JP3980690B2 - 電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置、特に電気二重層コンデンサ及び鉛蓄電池の双方を有し、双方から車両に搭載された電気的負荷に電流供給を行う車両用電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７に示すように、自動車用エンジンでは、ファンやポンプ等の各種補機を駆動したり、あるいは始動時のクランキングを行うスタータモータを駆動したりするために、鉛蓄電池１００と車載発電機であるオルタネータ１０２を備える車両用電源装置が設けられている。オルタネータ１０２はエンジン回転力によって発電を行うもので、発電した電気エネルギーは鉛蓄電池１００と各種電気的負荷とに供給される。このオルタネータ１０２は、発電電圧を安定化等するためのＩＣレギュレータを内蔵している。更に、常に鉛蓄電池１００が最適充電状態（フロート充電条件を満たす状態）になるように、その発電電圧が調整されている。
【０００３】
一方、鉛蓄電池１００は、エネルギー密度が大きいため比較的長時間の使用に耐え得る。しかし、鉛蓄電池１００は化学変化を伴う電池であることから、最適な充電状態となるように電圧を管理しても、充放電を繰り返すと劣化が進み易く、また、充電時間も長くかかり、電解液の補充も必要である。
【０００４】
そこで、近年では、図８に示すように、電気二重層コンデンサ１１０を、鉛蓄電池１００に替わる電池として利用することが種々提案されている。この電気二重層コンデンサ１１０は、電極と電解液との界面に生成される絶縁膜を利用して飛躍的に電気二重層コンデンサンスを増大させたもので、単一のセルで例えば約２．５Ｖの電圧を発生する。従って、車両用の電源装置として利用する場合には、所望の出力電圧を得ることができるように、複数個のコンデンサセルを直列に接続して使用する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような電気二重層コンデンサ１１０を用いる車両用電源装置では、電気二重層コンデンサ１１０が化学変化を伴わない電池であるため、電解液補充等のメンテナンスが不要であり、また、寿命も長いという特質を得ることができる。しかし、電気二重層コンデンサ１１０は、鉛蓄電池１００に比較してパワー密度は高いがエネルギー密度は遥かに低いという性質も有する。
【０００６】
従って、エンジンを停止した後に車両を長期間放置した場合等には、電気二重層コンデンサ１１０等の電気二重層コンデンサ自己放電による電圧降下の割合が鉛蓄電池１００より大きくなる。このため、再始動時にスタータモータを駆動するのに必要なエネルギーを電気二重層コンデンサが供給できない可能性がある。また、スタータモータの駆動には大電流を必要とするため、例えば冷間始動時等で、クランキング時間が長くなった場合には、電気二重層コンデンサからクランキングに必要なエネルギーを十分に供給できなくなる可能性もある。
【０００７】
このような低いエネルギー密度に起因する問題を解消すべく、電気二重層コンデンサの電気二重層コンデンサンスを増大させ、長時間のクランキングを賄うだけの電気エネルギーを蓄えておく方法も考えられる。しかし、単に電気二重層コンデンサの電気二重層コンデンサンスを増大させると、電気二重層コンデンサ１１０の外径寸法や容積が鉛蓄電池１００よりも遥かに大きくなる。従って、この場合には、電気二重層コンデンサ１１０の高いパワー密度を活かした車両用電源装置の小型軽量化を図ることができなくなる。
【０００８】
一方、電気二重層コンデンサ１１０のエネルギー密度が低いため、ある電気的負荷が多量の電流を消費すると、これによって電気二重層コンデンサ１１０の両端電圧（出力電圧）が急激に低下する可能性がある。例えばスタータモータを駆動するために電気二重層コンデンサ１１０が大電流を供給すると、これによって電気二重層コンデンサから他の電気的負荷に対する供給電圧が急激に低下する。従って、この電圧低下により、例えばエンジンコントロールユニットがリセット状態になってしまい、燃料供給制御に不都合が生じる可能性がある。すなわち、電気二重層コンデンサ１１０というエネルギー密度の低い単一の電源から各種の電気的負荷に対して一律に電流供給を行うと、スタータモータの駆動に伴って生じる電気二重層コンデンサの電圧低下が他の電気的負荷に対して悪影響を与えるおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記のような種々の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、電気二重層コンデンサに高い電気エネルギーを蓄えることにより、エンジンの始動性等を向上できると共に、電気的負荷の種類に適した電源系統を構築できるようにした電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、請求項１に係る電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置は、
車載発電機により充電される電気二重層コンデンサ及び鉛蓄電池を有し車両に搭載された種々の電気的負荷に対し電流供給を行う車両用電源装置において、 前記車載発電機は、発電電圧調整可能とされ、前記鉛蓄電池に対しては通常電圧値で充電し、前記電気二重層コンデンサに対しては前記通常電圧値よりも高い高電圧値で充電し、前記鉛蓄電池側からは、前記電気二重層コンデンサ側から電流供給される電気的負荷よりも小さい電気的負荷に対して電流供給を行い、前記電気二重層コンデンサ側からは、前記鉛蓄電池側から電流供給される電気的負荷よりも大きい電気的負荷に対して電流供給を行うように、前記鉛蓄電池及び前記電気二重層コンデンサと前記車載発電機との接続並びに前記鉛蓄電池及び前記電気二重層コンデンサと前記各電気的負荷との接続が行われ、
前記鉛蓄電池はスイッチ手段を介して前記車載発電機の出力端子に接続され、前記電気二重層コンデンサは逆流防止用ダイオードを介して前記車載発電機の出力端子に接続され、
エンジン始動時において、エンジン回転数が所定値以下の回転数領域にある場合は、前記車載発電機の発電電圧を前記高電圧値に設定すると共に前記鉛蓄電池と前記車載発電機との間を遮断するように前記発電電圧の制御及び前記スイッチ手段の制御を行い、エンジン回転数が前記所定値を上回る回転数領域にある場合は前記車載発電機の発電電圧を前記通常電圧値に設定すると共に前記鉛蓄電池と前記車載発電機とを接続状態とするように前記発電電圧の制御及び前記スイッチ手段の制御を行う制御手段が設けられたことを特徴とする。
【００１１】
このように、鉛蓄電池側の電源系統と電気二重層コンデンサ側の電源系統との２個の電源系統を別個に形成することにより、大きい電気的負荷が作動して電気二重層コンデンサの電圧が低下しても、その影響は鉛蓄電池によって電流供給される小さな電気的負荷には及ばない。また、電気二重層コンデンサは通常電圧値よりも高い高電圧値によって充電されるため、多量の電気エネルギーを蓄積することができる。従って、高電圧値によって大きい電気的負荷を確実に作動させることができる。また、多量の電気エネルギーを蓄えることにより、車両が長期間放置された場合でも電気エネルギーを保持することができ、更に、電気二重層コンデンサの外径寸法や容積を小さくしつつ多量の電気エネルギーを蓄えることも可能である。
更に、鉛蓄電池が、スイッチ手段を介して車載発電機の出力端子に接続され、電気二重層コンデンサは逆流防止用ダイオードを介して車載発電機の出力端子に接続されることから、スイッチ手段によって鉛蓄電池と車載発電機とを遮断しておけば、車載発電機から高電圧値で電気二重層コンデンサを充電するときに、この高電圧値の電流が鉛蓄電池に供給されるのを防止することができる。また、逆流防止用ダイオードによって、高電圧で充電された電気二重層コンデンサから鉛蓄電池に高電圧値の電流が流れるのを防止することができる。
更に、上記制御手段を設けたことにより、エンジン始動後の低回転数領域において、電気二重層コンデンサから大きい電気的負荷に電流供給しつつ、この電気二重層コンデンサを高電圧値で充電することができる。また、所定値以上の回転数領域では、車載発電機の発電電圧を通常電圧値に設定して鉛蓄電池を充電するため、通常走行時のエンジン負荷を低減することができる。
【００１２】
また、請求項２に係る電源装置では、電気二重層コンデンサが高電圧値にてスタータモータに電流供給を行うので、スタータモータが要求する大電流を長時間供給することができ、スタータモータを高回転で駆動して、エンジンの始動性を向上させることができる。
【００１４】
