JP2004048913A

JP2004048913A - Power supply system

Info

Publication number: JP2004048913A
Application number: JP2002203413A
Authority: JP
Inventors: Keizo Yamada; 山田　惠造
Original assignee: Shin Kobe Electric Machinery Co Ltd
Current assignee: Resonac Corp
Priority date: 2002-07-12
Filing date: 2002-07-12
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-12
Also published as: JP3994812B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power supply system by which a secondary battery can be effectively charged. <P>SOLUTION: The power supply system 11 is provided with a charge/discharge system part 10 that feeds power to a motor generator 3 and a load 4. The charge/discharge system part 10 has a main battery 1, an auxiliary battery part 8 and a charge/discharge control part 15. The auxiliary battery part 8 has a capacitor module 5 constituted of a plurality of switches and a plurality of capacitors, and an auxiliary battery 2 that feeds power to the main battery 1. When the charging state of the main battery is less than 50%, the main battery 1 and the auxiliary battery part 8 are connected in parallel by controlling the on/off-state of the switch, and the auxiliary battery 2 and the capacitor module 5 are connected in series. The main battery 1 is charged by a boosted voltage of the auxiliary battery part 8. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源システムに係り、特に、主電池部と該主電池部に並列接続可能な補助電池部とを備えた電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、排気ガス等による地球温暖化や環境汚染が大きな問題として注目されており、自動車や発電所などでのエネルギー効率の向上や排気ガスを全く出さないクリーンなエネルギーの利用が望まれている。自動車用途では、排気ガスの低減を可能とする、二次電池を利用したエネルギー管理システムが一部で利用されている。ブレーキ時の回生電力を二次電池の充電に利用する技術は、その代表的なエネルギー管理技術であり、自動車でのエネルギー効率を大きく高めることができる。回生電力による充電機能を有する自動車には、リチウム二次電池やニッケル水素電池が利用されており、簡易型のシステムでは鉛電池も利用されている。
【０００３】
ところが、二次電池には入力（電力受入）性能に優劣があり、例えば、鉛電池は、リチウム二次電池と比較して低コストであるが、入力性能が低い。このような入力性能の低い二次電池の性能を補うため、例えば、特開平４−３４０３２８号公報には、二次電池とキャパシタとを並列に組み合わせ、回生時にキャパシタを利用する電源装置（ハイブリッド電源）の技術が開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、キャパシタは充電により電圧が大きく上昇するため、短い時間で発電機からの回生電力により最大電圧に達し、それ以上充電されなくなる。また、二次電池とキャパシタとが満充電状態では回生電力を受け入れることができないため、二次電池もキャパシタもある程度放電した状態にある必要がある。更に、頻繁に回生電力を受け入れるためには、回生により一旦キャパシタに蓄えた電力を速やかに二次電池の充電や負荷に利用してキャパシタを放電させることが望ましい。また、大きな電流で二次電池の充電を行うためにはある程度高い充電電圧を維持する必要があるが、キャパシタは放電により電圧が大きく低下するため、キャパシタから二次電池への充電では、短い時間で充電電流が減少して電荷の移動に時間がかかる、という問題がある。
【０００５】
また、二次電池とキャパシタとのハイブリッド電源で使用される電圧範囲は主に二次電池の電圧範囲によって決定され、例えば、鉛電池で想定される高い電流効率での充電電圧は１．９５〜２．５Ｖ／セル程度と非常に狭い電圧範囲に限定される。このため、キャパシタに蓄えられた電気量のうち、実際に二次電池の充電に利用可能な容量は２０％程度と僅かな電気量でしかなく、本来ゼロボルト（０Ｖ）まで放電できるキャパシタの能力を使い切っていない。
【０００６】
上記事案に鑑み本発明は、効率よく二次電池に充電可能な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、主電池部と該主電池部に並列接続可能な補助電池部とを備えた電源システムであって、前記補助電池部は、補助電池と該補助電池の電圧を昇圧する電圧昇圧手段とが直列に接続されている。本発明によれば、補助電池と電圧昇圧手段とが直列に接続されているので、補助電池の電圧と電圧昇圧手段で昇圧された補助電池の電圧とにより主電池部を充電することができる。
【０００８】
この場合において、電圧昇圧手段をＤＣ−ＤＣコンバータとしてもよい。また、電圧昇圧手段を、複数のスイッチを有するキャパシタ群としてもよい。このとき、キャパシタ群と並列接続可能な発電機を更に備え、スイッチのオン・オフ制御によりキャパシタ群と発電機とを並列接続してキャパシタ群を充電すれば、発電機によりキャパシタ群が充電されるので、発電機からの電力をキャパシタ群に蓄えることができる。また、スイッチのオン・オフ制御により補助電池及びキャパシタ群、又は、主電池部、補助電池及びキャパシタ群を並列接続してキャパシタ群を充電すれば、補助電池又は主電池部及び補助電池によりキャパシタ群が充電されるので、補助電池又は主電池部及び補助電池からの電力をキャパシタ群に蓄えることができる。更に、補助電池部から独立した充電手段を更に備え、キャパシタ群と充電手段とを並列接続してキャパシタ群を充電すれば、充電手段によりキャパシタ群が充電されるので、充電手段からの電力をキャパシタ群に蓄えることができる。そして、補助電池部の電圧に応じて、スイッチのオン・オフ制御によりキャパシタ群を構成するキャパシタの直列接続数を変更すれば、キャパシタの直列接続数に応じて電圧が昇圧されるので、補助電池部の電圧の高低に拘わらず効率よく主電池部を充電することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して、本発明を適用した車載用電源システムの第１の実施の形態について説明する。
【００１０】
（構成）
図１に示すように、電源システム１１は、車両駆動モータ等の機能を有するモータジェネレータ３、レギュレータ７を介して接続された負荷４、並びに、モータジェネレータ３及び負荷４へ電力を供給する充放電システム部１０を備えている。
【００１１】
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。
【００１２】
モータジェネレータ３は、車両の始動から車速３０ｋｍ／時程度までの車両走行時には、車両駆動源となるモータとして機能する。このとき、モータジェネレータ３には、充放電システム部１０から電力が供給される。また、モータジェネレータ３は、エンジン駆動中、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、発電電力により充放電システム部１０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、回生電力により後述する補助電池２及びキャパシタモジュール５は充電可能である。なお、モータジェネレータ３は、図示を省略した車両制御システムにより上述した３つの機能のいずれかに切り替えられる。
【００１３】
負荷４には、例えば、ランプ、ワイパ、ラジオ等を挙げることができ、充放電システム部１０又はモータジェネレータ３から電力が供給される。なお、レギュレータ７は、モータジェネレータ３が車両制動時の回生電力の最大電流を制限するために挿入されている。
【００１４】
充放電システム部１０は、電力供給の主電源となる主電池１、主電池１を充電する補助電池部８、並びに、主電池１及び補助電池部８の充放電状態を制御する充放電制御部１５を有している。補助電池部８は、複数のスイッチと複数のキャパシタ（コンデンサ）とで構成され、ＤＣ−ＤＣコンバータとして機能するキャパシタモジュール５、及び、主電池１への充電電力を供給する補助電池２を有しており、キャパシタモジュール５と補助電池２とは直列に接続されている。
【００１５】
充放電制御部１５は、中央演算処理装置として機能するＣＰＵ、充放電制御部１５の基本制御プログラム及び種々の設定値等が格納された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、Ａ／Ｄコンバータ、後述するスイッチにハイレベル信号を送出する出力ポート、これらを接続するバス等を含んで構成されている。充放電制御部１５は、主電池１及び補助電池２の電流・電圧を検出して、それぞれの充放電状態を制御する。なお、充放電制御部１５のＣＰＵは、図示を省略した車両制御システムのＣＰＵから通信により車両及びモータジェネレータ３の機能・状態について報知を受ける。
【００１６】
主電池１には、鉛電池が用いられている。鉛電池の電槽には、内部を１８個のセル室に画定したモノブロック電槽が用いられている。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（希硫酸）が注液されている。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。各セルの公称電圧は２Ｖであり、鉛電池１は、容量２０Ａｈ、公称群電圧３６Ｖの制御弁式鉛電池である。
【００１７】
補助電池２は、１０個のリチウムイオン電池（以下、単電池という。）を直列に接続して構成されている。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マンガン酸リチウム、負極活物質には開路電圧（ＯＣＶ）と充電状態（ＳＯＣ）との相関関係の高い非晶質炭素を用いることが好ましい。単電池の公称電圧は３．６Ｖであり、容量は３．５Ａｈである。
【００１８】
主電池１及び補助電池２の負極外部端子は、主電池１及び補助電池２に流れる電流を検出するホール素子等の図示しない電流センサの一端がそれぞれ接続されており、図示しない電流センサの各他端はグランドに接続されている。各電流センサの出力端子、主電池１の正負極外部端子、補助電池２の最上位電位側、最下位電位側単電池の端子は、充放電制御部１５内のＡ／Ｄコンバータに接続されている。このため、充放電制御部１５のＣＰＵは、主電池１及び補助電池２の電流・電圧をデジタル値として取り込むことが可能である。
【００１９】
モータジェネレータ３の一端は接続点Ｐに接続されている。主電池１の正極外部端子は、スイッチＳを介して接続点Ｐに接続されている。また、補助電池部８（キャパシタモジュール５）の一端は、接続点Ｐに接続されている。負荷４の一端はレギュレータ７の一端に接続されており、レギュレータ７の他端は接続点Ｐに接続されている。モータジェネレータ３及び負荷４の他端は、それぞれグランドに接続されている。従って、主電池１、補助電池部８、モータジェネレータ３及び負荷４は、並列接続可能とされている。
【００２０】
図２に示すように、キャパシタモジュール５は、１８個の同容量のキャパシタＣ１〜Ｃ１８と２４個のスイッチＳ１〜Ｓ２４とで構成されている。スイッチＳ３〜Ｓ２２は、キャパシタＣ１〜Ｃ１８の直並列接続数の変更を行い、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ２３、Ｓ２４は、接続点Ｐ−キャパシタ間の接続・切断及び補助電池２−キャパシタ間の直並列接続を行う。
【００２１】
スイッチＳ２の一端は接続点Ｐに接続されており、スイッチＳ２の他端はスイッチＳ１、Ｓ３〜Ｓ７のそれぞれの一端に接続されている。スイッチＳ１の他端には、補助電池２の最上位電位側単電池の正極端子及びスイッチＳ２３の一端が接続されている。スイッチＳ２３の他端には、スイッチＳ１９〜Ｓ２２、Ｓ２４のそれぞれの一端及びキャパシタＣ１８の一端が接続されている。スイッチＳ２４の他端はグランドに接続されている。
【００２２】
上述したスイッチＳ、Ｓ１〜Ｓ２４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、ＦＥＴのゲートには、充放電制御部１５の出力ポートが接続されている。従って、充放電制御部１５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。
【００２３】
各キャパシタには、モータジェネレータ３の回生時の最大許容電流（例えば、８０Ａ）に耐え、極力容量の小さいものを使用することが好ましい。補助電池２からの電力でキャパシタモジュール５を充電するときは、単純に補助電池２とキャパシタモジュール５とを並列に接続すると過大な電流がキャパシタモジュール５に流れるおそれがあるので、少なくともキャパシタモジュール５の充電開始時は下式（１）で算出される抵抗値に近い抵抗Ｒ１がキャパシタモジュール５のスイッチＳ１と補助電池２との間に挿入されていることが好ましい。
【００２４】
【数１】

