JP2010063330A

JP2010063330A - 車両用電源装置

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Publication number: JP2010063330A
Application number: JP2008229248A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Handa; 浩之半田; Koji Yoshida; 幸司吉田; Hisazumi Watanabe; 久純渡邉
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2028-09-08
Also published as: JP5211954B2

Abstract

【課題】蓄電部の回生電力によるスタータ駆動と負荷への電力供給が両立可能な高効率車両用電源装置の提供。
【解決手段】発電機１３に接続された主電源１５、負荷１９、および双方向昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ２１を介して接続された蓄電部２３と、蓄電部２３にスイッチ２５を介して接続されたスタータ２７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１とスイッチ２５に接続され、回生電力発電期間は、蓄電部２３を上限電圧Ｖｃｕに至るまでの範囲で充電し、前記回生電力発電期間以外は、蓄電部２３の電圧Ｖｃが、アイドリングストップ状態と車速ｖに応じて決定される設定電圧Ｖｃｓに至るまでの範囲で蓄電部２３の電力を負荷１９に対して放電するようにＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御するとともに、アイドリングストップ後にスイッチ２５をオンにして蓄電部２３の電力をスタータ２７に対して放電するように制御する制御回路３５とを備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、高効率化が可能な車両用電源装置に関するものである。

近年、環境への配慮や燃費向上のために、制動時に発電を行うことで制動エネルギーを電気エネルギーとして回収する回生システムを搭載した自動車（以下、車両という）が開発されている。この回生システムは車両減速時に発電機で発生する電力（以下、回生電力という）を充電し、減速時以外に負荷等へ放電することで、熱として捨てていた制動エネルギーを電気エネルギーとして利用するので効率が向上するとともに、放電時における発電機の発電量を減らすことができるので、その分、エンジン負担が軽減され省燃費が可能となる。

このような回生システムを従来の車両に適用すると、回生電力は鉛バッテリに充電されることになるが、急減速等の場合は大電力が短時間に発生し、急速充電が不十分な鉛バッテリに効率的に充電することができなかった。また、鉛バッテリに印加される電圧が急上昇し、電解液の減少を引き起こす。その結果、鉛バッテリの寿命が短くなってしまう。

そこで、短時間に発生する大電力を効率よく回収するために、急速充放電特性に優れるキャパシタを予備的な蓄電手段として用いた車両回生システム用の電源装置が、例えば下記特許文献１に提案されている。図４はこのような車両用電源装置のブロック回路図である。

図４において、主蓄電手段１０１は鉛バッテリであり、その正極にはイグニションスイッチ１０３を介して車両電気負荷１０５が接続されている。また、主蓄電手段１０１の正極には車両用発電機１０７が接続されている。車両用発電機１０７はエンジン１０９と機械的に接続されているので、エンジン１０９の動作により車両用発電機１０７が駆動される。さらに、エンジン１０９はタイヤ１１１が機械的に接続されており、エンジン１０９の駆動力によりタイヤ１１１が回転し、車両を走行させる。また、制動による減速時には、車両の慣性によりタイヤ１１１が回転し、これによりエンジン１０９も回転する。この回転エネルギーにより車両用発電機１０７が駆動され、制動エネルギーによる発電が行われる。

このような車両に対し、回生電力を効率よく回収するために、車両用発電機１０７にはＤＣ／ＤＣコンバータ１１３を介して予備蓄電手段１１５が接続されている。予備蓄電手段１１５には大容量の電気二重層キャパシタが用いられるので、急減速時等に発生する短時間の大電力を効率よく回収できる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１３には、その動作を制御するために電子演算装置１１７が接続されている。さらに、電子演算装置１１７には車両側から様々な信号を受信するための信号受信用端子１１９が設けられている。従って、電子演算装置１１７は車両の状態を信号受信用端子１１９から受信することにより、それに応じた予備蓄電手段１１５への充放電制御をＤＣ／ＤＣコンバータ１１３に対して行う。

このような構成の回生システム用電源装置とすることで、短時間に発生する大電力を含む減速時の回生電力を、一旦予備蓄電手段１１５に充電しておき、減速時以外に充電した電力を主蓄電手段１０１や車両電気負荷１０５に供給することができる。その結果、効率のよい制動エネルギーの回生が可能となるだけでなく、主蓄電手段１０１（鉛バッテリ）に印加される電圧の急上昇を低減することも可能となるので、主蓄電手段１０１の寿命短縮を抑制できる。
特許第３４６５２９３号公報

上記の車両用電源装置によると、確かに効率的な回生により車両の省燃費化が可能となるのであるが、これをアイドリングストップ車に適用した場合、次のような課題があった。

アイドリングストップ車は、信号待ちなどで車両が停止するとエンジンを止め、再び発進する直前にエンジンを再始動することで、車両停止中の燃料消費を抑制する。従って、上記車両用電源装置をアイドリングストップ車に適用すると、エンジン１０９を再始動するためのスタータは車両電気負荷１０５に相当するので、スタータ駆動電力は予備蓄電手段１１５から供給されることになる。これは、予備蓄電手段１１５に充電された電力が減速時以外に主蓄電手段１０１や車両電気負荷１０５に供給するよう、電子演算装置１１７がＤＣ／ＤＣコンバータ１１３を制御するためである。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１３にはスタータ駆動時に１００Ａ以上の大電流が流れることになり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１３を構成するスイッチング素子の発熱による損失が大きくなるという課題があった。

これを避けるために、例えばリレーを介してスタータを予備蓄電手段１１５に接続する構成が考えられる。これにより、スタータ駆動時に前記リレーをオンにすることで、予備蓄電手段１１５の回生電力を直接スタータに供給できる。さらに、前記リレーは内部抵抗値が小さいので、発熱の影響を低減できる。

