JP4710547B2 - 車両用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、特にキャパシタを併用した車両用電源装置に関するものである。

近年、環境への配慮から駆動の全てあるいは一部をモーターで行う、いわゆる電気自動車やハイブリッド自動車が普及しつつある。

これらの自動車はモーターの電力をバッテリから供給されているが、バッテリは急速かつ大電流充放電による特性変化や劣化が起こるため、特に急加速時にモーターへ供給する電流を制限している。そのため十分な加速が得られない場合があった。

そこで、急速放電が可能なキャパシタをバッテリと併用した自動車が考案されている。これにより、急加速時にバッテリに加えキャパシタの電力もモーターに供給されるため、バッテリのみの場合より急峻な加速が可能となる。

以下、このような自動車の一例としてハイブリッド自動車の場合について述べる。

モーターを駆動できるだけの電圧をキャパシタで得ようとした場合、必要電圧が約７５０Ｖであるとすると、１個当たりの定格電圧が２．５Ｖのキャパシタを用いた場合、３００個直列に接続する必要がある。また、必要な容量を得るために並列接続を組み合わせることもある。

しかし、キャパシタにはバラツキがあり、キャパシタに印加される電圧がばらつくので、それを考慮せず充電を行うと、キャパシタの寿命を著しく損ねたり、場合によっては破損に到る可能性がある。

そこで、多数のキャパシタに均一に充電させるため、キャパシタのそれぞれにいわゆるバランス回路を設ける構成が一般的である。このようなバランス回路の一例を図７のブロック回路図に示す。

図７はキャパシタ１を１個だけ抽出してバランス回路部分を示したものである。キャパシタ１には並列に２個の抵抗２が接続されている。従って、この中点電圧はキャパシタ１の両端電圧に比例する。

なお、抵抗２はキャパシタ１の両端電圧に相当する電圧を求めるためのものであるので、キャパシタ１に充電された電圧をなるべく消費しないように高抵抗値のものが用いられている。

この中点電圧と基準電圧３（キャパシタ１の定格電圧２．５Ｖに相当する中点電圧値をあらかじめ設定してある）をコンパレータ４で比較することで、キャパシタ１の両端電圧が定格電圧２．５Ｖ以上か否かを判断することができる。

もし、定格電圧を超えれば前記のようにキャパシタ１の寿命や破損に影響するため、コンパレータ４の出力によりバランススイッチ５がオンになる。

これにより、バランススイッチ５に直列に接続された内部制御回路６にキャパシタ１から電流が流れる。内部制御回路６はバランス回路として考えると実質的に抵抗に相当するので、内部制御回路６で電力を消費することによりキャパシタ１の電圧を下げることができる。

以上の動作により、キャパシタ１の両端電圧は定格の２．５Ｖを超えないように充電している。

このようなバランス回路つきキャパシタ１を必要個数（例えば３００個）接続することにより、車両用電源装置を実現することができる。

なお、この出願に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

但し、上記説明では特許文献１に開示された蓄電素子としての２次電池をキャパシタに置き換えて説明したが、動作の本質部分が同一である。
特許第３３０５２５７号公報

上記の車両用電源装置によれば、確かにハイブリッド自動車のモーター駆動バッテリの補助に必要な電力をキャパシタ１の定格電圧までバラツキなく充電することができるが、問題となるのは車両の使用を終了した後である。

すなわち、図８のキャパシタ両端電圧の経時変化特性（横軸は時間、縦軸は各キャパシタ１の両端電圧）に示すように、車両のイグニションスイッチ（以下、ＩＧと略す）をオフにするまでは、バランス回路により各キャパシタ１の両端電圧はバラツキなく定格電圧Ｖｓ（＝２．５Ｖ）であるが、ＩＧをオフにすると、図７の基準電圧３とコンパレータ４への電源供給が切れるためバランススイッチ５はオフとなる。

この状態ではキャパシタ１の電力は並列接続された抵抗２で消費されるが、抵抗２は高抵抗値でありほとんど電流が流れないので、抵抗２ではほとんど電力が消費されない。

従って、キャパシタ１はＩＧオフと同時にほぼ自然放電していくことになる。

この場合、自然放電によるキャパシタ１の両端電圧は図８に点線で示したように時間とともに大きくばらついていく。これは、各キャパシタ１の容量や内部抵抗がばらついているためである。なお、図８の実線は平均両端電圧の経時変化を示した。

このように両端電圧がばらついたまま、次に車両を使用するためにＩＧをオンにすると、各キャパシタ１へはバラツキの幅を持ったまま充電されていく。

このため、図８の上側点線に示すように、ＩＧオン時に両端電圧が高いキャパシタ１の場合は充電とともに定格電圧Ｖｓを超えてしまうので、バランス回路によりＶｓまで下げる調整をしている間、定格以上の電圧になる。従って、キャパシタ１の寿命が短くなる可能性が大きくなる。

一方、図８の下側点線に示すように、ＩＧオン時に両端電圧が低いキャパシタ１の場合はＶｓに至るまでに平均より時間がかかるものの寿命にはそれほど影響しない。

しかし、図８には示していないが、もしキャパシタ１が長時間放置されると、平均両端電圧は０Ｖになるものの、バラツキにより両端電圧が低いキャパシタ１については、その両端電圧がマイナス（極性が逆転）になり、これによってもキャパシタ１の寿命が短くなってしまう。

