JP2009012728A - キャパシタ装置、及び、車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過放電に対する外部からの充電時や装脱作業時等の取り扱いを容易に行うことができるキャパシタ装置、及び、車両用電源装置を提供する。
【解決手段】キャパシタ装置１６は、キャパシタ２０の電気配線２２上に介装する常開の内部リレー２１を有して構成され、この内部リレー２１は、バッテリ１５からの供給電力によって閉動作可能な構成となっている。この構成により、バッテリ１５が過放電となった場合やバッテリ１５との電気接続が切断された場合等には、電源ＣＵ７の制御等に依存することなく、内部リレー２１が的確に開放される。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリと併用される電源用のキャパシタ装置、及び、車両用電源装置に関する。

一般に、ガソリン車、ディーゼル車等に搭載される鉛蓄電池（鉛バッテリ）等のバッテリは、大容量の電力を瞬間的に出力可能とすべく電気容量を大きく構成すると、搭載性が低下してしまう。一方、リチウムイオンキャパシタや電気２重層キャパシタ等のキャパシタは、大容量の電力を瞬間的に充放電できるものの、鉛蓄電池等に比べると蓄電量が低い。

そこで、バッテリとキャパシタとを組み合わせることによって、全体の寸法を大型化することなく、瞬間的な大出力にも耐え得るように構成された車両用電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−２７０６９５号公報

ところで、この種の車両用電源装置において、車両の長期放置等によってバッテリ等が過放電（いわゆる、バッテリ上がり状態）となった場合、一般に、バッテリ単体からなる電源装置と同様、ブースタケーブル等を介して外部からの電極供給が行われる。しかしながら、バッテリとキャパシタとを併用した電源装置では、バッテリ単体のみからなる電源装置に比べて瞬間的な電流の流入量が格段に大きくなるため、十分に慎重な取り扱いが要求される。

また、特に、キャパシタは、大容量の電力を瞬間的に充放電可能な構成となっているため、例えば、電荷がチャージされたままのキャパシタを車両に装脱する場合等には、十分に慎重な取り扱いが要求される。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、過放電に対する外部からの充電時や装脱作業時等の取り扱いを容易に行うことができるキャパシタ装置、及び、車両用電源装置を提供することを目的とする。

本発明のキャパシタ装置は、バッテリと併用される電源用のキャパシタ装置であって、キャパシタと、前記キャパシタの電気配線上に介装され前記バッテリからの供給電力によって閉動作可能な常開の内部リレーとを備えたことを特徴とする。

本発明の車両用電源装置は、バッテリと、前記バッテリと併用されるキャパシタの電気配線上に、前記バッテリからの供給電力によって閉動作可能な常開の内部リレーが介装されたキャパシタ装置と、前記内部リレーの開閉制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、過放電に対する外部からの充電時や装脱作業時等の取り扱いを容易に行うことができる。

以下、図面を参照して本発明の形態を説明する。図面は本発明の一実施形態に係わり、図１は車両用電源装置の概略構成を示す回路図、図２はキャパシタ装置の診断ルーチンを示すフローチャート、図３はキャパシタ診断用アダプタを示す概略構成図である。

図１に示す車両用電源装置１は、停車時にエンジンを自動的に停止させ、予め設定されたドライバの運転操作（例えば、ブレーキペダルの解放操作やアクセルペダルの踏み込み操作等）に連動してエンジンを再始動させるアイドリングストップ機能を備えた車両に好適に搭載されている。この車両用電源装置１は、瞬間的な大電流を発生可能な電源部５と、エンジンの駆動力によって発電を行うオルタネータ６と、電源部５やオルタネータ６の給電制御等を行う電源コントロールユニット（電源ＣＵ）７とを備えて要部が構成されている。

電源部５は、例えば、鉛蓄電池等からなる１２Ｖのバッテリ１５と、キャパシタ装置１６と、が並列接続されて要部が構成されている。

キャパシタ装置１６は、例えば、電気２重層キャパシタ（コンデンサ）或いはリチウムイオンキャパシタ等からなる大容量のキャパシタ２０と、キャパシタ２０の電気配線２２上に介装された内部リレー２１とが筐体２３内に収容されて要部が構成されている。

