(57)【要約】  この発明は、主電源の放電による電源容量の低下を回避でき、スイッチ投入時に大電流が主電源からコンデンサに流れることを回避でき、かつ高磁束高出力の発電量が得られるようにした車両用電源システムを得る。  主電源１が第１スイッチ９を介してＤＣ／ＤＣコンバータ７の低圧側に接続され、電気二重層キャパシタ６およびレギュレータ回路８がＤＣ／ＤＣコンバータ７の高圧側に接続されている。さらに、永久磁石が、界磁コイル３４による励磁と逆向きの磁界を回転子の爪状磁極部内に発生するように発電機２０の回転子に配設されている。そして、電源制御回路１９は、エンジン３の停止状態では開放状態とし、エンジン３の始動後、レギュレータ回路８を作動させて発電機２０を発電させ、電気二重層キャパシタ６をプリチャージした後、接続状態とするように第１スイッチ９を開閉制御する。
2011010493.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧側入出力端子と低圧側入出力端子との間で双方向で電圧変換可能に構成された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記低圧側入出力端子に第１スイッチを介して接続された車両の主電源と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、定格最大値が上記主電源の定格電圧より高圧のコンデンサと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、エンジンにより回転駆動されて発電する、界磁コイルが装着されたランデル型回転子を有する発電機と、
上記回転子に配設され、上記界磁コイルによる励磁と逆向きの磁界を該回転子の爪状磁極部内に発生する永久磁石と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、上記界磁コイルに電力を供給するレギュレータ回路と、
上記エンジンを始動させる始動電動機と、
上記エンジンの停止状態では開放状態とし、該エンジンの始動後、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、上記コンデンサをプリチャージした後、接続状態とするように上記第１スイッチを開閉制御する電源制御回路と、
を備えていることを特徴とする車両用電源システム。
【請求項２】
上記電源制御回路は、プリチャージされた上記コンデンサの電圧が上記主電源の電圧より高圧となったことを検知して上記第１スイッチを接続状態とすることを特徴とする請求項１記載の車両用電源システム。
【請求項３】
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子と上記主電源の高圧側とを接続する接続線と、
上記接続線に介装され、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子から上記主電源の高圧側に向う電流を順方向とするダイオードと、をさらに備え、
上記電源制御回路は、上記ダイオードを通過する電流値の有無を監視し、該電流値がある場合に、上記コンデンサの電圧が上記主電源の電圧より高圧となったことを検知したものとすることを特徴とする請求項２記載の車両用電源システム。
【請求項４】
上記電源制御回路は、上記第１スイッチを接続状態とした後、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて、該主電源の電圧を該コンデンサの定格最大値まで昇圧させるとともに、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、該発電機の発電電力を該コンデンサにチャージするように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
【請求項５】
上記電源制御回路は、上記エンジンの動作時、上記コンデンサの電圧が上記主電源の電圧以下となったときに、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて、該主電源の電圧を該コンデンサの定格最大値まで昇圧させるとともに、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、該発電機の発電電力を該コンデンサにチャージするように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
【請求項６】
上記電源制御回路は、上記エンジンの動作時、上記主電源の電圧が上記主電源の充電電圧未満となったときに、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて、上記コンデンサの電圧を該主電源の定格電圧まで降圧させ、該主電源にチャージするように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
【請求項７】
上記電源制御回路は、上記エンジンの始動時、上記コンデンサの電圧が上記主電源の電圧より高圧の場合には、該コンデンサの電力を上記始動電動機に供給し、該コンデンサの電圧が該主電源の電圧以下の場合には、該主電源の電力を該始動電動機に供給するように構成されている特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
【請求項８】
上記レギュレータ回路は、上記界磁コイルに対して一方向電流の制御を行うチョッパ降圧回路で構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば鉛蓄電池などの低圧主電池と瞬時大負荷に対応する電気二重層キャパシタとを搭載した二電源系車両用電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の車両用電源システムは、車両の走行駆動力を伝達する経路上に介装され、車両の主電源から界磁コイルに励磁電流が流されて発電する発電機と、発電機で発電した電力を蓄えるコンデンサと、発電機による高圧電圧を主電源の電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、車両の減速時に、車両の運転状態とコンデンサの充電状態とに応じて発電機を作動させる発電制御手段と、を備えている。