JP2008312293A

JP2008312293A - 車両用電源装置

Info

Publication number: JP2008312293A
Application number: JP2007155671A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Shinagawa; 昌彦品川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2007-06-12
Publication date: 2008-12-25

Abstract

【課題】本発明は、車両用電源装置に関し、車載電気負荷の動作時に生じ易いグランド浮きに伴う電気エネルギが無駄に消費されるのを防止することにある。
【解決手段】電力エネルギを蓄えることが可能な複数のキャパシタと、キャパシタを車載バッテリのグランド端子と車載電気負荷のマイナス端子との間に並列に接続させる充電モードと、キャパシタを車載バッテリのグランド端子と該車載バッテリのプラス端子との間に直列に接続させる放電モードと、を切り替える切替手段と、を設ける。尚、キャパシタの両端電圧が所定値未満であるときは充電モードが実現され、一方、キャパシタの両端電圧が所定値以上であるときは放電モードが実現されるように切替手段を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用電源装置に係り、特に、例えばスタータなどの車載電気負荷の動作時に生じ易いいわゆるグランド浮きに伴って無駄に消費され得るエネルギを回収するうえで好適な車両用電源装置に関する。

従来、車両に搭載され、充放電可能な車載バッテリを備える車両用電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この車両用電源装置において、車載バッテリには、そのグランド端子とプラス端子との間に、例えばスタータなどの電気負荷が並列に接続されている。そして、車載バッテリは、その電気負荷に対して電力エネルギを供給する。
特開平５−３００６６０号公報

ところで、上記した電源装置の如く車載バッテリから電源供給されてスタータなどの大電流負荷が動作する時は、車載バッテリのグランド端子とそのグランド端子に配線を介して接続する大電流負荷のマイナス端子との間で、配線抵抗に起因して差電圧が発生することがある。かかる差電圧が発生すると、そのグランド浮きによって車載バッテリから無駄に電気エネルギが配線抵抗にて消費される事態が生じ得る。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、車載電気負荷の動作時に生じ易いグランド浮きに伴う電気エネルギが配線抵抗にて無駄に消費されるのを防止することが可能な車両用電源装置を提供することを目的とする。

上記の目的は、電力エネルギを蓄えることが可能なキャパシタと、前記キャパシタを車載バッテリのグランド端子と車載電気負荷のマイナス端子との間に接続させる充電モードと、前記キャパシタを車載バッテリのグランド端子と該車載バッテリのプラス端子との間に接続させる放電モードと、を切り替える切替手段と、を備える車両用電源装置により達成される。

この態様の発明において、電力エネルギを蓄えることが可能なキャパシタは、切替手段によるモード切替により、充電モード時に車載バッテリのグランド端子と車載電気負荷のマイナス端子との間に接続され、放電モード時に車載バッテリのグランド端子とプラス端子との間に接続される。かかる構成においては、充電モード時に、車載バッテリのグランド端子と車載電気負荷のマイナス端子との間に生ずる差電圧（グランド浮き）に伴う電気エネルギをキャパシタに蓄えることができると共に、放電モード時に、そのキャパシタに蓄えた電気エネルギを有効に車載電気負荷などへの電気エネルギとして利用させることができる。従って、本発明によれば、車載電気負荷の動作時に生じ易いグランド浮きに伴う電気エネルギが無駄に消費されるのを防止することができる。

尚、上記した車両用電源装置において、前記キャパシタは、複数設けられており、前記切替手段は、前記充電モード時には各キャパシタを車載バッテリのグランド端子と車載電気負荷のマイナス端子との間に並列に接続させ、一方、前記放電モード時には各キャパシタを車載バッテリのグランド端子と該車載バッテリのプラス端子との間に直列に接続させることとすれば、キャパシタに電気エネルギを蓄える充電モード時の各キャパシタの両端電位を低く抑えつつ、キャパシタから電気エネルギを放出する放電モード時の総キャパシタ両端電位を車載バッテリのバッテリ電位よりも大きくすることができる。

