JP2010110192A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主電源の負担が軽減できる小型車両用電源装置の提供。
【解決手段】主電源１１と接続されたスタータ１５と、主電源１１に蓄電装置１７を介して接続された負荷１９からなり、蓄電装置１７は、蓄電部２７と、主電源１１と蓄電部２７の間に接続され、既定の満充電電圧Ｖｃｆまで蓄電部２７を充電する充電回路３１と、蓄電部２７、または主電源１１のいずれかを負荷１９と接続する選択スイッチ３７と、蓄電部２７と充電回路３１の出力の間に接続された充電スイッチ２９と、蓄電部２７を主電源１１、またはグランドのいずれかに接続する切替スイッチ４７と、蓄電部２７の充電時には、選択スイッチ３７を主電源１１側、切替スイッチ４７をグランド側、充電スイッチ２９をオンの順に制御し、スタータ１５の駆動時には、充電スイッチ２９をオフ、切替スイッチ４７を主電源１１側、選択スイッチ３７を蓄電部２７側の順に制御する制御回路５５と、を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電部を有する補助電源としての車両用電源装置に関するものである。

近年、地球環境保護の観点から、自動車（以下、車両という）の燃費向上のために、アイドリングストップ車が開発されている。アイドリングストップ車は車両が停止するたびにエンジンを停止して燃費向上を図るのであるが、再び走行を開始する時にエンジンを再始動する必要がある。そのため、エンジン始動用のスタータに大電流が何度も流れ、バッテリの寿命が短くなる。

そこで、バッテリの負担を軽減するために、電気二重層キャパシタを用いてスタータ駆動を補助する電圧昇圧装置が、例えば下記特許文献１に提案されている。図１３はこのような電圧昇圧装置の回路図である。

図１３において、バッテリ１０１の端子１０３には図示しないスタータが接続される。バッテリ１０１の他端にはマグネットスイッチ１０５を介して電気二重層キャパシタ１０７が接続されている。なお、マグネットスイッチ１０５の接点１０９はバッテリ１０１の負極に、接点１１１は車両ボディーのグランドに、接点１１３は電気二重層キャパシタ１０７に、それぞれ接続されている。従って、マグネットスイッチ１０５はバッテリ１０１の負極をグランドに接続するか、または電気二重層キャパシタ１０７に接続するかを切り替えている。また、マグネットスイッチ１０５は通常時には接点１１１を選択しているが、リレー１１５がオンになると、接点１１３に切り替えられる。なお、リレー１１５は通常時にはリレー１１７側を選択している。ここで、リレー１１７がオンになると急速充電器１１９により電気二重層キャパシタ１０７が充電される構成となっている。

次に、このような電圧昇圧装置の動作について説明する。まず、車両の始動時にマグネットスイッチ１０５を接点１１３に切り替えることでバッテリ１０１と電気二重層キャパシタ１０７を直列接続する。この状態でスタータを駆動することで、特に低温時にバッテリ１０１の出力が小さくても電気二重層キャパシタ１０７から十分な電力が供給され、始動が容易になる。次に、アイドリングストップ後にも、同様にバッテリ１０１と電気二重層キャパシタ１０７を直列接続することで、再始動が容易になるとともに、バッテリ１０１の負担が減り長寿命となる。スタータの始動後は、急速充電器１１９により電気二重層キャパシタ１０７が充電される。
特開２００３−２０６８３８号公報

上記の電圧昇圧装置によると、確かに電気二重層キャパシタ１０７をバッテリ１０１と直列接続することで、バッテリ１０１の電圧低下を低減でき、負担を軽減できるとともに、スタータ駆動が容易になるのであるが、スタータ駆動時には１００Ａ以上（実際には２００Ａ程度）の電流が流れるので、これに対応したマグネットスイッチ１０５を用いる必要があった。このようなマグネットスイッチ１０５は接点１０９、１１３に大電流が流れるので、接点１０９、１１３として、研磨した広い面積の銅板製を用いている。従って、マグネットスイッチ１０５は大型化してしまう。さらに、スタータを十分に駆動するために、電気二重層キャパシタ１０７を８個並列に接続して使用している。従って、多数の電気二重層キャパシタ１０７が必要となり、これによっても大型化する。これらのことから、従来の構成では電圧昇圧装置が全体的に大型化してしまう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、バッテリの負担が軽減できる小型の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、主電源と、前記主電源と電気的に接続されたスタータと、前記主電源に蓄電装置を介して電気的に接続された負荷と、からなり、前記蓄電装置は、電力を蓄える蓄電部と、前記主電源と前記蓄電部の間に電気的に接続され、前記蓄電部の両端電圧（Ｖｃ）が、前記負荷の駆動上限電圧（Ｖｆｕ）と前記主電源の定格電圧（Ｖｂｎ）の差以下で、かつ、前記負荷の駆動下限電圧（Ｖｆｄ）と前記スタータ駆動時における前記主電源の最低電圧（Ｖｂｄ）の差以上の満充電電圧（Ｖｃｆ）まで前記蓄電部を充電する充電回路と、前記蓄電部の一端、または前記主電源のいずれか一方を前記負荷と電気的に接続する選択スイッチと、前記蓄電部の前記一端と前記充電回路の出力の間に電気的に接続された充電スイッチと、前記蓄電部の他端を前記主電源、またはグランドのいずれかに電気的に接続する切替スイッチと、前記蓄電部の充電時には、最初に前記選択スイッチを前記主電源側にし、次に前記切替スイッチを前記グランド側にし、最後に前記充電スイッチをオンにするように制御するとともに、前記スタータの駆動時には、最初に前記充電スイッチをオフにし、次に前記切替スイッチを前記主電源側にし、最後に前記選択スイッチを前記蓄電部側にするように制御する制御回路と、を備えたものである。

また、本発明の車両用電源装置は、主電源と、前記主電源と電気的に接続されたスタータと、前記主電源に蓄電装置を介して電気的に接続された負荷と、からなり、前記蓄電装置は、前記主電源に一端が電気的に接続された第１スイッチ素子と、前記第１スイッチ素子の他端とグランドの間に電気的に接続された第２スイッチ素子と、前記主電源にアノードが電気的に接続された第１ダイオードと、前記第１ダイオードのカソードに、電気的にアノードが接続されるとともに、前記負荷に電気的にカソードが接続された第２ダイオードと、前記第１ダイオードと前記第２ダイオードによる第１接続点に正極が、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子による第２接続点に負極が、それぞれ電気的に接続された蓄電部と、前記蓄電部に電気的に接続された電圧検出回路と、前記第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、および電圧検出回路と電気的に接続され、前記蓄電部の充電時には、前記第１スイッチ素子をオフにした後、前記第２スイッチ素子を制御して、前記電圧検出回路により検出された前記蓄電部の両端電圧（Ｖｃ）が満充電電圧（Ｖｃｆ）に至るまで充電し、前記蓄電部の充電終了時には、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子をオフにし、前記スタータの駆動時には、前記第２スイッチ素子をオフにした後、前記第１スイッチ素子をオンに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、スタータの駆動時には主電源と蓄電部を直列に接続するので、負荷への電力の一部が蓄電部から供給され、その分、主電源の負担が軽減される。さらに、蓄電部からはスタータほど電力を必要としない負荷に電力を供給するので、蓄電部の容量を小さくできるとともに、流れる電流も小さくなるので、従来のマグネットスイッチを小電流用のものにすることができる。その結果、蓄電部、マグネットスイッチともに小型化することができるので、車両用電源装置の全体の小型化が可能になるという効果が得られる。

また、本発明の車両用電源装置によれば、上記したように、スタータの駆動時には主電源と蓄電部を直列に接続し、小電力の負荷に電力を供給することで、蓄電部とマグネットスイッチの小型化ができる上に、必要なスイッチが少なくなるので、さらなる小型化ができ、かつ、簡単な構成、動作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。なお、実施の形態１、２における車両はアイドリングストップ車である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１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１における車両用電源装置の蓄電部充電時のブロック回路図である。図３は、本発明の実施の形態１における車両用電源装置のスタータ駆動時のブロック回路図である。図４は、本発明の実施の形態１における車両用電源装置の車両使用時における各スイッチのタイミングチャートであり、（ａ）は選択スイッチのタイミングチャートを、（ｂ）は充電スイッチのタイミングチャートを、（ｃ）は切替スイッチのタイミングチャートを、それぞれ示す。図５は、本発明の実施の形態１における車両用電源装置の車両使用終了後における各スイッチのタイミングチャートであり、（ａ）は選択スイッチのタイミングチャートを、（ｂ）は充電スイッチのタイミングチャートを、（ｃ）は切替スイッチのタイミングチャートを、それぞれ示す。なお、図１〜３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、車両に搭載されたバッテリからなる主電源１１には、スタータスイッチ１３を介してスタータ１５に電気的に接続されている。なお、スタータスイッチ１３は図示しない車両用制御回路によりオンオフが制御される。