【００２５】
式（１）において、Ｖ１は補助電池２の開路電圧、Ｖ２はキャパシタモジュール５の両端電圧、Ｉ１はキャパシタモジュール５の許容電流、Ｒ２は許容電流Ｉ１での補助電池２の内部抵抗、Ｒ３はキャパシタモジュール５の内部抵抗を示す。なお、式（１）の計算値が、マイナスの値のとき又は（Ｒ２＋Ｒ３）の値より充分小さい値の場合には、抵抗Ｒ１を挿入する必要はない。また、キャパシタモジュール５の充電に要する時間を短くするためには、許容電流Ｉ１が大きいキャパシタを用いＲ１を小さくすることが好ましい。
【００２６】
補助電池２からキャパシタモジュール５に電気量Ｑ１を充電すると、抵抗Ｒ１でジュール熱として失われるエネルギーＥ１は、抵抗Ｒ１の抵抗値によらず下式（２）で概算することができる。
【００２７】
【数２】

【００２８】
キャパシタモジュール５からの電力で主電池１を充電するときは、キャパシタモジュール５から主電池１への電荷の移動時間を確保するため、キャパシタモジュール５の充電に要する充電時間ｔ１は、キャパシタモジュール５の放電時間ｔ２より小さくする必要がある。充電時間ｔ１及び放電時間ｔ２は、それぞれ下式（３−１）及び（３−２）で求めることができる。下式（３−１）及び（３−２）において、Ｃはキャパシタの容量、Ｒ４は主電池１の充電時の直流抵抗を示す。Ｒ１をＲ４より小さい値とすることで、キャパシタモジュール５から主電池１への電荷の移動時間を確保することができる。
【００２９】
【数３】

【００３０】
また、式（３−１）及び（３−２）から、キャパシタモジュール５の充放電に必要な時間ｔは、充電時間ｔ１と放電時間ｔ２との加算、すなわち、ｔ＝Ｃ・（Ｒ１＋Ｒ４）で概算することができる。この時間ｔと同等かそれより短い時間でキャパシタモジュール５を連続的に充放電することで、キャパシタモジュール５を高い電圧に維持することができ、主電池１に対して比較的大きい電流で充電可能となる。
【００３１】
（動作）
次に、本実施形態の車載用電源システム１１の動作について、充放電制御部１５のＣＰＵ（以下、単にＣＰＵという。）を主体として説明する。
【００３２】
＜電池状態演算＞
主電池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はモータジェネレータ３により充電され、モータジェネレータ３が停止状態のとき（モータ、オルタネータ及びジェネレータのいずれとしても機能しないとき）は補助電池部８により充電される。主電池１は、充電状態が５０％未満のときに充電が開始され、充電状態が９５％のときに充電が停止される。一方、主電池１の充電状態が５０％以上のときは、主電池１の放電によりモータとして機能するモータジェネレータ３及び／又は負荷４に電力が供給される。
【００３３】
補助電池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。オルタネータ機能による補助電池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％のときに停止される。また、補助電池２は、モータジェネレータ３のジェネレータ機能により車両の制動時には充電状態が９５％までは充電が許容される。キャパシタモジュール５は、モータジェネレータ３のジェネレータ機能又は補助電池２から充電される。
【００３４】
ＣＰＵは、車両駐車（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）中、車両制御システムからの指示により所定時間（例えば、６時間）毎に、主電池１の開路電圧ＯＣＶを検出する。検出した主電池１の開路電圧ＯＣＶからＲＡＭに展開されている主電池１の電池状態マップにより補間法を利用して、主電池１の残存容量Ｑｒｅｓ及び充電状態ＳＯＣを演算しＲＡＭに格納する。
【００３５】
下表１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等がそれぞれ対応した状態で充放電制御部１５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。なお、表１は、温度２５°Ｃ、電流２５０Ａにおける一例を示したものである。
【００３６】
【表１】

