(57)【要約】【課題】省スペースでバッテリ不足及びバッテリの劣化を抑制する電源システムを提供する。【解決手段】発電機３により充電される鉛蓄電池１の出力電圧１４Ｖより作動電圧が高い４２Ｖ系負荷１１へ電力を供給する電源システムにおいて、発電機３により充電され、鉛蓄電池１に直列接続されているキャパシタ２を備える。キャパシタ２は、蓄電池１の出力電圧１４Ｖとの合計が４２Ｖ系負荷１１の作動電圧４２Ｖとなる電圧２８Ｖを出力する静電容量を有する。【選択図】図１
2010068650.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機により充電されるバッテリの出力電圧より作動電圧が高い車載負荷へ電力を供給する電源システムにおいて、
発電機により充電され、前記バッテリに直列接続されている蓄電器
を備え、
該蓄電器は、
出力電圧が、前記バッテリの出力電圧との合計が前記車載負荷の作動電圧となる電圧を有する
ことを特徴とする電源システム。
【請求項２】
前記バッテリ及び蓄電器の出力電圧の合計電圧を降圧する降圧手段
をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
【請求項３】
前記蓄電器と並列接続されており、前記バッテリの出力電圧を昇圧する昇圧手段と、
前記蓄電器の出力電圧を検知する検知手段と、
前記バッテリ及び蓄電器の間に設けられた第１スイッチと、
前記バッテリ及び昇圧手段の間に設けられた第２スイッチと、
前記検知手段の検知結果に応じて、前記第１スイッチをオフにし、前記第２スイッチをオンにするスイッチ制御手段と
をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の電源システム。
【請求項４】
前記蓄電器は、電気二重層キャパシタである
ことを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車載負荷に電力を供給する電源システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車載機器の増加及び高電圧化に伴う電力不足を解消するために、電圧が異なるバッテリを搭載した車両用電源システムが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１に記載の電源システムは、メータ及びオーディオ等の低圧系負荷に給電するための低圧系バッテリと、電動パワーステアリング等の高圧系負荷に給電するための高圧系バッテリとを備えている。そして、低圧系バッテリの電力供給能力が低下した場合に、高圧系負荷が作動状態であれば発電機による発電量を増加させ、低圧系負荷が要求する電力の不足分を補う。また、高圧系負荷が非作動状態であれば、高圧系バッテリの電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにより降圧して、低圧系負荷が要求する電力の不足分を補う。これにより、負荷が電力不足とならないようにすることができる。
【特許文献１】特開２００７−２３７８５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、特許文献１において、低圧系バッテリの電力供給能力が低下した場合、高圧系バッテリが低圧系負荷へ電力供給を行っているため、長時間の車両停止後に、例えばエンジンを再始動する場合に高圧系バッテリの電力が不足する可能性がある。これを防止するために、高圧系バッテリの容量を大きくすることが考えられるが、バッテリが大型化するため、設置スペースを確保する必要がある。
【０００４】
また、バッテリはエンジン回転中に発電機により充電されるが、発電機による充放電の繰り返し、また、電装品を多用した場合、バッテリの劣化が進んで寿命が短くなる。この場合、バッテリを交換する等、コストの上昇を招くおそれがある。
