JP6260422B2 - 電池ユニット - Google Patents

Description

本発明は、内部蓄電池を有する電池ユニットにおいて、この電池ユニットに外部蓄電池と発電機能を有する回転機とを接続可能にした技術に関する。

例えば、車両に搭載される車載電源システムとして、複数の蓄電池（例えば鉛蓄電池、リチウムイオン蓄電池）を用い、これら各蓄電池を使い分けながら車載の各種電気負荷に対して電力を供給する構成が知られている（例えば特許文献１参照）。具体的には、発電機能を有する回転機及びリチウムイオン蓄電池と鉛蓄電池とを接続する接続経路に半導体スイッチを設け、この半導体スイッチの開閉により回転機及びリチウムイオン蓄電池と鉛蓄電池とを電気的に導通状態する構成としている。

特開２０１２−８０７０６号公報

上記２つの蓄電池を用いる電源システムとして、一方の蓄電池（内部蓄電池）と半導体スイッチとをユニットに内蔵し、その内部蓄電池を有するユニット（電池ユニット）の２つの端子に対し、他方の蓄電池（外部蓄電池）と回転機とをそれぞれ接続する構成が考えられる。ここで、外部蓄電池が接続される電池ユニットの端子（第１端子）及び回転機が接続される電池ユニットの端子（第２端子）は、いずれも電力入出力の端子であって、形状が類似している場合がある。このような場合、車両への組み付け時などにおいて、第１端子に対して回転機を、第２端子に対して外部蓄電池を、それぞれ接続してしまう逆接続が生じることが懸念される。

また、第１端子と外部蓄電池とを接続するハーネスが切断されることや、第１端子とハーネスとの物理的な結合が外れることによって、第１端子と外部蓄電池との接続が遮断状態となる接続遮断が生じることが懸念される。

ここで、回転機において発電が行われていない状況下では、逆接続及び接続遮断のいずれにおいても、電池ユニットの外部から第１端子に対して電圧が印加されていない状態になる。つまり、回転機において発電が行われていない状況下では、逆接続と接続遮断との区別がつかず、それぞれの異常に応じて適切にフェールセーフ処理が行えないと懸念される。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、内部蓄電池を有する電池ユニットにおいて、電池ユニットと外部蓄電池との接続不良が生じた場合に、適切にフェールセーフ処理を行う手段を提供することを主たる目的とする。

本発明は、内部蓄電池（３０）を備え、第１端子（Ｐ１）に外部蓄電池（２０）が接続され、第２端子（Ｐ２）に発電機能を有する回転機（１０）が接続されるようになっている電池ユニット（Ｕ）であって、前記第１端子と前記第２端子とを接続するとともに、それら両端子の間の電池接続点（Ｎ１）に前記内部蓄電池を接続する主接続経路（Ｌ１，Ｌ２）と、前記主接続経路において前記第１端子と前記電池接続点との間に設けられる第１スイッチ（５１）と、前記外部蓄電池が接続される補助端子と前記電池接続点とを、前記第１スイッチを迂回するように接続する第１バイパス経路（Ｂ１）と、前記第１バイパス経路上に設けられ、前記第１スイッチが開状態とされる場合に閉状態とされることで、前記第１スイッチを迂回して前記外部蓄電池と前記電池接続点とを導通状態とする第１バイパススイッチ（５５）と、前記第１端子の電圧を検出する電圧検出手段（６０）と、前記第１スイッチが開状態とされている状況下で前記第１端子の電圧の検出値が所定値より低い場合に、前記第１端子に前記外部蓄電池が接続されていない接続不良が生じていると判定する接続不良判定手段（６０）と、前記接続不良が生じていると判定された場合に、前記第１スイッチ及び第１バイパススイッチを共に閉状態に制御するフェールセーフ手段（６０）と、を備えることを特徴とする。

第１スイッチが開状態とされている状況下で、第１端子の電圧の検出値は外部蓄電池の出力電圧に等しくなるはずである。言い換えると、第１スイッチが開状態とされている状況下で、第１端子の電圧の検出値が所定値より低い場合、第１端子に外部蓄電池が接続されていないという接続不良が生じていると判定できる。この接続不良は、第１端子に回転機が接続され第２端子に外部蓄電池が接続されている逆接続、及び、第１端子と外部蓄電池との接続が遮断されている接続遮断のいずれかであると考えられる。

また、第１スイッチを迂回するように第１バイパス経路が設けられており、その第１バイパス経路上に第１バイパススイッチが設けられている。第１バイパススイッチは、第１スイッチが開状態とされる場合に閉状態とされることで、第１スイッチを迂回して外部蓄電池と電池接続点（第２端子）とを導通状態にする。接続不良が生じていない通常時においては、第１スイッチ及び第１バイパススイッチのいずれか一方が開状態とされ、他方が閉状態とされる。

第１端子とは別に補助端子が設けられているため、第１端子における接続不良が生じている場合であっても、補助端子と外部蓄電池とは正常に接続されていると考えられる。接続遮断の場合、この補助端子及び第１バイパススイッチを介して回転機と外部蓄電池とが接続される。また、逆接続の場合、第１スイッチを介して回転機と外部蓄電池とが接続される。そこで、接続不良が生じていると判定された場合に、通常時は排他的に開閉制御される第１スイッチ及び第１バイパススイッチを共に閉状態に制御する。これにより、逆接続及び接続遮断のいずれが生じている場合にも、回転機と外部蓄電池とを導通状態にすることが可能になる。つまり、第１端子での接続不良が生じている状態であっても、回転機と外部蓄電池とを導通させる状態を維持でき、好適にフェールセーフ処理を行うことができる。

