JP2009290987A - 電源制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新たな充電回路を追加せずに低下したサブ蓄電体の電圧を回復させる。
【解決手段】蓄電ユニット(電源電圧Ｖｕ)には、メイン蓄電体(電圧Ｖｍ)とサブ蓄電体(電圧Ｖｓ)とが設けられるとともに、これら蓄電体の接続状態を切り換えるリレースイッチＳ１，Ｓ２が設けられる。リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えると、メイン蓄電体からサブ蓄電体が切り離される一方、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換えると、メイン蓄電体にサブ蓄電体が直列接続される。この蓄電ユニットを充放電させる際には、電源電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ)が下限電圧Ａ１に達したときに(符号ａ)、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列接続状態に切り換えられ、電源電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が上限電圧Ａ２に達したときに(符号ｃ)、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列解除状態に切り換えられる。これにより、サブ蓄電体の電圧Ｖｓを引き上げることが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、メイン蓄電体とサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットが設けられる電源制御装置に関する。

近年、リチウムイオンバッテリ、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ等の出力特性の良好な蓄電デバイスが開発されている。これらの蓄電デバイスは、放電に伴って出力電圧が大きく低下する傾向を有しており、蓄電デバイスに蓄えられるエネルギーの利用効率向上を図ることが困難となっていた。すなわち、蓄電デバイスを電源として利用するシステムには、そのシステムが許容する電源電圧の範囲があるため、蓄電デバイスの放電に伴って電源電圧がシステムの下限電圧まで低下した後には、蓄電デバイスに残存するエネルギーを利用することが不可能となっていた。

このような問題を解消するため、蓄電デバイスをメイン蓄電体とサブ蓄電体とによって構成し、メイン蓄電体に対してサブ蓄電体を直列接続自在に設けるようにした電源装置が開発されている(たとえば、特許文献１参照)。この電源装置によれば、メイン蓄電体だけを用いて下限電圧まで放電させた後に、メイン蓄電体にサブ蓄電体を直列に接続することにより、電源電圧を回復させるようにしている。これにより、再びメイン蓄電体を放電させることができるため、メイン蓄電体に残存するエネルギーを有効に利用することができ、蓄電デバイスのエネルギー利用効率を向上させることが可能となる。
特開２０００−１５２４９５号公報

ところで、メイン蓄電体に残存するエネルギーを有効に利用するためには、サブ蓄電体の電圧を高い状態に保持することにより、サブ蓄電体を接続したときに電源電圧を大きく回復させることが重要となっている。そこで、特許文献１に記載された電源装置にあっては、個々のサブ蓄電体に対して充電回路を設けることにより、メイン蓄電体から切り離されたサブ蓄電体に対して充電を施すようにしている。しかしながら、専用の充電回路を用いてサブ蓄電体に充電を施すことは、電源装置の複雑化や高コスト化を招く要因となっていた。また、サブ蓄電体の自己放電や、ＩＲドロップ等による切換タイミング誤差の積算により、サブ蓄電体の電圧が設計値に対して徐々に低下する問題がある。

本発明の目的は、新たな充電回路を追加することなく、一旦低下したサブ蓄電体の電圧を着実に引き上げることにある。

本発明の電源制御装置は、メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、前記蓄電ユニットの出力電圧に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段とを有し、前記スイッチ制御手段は、前記出力電圧が第１所定値まで低下したときに、前記スイッチ手段を直列接続状態に切り換える一方、前記出力電圧が前記第１所定値よりも高い第２所定値まで上昇したときに、前記スイッチ手段を直列解除状態に切り換えることを特徴とする。

本発明の電源制御装置は、メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、車両状態に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段と、前記蓄電ユニットに接続される電気機器の起動状態と停止状態とを切り換える起動スイッチとを有し、前記電気機器を停止状態に切り換えるように前記起動スイッチが操作されたときに、前記スイッチ制御手段は前記スイッチ手段を直列解除状態に切り換え、停止状態の前記電気機器に対して前記メイン蓄電体から電力を供給することを特徴とする。

本発明の電源制御装置は、メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、車両状態に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段と、エンジンを始動するスタータモータの駆動状態と停止状態とを切り換えるスタータスイッチとを有し、前記スタータモータを駆動状態に切り換えるように前記スタータスイッチが操作されたときに、前記スイッチ制御手段は前記スイッチ手段を直列解除状態に切り換え、駆動される前記スタータモータに対して前記メイン蓄電体から電力を供給することを特徴とする。

本発明の電源制御装置は、エンジンを始動するスタータモータが駆動された状態のもとで、前記スイッチ制御手段は前記スイッチ手段の直列接続状態への切り換えを禁止することを特徴とする。

本発明の電源制御装置は、エンジンによって駆動されるオルタネータの発電電圧を車両制動時に引き上げる回生制御手段を有し、車両制動時に前記オルタネータの発電電圧が引き上げられた状態のもとで、前記スイッチ制御手段は前記スイッチ手段の直列解除状態への切り換えを許可することを特徴とする。

