JP2015058821A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力ラインの電圧変動を抑制した車両用電源装置。
【解決手段】発電機３０が発電した電力を充電可能である第１及び第２の充電装置１１，１２と充電装置からの電力を供給する負荷２５と第１及び第２の充電装置１１，１２、発電機３０及び負荷間２５を電気的に接続する電力ライン１９と第１の充電装置１１の充電開始時にスイッチ１７を通じて流入出する電流を制限する電流制限部を備え、電流制限部は前記第１の充電装置１１の充電開始時に、スイッチ１７を導通状態とする時間及びスイッチ１７を遮断状態とする時間の比を調整することで、前記第１の充電装置１１の充電開始時に流入出する電流を制限する。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両用電源装置に関する。

近年、車両には、特に減速時にオルタネータを駆動させて回生電力を得ることで、加速時等におけるエンジンへの負荷を軽減し、燃費の向上を図る車両用電源装置が搭載されているものもある。

例えば、特許文献１に記載の車両用電源装置においては、車両には、例えば鉛バッテリからなる第一蓄電装置（第１の充電装置）と、例えばキャパシタからなる第二蓄電装置（第２の充電装置）と、が搭載されている。上記車両の減速時等においては、オルタネータからの回生電力を第二蓄電装置に充電する。そして、その充電した電力は、電力ラインを通じて各種の負荷及び第一蓄電装置に供給される。また、第二蓄電装置と、第一蓄電装置及び各種の負荷との間にはＤＣ／ＤＣコンバータが接続されている。このＤＣ／ＤＣコンバータは、第二蓄電装置からの電圧を、第一蓄電装置の電圧に合わせるべく電圧変換を行う。これにより、第一蓄電装置の電力が不用意に充放電されることを抑制することができる。

特開２０１２−２４０４８７号公報

上記構成において、図２の２点鎖線に示すように、第一蓄電装置が電力を充放電する際には、充放電開始時には、その充放電に係る電流が増大してピーク値に達した後に、その電流が徐々に減少し、定常電流値に安定する。この充放電開始時の大電流によって、車両用電源装置の各構成を接続する電力ラインに電圧変動が生じるため、安定的に負荷等に電力供給することが困難となる。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電力ラインの電圧変動を抑制した車両用電源装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
上記課題を解決する車両用電源装置は、車両の動作に基づき発電する発電機と、前記発電機が発電した電力を充電可能である第１及び第２の充電装置と、前記両充電装置からの電力が供給される負荷と、前記第１及び第２の充電装置、前記発電機及び前記負荷間を電気的に接続する電力ラインと、前記第１の充電装置の充放電開始時に流入出する電流を制限する電流制限部と、を備えている。

この構成によれば、電流制限部は、第１の充電装置の充放電開始時に流入出する電流を制限する。このため、第１の充電装置の充放電開始時における、電力ラインの電圧変動を抑制することができる。

上記車両用電源装置について、前記電流制限部は、前記第１の充電装置及び前記電力ライン間に接続されるとともに、前記第１の充電装置及び前記電力ライン間を導通させた導通状態と、前記第１の充電装置及び前記電力ライン間を遮断させた遮断状態との間で切り替わるスイッチを備え、前記電流制限部は、前記第１の充電装置の充放電開始時に、前記スイッチを前記導通状態とする時間及び前記スイッチを前記遮断状態とする時間の比を調整することで、前記第１の充電装置の充放電開始時に流入出する電流を制限することが好ましい。

この構成によれば、電流制限部は、第１の充電装置の充放電開始時に、スイッチを導通状態とする時間及びスイッチを遮断状態とする時間の比を調整することで、第１の充電装置の充放電開始時に流入出する電流を制限する。これにより、簡易な構成及び制御にて、第１の充電装置の充放電開始時における、電力ラインの電圧変動を抑制することができる。