本実施形態の電源システムを示す電気回路図。 第１状態における各スイッチの状態を示す図。 第２状態における各スイッチの状態を示す図。 第３状態における各スイッチの状態を示す図。 第４状態における各スイッチの状態を示す図。 第５状態における各スイッチの状態を示す図。 逆接続時の電源システムを示す電気回路図。 接続遮断時の電源システムを示す電気回路図。 フェールセーフ処理を表すフローチャート。 異常種別判定処理を表すフローチャート。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態の電池ユニットは車両に搭載される車載電源システムに適用されるものであり、車両は、エンジン（内燃機関）を駆動源として走行するものである。また、車両は、いわゆるアイドリングストップ機能を有している。

図１に示すように、本電源システムは、回転機１０、鉛蓄電池２０、リチウムイオン蓄電池３０、スタータ４１、各種の電気負荷４２，４３、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１、Ｐ−ＳＭＲスイッチ５２、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３、及び、Ｓ−ＳＭＲスイッチ５４を備えている。

このうち、リチウムイオン蓄電池３０と各スイッチ５１〜５４とは筐体（収容ケース）に収容されることで一体化され、電池ユニットＵとして構成されている。また、電池ユニットＵは、電池制御手段を構成する制御部６０を有しており、各スイッチ５１〜５４と制御部６０とは同一の基板に実装された状態で筐体内に収容されている。

電池ユニットＵには外部端子として第１端子Ｐ１、第２端子Ｐ２、第３端子Ｐ３が設けられており、第１端子Ｐ１には鉛蓄電池２０とスタータ４１と電気負荷４２とが接続され、第２端子Ｐ２には回転機１０が接続され、第３端子Ｐ３には電気負荷４３が接続されるようになっている。この場合、第１端子Ｐ１にはハーネスＨ１を介して鉛蓄電池２０等が接続され、第２端子Ｐ２にはハーネスＨ２を介して回転機１０が接続され、第３端子Ｐ３にはハーネスＨ３を介して電気負荷４３が接続される。第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２とは、いずれも回転機１０の入出力の電流が流れる大電流入出力端子となっている。

回転機１０の回転軸は、図示しないエンジンのクランク軸に対してベルト等により駆動連結されており、クランク軸の回転によって回転機１０の回転軸が回転するとともに、回転機１０の回転軸の回転によってクランク軸が回転する。この場合、回転機１０は、クランク軸の回転により発電（回生発電）を行う発電機能と、クランク軸に回転力を付与する動力出力機能とを備え、ＩＳＧ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｓｔａｒｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）を構成するものとなっている。

鉛蓄電池２０とリチウムイオン蓄電池３０とは回転機１０に対して並列に電気接続されており、回転機１０の発電電力により各蓄電池２０，３０の充電が可能となっている。また、回転機１０は、各蓄電池２０，３０からの給電により駆動されるものとなっている。

鉛蓄電池２０は周知の汎用蓄電池である。これに対し、リチウムイオン蓄電池３０は、鉛蓄電池２０に比べて、充放電における電力損失が少なく、出力密度、及び、エネルギ密度の高い高密度蓄電池である。リチウムイオン蓄電池３０は、複数の電池セルを直列に接続してなる組電池により構成されている。

電池ユニットＵ内には、ユニット内電気経路として、各端子Ｐ１〜Ｐ３及びリチウムイオン蓄電池３０を相互に接続する複数の接続経路Ｌ１〜Ｌ４が設けられている。このうち、
・第１接続経路Ｌ１は、第１端子Ｐ１と第２端子Ｐ２とを接続する電気経路であり、
・第２接続経路Ｌ２は、第１接続経路Ｌ１上の接続点Ｎ１（電池接続点）とリチウムイオン蓄電池３０とを接続する電気経路であり、
・第３接続経路Ｌ３は、第１接続経路Ｌ１上の接続点Ｎ２と第３端子Ｐ３とを接続する電気経路であり、
・第４接続経路Ｌ４は、第２接続経路Ｌ２の接続点Ｎ３と第３接続経路Ｌ３の接続点Ｎ４（負荷接続点）とを接続する電気経路である。
このうち第１接続経路Ｌ１と第２接続経路Ｌ２とが「主接続経路」に相当し、第３接続経路Ｌ３と第４接続経路Ｌ４とが「副接続経路」に相当する。

そして、
・第１接続経路Ｌ１（詳しくはＮ１−Ｎ２の間）にＰ−ＭＯＳスイッチ５１が設けられ、
・第２接続経路Ｌ２（詳しくはＮ１−Ｎ３の間）にＰ−ＳＭＲスイッチ５２が設けられ、
・第３接続経路Ｌ３（詳しくはＮ２−Ｎ４の間）にＳ−ＭＯＳスイッチ５３が設けられ、
・第４接続経路Ｌ４（詳しくはＮ３−Ｎ４の間）にＳ−ＳＭＲスイッチ５４が設けられている。
これら各スイッチ５１〜５４は、いずれも２×ｎ個のＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチ）を備え、その２つ一組のＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードが互いに逆向きになるように直列に接続されている。この寄生ダイオードによって、各スイッチ５１〜５４をオフ状態とした場合にそのスイッチが設けられた経路に流れる電流が完全に遮断される。なお、第１接続経路Ｌ１及び第２接続経路Ｌ２は、回転機１０と各蓄電池２０，３０との間で比較的大きな電流が流れることが想定される大電流経路である。また、第３接続経路Ｌ３及び第４接続経路Ｌ４は、接続経路Ｌ１，Ｌ２に比べて小さい電流が流れることが想定される小電流経路である。そこで、接続経路Ｌ１，Ｌ２に設けられるスイッチ５１，５２は、接続経路Ｌ３，Ｌ４に設けられるスイッチ５３，５４に比べて、許容電流量の大きなものとしている。具体的には、スイッチ５１，５２として、スイッチ５３，５４と比べて多くのＭＯＳＦＥＴを並列接続して用いることで、許容電流量を大きくしている。