しかし、この構成の場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１３を介さないので、予備蓄電手段１１５の電圧を常にスタータの最低駆動電圧に維持しておく必要がある。そのため、アイドリングストップ中に予備蓄電手段１１５の回生電力をスタータ以外の車両電気負荷１０５に供給できず、効率が低減するという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、アイドリングストップ車において、蓄電部の回生電力によるスタータ駆動と負荷への電力供給を両立することができる高効率な車両用電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の車両用電源装置は、発電機と、前記発電機に電気的に接続された主電源、および負荷と、前記発電機に双方向昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気的に接続された蓄電部と、前記蓄電部にスイッチを介して電気的に接続されたスタータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記スイッチに電気的に接続され、制動時の前記発電機の回生電力発電期間は、前記蓄電部を上限電圧（Ｖｃｕ）に至るまでの範囲で充電し、前記回生電力発電期間以外は、前記蓄電部の電圧（Ｖｃ）が、アイドリングストップ状態と車速（ｖ）に応じて決定される設定電圧（Ｖｃｓ）に至るまでの範囲で前記蓄電部の電力を前記負荷に対して放電するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するとともに、前記アイドリングストップ後の前記スタータ駆動時に前記スイッチをオンにして前記蓄電部の電力を前記スタータに対して放電するように制御する制御回路と、を備えたものである。

本発明の車両用電源装置によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータを双方向昇降圧型とすることで、まず、蓄電部への回生電力充電時には発電電圧より高い電圧まで昇圧して充電できる。また、アイドリングストップ中は、スタータの最低駆動電圧に至るまでスタータ以外の負荷に回生電力を降圧、または昇圧して供給できる。さらに、アイドリングストップ後のスタータ駆動時はスイッチを介して直接蓄電部の電力を供給し、その後は蓄電部の電圧（Ｖｃ）が車速（ｖ）に応じた設定電圧（Ｖｃｓ）に至るまで前記負荷に電力を昇圧して供給することが可能となる。従って、蓄電部の回生電力によるスタータ駆動と負荷への電力供給を両立することができ、高効率化が可能になるという効果が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における車両用電源装置のブロック回路図である。図２は、本発明の実施の形態における車両用電源装置の車速に対する設定電圧の相関図である。図３は、本発明の実施の形態における車両用電源装置の車速と蓄電部電圧の経時変化図であり、（ａ）は車速の経時変化図を、（ｂ）は蓄電部電圧の経時変化図を、それぞれ示す。なお、図１において、太線は電力系配線を、細線は信号系配線を、それぞれ示す。

図１において、車両のエンジン（図示せず）には、発電機１３が機械的に接続されている。発電機１３はエンジン駆動時や車両制動時に電気エネルギーを発生する。発電機１３には、主電源１５と負荷１９が電気的に接続されている。主電源１５はバッテリであり、負荷１９は後述するスタータを除く車載電装品である。

また、発電機１３にはＤＣ／ＤＣコンバータ２１を介して蓄電部２３が電気的に接続されている。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は双方向昇降圧型とした。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、主電源１５側の電圧Ｖｂに対して、蓄電部２３側の電圧Ｖｃを昇圧、および降圧することができる。さらに、双方向型であるので、発電機１３の電力を蓄電部２３に充電したり、蓄電部２３の電力を主電源１５や負荷１９に対して放電することができる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は蓄電部２３の充電回路、および放電回路の役割を担う。また、蓄電部２３は定格電圧２．５Ｖの電気二重層キャパシタを６個直列接続して構成される。従って、蓄電部２３の充電時における上限電圧Ｖｃｕは２．５Ｖ×６個＝１５Ｖとなる。なお、電気二重層キャパシタの個数や接続方法（直列、並列、直並列）は上記に限定されるものではなく、必要な電気仕様に基いて適宜決定すればよい。

蓄電部２３には、スイッチ２５を介してエンジンを始動するためのスタータ２７が電気的に接続されている。従って、スイッチ２５がオンになると、蓄電部２３とスタータ２７が電気的に直接接続される構成となる。ここで、スイッチ２５は共通端子２９に対し、第１端子３１、第２端子３３、またはオフ状態のいずれかを選択する構成としている。なお、図１ではスイッチ２５がオフ状態を選択している場合を示している。ここで、共通端子２９にはスタータ２７が、第１端子３１には主電源１５が、第２端子３３には蓄電部２３が、それぞれ電気的に接続されている。従って、スイッチ２５は、スタータ２７と主電源１５を導通する状態、スタータ２７と蓄電部２３を導通する状態、またはオフ状態のいずれかの状態を選択することができる。また、スイッチ２５の切り替えは外部からの信号により行われる。このようなスイッチ２５の例として、オンオフ型リレーを２個用いることにより構成できる。これにより、スタータ２７の起動、停止と、主電源１５か蓄電部２３のいずれかの駆動電力の選択が可能となる。

なお、ここではスイッチ２５に主電源１５と蓄電部２３の両方が接続された構成としたが、これは、例えば車両の使用開始時におけるスタータ２７の駆動時にのみ、イグニションスイッチにより直接主電源１５の電力が供給される構成の場合は、蓄電部２３だけをオンオフするスイッチ構成としてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２１とスイッチ２５は制御回路３５と信号系配線で電気的に接続されている。制御回路３５はマイクロコンピュータと周辺回路から構成され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１に内蔵された電圧検出回路（図示せず）で検出された蓄電部２３の電圧Ｖｃを読み込み、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１に対して、設定電圧Ｖｃｓや制御信号ｃｏｎｔを出力する。また、スイッチ２５に対し、主電源１５、蓄電部２３、またはオフ状態のいずれかを選択するための選択信号ＳＷを出力する。さらに、制御回路３５は、車両用制御回路（図示せず）との間で様々なデータ信号ｄａｔａのやり取りを行う。

