JP2005124275A - 車載充電制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素で廉価な構成で少なくとも電源からの電力を必要に応じて降圧してバッテリに充電できる車載充電制御装置を提供する。
【解決手段】 この車載充電制御装置１３では、電源９，３とバッテリ５との間の給電路１５に介装接続された開閉スイッチ１８と、開閉スイッチ１８に並列接続された電圧降下用素子１８ａと、電源９，３の出力電圧に応じて、開閉スイッチ１８をオン制御して電源９，３からの電力を開閉スイッチ１８を通電させてバッテリ５に充電させる非降圧充電制御と、開閉スイッチ１８をオフ制御して電源９，３からの電力を電圧降下用素子１８ａを通電させてバッテリ５に充電させる降圧充電制御とを選択的に行う制御回路２５とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気自動車等の自動車に搭載されてバッテリの充電を制御する車載充電制御装置に関する。

走る、曲がる、止まる等の自動車の重要な機能がメインバッテリからの電力により駆動される電気自動車等の自動車には、メインバッテリがバッテリ切れしても、その様な自動車の重要な機能が確保される様に、メインバッテリをバックアップする為のサブバッテリが搭載される。

このサブバッテリは、バックアップの観点からメインバッテリより長持ちさせる必要がある。その為、発電機側からサブバッテリへの充電の際は、発電機側からの電力をサブバッテリの推奨充電電圧範囲内に調整して充電する必要がある。又、発電機側からの電力が過大電圧状態や過電流状態の場合は、給電路を遮断してそれらの状態からサブバッテリを保護する事が望ましい。その為、上記の様な自動車には、発電機側からサブバッテリへの充電を適切に行わせる為の車載充電制御装置が搭載される。

従来の車載充電制御装置は、発電機側からの電力がサブバッテリの推奨充電電圧範囲以上となる使用環境では、降圧式のＤＣ−ＤＣコンバータとして構成される。このＤＣ−ＤＣコンバータ１００は、図２の様に、発電機１０１側からの出力電圧をチョッピングする為のスイッチ手段１０３と、チョッピングされた電圧を平滑化してサブバッテリ１０５に出力する平滑用フィルタ１０７と、スイッチ手段１０３をチョッパ駆動（ＰＷＭ駆動）させる為の駆動回路１０９と、発電機１０１側からの出力電圧及び出力電流を検出する為の電圧センサ１１１及び電流センサ１１３と、電圧センサ１１１及び電流センサ１１３の検出結果に応じて駆動回路１０９を駆動制御する制御回路（ＣＰＵ）１１５とを備えて構成される。尚、図中の符号１１７はメインバッテリであり、符号１１９は発電機１０１の電圧を所定電圧範囲内に調整するレギュレータである。尚、電流センサ１１３は、別体として構成されて外付けされる。

従来の車両充電制御装置１００では、発電機１０１側からの電力をスイッチ手段１０３でチョッピングして平滑用フィルタ１０７で平滑化することで降圧させる為、構成上平滑用フィルタ１０７を必要とし、装置の回路構成が複雑化してコストが掛かるという欠点があった。

又、スイッチ手段１０３をチョッピングさせる為、構成上チョッパ駆動用の駆動回路１０９を必要とし、装置の回路構成が複雑化してコストが掛かるという欠点があった。

又、電流センサ１１３は別体として構成される為、電流センサ１１３の配設にコストが掛かるという欠点があった。

そこで、この発明の課題は、簡素で廉価な構成で少なくとも発電機（電源）からの電力を必要に応じて降圧してサブバッテリ（バッテリ）に充電できる車載充電制御装置を提供することにある。

上記課題を解決する為には、請求項１に記載の発明は、電源からバッテリへの充電を制御する車載充電制御装置であって、前記電源と前記バッテリとの間の給電路に介装接続された開閉スイッチと、前記開閉スイッチに並列接続された電圧降下用素子と、前記電源の出力電圧に応じて、前記開閉スイッチをオン制御して前記電源からの電力を前記開閉スイッチを通電させて前記バッテリに充電させる非降圧充電制御と、前記開閉スイッチをオフ制御して前記電源からの電力を前記電圧降下用素子を通電させて前記バッテリに充電させる降圧充電制御とを選択的に行う制御回路と、を備えるものである。