上記車両用電源装置について、前記電流制限部は、前記第１の充電装置に流入出する電流値の変化率に基づき前記第１の充電装置の充放電が開始されたか否かを判断して、前記第１の充電装置の充放電が開始された旨判断したとき、前記第１の充電装置に流入出する電流を制限することが好ましい。

一般的に、第１の充電装置の充放電開始時には、第１の充電装置に流入出する電流が大きく変化する。よって、電流制限部は、第１の充電装置に流入出する電流値の変化率に基づき第１の充電装置の充放電が開始されたことを高い精度で判断することができる。

上記車両用電源装置について、前記第１の充電装置の充放電に係る制御を行う制御部を備え、前記電流制限部は、前記制御部を通じて前記第１の充電装置の充放電開始を認識するとともに、その充放電開始時から一定時間に亘って前記第１の充電装置に流入出する電流を制限することが好ましい。

この構成によれば、電流制限部は、制御部を通じて第１の充電装置の充放電開始を認識すると一定時間に亘って第１の充電装置に流入出する電流を制限する。この場合、第１の充電装置の充放電の監視等が不要となるため、容易に第１の充電装置の充放電開始時の大電流を抑制することができる。

本発明によれば、車両用電源装置において、電力ラインの電圧変動を抑制することができる。

第１の実施形態における車両用電源装置の構成を示すブロック図。 第１の実施形態における第１の充電装置の充放電電流を示したグラフ。 第１の実施形態における電力制御部の処理手順を示すフローチャート。 第２の実施形態における車両用電源装置の構成を示すブロック図。

（第１の実施形態）
以下、車両用電源装置の第１の実施形態について図１〜図３を参照して説明する。
図１に示すように、車両用電源装置１０は、第１の充電装置１１と、第２の充電装置１２と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５と、オルタネータ（発電機）３０と、充電制御部１３と、電力制御部１４と、スタータ１６と、スイッチ１７と、負荷群２５とを備えている。

本実施形態では、第１の充電装置１１は、長期に亘り電力を保持可能な鉛バッテリからなる。第２の充電装置１２は、上記第１の充電装置１１よりも急速な充放電が可能である電気二層キャパシタからなる。

オルタネータ３０は電力ライン１９を通じて負荷群２５に接続されている。この電力ライン１９には、第１の充電装置１１及び第２の充電装置１２が接続されている。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、電力ライン１９上における第１の充電装置１１と第２の充電装置１２との間に接続されている。

オルタネータ３０は車両の減速時等に運動エネルギを電気エネルギに変換し、その変換した電気エネルギ（発電電力）を電力ライン１９に供給する。充電制御部１３は、図示しない車速センサからの車速信号及びブレーキ信号に基づき車両の走行状態を判定し、判定した走行状態に応じて、オルタネータ３０の界磁電流を制御して、オルタネータ３０の出力電圧を制御する。例えば、充電制御部１３は、ブレーキが操作されてタイヤ７が制動される際に、オルタネータ３０の界磁電流を増加させてオルタネータ３０に回生電力を発電させる。

第２の充電装置１２は、オルタネータ３０からの発電電力に基づき適宜の電圧（例えば１４Ｖ〜２５Ｖ）に充電される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、第２の充電装置１２からの電圧を第１の充電装置１１の電圧に合わせるべく電圧変換を行い、この変換した電圧を電力ライン１９を通じて第１の充電装置１１及び負荷群２５へ供給する。

スイッチ１７は、電力ライン１９と第１の充電装置１１との間に接続されている。本例では、このスイッチ１７はＦＥＴ（電界効果トランジスタ）である。このスイッチ１７がオン状態であるとき、第１の充電装置１１は、電力ライン１９に電気的に導通された状態（導通状態）となる。また、このスイッチ１７がオフ状態であるとき、第１の充電装置１１は、電力ライン１９と電気的に遮断された状態（遮断状態）となる。

また、スタータ１６は、スイッチ１７と第１の充電装置１１との間に電気的に接続されている。このスタータ１６は、第１の充電装置１１から電力が供給されることでエンジン２を始動させる。