次に、設定電圧Ｖｃｓの詳細について説明する。

設定電圧Ｖｃｓは蓄電部２３を放電する際の最低電圧に相当し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は蓄電部２３の放電動作時に、蓄電部２３の電圧Ｖｃを制御回路３５から出力された設定電圧Ｖｃｓに至るまでの範囲で制御する。ここで、設定電圧Ｖｃｓの求め方について説明する。

設定電圧Ｖｃｓはアイドリングストップ状態と車速ｖに応じて決定される。具体的には、制御回路３５は、アイドリングストップ中でなければ、現在の車速ｖに応じて設定電圧Ｖｃｓを変更するようにしている。すなわち、車速ｖが大きいほど、制動時の回生電力を多く回収できるので、蓄電部２３をより低い電圧まで放電するように設定電圧Ｖｃｓを決定している。これにより、低電圧まで放電したとしても、制動時の回生電力により蓄電部２３を必要な電圧まで充電することができる。

ここで、必要な電圧とは、車両制動により車速ｖが０ｋｍ／ｈになった際に必要となる蓄電部２３の電圧Ｖｃのことである。すなわち、アイドリングストップ中のエネルギー供給を蓄電部２３から行うために、蓄電部２３の必要な電圧は、スタータ２７の最低駆動電圧（＝１２Ｖ）と、アイドリングストップ中の負荷１９へのエネルギー供給による電圧変化分を合計した電圧となる。従って、アイドリングストップ中のエネルギー供給を最大限に行えるように、車速ｖ＝０ｋｍ／ｈにおける必要な電圧を上限電圧Ｖｃｕ（＝１５Ｖ）に設定する例で説明する。なお、この場合、アイドリングストップ中の負荷１９へのエネルギー供給による電圧変化分は３Ｖとなる。

車速ｖで走行している車両の運動エネルギーＥａは、車両重量をｍとすると、Ｅａ＝ｍ・ｖ²／２である。一方、蓄電部２３を充電した場合の電気エネルギーＥｃは、蓄電部２３の全体の容量値をＣとし、充電による電圧ＶｃがＶ１からＶ２に上昇したとすると、Ｅｃ＝Ｃ・（Ｖ２²−Ｖ１²）／２となる。従って、蓄電部２３に充電できる電気エネルギーＥｃは車両の運動エネルギーＥａと比例するので、ｖ²∝（Ｖ２²−Ｖ１²）となる。ここで、蓄電部２３は制動により、制動直前の車速ｖに応じた設定電圧Ｖｃｓから上限電圧Ｖｃｕまで充電されるので、ｖ²∝（Ｖｃｕ²−Ｖｃｓ²）となる。上限電圧Ｖｃｕは上記したように本実施の形態では１５Ｖで定数であるので、車速ｖと設定電圧Ｖｃｓは負の相関関係となることがわかる。

次に、境界条件は次のように決定される。１つめの境界条件は、上記した通り、車速ｖ＝０ｋｍ／ｈの時の設定電圧Ｖｃｓ＝上限電圧Ｖｃｕ＝１５Ｖとなる。

次に、蓄電部２３を過放電から保護するために、マージンを加味して蓄電部２３の下限電圧Ｖｃｍを９Ｖとする。従って、蓄電部２３の電圧Ｖｃは充放電により９Ｖ（下限電圧Ｖｃｍ）から１５Ｖ（上限電圧Ｖｃｕ）の間を変動することになる。この最大電圧変化幅ΔＶｍａｘを充電するために必要な車速ｖは、上記した車両の運動エネルギーＥａと蓄電部２３の電気エネルギーＥｃの関係から計算して、６０ｋｍ／ｈであったとする。なお、この車速ｖは蓄電部２３の容量値Ｃや車両重量ｍ等の比例定数によって変化するので、それらの値によって適宜決定すればよい。以上のことから、２つめの境界条件として、車速ｖ＝６０ｋｍ／ｈの時は、設定電圧Ｖｃｓ＝９Ｖとなる。

さらに、３つめの境界条件として、アイドリングストップ中に蓄電部２３のエネルギーを負荷１９に供給した場合、設定電圧Ｖｃｓは１２Ｖ（スタータ２７の始動時に必要な最低駆動電圧）とする。これにより、アイドリングストップ後に蓄電部２３のエネルギーによりスタータ２７の駆動が可能となる。

以上の相関関係と境界条件から、車速ｖと設定電圧Ｖｃｓは図２に示すように求められる。なお、図２において、横軸は車速ｖを、縦軸は設定電圧Ｖｃｓを、それぞれ示す。図２の車速ｖが６０ｋｍ／ｈまでは、上記したように車速ｖと設定電圧Ｖｃｓは負の相関関係を有する。

また、車速ｖが６０ｋｍ／ｈを超えると、運動エネルギーＥａがさらに増すので、制動時により多くの電気エネルギーＥｃを回収することが可能となるのであるが、蓄電部２３の容量値Ｃや定格電圧により、これ以上の電気エネルギーＥｃを蓄電できない。従って、本実施の形態では、車速ｖが６０ｋｍ／ｈを超える場合は、図２に示すように設定電圧Ｖｃｓを９Ｖの一定値とした。

さらに、３つめの境界条件から、アイドリングストップ中であれば、設定電圧Ｖｃｓはスタータ２７の最低駆動電圧（＝１２Ｖ）となる。なお、この時の車速ｖは０ｋｍ／ｈである。従って、車速ｖが０ｋｍ／ｈの時は、アイドリングストップ中なら設定電圧Ｖｃｓは１２Ｖに、それ以外なら上限電圧Ｖｃｕ（＝１５Ｖ）に設定される。

