WO2008007540A1

WO2008007540A1 - Power supply device

Info

Publication number: WO2008007540A1
Application number: PCT/JP2007/062780
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Handa; Koji Yoshida
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2009-01-10
Also published as: JPWO2008007540A1; US20100231178A1; JP4835690B2; EP2040361A1

Description

明細書

電源装置

技術分野

[0001] 本発明は直流電圧源の電圧低下を補償する電源装置に関するものである。

背景技術

[0002] 近年、地球環境保護の流れを受け、特に自動車においてはアイドリングストップ自動車やアイドリングストップ機能を有するハイブリッド自動車が市販されている。これらの自動車は、走行していない時にある一定の条件が整えばエンジンを一時的に停止させ（アイドリングストップ）、再び自動的に起動させるのである力再起動時にスタータに流れる大電流によって直流電圧源であるバッテリ電圧の低下が発生する。一方、オーディオやナビゲーシヨンや ECU (電子制御装置）などを始めとする入力電圧変動の許容範囲が狭い機器はこのような電圧低下によって誤動作や動作停止に至つてしまうため車両制御上の課題となる上、ユーザへの不快感にもつながる。

[0003] また、アイドリングストップ機能を備えていない自動車においても、燃費向上のために車載電装品である補機類は油圧系から電動化へと進展している。例えば電動パヮ一ステアリングや電動ブレーキ等の様々なアシスト機器の搭載が進められている。しかし、これらの電動化補機類は一般的に必要な時だけ動作させるため、パルス状の大電流負荷となり、スタータと同様にバッテリ電圧の低下を引き起こす要因となる。

[0004] そこで、このようなバッテリ電圧の低下による補機への影響を補償する方法として、例えば特許文献 1に示す電源装置が提案されてレ、る。この概略ブロック回路図を図 8 に示す。瞬時大電流を消費するスタータ等の第 1補機 101はバッテリからなる直流電圧源 102により電力が供給される。また、例えば、オーディオやナビゲーシヨンや EC U (電子制御装置)などを始めとする狭電圧範囲 (駆動時の許容電圧変動範囲が狭レ、)補機である第 2補機 103は整流器 104を介して直流電圧源 102から電力が供給される。これに対し、直流電圧源 102から第 2補機 103への電圧低下を補償するために、整流器 104と並列に接続された蓄電素子（例えばキャパシタ）からなるエネルギ一蓄積源 105と、直流電圧源 102を入力源とし出力端にエネルギー蓄積源 105が接続された DC/DCコンバータ 106とからなる電圧補償部 107が設けられている。

[0005] 次に、このような電源装置の動作について説明する。まず、スタータが駆動していなレ、ような通常時においては、第 1補機 101に大電流が流れることはないので、直流電圧源 102の電圧は 12V程度で安定している。従って、第 2補機 103には直流電圧源 102の電力が整流器 104を介して安定供給されている。

[0006] この状態で、例えばアイドルストップが終了してエンジンを再起動するためにスタータを駆動した場合、第 1補機 101に大電流が流れる。その結果、直流電圧源 102の出力電圧は第 1補機 101の駆動中に例えば 7V程度まで低下してしまう。この電圧は、狭電圧範囲の第 2補機 103の駆動下限電圧 (例えば 1 IV)を大きく下回る。

[0007] そこで、これを補償するために電圧補償部 107が動作する。具体的には、直流電圧源 102の電圧が所定値以下になると DC/DCコンバータ 106が動作し、エネルギ一蓄積源 105の充電を開始する。その結果、エネルギー蓄積源 105は直流電圧源 1 02と直列接続されているので、直流電圧源 102の電圧低下分を補うようにエネルギ一蓄積源 105の電圧が立ち上がり、この加算された電圧が第 2補機 103へ印加される。従って、第 2補機 103には第 1補機 101の駆動中も安定した電圧が供給される。

[0008] 以上のようにして、直流電圧源 102の電圧低下を補償する電源装置を実現していた。

[0009] このような従来の電源装置は、確かに直流電圧源 102が電圧低下しても、電圧補償部 107がそれを補償して第 2補機 103に電力を安定供給できるのである。しかしながら、安定化すべきポイントとなる直流電圧源 102とエネルギー蓄積源 105の直列回路部分においてエネルギー蓄積源 105のような大容量のデバイスが存在する場合、応答速度を高めようとすると、それに応じた大電流を瞬時的に供給する必要がある。この電流供給は、電力供給手段である DC/DCコンバータ 106から供給する必要がある。つまり、 DC/DCコンバータ 106の定格電流は第 2補機 103の消費電流よりも大きくする必要がある。

[0010] しかも、直流電圧源 102における電圧降下は、直流電圧源 102から第 1補機 101 へ大電流が流れ出すことによって発生している力これと同じタイミングで DC/DCコンバータ 106も第 2補機 103の電圧安定化のために直流電圧源 102から電流を引き込むことになる。したがって、直流電圧源 102に加わる電力負担が瞬時的に大きくなるという課題が発生していた。従って、第 2補機 103への電圧は安定化できたとしても、スタータ等の第 1補機 101に印加される電圧の変動については逆に大きくしてしまう結果となっていた。

[0011] さらに、第 2補機 103への電力供給ラインにエネルギー蓄積源 105を有するため、電圧低下補償に応答遅れが発生するという課題もあった。

特許文献 1 :特開 2005— 204421号公報

発明の開示

[0012] 本発明の電源装置は、直流電圧源と、直流電圧源に並列接続された第 1補機と、直流電圧源に接続された第 1整流器と、第 1整流器を介して電力が供給される第 2補機と、直流電圧源を入力源とする第 1DC/DCコンバータと、第 1DC/DCコンパ一タの出力端に接続された大容量の蓄電素子と、蓄電素子を入力源とし、出力端を第 1整流器に接続した第 2DC/DCコンバータにより構成されるものである。

[0013] このような構成により、エンジン始動によって直流電圧源に接続された発電機が動作している状態では直流電圧源は既定値よりも高い電圧状態である。したがって、この間に直流電圧源が第 1整流器を通して第 2補機へ電力供給を行うとともに、第 1D C/DCコンバータが直流電圧源を入力源として蓄電素子の充電を行っておくことができる。

