WO2013027337A1

WO2013027337A1 - 車両用電源装置

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Publication number: WO2013027337A1
Application number: PCT/JP2012/004853
Authority: WO
Inventors: 久純渡邉; 公康垣内; 真人我妻
Original assignee: パナソニック株式会社
Priority date: 2011-08-24
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2013-02-28
Also published as: JPWO2013027337A1; US20140132002A1; CN103765001A; EP2749763A1

Abstract

　車両用電源装置は、バッテリと、充電回路と、キャパシタと、スイッチと、電圧検出回路と、電流検出回路と、制御回路と、記憶部を有する。充電回路は、バッテリの正極に電気的に接続されている。キャパシタの正極は、充電回路に電気的に接続されている。スイッチの第１端子がキャパシタの正極に接続され、第２端子がバッテリの正極に接続され、第３端子がスタータに接続されている。電圧検出回路は、キャパシタに並列に接続され、キャパシタ電圧Ｖｃを検出する。電流検出回路は、充電回路とキャパシタの正極との間に接続され、キャパシタ充電電流Ｉｃを検出する。制御回路は、充電回路、スイッチ、スタータ、電圧検出回路、電流検出回路および記憶部に電気的に接続されている。

Description

車両用電源装置

　本発明は、アイドリングストップ機能を有する車両に搭載する車両用電源装置に関する。

　車両のエンジンを始動するためのスタータを駆動する際、始動制御装置は、キャパシタの電力をスタータに供給する。図５は、従来のエンジンの始動制御装置のシステム構成図である。車両の減速時に回生ジェネレータ１０１により回生されたエネルギはキャパシタ１０３に蓄えられる。キャパシタ１０３はＤＣ／ＤＣコンバータ１０５を介してバッテリ１０７と接続されている。エンジン１０９を始動するスタータ１１１はキャパシタ１０３とバッテリ１０７のいずれによっても駆動される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０５の一次側には、キャパシタ１０３の電圧を計測する電圧センサ１１３が取り付けられている。エンジン１０９には、その単位時間当たりの回転数を計測するためのエンジン回転数センサ１１５が取り付けられている。以下、単位時間当たりの回転数を単に回転数と記す。

　キャパシタ１０３の電力をスタータ１１１へ供給してエンジン１０９を始動する場合、エンジンの回転数が目標値に到達する前にキャパシタ１０３からスタータ１１１への通電が停止される。通電を停止する回転数はキャパシタ電圧に応じて定められている。これにより、エンジンの回転数が目標値を上回ることによるエンジン１０９の吹き上がりがなく、エンジン１０９が、良好に始動される。上記の先行技術文献としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００３－３５２４３号公報

　エンジンと、エンジンを始動させるスタータとを有する車両に用いられ、スタータの駆動を行う車両用電源装置であって、車両用電源装置は、バッテリと、充電回路と、キャパシタと、スイッチと、電圧検出回路と、電流検出回路と、制御回路と、記憶部とを有する。充電回路は、バッテリの正極に電気的に接続されている。キャパシタの正極は、充電回路に電気的に接続されている。スイッチの第１端子がキャパシタの正極に接続され、第２端子がバッテリの正極に接続され、第３端子がスタータに接続されている。電圧検出回路は、キャパシタに並列に接続され、キャパシタ電圧（Ｖｃ）を検出する。電流検出回路は、充電回路とキャパシタの正極との間に接続され、キャパシタ充電電流（Ｉｃ）を検出する。記憶部は、スタータ駆動エネルギ（Ｅｓ）と、エンジン始動直前キャパシタ電圧（Ｖｅ）と、スタータ内部抵抗（Ｒｓ）と、スタータ最大電流（Ｉｓ）の値を保持している。制御回路は、充電回路、スイッチ、スタータ、電圧検出回路、電流検出回路および記憶部に電気的に接続されている。

　スイッチの第３端子は第１端子または第２端子と接続可能であり、制御回路は、スタータを駆動するためにキャパシタを充電する際に、キャパシタ電圧（Ｖｃ）と、キャパシタ充電電流（Ｉｃ）とからキャパシタ内部抵抗（Ｒ）とキャパシタ容量（Ｃ）を求める。そして、制御回路は、キャパシタ内部抵抗（Ｒ）、キャパシタ容量（Ｃ）、および、記憶部に保持されているスタータ駆動エネルギ（Ｅｓ）、エンジン始動直前キャパシタ電圧（Ｖｅ）、スタータ内部抵抗（Ｒｓ）、スタータ最大電流（Ｉｓ）に基いて決定されるキャパシタ充電電圧（Ｖ１）まで、キャパシタを充電するように、充電回路を制御する。

　ここで、スタータ駆動エネルギ（Ｅｓ）は、スタータを駆動するための電気エネルギである。エンジン始動直前キャパシタ電圧（Ｖｅ）は、エンジンが始動して回転し始める直前のキャパシタ電圧である。スタータ内部抵抗（Ｒｓ）は、スタータの内部抵抗である。スタータ最大電流（Ｉｓ）は、スタータの回転開始に必要な電流である。

