JP2012147538A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流が変化しても高効率にＤＣ／ＤＣコンバータを動作できる車両用電源装置の提供。
【解決手段】高電圧蓄電部１１と低電圧蓄電部１９の間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ１５と、出力電流検出部２３と、負荷電流検出部２５と、低電圧蓄電部電圧検出回路２７と、これらと接続される制御部２９とを備え、制御部２９は、出力電流Ｉｏが既定出力電流Ｉｏｋよりも大きい場合は蓄電部電圧Ｖｂが既定蓄電部電圧Ｖｂｋを維持するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５を駆動し、出力電流Ｉｏが既定出力電流Ｉｏｋ以下である間は、低電圧蓄電部１９の放電電荷量Ｑｄが既定放電電荷量Ｑｄｋに至るまでＤＣ／ＤＣコンバータ１５を停止する動作と、放電電荷量Ｑｄが既定放電電荷量Ｑｄｋに至れば、駆動期間ｔｃに亘り出力端子１７に既定出力電流Ｉｏｋが流れるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５を駆動する動作と、を繰り返す。
【選択図】図１

Description

本発明は、高電圧蓄電部と低電圧蓄電部を有した車両において、高電圧蓄電部から低電圧蓄電部へ電力を供給する車両用電源装置に関するものである。

近年、省燃費化を図るためにハイブリッド自動車や電気自動車が開発され、車の電動化が進んできている。ハイブリッド自動車はエンジンの補助動力源として電動機を用いており、この電動機を減速時に発電機として使用することで、減速運動エネルギを電気エネルギに変換すること（回生）ができる。従って、回生で得られた電気エネルギを電動機駆動に再利用することで省燃費化を図ることができる。一方、電気自動車は加減速を電動機のみで行うが、ハイブリッド自動車と同様に回生が可能であるので、回生で得られた電気エネルギの再利用により省燃費化を図ることができる。

これらの車両では、電動機の駆動、および回生で得られた電気エネルギの蓄電のために高電圧蓄電部（主バッテリ）を搭載している。この高電圧蓄電部に蓄えられた電気エネルギは電動機を駆動するだけでなく、車両全体を制御する車両制御部（ＥＣＵ）やヘッドライト等の補機類の電源としても用いられている。すなわち、補機類は例えば１２Ｖの低電圧で動作するため、基本的には低電圧蓄電部（補助バッテリ）から電力が供給されるが、補機類の動作状態によっては低電圧蓄電部だけで電力をまかないきれない場合がある。そこで、高電圧蓄電部から低電圧蓄電部や補機類に電力が供給される構成としている。そして、高電圧蓄電部からの電力供給のために、ＤＣ／ＤＣコンバータが搭載されている。

このようなＤＣ／ＤＣコンバータとして、例えば特許文献１に示される電気自動車用ＤＣ／ＤＣコンバータが提案されている。その電気回路図を図３に示す。電気自動車の電動機１０１はチョッパ１０３が直列に接続される。また、電動機１０１とチョッパ１０３の直列回路には主バッテリ１０５が接続される。さらに、主バッテリ１０５はＤＣ／ＤＣコンバータ１０７を介してＥＣＵ１０９、補機類１１１、および補助バッテリ１１３が接続されている。従って、ＥＣＵ１０９、補機類１１１、および補助バッテリ１１３が低電圧系の回路を構成している。なお、ＥＣＵ１０９にはアクセルとブレーキからの信号が入力される構成としている。また、ＥＣＵ１０９はチョッパ１０３とも接続される。従って、ＥＣＵ１０９はアクセルとブレーキからの信号に応じてチョッパ１０３を制御することで、電気自動車の加減速を行なう。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７は降圧部１１９と制御部１２１から構成され、制御部１２１に内蔵された電圧制御回路１２３によって降圧部１１９が制御される。また、制御部１２１にはリレーコイル１２５によって切替制御される切替手段１２７と、切替手段１２７に接続される抵抗体１２９、１３１が設けられている。さらに、リレーコイル１２５にはタイマー手段１３３が接続される。

次に、このようなＤＣ／ＤＣコンバータ１０７の動作について説明する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７は主バッテリ１０５の高電圧を降圧部１１９によって低電圧に変換して、ＥＣＵ１０９、補機類１１１、および補助バッテリ１１３に電力を供給する。この際、通常はタイマー手段１３３によりリレーコイル１２５への通電が行なわれないように制御されるため、切替手段１２７は図３に示す接点を選択する。この時、電圧制御回路１２３に入力される電圧を第１設定電圧という。ゆえに、リレーコイル１２５が通電されない場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７の出力電圧が第１設定電圧になるように制御される。なお、第１設定電圧は補助バッテリ１１３の満充電に近い電圧であるので、補助バッテリ１１３が満充電に近くなると充電速度が低下し、過充電が防がれる。従って、補助バッテリ１１３が長寿命化される。

