JP6998543B2 - 車載電源装置およびそれを搭載した車両 - Google Patents

Description

本発明は、各種車両に使用される車載電源装置およびそれを搭載した車両に関するものである。

以下、従来の車両の電源構成について図面を用いて説明する。図６は従来の車両の電源の構成を示した回路ブロック図であり、車両１の駆動にモータ２を用いる場合の電力供給経路を示している。

車両１には、高電圧の直流電源３と、インバータ回路４と、直流電源３とインバータ回路４との間に接続された平滑コンデンサ５と、インバータ回路３によって駆動のための電力が供給されるモータ２と、制御回路６とが搭載されている。ここで、特に車両１が事故などに遭遇した際、制御回路６は事故に関する信号を受信することによって、平滑コンデンサ５に一時的に蓄積されていた電力を、インバータ回路４がモータ２を回転させない動作で電力を消費することによって放電させていた。

なお、この出願の発明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。

国際公開第２０１２／１６４６８０号

しかしながら、従来のインバータ回路３を用いた放電では、インバータ回路３に設けられた複数のスイッチ素子６Ｓを正常に動作させるために、放電電圧の制御と同時にスイッチ素子６Ｓの温度管理などが必要となり、制御回路６による事故時のインバータ回路４に対する制御は多くの制約を受けていた。

この結果、平滑コンデンサ５の電力をインバータ回路４で放電させるには時間を要する場合があるという課題を有するものであった。

そこで本発明は、平滑コンデンサの放電を安全に実施することを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明は、蓄電部と、前記蓄電部よりも大きな容量を有する平滑コンデンサに接続された入力端子と、負荷に接続された出力端子と、前記入力端子と前記蓄電部との間に接続された充電部と、前記蓄電部と前記出力端子との間に接続された放電部と、外部信号受信部と、を備え、前記外部信号受信部が起動信号を受信すると、前記充電部が起動して前記蓄電部が第１電圧へ充電され、かつ、前記充電部で生成された電力によって前記充電部と前記放電部とが駆動され、その後、前記放電部は前記負荷へ電力を供給する、ことを特徴としたものである。

本発明によれば、車両が事故に遭遇したことなどによって車載電源装置が起動信号を受
信すると、少なくとも平滑コンデンサに蓄えられた電力の一部は、車載電源装置を通じて負荷へと供給される。また、車載電源装置を駆動するための電力と、車載電源装置からの出力電力は、平滑コンデンサから供給された電力が用いられる。このため、平滑コンデンサの放電可能となる電力が増加し、平滑コンデンサの放電を早急に、かつ安全に実施することができる。

本発明の実施の形態における車載電源装置の構成を示す第１の回路ブロック図 本発明の実施の形態における車載電源装置の構成を示す第２の回路ブロック図 本発明の実施の形態における車載電源装置の構成を示す第３の回路ブロック図 本発明の実施の形態における車載電源装置を用いた車両の構成を示す第１の回路ブロック図 本発明の実施の形態における車載電源装置を用いた車両の構成を示す第２の回路ブロック図 従来の車両の電源の回路ブロック図

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態における車載電源装置の構成を示す第１の回路ブロック図である。車載電源装置７は、蓄電部８と入力端子９と出力端子１０と充電部１１と放電部１２と外部信号受信部１３とを含む。

入力端子９は、蓄電部８よりも大きな容量を有する平滑コンデンサ１４に接続されている。出力端子１０は負荷１５に接続されている。充電部１１は入力端子９と蓄電部８との間に接続され、放電部１２は蓄電部８と出力端子１０との間に接続されている。

外部信号受信部１３が起動信号を受信すると充電部１１が起動する。そして、蓄電部８が第１電圧へと充電される。さらに、充電部１１で生成された電力によって充電部１１と放電部１２とが駆動される。その後、放電部１２は負荷１５へ電力を供給する。

以上の構成および動作により、車載電源装置７が搭載される車両が事故に遭遇したことなどによって車載電源装置７が起動信号を受信すると、少なくとも平滑コンデンサ１４に蓄えられた電力の一部は車載電源装置７を通じて負荷へと供給される。また、車載電源装置７を駆動するための電力と、車載電源装置７から負荷１５へと出力される電力とは、平滑コンデンサ１４から車載電源装置７へと供給された電力が用いられる。このため、平滑コンデンサ１４の放電可能となる電力が増加し、平滑コンデンサ１４の放電を早急に、かつ安全に実施することができる。