第１の充電装置１１と電力ライン１９との間には測定点２３ｂが設定され、第２の充電装置１２と電力ライン１９との間には測定点２３ａが設定されている。電力制御部１４は、測定点２３ａ，２３ｂからの電流に基づき、各充電装置１１，１２に流入出する電流Ｉと、各充電装置１１，１２の電圧Ｖを認識する。

電力制御部１４は、第１の充電装置１１に流入出する電流Ｉの変化率の絶対値を監視する。ここで、図２に示すように、第１の充電装置１１の充放電開始時には、その充放電に係る電流が増加する。よって、充放電開始時には、電流Ｉの変化率の絶対値が大きくなる。

電力制御部１４は、電流Ｉの変化率の絶対値がしきい値Ｔｈ以上となったとき、充放電が開始されたとして、一定時間Ｔに亘ってスイッチ１７に対してＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を開始する。この一定時間Ｔは、第１の充電装置１１に流入出する電流Ｉが定常電流値Ｉａとなると予想される時間に設定される。

ＰＷＭ制御では、スイッチ１７のオン時間及びオフ時間の比に基づき、第１の充電装置１１に流入出する電流Ｉを制御する制御方式である。図２の２点鎖線で示す電流値Ｉが大きくなるほど、ＰＷＭ制御のオンデューティ比を大きく設定する。本実施形態では、このＰＷＭ制御は、第１の充電装置１１の充放電開始時に流入出する電流を制限する制御に相当する。図２の実線で示すように、電力制御部１４は、ＰＷＭ制御により、第１の充電装置１１に流入出する電流Ｉの増大を抑制することができる。よって、第１の充電装置１１に流入出する電流Ｉを定常電流値Ｉａまでなだらかに変化させることができる。

次に、図３のフローチャートを参照しつつ、電力制御部１４が実行するスイッチ１７に関する制御手順について説明する。電力制御部１４は、このフローチャートを繰り返し実行する。

電力制御部１４は、電流Ｉの変化率の絶対値がしきい値Ｔｈ以上となるか否かを判断する（Ｓ１０１）。電力制御部１４は、電流Ｉの変化率の絶対値がしきい値Ｔｈ以上である旨判断すると（Ｓ１０１でＹＥＳ）、一定時間Ｔに亘ってＰＷＭ制御を行う（Ｓ１０２）。一方、電力制御部１４は、電流Ｉの変化率の絶対値がしきい値Ｔｈ未満である旨判断すると（Ｓ１０１でＮＯ）、ＰＷＭ制御を行うことなく、フローチャートに係る処理を終了する。

スイッチ１７及び電力制御部１４は電流制限部の一例であって、電力制御部１４は制御部の一例である。
以上、説明した実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。

（１）電力制御部１４は、第１の充電装置１１の充放電開始時にスイッチ１７を通じて流入出する電流を制限する。このため、第１の充電装置１１の充放電開始時における、電力ライン１９の電圧変動を抑制することができる。

また、これにより、第１の充電装置１１の充放電開始時に大電流が流入出することが抑制される。よって、第１の充電装置１１の長寿命化を図ることができる。
（２）電力制御部１４は、第１の充電装置１１の充放電開始時に、スイッチ１７を導通状態とする時間及びスイッチ１７を遮断状態とする時間の比（デューティ比）を調整するＰＷＭ制御を行うことで、第１の充電装置１１の充放電開始時に流入出する電流を制限する。これにより、簡易な構成及び制御にて、第１の充電装置１１の充放電開始時における、電力ライン１９の電圧変動を抑制することができる。

（３）一般的に、第１の充電装置１１の充放電開始時には、第１の充電装置１１に流入出する電流Ｉが大きく変化する。よって、電力制御部１４は、第１の充電装置１１に流入出する電流値の変化率に基づき第１の充電装置１１の充放電が開始されたことを高い精度で判断することができる。

