態になった場合でも、発電機２の発電電圧指示値を上昇させてから数秒以内でワイパの要求電圧（例えば約１４Ｖ）にすることができる、という実験データが得られている。

また、リチウムイオン二次電池１６のＳＯＣは徐々に上昇するので、雨の降り始め等の場合には、減速時における回生電力の吸収量を確保できる。

さらに、本実施形態では発電機２の発電電圧の上限は通常の状態のままなので、本実施形態の制御を実行することで減速時に回生する電力量が減少することもない。図８は本実施形態の制御を実行した場合（図中の実線）と、上述したＪＰ５４９４４９８Ｂに記載の制御を実行した場合（図中の破線）とを比較したタイミングチャートである。本図に示すように、ＪＰ５４９４４９８Ｂの制御ではワイパの駆動頻度が上昇すると発電機２の設定電圧の下限を上昇させてＶａ２とし、上限を低下させてＶｂ２としている。これに対し本実施形態では設定電圧の上限はＶｂのままである。したがって本実施形態の方が、より多くの電力を回生することができる。

また、ＪＰ５４９４４９８Ｂの制御では、減速開始時にリチウムイオン二次電池付属リレー５２をオンにして電力回生を開始し、回生を終了したら同リレー５２をオフにしている。これに対して本実施形態では、同リレー５２は上述したようにイグニッションＯＦＦになるまでオン状態のままである。すなわち、本実施形態ではリチウムイオン二次電池１６を発電機２及び全電装負荷３０と常時接続したままで充放電を行うことができるので、リチウムイオン二次電池１６の容量を有効に活用することができる。

図４は、ワイパの駆動頻度ｆと発電機２の発電時における下限電圧との関係を示すテーブルである。図４では、ワイパの駆動頻度が高まるほど下限電圧が上昇している。下限電圧を上昇させれば、結果的にリチウムイオン二次電池１６のＳＯＣが上昇し、上記と同様の作用効果が得られる。したがって、図３のテーブルに代えて図４のテーブルを用いてもよい。

ところで、ラジエータファンも作動を保証する為に必要な電圧が他の電装負荷に比べて高い電装負荷である。ラジエータファンは冷却水温が高くなるほど高速回転を要求されるので、バッテリーコントローラ６０は、通常よりも高電圧が必要になるか否かを、冷却水温に基づいて予測してもよい。

図５は、冷却水温とリチウムイオン二次電池１６の下限ＳＯＣとの関係を示すテーブルである。図５では、冷却水温が高まるほど下限ＳＯＣが上昇している。このテーブルを用いて制御した場合も、図３や図４のテーブルを用いて制御する場合と同様の作用効果が得られる。

なお、冷却水温に代えて、空調システムのＰｄ圧（高圧側冷媒圧力）やエバポレータの温度を用いてもよい。ラジエータファンは空調システムの冷却要求が厳しくなった場合にも高速回転を要求され、空調システムの冷却要求の程度はＰｄ圧やエバポレータ温度に基づいて判断できるからである。また、図５の縦軸を発電機２の下限電圧に代えてもよい。

ワイパやラジエータファンの駆動状態に代えて、燃料ポンプの駆動状態を用いることもできる。燃料ポンプは燃料噴射量が多い場合ほど要求電圧が高くなるので、アクセル開度が大開度（例えば全開の７０％程度の開度）になる頻度を検知し、この頻度が高まるほど下限ＳＯＣを上昇させることで、上記と同様の作用効果が得られる。

図６は、高速走行時におけるワイパのふき取り性能を担保するための制御に用いるテーブルである。図６においては車速Ｖ１以上を高速とする。

車速が高くなるほど風圧が高まるので、ワイパの要求電圧も高まる。しかし、高速走行中に急に激しい降雨に見舞われた場合でも、ワイパは速やかに高速作動を開始できることが安全上望ましい。そこで、高速走行中の急な降雨に備えるため、バッテリーコントローラ６０は、図６のテーブルに基づいて車速が高まるほど発電機２の下限電圧を高めるよう制御する。図３〜図５の場合と同様に、下限電圧を徐々に上昇させるので、減速時の電力回生量を確保しつつ、ワイパのふき取り性能を担保できる。

なお、図３〜図６では、下限ＳＯＣや下限電圧をステップ的に上昇させているが、連続的に上昇させてもよい。

次に、本実施形態にかかる制御による作用効果についてまとめる。

本実施形態のバッテリーコントローラ（電源システム制御装置）６０は、発電機２と、発電機２の発電電力を充放電可能な鉛酸電池（第１蓄電手段）１５と、発電電力を充放電可能なリチウムイオン二次電池（第２蓄電手段）１６と、鉛酸電池１５とリチウムイオン二次電池１６とを繋ぐ２つの経路Ｃ１、Ｃ２と、一の経路Ｃ２の導通状態と非導通状態を切り替える鉛酸電池経路リレー（第１スイッチ）５１及び他方の経路Ｃ１の導通状態と非導通状態を切り替えるＭＯＳＦＥＴ（第２スイッチ）５０を有する切り替え手段（図１のＢＡＴ間ＲＬＹ）１７と、切り替え手段１７に対して鉛酸電池１５側に接続された全電装負荷（車両の電装負荷）３０と、を備える電源システムを制御する。そして、電装負荷３０の作動に通常よりも高電圧が必要になる可能性があると判断した場合に、予めリチウムイオン二次電池１６のＳＯＣ（充電残量）を上昇させる。

