JP5460727B2 - 車両用電源システム - Google Patents
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Description
図1はこの発明の実施の形態1に係る車両用電源システムの回路構成図である。
整流器7は、2つのダイオード8を直列に接続してなるダイオード対を並列に3つ接続したダイオードブリッジ回路からなる三相全波整流回路に構成され、3相交流巻線6に誘起される交流電力を直流電力に整流する。
電気二重層コンデンサ16は、第2DC/DCコンバータ13を介して整流器7の高圧側出力端子7aと第1DC/DCコンバータ12の入力電圧端子とを接続する発電機側配線18aに接続されている。
電流が回転子3の界磁巻線4に供給され、磁束が発生される。これにより、N極とS極とが、回転子3の外周部に、周方向に交互に形成される。そして、エンジン1の回転トルクが回転子3のシャフトに伝達され、回転子3が回転駆動される。そこで、回転磁界が固定子5の3相交流巻線6に与えられ、起電力が3相交流巻線6に発生する。この交流の起電力が、整流器7により直流電力に整流され、出力される。
これにより、発電機2の発電電力が第1DC/DCコンバータ12を介してバッテリ14に供給されるので、発電機2の発電電力を大きく変化させても、バッテリ14の寿命を低下させることがない。そこで、エンジン1の回転数が高い場合、発電機2の出力電圧を高くして発電電力を大きくできるので、バッテリ14および電気二重層コンデンサ16への充電時間を短縮できるとともに、充電量を大きく増加させることができる。その結果、車両の制動エネルギーを効率よく回生できる。そこで、非減速時に発電機2を発電させてバッテリ14および電気二重層コンデンサ16を充電させる動作を少なくできるので、非減速時のエンジン1の負荷が低減され、車両の燃費向上が図られる。
図2はこの発明の実施の形態2に係る車両用電源システムの回路構成図である。
なお、この実施の形態2による車両用電源システムは、ダイオード11のカソード端子が負荷側配線18bに接続されている点を除いて、上記実施の形態1と同様に構成されている。
電気二重層コンデンサ16は、自己放電しやすいことから、長時間停車していると、端子電圧Vcが14V未満となる恐れがある。ダイオード11のカソード端子が発電機側配線18aに接続されている場合には、端子電圧Vcが14V未満となると、エンジン1が再始動されても、第2DC/DCコンバータ13の動作が行われず、界磁電流を発電機2に供給できない事態が生じる。バッテリ14は、電気二重層コンデンサ16に比べて自己放電し難いので、電圧の低下が長期的に抑えられる。この実施の形態2によれば、ダイオード11のカソード端子が負荷側配線18bに接続されているので、長時間停車していても、バッテリ14の電圧低下が抑えられ、界磁電流を発電機2に供給できない事態の発生が未然に回避される。
図3はこの発明の実施の形態3に係る車両用電源システムに用いられるDC/DCコンバータ(電圧型)の構成を示す回路図、図4はこの発明の実施の形態3に係る車両用電源システムに用いられる電流制御機能付きDC/DCコンバータの構成を示す回路図である。
なお、電流制御機能付きDC/DCコンバータ101は、チョッパ式DC/DCコンバータに電流制御できる機能を設けたものであり、ここでは、図4に示されるように、一般的なチョッパ式双方向DC/DCコンバータを用いているので、電圧変換についての説明は省略する。
ここで、ゲート信号Gate1H,Gate1L,Gate2H,Gate2Lはデューティ比が50%のON/OFF信号であり、ゲート信号Gate1H,Gate2Hが同一の信号であり、ゲート信号Gate1L,Gate2Lがゲート信号Gate1H,Gate2Hを反転した信号である。
ついで、高圧側のMOSFET52,54が、ゲート信号Gate1H,Gate2HによりOFF状態となり、低圧側のMOSFET51,53が、ゲート信号Gate1L,Gate2LによりON状態となると、電位差があるため、コンデンサCr1に蓄えられたエネルギーが平滑コンデンサCs1に移行する。
なお、発電機2の発電電力はバッテリ14に充電されるとともに、電流制御機能付きDC/DCコンバータ101のスイッチング素子が、制御回路17により駆動制御され、発電機2の発電電力がその出力電圧を降圧されて電気二重層コンデンサ16に蓄電される。
また、発電機2が発電していない状態で、DC/DCコンバータ100の電圧変換比を変更しているので、サージが発生せず、内部回路が損傷するような事態を回避できる。