さらに、使用しているキャパシタ１の容量が非常に大きい時は、自然放電の速度が極めて遅く、常にＶｓに近い電圧のまま放置されることになる。

この場合、キャパシタ１の寿命は両端電圧に反比例の関係にあるので、電圧が高いまま放置しておくと寿命が短くなってしまう。

以上のことから、従来の構成ではＩＧオフ後にキャパシタ１を自然放電することで、両端電圧が高いまま放置されたり、両端電圧にバラツキが大きく発生し両端電圧が高すぎたり低すぎたりするとキャパシタ１の寿命が短くなるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、ＩＧオフ時における各キャパシタの両端電圧のバラツキを低減することでキャパシタの長寿命化が図れる車両用電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の車両用電源装置は、車両のＩＧをオフにした際に、各キャパシタと並列に接続した電圧分割回路により、前記各キャパシタに蓄電された電力を、前記各キャパシタの両端電圧が既定電圧になるまで強制放電させた後、電圧分割回路スイッチをオフにすることで前記各キャパシタを自然放電させたり、あるいは、車両のＩＧをオフにした期間内に、マイクロコンピュータが各キャパシタの電圧を電圧検出手段で読み込み、前記各キャパシタの電圧がバランスを保つように制御し、前記マイクロコンピュータが非動作状態となる一連の動作を一定時間毎に繰り返すものである。

本構成によって既定電圧になるまで強制放電している間は各キャパシタの両端電圧が下がるとともに両端電圧にバラツキが出ないので、その後に自然放電させても従来のように最初から自然放電する場合に比べ、次にＩＧオンする時の各キャパシタのバラツキを低減できる。

あるいは、自然放電をさせながら一定時間毎に最低キャパシタ電圧になるように全キャパシタ電圧を制御するので、その都度全キャパシタの電圧が揃えられるので、次にＩＧオンする時の各キャパシタのバラツキを低減できる。

以上の結果より、前記目的を達成することができる。

本発明の車両用電源装置によれば、ＩＧオフ時に既定電圧まで強制放電した後自然放電したり、あるいは一定時間毎に全キャパシタの電圧を揃えているので、その間のキャパシタ両端電圧が下がり、かつバラツキも低減され、結果として次回のＩＧオン時のバラツキも小さくなるため、次回充電後の両端電圧が高い方向にばらついたキャパシタが定格電圧以上の高電圧となる時間が短くなり、キャパシタの長寿命化を図ることが可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら説明する。なお、実施の形態では車両用電源装置をハイブリッド自動車に適用した場合について述べる。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における車両用電源装置の一部省略ブロック図である。図２は、本発明の実施の形態１における車両用電源装置のキャパシタブロックの一部省略ブロック回路図である。図３は、本発明の実施の形態１における車両用電源装置のキャパシタ両端電圧の放電、充電時の経時変化図である。

図１において、バッテリ１１は昇圧回路１２を介して充放電制御回路１３に接続されている。

充放電制御回路１３はバッテリ１１および複数のキャパシタを内蔵した複数のキャパシタブロック１４への充放電を制御している。すなわち、バッテリ１１を発電機（図示せず）からの電力で充電したり、キャパシタブロック１４に必要な電力を充電したり、加速走行時などにはモーター等の負荷（図示せず）へバッテリ１１やキャパシタブロック１４の電力を供給するなどの制御を行っている。

また、充放電制御回路１３からキャパシタブロック１４へは電力系（太線）と制御用信号系（細線）の接続がなされている。

このような車両用電源装置のキャパシタブロック１４について、図２を用いて詳細を説明する。

キャパシタブロック１４の内部には定格電圧２．５Ｖのキャパシタ１５が１０個直列に接続されている。キャパシタ１５には急速充放電に優れる電気二重層キャパシタを用いた。

また、このように構成することにより、キャパシタブロック１４を３０個接続すれば３００個のキャパシタ１５を直列に接続することができるため、ハイブリッド車に必要な７５０Ｖの電圧を得ることができる。

各キャパシタ１５には並列に電圧分割回路１６が接続されている。これは３個の抵抗を直列に接続することで形成されており、その直列合成抵抗値はキャパシタ１５の絶縁抵抗値の１０％以下であり、かつバランス抵抗１８（後述）の抵抗値より大きい値としている。

なお、本実施の形態１では３個の抵抗を用いて中点電圧を得ているが、３個以上の抵抗を用いて抵抗値の比により同様に中点電圧を得てもよい。

電圧分割回路１６には電圧分割回路スイッチ１７が直列に接続されている。電圧分割回路スイッチ１７は外部から制御可能な構成としてフォトトランジスタやリレー等を用いた。

さらに各キャパシタ１５には並列に接続したバランス抵抗１８が接続され、バランス抵抗１８にはバランススイッチ１９が直列接続されている。なお、バランススイッチ１９も外部から制御可能な構成とした。

次に電圧分割回路スイッチ１７やバランススイッチ１９の制御回路について述べる。

まず、電圧分割回路スイッチ１７は強制放電制御回路２０によってオンオフ制御されている。

電圧分割回路スイッチ１７のオンオフ制御は車両用電源装置の状況に応じて強制放電制御回路２０により判断される。この動作の詳細は後述する。

同様にバランススイッチ１９はバランス制御回路２１によってオンオフ制御されており、その制御は車両用電源装置の状況に応じてバランス制御回路２１により判断される。この動作も詳細も後述する。

なお、強制放電制御回路２０やバランス制御回路２１は論理回路を組み合わせてハード的に制御する構成としてもよいし、マイクロコンピュータを内蔵してソフト的に制御する構成としてもよい。

以上の構成のキャパシタ制御回路２２が１０個キャパシタブロック１４に内蔵されている。

さらにキャパシタブロック１４には内部回路に必要な電力をキャパシタ１５の電力から供給するための電圧レギュレータ２３が設けられている。これにより、ＩＧがオフになってもキャパシタブロック１４の駆動が可能となる。

次に、キャパシタブロック１４の動作について述べる。なお、以下に述べる動作は１つのキャパシタブロック１４の動作を代表して説明しているが、実際には３０個全てのキャパシタブロック１４が同時に動作している。

