WO2014068900A1 - 車両用の電源装置 - Google Patents

Abstract

　回生制動する車両に搭載して、鉛バッテリの劣化を有効に防止してその寿命を長くする。車両用の電源装置は、車両のエンジン(２１)を始動するスターターモータ(２２)と電装機器(２０)とに電力を供給すると共に、車両の回生制動発電で充電される。車両用の電源装置は、鉛バッテリ(１)と、この鉛バッテリ(１)と並列に接続してなる補助バッテリ(２)とを備えている。補助バッテリ(２)は、鉛バッテリ(１)よりも、温度上昇に対して放電抵抗が低下する割合が大きいバッテリであって、かつ、鉛バッテリ(１)の熱容量よりも熱容量が小さいバッテリとしている。

Description

車両用の電源装置

　本発明は、車両の減速時に回生制動して燃費効率を改善する車両用の電源装置に関し、とくに、鉛バッテリと並列に補助バッテリを接続して、回生発電電力の充電効率を改善して優れた燃費効率を実現する車両用の電源装置に関する。

　車両を回生制動してバッテリを充電して制動する車両は、走行している車両の運動のエネルギーをバッテリに蓄える。さらに、信号待ちなどでは、エンジンのアイドリングをストップすることで燃費効率をさらに改善できる。回生発電する車両は、具体的には、減速するときに車両の運動のエネルギーでオルタネータを駆動して発電し、オルタネータがバッテリを充電する。回生制動で充電されたバッテリは、信号待ちなどでアイドリングストップしているエンジンを再始動するとき、スターターモータに電力を供給する。このようなバッテリとして、定格電圧を１２Ｖとする鉛バッテリを搭載する車両が知られており、鉛バッテリからスターターモータに電力を供給してエンジンを再始動し、また種々の電装機器に電力を供給できるようになっている。このように、回生制動時の発電電力をバッテリに充電し、回生制動で充電されたバッテリでアイドリングストップするエンジンを再始動する電源装置は、車両の燃費効率を改善できるが、鉛バッテリの劣化が甚だしく、回生制動やアイドリングストップしない方式に比較すると、鉛バッテリの寿命が数分の１と極めて短くなる問題点がある。車両を回生制動する度に、鉛バッテリが、頻繁に回生発電により急速充電され、さらに、エンジンの再始動時には大電流で放電されるからである。

　一方で、車両用の補助バッテリとして、鉛バッテリとリチウムイオン電池を並列に接続した電源装置が知られている（特許文献１参照）。鉛バッテリは、大電流による充放電により寿命が低下するが、この構成によると、回生発電電力で鉛バッテリとリチウムイオン電池の両方を充電する構成であるため、鉛バッテリの回生発電の充電電流を小さくすることができる。また、アイドリングストップしたエンジンの再始動時には、鉛バッテリとリチウムイオン二次電池の両方からスターターモータに電力を供給するので、鉛バッテリの寿命を長くできる特徴もある。

特開２０１１－２０８５９９号公報

　一方で近年、アイドリングストップ機能を有する車両など、比較的大きな電力で補助バッテリの充放電を行う構成の車両が知られており、補助バッテリの電力を積極的に使用する構成の車両が増えている。このような車両に搭載される補助バッテリは、頻繁に充放電されるため、補助バッテリの温度が上昇しやすいという問題がある。補助バッテリとして使用される鉛バッテリは、上述の大電流による充放電に加えて、高温状態での放電によっても寿命を低下する。そのため、アイドリングストップ機能を有する車両に搭載される補助バッテリは、補助バッテリの電力を積極的に使用する構成と相まって寿命が著しく低下し、回生制動しない鉛バッテリと比較して寿命が数分の１と極めて短くなる。

　特許文献１の電源装置は、補助バッテリを積極的に使用する構成であるため、鉛バッテリの温度上昇を抑制することができず、鉛バッテリの寿命が低下する問題がある。特に、補助バッテリの電力を積極的に使用する構成の車両に搭載される場合は、頻繁に充放電が行われるため、鉛バッテリの寿命が著しく低下する問題がある。

