JP5104780B2 - 車両用電源システム - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載された各種の電気負荷に対して電力を供給する車両用電源システムに関する。

従来から、車載のバッテリを用いて、走行中の車両の各種電気機器や電子機器に対する電力供給や、駐車時に作動する電気機器や電子機器に対する電力供給を行っている。また、ハイブリッド自動車を中心に、バッテリとキャパシタを併用して電力供給を行う電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平１０−２２４９８７号公報（第３−４頁、図１−５）

ところで、バッテリと併用されるキャパシタは、バッテリに比べて内部インピーダンスが低く、車両減速時の回生発電による電力回収効率を高めることができるが、バッテリに対して単純にキャパシタを追加するだけでは、バッテリとキャパシタを含めた車両電源のスペースや重量が増加してしまうという問題がある。このため、一般の車両については採用が進んでいない。

また、イモビライザーやスマートエントリーなどの利便性向上のために車両が駐車中でも作動する電子機器があるが、その作動電力はバッテリから供給されるため、このような電子機器の増加に伴ってバッテリが大型化したり、バッテリによるエンジン始動を考慮すると放置可能な日数やこれらの電子機器の作動に制限が必要になる。

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、バッテリとキャパシタを併用した場合のスペースや重量の増加を抑えることができる車両用電源システムを提供することにある。

上述した課題を解決するために、本発明の車両用電源システムは、エンジンにより駆動されて発電を行う車両用発電機と、車両用発電機により充電されるバッテリと、バッテリに継電手段を介して並列接続されるキャパシタとを備えており、キャパシタは、継電手段により充電されるとともに、車両駐車中に作動する駐車中作動システムに対して作動電力を供給し、キャパシタから駐車中作動システムに供給される作動電力の電圧は、バッテリの端子電圧よりも低く、駐車中作動システムの内部電圧よりも高い。

駐車中作動システムの給電をキャパシタから行うことにより、電圧制御範囲を広げることができ、しかも、駐車中は駐車中作動システムの動作電圧をバッテリ電圧よりも低くすることにより駐車中作動システムによる消費電力を抑えることができる。これにより、バッテリからキャパシタに対して供給される電力を低減し、バッテリとキャパシタを併用した場合のスペースや重量の増加を抑え、コストダウンを図ることができる。

また、上述した継電手段は、車両駐車中にキャパシタの端子電圧を監視し、この端子電圧がバッテリの端子電圧よりも低くなるようにキャパシタを間欠的に充電することが望ましい。継電手段にキャパシタの充電電圧の制御手段を内在させることにより、自立的にキャパシタ電圧を維持することができるので、作動電力を下げつつ、確実に駐車中作動システムが動作可能な電力の供給を行うことが可能となる。

また、上述した駐車中作動システムは、作動に必要な電圧を確保するために、継電手段に対して通電要求を行い、継電手段は、通電要求に応じてキャパシタを充電することが望ましい。駐車中作動システム自身によって、必要な電圧を確保することができるため、確実に駐車中作動システムが動作可能な状態を維持することが可能となる。

また、上述したバッテリの充放電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、継電手段は、電流検出手段による検出結果に基づいてバッテリ容量を判定し、このバッテリ容量が次回のエンジン始動が不可能な値に達する前にキャパシタへの充電を停止することが望ましい。駐車中作動システムに対する給電をキャパシタから行うため、従来のように駐車時にバッテリから駐車中作動システムに流れる暗電流のように微小な電流を検出してバッテリ容量を算出する必要がなくなるため、電流検出の分解能（検出精度）を上げることなく正確にバッテリ容量を算出することが可能になり、次回のエンジン始動に必要なバッテリ容量を確保することが容易となる。

一実施形態の車両用電源システムの構成を示す図である。 駐車中作動システムの具体的な構成を示す図である。 通電要否判定部による通電の要否判定手順を示す流れ図である。 継電部の具体的な構成を示す図である。 バッテリ容量判定部による動作手順を示す流れ図である。 車両の状態とキャパシタの端子電圧との関係を示す図である。

以下、本発明を適用した一実施形態の車両用電源システムについて、図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態の車両用電源システムの構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態の車両用電源システムは、バッテリ１０、電流検出部１２、車両用発電機２０、電気システム３０、ＩＧ（イグニッション）スイッチ３２、キャパシタ４０、駐車中作動システム５０、継電部６０を含んで構成されている。上述した継電部６０が継電手段に、電流検出部１２が電流検出手段にそれぞれ対応する。