これにより、作動に高い電圧を要求する車両電装品の作動頻度が急に高くなった場合、つまり急に要求電圧が上昇する場合でも、これに対応して速やかに供給電圧を上昇させることができる。

本実施形態では、バッテリーコントローラ６０は作動に高い電圧を要求する車両電装品の作動頻度が高いほど通常よりも高電圧が必要になる可能性が高いと判断する。これにより、要求電圧の上昇を精度良く予測することができる。

本実施形態では、バッテリーコントローラ６０は、作動に高い電圧を要求する車両電装品の作動頻度の増加に応じてリチウムイオン二次電池１６の充電残量を徐々に上昇させる。これにより、例えば高速走行中に急に雨が降ってくる場合でも電圧を安定して供給しつつ、減速時の電力回生も確保して実用燃費の向上を図ることができる。

本実施形態では、バッテリーコントローラ６０がリチウムイオン二次電池１６のＳＯＣを上昇させるためにリチウムイオン二次電池１６の充電残量下限値を上昇させる、または発電機２の最低発電電圧を上昇させる。いずれの方法でもリチウムイオン二次電池１６のＳＯＣを上昇させることができる。

なお、本実施形態の制御は、図２に示したタイプ１の電源システム１００に限られず、図９に示した電源システムの第２構成（以下、タイプ２の電源システムとも称する）１００´に適用することが可能である。

図９は、タイプ２の電源システム１００´を説明する図である。なお、図２で示した各要素と同様の要素には同一の符号を付している。

タイプ２の電源システム１００´は、図２に示したタイプ１の電源システム１００に対して、発電機２の代わりに電動機７０が用いられている点、及びスタータ９が鉛酸電池経路リレー５１に対して鉛酸電池１５側に接続されている点で相違する。なお、電動機７０は発電機プーリ６に相当するプーリを備え、当該プーリとクランクプーリ５とがベルト等により機械的に連結されている。

電動機７０はインバータを備え、リチウムイオン二次電池１６から供給される電力により駆動するモータ機能と、エンジン１の駆動力により駆動して発電する発電機能を有する。また、電動機７０の発電機能を使用する際に、発電電圧を可変に制御することが可能である。

モータ機能と発電機能の切り換えは、ＥＣＭ１９が行う。モータ機能を使用するのは、主にアイドリングストップからの自動再始動の開始段階である。すなわち、本タイプ２の電源システム１００´では、電動機７０がエンジン再始動手段となる。なお、スタータ９は初回始動時（自動再始動ではない始動時）にのみ使用される。このスタータ９はアイドリングストップ機能を有しない車両と同じ仕様を用いることができる。

また、本タイプ２の電源システム１００´によれば、鉛酸電池１５及びスタータ９が鉛酸電池経路リレー５１に対して同じ側にあるので、エンジン１の初回始動時に鉛酸電池１５からスタータ９へ電力供給する際に、鉛酸電池経路リレー５１に電流は流れない。

すなわち、鉛酸電池経路リレー５１の瞬時最大電流容量を設定するにあたって、エンジン１の初回始動時にスタータ９を駆動するための大電流が流れることを考慮する必要がない。このため、鉛酸電池経路リレー５１の電流容量を、タイプ１の電源システム１００において用いた鉛酸電池経路リレー５１と比較してより小さくすることができ、鉛酸電池経路リレー５１を構成するコストを低減できる。

（第２実施形態）
図１０は、電源システムの第３構成（以下、タイプ３の電源システムとも称する）１００´´を説明する図である。なお、図２で示した各要素と同様の要素には同一の符号を付している。

図１０と図２との相違点は、ＭＯＳＦＥＴ５０とは寄生ダイオードの順方向が反対のＭＯＳＦＥＴ７１が、ＭＯＳＦＥＴ５０と直列に接続されていることである。また、リチウムイオン二次電池付属リレー５２が、ＭＯＳＦＥＴ７１とリチウムイオン二次電池１６との間ではなく、リチウムイオン二次電池１６とスタータ９との間に介装されている点も相違する。

上記の構成によれば、仮にリチウムイオン二次電池付属リレー５２が開状態のまま作動しなくなったとしても、ＭＯＳＦＥＴ５０及びＭＯＳＦＥＴ７１を制御することにより、リチウムイオン二次電池１６から全電装負荷３０へ電力供給することができる。

