JP2006002625A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置の小型化を図るとともに、車載電装機器へ電力を確実に供給することができるようにする。
【解決手段】 車両に搭載された電装機器に対して電力を供給する車両用電源装置であって、満充電時の電圧が第１電圧である第１の蓄電器１１と、この第１の蓄電器１１と並列に接続され、満充電時の電圧が上記の第１電圧よりも低い第２電圧である第２の蓄電器１２と、この第２の蓄電器の実電圧を上記第１電圧と上記第２電圧との差相当の第３電圧へ降圧し、この第３電圧を第２蓄電器１２に対して直列に印加する降圧ユニット１３とをそなえて構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用電源装置に関するものである。

従来より、車載の電装機器は蓄電器からの電力によって作動し、また、この蓄電器は、車両のエンジンによって駆動された発電機によって発電された電力によって充電されるようになっている。
この蓄電装置としてはリチウムイオン電池や鉛電池のような充放電可能な化学電池（以下、バッテリという）が用いられる場合が一般的であるが、近年、このような一般的なバッテリに換えて、もしくはこのようなバッテリに加えて、電気二重層キャパシタ（以下、単に「キャパシタ」）が用いられる技術が開発されている。

これらのバッテリおよびキャパシタは発電機によって発電された電力を蓄えるという点では共に同様の機能をそなえているが、バッテリが化学変化を介して電力を蓄えるのに対し、キャパシタは電力を電気のまま蓄える点で異なっている。また、キャパシタは大電力を短時間の間に放出するのに適している点でも、バッテリとはその性質が大きく異なっている。

ところで近年、車載の電装機器は多様化しており、バッテリだけでは安定して電力供給を行なうのが困難となりつつある。また、機器によって消費電力も異なり、車内灯，ナビゲーションシステム，オーディオ機器などのように消費電力が比較的小さい機器と、スタータモータ，空調装置，電動パワーステアリングシステム，ワイパーモータといった消費電力が比較的大きい機器とではバッテリに要求される能力も異なるものとなる。

このような場合、消費電力の大きい機器の回路には大電力を短時間の間に供給するのに適したキャパシタを配し、一方、消費電力の少ない機器の回路に安定した電力を安定して供給するのに適したバッテリを配することが考えられる。
そして、これらの２つの回路を並列に接続して、バッテリからの電力によってキャパシタを充電できるような回路構成にすることも可能であり、このような技術の一例として以下の特許文献１が挙げられる。

この特許文献１には、車両のエンジンを始動するスタータモータに対して電力を供給するコンデンサ（キャパシタ）と、このコンデンサと並列に接続されたバッテリと、バッテリから出力される電力を昇圧してコンデンサへ供給する昇圧制御器（いわゆる、昇圧コンバータ）とから構成された回路が開示されている。
そして、このような構成により、コンデンサに蓄えられた電力を用いてエンジンのスタータモータを駆動するとともに、コンデンサに蓄えられている電圧が低下した場合には、バッテリに蓄えられた電圧が昇圧されてキャパシタへ印加されることによってコンデンサが充電される旨が記載されている。
特公平５−８８３９０号公報

しかしながら、上述した特許文献１の技術によれば、バッテリからの電圧を昇圧コンバータにより直接的に昇圧する構成であるため、当該昇圧コンバータに求められる電力容量を大きくする必要があり、装置が大型化してしまう。
本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、装置の小型化を図るとともに、車載電装機器へ電力を確実に供給することができるようにした車両用電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の車両用電源装置（請求項１）は、車両に搭載された電装機器に対して電力を供給する、車両用電源装置であって、満充電時の電圧が第１電圧である第１の蓄電器と、該第１の蓄電器と並列に接続され、満充電時の電圧が該第１電圧よりも低い第２電圧である第２の蓄電器と、該第２の蓄電器の実電圧を該第１電圧と該第２電圧との差相当の第３電圧へ降圧し、該第３電圧を該第２蓄電器に対して直列に印加する降圧ユニットとをそなえて構成されていることを特徴としている。