　本発明は、以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、回生制動する車両に搭載されて、鉛バッテリの劣化を有効に防止してその寿命を長くできる車両用の電源装置を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

　本発明の車両用の電源装置は、車両のエンジン２１を始動するスターターモータ２２と電装機器２０とに電力を供給すると共に、車両の回生制動発電で充電される車両用の電源装置であって、鉛バッテリ１と、この鉛バッテリ１と並列に接続してなる補助バッテリ２とを備えており、補助バッテリ２は、鉛バッテリ１よりも温度上昇に対して放電抵抗が低下する割合が大きいバッテリであって、かつ、鉛バッテリ１の熱容量よりも熱容量が小さいバッテリとしている。

　以上の電源装置は、回生制動し、またアイドリングストップする車両に搭載されながら、鉛バッテリの劣化を少なくして、寿命を相当に長くできる特徴がある。それは、アイドリングストップしたエンジンを再始動する大電流放電によって、補助バッテリの温度を速やかに上昇させると共に、温度上昇によって補助バッテリの放電抵抗を次第に小さくし、再始動する毎に、補助バッテリの温度を上昇させて放電抵抗をより小さくして、補助バッテリの放電電流を大きく、鉛バッテリの電流を次第に小さくできるからである。すなわち、補助バッテリの放電抵抗を、鉛バッテリよりも小さくすることで、鉛バッテリからの電力供給を抑制することができ、鉛バッテリが頻繁に充放電されることを抑制することができる。

　さらに、以上の電源装置は、補助バッテリの熱容量を鉛バッテリよりも小さくしているので、このことが発熱量の大きいことと相乗して、補助バッテリは、より速やかに温度が上昇し、温度が上昇することでますます放電抵抗が減少して、再始動時の放電電流を増加させる。補助バッテリの温度を上昇させるジュール熱による発熱量は、放電電流の二乗に比例して増加し、また放電抵抗に反比例して大きくなる。補助バッテリは温度上昇によって放電抵抗が低下する割合が鉛バッテリよりも大きく、温度が上昇するにしたがって、ジュール熱による発熱量を大きくできる。発熱量が大きくて熱容量の小さい補助バッテリは、エンジンを再始動する大電流放電によって速やかに温度が上昇する。補助バッテリは、温度が上昇するにしたがってますます内部抵抗が低下する。したがって、以上の電源装置は、アイドリングストップしたエンジンの再始動を繰り返すにしたがって、補助バッテリの温度が上昇し、放電抵抗が減少して、電流を増加させる。補助バッテリと鉛バッテリとは並列に接続されて、電流を互いに分流するので、補助バッテリの電流が増加すると鉛バッテリの電流は減少する。このため、以上の電源装置は、車両を走行させて頻繁にアイドリングストップと再始動とを繰り返すにしたがって、補助バッテリの電流を大きく、鉛バッテリの電流を小さくする。このため、以上の電源装置は、鉛バッテリの大電流放電による劣化を少なくして、寿命特性を改善できる特徴を実現する。とくに、以上の電源装置は、アイドリングストップするエンジンを再始動する毎に、補助バッテリの温度が上昇して、放電抵抗を低下させるので、鉛バッテリを劣化させる原因となる、頻繁なエンジンの再始動において、補助バッテリの放電電流はますます増加し、これによって鉛バッテリの放電電流は次第に減少するので、鉛バッテリが劣化しやすい使用条件において、補助バッテリは、ますます鉛バッテリの劣化を効果的に防止できる。

　ところで、補助バッテリは、保存温度が高くなると劣化しやすい性質がある。ところが、以上の電源装置は、アイドリングストップ後の再始動におけるスターターモータへの放電によって補助バッテリの温度を上昇させて、鉛バッテリの劣化を防止する、すなわち車両を走行させる状態に限って補助バッテリの温度を上昇させるのであって、車両を停止させる状態では補助バッテリの温度を上昇させない。したがって、車両を走行させる状態では、鉛バッテリの劣化を防止できるが、車両を走行させない状態においては、補助バッテリの劣化をも防止できる特徴がある。