請求項２に記載の発明は、前記制御手段は、前記電源の出力電圧が前記バッテリの推奨充電電圧範囲内にある場合は、前記非降圧充電制御により前記バッテリを充電し、前記電源の出力電圧が前記推奨充電電圧範囲を越える場合は、前記降圧充電制御により前記バッテリを充電するものである。

請求項３に記載の発明は、前記電圧降下用素子は、前記電源から前記バッテリに向けて順方向接続されたダイオードにより構成され、前記制御手段は、前記電源の出力電圧が過小電圧状態の場合は、前記開閉スイッチをオフ制御して前記バッテリの充電電力が前記電源側に逆流する事を防止するものである。

請求項４に記載の発明は、前記開閉スイッチは、その主電極間寄生ダイオードが順方向に向けられた半導体スイッチにより構成され、前記電圧降下用素子は、前記半導体スイッチの前記主電極間寄生ダイオードにより構成されるものである。

請求項５に記載の発明は、前記電源と前記バッテリとの間の前記給電路に介装された他の開閉スイッチを更に備え、前記制御手段は、前記電源の出力電圧が過大電圧状態の場合は、前記他の開閉スイッチをオフ制御して前記電源から前記バッテリへの充電を禁止し、前記電源の出力電流が過電流状態の場合は、前記他の開閉スイッチをオフ制御して前記電源から前記バッテリへの充電を禁止するか、又は前記他の開閉スイッチをオフオフ制御して前記電源から前記バッテリへの充電を間欠的に行うものである。

請求項６に記載の発明は、前記バッテリに配設されて前記バッテリに流れる電流を検出する為のシャント抵抗を更に備え、前記制御手段は、前記シャント抵抗の両端電圧に基づいて前記電源の出力電流が過電流状態であるか否かを判定するものである。

請求項１に記載の発明によれば、開閉スイッチと該開閉スイッチに並列接続された電圧降下用素子とを用いて、その開閉スイッチを単調にオンオフ制御して降圧充電及び非降圧充電を選択的に行う為、主要部分として開閉スイッチと電圧降下用素子と前記開閉スイッチをオンオフ制御する制御回路だけを用いて、簡素で廉価な構成で降圧充電及び非降圧充電を選択的に行う装置を構成できる。

特に、電源からの電力を電圧降下用素子を通電させその通電の際の電圧降下で降圧させる為、即ち、従来の様に電源からの電力をチョッピングして平滑化して降圧させない為、平滑用フィルタを省略でき、これにより装置の回路構成を簡素化できて廉価に構成できる。

又、特に、開閉スイッチを単調にオンオフ制御させるだけで従来の様にチョッパ駆動させない為、チョッパ駆動用の駆動回路を省略でき、これにより装置の回路構成を簡素化できて廉価に構成できる。

請求項２に記載の発明によれば、電源の出力電圧がバッテリの推奨充電電圧範囲内にある場合は、非降圧充電制御によりバッテリが充電され、電源の出力電圧がバッテリの推奨充電電圧範囲を越える場合は、降圧充電制御によりバッテリが充電される為、電源からの電力を推奨充電電圧範囲に抑制してバッテリに充電でき、バッテリを長持ちさせる事ができる。

請求項３に記載の発明によれば、電圧降下用素子が、電源からバッテリに向けて順方向接続されたダイオードにより構成され、電源の出力電圧が過小電圧状態の場合は、開閉スイッチがオフ制御されてバッテリの充電電力が電源側に逆流する事が防止される為、バッテリの蓄電エネルギの消耗を防止できる。

請求項４に記載の発明によれば、開閉スイッチが、その主電極間寄生ダイオードが順方向に向けられた半導体スイッチにより構成され、電圧降下用素子が、前記半導体スイッチの前記主電極間寄生ダイオードにより構成される為、開閉スイッチと電圧降下用素子とを単一の半導体スイッチにより構成できて簡素で廉価に構成できる。