また、請求項１記載の内容において、該降圧ユニットは、該第２の蓄電器と並列に接続され、該第２の蓄電器の実電圧を直流から交流に変換する１次回路と、該１次回路と電磁的に接続されるとともに該第２蓄電器に対して直列に接続され、該１次回路によって交流に変換された該第２蓄電器の実電圧を直流に変換するとともに該第３電圧へ降圧する２次回路とを有することを特徴としている（請求項２）。

また、請求項２記載の内容において、該第１の蓄電器および該第２の蓄電器に接続され、該第１の蓄電器の実電圧および該第２の蓄電器の実電圧を比較するコンパレータをそなえ、該降圧トランスは、該第１の蓄電器の実電圧と該第２の蓄電器との差が所定の基準電圧よりも小さいことを示す出力が該コンパレータから出力される場合にのみ作動することを特徴としている（請求項３）。

また、請求項３記載の内容において、該基準電圧が、該第１電圧と該第２電圧との差相当の値であることを特徴としている（請求項４）。
また、請求項１〜４のうちいずれか１項記載の内容において、該第１の蓄電器が、キャパシタであって、該第２の蓄電器が、充放電可能な化学電池であることを特徴としている（請求項５）。

本発明の車両用電源装置によれば、装置の小型化を図るとともに、装置中に設けられた複数の蓄電器のうち満充電時の電圧の高い方の蓄電器を確実かつ効率よく充電しながら該満充電時の電圧の高い方の蓄電器を利用して、車載電装機器へ電力を確実かつ効率良く供給することができる。（請求項１）
また、直流から交流へ変換し、その後再び、交流から直流へ変換する際に電磁誘導起電力によって第３電圧へ降圧し、この第３電圧を第１の蓄電器に対して直列印加することによって（即ち、第２電圧＋第３電圧とすることで）、第１の蓄電器の満充電時の電圧である第１電圧を得ることができる。そして、この第２電圧と第３電圧とを加算して得られた第１電圧の電力を第１の蓄電器および電装機器へ第１電圧の電力を確実に供給することができるので、第１の蓄電器に対する充電と電装機器への給電とを即座に開始することが可能となる。（請求項２）
また、第１の蓄電器および第２の蓄電器に対して並列に接続されたコンパレータが、第１の蓄電器の実電圧および第２の蓄電器の実電圧を比較して、比較の結果、第１の蓄電器の実電圧と第２の蓄電器の実電圧との差が所定基準電圧より小さい場合にのみ降圧トランスを作動させることができる。これにより、必要に応じて第１の蓄電器を充電することが可能となるとともに、マイコン制御等の複雑な制御を行なわなくとも、第１の充電器に対する充電を自動的に行なうことができる（請求項３）。

また、電装機器へ電力を供給する蓄電器を切り替える閾値（所定値）である基準電圧を、第１の蓄電器の満充電電圧と第２の蓄電器の満充電電圧との差相当の値とすることで、信頼性の高い制御を行なうことが可能となる（請求項４）。
また、第１の蓄電器がキャパシタであるとともに、第２の蓄電器が充放電可能な化学電池であることが好ましく、この場合、電装機器に対して、充放電可能な化学電池から通常電圧の電力を継続的に安定して供給することが可能になるとともに、キャパシタから短時間の間に大量の高圧電力を供給することが可能になる（請求項５）。

以下、図面により、本発明の一実施形態に係る車両用電源装置について説明すると、図１はその構成を示す模式的な回路図、図２はその動作（作用）を判りやすく説明するためのフローチャートである。
この車両用電源装置１０は、車両に搭載された電装機器に対して電力を供給するものであって、キャパシタ（第１の蓄電器）１１，バッテリ（第２の蓄電器）１２，降圧ユニット１３，オルタネータ（発電機）１４，コンパレータ１５とから主に構成されている。なお、本実施形態においては、電装機器としてエンジン（図示略）を始動させるスタータモータ（モータ）１６が適用されている。

