JP2010119176A - 車載用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンデンサの容量を有効に活用でき、車両の減速時に発生する回生エネルギーの回収効率を向上させることのできる車載用電源装置を得る。
【解決手段】車両の減速時にキャパシタ３が発電機１に接続され充電される。車両が減速中でなくかつキャパシタ３の端子間電圧が所定値以上のとき、図３の接続形態となるよう、第一及び第二の切り換えスイッチ２ａ，２ｂ及び第一及び第二の開閉スイッチ５，７を制御し、発電機とキャパシタ３とを接続し、キャパシタ３と第一の二次電池４との直列回路を形成する。発電機１は停止される。この場合、上記直列回路の電圧はそれぞれの端子電圧が加算されＤＣ／ＤＣコンバータ６が安定して動作するのに充分な電圧が確保されるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介してキャパシタ３の電気エネルギーを第二の二次電池８及び電気負荷９に有効に供給し、回収できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両が減速する時に発電機で発生する回生エネルギーを回収可能な車載用電源装置に関する。

車両に搭載され、車両の減速時にオルタネータ等の発電機で発生する回生エネルギーを回収可能な車載用電源装置が従来から多数提案されている。例えば、減速時に発電機で発生する回生エネルギーを鉛蓄電池等の二次電池よりも充電受入性に優れているキャパシタに充電し、回生エネルギーの回収効率の向上を図っているものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３２８９８８号（段落番号０１０１、０１０８及び図１４）

しかしながら、上記のようなキャパシタに充電するものにおいては、キャパシタの正負極間端子間電圧がＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧すなわち動作電圧以上となるまで充電されなければＤＣ／ＤＣコンバータを適切に動作させることができない。このため、キャパシタの容量全体を有効に利用できず、キャパシタに充電した電力もすべて使い切ることができない、という問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、キャパシタの容量を有効に活用でき、車両の減速時に発生する回生エネルギーの回収効率を向上させることのできる車載用電源装置を得ることを目的とする。

この発明に係る車両用電源装置においては、
発電機と主電源装置とキャパシタと蓄電装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置と制御装置とを有し、車両に搭載される車両用電源装置であって、
上記発電機は上記車両を駆動する内燃機関あるいは他の動力源によって駆動されるものであり、
上記主電源装置に電気負荷が接続されるものであり、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ用開閉手段とＤＣ／ＤＣコンバータとを有するものであり、
上記制御装置は、第一及び第二の切換手段と制御手段とを有し、
上記第一及び第二の切換手段を切換制御することにより、上記キャパシタを上記第一及び第二の切換手段を介して上記発電機に並列に接続し上記発電機から上記キャパシタに電気エネルギーを充電可能とする第一の接続形態と、上記キャパシタと上記蓄電装置とが直列に接続された直列回路が形成される第二の接続形態とに切り替えるものであって、
かつ上記第二の接続形態に切り替えられたとき上記ＤＣ／ＤＣコンバータ用開閉手段を閉路して上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記直列回路を上記主電源装置に接続し上記キャパシタに蓄積された上記電気エネルギーを上記主電源装置に供給できるようにするものである。

この発明は、
発電機と主電源装置とキャパシタと蓄電装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置と制御装置とを有し、車両に搭載される車両用電源装置であって、
発電機は車両を駆動する内燃機関あるいは他の動力源によって駆動されるものであり、
主電源装置に電気負荷が接続されるものであり、
ＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ用開閉手段とＤＣ／ＤＣコンバータとを有するものであり、
制御装置は、第一及び第二の切換手段と制御手段とを有し、
第一及び第二の切換手段を切換制御することにより、キャパシタを第一及び第二の切換手段を介して発電機に並列に接続し発電機からキャパシタに電気エネルギーを充電可能とする第一の接続形態と、キャパシタと蓄電装置とが直列に接続された直列回路が形成される第二の接続形態とに切り替えるものであって、
かつ第二の接続形態に切り替えられたときＤＣ／ＤＣコンバータ用開閉手段を閉路してＤＣ／ＤＣコンバータを介して直列回路を主電源装置に接続しキャパシタに蓄積された電気エネルギーを主電源装置に供給できるようにするものであるので、
キャパシタの容量を有効に活用でき、車両の減速時に発生する回生エネルギーの回収効率を向上させることができる。

