JP4272613B2 - 車両の電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両の電源装置に関する。

車両の蓄電装置に、急速充電が可能で充放電サイクル寿命の長い電気二重層キャパシタを用いるものがある（例えば、特許文献１）。
特開２００３−７９００８

車両のエンジンの始動モータは、エンジン始動時のみ１０００Ａ程度の突入電流と２００Ａを超える起動電流が流れるが、エンジン始動後は電力を消費しない。

従来、エンジンの始動には、鉛蓄電池等の二次電池を電源として用いているが、鉛蓄電池等の二次電池は、電気の発生に化学変化を用いているため、短時間の大電流の充放電は苦手で、電極や電解液が劣化しやすい。

一方、電気二重層キャパシタは、電流密度が高く、モータのような誘導性負荷の駆動に適しているが、電気二重層キャパシタは、自己放電が大きく、長期間放置すると、エンジンを始動できないレベルまで電圧が下がってしまうことがある。

したがって、電気二重層キャパシタと鉛蓄電池等の二次電池を併設して、通常は電気二重層キャパシタによりエンジン始動を行い、電気二重層キャパシタが低電圧の際は鉛蓄電池等の二次電池によりエンジン始動を行うようにすれば、鉛蓄電池等の二次電池の劣化等を抑えられる。

しかし、電気二重層キャパシタと鉛蓄電池等の二次電池とを切り替える回路には、エンジン始動時のモータ起動電流が流れるため、機械式接点を持つリレーを用いたのでは、大きく、高価なものになる。また、こうしたリレーは、消耗品であり、メンテナンスが必要である。

この発明は、半導体素子を用いて電気二重層キャパシタと鉛蓄電池等の二次電池との切替回路を構成して、車両に適した電源装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、エンジンを始動する始動モータと、エンジン動力や車両の減速エネルギによって発電する発電機と、鉛蓄電池等の二次電池と、電気二重層キャパシタと、二次電池の電圧を検出する検出部と、電気二重層キャパシタの電圧を検出する検出部と、を備え、前記始動モータの駆動回路に、前記二次電池を第１の半導体スイッチと第１のダイオードを介して接続し、前記始動モータの駆動回路に、前記電気二重層キャパシタを第２の半導体スイッチと第２のダイオードを介して接続し、前記発電機の出力回路を、前記二次電池に第３のダイオードを介して接続し、前記発電機の出力回路を、前記電気二重層キャパシタに第３の半導体スイッチおよび逆向きの第４の半導体スイッチを介して接続し、前記各半導体スイッチの制御回路を設けたことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記制御回路は、エンジン始動時に、前記電気二重層キャパシタの電圧が規定値以上の場合は、前記第２の半導体スイッチをオンし、前記電気二重層キャパシタの電圧が規定値未満の場合は、前記第１の半導体スイッチをオンすることを特徴とする。

第３の発明は、第１、第２の発明において、前記制御回路は、エンジン運転中、前記二次電池の電圧が規定値以上で、前記電気二重層キャパシタの電圧が規定値未満かつ前記二次電池の電圧よりも低い場合に、前記第３、第４の半導体スイッチをオンすることを特徴とする。

第４の発明は、第１〜第３の発明において、前記制御回路は、前記電気二重層キャパシタへの充電中に、前記二次電池の電圧が前記電気二重層キャパシタの電圧よりも低下した場合、前記第４の半導体スイッチをオフすることを特徴とする。

第１〜第３の発明においては、エンジンの始動ならびに二次電池、電気二重層キャパシタの充電を的確に行える。半導体スイッチにより、二次電池と電気二重層キャパシタとの切替回路を小型化でき、接点寿命も無いため、メンテナンスを十分に軽減できる。

第４の発明においては、電気二重層キャパシタへの充電中、電気二重層キャパシタに蓄えられた電荷が二次電池側に流れることを防止でき、電気二重層キャパシタの充電を的確に行える。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１において、１は車両のエンジン、２はエンジンキーのスタータスイッチ、３はエンジン１の始動モータ（ＣＥＬＬ）、４はエンジン１の動力あるいは車両の減速エネルギによって駆動して発電する発電機（ＡＬＴ）を示す。