以上のようにして、アイドリングストップ状態と車速ｖに応じた設定電圧Ｖｃｓの相関関係を求めている。この相関関係は、あらかじめ制御回路３５に内蔵されたメモリに記憶してある。従って、制御回路３５は車両用制御回路からデータ信号ｄａｔａによりアイドリングストップ状態と車速ｖを読み込むと、図２の相関関係から設定電圧Ｖｃｓを決定することができる。

次に、このような車両用電源装置の動作について、実際の車両走行時を例に図３を用いて説明する。

まず、図３（ａ）に示すパターンで車両が走行、停止を繰り返す場合を想定する。ここで、図３（ａ）の横軸は時刻ｔを、縦軸は車速ｖを、それぞれ示す。

図３（ａ）より、車両の走行パターンは、次の通りである。まず、時刻ｔ２までの停止状態から車速ｖが４０ｋｍ／ｈに至るまで加速後（時刻ｔ４）、その車速ｖを維持し（時刻ｔ６）、次に減速して時刻ｔ７で停止する。この停止中はアイドリングストップを行う。その後、時刻ｔ９で加速を開始し、車速ｖが２０ｋｍ／ｈになる時刻ｔ１１で定速走行を行い、時刻ｔ１２で再加速する。車速ｖが８０ｋｍ／ｈに至ると（時刻ｔ１４）、その車速ｖを維持し、次に時刻ｔ１５で減速する。時刻ｔ１８で車両が停止すると、再びアイドリングストップを行い、時刻ｔ２０で再度加速を開始する。これ以降の動作は省略する。

以上の走行パターンに対し、本実施の形態の車両用電源装置は図３（ｂ）に示す動作を行う。なお、図３（ｂ）の横軸は時刻ｔを、縦軸は蓄電部２３の電圧Ｖｃを、それぞれ示す。また、実線は電圧Ｖｃの経時特性を、太破線は設定電圧Ｖｃｓの経時特性を、それぞれ示す。

まず、時刻ｔ０は運転者が車両に乗り込み、イグニションスイッチをオンにした状態である。この時の蓄電部２３の電圧Ｖｃは、自己放電等により、ほぼ０Ｖであったとする。また、イグニションスイッチをオンにすることで、制御回路３５が起動し、現在の車速ｖに応じた設定電圧Ｖｃｓを決定する。時刻ｔ０では車速ｖ＝０ｋｍ／ｈであるので、図２より設定電圧Ｖｃｓは１５Ｖとなる（図３（ａ）の太破線参照）。また、本来であれば蓄電部２３の電圧Ｖｃが上限電圧Ｖｃｕ（＝１５Ｖ）に至るようにＤＣ／ＤＣコンバータ２１が充電制御を行うのであるが、時刻ｔ０から時刻ｔ１の間はエンジンが始動していないので、蓄電部２３の充電を行おうとすると、主電源１５の電力が持ち出されることになる。そこで、蓄電部２３への電力の持ち出しを回避するために、制御回路３５はエンジンが始動していない時はＤＣ／ＤＣコンバータ２１が蓄電部２３の充電を行わないように制御する。

次に、時刻ｔ１で運転者がイグニションスイッチによりエンジンを始動する。この時、蓄電部２３には電力が蓄えられていないので、主電源１５の電力によりスタータ２７に電力を供給しなければならない。そのために、制御回路３５は車両用制御回路よりエンジン始動信号をデータ信号ｄａｔａとして受信すると、スイッチ２５が第１端子３１を選択するように選択信号ＳＷをスイッチ２５に出力する。これを受け、スイッチ２５は第１端子３１側に切り替わり、主電源１５の電力がスタータ２７に供給される。このような動作により、エンジンの始動が行われる。なお、エンジンの始動が終了すれば、制御回路３５は、それを示す信号を車両用制御回路から受信する。これにより、制御回路３５はスイッチ２５をオフ状態にするように選択信号ＳＷを出力する。その結果、スタータ２７の動作が停止する。

時刻ｔ１でエンジンが始動すると、制御回路３５は直ちにエンジントルクによる発電機１３の発電電力を蓄電部２３に充電するようＤＣ／ＤＣコンバータ２１に制御信号ｃｏｎｔを出力する。これにより、蓄電部２３への充電が開始される。この動作は、蓄電部２３の下限電圧Ｖｃｍが９Ｖであるので、最低でも下限電圧Ｖｃｍまでは充電しておく必要があるためである。この結果、蓄電部２３の電圧Ｖｃは図３（ｂ）の実線に示すように時刻ｔ１以降で経時的に上昇する。

その後、時刻ｔ２で車両が走行を開始する。これにより、図３（ａ）に示すように、車速ｖは経時的に上昇する。その結果、制御回路３５は、車両用制御回路から得られた車速信号に応じて、図２の相関関係から設定電圧Ｖｃｓを更新していく。ゆえに、図３（ｂ）の太破線に示すように、時刻ｔ２以降で設定電圧Ｖｃｓは経時的に低下していく。

