JP4441920B2 - 電源装置 - Google Patents

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    • H02J7/1423Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries for charging batteries from dynamo-electric generators driven at varying speed, e.g. on vehicle with multiple batteries

Description

本発明は、異なる電圧を供給することができる電源装置に関する。
従来、異なる電圧を供給することができる電源装置として、例えば特許文献1に開示されている車両用電源制御装置がある。この車両用電源制御装置は、低圧系バッテリと、高圧系バッテリと、DC/DCコンバータと、電子制御ユニットとを備えている。DC/DCコンバータは、電子制御ユニットによって制御され、低圧系バッテリの電圧を昇圧して高圧系バッテリ側に供給し、高圧系バッテリの電圧を降圧して低圧系バッテリ側に供給する。この構成においては、DC/DCコンバータが非常に高価であるため、コストを抑えることが困難であった。
これに対して、DC/DCコンバータを用いることなく、同様の機能を実現できる電源装置として、例えば特許文献2に開示されている電力変換回路がある。この電力変換回路は、低電圧電源に相当する直流電源と、高電圧電源に相当する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの負荷である三相電圧形インバータと、三相誘導電動機とから構成されている。つまり、負荷である三相電圧形インバータと三相誘導電動機とを利用して電源装置を構成するものである。三相電圧形インバータの直流高電位端は平滑コンデンサの一端に、直流低電位端は平滑コンデンサの他端にそれぞれ接続されている。直流高電位端又は直流低電位端のいずれかは直流電源の一端に接続されている。また、三相誘導電動機の各相端は、三相電圧形インバータの交流端にそれぞれ接続されている。さらに、電機子巻線の中性点は、直流電源の他端に接続されている。三相電圧形インバータは、平滑コンデンサの直流電圧を三相交流電圧に変換して三相誘導電動機に供給するとともに、直流電源の電圧を昇圧して平滑コンデンサに供給、又は、平滑コンデンサの電圧を降圧して直流電源に供給する。具体的には、三相誘導電動機に、オフセットした三相交流電流が流れるように三相交流電圧を調整することで行われる。
特開2007−153149号公報 特開平10−337047号公報
ところで、前述した電力変換回路では、三相交流電圧を供給して、三相誘導電動機を稼働している時のみ、直流電源の電圧を昇圧して平滑コンデンサに供給、又は、平滑コンデンサの電圧を降圧して直流電源に供給する。そのため、三相誘導電動機の非稼働時に、他の負荷によって電力が消費されても、それを補うことはできない。このような状態で、例えば三相誘導電動機を稼働すると、稼働直後の突入電流等の影響によって、平滑コンデンサの電圧が大きく低下することとなる。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、DC/DCコンバータを用いない簡素な構成で異なる電圧を供給するとともに、電圧の変動を抑え、安定化を図ることができる電源装置を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段及び発明の効果
そこで、本発明者は、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、負荷として接続される多相インバータと多相電動機とを、多相電動機の非稼働時に、昇圧回路や降圧回路の構成要素として利用することで、電圧変動を抑え安定化を図れることを思いつき、本発明を完成するに至った。
すなわち、請求項1に記載の電源装置は、充放電可能な第1蓄電手段と、電圧が第1蓄電手段の電圧より低い充放電可能な第2蓄電手段と、星形結線された多相の相巻線からなる電機子巻線を有し、電機子巻線の中性点が第2蓄電手段の一端に接続される多相電動機と、車両に搭載されたエンジンの回転力によって駆動され、間欠的に発電、停止して、少なくとも第2蓄電手段を充電する発電機と、複数のスイッチング素子を多相ブリッジ接続して構成され、直流高電位端が第1蓄電手段の一端に、直流低電位端が第1蓄電手段の他端に、直流高電位端又は直流低電位端のいずれかが第2蓄電手段の他端にそれぞれ接続されるとともに、交流端が電機子巻線の各相端にそれぞれ接続される多相インバータと、多相インバータを制御する制御回路と、を有し、制御回路は、多相電動機の稼働時に、多相インバータを制御し、第1蓄電手段の電圧を多相交流電圧に変換して多相電動機に供給するともに、第2蓄電手段の電圧を昇圧して第1蓄電手段を充電し、多相電動機の非稼働時であって、発電機の稼働時に、電機子巻線の接続された多相インバータを制御し、第2蓄電手段の電圧を昇圧のみを実施して第1蓄電手段を充電することを特徴とする。この構成によれば、DC/DCコンバータを用いない簡素な構成で、異なる電圧を供給する電源装置を構成することができる。しかも、多相電動機の非稼働時であって、発電機の稼働時に、多相インバータと電機子巻線とを利用し、第2蓄電手段を充電しながら、その電圧を昇圧して第1蓄電手段を充電することができる。そのため、従来のように、多相電動機の非稼働時に電力が消費されて第1蓄電手段の電圧が低下することもない。また、第1蓄電手段への充電に伴う第2蓄電手段の電圧低下を抑えることもできる。従って、電圧の変動を抑え安定化を図ることができる。
請求項2に記載の電源装置は、請求項1に記載の電源装置において、発電機は、車両の減速時に発電して第2蓄電手段を充電する発電状態と、発電を抑える発電抑制状態とを有し、発電抑制状態において、第2蓄電手段の電圧が閾値電圧未満の時には、発電の抑制を禁止して第2蓄電手段を充電することを特徴とする。この構成によれば、第2蓄電手段の電圧を安定して確保することができる。発電機は、第2蓄電手段の電圧が閾値電圧未満の時に、発電の抑制を禁止して第2蓄電手段を充電するように制御されている。そのため、発電に伴うエンジン等の出力低下を抑えることができる。