また、電池ユニットＵには、ユニット内のスイッチ５１，５３を介さずに、鉛蓄電池２０を回転機１０及び電気負荷４３に接続可能とするバイパス経路Ｂ１，Ｂ２が設けられている。具体的には、本実施形態の電池ユニットＵには第４端子Ｐ４が設けられており、第４端子Ｐ４には、ヒューズ４４を介して、鉛蓄電池２０、スタータ４１及び電気負荷４２が接続されている。また、第４端子Ｐ４は、電池ユニットＵの内部において、第１接続経路Ｌ１上の接続点Ｎ１と、第１バイパス経路Ｂ１によって接続されている。第１バイパス経路Ｂ１上には、第４端子Ｐ４と接続点Ｎ１との接続を遮断状態又は導通状態にする第１バイパススイッチ５５が設けられている。

また、電池ユニットＵの内部において、第１接続経路Ｌ１上の接続点Ｎ１と第３端子Ｐ３とを接続するように第２バイパス経路Ｂ２が設けられている。第２バイパス経路Ｂ２上には、接続点Ｎ１と第３端子Ｐ３との接続を遮断状態又は導通状態にする第２バイパススイッチ５６が設けられている。

第１バイパススイッチ５５及び第２バイパススイッチ５６は、常閉式のリレースイッチである。第１バイパス経路Ｂ１により、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１を迂回して鉛蓄電池２０と回転機１０が接続される。また、第１バイパス経路Ｂ１と第２バイパス経路Ｂ２とが直列接続されることにより、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３を迂回して鉛蓄電池２０と電気負荷４３とが接続される。

制御部６０は、各スイッチ５１〜５４のオン（閉鎖）とオフ（開放）との切り替えを行う。例えば、各蓄電池２０，３０の放電時において、スイッチ５１〜５４は、基本的に鉛蓄電池２０及びリチウムイオン蓄電池３０の相互の接続を遮断するように制御され、鉛蓄電池２０からリチウムイオン蓄電池３０に電流が流れること、及び、リチウムイオン蓄電池３０から鉛蓄電池２０に対して電流が流れることが抑制される。これにより、両方の蓄電池間で電流が流れることに伴う電力損失を抑制することができる。

また、制御部６０は、電池ユニット外のＥＣＵ１００（電子制御装置）に接続されている。つまり、これら制御部６０及びＥＣＵ１００は、ＣＡＮ等の通信ネットワークにより接続されて相互に通信可能となっており、制御部６０及びＥＣＵ１００に記憶される各種データが互いに共有できるものとなっている。ＥＣＵ１００は、アイドリングストップ制御を実施する。アイドリングストップ制御とは、周知のとおり所定の自動停止条件の成立によりエンジンを自動停止させ、かつその自動停止状態下で所定の再始動条件の成立によりエンジンを再始動させるものである。

電気負荷４３は、供給電力の電圧が概ね一定であるか、又は、電圧変動が所定範囲内であり安定していることが要求される定電圧要求電気負荷である。電気負荷４３には、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３を介して鉛蓄電池２０が接続されるとともに、Ｓ−ＳＭＲスイッチ５４を介してリチウムイオン蓄電池３０が接続されており、鉛蓄電池２０及びリチウムイオン蓄電池３０のいずれかからの給電が行われるようになっている。

電気負荷４３の具体例としては車載ナビゲーション装置や車載オーディオ装置が挙げられる。例えば、供給電力の電圧が一定ではなく大きく変動している場合、又は、前記所定範囲を超えて大きく変動している場合には、電圧が瞬時的に最低動作電圧よりも低下して、車載ナビゲーション装置等の動作がリセットする不具合が生じる。そこで、電気負荷４３へ供給される電力は、電圧が最低動作電圧よりも低下することのない一定の値に安定していることが要求される。

電気負荷４２は、電気負荷４３（定電圧要求電気負荷）及びスタータ４１以外の一般的な電気負荷である。電気負荷４２の具体例としてはヘッドライト、フロントウインドシールド等のワイパ、空調装置の送風ファン、リヤウインドシールドのデフロスタ用ヒータ等が挙げられる。また、電気負荷４２には、所定の駆動条件が成立することで停止状態から駆動状態に移行し、その条件が成立しなくなると停止状態に戻る駆動負荷が含まれる。駆動負荷は例えば、パワーステアリングや、パワーウィンドウなどである。

回転機１０は、エンジンのクランク軸の回転エネルギにより発電するものである。回転機１０で発電した電力は、電気負荷４２，４３へ供給されるとともに、鉛蓄電池２０及びリチウムイオン蓄電池３０へ供給される。エンジンの駆動が停止して回転機１０で発電が実施されていない場合には、鉛蓄電池２０及びリチウムイオン蓄電池３０から回転機１０、スタータ４１及び電気負荷４２，４３へ電力が供給される。各蓄電池２０，３０から回転機１０、スタータ４１及び電気負荷４２〜４３への放電量、及び、回転機１０から各蓄電池２０，３０への充電量は、各蓄電池２０，３０のＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ：充電状態、即ち、満充電時の充電量に対する実際の充電量の割合）が過充放電とならない範囲（適正範囲）となるよう制御される。

制御部６０は、リチウムイオン蓄電池３０の温度、出力電圧及び充放電電流を検出し、その検出値に基づいてリチウムイオン蓄電池３０のＳＯＣを算出する。また、制御部６０は、鉛蓄電池２０の温度、出力電圧及び充放電電流を検出し、その検出値に基づいて鉛蓄電池２０のＳＯＣを算出する。制御部６０は、各蓄電池のＳＯＣに基づいて各スイッチ５１〜５４をオフオンし、そのＳＯＣが適正範囲となるように制御を行う。また、各スイッチ５１〜５４にはそれぞれ電流センサが設けられており、制御部６０は、各スイッチ５１〜５４に流れる電流の検出値をそれぞれ取得する。また、電池ユニットＵの端子Ｐ１〜Ｐ３には電圧センサが設けられており、制御部６０は端子Ｐ１〜Ｐ３の電圧の検出値をそれぞれ取得する。

