JP5310092B2 - 車両用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、主電源と副電源とからなる２つの電源を備え、車両の減速時に発電機で発生した回生エネルギを副電源に充電して利用する車両用電源装置に関するものである。

従来の車両用電源装置としては、車両の減速時に発電機で発生した回生エネルギを副電源に充電し、副電源の電圧を変圧するＤＣ／ＤＣコンバータを経由して主電源に充電するものがある。

また、副電源と主電源との間にスイッチを設け、ＤＣ／ＤＣコンバータを経由せずに副電源から主電源へ直接充電するために副電源と主電源との電圧差が所定の値より小さいときにスイッチを閉じる。

ＤＣ／ＤＣコンバータが変圧動作を行っているときにスイッチを閉じると、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力端と出力端とのショートが生じる。ショートが生じないようにするためにＤＣ／ＤＣコンバータの変圧動作を停止してからスイッチを閉じると、主電源への給電断が生じてしまう。

このため、従来の車両用電源装置では、ショートおよび給電断が起こらないようにするために、ＤＣ／ＤＣコンバータの変圧動作の停止制御と、スイッチを閉じる制御とを同時に行う必要があった。

なお、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２００４−２６６８８８号公報

従来の車両用電源装置では、スイッチを閉じるときショートおよび給電断が起こらないようするには、ＤＣ／ＤＣコンバータの変圧動作の停止制御と、スイッチを閉じる制御との両方を同時に行う必要があるという問題があった。

本発明は、従来の問題を解決するためになされたものであり、スイッチを閉じる際、スイッチを閉じる制御のみでショートおよび給電断が起こらないようにできる車両用電源装置を提供することを目的とする。

本発明の車両用電源装置は、スタータ機能および発電機能を備えた発電機と、前記発電機と各々に接続した副電源および前記副電源よりも定格電圧が高い主電源とからなる２つの電源と、前記副電源の電圧を降圧して出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記主電源と前記ＤＣ／ＤＣコンバータとを接続するダイオードと、前記主電源に接続する電気的負荷と、前記主電源と前記副電源との間に設けたスイッチと、前記副電源の出力電圧を検出する電圧検出センサと、前記スイッチの開閉を制御する制御装置とを備え、前記ダイオードのアノード側を前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端に接続するとともにカソード側を前記主電源に接続し、前記制御装置は、エンジン始動時に、前記電圧検出センサが検出した電圧が所定の電圧より小さい場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させたまま前記スイッチを閉じるように制御するものである。

本発明は、スイッチを閉じたとき、ダイオードによってＤＣ／ＤＣコンバータの入力端と出力端とが絶縁されておりショートが発生しない。

このため、本発明は、スイッチを閉じる際にＤＣ／ＤＣコンバータの降圧動作の停止制御を行う必要がなく、スイッチを閉じる制御のみでショートおよび給電断が生じないようにすることができる。

以下、本発明の一実施の形態における車両用電源装置について、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施の形態における車両用電源装置のブロック図である。

図１に示すように、車両用電源装置１は、エンジンから駆動したモータにより発電する発電機２と、副電源３と主電源４とからなる２つの電源とを備えるものである。例えば、副電源３の定格電圧は１８V程度、主電源４の定格電圧は１４V程度である。

副電源３または発電機２と、車両音響機器などの電気的負荷５を接続する主電源４とは、ＤＣ／ＤＣコンバータ６およびダイオード７を介して電気的に接続される。このＤＣ／ＤＣコンバータ６は副電源３の電圧を降圧して出力する。ダイオード７のアノード側は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力端に接続され、カソード側は主電源４に接続される。

さらに、副電源３または発電機２と、主電源４との間には機械式リレーからなるスイッチ８を設ける。このスイッチ８は、制御装置９から出力されるスイッチ制御信号により開閉する。上述したダイオード７は、このスイッチ８を閉じたときに生じるＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力端と出力端とのショートを防止するものである。

また、上述した副電源３の出力端に第１の電圧検出センサ１０を設けるとともに、主電源４の出力端に第２の電圧検出センサ１１を設ける。各々、接続した電源の出力電圧を検出して、電圧値信号を制御装置９へ通知する。

