JP2016088178A - 電源システムおよび自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】低コストでエネルギ密度等に優れ燃費向上可能な電源システムを提供する。
【解決手段】電源システムは、メイン電池（Ｐｂ電池）と、サブ電池（ＮｉＺｎ電池）と、キャパシタと、メイン電池、サブ電池およびキャパシタの充放電電流を切り替える充放電切替部と、充放電切替部を制御する制御部とを備えている。制御部は、回生電力を受け入れる際、回生電力をキャパシタに蓄電し（Ｓ１０４〜Ｓ１０８）、該キャパシタに蓄電された電力でサブ電池を充電するとともに回生電力でメイン電池を充電するように充放電切替部を制御する（Ｓ１１０〜Ｓ１１６）。
【選択図】図４

Description

本発明は電源システムおよび自動車に係り、特に、車両に搭載され、オルタネータから供給される回生電力を受入可能かつ放電負荷に放電可能な蓄電デバイスを備えた電源システムおよび該電源システムを備えた自動車に関する。

従来、自動車等の移動体（車両）では、普通ガソリン車に見られるように、制動時を除く走行中にオルタネータから供給される電力を鉛蓄電池等の蓄電デバイスに充電し、蓄電デバイスをほぼ満充電状態に保っていた。近年、二酸化炭素排出抑制の観点から、このようなガソリン車において、アイドリングストップ・システム（ＩＳＳ）機能を有する車両（ＩＳＳ車）も徐々に増加している。

ＩＳＳ車では、車両停止時にエンジンを停止し（従って、オルタネータから蓄電デバイスへの充電も停止し）、その間のランプや電装機器等の補機への電力供給はすべて蓄電デバイスで賄い、さらに、アイドリングストップ後のスタート時には蓄電デバイスに蓄電された電力でスタータ（セルモータ）を駆動させてエンジンを始動する。従って、ＩＳＳ車では、車両停止時にエンジンを停止するため、普通ガソリン車と比べて燃費も向上する。

近時、ガソリンの小売価格の上昇も手伝って燃費改善のニーズはとりわけ高く、燃費効率の高い車両が大幅に販売台数を伸ばしている。このような実情に則して、自動車（製造）会社では、オルタネータから供給される回生電力で蓄電デバイスを充電するオルタネータ回生車両の開発が進められている。このようなオルタネータ回生車両の中には、上述したＩＳＳ機能を有する車両も含まれ、そのような車両はμＨＥＶまたはマイクロハイブリッドと呼ばれることもある。

オルタネータ回生車両では、普通ガソリン車で熱消費されていた、オルタネータから供給される回生電力で蓄電デバイスを充電し、制動時等を除く走行中は原則的にオルタネータの動作を停止して（蓄電デバイスへの充電を停止して）オルタネータを作動させるためのエンジンによるガソリン消費を低減させ燃費を改善する。オルタネータ停止中の放電負荷への電力供給はすべて蓄電デバイスで賄われる。なお、μＨＥＶでは、蓄電デバイスの充電状態（ＳＯＣ）が予め定めた設定値以下となったときは、蓄電デバイスの過放電等を防止するために、走行中または走行前にオルタネータを作動させて蓄電デバイスを充電する。

このようなオルタネータ回生車両に搭載される電源システムでは、オルタネータから供給される回生電力を受け入れるために、蓄電デバイス自体や制御技術を始めとする種々の研究・開発がなされている。例えば、非特許文献１には、鉛蓄電池において、充放電特性の改善や長寿命化を図る技術が開示されている。また、特許文献１には、水系の鉛蓄電池（Ｐｂ電池）と非水系のリチウムイオン電池とで構成される複合蓄電デバイスを備えた電源システムが開示されている。さらに、本願出願時において、ともに水系のＰｂ電池とニッケル水素蓄電池（ＮｉＭＨ電池）とで構成される複合蓄電デバイスを備えた電源システムが車載されている。

特開２００３−１３４６８９号公報

近藤 隆文ほか、オルタネータ回生車両用バッテリの開発、新神戸テクニカルレポートＮｏ．１８（２００８−２）

ところで、特許文献１の技術では、Ｐｂ電池単独では充電可能な電流（１２０Ａ程度）が小さく（充電受け入れ性が低く）制動時の回生電力をすべて回収することが困難なことから、Ｐｂ電池と充電受け入れ性に優れるリチウムイオン電池を組み合わせた複合蓄電デバイスが用いられている。しかしながら、複合蓄電デバイスを構成するリチウムイオン電池はコスト面や、非水電解液を用いることから安全面での課題がある。これに対し、Ｐｂ電池とＮｉＭＨ電池を組み合わせた複合蓄電デバイスはこの点で優れるが、ＮｉＭＨ電池はエネルギ密度が低く自己放電が大きいという別の課題がある。

一方、従来、充電受け入れ性に優れエネルギ密度が高く自己放電の小さい電池としてニッケル亜鉛蓄電池（ＮｉＺｎ電池）が知られている。また、ＮｉＺｎ電池はＮｉＭＨ電池と同様にリチウムイオン電池よりコスト面で優位にあり、水系電解液が用いられるため安全面でも優れている。ＮｉＺｎ電池はデンドライトによりサイクル寿命の点で遜色するという理由で蓄電池としての普及が遅れていたが、近時、デンドライトを抑え高サイクル寿命のＮｉＺｎ電池の研究・開発が急速に進められている。

このため、Ｐｂ電池とＮｉＺｎ電池との複合蓄電デバイスを備えた電源システムを提供できれば、燃費向上の他に上述した種々の課題も解決することができる。ところが、Ｐｂ電池とＮｉＺｎ電池とでは満充電電圧が異なり、Ｐｂ電池の満充電電圧に合わせてオルタネータの出力電圧が設定されていることから、ＮｉＺｎ電池を適正に充電してサイクル寿命を確保するためには、例えば、ＮｉＺｎ電池が満充電電圧で充電されるようにＤＣ／ＤＣコンバータを設けたり、オルタネータの出力電圧をＰｂ電池とＮｉＺｎ電池とのそれぞれの満充電電圧に合わせられるように可変としたりすることが必要となる。しかしながら、これら例示したいずれの方法もコストアップの要因となる。

本発明は上記事案に鑑み、低コストでエネルギ密度や安全性に優れ燃費向上が可能な電源システムおよび該電源システムを備えた自動車を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、車両に搭載され、オルタネータから供給される回生電力を受入可能かつ放電負荷に放電可能な蓄電デバイスを備えた電源システムにおいて、鉛蓄電池（Ｐｂ電池）と、ニッケル亜鉛蓄電池（ＮｉＺｎ電池）と、キャパシタと、前記Ｐｂ電池、前記ＮｉＺｎ電池および前記キャパシタの充放電電流を切り替えるスイッチ手段と、前記スイッチ手段による電流切り替え動作を制御する制御手段と、を備え、前記制御手段は、前記回生電力を受け入れる際、前記回生電力を前記キャパシタに蓄電し、該キャパシタに蓄電された電力で前記ＮｉＺｎ電池を充電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする。

第１の態様において、回生電力による充電効率を高めるために、制御手段は、キャパシタに蓄電された電力でＮｉＺｎ電池を充電するとともに、回生電力でＰｂ電池を充電するようにスイッチ手段を制御するようにしてもよい。また、キャパシタを監視するキャパシタコントローラを省くために、制御手段は、回生電力の受入開始時から予め定められた第１の時間回生電力をキャパシタに蓄電し、該キャパシタに蓄電された電力で予め定められた第２の時間（ただし、第２の時間≧第１の時間）ＮｉＺｎ電池を充電するようにスイッチ手段を制御するようにしてもよい。さらに、制御手段は、第２の時間が経過したときに回生電力がオルタネータからなお供給され続けている場合は、再度、第１の時間回生電力をキャパシタに蓄電し、該キャパシタに蓄電された電力で第２の時間ＮｉＺｎ電池を充電するようにスイッチ手段を制御するようにしてもよい。

また、第１の態様において、制御手段は、放電負荷に放電する際、キャパシタおよびＮｉＺｎ電池の少なくとも一方から放電負荷に放電するようにスイッチ手段を制御するようにしてもよい。このとき、制御手段は、最初にキャパシタから放電負荷に放電するようにスイッチ手段を制御するようにしてもよい。また、車両側からオルタネータによる回生電力の供給が開始することを表す回生開始情報およびオルタネータによる回生電力の供給が終了することを表す回生終了情報を取得する取得手段を備え、制御手段は、取得手段が回生開始情報を取得したときに、キャパシタによる回生電力の受け入れを開始するようにスイッチ手段を制御し、取得手段が回生終了情報を取得したときに、キャパシタ、ＮｉＺｎ電池ないしＰｂ電池による回生電力の受け入れを打ち切りキャパシタおよびＮｉＺｎ電池の少なくとも一方から放電負荷に放電するようにスイッチ手段を制御するようにしてもよい。

