JP2016137803A - 自動車用電源装置及び自動車用電源装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オルタネータの出力電力の低下に基づくキャパシタの放電を抑制し得る自動車用電源装置を提供する。【解決手段】オルタネータ１３から出力される回生電力を蓄電するキャパシタ１４と、オルタネータの出力電圧を変換してメインバッテリー１６及び負荷群１７に供給する電圧変換部２２を有するＤＣ／ＤＣコンバータ１５とを備えた自動車用電源装置において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５には、電圧変換部２２の出力電力がオルタネータ１３の出力電力より大きい場合に、該電圧変換部２２の出力電力がオルタネータの出力電力に近づくように電圧変換部を制御してキャパシタ１４の放電を抑制する制御部２１を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギー回生システムを備えた自動車用電源装置及び自動車用電源装置の制御方法に関するものである。

近年、自動車の燃料消費量を低減するために、エネルギー回生システムを備えた自動車が実用化されている。回生システムの一例として、自動車の減速時の慣性エネルギーでオルタネータを作動させて発電した電力をキャパシタ及びメインバッテリーに蓄え、アイドリングストップに続くエンジンの再始動時に、キャパシタの蓄電電力でスターターモータを駆動するようにしたものがある。また、走行時にキャパシタの蓄電電力でモータを作動させて、エンジンの出力トルクを補うことも行われる。

このような動作により、メインバッテリーの電力消費が低減されるため、通常走行時にオルタネータの作動時間が短縮されるとともに、エンジンの出力トルクもモータで補われるので、エンジンの負荷が低減されて、燃料消費量の低減が図られている。

図６は、上記のような回生システムを備えた電源装置の一例を示す。スターターモータ１とオルタネータ２の機能を備えたＩＳＧ（integrated starter generator）ユニット３で発電される電力はキャパシタ４に充電されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５で降圧されてメインバッテリー６及び負荷群７に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電力は、メインバッテリー６及び負荷群７で必要とする電力に基づいて電源制御ＥＣＵにより制御される。

そして、オルタネータ２は電源制御ＥＣＵの制御に基づいて主に減速時に作動し、その発電電力がキャパシタ４、メインバッテリー６及び負荷群７に供給される。
特許文献１には、変圧部の出力電流の異常を検出可能としたＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。

特許文献２には、出力電圧を安定化可能としたＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。

特開２０１２−６０７２３号公報 特開２００２−３１５３１３号公報

図６に示す自動車用電源装置では、自動車の減速時に作動するオルタネータ２の出力電力は、自動車の速度が低下するにつれて低下する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は電源制御ＥＣＵにより一定の出力電力を出力するように制御される。

従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ５はオルタネータ２の出力電力が低下したとき、オルタネータ２の発電電力以上の一定の電力を出力しようとする場合がある。この場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ５はキャパシタ４の蓄電電力を使用して、必要な出力電力を確保する。

すると、エンジンの再始動時等、キャパシタ４の蓄電電力を使用する際にキャパシタ４の蓄電量が不足することがあるため、回生動作時以外にもオルタネータ２を作動させてキャパシタ４に充電する必要がある。この結果、燃費低減効果が低下するという問題点がある。

また、特許文献１及び特許文献２に開示されたＤＣ／ＤＣコンバータでは、回生システムに使用して、自動車の燃費低減効果を確保するようにする構成は開示されていない。
この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的はオルタネータの出力電力の低下に基づくキャパシタの放電を抑制し得る自動車用電源装置を提供することにある。

上記課題を解決する自動車用電源装置は、オルタネータから出力される回生電力を蓄電するキャパシタと、前記オルタネータの出力電圧を変換してメインバッテリー及び負荷群に供給する電圧変換部を有するＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた自動車用電源装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータには、前記電圧変換部の出力電力が前記オルタネータの出力電力より大きい場合に、該電圧変換部の出力電力が前記オルタネータの出力電力に近づくように前記電圧変換部を制御して前記キャパシタの放電を抑制する制御部を備えたことを特徴とする。

