JP4862823B2 - 電源安定化装置およびそれを用いた車両 - Google Patents

Description

本発明は車両用の電源安定化装置およびそれを用いた車両に関する。

近年、地球環境保護の流れを受け、自動車が一時停止している時にエンジンを一時的に停止させ、走行開始時に自動的にエンジンを起動させるアイドリングストップ機能を備えた自動車が開発されている。

アイドリングストップ機能を備えた自動車では、アイドリングストップを終えた後のエンジンの起動時に、スタータに流れる大電流によってバッテリの電圧が大きく低下し、バッテリから電力供給を受けている電気負荷が十分動作しなくなる場合がある。

また、近年の補機類の電動化の進展や様々なアシスト機器やアクセサリ機器の高機能化等の電気負荷の増加に伴い、バッテリから電力を供給されるその電気負荷が多くの電力を消費している。このため、アイドリングストップ機能を備えていない自動車においても、バッテリの電圧が低下する場合がある。

このようなバッテリの電圧低下による電気負荷への影響を防止する従来の方法を説明する。

特開２００１−２１９７９８号公報は、バッテリと電気負荷との間に設けられた、ダイオードとコンデンサで構成される蓄電素子を開示している。バッテリの電圧が低下した場合にはコンデンサに蓄えた電力を電気負荷に供給し、電気負荷を動作させる。

特開２００５−１１２２５０号公報は、バッテリと電気負荷との間に設けられた電圧低下保護回路と、この保護回路をバイパスするバイパススイッチを開示している。電圧低下保護回路はダイオードとコンデンサとにより構成され、または昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータで構成され、バッテリの電圧が低下した際に電気負荷に供給される電圧の低下を防止する。バイパススイッチはバッテリの電圧が正常な場合に電圧低下保護回路で発生する損失を防止する。

ダイオードとコンデンサで構成される蓄電素子には、アイドリングストップ後のエンジン再起動によるバッテリの電圧低下時に電気負荷へ電力を供給するためには大容量のコンデンサが必要である。このコンデンサとしては一般的に電気二重層コンデンサが用いられる。電気二重層コンデンサは大容量であるものの耐圧が２．５Ｖ程度と低く、バッテリの電圧の１４Ｖ前後の耐圧を確保するためには６個から７個のコンデンサを直列に接続する必要がある。コンデンサは直列接続により合成容量が低くなり等価直列抵抗が大きくなるので、さらに大容量が必要になり、結果として体積や重量が大きくなる。また、コンデンサに充電された電力のみから電圧を確保するため、電気負荷の電流消費による放電により電圧が変動する。また、電気二重層コンデンサにバッテリを直接接続した場合、初期の接続時にバッテリからコンデンサに短絡電流が流れるので、これを防止することが必要となる。

昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータはバッテリの電圧が低下している期間中に動作するので、スタータの起動時の大電流に加え、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流によりバッテリから大きな電流が引き出される。したがって、バッテリの電圧低下はさらに大きくなり、バッテリへ与える負荷が大きくなる。昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータがバッテリから離れている場合、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータとバッテリの間のハーネスの抵抗により昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータに入力される電圧が低下する。電圧の低下は、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータの動作および効率に悪影響を及ぼすので、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータをバッテリの近くに配置する必要がある。また、昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータによる従来の保護回路はバッテリから電気負荷への電源ラインにシリーズに挿入されるので、バッテリ電圧が正常な場合は電圧を低下させる抵抗として作用する。したがって、バッテリ電圧が正常な場合に保護回路をバイパスさせるリレー、スイッチのようなバイパス回路が必要となる。

電源安定化装置は、エンジン機械系に接続されたオルタネータと、オルタネータにより充電されるバッテリと、バッテリに接続されたスタータと、バッテリに接続された第１の電源端と第２の電源端とを有する電気負荷とを備えた車両に用いられる。その電源安定化装置は、蓄電素子と、バッテリに結合しかつ電気負荷の第１の電源端に接続された第１の端子と、バッテリと電気負荷の第２の電源端に接続される第２の端子と、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、第１の端子と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとの間に接続された整流器と、整流器と並列に接続され、スタータが起動する前に非導通となるスイッチとを備える。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、第１の端子と第２の端子に接続されてバッテリに結合し、蓄電素子を充電かつ放電させる。この電源安定化装置は電気負荷に並列に接続される。

