JP2015027202A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電素子及び蓄電池を利用して負荷に電力を供給する燃費良好な電源装置を提供する。【解決手段】電源装置は、発電機と、該発電機が発電した電力により充電される蓄電素子と、該蓄電素子からの電力を蓄える蓄電池とを備える電源装置において、前記蓄電素子と前記蓄電池との間に介在されたスイッチと、前記蓄電池の端子電圧を検出する電圧検出部及び／又は前記蓄電池に入出力する電流を検出する電流検出部と、前記電圧検出部によって検出された端子電圧及び／又は前記電流検出部によって検出された電流から前記蓄電池の充電率を算出し、該充電率が所定値以上である場合に前記スイッチをオフにする一方で、前記充電率が所定値未満である場合に前記スイッチをオンにする制御部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、蓄電素子から負荷に電力を供給する電源装置に関するものである。

現在の車両には、車両が減速する場合に車両の運動エネルギーを電力に変換することによって発電機に回生電力を発生させ、発生させた回生電力を負荷に供給する電源装置が搭載されている（特許文献１を参照）。

このような電源装置では、発電機の出力端が蓄電素子の一端及びＤＣ／ＤＣコンバータの一端に接続され、蓄電素子の一端はＤＣ／ＤＣコンバータの一端に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータの他端は、負荷の一端、及び、スイッチを介して蓄電池の一端に接続されている。蓄電池の一端はエンジンを始動するためのスタータの一端に接続されている。発電機、蓄電素子、スタータ、蓄電池及び負荷は接地されている。

発電機は、車両が減速する場合に、車両の運動エネルギーを電力に変換することによって回生電力を発生する。回生電力の発生時、発電機は蓄電素子に給電すると共に、発電機の出力電圧はＤＣ／ＤＣコンバータの一端に印加される。ＤＣ／ＤＣコンバータは、一端に印加された電圧を変圧し、変圧した電圧を、オン状態であるスイッチを介して蓄電池に印加すると共に、負荷に印加する。また、車両が通常走行又は加速している場合、回生電力の発生時に蓄電素子に充電された電圧がＤＣ／ＤＣコンバータに印加されて、変圧された電圧がＤＣ／ＤＣコンバータから蓄電池及び負荷に印加される。

したがって、車両を減速させる場合に発電機が車両の運動エネルギーから変換した電力は、蓄電素子及び蓄電池に蓄えられると共に負荷への給電に用いられる。このため、車両の運動エネルギーがタイヤと地面との摩擦で消費されることなく効率的に使用される。

特開２０１２−２４０４８７号公報

特許文献１に開示された電源装置では、エンジンが始動するときの負荷に対する電圧変動を抑制するためにエンジンが停止している状態ではスイッチはオフにされている一方で、エンジンが停止している状態以外ではスイッチは常にオン状態である。スイッチがオン状態であるときにＤＣ／ＤＣコンバータから蓄電池及び負荷に電圧を印加する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータからの出力電圧の値を蓄電池の端子電圧の値より高くする必要がある。このため、回生電力が発生していないときに蓄電素子の消費電力が大きくなるので蓄電素子から負荷への放電時間が短くなる傾向がある。蓄電素子の充電量が無くなった場合に発電機からの出力電圧によって蓄電池及び負荷へ給電する必要があるので、蓄電素子の蓄電池及び負荷への放電時間が短くなると発電機の発電時間が長くなって電源装置の燃費が悪くなる。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、蓄電素子及び蓄電池を利用して負荷に電力を供給する燃費良好な電源装置を提供することにある。

本発明に係る電源装置は、発電機と、該発電機が発電した電力により充電される蓄電素子と、該蓄電素子からの電力を蓄える蓄電池とを備える電源装置において、前記蓄電素子と前記蓄電池との間に介在されたスイッチと、前記蓄電池の端子電圧を検出する電圧検出部及び／又は前記蓄電池に入出力する電流を検出する電流検出部と、前記電圧検出部によって検出された端子電圧及び／又は前記電流検出部によって検出された電流から前記蓄電池の充電率を算出し、該充電率が所定値以上である場合に前記スイッチをオフにする一方で、前記充電率が所定値未満である場合に前記スイッチをオンにする制御部とを備えることを特徴とする。

