(57)【要約】【課題】車両用電源制御システムにおいて、低電圧２次電池を用いたまま、電力容量を高めることである。【解決手段】車両用電源制御システム２０は、２次電池２４と、電圧変換器２６と、インバータ回路３２と、電力ブースト回路２８と、制御装置７０を備える。電力ブースト回路２８は、スーパキャパシタ５０とリアクタンス５２とスイッチング素子４６，４８とを含んで構成される。制御装置７０は、回転電機１４の発電電力によりスーパキャパシタ５０を充電するＳＣ充電モード処理部７２と、スーパキャパシタ５０から２次電池２４を充電する２次電池充電モード処理部７４と、２次電池２４とスーパキャパシタ５０からの放電により回転電機１４に駆動電力を供給する並列放電モード処理部７６と、スーパキャパシタ５０から放電を行って回転電機１４に駆動電力を供給するＳＣ放電モード処理部７８を含む。【選択図】図１
2011136665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次電池に接続され、リアクタンスとスイッチング素子とを含む電圧変換器と、
一方側で電圧変換器と接続され、他方側で負荷装置に接続されるインバータ回路と、
電圧変換器と並列にインバータ回路の一方側に接続され、スーパキャパシタとリアクタンスとスイッチング素子とを含む電力ブースト回路と、
負荷装置の運転状態に応じ、電力ブースト回路に対する充放電を制御する制御装置と、を備え、
制御装置は、
負荷装置側からの回生エネルギの供給によってインバータ回路からスーパキャパシタに流れ込む電流が予め定めた閾値電流以下のときには、スーパキャパシタ側に電流を供給してスーパキャパシタに接続されるリアクタンスに電磁エネルギを蓄積し、スーパキャパシタに流れ込む電流が予め定めた閾値電流を超えるときには、スーパキャパシタ側に電流を流すことを停止してスーパキャパシタに接続されるリアクタンスの電磁エネルギを放出してスーパキャパシタを充電するＳＣ充電モード処理部と、
２次電池の出力電圧が予め定めた閾値電圧以下のときに、電力ブースト回路のスーパキャパシタの放電によってインバータ回路に電力を供給するＳＣ放電モード処理部と、
を含むことを特徴とする車両用電源制御システム。
【請求項２】
請求項１に記載の車両用電源制御システムにおいて、
制御装置は、
２次電池の出力電圧が予め定めた閾値電圧を超えるときに、２次電池からのインバータ回路への電力供給と並列的に、電力ブースト回路のスーパキャパシタからインバータ回路に放電して電力供給を行う並列放電モード処理部を含むことを特徴とする車両用電源制御システム。
【請求項３】
請求項１に記載の車両用電源制御システムにおいて、
制御装置は、
スーパキャパシタから２次電池を充電する２次電池充電モード処理部を含むことを特徴とする車両用電源制御システム。
【請求項４】
請求項１に記載の車両用電源制御システムにおいて、
２次電池は、負荷装置が必要とする最大電力量以下のフル充電電力容量を有することを特徴とする車両用電源制御システム。
【請求項５】
請求項１に記載の車両用電源制御システムにおいて、
インバータ回路は、負荷装置としての車両用パワーステアリング装置に接続されることを特徴とする車両用電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用電源制御システムに係り、特に、２次電池と電圧変換器とインバータ回路とを有する車両用電源制御システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
車両用電源としては、以前から１４Ｖ電源としての１４Ｖ蓄電池が用いられている。この１４Ｖ電源は、車両に搭載される電気機器・電子機器への電力供給源として広く用いられている。ところで、車両用機器が電気・電子化し、また車両が大型化するにつれて、１４Ｖ蓄電池では供給電力に限界が生じることがある。例えば、車両用ステアリングは、油圧駆動方式からモータ駆動のパワーステアリング方式に変わってきて１４Ｖ電源の必要性が増加する。また、モータ駆動の車両用パワーステアリングシステムについても、大型車両については操舵に要するトルクが大きくなり、１４Ｖ電源では供給電力の限界が生じ始めている。
【０００３】
なお、本発明に関連する技術としてスーパキャパシタが知られている。スーパキャパシタとは電気二重層キャパシタで、有機電解液とアルミニウムや炭素を原料とした簡単な構造で、内部抵抗が非常に低く、繰り返し充放電寿命が非常に長い蓄電装置である。この特性から、スーパキャパシタは、スタータ等のように充放電回数が非常に多い装置、車両の減速時発電のように短時間の充放電が行われる装置に利用が可能となる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、対称型スーパキャパシタによる電池残存エネルギの回収方法について述べられている。ここでは、乾電池がその等価直列抵抗が大きいために、電池の寿命が尽きたときでも、残存エネルギが５４．