この電源安定化装置はバッテリから供給される電圧を安定化でき、バッテリから離れた場所に配置できる。

図１は本発明の実施の形態による車両用電源装置１００１のブロック回路図である。車両５００１に搭載される電源安定化装置１はＤＣ−ＤＣコンバータと蓄電素子により構成されている。バッテリ１０は一般に定格電圧１２Ｖの鉛蓄電池である。スタータ１１はエンジン機械系１０１に接続されている。エンジン機械系１０１はエンジンや変速機を含み、車両５００１を移動させる。オルタネータ１２はエンジン機械系１０１に接続されている。車両５００１には、様々なアシスト機器やアクセサリ機器等の電気負荷１４が搭載され、電気負荷１４は電源安定化装置１に並列に接続されている。電源安定化装置１は端子７Ａ、７Ｂを有する。電気負荷１４は電源端１４Ａ、１４Ｂを有し、電源端１４Ａ、１４Ｂに印加された電力により動作する。電源安定化装置１の端子７Ａ、７Ｂは電気負荷１４の電源端１４Ａ、１４Ｂにそれぞれ接続される。

車両用電源装置１００１の動作について説明する。

キーの操作によりバッテリ１０からスタータ１１へ電力が供給され、エンジン機械系１０１のエンジンが起動する。エンジンの起動後はオルタネータ１２が電力を発生し、バッテリ１０に充電し、電気負荷１４へ電力を供給する。

車両５００１がアイドリングストップ機能を有する場合は、所定の条件が揃ったときに、車両が停止すると自動的にエンジンをストップさせる。さらにブレーキからアクセルへの踏み変えが行われると自動的にスタータ１１を作動させエンジンを起動させる。この際、スタータ１１へ大電流が供給されるので、この大電流によりバッテリ１０の電圧が低下する。バッテリ１０からは電気負荷１４へも電力が供給されているので、バッテリ１０の電圧が大きく低下すると電気負荷１４の動作電圧範囲を下回り、電気負荷１４が十分動作しない場合がある。

電源安定化装置１はオルタネータ１２が電力を発生している時とバッテリ１０の電圧が正常な時に、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータにより蓄電素子に充電する。エンジンが停止した後に起動するときにバッテリ１０の電圧が低下した場合、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは蓄電素子を放電することにより電気負荷１４へ電力を供給してバッテリ１０の電圧を安定化する。

電源安定化装置１は電気負荷１４と並列に接続されているので、バッテリ１０と電気負荷１４の間の電源ラインに不要な抵抗成分を加えない。したがって、バッテリ１０から電圧降下を起こすことなく電気負荷１４へ電力を供給でき、電源安定化装置１をバイパスするバイパスリレーやスイッチを必要としない。

図２は実施の形態による他の車両用電源装置１００２のブロック回路図である。図２において図１に示す電源装置１００１と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。図２に示す電源装置１００２では、図１に示す電源装置と異なり、バッテリ１０と電気負荷１４との間に整流器１３が接続され、電源安定化装置１は電気負荷１４と並列に接続されている。整流器１３のアノード１３Ａはバッテリ１０に接続され、カソード１３Ｂは電気負荷１４と電源安定化装置１と接続された接続点１Ａに接続されている。スタータ１１の起動でバッテリ１０の電圧が低下した場合には、整流器１３が電源安定化装置１からバッテリ１０に流れる電流を阻止し、電源安定化装置１は電気負荷１４にのみ電力を供給する。これにより電源安定化装置１は電気負荷１４の電力を補償するだけでよいので出力する電力を少なくでき、ＤＣ−ＤＣコンバータや蓄電素子の小型化、重量の低減が可能となる。