この構成により、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力がオルタネータの出力電力より大きくなると、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力がオルタネータの出力電力に近づくように制御されて、キャパシタの放電が抑制される。

また、上記の自動車用電源装置において、前記オルタネータの出力電流及び出力電圧を検知する検知手段と、前記検知手段で検知された出力電流と出力電圧とに基づいて、前記オルタネータの出力電力を算出して前記制御部に出力する電源制御ＥＣＵとを備えることが好ましい。

この構成により、電源制御ＥＣＵでオルタネータの出力電力が算出され、オルタネータの出力電力とＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力が制御部で比較される。
また、上記の自動車用電源装置において、前記制御部は、前記オルタネータの出力電力と前記電圧変換部の出力電力を一定周期毎に比較し、その比較結果に基づいて前記電圧変換部を制御することが好ましい。

この構成により、電圧変換部の出力電力が前記オルタネータの出力電力に近づくように一定周期毎に制御される。
また、上記の自動車用電源装置において、前記制御部は、前記オルタネータの出力電力と前記電圧変換部の出力電力を一定周期毎に比較して前記オルタネータの出力電力の遷移の勾配を算出するとともに、その勾配に基づいて前記出力電力の比較時点から前記電圧変換部の動作遅延時間後のオルタネータの出力電力の予測値を算出し、該予測値に一致するように前記電圧変換部の出力電力を制御することが好ましい。

この構成により、電圧変換部の動作遅延時間を考慮した制御により、オルタネータの出力電力と電圧変換部の出力電力を周期的に一致させることが可能となる。
また、上記課題を解決する自動車用電源装置の制御方法は、オルタネータの出力電力とＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を比較し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力がオルタネータの出力電力より大きくなるとき、その比較時点から前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作遅延時間後のオルタネータの出力電力を予測し、その予測値に一致するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を調整して、回生動作時に前記オルタネータで充電されるキャパシタの放電を抑制することを特徴とする。

この制御方法により、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力がオルタネータの出力電力より大きくなると、電圧変換部の動作遅延時間を考慮した制御により、オルタネータの出力電力と電圧変換部の出力電力を周期的に一致するように制御されて、キャパシタの放電が抑制される。

本発明の自動車用電源装置によれば、オルタネータの出力電力の低下に基づくキャパシタの放電を抑制することができる。

自動車用電源装置を示すブロック図である。 第一の実施形態の動作を示す説明図である。 自動車用電源装置の動作を示すフローチャートである。 自動車用電源装置の動作を示す説明図である。 第一の実施形態の動作を示す説明図である。 自動車用電源装置の従来例を示すブロック図である。

（第一の実施形態）
以下、自動車用電源装置の第一の実施形態を図面に従って説明する。図１に示す自動車用電源装置のＩＳＧユニット１１は、スターターモータ１２とオルタネータ１３の機能を備え、オルタネータ１３として動作すると、その発電電力でキャパシタ１４が充電される。

また、オルタネータ１３から出力される発電電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５で降圧されて、メインバッテリー１６及び負荷群１７に供給される。
オルタネータ１３は、キャパシタ１４及びメインバッテリー１６の充電量に基づいて電源制御ＥＣＵ１８により制御され、主に自動車の減速時の慣性エネルギーに基づいて動作して発電する。

スターターモータ１２の動作は、エンジン制御ＥＣＵ（図示しない）により制御され、エンジンの始動時及びアイドリングストップに続くエンジンの再始動時に動作する。そして、常にはキャパシタ１４から供給される電力に基づいて動作する。

ＩＳＧユニット１１には、オルタネータ１３の出力電圧及び出力電流を検出するセンサ１９が接続され、その検出値が電源制御ＥＣＵ１８に出力される。電源制御ＥＣＵ１８は、入力された検出値に基づいてオルタネータ１３の出力電力Ｑを演算し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、電源制御ＥＣＵ１８との間で通信動作を行う通信部２０と、あらかじめ設定されているプログラムに基づいて動作するマイコン２１と、マイコン２１から出力される指令信号Ｃにより、ＰＷＭ制御による降圧動作あるいは昇圧動作を行う電圧変換部２２を備えている。

