JP2006060947A - 車載電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】 電気負荷に印加する電源電圧を安定させることができる車載電源システムを提供すること。
【解決手段】 車載電源システムは、エンジンによって駆動される車両用発電機５と、車両用発電機５によって発電した電力を蓄積する蓄電装置１と、電気負荷に接続される蓄電装置２と、蓄電装置１から蓄電装置２に対して電力を供給する電力変換装置３と、電力変換装置３の入出力端子間を短絡する短絡スイッチ４と、車両用発電機５の出力電圧の変動率を短絡スイッチ４が開状態のときよりも閉状態のときに小さく設定するシステム制御装置７とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用発電機によって発電した電力を車載蓄電装置に蓄積して電気負荷に供給する車載電源システムに関する。

車両の燃料消費量低減や排気ガス低減の観点から、車両の走行状態に応じて車両用発電機の発電状態を可変する制御、特に加速期間には発電を停止させるとともに減速期間には回生発電するシステムが知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。
特開平６−２９６３３２号公報（第２−４頁、図１−４） 特開２００２−２３８１０３号公報（第３−９頁、図１−１１）

ところで、特許文献１や特許文献２に開示されたシステムでは、車両の走行状態に応じて車両用発電機の発電と停止が断続的に繰り返されると、電気負荷に印加される電源電圧の変動が大きくなって、電気負荷に対する安定した電力の供給を行うことができなくなるおそれがあるという問題があった。電源電圧の変動が大きくなると、ヘッドライトなどを点灯しているときに照度変化が大きくなったり、エアコンのブロアモータの回転数変動に伴って送風音が断続的に変化するような現象が生じるため好ましくない。このような不具合は加速期間での発電停止や減速期間での回生発電を禁止することにより防止することができるが、これでは本来の目的である十分な燃費改善効果や排ガス低減効果が得られなくなってしまう。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、電気負荷に印加する電源電圧を安定させることができる車載電源システムを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車載電源システムは、エンジンによって駆動される車両用発電機と、車両用発電機によって発電した電力を蓄積する第１の蓄電装置と、電気負荷に接続される第２の蓄電装置と、第１の蓄電装置から第２の蓄電装置に対して電力を供給する電力変換装置と、電力変換装置の入出力端子間を短絡する短絡スイッチと、車両用発電機の出力電圧の変動率を短絡スイッチが開状態のときよりも閉状態のときに小さく設定する制御装置とを備えている。電力変換装置を通して第１の蓄電装置から第２の蓄電装置に向けて電力を供給することにより、第２の蓄電装置の端子電圧を安定化させることが可能になり、電気負荷に印加する電源電圧を安定させることができる。また、電力消費が比較的多い場合には短絡スイッチを閉じて車両用発電機および第１の蓄電装置から第２の蓄電装置に直接電力を供給することにより、電力変換装置の容量を小さくすることができ、冷却性向上、搭載性向上、コスト低減が可能になる。その際に、車両用発電機の出力電圧の変動率が小さくなるように設定されているため、電力変換装置を通さずに第２の蓄電装置に電力を供給した場合であっても電気負荷に印加する電源電圧の変動を比較的小さくすることができる。このように、短絡スイッチを設けてその開閉状態を車両用発電機の出力電圧の変動率に関連づけて制御することにより、電力変換装置を用いて発電停止や回生発電を行うことによる燃費改善や排ガス低減と、電力変換装置の小型化による冷却性向上、搭載性向上、コスト低減とを両立しつつ、電気負荷に印加する電源電圧の変動を抑制することができる。

また、上述した制御装置は、車両が加速状態にあるときに車両用発電機の発電を停止または抑制し、車両が減速状態にあるときに車両用発電機の発電を増強することが望ましい。これにより、燃料消費の削減や加速時の排ガス低減を確実に行うことができる。

また、上述した電力変換装置の定格容量は、車両用発電機の定格容量のほぼ１／２以下であることが望ましい。これにより、一般的には高価な電力変換装置の大型化を避けながら、日常的には車載の電気負荷への電力供給を損なわない程度の容量を確保することができ、装置の小型化と電気負荷に印加する電源電圧の安定化との両立を図ることが可能となる。