また、上記した車両用電源装置において、前記キャパシタの両端電圧を検出する電圧検出手段と、前記電圧検出手段により検出される前記キャパシタの両端電圧が所定値未満であるときは前記充電モードが実現され、一方、前記キャパシタの両端電圧が所定値以上であるときは前記放電モードが実現されるように前記切替手段を制御する切替制御手段と、を備えることとすれば、上記したキャパシタの両端電圧が小さいときすなわちキャパシタに蓄えた電気エネルギが小さいときはそのキャパシタへの電気エネルギの蓄積が許容され、一方、上記したキャパシタの両端電圧が大きいときすなわちキャパシタに蓄えた電気エネルギが大きいときはその電気エネルギの放出が、総キャパシタ両端電位を車載バッテリのバッテリ電位よりも大きくしたうえで実現されるので、キャパシタに蓄えた電気エネルギを確実に車載電気負荷などへの電気エネルギとして利用させることができる。

本発明によれば、車載電気負荷の動作時に生じ易いグランド浮きに伴う電気エネルギが無駄に消費されるのを防止することができる。

以下、図面を用いて、本発明の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施例である車両に搭載される車両用電源装置１０の構成図を示す。図１に示す如く、本実施例の車両用電源装置１０は、車載バッテリ１２及びオルタネータ１４を備えている。車載バッテリ１２とオルタネータ１４とは、グランド端子とプラス端子との間に並列に接続されている。

車載バッテリ１２は、車両に搭載される二次電池であって、例えば１２ボルト程度のバッテリ電圧を有しており、電力エネルギを充放電することが可能である。また、オルタネータ１４は、車両エンジンの駆動により発電する発電機であり、発生した電力エネルギを車載バッテリ１２等に供給することが可能である。

車載バッテリ１２及びオルタネータ１４には、車載電気負荷であるアクチュエータ１６が接続されている。アクチュエータ１６は、車載バッテリ１２及びオルタネータ１４のグランド端子とプラス端子との間に並列に接続されている。アクチュエータ１６のマイナス端子は、具体的には、導電性のある車両ボデーに固定されており、その車両ボデーやグランド線を介して車載バッテリ１２のグランド端子に接続される。アクチュエータ１６は、エンジンスタータなどの大電流負荷を含んでおり、車載バッテリ１２やオルタネータ１４から例えば１２ボルト程度の電圧で電力エネルギが供給されることにより駆動して動作する。

また、車両用電源装置１０は、キャパシタ２０及びスイッチ２２を備えている。キャパシタ２０は、電力エネルギを蓄えることが可能な受動素子であり、複数Ｎ（例えば７個）設けられており、それぞれ同じ容量を有している。キャパシタ２０_１〜２０_Ｎは、後述のスイッチ２２によるモード切替により、互いに並列に接続されることが可能であると共に、直列に接続されることが可能である。

スイッチ２２は、複数個設けられており、キャパシタ２０の数Ｎと同数のスイッチＳ_１〜Ｓ_Ｎと、キャパシタ２０の数Ｎよりも一つ少ない数のスイッチＳ_Ｘと、を有している。スイッチＳ_１〜Ｓ_Ｎ，Ｓ_Ｘはそれぞれ、例えばＭＯＳＦＥＴなどにより構成されている。スイッチＳ_１〜Ｓ_Ｎはノーマルオープンのスイッチであり、一方、スイッチＳ_Ｘはノーマルクローズのスイッチである。

スイッチＳ_Ｘは、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎ−１の一端と車載バッテリ１２のグランド端子との間に接続されており、その間を導通・遮断すべくオン・オフされるスイッチである。すべてのスイッチＳ_Ｘは同期してオン・オフされる。キャパシタ２０_１〜２０_Ｎ−１の一端は、スイッチＳ_Ｘを介して車載バッテリ１２のグランド端子に接続され得る。尚、これらのキャパシタ２０_１〜２０_Ｎ−１とは異なり、キャパシタ２０_Ｎの一端は、直接に車載バッテリ１２のグランド端子に接続される。