また、主電源１１には、蓄電装置１７を介して負荷１９が電気的に接続されている。ここで、蓄電装置１７は主電源接続端子２１を介して主電源１１と接続されるとともに、負荷接続端子２３を介して負荷１９と接続されている。なお、蓄電装置１７のグランド接続端子２５は車両のグランドと電気的に接続されている。また、負荷１９は、スタータ１５を除く車載電装品（例えばオーディオやナビゲーション等）である。

次に、蓄電装置１７の詳細構成について述べる。蓄電装置１７において、電力を蓄える蓄電部２７は電気二重層キャパシタから構成される。ここで、１個の電気二重層キャパシタの定格電圧はおよそ２．５Ｖ〜３Ｖである。一方、蓄電部２７の満充電電圧Ｖｃｆは、負荷１９の駆動上限電圧Ｖｆｕと主電源１１の定格電圧Ｖｂｎ（ここでは１２Ｖとする）の差以下になるように決定している。なお、駆動上限電圧Ｖｆｕとは、負荷１９を正常に駆動させることができる上限の電圧のことで、ここでは１５．５Ｖとする。

従って、満充電電圧Ｖｃｆは、Ｖｆｕ−Ｖｂｎ＝３．５Ｖ以下の値として決定すればよいが、一方でスタータ１５が駆動しても負荷１９に必要な電圧（駆動下限電圧Ｖｆｄ）を蓄電部２７が印加できるように決定されなければならない。ここで、負荷１９の駆動下限電圧Ｖｆｄを９Ｖとする。また、スタータ１５の駆動による主電源１１の電圧Ｖｂは最低電圧Ｖｂｄまで低下した後、エンジンの始動に伴って上昇するが、この時の最低電圧Ｖｂｄは約６Ｖである。従って、満充電電圧Ｖｃｆは、負荷１９の駆動下限電圧Ｖｆｄと主電源１１の最低電圧Ｖｂｄの差、すなわち、Ｖｆｄ−Ｖｂｄ＝３Ｖ以上とする必要がある。

ゆえに、満充電電圧Ｖｃｆは、３Ｖ以上、かつ、３．５Ｖ以下の値として決定する必要がある。ここで、蓄電部２７の両端電圧Ｖｃは負荷１９に電力を供給すると経時的に低下していく。従って、満充電電圧Ｖｃｆを小さく決定すると、スタータ１５が駆動して主電源１１の電圧Ｖｂが最低電圧Ｖｂｄに至ってから上昇するまでの期間、主電源１１と蓄電部２７の合計電圧が、負荷１９の駆動下限電圧Ｖｆｄを下回ってしまう可能性があるため、ここでは満充電電圧Ｖｃｆをできるだけ大きい３．５Ｖと決定した。従って、蓄電部２７の両端電圧Ｖｃが後述する充電回路で満充電電圧Ｖｃｆが３．５Ｖに至るまで、蓄電部２７が充電される。

ここで、従来と同容量値、同定格電圧の電気二重層キャパシタを用いたとして、必要な電気二重層キャパシタの数量を見積もると、次のようになる。

上記した満充電電圧Ｖｃｆ（＝３．５Ｖ）は、１個の電気二重層キャパシタの定格電圧２．５Ｖより高い。従って、蓄電部２７に必要な電気二重層キャパシタの直列数（電気二重層キャパシタを直列に接続する数）は、２となる。これにより、蓄電部２７の定格電圧が５Ｖとなり、満充電電圧Ｖｃｆ（＝３．５Ｖ）までの充電が可能となる。

しかし、直列数が２であるので、電気二重層キャパシタを２個直列に接続すると、１個の電気二重層キャパシタの半分の容量値となる。従って、１個の電気二重層キャパシタと同じ容量値にするためには、直列に接続した電気二重層キャパシタを２組並列に接続する必要がある。よって、４個の電気二重層キャパシタを直並列接続することで、１個の電気二重層キャパシタと同じ容量値とすることができ、かつ、両端電圧Ｖｃを２倍に高めることができる。

一方、一般の車両において、スタータ１５のような大電流（２００Ａ程度）を消費するものに対し、その他の負荷１９の消費電流は小さく、多めに見積もっても約２０Ａであり、スタータ１５のおよそ１／１０である。従って、スタータ１５の駆動時に負荷１９が消費する電流はスタータ１５の１／１０以下となる。ここで、上記したように従来の電気二重層キャパシタは８個並列接続であるので、蓄電部２７の容量値の観点からは、従来と同じ容量値の電気二重層キャパシタを用いるとすると、１個あれば十分に負荷１９への電力供給が可能であることがわかる。

但し、満充電電圧Ｖｃｆを３．５Ｖと決定したので、蓄電部２７は上記した４個の電気二重層キャパシタを直並列に接続する構成とすればよい。これにより、十分な容量値と両端電圧Ｖｃを得ることができる上、蓄電部２７だけで従来に比べ１／２の小型化が達成できる。

なお、蓄電部２７は、４個の電気二重層キャパシタの他にも、充電開始時の突入電流を低減するための抵抗器（図示せず）が電気的に接続されている。

また、ここでは電気二重層キャパシタを４個直並列に接続して蓄電部２７を構成しているが、これに限定されるものではなく、電気二重層キャパシタの１個当たりの容量値が大きいか、または負荷１９の消費電流が上記見積もりより少ない場合は、電気二重層キャパシタの数量を例えば２個まで減らすことができる。これについては、蓄電装置１７全体の必要とされる大きさや、負荷１９の消費電流等に応じて、適宜最適な容量値の電気二重層キャパシタを最適な数量だけ用いればよい。

蓄電部２７の正極（図１で＋と記載された側）には充電スイッチ２９を介して充電回路３１が電気的に接続されている。充電回路３１は主電源接続端子２１を介して主電源１１と接続されているので、充電回路３１は主電源１１と蓄電部２７の間に電気的に接続されている構成となる。

ここで、まず充電回路３１について説明する。充電回路３１は抵抗器３３とツェナダイオード３５の直列回路からなり、両者の接続点が満充電電圧Ｖｃｆ（＝３．５Ｖ）になるように構成されている。従って、充電回路３１は主電源１１の電圧Ｖｂから満充電電圧Ｖｃｆを生成している。

次に、充電スイッチ２９について説明する。充電スイッチ２９は蓄電部２７の一端（正極）と充電回路３１の出力の間に電気的に接続されている。従って、充電スイッチ２９がオンになると、充電回路３１で生成した満充電電圧Ｖｃｆが蓄電部２７に印加される。これにより、蓄電部２７を満充電電圧Ｖｃｆに至るまで充電することができる。さらに、蓄電部２７は充電後に内部抵抗により自己放電を起こし、電圧が低下していくので、蓄電部２７が満充電電圧Ｖｃｆに至っても、充電スイッチ２９をオンにしておくことで、自己放電を抑制している。

また、蓄電部２７の正極には選択スイッチ３７の蓄電部端子３９が接続されている。さらに、選択スイッチ３７の主電源端子４１にはダイオード４３を介して主電源１１が、共通端子４５には負荷１９が、それぞれ電気的に接続されている。従って、選択スイッチ３７は負荷１９に対して主電源１１、または蓄電部２７のいずれか一方を電気的に接続する構成となる。なお、ダイオード４３は主電源１１への電流の逆流を防止するために設けている。

また、蓄電部２７の他端である負極（図１で−と記載された側）は切替スイッチ４７の共通端子４９に接続されている。さらに、切替スイッチ４７の主電源端子５１にはダイオード４３を介して主電源１１が、グランド端子５３にはグランドが、それぞれ電気的に接続されている。従って、切替スイッチ４７は蓄電部２７に対して主電源１１、またはグランドのいずれか一方を電気的に接続する構成となる。

以上に説明した充電スイッチ２９、選択スイッチ３７、および切替スイッチ４７は、いずれも半導体スイッチ（例えば電界効果トランジスタ）で構成している。これは、これらの各スイッチに流れる電流が小さく、半導体スイッチでも十分に対応できるためである。従って、従来のマグネットスイッチのように大型のスイッチを用いる必要がなく、蓄電装置１７の小型化が可能となる。なお、上記各スイッチとしてリレーを用いる構成でもよいが、応答性や信頼性の観点から、半導体スイッチの方が望ましい。

充電スイッチ２９、選択スイッチ３７、および切替スイッチ４７は、それぞれ信号系配線で制御回路５５に接続されている。制御回路５５は論理回路の組み合わせとタイマ回路や電圧レギュレータ等の周辺回路で構成され、充電スイッチ２９をオンオフする充電スイッチ信号Ｓｏｆ、選択スイッチ３７を切り替える選択スイッチ信号ＢＣｓｅｌ、および切替スイッチ４７を切り替える切替スイッチ信号Ｓｃｄを出力することにより、各スイッチの制御を行う。さらに、制御回路５５は車両用制御回路（図示せず）と信号端子５７を介して電気的に接続されており、両者の間でデータ信号ｄａｔａの授受が行われる。また、制御回路５５の駆動電源Ｖｃｃは共通端子４５と負荷接続端子２３の間から得ている。これにより、スタータ１５が駆動して主電源１１の電圧Ｖｂが低下しても、負荷接続端子２３の電圧は負荷１９の駆動下限電圧Ｖｆｄより高いので、制御回路５５を安定して動作させることができる。

