JP2012016116A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両外部からメインバッテリに充電が行われているときに、補機バッテリの蓄電量の判定を誤ることなく、補機バッテリへ十分な充電が行える車両用電源装置を提供する。
【解決手段】車両外部から充電が可能なメインバッテリ４と、メインバッテリ４の出力電圧を降圧して出力するDC／DCコンバータ５と、DC／DCコンバータ５の出力電圧によって充電されるとともに補機負荷１１に電力を供給する補機バッテリ８と、DC／DCコンバータ５を制御する制御部９とを備え、制御部９は、車両外部かメインバッテリ４に充電が行われているとき、DC／DCコンバータ５の出力する電流が所定の電流上限値を越えないように制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載されているバッテリへ充電を行なう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、車両外部から充電が可能なメインバッテリと、このメインバッテリの電圧を降圧して出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、このＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧によって充電され、かつ、補機負荷に電力を供給する補機バッテリと、補機バッテリの電圧を測定する電圧センサと、制御装置とを備えたものがある。

この制御装置は、車両運転時はＤＣ／ＤＣコンバータを連続運転させるように制御する。また、制御装置は、車両外部からメインバッテリに充電が行われているときは、ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動と停止を繰り返す間欠運転させるように制御する。

この間欠運転は、電圧センサの出力が下限しきい値電圧まで低下した場合にＤＣ／ＤＣコンバータの運転を開始させ、センサの出力が上限しきい値電圧まで上昇した場合にＤＣ／ＤＣコンバータの運転を停止させるものである。なお、先行文献技術としては、例えば、特許文献１が知られている。

国際公開第２００９／０１１４４４号

従来の車両用電源装置は、車両外部からメインバッテリに充電が行われているときにDC／DCコンバータを間欠動作させるものであった。このように動作をさせた場合、DC／DCコンバータが停止した状態から駆動した状態に遷移したときに電流値がパルス上に急峻に増加するパルス電流が補機バッテリに流れる。

補機バッテリの電圧を測定する電圧センサは、通常、補機バッテリの内部抵抗に依存した見かけ上の電圧を測定する。すなわち、電圧センサは、補機バッテリの開放端電圧Ｅではなく、補機バッテリの内部抵抗ｒの影響による見かけ上の電圧Ｖ（Ｖ＝Ｅ＋ｒＩ、Ｉ：補機バッテリへの充電電流）を測定するため、パルス電流の影響により電圧センサが測定した電圧Ｖは実際の補機バッテリの出力電圧Ｅよりも高い電圧として測定される。

このため、従来の車両用電源装置は、パルス電流による見かけの電圧上昇により電圧センサが測定した電圧が上限しきい値電圧より高くなりDC／DCコンバータが停止する。この結果、補機バッテリへの十分な充電が行われないという課題がある。

そこで本発明は、車両外部からメインバッテリに充電が行われているときに、補機バッテリの蓄電量の判定を誤ることなく、補機バッテリへ十分な充電が行え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、車両外部から充電が可能なメインバッテリと、前記メインバッテリの出力電圧を降圧して出力するDC／DCコンバータと、前記DC／DCコンバータの出
力電圧によって充電されるとともに補機負荷に電力を供給する補機バッテリと、前記DC／DCコンバータを制御する制御部とを備え、前記制御部は、車両外部から前記メインバッテリに充電が行なわれているとき、前記DC／DCコンバータの出力する電流が所定の電流上限値以下となるように制御するものである。

本発明は、DC／DCコンバータの出力する電力が所定の電流値を越えないように制御することで補機バッテリを充電するものである。このため、DC／DCコンバータを停止させないのでパルス電流が発生せずに補機バッテリを充電することができる。

以上のように本発明は、車両外部からメインバッテリに充電が行われているときに補機バッテリの蓄電量の判定を誤ることなく補機バッテリの蓄電量十分に確保することができるという効果を奏するものである。