本発明によれば、蓄電ユニットの出力電圧が第１所定値まで低下したときに、スイッチ手段を直列接続状態に切り換える一方、出力電圧が第１所定値よりも高い第２所定値まで上昇したときに、スイッチ手段を直列解除状態に切り換えるようにしたので、サブ蓄電体の電圧を引き上げることが可能となる。これにより、新たな充電回路を追加することなく、サブ蓄電体の電圧を引き上げることができ、蓄電ユニットに蓄えられるエネルギーの利用効率を向上させることが可能となる。

本発明によれば、電気機器を停止状態に切り換えるように起動スイッチが操作されたときに、スイッチ制御手段はスイッチ手段を直列解除状態に切り換え、停止状態の電気機器に対してメイン蓄電体から電力を供給するようにしたので、サブ蓄電体の電圧を引き上げることが可能となる。これにより、新たな充電回路を追加することなく、サブ蓄電体の電圧を引き上げることができ、蓄電ユニットに蓄えられるエネルギーの利用効率を向上させることが可能となる。

本発明によれば、スタータモータを駆動状態に切り換えるようにスタータスイッチが操作されたときに、スイッチ制御手段はスイッチ手段を直列解除状態に切り換え、駆動されるスタータモータに対してメイン蓄電体から電力を供給するようにしたので、サブ蓄電体の電圧を引き上げることが可能となる。これにより、新たな充電回路を追加することなく、サブ蓄電体の電圧を引き上げることができ、蓄電ユニットに蓄えられるエネルギーの利用効率を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である電源制御装置１０が搭載された車両１１の一部を示す概略図である。図１に示すように、車両１１にはパワーユニット１２が搭載されており、このパワーユニット１２はエンジン１３とこれに連結される変速機１４とによって構成されている。また、変速機１４の出力軸１５にはプロペラシャフト１６が接続されており、プロペラシャフト１６と駆動輪１７との間にはデファレンシャル機構１８が設けられている。そして、エンジン１３から出力される動力は、変速機１４、プロペラシャフト１６、デファレンシャル機構１８を介して左右の駆動輪１７に伝達されることになる。

また、エンジン１３にはスタータモータ２０が組み付けられており、このスタータモータ２０を駆動することでエンジン１３のクランク軸を始動回転させることが可能となっている。さらに、エンジン１３には駆動ベルト２１を介してオルタネータ２２が連結されており、エンジン動力によってオルタネータ２２を発電駆動することが可能となっている。また、車両１１には、リモコンキー等からの開閉信号に基づきドアの施錠状態を制御するドアロックシステムや、盗難時に警報を発するセキュリティシステム等の各種電気機器２３が搭載されている。さらに、スタータモータ２０や各種電気機器(電気機器)２３等に対して電力を供給するとともに、オルタネータ２２によって発電された電力を蓄えるため、車両１１には蓄電ユニット２４が搭載されている。

なお、オルタネータ２２の発電電圧は、ローレベル(例えば１２Ｖ)とハイレベル(例えば１５Ｖ)とに切り換えることが可能となっている。そして、車両制動時にはオルタネータ２２の発電電圧をハイレベルに切り換えることにより、車両１１の運動エネルギーを積極的に電気エネルギーに変換して蓄電ユニット２４に回収することが可能となっている。このハイレベルの発電電圧は、各種電気機器２３の耐電圧を超えないレベルに設定されている。一方、車両制動時以外にはオルタネータ２２の発電電圧をローレベルに切り換えることにより、各種電気機器２３を正常に作動させるために必要な電圧レベルを確保しつつ、オルタネータ２２を駆動するエンジン１３の負荷を抑制するようにしている。

また、スタータモータ２０、オルタネータ２２、各種電気機器２３、蓄電ユニット２４等を制御するため、電源制御装置１０には制御ユニット２５が設けられている。この制御ユニット２５には、各種電気機器２３を起動させる際やスタータモータ２０を駆動する際に操作されるイグニッションスイッチ(起動スイッチ，スタータスイッチ)２６、車速を検出する車速センサ２７、ブレーキペダルの踏み込みを検出するブレーキペダルセンサ２８等が接続されている。そして、制御ユニット２５は、イグニッションスイッチ２６や各種センサ２７，２８等からの入力信号に基づいて各種制御信号を演算し、スタータモータ２０、オルタネータ２２、各種電気機器２３、蓄電ユニット２４等に対して制御信号を出力することになる。なお、制御ユニット２５は、制御信号等を演算するＣＰＵを備えるとともに、制御プログラム、演算式、データ等を格納するＲＯＭや、一時的にデータを格納するＲＡＭを備えている。