図１は、本発明の実施の形態における車両用電源装置のブロック回路図である。図２Ａは、本発明の実施の形態における車両用電源装置のキャパシタの充電動作を示すフローチャートである。図２Ｂは、図２Ａに続く動作であって、本発明の実施の形態における車両用電源装置のキャパシタの充電動作を示すフローチャートである。図３は、本発明の実施の形態における車両用電源装置のスタータの駆動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における車両用電源装置のスタータの駆動時におけるキャパシタ電圧の経時特性図である。図５は、従来のエンジンの始動制御装置のシステム構成図である。

　従来のエンジンの始動制御装置は、キャパシタ電圧に応じて通電を停止する回転数が定められている。そのため、キャパシタ電圧が高い状態（特許文献１では４０Ｖ）が続くことによるキャパシタの寿命への影響が考慮されていない。キャパシタ電圧が高い状態が続くと、キャパシタ１０３の寿命が短くなる場合がある。

　以下、本実施の形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本実施の形態における車両用電源装置のブロック回路図である。図１において太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。また、本実施の形態における車両はアイドリングストップ機能付きである。

　車両用電源装置１０は、バッテリ１１と、充電回路１３と、キャパシタ１５と、スイッチ１７と、スタータ１９と、電圧検出回路２３と、電流検出回路２５と、制御回路２９と、記憶部２００とを有する。バッテリ１１は、エンジン（図示せず）を有する車両（図示せず）に搭載されている。充電回路１３は、バッテリ１１の正極に電気的に接続されている。キャパシタ１５の正極が、充電回路１３に電気的に接続されている。すなわち、キャパシタ１５は、充電回路１３を介して、バッテリ１１と電気的に接続されている。３端子のスイッチ１７の第１端子５０１がキャパシタ１５の正極に接続され、第２端子５０２がバッテリ１１の正極に接続され、第３端子５０３がスタータ１９に電気的に接続されている。第１端子５０１と第２端子５０２は選択端子であり、第３端子５０３は共通端子である。

　電圧検出回路２３は、キャパシタ１５に並列に接続され、キャパシタ電圧Ｖｃを検出する。電流検出回路２５は、充電回路１３とキャパシタ１５の正極との間に接続され、キャパシタ充電電流Ｉｃを検出する。記憶部２００は、スタータ駆動エネルギ（Ｅｓ）と、エンジン始動直前キャパシタ電圧（Ｖｅ）と、スタータ内部抵抗（Ｒｓ）と、スタータ最大電流（Ｉｓ）の所定の値を保持している。制御回路２９は、充電回路１３、スイッチ１７、スタータ１９、電圧検出回路２３、電流検出回路２５および記憶部２００と電気的に接続されている。

　制御回路２９は、キャパシタ１５を充電する際に、キャパシタ電圧Ｖｃと、キャパシタ充電電流Ｉｃとから、キャパシタ内部抵抗Ｒとキャパシタ容量Ｃを求める。そして、制御回路２９は、キャパシタ内部抵抗Ｒ、キャパシタ容量Ｃ、および、記憶部２００に保持されている所定のスタータ駆動エネルギＥｓ、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅ、スタータ内部抵抗Ｒｓ、スタータ最大電流Ｉｓに基いて決定されるキャパシタ充電電圧Ｖ１まで、キャパシタ１５を充電するように充電回路１３を制御する。

　すなわち、キャパシタ１５の劣化状態を反映するキャパシタ内部抵抗Ｒとキャパシタ容量Ｃに基いて、スタータ１９を駆動できる電圧であるキャパシタ充電電圧Ｖ１までキャパシタ１５を充電する。キャパシタ１５のキャパシタ内部抵抗Ｒが小さくキャパシタ容量Ｃが大きい場合に、スタータ１９を駆動するために、キャパシタ１５が不必要に高い電圧で充電されるのを防げる。そのため、キャパシタ１５の劣化の進行が遅くなる。すなわち、キャパシタ１５の寿命を延ばせるようにスタータ１９を駆動できる。

　以下、本実施の形態の構成、動作についてより具体的に説明する。図１において、車両に搭載される発電機３１は、エンジンにより電力を発生する。発電機３１にはバッテリ１１と、種々の電装品からなる負荷（図示せず）が電力系配線で電気的に接続されている。バッテリ１１は、例えば鉛バッテリである。

　バッテリ１１の正極には、充電回路１３が電気的に接続されている。充電回路１３はバッテリ１１や発電機３１の電力をキャパシタ１５に充電する。充電回路１３は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータである。これにより、充電初期の定電流充電と充電末期の定電圧充電とを切り替えて、キャパシタ１５を充電できる。なお、充電回路１３はＤＣ／ＤＣコンバータに限定されず、ドロッパ回路や、抵抗器とスイッチとの組み合わせ等であってもよい。

　充電回路１３にはキャパシタ１５が電気的に接続されている。キャパシタ１５は電気二重層キャパシタで構成されている。具体的には、キャパシタ１５は、定格電圧２．５Ｖの電気二重層キャパシタを６本直列に接続し、構成されている。従って、キャパシタ１５は１５Ｖ（＝２．５Ｖ×６）まで充電ができ、発電機３１が発生する電圧（１４．５Ｖ）まで十分に充電できる。なお、この１５Ｖの電圧を、既定上限電圧Ｖ１ｕと呼ぶ。但し、既定上限電圧Ｖ１ｕは１５Ｖに限定されず、使用する電気二重層キャパシタの定格電圧や本数に応じて適宜決定される。