図３は実施の形態によるさらに他の車両用電源装置１００３のブロック回路図である。図３において図２に示す電源装置１００２と同じ部分には同じ符号を付してその説明を省略する。図３に示す電源装置１００３では、図２に示す電源装置１００２と異なり、電源安定化装置１と電気負荷１４、すなわち接続点１Ａとの間に整流器１５が接続され、整流器１５と並列にスイッチ１６が接続されている。整流器１５のカソード１５Ｂは電気負荷１４に接続され、アノード１５Ａは電源安定化装置１に接続されている。スイッチ１６は少なくとも電源安定化装置１の蓄電素子３を充電するときに導通するよう制御される。スタータ１１が作動する前にスイッチ１６は非導通としておくことで、電源安定化装置１の蓄電素子３を放電させるようにＤＣ−ＤＣコンバータをスタータ１１が作動する前に起動させておくことが可能である。これにより、スタータ１１の作動時でのバッテリ１０の急峻な電圧低下に対して高速に電源安定化装置１が応答して作動することが可能となり、電圧の瞬間的な低下を防止することが可能となる。スイッチ１６と整流器１５が挿入されない場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータとして双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを用いると、蓄電素子が放電している間で電源安定化装置１の出力電圧よりもバッテリ１０の電圧が高くなると双方向コンバータが蓄電素子を充電するように動作する可能性がある。蓄電素子が定格電圧に近い電圧で充電されている場合は、この充電により定格電圧を超えた電圧が蓄電素子に印加される可能性がある。スイッチ１６と整流器１５により、電源安定化装置１の出力電圧よりもバッテリ１０の電圧が高くなった場合に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが蓄電素子を充電させることを防止することが可能となり、したがって、蓄電素子を定格電圧に近い電圧で充電しておくことが可能となる。スイッチ１６は整流器１５に並列に接続されるが、ダイオードを内蔵する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）をＤＣ−ＤＣコンバータに用いることで別部品のダイオード１５を不要にすることができる。スイッチ１６を非道通にすることにより電源安定化装置１の暗電流を低減できる。

図４は電源安定化装置１のブロック回路図である。電源安定化装置１は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２、蓄電素子３、電圧検出器５、６、端子７Ａ、７Ｂよりなる。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２は端子７Ａ、７Ｂにそれぞれ接続された端子２Ａ、２Ｂと、蓄電素子３の端３Ａ、３Ｂにそれぞれ接続された端子２Ｃ、２Ｄとを有する。電圧検出器５は端子７Ａ、７Ｂ間すなわち双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の端子２Ａ、２Ｂ間の電圧を検出する。電圧検出器６は蓄電素子３の端３Ａ、３Ｂ間すなわち双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の端子２Ｃ、２Ｄ間の電圧を検出する。

エンジン機械系１０１のエンジンが動作してオルタネータ１２が電力を発生しているときやバッテリ１０の電圧が正常な時には、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２は蓄電素子３を充電する。電圧検出器６は蓄電素子３の端３Ａ、３Ｂ間の電圧を検出し、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２は検出した電圧に基づき蓄電素子３を端３Ａ、３Ｂ間の電圧が所定の電圧になるよう充電する。端３Ａ、３Ｂ間の電圧が所定の電圧になるよう蓄電素子３が充電された後、電圧検出器５が端子７Ａ、７Ｂ間の電圧を検出する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２は端子７Ａ、７Ｂ間の電圧が所定の電圧になるよう端子７Ａ、７Ｂから電力を供給する。以上のように、電圧安定化装置１では電圧検出器５、６を容易に切り替えることができる。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２は蓄電素子３の充電かつ放電できるので、電源装置１００１を小型、軽量にできる。

双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２による蓄電素子３の充電と放電は外部からの信号によって切り替えることができる。アイドリングストップ機能を有する車両におけるスタータ１１の作動時のバッテリ１０の電圧低下による電気負荷１４の停止、誤動作を防止させるために、まず、オルタネータ１２が作動している時やバッテリ１０の電圧が正常である時に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２は蓄電素子３を充電する。蓄電素子３が所定の電気量を蓄積するすなわち端３Ａ、３Ｂ間の電圧が所定値になるように充電されれば、電源安定化装置１は電子制御ユニット（ＥＣＵ）にスタンバイ状態であることを示す信号を出す。ＥＣＵはアイドリングをストップさせた場合に電源安定化装置１に信号を出す。電源安定化装置１はこの信号により電圧検出器５へ切り替え、スタータ１１の作動によるバッテリ１０の電圧低下を防止すべく、端子７Ａ、７Ｂ間の電圧を監視する。

また、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２を常時動作させている場合は、その損失が課題となる。これに対し、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２を停止させるとで省エネに有効ではあるが、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の起動に時間を要するので急なバッテリ１０の電圧低下に応答できなくなる。そこで、アイドリングストップ後のエンジンを起動する等のあらかじめバッテリ１０の電圧の低下が予測できる場合は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２を停止させた後に、エンジンを起動させる前に起動信号をＥＣＵから得ることにより予め双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２を起動させて応答を速くできる。その結果、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２を不要期間に停止させ低消費電力化を達成できる。

