JP2015061424A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用電源装置において、第２の充電装置から第１の充電装置への電力の移し替えに伴う電力損失を抑制することにある。
【解決手段】第１の充電装置１１及び電力ライン１９間にスイッチ１７が接続されている。このスイッチ１７は、第１の充電装置１１及び電力ライン１９間を導通させた導通状態と、第１の充電装置１１及び電力ライン１９間を遮断させた遮断状態との間で切り替わる。このため、スイッチ１７が第１の充電装置１１及び電力ライン１９間を遮断させた状態においては、第２の充電装置１２の電力が電力ライン１９を介して第１の充電装置１１に供給されることが抑制される。したがって、第２の充電装置１２から第１の充電装置１１への電力の移し替えに伴う電力損失を抑制することができる。
【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、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、第二蓄電装置に充電された電力を、負荷に供給する際、第一蓄電装置にも電力が供給されることがある。この場合には、第二蓄電装置に充電された電力が第一蓄電装置に移し替えられることになる。この際、第二蓄電装置の内部抵抗によって、電力損失が生じる。

特に、蓄電装置の種類の違い（鉛バッテリ及びキャパシタ等）に起因して、第一蓄電装置の内部抵抗は、第二蓄電装置の内部抵抗に比べて高くなることが一般的である。このため、第二蓄電装置から第一蓄電装置に電力が移し替えられる際の電力損失は大きくなる。

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、第２の充電装置から第１の充電装置への電力の移し替えに伴う電力損失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と、を備えている。

この構成によれば、第１の充電装置及び電力ライン間にスイッチが接続されている。このスイッチは、第１の充電装置及び電力ライン間を導通させた導通状態と、第１の充電装置及び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。このため、スイッチが第１の充電装置及び電力ライン間を遮断させた状態においては、第２の充電装置の電力が電力ラインを介して第１の充電装置に供給されることが抑制される。したがって、第２の充電装置から第１の充電装置への電力の移し替えに伴う電力損失を抑制することができる。

上記車両用電源装置について、前記負荷に電力を供給するにあたって、前記第２の充電装置の残量が第１のしきい値以上であるとき前記スイッチを前記遮断状態とし、前記第２の充電装置の残量が前記第１のしきい値未満であるとき前記スイッチを前記導通状態とする電力制御部を備えることが好ましい。

この構成によれば、電力制御部は、負荷に電力を供給する際、第２の充電装置の残量が第１のしきい値以上であるときスイッチを遮断状態とし、第２の充電装置の残量が第１のしきい値未満であるときスイッチを導通状態とする。よって、第２の充電装置の残量が低下したときにのみ、第１の充電装置からの電力も負荷に供給する。また、第２の充電装置の残量が十分であるときには、スイッチが遮断状態であるため、第２の充電装置から第１の充電装置への電力の移し替え、ひいてはそれに伴う電力損失を抑制することができる。

上記車両用電源装置について、前記発電機が発電している状態において、前記電力制御部は、前記第１の充電装置の残量が第２のしきい値以上であるとき前記スイッチを前記遮断状態とし、前記第１の充電装置の残量が前記第２のしきい値未満であるとき前記スイッチを前記導通状態とすることが好ましい。

この構成によれば、発電機が発電している状態において、電力制御部は、第１の充電装置の残量が第２のしきい値以上であるときスイッチを遮断状態とする。このため、不必要に発電機からの発電電力が第１の充電装置に供給されることが抑制される。この結果、第１の充電装置の内部抵抗に起因する電力損失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ことが好ましい。

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２の充電装置から第１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。

上記車両用電源装置について、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ていることが好ましい。

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と、第１の充電装置から負荷への電力経路との間を遮断する。この遮断により、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。

本発明によれば、車両用電源装置において、第２の充電装置から第１の充電装置への電力の移し替えに伴う電力損失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電力制御部の処理手順を示すフローチャート（給電時）。 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（充電時）。 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は機械的なスイッチである。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（充放電電流）値を積算することでＳＯＣ（State Of Charge）を算出する。ＳＯＣは、充電池の残量率（残量）を示す指標であって、０〜１００％の数値で表される。例えばＳＯＣが１００％の場合には、第１の充電装置１１は満充電状態であり、ＳＯＣが０％の場合は、第１の充電装置１１の残量がゼロの状態である。