図１１は、タイプ３の電源システム１００´´における、鉛酸電池経路リレー５１、リチウムイオン二次電池付属リレー５２、ＭＯＳＦＥＴ５０、ＭＯＳＦＥＴ７１のオン・オフ制御、発電機２の発電電圧、ワイパの作動頻度、及びリチウムイオン二次電池１６のＳＯＣを示したタイムチャートである。ＭＯＳＦＥＴ７１のオン・オフ制御が追加されたこと以外は図７と同様である。

ＭＯＳＦＥＴ７１は、時刻ｔ０〜時刻ｔ１の間においてはＭＯＳＦＥＴ５０と同様にオフ状態である。

減速回生段階が開始される時刻ｔ２において、バッテリーコントローラ６０はＭＯＳＦＥＴ５０とＭＯＳＦＥＴ７１とをオン状態に切り替える。これにより、リチウムイオン二次電池１６と全電装負荷３０とが導通状態になる。

アイドリングストップが終了する直前である再始動開始段階（時刻ｔ４〜ｔ５）において、バッテリーコントローラ６０は、ＭＯＳＦＥＴ５０をオフ状態に切り替え、ＭＯＳＦＥＴ７１はオン状態のままにする。これは、リチウムイオン二次電池１６と全電装負荷とが電気的に遮断するためにはＭＯＳＦＥＴ５０をオフ状態にすれば十分だからである。

つまり、ＭＯＳＦＥＴ７１は、減速が開始される時刻ｔ２から再始動初期段階が終了する時刻ｔ６までオン状態に維持される。

上記のようなタイプ３の電源システム１００´´においても、第１実施形態と同様に、ワイパの駆動頻度に基づいて高電圧が必要になることを予測し、リチウムイオン二次電池１６のＳＯＣを徐々に上昇させる。

これにより、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。リチウムイオン二次電池１６のＳＯＣを上昇させる方法についても第１実施形態と同様であり、リチウムイオン二次電池１６の下限ＳＯＣを上昇させてもよいし、発電機２の下限電圧を上昇させてもよい。もちろん、第１実施形態と同様にワイパの駆動頻度に代えてラジエータファンや燃料ポンプの作動状態を用いてもよいし、車速に応じた制御を実行してもよい。

さらに、本実施形態は図１２に示す電源システムの第４構成（以下、タイプ４の電源システムとも称する）１００´´´にも適用可能である。タイプ３の電源システム１００´´とタイプ４の電源システム１００´´´との関係は、タイプ１の電源システム１００とタイプ２の電源システム１００´との関係と同様である。つまり、発電機２の代わりに電動機７０が用いられている点、及びスタータ９が鉛酸電池経路リレー５１に対して鉛酸電池１５側に接続されている点で相違する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。例えば、第１蓄電手段は鉛酸電池１５に限定されるものではなく、例えば、ニッケル水素電池等の鉛フリー二次電池であってもよい。また、各実施形態で用いた機械式リレーに代えて、半導体を用いたスイッチング素子を用いてもよい。

Claims (4)

1. 発電機と、
   前記発電機の発電電力を充放電可能な鉛蓄電池と、
   前記発電電力を充放電可能であり、前記鉛蓄電池より充電され易い非水電解質二次電池と、
   前記発電機と前記鉛蓄電池と前記非水電解質二次電池と車両の電装負荷とを繋ぐ経路と、
   を備える電源システムを制御する電源システム制御装置において、
   前記発電機と前記鉛蓄電池と前記非水電解質二次電池と前記車両の電装負荷とを繋いだ状態で、前記電装負荷が大きいほど前記非水電解質二次電池の充電残量の下限値を上昇させる電源システム制御装置。
2. 請求項１に記載の電源システム制御装置において、
   前記電装負荷の作動頻度の増加に応じて前記非水電解質二次電池の充電残量の下限値を徐々に上昇させる電源システム制御装置。
3. 発電機と、
   前記発電機の発電電力を充放電可能な鉛蓄電池と、
   前記発電電力を充放電可能であり、前記鉛蓄電池より充電され易い非水電解質二次電池と、
   前記発電機と前記鉛蓄電池と前記非水電解質二次電池と車両の電装負荷とを繋ぐ経路と、
   を備える電源システムを制御する電源システム制御装置において、
   前記発電機と前記鉛蓄電池と前記非水電解質二次電池と前記車両の電装負荷とを繋いだ状態で、前記電装負荷が大きいほど前記発電機の最低発電電圧を上昇させる電源システム制御装置。
4. 発電機と、
   前記発電機の発電電力を充放電可能な鉛蓄電池と、
   前記発電電力を充放電可能であり、前記鉛蓄電池より充電され易い非水電解質二次電池と、
   前記発電機と前記鉛蓄電池と前記非水電解質二次電池と車両の電装負荷とを繋ぐ経路と、
   を備える電源システムを制御する電源システム制御方法において、
   前記発電機と前記鉛蓄電池と前記非水電解質二次電池と前記車両の電装負荷とを繋いだ状態で、前記電装負荷が大きいほど前記非水電解質二次電池の充電残量の下限値を上昇させる電源システム制御方法。

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