まず、車両の使用を終了し、ＩＧをオフにしたときの動作について述べる。

ＩＧオンの時は電圧分割回路１６でキャパシタ１５の両端電圧に相当する電圧をモニターするために強制放電制御回路２０は電圧分割回路スイッチ１７をオンにしているが、ＩＧをオフにしても電圧分割回路スイッチ１７はオンのままを維持する。

同時に、充放電制御回路１３の電源が切れることから、充放電制御回路１３の制御系信号線の出力もオフ（グランドレベル）となる。この変化が強制放電制御回路２０に入力されることで、ＩＧがオフになったことを知らせる。

ここで、電圧分割回路１６の３個の抵抗の直列合成抵抗値はキャパシタ１５の絶縁抵抗値の１０％以下と従来構成の抵抗２に比べ小さなものを用いたので、キャパシタ１５の電力は電圧分割回路１６の３個の抵抗で積極的に消費されていく。その結果、強制的にキャパシタ１５が放電され、両端電圧が下がっていく。

このように各キャパシタ１５を強制的に放電させることにより、その両端電圧はばらつかずに低下していく。

ここで、各キャパシタ１５の両端電圧は電圧分割回路１６の中点電圧（この場合は３個の抵抗により作り出される中点電圧のうち低い方、すなわち図２のＢ点の中点電圧）に比例するため、この電圧を強制放電制御回路２０が読み込む。

一方、あらかじめ強制放電制御回路２０の内部には強制放電を終了させる際の既定電圧が作り出されているので、強制放電制御回路２０は先に読み込んだ中点電圧と既定電圧を比較する。

なお、強制放電を終了させる際の既定電圧はバッテリ１１の出力電圧をキャパシタ１５の数で除した値（Ｖｍｉｎ）より大きく、かつキャパシタ１５の定格電圧の６０％（Ｖｍａｘ）より小さい範囲とした。

これは、まずＶｍｉｎについては、全キャパシタ１５の電圧がバッテリ１１の電圧より非常に小さくなれば、次に車両を使用する際にＩＧをオンにした途端、バッテリ１１から大電流がキャパシタ１５に流れ込む可能性がある。従って、バッテリ１１の電圧よりあまり小さくならない電圧としておくことが望ましい。

そこで、Ｖｍｉｎの設定指針として、具体的にはバッテリの電圧は約３００Ｖで、これを昇圧回路１２を用いて７５０Ｖに昇圧して負荷（モーター）を駆動するため、全キャパシタ１５の電圧が３００Ｖを下回らない範囲で強制放電を行うこととした。

従って、キャパシタ１個当たりの最低両端電圧（Ｖｍｉｎ）は３００Ｖ÷３００個＝１Ｖとなる。ゆえに強制放電はキャパシタ１５の両端電圧が最低でも１Ｖ以上で終了するようにした。

一方、Ｖｍａｘについては、従来の技術でも述べたようにキャパシタ１５の寿命は両端電圧に反比例の関係にあるので、あまり電圧が高いまま放置する時間が長いと寿命を短くしてしまう。

具体的にはキャパシタ１５の種類にもよるが、本実施の形態１で用いたキャパシタ１５の場合には定格電圧の６０％以下の両端電圧であれば放置しても寿命にはほとんど影響しないことが実験の結果明らかになった。

従って、Ｖｍａｘは定格電圧２．５Ｖ×０．６（６０％）＝１．５Ｖとなる。

以上のことから、強制放電は１Ｖ（Ｖｍｉｎ）以上、１．５Ｖ（Ｖｍａｘ）以下で終了しなければならない。本実施の形態１では終了電圧Ｖｃをほぼ中間の１．３Ｖとした。

従って、強制放電制御回路２０は現在のキャパシタ１５の両端電圧がＶｃ（１．３Ｖ）に至ったか否かを判断している。

Ｖｃが１．３Ｖになり、ＩＧがオフであれば強制放電が終了したと判断し、電圧分割回路スイッチ１７をオフにする。バランススイッチ１９の詳細については後述するが、キャパシタ１５が定格電圧（２．５Ｖ）を上回った時にしかオンにならないので、強制放電時には必ずオフになっている。

以上のことから、電圧分割回路スイッチ１７とバランススイッチ１９がオフになると、キャパシタ１５から電流が流れる経路が電圧レギュレータ２３のみになる。

電圧レギュレータ２３の消費電力はキャパシタ１５に蓄えられた電力に比べ格段に小さいので、キャパシタ１５は電圧分割回路スイッチ１７がオフになった時点でほぼ自然放電となる。

以上述べたキャパシタ１５の両端電圧の変化について図３にまとめて示す。なお、横軸は時間、縦軸はキャパシタ１５の両端電圧であり、実線は平均両端電圧の推移を、点線はそのバラツキ幅をそれぞれ示す。

図３より、ＩＧをオフにする直前は全キャパシタ１５の両端電圧が定格電圧Ｖｓ（２．５Ｖ）で揃っている。

ＩＧをオフにすると、上記のように強制放電が行われ、キャパシタ１５の両端電圧はばらつくことなく急速に下がる。

キャパシタ１５の両端電圧が既定電圧範囲（ＶｍａｘとＶｍｉｎの間）内に設定した終了電圧Ｖｃ（１．３Ｖ）に達すると、強制放電を終了し、自然放電に移行する。

自然放電になると、従来の図８と同様にキャパシタ１５の両端電圧がばらつき始めるが、あらかじめ強制放電をして両端電圧を下げておいた分、バラツキが小さくなる。

なお、自然放電中はキャパシタ１５の両端電圧が下がり続けるが、従来の技術で説明したようにキャパシタ１５の容量が極めて大きいため、低下は非常に緩やかである（図３ではわかりやすいように自然放電による電圧低下を誇張して示した）。