５は電気二重層キャパシタ、６は鉛蓄電池等の二次電池、７は電気二重層キャパシタ５、二次電池６を始動モータ３の駆動回路（駆動回線）端子Ｂ、発電機４の出力回路（出力回線）端子Ａに接続する系統切替装置を示す。

８は車両制御ユニット（エンジン制御ユニット、電源制御ユニットを含む）を示す。

車両制御ユニット８は、アクセルセンサ（図示しない）からのアクセル開度、エンジン回転数センサ（図示しない）からのエンジン回転数、シフトレバー（図示しない）のシフトポジション、車速センサ（図示しない）からの車速等に基づき、エンジン１の出力（燃料噴射）、図示しない変速機の変速等を制御する。

また、アイドルストップ・スタート設定スイッチ（図示しない）の信号に基づき、アイドルストップ・スタート制御（自動停止再始動制御）を行う。

一方、エンジン１の始動時に始動モータ３を電気二重層キャパシタ５により駆動するか、二次電池６により駆動するかを系統切替装置７を介して制御する。

また、エンジン１の運転中に発電機４による二次電池６への充電、電気二重層キャパシタ５への充電を系統切替装置７を介して制御する。

系統切替装置７は、図２のように構成する。

二次電池６を始動モータ３の駆動回路端子Ｂに第１の半導体スイッチ（Ｑｂ）１３、ダイオード（Ｄｂ）１４を介して接続する。

電気二重層キャパシタ５を始動モータ３の駆動回路端子Ｂに第２の半導体スイッチ（Ｑｃ）１５、ダイオード（Ｄｃ）１６を介して接続する。

二次電池６に発電機４の出力回路端子Ａをダイオード（Ｄａ）１７を介して接続する。

電気二重層キャパシタ５に発電機４の出力回路端子Ａを第３の半導体スイッチ（Ｑｄ）１８、第４の半導体スイッチ（Ｑｅ）１９を介して接続する。

各半導体スイッチ１３、１５、１８、１９は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：ＭＯＳＦＥＴ）を用いる。第４の半導体スイッチ（Ｑｅ）１９は、電気二重層キャパシタ５への充電方向に対して寄生ダイオード２０の向きを逆向き（スイッチオフ時に電気二重層キャパシタ５から寄生ダイオード２０を介して第３の半導体スイッチ（Ｑｄ）１８側に電流が流れないようにする向き）にする。

発電機４の出力回路端子Ａの下流には、過電流負荷に対し発電機４を保護するヒューズ（Ｆ）２１を設けている。

二次電池６の端子間、電気二重層キャパシタ５の端子間には、それぞれ電圧を検出するセンサ２２、２３を設け、それぞれ電圧値を車両制御ユニット８に送る。

発電機４の発生電圧を検出するセンサ２４を設け、電圧値を車両制御ユニット８に送る。

エンジンキーのスタータスイッチ２は、オンすると、二次電池６を電源に始動モータ３の起動端子Ｓにエンジン始動信号（起動シフト信号）を送る。

車両制御ユニット８は、エンジン１の自動再始動時に始動モータ３の起動端子Ｓにエンジン始動信号（起動シフト信号）を送る。

図示しないが、電気二重層キャパシタ５が自己放電等に依り電圧が低下しても影響を受けないように、車両制御ユニット８の駆動電源には、二次電池６の電力を供給するようにしている。また、二次電池６は各補機類の電源に用いるようにしている。

なお、図中Ｅ、Ｇ、ＦＧはアース端子である。

次に、車両制御ユニット８の制御内容を図３、図４（Ａ）、（Ｂ）のフローチャートに基づいて説明する。

図３は、エンジン始動時の制御フローを示す。

エンジンキーがオンすると、ステップＳ１１にて、電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃ、二次電池６の電圧Ｖｂを読み込み、フラグＶflg＝１にセットする。

ステップＳ１２では、電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃがエンジン起動に充分な電圧ＶcL（規定電圧）以上かどうかを判定する。