本実施形態では、車両の回生エネルギにより回転機１０を発電させて両蓄電池２０，３０（主にはリチウムイオン蓄電池３０）に充電させる減速回生を行っている。この減速回生は、車両が減速状態であること、エンジンへの燃料噴射をカットしていること等の条件が成立した時にＥＣＵ１００の制御により実施される。

ここで、両蓄電池２０，３０は回転機１０に対して並列接続されている。このため、回転機１０により発電された電力を充電する際には、端子電圧の低い方の蓄電池に対して優先的に充電がなされることになる。回生発電時には、リチウムイオン蓄電池３０の端子電圧が鉛蓄電池２０の端子電圧より低くなる機会が多くなるようにして、鉛蓄電池２０よりも優先してリチウムイオン蓄電池３０に対する充電が実施されるようになっている。こうした設定は、両蓄電池２０，３０の開放端電圧及び内部抵抗値を設定することで実現可能であり、開放端電圧の設定は、リチウムイオン蓄電池３０の正極活物質、負極活物質及び電解液を選定することで実現可能である。

また、本実施形態では、アイドリングストップ制御によりエンジンを自動停止させた後、回転機１０の駆動によりエンジンを自動で再始動させる。更に、その再始動の後には、車両の速度が所定速度に達するまで、回転機１０によってクランク軸にトルクを付与する出力補助（発進アシスト）を実施する。また、車両の走行中において、ドライバによりアクセルペダルが踏み込まれて車両の加速を実施する際、回転機１０によってクランク軸にトルクを付与する出力補助（中間アシスト）を実施する。中間アシストは、登り急斜面を走行するときのように、クランク軸に高出力が要求される状況下においても実施される。発進アシスト及び中間アシストは共にＥＣＵ１００の制御により実施される。発進アシスト及び中間アシストを実施することで、車両の燃費を向上させることができる。

始動時、発進アシスト時、及び、中間アシスト時において、回転機１０の駆動に伴い、回転機１０がクランク軸に対して付与するトルクの量に応じた電流が回転機１０に対して電力を供給する蓄電池に流れる。この電流及び蓄電池の内部抵抗によって蓄電池の出力電圧が低下する。この回転機１０が付与するトルクに応じた蓄電池の出力電圧の低下により、定電圧要求電気負荷４３に供給される電力の電圧も一時的に低下し、予期せぬ動作のリセットが発生するおそれがある。

そこで、本実施形態では、制御部６０が各スイッチ５１〜５４の状態を車両の走行状態に応じて適切に制御することで、車両の走行中に定電圧要求電気負荷４３の動作がリセットされる不具合を抑制する。具体的には、各スイッチ５１〜５４は、下記第１状態〜第５状態とされる。

図２に示す第１状態では、スイッチ５１，５２，５４がオン状態とされ、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３のみがオフ状態とされている。この第１状態では、鉛蓄電池２０とリチウムイオン蓄電池３０とが導通状態とされ、両蓄電池２０，３０と回転機１０及び電気負荷４３とが導通状態とされる。回生発電時には、両蓄電池２０，３０に対して充電を行うべくスイッチ状態を第１状態とする。また、アイドリングストップ再始動後の発進アシスト時においても、スイッチ状態を第１状態とする。

図３に示す第２状態では、スイッチ５１，５４がオン状態とされ、スイッチ５２，５３がオフ状態とされている。この第２状態では、鉛蓄電池２０と回転機１０とが導通状態とされ、電気負荷４３とリチウムイオン蓄電池３０とが導通状態とされる。また、鉛蓄電池２０とリチウムイオン蓄電池３０とが遮断状態とされる。回転機１０によるアシストを行わない走行時（通常走行時）、アイドリングストップにおけるエンジン停止時、及び、アイドリングストップにおけるエンジン再始動時には、電気負荷４３に供給される電力の電圧の安定化を目的としてスイッチ状態を第２状態とする。

図４に示す第３状態では、スイッチ５２，５４がオン状態とされ、スイッチ５１，５３オフ状態とされている。この第３状態では、回転機１０及び電気負荷４３とリチウムイオン蓄電池３０とが導通状態とされる。また、鉛蓄電池２０とリチウムイオン蓄電池３０とが遮断状態とされる。リチウムイオン蓄電池３０から回転機１０に対して電力供給を行い、リチウムイオン蓄電池３０の残存容量（充電率）を低下させて、回生発電時において生じる電力をリチウムイオン蓄電池３０により多く充電することを目的として、中間アシスト時には、基本的にスイッチ状態を第３状態とする。

図５に示す第４状態では、スイッチ５１，５３がオン状態とされ、スイッチ５２，５４がオフ状態とされている。この第４状態では、回転機１０及び電気負荷４３と鉛蓄電池２０とが導通状態とされる。また、鉛蓄電池２０とリチウムイオン蓄電池３０とが遮断状態とされる。リチウムイオン蓄電池３０の過放電を防止すべく、ＩＧオン直後及び冷間始動時、及び、リチウムイオン蓄電池３０の残存容量が低下した場合には、スイッチ状態を第４状態とする。

図６に示す第５状態では、スイッチ５２，５３がオン状態とされ、スイッチ５１，５４がオフ状態とされている。この第５状態では、回転機１０とリチウムイオン蓄電池３０とが導通状態とされ、電気負荷４３と鉛蓄電池２０とが導通状態とされる。また、鉛蓄電池２０とリチウムイオン蓄電池３０とが遮断状態とされる。中間アシスト時において、回転機１０に流れる電流が所定量以上であり、リチウムイオン蓄電池３０の出力電圧が大きく低下する場合には、スイッチ状態を第５状態とする。