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 DC／DCコンバータの動作状態を説明するための図 同動作を説明するためのフロー図 同動作を説明するためのフロー図 本発明の一実施の形態における車両用電源装置の動作を説明するためのタイミング図 本発明の一実施の形態における電流と電圧の関係を説明するための図

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において、車両用電源装置１へは、コネクタ２を介して車両の外部から電気エネルギが供給される。この供給された電気エネルギはメインバッテリ４に蓄電されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５を経由して補機バッテリ８へ蓄電、および、補機負荷１１へ供給される。

車両用電源装置１は、DC／DCコンバータ５の出力電圧および出力電流を測定する電圧センサ６および電流センサ７を備えるとともに、この測定結果に基づいてDC／DCコンバータ５を制御する制御部９を備える。この制御部９にはイグニッションスイッチ１０が接続される。以下、各部の構成を詳細に説明する。

コネクタ２は、充電器３の入力側に接続され、車両外部から供給された電気エネルギを車両内部の充電器３へ供給するためのものある。例えば、コネクタ２は、家屋または所定の施設に設置された電源コンセントに挿入する電源プラグである。コネクタ２へはこの電源コンセントから電気エネルギが供給される。

充電器３は、入力側はコネクタ２、出力側はメインバッテリ４、およびDC／DCコンバータ５に接続されている。充電器３は車両外部から供給された交流の電気エネルギを直流の電気エネルギに変換するともに変圧を行う。この変圧された電気エネルギは、主としてメインバッテリ４の充電に使用される。また、充電器３は、充電中か否かを表す充電器オン／オフ通知信号を制御部９へ出力する。

メインバッテリ４は、充電器３の出力、及びDC／DCコンバータ５の入力に接続されている。このメインバッテリ４は、車両走行中の車輪駆動用モータや電動コンプレッサ、およ
び、後述するDC／DCコンバータ５への電気エネルギを供給するための蓄電池である。例えば、メインバッテリ４にはニッケル水素電池、リチウムイオン電池を用いることができる。メインバッテリ４の出力電圧は例えば４００Ｖ程度である。

DC／DCコンバータ５は、入力された電圧を変圧して出力するものである。DC／DCコンバータ５は、充電器３の出力とメインバッテリ４に電気的に接続されている。DC／DCコンバータ５へは、コネクタ２により車両外部から供給された電気エネルギが充電器３を介して供給される。DC／DCコンバータ５は、補機バッテリ８および補機負荷１１に電気エネルギの供給をおこなう。

メインバッテリ４の電圧が補機バッテリ８の電圧よりも高いため、DC／DCコンバータ５は降圧を行う。

DC／DCコンバータ５の出力電圧は制御部９が出力する制御信号によって制御される。制御信号は、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）信号である。

電圧センサ６は、DC／DCコンバータ５の出力端子間に配置されDC／DCコンバータ５の出力電圧（Ｖｏｕｔ）を測定するものである。DC／DCコンバータ５の出力端子と補機バッテリ８とは後述のように電流センサ７を介して電気的に接続されているが、電流センサ７の内部抵抗は非常に小さいため、Ｖｏｕｔは補機バッテリ８の出力電圧と略同一となる。電圧センサ６は出力電圧Ｖｏｕｔを測定した結果を電圧値信号として制御部９へ出力する。

電流センサ７は、DC／DCコンバータ５と補機バッテリ８の間に直列に接続されている。DC／DCコンバータ５から補機バッテリ８および補機負荷１１へ流れる電流を測定するものである。

詳細には、電流センサ７の一端はDC／DCコンバータ５の出力と電気的に接続し、他端が補機バッテリ８および補機負荷１１に電気的に接続する。電流センサ７は、DC／DCコンバータ５の出力電流（Ｉｏｕｔ）を検出して電流値信号として制御部９へ出力する。電流センサ７には、例えば、ホール素子電流センサやシャント抵抗と増幅回路を組み合わせた物を用いることができる。

