JP2013110940A - 車両用補助電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両の減速時の途中で発電機が出力する回生電力が減少しても、車載電気負荷が動作不良を起こさず、バッテリの充電状態が低下しない車両用補助電源装置の提供。
【解決手段】エンジン２に連動する発電機１及びバッテリＢに接続され、負荷３に供給する為の電力を蓄電する蓄電器Ｃと、発電機１及びバッテリＢの出力電圧を検出する手段１１と、発電機１及びバッテリＢの出力電圧を変換して蓄電器Ｃに抵抗Ｒを通じて充電する変換器５と、蓄電器Ｃの端子電圧を検出する手段１２とを備える車両用補助電源装置１０。変換器５は、検出された発電機１及びバッテリＢの出力電圧Ｖ１を、検出された蓄電器Ｃの端子電圧Ｖ２に所定の電圧Ｖ３を加算した電圧値に変換し、蓄電器Ｃに充電するように構成してある。
【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンに連動する発電機及びバッテリに接続され、負荷に供給する為の電力を蓄電する蓄電器を備え、発電機及びバッテリの出力電圧を変換して蓄電器に充電する車両用補助電源装置に関するものである。

電気機関車及び電車では、制動時に車輪の回転により主電動機で発電し、発電した電力を架線に戻す回生ブレーキが以前から実用化され、発電した電力は回生電力と呼称されている。電気自動車及びハイブリッドカーでも、制動時に車輪の回転によりモータで回生電力を発電させ、車両に搭載した蓄電池を充電する回生ブレーキが実用化されている。
また、近年は、電気自動車及びハイブリッドカー以外の一般的なエンジン駆動自動車においても、オルタネータ（交流発電機、車載発電機）を特に減速時に高負荷で稼働させて回生電力を得ることで、加速時及び巡航時の稼働負荷を軽減し、燃費を向上させる車両用電源装置が有る。

特許文献１には、車両の減速時においては、主蓄電手段である鉛バッテリ電圧が一定値以上である場合、車両用発電機にて発電された回生電力を、予備蓄電手段である電気二重層キャパシタに充電し、電気二重層キャパシタの耐電圧レベルまでＤＣＤＣコンバータを制御して定電流充電を行う車両用電力制御装置が開示されている。車両の減速時以外においては、電気二重層キャパシタに蓄えた回生電力を、車両電気負荷に供給する。

特許第３４６５２９３号公報

前述したような車両用電源装置及び車両用電力制御装置では、車両の減速の途中で、ブレーキが緩められるなどで、発電機が出力する電力が減少したときに、キャパシタへの定電流充電と車載電気負荷の駆動とが同時に行われると、電力不足により電源ラインの電圧が低下し、車載電気負荷が動作不良を起こす虞があるという問題がある。また、鉛バッテリからキャパシタへ電流が流れ、鉛バッテリの充電状態が低下する虞があり、これを防ぐ為に定電流充電の電流値を低めに設定すると、回生エネルギーを充分に回収できなくなるという問題がある。

本発明は、上述したような事情に鑑みてなされたものであり、車両の減速時の途中で発電機が出力する回生電力が減少しても、車載電気負荷が動作不良を起こさず、バッテリの充電状態が低下しない車両用補助電源装置を提供することを目的とする。

第１発明に係る車両用補助電源装置は、エンジンに連動する発電機及びバッテリに接続され、負荷に供給する為の電力を蓄電する蓄電器と、前記発電機及びバッテリの出力電圧を検出する手段と、前記出力電圧を変換して前記蓄電器に抵抗を通じて充電する変換器と、前記蓄電器の端子電圧を検出する手段とを備える車両用補助電源装置において、前記変換器は、検出された前記出力電圧Ｖ１を、検出された前記端子電圧Ｖ２に所定の電圧Ｖ３を加算した電圧値に変換し、前記蓄電器に充電するように構成してあることを特徴とする。