次に、請求項３に係る電源装置では、前記鉛蓄電池と前記電気二重層コンデンサとが、前記逆流防止用ダイオードおよび所定の抵抗値を有する抵抗を介して接続されているので、非充電状態時において、電気二重層コンデンサに前記鉛蓄電池の両端電圧以下となるような電圧降下が生じたような場合に鉛蓄電池から電気二重層コンデンサへの充電が適宜行われることとなる。また、逆流防止用ダイオードが介在しているので高電圧で充電される電気二重層コンデンサから鉛蓄電池に電流が流れることもない。
【００１７】
更に、請求項４に係る電源装置では、上記制御手段が、エンジン回転数が所定値を上回る回転数領域に入ったときでも直ちに電圧切換えを行わず、所定時間の経過を待って、車載発電機の発電電圧を高電圧値から通常電圧値に切り換えると共に鉛蓄電池と前記車載発電機とを接続することとしている。これにより、電気二重層コンデンサをより十分に充電することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。まず、図１には、本発明の第１の実施の形態に係る電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置の回路構成が示されている。
【００１９】
エンジン回転力を利用して発電を行う「車載発電機」としてのオルタネータ１０の出力端子は、接続ライン１２を介して電気二重層コンデンサ１４の正極側端子に接続されている。このオルタネータ１０は、図２にて説明するＩＣレギュレータ６４を備えている。そして、オルタネータ１０の発電電圧、すなわち、充電電圧はフィールドコイルに通電するパルス電流を制御することにより、例えば２４Ｖの高電圧値ＶＨと１２．７Ｖの通常電圧値ＶＮとの２段階で切り換えることができるように構成されている。また、電気二重層コンデンサ１４は、複数のコンデンサセルを直列接続することにより構成されている。
【００２０】
また、オルタネータ１０と電気二重層コンデンサ１４との間には、逆流防止用ダイオード１６が設けられている。オルタネータ１０の出力端子がダイオード１６のアノードに接続され、電気二重層コンデンサ１４の正極側端子がダイオード１６のカソードに接続されている。
【００２１】
「大きい電気的負荷」としてのスタータモータ１８の正極側端子は、常開型のスタータスイッチ２０を介して電気二重層コンデンサ１４の正極側端子に接続されている。すなわち、ダイオード１６と電気二重層コンデンサ１４との間の接続ラインからは接続ライン２２が分岐しており、この接続ライン２２にスタータスイッチ２０及びスタータモータ１８が設けられている。
【００２２】
鉛蓄電池２４の正極側端子は、接続ライン２６及び接続ライン１２を介してオルタネータ１０の出力端子及びダイオード１６のアノードに接続されている。更に、他の接続ライン２８を介して「小さい電気的負荷」としての電気的負荷３０に接続されている。この電気的負荷３０は、例えば後述する制御装置４０のように、マイクロコンピュータシステム等の電源電圧変動に弱い小さな電気的負荷である。接続ライン２８の途中にはキースイッチ３２が設けられている。従って、キースイッチ３２が閉じてオン状態となると、電気的負荷３０は、接続ライン２８を介して鉛蓄電池２４に接続されると共に、接続ライン２８，２６，１２を介してオルタネータ１０の出力端子及びダイオード１６のアノード側に接続される。
【００２３】
鉛蓄電池２４と接続ライン１２とを結ぶ接続ライン２６の途中には、「スイッチ手段」としてのリレースイッチ３４が設けられている。このリレースイッチ３４は、接続ライン２６の途中に設けられた常閉型リレー接点３４ａと、このリレー接点３４ａを電磁力によって開閉するための電磁コイル３４ｂとから構成されている。
【００２４】
また、電磁コイル３４ｂの一方の端子は、鉛蓄電池２４とリレー接点３４ａとの間で接続ライン２６の途中に接続され、電磁コイル３４ｂの他方の端子は制御装置４０に接続されている。そして、このリレースイッチ３４は、電磁コイル３４ｂに電流が流れない非通電状態ではリレー接点３４ａが閉じてオルタネータ１０と鉛蓄電池２４とを接続し、電磁コイル３４ｂに電流が流れる通電状態になるとリレー接点３４ａを開いてオルタネータ１０と鉛蓄電池２４との接続を遮断するようになっている。
【００２５】
鉛蓄電池２４とオルタネータ１０とは接続ライン２６等を介する接続の他、接続ライン３６を介しても接続されている。すなわち、接続ライン３６は、接続ライン２６をバイパスするようにしてリレースイッチ３４に並列に設けられている。また、接続ライン３６の途中には補充電用の抵抗３８が設けられている。
【００２６】
これにより、車両が長期間放置されて、電気二重層コンデンサ１４の両端電圧が鉛蓄電池２４の両端電圧よりも低下すると、鉛蓄電池２４から接続ライン３６、抵抗３８を介して電気二重層コンデンサ１４に補充電流が供給される。そして、この補充電流によって電気二重層コンデンサ１４の両端電圧は、鉛蓄電池２４の両端電圧に保持される。抵抗３８の値を小さくするほど大きな補充電流が流れて電気二重層コンデンサ１４の電圧が短時間で鉛蓄電池２４の電圧まで回復し、抵抗３８の値を大きくするほど補充電流が小さくなって電気二重層コンデンサ１４の電圧回復時間が長くなる。
【００２７】
一方、抵抗３８の値を小さくすると、オルタネータ１０が高電圧値ＶＨによる発電を行った場合、この高電圧値ＶＨが鉛蓄電池２４に印加される可能性もある。そこで、これを防止するような比較的大きな値であり、かつ、エンジンが長期間停止した場合に電気二重層コンデンサ１４の両端電圧を鉛蓄電池２４の両端電圧に保持すべく、最低限の補充電流が電気二重層コンデンサ１４に供給されるような値に、抵抗３８の値が決定される。
【００２８】
また、「制御手段」としての制御装置４０には、エンジン回転数Ｎを検出するクランク角センサ４２からの信号が入力される。
【００２９】
次に、図２を参照しつつ制御装置４０の内部回路の一例を説明する。制御装置４０は、クランク角センサ４２からのエンジン回転数Ｎが入力される弁別器５０と、弁別器５０から出力される切換信号に応じてトランジスタ駆動信号を出力する時定数回路５２と、時定数回路５２からの出力によって制御されるトランジスタ５４とを備えている。
【００３０】
弁別器５０は、エンジン回転数Ｎが図３に示す所定値ＮＴよりも低い場合には「Ｌ」レベルの信号を出力し、エンジン回転数Ｎが所定値ＮＴを上回った場合には「Ｈ」レベルの信号を出力するものである。ここで、所定値ＮＴは、エンジンの始動が完了したか否かを判別する値として設定されている。
【００３１】
時定数回路５２は、ＡＮＤゲート５５と、ＮＡＮＤゲート５６とを備えている。ＡＮＤゲート５５の第１の入力端子は弁別器５０の出力端子と接続され、ＡＮＤゲート５４の第２の入力端子は前記第１の入力端子に接続されている。従って、弁別器５０からの出力信号の波形が崩れたような場合に、ＡＮＤゲート５５による波形の調整が可能である。
【００３２】
ＮＡＮＤゲート５６の第１の入力端子はＡＮＤゲート５２の出力端子に直接接続され、ＮＡＮＤゲート５６の第２の入力端子は抵抗５８及びコンデンサ６０を介してＡＮＤゲート５４の出力端子に接続されている。抵抗５８の抵抗値とコンデンサ６０のキャパシタンスとによって時定数が決定される。
【００３３】
ＮＡＮＤゲート５６の出力端子は、ベース電流制限抵抗６２を介してトランジスタ５４のベースに接続されている。このトランジスタ５４のコレクタにはリレースイッチ３４の電磁コイル３４ｂが接続され、トランジスタ５４のエミッタは接地されている。従って、ＮＡＮＤゲート５６の出力信号が「Ｈ」レベルになると、トランジスタ５４がオンされ電磁コイル３４ｂに電流が流れ、リレー接点３４ａが開く。一方、ＮＡＮＤゲート５６の出力信号が「Ｌ」レベルになると、制御トランジスタ５４が作動を停止して電磁コイル３４ｂへの通電が停止し、リレー接点３４ａは閉じる。
【００３４】
ＩＣレギュレータ６４は、オルタネータ１０に内蔵されるもので、電気二重層コンデンサ１４または鉛蓄電池２４を充電するときの充電電圧（発電電圧）を制御等するものである。このＩＣレギュレータ６４にはＮＡＮＤゲート５６の出力信号が入力されている。そして、ＩＣレギュレータ６４は、ＮＡＮＤゲート５６から「Ｈ」レベルの信号が入力されると、オルタネータ１０の発電電圧を高電圧値ＶＨに設定し、ＮＡＮＤゲート５６から「Ｌ」レベルの信号が入力されるとオルタネータ１０の発電電圧を通常電圧値ＶＮに設定する。
【００３５】
次に、図３及び図１を参照しつつ本実施の形態の作用について説明する。まず、ある時刻ｔ１においてイグニッションキーが回動操作され、スタータスイッチ２０（図１参照）が閉じると、電気二重層コンデンサ１４からは高電圧値ＶＨの電圧を有する電流がスタータモータ１８に供給される。これにより、高回転のクランキングが開始され、エンジンが始動する。