図6はこの発明の実施の形態4に係る車両用電源システムに用いられるDC/DCコンバータの構成を示す回路図である。
まず、DC/DCコンバータ102の電圧変換比が1/3倍である場合について説明する。
ゲート信号Gate1H,Gate1L,Gate2H,Gate2L,Gate3H,Gate3Lはデューティ比が50%のON/OFF信号であり、ゲート信号Gate1H,Gate2H,Gate3Hが同一の信号であり、ゲート信号Gate1L,Gate2L,Gate3Lがゲート信号Gate1H,Gate2H,Gate3Hを反転した信号である。
ついで、高圧側のMOSFET52,54,56が、ゲート信号Gate1H,Gate2H,Gate3HによりOFF状態となり、低圧側のMOSFET51,53,55が、ゲート信号Gate1L,Gate2L,Gate3LによりON状態となると、電位差があるため、コンデンサCr2,Cr3に蓄えられたエネルギーが、それぞれ平滑コンデンサCs1,Cs2に移行する。
このように、コンデンサCr2,Cr3の充放電により、平滑コンデンサCs2,Cs3に蓄えられているエネルギーが平滑コンデンサCs2,Cs1に移行される。
ゲート信号Gate1H,Gate1L,Gate2H,Gate2Lはデューティ比が50%のON/OFF信号であり、ゲート信号Gate1L,Gate2Lはゲート信号Gate1H,Gate2Hを反転した信号である。
ついで、高圧側のMOSFET52,54が、ゲート信号Gate1H,2HによりOFF状態となり、低圧側のMOSFET51,53が、ゲート信号Gate1L、2LによりON状態となると、電位差があるため、コンデンサCr2に蓄えられたエネルギーが平滑コンデンサCs1に移行する。
このように、コンデンサCr2の充放電により、平滑コンデンサCs2に蓄えられているエネルギーが平滑コンデンサCs1に移行される。
高圧側MOSFET54,56および低圧側MOSFET53,55をON状態に維持し、高圧側MOSFET52および低圧側MOSFET51をOFF状態に維持する。これにより、入力電圧端子VaHと出力電圧端子VbHとが導通状態となり、入力電圧端子VaH,VaL間に入力された電圧V1が、約1倍に降圧された電圧V2として、出力電圧端子VbH,VbL間に出力される。
なお、発電機2の発電電力はバッテリ14に充電されるとともに、電流制御機能付きDC/DCコンバータ101のスイッチング素子が、制御回路17により駆動制御され、発電機2の発電電力がその出力電圧を降圧されて電気二重層コンデンサ16に蓄電される。
また、発電機2が発電していない状態で、DC/DCコンバータ102の電圧変換比を変更しているので、サージが発生せず、内部回路が損傷するような事態を回避できる。
図8はこの発明の実施の形態5に係る車両用電源システムの回路構成図である。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
まず、キースイッチが投入されると、制御回路17が第2DC/DCコンバータ13のスイッチング素子をONとする。これにより、電気二重層コンデンサ16に蓄電されている電力が始動電動機(大容量電気負荷19)に供給され、始動電動機が駆動される。制御回路17は、エンジン1の始動を監視し、エンジン1の始動が確認されると、第2DC/DCコンバータ13のスイッチング素子をOFFとする。
上記実施の形態1では、発電機2の発電電力をバッテリ14と電気二重層コンデンサ16とに蓄電させるものとしているが、この実施の形態6では、発電機2の発電電力を電気二重層コンデンサ16に優先的に蓄電させるものであり、発電機2の発電電力が大きい場合に特に有効である。
また、第1および第2DC/DCコンバータ12,13のスイッチング素子がスイッチング動作を行わないので、電力損失が低減され、発電機2の発電電力を効率よく回収することができる。
図9はこの発明の実施の形態7に係る車両用電源システムにおける車両の加速時の動作を説明する図、図10はこの発明の実施の形態7に係る車両用電源システムにおける車両の減速時の動作を説明する図、図11はこの発明の実施の形態7に係る車両用電源システムにおける車両のアイドリング時の動作を説明する図である。
なお、この実施の形態7では、車両の加速時、減速時、アイドリング時における車両用電源システムの動作制御を図1に示される車両用電源システムを用いて説明する。