この車両用補助電源装置では、エンジンに連動する発電機及びバッテリに接続された蓄電器が、負荷に供給する為の電力を蓄電する。それぞれの検出する手段が、発電機及びバッテリの出力電圧を検出し、蓄電器の端子電圧を検出する。変換器が、出力電圧を変換して蓄電器に抵抗を通じて充電する。変換器は、検出された出力電圧Ｖ１を、検出された端子電圧Ｖ２に所定の電圧Ｖ３を加算した電圧値に変換し、蓄電器に充電する。

第２発明に係る車両用補助電源装置は、前記出力電圧Ｖ１が所定の電圧Ｖ４以下であるか否かを判定する判定手段を更に備え、該判定手段が電圧Ｖ４以下であると判定したときに、前記変換器は、前記端子電圧Ｖ２に所定の電圧Ｖ５（＜Ｖ３）を加算した電圧値に変換し、前記蓄電器に充電するように構成してあることを特徴とする。

この車両用補助電源装置では、判定手段が、出力電圧Ｖ１が所定の電圧Ｖ４以下であるか否かを判定し、電圧Ｖ４以下であると判定したときに、変換器が、端子電圧Ｖ２に所定の電圧Ｖ５を加算した電圧値に変換し、蓄電器に充電する。

第３発明に係る車両用補助電源装置は、前記端子電圧Ｖ２に電圧Ｖ３又はＶ５を加算した電圧値が、前記蓄電器の目標充電電圧Ｖ６（＞Ｖ４）を超えているか否かを判定する手段を更に備え、該手段が電圧Ｖ６を超えていると判定したときに、前記変換器は、電圧Ｖ６に変換し、前記蓄電器に充電するように構成してあることを特徴とする。

この車両用補助電源装置では、判定する手段が、端子電圧Ｖ２に電圧Ｖ３又はＶ５を加算した電圧値が、蓄電器の目標充電電圧Ｖ６を超えているか否かを判定し、電圧Ｖ６を超えていると判定したときに、変換器が、電圧Ｖ６に変換し、蓄電器に充電する。

第４発明に係る車両用補助電源装置は、前記端子電圧Ｖ２が、所定の電圧Ｖ７（＜Ｖ４）−Ｖ３以上であるか否かを判定する手段を更に備え、該手段が電圧Ｖ７−Ｖ３以上でないと判定したときは、前記変換器は、電圧Ｖ７に変換し、前記蓄電器に充電するように構成してあることを特徴とする。

この車両用補助電源装置では、判定する手段が、端子電圧Ｖ２が、所定の電圧Ｖ７−Ｖ３以上であるか否かを判定し、電圧Ｖ７−Ｖ３以上でないと判定したときは、変換器が、電圧Ｖ７に変換し、蓄電器に充電する。

第５発明に係る車両用補助電源装置は、前記判定手段が、前記出力電圧Ｖ１は電圧Ｖ４以下であると判定したときに、該出力電圧Ｖ１に基づき前記電圧Ｖ５を定める手段を更に備え、前記変換器は、該手段が定めた電圧Ｖ５を前記端子電圧Ｖ２に加算した電圧値に変換するように構成してあることを特徴とする。

この車両用補助電源装置では、判定手段が、出力電圧Ｖ１は電圧Ｖ４以下であると判定したときに、定める手段が出力電圧Ｖ１に基づき電圧Ｖ５を定める。変換器は、その定めた電圧Ｖ５を端子電圧Ｖ２に加算した電圧値に変換する。これにより、発電機の出力電力及び負荷の消費電力の状況に応じて、蓄電器への受電量を細かく調節できる。

本発明に係る車両用補助電源装置によれば、車両の減速時の途中で発電機が出力する回生電力が減少しても、車載電気負荷が動作不良を起こさず、バッテリの充電状態を低下させることなく、蓄電器に充電できる車両用補助電源装置を実現することができる。

本発明に係る車両用補助電源装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。 図１に示す車両用補助電源装置の動作の例を示すフローチャートである。 図１に示す車両用補助電源装置の動作の例を示すタイミングチャートである。