さらに、第１の態様において、スイッチ手段は、一端がＰｂ電池に接続され他端がオルタネータおよび放電負荷に接続された第１のスイッチと、一端がＮｉＺｎ電池に接続された第２のスイッチと、一端がキャパシタに接続された第３のスイッチと、一端が第２のスイッチの他端および第３のスイッチの他端に接続され他端がオルタネータおよび放電負荷に接続された第４のスイッチとを有していてもよい。また、ＮｉＺｎ電池の満充電電圧がオルタネータの出力電圧より低いことが好ましい。さらに、ＮｉＺｎ電池は単電池が７直列に接続された組電池であり、キャパシタは電解キャパシタまたはフィルムキャパシタであってもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の第２の態様は、第１の態様の電源システムを備えた自動車である。

本発明によれば、Ｐｂ電池とＮｉＺｎ電池とで蓄電デバイスを構成したので、低コストでエネルギ密度や安全性に優れるとともに、制御手段は、回生電力を受け入れる際、回生電力をキャパシタに蓄電し、該キャパシタに蓄電された電力でＮｉＺｎ電池を充電するようにスイッチ手段を制御するので、ＤＣ／ＤＣコンバータや可変オルタネータを用いることなく回生電力をＮｉＺｎ電池の受入可能な電圧に変換できるため、低コストの電源システムを実現できる、という効果を得ることができる。

本発明が適用可能な実施形態の電源システムのブロック回路図である。 オルタネータ回生車両における実施形態の電源システムの搭載位置を模式的に示す説明図である。 実施形態の電源システムの充放電切替部の詳細を示す説明図である。 実施形態の電源システムの制御部のマイクロコントローラのＣＰＵが実行する充放電制御ルーチンのフローチャートである。 図４のステップ２２４の詳細を示すメイン電池充電処理サブルーチンのフローチャートである。 実施形態の電源システムを構成するデバイスの充電状態を模式的に示す説明図であり、（Ａ）はキャパシタの充電状態、（Ｂ）はサブ電池の充電状態、（Ｃ）はメイン電池の充電状態を示す。

以下、図面を参照して、本発明を、オルタネータ回生車両に搭載可能な電源システムに適用した実施の形態について説明する。

（車両側の構成）
まず、本実施形態の電源システムに言及する前に、電源システムに関連するオルタネータ回生車両（μＨＥＶ）の主要構成について簡単に説明する。なお、μＨＥＶとは、ＩＳＳ機能を有し、オルタネータから供給される回生電力を受け入れ可能かつ放電負荷に放電可能な蓄電デバイスを備えたガソリン車またはディーゼル車をいう。

＜車両制御部１６＞
図１に示すように、オルタネータ回生車両２０は、オルタネータ回生車両２０全体の動作を制御する車両制御部（ＥＣＵ）１６を備えている。車両制御部１６は、図示しないイグニッションスイッチ（以下、ＩＧＮと略称する。）が、ＯＦＦ位置、ＯＮ／ＡＣＣ位置、ＳＴＡＲＴ位置のいずれに位置しているかを把握するとともに、アクセル、ブレーキ、エンジン等の作動状態、速度、加速度その他の車両状態を把握し、把握した状態に応じた走行制御を行う。また、車両制御部１６は、電源システムの制御部と通信線１８を介して通信し、電源システムを構成する蓄電デバイスの状態情報の報知を受けるとともに、電源システムの制御部に車両の状態情報（ＩＧＮの位置情報、オルタネータの作動情報）を報知する。なお、オルタネータの作動情報には、後述するように、回生開始情報、回生終了情報およびオルタネータ始動情報が含まれる。

＜オルタネータ１２＞
また、オルタネータ回生車両２０は、制動時やアクセルオフ時に図示を省略したエンジンの回転力を（回生）電力に変換するオルタネータ１２を備えている。本実施形態では、オルタネータ１２の出力電圧が１４Ｖに設定されている。なお、後述するように、蓄電デバイス（後述するメイン電池１）の状態に応じて、回生電力受け入れ時以外にもオルタネータ１２による発電がなされる場合がある。

オルタネータ１２は、ステータおよびロータで構成される発電部と、発電部で発電された交流電力を直流電力に変換する整流部と、整流部で変換された直流電力の電圧を一定とするためのボルテージレギュレータとを有して構成されている。なお、オルタネータ１２の一端はグランド（車両のシャーシと同電位。以下、ＧＮＤと略称する。）に接続されており、他端は後述する放電負荷１４の一端および充放電切替部９の一側端に接続されている。

＜放電負荷１４＞
さらに、オルタネータ回生車両２０は、図示を省略したスタータ（セルモータ）および補機で構成される放電負荷１４を有している。補機には、例えば、ランプ（ライト）、エンジンポンプ（スパークプラグ）、エアコン、ファン、ラジオ、テレビ、ＣＤプレーヤー、カーナビゲーション等を挙げることができる。放電負荷１４の他端はＧＮＤに接続されている。上記補機は、作動するための最低電圧（例えば８Ｖ）をメイン電池またはサブ電池から供給されればよい。

なお、オルタネータ回生車両２０のエンジン始動時には、ＩＧＮがＳＴＡＲＴ位置に位置付けられると、蓄電デバイス（後述するメイン電池１）からスタータへ電力が供給されスタータが回転し、エンジンの回転軸には図示しないクラッチ機構を介してスタータの回転駆動力が伝達されエンジンが始動する。

（電源システムの構成）
次に、本実施形態の電源システム１０について説明する。電源システム１０は、例えば、図２に示すように、オルタネータ回生車両２０のエンジンルームに搭載されるが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１に示すように、本実施形態の電源システム１０は、オルタネータ１２から供給される回生電力を受け入れ可能かつ放電負荷１４に放電可能な蓄電デバイスを備えている。蓄電デバイスは、メイン電池１（Ｐｂ電池）と、サブ電池２（ＮｉＺｎ電池）との複合蓄電デバイスとして構成されており、１４Ｖ系電源システムを構成している。なお、本実施形態で「メイン電池」とはエンジンを始動させるための電池をいい、「サブ電池」とはそれ以外の電池をいう。

＜メイン電池１＞
メイン電池１の電槽には、内部を仕切る隔壁によって６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上部側から略中央部までセンサ挿入孔が形成されている。センサ挿入孔にはメイン電池１の中央部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。

メイン電池１の各セル室には、複数の正極板と負極板とを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、水系電解液である希硫酸が注液されている。メイン電池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。また、回生電力を受け入れやすい構造とするために、非特許文献１にも開示されているように、負極活物質合剤には、上述した負極活物質の他にリグニンおよびカーボン等を含む負極添加剤が混入されている。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化されており、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。メイン電池１の上部対角位置には、外部出力端子となる正極端子および負極端子が立設されている。各セルの公称電圧は例えば２Ｖであり、メイン電池１の公称電圧は例えば１２Ｖである。メイン電池１の容量は、例えば、３０〜７０Ａｈとすることができるが（本例では、３２Ａｈ）、本発明はこれに制限されるものではない。なお、メイン電池１の負極端子はＧＮＤに接続されている。

＜サブ電池２＞
一方、サブ電池２は、ニッケル亜鉛単電池（例えば、公称電圧１．６５Ｖ、満充電電圧１．９Ｖ）を７個直列に接続した組電池で、最上位電位側に正極端子、最下位電位側に負極端子を有して構成されており、負極端子はＧＮＤに接続されている。サブ電池２の満充電電圧がメイン電池１の満充電電圧に対して±１０％程度の範囲内であれば、充放電切替部９によるサブ電池２・メイン電池１間の切り替えがあっても、例えば、ラジオの音量変化やライトの光量変化による違和感を防止できる。これらの単電池のうち中央部に配された１本の単電池の電池缶表面には、接着剤によりサーミスタ等の温度センサが固着されている。

各単電池は、亜鉛を主成分とした負極と水酸化ニッケルを主成分とした正極とを微多孔性セパレータを介して積層または捲回した電極群を有しており、電極群は、水酸化カリウム等の水系電解液に浸潤されて角型または円筒型、扁平円筒型の電池缶内に収容されている。このような単電池の詳細は、例えば、特開平７−６７５８号公報、特表２００８−５３９５５９号公報、特表２０１３−５０７７５２号公報等に開示されている。サイクル寿命を延ばすためには、負極の形態変化、凝集、デンドライトの抑制、負極の導電性の向上等が必要であるが、例えば、形態変化、凝集、デンドライトの抑制に対しては負極活物質にカルシウム、水酸化物、フッ化物、リン酸を添加したり電解液にリン酸、フッ化物、炭酸塩を添加したりセパレータにポリオレフィン微多孔膜を使用したりすることで対処でき、負極の導電性の向上に対しては負極活物質にビスマス、鉛、カーボン等を添加することで対処できる。なお、本実施形態のサブ電池２の公称電圧は１１．５５Ｖ（（１．６５Ｖ／単電池）×７個）、満充電電圧は１３．３Ｖ（（１．９Ｖ／単電池）×７個）である。従って、サブ電池２の満充電電圧はオルタネータ１２の出力電圧より低く設定されている。サブ電池２の容量は、例えば、２〜８Ａｈとすることができるが（本例では、８Ａｈ）、本発明はこれに制限されるものではない。また、本実施形態のサブ電池２全体の内部抵抗は約２．４ｍΩである。