[0014] ここで、車両における種々の条件が整った状態で停車してアイドリングストップを開始し、ブレーキ解除などによりアイドリングストップが終了しエンジンを再始動すると、直流電圧源から第 1補機としてのスタータに大電流が流れる。これにより、直流電圧源の電圧は瞬時的に低下するが、この電圧低下を防止するために第 2DC/DCコンバータは第 1DC/DCコンバータによって予め充電された蓄電素子を入力源として第 1整流器の両端へバッテリの電圧低下分の電圧を出力することができる。

[0015] また、本発明の電源装置は、直流電圧源と、直流電圧源に並列接続された広電圧範囲補機と、直流電圧源に直列接続された蓄電素子と第 1整流器との並列回路と、直流電圧源と蓄電素子の直列回路に並列接続された、直流電圧源よりも高電圧を必要とする補機と、直流電圧源に接続された第 2整流器と、第 2整流器を介して直流電圧源と並列に接続された狭電圧範囲補機と、狭電圧範囲補機が第 1入出力端子に、蓄電素子と第 1整流器との並列回路が第 2入出力端子に、それぞれ接続された双方向 DC/DCコンバータと力構成されるものである。

[0016] このような構成により、蓄電素子は双方向 DCZDCコンバータにより充電がなされる。また、補機には直流電圧源と蓄電素子の加算電圧が印加される。そして、補機に大電流が流れることにより直流電圧源の電圧が低下した際には、双方向 DCZDCコンバータは蓄電素子を入力とし狭電圧範囲補機を出力とする方向で動作を行うことにより、狭電圧範囲補機への印加電圧低下を補償するものである。その結果、この構成によっても蓄電素子に充電した電力を用いて電圧の補償を行うことができる。

[0017] また、本発明の電源装置は、直流電圧源と、直流電圧源に並列接続された補機、発電機および広電圧範囲補機と、直流電圧源に直列接続された整流器とスィッチ素子の並列回路と、整流器とスィッチ素子の並列回路の他端に接続された狭電圧範囲補機と、狭電圧範囲補機が第 1入出力端子に接続された双方向 DC/DCコンパ一タと、双方向 DC/DCコンバータの第 2入出力端子に接続された蓄電素子により構成されるものである。

[0018] このような構成により、主に自動車の制動時に発電機により発電される電力を双方向 DC/DCコンバータにより蓄電素子へ充電する。そして、アイドリングストップ時や自動車の加速時など発電機による発電が得られない場合に、蓄電素子の電力を双方向 DC/DCコンバータにより補機側へ放電し、電力を供給するものである。この構成によっても、蓄電素子に充電した電力を用いて電圧の補償を行うことができる。

[0019] また、スィッチ素子をオフ状態とすることで直流電圧源が逆向きに接続されても、整流器により逆向きに流れる電流を防止する逆接防止回路を構成できる。さらに、アイドリングストップ後のエンジン再始動時等に補機に双方向 DCZDCコンバータからの供給電流を上回る大電流が流れる際にはスィッチ素子を少なくともオフ状態とすることにより、補機の大電流による直流電圧源の電圧低下から狭電圧範囲補機への印加電圧低下を補償できる。

[0020] なお、蓄電素子の充電時や、蓄電素子から狭電圧範囲補機に電力を供給し、かつ大電流を消費する補機が停止中の場合はスィッチ素子をオン状態にしているので、整流器に流れる電流により発生する電力損失を低減できる。

図面の簡単な説明

[図 1]図 1は本発明の実施の形態 1における電源装置の概略ブロック回路図である。

[図 2]図 2は本発明の実施の形態 1における第 2DC/DCコンバータの詳細なブロック回路図である。

[図 3]図 3は本発明の実施の形態 1における電源装置の他の構成の概略ブロック回路図である。

[図 4]図 4は本発明の実施の形態 1における電源装置のリニアレギユレータを用いた概略ブロック回路図である。

[図 5]図 5は本発明の実施の形態 2における電源装置の概略ブロック回路図である。

[図 6]図 6は本発明の実施の形態 2における電源装置の他の構成の概略ブロック回路図である。

[図 7]図 7は本発明の実施の形態 3における電源装置の概略ブロック回路図である。

[図 8]図 8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

1 第 1補機

2 直流電圧源

3 第 2補機

4 第 1整流器

6 第 1DC/DCコンバータ

8 Ί

9 第 2DC/DCコンバータ

17, 23 第 2整流器

19 リニアレギユレータ

20 広電圧範囲補機

22 補機

24 狭電圧範囲補機

26 双方向 DC/DCコンバータ 26a 第 1入出力端子

26b 第 2入出力端子

28 絶縁型双方向 DC/DCコンバータ

31 整流器

32 スィッチ素子

発明を実施するための最良の形態

[0023] 以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

[0024] (実施の形態 1)

図 1は、本発明の実施の形態 1における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における電源装置の第 2DC/DCコンバータの詳細なブロック回路図である。図 3は、本発明の実施の形態 1における電源装置の他の構成の概略ブロック回路図である。図 4は、本発明の実施の形態 1における電源装置のリニァレギユレータを用いた概略ブロック回路図である。なお、本実施の形態 1ではアイドリングストップ機能付き自動車を例に説明する。

[0025] 図 1において、第 1補機 1は直流電圧源 2と並列に接続されている。なお、第 1補機 1としては例えばスタータゃ発電機等の大電流を取り扱う機器や、許容電圧変動範囲の広い機器または瞬間的に停止を行っても支障のない機器が挙げられる。また、直流電圧源 2は一般的には鉛バッテリのような電力密度の大きい蓄電デバイスである。第 2補機 3は直流電圧源 2から第 1整流器 4を介して接続されている。第 2補機 3としては許容電圧変動範囲の狭い機器であり、例えばオーディオやカーナビゲーシヨンなど動作停止や誤動作がユーザに不快感となるものや、各種 ECUのように車両制御上、動作停止や誤動作が許されなレ、ものが挙げられる。