【００３７】
また、ＣＰＵは、図示を省略した車両制御システムからイグニッションスイッチがオン位置に位置した旨の報知を受けると、主電池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）を求める。ＣＰＵは、ＲＡＭに格納した主電池１の残存容量Ｑｒｅｓに積算電気量を順次加（減）算することで現在の主電池１の残存容量を推定して、表１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。同様に、充放電制御部１５のＲＡＭに展開されている補助電池２の電池状態マップにより、補助電池２の残存容量Ｑｒｅｓ及び充電状態ＳＯＣを算出する。
【００３８】
次に、スイッチＳ、Ｓ１〜Ｓ２４のオン・オフ状態の制御による主電池１、補助電池２及びキャパシタモジュール５の充放電制御について、車両制御システムから報知されるモータジェネレータ３の状態に分けて説明する。
【００３９】
＜モータ機能の状態＞
モータジェネレータ３がモータとして機能する場合に、主電池１の充電状態が５０％以上のときは、スイッチＳをオン状態とし、スイッチＳ２をオフ状態とする。これにより、主電池１とモータジェネレータ３及び負荷４とが並列に接続され、主電池１の電力がモータジェネレータ３及び負荷４に供給される。一方、主電池１の充電状態が５０％未満のときは、車両制御システムにエンジンの始動が必要な旨を報知する。この報知を受けた車両制御システムはエンジンを始動させると共に、モータジェネレータ３をオルタネータ機能として主電池１を充電する。
【００４０】
＜オルタネータ機能の状態＞
図３に示すように、モータジェネレータ３がオルタネータとして機能する場合に、主電池１の充電状態が５０％未満のとき又は補助電池２の充電状態が５％未満のときは、スイッチＳ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ２４をオン状態とし、スイッチＳ３、Ｓ５〜Ｓ２３をオフ状態とすることで、キャパシタＣ１〜Ｃ１８を直列に接続し、主電池１、補助電池２及びキャパシタモジュール５をモータジェネレータ３と並列に接続する。これにより、主電池１、補助電池２及びキャパシタモジュール５は、オルタネータからの電力により充電され、負荷４にはオルタネータからの電力が供給される。主電池１の充電状態が９５％以上のときにスイッチＳをオフ状態とすることで、主電池１の充電を停止する。また、補助電池２の充電状態が５０％以上のときにスイッチＳ１をオフ状態とすることで、補助電池２の充電を停止する。また、キャパシタモジュール５の充電が完了したときにスイッチＳ４、Ｓ２４をオフ状態とすることで、キャパシタモジュール５の充電を停止する。なお、図３では、オフ状態のスイッチを捨象しオン状態のスイッチのみを示している（以下、図４〜図１０においても同じ。）。
【００４１】
＜ジェネレータ機能の状態＞
図４に示すように、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は、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ２４をオン状態とし、スイッチＳ３、Ｓ５〜Ｓ２３をオフ状態とすることで、キャパシタＣ１〜Ｃ１８を直列に接続し、補助電池２及びキャパシタモジュール５をモータジェネレータ３と並列に接続する。これにより、補助電池２及びキャパシタモジュール５はモータジェネレータ３からの回生電力により充電され、負荷４には回生電力が供給される。補助電池２の充電状態が９５％以上のときにスイッチＳ２をオフ状態とすることで、回生電力による補助電池２の充電を停止する。また、キャパシタモジュール５の充電が完了したときにスイッチＳ４、Ｓ２４をオフ状態とすることで、キャパシタモジュール５の充電を停止する。
【００４２】
＜停止状態＞
モータジェネレータ３が停止状態のときは、スイッチＳをオン状態とし、スイッチＳ２をオフ状態とすることで、主電池１から負荷４へ電力を供給する。主電池１の充電状態が５０％未満のときに、スイッチＳ３〜Ｓ２２のオン・オフ状態を制御することでキャパシタの直列接続数を変更し、スイッチＳ２、Ｓ２３をオン状態としスイッチＳ１、Ｓ２４をオフ状態とすることで補助電池２及びキャパシタモジュール５を直列に接続する。これにより、補助電池２及びキャパシタモジュール５から主電池１へ電力を供給させ、主電池１を充電する。
【００４３】
ＣＰＵは、補助電池２の電圧に応じて、キャパシタの直列接続数を選択するために、必要な直並列接続数が予め定められたテーブルを参照する。このとき、補助電池部８の電圧は主電池１の電圧より高くなるように設定されている。
【００４４】
すなわち、図５に示すように、スイッチＳ３、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ８〜Ｓ２２をオン状態とし、スイッチＳ４、Ｓ７をオフ状態とすると、キャパシタＣ１〜Ｃ１８が各々並列に接続される。また、図６に示すように、スイッチＳ４、Ｓ７、Ｓ８、Ｓ１０、Ｓ１２、Ｓ１５、Ｓ１７、Ｓ１９、Ｓ２０をオン状態とし、スイッチＳ５、Ｓ６、Ｓ９、Ｓ１１、Ｓ１３、Ｓ１４、Ｓ１６、Ｓ１８、Ｓ２１、Ｓ２２をオフ状態とすると、２つのキャパシタが直列に接続され、かつ、９並列に接続される。更に、図７に示すように、スイッチＳ６、Ｓ８、Ｓ１１、Ｓ１６、Ｓ１９、Ｓ２２をオン状態とし、スイッチＳ３〜Ｓ５、Ｓ７、Ｓ９、Ｓ１０、Ｓ１２〜Ｓ１５、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ２０、Ｓ２１をオフ状態とすると、３つのキャパシタが直列に接続され、かつ、６並列に接続される。また更に、図８に示すように、スイッチＳ４、Ｓ８、Ｓ１９をオン状態とし、スイッチＳ３、Ｓ５〜Ｓ７、Ｓ９〜Ｓ１８、Ｓ２０〜Ｓ２２をオフ状態とすると、キャパシタＣ１〜Ｃ６、キャパシタＣ１２〜Ｃ７、キャパシタＣ１３〜Ｃ１８の６つのキャパシタがそれぞれ直列に接続され、かつ、３並列に接続される。更にまた、図９に示すように、スイッチＳ４をオン状態とし、スイッチＳ３、Ｓ５〜Ｓ２２をオフ状態とすると、キャパシタＣ１〜Ｃ１８が直列に接続される。
【００４５】
キャパシタモジュール５を放電時間ｔ２の間放電したときは、図１０に示すように、スイッチＳ１、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ８〜Ｓ２２、Ｓ２４をオン状態とし、スイッチＳ２、Ｓ４、Ｓ７、Ｓ２３をオフ状態とすることで、キャパシタＣ１〜Ｃ１８のキャパシタを各々並列に接続し、キャパシタモジュール５と補助電池２とを並列に接続する。これにより、キャパシタモジュール５は補助電池２からの電力により充電される。キャパシタモジュール５を充電時間ｔ１の間充電したときは、上述したように主電池１へ電力を供給させ、主電池１を例えば、充電状態５５％まで充電する。
【００４６】
補助電池２からの電力によるキャパシタモジュール５の充電では、上述したように充電時間ｔ１を放電時間ｔ２より小さくする必要があるため、各キャパシタが並列に接続される。なお、各キャパシタを並列接続しても、補助電池２の容量が小さいため、各キャパシタが大型化することを防止することができる。これに対して、上述したモータジェネレータ３のオルタネータ機能又はジェネレータ機能によるキャパシタモジュール５の充電では、放電時間の考慮は不要のため、各キャパシタが直列に接続され充電される。キャパシタモジュール５の充電電圧は１８個のキャパシタに分圧され、許容電圧の小さなキャパシタを用いてもモータジェネレータ３からの大きな電圧に対応することができる。
【００４７】
（作用等）
次に、本実施形態の車載用電源システム１１の作用等について説明する。
【００４８】
本実施形態の電源システム１１では、補助電池部８が、補助電池２とキャパシタモジュール５とが直列に接続されており、モータジェネレータ３が停止状態で主電池１の充電状態が５０％未満のときに、主電池１と補助電池部８とが並列に接続される。このとき、補助電池２の電圧がキャパシタモジュール５で昇圧され、高い電圧の補助電池部８から主電池１へ電力が供給されるので、主電池１を比較的大きな電流で充電することができる。
【００４９】
また、本実施形態の電源システム１１では、補助電池２の電圧に応じて、テーブルを参照することでキャパシタの直並列接続数が変更される。このとき、補助電池２の電圧が低いときは直列接続数が増加される。補助電池２の電圧が低くても、補助電池部８の電圧を主電池１より高い電圧とすることができ、高い電流効率で主電池１を充電することができる。従って、車載用電源システム１１によれば、補助電池部８の利用効率を高めることができる。