次に、このような車両用電源装置における特徴となる動作について説明する。

まず、車両の非使用時においては、充電スイッチ２９、選択スイッチ３７、および切替スイッチ４７は、それぞれ図１に示すように切り替えられた状態としている。これにより、選択スイッチ３７が主電源端子４１を選択しているので、車両非使用時でも主電源１１の電力が負荷１９や制御回路５５に供給される。従って、負荷１９や制御回路５５への暗電流供給が可能となる。また、切替スイッチ４７がグランド端子５３に切り替えられ、充電スイッチ２９がオフになっているので、蓄電部２７の正極は何にも接続されていない状態となる。よって、蓄電部２７に蓄えられた電力は内部抵抗によって消費され、両端電圧Ｖｃは経時的に徐々に低下していく。

次に、車両の通常走行時における充電スイッチ２９、選択スイッチ３７、および切替スイッチ４７の状態を図２に示す。なお、図２における太矢印は主な電流の流れる方向を示す。通常走行時においては、制御回路５５は、充電スイッチ２９をオンに、選択スイッチ３７を主電源端子４１側に、および切替スイッチ４７をグランド端子５３側に、それぞれ切り替えている。その結果、主電源１１の電力はダイオード４３、選択スイッチ３７を経由して負荷１９に供給される。これにより、負荷１９が駆動する。さらに、主電源１１の電力は充電回路３１、充電スイッチ２９を経由して蓄電部２７にも供給される。蓄電部２７の負極は切替スイッチ４７によりグランドに接続されているので、蓄電部２７の両端電圧Ｖｃが充電回路３１により満充電電圧Ｖｃｆに至るように充電される。なお、両端電圧Ｖｃが満充電電圧Ｖｃｆに至った後も、車両が走行している間は充電スイッチ２９をオンのままとしている。これにより、蓄電部２７の内部抵抗による自己放電を低減し、常に満充電電圧Ｖｃｆを維持するようにしている。

次に、車両のアイドリングストップ後のスタータ駆動時における充電スイッチ２９、選択スイッチ３７、および切替スイッチ４７の状態を図３に示す。なお、図３における太矢印の意味は図２と同じである。スタータ駆動時においては、スタータスイッチ１３がオンになることにより、主電源１１の電力がスタータ１５に供給される。この時、制御回路５５は、充電スイッチ２９をオフに、選択スイッチ３７を蓄電部端子３９側に、および切替スイッチ４７を主電源端子５１側に、それぞれ切り替えている。その結果、主電源１１の電力はダイオード４３、切替スイッチ４７を経由して蓄電部２７に至る。さらに、蓄電部２７から選択スイッチ３７を経由して負荷１９に供給される。これにより、主電源１１と蓄電部２７が直列接続された状態となるので、負荷１９には両者の合計電圧が印加される。ゆえに、スタータ１５の駆動による主電源１１の電圧低下が起こっても、その分を蓄電部２７の両端電圧Ｖｃにより補い、合計電圧が負荷１９の駆動下限電圧Ｖｆｄより高くなるようにしているので、負荷１９の駆動を継続することができる。また、負荷１９への電力の一部が蓄電部２７から供給されるので、その分、主電源１１の負担が軽減される。

次に、上記した図２や図３における各スイッチの経時的な動作について、図４を用いて説明する。なお、図４において、（ａ）は選択スイッチ３７のタイミングチャートを、（ｂ）は充電スイッチ２９のタイミングチャートを、（ｃ）は切替スイッチ４７のタイミングチャートを、それぞれ示す。また、全ての図において、横軸は時刻ｔである。

まず、時刻ｔ０は車両非使用時である。従って、図１で説明したように、選択スイッチ３７は主電源端子４１側に、充電スイッチ２９はオフに、切替スイッチ４７はグランド接続端子５３側に、それぞれ切り替えられた状態である。

その後、時刻ｔ１において車両が使用され、イグニションスイッチ（図示せず）がオンになったとする。これにより、エンジンを始動するためにスタータスイッチ１３がオンになる。その結果、主電源１１の電力によりスタータ１５が駆動するのであるが、この時は蓄電部２７に十分な電力が充電されていない可能性がある。従って、制御回路５５は選択スイッチ３７が主電源端子４１側を選択した状態を維持する。これにより、スタータ１５が駆動している間は負荷１９への電圧が低下し、負荷１９の動作が停止するが、この挙動は一般の車両と同じである。

時刻ｔ１でスタータ１５が駆動し、エンジンが始動すると、車両用制御回路はスタータスイッチ１３をオフにするが、そのタイミングで制御回路５５に対しエンジンが始動したことを示す信号をデータ信号ｄａｔａとして出力する。これを受け、制御回路５５は図４（ｂ）に示すように、充電スイッチ２９をオンにする。その結果、各スイッチの状態は図２のようになり、蓄電部２７の充電が行われる。

その後、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで車両が走行する。その間は上記したように、蓄電部２７が満充電になっても、満充電電圧Ｖｃｆを維持するために、充電スイッチ２９はオンのままである。

時刻ｔ２で車両が停止し、アイドリングストップが開始される。この信号を制御回路５５が車両用制御回路から受け取ると、制御回路５５は図４（ｂ）に示すように、充電スイッチ２９をオフにする。このように、アイドリングストップ中は充電スイッチ２９をオフにすることによって、発電機（図示せず）が動作していない時に、主電源１１からの電力の持ち出しを低減するようにしている。

その後、時刻ｔ３で車両を発進させるために、運転者がブレーキペダルからアクセルペダルに踏み替える。この動作を車両側制御回路が検出すると、エンジン再始動を行うのであるが、その直前に制御回路５５は以下の動作を行う。

まず、時刻ｔ３で車両側制御回路がアイドリングストップ終了信号をデータ信号ｄａｔａとして出力する。これを受け、制御回路５５は図４（ｃ）に示すように、切替スイッチ４７を主電源端子５１側に切り替える。これにより、主電源１１と蓄電部２７が直列に接続されたことになる。その後、制御回路５５は図４（ａ）に示すように、時刻ｔ４で選択スイッチ３７を蓄電部端子３９側に切り替える。これにより、主電源１１と蓄電部２７の直列回路が負荷１９に接続された状態になる。なお、時刻ｔ３から時刻ｔ４は極めて短期間であるので、エンジン始動が遅れることはない。但し、図４ではわかりやすくするために、時刻ｔ３と時刻ｔ４の間隔を広げて記載している。

その後、時刻ｔ５で車両用制御回路がスタータスイッチ１３をオンにしてスタータ１５を駆動する。この時の各スイッチの状態が図３に示される。スタータ１５には主電源１１の電力が直接供給されるとともに、負荷１９には主電源１１と蓄電部２７の直列回路から電力が供給される。従って、負荷１９の電圧は、主電源１１の電圧Ｖｂがスタータ１５の駆動により低下しても蓄電部２７により補われるため、駆動下限電圧Ｖｆｄを下回ることはない。ゆえに、エンジン再始動時にも負荷１９を継続動作させることができる。その結果、負荷１９としてのオーディオの音声が途切れたり、ナビゲーションの各種設定が消去されたりする可能性を低減することができる。

以上に説明した時刻ｔ２から時刻ｔ４までの動作をまとめると、次のようになる。制御回路５５は、スタータ１５の駆動時には、最初に充電スイッチ２９をオフにし、次に切替スイッチ４７を主電源端子５１側にし、最後に選択スイッチ３７を蓄電部端子３９側にするように制御する。このような順序で各スイッチを切り替える理由は以下の通りである。

まず、充電スイッチ２９がオンのまま、切替スイッチ４７を先に主電源端子５１側に切り替えると、蓄電部２７の正極は充電回路３１に接続されているので、満充電電圧Ｖｃｆ（＝３．５Ｖ）が印加されるが、蓄電部２７の負極には主電源１１が接続されるので、その定格電圧Ｖｂｎ（＝１２Ｖ）が印加される。従って、満充電電圧Ｖｃｆと主電源１１の定格電圧Ｖｂｎとの電位差が大きいため、蓄電部２７には負極から正極に大電流が流れるとともに、高電圧が逆極性で印加されることになり、蓄電部２７の劣化や故障の原因となる。従って、まず充電スイッチ２９をオフにする動作を行っている。