補機バッテリ８は、電流センサ７及び補機負荷１１に接続されており、DC／DCコンバータ５から出力された電気エネルギを蓄電するものである。また、補機バッテリ８は蓄電している電気エネルギを補機負荷１１へ供給する蓄電池ともなる。補機バッテリ８は、例えば、鉛バッテリである。補機バッテリ８の出力電圧は例えば１２Ｖ程度である。

制御部９は、充電器３が出力する充電通知信号、電圧センサ６が出力する電圧値信号、電流センサ７が出力する電流値信号、イグニッションスイッチ１０が出力するイグニッションスイッチ信号に基づいてDC／DCコンバータ５へ出力するＰＷＭ制御するものである。

イグニッションスイッチ１０は、例えば、カーナビゲーション装置、カーオーディオなどのアクセサリ、および、パワーウインドウ、ＥＴＣ（登録商標）、充電器３の冷却ファン、DC／DCコンバータ５の冷却ファン、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ
Ｕｎｉｔ）などの電装品への電源をオンまたはオフを指示するためのスイッチである。イグニッションスイッチ１０がオンされるとアクセサリへの電源が入り、オフされるとアクセサリおよび電装品への電源が切断される。

イグニッションスイッチ１０は、イグニッションスイッチ１０がオンされているか、オフされているかをあらわす信号（以下、「イグニッションスイッチ信号」と称す）を制御
部９へ出力する。

補機負荷１１は電気エネルギを消費する各種車載機器である。補機負荷１１は、電流センサ７及び補機バッテリ８と電気的に接続されている。DC／DCコンバータ５および補機バッテリ８から供給される電気エネルギを駆動用電源として用いる。

補機負荷１１は、上述したアクセサリおよび電装品である。

以上のように構成された車両用電源装置について、図２〜図６を用いてその処理動作を説明する。図２はDC／DCコンバータ５の動作状態を説明するための状態遷移図である。この図２を用いて本実施の形態における車両用電源装置のモードの遷移ついて説明する。

図２の「充電停止モード」は、イグニッションスイッチ信号がオフ、かつ、充電器オン／オフ通知信号がオフの状態であり、充電器３よりメインバッテリ４への充電が行われず、駐車中を想定したモードである。

また、図２の「充電中モード」は、イグニッションスイッチ信号がオフ、充電器オン／オフ通知信号がオンの状態であり、コネクタ２より、充電器３に電気エネルギが供給され、メインバッテリ４への充電中をしているモードである。また、DC／DCコンバータ５は、充電器３からメインバッテリ４への充電動作を阻害しないレベルで補機バッテリ８へ電気エネルギを供給する。

また、図２の「イグニッションオンモード」は、イグニッションスイッチ信号がオンの状態であり、補機負荷１１である電装品を駆動するため、メインバッテリ４より供給される電気エネルギをDC／DCコンバータ５より変圧して、後段の補機バッテリ８、および補機負荷１１へ供給するモードである。

次に、遷移方法に関して説明する。充電停止モード時、充電器オン／オフ通知信号がオフからオンに遷移すると、充電器３は充電動作に入るため、充電中モードに遷移する。

充電中モード時、充電器オン／オフ通知信号がオンからオフに遷移すると、充電器３は充電動作を停止するため充電停止モードに遷移する。

充電停止モード時、イグニッションスイッチ信号がオフからオンに遷移すると、電装品が駆動されるため、DC／DCコンバータ５の電流上限値を切り替えるため、イグニッションオンモードに遷移する。

また、イグニッションオンモード時、イグニッションスイッチ信号がオンからオフに遷移すると、電装品が駆動を止めるため、DC／DCコンバータ５の電流上限値を切り替えるため、充電停止モードに遷移する。

次に、図３、図４を用いて本発明の一実施の形態における車両用電源装置の動作を説明する。図３、図４は本発明の一実施の形態における車両用電源装置の制御部９の動作を説明するためのフロー図である。

図３のスタートは充電停止モードであるとして説明する。最初に制御部９は、イグニッションスイッチ信号によりイグニッションスイッチ１０がオンされているか否かを判定する（Ｓ０１）。