さらに、電圧検出器５の検出する所定の電圧をバッテリ１０の正常時の電圧よりも低い第１の値で設定しておく。これにより、バッテリ１０の電圧が低下した時のみ蓄電素子３から双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２を介して電力が供給され、バッテリ１０の電圧低下を防止することができる。この場合、蓄電素子３が蓄積している電気量に応じて検出する所定の電圧を変更してもよい。すなわち、蓄電素子３が十分な電気量を蓄積している場合は、電圧検出器５が検出する所定の電圧をバッテリ１０の定格電圧に近づける。所定の電圧がバッテリ１０の定格電圧に近い場合は、端子７Ａ、７Ｂ間の電圧は所定の電圧に頻繁に低下するので、電源安定化装置１を頻繁に作動させることができる。また、蓄電素子３が十分な電気量を蓄積していない場合は、検出する所定の電圧をバッテリ１０の上記第１の値より低い値に設定する。検出する所定の電圧が低いほど端子７Ａ、７Ｂ間の電圧が所定の電圧に達する頻度は少ないので電源安定化装置１の作動頻度は少なくなる。

なお、蓄電素子３は充放電が可能であり、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池、鉛電池、コンデンサ等を使用でき、特に電気二重層コンデンサが適している。電気二重層コンデンサは充放電のサイクル回数が多く、瞬時に電力を取り出すことが可能である。さらに、コンデンサは充電状態が電圧により容易に確認できるので、電源安定化装置１がスタンバイ状態であるかどうかを電圧検出器６が検出する電圧で容易に判断できる。

図５は電源安定化装置１のブロック回路図である。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２は同期整流の降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータである。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２において、端子７Ａに接続されたスイッチング素子２２と端子７Ｂに接続されたスイッチング素子２１はブリッジ接続されている。スイッチング素子２１と端子７Ｂはスイッチング素子２２に接続点５０１で接続されている。インダクタンス部品２３と蓄電素子３とは互いに直列に接続され、スイッチング素子２１に並列に接続されている。すなわち接続点５０１と端子７Ｂとの間に接続されている。スイッチング素子２２は端子７Ａと接続点５０１との間に接続される。スイッチング素子２１は接続点５０１と端子７Ｂとの間に接続される。インダクタンス部品２３の端２３Ｂは接続点５０１に接続され、端２３Ａは蓄電素子３に接続されている。

制御回路２５は電圧検出器５、６が検出した電圧に応じてスイッチング素子２１、２２のオン期間とオフ期間を制御する。すなわち、制御回路２５は、蓄電素子３を充電する際には電圧検出器６が検出した電圧に基づき、端子３Ａ、３Ｂ間の電圧を制御する。蓄電素子３を放電する際には、制御回路２５は、電圧検出器５が検出した電圧に基づき端子７Ａ、７Ｂ間の電圧を制御する。

図５では、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータなので、バッテリ１０の電圧よりも低い電圧で蓄電素子３に電力を蓄積する。蓄電素子３として直列に接続された複数の電気二重層コンデンサ３Ｃを用いてもよい。したがって、蓄電素子３として電気二重層コンデンサのように耐電圧が低い素子を用いた場合、電気二重層コンデンサ３Ｃの数を低減でき、電源安定化装置１の体積、重量を小さくすることができる。バッテリ１０の電圧低下を防止する際に蓄電素子３を放電させる場合、電気二重層コンデンサ３Ｃの両端電圧は放電に伴い電圧低下する。しかし、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２により端子７Ａ、７Ｂ間の電圧は安定化されているので、バッテリ１０の電圧を安定化することができる。

スイッチング素子２１、２２とそれぞれ並列に接続されたダイオード１２１、１２２は、スイッチング素子２１、２２の導通の動作が遅い場合に導通して、スイッチング素子２１、２２の損失を低減できる。なお、スイッチング素子２１、２２にボディダイオードを内蔵する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いると、ダイオード１２１、１２２として別のダイオードを用いる必要がない。

