JP2015144524A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】第１蓄電デバイスに過大な電力が入力されることを抑制でき、かつ、第２蓄電デバイスを良好に予備充電することができる、車両用電源装置を提供する。
【解決手段】オルタネータ３とバッテリ１１との間には、第１メインリレー１７が介在されている。また、オルタネータ３とキャパシタ１２との間には、第２メインリレー１９が介在されている。そして、バッテリ１１とキャパシタ１２との間には、バッテリ１１側からキャパシタ１２側に供給される電力およびキャパシタ１２側からバッテリ１１側に供給される電力を制限するための電力制限回路２０が介在されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車などの車両に搭載される車両用電源装置に関する。

自動車などの車両には、補機などの駆動に必要な電力を蓄えておくために、通常、鉛電池からなるバッテリが搭載されている。最近では、鉛電池が大電力の充放電に不向きであるなどの理由から、メインバッテリとしての鉛電池に加えて、大電力を充放電可能なキャパシタなどをサブバッテリが車両に搭載され始めている。

メインバッテリおよびサブバッテリを備える車両用電源装置は、たとえば、特許文献１（特開２０１１−２５４６５０号公報）に開示されている。この車両用電源装置では、鉛電池（二次電池）およびキャパシタがオルタネータに対して並列に接続されている。そのため、オルタネータの発電電力により、鉛電池およびキャパシタの両方を充電することができる。ところが、鉛電池がオルタネータに直結されており、オルタネータの過大な発電電力（鉛電池の入力許容電力を超える発電電力）が鉛電池に入力されるおそれがある。

また、特許文献２（特開２０１３−２５２０１５号公報）に開示された構成では、キャパシタがオルタネータに直結され、鉛電池がＤＣ／ＤＣコンバータを介してオルタネータに接続されている。オルタネータの発電電力をＤＣ／ＤＣコンバータで降圧することができ、その降圧後の電力を鉛電池に供給することができる。しかしながら、かかる構成では、オルタネータの始動時にキャパシタの電圧が低い場合、キャパシタの充電のために突入電流が流れるという問題がある。

特開２０１１−２５４６５０号公報 特開２０１３−２５２０１５号公報

本発明の目的は、第１蓄電デバイスに過大な電力が入力されることを抑制でき、かつ、第２蓄電デバイスを良好に予備充電することができる、車両用電源装置を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る車両用電源装置は、オルタネータと、第１蓄電デバイスと、オルタネータに対して第１蓄電デバイスと並列に設けられる第２蓄電デバイスと、オルタネータと第１蓄電デバイスとの間に介在される第１リレーと、オルタネータと第２蓄電デバイスとの間に介在される第２リレーと、第１蓄電デバイスと第２蓄電デバイスとの間に介在され、第１蓄電デバイス側から第２蓄電デバイス側に供給される電力および第２蓄電デバイス側から第１蓄電デバイス側に供給される電力を制限するための電力制限回路とを含む。

この構成によれば、第１リレーがオン（閉）にされることにより、オルタネータと第１蓄電デバイスとが電気的に接続され、第１リレーがオフ（開）にされることにより、オルタネータと第１蓄電デバイスとが電気的に切り離される。第２リレーがオン（閉）にされることにより、オルタネータと第２蓄電デバイスとが電気的に接続され、第２リレーがオフ（開）にされることにより、オルタネータと第２蓄電デバイスとが電気的に切り離される。

たとえば、車両用電源装置の起動時に、第２蓄電デバイスの電圧が所定範囲内である場合、第１リレーおよび第２リレーの両方をオンにして、第１蓄電デバイスおよび第２蓄電デバイスをオルタネータに接続する。これにより、オルタネータに励磁電流（界磁電流）を供給することができ、オルタネータを発電動作させて、オルタネータの発電電力を第１蓄電デバイスおよび第２蓄電デバイスに入力することができる。

第２蓄電デバイスの電圧が所定範囲の下限値よりも低い場合には、第１リレーをオンにし、第２リレーをオフにする。これにより、第１蓄電デバイスからオルタネータに電流を供給することができ、オルタネータを発電動作させて、オルタネータの発電電力を第１蓄電デバイスに入力することができる。また、その状態で、電力制限回路を制御することにより、第１蓄電デバイスから第２蓄電デバイスに過大な電流が流れることを抑制しながら、第２蓄電デバイスを第１蓄電デバイスの電圧で予備充電することができる。第２蓄電デバイスの電圧が所定範囲の下限値以上に上昇すると、第２リレーをオンにして、オルタネータの発電電力を第１蓄電デバイスおよび第２蓄電デバイスに入力することができる。