イグニッションスイッチ１０がオフ（Ｓ０１でＮＯ）されているとき、制御部９は充電
器オン／オフ通知信号により充電器３が充電中か否かを判定する。

充電器３が充電中でない場合（Ｓ０２でＮＯ）、制御部９はDC／DCコンバータ５は動作を停止し(Ｓ０３)、処理を終了（エンド）する。

充電器３が充電中である場合（Ｓ０２でＹＥＳ）、すなわち、図２の「充電中モード」であるとき、制御部９は電流上限値としてＩｒｅｆ２を設定する（Ｓ０４）。なお、この電流上限値Ｉｒｅｆ２は、１０Ａ程度の値である。

ここで、電流上限値とは、DC／DCコンバータ５から補機バッテリ８および補機負荷１１へ流れる電流値がこの値を超えないように制御するためのパラメータである。具体的には、制御部９が電流センサ７により出力された電流値信号を受信し、この値に基づいてDC／DCコンバータ５を制御することで実現する。詳細な制御については後述する。

Ｓ０４の次に、制御部９はDC／DCコンバータ５が動作しているか否かを判定する（Ｓ０５）。DC／DCコンバータ５が動作しているとき（Ｓ０５でＹＥＳ）、制御部９はＰＷＭ処理のサブルーチン（Ｓ０７）を実行する。

一方、DC／DCコンバータ５が動作していないとき（Ｓ０５でＮＯ）、制御部９はDC／DCコンバータ５をオン(Ｓ０６)した後、ＰＷＭ処理のサブルーチン（Ｓ０７）を実行する。ＰＷＭ処理のサブルーチンの終了後、制御部９は処理を終了（エンド）した後、再度処理をスタートに戻す。

イグニッションスイッチ１０がオン（Ｓ０１でＹＥＳ）されているとき（イグニッションオンモード）には、制御部９は充電器３が動作しているか否かを判定する（Ｓ０８）。

充電器３が動作しているときは（Ｓ０８でＹＥＳ）、制御部９は充電器３をオフする。イグニッションスイッチ１０がオンしている状態は車両が走行開始する可能性が高いため充電器３による充電を中止する必要があるからである。

充電器３が動作していないときは（Ｓ０８でＮＯ）、制御部９は電流上限値としてＩｒｅｆ１を設定した後（Ｓ１０）、処理をＳ０５に進める。なお、この電流上限値Ｉｒｅｆ１は、１００Ａ程度の値である。上述したＩｒｅｆ２と、このＩｒｅｆ１との関係は後に説明する。

次にサブルーチン（Ｓ０７）について図４を用いて説明する。

制御部９はDC／DCコンバータ５の出力電流（Ｉｏｕｔ）が電流上限値以下であるか否かを判断する（Ｓ１１）。Ｉｏｕｔが電流上限値より大きい場合（Ｓ１１でＹＥＳ）、制御部９はDC／DCコンバータ５に対してＰＷＭのデューティを狭めるＰＷＭ処理制御をおこなう。デューティを狭めることにより、DC／DCコンバータ５は出力するＩｏｕｔを減少させる。

Ｉｏｕｔが電流上限値以下である場合（Ｓ１１でＹＥＳ）、制御部９はDC／DCコンバータ５の出力電圧（Ｖｏｕｔ）が所定の電圧上限値以下であるか否かを判断する（Ｓ１２）。なお、この電圧上限値は、１４Ｖ程度の値である。

Ｖｏｕｔが所定の電圧上限値より大きい場合（Ｓ１２でＮＯ）、制御部９は定電圧制御を維持しながら負荷電流の状況によりデューティを広げたり、狭めたりするＰＷＭ処理制御をDC／DCコンバータ５に対しておこなう（Ｓ１４）。この制御によりＶｏｕｔがほぼ電
圧上限値となる。