また、上述した制御装置は、車両用発電機の発電量が所定量を超えた場合、あるいは、電力変換装置における通電量が所定量を超えた場合に、短絡スイッチを短絡状態に設定することが望ましい。このように短絡スイッチの開閉状態を制御することにより、燃料消費量低減を妨げる機会、すなわち短絡スイッチが閉じられる機会は電力消費の多い期間に限られることになり、全体の走行状態の中では極限られた場合のみに短絡スイッチを閉じることができ、燃費向上を図ることができる。

また、上述した制御装置は、車両用発電機の出力目標電圧を変化させることにより、出力電圧の変動率を可変設定することが望ましい。あるいは、上述した制御装置は、車両用発電機の界磁電流を変化させることにより、出力電圧の変動率を可変設定することが望ましい。これにより、比較的簡単に車両用発電機の出力電圧の変動率を小さくすることができる。

また、上述した第１の蓄電装置は、第２の蓄電装置よりも定格電圧が高いことが望ましい。これにより、電力変換装置を降圧モードのみで動作させることができるため、比較的簡素かつ安価な構成を採用することが可能になる。

また、上述した電力変換装置は、入出力端子間に接続されたパワートランジスタを不飽和領域で動作させるシリーズレギュレータであることが望ましい。このようにスイッチング動作しない電力変換装置を用いることにより、スイッチングノイズの発生を防止することができる。

また、上述した短絡スイッチは、断続制御される半導体デバイスを用いて構成されることが望ましい。半導体デバイスで短絡スイッチを構成することにより、従来のメカニカルリレーでの接点のバウンシングによる短絡スイッチの開閉時におけるサージ電圧が発生を防止することができる。

以下、本発明を適用した一実施形態の車載電源システムについて、図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、一実施形態の車載電源システムの全体構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の車載電源システムは、２つの蓄電装置１、２、電力変換装置３、短絡スイッチ４、車両用発電機５、電圧制御装置６、システム制御装置７、電流センサ８を含んで構成されており、各種の電気負荷９に対して動作電力を供給する。

一方の蓄電装置１は、鉛蓄電池（バッテリ）が用いられており、車両用発電機５によって充電される。他方の蓄電装置２は、鉛蓄電池が用いられており、電気負荷９に対して動作電力を供給する。蓄電装置１の定格電圧は、蓄電装置２の定格電圧よりも高く設定されている。電力変換装置３は、一方向通電性の電力変換動作を行い、蓄電装置１から蓄電装置２に対する電力供給を行う。蓄電装置１の定格電圧を蓄電装置２の定格電圧よりも高く設定する場合には、電力変換装置３を降圧モードのみで動作させることができる。短絡スイッチ４は、電力変換装置３の入出力端子間を短絡する。この短絡スイッチ４は、パワートランジスタ等の半導体デバイスを断続制御することで実現されている。メカニカルリレーで短絡スイッチ４を構成する場合にはリレー導通時にリレー接点が高速でバウンシングして大きなサージ電圧が発生するが、半導体デバイスで短絡スイッチ４を構成した場合にはこのようなサージ電圧が発生しないため、特別にサージ対策を講じる必要がない。

図２は、電力変換装置３の具体的な構成を示す図である。図２に示すように、電力変換装置３は、所謂ＤＣ−ＤＣコンバータであって、スイッチングトランジスタ３１、フライホイールダイオード３２、インダクタ３３、平滑コンデンサ３４、制御回路３５を含んで構成されている。スイッチングトランジスタ３１のドレインが入力端子に接続されており、ソースがインダクタ３３の一方端に接続されているとともにフライホイールダイオード３２を介して接地されている。また、インダクタ３３の他方端は、出力端子に接続されているとともに平滑コンデンサ３４を介して接地されている。

制御回路３５は、出力端子とスイッチングトランジスタ３１のゲートに接続されており、出力端子の電圧に基づいてスイッチングトランジスタ３１をオンオフ制御する。具体的には、制御回路３５は、スイッチングトランジスタ３１を数十〜百ｋＨｚの範囲でスイッチングしており、負荷状況に応じてそのスイッチングデューティ比を調整することにより出力電圧をほぼ一定に制御する。

