JP6406188B2 - 車載用電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、車載用電源装置に関する。

特許文献１には、主蓄電手段と予備蓄電手段とを有する車両用電力制御装置が記載されている。予備蓄電手段は電気二重層コンデンサであって、その充放電はＤＣ−ＤＣコンバータによって制御される。ＤＣ−ＤＣコンバータは、車両の減速時にオルタネータによって発電される電力を用いて予備蓄電手段を充電し、減速時以外では、車両電気負荷に電力を供給する。

特許文献２には、電動パワーステアリング装置が記載されている。電動パワーステアリング装置には、操舵補助力を供給する電動モータが設けられており、この電動モータを制御するモータ制御装置には、主電源、補助電源および充放電回路が設けられている。充放電回路は補助電源の充電と放電とを切り替える。

特開平６−２９６３３２号公報 特開２００９−１２０１５９号公報

回生用の蓄電装置と補助用の蓄電装置の両方を設けた場合に、これらをどのような構成で充電するかの考察は、特許文献１，２には記載も示唆もされていない。

ところで、回生用の蓄電装置と補助用の蓄電装置とは、それぞれに適した電圧で充電することが望ましい。また製造コストは小さいことが望まれる。

本願は、回生用および補助用の蓄電装置をそれぞれ適した電圧で充電可能であり、製造コストを低減できる車両用電源装置を提供することを目的とする。

車載用電源装置は、車両に搭載される車載用電源装置であって、双方向のコンバータと、前記コンバータを介して充電され、前記コンバータを介して負荷に放電する第１蓄電装置と、前記コンバータと前記第１蓄電装置との間のオン／オフを選択する第１スイッチと、前記コンバータを介して充電され、前記コンバータを迂回した経路で前記負荷に放電する第２蓄電装置と、前記コンバータと前記第２蓄電装置との間のオン／オフを選択する第２スイッチとを備える。

車載用電源装置によれば、回生用および補助用の蓄電装置をそれぞれ適した電圧で充電可能であり、製造コストを低減できる。

車載用電源装置の構成の一例を概略的に示す図である。 車載用電源装置の構成の一例を概略的に示す図である。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。 制御部の動作の一例を示すフローチャートである。

＜車載用電源装置の構成＞
図１は、車両に搭載される車載用電源装置１００の構成の一例を概略的に示す図である。図１の例示では、発電機１が設けられている。発電機１は例えばオルタネータであり、車両を駆動させる駆動力に基づいて発電して、直流電圧を出力する。

図１の例示では、発電機１には主蓄電装置３１が接続されている。主蓄電装置３１は発電機１によって充電される。主蓄電装置３１は例えば鉛蓄電池などである。

発電機１には、双方向のＤＣ−ＤＣコンバータ４を介して回生用の蓄電装置３２（図面及び以下では「回生用蓄電装置」と称す）が接続されている。言い換えれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ４は発電機１と回生用蓄電装置３２との間に接続される。回生用蓄電装置３２には例えばキャパシタを採用できる。

図１の例示では、ＤＣ−ＤＣコンバータ４と回生用蓄電装置３２との間には、スイッチ（例えばリレー）５２が接続されている。スイッチ５２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４と回生用蓄電装置３２との間のオン／オフを選択する。スイッチ５２のオン／オフは制御部４１によって制御される。

双方向のＤＣ−ＤＣコンバータ４は例えば昇降圧回路であって、回生用蓄電装置３２の充放電を制御する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４は制御部４１によって制御される。