＜キャパシタ３＞
また、図１に示すように、本実施形態の電源システム１０は、キャパシタ３を備えている。キャパシタ３は、オルタネータ１２から供給される回生電力を一旦受け入れる（蓄電する）点で複合蓄電デバイスの一部を構成するとも考えられるが、その本質的役割は、オルタネータ１２の出力電圧（１４Ｖ）をサブ電池２（満充電電圧が１３．３Ｖ）の受入可能な電圧に変換するコンバータとして機能させる点にある。従って、本実施形態では、サブ電池２は、劣化を防止するために、回生電力で直接充電されることはなく、一旦キャパシタ３に蓄電された回生電力で充電される（サブ電池２は回生電力が間接充電される。）。

キャパシタ３には、例えば、電解キャパシタ、フィルムキャパシタ、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ等を用いることができるが、コスト面を考慮すると、電解キャパシタまたはフィルムキャパシタを用いることが好ましい。本実施形態では、キャパシタ３にアルミ電解キャパシタが用いられている。キャパシタ３の容量は、例えば、２ｍＦ〜１００Ｆとすることができるが（本例では、２ｍＦ）、本発明はこれに制限されるものではない。キャパシタ３はＥＳＲ（等価直列抵抗）が１ｍΩ以下のものを用いることが好ましい。なお、キャパシタ３の負極端子はＧＮＤに接続されている。

＜充放電切替部９＞
図１に示すように、電源システム１０は、メイン電池１、サブ電池２およびキャパシタ３の充放電電流を切り替える充放電切替部９（スイッチ手段）を備えている。充放電切替部９の他側第１端はメイン電池１の正極端子に、他側第２端はサブ電池２の正極端子に、他側第３端はキャパシタ３の正極端子にそれぞれ接続されている。充放電切替部９は、大電流が通電可能な複数のスイッチング素子（例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ）で構成されている。

図３に示すように、充放電切替部９は、一端がメイン電池１の正極端子に接続され他端がオルタネータ１２および放電負荷１４に接続された第１のスイッチＳＷ１と、一端がサブ電池２の正極端子に接続された第２のスイッチＳＷ２と、一端がキャパシタ３の正極端子に接続された第３のスイッチＳＷ３と、一端が第２のスイッチＳＷ２の他端および第３のスイッチＳＷ３の他端に接続され他端がオルタネータ１２および放電負荷１４に接続された第４のスイッチＳＷ４とを有している（以下、各スイッチについて「第１の」〜「第４の」の文言を省略し、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４という。）。

ここで、充放電切替部９の機能について説明すると、オルタネータ１２から供給される回生電力を蓄電デバイスで受け入れる際に、オルタネータ１２とキャパシタ３またはメイン電池１とを接続するスイッチの役割と、キャパシタ３とサブ電池２とを接続するスイッチの役割とを果たすとともに、蓄電デバイスから放電負荷１４に放電する際に、キャパシタ３、サブ電池２およびメイン電池１のいずれかから放電負荷１４に接続するスイッチの役割を果たす。

本実施形態では、下表１に示すように、充放電切替部９は、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のいずれもがオフ状態とされオルタネータ１２／放電負荷１４がメイン電池１、サブ電池２およびキャパシタ３のいずれにも接続されない状態「０」、スイッチＳＷ３、ＳＷ４がオン状態、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフ状態とされオルタネータ１２がキャパシタ３に接続される状態「１」、スイッチＳＷ１〜ＳＷ３がオン状態、スイッチＳＷ４がオフ状態とされキャパシタ３に蓄電された電力でサブ電池２が充電されるとともに回生電力でメイン電池１が充電される状態「２」、スイッチＳＷ１がオン状態、スイッチＳＷ２〜ＳＷ４がオフ状態とされオルタネータ１２がメイン電池１に接続される状態「３」、スイッチＳＷ３、ＳＷ４がオン状態、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオフ状態とされキャパシタ３が放電負荷１４に接続される状態「４」、スイッチＳＷ２、ＳＷ４がオン状態、スイッチＳＷ１、ＳＷ３がオフ状態とされサブ電池２が放電負荷１４に接続される状態「５」、スイッチＳＷ１がオン状態、スイッチＳＷ２〜ＳＷ４がオフ状態とされメイン電池１が放電負荷１４に接続される状態「６」のいずれかを採る（状態「３」と状態「６」は充電と放電との違いはあるが、スイッチＳＷ１〜ＳＷ４のオン、オフ状態は同じである。）。

充放電切替部９を構成するスイッチの切り替え時には、放電負荷１４へ電力供給されない状態が一瞬生じる。そのような場合であっても電力供給できる方法としては、例えば以下の（１）〜（３）が挙げられる。（１）放電負荷１４と並列にキャパシタを配置する。（２）メイン電池１およびサブ電池２を一瞬同時接続する状態を設ける（放電時にスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４を一瞬同時にオン状態とする。）。（３）メイン電池１およびサブ電池２以外の一次電池または二次電池を配置する。

上記（１）の方法を採用する場合、メイン電池１およびサブ電池２の電圧は、補機が作動するための最低電圧以上とする。ここで、使用するキャパシタの静電容量は、例えば以下のようにして算出される値よりも大きいものを用いることが好ましい。例えば、メイン電池１およびサブ電池２が切り替わる時間（マイクロコントローラによる制御時間＋充放電切替部９の切り替え時間）＝Ｘ［μs］とし、負荷電流＝Ｙ［Ａ］とすると、
Ｉ×t＝Ｙ×Ｘ×10⁻⁶[Ｃ]
Ｑ＝ＣＶより、
Ｙ×Ｘ×10⁻⁶＝Ｃ(メイン電池１またはサブ電池２（切り替え前に接続されていた電池）の電圧−補機が作動するため最低電圧)
Ｃ＝Ｙ×Ｘ×10⁻⁶／(メイン電池１またはサブ電池２（切り替え前に接続されていた電池）の電圧−補機が作動するため最低電圧)[Ｆ]以上のキャパシタを使用することが好ましい。

＜コントローラ４、５＞
また、図１に示すように、電源システム１０は、メイン電池１、サブ電池２の電池状態をそれぞれ検出するメイン電池コントローラ４、サブ電池コントローラ５（以下、両者を総称する場合はコントローラ４、５という。）を備えている。コントローラ４、５は、充放電中（車両走行中および車両走行前）にそれぞれメイン電池１、サブ電池２の温度、電圧、電流等の電池状態を検出する。

すなわち、本実施形態では、上述したメイン電池１の温度センサはメイン電池コントローラ４に接続されており、メイン電池コントローラ４は所定時間毎に（例えば、１０ｍｓ間隔で）温度センサの電圧をサンプリングし、サンプリング結果をＲＡＭに格納する。また、メイン電池１の総電圧を検知するために、メイン電池１の正極端子および負極端子はメイン電池コントローラ４に接続されている。さらに、メイン電池１に流れる充放電電流を検出するために、メイン電池１および充放電切替部９間にはホール素子またはシャント抵抗等の電流センサ６が配されており、電流センサ６はメイン電池コントローラ４に接続されている。メイン電池コントローラ４は、メイン電池１の電圧およびメイン電池１に流れる電流を所定時間毎に（例えば、２ｍｓ間隔で）サンプリングし、サンプリング結果をＲＡＭに格納する。また、メイン電池コントローラ４は、充放電休止時（車両駐車時）に、メイン電池１の開回路電圧（以下、ＯＣＶと略称する。）およびそのときの温度を検出する。

一方、サブ電池コントローラ５も上述したメイン電池コントローラ４と同様の構成を有しているが（サブ電池２に流れる充放電電流を充放電切替部９とサブ電池２の正極端子との間に配された電流センサ７で検出）、サブ電池２の総電圧の検出に加え、過放電・過充電を監視するために各単電池の電圧も検出する点で、メイン電池コントローラ４が検出する以外の電圧検出も行う。また、サブ電池コントローラ５は、サブ電池２を構成する各単電池の容量を調整する容量調整回路を有していてもよい。