上述の通り、第１状態では、鉛蓄電池２０とリチウムイオン蓄電池３０とが導通状態とされ、鉛蓄電池２０及びリチウムイオン蓄電池３０と回転機１０及び電気負荷４３とが導通状態とされる。また、第２〜第５状態では、鉛蓄電池２０とリチウムイオン蓄電池３０とが遮断状態とされ、回転機１０及び電気負荷４３のそれぞれが、鉛蓄電池２０及びリチウムイオン蓄電池３０のいずれか一方と導通状態とされる。

ここで、車載電源システムがＩＧオン状態とされている間に、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１に開異常（常時オフ異常）が生じると、鉛蓄電池２０に対して回転機１０から電力供給を実施することができない。この場合、鉛蓄電池２０から電気負荷４２に電力が供給され続ける結果、鉛蓄電池２０の充電率が低下していき、電気負荷４２はやがて電源失陥となる。そこで、第１バイパス経路Ｂ１を介して鉛蓄電池２０と回転機１０とを接続する構成にした。これにより、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１に開異常が生じた場合に、第１バイパススイッチ５５をオン状態とすることで、回転機１０から鉛蓄電池２０に対する電力供給が可能になる。

また、図１に示される第１バイパス経路Ｂ１及び第２バイパス経路Ｂ２を介して鉛蓄電池２０と電気負荷４３とを接続し、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３又はＳ−ＳＭＲスイッチ５４に異常が生じた場合に、両バイパススイッチ５５，５６を共にオン状態にする操作（オン操作）を行う構成としている。これにより、両スイッチ５３，５４を介さずに鉛蓄電池２０から電気負荷４３に対する電力供給が可能になり、電気負荷４３における電源失陥を抑制することができる。

また、車載電源システムがＩＧオフ状態における電気負荷４２，４３への電力供給（いわゆる暗電流供給）は、リチウムイオン蓄電池３０が過放電となることを抑制するために、鉛蓄電池２０から行われることが望ましい。これは、リチウムイオン蓄電池が鉛蓄電池に比べて過放電による劣化度合いが大きいからである。また、ＭＯＳ−ＦＥＴを駆動するために要する電力消費（例えば、ゲート・リーク電流による電力消費）を抑制するために、暗電流供給中はスイッチ５１〜５４はオフ状態とすることが望ましい。

そこで、ＩＧオフ時に、第１バイパス経路Ｂ１及び第２バイパス経路Ｂ２を介して、鉛蓄電池２０から電気負荷４３への電力供給を実施する構成とした。つまり、制御部６０は、ＩＧオフを条件として、各バイパススイッチ５５，５６のオン操作を行う。なお、第１バイパス経路Ｂ１及び第２バイパス経路Ｂ２上に設けられている第１バイパススイッチ５５及び第２バイパススイッチ５６は、常閉式のリレースイッチであるため、リレースイッチを駆動するための電流が停止されるとオン状態となる。つまり、暗電流供給時において、スイッチを導通状態に保つことに伴う電力消費を抑制することができる。

このように、第１バイパススイッチ５５は、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１がオフ状態とされる場合にオン状態とされ、第２バイパススイッチ５６は、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３及びＳ−ＳＭＲスイッチ５４がそれぞれオフ状態とされる場合にオン状態とされる。つまり、通常時において、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１と第１バイパススイッチ５５とが同時にオン状態とされることはなく、また、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３又はＳ−ＳＭＲスイッチ５４と第２バイパススイッチ５６は同時にオン状態とされることはない。

また、電池ユニットＵの第４端子Ｐ４と、第１端子Ｐ１及び鉛蓄電池２０が接続される接続点Ｎ５との間は、ハーネスＨ４によって接続されている。ハーネスＨ４上には、ヒューズ４４が設けられている。第１バイパススイッチ５５がオン状態とされている間に第２端子Ｐ２又はハーネスＨ２に地絡が生じると、鉛蓄電池２０から地絡が生じた点に対して大電流が流れる。また、第１バイパススイッチ５５及び第２バイパススイッチ５６がオン状態とされている間に第３端子Ｐ３又はハーネスＨ３に地絡が生じると、鉛蓄電池２０から地絡が生じた点に対して大電流が流れる。このような大電流が流れる場合にヒューズ４４が溶断されることで、大電流が流れ続けることに伴う二次的な故障を抑制することができる。

バイパス経路Ｂ１，Ｂ２は直列接続されているため、バイパス経路Ｂ１，Ｂ２それぞれに対してヒューズ４４を設ける必要がなく部品点数を削減することができる。なお、ヒューズ４４を電池ユニットＵの外部に設ける構成としているため、ヒューズ４４が溶断された場合に容易に交換が可能である。

また、電池ユニットＵのリチウムイオン蓄電池３０と、電池ユニットＵの筐体（ＧＮＤ）との間には、ヒューズ４５が設けられている。Ｐ−ＳＭＲスイッチ５２がオン状態とされている間に第２端子Ｐ２又はハーネスＨ２に地絡が生じると、リチウムイオン蓄電池３０から地絡が生じた点に対して大電流が流れる。このような大電流が流れる場合にヒューズ４５が溶断されることで、リチウムイオン蓄電池３０から大電流が流れ続けることに伴う二次的な故障を抑制することができる。

さて、上述したように電池ユニットＵの第１端子Ｐ１及び第２端子Ｐ２において、第１端子Ｐ１には、鉛蓄電池２０、スタータ４１及び電気負荷４２が接続され、第２端子Ｐ２には、回転機１０が接続される。また、電池ユニットＵの第１端子Ｐ１及び第４端子Ｐ４はそれぞれ別体として設けられており、第１端子Ｐ１にはハーネスＨ１が、第４端子Ｐ４にはハーネスＨ４がそれぞれ接続されている。

