JPWO2009013891A1 - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

発電機とバッテリとを搭載する車両に用いられ、バッテリへ流れる第１の電流を検出する電流検出部と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して発電機に接続するキャパシタと、制御回路とを有している。制御回路は、電流検出部が検出する第１の入力電流からバッテリの充電状態を算出するとともに、車両の走行状態を検出し、車両が減速するときには、算出したバッテリの充電状態に基いて、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してキャパシタへ入力する第２の入力電流を制御する。このように、車両の減速時に、発電機に発生する回生電力を、ＳＯＣに応じて使用することにより、従来活用していなかったエネルギーを有効に利用することができる。

Description

本発明は、車両の減速時には、発電機によって積極的に回生電力を発生させて蓄電し、車両の減速時以外、すなわち停止時、発進時、走行時や加速時には、この蓄電した回生電力を負荷等への電力として活用する車両用電源装置に関するものである。

近年、地球環境保護の流れを受け、特に自動車（以下、車両という）においては燃費改善による二酸化炭素の排出量低減が求められている。車両の燃費改善についても様々な取組がなされているが、その方法の一つとして減速時に発生する回生電力を蓄電し、車両の停止時、発進時、走行時や加速時にこの蓄電した回生電力を負荷等の電力として活用するものがある。

ハイブリッド車のように、走行用モータを用いて駆動する車両の電源装置としては、図５に示すものがある。

図５は、この電源装置の概略ブロック回路図を示す。発電部（本願発明の「発電機」）１０１は車両の走行用モータ１０３に内蔵される。発電部１０１は、電力制御ユニット１０５を介して蓄電池１０７や電気二重層キャパシタ１０９と接続している。

発電部１０１の出力情報、蓄電池１０７と電気二重層キャパシタ１０９の電圧情報、および車両側から得られる車速信号とアクセルペダル操作信号は、制御回路１１１へ入力される。制御回路１１１は電力制御ユニット１０５を制御する。なお、制御回路１１１はマイクロプロセッサと周辺回路（Ｉ／Ｏ、ＲＡＭ、ＲＯＭ）で構成する。

この電源装置の動作を説明する。制御回路１１１が、車速信号とアクセルペダル操作信号から車両の制動を検出すると、制御回路１１１は、発電部１０１の回生電力を電気二重層キャパシタ１０９へ充電するように電力制御ユニット１０５を制御する。

電気二重層キャパシタ１０９は急速充放電特性に優れているので、車両制動時のわずかな時間に急増する発電量の変化に対しても、効率よく電気エネルギーを回収できる。その後、車両走行時において、この電源装置は、走行用モータ１０３に対して優先的に電気二重層キャパシタ１０９の電力を供給し、停車時には電気二重層キャパシタ１０９の電力を蓄電池１０７に充電することで高い電力回収効率が得られる（特許文献１参照）。

一方、従来から存在するエンジン駆動車では、車両の減速時には、発電機で発生する回生電力を電気二重層コンデンサへ蓄え、減速時以外では、この電気二重層コンデンサが蓄えた回生電力を放出するものがある（特許文献２参照）。
特開２００２−２３８１０８号公報 特許第３４６５２９３号公報

本発明の車両用電源装置は、発電機とバッテリとを搭載する車両に用いられる車両用電源装置であって、バッテリへ流れる第１の電流を検出する電流検出部と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して発電機に接続するキャパシタと、制御回路とを有している。

制御回路は、電流検出部が検出する第１の電流からバッテリの充電状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、以下「ＳＯＣ」と記す。）を算出するとともに、車両の走行状態を検出し、車両が減速するときに、算出したバッテリの充電状態に基いて、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してキャパシタへ入力する第２の入力電流を制御する。

このように、車両の減速時に、発電機に発生する回生電力を、ＳＯＣに応じて使用することにより、従来活用していなかったエネルギーを有効に利用することができる。

図１は本発明の実施の形態１における車両用電源装置の概略ブロック回路図である。 図２は本発明の実施の形態１におけるバッテリの充電状態ＳＯＣによるバッテリへの充電電流の変化を示す特性図である。 図３は本発明の実施の形態１における車両用電源装置の動作を示すフローチャートである。 図４は本発明の実施の形態２における車両用電源装置の概略ブロック回路図である。 図５は従来の電源装置の概略ブロック回路図である。

符号の説明

１１ 発電機
１３ バッテリ
１４ 電圧検出部
１５ 電流検出部
１７ 負荷
１９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１ キャパシタ
２５ 制御回路

以下、本発明の実施の形態における車両用電源装置について、添付の図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における車両用電源装置の概略ブロック回路図である。

図１に示すように、発電機１１は車両のエンジン（図示せず）と機械的に結合しており、エンジンが回転することで発電する。バッテリ１３と電流検出部１５とは直列に接続してあり、その両端を発電機１１と並列に接続している。バッテリ１３は安価で容量が大きい鉛バッテリを用いることが一般的であるが、リチウム二次電池を用いてもよい。

電流検出部１５は、バッテリ１３の入出力電流である第１の電流であって、バッテリ１３に入力する第１の入力電流（以下、電流Ｉ１１）および、バッテリ１３から出力する第１の出力電流（以下、電流Ｉ１２）を検出する。

車両の負荷１７は発電機１１と並列に接続される。負荷１７はスタータ、電動補機、ナビゲーションやカーオーディオ等様々なものがある。発電機１１にはＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介してキャパシタ２１が接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１９は、電流の流れる方向と流れる電流値を制御している。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９に流れる電流の方向を切り替えることで、キャパシタ２１への入力および出力を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して流れる第２の電流であって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介してキャパシタ２１へと流れる第２の入力電流を電流Ｉ２１、キャパシタ２１からＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して流れる第２の出力電流を電流Ｉ２２とする。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９への入力電流を制御すれば、キャパシタ２１への入力電流を制御することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１９は、入力のみを行う回路と出力のみを行う回路とを組合せてもよく、１つの回路で入力および出力の機能を有する双方向型の回路を用いてもよい。特に車両に搭載するには、双方向型の回路を用いて、小型化を図るほうがよい。

キャパシタ２１は、充放電可能な素子で構成される。特に、バッテリ１３として鉛バッテリを用いた場合、この鉛バッテリに対してエネルギー密度、容量は小さくなるが、大電流での入出力が可能である電気二重層キャパシタを用いることが適している。バッテリ１３とキャパシタ２１の組合せは、この車両用電源装置を構成する発電機１１の回生電力の発電能力、バッテリ１３、キャパシタ２１及びこれらを搭載する車両の大きさなどの条件から最適値を算出すればよい。

バッテリ１３とキャパシタ２１の組合せは、車両を設計する際の考え方に従い、その容量比率が検討される。本発明の発明者は、鉛バッテリと電気二重層キャパシタの容量比率を、
鉛バッテリの容量：電気二重層キャパシタの容量＝１００：１
程度とすることで、ひとつの良好な結果を得た。

制御回路２５は、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭを用いた電子制御装置で構成される。制御回路２５は、発電機１１やバッテリ１３の電圧Ｖｂ、および電流検出部１５が検出するバッテリ１３の入力電流Ｉｂなどの情報からＳＯＣ（バッテリ１３の充電状態）を算出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を制御する。なお、バッテリ１３の電圧Ｖｂを検出する電圧検出部１４は、バッテリ１３の電圧を検出できるものであれば、その方法は特に問わない。

さらに、制御回路２５は、停止、加速、走行、減速という車両の走行状態を検出し、電力の発生部である発電機１１から、電力を一時貯めるバッテリ１３、キャパシタ２１、そして電力を消費する負荷１７までの全体最適な制御を行うことも可能である。なお、制御回路２５が行う機能は、電子回路で行うこともできる。

ここで、本実施の形態にかかる車両用電源装置の概要について説明する。車両の燃費改善を目的として、従来、熱エネルギーとして捨てていた車両の減速時に発生するエネルギーを、エンジン（図示せず）に結合した発電機１１を用いて回生電力を発生させ、回収するものが提案されている。しかしながら、一般的に車両用のバッテリ１３として広く使用されている鉛バッテリは、化学反応を用いてエネルギーを蓄積する性質を有するため、発電機１１が作り出す、わずかな時間に急増する電圧と大量に流れる電流からなる回生電力を吸収することができない。

そこで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介してこの回生電力をキャパシタ２１へ入力する。それは、キャパシタ２１として、わずかな時間に急増する電圧と大量に流れる電流からなる回生電力を吸収することに適した電気二重層キャパシタを設置しているからである。