第２蓄電デバイスの電圧が所定範囲の上限値よりも高い場合には、第１リレーをオフにし、第２リレーをオンにする。これにより、第２蓄電デバイスからオルタネータに電流を供給することができ、オルタネータを発電動作させて、オルタネータの発電電力を第２蓄電デバイスに入力することができる。また、その状態で、電力制限回路を制御することにより、第２蓄電デバイスから第１蓄電デバイスに過大な電流が流れることを抑制しながら、第１蓄電デバイスに第２蓄電デバイスのエネルギーを供給することができる。第２蓄電デバイスの電圧が所定範囲の上限値以下に低下すると、第１リレーをオンにして、オルタネータの発電電力を第１蓄電デバイスおよび第２蓄電デバイスに入力することができる。

本発明によれば、第１蓄電デバイスに過大な電力が入力されることを抑制でき、かつ、第２蓄電デバイスを良好に予備充電することができる。

本発明の一実施形態に係る車両用電源装置が搭載された車両の要部の構成を示す図である。 車両用電源装置に備えられる電力制限回路の構成を示す回路図である。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用電源装置が搭載された車両１の要部の構成を示す図である。

車両１は、エンジン（図示せず）を動力源とする自動車である。エンジンに付随して、スタータ２およびオルタネータ３が設けられている。また、車両１には、ワイパモータ、ヘッドライト、エアコンディショナおよびオーディオ機器などの電装品が電気負荷４として搭載されている。

スタータ２は、スタータギヤ（図示せず）を備えている。エンジンの出力軸には、フライホイールが保持されており、スタータギヤは、フライホイールのギヤ歯と噛合／噛合解除可能に設けられている。

オルタネータ３には、ロータ、ステータ、レクチファイアおよびＩＣレギュレータが内蔵されている。ロータには、エンジンの出力軸の回転が伝達されるようになっている。これにより、エンジンの出力軸の回転に伴って、ロータが回転する。このとき、ロータコイルに励磁電流が供給されていれば、ロータの回転に伴って、ステータコイルに電磁誘導による電流が流れる。レクチファイアは、ステータコイルから出力される交流電流を直流電流に変換する。

また、車両１には、バッテリ１１およびキャパシタ１２が搭載されている。

バッテリ１１は、たとえば、鉛電池からなる。バッテリ１１のプラス端子とマイナス端子との間には、バッテリ１１の出力電圧の変動を吸収するためのコンデンサ１３が介在されている。

バッテリ１１のプラス端子とスタータ２のプラス端子とを接続する配線１４には、スタータリレー１５が介在されている。エンジンの始動時には、スタータギヤがフライホイールのギヤ歯に噛合され、スタータリレー１５がオンにされて、スタータ２に電力が供給される。これにより、スタータ２が駆動され、スタータ２の動力がスタータギヤを介してフライホイールに伝達されることにより、エンジンがクランキングされる。

バッテリ１１のプラス端子とオルタネータ３のプラス端子とを接続する配線１６には、第１メインリレー１７が介在されている。

キャパシタ１２のプラス端子とオルタネータ３のプラス端子とを接続する配線１８には、第２メインリレー１９が介在されている。第２メインリレー１９は、オルタネータ３に対して第１メインリレー１７と並列に設けられている。

また、バッテリ１１のプラス端子とキャパシタ１２のプラス端子との間には、バッテリ１１側からキャパシタ１２側に供給される電力およびキャパシタ１２側からバッテリ１１側に供給される電力を制限するための電力制限回路２０が介在されている。電力制限回路２０については、後述する。