車両への組み付け時において、電池ユニットＵの各端子Ｐ１，Ｐ２に対するハーネスＨ１，Ｈ２の組み付け間違いが生じることが考えられる。具体的には、第１端子Ｐ１に回転機１０が接続され、第２端子Ｐ２に鉛蓄電池２０が接続されるといった接続不良（逆接続）が行われる可能性がある。逆接続時の電気回路図を図７に示す。逆接続時においても、正常接続時と同様に鉛蓄電池２０、スタータ４１、及び、電気負荷４３と第４端子Ｐ４とがハーネスＨ４を介して接続されている。

また、第１端子Ｐ１と鉛蓄電池２０との接続不良について、上記の逆接続以外に、第１端子Ｐ１と鉛蓄電池２０との接続遮断が考えられる。接続遮断時の電気回路図を図８に示す。接続遮断時において、第１端子Ｐ１とハーネスＨ１との接続が遮断されるが、第４端子Ｐ４と鉛蓄電池２０とはハーネスＨ４を介して接続されている。接続遮断は、車両への電池ユニットＵの組み付け時に生じる他、車両の走行時における振動に伴う接続外れにより生じ得る。また、ハーネスＨ１が何らかの理由により切断されてしまうことにより生じ得る。

ここで、上記の逆接続が生じている場合及び接続遮断が生じている場合であって、回転機１０に電流が流れていない状況下において、スイッチ５１〜５４がオフ状態にされていると、第１端子Ｐ１には電圧が印加されていない状態になる。つまり、車両が停車中の状況下では、接続遮断及び逆接続のいずれが生じているのかを判定することができない。なお、車両が停車中の状況下では、第１バイパススイッチ５５及び第２バイパススイッチ５６が共にオン状態とされるため、鉛蓄電池２０から電気負荷４３に対する電力供給が可能とされる。

そこで、車両の停車中の状況下で第１端子Ｐ１に電圧が印加されていない場合に、逆接続及び接続遮断のいずれが生じていたとしても、電源失陥などの不都合が生じないようなフェールセーフ処理を行う。具体的には、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３、第１バイパススイッチ５５、及び、第２バイパススイッチ５６がオン状態となるようにスイッチ制御を行う。

逆接続が生じている場合、鉛蓄電池２０と回転機１０とがＰ−ＭＯＳスイッチ５１を介して接続される。また、鉛蓄電池２０と電気負荷４３とがＰ−ＭＯＳスイッチ５１及びＳ−ＭＯＳスイッチ５３を介して接続される。つまり、上記のフェールセーフ処理によって、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１及びＳ−ＭＯＳスイッチ５３がオン状態にされることで、回転機１０と鉛蓄電池２０と電気負荷４３とが導通状態とされるため、電気負荷４３の電源失陥を抑制し、また、鉛蓄電池２０に対する充電を実施することが可能になる。

また、第１端子Ｐ１と鉛蓄電池２０との接続遮断が生じている場合、鉛蓄電池２０と回転機１０とが第１バイパススイッチ５５を介して接続される。また、鉛蓄電池２０と電気負荷４３とが第１バイパススイッチ５５及び第２バイパススイッチ５６を介して接続される。つまり、上記のフェールセーフ処理によって、第１バイパススイッチ５５及び第２バイパススイッチ５６がオン状態にされることで、回転機１０と鉛蓄電池２０と電気負荷４３とが導通状態とされるため、電気負荷４３の電源失陥を抑制し、また、鉛蓄電池２０に対する充電を実施することが可能になる。

さらに、接続遮断時では、回転機１０と鉛蓄電池２０とがヒューズ４４を介して接続されている。そこで、フェールセーフ処理として、上記のスイッチ制御に加えて、ヒューズ４４の溶断を防止するため、回転機１０から出力される発電電流を所定値以下に抑制する制御を行う。

本実施形態におけるフェールセーフ処理を表すフローチャートを図９に示す。本フェールセーフ処理は、制御部６０によって所定周期ごとに実施される。

ステップＳ１１において、車載電源システムがＩＧオフ状態からＩＧオン状態にされたか否かを判定する。車載電源システムがＩＧオフ状態の場合（Ｓ１１：ＮＯ）、ステップＳ１２において、スイッチ５１〜５４をオフ状態、バイパススイッチ５５，５６をオン状態にし、処理を終了する。

車載電源システムがＩＧオフ状態からＩＧオン状態にされた場合（Ｓ１１：ＹＥＳ）、ステップＳ１３において、第１端子Ｐ１の電圧の検出値Ｖｉｎを取得する。ステップＳ１４において、検出値Ｖｉｎが所定の閾値Ｖａ以上であるか否かを判定する。検出値Ｖｉｎが所定の閾値Ｖａ以上の場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、ステップＳ１５において、第１端子Ｐ１に鉛蓄電池２０が正常に接続されていると判定し、スイッチ状態について通常処理を行い処理を終了する。例えば、ＩＧオフからＩＧオンにされた直後は、スイッチ状態を図５に示す第４状態にし、バイパススイッチ５５，５６を共にオフ状態にする。

また、検出値Ｖｉｎが所定の閾値Ｖａより小さい場合に（Ｓ１４：ＮＯ）、ステップＳ１６において、第１端子Ｐ１に鉛蓄電池２０が接続されておらず、接続不良（逆接続又は接続遮断）が生じていると判定し、電池ユニットＵの状態をフェールセーフ状態にして処理を終了する。ここで、フェールセーフ状態とは、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３、第１バイパススイッチ５５及び第２バイパススイッチ５６をオン状態にすること、及び、回転機１０の発電電力を所定値以下に抑制することをいう。

また、上記のようにＰ−ＭＯＳスイッチ５１、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３、第１バイパススイッチ５５、及び、第２バイパススイッチ５６をそれぞれオン状態にした上で、各スイッチに流れる電流の検出値に基づいて、逆接続及び接続遮断のいずれが生じているかを判定することができる。