そして、従来の車両用電源システムでは、車両の減速時に、車両の運転状態とコンデンサの充電状態とに応じて発電機を作動させて主電源より高圧の電圧を発電させ、発電した電力をコンデンサに蓄えることにより、減速エネルギーを電力として回収し、発電した高電圧をＤＣ／ＤＣコンバータにより主電源の電圧に変換して利用している（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−２６４７０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の車両用電源システムでは、低電圧の主電源と高電圧のコンデンサとがＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続されているので、車両が駐車などで長時間放置されると、コンデンサは内部抵抗を介して徐々に自然放電を開始し、ついには主電源より低圧の電圧となってしまう。すると、非絶縁性のＤＣ／ＤＣコンバータでは、暗電流が内部回路を介して流れ出し、主電源も徐々に放電を開始し、電源容量が低下してしまうという問題が生じる。【０００５】
この問題を回避するために、コンデンサから主電源に至る経路にスイッチを設けることが考えられる。つまり、スイッチを開放してコンデンサを主電源から切り離しておき、コンデンサの自然放電に起因する主電源の放電を回避する。しかし、コンデンサが完全に放電した状態でスイッチを投入すると、初期的には、主電源とコンデンサとが短絡状態となり、主電源からコンデンサに大電流が流れる。そこで、この大電流を許容するようにＤＣ／ＤＣコンバータを回路設計する必要があり、ＤＣ／ＤＣコンバータの大型化および複雑化をもたらすという新たな問題が生じる。【０００６】
この新たな問題を回避するために、スイッチを投入する前に、コンデンサをプリチャージし、コンデンサの電圧を主電源の電圧より高くすることが考えられる。つまり、コンデンサの電圧が主電源の電圧より高くなった状態でスイッチが投入されるので、大電流が主電源からコンデンサに流れることが回避される。しかし、コンデンサをプリチャージするには、発電機の発電動作を開始する必要があり、主電源から界磁電流制御回路を介して界磁電流を発電機に供給する必要がある。そこで、界磁電流制御回路に投入される電源電圧は主電源の電圧となり、高磁束高出力の発電量が得られないという問題が生じる。【０００７】
この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、低電圧の主電源と高電圧のコンデンサとをＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続し、コンデンサから主電源に至る経路にスイッチを設け、かつレギュレータ回路をＤＣ／ＤＣコンバータの高圧側に接続し、エンジンの停止状態ではスイッチを開放し、エンジン始動後、発電機を発電させてコンデンサをプリチャージした後、スイッチを接続状態として、主電源の放電による電源容量の低下を回避でき、スイッチ投入時に大電流が主電源からコンデンサに流れることを回避でき、かつ高磁束高出力の発電量が得られるようにした車両用電源システムを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明による車両用電源システムは、高圧側入出力端子と低圧側入出力端子との間で双方向で電圧変換可能に構成された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記低圧側入出力端子に第１スイッチを介して接続された車両の主電源と、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、定格最大値が上記主電源の定格電圧より高圧のコンデンサと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、エンジンにより回転駆動されて発電する、界磁コイルが装着されたランデル型回転子を有する発電機と、上記回転子に配設され、上記界磁コイルによる励磁と逆向きの磁界を該回転子の爪状磁極部内に発生する永久磁石と、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、上記界磁コイルに電力を供給するレギュレータ回路と、上記エンジンを始動させる始動電動機と、上記エンジンの停止状態では開放状態とし、該エンジンの始動後、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、上記コンデンサをプリチャージした後、接続状態とするように上記第１スイッチを開閉制御する電源制御回路と、を備えている。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、第１スイッチがエンジンの停止状態では開放状態とされ、主電源がＤＣ／ＤＣコンバータと切り離されているので、車両が長時間停車し、コンデンサが放電しても、主電源が放電するような事態が回避される。【００１０】
また、エンジンの始動後、レギュレータ回路を作動させて発電機を発電させているので、初期的には、発電機は永久磁石の漏れ磁束により僅かずつ発電され、その発電電力がコンデンサに蓄えられる。レギュレータ回路がＤＣ／ＤＣコンバータの高圧側に接続されているので、コンデンサに蓄えられた電力により界磁コイルに励磁電流が流れ、発電機の発電量が高められ、コンデンサの蓄電量が増大する。【００１１】
さらに、コンデンサの蓄電量が増大した後、第１スイッチが接続状態となるので、大電流が主電源からコンデンサに流れることが回避される。そして、主電源の電圧がＤＣ／ＤＣコンバータにより昇圧されて界磁コイルに供給されるので、高磁束高出力の発電量が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムの回路構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムに適用される回転電機を示す断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムによる基本動作を説明する図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムによるエネルギー回生動作を説明する図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムによる主電源の充電動作を説明する図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る車両用電源システムの回路構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る車両用電源システムの回路構成図である。