図２は電源制御装置１０の構成を示す概略図である。なお、図２において図１に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。図２に示すように、蓄電ユニット２４は、４つのキャパシタセル３０からなるメイン蓄電体３１と、１つのキャパシタセル３０からなるサブ蓄電体３２とを有しており、サブ蓄電体３２はメイン蓄電体３１よりも低電圧となるように構成されている。また、それぞれのキャパシタセル３０はリチウムイオンキャパシタとして構成されている。ここで、リチウムイオンキャパシタとは、リチウムイオンバッテリと電気二重層キャパシタとの蓄電原理を組み合わせた蓄電デバイスである。このリチウムイオンキャパシタは、正極に電気二重層キャパシタの活性炭を採用することにより、正極側では電気二重層を利用して電荷を蓄積する一方、負極にリチウムイオンバッテリの炭素系材料を採用することにより、負極側では炭素系材料にリチウムイオンを担持(ドーピング)させて電荷を蓄積している。また、負極の炭素系材料にはリチウムイオンが予めドーピングされており、負極電位を低下させてエネルギー密度が引き上げられている。

また、図示する個々のキャパシタセル３０は、使用可能電圧幅が３．６Ｖ〜２．０Ｖ、電流容量が１Ａｈ、電力容量が２．８Ｗｈとなっている。なお、４つのキャパシタセル３０を備えるメイン蓄電体３１の電圧利用範囲は１４．４Ｖ〜９．６Ｖに設計されており、１つのキャパシタセル３０を備えるサブ蓄電体３２の電圧利用範囲は３．０Ｖ〜２．４Ｖに設計されている。なお、前述した使用可能電圧幅や電圧利用範囲等の諸条件は、車両側から要求される条件に応じて適宜設定されるものであり、他の使用可能電圧幅や電圧利用範囲等を採用しても良いことはいうまでもない。さらに、メイン蓄電体３１やサブ蓄電体３２をリチウムイオンキャパシタによって構成することなく、メイン蓄電体３１やサブ蓄電体３２をリチウムイオンバッテリや電気二重層キャパシタ等、他の形式のバッテリやキャパシタを用いて構成することも可能である。

図２に示すように、メイン蓄電体３１の正極端子３１ａとサブ蓄電体３２の負極端子３２ｂとは接続されている。また、蓄電ユニット２４の正極端子２４ａとメイン蓄電体３１の正極端子３１ａとの間にはリレースイッチ(スイッチ手段)Ｓ１が設けられており、蓄電ユニット２４の正極端子２４ａとサブ蓄電体３２の正極端子３２ａとの間にはリレースイッチＳ２(スイッチ手段)が設けられている。すなわち、リレースイッチＳ１を閉じてリレースイッチＳ２を開くことにより、リレースイッチＳ１，Ｓ２は直列解除状態となるため、蓄電ユニット２４内ではメイン蓄電体３１からサブ蓄電体３２が切り離される。これにより、蓄電ユニット２４の電源電圧(出力電圧)Ｖｕは、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍと等しい電圧値に設定されることになる。一方、リレースイッチＳ１を開いてリレースイッチＳ２を閉じることにより、リレースイッチＳ１，Ｓ２は直列接続状態となるため、蓄電ユニット２４内ではメイン蓄電体３１に対してサブ蓄電体３２が直列に接続される。これにより、蓄電ユニット２４の電源電圧Ｖｕは、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍとサブ蓄電体３２の電圧Ｖｓとを合算した電圧値に設定されることになる。また、蓄電ユニット２４には電源電圧Ｖｕを検出する電圧センサ３３が設けられており、電圧センサ３３から制御ユニット２５に向けて電源電圧Ｖｕの値が出力されている。そして、スイッチ制御手段として機能する制御ユニット２５は、蓄電ユニット２４の電源電圧Ｖｕに基づいてリレースイッチＳ１，Ｓ２を開閉制御することになる。続いて、制御ユニット２５によるリレースイッチＳ１，Ｓ２の開閉制御について説明する。

図３は蓄電ユニット２４を複数回に渡って充放電させたときの電圧Ｖｕ，Ｖｍ，Ｖｓの変動状況を示す説明図である。図３において充電と記載した範囲では、オルタネータ２２の発電電圧がハイレベルに切り換えられる充電状態となっている。車速の減速状況やブレーキペダルの踏み込み状況から車両制動時と判断された場合には、制御ユニット２５によってオルタネータ２２の発電電圧がハイレベルに引き上げられ、オルタネータ２２から各種電気機器２３だけでなく蓄電ユニット２４に対しても電力が供給されることになる。また、図３において放電と記載した範囲では、オルタネータ２２の発電電圧がローレベルに切り換えられる放電状態となっている。車速の減速状況やブレーキペダルの踏み込み状況から車両制動時以外と判断された場合には、制御ユニット２５によってオルタネータ２２の発電電圧がローレベルに引き下げられ、各種電気機器２３には蓄電ユニット２４から電力が供給されることになる。このように、制御ユニット２５は回生制御手段としても機能するようになっている。