本発明にあっては、発電機は発電し、蓄電素子は発電機が発電した電力により充電され、蓄電池は蓄電素子からの電力を蓄える。スイッチは蓄電素子と蓄電池との間に介在され、電圧検出部は蓄電池の端子電圧を検出し、電流検出部は蓄電池に入出力する電流を検出し、制御部は電圧検出部によって検出された端子電圧及び／又は電流検出部によって検出された電流から蓄電池の充電率を算出し、該充電率が所定値以上である場合にスイッチをオフにする一方で、充電率が所定値未満である場合にスイッチをオンにする。

本発明に係る電源装置は、前記蓄電素子と前記蓄電池との間に設けられ、前記蓄電素子の出力電圧を変圧する変圧部を更に備えることを特徴とする。

本発明にあっては、蓄電素子と蓄電池との間に設けられた変圧部は蓄電素子の出力電圧を変圧する。

本発明に係る電源装置は、前記制御部は、前記充電率が前記所定値以上である場合に、前記スイッチをオフにするとともに、前記変圧部の出力電圧を前記蓄電池の端子電圧よりも低い負荷の定格電圧近傍に制御することを特徴とする。

本発明にあっては、充電率が所定値以上である場合に、制御部は変圧部の出力電圧を蓄電池の端子電圧よりも低い負荷の定格電圧近傍に制御する。

本発明に係る電源装置は、前記蓄電素子は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、又は電気二重層キャパシタであり、前記蓄電池は鉛電池であることを特徴とする。

本発明にあっては、蓄電素子はリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、又は電気二重層キャパシタであり、蓄電池は鉛電池である。

本発明によれば、蓄電池の充電率に基づいて蓄電池の充電を制御することによって、負荷に印加される電圧値を変化させて負荷に供給される電力量を抑制することができる。したがって、回生電力が発生していないときに蓄電素子の放電時間を長くして発電機の発電が抑制されて電源装置の燃費が良くなる。

本発明の実施の形態に係る電源装置の概略構成を示すブロック図である。 鉛電池の使用時における目標ＳＯＣ範囲を説明するための模式図である。 リチウムイオン電池及び鉛電池の充電率と出力電圧との関係を説明するための模式図である。 制御部によるスイッチの切替制御の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る電源装置の概略構成を示すブロック図である。電源装置１は、好適に車両に搭載されており、発電機１０、蓄電素子１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２、スイッチ１３、制御部１４、スタータ１５、蓄電池１６及び負荷１７を備える。制御部１４には電圧検出器２４及び電流検出器３４が接続されている。

発電機１０の出力端は蓄電素子１１の一端及びＤＣ／ＤＣコンバータ１２の一端に接続され、蓄電素子１１の一端はＤＣ／ＤＣコンバータ１２の一端に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の他端は、負荷１７の一端、及び、スイッチ１３を介して蓄電池１６の一端に接続されている。蓄電池１６の一端はエンジンを始動するためのスタータ１５の一端に接続されている。発電機１０、蓄電素子１１、スタータ１５、蓄電池１６及び負荷１７は接地されている。

発電機１０は、電源装置１に搭載している車両の走行動力源であるエンジン（図示略）と連動して電力を発生すると共に、車両が減速する場合に車両の運動エネルギーを電力に変換することによって回生電力を発生する。具体的には、発電機１０は、エンジンと連動して電力を発生する場合、及び、回生電力を発生する場合の両方において、交流電力を生成し、生成した交流電力を直流電力に整流する。発電機１０が出力端から出力する電力、電圧及び電流夫々は、整流後の直流電力、直流電圧及び直流電流である。回生電力の発生時、発電機１０は蓄電素子１１に給電すると共に、蓄電池１６及び負荷１７に給電するために発電機１０の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１２の一端に印加される。