一方で、蓄電部２３の電圧Ｖｃは経時的に上昇しているので、両者は時刻ｔ３で一致する。しかし、車速ｖは図３（ａ）に示すように時刻ｔ３以降も上昇し続けるため、設定電圧Ｖｃｓは低下していく。その結果、時刻ｔ３では加速中であり回生電力発電期間ではないので、制御回路３５は時刻ｔ３以降で、蓄電部２３の電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｃｓに至るまでの範囲で、蓄電部２３を放電するようＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御する。放電されたエネルギーは負荷１９に供給される。このような動作により、蓄電部２３の電圧Ｖｃは時刻ｔ３以降で低下していく。なお、図３（ｂ）において、設定電圧Ｖｃｓの方が蓄電部２３の電圧Ｖｃよりも速く低下しているが、これは負荷１９の消費電力Ｗが小さい場合を想定しているためである。また、蓄電部２３の電圧Ｖｃの低下速度は経時的に大きくなっているが、これは時刻ｔが電圧Ｖｃに対して２次の負の相関関係、すなわち、Ｗ・ｔ＝Ｃ・（Ｖｃ２²−Ｖｃ１²）／２を有するためである。ここで、Ｖｃ２は負荷１９への放電初期の蓄電部２３の電圧、Ｖｃ１は時刻ｔにおける蓄電部２３の電圧Ｖｃを示す。また、消費電力Ｗは一定とする。

その後、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ４で車速ｖが４０ｋｍ／ｈで一定になると、図３（ｂ）の太破線に示すように、設定電圧Ｖｃｓはｖ＝４０ｋｍ／ｈの時の値である１２．７Ｖを維持する（図２参照）。一方、蓄電部２３の電圧Ｖｃは時刻ｔ４の時点では、まだ設定電圧Ｖｃｓに至っていないので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は引き続き負荷１９に蓄電部２３のエネルギーを供給し続ける。

次に、時刻ｔ５で蓄電部２３の電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｃｓ（＝１２．７Ｖ）に至る。これにより、制御回路３５はＤＣ／ＤＣコンバータ２１に対し、負荷１９への放電を停止するよう制御信号ｃｏｎｔを出力する。従って、蓄電部２３の電圧Ｖｃは設定電圧Ｖｃｓの値を維持する。

その後、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ６で車両が制動を開始し、車速ｖが低下していく。この車速変化を車両用制御回路から受信すると、制御回路３５はＤＣ／ＤＣコンバータ２１に対し、直ちに発電機１３で発生している回生電力を蓄電部２３に充電するよう制御する。この回生電力発電期間においては、蓄電部２３が上限電圧Ｖｃｕに至るまでの範囲で充電される。ここで、上記したように車速ｖと設定電圧Ｖｃｓはｖ²∝（Ｖｃｕ²−Ｖｃｓ²）の相関関係があり、回生電力の充電による蓄電部２３の電圧Ｖｃは上記相関関係で設定電圧Ｖｃｓが電圧Ｖｃに相当するため、ｖ²∝（Ｖｃｕ²−Ｖｃ²）となる。従って、時刻ｔ６から時刻ｔ７における回生電力発電期間中は、設定電圧Ｖｃｓと蓄電部２３の電圧Ｖｃの挙動が等しくなる。ゆえに、図３（ｂ）に示したように、太実線と太破線が一致する。

時刻ｔ７で車速ｖが０ｋｍ／ｈになると、設定電圧Ｖｃｓは図３（ｂ）の太破線に示したように上限電圧Ｖｃｕ＝１５Ｖに至る。これにより、制御回路３５は充電を停止するようＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御する。この時点で、車両用制御回路はアイドリングストップを行うよう制御する。この状態はデータ信号ｄａｔａにより制御回路３５に送信される。これを受け、制御回路３５は、現在車両がアイドリングストップ状態であるので、上記した３つめの境界条件が成立したとして、設定電圧Ｖｃｓをスタータ２７の最低駆動電圧である１２Ｖとする。

時刻ｔ７以降ではアイドリングストップのために、エンジンが停止する。従って、発電機１３も発電を停止する。そこで、制御回路３５は蓄電部２３が蓄えた回生電力を負荷１９に対して放電するようにＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御する。これにより、蓄電部２３の電圧Ｖｃは経時的に低下するものの、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１により電圧が安定化されて、アイドリングストップ中でも負荷１９にエネルギーが供給され続ける。また、このエネルギーは制動時に得られたものであるので、従来捨てていたエネルギーを有効活用でき、効率が向上する。なお、時刻ｔ７以降では、上記したように設定電圧Ｖｃｓが１２Ｖとなるので、制御回路３５は蓄電部２３の電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｃｓ（＝１２Ｖ）に至るまで負荷１９にエネルギーを供給する。

時刻ｔ８で電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｃｓに至ると、制御回路３５は蓄電部２３の放電を停止するようＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御する。これにより、蓄電部２３の電圧Ｖｃは設定電圧Ｖｃｓを維持する。また、時刻ｔ８以降は主電源１５のエネルギーが負荷１９に供給される。

この時刻ｔ７から時刻ｔ８までの動作をまとめると、次のようになる。制御回路３５は、アイドリングストップを行っている間に、負荷１９に対して放電している蓄電部２３の電圧Ｖｃが、アイドリングストップ状態の設定電圧Ｖｃｓ（＝１２Ｖ）に至れば、蓄電部２３から負荷１９への電力の放電を停止するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御する。これにより、後述するように、蓄電部２３に残った電力でスタータ２７を駆動することができるので、回生電力の有効活用が可能になるとともに、主電源１５の大電流放電が低減されるので、主電源１５の長寿命化を図ることができる。

次に、時刻ｔ９で車両を再び走行させるために、運転者はブレーキペダルからアクセルペダルに踏み替える。これらのペダル信号から、車両用制御回路はアイドリングストップを終了し、エンジンを再始動する信号を制御回路３５に送信する。これを受け、制御回路３５はスイッチ２５を第２端子３３側に切り替える。その結果、蓄電部２３の電力がスタータ２７に対して放電される。この時、蓄電部２３の電圧Ｖｃはスタータ２７の最低駆動電圧（１２Ｖ）を維持しているので、主電源１５の電力を使用することなくスタータ２７の駆動が可能となる。従って、スタータ２７の駆動中も負荷１９には主電源１５から安定したエネルギーが供給され続けるので、負荷１９の動作が途切れることがなくなる。