従って、よほどの長期間、車両を放置しない限り、キャパシタ１５の両端電圧が極端に下がり、再使用時にバッテリ１１から大電流がキャパシタ１５に流れてしまう可能性は低いと考える。

次に車両を再び使用する時の動作について説明する。

図１において、ＩＧをオンにすると、充放電制御回路１３の制御系信号線の出力がオン（例えば＋５Ｖを出力）になる。

それと同時に充放電制御回路１３の電力系配線に定電流が流れて各キャパシタ１５の充電を開始する。

この時、図２における強制放電制御回路２０は充放電制御回路１３からのＩＧオン信号により電圧分割回路スイッチ１７をオンにする。これにより電圧分割回路１６から各キャパシタ１５の両端電圧に相当する出力が得られるようになる。

なお、電圧分割回路スイッチ１７をオンにすることにより、充放電制御回路１３からの充電電流が消費されるものの、キャパシタ１５に流れる電流に比べ僅かであるのでキャパシタ１５の充電に影響はない。

充電中はバランス制御回路２１が電圧分割回路１６のＡ点の中点電圧をモニターすることで、各キャパシタ１５の両端電圧が定格電圧Ｖｓに至ったか否かを判断する。

まだ各キャパシタ１５の両端電圧が定格電圧Ｖｓに至っていなければ、バランススイッチ１９はオフのままで充電を続行する。

もし各キャパシタ１５の両端電圧が定格電圧Ｖｓを超えれば、バランス制御回路２１はバランススイッチ１９をオンにする。これにより、キャパシタ１５からバランス抵抗１８に電流が流れ、キャパシタ１５の両端電圧は下がる。

これは電圧分割回路１６の直列合成抵抗値はバランス抵抗の抵抗値より大きいため、キャパシタ１５からの電流はバランス抵抗１８に多く流れることによる。

従って、上記のように電流を制御するために、電圧分割回路１６の直列合成抵抗値はバランス抵抗の抵抗値より大きくしている。

キャパシタ１５の両端電圧がＶｓまで下がるとバランス制御回路２１はバランススイッチ１９をオフにして、それ以上両端電圧が下がらないように制御している。

このような動作を各キャパシタ１５に対して行うことで、最終的には全てのキャパシタ１５がバラツキなく定格電圧Ｖｓになる。

以上の動作を図３に示す。

ＩＧをオンにすると、その時のキャパシタ１５の両端電圧バラツキの幅のまま充電されていき、両端電圧が上昇する。

この際、平均両端電圧より高いキャパシタ１５については、充電中に定格電圧Ｖｓを上回るので、この時点でバランス制御回路２１が動作し、両端電圧をＶｓまで下げる。

一方、平均両端電圧より低いキャパシタ１５については、充電完了時間が多少かかるものの、Ｖｓに収束する。

こうして、全キャパシタ１５の両端電圧をＶｓに揃えることができる。

本実施の形態１の放電、充電特性（図３）を従来のそれ（図８）と比較すると、明らかにキャパシタ１５の両端電圧バラツキが小さくなることがわかる。

その結果、特に両端電圧が高いキャパシタに対して、定格電圧Ｖｓ以上になる最高電圧が小さくなる上、Ｖｓ以上の電圧にさらされる時間が短くなり、また、ＩＧオフ時のキャパシタ１５の両端電圧絶対値も低くなることから、キャパシタ１５の寿命を伸ばせることが明確化した。

以上の構成、動作により従来よりもキャパシタを長寿命化できる車両用電源装置を実現できた。

なお、本実施の形態１ではキャパシタブロック１４を３０個直列に接続したが、これは必要とする電力に応じて並列や直並列混在の接続としてもよい。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。

図４は、本発明の実施の形態２における車両用電源装置のキャパシタ両端電圧の放電、充電時の経時変化図である。

なお、本実施の形態２の車両用電源装置およびキャパシタブロックの構成は実施の形態１と同じであるので、構成に関する詳細な説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

すなわち本実施の形態２の特徴となる点は、実施の形態１において強制放電をする際に、強制放電開始時からキャパシタ１５が既定の両端電圧に至るまでバッテリ１１を充電する点である。

この動作について、以下に詳細を説明する。なお、以下の動作は３０個のキャパシタブロック１４について全て同時に動作している。

車両のＩＧをオフにした際に、強制放電制御回路２０は電圧分割回路スイッチ１７をオンにしたままとしているが、この状態で全キャパシタ１５の電力をバッテリ１１に充電するよう充放電制御回路１３により制御される。

このように制御することにより、実施の形態１では電圧分割回路１６の抵抗で熱としてキャパシタ１５の電力を放電していたため電力が無駄になってしまっていたが、本実施の形態２では強制放電を行うとともにバッテリ１１への充電を同時に行うため、その分の電力の無駄を防ぐことができる。

バッテリ１１への充電は各キャパシタ１５の両端電圧がキャパシタ１５の定格電圧の６０％以上の既定値Ｖｂになるまで行う。なお、本実施の形態２ではＶｂは定格電圧２．５Ｖ×０．６（６０％）＝１．５Ｖ以上となるため、Ｖｂ＝２Ｖとした。