電圧ＶcL以上の場合、ステップＳ１３にて第２の半導体スイッチ（Ｑｃ）１５をオン（Ｑｃ＝１）し、ステップＳ１７にて待機する。

電圧ＶcL未満の場合、ステップＳ１４にて第１の半導体スイッチ（Ｑｂ）１３をオン（Ｑｂ＝１）し、ステップＳ１５にて二次電池６の電圧Ｖｂがエンジン起動に充分な電圧ＶbL（規定電圧）以上かどうかを判定する。

電圧ＶbL以上の場合、ステップＳ１７にて待機する。電圧ＶbL未満の場合、ステップＳ１６にて二次電池低電圧アラームをオンし、ステップＳ１７にて待機する。

ステップＳ１８では、エンジンキーのスタータスイッチ２がオンまたは車両制御ユニット８のアイドルストップ・スタート制御に基づくエンジン始動信号がアクティブになると（始動モータ３を駆動）、ステップＳ１９にてフラグＶflg＝０にセットして、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、エンジン１の回転数よりエンジン１が始動したかどうかを見て、始動した場合は、ステップＳ２１にて第２の半導体スイッチ（Ｑｃ）１５、第１の半導体スイッチ（Ｑｂ）１３をオフ（Ｑｃ、Ｑｂ＝０）する。

エンジン１が始動しない場合は、ステップＳ２２にてフラグＶflg＝０のときは始動失敗と判断して、ステップＳ１１に戻る一方、ステップＳ２２にでフラグＶflg＝１のときは引き続き始動待機中と判断して、ステップＳ１７へ戻るのである。

すなわち、エンジン１の始動時に電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃがエンジン起動に充分な電圧ＶcL以上の場合は、第２の半導体スイッチ（Ｑｃ）１５をオンして、電気二重層キャパシタ５により始動モータ３を駆動する。

一方、電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃがその電圧ＶcL未満の場合は、第１の半導体スイッチ（Ｑｂ）１３をオンして、二次電池６により始動モータ３を駆動する。

電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃ、二次電池６の電圧Ｖｂがエンジン起動に充分な電圧ＶcL、ＶbL未満の場合は、第１の半導体スイッチ（Ｑｂ）１３をオンして起動信号を待つので、二次電池６の端子に外部電源をつなげば良い。

図４（Ａ）、（Ｂ）は、充電の制御フローを示す。

エンジンキーがオン状態にあり、ステップＳ３１にてエンジン運転中のとき、ステップＳ３２にて電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃ、二次電池６の電圧Ｖｂ、発電機４の発生電圧Ｖｇを読み込む。

ステップＳ３３では、二次電池６の電圧Ｖｂが電圧ＶbL（規定電圧）以上かどうかを判定する。

電圧ＶbL未満の場合、ステップＳ３４にて二次電池低電圧アラームをオンする。ステップＳ３５〜Ｓ３８にて、二次電池６の電圧Ｖｂが定格電圧Ｖstd以上になれば、二次電池低電圧アラームをオフする。

電圧ＶbL以上の場合、ステップＳ３９にて電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃが電圧ＶcL（規定電圧）以上かどうかを判定する。

電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃが電圧ＶcL未満の場合、ステップＳ４０にてキャパシタ低電圧アラームをオンする。ステップＳ４１〜Ｓ４５にて、発電機４の発生電圧Ｖｇが電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃ以上の場合、第３の半導体スイッチ（Ｑｄ）１８、第４の半導体スイッチ（Ｑｅ）１９をオンして、電気二重層キャパシタ５への充電を開始する。電気二重層キャパシタ５への充電の間に二次電池６の電圧Ｖｂが電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃよりも下がった場合、第４の半導体スイッチ（Ｑｅ）１９はオフする。

ステップＳ４７にて電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃが定格電圧Ｖstd以上になれば、ステップＳ４８、Ｓ４９にてキャパシタ低電圧アラーム、第３の半導体スイッチ（Ｑｄ）１８、第４の半導体スイッチ（Ｑｅ）１９をオフして、ステップＳ３１に戻る。