タイマー手段１３３は、１時間毎に５分だけリレーコイル１２５を通電制御する。これにより、切替手段１２７が抵抗体１２９、１３１を選択する。その結果、電圧制御回路１２３に入力される電圧は、抵抗体１２９、１３１の抵抗値で決定される第２設定電圧となる。この第２設定電圧は第１設定電圧よりも高いため、補助バッテリ１１３は切替手段１２７が切り替わることにより急速充電される。この時、補助バッテリ１１３の電解液が攪拌され比重が均一化する。これにより低電圧充電による補助バッテリ１１３の短命化を防ぐ。

このように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７の出力電圧を間欠的に高めることで、補助バッテリ１１３の長寿命化を図っている。

特許第２８５０９２２号公報

上記した図３に示すＤＣ／ＤＣコンバータ１０７の動作によると、確かに補助バッテリ１１３の長寿命化が図れるのであるが、負荷である補機類１１１や補助バッテリ１１３に流れる電流によってはＤＣ／ＤＣコンバータ１０７の効率が低下する可能性があるという課題があった。

すなわち、図３に示す構成における補助バッテリ１１３の充電方法としては２通りの電圧が設定されており、それに合わせてＤＣ／ＤＣコンバータ１０７は補助バッテリ１１３を充電している。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７は電流の大小にかかわらず第１設定電圧、または第２設定電圧を保つように常に動作しているため、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０７には常時スイッチング損失が発生している。その結果、特に電流が小さい場合はＤＣ／ＤＣコンバータのエネルギ変換効率が悪くな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、電流が変化しても高効率にＤＣ／ＤＣコンバータを動作できる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、高電圧蓄電部と、前記高電圧蓄電部と入力端子を介して電気的に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子と電気的に接続される低電圧蓄電部と、前記低電圧蓄電部と電気的に接続される低電圧負荷と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの前記出力端子に流れる出力電流（Ｉｏ）を検出する出力電流検出部と、前記低電圧負荷に流れる負荷電流（Ｉｆ）を検出する負荷電流検出部と、前記低電圧蓄電部と電気的に接続され、前記低電圧蓄電部の蓄電部電圧（Ｖｂ）を検出する低電圧蓄電部電圧検出回路と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ、出力電流検出部、負荷電流検出部、および低電圧蓄電部電圧検出回路と電気的に接続される制御部と、を備え、前記制御部は、前記出力電流（Ｉｏ）が既定出力電流（Ｉｏｋ）よりも大きい場合は前記蓄電部電圧（Ｖｂ）が既定蓄電部電圧（Ｖｂｋ）を維持するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動し、前記出力電流（Ｉｏ）が前記既定出力電流（Ｉｏｋ）以下である間は、前記負荷電流（Ｉｆ）に基づいて求められる前記低電圧蓄電部の放電電荷量（Ｑｄ）が、既定放電電荷量（Ｑｄｋ）に至るまで、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを停止する動作と、前記放電電荷量（Ｑｄ）が前記既定放電電荷量（Ｑｄｋ）に至れば、前記既定放電電荷量（Ｑｄｋ）を、前記既定出力電流（Ｉｏｋ）と前記負荷電流（Ｉｆ）との電流差（ΔＩ）で除して得られる駆動期間（ｔｃ）に亘り、前記出力端子に前記既定出力電流（Ｉｏｋ）が流れるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する動作と、を繰り返すようにしたものである。

本発明の車両用電源装置によれば、出力電流（Ｉｏ）に応じてＤＣ／ＤＣコンバータを連続運転、または間欠運転に切替えるため、出力電流（Ｉｏ）が小さい間欠運転中でＤＣ／ＤＣコンバータが停止中にはスイッチング損失がなくなり、動作中には既定出力電流（Ｉｏｋ）をＤＣ／ＤＣコンバータの最大効率になるように設定することでスイッチング損失を減らすことができる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータの損失が低減でき、高効率的な車両用電源装置を提供することができる。

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各種電流の経時特性図であり、（ａ）は低電圧負荷要求電流Ｉｆｄの経時特性図、（ｂ）は出力電流（Ｉｏ）の経時特性図 従来の電気自動車用ＤＣ／ＤＣコンバータの電気回路図

以下、本発明を実施するため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各種電流の経時特性図であり、（ａ）は低電圧負荷要求電流Ｉｆｄの経時特性図、（ｂ）は出力電流（Ｉｏ）の経時特性図を、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、高電圧蓄電部１１は車両を駆動するためのモータ（図示せず）に電力を供給するもので、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池で構成される。なお、高電圧蓄電部１１の電圧は前記モータを駆動するために、数１００Ｖとしている。この高電圧蓄電部１１は入力端子１３を介してＤＣ／ＤＣコンバータ１５と電気的に接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は入力端子１３に入力される数１００Ｖの高電圧を降圧して出力端子１７から出力する機能を有する。ここでは、一般的な車両の電装品に供給される電圧として、１２Ｖまで降圧する構成としている。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は絶縁型とし、そのグランドは高電圧系と低電圧系で独立した構成としている。

出力端子１７には低電圧蓄電部１９が電気的に接続されている。低電圧蓄電部１９は定格１２Ｖの電圧を有するもので、鉛バッテリで構成される。ここで、低電圧蓄電部１９における電圧を蓄電部電圧Ｖｂと呼ぶ。なお、低電圧蓄電部１９は鉛バッテリに限定されるものではなく、上記した二次電池や大容量キャパシタ等であってもよい。