なお、キャパシタ２１に取り込める瞬時電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９が通電できる能力によって制限されるため、発電機１１の発電能力とＤＣ／ＤＣコンバータ１９がこの電力をキャパシタ２１へ通電する能力とを、ほぼ一致させておくことが望ましい。これにより、発電機１１の発電能力が高くても、バッテリ１３に印加される電圧が過剰電圧とならないように制御することができる。

そして、キャパシタ２１が回収した減速時の回生電力は、車両の減速時以外、すなわち停止時、発進時、走行時または加速時の少なくともいずれかのときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して負荷１７、またはバッテリ１３へと電力供給する。

ところで、バッテリ１３に電力供給を行うためには、ＳＯＣに応じた回生電力の供給が重要となる。その理由を、図２を用いて説明する。

図２は、雰囲気温度２５℃において、一般的な鉛バッテリに対して１４．５Ｖを印加した場合、５秒後に鉛バッテリへ入力できる（バッテリが受け入れる）電流値と、ＳＯＣの変化を表した特性図である。

ＳＯＣは、鉛バッテリの定格容量（放電電流と放電時間の積。単位：Ａｈ）を１００％と定義し、このＳＯＣが１００％の状態から所定時間、所定電流を放電した場合の残容量を、残容量／定格容量の比率で表している。例えば、定格容量が５０Ａｈの鉛バッテリから１０Ａで１時間放電する。この結果、残容量は、５０Ａｈから１０Ａｈを差し引いた値、４０Ａｈとなる。つまり、このときのＳＯＣは、４０Ａｈ／５０Ａｈ＝８０％となる。

図２より、ＳＯＣがほぼ１００％の場合、鉛バッテリへ入力できる電流値は０Ａに近く、回生電力を受け入れる余地が無い。しかも、鉛バッテリに対して１４．５Ｖを超えるような過大な印加電圧による充電を行なうと、鉛バッテリ内に存在する電解液の電気分解により、ガスの発生や充電ロスが発生する。その結果、鉛バッテリの寿命に悪影響を与えることになる。特に車両に搭載される制御弁式の鉛バッテリは、過大な印加電圧を掛けて充電した場合、寿命に与える悪影響が大きい。

一方、図２より、ＳＯＣを低下させれば、鉛バッテリが受け入れる電流値が高くなることは明らかである。しかしながら、鉛バッテリは、ＳＯＣが低下し過ぎた場合、電力の入出力に対する耐久性が劣化するという特性を有している。そこで、鉛バッテリにおけるＳＯＣの過剰な低下を防止するため、次のような改善がなされている。例えば、内部を構成するセパレータとして、ガラス繊維や耐酸性の樹脂繊維をマット状として用いた鉛バッテリ、電解液にＳｉＯ₂等を添加してゲル状とした鉛バッテリ、負極活物質として導電性のカーボンを０．２重量％〜３．０重量％添加した鉛バッテリ等が開発されており、このような鉛バッテリを用いてもよい。

従来は、鉛バッテリが使用されるバッテリ１３には、絶えず電力を継続して入力し、ほぼ満充電を維持した状態で使用することが一般的であった。しかしながら、地球温暖化対策の一環や車両の燃費改善を目的としたアイドリングストップが提唱されるようになると、車両停止時には、エンジンを停止するため、入力電力が供給されない状態が発生する。ところが、ナビゲーションシステムや空調などの負荷１７は、アイドリングストップに合わせて停止することがなく、車両の負荷１７は維持されたままなので、バッテリ１３は充放電を繰り返す頻度が高くなる。

そこで本実施の形態を用いて、ＳＯＣを検出する頻度を増やし、ＳＯＣ低下時にはタイミングよく電力供給を行う必要性が高くなっている。しかも発電機１１の発電能力を低減、もしくは発電を停止することもできる。その結果、エンジンへの負荷が軽減可能となり、車両としての燃費が改善する。また、バッテリ１３への印加電圧が所定電圧を保つように制御すれば、過剰電圧の発生を抑制することができ、鉛バッテリの長寿命化が可能となる。

次に、このような車両用電源装置の動作について、図３を用いて説明を行なう。

車両を始動すると、制御回路２５は、ＳＯＣを算出して、バッテリ１３に入力可能な電流値の算出を始める（Ｓ１）。

車両が走り出すと、アクセルの開度やエンジンの回転数、あるいはブレーキの踏み込み状態やエンジンへの燃料噴射量などの諸情報が制御回路２５へ伝達され、制御回路２５は車両が減速しているか否かを検出する（Ｓ２）。

車両の減速時（Ｓ２のＹＥＳ）、制御回路２５は、エンジンに機械的に結合した発電機１１がエンジン回転に応じて積極的に発電を行うように指示して、回生電力を発生させる（Ｓ３）。この時、発電できる回生電力は、エンジンの回転数や減速の度合いによって変動する。一方、バッテリ１３が受け入れ可能な電流Ｉ１１の最大値は、次のようにして決まる。つまり、発電機１１の発電電力と負荷１７による消費電力、さらにキャパシタ２１とＤＣ／ＤＣコンバータ１９による入出力電流Ｉ２１、Ｉ２２とがバランスする結果として、バッテリ１３の充放電が行われる。このバッテリ１３の充放電に応じて、バッテリ１３のＳＯＣは変化し、その結果として受け入れ可能な電流Ｉ１１が定まる。

ＳＯＣは、車両の走行状態やその負荷１７に応じて刻々と変化するため、受け入れ可能な電流Ｉ１１の電流値も変化する。

従って、制御回路２５は、ＳＯＣに応じてバッテリ１３が受け入れ可能な最新の電流値を算出し、わずかな時間に急増する電圧と大量に流れる電流からなる回生電力から、最大電流を越えない適切な入力電流Ｉｂがバッテリ１３へ流れるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１９を制御する。すなわち、負荷１７へ流れる電流Ｉ３は、適宜定まるため、バッテリ１３の入力電流Ｉｂが算出した電流となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９への入力電流を制御する（Ｓ４）。

ここで、バッテリ１３の電圧を検出する電圧検出部１４を設けるとともに、制御回路２５は、算出したＳＯＣに応じて、バッテリ１３の印加電圧が所定電圧となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１９の入力電流Ｉ２１を制御してもよい。この結果、バッテリ１３に対して不必要な印加電圧を加えることがなくなり、ガスの発生や、充電時の充電損失を抑制することができる。この所定電圧は、バッテリ１３の開放電圧から充電電圧の間（例えばバッテリ１３の開放電圧より高い約１３Ｖ）で設定すればよく、バッテリ１３へ印加される印加電圧の許容範囲は、バッテリ１３の特性劣化や、寿命へ悪影響を与えない範囲で設定すればよい。

キャパシタ２１の電圧が入力できる上限電圧に達していない場合（Ｓ５のＮＯ）、キャパシタ２１の容量には余裕があると判断し、更に車両状態を検出して更なる回生電力の回収を行う。一方、キャパシタ２１の電圧が入力できる上限電圧に達した場合（Ｓ５のＹＥＳ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９はキャパシタ２１への電流Ｉ２１の入力を停止する（Ｓ６）。

次に、減速以外の状態、すなわち、車両が停止、発進、定速走行または加速している場合における動作について説明する。

図３に示すように、制御回路２５が、アクセルの開度やエンジンの回転数、あるいはブレーキの踏み込み状態やエンジンへの燃料噴射量などの諸情報から車両が、減速以外の状態にあることを検出する（Ｓ２のＮＯ）。

この状態では、上述したように、キャパシタ２１には減速時に蓄えた回生電力が、充電電力として充電されている。そこで、制御回路２５は、発電機１１が発電する電力の発電量を抑制する、あるいは、発電機１１を停止する（Ｓ７）。

制御回路２５は、キャパシタ２１に蓄えた充電電力を負荷１７へ放電するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を制御する。この際、制御回路２５は、算出したＳＯＣに応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１９の出力電流Ｉ２２を制御する（Ｓ８）。

ここで、制御回路２５は、バッテリ１３の入力電流Ｉｂが最小となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１９を制御してもよい。入力電流Ｉｂの制御は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９の出力電流Ｉ２２を制御して行う。これにより、バッテリ１３の充電損失を低減できるので、回収した電力を有効的に活用することが可能となる。

さらに、制御回路２５は、算出したＳＯＣに応じて、バッテリ１３の印加電圧が所定電圧となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１９の出力電流Ｉ２２を制御してもよい。これにより、上記したようにバッテリ１３に対して不必要な印加電圧を加えることがなくなり、ガスの発生や、充電時の充電損失を抑制することができる。この所定電圧は、上記と同様にバッテリ１３の開放電圧から充電電圧の間で設定すればよい。