【０００５】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、省スペースでバッテリ不足及びバッテリの劣化を抑制する電源システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る電源システムは、発電機により充電されるバッテリの出力電圧より作動電圧が高い車載負荷へ電力を供給する電源システムにおいて、発電機により充電され、前記バッテリに直列接続されている蓄電器を備え、該蓄電器は、出力電圧が、前記バッテリの出力電圧との合計が前記車載負荷の作動電圧となる電圧を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明では、バッテリの出力電圧との合計が車載負荷の作動電圧となる電圧で充電する蓄電器を、バッテリと直列に接続している。蓄電器は、電圧が充電されることで鉛蓄電池であるバッテリと同じような機能を持つため、バッテリと直列接続することで、バッテリ及び蓄電器の出力電圧が合計され、車載負荷の作動電圧なる。この結果、バッテリの出力電圧より高い作動電圧の車載負荷へ電力を供給することができる。
【０００８】
そして、蓄電器の蓄電電圧のみを車載負荷へ供給する場合との対比において、蓄電器をバッテリと直列接続することで、蓄電器の電圧をバッテリ電圧分だけ低く設定することができる。このため、蓄電器を構成するセル数を減らすことができるため、蓄電器の静電容量を大きくでき、かつ、省スペース化を実現することができる。また、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等によりバッテリ電圧を昇圧して車載負荷へ供給する場合との対比において、バッテリの負担を軽減できるため、バッテリの劣化を抑制することができる。また、高圧系の車載負荷に対して、バッテリに蓄電器を直列接続して対応することで、これまでにバッテリの出力電圧と同じ電圧で駆動していた車載負荷をそのまま用いることが可能となる。
【０００９】
本発明に係る電源システムは、前記バッテリ及び蓄電器の出力電圧の合計電圧を降圧する降圧手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明では、降圧手段を備えることで、高圧系及び低圧系それぞれの車載負荷を混在することが可能となる。
【００１１】
本発明に係る電源システムは、前記蓄電器と並列接続されており、前記バッテリの出力電圧を昇圧する昇圧手段と、前記蓄電器の出力電圧を検知する検知手段と、前記バッテリ及び蓄電器の間に設けられた第１スイッチと、前記バッテリ及び昇圧手段の間に設けられた第２スイッチと、前記検知手段の検知結果に応じて、前記第１スイッチをオフにし、前記第２スイッチをオンにするスイッチ制御手段とをさらに備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明では、昇圧手段が蓄電器と並列接続されており、蓄電器の端子電圧に応じて、バッテリの出力電圧を蓄電器又は昇圧手段の何れかに出力する。例えば、蓄電器の端子電圧が所定値より小さい場合、バッテリ及び蓄電器の出力電圧の合計が、車載負荷の作動電圧を満たさず、車載負荷が電力不足により作動しない可能性がある。この場合に、バッテリの出力電圧を昇圧手段により昇圧して、車載負荷へ供給することで、車載負荷での電力不足を抑制することができる。
【００１３】
本発明に係る電源システムは、前記蓄電器は、電気二重層キャパシタであることを特徴とする。
【００１４】
本発明では、蓄電器を電気二重層キャパシタとすることで、電源システムが大型化することなく、蓄電容量の大容量化が可能となり、また、発電機が発電した電圧を急速に充放電することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、バッテリの出力電圧との合計が車載負荷の作動電圧となる電圧で充電する蓄電器を、バッテリと直列に接続している。蓄電器は、電圧が充電されることで鉛蓄電池であるバッテリと同じような機能を持つため、バッテリと直列接続することで、バッテリ及び蓄電器の出力電圧が合計され、車載負荷の作動電圧となる。この結果、バッテリの出力電圧より高い作動電圧の車載負荷へ電力を供給することができる。そして、蓄電器の蓄電電圧のみを車載負荷へ供給する場合との対比において、蓄電器をバッテリと直列接続することで、蓄電器の蓄電容量をバッテリ電圧分だけ低く設定することができる。このため、蓄電器を構成するセル数を減らすことができるため、蓄電器の静電容量を大きくでき、かつ、省スペース化を実現することができる。また、例えばＤＣ／ＤＣコンバータ等によりバッテリ電圧を昇圧して車載負荷へ供給する場合との対比において、バッテリの負担を軽減できるため、バッテリの劣化を抑制することができる。また、高圧系の車載負荷に対して、バッテリに蓄電器を直列接続して対応することで、これまでにバッテリの出力電圧と同じ電圧で駆動していた車載負荷をそのまま用いることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しつつ説明する。