【００３６】
一方、始動時のエンジン回転数Ｎは所定値ＮＴよりも低いため、弁別器５０からは「Ｌ」レベルの切換信号が出力される。従って、ＡＮＤゲート５５の各入力端子に「Ｌ」レベルの信号が入力され、ＡＮＤゲート５４の出力信号は「Ｌ」レベルとなる。そして、ＡＮＤゲート５５の出力端子からＮＡＮＤゲート５６の各入力端子に「Ｌ」レベルの信号が入力されるため、ＮＡＮＤゲート５６の出力信号は「Ｈ」レベルとなる。これにより、トランジスタ５４がオンされ電磁コイル３４ｂが励磁され、リレー接点３４ａはオフ状態、すなわち、開いた状態となって接続ライン２６における鉛蓄電池２４とオルタネータ１０とを切り離す。また、ＮＡＮＤゲート５６の出力信号が「Ｈ」レベルとなるため、ＩＣレギュレータ６４はオルタネータ１０の発電電圧を高電圧値ＶＨに設定する。
【００３７】
すなわち、始動直後等のエンジン回転数Ｎが所定値ＮＴよりも低い場合には、リレースイッチ３４が開放され鉛蓄電池２４への充電ラインが切り離されると共に、オルタネータ１０の発電電圧が高電圧値ＶＨに設定される。従って、電気二重層コンデンサ１４には高電圧値ＶＨの電流が供給され、同時にこの高電圧電流によってクランキングが開始される。そして、エンジン回転数の上昇中にこのエンジン回転力を利用してオルタネータ１０は高電圧値ＶＨの発電を継続する。そして、電気二重層コンデンサ１４は高電圧値ＶＨにより充電され、クランキングのために消費した電気エネルギーが回復される。
【００３８】
ここで、電気二重層コンデンサ１４が蓄える電気エネルギーは、キャパシタンスＣと両端電圧Ｖの二乗に比例する。従って、キャパシタンスＣを等しくしておいて充電電圧（両端電圧Ｖ）を２倍にした場合は、電気二重層コンデンサ１４の蓄える電気エネルギーは４倍に増加する。逆に言えば、充電電圧を２倍にすれば１／４のキャパシタンスで同じ電気エネルギーを蓄えることができる。従って、充電電圧を２倍とすれば、静電容量を１／２にしても、２倍の電気エネルギーを蓄えることができる。
【００３９】
そして、時刻ｔ２に至ってエンジン回転数Ｎが所定値ＮＴを上回ると、弁別器５０からは「Ｈ」レベルの切換信号が出力される。これにより、ＡＮＤゲート５５の出力端子から「Ｈ」レベルの信号が出力され、この「Ｈ」レベルの信号はＮＡＮＤゲート５６の第１の入力端子に入力される。
【００４０】
ここで、ＮＡＮＤゲート５６の第２の入力端子は抵抗５８及びコンデンサ６０を介してＡＮＤゲート５５の出力端子に接続されている。従って、抵抗５８によって定まる充電電流がコンデンサ６０を充電するまでの時間、第２の入力端子に入力される信号レベルは「Ｌ」に保持され、コンデンサ６０が充電されたときに第２の入力端子に入力される信号レベルが「Ｈ」になる。これにより、所定時間Δｔが経過した時刻ｔ３において、ＮＡＮＤゲート５６の出力端子からは「Ｌ」レベルの信号が出力される。時定数回路５２からのトランジスタ制御信号が「Ｌ」レベルになると、トランジスタ５４がオフされる。そして、電磁コイル３４ｂへの通電が停止し、リレー接点３４ａが閉状態に復帰して、鉛蓄電池２４とオルタネータ１０とが接続される。また、ＩＣレギュレータ６４に入力される信号レベルも「Ｌ」になるため、オルタネータ１０の発電電圧が通常電圧値ＶＮに設定される。
【００４１】
すなわち、エンジン回転数Ｎが所定値ＮＴを上回ってから所定時間Δｔが経過すると、リレースイッチ３４がオフ状態となって鉛蓄電池２４とオルタネータ１０とが接続される。また、オルタネータ１０の発電電圧は高電圧値ＶＨから通常電圧値ＶＮに切り替わる。従って、通常電圧値ＶＮによって鉛蓄電池２４が充電されると共に電気的負荷３０に通電が行われる。
【００４２】
エンジンを停止した場合は、図３中の時刻ｔ１以前の状態となる。すなわち、エンジン回転数Ｎが「０」であって所定値ＮＴよりも低いため、弁別器５０から出力される信号レベルは「Ｌ」となり、ＮＡＮＤゲート５６から「Ｈ」レベルの信号が出力される。従って、リレースイッチ３４がオン状態となってリレー接点３４ａが開くと共に、オルタネータ１０の発電電圧は高電圧値ＶＨに設定される。
【００４３】
上述のように、エンジン始動時に電気二重層コンデンサ１４は高電圧値ＶＨで充電され、多量の電気エネルギーを蓄えているが、自己放電によって僅かずつ電圧が低下していく。従って、エンジンを停止した状態で車両を長期間放置した場合は、自己放電によって、電気二重層コンデンサ１４の電圧が通常電圧値ＶＮ近傍まで低下する可能性がある。しかし、電気二重層コンデンサ１４の電圧が通常電圧値ＶＮ以下に低下すると、鉛蓄電池２４から抵抗３８を介して微少な補充電流が電気二重層コンデンサ１４に流れ込む。このため、鉛蓄電池２４が電気エネルギーを蓄えている限り、鉛蓄電池２４からの補充電流によって電気二重層コンデンサ１４の電圧は通常電圧値ＶＮに維持される。
【００４４】
このように構成される本実施の形態によれば以下の作用を奏する。まず、第１に、電気的負荷の大小に応じた２種類の電源系統を独立して得ることができ、高電圧値ＶＨの充電によって電気二重層コンデンサに多量の電気エネルギーを蓄えることができる。
【００４５】
これにより、大きい電気的負荷が作動して電気二重層コンデンサ１４の電圧が急激に低下したとしても、その電圧降下の影響が鉛蓄電池２４側の電源系統に及ぶことがない。従って、スタータモータ１８という大電流を必要とする大きい電気的負荷が作動した場合に、エンジンコントロールユニット等がリセット状態になって燃料噴射が行われない等の不具合が発生するのを未然に防止することができる。
【００４６】
また、通常電圧値ＶＮよりも高い高電圧値ＶＨによって電気二重層コンデンサ１４を充電することにより、電気二重層コンデンサ１４に多量の電気エネルギーを蓄えることができる。従って、比較的長時間スタータモータ１８を高電圧値ＶＨによって高速回転させることができ、エンジンの始動性を向上させることができる。
【００４７】
更に、上述のように充電電圧が高電圧値ＶＨであるため、電気二重層コンデンサ１４の容積を低減しつつ従来よりも多くの電気エネルギーを蓄えることができ、パワー密度の高い電気二重層コンデンサ１４の特性を活かしつつ車両用電源装置全体を小型軽量化することも可能となる。
【００４８】
次に、鉛蓄電池２４側の電源系統と電気二重層コンデンサ１４側の電源系統とを容易に分離することができる。すなわち、リレースイッチ３４によって鉛蓄電池２４とオルタネータ１０とを遮断してオルタネータ１０から高電圧値ＶＨで電気二重層コンデンサ１４を充電することができ、逆流防止用ダイオード１６によって電気二重層コンデンサ１４から鉛蓄電池２４に高電圧値ＶＨの電流が流れ込むのを防止することができる。
【００４９】
また、所定値ＮＴ以下の回転数領域では電気二重層コンデンサ１４によってスタータモータ１８を駆動しつつ、電気二重層コンデンサ１４が失ったエネルギーを補充することができ、所定値ＮＴを上回ってから時間Δｔの後のより大きい回転数領域では、オルタネータ１０から鉛蓄電池２４及び小さい電気的負荷３０に電流供給することができる。従って、エンジン始動が完了した時点では電気二重層コンデンサ１４は高電圧値ＶＨで充電されエンジンの再始動に備えることができると共に、その後の通常走行状態においてはエンジン負荷を低減して燃費を向上することができる。
【００５０】
更に、制御装置４０は、エンジン回転数Ｎが所定値ＮＴ以上になった後も所定時間Δｔだけ高電圧値ＶＨで電気二重層コンデンサ１４を充電する。従って、電気二重層コンデンサ１４を十分に高電圧値ＶＨで充電することができ、次のエンジン始動に備える充電をより確実に行うことができる。
【００５１】
また、長期間車両が放置されて、自己放電により電気二重層コンデンサ１４の電圧が低下した場合でも、抵抗３８を介して鉛蓄電池２４から電気二重層コンデンサ１４に補充電流を流して、電気二重層コンデンサ１４の電圧を通常電圧値ＶＮに維持することができる。特に、電気二重層コンデンサ１４は高電圧値ＶＨで充電されるため、高電圧値ＶＨが鉛蓄電池２４の通常電圧値ＶＮに低下するまでは、鉛蓄電池２４から電気二重層コンデンサ１４に補充電が行われない。従って、鉛蓄電池２４の充電負担をできるだけ軽減することができ、長期間の車両放置に耐えることができる。すなわち、高電圧値ＶＨと通常電圧値ＶＮとの電位差ΔＶが補充電に対するマージンとなっている。
【００５２】