また、第1DC/DCコンバータ12は、エンジン回転数fが例えばアイドリング域、即ち1000rpm未満であれば、1:1電圧変換を行うように、1000rpm以上であれば、2:1電圧変換を行うように、低圧側と高圧側との変圧比を変えるように動作制御される。
制御回路17は、車両が加速状態であると判断すると、発電機2の制御目標値を13.5Vに設定し、第2DC/DCコンバータ13の制御目標値を14Vに設定する。そして、車両の加速状態では、エンジン回転数fが1000rpm以上であるので、第1DC/DCコンバータ12は2:1電圧変換を行うように動作制御される。
制御回路17は、車両が減速状態であると判断すると、発電機2の制御目標値を14.5Vに設定し、第2DC/DCコンバータ13の制御目標値を14Vに設定する。そして、車両の減速状態では、エンジン回転数fが1000rpm以上であるので、第1DC/DCコンバータ12は2:1電圧変換を行うように動作制御される。
そして、電圧Vbが14.5Vとなるように発電機2に通電される界磁電流が調整され、発電機2が発電動作される。これにより、発電機2の出力電圧、即ち発電機側配線18aの電圧が29Vとなる。そして、発電機側配線18aの電圧が第1DC/DCコンバータ12により2:1電圧変換され、負荷側配線18bの電圧が14.5Vとなる。そこで、電圧Vbが第2DC/DCコンバータ13の制御目標値である14Vより高くなる。
また、減速状態が継続し、電気二重層コンデンサ16が満充電状態となり、端子電圧Vcが28V以上となると、第2DC/DCコンバータ13の動作が停止される。発電機2の発電電力が車載負荷15およびバッテリ14に供給される。
制御回路17は、車両がアイドリング状態であると判断すると、発電機2の制御目標値を13.5Vに設定し、第2DC/DCコンバータ13の制御目標値を14Vに設定する。そして、車両のアイドリング状態では、エンジン回転数fが1000rpm未満であるので、第1DC/DCコンバータ12は1:1電圧変換を行うように動作制御される。
図12はこの発明の実施の形態8係る車両用電源システムにおける車両の加速時の動作を説明する図、図13はこの発明の実施の形態8係る車両用電源システムにおける車両の減速時の動作を説明する図である。
制御回路17は、車両が加速状態であると判断すると、発電機2の制御目標値を13.5Vに設定し、第2DC/DCコンバータ13の制御目標値を14Vに設定する。なお、図12では、第1DC/DCコンバータ12が2:1電圧変換するように動作制御されるものとしているが、回転子3の回転速度が回転速度α未満の場合には、第1DC/DCコンバータ12は1:1電圧変換するように動作制御される。
制御回路17は、車両が減速状態であると判断すると、発電機2の制御目標値を14.5Vに設定し、第2DC/DCコンバータ13の制御目標値を14Vに設定する。
そして、端子電圧Vcが28V以上であると判断すると、第2DC/DCコンバータ13の動作が停止され、電圧Vbが14.5Vとなるように発電機2に通電される界磁電流が調整され、発電機2が発電動作される。このとき、回転子3の回転速度が回転速度α未満の場合には、1:1電圧変換し、回転速度α以上の場合には、2:1電圧変換するように、第1DC/DCコンバータ12が動作制御される。
そして、回転子3の回転速度が回転速度α以上であると、第1DC/DCコンバータ12が2:1電圧変換するように動作制御され、電圧Vbが14.5Vとなるように発電機2に通電される界磁電流が調整され、発電機2が発電動作される。さらに、第2DC/DCコンバータ13が動作制御され、必要な電力が車載負荷15に供給され、14Vを超えた電力が電気二重層コンデンサ16に蓄電される。なお、減速状態が継続し、電気二重層コンデンサ16が満充電状態となり、端子電圧Vcが28V以上となると、第2DC/DCコンバータ13の動作が停止される。発電機2の発電電力が車載負荷15およびバッテリ14に供給される。
第2DC/DCコンバータ13が動作制御され、必要な電力が車載負荷15に供給され、14Vを超えた電力が電気二重層コンデンサ16に蓄電される。
図14はこの発明の実施の形態9に係る車両用電源システムの回路構成図、図15はこの発明の実施の形態9に係る車両用電源システムにおけるシステム保護動作を説明する図である。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
抵抗値が1.4倍になることを温度のみで考えると、約120℃の温度上昇に相当する。温度が120℃あがることは、電気二重層コンデンサの温度と寿命との関係(温度が10℃あがると、寿命が1/2倍となる)から、寿命が約1/1000倍となり、寿命が大幅に短縮された状態となる。