【図８】この発明の実施の形態３に係る車両用電源システムによるエンジンの始動動作を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムの回路構成図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムに適用される回転電機を示す断面図である。【００１４】
図１において、車両用電源システムは、車両の主電源１と、主電源１の電力により駆動される車載負荷２と、主電源１の電力により駆動されて車両のエンジン３を始動させる始動電動機４と、車両の走行駆動力を伝達する経路上に介装され、車両の主電源１より高圧の電圧を発電する発電機２０と、発電機２０で発電された交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路５と、ＡＣ／ＤＣ変換回路５により変換された直流電力を蓄えるコンデンサとしての非絶縁型の電気二重層キャパシタ６と、低圧側入出力端子７ａと高圧側入出力端子７ｂとの間で双方向で電圧変換可能に構成された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ７と、発電機２０の界磁コイルへの通電量を制御するレギュレータ回路８と、レギュレータ回路８の駆動、および第１および第２スイッチ９，１０の開閉動作を制御する電源制御回路１９と、を備えている。【００１５】
また、車両用電源システムにおいては、低圧側配線５０がＤＣ／ＤＣコンバータ７の低圧側入出力端子７ａに接続され、高圧側配線５１がＤＣ／ＤＣコンバータ７の高圧側入出力端子７ｂに接続されている。そして、主電源１、車載負荷２、および始動電動機４が低圧側配線５０に接続され、ＡＣ／ＤＣ変換回路５、電気二重層キャパシタ６、およびレギュレータ回路８が高圧側配線５１に接続されている。また、第１スイッチ９が、主電源１とＤＣ／ＤＣコンバータ７との間の低圧側配線５０の経路上に介装され、主電源１とＤＣ／ＤＣコンバータ７との接続と非接続とを切り換える。さらに、第２スイッチ１０が、主電源１と始動電動機４との間の低圧側配線５０の経路上に介装され、主電源１と始動電動機４との接続と非接続とを切り換える。【００１６】
主電源１は、鉛蓄電池などが用いられ、例えば１４Ｖ（定格電圧）の低電圧系の車載電源を構成する。車載負荷２は、空調装置やオーディオ装置等であり、主電源１により駆動される。ＡＣ／ＤＣ変換回路５は、ダイオードブリッジを用いて三相全波整流回路に構成されている。電気二重層キャパシタ６の定格最大値は、例えば２８Ｖとする。【００１７】
ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、並列接続されたダイオード１１とＭＯＳＦＥＴなどの半導体スイッチング素子１４との対とダイオード１２と半導体スイッチング素子１５との対とが直列に接続され、リアクトル１７が直列接続されたダイオード１１，１２と半導体スイッチング素子１４，１５との対間に接続され、キャパシタ１８が直列に接続されたダイオード１１，１２と半導体スイッチング素子１４，１５との２対と並列に接続されて構成されている。【００１８】
このように構成されたＤＣ／ＤＣコンバータ７は、半導体スイッチング素子１５をＯＦＦ状態とし、半導体スイッチング素子１４をＯＮ／ＯＦＦさせることにより、低圧側入出力端子７ａの入力電圧が昇圧されて高圧側入出力端子７ｂに出力される。つまり、低圧側入出力端子７ａから高圧側入出力端子７ｂに対して昇圧作用が得られる。また、半導体スイッチング素子１４をＯＮ状態とし、半導体スイッチング素子１５をＯＮ／ＯＦＦさせることにより、高圧側入出力端子７ｂの入力電圧が降圧されて低圧側入出力端子７ａに出力される。つまり、高圧側入出力端子７ｂから低圧側入出力端子７ａに対して降圧作用が得られる。【００１９】
レギュレータ回路８は、ダイオード１３と半導体スイッチング素子１６とからなり、界磁コイル３４に対して一方向電流の制御を行うチョッパ降圧回路により構成され、使用素子数の削減および回路の簡素化を図っている。
電源制御回路１９は、ＣＰＵ、メモリ、入出力回路などを有するマイクロコンピュータであり、図示していないが、車速センサ、回転数センサなどからの信号、および主電源１の電圧Ｖｂや電気二重層キャパシタ６の電圧Ｖｃなどの信号を監視し、車両の運転状態と主電源１および電気二重層キャパシタ６の充電状態に応じて、第１および第２スイッチ９，１０の開閉制御、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の動作制御、レギュレータ回路８の駆動制御などを行う。【００２０】
つぎに、発電機２０の構成について図２を参照しつつ説明する。
発電機２０は、それぞれ略椀形状のアルミ製のフロントブラケット２２とリヤブラケット２３とからなるケース２１と、シャフト３６をケース２１に軸受２５を介して支持されて、ケース２１内に回転自在に配設されたランデル型回転子３３と、ケース２１のフロント側に延出するシャフト３６の端部に固着されたプーリ２６と、回転子３３の軸方向の両端面に固定されたファン２７と、回転子３３に対して一定のエアギャップ２４を有して、回転子３３の外周を囲繞してケース２１に固定された固定子３０と、シャフト３６のリヤ側に固定され、回転子３３に電流を供給する一対のスリップリング２８と、各スリップリング２８に摺動するようにケース２１内に配設された一対のブラシ２９と、を備えている。【００２１】
固定子３０は、円筒状の固定子鉄心３１と、固定子鉄心３１に巻装され、回転子３３の回転に伴い、後述する界磁コイル３４からの磁束の変化で交流が生じる固定子コイル３２と、を備えている。【００２２】
回転子３３は、励磁電流が流されて磁束を発生する界磁コイル３４と、界磁コイル３４を覆うように設けられ、その磁束によって磁極が形成されるポールコア３５と、ポールコア３５の軸心位置に貫装されたシャフト３６と、を備えている。
ポールコア３５は、それぞれ例えばＳ１０Ｃなどの低炭素鋼で作製された第１および第２ポールコア体３７，４１に分割構成されている。【００２３】