スタータ２７を駆動すると、大電流が流れるため、蓄電部２３の電圧Ｖｃは図３（ｂ）の実線に示すように、時刻ｔ９で急激に低下する。これは、蓄電部２３の直列抵抗成分に起因して低下する。その後、エンジンが始動すると、その信号が車両用制御回路から送信される。これを受け、制御回路３５はスイッチ２５をオフ状態にする。これにより、スタータ２７が停止する。このスタータ２７における駆動から停止までの期間は極めて短いので、エンジンが始動しスイッチ２５がオフ状態になると、蓄電部２３から流れる電流が小さくなるので、電圧Ｖｃは急激に上昇する。

このようにしてエンジンの始動が完了すると、アイドリングストップ状態ではなくなるが、車速ｖは０ｋｍ／ｈであるので、制御回路３５は設定電圧Ｖｃｓを再び上限電圧Ｖｃｕ（＝１５Ｖ）に設定する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、蓄電部２３の電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｃｓに至るように、発電機１３で発生したエンジントルクによる電力を蓄電部２３に充電し始める。

時刻ｔ９以降で車両が走行を始めると、図３（ａ）に示すように車速ｖは経時的に上昇する。それに応じて、設定電圧Ｖｃｓは図３（ｂ）の太破線に示すように低下していく。

一方で、上記したように、蓄電部２３の電圧Ｖｃは経時的に上昇しているので、両者は時刻ｔ１０で一致する。しかし、車速ｖは図３（ａ）に示すように時刻ｔ３以降も上昇し続けるため、設定電圧Ｖｃｓは低下していく。その結果、制御回路３５は時刻ｔ１０以降で、蓄電部２３の電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｃｓに至るように、蓄電部２３を放電するようＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御する。放電されたエネルギーは負荷１９に供給される。このような動作により、上記した時刻ｔ３以降と同様に、蓄電部２３の電圧Ｖｃは時刻ｔ１０以降で低下していく。但し、この期間では図３（ａ）に示すように、車両の加速が緩やかであるので、設定電圧Ｖｃｓの変化も緩やかになる。その結果、設定電圧Ｖｃｓの方が蓄電部２３の電圧Ｖｃよりも遅く低下し、設定電圧Ｖｃｓの変化が律速となる。従って、図３（ｂ）の太実線と太破線は一致する。

その後、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ１１で車速ｖが２０ｋｍ／ｈで一定になると、図３（ｂ）の太破線に示すように、設定電圧Ｖｃｓはｖ＝２０ｋｍ／ｈの時の値である１４．５Ｖを維持する（図２参照）。従って、蓄電部２３の電圧Ｖｃも時刻ｔ１１で設定電圧Ｖｃｓ（＝１４．５Ｖ）となるので、制御回路３５はＤＣ／ＤＣコンバータ２１に対し、負荷１９への放電を停止するよう制御信号ｃｏｎｔを出力する。これにより、蓄電部２３の電圧Ｖｃは設定電圧Ｖｃｓの値を維持する。

その後、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ１２で再び車速ｖが上昇する。それに応じて、設定電圧Ｖｃｓが低下するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｃｓに至るように蓄電部２３のエネルギーを再び負荷１９に供給する。その結果、電圧Ｖｃも低下していく。但し、この場合は設定電圧Ｖｃｓの変化速度が蓄電部２３の電圧Ｖｃの変化速度よりも大きくなるので、設定電圧Ｖｃｓの方が速く低下する。

時刻ｔ１３で車速ｖが６０ｋｍ／ｈに達すると、図２より設定電圧Ｖｃｓは９Ｖ（下限電圧Ｖｃｍ）に至る。これにより、時刻ｔ１３以降で図３（ａ）に示すように車速ｖが上昇し続けても、設定電圧Ｖｃｓは９Ｖのまま一定となる。しかし、時刻ｔ１３では蓄電部２３の電圧Ｖｃが９Ｖに至っていないので、蓄電部２３のエネルギーは負荷１９に供給され続ける。

その後、時刻ｔ１４で車速ｖが８０ｋｍ／ｈに至った後、定速で走行しても、設定電圧Ｖｃｓは９Ｖのままである。一方、蓄電部２３の電圧Ｖｃは時刻ｔ１４で９Ｖに至るので、その後、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は電圧Ｖｃが９Ｖを維持するように制御する。従って、時刻ｔ１４以降は、負荷１９には主電源１５のエネルギーのみが供給される。なお、図３（ｂ）では時刻ｔ１４で車速ｖが８０ｋｍ／ｈに至ると同時に蓄電部２３の電圧Ｖｃが９Ｖになっているが、これは時刻ｔ１４でちょうど電圧Ｖｃが９Ｖに至るような負荷１９の消費電力であったためであり、負荷１９の動作状況によっては時刻ｔ１４より早くに、または遅くに９Ｖに至る場合もある。

次に、時刻ｔ１４から時刻ｔ１５の間は車速ｖが８０ｋｍ／ｈを維持しているため、設定電圧Ｖｃｓ、および蓄電部２３の電圧Ｖｃは、いずれも９Ｖとなる。

次に、図３（ａ）に示すように、時刻ｔ１５で車両が制動され減速する。これにより車速ｖは低下するが、６０ｋｍ／ｈ以上の間（時刻ｔ１６まで）は設定電圧Ｖｃｓは９Ｖのままである。一方、制御回路３５は、回生電力発電期間に入ると、直ちに蓄電部２３を上限電圧Ｖｃｕに至るまでの範囲で充電するようにＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御する。従って、蓄電部２３の電圧Ｖｃは時刻ｔ１５以降で経時的に上昇する。このように、回生電力が発生すると、設定電圧Ｖｃｓの値とは無関係に蓄電部２３を充電制御することにより、回生電力を少しでも早く充電でき、その分、高効率化が図れる。