図３に示すように、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが下限電圧(第１所定値)Ａ１である１２Ｖを上回る状況での放電時には、制御ユニット２５によってリレースイッチＳ１，Ｓ２が直列解除状態に切り換えられ、蓄電ユニット２４内のメイン蓄電体３１から各種電気機器２３に対して電力が供給される。続いて、電源電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ)が下限電圧Ａ１まで低下すると(符号ａ)、制御ユニット２５はリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換え、蓄電ユニット２４内のメイン蓄電体３１およびサブ蓄電体３２から各種電気機器２３に対して電力を供給することになる。すなわち、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換えることにより、電源電圧Ｖｕがサブ蓄電体３２の電圧Ｖｓ分だけ引き上げられることになるため、蓄電ユニット２４の放電を継続させることが可能となる。このような放電状態は、メイン蓄電体３１とサブ蓄電体３２とを直列接続した状態のもとで、電源電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が下限電圧Ａ１に達するまで継続させることが可能となる(符号ｂ)。

次いで、放電された蓄電ユニット２４を充電する際には、電源電圧Ｖｕが下限電圧Ａ１よりも高い上限電圧(第２所定値)Ａ２に達するまでは、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列接続状態に保持され、メイン蓄電体３１とサブ蓄電体３２との双方に充電が施される。そして、電源電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が上限電圧Ａ２まで上昇すると(符号ｃ)、制御ユニット２５はリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換え、メイン蓄電体３１に対して充電が施されることになる。このような充電状態は、メイン蓄電体３１とサブ蓄電体３２とを切り離した状態のもとで、電源電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ)がメイン蓄電体３１の上限電圧１４．４Ｖに達するまで継続させることが可能となる。

このように、制御ユニット２５は、電源電圧Ｖｕが下限電圧Ａ１まで低下したときに(符号ａ)、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換える一方、電源電圧Ｖｕが上限電圧Ａ２まで上昇したときに(符号ｃ)、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えるようにしている。このように、リレースイッチＳ１，Ｓ２を切り換えることにより、サブ蓄電体３２から電力が放出される放電時間Ｔ１よりも、サブ蓄電体３２に電力が供給される充電時間Ｔ２を長くすることが可能となる。すなわち、サブ蓄電体３２からの放電量に関わらず、サブ蓄電体３２に対する充電量をフル充電時の設計電圧(例えば３Ｖ)に向けて確保することができるため、図３に矢印Ｘ１で示すように、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓをフル充電時の設計電圧に向けて引き上げることが可能となる。換言すれば、蓄電ユニット２４の放電に伴ってメイン蓄電体３１とサブ蓄電体３２との電圧バランスが崩れた場合であっても、前述したタイミングでリレースイッチＳ１，Ｓ２を切り換えることにより、メイン蓄電体３１とサブ蓄電体３２との電圧バランスを設計値に修正することが可能となる。なお、図３に示すように、蓄電ユニット２４の電源電圧Ｖｕがメイン蓄電体３１の上限電圧１４．４Ｖを超えないように制御されるため、メイン蓄電体３１の過充電を招くことはない。

これに対し、従来の電源制御装置にように、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが所定の閾値Ａ３を上回るか否かによって、リレースイッチＳ１，Ｓ２を切り換えるようにすると、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを引き上げることが困難となる。ここで、図４は従来の電源制御装置を用いて蓄電ユニット２４を充放電させたときの電圧Ｖｕ，Ｖｍ，Ｖｓの変動状況を示す説明図である。図４に示すように、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが閾値Ａ３を上回る状況での放電時には、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列解除状態に切り換えられ、蓄電ユニット２４内ではメイン蓄電体３１からの放電が実行される。続いて、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが閾値Ａ３まで低下すると(符号ｄ)、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列接続状態に切り換えられ、蓄電ユニット２４内ではメイン蓄電体３１およびサブ蓄電体３２からの放電が実行される。

また、従来の電源制御装置によって蓄電ユニット２４を充電する際には、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが閾値Ａ３を上回るまでは、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列接続状態に保持され、蓄電ユニット２４内のメイン蓄電体３１およびサブ蓄電体３２に対して充電が施される。そして、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが閾値Ａ３に到達すると(符号ｅ)、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列解除状態に切り換えられ、その後は蓄電ユニット２４内のメイン蓄電体３１だけに充電が施されることになる。このように、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが閾値Ａ３を上回るか否かによって、リレースイッチＳ１，Ｓ２を切り換えるようにすると、サブ蓄電体３２から電力が放出される放電時間Ｔ３と、サブ蓄電体３２に電力が供給される充電時間Ｔ４とがほぼ同じ長さとなる。すなわち、サブ蓄電体３２からの放電量とサブ蓄電体３２に対する充電量とがほぼ同じになるため、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓが一旦低下した場合には、図４に矢印Ｘ２で示すように、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを引き上げることが不可能であった。

