JP2004025979A

JP2004025979A - 走行車両用電源システム

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Publication number: JP2004025979A
Application number: JP2002183820A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Maeda; 前田　謙一; Tetsuo Ogoshi; 大越　哲郎; Keizo Yamada; 山田　惠造
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-29

Abstract

【課題】充電状態を精度よく検出すると共に、エンジン始動に必要な電力を適正に供給可能な走行車両用電源システムを提供する。
【解決手段】走行車両用電源システム５０は、マイコン１０ａを有する鉛電池検出部１０、マイコン２０ａを有するリチウム電池制御部２０及びマイコン３０ａを有する車両側制御部３０を備えている。車両側制御部３０は、所定時間毎に、鉛蓄電池１に流れる電流、温度及び電圧、並びに、リチウム二次電池２に流れる電流、温度及び単電池の電圧からそれぞれの充電状態を演算する。演算した充電状態により、モータジェネレータ３の機能及びスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の切替を制御する。鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の充電状態がそれぞれ９０〜６０％、５０〜５％に維持される。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は走行車両用電源システムに係り、特に、複数の水溶液系二次電池を接続した水溶液系二次電池群と複数の非水系二次電池を接続した非水系二次電池群とが並列接続可能な走行車両用電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自動車には１２Ｖ系鉛蓄電池が搭載される電源システム（１４Ｖシステム）が用いられてきた。この１４Ｖシステムでは、１２Ｖ系鉛蓄電池から自動車のエンジンを始動する起動装置（スタータモータ）に電流を供給（放電）し、エンジンが始動した後は、走行中のエンジンの回転力によって作動する発電機から１２Ｖ系鉛蓄電池に電流が常時供給（充電）される。ところが、自動車の減速時（制動時）のエネルギーは、熱として消費されていた。
【０００３】
ところで、近年、アイドルストップ・スタート（以下、ＩＳＳと略記する。）による排ガス削減やエネルギー有効利用への対応が進められ、１２Ｖ系鉛蓄電池に代って、３６Ｖ系鉛蓄電池を搭載する新しい電源システム（４２Ｖシステム）が提案されている。この４２Ｖシステムでは、自動車のエンジンを始動する起動装置として、高出力なモータジェネレータを使用することが可能となり、従来熱として消費されていた自動車の減速時におけるエネルギーを該モータジェネレータで電気エネルギーに変換して、回生エネルギーとして３６Ｖ系鉛蓄電池に供給（充電）する。これにより、３６Ｖ系鉛蓄電池は、自動車の走行時にはエンジンの回転力を、減速時には車輪の回転力を利用した電気エネルギーで充電される。このため、４２Ｖシステムでは、エネルギー効率が高められ、自動車の燃費向上を図ることができる。
【０００４】
しかし、４２Ｖシステムに使用されるモータジェネレータは、３〜４ｋＷと高出力であり、回生時の電流値は４０〜８０Ａ（２〜４ＣＡ相当）に達するため、鉛蓄電池では、このような大電流充電を受け入れることは難しい。鉛蓄電池では、充電率が１Ｃ以上の電流値になると充電時の副反応である水の分解反応が促進され、充電効率が落ちて電池寿命に悪影響を及ぼす。この問題を解決するために、充電を副反応の起こらない領域の定電圧充電にして制御しようとする提案があったが、すぐに定電圧領域に達してしまうため、回生電力の損失が大きくなってしまう。そこで、容量の大きい水溶液系二次電池群と回生電力受入性の高い非水系二次電池群とを並列接続した走行車両用電源システムが考案された。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記走行車両用電源システムでは、過充電を回避するために、非水系二次電池群の充電状態が高いときは、回生電力を受け入れることが難しい。また、ＩＳＳ時に水溶液系二次電池及び非水系二次電池の充電状態が低いときには、エンジン始動に要する電力を供給することができないため、アイドルストップ後のエンジンスタートができない。このため、水溶液系二次電池及び非水系二次電池の充電状態を正確に検出する必要がある。
【０００６】
本発明は上記事案に鑑み、充電状態を精度よく検出すると共に、エンジン始動に必要な電力を適正に供給可能な走行車両用電源システムを提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、複数の水溶液系二次電池を接続した水溶液系二次電池群と複数の非水系二次電池を接続した非水系二次電池群とが並列接続可能な走行車両用電源システムであって、前記水溶液系二次電池群及び前記非水系二次電池群に流れる電流及び電圧を測定し、該測定した電流及び電圧から前記水溶液系二次電池群及び前記非水系二次電池群のそれぞれの充電状態を演算する充電状態演算部と、前記充電状態演算部により演算された充電状態に基づいて前記水溶液系二次電池群及び前記非水系二次電池群の充電状態をそれぞれ所定範囲に維持するように充電制御する充電状態制御部と、を備える。
【０００８】
本発明では、充電状態演算部により、水溶液系二次電池群及び非水系二次電池群に流れる電流及び電圧が測定され、該測定された電流及び電圧から水溶液系二次電池群及び非水系二次電池群のそれぞれの充電状態が演算され、充電状態制御部により、充電状態演算部で演算された充電状態に基づいて、水溶液系二次電池群及び非水系二次電池群の充電状態をそれぞれ所定範囲に維持されるように充電制御される。本発明によれば、充電状態演算部により、電流及び電圧から電池群それぞれの充電状態が演算されるので、充電状態を精度よく検出することができると共に、充電状態制御部により、それぞれの電池群が所定範囲内に充電制御されるので、エンジン始動に必要な電力を適正に供給することができる。従って、ＩＳＳ時にアイドルストップ後のエンジンを確実に再始動することができる。