また、電力制御部１４は、第２の充電装置１２の電圧Ｖに基づき、第２の充電装置１２の残量を認識可能である。
＜給電時の処理＞
次に、図２のフローチャートを参照しつつ、負荷群２５への電力供給時において電力制御部１４が実行する処理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。

まず、電力制御部１４は、第２の充電装置１２の電圧Ｖを取得する（Ｓ１０１）。電力制御部１４は、この電圧Ｖが第１のしきい値Ｔｈ１以上であるか否かを判断する（Ｓ１０２）。この第１のしきい値Ｔｈ１は、第２の充電装置１２のみでは負荷群２５に安定的な電力を供給できないと予想される第２の充電装置１２の電圧に基づき設定される。例えば、満充電時の第２の充電装置１２の電圧Ｖが１６Ｖの場合、第１のしきい値Ｔｈ１は１０Ｖに設定される。

電力制御部１４は、第２の充電装置１２の電圧Ｖが第１のしきい値Ｔｈ１以上である旨判断すると（Ｓ１０２でＹＥＳ）、スイッチ１７をオフに維持し（Ｓ１０３）、フローチャートに係る処理を終了する。このように、第２の充電装置１２の電圧Ｖが第１のしきい値Ｔｈ１以上である場合、スイッチ１７がオフ状態とされることで、第２の充電装置１２からの電力が、第１の充電装置１１に供給されずに、全て負荷群２５に供給される。

一方、電力制御部１４は、第２の充電装置１２の電圧Ｖが第１のしきい値Ｔｈ１未満である旨判断すると（Ｓ１０２でＮＯ）、スイッチ１７をオンに切り替え（Ｓ１０４）、フローチャートに係る処理を終了する。このように、第２の充電装置１２の電圧Ｖが第１のしきい値Ｔｈ１未満である場合、スイッチ１７がオン状態とされることで、第２の充電装置１２のみならず、第１の充電装置１１からの電力も負荷群２５に供給される。

電力制御部１４は、スイッチ１７をオンに切り替える前にＤＣ／ＤＣコンバータ１５からの出力電圧を第１の充電装置１１の電圧Ｖに合わせて下げる。これにより、スイッチ１７をオンとした直後の電力ライン１９等における電圧変動及び第２の充電装置１２から第１の充電装置１１への電力の移動を抑制することができる。

＜発電時の処理＞
次に、図３のフローチャートを参照しつつ、発電時における電力制御部１４が実行する処理手順について説明する。電力制御部１４は、オルタネータ３０が発電を開始したとき、図３のフローチャートに係る処理を開始する。例えば、電力制御部１４は、第２の充電装置１２への流入電流に基づき、オルタネータ３０の発電開始を認識する。

まず、電力制御部１４は、第１の充電装置１１のＳＯＣを算出する（Ｓ２０１）。電力制御部１４は、この算出したＳＯＣが第２のしきい値Ｔｈ２以上であるか否かを判断する（Ｓ２０２）。この第２のしきい値Ｔｈ２は、第１の充電装置１１に充電が必要な程度のＳＯＣ、例えば９２％に設定する。

電力制御部１４は、この算出したＳＯＣが第２のしきい値Ｔｈ２以上である旨判断すると（Ｓ２０２でＹＥＳ）、スイッチ１７をオフに維持し（Ｓ２０３）、フローチャートに係る処理を終了する。一方、電力制御部１４は、この算出したＳＯＣが第２のしきい値Ｔｈ２未満である旨判断すると（Ｓ２０２でＮＯ）、スイッチ１７をオンに切り替え（Ｓ２０４）、フローチャートに係る処理を終了する。

以上のように、第１の充電装置１１の充電が必要な場合以外は、スイッチ１７がオフとされるため、無駄に第２の充電装置１２及び第１の充電装置１１間での電力の移動が行われることが抑制される。

