JP2010200562A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチを閉じる際、スイッチの破損を防止することができる車両用電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】発電機２と、副電源３および主電源４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６と、スイッチ７と、副電源３の出力電圧を検出する第１の電圧検出センサ９と、制御装置８とを備える。制御装置８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧が入力電圧と略同一になるように制御した後、第１の電圧検出センサ９が検出した電圧に基づいてスイッチ７を閉じる制御を行うことで、スイッチ７を閉じる際にショートが発生しないようにするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、主電源と副電源とからなる２つの電源を備え、車両の減速時に発電機で発生した回生エネルギを副電源に充電して利用する車両用電源装置に関するものである。

従来の車両用電源装置としては、車両の減速時に発電機で発生した回生エネルギを副電源に充電し、副電源の電圧を変圧するＤＣ／ＤＣコンバータを経由して主電源に充電するものがある。

また、副電源と主電源との間にスイッチを設け、ＤＣ／ＤＣコンバータを経由せずに副電源から主電源へ直接充電するために副電源と主電源との電圧差が所定の値より小さいときにスイッチを閉じる。

このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータが変圧動作を行っているため、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力端と出力端との間でショートが生じる。このショートによりスイッチに高い突入電流が流れるものであった。

なお、先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００４−２６６８８８号公報

従来の車両用電源装置では、スイッチを閉じる際に高い突入電流が流れるため、スイッチの内部部品同士が融着、または内部部品の破壊により、スイッチが破損する可能性があるという問題があった。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたものであり、スイッチを閉じる際、スイッチの破損を防止することができる車両用電源装置を提供することを目的とする。

本発明の車両用電源装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を入力電圧と略同一になるように制御した後、電圧検出センサが検出した電圧に基づいてスイッチを閉じる制御を行うものである。

本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が入力電圧と略同一になるように制御した後にスイッチを閉じるためショートが発生しない。このため、スイッチを閉じる際に高い突入電流が流れず、スイッチの破損を防止することができる。

以下、本発明の一実施の形態における車両用電源装置について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形態における車両用電源装置のブロック図である。

図１に示すように、車両用電源装置１は、エンジンから駆動したモータにより発電する発電機２と、副電源３と主電源４とからなる２つの電源とを備えるものである。例えば、副電源３の定格電圧は１８V程度、主電源４の定格電圧は１４V程度である。

副電源３または発電機２と、車両音響機器などの電気的負荷５を接続する主電源４とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して電気的に接続される。このＤＣ／ＤＣコンバータ６は副電源３の電圧を降圧して出力する。

さらに、副電源３または発電機２と、主電源４との間には機械式リレーからなるスイッチ７を設ける。このスイッチ７は、制御装置８から出力されるスイッチ制御信号により開閉する。

また、上述した副電源３の出力端に第１の電圧検出センサ９を設けるとともに、主電源４の出力端に第２の電圧検出センサ１０を設ける。各々、接続した電源の出力電圧を検出して、電圧値信号を制御装置８へ通知する。

制御装置８は、第１の電圧検出センサ９および第２の電圧検出センサ１０が検出した電圧に基づいてスイッチ７の開閉を制御する。車両が走行している間は、制御装置８はスイッチ７を開く制御を行う。

制御装置８がスイッチ７を閉じる制御を行う場合としては、例えば、主電源４から、副電源３または発電機２へ直接電気エネルギの供給を行う場合がある。これは、副電源３の蓄電量が十分でなく、電気エネルギを十分に供給できない場合である。

この副電源３が電気エネルギを十分に供給できない場合として、発電機２のモータをエンジンを始動するときのスタータとして用いる場合がある。エンジンを始動するときとしては、運転の開始時、または、車両が停止によりアイドリングストップがなされた後にエンジンを再始動するときがある。

発電機２のモータをスタータとして使用するとき、瞬間的に大きな電気エネルギを必要とする。副電源３の出力電圧が所定の電圧値（例えば、１５V程度）より小さいとき、副電源３は発電機２のモータをスタータとして使用するのに十分な電気エネルギの供給ができない。このため、制御装置８は、スイッチ７を閉じて、副電源３だけでなく鉛バッテリを用いた主電源４も併せて、電気エネルギを発電機２へ供給する。