３％あり、それまでの放電エネルギよりも多いことを指摘し、乾電池とスーパキャパシタとを組み合わせ併用することにより、エネルギ全体を増やすことができる構成を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−５４４８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、車両搭載機器の電気・電子化の進展に伴い、１４Ｖ電源では供給電力に限界が生じることがあり、また、大型車両の場合には、さらにその供給電力の限界が生じやすくなる。これらのことから、１４Ｖ蓄電池に代えて、４２Ｖ蓄電池を搭載することが検討されている。しかし、４２Ｖ蓄電池は、現在のところ、１４Ｖ蓄電池に比べ、かなりの高価格である。したがって、容易にはその変換を行うことができない。その一方で、車両用電源の高容量化の要求は高まっている。１４Ｖ以外の低電圧２次電池であっても、これを１段と高電圧の２次電池に変換したいが高価格となる場合にも同様の問題が生じ得る。
【０００７】
本発明の目的は、低電圧２次電池を用いたまま、電力容量を高めることを可能とする車両用電源制御システムを提供することである。また、他の目的は、低電圧２次電池として１４Ｖ電源を用いたまま、電力容量を高めることを可能とする車両用電源制御システムを提供することである。さらに他の目的は、低電圧２次電池として１４Ｖ電源を用いたまま、電力容量を高めて、さらに高能力のパワーステアリング装置を駆動可能とする車両用電源制御システムを提供することである。以下の手段は、これらの目的の少なくとも１つに貢献する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る車両用電源制御システムは、２次電池に接続され、リアクタンスとスイッチング素子とを含む電圧変換器と、一方側で電圧変換器と接続され、他方側で負荷装置に接続されるインバータ回路と、電圧変換器と並列にインバータ回路の一方側に接続され、スーパキャパシタとリアクタンスとスイッチング素子とを含む電力ブースト回路と、負荷装置の運転状態に応じ、電力ブースト回路に対する充放電を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、負荷装置側からの回生エネルギの供給によってインバータ回路からスーパキャパシタに流れ込む電流が予め定めた閾値電流以下のときには、スーパキャパシタ側に電流を供給してスーパキャパシタに接続されるリアクタンスに電磁エネルギを蓄積し、スーパキャパシタに流れ込む電流が予め定めた閾値電流を超えるときには、スーパキャパシタ側に電流を流すことを停止してスーパキャパシタに接続されるリアクタンスの電磁エネルギを放出してスーパキャパシタを充電するＳＣ充電モード処理部と、２次電池の出力電圧が予め定めた閾値電圧以下のときに、電力ブースト回路のスーパキャパシタの放電によってインバータ回路に電力を供給するＳＣ放電モード処理部と、を含むことを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る車両用電源制御システムにおいて、制御装置は、２次電池の出力電圧が予め定めた閾値電圧を超えるときに、２次電池からのインバータ回路への電力供給と並列的に、電力ブースト回路のスーパキャパシタからインバータ回路に放電して電力供給を行う並列放電モード処理部を含むことが好ましい。
【００１０】
また、本発明に係る車両用電源制御システムにおいて、制御装置は、スーパキャパシタから２次電池を充電する２次電池充電モード処理部を含むことが好ましい。
【００１１】
また、本発明に係る車両用電源制御システムにおいて、２次電池は、負荷装置が必要とする最大電力量以下のフル充電電力容量を有することが好ましい。
【００１２】
また、本発明に係る車両用電源制御システムにおいて、インバータ回路は、負荷装置としての車両用パワーステアリング装置に接続されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
上記構成により、車両用電源制御システムは、２次電池に接続される電圧変換器と並列にインバータ回路の一方側に接続され、スーパキャパシタとリアクタンスとスイッチング素子とを含む電力ブースト回路を備える。そして、負荷装置側からの回生エネルギの供給によってインバータ回路からスーパキャパシタに電流が供給されスーパキャパシタが充電される。また、２次電池の出力電圧が予め定めた閾値電圧以下のときに、電力ブースト回路のスーパキャパシタの放電によってインバータ回路に電力を供給する。
【００１４】
スーパキャパシタは、上記のように構造が簡単であるため、４２Ｖ電源に比べコストが低く、また内部抵抗が格段に小さいので瞬時的充放電が可能で、繰り返し充放電寿命も十分に長い。したがって、インバータ回路側からの回生エネルギの取得が可能なときにスーパキャパシタを充電しておき、必要なときにスーパキャパシタからの放電でインバータ回路に電力を供給することができる。スーパキャパシタからの電力供給が必要なときとは、２次電池からの電力供給では負荷装置の駆動が十分できないとき、負荷装置が瞬時的に大電流の供給を必要とするが２次電池ではそれを賄えないとき等である。このために予め閾値電圧を設定しておき、２次電池の電圧がこれ以下となるときに、スーパキャパシタから電力供給を受けるものとすることができる。