低電圧蓄電部１９には低電圧負荷２１が電気的に接続される。ここで、低電圧負荷２１は一般的な車両に搭載される電装品であり、１２Ｖの低電圧で駆動する。このような構成により、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は高電圧蓄電部１１の高電圧を降圧して低電圧蓄電部１９を充電するとともに、低電圧負荷２１に電力を供給する。低電圧蓄電部１９は車両が急加速を行なうなどで高電圧蓄電部１１が大電力を放電している時に低電圧負荷２１へ電力を供給したり、高電圧蓄電部１１やＤＣ／ＤＣコンバータ１５が異常となった場合に低電圧負荷２１に電力を供給するバックアップ電源としての役割を有する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力端子１７には、出力端子１７に流れる出力電流Ｉｏを検出するための出力電流検出部２３が設けられている。ここで、出力電流検出部２３は、シャント抵抗器（図示せず）の両端電圧を測定することで出力電流Ｉｏを検出する構成とした。なお、出力電流検出部２３は上記構成に限定されるものではなく、例えばホール素子のように磁気的に検出するものであってもよい。また、出力電流検出部２３はＤＣ／ＤＣコンバータ１５の中で出力電流Ｉｏが検出できる部分に内蔵される構成としてもよい。この場合、出力電流ＩｏはＤＣ／ＤＣコンバータ１５から出力される構成とする。

同様に、低電圧負荷２１には、低電圧負荷２１に流れる負荷電流Ｉｆを検出するための負荷電流検出部２５が設けられている。この負荷電流検出部２５も出力電流検出部２３と同じ構成とした。

低電圧蓄電部１９には、蓄電部電圧Ｖｂを検出するための低電圧蓄電部電圧検出回路２７が電気的に接続されている。低電圧蓄電部電圧検出回路２７は２つの検出抵抗器（図示せず）の中点電圧を測定することで検出する構成とした。なお、低電圧蓄電部電圧検出回路２７は上記構成に限定されるものではなく、例えばＡ／Ｄコンバータにより蓄電部電圧Ｖｂを直接デジタル値に変換する構成のものでもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１５、出力電流検出部２３、負荷電流検出部２５、および低電圧蓄電部電圧検出回路２７は制御部２９と信号系配線により電気的に接続される。制御部２９はマイクロコンピュータと周辺回路（いずれも図示せず）で構成され、出力電流Ｉｏ、負荷電流Ｉｆ、および蓄電部電圧Ｖｂを読み込むとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を制御するための制御信号ｃｏｎｔを出力する機能を有する。なお、制御部２９は図示しない車両制御部とも信号系配線で接続され、様々な情報をデータ信号ｄａｔａにより送受信している。

次に、図２を用いて車両用電源装置の動作を説明する。ここで、低電圧蓄電部１９は、その充電量ＳＯＣ（ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）が１００％であるとする。なお、充電量ＳＯＣは低電圧蓄電部１９に入出力される電流の時間積分で求められる。ここでは、制御部２９が出力電流Ｉｏと負荷電流Ｉｆを検出することで低電圧蓄電部１９の入出力電流の時間積分を行なっている。

まず、時刻ｔ０において、図２（ａ）に示すように低電圧負荷２１が消費する低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが電流Ｉ３であるとする。この時、低電圧蓄電部１９の充電量ＳＯＣは１００％であるので、低電圧蓄電部１９には充電されない。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５からの出力電流Ｉｏはほぼ全てが低電圧負荷２１に供給される。よって、時刻ｔ０では低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが出力電流Ｉｏと等しくなる。ゆえに、図２（ｂ）に示すように、時刻ｔ０における出力電流Ｉｏは電流Ｉ３となる。

この時の電流Ｉ３（＝出力電流Ｉｏ）は既定出力電流Ｉｏｋよりも大きい。ここで、既定出力電流Ｉｏｋとは、出力電流Ｉｏが小さくなるとＤＣ／ＤＣコンバータ１５の効率が低下することから、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５が最大効率となる出力電流Ｉｏであると定義する。なお、ここでは最大効率を測定するための誤差や周囲温度等による外乱変動の変化を含めて最大効率としている。従って、ここで定義した既定出力電流Ｉｏｋには誤差マージンを含んで決定されている。また、既定出力電流Ｉｏｋは上記のようにして予め決定され、制御部２９に内蔵したメモリ（図示せず）に記憶されている。

時刻ｔ０から時刻ｔ１では出力電流Ｉｏが既定出力電流Ｉｏｋよりも大きいので、制御部２９はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を連続運転する。この時、制御部２９は蓄電部電圧Ｖｂが既定蓄電部電圧Ｖｂｋを維持するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５を駆動する。ここで、既定蓄電部電圧Ｖｂｋとは低電圧蓄電部１９の定格電圧（ここでは１２Ｖ）であると定義する。従って、低電圧蓄電部１９の充電量ＳＯＣが低下し、蓄電部電圧Ｖｂが前記定格電圧を下回ると、低電圧蓄電部１９には蓄電部電圧Ｖｂよりも高い既定蓄電部電圧Ｖｂｋが印加されるので、低電圧蓄電部１９が充電される。このように制御することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は低電圧蓄電部１９の充電と低電圧負荷２１への電力供給を同時に行なうことができる。なお、ここでは充電量ＳＯＣが１００％であるので、蓄電部電圧Ｖｂは既定蓄電部電圧Ｖｂｋとほぼ等しくなる。ゆえに、実質的にはＤＣ／ＤＣコンバータ１５は低電圧負荷２１に連続的に電力を供給することになる。

