JP2016005357A - 車両の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣ／ＤＣコンバータの漏れ電流によるキャパシタの電圧低下を抑制し、リチウムイオンキャパシタを用いることができる車両の電源装置を提供する。【解決手段】車両の電源装置１は、補機バッテリ４と、補機バッテリ４に接続されるコンバータ回路部６１と、補機バッテリ４に対して、コンバータ回路部６１を介して接続されるキャパシタ５と、コンバータ回路部６１に接続される平滑コンデンサ６２および電圧センサ６３と、平滑コンデンサ６２および電圧センサ６３と、キャパシタ５との間に設けられるスイッチ６４とを備え、車両の非動作時であってキャパシタ５の電圧が所定の基準電圧値以上である場合に、スイッチ６４をオフとする。【選択図】図２

Description

この発明は車両の電源装置に関する。

車両の減速時のエネルギーを回収するため（回生機能）、通常の補機バッテリの他にキャパシタを備えた電源装置が普及してきている。このような電源装置では、電圧を調整するために、オルタネータや補機バッテリなどとキャパシタとの間に、ＤＣ／ＤＣコンバータが設けられる。特許文献１には、このような構成の車両用の電源装置の例が記載されている。

特開２００９−２８４５９６号公報

しかしながら、従来の構成では、ＤＣ／ＤＣコンバータの漏れ電流によってキャパシタの電圧が低下するため、キャパシタとしてリチウムイオンキャパシタを用いるのが困難であるという問題があった。

リチウムイオンキャパシタを用いる場合には、動作時・非動作時に関わらず、ある最低電圧を維持しないと寿命低下や故障などの不具合が発生する場合がある。一方、従来の構成による車両の電源装置では、キャパシタにＤＣ／ＤＣコンバータが接続されているため、車両の非動作時であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータの漏れ電流により、少量ながら消費電流が存在してしまう。このため、長期間車両を放置した場合には、リチウムイオンキャパシタの電圧が徐々に低下し、いずれは維持しなければならない最低電圧を下回ってしまうおそれがある。したがって、リチウムイオンキャパシタを用いることができないか、または用いることが困難であった。

この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータの漏れ電流によるキャパシタの電圧低下を抑制し、リチウムイオンキャパシタを用いることができる車両の電源装置を提供することを目的とする。

この発明に係る車両の電源装置は、二次電池と、二次電池に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ回路部と、二次電池に対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部を介して接続される、リチウムイオンキャパシタと、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部に接続される平滑コンデンサおよび電圧センサと、平滑コンデンサと電圧センサのうち少なくとも一方と、リチウムイオンキャパシタとの間に設けられるスイッチ手段とを備え、車両の非動作時であってリチウムイオンキャパシタの電圧が所定の基準電圧値以上である場合に、スイッチ手段をオフとする。

このような構成によれば、スイッチ手段により、平滑コンデンサまたは電圧センサとリチウムイオンキャパシタとの間が遮断可能である。

車両の非動作時であってリチウムイオンキャパシタの電圧が基準電圧値未満である場合に、スイッチ手段をオンとして二次電池からリチウムイオンキャパシタに電力を供給してもよい。
平滑コンデンサおよび電圧センサと、リチウムイオンキャパシタとの間にスイッチ手段が配置されてもよい。この場合、キャパシタの電圧低下をより抑制できる。
車両の動作時には、スイッチ手段を常にオンとしてもよい。

この発明に係る車両の電源装置によれば、平滑コンデンサおよび電圧センサとリチウムイオンキャパシタとの間が遮断可能であることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータの漏れ電流によるキャパシタの電圧低下が抑制されるので、リチウムイオンキャパシタを用いることができる。

この発明の実施の形態１に係る車両の電源装置を含む構成を示す図である。 図１のＤＣ／ＤＣコンバータの内部構造の例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る電源装置１を含む構成を示す図である。
電源装置１は車両の電源装置であり、車両に搭載される負荷に電力を供給する。負荷は、たとえば補機２である。