【００１５】
これによって、低電圧２次電池を用いたまま、電力容量を高めることを可能となる。例えば、１４電源とスーパキャパシタとの組み合わせによって、１４Ｖ電源を用いたまま電力容量を高めることが可能となる。
【００１６】
また、車両用電源制御システムにおいて、２次電池の出力電圧が予め定めた閾値電圧を超えるときに、２次電池からのインバータ回路への電力供給と並列的に、電力ブースト回路のスーパキャパシタからインバータ回路に放電して電力供給を行う。このようにすることで、２次電池からの電力供給が不足な分をスーパキャパシタで補うことができる。
【００１７】
また、車両用電源制御システムにおいて、スーパキャパシタから２次電池を充電する。スーパキャパシタの充電特性は２次電池の充電特性より遥かに高速充電である。したがって、インバータ回路側から取得できる回生エネルギが短時間のものであっても、スーパキャパシタによって十分に充電できる。したがって、インバータ回路側からの回生エネルギで直接２次電池を充電するよりも、スーパキャパシタを介して充電した方が、インバータ回路側からの回生エネルギを高効率で回収できる。
【００１８】
また、車両用電源制御システムにおいて、２次電池は、負荷装置が必要とする最大電力量以下のフル充電電力容量を有する。このような場合でも、スーパキャパシタからの電力供給によって、負荷装置はその必要とする最大電力量を受けることが可能となる。
【００１９】
また車両用電源制御システムにおいて、インバータ回路は、負荷装置としての車両用パワーステアリング装置に接続される。上記構成によれば、低電圧２次電池として１４Ｖ電源を用いたまま、電力容量を高めて、さらに高能力のパワーステアリング装置を駆動可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る実施の形態の車両用電源制御システムの構成を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態において、ＳＣ充電モードの前半の電流の流れ方を説明する図である。
【図３】図２に引き続き、ＳＣ充電モードの後半の電流の流れ方を説明する図である。
【図４】本発明に係る実施の形態において、２次電池充電モードの電流の流れ方を説明する図である。
【図５】本発明に係る実施の形態において、並列放電モードの電流の流れ方を説明する図である。
【図６】本発明に係る実施の形態において、ＳＣ放電モードの前半の電流の流れ方を説明する図である。
【図７】図６に引き続き、ＳＣ放電モードの後半の電流の流れ方を説明する図である。
【図８】本発明に係る実施の形態において、車両用電源制御の手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明に係る実施の形態における車両用電源システムのシミュレーションの結果を説明する図で、回転電機の電流が急増した様子を示す図である。
【図１０】図９の条件の下で、電力ブースト回路が設けられない従来の電源回路の場合における母線間ＤＣ電圧変動の様子を示す図である。
【図１１】図９の条件の下で、本発明に係る実施の形態の電力ブースト回路が設けられる電源回路の場合における母線間ＤＣ電圧変動の様子を示す図である。
【図１２】本発明に係る実施の形態における車両用電源システムのシミュレーションの結果を説明する図で、回転電機の電流が急減した様子を示す図である。
【図１３】図１２の条件の下で、電力ブースト回路が設けられない従来の電源回路の場合における母線間ＤＣ電圧変動の様子を示す図である。
【図１４】図１２の条件の下で、本発明に係る実施の形態の電力ブースト回路が設けられる電源回路の場合における母線間ＤＣ電圧変動の様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態に付き詳細に説明する。なお以下では、負荷として、車両用のパワーステアリング装置を説明するが、回転電機を含む車両搭載装置であればよく、例えば、車両用ワイパ装置、換気扇を含む空調装置、ブロワモータを含む装置等であってもよい。また、以下では、負荷である１つの回転電機に対応して１つのインバータ回路を備える電源回路の制御について説明するが、勿論２つの回転電機に対応して２つのインバータ回路を備える場合であってもよく、それ以上の数のインバータ回路を備えるものであってもよい。また、電源回路の構成として、２次電池、電圧変換器、平滑コンデンサ、インバータ回路を有するものとして説明するが、その他の要素を適宜付加するものとしてもよい。
【００２２】
また、以下では、２次電池として１４Ｖバッテリを説明するが、これは、従来から車両用蓄電装置として広く用いられている例を用いたもので、１４Ｖ以外の低電圧２次電池であっても、これを１段と高電圧の２次電池に変換したいが高価格となる場合における低電圧２次電池であってもよい。
【００２３】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２４】