逆接続時には、第１端子Ｐ１に接続されている回転機１０からＰ−ＭＯＳスイッチ５１を介して鉛蓄電池２０に電流が流れる。また、第１端子Ｐ１に接続されている回転機１０からＳ−ＭＯＳスイッチ５３を介して電気負荷４３に電流が流れる。つまり、逆接続時では、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１において、第１端子Ｐ１から第２端子Ｐ２に向かって電流が流れる。

接続遮断時において、第２端子Ｐ２に接続されている回転機１０から第１バイパススイッチ５５を介して鉛蓄電池２０に電流が流れる。また、第２端子Ｐ２に接続されている回転機１０からＰ−ＭＯＳスイッチ５１及びＳ−ＭＯＳスイッチ５３、並びに、第２バイパススイッチ５６を介して電気負荷４３に電流が流れる。つまり、接続遮断時では、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１において、第２端子Ｐ２から第１端子Ｐ１に向かって電流が流れる。

そこで、回転機１０の発電時におけるＰ−ＭＯＳスイッチ５１に流れる電流の向きに基づいて、逆接続及び接続遮断のいずれが生じているかを判定することができる。

本実施形態における異常種別判定処理を表すフローチャートを図１０に示す。本異常種別判定処理は、制御部６０によってＩＧオン中に所定周期ごとに実施される。

ステップＳ２１において、スイッチ状態がフェールセーフ状態であるか否かを判定する。スイッチ状態がフェールセーフ状態でない場合（Ｓ２１：ＮＯ）、処理を終了する。スイッチ状態がフェールセーフ状態である場合（Ｓ２１：ＹＥＳ）、ステップＳ２２において、回転機１０の発電情報をＥＣＵ１００から取得し、その取得情報に基づいて回転機１０が発電状態であるか否かを判定する。回転機１０が発電状態でない場合（Ｓ２２：ＮＯ）、処理を終了する。回転機１０が発電状態である場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、ステップＳ２３において、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１に流れる電流の検出値Ｉｐｍを取得する。そして、ステップＳ２４において、検出値Ｉｐｍに基づいて、逆接続及び接続遮断のいずれが生じているかの判定を行い処理を終了する。具体的には、第１端子Ｐ１から第２端子Ｐ２に向かって電流が流れている場合に逆接続が生じていると判定し、それ以外の場合に接続遮断が生じていると判定する。

逆接続が生じている場合、回転機１０と鉛蓄電池２０との間はＰ−ＭＯＳスイッチ５１を介して接続されるため、回転機１０から出力される発電電力に制限を行う必要はない。一方、接続遮断が生じている場合、回転機１０と鉛蓄電池２０との間は第１バイパススイッチ５５及びヒューズ４４を介して接続されているため、ヒューズ４４における溶断が生じないように回転機１０から出力される発電電力に制限を行うとよい。つまり、逆接続及び接続遮断のいずれが生じているのかを判定し、その判定結果に基づいて、逆接続時には回転機１０の発電電力の制限を解除し、接続遮断時には回転機１０の発電電力の制限を継続するとよい。

以下、本実施形態における効果を述べる。

Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１を迂回するように第１バイパス経路Ｂ１が設けられており、その第１バイパス経路Ｂ１上に第１バイパススイッチ５５が設けられている。第１バイパススイッチ５５は、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１がオフ状態とされる場合にオン状態とされることで、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１を迂回して鉛蓄電池２０と第２端子Ｐ２とを導通状態にする。接続不良が生じない通常時においては、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１及び第１バイパススイッチ５５のいずれか一方がオフ状態とされ、他方がオン状態とされる。

第１端子Ｐ１とは別に第４端子Ｐ４が設けられているため、第１端子Ｐ１における接続不良が生じている場合であっても、第４端子Ｐ４と鉛蓄電池２０とは正常に接続されていると考えられる。接続遮断の場合、この第４端子Ｐ４及び第１バイパススイッチ５５を介して回転機１０と鉛蓄電池２０とが接続される。また、逆接続の場合、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１を介して回転機１０と鉛蓄電池２０とが接続される。つまり、接続遮断の場合には、第１バイパススイッチ５５をオン状態にする処理を行えば、回転機１０と鉛蓄電池２０とを導通状態にすることができる。また、逆接続の場合には、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１をオン状態にする処理を行えば、回転機１０と鉛蓄電池２０とを導通状態にすることができる。

そこで、接続不良が生じていると判定された場合に、通常時は排他的にオンオフ制御されるＰ−ＭＯＳスイッチ５１及び第１バイパススイッチ５５を共にオン状態に制御する。これにより、逆接続及び接続遮断のいずれが生じている場合にも、回転機１０と鉛蓄電池２０とを導通状態にすることが可能になる。つまり、第１端子Ｐ１での接続不良が生じている状態であっても、回転機１０と鉛蓄電池２０とを導通させる状態を維持でき、好適にフェールセーフ処理を行うことができる。

ＩＧオンとされるときには、回転機１０は発電状態とされていないため、逆接続時において、回転機１０から第１端子Ｐ１に電圧が印加されない。つまり、逆接続が生じているにもかかわらず、回転機１０から第１端子Ｐ１に電圧が印加されることで第１端子Ｐ１に鉛蓄電池２０が接続されていると誤判定することを抑制することができる。加えて、ＩＧオンとされるときに、接続不良を判定することで、ＩＧオン後に適切にフェールセーフ処理を行うことができ、逆接続及び接続遮断に伴う二次的な被害を抑制することができる。

上記異常種別判定処理を行うことで、接続不良のうち、逆接続及び接続遮断のいずれが生じているのかを判定することが可能になり、逆接続及び接続遮断のそれぞれの異常時に適した処置を行うことが可能になる。