内部リレー２１は、例えば、励磁コイル２１ｂが非通電のときに接点２１ａが開成（オフ）される機械式の常開リレーで構成されている。この内部リレー２１の接点２１ａは、例えば、キャパシタ２０をバッテリ１５の正極と電気的に接続する側（以下、正極側という）の電気配線２２上に介装されている。また、励磁コイル２１ｂの一端側は、接点２１ａよりも正極側で電気配線２２と電気接続され、他端側は信号線３０ａを介して電源ＣＵ７内のスイッチング素子３０と電気接続されている。これにより、励磁コイル２１ｂは、スイッチング素子３０がオン制御された際に、バッテリ１５からの通電によって励磁され、接点２１ａを閉動作（オン動作）させる。このように、内部リレー２１は、バッテリ１５から直接的に供給される電力によって閉動作が可能な常開リレーで構成されている。

また、キャパシタ２０と接点２１ａとの間には電圧モニタ用の信号線３１ａが電気接続され、この信号線３１ａは電源ＣＵ７内に配設された電圧センサ３１と電気接続されている。

ここで、本実施形態の電源部５は、キャパシタ装置１６とバッテリ１５との間に、キャパシタ装置１６側からバッテリ１５側への給電を禁止するダイオード２４を有し、このダイオード２４の両側には、それぞれ別系統の配線が電気接続されている。すなわち、ダイオード２４のアノード側には、バッテリ１５からの電流（例えば、最大５００Ａの電流）を出力可能な第１の電源配線Ｌ１が電気接続され、カソード側には、バッテリ１５及びキャパシタ２０からの大電流（例えば、最大１２００Ａの電流）を出力可能な第２の電源配線Ｌ２が電気接続されている。

第１の電源配線Ｌ１には、大電流を必要としない電気負荷として、電源ＣＵ７が電気接続されているとともに、ヘッドライト等の電気負荷３３がリレー３７を介して電気接続され、さらに、電動ドアミラー等の電気負荷３４がスイッチ３８を介して電気接続されている。

一方、第２の電源配線Ｌ２には、エンジン始動時に瞬間的な大電流を必要とする電気負荷（エンジンスタータ）３５がリレー３９を介して電気接続されているとともに、大電流を必要とするシートヒータやリヤウインドウデフォッガ等の電気負荷３６がリレー４０を介して電気接続されている。

また、第１，第２の電源配線Ｌ１，Ｌ２の中途には、イグニッションリレー２５が介装されている。さらに、イグニッションリレー２５よりも電源部５側において、第１の電源配線Ｌ１上にはオルタネータ６が電気接続されている。

イグニッションリレー２５は、イグニッションスイッチ２６がオンされると励磁して、電源部５及びオルタネータ６側と、各電気負荷側とを電気的に接続する。このイグニッションリレー２５の励磁は、イグニッションスイッチ２６がオフされるまで継続されるようになっている。また、イグニッションスイッチ２６からは、イグニッションスイッチがオン、すなわちイグニッションスイッチ２６に差し込まれたキーがオンポジションとなったことを示す情報信号が電源ＣＵ７に出力される。

オルタネータ６は、図示しないエンジンに駆動されて発電を開始すると、第１，第２の電源配線Ｌ１，Ｌ２を介して発電電力を電気負荷側に供給するとともに、発電電力が電気負荷側での消費電力よりも大きい場合には、バッテリ１５を充電する他、ダイオード２４を介してキャパシタ２０を充電する。また、このオルタネータ６のレギュレータ制御回路（図示せず）からは、エンジンが駆動していることを示す情報信号が電源ＣＵ７に出力される。

電源ＣＵ７には、各電気負荷３３，３５，３６を作動させるためのスイッチ４５〜４７が接続されている。ここで、例えば、スイッチ４５は電気負荷３３に対応するヘッドライトスイッチ等であり、スイッチ４６は電気負荷３３に対応するシートヒータスイッチ或いはリヤウインドデフォッガスイッチ等である。また、スイッチ４７は、例えば、電気負荷（エンジンスタータ）３５を作動させるためのエンジンスタートボタン、或いはイグニッションスイッチに差し込まれているキーがエンジンスタートのポジションに位置することを検知する検知スイッチである。