また、スイッチＳ_１〜Ｓ_Ｎは、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの他端に接続される端子ｃ_１〜ｃ_Ｎと、アクチュエータ１６のマイナス端子に接続される端子ｂ_１〜ｂ_Ｎと、を有している。更に、スイッチＳ_１は、アクチュエータ１６や車載バッテリ１２，オルタネータ１４のプラス端子に接続される端子ａ_１を、また、スイッチＳ_２〜Ｓ_Ｎは、番号の一つ小さい隣接のキャパシタ２０_１〜２０_Ｎ−１の一端に接続される端子ａ_２〜ａ_Ｎを、それぞれ有している。スイッチＳ_１〜Ｓ_Ｎは、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの他端を、端子ｃ_１〜ｃ_Ｎ及び端子ｂ_１〜ｂ_Ｎを介してアクチュエータ１６のマイナス端子に接続させる状態と、端子ｃ_１〜ｃ_Ｎ及び端子ａ_１〜ａ_Ｎを介してアクチュエータ１６のプラス端子又は隣接のキャパシタ２０_１〜２０_Ｎ−１の一端に接続させる状態と、何れにも接続させない状態（オフ状態）と、を切り替えるスイッチである。キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの他端は、スイッチＳ_１〜Ｓ_Ｎを介してアクチュエータ１６のマイナス端子又はそのプラス端子側に接続され得る。

スイッチ２２には、コントローラ３０が接続されている。コントローラ３０は、後述する取り決めに従って、スイッチ２２の各スイッチＳ_１〜Ｓ_Ｎ，Ｓ_Ｘの接続状態をそれぞれ切り替えることにより、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの接続を並列と直列とで切り替えるための制御装置である。コントローラ３０は、車載バッテリ１２のグランド端子に接続されており、車載バッテリ１２のグランド端子を基準電位にして作動する。

コントローラ３０には、車載バッテリ１２のグランド端子とアクチュエータ１６のマイナス端子とが接続されている。コントローラ３０は、車載バッテリ１２のグランド端子とアクチュエータ１６のマイナス端子との間に生ずる電圧差、すなわち、並列接続時にはキャパシタ２０_１〜２０_Ｎの両端に生ずる差電位（キャパシタ間電位）Ｖｃを検出する。コントローラ３０は、その検出した車載バッテリ１２のグランド端子とアクチュエータ１６のマイナス端子との間のキャパシタ間電位Ｖｃに基づいて、スイッチ２２の切り替えを行う。

また、コントローラ３０には、上記したアクチュエータ１６（特に、スタータなどの大電流負荷）が車載バッテリ１２やオルタネータ１４から電力供給されて動作している場合、そのアクチュエータ１６からその動作を示すアクチュエータ動作信号が供給される。コントローラ３０は、アクチュエータ動作信号の供給有無に基づいて、アクチュエータ１６が車載バッテリ１２やオルタネータ１４から電力供給されて動作しているか否かを判別する。そして、その判別結果をスイッチ２２の切り替え制御に用いる。

図２は、本実施例の車両用電源装置１０におけるキャパシタ２０の状態に応じた各スイッチ２２の動作を表した図を示す。図３は、本実施例の車両用電源装置１０においてコントローラ３０が実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。また、図４は、本実施例の車両用電源装置１０における充電モード時と放電モード時とのそれぞれの構成図を示す。尚、図４（Ａ）には充電モード時におけるものを、また、図４（Ｂ）には放電モード時におけるものを、それぞれ示す。

本実施例の車両用電源装置１０において、コントローラ３０は、車載バッテリ１２から電源供給されて起動すると、以後、所定時間ごとに、車載バッテリ１２のグランド端子とアクチュエータ１６のマイナス端子との間のキャパシタ間電位Ｖｃを検出する（ステップ１００）。