フェールセーフ処理として、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１及び第１バイパススイッチ５５に加えて、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３及び第２バイパススイッチ５６をオン状態にする構成にした。これにより、電気負荷４３が電源失陥となることを抑制することができる。

（他の実施形態）
・フェールセーフ処理は、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１がオフ状態で実施されればよく、ＩＧオフ中に実施されるものであってもよい。また、電池ユニットＵの端子Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３にハーネスＨ１〜Ｈ４がそれぞれ組み付けられたことを条件として実施するものであってもよい。この構成にすることで、より早く接続不良を判定することが可能になる。

・電池ユニットＵとして、Ｐ−ＭＯＳスイッチ５１及び第１バイパススイッチ５５以外のスイッチを省略する構成であったとしてもよい。この構成においても、逆接続又は接続遮断が生じたときにＰ−ＭＯＳスイッチ５１及び第１バイパススイッチ５５を共にオン状態にすれば適切にフェールセーフ処理を行うことができる。

・フェールセーフ状態として、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３及び第２バイパススイッチ５６を共にオン状態にする構成に代えて、Ｓ−ＭＯＳスイッチ５３及び第２バイパススイッチ５６のいずれか一方をオン状態、他方をオフ状態にする構成としてもよい。このような制御を行った場合であっても、電気負荷４３における電源失陥を抑制できる。

・第２バイパス経路は、鉛蓄電池２０と第３端子Ｐ３とを接続し、鉛蓄電池２０から電気負荷４３に対して電力を供給するものであればよい。例えば、第２バイパス経路は、第１接続経路Ｌ１上の接続点Ｎ２と第３端子Ｐ３とを接続するように設けられていてもよい。この場合、第２バイパススイッチは、接続点Ｎ２と第３端子Ｐ３との接続を遮断状態又は導通状態にする。

・回転機１０が発電機能のみを有する構成としてもよい。

・第１蓄電池として鉛蓄電池２０を、第２蓄電池としてリチウムイオン蓄電池３０を用いる構成としたがこれを変更してもよい。例えば、第１蓄電池及び第２蓄電池としてニッケル水素蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池などを用いてもよい。

１０…回転機、２０…鉛蓄電池（外部蓄電池）、３０…リチウムイオン蓄電池（内部蓄電池）、４３…電気負荷、５１…Ｐ−ＭＯＳスイッチ（第１スイッチ）、５５…第１バイパススイッチ、６０…制御部、Ｌ１，Ｌ２…主接続経路、Ｂ１…第１バイパス経路、Ｐ１…第１端子、Ｐ２…第２端子、Ｐ４…補助端子、Ｕ…電池ユニット。

Claims (4)

1. 内部蓄電池（３０）を備え、第１端子（Ｐ１）に外部蓄電池（２０）が接続され、第２端子（Ｐ２）に発電機能を有する回転機（１０）が接続されるようになっている電池ユニット（Ｕ）であって、
   前記第１端子と前記第２端子とを接続するとともに、それら両端子の間の電池接続点（Ｎ１）に前記内部蓄電池を接続する主接続経路（Ｌ１，Ｌ２）と、
   前記主接続経路において前記第１端子と前記電池接続点との間に設けられる第１スイッチ（５１）と、
   前記外部蓄電池が接続される補助端子（Ｐ４）と前記電池接続点とを、前記第１スイッチを迂回するように接続する第１バイパス経路（Ｂ１）と、
   前記第１バイパス経路上に設けられ、前記第１スイッチが開状態とされる場合に閉状態とされることで、前記第１スイッチを迂回して前記外部蓄電池と前記電池接続点とを導通状態とする第１バイパススイッチ（５５）と、
   前記第１端子の電圧を検出する電圧検出手段（６０）と、
   前記第１スイッチが開状態とされている状況下で前記第１端子の電圧の検出値が所定値より低い場合に、前記第１端子に前記外部蓄電池が接続されていない接続不良が生じていると判定する接続不良判定手段（６０）と、
   前記接続不良が生じていると判定された場合に、前記第１スイッチ及び前記第１バイパススイッチを共に閉状態に制御するフェールセーフ手段（６０）と、
   を備えることを特徴とする電池ユニット。
2. 前記電池ユニットは、車両に搭載される車載電池ユニットであって、
   前記接続不良判定手段は、前記車両の電源状態がＩＧオンとされるときに、前記第１端子に前記外部蓄電池が接続されていない接続不良が生じていると判定することを特徴とする請求項１に記載の電池ユニット。
3. 前記第１スイッチに流れる電流を検出する電流検出手段（６０）と、
   前記フェールセーフ手段により前記第１スイッチ及び前記第１バイパススイッチが共に閉状態とされている状況下で、前記回転機による発電が実施されている場合に、前記第１スイッチに流れる電流の検出値に基づいて、前記第１端子に前記回転機が接続されるとともに前記第２端子に前記外部蓄電池が接続されることになる逆接続、及び、前記第１端子と前記外部蓄電池（２０）との接続が遮断状態とされることになる接続遮断のいずれが生じているのかを判定する異常種別判定手段（６０）と、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電池ユニット。
4. 電気負荷（４３）が接続される第３端子（Ｐ３）と、
   前記第１端子及び前記第１スイッチの間の中間点（Ｎ２）と前記第３端子とを接続する副接続経路（Ｌ３）に設けられる第２スイッチ（５３）、及び、前記電池接続点と前記第３端子とを接続する第２バイパス経路（Ｂ２）に設けられる第２バイパススイッチ（５６）の少なくともいずれか一方から構成される負荷開閉手段（５３，５６）と、
   を備え、
   前記フェールセーフ手段は、前記接続不良判定手段により前記接続不良が生じていると判定された場合に、前記第１スイッチ及び前記第１バイパススイッチに加えて、前記負荷開閉手段を閉状態にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電池ユニット。

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