JP4211715B2 - 車載電源システム - Google Patents

Description

本発明は、車載蓄電装置の状態を監視する車載電源システムに関する。

自動車用バッテリ（蓄電装置）の状態監視方法の代表的なものとして、エンジンを始動する際の大容量放電時の電圧−電流特性から初期の残存容量を算出し、以降はバッテリの充放電電流値を積算することで残存容量を検出する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この方法は、エンジン稼動中、即ち車両用発電機の発電動作中において行われる。また、駐車中であって車両用発電機が発電停止中におけるバッテリ電圧検出を併用してバッテリの充放電電流値の積算より残存容量を求める方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
特許第２９１０１８４号公報（第４−１１頁、図１−１３） 特開２００３−６８３６９号公報（第２−５頁、図１−４）

ところで、特許文献１や特許文献２に開示された電流積算方式では、常時電流センサや監視ＥＣＵを稼動させておく必要があり、エンジン停止中、即ち車両用発電機が発電していない状況下では、これらの電流センサや監視ＥＣＵの消費電流が暗電流となってバッテリの容量低下を招くため、実質的にはエンジン停止中にはバッテリ状態監視ができなかった。また、仮にエンジン駐車中にバッテリの充電状態を監視できたとしても、駐車中にバッテリの充電状態が良好でないと判断したときに駐車中の車両の所有者に無断でエンジンをかけてバッテリを充電することはできないため、結局その状態を放置するしかなかった。このため、特に停車期間が長期にわたる場合には、次回に搭乗する際にエンジンスタータを起動できない懸念があった。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、駐車中であってもバッテリの充電状態を監視し、充電状態が良好でない場合にエンジンをかけずに蓄電装置を充電することができる車載電源システムを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車載電源システムは、エンジンによって駆動される車両用発電機と、車両用発電機によって発電した電力を蓄積する第１の蓄電装置と、電気負荷に接続される第２の蓄電装置と、第１の蓄電装置から第２の蓄電装置に対して電力を供給する電力変換装置と、第２の蓄電装置の充放電電流値が微少範囲内にあるときの端子電圧を疑似開放電圧と定義し、人が搭乗していない駐車中かつエンジン非稼働中に第２の蓄電装置の充放電電流値が微少範囲内にあるときに定期的に疑似開放電圧を検出して第２の蓄電装置の充電率を算出するとともに、この充電率が所定値を下回ったときに電力変換装置を動作させる監視装置とを備えている。定期的に第２の蓄電装置の疑似開放電圧を検出することにより駐車中における暗電流の増加を抑止しつつ第２の蓄電装置の充電状態を精度よく監視することができ、充電状態が良好でない場合には電力変換装置を介して第１の蓄電装置から第２の蓄電装置に対して充電を行うことができるため、エンジンをかけずに第２の蓄電装置を充電して容量（充電率）が必要以上に低下することを防止することができる。

また、上述した監視装置は、疑似開放電圧と第２の蓄電装置の充電状態との相関関係を示す情報を温度別で保持しており、第２の蓄電装置の温度に基づいて充電率の算出に必要な情報を選択することが望ましい。これにより、温度毎に特性が変化する第２の蓄電装置の充電率を正確に算出することができる。

また、上述した疑似開放電圧を検出する微少範囲内は、±１Ａ以下であることが望ましい。充放電電流値が±１Ａ以下の微少範囲内にある場合には第２の蓄電装置の端子電圧と充電率との間に直線的な１対１の関係があることが確かめられており、この微少範囲内であれば第２の蓄電装置の充電率を正確にしることが可能となる。

また、上述した第１の蓄電装置は、第２の蓄電装置よりも定格電圧が高いことが望ましい。これにより、電力変換装置を降圧モードのみで動作させることができるため、比較的簡素かつ安価な構成を採用することが可能になる。

また、上述した電力変換装置は、入出力端子間に接続されたパワートランジスタを不飽和領域で動作させるシリーズレギュレータであることが望ましい。このようにスイッチング動作しない電力変換装置を用いることにより、スイッチングノイズの発生を防止することができる。

また、上述した監視装置は、電力変換装置が稼働している期間に第２の蓄電装置の充電電流を積算して充電率の値を更新することが望ましい。これにより、駐車中の充電率を常に最新の値に更新することが可能になる。

また、上述した監視装置は、エンジン非稼働中に電気負荷が稼働したときに、第２の蓄電装置の放電電流を積算して充電率の値を更新し、この充電率が所定値を下回ったときに電力変換装置を動作させることが望ましい。これにより、電気負荷の稼働状態に合わせて監視装置を動作させるとともに、充電状態が悪化したときに第２の蓄電装置をエンジンをかけることなく充電することができるため、第２の蓄電装置の容量が必要以上に低下することを防止することができる。

