JP6844611B2 - 電源システム及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、充放電の繰り返しに対する耐久性の異なる二種類の二次電池を備える電源システム及びその制御方法に関する。

ＪＰ２０１１−２３４４７９Ａには、鉛酸蓄電池（以下、「鉛酸バッテリ」ともいう）とリチウムイオンバッテリとを備える車両の電気回路が開示されている。この電気回路では、アイドルストップからのエンジンを自動的に再始動させる場合、スタータモータに流れる大電流により車両の電源電圧が瞬時低下するために、リチウムイオンバッテリ側に設けられている一部の車両電装負荷（電気負荷）の保護の観点から、リチウムイオンバッテリとスタータモータとの通電を遮断し、鉛酸蓄電池のみからスタータモータへ電力を供給する構成となっている。

このような電気回路では、鉛酸蓄電池に比べて出力密度又はエネルギ密度の高いリチウムイオン蓄電池を第２蓄電池として設けているので、オルタネータによる発電を頻繁に繰り返すことがなく、鉛酸蓄電池の耐久性を向上させることができる。

ところで、上記ＪＰ２０１１−２３４４７９Ａの電気回路のように、鉛酸バッテリとリチウムイオンバッテリの異なる２種類の二次電池を備える電気回路において、電気負荷からの要求により、電気負荷の入力電圧（すなわち、電気回路の出力電圧、系統電圧）を一時的に上昇させるような制御を行う場合がある。

この電圧上昇要求（以下、「電圧アップ要求」ともいう）があった場合には、電気回路内の発電機であるオルタネータを駆動して発電することとなる。オルタネータによる発電を開始するとき、リチウムイオンバッテリが電気負荷に接続され、その充電残量（ＳＯＣ：State of Charge）が低い場合には、電気負荷の入力電圧の上昇よりも先に、リチウムイオンバッテリが充電されることとなる。

そのため、上記の電気回路においてリチウムイオンバッテリを接続した状態では、電気負荷からの電圧アップ要求に対して、電気負荷の入力電圧を素早く上昇させることができないという問題があった。

一方、このような状態を回避するために、ＪＰ２０１１−２３４４７９Ａの電気回路において、適当なタイミングでリチウムイオンバッテリを電気回路の系統から遮断する（切り離す）ことが考えられる。しかしながら、電気回路の運転時に一度リチウムイオンバッテリを切り離してしまうと、簡単に再接続することができないという問題がある。電気負荷の要求等によりリチウムイオンバッテリからも出力が必要な場合に、リチウムイオンバッテリが遮断されていると、鉛酸バッテリの耐久性を悪化させる可能性がある。

本発明は、上述の問題点に着目してなされたものであり、鉛酸蓄電池とリチウムイオン蓄電池を備える電源システムにおいて、電気負荷の要求に応じて系統電圧を高める際に、リチウムイオン蓄電池を切り離すことなく、早期に系統電圧を高めることができる電源システム及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、本発明の電源システムは、異なる充放電特性を有する２つの二次電池を備え、車両に搭載可能な電源システムであって、電気負荷に接続される鉛酸蓄電池と、第１経路及び第２経路の２つの経路を介して、電気負荷に対して鉛酸蓄電池と並列に接続されるリチウムイオン蓄電池と、鉛酸蓄電池及びリチウムイオン蓄電池を充電可能な発電機と、第１経路上に設けられた第１スイッチと、第２経路上に設けられた第２スイッチと、第２経路上に設けられ、第１経路のハーネス抵抗より大きい抵抗値を有する電気抵抗素子と、発電機のオン／オフを制御するとともに、電気負荷からの電圧上昇要求に応じて、第１及び第２スイッチをオン／オフ制御する制御手段と、を備えている。

本発明によれば、第１経路上に設けられた電気抵抗素子により、系統電圧とリチウムイオン蓄電池との間に電位差を生じさせることができるので、電気負荷の要求に応じて系統電圧を高める際に、リチウムイオン蓄電池を切り離すことなく、系統を切り替えることにより、早期に系統電圧を高めることができる。

図１は、本発明の第１実施形態における電源システムの全体構成を示すブロック図である。 図２は、本実施形態の電源システムにおける主回路スイッチ及び副回路スイッチのオン／オフ制御とオルタネータの発電時の動作を示すタイムチャートである。 図３は、本実施形態の電源システムのＥＣＭにより実行されるスイッチ切替処理を示すフローチャートである。 図４は、比較例の電源システムにおける主回路スイッチ及び副回路スイッチのオン／オフ制御とオルタネータの発電時の動作を示すタイムチャートである。 図５は、本発明の第２実施形態における電源システムの全体構成を示すブロック図である。 図６は、本発明の第３実施形態における電源システムの全体構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しつつ、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、本発明の第１実施形態における電源システム１００の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の電源システム１００は、異なる充放電特性を有する２つの二次電池を備え、車両に搭載可能な電源システムである。この電源システム１００は、例えば、アイドルストップ機能を備えるエンジンを搭載する車両等に適用される。