（第２の実施形態）
以下、車両用電源装置の第２の実施形態について、図４を参照して説明する。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図４に示すように、本実施形態では、第２の充電装置１２としてリチウムイオン電池が利用されている。電力制御部１４は、測定点２３ａにおいて流入出する電流（充放電電流）値を積算することで第２の充電装置１２についてもＳＯＣを算出する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５に代えて、機械的スイッチとして構成される遮断部４１を電力ライン１９に接続する。また、第２の充電装置１２と電力ライン１９との間には、スイッチ４２が接続されている。このスイッチ４２は、本実施形態ではＦＥＴである。

電力制御部１４は、遮断部４１、両スイッチ１７，４２をオンオフ状態間で切り替える。遮断部４１がオフ状態にあるとき、オルタネータ３０及び第２の充電装置１２間を結ぶ第１の電力経路Ｌ１と、第１の充電装置１１及び負荷群２５間を結ぶ第２の電力経路Ｌ２と、電気的に遮断することができる。また、遮断部４１がオン状態にあるとき、上記両電力経路Ｌ１，Ｌ２が導通した状態となる。この状態においては、両充電装置１１，１２及び負荷群２５間で相互に電力の授受が可能となる。

本実施形態でも、上記第１の実施形態と同様に、電力制御部１４は、第１の充電装置１１の充放電開始時にスイッチ１７をＰＷＭ制御する。
以上、説明した実施形態によれば、第１の実施形態の（１）〜（４）の効果に加え、以下の効果を奏することができる。

（５）遮断部４１を通じて、オルタネータ３０から第２の充電装置１２への第１の電力経路Ｌ１と、第１の充電装置１１から負荷群２５への第２の電力経路Ｌ２との間を遮断する。よって、例えば、第２の充電装置１２を充電しつつ、第１の充電装置１１から負荷群２５に放電する際に、両充電装置１１，１２間で電力が授受されることが抑制される。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・上記両実施形態においては、電力制御部１４は、電流Ｉの変化率の絶対値がしきい値Ｔｈ以上となるとＰＷＭ制御を行っていたが、充放電開始時から一定時間Ｔに亘ってＰＷＭ制御を行ってもよい。電力制御部１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５及びスイッチ１７の制御を通じて、第１の充電装置１１の充放電の制御を行っている。よって、電力制御部１４は、第１の充電装置１１の充放電の開始を認識することができる。この構成では、上記第１の実施形態と異なり、第１の充電装置１１の充放電の監視等が不要となるため、容易に第１の充電装置１１の充放電開始時の大電流を抑制することができる。

・上記両実施形態においては、電力制御部１４は、電流Ｉの変化率の絶対値がしきい値Ｔｈ以上となると、一定時間Ｔに亘ってＰＷＭ制御を行っていた。しかし、電力制御部１４は、一定時間Ｔに限らず、このＰＷＭ制御を、電流Ｉが定常電流値Ｉａとなるまで行ってもよい。

・上記両実施形態においては、電力制御部１４は、電流Ｉの変化率の絶対値がしきい値Ｔｈ以上となるか否かを判断していたが、電力制御部１４は、電流Ｉが定常電流値Ｉａに対して十分に大きい異常電流値となったときＰＷＭ制御を行ってもよい。

また、電力制御部１４は、電流Ｉの変化率及び電流Ｉの両方が所定値以上であるときＰＷＭ制御を行ってもよい。
・第１の実施形態においては、第１の充電装置１１は鉛バッテリであって、第２の充電装置１２は電気二層キャパシタであったが、両充電装置１１，１２は充電可能であればこれらに限らない。第２の実施形態についても同様である。

・第２の実施形態における遮断部４１をＤＣ／ＤＣコンバータ１５に代えてもよい。また、第２の実施形態におけるスイッチ４２を省略してもよい。
・上記両実施形態においては、スイッチ１７はＦＥＴであったが、ＦＥＴ以外の半導体スイッチであってもよい。