各キャパシタ１５の両端電圧は電圧分割回路１６のＢ点の中点電圧を強制放電制御回路２０に読み込むことによってモニターされている。

一方、強制放電制御回路２０には充放電制御回路１３から制御系信号線を介して現在バッテリ１１に充電を行っている旨の情報が伝達されている。

従って、強制放電制御回路２０は現在読み込んでいるキャパシタ１５の両端電圧がＶｂに至ったか否かを判断する。

もし、全キャパシタ１５（本実施の形態２では３００個）のうち１つでもＶｂに至れば、その事実を制御系信号線から充放電制御回路１３に伝達する。

これにより、充放電制御回路１３は全キャパシタ１５からバッテリ１１への充電を停止する。

この時、同時に強制放電制御回路２０は強制放電を行うので、実施の形態１で説明した終了電圧Ｖｃを電圧分割回路１６のＢ点の中点電圧の比較対象に切り替える。

従って、バッテリ１１への充電が終わったら強制放電制御回路２０の比較対象となる基準電圧はＶｂからＶｃに切り替えられるが、その間、電圧分割回路スイッチ１７はキャパシタ１５の両端電圧をモニターし続けるためにオンのままである。

これ以降の動作は実施の形態１と同様であり、各キャパシタ１５の両端電圧がＶｃに至れば電圧分割回路スイッチ１７をオフにして自然放電を行う。

以上述べたキャパシタ１５の両端電圧の変化について図４にまとめて示す。なお、図の見方は図３と同じである。

図４より、ＩＧをオフにする直前は全キャパシタ１５の両端電圧が定格電圧Ｖｓ（２．５Ｖ）で揃っている。

ＩＧをオフにすると、上記のように全キャパシタ１５からバッテリ１１への充電と強制放電が同時に行われる。

この際、強制放電される電流に比べバッテリ１１へ充電される電流の方が桁違いに大きいので、ほとんどの電流はバッテリ１１に流れる。

その結果、各キャパシタ１５の両端電圧は極めて急峻に下がっていくと同時に、大電流が流れることにより各キャパシタ１５の両端電圧に若干のバラツキが生じる。これは各キャパシタ１５の容量や内部抵抗のバラツキによるものである。

その後、キャパシタ１５のうち１つでもＶｂに至ったら、バッテリ１１への充電が止まり、強制放電のみになる。

このときは消費電流がバッテリ１１への充電時に比べ格段に減るので、キャパシタ１５の両端電圧の下がり方が緩やかになるとともに、バッテリ１１への充電時に発現したバラツキ幅を保持したまま両端電圧が下がっていく。

やがて各キャパシタ１５の両端電圧がＶｃに至ると、電圧分割回路スイッチ１７がオフになり自然放電となる。これにより、両端電圧のバラツキ幅は広がる方向に推移する。

これは強制放電のみを行う実施の形態１の図３と比べると若干両端電圧のバラツキ幅は大きくなるが、従来の図８に比べれば十分に小さいことがわかる。

従って、再び車両を使用するためにＩＧをオンにしても、各キャパシタ１５の両端電圧が定格電圧Ｖｓ以上になる最高電圧が小さくなる上、Ｖｓ以上の電圧にさらされる時間が短くなり、また、ＩＧオフ時のキャパシタ１５の両端電圧絶対値も低くなるという特長は実施の形態１と同様であり、長寿命化が可能となる。

なお、バッテリ１１への充電はキャパシタ１５の両端電圧があまり低い領域まで行うと、各キャパシタ１５のバラツキが大きくなってしまうため、Ｖｃはキャパシタ１５の定格電圧の６０％以上の既定値までとした。

このことから、キャパシタ１５の電力を最も無駄なくバッテリ１１に充電するにはキャパシタ１５の両端電圧がＶｍａｘになるまで行えばよい。この場合、Ｖｂ＝Ｖｍａｘとなるが、さらに、Ｖｃ＝Ｖｍａｘ（＝Ｖｂ）とすることにより、バッテリ１１への充電が終了するとすぐ自然放電にすることができる。

このようにすると、キャパシタ１５は強制放電のみをすることがなくなるので、キャパシタ１５の電力を最も有効に使えるが、キャパシタ１５の両端電圧のバラツキも最も大きくなるので、キャパシタ１５の長寿命化に対しては不利となる。

従って、本実施の形態２に示したようにバッテリ１１への充電を行う場合であっても、あまり多く充電せず強制放電のみの時間を設けるほうが長寿命化には有利である。

このように、キャパシタ１５の電力の有効利用と寿命はトレードオフの関係にあるため、使用するシステムに要求される効率と寿命から最適なＶｂやＶｃの設定を行えばよい。

以上の構成、動作で、従来よりキャパシタを長寿命化できる車両用電源装置を実現できた。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図面を参照しながら説明する。

図５は、本発明の実施の形態３における車両用電源装置のキャパシタブロックの一部省略ブロック回路図である。図６は、本発明の実施の形態３における車両用電源装置のキャパシタ両端電圧の放電、充電時の経時変化図である。

なお、図５において、図２と同一構成部分には同一番号を付与して説明する。

図５において、キャパシタブロック１４の内部には定格電圧２．５Ｖのキャパシタ１５が１０個直列に接続されている。

これにより、キャパシタブロック１４を３０個接続して３００個のキャパシタ１５を直列に接続することでハイブリッド車に必要な７５０Ｖの電圧を得ている。

各キャパシタ１５には外部から制御可能なキャパシタ選択スイッチとしてマルチプレクサ２４が接続されている。

さらに各キャパシタ１５には並列に接続したバランス抵抗１８が接続され、バランス抵抗１８にはバランススイッチ１９が直列接続されている。なお、バランススイッチ１９も外部から制御可能な構成のもの、すなわち例えば実施の形態１で述べたようにフォトトランジスタやリレー等を用いた。

マルチプレクサ２４には、それにより選択されたキャパシタ１５の電圧を検出する電圧検出手段２５が接続されている。

マルチプレクサ２４とバランススイッチ１９の切替、および電圧検出手段２５の出力読み込みはマイクロコンピュータ２６によって行われる。

また、マイクロコンピュータ２６は充放電制御回路１３の制御用信号線も接続されている。

以上の構成のキャパシタ制御回路２２が１０個キャパシタブロック１４に内蔵されている。

さらにキャパシタブロック１４には内部回路に必要な電力をキャパシタ１５の電力から供給するための電圧レギュレータ２３が設けられている。これにより、ＩＧがオフになってもキャパシタブロック１４の駆動が可能となる。