請求項3に記載の電源装置は、請求項1又は2に記載の電源装置において、発電機は、第1蓄電手段及び第2蓄電手段を充電し、制御回路は、多相電動機の非稼働時であっても、第2蓄電手段の電圧が閾値電圧未満の時には、第2蓄電手段の電圧を昇圧せず、第1蓄電手段の電圧を降圧して第2蓄電手段を充電することを特徴とする。この構成によれば、第2蓄電手段の無駄な昇圧を抑え、第2蓄電手段の電圧低下を防止することができる。
請求項4に記載の電源装置は、請求項1〜3のいずれかに記載の電源装置において、制御回路は、多相インバータを制御し、第2蓄電手段の電圧を昇圧して発電機の励磁回路に供給することを特徴とする。この構成によれば、第2蓄電手段の電圧を昇圧して発電機に電圧を供給することができる。そのため、発電機の発電電力を向上させることができる。
請求項5に記載の電源装置は、請求項1〜4のいずれかに記載の電源装置において、第1蓄電手段は、発電機の励磁回路に電圧を供給することを特徴とする。この構成によれば、第1蓄電手段によって発電機に電圧を供給することができる。第1蓄電手段の電圧は、第2蓄電手段の電圧より高い。そのため、第2蓄電手段の電圧を供給する場合に比べ、発電機の発電電力を向上させることができる。
請求項6に記載の電源装置は、請求項1〜5のいずれかに記載の電源装置において、制御回路は、第1蓄電手段の電圧が閾値電圧以上の時には、第2蓄電手段の電圧の昇圧を停止することを特徴とする。この構成によれば、第2蓄電手段の無駄な昇圧を抑え、効率的に第1蓄電手段の電圧の安定化を図ることができる。
請求項7に記載の電源装置は、請求項1〜6のいずれかに記載の電源装置において、制御回路は、第2蓄電手段の電圧を2倍以上に昇圧することを特徴とする。この構成によれば、供給できる電圧範囲が広がり、汎用性を向上させることができる。
請求項8に記載の電源装置は、充放電可能な第1蓄電手段と、電圧が第1蓄電手段の電圧より低い充放電可能な第2蓄電手段と、星形結線された多相の相巻線からなる電機子巻線を有し、電機子巻線の中性点が第2蓄電手段の一端に接続される多相電動機と、車両に搭載されたエンジンの回転力によって駆動され、間欠的に発電、停止して、少なくとも記第1蓄電手段を充電する発電機と、複数のスイッチング素子を多相ブリッジ接続して構成され、直流高電位端が第1蓄電手段の一端に、直流低電位端が第1蓄電手段の他端に、直流高電位端又は直流低電位端のいずれかが第2蓄電手段の他端にそれぞれ接続されるとともに、交流端が電機子巻線の各相端にそれぞれ接続される多相インバータと、多相インバータを制御する制御回路と、を有し、制御回路は、多相電動機の稼働時に、多相インバータを制御し、第1蓄電手段の電圧を多相交流電圧に変換して多相電動機に供給するともに、第1蓄電手段の電圧を降圧して第2蓄電手段を充電し、多相電動機の非稼働時であって、発電機の稼働時に、電機子巻線の接続された多相インバータを制御し、第1蓄電手段の電圧を降圧のみを実施して第2蓄電手段を充電することを特徴とする。この構成によれば、DC/DCコンバータを用いない簡素な構成で、異なる電圧を供給する電源装置を構成することができる。しかも、多相電動機の非稼働時であって、発電機の稼働時に、多相インバータと電機子巻線とを利用し、第1蓄電手段を充電しながら、その電圧を降圧して第2蓄電手段を充電することができる。そのため、従来のように、多相電動機の非稼働時に電力が消費されて第2蓄電手段の電圧が低下することもない。また、第2蓄電手段への充電に伴う第1蓄電手段の電圧低下を抑えることもできる。従って、電圧の変動を抑え安定化を図ることができる。
請求項9に記載の電源装置は、請求項8に記載の電源装置において、発電機は、車両の減速時に発電して第1蓄電手段を充電する発電状態と、発電を抑える発電抑制状態とを有し、発電抑制状態において、第1蓄電手段の電圧が閾値電圧未満の時には、発電の抑制を禁止して第1蓄電手段を充電することを特徴とする。この構成によれば、第1蓄電手段の電圧を安定して確保することができる。発電機は、第1蓄電手段の電圧が閾値電圧未満の時に、発電の抑制を禁止して第1蓄電手段を充電するように制御されている。そのため、発電に伴うエンジン等の出力低下を抑えることができる。
請求項10に記載の電源装置は、請求項8又は9に記載の電源装置において、発電機は、第1蓄電手段及び第2蓄電手段を充電し、制御回路は、多相電動機の非稼働時であっても、第1蓄電手段の電圧が閾値電圧未満の時には、第1蓄電手段の電圧を降圧せず、第2蓄電手段の電圧を昇圧して第1蓄電手段を充電することを特徴とする。この構成によれば、第1蓄電手段の無駄な降圧を抑え、第1蓄電手段の電圧低下を防止することができる。
請求項11に記載の電源装置は、請求項8〜10のいずれかに記載の電源装置において、制御回路は、第2蓄電手段の電圧が閾値電圧以上の時には、第1蓄電手段の電圧の降圧を停止することを特徴とする。この構成によれば、第1蓄電手段無駄な降圧を抑え、効率的に第2蓄電手段の電圧の安定化を図ることができる。
請求項12に記載の電源装置は、請求項8〜11のいずれかに記載の電源装置において、制御回路は、第1蓄電手段の電圧を1/2倍以下に降圧することを特徴とする。この構成によれば、供給できる電圧範囲が広がり、汎用性を向上させることができる。
請求項13に記載の電源装置は、請求項1〜12のいずれかに記載の電源装置において、電機子巻線の中性点と、第1蓄電手段又は第2蓄電手段との間に配設され、電機子巻線の中性点と、第1蓄電手段又は第2蓄電手段とを接続するスイッチ手段を有し、制御手段は、第2蓄電手段の電圧を昇圧する時、又は、第1蓄電手段の電圧を降圧する時に、スイッチ手段を制御して電機子巻線の中性点と、第1蓄電手段又は第2蓄電手段とを接続することを特徴とする。この構成によれば、昇圧又は降圧する時のみ、電機子巻線の中性点と、第1蓄電手段又は第2蓄電手段とを接続することができる。そのため、昇圧又は降圧していない時に、電機子巻線の中性点と、第1蓄電手段又は第2蓄電手段との間で電圧差に伴って発生する電流の漏れを防止することができる。
請求項14に記載の電源装置は、請求項1〜13のいずれかに記載の電源装置において、第1蓄電手段又は第2蓄電手段は、コンデンサ又はキャパシタを備えていることを特徴とする。この構成によれば、電圧応答性を向上することができる。また、バッテリ等に比べ、コストを抑えことができる。