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５はオルタネータ１３の出力電圧を所定の電圧に降圧するとともに、一定の出力電力Ｐをメインバッテリー１６及び負荷群１７に供給する。また、キャパシタ１４の出力電圧が低下している場合には、メインバッテリー１６の出力電圧が昇圧されてキャパシタ１４に供給され、メインバッテリー１６の充電電力に基づいてキャパシタ１４が充電されることもある。

マイコン２１には、電圧変換部２２から出力される出力電力Ｐがデジタル値として入力される。出力電力Ｐは、電圧変換部２２の出力電圧と、指令信号Ｃに基づいてマイコン２１で認識される電圧変換部２２の出力電流Ｉに基づいて、マイコン２１で算出される。

そして、マイコン２１はオルタネータ１３の出力電力Ｑと電圧変換部２２の出力電力Ｐを比較し、オルタネータ１３の出力電力Ｑが電圧変換部２２の出力電力Ｐより低くなる場合には、電圧変換部２２のＰＷＭ制御のデューティ比の変更により、電圧変換部２２の出力電流Ｉを抑制して、出力電力Ｐをオルタネータの出力電力Ｑに近づけるように動作する。

次に、上記のようなＤＣ／ＤＣコンバータ１５を備えた自動車用電源装置の作用を説明する。
図２に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５のマイコン２１は、オルタネータ１３の出力電力Ｑと電圧変換部２２の出力電力Ｐを一定時間Δｔ毎にサンプリングする。この実施形態では、Δｔは例えば３００ｍｓｅｃに設定され、ＰＷＭ制御によるデューティ比の変更のタイミングから実際に電圧変換部２２の出力電圧が切り替えられるまでの遅延時間にほぼ一致するように設定されている。

自動車の減速時すなわち回生動作時には、オルタネータ１３の出力電力Ｑはエンジンの回転数の低下にともなって徐々に低下していく。すると、第一の時刻（ｔ−Δｔ）ではオルタネータ１３の出力電力Ｑ（ｔ−Δｔ）が電圧変換部２２の出力電力Ｐ（ｔ−Δｔ）より電力差ｄ分低くなる。

すると、マイコン２１はこの電力差ｄをなくすために、電圧変換部２２の出力電流Ｉを減少させるようにデューティ比を変更する指令信号Ｃを電圧変換部２２に出力する。
このような動作により、一定時間Δｔ後の第二の時刻ｔで、電圧変換部２２の出力電力Ｐ（ｔ）は第一の時刻（ｔ−Δｔ）の出力電力Ｐ（ｔ−Δｔ）より電力差ｄ分低くなる。

第二の時刻ｔではオルタネータ１３の出力電力Ｑ（ｔ）は第一の時刻（ｔ−Δｔ）の出力電力Ｑ（ｔ−Δｔ）よりさらに電力差ｄ分低くなっているので、第三の時刻（ｔ＋Δｔ）に向かって同様な動作が行われる。その結果、第三の時刻（ｔ＋Δｔ）で電圧変換部２２の出力電力はＰ（ｔ＋Δｔ）となる。

このような動作により、電圧変換部２２の出力電力Ｐはオルタネータ１３の出力電力Ｑの低下に追随して低下する。
図３は、上記のようなオルタネータ１３の動作時における自動車用電源装置の動作を示す。回生動作時等に電源制御ＥＣＵ１８はオルタネータ１３に発電指示を行い（ステップ１）、センサ１９で検出されたオルタネータ１３の出力電流及び出力電圧に基づいてオルタネータ１３の出力電力Ｑを算出する（ステップ２）。