実施の形態１．
図１〜図４は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は車載用電源装置の構成を示す構成図であり、車両が停止、加速、定速走行のいずれかの状態すなわち減速中でない状態で、かつキャパシタに電力が充電されていない場合の接続形態である。図２は、車両が減速中で、発電機から発生した電力をキャパシタに充電する場合の接続形態を示す接続形態図である。図３は、車両が停止、加速、定速走行中のいずれかの状態で、かつキャパシタに充電されている電力をＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気負荷に供給する場合の接続形態を示す接続形態図である。図４は、動作を説明するためのフローチャートである。

これらの図において、発電機１の図示しない負極端子は図示しない車両（自動車）のボディに接続されすなわち接地されてアース電位にされており、発電機１の正極端子は第一の切り換えスイッチ２ａのコモン端子に接続されている。第一の切り換えスイッチ２ａは、発電機１の正極端子をキャパシタ３の正極端子と第一の二次電池４の正極端子とに接続を切り換える。第二の切り換えスイッチ２ｂは、キャパシタ３の負極端子を接地と第一の二次電池４の正極端子とに接続を切り換える。第一の二次電池４の負極端子は接地されている。キャパシタ３と第二の二次電池８とは、第一の開閉スイッチ５及びＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して互いに接続されている。また、第二の開閉スイッチ７を閉路することにより第二の二次電池８と第一の二次電池４とを接続できる。

車両に搭載された電気負荷９は、第二の二次電池８に接続されるとともに、第二の開閉スイッチ７及び第一の切り換えスイッチ２ａを介して発電機１に接続され、電力の供給を受ける。制御手段１０は、第一及び第二の切り換えスイッチ２ａ，２ｂ並びに第一及び第二の開閉スイッチ５，７を切換制御あるいは開閉制御する。なお、図示していないが、車両が減速中であるか否かを判定する減速判定手段及びキャパシタ３の正極及び負極両端子間の電圧を検出する電圧検出手段が設けられている。減速判定手段は、減速中かどうかの判定を、アクセルペダル／ブレーキペダルの操作状況や車速を確認することによって行う。

第一の二次電池４は、キャパシタ３に充電された電力を放電する際に、キャパシタ３の負極端子の電位を所定の電位に底上げするためのものであり、第一の二次電池４の正極負極両端子間の電圧分だけキャパシタ３の負極端子の電位が嵩上げされる。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、キャパシタ３に充電された電力を所定の電圧の出力に変換し、第二の二次電池８及び電気負荷９に供給する。

発電機１は一般的にオルタネータ、モータージェネレータ等であるが、同等の機能を有するものであればこの限りではない。また、第一の二次電池４は、キャパシタ３の負極端子の電位を所定値以上に底上げするためのものであるが、第二の二次電池８に比べ、充電容量の小さい二次電池でよい。また、第一及び第二の切り換えスイッチ２ａ，２ｂ及び第一及び第二の開閉スイッチ５，７はリレースイッチ、半導体スイッチ等で構成するのが一般的であるが、この限りではない。また、キャパシタ３は電気二重層キャパシタで構成するのが一般的だが、同等の機能を有する他のものであってもよい。

以上のように構成された車両用電源装置において、第一の二次電池４がこの発明における蓄電装置であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ用開閉手段としての第一の開閉スイッチ５及びＤＣ／ＤＣコンバータ６がこの発明におけるＤＣ／ＤＣコンバータ装置であり、第一及び第二の切換手段としての第一及び第二の切り換えスイッチ２ａ，２ｂ、接続開閉手段としての第二の開閉スイッチ７、制御手段１０、図示しない減速判定手段及び電圧検出手段がこの発明における制御装置であり、第二の二次電池８がこの発明における主電源装置である。