【０００９】
本発明において、水溶液系二次電池群は直列に接続された鉛蓄電池で構成され、非水系二次電池群は直列に接続されたリチウム二次電池で構成されるようにしてもよい。このとき、鉛蓄電池は制御弁式鉛蓄電池であることが望ましく、リチウム二次電池はリチウムイオン二次電池であることが望ましい。
【００１０】
また、充電状態制御部を、充電状態演算部により演算された非水系二次電池の個々の充電状態が非水系二次電池の平均充電状態より高いときに、充電状態の高い非水系二次電池に流れる充電電流をバイパスするバイパス回路を有して構成すれば、複数の非水系二次電池の容量のバラツキを均一化することで、非水系二次電池の寿命の低下を防止することができる。更に、充電状態制御部が、充電状態が所定範囲の下限値より低いときに、水溶液系二次電池群及び非水系二次電池群の充電を開始する回路を有すれば、充電状態が所定範囲の下限値より低いときに充電を開始することで、過放電状態となることを防止することができ、所定範囲の上限値より高いときに、水溶液系二次電池群及び非水系二次電池群の充電を停止する回路を有すれば、所定範囲の上限値より高いときに充電を停止することで、過充電状態となることを防止することができる。
【００１１】
また、充電状態制御部を、非水系二次電池群の充電状態が所定範囲内の所定充電状態以上のときに非水系二次電池群から放電負荷に電力を供給するように制御すれば、電力の受入性に優れる非水系二次電池群の利用効率を高めることができると共に、非水系二次電池群の充電状態が所定充電状態より低いとき又は車両走行用モータに電力を供給するときに水溶液系二次電池群及び非水系二次電池群の双方から放電負荷に電力を供給するように制御すれば、非水系二次電池群が過放電状態となることを防止し、車両走行用モータの起動（エンジンの始動）に要する大電流を供給することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明が適用される走行車両用電源システムの実施の形態について説明する。
【００１３】
（構成）
図１に示すように、走行車両用電源システム５０は、水溶液系二次電池群としての鉛蓄電池１、非水系二次電池群としてのリチウム二次電池２、後述するマイコン１０ａを有し鉛蓄電池１の電圧・電流及び温度を検出する鉛電池検出部１０、後述するマイコン２０ａを有しリチウム二次電池２を構成するリチウムイオン二次電池（以下、単電池という。）の電圧、リチウム二次電池２の電流及び温度を検出すると共に各単電池の容量を調整するリチウム電池制御部２０、及び、後述するマイコン３０ａを有し鉛電池検出部１０及びリチウム電池制御部２０との通信により鉛蓄電池１及び各単電池の充電状態を演算すると共に車両全体の制御を行う車両側制御部３０を備えている。鉛蓄電池１とリチウム二次電池２とは、後述するスイッチにより並列接続可能である。
【００１４】
鉛蓄電池１は、電槽に、内部を縦横に仕切る隔壁によって１８個のセル室を画定するモノブロック電槽が用いられている。モノブロック電槽の中央部の隔壁にはセンサ挿入孔が形成されている。センサ挿入孔には鉛蓄電池１の温度を検出するサーミスタ等の温度センサが挿入されており、温度センサは接着剤でセンサ挿入孔内に固定されている。
【００１５】
鉛蓄電池１の各セル室には、複数の正極板と負極板とをガラス繊維セパレータを介して積層した極板群が１組ずつ収容されており、電解液である希硫酸が注液されている。鉛蓄電池１の正極活物質には二酸化鉛、負極活物質には海綿状鉛を用いることができる。各セル室はモノブロック電槽の開口を一体に覆う蓋で密閉されており、各セル室上部に制御弁が配設され密閉化されている。各セル室間は導電性の接続部材により直列に接続されている。鉛蓄電池１の上部対角位置には、外部出力端子となる正極外部端子及び負極外部端子が立設されている。各セルの公称電圧は２Ｖであり、鉛蓄電池１の容量は１８Ａｈである。従って、鉛蓄電池１は３６Ｖ系制御弁式鉛蓄電池である。なお、鉛蓄電池１の負極外部端子はグランドに接続されている。
【００１６】
一方、リチウム二次電池２は、１１個の単電池を直列に接続することで最上位電位側に正極外部端子、最下位電位側に負極外部端子を有して構成されている。これら１１個の単電池は横方向にそれぞれ４個、３個、４個の３列１段で配置されている。１１個の単電池のうち中央に配置された１個の単電池の電池缶表面には、リチウム二次電池２の温度を検出するサーミスタ等の温度センサが固着されている。なお、リチウム二次電池２の負極外部端子はグランドに接続されている。
【００１７】
単電池は、アルミニウム箔に正極活物質を塗着した正極と銅箔に負極活物質を塗着した負極とを微多孔性のセパレータを介して捲回した捲回式の電極体を有しており、電極体は非水電解液に浸潤されて円筒状の電池缶内に収容されている。各電池缶は、正極端子を兼ねる封口体で密閉されている。単電池の正極活物質にはリチウムを含んだマンガン酸化物、負極活物質には炭素粉末を用いることができる。単電池の公称電圧は３．６Ｖであり、容量は３．５Ａｈである。
【００１８】
走行車両用電源システム５０には、一端がグランドに接続されたモータジェネレータ３の他端が接続可能とされている。下表１に示すように、モータジェネレータ３は、車両駆動及びエンジンの始動を行うモータ、エンジンの回転力により発電するオルタネータ及び車両制動時の回生エネルギーを電気エネルギーに変換するジェネレータの３つの機能を有している。
【００１９】
【表１】

【００２０】