以下に、本発明をその実施の形態を示す図面に基づき説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明に係る車両用補助電源装置の実施の形態の構成を示すブロック図である。
この車両用補助電源装置１０は、スイッチＳＷ、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５、抵抗Ｒ、蓄電器Ｃ、放電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４及び制御部６を備えている。
車両のエンジン２に連動して、オルタネータ（発電機、交流発電機）１が発電し整流した電力が、電源ライン９を通じて、バッテリＢ、車両用補助電源装置１０及び負荷群３へ与えられる。

充電制御部８は、図示しない車速センサからの車速信号及びブレーキ信号に基づき車両の走行状態を判定し、判定した走行状態に応じて、オルタネータ１の界磁電流を制御して、オルタネータ１の出力電圧を制御する。
充電制御部８は、ブレーキが操作されてタイヤ７が制動される際に、オルタネータ１の界磁電流を増加させて、又はタイヤ７が制動される際のみに、オルタネータ１に大きな界磁電流を通流させて、オルタネータ１に回生電力を発電させる。

車両用補助電源装置１０は、制御部６が、充電制御部８から回生電力を発電させる回生制御中であることを示す回生制御信号を与えられると、電源ライン９及び充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５間をオン／オフにするスイッチＳＷをオンにし、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５をオンにする。
充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ（変換器）５が電源ライン９の電力を電圧変換して出力した電力は、抵抗Ｒを通じて蓄電器Ｃに充電される。蓄電器Ｃは、例えば、複数の電気二重層キャパシタを直列に接続して構成されている。

蓄電器Ｃが放電した電力は、放電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４により電圧変換されて電源ライン９に与えられる。
制御部６は、オルタネータ１及びバッテリＢが出力する電源ライン９の電圧値を検出する電圧検出手段１１と、蓄電器Ｃの端子電圧値を検出する電圧検出手段１２とを内蔵している。
制御部６は、電圧検出手段１１が検出した電源ライン９の電圧Ｖｇ（Ｖ１）、及び電圧検出手段１２が検出した端子電圧Ｖｃ（Ｖ２）に基づき、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５及び放電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４の各出力電圧を制御する。

制御部６は、端子電圧Ｖｃに所定電圧ａ（Ｖ３）を加算した電圧値を、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５に出力させる。
例えば、蓄電器Ｃの内部抵抗が６ｍΩ、抵抗Ｒが１ｍΩで１００Ａの一定電流により蓄電器Ｃを充電する場合、ａ＝０．００１×１００＝０．１（Ｖ）で求められる。
バッテリＢの出力電圧の下限値は、バッテリＢが満充電であるときの開放電圧を少し上回る程度（例えば１３Ｖ）とする。
オルタネータ１は、通常、発電する際は、内蔵するレギュレータにより一定の発電電圧（例えば１４．５Ｖ）に保持されるように制御されている。
蓄電器Ｃの耐電圧は１４Ｖとする。

尚、スイッチＳＷは、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５に内蔵されていても良い。また、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５及び放電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、別体である必要はなく、双方向タイプのＤＣ／ＤＣコンバータで置き換えても良い。更に、放電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４を削除して、蓄電器Ｃに専用負荷を直接接続しても良い。また、蓄電器Ｃ及び放電用ＤＣ／ＤＣコンバータ４間の配線の途中から分岐させて専用負荷を接続しても良い。

以下に、このような構成の車両用補助電源装置１０の動作の例を、それを示す図２のフローチャートを参照しながら説明する。
制御部６は、先ず、オルタネータ１に回生電力を発電させる回生制御中であることを示す回生制御信号を、充電制御部８から与えられているか否かを判定する（Ｓ１）。制御部６は、回生制御信号を与えられていれば（Ｓ１）、図３Ａに示すように、スイッチＳＷをオンにし（Ｓ３）、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５をオンにして、図３Ｅに示すように、電源ライン９からの電力を例えば５Ｖ（Ｖ７）に変換させて出力させる（Ｓ５）。

蓄電器Ｃへの充電開始時から、前述したように、端子電圧Ｖｃに所定電圧ａを加算した電圧値を、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５に出力させると、端子電圧Ｖｃが低いときは、電圧変換効率が低下するので、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧の下限値を５Ｖにしている。
制御部６は、回生制御信号を与えられていなければ（Ｓ１）、スイッチＳＷをオフにして（Ｓ２）、回生制御信号を与えられているか否かを再度判定する（Ｓ１）。