ここで、図５(Ａ)はサブ蓄電体３２の電圧Ｖｓが低下した場合における蓄電ユニット２４のエネルギー利用効率を示す説明図であり、(Ｂ)はサブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを上昇させた場合における蓄電ユニット２４のエネルギー利用効率を示す説明図である。図５(Ａ)に示すように、メイン蓄電体３１からサブ蓄電体３２を切り離した状態で蓄電ユニット２４の放電を開始し、電源電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ)が下限電圧Ａ１まで低下したときには(符号α)、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列接続状態に切り換えられ、低下したサブ蓄電体３２の電圧Ｖｓ(例えば２Ｖ)分だけ電源電圧Ｖｕが引き上げられる。そして、引き上げられた電源電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が再び下限電圧Ａ１に達するまで、蓄電ユニット２４の放電が継続されることになる。

これに対し、図５(Ｂ)に示すように、本発明の電源制御装置１０を用いたときのように、蓄電ユニット２４の充放電に伴ってサブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを回復させた場合には、電源電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ)が下限電圧Ａ１まで低下し(符号β)、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列接続状態に切り換えられたときに、回復したサブ蓄電体３２の電圧Ｖｓ(例えば３Ｖ)分だけ電源電圧Ｖｕが引き上げられることになる。すなわち、メイン蓄電体３１に対してサブ蓄電体３２を直列接続したときに、電源電圧Ｖｕを大きく引き上げることができるため、長時間に渡って蓄電ユニット２４を放電させることが可能となる。これにより、図５(Ｂ)に範囲Ｅで示すように、メイン蓄電体３１に蓄えられていたエネルギーを有効に利用することができるため、蓄電ユニット２４のエネルギー利用効率を向上させることが可能となる。

しかも、本発明の電源制御装置１０にあっては、電源電圧Ｖｕが下限電圧Ａ１まで低下したときに、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換える一方、電源電圧Ｖｕが上限電圧Ａ２まで上昇したときに、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えることにより、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを回復させるようにしている。したがって、サブ蓄電体３２だけを充電するために新たな充電回路を設ける必要がなく、電源制御装置１０の簡素化および低コスト化を達成することが可能となる。

また、蓄電ユニット２４の充放電を繰り返すことでサブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを所定の設計電圧まで回復させることができるため、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓにとらわれることのない様々な充放電制御を実行することが可能となる。例えば、サブ蓄電体３２を設計電圧の３Ｖまで充電するためには、蓄電ユニット２４の電源電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が上限電圧Ａ２の１５Ｖに達するまで充電を行うとともに、所定時間に渡って電源電圧Ｖｕを１５Ｖに保持する定電圧充電を実行する必要がある。ところが、本発明の電源制御装置１０を用いた場合には、蓄電ユニット２４の電源電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が１５Ｖに達した時点で、直ちにリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えたとしても、後の充放電によってサブ蓄電体３２を３Ｖまで回復させることが可能である。したがって、車両制動時の回生発電によって蓄電ユニット２４を充電する際には、電源電圧Ｖｕ(Ｖｕ＝Ｖｍ＋Ｖｓ)が１５Ｖに達した時点で、メイン蓄電体３１からサブ蓄電体３２を切り離すようにしている。これにより、回生電流が一時的に低下してしまうのを防ぐことができ、車両制動時における回生電力取得量を大幅に向上させることが可能となる。

さらに、リレースイッチＳ１，Ｓ２を切換制御する際の下限電圧Ａ１と上限電圧Ａ２とを状況に応じて変化させることにより、サブ蓄電体３２の放電量と充電量とを調整することが可能となり、サブ蓄電体３２を任意の電圧に制御することが可能となる。これにより、蓄電ユニット２４に対して大きな負荷がかかることのない走行状況等においては、サブ蓄電体３２の電圧を低く調整することが可能であり、サブ蓄電体３２の劣化を抑制することが可能となる。

続いて、本発明の他の実施の形態である電源制御装置４０，５０について説明する。図６は電源制御装置４０，５０によるリレースイッチＳ１，Ｓ２の作動状況を示す説明図である。また、図７および図８は電源制御装置４０，５０によってリレースイッチＳ１，Ｓ２を切り換えたときの電圧Ｖｕ，Ｖｍ，Ｖｓの変動状況を示す説明図である。なお、図６において図２に示す部材と同一の部材については、同一の符号を付してその説明を省略する。まず、前述した電源制御装置１０にあっては、電源電圧Ｖｕが下限電圧Ａ１まで低下したときに、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換える一方、電源電圧Ｖｕが上限電圧Ａ２まで上昇したときに、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えるようにしているが、これに限られることはなく、様々な車両状態に基づいてリレースイッチＳ１，Ｓ２を制御することによっても前述した効果と同様の効果を得ることが可能である。

