JP2016171663A - 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】キャパシタの劣化を抑制しながら、充電効率を向上させ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１及びバッテリー２の少なくともいずれかから出力される電力を、電流調整回路を介してキャパシタ４に供給する自動車用電源装置において、電流調整回路は、バッテリー２とキャパシタ４との間に接続され、接続するか否かを選択するスイッチ機能を備えた抵抗素子を並列に複数個接続した抵抗値調整回路１１と、キャパシタ４の出力電圧Ｖｃの上昇に応じて、各抵抗素子のスイッチを開閉制御して抵抗値調整回路１１の抵抗値を変更する制御部１３を備えた。【選択図】図１

Description

本発明は、通常の鉛バッテリーに加えて、キャパシタをバッテリーとして使用して、電源の高効率化を図るようにした自動車用電源装置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、充電効率に優れたキャパシタを活用して、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。また、ハイブリッドシステムを備えた自動車では、キャパシタの電力で動作するモータでエンジンの出力トルクが補われるので、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３は、上記のような回生システムを備えた自動車用電源装置の一例を示す。オルタネータ１の発電電力は、鉛蓄電池であるバッテリー２に供給されるとともに、リレー３を介して電気二重層キャパシタで構成されるキャパシタ４と、負荷群５に供給される。

キャパシタ４は、蓄電量が低下して出力電圧が低下しているときには、バッテリー２から大電流が供給されるため、劣化が進み、充電性能が低下する。このため、リレー３とキャパシタ４の間にオン抵抗の高いＦＥＴ素子６が介在されて、キャパシタ４の充放電動作時に制御部７でオン動作するＦＥＴ素子６により、キャパシタ４への流入電流を制限して、キャパシタ４の劣化を抑制するようにした構成が採用されている。

特許文献１には、キャパシタの充電時に、キャパシタへの大電流の供給を可能としながら、電力損失に伴う放熱性を向上させるようにした電源装置が開示されている。

特開２０１０−１９３５８８号公報

図３に示す自動車用電源装置では、キャパシタ４への充電が進んで、その出力電圧が高くなると、ＦＥＴ素子６のオン抵抗によりキャパシタ４への充電電流が流れ難くなり、充電効率が低下するという問題点がある。

特許文献１に開示された電源装置では、キャパシタの出力電圧が高くなった場合に、充電効率を向上させるための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、その目的はキャパシタの劣化を抑制しながら、充電効率を向上させ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、オルタネータ及びバッテリーの少なくともいずれかから出力される電力を、電流調整回路を介してキャパシタに供給する自動車用電源装置において、前記電流調整回路は、前記バッテリーとキャパシタとの間に接続され、接続するか否かを選択するスイッチ機能を備えた抵抗素子を並列に複数個接続した抵抗値調整回路と、前記キャパシタの出力電圧の上昇に応じて、前記各抵抗素子のスイッチを開閉制御して前記抵抗値調整回路の抵抗値を変更する制御部とを備えたことを特徴とする
この構成により、キャパシタの出力電圧の上昇にともなって、バッテリーとキャパシタとの間の抵抗値調整回路の抵抗値が減少する。

また、上記の自動車用電源装置において、前記各抵抗素子をそれぞれ異なる抵抗値とすることが好ましい。
この構成により、バッテリーと前記キャパシタとの間に接続する抵抗素子を前記制御部で変更することにより、抵抗値調整回路の抵抗値が調整される。

また、上記の自動車用電源装置において、前記スイッチ機能を備えた抵抗素子を電界効果トランジスタで構成することが好ましい。
この構成により、オン動作する電界効果トランジスタを変更することにより、抵抗値調整回路の抵抗値が調整される。

また、上記の自動車用電源装置において、前記制御部は、前記キャパシタの出力電圧の上昇に基づいて、前記抵抗値調整回路の抵抗値を段階的に順次減少させるように制御することが好ましい。

この構成により、キャパシタの出力電圧の上昇に基づいて、抵抗値調整回路の抵抗値が減少する。
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、オルタネータ及びバッテリーの少なくともいずれかから出力される電力を、抵抗値調整回路を介してキャパシタに供給する自動車用電源装置の制御方法において、前記キャパシタの出力電圧の上昇に応じて、前記抵抗値調整回路の抵抗値を段階的に順次減少させることを特徴とする。