また、本実施の形態では、図２に示したように、制御装置４０を弁別器５０、時定数回路２０、トランジスタ５４から比較的簡易な電子回路として構成しているため、この電子回路をＩＣレギュレータ６４内に容易に組み込むことができる。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施の形態について図４〜図６に基づき説明する。なお、本実施の形態では、上述した第１の実施の形態の構成要素と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５４】
図４は、本実施の形態による車両用電源装置の全体回路構成図であって、本実施の形態による制御装置７０は、後述のように、ソフトウエアによってオルタネータ１０の発電電圧及びリレースイッチ３４の開閉状態を制御する。また、制御装置７０には、クランク角センサ４２に加えて、電気二重層コンデンサ１４の両端電圧ＶＣを検出するためのコンデンサ電圧検出部７２が接続されている。
【００５５】
次に、図５は、制御装置７０の具体的なブロック構成図である。この制御装置７０は、各センサからの信号を受信する入力インターフェース７０ａ、各部材への駆動制御信号を出力する出力インターフェース７０ｂ、主演算装置としてのＣＰＵ７０ｃ、制御プログラムや予め設定された固定データを記憶するＲＯＭ７０ｄ、各センサからの検出信号等を格納するＲＡＭ７０ｅ等をバスライン７０ｆで相互に接続してなるマイクロコンピュータシステムとして構成されている。
【００５６】
そして、ＣＰＵ７０ｃ内の機能として、エンジン回転数Ｎが所定値ＮＴ以下であるか否かを判定するエンジン回転数判定部７３と、電気二重層コンデンサ１４の電圧ＶＣが高電圧値ＶＨに達したか否かを判定するコンデンサ電圧判定部７４と、各判定部７３、７４の判定結果に応じてリレースイッチ３４及びオルタネータ１０を制御するための制御信号を出力する駆動制御部７６とが設けられている。
【００５７】
次に、本実施の形態の作用について説明する。図６のフローチャートは、電気二重層コンデンサ１４側の電源系統と鉛蓄電池２４側の電源系統とを切換制御するための処理を示し、ステップ（以下、単に「Ｓ」という）２０１では、キースイッチ３２の状態を読み込み、Ｓ２０２では、キースイッチ３２がオン状態になったか否かを判定する。そして、キースイッチ３２がオン状態の場合は（ＹＥＳ）、Ｓ２０３で、クランク角センサ４２からエンジン回転数Ｎを読み込む。
【００５８】
次に、Ｓ２０４では、このエンジン回転数Ｎが所定値ＮＴ以下であるか否かを判定する。エンジン回転数Ｎが所定値ＮＴ以下の場合（ＹＥＳ）は、エンジンの始動が完了していない場合のため、Ｓ２０５で、リレースイッチ３４のリレー接点３４ａを開いて鉛蓄電池２４とオルタネータ１０との接続を遮断し、Ｓ２０６でオルタネータ１０の発電電圧を高電圧値ＶＨに設定する。
【００５９】
従って、この状態でスタータスイッチ２０がオン状態となると、電気二重層コンデンサ１４からスタータモータ１８に高電圧値ＶＨの電流が流れて、スタータモータ１８は回転を開始し、クランキングが行われる。そして、エンジンが始動すると、この始動時のエンジン回転力を利用してオルタネータ１０は高電圧値ＶＨによる発電を行う。これにより、電気二重層コンデンサ１４は再び高電圧値ＶＨで充電される。
【００６０】
一方、前記Ｓ２０４で「ＮＯ」と判定した場合は、エンジン回転数Ｎが所定値ＮＴを上回り、エンジンの始動が完了した場合である。そこで、次のＳ２０７では、コンデンサ電圧検出部７２が検出した電気二重層コンデンサ１４の電圧ＶＣと高電圧値ＶＨとを比較し、電気二重層コンデンサ１４の高電圧値ＶＨによる充電が完了したか否かを判定する。コンデンサ電圧ＶＣが高電圧値ＶＨに達しない場合は、まだ電気二重層コンデンサ１４の充電が完了していない場合のため、Ｓ２０７はＮＯと判定してＳ２０４に戻る。
【００６１】
コンデンサ電圧ＶＣが高電圧値ＶＨに達した場合（ＹＥＳ）は、電気二重層コンデンサ１４の充電が完了した場合である。従って、Ｓ２０８に移り、このＳ２０８では、リレースイッチ３４を閉じて鉛蓄電池２４とオルタネータ１０とを接続する。これと同時に、Ｓ２０９では、オルタネータ１０の発電電圧を通常電圧値ＶＮに設定する。これにより、オルタネータ１０で発電された通常電圧値ＶＮの電流が鉛蓄電池２４及び電気的負荷３０に供給される。
【００６２】
このように構成される本実施の形態でも前記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。これに加えて、本実施の形態では、さらに以下の効果を発揮する。
【００６３】
まず、電気二重層コンデンサ１４の高電圧値ＶＨによる充電がなされたことを確認してから鉛蓄電池２４による電源系統に切り換えることができる。
【００６４】
次に、制御装置７０による制御内容を図６に示すようにソフトウエアで実現する構成としたため、制御内容の追加、修正等が容易である。例えば、Ｓ２０７による電圧判定に替えて、第１の実施の形態のように、所定時間Δｔが経過したときには電気二重層コンデンサ１４の充電完了とみなす構成とすることもできる。
【００６５】
なお、本発明は上記各実施の形態の構成に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。例えば、前記各実施の形態では、リレー接点３４ａとして常閉型のリレースイッチを用いる場合を例示したが、これに替えて、常開型のリレー接点を備えたリレースイッチを用いてもよい。この場合、図２に示したトランジスタ等の素子もリレースイッチの切換えが逆になるように変更される。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置によれば、鉛蓄電池側の電源系統と電気二重層コンデンサ側の電源系統との２個の独立した電源系統を得ることができるため、大きい電気的負荷が作動して電気二重層コンデンサの電圧が急激に低下した場合でも、その影響が鉛蓄電池の支配下にある小さな電気的負荷に及ぶことがない。また、電気二重層コンデンサを通常電圧値よりも高い高電圧値によって充電するため、多量の電気エネルギーを蓄積することができる。従って、大きい電気的負荷を確実に作動させることができる上に、長期間電気エネルギーを保持することができ、さらに電気二重層コンデンサの外径寸法や容積を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置の概略回路構成図である。
【図２】制御装置の具体的回路の要部を示す回路構成図である。
【図３】エンジン回転数の変化に伴うリレースイッチの作動状態及びオルタネータの発電電圧を示す特性図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置の概略回路構成図である。
【図５】制御装置の内部構成を示すブロック図である。
【図６】エンジン回転数に基づいてリレースイッチの作動状態及びオルタネータの発電電圧を制御するフローチャートである。
【図７】従来技術による鉛蓄電池を用いた車両用電源装置の要部を示す概略回路構成図である。
【図８】従来技術による電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置の要部を示す概略回路構成図である。
【符号の説明】
１０ オルタネータ
１４ 電気二重層コンデンサ
１６ 逆流防止用ダイオード
１８ スタータモータ
２４ 鉛蓄電池
３０ 電気的負荷
３４ リレースイッチ
３８ 補充電用抵抗
４０ 制御装置
７０ 制御装置
【発明の属する技術分野】
本発明は電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置、特に電気二重層コンデンサ及び鉛蓄電池の双方を有し、双方から車両に搭載された電気的負荷に電流供給を行う車両用電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７に示すように、自動車用エンジンでは、ファンやポンプ等の各種補機を駆動したり、あるいは始動時のクランキングを行うスタータモータを駆動したりするために、鉛蓄電池１００と車載発電機であるオルタネータ１０２を備える車両用電源装置が設けられている。オルタネータ１０２はエンジン回転力によって発電を行うもので、発電した電気エネルギーは鉛蓄電池１００と各種電気的負荷とに供給される。このオルタネータ１０２は、発電電圧を安定化等するためのＩＣレギュレータを内蔵している。更に、常に鉛蓄電池１００が最適充電状態（フロート充電条件を満たす状態）になるように、その発電電圧が調整されている。
【０００３】
一方、鉛蓄電池１００は、エネルギー密度が大きいため比較的長時間の使用に耐え得る。しかし、鉛蓄電池１００は化学変化を伴う電池であることから、最適な充電状態となるように電圧を管理しても、充放電を繰り返すと劣化が進み易く、また、充電時間も長くかかり、電解液の補充も必要である。