以下で、車載電源装置の構成および動作の詳細について説明する。図２は本発明の実施の形態における車載電源装置の構成を示す第２の回路ブロック図である。車載電源装置７は、蓄電部８と入力端子９と出力端子１０と充電部１１と放電部１２と外部信号受信部１３と、さらに制御部１６を含む。

ここでは、制御部１６は外部信号受信部１３に接続されていて、また制御部１６は充電部１１および放電部１２の動作を制御する。したがって、制御部１６が外部信号受信部１
３を介して起動信号を受信すると制御部１６は充電部１１を起動させる。そして、蓄電部８が第１電圧へと充電される。ここでは、第１電圧は蓄電部８における満充電電圧あるいは、蓄電部８が破損しない水準であれば満充電電圧を超越した値として設定されてよい。

さらに、充電部１１で生成された電力によって充電部１１と放電部１２と制御部１６とが継続して駆動される。その後、制御部１６は放電部１２に負荷１５へ電力を供給させる。

制御部１６が外部信号受信部１３を介して起動信号を受信していないとき、言い換えると、制御部１６が起動信号の受信を待っている状態では、制御部１６は予め蓄電部８へ第１電圧よりも低い値の第２電圧によって、劣化が進行しない水準で充電されている電力によって駆動されてもよい。あるいは、制御部１６が起動信号の受信を待っている状態では、制御部１６は平滑コンデンサ１４から充電部１１を介して供給された電力によって駆動されてもよい。

また、ここでは入力端子９および出力端子１０として、車載電源装置７と車載電源装置７の外部との接続部分を設けている。しかしながら、入力端子９および出力端子１０は端子としての形状を有していても、あるいは導体の端部であってもよく、特別な形状にこだわるものではない。

またさらには、図３の本発明の実施の形態における車載電源装置の構成を示す第３の回路ブロック図に示すように、制御部１６が起動信号の受信が可能なスタンバイ状態で受信を待っている状態では、第２入力端子１７が車両バッテリー１８から電力供給を受け、その電力が直接に制御部１６へ供給されても、あるいは、充電部１１や蓄電部８を介して制御部１６へ供給されてもよい。また、車両バッテリー１８の電力と平滑コンデンサ１４の電力との双方によって、制御部１６が起動信号の受信が可能なスタンバイ状態で、制御部１６が駆動されてよい。これにより、制御部１６は信頼性の高い動作が可能となる。

そして、制御部１６が外部信号受信部１３を介して起動信号を受信すると、車載電源装置７の全ての動作は、あるいは少なくとも充電部１１と放電部１２における動作および蓄電部８への蓄電電力は、平滑コンデンサ１４から放電される電力を用いる。平滑コンデンサ１４の容量や端子電圧は蓄電部８に比較して大きく、蓄えられている電力もまた、平滑コンデンサ１４の方が大きい。そして、特に蓄電部８に二重層コンデンサが用いられる場合、蓄電部８の内部抵抗は低い値であるため、高耐圧の電解コンデンサやフィルムコンデンサが用いられる平滑コンデンサ１４から蓄電部８への電力供給は充電部１１を介して行われるものの、非常に短い時間で平滑コンデンサ１４から蓄電部８への充電、言い換えると電力の移動が可能となる。この結果、平滑コンデンサ１４の放電可能となる電力が増加し、平滑コンデンサ１４の放電を早急に、かつ安全に実施することができる。

これは言い換えると、平滑コンデンサ１４から蓄電部８への充電が行われた後、蓄電部８から放電部１２を介して負荷１５へ電力を供給し、蓄電部８の残存電力が少なくなると直ちに再度、平滑コンデンサ１４から蓄電部８への充電が容易に反復して実行されることが可能ともなる。この結果、蓄電部８が小さな容量であっても、緊急時にそれまでに蓄えられていた平滑コンデンサ１４の電力を蓄電部８へと円滑に移動させることができ、平滑コンデンサ１４を放電する他の機能部分における負担も軽減される。

