JP2009284596A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両に搭載されたバッテリよりも充電量が小さい蓄電器を用いて、バッテリの電圧低下を防ぐ車両用電源装置を提供する。
【解決手段】バッテリ１の電力を負荷２０に供給する車両用電源装置１０において、蓄電可能な容量がバッテリ１より小さいキャパシタ２と、バッテリ１及びキャパシタ２の間に設けられ、キャパシタ２の電圧を昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ３とを備え、バッテリ１の充電量を検出し、検出した充電量が所定値以下である場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３が昇圧した電圧をバッテリ１へ充電させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリの電圧低下を防ぐことが可能な車両用電源装置に関する。

一般的に、各車載機器に電力を供給する車載バッテリは、エンジンにより駆動されて発電する発電機によって充電されるが、停車時間及び低速走行時間等、エンジンの回転数が低い時間が長くなった場合、発電機から車載バッテリへの充電が十分にできない場合がある。また、車載機器が増加するに伴い、車両の電力消費が増大する。このため、車載バッテリの電圧低下を防止する装置を備えた車両が提案されている。

例えば特許文献１には、車載モータ等の大電力消費負荷に給電するための高電圧電源系（４２Ｖ系）と、制御装置などの小電力消費負荷に給電するための低電圧電源系（１２Ｖ系）との２つの電源系（以下、車両用２電源系と言う）を備えた車両が記載されている。この車両用２電源系は、それぞれがバッテリを備えており、高電圧電源系は高電圧バッテリを備え、低電圧電源系は低電圧バッテリを備えている。特許文献１では、高電圧電源系の電圧が常時給電される大電力消費負荷に低電圧電源系から給電する場合には昇圧し、低電圧電源系の電圧が常時給電される小電力消費負荷に高電圧電源系から給電する場合には降圧することで、高電圧電源系及び低電圧電源系の両方から電力消費負荷に給電できるように構成している。これにより、バッテリの電圧低下を防いでいる。
特開２００６−１４９１２７号公報

特許文献１は、例えば車載モータの数が多く、大容量の電力を必要とするハイブリッド車においては効果的である。しかしながら、ハイブリッド車のように大容量の電力を必要としない車両は、バッテリの電圧低下を防ぐため高電圧電源系を備えた場合、供給用ワイヤハーネス及びコネクタ機器等を高電圧に対応させる必要があり、コストが高騰するおそれがある。また、高電圧電源系を備えることで、環境への負荷の点で好ましくなく、さらには発火の危険性もある。このため、ハイブリッド車でない車両は、必要な電力が供給できる一つのバッテリだけを備えていることが好ましい。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、車両に搭載されたバッテリよりも充電量が小さい蓄電器を用いて、バッテリの電圧低下を防ぐ車両用電源装置を提供することにある。

本発明に係る車両用電源装置は、バッテリの電力を負荷に供給する車両用電源装置において、蓄電可能な容量が前記バッテリより小さい蓄電器と、前記バッテリ及び蓄電器の間に設けられ、前記蓄電器の電圧を昇圧する昇圧器と、前記バッテリの充電量を検出する検出手段と、該検出手段が検出した充電量が所定値以下である場合に、前記昇圧器が昇圧した電圧を前記バッテリへ充電させる制御手段とを備えることを特徴とする。

本発明では、負荷へ供給する電力を充電するバッテリの充電量が、所定値以下となった場合に、蓄電器に蓄電された電圧を昇圧して、バッテリを充電する。これにより、例えばバッテリの充電量が、負荷の駆動に必要な電圧以下となった場合、エンジンにより駆動されて発電する発電機から充電できなくても、蓄電器からバッテリへ充電することができる。その結果、負荷へ十分な電力を供給することができ、負荷が電力不足による動作不良を起こすおそれを低減できる。

本発明に係る車両用電源装置は、前記バッテリ及び蓄電器の間に設けられ、前記バッテリの電圧を降圧する降圧器と、所定条件で、前記降圧器が降圧した電圧を前記蓄電器へ充電させる充電制御手段とをさらに備えることを特徴とする。

本発明では、所定のタイミングで、バッテリの電圧を降圧して蓄電器に充電させることで、放電した蓄電器を充電することができ、バッテリを繰り返し充電することが可能となる。

本発明に係る車両用電源装置は、前記蓄電器の充電量を検出する充電量検出手段をさらに備え、前記所定条件は、前記検出手段が検出した充電量が第１電圧値以上で、かつ、前記充電量検出手段が検出した充電量が前記第１電圧値より小さい第２電圧値以下となる場合であることを特徴とする。