図１は、パワーステアリング装置１０を駆動するための電源回路に関する車両用電源制御システム２０の構成を説明する図である。この車両用電源制御システム２０は、１４Ｖ２次電池２４を用いて、例えば、４２Ｖ２次電池を備えるシステムと同等の電源機能を有するように制御を行ってパワーステアリング装置１０を駆動することができるものである。
【００２５】
ここで、パワーステアリング装置１０は、操舵ハンドル１２と回転電機１４とを備え、ユーザの操舵ハンドル１２の操作によって図示されていない車両の操舵輪を左右に駆動することで、車両の運行方向を変更させることができる車両用操舵装置である。
【００２６】
回転電機１４は、操舵ハンドル１２の動きに応じて、操舵輪に設けられる操舵機構を駆動することができる電動機である。従来は、例えば、操舵ハンドル１２によって油圧装置の作動を制御して操舵装置を駆動するものが用いられているが、回転電機１４を用いることで、ユーザの操作性等を向上させることができる。その一方で、回転電機１４に供給する電力のために電源回路とその制御装置が必要となる。
【００２７】
かかる回転電機１４としては、三相同期型回転電機を用いることができる。回転電機１４は、電源回路２２から電力が供給されるときはパワーステアリング装置１０の操舵のための電動機として機能し、一方で、操舵のためのトルクを出力していないときは、発電機として機能する。操舵操作はこまめに行われることが多いことから、回転電機１４が発電機として機能する時間は短時間で、その回数が頻繁なものとなる。すなわち、回転電機１４による発電は、短時間のものが繰りかえし行われるものとなる。
【００２８】
図１における車両用電源制御システム２０は、電源回路２２と制御装置７０とで構成される。電源回路２２は、パワーステアリング装置１０に電力を供給する機能を有する回路で、制御装置７０は、パワーステアリング装置１０における操舵ハンドル１２の回転角等で示されるユーザの操舵指示に基づいて、電源回路２２の作動を適切に制御する機能を有する。
【００２９】
電源回路２２は、２次電池２４と、電圧変換器２６と、平滑コンデンサ３０と、インバータ回路３２を備える。ここまでの構成は従来技術における電源回路の構成と同様であるが、図１の電源回路２２は、さらに、電力ブースト回路２８を備える。
【００３０】
２次電池２４は、充放電可能な１４Ｖ蓄電池である。この１４Ｖ蓄電池は、車両搭載の電気機器のための低電圧直流電源として従来から用いられているもので、約１２Ｖから約１６Ｖの電圧を有する直流電力を出力することができる。かかる１４Ｖ蓄電池としては、鉛蓄電池等を用いることができる。
【００３１】
電圧変換器２６は、２次電池２４とインバータ回路３２の間に配置され、電圧変換機能を有する回路である。電圧変換器２６としては、リアクタンス４０と制御装置７０の制御の下で作動するスイッチング素子４２，４４等を含んで構成することができる。
【００３２】
電圧変換器２６の２つのスイッチング素子４２，４４は直列に接続され、それぞれに逆接続のダイオードが接続される。直列に接続された２つのスイッチング素子４２，４４の正極側端子と負極側端子がそれぞれインバータ回路３２の正極側端子と負極側端子と接続され、電源回路２２の正極側母線と負極側母線になる。また、２つのスイッチング素子４２，４４が直列に接続されるその接続点がリアクタンス４０の他方側端子と接続され、リアクタンス４０の一方側端子が２次電池２４の正極側端子と接続される。なお、２次電池２４の負極側端子は、電源回路２２の負極側母線に接続される。
【００３３】
電圧変換機能としては、２次電池２４側の電圧をリアクタンス４０のエネルギ蓄積作用を利用して昇圧しインバータ回路３２側に供給する昇圧機能と、インバータ回路３２側からの電力を２次電池２４側に降圧して充電電力として供給する降圧機能とを有する。また、電力ブースト回路２８からの電力を２次電池２４側に充電電力として供給する機能も有する。
【００３４】
電力ブースト回路２８は、電圧変換器２６と並列にインバータ回路３２の一方側に接続される回路で、パワーステアリング装置１０の回転電機１４が発電するときにインバータ回路３２を介してその発電電力で充電し、例えば、２次電池２４の供給電力が不足するとき等に負荷であるインバータ回路３２に向けて放電して電力を供給する機能を有する。電力ブースト回路２８は、スーパキャパシタ５０とリアクタンス５２とスイッチング素子４６，４８とを含んで構成される。
【００３５】
電力ブースト回路２８の構成は、２次電池２４と電圧変換器２６の組み合わせに対し、２次電池２４をスーパキャパシタ５０に置き換えたものとなっている。すなわち、電力ブースト回路２８の２つのスイッチング素子４６，４８は直列に接続され、それぞれに逆接続のダイオードが接続される。直列に接続された２つのスイッチング素子４６，４８の正極側端子と負極側端子がそれぞれインバータ回路３２の正極側端子と負極側端子と接続され、電源回路２２の正極側母線と負極側母線になる。また、２つのスイッチング素子４６，４８が直列に接続されるその接続点がリアクタンス５２の他方側端子と接続され、リアクタンス５２の一方側端子がスーパキャパシタ５０の正極側端子と接続される。そして、スーパキャパシタ５０の負極側端子は、電源回路２２の負極側母線に接続される。