従って、回生電力を効率よく使用することができるとともに、バッテリ１３の寿命を少しでも延ばすことが可能となる。

なお、上述した状態は、例えばアイドリングストップ車であれば、車両が停止することで、エンジンも停止し、発電機１１からの電力供給が無い場合も含まれる。さらに、車両の発進時や加速時において、発電機１１を停止し、キャパシタ２１からＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して負荷１７へと蓄えた電力を出力する。こうすれば、エンジンに対する負荷が大きい車両の発進時や加速時に、発電機１１を停止させることが可能となり、エンジン負荷を低減することで、エンジンから車軸へと出力される駆動力をアップすることができる。

その後、制御回路２５は、キャパシタ２１の電圧を検出し、所定の下限電圧に至っていない場合は、車両の走行状態を検出しながら、キャパシタ２１からの出力を継続するように動作する（Ｓ９のＮＯ）。一方、制御回路２５が、キャパシタ２１の電圧が下限電圧に至ったことを検出した場合（Ｓ９のＹＥＳ）は、キャパシタ２１からの出力を停止するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１９を停止する（Ｓ１０）。

なお、キャパシタ２１から出力を行う場合、より好ましい制御について説明する。

バッテリ１３のＳＯＣが１００％、いわゆる満充電となっている場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９が、キャパシタ２１から負荷１７へと電流Ｉ３を出力するように切り替わっている。この状態であれば、図２を用いて説明したように、バッテリ１３に対する入力電流Ｉｂはほとんど流れない。

一方、バッテリ１３のＳＯＣが著しく低下した場合、さらなるＳＯＣの低下を抑制するために、充電損失は発生するものの、キャパシタ２１からバッテリ１３へと充電することが望まれる。

このような場合でも、ＳＯＣを検出しながら、バッテリ１３への入力電流Ｉｂが最小となるように制御すれば、バッテリ１３の充電損失を最小限に止めることが可能となる。

以上説明した車両用電源装置を用いれば、従来の電源装置に対して次のような作用効果を得ることができる。

車両減速時に、発電機１１にて回生電力が発生した場合、従来の電源装置では、回生電力から負荷１７で消費する分を差し引いた電力がバッテリ１３へ印加するため、バッテリ１３の電圧が上昇していた。

本実施の形態の車両用電源装置では、電流検出部１５で入力電流Ｉｂを検出し、この検出結果から算出するＳＯＣに応じた電流Ｉ１１をバッテリ１３へ入力する。

つまり、車両減速時に、発電機１１にて発生した回生電力から、負荷１７が消費する電力とバッテリ１３への入力電流Ｉｂが最小となる電力とを差し引いた結果を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９からキャパシタ２１へと入力するよう制御するので、バッテリ１３への印加電圧の上昇は抑制できる。

その結果、バッテリ１３では、充電効率の高い領域で回生電力を入力することが可能となる。

キャパシタ２１は、大電流の入出力に適した電気二重層キャパシタを用いているが、その電力密度は小さい。従って、車両が最高速度から減速した時に発生する最大回生電力を回収する場合、従来は、車両に搭載できるキャパシタ２１の形状から制限される容量までしか回生電力を回収することができなかった。

本実施の形態の車両用電源装置では、ＳＯＣに応じて入力可能な回生電力をバッテリ１３へと入力し、その余剰となる回生電力をキャパシタ２１へと分割して回収するように制御する。こうすれば、より多くの回生電力を回収することが可能となるため、回生電力を大きく設定することが可能となる。しかも上記したように、バッテリ１３へ印加される電圧を抑制できるため、バッテリ１３の充電効率が高い領域で回生電力を受け入れ可能となり、過大な印加電圧によるバッテリ１３のガス発生や充電ロス発生が低減され、バッテリ１３を長寿命化することも可能となる。

本実施の形態の車両用電源装置を用いれば、ＳＯＣに応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１９の入出力を切替えることで、バッテリ１３への印加電圧、つまり負荷１７への印加電圧を制御しているため、従来の電源装置よりも印加電圧が安定化する。よって、ワイパー等のモータ系負荷やヘッドライト等のバルブ系負荷へも安定した電圧を供給できるので、モータ系負荷の動作速度やバルブ系負荷の明るさ等にばらつきやちらつきが発生することを抑制することが可能となる。

しかも、バッテリ１３の印加電圧を所定の電圧（上記した約１３Ｖ）となるように制御できるため、バッテリ１３の能力を安定して活用することができる。

本実施の形態において、ＳＯＣを求める方法としては、満充電状態から入出力するバッテリ１３の電流Ｉ１１、Ｉ１２の値を積算することにより求める方法や、減速時の回生電力、または減速時以外に発電機１１によって発電する電力が、バッテリ１３へと入力する電流Ｉ１１を電流検出部１５にて検出し、この電流値を図２に示す特性図と照らし合わせて求める方法が挙げられる。なお、後者の場合、減速時だけでなく減速以前にも電流Ｉ１１の検出を行なうことで、常にＳＯＣを求めることができる。

すなわち、本実施の形態にかかる車両用電源装置は、発電機１１とバッテリ１３とを搭載する車両に用いられる車両用電源装置であって、バッテリ１３に流れる電流Ｉ１１、Ｉ１２を検出する電流検出部１５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して発電機１１に接続するキャパシタ２１と制御回路２５とを有している。制御回路２５は、電流検出部１５が検出する電流Ｉ１１からバッテリ１３の充電状態を算出するとともに、車両の走行状態、少なくとも車両が減速しているか否かを検出し、車両が減速するときに、算出したバッテリ１３の充電状態に基いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介してキャパシタ２１へ入力する電流Ｉ２１を制御する。また、制御回路２５は、電流検出部１５が検出する電流Ｉ１２からバッテリ１３の充電状態を算出し、車両が減速するときを除き、算出したバッテリ１３の充電状態に基いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介してキャパシタ２１から出力する電流Ｉ２２を制御する。

このような車両用電源装置において、ＳＯＣに応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１へ入力する電流Ｉ２１を制御することにより、次の効果を得ることができる。

バッテリ１３に用いる鉛バッテリは、ＳＯＣにより受け入れ可能な入力電流Ｉｂが変化する。この受け入れ可能な入力電流Ｉｂ以上の充電を行なうためには、鉛バッテリに過大な印加電圧を加えることが必要となる。ところが、鉛バッテリに過大な印加電圧を加えた場合、鉛バッテリ内にある電解液が電気分解することでガスが発生したり、充電効率が低い大電流にて充電を行うことになり、損失が発生する。その結果、受け入れ可能な回生エネルギー量が低下するとともに、鉛バッテリの寿命に悪影響を与えてしまう。

そこで、バッテリ１３のＳＯＣを検出し、バッテリ１３への入力電流Ｉ１１がＳＯＣに応じた入力電流Ｉｂとなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介してキャパシタ２１に入力する電流を制御する。

これにより、車両の減速時に、発電機１１によって発生した回生電力は、バッテリ１３のＳＯＣに応じた電流Ｉ１１、負荷１７への電流Ｉ３、およびＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１へ入力する電流Ｉ２１として吸収されるので、回生電力を最大限に回収することができる。

この時ＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１へ入力する電流値は、バッテリ１３のＳＯＣに応じた入力電流Ｉｂとなるように制御されるので、結果としてバッテリ１３への印加電圧は必要最小限の電圧となる。その結果、充電効率の高い領域での入力となって回生エネルギーが増すとともに、バッテリ１３への過電圧が防止されるため、バッテリ１３の寿命への影響は最小限となるのである。特に、バッテリ１３への印加電圧を所定の電圧となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１へ入力する電流値を制御すればよい。

つぎに、このような車両用電源装置が、ＳＯＣに応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１から出力する電流Ｉ２２を制御する。

こうすれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１へ入力する時と同様に、キャパシタ２１から出力する場合においてもバッテリ１３への印加電圧は必要最小限の電圧となるため、バッテリ１３に過電圧が印加されることが防止され、バッテリ１３の寿命への影響は最小限となる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９が、キャパシタ２１から出力する電流値を、バッテリ１３の入力電流Ｉｂが最小となるように制御する。