　キャパシタ１５の正極は、スイッチ１７の選択端子である第１端子５０１と電気的に接続されている。バッテリ１１の正極は、スイッチ１７の選択端子である第２端子５０２と電気的に接続されている。スイッチ１７の共通端子である第３端子５０３には、スタータ１９が電気的に接続されている。スタータ１９は直流モータ方式であり、エンジンを始動するために用いられる。すなわち、スイッチ１７は２つの選択端子（第１端子５０１、第２端子５０２）と１つの共通端子（第３端子５０３）を有する３端子構成のリレーである。スイッチ１７は、外部からの信号により、共通端子がいずれか一方の選択端子と接続するオン状態か、またはいずれの選択端子とも接続されないオフ状態に切り替わる。スタータ１９を駆動しない通常時は、スイッチ１７はオフ状態である。

　なお、スイッチ１７は３端子構成に限定されず、２つのオンオフ型スイッチを組み合わせて、３端子構成と等価になるように構成してもよい。また、スイッチ１７はリレーに限定されず、半導体スイッチ素子などを用いてもよい。

　スタータ１９には、その温度Ｔを検出するための温度センサ２１が配置されている。温度センサ２１としては、温度Ｔに対する感度が大きいサーミスタが用いられる。但し、温度センサ２１はサーミスタに限定されず、熱電対など他の方式であってもよい。また、本実施の形態では、温度センサ２１をスタータ１９に配置しているが、エンジンに配置してもよい。エンジンとスタータ１９は近接して配置されているため、両者の温度差は小さい。従って、温度センサ２１は、スタータ１９とエンジンのどちらに配置してもよい。すなわち、スタータ１９またはエンジンの温度を測定できれば、配置場所は限定されない。

　キャパシタ１５には、電圧検出回路２３が並列に接続されている。電圧検出回路２３はキャパシタ電圧Ｖｃを検出して制御回路２９に出力する。充電回路１３のキャパシタ１５側には、電流検出回路２５が接続されている。すなわち電流検出回路２５は、充電回路１３とキャパシタ１５の正極との間に接続されている。電流検出回路２５はキャパシタ充電電流Ｉｃを検出して制御回路２９に出力する。電流検出回路２５としては、構成が簡単なシャント抵抗方式を用いている。但し、電流検出回路２５はシャント抵抗方式に限定されず、ホール素子を用いた磁気的な検出方式を用いてもよい。

　充電回路１３、スイッチ１７、スタータ１９、温度センサ２１、電圧検出回路２３、および電流検出回路２５は制御回路２９と信号系配線で電気的に接続されている。制御回路２９は車両全体を制御する構成であってもよい。その場合には、制御回路２９は、図１に記載した以外にも様々な機器と信号系配線で接続されている。但し、本実施の形態では、構成、動作の説明に必要な機器以外は省略している。

　制御回路２９はマイクロコンピュータとメモリ等の周辺回路で構成されている。制御回路２９と記憶部２００は、一体に構成されていてもよい。制御回路２９は、温度センサ２１から温度Ｔを、電圧検出回路２３からキャパシタ電圧Ｖｃを、電流検出回路２５からキャパシタ充電電流Ｉｃを、検出する。また、制御回路２９は、スタータ信号ＳＴを出力してスタータ１９の駆動を制御するとともに、スイッチ信号ＳＷを出力してスイッチ１７を切替える。さらに、制御回路２９は、制御信号ｃｏｎｔにより充電回路１３を制御する。ここで、制御信号ｃｏｎｔは双方向の信号であり、充電回路１３の制御に加え、充電回路１３の動作状態を制御回路２９に出力する。従って、制御回路２９は、キャパシタ電圧Ｖｃやキャパシタ充電電流Ｉｃに基いて、充電回路１３のフィードバック制御（例えば定電流制御や定電圧制御）を行える。

　なお、発電機３１、スタータ１９、バッテリ１１、充電回路１３、キャパシタ１５の負極はアースされている。

　次に、車両用電源装置１０の動作について説明する。本実施の形態における車両はアイドリングストップ機能を有するので、停車するとエンジンが停止し、走行前にエンジンが再始動する。この一連の動作の中で、本実施の形態の特徴となる動作を、以下に詳細に説明する。

　まず、キャパシタ１５の充電動作について説明する。キャパシタ１５は、車両が使用中であり、スタータ１９が駆動していない間に充電回路１３により充電される。図２Ａは、本実施の形態における車両用電源装置のキャパシタの充電動作を示すフローチャートである。図２Ｂは、図２Ａに続く動作であって、本発明の実施の形態における車両用電源装置のキャパシタの充電動作を示すフローチャートである。図２Ａ、図２Ｂは制御回路２９に内蔵されたマイクロコンピュータのメインルーチン（図示せず）からキャパシタ１５の充電時に実行されるサブルーチンを示している。

　メインルーチンから図２Ａ、図２Ｂのサブルーチンが実行されると、まず制御回路２９は、スタータ１９が非駆動か否かを判断する（ステップ番号Ｓ１１）。もし、スタータ１９が駆動していれば（Ｓ１１のＮｏ）、バッテリ１１、またはキャパシタ１５がスタータ１９へ大電流を放電しているので、キャパシタ１５への充電ができない。そこで、制御回路２９はキャパシタ１５の充電動作を行わずに、図２Ａ、図２Ｂのサブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

