JP5018063B2

JP5018063B2 - 車両用電源装置

Info

Publication number: JP5018063B2
Application number: JP2006338113A
Authority: JP
Inventors: 秀晃濱井; 一樹森田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-12-15
Filing date: 2006-12-15
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2026-12-15
Also published as: JP2008154333A

Description

本発明は主電源の電圧降下時に負荷へ継続して電力を供給する車両用電源装置に関するものである。

近年、地球環境保護の観点からアイドリングストップ車の開発が急速に進められている。しかし、その主電源として用いられるバッテリにおいて、アイドリングストップ後のエンジン始動時などで急激に大電流を供給すると電圧降下が発生し、負荷に対して安定した電圧供給ができなくなる可能性がある。そこで、バッテリとは別に補助電源として大容量キャパシタ等の蓄電素子を搭載することにより、急激な負荷変動時でも電圧を補償することができる車両用電源装置が、例えば特許文献１に提案されている。

以下に、図３を用いてこの車両用電源装置の構成を説明する。

主電源であるバッテリ１０１はイグニションスイッチ（以下、ＩＧスイッチ１０３という）を介して蓄電装置１０５に接続されている。蓄電装置１０５の出力は負荷である電子制御部１０７に接続されている。

蓄電装置１０５は以下の構成からなる。

バッテリ１０１の出力は、電圧を監視する電圧検出手段１０９を介して、電子制御部１０７に接続されると共に、充電回路１１１を介してキャパシタユニット１１３にも接続されている。さらに、バッテリ１０１の出力はＩＧスイッチ１０３を介して、マイコン１１５に接続されている。これにより、バッテリ１０１からマイコン１１５に電力が供給される。また、キャパシタユニット１１３は、その電力の電子制御部１０７への供給を切り替えるＦＥＴスイッチ１１７を介して、電子制御部１０７に接続されている。なお、ＩＧスイッチ１０３をオフにした際に、キャパシタユニット１１３に蓄えられた電荷を強制的に内部で放電する放電回路１１９がキャパシタユニット１１３に接続されている。

次に、このような車両用電源装置の起動時の動作を説明する。

まず、ＩＧスイッチ１０３をオン状態にすると、車両全体にバッテリ１０１の電力が供給される。その結果、マイコン１１５が動作する。なお、図３では省略されているが、ＩＧスイッチ１０３はオン状態の他に、オーディオ等の電子制御部１０７にのみバッテリ１０１の電力を供給するアクセサリ状態、およびエンジンを始動するスタート状態を有しており、アクセサリ状態になれば、バッテリ１０１の電力が電圧検出手段１０９を介して電子制御部１０７に供給される。

これらにより、マイコン１１５は充電回路１１１を制御してバッテリ１０１の電力をキャパシタユニット１１３に供給し、一定電圧に達するまで充電動作を行う。

次に、バッテリ１０１の電圧降下時にキャパシタユニット１１３から電子制御部１０７に電力を供給する際の動作を説明する。

マイコン１１５は電圧検出手段１０９にてバッテリ１０１の電圧Ｖｂを監視しており、この電圧Ｖｂが予め定められた基準電圧（制御部であるマイコン１１５の動作下限電圧に回路ばらつきや負荷の動作下限電圧などのマージンを足した電圧）以下になると、ＦＥＴスイッチ１１７をオンにする。

この結果、キャパシタユニット１１３の電力が電子制御部１０７に供給されるので、バッテリ１０１の電圧降下時でも電子制御部１０７に安定した電力を供給することができる。
特開２００５−２８９０８号公報

従来の車両用電源装置では、確かにバッテリ１０１の電圧降下時でも電子制御部１０７へキャパシタユニット１１３から引き続き電力供給を行うことができる。しかし、図３に示す従来の車両用電源装置では、マイコン１１５への電力供給源はＩＧスイッチ１０３を介したバッテリ１０１のみとなっているので、バッテリ１０１の電圧低下時にマイコン１１５への電力を供給できなくなる可能性があった。

これを回避するためには、例えば図４に示すように、キャパシタユニット１１３からマイコン１１５へも電力を供給する配線を追加するとともに、逆流防止用に２個のダイオード１２１を設ける構成とすればよい。これにより、バッテリ１０１またはキャパシタユニット１１３の電圧が高い方がマイコン１１５の電力供給源になるため、バッテリ１０１の電圧降下時にもマイコン１１５はキャパシタユニット１１３の電力により継続して動作することができる。