[0026] ここで、直流電圧源 2の電圧低下を補償する電圧補償部 5の構成について説明する。まず、第 1DC/DCコンバータ 6の入力端には直流電圧源 2が接続されている。従って、第 1DC/DCコンバータ 6は直流電圧源 2を入力源としている。なお、第 1D C/DCコンバータ 6としては例えば非絶縁型の昇圧回路や絶縁型の回路などで実現できる。第 1DC/DCコンバータ 6の出力端には、例えば電気二重層キャパシタを複数個接続した構成からなる蓄電素子 8が接続されている。なお、蓄電素子 8はエネルギー蓄積源として、大容量で充放電の繰り返し信頼性が高い電気二重層キャパシタを用いるのが好適である力 2次電池や他のキャパシタでもよレ、。また、蓄電素子 8 は第 2DC/DCコンバータ 9の入力端にも接続されており、第 2DC/DCコンバータ 9の出力端には第 1整流器 4が接続されている。

[0027] 次に、第 2DCZDCコンバータ 9の詳細構成について図 2を参照しながら説明する。図 2において、第 1スィッチ素子 10と第 2スィッチ素子 11は蓄電素子 8が接続される入力端に対して直列に接続されている。インダクタンス素子 12と平滑キャパシタ 13は直列に接続され、これらは第 1スィッチ素子 10に対して並列に接続されている。平滑キャパシタ 13は第 2DC/DCコンバータ 9の出力端であり第 1整流器 4に接続される。第 1スィッチ素子 10と第 2スィッチ素子 11は制御回路 14により交互にオンオフ制御されている。なお、制御回路 14は出力電圧に応じたオンオフ比を制御している。また、平滑キャパシタ 15は第 2DC/DCコンバータ 9の入力端であり蓄電素子 8に接続されている。

[0028] なお、第 2DC/DCコンバータ 9は降圧型回路が好適である。これは、降圧の比率に応じて出力電流と入力電流の比率が変わるからである。これにより、蓄電素子 8に流れる電流を低減することが可能となるので、その分、高応答性に寄与するとともに、蓄電素子 8の小型化が可能となる。

[0029] また、第 2DC/DCコンバータ 9は降圧型同期整流回路を有する双方向コンバータ回路がさらに好適である。これは以下の理由による。スタータ電流などはパルス状に流れるため、これに伴う直流電圧源 2の電圧変動は、低下、上昇ともに急峻に発生する。低下については通常どおり第 2DC/DCコンバータ 9が出力を増加することで対応可能である。一方、急峻な電圧上昇の変動に対しては、双方向化することにより電力を蓄電素子 8に返すことが可能となる。従って、高応答に電圧を安定化することができる。

[0030] 次に、このような電源装置の動作について説明する。

[0031] アイドリングストップ車は所定の条件が整い車両が停車するとエンジンを停止させる。エンジン停止期間は発電機が非動作状態であるので、この間の車両における電力は直流電圧源 2から供給される。

[0032] 次に、例えばブレーキ解除の信号が発せられると、エンジンが自動的に再始動する。これにより、直流電圧源 2からは第 1補機 1のひとつであるスタータに大電流が流れる。この電流は通常 500アンペア前後の電流値であり、この時直流電圧源 2の内部抵抗によって電圧低下が発生する。例えば 10ミリオームの内部抵抗値を有する 12ボノレトの直流電圧源 2に 500アンペアの電流が流れた場合の直流電圧源 2の両端電圧 Vbiま、 Vb = 12- 500 X 0. 01 = 7ボノレト ίこなる。

[0033] この電圧低下により許容電圧変動範囲の狭い機器は動作停止や誤動作に陥ってしまう可能性があるので、上記の電圧低下を補償した入力電圧を印加する必要がある。そこで、直流電圧源 2が電圧低下に至っていない時、すなわち直流電圧源 2の出力電圧が既定値 (例えば上記した 7V)より高い時に、直流電圧源 2から第 2補機 3へ電力を供給するとともに、第 1DCZDCコンバータ 6を動作させて蓄電素子 8を充電する。蓄電素子 8への充電電力は、一回のアイドリングストップの再始動時に電圧低下する分の電力であればよい。この電力は再始動時以外に充電されている力この再始動時以外の時間の割合は圧倒的に大きレヽので、時間当たりの充電電力を少なくすることが可能となる。従って、第 1DC/DCコンバータ 6を小型化することも可能となる。

[0034] また、蓄電素子 8の充電電圧は、直流電圧源 2の最大低下電圧に加え、蓄電素子

8の内部抵抗値と最大電流を乗じることで得られる蓄電素子 8の最大低下電圧を合わせた値よりも高くなるように充電している。これにより、直流電圧源 2の電圧低下分を十分補償することができる。

[0035] 蓄電素子 8への充電が完了すると、第 1DCZDCコンバータ 6は動作を停止する。

このように蓄電素子 8の充電時以外は第 1DC/DCコンバータ 6を停止することで、第 1DCZDCコンバータ 6の固定損失を低減することが可能となり、直流電圧源 2の負担を低減できる。このために、蓄電素子 8の充電状態を電圧により検出し、第 1DC /DCコンバータ 6の動作、停止を制御している。

[0036] 次に、アイドリングストップを終了し、エンジン再始動のために直流電圧源 2からスタータ電流が流れると、直流電圧源 2の出力電圧が既定値以下に低下する。これと同時に、第 2DC/DCコンバータ 9は動作を開始し、直流電圧源 2の電圧低下に応じた出力電圧を第 1整流器 4の両端に発生させる。すなわち、第 2DC/DCコンバータ 9 は第 2補機 3への印加電圧を制御することになる。その結果、第 2補機 3へ供給される電圧の低下が防止でき、直流電圧源 2の電圧変動に関係なく安定化することが可能となる。なお、本実施の形態 1の場合、電力を供給するエネルギー蓄積源は第 2DC /DCコンバータ 9の入力源である蓄電素子 8であり、従来のように出力側にエネルギ一蓄積源を有さないので、高速応答が可能となる。し力、も第 2DC/DCコンバータ 9 の出力電流は第 2補機 3への供給電流とほぼ等しいので、取り扱う電力を小さくすることが可能である。

[0037] なお、第 2DC/DCコンバータ 9の取り扱う電力 W2は、直流電圧源 2の低下電圧を Vd、第 2補機 3の消費電流を 12とすると、 W2=Vd X I2で表すことができる力 W2はほぼ蓄電素子 8に蓄えられた電力から供給される。従って、従来のように直流電圧源 2からスタータ等の第 1補機 1に大電流が流れる同じタイミングで第 2補機 3にも電流供給するものとは異なり、蓄電素子 8は第 2補機 3にのみ電流供給すればよいため負担が少なくなり、蓄電素子 8の信頼性も向上できる。

