JP5104780B2 - 車両用電源システム - Google Patents

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Description

本発明は、車両に搭載された各種の電気負荷に対して電力を供給する車両用電源システムに関する。
従来から、車載のバッテリを用いて、走行中の車両の各種電気機器や電子機器に対する電力供給や、駐車時に作動する電気機器や電子機器に対する電力供給を行っている。また、ハイブリッド自動車を中心に、バッテリとキャパシタを併用して電力供給を行う電源装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特開平10−224987号公報(第3−4頁、図1−5)
ところで、バッテリと併用されるキャパシタは、バッテリに比べて内部インピーダンスが低く、車両減速時の回生発電による電力回収効率を高めることができるが、バッテリに対して単純にキャパシタを追加するだけでは、バッテリとキャパシタを含めた車両電源のスペースや重量が増加してしまうという問題がある。このため、一般の車両については採用が進んでいない。
また、イモビライザーやスマートエントリーなどの利便性向上のために車両が駐車中でも作動する電子機器があるが、その作動電力はバッテリから供給されるため、このような電子機器の増加に伴ってバッテリが大型化したり、バッテリによるエンジン始動を考慮すると放置可能な日数やこれらの電子機器の作動に制限が必要になる。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、バッテリとキャパシタを併用した場合のスペースや重量の増加を抑えることができる車両用電源システムを提供することにある。
上述した課題を解決するために、本発明の車両用電源システムは、エンジンにより駆動されて発電を行う車両用発電機と、車両用発電機により充電されるバッテリと、バッテリに継電手段を介して並列接続されるキャパシタとを備えており、キャパシタは、継電手段により充電されるとともに、車両駐車中に作動する駐車中作動システムに対して作動電力を供給し、キャパシタから駐車中作動システムに供給される作動電力の電圧は、バッテリの端子電圧よりも低く、駐車中作動システムの内部電圧よりも高い。
駐車中作動システムの給電をキャパシタから行うことにより、電圧制御範囲を広げることができ、しかも、駐車中は駐車中作動システムの動作電圧をバッテリ電圧よりも低くすることにより駐車中作動システムによる消費電力を抑えることができる。これにより、バッテリからキャパシタに対して供給される電力を低減し、バッテリとキャパシタを併用した場合のスペースや重量の増加を抑え、コストダウンを図ることができる。
また、上述した継電手段は、車両駐車中にキャパシタの端子電圧を監視し、この端子電圧がバッテリの端子電圧よりも低くなるようにキャパシタを間欠的に充電することが望ましい。継電手段にキャパシタの充電電圧の制御手段を内在させることにより、自立的にキャパシタ電圧を維持することができるので、作動電力を下げつつ、確実に駐車中作動システムが動作可能な電力の供給を行うことが可能となる。
また、上述した駐車中作動システムは、作動に必要な電圧を確保するために、継電手段に対して通電要求を行い、継電手段は、通電要求に応じてキャパシタを充電することが望ましい。駐車中作動システム自身によって、必要な電圧を確保することができるため、確実に駐車中作動システムが動作可能な状態を維持することが可能となる。
また、上述したバッテリの充放電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、継電手段は、電流検出手段による検出結果に基づいてバッテリ容量を判定し、このバッテリ容量が次回のエンジン始動が不可能な値に達する前にキャパシタへの充電を停止することが望ましい。駐車中作動システムに対する給電をキャパシタから行うため、従来のように駐車時にバッテリから駐車中作動システムに流れる暗電流のように微小な電流を検出してバッテリ容量を算出する必要がなくなるため、電流検出の分解能(検出精度)を上げることなく正確にバッテリ容量を算出することが可能になり、次回のエンジン始動に必要なバッテリ容量を確保することが容易となる。
一実施形態の車両用電源システムの構成を示す図である。 駐車中作動システムの具体的な構成を示す図である。 通電要否判定部による通電の要否判定手順を示す流れ図である。 継電部の具体的な構成を示す図である。 バッテリ容量判定部による動作手順を示す流れ図である。 車両の状態とキャパシタの端子電圧との関係を示す図である。