次に、切替スイッチ４７がグランド端子５３側のまま、選択スイッチ３７を蓄電部端子３９側に切り替えると、充電スイッチ２９がオフであれば蓄電部２７の両端電圧Ｖｃが、充電スイッチ２９がオンであれば充電回路３１の出力電圧、すなわち満充電電圧Ｖｃｆが、負荷１９に印加される。しかし、満充電電圧Ｖｃｆは３．５Ｖであり、蓄電部２７の両端電圧Ｖｃは３．５Ｖから経時的に低下していくため、負荷１９の駆動下限電圧Ｖｆｄ（＝９Ｖ）には全く不足してしまう。従って、先に選択スイッチ３７を蓄電部端子３９側に切り替えると、切替スイッチ４７が主電源端子５１側に切り替わるまでの間は負荷１９への電圧が低下してしまい、その動作が停止する可能性がある。このことから、切替スイッチ４７を主電源端子５１側にした後で、選択スイッチ３７を蓄電部端子３９側にする動作を行っている。

以上の理由から、スタータ１５の駆動時には、最初に充電スイッチ２９をオフにし、次に切替スイッチ４７を主電源端子５１側にし、最後に選択スイッチ３７を蓄電部端子３９側にするように制御している。

ここで図４に戻り、時刻ｔ６でエンジンの再始動が完了し、スタータ１５がオフになり車両が走行を開始する。このスタータ１５のオフ状態は車両用制御回路からデータ信号ｄａｔａにより制御回路５５に送信される。これを受け、制御回路５５は直ちに選択スイッチ３７を主電源端子４１側に切り替える。これにより、負荷１９へは主電源１１の電力が直接供給されるが、この時は既にスタータ１５が停止しているので、主電源１１の電圧Ｖｂは負荷１９の駆動下限電圧Ｖｆｄよりも十分に高い。従って、主電源１１からのみの電力でも負荷１９は駆動し続ける。

その後、時刻ｔ７で、制御回路５５は切替スイッチ４７をグランド端子５３側に切り替える。これにより、主電源１１と蓄電部２７の直列回路が断たれたことになる。この状態になった後、時刻ｔ８で制御回路５５は充電スイッチ２９をオンにする。これにより、蓄電部２７は充電回路３１により満充電電圧Ｖｃｆまで充電され、その後、満充電電圧Ｖｃｆを維持する。この状態は時刻ｔ１から時刻ｔ２と同じである。

その後、時刻ｔ９で再び車両が停止し、アイドリングストップが開始されるが、時刻ｔ９以降の動作は時刻ｔ２以降の動作と同じであるので、説明を省略する。

以上のような動作を繰り返すことで、車両が走行中に蓄電部２７を満充電しておき、アイドリングストップ後のスタータ１５の駆動時に蓄電部２７の両端電圧Ｖｃにより主電源１１の電圧降下を補い、負荷１９を駆動し続けることができる。

ここで、以上に説明した時刻ｔ６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５５は、蓄電部２７の充電時には、最初に選択スイッチ３７を主電源端子４１側にし、次に切替スイッチ４７をグランド端子５３側にし、最後に充電スイッチ２９をオンにするように制御する。このような順序で各スイッチを切り替える理由は以下の通りである。

まず、選択スイッチ３７が蓄電部端子３９側のまま、切替スイッチ４７をグランド端子５３側に切り替えると、充電スイッチ２９はオフであるので、蓄電部２７の両端電圧Ｖｃが負荷１９に印加される。しかし、蓄電部２７の両端電圧Ｖｃはスタータ１５の駆動時に放電されているため、満充電電圧Ｖｃｆ（＝３．５Ｖ）よりも低い電圧状態であり、負荷１９の駆動下限電圧Ｖｆｄ（＝９Ｖ）には全く不足してしまう。従って、先に切替スイッチ４７をグランド端子５３側に切り替えると、選択スイッチ３７が主電源端子４１側に切り替わるまでの間は負荷１９への電圧が低下してしまい、その動作が停止する可能性がある。従って、選択スイッチ３７を主電源端子４１側にした後で、切替スイッチ４７をグランド端子５３側にする動作を行っている。

次に、各スイッチが図３の状態から、最初に充電スイッチ２９をオンにすると、蓄電部２７の正極は、主電源１１の電圧Ｖｂと蓄電部２７の両端電圧Ｖｃの合計電圧（負荷１９の駆動下限電圧Ｖｆｄである９Ｖ以上）となるので、この合計電圧が充電回路３１の出力（満充電電圧Ｖｃｆ＝３．５Ｖ）に印加されることになる。従って、充電回路３１の出力に向かって電流が逆流するとともに、高電圧が印加されるため、充電回路３１の故障の原因となる。従って、充電スイッチ２９を最後にオンにするよう制御している。

さらに、最初に選択スイッチ３７を主電源端子４１側にした後、充電スイッチ２９をオンにすると、蓄電部２７の正極は充電回路３１に接続されているので、満充電電圧Ｖｃｆ（＝３．５Ｖ）が印加される。一方、蓄電部２７の負極は、切替スイッチ４７が主電源端子５１側のままであるので、主電源１１が電気的に接続され、その定格電圧Ｖｂｎ（＝１２Ｖ）が印加される。従って、上記したように、蓄電部２７には負極から正極に大電流が流れるとともに、高電圧が逆極性で印加されることになり、蓄電部２７の劣化や故障の原因となる。このことからも、充電スイッチ２９は最後にオンにする動作を行っている。

以上の理由から、蓄電部２７の充電時には、最初に選択スイッチ３７を主電源端子４１側にし、次に切替スイッチ４７をグランド端子５３側にし、最後に充電スイッチ２９をオンにするように制御している。

次に、車両使用終了時の動作について、図５を用いて説明する。なお、図５において、（ａ）は選択スイッチ３７のタイミングチャートを、（ｂ）は充電スイッチ２９のタイミングチャートを、（ｃ）は切替スイッチ４７のタイミングチャートを、それぞれ示す。また、全ての図において、横軸は時刻ｔである。

まず、時刻ｔ１０において、車両は走行状態である。従って、各スイッチは図２に示す状態である。

次に、時刻ｔ１１で車両が停止する。これにより、車両用制御回路は車両をアイドリングストップ状態にする。この際、図５（ｂ）に示すように、制御回路５５は充電スイッチ２９をオフにする。この動作は図４の時刻ｔ２と同じである。従って、図５の時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までのアイドリングストップ期間における各スイッチの状態は、図４の時刻ｔ２から時刻ｔ３までと同じになる。

その後、時刻ｔ１２で運転者がイグニションスイッチをオフにする。制御回路５５は、イグニションスイッチオフ信号をデータ信号ｄａｔａにより受信すると、図５（ｃ）に示すように、直ちに切替スイッチ４７を主電源端子５１側に切り替える。その後、時刻ｔ１３で図５（ａ）に示すように、選択スイッチ３７を蓄電部端子３９に切り替える。この一連の動作は図４の時刻ｔ３から時刻ｔ４と同じである。

以上の動作により、時刻ｔ１３における各スイッチの状態は図３に示すようになる。但し、スタータスイッチ１３は車両使用終了時であるのでオフのままである。図３より、時刻ｔ１３以降では、主電源１１と蓄電部２７の直列回路が負荷１９に接続された状態となる。従って、イグニションスイッチをオフにして車両非使用状態となった時も、主電源１１の電力だけでなく蓄電部２７の電力も負荷１９に供給することにより、主電源１１からの電力の持ち出しを抑制しつつ、負荷１９への暗電流供給が可能になる。

図５の時刻ｔ１１から時刻ｔ１３までの動作をまとめると、次のようになる。制御回路５５は、車両使用終了後に、最初に充電スイッチ２９をオフにし、次に切替スイッチ４７を主電源端子５１側にし、最後に選択スイッチ３７を蓄電部端子３９側にするよう制御する。なお、このような順序で各スイッチを切り替える理由は、上記した図４の時刻ｔ２から時刻ｔ４の動作説明で述べた理由と同じである。

図５の時刻ｔ１３以降では、主電源１１と蓄電部２７の直列回路から負荷１９に暗電流が供給されるのであるが、蓄電部２７の両端電圧Ｖｃは経時的に低下していく。そこで、蓄電部２７の両端電圧Ｖｃが０Ｖになる前の既定期間を制御回路５５に記憶しておき、時刻ｔ１３から制御回路５５に内蔵したタイマ回路を動作させ、既定期間が経過すれば蓄電部２７からの放電を停止するように制御している。これにより、蓄電部２７の電力を既定期間に渡り負荷１９に供給できるので、その分、主電源１１の電力消費が抑制される。なお、既定期間は、蓄電部２７の容量値や負荷１９の暗電流消費量等から、あらかじめ電圧Ｖｃが０Ｖになる前の期間として求めておく。

次に、制御回路５５は、既定期間が経過した時刻ｔ１４で、図５（ａ）に示すように、選択スイッチ３７を主電源端子４１側に切り替える。これにより、以後の負荷１９への暗電流は主電源１１からのみ供給される。