スタータ２、オルタネータ３、電気負荷４、バッテリ１１およびキャパシタ１２の各マイナス端子は、アースに接続されている。

車両１には、ＣＰＵおよびメモリを含む構成の制御装置２１が搭載されている。制御装置２１には、バッテリ１１の電圧およびキャパシタ１２の電圧などの情報が入力される。制御装置２１は、その入力される情報に基づいて、オルタネータ３のＩＣレギュレータに向けて出力指令を出力する。出力指令がＩＣレギュレータに受け取られると、ＩＣレギュレータにより、その出力指令に基づいて、オルタネータ３のロータコイルに供給される励磁電流が制御される。この制御により、オルタネータ３から出力指令に応じた発電電力が出力される。また、制御装置２１は、第１メインリレー１７および第２メインリレー１９のオン（閉）／オフ（開）を制御する。さらに、制御装置２１は、電力制限回路２０に向けてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を出力する。

図２は、電力制限回路２０の構成を示す回路図である。

電力制限回路２０は、２個のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１，３２と、コイル３３と、２個のダイオード３４，３５とを備えている。一方のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１のドレイン端子は、バッテリ１１のプラス端子に接続され、そのソース端子は、コイル３３の一端に接続されている。コイル３３の他端には、他方のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２のソース端子が接続されている。他方のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２のドレイン端子は、キャパシタ１２のプラス端子に接続されている。一方のダイオード３４のカソードは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１のソース端子およびコイル３３の一端と接続されている。他方のダイオード３５のカソードは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２のソース端子およびコイル３３の他端と接続されている。ダイオード３４，３５の各アノードは、アースに接続されている。

制御装置２１は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１，３２のゲート端子にＰＷＭ信号を入力し、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１，３２のオン／オフを制御する。そして、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１，３２のオン／オフが制御されることにより、バッテリ１１側からキャパシタ１２側に供給される電力およびキャパシタ１２側からバッテリ１１側に供給される電力が制限される。

以上の構成により、第１メインリレー１７がオン（閉）にされることにより、オルタネータ３とバッテリ１１とが電気的に接続され、第１メインリレー１７がオフ（開）にされることにより、オルタネータ３とバッテリ１１とが電気的に切り離される。第２メインリレー１９がオン（閉）にされることにより、オルタネータ３とキャパシタ１２とが電気的に接続され、第２メインリレー１９がオフ（開）にされることにより、オルタネータ３とキャパシタ１２とが電気的に切り離される。

第１メインリレー１７および第２メインリレー１９がオフにされている状態で、バッテリ１１およびキャパシタ１２の各電圧が所定範囲内である場合、制御装置２１により、第１メインリレー１７および第２メインリレー１９の両方がオンにされて、バッテリ１１およびキャパシタ１２とオルタネータ３とが接続される。これにより、オルタネータ３に励磁電流（界磁電流）を供給することが可能となる。そして、制御装置２１により、オルタネータ３のＩＣレギュレータに出力指令が与えられることにより、オルタネータ３が発電動作し、オルタネータ３の発電電力がバッテリ１１およびキャパシタ１２に入力される。

キャパシタ１２の電圧が所定範囲の下限値よりも低い場合には、制御装置２１により、第２メインリレー１９がオフのまま、第１メインリレー１７がオンにされる。これにより、バッテリ１１からオルタネータ３に励磁電流を供給することが可能となる。そして、制御装置２１により、オルタネータ３のＩＣレギュレータに出力指令が与えられることにより、オルタネータ３が発電動作し、オルタネータ３の発電電力がバッテリ１１に入力される。

その一方で、制御装置２１により、電力制限回路２０のキャパシタ１２側のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２がオフのまま、バッテリ１１側のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１のゲート端子にＰＷＭ信号が与えられる。これにより、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１がオン／オフを繰り返す。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１がオンにされている間、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１をバッテリ１１側からキャパシタ１２側に電流が流れ、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１がオフにされると、その電流の流れが遮断される。コイル３３に電流が流れると、コイル３３には、その電流を阻止するように起電力が発生し、電流がダイオード３４を通して供給される。一方、コイル３３に流れる電流が遮断されると、コイル３３には、その電流を維持するように起電力が発生する。その結果、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１およびコイル３３を時間変化率が制限された電流が流れる。この電流は、断続していてもよい。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２がオフにされているが、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１およびコイル３３を流れる電流は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２の寄生ダイオード３６を通して、キャパシタ１２に供給される。