図１に示すように、本実施形態の電源システム１００は、電気負荷５０に対して並列に設けられた鉛酸バッテリ（鉛酸蓄電池）３と、リチウムイオンバッテリ（リチウムイオン二次電池）４とを備える。また、電源システム１００は、オルタネータ（発電機）１と、スタータ２と、リチウムイオンバッテリ４を制御するリチウムイオンバッテリコントローラ（以下、「ＬＢＣ」という）２０と、電源システム１００全体を制御するエンジンコントロールモジュール（以下、「ＥＣＭ」という）１０とを備える。

なお、本実施形態では、点線で囲まれている部分は、リチウムイオン電池パックＰとして一体に構成される。このリチウムイオン電池パックＰは、リチウムイオンバッテリ４と、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２と、２つのＭＯＳＦＥＴ３１、３２と、ＬＢＣ２０とを含む。また、本実施形態では、リチウムイオン電池パックＰでは、リチウムイオンバッテリ４とＭＯＳＦＥＴ３２の間に電気抵抗素子６０が付属される。

電源システム１００は、鉛酸バッテリ３をオルタネータ１及びスタータ２に直接接続するための鉛酸バッテリ経路リレー４１を含む。図１に示すように、鉛酸バッテリ３は、鉛酸バッテリ経路リレー４１及びリチウムイオンバッテリ付属リレー４２を介して、リチウムイオンバッテリ４に接続される第１経路Ｒ１（図１では、点線で示す）と、２つのＭＯＳＦＥＴ３１、３２及び電気抵抗素子６０を介して、リチウムイオンバッテリ４に接続される第２経路Ｒ２（図１では、１点鎖線で示す）とにより、リチウムイオンバッテリ４に接続される。

すなわち、電気抵抗素子６０の一端は、ＭＯＳＦＥＴ３２の一端に接続され、他端は、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２とリチウムイオンバッテリ４の間に接続される。本実施形態の電源システム１００では、電気負荷５０は、鉛酸バッテリ経路リレー４１に対して鉛酸バッテリ３側に接続されている。オルタネータ１及びスタータ２は、鉛酸バッテリ経路リレー４１に対してリチウムイオンバッテリ４側に接続されている。

鉛酸バッテリ経路リレー４１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により構成される。リチウムイオンバッテリ付属リレー４２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。

本実施形態では、本発明の第１スイッチは、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２により実現される。具体的な動作については、タイムチャート及びフローチャートを用いて、詳細に後述する。

ＥＣＭ１０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。なお、ＥＣＭ１０は、複数のマイクロコンピュータで構成されてもよい。また、図示を省略するが、ＥＣＭ１０は、本実施形態における判定手段として機能する。

ＬＢＣ２０は、図示しないエンジンの運転状態に応じたスタータ２や電気負荷５０への放電指令又は充電指令に係る信号をＥＣＭ１０から受信する。ＬＢＣ２０は、この信号に基づいて、鉛酸バッテリ経路リレー４１及びリチウムイオンバッテリ付属リレー４２と、ＭＯＳＦＥＴ３１、３２とのオン／オフ制御を行う。

オルタネータ１は、エンジン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）通信又はハードワイヤにより可変制御する。また、オルタネータ１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、ＥＣＭ１０により実行される。

スタータ２は、図示しないエンジンと自動変速機との連結部付近に設けられる。スタータ２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２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。

ＭＯＳＦＥＴ３１は、その寄生ダイオードの順方向とリチウムイオンバッテリ４側から鉛酸バッテリ３側へ向かう方向とが一致するように接続されている。また、ＭＯＳＦＥＴ３２は、その寄生ダイオードの順方向と鉛酸バッテリ３側からリチウムイオンバッテリ４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、ＭＯＳＦＥＴ３１、３２がオフ状態のときには、第２経路Ｒ２における鉛酸バッテリ３とリチウムイオンバッテリ４の間の通電が防止される。なお、本実施形態では、本発明の第２スイッチは、ＭＯＳＦＥＴ３１、３２により実現される。

ＬＢＣ２０は、所定の条件が成立すると、ＥＣＭ１０からの指令に基づいて、ＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオンして、リチウムイオンバッテリ４と、電気負荷５０及び鉛酸バッテリ３とを接続（通電）する。所定の条件としては、例えば、電気負荷５０からの系統電圧を高める要求があった場合である。系統電圧を高めるためには、オルタネータ１を駆動して、オルタネータ１の発電電圧に基づいて、系統電圧を設定することが考えられる。

ここで、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２がオンされて、リチウムイオンバッテリ４とオルタネータ１が接続されており、リチウムイオンバッテリ４の充電残量ＳＯＣが低い場合には、オルタネータ１の発電電力は、リチウムイオンバッテリ４の充電に主として利用され、系統電圧を早期に高めることができない。