蓄電素子１１は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、又は電気二重層キャパシタ等である。好適には、充電効率を考慮すると蓄電素子１１はリチウムイオン電池である。回生電力の発生時、発電機１０の出力電圧が蓄電素子１１に印加され、蓄電素子１１は発電機１０が出力した電力を蓄える。また、車両が通常走行又は加速している場合、蓄電池１６及び負荷１７に給電するために、回生電力の発生時に蓄電素子１１に充電された電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１２の一端に印加される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、発電機１０の出力電圧が一端に印加された場合に発電機１０の出力電圧を変圧し、蓄電素子１１の出力電圧が一端に印加された場合に蓄電素子１１の出力電圧を変圧する。このようにＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、発電機１０又は蓄電素子１１の出力電圧を変圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、一端に印加された電圧の昇圧又は降圧を行うことによって、印加電圧を一定の電圧に変圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、変圧によって得られた一定の電圧を、他端から、スイッチ１３を介して蓄電池１６と、負荷１７とに印加する。蓄電池１６及び負荷１７はＤＣ／ＤＣコンバータ１２によって変圧された電圧で給電される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は変圧部として機能する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の動作は制御部１４によって制御される。具体的には、制御部１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が図示しないコイルと共に有する図示しない複数のスイッチ夫々のオン／オフを繰り返すことによってＤＣ／ＤＣコンバータ１２に電圧を変換させる。制御部１４は、図示しない一又は複数のスイッチ夫々におけるオン／オフのデューティを変更することによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の昇圧幅及び降圧幅を調整することが可能である。更に、制御部１４は、図示しない複数のスイッチ夫々のオン／オフを操作することによってＤＣ／ＤＣコンバータ１２の動作を停止させることも可能である。また、発電機１０の出力電圧又は蓄電素子１１の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介さずに蓄電池１６と負荷１７とに印加しても良い。

スイッチ１３は、例えばリレー、ＭＯＳ−ＦＥＴ等のスイッチング素子である。スイッチ１３はＤＣ／ＤＣコンバータ１２と蓄電池１６との間に設けられている。車両が通常走行又は加速している場合、蓄電素子１１に充電された電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１２の一端に印加され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２によって変圧された電圧が他端から出力される。スイッチ１３がオン状態の場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧は蓄電池１６及び負荷１７に印加されて給電される。一方で、スイッチ１３がオフ状態の場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧は負荷１７のみに印加されて給電される。

蓄電池１６はリチウムイオン電池又は鉛電池等である。好適には、蓄電池１６は鉛電池である。蓄電池１６にはＤＣ／ＤＣコンバータ１２が変圧した電圧が印加され、蓄電池１６は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が変圧した電圧の印加によって充電する。また、蓄電池１６は、例えば、エンジンを始動するためのスタータ１５に給電する。エンジンを始動する場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は変圧を停止し、スタータ１５は蓄電池１６から供給される電力を用いて作動する。エンジンが始動するときの負荷１７に対する電圧変動を抑制するためにエンジンが停止している状態では制御部１４はスイッチ１３をオフ状態に制御する。また、スタータ１５は再始動用スタータとしても機能し、エンジンをアイドリングストップさせた後に、蓄電池１６から電力供給を受けて再始動させる。

蓄電池１６における満充電量に対する現在の充電量の比率を表わす充電率（ＳＯＣ：State of Charge）が制御部１４によって算出されている。また、蓄電池１６は、充放電が行われる使用時において制御目標とするＳＯＣの範囲（以下、目標ＳＯＣ範囲という。）で制御部１４によって制御されることにより、蓄電池１６の性能の劣化が抑えられ、長期間使用が可能となる。

図２は鉛電池の使用時における目標ＳＯＣ範囲を説明するための模式図である。蓄電池１６が鉛電池である場合、バッテリ性能の劣化が抑制される目標ＳＯＣ範囲は、例えば、充電率が８８％〜９２％であり、端子電圧で１２．７Ｖ〜１２．８Ｖの範囲である。図３はリチウムイオン電池及び鉛電池の充電率と出力電圧との関係を説明するための模式図である。図３において、細線は鉛電池の特性を示し、太線はリチウムイオン電池の特性を示している。上述のように鉛電池の目標ＳＯＣ範囲は例えば充電率８８％〜９２％である。また、蓄電池１６がリチウムイオン電池である場合、目標ＳＯＣ範囲は、例えば、充電率が３０％から８０％までの範囲で制御されることにより、蓄電池１６の性能の劣化が抑えられ、長期間使用が可能となる。