コントローラ４、５は、制御部８（状態把握部８Ａ）に接続されており、充放電時に、ＲＡＭに格納したメイン電池１およびサブ電池２の温度、電圧、電流、サブ電池２を構成する各単電池の電圧を制御部８に出力し、充放電休止時に、検出したＯＣＶおよびそのときの温度を制御部８に出力する。また、キャパシタ３の頂部には接着剤によりサーミスタ等の温度センサが固着されており、温度センサ（の出力端子）は制御部８（状態把握部８Ａ）に接続されている。

＜制御部８＞
図１に示すように、電源システム１０は、メイン電池１およびサブ電池２の電池状態を演算するとともに、充放電切替部９による電流切り替え動作を制御する制御部８（制御手段）を備えている。制御部８は、マイクロコントローラ（以下、マイコンという。）、通信ＩＣ、Ｉ／Ｏ、入力ポート、出力ポートを有するマイクロプロセッサとして構成されており、図１では、制御部８の役割を明確にするために機能別に細部を表している。

すなわち、マイコンはメイン電池１およびサブ電池２の電池状態を把握（演算）するＣＰＵ、基本制御プログラムおよび後述するテーブル等のプログラムデータを記憶したＲＯＭ、ＣＰＵのワークエリアとして働くとともに種々のデータを一時的に記憶するＲＡＭおよびこれらを接続する内部バスで構成されている。内部バスは外部バスに接続されており、外部バスは入力ポートを介して上述したコントローラ４、５に接続されている。また、外部バスには、充放電切替部９に信号を出力するための出力ポート、および、Ｉ／Ｏ、通信線１８を介して車両制御部１６と通信するための通信ＩＣが接続されている。

従って、制御部８のマイコンおよび入力ポートは図１の状態把握部８Ａに、マイコンおよび出力ポートは切替制御部８Ｂに、通信ＩＣおよびＩ／Ｏは通信部８Ｃにそれぞれ対応する。制御部８はその他の機能（例えば、後述する省エネモードへ移行させるための機能）も有しているが、図１では捨象している。充放電切替部９と出力ポートとは制御線で接続されており、制御部８を構成するマイコンの破損を防止するために制御線には抵抗が挿入されている。なお、制御線には出力ポートを介してハイレベル信号（Ｈ）またはローレベル信号（Ｌ）が出力される。

図１に沿って制御部８の各部の機能を説明すると、状態把握部８Ａは、コントローラ４、５から出力された検出データをＲＡＭに一旦格納し、メイン電池１およびサブ電池２の現在の電池状態等を演算（推定）する。通信部８Ｃは、状態把握部８Ａが演算したメイン電池１およびサブ電池２の現在の電池状態を所定時間（例えば、２ｍｓ）毎に車両制御部１６に報知するとともに、車両制御部１６から車両の状態情報（ＩＧＮの位置情報、オルタネータの作動情報）の報知を受ける。車両制御部１６は、上述した電磁クラッチを作動させるときとほぼ同じタイミングでオルタネータ１２の作動情報を通信部８Ｃに報知する。切替制御部８Ｂは、車両制御部１６から報知されたオルタネータ１２の作動情報および状態把握部８Ａで演算したメイン電池１およびサブ電池２の電池状態に従って充放電切替部９を制御する。

なお、本実施形態では、コントローラ４、５、充放電切替部９、制御部８および車両制御部１６等はメイン電池１から供給される電力で作動する。

（動作）
次に、本実施形態の電源システム１０の動作について、制御部８のマイコンのＣＰＵ（以下、ＣＰＵと略称する。）を主体として説明する。

＜充放電休止時（車両駐車時）＞
車両走行後の車両駐車開始時には、ドライバによりＩＧＮがＯＮ／ＡＣＣ位置からＯＦＦ位置に位置付けられ、イグニッションキーがＩＧＮから引き抜かれる。車両制御部１６はＩＧＮを監視しており、ＩＧＮがＯＦＦ位置に位置付けられると、制御部８にその旨を報知する。

車両制御部１６からＩＧＮがＯＦＦ位置に位置付けられた旨の報知を受けたＣＰＵは、コントローラ４、５および制御部８をスリープ状態（省エネモード）とする制御を行う。すなわち、充放電切替部９を上述した状態「０」とし、コントローラ４、５にメイン電池１、サブ電池２の温度、電圧、電流等の検出・出力を停止させ、ＣＰＵ自体もメイン電池１、サブ電池２の電池状態の演算および車両制御部１６への報知を停止して、車両制御部１６からＩＧＮがＯＦＦ位置に位置付けられた旨の報知を受けたときから所定時間が経過したか否かを判断する計時処理のみ行う。この所定時間は、例えば、メイン電池１の負極の分極状態が解消したとみなされる６時間に設定することができる。

ＣＰＵは、車両制御部１６からＩＧＮがＯＦＦ位置に位置付けられた旨の報知を受けたときから所定時間が経過したと判断すると、コントローラ４、５をアウェーク（作動状態に移行）させ、上述したように、メイン電池１およびサブ電池２のＯＣＶおよびそのときの温度を検出・出力させた後、コントローラ４、５を再度スリープ状態とする。

次いで、ＣＰＵは、メイン電池１およびサブ電池２のＯＣＶからメイン電池１およびサブ電池２の充電状態（以下、ＳＯＣと略称する。）を演算し、プログラムデータとして予めＲＯＭに格納されＲＡＭに展開されたテーブルまたは数式を参照して演算したＳＯＣを基準温度（例えば、２５°Ｃ）におけるＳＯＣに温度補正してメイン電池１およびサブ電池２の基準ＳＯＣを演算（算出）する。この場合に、メイン電池１およびサブ電池２の健康状態（以下、ＳＯＨと略称する。）も併せて演算し、ＳＯＨに応じてＳＯＣを補正するようにしてもよい。なお、上述した所定時間が経過しない場合には、メイン電池１の分極状態が解消されず基準ＳＯＣが不正確となるため、このような状態でのコントローラ４、５によるＯＣＶの検出やＣＰＵによる基準ＳＯＣの演算は行わず、直近に取得していた基準ＳＯＣを基準ＳＯＣとして取り扱う。

次に、ＣＰＵは、基準ＳＯＣおよび電圧値を車両制御部１６に報知し、その後、制御部８を再度スリープ状態とする。言い直すと、制御部８は、コントローラ４、５によるＯＣＶおよび温度の検出・出力時、基準ＳＯＣの演算時および車両制御部１６への報知時のみ作動状態となる。なお、車両走行後にＩＧＮがＯＦＦ位置に位置付けられたときは車両制御部１６も所定の処理（データ保存等）を行った後スリープ状態となり、制御部８からのＯＣＶおよび温度の報知時のみ作動状態となる。

＜充放電時（車両走行中および車両走行前）＞
１．充放電時の一般制御
車両駐車後の車両走行前には、ドライバによりＩＧＮにイグニッションキーが挿入され、ＩＧＮはＯＦＦ位置からＯＮ／ＡＣＣ位置に位置付けられ、さらにＯＮ／ＡＣＣ位置からＳＴＡＲＴ位置に位置付けられた後、再度ＯＮ／ＡＣＣ位置に位置付けられる。車両制御部１６はＩＧＮが最初にＯＮ／ＡＣＣ位置に位置付けられると、制御部８にその旨を報知する。報知を受けたＣＰＵは、コントローラ４、５および制御部８を作動状態に移行させる。

ＣＰＵは、充放電中（車両走行中および車両走行前）は、コントローラ４、５で所定時間毎に検出されたメイン電池１およびサブ電池２の電圧値（サブ電池２を構成する各単電池の電圧値を含む。）を取得するとともに、上述した基準ＳＯＣおよびメイン電池１、サブ電池２の電池容量（既知）に基づいて、コントローラ４、５で所定時間毎に検出された電流値を積算してメイン電池１およびサブ電池２の現在のＳＯＣを推定（演算）する。なお、電圧値、電流値は上述した基準温度に温度補正される。そして、所定時間毎に、メイン電池１およびサブ電池２の現在のＳＯＣおよび電圧値を車両制御部１６に報知する。

一方、この報知を受けた車両制御部１６は、メイン電池１およびサブ電池２の現在のＳＯＣおよび電圧値を参照して、上述した電磁クラッチを作動させ図示しないエンジンの回転力をオルタネータ１２に伝達させるか（オルタネータ１２を作動させ蓄電デバイスを充電するか）否かを判断する。すなわち、例えば、メイン電池１が使用上限ＳＯＣ（および／または使用上限電圧値）に近い場合には過充電状態に陥るおそれがあるためオルタネータ１２を作動させないように電磁クラッチを制御し、逆に、メイン電池１の劣化が促進されるようなＳＯＣ（および／または使用下限電圧値）の場合には、ドライバのブレーキ操作やアクセル操作による回生充電を待たずに、車両走行中または車両走行前にオルタネータ１２を作動させてメイン電池１を充電するように電磁クラッチを制御する。なお、この具体的な制御内容については後述する。