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の内部構成を詳細に説明する。

図１に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、このＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力端にその一端を接続した第１のＭＯＳスイッチ６１と、この第１のＭＯＳスイッチ６１の他端とＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力端との間に設けたチョークコイル６２を備えるものである。

さらに、第１のＭＯＳスイッチ６１とチョークコイル６２との接続点とグランドとの間に第２のＭＯＳスイッチ６３を設ける。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力端に第３の電圧検出センサ６４を設ける。第３の電圧検出センサ６４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧を検出して電圧値信号を制御装置８へ通知する。

パルス発生器６５は、第１のＭＯＳスイッチ６１および第２のＭＯＳスイッチ６３をＯＮまたはＯＦＦするための制御信号（第１の制御信号および第２の制御信号）を出力する。このパルス発生器６５は、第２の制御信号ＯＮの期間およびＯＦＦの期間が、第１の制御信号ＯＮの期間およびＯＦＦの期間と逆になるように制御信号の出力を行う。パルス発生器６５は、制御装置８により制御される。

制御装置８は、第３の電圧検出センサ６４が検出したＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧が所望の電圧値でないとき、パルス発生器６５が出力する第１および第２の制御信号のＯＮする期間およびＯＦＦする期間の比率を制御して所望の電圧値となるようにする。

以上のように構成された車両用電源装置１について、その動作を説明する。

制御装置８は、車両が走行しているときスイッチ７を開く制御をしている。このとき、発電機２で発電された電気エネルギは副電源３に蓄電されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を経由して主電源４にも蓄電される。第１の電圧検出センサ９は副電源３の出力電圧を検出しており、第２の電圧検出センサ１０は主電源４の出力電圧を検出している。

制御装置８は、エンジンの停止後、再度エンジンを始動する場合、第１の電圧検出センサ９が検出した電圧が所定の電圧より小さいとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧が入力電圧と略同一になるように制御し、その後、スイッチ７を閉じるように制御を行う。

以上の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。図２は本発明の一実施の形態における車両用電源装置の要部であるスイッチ７を閉じる際の制御装置８の動作を説明する図である。図３から図５は同各部の電圧および信号と時間との関係を説明する図である。

最初に、車両がエンジンを停止した直後（図２のエンジン停止直後）の車両用電源装置１の各部の電圧を図３および図４を用いて説明する。

図３のＴ０からＴ１の期間、車両は走行しており、Ｔ１において車両が停止（図２のエンジン停止直後）したものとする。

制御装置８は、図３のＴ０からＴ１の期間、スイッチ７が開くように制御（スイッチ制御信号をＬＯＷ）する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧（Ｖｏｕｔ）は、主電源４の出力電圧（Ｖｍａｉｎ）と一致し、副電源３の出力電圧（Ｖｓｕｂ）よりＤＣ／ＤＣコンバータ６により降圧された電圧（Ｖｄｒｏｐ）だけ低い電圧となる。例えば、Ｖｓｕｂは１８V程度の電圧であり、Ｖｄｒｏｐは４Ｖ程度であり、Ｖｍａｉｎは１４V程度となる。

次に、図３のＴ０からＴ１の期間における、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の内部動作について図４を用いて詳しく説明する。

図４のＴ１０からＴ１４の期間、第１の制御信号は一定の周期でＯＮとＯＦＦを繰り返している。第２の制御信号は、第１の制御信号とＯＮとＯＦＦが逆相になっている。

第１の制御信号および第２の制御信号の１周期は、図４のＴ１０ｓからＴ１２の期間である。この１周期は、ＯＮの期間（図４のＴ１０からＴ１１）をＴａ、ＯＦＦの期間（図４のＴ１１からＴ１２）をＴｂとするものである。

このＴａの期間では、第１の制御信号がＯＮとなり、第２の制御信号がＯＦＦされる。このとき、チョークコイル６２には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力端から第１のＭＯＳスイッチ６１を経由して電流が流れる。この電流によりチョークコイル６２に逆起電力が発生し、電気エネルギが蓄積される。

Ｔｂの期間では、第１の制御信号がＯＦＦされ、第２の制御信号がＯＮされる。このとき、チョークコイル６２にはグランドから第２のＭＯＳスイッチ６３を経由して電流が流
れ、Ｔａの期間に蓄積された電気エネルギを放出する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧は、ＴａとＴｂの比率により決定される。ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧は以下の式で表される。