【００５０】
更に、本実施形態の電源システム１１では、補助電池２とキャパシタモジュール５とが並列に接続されキャパシタＣ１〜Ｃ１８の各キャパシタが並列に接続される。各キャパシタが並列接続されるため、補助電池２からの電力によるキャパシタモジュール５の充電時間ｔ１を小さくすることができる。従って、キャパシタモジュール５から主電池１への電荷移動時間（キャパシタモジュール５の放電時間ｔ２）を充電時間ｔ１より大きくすることができ、補助電池部８の電力を主電池１に効率よく供給することができる。
【００５１】
また更に、本実施形態の電源システム１１では、補助電池２とキャパシタモジュール５との間に抵抗Ｒ１が接続されているので、補助電池２からの過大電流が直接キャパシタモジュール５に流れることを防止することができる。
【００５２】
更にまた、本実施形態の電源システム１１では、モータジェネレータ３がジェネレータ又はオルタネータとして機能するときは、キャパシタＣ１〜Ｃ１８が直列に接続されると共に、補助電池部８又は主電池１及び補助電池部８がモータジェネレータ３と並列に接続される。このため、補助電池部８は、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はモータジェネレータ３からの回生電力により、又は、主電池１及び補助電池部８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はモータジェネレータ３からの電力によりそれぞれ充電される。直列に接続された各キャパシタに掛かる充電電圧が分圧されるので、キャパシタの耐電圧を越えてキャパシタを劣化乃至破損することもない。
【００５３】
なお、本実施形態では、補助電池２に１０個の単電池を直列に接続して用いる例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、５個の単電池を用いるようにしてもよい。このようにすれば、補助電池２のコスト低減を図ることができる。
【００５４】
また、本実施形態では、補助電池２の電圧を昇圧するキャパシタモジュール５を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、トランジスタを用いた電圧増幅器、サイリスタを用いた直流チョッパ等のＤＣ−ＤＣコンバータとして機能する機器を用いて昇圧するようにしてもよい。
【００５５】
また、本実施形態では、１組のキャパシタモジュール５を補助電池２と直列に接続する例を示したが、例えば、並列に接続した２組のキャパシタモジュールをそれぞれスイッチを介して補助電池と直列に接続するようにしてもよい。スイッチの制御により２組のキャパシタモジュールを交互に充放電させることで、主電池１を連続的に充電することができる。
【００５６】
更に、本実施形態では、キャパシタモジュール５のスイッチにスイッチ素子として機能するＦＥＴを用いる例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。また、ＦＥＴの中でもＭＯＳ型とすることでスイッチ素子の消費電力を低減することができる。
【００５７】
また更に、本実施形態では、キャパシタの直列接続数を、補助電池２の電圧に応じて予め定められたテーブルを参照選択する例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、主電池１の充電状態ＳＯＣや残存容量Ｑｒｅｓに応じて選択するようにしてもよい。
【００５８】
更にまた、本実施形態では、充放電制御部１５のＣＰＵが車両制御システムのＣＰＵと通信する例を示したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、車両制御システムのＣＰＵが充放電制御を行うようにしてもよい。このようにすれば、通信することなく、車両制御システムのＣＰＵが車両及び電源システムを制御することができる。
【００５９】
また、本実施形態では、補助電池２とキャパシタモジュール５との間に抵抗Ｒ１を接続する例を示したが、抵抗Ｒ１に代えてランプやモータ等の利用価値のある負荷で抵抗Ｒ１を置き換えることにより、キャパシタモジュール５の充電時に抵抗Ｒ１でジュール熱として損失されるエネルギーを有効利用するようにしてもよい。
【００６０】
更に、本実施形態では、充電状態等の具体的な数値を挙げて例示した（例えば、５％、９５％）が、本発明はこれらの数値に限定されるものではなく、主電池１、補助電池２の仕様等により適宜変更するようにしてもよい。
【００６１】
そして、本実施形態では、主電池１として３６Ｖの群電圧を有する鉛電池を例示したが、本発明はこれに限定されることなく、例えば、現在車両に一般的に用いられている１２Ｖの鉛電池を電源システムに適用するようにしてもよい。
【００６２】
（第２実施形態）
次に、本発明を適用した車載用電源システムの第２の実施の形態について説明する。本実施形態では、キャパシタモジュール５の充電を補助電池部８から独立したモジュール充電部で行うものである。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付してその説明を省略し、異なる箇所のみ説明する。
【００６３】
図１に示すように、本実施形態の電源システム１１は、キャパシタモジュール５に電力を供給するモジュール充電部６を更に備えている。モジュール充電部６には、燃料電池、太陽電池や発電機等の、補助電池２から独立した発電手段が用いられる。モジュール充電部６は、主電池１や補助電池２の電圧より大幅に低い電圧の発電手段でもよい。一般に、燃料電池は、単セルでは電圧が低いため、セルを大量に積層した構造が採られるが、キャパシタモジュール５により昇圧されるので、セルの積層数を低減し構造を簡素化することができる。
【００６４】
モジュール充電部６の一端は、図示しないスイッチＳｃを介してキャパシタモジュール５のスイッチＳ１〜Ｓ７のそれぞれの一端に接続されており、モジュール充電部６の他端はグランドに接続されている。モジュール充電部６とキャパシタモジュール５とを並列に接続すると過大な電流がキャパシタモジュール５に流れるおそれがある場合には、モジュール充電部６とスイッチＳｃとの間に、例えば、トランジスタと抵抗とで構成される熱消費回路を挿入してもよい。
【００６５】
充放電制御部１５のＣＰＵは、キャパシタモジュール５を放電時間ｔ２の間放電したときは、スイッチＳｃ、Ｓ３、Ｓ５、Ｓ６、Ｓ８〜Ｓ２２、Ｓ２４をオン状態とし、スイッチＳ１、Ｓ２、Ｓ４、Ｓ７、Ｓ２３をオフ状態とすることで、キャパシタＣ１〜Ｃ１８のキャパシタを各々並列に接続し、キャパシタモジュール５とモジュール充電部６とを並列に接続する。これにより、キャパシタモジュール５はモジュール充電部６からの電力により充電される。キャパシタモジュール５を充電時間の間充電したときは、主電池１へ電力を供給させ、主電池１を充電する。
【００６６】
本実施形態の電源システム１１では、モジュール充電部６の電力によりキャパシタモジュール５が充電される。キャパシタモジュール５の充電に補助電池２の電力を消費することがないので、補助電池２の電力を主電池１の充電に有効に利用することができる。
【００６７】
【実施例】
次に、上述した第１実施形態に従って、車載用電源システム１１で主電池１の充電を行った実施例について説明する。なお、比較のために行った比較例についても併記する。
【００６８】
（実施例１）
実施例１では、充電電圧４２Ｖの電圧を発生する発電機を使用した。充電状態（ＳＯＣ）が８０％になるまで放電した状態の主電池１と、このときの主電池１の開路電圧３７．６Ｖと同じになるように放電した補助電池２を使用した。
【００６９】
（実施例２）
キャパシタモジュール５に代えて、ＤＣ−ＤＣコンバータを用いた以外は実施例１と同様にした。
【００７０】
（比較例１）
比較例１では、１０００Ｆのキャパシタと主電池１を直接並列に接続した電源システムを使用した。従って、比較例２は、補助電池を有していない電源システムである。
【００７１】
（試験）
車両搭載時の回生充電に想定されうる５０Ａの電流を１０秒間流した後、３分間放置というサイクルを３０回行った後、主電池１の残存容量を測定し充電状態を求めた。充電時には、キャパシタモジュール５と補助電池２、主電池１が並列となるようにスイッチのオン・オフ状態を制御し、放置時には、補助電池２−キャパシタモジュール５の直列回路が主電池１に並列に接続されるように制御した。サイクル後の充電状態の結果を下表２に示す。
【００７２】
【表２】