その後、時刻ｔ１６以降で車速ｖが６０ｋｍ／ｈを下回ると、設定電圧Ｖｃｓは車速ｖに応じて上昇するが、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は引き続き蓄電部２３の電圧Ｖｃが上限電圧Ｖｃｕに至るまでの範囲で回生電力を蓄電部２３に充電する。

その後、時刻ｔ１７で蓄電部２３の電圧Ｖｃが上限電圧Ｖｃｕに至ると、制御回路３５はＤＣ／ＤＣコンバータ２１に対し充電を停止するよう制御する。従って、蓄電部２３の電圧Ｖｃは上限電圧Ｖｃｕ（＝１５Ｖ）を維持する。

次に、時刻ｔ１８で車速ｖが０ｋｍ／ｈに至ると、設定電圧Ｖｃｓと蓄電部２３の電圧Ｖｃは１５Ｖとなるが、この時、車両はアイドリングストップを行うので、上記した３つめの境界条件が成立し、制御回路３５は設定電圧Ｖｃｓをスタータ２７の最低駆動電圧（＝１２Ｖ）に下げる。この動作により、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は時刻ｔ１８以降で回生電力を蓄えた蓄電部２３のエネルギーを設定電圧Ｖｃｓに至るまでの範囲で負荷１９に供給する。なお、これらの動作は時刻ｔ７以降と同じである。

また、時刻ｔ１９で蓄電部２３の電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｃｓに至り、時刻ｔ２０でアイドリングストップが終了してスタータ２７を駆動する動作については、時刻ｔ８から時刻ｔ９と同じ動作である。

このような動作を繰り返すことにより、図３（ｂ）の実線に示すように、蓄電部２３の電圧Ｖｃは、スタータ２７の最低駆動電圧（１２Ｖ）を中心に、車両制動時は上限電圧Ｖｃｕまで、走行時は車速ｖに応じて下限電圧Ｖｃｍまでの間をそれぞれ上下することにより、効率のよい充放電が可能となり、回生電力の有効活用ができる。

以上の動作をまとめると、次のようになる。制御回路３５は、制動時の発電機１３の回生電力発電期間（図３の時刻ｔ６から時刻ｔ７や、時刻ｔ１５から時刻ｔ１８）は、蓄電部２３を上限電圧Ｖｃｕに至るまでの範囲で充電するようにＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御する。また、回生電力発電期間以外は、蓄電部２３の電圧Ｖｃが、アイドリングストップ状態と車速ｖに応じて決定される設定電圧Ｖｃｓ（最小は下限電圧Ｖｃｍ）に至るまでの範囲で、蓄電部２３の電力を負荷１９に対して放電するようにＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御する。この時、アイドリングストップ後のスタータ２７の駆動時には、スイッチ２５を第２端子３３側にオンにして蓄電部２３の電力をスタータ２７に対して放電するように制御する。

なお、回生電力発電期間に蓄電部２３の電圧Ｖｃが上限電圧Ｖｃｕに至らなければ、制御回路３５は回生電力の発電が終了する時点まで蓄電部２３を充電するように制御する。同様に、回生電力発電期間以外で、蓄電部２３の電圧Ｖｃが設定電圧Ｖｃｓに至らなければ、制御回路３５は回生電力が発電される時点まで蓄電部２３のエネルギーを負荷１９に供給するように制御する。

次に、車両の使用を終了した後の動作について説明する。

運転者がイグニションスイッチをオフにして車両の使用を終了すると、その時に蓄電部２３には車両を停止した際の回生電力がほぼ上限電圧Ｖｃｕまで充電されている状態となる。この状態で放置しても構わないが、車両使用終了後は、負荷１９が停止しているので、蓄電部２３は高電圧の状態で放置されることになる。その結果、蓄電部２３の寿命が短くなる可能性がある。

そこで、本実施の形態では、車両使用終了時に制御回路３５が蓄電部２３の電力を放電するようにＤＣ／ＤＣコンバータ２１を制御している。なお、蓄電部２３の電力の放電先は負荷１９の内のいずれかでもよいし、放電回路を設ける構成としてもよい。これにより、蓄電部２３が高電圧状態にある期間が短くなり、長寿命化が図れる。この時、蓄電部２３の電圧Ｖｃが０Ｖになるまで放電すると寿命に対しては理想的であるが、車両の使用終了直前の制動により発生した回生電力をほとんど活かすことができない。ゆえに、本実施の形態では、蓄電部２３の電圧Ｖｃが、少なくともスタータ２７の最低駆動電圧（＝１２Ｖ）に至るまで、制御回路３５が蓄電部２３の電力を放電するようにしている。これにより、次に車両を使用する時に、蓄電部２３に電力が残っている可能性が高くなり、その分、図３（ｂ）の時刻ｔ１以降で行っている蓄電部２３の充電が早く終了するとともに、充電電力も低減できる。なお、前記最低駆動電圧より低い電圧まで放電するようにしても構わないが、蓄電部２３の寿命は、電圧Ｖｃが定格電圧から少し下がると、格段に長くなる傾向がある。従って、必要な寿命が確保できる範囲までで蓄電部２３の電圧Ｖｃを放電するようにしている。これにより、寿命確保と回生電力の有効活用が両立できる。なお、本実施の形態では蓄電部２３の寿命が確保できる最大の電圧Ｖｃとしてスタータ２７の最低駆動電圧とした。