Ｖｏｕｔ＝（Ｔａ／（Ｔａ＋Ｔｂ））＊Ｖｓｕｂ
図３のＴ０からＴ１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力電圧であるＶｓｕｂが１８Ｖ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧（Ｖｏｕｔ）が１４Ｖとなっている。このため、ＴａとＴｂの期間は以下となるように制御される。

（Ｔａ／（Ｔａ＋Ｔｂ））＝（１４／１８）

次に、エンジン始動（ステップＳ０１）から停止（ステップＳ０８）までの車両用電源装置における各部の電圧（図３のＴ２からＴ６）について説明する。

ステップＳ０１において、制御装置９は、エンジンが始動されるか否かを判断する。エンジンが始動される場合とは、運転手がエンジンを始動する場合のほか、アイドリングストップをしたあとにエンジンが再度始動される場合である。エンジンが始動されないとき（ステップＳ０１でＮＯ）、制御装置９は再度ステップＳ０１を実行する。

エンジンが始動されるとき（ステップＳ０１でＹＥＳ）、制御装置９は、第１の電圧検出センサ１０により検出された副電源３の出力電圧（Ｖｓｕｂ）が所定の電圧値（Ｖｓｔ）より小さいか否かを判断する（ステップＳ０２）。このＶｓｔは、副電源３が発電機２にスタータ動作をさせるに足りる電圧か否かを判断するための値であり、例えば、１５V程度の電圧である。

ステップＳ０２を行う理由を説明する。発電機２のモータをエンジン始動のためのスタータに利用する場合、発電機２を大電流で駆動する必要がある。エンジンが停止後、副電源３が放電することにより電圧が低下するなど蓄電量が減少すると、スタータの駆動ができなくなる。この場合、制御装置８がスイッチ７を閉じることで、鉛バッテリを用いた主電源４から発電機２へ電気エネルギを供給する。

制御装置８は、ＶｓｕｂがＶｓｔより小さい（ステップＳ０２でＹＥＳ）とき、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の等圧化処理を行う（ステップＳ０３）。このＤＣ／ＤＣコンバータ６の等圧化処理とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力端の電圧を入力端の電圧と略同一にする処理である。制御装置８は、ステップＳ０３の終了後、スイッチ７を閉じ（ステップＳ０４）、スタータを始動する（ステップＳ０５）。

ＶｓｕｂがＶｓｔ以上（ステップＳ０２でＮＯ）の場合、副電源３が発電機２のスタータを駆動することができる。このため、制御装置９は、スイッチ７を閉じることなくスタータを始動する（ステップＳ０５）。このとき、副電源３が発電機２へ電気エネルギを供給する。

スタータを始動（ステップＳ０５）後、制御装置８は、エンジンが始動したか否かを判断する（ステップＳ０６）。スタータを始動してもエンジンが始動しない場合（ステップＳ０６でＮＯ）、制御装置８は、スイッチ７を開いた後、再度スタータを始動すべくステップＳ０２を再実行する。

制御装置８は、エンジンが始動したあと（ステップＳ０６でＹＥＳ）、スイッチ７を開く制御を行う（ステップＳ０７）。その後、車両は走行状態となる。

制御装置８は、ステップＳ０７を実行した後、エンジン停止の指示があるか否かを判断する（ステップＳ０８）。エンジンの停止とは、運転手がエンジンを停止する場合のほか、車両が交差点などで一時的に停止したときにアイドリングストップを行うためにエンジンが停止する場合がある。

エンジンが停止されないとき（ステップＳ０８でＮＯ）、制御装置９は再度ステップＳ０８を実行する。エンジンが停止指示があるとき（ステップＳ０８でＹＥＳ）、制御装置９は、エンジンを停止させる（図２のエンジン停止）。

エンジン始動指示後（ステップＳ０１でＹＥＳ）、スイッチを開く（ステップＳ０７）までの車両用電源装置１の各部の電圧を図３を用いて説明する。

図３のＴ１は、車両が停止直後（図２のエンジン停止直後）の時間である。エンジン停止後、副電源３の出力電圧（Ｖｓｕｂ）は放電等により徐々に電圧が低下する（図３のＴ１からＴ２）。