モータジェネレータ３は、車両の始動及び車速３０ｋｍ／時程度までの加速走行・低速走行時にはモータとして機能し車両駆動源となる。このときモータジェネレータ３には、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２から電力が供給される。すなわち、モータジェネレータ３は、鉛蓄電池１とリチウム二次電池２との負荷となる。また、モータジェネレータ３は、エンジン駆動中にはエンジンの回転力によりオルタネータ（発電機）として機能する。このとき発電電力により鉛蓄電池１及び／又はリチウム二次電池２は充電可能である。更に、車両制動時には、モータジェネレータ３は高出力のジェネレータとして機能する。このとき回生電力によりリチウム二次電池２は充電可能である。そして、モータジェネレータ３は、切替制御部５によるクラッチ機構等の切替制御により上述した３つの機能のいずれかを有するように切り替えられる。
【００２１】
また、走行車両用電源システム５０には、一端がグランドに接続されたエンジンの点火プラグ、表示パネル、照明類、ワイパ等の補機４の他端が接続可能とされている。補機４には、鉛蓄電池１、リチウム二次電池２及びモータジェネレータ３の少なくとも１つから電力が供給可能である。
【００２２】
図２に示すように、鉛電池検出部１０、リチウム電池制御部２０及び車両側制御部３０のそれぞれのマイコン１０ａ、２０ａ、３０ａは、中央演算処理装置のＣＰＵ、基本制御プログラム及び種々の設定値等を記憶したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くと共に種々のデータを一時的に記憶するＲＡＭ及びこれらを接続する内部バスで構成されている。マイコン１０ａ、２０ａ、３０ａは、鉛蓄電池１に接続された図示しない電源供給部からの電源で作動する。
【００２３】
上述したように、鉛蓄電池１は鉛電池検出部１０により電圧等が検出される。すなわち、鉛蓄電池１の負極外部端子は、鉛蓄電池１に流れる電流を検出するホール素子等の電流センサ１２を介してグランドに接続されている。電流センサ１２は、ホール素子に流れる電流に応じて変化するホール電圧により電流を検出することが可能である。鉛蓄電池１の正極外部端子は後述するスイッチＳＷ１の一端に接続されている。また、鉛蓄電池１の正極外部端子及び負極外部端子は、鉛蓄電池１の両端電圧をデジタル値に変換するＡ／Ｄコンバータ１４の入力端子に接続されている。Ａ／Ｄコンバータ１４、電流センサ１２、及び、鉛蓄電池１の温度を検出する温度センサ１１の出力端子は、マイコン１０ａの入力ポートにそれぞれ接続されている。
【００２４】
また、上述したように、リチウム二次電池２はリチウム電池制御部２０により電圧等が検出される。すなわち、リチウム二次電池２の負極外部端子は、リチウム二次電池２に流れる電流を検出するホール素子等の電流センサ２２を介してグランドに接続されている。電流センサ２２は、電流センサ１２と同様に、ホール素子に流れる電流に応じて変化するホール電圧により電流を検出することが可能である。リチウム二次電池２の正極外部端子は後述するスイッチＳＷ２の一端に接続されている。リチウム二次電池２を構成する各単電池の正極端子及び最下位単電池の負極端子は、各単電池の電圧を測定する電圧測定回路２５の入力側端子に接続されている。電圧測定回路２５は、各単電池の電圧を、負極端子を基準とした電圧に変換する差動増幅回路等により構成することができる。電圧測定回路２５の出力側端子は、単電池の電圧をＡ／Ｄ変換するためのマイコン２０ａのＡ／Ｄ入力ポートに接続されている。また、電圧測定回路２５は、マイコン２０ａから電圧測定対象の単電池の指定を受けるためにマイコン２０ａの単電池指定ポートに接続されている。
【００２５】
各単電池の正極端子は、容量調整用のバイパス抵抗Ｒ（各単電池で同一抵抗値）の一端に接続されており、バイパス抵抗Ｒの他端は単電池の容量調整を行うスイッチＳＷの一端に接続されている。スイッチＳＷの他端は各単電池の負極端子に接続されている。また、スイッチＳＷには、制御信号（後述するハイレベル信号、ローレベル信号）を出力するマイコン２０ａの出力ポートが接続されている。従って、マイコン２０ａからの制御信号によりスイッチＳＷがオン状態とされることで、単電池に流れる電流はバイパス抵抗Ｒにより熱消費され各単電池の容量調整が可能である。電流センサ２２、及び、リチウム二次電池２の温度を検出する温度センサ２１の出力端子は、マイコン２０ａの入力ポートにそれぞれ接続されている。
【００２６】
更に、モータジェネレータ３はマイコン３０ａにより切替制御部５を介して切替制御される。モータジェネレータ３の入出力端子の一方には、他端が接続点Ｐに接続されたスイッチＳＷ３の一端に接続されており、入出力端子の他方はグランドに接続されている。なお、スイッチＳＷ３には、制御信号を出力するマイコン３０ａの出力ポートが接続されている。また、マイコン３０ａは、スイッチＳＷ１、ＳＷ２及び後述するスイッチＳＷ４に制御信号を出力する出力ポートを有している。
【００２７】
また、接続点Ｐには、スイッチＳＷ１、ＳＷ２の他端が接続されている。更に、接続点Ｐには、補機４に流れる電流を制限するレギュレータ６を介して補機４の他端が接続されている。レギュレータ６には、スイッチＳＷ４が並列に接続されており、上述したモータジェネレータ３から回生電力が供給されるときのみマイコン３０ａからの制御信号によりスイッチＳＷ４がオフ状態とされる。従って、通常（モータジェネレータ３がジェネレータとして機能するとき以外は）スイッチＳＷ４はオン状態とされ、鉛蓄電池１及び／又はリチウム二次電池２から補機４に電力が供給される。
【００２８】
上述したスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４、ＳＷには、例えば、スイッチ素子として機能するＦＥＴを用いることができる。すなわち、ＦＥＴのゲートには、マイコンの出力ポートが接続されている。従って、各マイコンの出力ポートからＦＥＴのゲートに微弱なハイレベル信号が入力されるとドレインとソースとの間に電流が流れ、スイッチはオン状態となる。
【００２９】
マイコン１０ａ、２０ａはＩ／Ｏ８を介してマイコン３０ａと通信可能に接続されている。従って、マイコン１０ａ、２０ａは、それぞれ鉛蓄電池１の両端電圧、電流及び温度のデータ、並びに、各単電池の電圧、リチウム二次電池２の電流及び温度のデータを取り込み、取り込んだデータをマイコン３０ａに、例えばシリアル通信により送出することが可能である。