一方、Ｖｏｕｔが所定の電圧上限値以下である場合（Ｓ１２でＹＥＳ）、制御部９はDC／DCコンバータ５に対してＰＷＭのデューティを広げるＰＷＭ処理制御をおこなう。デューティを広げることにより、DC／DCコンバータ５はＶｏｕｔを増加させる。制御部９はＶｏｕｔが電圧上限値に達すると、この電圧上限値を維持するようにＰＷＭ処理制御をおこなう。

次にサブルーチン処理（Ｓ０７）に関して図５を用いて詳細に説明する。図５は本発明の一実施の形態における車両用電源装置の動作を説明するためのタイミング図である。

図５において、Ｔ０１〜Ｔ０２の区間は、DC／DCコンバータ５の動作はオフしており、Ｔ０２〜Ｔ０６の区間はDC／DCコンバータ５は動作している。Ｔ０２〜Ｔ０３の区間は、DC／DCコンバータ５が動作を開始する区間である。

電圧センサ６の電圧値、および電流センサ７の電流値は、所定の電流上限値、電圧上限値より低いので、Ｓ１１はＹＥＳ、Ｓ１２ではＹＥＳと判断された後、Ｓ１３のデューティを広げるＰＷＭ処理制御が行われる。

Ｔ０３〜Ｔ０４の区間では、DC／DCコンバータ５の一定負荷電流の条件下で、出力電圧Ｖｏｕｔが電圧上限値に達し、定電圧制御を維持するようにＰＷＭ制御をおこなっている区間である。

Ｔ０４〜Ｔ０５の区間では、DC／DCコンバータ５は、電流上限値以下での負荷電流値Ｉｏｕｔにて、定電圧制御を維持する区間であり、負荷電流の状況によりデューティを広げるたり、狭めたりするＰＷＭ処理制御をおこなう。

Ｔ０３〜Ｔ０４、Ｔ０４〜Ｔ０５の区間に関して、Ｓ１１がＹＥＳ、次のＳ１２ではＮＯと判断された後、Ｓ１４の定電圧制御を維持しながら負荷電流の状況によりデューティを広げたり、狭めたりするＰＷＭ処理制御が行われる。

Ｔ０５〜Ｔ０６の区間では、電流上限値以上の負荷電流値を要求されるが、定電流制御を維持し、電圧値Ｖｏｕｔが下がるため、出力電力を制限する区間であり、Ｓ１１でＮＯと判断され、定電流制御を維持し、Ｓ１５のデューティを狭めるＰＷＭ処理制御が行われる。

次に、図６を用いて上述したＩｒｅｆ２と、このＩｒｅｆ１との関係を説明する。図６は本発明の一実施の形態における電流と電圧の関係を説明するための図である。

図２のＳ０４で充電中に設定する電流上限値Ｉｒｅｆ２より、図２のＳ１０で走行中に設定する電流上限値Ｉｒｅｆ１は大きい値である。走行中はイグニッションスイッチ１０がオンされているため、充電中と比べてより多くの電力を必要とする。そのため電流上限値を充電中と比べて大きく設定しないとアクセサリおよび電装品へ電力が供給できなくなる場合があるからである。

このように充電中の電流上限値を切替ることで、走行中はアクセサリおよび電装品へ電力供給を強化するとともに、充電中は補機負荷１１への電力供給を抑えてメインバッテリ４への充電を阻害しないようにすることができる。

以上のように本実施の形態は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力に電流センサ７を備え、
DC／DCコンバータ５の出力電流（Ｉｏｕｔ）が電流上限値以下となるように制御することにより、DC／DCコンバータ５を停止させないのでパルス電流を発生させない。

この結果、補機バッテリ８の内部抵抗、補機バッテリ８に流れるパルス電流に依存した見かけ上の電圧を測定することによる補機バッテリ８の蓄電量の判定誤りを防止し、補機バッテリ８の蓄電量を十分に確保することができるという効果を奏する。

さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流を電流上限値以下に制御することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ５のオン／オフに起因したメインバッテリ４の電圧リップルおよび電流リップルを発生させず、メインバッテリ４の満充電判定を正確に行なうことができる。