請求項５に記載の発明によれば、電源とバッテリとの間の給電路に介装された他の開閉スイッチが更に備えられ、電源の出力電圧が過大電圧状態の場合は、他の開閉スイッチがオフ制御されて電源からバッテリへの充電が禁止される為、バッテリを過大電圧から保護できてバッテリを長持ちさせる事ができ、電源の出力電流が過電流状態の場合は、他の開閉スイッチがオフ制御されて電源からバッテリへの充電が禁止されるか、又は他の開閉スイッチがオフオフ制御されて電源からバッテリへの充電が間欠的に行われる為、バッテリを過電流から保護できて（特に間欠的に充電した場合は過電流から保護しつつ充電できて）バッテリを長持ちさせる事ができる。

請求項６に記載の発明によれば、シャント抵抗がバッテリに配設される為、即ち実質的に電流センサがバッテリに配設されて構成される為、従来の別体の電流センサよりも廉価に電流センサを構成できる。

図１は、この実施の形態に係る車載充電制御装置が用いられた自動車の電源系の一例図である。この電源系１は、図１の様に、負荷駆動用の常用電源としてのメインバッテリ３と、メインバッテリ３をバックアップする為のサブバッテリ（バッテリ）５と、例えば後述のレギュレータ１１に配設されて電源系１の雰囲気温度（即ちレギュレータ１１のケース温度及びサブバッテリ５の周囲温度）を検出する温度センサ７と、自動車の走行エネルギを利用して発電する発電機９と、温度センサ７の検出結果に基づいて発電機９の発電電力を当該レギュレータ１１のケース温度に応じて設定された所定電圧範囲（レギュレータ電圧調整範囲）内に調整して各バッテリ３，５及び負荷に給電するレギュレータ１１と、レギュレータ１１からサブバッテリ５への充電を制御する車載充電制御装置１３とを備える。

ここでは、メインバッテリ３は、その正極側がレギュレータ１１から負荷に至る給電路１５に分岐接続されると共にその負極側が接地される。サブバッテリ５は、メインバッテリ３の下流側に於いてその正極側が給電路１５に分岐接続されると共にその負極側が接地される。車載充電制御装置１３は、給電路１５に於ける各バッテリ３，５間に介装接続される。

尚、ここでは、レギュレータ１１及びサブバッテリ５は、互いに接近配置される。その為、レギュレータ１１のケース温度及びサブバッテリ５の周囲温度は互いにほぼ同じ温度とみなされる。

尚、ここでは、車載充電制御装置１３は、サブバッテリ５に配設されてサブバッテリ５と一体的に構成される。

車載充電制御装置１３は、給電路１５に介装接続されて互いの主電極間寄生ダイオード１７ａ，１８ａが逆向きになる様に互いに直列接続された一対の半導体スイッチ（例えばＦＥＴ）（他の開閉スイッチ，開閉スイッチ）１７，１８と、レギュレータ１１側からの電力の電圧状態を検出する為の電圧センサ１９，２１と、レギュレータ１１側からの電力の電流状態を検出する為のシャント抵抗２３と、各検出要素７，１９，２１，２３による検出結果に応じて各半導体スイッチ１７，１８をオンオフ制御する制御回路（ＣＰＵ）２５とを備えて構成される。

即ち、この車載充電制御装置１３は、後述の様に、一方の半導体スイッチ１８のオン／オフに応じて給電路１５が半導体スイッチ１８の主電極Ｄ，Ｓ間（開閉スイッチ）側／主電極間寄生ダイオード（電圧降下用素子）１８ａ側に切り換えられ、その主電極間寄生ダイオード１８ａの通電の際の順方向電圧降下を利用して、その電圧降下分、レギュレータ１１からの電圧が選択的に降圧される様に構成される。

電圧センサ１９は、例えば給電路１５上に於けるレギュレータ１１の出力部付近に配設され、レギュレータ１１の出力電圧を検出する。電圧センサ２１は、例えば給電路１５の分岐点とサブバッテリ５の正極との間の電路に配設され、サブバッテリ５の蓄電電圧を検出する。シャント抵抗２３は、サブバッテリ５に配設され、サブバッテリ５に流れる電流を検出すべく例えばサブバッテリ５の負極と接地点との間に介装接続されてその両端電位が制御回路２５に出力される。