第１ポールコア体３７は、外周面を円筒形状とし、シャフト挿通穴３８ａが軸心位置を貫通して形成された第１ボス部３８と、第１ボス部３８の一端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第１継鉄部３９と、第１継鉄部３９の外周部から軸方向他端側に延設された第１爪状磁極部４０とを有している。第１爪状磁極部４０は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第１継鉄部３９の外周部に周方向に等角ピッチで例えば８つ配列されている。【００２４】
第２ポールコア体４１は、外周面を円筒形状とし、シャフト挿通穴４２ａが軸心位置を貫通して形成された第２ボス部４２と、第２ボス部４２の他端縁部から径方向外側に延設された厚肉リング状の第２継鉄部４３と、第２継鉄部４３の外周部から軸方向一端側に延設された第２爪状磁極部４４とを有している。第２爪状磁極部４４は、その最外径面形状を略台形形状とし、周方向幅が先端側に向かって徐々に狭くなり、かつ、径方向厚みが先端側に向かって徐々に薄くなる先細り形状に形成され、第２継鉄部４３の外周部に周方向に等角ピッチで例えば８つ配列されている。【００２５】
このように、第１および第２ポールコア体３７，４１は、同一形状に作製され、第１および第２爪状磁極部４０，４４を交互に噛み合わせ、かつ、第１ボス部３８の他端面を第２ボス部４２の一端面に突き合わせ、シャフト挿通穴３８ａ，４２ａに貫装されたシャフト３６に固着されている。そして、ボビン（図示せず）に巻装された界磁コイル３４が、第１および第２ボス部３８，４２、第１および第２継鉄部３９，４３および第１および第２爪状磁極部４０，４４に囲まれた空間に装着されている。ここで、第１および第２ボス部３８，４２および第１および第２継鉄部３９，４３が、それぞれポールコア３５のボス部および一対の継鉄部に相当する。また、軸方向において、第１および第２爪状磁極部４０，４４の先端側がそれぞれ第２および第１継鉄部４３，３９と重なっている。【００２６】
また、永久磁石４５は、例えば焼結希土類磁石であり、第２爪状磁極部４４の先端側内周面と相対するように第１継鉄部３９に配設され、第１爪状磁極部４０の先端側内周面と相対するように第２継鉄部４３に配設されている。そして、永久磁石４５は、着磁方向４６が、界磁コイル３４を流れる界磁電流が回転子３３の軸心と直交する平面において作る磁界４７の向きと反対となるように着磁配向されている。【００２７】
界磁コイル３４がスリップリング２８およびブラシ２９を介してレギュレータ回路８に接続され、固定子コイル３２がＡＣ／ＤＣ変換回路５に接続されている。
ここで、レギュレータ回路８およびＡＣ／ＤＣ変換回路５は発電機２０の外部に配置されているが、レギュレータ回路８およびＡＣ／ＤＣ変換回路５はケース２１内に配置され、発電機２０と一体に構成されてもよい。【００２８】
つぎに、このように構成された発電機２０の動作について説明する。
まず、電流がブラシ２９およびスリップリング２８を介して回転子３３の界磁コイル３４に供給され、磁束が発生される。この磁束により、第１ポールコア体３７の第１爪状磁極部４０がＮ極に磁化され、第２ポールコア体４１の第２爪状磁極部４４がＳ極に磁化される。
一方、エンジン３の回転トルクがベルト（図示せず）およびプーリ２６を介してシャフト３６に伝達され、回転子３３が回転される。そこで、回転磁界が固定子３０の固定子コイル３２に与えられ、起電力が固定子コイル３２に発生する。この交流の起電力が、ＡＣ／ＤＣ変換回路５で直流電流に整流され、電気二重層キャパシタ６が充電される。【００２９】
つぎに、永久磁石４５を搭載したことによる効果について説明する。
まず、界磁コイル３４に通電して発生した磁束は、第１爪状磁極部４０からエアギャップ２４を通って固定子鉄心３１のティース部に入る。そして、磁束は、固定子鉄心３１のティース部からコアバック部を通って周方向に移動し、隣の第２爪状磁極部４４に対向するティース部からエアギャップ２４を通ってその第２爪状磁極部４４に入る。ついで、第２爪状磁極部４４に入った磁束は、第２継鉄部４３、第２ボス部４２、第１ボス部３８、第１継鉄部３９を通って第１爪状磁極部４０に至る。ここで、従来のランデル型回転子では、第１および第２ポールコア体は限界設計されているので、界磁コイルの発生する磁界により磁気飽和し、回転子で発生する磁束が減少してしまう。【００３０】
一方、永久磁石４５から発生した磁束が固定子鉄心４１に鎖交するには、大きな磁気抵抗をもつエアギャップ２４を往復する必要がある。また、永久磁石４５は、第２および第１爪状磁極部４４，４０の内径側に配設されており、第１および第２爪状磁極部４０，４４の内周面側に対してより短い磁路長で周回するように配設されている。そこで、永久磁石４５から発生した磁束の大部分が、固定子鉄心４１に迂回することなく、回転子３３内部で閉じた磁気回路を形成する。そして、永久磁石４５から発生した磁束の残る僅かな部分が、漏れ磁束となって固定子鉄心４１に鎖交する。【００３１】
ここで、永久磁石４５は、界磁コイル３４の発生する磁界４７の向きと反対となるように着磁配向されている。そこで、永久磁石４５の発生する磁束は、界磁コイル３４の発生する磁束と逆向きとなり、第１および第２ポールコア体３７，４１を構成する磁性体の磁束密度を大幅に低減することができ、磁気飽和を解消することができる。これにより、固定子３０に鎖交する磁束量を増大させることができ、大きな発電量が得られる。【００３２】
また、永久磁石４５から発生した磁束のうちの僅かな磁束が固定子鉄心４１に鎖交するので、界磁電流が界磁コイル３４に流れていない状態でも、回転子３３のポールコア３５が励磁される。そして、発電機２０の使用状態における最高回転数での無負荷無励磁の誘起電圧値が、ＡＣ／ＤＣ変換回路５、および電気二重層キャパシタ６の耐電圧の双方より低くなるように設計されている。これにより、エンジン３の始動直後、レギュレータ回路８の制御状態が確立される前に、エンジン３の回転数が急上昇した場合でも、ＡＣ／ＤＣ変換回路５、および電気二重層キャパシタ６に耐電圧を超える電圧が印加されることがなく、保護回路等を不要とできる。【００３３】
つぎに、このように構成された車両用電源システムの基本動作について図３の動作フローに基づいて説明する。図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムによる基本動作を説明する図である。なお、車両の初期状態は、エンジン３が停止状態で、第１スイッチ９がＯＦＦとなっているものとする。また、第１設定電圧は、電気二重層キャパシタ６の定格最大値（例えば、２８Ｖ）とする。【００３４】