２．回生充放電制御
本実施形態の電源システム１０による回生充放電制御の要点は、次のとおりである。
（ａ）回生充電制御の要点
１）使用上限ＳＯＣまでキャパシタ３に回生電力を蓄電する（受け入れる）。
２）キャパシタ３に蓄電された電力でサブ電池２を充電する（キャパシタ３を使用下限ＳＯＣまで放電する。）。その際、回収しきれない回生電力はメイン電池１で回収する。
３）その後まだ回生電力がオルタネータ１２から供給されている場合には、上記１）、２）を繰り返して実行する。
４）上記２）でサブ電池２が使用上限ＳＯＣに至った場合には、回生電力でメイン電池１を充電する。

（ｂ）回生放電制御の要点
１）キャパシタ３に電力が蓄電されている場合（キャパシタ３が使用下限ＳＯＣに至っていない場合）には、キャパシタ３から放電負荷１４に放電する。
２）キャパシタ３が使用下限ＳＯＣ（後述する第１のＳＯＣ）に至った場合には、サブ電池２から放電負荷１４に放電する。
３）サブ電池２が使用下限ＳＯＣに至った場合には、メイン電池１から放電負荷１４に放電する。

（ｃ）時間制御
上記（ａ）、（ｂ）では、ＣＰＵがキャパシタ３の使用上限ＳＯＣ、使用下限ＳＯＣを把握可能なものとして説明したが、本実施形態の電源システム１０は、コスト低減のため、キャパシタ３を監視するキャパシタコントローラを備えていない（図１参照）。従って、ＣＰＵは実際にはキャパシタ３の使用上限ＳＯＣ、使用下限ＳＯＣを把握できない。そこで、ＣＰＵは、キャパシタ３が理想的充放電をするものとみなして、時間制御により充放電切替部９を構成するスイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオン／オフさせるが、詳しくは以下のとおりである。

２−１．回生充電制御の詳細
１）ＣＰＵは、車両制御部１６からオルタネータ１２による回生電力の供給が開始することを表す回生開始情報の報知を受ける（受信する）と、原則として、キャパシタ３を使用上限ＳＯＣ（図６（Ａ）参照、例えば、９０％）まで充電するように充放電切替部９を制御する。しかしながら、上述したように、ＣＰＵはキャパシタ３の使用上限ＳＯＣを把握できないため、ＳＯＣ制御に代えて、回生電力の受入開始時から予め定められた第１の時間ｔ１（例えば、１μｓ）の間、回生電力をキャパシタ３に蓄電するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「１」を選択させる。）。これにより、キャパシタ３は回生電力で概ね使用上限ＳＯＣまで充電される。ただし、第１の時間ｔ１が経過する前に、車両制御部１６からオルタネータ１２による回生電力の供給が終了することを表す回生終了情報の報知を受けた（受信した）場合には、回生電力が供給されないため、その時点でキャパシタ３への充電は打ち切られ直ちにキャパシタ３から放電負荷１４に放電するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「４」を選択させる。）。ＣＰＵは、回生電力の受入開始時からキャパシタ３への充電を打ち切り時までの時間ｔ１’を計時しＲＡＭに時間ｔ１’を格納する。

なお、車両制御部１６は、ブレーキが踏まれたとき、または、アクセルが開放されたとき（アクセルオフとなったとき）に回生電力を出力するようにオルタネータ１２を制御し制御部８に通信線１８を介して回生開始情報を報知し、ブレーキが開放されたとき、または、アクセルオフの結果車両の加速度が０となったときにオルタネータ１２の作動を停止させるように制御し制御部８に通信線１８を介して回生終了情報を報知する。

２）第１の時間ｔ１が経過すると、原則として、キャパシタ３が使用下限ＳＯＣ（図６（Ａ）参照、例えば、１０％）となるまでキャパシタ３に蓄電された電力でサブ電池２を充電するように充放電切替部９を制御する。しかしながら、上述したように、ＣＰＵはキャパシタ３の使用下限ＳＯＣを把握できないため、ＳＯＣ制御に代えて、予め定められた第２の時間ｔ２（ただし、第２の時間ｔ２≧第１の時間ｔ１）の間、キャパシタ３に蓄電された電力でサブ電池２を充電するように充放電切替部９を制御する。これにより、キャパシタ３は概ね使用下限ＳＯＣまで放電される。この第２の時間ｔ２の間、キャパシタ３およびサブ電池２はオルタネータ１２に接続されないため（スイッチＳＷ４：オフ）、キャパシタ３で回収しきれない回生電力をメイン電池１で回収するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「２」を選択させる。）。従って、第２の時間ｔ２の間、サブ電池２はキャパシタ３に蓄電された電力で（間接）充電され、メイン電池１は回生電力で（直接）充電される。ただし、第２の時間ｔ２が経過する前に、車両制御部１６から回生終了情報を受信した場合には、回生電力が供給されないため、その時点でサブ電池２、メイン電池１への充電は打ち切られ直ちにキャパシタ３またはサブ電池２から放電負荷１４に放電するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「４」または状態「５」を選択させる。）。ＣＰＵは、キャパシタ３からサブ電池２への放電開始時から放電打ち切り（サブ電池２の充電打ち切り）時までの時間ｔ２’を計時しＲＡＭに時間ｔ２’を格納する。なお、本実施形態では、上述した第２の時間ｔ２は、キャパシタ３の容量が２ｍＦのため、使用上限ＳＯＣ（１０％）と使用下限ＳＯＣ（９０％）の範囲の実効容量は１．６ｍＦとなり、キャパシタ３に流れる充電電流、放電電流をともに１００Ａと仮定した場合、実効容量１．６ｍＦをキャパシタ３からサブ電池２に放電する時間（１６μｓ）として設定されている。

３）第２の時間ｔ２が経過したときに回生電力がオルタネータ１２からなお供給され続けている場合は、再度、上記１）、２）の制御を繰り返して実行する。

４）上記２）でサブ電池２が使用上限ＳＯＣまで充電されると、原則として、メイン電池１を使用上限ＳＯＣまで充電するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「３」を選択させる。）。これにより、メイン電池１は回生電力で使用上限ＳＯＣまで定電圧充電される。ただし、メイン電池１が使用上限ＳＯＣとなる前に、車両制御部１６から回生終了情報を受信した場合には、回生電力が供給されないため、その時点でメイン電池１への充電は打ち切られ直ちにキャパシタ３またはサブ電池２から放電負荷１４に放電するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「４」または状態「５」を選択させる。）。

さらに、メイン電池１が使用上限ＳＯＣまで充電されると、メイン電池１の過充電を避けるために、メイン電池１への充電を打ち切るように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「０」を選択させる。）。

２−２．回生放電制御の詳細
１）ＣＰＵは、車両制御部１６から回生終了情報を受信すると、ＲＡＭに格納された時間ｔ１’、ｔ２’の値が０か否かを判断することにより、キャパシタ３に電力が蓄電されているか否かを判断する。すなわち、上述した第１の時間ｔ１や第２の時間ｔ２が経過する前に回生終了情報を受信した場合には、キャパシタ３に時間ｔ１’分または時間（ｔ２−ｔ２’）分の電力が蓄電されているとみなし、時間ｔ１’分または時間（ｔ２−ｔ２’）分の電力に相当する時間キャパシタ３から放電負荷１４に放電するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「４」を選択させる。）。このような時間の算出は、例えば、コントローラ４、５から所定時間ごとに出力された、（エンジン始動時以外の）直近のメイン電池１またはサブ電池２から放電負荷１４へ放電された電流値等を参照することにより行うことができる。これにより、キャパシタ３は概ね使用下限ＳＯＣまで放電される。このような制御は、キャパシタ３に残存している電力を有効利用できるという利点の他に、ＳＯＣ制御に代えて時間制御を実行し繰り返しキャパシタ３の充放電を行う上で、キャパシタ３の過充電を防止できるという意義を有している。ただし、時間ｔ１’分または時間（ｔ２−ｔ２’）分の電力に相当する時間が経過する前に、車両制御部１６から回生開始情報を受信した場合には、回生電力が供給されるため、その時点でキャパシタ３から放電負荷１４への放電は打ち切られ直ちに回生電力でキャパシタ３を充電するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「１」を選択させる。）。なお、その後、ＣＰＵが車両制御部１６から回生終了情報を受信する場合にも、同様にキャパシタ３を使用下限ＳＯＣとなるまで放電する処理を実行する。

２）キャパシタ３が使用下限ＳＯＣに至ると、サブ電池２から放電負荷１４に、原則として、サブ電池２が予め定められた第１のＳＯＣ（図６（Ｂ）参照）となるまで放電するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「５」を選択させる。）。ただし、サブ電池２が第１のＳＯＣとなる前に、車両制御部１６から回生開始情報を受信した場合には、回生電力が供給されるため、その時点でサブ電池２から放電負荷１４への放電は打ち切られ直ちに回生電力でキャパシタ３を充電するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「１」を選択させる。）。