請求項15に記載の電源装置は、請求項1〜14のいずれかに記載の電源装置において、多相電動機は、車両におけるエンジンを始動するスタータ装置用、ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置用、車両の安定性を操作する電動スタビライザ装置用、又は、エアコンのコンプレッサ装置用の電動機であることを特徴とする。この構成によれば、これら装置等に供給する電圧の変動を抑え、安定化を図ることができる。
なお、本明細書中における第1蓄電手段及び第2蓄電手段は、蓄電手段を区別するために便宜的に導入したものである。
次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る電源装置を、車両に搭載された各種負荷に直流電圧を供給する車両用電源装置に適用した例を示す。
第1参考形態
まず、図1を参照して車両用電源装置の構成について説明する。ここで、図1は、第1参考形態における車両用電源装置のブロック図である。
図1に示すように、車両用電源装置1(電源装置)は、主電源10(第2蓄電手段)と、副電源11(第1蓄電手段)と、三相ブラシレスモータ12(多相電動機)と、三相インバータ13(多相インバータ)と、スイッチ回路14(スイッチ手段)と、制御回路15とから構成されている。
主電源10は、電圧が、例えば12V〜16Vの充放電可能なバッテリからなる直流電源である。主電源10の正極端は、12V〜16Vの電圧で動作する負荷160aに接続されている。また、負極端は車体に接地されている。
副電源11は、電圧が、例えば24V〜60Vの充放電可能なコンデンサからなる直流電源である。副電源11の正極端は、24V〜60Vの電圧で動作する負荷160bに接続されている。また、負極端は車体に接地されている。
三相ブラシレスモータ12は、ロータ(図略)の回転角に応じた三相交流電圧を供給されることでトルクを発生するモータである。例えば、24V〜60Vの直流電圧に基づいて動作可能な、ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置用のモータである。三相ブラシレスモータ12は、ステータコイル120を備えている。ステータコイル120は、三相の相コイル120a〜120cをY結線して構成されている。ステータコイル120の中性点は、スイッチ回路14を介して主電源10の正極端に接続されている。ステータコイル120の各相端は、三相インバータ13に接続されている。
三相インバータ13は、制御回路15によって制御され、副電源11の直流電圧を三相交流電圧に変換して三相ブラシレスモータ12に供給する回路である。また、ステータコイル120とともに昇圧回路又は降圧回路を構成し、制御回路15によって制御され、主電源10の電圧を昇圧して副電源11を充電、又は、副電源11の電圧を降圧して主電源10を充電する回路でもある。三相インバータ13は、高電位側MOSFET130a〜130cと、低電位側MOSFET130d〜130fとを三相ブリッジ接続して構成されている。高電位側MOSFET130a〜130cは、副電源11の正極端側に接続されるスイッチング素子である。低電位側MOSFET130d〜130fは、副電源11の負極端側に接続されるスイッチング素子である。高電位側MOSFET130a〜130cと、低電位側MOSFET130d〜130fとは、それぞれ直列接続されている。3組の直列接続された高電位側MOSFETと低電位側MOSFETとは、並列接続されている。高電位側MOSFET130a〜130cのドレインは、共通接続されて直流高電位端を構成し、副電源11の正極端に接続されている。低電位側MOSFET130d〜130fのソースは、共通接続されて直流低電位端を構成し、接地されることにより副電源11の負極端に接続されている。また、高電位側MOSFET130aと低電位側MOSFET130dの接続点、高電位側MOSFET130bと低電位側MOSFET130eの接続点、及び、高電位側MOSFET130cと低電位側MOSFET130fの接続点は、交流端を構成し、三相ブラシレスモータ12の各相端にそれぞれ接続されている。
スイッチ回路14は、ステータコイル120の中性点と主電源10との間に配設され、制御回路15によって制御され、スタータコイル40の中性点と主電源10とを
接続する回路である。スイッチ回路14は、MOSFET140によって構成されている。MOSFET140のドレインはステータコイル120の中性点に、ソースは主電源10の正極端にそれぞれ接続されている。
制御回路15は、三相インバータ13を制御する回路である。また、スイッチ回路14を制御する回路でもある。制御回路15は、三相インバータ13を構成する高電位側MOSFET130a〜130cと低電位側MOSFET130d〜130fのゲートにそれぞれ接続されている。また、スイッチ回路14を構成するMOSFET140のゲートに接続されている。
次に、図1を参照して車両用電源装置の動作について説明する。図1において、三相ブラシレスモータ12の非稼働時には、制御回路15は、スイッチ回路14をオンしてステータコイル120の中性点を主電源10に接続する。そして、ステータコイル120の接続された三相インバータ13を昇圧回路として制御し、主電源10の12V〜16Vの電圧を2倍以上の24V〜60Vの電圧に昇圧のみ実施して副電源11を充電する。これにより、副電源11に充分な電圧を確保することができる。そのため、三相ブラシレスモータ12や、負荷160bを確実に動作させることができる。
一方、三相ブラシレスモータ12の稼働時には、制御回路15は、スイッチ回路14をオンしてステータコイル120の中性点を主電源10に接続する。そして、三相インバータ13を制御し、副電源11の電圧を三相交流電圧に変換して三相ブラシレスモータ12に供給するとともに、主電源10の電圧を昇圧して副電源11を充電する。具体的には、三相ブラシレスモータ12にオフセットした三相交流電流が流れるように三相交流電圧を調整する。オフセット量を調整することにより、昇圧比を変化させることができる。これにより、三相ブラシレスモータ12が稼働中であっても、副電源11に充分な電圧を確保することができる。そのため、三相ブラシレスモータ12とともに、負荷160bを確実に動作させることができる。