【００３０】
（動作）
まず、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の充電状態の制御範囲について説明する。
【００３１】
図３に示すように、鉛蓄電池１は、モータジェネレータ３がオルタネータとして機能するときに充電される。すなわち、鉛蓄電池１の充電は、充電状態が６０％未満のときに充電が開始され、充電状態が９０％を超えたときに停止される。従って、鉛蓄電池１の充電状態は６０〜９０％に維持される。リチウム二次電池２は、モータジェネレータ３がオルタネータ又はジェネレータとして機能するときに充電される。すなわち、オルタネータ機能によるリチウム二次電池２の充電は、充電状態が５％未満のときに開始され、充電状態が５０％を超えたときに停止される。従って、リチウム二次電池２の充電状態は５〜５０％に維持される。リチウム二次電池２は、ジェネレータ機能により充電状態が９５％までは充電が許容される。
【００３２】
一方、後述する大電流放電時を除き、リチウム二次電池２の充電状態が３０％未満のときは鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の双方から放電され、リチウム二次電池２の充電状態が３０％以上のときはリチウム二次電池２のみから放電される。なお、図３において、Ｐｂは鉛蓄電池１を、Ｌｉはリチウム二次電池２を表している（後述する表３においても同じ。）。
【００３３】
例えば、図３の（１）Ｌｉ放電状態では、リチウム二次電池２の充電状態が３０％以上のため、リチウム二次電池２のみから放電される。（２）Ｌｉ及びＰｂ放電状態では、リチウム二次電池２の充電状態が３０％未満のため、リチウム二次電池２と鉛蓄電池１との双方から放電される。（３）Ｌｉ充電状態では、リチウム二次電池２の充電状態が５％未満に低下したため、リチウム二次電池２はモータジェネレータ３のオルタネータ機能により充電される。この状態では、鉛蓄電池１の充放電は停止され、補機４にはオルタネータから電力が供給される。リチウム二次電池２の充電状態が５０％を超えると充電は停止される。（４）Ｌｉ放電状態では、リチウム二次電池２のみから放電される。この状態では、上述した（１）Ｌｉ放電状態と同様にリチウム二次電池２の充電状態が３０％以上のため、鉛蓄電池１からは放電されない。（５）回生充電状態では、リチウム二次電池２はモータジェネレータ３のジェネレータ機能により充電される。この状態では、リチウム二次電池２は充電状態９５％までは充電が許容される。（６）Ｌｉ放電状態では、リチウム二次電池２のみから放電される。（７）Ｌｉ及びＰｂ放電状態では、リチウム二次電池２の充電状態が３０％未満のため、リチウム二次電池２と鉛蓄電池１との双方から放電される。（８）Ｐｂ充電状態では、鉛蓄電池１の充電状態が６０％未満に低下したため、鉛蓄電池１はオルタネータ機能により充電される。この状態では、リチウム二次電池２の充放電は停止され、補機４にはオルタネータから電力が供給される。鉛蓄電池１の充電状態が９０％を超えると充電は停止される。
【００３４】
次に、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の充電状態の演算について説明する。
【００３５】
マイコン３０ａは、車両駐車中（車両のイグニッションスイッチがオン位置に位置する前）に、所定時間（例えば、６時間）毎に１回の割合で図示しない電源供給部からマイコン１０ａに電源を供給させる。マイコン１０ａは、鉛蓄電池１の開路電圧ＯＣＶ及び温度のデータを検出し、Ｉ／Ｏ８を介してマイコン３０ａに送出する。マイコン３０ａは、マイコン１０ａからのデータ受信後に、マイコン１０ａへの電源供給を停止させ、マイコン３０ａのＲＯＭに予め記憶されており初期設定においてＲＡＭに展開されている鉛蓄電池１の電池状態マップにより、鉛蓄電池１の残存容量Ｑｒｅｓ及び充電状態ＳＯＣを演算しＲＡＭに格納する。
【００３６】
この演算方法について詳述すると、表２に示すように、電池状態マップは、例えば、開路電圧ＯＣＶ、残存容量Ｑｒｅｓ及び充電状態ＳＯＣ等が対応した状態でＲＡＭに展開されている。表２は、温度２５°Ｃ、電流２５０Ａにおける一例を示したものである。
【００３７】
【表２】

【００３８】
マイコン３０ａは、まず、マイコン１０ａから受信した温度における鉛蓄電池１の開路電圧を、２５°Ｃにおける開路電圧に温度補正する。図４に示すように、マイコン３０ａのＲＡＭには、例えば、２５°Ｃにおける開路電圧に対する温度−開路電圧補正マップが展開されている。マイコン３０ａは、受信した開路電圧に、補間法を利用して求めた開路電圧補正値を加算して、２５°Ｃにおける開路電圧を求める。次に、マイコン３０ａは、２５°Ｃにおける開路電圧から表２の電池状態マップにより補間法を利用して鉛蓄電池１の残存容量Ｑｒｅｓ及び充電状態ＳＯＣを演算してＲＡＭに格納する。
【００３９】
マイコン３０ａは、車両のイグニッションスイッチがオン位置に位置すると、図示しない電源供給部からマイコン１０ａに電源を供給させる。これにより、マイコン１０ａは、鉛蓄電池１の温度を検出すると共に鉛蓄電池１の電流を検出し検出した電流を積算し、所定時間（例えば、１０秒）毎に、積算電気量（積算した電流の量）及び鉛蓄電池１の温度のデータをマイコン３０ａに送出する。マイコン３０ａは、ＲＡＭに格納した鉛蓄電池１の残存容量Ｑｒｅｓにマイコン１０ａから受信した積算電気量を順次加（減）算することで現在の鉛蓄電池１の残存容量を算出して、表２の電池状態マップから現在の残存容量に対応する現在の充電状態ＳＯＣを算出する。
【００４０】
一方、マイコン３０ａは、原則としてマイコン１０ａの場合と同様に、マイコン３０ａのＲＡＭに展開されているリチウム二次電池２の電池状態マップ及び図４に示したと同様の温度−開路電圧補正マップにより、リチウム二次電池２の残存容量Ｑｒｅｓ及び充電状態ＳＯＣを算出する。
【００４１】