　一方、スタータ１９が非駆動であれば（Ｓ１１のＹｅｓ）、キャパシタ１５への充電ができる。まず、制御回路２９は、充電開始直前のキャパシタ電圧Ｖｃ１を検出する（Ｓ１７）。次に、制御回路２９は、キャパシタ１５を既定の定電流Ｉで充電し（Ｓ１９）、直ちに充電開始直後のキャパシタ電圧Ｖｃ２を検出する（Ｓ２１）。なお、既定の定電流Ｉの値は、使用するキャパシタ１５の仕様、充電に必要な期間、充電回路１３の許容電流値などに基いて、適宜決定される。電流検出回路２５は、定電流Ｉをキャパシタ充電電流Ｉｃとして測定する（Ｓ２２）。

　これらの検出値から、制御回路２９は、キャパシタ内部抵抗Ｒを、（式１）により求める（Ｓ２３）。

　次に、制御回路２９は、充電開始後、所定期間ｔｓが経過したか否かを判断する（Ｓ２５）。所定期間ｔｓはキャパシタ１５が充電完了するまでの期間であれば任意に設定できるが、充電完了までの期間は車両の使用状態等により変わるので、数秒程度の期間が望ましい。

　もし、所定期間ｔｓが経過していなければ（Ｓ２５のＮｏ）、制御回路２９は所定期間ｔｓが経過するまでＳ２５に戻り、待機する。

　一方、所定期間ｔｓが経過すれば（Ｓ２５のＹｅｓ）、制御回路２９は、その時点におけるキャパシタ電圧Ｖｃ３を検出する（Ｓ２７）。そして、制御回路２９は、キャパシタ容量Ｃを、（式２）より求める（Ｓ２９）。

　次に、制御回路２９は、上記のキャパシタ内部抵抗Ｒとキャパシタ容量Ｃ、および、スタータ駆動エネルギＥｓ、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅ、スタータ内部抵抗Ｒｓ、スタータ最大電流Ｉｓに基いてキャパシタ充電電圧Ｖ１を決定する。なお、スタータ駆動エネルギＥｓ、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅ、スタータ内部抵抗Ｒｓ、スタータ最大電流Ｉｓの値は、記憶部２００に保持されている所定値が用いられる。ただし、これらの所定値は、キャパシタ電圧Ｖｃの経時変化に基づいて更新される。更新の方法は後述する。

　キャパシタ充電電圧Ｖ１の決定の仕方を以下に説明する。まず、キャパシタ１５に蓄える電気エネルギとして、スタータ１９を駆動できるだけの電気エネルギが必要である。ここで、キャパシタ１５に蓄えられる電気エネルギは、キャパシタ充電電圧Ｖ１、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅ、キャパシタ容量Ｃを用いて、（式３Ａ）で表される。この電気エネルギはスタータ駆動エネルギＥｓである。

　（式３Ａ）を用いて、制御回路２９は、スタータ駆動エネルギＥｓ、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅ、キャパシタ容量Ｃより、キャパシタ充電電圧Ｖ１を求める。この場合のキャパシタ充電電圧Ｖ１をキャパシタ充電電圧Ｖ１ａとする（Ｓ３１）。すなわちＶ１ａは（式３Ｂ）で表される。

　一方、スタータ１９を駆動してエンジンを始動するためには、キャパシタ１５からスタータ１９に流れる電流が、スタータ１９の回転開始に必要なトルクから得られる最大電流（スタータ最大電流Ｉｓ）以上でなければならない。すなわち、流れる電流が、スタータ最大電流Ｉｓより低ければ、エンジンは始動できない。そこで、キャパシタ１５からスタータ１９に流れるスタータ最大電流Ｉｓは、スタータ内部抵抗Ｒｓを用いて、（式４Ａ）で表される。

　（式４Ａ）より、制御回路２９は、スタータ内部抵抗Ｒｓ、スタータ最大電流Ｉｓ、キャパシタ内部抵抗Ｒより、キャパシタ充電電圧Ｖ１を求める。この場合のキャパシタ充電電圧Ｖ１をキャパシタ充電電圧Ｖ１ｂとする（Ｓ３３）。すなわちＶ１ｂは（式４Ｂ）で表される。

　上記より、（式３Ｂ）、（式４Ｂ）を満たすキャパシタ充電電圧Ｖ１が、次のようにして決定される。（式３Ｂ）、（式４Ｂ）より、２つのキャパシタ充電電圧Ｖ１ａ、Ｖ１ｂが求められる。この場合、（式３Ｂ）、（式４Ｂ）は共に満たされなければならない最低条件であるので、制御回路２９は、２つのキャパシタ充電電圧Ｖ１ａ、Ｖ１ｂの内、大きい方をキャパシタ充電電圧Ｖ１として決定する（Ｓ３５）。これにより、車両の状態等でパラメータが変わっても、スタータ１９を駆動できる必要十分な電力がキャパシタ１５に蓄えられる。