三相ブラシレスモータ12の稼働時であっても、副電源11の電圧が所定の閾値電圧以上になると、制御回路15は、主電源10の電圧の昇圧を停止するとともに、スイッチ回路14をオフする。これにより、主電源10の無駄な昇圧を抑え、効率的に副電源11の電圧の安定化を図ることができる。このとき、副電源11への充電が停止することとなるが、副電源11の電圧は所定の閾値電圧以上であり、充分な電圧が確保されている。そのため、三相ブラシレスモータ12や、負荷160bの動作に影響を与えることはない。
なお、三相ブラシレスモータ12の稼働開始直後には、大きな突入電流が流れることがある。そのため、副電源11の電圧が一時的に大きく低下する可能性があるが、副電源11には、三相ブラシレスモータ12の非稼働時に充分な電圧が確保されている。従って、このような問題が発生することはない。
最後に、効果について説明する。第1参考形態によれば、DC/DCコンバータを用いない簡素な構成で、異なる電圧を供給することができる。しかも、三相ブラシレスモータ12の非稼働時に、三相インバータ13とステータコイル120とを利用し、主電源10の電圧を昇圧して副電源11を充電することができる。そのため、従来のように、三相ブラシレス3の非稼働時に電力が消費されて副電源11の電圧が低下することもない。従って、電圧の変動を抑え安定化を図ることができる。
また、第1参考形態によれば、三相ブラシレスモータ12の稼働時であっても、副電源11の電圧が閾値電圧以上になると、主電源10の電圧の昇圧を停止することができる。そのため、主電源10の無駄な昇圧を抑え、効率的に副電源11の電圧の安定化を図ることができる。
また、第1参考形態によれば、主電源10の電圧を2倍以上に昇圧することができる。そのため、副電源11の供給できる電圧範囲が広がり、電源装置としての汎用性を向上させることができる。
さらに、第1参考形態によれば、昇圧又は降圧する時のみ、ステータコイル120の中性点を主電源10に接続することができる。そのため、昇圧又は降圧していない時に、ステータコイル120の中性点と主電源10との間で電圧差に伴って発生する電流の漏れを防止することができる。
加えて、第1参考形態によれば、副電源11をコンデンサで構成することで、副電源11の電圧応答性を向上することができる。また、バッテリに比べコストを抑えることができる。
第2参考形態
次に、第2参考形態の車両用電源装置について説明する。第2参考形態の車両用電源装置は、第1参考形態の車両用電源装置が、三相ブラシレスモータの非稼働時に、主電源の電圧を昇圧して副電源を充電していたのに対して、主電源の電圧を降圧して副電源を充電するようにしたものである。
まず、図2を参照して車両用電源装置の構成について説明する。ここで、図2は、第2参考形態における車両用電源装置のブロック図である。なお、前述した参考形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。
図2に示すように、車両用電源装置2(電源装置)は、主電源10(第1蓄電手段)と、副電源17(第2蓄電手段)と、三相ブラシレスモータ18(多相電動機)と、三相インバータ19(多相インバータ)と、スイッチ回路20(スイッチ手段)と制御回路21とから構成されている。
主電源10は、第1参考形態と同様に、電圧が、例えば12V〜16Vの充放電可能なバッテリからなる直流電源である。主電源10の正極端は、12V〜16Vの電圧で動作する負荷160aに接続されている。また、負極端は車体に接地されている。
副電源17は、電圧が、例えば6V〜8Vの充放電可能なコンデンサからなる直流電源である。副電源17の正極端は、6V〜8Vの電圧で動作する負荷160cに接続されている。また、負極端は車体に接地されている。
三相ブラシレスモータ18は、ロータ(図略)の回転角に応じた三相交流電圧を供給されることでトルクを発生するモータである。例えば、12V〜16Vの直流電圧に基づいて動作可能な、エンジンを始動するスタータ装置用、車両の安定性を操作する電動スタビライザ装置用、又は、エアコンのコンプレッサ駆動用のモータである。三相ブラシレスモータ18は、ステータコイル180を備えている。
三相インバータ19、スイッチ回路20及び制御回路21の構成は、第1参考形態における三相インバータ13、スイッチ回路14及び制御回路15の構成と同一であるので説明を省略する。
次に、図2を参照して車両用電源装置の動作について説明する。図2において、三相ブラシレスモータ18の非稼働時には、制御回路14は、スイッチ回路20をオンしてステータコイル180の中性点を副電源17に接続する。そして、ステータコイル180の接続された三相インバータ19を降圧回路として制御し、主電源10の12V〜16Vの電圧を1/2倍の6V〜8Vの電圧に降圧のみ実施して副電源17を充電する。これにより、副電源17に充分な電圧を確保することができる。そのため、負荷160cを確実に動作させることができる。また、負荷160cがマイクロコンピュータ等からなる電子回路を有している場合、負荷160c毎に電圧変化用ICを設ける必要がなくなり、構成を簡素化することができる。
一方、三相ブラシレスモータ18の稼働時には、制御回路21は、スイッチ回路20をオンしてステータコイル180の中性点を副電源17に接続する。そして、三相インバータ19を制御し、主電源10の電圧を三相交流電圧に変換して三相ブラシレスモータ18に供給するとともに、主電源10の電圧を降圧して副電源17を充電する。具体的には、三相ブラシレスモータ18にオフセットした三相交流電流が流れるように三相交流電圧を調整する。オフセット量を調整することにより、降圧比を変化させることができる。これにより、三相ブラシレスモータ18が稼働中であっても、副電源17に充分な電圧を確保することができる。そのため、負荷160cを確実に動作させることができる。
三相ブラシレスモータ18が稼働時であっても、副電源17の電圧が所定の閾値電圧以上になると、制御回路21は、主電源10の電圧の降圧を停止するとともに、スイッチ回路20をオフする。これにより、主電源10の無駄な降圧を抑え、効率的に副電源17の電圧の安定化を図ることができる。このとき、副電源17への充電が停止することとなるが、副電源17の電圧は所定の閾値電圧以上であり、充分な電圧が確保されている。そのため、負荷160cの動作に影響を与えることはない。
なお、負荷160cの動作開始直後に大きな消費電流が流れた場合、副電源17の電圧が一時的に大きく低下する可能性があるが、副電源17には、三相ブラシレスモータ18の非稼働時に充分な電圧が確保されている。従って、このような問題が発生することはない。