【０００４】
そこで、近年では、図８に示すように、電気二重層コンデンサ１１０を、鉛蓄電池１００に替わる電池として利用することが種々提案されている。この電気二重層コンデンサ１１０は、電極と電解液との界面に生成される絶縁膜を利用して飛躍的に電気二重層コンデンサンスを増大させたもので、単一のセルで例えば約２．５Ｖの電圧を発生する。従って、車両用の電源装置として利用する場合には、所望の出力電圧を得ることができるように、複数個のコンデンサセルを直列に接続して使用する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような電気二重層コンデンサ１１０を用いる車両用電源装置では、電気二重層コンデンサ１１０が化学変化を伴わない電池であるため、電解液補充等のメンテナンスが不要であり、また、寿命も長いという特質を得ることができる。しかし、電気二重層コンデンサ１１０は、鉛蓄電池１００に比較してパワー密度は高いがエネルギー密度は遥かに低いという性質も有する。
【０００６】
従って、エンジンを停止した後に車両を長期間放置した場合等には、電気二重層コンデンサ１１０等の電気二重層コンデンサ自己放電による電圧降下の割合が鉛蓄電池１００より大きくなる。このため、再始動時にスタータモータを駆動するのに必要なエネルギーを電気二重層コンデンサが供給できない可能性がある。また、スタータモータの駆動には大電流を必要とするため、例えば冷間始動時等で、クランキング時間が長くなった場合には、電気二重層コンデンサからクランキングに必要なエネルギーを十分に供給できなくなる可能性もある。
【０００７】
このような低いエネルギー密度に起因する問題を解消すべく、電気二重層コンデンサの電気二重層コンデンサンスを増大させ、長時間のクランキングを賄うだけの電気エネルギーを蓄えておく方法も考えられる。しかし、単に電気二重層コンデンサの電気二重層コンデンサンスを増大させると、電気二重層コンデンサ１１０の外径寸法や容積が鉛蓄電池１００よりも遥かに大きくなる。従って、この場合には、電気二重層コンデンサ１１０の高いパワー密度を活かした車両用電源装置の小型軽量化を図ることができなくなる。
【０００８】
一方、電気二重層コンデンサ１１０のエネルギー密度が低いため、ある電気的負荷が多量の電流を消費すると、これによって電気二重層コンデンサ１１０の両端電圧（出力電圧）が急激に低下する可能性がある。例えばスタータモータを駆動するために電気二重層コンデンサ１１０が大電流を供給すると、これによって電気二重層コンデンサから他の電気的負荷に対する供給電圧が急激に低下する。従って、この電圧低下により、例えばエンジンコントロールユニットがリセット状態になってしまい、燃料供給制御に不都合が生じる可能性がある。すなわち、電気二重層コンデンサ１１０というエネルギー密度の低い単一の電源から各種の電気的負荷に対して一律に電流供給を行うと、スタータモータの駆動に伴って生じる電気二重層コンデンサの電圧低下が他の電気的負荷に対して悪影響を与えるおそれがある。
【０００９】
本発明は、上記のような種々の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、電気二重層コンデンサに高い電気エネルギーを蓄えることにより、エンジンの始動性等を向上できると共に、電気的負荷の種類に適した電源系統を構築できるようにした電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、請求項１に係る電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置は、
車載発電機により充電される電気二重層コンデンサ及び鉛蓄電池を有し車両に搭載された種々の電気的負荷に対し電流供給を行う車両用電源装置において、 前記車載発電機は、発電電圧調整可能とされ、前記鉛蓄電池に対しては通常電圧値で充電し、前記電気二重層コンデンサに対しては前記通常電圧値よりも高い高電圧値で充電し、前記鉛蓄電池側からは、前記電気二重層コンデンサ側から電流供給される電気的負荷よりも小さい電気的負荷に対して電流供給を行い、前記電気二重層コンデンサ側からは、前記鉛蓄電池側から電流供給される電気的負荷よりも大きい電気的負荷に対して電流供給を行うように、前記鉛蓄電池及び前記電気二重層コンデンサと前記車載発電機との接続並びに前記鉛蓄電池及び前記電気二重層コンデンサと前記各電気的負荷との接続が行われ、
前記鉛蓄電池はスイッチ手段を介して前記車載発電機の出力端子に接続され、前記電気二重層コンデンサは逆流防止用ダイオードを介して前記車載発電機の出力端子に接続され、
エンジン始動時において、エンジン回転数が所定値以下の回転数領域にある場合は、前記車載発電機の発電電圧を前記高電圧値に設定すると共に前記鉛蓄電池と前記車載発電機との間を遮断するように前記発電電圧の制御及び前記スイッチ手段の制御を行い、エンジン回転数が前記所定値を上回る回転数領域にある場合は前記車載発電機の発電電圧を前記通常電圧値に設定すると共に前記鉛蓄電池と前記車載発電機とを接続状態とするように前記発電電圧の制御及び前記スイッチ手段の制御を行う制御手段が設けられたことを特徴とする。
【００１１】
このように、鉛蓄電池側の電源系統と電気二重層コンデンサ側の電源系統との２個の電源系統を別個に形成することにより、大きい電気的負荷が作動して電気二重層コンデンサの電圧が低下しても、その影響は鉛蓄電池によって電流供給される小さな電気的負荷には及ばない。また、電気二重層コンデンサは通常電圧値よりも高い高電圧値によって充電されるため、多量の電気エネルギーを蓄積することができる。従って、高電圧値によって大きい電気的負荷を確実に作動させることができる。また、多量の電気エネルギーを蓄えることにより、車両が長期間放置された場合でも電気エネルギーを保持することができ、更に、電気二重層コンデンサの外径寸法や容積を小さくしつつ多量の電気エネルギーを蓄えることも可能である。
更に、鉛蓄電池が、スイッチ手段を介して車載発電機の出力端子に接続され、電気二重層コンデンサは逆流防止用ダイオードを介して車載発電機の出力端子に接続されることから、スイッチ手段によって鉛蓄電池と車載発電機とを遮断しておけば、車載発電機から高電圧値で電気二重層コンデンサを充電するときに、この高電圧値の電流が鉛蓄電池に供給されるのを防止することができる。また、逆流防止用ダイオードによって、高電圧で充電された電気二重層コンデンサから鉛蓄電池に高電圧値の電流が流れるのを防止することができる。
更に、上記制御手段を設けたことにより、エンジン始動後の低回転数領域において、電気二重層コンデンサから大きい電気的負荷に電流供給しつつ、この電気二重層コンデンサを高電圧値で充電することができる。また、所定値以上の回転数領域では、車載発電機の発電電圧を通常電圧値に設定して鉛蓄電池を充電するため、通常走行時のエンジン負荷を低減することができる。
【００１２】
また、請求項２に係る電源装置では、電気二重層コンデンサが高電圧値にてスタータモータに電流供給を行うので、スタータモータが要求する大電流を長時間供給することができ、スタータモータを高回転で駆動して、エンジンの始動性を向上させることができる。
【００１４】
次に、請求項３に係る電源装置では、前記鉛蓄電池と前記電気二重層コンデンサとが、前記逆流防止用ダイオードおよび所定の抵抗値を有する抵抗を介して接続されているので、非充電状態時において、電気二重層コンデンサに前記鉛蓄電池の両端電圧以下となるような電圧降下が生じたような場合に鉛蓄電池から電気二重層コンデンサへの充電が適宜行われることとなる。また、逆流防止用ダイオードが介在しているので高電圧で充電される電気二重層コンデンサから鉛蓄電池に電流が流れることもない。
【００１７】
更に、請求項４に係る電源装置では、上記制御手段が、エンジン回転数が所定値を上回る回転数領域に入ったときでも直ちに電圧切換えを行わず、所定時間の経過を待って、車載発電機の発電電圧を高電圧値から通常電圧値に切り換えると共に鉛蓄電池と前記車載発電機とを接続することとしている。これにより、電気二重層コンデンサをより十分に充電することができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。まず、図１には、本発明の第１の実施の形態に係る電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置の回路構成が示されている。
【００１９】