なお、既定蓄電部電圧Ｖｂｋは低電圧蓄電部１９の定格電圧に限定されるものではなく、定格電圧の誤差範囲や変動要因を含めてマージンを持たせて決定してもよい。この既定蓄電部電圧Ｖｂｋは既定出力電流Ｉｏｋと同様に予めメモリに記憶されている。

その後、時刻ｔ１で低電圧負荷２１の消費電流が増え、低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが図２（ａ）のように電流Ｉ４に増える。この時も、時刻ｔ０から時刻ｔ１と同様に、低電圧蓄電部１９は充電が行なわれないので、出力電流Ｉｏはほぼ全てが低電圧負荷２１に供給される。ゆえに、図２（ｂ）に示すように、時刻ｔ１における出力電流Ｉｏは電流Ｉ４となる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は連続運転を継続する。

次に、時刻ｔ２で図２（ａ）に示すように、低電圧負荷２１の一部が動作を停止するなどにより軽負荷となると、低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが電流Ｉ１まで低下する。この時、本来であれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は出力電流Ｉｏが電流Ｉ１となって引き続き低電圧負荷２１に電力を供給し続けるように動作するところであるが、電流Ｉ１（＝出力電流Ｉｏ）が既定出力電流Ｉｏｋ以下であるので、制御部２９はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を最大効率で動作させるために、以下に説明する間欠運転を行なう。

まず、時刻ｔ２で制御部２９は低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが電流Ｉ１まで低下したことを負荷電流検出部２５からの負荷電流Ｉｆで検出する。そして、負荷電流Ｉｆ（＝低電圧負荷要求電流Ｉｆｄ）が既定出力電流Ｉｏｋ以下であると判断すると、制御部２９はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を停止する。その結果、低電圧負荷２１へは低電圧蓄電部１９の電力が供給されることになる。この時、制御部２９は負荷電流検出部２５で検出される負荷電流Ｉｆに基づいて低電圧蓄電部１９から放電される放電電荷量Ｑｄを求める。具体的には、負荷電流Ｉｆが変化する場合、放電電荷量Ｑｄは負荷電流Ｉｆを時間積分することで求めているが、ここでは図２（ａ）に示すように、時刻ｔ２から時刻ｔ３までは低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが電流Ｉ１で一定であるため、単純に電流Ｉ１に経過時間を乗じることで放電電荷量Ｑｄを求めている。

次に、制御部２９は放電電荷量Ｑｄが既定放電電荷量Ｑｄｋに至ったか否かを判断する。ここで、既定放電電荷量Ｑｄｋとは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を停止している間に低電圧蓄電部１９が放電してもよい電荷量のことである。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の停止期間が長いほどＤＣ／ＤＣコンバータ１５の損失が少なくなるが、低電圧蓄電部１９が放電しすぎると、低電圧蓄電部１９を再充電して充電量ＳＯＣを１００％にするまでに長期間がかかる上、低電圧蓄電部１９の寿命が短くなる可能性もある。従って、充電期間や低電圧蓄電部１９の寿命を考慮して、例えば充電量ＳＯＣが９５％に至るまでは放電すると予め決定する。すなわち、充電量ＳＯＣが９５％であれば、充電期間が短くて済み、低電圧蓄電部１９の寿命にもほとんど影響しない。そこで、低電圧蓄電部１９の充電量ＳＯＣが１００％から９５％になるまでの電荷量を既定放電電荷量Ｑｄｋとして決定する。

なお、既定放電電荷量Ｑｄｋは充電量ＳＯＣが１００％から９５％に至る電荷量に限定されるものではなく、例えば低電圧蓄電部１９がキャパシタで構成されていれば大電流充電が可能なため、放電を許容する充電量ＳＯＣ（＝既定放電電荷量Ｑｄｋ）をもっと低い値に設定しても充電期間が短くて済む。また、キャパシタは充放電による寿命が鉛バッテリに比べ格段に長いので、寿命を考慮しても既定放電電荷量Ｑｄｋを大きく決定できる。このように、既定放電電荷量Ｑｄｋは、使用する低電圧蓄電部１９の特性に応じて適宜決定すればよい。

このような動作により、時刻ｔ２から時刻ｔ３まではＤＣ／ＤＣコンバータ１５が停止しているので、図２（ｂ）に示すように出力電流Ｉｏは０となる。また、その間は低電圧蓄電部１９から低電圧負荷２１に電力供給されるので、低電圧蓄電部１９は図２（ａ）に示す低電圧負荷要求電流Ｉｆｄ（ここでは電流Ｉ１）を負荷電流Ｉｆとして流し続ける。ゆえに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５が停止していても低電圧負荷２１は継続して動作する。