キャパシタ２１から出力する場合には、バッテリ１３への入力電流Ｉｂを最小限とするような制御を行なうことで、バッテリ１３の入力時に発生する入力損失を最小限とすることが可能となるため、キャパシタ２１に蓄えたエネルギーを有効活用することが可能となる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における車両用電源装置の概略ブロック回路図である。図４中、実施の形態１と同じ構成要素には同じ番号を付して詳細な説明を援用する。

本実施の形態にかかる車両用電源装置は、発電機１１とバッテリ１３とを搭載する車両に用いられる車両用電源装置であって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して発電機１１に接続するキャパシタ２１と、キャパシタ２１に流れる第２の電流Ｉ２１、Ｉ２２を、発電機１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１９の双方を協調して制御する制御回路２５とを設ける。

図４中、実施の形態１と異なる点は、制御回路２５が発電機１１に対して制御を行なう点と、キャパシタ２１の電圧情報Ｖｋを制御回路２５に入力している点である。本構成であれば、制御回路２５は、発電機１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１９を用いてキャパシタ２１に対して行う入出力制御を、互いに連携しながら制御、すなわち協調して制御できる。さらに、制御回路２５に対して、図示しない車両情報を入力することにより、減速、停車、発進、走行、加速といった車両状況をより細かく把握できるので、協調制御することで以下のような効果を得ることができる。

車両が減速する時に、発電機１１が回生電力を発電すると、制御回路２５は、それに同期したタイミングでＤＣ／ＤＣコンバータ１９を動作することができる。従って、バッテリ１３に印加される電圧のオーバーシュートをより少なくできる。その結果、車両減速時における、負荷１９への供給電圧の安定化とバッテリ１３の長寿命化を実現できる。

制御回路２５は、キャパシタ２１が充電している時に、キャパシタ２１の電圧Ｖｋを検出する。もし、電圧Ｖｋが満充電電圧であれば、それ以上の電力をキャパシタ２１に入力することができない。そこで、制御回路２５は、バッテリ１３が充電するに足る電流値が供給できる程度に、発電機１１の発電量を抑制する。こうすれば、キャパシタ２１が満充電状態に至った場合でも、バッテリ１３への過剰電圧印加を防止できるので、バッテリ１３を長寿命化することができる。

少なくともＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１に充電した電力を出力している期間は、発電機１１の発電を停止することも可能となり、バッテリ１３の印加電圧安定化とともに燃費改善をより効果的に行なうことができる。

なお、実施の形態１、２の車両用電源装置は、キャパシタ２１として電気二重層キャパシタを用いているが、これは電気化学キャパシタ等の他の蓄電素子でもよい。さらに、電気二重層キャパシタは要求される電力仕様に応じて、複数個を直列、並列、または直並列に接続すればよい。

実施の形態１、２の車両用電源装置は、バッテリ１３に制御弁式、もしくはこれに準じた、ＳＯＣ低下時の充放電耐久性を有する鉛バッテリが適しているが、これはリチウム二次電池でもよい。リチウム二次電池もＳＯＣを低下させることが可能であり、しかも実施の形態１、２の構成とすることで、過充電状態における負極へのリチウムの析出や、電解液の分解によるガス発生等を低減することができる。

ところで、実施の形態１、２に記載の車両用電源装置において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１に対して入出力を行う際、電流による制御を行うようにしている。これは、例えば電力による入出力制御を行う構成とした場合、キャパシタ２１の電力を検出するために、電圧センサや電流センサを設けたり、これらのセンサ出力を演算する等の複雑な構成、制御が必要となる。特に、キャパシタ２１に電気二重層キャパシタを用いる場合、電気二重層キャパシタは放電直後に入力電流が流れやすいという特性を有するため、キャパシタ２１に対する電力の入出力に伴い電圧値と電流値の両方が変化し、定電力制御が困難になる。

実施の形態１、２では、回路構成を簡素にし、簡単な制御を行うことで、車両用電源装置としての安定性、信頼性を確保することを優先した。

バッテリ１３に使用する鉛バッテリは、放電直後、ＳＯＣに応じた入力電流よりも瞬間的に大きな電流を受け入れることができる（電流受入性がよくなる）という特性を有している。このため、発電機１１の能力によっては、この鉛バッテリの印加電圧に瞬時的な変化が発生する。これに対して、本実施の形態１、２に記載の車両用電源装置によれば、ＳＯＣを検出し、このＳＯＣに応じた制御を行うことで、瞬間的な受入電流を制限できる。従って、発電機１１による、瞬時的なバッテリ１３の印加電圧の変化を、抑制することも可能である。

このように、発電機１１も併せて制御することにより、キャパシタ２１が満充電となった場合に、バッテリ１３には過剰な電圧が印加されないように制御できるので、よりバッテリ寿命へ与える影響を軽減することが可能となる。

以上の説明から明らかなように、例えば、従来の電源装置は、図５に示す電気二重層キャパシタ１０９を用いることで、確かに高効率に回生できる。しかし、発電部１０１や電気二重層キャパシタ１０９の電力を蓄電池１０７へと入力するには、制御回路１１１が蓄電池１０７の電圧情報に基づいて電力制御ユニット１０５に接続された発電部１０１、蓄電池１０７、電気二重層キャパシタ１０９を切り替える必要がある。すなわち、このような構成では、蓄電池１０７への無駄な充電を抑制し蓄電池１０７の電池寿命の改善を図ることはできるものの、蓄電池１０７への入力電圧や入力電流は特に制御されていない。

その結果、蓄電池１０７へ過大な電圧が印加されるため、蓄電池１０７に必要以上の入力電流が流れ、充電効率の低い領域での充電となってしまう上に、蓄電池１０７の寿命が短縮される。また制動により発生する大電流をスイッチングする電力制御ユニットには高い信頼性が要求され、ユニットを実現するためには、高いコストが必要となる。

本実施の形態は、充電効率の高い領域での回生動作を行なうことにより、回生可能なエネルギー量を増すとともに、蓄電池を長寿命化することができる。

本実施の形態によれば、少なくとも車両の減速時に発生する制動エネルギーを回生電力として回収し、負荷等へ電力供給を行なう車両において、回生電力を最大限に回収することが可能であり、かつバッテリへ不要な過剰電圧印加を防止することができるので、バッテリの長寿命化を図ることができる。

実施の形態１、２に記載の車両用電源装置は、エンジン駆動車を対象として説明したが、これに限定されるものではなく、発電機を搭載する車両であればハイブリッド車や電気自動車等であっても同様の効果を奏することができる。

本発明にかかる車両用電源装置は、発電機が発電する電力を最大限に蓄電し、この蓄電した電力を有効に活用することで車両の燃費改善を図ることができる。

しかも、回生電力受け入れ時のように、わずかな時間に高電圧、大電流が入力することで生じていたバッテリ寿命に関する悪影響を低減することにより、バッテリの長寿命化を実現することができるので、特に回生機能を有する車両用電源装置等として有用である。

本発明は、車両の減速時には、発電機によって積極的に回生電力を発生させて蓄電し、車両の減速時以外、すなわち停止時、発進時、走行時や加速時には、この蓄電した回生電力を負荷等への電力として活用する車両用電源装置に関するものである。

近年、地球環境保護の流れを受け、特に自動車（以下、車両という）においては燃費改善による二酸化炭素の排出量低減が求められている。車両の燃費改善についても様々な取組がなされているが、その方法の一つとして減速時に発生する回生電力を蓄電し、車両の停止時、発進時、走行時や加速時にこの蓄電した回生電力を負荷等の電力として活用するものがある。

ハイブリッド車のように、走行用モータを用いて駆動する車両の電源装置としては、図５に示すものがある。

図５は、この電源装置の概略ブロック回路図を示す。発電部（本願発明の「発電機」）１０１は車両の走行用モータ１０３に内蔵される。発電部１０１は、電力制御ユニット１０５を介して蓄電池１０７や電気二重層キャパシタ１０９と接続している。

発電部１０１の出力情報、蓄電池１０７と電気二重層キャパシタ１０９の電圧情報、および車両側から得られる車速信号とアクセルペダル操作信号は、制御回路１１１へ入力される。制御回路１１１は電力制御ユニット１０５を制御する。なお、制御回路１１１はマイクロプロセッサと周辺回路（Ｉ／Ｏ、ＲＡＭ、ＲＯＭ）で構成する。

この電源装置の動作を説明する。制御回路１１１が、車速信号とアクセルペダル操作信号から車両の制動を検出すると、制御回路１１１は、発電部１０１の回生電力を電気二重層キャパシタ１０９へ充電するように電力制御ユニット１０５を制御する。