マイコン２０ａは各単電池毎に開路電圧を検出する点でマイコン１０ａによる鉛蓄電池１の開路電圧の検出とは異なっている。すなわち、マイコン２０ａは、単電池指定ポートから電圧測定回路２５に測定対象の単電池を指定することで、Ａ／Ｄ入力ポートを介して電圧測定回路２５から測定対象の単電池電圧（開路電圧）を取り込む。マイコン３０ａは、マイコン２０ａから温度及び各単電池電圧を受信し、各単電池電圧を２５°Ｃにおける電圧に温度補正し、図５に示すように、温度−開路電圧補正マップ（又は関係式）により各単電池の充電状態ＳＯＣを算出する。なお、非晶質炭素を負極活物質に用いた単電池では、開路電圧をｙ、充電状態をｘとしたときに、両者には、ｙ＝−５Ｅ−０．７ｘ^３＋６Ｅ−０．６ｘ^２＋０．０１６８ｘ＋２．８９７１（収束半径Ｒ^２＝０．９９９４）の関係がある。また、マイコン３０ａは、全単電池の平均充電状態をリチウム二次電池２の充電状態ＳＯＣとして算出する。
【００４２】
更に、マイコン３０ａは、各単電池について、（当該単電池の充電状態ＳＯＣ−全単電池の平均充電状態）が５ポイントを超える（容量調整の対象となる）単電池が存在するか否かを判断し、肯定判断のときは、当該単電池についてのみバイパス抵抗Ｒの抵抗値に依存する容量調整時間ｔをそれぞれ算出し、容量調整が未了であることを示す状態フラグを０から１に変更する。なお、このような容量調整時間ｔの算出については、例えば、特開２０００−３１２４４３号公報に開示されている。
【００４３】
次に、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の充放電制御について、マイコン３０ａを主体として説明する。
【００４４】
下表３に示すように、マイコン３０ａは、車両状態及び充電状態に基づいて、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３及びモータジェネレータ３の機能を切り替えることにより、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の充放電を制御する。
【００４５】
１．車両駐車中における充放電制御
＜イグニッションスイッチオフ位置＞
マイコン３０ａは、イグニッションスイッチがオフ位置に位置した場合に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をオフ状態とする。これにより、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２はマイコン３０ａに供給される微小な電力を除き、充放電休止状態となる（下表３（４）参照）。なお、マイコン３０ａは、上述したように鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の充電状態を演算している。
【００４６】
＜イグニッションスイッチオン位置＞
マイコン３０ａは、イグニッションスイッチがオン位置に位置した場合に、ＲＡＭに格納した鉛蓄電池１の充電状態が６０％未満かつリチウム二次電池２の充電状態が５％未満か否かを判断する。肯定判断のときは、充電が必要な旨を運転席の表示パネルに表示させ、否定判断のときは、スイッチＳＷ２をオン状態（スイッチＳＷ１、ＳＷ３：オフ状態）とする。これにより、リチウム二次電池２は補機４への電力供給で放電状態となる。
【００４７】
【表３】

【００４８】
＜イグニッションスイッチスタート位置＞
マイコン３０ａは、イグニッションスイッチがスタート位置に位置した場合に、上述した肯定判断のとき（鉛蓄電池１の充電状態が６０％未満かつリチウム二次電池２の充電状態が５％未満のとき）は、モータジェネレータ３がモータとして機能するように切替制御部５を切替制御させると共に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をオン状態としてエンジンの点火プラグに鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の双方から大電流を供給する。マイコン３０ａは、エンジンが始動すると、モータジェネレータ３をオルタネータに切り替えると共に、スイッチＳＷ１をオフ状態とする（スイッチＳＷ２、ＳＷ３：オン状態）。これにより、リチウム二次電池２は充電状態が５０％となるまで充電される（詳細後述）。一方、マイコン３０ａは、イグニッションスイッチがスタート位置に位置した場合に、上述した否定判断のとき（鉛蓄電池１の充電状態が６０％以上又はリチウム二次電池２の充電状態が５％以上のとき）は、モータジェネレータ３をモータとして機能させると共に、スイッチＳＷ１、ＳＷ３をオン状態（スイッチＳＷ２：オン状態）とする。これにより、モータジェネレータ３には、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の双方から大電流が供給される。
【００４９】
２．車両走行中における充放電制御
＜モータ駆動＞
マイコン３０ａは、車両をエンジンではなくモータで始動した後に、車速ｖの変化から車両が加速状態と判断した場合（ｄｖ／ｄｔ＞＞０）に、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をオン状態とする。これにより、モータ及び補機４には、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の双方から大電流が供給される（表３（１）参照）。一方、マイコン３０ａは、加速状態ではないと判断した場合（ｄｖ／ｄｔがほぼ０）に、リチウム二次電池２の充電状態が３０％以上か否かを判断し、肯定判断のときは、スイッチＳＷ１をオフ状態、スイッチＳＷ２、ＳＷ３をオン状態とし、否定判断のときは、スイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３をオン状態とする。これにより、リチウム二次電池２の充電状態が３０％以上の状態ではリチウム二次電池２のみから、充電状態が３０％未満の状態では鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の双方からの電力がモータ及び補機４に供給される（表３（２）参照）。
【００５０】
