JP2008296797A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】補助バッテリ、昇圧と降圧を行う双方向コンバータを含む車両用電源装置の小型化設計、低コスト化を図ること。
【解決手段】双方向コンバータ４２を、コイル４２１と、コイル４２１より補助バッテリ４１の側にあってコイル４２１と直列に接続されコイル４２１より補助バッテリ４１へ向かう電流の流れのみを許すダイオード４２２と、コイル４２１とダイオード４２２との接続点Ｍを選択的に接地する第一のスイッチング素子４２３と、ダイオード４２２と並列に接続されて補助バッテリ４１と接続点Ｍとの間を流れる電流の断続を行う第二のスイッチング素子４２４とで構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等に搭載される車両用電源装置に関し、特に、電動パワーステアリング装置やステアバイワイヤ装置の電動モータのように、大電流を必要とする電気負荷を備えた車両に搭載される車両用電源装置に関するものである。

自動車等の車両の電動パワーステアリング装置においては、ドライバがステアリングホイールに加える手動操舵力を軽減するための補助操舵力を発生するために、特に、ステアバイワイヤ装置においては、操舵に必要な全ての操舵力を発生するために、高出力（大電流）の電動モータが用いられている。

このような車載電動モータの高出力要求に対応すべく、車載の鉛蓄電池等によるバッテリから供給される電力の電圧を昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータによる昇圧回路を、電動モータの電源回路に組み込んだものがある。この昇圧回路の組み込みにより、入力側の電圧変化の影響を最小限に抑えることができ、安定した電力供給が可能となる。

このような昇圧回路を車両に設けるにあたっては、電動モータを駆動する電力制御インバータの近傍に昇圧回路を配置したもの（例えば、特許文献１参照）、バッテリ電源の近傍に昇圧回路を配置した構成（特許文献２参照）が知られている。
特開２００４−２７６８４１号公報 特開２００５−２１２６５９号公報

しかしながら、特許文献１に開示の従来技術では、バッテリと昇圧回路とを結ぶワイヤハーネスの距離が長くなるため、電流が大きくなるのに応じて増大する電気抵抗による電圧低下が顕著になり、電気負荷の出力を十分に高めることができない不都合が生じる。

一方、特許文献２に開示の従来技術では、昇圧回路がバッテリの近傍に配置されることで、バッテリと昇圧回路とを結ぶワイヤハーネスの距離が短くなるため、ワイヤハーネスの電気抵抗による電圧低下を低く抑えて、電気負荷の出力向上を期待し得るものの、各種の部品が密集したエンジンルーム内で、且つバッテリの近傍に昇圧回路の電気ユニットを配置するにはスペース上の制約が大きく、困難な場合が多い。

また、バッテリには、燃料噴射点火系の電装部品やルームランプ等のその他の車載電装部品が接続されているが、電動パワーステアリング装置の電動モータに大電流が発生すると、バッテリの電圧が急激に変動することで、ルームランプのちらつき（照度変化）やエンジン回転数の変化が発生して、ドライバに違和感を与えることがある。

このことに対して、電気負荷（電動モータ）に所要の電力を供給する主バッテリ以外に、主バッテリの電圧よりも高い電圧を充放電可能な補助バッテリを、昇圧及び降圧を行う双方向コンバータを介して電源回路に接続することが考えられている。

この電源装置では、双方向コンバータの昇圧、降圧作用により、主バッテリ側から電気負荷に向かう給電路の電流が小さい時には、補助バッテリの昇圧充電を行い、給電路の電流が増大する大電流時には、補助バッテリの放電電流の電圧を適切な電圧に降圧して給電路に送り込むことができる。

これにより、この電源装置では、電気負荷の動作電圧を安定化できると共に、他の車載電装部品での急激な電圧変動を回避して安定した動作を実現することができる。そして、補助バッテリの放電時、つまり、給電時には、補助バッテリの電圧を電気負荷の動作に最適な電圧に降圧して給電することにより、給電回路中に存在する半導体素子の発熱を抑えて発熱による電力損失を最小限にとどめることができる。

しかし、双方向コンバータは、昇圧用のコイルと降圧用のコイルとして、大型のコイルを２個必要とする。このため、電源ユニット（車両用電源装置）の大型化、コスト高になる。