そして、オルタネータ１３の出力電力ＱがＤＣ／ＤＣコンバータ１５のマイコン２１に出力される（ステップ３）。
次いで、マイコン２１で電圧変換部２２の出力電力Ｐとオルタネータ１３の出力電力Ｑとを比較する（ステップ４）。そして、オルタネータ１３の出力電力Ｑが電圧変換部２２の出力電力Ｐより小さい場合には、図２に示すように、マイコン２１は電圧変換部２２の出力電流Ｉを順次削減して、電圧変換部２２の出力電力Ｐがオルタネータ１３の出力電力Ｑに近づくように電圧変換部２２を制御する（ステップ５）。

また、ステップ４でオルタネータ１３の出力電力Ｑが電圧変換部２２の出力電力Ｐと同等かそれ以上である場合には、マイコン２１は電圧変換部２２が電源制御ＥＣＵ１８であらかじめ設定された一定の出力電流Ｉを出力し続けるように制御する（ステップ６）。そして、オルタネータ１３の作動時には、ステップ１〜ステップ６の動作を繰り返す。

図４は、上記のように構成された自動車用電源装置において、オルタネータ１３の動作時のオルタネータ１３の出力電力ＱとＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐ及びＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電流Ｉとの関係を示す。

第一の領域Ａに示すように、オルタネータ１３の出力電力ＱがＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐを上回る状態では、マイコン２１の制御によりＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電流Ｉは、電源制御ＥＣＵ１８の指示値に基づく一定電流となる。このとき、メインバッテリー１６の充電率の上昇にともなってＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧が上昇すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐが上昇する。

第一の領域Ａから第二の領域Ｂに移行して、オルタネータ１３の出力電力ＱがＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐより小さくなると、マイコン２１の動作によりＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電流Ｉが抑制されて、出力電力Ｐがオルタネータ１３の出力電力Ｑより小さくなるまで、徐々に低下するように制御される。

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐがオルタネータ１３の出力電力Ｑより一定値以上小さくなった時点で、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電流Ｉが指示値に基づく一定電流に復帰する。

上記のような自動車用電源装置では、次に示す効果を得ることができる。
（１）オルタネータ１３の動作時に、オルタネータ１３の出力電力ＱよりＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐが大きくなるとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電流Ｉを抑制することにより、出力電力Ｐを抑制することができる。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の動作によるキャパシタ１４の蓄電電力の消費を抑制することができる。
（２）オルタネータ１３の動作時に、キャパシタ１４の蓄電電力の消費を抑制することができるので、回生動作に続くエンジンの再始動時等のために、キャパシタ１４の蓄電電力を確実に確保することができる。
（３）回生動作時に、キャパシタ１４の蓄電電力の消費を抑制することができるので、キャパシタ１４を充電するために回生動作時以外にオルタネータ１３を作動させる必要がない。従って、燃費低減効果を確保することができる。
（第二の実施形態）
図５は、第二の実施形態を示す。この実施形態は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐをオルタネータ１３の出力電力Ｑに追随させるとき、マイコン２１から出力電流を変更するための指示値が出力されてからＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電流Ｉが指示値まで低下するまでの遅延時間を考慮するようにしたものである。

そして、図３に示すステップ５の動作のみが第一の実施形態と相違し、その他の構成は第一の実施形態と同様である。第一の実施形態と同一構成部分は、同一符号を付して、詳細な説明を省略する。

図５に示すように、マイコン２１は第一の時刻（ｔ−Δｔ）でオルタネータ１３の出力電力Ｑ（ｔ−Δｔ）を検出し、第二の時刻ｔでオルタネータ１３の出力電力Ｑ（ｔ）を検出する。

そして、出力電力Ｑ（ｔ−Δｔ），Ｑ（ｔ）と時間Δｔとに基づいて、オルタネータ１３の出力電力Ｑが低下する際の勾配を算出する。
次いで、算出された勾配に基づいて第三の時刻（ｔ＋Δｔ）におけるオルタネータ１３の出力電力Ｑ（ｔ＋Δｔ）を予測し、その出力電力Ｑ（ｔ＋Δｔ）を出力するための指示値を第二の時刻ｔで電圧変換部２２に出力する。