【００７３】
表２に示すように、比較例１の電源システムでは、主電池１の充電状態が５６％と低かったのに対し、実施例１及び実施例２の電源システム１１では、サイクル試験後の主電池１の充電状態は９６％であり、主電池１の充電に優れていることが判った。
【００７４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、補助電池と電圧昇圧手段とが直列に接続されているので、補助電池の電圧と電圧昇圧手段で昇圧された補助電池の電圧とにより主電池部を充電することができる、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電源システムの概略ブロック図である。
【図２】実施形態のキャパシタモジュールのキャパシタ及びスイッチの接続を示すブロック回路図である。
【図３】１８個のキャパシタを直列に接続し、キャパシタモジュール、補助電池、主電池及びモータジェネレータを並列接続した状態を示すキャパシタモジュールのブロック回路図である。
【図４】１８個のキャパシタを直列に接続し、キャパシタモジュール、補助電池及びモータジェネレータを並列接続した状態を示すブロック回路図である。
【図５】１８個のキャパシタを並列に接続し、キャパシタモジュールと補助電池とを直列接続した状態を示すブロック回路図である。
【図６】２個のキャパシタを直列に接続して９並列に接続し、キャパシタモジュールと補助電池とを直列接続した状態を示すブロック回路図である。
【図７】３個のキャパシタを直列に接続して６並列に接続し、キャパシタモジュールと補助電池とを直列接続した状態を示すブロック回路図である。
【図８】６個のキャパシタを直列に接続して３並列に接続し、キャパシタモジュールと補助電池とを直列接続した状態を示すブロック回路図である。
【図９】１８個のキャパシタを直列に接続し、キャパシタモジュールと補助電池とを直列接続した状態を示すブロック回路図である。
【図１０】１８個のキャパシタを並列に接続し、キャパシタモジュールと補助電池とを並列接続した状態を示すブロック回路図である。
【符号の説明】
１　主電池（主電池部の一部）
２　補助電池（補助電池部の一部）
３　モータジェネレータ（発電機）
５　キャパシタモジュール（電圧昇圧手段、補助電池部の一部）
６　モジュール充電部（充電手段）
８　補助電池部
Ｓ　スイッチ（主電池部の一部）
１１　電源システム[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power supply system, and more particularly, to a power supply system including a main battery unit and an auxiliary battery unit connectable to the main battery unit in parallel.
[0002]
[Prior art]
In recent years, global warming and environmental pollution due to exhaust gas and the like have attracted attention as major problems, and it has been desired to improve energy efficiency in automobiles and power plants and to use clean energy that does not emit exhaust gas at all. In automobile applications, an energy management system using a secondary battery that can reduce exhaust gas is partially used. The technique of using the regenerative electric power at the time of braking for charging the secondary battery is a typical energy management technique, and can greatly increase the energy efficiency of an automobile. Lithium secondary batteries and nickel-metal hydride batteries are used in vehicles having a charging function using regenerative power, and lead batteries are also used in simplified systems.
[0003]
However, secondary batteries have superior input (power receiving) performance. For example, lead batteries are lower in cost than lithium secondary batteries, but have lower input performance. In order to supplement the performance of a secondary battery having low input performance, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-340328 discloses a power supply device (hybrid power supply) that combines a secondary battery and a capacitor in parallel and uses the capacitor during regeneration. ) Is disclosed.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, since the voltage of the capacitor greatly increases due to charging, the voltage reaches the maximum voltage in a short time due to the regenerative power from the generator, and the capacitor is no longer charged. Further, since the regenerative power cannot be received when the secondary battery and the capacitor are fully charged, it is necessary that both the secondary battery and the capacitor have been discharged to some extent. Further, in order to frequently receive regenerative power, it is desirable to discharge the capacitor by using the power once stored in the capacitor by regeneratively for charging or loading the secondary battery. In order to charge a secondary battery with a large current, it is necessary to maintain a high charging voltage to some extent. However, since the voltage of a capacitor is greatly reduced by discharging, it takes a short time to charge the secondary battery from the capacitor. Therefore, there is a problem that the charge current decreases and it takes time to move the charge.
[0005]
The voltage range used in the hybrid power supply of the secondary battery and the capacitor is mainly determined by the voltage range of the secondary battery. For example, the charging voltage at a high current efficiency assumed for a lead battery is 1.95 to It is limited to a very narrow voltage range of about 2.5 V / cell. For this reason, of the amount of electricity stored in the capacitor, the capacity that can be actually used for charging the secondary battery is only about 20%, which is a small amount of electricity. Not used up.
[0006]
In view of the above case, an object of the present invention is to provide a power supply system that can efficiently charge a secondary battery.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problem, the present invention is a power supply system including a main battery unit and an auxiliary battery unit connectable in parallel to the main battery unit, wherein the auxiliary battery unit includes an auxiliary battery and the auxiliary battery. And a voltage boosting means for boosting the voltage of the power supply are connected in series. According to the present invention, since the auxiliary battery and the voltage booster are connected in series, the main battery unit can be charged with the voltage of the auxiliary battery and the voltage of the auxiliary battery boosted by the voltage booster.
[0008]
In this case, the voltage booster may be a DC-DC converter. Further, the voltage booster may be a capacitor group having a plurality of switches. At this time, a generator that can be connected in parallel with the capacitor group is further provided, and the capacitor group is charged by connecting the capacitor group and the generator in parallel by on / off control of a switch, whereby the capacitor group is charged by the generator. Therefore, the electric power from the generator can be stored in the capacitor group. If the auxiliary battery and the capacitor group or the main battery unit, the auxiliary battery and the capacitor group are connected in parallel by the switch on / off control to charge the capacitor group, the auxiliary battery or the main battery unit and the auxiliary battery can be used to charge the capacitor group. Is charged, power from the auxiliary battery or the main battery unit and the auxiliary battery can be stored in the capacitor group. Furthermore, a charging unit independent of the auxiliary battery unit is further provided. If the capacitor group is charged by connecting the capacitor group and the charging unit in parallel, the capacitor group is charged by the charging unit. Can be stored in groups. If the number of series-connected capacitors constituting the capacitor group is changed by on / off control of the switch in accordance with the voltage of the auxiliary battery unit, the voltage is boosted according to the number of series-connected capacitors. The main battery unit can be charged efficiently regardless of the voltage level of the unit.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
(1st Embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of a vehicle-mounted power supply system to which the present invention is applied will be described with reference to the drawings.
[0010]
(Constitution)
As shown in FIG. 1, a power supply system 11 includes a motor generator 3 having a function such as a vehicle drive motor, a load 4 connected via a regulator 7, and charging / discharging for supplying power to the motor generator 3 and the load 4. A system unit 10 is provided.
[0011]
The motor generator 3 has three functions of a motor that drives the vehicle and starts the engine, an alternator that generates electric power by the rotational force of the engine, and a generator that converts regenerative energy during vehicle braking into electric energy.
[0012]
The motor generator 3 functions as a motor serving as a vehicle drive source when the vehicle travels from a start of the vehicle to a vehicle speed of about 30 km / hour. At this time, electric power is supplied to motor generator 3 from charge / discharge system unit 10. Further, the motor generator 3 functions as an alternator (generator) by the rotational force of the engine during driving of the engine. At this time, the charge / discharge system unit 10 can be charged by the generated power. Further, during vehicle braking, the motor generator 3 functions as a high-output generator. At this time, the auxiliary battery 2 and the capacitor module 5 described later can be charged by the regenerative electric power. Motor generator 3 is switched to any of the three functions described above by a vehicle control system (not shown).
[0013]
The load 4 includes, for example, a lamp, a wiper, a radio, and the like, and power is supplied from the charge / discharge system unit 10 or the motor generator 3. The regulator 7 is inserted so that the motor generator 3 limits the maximum current of the regenerative electric power when the vehicle is braked.
[0014]
The charge / discharge system unit 10 includes a main battery 1 serving as a main power supply for power supply, an auxiliary battery unit 8 for charging the main battery 1, and a charge / discharge control unit for controlling the charge / discharge state of the main battery 1 and the auxiliary battery unit 8. 15. The auxiliary battery unit 8 includes a plurality of switches and a plurality of capacitors (capacitors), and includes a capacitor module 5 that functions as a DC-DC converter and the auxiliary battery 2 that supplies charging power to the main battery 1. The capacitor module 5 and the auxiliary battery 2 are connected in series.
[0015]
The charge / discharge control unit 15 functions as a CPU that functions as a central processing unit, a ROM in which a basic control program of the charge / discharge control unit 15 and various setting values are stored, a work area of the CPU, and temporarily stores various data. , A RAM, an A / D converter, an output port for sending a high-level signal to a switch described later, a bus for connecting these, and the like. The charge / discharge control unit 15 detects the current / voltage of the main battery 1 and the auxiliary battery 2 and controls the respective charge / discharge states. The CPU of the charge / discharge control unit 15 receives notification of the functions and states of the vehicle and the motor generator 3 by communication from a CPU of a vehicle control system (not shown).
[0016]
A lead battery is used as the main battery 1. As the battery case of the lead battery, a monoblock battery case having an interior defined by 18 cell chambers is used. In each cell chamber, a group of electrode plates in which a plurality of positive electrode plates and a plurality of negative electrode plates are laminated with a glass fiber separator interposed therebetween is accommodated, and an electrolytic solution (dilute sulfuric acid) is injected. Each cell chamber is sealed with a lid that integrally covers the opening of the monoblock battery case, and a control valve is provided above each cell chamber to be sealed. Each cell chamber is connected in series by a conductive connecting member. The nominal voltage of each cell is 2 V, and the lead battery 1 is a control valve type lead battery having a capacity of 20 Ah and a nominal group voltage of 36 V.
[0017]
The auxiliary battery 2 is configured by connecting ten lithium ion batteries (hereinafter, referred to as unit cells) in series. The unit cell has a wound electrode body in which a positive electrode in which a positive electrode active material is applied to an aluminum foil and a negative electrode in which a negative electrode active material is applied to a copper foil are wound via a microporous separator. The electrode body is immersed in a non-aqueous electrolyte and accommodated in a cylindrical battery can. Each battery can is sealed with a sealing body also serving as a positive electrode terminal. It is preferable to use lithium manganate as the positive electrode active material of the unit cell and amorphous carbon having a high correlation between the open circuit voltage (OCV) and the state of charge (SOC) as the negative electrode active material. The nominal voltage of the cell is 3.6 V and the capacity is 3.5 Ah.
[0018]
One end of a current sensor (not shown) such as a Hall element for detecting a current flowing through the main battery 1 and the auxiliary battery 2 is connected to each of the negative external terminals of the main battery 1 and the auxiliary battery 2. The end is connected to the ground. The output terminals of each current sensor, the positive and negative external terminals of the main battery 1, and the terminals of the highest potential side and lowest potential side unit cells of the auxiliary battery 2 are connected to the A / D converter in the charge / discharge control unit 15. I have. For this reason, the CPU of the charge / discharge control unit 15 can capture the current and voltage of the main battery 1 and the auxiliary battery 2 as digital values.
[0019]
One end of motor generator 3 is connected to connection point P. The positive external terminal of the main battery 1 is connected to a connection point P via a switch S. One end of the auxiliary battery unit 8 (capacitor module 5) is connected to a connection point P. One end of the load 4 is connected to one end of the regulator 7, and the other end of the regulator 7 is connected to a connection point P. The other ends of the motor generator 3 and the load 4 are respectively connected to the ground. Therefore, the main battery 1, the auxiliary battery unit 8, the motor generator 3, and the load 4 can be connected in parallel.
[0020]
As shown in FIG. 2, the capacitor module 5 includes 18 capacitors C1 to C18 having the same capacity and 24 switches S1 to S24. The switches S3 to S22 change the number of series-parallel connections of the capacitors C1 to C18. The switches S1, S2, S23, and S24 connect and disconnect the connection point P-capacitor and the series-parallel connection between the auxiliary battery 2 and the capacitor. Make a connection.
[0021]
One end of the switch S2 is connected to a connection point P, and the other end of the switch S2 is connected to one end of each of the switches S1, S3 to S7. The other end of the switch S1 is connected to the positive terminal of the highest potential unit cell of the auxiliary battery 2 and one end of the switch S23. One end of each of the switches S19 to S22 and S24 and one end of the capacitor C18 are connected to the other end of the switch S23. The other end of the switch S24 is connected to the ground.
[0022]
For the switches S, S1 to S24 described above, for example, an FET functioning as a switch element can be used, and an output port of the charge / discharge control unit 15 is connected to a gate of the FET. Therefore, when a weak high-level signal is input from the output port of the charge / discharge control unit 15 to the gate of the FET, a current flows between the drain and the source, and the switch is turned on.
[0023]
It is preferable to use a capacitor that withstands the maximum allowable current (for example, 80 A) during regeneration of the motor generator 3 and has a small capacity as much as possible. When the capacitor module 5 is charged with the power from the auxiliary battery 2, if the auxiliary battery 2 and the capacitor module 5 are simply connected in parallel, an excessive current may flow through the capacitor module 5. At the start of charging, it is preferable that a resistor R1 close to the resistance value calculated by the following equation (1) is inserted between the switch S1 of the capacitor module 5 and the auxiliary battery 2.
[0024]
(Equation 1)