本発明が解決しようとする課題は、補助バッテリ、昇圧と降圧を行う双方向コンバータを含む車両用電源装置の小型化設計、低コスト化を可能にすることである。

本発明による車両用電源装置は、車載の電気負荷に所要の電力を供給する車載の主バッテリと、前記主バッテリの電圧よりも高い電圧を充放電可能な車載の補助バッテリと、前記主バッテリと前記電気負荷とを接続する給電路と、前記給電路と前記補助バッテリとを電気的に接続し、電圧の昇圧及び降圧を行う双方向コンバータとを有し、前記双方向コンバータは、前記給電路側に接続されたコイルと、前記コイルより前記補助バッテリの側にあって前記コイルと直列に接続され前記コイルより前記補助バッテリへ向かう電流の流れのみを許すダイオードと、前記コイルと前記ダイオードとの接続点を選択的に接地する第一のスイッチング素子と、前記ダイオードと並列に接続されて前記補助バッテリと前記接続点との間を流れる電流の断続を行う第二のスイッチング素子とにより構成されている。

本発明による車両用電源装置は、一つの実施形態として、前記第二のスイッチング素子が、前記コイルより前記補助バッテリへ向かう電流の流れのみを許す寄生ダイオードを含む電界効果トランジスタにより構成され、前記ダイオードが前記寄生ダイオードからなる。

本発明による車両用電源装置は、好ましくは、前記主バッテリと前記補助バッテリが車載の発電機に接続され、前記双方向コンバータは、前記補助バッテリの充電時には前記第一のスイッチング素子をオン・オフして昇圧を行い、前記補助バッテリの放電時には前記第二のスイッチング素子をオン・オフして降圧を行う。

本発明による車両用電源装置は、更に、前記給電路の電流値を示す信号を入力し、入力した前記電流値に応じて前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子とを個別にオン・オフ制御する制御手段を有する。

本発明の車両用電源装置によれば、一つのコイルが、第一のスイッチング素子のオン・オフによって昇圧用のコイルとして機能し、第二のスイッチング素子のオン・オフによって降圧用のコイルとして機能する。これにより、一つのコイルが昇圧用のコイルと降圧用のコイルを兼ねることになり、昇圧用と降圧用とで個々にコイルを設ける必要がなく、車両用電源装置の小型化設計が可能になり、低コスト化を図ることができる。

本発明の車両用電源装置によれば、主バッテリと補助バッテリが車載の発電機に接続されていることにより、双方向コンバータは、補助バッテリの充電時には前記第一のスイッチング素子をオン・オフして昇圧を行う。そして、補助バッテリの放電時には第二のスイッチング素子をオン・オフして降圧を行う。

本発明の車両用電源装置によれば、制御手段が給電路の電流値を示す信号を入力して当該電流値に応じて第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子とを個別にオン・オフ制御することにより、補助バッテリは、給電路の状態に応じて昇圧充電と降圧放電の何れかを適切に行う。また、第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子の双方をオフ状態にすることにより、補助バッテリは待機状態になる。

以下に、本発明による車両用電源装置の実施形態を、図１を参照して説明する。

本実施形態の車両用電源装置は、車載電源として、主バッテリ１と、補助バッテリ４１とを有する。主バッテリ１は長寸なワイヤハーネス（給電路）２によって電動パワーステアリングシステム３に電力供給を行う。電動パワーステアリングシステム３の操舵制御ユニット３１の近傍には補助バッテリ４１を含む補助電源ユニット４が設けられている。

主バッテリ１は、例えば、鉛畜電池による再充電可能な車載バッテリであり、１２Ｖの定格電圧のものである。主バッテリ１には、図示されていない車載のエンジンにより駆動される車載の発電機（オルタネータ）１２が整流器（レクチファイア）１３を介して接続されている。主バッテリ１は発電機１２が発生する電力により充電される。

主バッテリ１には、車載の電気負荷の一つとして、セルモータ１１が接続されている。セルモータ１１は、主バッテリ１から電力供給され、エンジン（図示せず）を始動する。
主バッテリ１には、電磁リレー１４を介して、燃料噴射点火系の電装部品１５、ルームランプやヘッドライト等のその他の電装部品１６が接続されている。主バッテリ１は、これらにも電力を供給する。

電動パワーステアリングシステム３は、操舵車輪Ｗを転舵する際に、ステアリングホイール３２の手動操舵力を軽減するための補助操舵力を発生する電動モータ（電気負荷）３３と、手動操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ３４と、ステアリングホイール３１の回転角を検出する操舵角センサ３５と、操舵制御ユニット３１とを備えている。

操舵制御ユニット３１は、操舵トルクセンサ３４及び操舵角センサ３５により取得した操舵トルク及び操舵角などに基づいてモータ電流の目標値を算出し、電力制御インバータからなる駆動回路３６において目標値と電流検出器３７により検出される実電流値Ａ０との偏差が小さくなるよう、電動モータ３３に通電する電流の電流値を制御する。この電流制御において、大きな補助操舵力が要求される際には、モータ電流の目標値が大きくなり、大電流が必要となる。