蓄電素子３として用いる複数の電気二重層コンデンサ３Ｃの数は２本から４本が望ましく、これにより、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の効率を高くできる。バッテリの電圧が蓄電素子に直接印加される場合は、６本から７本の電気二重層コンデンサが必要であり、この回路のコンデンサに比べて電源安定化装置１でコンデンサ３Ｃの数はほぼ半減する。

図６は、実施の形態による他の電源安定化装置１Ａのブロック回路図である。電源安定化装置１Ａは図５に示す電源安定化装置１での双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の代わりに双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａを備える。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａは同期整流の極性反転型ＤＣ−ＤＣコンバータである。図６において、図５と同一の部分については同じ符号を付してその詳細な説明を省略する。電源安定化装置１Ａでは、インダクタンス部品２３とスイッチング素子２１とは互いに直列に接続され、端子７Ａ、７Ｂの間に接続されている。すなわち、インダクタンス部品２３の端２３Ａが端子７Ａに接続され、端２３Ｂが接続点５０１に接続されている。スイッチング素子２２と蓄電素子３は互いに直列に接続され、インダクタンス部品２３と並列に接続されている。すなわち蓄電素子３の端３Ａはインダクタンス部品２３の端２３Ａすなわち端子７Ａに接続されている。スイッチング素子２２は蓄電素子３の端３Ｂと接続点５０１との間に接続されている。スイッチング素子２１は接続点５０１と端子７Ｂとの間に接続されている。インダクタンス部品２３の端２３Ｂは接続点５０１に接続され、端２３Ａは蓄電素子３の端３Ａに接続されている。

電源安定化装置１Ａでは、蓄電素子３の端３Ａ、３Ｂ間の電圧が端子７Ａ、７Ｂ間の電圧、すなわちバッテリ１０の電圧に加算されて、スイッチング素子２１、２２でバッテリ１０の電圧よりも高い電圧を発生させることができる。車両５００１においてバッテリ１０の電圧よりも高い電圧が必要とされる場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０２Ａからその電圧を供給できる。電源安定化装置１の性能を向上させることも可能である。

図７はさらに他の電源安定化装置１Ｂのブロック回路図である。電源安定化装置１Ｂは図５に示す電源安定化装置１での双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の代わりに双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２Ａを備える。図７において、図６と同一の部分には同じ符号を付してその説明を省略する。図7に示す電源安定化装置１Ｂでは、蓄電素子３の端３Ｂと端子７Ａ、７Ｂにレギュレータ回路８が接続されている。レギュレータ回路８は入力端８Ａと出力端８Ｂと共通端８Ｃとを有し、入力端８Ａと共通端８Ｃとの間に印加された電圧から安定化した電圧を出力端８Ｂと共通端８Ｃ間に出力する。

バッテリ１０の電圧が急激に低下した場合、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２Ａが作動しバッテリ１０の電圧低下を防止するように蓄電素子３に蓄えられた電力を端子７Ａ、７Ｂへ放電する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２Ａの応答速度がバッテリ１０の電圧低下より遅い場合には、バッテリ１０の電圧が瞬間的に低下する場合がある。この瞬間的な電圧低下を防止するために、電源安定化装置１Ｂは双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２Ａより応答速度の速いレギュレータ回路８を備える。バッテリ１０の電圧が低下する、すなわち端子７Ａ、７Ｂ官の電圧が低下した直後で双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２Ａが十分動作していない場合には、蓄電素子３の電圧と端子７Ａ、７Ｂ間の電圧が加算されたものがレギュレータ回路８の入力端８Ａと共通端８Ｃとの間に印加される。レギュレータ回路８の出力端８Ｂと共通端８Ｃとの間から電気負荷１４（図１）の動作に必要な電圧が出力される。すなわち、レギュレータ回路８が端子７Ａ、７Ｂに電力を供給するためにはバッテリ１０の電圧よりも高い電圧が必要となるが、電源安定化装置１Ｂでは端子７Ａ、７Ｂと蓄電素子３の電圧が加算されてこの電圧が作り出される。