まず、キースイッチ（図示せず）が投入されると、電源制御回路１９は第２スイッチ１０をＯＮにする（ステップ１）。これにより、主電源１の電力が始動電動機４に供給され、始動電動機４が駆動される。電源制御回路１９は、エンジン３の始動を監視し（ステップ２）、エンジン３が始動すると第２スイッチ１０をＯＦＦとする（ステップ３）。【００３５】
ついで、電源制御回路１９は、レギュレータ回路８（半導体スイッチング素子１６）をＯＮとする（ステップ４）。このとき、初期的には、ポールコア３５が永久磁石４５の漏れ磁束により励磁され、発電出力が僅かずつ出力され、ＡＣ／ＤＣ変換回路５で直流電流に整流され、電気二重層キャパシタ６が充電される。この電気二重層キャパシタ６の充電にともない、界磁電流が界磁コイル３４に流れ、発電出力が増え、ＡＣ／ＤＣ変換回路５で直流電流に整流され、電気二重層キャパシタ６が充電される。【００３６】
電源制御回路１９は電気二重層キャパシタ６の電圧Ｖｃと第１主電源１の電圧Ｖｂとの大小関係を監視し（ステップ５）、電圧Ｖｃが電圧Ｖｂより大きくなると、第１スイッチ９をＯＮとする（ステップ６）。ついで、電源制御回路１９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７をＯＮとする（ステップ７）。具体的には、半導体スイッチング素子１５をＯＦＦとし、半導体スイッチング素子１４をＯＮ／ＯＦＦさせることにより、主電源１の電圧Ｖｂを電気二重層キャパシタ６の定格最大値（２８Ｖ）に昇圧する。これにより、高圧側配線５１の電圧が２８Ｖまで高められ、界磁コイル３４に流れる界磁電流値が増大し、発電量が増加する。【００３７】
そして、電源制御回路１９は、電気二重層キャパシタ６の電圧Ｖｃを監視し、電圧Ｖｃが第１設定電圧（２８Ｖ）以上となると（ステップ８）、ＤＣ／ＤＣコンバータ７をＯＦＦとし（ステップ９）、レギュレータ回路８をＯＦＦとする（ステップ１０）。
そして、電源制御回路１９は、エンジン３が停止すると（ステップ１１）、第１スイッチ９をＯＦＦとする（ステップ１２）。【００３８】
ここで、エンジン３が停止すると、電気二重層キャパシタ６に蓄電されている電力が徐々に放電される。そして、第１スイッチ９が省略されている場合、電気二重層キャパシタ６の電圧Ｖｃが主電源１の電圧Ｖｂより低下すると、暗電流が主電源１からＤＣ／ＤＣコンバータ７のダイオード１１を介して電気二重層キャパシタ６に連続的に供給され、主電源１の電源容量が低下する。
この実施の形態１では、エンジン３が停止すると、第１スイッチ９がＯＦＦとされ、主電源１が電気二重層キャパシタ６から切り離されている。そこで、車両がエンジン停止状態で長時間駐車している場合に、電気二重層キャパシタ６が自然放電し、電気二重層キャパシタ６の電圧Ｖｃが主電源１の電圧Ｖｂより低くなっても、主電源１が放電して電源容量を低下させるような事態が未然に回避される。【００３９】
また、エンジン３が始動した後、電気二重層キャパシタ６の電圧Ｖｃが主電源１の電圧Ｖｂより大きくなるまで、第１スイッチ９をＯＦＦとしている。つまり、電気二重層キャパシタ６がプリチャージされた後、第１スイッチ９がＯＮされる。そこで、車両がエンジン停止状態で長時間駐車し、電気二重層キャパシタ６が枯渇している状態で主電源１と接続されるような事態が未然に回避される。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の許容電流を大きくする必要がなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ７の小型化および回路構成の簡素化が図られる。さらに、第１スイッチ９の溶着などの発生が防止される。【００４０】
つぎに、エネルギーの回生動作について図４の動作フローに基づいて説明する。図４はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムによるエネルギー回生動作を説明する図である。なお、車両が走行状態で、第１スイッチ９はＯＮとなっているものとする。【００４１】
電源制御回路１９は、電気二重層キャパシタ６の電圧Ｖｃを監視し（ステップ２０）、電気二重層キャパシタ６の電圧Ｖｃが主電源１の電圧Ｖｂ以下となると、ＤＣ／ＤＣコンバータ７をＯＮとし（ステップ２１）、レギュレータ回路８をＯＮとする（ステップ２２）。具体的には、半導体スイッチング素子１５をＯＦＦとし、半導体スイッチング素子１４をＯＮ／ＯＦＦさせることにより、主電源１の電圧Ｖｂを電気二重層キャパシタ６の定格最大値（２８Ｖ）に昇圧する。これにより、高圧側配線５１の電圧が２８Ｖまで高められ、界磁コイル３４に流れる界磁電流値が増大し、発電量が増加し、電気二重層キャパシタ６が充電される。そして、電圧Ｖｃが第１設定電圧（２８Ｖ）以上となると（ステップ２３）、ＤＣ／ＤＣコンバータ７をＯＦＦとし（ステップ２４）、レギュレータ回路８をＯＦＦとし（ステップ２５）、ステップ２０に戻る。【００４２】
このように、レギュレータ回路８がＤＣ／ＤＣコンバータ７の高圧側に接続されているので、発電機２０の発電量は電圧を高めることにより高出力とすることができる。つまり、発電機２０がランデル型の回転子３３を備えているので、発電時のインピーダンスは固定子３０のコイルインピーダンスが支配的となり、ある程度の回転数以上では、電流量は外部負荷に依存しなくなり、電流量が一定となる領域が大半となる。したがって、発電電圧を高めることで、電流と電圧との積である出力が高められる。
また、減速時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ７により主電源１の電圧Ｖｂを昇圧し、電気二重層キャパシタ６の定格最大値の電圧（２８Ｖ）となるように、レギュレータ回路８の電流値を増やしているので、界磁電流を増やすことができる。【００４３】
この発電電圧の高電圧化と界磁電流の増加とにより、１４Ｖ系で回生時の発電出力で主電源１を直接充電する回生充電に比べ、減速動作のタイミングで、より多くの回生が可能となる。例えば、１４Ｖ系の主電源１を直接充電する回生充電では２ｋＷ程度の回生であるのに対し、本実施の形態１では、４ｋＷ以上の回生が可能となる。
また、電気二重層キャパシタ６が定格最大値の電圧まで充填された後、ＤＣ／ＤＣコンバータ７およびレギュレータ回路８をＯＦＦとしているので、エンジン３に要求する発電用電力が削減され、エンジン３の燃費を向上させることができる。【００４４】