制御装置８は、図３のＴ２においてエンジンを始動（ステップＳ０１でＹＥＳ）する場合、ステップＳ０２の処理を行う。図３のＴ２では、ＶｓｕｂがＶｓｔ（１５Ｖ）より小さくなっている（ステップＳ０２でＹＥＳ）。このため、制御装置８は、図３のＴ２からＴ３にかけてＤＣ／ＤＣコンバータ６の等圧化処理（ステップＳ０３）を行う。

この等圧化処理により、図３のＴ３では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力端の電圧（Ｖｏｕｔ）が入力端（Ｖｍａｉｎ）の電圧と略同一になっている。この図３のＴ３において、制御装置８はスイッチ７が閉じる制御を行う（ステップＳ０４）。このとき、制御装置８はスイッチ制御信号をＬＯＷからＨＩＧＨに変化させる。

図３のＴ３に続いて、制御装置８は、図３のＴ４においてスタータを始動（ステップＳ０５）する。その後、制御装置８は、エンジンが始動を判断（ステップＳ０６でＹＥＳ）した後、図３のＴ５においてスイッチ７を閉じる（ステップＳ０７）。

図３のＴ５からＴ６の期間はエンジンが始動しているため、副電源３の出力電圧（Ｖｓｕｂ）は発電機２により充電されて所定電圧（１８Ｖ）に収束していくとともに、主電源４の出力電圧（Ｖｍａｉｎ）も所定電圧（１４Ｖ）に収束していく。

次に、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の等圧化処理時における、ＤＣ／ＤＣコンバータ６内部の電圧および信号について図５を用いて説明する。

図５のＴ２０は、図３のＴ２に相当する時間である。図３のＴ２ではＶｓｕｂが１５Ｖ、Ｖｏｕｔが１４Ｖである。したがって、図５のＴ２０において出力端を基準としたＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力端と出力端の電位差（Ｖｄ）は１Ｖとなる。

図５のＴ２０からＴ２７が、制御装置８のよるＤＣ／ＤＣコンバータ６の等圧化処理（図２のステップＳ０３）を行った際の各部の電圧と信号である。

制御装置８は、図５において３段階（Ｔ２０からＴ２２、Ｔ２２からＴ２４、Ｔ２４からＴ２６の３段階）で、第１および第２の制御信号の各周期におけるＯＮ期間およびＯＦＦ期間の比率を変化させる。

制御装置８は、第１のＭＯＳスイッチ６１をオンする期間を徐々に長くするとともに、
第２のＭＯＳスイッチ６３をオンする期間を徐々に短くする。

第１段階（図５のＴ２０からＴ２２）における、第１のＭＯＳスイッチ６１のオン期間をＴａ１、オフ期間をＴｂ１とする。また、第２段階（図５のＴ２２からＴ２４）における、第１のＭＯＳスイッチ６１のオン期間をＴａ２、オフ期間をＴｂ２とする。また、第３段階（図５のＴ２４からＴ２６）における、第１のＭＯＳスイッチ６１のオン期間をＴａ３、オフ期間をＴｂ３とする。

制御装置８は、Ｔａ１〜Ｔａ３およびＴｂ１〜Ｔｂ３が、（Ｔａ１／（Ｔａ１＋Ｔｂ１））＜（Ｔａ２／（Ｔａ２＋Ｔｂ２））、かつ、（Ｔａ２／（Ｔａ２＋Ｔｂ２））＜（Ｔａ３／（Ｔａ３＋Ｔｂ３））となるようににパルス発生器６５を制御する。このようにすることにより、Ｖｄは徐々に０Ｖへ近づく。

最後に、制御装置８は、図５のＴ２６にて第１のＭＯＳスイッチ６１をＯＮし、第２のＭＯＳスイッチ６３をＯＦＦするように制御する。第１のＭＯＳスイッチ６１がＯＮされることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力端と出力端とは第１のＭＯＳスイッチ６１およびチョークコイル６２で同通された状態となり、図５のＴ２６からＴ２７にかけてＶｄは０Ｖに近づく。

制御装置８は、第１のＭＯＳスイッチ６１をＯＮ（図５のＴ２６）した後、Ｖｄが０Ｖ近傍となったとき（図５のＴ２７）、スイッチ７を閉じる。

このように制御装置８は、第１のＭＯＳスイッチ６１がオンする期間を徐々に長くするとともに、第２のＭＯＳスイッチ６３がオンする期間を徐々に短くすることで、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧が入力電圧と略同一となるようにする。