ステップＳ４６にて二次電池６の電圧Ｖｂが電圧ＶbL未満になった場合、ステップＳ４９にて第３の半導体スイッチ（Ｑｄ）１８、第４の半導体スイッチ（Ｑｅ）１９をオフして、ステップＳ３１に戻る。

エンジン停止あるいはエンジンキーのオフ時は、第３の半導体スイッチ（Ｑｄ）１８、第４の半導体スイッチ（Ｑｅ）１９をオフする（ステップＳ５０、Ｓ５２）。

すなわち、エンジン運転中（発電機４の発電中）は、常に二次電池６へ充電を行うが、二次電池６の電圧Ｖｂが電圧ＶbL以上、電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃが電圧ＶcL未満かつ二次電池６の電圧Ｖｂよりも低い場合、第３の半導体スイッチ（Ｑｄ）１８、第４の半導体スイッチ（Ｑｅ）１９をオンして、電気二重層キャパシタ５へ充電を行う。

電気二重層キャパシタ５への充電サイクル中、二次電池６の電圧Ｖｂが電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃよりも下がったときは、第４の半導体スイッチ（Ｑｅ）１９はオフする。また、二次電池６の電圧Ｖｂが電圧ＶbL未満になった場合、第３の半導体スイッチ（Ｑｄ）１８、第４の半導体スイッチ（Ｑｅ）１９をオフして、二次電池６のみへ充電を行う。

このように構成したので、二次電池６、電気二重層キャパシタ５を適切に使用できる。

エンジンキーのスタータスイッチ２によるあるいはアイドルストップ・スタート制御によるエンジン１の始動時、電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃが規定値以上の場合は、第２の半導体スイッチ１５がオンされて、電気二重層キャパシタ５により始動モータ３が駆動され、エンジン１が始動される。また、電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃが規定値未満の場合は、第１の半導体スイッチ１３がオンされて、二次電池６により始動モータ３が駆動され、エンジン１が始動される。

エンジン１の運転中、発電機４の発電電力は、二次電池６に充電される。また、二次電池６の電圧Ｖｂが規定値以上、電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃが規定値未満かつ二次電池６の電圧Ｖｂよりも低い場合に、第３の半導体スイッチ１８、第４の半導体スイッチ１９がオンされ、電気二重層キャパシタ５に充電される。

電気二重層キャパシタ５への充電中、二次電池６の電圧Ｖｂが電気二重層キャパシタ５の電圧Ｖｃよりも下がったときは、第４の半導体スイッチ１９をオフする。すなわち、電気二重層キャパシタ５への充電中に電気二重層キャパシタ５に蓄えられた電荷が二次電池６側に流れることを防止する。同時に第４の半導体スイッチ１９をオフすることで発電機４から電気二重層キャパシタ５への充電経路のインピーダンスが高くなる（ＦＥＴより内蔵ダイオードの方がオン抵抗が高い為）ため、二次電池６側を優先的に充電することになる。

このため、エンジン１の始動ならびに二次電池６、電気二重層キャパシタ５の充電を的確に行える。

半導体スイッチ１３、１５、１８、１９により、二次電池６と電気二重層キャパシタ５との切替回路（系統切替装置７）を小型化できる。また、メンテナンスを十分に軽減することができる。

鉛蓄電池等の二次電池６が長持ちする。そのため、電池の交換による有害な鉛廃棄物等を低減でき、環境に優しい。

実施形態において、半導体スイッチ１３、１５、１８、１９には、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：ＭＯＳＦＥＴ）を用いたが、３端子バイポーラＭＯＳ複合半導体素子（ＩＧＢＴ）を用いても良い。

また、電気二重層キャパシタ５の電力をエンジン１の始動に用いているが、瞬間的に大電力を消費するアンチロックブレーキシステム（ＡＢＳ）等にも用いることができる。

また、本発明の切替機構を鉛蓄電池等の二次電池と電気二重層キャパシタとを併設したものに適用したが、Ｌｉ−イオン、Ｎｉ−水素等の異なった電流密度、エネルギ密度を持つ二次電池の組み合わせにも適用できる。

