JP2003300439A

JP2003300439A - 車載電源システム

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Publication number: JP2003300439A
Application number: JP2002107042A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Imanishi; 啓之今西; Ryosuke Hata; 良輔畑
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2002-04-09
Filing date: 2002-04-09
Publication date: 2003-10-21

Abstract

(57)【要約】【課題】電源線の多数化、複雑化を防ぎつつ、必要に
応じてV＞V₀の高圧大容量機器群に対しても電力供給が
可能な車載電源システムを提供する。【解決手段】車のシャーシと、全電圧Vの車載用直流
電源とを具える。この全電圧Vをm：nに分割してV₁＝V×
m/(m＋n)、V₂＝V×n/(m＋n)とし、分割点をシャーシに
共通接地する。分圧V₁の系統には、一端がシャーシに共
通接地される負荷l₁₁、l₁₂…l_1mを接続し、分圧V₂の系
統は、一端がシャーシに共通接地される負荷l₂₁、l₂₂…
l_2nを接続する。そして、全電圧Vの系統には、シャーシ
に接地されることのない負荷L₁、L₂…L_kを接続する。こ
の車載用直流電源の少なくとも一部に電気二重層キャパ
シタ10,20を用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、車載電源システム
に関するものである。特に、電気二重層キャパシタを用
い、簡易な構成にて高圧大容量機器群に対しても電力供
給が可能な車載電源システムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の車載電源システムには、接地系電
源システムと非接地系電源システムがある。接地系電源
システムは、図３に示すように、全電圧Vの直流電源
（この場合は電池による電源で示す）にサプライのみの
１線で負荷L₁〜L_kを接続し、各負荷をシャーシに共通接
地する電源システムである。但し、極性については問題
としない。一方、非接地系電源システムは、図４に示す
ように、全電圧Vの直流電源にサプライとリターンの２
線を用いて負荷L₁〜L_kに接続し、各負荷はシャーシに接
地されない電源システムである。

【０００３】シャーシに接地をとる際、その直流安全電
圧V₀を定める規定として、現在のところ、次のものが挙
げられる。ドイツ規格（VDE0100/410，VDE0800/1）：60ボルトアメリカ規格（SAE J2232）：65ボルト国際規格（V₀IEC 準備中）：55ボルト

【０００４】現用乗用車の直流電源（電池）の電圧Vは1
2〜14ボルトであり、上記安全電圧V ₀に対して十分な安
全性を有している。また、一部で実用化されつつある高
電圧電源（電池）であっても上記安全電圧V₀を考慮して
V＝（12〜14）×3＝36〜42ボルト程度が対象と考えられ
ている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、近年、自動車
の機能が高まり、必要とする電源容量が大きくなると、
従来の12〜14ボルトでは低電圧過ぎて負荷電流が増加
し、様々な問題が生じてきた。

【０００６】（A）電流を流すワイヤーハーネスが著し
く太く重くなり、コネクター類も大型になって車用途に
向かなくなってきた。

【０００７】（B）大容量の機器が動作すると電源シス
テムの電圧低下が大きくなり、他の機器に不具合を生じ
る。

【０００８】（C）特に大きな容量のクーラーなどは、
十分な機能を発揮できなくなる。

【０００９】（D）もしV＞V₀の高電圧電池を導入する
と、未だ大半の車載機器がV＜V₀で動作し、シャーシを
共通接地できるのに対して、その様な接地がとれない。
その結果、2本線で電源を非接地系にしてゆくか、又は
高電圧電池からDC/DCコンバーターでいちいち低圧を作
り出してゆく必要がある。

【００１０】（E）ケーブルの絶縁は対アース（接
地）、すなわち対シャーシ電圧で設計されるから、大容
量負荷に対しては高い電圧で電力を供給するが、そこへ
至るまでの電力供給用ワイヤーハーネス、コネクター機
器類の対アース電圧はできるだけ小さくしておくことが
好ましい。

【００１１】（F）一般に、二次電池を用いた車載電源
システムでは、充放電の繰り返し回数に制限がある上、
複数のセルを組み合わせた場合、各セルごとに充電状態
を制御する必要がある。また、電極や電解液にPbやCdが
用いられることがあり、環境への負荷の点でも好ましく
なく、さらには発火の危険性もある。