また、制御回路17は、電気二重層コンデンサ16が状態異常(温度異常、又は劣化)していると判定すると、第2DC/DCコンバータ13の放電動作を停止するので、第2DC/DCコンバータ13が放電動作を続けることに起因するシステム故障を未然に防止することができる。また、充電動作も停止させるため、充電し続けることによるシステム故障を未然に回避することができる。なお、第2DC/DCコンバータ13の放電動作が停止されても、発電機2の発電電力またはバッテリ14の電力が車載負荷15に供給されるので、車載負荷15の運転に支障をきたさない。
図16はこの発明の実施の形態10に係る車両用電源システムの回路構成図、図17はこの発明の実施の形態10に係る車両用電源システムにおけるシステム保護動作を説明する図である。
なお、他の構成は上記実施の形態1と同様に構成されている。
また、制御回路17が、第1DC/DCコンバータ12の前後の電圧Va,Vbに基づいて第1DC/DCコンバータ12の動作が正常であるか否かを判定しているので、第1DC/DCコンバータ12の動作異常を簡易な構成を判定することができる。
また、上記実施の形態7型10では、電圧変換比が1倍と1/2倍である第1DC/DCコンバータ12を用いて説明しているが、電圧変換比が1倍、1/2倍、1/3倍である第1DC/DCコンバータを用いてもよいことはいうまでもないことである。
また、上記各実施の形態では、第1および第2蓄電装置と発電機のレギュレータ回路との駆動が1つの制御回路により制御されるものとして説明しているが、制御回路は、第1および第2蓄電装置の駆動を制御する制御回路と、発電機のレギュレータ回路の駆動を制御する制御回路とに分割構成されてもよい。
また、上記各実施の形態では、発電機の固定子は3相交流巻線を用いるものとしているが、固定子巻線は3相交流巻線に限定されるものでなく、3相交流巻線を多重化したものや、多相交流巻線(例えば、5相、7相)でもよい。その場合、整流器は、相数に応じた全波整流回路で、交流電力を直流に整流する。
Claims (11)
- エンジンにより駆動されて交流電力を発電する発電機と、
上記発電機で発電された交流電力を直流電力に整流して出力する整流器と、
上記整流器の高圧側出力端子に発電機側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧の電圧値を異なる直流電圧に変換して出力する第1DC/DCコンバータと、
上記第1DC/DCコンバータに負荷側配線を介して接続され、車載負荷に電力を供給する第1蓄電装置と、
上記整流器の高圧側出力端子に発電機側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧の電圧値を異なる直流電圧に変換して出力する第2DC/DCコンバータと、
上記第1蓄電装置より小さい蓄電容量を有し、上記第2DC/DCコンバータに接続される第2蓄電装置と、
上記発電機側配線または上記負荷側配線に接続され、発電機の界磁巻線に界磁電流を供給するレギュレータ回路と、
上記第1DC/DCコンバータおよび上記第2DC/DCコンバータを駆動制御して、上記発電機の発電電力を上記第1蓄電装置および上記第2蓄電装置に蓄電させる制御回路と、を備え、
上記第2DC/DCコンバータが双方向DC/DCコンバータで構成され、
上記第1DC/DCコンバータおよび上記第2DC/DCコンバータの一方が上記発電機の出力電圧を決められることを特徴とする車両用電源システム。 - エンジンにより駆動されて交流電力を発電する発電機と、
上記発電機で発電された交流電力を直流電力に整流して出力する整流器と、
上記整流器の高圧側出力端子に発電機側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧の電圧値を異なる直流電圧に変換して出力する第1DC/DCコンバータと、
上記第1DC/DCコンバータに負荷側配線を介して接続され、車載負荷に電力を供給する第1蓄電装置と、
上記整流器の高圧側出力端子に発電機側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧の電圧値を異なる直流電圧に変換して出力する第2DC/DCコンバータと、
上記第1蓄電装置より小さい蓄電容量を有し、上記第2DC/DCコンバータに接続される第2蓄電装置と、