上述した第１のＳＯＣは、回生電力の利用効率を高め、かつ、サブ電池２の劣化を抑えることができる範囲に設定することが好ましい（例えば、１０％〜８０％）。本実施形態では、第１のＳＯＣは１０％に設定されており、サブ電池２を構成する単電池のいずれかが第１のＳＯＣとなるまで放電する。従って、本実施形態では、第１のＳＯＣがサブ電池２の実質的な使用下限ＳＯＣとなる。なお、第１のＳＯＣは理論的には０％以上に設定できるが、本実施形態で第１のＳＯＣが１０％に設定されている理由は、ＳＯＣ推定の誤差（例えば、直近の車両駐車時に上述した基準ＳＯＣが取得できない場合）があっても過放電によるサブ電池２の劣化を抑えるためである。一方、サブ電池２の使用上限ＳＯＣは、サブ電池２の容量等により大きく変動するが、一般に、９０％〜９８％の範囲の任意の値を選択することができる。

３）サブ電池２（を構成する単電池のいずれか）が第１のＳＯＣまで放電されると、原則として、メイン電池１を予め定められた第２のＳＯＣ（図６（Ｃ）参照）まで放電するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「６」を選択させる。）。ただし、メイン電池１が第２のＳＯＣとなる前に、車両制御部１６から回生開始情報を受信した場合には、その時点でメイン電池１への充電は打ち切られ直ちにキャパシタ３を回生電力で充電するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「１」を選択させる。）。

この第２のＳＯＣは、メイン電池１（Ｐｂ電池）の劣化を防止するためのＳＯＣに設定することができる。Ｐｂ電池では一般にＳＯＣが７０％を下回ると劣化が加速すると考えられるために、第２のＳＯＣは、例えば、ＳＯＣ７０〜９０％の範囲の任意の値を選択することができる。以下では、第２のＳＯＣが７０％に設定されているものとして説明する。なお、本実施形態では、第２のＳＯＣがメイン電池１の実質的な使用下限ＳＯＣとなる。

２−３．ＩＳＳとの関係（メイン電池１の充電制御）
回生電力でメイン電池１を充電する際には、メイン電池１に回生電力をできるだけ多く蓄電するため、メイン電池１を使用上限ＳＯＣまで充電することが好ましい。一方、メイン電池１を第２のＳＯＣ（７０％）まで放電した際、劣化を防止するためにメイン電池１を充電するときは、オルタネータ１２を作動させる必要がある。このオルタネータ１２の作動には図示しないエンジンの動力をオルタネータ１２に接続するためガソリン消費を伴う。このため、第２のＳＯＣから使用上限ＳＯＣまで充電してもよいが、予め定められた第３のＳＯＣ（図６（Ｃ）参照、（第２のＳＯＣ）＜（第３のＳＯＣ）＜（使用上限ＳＯＣ））まで充電すれば、その後回生電力によりメイン電池１がさらに充電されることもあるため、燃費向上を図ることができる。

アイドリングストップ後のエンジン再始動の際はメイン電池１からスタータへ大電流が供給されるが、その際にもメイン電池１の劣化を防止するためには、第２のＳＯＣより大きな値に保たれている必要がある。このため、上述した第３のＳＯＣは、例えば、（第３のＳＯＣ）＝（第２のＳＯＣ）＋｛（アイドリングストップ時の放電負荷１４への電力供給分のＳＯＣ＋アイドリングストップ後のエンジン再始動分のＳＯＣ）｝に設定される。

ＣＰＵは、メイン電池１が第２のＳＯＣまで放電されると、メイン電池１の劣化を防止するために、上述したように車両制御部１６との協調制御により、メイン電池１を第３のＳＯＣまで充電するように充放電切替部９を制御する（充放電切替部９に状態「３」を選択させる。）。

次に、上述した充放電制御について、ＣＰＵを主体に、フローチャートを参照してさらに説明する。なお、既に述べた充放電制御の内容と重複する内容（処理）についてはできるだけ簡潔に説明する。

図４に示すように、充放電制御ルーチンでは、車両制御部１６から回生開始情報（ステップ１０２）または回生終了情報（ステップ２０２）を受信するまで待機する。

ステップ１０２で肯定判断のときは（回生開始情報を受信すると）、ステップ１０４において充放電切替部９に状態「１」を選択させる。これにより、キャパシタ３に回生電力が蓄電される。次に、ステップ１０６では回生終了情報を受信したか否かを判断し、肯定判断のときはステップ２０４に進み（キャパシタ３による回生電力の受け入れは打ち切られ）、否定判断のときは、次のステップ１０８において第１の時間ｔ１が経過したか否かを判断する。

ステップ１０８で否定判断のときは、キャパシタ３による回生電力の受け入れを続行するためにステップ１０６に戻る。一方、ステップ１０８で肯定判断のときは、次のステップ１１０おいて充放電切替部９に状態「２」を選択させる。これにより、サブ電池２はキャパシタ３の電力で回生電力が間接充電され、メイン電池１は回生電力で直接充電される。

次にステップ１１２では、回生終了情報を受信したか否かを判断し、肯定判断のときはステップ２０４に進み（サブ電池２、メイン電池１への充電は打ち切られ）、否定判断のときは、次のステップ１１４においてサブ電池２が使用上限ＳＯＣとなったかを判断する。ステップ１１４での判断が否定のときは次のステップ１１６に進み、肯定のときはステップ１１８に進む。

ステップ１１６では、第２の時間ｔ２が経過したか否かを判断する。否定判断のときは、サブ電池２の充電を続行するためにステップ１１２に戻り、肯定判断のときは、再度キャパシタ３で回生電力を受け入れサブ電池２を充電するためにステップ１０４に戻る。

ステップ１１８では、メイン電池１を回生電力で充電するように充放電切替部９に状態「３」を選択させる。これにより、メイン電池１は回生電力で定電圧充電される。

次のステップ１２０では、回生終了情報を受信したか否かを判断し、肯定判断のときはステップ２０４に進み（メイン電池１への充電は打ち切られ）、否定判断のときは、次のステップ１２２においてメイン電池１が使用上限ＳＯＣとなったかを判断する。ステップ１２２での判断が否定のときはステップ１２０に戻り、肯定のときは次のステップ１２４において充放電切替部９に状態「０」を選択させ、ステップ１０２に戻る。これにより、メイン電池１は回生電力による充電が打ち切られる。

一方、ステップ２０２で肯定判断のときは（回生終了情報を受信すると）、ステップ２０４においてキャパシタ３に電力が蓄電されているか否かを判断し、否定判断のときはステップ２１２に進み、肯定判断のときは次のステップ２０６において充放電切替部９に状態「４」を選択させる。これにより、キャパシタ３に残存した電力の放電負荷１４への供給が開始される。

次にステップ２０８では、回生開始情報を受信したか否かを判断し、肯定判断のときはステップ１０４に戻り（キャパシタ３から放電負荷１４への放電は打ち切られ）、否定判断のときは、次のステップ２１０においてキャパシタ３に蓄電された電力がなくなったが否かを判断する。ステップ２１０での判断が否定のときはステップ２０８に戻り、肯定のときはステップ２１２に進む。これにより、上述した時間ｔ１’分または時間（ｔ２−ｔ２’）分の電力が放電負荷１４に供給される。

ステップ２１２では充放電切替部９に状態「５」を選択させる。これにより、サブ電池２の電力が放電負荷１４に供給される。次にステップ２１４では、回生開始情報を受信したか否かを判断し、肯定判断のときはステップ１０４に戻り（サブ電池２から放電負荷１４への放電は打ち切られ）、否定判断のときは、次のステップ２１６においてサブ電池２が第１のＳＯＣとなったかを判断する。ステップ２１６での判断が否定のときはステップ２１４に戻り、肯定のときは次のステップ２１８において充放電切替部９に状態「６」を選択させる。これにより、メイン電池１の電力が放電負荷１４に供給される。

次にステップ２２０では、回生開始情報を受信したか否かを判断し、肯定判断のときはステップ１０４に戻り（メイン電池１から放電負荷１４への放電は打ち切られ）、否定判断のときは、次のステップ２２２においてメイン電池１が第２のＳＯＣとなったかを判断する。ステップ２２２での判断が否定のときはステップ２２０に戻り、肯定のときは次のステップ２２４においてメイン電池１を充電するためのメイン電池充電処理を実行する。なお、充放電制御ルーチンは車両制御部１６からＩＧＮがＯＦＦ位置に位置付けられた旨の報知を受け制御部８がスリープ状態となったときに終了するが、その際、充放電切替部９は状態「０」に戻される。