電源装置１は、オルタネータ３、補機バッテリ４、キャパシタ５およびＤＣ／ＤＣコンバータ６を備える。オルタネータ３は、発電機として機能する。補機バッテリ４は二次電池であり、たとえば鉛バッテリである。キャパシタ５はリチウムイオンキャパシタ（ＬｉＣ）であるか、またはリチウムイオンキャパシタを含む。たとえば、キャパシタ５は、４個のリチウムイオンキャパシタを直列に接続することによって構成される。

キャパシタ５には、所定の最低電圧が設定されている。キャパシタ５の不具合を避けるために、電源装置１が動作しているか否かに関わらず、キャパシタ５の電圧をこの最低電圧以上に維持する必要がある。たとえば、電気二重層コンデンサ（ＥＤＬＣ）の電圧は０〜３［Ｖ］に維持されればよく、電圧が０になってもよいが、本願発明のようにリチウムイオンキャパシタを用いる場合には、その電圧は、たとえば２．２〜３．８［Ｖ］に維持する必要があり、この場合には最低電圧は２．２［Ｖ］である。

負荷のうち少なくとも一部（図１の例では補機２）と、オルタネータ３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ６とは、補機バッテリ４に対して並列に接続される。また、キャパシタ５は、補機２、オルタネータ３および補機バッテリ４に対し、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して接続される。さらに、負荷の一部（たとえば図示しないスタータ）が、補機２、オルタネータ３および補機バッテリ４に対して接続されてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、オルタネータ３および補機バッテリ４の少なくとも一方から供給される電力の電圧を変換し、キャパシタ５に供給する機能を有する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、キャパシタ５から供給される電力の電圧を変換し、補機２、オルタネータ３および補機バッテリ４のうち少なくとも１つに供給する機能を有する。すなわち双方向の電圧変換が可能になっている。

言い換えると、負荷の一部（補機２）は、補機バッテリ４には直接的に接続され、キャパシタ５にはＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して接続される。このため、補機２が補機バッテリ４から電力の供給を受ける場合には、補機バッテリ４の電圧がそのまま印加されることになる。また、補機２がキャパシタ５から電力の供給を受ける場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して電圧の制御が可能である。

図２に、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の内部構造の例を示す。ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、電圧を変換するコンバータ回路部６１（ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部）を備える。補機バッテリ４がコンバータ回路部６１に接続される。また、補機バッテリ４およびキャパシタ５は、コンバータ回路部６１を介して互いに接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、電圧を平滑化する平滑コンデンサ６２と、電圧を測定する電圧センサ６３とを備える。平滑コンデンサ６２および電圧センサ６３は、コンバータ回路部６１に対して並列に接続される。平滑コンデンサ６２は、たとえばアルミ電解コンデンサを含んで構成され、電圧に応じて漏れ電流が発生する。とくに、キャパシタ５の電圧が平滑コンデンサ６２に印加され、これによって漏れ電流が発生した場合には、漏れ電流の大きさは、キャパシタ５の電圧が有意に低下する程度となる場合がある。

ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、スイッチ６４（スイッチ手段）を備える。スイッチ６４は、コンバータ回路部６１、平滑コンデンサ６２および電圧センサ６３と、キャパシタ５との間に設けられる。スイッチ６４の具体的な構成は当業者が適宜決定可能であるが、たとえば機械的なスイッチ（たとえばメカリレー）であってもよく、半導体素子（たとえばＭＯＳＦＥＴ）を用いたものであってもよい。

また、とくに図示しないが、電源装置１は、電源装置１の動作を制御する制御装置を備える。制御装置はたとえば演算手段および記憶手段を備えるコンピュータ（たとえばマイクロプロセッサ等）によって構成される。また、以下ではとくに明記しないが、オルタネータ３、補機バッテリ４、キャパシタ５およびＤＣ／ＤＣコンバータ６（スイッチ６４を含む）の制御は、この制御装置により実行される。