最後に、効果について説明する。第2参考形態によれば、DC/DCコンバータを用いない簡素な構成で、異なる電圧を供給する電源装置を構成することができる。しかも、三相ブラシレスモータ18の非稼働時に三相インバータ19とステータコイル180とを利用し、主電源10の電圧を降圧して副電源17を充電することができる。そのため、従来のように、三相ブラシレスモータ18の非稼働時に電力が消費されて副電源17の電圧が低下することもない。従って、電圧の変動を抑え安定化を図ることができる。
また、第2参考形態によれば、三相ブラシレスモータ18の稼働時であっても、副電源17の電圧が閾値電圧以上になると、主電源10の電圧の降圧を停止することができる。そのため、主電源10の無駄な降圧を抑え、効率的に副電源17の電圧の安定化を図ることができる。
さらに、第2参考形態によれば、昇圧又は降圧する時のみ、ステータコイル180の中性点を副電源17に接続することができる。そのため、昇圧又は降圧していない時に、ステータコイル180の中性点と副電源17との間で電圧差に伴って発生する電流の漏れを防止することができる。
加えて、第2参考形態によれば、副電源17をコンデンサで構成することで、副電源17の電圧応答性を向上することができる。また、バッテリに比べコストを抑えることができる。
なお、第2参考形態では、主電源10の電圧を1/2倍に降圧する例を挙げているが、これに限られるものではない。主電源10の電圧を1/2倍以下に降圧するようにしてもよい。これにより、供給できる電圧範囲を広げることができ、電源装置としての汎用性をより向上させることができる。
第1実施形態
次に、第1実施形態の車両用電源装置について説明する。第1実施形態の車両用電源装置は、第1参考形態の車両用電源装置に対して、主電源を充電するオルタネータを追加するとともに、それに伴って動作を変更したものである。
まず、図3を参照して車両用電源装置の構成について説明する。ここで、図3は、第1実施形態における車両用電源装置のブロック図である。ここでは、第1参考形態の車両用電源装置との相違部分であるオルタネータについてのみ説明し、共通する部分については必要とされる箇所以外説明を省略する。なお、前述した参考形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。
図3に示すように、車両用電源装置3(電源装置)は、主電源10(第2蓄電手段)と、副電源11(第1蓄電手段)と、三相ブラシレスモータ12(多相電動機)と、三相インバータ13(多相インバータ)と、スイッチ回路14(スイッチ手段)と、制御回路15と、オルタネータ22(発電機)とから構成されている。
オルタネータ22は、エンジン220の回転力によって駆動され、間欠的に発電、停止して主電源10を充電する発電機である。オルタネータ22は、車両の減速時に発電して主電源10を充電する発電状態と、発電を抑える発電抑制状態とを有し、発電抑制状態において、主電源10の電圧が所定の閾値電圧未満の時には、発電の抑制を禁止して主電源10を充電するように制御されている。オルタネータ22は、ベルト221を介してエンジン220に連結されている。また、ヒューズ2222を介して主電源10の正極端に接続されている。
オルタネータ22以外の構成は、第1参考形態と同一のため、説明を省略する。
次に、図3を参照して車両用電源装置の動作について説明する。図3において、三相ブラシレスモータ12の非稼働時であって、オルタネータ22の稼働時に、制御回路15は、スイッチ回路14をオンしてステータコイル120の中性点を主電源10に接続する。そして、ステータコイル120の接続された三相インバータ13を昇圧回路として制御し、主電源10の電圧を昇圧して副電源11を充電する。これにより、副電源11に充分な電圧を確保することができる。そのため、三相ブラシレスモータ12や、負荷160bを確実に動作させることができる。
三相ブラシレスモータ12が非稼働時であっても、主電源10の電圧が所定の閾値電圧未満になると、制御回路15は、ステータコイル120の接続された三相インバータ13を降圧回路として制御し、副電源11の24V〜60Vの電圧を12V〜16Vの電圧に降圧して主電源10を充電する。これにより、主電源10の無駄な昇圧を抑え、主電源10の電圧低下を防止することができる。そのため、負荷160aを確実に動作させることができる。
その他の動作については、第1参考形態と同一であるため、説明を省略する。
次に、効果について説明する。第1実施形態によれば、オルタネータ22によって主電源10を充電しながら、その電圧を昇圧して副電源11を充電することができる。そのため、副電源11への充電に伴う主電源10の電圧低下を抑えることができる。
また、第1実施形態によれば、三相ブラシレスモータ12が非稼働時であっても、主電源10の電圧が所定の閾値電圧未満になると、主電源10の電圧を昇圧せず、副電源11の電圧を降圧して主電源10を充電する。そのため、主電源10の無駄な昇圧を抑え、主電源10の電圧低下を防止することができる。
さらに、第1実施形態によれば、オルタネータ22により、主電源10の電圧を安定して確保することができる。また、オルタネータ22は、主電源10の電圧が所定の閾値電圧未満の時に、発電の抑制を禁止して主電源10を充電するように制御されている。そのため、発電に伴うエンジン220の出力低下を抑えることができる。
最後に、第1実施形態の変形形態の車両用電源装置について説明する。変形形態の車両用電源装置は、第1実施形態の車両用電源装置が、オルタネータで主電源を充電していたのに対して、オルタネータで主電源と副電源とを充電するようにしたものである。それに加えて、副電源の構成、又は、主電源及び副電源に接続される三相ブラシレスモータ及び三相インバータの数を増加させたものである。
(変形形態1)
図4を参照して変形形態1の車両用電源装置について説明する。ここで、図4は、変形形態1における車両用電源装置のブロック図である。
図4に示すように、車両用電源装置3A(電源装置)は、主電源10(第2蓄電手段)と、副電源11(第1蓄電手段)と、三相ブラシレスモータ12(多相電動機)と、三相インバータ13(多相インバータ)と、スイッチ回路14(スイッチ手段)と、制御回路15と、オルタネータ23(発電機)とから構成されている。