本実施形態では、ＥＣＭ１０は、電圧アップ要求に応じて、第２スイッチであるＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオンして、電気抵抗素子６０を備える第２経路Ｒ２を介して間接的な電気接続を確立した後、第１スイッチであるリチウムイオンバッテリ付属リレー４２をオフして、オルタネータ１とリチウムイオンバッテリ４との直接的な電気接続である第１経路Ｒ１を断つように制御する。これにより、オルタネータ１が駆動している場合であっても、電気抵抗素子６０を介してリチウムイオンバッテリ４に充電電流が流れるので、リチウムイオンバッテリ４の充電スピードを低下させるとともに、電気抵抗素子６０での電圧降下分だけリチウムイオンバッテリ４の電圧よりも系統電圧を上昇させることができる。

本実施形態の電源システム１００では、ＥＣＭ１０によってこのように制御することにより、電源アップ要求に対して速やかに系統電圧（すなわち、電気負荷５０の入力電圧）を高めることができる。

なお、第２経路Ｒ２の電気抵抗は、電気抵抗素子６０が設けられているので、第１経路Ｒ１に比べて大きい。そのため、通常の制御においてＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオンして、第２経路Ｒ２を導通していると、電気抵抗素子６０を介してエネルギ損失が生じてしまう。このような問題を回避するために、リチウムイオンバッテリ４が所定電圧以上になるか、あるいは、電圧アップ要求が終了することを条件として、第２経路Ｒ２から第１経路Ｒ１に素早く切り替えればよい。

また、上記と同様に、リチウムイオンバッテリ４のＳＯＣが所定値以上になった場合や、その他の条件によりリチウムイオンバッテリ４の第１経路Ｒ１経由の接続が可能となった場合においても、第２経路Ｒ２から第１経路Ｒ１に素早く切り替えればよい。

次に、図２に示すタイムチャートを用いて、本実施形態の電源システム１００の動作を説明する。なお、図２では、主に本発明の特徴であるオルタネータ１の駆動までの動作を示すものであり、第２経路Ｒ２から第１経路Ｒ１への切替やオルタネータ１の停止までの動作については図示を省略する。また、時刻ｔ１〜時刻ｔ４の間を実際よりも広くなるように図示している。リチウムイオンバッテリ４の第２経路Ｒ２経由の接続条件は、タイムチャートに示す期間において常に満たされているものとする（図２上部のＬｉバッテリ接続条件のグラフ参照）。

図２は、本実施形態の電源システム１００における主回路スイッチ（第１スイッチ）及び副回路スイッチ（第２スイッチ）のオン／オフ制御とオルタネータ１の発電時の動作を示すタイムチャートである。図２において、主回路ＳＷとは、第１スイッチであるリチウムイオンバッテリ付属リレー４２を意味し、副回路ＳＷとは、第２スイッチであるＭＯＳＦＥＴ３１、３２を意味する。

時刻ｔ１において、電気負荷５０からＥＣＭ１０に対して電圧アップ要求が出力されると、ＥＣＭ１０は、まず、時刻ｔ２において、副回路ＳＷであるＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオンして、第２経路Ｒ２を導通する。これにより、瞬間的に第１経路Ｒ１と第２経路Ｒ２の両方の経路が電気負荷５０に対して接続されたことになる。なお、第２経路Ｒ２上には、電気抵抗素子６０が設けられているので、この状態では、リチウムイオンバッテリ４の放電電流は、第１経路Ｒ１を介して電気負荷５０に流れている。

次いで、ＥＣＭ１０は、時刻ｔ３において、主回路ＳＷであるリチウムイオンバッテリ付属リレー４２をオフして、第１経路Ｒ１の導通を遮断する。

この状態では、リチウムイオンバッテリ４の放電電流が第２経路Ｒ２を介して電気負荷５０に流れるが、電気抵抗素子６０による電圧降下分だけ鉛酸バッテリ３の出力電圧が低下してしまう（図２の電圧のグラフ参照）。それに応じて、系統電圧である電気負荷５０の入力電圧も一時的に低下する。

次いで、ＥＣＭ１０は、所定時間後の時刻ｔ４において、オルタネータ１を駆動して、電源システム１００を充電モード（充電フェーズ）から発電モード（発電フェーズ）に切り替える。

このとき、ＥＣＭ１０は、オルタネータ１用の電圧指令値を出力し、オルタネータ１は、系統電圧がその電圧指令値になるように駆動制御される。オルタネータ１の実際の出力電圧は、電圧指令値に遅れて立ち上がり、それに伴って、系統電圧、すなわち、電気負荷５０の入力電圧及び鉛酸バッテリ３の端子間電圧も上昇する。また、リチウムイオンバッテリ４の端子間電圧は、電気抵抗素子６０の電圧降下分だけ系統電圧よりも低い電圧値まで上昇する。