また、上述した第１の蓄電装置は、第２の蓄電装置よりも内部インピーダンスが低いことが望ましい。これにより、駐車中に第２の蓄電装置の充電のために第１の蓄電装置の放電が進行しても、次にエンジンが始動したときに第１の蓄電装置に対して少ない充電損失で効果的に急速充電を行うことが可能になる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車載電源システムについて、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、一実施形態の車載電源システムの全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の車載電源システムは、２つの蓄電装置１、２、電力変換装置３、車両用発電機５、電圧制御装置６、バッテリ監視装置７、電流センサ８を含んで構成されており、各種の電気負荷４に対して動作電力を供給する。

一方の蓄電装置１は、鉛蓄電池（バッテリ）が用いられており、車両用発電機５によって充電される。他方の蓄電装置２は、鉛蓄電池が用いられており、電気負荷４に対して動作電力を供給する。蓄電装置１の定格電圧は、蓄電装置２の定格電圧よりも高く設定されている。電力変換装置３は、一方向通電性の電力変換動作を行い、蓄電装置１から蓄電装置２に対する電力供給を行う。蓄電装置１の定格電圧を蓄電装置２の定格電圧よりも高く設定する場合には、電力変換装置３を降圧モードのみで動作させることができる。

図２は、電力変換装置３の具体的な構成を示す図である。図２に示すように、電力変換装置３は、所謂ＤＣ−ＤＣコンバータであって、スイッチングトランジスタ３１、フライホイールダイオード３２、インダクタ３３、平滑コンデンサ３４、制御回路３５を含んで構成されている。スイッチングトランジスタ３１のドレインが入力端子に接続されており、ソースがインダクタ３３の一方端に接続されているとともにフライホイールダイオード３２を介して接地されている。また、インダクタ３３の他方端は、出力端子に接続されているとともに平滑コンデンサ３４を介して接地されている。

制御回路３５は、出力端子とスイッチングトランジスタ３１のゲートに接続されており、出力端子の電圧に基づいてスイッチングトランジスタ３１をオンオフ制御する。具体的には、制御回路３５は、スイッチングトランジスタ３１を数十〜百ｋＨｚの範囲でスイッチングしており、負荷状況に応じてそのスイッチングデューティ比を調整することにより出力電圧をほぼ一定に制御する。

車両用発電機５は、エンジン（図示せず）によって駆動されて機械エネルギーを電気エネルギーに変換して、蓄電装置２に充電電力を供給する。電圧制御装置６は、車両用発電機５の界磁コイルに流れる界磁電流を調整して出力電圧をほぼ一定に制御することにより発電量を調整する。バッテリ監視装置７は、蓄電装置２の充電状態を監視することにより電圧制御装置６と電力変換装置３の動作を制御する。このバッテリ監視装置７は、駐車中にスリープ状態（休止状態）とラン状態（稼働状態）を繰り返すように制御される。例えば、スリープ状態に移行すると、内蔵あるいは外付けのタイマによって一定時間（例えば数時間）が計測され、タイムアウト時に一時的にラン状態に移行した後再びスリープ状態に移行するように制御される。電流センサ８は、蓄電装置２の充放電電流を検出する。この検出信号に基づいて、バッテリ監視装置７による蓄電装置２の充電状態監視が行われる。

一般に、鉛蓄電池等の電気化学電池は、開放端子電圧とそのときの充電率ＳＯＣ（State Of Charge ）との間にはほぼ直線的な相関があり、開放端子電圧を計測することでそのときの充電率を知ることができる。しかし、車載の蓄電装置２の場合には、駐車中に端子を開放状態にすることは困難である。本実施形態では、充放電電流が微少量になった場合の状態を開放状態とほぼ等しいと考え、このときの端子電圧を疑似開放電圧（疑似ＯＣＶ（Open Circuit Voltage））として開放端子電圧と同等に扱うことにより、蓄電装置２の充電状態が検出可能であることが発明者らの研究によって明らかになっている。

図３は、蓄電装置２の疑似開放電圧と充電率との相関関係を示す図である。図３に示すように、蓄電装置２の充電率ＳＯＣは疑似開放電圧（疑似ＯＣＶ）と比例関係にあり、充電率が高くなると疑似開放電圧も高くなる。したがって、蓄電装置２の疑似開放電圧を測定することにより、充電率を知ることができる。なお、疑似開放電圧を測定する場合に許容される充放電電流は、±１Ａ以下であれば、図３に示す関係に基づいて充電率をほぼ正確に検出可能であることが確かめられている。また、図３に示す相関関係は、蓄電装置２の温度によって変化するため、バッテリ監視装置７では、図３に示す相関関係を示す情報を温度毎に複数パターンについて保持しており、蓄電装置２の近傍に設けられた温度センサ（図示せず）によって測定した温度に基づいて使用する情報が選択されている。