また、マイコン３０ａは、（１）加速走行状態、（２）低速走行状態、又はリチウム二次電池２の充電状態が５％未満のためにエンジンを始動させた状態において、鉛蓄電池１の充電状態が６０％未満又はリチウム二次電池２の充電状態が５％未満と判断したときは、モータの回転力によりエンジンを始動させ、モータジェネレータ３をオルタネータに切り替えると共に、スイッチＳＷ１又はスイッチＳＷ２をオン状態、スイッチＳＷ３をオン状態とする。これにより、鉛蓄電池１又はリチウム二次電池２は充電される（詳細後述）。マイコン３０ａは、車速が例えば、３０ｋｍ／時以上のときは、エンジンを始動させ、スイッチＳＷ２をオン状態、スイッチＳＷ３をオフ状態とする。これにより、車両はエンジンにより駆動され、補機４にはリチウム二次電池２からの電力が供給される。
【００５１】
＜エンジン駆動＞
マイコン３０ａは、エンジン駆動による走行中の場合に、リチウム二次電池２の充電状態が３０％以上か否かを判断し、肯定判断のときは、スイッチＳＷ１をオフ状態、スイッチＳＷ２をオン状態とし、否定判断のときは、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオン状態とする。これにより、リチウム二次電池２の充電状態が３０％以上の状態ではリチウム二次電池２のみから、充電状態が３０％未満の状態では鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の双方からの電力が補機４に供給される（表３（３）参照）。また、マイコン３０ａは、鉛蓄電池１の充電状態が６０％未満又はリチウム二次電池２の充電状態が５％未満と判断したときは、モータジェネレータ３をオルタネータに切り替えると共に、スイッチＳＷ１又はスイッチＳＷ２をオン状態、スイッチＳＷ３をオン状態とする。これにより、鉛蓄電池１又はリチウム二次電池２は充電される（詳細後述）。
【００５２】
＜アイドルストップ＞
マイコン３０ａは、走行中の一時的な停車のときにエンジン駆動を停止した場合（アイドルストップ状態）に、上述したエンジン走行中と同様にリチウム二次電池２の充電状態が３０％以上か否かの判断に応じてスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３を制御し、補機４に電力を供給する。また、アイドルストップ後に車両を再起動する場合は、上述した（１）加速走行状態となる。
【００５３】
＜オルタネータ機能による充電＞
マイコン３０ａは、エンジン駆動中、上述したようにリチウム二次電池２の充電状態が５％未満と判断したときは、モータジェネレータ３をオルタネータに切り替えると共に、スイッチＳＷ１をオフ状態、スイッチＳＷ２、ＳＷ３をオン状態とする。これにより、リチウム二次電池２はオルタネータから供給される電力により充電される（表３（５）参照）。また、マイコン３０ａは上述した状態フラグを確認し、単電池の容量調整が未了のときは、容量調整対象の単電池のＩＤ及び容量調整時間ｔをマイコン２０ａに通知する。これにより、マイコン２０ａは、容量調整時間ｔの間、マイコン３０ａから通知された単電池のスイッチＳＷをオン状態とすることで容量調整対象の単電池の容量が調整される。マイコン３０ａは、リチウム二次電池２の充電状態が５０％を超えたときは、スイッチＳＷ３をオフ状態（スイッチＳＷ１：オフ状態、スイッチＳＷ２：オン状態）とし、状態フラグを１から０に変更する。これにより、リチウム二次電池２への充電は停止され、全単電池の充電状態がほぼ均一の５０％となり、リチウム二次電池２から補機４への電力供給が開始される。なお、容量調整は、上述した開路電圧から充電状態を演算した後の初回のリチウム二次電池２の充電中に１回のみ実行される。
【００５４】
また、マイコン３０ａは、上述したように鉛蓄電池１の充電状態が６０％未満と判断したときは、モータジェネレータ３をオルタネータに切り替えると共に、スイッチＳＷ１、ＳＷ３をオン状態、スイッチＳＷ２をオフ状態とする。これにより、鉛蓄電池１はオルタネータから供給される電力により充電される。マイコン３０ａは、鉛蓄電池１の充電状態が９０％を超えたときは、スイッチＳＷ１、ＳＷ３をオフ状態、スイッチＳＷ２をオン状態とする。これにより、鉛蓄電池１の充電は停止され、リチウム二次電池２から補機４への電力供給が開始される。
【００５５】
＜回生電力による充電＞
マイコン３０ａは、車両が制動状態の場合（ｄｖ／ｄｔ＜＜０）に、リチウム二次電池２の充電状態が７５％未満か否かを判断する。肯定判断のときは、モータジェネレータ３をジェネレータに切り替えると共に、スイッチＳＷ１をオフ状態、スイッチＳＷ２、ＳＷ３をオン状態とし、否定判断のときは、スイッチＳＷ１、ＳＷ３をオフ状態、スイッチＳＷ２をオン状態として補機４にリチウム二次電池２から電力を供給する。これにより、リチウム二次電池２の充電状態が７５％未満の状態では、リチウム二次電池２は回生電力による充電がなされ、充電状態が７５％以上の状態では回生電力の受け入れ開始はなされない（表３（６）参照）。マイコン３０ａは、回生電力による充電でリチウム二次電池２の充電状態が９５％を超えたときは、スイッチＳＷ３をオフ状態とする（スイッチＳＷ１：オフ状態、スイッチＳＷ２：オン状態）。これにより、リチウム二次電池２への回生電力による充電は停止され、リチウム二次電池２から補機４への電力供給が開始される。なお、イグニッションスイッチがオフ位置に位置したときは、上述した（４）駐車状態となる。
【００５６】
（作用）
次に、本実施形態の走行車両用電源システム５０の作用等について説明する。
【００５７】
本実施形態の走行車両用電源システム５０では、マイコン３０ａが、車両駐車中にマイコン１０ａ、２０ａから受信した鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の各単電池の開路電圧ＯＣＶ及び温度データにより、温度補正後の開路電圧で鉛蓄電池１及び各単電池の残存容量Ｑｒｅｓを算出しておき、その後、算出した残存容量Ｑｒｅｓに積算電気量を加減算することで鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の現在の充電状態ＳＯＣを演算する。このため、温度、開路電圧、電流データから所定時間毎に充電状態の演算なされるので、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の充電状態を高精度に把握することができる。