制御部６は、次に、電圧検出手段１２で検出した蓄電器Ｃの図３Ｄに示す端子電圧（キャパシタ電圧）Ｖｃ（Ｖ２）を読込み（Ｓ７）、読込んだ端子電圧Ｖｃが（５−ａ）Ｖ以上であるか否かを判定する（Ｓ９）。制御部６は、端子電圧Ｖｃが（５−ａ）Ｖ以上でなければ（Ｓ９）、充電制御部８から回生制御信号を与えられているか否かを判定する（Ｓ１）。
制御部６は、端子電圧Ｖｃが（５−ａ）Ｖ以上であれば（Ｓ９）、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５が変換して出力する電圧値をＶｃ＋ａに設定する（Ｓ１１）。充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、これにより、図３Ｅに示すように、電源ライン９からの電力を（Ｖｃ＋ａ）Ｖに変換して出力し、図３Ｆに示すように、蓄電器（キャパシタ）Ｃへの充電電流を一定（上限定常電流）にする。

制御部６は、次に、電圧検出手段１１で検出した電源ライン９の電圧値（オルタネータ１の出力電圧値）Ｖｇ（Ｖ１）を読込み（Ｓ１３）、電圧検出手段１２で検出した蓄電器Ｃの端子電圧Ｖｃを読込む（Ｓ１５）。
制御部６は、次に、読込んだ電源ライン９の電圧値Ｖｇ（Ｓ１３）が、例えば１３．１Ｖ（Ｖ４）以下であるか否かを判定し（Ｓ１７）、１３．１Ｖ以下でなければ、読込んだ端子電圧Ｖｃ（Ｓ１５）による充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧（Ｖｃ＋ａ）が、例えば１４Ｖ（Ｖ６）を超えているか否かを判定する（Ｓ１９）。

制御部６は、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧（Ｖｃ＋ａ）が、１４Ｖを超えていなければ（Ｓ１９）、回生制御信号を充電制御部８から与えられているか否かを判定する（Ｓ２３）。制御部６は、回生制御信号を充電制御部８から与えられていれば（Ｓ２３）、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５が変換して出力する電圧値をＶｃ＋ａに設定する（Ｓ１１）。充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、これにより、図３Ｅに示すように、電源ライン９からの電力を（Ｖｃ＋ａ）Ｖに変換して出力する。

制御部６は、読込んだ電源ライン９の電圧値Ｖｇ（Ｓ１３）が、１３．１Ｖ以下であれば（Ｓ１７）、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５が変換して出力する電圧値をＶｃ＋ａ′（ａ′（Ｖ５）＜ａ）に設定する（Ｓ２５）。これにより、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、図３Ｅに示すように、電源ライン９からの電力を（Ｖｃ＋ａ′）Ｖに変換して出力する。

例えば、図３Ａに示すように、減速の途中でブレーキが緩められ、回生電力の電圧が低下し、電源ライン９の電圧値Ｖｇが下限値（ここでは、例えば１３Ｖ）を下回りそうになった場合、制御部６は、図３Ｅに示すように、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧を低下させる。これにより、図３Ｆに示すように、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電流（蓄電器Ｃの充電電流）は削減され、図３Ｂに示すように、電源ライン９の下限値を１３Ｖ以上に維持できる。

尚、制御部６は、例えば２種類の電圧値ａ′（例えば、０．０５Ｖ，０．０１Ｖ）を記憶しておき、電圧値Ｖｇ（Ｓ１３）が、１３．１Ｖ以下である場合（Ｓ１７）、電圧値Ｖｇが１３．１Ｖ〜１３．０５Ｖであれば、ａ′＝０．０５Ｖに定め、電圧値Ｖｇが１３．０５Ｖ未満であれば、ａ′＝０．０１Ｖに定めるようにすることも可能である。これにより、電源ライン９の電圧値Ｖｇが下限値１３Ｖに近付く程、蓄電器Ｃへの充電量を削減でき、電源ライン９の下限値を１３Ｖ以上に維持することが容易になる。