・上記両実施形態においては、電流制限部としてスイッチ１７が採用されていたが、第１の充電装置１１への流入出電流Ｉを制限可能であれば、その他の手段、例えばＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタを採用してもよい。このＰＴＣサーミスタは温度の上昇に伴い抵抗値が増大する。よって、充放電開始時の大電流によって、ＰＴＣサーミスタの温度が上昇し、それに伴い抵抗値が増大する。よって、充放電開始時の大電流を抑制することができる。

・第２の実施形態において、電力制御部１４は、ＰＷＭ制御に代えて、両スイッチ１７，４２を交互にオン状態に切り替えてもよい。
次に、前記実施形態から把握できる技術的思想をその効果と共に記載する。

（イ）前記第１の充電装置は鉛バッテリであって、前記第２の充電装置は前記鉛バッテリより内部抵抗が低いキャパシタ又はリチウムイオン電池である車両用電源装置。
この構成によれば、第１の充電装置は鉛バッテリであって、第２の充電装置は鉛バッテリより内部抵抗が低いキャパシタ又はリチウムイオン電池である。このように、特に、第１の充電装置の内部抵抗が、第２の充電装置の内部抵抗より高い場合には、第１の充電装置から第２の充電装置への電力の移し替えに伴う電力損失が大きくなる。しかし、上記のようにスイッチを設け、スイッチを遮断状態とすることで、その電力損失を抑制することができる。

（ロ）前記電力ラインにおける前記第１及び第２の充電装置間に接続されるとともに、前記発電機から前記第２の充電装置への電力経路及び前記第１の充電装置から前記負荷への電力経路間を遮断する遮断部を備えた車両用電源装置。

この構成によれば、遮断部を通じて、発電機から第２の充電装置への電力経路及び第１の充電装置から負荷への電力経路間を遮断する。よって、例えば、第２の充電装置を充電しつつ、第１の充電装置から負荷に放電する際に、両充電装置間で電力が授受されることが抑制される。

１０…車両用電源装置、１１…第１の充電装置、１２…第２の充電装置、１３…充電制御部、１４…電力制御部、１５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６…スタータ、１７…スイッチ、１９…電力ライン、２３ａ，２３ｂ…測定点、２５…負荷群、３０…オルタネータ（発電機）、４１…遮断部、４２…スイッチ。

Claims (4)

1. 車両の動作に基づき発電する発電機と、
   前記発電機が発電した電力を充電可能である第１及び第２の充電装置と、
   前記両充電装置からの電力が供給される負荷と、
   前記第１及び第２の充電装置、前記発電機及び前記負荷間を電気的に接続する電力ラインと、
   前記第１の充電装置の充放電開始時に流入出する電流を制限する電流制限部と、を備えた車両用電源装置。
2. 請求項１に記載の車両用電源装置において、
   前記電流制限部は、前記第１の充電装置及び前記電力ライン間に接続されるとともに、前記第１の充電装置及び前記電力ライン間を導通させた導通状態と、前記第１の充電装置及び前記電力ライン間を遮断させた遮断状態との間で切り替わるスイッチを備え、
   前記電流制限部は、前記第１の充電装置の充放電開始時に、前記スイッチを前記導通状態とする時間及び前記スイッチを前記遮断状態とする時間の比を調整することで、前記第１の充電装置の充放電開始時に流入出する電流を制限する車両用電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の車両用電源装置において、
   前記電流制限部は、前記第１の充電装置に流入出する電流値の変化率に基づき前記第１の充電装置の充放電が開始されたか否かを判断して、前記第１の充電装置の充放電が開始された旨判断したとき、前記第１の充電装置に流入出する電流を制限する車両用電源装置。
4. 請求項１又は２に記載の車両用電源装置において、
   前記第１の充電装置の充放電に係る制御を行う制御部を備え、
   前記電流制限部は、前記制御部を通じて前記第１の充電装置の充放電開始を認識するとともに、その充放電開始時から一定時間に亘って前記第１の充電装置に流入出する電流を制限する車両用電源装置。