JP5302945B2

JP5302945B2 - 車両用電源装置

Info

Publication number: JP5302945B2
Application number: JP2010254764A
Authority: JP
Inventors: 満夫曽根; 伸浩木原; 文人上村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-11-15
Filing date: 2010-11-15
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2030-11-15
Also published as: JP2012110071A; US20120119574A1; US9174542B2

Description

この発明は、車両用電源装置に関し、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、環境への配慮や燃費向上のために停車時にエンジン駆動を停止するアイドリングストップ機能や、エンジン負荷を軽減するための電動パワーステアリングを搭載した自動車が市販されている。また、エンジン駆動を積極的に補うためのハイブリッドシステムが今後普及してくるものと予測される。さらに、車両の制動についても、制動エネルギーを電気エネルギーとして回収する回生ブレーキシステム等が実用化されている。

このように、今後自動車が必要とする電力は増大する傾向があるが、二次電池では車両制動時のような瞬発的な電力を十分に充電することができないという課題があった。そこで、急速な充放電が可能な電気二重層キャパシタに代表される大容量のキャパシタを補助的に加える構成が提案されているが、キャパシタは定格に近い高電圧状態で放置されると、寿命が短くなるという問題があった。

これに対し、例えばキャパシタの長寿命化を図る車両用電源装置が特許文献１で提案されている。
この特許文献１の電源装置では、車両のイグニッションスイッチをオフにした際にバッテリ電圧と略等しくなるまでキャパシタを放電することで長寿命化を図っている。この場合、キャパシタに蓄電された電力はバッテリへ放電し充電される。

しかしながら、前記回生ブレーキシステムを搭載した車両における電源装置では、停車時に回生ブレーキシステムにより回生エネルギーを充電されているため、前記のようにバッテリが満充電状態である可能性が高い。

特開２００７−１２４７７１号公報

このような電源装置は、確かにキャパシタが高電圧状態で放置される時間が短くなるため、長寿命化を図れるが、車両のイグニッションスイッチをオフにした際、すなわち車両のエンジンを停止した際にバッテリが満充電状態であった場合、キャパシタに蓄電された電力を無駄に消費することとなる。また、車両のエンジンを停止してからしばらくの間はエンジンを再始動する可能性が高く、キャパシタを放電した後、すぐに再度充電することとなる。

これにより、従来の電源装置ではキャパシタに蓄えられた電力を無駄に消費することが多いため、電源装置および車両全体として損失が大きく、効率が低くなるという課題があった。

本発明は、従来のように車両のエンジンを再始動した際、キャパシタに蓄えられている電力を無駄に消費することなく、有効に消費することができる車両電源装置を提供することを目的とする。
また、キャパシタの長寿命化を維持しつつ、高効率な車両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、キャパシタと、前記キャパシタに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに接続されたバッテリと、前記バッテリに接続された負荷と、前記キャパシタおよびバッテリの電圧をモニタし、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する電源制御回路とからなり、前記電源制御回路は、前記キャパシタの電圧を検出するキャパシタ電圧検出回路と、バッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出回路と、上記バッテリの充電状態（ＳＯＣ)を算出するＳＯＣ算出回路と、前記キャパシタ電圧検出回路、バッテリ電圧検出回路、およびＳＯＣ算出回路からの信号でＤＣ／ＤＣコンバータをコントロールするＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路と、前記キャパシタに蓄えられた電力を強制的に放電する強制放電回路とから構成され、車両のエンジンが運転停止してから第１の所定時間Ｔ１の間、前記キャパシタの電圧が所定電圧以上である場合、前記キャパシタに蓄えられた電力を前記負荷に供給し、前記第１の所定時間Ｔ１経過後の第２の所定時間Ｔ２の間、前記キャパシタの電圧が所定電圧以上である場合、前記キャパシタに蓄えられた電力を前記バッテリに供給し、前記第２の所定時間Ｔ２経過後の第３の所定時間Ｔ３の間、キャパシタの電圧が所定電圧以上である場合、キャパシタの電圧が所定電圧と略等しくなるまで前記強制放電回路で強制放電させるように制御されることを特徴とするものである。