次に、キャパシタブロック１４の動作について述べる。なお、以下に述べる動作は１つのキャパシタブロック１４の動作を代表して説明しているが、実際には３０個全てのキャパシタブロック１４が同時に動作している。

まず、車両の使用を終了し、ＩＧをオフにしたときの動作について述べる。

ＩＧオフにより充放電制御回路１３の電源が切れることから、充放電制御回路１３の制御系信号線の出力もオフ（グランドレベル）となる。この変化がマイクロコンピュータ２６に入力されることで、ＩＧがオフになったことを知らせる。

ＩＧがオフになることでマイクロコンピュータ２６は低消費電力モードに切り替えられる。

なお、本実施の形態３では低消費電力モードになるとマイクロコンピュータ２６の内部クロック回路以外の回路部分をオフにしている。これにより消費電力が低減される。

低消費電力モードに切り替わると、マルチプレクサ２４に対するスイッチ選択信号線２７（４ビットのパラレル線で、ビットの組み合わせにより１０個のキャパシタ１５に接続されたスイッチのうち１つを選択する）がオフになるので、マルチプレクサ２４のスイッチも全てオフの状態となる。

その結果、キャパシタ１５は実施の形態１で述べたようにごく僅かな消費電力の電圧レギュレータ２３（キャパシタブロック１４内で必要な電力を供給する）にしか接続されないことになるので、キャパシタ１５はマイクロコンピュータ２６が低消費電力モードに入った時点でほぼ自然放電となる。

その結果、従来の技術で説明したように各キャパシタ１５の両端電圧はばらつきながら降下していく。

マイクロコンピュータ２６は内部クロック回路で一定時間をカウントしており、一定時間が経過したらマイクロコンピュータ２６自身を起動する。

なお、一定時間の設定はキャパシタ１５の容量による電圧降下特性やバラツキ幅からあらかじめ決定している。

本実施の形態３では容量の小さいキャパシタ１５を用いた例、すなわち、自然放電による両端電圧の降下速度が速く一定時間の設定が短い例を示す。

マイクロコンピュータ２６が起動すると、スイッチ選択信号線２７を介してマルチプレクサ２４のスイッチをオンにする。この際、一番上のキャパシタ１５から順次オンにする動作を行う。

マルチプレクサ２４で選択されたキャパシタ１５の両端電圧は電圧検出手段２５に入力される。電圧検出手段２５は２個の抵抗を直列に接続した簡単な構成からなり、その中点電圧がマイクロコンピュータ２６に読み込まれるようになっている。

前記中点電圧はキャパシタ１５の両端電圧に比例するので、中点電圧をマイクロコンピュータ２６に内蔵したＡＤコンバータで読み込むことで、現在選択されているキャパシタ１５の両端電圧を読み込むことができる。

マイクロコンピュータ２６は上記の動作を各キャパシタ１５に対して順次行い、１０個のキャパシタ１５の両端電圧を全て読み込む。

次に、各キャパシタ１５の電圧がバランスを保つように制御する。すなわち、本実施の形態３では各キャパシタ１５の両端電圧の内、最低電圧を求め、全てのキャパシタ１５の両端電圧が上記最低電圧になるように制御している。

これにより、全てのキャパシタ１５の両端電圧が等しくなりバランスを保つことができる。

これを実行するためにマイクロコンピュータ２６は以下のような制御を行う。

まず、マイクロコンピュータ２６は読み込んだ各キャパシタ１５の両端電圧を比較し、最も低い両端電圧を求める。

もし、最初のキャパシタ１５の両端電圧が最低電圧でなければ、マルチプレクサ２４が最初のキャパシタ１５を選択するようスイッチ選択信号線２７に信号を送る。なお、最初のキャパシタ１５の両端電圧が最低電圧であれば２番目のキャパシタ１５を選択する。

この動作により選択されたキャパシタ１５の両端電圧が電圧検出手段２５を介してマイクロコンピュータ２６に読み込まれる。

この読み込まれた電圧は当然最低電圧より大きいので、マイクロコンピュータ２６は現在選択しているキャパシタ１５の両端電圧が最低電圧になるまでバランススイッチ１９をオンにする制御を行う。

これにより、現在選択されているキャパシタ１５の電力はバランス抵抗１８によって消費され両端電圧が下がり、強制放電される。

次に、マイクロコンピュータ２６は現在選択されているキャパシタ１５の両端電圧が最低電圧になればバランススイッチ１９をオフにするとともに、マルチプレクサ２４が現在選択しているキャパシタ１５のスイッチをオフにする。

以上述べた動作を最低電圧のキャパシタ１５を除く全てのキャパシタ１５に対して順次行う。

この結果、各キャパシタ１５の両端電圧は最低電圧に合わせられ、この時点で両端電圧のバラツキをほとんどなくすることができる。

なお、各キャパシタ１５の両端電圧を最低電圧に合わせるのは、ＩＧオフの状態では充放電制御回路１３もオフなので充放電制御回路１３からの電力供給が受けられず、キャパシタ１５の両端電圧を上げる制御ができないからである。

全キャパシタ１５に対して最低電圧に合わせる上記動作を行った後は、マイクロコンピュータ２６は再び低消費電力モードに入り、次の一定時間が来るまで非動作状態となる。

このように、一定時間毎に各キャパシタ１５のうちの最低電圧になるように、前記各キャパシタ１５の両端電圧を合わせることで、従来の技術のようにバラツキ幅が極端に広がることなく、自然放電をさせることができる。