オルタネータ23は、エンジン230の回転力によって駆動され、間欠的に発電、停止して主電源10と副電源11とをそれぞれ充電する発電機である。オルタネータ23は、ベルト231を介してエンジン230に連結されている。また、ヒューズ232を介して主電源10の正極端に、ヒューズ233を介して副電源11の正極端にそれぞれ接続されている。
副電源11がオルタネータ23によって充電されることとなるため、副電源11の電圧低下をより確実に抑えることができる。
(変形形態2)
図5を参照して変形形態2の車両用電源装置について説明する。ここで、図5は、変形形態2における車両用電源装置のブロック図である。
図5に示すように、車両用電源装置3B(電源装置)は、主電源10(第2蓄電手段)と、副電源24(第1蓄電手段)と、三相ブラシレスモータ12(多相電動機)と、三相インバータ13(多相インバータ)と、スイッチ回路14(スイッチ手段)と、制御回路15と、オルタネータ23(発電機)とから構成されている。副電源24は、充放電可能なバッテリによって構成されている。
このような構成であっても同様の効果を得ることができる。
(変形形態3)
図6を参照して変形形態3の車両用電源装置について説明する。ここで、図6は、変形形態3における車両用電源装置のブロック図である。
図6に示すように、車両用電源装置3C(電源装置)は、主電源10(第2蓄電手段)と、副電源25(第1蓄電手段)と、三相ブラシレスモータ12(多相電動機)と、三相インバータ13(多相インバータ)と、スイッチ回路14(スイッチ手段)と、制御回路15と、オルタネータ23(発電機)とから構成されている。副電源25、主電源10に、電圧が、例えば12V〜44Vの充放電可能なコンデンサ250を直列接続して構成されている。
このような構成であっても同様の効果を得ることができる。また、副電源25の一部をコンデンサ250で構成することで、全てをバッテリで構成する場合に比べコストを抑えることができる。
(変形形態4)
図7を参照して変形形態4の車両用電源装置について説明する。ここで、図7は、変形形態4における車両用電源装置のブロック図である。
図7に示すように、車両用電源装置3D(電源装置)は、主電源10(第2蓄電手段)と、副電源11(第1蓄電手段)と、三相ブラシレスモータ12、26(多相電動機)と、三相インバータ13、27(多相インバータ)と、スイッチ回路14、28(スイッチ手段)と、制御回路15、29と、オルタネータ23(発電機)とから構成されている。三相ブラシレスモータ12、26の中性点は、スイッチ回路14、28を介して主電源10の正極端にそれぞれ接続されている。三相インバータ13、27の直流高電位端と直流低電位端は、副電源11の正極端と負極端にそれぞれ接続されている。つまり、主電源10及び副電源11に三相ブラシレスモータ12、26及び三相インバータ14、27が並列接続されている。
これにより、三相ブラシレスモータ12、26のいずれか非稼働時に主電源10の電圧を昇圧して副電源11を充電できる。そのため、副電源11の電圧低下をより確実に抑えることができる。
第2実施形態
次に、第2実施形態の車両用電源装置について説明する。第2実施形態の車両用電源装置は、第2参考形態の車両用電源装置に対して、主電源を充電するオルタネータを追加するとともに、それに伴って動作を変更したものである。
まず、図8を参照して車両用電源装置の構成について説明する。ここで、図8は、第2実施形態における車両用電源装置のブロック図である。ここでは、第2参考形態の車両用電源装置との相違部分であるオルタネータについてのみ説明し、共通する部分については必要とされる箇所以外説明を省略する。なお、前述した参考形態及び実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。
図8に示すように、車両用電源装置4(電源装置)は、主電源10(第1蓄電手段)と、副電源17(第2蓄電手段)と、三相ブラシレスモータ18(多相電動機)と、三相インバータ19(多相インバータ)と、スイッチ回路20(スイッチ手段)と、制御回路21と、オルタネータ22(発電機)とから構成されている。
オルタネータ22は、エンジン220の回転力によって駆動され、間欠的に発電、停止して、主電源10を充電する発電機である。オルタネータ22は、車両の減速時に発電して主電源10を充電する発電状態と、発電を抑える発電抑制状態とを有し、発電抑制状態において、主電源10の電圧が所定の閾値電圧未満の時には、発電の抑制を禁止して主電源10を充電するように制御されている。オルタネータ22は、ベルト221を介してエンジン220に連結されている。また、ヒューズ222を介して主電源10の正極端に接続されている。オルタネータ22以外の構成は、第2参考形態と同一のため、説明を省略する。
次に、図8を参照して車両用電源装置の動作について説明する。図8において、三相ブラシレスモータ18の非稼働時であって、オルタネータ22の稼働時に、制御回路21は、スイッチ回路20をオンしてステータコイル180の中性点を主電源10に接続する。そして、ステータコイル180の接続された三相インバータ19を降圧回路として制御し、主電源10の電圧を降圧のみ実施して副電源17を充電する。これにより、副電源17に充分な電圧を確保することができる。そのため、負荷160cを確実に動作させることができる。
三相ブラシレスモータ18が非稼働時であっても、主電源10の電圧が所定の閾値電圧未満になると、制御回路21は、ステータコイル180の接続された三相インバータ19を昇圧回路として制御し、副電源17の6V〜8Vの電圧を12V〜16Vの電圧に昇圧して主電源10を充電する。これにより、主電源10の無駄な降圧を抑え主電源10の電圧低下を防止することができる。そのため、三相ブラシレスモータ18や、負荷160aを確実に動作させることができる。
その他の動作については、第1参考形態と同一であるため、説明を省略する。
次に、効果について説明する。第2実施形態によれば、オルタネータ22によって主電源10を充電しながら、その電圧を降圧して副電源17を充電することができる。そのため、副電源17への充電に伴う主電源10の電圧低下を抑えることができる。
また、第2実施形態によれば、三相ブラシレスモータ18が非稼働時であっても、主電源10の電圧が所定の閾値電圧未満になると、主電源10の電圧を降圧せず、副電源17の電圧を昇圧して主電源10を充電する。そのため、主電源10の無駄な降圧を抑え、主電源10の電圧低下を防止することができる。