【００１７】
図１は、本実施形態に係る電源システムの構成を示す模式図である。本実施形態に係る電源システムは、鉛蓄電池（バッテリ）１、キャパシタ（蓄電器）２、発電機３、ＤＣ／ＤＣコンバータ４、制御部（検知手段）５及びスイッチング素子（切替手段）Ｓ１〜Ｓ３等を備えており、車両に搭載された１４Ｖ系負荷１０及び４２Ｖ系負荷１１と、スタータ１２とに電力を供給する。１４Ｖ系負荷１０は、駆動電圧が１４Ｖであって、例えば空調機、ワイパー用モータ等の補機及び各種電子機器等である。４２Ｖ系負荷１１は、駆動電圧が４２Ｖであって、例えばステアリング用モータ、オイルポンプ及びイグナイタ等である。スタータ１２は、エンジンを始動させるために、所定のキーを差し込むことにより回転操作が可能なイグニッションキーシリンダにより構成される。
【００１８】
鉛蓄電池１は、電圧１４Ｖで充電する蓄電容量を有しており、負極端子が接地され、正極端子がスイッチング素子Ｓ１を介してスタータ１２に接続されている。スイッチング素子Ｓ１をオンにすることで、スタータ１２へ鉛蓄電池１から電圧が供給され、スタータ１２は、鉛蓄電池１の充電電圧によりスタータ駆動を行えるようになる。なお、スイッチング素子Ｓ１は、例えばＮチャネルのＭＯＳＦＥＴからなり、ゲートに信号が入力されることにより、ソースとドレインの間の導通及び遮断、すなわちスイッチング動作を行う。後述するスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３は、スイッチング素子Ｓ１と同様の構成をしており、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ３は、後述の制御部５によりＰＷＭ制御される。なお、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ３は、半導体リレーであってもよいし、機械式スイッチであってもよい。
【００１９】
また、鉛蓄電池１は、正極端子がスイッチング素子（第１スイッチ）Ｓ２を介してキャパシタ２に接続されている。キャパシタ２は、出力電圧が２８Ｖとなる静電容量に設定された電気二重層キャパシタであり、後述の発電機３が発電した電圧を充電する。キャパシタ２は、スイッチング素子Ｓ２がオンの場合、鉛蓄電池１とキャパシタ２とが直列接続となる。キャパシタ２は、発電機３による発電電圧を充電することで鉛蓄電池と同じような機能を持つため、鉛蓄電池１とキャパシタ２とが直列接続となることで、鉛蓄電池１の電圧１２Ｖにキャパシタ２の電圧２８Ｖが加わり、４２Ｖに昇圧された電圧がキャパシタ２から出力される。なお、キャパシタ２を電気二重層キャパシタとすることで、電源システムの小型化及び蓄電容量の大容量化が可能となり、発電機３の発電電圧を急速に充放電することが可能となる。
【００２０】
スイッチング素子Ｓ２を介して直列接続された鉛蓄電池１及びキャパシタ２は、発電機３と並列に接続されている。具体的には、スイッチング素子Ｓ２が接続されていないキャパシタ２の端子（以下、端子１と言う）が発電機３の正極端子に接続されており、発電機３の負極端子が接地されている。発電機３は、図示しないレギュレータを備えた三相の交流発電機である。発電機３は、エンジン回転中に発電した交流電力を整流回路にて直流の電力に整流し、整流された電力の電圧をレギュレータにて４２Ｖの電圧に調整して出力する。
【００２１】