本発明では、バッテリと蓄電器との充電量に基づいてバッテリの電圧を降圧して蓄電器に充電させることで、バッテリの充電量が低いときに蓄電器を放電し、バッテリの電圧低下が発生することを防止できる。

本発明に係る車両用電源装置は、前記所定条件は、イグニッションスイッチがオンされた場合であることを特徴とする。

本発明では、イグニッションスイッチのオン時に蓄電器の充電が可能となる。イグニッションスイッチを長時間オフにした場合、蓄電器は放電し、充電量がゼロとなっている可能性が高い。このため、エンジン始動と同時に蓄電器を満充電にすることが可能となる。

本発明に係る車両用電源装置は、前記昇圧器及び降圧器は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、前記蓄電器は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする。

本発明では、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて昇圧及び降圧を行い、電気二重層キャパシタにバッテリを供給する電圧を充電することで、コストの高騰を抑制する。

本発明によれば、例えばバッテリの充電量が、負荷の駆動に必要な電圧以下となった場合、エンジンにより駆動されて発電する発電機から充電できなくても、蓄電器からバッテリへ充電することができる。その結果、負荷へ十分な電力を供給することができ、負荷が電力不足による動作不良を起こすおそれを低減できる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。

図１は、本実施形態に係る車両用電源装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る車両用電源装置１０は、バッテリ１、キャパシタ（蓄電器）２、ＤＣ／ＤＣコンバータ３、発電機４及び制御部５等を備えており、接続されている負荷２０に電力を供給する。負荷２０は、例えば、ヘッドライト及びテールランプ等のランプ系、パワーウィンドモータ、シートモータ及びワイパーモータ等のモータ系、ヒータ等の車載機器、又は電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electron Control Unit）等である。負荷２０には、イグニッションスイッチ（以下、ＩＧスイッチと言う）１１がオン（ＯＮ）位置にある場合に、図示しないリレーが閉じることで、バッテリ１から電力が供給され、動作可能となる。

バッテリ１は、例えば１３Ｖの蓄電容量を有する鉛蓄電池である。バッテリ１は、負極端子が接地され、正極端子が発電機４の正極端子に接続されている。発電機４は、エンジンにより駆動されて発電すると共に、車両が制動された場合に電力回生を行う。発電機４は、図示しないレギュレータを備えた３相の交流発電機であり、発電した交流電力を整流回路にて直流の電力に整流し、整流された電力の電圧をレギュレータにて所定電圧に調整して出力する。発電機４が出力した電力は、バッテリ１に供給され、充電される。発電機４の正極端子には、バッテリ１の正極端子の他、負荷２０等が並列接続されている。

また、バッテリ１は、正極端子がＤＣ／ＤＣコンバータ３を介してキャパシタ２に接続されている。キャパシタ２は、電圧が低下したバッテリ１を充電するための電気二重層キャパシタであり、負極端子が接地されている。本実施形態のキャパシタ２は、０．５[Ｆ]の容量を有しており、耐電圧２[Ｖ]に設定されているものとする。即ち、０．５[Ｆ]のキャパシタ２を２[Ｖ]で満充電した場合、キャパシタ２は、電気量Ｑ＝ＣＶより、１クーロンの電気量を蓄電可能となっている。換言すれば、キャパシタ２は、１[Ａ]の電流を１秒間流し続けることができる電気量が蓄電可能である。

バッテリ１及びキャパシタ２の間に配設されるＤＣ／ＤＣコンバータ３は、双方向型ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、バッテリ１又はキャパシタ２の一方の電圧をインダクタンス及びコンデンサ等を用いて変圧して他方に供給する。具体的には、ＤＣ／ＤＣコンバータ３は、キャパシタ２の電圧を昇圧してバッテリ１に供給し、また逆に、バッテリ１の電圧を降圧してキャパシタ２に供給する。このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介することで、バッテリ１及びキャパシタ２の一方は、他方の電圧を蓄電することが可能となる。なお、本実施形態では、双方向型のＤＣ／ＤＣコンバータ３を用いて昇圧及び降圧しているが、昇圧型及び降圧型の２つのＤＣ／ＤＣコンバータを用いるようにしてもよい。