第１のＭＯＳスイッチ６１をいきなりＯＮするのではなく、オンの期間を徐々に長くすることで、電圧変化に伴う電流変化を抑えることができ、ＤＣ／ＤＣコンバータ６、副電源３、および主電源４への負荷を軽減することができる。

以上のように、本発明の一実施の形態における車両用電源装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧を入力電圧と略同一になるように制御した後にスイッチ７を閉じるためショートが発生しない。このため、スイッチを閉じる際に高い突入電流が流れず、スイッチの破損を防止できるという効果を有する。

なお、制御装置８は、（図５のＴ２７）スイッチ７を閉じると記載したが、スイッチ７を閉じた後、所定時間（Ｔｗａｉｔ）経過した後（図５のＴ２８）に第１のＭＯＳスイッチ６１をＯＦＦすることができる。このようにすることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６に電流が流れ込まないため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の消費電力をゼロにするこができる。

なお、本実施の形態における発電機２は、車両が減速する際の運動エネルギを用いて発電することができる。具体的には、発電時の回転抵抗を制動力として利用するものであり、回生ブレーキとも呼ばれる。通常は駆動力として用いている電動機を発電機２として作動させることで運動エネルギを電気エネルギに変換して回収する。

なお、本実施の形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ６は副電源３の出力電圧を降圧して主電源４に供給するものであるため、主電源４の定格電圧は副電源３の定格電圧より低いものが用いられる。

なお、本実施の形態におけるスイッチ７は機械式リレーだけでなく半導体を用いた半導体リレーでもよい。半導体リレーを用いることで、機械式リレーと比べノイズを低減することができる。また、スイッチ７を開閉時の突入電流を減らすことができるため、スイッチ７の破損を防止することができる。

なお、本発明の一実施の形態における車両用電源装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は降圧型の非絶縁式ＤＣ／ＤＣコンバータであると説明したが、昇圧型の非絶縁式ＤＣ／ＤＣコンバータを用いることもできる。

以上のように本発明は、スイッチを閉じる際に高い突入電流が流れず、スイッチの破損を防止でき、車両の減速時に発電機で発生した回生エネルギを充電して利用する車両用電源装置等として有用である。

本発明の一実施の形態における車両用電源装置のブロック図 同動作を説明する図 同各部の電圧および信号と時間との関係を説明する図 同各部の電圧および信号と時間との関係を説明する図 同各部の電圧および信号と時間との関係を説明する図

１ 車両用電源装置
２ 発電機
３ 副電源
４ 主電源
５ 電気的負荷
６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
７ スイッチ
８ 制御装置
９ 第１の電圧検出センサ
１０ 第２の電圧検出センサ
６１ 第１のＭＯＳスイッチ
６２ チョークコイル
６３ 第２のＭＯＳスイッチ
６４ 第３の電圧検出センサ
６５ パルス発生器

Claims (3)

1. 発電機と、
   この発電機と各々に接続した副電源および主電源とからなる２つの電源と、
   この副電源の電圧を変圧して出力する非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端および前記主電源に接続する電気的負荷と、
   前記主電源と副電源との間に設けたスイッチと、
   前記副電源の出力電圧を検出する電圧検出センサと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの変圧動作および前記スイッチの開閉を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を入力電圧と略同一になるように制御した後、前記電圧検出センサが検出した電圧に基づいて前記スイッチを閉じる制御を行うことを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、
   このＤＣ／ＤＣコンバータの入力端にその一端を接続した第１のＭＯＳスイッチと、
   この第１のＭＯＳスイッチの他端と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端との間に設けたチョークコイルと、
   前記第１のＭＯＳスイッチとチョークコイルとの接続点とグランドとの間に設けた第２のＭＯＳスイッチとを備える降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   前記制御装置は、前記第１のＭＯＳスイッチをオンする期間を徐々に長くするとともに、前記第２のＭＯＳスイッチをオンする期間を徐々に短くすることにより、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が入力電圧と略同一になるように制御す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. 前記制御装置は、
   前記電圧検出センサが検出した電圧が所定の電圧より小さいときに、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が入力電圧と略同一になるように制御することを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。