【００３６】
スーパキャパシタ５０は、上記のように、内部抵抗が非常に低く、繰り返し充放電寿命が非常に長い蓄電装置である。したがって、鉛蓄電池のような従来型の２次電池２４に比べ、短時間の充電もこまめに効率的に行うことができ、また、短時間に大電流を一気に放電することもできる。また、充放電回数が多くなっても性能低下が少ない。
【００３７】
したがって、電圧変換器２６に並列に電力ブースト回路２８を設けることで、電源回路２２は、２次電池２４と電圧変換器２６の組み合わせの第１の電源回路部と、スーパキャパシタ５０を蓄電装置として含む電力ブースト回路２８の第２の電源回路部を備えることになる。第１の電源回路部の充放電可能な電源は、１４Ｖ蓄電池である２次電池２４であり、第２の電源回路部の充放電可能な電源は、スーパキャパシタ５０である。
【００３８】
２次電池２４は、１４Ｖ蓄電池であるので、例えば、４２Ｖ蓄電池に比べて充放電可能な電力が小さい。スーパキャパシタ５０は、充電をこまめにでき、また短時間に大電流を一気に放電できるので、パワーステアリング装置１０における短時間発電の電力をこまめに充電でき、パワーステアリング装置１０を駆動するときに２次電池２４では供給電力が不足するときに、放電をいってパワーステアリング装置１０を適切に作動させることができる。
【００３９】
図１において、電圧変換器２６、電力ブースト回路２８と、インバータ回路３２との間に設けられる平滑コンデンサ３０は、電圧、電流の変動を抑制し平滑化する機能を有する容量素子である。
【００４０】
インバータ回路３２は、パワーステアリング装置１０の回転電機１４に接続される回路で、制御装置７０の制御の下で作動する複数のスイッチング素子を含んで構成され、交流電力と直流電力との間の電力変換を行う機能を有する。
【００４１】
すなわち、インバータ回路３２は、回転電機１４が発電機として機能するときは、回転電機１４からの交流三相回生電力を直流電力に変換し、２次電池２４及びスーパキャパシタ５０の側に充電電流として供給する交直変換機能を有する。また、回転電機１４がモータとして機能するときは、２次電池２４及びスーパキャパシタ５０の側からの直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機１４に交流駆動電力として供給する直交変換機能を有する。
【００４２】
制御装置７０は、車両用電源制御システム２０を構成する各要素の動作を全体として制御する機能を有し、ここでは特に、１４Ｖ蓄電池である２次電池２４を含む第１の電源回路と、スーパキャパシタ５０を含む第２の電源回路を効果的に用いて、パワーステアリング装置１０を駆動可能とする制御を行う機能を有する。かかる制御装置７０は、車両の搭載に適したコンピュータ等で構成することができる。
【００４３】
制御装置７０は、電源回路２２の動作モードとして、４つの動作モードを使い分ける制御を行う。すなわち、制御装置７０は、回転電機１４の発電電力によってスーパキャパシタ５０を充電するＳＣ充電モード処理部７２と、スーパキャパシタ５０から２次電池２４を充電する２次電池充電モード処理部７４と、２次電池２４からの放電とスーパキャパシタ５０からの放電によって回転電機１４に駆動電力を供給する並列放電モード処理部７６と、スーパキャパシタ５０から短時間大電流の放電を行って回転電機１４に駆動電力を供給するＳＣ放電モード処理部７８を含んで構成される。なお、ＳＣはＳｕｐｅｒＣａｐａｃｉｔｏｒを示す略号である。
【００４４】
かかる機能は、ソフトウェアによって実現でき、具体的には、車両用電源制御制御プロを実行することで実現できる。かかる機能の一部をハードウェアで実現するものとしてもよい。
【００４５】
かかる構成の作用、特に制御装置７０の４つの動作モード制御処理について、図２から図７を用いて詳細に説明する。図２，３は、ＳＣ充電モードの様子を示し、図４は、２次電池充電モードの様子を示し、図５は、並列放電モードの様子を示し、図６，７は、ＳＣ放電モードの様子を示す図である。
【００４６】
ＳＣ充電モードは、パワーステアリング装置１０の回転電機１４が発電機として機能するときに用いられ、回転電機１４からの三相交流電力をインバータ回路３２が受け取って、これを直流電力に変換し、その直流電力でスーパキャパシタ５０を充電するモードである。ＳＣ発電モードは、２段階に分けることができる。
【００４７】
図２は、ＳＣ発電モードの第１の段階における電流の流れを示す図である。ここでは、回転電機１４の三相交流電力をインバータ回路３２によって直流電力に変換された後の電流の流れが示されている。パワーステアリング装置１０からの適当な信号によって回転電機１４が発電状態であることを制御装置７０が検知すると、制御装置７０は、電力ブースト回路２８の正極側母線に接続される側のスイッチング素子４６をオンとし、負極側母線
に接続される側のスイッチング素子４８をオフとする。これによって、インバータ回路３２からの電流は、図２に示されるように、リアクタンス５２を経由してスーパキャパシタ５０に向かって流れる。これによってリアクタンス５２に電磁エネルギが蓄積される。
【００４８】