[0038] また、ここでは第 2DC/DCコンバータ 9は直流電圧源 2の出力電圧が既定値以下に低下すると同時に動作を開始する構成としたが、これは車両側等の外部からの信号を受信した時に動作させることも可能である。これにより、再始動するよりも前に信号を受信することで第 2DC/DCコンバータ 9の起動を早くすることができるので、その分、出力を安定化することができる。

[0039] このような構成、動作により、直流電圧源 2や蓄電素子 8への負担を低減し、高応答に第 2補機 3への供給電圧を安定化できる。

[0040] なお、図 1の構成を改良したものとして、図 3に他の回路構成の電源装置の概略ブロック回路図を示す。すなわち、図 1の回路構成との違いは、第 1DC/DCコンバータ 6の入力端に第 2整流器 17を接続した点である。第 2整流器 17は直流電圧源 2が逆向きに接続された場合に流れる電流を防止し回路を保護する目的のものである。このように、蓄電素子 8と第 1DCZDCコンバータ 6の入力端の間に第 2整流器 17を設けることで逆接合の電流を防止でき信頼性が高まるとともに、図 1の構成と同様の動作を行うことが可能となる。

[0041] また、図 3において、第 2整流器 17に並列にスィッチ素子（図示せず）を設ける構成としてもよレ、。これにより、少なくとも第 1DC/DCコンバータ 6が蓄電素子 8を充電する場合に、車両側 ECU (図示せず）がこのスィッチ素子をオン状態にすることで、第 2 整流器 17に流れる電流による損失を低減することができるという効果も得られる。

[0042] また、図 1の構成をさらに改良したものとして、図 4にさらに他の回路構成の電源装置の概略ブロック回路図を示す。両者の違いは、第 2DC/DCコンバータ 9の入力および出力が共通となるようにリニアレギユレータ 19を接続した点である。具体的には、図 4に示すように第 2DC/DCコンバータ 9の入力にリニアレギユレータ 19の入力を、第 2DC/DCコンバータ 9の出力にリニアレギユレータ 19の出力をそれぞれ接続している。リニアレギユレータ 19の応答スピードは一般的に DC/DCコンバータよりも高速である。従って、 DCZDCコンバータのみの構成であれば若干の応答遅れにより僅かに電圧低下が発生する可能性がある力リニアレギユレータ 19と組み合わせることにより応答遅れ分の電圧低下を防止することが可能となり、第 2補機 3への電圧供給がさらに安定する。

[0043] なお、リニアレギユレータ 19の出力電圧は第 2DC/DCコンバータ 9の出力電圧よりも若干低めに設定している。これにより、第 2DC/DCコンバータ 9の出力電圧が立ち上がった時点でリニアレギユレータ 19の出力が自動的にオフになるので、リニアレギユレータ 19の損失を最小限にでき、蓄電素子 8への負担を低減できる。

[0044] 以上の構成、動作により、直流電圧源と蓄電素子のいずれに対しても負担を大きくすることなく高応答に所定の補機への供給電圧安定化を達成することのできる電源装置を実現できた。

[0045] (実施の形態 2)

図 5は、本発明の実施の形態 2における電源装置の概略ブロック回路図である。図 6は、本発明の実施の形態 2における電源装置の他の構成の概略ブロック回路図である。なお、図 5、図 6において、図 1と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明する。本実施の形態 2の構成は、アイドリングストップ機能だけではなぐ車載補機における電動化に向けた自動車用電源システムにおける電圧低下補償回路であり、この例に基づいて説明する。

[0046] 図 5において、直流電圧源 2には蓄電素子 8と第 1整流器 4の並列回路が直列に接続されている。蓄電素子 8と第 1整流器 4の並列回路と直流電圧源 2との直列回路には補機 22が並列接続されている。補機 22としては主にモータを動力源とする機器、例えば電動パワーステアリングや電動ブレーキ、電動エアコン、電動ターボ等が挙げられ、いずれも直流電圧源 2よりも高電圧を供給することによりモータの高トルク化が可能となり、性能向上を図ることができるものである。なお、補機 22は、上記以外にもパルス状に電力を消費するものでもよい。

[0047] 直流電圧源 2には広電圧範囲補機 20が並列接続されている。ここで、広電圧範囲補機 20とは、許容電圧変動範囲が広い補機のことを示し、例えばスタータ等のように大電力をパルス状に消費する補機 22が動作して、直流電圧源 2の出力電圧が 7V程度まで落ち込んでも正常に動作し続けることができる力 \または動作が停止しても問題のない補機を意味する。

[0048] また、直流電圧源 2には第 2整流器 23を介して狭電圧範囲補機 24が並列に接続されている。狭電圧範囲補機 24とは、広電圧範囲補機 20と対照的に許容電圧変動範囲が狭い補機のことを示し、電圧低下による動作の停止が許されない補機であり、力一オーディオやカーナビゲーシヨンや車両側 ECUなどである。

[0049] さらに、狭電圧範囲補機 24が双方向 DC/DCコンバータ 26の第 1入出力端子 26 aに、蓄電素子 8と第 1整流器 4との並列回路が第 2入出力端子 26bに、それぞれ接続されている。

[0050] 次に、このような電源装置の動作について説明する。

[0051] まず、車両のイダニシヨンスィッチ（図示せず）をオンにすると、補機 22としてのスタータが駆動する。この初期始動の時、蓄電素子 8に十分な充電がなされていない場合にはスタータの接続により蓄電素子 8に逆電圧が印加される可能性があるが第 1整流器 4が蓄電素子 8に加わる逆電圧印加を防止する。つまり、初期のエンジン始動において蓄電素子 8に十分な充電電圧がない状態ではスタータ電流は第 1整流器 4を通って流れる。