電源ＣＵ７は、各スイッチ４５〜４７の操作状態等に応じて、電気負荷３３，３５，３６の作動制御を行う。すなわち、電源ＣＵ７は、オフされたスイッチ４５〜４７に応じてリレー３７，３９，４０を非励磁（オフ制御）とし、オンされたスイッチ４５〜４７に応じてリレー３７，３９，４０を励磁（オン制御）する。励磁されたリレー３７，３９，４０は、電源部５（及び、オルタネータ６）側と電気負荷３３，３５，３６側とを電気的に接続し、電気負荷３３，３５，３６側に電力を供給する。さらに、電源ＣＵ７にはエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１００からエンジンの各種制御信号が入力されるようになっており、電源ＣＵ７は、アイドリングストップ制御によって自動停止したエンジンの再始動を指示する信号がＥＣＵ１００から入力されると、リレー３９をオン制御し、例えばエンジンの完爆判定がなされるまでの間、電気負荷（エンジンスタータ）３５を作動させる。尚、本実施形態において、電源ＣＵ７は、スイッチ４６がオンされている場合であっても、リレー３９がオン制御されている間は、リレー４０をオフ制御するようになっている。また、電気負荷３４は、スイッチ３８によって直接的に作動される。

また、電源ＣＵ７は、スイッチング素子３０を通じて、キャパシタ装置１６の内部リレー２１に対する開閉制御を行う。本実施形態において、電源ＣＵ７は、例えば、リレー３９或いはリレー４０がオン制御されているとき、スイッチング素子３０をオンさせて内部リレー２１を閉制御（オン制御）する。これにより、電気負荷３５或いは電気負荷３６には、バッテリ１５（及びオルタネータ６）からの電流にキャパシタ２０からの電流を加えた大電流が、第２の電源配線Ｌ２を介して供給される。また、電源ＣＵ７は、キャパシタ２０の充電量が低下していると判定した場合にも、スイッチング素子３０をオンさせて内部リレー２１を閉制御（オン制御）する。これにより、キャパシタ２０に対する充電が行われる。

ここで、電源ＣＵ７には、例えば、エンジンフードの開閉状態を検出するフードスイッチ４８が接続されており、リレー３９或いはリレー４０がオン制御されている場合や、キャパシタ２０の充電量が低下している場合であっても、エンジンフードが開状態にあることを判定した場合には、大電流に対するユーザー保護の観点に基づき、内部リレー２１を開制御する。

さらに、電源ＣＵ７は、電圧センサ３１で検出される電圧Ｖｃに基づいて、キャパシタ装置１６の診断を行う。本実施形態において、電源ＣＵ７は、具体的には、内部リレー２１の開故障判定を行うとともに、キャパシタ２０の充電状態判定を行う。

このキャパシタ装置１６の診断は、例えば、図２に示すキャパシタ装置診断ルーチンのフローチャートに従って行われる。このルーチンは、電源ＣＵ７において、所定時間毎に繰り返し実行され、ルーチンがスタートすると、電源ＣＵ７は、先ず、ステップＳ１０１において、現在、内部リレー２１に対するオン制御を実行中であるか否かを調べる。

そして、ステップＳ１０１において、内部リレー２１に対するオン制御を実行中であると判定した場合には、電源ＣＵ７は、ステップＳ１０２に進む。

一方、ステップＳ１０１において、内部リレー２１に対するオン制御を実行中でないと判定した場合（すなわち、内部リレー２１に対するオフ制御を実行中であると判定した場合）には、電源ＣＵ７は、ステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０１からステップＳ１０２に進むと、電源ＣＵ７は、エンジン回転数Ｎが、例えば、４００ｒｐｍ以上であり、オルタネータ６の発電に十分な回転数であるか否かを調べる。