[0025]
In equation (1), V1 is the open circuit voltage of the auxiliary battery 2, V2 is the voltage across the capacitor module 5, I1 is the allowable current of the capacitor module 5, R2 is the internal resistance of the auxiliary battery 2 at the allowable current I1, and R3 is the capacitor. 5 shows the internal resistance of module 5. When the calculated value of the equation (1) is a negative value or a value sufficiently smaller than the value of (R2 + R3), it is not necessary to insert the resistor R1. In order to shorten the time required for charging the capacitor module 5, it is preferable to use a capacitor having a large allowable current I1 and reduce R1.
[0026]
When the electric quantity Q1 is charged from the auxiliary battery 2 to the capacitor module 5, the energy E1 lost as Joule heat in the resistor R1 can be roughly calculated by the following equation (2) regardless of the resistance value of the resistor R1.
[0027]
(Equation 2)

[0028]
When the main battery 1 is charged with the electric power from the capacitor module 5, the charging time t1 required for charging the capacitor module 5 is set to be equal to the charging time t1 of the capacitor module 5 in order to secure the transfer time of the charge from the capacitor module 5 to the main battery 1. It is necessary to make it shorter than the discharge time t2. The charging time t1 and the discharging time t2 can be obtained by the following equations (3-1) and (3-2), respectively. In the following equations (3-1) and (3-2), C represents the capacitance of the capacitor, and R4 represents the DC resistance of the main battery 1 during charging. By setting R1 to a value smaller than R4, it is possible to secure the transfer time of the charge from the capacitor module 5 to the main battery 1.
[0029]
[Equation 3]

[0030]
From the expressions (3-1) and (3-2), the time t required for charging and discharging the capacitor module 5 is obtained by adding the charging time t1 and the discharging time t2, that is, t = C · (R1 + R4). It can be estimated. By continuously charging and discharging the capacitor module 5 in a time equal to or shorter than the time t, the capacitor module 5 can be maintained at a high voltage, and the main battery 1 can be charged with a relatively large current. It becomes.
[0031]
(motion)
Next, the operation of the vehicle-mounted power supply system 11 of the present embodiment will be described mainly with respect to the CPU (hereinafter simply referred to as CPU) of the charge / discharge control unit 15.
[0032]
<Battery state calculation>
The main battery 1 is charged by the motor generator 3 when the motor generator 3 functions as an alternator, and is charged by the auxiliary battery unit 8 when the motor generator 3 is stopped (when the motor generator 3 does not function as any of the motor, the alternator and the generator). Charged. The main battery 1 starts charging when the state of charge is less than 50%, and stops charging when the state of charge is 95%. On the other hand, when the state of charge of the main battery 1 is 50% or more, electric power is supplied to the motor generator 3 and / or the load 4 functioning as a motor by discharging the main battery 1.
[0033]
The auxiliary battery 2 is charged when the motor generator 3 functions as an alternator or a generator. The charging of the auxiliary battery 2 by the alternator function is started when the state of charge is less than 5%, and stopped when the state of charge is 50%. In addition, the auxiliary battery 2 is allowed to be charged up to 95% when the vehicle is braked by the generator function of the motor generator 3. The capacitor module 5 is charged from the generator function of the motor generator 3 or the auxiliary battery 2.
[0034]
During parking of the vehicle (before the ignition switch of the vehicle is at the ON position), the CPU detects the open circuit voltage OCV of the main battery 1 every predetermined time (for example, 6 hours) according to an instruction from the vehicle control system. Based on the detected open circuit voltage OCV of the main battery 1, the remaining capacity Qres and the state of charge SOC of the main battery 1 are calculated and stored in the RAM using an interpolation method based on the battery state map of the main battery 1 developed in the RAM.
[0035]
As shown in Table 1 below, for example, the battery state map is stored in advance in the ROM of the charge / discharge control unit 15 in a state where the open circuit voltage OCV, the state of charge Qres, the state of charge SOC, and the like correspond to each other. Has been expanded to. Table 1 shows an example at a temperature of 25 ° C. and a current of 250 A.
[0036]
[Table 1]