すると、第二の時刻ｔから電圧変換部２２の動作遅延時間Δｔ後の第三の時刻（ｔ＋Δｔ）で、電圧変換部２２の出力電流Ｉが低下して、出力電力Ｐ（ｔ＋Δｔ）がオルタネータ１３の出力電力Ｑ（ｔ＋Δｔ）に一致するレベルまで低下する。そして、このような動作が繰り返されて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐがオルタネータ１３の出力電力Ｑに追随する。

この実施形態では、第一の実施形態で得られた効果に加えて、次に示す効果を得ることができる。
（１）オルタネータ１３の出力電力Ｑが低下する勾配を演算し、その勾配に基づいて電圧変換部２２の動作遅延時間Δｔ後の出力電力Ｑを予測し、予測した出力電力Ｑに一致するように、マイコン２１から電圧変換部２２に指示値を出力することができる。従って、動作遅延時間Δｔの２倍の時間（Δｔ×２）毎に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐとオルタネータ１３の出力電力Ｑを一致させることができるので、回生動作時のキャパシタ１４の蓄電電力の消費をさらに抑制することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐは、電圧変換部２２から出力される実際の出力電圧と出力電流に基づいて算出してもよい。
・前記各実施形態のステップ４で、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐとオルタネータ１３の出力電力Ｑを比較する際、あらかじめ設定したしきい値を満たす場合に限り、ステップ５に移行するようにしてもよい。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐが、オルタネータ１３の出力電力Ｑより一定値以上高く、かつその状態が一定時間以上継続した場合に限り、ステップ５に移行するようにする。このようにすると、ステップ４からステップ５あるいはステップ６への移行が頻繁に切り替わることを防止して、動作を安定化させることが可能となる。

１３…オルタネータ、１４…キャパシタ、１５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６…メインバッテリー、１７…負荷群、１８…電源制御ＥＣＵ、１９…検知手段（センサ）、２１…制御部（マイコン）、２２…電圧変換部。

Claims (5)

1. オルタネータから出力される回生電力を蓄電するキャパシタと、
   前記オルタネータの出力電圧を変換してメインバッテリー及び負荷群に供給する電圧変換部を有するＤＣ／ＤＣコンバータと
   を備えた自動車用電源装置において、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータには、
   前記電圧変換部の出力電力が前記オルタネータの出力電力より大きい場合に、該電圧変換部の出力電力が前記オルタネータの出力電力に近づくように前記電圧変換部を制御して前記キャパシタの放電を抑制する制御部を備えたことを特徴とする自動車用電源装置。
2. 請求項１に記載の自動車用電源装置において、
   前記オルタネータの出力電流及び出力電圧を検知する検知手段と、
   前記検知手段で検知された出力電流と出力電圧とに基づいて、前記オルタネータの出力電力を算出して前記制御部に出力する電源制御ＥＣＵと
   を備えたことを特徴とする自動車用電源装置。
3. 請求項１又は２に記載の自動車用電源装置において、
   前記制御部は、
   前記オルタネータの出力電力と前記電圧変換部の出力電力を一定周期毎に比較し、その比較結果に基づいて前記電圧変換部を制御することを特徴とする自動車用電源装置。
4. 請求項３に記載の自動車用電源装置において、
   前記制御部は、
   前記オルタネータの出力電力と前記電圧変換部の出力電力を一定周期毎に比較して前記オルタネータの出力電力の遷移の勾配を算出するとともに、その勾配に基づいて前記出力電力の比較時点から前記電圧変換部の動作遅延時間後のオルタネータの出力電力の予測値を算出し、該予測値に一致するように前記電圧変換部の出力電力を制御することを特徴とする自動車用電源装置。
5. オルタネータの出力電力とＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を比較し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力がオルタネータの出力電力より大きくなるとき、その比較時点から前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作遅延時間後のオルタネータの出力電力を予測し、その予測値に一致するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を調整して、回生動作時に前記オルタネータで充電されるキャパシタの放電を抑制することを特徴とする自動車用電源装置の制御方法。