　次に、制御回路２９は、決定したキャパシタ充電電圧Ｖ１の温度補正を行う。具体的には、温度センサ２１で検出される温度Ｔに応じて、予め求められた温度補正係数ｋをキャパシタ充電電圧Ｖ１に乗じることで、最終のキャパシタ充電電圧Ｖ１が決定される。ここで、温度補正係数ｋは、温度Ｔが低いほど、キャパシタ充電電圧Ｖ１が大きくなるように設定される。温度Ｔが低いほど、エンジンやその補機類が温まっていないので、負荷が重くなり、スタータ１９を駆動しにくくなる。一方、温度Ｔが高いほど、エンジンや補機類が温まっているので、負荷が軽くなり、スタータ１９に過電流が流れる可能性が高まる。従って、温度Ｔと、スタータ１９を駆動するために必要なエネルギ（スタータ駆動エネルギＥｓ）との関係を予め求め、その関係に基いてキャパシタ充電電圧Ｖ１の温度補正係数ｋを決定しておく。こうして得られた温度補正係数ｋは、温度Ｔとの関係を示すテーブルとして記憶部２００に記憶される。

　なお、本実施の形態では温度Ｔと温度補正係数ｋとの関係をテーブルとして記憶部２００に記憶している。しかし、最小二乗法等により温度Ｔと温度補正係数ｋとの近似式を求め、この近似式に温度Ｔを代入することで温度補正係数ｋを求めてもよい。

　温度補正の動作を、図２Ｂを参照しながら説明する。まず、制御回路２９は温度センサ２１より温度Ｔを検出する（Ｓ３７）。次に、制御回路２９は、温度Ｔに応じた温度補正係数ｋをテーブルより求め、Ｓ３５で決定したキャパシタ充電電圧Ｖ１に温度補正係数ｋを乗じ、ｋ・Ｖ１の値をキャパシタ充電電圧Ｖ１とする。これにより、キャパシタ充電電圧Ｖ１の温度補正が行われる（Ｓ３９）。

　制御回路２９は、キャパシタ電圧Ｖｃを検出し（Ｓ４３）、キャパシタ電圧Ｖｃとキャパシタ充電電圧Ｖ１を比較する（Ｓ４５）。もし、キャパシタ電圧Ｖｃがキャパシタ充電電圧Ｖ１未満であれば（Ｓ４５のＹｅｓ）、キャパシタ１５の充電が完了していないので、制御回路２９は、キャパシタ１５をひきつづき充電する（Ｓ４６）。

　一方、キャパシタ電圧Ｖｃがキャパシタ充電電圧Ｖ１以上であれば（Ｓ４５のＮｏ）、制御回路２９はキャパシタ１５の充電を停止するとともに、キャパシタ電圧Ｖｃを維持するように充電回路１３を制御する（Ｓ４７）。その後、図２Ａ、図２Ｂのサブルーチンを終了してメインルーチンに戻る。

　なお、キャパシタ１５の充電はＳ１９で開始されている。Ｓ１９では、キャパシタ１５の充電は突入電流を避けるために定電流Ｉで行なわれる。Ｓ４６において、充電が完了に近づけば、制御回路２９は定電圧充電に切り替えるよう充電回路１３を制御する。これにより、キャパシタ１５に過電圧がかかるのを低減している。

　また、制御回路２９は、キャパシタ充電電圧Ｖ１が既定上限電圧Ｖ１ｕより大きい場合は、キャパシタ１５へ充電をしない。この判断動作は図２Ａ、図２Ｂのサブルーチンを実行する前にメインルーチンで行われる。これにより、キャパシタ１５に過電圧がかかるのを低減する。また、キャパシタ充電電圧Ｖ１が既定上限電圧Ｖ１ｕより大きいということは、キャパシタ内部抵抗Ｒが大きくキャパシタ容量Ｃが小さいことによるキャパシタ１５の劣化が原因である可能性がある。従って、制御回路２９はキャパシタ充電電圧Ｖ１が既定上限電圧Ｖ１ｕより大きい場合、運転者に対してキャパシタ１５の劣化警告を行うようにしてもよい。

　さらに、上記のようにキャパシタ１５の劣化が原因である場合、キャパシタ１５への充電ができないので、キャパシタ１５によるスタータ１９の駆動ができない。そこで、この場合は、制御回路２９は、スイッチ１７の第２端子５０２と第３端子５０３を接続し、バッテリによりスタータ１９を駆動する。

　次に、キャパシタ充電電圧Ｖ１が既定上限電圧Ｖ１ｕ以下で、キャパシタ１５の充電が行える場合のスタータ１９の駆動動作について図３を参照しながら説明する。図３は、本実施の形態における車両用電源装置のスタータの駆動動作を示すフローチャートである。なお、図３のフローチャートも図２Ａ、図２Ｂと同様に、メインルーチンから実行されるサブルーチンである。

　車両がアイドリングストップによりエンジンを停止すると、制御回路２９は図３のサブルーチンを実行する。まず制御回路２９は、アイドリングストップが終了したか否かを判断する（Ｓ５１）。ここで、アイドリングストップの終了は、運転者がブレーキペダルからアクセルペダルに踏み替える動作を、制御回路２９が検知することで判断できる。

　もし、アイドリングストップが終了していなければ（Ｓ５１のＮｏ）、制御回路２９はＳ５１に戻り、アイドリングストップが終了するまで待機する。

　一方、アイドリングストップが終了していれば（Ｓ５１のＹｅｓ）、スタータ１９によりエンジンが再始動される。具体的には、まず、制御回路２９はキャパシタ電圧Ｖｃを経時的に測定する（Ｓ５３）。詳細には、制御回路２９はキャパシタ電圧Ｖｃを一定の間隔でサンプリングし続ける。