そして次に、その検出されたキャパシタ間電位Ｖｃが所定値Ｖｓｈ未満であるか否かを判別する（ステップ１０２）。尚、所定値Ｖｓｈは、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎを直列に接続するものとすればその総キャパシタ両端電圧が車載バッテリ１２のバッテリ電圧以上になると判断される、電気エネルギを蓄えた各キャパシタ２０の両端に生ずる電圧の最小値であって、例えば、車載バッテリ１２のバッテリ電圧が１２ボルトでありかつキャパシタ２０の個数Ｎが７個であるときは２ボルトである。尚、キャパシタ２０の両端に生ずる電圧は、蓄える電気エネルギが小さいほど低く、その電気エネルギが大きくなるほど高くなる。この点、上記した本ステップ１０２の処理内容は、キャパシタ２０に蓄える電気エネルギが所定値未満であるか否かを判別することと同じである。

その判別の結果、Ｖｃ＜Ｖｓｈが成立する場合は、次に、アクチュエータ１６からのアクチュエータ動作信号の供給有無に基づいて、アクチュエータ１６が車載バッテリ１２やオルタネータ１４から電力供給されて動作しているか否かを判別する（ステップ１０４）。

その判別の結果、アクチュエータ１６が動作していないと判別される場合は、スイッチ２２を常態とする（ステップ１０６）。具体的には、スイッチＳ_１〜Ｓ_Ｎを、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの他端が何れにも接続されないオフ状態とし、かつ、スイッチＳ_Ｘを、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの一端が車載バッテリ１２のグランド端子に接続されるオン状態とする。この場合には、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎに車載バッテリ１２などから電気エネルギが供給されるのは防止される。

一方、アクチュエータ１６が動作していると判別される場合は、スイッチ２２を、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの充電が行われるように切り替える（ステップ１０８）。具体的には、スイッチＳ_１〜Ｓ_Ｎを、端子ｃ_１〜ｃ_Ｎと端子ｂ_１〜ｂ_Ｎとを接続させて、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの他端がアクチュエータ１６のマイナス端子に接続される状態とし、かつ、スイッチＳ_Ｘを、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの一端が車載バッテリ１２のグランド端子に接続されるオン状態とする（充電モード）。

かかる充電モードでは、図４（Ａ）に示す如く、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎが、その両端電位が低く抑えられつつ、車載バッテリ１２のグランド端子とアクチュエータ１６のマイナス端子との間に並列に接続されることとなる。この場合には、アクチュエータ１６の動作によって車載バッテリ１２のグランド端子とアクチュエータ１６のマイナス端子との間で配線抵抗などに起因して差電圧が発生した際に、そのグランド浮きに伴う電気エネルギがそれらのキャパシタ２０_１〜２０_Ｎに蓄えられることとなる。

また、上記ステップ１０２においてＶｃ＜Ｖｓｈが成立しない場合すなわちＶｃ≧Ｖｓｈが成立すると判別された場合は、その時点でキャパシタ２０_１〜２０_Ｎを直列に接続するものとすればその総キャパシタ両端電圧が車載バッテリ１２のバッテリ電圧以上になると判断でき、各キャパシタ２０_１〜２０_Ｎに蓄えた電気エネルギをアクチュエータ１６や車載バッテリ１２などに放出することができると判断できる。

従って、かかる判別がなされた場合は、スイッチ２２を、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの放電が行われるように切り替える（ステップ１１０）。具体的には、スイッチＳ_１〜Ｓ_Ｎを、端子ｃ_１〜ｃ_Ｎと端子ａ_１〜ａ_Ｎとを接続させて、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの他端がアクチュエータ１６のプラス端子又は番号の一つ小さい隣接のキャパシタ２０_１〜２０_Ｎ−１の一端に接続される状態とし、かつ、スイッチＳ_Ｘを、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの一端が開放されるオフ状態とする（放電モード）。