次に、動作について図１〜３及び図４のフローチャートを用いて説明する。
図４において、まずステップＳ１０１において、制御手段１０の図示しない減速判定手段が車両が減速中かどうかを判定する。ステップＳ１０１で減速中ではないすなわち停止、加速、定速走行のいずれかの状態であると判定された場合は、ステップＳ１０２へと進む。ステップＳ１０２では電圧検出手段がキャパシタ３の正極及び負極端子間の電圧Ｖが所定値Ｖｔｈ以上かどうかを判定し、所定値以上でないと判定された場合は、ステップＳ１０３へと進む。

ステップＳ１０３では、図１の接続形態となるよう、制御手段１０が第一及び第二の切り換えスイッチ２ａ，２ｂを切換制御して、第一の切り換えスイッチ２ａにより発電機の正極端子を第一の二次電池４の正極端子に接続し、第二の切り換えスイッチ２ｂによりキャパシタ３の負極端子をアース（車体）に接続し、第一の開閉スイッチ５を開路し、第二の開閉スイッチ７を閉路する。なお、発電機１は駆動される。これにより、キャパシタ３が第一及び第二の切り換えスイッチ２ａ，２ｂを介して発電機１に並列に接続され、発電機１からキャパシタ３に電気エネルギーを充電可能となる。この状態が、この発明における第一の接続形態である。そして、発電機１の出力はＤＣ／ＤＣコンバータ６を介することなく、第一及び第二の二次電池４，８に供給されこれらの二次電池を充電するとともに電気負荷９にも供給される。

ステップＳ１０１で車両が減速中であると判定された場合は、ステップＳ１０４にて図２の接続形態となるよう、制御手段１０が第一及び第二の切り換えスイッチ２ａ，２ｂを切換制御して、第一の切り換えスイッチ２ａにより発電機１の正極端子をキャパシタ３の正極端子に接続し、第二の切り換えスイッチ２ｂによりキャパシタ３の負極端子をアースに接続し、第一の開閉スイッチ５及び第二の開閉スイッチ７を開路する。なお、発電機１は駆動される。これにより、発電機１は第一の切換スイッチ２ａを介してキャパシタ３に接続され、発電機１によって発生した電力はキャパシタ３に充電される。このとき、第一の開閉スイッチ５は開路しており、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は停止している。

次に、ステップＳ１０２で図示しない電圧検出手段によりキャパシタ３の正極及び負極端子間の電圧Ｖが所定値Ｖｔｈ以上であると判定された場合の動作について説明する。キャパシタ３の正極及び負極端子間の電圧Ｖが所定値Ｖｔｈ以上であると判定された場合は、ステップＳ１０５にて図３の接続形態となるよう、制御手段１０が第一及び第二の切り換えスイッチ２ａ，２ｂを切換制御して、第一の切り換えスイッチ２ａにより発電機１の正極端子をキャパシタ３の正極端子へ接続し、第二の切り換えスイッチ２ｂによりキャパシタ３の負極端子を第一の二次電池４の正極端子に接続し、第一の開閉スイッチ５を閉路し、第二の開閉スイッチ７を開路する。なお、発電機１は停止される。

この図３の場合、キャパシタ３と第一の二次電池４とが直列に接続された直列回路が形成されかつこの直列回路が発電機１から切り離された状態となり、この発明における第二の接続形態となる。キャパシタ３の負極端子の電位が底上げされることになり、上記直列回路の電圧はキャパシタ３の正極及び負極端子間の電圧と第一の一次電池４の正極及び負極端子間の電圧とが加算され、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が安定して動作する電圧が確保される。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の動作によりキャパシタ３に充電されている電力が第二の二次電池８及び電気負荷９に供給される。このとき、発電機１は停止しており、第一の切り換えスイッチ２ｂにより発電機１の正極端子はキャパシタ３の正極端子に接続されたままであるが、発電機はオルタネータであり図示しない整流器を有しているので上記直列回路から発電機へ電流が流れることはない。

上記のような構成とすることにより、キャパシタ３の電力を放電する際、キャパシタ３の負極端子の電位を底上げすることが可能となり、キャパシタに充電された回生電力すべてを無駄なく電気負荷９や第二の二次電池８に供給できる。