電気二重層キャパシタ１０９は急速充放電特性に優れているので、車両制動時のわずかな時間に急増する発電量の変化に対しても、効率よく電気エネルギーを回収できる。その後、車両走行時において、この電源装置は、走行用モータ１０３に対して優先的に電気二重層キャパシタ１０９の電力を供給し、停車時には電気二重層キャパシタ１０９の電力を蓄電池１０７に充電することで高い電力回収効率が得られる（特許文献１参照）。

一方、従来から存在するエンジン駆動車では、車両の減速時には、発電機で発生する回生電力を電気二重層コンデンサへ蓄え、減速時以外では、この電気二重層コンデンサが蓄えた回生電力を放出するものがある（特許文献２参照）。

特開２００２−２３８１０８号公報 特許第３４６５２９３号公報

本発明の車両用電源装置は、発電機とバッテリとを搭載する車両に用いられる車両用電源装置であって、バッテリへ流れる第１の電流を検出する電流検出部と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して発電機に接続するキャパシタと、制御回路とを有している。

制御回路は、電流検出部が検出する第１の電流からバッテリの充電状態（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ、以下「ＳＯＣ」と記す。）を算出するとともに、車両の走行状態を検出し、車両が減速するときに、算出したバッテリの充電状態に基いて、ＤＣ／ＤＣコンバータを介してキャパシタへ入力する第２の入力電流を制御する。

このように、車両の減速時に、発電機に発生する回生電力を、ＳＯＣに応じて使用することにより、従来活用していなかったエネルギーを有効に利用することができる。

本発明の実施の形態１における車両用電源装置の概略ブロック回路図 本発明の実施の形態１におけるバッテリの充電状態ＳＯＣによるバッテリへの充電電流の変化を示す特性図 本発明の実施の形態１における車両用電源装置の動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態２における車両用電源装置の概略ブロック回路図 従来の電源装置の概略ブロック回路図

以下、本発明の実施の形態における車両用電源装置について、添付の図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における車両用電源装置の概略ブロック回路図である。

図１に示すように、発電機１１は車両のエンジン（図示せず）と機械的に結合しており、エンジンが回転することで発電する。バッテリ１３と電流検出部１５とは直列に接続してあり、その両端を発電機１１と並列に接続している。バッテリ１３は安価で容量が大きい鉛バッテリを用いることが一般的であるが、リチウム二次電池を用いてもよい。

電流検出部１５は、バッテリ１３の入出力電流である第１の電流であって、バッテリ１３に入力する第１の入力電流（以下、電流Ｉ１１）および、バッテリ１３から出力する第１の出力電流（以下、電流Ｉ１２）を検出する。

車両の負荷１７は発電機１１と並列に接続される。負荷１７はスタータ、電動補機、ナビゲーションやカーオーディオ等様々なものがある。発電機１１にはＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介してキャパシタ２１が接続されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１９は、電流の流れる方向と流れる電流値を制御している。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９に流れる電流の方向を切り替えることで、キャパシタ２１への入力および出力を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して流れる第２の電流であって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介してキャパシタ２１へと流れる第２の入力電流を電流Ｉ２１、キャパシタ２１からＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して流れる第２の出力電流を電流Ｉ２２とする。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９への入力電流を制御すれば、キャパシタ２１への入力電流を制御することができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１９は、入力のみを行う回路と出力のみを行う回路とを組合せてもよく、１つの回路で入力および出力の機能を有する双方向型の回路を用いてもよい。特に車両に搭載するには、双方向型の回路を用いて、小型化を図るほうがよい。

キャパシタ２１は、充放電可能な素子で構成される。特に、バッテリ１３として鉛バッテリを用いた場合、この鉛バッテリに対してエネルギー密度、容量は小さくなるが、大電流での入出力が可能である電気二重層キャパシタを用いることが適している。バッテリ１３とキャパシタ２１の組合せは、この車両用電源装置を構成する発電機１１の回生電力の発電能力、バッテリ１３、キャパシタ２１及びこれらを搭載する車両の大きさなどの条件から最適値を算出すればよい。

バッテリ１３とキャパシタ２１の組合せは、車両を設計する際の考え方に従い、その容量比率が検討される。本発明の発明者は、鉛バッテリと電気二重層キャパシタの容量比率を、
鉛バッテリの容量：電気二重層キャパシタの容量＝１００：１
程度とすることで、ひとつの良好な結果を得た。

制御回路２５は、ＣＰＵやＲＡＭ、ＲＯＭを用いた電子制御装置で構成される。制御回路２５は、発電機１１やバッテリ１３の電圧Ｖｂ、および電流検出部１５が検出するバッテリ１３の入力電流Ｉｂなどの情報からＳＯＣ（バッテリ１３の充電状態）を算出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を制御する。なお、バッテリ１３の電圧Ｖｂを検出する電圧検出部１４は、バッテリ１３の電圧を検出できるものであれば、その方法は特に問わない。

さらに、制御回路２５は、停止、加速、走行、減速という車両の走行状態を検出し、電力の発生部である発電機１１から、電力を一時貯めるバッテリ１３、キャパシタ２１、そして電力を消費する負荷１７までの全体最適な制御を行うことも可能である。なお、制御回路２５が行う機能は、電子回路で行うこともできる。

ここで、本実施の形態にかかる車両用電源装置の概要について説明する。車両の燃費改善を目的として、従来、熱エネルギーとして捨てていた車両の減速時に発生するエネルギーを、エンジン（図示せず）に結合した発電機１１を用いて回生電力を発生させ、回収するものが提案されている。しかしながら、一般的に車両用のバッテリ１３として広く使用されている鉛バッテリは、化学反応を用いてエネルギーを蓄積する性質を有するため、発電機１１が作り出す、わずかな時間に急増する電圧と大量に流れる電流からなる回生電力を吸収することができない。

そこで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介してこの回生電力をキャパシタ２１へ入力する。それは、キャパシタ２１として、わずかな時間に急増する電圧と大量に流れる電流からなる回生電力を吸収することに適した電気二重層キャパシタを設置しているからである。

なお、キャパシタ２１に取り込める瞬時電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９が通電できる能力によって制限されるため、発電機１１の発電能力とＤＣ／ＤＣコンバータ１９がこの電力をキャパシタ２１へ通電する能力とを、ほぼ一致させておくことが望ましい。これにより、発電機１１の発電能力が高くても、バッテリ１３に印加される電圧が過剰電圧とならないように制御することができる。

そして、キャパシタ２１が回収した減速時の回生電力は、車両の減速時以外、すなわち停止時、発進時、走行時または加速時の少なくともいずれかのときに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して負荷１７、またはバッテリ１３へと電力供給する。

ところで、バッテリ１３に電力供給を行うためには、ＳＯＣに応じた回生電力の供給が重要となる。その理由を、図２を用いて説明する。

図２は、雰囲気温度２５℃において、一般的な鉛バッテリに対して１４．５Ｖを印加した場合、５秒後に鉛バッテリへ入力できる（バッテリが受け入れる）電流値と、ＳＯＣの変化を表した特性図である。

ＳＯＣは、鉛バッテリの定格容量（放電電流と放電時間の積。単位：Ａｈ）を１００％と定義し、このＳＯＣが１００％の状態から所定時間、所定電流を放電した場合の残容量を、残容量／定格容量の比率で表している。例えば、定格容量が５０Ａｈの鉛バッテリから１０Ａで１時間放電する。この結果、残容量は、５０Ａｈから１０Ａｈを差し引いた値、４０Ａｈとなる。つまり、このときのＳＯＣは、４０Ａｈ／５０Ａｈ＝８０％となる。

図２より、ＳＯＣがほぼ１００％の場合、鉛バッテリへ入力できる電流値は０Ａに近く、回生電力を受け入れる余地が無い。しかも、鉛バッテリに対して１４．５Ｖを超えるような過大な印加電圧による充電を行なうと、鉛バッテリ内に存在する電解液の電気分解により、ガスの発生や充電ロスが発生する。その結果、鉛バッテリの寿命に悪影響を与えることになる。特に車両に搭載される制御弁式の鉛バッテリは、過大な印加電圧を掛けて充電した場合、寿命に与える悪影響が大きい。

一方、図２より、ＳＯＣを低下させれば、鉛バッテリが受け入れる電流値が高くなることは明らかである。しかしながら、鉛バッテリは、ＳＯＣが低下し過ぎた場合、電力の入出力に対する耐久性が劣化するという特性を有している。そこで、鉛バッテリにおけるＳＯＣの過剰な低下を防止するため、次のような改善がなされている。例えば、内部を構成するセパレータとして、ガラス繊維や耐酸性の樹脂繊維をマット状として用いた鉛バッテリ、電解液にＳｉＯ₂等を添加してゲル状とした鉛バッテリ、負極活物質として導電性のカーボンを０．２重量％〜３．０重量％添加した鉛バッテリ等が開発されており、このような鉛バッテリを用いてもよい。