【００５８】
また、マイコン３０ａは、鉛蓄電池１及び／又はリチウム二次電池２の充電状態が所定の下限値未満のときに、モータジェネレータ３の機能及びスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を制御して、鉛蓄電池１及び／又はリチウム二次電池２の充電を開始し、充電状態が所定の上限値を越えたときに充電を停止する。このため、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の充電状態はそれぞれ所定範囲に維持される。従って、本実施形態の走行車両用電源システム５０では、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２が過放電状態及び過充電状態となることを防止することができると共に、鉛蓄電池１及び／又はリチウム二次電池２からエンジン始動に必要な電力が適正に供給されるので、アイドルストップ後のエンジンスタートを確実に行うことができる。
【００５９】
更に、本実施形態の走行車両用電源システム５０では、回生電力によるリチウム二次電池２の充電は充電状態９５％までは許容されるので、リチウム二次電池２は回生電力を十分に受け入れることができる。また、リチウム二次電池２の充電状態が７５％以上のときは、回生電力の受け入れ開始はなされないため、リチウム二次電池２が過充電状態となることを防止することができる。逆に、リチウム二次電池２は充電状態が５％未満となると、５０％となるまでモータジェネレータ３のオルタネータ機能により充電されるので、過放電状態となることも防止することができる。
【００６０】
また更に、本実施形態の走行車両用電源システム５０では、マイコン２０ａが、モータジェネレータ３のオルタネータ機能によるリチウム二次電池２の充電中に容量調整の対象となる単電池に並列接続されたスイッチＳＷを容量調整時間ｔの間オン状態として充電電流をバイパス抵抗Ｒに熱消費させる。このため、各単電池の充電状態のバラツキが均一化されるので、容量の異なる単電池が他の単電池の負荷となるで生じるリチウム二次電池２の寿命の低下を防止することができる。
【００６１】
更にまた、本実施形態の走行車両用電源システム５０では、マイコン３０ａが、リチウム二次電池２の充電状態が所定値以上のときは、リチウム二次電池２のみから放電するようにスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を制御する。このため、リチウム二次電池２からの放電が優先されることから、電力受入性に優れるリチウム二次電池２の利用効率を高めることができ、ひいては、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２全体の効率を向上させることができる。
【００６２】
また、マイコン３０ａは、リチウム二次電池２の充電状態が所定値未満のとき又は車両が加速走行状態のときに、鉛蓄電池１とリチウム二次電池２との双方から放電させるようにスイッチＳＷ１〜ＳＷ３を制御することで、容量の大きい鉛蓄電池１と併用して大電流の電力を適正に供給することができ、補機４の消費電流が大きくても車両をモータ駆動で確実に始動させることができる。このため、アイドルストップ後においても、大電流の電力が適正に供給されるので、車両の始動を確実に行うことができる。従って、特に混雑した市街地では、エンジンの使用が低減され、環境問題に対処することが可能となる。
【００６３】
なお、本実施形態では、鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２に流れる電流をマイコン１０ａ、２０ａでそれぞれ検出しマイコン３０ａに通信する例を示したが、マイコン３０ａで電流を検出するようにしてもよい。このようにすれば、マイコン３０ａは通信することなく充電状態の演算が可能となるので、充電状態の演算及び充電制御を一層速やかに行うことができる。また、本実施形態では、マイコン１０ａは鉛蓄電池１の電圧をＡ／Ｄコンバータ１４を介して検出する例を示したが、Ａ／Ｄ変換をマイコン１０ａで行うようにしてもよい。更に、本実施形態では、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をマイコン３０ａで制御する例を示したが、例えば、スイッチＳＷ２はマイコン２０ａで制御するようにしてもよい。また更に、本実施形態では、マイコン３０ａ以外に、マイコン１０ａ、２０ａを有する例を示したが、マイコン３０ａ単独又はマイコン２０ａ、３０ａで電圧等の検出、充電状態の演算及び充電制御を行うようにしてもよい。このようにすれば、通信時間を短縮して充電状態の演算及び充電制御をより速やかに行うことができる。
【００６４】
また、本実施形態では、鉛蓄電池１の充電状態を６０〜９０％の範囲、リチウム二次電池２の充電状態を５〜５０％の範囲となるようにそれぞれ充電制御する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、車両始動に必要な電力量やモータジェネレータ３から回生される電力量により所定範囲を設定してもよい。
【００６５】
更に、本実施形態では、モータ、オルタネータ及びジェネレータとして機能するモータジェネレータ３を例示したが、エンジン駆動中に鉛蓄電池１及び／又はリチウム二次電池２を充電するためのオルタネータをモータジェネレータから分離して構成するようにしてもよい。
【００６６】
また更に、本実施形態では、リチウム二次電池２がオルタネータからの電力で充電されるときに単電池の容量調整を行う例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、リチウム二次電池２の放電状態や休止状態において容量調整を行うようにしてもよい。
【００６７】