ところで、電気二重層キャパシタ５は内部抵抗が非常に低いため、取り扱いに注意を要し、車両のメンテナンス時等、電気二重層キャパシタ５の端子に触れる可能性がある場合は、電気二重層キャパシタ５の電荷を抜いておく必要がある。

以下、本装置を用いた電気二重層キャパシタ５の放電の手順を述べる。

１、 エンジンキーをオンして車両制御ユニット（電源制御ユニット）８を機能させる。

２、 発電機４の出力回路端子Ａ〜アース端子ＦＧ間に電子負荷装置等（外付け機器）を接続する。

３、 車両制御ユニット（電源制御ユニット）８に外部より制御命令を与え、系統切替装置７の第３の半導体スイッチ１８をオフ状態のまま、第４の半導体スイッチ１９の制御端子（ゲート）に前記電子負荷装置の電子負荷性能に合わせたパルス波形を入力して、電気二重層キャパシタ５から電子負荷装置への回路を開く。

これによって、電気二重層キャパシタ５から電子負荷装置に放電して、電気二重層キャパシタ５の電荷を抜く。この際、ダイオード（Ｄａ）１７が入っているため、二次電池６から電子負荷装置または電気二重層キャパシタ５へ放電されることはない。

このように本装置を用いることで、電気二重層キャパシタ５の放電を適切に行え、良好な取り扱い性、メンテナンス性を確保できる。

車両のエンジン始動のほか、瞬間的に大電力を消費する機器に適用できる。

実施形態の概略構成図である。 系統切替装置部分の構成図である。 制御内容を示すフローチャートである。 （Ａ）、（Ｂ）は制御内容を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
２ スタータスイッチ
３ 始動モータ
４ 発電機
５ 電気二重層キャパシタ
６ 鉛蓄電池等の二次電池
７ 系統切替装置
８ 車両制御ユニット
１３ 第１の半導体スイッチ
１４ ダイオード
１５ 第２の半導体スイッチ
１６ ダイオード
１７ ダイオード
１８ 第３の半導体スイッチ
１９ 第４の半導体スイッチ
２０ 寄生ダイオード
２２、２３、２４ センサ

Claims (4)

1. エンジンを始動する始動モータと、エンジン動力や車両の減速エネルギによって発電する発電機と、鉛蓄電池等の二次電池と、電気二重層キャパシタと、二次電池の電圧を検出する検出部と、電気二重層キャパシタの電圧を検出する検出部と、を備え、
   前記始動モータの駆動回路に、前記二次電池を第１の半導体スイッチと第１のダイオードを介して接続し、
   前記始動モータの駆動回路に、前記電気二重層キャパシタを第２の半導体スイッチと第２のダイオードを介して接続し、
   前記発電機の出力回路を、前記二次電池に第３のダイオードを介して接続し、
   前記発電機の出力回路を、前記電気二重層キャパシタに第３の半導体スイッチおよび逆向きの第４の半導体スイッチを介して接続し、
   前記各半導体スイッチの制御回路を設けたことを特徴とする車両の電源装置。
2. 前記制御回路は、エンジン始動時に、前記電気二重層キャパシタの電圧が規定値以上の場合は、前記第２の半導体スイッチをオンし、前記電気二重層キャパシタの電圧が規定値未満の場合は、前記第１の半導体スイッチをオンすることを特徴とする請求項１に記載の車両の電源装置。
3. 前記制御回路は、エンジン運転中、前記二次電池の電圧が規定値以上で、前記電気二重層キャパシタの電圧が規定値未満かつ前記二次電池の電圧よりも低い場合に、前記第３、第４の半導体スイッチをオンすることを特徴とする請求項１または２に記載の車両の電源装置。
4. 前記制御回路は、前記電気二重層キャパシタへの充電中に、前記二次電池の電圧が前記電気二重層キャパシタの電圧よりも低下した場合、前記第４の半導体スイッチをオフすることを特徴とする請求項３に記載の車両の電源装置。

Images