つぎに、主電源１の充電動作について図５の動作フローに基づいて説明する。図５はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムによる主電源の充電動作を説明する図である。なお、車両が走行状態で、第１スイッチ９はＯＮとなっているものとする。【００４５】
電源制御回路１９は、主電源１の電圧Ｖｂを監視し（ステップ３０）、主電源１の電圧Ｖｂが主電源１の充電電圧（例えば、１０Ｖ）未満となると、ＤＣ／ＤＣコンバータ７をＯＮとする（ステップ３１）。具体的には、半導体スイッチング素子１４をＯＮとし、半導体スイッチング素子１５をＯＮ／ＯＦＦさせることにより、電気二重層キャパシタ６の電圧Ｖｃを主電源１の定格電圧（例えば、１４Ｖ）に降圧する。これにより、主電源１が充電される。そして、電圧Ｖｂが主電源１の定格電圧以上となると（ステップ３２）、ＤＣ／ＤＣコンバータ７をＯＦＦとし（ステップ３３）、ステップ３０に戻る。【００４６】
このように、主電源１に対しては回生時の瞬時大電流充電が行われないので、回生による主電源１の寿命低下を防止することができる。
また、車載負荷２は、数百Ｗ程度の負荷であるので、電気二重層キャパシタ６に蓄電された電力をＤＣ／ＤＣコンバータ７を介して小電力に変換して車載負荷２に供給してもよい。【００４７】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２に係る車両用電源システムの回路構成図である。【００４８】
図６において、接続線５２が高圧側配線５１と低圧側配線５０との間に接続され、ダイオード５３と抵抗体５４とが接続線５２に直列に介装されている。そして、電源制御回路１９が接続線５２を流れる電流Ｉ0を検出するように構成されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。【００４９】
この実施の形態２では、電源制御回路１９が接続線５２を流れる電流Ｉ0を検出することで、電気二重層キャパシタ６の電圧Ｖｃと主電源１の電圧Ｖｂとの大小関係を判定している。つまり、ステップ５，２０において、電流Ｉ0の有無により、電圧Ｖｃ＞電圧Ｖｂ、あるいは電圧Ｖｃ≦電圧Ｖｂを判定する。【００５０】
この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
ここで、電流Ｉ0は電圧に比べて時定数が長いので、ローパスフィルタを用いて高周波成分を徐行すれば、外部のノイズの影響を受けにくくすることができる。【００５１】
なお、上記実施の形態２では、接続線５２に流れる電流Ｉ0を検出するものとしているが、抵抗体５４の両端に発生する電圧を検出するようにしてもよい。【００５２】
実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３に係る車両用電源システムの回路構成図である。【００５３】
図７において、第２スイッチ５５が始動電動機４の電源を主電源１又は電気二重層キャパシタ６に切り換えるように配設されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。【００５４】
この実施の形態３の車両用電源システムによるエンジン３に始動動作について図８の動作フローに基づいて説明する。図８はこの発明の実施の形態３に係る車両用電源システムによるエンジンの始動動作を説明する図である。なお、車両の初期状態は、エンジン３が停止状態で、第１スイッチ９がＯＦＦとなっているものとする。【００５５】
まず、キースイッチ（図示せず）が投入されると、電源制御回路１９は、電気二重層キャパシタ６の電圧Ｖｃと主電源１の電圧Ｖｂとの大小関係を判定する（ステップ５０）。そして、電圧Ｖｃ＞電圧Ｖｂであると判定すると、ステップ５１に移行し、第２スイッチ５５が高圧側に接続され、電気二重層キャパシタ６の電力が始動電動機４に供給される。また、電圧Ｖｃ＞電圧Ｖｂでないと判定すると、ステップ５２に移行し、第２スイッチ５５が低圧側に接続され、主電源１の電力が始動電動機４に供給される。これにより、始動電動機４が駆動され、エンジン３が始動される。そして、電源制御回路１９は、エンジン３の始動を監視し（ステップ５３）、エンジン３が始動すると第２スイッチ５５をＯＦＦとし（ステップ５４）、図３におけるステップ４に移行する。【００５６】
このように、実施の形態３によれば、電圧Ｖｃ＞Ｖｂであれば、電気二重層キャパシタ６に蓄電されている電力を利用してエンジン３を始動させている。そこで、電気二重層キャパシタ６は、鉛蓄電池などの構成される主電源１に比べ、放電性能が優れているため、始動電動機４への電力の供給が速やかに行われ、トルクアシストを迅速に行うことができる。また、主電源１の電力を利用してのエンジン３の始動動作が減るので、始動動作時の大電流放電に伴う主電源１の寿命の低下が抑えられる。【００５７】
ここで、電圧Ｖｃ≦Ｖｂであるときに、主電源１に蓄積されている電力をＤＣ／ＤＣコンバータ７で昇圧して始動電動機４に供給することが考えられる。この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ７に過電流が流れるので、過電流保護回路がＤＣ／ＤＣコンバータ７に必要となる。しかし、この実施の形態３によれば、電圧Ｖｃ≦Ｖｂであるときに、第１スイッチ９をＯＦＦとし、主電源１に蓄積されている電力を直接始動電動機４に供給しているので、過電流保護回路をＤＣ／ＤＣコンバータ７に設ける必要がない。【００５８】
なお、上記各実施の形態では、ＡＣ／ＤＣ変換回路がダイオードブリッジを用いた三相全波整流回路に構成されているものとしているが、ＡＣ／ＤＣ変換回路は、同期整流を行うＭＯＳＦＥＴや寄生ダイオードで整流を行うＭＯＳＦＥＴなどの多相インバータを用いてもよい。
また、上記各実施の形態では、レギュレータ回路がチョッパ式の降圧回路により片極で動作するように構成されているものとしているが、レギュレータ回路は、Ｈブリッジで構成して両極としてもよい。
また、上記各実施の形態では、永久磁石が爪状磁極部の先端側内周面に相対するように継鉄部に配設されているものとしているが、永久磁石は周方向に隣り合う爪状磁極部の間に配設されてもよい。
【図１】
2011010493.tif 000003
【図２】
2011010493.tif 000004
【図３】
2011010493.tif 000005
【図４】
2011010493.tif 000006
【図５】
2011010493.tif 000007
【図６】
2011010493.tif 000008