次に、実施の形態１に係る電源装置１の動作を説明する。
車両の動作時には、電源装置１はスイッチ６４をオンとする。車両の動作時とは、たとえばイグニッションオンである間を意味する。ここで、車両の動作時には他の条件に関わらずスイッチ６４を常にオンとする構成であってもよく、また、状況に応じてオフとするような構成であってもよい。

スイッチ６４以外の制御については、たとえば従来の制御がそのまま利用可能である。従来の制御には、車両の減速時にオルタネータ３により発電を行い、補機バッテリ４またはキャパシタ５に充電する制御や、コンバータ回路部６１を制御することにより、補機バッテリ４とキャパシタ５との間で電力を供給する制御や、内燃機関のアイドリングストップに係る制御等が含まれる。

また、車両の動作時の制御は、キャパシタ５の電圧を所定の基準電圧値以上に維持する制御を含んでもよい。この基準電圧値は、たとえばキャパシタ５の最低電圧であるが、最低電圧に基づいて決定される電圧値（たとえば所定の余裕値を含むもの）であってもよい。

電源装置１は、車両の非動作時に、キャパシタ５の電圧を基準電圧値以上とする制御を行う。車両の非動作時とは、たとえばイグニッションオフである間を意味する。本実施形態では、この制御は、スイッチ６４をオフとする制御である。たとえば、電源装置１は、イグニッションがオンからオフとなることに応じてスイッチ６４をオフとし、その後、イグニッションがオンとなるまで、スイッチ６４をオフに維持する。

このような制御により、キャパシタ５が平滑コンデンサ６２および電圧センサ６３から切り離されるので、キャパシタ５に蓄えられた電荷が平滑コンデンサ６２や電圧センサ６３で消費されることがなく、キャパシタ５の電圧低下が抑制される。したがって、漏れ電流によるキャパシタ５の電圧低下を抑制し、キャパシタ５としてリチウムイオンキャパシタを用いることができる。

上述の実施の形態１において、次のような変形を施すことができる。
ＤＣ／ＤＣコンバータ６の構成要素の位置関係は、図２に示すものに限らない。たとえば、ＤＣ／ＤＣコンバータ６はスイッチ６４を含まないものであってもよい。その場合には、スイッチ６４と同様のスイッチが、ＤＣ／ＤＣコンバータとは独立した構成要素として、ＤＣ／ＤＣコンバータの外部（たとえばＤＣ／ＤＣコンバータとキャパシタ５との間）に設けられてもよい。

また、スイッチ６４の他に、追加のスイッチが設けられてもよい。たとえば、図１において、補機バッテリ４とキャパシタ５との間を、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介さずに直接的に接続する経路を追加し、この経路に追加のスイッチが設けられてもよい。この追加のスイッチにおいて、キャパシタ５側の接点は、スイッチ６４に関してどちら側に接続されてもよい。すなわち、追加のスイッチのキャパシタ５側の接点は、スイッチ６４よりコンバータ回路部６１側（図２では左側）に設けられてもよく、スイッチ６４よりキャパシタ５側（図２では右側）に設けられてもよい。

とくに、追加のスイッチのキャパシタ５側の接点を、スイッチ６４よりキャパシタ５側に設ける構成とすると、スイッチ６４に要求される許容最大電流の条件が緩和される場合がある。たとえば、キャパシタ５と並列にスタータが設けられる構成では、補機バッテリ４から追加のスイッチを介してスタータ電流がスタータに供給される場合があるが、追加のスイッチのキャパシタ５側の接点がスイッチ６４よりもキャパシタ５側であれば、スタータ電流はスイッチ６４には流れないので、スイッチ６４にはスタータ電流に対する耐性が不要となる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６において、たとえば平滑コンデンサ６２と電圧センサ６３との位置関係が入れ替わってもよい。また、コンバータ回路部６１が平滑コンデンサ６２や電圧センサ６３を含んでもよい。つまり平滑コンデンサ６２と電圧センサ６３はＤＣ／ＤＣコンバータ６に含まれていても良いし、別に設けられていてもよい。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、複数の平滑コンデンサ６２や複数の電圧センサ６３を備えてもよい。ＤＣ／ＤＣコンバータ６が複数の平滑コンデンサ６２または複数の電圧センサ６３を備える場合には、スイッチ６４は、最もキャパシタ５側に設けられる平滑コンデンサ６２および最もキャパシタ５側に設けられる電圧センサ６３と、キャパシタ５との間に設けられる。
また、スイッチ６４は、平滑コンデンサ６２および電圧センサ６３と、キャパシタ５との間に設けたが、平滑コンデンサ６２と電圧センサ６３のうち少なくとも一方と、キャパシタ５との間に設けても良い。この場合もスイッチ６４を設けない場合に比べてキャパシタ５の電圧低下が抑制される。