補助電源ユニット４は、補助バッテリ４１と、双方向コンバータ４２と、電流検出器４４と、電圧検出器４５と、コントローラ（補助バッテリ制御手段）４３とを備えている。

補助電源ユニット４は、主バッテリ１から電動パワーステアリングシステム３に向かうワイヤハーネス２の途中に介装され、大電流を必要とする電動パワーステアリングシステム３のサブ電源として機能するものである。補助電源ユニット４は、主バッテリ１からのワイヤハーネス２が接続される入力端子４Ａと、電動パワーステアリングシステム３に向かうワイヤハーネス５が接続される出力端子４Ｂと、入力端子４Ａと出力端子４Ｂとを接続する内部配線４６の流れる電流（接続点Ｎより入力端子４Ａ側）の電流値Ａ１を検出する電流検出器４４と、内部配線４６の流れる電流（接続点Ｎより入力端子４Ａ側）の電圧値Ｖ１を検出する電圧検出器４５とを備えており、外部との信号の授受を要しない独立した電機システムとなっている。

補助バッテリ４１は、再充電可能な二次電池、例えばリチウムイオン電池からなる。この補助バッテリ４１は、主バッテリ１の電圧（通常１２Ｖ）よりも高い電圧（例えば１６Ｖ）を充放電可能となっている。補助バッテリ４１には、発電機１２が整流器（レクチファイア）１３を介して接続されており、補助バッテリ４１は発電機１２が発生する電力により充電される。

双方向コンバータ４２は、昇圧及び降圧の両方向の電圧変換が可能なＤＣ／ＤＣコンバータであり、入力端子４Ａと出力端子４Ｂとを接続する内部配線４６の途中の接続点Ｎと補助バッテリ４１との間に介装されている。つまり、双方向コンバータ４２は、主バッテリ１と電気負荷である電動モータ３３とを接続する給電路と補助バッテリ４１とを電気的に接続し、補助バッテリ４１の放電電流の電圧を適切な電圧に降圧して接続点Ｎに送り込み、また接続点Ｎからの電流の電圧を昇圧して補助バッテリ４１の充電を行うものであり、以下の回路構成になっている。

双方向コンバータ４２は、内部配線４６（給電路）側に接続された唯一のコイル４２１と、コイル４２１より補助バッテリ４１の側にあってコイル４２１と直列に接続されコイル４２１より補助バッテリ４１へ向かう電流の流れのみを許すダイオード４２２と、コイル４２１とダイオード４２２との接続点Ｍを選択的に接地する第一の電界効果トランジスタ（スイッチング素子）４２３と、ダイオード４２２と並列に接続されて補助バッテリ４１と接続点Ｍとの間を流れる電流の断続を行う第二の電界効果トランジスタ（スイッチング素子）４２４とにより構成されている。

双方向コンバータ４２は、補助バッテリ４１の充電時には第一の電界効果トランジスタ４２３をオン・オフして昇圧を行い、補助バッテリ４１の放電時には第二の電界効果トランジスタ４２４をオン・オフして降圧を行う。

コントローラ４３は、電流検出器４４が検出する電流値Ａ１に基づいて双方向コンバータ４２の第一の電界効果トランジスタ４２３と第二の電界効果トランジスタ４２４のオン・オフを個別に制御して補助バッテリ４１の充放電を制御する。

具体的には、電流検出器４４により検出された電流値Ａ１と所定の閾値（例えば５０Ａ）とを比較し、電流値Ａ１が閾値（例えば５０Ａ）を超えた場合には、第一の電界効果トランジスタ４２３をオフ状態にして第二の電界効果トランジスタ４２４のオン・オフし、補助バッテリ４１からの降圧給電を開始する。これに対し、電流値Ａ１が閾値（例えば５０Ａ）以下の場合には、第二の電界効果トランジスタ４２４をオフ状態にして第一の電界効果トランジスタ４２３のオン・オフし、補助バッテリ４１の昇圧充電を開始する。

これにより、小電流時（例えば５０Ａ程度まで）には、電動モータ３３に主バッテリ１のみから電力が供給され、大電流時（例えば５０Ａ以上）には、電動モータ３３に主バッテリ１に加えて補助バッテリ４１からも電力が供給される。

補助バッテリ４１による降圧給電時には、双方向コンバータ４２は、主バッテリ１よりも高い電圧を放電可能である補助バッテリ４１の放電電流を、主バッテリ１側からの給電線Ｌ１の電圧を検出する電圧検出器４５の電圧値Ｖ１に基づいて所要の電圧に降圧し、これにより発生したブースト電流Ａ２が接続点Ｎに送り込まれる。