しかし、バッテリ１０１の電圧降下が起こってもバッテリ１０１の電圧Ｖｂが基準電圧より高く、かつキャパシタユニット１１３の電圧Ｖｃがバッテリ１０１の電圧Ｖｂより高ければ、バッテリ１０１からではなくキャパシタユニット１１３からの電力でマイコン１１５が動作する。その結果、バッテリ１０１でマイコン１１５を動作させることができるにもかかわらず、キャパシタユニット１１３に蓄えた電荷が不要に持ち出されるので、無駄な電力消費を行うことになる。

この動作の詳細を図５により詳しく説明する。なお、図５において、横軸は時間を、縦軸は電圧を示す。

時間ｔ０に至るまでは通常の車両使用状態であるとする。この時はエンジンが動作しているので、オルタネータ(図示せず)も起動しており、バッテリ１０１の電圧Ｖｂは、オルタネータが起動していない時の、純粋にバッテリ１０１が持つ電圧より高い電圧となって蓄電装置１０５に供給されている。この状態での電圧Ｖｂはキャパシタユニット１１３の電圧Ｖｃよりも大きい。従って、エンジン動作中はバッテリ１０１の電力がマイコン１１５に供給されている。

次に、時間ｔ０でアイドリングストップが開始したとする。これによりエンジンが停止すると、オルタネータも停止するため、バッテリ１０１の電圧Ｖｂは周辺負荷(図示せず)の状態により純粋にバッテリ１０１が持つ電圧へ次第に下がってくる。

従って、時間ｔ１に至ると、バッテリ１０１の電圧Ｖｂがキャパシタユニット１１３の電圧Ｖｃを下回る。その結果、前記したようにバッテリ１０１またはキャパシタユニット１１３の電圧が高い方がマイコン１１５の電力供給源になるため、時間ｔ１以降はキャパシタユニット１１３の電力がマイコン１１５に供給される。これに伴い、キャパシタユニット１１３の電圧Ｖｃは徐々に低下していく。

その後、時間ｔ２にて、アイドリングストップが終了し、エンジンが始動すると、バッテリ１０１の電圧Ｖｂが急激に降下を開始する。この間も電圧ＶｂやＶｃの上下関係は変わらないので、キャパシタユニット１１３への電力は引き続きマイコン１１５に供給される。

さらにバッテリ１０１の電圧Ｖｂが降下して、時間ｔ３にて基準電圧以下になると、マイコン１１５がＦＥＴスイッチ１１７をオンにする。これにより電子制御部１０７へも電力供給が行われる。

次に、エンジン始動完了によりオルタネータも始動することでバッテリ１０１の電圧Ｖｂが上昇し、時間ｔ４にて基準電圧以上になると、マイコン１１５はＦＥＴスイッチ１１７をオフにする。これにより、電子制御部１０７への電力供給源がバッテリ１０１に切り替わる。しかし、この時点ではバッテリ１０１の電圧Ｖｂよりキャパシタユニット１１３の電圧Ｖｃが高いため、マイコン１１５への電力供給はダイオード１２１によりキャパシタユニット１１３から行われる。

さらにバッテリ１０１の電圧Ｖｂが上昇し、時間ｔ５にてキャパシタユニット１１３の電圧Ｖｃを上回ると、マイコン１１５への電源供給源がバッテリ１０１に切り替わる。

このような動作において、時間ｔ１〜ｔ３、および時間ｔ４〜ｔ５ではバッテリ１０１の電圧Ｖｂが基準電圧より大きく、バッテリ１０１によりマイコン１１５を動作できるにもかかわらずキャパシタユニット１１３から電力を供給しており、不要な電荷（図５の縦縞で示した面積分）を消費してしまうという課題があった。

本発明は、不要な電力消費を低減する車両用電源装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、主電源と、前記主電源に接続されたイグニションスイッチと、前記イグニションスイッチに接続され、前記主電源の電力を蓄える蓄電装置と、前記蓄電装置に接続された負荷からなり、前記蓄電装置は、前記主電源に接続された充電回路と、前記充電回路に接続された蓄電部と、前記蓄電部に一端が接続された切替スイッチと、前記切替スイッチの他端にアノードが接続された第１ダイオードと、前記主電源に接続され、前記主電源の電圧（Ｖｂ）を検出する電圧検出回路と、アノードが前記電圧検出回路に、カソードが前記負荷、および前記第１ダイオードのカソードに接続された第２ダイオードと、前記充電回路、切替スイッチ、および電圧検出回路が接続された制御部と、前記制御部の電源端子にカソードを、前記切替スイッチと前記第１ダイオードの接続点にアノードを接続した第３ダイオードと、前記制御部の電源端子にカソードを、前記イグニションスイッチにアノードを接続した第４ダイオードと、前記制御部の電源端子に接続したコンデンサを構成としたものである。

本発明の車両用電源装置によれば、切替スイッチがオンの時のみ蓄電部から制御部に電力が供給されるので、蓄電部からの不要な電力消費を低減できるという効果が得られる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における車両用電源装置のブロック回路図である。