図８Ａから図８Ｃは実施の形態による車両用電源装置１００１での電流を示し、電気負荷１４、電源安定化装置１、およびバッテリ１０に流れる電流の波形をそれぞれ示す。電気負荷１４に図８Ａに示す電流が流れた場合、電気負荷１４に電力を送るハーネスの抵抗によって割合が異なるものの、電源安定化装置１とバッテリ１０から電気負荷１４にそれぞれ図８Ｂ、図８Ｃに示す電流が供給される。したがって、電源安定化装置１によりバッテリ１０から流れる電流を低減できる。図８Ｂにおいて、電源安定化装置１では期間３０１、３０３で蓄電素子３に充電し、期間３０２、３０４で蓄電素子３は放電する。電源安定化装置１の蓄電素子３への充電電流Ｉ１を放電電流Ｉ２よりも小さくすることによりバッテリ１０の電流のピークが抑えられ、バッテリ１０の負担をより低減できる。さらに、図８Ａに示す電気負荷１４のパルス状の電流波形は電源安定化装置１により平均化できるので、電流の実効値が低くなり、ハーネスで発生する抵抗損失を低減することができる。これは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の電流制限値を蓄電素子３の充電方向と放電方向で変えることによって実現される。

実施の形態による電源安定化装置１（１Ａ、１Ｂ）は電気負荷１４と並列に接続されているので、バッテリ１０の電圧が正常の時には電源安定化装置は電気負荷１４に印加されるバッテリ１０の電圧を降下させずに電気負荷１４に電力を供給できる。

図９は実施の形態による車両用電源装置のさらに他の電源安定化装置１Ｃのブロック回路図である。図９において、図４と同じ部分には同一符号を付し、その説明を省略する。図９に示す電源安定化装置１Ｃは、図４に示す双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２の代わりに、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２Ｃを備える。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２Ｃは２つの単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０２Ａ、１２０２Ｂを備える。単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０２Ａは端子７Ａ、７Ｂ間に印加された電圧により蓄電素子３を充電する。単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０２Ｂは蓄電素子３から放電され入力された電圧から端子７Ａ、７Ｂ間に電圧を出力する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０２Ｃは、図４に示す双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２と同様の効果を有する。電源安定化装置１Ｃでは２つの単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０２Ａ、１２０２Ｂが必要となり部品点数が増加する。しかし、蓄電素子３を充電する単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０２Ａの電流制限値を蓄電素子３から放電させる単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０２Ｂの電流制限値より小さくすることにより図８Ａから図８Ｃに示したような電流の平均化を達成することが可能である。また、蓄電素子３を充電する単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０２Ｂはその電流制限値が小さいので小さくすることが可能である。単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０２Ａ、１２０２Ｂの組合せでは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２のような方向の切り替えではなく、単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ１２０２Ｂの動作コントロールのみで端子７Ａ，７Ｂ間の電圧の低下を防止できる。

図１０は実施の形態における車両５００１の概略図である。車両５００１はエンジンを含むエンジン機械系１０１を収容するエンジンルーム５００１Ａと、エンジンルーム５００１Ａと別の車室であるパッセンジャールーム５００１Ｂと、エンジンルーム５００１Ａと別の車室であるトランクルーム５００１Ｃとを備える。エンジンルーム５００１Ａにはエンジン機械系１０１に接続されたオルタネータ１２と、オルタネータ１２により充電されるバッテリ１０と、バッテリ１０に接続されたスタータ１１とをさらに収容する。車両５００１は、バッテリ１０に接続された電気負荷１４と、バッテリ１０と電気負荷１４との間に接続された整流器１３と、電気負荷１４は並列に接続された電源安定化装置１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）を搭載している。

電源安定化装置１は、蓄電素子３と双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２から構成されているので、バッテリ１０と電気負荷１４の間の任意の場所に配置できる。電源安定化装置１はハーネス１３０１により電気負荷１４に接続される。ハーネス１４の抵抗によってバッテリ１０から供給される電圧が変動するので、電源安定化装置１はバッテリ１０とより電気負荷１４のうちの消費電力の大きい電気負荷と近くに配置することが好ましい。消費電力の大きな電気負荷としては、電動パワーステアリング、パワーウインドウ、パワーシートなどの補機類や、オーディオ、ナビゲーションなどのアクセサリ類がある。これらの電気負荷はエンジンルーム５００１Ａよりもパッセンジャールーム５００１Ｂに配置されているので、電源安定化装置１をパッセンジャールーム５００１Ｂ内またはトランクルーム５００１Ｃに配置してもよい。このように、車両５００１では電源安定化装置１は電気負荷１４の配置に基づいて任意の場所に配置できる。