なお、本実施の形態において、補機バッテリ８の入力端に電流センサをさらに備えることができる。この電流センサを制御部９の制御に利用してもよい。例えば、この電流センサの測定結果により、補機バッテリ８が充電、放電のいずれを行っているかを検出することができる。

放電を行っている場合、電流上限値を上昇させる処理を制御部９が行うようにできる。これにより、補機バッテリ８のバッテリ上がりを回避することができる。また、この電流センサを補機負荷１１の入力端に設けることも可能である。

なお、充電器３の入力側に電圧センサをさらに備えることができる。この電圧センサの測定結果を、充電器３の充電器オン／オフ通知信号として用いることができる。

なお、Ｓ０３でDC／DCコンバータ５をオフするようにしているが、これを次のように制御してもよい。DC／DCコンバータ５のオフしている期間が一定期間継続している場合、DC／DCコンバータ５をオンする。

例えば、一ヶ月経過しても一度もDC／DCコンバータ５がオンとなっていない状態であるため、バッテリ上がりの恐れがあるのでＤＣ／ＤＣコンバータ５を駆動する。これにより、駐車中の補機負荷１１駆動による補機バッテリ８のバッテリあがりを防止できるという効果を奏する。

なお、充電器３が満充電判定を行っている際、DC／DCコンバータ５を停止させる処理を追加してもよい。このようにすることにより、DC／DCコンバータ５によって発生するノイズがなくなるため、充電器３がメインバッテリ４の満充電判定をする際、より正確な判定ができるという効果を奏する。

なお、制御部９は、電流上限値を離散的な値ではなく連続的な値（アナログ値）で可変制御してもよい。これによりきめ細かい定電流制御が可能となる。補機バッテリ８が放電しないような最低限の定電流制御を行なうことで、充電器３の供給する電気エネルギをメインバッテリ４へ蓄電を増加させることができるという効果を奏する。

なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力端に電圧センサおよび電流センサをさらに備えることができる。入力電圧と入力電流の積を出力電圧で除することにより出力電流を推定することができる。この推定した出力電流をもとに制御部９が制御を行ってもよい。

なお、電流上限値をメインバッテリ４の電圧に応じて変更してもよい。制御部９はメインバッテリ４の電圧が所定の電圧値以下である場合、電流上限値を下げるようにする。このようにすることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力がより制限され、メインバッテリ４の充電量を増加させることができる。

以上のように本発明は、補機バッテリの蓄電量十分に確保することができ、車両に搭載されているバッテリへ充電を行なう車両用電源装置等として有用である。

１ 車両用電源装置
２ コネクタ
３ 充電器
４ メインバッテリ
５ DC／DCコンバータ
６ 電圧センサ
７ 電流センサ
８ 補機バッテリ
９ 制御部
１０ イグニッションスイッチ
１１ 補機負荷

Claims (4)

1. 車両外部から充電が可能なメインバッテリと、
   前記メインバッテリの出力電圧を変圧して出力するDC／DCコンバータと、
   前記DC／DCコンバータの出力電圧によって充電されるとともに補機負荷に電力を供給する補機バッテリと、
   前記DC／DCコンバータを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、車両外部から前記メインバッテリに充電が行なわれているとき、前記DC／DCコンバータの出力する電流が所定の電流上限値以下となるように制御することを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記補機バッテリが電力を供給する補機負荷は、充電器の冷却ファン、前記DC／DCコンバータが備える冷却ファン、カーナビゲーション装置、カーオーディオ、および、パワーウインドウの少なくとも１つ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. 前記補機バッテリの入力端に電流センサをさらに備え、
   前記制御部は、この電流センサの測定結果により前記補機バッテリが充電、放電のいずれを行っているかを検出し、放電を行っている場合に前記所定の電流上限値を上昇させ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. 前記制御部は、前記メインバッテリの出力電圧が所定の電圧値以下である場合、前記所定の電流上限値を下げることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。