図２は、本発明の実施の形態における車両用電源装置の主電源電圧と蓄電部電圧の経時変化図である。なお、図１の太線は電力経路を、細線は信号経路をそれぞれ示す。また、本実施の形態では車両用電源装置をアイドリングストップ車に使用した例を説明する。

図１において、バッテリからなる主電源１にはＩＧスイッチ３が接続されている。ＩＧスイッチ３は従来と同様にアクセサリ状態、オン状態、およびスタート状態を有し、従来の図４と同様に接続されている。これにより、運転者がＩＧスイッチ３をスタート状態にすることでスタータ４が駆動し、エンジンを始動できる。主電源１、およびＩＧスイッチ３には、主電源１の電力を蓄える蓄電装置５が接続されている。蓄電装置５の出力には、例えばオーディオやナビゲーション等からなる負荷７が後述する第２ダイオードを介して接続されている。

次に蓄電装置５の詳細構成について説明する。

主電源１は、主電源１の電圧Ｖｂを検出する電圧検出回路９を介して負荷７に接続されるとともに、充電回路１１を介して蓄電部１３にも接続されている。なお、充電回路１１は蓄電部１３の電圧Ｖｃを検出し出力する機能を有している。また、蓄電部１３は電気二重層キャパシタからなり、これを複数接続して構成される。

蓄電部１３には、切替スイッチ１５の一端が接続されている。切替スイッチ１５は蓄電部１３の電力を負荷７に供給するか否かを切り替える。切替スイッチ１５の他端には、後述する第１ダイオードを介して負荷７が接続されている。

電圧検出回路９、充電回路１１、および切替スイッチ１５には、マイクロコンピュータからなる制御部１７が接続されている。さらに、制御部１７は車両側制御回路（図示せず）とデータのやり取りを行う機能を有している。

制御部１７の電源端子１８には、切替スイッチ１５および第３ダイオード１９を介して蓄電部１３が接続されるとともに、第４ダイオード２１を介してＩＧスイッチ３の出力が電源供給源として接続されている。これにより主電源１から制御部１７に電力が供給される。なお、主電源１の電力と蓄電部１３の電力が互いに逆流しないように、第３ダイオード１９のアノードを切替スイッチ１５に、カソードを電源端子１８に接続するとともに、第４ダイオード２１のアノードをＩＧスイッチ３の出力に、カソードを電源端子１８に、それぞれ接続している。

ここで、制御部１７が切替スイッチ１５を制御して、主電源１から蓄電部１３へ電力供給源を切り替える際に、切替スイッチ１５の応答速度によっては制御部１７への電力供給が瞬断する可能性がある。これによる制御部１７の停止を避けるため、コンデンサ２３を電源端子１８に接続している。

また、負荷７の電圧が蓄電装置５より高い場合に、負荷７から蓄電装置５に電流が逆流する可能性がある。これを防止するため、切替スイッチ１５と負荷７の間、および電圧検出回路９と負荷７の間には、負荷７側をカソードに接続した第１ダイオード２５と第２ダイオード２７をそれぞれ設けている。

以上のように構成された車両用電源装置について、以下に動作を説明する。

まず、運転者がＩＧスイッチ３をオン状態にすると、主電源１の電力はＩＧスイッチ３、および第４ダイオード２１を介して制御部１７に供給される。その結果、制御部１７が動作を開始する。その後、制御部１７は充電回路１１に充電を開始する制御信号ｃｏｎｔを送信する。これを受け、充電回路１１は主電源１の電力を蓄電部１３に供給し一定電圧に達するまで充電動作を行う。

次に、図２を用いて、主電源１の電圧降下時に蓄電部１３から切替スイッチ１５を介して負荷７へ電力を供給する際の動作を説明する。なお、図２の横軸は時間を、縦軸は電圧を示す。

時間ｔ０に至るまでは車両が通常状態であるので、エンジンが動作している。従って、主電源１の電圧Ｖｂは蓄電部１３の電圧Ｖｃより大きいので、主電源１の電力が制御部１７に供給される。なお、これらの電圧は、適宜電圧検出回路９、および充電回路１１によりそれぞれ制御部１７に取り込まれることにより監視されている。

次に、時間ｔ０でアイドリングストップが開始するとオルタネータ(図示せず)も停止するため、電圧Ｖｂが経時的に低下していく。この時、蓄電部１３は電力供給をしていないので、電圧Ｖｃは満充電電圧を維持する。