また、このような放電制御を行っても、車両非使用期間が長ければ蓄電部２３の内部抵抗により自己放電が進行するので、電圧Ｖｃはさらに低下する。しかし、この場合であっても、蓄電部２３が高電圧状態にある期間を低減するために、車両使用終了時の放電は有効である。

以上の構成、動作により、本実施の形態における車両用電源装置は以下のような効果が得られる。

１）ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を双方向昇降圧型としたので、蓄電部２３への回生電力充電時には発電機１３の発電電圧（例えば１４Ｖ）より高い電圧、すなわち上限電圧Ｖｃｕ（＝１５Ｖ）まで昇圧して充電できる。

２）アイドリングストップ中は、スタータ２７の最低駆動電圧である１２Ｖに至るまで、スタータ２７以外の負荷１９に、蓄電部２３が蓄えた回生電力によるエネルギーを降圧、または昇圧して供給できる。すなわち、負荷１９の定格電圧を１４Ｖとすると、蓄電部２３の電圧Ｖｃは、回生電力の充電により最初は上限電圧Ｖｃｕ（＝１５Ｖ）であるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１により１５Ｖを１４Ｖに降圧して負荷１９に供給する。電圧Ｖｃが１４Ｖを下回ると、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１により昇圧した１４Ｖを負荷１９に出力する。

３）アイドリングストップ後のスタータ２７の駆動時は、スイッチ２５を介して直接蓄電部２３から回生電力を放電できる。

４）その後、蓄電部２３の電圧Ｖｃが車速ｖに応じた設定電圧Ｖｃｓに至るまで、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１により負荷１９に蓄電部２３のエネルギーを昇降圧して供給できる。

これらの効果をまとめると、蓄電部２３が蓄えた回生電力によるスタータ２７の駆動と負荷１９への電力供給を両立することができ、高効率化が可能な車両用電源装置を実現できる。

なお、本実施の形態では、アイドリングストップ状態の設定電圧Ｖｃｓを、スタータ２７の始動時に必要な最低駆動電圧としたが、これに限定されるものではなく、前記最低駆動電圧より高い電圧でもよい。しかし、回生電力を最大限に有効活用するには、回生により得られたエネルギーをできるだけ負荷１９に供給する方が望ましいので、スタータ２７を駆動するための最低限の電圧まで蓄電部２３を放電するようにしている。

また、本実施の形態では、図３において車両が平坦な道路を走行している場合を想定して説明したが、例えば登坂時に制動した場合は、車両の運動エネルギーＥａの一部が位置エネルギーの増加に費やされることになり、十分な回生電力が得られない可能性がある。この場合は、傾斜角センサや気圧センサ等の高度センサを設け、それによる制動時の高度変化を考慮し、設定電圧Ｖｃｓを可変して決定すればよい。また、カーナビゲーションの地図情報から高度変化を求めて、設定電圧Ｖｃｓを可変してもよい。

また、本実施の形態において、蓄電部２３は電気二重層キャパシタで構成したが、これは電気化学キャパシタ等の高容量キャパシタでもよい。また、蓄電部２３を電池で構成することも可能ではあるが、回生電力の充放電を図３（ｂ）に示すように自在に制御しにくいので、蓄電部２３にはキャパシタが適する。

本発明にかかる車両用電源装置は、高効率化が可能となるので、特に燃費向上が要求される車両用電源装置等として有用である。

本発明の実施の形態における車両用電源装置のブロック回路図本発明の実施の形態における車両用電源装置の車速に対する設定電圧の相関図本発明の実施の形態における車両用電源装置の車速と蓄電部電圧の経時変化図であり、（ａ）は車速の経時変化図、（ｂ）は蓄電部電圧の経時変化図従来の車両用電源装置のブロック回路図

符号の説明

１３発電機
１５主電源
１９負荷
２１ＤＣ／ＤＣコンバータ
２３蓄電部
２５スイッチ
２７スタータ
３５制御回路

Claims

発電機と、
前記発電機に電気的に接続された主電源、および負荷と、
前記発電機に双方向昇降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気的に接続された蓄電部と、
前記蓄電部にスイッチを介して電気的に接続されたスタータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータと前記スイッチに電気的に接続され、制動時の前記発電機の回生電力発電期間は、前記蓄電部を上限電圧（Ｖｃｕ）に至るまでの範囲で充電し、前記回生電力発電期間以外は、前記蓄電部の電圧（Ｖｃ）が、アイドリングストップ状態と車速（ｖ）に応じて決定される設定電圧（Ｖｃｓ）に至るまでの範囲で前記蓄電部の電力を前記負荷に対して放電するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するとともに、前記アイドリングストップ後の前記スタータ駆動時に前記スイッチをオンにして前記蓄電部の電力を前記スタータに対して放電するように制御する制御回路と、を備えた車両用電源装置。
前記アイドリングストップ状態の前記設定電圧（Ｖｃｓ）は、前記スタータの始動時に必要な最低駆動電圧である請求項１に記載の車両用電源装置。
前記スイッチは、前記スタータと前記主電源を導通する状態、前記スタータと前記蓄電部を導通する状態、またはオフ状態のいずれかの状態を選択する構成を有する請求項１に記載の車両用電源装置。
前記蓄電部はキャパシタである請求項１に記載の車両用電源装置。
前記制御回路は、車両使用終了時に前記蓄電部の電力を放電するようにした請求項１に記載の車両用電源装置。
前記制御回路は、前記蓄電部の電圧（Ｖｃ）が、少なくとも前記スタータの最低駆動電圧に至るまで、前記蓄電部の電力を放電するようにした請求項５に記載の車両用電源装置。