　次に、制御回路２９はスイッチ１７の第１端子５０１と第３端子５０３を接続するようスイッチ信号ＳＷを出力し（Ｓ５５）、充電回路１３を停止するよう制御信号ｃｏｎｔを出力する（Ｓ５７）。そして、スタータ１９を駆動するようスタータ信号ＳＴを出力する（Ｓ５９）。これらの動作により、スタータ１９がキャパシタ１５の電力で駆動される。

　次に、制御回路２９はエンジンの始動が完了したか否かを判断する（Ｓ６１）。エンジンの始動の完了は、例えばエンジンの回転数から判断される。もし、エンジンの始動が完了していなければ（Ｓ６１のＮｏ）、制御回路２９はＳ６１に戻り、エンジンの始動が完了するまで待機する。

　一方、エンジンの始動が完了すれば（Ｓ６１のＹｅｓ）、制御回路２９はスタータ１９を停止するようスタータ信号ＳＴを出力する（Ｓ６３）とともに、スイッチ１７をオフにするようスイッチ信号ＳＷを出力する（Ｓ６５）。そして、制御回路２９はキャパシタ電圧Ｖｃの経時的な測定を停止する（Ｓ６７）。

　このような動作により、制御回路２９は、図４に示すようなキャパシタ電圧Ｖｃの経時特性を得る。図４は、本実施の形態における車両用電源装置のスタータの駆動時におけるキャパシタ電圧の経時特性図である。この経時特性の波形から、制御回路２９はスタータ最大電流Ｉｓ、スタータ内部抵抗Ｒｓ、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅ、およびスタータ駆動エネルギＥｓを求める。以下、具体的な求め方を順に説明する。

　まず、制御回路２９は、スタータ１９の駆動初期の波形、すなわち図４の時刻ｔ０から時刻ｔ１のキャパシタ電圧Ｖｃの波形に基いて、スタータ最大電流Ｉｓを求める。具体的には、スタータ１９に電流が流れていない時刻ｔ０では、キャパシタ電圧Ｖｃはキャパシタ充電電圧Ｖ１である。そして、スタータ１９を駆動した直後の時刻ｔ１では、図４に示すように、キャパシタ電圧Ｖｃはキャパシタ内部抵抗Ｒに応じて急峻に電圧降下を起こす。この時、キャパシタ１５からはスタータ最大電流Ｉｓが流れるので、キャパシタ電圧降下幅ΔＶｄは、（式５Ａ）で表される。

　ここで、キャパシタ内部抵抗Ｒは上記したように既に求めている。従って、制御回路２９は、まず図４のキャパシタ電圧Ｖｃの経時特性からキャパシタ電圧降下幅ΔＶｄを求める（Ｓ６９）。次に、制御回路２９はスタータ最大電流Ｉｓを（式５Ｂ）により計算する（Ｓ７１）。

　次に、制御回路２９は、求められたスタータ最大電流Ｉｓを（式４Ａ）に代入することで、スタータ内部抵抗Ｒｓを（式６）により求める（Ｓ７３）。

　次に、制御回路２９は、図４の波形からエンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅを求める。すなわち、図４において、スタータ１９の駆動により、キャパシタ電圧Ｖｃは、時刻ｔ１で大きく低下した後、エンジンが始動して回転し始める直前である時刻ｔ２までに回復する。そして、エンジンが回転を始めると、スタータ１９がエンジンにより駆動されるので、負荷が軽くなり、時刻ｔ２から時刻ｔ３の間で、さらにキャパシタ電圧Ｖｃが急回復する。時刻ｔ２の時点の電圧がエンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅである。ゆえに、制御回路２９は、まず図４の時刻ｔ２付近におけるキャパシタ電圧Ｖｃが変化する波形を、キャパシタ電圧Ｖｃの経時特性データから抽出する（Ｓ７５）。次に、制御回路２９は、時刻ｔ２におけるキャパシタ電圧Ｖｃを、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅとして求める（Ｓ７７）。なお、上記したように、キャパシタ電圧Ｖｃがエンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅに至るまでの期間（ｔ１の直前からｔ２まで）が、実質的にキャパシタ１５の電力でスタータ１９を駆動する期間となる。

　次に、制御回路２９は、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅを（式３Ａ）に代入することで、スタータ駆動エネルギＥｓを求める（Ｓ７９）。

　こうして、制御回路２９は、スタータ１９の駆動を行い、その際のキャパシタ電圧Ｖｃの経時特性から、スタータ最大電流Ｉｓ、スタータ内部抵抗Ｒｓ、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅ、およびスタータ駆動エネルギＥｓを求める。そして、制御回路２９は、記憶部２００に保持されているスタータ最大電流Ｉｓ、スタータ内部抵抗Ｒｓ、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅ、およびスタータ駆動エネルギＥｓの値を保持する。その後、制御回路２９は図３のサブルーチンを終了して、メインルーチンに戻る。

　以上のようにして求められたスタータ最大電流Ｉｓ、スタータ内部抵抗Ｒｓ、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅ、およびスタータ駆動エネルギＥｓを用いて、制御回路２９は次回のキャパシタ１５の充電を行う。このような動作を繰り返すことにより、各種パラメータが車両の使用中に変化しても、制御回路２９は即時的に対処でき、高精度なキャパシタ充電電圧Ｖ１を決定できる。その結果、キャパシタ１５の寿命を延ばすようにスタータ１９を駆動できる。