次に、時間ｔ１で主電源１の電圧Ｖｂが蓄電部１３の電圧Ｖｃを下回ったとする。この時、主電源１の電圧Ｖｂは基準電圧に対して十分大きいので、負荷７に主電源１の電力を供給し続けることができる。従って、切替スイッチ１５はオフのままである。これにより、制御部１７への電力も主電源１から第４ダイオード２１を介して供給されるので、蓄電部１３の電力を消費することはない。

その後、時間ｔ２にて、アイドリングストップ終了後のエンジン始動のためにスタータ４が起動すると、主電源１の電圧Ｖｂが降下し始める。

さらに、主電源１の電圧Ｖｂが降下して、時間ｔ３にて基準電圧を下回ると、制御部１７は切替スイッチ１５をオンにするためのオンオフ信号ＶＯＦ１を送信する。これを受け、切替スイッチ１５がオンになり、蓄電部１３から負荷７への電力供給が行われる。その結果、第３ダイオード１９を介して制御部１７へも駆動電圧Ｖｃｃを供給する。この時、前記した制御部１７への電力の瞬断が起こっても、コンデンサ２３から電力が供給されるので、制御部１７が停止することはない。これにより、時間ｔ３で初めて蓄電部１３から制御部１７に電力が供給されるので、時間ｔ１〜ｔ３では従来のような不要な電力消費を低減することができる。

次に、主電源１の電圧Ｖｂが、エンジン始動完了などにより上昇し、時間ｔ４にて基準電圧以上になると、制御部１７は切替スイッチ１５をオフにするようにオンオフ信号ＶＯＦ１を送信する。これにより負荷７への電力供給源が主電源１に切り替わる。その結果、制御部１７への電力供給源も主電源１に切り替わる。

さらに電圧が上昇した時間ｔ５では主電源１の電圧Ｖｂが蓄電部１３の電圧Ｖｃより大きくなるので、蓄電部１３の充電を開始するが、この時、切替スイッチ１５はオフのままであるので、引き続き主電源１から制御部１７に電力が供給される。これにより、時間ｔ４〜ｔ５においても従来のような不要な電力消費を低減することができる。

これらの動作から、蓄電部１３は時間ｔ３〜ｔ４における図２の斜線で示した面積分の電荷のみ消費するだけとなり、従来の図５における縦縞で示した面積分の電荷の消費がなくなることがわかる。

以上の構成、動作により、切替スイッチ１５がオンになっている期間のみ蓄電部１３から制御部１７へ電力供給を行うことができるため、不要な電力消費を低減する車両用電源装置を実現できた。

なお、本実施の形態はアイドリングストップ車を用いて説明したが、電動パワーステアリングや電動ブレーキ等の車両用システムにも使用することが可能である。

また、蓄電部１３として電気二重層キャパシタを複数個接続した構成を示したが、これは電気化学キャパシタ等の他の大容量キャパシタを使用してもよい。

本発明にかかる車両用電源装置は、蓄電部から制御部への不要な電力消費が低減されるので、主電源の電圧降下時に蓄電部から電力を供給する補助電源としての車両用電源装置等として有用である。

本発明の実施の形態における車両用電源装置のブロック回路図本発明の実施の形態における車両用電源装置の主電源電圧と蓄電部電圧の経時変化図従来の車両用電源装置の概略ブロック回路図従来の車両用電源装置の他の構成の概略ブロック回路図従来の車両用電源装置のバッテリ電圧とキャパシタユニット電圧の経時変化図

符号の説明

１主電源
３ＩＧスイッチ
４スタータ
５蓄電装置
７負荷
９電圧検出回路
１１充電回路
１３蓄電部
１５切替スイッチ
１７制御部
１８電源端子
１９第３ダイオード
２１第４ダイオード
２３コンデンサ
２５第１ダイオード
２７第２ダイオード

Claims

主電源と、
前記主電源に接続されたイグニションスイッチと、
前記イグニションスイッチに接続され、前記主電源の電力を蓄える蓄電装置と、
前記蓄電装置に接続された負荷からなり、
前記蓄電装置は、前記主電源に接続された充電回路と、
前記充電回路に接続された蓄電部と、
前記蓄電部に一端が接続された切替スイッチと、
前記切替スイッチの他端にアノードが接続された第１ダイオードと、
前記主電源に接続され、前記主電源の電圧（Ｖｂ）を検出する電圧検出回路と、
アノードが前記電圧検出回路に、カソードが前記負荷、および前記第１ダイオードのカソードに接続された第２ダイオードと、
前記充電回路、切替スイッチ、および電圧検出回路が接続された制御部と、
前記制御部の電源端子にカソードを、前記切替スイッチと前記第１ダイオードの接続点にアノードを接続した第３ダイオードと、
前記制御部の電源端子にカソードを、前記イグニションスイッチにアノードを接続した第４ダイオードと、
前記制御部の電源端子に接続したコンデンサとからなる車両用電源装置。