本発明の車両用電源装置によれば、車両のエンジンを停止した際、すぐに強制放電をさせず、車両のエンジンを停止して所定時間経過後にキャパシタの電圧を所定電圧まで略等しく下げることで、車両のエンジン停止時にキャパシタに蓄電していたエネルギーを有効に消費することができ、キャパシタの長寿命化を維持しつつ、車両電源装置の高効率化を図ることができる。

本発明の車両用電源装置の全体構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１における電源制御回路の内部構成を示すブロック図である。車両のエンジンを停止してからのキャパシタ電圧の時間経過を示したグラフである。図３の変形例を示す他の制御形態によるキャパシタ電圧の時間経過を示したグラフである。

実施の形態１.
以下、本発明の実施の形態１における車両用電源装置を図面を参照しながら説明する。
図1は、車両用電源装置の全体構成を示すブロック図であり、図２はそのうち電源制御回
路の内部構成を示すブロック図である。

図１において車両用電源装置は、発電機１と、発電機１の両端に接続されたキャパシタ２と、キャパシタ２に蓄えられた電力を強制的に放電する強制放電回路３と、キャパシタ２に並列的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に並列的に接続されたバッテリ５と、バッテリ５に接続された各種電子機器からなる負荷６と、キャパシタ２およびバッテリ５の電圧をモニタし、ＤＣ／ＤＣコンバータ４および強制放電回路３の動作を制御する電源制御回路７から構成されている。

図２において、図１の電源制御回路７は、キャパシタ２の電圧を検出するキャパシタ電圧検出回路９と、バッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出回路１０と、バッテリ電圧および電流等からバッテリ５の満充電を１００％としたバッテリ残量すなわちバッテリの充電状態（ＳＯＣ(State of Charge)）を算出するＳＯＣ算出回路１１と、キャパシタ電圧検
出回路９とバッテリ電圧検出回路１０、ＳＯＣ算出回路１１からの信号でＤＣ／ＤＣコンバータ４をコントロールするＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路８から構成されている。

次に図３、４を用いて、本発明の実施の形態１における詳細な動作について説明する。図３は車両のエンジンを停止、例えばイグニッションオフしてからのキャパシタ電圧の時
間経過を示している。まず、車両のエンジンを停止してからの第１の所定時間を所定期間Ｔ１とし、上記Ｔ１の期間が終了してから次の第２の所定時間を所定期間Ｔ２、Ｔ２の期間が終了してからの第３の所定時間を所定期間Ｔ３とする。

図３において、車両のエンジンを停止してから所定期間Ｔ１の間、キャパシタ２の電圧が所定の電圧Ｖｓ以上である場合、電源制御回路７は、バッテリ５の電圧を一定電圧となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路８でＤＣ／ＤＣコンバータ４を制御することで、キャパシタ２に蓄えられた電力を各種電子機器６に供給されるようにコントロールする。（Ｔ１モード）

車両のエンジンを停止してからしばらくの間は車両のエンジンを再始動する可能性が高いため、所定時間Ｔ１の間はキャパシタ２に蓄えられた電力を電子機器６への消費にのみ使用することで、キャパシタ２に蓄電されていたエネルギーを無駄にしないため、車両電源装置の高効率化を図ることができる。
またＴ１期間中にキャパシタ２の電圧が所定の電圧Ｖｓと略等しくなった、または下回った場合、電源制御回路７はＤＣ／ＤＣコンバータ４の動作を停止し、キャパシタ２は自然放電となる。

次に、Ｔ１の期間が終了し、所定期間Ｔ２の間、キャパシタ２の電圧が所定の電圧Ｖｓ以上である場合、電源制御回路７はキャパシタ２に蓄えられた電力をバッテリ５に供給し充電するようにＤＣ／ＤＣコンバータ４を制御する。（Ｔ２モード）
また、上述した実施の形態１において、実際の動作に当って、下記１）〜３）の制御を組み合わせることで、本願発明の電源装置の更なる効率向上を図り、キャパシタもしくはバッテリの劣化を抑制することが可能となる。

１）車両のエンジンが駆動している間および、車両のエンジンを停止してからＴ１期間経過するまでの間は、バッテリ５の充電状態を予め低めに、つまりＳＯＣを数％〜数十％低くしておくことで、Ｔ２期間中にバッテリ５に充電できる電力量を多くできる。つまり、キャパシタ２に蓄電されていたより多くのエネルギーをバッテリ５に充電することができるため、エネルギーを無駄にすることなく、キャパシタ２の電圧を低くすることが可能となる。