更にまた、本実施形態では、大電流を要する加速走行時には鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の双方から、又は、低速走行時にはリチウム二次電池２の充電状態が３０％未満の場合を除いてリチウム二次電池２のみからモータに電力を供給させる例を示したが、エンジンを始動させるまで鉛蓄電池１及びリチウム二次電池２の双方から電力を供給させるようにしてもよい。このようにすれば、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３のオン・オフ制御を簡素化することができる。
【００６８】
また、本実施形態では、鉛蓄電池１をオルタネータからの電力のみで充電する例を示したが、鉛蓄電池１とリチウム二次電池２とは並列接続可能なため、例えば、駐車状態において、リチウム二次電池の充電状態が２０％以上のときにスイッチＳＷ１、ＳＷ２をオン状態とし、リチウム二次電池２から鉛蓄電池１に電力を供給して鉛蓄電池１を充電するようにしてもよい。
【００６９】
更に、本実施形態では、開路電圧を温度補正して充電状態を求める例を示したが、温度−充電状態補正マップを予め作成しておき充電状態を温度補正するようにしてもよい。
【００７０】
また更に、本実施形態では、水溶液系二次電池群として３６Ｖ系の鉛蓄電池１、非水系二次電池群として３６Ｖ系のリチウム二次電池２を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、１２Ｖ系鉛蓄電池や１２Ｖ系リチウム二次電池又はニッケル−水素電池等を用いる場合にも適用可能である。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、充電状態演算部により、電流及び電圧から電池群それぞれの充電状態が演算されるので、充電状態を精度よく検出することができると共に、充電状態制御部により、それぞれの電池群が所定範囲内に充電制御されるので、エンジン始動に必要な電力を適正に供給することができ、ＩＳＳ時にアイドルストップ後のエンジンを確実に再始動することができる、という効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用可能な実施形態の走行車両用電源システムの概略ブロック図である。
【図２】実施形態の走行車両用電源システムのブロック回路図である。
【図３】鉛蓄電池及びリチウム二次電池の充電状態の制御範囲を模式的に示す説明図である。
【図４】鉛蓄電池の温度と開路電圧補正値との対応を模式的に示すグラフである。
【図５】リチウムイオン二次電池の充電状態と開路電圧との対応を模式的に示すグラフである。
【符号の説明】
１　鉛蓄電池（水溶液系二次電池群）
２　リチウム二次電池（非水系二次電池群）
１０　鉛電池検出部（充電状態演算部の一部）
２０　リチウム電池制御部（充電状態演算部の一部）
３０　車両側制御部（充電状態演算部の一部、充電状態制御部の一部）
５０　走行車両用電源システム
Ｒ　バイパス抵抗（バイパス開路の一部）
ＳＷ　スイッチ（バイパス開路の一部）
ＳＷ１　スイッチ（充電を開始する開路の一部、充電を停止する開路の一部）
ＳＷ２　スイッチ（充電を開始する開路の一部、充電を停止する開路の一部）
ＳＷ３　スイッチ（充電を開始する開路の一部、充電を停止する開路の一部）

Claims

複数の水溶液系二次電池を接続した水溶液系二次電池群と複数の非水系二次電池を接続した非水系二次電池群とが並列接続可能な走行車両用電源システムであって、
前記水溶液系二次電池群及び前記非水系二次電池群に流れる電流及び電圧を測定し、該測定した電流及び電圧から前記水溶液系二次電池群及び前記非水系二次電池群のそれぞれの充電状態を演算する充電状態演算部と、
前記充電状態演算部により演算された充電状態に基づいて前記水溶液系二次電池群及び前記非水系二次電池群の充電状態をそれぞれ所定範囲に維持するように充電制御する充電状態制御部と、
を備えたことを特徴とする走行車両用電源システム。
前記水溶液系二次電池群は直列に接続された鉛蓄電池で構成され、前記非水系二次電池群は直列に接続されたリチウム二次電池で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の走行車両用電源システム。
前記鉛蓄電池は、制御弁式鉛蓄電池であることを特徴とする請求項２に記載の走行車両用電源システム。
前記リチウム二次電池は、リチウムイオン二次電池であることを特徴とする請求項２に記載の走行車両用電源システム。
前記充電状態制御部は、前記充電状態演算部により演算された前記非水系二次電池の個々の充電状態が前記非水系二次電池の平均充電状態より高いときに、該充電状態の高い非水系二次電池に流れる充電電流をバイパスするバイパス回路を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の走行車両用電源システム。
前記充電状態制御部は、前記充電状態が前記所定範囲の下限値より低いときに、前記水溶液系二次電池群及び前記非水系二次電池群の充電を開始する回路を有することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の走行車両用電源システム。
前記充電状態制御部は、前記充電状態が前記所定範囲の上限値より高いときに、前記水溶液系二次電池群及び前記非水系二次電池群の充電を停止する回路を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の走行車両用電源システム。
前記充電状態制御部は、前記非水系二次電池群の充電状態が前記所定範囲内の所定充電状態以上のときに、前記非水系二次電池群から放電負荷に電力を供給し、前記非水系二次電池群の充電状態が前記所定充電状態より低いとき又は車両走行用モータに電力を供給するときに、前記水溶液系二次電池群及び前記非水系二次電池群の双方から前記放電負荷に電力を供給するように制御することを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の走行車両用電源システム。