なおここでは、制御部４１はマイクロコンピュータと記憶装置を含んで構成される。マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップ（換言すれば手順）を実行する。上記記憶装置は、例えばＲＯＭ(Read Only Memory)、ＲＡＭ(Random Access Memory)、書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＰＲＯＭ(Erasable Programmable ROM)等）、ハードディスク装置などの各種記憶装置の１つ又は複数で構成可能である。当該記憶装置は、各種の情報やデータ等を格納し、またマイクロコンピュータが実行するプログラムを格納し、また、プログラムを実行するための作業領域を提供する。なお、マイクロコンピュータは、プログラムに記述された各処理ステップに対応する各種手段として機能するとも把握でき、あるいは、各処理ステップに対応する各種機能を実現するとも把握できる。また、制御部４１はこれに限らず、制御部４１によって実行される各種手順、あるいは実現される各種手段又は各種機能の一部又は全部をハードウェアで実現しても構わない。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、例えば車両の減速時に発電機１から得られる回生電力を、具体的には発電された直流電圧を、適宜に昇圧または降圧する。スイッチ５２がオンしていれば、昇圧または降圧された電圧は回生用蓄電装置３２へと出力されて、回生用蓄電装置３２が充電される。一方で、車両の力行時には、ＤＣ−ＤＣコンバータ４は回生用蓄電装置３２を放電させる。例えば車両の力行時に、スイッチ５２を介して入力する回生用蓄電装置３２の直流電圧を適宜に昇圧または降圧し、これを後述する一般負荷２１および重要負荷２２へと出力することで、回生用蓄電装置３２を放電させる。

発電機１には、ＤＣ−ＤＣコンバータ４を介して補助用の蓄電装置３３（図及び以下では「補助蓄電装置」と称す）も接続されている。この補助蓄電装置３３は例えばキャパシタなどである。

図１の例示では、ＤＣ−ＤＣコンバータ４と補助蓄電装置３３との間には、スイッチ（例えばリレー）５３が接続されている。例えばスイッチ５３の一端は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４とスイッチ５２とを接続する接続点に接続され、他端が補助蓄電装置３３に接続される。スイッチ５３はＤＣ−ＤＣコンバータ４と補助蓄電装置３３との間のオン／オフを選択する。スイッチ５３のオン／オフは制御部４１によって制御される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４はこの補助蓄電装置３３の充電も制御する。ＤＣ−ＤＣコンバータ４は例えば発電機１からの直流電圧を適宜に昇圧または降圧して、スイッチ５３を介して、これを補助蓄電装置３３へと出力することで、補助蓄電装置３３を充電する。

スイッチ５２，５３により、例えば回生用蓄電装置３２と補助蓄電装置３３とを互いに異なるタイミングで充電することができる。制御部４１がスイッチ５２をオフし、スイッチ５３をオンすれば、その期間においてＤＣ−ＤＣコンバータ４は補助蓄電装置３３を充電することができる。また制御部４１がスイッチ５２をオンし、スイッチ５３をオフすれば、その期間において、ＤＣ−ＤＣコンバータ４は回生用蓄電装置３２を充電できる。このようにスイッチ５２，５３を排他的にオンさせることにより、回生用蓄電装置３２および補助蓄電装置３３のそれぞれに適した直流電圧で、これらを充電することができる。

主蓄電装置３１には、例えば、一般負荷２１及び重要負荷２２も接続されている。よって一般負荷２１及び重要負荷２２は発電機１あるいは主蓄電装置３１から給電される。また一般負荷２１及び重要負荷２２はＤＣ−ＤＣコンバータ４およびスイッチ５２を介して、回生用蓄電装置３２にも接続されている。よって、一般負荷２１及び重要負荷２２は回生用蓄電装置３２からも給電される。さらに重要負荷２２はＤＣ−ＤＣコンバータ４を迂回した経路で補助蓄電装置３３と接続されている。図１の例示では、補助蓄電装置３３は重要負荷２２と直接に接続されている。よって、重要負荷２２は補助蓄電装置３３からも給電される。

なお補助蓄電装置３３はＤＣ−ＤＣコンバータ４を経由せずに重要負荷２２へと給電できるので、補助蓄電装置３３が充電された後は、スイッチ５３をオフに維持しても、重要負荷２２へと給電を行うことができる。

重要負荷２２は主蓄電装置３１からの給電が消失（主蓄電装置３１の機能不全による消失を含む）しても電力供給が維持されることが望まれる負荷であり、たとえばシフトバイワイヤー用アクチュエータや、電子制御制動力配分システムを例として挙げることができる。この車載用電源装置１００においては、主蓄電装置３１からの給電が消失しても、回生用蓄電装置３２および補助蓄電装置３３から重要負荷２２への給電が可能である。