[0037]
Further, when the CPU receives a notification from the vehicle control system (not shown) that the ignition switch is located at the ON position, the CPU detects the current of the main battery 1 and integrates the detected currents for a predetermined time (for example, 10 seconds). In each case, the integrated amount of electricity (the amount of the integrated current) is obtained. The CPU estimates the current remaining capacity of the main battery 1 by sequentially adding (decreasing) the accumulated amount of electricity to the remaining capacity Qres of the main battery 1 stored in the RAM, and estimates the current remaining capacity of the main battery 1 from the battery state map of Table 1. A current state of charge SOC corresponding to the remaining capacity is calculated. Similarly, the remaining capacity Qres and the state of charge SOC of the auxiliary battery 2 are calculated from the battery state map of the auxiliary battery 2 developed in the RAM of the charge / discharge control unit 15.
[0038]
Next, charge / discharge control of the main battery 1, the auxiliary battery 2, and the capacitor module 5 by controlling the ON / OFF states of the switches S and S1 to S24 will be described separately for the states of the motor generator 3 notified from the vehicle control system. I do.
[0039]
<Motor function status>
When the state of charge of the main battery 1 is 50% or more when the motor generator 3 functions as a motor, the switch S is turned on and the switch S2 is turned off. Thereby, main battery 1 is connected in parallel with motor generator 3 and load 4, and the power of main battery 1 is supplied to motor generator 3 and load 4. On the other hand, when the state of charge of the main battery 1 is less than 50%, the vehicle control system is notified that the engine needs to be started. The vehicle control system that has received the notification starts the engine and charges the main battery 1 using the motor generator 3 as an alternator function.
[0040]
<Alternator function status>
As shown in FIG. 3, when the motor generator 3 functions as an alternator, when the state of charge of the main battery 1 is less than 50% or when the state of charge of the auxiliary battery 2 is less than 5%, the switches S, S1,. By turning on S2, S4 and S24 and turning off the switches S3 and S5 to S23, the capacitors C1 to C18 are connected in series, and the main battery 1, the auxiliary battery 2 and the capacitor module 5 are connected to the motor generator 3. Connect in parallel. As a result, the main battery 1, the auxiliary battery 2, and the capacitor module 5 are charged by the power from the alternator, and the load 4 is supplied with power from the alternator. By turning off the switch S when the state of charge of the main battery 1 is 95% or more, charging of the main battery 1 is stopped. When the state of charge of the auxiliary battery 2 is 50% or more, the switch S1 is turned off to stop charging the auxiliary battery 2. When the charging of the capacitor module 5 is completed, the switches S4 and S24 are turned off to stop charging the capacitor module 5. Note that FIG. 3 shows only the switches in the ON state by omitting the switches in the OFF state (the same applies to FIGS. 4 to 10 hereinafter).
[0041]
<Status of generator function>
As shown in FIG. 4, when the motor generator 3 functions as a generator, the switches S1, S2, S4, and S24 are turned on, and the switches S3, S5 to S23 are turned off, so that the capacitors C1 to C18 are turned off. The auxiliary battery 2 and the capacitor module 5 are connected in series and the motor generator 3 is connected in parallel. Thereby, the auxiliary battery 2 and the capacitor module 5 are charged by the regenerative electric power from the motor generator 3, and the regenerative electric power is supplied to the load 4. By turning off the switch S2 when the state of charge of the auxiliary battery 2 is 95% or more, charging of the auxiliary battery 2 by regenerative power is stopped. When the charging of the capacitor module 5 is completed, the switches S4 and S24 are turned off to stop charging the capacitor module 5.
[0042]
<Stopped state>
When the motor generator 3 is stopped, the switch S is turned on and the switch S2 is turned off, so that power is supplied from the main battery 1 to the load 4. When the state of charge of the main battery 1 is less than 50%, the number of capacitors connected in series is changed by controlling the on / off states of the switches S3 to S22, the switches S2 and S23 are turned on, and the switches S1 and S24 are turned on. By turning off, the auxiliary battery 2 and the capacitor module 5 are connected in series. As a result, electric power is supplied from the auxiliary battery 2 and the capacitor module 5 to the main battery 1, and the main battery 1 is charged.
[0043]
The CPU refers to a table in which the required number of series-parallel connections is predetermined in order to select the number of series-connected capacitors in accordance with the voltage of the auxiliary battery 2. At this time, the voltage of the auxiliary battery unit 8 is set to be higher than the voltage of the main battery 1.
[0044]
That is, as shown in FIG. 5, when the switches S3, S5, S6 and S8 to S22 are turned on and the switches S4 and S7 are turned off, the capacitors C1 to C18 are connected in parallel. Also, as shown in FIG. 6, the switches S4, S7, S8, S10, S12, S15, S17, S19, S20 are turned on, and the switches S5, S6, S9, S11, S13, S14, S16, S18, S21 , S22 are turned off, the two capacitors are connected in series and 9 in parallel. Further, as shown in FIG. 7, the switches S6, S8, S11, S16, S19, and S22 are turned on, and the switches S3 to S5, S7, S9, S10, S12 to S15, S17, S18, S20, and S21 are turned off. In this state, three capacitors are connected in series and six in parallel. Further, as shown in FIG. 8, when the switches S4, S8, and S19 are turned on and the switches S3, S5 to S7, S9 to S18, and S20 to S22 are turned off, the capacitors C1 to C6 and the capacitors C12 to C7 are turned off. , Capacitors C13 to C18 are connected in series and three in parallel. Further, as shown in FIG. 9, when the switch S4 is turned on and the switches S3 and S5 to S22 are turned off, the capacitors C1 to C18 are connected in series.
[0045]
When the capacitor module 5 is discharged during the discharge time t2, as shown in FIG. 10, the switches S1, S3, S5, S6, S8 to S22, and S24 are turned on, and the switches S2, S4, S7, and S23 are turned off. In this state, the capacitors C1 to C18 are connected in parallel, and the capacitor module 5 and the auxiliary battery 2 are connected in parallel. Thus, the capacitor module 5 is charged by the electric power from the auxiliary battery 2. When the capacitor module 5 is charged for the charging time t1, the power is supplied to the main battery 1 as described above, and the main battery 1 is charged to, for example, a charged state of 55%.
[0046]
In charging the capacitor module 5 with the electric power from the auxiliary battery 2, since the charging time t1 needs to be shorter than the discharging time t2 as described above, the capacitors are connected in parallel. In addition, even if each capacitor is connected in parallel, since the capacity of the auxiliary battery 2 is small, each capacitor can be prevented from becoming large. On the other hand, in charging the capacitor module 5 by the alternator function or the generator function of the motor generator 3 described above, the capacitors are connected in series and charged because the discharge time is not considered. The charging voltage of the capacitor module 5 is divided into 18 capacitors, so that it is possible to cope with a large voltage from the motor generator 3 even if a capacitor having a small allowable voltage is used.
[0047]
(Action, etc.)
Next, the operation of the vehicle-mounted power supply system 11 of the present embodiment will be described.
[0048]
In the power supply system 11 of the present embodiment, when the auxiliary battery unit 8 has the auxiliary battery 2 and the capacitor module 5 connected in series, the motor generator 3 is stopped, and the state of charge of the main battery 1 is less than 50%. Then, the main battery 1 and the auxiliary battery unit 8 are connected in parallel. At this time, the voltage of the auxiliary battery 2 is boosted by the capacitor module 5, and power is supplied from the high-voltage auxiliary battery unit 8 to the main battery 1, so that the main battery 1 can be charged with a relatively large current.
[0049]
In the power supply system 11 according to the present embodiment, the number of series-parallel connected capacitors is changed by referring to the table according to the voltage of the auxiliary battery 2. At this time, when the voltage of the auxiliary battery 2 is low, the number of series connection is increased. Even if the voltage of the auxiliary battery 2 is low, the voltage of the auxiliary battery unit 8 can be made higher than that of the main battery 1, and the main battery 1 can be charged with high current efficiency. Therefore, according to the vehicle-mounted power supply system 11, the use efficiency of the auxiliary battery unit 8 can be improved.
[0050]
Further, in the power supply system 11 of the present embodiment, the auxiliary battery 2 and the capacitor module 5 are connected in parallel, and the capacitors C1 to C18 are connected in parallel. Since the capacitors are connected in parallel, the charging time t1 of the capacitor module 5 by the power from the auxiliary battery 2 can be reduced. Therefore, the charge transfer time from the capacitor module 5 to the main battery 1 (discharge time t2 of the capacitor module 5) can be made longer than the charging time t1, and the power of the auxiliary battery unit 8 can be efficiently supplied to the main battery 1. Can be.
[0051]
Furthermore, in the power supply system 11 of the present embodiment, since the resistor R1 is connected between the auxiliary battery 2 and the capacitor module 5, the excessive current from the auxiliary battery 2 is prevented from flowing directly to the capacitor module 5. be able to.
[0052]
Furthermore, in the power supply system 11 of the present embodiment, when the motor generator 3 functions as a generator or an alternator, the capacitors C1 to C18 are connected in series, and the auxiliary battery unit 8 or the main battery 1 and the auxiliary battery unit 8 are connected. Are connected in parallel with motor generator 3. For this reason, the auxiliary battery unit 8 uses the regenerative power from the motor generator 3 when the motor generator 3 functions as a generator, or uses the main battery 1 and the auxiliary battery unit 8 when the motor generator 3 functions as an alternator. Each is charged by electric power from motor generator 3. Since the charging voltage applied to each capacitor connected in series is divided, the capacitor is not deteriorated or damaged beyond the withstand voltage of the capacitor.
[0053]
In the present embodiment, an example in which ten unit cells are connected in series to the auxiliary battery 2 is used, but the present invention is not limited to this, and for example, five unit cells may be used. It may be. By doing so, the cost of the auxiliary battery 2 can be reduced.
[0054]
Further, in the present embodiment, the capacitor module 5 that boosts the voltage of the auxiliary battery 2 has been exemplified. However, the present invention is not limited to this. For example, a voltage amplifier using a transistor, a DC chopper using a thyristor Alternatively, the voltage may be boosted using a device that functions as a DC-DC converter.
[0055]
In the present embodiment, an example in which one set of capacitor modules 5 is connected in series with the auxiliary battery 2 has been described. For example, two sets of capacitor modules connected in parallel are connected in series with the auxiliary battery via switches. You may make it connect. The main battery 1 can be continuously charged by alternately charging and discharging the two sets of capacitor modules under the control of the switch.
[0056]
Further, in the present embodiment, an example is shown in which an FET functioning as a switch element is used for the switch of the capacitor module 5, but the present invention is not limited to this. Further, the power consumption of the switch element can be reduced by using the MOS type among the FETs.
[0057]
Furthermore, in the present embodiment, an example in which the number of series-connected capacitors is selected with reference to a predetermined table according to the voltage of the auxiliary battery 2 has been described. However, the present invention is not limited to this. Alternatively, the selection may be made according to the state of charge SOC of the main battery 1 or the remaining capacity Qres.
[0058]
Furthermore, in the present embodiment, an example in which the CPU of the charge / discharge control unit 15 communicates with the CPU of the vehicle control system has been described. However, the present invention is not limited to this, and for example, the CPU of the vehicle control system is charged. Discharge control may be performed. By doing so, the CPU of the vehicle control system can control the vehicle and the power supply system without communication.
[0059]
Further, in the present embodiment, the example in which the resistor R1 is connected between the auxiliary battery 2 and the capacitor module 5 has been described. However, the resistor R1 may be replaced with a useable load such as a lamp or a motor instead of the resistor R1. Thereby, the energy lost as Joule heat in the resistor R1 when the capacitor module 5 is charged may be effectively used.
[0060]
Furthermore, in the present embodiment, specific numerical values such as the state of charge and the like have been exemplified (for example, 5% and 95%). However, the present invention is not limited to these numerical values. You may make it change suitably according to the specification etc. of the battery 2.
[0061]
In the present embodiment, a lead battery having a group voltage of 36 V has been exemplified as the main battery 1. However, the present invention is not limited to this. For example, a lead battery of 12 V commonly used in vehicles at present is used. A battery may be applied to the power supply system.
[0062]
(2nd Embodiment)
Next, a second embodiment of the vehicle-mounted power supply system to which the present invention is applied will be described. In the present embodiment, the charging of the capacitor module 5 is performed by a module charging unit independent of the auxiliary battery unit 8. In the present embodiment, the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. Only different portions will be described.
[0063]
As shown in FIG. 1, the power supply system 11 of the present embodiment further includes a module charging unit 6 that supplies power to the capacitor module 5. The module charging unit 6 uses power generation means independent of the auxiliary battery 2, such as a fuel cell, a solar cell, and a generator. The module charging unit 6 may be a power generation unit having a voltage significantly lower than the voltage of the main battery 1 or the auxiliary battery 2. In general, a fuel cell has a structure in which a large number of cells are stacked because a single cell has a low voltage. However, since the pressure is increased by the capacitor module 5, the number of stacked cells can be reduced and the structure can be simplified. .
[0064]
One end of the module charging unit 6 is connected to one end of each of the switches S1 to S7 of the capacitor module 5 via a switch Sc (not shown), and the other end of the module charging unit 6 is connected to ground. If an excessive current may flow through the capacitor module 5 when the module charging unit 6 and the capacitor module 5 are connected in parallel, for example, a transistor and a resistor are provided between the module charging unit 6 and the switch Sc. Heat consumption circuit may be inserted.
[0065]
When discharging the capacitor module 5 during the discharge time t2, the CPU of the charge / discharge control unit 15 turns on the switches Sc, S3, S5, S6, S8 to S22, and S24, and switches S1, S2, S4, S7. , S23 are turned off, thereby connecting the capacitors C1 to C18 in parallel, and connecting the capacitor module 5 and the module charging unit 6 in parallel. Thus, the capacitor module 5 is charged by the electric power from the module charging unit 6. When the capacitor module 5 is charged during the charging time, the power is supplied to the main battery 1 to charge the main battery 1.
[0066]
In the power supply system 11 of the present embodiment, the capacitor module 5 is charged by the power of the module charging unit 6. Since the power of the auxiliary battery 2 is not consumed for charging the capacitor module 5, the power of the auxiliary battery 2 can be effectively used for charging the main battery 1.
[0067]
【Example】
Next, an example in which the main battery 1 is charged by the vehicle-mounted power supply system 11 according to the first embodiment described above will be described. Note that a comparative example performed for comparison is also described.
[0068]
(Example 1)
In the first embodiment, a generator that generates a voltage of a charging voltage of 42 V was used. The main battery 1 which was discharged until the state of charge (SOC) became 80%, and the auxiliary battery 2 which was discharged so that the open circuit voltage of the main battery 1 at this time became 37.6 V were used.
[0069]
(Example 2)
Example 1 was the same as Example 1 except that a DC-DC converter was used instead of the capacitor module 5.
[0070]
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, a power supply system in which a 1000 F capacitor and the main battery 1 were directly connected in parallel was used. Therefore, Comparative Example 2 is a power supply system having no auxiliary battery.
[0071]
(test)
After a current of 50 A, which can be assumed for regenerative charging when mounted on the vehicle, was passed for 10 seconds, and left for 3 minutes, a cycle of 30 times was performed. Then, the remaining capacity of the main battery 1 was measured to determine the state of charge. During charging, the on / off state of the switch is controlled so that the capacitor module 5 and the auxiliary battery 2 and the main battery 1 are in parallel. Controlled to be connected. Table 2 below shows the results of the state of charge after the cycle.
[0072]
[Table 2]