実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１において、スイッチ６４に係る制御の内容を変更するものである。
実施の形態２では、実施の形態１における制御に加え、キャパシタ５の電圧が基準電圧値未満である場合に、スイッチ６４をオンとして補機バッテリ４からキャパシタ５に電力を供給する制御を含む。

すなわち、車両の非動作時において、キャパシタ５の電圧が基準電圧値以上である場合にはスイッチ６４をオフとし、キャパシタ５の電圧が基準電圧値未満である場合にはスイッチ６４をオンとすることになる。

たとえば、車両の非動作時に、定期的にＤＣ／ＤＣコンバータ６を起動させ、一時的にスイッチ６４をオンして電圧センサ６３によりキャパシタ５側の電圧を測定する。車両の非動作時に何らかの理由でキャパシタ５の電圧が低下して、基準電圧値未満となった場合には、スイッチ６４をオン状態で、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を介して補機バッテリ４からキャパシタ５に充電を行い、キャパシタ５の電圧が基準電圧値以上となるまで上昇させる。キャパシタ５の電圧が基準電圧値以上となった時点でスイッチ６４をオフとし、その後、キャパシタ５の電圧が基準電圧値未満となるまでスイッチ６４をオフに維持する。

このようにすると、漏れ電流によるキャパシタ５の電圧低下が抑制されるとともに、キャパシタ５の電圧が低下した場合にはこれに応じて電圧を回復させることができるので、キャパシタ５としてリチウムイオンキャパシタを用いることができる。

実施の形態２においても、上述の実施の形態１の変形と同様の変形を施すことができる。なお、スイッチ６４よりキャパシタ５側に電圧センサ６３を配置した場合は、キャパシタ５の電圧を測定する際にスイッチ６４をオンする必要はない。

１ 電源装置、２ 補機、３ オルタネータ、４ 補機バッテリ（二次電池）、５ キャパシタ（リチウムイオンキャパシタ）、６ ＤＣ／ＤＣコンバータ、６１ コンバータ回路部（ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部）、６２ 平滑コンデンサ、６３ 電圧センサ、６４ スイッチ（スイッチ手段）。

Claims (4)

1. 車両の電源装置であって、
   二次電池と、
   前記二次電池に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ回路部と、
   前記二次電池に対して、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部を介して接続される、リチウムイオンキャパシタと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ回路部に接続される平滑コンデンサおよび電圧センサと、
   前記平滑コンデンサと前記電圧センサのうち少なくとも一方と、前記リチウムイオンキャパシタとの間に設けられるスイッチ手段と
   を備え、
   車両の非動作時であって前記リチウムイオンキャパシタの電圧が所定の基準電圧値以上である場合に、前記スイッチ手段をオフとする、車両の電源装置。
2. 車両の非動作時であって前記リチウムイオンキャパシタの電圧が前記基準電圧値未満である場合に、前記スイッチ手段をオンとして前記二次電池から前記リチウムイオンキャパシタに電力を供給する、請求項１に記載の車両の電源装置。
3. 前記平滑コンデンサおよび前記電圧センサと、前記リチウムイオンキャパシタとの間に前記スイッチ手段が配置されている、請求項１または２に記載の車両の電源装置。
4. 車両の動作時には、前記スイッチ手段を常にオンとする、請求項１から３のいずれか一項に記載の車両の電源装置。

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