[0052] エンジンが始動すると、直流電圧源 2に接続されている発電機（図示せず）が発電する。そして、発電機が直流電圧源 2の充電および広電圧範囲補機 20、狭電圧範囲補機 24への電力供給を行う。この時、双方向 DC/DCコンバータ 26は直流電圧源 2を入力、蓄電素子 8を出力として動作を開始し蓄電素子 8の充電を開始する。蓄電素子 8の充電電圧は補機 22の大電流消費時に低下する直流電圧源 2の電圧よりも高い電圧、または補機 22が必要とする高電圧にしておく必要がある。これは、直流電圧源 2の電圧低下時に狭電圧範囲補機 24の補償電圧を動作可能な既定値 (例えば 1 IV)以上に確保するためである。

[0053] なお、上記の動作ではエンジン始動後に蓄電素子 8の充電を開始しているので、充電が完了するまでは補機 22を起動できない。そこで、補機 22の起動を早く行いたい場合には、カーテシスィッチ（図示せず)などの信号を用いてエンジン始動よりも前に双方向 DC/DCコンバータ 26を動作させ、蓄電素子 8の充電を開始してもよレ、。この場合、第 1整流器 4をなくすことも可能である。

[0054] ここで、蓄電素子 8に電気二重層キャパシタを用いているので、蓄電素子 8の充電電圧は任意で設定することが可能となる。この充電電圧は双方向 DC/DCコンパ一タ 26により制御可能であるので、蓄電素子 8の充電電圧を制御するだけでなぐ直流電圧源 2と蓄電素子 8の加算電圧を制御することも可能である。後者の場合は直流電圧源 2の充電状態や劣化状態により変化する電圧に依存することなく補機 22に安定した電圧を供給することが可能となる。

[0055] 上記のように補機 22には直流電圧源 2の電圧よりも高い電圧を印加することが可能となる。これにより、補機 22がモータを動力源とする機器である場合には、高トルクを得ることができるので、各種機器の高性能化を図ることができる。

[0056] 次に、例えばアイドルストップが終了してエンジンを再起動するためにスタータを駆動する等の動作を行った場合について説明を行う。

[0057] 再始動時において補機 22であるスタータに例えば 500アンペアの大電流が流れた場合、直流電圧源 2であるバッテリの電圧を 12V、内部抵抗を 10ミリオームとするとバッテリの出力電圧 Vbは実施の形態 1で述べたように、既定値（ 11 V)以下の 7V程度まで低下する。この時、双方向 DC/DCコンバータ 26は次のように動作する。

[0058] まず、スタータが動作するよりも前の段階で、蓄電素子 8を入力、狭電圧範囲補機 2 4を出力として、双方向 DC/DCコンバータ 26の動作を切り換え、かつ双方向 DC/ DCコンバータ 26はエンジン再始動前の狭電圧範囲補機 24の印加電圧 Vcを維持するように制御をかける。これにより、スタータ起動の大電流より直流電圧源 2の電圧 Vbが低下しても、それに依存せず双方向 DC/DCコンバータ 26は狭電圧範囲補機 24への印加電圧低下を補償する。具体的には、狭電圧範囲補機 24の印加電圧 Vcを既定値の 1 IVに補償してレ、る。

[0059] 次に、スタータの駆動が完了すると、発電機が起動して直流電圧源 2の電圧が通常時に戻り定常状態となる。これにより、第 2整流器 23は導通となり、直流電圧源 2から狭電圧範囲補機 24に電力が供給される。

[0060] この時、蓄電素子 8の充電電圧は、補機 22の電流消費や狭電圧範囲補機 24の電圧補償により低下した状態であるが、その後の定常状態になった際に双方向 DCZ DCコンバータ 26により既定の電圧まで再充電を行う。また、スタータ以外の補機 22 の動作による電流によっても蓄電素子 8の電圧は低下するが、同様の動作により再充電を行う。

[0061] このような動作を繰り返すことにより、補機 22が断続的に大電流を消費しても、狭電圧範囲補機 24に安定した電圧を供給し続けることができる。

[0062] なお、モータを用いた電動化補機による消費電力は一般的に短期間の大電流となるが、この短期間分を蓄電素子 8から供給し、その他の期間に充電すればよいことから電力の平均化を図ることができるので、双方向 DC/DCコンバータ 26を小型化すること力 S可言となる。

[0063] また、本実施の形態 2では 1つの双方向 DC/DCコンバータ 26により構成したが、 2つのコンバータを用いても同様の機能を実現できる。しかし、大きさやコスト面で双方向 DCZDCコンバータ 26を用いる方が好適である。

[0064] また、図 5の構成を改良したものとして、図 6に他の回路構成の電源装置を示す。すなわち、図 6において図 5と異なる点は双方向 DC/DCコンバータが絶縁型双方向 DCZDCコンバータ 28になっている点である。非絶縁型の双方向 DCZDCコンパータの場合においては、出力電圧を直流電圧源 2の電圧と蓄電素子 8の充電電圧の和とする必要がある。しかし、これに対し、絶縁型双方向 DC/DCコンバータ 28の場合は、出力電圧を蓄電素子 8の充電電圧のみとすればよいので、出力電力を小さくすることができるという利点がある。

[0065] 次に、このような電源装置における動作を説明する。なお、基本的な動作は図 5と同様であるので相違点を中心に述べる。

[0066] 車両の使用を終了し、イダニシヨンスィッチをオフにした場合、電気二重層キャパシタからなる蓄電素子 8を車両の使用終了時に蓄電素子 8の定格電圧に近い状態でそのまま放置すると、電気二重層キャパシタの劣化が促進してしまう。これを防止するために、車両の使用終了時に単純に放電させてもよいが、本実施の形態 2ではエネルギー効率を向上させるために、蓄電素子 8の充電電圧が既定電圧になるまで放電させている。そのために、次のような動作を行っている。

[0067] 車両用の補機の中で直流電圧源 2が直接接続されている機器においては、車両の非使用時においても動作させるものや、非動作であるが消費電流の流れるものがあるので、僅かな電流（以下、喑電流という）が流れ続ける。この喑電流はバッテリの寿命や車両の長期間放置後の始動性に大きな影響を与えるものである。そこで蓄電素子 8の残留電力を用いて暗電流として有効利用している。