そして、ステップＳ１０２において、エンジン回転数Ｎが４００ｒｐｍよりも小さく、オルタネータ６の発電に十分な回転数ではないと判定すると、電源ＣＵ７は、そのまま、ルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ１０２において、エンジン回転数Ｎが４００ｒｐｍ以上であり、オルタネータ６の発電に十分な回転数であると判定すると、電源ＣＵ７は、ステップＳ１０３に進み、現在、電圧センサ３１で検出されている電圧Ｖｃが、例えば、オルタネータ６による発電電圧である１４．５Ｖ以上であるか否かを調べる。

そして、ステップＳ１０３において、電圧Ｖｃが１４．５Ｖ以上であると判定した場合、電源ＣＵ７は、ステップＳ１０４に進み、現在、キャパシタ２０にはオルタネータ６からの発電電圧が印加されており、内部リレー２１は正常に閉動作していると判定した後、ルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ１０３において、電圧Ｖｃが１４．５Ｖよりも低いと判定した場合、電源ＣＵ７は、ステップＳ１０５に進み、現在、キャパシタ２０にはオルタネータ６からの発電電圧が印加されておらず、内部リレー２１が開故障している可能性が高いと判定した後、ルーチンを抜ける。

また、ステップＳ１０１からステップＳ１０６に進むと、電源ＣＵ７は、現在、電圧センサ３１で検出されている電圧Ｖｃが、例えば、１２Ｖ以上であるか否かを調べる。

そして、ステップＳ１０６において、電圧Ｖｃが１２Ｖ以上であると判定した場合、電源ＣＵ７は、ステップＳ１０７に進み、現在、キャパシタ２０内に十分な電荷がチャージされている（充電ＯＫである）と判定した後、ルーチンを抜ける。

一方、ステップＳ１０６において、電圧Ｖｃが１２Ｖよりも低いと判定した場合、電源ＣＵ７は、ステップＳ１０８に進み、現在、キャパシタ２０内に十分な電荷がチャージされていない（充電ＮＧである）と判定した後、ルーチンを抜ける。

このような実施形態によれば、キャパシタ装置１６は、キャパシタ２０の電気配線２２上に介装する常開の内部リレー２１を有して構成されており、内部リレー２１は、バッテリ１５からの供給電力によって閉動作可能な構成となっているため、バッテリ１５が過放電となった場合やバッテリ１５との電気接続が切断された場合等には、電源ＣＵ７の制御等に依存することなく、内部リレー２１を的確に開放することができる。従って、過放電等に対する外部からの充電時や車両に対する装脱作業時等のキャパシタ装置１６の取り扱いを容易に行うことができる。すなわち、例えば、バッテリ１５等の過放電時等に、電源装置１に外部から電極供給すべくブースタケーブル等を接続する場合において、当該ブースタケーブル等を接続する瞬間に流れる電流をバッテリ１５のみの容量に応じた比較的小さな電流とすることができる。また、キャパシタ装置１６を車両に対して装脱する場合等には、キャパシタ装置１６をバッテリ１５から電気的に切り離した時点で的確に内部リレー２１を開放することができる。

ここで、このような内部リレー２１をキャパシタ装置５内に配設した場合において、内部リレー２１に対する故障判定（開故障判定）は、当該内部リレー２１の閉制御時に、キャパシタ２０の電圧Ｖｃをモニタするだけの簡単な構成で容易に実現することができる。しかも、内部リレー２１の開制御時にもキャパシタ２０の電圧Ｖｃをモニタすれば、キャパシタ２０の充電状況を判定することができる。

ところで、キャパシタ装置１６に内蔵されたキャパシタ２０は大容量であるため、キャパシタ装置１６の交換や修理等を行う際には、たとえ内部リレー２１が開放状態にあったとしても、キャパシタ２０内の電荷が的確に放電されていることが望ましい。そこで、本実施形態において、車両から取り外されたキャパシタ装置１６には、例えば、図３に示すアダプタ装置５０が着脱自在に接続される。

このアダプタ装置５０は、例えば、キャパシタ２０の正極側端子１６ａに電気接続する第１の端子５０ａと、キャパシタ２０の負極側端子１６ｂに電気接続する第２の端子５０ｂと、内部リレー２１の制御用端子１６ｃに電気接続する第３の端子５０ｃと、キャパシタ２０の電圧モニタ用端子１６ｄに電気接続する第４の端子５０ｄとを有する。