その後、制御回路５５は時刻ｔ１５で、図５（ｃ）に示すように、切替スイッチ４７をグランド端子５３側に切り替える。これにより、蓄電部２７が主電源１１の電力系統から切り離された状態となる。なお、このような順序で各スイッチを切り替える理由は、上記した図４の時刻ｔ６から時刻ｔ７の動作説明で述べた理由と同じである。

時刻ｔ１５以降は、図５（ａ）〜（ｃ）に示すような各スイッチの状態を維持する。この状態は図１に相当する。なお、時刻ｔ１５以降は車両非使用状態であるので、再度、蓄電部２７を充電する必要はない。従って、充電スイッチ２９はオフのままとなる。このことから、充電スイッチ２９のオンオフ動作をまとめると、車両走行中、すなわちエンジンが駆動していて発電機が発電している時にのみ充電スイッチ２９がオンになるように制御されることがわかる。このように制御すると、蓄電部２７への充電は主に発電機の電力によることになる。従って、主電源１１の負担を最小限にすることが可能となる。

以上の車両使用終了後の動作をまとめると、次のようになる。

制御回路５５は、車両使用終了後に、最初に充電スイッチ２９をオフにし、次に切替スイッチ４７を主電源端子５１側にし、最後に選択スイッチ３７を蓄電部端子３９側にして、蓄電部２７の電力を既定期間に渡り負荷１９に供給する。既定期間が経過すると、最初に選択スイッチ３７を主電源端子４１側にし、次に切替スイッチ４７をグランド端子５３側にする。このような動作を行うことにより、車両使用終了の直前まで蓄電部２７に充電していた電力を負荷１９の暗電流として使用することができるので、蓄電部２７の電力を有効に利用でき、効率が向上する。

なお、車両使用終了後に負荷１９への暗電流供給を行わない構成としてもよいが、この場合は車両使用終了の直前まで蓄電部２７に充電していた電力を、蓄電部２７の内部抵抗により徐々に消費してしまうので、その分は無駄になる。しかし、内部抵抗による電力消費は極めて遅いため、次回、車両を使用する時には蓄電部２７に電力が残っている場合がある。この時は、車両起動後に蓄電部２７を満充電電圧Ｖｃｆまで充電する期間が短くなるという効果がある。従って、高速起動性と高効率のいずれを重要視するかに応じて、適宜最適な構成を選択すればよい。

以上の構成、動作により、スタータ１５の駆動時には主電源１１と蓄電部２７を直列に接続した状態で、スタータ１５ほど電力を必要としない負荷２７に電力を供給するので、主電源１１の負担が軽減されるとともに、蓄電部２７の容量、およびスイッチを小さくでき、全体に小型の車両用電源装置を実現できる。

なお、本実施の形態１の構成に対し、充電回路３１の出力と蓄電部２７の正極の間に電流検出回路を電気的に接続した構成としてもよい。この場合、前記電流検出回路で検出された電流値は制御回路５５に出力されるよう、両者間は信号系配線で電気的に接続される。このような構成とすることにより、蓄電部２７を充電する際の異常判断を行うことができる。具体的な動作は次の通りである。

制御回路５５は、充電スイッチ２９がオンの時に、前記電流検出回路から充電電流を検出する。この充電電流が既定範囲を超えれば蓄電部２７が異常であると判断する。なお、既定範囲とは、蓄電部２７が正常な時に流れ得る電流範囲である。すなわち、本実施の形態１では、蓄電部２７を定電圧充電するため、蓄電部２７に流れる電流は蓄電部２７が完全放電した状態が最も大きく、その後経時的に低下し、満充電電圧Ｖｃｆに至ると、蓄電部２７の内部抵抗に起因した自己放電を補う分の僅かな電流が流れることになる。従って、正常時に流れ得る最小と最大の電流値をあらかじめ求めて、前記既定範囲として制御回路５５に記憶しておく。

これにより、制御回路５５は、前記電流検出回路で検出した電流値が検出誤差範囲を考慮しても前記既定範囲を超える、すなわち最小値よりも小さいか、最大値よりも大きい場合は、蓄電部２７が断線や短絡等の異常状態であると判断する。この場合は、直ちに充電スイッチ２９をオフにして蓄電部２７を主電源１１から切り離し、以後は蓄電部２７を使用しないように制御することで、高信頼性を得ることができる。

なお、蓄電部２７の異常が判断された場合、制御回路５５は蓄電部２７の異常を示す信号をデータ信号ｄａｔａとして車両用制御回路に出力してもよい。この場合、車両用制御回路は蓄電装置１７が異常であるとして、以後のアイドリングストップを禁止する。その結果、アイドリングストップ後のスタータ１５の駆動時に負荷１９が停止してしまう状態を回避することができる。

また、本実施の形態１の構成に対し、電圧レギュレータを蓄電部２７と選択スイッチ３７の間に電気的に接続した構成としてもよい。但し、図１の構成においては、蓄電部２７を充電できるように、前記電圧レギュレータは蓄電部２７と充電スイッチ２９の接続点と、蓄電部端子３９の間に電気的に接続する必要がある。このように構成することで、スタータ１５の駆動時に、負荷１９に印加される電圧が経時的に低下していたが、これを安定化することができる。

また、本実施の形態１の構成に対し、蓄電部２７の両端、すなわち正極と負極に電圧検出回路を接続した構成としてもよい。これにより、蓄電部２７の両端電圧Ｖｃを検出することができる。なお、前記電圧検出回路で検出された両端電圧Ｖｃは制御回路５５に出力されるよう、両者間は信号系配線で電気的に接続される。このような構成とすることにより、次の動作が可能となる。

まず、蓄電部２７を充電する際に、制御回路５５は両端電圧Ｖｃが、あらかじめ決定された既定の速度で上昇するように充電スイッチ２９をオンオフ制御（ＰＷＭ制御）する。なお、前記既定の速度は制御回路５５のメモリに記憶してある。このような動作により、充電による電圧変化速度が制御されるので、蓄電部２７への突入電流をさらに抑制することができる。

次に、制御回路５５は両端電圧Ｖｃを検出した結果、蓄電部２７の充電が不十分であると判断した場合、前記車両用制御回路にアイドリングストップを禁止する信号をデータ信号ｄａｔａとして出力する。これにより、スタータ１５の駆動時に、蓄電部２７の充電不足に起因した負荷１９の停止可能性を低減できる。

次に、制御回路５５は車両使用終了後に蓄電部２７から負荷１９へ暗電流の供給を行っているが、蓄電部２７の両端電圧Ｖｃが既定の下限電圧に至れば、蓄電部２７からの暗電流供給を停止する。これにより、前記既定期間の間、暗電流を供給する場合に比べ、より０Ｖ近くまで蓄電部２７からの暗電流供給ができるので、さらなる高効率が可能になる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における車両用電源装置のブロック回路図である。図７は、本発明の実施の形態２における車両用電源装置の蓄電部充電時のフローチャートである。図８は、本発明の実施の形態２における車両用電源装置の蓄電部充電時のブロック回路図である。図９は、本発明の実施の形態２における車両用電源装置の蓄電部充電時の他のフローチャートである。図１０は、本発明の実施の形態２における車両用電源装置のスタータ駆動時のフローチャートである。図１１は、本発明の実施の形態２における車両用電源装置のスタータ駆動時のブロック回路図である。図１２は、本発明の実施の形態２における車両用電源装置の車両使用終了後のフローチャートである。なお、図６、８、１１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。

本実施の形態２における車両用電源装置において、図１と同じ構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。

すなわち、本実施の形態２の構成において図１と異なる部分は、蓄電装置１７の内部構成であるので、これを図６により説明する。

まず、主電源１１には、主電源接続端子２１を介して第１スイッチ素子６１の一端が電気的に接続されている。さらに、第１スイッチ素子６１の他端とグランドの間には、第２スイッチ素子６３と抵抗器６５からなる直列回路６７が電気的に接続されている。

ここで、実施の形態１と同様に、第１スイッチ素子６１と第２スイッチ素子６３は、半導体スイッチ（電界効果トランジスタ）で構成されている。これらも実施の形態１で述べたように、例えばリレーで構成してもよいが、半導体スイッチとすることにより、第１スイッチ素子６１と第２スイッチ素子６３の小型化が可能な上、高応答性、高信頼性が得られるため、望ましい。なお、第１スイッチ素子６１と第２スイッチ素子６３は、信号系配線により制御回路５５と接続されており、それぞれ制御回路５５から出力される第１スイッチ素子信号ＳＷ１、および第２スイッチ素子信号ＳＷ２により制御される。