また、オルタネータ１の出力電流は、出力電圧の上昇に伴って上昇するが、電気負荷５０に流れる電流は概ね一定であるため、この出力電流の一部は、鉛酸バッテリ３及びリチウムイオンバッテリ４の充電電流となる。

なお、図示を省略したが、リチウムイオンバッテリ４の端子間電圧が電気負荷５０の要求電圧以上になるか、電気負荷５０からの電圧アップ要求が終了すれば、ＥＣＭ１０は、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２をオンして、ＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオフすることにより、第２経路Ｒ２から第１経路Ｒ１に切り替える制御を行う。

また、リチウムイオンバッテリ４のＳＯＣが所定値（ここでは、例えば、設定上限値）以上になると、ＥＣＭ１０は、オルタネータ１の駆動を停止する。本実施形態では、リチウムイオンバッテリ４のＳＯＣが所定値になった場合においても、ＥＣＭ１０は、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２をオンして、ＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオフすることにより、第２経路Ｒ２から第１経路Ｒ１に切り替えてもよい。

次に、本実施形態の電源システム１００の動作を説明する。図３は、本実施形態の電源システム１００のＥＣＭ１０により実行されるスイッチ切替処理を示すフローチャートである。このスイッチ切替処理は、電源システム１００を搭載する車両の起動中、所定の時間間隔（例えば、１０ミリ秒毎に）で実行される。

このスイッチ切替処理では、ＥＣＭ１０は、まず、電気負荷５０からの電圧アップ要求があるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。電圧アップ要求がないと判定した場合には、ＥＣＭ１０は、そのままこのスイッチ切替処理を終了する。

一方、電圧アップ要求があると判定した場合には、ＥＣＭ１０は、主回路から副回路への切替処理を実行する。すなわち、ＥＣＭ１０は、第２スイッチ（副回路スイッチ）であるＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオンして（ステップＳ１０２）、第１スイッチ（主回路スイッチ）であるリチウムイオンバッテリ付属リレー４２をオフする（ステップＳ１０３）。そして、電源システム１００内の電圧が安定した所定時間後に、ＥＣＭ１０は、オルタネータ１を駆動（オン）して、電源システム１００を放電モードから充電モードに切り替える（ステップＳ１０４）。

次いで、ＥＣＭ１０は、電気負荷５０からの電圧アップ要求が終了したか否かを判定するとともに、リチウムイオンバッテリ４の端子間電圧が電気負荷５０の要求電圧以上になったか否かを判定する（ステップＳ１０５）。電圧アップ要求が終了したと判定した場合、又は、リチウムイオンバッテリ４の端子間電圧が要求電圧以上になったと判定した場合には、ＥＣＭ１０は、処理フローをステップＳ１０７に移行し、副回路から主回路への切替処理を実行する。

一方、電圧アップ要求が終了しておらず、リチウムイオンバッテリ４の端子間電圧が要求電圧以上にもなっていないと判定した場合には、ＥＣＭ１０は、その他の条件によりリチウムイオンバッテリ４を主回路側の第１経路Ｒ１に接続可能であるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。

ステップＳ１０６において、その他の条件によりリチウムイオンバッテリ４を主回路側の第１経路Ｒ１に接続可能ではないと判定した場合には、ＥＣＭ１０は、いずれかの条件が成立するまで、ステップＳ１０５及びＳ１０６の判定を繰り返す。

ステップＳ１０５において、電圧アップ要求が終了したと判定した場合、リチウムイオンバッテリ４の端子間電圧が要求電圧以上になったと判定した場合、あるいは、ステップＳ１０６において、その他の条件によりリチウムイオンバッテリ４を主回路側の第１経路Ｒ１に接続可能であると判定したには、ＥＣＭ１０は、第１スイッチ（主回路スイッチ）であるリチウムイオンバッテリ付属リレー４２をオンして（ステップＳ１０７）、第２スイッチ（副回路スイッチ）であるＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオフする（ステップＳ１０８）。これにより、電源システム１００は、第２経路Ｒ２を介した副回路による接続から第１経路Ｒ１を介した主回路による接続に切り替わる。

次いで、ＥＣＭ１０は、リチウムイオンバッテリ４のＳＯＣが所定値以上となったか否かを判定する（ステップＳ１０９）。この所定値としては、例えば、リチウムイオンバッテリ４の稼働中におけるＳＯＣ上限値などが用いられる。

リチウムイオンバッテリ４のＳＯＣが所定値未満であると判定した場合には、ＥＣＭ１０は、リチウムイオンバッテリ４のＳＣＯが所定値以上となるまで、このステップＳ１０９の判定を繰り返す。