従来は、鉛バッテリが使用されるバッテリ１３には、絶えず電力を継続して入力し、ほぼ満充電を維持した状態で使用することが一般的であった。しかしながら、地球温暖化対策の一環や車両の燃費改善を目的としたアイドリングストップが提唱されるようになると、車両停止時には、エンジンを停止するため、入力電力が供給されない状態が発生する。ところが、ナビゲーションシステムや空調などの負荷１７は、アイドリングストップに合わせて停止することがなく、車両の負荷１７は維持されたままなので、バッテリ１３は充放電を繰り返す頻度が高くなる。

そこで本実施の形態を用いて、ＳＯＣを検出する頻度を増やし、ＳＯＣ低下時にはタイミングよく電力供給を行う必要性が高くなっている。しかも発電機１１の発電能力を低減、もしくは発電を停止することもできる。その結果、エンジンへの負荷が軽減可能となり、車両としての燃費が改善する。また、バッテリ１３への印加電圧が所定電圧を保つように制御すれば、過剰電圧の発生を抑制することができ、鉛バッテリの長寿命化が可能となる。

次に、このような車両用電源装置の動作について、図３を用いて説明を行なう。

車両を始動すると、制御回路２５は、ＳＯＣを算出して、バッテリ１３に入力可能な電流値の算出を始める（Ｓ１）。

車両が走り出すと、アクセルの開度やエンジンの回転数、あるいはブレーキの踏み込み状態やエンジンへの燃料噴射量などの諸情報が制御回路２５へ伝達され、制御回路２５は車両が減速しているか否かを検出する（Ｓ２）。

車両の減速時（Ｓ２のＹＥＳ）、制御回路２５は、エンジンに機械的に結合した発電機１１がエンジン回転に応じて積極的に発電を行うように指示して、回生電力を発生させる（Ｓ３）。この時、発電できる回生電力は、エンジンの回転数や減速の度合いによって変動する。一方、バッテリ１３が受け入れ可能な電流Ｉ１１の最大値は、次のようにして決まる。つまり、発電機１１の発電電力と負荷１７による消費電力、さらにキャパシタ２１とＤＣ／ＤＣコンバータ１９による入出力電流Ｉ２１、Ｉ２２とがバランスする結果として、バッテリ１３の充放電が行われる。このバッテリ１３の充放電に応じて、バッテリ１３のＳＯＣは変化し、その結果として受け入れ可能な電流Ｉ１１が定まる。

ＳＯＣは、車両の走行状態やその負荷１７に応じて刻々と変化するため、受け入れ可能な電流Ｉ１１の電流値も変化する。

従って、制御回路２５は、ＳＯＣに応じてバッテリ１３が受け入れ可能な最新の電流値を算出し、わずかな時間に急増する電圧と大量に流れる電流からなる回生電力から、最大電流を越えない適切な入力電流Ｉｂがバッテリ１３へ流れるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１９を制御する。すなわち、負荷１７へ流れる電流Ｉ３は、適宜定まるため、バッテリ１３の入力電流Ｉｂが算出した電流となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９への入力電流を制御する（Ｓ４）。

ここで、バッテリ１３の電圧を検出する電圧検出部１４を設けるとともに、制御回路２５は、算出したＳＯＣに応じて、バッテリ１３の印加電圧が所定電圧となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１９の入力電流Ｉ２１を制御してもよい。この結果、バッテリ１３に対して不必要な印加電圧を加えることがなくなり、ガスの発生や、充電時の充電損失を抑制することができる。この所定電圧は、バッテリ１３の開放電圧から充電電圧の間（例えばバッテリ１３の開放電圧より高い約１３Ｖ）で設定すればよく、バッテリ１３へ印加される印加電圧の許容範囲は、バッテリ１３の特性劣化や、寿命へ悪影響を与えない範囲で設定すればよい。

キャパシタ２１の電圧が入力できる上限電圧に達していない場合（Ｓ５のＮＯ）、キャパシタ２１の容量には余裕があると判断し、更に車両状態を検出して更なる回生電力の回収を行う。一方、キャパシタ２１の電圧が入力できる上限電圧に達した場合（Ｓ５のＹＥＳ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９はキャパシタ２１への電流Ｉ２１の入力を停止する（Ｓ６）。

次に、減速以外の状態、すなわち、車両が停止、発進、定速走行または加速している場合における動作について説明する。

図３に示すように、制御回路２５が、アクセルの開度やエンジンの回転数、あるいはブレーキの踏み込み状態やエンジンへの燃料噴射量などの諸情報から車両が、減速以外の状態にあることを検出する（Ｓ２のＮＯ）。

この状態では、上述したように、キャパシタ２１には減速時に蓄えた回生電力が、充電電力として充電されている。そこで、制御回路２５は、発電機１１が発電する電力の発電量を抑制する、あるいは、発電機１１を停止する（Ｓ７）。

制御回路２５は、キャパシタ２１に蓄えた充電電力を負荷１７へ放電するように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を制御する。この際、制御回路２５は、算出したＳＯＣに応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１９の出力電流Ｉ２２を制御する（Ｓ８）。

ここで、制御回路２５は、バッテリ１３の入力電流Ｉｂが最小となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１９を制御してもよい。入力電流Ｉｂの制御は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９の出力電流Ｉ２２を制御して行う。これにより、バッテリ１３の充電損失を低減できるので、回収した電力を有効的に活用することが可能となる。

さらに、制御回路２５は、算出したＳＯＣに応じて、バッテリ１３の印加電圧が所定電圧となるようにＤＣ／ＤＣコンバータ１９の出力電流Ｉ２２を制御してもよい。これにより、上記したようにバッテリ１３に対して不必要な印加電圧を加えることがなくなり、ガスの発生や、充電時の充電損失を抑制することができる。この所定電圧は、上記と同様にバッテリ１３の開放電圧から充電電圧の間で設定すればよい。

従って、回生電力を効率よく使用することができるとともに、バッテリ１３の寿命を少しでも延ばすことが可能となる。

なお、上述した状態は、例えばアイドリングストップ車であれば、車両が停止することで、エンジンも停止し、発電機１１からの電力供給が無い場合も含まれる。さらに、車両の発進時や加速時において、発電機１１を停止し、キャパシタ２１からＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して負荷１７へと蓄えた電力を出力する。こうすれば、エンジンに対する負荷が大きい車両の発進時や加速時に、発電機１１を停止させることが可能となり、エンジン負荷を低減することで、エンジンから車軸へと出力される駆動力をアップすることができる。

その後、制御回路２５は、キャパシタ２１の電圧を検出し、所定の下限電圧に至っていない場合は、車両の走行状態を検出しながら、キャパシタ２１からの出力を継続するように動作する（Ｓ９のＮＯ）。一方、制御回路２５が、キャパシタ２１の電圧が下限電圧に至ったことを検出した場合（Ｓ９のＹＥＳ）は、キャパシタ２１からの出力を停止するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１９を停止する（Ｓ１０）。

なお、キャパシタ２１から出力を行う場合、より好ましい制御について説明する。

バッテリ１３のＳＯＣが１００％、いわゆる満充電となっている場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９が、キャパシタ２１から負荷１７へと電流Ｉ３を出力するように切り替わっている。この状態であれば、図２を用いて説明したように、バッテリ１３に対する入力電流Ｉｂはほとんど流れない。

一方、バッテリ１３のＳＯＣが著しく低下した場合、さらなるＳＯＣの低下を抑制するために、充電損失は発生するものの、キャパシタ２１からバッテリ１３へと充電することが望まれる。

このような場合でも、ＳＯＣを検出しながら、バッテリ１３への入力電流Ｉｂが最小となるように制御すれば、バッテリ１３の充電損失を最小限に止めることが可能となる。

以上説明した車両用電源装置を用いれば、従来の電源装置に対して次のような作用効果を得ることができる。

車両減速時に、発電機１１にて回生電力が発生した場合、従来の電源装置では、回生電力から負荷１７で消費する分を差し引いた電力がバッテリ１３へ印加するため、バッテリ１３の電圧が上昇していた。