次に、時刻ｔ３で放電電荷量Ｑｄが既定放電電荷量Ｑｄｋに至ると、制御部２９は出力端子１７に既定出力電流Ｉｏｋが流れるように制御信号ｃｏｎｔをＤＣ／ＤＣコンバータ１５に出力する。これを受け、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は既定出力電流Ｉｏｋが流れるように定電流制御を行なう。それと同時に、制御部２９はＤＣ／ＤＣコンバータ１５の駆動期間ｔｃを以下のようにして求める。

まず、時刻ｔ２から時刻ｔ３までのＤＣ／ＤＣコンバータ１５の停止期間において、低電圧蓄電部１９が低電圧負荷２１に供給した放電電荷量Ｑｄは、上記したように低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが電流Ｉ１で一定であるので、放電電荷量Ｑｄは図２（ａ）の時刻ｔ２から時刻ｔ３に示した細斜線の面積に相当する。ゆえに、放電電荷量Ｑｄは電流Ｉ１に停止期間（＝時刻ｔ３−時刻ｔ２）を乗じることで求められる。なお、停止期間中に低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが変化する場合は、上記した時間積分により放電電荷量Ｑｄを求める。

この放電電荷量ＱｄがＤＣ／ＤＣコンバータ１５の停止期間中に低電圧蓄電部１９から放電されるので、その分を次のＤＣ／ＤＣコンバータ１５の駆動期間ｔｃ中に充電する。さらにこの駆動期間ｔｃ中にも低電圧負荷２１を継続して動作させるために、その分の電力もＤＣ／ＤＣコンバータ１５から供給する必要がある。ここで、駆動期間ｔｃ中の低電圧負荷２１が消費する低電圧負荷要求電流Ｉｆｄは図２（ａ）の時刻ｔ３において電流Ｉ１（＝負荷電流Ｉｆ）で一定であるので、駆動期間ｔｃに亘り低電圧負荷２１に供給される低電圧負荷電荷量Ｑｆは負荷電流Ｉｆに駆動期間ｔｃを乗じることで得られる。すなわち、低電圧負荷電荷量Ｑｆは図２（ａ）の時刻ｔ３から時刻ｔ４までに示される太斜線の面積に相当する。

従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は上記の放電電荷量Ｑｄと低電圧負荷電荷量Ｑｆ（両者の合計を出力電荷量Ｑｏという）を駆動期間ｔｃに亘って出力すればよいのであるが、この際に制御部２９はＤＣ／ＤＣコンバータ１５の損失を低減するために既定出力電流Ｉｏｋを流すように制御する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は駆動期間ｔｃにおいても高効率に動作することができる上に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の停止期間も加味すると、全体的に間欠運転により効率を高めることができる。

これらのことより、駆動期間ｔｃは次のようにして求められる。時刻ｔ３で放電電荷量Ｑｄは既定放電電荷量Ｑｄｋに至っているので、放電電荷量Ｑｄは既知である。また、低電圧負荷電荷量Ｑｆは上記した方法で求められる。なお、低電圧負荷電荷量Ｑｆは、
Ｑｆ＝Ｉｆ・ｔｃ （１）
である。

一方、制御部２９は出力電流Ｉｏが既定出力電流ＩｏｋとなるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５を定電流制御するので、駆動期間ｔｃの間に出力される出力電荷量Ｑｏは、
Ｑｏ＝Ｉｏｋ・ｔｃ （２）
となる。

従って、駆動期間ｔｃは、
Ｑｏ＝Ｑｄｋ＋Ｑｆ （３）
に（１）式と（２）式を代入することで決定される。すなわち、
Ｉｏｋ・ｔｃ＝Ｑｄｋ＋Ｉｆ・ｔｃ （４）
となるので、駆動期間ｔｃは、
ｔｃ＝Ｑｄｋ／（Ｉｏｋ−Ｉｆ） （５）
となる。ここで、既定出力電流Ｉｏｋと負荷電流Ｉｆとの差を電流差ΔＩと呼ぶ。従って、（５）式は、
ｔｃ＝Ｑｄｋ／ΔＩ （６）
となる。ゆえに、駆動期間ｔｃは既定放電電荷量Ｑｄｋを電流差ΔＩで除することで得られる。

制御部２９は時刻ｔ３の時点で上記計算を行い駆動期間ｔｃを求める。その後、駆動期間ｔｃに亘り、既定出力電流Ｉｏｋが流れるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５を制御する。これにより、低電圧負荷２１には負荷電流Ｉｆが流れ、低電圧蓄電部１９は電流差ΔＩの電流により充電が行なわれる。この際、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は定電流制御を行なうので、出力端子１７の電圧は既定出力電流Ｉｏｋを流すために、自動的に低電圧蓄電部１９の定格電圧より少し高い電圧が印加されることになる。これにより、低電圧蓄電部１９が充電される。