制御回路２５は、電圧センサ１９，２１の検出結果に基づいてレギュレータ１１からの電圧が、１）過大電圧状態であるか否か、２）過小電圧状態であるか否か、３）サブバッテリ５の推奨充電電圧範囲内にあるか否かを判断する他に、４）シャント抵抗２３の両端電圧に基づいてレギュレータ１１からの電流が過電流状態であるか否かを判断し、それらの判断結果に応じて各半導体スイッチ１７，１８に対して遮断制御、非降圧充電制御及び降圧充電制御を選択的に行う。

尚、前記遮断制御では、表１の様に、各半導体スイッチ１７，１８は共にオフ制御されて給電路１５が遮断される。前記非降圧充電制御では、各半導体スイッチ１７，１８は共にオン制御され、これによりレギュレータ１１からの電力は、各半導体スイッチ１７，１８の主電極Ｄ，Ｓ間を通電して電圧降下せずにサブバッテリ５に充電される。前記降圧充電制御では、その主電極間寄生ダイオードが順方向を向いている一方の半導体スイッチ１８がオフ制御されると共に逆方向を向いている他方の半導体スイッチ１７がオン制御され、これによりレギュレータ１１からの電力は、他方の半導体スイッチ１７の主電極Ｓ，Ｄ間及び一方の半導体スイッチ１８の主電極間寄生ダイオード１８ａを通電して、その主電極間寄生ダイオード１８ａの通電の際の順方向電圧降下分だけ降圧されてサブバッテリ５に充電される。

尚、ここでは、サブバッテリ５の推奨充電電圧範囲は、サブバッテリ５の周囲温度に応じて設定される。具体的には、サブバッテリ５の推奨充電電圧範囲は、例えばその上限電圧が同じ温度での前記レギュレータ電圧調整範囲の上限電圧より例えば０．５Ｖ〜０．６Ｖ程度（即ち主電極間寄生ダイオード１８ａの順方向電圧降下とほぼ同じ電圧幅）低く設定され、その下限電圧が同じ温度での前記レギュレータ電圧調整範囲の下限電圧とほぼ同じに設定された電圧範囲に設定される。

より詳細には、制御回路２５は、前記１）の判断では、電圧センサ１９により検出されるレギュレータ１１の出力電圧が所定の高電圧（レギュレータ電圧調整範囲を超えた所定電圧）以上になった場合に過大電圧状態と判断し、その様に判断した場合は、各半導体スイッチ１７，１８に対して遮断制御を行って給電路１５を遮断し、サブバッテリ５を過大電圧状態から保護する。

又、制御回路２５は、前記２）の判断では、各電圧センサ１９，２１により検出されるレギュレータ１１の出力電圧及びサブバッテリ５の蓄電電圧を比較し、レギュレータ１１の出力電圧がサブバッテリ５の蓄電電圧より低い場合に過小電圧状態と判断し、その様に判断した場合は、各半導体スイッチ１７，１８に対して遮断制御を行って給電路１５を遮断して、サブバッテリ５の蓄電エネルギがレギュレータ１１側に逆流してサブバッテリ５の蓄電エネルギが消耗する事を防止する。

又、制御回路２５は、前記３）の判断では、温度センサ７からサブバッテリ５の周辺温度を検出し、検出した温度に対応するサブバッテリ５の推奨充電電圧範囲内に、電圧センサ１９により検出されるレギュレータ１１の出力電圧があるか否かを判断し、そのレギュレータ１１の出力電圧が前記推奨充電電圧範囲内にある場合は、各半導体スイッチ１７，１８に対して非降圧充電制御を行ってレギュレータ１１からの電力を降圧させずにサブバッテリ５に充電させ、そのレギュレータ１１の出力電圧が前記推奨充電電圧範囲の上限電圧を越える（但しレギュレータ電圧調整範囲の上限電圧は越えない）場合は、各半導体スイッチ１７，１８に対して降圧充電制御を行ってレギュレータ１１からの電力を降圧して推奨充電電圧範囲内に調整してサブバッテリ５に充電させる。