これにより、電動モータ３３の電流が増大しても、主バッテリ１側からのワイヤハーネス２に流れる電流Ａ１の上昇が抑制され、ワイヤハーネス２での電気抵抗による電圧低下（Ｖ０−Ｖ１）を小さく抑えることができる。このため、電動モータ３３の動作電圧が高くなり、電動モータ３３に十分な電力が供給され、電動モータ３３の出力向上を図ることができる。

また、主バッテリ１の放電電流を低減することができるため、主バッテリ１に接続された電装部品１５、１６の電圧変動を抑えることができる。これによりルームランプのちらつきやエンジン回転数の変化などの不具合を回避することができる。

このように電流検出器４４にて主バッテリ１側からの電流値Ａ１を検出して制御するため、適確な電流供給と電流変化に対する追従応答性の向上を図ることが可能になり、補助バッテリ４１からの無用な電流供給を抑制することができ、結果的に、補助バッテリ４１の消耗を防ぎ、電池容量の最適化と電池の長寿命化及びユニットの小型化を実現することができる。

なお、第一の電界効果トランジスタ４２３と第二の電界効果トランジスタ４２４の双方をオフ状態にすることにより、補助バッテリ４１を待機状態（充放電しない状態）にすることができる。

上述したように、双方向コンバータ４２の一つのコイル４２１が、第一のスイッチング素子である第一の電界効果トランジスタ４２３のオン・オフによって昇圧用のコイルとして機能し、第二のスイッチング素子である第二の電界効果トランジスタ４２４のオン・オフによって降圧用のコイルとして機能するから、一つのコイル４２１が昇圧用のコイルと降圧用のコイルを兼ねることになる。これにより、双方向コンバータ４２に昇圧用と降圧用とで個々にコイルを設ける必要がなく、双方向コンバータ４２を含む車両用電源装置の小型化設計が可能になり、低コスト化を図ることができる。

なお、図２に示されているように、第二のスイッチング素子である第二の電界効果トランジスタ４２４が、ＭＯＳ型等によるもので、スイッチング部４２４Ａと並列にあって、コイル４２１より補助バッテリ４１へ向かう電流の流れのみを許す寄生ダイオード４２４Ｂを含むものである場合には、寄生ダイオード４２４Ｂを上述のダイオード４２２として機能させ、ダイオード４２２を省略することもできる。また、もちろんのこととして、寄生ダイオード４２４Ｂとダイオード４２２とを重複して設けてもよい。

本発明による車両用電源装置が適用された電力供給システムの一つ実施形態を示すブロック図である。 本発明による車両用電源装置が適用された電力供給システムの他の実施形態を示すブロック図である。

符号の説明

１ 主バッテリ
２ ワイヤハーネス（給電路）
３ 電動パワーステアリングシステム
４ 補助電源ユニット
５ ワイヤハーネス
１５、１６ 電装部品
３３ 電動モータ（電気負荷）
４１ 補助バッテリ
４２ 双方向コンバータ
４２１ コイル
４２２ ダイオード
４２３ 第一の電界効果トランジスタ
４２４ 第二の電界効果トランジスタ
４２４Ａ スイッチング部
４２４Ｂ 寄生ダイオード

Claims (4)

1. 車載の電気負荷に所要の電力を供給する車載の主バッテリと、
   前記主バッテリの電圧よりも高い電圧を充放電可能な車載の補助バッテリと、
   前記主バッテリと前記電気負荷とを接続する給電路と、
   前記給電路と前記補助バッテリとを電気的に接続し、電圧の昇圧及び降圧を行う双方向コンバータとを有し、
   前記双方向コンバータは、前記給電路側に接続されたコイルと、前記コイルより前記補助バッテリの側にあって前記コイルと直列に接続され前記コイルより前記補助バッテリへ向かう電流の流れのみを許すダイオードと、前記コイルと前記ダイオードとの接続点を選択的に接地する第一のスイッチング素子と、前記ダイオードと並列に接続されて前記補助バッテリと前記接続点との間を流れる電流の断続を行う第二のスイッチング素子とにより構成されていることを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記第二のスイッチング素子が、前記コイルより前記補助バッテリへ向かう電流の流れのみを許す寄生ダイオードを含む電界効果トランジスタにより構成され、前記ダイオードが前記寄生ダイオードからなる請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記主バッテリと前記補助バッテリが車載の発電機に接続され、前記双方向コンバータは、前記補助バッテリの充電時には前記第一のスイッチング素子をオン・オフして昇圧を行い、前記補助バッテリの放電時には前記第二のスイッチング素子をオン・オフして降圧を行う請求項１または２に記載の車両用電源装置。
4. 前記給電路の電流値を示す信号を入力し、入力した前記電流値に応じて前記第一のスイッチング素子と前記第二のスイッチング素子とを個別にオン・オフ制御する制御手段を有する請求項１から３の何れか一項に記載の車両用電源装置。

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