一般負荷２１は補助蓄電装置３３のバックアップの対象となる必要がない負荷であり、例えば車載エアコンディショナーである。一般負荷２１は公知の負荷であり、本実施の形態において特有の特徴を有する物ではないので、詳細な説明は省略する。主蓄電装置３１からの給電が消失したときには、一般負荷２１への給電を停止してもよい。例えばＤＣ−ＤＣコンバータ４の動作を停止することにより、一般負荷２１への給電を停止することができる。

上述の車両用電源装置によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ４が回生用蓄電装置３２および補助蓄電装置３３の両方に対応して設けられている。よって、ＤＣ−ＤＣコンバータ４は回生用蓄電装置３２および補助蓄電装置３３の両方を充電することができる。よって、回生用蓄電装置３２および補助蓄電装置３３の各々に専用の充電回路を設ける場合に比べて、製造コストを低減することができる。

また、回生用蓄電装置３２の容量は例えば補助蓄電装置３３の容量よりも大きい。なお、蓄電装置がキャパシタであるときには、当該容量は、例えば充電完了時の電荷量として把握することができる。また蓄電装置が電池である場合には、当該容量は、例えば充電完了時のアンペア時として把握することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ４の電流供給能力は、容量の大きな回生用蓄電装置３２に対応して選定される。よって、ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、補助蓄電装置３３の容量に対してより大きな電流を出力することができ、補助蓄電装置３３を速やかに充電することができる。

＜充電動作＞
補助蓄電装置３３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４を迂回した経路で、重要負荷２２へと接続される。図１の例示では、補助蓄電装置３３は重要負荷２２に直接に接続される。よって、補助蓄電装置３３は充電後にＤＣ−ＤＣコンバータ４から切り離されても、重要負荷２２への給電は可能である。よって、補助蓄電装置３３が充電された後はスイッチ５３はオフされてもよい。また、補助蓄電装置３３が主蓄電装置３１の消失時のみに給電する場合には、車両の走行中に補助蓄電装置３３を充電する必要性は低く、補助蓄電装置３３が充電された後は走行中には、主としてスイッチ５３をオフに維持しても構わない。

一方で車両の走行中は、回生用蓄電装置３２に回生電力を蓄えたり、蓄えられた電力を使用したりすることで、回生用蓄電装置３２の充電時にも放電時にもＤＣ−ＤＣコンバータ４が用いられる。よって、スイッチ５２は、回生用蓄電装置３２の充電状況によらずに、車両の走行中には、主としてオンに維持することが望ましい。

回生用蓄電装置３２は、車両の走行中に充電される機会があるので、補助蓄電装置３３を回生用蓄電装置３２よりも先に、具体的には例えば車両の走行前に充電することが望ましい。よって制御部４１はスイッチ５２，５３をそれぞれオフ／オンさせた後に、スイッチ５２，５３をそれぞれオン／オフすることが望ましい。具体的には、車両の走行前に、スイッチ５２，５３をそれぞれオフ／オンして補助蓄電装置３３を充電し、その後、スイッチ５２，５３をそれぞれオン／オフさせるとよい。これにより、補助蓄電装置３３の充電を完了して重要負荷２２への給電を準備しつつ、車両の走行中に回生用蓄電装置３２の充放電を行うことができる。

次に、スイッチ５２，５３をそれぞれオフ／オンするトリガの一例について説明する。車両には、車両の始動指示（例えばエンジンの始動指示）をユーザが入力する入力部（例えばイグニッションキー）、または、車両のドアの開閉を検知する開閉検知部が含まれている。図２の例示では、入力部２２１および開閉検知部２２２が重要負荷２２の一例として表示されている。ただし、これらの少なくともいずれか一方は一般負荷２１として把握されてもよい。

車両の始動指示は車両の走行前に行われ、また、車両の走行前には、運転手が車両に乗り込むためにドアが開かれる。よって、これらを上述のトリガとして採用することができる。なお、入力部２２１は車両の始動指示が入力されたことを制御部４１に通知し、開閉検知部２２２はドアが開いたことを制御部４１に通知する。

図３は制御部４１の動作の一例を示す図である。まずステップＳ１にて、制御部４１はエンジンの始動指示が入力されたか否か、若しくは、ドアが開いたか否かを判断する。

ステップＳ１にて否定的な判断がなされたときには、再びステップＳ１を実行する。ステップＳ１にて肯定的な判断がなされたときには、ステップＳ２にて、制御部４１はスイッチ５２をオフし、スイッチ５３をオンする。またステップＳ３にて制御部４１はＤＣ−ＤＣコンバータ４を制御し、ＤＣ−ＤＣコンバータ４に補助蓄電装置３３の充電に適切な直流電圧を出力させる。