エンジン回転力を利用して発電を行う「車載発電機」としてのオルタネータ１０の出力端子は、接続ライン１２を介して電気二重層コンデンサ１４の正極側端子に接続されている。このオルタネータ１０は、図２にて説明するＩＣレギュレータ６４を備えている。そして、オルタネータ１０の発電電圧、すなわち、充電電圧はフィールドコイルに通電するパルス電流を制御することにより、例えば２４Ｖの高電圧値ＶＨと１２．７Ｖの通常電圧値ＶＮとの２段階で切り換えることができるように構成されている。また、電気二重層コンデンサ１４は、複数のコンデンサセルを直列接続することにより構成されている。
【００２０】
また、オルタネータ１０と電気二重層コンデンサ１４との間には、逆流防止用ダイオード１６が設けられている。オルタネータ１０の出力端子がダイオード１６のアノードに接続され、電気二重層コンデンサ１４の正極側端子がダイオード１６のカソードに接続されている。
【００２１】
「大きい電気的負荷」としてのスタータモータ１８の正極側端子は、常開型のスタータスイッチ２０を介して電気二重層コンデンサ１４の正極側端子に接続されている。すなわち、ダイオード１６と電気二重層コンデンサ１４との間の接続ラインからは接続ライン２２が分岐しており、この接続ライン２２にスタータスイッチ２０及びスタータモータ１８が設けられている。
【００２２】
鉛蓄電池２４の正極側端子は、接続ライン２６及び接続ライン１２を介してオルタネータ１０の出力端子及びダイオード１６のアノードに接続されている。更に、他の接続ライン２８を介して「小さい電気的負荷」としての電気的負荷３０に接続されている。この電気的負荷３０は、例えば後述する制御装置４０のように、マイクロコンピュータシステム等の電源電圧変動に弱い小さな電気的負荷である。接続ライン２８の途中にはキースイッチ３２が設けられている。従って、キースイッチ３２が閉じてオン状態となると、電気的負荷３０は、接続ライン２８を介して鉛蓄電池２４に接続されると共に、接続ライン２８，２６，１２を介してオルタネータ１０の出力端子及びダイオード１６のアノード側に接続される。
【００２３】
鉛蓄電池２４と接続ライン１２とを結ぶ接続ライン２６の途中には、「スイッチ手段」としてのリレースイッチ３４が設けられている。このリレースイッチ３４は、接続ライン２６の途中に設けられた常閉型リレー接点３４ａと、このリレー接点３４ａを電磁力によって開閉するための電磁コイル３４ｂとから構成されている。
【００２４】
また、電磁コイル３４ｂの一方の端子は、鉛蓄電池２４とリレー接点３４ａとの間で接続ライン２６の途中に接続され、電磁コイル３４ｂの他方の端子は制御装置４０に接続されている。そして、このリレースイッチ３４は、電磁コイル３４ｂに電流が流れない非通電状態ではリレー接点３４ａが閉じてオルタネータ１０と鉛蓄電池２４とを接続し、電磁コイル３４ｂに電流が流れる通電状態になるとリレー接点３４ａを開いてオルタネータ１０と鉛蓄電池２４との接続を遮断するようになっている。
【００２５】
鉛蓄電池２４とオルタネータ１０とは接続ライン２６等を介する接続の他、接続ライン３６を介しても接続されている。すなわち、接続ライン３６は、接続ライン２６をバイパスするようにしてリレースイッチ３４に並列に設けられている。また、接続ライン３６の途中には補充電用の抵抗３８が設けられている。
【００２６】
これにより、車両が長期間放置されて、電気二重層コンデンサ１４の両端電圧が鉛蓄電池２４の両端電圧よりも低下すると、鉛蓄電池２４から接続ライン３６、抵抗３８を介して電気二重層コンデンサ１４に補充電流が供給される。そして、この補充電流によって電気二重層コンデンサ１４の両端電圧は、鉛蓄電池２４の両端電圧に保持される。抵抗３８の値を小さくするほど大きな補充電流が流れて電気二重層コンデンサ１４の電圧が短時間で鉛蓄電池２４の電圧まで回復し、抵抗３８の値を大きくするほど補充電流が小さくなって電気二重層コンデンサ１４の電圧回復時間が長くなる。
【００２７】
一方、抵抗３８の値を小さくすると、オルタネータ１０が高電圧値ＶＨによる発電を行った場合、この高電圧値ＶＨが鉛蓄電池２４に印加される可能性もある。そこで、これを防止するような比較的大きな値であり、かつ、エンジンが長期間停止した場合に電気二重層コンデンサ１４の両端電圧を鉛蓄電池２４の両端電圧に保持すべく、最低限の補充電流が電気二重層コンデンサ１４に供給されるような値に、抵抗３８の値が決定される。
【００２８】
また、「制御手段」としての制御装置４０には、エンジン回転数Ｎを検出するクランク角センサ４２からの信号が入力される。
【００２９】
次に、図２を参照しつつ制御装置４０の内部回路の一例を説明する。制御装置４０は、クランク角センサ４２からのエンジン回転数Ｎが入力される弁別器５０と、弁別器５０から出力される切換信号に応じてトランジスタ駆動信号を出力する時定数回路５２と、時定数回路５２からの出力によって制御されるトランジスタ５４とを備えている。
【００３０】
弁別器５０は、エンジン回転数Ｎが図３に示す所定値ＮＴよりも低い場合には「Ｌ」レベルの信号を出力し、エンジン回転数Ｎが所定値ＮＴを上回った場合には「Ｈ」レベルの信号を出力するものである。ここで、所定値ＮＴは、エンジンの始動が完了したか否かを判別する値として設定されている。
【００３１】
時定数回路５２は、ＡＮＤゲート５５と、ＮＡＮＤゲート５６とを備えている。ＡＮＤゲート５５の第１の入力端子は弁別器５０の出力端子と接続され、ＡＮＤゲート５４の第２の入力端子は前記第１の入力端子に接続されている。従って、弁別器５０からの出力信号の波形が崩れたような場合に、ＡＮＤゲート５５による波形の調整が可能である。
【００３２】
ＮＡＮＤゲート５６の第１の入力端子はＡＮＤゲート５２の出力端子に直接接続され、ＮＡＮＤゲート５６の第２の入力端子は抵抗５８及びコンデンサ６０を介してＡＮＤゲート５４の出力端子に接続されている。抵抗５８の抵抗値とコンデンサ６０のキャパシタンスとによって時定数が決定される。
【００３３】
ＮＡＮＤゲート５６の出力端子は、ベース電流制限抵抗６２を介してトランジスタ５４のベースに接続されている。このトランジスタ５４のコレクタにはリレースイッチ３４の電磁コイル３４ｂが接続され、トランジスタ５４のエミッタは接地されている。従って、ＮＡＮＤゲート５６の出力信号が「Ｈ」レベルになると、トランジスタ５４がオンされ電磁コイル３４ｂに電流が流れ、リレー接点３４ａが開く。一方、ＮＡＮＤゲート５６の出力信号が「Ｌ」レベルになると、制御トランジスタ５４が作動を停止して電磁コイル３４ｂへの通電が停止し、リレー接点３４ａは閉じる。
【００３４】
ＩＣレギュレータ６４は、オルタネータ１０に内蔵されるもので、電気二重層コンデンサ１４または鉛蓄電池２４を充電するときの充電電圧（発電電圧）を制御等するものである。このＩＣレギュレータ６４にはＮＡＮＤゲート５６の出力信号が入力されている。そして、ＩＣレギュレータ６４は、ＮＡＮＤゲート５６から「Ｈ」レベルの信号が入力されると、オルタネータ１０の発電電圧を高電圧値ＶＨに設定し、ＮＡＮＤゲート５６から「Ｌ」レベルの信号が入力されるとオルタネータ１０の発電電圧を通常電圧値ＶＮに設定する。
【００３５】
次に、図３及び図１を参照しつつ本実施の形態の作用について説明する。まず、ある時刻ｔ１においてイグニッションキーが回動操作され、スタータスイッチ２０（図１参照）が閉じると、電気二重層コンデンサ１４からは高電圧値ＶＨの電圧を有する電流がスタータモータ１８に供給される。これにより、高回転のクランキングが開始され、エンジンが始動する。
【００３６】
一方、始動時のエンジン回転数Ｎは所定値ＮＴよりも低いため、弁別器５０からは「Ｌ」レベルの切換信号が出力される。従って、ＡＮＤゲート５５の各入力端子に「Ｌ」レベルの信号が入力され、ＡＮＤゲート５４の出力信号は「Ｌ」レベルとなる。そして、ＡＮＤゲート５５の出力端子からＮＡＮＤゲート５６の各入力端子に「Ｌ」レベルの信号が入力されるため、ＮＡＮＤゲート５６の出力信号は「Ｈ」レベルとなる。これにより、トランジスタ５４がオンされ電磁コイル３４ｂが励磁され、リレー接点３４ａはオフ状態、すなわち、開いた状態となって接続ライン２６における鉛蓄電池２４とオルタネータ１０とを切り離す。また、ＮＡＮＤゲート５６の出力信号が「Ｈ」レベルとなるため、ＩＣレギュレータ６４はオルタネータ１０の発電電圧を高電圧値ＶＨに設定する。
【００３７】
すなわち、始動直後等のエンジン回転数Ｎが所定値ＮＴよりも低い場合には、リレースイッチ３４が開放され鉛蓄電池２４への充電ラインが切り離されると共に、オルタネータ１０の発電電圧が高電圧値ＶＨに設定される。従って、電気二重層コンデンサ１４には高電圧値ＶＨの電流が供給され、同時にこの高電圧電流によってクランキングが開始される。そして、エンジン回転数の上昇中にこのエンジン回転力を利用してオルタネータ１０は高電圧値ＶＨの発電を継続する。そして、電気二重層コンデンサ１４は高電圧値ＶＨにより充電され、クランキングのために消費した電気エネルギーが回復される。
