JP2009280096A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の電気系統の始動時に鉛バッテリとキャパシタとの間に設けたリレーを保護しつつ早期に鉛バッテリとキャパシタとを接続し、回生頻度の向上やキャパシタの有効利用による燃費向上効果を高める。
【解決手段】始動スイッチからの信号がＯＮである場合、キャパシタ電圧Ｖｃ，バッテリ電圧Ｖｂを検出し（Ｓ３，Ｓ４）、バッテリとキャパシタとの電位差ΔＶが閾値Ｖｓ以上か否かを調べ（Ｓ５）、ΔＶ≧Ｖｓの場合、オルタネータにキャパシタ電圧Ｖｃを目標電圧とする発電指示値を与える（Ｓ６）。そして、ΔＶ＜Ｖｓになったとき、リレーＲＹをＯＮして（Ｓ７）オルタネータを通常の発電制御に切換える（Ｓ８）。これにより、リレー接点の保護を図りつつ早期にバッテリとキャパシタとを接続することができ、回生頻度の向上やキャパシタの有効利用による燃費向上効果を高めることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、鉛バッテリとキャパシタとをリレーを介して並列に接続した車両用電源装置に関する。

従来、自動車等の車両に搭載される鉛バッテリにキャパシタ（コンデンサ）を並列に接続し、電源特性を向上させたり、減速時の回生エネルギをキャパシタに蓄えることで急速充電の苦手な鉛バッテリを補い、その後のオルタネータの発電負荷を低減して燃費向上を図る技術が知られている。

例えば、特許文献１には、鉛バッテリとコンデンサとを並列に接続し、スタータを駆動するために大電流が必要なエンジン始動時に、コンデンサからの電流により鉛バッテリを補う技術が開示されている。

この場合、鉛バッテリとコンデンサとを常時接続しておくと、コンデンサの絶縁性が低下した場合に鉛バッテリからコンデンサを通して放電してしまい、バッテリ上がりを生じる虞がある。

このため、特許文献２には、コンデンサと鉛バッテリとの間にリレー接点を設け、キースイッチのイグニッション端子をオンしたときのみコンデンサを鉛バッテリに接続し、非使用時にはコンデンサと鉛バッテリとを切断する技術が提案されている。

しかしながら、キャパシタと鉛バッテリとをリレー等により接続・開放する場合、鉛バッテリとキャパシタとの間に電位差が生じている状態でリレーをＯＮすると大電流が流れ、リレーの耐久性悪化や突入電流による接点溶着が懸念される。従って、このようなリレー保護を目的として、図４に示すようなプリチャージ回路が採用されることが多い。

図４に示すプリチャージ回路の例では、鉛バッテリ５０は、リレーＲＹ２のリレー接点を介してキャパシタ５１が並列に接続されている。更に、鉛バッテリ５０とキャパシタ５１との間には、リレーＲＹ２のリレー接点と並列に、リレーＲＹ１のリレー接点及び電流制限抵抗Ｒが接続されている。各リレーＲＹ１，ＲＹ２は、電子制御ユニット６０によって制御され、図５に示すように、始動スイッチ５２からの信号を検知したとき、リレーＲＹ１をＯＮして電流制限抵抗Ｒを介したプリチャージを実施して鉛バッテリ５０とキャパシタ５１との間の電位差を解消し、その後、リレーＲＹ２をＯＮすることにより、リレーＲＹ２のリレー接点を保護するようにしている。
特開平２−１７５３５０号公報 特開平５−９９１０３号公報

しかしながら、図４に示すようなプリチャージ回路を有する従来の電源系では、リレーＲＹ２の接点保護のためにプリチャージが終了し、鉛バッテリ５０とキャパシタ５１との間の電位差が解消するまでは、リレーＲＹ２をＯＮすることができない。

このため、鉛バッテリ５０とキャパシタ５１との電位差が解消するまでは、キャパシタ５１は電流制限抵抗Ｒを介してオルタネータ５３に接続されることになり、この間はオルタネータ５３の発電電圧を制御してキャパシタ５１へ電力を回生することが困難となる。従って、このプリチャージ期間は、回生による燃費低減効果を得ることができず、キャパシタの有効利用の点で必ずしも満足のゆくものではなかった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、車両の電気系統の始動時、鉛バッテリとキャパシタとの間に設けたリレーを保護しつつ早期に鉛バッテリとキャパシタとを接続し、回生頻度の向上やキャパシタの有効利用による燃費向上効果を高めることのできる車両用電源装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明による車両用電源装置は、鉛バッテリに接続される車載発電機を備え、前記鉛バッテリとキャパシタとをリレーを介して並列に接続し、車両への電力の供給を行なう車両用電源装置であって、上記鉛バッテリと上記キャパシタとの電位差を検出する電位差検出部と、上記リレーが開の状態で上記電位差が閾値以上のとき、上記車載発電機の発電電圧指示値を上記キャパシタと同電位とし、上記鉛バッテリと上記キャパシタとが同電位になった後に上記リレーを閉とする制御部とを有することを特徴とする。