[0068] 具体的には、車両の停止状態をイグニッションキーなどの信号により検出すると、絶縁型双方向 DC/DCコンバータ 28は蓄電素子 8を入力とし狭電圧範囲補機 24を出力とする方向で動作する。この時、狭電圧範囲補機 24の定格電圧内で直流電圧源 2よりも高い電圧を出力する。この電圧に達すると絶縁型双方向 DC/DCコンバータ 28は回路動作を停止する。この時、狭電圧範囲補機 24には喑電流しか流れないので、狭電圧範囲補機 24の印加電圧は絶縁型双方向 DC/DCコンバータ 28の出力電圧から直流電圧源 2の電圧 Vb近くまで徐々に低下する。この電圧を検出するか、または停止する期間をタイマーなどにより既定しておき、絶縁型双方向 DC/DCコンバータ 28を再び上記のように動作させる。このように、非使用時に蓄電素子 8の電圧を、直流電圧源 2の電圧より高くなるように絶縁型双方向 DCZDCコンバータ 28で出力することにより、蓄電素子 8に残留電力が蓄えられている間は直流電圧源 2から喑電流が流れることはなくなる。したがって、直流電圧源 2の負担を低減できる上、蓄電素子 8の電力を有効に喑電流に応用することが可能となる。また、絶縁型双方向 DC /DCコンバータ 28は間欠動作をするので、蓄電素子 8から狭電圧範囲補機 24に暗電流を断続的に供給することになる。その結果、絶縁型双方向 DC/DCコンバータ 28の動作損失を低減できる。以上の動作を蓄電素子 8の信頼性上問題のない電圧（既定電圧）になるまで繰り返している。

[0069] なお、この動作は図 5の構成により、双方向 DC/DCコンバータ 26を用いても可能である。し力、この場合は上記したように、双方向 DC/DCコンバータ 26の入力に直流電圧源 2も含まれることから、双方向 DC/DCコンバータ 26での回路損失分が余計に増加することになる。一方、絶縁型双方向 DC/DCコンバータ 28の場合は、入力電圧が蓄電素子 8のみとなるので損失が低減され、図 5の構成よりさらにェネルギ一の有効活用が図れる。

[0070] また、図 5、図 6において、実施の形態 1で述べたように、第 2整流器 23に並列に例えば FETからなるスィッチ素子（図示せず）を設ける構成としてもよレ、。そして、このスイッチ素子の制御は例えば車両側 ECU (図示せず）により行うようにする。また、この車両側 ECUは、双方向 DC/DCコンバータ 26が蓄電素子 8から狭電圧範囲補機 2 4に電力を供給し、かつ補機 22が動作中の場合に、このスィッチ素子がオフ状態となるように制御する。これは、スタータ（補機 22)が動作することによる直流電圧源 2の電圧降下を補い、オーディオやナビゲーシヨン、各種 ECU (狭電圧範囲補機 24)への電力供給を安定化させるためである。これは具体的には、双方向 DC/DCコンパ一タ 26が蓄電素子 8から狭電圧範囲補機 24に電力を供給している場合は、このスイツチ素子をオフにする動作を行うことになる。これにより、蓄電素子 8から狭電圧範囲補機 24に電力を供給している場合は、第 2整流器 23が有効となり、蓄電素子 8から直流電圧源 2や広電圧範囲補機 20への電流が流れないようにして、狭電圧範囲補機 2 4を安定動作させ続けることができる。また、自動車の非使用時にも FETからなるこのスィッチ素子がオフ状態となるので、直流電圧源 2の逆接防止回路としても構成される。さらに、直流電圧源 2の電力を蓄電素子 8に充電する場合には、このスィッチ素子をオン状態とすることにより、第 2整流器 17に流れる電流による損失を低減することができるという効果も得られる。

[0071] また、このような電源装置を回生機能（車両制動時の運動エネルギーを発電機により電気エネルギーとして回収する機能)付き自動車に適用すると、次のような効果が得られる。回生時には短時間に 100A以上の大電流が発電機により発電される。しかし、直流電圧源 2としてのバッテリはこの電流を全て受け入れることができない。そこで、回生時に双方向コンバータ 26により蓄電素子 8を充電すれば、回生量を多くすること力 S可能となる。但し、この時に第 2整流器 23は約 IVの電圧降下を起こすので、電力損失が大きく発生する。この損失は全て熱となるので、第 2整流器 23の放熱器の形状が大きくなつたり、重量が重くなつたりする等の課題が生じる。そこで、このスィツチ素子を設け、少なくとも回生時にオン状態とすることで、大電流はこのスィッチ素子に流れるので、第 2整流器 23における電力損失を低減することができる。

[0072] また、双方向 DCZDCコンバータ 26が蓄電素子 8から狭電圧範囲補機 24へ電力を供給し、かつ補機 22が停止中の場合には、このスィッチ素子をオン状態としてもよレ、。これにより、第 1入出力端子 26aから出力される電力は、狭電圧範囲補機 24だけでなぐ直流電圧源 2にも供給される。ゆえに、上記した回生機能付き自動車の場合、回生により蓄電素子 8に蓄えた電力で直流電圧源 2を充電することもできるという効果が得られる。

[0073] 以上の構成、動作により、直流電圧源と蓄電素子のいずれに対しても負担を大きくすることなく高応答に所定の補機への供給電圧安定化を達成することのできる電源装置を実現できた。

[0074] (実施の形態 3)

図 7は、本発明の実施の形態 3における電源装置の概略ブロック回路図である。なお、図 7において、図 1、図 5と同じ構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。また、本実施の形態 3の構成は、アイドリングストップ機能に加え、前述した回生機能付きの車両用電源装置の例について説明する。

[0075] 図 7において、直流電圧源 2には並列に補機 22、および広電圧範囲補機 20が接続されている。さらに、エンジンにより発電を行う発電機 30も並列接続されている。また、直流電圧源 2には整流器 31とスィッチ素子 32の並列回路が直列に接続されている。スィッチ素子 32の制御は車両側 ECU33によって行われている。なお、整流器 31とスィッチ素子 32の並列回路として、本実施の形態 3でも実施の形態 1や 2で説明したように FETを用いた力これは、整流器 31とスィッチ素子 32を独立させて、スイツチ素子 32に例えばリレーを用いる構成としてもよい。