制御装置９は、第１の電圧検出センサ１０および第２の電圧検出センサ１１が検出した電圧に基づいてスイッチ８の開閉を制御する。車両が走行している間は、制御装置９はスイッチ８を開く制御を行う。

制御装置９がスイッチ８を閉じる制御を行う場合として、例えば、主電源４から、副電源３または発電機２へ直接電気エネルギの供給を行う場合がある。これは、過放電を防止するために副電源３への充電が必要な場合、または、副電源３が電気エネルギを十分に供給できない場合がある。

この副電源３が電気エネルギを十分に供給できない場合として、発電機２のモータをエンジンを始動するときのスタータとして用いる場合がある。エンジンを始動するときとしては、運転の開始時、または、車両が停止によりアイドリングストップがなされた後にエンジンを再始動するときがある。

発電機２のモータをスタータとして使用するとき、瞬間的に大きな電気エネルギを必要とする。副電源３の出力電圧が所定の電圧値（例えば、１５V程度）より小さいとき、副電源３は発電機２のモータをスタータとして使用するのに十分な電気エネルギの供給ができない。このため、制御装置９は、スイッチ８を閉じて主電源４から直接、発電機２へ電気エネルギを供給する。

その他、制御装置９がスイッチ８を閉じる制御を行う場合として、副電源３から主電源４へ直接、電気エネルギの供給を行う場合も考えられる。

以上のように構成された車両用電源装置１について、その動作を説明する。

車両が走行している間は、制御装置９はスイッチ８を開く制御をしている。このとき、発電機２で発電された電気エネルギは副電源３に蓄電されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ６およびダイオード７を経由して主電源４にも蓄電される。第１の電圧検出センサ１０は副電源３の出力電圧を検出しており、第２の電圧検出センサ１１は主電源４の出力電圧を検出している。

制御装置９は、エンジンの停止後、再度エンジンを始動するとき、第１の電圧検出センサ１０が検出した電圧が所定の電圧より小さい場合に、スイッチ８を閉じるように制御を行う。

以上の動作について、図面を参照しながら詳細に説明する。図２はスイッチ８を閉じる際の制御装置９の動作を説明する図である。また、図３は本発明の一実施の形態における車両用電源装置の各部の電圧および信号と時間との関係を説明する図である。

車両がエンジンを停止した直後（図２のエンジン停止直後）の車両用電源装置１の各部の電圧（図３のＴ０からＴ１）について説明する。

制御装置９は、スイッチ制御信号をスイッチ８が開くように制御（ＬＯＷを出力）する。ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧（Ｖｏｕｔ）は、副電源３の出力電圧（Ｖｓｕｂ）よりＤＣ／ＤＣコンバータ６により降圧された電圧（Ｖｄｒｏｐ）だけ低い電圧となる。

Ｖｏｕｔ＝Ｖｓｕｂ−Ｖｄｒｏｐ

このとき、ダイオード７のアノード側の電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧（Ｖｏｕｔ）と同一となる。また、ダイオード７のカソード側の電圧は主電源４の出力電圧（Ｖｍａｉｎ）と一致する。例えば、Ｖｓｕｂは１８V程度、Ｖｏｕｔは１４V程度の電圧である。

主電源４の出力電圧（Ｖｍａｉｎ）は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧（Ｖｏｕｔ）よりダイオード７の順方向バイアス時の電圧降下（Ｖｄｉ）（シリコンダイオードの場合、約０．６Ｖ）だけ低い電圧となる。

Ｖｍａｉｎ＝Ｖｏｕｔ−Ｖｄｉ

ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧（Ｖｏｕｔ）は、ダイオード７の電圧降下（Ｖｄｉ）を考慮して決定される。すなわち、ＶｏｕｔはＶｄｉによる電圧降下を考慮して、Ｖｍａｉｎが主電源４の定格電圧となるように設定される。

例えば、主電源４の定格電圧が１３．４Ｖの場合で、かつ、副電源３の出力電圧（Ｖｓｕｂ）が１８Vである場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ６は、その出力電圧（Ｖｏｕｔ）が１４V（Ｖｄｒｏｐが４Ｖ）となるように動作する。