このうち、キャパシタ１１は、直流電力を蓄える電気二重層キャパシタであって、満充電時の電圧（即ち、定格電圧）は約１８．４Ｖ（第１電圧）となるように設定されている。この電気二重層キャパシタは既に公知のものであるので、ここではその詳しい説明は省略するが、本実施形態においては、電極に活性炭を用いることで非常に大きな表面積を確保して、蓄電容量を大きくすることができるように構成されている。なお、このキャパシタ１１から実際に出力される実電圧をキャパシタ電圧といい、また、図１中ｄ点における電圧でもあるので単にｄ点電圧という場合もある。なお、図中ｃ点およびｅ点はアースされており、実質的に０Ｖである。

バッテリ１２は、キャパシタ１１と並列に接続された化学電池、より具体的には鉛電池であって、満充電時の電圧（即ち、定格電圧）は約１４．４Ｖ（第２電圧）となるように設定されている。なお、このバッテリ１２から実際に出力される実電圧をバッテリ電圧といい、また、図１中ｂ点における電圧でもあるので、単にｂ点電圧という場合もある。
これらのキャパシタ１１とバッテリ１２とはともに、電力を蓄えるという点では共に同様の機能をそなえているが、バッテリ１２が化学変化を介して電力を蓄えるのに対し、キャパシタ１１は電力を電気のまま蓄える点で異なっている。これにより、キャパシタ１１には蓄えられる電力量が比較的少ないものの、短時間の間に大量の電力を放出するのに適しているという特徴を有し、一方、バッテリ１２は、大量の電力を短時間の間に放出することはできないものの、蓄電容量が大きく、また、蓄えた電力を安定して供給できるという特徴を有している。

また、キャパシタ１１およびバッテリ１２の内部抵抗は、バッテリ１２よりもキャパシタ１１の方が小さいので、図１に示すようにキャパシタ１１とバッテリ１２とを並列に接続した場合には、原則的に、バッテリ１２よりも優先的にキャパシタ１１からスタータモータ１６へ電力が供給されるようになっている。
コンパレータ１５は、キャパシタ１１およびバッテリ１２に接続され、キャパシタ電圧（ｄ点電圧）とバッテリ電圧（ｂ点電圧）との差である実電圧差が所定の基準電圧よりも小さい場合（即ち、実電圧差＜基準電圧となった場合）に、ハイレベルの出力信号を降圧トランス１３の１次回路１７（後述する）に入力するようになっている。

ここで、基準電圧とは、キャパシタ１１の満充電時における電圧（即ち、キャパシタ定格電圧＝１８．４Ｖ）とバッテリ１２の満充電時における電圧（即ち、バッテリ定格電圧＝１４．４Ｖ）との差に相当する値（即ち、４Ｖ）である。
また、降圧ユニット１３は、１次回路１７および２次回路１８から構成されており、１４．４Ｖのバッテリ電圧を４Ｖの補足電圧（第３電圧）へ降圧し、その後、この補足電圧をバッテリ１２に対して直列に印加するものである。なお、ここで補足電圧は、キャパシタ１１の定格電圧とバッテリ１２の定格電圧との差に相当する値であって、具体的には４Ｖである。

この降圧ユニット１３のうち、１次回路１７は、バッテリ１２と並列に接続されており、バッテリ電圧を直流から交流に変換するものであって、スイッチングコントローラ（ＳＷコントローラ）１９，ＡＮＤ素子２０およびトランジスタ２１から構成されている。
また、２次回路１８はバッテリ１２に対して直列に接続されるとともに１次回路１７と電磁的に接続され、１次回路１７によって変換された交流電圧を直流電圧に変換するとともに４Ｖの補足電圧に降圧するものであって、１次コイル２２，鉄芯２３，２次コイル２４，ダイオード２５およびコンデンサ２６から構成されている。