なお、駆動期間ｔｃの間に低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが変化すると、それに応じて時刻ｔ３の時点で決定した駆動期間ｔｃも変更する必要がある。この場合は、制御部２９が駆動期間ｔｃ中に負荷電流Ｉｆを監視し、変化があれば、その時点での負荷電流Ｉｆと、その時点までに低電圧蓄電部１９に充電された電荷量を既定放電電荷量Ｑｄｋから差し引いた値と、を求めて、再度、駆動期間ｔｃを求める動作を繰り返すようにすればよい。その際、低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが既定出力電流Ｉｏｋを超えた場合は、制御部２９が直ちに時刻ｔ２までで説明したＤＣ／ＤＣコンバータ１５の連続運転に切り替えればよい。なお、連続運転に切り替える動作は、具体的には出力電流Ｉｏが既定出力電流Ｉｏｋとなるようにする定電流制御から、時刻ｔ２までで説明したように蓄電部電圧Ｖｂが既定蓄電部電圧Ｖｂｋを維持する定電圧制御へ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を切り替える動作である。

このような動作により、軽負荷で出力電流Ｉｏが小さい場合の間欠運転中では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５が停止中にはスイッチング損失がなくなり、動作中には既定出力電流ＩｏｋをＤＣ／ＤＣコンバータ１５の最大効率になるように設定しているので、スイッチング損失を減らすことができる。従って、低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが大きくなるまでは間欠運転を行なうことにより高効率を実現できるとともに、低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが大きくなればＤＣ／ＤＣコンバータ１５を連続運転に切り替えることで、低電圧負荷２１の安定動作を実現できる。

次に、図２（ａ）に示すように、時刻ｔ３から時刻ｔ４まで低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが電流Ｉ１で一定であったとする。従って、制御部２９は（６）式で求めた駆動期間ｔｃに亘ってＤＣ／ＤＣコンバータ１５が既定出力電流Ｉｏｋの定電流を出力するよう制御する。これにより、駆動期間ｔｃが経過した時刻ｔ４において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５から出力される出力電荷量Ｑｏは、図２（ｂ）の時刻ｔ３から時刻ｔ４に示す細斜線と太斜線の合計面積に相当する。これは図２（ａ）の時刻ｔ２から時刻ｔ３までの細斜線の面積と時刻ｔ３から時刻ｔ４までの太斜線の面積との合計と、測定誤差や演算誤差の範囲内で等しくなる。その結果、時刻ｔ４で低電圧蓄電部１９は充電量ＳＯＣが１００％まで戻ったことになる。

従って、時刻ｔ４で制御部２９は、時刻ｔ２と同様にして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５を停止する制御を行う。そして、時刻ｔ５で放電電荷量Ｑｄが既定放電電荷量Ｑｄｋに至れば、時刻ｔ３と同様にして駆動期間ｔｃを求め、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５が既定出力電流Ｉｏｋの定電流を出力するよう駆動する。

以下、このような動作を繰り返すことにより、出力電流Ｉｏが既定出力電流Ｉｏｋ以下である間はＤＣ／ＤＣコンバータ１５を間欠運転するので、その間は高効率化が図れる。

次に、時刻ｔ６で駆動期間ｔｃが終了し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５が停止すると同時に、図２（ａ）に示すように、低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが電流Ｉ１の２倍である電流Ｉ２に増えるとする。なお、電流Ｉ２は既定出力電流Ｉｏｋより小さい。この場合、既定放電電荷量Ｑｄｋは一定値であるので、低電圧蓄電部１９から低電圧負荷２１に放電される放電電荷量Ｑｄが既定放電電荷量Ｑｄｋに至るまでの期間、すなわち時刻ｔ６から時刻ｔ７までの期間は、低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが電流Ｉ１の場合の期間、すなわち時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間の半分となる。従って、低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが増えると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の停止期間が短くなる。

次に、時刻ｔ７で、時刻ｔ３で述べたようにしてＤＣ／ＤＣコンバータ１５を動作させる駆動期間ｔｃを求めるのであるが、低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが増加しているので、その分、多くの電力を低電圧負荷２１に供給する必要がある。ゆえに、駆動期間ｔｃは長くなる。すなわち、図２（ｂ）に示すように、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの駆動期間ｔｃに比べ、時刻ｔ７から時刻ｔ８までの駆動期間ｔｃが長くなる。

このように、低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが電流Ｉ２である間は、制御部２９は時刻ｔ６から時刻ｔ７までの停止期間と、時刻ｔ７から時刻ｔ８までの駆動期間ｔｃを繰り返す動作を行う。従って、時刻ｔ８から時刻ｔ１０までの動作は、時刻ｔ６から時刻ｔ８までの動作と同じである。

次に、図２（ｂ）に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の停止期間中である時刻ｔ１１で、図２（ａ）に示すように、低電圧負荷要求電流Ｉｆｄが電流Ｉ３まで増える。これにより、制御部２９は出力電流Ｉｏが既定出力電流Ｉｏｋより大きくなったことを検出し、直ちにＤＣ／ＤＣコンバータ１５を時刻ｔ０で説明した連続運転に切り替える。なお、連続運転に切り替える詳細動作は、上記した通りである。

この時刻ｔ１１の状態は時刻ｔ０と同じであるので、以下、同様の動作を繰り返すことにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の連続運転と間欠運転を切り替える。