一方、リチウムイオンバッテリ４のＳＯＣが所定値以上であると判定した場合には、ＥＣＭ１０は、オルタネータ１の駆動を停止（オフ）して（ステップＳ１１０）、このスイッチ切替処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態の電源システム１００は、異なる充放電特性を有する２つの二次電池を備え、車両に搭載可能な電源システム１００であって、電気負荷５０に接続される鉛酸バッテリ３（鉛酸蓄電池）と、第１経路Ｒ１及び第２経路Ｒ２の２つの経路を介して、電気負荷５０に対して鉛酸バッテリ３と並列に接続されるリチウムイオンバッテリ４（リチウムイオン蓄電池）と、鉛酸バッテリ３及びリチウムイオンバッテリ４を充電可能なオルタネータ１（発電機）と、第１経路Ｒ１上に設けられたリチウムイオンバッテリ付属リレー４２（第１スイッチ）と、第２経路Ｒ２上に設けられたＭＯＳＦＥＴ３１、３２（第２スイッチ）と、第２経路Ｒ２上に設けられ、第１経路Ｒ１のハーネス抵抗より大きい抵抗値を有する電気抵抗素子６０と、オルタネータ１のオン／オフを制御するとともに、電気負荷５０からの電圧アップ要求（電圧上昇要求）に応じて、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２及びＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオン／オフ制御するＥＣＭ１０（制御手段）とを備えるように構成した。

本実施形態では、電源システム１００をこのように構成することにより、ＥＣＭ１０は、電気負荷５０からの電圧アップ要求に応じて、第２スイッチであるＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオンし、第１スイッチであるリチウムイオンバッテリ付属リレー４２をオフすることにより、第１経路Ｒ１から第２経路Ｒ２に経路を切り替えた後、オルタネータ１を駆動する。これにより、オルタネータ１の発電電力は、電気負荷５０に供給されるとともに、リチウムイオンバッテリ４の充電にも利用される。この場合、第２経路Ｒ２上に電気抵抗素子６０が設けられているので、リチウムイオンバッテリ４を充電しつつ、充電電流が流れることによる電圧降下分だけ系統電圧（電気負荷５０の入力電圧）を素早く高めることができる。

このように、本実施形態の電源システム１００によれば、第１経路Ｒ１上に設けられた電気抵抗素子６０により、系統電圧（電気負荷５０の入力電圧）とリチウムイオンバッテリ４との間に電位差を生じさせることができるので、電気負荷５０の要求に応じて系統電圧を高める際に、リチウムイオンバッテリ４を切り離すことなく、系統を切り替えることにより、早期に系統電圧（電気負荷５０の入力電圧）を高めることができる。

本実施形態の電源システム１００では、ＥＣＭ１０（制御手段）は、電圧アップ要求（電圧上昇要求）の有無を判定する判定手段としても機能し、電気負荷５０からの電圧アップ要求があることが判定されると、ＥＣＭ１０は、ＭＯＳＦＥＴ３１、３２（第２スイッチ）をオンするとともに、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２（第１スイッチ）をオフし、その後、オルタネータ１（発電機）を発電モードに切り替えるように構成される。これにより、電圧アップ要求に応じて、リチウムイオンバッテリ４を充電しつつ、充電電流が流れることによる電圧降下分だけ系統電圧（電気負荷５０の入力電圧）を素早く高めることができる。

本実施形態の電源システム１００では、第１スイッチは、２つのリレー、すなわち、鉛酸バッテリ経路リレー４１及びリチウムイオンバッテリ付属リレー４２のいずれかから構成されればよい。本実施形態では、第１スイッチは、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２から構成される。これにより、主回路側の第１経路Ｒ１を適切に遮断することができる。

本実施形態の電源システム１００では、第２スイッチであるＭＯＳＦＥＴ３１、３２の一端（図１では、ＭＯＳＦＥＴ３２の一端）は、第１スイッチを構成し得る２つのリレーの一方であるリチウムイオンバッテリ付属リレー４２と、リチウムイオンバッテリ４（リチウムイオン蓄電池）との間に接続されればよい。これにより、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２及びＭＯＳＦＥＴ３１、３２は、第１スイッチ及び第２スイッチの機能をそれぞれ果たすことができる。

本実施形態の電源システム１００では、第２経路Ｒ２上に設けられる電気抵抗素子としては、その抵抗値が固定の電気抵抗素子６０や第２経路Ｒ２のハーネス抵抗そのものであればよい。第２経路Ｒ２のハーネス抵抗を用いる場合には、そのハーネス抵抗は、例えば、第１経路Ｒ１のハーネス抵抗の２倍程度にすればよい。具体的には、第１経路Ｒ１のハーネス抵抗が３〜５ｍΩ程度に対し、第２経路Ｒ２のハーネス抵抗が５〜１０ｍΩ程度に設定されればよい。また、固定抵抗値を有する電気抵抗素子６０を設ける場合には、その抵抗値は、第２経路Ｒ２全体として上記抵抗値になるように、２〜５ｍΩ程度であればよい。これは、あまりに大きい抵抗値の電気抵抗素子６０を設けると、銅損によるエネルギ損失が大きくなるためである。