次に、ステップＳ４にて、制御部４１は補助蓄電装置３３への充電が完了したか否かを判断する。例えば補助蓄電装置３３の充電率を検出する検出部を設け、その充電率が基準値を超えたときに、充電が完了したと判断してもよい。

ステップＳ４にて否定的な判断がなされた場合には、ステップＳ４を再び実行する。ステップＳ４にて肯定的な判断がなされた場合には、ステップＳ５にて制御部４１はスイッチ５２をオンし、スイッチ５３をオフする。その後は、制御部４１は、例えば車両の減速時において、ＤＣ−ＤＣコンバータ４に発電機１の直流電圧を昇圧または降圧させて、回生用蓄電装置３２の充電に適切な直流電圧を出力させる。また制御部４１は、例えば車両の減速時以外において、ＤＣ−ＤＣコンバータ４に、回生用蓄電装置３２の両端電圧を昇圧または降圧させて、一般負荷２１および重要負荷２２に適した直流電圧を出力させる。

＜主蓄電装置からの給電の消失＞
主蓄電装置３１からの給電が消失したときには、スイッチ５２，５３を次のように制御してもよい。図４は制御部４１の動作の一例を示すフローチャートである。ステップＳ１１にて、制御部４１は主蓄電装置３１からの給電が消失したか否かを判断する。主蓄電装置３１の消失は、例えば次のようにして検出することができる。例えば主蓄電装置３１の直流電圧を検出する電圧検出部を設け、主蓄電装置３１の直流電圧が例えば所定の異常基準値よりも小さいときに、主蓄電装置３１の消失を検出することができる。

ステップＳ１１にて否定的な判断がなされたときには、ステップＳ１１を再び実行する。ステップＳ１１にて肯定的な判断がなされたときには、ステップＳ１２にて、制御部４１はスイッチ５２，５３の両方をオンする。

これにより、回生用蓄電装置３２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４を迂回しつつ、スイッチ５２，５３および補助蓄電装置３３を経由して、重要負荷２２へと給電することができる。これは以下の事態を回避できる点で望ましい。ＤＣ−ＤＣコンバータ４と重要負荷２２との間に短絡異常が生じると、主蓄電装置３１からの給電が消失する。この場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ４は重要負荷２２へと直流電圧を適切に出力することができない。よって、回生用蓄電装置３２はＤＣ−ＤＣコンバータ４を経由して重要負荷２２へと給電できない。しかるに、スイッチ５２，５３の両方をオンすることで、回生用蓄電装置３２はＤＣ−ＤＣコンバータ４を迂回しつつ、補助蓄電装置３３を経由して重要負荷２２へ給電することができる。よって、重要負荷２２へと適切に給電することができるのである。

また、主蓄電装置３１からの給電の消失時に、補助蓄電装置３３のみならず回生用蓄電装置３２からも重要負荷２２へと給電できる。よって、給電の安定性を向上することができる。

図５は制御部４１の動作の一例を示すフローチャートである。図４と比較して、制御部４１はステップＳ１３を更に実行する。ステップＳ１３はステップＳ１１，Ｓ１２の間で実行される。ステップＳ１３にて、制御部４１は、回生用蓄電装置３２の両端電圧が補助蓄電装置３３の両端電圧以上であるか否かを判断する。各両端電圧は、例えばそれぞれ電圧検出部を回生用蓄電装置３２および補助蓄電装置３３に設けることで検出される。両端電圧の大小は比較器を用いて判別できる。

ところで、回生用蓄電装置３２の両端電圧は放電によって低下し、充電によって増大する。特に、回生用蓄電装置３２としてキャパシタを採用した場合には、電荷に対して比例して両端電圧が変化する。よって蓄電池を採用した場合に比べて、この両端電圧の変化量が大きくなる。例えば充電時には、発電機１の直流電圧（例えば１２Ｖ）よりも高い電圧（例えば１６Ｖ）まで回生用蓄電装置３２を充電することができ、放電時には、発電機１の直流電圧よりも低い電圧（例えば７Ｖ）まで回生用蓄電装置３２を放電することができる。