蓄電素子３としては、二次電池、鉛電池、コンデンサのいずれかを用いることができるが、いずれも定格温度がそれほど高くない。したがって蓄電素子３をエンジン機械系１０１の発生する熱により温度の高くなるエンジンルーム５００１Ａよりも温度の低いパッセンジャールーム５００１Ｂまたはトランクルーム５００１Ｃに配置することにより、蓄電素子３の信頼性を向上することが可能である。

また、電源安定化装置１を消費電力の大きい電気負荷１４の近傍に配置することで、その他の電気負荷への影響を低減することができる。

車両５００１に複数の電源安定化装置１を搭載してもよい。この場合、電源電圧をより安定化することができる。

電源安定化装置１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ）は電気負荷１４に並列に接続されるので、電源安定化装置１をバイパスするリレーやスイッチが不要となる。したがって、電源装置１００１（電源安定化装置）をバッテリ１０の近傍のエンジンルーム５００１Ａではなくパッセンジャールーム５００１Ｂやトランクルーム５００１Ｃに配置できる。よって、パッセンジャールーム５００１Ｂやトランクルーム５００１Ｃがより広くエンジンルーム５００１Ａがより狭くなっている最近の車両でも電源装置１００１を搭載できる。

本発明による車両用電源装置はバッテリから供給される電圧を安定化させることができ、車両、特にハイブリッド自動車や、アイドリングストップ機能を有する車両の電源装置として有用である。

本発明の実施の形態による車両用電源装置のブロック回路図 実施の形態による他の車両用電源装置のブロック回路図 実施の形態によるさらに他の車両用電源装置のブロック回路図 実施の形態による電源安定化装置のブロック回路図 実施の形態による電源安定化装置のブロック回路図 実施の形態による他の電源安定化装置のブロック回路図 実施の形態によるさらに他の電源安定化装置のブロック回路図 実施の形態による車両用電源装置の電流の波形を示す図 実施の形態による車両用電源装置の電流の波形を示す図 実施の形態による車両用電源装置の電流の波形を示す図 実施の形態によるさらに他の電源安定化装置のブロック回路図 実施の形態による車両の概略図

符号の説明

１ 電源安定化装置
２ 双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
３ 蓄電素子
５ 電圧検出器（第１の電圧検出器）
６ 電圧検出器（第２の電圧検出器）
７Ａ 端子（第１の端子）
７Ｂ 端子（第２の端子）
８ レギュレータ回路
１０ バッテリ
１１ スタータ
１２ オルタネータ
１３ 整流器
１４ 電気負荷
１４Ａ 電気負荷の電源端（第１の電源端）
１４Ｂ 電気負荷の電源端（第２の電源端）
１５ 整流器
１６ スイッチ
２１ スイッチング素子（第２のスイッチング素子）
２２ スイッチング素子（第１のスイッチング素子）
２３ インダクタンス部品
２５ 制御回路
１０１ エンジン機械系
５００１ 車両
５００１Ａ エンジンルーム
５００１Ｂ パッセンジャールーム（車室）
５００１Ｃ トランクルーム（車室）
１２０２Ａ 単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ（第１の単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ）
１２０２Ｂ 単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ（第２の単方向ＤＣ−ＤＣコンバータ）

Claims (20)