また、本実施形態の電源システム１００の制御方法は、電気負荷５０に接続される鉛酸バッテリ３（鉛酸蓄電池）と、第１経路Ｒ１及び第２経路Ｒ２の２つの経路を介して、電気負荷５０に対して鉛酸バッテリ３と並列に接続されるリチウムイオンバッテリ４（リチウムイオン蓄電池）と、鉛酸バッテリ３及びリチウムイオンバッテリ４を充電可能なオルタネータ１（発電機）と、第１経路Ｒ１上に設けられたリチウムイオンバッテリ付属リレー４２（第１スイッチ）と、第２経路Ｒ２上に設けられたＭＯＳＦＥＴ３１、３２（第２スイッチ）と、第２経路Ｒ２上に設けられ、第１経路Ｒ１のハーネス抵抗より大きい抵抗値を有する電気抵抗素子６０と、を備える電源システム１００において、電気負荷５０からの電圧アップ要求（電圧上昇要求）の有無を判定するステップと、電圧アップ要求があると判定した場合には、第２スイッチであるＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオンするとともに、第１スイッチであるリチウムイオンバッテリ付属リレー４２をオフするステップと、スイッチのオン／オフステップの後、オルタネータ１を発電モードに切り替えるステップと、を含むように構成される。電源システム１００の制御方法をこのように構成したことにより、オルタネータ１の発電電力は、電気負荷５０に供給されるとともに、リチウムイオンバッテリ４の充電にも利用される。この場合、第２経路Ｒ２上に電気抵抗素子６０が設けられているので、リチウムイオンバッテリ４を充電しつつ、充電電流が流れることによる電圧降下分だけ系統電圧（電気負荷５０の入力電圧）を素早く高めることができる。

（比較例）
以下、第１実施形態の電源システム１００の作用・効果を明確にするために、従来の電源システムの制御について、図４のタイムチャートを用いて説明する。図４は、比較例の電源システムにおける主回路スイッチ及び副回路スイッチのオン／オフ制御とオルタネータの発電時の動作を示すタイムチャートである。

図４に示すように、比較例の電源システムでは、主回路スイッチを常時オンとし、副回路スイッチを常時オフとしている。すなわち、比較例の電源システムは、図１において、第２経路Ｒ２上のＭＯＳＦＥＴ３１、３２及び電気抵抗素子６０が設けられている配線を取り除いたものと同等のハード構成を有すればよい。

この電源システムでは、電気負荷からの電圧アップ要求に応じて、経路を切り替えることなく、オルタネータを駆動して、電源システムを充電モード（充電フェーズ）から発電モード（発電フェーズ）に切り替える。

このとき、オルタネータは、系統電圧が電圧指令値になるように駆動制御される。オルタネータの実際の出力電圧は、電圧指令値に遅れて立ち上がり、それに伴って、系統電圧、すなわち、電気負荷の入力電圧と、リチウムイオンバッテリの端子間電圧及び鉛酸バッテリの端子間電圧も上昇する。

比較例の電源システムでは、リチウムイオンバッテリのＳＯＣが低い場合には、オルタネータの出力電流は、電気負荷に流れる電流は概ね一定であるため、この出力電流の一部は、鉛酸バッテリ３及びリチウムイオンバッテリ４の充電電流となる。

比較例の電源システムは、第１実施形態の電源システム１００のような電気抵抗素子６０を有さないので、リチウムイオンバッテリがある程度充電されるまで系統電圧が上昇しない。そのため、電気負荷からの電圧アップ要求があったとしても、早期に系統電圧を高めることができない。

（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態について、第１実施形態との相違点を主として説明する。なお、本実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

上述の第１実施形態の電源システム１００では、オルタネータ１は、鉛酸バッテリ経路リレー４１に対してリチウムイオンバッテリ４側に接続されるとともに、第２経路Ｒ２上に電気抵抗素子６０が設けられていた。第２実施形態では、オルタネータ１は、鉛酸バッテリ経路リレー４１に対して電気負荷５０側に接続されるとともに、電気抵抗素子６０に代えて、シャント抵抗として機能する電流センサ６１を設けた点で第１実施形態とは異なる。

図５は、本発明の第２実施形態における電源システム１０１の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の電源システム１０１では、オルタネータ１は、リレー等を介することなく電気負荷５０に接続されている。

本実施形態の電源システム１０１では、電気負荷５０からの電圧アップ要求があると、第１実施形態の電源システム１００と同様に、ＥＣＭ１０は、ＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオンしてから、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２をオフする。これにより、電源システム１０１は、リチウムイオンバッテリ４と電気負荷５０との接続を第１経路Ｒ１から第２経路Ｒ２に切り替える。