本実施の形態の車両用電源装置では、電流検出部１５で入力電流Ｉｂを検出し、この検出結果から算出するＳＯＣに応じた電流Ｉ１１をバッテリ１３へ入力する。

つまり、車両減速時に、発電機１１にて発生した回生電力から、負荷１７が消費する電力とバッテリ１３への入力電流Ｉｂが最小となる電力とを差し引いた結果を、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９からキャパシタ２１へと入力するよう制御するので、バッテリ１３への印加電圧の上昇は抑制できる。

その結果、バッテリ１３では、充電効率の高い領域で回生電力を入力することが可能となる。

キャパシタ２１は、大電流の入出力に適した電気二重層キャパシタを用いているが、その電力密度は小さい。従って、車両が最高速度から減速した時に発生する最大回生電力を回収する場合、従来は、車両に搭載できるキャパシタ２１の形状から制限される容量までしか回生電力を回収することができなかった。

本実施の形態の車両用電源装置では、ＳＯＣに応じて入力可能な回生電力をバッテリ１３へと入力し、その余剰となる回生電力をキャパシタ２１へと分割して回収するように制御する。こうすれば、より多くの回生電力を回収することが可能となるため、回生電力を大きく設定することが可能となる。しかも上記したように、バッテリ１３へ印加される電圧を抑制できるため、バッテリ１３の充電効率が高い領域で回生電力を受け入れ可能となり、過大な印加電圧によるバッテリ１３のガス発生や充電ロス発生が低減され、バッテリ１３を長寿命化することも可能となる。

本実施の形態の車両用電源装置を用いれば、ＳＯＣに応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１９の入出力を切替えることで、バッテリ１３への印加電圧、つまり負荷１７への印加電圧を制御しているため、従来の電源装置よりも印加電圧が安定化する。よって、ワイパー等のモータ系負荷やヘッドライト等のバルブ系負荷へも安定した電圧を供給できるので、モータ系負荷の動作速度やバルブ系負荷の明るさ等にばらつきやちらつきが発生することを抑制することが可能となる。

しかも、バッテリ１３の印加電圧を所定の電圧（上記した約１３Ｖ）となるように制御できるため、バッテリ１３の能力を安定して活用することができる。

本実施の形態において、ＳＯＣを求める方法としては、満充電状態から入出力するバッテリ１３の電流Ｉ１１、Ｉ１２の値を積算することにより求める方法や、減速時の回生電力、または減速時以外に発電機１１によって発電する電力が、バッテリ１３へと入力する電流Ｉ１１を電流検出部１５にて検出し、この電流値を図２に示す特性図と照らし合わせて求める方法が挙げられる。なお、後者の場合、減速時だけでなく減速以前にも電流Ｉ１１の検出を行なうことで、常にＳＯＣを求めることができる。

すなわち、本実施の形態にかかる車両用電源装置は、発電機１１とバッテリ１３とを搭載する車両に用いられる車両用電源装置であって、バッテリ１３に流れる電流Ｉ１１、Ｉ１２を検出する電流検出部１５と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して発電機１１に接続するキャパシタ２１と制御回路２５とを有している。制御回路２５は、電流検出部１５が検出する電流Ｉ１１からバッテリ１３の充電状態を算出するとともに、車両の走行状態、少なくとも車両が減速しているか否かを検出し、車両が減速するときに、算出したバッテリ１３の充電状態に基いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介してキャパシタ２１へ入力する電流Ｉ２１を制御する。また、制御回路２５は、電流検出部１５が検出する電流Ｉ１２からバッテリ１３の充電状態を算出し、車両が減速するときを除き、算出したバッテリ１３の充電状態に基いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介してキャパシタ２１から出力する電流Ｉ２２を制御する。

このような車両用電源装置において、ＳＯＣに応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１へ入力する電流Ｉ２１を制御することにより、次の効果を得ることができる。

バッテリ１３に用いる鉛バッテリは、ＳＯＣにより受け入れ可能な入力電流Ｉｂが変化する。この受け入れ可能な入力電流Ｉｂ以上の充電を行なうためには、鉛バッテリに過大な印加電圧を加えることが必要となる。ところが、鉛バッテリに過大な印加電圧を加えた場合、鉛バッテリ内にある電解液が電気分解することでガスが発生したり、充電効率が低い大電流にて充電を行うことになり、損失が発生する。その結果、受け入れ可能な回生エネルギー量が低下するとともに、鉛バッテリの寿命に悪影響を与えてしまう。

そこで、バッテリ１３のＳＯＣを検出し、バッテリ１３への入力電流Ｉ１１がＳＯＣに応じた入力電流Ｉｂとなるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介してキャパシタ２１に入力する電流を制御する。

これにより、車両の減速時に、発電機１１によって発生した回生電力は、バッテリ１３のＳＯＣに応じた電流Ｉ１１、負荷１７への電流Ｉ３、およびＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１へ入力する電流Ｉ２１として吸収されるので、回生電力を最大限に回収することができる。

この時ＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１へ入力する電流値は、バッテリ１３のＳＯＣに応じた入力電流Ｉｂとなるように制御されるので、結果としてバッテリ１３への印加電圧は必要最小限の電圧となる。その結果、充電効率の高い領域での入力となって回生エネルギーが増すとともに、バッテリ１３への過電圧が防止されるため、バッテリ１３の寿命への影響は最小限となるのである。特に、バッテリ１３への印加電圧を所定の電圧となるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１へ入力する電流値を制御すればよい。

つぎに、このような車両用電源装置が、ＳＯＣに応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１から出力する電流Ｉ２２を制御する。

こうすれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１へ入力する時と同様に、キャパシタ２１から出力する場合においてもバッテリ１３への印加電圧は必要最小限の電圧となるため、バッテリ１３に過電圧が印加されることが防止され、バッテリ１３の寿命への影響は最小限となる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９が、キャパシタ２１から出力する電流値を、バッテリ１３の入力電流Ｉｂが最小となるように制御する。

キャパシタ２１から出力する場合には、バッテリ１３への入力電流Ｉｂを最小限とするような制御を行なうことで、バッテリ１３の入力時に発生する入力損失を最小限とすることが可能となるため、キャパシタ２１に蓄えたエネルギーを有効活用することが可能となる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における車両用電源装置の概略ブロック回路図である。図４中、実施の形態１と同じ構成要素には同じ番号を付して詳細な説明を援用する。

本実施の形態にかかる車両用電源装置は、発電機１１とバッテリ１３とを搭載する車両に用いられる車両用電源装置であって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９を介して発電機１１に接続するキャパシタ２１と、キャパシタ２１に流れる第２の電流Ｉ２１、Ｉ２２を、発電機１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１９の双方を協調して制御する制御回路２５とを設ける。

図４中、実施の形態１と異なる点は、制御回路２５が発電機１１に対して制御を行なう点と、キャパシタ２１の電圧情報Ｖｋを制御回路２５に入力している点である。本構成であれば、制御回路２５は、発電機１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１９を用いてキャパシタ２１に対して行う入出力制御を、互いに連携しながら制御、すなわち協調して制御できる。さらに、制御回路２５に対して、図示しない車両情報を入力することにより、減速、停車、発進、走行、加速といった車両状況をより細かく把握できるので、協調制御することで以下のような効果を得ることができる。

車両が減速する時に、発電機１１が回生電力を発電すると、制御回路２５は、それに同期したタイミングでＤＣ／ＤＣコンバータ１９を動作することができる。従って、バッテリ１３に印加される電圧のオーバーシュートをより少なくできる。その結果、車両減速時における、負荷１９への供給電圧の安定化とバッテリ１３の長寿命化を実現できる。

制御回路２５は、キャパシタ２１が充電している時に、キャパシタ２１の電圧Ｖｋを検出する。もし、電圧Ｖｋが満充電電圧であれば、それ以上の電力をキャパシタ２１に入力することができない。そこで、制御回路２５は、バッテリ１３が充電するに足る電流値が供給できる程度に、発電機１１の発電量を抑制する。こうすれば、キャパシタ２１が満充電状態に至った場合でも、バッテリ１３への過剰電圧印加を防止できるので、バッテリ１３を長寿命化することができる。

少なくともＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１に充電した電力を出力している期間は、発電機１１の発電を停止することも可能となり、バッテリ１３の印加電圧安定化とともに燃費改善をより効果的に行なうことができる。

なお、実施の形態１、２の車両用電源装置は、キャパシタ２１として電気二重層キャパシタを用いているが、これは電気化学キャパシタ等の他の蓄電素子でもよい。さらに、電気二重層キャパシタは要求される電力仕様に応じて、複数個を直列、並列、または直並列に接続すればよい。