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用電源システムについて、図面を参照しながら説明する。図1は、一実施形態の車両用電源システムの構成を示す図である。図1に示すように、本実施形態の車両用電源システムは、バッテリ10、電流検出部12、車両用発電機20、電気システム30、IG(イグニッション)スイッチ32、キャパシタ40、駐車中作動システム50、継電部60を含んで構成されている。上述した継電部60が継電手段に、電流検出部12が電流検出手段にそれぞれ対応する。
車両用発電機20は、エンジン(図示せず)により回転駆動されて発電を行う。バッテリ10は、車両用発電機20により充電されるとともに、IGスイッチ32がオンされたときに電気システム30に対して作動電力を供給する。電流検出部12は、バッテリ10の充放電電流を検出する。電気システム30は、IGスイッチ32がオンされた後に動作可能になる各種の電気機器や電子機器であり、主にエンジン始動後の車両稼働時にバッテリ10からの電力供給によって動作する。
キャパシタ40は、バッテリ10に継電部60を介して並列接続されており、車両駐車中に作動する駐車中作動システム50に対して作動電力を供給する。なお、本明細書では、「駐車中」とは、エンジン回転が停止して車両用発電機20による発電が停止している状態をいう。
継電部60は、車両駐車中にキャパシタ40の端子電圧を監視し、この端子電圧がバッテリ10の端子電圧よりも低い所定範囲になるようにキャパシタ40を間欠的に充電する。また、駐車中作動システム50は、作動に必要な電圧を確保するために継電部60に対して通電要求を行っており、継電部60は、この通電要求に応じてキャパシタ40を充電する。さらに、継電部60は、電流検出部12による検出結果に基づいてバッテリ容量を判定し、このバッテリ容量が次回のエンジン始動が不可能な値に達する前にキャパシタ40への充電を停止する。
図2は、駐車中作動システム50の具体的な構成を示す図である。図2に示すように、駐車中作動システム50は、マイコン(マイクロコンピュータ)51、制御回路52、シリーズ電源53、通電要否判定部54を含んで構成されている。この駐車中作動システム50は、エンジン回転が停止している駐車中に作動が有効になるイモビライザーやスマートエントリー等の電子機器であり、シリーズ電源53によって生成される内部電圧Vccが印加されてマイコン51および制御回路52による所定の動作が行われる。なお、この駐車中作動システム50は、駐車中以外の場合にも動作するものであってもよい。
通電要否判定部54は、駐車中作動システム50の作動に必要な電圧を確保するために継電部60による通電の要否を判定し、通電(キャパシタ40に対する充電)が必要と判断したときに、継電部60に対して通電要求を出力する。
ところで、駐車中作動システム50の作動に必要な電力W1は、キャパシタ40の電圧(端子電圧)をVB、駐車中作動システム50の作動時の消費電流をIcとすると、以下の式で示される。
W1=VB×Ic
また、バッテリ電力(バッテリ10によって供給可能な電力)をWbとすると、非発電状態で駐車して放置可能な時間Hは、以下のように表される。
H=Wb/W1
=Wb/(VB×Ic)
すなわち、駐車中のキャパシタ40の電圧を低電圧化することで、放置可能な時間Hを長くすることが可能となる。
ところで、キャパシタ40の放電が進むと、キャパシタ40の電圧が、駐車中作動システム50が正常に動作可能な最低電圧である内部電圧(例えば7V)を下回ってしまうおそれがある。この事態を回避するために通電要否判定部54が設けられている。
図3は、通電要否判定部54による通電の要否判定手順を示す流れ図である。通電要否判定部54は、駐車中作動システム50がタイマによって一定時間毎に起動されると(ステップ100)、キャパシタ40の電圧を確認する(ステップ101)。次に、通電要否判定部54は、作動制限通知の有無判定を行う(ステップ102)。ここで作動制限通知とは、通電要否判定部54による作動(通電の要否判定動作)を制限してこの作動を無効にするか否かを知らせる通知であって、継電部60によって充電不許可フラグがセットされた場合が「通知有り」に対応し、このフラグがセットされていない場合が「通知無し」に対応している。充電不許可フラグについては後述する。
充電不許可フラグがセットされていない場合(通知無しの場合)には、次に、通電要否判定部54は、次回起動時のキャパシタ40の電圧の予測値が7Vよりも高いか否かを判定する(ステップ103)。次回起動時のキャパシタ40の電圧は、現在の電圧と消費電流とに基づいて予測することができる。予測値が7V以下の場合には否定判断が行われ、通電要否判定部54は、継電部60に対して通電要求を出力する(ステップ104)。
通電要求出力後、あるいは、充電不許可フラグがセットされている場合(通知有りの場合)やステップ103の判定において肯定判断が行われた場合(次回起動時のキャパシタ40の電圧の予測値が7Vよりも高い場合)には、駐車中作動システム50は、所定の駐車中作動処理を実施し(ステップ105)、その後スリープ状態に移行する(ステップ106)。このようにして、キャパシタ40の電圧が作動に支障をきたす程度まで低下すると予測されると、駐車中作動システム50から継電部60に対して通電要求が送られる。