負荷１７は、車両に搭載される電気機器であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が変圧した電圧の印加によって給電される。これにより、負荷１７には安定した電圧が印加され、負荷１７は適切に動作する。

制御部１４は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）と、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable Read Only Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically EPROM）等の不揮発性メモリを利用したＲＯＭと、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）等のメモリを利用したＲＡＭとを備え、ＲＯＭに記憶した制御プログラムをＣＰＵで実行することによりＤＣ／ＤＣコンバータ１２及びスイッチ１３を制御する。ＣＰＵは制御プログラムの実行の過程で生じたデータをＲＡＭに一時記憶させる。

電圧検出器２４は蓄電池１６の端子電圧の値を検出し、電流検出器３４は蓄電池１６に入出力される電流量を検出する。また、制御部１４は、検出された電圧値及び電流値に基づいて蓄電池１６の充電率を周知の電流積算法から算出している。そして、制御部１４は、算出された蓄電池１６の充電率に基づいてスイッチ１３の切替制御を行っている。本実施形態では、制御部１４は電流積算法から蓄電池１６の充電率を算出しているが、他の周知の方法により蓄電池１６の充電率を算出しても良い。例えば、蓄電池１６の端子電圧と充電率との相関図を用いて、電圧検出器２４で検出された蓄電池１６の端子電圧の値から蓄電池１６の充電率を算出することも出来る。また、蓄電池１６の充電率を満充電率であるとして、該満充電率と、電流検出器３４によって検出された蓄電池１６に入出力される電流量とに基づいて蓄電池１６の充電率を算出することも出来る。満充電率とは、蓄電池１６の使用可能な最大上限値である。尚、電圧検出器２４及び電流検出器３４は本発明における電圧検出部及び電流検出部としてそれぞれ機能する。

次に、制御部１４によるスイッチ１３の切替制御における動作について説明する。以下の動作は、回生電力が発生していないとき、蓄電素子１１の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１２に印加され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２によって変圧（昇圧又は降圧）された電圧を印加する場合の動作である。回生電力が発生しているとき、発電機１０は蓄電素子１１に給電すると共に、発電機１０の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１２に印加され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２によって変圧された電圧が、負荷１７と、制御部１４によってオン状態に制御されているスイッチ１３を介して蓄電池１６とに印加される。

電流積算法から蓄電池１６の充電率を算出するために、制御部１４は、蓄電池１６の端子電圧の値を電圧検出器２４から取得し、蓄電池１６に入出力される電流量を電流検出器３４から取得する。制御部１４は、電圧検出器２４から取得した蓄電池１６の端子電圧の値を使用して充電率の初期値を算出する。蓄電池１６の端子電圧と充電率との相関図等を用いて初期値が算出される。また、電流検出器３４から取得した電流量は制御部１４によって積算される。制御部１４は、算出した初期値及び積算した電流量によって蓄電池１６の充電率を算出する。

制御部１４は、算出した蓄電池１６の充電率が所定値を下回っているとき、蓄電池１６への充電及び負荷１７への給電を行うようにスイッチ１３をオン状態に制御する。一方で、制御部１４は、蓄電池１６の充電率が所定値以上のとき、蓄電池１６への充電を遮断して負荷１７のみに給電するようにスイッチ１３をオフ状態に制御する。所定値は、好適には、蓄電池１６の特性等に基づいて決定される値であって、前述した目標ＳＯＣ範囲に基づいて決定される値である。また、所定値を満充電率としても良い。