さらに、第2実施形態によれば、オルタネータ22により、主電源10の電圧を安定して確保することができる。また、オルタネータ22は、主電源10の電圧が所定の閾値電圧未満の時に、発電の抑制を禁止して主電源10を充電するように制御されている、そのため、発電に伴うエンジン220の出力低下を抑えることができる。
第3実施形態
次に、第3実施形態の車両用電源装置について説明する。第3実施形態の車両用電源装置は、第2参考形態の車両用電源装置と第1実施形態の車両用電源装置とを組合せたものである。図9を参照して車両用電源装置の構成及び効果について説明する。ここで、図9は、第3実施形態における車両用電源装置のブロック図である。
図9に示すように、車両用電源装置5(電源装置)は、主電源10(第2蓄電手段)と、副電源11(第1蓄電手段)と、三相ブラシレスモータ12、18(多相電動機)と、三相インバータ13、19(多相インバータ)と、スイッチ回路14、20(スイッチ手段)と、制御回路15、21と、オルタネータ23(発電機)とから構成されている。主電源10と、副電源11と、三相ブラシレスモータ18と、三相インバータ19と、スイッチ回路20と、制御回路21とが、第2参考形態の車両電源装置2である。また、主電源10と、副電源11と、三相ブラシレスモータ12と、三相インバータ13と、スイッチ回路14と、制御回路15と、オルタネータ23とが、第1実施形態における変形形態1の車両用電源装置3Aである。
これにより、6V〜8V、12V〜16V、及び、24V〜60Vの3種類の電圧を供給することができる。しかも、第2参考形態第1実施形態における変形形態1とを組合せたものであるため、これらと同様の効果を得ることができる。
第4実施形態
次に、第4実施形態の車両用電源装置について説明する。第4実施形態の車両用電源装置は、第1実施形態の車両用電源装置に対して、オルタネータの励磁回路に副電源側から電圧を供給するようにしたものである。
まず、図10を参照して車両用電源装置の構成について説明する。ここで、図10は、第4実施形態における車両用電源装置のブロック図である。ここでは、第1実施形態の車両用電源装置との相違部分である励磁回路についてのみ説明し、共通する部分については必要とされる箇所以外説明を省略する。なお、前述した参考形態及び実施形態と同一の要素には同一の符号を付して説明する。
図10に示すように、車両用電源装置6(電源装置)は、主電源10(第2蓄電手段)と、副電源11(第1蓄電手段)と、三相ブラシレスモータ12(多相電動機)と、三相インバータ13(多相インバータ)と、スイッチ回路14(スイッチ手段)と、制御回路15と、オルタネータ22(発電機)と、励磁回路30とから構成されている。
励磁回路30は、オルタネータ22を励磁するための回路である。励磁回路30は、MOSFET300によって構成されていている。MOSFET300のドレインは副電源11の正極端に、ソースはオルタネータ22の励磁コイル(図略)にそれぞれ接続されている。また、ゲートは制御回路15に接続されている。
次に、図10を参照して動作について説明する。図10において、制御装置15は、多相インバータ13を制御し、主電源10の電圧を昇圧するととともに、昇圧した電圧をMOSFET300をスイッチ制御することで適切な電圧に変換してオルタネータ22に供給する。また、主電源10の電圧を昇圧していない時には、副電源11の電圧をMOSFET300をスイッチ制御することで適切な電圧に変換してオルタネータ22に供給する。具体的には、オルタネータ22の温度、MOSFET300の温度、及び、副電源11の電圧等に基づいてMOSFET300をスイッチ制御する。
その他の動作については、第1実施形態と同一であるため、説明を省略する。
最後に、効果について説明する。第4実施形態によれば、主電源10の電圧を昇圧してオルタネータ22に供給することができる。また、副電源11の電圧をオルタネータ22に供給することができる。これらの電圧は、主電源10の電圧より高い。そのため、主電源10の電圧によってオルタネータ22を励磁する場合に比べ、発電電力を向上させることができる。また、オルタネータ22等の発熱状態を考慮して制御回路15によって供給する電圧を調整できるため、オルタネータ22の熱劣化を抑えることができる。
第1参考形態における車両用電源装置のブロック図である。 第2参考形態における車両用電源装置のブロック図である。 第1実施形態における車両用電源装置のブロック図である。 変形形態1における車両用電源装置のブロック図である。 変形形態2における車両用電源装置のブロック図である。 変形形態3における車両用電源装置のブロック図である。 変形形態4における車両用電源装置のブロック図である。 第2実施形態における車両用電源装置のブロック図である。 第3実施形態における車両用電源装置のブロック図である。 第4実施形態における車両用電源装置のブロック図である。
符号の説明
1〜3、3A〜3D、4、4A、5、6・・・車両用電源装置(電源装置)、10・・・主電源(第1蓄電手段、第2蓄電手段)、11、17、24、25・・・副電源(第1蓄電手段)、17・・・副電源(第2蓄電手段)、12、18、26・・・三相ブラシレスモータ(多相電動機)、120、180・・・ステータコイル、120a〜120c・・・相コイル、13、19、27・・・三相インバータ(多相インバータ)、130a〜130c・・・高電位側MOSFET、130d〜130f・・・低電位側MOSFET、14、20、28・・・スイッチ回路(スイッチ手段)、140・・・MOSFET、15、21、29・・・制御回路、160a〜160c・・・負荷、22、23・・・オルタネータ(発電機)、220、230・・・エンジン、221、231・・・ベルト、222、232、233・・・ヒューズ、30・・・励磁回路、300・・・MOSFET、

Claims (15)

  1. 充放電可能な第1蓄電手段と、
    電圧が前記第1蓄電手段の電圧より低い充放電可能な第2蓄電手段と、
    星形結線された多相の相巻線からなる電機子巻線を有し、前記電機子巻線の中性点が前記第2蓄電手段の一端に接続される多相電動機と、