　なお、本実施の形態において、キャパシタ容量Ｃが小さく、定電流充電の電流値が大きい場合は、エンジン始動後、早期にキャパシタ１５の充電が完了する。しかし、キャパシタ容量Ｃが大きいか、または定電流充電の電流値が小さい場合は、キャパシタ１５の充電が未完了の時にスタータ１９を駆動する場合がある。これは、例えばキャパシタ１５の充電中にアイドリングストップが開始され、その後すぐに運転者がブレーキペダルからアクセルペダルへ踏み替えた時に起こり得る。この場合、本実施の形態では、制御回路２９のメインルーチンがキャパシタ１５の充電を直ちに停止する。そして、キャパシタ１５ではスタータ１９を十分に駆動できないので、制御回路２９は、スイッチ１７の第２端子５０２と第３端子５０３を接続し、バッテリ１１の電力でスタータ１９を駆動する。これにより、アイドリングストップ後にエンジンが再始動できなくなるのを防ぐ。

　また、車両の使用開始時には、車両非使用時においてキャパシタ電圧Ｖｃが自己放電により低下し、キャパシタ１５にエンジンの初期始動を行うだけの電力が十分に蓄えられていない場合がある。そこで、車両の使用開始時において、制御回路２９は、スイッチ１７の第２端子５０２と第３端子５０３を接続し、バッテリ１１の電力でスタータ１９を駆動する。

　ただし、車両の使用開始時にキャパシタ電圧Ｖｃがスタータ１９を十分に駆動できる値、すなわちキャパシタ充電電圧Ｖ１以上であれば、キャパシタ１５によりスタータ１９の駆動を行ってもよい。

　また、スタータ最大電流Ｉｓ、スタータ内部抵抗Ｒｓ、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅ、およびスタータ駆動エネルギＥｓの値に、スタータ１９の確実な駆動に必要な安全係数を乗じた値を、次回の車両使用時におけるキャパシタ１５の充電時に適用してもよい。

　以上の構成、動作により、キャパシタ１５の劣化状態を反映するキャパシタ内部抵抗Ｒとキャパシタ容量Ｃに基いて、スタータ１９を駆動できる電圧、すなわちキャパシタ充電電圧Ｖ１までキャパシタ１５を充電する。これにより、キャパシタ１５のキャパシタ内部抵抗Ｒが小さくキャパシタ容量Ｃが大きい場合においても、スタータ１９の駆動のために、キャパシタ１５が不必要に高い電圧で充電されるのを防ぐ。そのため、キャパシタ１５の劣化の進行が遅くなる。すなわち、キャパシタ１５の寿命を延ばすことができるようにスタータ１９を駆動できる車両用電源装置１０が実現できる。さらに、スタータ１９にも不必要に高い電圧が印加されるのを防ぐことができるので、スタータ１９の寿命も延びる。

　なお、本実施の形態において、制御回路２９は、キャパシタ１５の充電を、スタータ１９の駆動により、エンジンの始動が完了した後に行っている。その結果、エンジンにより動かされる発電機３１の電力でキャパシタ１５を充電している。しかし、キャパシタ１５の充電は発電機３１が動作している時に限定されず、スタータ１９の停止中であればいつでもよい。例えば、発電機３１が停止している状態（アイドリングストップ中、運転者が車両のドアを開けたとき、ドアの開錠したとき等）にキャパシタ１５を充電するようにしてもよい。但し、この場合はバッテリ１１の電力でキャパシタ１５を充電することになるので、バッテリ１１が大容量で、十分に充電されている場合でなければ、バッテリ１１の負担が増す。従って、本実施の形態のように発電機３１の電力でキャパシタ１５を充電する方が好ましい。

　また、本実施の形態では、温度Ｔによりキャパシタ充電電圧Ｖ１を補正しているが、温度補正係数で補正したキャパシタ充電電圧Ｖ１が、補正前と比較して誤差範囲である場合は、特に温度補正を行わなくてもよい。

　また、本実施の形態では、図４のキャパシタ電圧Ｖｃの経時特性より、スタータ最大電流Ｉｓ、スタータ内部抵抗Ｒｓ、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅ、およびスタータ駆動エネルギＥｓの値を更新している。しかし、これらの値を更新せずに、記憶部２００に保持されている所定の値をそのまま用いてもよい。この場合、図４の波形を求める必要がなくなるので、制御回路２９の負担が軽減される。

　また、スタータ１９の駆動初期に求められるスタータ最大電流Ｉｓとスタータ内部抵抗Ｒｓのみを本実施の形態で述べた方法で求め、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅとスタータ駆動エネルギＥｓを所定の値としてもよい。この場合でも、キャパシタ充電電圧Ｖ１を求めることができる。ただし、本実施の形態で述べたように、キャパシタ電圧Ｖｃの経時特性により、スタータ最大電流Ｉｓとスタータ内部抵抗Ｒｓと、エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅと、スタータ駆動エネルギＥｓを求めた方がより正確なキャパシタ充電電圧Ｖ１を求めることができるので好ましい。