制御部６は、次に、回生制御信号を充電制御部８から与えられているか否かを判定し（Ｓ２７）、回生制御信号を充電制御部８から与えられていれば、電圧検出手段１１で検出した電源ライン９の電圧値Ｖｇを読込む（Ｓ１３）。
制御部６は、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧（Ｖｃ＋ａ）が、１４Ｖを超えていれば（Ｓ１９）、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５が変換して出力する電圧値を１４Ｖに設定する（Ｓ２１）。これにより、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、図３Ｅに示すように、電源ライン９からの電力を１４Ｖに変換して出力する。これにより、充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電圧値を、図３Ｄに示すように、蓄電器Ｃの耐電圧１４Ｖを超えないように保持することができる。

制御部６は、次に、回生制御信号を充電制御部８から与えられているか否かを判定する（Ｓ２７）。
制御部６は、回生制御信号を充電制御部８から与えられていなければ（Ｓ２３，Ｓ２７）、スイッチＳＷをオフにして（Ｓ２）、回生制御信号を与えられているか否かを再度判定する（Ｓ１）。

１ オルタネータ（発電機、交流発電機）
２ エンジン
３ 負荷群
４ 放電用ＤＣ／ＤＣコンバータ
５ 充電用ＤＣ／ＤＣコンバータ（変換器）
６ 制御部（定める手段）
７ タイヤ
８ 充電制御部
９ 電源ライン
１０ 車両用補助電源装置
１１，１２ 電圧検出手段
Ｂ バッテリ
Ｃ 蓄電器
Ｒ 抵抗
ＳＷ スイッチ

Claims (5)

1. エンジンに連動する発電機及びバッテリに接続され、負荷に供給する為の電力を蓄電する蓄電器と、前記発電機及びバッテリの出力電圧を検出する手段と、前記出力電圧を変換して前記蓄電器に抵抗を通じて充電する変換器と、前記蓄電器の端子電圧を検出する手段とを備える車両用補助電源装置において、
   前記変換器は、検出された前記出力電圧Ｖ１を、検出された前記端子電圧Ｖ２に所定の電圧Ｖ３を加算した電圧値に変換し、前記蓄電器に充電するように構成してあることを特徴とする車両用補助電源装置。
2. 前記出力電圧Ｖ１が所定の電圧Ｖ４以下であるか否かを判定する判定手段を更に備え、該判定手段が電圧Ｖ４以下であると判定したときに、前記変換器は、前記端子電圧Ｖ２に所定の電圧Ｖ５（＜Ｖ３）を加算した電圧値に変換し、前記蓄電器に充電するように構成してある請求項１記載の車両用補助電源装置。
3. 前記端子電圧Ｖ２に電圧Ｖ３又はＶ５を加算した電圧値が、前記蓄電器の目標充電電圧Ｖ６（＞Ｖ４）を超えているか否かを判定する手段を更に備え、該手段が電圧Ｖ６を超えていると判定したときに、前記変換器は、電圧Ｖ６に変換し、前記蓄電器に充電するように構成してある請求項１又は２記載の車両用補助電源装置。
4. 前記端子電圧Ｖ２が、所定の電圧Ｖ７（＜Ｖ４）−Ｖ３以上であるか否かを判定する手段を更に備え、該手段が電圧Ｖ７−Ｖ３以上でないと判定したときは、前記変換器は、電圧Ｖ７に変換し、前記蓄電器に充電するように構成してある請求項１乃至３の何れか１項に記載の車両用補助電源装置。
5. 前記判定手段が、前記出力電圧Ｖ１は電圧Ｖ４以下であると判定したときに、該出力電圧Ｖ１に基づき前記電圧Ｖ５を定める手段を更に備え、前記変換器は、該手段が定めた電圧Ｖ５を前記端子電圧Ｖ２に加算した電圧値に変換するように構成してある請求項２乃至４の何れか１項に記載の車両用補助電源装置。

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