また、抵抗器６５は実施の形態１で述べたように、蓄電部２７を充電する際の突入電流を低減するためのもので、本実施の形態２では蓄電部２７に内蔵するのではなく、直列回路６７に内蔵させている。この構成により、蓄電部２７の放電経路に抵抗器６５が介在しないので、その分の損失を低減でき、効率が向上する。なお、直列回路６７において、第２スイッチ素子６３と抵抗器６５の順序は、図６と逆であっても構わない。また、突入電流が問題とならない場合は、抵抗器６５がない構成としてもよい。この場合、第２スイッチ素子６３は、第１スイッチ素子６１の他端とグランドの間に直接電気的に接続される構成となる。

次に、主電源１１には、主電源接続端子２１を介して第１ダイオード６９のアノードが電気的に接続されている。さらに、第１ダイオード６９のカソードには、第２ダイオード７１のアノードが電気的に接続されている。第２ダイオード７１のカソードは負荷接続端子２３を介して負荷１９に電気的に接続される。なお、第１ダイオード６９は蓄電部２７を放電する際に、蓄電部２７の両端が短絡するのを防ぐために設けてあり、第２ダイオード７１は負荷１９が発生する可能性のある逆起電力が蓄電部２７や主電源１１側に流れるのを防ぐために設けてある。

次に、蓄電部２７の正極は第１ダイオード６９と第２ダイオード７１による第１接続点７３に、負極は第１スイッチ素子６１と直列回路６７による第２接続点７５に、それぞれ電気的に接続される。ここで、上記したように、抵抗器６５を設けない構成とした場合は、第２接続点７５は第１スイッチ素子６１と第２スイッチ素子６３の接続点となる。

蓄電部２７の構成は実施の形態１と全く同じであるが、蓄電部２７の放電経路には第２ダイオード７１が介在するので、その電圧降下（０．７Ｖ）分を考慮して、蓄電部２７の満充電電圧Ｖｃｆは４．２Ｖ（＝３．５Ｖ＋０．７Ｖ）と決定している。

次に、蓄電部２７には、その両端電圧Ｖｃを検出するための電圧検出回路７７が電気的に接続されている。電圧検出回路７７は蓄電部２７の正極と負極の電圧差を求め、それを両端電圧Ｖｃとして、制御回路５５に接続された信号系配線により制御回路５５に出力する構成としている。なお、本実施の形態２では、電圧検出回路７７を別体で構成しているが、これは、例えば制御回路５５を構成するマイクロコンピュータに内蔵された複数のＡＤコンバータのいずれかを利用して、両端電圧Ｖｃを検出するようにしてもよい。これにより、回路構成をさらに簡略化できる。

次に、制御回路５５について説明する。制御回路５５の構成は実施の形態１と同じであるが、本実施の形態２では、主電源１１の電圧Ｖｂを検出するために、主電源接続端子２１と制御回路５５の間に信号系配線を設けている。なお、主電源１１の電圧Ｖｂは複数の前記ＡＤコンバータの１つに入力される。これにより、前記マイクロコンピュータにより電圧Ｖｂを監視する動作が必要となるものの、主電源１１の電圧Ｖｂの変化を迅速に検出することができる。その結果、スタータ１５の駆動により、必要な期間だけ蓄電部２７の電力を負荷１９に供給することができ、蓄電部２７の電力を、より有効に使用できる。

また、制御回路５５の駆動電源Ｖｃｃは、実施の形態１と同様に、主電源１１の電圧Ｖｂが低下しても制御回路５５を駆動し続けられるように、第１接続点７３と第２ダイオード７１のアノードとの間から供給するようにしている。

次に、このような車両用電源装置の動作について説明する。

まず、車両の非使用時は、図６に示すように、第１スイッチ素子６１と第２スイッチ素子６３がオフであるので、蓄電部２７は主電源１１や負荷１９と切り離された状態である。

次に、車両を使用するために、運転者がイグニションスイッチ（図示せず）をオンにすると、車両用制御回路はエンジンを始動するために、スタータスイッチ１３をオンにする。これにより、エンジンの初期始動が行われる。この時は第１スイッチ素子６１、第２スイッチ素子６３ともにオフを維持する。

次に、エンジンが始動すると、制御回路５５は蓄電部２７を充電する。この動作について、図７、図８を参照しながら述べる。

エンジンが始動すると、車両用制御回路はエンジンの始動完了信号をデータ信号ｄａｔａにより制御回路５５に送信する。これを受け、制御回路５５は図７のフローチャートに示すサブルーチンを実行する。なお、制御回路５５はメインルーチン（図示せず）から様々な動作を行うサブルーチンを実行することにより、全体の制御を行っているので、以後に説明するフローチャートは全てサブルーチンとして説明する。

図７のサブルーチンが実行されると、制御回路５５は、まず第１スイッチ素子６１をオフにする（ステップ番号Ｓ１１）。次に、第２スイッチ素子６３をオンにする（Ｓ１３）。なお、このような順番で第１スイッチ素子６１と第２スイッチ素子６３を制御する理由は、逆の制御であった場合に主電源１１から抵抗器６５を介してグランドに電流が流れることにより発生する電力損失を防ぐためである。

このような動作により、蓄電装置１７は図８に示す状態となる。その結果、図８の太矢印で示すように、主電源１１からの電流は第１ダイオード６９と第２ダイオード７１を経由して負荷１９に供給される。それと同時に、第１接続点７３から蓄電部２７、第２スイッチ素子６３、および抵抗器６５を経由してグランドに流れる。これにより、蓄電部２７は抵抗器６５で決定される最大電流で充電が開始される。その後、充電されるとともに、蓄電部２７の両端電圧Ｖｃが上昇していく。

ここで、図７に戻り、制御回路５５は蓄電部２７の両端電圧Ｖｃを電圧検出回路７７により検出する（Ｓ１５）。次に、両端電圧Ｖｃが満充電電圧Ｖｃｆ（＝４．２Ｖ）に至ったか否かを判断する（Ｓ１７）。もし、至っていなければ（Ｓ１７のＮｏ）、Ｓ１５に戻り、両端電圧Ｖｃが満充電電圧Ｖｃｆに至るまで待つ。両端電圧Ｖｃが満充電電圧Ｖｃｆに至れば（Ｓ１７のＹｅｓ）、蓄電部２７の充電を停止するために、第２スイッチ素子６３をオフにする（Ｓ１９）。その結果、蓄電部２７の負極が浮いた状態となり、両端電圧Ｖｃは満充電電圧Ｖｃｆである４．２Ｖとなる。その後、蓄電部２７の充電が完了したので、図７のサブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。なお、充電完了後は、主電源１１から負荷１９までの電力系配線にスイッチが存在しないので、負荷１９には引き続き主電源１１の電力が供給される。

このような方法で充電を行うと、充電制御そのものは図７のフローチャートに示したように簡単であるが、充電初期に蓄電部２７に突入電流が流れないように、抵抗器６５を設けているため、充電されない過剰な電力は抵抗器６５により熱として放出され、損失が大きくなる。そこで、損失を低減するために、定電流Ｉｃで充電する構成としてもよい。その具体的な構成、動作を以下に説明する。

まず、構成としては、図６に示す抵抗器６５を電流検出用の低抵抗値のものとする。次に、第２スイッチ素子６３と抵抗器６５の接続点を、図６の破線で示したように信号系配線で制御回路５５に接続する。すなわち、抵抗器６５に流れる充電電流Ｉは、抵抗器６５の両端電圧に比例するが、図６の構成では抵抗器６５の一端がグランドに接続されているため、抵抗器６５の他端のみを制御回路５５のマイクロコンピュータに内蔵されたＡＤコンバータの１つに接続するだけで、充電電流Ｉに比例した前記両端電圧を検出できる。このような電流検出回路は、一般的には抵抗器６５の両端に電気的に接続され、検出された充電電流Ｉは信号系配線で制御回路５５に出力される構成とすればよい。

次に、このような蓄電装置１７の充電動作を図９により説明する。制御回路５５は、まず第１スイッチ素子６１をオフにする（Ｓ２１）。この動作は図７のＳ１１と同じである。

次に、制御回路５５は電圧検出回路７７により蓄電部２７の両端電圧Ｖｃを検出する（Ｓ２３）。次に、両端電圧Ｖｃが満充電電圧Ｖｃｆに至ったか否かを判断する（Ｓ２５）。もし、至っていなければ（Ｓ２５のＮｏ）、実質的に制御回路５５に内蔵された電流検出回路により、抵抗器６５の両端電圧を充電電流Ｉとして検出する（Ｓ２７）。次に、充電電流Ｉが、既定の充電時の定電流Ｉｃになるように第２スイッチ素子６３を制御する（Ｓ２９）。これにより、充電電流Ｉが定電流Ｉｃとなるようにフィードバック制御が行われる。なお、制御回路５５は、充電電流Ｉが定電流Ｉｃとなるように、第２スイッチ素子６３をアナログ的に制御してもよいし、オンオフ比（デューティ）を可変することによるデジタル的な制御としてもよい。ここでは、マイクロコンピュータのみで制御が可能なデジタル制御としている。このように、第２スイッチ素子６３をドロッパとして制御することにより、蓄電部２７の充電が行われる。Ｓ２９の後は、Ｓ２３に戻り、蓄電部２７が満充電に至るまでＳ２３以降の動作を繰り返す。