以上の構成、動作により、負荷電流Ｉｆが既定出力電流Ｉｏｋ以下の軽負荷時となりＤＣ／ＤＣコンバータ１５の損失が大きい場合は間欠運転を行ない、さらに間欠運転時のＤＣ／ＤＣコンバータ１５の動作時は最大効率となるように制御されるので、高効率化を図ることが可能な車両用電源装置を得ることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態２における車両用電源装置の構成は図１と同じであるので、詳細な説明を省略する。すなわち、本実施の形態２における特徴となる動作は以下の通りである。

制御部２９は、出力電流Ｉｏが既定出力電流Ｉｏｋ以下となった時、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ１５の間欠運転を行なう時であって、例えば図２（ｂ）の時刻ｔ３で駆動期間ｔｃを求めて、出力端子１７に既定出力電流Ｉｏｋが流れるように駆動期間ｔｃに亘りＤＣ／ＤＣコンバータ１５を駆動する際に、次の計算を行なう。

まず、制御部２９は低電圧蓄電部１９の第１充電損失Ｗｂ１を求める。ここで、第１充電損失Ｗｂ１は低電圧蓄電部１９を充電する際の、低電圧蓄電部１９で発生する損失のことで、低電圧蓄電部１９の内部抵抗値Ｒと電流差ΔＩとの積から求められる。ここで、内部抵抗値Ｒは車両のイグニションをオンにしたときに、大電流を消費する低電圧負荷２１（例えばウインドウデフォガ）を車両制御部が動作させ、その瞬間の蓄電部電圧Ｖｂの落ち込みを低電圧蓄電部電圧検出回路２７で検出することによって求められる。但し、内部抵抗値Ｒの求め方は上記した方法に限定されるものではなく、充電量ＳＯＣの総変化から統計的に内部抵抗値Ｒを推定するなど公知の方法を適用してもよい。また、内部抵抗値Ｒの精度を上げるために、周囲温度による補正を加えて求めてもよい。

次に、制御部２９はＤＣ／ＤＣコンバータ１５の第１駆動損失Ｗｄ１を求める。これは、出力電流ＩｏとＤＣ／ＤＣコンバータ１５の損失との相関関係を予め求めてメモリに記憶しておくことにより得ることができる。なお、出力電流Ｉｏは間欠運転時には既定出力電流Ｉｏｋとなるので、基本的には第１駆動損失Ｗｄ１が一定値となり、その値を用いてもよいが、本実施の形態２では誤差を考慮して出力電流Ｉｏの実測値から第１駆動損失Ｗｄ１を求めるようにしている。

次に、制御部２９は第１充電損失Ｗｂ１と第１駆動損失Ｗｄ１とを加算することで間欠動作時損失Ｗ１を得る。従って、間欠動作時損失Ｗ１は、間欠運転時におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１５と低電圧蓄電部１９による総損失である。

次に、制御部２９は出力電流Ｉｏが既定出力電流Ｉｏｋ以下となっても間欠運転を行なわずに、そのまま連続運転を行なった場合の連続動作時損失Ｗ２を求める。具体的には、制御部２９は出力電流Ｉｏが既定出力電流Ｉｏｋ以下となった時の出力電流Ｉｏと負荷電流Ｉｆを検出し、両者の差と上記した内部抵抗値Ｒとから低電圧蓄電部１９の第２充電損失Ｗｂ２を求める。さらに、上記した出力電流ＩｏとＤＣ／ＤＣコンバータ１５の損失との相関関係を用いて、出力電流Ｉｏが既定出力電流Ｉｏｋ以下となった時の出力電流Ｉｏと前記相関関係からＤＣ／ＤＣコンバータ１５の第２駆動損失Ｗｄ２を求める。

次に、制御部２９は第２充電損失Ｗｂ２と第２駆動損失Ｗｄ２とを加算することで連続動作時損失Ｗ２を得る。従って、連続動作時損失Ｗ２は、出力電流Ｉｏを流し続ける連続運転時におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１５と低電圧蓄電部１９による総損失である。

次に、制御部２９は間欠動作時損失Ｗ１と連続動作時損失Ｗ２とを比較し、間欠動作時損失Ｗ１が連続動作時損失Ｗ２より大きければ、間欠運転を行う方が総損失が大きいことになるので、この場合は間欠運転を行なわずに連続運転を行なうよう制御する。すなわち、制御部２９は蓄電部電圧Ｖｂが既定蓄電部電圧Ｖｂｋを維持するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１５を定電圧駆動する動作を優先する。これにより、実施の形態１に比べ、さらに細かく間欠運転と連続運転とを切り替えられるので、不要な間欠運転による総損失の増大を抑制でき、高効率化を図ることが可能となる。

なお、間欠動作時損失Ｗ１が連続動作時損失Ｗ２より大きい場合としては、低電圧蓄電部１９の内部抵抗値Ｒが周囲温度の変化や劣化進行に伴って増大する場合が挙げられる。この内部抵抗値Ｒの増大時には、間欠動作時における第１充電損失Ｗｂ１が第２充電損失Ｗｂ２より大きくなることがある。さらに、周囲温度の変化によってはＤＣ／ＤＣコンバータ１５の効率が温度特性を有するために、第１駆動損失Ｗｄ１が第２駆動損失Ｗｄ２より大きくなることがある。従って、条件によっては総損失である間欠動作時損失Ｗ１が連続動作時損失Ｗ２より大きくなる。