【００３８】
ここで、電気二重層コンデンサ１４が蓄える電気エネルギーは、キャパシタンスＣと両端電圧Ｖの二乗に比例する。従って、キャパシタンスＣを等しくしておいて充電電圧（両端電圧Ｖ）を２倍にした場合は、電気二重層コンデンサ１４の蓄える電気エネルギーは４倍に増加する。逆に言えば、充電電圧を２倍にすれば１／４のキャパシタンスで同じ電気エネルギーを蓄えることができる。従って、充電電圧を２倍とすれば、静電容量を１／２にしても、２倍の電気エネルギーを蓄えることができる。
【００３９】
そして、時刻ｔ２に至ってエンジン回転数Ｎが所定値ＮＴを上回ると、弁別器５０からは「Ｈ」レベルの切換信号が出力される。これにより、ＡＮＤゲート５５の出力端子から「Ｈ」レベルの信号が出力され、この「Ｈ」レベルの信号はＮＡＮＤゲート５６の第１の入力端子に入力される。
【００４０】
ここで、ＮＡＮＤゲート５６の第２の入力端子は抵抗５８及びコンデンサ６０を介してＡＮＤゲート５５の出力端子に接続されている。従って、抵抗５８によって定まる充電電流がコンデンサ６０を充電するまでの時間、第２の入力端子に入力される信号レベルは「Ｌ」に保持され、コンデンサ６０が充電されたときに第２の入力端子に入力される信号レベルが「Ｈ」になる。これにより、所定時間Δｔが経過した時刻ｔ３において、ＮＡＮＤゲート５６の出力端子からは「Ｌ」レベルの信号が出力される。時定数回路５２からのトランジスタ制御信号が「Ｌ」レベルになると、トランジスタ５４がオフされる。そして、電磁コイル３４ｂへの通電が停止し、リレー接点３４ａが閉状態に復帰して、鉛蓄電池２４とオルタネータ１０とが接続される。また、ＩＣレギュレータ６４に入力される信号レベルも「Ｌ」になるため、オルタネータ１０の発電電圧が通常電圧値ＶＮに設定される。
【００４１】
すなわち、エンジン回転数Ｎが所定値ＮＴを上回ってから所定時間Δｔが経過すると、リレースイッチ３４がオフ状態となって鉛蓄電池２４とオルタネータ１０とが接続される。また、オルタネータ１０の発電電圧は高電圧値ＶＨから通常電圧値ＶＮに切り替わる。従って、通常電圧値ＶＮによって鉛蓄電池２４が充電されると共に電気的負荷３０に通電が行われる。
【００４２】
エンジンを停止した場合は、図３中の時刻ｔ１以前の状態となる。すなわち、エンジン回転数Ｎが「０」であって所定値ＮＴよりも低いため、弁別器５０から出力される信号レベルは「Ｌ」となり、ＮＡＮＤゲート５６から「Ｈ」レベルの信号が出力される。従って、リレースイッチ３４がオン状態となってリレー接点３４ａが開くと共に、オルタネータ１０の発電電圧は高電圧値ＶＨに設定される。
【００４３】
上述のように、エンジン始動時に電気二重層コンデンサ１４は高電圧値ＶＨで充電され、多量の電気エネルギーを蓄えているが、自己放電によって僅かずつ電圧が低下していく。従って、エンジンを停止した状態で車両を長期間放置した場合は、自己放電によって、電気二重層コンデンサ１４の電圧が通常電圧値ＶＮ近傍まで低下する可能性がある。しかし、電気二重層コンデンサ１４の電圧が通常電圧値ＶＮ以下に低下すると、鉛蓄電池２４から抵抗３８を介して微少な補充電流が電気二重層コンデンサ１４に流れ込む。このため、鉛蓄電池２４が電気エネルギーを蓄えている限り、鉛蓄電池２４からの補充電流によって電気二重層コンデンサ１４の電圧は通常電圧値ＶＮに維持される。
【００４４】
このように構成される本実施の形態によれば以下の作用を奏する。まず、第１に、電気的負荷の大小に応じた２種類の電源系統を独立して得ることができ、高電圧値ＶＨの充電によって電気二重層コンデンサに多量の電気エネルギーを蓄えることができる。
【００４５】
これにより、大きい電気的負荷が作動して電気二重層コンデンサ１４の電圧が急激に低下したとしても、その電圧降下の影響が鉛蓄電池２４側の電源系統に及ぶことがない。従って、スタータモータ１８という大電流を必要とする大きい電気的負荷が作動した場合に、エンジンコントロールユニット等がリセット状態になって燃料噴射が行われない等の不具合が発生するのを未然に防止することができる。
【００４６】
また、通常電圧値ＶＮよりも高い高電圧値ＶＨによって電気二重層コンデンサ１４を充電することにより、電気二重層コンデンサ１４に多量の電気エネルギーを蓄えることができる。従って、比較的長時間スタータモータ１８を高電圧値ＶＨによって高速回転させることができ、エンジンの始動性を向上させることができる。
【００４７】
更に、上述のように充電電圧が高電圧値ＶＨであるため、電気二重層コンデンサ１４の容積を低減しつつ従来よりも多くの電気エネルギーを蓄えることができ、パワー密度の高い電気二重層コンデンサ１４の特性を活かしつつ車両用電源装置全体を小型軽量化することも可能となる。
【００４８】
次に、鉛蓄電池２４側の電源系統と電気二重層コンデンサ１４側の電源系統とを容易に分離することができる。すなわち、リレースイッチ３４によって鉛蓄電池２４とオルタネータ１０とを遮断してオルタネータ１０から高電圧値ＶＨで電気二重層コンデンサ１４を充電することができ、逆流防止用ダイオード１６によって電気二重層コンデンサ１４から鉛蓄電池２４に高電圧値ＶＨの電流が流れ込むのを防止することができる。
【００４９】
また、所定値ＮＴ以下の回転数領域では電気二重層コンデンサ１４によってスタータモータ１８を駆動しつつ、電気二重層コンデンサ１４が失ったエネルギーを補充することができ、所定値ＮＴを上回ってから時間Δｔの後のより大きい回転数領域では、オルタネータ１０から鉛蓄電池２４及び小さい電気的負荷３０に電流供給することができる。従って、エンジン始動が完了した時点では電気二重層コンデンサ１４は高電圧値ＶＨで充電されエンジンの再始動に備えることができると共に、その後の通常走行状態においてはエンジン負荷を低減して燃費を向上することができる。
【００５０】
更に、制御装置４０は、エンジン回転数Ｎが所定値ＮＴ以上になった後も所定時間Δｔだけ高電圧値ＶＨで電気二重層コンデンサ１４を充電する。従って、電気二重層コンデンサ１４を十分に高電圧値ＶＨで充電することができ、次のエンジン始動に備える充電をより確実に行うことができる。
【００５１】
また、長期間車両が放置されて、自己放電により電気二重層コンデンサ１４の電圧が低下した場合でも、抵抗３８を介して鉛蓄電池２４から電気二重層コンデンサ１４に補充電流を流して、電気二重層コンデンサ１４の電圧を通常電圧値ＶＮに維持することができる。特に、電気二重層コンデンサ１４は高電圧値ＶＨで充電されるため、高電圧値ＶＨが鉛蓄電池２４の通常電圧値ＶＮに低下するまでは、鉛蓄電池２４から電気二重層コンデンサ１４に補充電が行われない。従って、鉛蓄電池２４の充電負担をできるだけ軽減することができ、長期間の車両放置に耐えることができる。すなわち、高電圧値ＶＨと通常電圧値ＶＮとの電位差ΔＶが補充電に対するマージンとなっている。
【００５２】
また、本実施の形態では、図２に示したように、制御装置４０を弁別器５０、時定数回路２０、トランジスタ５４から比較的簡易な電子回路として構成しているため、この電子回路をＩＣレギュレータ６４内に容易に組み込むことができる。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施の形態について図４〜図６に基づき説明する。なお、本実施の形態では、上述した第１の実施の形態の構成要素と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００５４】
図４は、本実施の形態による車両用電源装置の全体回路構成図であって、本実施の形態による制御装置７０は、後述のように、ソフトウエアによってオルタネータ１０の発電電圧及びリレースイッチ３４の開閉状態を制御する。また、制御装置７０には、クランク角センサ４２に加えて、電気二重層コンデンサ１４の両端電圧ＶＣを検出するためのコンデンサ電圧検出部７２が接続されている。
【００５５】
次に、図５は、制御装置７０の具体的なブロック構成図である。この制御装置７０は、各センサからの信号を受信する入力インターフェース７０ａ、各部材への駆動制御信号を出力する出力インターフェース７０ｂ、主演算装置としてのＣＰＵ７０ｃ、制御プログラムや予め設定された固定データを記憶するＲＯＭ７０ｄ、各センサからの検出信号等を格納するＲＡＭ７０ｅ等をバスライン７０ｆで相互に接続してなるマイクロコンピュータシステムとして構成されている。
【００５６】