[0073]
As shown in Table 2, in the power supply system of Comparative Example 1, the state of charge of the main battery 1 was as low as 56%, whereas in the power supply systems 11 of Example 1 and Example 2, the main battery 1 after the cycle test was used. The charging state of No. 1 was 96%, which proved that the charging of the main battery 1 was excellent.
[0074]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the auxiliary battery and the voltage booster are connected in series, the main battery unit is controlled by the voltage of the auxiliary battery and the voltage of the auxiliary battery boosted by the voltage booster. The effect of being able to charge can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic block diagram of a power supply system according to an embodiment to which the present invention can be applied.
FIG. 2 is a block circuit diagram showing connections of capacitors and switches of the capacitor module according to the embodiment.
FIG. 3 is a block circuit diagram of a capacitor module showing a state in which 18 capacitors are connected in series, and a capacitor module, an auxiliary battery, a main battery, and a motor generator are connected in parallel.
FIG. 4 is a block circuit diagram showing a state in which 18 capacitors are connected in series, and a capacitor module, an auxiliary battery, and a motor generator are connected in parallel;
FIG. 5 is a block circuit diagram showing a state in which 18 capacitors are connected in parallel, and a capacitor module and an auxiliary battery are connected in series.
FIG. 6 is a block circuit diagram showing a state in which two capacitors are connected in series and connected in parallel, and a capacitor module and an auxiliary battery are connected in series.
FIG. 7 is a block circuit diagram illustrating a state in which three capacitors are connected in series and six capacitors are connected in parallel, and a capacitor module and an auxiliary battery are connected in series;
FIG. 8 is a block circuit diagram showing a state in which six capacitors are connected in series and three in parallel, and a capacitor module and an auxiliary battery are connected in series.
FIG. 9 is a block circuit diagram showing a state in which 18 capacitors are connected in series, and a capacitor module and an auxiliary battery are connected in series.
FIG. 10 is a block circuit diagram showing a state in which 18 capacitors are connected in parallel, and a capacitor module and an auxiliary battery are connected in parallel;
[Explanation of symbols]
1 Main battery (part of main battery section)
2 Auxiliary battery (part of the auxiliary battery unit)
3 Motor generator (generator)
5. Capacitor module (voltage booster, part of auxiliary battery unit)
6 Module charging section (charging means)
8 Auxiliary battery unit
S switch (part of main battery)
11 Power supply system

Claims

A power supply system including a main battery unit and an auxiliary battery unit connectable to the main battery unit in parallel, wherein the auxiliary battery unit includes an auxiliary battery and a voltage booster for boosting the voltage of the auxiliary battery in series. A power supply system characterized by being connected.

The power supply system according to claim 1, wherein the voltage booster is a DC-DC converter.

The power supply system according to claim 1, wherein the voltage boosting unit is a capacitor group having a plurality of switches.

4. The power supply device according to claim 3, further comprising: a generator that can be connected in parallel to the capacitor group, wherein the capacitor group and the generator are connected in parallel by on / off control of the switch to charge the capacitor group. A power supply system according to claim 1.

4. The capacitor group according to claim 3, wherein the auxiliary battery and the capacitor group or the main battery unit, the auxiliary battery and the capacitor group are connected in parallel by the on / off control of the switch, and the capacitor group is charged. 5. Power system.

4. The power supply system according to claim 3, further comprising a charging unit independent of the auxiliary battery unit, wherein the capacitor group and the charging unit are connected in parallel to charge the capacitor group.

4. The power supply system according to claim 3, wherein the number of capacitors connected in series in the capacitor group is changed by on / off control of the switch according to a voltage of the auxiliary battery unit. 5.