スーパキャパシタ５０は入力電流に限度があり、過度に電流が流れ込むとスーパキャパシタ５０が損傷する。その限度である入力電流最大値を閾値電流値ＩSCMAXとすると、発電電流ＩGがＩSCMAXを超えるまでは、スーパキャパシタ５０に向かって電流が流れ、リアクタンス５２に電磁エネルギが蓄積される。
【００４９】
発電電流ＩGがＩSCMAXを超えると、ＳＣ充電モードの第２段階となり、制御装置７０はスイッチング素子４６をオフとし、それ以上の電流がスーパキャパシタ５０の側に流れないようにする。そのときの電流の流れの様子が図３に示される。ここでは、リアクタンス５２に蓄積された電磁エネルギがスーパキャパシタ５０に向かって放出され、これによってスーパキャパシタ５０が充電される。つまり、ＳＣ充電モードは、リアクタンス５２に電磁エネルギを蓄積する段階と、リアクタンス５２から電磁エネルギが放出されてスーパキャパシタ５０を充電する段階の２段階にわたって行われることになる。
【００５０】
スーパキャパシタ５０の充電電圧は、リアクタンス５２に蓄積される電磁エネルギである（Ｌｉ2）／２がスーパキャパシタ５０の静電エネルギ（ＣＶ2）／２と等しくなると考えて求めることができる。したがって、リアクタンス５２のインダクタンスＬと、スーパキャパシタ５０の容量ＣとＩSCMAXによってスーパキャパシタ５０のフル充電されたときの電圧が定まる。スーパキャパシタ５０のフル充電電圧を、２次電池２４の１４Ｖより高い値、例えば２４Ｖや４２Ｖ等に設定することで、１４Ｖ蓄電池である２次電池２４を用いながら電源回路２２の電力容量を高めることができる。
【００５１】
２次電池充電モードは、２次電池２４の端子間電圧が低くなったときに、ＳＣ充電モードによって充電されたスーパキャパシタ５０から２次電池２４を充電するモードである。上記のように、パワーステアリング装置１０の回転電機１４における発電は短時間でありながら頻繁に行われることが多いので、内部抵抗の大きな２次電池２４では十分にその発電電力を回収しきれないことがある。スーパキャパシタ５０は内部抵抗が非常に小さいので、このような細切れの発電電力でも効率的に回収することが可能である。そこで、パワーステアリング装置１０の発電電力をＳＣ充電モードでスーパキャパシタ５０に一旦回収させ、スーパキャパシタ５０が十分に充電された後に、これを２次電池２４に放電することにして、２次電池２４にパワーステアリング装置１０の回転電機１４の発電電力を移すことができる。
【００５２】
２次電池充電モードのときの電流の流れの様子が図４に示されている。制御装置７０は、２次電池２４からの適当な信号によって２次電池２４の端子間電圧が予め定めた閾値充電電圧を下回ったことを検出すると、電力ブースト回路２８の２つのスイッチング素子４６，４８を共にオフとし、電圧変換器２６の正極側母線に接続される側のスイッチング素子４２をオンとし、負極側母線に接続される側のスイッチング素子４４をオフにする。
【００５３】
閾値充電電圧は、２次電池２４が過放電とならない値に設定される。上記の例のように、スーパキャパシタ５０がフル充電されたときの端子間電圧を２４Ｖや４２Ｖとすると、２次電池２４の端子間電圧よりも高圧となるので、スーパキャパシタ５０からオフしているスイッチング素子４６に逆接続されるダイオードを通り、オンしているスイッチング素子４２を通って、２次電池２４に電流が流れる。このようにして２次電池２４の充電が行われる。２次電池２４の端子間電圧が所定のフル充電電圧に達すると、スイッチング素子４２がオフされて、スーパキャパシタ５０からの２次電池２４の充電が終了する。
【００５４】
以上で、電源回路２２における充電時のモードとして、ＳＣ充電モードと２次電池充電モードを説明した。次に電源回路２２における放電時のモードとして、並列放電モードとＳＣ放電モードを説明する。
【００５５】
制御装置７０は、パワーステアリング装置１０からの適当な信号線によって、回転電機１４が駆動状態であることを検知すると、次に、パワーステアリング装置１０において、ステアリングにおける要求トルクと実際トルクとの間にトルク偏差ｄτが生じているか否かを判断する。トルク偏差ｄτが生じていなければ、回転電機１４にさらに電力を供給する必要がないので、２次電池２４からの放電を停止する。トルク偏差ｄτが生じていると、回転電機１４に電力供給を行う必要があるので、放電時のモードとして、並列放電モードかＳＣ放電モードかが用いられる。
【００５６】
制御装置７０は、２次電池２４からの適当な信号によって２次電池２４の端子間電圧が予め定めた閾値放電電圧を超えているか否かを判断し、閾値放電電圧を超えているときは、放電時のモードとして並列放電モードを用い、閾値放電電圧以下のときには、放電時のモードとしてＳＣ放電モードを用いる。
【００５７】
並列放電モードは、２次電池２４からの放電とスーパキャパシタ５０からの放電によって回転電機１４に駆動電力を供給するモードである。車両が大型車両である場合等でパワーステアリング装置１０が高能力仕様のときは、１４Ｖ蓄電池である２次電池２４の供給電力のみでは十分に駆動できないことが生じ得る。そのような場合に、２次電池２４の放電に加えて、スーパキャパシタ５０からも放電して、並列的に電力を供給することで、１４Ｖ蓄電池である２次電池２４を用いながら、高能力のパワーステアリング装置１０を駆動することができる。