　本発明の車両用の電源装置は、補助バッテリ２の充電抵抗を、鉛バッテリ１の充電抵抗よりも小さくすることができる。
　以上の電源装置は、補助バッテリの充電時の抵抗値である充電抵抗を、鉛バッテリの充電抵抗よりも小さくしているので、回生制動時においては、補助バッテリの充電電流を鉛バッテリの充電電流よりも大きくできる。このため、回生制動時に、補助バッテリの発熱量を鉛バッテリよりも大きくできる。

　本発明の回生制動する車両用の電源装置は、補助バッテリ２をニッケル水素電池２Ａとすることができる。
　ニッケル水素電池は、定格電圧を１．２Ｖとし、かつ定電圧特性に優れるので、これを１０個直列に接続して、補助バッテリの定格電圧を１２Ｖにできる。このため、この電源装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの電圧調整回路を介することなく、鉛バッテリと補助バッテリとを並列に接続して、バランスよく充電し、また放電できる特徴がある。

　本発明の回生制動する車両用の電源装置は、補助バッテリ２をリチウムイオン二次電池とすることができる。

　本発明の回生制動する車両用の電源装置は、鉛バッテリ１をスターターモータ２２に接続するリード線３の電気抵抗を、補助バッテリ２をスターターモータ２２に接続するリード線４の電気抵抗よりも大きくすることができる。
　以上の電源装置は、鉛バッテリのリード線の電気抵抗を、補助バッテリのリード線の電気抵抗よりも大きくするので、リード線でもって、鉛バッテリの充電電流と放電電流を小さくして、補助バッテリの充電電流と放電電流を大きくできる。このため、鉛バッテリの劣化をより効果的に防止して、寿命特性をより改善できる特徴がある。

　本発明の回生制動する車両用の電源装置は、鉛バッテリ１をキャビン６内に配置して、補助バッテリ２をエンジンルーム５内に配置することができる。
　以上の電源装置は、鉛バッテリを、たとえばトランクルームや客室などのキャビン内に配置するので、鉛バッテリの温度環境を改善しながらリード線を長くして電気抵抗を大きくできる。このため、鉛バッテリの劣化をさらに効果的に防止して、寿命特性をより改善できる特徴がある。

本発明の一実施例にかかる車載用の電源装置を回生制動する車両に搭載する状態を示すブロック図である。 補助バッテリと鉛バッテリの温度変化を示すグラフである。 図１に示す車載用の電源装置を車両に搭載する一例を示す概略図である。

　以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための車両用の電源装置を例示するものであって、本発明は電源装置を以下のものには特定しない。さらに、この明細書は、請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。

　図１の電源装置は、好ましくは、回生制動とアイドリングストップする車両に搭載される。この電源装置は、鉛バッテリ１と補助バッテリ２とを備える。鉛バッテリ１と補助バッテリ２は、並列に接続されて、車両のオルタネータ２３でもって、回生制動発電で充電される。回生発電電力は、鉛バッテリ１と補助バッテリ２の両方を充電する。さらに、並列に接続される鉛バッテリ１と補助バッテリ２は、車両のエンジン２１を始動するスターターモータ２２と電装機器２０とに電力を供給する。アイドリングストップする車両に搭載される電源装置は、鉛バッテリ１と補助バッテリ２の両方からスターターモータ２２に電力を供給する。

　アイドリングストップする車両は、メインスイッチであるイグニッションスイッチをオンに保持する状態において、信号待ちなどではエンジン２１を停止させて燃費効率を改善する。この車両は、信号が変わるとエンジン２１を再始動して走行する。このため、アイドリングストップする毎にスターターモータ２２に電力が供給される。なお、回生制動し、かつアイドリングストップする車両は、大きなオルタネータを備えている。このオルタネータは、エンジンを再始動するモータにも兼用される。したがって、エンジンの再始動は、スターターモータによらず、このオルタネータをモータとして使用することもできる。したがって、本明細書において、スターターモータとは、エンジンを再始動するモータに兼用されるオルタネータを含む広い意味で使用する。