２）キャパシタ２に蓄電されていた電力をＴ２期間中にバッテリ５に充電する際に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の出力電流を大きくすることで、キャパシタ２の電圧を速やかに低減し、キャパシタ２を高電圧のまま保持する時間を低減する。このため、キャパシタ２の劣化を最小限に抑えることが可能となる。図４の放電モード１がこの状態を示している。

上記放電モード１での出力電流はキャパシタ２の最大定格電流、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の最大定格電流、バッテリ５の最大定格電流を勘案し決定する。一般的に、最大定格電流は、バッテリ５の最大定格電流が支配的になるため、バッテリの最大定格電流の値以内とすることが望ましい。

３）また、キャパシタ２に蓄電されていた電力をバッテリ５に充電する際に、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の出力電流を小さくし、かつＴ２の期間を長く設定することで、キャパシタ２の内部抵抗およびバッテリ５の内部抵抗により消費するエネルギーを低減することが可能となるため、キャパシタ２に蓄電されていた電力をより有効的にバッテリ２に充電することが可能となる。この状態を図４の放電モード２により表している。

放電モード２での出力電流は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の出力電流毎の変換効率、バッテリ５の充電効率を勘案し決定する。例えば、出力電流を小さくした場合、ＤＣ／ＤＣコン
バータの出力電流毎の変換効率から、入力電流が著しく低下してしまうので、ＤＣ／ＤＣコンバータの効率から勘案して決定するのが望ましい。

また、Ｔ２期間中にキャパシタ２の電圧が所定の電圧Ｖｓと略等しくなった場合、または下回った場合は、電源制御回路７はＤＣ／ＤＣコンバータ４の動作を停止し、キャパシタ２は自然放電（自己放電）モードとなる。また車両のエンジンが駆動している間および車両のエンジンを停止してからＴ１期間経過するまでの間は、Ｔ２の期間中と比べてバッテリ４の電圧が低くなるようにＤＣ／ＤＣコンバータ４を制御することでバッテリセンサーを使用することなく、キャパシタ２に蓄電されていた多くのエネルギーをバッテリ５に充電することができる。

次に、Ｔ２の期間が終了した後の所定期間Ｔ３の間、キャパシタ２の電圧が所定の電圧Ｖｓ以上である場合、キャパシタ２に備えた強制放電回路３でキャパシタ２の電圧が所定の電圧Ｖｓになるまで強制放電回路３により強制放電させる。これにより、所定期間Ｔ２を過ぎても、車両のエンジンを再始動しない場合には、車両は比較的長時間の停車である可能性が高いため、キャパシタ２の自然放電によりキャパシタ２の電圧は徐々に低下し、いずれ所定の電圧Ｖｓを下回ることになるが、強制放電回路３により強制的にキャパシタ２に蓄電された電力を放電することでキャパシタ２を高電圧のまま保持する時間を低減できるため、キャパシタ２の劣化を最小限に抑えることが可能となる。

実施の形態２.
上記実施の形態１では、車両のエンジンを停止してからの所定期間をＴ１としていたが、電源制御回路７でキャパシタ２の電圧変動があるか、つまりキャパシタ２が充電動作または放電動作がなされているかをモニタし、充放電動作がなされなくなったことを運転停止と判定することもできる。上記判定をしてからの所定期間をＴ１とすることで、外部より車両のエンジンを停止、すなわち車両のイグニッションスイッチオフの信号を入力する必要がなくなり、電源制御回路７の外部入力端子を減らすことが可能なる。

実施の形態３.
また、実施の形態３では、温度センサを有し車両の冷却水の水温が上がることでエンジンの運転開始、水温が所定温度まで下がることでエンジンが停止してからエンジンの運転停止から所定時間が経過したと判定する。実施の形態１、２では図２に示す電源制御回路７をマイコンで構成し、このマイコンで時間経過をカウントするようにしているが、この実施の形態３では、マイコンを用いて時間経過をカウントするようなことはせず、水温が所定温度まで下がった時点を運転停止から所定時間経過と見做し、バッテリへ放電するように設定しているので、キャパシタ２の充放電時間を監視する機能を簡素化することができ、回路構成の簡略化が可能となる。