制御部５は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びＲＡＭ（Random Access Memory）等からなるマイクロコンピュータを有し、バッテリ１の残存容量を検出して充電量を監視する。バッテリ１の残存容量を検出する方法は、バッテリ端子電圧（オープン電圧）に基づいて求める方法、バッテリ内部抵抗に基づいて求める方法、バッテリ充放電電流の積算値に基づいて求める方法、あるいはこれらの組み合わせた方法等がある。また、制御部５は、バッテリ１の充電量が閾値１２［Ｖ］より低下したことを検出した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御し、キャパシタ２の電圧を昇圧してバッテリ１に供給する。バッテリ１は、発電機４が発電した電力が充電されるが、停車時間及び低速走行時間等が長い場合は、発電機４は十分な発電ができないため、バッテリ１への充電も十分に行われない。このため、制御部５は、キャパシタ２の電圧をバッテリ１に供給することで、バッテリ１の電圧低下を防ぎ、バッテリ１の充電量を安定させることができる。

制御部５は、バッテリ１と同様にキャパシタ２の残存容量を検出して充電量を監視する。制御部５は、バッテリ１の充電量が閾値１２［Ｖ］以上で、キャパシタ２の充電量が閾値１［Ｖ］以下となった場合、バッテリ１の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ３により降圧し、キャパシタ２に供給する。これにより、キャパシタ２は、バッテリ１を充電することで充電量が減少しても、バッテリ１から充電されることで、キャパシタ２によりバッテリ１を繰り返し充電することが可能となる。また、バッテリ１の充電量が閾値１２［Ｖ］以上でなければキャパシタ２への電力供給を行わないようにすることで、キャパシタ２へ電力供給を行うことによるバッテリ１の電圧低下を防止できる。

また、キャパシタ２は、長時間のエンジン停止により放電し、充電量がゼロとなるため、制御部５は、ＩＧスイッチ１１がオン位置になった場合、バッテリ１の電圧を降圧し、キャパシタ２に供給する。これにより、エンジン始動と同時にキャパシタ２を満充電にすることが可能となる。

図２は、バッテリ１及びキャパシタ２の充放電の遷移状態を示す模式図である。図２において、上段はバッテリ１の充放電の遷移状態を示し、下段はキャパシタ２の充放電の遷移状態を示している。また、それぞれのグラフにおいて、縦軸は充電量、横軸は経過時間を示している。

キャパシタ２は、エンジン停止後は放電するため、充電量はゼロである。ＩＧスイッチ１１がオン位置にされた場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３により降圧されたバッテリ１の電圧がキャパシタ２に供給され、キャパシタ２は充電を開始する（期間Ａ）。

その後、バッテリ１から負荷２０等への電力供給を行うことで、バッテリ１は、充電量が低下する。そして、バッテリ１の充電量が閾値１２[Ｖ]以下に低下した場合、即ち、バッテリ１の電圧が１[Ｖ]低下した場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３により昇圧されたキャパシタ２の電圧が、バッテリ１が満充電となるまで供給される（期間Ｂ）。また、上述のように、キャパシタ２は、１[Ａ]の電流を１秒間流し続けることができるため、期間Ｂにおいて、１秒間キャパシタ２からバッテリ１へ電力を供給し続けるようにしてもよい。なお、閾値１２[Ｖ]は、車両用電源装置１０に接続される負荷２０の駆動に必要な電圧に基づいて適宜変更可能である。例えば、負荷２０が１０［Ｖ］の駆動電圧が必要である場合、バッテリ１の充電量が１０［Ｖ］以下となったときに、キャパシタ２からバッテリ１へ電力を供給するようにしてもよい。これにより、バッテリ１から負荷２０へ十分な電力を供給することができ、負荷２０が電力不足による動作不良を起こすおそれを低減できる。

バッテリ１を充電したキャパシタ２の充電量が閾値１[Ｖ]以下となった場合、バッテリ１の充電量が閾値１２[Ｖ]以上であれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３により降圧されたバッテリ１の電圧がキャパシタ２へ供給する（期間Ｃ）。これにより、キャパシタ２が充電され、電圧降下したバッテリ１を再び充電することが可能となる。バッテリ１が閾値１２[Ｖ]より充電量が大きいときにキャパシタ２を充電することで、バッテリ１の充電量が低いときにキャパシタ２に電力を供給しないようにできる。これにより、キャパシタ２を充電することによるバッテリ１の余計な電圧低下を防止できる。なお、バッテリ１からキャパシタ２へ電力を供給する条件は、適宜変更可能である。例えば、キャパシタ２の充電量がゼロとなった場合にバッテリ１からキャパシタ２へ電力を供給するようにしてもよい。

以上のように、１［Ｖ］といった小さな電圧低下が起こった場合にバッテリ１を充電するため、バッテリ１を充電するための蓄電器をキャパシタ２により構成することが可能となる。バッテリ１よりも低電圧なキャパシタ２を用いることで、発火の危険性を防ぐことができ、また、供給用ワイヤハーネス及びコネクタ機器等を高電圧に対応させる必要がなくなる。