従って、再度ＩＧをオンにしたときに各キャパシタ１５のバラツキは小さく抑えられているので、実施の形態１でも述べたようにキャパシタ１５の寿命を延ばすことができる。

なお、ＩＧをオンにしたときの動作は、充放電制御回路１３からＩＧオンの信号が制御系信号線を介してマイクロコンピュータ２６に伝達されるので、マイクロコンピュータ２６は直ちに起動する。

これにより、マイクロコンピュータ２６はマルチプレクサ２４、電圧検出手段２５から各キャパシタ１５の両端電圧を読み込む。

もし現在選択しているキャパシタ１５の両端電圧が定格電圧Ｖｓ（２．５Ｖ）を超えていればバランススイッチ１９をオンにして２．５Ｖになるまで強制放電する。２．５Ｖになればバランススイッチ１９をオフにする。

このような動作を各キャパシタ１５に対してＩＧオンの間、順次繰り返し行う。

これにより、各キャパシタ１５の両端電圧を２．５Ｖに揃えることができる。

以上述べたキャパシタ１５の両端電圧の変化について図６にまとめて示す。なお、図６の見方は図３と同じである。

図６より、ＩＧをオフにする直前は全キャパシタ１５の両端電圧が定格電圧Ｖｓ（２．５Ｖ）で揃っている。

ＩＧをオフにすると、マイクロコンピュータ２６が一定時間低消費電力モードに入り、その間は自然放電がなされる。

一定時間経過すると、ある程度の各キャパシタ１５の両端電圧バラツキが発生している。

ここで１回目の前記キャパシタ電圧調整を行う。その結果、各キャパシタ１５の両端電圧はキャパシタ１５の中で最低の両端電圧の合うように強制放電される。

その後再びマイクロコンピュータ２６は低消費電力モードに入り、自然放電がなされる。

このような動作を一定時間毎に繰り返すことで、各キャパシタ１５の両端電圧バラツキを小さくしながら自然放電されていくことになる。

なお、上記動作を繰り返してもキャパシタ１５の両端電圧を検出する電圧検出手段２５や、その出力を読み込むマイクロコンピュータ２６に内蔵したＡＤコンバータの精度により完全にバラツキを０にすることはできず、ある程度のバラツキ幅は常に存在しているが、その幅は従来の技術に比べ極めて小さい。

この状態でＩＧをオンにすると、実施の形態１で述べた通り、その時のバラツキ幅のまま充電されていくが、従来例（図８）はもちろん、実施の形態１（図３）や実施の形態２（図４）と比べても極めてバラツキが小さいことがわかる。

以上の構成、動作により、特に両端電圧が高いキャパシタに対して、定格電圧Ｖｓ以上になる最高電圧が極めて小さくなる上、Ｖｓ以上の電圧にさらされる時間も短くなることから、キャパシタ１５をより長寿命化できる車両用電源装置を実現できた。

なお、本実施の形態３ではＩＧをオフにしてからすぐにマイクロコンピュータ２６を低消費電力モードにするよう制御しているが、これは前述のようにキャパシタ１５の容量が小さい時に有効である。

すなわち、容量が小さいと自然放電のみでも電圧降下が早く起こるので、キャパシタ１５の両端電圧が高いまま長時間放置することがなく、これに起因した短寿命化も起こりにくい。

しかし、大容量のキャパシタ１５を本実施の形態３の構成、動作で用いると、自然放電する時間が極めて長いため、キャパシタ１５の両端電圧が高いまま長時間保持され、短寿命となってしまう可能性が大きい。

そこで、大容量の場合は実施の形態１で述べたように強制放電する区間を設ければよい。

具体的には、ＩＧオフと同時にマイクロコンピュータ２６はバランススイッチ１９をオンにし、キャパシタ１５の両端電圧が既定電圧（実施の形態１のＶｃ）になるまで強制放電した後、バランススイッチ１９をオフにする動作を各キャパシタ１５に対し順次行う。

これにより、実施の形態１と同様に各キャパシタ１５の両端電圧を既定電圧Ｖｃまでバラツキなく下げることができ、長寿命化に寄与できる。なお、Ｖｃの決め方は実施の形態１と同様である。

その後は、本実施の形態３と同様に、一定時間毎にマルチプレクサ２４を切り替えて最低電圧を調べ、他のキャパシタ１５を前記最低電圧に合わせる動作を行えばよい。

これにより、大容量キャパシタでもバラツキ幅を最小に制御できるので、さらなる長寿命化が図れる。

さらに、大容量キャパシタを使用する際に、本実施の形態３に実施の形態２で述べたバッテリ１１への充電動作を組み合わせてもよい。

具体的にはＩＧをオフにした際に、マイクロコンピュータ２６はバランススイッチ１９をオフにした状態で、各キャパシタ１５の両端電圧のいずれかが既定値Ｖｂになるまで各キャパシタ１５の両端電圧を順次読み込む。

この間に充放電制御回路１３は各キャパシタ１５の電力をバッテリ１１に充電する。なお、Ｖｂの決め方は実施の形態２と同様である。

これにより、キャパシタ１５の長寿命化に加え、強制放電により熱として消費していた電力をバッテリ１１に蓄えることができ無駄を低減できる。

この後の動作は上記したように、本実施の形態３に大容量キャパシタ１５を使用し強制放電する構成の場合と同様、マイクロコンピュータ２６がバランススイッチ１９をオンにする以降の動作を行えばよい。

なお、実施の形態１〜３ではハイブリッド自動車に搭載される車両用電源装置の例として説明したが、これはマイルドハイブリッド自動車やアイドリングストップシステム等の補機やモーター駆動の補助用としての車両用電源装置としても適用できる。