本実施形態の車載電源システムはこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。なお、本実施形態の車載電源システムでは、駐車中における蓄電装置２の充電率の検出動作等に着目しているため、車両稼働中（エンジンが回転している状態）の動作については説明を省略する。

図４は、本実施形態の車載電源システムの動作タイミングを示す図である。時刻ｔ１においてエンジンが停止してキースイッチがオフされると、バッテリ監視装置７は、スリープ状態になるが、その後定期的に（例えば数時間周期で）ラン状態になる。図４に示すｔ１、ｔ２、ｔ３、ｔ５、ｔ６が定期的にラン状態に移行するタイミングを示している。この定期的なタイミングにおいて充電率の推定を行うため、このタイミングを「推定タイミング」と称する。

ラン状態のときに、バッテリ監視装置７は、電流センサ８によって検出される充放電電流を検出し、この充放電電流が所定値以下（±１Ａ以下）の微少値である場合には、蓄電装置２の疑似開放電圧を測定し、図３に示した相関関係を示す情報に基づいて蓄電装置２の充電率ＳＯＣを推定する。バッテリ監視装置７は、この推定された充電率ＳＯＣが所定値ｔｈを下回っているか否かを判定し、下回っていなければ（充電率がある程度確保できている場合）、何もせずに再びスリープ状態に移行する。この動作を数時間周期で繰り返す。

やがて、時刻ｔ４において蓄電装置２の充電率ＳＯＣが所定値ｔｈを下回ると、次の推定タイミングｔ５において、バッテリ監視装置７は、蓄電装置２の充電率ＳＯＣが所定値ｔｈを下回ったことを検出する。このとき、バッテリ監視装置７は、電力変換装置３を動作させ、蓄電装置１から充電電力を供給して蓄電装置２を充電する。この充電動作は、蓄電装置２の充電率ＳＯＣが第２の所定値ｔｈ２を超えるか、あるいは、充電開始から所定時間経過するまで継続される。充電終了後、バッテリ監視装置７は再びスリープ状態に移行する。

また、時刻ｔ７において駐車中に稼働する電気負荷４、例えば不法侵入者をチェックするセキュリティ装置が作動すると、バッテリ監視装置７は、ラン状態に移行した後（例えば、スリープ状態にあるバッテリ監視装置７は、電気負荷４が稼働状態になったときに出力される負荷稼働信号が入力されるとラン状態に移行する）、電力変換装置３を作動させて、この電気負荷４に対する動作電力の供給と蓄電装置２に対する充電を行う。なお、電力変換装置３を動作させて蓄電装置２を充電している期間には、バッテリ監視装置７は、電流センサ８によって検出した充放電電流値を逐次積算して、充電率の値を更新しており、これにより充電率の正確な検出が可能になる。

このように、定期的に蓄電装置２の疑似開放電圧を検出することにより駐車中における暗電流の増加を抑止しつつ蓄電装置２の充電状態を精度よく監視することができ、充電状態が良好でない場合には電力変換装置３を介して蓄電装置１から蓄電装置２に対して充電を行うことができるため、エンジンをかけずに蓄電装置２を充電して容量（充電率）が必要以上に低下することを防止することができる。

また、バッテリ監視装置７には、疑似開放電圧と蓄電装置２の充電状態との相関関係を示す情報が温度別で保持されており、蓄電装置２の温度に基づいて充電率の算出に必要な情報が選択的に使用されるため、温度毎に特性が変化する蓄電装置２の充電率を正確に算出することができる。また、疑似開放電圧を検出する微少範囲を±１Ａ以下とすると蓄電装置２の端子電圧と充電率との間に直線的な１対１の関係があることが確かめられており、この微少範囲内であれば蓄電装置２の充電率を正確にしることが可能となる。