車両用発電機５は、エンジン（図示せず）によって駆動されて機械エネルギーを電気エネルギーに変換して、蓄電装置２に充電電力を供給する。電圧制御装置６は、車両用発電機５の界磁コイルに流れる界磁電流を調整して出力電圧をほぼ一定に制御することにより発電量を調整する。システム制御装置７は、車両用発電機５および蓄電装置１から蓄電装置２への電力供給を電力変換装置３を通して行うか短絡スイッチ４を通して行うかを判定し、この判定結果に基づいて短絡スイッチ４の開閉状態を制御する。この判定は、電力変換装置３の定格容量に関する値を用いて行われる。例えば、蓄電装置２へ供給される通電電流が電力変換装置３の定格容量のほぼ１／２（５０％）を超えた場合には短絡スイッチ４を通した経路が選択され、短絡スイッチ４が閉じられて電力変換装置３が休止状態になる。また、システム制御装置７は、短絡スイッチ４が開状態のときよりも閉状態のときに、車両用発電機５の出力電圧の変動率が小さくなるように制御する。電流センサ８は、電力変換装置３から出力される通電電流を検出する。この検出信号に基づいてシステム制御装置７による判定動作が行われる。なお、上述した説明では、蓄電装置２へ供給される通電量が所定量（電力変換装置３の定格容量のほぼ１／２）を超えた場合に短絡スイッチ４を閉じたが、車両用発電機５の発電量が所定量を超えた場合に短絡スイッチ４を閉じるようにしてもよい。車両用発電機５の発電量は、電流センサ８を車両用発電機５の出力線に挿入することにより検出することができる。

本実施形態の車載電源システムはこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。図３は、短絡スイッチ４が開いている状態に対応した本実施形態の車載電源システムにおける２つの蓄電装置１、２の各端子電圧と車速との関係を示す図である。図４は、短絡スイッチ４が閉じている状態に対応した本実施形態の車載電源システムにおける２つの蓄電装置１、２の各端子電圧と車速との関係を示す図である。これらの図において、蓄電池電圧Ｖ１は蓄電装置１の端子電圧を、蓄電池電圧Ｖ２は蓄電装置２の端子電圧をそれぞれ示している。

電力変換装置３の通電電流が所定値以下の場合には、システム制御装置７は短絡スイッチ４を開く制御を行い、電力変換装置３を通して蓄電装置２への通電が行われる。電力変換装置３は、出力電圧を一定にするようにスイッチングトランジスタ３１のスイッチングデューティ比を自動調整するため、入力電圧（車両用発電機５の発電電圧）が激しく変動しても、蓄電装置２が接続された出力端子の電圧はほぼ一定に維持される。

本実施形態では、図３に示すように、車両用発電機５の発電目標電圧を加速時に低く（時刻ｔ１〜ｔ２、ｔ７〜ｔ８において１２Ｖ）、減速時に高く（時刻ｔ３〜ｔ４、ｔ５〜ｔ６、ｔ９〜ｔ１０において１５．５Ｖ）に設定することにより、車両の減速期間に積極的に発電することで減速時に消散させていた運動エネルギーを効果的に電気エネルギーに変換、蓄積（減速回生）することができるとともに、加速期間に発電を停止して先に回生した電気エネルギーを放出することで加速時の発電に要する燃料消費量を削減することができる。しかも、車両用発電機５の発電電圧は激しく変動するが、車載の電気負荷９に対する電力供給は蓄電装置２と電力変換装置３を介して行われるため、ほぼ一定の電圧を有する動作電力を電気負荷９に対して供給することが可能になる。

また、電力変換装置３の通電電流が所定値を超える場合には、システム制御装置７は短絡スイッチ４を閉じる制御を行い、短絡スイッチ４を通して蓄電装置２への通電が行われる。この場合には車両用発電機５の発電電圧の変動がそのまま蓄電装置２に伝わってしまうため、本実施形態では、この発電電圧の変動率（電圧の時間変化速度）を小さくすべく図４に示すように車両用発電機５の発電目標電圧に勾配つけて緩やかに変化させている。例えば、発電目標電圧の変動率を１Ｖ／秒に設定して変化させている。