そして、ＥＣＭ１０は、オルタネータ１を駆動する。本実施形態では、オルタネータ１の出力電流の一部は、シャント抵抗としても機能する電流センサ６１が設けられた第２経路Ｒ２を介して、リチウムイオンバッテリ４に入力され、リチウムイオンバッテリ４を充電する。

このとき、系統電圧は、電流センサ６１を流れる充電電流による電圧降下分だけリチウムイオンバッテリ４よりも高くなる。そのため、本実施形態においても、第１実施形態と同様に、電気負荷５０からの電圧アップ要求に応じて、素早く系統電圧を高めることができる。このように、本実施形態の電源システム１０１によれば、第１実施形態の電源システム１００と同様の効果を奏することができる。

本実施形態の電源システム１０１では、第１スイッチは、２つのリレー、すなわち、鉛酸バッテリ経路リレー４１及びリチウムイオンバッテリ付属リレー４２のいずれかから構成されればよい。本実施形態では、第１実施形態と同様に第１スイッチは、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２から構成される。

本実施形態の電源システム１０１では、第１実施形態の電気抵抗素子６０に代えて、シャント抵抗としても機能する電流センサ６１を用いている。この場合においても、電流センサ６１を流れる充電電流による電圧降下分だけ、系統電圧を素早く高めることができる。

（第３実施形態）
以下、本発明の第３実施形態について、第２実施形態との相違点を主として説明する。なお、本実施形態では、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を用いて重複する説明を適宜省略する。

上述の第２実施形態の電源システム１０１では、第２経路Ｒ２上に電流センサ６１が設けられるとともに、ＭＯＳＦＥＴ３２の一端は、電流センサ６１を介して、リチウムイオンバッテリ４とリチウムイオンバッテリ付属リレー４２の間に接続されていた。第３実施形態では、シャント抵抗として機能する電流センサ６１に代えて、第１実施形態と同様に、電気抵抗素子６０を設けるとともに、ＭＯＳＦＥＴ３２の一端は、電気抵抗素子６０を介して、鉛酸バッテリ経路リレー４１及びリチウムイオンバッテリ付属リレー４２の間に接続される点で第２実施形態とは異なる。

図６は、本発明の第３実施形態における電源システム１０２の全体構成を示すブロック図である。本実施形態の電源システム１０２では、ＭＯＳＦＥＴ３２の一端は、電気抵抗素子６０を介して、鉛酸バッテリ経路リレー４１及びリチウムイオンバッテリ付属リレー４２の間に接続されている。

本実施形態では、このようなハード構成の相違により、本発明の第１スイッチは、鉛酸バッテリ経路リレー４１により実現される。具体的な動作については、タイムチャートやフローチャートを省略するが、詳細に説明する。

本実施形態の電源システム１０２では、電気負荷５０からの電圧アップ要求があると、ＥＣＭ１０は、ＭＯＳＦＥＴ３１、３２をオンしてから、鉛酸バッテリ経路リレー４１をオフする。これにより、電源システム１０２は、リチウムイオンバッテリ４と電気負荷５０との接続を第１経路Ｒ１から第２経路Ｒ２に切り替える。

そして、ＥＣＭ１０は、オルタネータ１を駆動する。本実施形態では、オルタネータ１の出力電流の一部は、電気抵抗素子６０が設けられた第２経路Ｒ２と、リチウムイオンバッテリ付属リレー４２を介して、リチウムイオンバッテリ４に入力され、リチウムイオンバッテリ４を充電する。

このとき、系統電圧は、電気抵抗素子６０を流れる充電電流による電圧降下分だけリチウムイオンバッテリ４よりも高くなる。そのため、本実施形態においても、第１及び第２実施形態と同様に、電気負荷５０からの電圧アップ要求に応じて、素早く系統電圧を高めることができる。このように、本実施形態の電源システム１０２によれば、第１実施形態の電源システム１００と同様の効果を奏することができる。

本実施形態の電源システム１０２では、第１スイッチは、２つのリレー、すなわち、鉛酸バッテリ経路リレー４１及びリチウムイオンバッテリ付属リレー４２のいずれかから構成されればよい。本実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態とは異なり、第１スイッチは、鉛酸バッテリ経路リレー４１から構成される。

本実施形態の電源システム１０２では、第２スイッチであるＭＯＳＦＥＴ３１、３２の一端（図１では、ＭＯＳＦＥＴ３２の一端）は、第１スイッチの２つのリレーである鉛酸バッテリ経路リレー４１及びリチウムイオンバッテリ付属リレー４２の間に直接的に、又は、電気抵抗素子６０を介して間接的に接続されればよい。