　回生制動する車両は、減速するときの運動のエネルギーでオルタネータ２３を回転する。回生制動状態において、車輪２４がエンジンを回転し、エンジン２１がオルタネータ２３を回転する。オルタネータ２３の回転トルクは、エンジン２１を介して車両を制動して減速する。オルタネータ２３が回生制動して発電する電力は、車両の運動のエネルギーに比例して大きくなる。車両の運動のエネルギーは、車両の重量と速度の自乗の積に比例して大きくなる。たとえば、６０Ｋｍ／時で走行する１トンの車両は、約４０Ｗｈの運動のエネルギーを有する。運動のエネルギーの５０％の効率でバッテリを充電できると仮定すれば、６０Ｋｍ／時で走行している普通車は、１回の信号待ちで停止する毎に、２０Ｗｈもの電力でバッテリを充電できる。したがって、仮に６０Ｋｍ／時で走行している車両が、たとえば、２０秒で停止して、一定の電流で１２Ｖのバッテリを充電するとすれば、回生制動時のオルタネータ２３の出力電流は３００Ａと極めて大きくなる。

　以上のように、回生制動は、車両が停止するまでの極めて短い時間において、オルタネータ２３の出力電流が極めて大きな電流となることから、回生制動で発電するオルタネータ２３の出力をいかに効率よく蓄電できるかが大切である。図１の電源装置は、回生発電電力効率よく蓄電するために、鉛バッテリ１と並列に補助バッテリ２を接続している。補助バッテリ２は、回生発電電力の大電流で効率よく充電されるように、鉛バッテリ１よりも充電抵抗の小さい二次電池である。この二次電池はニッケル水素電池２Ａである。ニッケル水素電池２Ａは、定格電圧を１．２Ｖとするので、これを１０個直列に接続して、補助バッテリ２の定格電圧を１２Ｖにできる。ニッケル水素電池２Ａの補助バッテリ２は、定格電圧を鉛バッテリ１の定格電圧と同じにできるので、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの電圧を調整する回路を介在することなく、鉛バッテリ１と並列に接続できる。ただ、補助バッテリには、鉛バッテリよりも充電抵抗の小さいリチウムイオン二次電池やリチウムポリマー電池等の非水系電解液二次電池も使用できる。ニッケル水素電池２Ａは、充電抵抗が極めて小さく、優れた大電流の充電特性を有し、リチウムイオン二次電池などの非水系電解液二次電池は、軽くて充放電容量を大きくできる。

　充電抵抗が鉛バッテリ１の充電抵抗よりも小さい補助バッテリ２は、鉛バッテリ１と並列に接続されて、回生発電時の充電電流を鉛バッテリ１よりも大きくする。この電源装置は、補助バッテリ２の充電抵抗を小さくして、回生制動時の補助バッテリ２の充電電流を大きくし、鉛バッテリ１の充電電流を小さくする。鉛バッテリ１の大電流充電による劣化は、補助バッテリ２の充電電流を大きくし、鉛バッテリ１の充電電流を小さくして少なくできるので、補助バッテリ２の充電抵抗を小さくすることで、鉛バッテリ１の劣化を少なくできる。

　さらに、補助バッテリ２は、鉛バッテリ１よりも温度上昇に対して放電抵抗が低下する割合を大きくしている。車両を走行させる状態で補助バッテリ２の放電抵抗を小さくして鉛バッテリ１からのスターターモータ２２への大電流放電を抑制するためである。さらに、補助バッテリ２は、イグニッションスイッチをオン状態として、車両が回生制動とアイドリングストップを繰り返しながら走行する状態で、速やかに放電抵抗を小さくするために、熱容量を鉛バッテリ１の熱容量よりも小さくしている。熱容量は、補助バッテリ２の温度を１℃上昇させるのに必要な熱量で、比熱と重量の積で特定される。熱容量が鉛バッテリ１より小さい補助バッテリ２は、発熱量に対する温度上昇が鉛バッテリ１よりも大きく、回生制動や再始動の大電流の発熱によって温度上昇が大きくなる。