この方法により、キャパシタの出力電圧の上昇にともなって、バッテリーとキャパシタとの間の抵抗値が減少する。

本発明の自動車用電源装置によれば、キャパシタの劣化を抑制しながら、充電効率を向上させることができる。

一実施形態の自動車用電源装置を示すブロック図である。 一実施形態の自動車用電源装置の動作を示す説明図である。 従来例を示すブロック図である。

以下、自動車用電源装置の一実施形態を図面に従って説明する。上記従来例と同一構成部分は同一符号を付して説明する。
図１に示す自動車用電源装置は、オルタネータ１の発電電力がバッテリー２に供給されるとともに、リレー３を介して電気二重層キャパシタで構成されるキャパシタ４及び負荷群５に供給される。

オルタネータ１は、回生動作時及びバッテリー２の充電量が低下しているとき、エンジンの動作に基づいて作動し、発電電力を出力する。リレー３は、電源制御ＥＣＵにより、主に回生動作時に導通状態となるように制御され、オルタネータ１の発電電力あるいはバッテリー２の充電電力が抵抗値調整回路１１を介してキャパシタ４に供給される。

回生動作時以外には、キャパシタ４の出力電圧が一定レベル以上であれば、リレー３が不導通状態となる。そして、キャパシタ４の蓄電電力が抵抗値調整回路１１を介して負荷群５に供給される。

抵抗値調整回路１１は、４個のＦＥＴ素子（電界効果トランジスタ）１２ａ〜１２ｄが並列に接続され、各ＦＥＴ素子１２ａ〜１２ｄのゲートが制御部１３に接続されて、各ＦＥＴ素子１２ａ〜１２ｄのオン・オフ動作が制御部１３により制御される。

制御部１３には、キャパシタ４の出力電圧（充電電圧）Ｖｃが入力されている。そして、制御部１３は、キャパシタ４の出力電圧Ｖｃが上昇するにつれて、ＦＥＴ素子１２ａのみがオンされる状態から、各ＦＥＴ素子１２ｂ〜１２ｄを順次オンさせてＦＥＴ素子１２ａに並列に接続されるＦＥＴ素子の数を増大させるように制御する。

各ＦＥＴ素子１２ａ〜１２ｄのオン抵抗は、ＦＥＴ素子１２ａが最も大きく、ＦＥＴ素子１２ｂ〜１２ｄに向かって順次小さくなるように設定されている。そして、各ＦＥＴ素子１２ａ〜１２ｄの抵抗値の比は、８：４：２：１に設定されている。

従って、各ＦＥＴ素子１２ａ〜１２ｄのうちオンさせるＦＥＴ素子の個数及び組み合わせを変更することにより、抵抗値調整回路１１の合成抵抗値を１０段階に変更可能となっている。

また、抵抗値調整回路１１の合成抵抗値は、キャパシタ４の出力電圧Ｖｃとバッテリー２の出力電圧に基づいて、キャパシタ４に流れる充電電流Ｉｃが１００Ａ程度となるように制御される。

次に、上記のような自動車用電源装置の作用を図２に従って説明する。
回生動作時にオルタネータ１が作動すると、オルタネータ１の発電電力がバッテリー２に供給されるとともに、リレー３を介してキャパシタ４及び負荷群５に供給される。

このとき、キャパシタ４がほぼ放電状態であって、その出力電圧Ｖｃがあらかじめ設定されているしきい値電圧以下であると、抵抗値調整回路１１ではＦＥＴ素子１２ａのみがオンされる第一の領域Ｘ１となる。

すると、ＦＥＴ素子１２ａのオン抵抗Ｒ１によりキャパシタ４の充電電流Ｉｃがほぼ１００Ａ以下となる。
キャパシタ４の充電が進んで、その出力電圧Ｖｃが上昇して充電電流Ｉｃが減少すると、抵抗値調整回路１１ではＦＥＴ素子１２ａに加えてＦＥＴ素子１２ｂがオンされる第二の領域Ｘ２となる。

すると、ＦＥＴ素子１２ａ，１２ｂのオン抵抗の合成抵抗Ｒ２によりキャパシタ４の充電電流Ｉｃがほぼ１００Ａに復帰する。
キャパシタ４の充電がさらに進んで、その出力電圧Ｖｃが上昇して充電電流Ｉｃが減少すると、抵抗値調整回路１１ではＦＥＴ素子１２ａ，１２ｂに加えてＦＥＴ素子１２ｃがオンされる第三の領域Ｘ３となる。