主電源４の開放電圧が定格電圧（１３．４Ｖ）より小さくなった場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ６から主電源４および電気的負荷５へ電気エネルギの供給が行われる。また、主電源４の開放電圧が定格電圧（１３．４Ｖ）以上であれば、ダイオード７の整流機能により電流は流れない。

次に、エンジンを始動から停止までの（ステップＳ０１からＳ０７）、車両用電源装置における各部の電圧（図３のＴ１からＴ５）について説明する。

ステップＳ０１において、制御装置９は、エンジンが始動されるか否かを判断する。エンジンが始動される場合とは、運転手がエンジンを始動する場合のほか、アイドリングス
トップをしたあとにエンジンが再度始動される場合がある。エンジンが始動されないとき（ステップＳ０１でＮＯ）、制御装置９は再度ステップＳ０１を実行する。

エンジンが始動されるとき（ステップＳ０１でＹＥＳ）、制御装置９は、第１の電圧検出センサ１０により検出された副電源３の出力電圧（Ｖｓｕｂ）が所定の電圧値（Ｖｓｔ）より小さいとき（ステップＳ０２でＹＥＳ）、スイッチ８を閉じ（ステップＳ０３）、その後、スタータを始動（ステップＳ０４）する。

Ｖｓｔは、発電機２にスタータ動作をさせるに足りる電圧か否かを判断するための値であり、例えば、１５V程度の電圧である。副電源３の出力電圧が低下するとスタータの始動ができなくなる。このため、制御装置９は、スイッチ８を閉じて鉛バッテリを用いた主電源４から発電機２へ直接、電気エネルギを供給するようにする。

第１の電圧検出センサ１０の検出電圧がＶｓｔ以上（ステップＳ０２でＮＯ）の場合、副電源３が発電機２のスタータを駆動することができる。このため、制御装置９は、スイッチ８を閉じることなくスタータを始動する（ステップＳ０４）。このとき、副電源３から発電機２へ電気エネルギが供給される。

制御装置９は、スタータを始動（ステップＳ０４）したあと、エンジンが始動したか否かを判断する（ステップＳ０５）。

エンジンが始動した（ステップＳ０５でＹＥＳ）とき、制御装置９は、スイッチ８を開くようにする（ステップＳ０６）。エンジンが始動していない場合（ステップＳ０５でＮＯ）、制御装置９は、スイッチ８を開いた後、再度スタータを始動すべくステップＳ０２を再度実行する。

エンジン停止後（ステップＳ０１でＹＥＳ）、スイッチを開く（ステップＳ０６）までの車両用電源装置１の各部の電圧を図３を用いて説明する。

図３のＴ１はエンジンが停止（図２のエンジン停止直後）された時間である。エンジン停止後、副電源３の出力電圧（Ｖｓｕｂ）は放電して徐々に電圧が低下する（図３のＴ１からＴ２）。

制御装置９は、図３のＴ２においてエンジンを始動（ステップＳ０１）する。このとき、副電源３の出力電圧がＶｓｔより小さい（ステップＳ０２でＹＥＳ）ため、制御装置９は、スイッチ制御信号をＨＩＧＨにすることでスイッチ８を閉じる（ステップＳ０３）。

このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力電圧は、主電源４の出力電圧（Ｖｍａｉｎ）と同一の電圧となり、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電圧（Ｖｏｕｔ）は、降圧されＶｍａｉｎ以下の電圧となる。この結果、ダイオード７のカソード側の電圧はＶｍａｉｎとなり、ダイオード７のアノード側の電圧はＶｍａｉｎより低い電圧となる。すなわち、ダイオード７は逆バイアスとなり、その整流機能により電流は遮断される。

制御装置９は、図３のＴ３において、スタータを始動（ステップＳ０４）する。このとき、副電源３および主電源４から発電機２へ電気エネルギの供給がなされる。

制御装置９は、図３のＴ３から所定時間経過した後、エンジンの始動を確認（ステップＳ０５でＹＥＳ）し、図３のＴ４においてスイッチ８を開く（ステップＳ０６）。

スイッチ８が開いた（図３のＴ４）後、図３のＴ５にかけて、副電源３は発電機２によ
り発電された電気エネルギで充電される。副電源３の出力電圧（Ｖｓｕｂ）は、図３のＴ５において、図３のＴ０と同じ電圧となる。