上記発電機側配線または上記負荷側配線に接続され、発電機の界磁巻線に界磁電流を供給するレギュレータ回路と、
上記第1DC/DCコンバータおよび上記第2DC/DCコンバータを駆動制御して、上記発電機の発電電力を上記第1蓄電装置および上記第2蓄電装置に蓄電させる制御回路と、を備え、
上記第1DC/DCコンバータおよび上記第2DC/DCコンバータの一方が、電圧変換比を略1/n倍(ただし、nは整数)とするDC/DCコンバータで構成され、
上記制御回路が上記DC/DCコンバータを駆動制御して電圧変換比のnを変更することを特徴とする車両用電源システム。 - 上記制御回路は、上記DC/DCコンバータの電圧変換比のnを変える際に、上記界磁巻線への電力の供給を停止するように上記レギュレータ回路を制御し、上記発電機の発電を停止させることを特徴とする請求項2記載の車両用電源システム。
- 上記車載負荷に比べて大容量の大容量電気負荷に対して上記第2蓄電装置から上記第2DC/DCコンバータを介して給電できるように構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の車両用電源システム。
- 上記制御回路は、上記負荷側配線の電圧が第1の電圧値となるように上記第2DC/DCコンバータを介しての上記第2蓄電装置の充放電電流をフィードバック制御するとともに、車両の加速時および定速走行時には、上記負荷側配線の電圧が上記第1の電圧値より低い第2の電圧値となるように、かつ車両の減速時には、上記負荷側配線の電圧が上記第1の電圧値より高い第3の電圧値となるように、上記発電機に通電される界磁電流をフィードバック制御するように構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の車両用電源システム。
- 上記エンジンもしくは上記発電機の回転子の回転速度を検出する回転センサを備え、
上記制御回路は、上記回転センサにより検出された上記回転速度に応じて上記DC/DCコンバータの電圧変換比のnを変更することを特徴とする請求項2又は請求項3記載の車両用電源システム。 - 上記制御回路は、車両の加速時では、上記第2蓄電装置が非過放電状態であれば、上記発電機を非発電状態として、上記第2蓄電装置に蓄電された電力を上記車載負荷に供給し、車両の減速時では、上記第2蓄電装置が非過充電状態であれば、上記発電機を発電状態とし、該発電機の発電電力を上記車載負荷に供給するとともに、上記第2蓄電装置に充電させるように、上記第2DC/DCコンバータを動作制御することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の車両用電源システム。
- 第2蓄電装置の状態異常を報知する報知手段を有し、
上記制御回路は、上記第2蓄電装置の放電開始時に該第2蓄電装置の状態を判定し、該第2蓄電装置が状態異常していると上記報知手段を動作させて、該第2蓄電装置の状態異常を運転者に報知するように構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の車両用電源システム。 - 上記制御回路は、上記第2蓄電装置の放電開始時に該第2蓄電装置の状態を判定し、上記第2蓄電装置が状態異常していると、上記第2蓄電装置の放電動作を停止するように構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4および請求項8のいずれか1項に記載の車両用電源システム。
- 上記第1DC/DCコンバータの動作異常を報知する報知手段を有し、
上記制御回路は、上記第1DC/DCコンバータの動作が正常であるか否かを判定し、該第1DC/DCコンバータの動作が異常であると上記報知手段を動作させて、該第1DC/DCコンバータの動作異常を運転者に報知するように構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の車両用電源システム。 - 上記制御回路は、上記第1DC/DCコンバータの動作が正常であるか否かを判定し、上記第1DC/DCコンバータの動作が異常であると、上記第2DC/DCコンバータの動作を停止するとともに、上記発電機の発電を停止するように構成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4および請求項10のいずれか1項に記載の車両用電源システム。
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