キャパシタ２の端子１及び発電機３の正極端子は、４２Ｖ系負荷１１に接続されている。４２Ｖ系負荷１１は、エンジン回転中に発電機３が出力した４２Ｖの電圧、又は、上述のように鉛蓄電池１及びキャパシタ２により４２Ｖに昇圧された電圧が供給される。このように、４２Ｖ系負荷１１に４２Ｖの電圧を供給するために、キャパシタ２の出力電圧が４２Ｖとなるように設定せず、鉛蓄電池１と直列接続して４２Ｖに昇圧した電圧を４２Ｖ系負荷１１に供給することで、キャパシタ２の出力電圧を、鉛蓄電池１の充電電圧分だけ低く設定することができる。その結果、キャパシタ２の直列のセル数を減らすことができるため、キャパシタ２の総静電容量を大きくでき、かつ、省スペース化を実現することができる。
【００２２】
また、キャパシタ２の端子１及び発電機３の正極端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、降圧の機能をており、１４Ｖ系負荷１０に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、エンジン回転中に発電機３が出力した電圧４２Ｖ、又は、鉛蓄電池１及びキャパシタ２により４２Ｖに昇圧された電圧を降圧し、１４Ｖ系負荷１０に供給する。
【００２３】
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、昇圧の機能を備えており、スイッチング素子（第２スイッチ）Ｓ３を介して、鉛蓄電池１及びスイッチチング素子Ｓ２の接続部に接続されている。換言すれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ４及びスイッチング素子Ｓ３は、キャパシタ２及びスイッチング素子Ｓ２と並列接続されている。１４Ｖ系負荷１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４及びスイッチング素子Ｓ３の接続部に接続されている。この場合に、スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３のオンオフ制御することで、鉛蓄電池１の電圧を、１４Ｖ系負荷１０、ＤＣ／ＤＣコンバータ４、又はキャパシタ２へ出力することができる。
【００２４】
なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、昇圧及び降圧の機能を備えた双方向型ＤＣ／ＤＣコンバータとしているが、昇圧及び降圧それぞれのＤＣ／ＤＣコンバータを用いるようにしてもよい。
【００２５】
制御部５は、例えばＥＣＵ（Electronic Control Unit）であって、所定の動作を行う。例えば、制御部５は、車載機器に設けられた電源スイッチ又はイグニッションスイッチ等のオンオフの切り替えを検知し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の昇降圧制御、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ３の切替制御、及び鉛蓄電池１の残存容量の検出等の動作を行う。なお、制御部５は、エンジン停止中であっても鉛蓄電池１又はキャパシタ２から暗電流が流れ、動作可能となっている。また、鉛蓄電池１の残存容量を検出する方法は、バッテリ端子電圧（オープン電圧）に基づいて求める方法、バッテリ内部抵抗に基づいて求める方法、バッテリ充放電電流の積算値に基づいて求める方法、あるいはこれらの組み合わせた方法等がある。
【００２６】
以上のように構成される電源システムにおける制御部５の動作について説明する。図２は、制御部５が実行する動作を示すフローチャートである。
【００２７】
制御部５は、上述のようにエンジン停止中であっても動作可能となっており、まずスタータ１２が操作され、スタータ駆動を行うか否かを判定する（Ｓ１）。スタータ駆動を行わない場合（Ｓ１：ＮＯ）、制御部５は、本処理を終了する。スタータ駆動を行う場合（Ｓ１：ＹＥＳ）、制御部５は、スイッチング素子Ｓ１をオンにする（Ｓ２）。これにより、スタータ１２は、鉛蓄電池１の充電電圧によりスタータ駆動を行えるようになる。なお、制御部５は、エンジン停止時は常時スイッチング素子Ｓ１をオンにするようにしてもよい。
【００２８】