図５に示すように、メイン電池充電処理サブルーチンでは、ステップ２３２において、車両制御部１６にメイン電池１が第２のＳＯＣに至った旨を報知する。この報知を受けた車両制御部１６は、上述した電磁クラッチを作動させ図示しないエンジンの回転力をオルタネータ１２に伝達させることでオルタネータ１２を始動させオルタネータ１２が始動することを表すオルタネータ始動情報を制御部８（ＣＰＵ）に報知する。一方、ＣＰＵは、車両制御部１６からオルタネータ始動情報を受信するまで待機する（ステップ２３４）。この間、メイン電池１はなおも放電負荷１４に放電されるため、メイン電池１のＳＯＣは上述した第２のＳＯＣより小さくなる。メイン電池１のＳＯＣが第２のＳＯＣより小さくなることを避けるためには、メイン電池１が第２のＳＯＣに到達する前に車両制御部１６にメイン電池１が第２のＳＯＣに至る旨を報知すればよい。

ＣＰＵは、ステップ２３４で肯定判断のときは（車両制御部１６からオルタネータ始動情報を受信すると）、次のステップ２３６において充放電切替部９に状態「３」を選択させる。これにより、メイン電池１は定電圧充電されるが、上述したようにこの充電は回生電力によるものではなく、従来のガソリン車等と同様の充電方式である。

次のステップ２３８では、メイン電池１が第３のＳＯＣに充電されるまで待機する。メイン電池１が第３のＳＯＣまで充電されると、次のステップ２４０において、車両制御部１６にメイン電池１が第３のＳＯＣまで充電された旨を報知してメイン電池充電処理サブルーチンを終了し、図４のステップ１０２へ戻る。これにより、車両制御部１６は、上述した電磁クラッチよる図示しないエンジンの回転力のオルタネータ１２への伝達を停止させる。

なお、上記では、制御内容を分かりやすく説明するために、ステップ２３２、２４０においてメイン電池１が第２、第３のＳＯＣに至った旨を報知する例を示したが（図５参照）、上述したように制御部８は車両制御部１６に所定時間毎にメイン電池１およびサブ電池２のＳＯＣを報知しているため、必ずしもこのような報知を行う必要はない。例えば、車両制御部１６は所定時間毎に報知されるメイン電池１のＳＯＣを監視し、メイン電池１が第２のＳＯＣに至ったときまたはその直前にオルタネータ１２が始動するように制御し制御部８にオルタネータ始動情報を報知するようにしてもよい。

また、メイン電池１の充電については、車両走行前にも図４のステップ２２２、２２４と同様の処理が行われる。ただし、車両走行中はステップ２２２においてメイン電池１が第２のＳＯＣに至ったかを判断するのに対し、車両走行前は、ＣＰＵがアウェークした直後のため、メイン電池１が自己放電等により第２のＳＯＣ以下となったか否かを判断する点で異なる。

さらに、上記では、充放電制御を簡潔に説明するために、ＳＯＣを中心に説明したが、本実施形態では、サブ電池２の使用上限ＳＯＣ等の他に、サブ電池２の使用上限電圧Ｖ_Ｕ、使用下限電圧Ｖ_Ｌ、サブ電池２を構成する各単電池の使用上限電圧、使用下限電圧も予め設定されており、サブ電池２が使用上限電圧Ｖ_Ｕに達した場合には、キャパシタ３に蓄電された電力によるサブ電池２への充電を打ち切りメイン電池１を充電し、サブ電池２が使用下限電圧Ｖ_Ｌ、各単電池の使用下限電圧に達した場合には、サブ電池２から放電負荷１４への放電を打ち切りメイン電池１から放電負荷１４に放電する制御も行っている。また、メイン電池１もサブ電池２と同様に、使用上限電圧、使用下限電圧が設定されており、サブ電池２と同様に、使用上限電圧、使用下限電圧に応じてメイン電池１の充放電制御も行っている。

３．異常処理
ＣＰＵは、メイン電池１の電圧や温度が所定範囲にあるか、サブ電池２を構成する各単電池の電圧が所定範囲にあるかやサブ電池２の温度も監視する。また、キャパシタ３の温度も監視する。電圧や温度が予め設定された所定範囲から外れた場合にはその旨も車両制御部１６に報知する。このような異常は段階別に処理を異ならせることが好ましく、車両制御部１６は必要に応じてインストールメントパネルにその旨を表示する。ＣＰＵは、異常状態に応じて、メイン電池１、サブ電池２（キャパシタ３を含む。）のいずれか一方を使用せず、いずれか他方のみを使用するように充放電切替部９に状態を選択させるようにしてもよい。

（作用効果等）
次に、本実施形態の電源システム１０の作用効果等について説明する。

本実施形態の電源システム１０では、Ｐｂ電池のメイン電池１とＮｉＺｎ電池のサブ電池２とで複合蓄電デバイスを構成したので、従来技術として挙げたＰｂ電池とリチウムイオン電池の複合蓄電デバイスやＰｂ電池とＮｉＭＨ電池の複合蓄電デバイスを用いる場合と比べ、低コストでエネルギ密度や安全性に優れた電源システムを提供することができる。

また、本実施形態の電源システム１０では、制御部８(ＣＰＵ）は、回生電力を受け入れる際、回生電力をキャパシタ３に蓄電し、キャパシタ３に蓄電された電力でサブ電池２を充電するように充放電切替部９を制御するので、コストアップの要因となるＤＣ／ＤＣコンバータや可変オルタネータを用いることなく回生電力をサブ電池２の受入可能な電圧に変換できるため、低コストの電源システムを実現できる。

さらに、本実施形態の電源システム１０では、制御部８は、キャパシタ３に蓄電された電力でサブ電池２を間接充電する間に、回生電力でメイン電池１を充電するように充放電切替部９を制御するので、オルタネータ１２から出力される回生電力を有効に利用でき（利用効率を高め）車両の燃費改善率を向上させることができる。

また、本実施形態の電源システム１０では、キャパシタ３を監視するキャパシタコントローラを省き、制御部８は、第１の時間ｔ１の間回生電力をキャパシタ３に蓄電し、キャパシタ３に蓄電された電力で第２の時間ｔ２の間サブ電池２を充電するように充放電切替部９を制御するので、電源システム１０のコスト低減を図ることができる。

さらに、本実施形態の電源システム１０では、制御部８は、最初にキャパシタ３から放電負荷１４に放電するように充放電切替部９を制御するので（図４のステップ２０４〜２１０参照）、キャパシタ３に残存している電力を有効利用でき、時間制御でキャパシタ３の充放電を行ってもキャパシタ３の過充電を防止することができる。

また、本実施形態の電源システム１０では、制御部８が、蓄電デバイスから放電負荷１４に放電する際に、サブ電池２を構成する各単電池のいずれかが第１のＳＯＣとなるまで放電した後に、メイン電池１から放電するように充放電切替部９を制御する。第１のＳＯＣでサブ電池２の放電を抑えるため、サブ電池２の劣化を防止できるとともに、サブ電池２に蓄えられた、使用上限ＳＯＣから第１のＳＯＣの範囲の電力を放電負荷１４に放電できるため、オルタネータ１２で発電された回生電力に対し高い利用効率を確保することができる。

さらに、本実施形態の電源システム１０では、メイン電池１はエンジン始動用の蓄電デバイスであり、制御部８は、メイン電池１のＳＯＣも推定し、メイン電池１が第２のＳＯＣ（７０％）まで放電したときに、メイン電池１を充電するように充放電切替部９を制御するので（図４のステップ２２２、２２４参照）、メイン電池１の劣化も防止することができる。このとき、ＣＰＵは、メイン電池１を使用上限ＳＯＣ未満の第３のＳＯＣまで充電するように充放電切替部９を制御するので、上述したように燃費向上を図ることができる。

なお、本実施形態では、コスト低減を図るため、キャパシタコントローラを省いた電源システム１０を例示したが、本発明はこれに制限されるものではなく、キャパシタコントローラを備えるようにしてもよい。このような態様では、図４のステップ１０８ではキャパシタ３が使用上限ＳＯＣに到達したかを判断し、ステップ１１６ではキャパシタ３が使用下限ＳＯＣに到達したか否かを判断すればよい。また、制御部８はキャパシタ３のＳＯＣを把握できるため（ＳＯＣを参照することで過放電を防止できるため）、図４のステップ２０４〜２１０の処理は必ずしも必要ではない。

従って、特許請求の範囲には、下記の請求項も含めることができる。
１．前記キャパシタの充電状態（ＳＯＣ）を推定するＳＯＣ推定手段を備え、前記制御手段は、前記回生電力を受け入れる際、前記キャパシタが使用上限ＳＯＣに到達するまで前記回生電力を前記キャパシタに蓄電し、前記キャパシタが使用下限ＳＯＣに到達するまで前記キャパシタに蓄電された電力で前記ＮｉＺｎ電池を充電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源システム。
２．前記制御手段は、前記キャパシタが前記使用下限ＳＯＣに到達したときに前記回生電力が前記オルタネータからなお供給され続けている場合は、再度、前記キャパシタが前記使用上限ＳＯＣに到達するまで前記回生電力を蓄電し、前記キャパシタが前記使用下限ＳＯＣに到達するまで前記キャパシタに蓄電された電力で前記ＮｉＺｎ電池を充電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする上記１に記載の電源システム。