ここでは、平滑コンデンサ１４の容量は蓄電部８に比較して大きな値である場合を一例として用いているが、平滑コンデンサ１４の容量と蓄電部８の容量とは概ね同等であって、一度の平滑コンデンサ１４から蓄電部８への電力の移動で、大半の平滑コンデンサ１４の電力が放電されてもよい。当然ながら、平滑コンデンサ１４を放電する他の機能部分に
おける負担は大幅に軽減される。

具体的な、平滑コンデンサ１４から蓄電部８への電力の供給、および蓄電部８から負荷１５への電力の供給は、例えば以下のように行うとよい。

まず、車載電源装置７の制御部１６が起動信号の受信が可能なスタンバイ状態で、まだ起動信号を受信していないとき、制御部１６は車両バッテリー１８の電力あるいは平滑コンデンサ１４の電力、またあるいは蓄電部８に残存する電力によって駆動される。そして、制御部１６は蓄電部８を第２電圧に充電し、維持する。

つぎに、制御部１６が起動信号を受信すると、制御部１６が充電部１１を起動させて蓄電部８の充電電圧が第２電圧から第１電圧へと上昇させられる。制御部１６は蓄電部８の電圧が第１電圧に達したことを検出すると、充電部１１の動作を停止させる。そして、制御部１６は充電部１１の動作を停止させてから充電停止期間後に、放電部１２を動作させて負荷１５へ蓄電部８に蓄えられていた電力を供給させる。ここで、充電部１１の動作停止から放電部１２が動作するまでの充電停止期間は任意で決定すればよいが、充電部１１の動作停止と同時に放電部１２が動作してもよい。

また、制御部１６が起動信号を受信すると、車両バッテリー１８から第２入力端子１７を介して充電部１１や蓄電部８供給されていた電力は遮断される。これにより、平滑コンデンサ１４の電力は集中的に消費される。また、上記の電力の遮断は、充電部１１の内部のコンバータ（図示せず）の動作によって実施されても、あるいは、第２入力端子１７と蓄電部８との間に遮断用のスイッチ（図示せず）が設けられてもよい。また、上記の電力の遮断は、制御部１６が平滑コンデンサ１４の電力を充電部１１を介して蓄電部８へ充電させる前に行われることが望ましい。

そのつぎに、放電部１２が動作し始め、負荷１５へ電力が供給されることによって蓄電部８の電圧は第１電圧から漸減する。そして制御部１６は、蓄電部８の電圧が第１電圧から低下して第３電圧に達して放電部１２や負荷１５の駆動下限電圧に接近したことを検出すると、放電部１２の動作を停止させる。そして、制御部１６は放電部１２の動作を停止させてから放電停止期間後に、充電部１１を改めて動作させて蓄電部８を第１電圧まで充電する。放電停止期間は任意で決定すればよいが、放電部１２の動作停止と同時に充電部１１が動作してもよい。

ここで第３電圧は先に述べた第２電圧よりも高い値として設定すればよい。これにより、負荷１５や放電部１２は安定した動作ができる。当然ながら、第１電圧から第２電圧までに比較して、第１電圧から第３電圧までは、放電電力は少なくなる。しかしながら、先にも述べたように、蓄電部８における充放電は短時間で実施できるため、繰り返しの放電部１２による放電が可能となるので、放電部１２や放電部１２から電力供給を受ける負荷１５は安定した動作で繰り返しが可能となる。

また放電部１２は昇圧動作であっても降圧動作であっても構わないが、充電部１１は降圧動作を行う。

またさらに、負荷１５の特性に応じて、蓄電部８における充放電の繰り返しの回数を設定しても、あるいは負荷１５の特性に応じて、蓄電部８における充放電の都度、放電出力の対象を異なる負荷１５としてもよい。

以上の説明では、制御部１６は外部信号受信部１３が起動信号を受信した際に、充電部１１が蓄電部８を満充電状態へと充電したうえで、放電部１２によって負荷１５へ電力が
供給される動作について説明した。ここで、制御部１６は、車両１９が起動中であるにもかかわらず車両バッテリー１８の電圧が所定の値よりも低下して車両バッテリー１８が失陥したことを検出した際に、充電部１１が蓄電部８を満充電状態へと充電したうえで、放電部１２によって負荷１５へ電力が供給されてもよい。制御部１６が車両１９が起動中であることを検出するのは、ここでは図示していないが車両起動スイッチの状態を制御部１６が検出することで代用されるとよい。