本発明によれば、車両の電気系統の始動時に鉛バッテリとキャパシタとの間に設けたリレーを保護しつつ早期に鉛バッテリとキャパシタとを接続することができ、回生頻度の向上やキャパシタの有効利用による燃費向上効果を高めることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１〜図３は本発明の実施の一形態に係り、図１は車両の電源系を示す構成図、図２は電源制御ルーチンのフローチャート、図３は各部の電圧変化を示すタイムチャートである。

図１に示す車両の電源系は、各種車体負荷へ電力を供給する主電源としての鉛バッテリ（以下、単に「バッテリ」と記載）１と、このバッテリ１に並列に接続されるキャパシタ２とを主として構成されている。キャパシタ２は、複数の大容量のキャパシタセル２ａ，…を直列に接続することで要求される耐電圧と容量とを確保するものであり、このキャパシタ２の正極端子とバッテリ１の正極端子との間に、リレーＲＹのリレー接点が介装されている。バッテリ１及びキャパシタ２の負極端子は、共に接地されている。

リレーＲＹは、リレーコイルの一方の端子がバッテリ１の正極端子に接続され、他方の端子がマイクロコンピュータ等からなる電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０に接続されている。ＥＣＵ２０には、リレーコイルの他、鉛バッテリ１の正極端子、キャパシタ２の正極端子、車両の電気系統の始動時にスタート信号を出力し、車両の電気系統の稼動中はスタート信号を出力し続ける始動スイッチ３、車載発電機としてのオルタネータ４の制御端子等が接続されている。オルタネータ４は、整流出力端子がバッテリ１を介して車体負荷に接続されると共に、負極端子が接地されている。

ＥＣＵ２０は、バッテリ電圧をモニタしながら必要な電力を供給すべく、オルタネータ４の発電電圧を緻密に制御する。また、ＥＣＵ２０は、車両の電気系統の始動時、バッテリ１とキャパシタ２との電位差を解消するための電流制限抵抗を介したプリチャージを要することなく、早期にバッテリ１とキャパシタ２とを接続可能としている。

この車両の電気系統の始動時のバッテリ１とキャパシタ２との早期接続は、鉛バッテリであるバッテリ１の「分極」現象を利用して実現される。すなわち、鉛バッテリであるバッテリ１には、充電中・放電中及びその直後に、残存容量による発生電圧に対して電極電位がずれる分極現象が発生する。従って、車両の電気系統が始動すると、これに合わせて行われるエンジンの始動によりシステム電圧となるオルタネータ４の発電電圧をキャパシタ２と同電位として、バッテリ１の充電或いは放電による分極を発生させてキャパシタ電圧との差を小さくすることで、バッテリ１の電圧を迅速にキャパシタ２と同電位にすることができ、電流制限抵抗を介することなくリレー接点を保護し、バッテリ１とキャパシタ２とを早期に接続することが可能となる。

このため、ＥＣＵ２０は、車両電源系に対する管理機能として、バッテリ１とキャパシタ２との電位差を検出する電位差検出部２１と、リレーＲＹの開閉制御及びオルタネータ４の発電管理を行う制御部２２とを有している。すなわち、ＥＣＵ２０は、エンジン始動時、バッテリ１及びキャパシタ２の電圧をモニタしてバッテリ１とキャパシタ２との電位差を検出し、リレーＲＹのリレー接点が開の状態でバッテリ１とキャパシタ２との電位差が閾値以上のとき、オルタネータ４への発電電圧指示値をキャパシタ２と同電位として与える。そして、バッテリ１とキャパシタ２とが同電位になった後、リレーＲＹのリレー接点を開から閉に切り換える。

以上のＥＣＵ２０の電源管理に係る機能は、具体的には、図２のフローチャートに示す電源制御ルーチンによって実現される。次に、電源制御ルーチンについて説明する。

この電源制御ルーチンでは、先ず、最初のステップＳ１において、始動スイッチ３からのスタート信号がＯＮか否か判定する。始動スイッチ３からのスタート信号がＯＦＦである場合には、ステップＳ２でリレーＲＹをＯＦＦとしてリレー接点を開放状態に維持し、ルーチンを抜ける。

一方、始動スイッチ３からのスタート信号がＯＮである場合には、ステップＳ１からステップＳ３へ進んでキャパシタ２の電圧Ｖｃを検出し、更に、ステップＳ４でバッテリ１の電圧Ｖｂを検出する。この場合、始動スイッチ３がＯＮになった直後ではリレーＲＹが開放状態であるため、バッテリ電圧Ｖｂとキャパシタ電圧Ｖｃとは、それぞれの個別の電圧を示すことになる。