制御部５は、スタータ駆動を行った後、スイッチング素子Ｓ１をオフとし、スイッチング素子Ｓ２をオンにする（Ｓ３）。これにより、鉛蓄電池１及びキャパシタ２は、発電機３による発電電圧を充電するようになり、この結果、鉛蓄電池１のみに発電機３による発電電圧を充電させるよりも、充電効率を向上させることができる。次に、制御部５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４による降圧制御を行う（Ｓ４）。エンジン回転中、１４Ｖ系負荷１０及び４２Ｖ系負荷１１は、発電機３から電圧が供給されるため、制御部５がＤＣ／ＤＣコンバータ４の降圧制御を行うことで、発電機３から１４Ｖ系負荷１０へ電圧を供給することができる。
【００２９】
制御部５は、キャパシタ２の残存容量が低下しているか否かを判定する（Ｓ５）。制御部５は、キャパシタ２の残存容量を検知し、残存容量が所定値以下である場合に、低下していると判定する。キャパシタ２の残存容量が低下していない場合（Ｓ５：ＮＯ）、制御部５は、処理をＳ８に移す。キャパシタ２の残存容量が低下している場合（Ｓ５：ＹＥＳ）、制御部５は、スイッチング素子Ｓ２をオフ、スイッチング素子Ｓ３をオンにする（Ｓ６）。なお、既にスイッチング素子Ｓ２がオフ、スイッチング素子Ｓ３がオンである場合は、その状態を維持する。これにより、鉛蓄電池１の充電電圧は、１４Ｖ系負荷１０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４に出力される。
【００３０】
そして、制御部５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４による昇圧制御を行い（Ｓ７）、鉛蓄電池１の充電電圧１４Ｖを４２Ｖに昇圧し、４２Ｖ系負荷１１へ供給する。このように、キャパシタ２の容量が低下したときに、鉛蓄電池１から各負荷１０，１１へ電圧を供給することで、電圧不足により負荷１０，１１が作動しなくなる等の緊急時の対処を行うことが可能となる。
【００３１】
次に、制御部５は、エンジンが停止したか否かを判定する（Ｓ８）。エンジンが停止していない場合（Ｓ８：ＮＯ）、制御部５は、処理をＳ５に移す。エンジンが停止した場合（Ｓ８：ＹＥＳ）、制御部５は、処理をＳ９に移す。
【００３２】
Ｓ９では、制御部５は、スイッチング素子Ｓ２をオフ、スイッチング素子Ｓ３をオンにする。なお、既にスイッチング素子Ｓ２がオフ、スイッチング素子Ｓ３がオンである場合は、その状態を維持する。これにより、エンジン停止中、１４Ｖ系負荷１０及び４２Ｖ系負荷１１には、キャパシタ２よりも多くのエネルギーを蓄積することができる鉛蓄電池１から暗電流が流れるようになっている。なお、４２Ｖ系負荷１１に暗電流を流す場合には、制御部５は、鉛蓄電池１の電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ４により昇圧する。その後、制御部５は、本処理を終了する。
【００３３】
以上説明したように、本実施形態では、鉛蓄電池１とキャパシタ２とを直列接続し、キャパシタ２の出力電圧と、鉛蓄電池１の出力電圧との合計が、電圧４２Ｖとなるようにしてある。これにより、低圧系バッテリである鉛蓄電池１から高圧系の負荷１１へ電力を供給することができる。また、キャパシタ２を鉛蓄電池１と直列接続することで、キャパシタ２の蓄電容量をバッテリ電圧分だけ低く設定することができる。これにより、キャパシタ２を構成するセル数を減らすことができるため、蓄電器の静電容量を大きくでき、かつ、省スペース化を実現することができる。
【００３４】
以上、本発明の好適な実施形態について、具体的に説明したが、各構成及び各処理動作等は適宜変更可能であって、上述の実施形態に限定されることはない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本実施形態に係る電源システムの構成を示す模式図である。
【図２】制御部が実行する動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３６】
１  鉛蓄電池（バッテリ）
２  キャパシタ（蓄電器）
３  発電機
４  ＤＣ／ＤＣコンバータ（降圧手段、昇圧手段）
５  制御部
１０  １４Ｖ系負荷（車載負荷）
１１  ４２Ｖ系負荷
Ｓ１、Ｓ２，Ｓ３  スイッチング素子（第１スイッチ、第２スイッチ）
【図１】
2010068650.tif 000003
【図２】
2010068650.tif 000004