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）第１の充電装置１１及び電力ライン１９間にスイッチ１７が接続されている。このスイッチ１７は、第１の充電装置１１及び電力ライン１９間を導通させた導通状態（オン状態）と、第１の充電装置１１及び電力ライン１９間を遮断させた遮断状態（オフ状態）との間で切り替わる。このため、スイッチ１７が第１の充電装置１１及び電力ライン１９間を遮断させた状態においては、第２の充電装置１２の電力が電力ライン１９を介して第１の充電装置１１に供給されることが抑制される。したがって、第２の充電装置１２から第１の充電装置１１への電力の移し替えに伴う電力損失を抑制することができる。

（２）電力制御部１４は、第２の充電装置１２の電圧Ｖが第１のしきい値Ｔｈ１以上であるときスイッチ１７を遮断状態とし、第２の充電装置１２の電圧Ｖが第１のしきい値Ｔｈ１未満であるときスイッチ１７を導通状態とする。よって、第２の充電装置１２の残量が低下したときにのみ、第１の充電装置１１からの電力も負荷群２５に供給する。また、第２の充電装置１２の残量が十分であるときには、スイッチ１７が遮断状態にあるため、第２の充電装置１２から第１の充電装置１１への電力の移し替え、ひいてはそれに伴う電力損失を抑制することができる。

（３）オルタネータ３０が発電している状態において、電力制御部１４は、第１の充電装置１１の残量（ＳＯＣ）が第２のしきい値Ｔｈ２以上であるときスイッチ１７を遮断状態とする。このため、不必要にオルタネータ３０からの発電電力が第１の充電装置１１に供給されることが抑制される。この結果、第１の充電装置１１の内部抵抗に起因する電力損失を抑制することができる。

（４）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は鉛バッテリより内部抵抗が低いキャパシタである。このように、特に、第１の充電装置１１の内部抵抗が、第２の充電装置１２の内部抵抗より高い場合には、第２の充電装置１２から第１の充電装置１１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１７を設け、スイッチ１７を遮断状態とすることで、上記電力損失を抑制することができる。

（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。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、を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。

電力制御部１４は、オルタネータ３０が発電している状態において、第１の充電装置１１のＳＯＣが第２のしきい値Ｔｈ２以上であって、かつ第２の充電装置１２のＳＯＣが１００％に達していない場合には、遮断部４１をオフとして、両スイッチ１７，４２をオンとする。これにより、オルタネータ３０からの発電電力は全て第２の充電装置１２に充電され、第１の充電装置１１からの電力のみが負荷群２５に供給される。よって、第１の充電装置１１から第２の充電装置１２への電力移行を防止することができる。

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。
・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。

・上記実施形態においては、電力制御部１４は、各充電装置１１，１２に流入出する電流値を積算することでＳＯＣを算出していたが、このＳＯＣを各充電装置１１，１２の電圧Ｖに基づき算出してもよい。また、電力制御部１４は、第１の充電装置１１のＳＯＣではなく、第１の充電装置１１の電圧Ｖがしきい電圧以下となるか否かに基づき、スイッチ１７のオンオフ状態の切り替えを行ってもよい。

・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１７，４２及び遮断部４１は、機械的なスイッチであったが、ＦＥＴ等の半導体スイッチを利用してもよい。

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 (5)

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、
   前記負荷に電力を供給するにあたって、前記第２の充電装置の残量が第１のしきい値以上であるとき前記スイッチを前記遮断状態とし、前記第２の充電装置の残量が前記第１のしきい値未満であるとき前記スイッチを前記導通状態とする電力制御部を備えた車両用電源装置。
3. 請求項２に記載の車両用電源装置において、
   前記発電機が発電している状態において、前記電力制御部は、前記第１の充電装置の残量が第２のしきい値以上であるとき前記スイッチを前記遮断状態とし、前記第１の充電装置の残量が前記第２のしきい値未満であるとき前記スイッチを前記導通状態とする車両用電源装置。
4. 請求項１〜３の何れか一項に記載の車両用電源装置において、
   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。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の車両用電源装置において、
   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。