ステップＳ０６実行後、制御装置９はエンジン停止の指示があるか否かを判断する（ステップＳ０７）。エンジンが停止される場合とは、運転手がエンジンを停止する場合のほか、車両が交差点などで一時的に停止したときにアイドリングストップを行うためにエンジンが停止される場合がある。

ステップＳ０７でＹＥＳのとき、制御装置９は、エンジンを停止させる（図２のエンジン停止）。エンジンが停止されないとき（ステップＳ０７でＮＯ）、制御装置９は再度ステップＳ０７を実行する。

以上のように、本発明の一実施の形態における車両用電源装置では、スイッチ８を閉じたとき、ダイオード７のカソード電位がアノード電位より高くなる（逆バイアスになる）ため、ダイオード７に電流が流れない。この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力電流はダイオード７により遮断されて消費電力が大幅に低下するため、ＤＣ／ＤＣコンバータ６の降圧動作の停止制御を行う必要がない。

このように、スイッチを閉じるとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ６およびスイッチ８を同時に制御する必要はなく、スイッチ８を閉じる制御のみでショートおよび給電断が生じないようにできるという効果を有する。

なお、本実施の形態における発電機２は、車両が減速する際の運動エネルギを用いて発電することができる。具体的には、発電時の回転抵抗を制動力として利用するものであり、回生ブレーキとも呼ばれる。通常は駆動力として用いている電動機を発電機２として作動させることで運動エネルギを電気エネルギに変換して回収することができる。

なお、本実施の形態におけるＤＣ／ＤＣコンバータ６は副電源３の出力電圧を降圧して主電源４に供給するものであるため、主電源４の定格電圧は副電源３の定格電圧より低いものが用いられる。

なお、副電源３や主電源４の定格電圧を高く設定する場合、副電源３と主電源４の定格電圧の差は、ダイオード７のブレークダウン電圧の絶対値より低くする必要がある。

ダイオード７のカソード側の電圧とアノード側の差がブレークダウン電圧以上になると、ダイオード７がブレークダウン領域に入り急激に電流が流れる。この電流により、ＤＣ／ＤＣコンバータ６が破損する可能性がある。そこで、上記のようにすることにより、ダイオード７がブレークダウン領域に入ることがなくＤＣ／ＤＣコンバータ６の破損を防止できる。

なお、本実施の形態におけるスイッチ８は機械式リレーだけでなく半導体を用いたリレーでもよい。半導体リレーを用いることで、機械式リレーと比べノイズを低減することができる。また、スイッチ８開閉時の突入電流を減らすことができるため、スイッチ８の破損を防止することができる。

以上のように本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータ６を停止する制御を行う必要がなくスイッチ８を閉じる制御のみでショートおよび給電断が生じないようにでき、車両の減速時に発電機で発生した回生エネルギを充電して利用する車両用電源装置等として有用である。

本発明の一実施の形態における車両用電源装置のブロック図 同動作を説明する図 同各部の電圧および信号と時間との関係を説明する図

１ 車両用電源装置
２ 発電機
３ 副電源
４ 主電源
５ 電気的負荷
６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
７ ダイオード
８ スイッチ
９ 制御装置
１０ 第１の電圧検出センサ
１１ 第２の電圧検出センサ

Claims (2)

1. スタータ機能および発電機能を備えた発電機と、
   前記発電機と各々に接続した副電源および前記副電源よりも定格電圧が高い主電源とからなる２つの電源と、
   前記副電源の電圧を降圧して出力するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記主電源と前記ＤＣ／ＤＣコンバータとを接続するダイオードと、
   前記主電源に接続する電気的負荷と、
   前記主電源と前記副電源との間に設けたスイッチと、
   前記副電源の出力電圧を検出する電圧検出センサと、
   前記スイッチの開閉を制御する制御装置とを備え、
   前記ダイオードのアノード側を前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端に接続するとともにカソード側を前記主電源に接続し、
   前記制御装置は、エンジン始動時に、前記電圧検出センサが検出した電圧が所定の電圧より小さい場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させたまま前記スイッチを閉じるように制御する、車両用電源装置。
2. 前記副電源と前記主電源との定格電圧の差は、前記ダイオードのブレークダウン電圧の絶対値より低い請求項１に記載の車両用電源装置。