一方で、主蓄電装置３１の給電が機能する場合には、補助蓄電装置３３は放電しなくてもよい。例えば、主蓄電装置３１と重要負荷２２との間にダイオードを設け、補助蓄電装置３３と重要負荷２２との間にダイオードを設ける。これらのダイオードの順方向は、重要負荷２２へと向かう方向である。かかる構造において、補助蓄電装置３３の両端電圧を主蓄電装置３１の電圧（例えば１２Ｖ）よりもわずかに小さく設定すれば、重要負荷２２へは補助蓄電装置３３ではなく主蓄電装置３１から給電される。よって主蓄電装置３１の給電が機能しているときには、補助蓄電装置３３は放電しない。この場合、補助蓄電装置３３の両端電圧はほぼ一定である。

あるいは、例えば、補助蓄電装置３３として蓄電池（例えばリチウムイオン電池）を採用した場合には、その両端電圧の変化量はキャパシタに比べて小さい。例えば、発電機１の直流電圧と同程度の電圧（例えば１２Ｖ）で補助蓄電装置３３が充電される。

このような場合には、ステップＳ１３の実行時点で、回生用蓄電装置３２の両端電圧が補助蓄電装置３３の両端電圧よりも小さくなる場合がある。このときにスイッチ５２，５３の両方をオンすると、補助蓄電装置３３が回生用蓄電装置３２へと放電する。この電流は重要負荷２２への給電には寄与しないので、好ましくない。

そこで、ステップＳ１３にて、回生用蓄電装置３２の両端電圧が補助蓄電装置３３の両端電圧よりも小さいと判断された場合には、ステップＳ１２を実行することなく、ステップＳ１３を再び実行する。そして、ステップＳ１３にて、回生用蓄電装置３２の両端電圧が補助蓄電装置３３の両端電圧以上と判断したときに、ステップＳ１２を実行する。

これによれば、補助蓄電装置３３から回生用蓄電装置３２へと放電することを防止でき、重要負荷２２への給電に資する。

なお、回生用蓄電装置３２は複数設けられてもよく、また、補助蓄電装置３３は複数設けられてもよい。

上記各実施形態及び各変形例で説明した各構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わせることができる。

以上のようにこの発明は詳細に説明されたが、上記した説明は、すべての局面において、例示であって、この発明がそれに限定されるものではない。例示されていない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定され得るものと解される。

１ 発電機
４ ＤＣ−ＤＣコンバータ
２２ 重要負荷
３１ 主蓄電装置
３２ 回生用蓄電装置（第１蓄電装置）
３３ 補助蓄電装置（第２蓄電装置）
５２，５３ スイッチ
１００ 車載用電源装置

Claims (4)

1. 双方向のコンバータと、
   前記コンバータを介して充電され、前記コンバータを介して負荷に放電する第１蓄電装置と、
   前記コンバータと前記第１蓄電装置との間のオン／オフを選択する第１スイッチと、
   前記コンバータを介して充電され、前記コンバータを迂回した経路で前記負荷に放電する第２蓄電装置と、
   前記コンバータと前記第２蓄電装置との間のオン／オフを選択する第２スイッチと
   を備える、車載用電源装置。
2. 請求項１に記載の車載用電源装置であって、
   前記第１スイッチおよび前記第２スイッチがそれぞれオフ／オンした後に、それぞれオン／オフする、車載用電源装置。
3. 請求項２に記載の車載用電源装置であって、
   前記車載用電源装置が搭載される車両は、前記車両の始動指示が入力される入力部、および、ドアの開閉を検知する開閉検知部を備え、
   前記始動指示が入力されたとき、または、前記ドアが開いたときに、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチはそれぞれオフ／オンする、車載用電源装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車載用電源装置であって、
   前記負荷に接続される主蓄電装置を備え、
   前記主蓄電装置の電圧が異常基準値よりも小さく、かつ、前記第１蓄電装置の電圧が前記第２蓄電装置の電圧以上であるときに、前記第１スイッチおよび前記第２スイッチはオンする、車載用電源装置。

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