図4は、継電部60の具体的な構成を示す図である。図4に示すように、継電部60は、バッテリ容量判定部61、アンド回路62、オア回路63、ドライバ64、スイッチ素子65、キャパシタ電圧判定部66を含んで構成されている。
バッテリ容量判定部61は、電流検出部12によって検出されたバッテリ10の充放電電流に基づいて、例えば充放電電流を積算することにより、その時点におけるバッテリ10の充電容量(バッテリ容量)を判定する。そして、この判定されたバッテリ容量(正確には、このバッテリ容量からキャパシタ40に対する1回の充電に必要な容量を差し引いた後の予測値)が、次回のエンジン始動が可能な値より大きい場合には、キャパシタ40に対する充電許可を示すハイレベルの信号が出力される。なお、この信号は充電不許可フラグも兼ねており、この信号をローレベルするということは、バッテリ容量が次回のエンジン始動が不可能な値を示しており、充電不許可フラグがセットされたことに相当する。
オア回路63は、3つの入力端子を有しており、IGスイッチ32がオンされているときにハイレベルになるIG SW信号と、駐車中作動システム50から通電要求が行われているときにハイレベルになる通電要求信号と、キャパシタ電圧判定部66の出力信号(キャパシタ40の電圧が所定値(例えば、駐車中作動システム50内の通電要否判定部54によるステップ103(図3)で用いられる電圧(7V)よりも若干低い電圧以下になったときにハイレベルになる信号)とが入力される。これら3つの入力信号の少なくとも一つがハイレベルになると、オア回路63の出力がハイレベルになる。
アンド回路62は、バッテリ容量判定部61の出力信号とオア回路63の出力信号が入力されており、両方の信号がハイレベルのときに出力信号がハイレベルになる。ドライバ64は、アンド回路62からハイレベルの信号が出力されたときに、スイッチ素子65をオンする。このように、ある充電条件を満たしたときに駐車中作動システム50から通電要求が送られてくるとスイッチ素子65がオンされて、継電部60によるキャパシタ40に対する充電が行われる。
図5は、バッテリ容量判定部61による動作手順を示す流れ図である。車両が停車して車両用発電機20が非発電状態に移行すると、バッテリ容量判定部61は、停車時のバッテリ容量を取得する(ステップ200)。なお、図示しない外部装置によって検出あるいは算出されたバッテリ容量を取得してもよいが、バッテリ容量判定部61自身が常時バッテリ10の充放電電流を監視することにより、停車時点におけるバッテリ容量を決定するようにしてもよい。
次に、バッテリ容量判定部61は、取得したバッテリ容量からキャパシタ40に対する1回の充電に必要な容量を差し引いた後の予測値が、エンジン始動に必要な容量よりも大きいか否かを判定する(ステップ201)。バッテリ容量の予測値がエンジン始動に必要な容量以下になっている場合には否定判断が行われ、バッテリ容量判定部61は、出力をローレベルにして充電不許可フラグをセットする(ステップ202)。この場合には、アンド回路62の出力がローレベルになるため、ドライバ64によってスイッチ素子65がオンされることはなく、キャパシタ40に対する充電は行われない。
また、バッテリ容量の予測値がエンジン始動に必要な容量よりも大きい場合には、ステップ201の判定において肯定判断が行われ、次に、バッテリ容量判定部61は充電許可を示すハイレベルの信号を出力する(ステップ203)。これにより、アンド回路62の出力がハイレベルになり、このとき駐車中作動システム50から通電要求が送られてくると、ドライバ64によってスイッチ素子65がオンされて、バッテリ10からキャパシタ40に対する給電(充電)が行われる。
この給電動作と並行して、バッテリ容量判定部61は、電流検出部12によって検出されたバッテリ10の充放電電流を観測し(ステップ204)、この充放電電流を用いて(例えば積算して)新たなバッテリ容量を演算する(ステップ205)。その後、ステップ201に戻って処理が繰り返される。
図6は、車両の状態とキャパシタ40の端子電圧との関係を示す図である。車両が稼働中(車両用発電機20が発電状態であって駐車中でない場合)には、IGスイッチ32がオンされてIG SW信号がハイレベルになるためオア回路63の出力がハイレベルを維持する。したがって、継電部60内のスイッチ素子65がオン状態を維持し、バッテリ10とキャパシタ40とが並列接続された状態となる。このため、キャパシタ40の端子電圧がバッテリ10の端子電圧(14V)と同じになる。