【００５８】
並列放電モードのときの電流の流れの様子が図５に示されている。制御装置７０は、上記のように、２次電池２４からの適当な信号によって２次電池２４の端子間電圧ＶBが予め定めた閾値放電電圧Ｖ0を超えているか否かを判断し、閾値放電電圧Ｖ0を超えているときは、電力ブースト回路２８の正極側母線に接続される側のスイッチング素子４６をオンし、負極側母線に接続される側のスイッチング素子４８をオフする。同様に、電圧変換器２６の正極側母線に接続される側のスイッチング素子４２をオンし、負極側母線に接続される側のスイッチング素子４４をオフする。
【００５９】
閾値放電電圧Ｖ0は、２次電池２４のフル充電電圧から予め定めた電圧だけ低い電圧で、閾値充電電圧よりも高い電圧に設定することができる。並列放電モードを用いることで、１４Ｖ蓄電池である２次電池２４の負担を軽くすることができる。また、スーパキャパシタ５０の放電の利用が部分的で済むので、スーパキャパシタ５０の充電状態を高い状態で維持しやすい。その意味で、この電源回路２２では、パワーステアリング装置１０の駆動に並列放電モードを主として用いることが好ましい。また、並列放電モードでは、スイッチング素子４２，４４，４６，４８のスイッチングの位相を適当にずらすことで、リアクタンス４０の電流リップルを低減することも可能になる。
【００６０】
ＳＣ放電モードは、２次電池２４の端子間電圧ＶBが閾値放電電圧Ｖ0以下のときに、２次電池２４の供給電力を当てにせずに、スーパキャパシタ５０から短時間大電流の放電を行って回転電機１４に駆動電力を供給するモードである。ＳＣ放電モードは、２段階に分けることができる。
【００６１】
図６は、ＳＣ放電モードの第１の段階における電流の流れを示す図である。制御装置７０は、上記のように、２次電池２４からの適当な信号によって２次電池２４の端子間電圧が予め定めた閾値放電電圧を超えているか否かを判断し、閾値放電電圧以下であるときは、電力ブースト回路２８の正極側母線に接続される側のスイッチング素子４６をオフし、負極側母線に接続される側のスイッチング素子４８をオンする。これによって、スーパキャパシタ５０からリアクタンス５２に向かって電流が流れ、リアクタンス５２に電磁エネルギが蓄積される。
【００６２】
次に、ＳＣ放電モードの第２段階になるが、図７にそのときの電流の流れが示されている。ここでは、制御装置７０は、スイッチング素子４８をオフとする。これによって、リアクタンス５２は、インバータ回路３２の側に放電を行い、電力ブースト回路２８から短時間であるが大電流がインバータ回路３２の側に供給され、２次電池２４からの供給電力が当てにできなくても、パワーステアリング装置１０に必要とする電力を供給することができる。
【００６３】
このように、制御装置７０は、ＳＣ充電モード、２次電池充電モード、並列放電モード、ＳＣ放電モードを用いて、車両用電源制御システム２０を全体として制御する。図７は、その制御の手順を示すフローチャートである。各手順は、車両用電源制御プログラムの各処理手順にそれぞれ対応する。
【００６４】
パワーステアリング装置１０を搭載する車両において、例えばイグニッションスイッチ等の操作によって車両制御システムが起動すると、車両用電源制御プラグラムが立上り、初期状態等が設定される。そして、図８に示されるように、パワーステアリング装置１０におけるステアリングパワーが算出される。ステアリングパワーＰは、回転電機１４のトルクτと回転速度ωの積で算出できる（Ｓ１０）。次に算出されたステアリングパワーＰの符号が正か否かが判断される（Ｓ１２）。ここで符号が正とは、回転電機１４が発電していることを示すものとする。したがって、Ｓ１２における判断が肯定されると、回転電機１４は発電状態であり、判断が否定されると、回転電機１４は駆動状態であることになる。
【００６５】
Ｓ１２の判断が肯定されると、Ｓ１４以下の手順に進み、制御装置７０は充電時のモードとして、図２，３で説明したＳＣ充電モードを用いる。まず、発電電流ＩGがスーパキャパシタ５０の閾値電流値ＩSCMAX以下か否かが判断される（Ｓ１４）。判断が肯定されると、判断が否定されるまで、スーパキャパシタ５０にはさらに電流供給が続けられ（Ｓ１６）、これによってリアクタンス５２に電磁エネルギが蓄積される（Ｓ１８）。そして供給する電流が増大してＳ１４の判断が否定されると、スーパキャパシタ５０に流される電流が停止され（Ｓ２０）、リアクタンス５２に蓄積された電磁エネルギがスーパキャパシタ５０に放出され、スーパキャパシタ５０に充電が行われる（Ｓ２４）。
【００６６】
これらのＳ１４からＳ２４までの工程は、制御装置７０のＳＣ充電モード処理部７２の機能によって実行される。具体的なスイッチング素子４６，４８のオン・オフ制御については、図２，３で説明した。
【００６７】
このようにしてスーパキャパシタ５０に充電が行われると、次にこのスーパキャパシタ５０から２次電池２４への充電が行われる（Ｓ２６）。この工程は、制御装置７０の２次電池充電モード処理部７４の機能によって実行される。具体的なスイッチング素子４２，４４，４６，４８のオン・オフ制御については、図４で説明した。