キャパシタコントローラを備える態様では、キャパシタ３に残存した電力でメイン電池１を充電するようにしてもよい。すなわち、サブ電池２が使用上限ＳＯＣに到達した場合に、キャパシタ３のＳＯＣが使用下限ＳＯＣより大きい場合においてキャパシタ３の電圧がメイン電池１の電圧より高いときには、キャパシタ３の電力でメイン電池１を充電することができる。

また、本実施形態では、説明を簡単にするために、状態「４」としてスイッチＳＷ３、ＳＷ４をオン状態、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオフ状態としキャパシタ３が単独で放電負荷１４に接続される例を示したが、本発明はこれに制限されるものではない。例えば、状態「４」としてスイッチＳＷ２〜ＳＷ４をオン状態、スイッチＳＷ１をオフ状態としキャパシタ３およびサブ電池２を同時に放電負荷１４に接続してもよい。従って、図４のステップ２０４で否定判断の場合も考慮すると、制御部８は、放電負荷１４に放電する際、キャパシタ３およびサブ電池２の少なくとも一方から放電負荷１４に放電するように充放電切替部９を制御することができる。

さらに、本実施形態では、キャパシタ３に残存する電力を放電負荷１４に放電する例を示したが（図４のステップ２０４〜２１０参照）、本発明はこれに制約されず、キャパシタ３の正極端子、負極端子間を抵抗を介して短絡させるようにしてもよい。このような態様では、キャパシタ３の下限側のＳＯＣが明確となるので、回生電力により時間制御でキャパシタ３を充電したとしても過充電状態に至ることを確実に防止することができる。この反面、キャパシタ３に残存する電力を捨てる結果となるので、ＣＰＵは、例えば、上述した時間ｔ１’または時間ｔ２’をＲＡＭに格納した回数をカウントしておき、何回かに一回キャパシタ３の正負極端子間を抵抗を介して短絡させるようにすれば、このようなデメリットを小さくすることができる。

また、本実施形態では、ＯＣＶから基準ＳＯＣを算出しこの基準ＳＯＣに対し充放電電流を積算することでメイン電池１およびサブ電池２の現在のＳＯＣを推定する例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、公知のＳＯＣ推定手段を用いることができる。

また、本実施形態では、電源システム１０の構成を把握しやすいように、メイン電池コントローラ４、サブ電池コントローラ５、制御部８に分けて説明したが、これらを一体に構成するようにしてもよい。さらに、本実施形態では、コントローラ４、５から出力されたメイン電池１、サブ電池２の検出データに応じて制御部８でメイン電池１、サブ電池２の電池状態を演算する例を示したが、このような演算は車両制御部１６で行うようにしてもよい。このような態様では、制御部８の主機能は切替制御部８Ｂと通信部８Ｃとになる。

さらに、本実施形態では、エンジン始動をメイン電池１で行う例を示したが、本発明はこれに制限されず、エンジン始動をサブ電池２で行うようにしてもよい。また、本実施形態では、コントローラ４、５、制御部８、車両制御部１６の作動電力がメイン電池１から供給される例を示したが、サブ電池２から供給されるようにしてもよく、また、コントローラ４、５、制御部８、車両制御部１６への作動電力をメイン電池１、サブ電池２が協働ないし分担して供給するようにしてもよい。従って、本発明では、上記例示した範囲に限らず、メイン電池１の電池容量がサブ電池２の電池容量より大きくても、小さくても、または同じであってもよい。

また、本実施形態では、メイン電池１を構成するＰｂ電池に合わせて車両駐車の６時間後にメイン電池１やサブ電池２のＯＣＶの測定を行う例を示したが、本発明はこれに制限されるものではない。また、本実施形態では、制御部８のＣＰＵが６時間を計時する例を示したが、車両制御部１６が計時し、制御部８、コントローラ４、５をスリープ状態からアウェークさせるようにしてもよい。

さらに、本実施形態では、制御部８は、車両制御部１６を介してオルタネータの作動情報を取得する例を示したが、本発明はこれに限らず、例えば、ブレーキを制御するブレーキ制御部やオルタネータを制御するオルタネータ制御部から直接ブレーキの作動情報やオルタネータの作動情報を取得するようにしてもよい。

そして、本実施形態では１４Ｖ系電源システム１０を例示したが、本発明はこれに制限されることなく、例えば、４２Ｖ系電源システム等の１４Ｖ系電源システム以外の電源システムにも適用可能である。

本発明は低コストでエネルギ密度や安全性に優れ燃費向上が可能な電源システムおよび該電源システムを備えた自動車を提供するものであるため、電源システムや自動車の製造、販売に寄与するので、産業上の利用可能性を有する。

１ メイン電池（Ｐｂ電池）
２ サブ電池（ＮｉＺｎ電池）
３ キャパシタ
８ 制御部（制御手段、取得手段）
９ 充放電切替部（スイッチ手段）
１０ 電源システム
１２ オルタネータ
１４ 放電負荷
２０ オルタネータ回生車両（車両、自動車）
ＳＷ１ 第１のスイッチ
ＳＷ２ 第２のスイッチ
ＳＷ３ 第３のスイッチ
ＳＷ４ 第４のスイッチ

Claims (11)

1. 車両に搭載され、オルタネータから供給される回生電力を受入可能かつ放電負荷に放電可能な蓄電デバイスを備えた電源システムにおいて、
   鉛蓄電池（Ｐｂ電池）と、
   ニッケル亜鉛蓄電池（ＮｉＺｎ電池）と、
   キャパシタと、
   前記Ｐｂ電池、前記ＮｉＺｎ電池および前記キャパシタの充放電電流を切り替えるスイッチ手段と、
   前記スイッチ手段による電流切り替え動作を制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、前記回生電力を受け入れる際、前記回生電力を前記キャパシタに蓄電し、該キャパシタに蓄電された電力で前記ＮｉＺｎ電池を充電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする電源システム。
2. 前記制御手段は、前記キャパシタに蓄電された電力で前記ＮｉＺｎ電池を充電するとともに、前記回生電力で前記Ｐｂ電池を充電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記制御手段は、前記回生電力の受入開始時から予め定められた第１の時間前記回生電力を前記キャパシタに蓄電し、該キャパシタに蓄電された電力で予め定められた第２の時間（ただし、第２の時間≧第１の時間）前記ＮｉＺｎ電池を充電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源システム。
4. 前記制御手段は、前記第２の時間が経過したときに前記回生電力が前記オルタネータからなお供給され続けている場合は、再度、前記第１の時間前記回生電力を前記キャパシタに蓄電し、該キャパシタに蓄電された電力で前記第２の時間前記ＮｉＺｎ電池を充電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項３に記載の電源システム。
5. 前記制御手段は、前記放電負荷に放電する際、前記キャパシタおよび前記ＮｉＺｎ電池の少なくとも一方から前記放電負荷に放電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電源システム。
6. 前記制御手段は、最初に前記キャパシタから前記放電負荷に放電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項５に記載の電源システム。
7. 前記車両側から前記オルタネータによる回生電力の供給が開始することを表す回生開始情報および前記オルタネータによる回生電力の供給が終了することを表す回生終了情報を取得する取得手段を備え、
   前記制御手段は、前記取得手段が前記回生開始情報を取得したときに、前記キャパシタによる前記回生電力の受け入れを開始するように前記スイッチ手段を制御し、前記取得手段が前記回生終了情報を取得したときに、前記キャパシタ、前記ＮｉＺｎ電池ないし前記Ｐｂ電池による前記回生電力の受け入れを打ち切り前記キャパシタおよび前記ＮｉＺｎ電池の少なくとも一方から前記放電負荷に放電するように前記スイッチ手段を制御することを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の電源システム。
8. 前記スイッチ手段は、一端が前記Ｐｂ電池に接続され他端が前記オルタネータおよび前記放電負荷に接続された第１のスイッチと、一端が前記ＮｉＺｎ電池に接続された第２のスイッチと、一端が前記キャパシタに接続された第３のスイッチと、一端が前記第２のスイッチの他端および前記第３のスイッチの他端に接続され他端が前記オルタネータおよび前記放電負荷に接続された第４のスイッチとを有することを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の電源システム。
9. 前記ＮｉＺｎ電池の満充電電圧が前記オルタネータの出力電圧より低いことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の電源システム。
10. 前記ＮｉＺｎ電池は単電池が７直列に接続された組電池であり、前記キャパシタは電解キャパシタまたはフィルムキャパシタであることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の電源システム。
11. 請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の電源システムを備えた自動車。

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