本発明にかかる車両用電源装置は、ＩＧオフ時のキャパシタの放電最適制御により、キャパシタの長寿命化が可能となるため、特にハイブリッド自動車のモーター駆動バッテリの補助用キャパシタを有する車両用電源装置等として有用である。

本発明の実施の形態１における車両用電源装置の一部省略ブロック図 本発明の実施の形態１における車両用電源装置のキャパシタブロックの一部省略ブロック回路図 本発明の実施の形態１における車両用電源装置のキャパシタ両端電圧の放電、充電時の経時変化図 本発明の実施の形態２における車両用電源装置のキャパシタ両端電圧の放電、充電時の経時変化図 本発明の実施の形態３における車両用電源装置のキャパシタブロックの一部省略ブロック回路図 本発明の実施の形態３における車両用電源装置のキャパシタ両端電圧の放電、充電時の経時変化図 従来の車両用電源装置のバランス回路図 従来の車両用電源装置のキャパシタ両端電圧の放電、充電時の経時変化図

符号の説明

１１ バッテリ
１２ 昇圧回路
１３ 充放電制御回路
１４ キャパシタブロック
１５ キャパシタ
１６ 電圧分割回路
１７ 電圧分割回路スイッチ
１８ バランス抵抗
１９ バランススイッチ
２３ 電圧レギュレータ
２４ マルチプレクサ
２５ 電圧検出手段
２６ マイクロコンピュータ

Claims (10)

1. バッテリと、
   前記バッテリに接続された昇圧回路と、
   複数のキャパシタを内蔵した複数のキャパシタブロックと、
   前記昇圧回路と前記キャパシタブロックの間に接続された充放電制御回路とからなる車両用電源装置において、
   前記キャパシタブロックは、
   電圧分割回路と、前記電圧分割回路に直列接続した外部から制御可能な電圧分割回路スイッチを前記各キャパシタに並列に接続するとともに、
   バランス抵抗と、前記バランス抵抗に直列接続した外部から制御可能なバランススイッチを前記各キャパシタに並列に接続した構成を有し、
   車両のイグニションスイッチをオフにした際に、
   前記電圧分割回路スイッチがオンのままの状態で、
   前記各キャパシタの両端電圧が既定電圧になるまで前記電圧分割回路で強制放電させた後、
   前記電圧分割回路スイッチをオフにすることで前記各キャパシタを自然放電させる車両用電源装置。
2. 車両のイグニションスイッチをオフにした際に、
   電圧分割回路スイッチをオンにした状態で、
   各キャパシタの両端電圧が前記キャパシタの定格電圧の６０％以上の既定値になるまで前記各キャパシタの電力をバッテリに充電した後、
   前記各キャパシタの強制放電以降の動作を行う請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 電圧分割回路は少なくとも３個の抵抗を直列に接続することで形成され、前記電圧分割回路の中点電圧の１つは既定電圧の判断に、もう１つは各キャパシタの定格電圧の判断にそれぞれ用いられる請求項１に記載の車両用電源装置。
4. 電圧分割回路の抵抗の直列合成抵抗値はキャパシタの絶縁抵抗値の１０％以下であり、かつバランス抵抗の抵抗値より大きい請求項１に記載の車両用電源装置。
5. バッテリと、
   前記バッテリに接続された昇圧回路と、
   複数のキャパシタを内蔵した複数のキャパシタブロックと、
   前記昇圧回路と前記キャパシタブロックの間に接続された充放電制御回路とからなる車両用電源装置において、
   前記キャパシタブロックは前記各キャパシタに接続された外部から制御可能なキャパシタ選択スイッチと、
   バランス抵抗と、前記バランス抵抗に直列接続された外部から制御可能なバランススイッチを前記各キャパシタに並列に接続した構成と、
   前記キャパシタ選択スイッチにより選択された前記キャパシタの電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記キャパシタ選択スイッチと前記バランススイッチの切替、および前記電圧検出手段の出力を読み込むマイクロコンピュータとからなり、
   車両のイグニションスイッチをオフにした際に、
   前記マイクロコンピュータは前記バランススイッチをオンにし、
   前記キャパシタの両端電圧が既定電圧になるまで強制放電し、
   前記バランススイッチをオフにした後、
   前記車両の前記イグニションスイッチがオフの期間内に、
   １）前記マイクロコンピュータが前記キャパシタ選択スイッチを切り替える動作、
   ２）前記各キャパシタの電圧を前記電圧検出手段で読み込む動作、
   ３）前記各キャパシタの電圧がバランスを保つように前記バランススイッチを制御する動作、
   ４）前記マイクロコンピュータが非動作状態となる動作、
   の前記１）から４）までの動作を一定時間毎に繰り返す車両用電源装置。
6. 各キャパシタの強制放電を終了させる際の既定電圧は、バッテリの出力電圧をキャパシタの数で除した値より大きく、かつキャパシタの定格電圧の６０％より小さい範囲である請求項１または５に記載の車両用電源装置。
7. 車両のイグニションスイッチをオフにした際に、
   マイクロコンピュータはバランススイッチをオフにした状態で、
   各キャパシタの両端電圧が定格電圧の６０％以上の既定値になるまで前記各キャパシタの両端電圧を順次読み込みながら前記各キャパシタの電力をバッテリに充電した後、
   前記マイクロコンピュータが前記バランススイッチをオンにする以降の動作を行う請求項５に記載の車両用電源装置。
8. キャパシタ選択スイッチはマルチプレクサである請求項５に記載の車両用電源装置。
9. マイクロコンピュータが非動作時は低消費電力モードとなる請求項５に記載の車両用電源装置。
10. キャパシタブロック内で必要な電力は、前記キャパシタブロックに内蔵したキャパシタの電力から電圧レギュレータを介して供給される請求項１または５に記載の車両用電源装置。

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