１次回路のＡＮＤ素子２０は、その入力側にスイッチングコントローラ１９とコンパレータ１５とが接続され出力側にトランジスタ２１が接続されている。そして、このＡＮＤ素子２０は、スイッチングコントローラ１９から入力されるパルス信号（後述する）がハイレベルで、且つ、上述したコンパレータ１５から入力される比較結果信号がハイレベルである場合にハイレベルの出力を発生するよう構成されている。このため、ＡＮＤ素子２０は、コンパレータ１５からの出力がハイレベルの状態では、スイッチングコントローラ１９からのパルス信号に同期したパルス信号をスイッチング信号としてトランジスタ２１へ出力することになる。

また、スイッチングコントローラ１９には、基準発振機やＰＷＭ回路など（いずれも図示略）が内蔵されており、上述したパルス信号を生成し、生成したパルス信号をＡＮＤ素子２０へ常に送出するようになっている。
また、トランジスタ２１は１次コイル２２に対して直列に接続され、バッテリ１２から１次コイル２２への電力供給を断接するスイッチとして機能するようになっている。また、この断接動作は、ＡＮＤ素子２０から出力された信号に基づいて行なわれ、ＡＮＤ素子２０からパルス状の信号が入力されると、バッテリ１２から出力される電力を直流から交流へ変換できるようになっている。

一方、２次回路１８の１次コイル２２，鉄芯２３，および２次コイル２４は誘導起電力を生じさせて降圧を行なう降圧トランスとして機能するものである。また、ダイオード２５は、２次コイル２４に対して直列に接続されて整流を行なうものであり、また、コンデンサ２６は、２次コイル２４に対して並列に接続されて電流を平滑化するものであって、これらのダイオード２５とコンデンサ２６とがＡＣ−ＤＣコンバータとして機能するようになっている。

また、オルタネータ１４はバッテリ１２と接続され、図示しないエンジンによって駆動されることによってバッテリ１２の定格電圧１４．４Ｖの直流電力を発電し、バッテリ１２を充電できるようになっている。
なお、バッテリ１２には、このオルタネータ１４のほかにも、車内灯，カーオーディオ，ナビゲーション（いずれも図示略）などの１４．４Ｖ電圧の電力によって作動する機器が接続されている。

また、スタータモータ１６は、バッテリ１２およびキャパシタ１１に対して並列に接続され、通常はキャパシタ１１に蓄えられた直流電力によって駆動し、一方、このキャパシタ１１の蓄電量が少なくなった場合（具体的には、実電圧差＞基準電圧となった場合）には、バッテリ１２に蓄えられた直流電力と降圧トランスからの直流電力とによって駆動するようになっている。

また、リレースイッチ２７がスタータモータ１６に対して直列に接続され、スタータモータ１６への電力供給を断接できるようになっている。なお、本実施形態における当該リレースイッチ２７は、スタータスイッチである。
また、ダイオード２８がバッテリ１２に対して直列に接続されるとともに、２次回路１８と並列に接続されている。そして、スタータモータ１６の消費電力が大きいために、キャパシタ１１電圧がバッテリ電圧を下回ってしまうような場合（即ち、キャパシタ電圧＜バッテリ電圧となる場合）には、ダイオード２８の整流作用により、バッテリ１２からスタータモータ１６へ電力が供給されるようになっている。
また、キャパシタ１１およびバッテリ１２が満充電状態である場合には、キャパシタ電圧がバッテリ電圧を上回っている（即ち、キャパシタ電圧＞バッテリ電圧となっている）が、ダイオード２８がバッテリ１２に対して直列に接続されているので、キャパシタ１１からバッテリ１２に対して電力が回り込むような事態を回避できるようになっている。

本実施形態に係る本発明の車両用電源装置は上述のように構成されているので、以下のような作用および効果を奏する。
図２は、本実施形態の作用の概略を判り易く図示したフローチャートである。図２で示すように、まず、キャパシタ電圧（ｄ点電圧）とバッテリ電圧（ｂ点電圧）とがコンパレータ１５によって比較され（ステップＳ１１）、両電圧の電圧差の方が基準電圧よりも小さい（即ち、実電圧差＜基準電圧である）場合には、コンパレータ１５から降圧ユニット１３に対してハイレベル信号が出力される（ステップＳ１２）。