かかる放電モードでは、図４（Ｂ）に示す如く、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎが車載バッテリ１２のグランド端子と車載バッテリ１２やアクチュエータ１６のプラス端子との間に直列に接続されることとなり、その直列接続されたキャパシタ２０_１〜２０_Ｎの総キャパシタ両端電位が車載バッテリ１２のバッテリ電位よりも大きくなる。この場合には、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎに蓄えられた電気エネルギがそのキャパシタ２０からアクチュエータ１６や車載バッテリ１２などへ放出されることとなる。

尚、充電モードから放電モードへの移行がなされることによりキャパシタ２０_１〜２０_Ｎに一旦蓄えられた電気エネルギが放出された場合は、その後、その放出開始からそのキャパシタ２０_１〜２０_Ｎの電気エネルギが車載バッテリ１２などに吸収されるのに十分な時間が経過したときに、スイッチ２２の切り替えを行って更に放電モードから充電モードへの移行を行うこととしてもよい。

このように、本実施例の車両用電源装置１０によれば、アクチュエータ１６が動作している場合において、車載バッテリ１２のグランド端子とアクチュエータ１６のマイナス端子との間のキャパシタ間電位Ｖｃが所定値Ｖｓｈ未満であってキャパシタ２０に蓄えている電気エネルギが小さいときは、キャパシタ２０を車載バッテリ１２のグランド端子とアクチュエータ１６のマイナス端子との間に並列に接続させることで、そのキャパシタ２０に電気エネルギを蓄え得る充電モードを実現することが可能である。

一方、上記のキャパシタ間電位Ｖｃが所定値Ｖｓｈ以上であってキャパシタ２０に蓄えている電気エネルギが十分に大きいときは、キャパシタ２０を車載バッテリ１２のグランド端子と車載バッテリ１２やアクチュエータ１６のプラス端子との間に直列に接続させることで、そのキャパシタ２０に蓄えていた電気エネルギを、総キャパシタ両端電位を車載バッテリ１２のバッテリ電位よりも大きくしたうえで車載バッテリ１２やアクチュエータ１６などへ放出する放電モードを実現することが可能である。

この点、本実施例の構成においては、アクチュエータ１６の動作時に車載バッテリ１２のグランド端子とそのアクチュエータ１６のマイナス端子との間に生ずる差電圧（グランド浮き）に伴う電気エネルギをキャパシタ２０に蓄えることができると共に、更に、そのキャパシタ２０に蓄えた電気エネルギを有効にアクチュエータ１６などを動作させるエネルギとして利用することができる。従って、本実施例の車両用電源装置１０によれば、アクチュエータ１６の動作時に生ずる上記のグランド浮きに伴う電気エネルギが配線抵抗にて無駄に消費されるのを防止することが可能となっている。

また、本実施例においては、車載バッテリ１２のグランド端子とアクチュエータ１６のマイナス端子との間のキャパシタ間電位Ｖｃが所定値Ｖｓｈ未満であっても、アクチュエータ１６が動作していないときは、キャパシタ２０の他端をアクチュエータ１６のマイナス端子やプラス端子の何れにも接続させないものとすることが可能である。

アクチュエータ１６が動作していないときは、車載バッテリ１２のグランド端子とそのアクチュエータ１６のマイナス端子との間にグランド浮きが生ずることはなく、キャパシタ２０に蓄えるべき電気エネルギ自体が発生しない。また、この際、仮にキャパシタ２０の他端がアクチュエータ１６のプラス端子に接続されるものとすると、車載バッテリ１２などの有する元来有効な電気エネルギが、上記したグランド浮きの発生時に無駄に消費される電気エネルギを回収すべきキャパシタ２０に供給されて蓄えられる事態が生じ得、その結果として、その無駄に消費される電気エネルギをキャパシタ２０に回収することができなくなるおそれがある。