言い換えると、車両１９が事故などに遭遇して異常な状態に陥ったと判断される条件が成立した場合に、充電部１１が蓄電部８を満充電状態へと充電したうえで、放電部１２によって負荷１５へ電力が供給されるとよい。

つぎに、図４の本発明の実施の形態における車載電源装置を用いた車両の構成を示す第１の回路ブロック図、図５の本発明の実施の形態における車載電源装置を用いた車両の構成を示す第２の回路ブロック図により、車載電源装置７をはじめとして車両１９の動作を説明する。電力を推進のための駆動力に用いる車両１９は車体２０と、車体２０に搭載された、直流高圧電源２１と平滑コンデンサ１４とインバータ部２２と車両駆動部２３と車両制御部２４と車両バッテリー１８と車載電源装置７と負荷１５とを含む。

図４の車両の構成を示す第１の回路ブロック図と、図５の車両の構成を示す第２の回路ブロック図とでは車載電源装置７に関連する動作に大きな違いはない。後述するが、車載電源装置７が車両１９における非常時を外部信号受信部１３での起動信号の受信のみによって起動するのか、あるいは、車載電源装置７が車両１９における非常時を外部信号受信部１３での起動信号の受信もしくは第２入力端子１７での車両バッテリー１８からの電圧の検出のいずれかによって起動するのかが、図４と図５との構成、動作の違いである。

インバータ部２２は平滑コンデンサ１４を介して直流高圧電源２１に接続されて、直流電力を交流電力へと変換する。車両駆動部２３は、インバータ部２２から交流電力の供給を受けることによって車両１９を駆動する。インバータ部２２は、ここでは図示していないが、複数のスイッチング素子を有し、個々のスイッチング素子のオン、オフが制御されることによって、平滑コンデンサ１４から供給される直流電力を三相交流電力などへと変換する。

ここで、車載電源装置７は、蓄電部８と、平滑コンデンサ１４に接続された入力端子９と、負荷１５に接続された出力端子１０と、入力端子９と蓄電部８との間に接続された充電部１１と、蓄電部８と前記出力端子１０との間に接続された放電部１２と、車両制御部２４から発せられる起動信号を受信する外部信号受信部１３と、外部信号受信部１３に接続された制御部１６と、を有する。

車載電源装置７は、平滑コンデンサ１４から電力供給を受けている。車載電源装置７は、さらに車両バッテリー１８から電力供給を受けている場合もある。また、車両制御部２４は車両バッテリー１８から電力供給を受け、直流高圧電源２１に設けられた電圧変換部（図示せず）やインバータ部２２の動作を制御する。

車両駆動部２３が直流高圧電源２１の電力を用いることによって、車両１９が正常な動作や走行をしている場合、車載電源装置７は待機状態となっている。このとき、直流高圧電源２１は平滑コンデンサ１４を介してインバータ部２２へと電力を供給している。車載電源装置７は、待機状態で、直流高圧電源２１からインバータ部２２への電力供給過程の平滑コンデンサ１４から、もしくは車両バッテリー１８から、電力供給を受けている。これにより、車載電源装置７の蓄電部８は充電部１１によって第２電圧で充電される状態を維持する。

車載電源装置７は待機状態では、例えば外部信号受信部１３が、車両制御部２４から発せられる起動信号を受信することが可能で、起動信号を待っている状態であってよい。あるいは、車載電源装置７の制御部１６が、起動信号を待っている状態で、かつ車両バッテリー１８や車両１９の状態を監視している状態であってもよい。

つぎに、車両１９が事故などに遭遇して走行などが不能となり、車両１９や車両駆動部２３が正常に動作できない非常時となった場合、車載電源装置７は起動状態となる。このとき、直流高圧電源２１による平滑コンデンサ１４を介してインバータ部２２への、特に車両１９を推進駆動させるための電力供給は車両制御部２４によって停止される。そして、車両制御部２４は直流高圧電源２１を直流高圧電源２１の外部と電気的に遮断させる。