ここで、Ｓ２５に戻り、蓄電部２７の両端電圧Ｖｃが満充電電圧Ｖｃｆに至れば（Ｓ２５のＹｅｓ）、充電を終了するために、第２スイッチ素子６３を完全にオフにする（Ｓ３１）。その後、図９のサブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。なお、この場合も、充電完了後は、主電源１１から負荷１９までの電力系配線にスイッチが存在しないので、負荷１９には引き続き主電源１１の電力が供給される。

以上に説明したように、蓄電部２７の充電は、抵抗器６５を突入電流低減用として用いた、図７の動作に基づく直接充電と、抵抗器６５を電流検出用として用いた、図９の動作に基づく定電流充電を具体例として述べたが、前者は構成、動作が簡単だが抵抗器６５による損失が大きく、後者は構成、動作がやや複雑になるが、抵抗器６５による損失が小さいという特徴があるため、蓄電装置１１の要求仕様やコスト等に応じて適宜最適な方式を選択すればよい。

なお、蓄電部２７を充電する回路は、蓄電部２７の正極側に設ける構成としてもよいが、その場合は主電源接続端子２１と負荷接続端子２３の間にバイパスダイオードを設ける必要があり、さらに蓄電部２７の放電時には、前記正極側に設けた充電回路をバイパスする動作も必要となるため、構成、動作が複雑になる。従って、本実施の形態２の構成が望ましい。

次に、車両がアイドリングストップを終了し、エンジンを再始動するためにスタータ１５を駆動する場合の動作について、図１０、図１１を用いて説明する。

アイドリングストップ中に制御回路５５は、メインルーチンから図１０に示すサブルーチンを実行する。これにより、まず、制御回路５５は主電源１１の電圧Ｖｂを検出する（Ｓ４１）。次に、電圧Ｖｂが駆動下限電圧Ｖｆｄ（＝９Ｖ）以下に低下したか否かを判断する（Ｓ４３）。もし、低下していなければ（Ｓ４３のＮｏ）、アイドリングストップ後にスタータ１５を駆動する動作が行われていないことになるので、Ｓ４１に戻り、スタータ１５の駆動が行われるまで待つ。

一方、電圧Ｖｂが駆動下限電圧Ｖｆｄ以下に低下していれば（Ｓ４３のＹｅｓ）、車両用制御回路によりスタータスイッチ１３がオンになり、スタータ１５が駆動されたと判断する。これにより、制御回路５５は主電源１１の電力に加え、蓄電部２７の電力を負荷１９に供給するために、第１スイッチ素子６１をオンにする（Ｓ４５）。なお、この時点では図７のＳ１９、または図９のＳ３１により、第２スイッチ素子６３はオフであるが、もし、例えば蓄電部２７の充電中にスタータ１５が駆動する等の状態となり、Ｓ４５の時点で第２スイッチ素子６３がオン状態、またはオンオフ制御状態であれば、第１スイッチ素子６１をオンにする前に第２スイッチ素子６３を完全にオフにする必要がある。

第１スイッチ素子６１をオンにすると、図１１のブロック回路図における太矢印に示すように、主電源１１からの電流はスタータ１５に供給されるとともに、主電源１１の電圧Ｖｂと蓄電部２７の両端電圧Ｖｃが合計された状態で負荷１９に電流が供給される。従って、負荷１９の印加電圧は駆動下限電圧Ｖｆｄよりも高くなり、スタータ１５の駆動による負荷１９の停止可能性を低減することが可能となる。

次に、制御回路５５は、再び主電源１１の電圧Ｖｂを検出し（Ｓ４７）、電圧Ｖｂが駆動下限電圧Ｖｆｄ以上に戻ったか否かを判断する（Ｓ４９）。これは、スタータ１５の駆動によりエンジンが始動するに従って、スタータ１５の消費電力が低くなり、主電源１１の電圧Ｖｂが回復してくるので、主電源１１のみで負荷１９を駆動できるか否かを監視していることになる。

もし、電圧Ｖｂが駆動下限電圧Ｖｆｄ以上に戻っていなければ（Ｓ４９のＮｏ）、スタータ１５が大電力を消費しているので、Ｓ４７に戻り、主電源１１の電圧Ｖｂが回復するまで待つ。電圧Ｖｂが駆動下限電圧Ｖｆｄ以上に戻れば（Ｓ４９のＹｅｓ）、制御回路５５は第１スイッチ素子６１をオフにして（Ｓ５１）、主電源１１と蓄電部２７の直列接続を切り離す。従って、以後は主電源１１の電力のみが負荷１９に供給されることになる。その後、制御回路５５は図１０のサブルーチンを終了して、メインルーチンに戻る。

なお、上記のようにして蓄電部２７の電力を放電した後は、次回のアイドリングストップに備えて、直ちに図７、または図９のサブルーチンを実行して、あらかじめ蓄電部２７を充電しておく。

次に、車両使用終了後における蓄電装置１１の動作について図１２のフローチャートを用いて説明する。

制御回路５５は、運転者がイグニションスイッチをオフにすることで、車両の使用が終了したことを、車両用制御回路により検出すると、図１２のサブルーチンを実行する。これにより、制御回路５５は、まず第１スイッチ素子６１をオンにする（Ｓ６１）。なお、ここでは蓄電部２７の充電が完了し、第２スイッチ素子６３がオフ状態であるとして説明しているが、もし蓄電部２７が充電中であり、第２スイッチ素子６３がオン状態、またはオンオフ制御状態であれば、第１スイッチ素子６１をオンにする前に第２スイッチ素子６３を完全にオフにする必要がある。

Ｓ６１の動作により、負荷１９へは、主電源１１と蓄電部２７を直列接続した状態で電力が供給される。従って、実施の形態１と同様に、車両使用終了後における負荷１９への暗電流を蓄電部２７からも供給することで、蓄電部２７の電力を有効に利用でき、効率が向上する。

次に、制御回路５５は電圧検出回路７７により蓄電部２７の両端電圧Ｖｃを検出する（Ｓ６３）。その後、両端電圧Ｖｂと放電終端電圧Ｖｃｅを比較する（Ｓ６５）。ここで、放電終端電圧Ｖｃｅとは、蓄電部２７の放電を停止する電圧のことで、あらかじめ決定して制御回路５５に内蔵されたメモリに記憶してある。放電終端電圧Ｖｃｅは、要求される蓄電部２７の寿命と起動時の満充電に至る期間に基いて決定する。すなわち、蓄電部２７は高電圧で放置するほど寿命が短くなるので、寿命の観点からは低電圧（望ましくは完全放電）で放置する方がよい。一方、起動時に満充電にする期間は、蓄電部２７にあらかじめ電力が蓄えられている方が短い。従って、必要な寿命が確保できる電圧を放電終端電圧Ｖｃｅとして決定すればよい。ここでは、放電終端電圧Ｖｃｅとして両端電圧Ｖｃが２Ｖとなるようにした。

ここで、Ｓ６５において、もし両端電圧Ｖｃが放電終端電圧Ｖｃｅ以下でなければ（Ｓ６５のＮｏ）、まだ蓄電部２７の放電を継続する必要があるので、Ｓ６３に戻り、両端電圧Ｖｃの低下を待つ。

一方、両端電圧Ｖｃが放電終端電圧Ｖｃｅ以下になれば（Ｓ６５のＹｅｓ）、制御回路５５は第１スイッチ素子６１をオフにする（Ｓ６７）。これにより、蓄電部２７からの暗電流供給を終了する。その後、制御回路５５は図１２のサブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

以上の構成、動作により、主電源１１の負担が軽減される上、実施の形態１に比べ必要なスイッチが少なくなるので、さらなる小型化ができ、かつ、簡単な構成、動作の車両用電源装置を実現できる。

なお、本実施の形態２において、抵抗器６５の両端に電流検出回路を電気的に接続し、前記電流検出回路の出力が制御回路５５に入力されるよう接続する構成とし、制御回路５５は、蓄電部２７の充電時に、前記電流検出回路で検出された充電電流Ｉが既定範囲を超えれば蓄電部２７が異常であると判断し、第２スイッチ素子６３をオフにするように制御する動作を行うようにしてもよい。これにより、蓄電部２７の内部短絡による過電流や、内部断線による過少電流を検出することが可能となる上、特に過電流の場合、第２スイッチ素子６３をオフにすることで、回路部品の保護が可能となり、車両用電源装置の高信頼性が実現できる。なお、既定範囲は上記した蓄電部２７の異常時における過電流値と過少電流値を、あらかじめ求めておき制御回路５５に内蔵されたメモリに記憶しておけばよい。