[0076] 整流器 31とスィッチ素子 32の並列回路の他端には、狭電圧範囲補機 24が接続されている。また、狭電圧範囲補機 24は双方向 DCZDCコンバータ 26の第 1入出力端子 26aに接続されている。双方向 DC/DCコンバータ 26の第 2入出力端子 26bには蓄電素子 8が接続されてレ、る。

[0077] 次に、このような電源装置の動作について説明する。

[0078] まず、車両のイダニシヨンスィッチ（図示せず）をオンにして、エンジンが始動すると発電機 30が発電を開始し、直流電圧源 2の充電および広電圧範囲補機 20、狭電圧範囲補機 24への電力供給を行う。この時、双方向 DC/DCコンバータ 26は車両側 ECU33の信号により第 1入出力端子 26aを入力、第 2入出力端子 26bを出力として動作を開始し蓄電素子 8の予備充電を開始する。なお、蓄電素子 8の充電開始は実施の形態 2で述べたように、カーテシスィッチ（図示せず)等の信号に連動してェンジン始動前に行ってもよい。

[0079] ここで、直流電圧源 2や発電機 30により蓄電素子 8を充電する際には、車両側 EC U33はスィッチ素子 32をオン状態にする。その結果、充電電流は主にスィッチ素子 32を流れることになり、整流器 31での電力損失を低減することができる。

[0080] 次に、車両制動による回生動作について説明する。

[0081] 車両制動のためにブレーキ操作されたことを車両側 ECU33が検出すると、車両側 ECU33はスィッチ素子 32がオン状態でなければオン状態にするとともに、蓄電素子 8に電力が出力されるように双方向 DC/DCコンバータ 26を制御する。その後、車両制動により発電機 30が発電した電力は直流電圧源 2に充電されるとともに、双方向 DCZDCコンバータ 26を介して蓄電素子 8に充電される。この時、直流電圧源 2 は鉛バッテリであるので、車両制動により短時間に発生した大電力を十分充電できなレ、。従って、発生した電力の多くは蓄電素子 8側に供給される。この際、あらかじめ双方向 DCZDCコンバータ 26が動作しているので、素早く蓄電素子 8に充電できるとともに、スィッチ素子 32がオン状態であるので、実施の形態 2で説明したような整流器 3 1に発生する 100W以上の大きな電力損失を低減することができる。このような動作により、回生時に高応答で低損失に回生電力を充電することができる。

[0082] 次に、例えばアイドルストップが終了してエンジンを再起動するためにスタータを駆動する等の動作を行った場合について説明を行う。

[0083] エンジン再起動のために直流電圧源 2から補機 22 (スタータ）に電力を供給すると、短時間に大電流が流れることから、直流電圧源 2の電圧は前述したように 7V程度まで低下する。この状態では狭電圧範囲補機 24を動作し続けられないので、車両側 E CU33は次のように動作する。

[0084] 車両側 ECU33はスタータを動作させる直前に、スィッチ素子 32をオフ状態にするとともに、双方向 DCZDCコンバータ 26の第 2入出力端子 26bが入力、第 1入出力端子 26aが出力となるように動作させる。これにより、スタータが動作する前に、あらかじめ蓄電素子 8の電力を双方向 DCZDCコンバータ 26で安定化して狭電圧範囲補機 24に供給し続けることができる。

[0085] この状態で車両側 ECU33はスタータを動作させ、エンジンを再始動させる。この時、直流電圧源 2の電圧 Vbは約 7Vまで低下する力双方向 DC/DCコンバータ 26の出力端電圧 Vcは狭電圧範囲補機 24を駆動し続けられる 11 V以上となっている上に、スィッチ素子 32はオフ状態である。したがって、整流器 31のアノード側電圧（=Vb )が力ソード側電圧（=Vc)より低くなり、整流器 31はオフになる。その結果、蓄電素子 8の電力が直流電圧源 2側に供給されることなぐ安定して狭電圧範囲補機 24を駆動し続けることができる。

[0086] 次に、スタータの駆動が完了すると、発電機 30が起動して直流電圧源 2の電圧 Vb が通常時に戻り定常状態となる。この時、車両側 ECU33はスィッチ素子 32をオン状態にする。その結果、整流器 31による電力損失を低減した状態で直流電圧源 2から狭電圧範囲補機 24に電力が供給される。

[0087] なお、エンジン起動後も蓄電素子 8に十分な電力がある場合は、蓄電素子 8からの電力供給を行い、この間、発電機 30を止めておくことも可能である。

[0088] 以上、いずれの場合も、蓄電素子 8の充電電圧は、狭電圧範囲補機 24の電圧補償のための放電により低下した状態であるが、その後の定常状態になった際や、ブレーキ時の回生により双方向 DC/DCコンバータ 26で既定の電圧まで再充電を行う。また、スタータ以外の補機 22の動作による電流によっても蓄電素子 8の電圧は低下するが、同様の動作により再充電を行う。

[0089] このような動作を繰り返すことにより、補機 22が断続的に大電流を消費しても、狭電圧範囲補機 24に安定した電圧を供給し続けることができる。

[0090] 以上のことから、スィッチ素子 32の動作をまとめると、次のようになる。車両側 ECU 33は、双方向 DC/DCコンバータ 26が蓄電素子 8から狭電圧範囲補機 24に電力を供給し、かつ大電流を消費する補機 22が動作中の場合に、スィッチ素子 32がオフ状態となるようにする。さらに、回生時を含めた蓄電素子 8を充電する場合や直流電圧源 2から狭電圧範囲補機 24への電力供給時ではスィッチ素子 32をオン状態にするようにしている。

[0091] なお、実施の形態 2と同様に、双方向 DC/DCコンバータ 26が蓄電素子 8から狭電圧範囲補機 24へ電力を供給し、かつ補機 22が停止中の場合には、スィッチ素子 32をオン状態としてもよい。これにより、第 1入出力端子 26aから出力される電力は、狭電圧範囲補機 24だけでなぐ直流電圧源 2にも供給される。ゆえに、回生により蓄電素子 8に蓄えた電力で直流電圧源 2を充電することもできるという効果が得られる。

[0092] 以上の構成、動作により、蓄電素子 8に充電した電力を用いて狭電圧範囲補機 24 の電圧補償を高応答に行うことができるとともに、整流器 31に流れる電流による電力損失を低減することが可能な電源装置を実現できた。