なお、実施の形態１では、キャパシタ２に強制放電回路３を設けた例を挙げたが、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に強制放電回路３を設けた場合でも同様の効果を得ることが可能となる。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に放熱器を設け、強制放電回路３をＤＣ／ＤＣコンバータ４に接続し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の発熱と強制放電回路３の発熱との両者を前記放熱器よりまとめて放熱するようにする設置することで、所定期間Ｔ３の間、ＤＣ／ＤＣコンバータ４はオフ状態であるため、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の放熱器のサイズのまま、強制放電回路の放熱器と共有化することが可能となり放熱器のスペースを削減することができる。

以上に示した構成により、所定時間経過後にキャパシタ２の電圧を所定の電圧Ｖｓより下げることで、停止時にキャパシタ２に蓄電していたエネルギーを有効に消費することで
き、キャパシタの長寿命化を維持しつつ、車両電源装置の高効率化を図ることができる。

実施の形態１では、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータを用いた例を挙げたが、昇圧型のＤＣ/ＤＣコンバータ、昇降圧型のＤＣ/ＤＣコンバータ、双方向型のＤＣ/ＤＣコンバータ
のいずれにおいても、同様、発電機１をキャパシタ２の端子側に接続した例を挙げたが、バッテリ４の端子側に接続した場合でも同様の効果を得ることが可能となる。

１発電機、２キャパシタ、３強制放電回路、
４ＤＣ／ＤＣコンバータ、５バッテリ、６電子機器、
７電源制御回路、８ＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路、
９キャパシタ電圧検出回路、１０バッテリ電圧検出回路、
１１ＳＯＣ算出回路。

Claims

キャパシタと、前記キャパシタに接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに接続されたバッテリと、前記バッテリに接続された負荷と、
前記キャパシタおよびバッテリの電圧をモニタし、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する電源制御回路とからなり、前記電源制御回路は、前記キャパシタの電圧を検出するキャパシタ電圧検出回路と、バッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出回路と、上記バッテリの充電状態（ＳＯＣ)を算出するＳＯＣ算出回路と、前記キャパシタ電圧検出回路、バッテリ電圧検出回路、およびＳＯＣ算出回路からの信号でＤＣ／ＤＣコンバータをコントロールするＤＣ／ＤＣコンバータ制御回路と、前記キャパシタに蓄えられた電力を強制的に放電する強制放電回路とから構成され、車両のエンジンが運転停止してから第１の所定時間Ｔ１の間、前記キャパシタの電圧が所定電圧以上である場合、前記キャパシタに蓄えられた電力を前記負荷に供給し、前記第１の所定時間Ｔ１経過後の第２の所定時間Ｔ２の間、前記キャパシタの電圧が所定電圧以上である場合、前記キャパシタに蓄えられた電力を前記バッテリに供給し、前記第２の所定時間Ｔ２経過後の第３の所定時間Ｔ３の間、キャパシタの電圧が所定電圧以上である場合、キャパシタの電圧が所定電圧と略等しくなるまで前記強制放電回路で強制放電させるように制御されることを特徴とする車両用電源装置。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータは、車両のエンジン運転時、および車両のエンジンを停止してから第１の所定時間Ｔ１が経過するまでの間のバッテリの電圧が、第２の所定時間Ｔ２のバッテリの電圧より低くなるように制御されることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。
第２の所定時間Ｔ２でキャパシタに蓄えられた電力をバッテリに充電する際、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電流を制御することにより第２の所定時間Ｔ２の長さを調整するようにしたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の車両用電源装置。
前記エンジンの運転停止をイグニッションオフにより判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用電源装置。
前記エンジンの運転停止をキャパシタが充放電動作をしなくなったことにより判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用電源装置。
前記エンジンの運転停止を車両の冷却水の温度センサをモニタし、一旦上昇した水温が所定値以下に下がったことにより判定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用電源装置。
前記ＤＣ／ＤＣコンバータに放熱器を設け、前記強制放電回路を前記ＤＣ／ＤＣコンバータに接続し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの発熱と前記強制放電回路の発熱とを前記放熱器により放熱させることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。