　図２は、補助バッテリ２と鉛バッテリ１の温度変化を示すグラフである。この図に示すように、補助バッテリ２と鉛バッテリ１は、イグニッションスイッチをオン状態として、車両を回生制動やアイドリングストップさせながら走行させるとき、時間が経過するにしたがって、バッテリ温度が上昇する。この図で曲線Ａは補助バッテリ２の温度変化を示し、曲線Ｂは鉛バッテリ１の温度変化を示している。補助バッテリ２は、アイドリングストップ後の再始動時や回生制動時に鉛バッテリ１よりも大電流が流れるので発熱量が大きく、また熱容量が小さいので、速やかに温度上昇して放電抵抗を小さくする。補助バッテリ２の温度上昇は、放電抵抗のみでなく、充電抵抗も小さくする。したがって、エンジン２１の再始動時にあっては、時間が経過するにしたがって次第にスターターモータ２２への放電電流を大きくし、車両の回生制動時にあっては、回生制動による充電電流を増加させる。車両を走行させるにしたがって、補助バッテリ２の温度は上昇するが、温度が高くなるにしたがって放電量も増加するので、温度上昇した特定の温度で一定温度となる。さらに、補助バッテリ２の温度は、イグニッションスイッチがオフに切り換えられて、発熱しなくなると、速やかに低下する。とくに、補助バッテリ２は熱容量を鉛バッテリ１よりも小さくしているので、温度が低下する勾配は鉛バッテリ１よりも大きく、速やかに外部の環境温度まで低下する。車両を走行させない状態において、補助バッテリ２の温度は環境温度に保持される。したがって、車両を走行させない状態において、補助バッテリ２の温度は低く保持される。補助バッテリ２は、保存温度が高くなると劣化が加速されるが、車両を走行させない状態では、環境温度まで低下されるので、この状態で温度による劣化は少なくなる。したがって、補助バッテリ２は、エンジン２１の再始動時においては、温度上昇して放電抵抗を小さくしてスターターモータ２２で速やかにエンジン２１を再始動し、また、回生発電電力を充電する状態においても、充電抵抗を小さくして回生発電電力の蓄電効率を高くし、回生制動も再始動もしない、車両を走行させない状態では、温度上昇による劣化を防止できる。

　一方、鉛バッテリ１は、放電抵抗が補助バッテリ２よりも大きいために、アイドリングストップ後の再始動時や回生制動時における発熱量は補助バッテリ２よりも小さく、かつ熱容量を補助バッテリ２より大きくしているので、図２の曲線Ｂで示すように、イグニッションスイッチをオン状態に切り換えてから温度が上昇する勾配は補助バッテリ２よりも小さくなる。温度上昇の小さい鉛バッテリ１は、温度上昇勾配による放電抵抗の上昇率が小さく、車両を走行させる状態においては、放電抵抗が低下する割合は補助バッテリ２よりも小さくなる。このため、補助バッテリ２と鉛バッテリ１の放電電流の比率は、時間が経過するにしたがって変化し、鉛バッテリ１の放電電流が低下する。すなわち、鉛バッテリ１は、再始動状態における放電電流が次第に減少して、大電流放電による劣化が少なくなる。また、回生制動時においても、車両を走行させる時間が経過するにしたがって、補助バッテリ２の蓄電量がより多くなり、鉛バッテリ１の蓄電量が次第に小さくなる。すなわち、鉛バッテリ１は、回生発電において充電できる電流が減少して、大電流による劣化が防止される。イグニッションスイッチがオフ状態に切り換えられた後は、鉛バッテリ１の温度は緩やかに環境温度まで低下する。鉛バッテリ１は、熱容量が補助バッテリ２よりも大きいので、発熱しない状態において、鉛バッテリ１の温度は緩やかに低下する。