また、この状態から車両が非稼働状態(駐車中)に移行すると、IGスイッチ32がオフされてIG SW信号がローレベルになってスイッチ素子65がオフされ、キャパシタ40への通電が停止される。その後、キャパシタ40から駐車中作動システム50に対する給電が行われるため、キャパシタ40の端子電圧が徐々に低下する。そして、この端子電圧が7Vになると、駐車中作動システム50内の通電要否判定部54から通電要求が適当なタイミングで(7Vを下回らないような間隔で)出力されるため、その都度スイッチ素子65がオンされてキャパシタ40に対する間欠的な充電が行われる。これにより、キャパシタ40の端子電圧が7V(正確には7Vよりも若干高い値)に維持される。また、駐車中は、駐車中作動システム50は間欠作動する(図3のステップ105の動作)。
このように、本実施形態の車両用電源システムでは、駐車中作動システム50の給電をキャパシタ40から行うことにより、電圧制御範囲を広げることができ、しかも、駐車中は駐車中作動システム50の動作電圧をバッテリ電圧よりも低くすることにより駐車中作動システム50による消費電力を抑えることができる。これにより、バッテリ10からキャパシタ40に対して供給される電力を低減し、バッテリ10とキャパシタ40を併用した場合のスペースや重量の増加を抑え、コストダウンを図ることができる。
また、継電部60にキャパシタ40の充電電圧の制御手段を内在させることにより、自立的にキャパシタ電圧を維持することができるので、作動電力を下げつつ、確実に駐車中作動システム50が動作可能な電力の供給を行うことが可能となる。また、駐車中作動システム50から継電部60に対して通電要求を送ることにより、駐車中作動システム50自身によって、必要な電圧を確保することができるため、確実に駐車中作動システム50が動作可能な状態を維持することが可能となる。
さらに、駐車中作動システム50に対する給電をキャパシタ40から行うため、従来のように駐車時にバッテリから駐車中作動システムに流れる暗電流のように微小な電流を検出してバッテリ容量を算出する必要がなく、電流検出の分解能(検出精度)を上げることなく正確にバッテリ容量を算出することが可能になり、次回のエンジン始動に必要なバッテリ容量を確保することが容易となる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態において図2に示す構成では、必要な機能を実現するためにマイコン51と制御回路52を用いたが、必要な構成は電子機器の種類に応じて適宜変更することができる。また、図2に示す例では、シリーズ電源53を用いたが、スイッチング電源やその他の電源を用いるようにしてもよい。
上述したように、本発明によれば、駐車中作動システムの給電をキャパシタから行うことにより、電圧制御範囲を広げることができ、しかも、駐車中は駐車中作動システムの動作電圧をバッテリ電圧よりも低くすることにより駐車中作動システムによる消費電力を抑えることができる。これにより、バッテリからキャパシタに対して供給される電力を低減し、バッテリとキャパシタを併用した場合のスペースや重量の増加を抑え、コストダウンを図ることができる。
10 バッテリ
12 電流検出部
20 車両用発電機
30 電気システム
32 IG(イグニッション)スイッチ
40 キャパシタ
50 駐車中作動システム
54 通電要否判定部
60 継電部
61 バッテリ容量判定部
62 アンド回路
63 オア回路
64 ドライバ
65 スイッチ素子
66 キャパシタ電圧判定部

Claims (4)

  1. エンジンにより駆動されて発電を行う車両用発電機と、前記車両用発電機により充電されるバッテリと、前記バッテリに継電手段を介して並列接続されるキャパシタとを備える車両用電源システムであって、
    前記キャパシタは、前記継電手段により充電されるとともに、車両駐車中に作動する駐車中作動システムに対して作動電力を供給し、
    前記キャパシタから前記駐車中作動システムに供給される作動電力の電圧は、前記バッテリの端子電圧よりも低く、前記駐車中作動システムの内部電圧よりも高いことを特徴とする車両用電源システム。
  2. 請求項1において、
    前記継電手段は、車両駐車中に前記キャパシタの端子電圧を監視し、この端子電圧が前記バッテリの端子電圧よりも低くなるように前記キャパシタを間欠的に充電することを特徴とする車両用電源システム。
  3. 請求項1または2において、
    前記駐車中作動システムは、作動に必要な電圧を確保するために、前記継電手段に対して通電要求を行い、
    前記継電手段は、前記通電要求に応じて前記キャパシタを充電することを特徴とする車両用電源システム。
  4. 請求項1〜3のいずれかにおいて、
    前記バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、
    前記継電手段は、前記電流検出手段による検出結果に基づいてバッテリ容量を判定し、このバッテリ容量が次回のエンジン始動が不可能な値に達する前に前記キャパシタへの充電を停止することを特徴とする車両用電源システム。
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