尚、ここでは、レギュレータ電圧調整範囲と推奨充電電圧範囲との各上限電圧間の電圧差は主電極間寄生ダイオード１８ａの順方向電圧降下の電圧幅とほぼ同じなので、レギュレータ１１からの電圧が推奨充電電圧範囲の上限電圧を超えてもレギュレータ電圧調整範囲の上限電圧を超えない場合に、降圧充電制御を行えば、レギュレータからの電圧は必ず推奨充電電圧範囲内に降圧される。

尚、レギュレータ１１の出力電圧がレギュレータ電圧調整範囲を越える（但し過大電圧状態ではない）場合は、各半導体スイッチ１７，１８に対して降圧充電制御を行ってレギュレータ１１からの電圧を降圧して推奨充電電圧範囲に近づけてサブバッテリ５を充電してもよく、又は各半導体スイッチ１７，１８に対して遮断制御を行ってサブバッテリ５への充電を停止してもよい。

尚、レギュレータ１１の出力電圧がレギュレータ電圧調整範囲の下限電圧を下回る場合は、各半導体スイッチ１７，１８に対して非降圧充電制御を行ってレギュレータ１１からの電力をそのままサブバッテリ５に充電してもよく、又は各半導体スイッチ１７，１８に対して遮断制御を行ってサブバッテリ５への充電を停止してもよい。

又、制御回路２５は、前記４）の判断で過電流状態と判断した場合は、各半導体スイッチ１７，１８に対して遮断制御を行って給電路１５を遮断し、サブバッテリ５を過電流状態から保護する。尚、過電流状態と判断した場合、遮断制御を行って給電路１５を遮断する代わりに、遮断制御と非降圧充電制御を交互に行ってレギュレータ１１からの電力をサブバッテリ５に間欠的に充電させても構わない。この様にすれば、サブバッテリ５を過電流状態から保護しつつ充電できる。

以上の様に構成された車載充電制御装置１３によれば、開閉スイッチ１８と該開閉スイッチ１８に並列接続された電圧降下用素子１８ａとを用いて、その開閉スイッチ１８を単調にオンオフ制御して降圧充電及び非降圧充電を選択的に行う為、主要部分として開閉スイッチ１８と電圧降下用素子１８ａと開閉スイッチ１８をオンオフ制御する制御回路２５だけを用いて、簡素で廉価な構成で降圧充電及び非降圧充電を選択的に行う装置１３を構成できる。

特に、電源９，３からの電力を電圧降下用素子１８ａを通電させその通電の際の電圧降下で降圧させる為、即ち、従来の様に電源９，３からの電力をチョッピングして平滑化して降圧させない為、平滑用フィルタを省略でき、これにより装置１３の回路構成を簡素化できて廉価に構成できる。

又、特に、開閉スイッチ１８を単調にオンオフ制御させるだけで従来の様にチョッパ駆動させない為、チョッパ駆動用の駆動回路を省略でき、これにより装置１３の回路構成を簡素化できて廉価に構成できる。

又、電源９，３の出力電圧がバッテリ５の推奨充電電圧範囲内にある場合は、非降圧充電制御によりバッテリ５が充電され、電源９，３からの出力電圧がバッテリ５の推奨充電電圧範囲を越える場合は、降圧充電制御によりバッテリ５が充電される為、電源９，３からの電力を推奨充電電圧範囲に抑制してバッテリ５に充電でき、バッテリ５を長持ちさせる事ができる。

又、電圧降下用素子１８ａが電源９，３からバッテリ５に向けて順方向接続されたダイオード（ここでは寄生主電極ダイオード）により構成され、電源９，３の出力電圧が過小電圧状態の場合は、開閉スイッチ１８がオフ制御されてバッテリ５の充電電力が電源９，３側に逆流する事が防止される為、バッテリ５の蓄電エネルギの消耗を防止できる。

又、開閉スイッチ１８が、その主電極間寄生ダイオードが順方向に向けられた半導体スイッチにより構成され、電圧降下用素子１８ａが、前記半導体スイッチの前記主電極間寄生ダイオードにより構成される為、開閉スイッチ１８と電圧降下用素子１８ａとを単一の半導体スイッチにより構成できて簡素で廉価に構成できる。