　さらに、図３の電源装置は、鉛バッテリ１をスターターモータ２２に接続するリード線３を、補助バッテリ２をスターターモータ２２に接続するリード線４よりも長くして、鉛バッテリ１のリード線３の電気抵抗を補助バッテリ２のリード線４の電気抵抗よりも大きくしている。この電源装置は、鉛バッテリ１を、たとえばトランクルーム６Ａや客室などのキャビン６内に配置して、補助バッテリ２をエンジンルーム５内に配置することができる。図３の電源装置は、鉛バッテリ１をトランクルーム６Ａ内に配置して、補助バッテリ２をエンジンルーム５に配置して、鉛バッテリ１をスターターモータ２２に接続するリード線３を、補助バッテリ２をスターターモータ２２に接続するリード線４よりも長くして電気抵抗を大きくしている。この電源装置は、鉛バッテリ１のリード線３の電気抵抗を補助バッテリ２のリード線４の電気抵抗よりも大きくしているので、リード線３の電気抵抗によって、鉛バッテリ１の大電流を制限することができる。また、この電源装置は、鉛バッテリ１をトランクルーム６Ａに配置するので、鉛バッテリ１の熱による劣化も少なくできる。以上の電源装置は、リード線の長さで電気抵抗を調整しているが、リード線の材質や太さ等で電気抵抗を調整することもできる。

　鉛バッテリ１の定格電圧は１２Ｖである。ただ、鉛バッテリは定格電圧を２４Ｖ、３６Ｖ、４８Ｖとすることもできる。ニッケル水素電池２Ａの補助バッテリ２は、ＤＣ／ＤＣコンバータを介することなく鉛バッテリ１に接続できる。この補助バッテリ２は、直列に接続する個数を調整して、定格電圧を鉛バッテリ１に等しくし、あるいはほぼ等しくする。１２Ｖの鉛バッテリ１に並列に接続されるニッケル水素電池２Ａの補助バッテリ２は、１０個のニッケル水素電池２Ａを直列に接続して定格電圧を１２Ｖとする。

　本発明の車両用の電源装置は、回生制動する車両に搭載されて、並列に接続された鉛バッテリと補助バッテリとを車両の回生制動で充電する電源装置に好適に使用できる。

　　１…鉛バッテリ
　　２…補助バッテリ　　　　　　　　　２Ａ…ニッケル水素電池
　　３…リード線
　　４…リード線
　　５…エンジンルーム
　　６…キャビン　　　　　　　　　　　６Ａ…トランクルーム
　２０…電装機器
　２１…エンジン
　２２…スターターモータ
　２３…オルタネータ
　２４…車輪

Claims (6)

1. 　車両のエンジンを始動するスターターモータと電装機器とに電力を供給すると共に、車両の回生制動発電で充電される車両用の電源装置であって、
   　鉛バッテリと、
   　この鉛バッテリと並列に接続してなる補助バッテリとを備え、
   　前記補助バッテリは、
   　前記鉛バッテリよりも、温度上昇に対して放電抵抗が低下する割合が大きいバッテリであって、
   　かつ、前記鉛バッテリの熱容量よりも熱容量が小さいバッテリとすることを特徴とする車両用の電源装置。
2. 　前記補助バッテリの充電抵抗が、前記鉛バッテリの充電抵抗よりも小さい請求項１に記載される車両用の電源装置。
3. 　前記補助バッテリがニッケル水素電池である請求項１又は２に記載される車両用の電源装置。
4. 　前記補助バッテリがリチウムイオン二次電池である請求項１又は２に記載される車両用の電源装置。
5. 　前記鉛バッテリを前記スターターモータに接続するリード線の電気抵抗が、前記補助バッテリを前記スターターモータに接続するリード線の電気抵抗よりも大きい請求項１ないし４のいずれかに記載される車両用の電源装置。
6. 　前記鉛バッテリがキャビン内に配置されて、前記補助バッテリがエンジンルーム内に配置されてなる請求項１ないし５のいずれかに記載される車両用の電源装置。

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