【図７】
2011010493.tif 000009
【図８】
2011010493.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成23年11月16日(2011.11.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
この発明による車両用電源システムは、高圧側入出力端子と低圧側入出力端子との間で双方向で電圧変換可能に構成された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記低圧側入出力端子に第１スイッチを介して接続された車両の主電源と、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、定格最大値が上記主電源の定格電圧より高圧のコンデンサと、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、エンジンにより回転駆動されて発電する、界磁コイルが装着されたランデル型回転子を有する発電機と、上記回転子に配設され、上記界磁コイルによる励磁と逆向きの磁界を該回転子の爪状磁極部内に発生する永久磁石と、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、上記界磁コイルに電力を供給するレギュレータ回路と、上記エンジンを始動させる始動電動機と、上記エンジンの停止状態では開放状態とし、該エンジンの始動後、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、上記コンデンサをプリチャージした後、接続状態とするように上記第１スイッチを開閉制御する電源制御回路と、を備えている。そして、上記電源制御回路は、上記第１スイッチを接続状態とした後、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて、該主電源の電圧を該コンデンサの定格最大値まで昇圧させるとともに、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、該発電機の発電電力を該コンデンサにチャージするように構成されている。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
電源制御回路１９は電気二重層キャパシタ６の電圧Ｖｃと主電源１の電圧Ｖｂとの大小関係を監視し（ステップ５）、電圧Ｖｃが電圧Ｖｂより大きくなると、第１スイッチ９をＯＮとする（ステップ６）。ついで、電源制御回路１９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７をＯＮとする（ステップ７）。具体的には、半導体スイッチング素子１５をＯＦＦとし、半導体スイッチング素子１４をＯＮ／ＯＦＦさせることにより、主電源１の電圧Ｖｂを電気二重層キャパシタ６の定格最大値（２８Ｖ）に昇圧する。これにより、高圧側配線５１の電圧が２８Ｖまで高められ、界磁コイル３４に流れる界磁電流値が増大し、発電量が増加する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高圧側入出力端子と低圧側入出力端子との間で双方向で電圧変換可能に構成された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記低圧側入出力端子に第１スイッチを介して接続された車両の主電源と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、定格最大値が上記主電源の定格電圧より高圧のコンデンサと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、エンジンにより回転駆動されて発電する、界磁コイルが装着されたランデル型回転子を有する発電機と、
上記回転子に配設され、上記界磁コイルによる励磁と逆向きの磁界を該回転子の爪状磁極部内に発生する永久磁石と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、上記界磁コイルに電力を供給するレギュレータ回路と、
上記エンジンを始動させる始動電動機と、
上記エンジンの停止状態では開放状態とし、該エンジンの始動後、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、上記コンデンサをプリチャージした後、接続状態とするように上記第１スイッチを開閉制御する電源制御回路と、
を備え、
上記電源制御回路は、上記第１スイッチを接続状態とした後、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて、該主電源の電圧を該コンデンサの定格最大値まで昇圧させるとともに、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、該発電機の発電電力を該コンデンサにチャージするように構成されていることを特徴とする車両用電源システム。
【請求項２】
高圧側入出力端子と低圧側入出力端子との間で双方向で電圧変換可能に構成された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記低圧側入出力端子に第１スイッチを介して接続された車両の主電源と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、定格最大値が上記主電源の定格電圧より高圧のコンデンサと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、エンジンにより回転駆動されて発電する、界磁コイルが装着されたランデル型回転子を有する発電機と、
上記回転子に配設され、上記界磁コイルによる励磁と逆向きの磁界を該回転子の爪状磁極部内に発生する永久磁石と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、上記界磁コイルに電力を供給するレギュレータ回路と、
上記エンジンを始動させる始動電動機と、
上記エンジンの停止状態では開放状態とし、該エンジンの始動後、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、上記コンデンサをプリチャージした後、接続状態とするように上記第１スイッチを開閉制御する電源制御回路と、
を備え、