アダプタ装置５０の筐体５３内において、第１の端子５０ａと第２の端子５０ｂとは抵抗５１を介して電気接続され、第３の端子５０ｃと第４の端子５０ｄとは発光ダイオード５２を介して電気接続されている。

そして、このアダプタ装置５０は、キャパシタ装置１６の各端子１６ａ〜１６ｄに第１〜第４の端子５０ａ〜５０ｄが電気接続されると、キャパシタ２０内にチャージされた電力によって内部リレー２１を閉動作させてキャパシタ２０の放電回路を形成する。すなわち、アダプタ装置５０は、キャパシタ装置１６の正極側端子１６ａと負極側端子１６ｂとを抵抗５１を介して電気接続するとともに、制御用端子１６ｃと電圧モニタ用端子１６ｄとを発光ダイオード５２を介して電気接続する。これにより、アダプタ装置２０は、キャパシタ２０内に電荷が残留している場合に、内部リレー２１を閉動作させ、主として抵抗５１によって電荷を消費させる。その際、発光ダイオード５２を点灯するようになっており、ユーザは、発光ダイオード５２の点灯状態を視認することにより、キャパシタ２０内に電荷が残留しているか否かを判定することが可能となっている。

車両用電源装置の概略構成を示す回路図 キャパシタ装置の診断ルーチンを示すフローチャート キャパシタ診断用アダプタを示す概略構成図

符号の説明

１ … 車両用電源装置
５ … 電源部
６ … オルタネータ（電力供給手段）
７ … 電源コントロールユニット（制御手段）
１５ … バッテリ
１６ … キャパシタ装置
１６ａ … 正極側端子
１６ｂ … 負極側端子
１６ｃ … 制御用端子
１６ｄ … 電圧モニタ用端子
２０ … キャパシタ
２１ … 内部リレー
２１ａ … 接点
２１ｂ … 励磁コイル
２２ … 電気配線
２３ … 筐体
２４ … ダイオード
２５ … イグニッションリレー
２６ … イグニッションスイッチ
３０ … スイッチング素子
３０ａ … 信号線
３１ … 電圧センサ
３１ａ … 信号線
３３〜３６ … 電気負荷
３７，３９，４０ … リレー
３８，４５，４６，４７ … スイッチ
４８ … フードスイッチ
５０ … アダプタ装置
５０ａ … 第１の端子
５０ｂ … 第２の端子
５０ｃ … 第３の端子
５０ｄ … 第４の端子
５１ … 抵抗
５２ … 発光ダイオード
５３ … 筐体
１００ … エンジンコントロールユニット
Ｌ１ … 第１の電源配線
Ｌ２ … 第２の電源配線

Claims (5)

1. バッテリと併用される電源用のキャパシタ装置であって、
   キャパシタと、
   前記キャパシタの電気配線上に介装され前記バッテリからの供給電力によって閉動作可能な常開の内部リレーとを備えたことを特徴とするキャパシタ装置。
2. バッテリと、
   前記バッテリと併用されるキャパシタの電気配線上に、前記バッテリからの供給電力によって閉動作可能な常開の内部リレーが介装されたキャパシタ装置と、
   前記内部リレーの開閉制御を行う制御手段とを備えたことを特徴とする車両用電源装置。
3. 前記キャパシタ装置は、前記内部リレーの閉成時に電力供給手段から前記キャパシタへの給電が可能に接続され、
   前記制御手段は、前記キャパシタの電圧を検出する電圧検出手段を有し、
   前記制御手段は、前記内部リレーの閉成時の前記検出電圧が前記電極供給手段からの印加電圧を下回るとき、前記内部リレーの開故障を判定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. 前記制御手段は、前記内部リレーの開成時の前記検出電圧に基づいて前記キャパシタの充電状態を判定することを特徴とする請求項３に記載の車両用電源装置。
5. 前記バッテリ及び前記制御手段と電気的に切り離されたときの前記キャパシタ装置の各端子にそれぞれ電気接続可能に構成され、前記各端子との電気接続時に前記キャパシタの電力によって前記内部リレーを閉動作させて前記キャパシタの放電回路を形成するアダプタを備えたことを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の車両用電源装置。

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