これに対して、本実施例においては、上記の如く、アクチュエータ１６が動作していないときは、キャパシタ間電位Ｖｃが所定値Ｖｓｈ未満であっても、キャパシタ２０の他端がアクチュエータ１６のマイナス端子やプラス端子の何れにも接続されない。このため、本実施例の車両用電源装置１０によれば、アクチュエータ１６の非動作時に車載バッテリ１２などの元来有効な電気エネルギがキャパシタ２０に蓄えられてしまうのを防止することが可能となっている。

尚、上記の実施例においては、スイッチ２２（スイッチＳ_１〜Ｓ_Ｎ，Ｓ_Ｘ）が特許請求の範囲に記載した「切替手段」に、アクチュエータ１６が特許請求の範囲に記載した「車載電気負荷」に、それぞれ相当していると共に、コントローラ３０が、図３に示すルーチン中ステップ１００の処理を実行することにより特許請求の範囲に記載した「両端電圧検出手段」が、ステップ１０２、１０８、及び１１０の処理を実行することにより特許請求の範囲に記載した「切替制御手段」が、それぞれ実現されている。

ところで、上記の実施例においては、図１に示す如くコントローラ３０に車載バッテリ１２のグランド端子とアクチュエータ１６のマイナス端子とを接続させて、そのコントローラ３０に、その車載バッテリ１２のグランド端子とアクチュエータ１６のマイナス端子との間に生ずる電圧差を、キャパシタ２０_１〜２０_Ｎの両端に生ずるキャパシタ間電位Ｖｃとして検出させることとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、コントローラ３０にキャパシタ２０_１〜２０_Ｎの両端端子を接続させ、その両端の電圧差をキャパシタ間電位Ｖｃとして検出させることとしてもよい。

また、上記の実施例においては、車載バッテリ１２のグランド端子とそのアクチュエータ１６のマイナス端子との間に生ずるグランド浮きに伴う電気エネルギを回収するタイミングはアクチュエータ１６の動作時に限られている。しかし、車載バッテリ１２のグランド端子とアクチュエータ１６のマイナス端子との間には、そのアクチュエータ１６の動作時だけに限らず非動作時を含め常時グランド浮きが発生することがあるので、上記した車載バッテリ１２のグランド端子とそのアクチュエータ１６のマイナス端子との間に生ずるグランド浮きに伴う電気エネルギの回収はアクチュエータ１６の動作の如何に関係なく常時行うものとしてもよい。

本発明の一実施例である車両用電源装置の構成図である。本実施例の車両用電源装置におけるキャパシタ状態に応じたスイッチ動作を表した図である。本実施例の車両用電源装置において実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。本実施例の車両用電源装置における充電モード時と放電モード時とのそれぞれの構成図である。

符号の説明

１０車両用電源装置
１２車載バッテリ
１４オルタネータ
１６アクチュエータ
２０キャパシタ
３０コントローラ

Claims

電力エネルギを蓄えることが可能なキャパシタと、
前記キャパシタを車載バッテリのグランド端子と車載電気負荷のマイナス端子との間に接続させる充電モードと、前記キャパシタを車載バッテリのグランド端子と該車載バッテリのプラス端子との間に接続させる放電モードと、を切り替える切替手段と、
を備えることを特徴とする車両用電源装置。
前記キャパシタは、複数設けられており、
前記切替手段は、前記充電モード時には各キャパシタを車載バッテリのグランド端子と車載電気負荷のマイナス端子との間に並列に接続させ、一方、前記放電モード時には各キャパシタを車載バッテリのグランド端子と該車載バッテリのプラス端子との間に直列に接続させることを特徴とする請求項１記載の車両用電源装置。
前記キャパシタの両端電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電圧検出手段により検出される前記キャパシタの両端電圧が所定値未満であるときは前記充電モードが実現され、一方、前記キャパシタの両端電圧が所定値以上であるときは前記放電モードが実現されるように前記切替手段を制御する切替制御手段と、
を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の車両用電源装置。