図６および図７に示すように、電源制御装置４０の制御ユニット２５は、運転手によってイグニッションスイッチ２６が停止位置にオフ操作され、各種電気機器２３が起動状態から停止状態に切り換えられる車両停止時(車両状態)には、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えている。ここで、各種電気機器２３が停止状態となる車両停止時であっても、各種電気機器２３を構成するドアロックシステムやセキュリティシステム等においては、停止状態であっても再起動に備えて微弱電流を消費する構成となっている。そして、この車両停止時にリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えることにより、蓄電ユニット２４内のメイン蓄電体３１から各種電気機器２３に対して微弱電流が供給されるため、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓがほぼ一定に保たれたまま、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍだけが徐々に低下することになる。

このように、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓをほぼ一定に保ったまま、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍだけを徐々に低下させておくことにより、その後に蓄電ユニット２４を充電する際には、サブ蓄電体３２の放電時間Ｔ５よりも充電時間Ｔ６を長くすることができ、図７に符号ΔＶで示すように、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを車両停止前に比べて回復させることが可能となる。また、図７においては、前述した図４に示す充放電方法と同様に、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが所定の閾値Ａ３を上回るか否かによって、リレースイッチＳ１，Ｓ２を切り換えるようにしているが、このような充放電方法を採用した場合であっても、車両停止時にリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えることにより、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを回復させることが可能となる。

なお、車両停止時にリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換える場合であっても、前述した図３に示す充放電方法と同様に、電源電圧Ｖｕが下限電圧Ａ１まで低下したときに、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換える一方、電源電圧Ｖｕが上限電圧Ａ２まで上昇したときに、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えても良いことはいうまでもない。このように、車両停止時にメイン蓄電体３１から放電させた上で、前述した図３に示す充放電方法を採用することにより、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを早期に回復させることが可能となる。

続いて、図６および図８に示すように、電源制御装置５０の制御ユニット２５は、運転手によってイグニッションスイッチ２６がエンジン始動位置にオン操作され、スタータモータ２０が駆動されるエンジン始動時(車両状態)には、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えている。このエンジン始動時にリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えることにより、蓄電ユニット２４内のメイン蓄電体３１からスタータモータ２０に対して駆動電流が供給されるため、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓがほぼ一定に保たれたまま、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍだけが低下することになる。

このように、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓをほぼ一定に保ったまま、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍだけを徐々に低下させておくことにより、その後に蓄電ユニット２４を充電する際には、サブ蓄電体３２の放電時間Ｔ７よりも充電時間Ｔ８を長くすることができ、図８に符号ΔＶで示すように、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓをエンジン始動前に比べて回復させることが可能となる。また、図８においては、前述した図４に示す充放電方法と同様に、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが所定の閾値Ａ３を上回るか否かによって、リレースイッチＳ１，Ｓ２を切り換えるようにしているが、このような充放電方法を採用した場合であっても、エンジン始動時にリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えることにより、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを回復させることが可能となる。

なお、エンジン始動時にリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換える場合であっても、前述した図３に示す充放電方法と同様に、電源電圧Ｖｕが下限電圧Ａ１まで低下したときに、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列接続状態に切り換える一方、電源電圧Ｖｕが上限電圧Ａ２まで上昇したときに、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えても良いことはいうまでもない。このように、エンジン始動時にメイン蓄電体３１から放電させた上で、前述した図３に示す充放電方法を採用することにより、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを早期に回復させることが可能となる。

また、図８に示す場合には、車両停止時にリレースイッチＳ１，Ｓ２の直列接続状態を保持しているが、これに限られることはなく、前述した図７に示す放電方法と同様に、車両停止時にリレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えても良いことはいうまでもない。このように、エンジン始動時だけでなく車両停止時にもメイン蓄電体３１の電圧低下を促すことにより、サブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを早期に回復させることが可能となる。

これまで説明したように、電源制御装置１０にあっては、電源電圧Ｖｕが下限電圧Ａ１や上限電圧Ａ２に到達したときに、リレースイッチＳ１，Ｓ２の切換制御を実行している。また、電源制御装置４０，５０にあっては、電源電圧Ｖｕが下限電圧Ａ１や上限電圧Ａ２に到達したときや、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍが閾値Ａ３に到達したときに、リレースイッチＳ１，Ｓ２の切換制御を実行している。このリレースイッチＳ１，Ｓ２の切り換え動作が繰り返されるハンチングを防止するためには、下限電圧Ａ１、上限電圧Ａ２、閾値Ａ３にヒステリシスを設けることが一般的であるが、下限電圧Ａ１、上限電圧Ａ２、閾値Ａ３にヒステリシスを設定することはサブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを低下させる要因となる。そこで、本発明の電源制御装置１０，４０，５０においては、リレースイッチＳ１，Ｓ２の切換制御を実行する際の禁止条件および許可条件を設定し、下限電圧Ａ１、上限電圧Ａ２、閾値Ａ３からヒステリシスを排除している。