しかしながら、平滑コンデンサ１４には電力が残留して蓄えられた状態となるため、車両制御部２４は平滑コンデンサ１４の電力を安全に放電させるために車載電源装置７を起動信号によって起動させる。車両制御部２４は平滑コンデンサ１４の電力を放電させるために、車載電源装置７と同時にあるいは交互にインバータ部２２を放電のための動作をさせるとよい。あるいは、車両制御部２４は平滑コンデンサ１４の電力を車載電源装置７のみへ放電させてもよい。

そして、制御部１６が起動信号を受信すると、車載電源装置７が車両バッテリー１８に接続されている場合には、車両バッテリー１８から第２入力端子１７を介して充電部１１や蓄電部８供給されていた電力は遮断される。これにより、平滑コンデンサ１４の電力は集中的に消費される。また、上記の電力の遮断は、充電部１１の内部のコンバータ（図示せず）の動作によって実施されても、あるいは、第２入力端子１７と蓄電部８との間に遮断用のスイッチ（図示せず）が設けられてもよい。

またあるいは、車載電源装置７の制御部１６が車両１９の起動中にもかかわらず車両バッテリー１８の損傷などに伴って電圧の異常低下水準などを検出したときに、車載電源装置７は起動を始めてもよい。

車載電源装置７は起動を始めた後、車載電源装置７の全ての動作は、あるいは少なくとも充電部１１と放電部１２における動作および蓄電部８への蓄電電力は、平滑コンデンサ１４から放電される電力を用いる。車載電源装置７が起動を始めるときに用いる電力は、蓄電部８の電力であっても、平滑コンデンサ１４の電力であっても、あるいは車両バッテリー１８の電力の何れであってもよい。

先にも述べたように、蓄電部８に二重層コンデンサが用いられる場合においては、平滑コンデンサ１４と蓄電部８とは、共に低い内部抵抗を有した蓄電素子に相当する。このため、平滑コンデンサ１４から蓄電部８への電力供給は充電部１１を介して行われるものの、非常に短い時間で平滑コンデンサ１４から蓄電部８への充電、言い換えると非常に短い時間で電力の移動が可能となる。この結果、平滑コンデンサ１４の放電可能となる電力が増加し、平滑コンデンサ１４の放電を早急に、かつ安全に実施することができる。また、平滑コンデンサ１４の容量は蓄電部８よりも大きくしているので、平滑コンデンサ１４の電力を利用しての蓄電部８への充電は繰り返し複数回行うこととなった場合であっても、反復によって長い期間が充電に要することはない。

したがって、負荷１５として車体２０へ設けられた、アクチュエータ（図示せず）にドアロック解除動作やドアラッチ開動作や、あるいはパワーウインドウ開動作などを、何度も反復して、かつ、個別に複数の負荷１５に対して、車載電源装置７は電力を供給することができる。これは言うまでもなく、平滑コンデンサ１４に残留する電力が早急に放電さ
れることにもなる。

当然ながら、平滑コンデンサ１４の電力を放電させる動作を車載電源装置７と同時にもしくは交互に行うインバータ部２２の動作負担も軽減される。したがって、インバータ部２２の動作に対する制御は容易になり、また、インバータ部２２に用いられているスイッチング素子（図示せず）の動作条件も緩和され易くなる。結果として、車載電源装置７とインバータ部２２との双方が平滑コンデンサ１４の放電に用いられることで、相乗的に平滑コンデンサ１４の電力を早く、安全に放電させることができる。

また、車載電源装置７は車載電源装置７の蓄電部８に蓄ええられた電力あるいは平滑コンデンサ１４が放電する電力で起動を始めることができるので、車両バッテリー１８が損傷することなどによって車両制御部２４が駆動電力を一時的に失っても、車載電源装置７が平滑コンデンサ１４から得た電力によって車両制御部２４の駆動電力を供給することもできる。これにより、平滑コンデンサ１４の電力を放電させるためのインバータ部２２の動作も結果として可能となる。