【００１２】従って、本発明の主目的は、電源線の多数
化、複雑化を防ぎ、かつ可能な限り対アース電圧の低い
ワイヤーハーネス及びコネクター類を採用しながら必要
に応じてV＞V₀の高圧大容量機器群に対しても電力供給
が可能な車載電源システムを提供することにある。

【００１３】また、本発明の他の目的は、充放電の繰り
返し回数の制約を極力なくし、かつ環境への負荷も低減
できる車載電源システムを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は車載用直流電源
に電気二重層キャパシタを用いることで上記の目的を達
成する。

【００１５】すなわち、本発明車載電源システムは、車
の共通アースとなるシャーシと、全電圧Vの車載用直流
電源と、この全電圧Vをm：nに分割してV₁＝V×m/(m＋
n)、V₂＝V×n/(m＋n)にすると共に、前記シャーシに共
通接地される分割点と、一端がシャーシに共通接地さ
れ、分圧V₁の系統に接続される負荷l₁₁、l₁₂…l_1mと、
一端がシャーシに共通接地され、分圧V₂の系統に接続さ
れる負荷l₂₁、l₂₂…l_2nと、シャーシに接地されること
なく全電圧Vの系統に接続される負荷L₁、L₂…L_kとを具
え、前記車載用直流電源の少なくとも一部に電気二重層
キャパシタを用いたことを特徴とする。

【００１６】電圧Vの全電圧系統を分圧V₁、V₂の２つの
系統に分割し、V＜V₀（シャーシへ接地可能な直流安全
電圧）で動作する機器はシャーシの共通接地をとって各
分圧系統で電力を供給する。その際、V₁およびV₂の分圧
を従来の12〜14ボルト以上の電圧とすることで、大容量
の車載機器を余裕をもって動作させることができる。ま
た、V＞V₀の高圧大容量の必要な機器は、V₁＋V₂の全電
圧を適切に選択することにより、シャーシに接地されな
い独立の全電圧系統で電力供給することができる。この
ように、V＜V₀で動作する機器については１線で構成す
る接地系の電源システムにて電力を供給し、V＞V₀の高
圧大容量の必要な機器は、2線で構成する非接地系の電
源システムにて電力を供給することで、簡易な構成にて
大容量の車載機器に安定して電力供給することができ
る。

【００１７】また、車載用直流電源の一部に電気二重層
キャパシタを用いることで、充放電の繰り返し回数に
制限がない、環境への負荷あるいは発火の危険性がな
い、複数のセルから構成される電気二重層キャパシタ
を用いた場合でも、通常は各セルごとの充電状態をバラ
ンスさせる制御が不要である、といった効果を得ること
ができる。電気二重層キャパシタでは、一般に、42V程
度の電圧以下であれば、各セルごとの充電状態をバラン
スさせる制御が不要である。

【００１８】車載用直流電源は、全てを電気二重層キャ
パシタで構成しても良いし、一部を電気二重層キャパシ
タで構成し、電池と組み合わせて利用しても良い。特
に、電気二重層キャパシタと電池とを組み合わせた場
合、スターターやデフォッガなど、瞬時に大エネルギー
が必要とされる機器には電気二重層キャパシタから電力
供給し、ライトなどのある程度長時間使用する機器には
電池より電力供給を行うことで、負荷に適応した電源で
電力供給ができ、かつ電池の劣化も防ぐことができる。

【００１９】また、電気二重層キャパシタは、通常、充
電量と出力電圧との間に相関関係がある。例えば、この
充電量と出力電圧は一対一の関係に、より代表的にはリ
ニアな関係であるため、出力電圧を測定すれば、充電状
態を検知することができる。すなわち、電気二重層キャ
パシタの出力電圧を測定する電圧測定手段と、電圧測定
手段の測定結果から車載用直流電源の残容量を求める残
量検知手段とを具えることが望ましい。この場合、車載
用直流電源の全てが電気二重層キャパシタで構成されて
いれば車載用直流電源全体の残容量を、車載用直流電源
の一部が電気二重層キャパシタで構成されていれば車載
用直流電源における電気二重層キャパシタ部分の残容量
を検知することができる。

【００２０】残量検知手段は、例えば、予め充電量と出
力電圧との関係を記憶手段に記憶しておき、電圧測定手
段の測定結果を前記記憶手段から読み出した関係とを比
較することで充電量を求める。この充電量、すなわち電
気二重層キャパシタの残容量は、例えばモニタ、ランプ
などの適宜な表示手段により表示し、利用者が残容量を
容易に把握できるようにすることが好ましい。