以下、リレースイッチＳ１，Ｓ２の切換制御を実行する際の禁止条件および許可条件について説明する。図９は蓄電ユニット２４に大きな負荷変動が発生する際のリレースイッチＳ１，Ｓ２の切り換え状況を示すタイミングチャートである。なお、以下の説明においては、前述した図３に示す充放電方法と同様に、電源電圧Ｖｕが下限電圧Ａ１まで低下したときに、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列接続状態に切り換えられる一方、電源電圧Ｖｕが上限電圧Ａ２まで上昇したときに、リレースイッチＳ１，Ｓ２が直列解除状態に切り換えられるものとして説明する。

図９に符号αで示すように、エンジン始動時にはスタータモータ２０に大電流が供給されるため、電源電圧Ｖｕが下限電圧Ａ１を下回るおそれがあるが、スタータモータ２０を停止した後には電源電圧Ｖｕが下限電圧Ａ１を上回る状態に回復することになる。このため、電源制御装置１０，４０，５０の制御ユニット２５は、スタータモータ２０が駆動された状態のもとでは、リレースイッチＳ１，Ｓ２の直列接続状態への切り換えを禁止している。これにより、エンジン始動時の負荷変動に伴うリレースイッチＳ１，Ｓ２のハンチング動作を回避することができ、サブ蓄電体３２の電圧低下を招くヒステリシスを下限電圧Ａ１や上限電圧Ａ２から排除することが可能となる。

また、図９に符号βで示すように、オルタネータ２２の発電電圧がローレベルに引き下げられている状態のもとで、電源電圧Ｖｕが上限電圧Ａ２を上回った場合には、各種電気機器２３に負荷変動が発生した為の電圧変動と考えられ、負荷変動が解消した直後には、電源電圧Ｖｕが上限電圧Ａ２を下回る状態に回復することになる。このため、電源制御装置１０，４０，５０の制御ユニット２５は、オルタネータ２２の発電電圧がローレベルに引き下げられた状態のもとでは、リレースイッチＳ１，Ｓ２の直列解除状態への切り換えを禁止している。一方、図９に符号γで示すように、オルタネータ２２の発電電圧がハイレベルに引き上げられた状態のもとで、電源電圧Ｖｕが上限電圧Ａ２まで上昇した場合には、リレースイッチＳ１，Ｓ２の直列解除状態への切り換えを許可している。これにより、各種電気機器２３の負荷変動に伴うリレースイッチＳ１，Ｓ２のハンチング動作を回避することができ、サブ蓄電体３２の電圧低下を招くヒステリシスを下限電圧Ａ１や上限電圧Ａ２から排除することが可能となる。

本発明は前記実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、スイッチ手段を２つのリレースイッチＳ１，Ｓ２によって構成しているが、スイッチ手段を１つのリレースイッチによって構成しても良い。また、スイッチ手段としてはリレースイッチに限られることはなく、トランジスタ等のスイッチング素子によってスイッチ手段を構成しても良い。また、前述の説明では、起動スイッチとスタータスイッチとを兼ねるイグニッションスイッチ２６を設けるようにしているが、各種電気機器２３を起動状態と停止状態とに切り換える起動スイッチと、スタータモータ２０の駆動状態と停止状態とを切り換えるスタータスイッチとを別個に設けるようにしても良い。

また、図示する場合には、メイン蓄電体３１が４つのキャパシタセル３０によって構成され、サブ蓄電体３２が１つのキャパシタセル３０によって構成されているが、メイン蓄電体３１やサブ蓄電体３２を構成するキャパシタセル３０の個数を変更しても良い。さらに、蓄電ユニット２４には１つのサブ蓄電体３２が設けられているが、蓄電ユニット２４に２つ以上のサブ蓄電体３２を設けるようにしても良い。また、２つ以上のサブ蓄電体３２を設ける場合には、サブ蓄電体３２の数に対応した数のスイッチ手段が設けられることはいうまでもない。

また、前述の説明では、オルタネータ２２の発電電圧をハイレベルとローレベルとの２段階に切り換えているが、発電電圧を３段階以上に切り換えるようにしても良い。また、制御ユニット２５は、車速の減速状況やブレーキペダルの踏み込み状況から車両制動時であるか否かを判定しているが、加速度センサや車輪速センサ等から得られる車両情報を用いて車両制動時であるか否かを判定しても良い。

さらに、前述の説明では、イグニッションスイッチ２６の操作によってスタータモータ２０を駆動しているが、これに限られることはなく、いわゆるアイドリングストップ車両のように、車両状態に応じてスタータモータ２０を駆動してエンジン１３を自動的に再始動させるようにしても良い。このように、エンジン１３を自動的に始動させる際にも、リレースイッチＳ１，Ｓ２を直列解除状態に切り換えることにより、メイン蓄電体３１の電圧Ｖｍを低下させるとともに、その後の充電に伴ってサブ蓄電体３２の電圧Ｖｓを回復させるようにしても良い。