そして、コンパレータ１３からのハイレベル信号を降圧ユニット１３が受信すると、降圧ユニット１３の１次回路１７内において、スイッチングコントローラ１９のパルス出力に同期したパルス信号がＡＮＤ素子２０からトランジスタ２１に対して出力され、トランジスタ２１が同期的にスイッチング作動する（ステップＳ１３）。
これにより、バッテリ電圧が直流から交流への変換された後に１次コイル２２へ印加され、その後、１次コイル２２，鉄芯２３および２次コイル２４との間で降圧され（ステップＳ１４）、そして、交流電圧が直流電圧（補足電圧＝４Ｖ）に変換された後にバッテリ１２へ直列印加される（ステップＳ１６）。したがって、１４．４Ｖのバッテリ電圧と４Ｖの補足電圧とが加算され（ステップＳ１５）、これにより、図１中符号ａで示す点の電圧が、キャパシタ１１の満充電時の電圧（キャパシタ定格電圧）である１８．４Ｖとなり、キャパシタ１１が充電される（ステップＳ１６）。その後、リレースイッチ２７がオンとなると（ステップＳ１７参照）キャパシタ１１からスタータモータ１６へ１８．４Ｖの電力が供給され、スタータモータ１６が作動する（ステップＳ１８）。

また、キャパシタ１１の充電が完了する前にリレースイッチ２７がオンとなった場合であっても、バッテリ１２からのバッテリ電圧および降圧ユニット１３からの補足電圧との合計電圧（１８．４Ｖ）によってスタータモータ１６を確実に作動させることが可能である（ステップＳ１７およびＳ１８）。
一方、実電圧差の方が基準電圧よりも小さくない（即ち、実電圧差＞基準電圧である）場合には、コンパレータ１５の出力がローレベルとなって降圧ユニット１３は作動を停止し（ステップＳ１９）、リレースイッチ２７がオンとされると、キャパシタ１１に蓄えられている電力がスタータモータ１６に供給されて、スタータモータ１６が作動する（ステップＳ１７およびＳ１８）。

ここで、本実施形態の車両用電源装置と従来の電源装置とを改めて比較すると、従来は昇圧トランスによってバッテリ電圧を直接的にキャパシタ定格電圧まで昇圧する構成としていた。しかしながら、このような構成とした場合、どうしても昇圧トランスの回路の容量を大型のものにせざるを得ず、このため、装置全体の大きさが大きくなってしまい、さらには、昇圧トランスで生じる熱量が大きくなってしまう。

しかしながら、本実施形態に係る車両用電源装置によれば、バッテリ電圧を分岐した後に降圧トランス１３によって降圧し、降圧して得られた電圧（即ち、補足電圧４Ｖ）を再びバッテリ１２に対して直列に印加することによって、キャパシタ定格電圧（１８．４Ｖ）を得る構成としている。
これにより、定格電圧が異なるキャパシタ１１とバッテリ１２とが設けられた電源装置１０においても、これらの定格電圧の差を吸収してスタータモータ１６を確実に駆動させることができ、さらに、装置の小型化にも寄与することができる。

より具体的には、降圧ユニット１３が、分岐された１２．４Ｖのバッテリ電力を４Ｖの補足電圧へ降圧し、降圧して得られたこの４Ｖの補足電圧をバッテリ１２に直列に印加することによって（即ち、バッテリ電圧＋補足電圧とすることで）、満充電時のキャパシタ電圧（キャパシタ定格電圧）である１８．４Ｖを得ることができる。したがって、バッテリ１２からの電力に基づき、キャパシタ１１およびスタータモータ１６へ必要な電圧の電力を確実に供給することが可能となる。