実施の形態１、２の車両用電源装置は、バッテリ１３に制御弁式、もしくはこれに準じた、ＳＯＣ低下時の充放電耐久性を有する鉛バッテリが適しているが、これはリチウム二次電池でもよい。リチウム二次電池もＳＯＣを低下させることが可能であり、しかも実施の形態１、２の構成とすることで、過充電状態における負極へのリチウムの析出や、電解液の分解によるガス発生等を低減することができる。

ところで、実施の形態１、２に記載の車両用電源装置において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１９がキャパシタ２１に対して入出力を行う際、電流による制御を行うようにしている。これは、例えば電力による入出力制御を行う構成とした場合、キャパシタ２１の電力を検出するために、電圧センサや電流センサを設けたり、これらのセンサ出力を演算する等の複雑な構成、制御が必要となる。特に、キャパシタ２１に電気二重層キャパシタを用いる場合、電気二重層キャパシタは放電直後に入力電流が流れやすいという特性を有するため、キャパシタ２１に対する電力の入出力に伴い電圧値と電流値の両方が変化し、定電力制御が困難になる。

実施の形態１、２では、回路構成を簡素にし、簡単な制御を行うことで、車両用電源装置としての安定性、信頼性を確保することを優先した。

バッテリ１３に使用する鉛バッテリは、放電直後、ＳＯＣに応じた入力電流よりも瞬間的に大きな電流を受け入れることができる（電流受入性がよくなる）という特性を有している。このため、発電機１１の能力によっては、この鉛バッテリの印加電圧に瞬時的な変化が発生する。これに対して、本実施の形態１、２に記載の車両用電源装置によれば、ＳＯＣを検出し、このＳＯＣに応じた制御を行うことで、瞬間的な受入電流を制限できる。従って、発電機１１による、瞬時的なバッテリ１３の印加電圧の変化を、抑制することも可能である。

このように、発電機１１も併せて制御することにより、キャパシタ２１が満充電となった場合に、バッテリ１３には過剰な電圧が印加されないように制御できるので、よりバッテリ寿命へ与える影響を軽減することが可能となる。

以上の説明から明らかなように、例えば、従来の電源装置は、図５に示す電気二重層キャパシタ１０９を用いることで、確かに高効率に回生できる。しかし、発電部１０１や電気二重層キャパシタ１０９の電力を蓄電池１０７へと入力するには、制御回路１１１が蓄電池１０７の電圧情報に基づいて電力制御ユニット１０５に接続された発電部１０１、蓄電池１０７、電気二重層キャパシタ１０９を切り替える必要がある。すなわち、このような構成では、蓄電池１０７への無駄な充電を抑制し蓄電池１０７の電池寿命の改善を図ることはできるものの、蓄電池１０７への入力電圧や入力電流は特に制御されていない。

その結果、蓄電池１０７へ過大な電圧が印加されるため、蓄電池１０７に必要以上の入力電流が流れ、充電効率の低い領域での充電となってしまう上に、蓄電池１０７の寿命が短縮される。また制動により発生する大電流をスイッチングする電力制御ユニットには高い信頼性が要求され、ユニットを実現するためには、高いコストが必要となる。

本実施の形態は、充電効率の高い領域での回生動作を行なうことにより、回生可能なエネルギー量を増すとともに、蓄電池を長寿命化することができる。

本実施の形態によれば、少なくとも車両の減速時に発生する制動エネルギーを回生電力として回収し、負荷等へ電力供給を行なう車両において、回生電力を最大限に回収することが可能であり、かつバッテリへ不要な過剰電圧印加を防止することができるので、バッテリの長寿命化を図ることができる。

実施の形態１、２に記載の車両用電源装置は、エンジン駆動車を対象として説明したが、これに限定されるものではなく、発電機を搭載する車両であればハイブリッド車や電気自動車等であっても同様の効果を奏することができる。

本発明にかかる車両用電源装置は、発電機が発電する電力を最大限に蓄電し、この蓄電した電力を有効に活用することで車両の燃費改善を図ることができる。

しかも、回生電力受け入れ時のように、わずかな時間に高電圧、大電流が入力することで生じていたバッテリ寿命に関する悪影響を低減することにより、バッテリの長寿命化を実現することができるので、特に回生機能を有する車両用電源装置等として有用である。

１１ 発電機
１３ バッテリ
１４ 電圧検出部
１５ 電流検出部
１７ 負荷
１９ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１ キャパシタ
２５ 制御回路

Claims (13)

1. 発電機とバッテリとを搭載する車両に用いられる車両用電源装置であって、
   前記バッテリへ流れる第１の電流を検出する電流検出部と、
   ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記発電機に接続するキャパシタと、
   前記電流検出部が検出する前記第１の電流から前記バッテリの充電状態を算出するとともに、
   前記車両が減速しているか否かを検出し、
   前記車両が減速するときに、前記算出した前記バッテリの充電状態に基いて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記キャパシタへ入力する第２の入力電流を制御する、
   ように動作する制御回路と、
   を備える車両用電源装置。
2. 前記発電機で生じた回生電力のうち、前記第１の電流であって前記バッテリへと入力する第１の入力電流が前記バッテリの充電状態に応じた電流値となるように、前記制御回路は、前記第２の入力電流を制御する、
   請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記バッテリの電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
   前記電圧が前記バッテリの充電状態に応じた所定電圧となるように、前記制御回路は、前記第２の入力電流を制御する、
   請求項１に記載の車両用電源装置。
4. 発電機とバッテリとを搭載する車両に用いられる車両用電源装置であって、
   前記バッテリへ流れる第１の電流を検出する電流検出部と、
   ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記発電機に接続するキャパシタと、
   前記電流検出部が検出する前記第１の電流から前記バッテリの充電状態を算出するとともに、
   前記車両が減速しているか否かを検出し、
   前記車両が減速していないときに、前記算出した前記バッテリの充電状態に基いて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記キャパシタから出力する第２の出力電流を制御する、
   ように動作する制御回路と、
   を備える車両用電源装置。
5. 前記キャパシタから出力される放電電流のうち、前記第１の電流であって前記バッテリへと入力する第１の入力電流が前記バッテリの充電状態に応じた電流値となるように、前記制御回路は、前記第２の出力電流を制御する、
   請求項４に記載の車両用電源装置。
6. 前記バッテリの電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
   前記電圧が前記バッテリの充電状態に応じた所定電圧となるように、前記制御回路は、前記第２の出力電流を制御する、
   請求項４に記載の車両用電源装置。
7. 前記制御回路は、前記電流検出部が検出する前記第１の電流を積算することで前記バッテリの充電状態を算出する、
   請求項１または４に記載の車両用電源装置。
8. 前記車両が減速するときに前記発電機にて生じる回生電力または、前記車両が減速していないときに前記発電機にて生じる電力を、前記バッテリへ入力する際に流れる前記第１の入力電流から、前記電流検出部が検出した結果に基いて、前記制御回路は、前記バッテリの充電状態を算出する、
   請求項１または４に記載の車両用電源装置。
9. 発電機とバッテリとを搭載する車両に用いられる車両用電源装置であって、
   前記バッテリに流れる第１の電流を検出する電流検出部と、
   ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記発電機に接続するキャパシタと、
   前記車両が減速することで生じた回生電力を充電した前記キャパシタが放電する場合に、前記バッテリへ流れる第１の入力電流が最小となるように、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記キャパシタから出力する第２の出力電流を制御する制御回路と、
   を備えた車両用電源装置。
10. 発電機とバッテリとを搭載する車両に用いられる車両用電源装置であって、
    ＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記発電機に接続するキャパシタと、
    前記発電機と前記ＤＣ／ＤＣコンバータの双方を協調して、前記キャパシタに流れる第２の電流を制御する制御回路と、
    を備えた車両用電源装置。
11. 前記制御回路は、
    前記車両の走行状態を検出し、
    前記車両が減速するときの前記発電機の発電に同期して前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記キャパシタへと第２の入力電流を入力する、
    請求項１０に記載の車両用電源装置。
12. 前記制御回路は、
    前記キャパシタの充電量を検出し、
    前記充電量が満充電となったことを検出した場合、前記発電機の発電量を低減する、
    請求項１０に記載の車両用電源装置。
13. 前記制御回路は、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記キャパシタが第２の出力電流を出力している期間は、前記発電機の発電を停止し、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータを介して前記キャパシタが前記第２の出力電流を出力しない期間は、前記発電機は発電可能とする、
    請求項１０に記載の車両用電源装置。

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