また、キャパシタ３の負極端子の電位を底上げすることにより、キャパシタの全容量を有効利用できるすなわちキャパシタ３に蓄積された電気エネルギーを無駄なく利用できるため、キャパシタの容量を小さくでき、全体のコストを抑制することが可能となる。
さらに、車両の走行状態とキャパシタ３の正極負極端子間の電圧Ｖのみに基づいて、各切り換えスイッチ２ａ，２ｂの切り換え制御、各開閉スイッチ５，７の開閉及び発電機１の発電状態（運転状態）を制御するため、モニタする物理量も少なく、制御も単純なものとすることができる。

以上のように、車両が減速するときに発電機１によって回生する回生エネルギーを一時的に蓄えるために電気二重層キャパシタや他のキャパシタを用いることにより、頻繁に加速減速を繰り返す車両の回生エネルギーを効率よく回収でき、かつ二次電池等を用いる場合よりも軽量にでき、車両の省エネルギー化にも寄与できる。

実際の形態２．
図５、図６は、実施の形態２である車載用電源装置を示すものであり、図５は車載用電源装置の構成を示す構成図、図６は動作を説明するためのフローチャートである。図５において、制御手段２０が設けられている。また、実施の形態１と同様の図示しない減速判定手段及び電圧検出手段並びに新規に負荷把握手段が設けられている。負荷把握手段は、必要電力量Ｐｎを電気負荷９のＯＮ／ＯＦＦ状態や電気負荷９に供給される電流をモニタすることで算出し、電気負荷９の大きさを把握する。なお、第一及び第二の切換手段としての第一及び第二の切り換えスイッチ２ａ，２ｂ、接続開閉手段としての第二の開閉スイッチ７、制御手段２０、図示しない減速判定手段及び電圧検出手段並びに負荷把握手段がこの発明における制御装置である。

その他の構成については、図１に示した実施の形態１と同様のものであるので、相当するものに同じ符号を付して説明を省略する。上記実施の形態１においては、車両が減速中でないすなわち停止、加速、定速走行のいずれかの状態で、かつキャパシタ３に電力が充電されていない場合（正極負極端子間の電圧Ｖが所定値Ｖｔｈ以下の場合）に図１の接続形態を選択し、発電機１で発生した電力をＤＣ／ＤＣコンバータ６を介さずに電気負荷９に供給したが、この実施の形態においては車両の走行状態にかかわらず電気負荷９の必要電力量が所定値を越える場合に図１の接続形態とするものである。

その動作について図６のフローチャートを用いて説明する。図６において、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０５については実施の形態１の図４のフローチャートと同様であるが、最初にステップＳ２０１が追加されている点が異なる。制御手段２０の図示しない負荷把握手段は、ステップＳ２０１において電気負荷９の必要電力量Ｐｎが所定値Ｐｔｈ以上かどうかを判定する。この必要電力量Ｐｎが所定値Ｐｔｈ未満の場合はステップＳ１０１へ行って、以降は実施の形態１と同様の動作をする。

ステップＳ２０１において、電気負荷９の必要電力量Ｐｎが所定値Ｐｔｈ以上である場合は、ステップＳ１０３にて図１の接続形態となるよう、制御手段２０が第一及び第二の切り換えスイッチ２ａ，２ｂを切換制御して、第一の切り換えスイッチ２ａにより発電機の正極端子を第一の二次電池４の正極端子に接続し、第二の切り換えスイッチ２ｂによりキャパシタ３の負極端子をアースに接続し、第一の開閉スイッチ５を開路し、第二の開閉スイッチ７を閉路する。なお、発電機１は駆動される。これにより、発電機１の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介することなく、第一及び第二の二次電池４，８に供給されこれらの二次電池を充電するとともに電気負荷９にも供給される。

上記のように構成することにより、電気負荷９の必要電力量Ｐｎが所定値Ｐｔｈ以上となった場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介さずに発電機１にて発生した電力を供給することができるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の容量を小さくでき、全体のコストを抑制することが可能となる。

この発明の実施の形態１である車載用電源装置の構成を示す構成図である。 車両が減速中で、発電機から発生した電力をキャパシタに充電する場合の接続形態を示す接続形態図である。 キャパシタに充電されている電力をＤＣ／ＤＣコンバータを介して電気負荷に供給する場合の接続形態を示す接続形態図である。 動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１である車載用電源装置の構成を示す構成図である。 動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１ 発電機、２ａ，２ｂ 第一及び第二の切り換えスイッチ、３ キャパシタ、
４ 第一の二次電池、５ 第一の開閉スイッチ、６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、
７ 第二の開閉スイッチ、８ 第二の二次電池、９ 電気負荷、１０，２０ 制御手段。