【００２１】上述したV₁およびV₂はV₀に対して種々の値
を選択できる。例えば、V₁≦V₀、V₂≦V₀とし、かつV₁＋
V₂≦V₀する。具体例としては、V₁を12〜14ボルト、V₂を
36〜42ボルトとすることが挙げられる。その場合、12〜
14ボルトと36〜42ボルトの２種類の接地系分圧系統に加
え、48〜56ボルト（V₁＋V₂）の非接地系全圧系統を得る
ことができる。しかも、従来の安全電圧V₀以下で3電源
系統を構成できるメリットがある。

【００２２】一方、V₁≦V₀、V₂≦V₀とし、かつV₁＋V₂＞
V₀としても良い。具体例としては、V₁およびV₂を36〜42
ボルトとすることが挙げられる。このような電圧を選択
すれば、V＜V₀で動作してシャーシに共通接地される２
つの接地系分圧系統を36〜42ボルトとして、従来以上の
大容量機器に対応することができる。さらに、72〜84ボ
ルトの非接地系全圧系統として活用することもでき、よ
り一層大容量が求められる車載機器に対応することもで
きる。

【００２３】これら多電圧電源から多用途負荷に電力を
供給するワイヤーハーネスとそれを接続するコネクター
の絶縁は、結局のところ、導体とシャーシ間の電圧に対
する絶縁として設計すればよい。そのため、非接地系の
高電圧（V）の負荷への電力供給用ワイヤーハーネス及
びコネクターであっても、結局はV₁、V₂の電圧に対する
絶縁を施したもので十分である。その結果、コンパクト
でシンプルな電源系統が構成され、特に車載用電源シス
テムとしては好ましい。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。（実施例１）図１は車載用直流電源の全てを電気二重層
キャパシタとした本発明車載電源システムの概略構成図
である。

【００２５】このシステムは全電圧Vの車載用直流電源
を具える。この全電圧Vは、V₁＝V×m/(m＋n)、V₂＝V×n
/(m＋n)としてm：nに分割され、２つの分圧系統を構成
する。そして、この電圧の分割点は、車両のシャーシに
共通接地される。

【００２６】ここで、V₁の分圧系統には、一端がシャー
シに共通接地される負荷l₁₁、l₁₂…l_1mが接続される。
また、V₂の分圧系統には、一端がシャーシに共通接地さ
れる負荷l₂₁、l₂₂…l_2nが接続される。そして、Vの全電
圧系統には、シャーシに接地されることのない負荷L₁、
L₂…L_kが接続される。

【００２７】既に述べたように、一部で実用化されつつ
ある高電圧電池であってもシャーシへ接地可能な直流安
全電圧V₀を考慮して全電圧V＝（12〜14）×3＝36〜42ボ
ルト程度が当面対象と考えられている。

【００２８】ところが、エンジンのスターター電源、ク
ーラー電源、4輪電動駆動用モーター電源としては、42
ボルトはなお低すぎて、さらなる高電圧化が要望されて
いる。その一方で、シャーシに共通接地可能な大半の機
器類の利便性、安全性ならびに高電圧電池の必要性等を
考慮すると、42ボルトを超える車載高電圧電源が実現さ
れる見込みは少ないか、あったとしても非常に複雑な安
全システムを考案、採用する必要がある。

【００２９】本発明では、V＜V₀でできるだけ高い電圧
の電気二重層キャパシタ10,20を2群（V₁＜V₀、V₂＜V₀）
設けて直列接続し、その中間点をシャーシに共通接地す
る。例えば、電気二重層キャパシタ10,20の電圧の絶対
値をV₁＝V₂＝42Vとすると、中間点をシャーシに共通設
置することによってV₁＝＋42V、V₂＝−42Vとなる。これ
らの各電気二重層キャパシタ10,20から供給される電力
は、シャーシ共通接地可能な電圧として各負荷l₁₁〜l_1m
とl₂₁〜l_2nに従来通りサプライ線（ワイヤーハーネス）
のみの1線で供給され、電源線の多数化、複雑化を回避
できる。また、これらのサプライ線（ワイヤーハーネ
ス）とそのコネクター類の絶縁はV₁、V₂に対応するもの
でよい。