キャパシタ１２に供給される電力は、ＰＷＭ信号のオン／オフの時間の割合（デューティ比）により調整することができる。これにより、バッテリ１１からキャパシタ１２に過大な電流が流れることを抑制しながら、キャパシタ１２をバッテリ１１の電圧で予備充電することができる。キャパシタ１２の電圧が所定範囲の下限値以上に上昇すると、第２メインリレー１９をオンにして、オルタネータ３の発電電力をバッテリ１１およびキャパシタ１２に入力することができる。また、電力制限回路２０では、抵抗式予備充電回路とは異なり、抵抗による損失（ジュール熱）を生じずに、バッテリ１１からキャパシタ１２に過大な電流が流れることを抑制できる。

キャパシタ１２の電圧が所定範囲の上限値よりも高い場合には、制御装置２１により、第１メインリレー１７がオフのまま、第２メインリレー１９がオンにされる。これにより、キャパシタ１２からオルタネータ３に励磁電流を供給することが可能となる。そして、制御装置２１により、オルタネータ３のＩＣレギュレータに出力指令が与えられることにより、オルタネータ３が発電動作し、オルタネータ３の発電電力がキャパシタ１２に入力される。

その一方で、制御装置２１により、電力制限回路２０のバッテリ１１側のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１がオフのまま、キャパシタ１２側のＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２のゲート端子にＰＷＭ信号が与えられる。これにより、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２がオン／オフを繰り返す。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２がオンにされている間、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２をキャパシタ１２側からバッテリ１１側に電流が流れ、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２がオフにされると、その電流の流れが遮断される。コイル３３に電流が流れると、コイル３３には、その電流を阻止するように起電力が発生する。一方、コイル３３に流れる電流が遮断されると、コイル３３には、その電流を維持するように起電力が発生し、電流がダイオード３５を通して供給される。その結果、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２およびコイル３３を時間変化率が制限された電流が流れる。この電流は、断続していてもよい。ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１がオフにされているが、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３２およびコイル３３を流れる電流は、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ３１の寄生ダイオード３７を通して、バッテリ１１に供給される。

バッテリ１１に供給される電力は、ＰＷＭ信号のオン／オフの時間の割合（デューティ比）により調整することができる。これにより、キャパシタ１２からバッテリ１１に過大な電流が流れることを抑制しながら、バッテリ１１にキャパシタ１２のエネルギーを供給することができる。キャパシタ１２の電圧が所定範囲の上限値以下に低下すると、第１メインリレー１７をオンにして、オルタネータ３の発電電力をバッテリ１１およびキャパシタ１２に入力することができる。また、電力制限回路２０では、抵抗式予備充電回路とは異なり、抵抗による損失（ジュール熱）を生じずに、キャパシタ１２からバッテリ１１に過大な電流が流れることを抑制できる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

オルタネータ３と第１メインリレー１７および第２メインリレー１９との間に、リレーが介在されて、たとえば、キャパシタ１２の電圧が異常に高くなった場合に、そのリレーがオフにされて、オルタネータ３の動作が禁止されてもよい。

また、キャパシタ１２に代えて、ニッケル水素（Ｎｉ−ＭＨ）電池、リチウムイオン電池など、急速充電性能に優れた二次電池が採用されてもよい。

さらに、オルタネータ３は、アイドリングストップ後のエンジンの再起動などに用いられる駆動力を発生可能なものであってもよい。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

３ オルタネータ
１１ バッテリ（第１蓄電デバイス）
１２ キャパシタ（第２蓄電デバイス）
１７ 第１メインリレー（第１リレー）
１９ 第２メインリレー（第２リレー）
２０ 電力制限回路

Claims (1)

1. オルタネータと、
   第１蓄電デバイスと、
   前記オルタネータに対して前記第１蓄電デバイスと並列に設けられる第２蓄電デバイスと、
   前記オルタネータと前記第１蓄電デバイスとの間に介在される第１リレーと、
   前記オルタネータと前記第２蓄電デバイスとの間に介在される第２リレーと、
   前記第１蓄電デバイスと前記第２蓄電デバイスとの間に介在され、前記第１蓄電デバイス側から第２蓄電デバイス側に供給される電力および前記第２蓄電デバイス側から前記第１蓄電デバイス側に供給される電力を制限するための電力制限回路とを含む、車両用電源装置。

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