また、間欠運転中であって、駆動期間ｔｃに亘りＤＣ／ＤＣコンバータ１５を駆動する際であれば、間欠動作時損失Ｗ１と連続動作時損失Ｗ２とを求める動作を繰り返し、間欠動作時損失Ｗ１が連続動作時損失Ｗ２より大きければ、たとえ駆動期間ｔｃの途中であっても間欠運転と連続運転とを切り替えるようにしてもよい。この場合は、即時的に切替が可能となるので、その分、少しでも損失を低減でき、一層の高効率化を図ることが可能となる。

以上の構成、動作により、間欠動作時損失Ｗ１と連続動作時損失Ｗ２とを求めて、間欠運転と連続運転とを切り替えるので、さらに高効率化を図ることが可能な車両用電源装置を得ることができる。

なお、実施の形態１、２において、低電圧蓄電部１９の充電量ＳＯＣは連続運転時に１００％になっているものとして説明したが、これは、充電量ＳＯＣが１００％未満の場合であっても９５％以上であれば、制御部２９が間欠運転への切替判断を行うようにしてもよい。この場合、間欠運転に切り替えると、現在の充電量ＳＯＣと、放電終了時の充電量ＳＯＣである９５％とから既定放電電荷量Ｑｄｋを求めて設定する必要がある。このように動作すると、間欠運転を行う可能性が高まるので、さらなる高効率化が可能となる。

しかし、上記の動作では既定放電電荷量Ｑｄｋを求める動作が追加され複雑になるので、既定放電電荷量Ｑｄｋを一定値としておき、充電量ＳＯＣが１００％でなければ間欠運転への切替判断を禁止する構成としてもよい。この場合は動作を簡略化できる。

本発明にかかる車両用電源装置は、軽負荷時であっても高効率に電力供給ができるので、高電圧蓄電部から低電圧蓄電部に電力を供給する車両用電源装置等として有用である。

１１ 高電圧蓄電部
１３ 入力端子
１５ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１７ 出力端子
１９ 低電圧蓄電部
２１ 低電圧負荷
２３ 出力電流検出部
２５ 負荷電流検出部
２７ 低電圧蓄電部電圧検出回路
２９ 制御部

Claims (2)

1. 高電圧蓄電部と、
   前記高電圧蓄電部と入力端子を介して電気的に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子と電気的に接続される低電圧蓄電部と、
   前記低電圧蓄電部と電気的に接続される低電圧負荷と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの前記出力端子に流れる出力電流（Ｉｏ）を検出する出力電流検出部と、
   前記低電圧負荷に流れる負荷電流（Ｉｆ）を検出する負荷電流検出部と、
   前記低電圧蓄電部と電気的に接続され、前記低電圧蓄電部の蓄電部電圧（Ｖｂ）を検出する低電圧蓄電部電圧検出回路と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ、出力電流検出部、負荷電流検出部、および低電圧蓄電部電圧検出回路と電気的に接続される制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記出力電流（Ｉｏ）が既定出力電流（Ｉｏｋ）よりも大きい場合は前記蓄電部電圧（Ｖｂ）が既定蓄電部電圧（Ｖｂｋ）を維持するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動し、
   前記出力電流（Ｉｏ）が前記既定出力電流（Ｉｏｋ）以下である間は、
   前記負荷電流（Ｉｆ）に基づいて求められる前記低電圧蓄電部の放電電荷量（Ｑｄ）が、既定放電電荷量（Ｑｄｋ）に至るまで、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを停止する動作と、
   前記放電電荷量（Ｑｄ）が前記既定放電電荷量（Ｑｄｋ）に至れば、前記既定放電電荷量（Ｑｄｋ）を、前記既定出力電流（Ｉｏｋ）と前記負荷電流（Ｉｆ）との電流差（ΔＩ）で除して得られる駆動期間（ｔｃ）に亘り、前記出力端子に前記既定出力電流（Ｉｏｋ）が流れるように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する動作と、を繰り返すようにした車両用電源装置。
2. 前記制御部は、前記出力電流（Ｉｏ）が前記既定出力電流（Ｉｏｋ）以下となった時に、
   前記出力端子に前記既定出力電流（Ｉｏｋ）が流れるように前記駆動期間（ｔｃ）に亘り前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する際の、前記低電圧蓄電部の第１充電損失（Ｗｂ１）と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第１駆動損失（Ｗｄ１）とを求めて加算することで得られる間欠動作時損失（Ｗ１）と、
   前記出力電流（Ｉｏ）を流し続ける際の、前記低電圧蓄電部の第２充電損失（Ｗｂ２）と、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの第２駆動損失（Ｗｄ２）とを求めて加算することで得られる連続動作時損失（Ｗ２）と、から、
   前記間欠動作時損失（Ｗ１）が前記連続動作時損失（Ｗ２）より大きければ、前記蓄電部電圧（Ｖｂ）が既定蓄電部電圧（Ｖｂｋ）を維持するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する動作を優先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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