前述したように、制御部１４が蓄電池１６の充電率が所定値以上であると判定すると、制御部１４は、負荷１７のみに給電するようにスイッチ１３をオフ状態に制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧（ＤＣ／ＤＣコンバータ１２による変圧後の電圧）が蓄電池１６の端子電圧よりも低い負荷１７の定格電圧近傍になるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１２の動作を制御する。ここで、蓄電池１６が鉛電池であり、所定値が９２％であり、負荷１７が定格電圧１２．０Ｖで動作可能な負荷であるとする。このような場合、負荷１７のみに給電するようにスイッチ１３がオフ状態に制御されると、制御部１４は、例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧を鉛電池の端子電圧（充電率が９２％である場合の１２．８Ｖ）より低い電圧値である１２．０Ｖに設定するように制御する。したがって、蓄電素子１１から負荷１７に供給される電力量を抑制することができる。蓄電素子１１の放電時間が長くなるので発電機１０の発電が抑制されて電源装置１の燃費が良くなる。

次に、制御部１４によるスイッチ１３の切替制御の処理手順について説明する。図４は制御部１４によるスイッチ１３の切替制御の処理手順を示すフローチャートである。なお、以下の処理は、回生電力が発生していないとき、蓄電素子１１の出力電圧がＤＣ／ＤＣコンバータ１２に印加され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２によって変圧された電圧を印加する場合の動作である。制御部１４は、電圧検出器２４から取得された蓄電池１６の端子電圧と、電流検出器３４から取得された蓄電池１６に入出力される電流量とに基づいて、蓄電池１６の充電率を算出する（ステップＳ１）。制御部１４は、算出された蓄電池１６の充電率が所定値以上か否かを判定する（ステップＳ２）。

制御部１４が蓄電池１６の充電率が所定値以上であると判定したとき（Ｓ２：ＹＥＳ）、制御部１４は負荷１７への給電を行うためにスイッチ１３をオフ状態に制御し（ステップＳ３）、負荷１７に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧を設定する（ステップＳ５）。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧が負荷１７のみに印加されて負荷１７への給電が行われる。

制御部１４が蓄電池１６の充電率が所定値未満であると判定したとき（Ｓ２：ＮＯ）、制御部１４は蓄電池１６への充電及び負荷１７への給電を行うためにスイッチ１３をオン状態に制御し（ステップＳ４）、蓄電池１６の端子電圧に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧を設定する（ステップＳ５）。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧が蓄電池１６及び負荷１７に印加され、蓄電池１６への充電及び負荷１７への給電が行われる。

以上より、本実施形態によれば、蓄電池１６の充電率に基づいて蓄電池１６の充電を制御することによって、負荷１７に印加される電圧値を変化させて負荷１７に供給される電力量を抑制することができる。したがって、回生電力が発生していないときに蓄電素子１１の放電時間を長くして発電機１０の発電が抑制されて電源装置１の燃費が良くなる。

以上、発明を実施するための形態について説明したが、開示された実施の形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上述の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１ 電源装置
１０ 発電機
１１ 蓄電素子
１２ ＤＣ／ＤＣコンバータ（変圧部）
１３ スイッチ
１４ 制御部
１６ 蓄電池
２４ 電圧検出器（電圧検出部）
３４ 電流検出器（電流検出部）

Claims (4)

1. 発電機と、該発電機が発電した電力により充電される蓄電素子と、該蓄電素子からの電力を蓄える蓄電池とを備える電源装置において、
   前記蓄電素子と前記蓄電池との間に介在されたスイッチと、
   前記蓄電池の端子電圧を検出する電圧検出部及び／又は前記蓄電池に入出力する電流を検出する電流検出部と、
   前記電圧検出部によって検出された端子電圧及び／又は前記電流検出部によって検出された電流から前記蓄電池の充電率を算出し、該充電率が所定値以上である場合に前記スイッチをオフにする一方で、前記充電率が所定値未満である場合に前記スイッチをオンにする制御部と
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記蓄電素子と前記蓄電池との間に設けられ、前記蓄電素子の出力電圧を変圧する変圧部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記制御部は、前記充電率が前記所定値以上である場合に、前記スイッチをオフにするとともに、前記変圧部の出力電圧を前記蓄電池の端子電圧よりも低い負荷の定格電圧近傍に制御することを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 前記蓄電素子は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池、又は電気二重層キャパシタであり、
   前記蓄電池は鉛電池であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電源装置。
   

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