なお、図示する車両１１はエンジン１３を備える車両であるが、エンジン１３を持たない電気自動車に対して、本発明の電源制御装置１０，４０，５０を適用することも可能である。また、前述の説明では、本発明の電源制御装置１０，４０，５０を車両１１に適用した形で説明したが、適用対象としては車両１１に限られることはなく、他の用途に本発明の電源制御装置１０，４０，５０を適用しても良いことはいうまでもない。

本発明の一実施の形態である電源制御装置が搭載された車両の一部を示す概略図である。 電源制御装置の構成を示す概略図である。 蓄電ユニットを複数回に渡って充放電させたときの電圧の変動状況を示す説明図である。 従来の電源制御装置を用いて蓄電ユニットを充放電させたときの電圧Ｖｕ，Ｖｍ，Ｖｓの変動状況を示す説明図である。 (Ａ)はサブ蓄電体の電圧が低下した場合における蓄電ユニットのエネルギー利用効率を示す説明図であり、(Ｂ)はサブ蓄電体の電圧を上昇させた場合における蓄電ユニットのエネルギー利用効率を示す説明図である。 本発明の他の実施の形態である電源制御装置によるリレースイッチの作動状況を示す説明図である。 本発明の他の実施の形態である電源制御装置によってリレースイッチを切り換えたときの電圧の変動状況を示す説明図である。 本発明の他の実施の形態である電源制御装置によってリレースイッチを切り換えたときの電圧の変動状況を示す説明図である。 蓄電ユニットに大きな負荷変動が発生する際のリレースイッチの切り換え状況を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１０ 電源制御装置
２０ スタータモータ
２２ オルタネータ
２３ 各種電気機器(電気機器)
２４ 蓄電ユニット
２５ 制御ユニット(スイッチ制御手段，回生制御手段)
２６ イグニッションスイッチ(起動スイッチ，スタータスイッチ)
３１ メイン蓄電体
３２ サブ蓄電体
４０ 電源制御装置
５０ 電源制御装置
Ａ１ 下限電圧(第１所定値)
Ａ２ 上限電圧(第２所定値)
Ｓ１ リレースイッチ(スイッチ手段)
Ｓ２ リレースイッチ(スイッチ手段)
Ｖｕ 電源電圧(出力電圧)

Claims (5)

1. メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、
   前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、
   前記蓄電ユニットの出力電圧に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段とを有し、
   前記スイッチ制御手段は、前記出力電圧が第１所定値まで低下したときに、前記スイッチ手段を直列接続状態に切り換える一方、前記出力電圧が前記第１所定値よりも高い第２所定値まで上昇したときに、前記スイッチ手段を直列解除状態に切り換えることを特徴とする電源制御装置。
2. メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、
   前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、
   車両状態に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段と、
   前記蓄電ユニットに接続される電気機器の起動状態と停止状態とを切り換える起動スイッチとを有し、
   前記電気機器を停止状態に切り換えるように前記起動スイッチが操作されたときに、前記スイッチ制御手段は前記スイッチ手段を直列解除状態に切り換え、停止状態の前記電気機器に対して前記メイン蓄電体から電力を供給することを特徴とする電源制御装置。
3. メイン蓄電体と、前記メイン蓄電体よりも低電圧のサブ蓄電体とを備える蓄電ユニットと、
   前記蓄電ユニットに設けられ、前記メイン蓄電体に前記サブ蓄電体を直列に接続する直列接続状態と、前記メイン蓄電体から前記サブ蓄電体を切り離す直列解除状態とに切り換えられるスイッチ手段と、
   車両状態に基づいて、前記スイッチ手段を直列接続状態と直列解除状態とに切り換えるスイッチ制御手段と、
   エンジンを始動するスタータモータの駆動状態と停止状態とを切り換えるスタータスイッチとを有し、
   前記スタータモータを駆動状態に切り換えるように前記スタータスイッチが操作されたときに、前記スイッチ制御手段は前記スイッチ手段を直列解除状態に切り換え、駆動される前記スタータモータに対して前記メイン蓄電体から電力を供給することを特徴とする電源制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の電源制御装置において、
   エンジンを始動するスタータモータが駆動された状態のもとで、前記スイッチ制御手段は前記スイッチ手段の直列接続状態への切り換えを禁止することを特徴とする電源制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源制御装置において、
   エンジンによって駆動されるオルタネータの発電電圧を車両制動時に引き上げる回生制御手段を有し、
   車両制動時に前記オルタネータの発電電圧が引き上げられた状態のもとで、前記スイッチ制御手段は前記スイッチ手段の直列解除状態への切り換えを許可することを特徴とする電源制御装置。

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