Claims (8)

1. 発電機と主電源装置とキャパシタと蓄電装置とＤＣ／ＤＣコンバータ装置と制御装置とを有し、車両に搭載される車両用電源装置であって、
   上記発電機は上記車両を駆動する内燃機関あるいは他の動力源によって駆動されるものであり、
   上記主電源装置に電気負荷が接続されるものであり、
   上記ＤＣ／ＤＣコンバータ装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ用開閉手段とＤＣ／ＤＣコンバータとを有するものであり、
   上記制御装置は、第一及び第二の切換手段と制御手段とを有し、
   上記第一及び第二の切換手段を切換制御することにより、上記キャパシタを上記第一及び第二の切換手段を介して上記発電機に並列に接続し上記発電機から上記キャパシタに電気エネルギーを充電可能とする第一の接続形態と、上記キャパシタと上記蓄電装置とが直列に接続された直列回路が形成される第二の接続形態とに切り替えるものであって、
   かつ上記第二の接続形態に切り替えられたとき上記ＤＣ／ＤＣコンバータ用開閉手段を閉路して上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記直列回路を上記主電源装置に接続し上記キャパシタに蓄積された上記電気エネルギーを上記主電源装置に供給できるようにするものである
   車両用電源装置。
2. 上記制御装置は、上記第一及び第二の切換手段を切換制御して上記キャパシタを上記発電機から切り離すとともに上記蓄電装置を上記発電機に接続して上記発電機から充電しうるようにするものであ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. 上記制御装置は、上記蓄電装置と上記主電源装置とを接続する接続開閉手段を有するものであって、上記コンバータ用開閉手段を開路しかつ上記接続開閉手段を閉路して上記主電源装置を上記発電機に接続して上記発電機から電力の供給を可能とするものであることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。
4. 上記制御装置は、上記車両が減速中か否かを判定する減速判定手段を有するものであって、上記減速判定手段が上記車両が減速中であると判定したとき上記第一及び第二の切換手段を切換制御して上記第一の接続形態に切り替え、上記発電機から上記キャパシタに上記電気エネルギーを充電するものであることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。
5. 上記制御装置は、上記キャパシタの正極及び負極端子間電圧を検出する電圧検出手段を有するものであって、上記減速判定手段が上記車両が減速中であると判定していなくてかつ上記キャパシタの正極及び負極端子間電圧が所定値以上のとき上記発電機の発電を停止するとともに上記第二の接続形態に切り替え、上記コンバータ用開閉手段を閉路して上記直列回路を上記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して上記主電源装置に接続し上記キャパシタに蓄積された上記電気エネルギーを上記主電源装置に供給するものであることを特徴とする請求項４に記載の車両用電源装置。
6. 上記制御装置は、上記キャパシタの正極及び負極端子間電圧を検出する電圧検出手段を有するものであって、上記減速判定手段が上記車両が減速中であると判定していなくてかつ上記キャパシタの正極及び負極端子間電圧が所定値未満のとき上記第一及び第二の切換手段を切換制御して上記キャパシタを上記発電機から切り離すとともに上記接続用開閉手段を閉路して上記発電機を上記蓄電装置及び上記主電源装置に接続して上記発電機から電力を供給するものであることを特徴とする請求項４に記載の車両用電源装置。
7. 上記制御装置は、上記電気負荷の大きさを把握する負荷把握手段を有するものであって、上記電気負荷の大きさが所定値以上であるとき上記第一及び第二の切換手段を切換制御するとともに上記接続用開閉手段を閉路することにより、上記キャパシタを上記発電機から切り離すとともに上記発電機を上記主電源装置及び上記電気負荷に接続して上記発電機から電力を供給するものであることを特徴とする請求項３に記載の車両用電源装置。
8. 上記キャパシタは、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に記載の車両用電源装置。

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