【００３０】安全上、図1のα面の電力サプライ線は、V
₀未満のV₁、V₂の電圧で電力供給するだけであるため、
負荷ショート、サプライ線のショート等の場合でも、従
来の技術をそのまま適用できる。但し、V₁の分圧系統で
は、その電力サプライ線はプラス電圧に、V₂の分圧系統
では、その電力サプライ線はマイナス電圧になるので、
負荷l₁₁〜l_1mまたはl₂₁〜l_2nへの接続は、これらの極性
を考慮して行われる。

【００３１】一方、これら2群の電気二重層キャパシタ1
0,20を直列に接続して得られるV＝V ₁＋V₂の全電圧系統
から供給される電力は、シャーシに共通接地されること
のない重負荷L₁〜L_kに直接供給される。つまり、サプラ
イ/リターンの２線により回路が構成される。しかしな
がら、この場合でもサプライ線（ワイヤーハーネス）と
そのコネクター類の絶縁は、結局のところ、アース（シ
ャーシ）に対するものであればよいので、V₁、V₂に対応
するもののままでよい。

【００３２】図１のβ面で2線構成の場合、これらの線
間でショートしたり、重負荷L₁〜L_kがショートすると、
V＝V₁＋V₂の電圧による大きな事故（ショート）電流
が流れること、これらの2線を両方身体に接触させる
とVの電圧が身体にかかり危険を生ずること、が考えら
れるので、十分な保護が求められる。例えば、1線毎
に、その外周にシールド線を配置するか、2線を束ね
て、その外周にシールド線を配置し、シールド線はシャ
ーシに接地することが好ましい。

【００３３】V₁、V₂としては、低圧機器群へ電力供給用
として、12〜14ボルトの電気二重層キャパシタ10をV
₁に、36〜42ボルトの電気二重層キャパシタ20をV₂とし
て、V＝48〜56ボルトで使用することが挙げられる。ま
た、V₁＝V₂＝36〜42ボルトとして、V＝72〜84ボルトと
して活用してもよい。

【００３４】前者では従来の安全電圧V₀以下で二つの分
圧系統と一つの全電圧系統の合計3電源系を構成できる
メリットもあるが、重負荷電力供給用としては若干電圧
不足のきらいがある。一方、後者では最高72〜84ボルト
が活用できて、重負荷群にとっては一層パワフルな電力
供給システムが構成され得ることになる。

【００３５】また、電気二重層キャパシタを用いたこと
で、繰り返し充放電回数が無制限、パワー密度が
大、充電状態における使用領域が大、鉛フリーなた
め環境負荷が小、安全性大といった効果を得ることが
できる。

【００３６】特に、複数のセルをモジュール化した場
合、電池では必要なセル間の充電状態をバランスさせる
制御装置が、電気二重層キャパシタではある程度の電圧
までは不要である。さらに、電池ではセル間の充電状態
のバランスを制御し、充電が必要なセルのみを充電する
必要があるが、電気二重層キャパシタではモジュール化
した状態で一括充電することが可能である。

【００３７】そして、充電量と出力電圧が一対一の関係
にあるため、全電気二重層キャパシタの出力電圧を検知
する電圧計を設けることで、容易に車載直流電源全体の
充電量を把握することができる。

【００３８】（実施例２）図２は車載用直流電源の一部
を電気二重層キャパシタとした本発明車載電源システム
の概略構成図である。

【００３９】このシステムは、図１における分圧V₁は電
気二重層キャパシタ10で供給するが、分圧V₂は二次電池
で供給する構成としている。

【００４０】この実施例2でも、V₁の分圧系統、V₂の分
圧系統、V₁＋V₂の全圧系統の３系統を実現できる、電気
二重層キャパシタ10を用いた利点が得られる点は基本的
に実施例１と同様である。特に、実施例２では、スター
ターやデフォッガなど、瞬時に大エネルギーが必要とさ
れる機器には電気二重層キャパシタ10から電力供給し、
ライトなどのある程度長時間使用する機器には電池より
電力供給を行うことで、負荷に適応した電源で電力供給
ができ、かつ電池の劣化も防ぐことができる。