【００６８】
Ｓ１２の判断が否定されると、Ｓ２８以下の工程に進み、制御装置７０は、放電時のモードとして、並列放電モードまたはＳＣ放電モードを用いることになる。Ｓ１２の判断が否定されると、パワーステアリング装置１０は発電状態ではないことになるので、次にトルク偏差ｄτが生じているか否かを判断する（Ｓ２８）。トルク偏差ｄτは、ステアリングにおける要求トルクと実際トルクとの間の差である。トルク偏差ｄτが生じていなければ、回転電機１４にさらに電力を供給する必要がないので、２次電池２４からの放電を行わない。既に放電を行っている状態のときは放電を停止する（Ｓ３０）。
【００６９】
トルク偏差ｄτが生じていると、回転電機１４に電力供給を行う必要があるので、次に、２次電池２４の端子間電圧ＶBが予め定めた閾値放電電圧Ｖ0を超えているか否かが判断される（Ｓ３２）。
【００７０】
Ｓ３２の判断が肯定されるときは、並列放電モードが用いられる（Ｓ３４）。この工程は、制御装置７０の並列放電モード処理部７６の機能によって実行される。具体的なスイッチング素子４２，４４，４６，４８のオン・オフ制御については、図５で説明した。
【００７１】
Ｓ３２の判断が否定されるときは、ＳＣ放電モードが用いられる（Ｓ３６）。この工程は、制御装置７０のＳＣ放電モード処理部７８の機能によって実行される。具体的なスイッチング素子４６，４８のオン・オフ制御については、図６，７で説明した。
【００７２】
上記構成の作用の様子を、電力ブースト回路２８を設けない従来技術の電源回路と比較しながらシミュレーションした結果を図９から図１４に示す。このうち、図９から図１１は、回転電機１４の電流が急増したときの母線間ＤＣ電圧の変化の様子を従来技術と比較しながら示す図である。ここで、母線間ＤＣ電圧とは、正極側母線と負極側母線との間の直流電圧のことで、平滑コンデンサ３０の両端子間電圧に相当する。また、図１２から図１４は、回転電機１４の電流が急減したときの母線間ＤＣ電圧の変化の様子を従来技術と比較しながら示す図である。
【００７３】
図９から図１１について説明すると、図９の縦軸は回転電機１４の電流、図１０の縦軸は従来技術の電源回路における母線間ＤＣ電圧、図１１は、図１の構成における母線間ＤＣ電圧である。そして、これらの図の横軸は時間で、その原点は揃えてあり、同じ時間経過における回転電機電流変化、母線間ＤＣ電圧変化が比較できるようになっている。
【００７４】
図９に示されるように、時間２ｓのあたりで回転電機１４の電流が急増し、パワーステアリング装置１０が駆動されたことが分かる。このとき、図１０に示されるように、従来技術の電源回路では、時間２ｓの後で、母線間ＤＣ電圧が急変している。これに対し、電力ブースト回路２８を備える図１の電源回路２２では、図１１に示されているように、時間２ｓの後の母線間ＤＣ電圧の変化がかなり少なくなっている。これは、スーパキャパシタ５０による急速放電が寄与しているものと考えることができる。
【００７５】
次に、図１２から図１４を説明する。これらの図は、図９から図１１にそれぞれ対応する図で、図１２の縦軸は図９の縦軸と同じ、図１３，１４の縦軸は図１０，１１の縦軸と同じ、これらの図の横軸の内容は図９から図１１の横軸の内容と同じである。
【００７６】
図１２に示されるように、時間２ｓのあたりで回転電機１４の電流が急減している。この図はシミュレーションの様子を示すものであるので、この電流の急減のところから、回転電機１４が発電状態となっている。このとき、図１３に示されるように、従来技術の電源回路では、時間２ｓの後で、母線間ＤＣ電圧が急変している。これに対し、電力ブースト回路２８を備える図１の電源回路２２では、図１４に示されているように、時間２ｓの後の母線間ＤＣ電圧の変化がかなり少なくなっている。これは、スーパキャパシタ５０による急速充電が寄与しているものと考えることができる。
【００７７】
このように、シミュレーションにおいても、電力ブースト回路２８の有用性が示されている。
【産業上の利用可能性】
【００７８】
本発明に係る車両用電源制御システムは、パワーステアリング装置等、回転電機を含む車両搭載装置の電源制御に利用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１０  パワーステアリング装置、１２  操舵ハンドル、１４  回転電機、２０  車両用電源制御システム、２２  電源回路、２４  ２次電池、２６  電圧変換器、２８  電力ブースト回路、３０  平滑コンデンサ、３２  インバータ回路、４０，５２  リアクタンス、４２，４４，４６，４８  スイッチング素子、５０  スーパキャパシタ、７０  制御装置、７２  ＳＣ充電モード処理部、７４  ２次電池充電モード処理部、７６  並列放電モード処理部、７８  ＳＣ放電モード処理部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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