1. エンジン機械系に接続されたオルタネータと、前記オルタネータにより充電されるバッテリと、前記バッテリに接続されたスタータと、前記バッテリに接続された第１の電源端と第２の電源端とを有する電気負荷とを備えた車両に用いられる電源安定化装置であって、蓄電素子と、
   前記バッテリに結合しかつ前記電気負荷の前記第１の電源端に接続された第１の端子と、前記バッテリと前記電気負荷の第２の電源端に接続される第２の端子と、
   前記第１の端子と前記第２の端子に接続されて前記バッテリに結合し、前記蓄電素子を充電かつ放電させる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記第１の端子と前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとの間に接続された整流器と、
   前記整流器と並列に接続され、前記スタータが起動する前に非導通となるスイッチと、
   を備え、前記電源安定化装置は前記電気負荷に並列に接続される、電源安定化装置。
2. 前記バッテリと前記第１の端子との間に接続された整流器をさらに備えた、請求項１に記載の電源安定化装置。
3. 前記整流器は、前記第１の端子に接続されたカソードと、前記ＤＣ−ＤＣコンバータに接続されたアノードとを有する、請求項１に記載の電源安定化装置。
4. 前記スイッチは少なくとも前記蓄電素子が充電されているときに導通し、かつ前記蓄電素子が放電しているときに非導通となる、請求項１に記載の電源安定化装置。
5. 前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記スタータが起動する前に前記蓄電素子を放電させるように動作する、請求項１に記載の電源安定化装置。
6. 前記第１の端子と前記第２の端子との間の電圧を検出する第１の電圧検出器と、
   前記蓄電素子の電圧を検出する第２の電圧検出器と、
   をさらに備え、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記第１の電圧検出器が検出した電圧と前記第２の電圧検出器が検出した電圧とに基づき、前記第１の端子と前記第２の端子間の電圧を制御する制御回路を含む、請求項１に記載の電源安定化装置。
7. 前記制御回路は、前記第２の電圧検出器が所定の電圧を検出したときに、前記第１の電圧検出器に前記第１の端子と前記第２の端子との間の前記電圧を検出させる、請求項６に記載の電源安定化装置。
8. 前記制御回路は、外部から入力された信号に基づき、前記第１の電圧検出器に前記端子の前記電圧を検出させるか、前記第２の電圧検出器に前記蓄電素子の前記電圧を検出させるかを切り替える、請求項６に記載の電源安定化装置。
9. 前記蓄電素子は電気二重層コンデンサである、請求項１に記載の電源安定化装置。
10. 前記蓄電素子の充電電圧は前記バッテリの電圧よりも低い、請求項９に記載の電源安定化装置。
11. 前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、
    前記第１の端子と接続点との間に接続された第１のスイッチング素子と、
    前記接続点と前記第２の端子との間に接続された第２のスイッチング素子と、
    前記接続点に接続された第１端と、前記蓄電素子に接続された第２端とを有するインダクタンス部品と、
    を含む、請求項１に記載の電源安定化装置。
12. 前記蓄電素子は前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに接続された第１端と第２端とを有し、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、
    前記蓄電素子の前記第２端と接続点との間に接続された第１のスイッチング素子と、
    前記接続点と前記第２の端子との間に接続された第２のスイッチング素子と、
    前記接続点に接続された第１端と、前記蓄電素子の前記第１端に接続された第２端とを有するインダクタンス部品と、
    を含む、請求項１に記載の電源安定化装置。
13. 前記蓄電素子の前記第２端に接続された入力端と、前記第１の端子に接続された出力端と、共通端とを有し、前記入力端と前記共通端との間に印加された電圧から安定化した電圧を前記出力端と前記共通端との間に出力するレギュレータ回路をさらに備えた、請求項１に記載の電源安定化装置。
14. 前記蓄電素子への充電電流は放電電流よりも小さい、請求項１に記載の電源安定化装置。
15. 前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、
    前記蓄電素子を充電する第１の単方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
    前記蓄電素子を放電させる第２の単方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
    を含む、請求項１に記載の電源安定化装置。
16. エンジン機械系と、
    前記エンジン機械系に接続されたオルタネータと、
    前記オルタネータにより充電されるバッテリと、
    前記バッテリに接続されたスタータと、
    前記バッテリに接続された電気負荷と、
    蓄電素子と、
    前記バッテリに結合しかつ前記電気負荷に接続された第１の端子と、
    前記バッテリと前記電気負荷に接続される第２の端子と、
    前記第１の端子と前記第２の端子に接続されて前記バッテリに結合し、前記蓄電素子を充電かつ放電させる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
    を含み、前記電気負荷に並列に接続される電源安定化装置と、
    前記エンジン機械系を収容するエンジンルームと、
    前記電気負荷と前記電源安定化装置とを収容し、前記エンジンルームと異なる車室と、
    を備えた車両。
17. 前記エンジンルームは、前記エンジン機械系と前記オルタネータと前記バッテリと前記スタータとを収容する、請求項１６記載の車両。
18. 前記電源安定化装置は、前記バッテリとより前記電気負荷と近くに配置された、請求項１６記載の車両。
19. 前記電源安定化装置は、
    前記第１の端子と前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとの間に接続された整流器と、
    前記整流器と並列に接続されたスイッチと、
    をさらに含む、請求項１６記載の車両。
20. 前記整流器は、前記第１の端子に接続されたカソードと、前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータに接続されたアノードとを有する、請求項１９記載の車両。

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