本発明の車載電源装置は、平滑コンデンサの放電を早急に、かつ安全に促進させることができるという効果を有し、各種車両において有用である。

７ 車載電源装置
８ 蓄電部
９ 入力端子
１０ 出力端子
１１ 充電部
１２ 放電部
１３ 外部信号受信部
１４ 平滑コンデンサ
１５ 負荷
１６ 制御部
１７ 第２入力端子
１８ 車両バッテリー
１９ 車両
２０ 車体
２１ 直流高圧電源
２２ インバータ部
２３ 車両駆動部
２４ 車両制御部

Claims (8)

1. 蓄電部と、
   前記蓄電部よりも大きな容量を有する平滑コンデンサに接続された入力端子と、
   負荷に接続された出力端子と、
   前記入力端子と前記蓄電部との間に接続された充電部と、
   前記蓄電部と前記出力端子との間に接続された放電部と、
   外部信号受信部と、を備え、
   前記外部信号受信部が起動信号を受信すると、
   前記充電部が起動して前記蓄電部が第１電圧へ充電され、かつ、前記充電部で生成された電力によって前記充電部と前記放電部とが駆動され、その後、前記放電部は前記負荷へ電力を供給する、
   車載電源装置。
2. 前記蓄電部に用いられる蓄電素子は電気二重層コンデンサとした、
   請求項１に記載の車載電源装置。
3. 前記外部信号受信部に接続されて、前記充電部と前記放電部との動作を制御する制御部を、さらに備え、
   前記制御部が前記外部信号受信部を介して起動信号を受信すると、
   前記制御部は前記充電部を起動させて前記蓄電部が第１電圧へ充電され、かつ、前記充電部で生成された電力によって前記充電部と前記制御部と前記放電部とが駆動され、その後、前記制御部は前記放電部に前記負荷へ電力を供給させる、
   請求項１に記載の車載電源装置。
4. 車両バッテリーに接続された第２入力端子をさらに備え、
   前記外部信号受信部が起動信号を受信していないとき、
   前記制御部は前記車両バッテリーの電力によって前記外部信号受信部が起動信号を受信可能なスタンバイ状態を維持する、
   もしくは、前記制御部は前記平滑コンデンサの電力によって前記外部信号受信部が起動信号を受信可能なスタンバイ状態を維持する、
   請求項３に記載の車載電源装置。
5. 前記制御部は前記車両バッテリーの電力によって前記外部信号受信部が起動信号を受信可能なスタンバイ状態を維持する、とともに、前記充電部によって前記第１電圧よりも低い第２電圧に前記蓄電部を充電する、
   請求項４に記載の車載電源装置。
6. 前記外部信号受信部が起動信号を受信すると、
   前記充電部が起動するとともに前記蓄電部を第１電圧へ充電し、前記蓄電部が第１電圧に達すると、前記充電部は動作を停止し、前記蓄電部が第１電圧に充電されてから所定の期間後、前記放電部は前記負荷へ電力を供給する、
   請求項１に記載の車載電源装置。
7. 前記放電部が前記負荷へ電力を供給し始めた後、
   前記蓄電部の電圧が前記第１電圧から第３電圧まで低下すると、前記放電部は動作を停止し、
   前記充電部が改めて起動するとともに前記蓄電部を第１電圧へ充電し、前記蓄電部が第１電圧に達すると、前記充電部は動作を停止し、前記蓄電部が第１電圧に充電されてから、前記放電部は前記負荷へ電力を供給する、
   請求項６に記載の車載電源装置。
8. 車体と、
   前記車体に搭載された直流高圧電源と、
   前記車体に搭載された平滑コンデンサと、
   前記車体に搭載され、前記平滑コンデンサ介して前記直流高圧電源に接続されたインバータ部と、
   前記車体に搭載され、前記インバータ部に接続された車両駆動部と、
   蓄電部と、前記平滑コンデンサに接続された入力端子と、負荷に接続された出力端子と、前記入力端子と前記蓄電部との間に接続された充電部と、前記蓄電部と前記出力端子との間に接続された放電部と、外部信号受信部と、を有し、前記外部信号受信部が起動信号を受信すると、前記充電部が起動して前記蓄電部が第１電圧へ充電され、かつ、前記充電部で生成された電力によって前記充電部と前記放電部とが駆動され、その後、前記放電部は前記負荷へ電力を供給する、車載電源装置と、
   前記車載電源装置に接続された負荷と、
   を備えた車両。

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