上記電源制御回路は、上記エンジンの動作時、上記コンデンサの電圧が上記主電源の電圧以下となったときに、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて、該主電源の電圧を該コンデンサの定格最大値まで昇圧させるとともに、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、該発電機の発電電力を該コンデンサにチャージするように構成されていることを特徴とする車両用電源システム。
【請求項３】
高圧側入出力端子と低圧側入出力端子との間で双方向で電圧変換可能に構成された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記低圧側入出力端子に第１スイッチを介して接続された車両の主電源と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、定格最大値が上記主電源の定格電圧より高圧のコンデンサと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、エンジンにより回転駆動されて発電する、界磁コイルが装着されたランデル型回転子を有する発電機と、
上記回転子に配設され、上記界磁コイルによる励磁と逆向きの磁界を該回転子の爪状磁極部内に発生する永久磁石と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、上記界磁コイルに電力を供給するレギュレータ回路と、
上記エンジンを始動させる始動電動機と、
上記エンジンの停止状態では開放状態とし、該エンジンの始動後、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、上記コンデンサをプリチャージした後、接続状態とするように上記第１スイッチを開閉制御する電源制御回路と、
を備え、
上記電源制御回路は、上記エンジンの動作時、上記主電源の電圧が上記主電源の充電電圧未満となったときに、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて、上記コンデンサの電圧を該主電源の定格電圧まで降圧させ、該主電源にチャージするように構成されていることを特徴とする車両用電源システム。
【請求項４】
高圧側入出力端子と低圧側入出力端子との間で双方向で電圧変換可能に構成された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記低圧側入出力端子に第１スイッチを介して接続された車両の主電源と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、定格最大値が上記主電源の定格電圧より高圧のコンデンサと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、エンジンにより回転駆動されて発電する、界磁コイルが装着されたランデル型回転子を有する発電機と、
上記回転子に配設され、上記界磁コイルによる励磁と逆向きの磁界を該回転子の爪状磁極部内に発生する永久磁石と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、上記界磁コイルに電力を供給するレギュレータ回路と、
上記エンジンを始動させる始動電動機と、
上記エンジンの停止状態では開放状態とし、該エンジンの始動後、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、上記コンデンサをプリチャージした後、接続状態とするように上記第１スイッチを開閉制御する電源制御回路と、
を備え、
上記電源制御回路は、上記エンジンの始動時、上記コンデンサの電圧が上記主電源の電圧より高圧の場合には、該コンデンサの電力を上記始動電動機に供給し、該コンデンサの電圧が該主電源の電圧以下の場合には、該主電源の電力を該始動電動機に供給するように構成されている特徴とする車両用電源システム。
【請求項５】
高圧側入出力端子と低圧側入出力端子との間で双方向で電圧変換可能に構成された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記低圧側入出力端子に第１スイッチを介して接続された車両の主電源と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、定格最大値が上記主電源の定格電圧より高圧のコンデンサと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子と上記主電源の高圧側とを接続する接続線と、
上記接続線に介装され、上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子から上記主電源の高圧側に向う電流を順方向とするダイオードと、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、エンジンにより回転駆動されて発電する、界磁コイルが装着されたランデル型回転子を有する発電機と、
上記回転子に配設され、上記界磁コイルによる励磁と逆向きの磁界を該回転子の爪状磁極部内に発生する永久磁石と、
上記ＤＣ／ＤＣコンバータの上記高圧側入出力端子に接続され、上記界磁コイルに電力を供給するレギュレータ回路と、
上記エンジンを始動させる始動電動機と、
上記エンジンの停止状態では開放状態とし、該エンジンの始動後、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、上記コンデンサをプリチャージし、上記ダイオードを通過する電流値の有無を監視し、該電流値がある場合に、プリチャージされた上記コンデンサの電圧が上記主電源の電圧より高圧となったことを検知したものとして、接続状態とするように上記第１スイッチを開閉制御する電源制御回路と、
を備えていることを特徴とする車両用電源システム。
【請求項６】
上記電源制御回路は、上記第１スイッチを接続状態とした後、上記ＤＣ／ＤＣコンバータを作動させて、該主電源の電圧を該コンデンサの定格最大値まで昇圧させるとともに、上記レギュレータ回路を作動させて上記発電機を発電させ、該発電機の発電電力を該コンデンサにチャージするように構成されていることを特徴とする請求項５記載の車両用電源システム。
【国際調査報告】
2011010493.tif 000011
2011010493.tif 000012