また、蓄電装置１の定格電圧を蓄電装置２の定格電圧よりも高くすることにより、電力変換装置３を降圧モードのみで動作させることができるため、比較的簡素かつ安価な構成の電力変換装置３を用いることが可能になる。また、電力変換装置３が稼働している期間に蓄電装置２の充電電流を積算して充電率の値を更新することにより、駐車中の充電率を常に最新の値に更新することが可能になる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータとしての構成を有する電力変換装置３を用いたが、他の構成の電力変換装置を用いるようにしてもよい。図５は、電力変換装置の変形例を示す図である。図５に示す電力変換装置３Ａは、所謂シリーズレギュレータであって、不飽和動作するパワートランジスタ３６と、出力電圧を分圧する分圧回路を構成する抵抗群３７と、基準電圧源３９が接続されたオペアンプ３８とを含んで構成されている。この電力変換装置３Ａは、パワートランジスタ３６が可変抵抗としての挙動をしながら、入力端子に接続された蓄電装置１と出力端子に接続された蓄電装置２との間の電位差を埋める役割をする。したがって、望ましくは蓄電装置１の定格電圧は蓄電装置２の定格電圧よりも高く設定されている。このような構成を採用することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ構成の電力変換装置３に比べてスイッチングノイズの発生をほぼゼロにすることができるため、ＥＭＣ（電磁環境両立性）に対しては有利となるとともに、大型部品であるインダクタ３３や平滑コンデンサ３４が不要になるためコスト面や体格面でも有利となる。

また、上述した実施形態では、蓄電装置１として鉛蓄電池を用いたが、蓄電装置２よりも内部インピーダンスが低い蓄電装置、例えばリチウム電池を用いるようにしてもよい。リチウム電池は、鉛蓄電池に比べて内部インピーダンスが低いため、駐車中に蓄電装置２の充電のために放電が進行しても、次にエンジンが始動したときに少ない充電損失で効果的に急速充電を行うことが可能になる。

また、上述した実施形態では、時刻ｔ７において電気負荷４が稼働したときに、バッテリ監視装置７は、直ちにラン状態に移行し、電力変換装置３を作動させて電気負荷４に対する動作電力の供給と蓄電装置２に対する充電を行うようにしたが、電気負荷４が稼働したときに、蓄電装置２の放電電流を積算して充電率の値を更新し、この充電率が所定値ｔｈを下回ったときに電力変換装置３を動作させるようにしてもよい。このようにしても蓄電装置２の容量が必要以上に低下することを防止することができる。

一実施形態の車載電源システムの全体構成を示す図である。 電力変換装置の具体的な構成を示す図である。 蓄電装置の疑似開放電圧と充電率との相関関係を示す図である。 本実施形態の車載電源システムの動作タイミングを示す図である。 電力変換装置の変形例を示す図である。

符号の説明

１、２ 蓄電装置
３、３Ａ 電力変換装置
４ 電気負荷
５ 車両用発電機
６ 電圧制御装置
７ バッテリ監視装置
８ 電流センサ

Claims (8)

1. エンジンによって駆動される車両用発電機と、前記車両用発電機によって発電した電力を蓄積する第１の蓄電装置と、電気負荷に接続される第２の蓄電装置と、前記第１の蓄電装置から前記第２の蓄電装置に対して電力を供給する電力変換装置と、前記第２の蓄電装置の充放電電流値が微少範囲内にあるときの端子電圧を疑似開放電圧と定義し、人が搭乗していない駐車中かつエンジン非稼働中に前記第２の蓄電装置の充放電電流値が前記微少範囲内にあるときに定期的に前記疑似開放電圧を検出して前記第２の蓄電装置の充電率を算出するとともに、この充電率が所定値を下回ったときに前記電力変換装置を動作させる監視装置と、を備えることを特徴とする車載電源システム。
2. 請求項１において、
   前記監視装置は、疑似開放電圧と前記第２の蓄電装置の充電状態との相関関係を示す情報を温度別で保持しており、前記第２の蓄電装置の温度に基づいて前記充電率の算出に必要な情報を選択することを特徴とする車載電源システム。
3. 請求項１または２において、
   前記疑似開放電圧を検出する前記微少範囲内は、±１Ａ以下であることを特徴とする車載電源システム。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記第１の蓄電装置は、前記第２の蓄電装置よりも定格電圧が高いことを特徴とする車載電源システム。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記電力変換装置は、入出力端子間に接続されたパワートランジスタを不飽和領域で動作させるシリーズレギュレータであることを特徴とする車載電源システム。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
   前記監視装置は、前記電力変換装置が稼働している期間に前記第２の蓄電装置の充電電流を積算して前記充電率の値を更新することを特徴とする車載電源システム。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記監視装置は、エンジン非稼働中に前記電気負荷が稼働したときに、前記第２の蓄電装置の放電電流を積算して充電率の値を更新し、この充電率が所定値を下回ったときに前記電力変換装置を動作させることを特徴とする車載電源システム。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
   前記第１の蓄電装置は、前記第２の蓄電装置よりも内部インピーダンスが低いことを特徴とする車載電源システム。

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