また、図９で説明したように、蓄電部２７を定電流Ｉｃで充電する場合は、すでに電流検出回路が構成されているので、制御回路５５により、図９のＳ２７で検出された充電電流Ｉが、上記した既定範囲を超えているか否かを判断することで、車両用電源装置の高信頼性を実現できる。

なお、蓄電部２７の異常が判断された場合は、実施の形態１と同様に、以後のアイドリングストップを禁止する。

また、本実施の形態２では、エンジンの始動後に蓄電部２７の充電を行っているが、これはエンジン始動前、例えば運転者がドアを開けた時に充電を開始するようにしてもよい。これにより、スタータによるエンジンの初期始動時に充電が中断される可能性もあるが、少しでも早く蓄電部２７を満充電にすることができる。

また、実施の形態１、２では蓄電部２７に電気二重層キャパシタを用いたが、これは電気化学キャパシタでもよい。この場合は、１個の定格電圧が４Ｖ程度と高いため、電気二重層キャパシタのように４個を直並列接続する必要はなく、直列数は１でよい。従って、さらなる小型化ができる可能性がある。但し、電気化学キャパシタは放電可能な下限電圧が存在するので、スタータ１５の駆動時に、負荷１９に最大電流を流しても蓄電部２７の両端電圧Ｖｃが前記下限電圧を下回らないような容量値になるように、あらかじめ決定しておく必要がある。

本発明にかかる車両用電源装置は、主電源の負担を軽減するとともに、蓄電部の容量、およびスイッチを小さくできるので、特に小型化が必要な補助電源としての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１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１における車両用電源装置の蓄電部充電時のブロック回路図 本発明の実施の形態１における車両用電源装置のスタータ駆動時のブロック回路図 本発明の実施の形態１における車両用電源装置の車両使用時における各スイッチのタイミングチャートであり、（ａ）は選択スイッチのタイミングチャート、（ｂ）は充電スイッチのタイミングチャート、（ｃ）は切替スイッチのタイミングチャート 本発明の実施の形態１における車両用電源装置の車両使用終了時における各スイッチのタイミングチャートであり、（ａ）は選択スイッチのタイミングチャート、（ｂ）は充電スイッチのタイミングチャート、（ｃ）は切替スイッチのタイミングチャート 本発明の実施の形態２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２における車両用電源装置の蓄電部充電時のフローチャート 本発明の実施の形態２における車両用電源装置の蓄電部充電時のブロック回路図 本発明の実施の形態２における車両用電源装置の蓄電部充電時の他のフローチャート 本発明の実施の形態２における車両用電源装置のスタータ駆動時のフローチャート 本発明の実施の形態２における車両用電源装置のスタータ駆動時のブロック回路図 本発明の実施の形態２における車両用電源装置の車両使用終了後のフローチャート 従来の電圧昇圧装置の回路図

１１ 主電源
１５ スタータ
１７ 蓄電装置
１９ 負荷
２７ 蓄電部
２９ 充電スイッチ
３１ 充電回路
３７ 選択スイッチ
４７ 切替スイッチ
５５ 制御回路
６１ 第１スイッチ素子
６３ 第２スイッチ素子
６５ 抵抗器
６７ 直列回路
６９ 第１ダイオード
７１ 第２ダイオード
７３ 第１接続点
７５ 第２接続点
７７ 電圧検出回路

Claims (12)

1. 主電源と、
   前記主電源と電気的に接続されたスタータと、
   前記主電源に蓄電装置を介して電気的に接続された負荷と、からなり、
   前記蓄電装置は、電力を蓄える蓄電部と、
   前記主電源と前記蓄電部の間に電気的に接続され、前記蓄電部の両端電圧（Ｖｃ）が、前記負荷の駆動上限電圧（Ｖｆｕ）と前記主電源の定格電圧（Ｖｂｎ）の差以下で、かつ、前記負荷の駆動下限電圧（Ｖｆｄ）と前記スタータ駆動時における前記主電源の最低電圧（Ｖｂｄ）の差以上の満充電電圧（Ｖｃｆ）まで前記蓄電部を充電する充電回路と、
   前記蓄電部の一端、または前記主電源のいずれか一方を前記負荷と電気的に接続する選択スイッチと、
   前記蓄電部の前記一端と前記充電回路の出力の間に電気的に接続された充電スイッチと、
   前記蓄電部の他端を前記主電源、またはグランドのいずれかに電気的に接続する切替スイッチと、
   前記蓄電部の充電時には、最初に前記選択スイッチを前記主電源側にし、次に前記切替スイッチを前記グランド側にし、最後に前記充電スイッチをオンにするように制御するとともに、
   前記スタータの駆動時には、最初に前記充電スイッチをオフにし、次に前記切替スイッチを前記主電源側にし、最後に前記選択スイッチを前記蓄電部側に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。
2. 前記選択スイッチ、充電スイッチ、および切替スイッチは、半導体スイッチで構成された請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記制御回路は、アイドリングストップ中に前記充電スイッチをオフにするようにした請求項１に記載の車両用電源装置。
4. 前記制御回路は、車両使用終了後に、最初に前記充電スイッチをオフにし、次に前記切替スイッチを前記主電源側にし、最後に前記選択スイッチを前記蓄電部側にして、前記蓄電部の電力を既定期間に渡り前記負荷に供給し、
   前記既定期間が経過すると、最初に前記選択スイッチを前記主電源側にし、次に前記切替スイッチを前記グランド側にするようにした請求項１に記載の車両用電源装置。
5. 前記充電回路と前記蓄電部の間に電気的に接続されるとともに、前記制御回路と電気的に接続された電流検出回路を備え、
   前記制御回路は、前記充電スイッチがオンの時に前記電流検出回路から充電電流を検出し、前記充電電流が既定範囲を超えれば前記蓄電部が異常であると判断し、前記充電スイッチをオフにするようにした請求項１に記載の車両用電源装置。
6. 前記蓄電部と前記選択スイッチの間に電気的に接続された電圧レギュレータを備えた請求項１に記載の車両用電源装置。
7. 前記蓄電部の両端に電気的に接続されるとともに、前記制御回路と電気的に接続された電圧検出回路を備え、
   前記制御回路は、前記蓄電部を充電する際に、前記電圧検出回路で検出された前記蓄電部の前記両端電圧（Ｖｃ）が既定の速度で上昇するように前記充電スイッチのオンオフを制御するようにした請求項１に記載の車両用電源装置。
8. 主電源と、
   前記主電源と電気的に接続されたスタータと、
   前記主電源に蓄電装置を介して電気的に接続された負荷と、からなり、
   前記蓄電装置は、前記主電源に一端が電気的に接続された第１スイッチ素子と、
   前記第１スイッチ素子の他端とグランドの間に電気的に接続された第２スイッチ素子と、
   前記主電源にアノードが電気的に接続された第１ダイオードと、
   前記第１ダイオードのカソードに、電気的にアノードが接続されるとともに、前記負荷に電気的にカソードが接続された第２ダイオードと、
   前記第１ダイオードと前記第２ダイオードによる第１接続点に正極が、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子による第２接続点に負極が、それぞれ電気的に接続された蓄電部と、
   前記蓄電部に電気的に接続された電圧検出回路と、
   前記第１スイッチ素子、第２スイッチ素子、および電圧検出回路と電気的に接続され、
   前記蓄電部の充電時には、前記第１スイッチ素子をオフにした後、前記第２スイッチ素子を制御して、前記電圧検出回路により検出された前記蓄電部の両端電圧（Ｖｃ）が満充電電圧（Ｖｃｆ）に至るまで充電し、
   前記蓄電部の充電終了時には、前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子をオフにし、
   前記スタータの駆動時には、前記第２スイッチ素子をオフにした後、前記第１スイッチ素子をオンに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。
9. 前記抵抗器の両端に電気的に接続されるとともに、前記制御回路に電気的に接続された電流検出回路を備え、
   前記制御回路は、前記蓄電部を充電する際に、前記電流検出回路で検出された充電電流（Ｉ）が既定の定電流（Ｉｃ）になるように、前記第２スイッチ素子を制御するようにした請求項８に記載の車両用電源装置。
10. 前記第１スイッチ素子と前記第２スイッチ素子は、半導体スイッチで構成された請求項８に記載の車両用電源装置。
11. 前記制御回路は、車両使用終了後に、前記第２スイッチ素子をオフにした後、前記第１スイッチ素子をオンにし、
    前記電圧検出回路で検出した前記蓄電部の両端電圧（Ｖｃ）が放電終端電圧（Ｖｃｅ）以下になれば、前記第１スイッチ素子をオフにするようにした請求項８に記載の車両用電源装置。
12. 前記抵抗器の両端に電気的に接続されるとともに、前記制御回路に電気的に接続された電流検出回路を備え、
    前記制御回路は、前記蓄電部の充電時に、前記電流検出回路で検出された充電電流（Ｉ）が既定範囲を超えれば前記蓄電部が異常であると判断し、前記第２スイッチ素子をオフにするようにした請求項１に記載の車両用電源装置。

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