    車両に搭載されたエンジンの回転力によって駆動され、間欠的に発電、停止して、少なくとも前記第2蓄電手段を充電する発電機と、
    複数のスイッチング素子を多相ブリッジ接続して構成され、直流高電位端が前記第1蓄電手段の一端に、直流低電位端が前記第1蓄電手段の他端に、前記直流高電位端又は前記直流低電位端のいずれかが前記第2蓄電手段の他端にそれぞれ接続されるとともに、交流端が前記電機子巻線の各相端にそれぞれ接続される多相インバータと、
    前記多相インバータを制御する制御回路と、
    を有し、
    前記制御回路は、前記多相電動機の稼働時に、前記多相インバータを制御し、前記第1蓄電手段の電圧を多相交流電圧に変換して前記多相電動機に供給するともに、前記第2蓄電手段の電圧を昇圧して前記第1蓄電手段を充電し、前記多相電動機の非稼働時であって、前記発電機の稼働時に、前記電機子巻線の接続された前記多相インバータを制御し、前記第2蓄電手段の電圧を昇圧のみを実施して前記第1蓄電手段を充電することを特徴とする電源装置。
  2. 前記発電機は、車両の減速時に発電して前記第2蓄電手段を充電する発電状態と、発電を抑える発電抑制状態とを有し、発電抑制状態において、前記第2蓄電手段の電圧が閾値電圧未満の時には、発電の抑制を禁止して前記第2蓄電手段を充電することを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
  3. 前記発電機は、前記第1蓄電手段及び前記第2蓄電手段を充電し、
    前記制御回路は、前記多相電動機の非稼働時であっても、前記第2蓄電手段の電圧が閾値電圧未満の時には、前記第2蓄電手段の電圧を昇圧せず、前記第1蓄電手段の電圧を降圧して前記第2蓄電手段を充電することを特徴とする請求項1又は2に記載の電源装置。
  4. 前記制御回路は、前記多相インバータを制御し、第2蓄電手段の電圧を昇圧して前記発電機の励磁回路に供給することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電源装置。
  5. 前記第1蓄電手段は、前記発電機の励磁回路に電圧を供給することを特徴とする記載1〜4のいずれかに記載の電源装置。
  6. 前記制御回路は、前記第1蓄電手段の電圧が閾値電圧以上の時には、前記第2蓄電手段の電圧の昇圧を停止することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電源装置。
  7. 前記制御回路は、前記第2蓄電手段の電圧を2倍以上に昇圧することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の電源装置。
  8. 充放電可能な第1蓄電手段と、
    電圧が前記第1蓄電手段の電圧より低い充放電可能な第2蓄電手段と、
    星形結線された多相の相巻線からなる電機子巻線を有し、前記電機子巻線の中性点が前記第2蓄電手段の一端に接続される多相電動機と、
    車両に搭載されたエンジンの回転力によって駆動され、間欠的に発電、停止して、少なくとも前記第1蓄電手段を充電する発電機と、
    複数のスイッチング素子を多相ブリッジ接続して構成され、直流高電位端が前記第1蓄電手段の一端に、直流低電位端が前記第1蓄電手段の他端に、前記直流高電位端又は前記直流低電位端のいずれかが前記第2蓄電手段の他端にそれぞれ接続されるとともに、交流端が前記電機子巻線の各相端にそれぞれ接続される多相インバータと、
    前記多相インバータを制御する制御回路と、
    を有し、
    前記制御回路は、前記多相電動機の稼働時に、前記多相インバータを制御し、前記第1蓄電手段の電圧を多相交流電圧に変換して前記多相電動機に供給するともに、前記第1蓄電手段の電圧を降圧して前記第2蓄電手段を充電し、前記多相電動機の非稼働時であって、前記発電機の稼働時に、前記電機子巻線の接続された前記多相インバータを制御し、1蓄電手段の電圧を降圧のみを実施して前記第2蓄電手段を充電することを特徴とする電源装置。
  9. 前記発電機は、車両の減速時に発電して前記第1蓄電手段を充電する発電状態と、発電を抑える発電抑制状態とを有し、発電抑制状態において、前記第1蓄電手段の電圧が閾値電圧未満の時には、発電の抑制を禁止して前記第1蓄電手段を充電することを特徴とする請求項8に記載の電源装置。
  10. 前記発電機は、前記第1蓄電手段及び前記第2蓄電手段を充電し、
    前記制御回路は、前記多相電動機の非稼働時であっても、前記第1蓄電手段の電圧が閾値電圧未満の時には、前記第1蓄電手段の電圧を降圧せず、前記第2蓄電手段の電圧を昇圧して前記第1蓄電手段を充電することを特徴とする請求項8又は9に記載の電源装置。
  11. 前記制御回路は、前記第2蓄電手段の電圧が閾値電圧以上の時には、前記第1蓄電手段の電圧の降圧を停止することを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の電源装置。
  12. 前記制御回路は、前記第1蓄電手段の電圧を1/2倍以下に降圧することを特徴とする請求項8〜11のいずれかに記載の電源装置。
  13. 前記電機子巻線の中性点と、前記第1蓄電手段又は前記第2蓄電手段との間に配設され、前記電機子巻線の中性点と、前記第1蓄電手段又は前記第2蓄電手段とを接続するスイッチ手段を有し、
    前記制御手段は、前記第2蓄電手段の電圧を昇圧する時、又は、前記第1蓄電手段の電圧を降圧する時に、前記スイッチ手段を制御して前記電機子巻線の中性点と、前記第1蓄電手段又は前記第2蓄電手段とを接続することを特徴とする請求項1〜12のいずれかに記載の電源装置。
  14. 前記第1蓄電手段又は前記第2蓄電手段は、コンデンサ又はキャパシタを備えていることを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の電源装置。
  15. 前記多相電動機は、車両におけるエンジンを始動するスタータ装置用、ステアリングホイールの操舵を補助する電動パワーステアリング装置用、車両の安定性を操作する電動スタビライザ装置用、又は、エアコンのコンプレッサ装置用の電動機であることを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の電源装置。
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