又、電源９，３とバッテリ５との間の給電路１５に介装された他の開閉スイッチ１８が更に備えられ、電源９，３の出力電圧が過大電圧状態の場合は、他の開閉スイッチ１７がオフ制御されて電源９，３からバッテリ５への充電が禁止される為、バッテリ５を過大電圧から保護できてバッテリ５を長持ちさせる事ができ、電源９，３の出力電流が過電流状態の場合は、他の開閉スイッチ１７がオフ制御されて電源９，３からバッテリ５への充電が禁止されるか、又は他の開閉スイッチ１７がオフオフ制御されて電源９，３からバッテリ５への充電が間欠的に行われる為、バッテリ５を過電流から保護できて（特に間欠的に充電した場合は過電流から保護しつつ充電できて）バッテリ５を長持ちさせる事ができる。

又、シャント抵抗２３がバッテリ５に配設される為、即ち実質的に電流センサがバッテリ５に配設されて構成される為、従来の別体の電流センサよりも廉価に電流センサを構成できる。

この実施の形に係る車載充電制御装置が用いられた自動車の電源系の一例図である。 従来の車載充電制御装置であるＤＣ−ＤＣコンバータの構成を説明する図である。

符号の説明

１ 電源系
３ メインバッテリ
５ サブバッテリ
９ 発電機
１３ 車載充電制御装置
１５ 給電路
１７，１８ 半導体スイッチ
１７ａ，１８ａ 主電極間寄生ダイオード
１９，２１ 電圧センサ
２３ シャント抵抗
２５ 制御回路

Claims (6)

1. 電源からバッテリへの充電を制御する車載充電制御装置であって、
   前記電源と前記バッテリとの間の給電路に介装接続された開閉スイッチと、
   前記開閉スイッチに並列接続された電圧降下用素子と、
   前記電源の出力電圧に応じて、前記開閉スイッチをオン制御して前記電源からの電力を前記開閉スイッチを通電させて前記バッテリに充電させる非降圧充電制御と、前記開閉スイッチをオフ制御して前記電源からの電力を前記電圧降下用素子を通電させて前記バッテリに充電させる降圧充電制御とを選択的に行う制御回路と、
   を備えることを特徴とする車載充電制御装置。
2. 前記制御手段は、前記電源の出力電圧が前記バッテリの推奨充電電圧範囲内にある場合は、前記非降圧充電制御により前記バッテリを充電し、前記電源の出力電圧が前記推奨充電電圧範囲を越える場合は、前記降圧充電制御により前記バッテリを充電することを特徴とする請求項１に記載の車載充電制御装置。
3. 前記電圧降下用素子は、前記電源から前記バッテリに向けて順方向接続されたダイオードにより構成され、
   前記制御手段は、前記電源の出力電圧が過小電圧状態の場合は、前記開閉スイッチをオフ制御して前記バッテリの充電電力が前記電源側に逆流する事を防止することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車載充電制御装置。
4. 前記開閉スイッチは、その主電極間寄生ダイオードが順方向に向けられた半導体スイッチにより構成され、前記電圧降下用素子は、前記半導体スイッチの前記主電極間寄生ダイオードにより構成されることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の車載充電制御装置。
5. 前記電源と前記バッテリとの間の前記給電路に介装された他の開閉スイッチを更に備え、
   前記制御手段は、前記電源の出力電圧が過大電圧状態の場合は、前記他の開閉スイッチをオフ制御して前記電源から前記バッテリへの充電を禁止し、前記電源の出力電流が過電流状態の場合は、前記他の開閉スイッチをオフ制御して前記電源から前記バッテリへの充電を禁止するか、又は前記他の開閉スイッチをオフオフ制御して前記電源から前記バッテリへの充電を間欠的に行うことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の車載充電制御装置。
6. 前記バッテリに配設されて前記バッテリに流れる電流を検出する為のシャント抵抗を更に備え、前記制御手段は、前記シャント抵抗の両端電圧に基づいて前記電源の出力電流が過電流状態であるか否かを判定することを特徴とする請求項１〜請求項６の何れかに記載の車載充電制御装置。

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