また、ダイオード２８がバッテリ１２およびオルタネータ１４に対して直列に接続されているので、１４．４Ｖの通常電圧の電力によって作動する電装機器類（例えば、車内灯，カーオーディオ，ナビゲーションなど）には、キャパシタ１１からの高圧電力は供給されず、バッテリ１２やオルタネータ１４から通常電圧の電力のみが供給される。これにより、バッテリ１２および降圧ユニット１３からの電力によるキャパシタ１１への充電を可能にしながら、バッテリ１２およびオルタネータ１４からの通常電圧の電力によって作動する機器をそれぞれ確実に作動させることができる。

また、キャパシタ１１とバッテリ１２とを並列に接続しているので、スタータモータ１６に対して、キャパシタ１１から短時間の間に大きな電力を供給することが可能になるとともに、バッテリ１２から安定して電力を供給することも可能になる。
また、キャパシタ１１の内部抵抗はバッテリ１２の内部抵抗よりも小さいので、通常は優先的にキャパシタ１１からスタータモータ１６へ電力を供給することができ、一方、キャパシタ１１への充電が必要な場合には、バッテリ１２と降圧ユニット１３とから出力される電力によってキャパシタ１１を充電しながらスタータモータ１６を駆動することができる。

更に降圧ユニット１３の作動をコンパレータ１５の出力で制御できるので、ＥＣＵなどの高価で複雑な制御機器を用いずとも、キャパシタ１１への充電およびスタータモータ１６への給電を確実且つ容易に制御することができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

例えば、上記の実施形態においては、電装機器としてスタータモータ１６を適用した場合を例にとって説明したが、このようなものに限定するものではなく、例えば、ハイブリッド電気自動車の駆動用モータなど、種々の電装機器を適用することができる。

本発明の一実施形態に係る車両用電源装置の構成を示す模式的な回路図である。 本発明の一実施形態に係る車両用電源装置の動作を判り易く説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０ 車両用電源装置
１１ キャパシタ（第１の蓄電器）
１２ バッテリ（化学電池；第２の蓄電器）
１３ 降圧ユニット
１４ オルタネータ（発電機）
１５ コンパレータ
１６ スタータモータ（電装機器）
１７ １次回路
１８ ２次回路

Claims (5)

1. 車両に搭載された電装機器に対して電力を供給する、車両用電源装置であって、
   満充電時の電圧が第１電圧である第１の蓄電器と、
   該第１の蓄電器と並列に接続され、満充電時の電圧が該第１電圧よりも低い第２電圧である第２の蓄電器と、
   該第２の蓄電器の実電圧を該第１電圧と該第２電圧との差相当の第３電圧へ降圧し、該第３電圧を該第２蓄電器に対して直列に印加する降圧ユニットとをそなえて構成されている
   ことを特徴とする、車両用電源装置。
2. 該降圧ユニットは、
   該第２の蓄電器と並列に接続され、該第２の蓄電器の実電圧を直流から交流に変換する１次回路と、
   該１次回路と電磁的に接続されるとともに該第２蓄電器に対して直列に接続され、該１次回路によって交流に変換された該第２蓄電器の実電圧を直流に変換するとともに該第３電圧へ降圧する２次回路とを有する
   ことを特徴とする、請求項１記載の車両用電源装置。
3. 該第１の蓄電器および該第２の蓄電器に接続され、該第１の蓄電器の実電圧および該第２の蓄電器の実電圧を比較するコンパレータをそなえ、
   該降圧トランスは、
   該第１の蓄電器の実電圧と該第２の蓄電器の実電圧との差が所定の基準電圧よりも小さいことを示す出力が該コンパレータから出力される場合にのみ作動する
   ことを特徴とする、請求項２記載の車両用電源装置。
4. 該基準電圧が、
   該第１電圧と該第２電圧との差相当の値である
   ことを特徴とする、請求項３記載の車両用電源装置。
5. 該第１の蓄電器が、キャパシタであって、
   該第２の蓄電器が、充放電可能な化学電池である
   ことを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の車両用電源装置。
   
   

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