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。

上述の第１〜第３実施形態では、電源システム１００、１０１、１０２が、本発明の第２スイッチとして、２つのＭＯＳＦＥＴ３１、３２を備えている場合について説明した。しかしながら、本発明は、このようなハード構成に限定されない。本発明の電源システムは、例えば、１つのＭＯＳＦＥＴ３１により第２スイッチを構成してもよい。また、ＭＯＳＦＥＴ３１、３２に限らず、オン／オフ機能を備える機械式、電気式、あるいはＥＣＭ１０のプログラム等により第２スイッチを実現してもよい。

本願は、２０１６年３月２２日に日本国特許庁に出願された特願２０１６−０５６４４５に基づく優先権を主張し、この出願のすべての内容は参照により本明細書に組み込まれる。

Claims (8)

1. 車両に搭載可能な電源システムであって、
   電気負荷に接続される鉛酸蓄電池と、
   第１経路及び第２経路の２つの経路を介して、前記電気負荷に対して前記鉛酸蓄電池と並列に接続され、前記鉛酸蓄電池と充放電特性が異なるリチウムイオン蓄電池と、
   前記第１経路上に設けられた第１スイッチと、
   前記第２経路上に設けられた第２スイッチと、
   前記第２経路上に設けられる電気抵抗素子と、
   前記鉛酸蓄電池及び前記リチウムイオン蓄電池を充電可能であって、前記第１経路において前記第１スイッチに対して前記リチウムイオン蓄電池の反対側に設けられる、発電機と、
   前記発電機のオン／オフを制御するとともに、前記第１スイッチをオン／オフ制御する制御手段と、
   を備え、
   前記制御手段は、
   前記電気負荷からの電圧上昇要求に応じて、前記第２スイッチをオンとするとともに、前記制御手段によって前記第１スイッチをオフすることで、前記発電機からの前記第１経路を介した前記リチウムイオン蓄電池への電力供給が遮断し、
   前記発電機を前記電気負荷の入力電圧が高まる発電モードに切り替えることで、前記発電機において発電される電力が、前記第２経路を介して、前記リチウムイオン蓄電池に供給される、
   ことを特徴とする電源システム。
2. 請求項１に記載の電源システムであって、
   前記制御手段は、前記電圧上昇要求の有無を判定する判定手段を備え、
   前記判定手段により、前記電圧上昇要求があることが判定されると、前記制御手段は、
   前記第１スイッチをオフし、その後、前記発電機を発電モードに切り替える、
   電源システム。
3. 請求項１または２に記載の電源システムであって、
   前記電気負荷に接続され、前記リチウムイオン蓄電池と充放電特性が異なり、前記電気負荷に対して前記リチウムイオン蓄電池と並列に接続される、鉛酸蓄電池と、
   前記第２経路上に設けられ、前記制御手段により制御される第２スイッチと、を有し、
   前記電気抵抗素子は、前記第１経路のハーネス抵抗より抵抗値が大きい、
   電源システム。
4. 請求項３に記載の電源システムであって、
   前記第１スイッチは、２つのリレーの少なくとも一方から構成される、
   電源システム。
5. 請求項４に記載の電源システムであって、
   前記第２スイッチの一端は、前記２つのリレーの間に直接的又は間接的に接続される、
   電源システム。
6. 請求項４に記載の電源システムであって、
   前記第２スイッチの一端は、前記第１スイッチの２つのリレーの一方と、前記リチウムイオン蓄電池との間に接続される、
   電源システム。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電源システムであって、
   前記電気抵抗素子は、その抵抗値が固定の電気抵抗素子、前記第２経路のハーネス抵抗、又は電流センサにより構成される、
   電源システム。
8. 電気負荷に接続される鉛酸蓄電池と、
   第１経路及び第２経路の２つの経路を介して、前記電気負荷に対して前記鉛酸蓄電池と並列に接続され、前記鉛酸蓄電池と充放電特性が異なるリチウムイオン蓄電池と、
   前記第１経路上に設けられた第１スイッチと、
   前記第２経路上に設けられた第２スイッチと、
   前記第２経路上に設けられる電気抵抗と、
   前記鉛酸蓄電池及び前記リチウムイオン蓄電池を充電可能であって、前記第１経路において前記第１スイッチに対して前記リチウムイオン蓄電池の反対側に設けられる、発電機と、
   コントローラと、を備える電源システムの制御方法であって、
   前記コントローラが、前記電気負荷からの電圧上昇要求の有無を判定するステップと、
   前記コントローラが、前記電圧上昇要求があると判定した場合には、前記第２スイッチをオンとするとともに、前記第１スイッチをオフし、前記発電機からの前記第１経路を介した前記リチウムイオン蓄電池への電力供給が遮断するスイッチオフステップと、
   前記コントローラが、前記スイッチオフステップの後、前記発電機を前記電気負荷の入力電圧が高まる発電モードに切り替えることで前記発電機からの電力を、前記第２経路を介して、前記リチウムイオン蓄電池に供給する切り替えステップと、
   を含むことを特徴とする電源システムの制御方法。

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