そして、ＣＰＵ７０ｃ内の機能として、エンジン回転数Ｎが所定値ＮＴ以下であるか否かを判定するエンジン回転数判定部７３と、電気二重層コンデンサ１４の電圧ＶＣが高電圧値ＶＨに達したか否かを判定するコンデンサ電圧判定部７４と、各判定部７３、７４の判定結果に応じてリレースイッチ３４及びオルタネータ１０を制御するための制御信号を出力する駆動制御部７６とが設けられている。
【００５７】
次に、本実施の形態の作用について説明する。図６のフローチャートは、電気二重層コンデンサ１４側の電源系統と鉛蓄電池２４側の電源系統とを切換制御するための処理を示し、ステップ（以下、単に「Ｓ」という）２０１では、キースイッチ３２の状態を読み込み、Ｓ２０２では、キースイッチ３２がオン状態になったか否かを判定する。そして、キースイッチ３２がオン状態の場合は（ＹＥＳ）、Ｓ２０３で、クランク角センサ４２からエンジン回転数Ｎを読み込む。
【００５８】
次に、Ｓ２０４では、このエンジン回転数Ｎが所定値ＮＴ以下であるか否かを判定する。エンジン回転数Ｎが所定値ＮＴ以下の場合（ＹＥＳ）は、エンジンの始動が完了していない場合のため、Ｓ２０５で、リレースイッチ３４のリレー接点３４ａを開いて鉛蓄電池２４とオルタネータ１０との接続を遮断し、Ｓ２０６でオルタネータ１０の発電電圧を高電圧値ＶＨに設定する。
【００５９】
従って、この状態でスタータスイッチ２０がオン状態となると、電気二重層コンデンサ１４からスタータモータ１８に高電圧値ＶＨの電流が流れて、スタータモータ１８は回転を開始し、クランキングが行われる。そして、エンジンが始動すると、この始動時のエンジン回転力を利用してオルタネータ１０は高電圧値ＶＨによる発電を行う。これにより、電気二重層コンデンサ１４は再び高電圧値ＶＨで充電される。
【００６０】
一方、前記Ｓ２０４で「ＮＯ」と判定した場合は、エンジン回転数Ｎが所定値ＮＴを上回り、エンジンの始動が完了した場合である。そこで、次のＳ２０７では、コンデンサ電圧検出部７２が検出した電気二重層コンデンサ１４の電圧ＶＣと高電圧値ＶＨとを比較し、電気二重層コンデンサ１４の高電圧値ＶＨによる充電が完了したか否かを判定する。コンデンサ電圧ＶＣが高電圧値ＶＨに達しない場合は、まだ電気二重層コンデンサ１４の充電が完了していない場合のため、Ｓ２０７はＮＯと判定してＳ２０４に戻る。
【００６１】
コンデンサ電圧ＶＣが高電圧値ＶＨに達した場合（ＹＥＳ）は、電気二重層コンデンサ１４の充電が完了した場合である。従って、Ｓ２０８に移り、このＳ２０８では、リレースイッチ３４を閉じて鉛蓄電池２４とオルタネータ１０とを接続する。これと同時に、Ｓ２０９では、オルタネータ１０の発電電圧を通常電圧値ＶＮに設定する。これにより、オルタネータ１０で発電された通常電圧値ＶＮの電流が鉛蓄電池２４及び電気的負荷３０に供給される。
【００６２】
このように構成される本実施の形態でも前記第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。これに加えて、本実施の形態では、さらに以下の効果を発揮する。
【００６３】
まず、電気二重層コンデンサ１４の高電圧値ＶＨによる充電がなされたことを確認してから鉛蓄電池２４による電源系統に切り換えることができる。
【００６４】
次に、制御装置７０による制御内容を図６に示すようにソフトウエアで実現する構成としたため、制御内容の追加、修正等が容易である。例えば、Ｓ２０７による電圧判定に替えて、第１の実施の形態のように、所定時間Δｔが経過したときには電気二重層コンデンサ１４の充電完了とみなす構成とすることもできる。
【００６５】
なお、本発明は上記各実施の形態の構成に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。例えば、前記各実施の形態では、リレー接点３４ａとして常閉型のリレースイッチを用いる場合を例示したが、これに替えて、常開型のリレー接点を備えたリレースイッチを用いてもよい。この場合、図２に示したトランジスタ等の素子もリレースイッチの切換えが逆になるように変更される。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置によれば、鉛蓄電池側の電源系統と電気二重層コンデンサ側の電源系統との２個の独立した電源系統を得ることができるため、大きい電気的負荷が作動して電気二重層コンデンサの電圧が急激に低下した場合でも、その影響が鉛蓄電池の支配下にある小さな電気的負荷に及ぶことがない。また、電気二重層コンデンサを通常電圧値よりも高い高電圧値によって充電するため、多量の電気エネルギーを蓄積することができる。従って、大きい電気的負荷を確実に作動させることができる上に、長期間電気エネルギーを保持することができ、さらに電気二重層コンデンサの外径寸法や容積を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置の概略回路構成図である。
【図２】制御装置の具体的回路の要部を示す回路構成図である。
【図３】エンジン回転数の変化に伴うリレースイッチの作動状態及びオルタネータの発電電圧を示す特性図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置の概略回路構成図である。
【図５】制御装置の内部構成を示すブロック図である。
【図６】エンジン回転数に基づいてリレースイッチの作動状態及びオルタネータの発電電圧を制御するフローチャートである。
【図７】従来技術による鉛蓄電池を用いた車両用電源装置の要部を示す概略回路構成図である。
【図８】従来技術による電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置の要部を示す概略回路構成図である。
【符号の説明】
１０ オルタネータ
１４ 電気二重層コンデンサ
１６ 逆流防止用ダイオード
１８ スタータモータ
２４ 鉛蓄電池
３０ 電気的負荷
３４ リレースイッチ
３８ 補充電用抵抗
４０ 制御装置
７０ 制御装置
Claims (4)
- 車載発電機により充電される電気二重層コンデンサ及び鉛蓄電池を有し車両に搭載された種々の電気的負荷に対し電流供給を行う車両用電源装置において、
前記車載発電機は、発電電圧調整可能とされ、前記鉛蓄電池に対しては通常電圧値で充電し、前記電気二重層コンデンサに対しては前記通常電圧値よりも高い高電圧値で充電し、前記鉛蓄電池側からは、前記電気二重層コンデンサ側から電流供給される電気的負荷よりも小さい電気的負荷に対して電流供給を行い、前記電気二重層コンデンサ側からは、前記鉛蓄電池側から電流供給される電気的負荷よりも大きい電気的負荷に対して電流供給を行うように、前記鉛蓄電池及び前記電気二重層コンデンサと前記車載発電機との接続並びに前記鉛蓄電池及び前記電気二重層コンデンサと前記各電気的負荷との接続が行われ、
前記鉛蓄電池はスイッチ手段を介して前記車載発電機の出力端子に接続され、前記電気二重層コンデンサは逆流防止用ダイオードを介して前記車載発電機の出力端子に接続され、
エンジン始動時において、エンジン回転数が所定値以下の回転数領域にある場合は、前記車載発電機の発電電圧を前記高電圧値に設定すると共に前記鉛蓄電池と前記車載発電機との間を遮断するように前記発電電圧の制御及び前記スイッチ手段の制御を行い、エンジン回転数が前記所定値を上回る回転数領域にある場合は前記車載発電機の発電電圧を前記通常電圧値に設定すると共に前記鉛蓄電池と前記車載発電機とを接続状態とするように前記発電電圧の制御及び前記スイッチ手段の制御を行う制御手段が設けられたことを特徴とする電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置。 - 前記電気二重層コンデンサは前記高電圧値をもってスタータモータに電流供給を行うことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置。
- 前記鉛蓄電池と前記電気二重層コンデンサとは、前記逆流防止用ダイオードおよび所定の抵抗値を有する抵抗を介して接続されたことを特徴とする請求項１又は２の何れか１項に記載の電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置。
- 前記制御手段は、エンジン回転数が前記所定値を上回る回転数領域に入ったときには所定時間の経過を待って、前記車載発電機の発電電圧を前記高電圧値から前記通常電圧値に切り換えると共に前記鉛蓄電池と前記車載発電機とを接続することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電気二重層コンデンサを用いた車両用電源装置。
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