すると、ＦＥＴ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃのオン抵抗の合成抵抗Ｒ３によりキャパシタ４の充電電流Ｉｃがほぼ１００Ａに復帰する。
キャパシタ４の充電がさらに進んで、その出力電圧Ｖｃが上昇して充電電流Ｉｃが減少すると、抵抗値調整回路１１ではＦＥＴ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃに加えてＦＥＴ素子１２ｄがオンされる第四の領域Ｘ４となる。

すると、ＦＥＴ素子１２ａ〜１２ｄのオン抵抗の合成抵抗Ｒ４によりキャパシタ４の充電電流Ｉｃがほぼ１００Ａに復帰し、充電動作が継続される。
キャパシタ４の出力電圧Ｖｃの上昇にともなって、さらにオンさせるＦＥＴ素子の組み合わせが変更されて抵抗値調整回路１１の合成抵抗値が減少するように制御され、充電電流Ｉｃがほぼ１００Ａとなるように制御される。

回生動作が終了すると、キャパシタ４に蓄電された電力が負荷群５に供給されるとともに、アイドルストップ後のエンジン再始動時にはキャパシタ４の蓄電電力でスターターモータが駆動される。

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）キャパシタ４の出力電圧Ｖｃが低い場合には、抵抗値調整回路１１の抵抗値を大きくして、キャパシタ４に流入する充電電流Ｉｃを制限することができる。従って、過大な充電電流の流入によるキャパシタ４の劣化を抑制することができる。
（２）キャパシタ４の出力電圧Ｖｃの上昇にともなって、抵抗値調整回路１１の抵抗値を減少させることにより、キャパシタ４の充電効率を向上させることができる。
（３）抵抗値調整回路１１のＦＥＴ素子１２ａ〜１２ｄの抵抗値の比を、異なる抵抗値に設定したので、４個のＦＥＴ素子１２ａ〜１２ｄのうちオンさせるＦＥＴ素子の数及び組み合わせを変更することにより、多種類の抵抗値を生成することができる。特に、ＦＥＴ素子１２ａ〜１２ｄの抵抗値の比を８：４：２：１に設定したので、４個のＦＥＴ素子１２ａ〜１２ｄにより、等間隔で１０段階の抵抗値を生成することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・電流調整回路で並列に接続するＦＥＴ素子は、４個以外の複数個としてもよい。
・オン抵抗の異なるＦＥＴ素子に代えて、抵抗値の異なる抵抗と、各抵抗に直列に接続されるスイッチ回路を備えて、スイッチ回路の開閉制御により並列に接続される抵抗の数を変更して抵抗値を調整するようにしてもよい。

１…オルタネータ、２…バッテリー、４…キャパシタ、１１…電流調整回路（抵抗値調整回路）、１２ａ〜１２ｄ…抵抗値調整回路（スイッチ、抵抗素子、電界効果トランジスタ、ＦＥＴ素子）、１３…電流調整回路（制御部）、Ｉｃ…充電電流、Ｖｃ…出力電圧。

Claims (5)

1. オルタネータ及びバッテリーの少なくともいずれかから出力される電力を、電流調整回路を介してキャパシタに供給する自動車用電源装置において、
   前記電流調整回路は、
   前記バッテリーとキャパシタとの間に接続され、接続するか否かを選択するスイッチ機能を備えた抵抗素子を並列に複数個接続した抵抗値調整回路と、
   前記キャパシタの出力電圧の上昇に応じて、前記各抵抗素子のスイッチを開閉制御して前記抵抗値調整回路の抵抗値を変更する制御部と
   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、
   前記各抵抗素子をそれぞれ異なる抵抗値とし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、
   前記スイッチ機能を備えた抵抗素子を電界効果トランジスタで構成したことを特徴とする自動車用電源装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の自動車用電源装置において、
   前記制御部は、前記キャパシタの出力電圧の上昇に基づいて、前記抵抗値調整回路の抵抗値を段階的に順次減少させるように制御することを特徴とする自動車用電源装置。
5. オルタネータ及びバッテリーの少なくともいずれかから出力される電力を、抵抗値調整回路を介してキャパシタに供給する自動車用電源装置の制御方法において、
   前記キャパシタの出力電圧の上昇に応じて、前記抵抗値調整回路の抵抗値を段階的に順次減少させることを特徴とする自動車用電源装置の制御方法。