【００４１】また、本例において、電気二重層キャパシ
タ10の出力電圧を検知する電圧計を設けることで、容易
に車載直流電源における電気二重層キャパシタ部分の充
電量を把握することができる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明車載電源シ
ステムによれば、V≦V₀で動作する大部分の機器に対し
ては、シャーシ共通接地の低圧を供給し、安全と電源系
統の多数化、複雑化を防ぐことができる。さらに、V＞V
₀の高圧大容量の必要な機器群には2線の非接地系統によ
り高電圧大容量の電力を供給することができる。

【００４３】また、これら電源システムを構成するワイ
ヤーハーネスとコネクター類は、全電圧Vの負荷に電力
を供給するものであってもV₁、V₂に対応する絶縁のまま
でよい。

【００４４】さらに、電気二重層キャパシタを用いるこ
とで、繰り返し充放電回数が無制限、複数のセルを
モジュール化したときにも、セル毎の充電あるいはセル
毎の充電量の制御が不要、パワー密度が大、充電量
と出力電圧が一対一の関係で、電気二重層キャパシタの
充電量を把握が容易、充電状態における使用領域が
大、鉛フリーなため環境負荷が小、安全性大といっ
た効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】車載用直流電源の全部を電気二重層キャパシタ
とした本発明車載電源システムを示す概略構成図であ
る。

【図２】車載用直流電源の一部を電気二重層キャパシタ
とした本発明車載電源システムを示す概略構成図であ
る。

【図３】従来の接地系車載電源システムを示す概略構成
図である。

【図４】従来の非接地系車載電源システムを示す概略構
成図である。

【符号の説明】

10、20 電気二重層キャパシタ V 全電圧 V₁、V₂ 分圧 l₁₁〜l_1mとl₂₁〜l_2n 負荷 L₁〜L_k （重）負荷

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】車のシャーシと、全電圧Vの車載用直流電源と、この全電圧Vをm：nに分割して V₁＝V×m/(m＋n) V₂＝V×n/(m＋n) にすると共に、前記シャーシに共通接地される分割点
と、一端がシャーシに共通接地され、分圧V₁の系統に接続さ
れる負荷l₁₁、l₁₂…l₁ _mと、一端がシャーシに共通接地され、分圧V₂の系統に接続さ
れる負荷l₂₁、l₂₂…l₂ _nと、シャーシに接地されることなく全電圧Vの系統に接続さ
れる負荷L₁、L₂…L_kとを具え、前記車載用直流電源の少なくとも一部に電気二重層キャ
パシタを用いたことを特徴とする車載電源システム。
【請求項２】前記車載用直流電源の全てが電気二重層
キャパシタであることを特徴とする請求項１に記載の車
載電源システム。
【請求項３】前記車載用直流電源は、電気二重層キャ
パシタと二次電池とで構成されていることを特徴とする
請求項１に記載の車載電源システム。
【請求項４】前記電気二重層キャパシタは複数のセル
から構成され、各セルごとに充電量をバランスさせる制御装置を用いる
ことなく構成されたことを特徴とする請求項１に記載の
車載電源システム。
【請求項５】前記電気二重層キャパシタは複数のセル
から構成され、電気二重層キャパシタ全体の出力電圧を測定する電圧測
定手段と、電圧測定手段の測定結果から車載用直流電源全体の残容
量を求める残量検知手段とを具えることを特徴とする請
求項２に記載の車載電源システム。
【請求項６】電気二重層キャパシタは複数のセルから
構成され、電気二重層キャパシタの個々のセルの出力電圧を測定す
る電圧測定手段と、電圧測定手段の測定結果から車載用直流電源全体の残容
量を求める残量検知手段とを具えることを特徴とする請
求項２に記載の車載電源システム。
【請求項７】前記電気二重層キャパシタは複数のセル
から構成され、電気二重層キャパシタ全体の出力電圧を測定する電圧測
定手段と、電圧測定手段の測定結果から車載用直流電源における電
気二重層キャパシタ部分の残容量を求める残量検知手段
とを具えることを特徴とする請求項３に記載の車載電源
システム。
【請求項８】電気二重層キャパシタは複数のセルから
構成され、電気二重層キャパシタの個々のセルの出力電圧を測定す
る電圧測定手段と、電圧測定手段の測定結果から車載用直流電源における電
気二重層キャパシタ部分の残容量を求める残量検知手段
とを具えることを特徴とする請求項３に記載の車載電源
システム。
【請求項９】さらに、前記残容量の表示手段を具える
ことを特徴とする請求項5〜8のいずれかに記載の車載電
源システム。