[0093] なお、本実施の形態 3ではアイドリングストップ機能と回生機能を両方有する車両の例にっレ、て述べたが、これはレ、ずれか一方のみを有する車両にっレ、ても適用できる

産業上の利用可能性

[0094] 本発明にかかる電源装置は、直流電圧源の電圧低下時に、電圧低下補償された安定電圧を補機に供給できるので、大電流を消費するアイドリングストップ機能を有する車両等の直流電圧源の電圧低下を補償する電源装置等として有用である。

Claims

請求の範囲

[1] 直流電圧源と、

前記直流電圧源に並列接続された第 1補機と、

前記直流電圧源に接続された第 1整流器と、

前記第 1整流器を介して電力が供給される第 2補機と、

前記直流電圧源を入力源とする第 1DC/DCコンバータと、

前記第 1DC/DCコンバータの出力端に接続された蓄電素子と、

前記蓄電素子を入力源とし、出力端を前記第 1整流器に接続した第 2DC/DCコンバータとにより構成された電源装置。

[2] 前記直流電圧源の出力電圧が既定値より高い時は、前記直流電圧源から前記第 2 補機へ電力を供給するとともに、前記第 1DC/DCコンバータを動作させて前記蓄電素子を充電し、

前記直流電圧源の出力電圧が前記既定値以下に低下した時、または外部からの信号を受信した時には、前記第 2DC/DCコンバータが動作を開始し、前記第 2補機への供給電圧の低下を防止する請求項 1記載の電源装置。

[3] 前記蓄電素子の充電時以外は前記第 1DCZDCコンバータを停止する請求項 1に記載の電源装置。

[4] 前記第 2DCZDCコンバータは降圧型回路である請求項 1に記載の電源装置。

[5] 前記第 2DCZDCコンバータは降圧型同期整流回路である請求項 1に記載の電源装置。

[6] 前記第 2DCZDCコンバータは前記第 2補機への印加電圧を制御する請求項 1に記載の電源装置。

[7] 前記第 2DCZDCコンバータの入力にリニアレギユレータの入力を、前記第 2DCZ DCコンバータの出力に前記リニアレギユレータの出力をそれぞれ接続した請求項 1 に記載の電源装置。

[8] 前記リニアレギユレータの出力電圧は前記第 2DC/DCコンバータの出力電圧より低くした請求項 7に記載の電源装置。

[9] 前記第 1DC/DCコンバータの入力端に第 2整流器を接続した請求項 1に記載の電源装置。

[10] 前記第 2整流器と並列に接続されたスィッチ素子をさらに有し、

前記スィッチ素子は少なくとも前記第 1DC/DCコンバータが前記蓄電素子を充電中にオン状態となるようにした請求項 9に記載の電源装置。

[11] 直流電圧源と、

前記直流電圧源に並列接続された広電圧範囲補機と、

前記直流電圧源に直列接続された蓄電素子と第 1整流器との並列回路と、前記直流電圧源と前記蓄電素子の直列回路に並列接続された、前記直流電圧源よりも高電圧が供給される補機と、

前記直流電圧源に接続された第 2整流器と、

前記第 2整流器を介して前記直流電圧源と並列に接続された狭電圧範囲補機と、前記狭電圧範囲補機が第 1入出力端子に、前記蓄電素子と前記第 1整流器との並列回路が第 2入出力端子に、それぞれ接続された双方向 DC/DCコンバータとにより構成された電源装置。

[12] 前記蓄電素子は前記双方向 DC/DCコンバータにより充電がなされ、

前記補機には前記直流電圧源と前記蓄電素子の加算電圧が印加され、前記補機に大電流が流れることにより前記直流電圧源の電圧が低下した際には、前記双方向 DC/DCコンバータは前記蓄電素子を入力とし前記狭電圧範囲補機を出力とする方向で動作を行うことにより、前記狭電圧範囲補機への印加電圧低下を補償する請求項 11に記載の電源装置。

[13] 前記双方向 DC/DCコンバータは絶縁型双方向 DC/DCコンバータである請求項 11に記載の電源装置。

[14] 非使用時に前記蓄電素子の電圧を前記直流電圧源の電圧より高くなるように前記双方向 DCZDCコンバータで出力することにより、前記蓄電素子から前記狭電圧範囲補機に喑電流を断続的に供給する請求項 11に記載の電源装置。

[15] 前記第 2整流器と並列に接続されたスィッチ素子をさらに有し、

前記双方向 DCZDCコンバータが前記蓄電素子から前記狭電圧範囲補機に電力を供給し、かつ前記補機が動作中の場合に、前記スィッチ素子がオフ状態となるようにした請求項 11に記載の電源装置。

[16] 前記スィッチ素子は前記双方向 DC/DCコンバータが前記蓄電素子を充電中にォン状態となるようにした請求項 15に記載の電源装置。

[17] 前記双方向 DCZDCコンバータが前記蓄電素子から前記狭電圧範囲補機へ電力を供給し、かつ前記補機が停止中の場合に、前記スィッチ素子がオン状態となるようにした請求項 15に記載の電源装置。

[18] 直流電圧源と、

前記直流電圧源に並列接続された補機、発電機および広電圧範囲補機と、前記直流電圧源に直列接続された整流器とスィッチ素子の並列回路と、前記整流器とスィッチ素子の並列回路の他端に接続された狭電圧範囲補機と、前記狭電圧範囲補機が第 1入出力端子に接続された双方向 DCZDCコンバータと前記双方向 DC/DCコンバータの第 2入出力端子に接続された蓄電素子とにより構成された電源装置。

[19] 前記双方向 DC/DCコンバータが前記蓄電素子から前記狭電圧範囲補機に電力を供給し、かつ前記補機が動作中の場合に、前記スィッチ素子がオフ状態となるようにした請求項 18に記載の電源装置。

[20] 前記スィッチ素子は前記双方向 DC/DCコンバータが前記蓄電素子を充電中にォン状態となるようにした請求項 19に記載の電源装置。

[21] 前記双方向 DC/DCコンバータが前記蓄電素子から前記狭電圧範囲補機へ電力を供給し、かつ前記補機が停止中の場合に、前記スィッチ素子がオン状態となるようにした請求項 19に記載の電源装置。