発電目標電圧の設定をシステム制御装置７によって行うものとすると、システム制御装置７は、車両の加速状態を検出したときに発電目標電圧を１４．５Ｖから１２Ｖに向けて１Ｖ／秒で下げ、車両の減速状態を検出したときに発電目標電圧を１４．５Ｖから１５．５Ｖに向けて１Ｖ／秒で上げればよい。
なお、車両用発電機５の出力電圧の変動率を小さくする制御は、発電目標電圧の設定を緩やかに変化させる以外に、車両用発電機５の界磁電流を変化させて行うようにしてもよい。具体的には、車両用発電機５の界磁コイルに界磁電流を通電する電圧制御装置６内のスイッチングトランジスタのオンオフデューティ比を徐々に変化させるように制御することで、車両用発電機５の出力電圧の変動率を小さくすることが可能となる。また、発電目標電圧や界磁電流用のスイッチングトランジスタのオンオフデューティ比の上限値（制限デューティ値）を外部から設定可能な電圧制御装置６（従来から行われている徐励制御用にこのような設定が可能な電圧制御装置が広く知られている）については、システム制御装置７から電圧制御装置６に対して指示する発電目標電圧値や制限デューティ値を徐々に変化させればよい。

このように、本実施形態の車載電源システムでは、電力変換装置３を通して蓄電装置１から蓄電装置２に向けて電力を供給することにより、蓄電装置２の端子電圧を安定化させることが可能になり、電気負荷９に印加する電源電圧を安定させることができる。また、電力消費が比較的多い場合には短絡スイッチ４を閉じて車両用発電機５および蓄電装置１から蓄電装置２に直接電力を供給することにより、電力変換装置３の容量を小さくすることができ、冷却性向上、搭載性向上、コスト低減が可能になる。その際に、車両用発電機５の出力電圧の変動率が小さくなるように設定されているため、電力変換装置３を通さずに蓄電装置２に電力を供給した場合であっても電気負荷に印加する電源電圧の変動を比較的小さくすることができる。このように、短絡スイッチ４を設けてその開閉状態を車両用発電機５の出力電圧の変動率に関連づけて制御することにより、電力変換装置３を用いて発電停止や回生発電を行うことによる燃費改善や排ガス低減と、電力変換装置３の小型化による冷却性向上、搭載性向上、コスト低減とを両立しつつ、電気負荷９に印加する電源電圧の変動を抑制することができる。特に、車両が加速状態にあるときに車両用発電機５の発電を停止または抑制し、車両が減速状態にあるときに車両用発電機５の発電を増強することにより、燃料消費の削減や加速時の排ガス低減を確実に行うことができる。

また、電力変換装置３の定格容量を車両用発電機５の定格容量のほぼ１／２以下とすることにより、一般的には高価な電力変換装置３の大型化を避けながら、日常的には車載の電気負荷９への電力供給を損なわない程度の容量を確保することができ、装置の小型化と電気負荷９に印加する電源電圧の安定化との両立を図ることが可能となる。

また、システム制御装置７は、車両用発電機５の発電量が所定量を超えた場合、あるいは、電力変換装置３における通電量が所定量を超えた場合に、短絡スイッチ４を短絡状態に設定している。このように短絡スイッチ４の開閉状態を制御することにより、燃料消費量低減を妨げる機会、すなわち短絡スイッチ４が閉じられる機会は電力消費の多い期間に限られることになり、全体の走行状態の中では極限られた場合のみに短絡スイッチ４を閉じることができ、総合的に燃費向上を図ることができる。