次に、制御部５の動作について説明する。図３は、制御部５が実行する処理を示すフローチャートである。制御部５は、ＩＧスイッチ１１がオンされたときに、図３に示す処理を実行する。

制御部５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御し、バッテリ１の電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータ３により降圧しキャパシタ２へ供給する（Ｓ１）。これにより、ＩＧスイッチ１１がオフのときに放電したキャパシタ２を充電することができる。制御部５は、バッテリ１の充電量の監視を行い（Ｓ２）、充電量が閾値１２[Ｖ]以下となったか否かを判定する（Ｓ３）。

充電量が閾値１２[Ｖ]以下である場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、制御部５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御し、キャパシタ２の電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータ３により昇圧しバッテリ１へ供給する（Ｓ４）。そして、制御部５は、バッテリ１が満充電となったか否かを判定する（Ｓ５）。バッテリ１が満充電となった場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、制御部５は、処理をＳ８に移す。バッテリ１が満充電となっていなければ（Ｓ５：ＮＯ）、制御部５は、処理をＳ４に移す。これにより、電圧降下したバッテリ１を充電することができる。このとき、制御部５は、１[Ａ]の電流を１秒間流し続けることができるキャパシタ２の充電量がゼロとなるまでバッテリ１を充電し続けるようにしてもよい。

バッテリ１の充電量が閾値１２[Ｖ]以下でない場合（Ｓ３：ＮＯ）、制御部５は、キャパシタ２の充電量が閾値１[Ｖ]以下であるか否かを判定する（Ｓ６）。キャパシタ２の充電量が閾値１[Ｖ]以下でない場合（Ｓ６：ＮＯ）、制御部５は、処理をＳ８に移す。充電量が閾値１[Ｖ]以下である場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、制御部５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を制御し、バッテリ１の電圧を、ＤＣ／ＤＣコンバータ３により降圧しキャパシタ２へ供給する（Ｓ７）。

制御部５は、本処理を終了するか否かを判定する（Ｓ８）。即ち、制御部５は、ＩＧスイッチ１１がオフにされたか否かを判定する。終了しない場合（Ｓ８：ＮＯ）、制御部５は、処理をＳ２に戻す。終了する場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、制御部５は、図３に示す処理を終了する。

以上説明したように、本実施形態では、バッテリ１とキャパシタ２との間に昇圧及び降圧可能なＤＣ／ＤＣコンバータ３を設け、バッテリ１の充電量が１２［Ｖ］以下の場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３を介したキャパシタ２の電力をバッテリ１に蓄電させる。これにより、発電機４からバッテリ１を充電できない場合、又は突発的に小さな電圧低下が発生した場合に、キャパシタ２からバッテリ１へ充電することができる。その結果、負荷２０へ十分な電力を供給することができ、負荷２０が電力不足による動作不良を起こすおそれを低減できる。

本実施形態に係る車両用電源装置の構成を示すブロック図である。 バッテリ及びキャパシタの充放電の遷移状態を示す模式図である。 制御部が実行する処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１ バッテリ
２ キャパシタ
３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４ 発電機
５ 制御部
１１ ＩＧスイッチ
２０ 負荷

Claims (5)

1. バッテリの電力を負荷に供給する車両用電源装置において、
   蓄電可能な容量が前記バッテリより小さい蓄電器と、
   前記バッテリ及び蓄電器の間に設けられ、前記蓄電器の電圧を昇圧する昇圧器と、
   前記バッテリの充電量を検出する検出手段と、
   該検出手段が検出した充電量が所定値以下である場合に、前記昇圧器が昇圧した電圧を前記バッテリへ充電させる制御手段と
   を備えることを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記バッテリ及び蓄電器の間に設けられ、前記バッテリの電圧を降圧する降圧器と、
   所定条件で、前記降圧器が降圧した電圧を前記蓄電器へ充電させる充電制御手段と
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記蓄電器の充電量を検出する充電量検出手段
   をさらに備え、
   前記所定条件は、
   前記検出手段が検出した充電量が第１電圧値以上で、かつ、前記充電量検出手段が検出した充電量が前記第１電圧値より小さい第２電圧値以下となる場合である
   ことを特徴とする請求項２に記載の車両用電源装置。
4. 前記所定条件は、
   イグニッションスイッチがオンされた場合である
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の車両用電源装置。
5. 前記昇圧器及び降圧器は、ＤＣ／ＤＣコンバータであり、
   前記蓄電器は、電気二重層キャパシタである
   ことを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載の車両用電源装置。

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