続くステップＳ５では、バッテリ電圧Ｖｂとキャパシタ電圧Ｖｃとの電位差ΔＶ（絶対値）が予め設定した閾値Ｖｓ以上か否かを調べる。電位差ΔＶが閾値Ｖｓ以上の場合、ステップＳ６でオルタネータ４にキャパシタ電圧Ｖｃを目標電圧とする発電指示値を与え、ステップＳ３へ戻って、再度、キャパシタ電圧Ｖｃを検出し、また、ステップＳ４でバッテリ電圧Ｖｂを検出する。

そして、ステップＳ５においてバッテリ電圧Ｖｂとキャパシタ電圧Ｖｃのとの電位差ΔＶが閾値Ｖｓ未満になったとき、ステップＳ７へ進んでリレーＲＹをＯＮしてリレー接点を閉成し、ステップＳ８でオルタネータ４を回生制御を含めた通常の発電制御に切換え、ルーチンを抜ける。尚、リレーＲＹをＯＮしてリレー接点を閉じるまでの間は、オルタネータ４の回生制御を禁止し、バッテリ電圧Ｖｂが迅速にキャパシタ電圧Ｖｃと同電位になるようにする。

ここで、バッテリ電圧Ｖｂとキャパシタ電圧Ｖｃとの電位差ΔＶが閾値Ｖｓ以上で、Ｖｃ＜Ｖｂの場合とＶｃ＞Ｖｂの場合とのそれぞれの動作について説明する。

先ず、キャパシタ電圧Ｖｃがバッテリ電圧Ｖｂより低い場合には、図３に示すように、オルタネータ４の発電電圧をキャパシタ２と同電位まで低下させる。これにより、オルタネータ４の発電電圧はバッテリ電圧Ｖｂより低くなり、オルタネータ４から充電されること無くバッテリ１より放電が行なわれる。このバッテリ１の放電により、バッテリ１に放電分極が発生し、バッテリ電圧が迅速に低下してキャパシタ２と同電位となる。従って、このバッテリ１の電圧低下によりバッテリ１とキャパシタ２との間の電位差が閾値未満になることを待ってリレーＲＹをＯＮし、その後、回生制御を含めたオルタネータ４の発電電圧制御を実施する。

一方、キャパシタ電圧Ｖｃがバッテリ電圧Ｖｂより高い場合には、オルタネータ４にキャパシタ２の電圧と同じ電圧を発電電圧指示値として与える。これにより、バッテリ１が充電されることによる充電分極の効果、更にはバッテリ１と並列に接続された車体負荷の電位がキャパシタ電圧と等しくなるため、同様にバッテリ電圧が迅速にキャパシタ電圧と等しくなり、早期にリレーＲＹがＯＮされる。

このように、本実施の形態においては、車両の電気系統の始動時にバッテリ電圧とキャパシタ電圧とに所定の電位差がある場合には、キャパシタ電圧がバッテリ電圧より低い場合、キャパシタ電圧がバッテリ電圧より高い場合の何れの場合においても、キャパシタと鉛バッテリとを接続するリレーの接点間電位差が閾値未満となってからリレー接点が閉とされるため、リレー接点が劣化することは無い。従って、電流制限抵抗を用いたプリチャージ回路を要することなく、リレー接点の劣化を防止することが可能となる。

また、鉛バッテリの分極という電極電位がずれる現象を利用しているため、電流制限抵抗を用いたプリチャージよりも短時間で鉛バッテリとキャパシタとを接続することができ、キャパシタの有効活用と回生制御の頻度向上により、燃費向上効果を高めることができる。

車両の電源系を示す構成図 電源制御ルーチンのフローチャート 各部の電圧変化を示すタイムチャート 従来の電源系を示す構成図、 従来に電源系における各部の電圧変化を示すタイムチャート

符号の説明

１ 鉛バッテリ
２ キャパシタ
４ オルタネータ
２０ 電子制御ユニット
２１ 電位差検出部
２２ 制御部
Ｖｂ バッテリ電圧
Ｖｃ キャパシタ電圧
ΔＶ 電位差

Claims (2)

1. 鉛バッテリに接続される車載発電機を備え、前記鉛バッテリとキャパシタとをリレーを介して並列に接続し、車両への電力の供給を行なう車両用電源装置であって、
   上記鉛バッテリと上記キャパシタとの電位差を検出する電位差検出部と、
   上記リレーが開の状態で上記電位差が閾値以上のとき、上記車載発電機の発電電圧指示値を上記キャパシタと同電位とし、上記鉛バッテリと上記キャパシタとが同電位になった後に上記リレーを閉とする制御部と
   を有することを特徴とする車両用電源装置。
2. 上記制御部は、上記リレーを閉とするまでの間、上記車載発電機による回生を禁止することを特徴とする請求項１記載の車両用電源装置。

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