また、システム制御装置７は、車両用発電機５の出力目標電圧を変化させることにより出力電圧の変動率を可変設定したり、車両用発電機５の界磁電流を変化させることにより出力電圧の変動率を可変設定しており、比較的簡単に車両用発電機５の出力電圧の変動率を小さくすることが可能になる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。上述した実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータとしての構成を有する電力変換装置３を用いたが、他の構成の電力変換装置を用いるようにしてもよい。図５は、電力変換装置の変形例を示す図である。図５に示す電力変換装置３Ａは、所謂シリーズレギュレータであって、不飽和動作するパワートランジスタ３６と、出力電圧を分圧する分圧回路を構成する抵抗群３７と、基準電圧源３９が接続されたオペアンプ３８とを含んで構成されている。この電力変換装置３Ａは、パワートランジスタ３６が可変抵抗としての挙動をしながら、入力端子に接続された蓄電装置１と出力端子に接続された蓄電装置２との間の電位差を埋める役割をする。したがって、望ましくは蓄電装置１の定格電圧は蓄電装置２の定格電圧よりも高く設定されている。このような構成を採用することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ構成の電力変換装置３に比べてスイッチングノイズの発生をほぼゼロにすることができるため、ＥＭＣ（電磁環境両立性）に対しては有利となるとともに、大型部品であるインダクタ３３や平滑コンデンサ３４が不要になるためコスト面や体格面でも有利となる。

また、上述した実施形態では、蓄電装置１として鉛蓄電池を用いたが、蓄電装置２よりも内部インピーダンスが低い蓄電装置、例えばリチウム電池を用いるようにしてもよい。リチウム電池は、鉛蓄電池に比べて内部インピーダンスが低いため、加速期間が長くなって蓄電装置１の放電が進行しても、加速期間終了後に少ない充電損失で効果的に急速充電を行うことが可能になる。

一実施形態の車載電源システムの全体構成を示す図である。 電力変換装置の具体的な構成を示す図である。 短絡スイッチが開いている状態に対応した本実施形態の車載電源システムにおける２つの蓄電装置の各端子電圧と車速との関係を示す図である。 短絡スイッチが閉じている状態に対応した本実施形態の車載電源システムにおける２つの蓄電装置の各端子電圧と車速との関係を示す図である。 電力変換装置の変形例を示す図である。

符号の説明

１、２ 蓄電装置
３、３Ａ 電力変換装置
４ 短絡スイッチ
５ 車両用発電機
６ 電圧制御装置
７ システム制御装置
８ 電流センサ
９ 電気負荷

Claims (9)

1. エンジンによって駆動される車両用発電機と、
   前記車両用発電機によって発電した電力を蓄積する第１の蓄電装置と、
   電気負荷に接続される第２の蓄電装置と、
   前記第１の蓄電装置から前記第２の蓄電装置に対して電力を供給する電力変換装置と、
   前記電力変換装置の入出力端子間を短絡する短絡スイッチと、
   前記車両用発電機の出力電圧の変動率を前記短絡スイッチが開状態のときよりも閉状態のときに小さく設定する制御装置と、
   を備えることを特徴とする車載電源システム。
2. 請求項１において、
   前記制御装置は、車両が加速状態にあるときに前記車両用発電機の発電を停止または抑制し、車両が減速状態にあるときに前記車両用発電機の発電を増強することを特徴とする車載電源システム。
3. 請求項１または２において、
   前記電力変換装置の定格容量は、前記車両用発電機の定格容量のほぼ１／２以下であることを特徴とする車載電源システム。
4. 請求項１または２において、
   前記制御装置は、前記車両用発電機の発電量が所定量を超えた場合、あるいは、前記電力変換装置における通電量が所定量を超えた場合に、前記短絡スイッチを短絡状態に設定することを特徴とする車載電源システム。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記制御装置は、前記車両用発電機の出力目標電圧を変化させることにより、出力電圧の変動率を可変設定することを特徴とする車載電源システム。
6. 請求項１〜４のいずれかにおいて、
   前記制御装置は、前記車両用発電機の界磁電流を変化させることにより、出力電圧の変動率を可変設定することを特徴とする車載電源システム。
7. 請求項１〜６のいずれかにおいて、
   前記第１の蓄電装置は、前記第２の蓄電装置よりも定格電圧が高いことを特徴とする車載電源システム。
8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
   前記電力変換装置は、入出力端子間に接続されたパワートランジスタを不飽和領域で動作させるシリーズレギュレータであることを特徴とする車載電源システム。
9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、
   前記短絡スイッチは、断続制御される半導体デバイスを用いて構成されることを特徴とする車載電源システム。
   

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