　また、本実施の形態では、キャパシタ１５として電気二重層キャパシタを用いたが、これに限定されず、電気化学キャパシタ等の他の大容量キャパシタを用いてもよい。

　本発明にかかる車両用電源装置は、キャパシタの寿命を延ばすようにスタータを駆動できるので、特にアイドリングストップ機能付き車両に搭載する車両用電源装置等として有用である。

　１０　　車両用電源装置
　１１　　バッテリ
　１３　　充電回路
　１５　　キャパシタ
　１７　　スイッチ
　１９　　スタータ
　２１　　温度センサ
　２３　　電圧検出回路
　２５　　電流検出回路
　２９　　制御回路
　３１　　発電機
　２００　　記憶部
　５０１　　第１端子
　５０２　　第２端子
　５０３　　第３端子

Claims

エンジンと、前記エンジンを始動させるスタータとを有する車両に用いられ、
前記スタータの駆動を行う車両用電源装置であって、
バッテリと、
前記バッテリの正極に電気的に接続された充電回路と、
前記充電回路に電気的に接続された正極を有するキャパシタと、
前記キャパシタの前記正極に接続された第１端子と、前記バッテリの前記正極に接続された第２端子と、前記スタータに接続された第３端子とを有する３端子のスイッチと、
前記キャパシタに並列に接続され、キャパシタ電圧Ｖｃを検出する電圧検出回路と、
前記充電回路と前記キャパシタの正極との間に接続され、キャパシタ充電電流Ｉｃを検出する電流検出回路と、
前記スタータを駆動するための電気エネルギであるスタータ駆動エネルギＥｓと、前記エンジンが始動して回転し始める直前のキャパシタ電圧であるエンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅと、前記スタータの内部抵抗であるスタータ内部抵抗Ｒｓと、前記スタータの回転開始に必要な電流であるスタータ最大電流Ｉｓの値を保持する記憶部と、
前記充電回路、前記スイッチ、前記スタータ、前記電圧検出回路、前記電流検出回路および前記記憶部に、電気的に接続された制御回路とを有し、
前記スイッチの前記第３端子は、前記第１端子または前記第２端子と接続可能であり、
前記制御回路は、前記スタータを駆動するために前記キャパシタを充電する際に、前記キャパシタ電圧Ｖｃと、前記キャパシタ充電電流Ｉｃとからキャパシタ内部抵抗Ｒとキャパシタ容量Ｃを求め、
前記キャパシタ内部抵抗Ｒと、
前記キャパシタ容量Ｃと、
前記記憶部に保持されているスタータ駆動エネルギＥｓの値と、
前記記憶部に保持されているエンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅの値と、
前記記憶部に保持されているスタータ内部抵抗Ｒｓの値と、
前記記憶部に保持されているスタータ最大電流Ｉｓの値と、
に基いて決定されるキャパシタ充電電圧Ｖ１まで、前記キャパシタを充電するように、前記充電回路を制御する
車両用電源装置。
前記キャパシタ電圧Ｖｃは、充電開始直前のキャパシタ電圧Ｖｃ１、充電開始直後のキャパシタ電圧Ｖｃ２、所定期間ｔｓが経過した時点におけるキャパシタ電圧Ｖｃ３であり、
前記制御回路は、
前記キャパシタ内部抵抗Ｒを式１により求め、前記キャパシタ容量Ｃを式２により求め、式３より求めたＶ１ａと、式４より求めたＶ１ｂの大きい方を前記キャパシタ充電電圧Ｖ１とする
請求項１に記載の車両用電源装置。
前記制御回路は、前記スイッチの前記第１端子と前記第３端子を接続し、前記スタータを駆動する際に、前記キャパシタ電圧Ｖｃを経時的に測定し、測定された前記キャパシタ電圧Ｖｃの波形から、前記エンジン始動直前キャパシタ電圧Ｖｅ、および前記スタータ駆動エネルギＥｓの値を更新し、前記記憶部に保持する
請求項１に記載の車両用電源装置。
前記制御回路と電気的に接続され、前記エンジンまたは前記スタータの温度を測定する温度センサをさらに有し、
前記制御回路は、前記温度センサで検出される温度に基づいて、前記キャパシタ充電電圧Ｖ１を補正する
請求項１に記載の車両用電源装置。
前記制御回路は、前記温度センサで検出される温度が低いほど、前記キャパシタ充電電圧Ｖ１を大きくする
請求項４に記載の車両用電源装置。
前記制御回路は、前記スイッチの前記第１端子と前記第３端子を接続し、前記スタータを駆動する際に、前記キャパシタ電圧Ｖｃにおけるキャパシタ電圧降下幅ΔＶｄを求め、前記キャパシタ充電電圧Ｖ１、前記キャパシタ内部抵抗Ｒ、および前記キャパシタ電圧降下幅ΔＶｄに基いて、前記スタータ最大電流Ｉｓ、および前記スタータ内部抵抗Ｒｓの値を更新し、前記記憶部に保持する
請求項１に記載の車両用電源装置。
前記制御回路は、
前記スタータ最大電流Ｉｓを式５により求め、
前記スタータ内部抵抗Ｒｓを式６により求める
請求項６に記載の車両用電源装置。
前記キャパシタの充電が未完了で前記スタータが駆動される場合、前記制御回路は、前記スイッチの前記第２端子と前記第３端子を接続し、前記バッテリの電力を前記スタータに送電する
請求項１に記載の車両用電源装置。