車両用発電機２０は、エンジン（図示せず）により回転駆動されて発電を行う。バッテリ１０は、車両用発電機２０により充電されるとともに、ＩＧスイッチ３２がオンされたときに電気システム３０に対して作動電力を供給する。電流検出部１２は、バッテリ１０の充放電電流を検出する。電気システム３０は、ＩＧスイッチ３２がオンされた後に動作可能になる各種の電気機器や電子機器であり、主にエンジン始動後の車両稼働時にバッテリ１０からの電力供給によって動作する。

キャパシタ４０は、バッテリ１０に継電部６０を介して並列接続されており、車両駐車中に作動する駐車中作動システム５０に対して作動電力を供給する。なお、本明細書では、「駐車中」とは、エンジン回転が停止して車両用発電機２０による発電が停止している状態をいう。

継電部６０は、車両駐車中にキャパシタ４０の端子電圧を監視し、この端子電圧がバッテリ１０の端子電圧よりも低い所定範囲になるようにキャパシタ４０を間欠的に充電する。また、駐車中作動システム５０は、作動に必要な電圧を確保するために継電部６０に対して通電要求を行っており、継電部６０は、この通電要求に応じてキャパシタ４０を充電する。さらに、継電部６０は、電流検出部１２による検出結果に基づいてバッテリ容量を判定し、このバッテリ容量が次回のエンジン始動が不可能な値に達する前にキャパシタ４０への充電を停止する。

図２は、駐車中作動システム５０の具体的な構成を示す図である。図２に示すように、駐車中作動システム５０は、マイコン（マイクロコンピュータ）５１、制御回路５２、シリーズ電源５３、通電要否判定部５４を含んで構成されている。この駐車中作動システム５０は、エンジン回転が停止している駐車中に作動が有効になるイモビライザーやスマートエントリー等の電子機器であり、シリーズ電源５３によって生成される内部電圧Ｖccが印加されてマイコン５１および制御回路５２による所定の動作が行われる。なお、この駐車中作動システム５０は、駐車中以外の場合にも動作するものであってもよい。

通電要否判定部５４は、駐車中作動システム５０の作動に必要な電圧を確保するために継電部６０による通電の要否を判定し、通電（キャパシタ４０に対する充電）が必要と判断したときに、継電部６０に対して通電要求を出力する。

ところで、駐車中作動システム５０の作動に必要な電力Ｗ１は、キャパシタ４０の電圧（端子電圧）をＶＢ、駐車中作動システム５０の作動時の消費電流をＩｃとすると、以下の式で示される。

Ｗ１＝ＶＢ×Ｉｃ
また、バッテリ電力（バッテリ１０によって供給可能な電力）をＷｂとすると、非発電状態で駐車して放置可能な時間Ｈは、以下のように表される。

Ｈ＝Ｗｂ／Ｗ１
＝Ｗｂ／（ＶＢ×Ｉｃ）
すなわち、駐車中のキャパシタ４０の電圧を低電圧化することで、放置可能な時間Ｈを長くすることが可能となる。

ところで、キャパシタ４０の放電が進むと、キャパシタ４０の電圧が、駐車中作動システム５０が正常に動作可能な最低電圧である内部電圧（例えば７Ｖ）を下回ってしまうおそれがある。この事態を回避するために通電要否判定部５４が設けられている。

図３は、通電要否判定部５４による通電の要否判定手順を示す流れ図である。通電要否判定部５４は、駐車中作動システム５０がタイマによって一定時間毎に起動されると（ステップ１００）、キャパシタ４０の電圧を確認する（ステップ１０１）。次に、通電要否判定部５４は、作動制限通知の有無判定を行う（ステップ１０２）。ここで作動制限通知とは、通電要否判定部５４による作動（通電の要否判定動作）を制限してこの作動を無効にするか否かを知らせる通知であって、継電部６０によって充電不許可フラグがセットされた場合が「通知有り」に対応し、このフラグがセットされていない場合が「通知無し」に対応している。充電不許可フラグについては後述する。

充電不許可フラグがセットされていない場合（通知無しの場合）には、次に、通電要否判定部５４は、次回起動時のキャパシタ４０の電圧の予測値が７Ｖよりも高いか否かを判定する（ステップ１０３）。次回起動時のキャパシタ４０の電圧は、現在の電圧と消費電流とに基づいて予測することができる。予測値が７Ｖ以下の場合には否定判断が行われ、通電要否判定部５４は、継電部６０に対して通電要求を出力する（ステップ１０４）。

通電要求出力後、あるいは、充電不許可フラグがセットされている場合（通知有りの場合）やステップ１０３の判定において肯定判断が行われた場合（次回起動時のキャパシタ４０の電圧の予測値が７Ｖよりも高い場合）には、駐車中作動システム５０は、所定の駐車中作動処理を実施し（ステップ１０５）、その後スリープ状態に移行する（ステップ１０６）。このようにして、キャパシタ４０の電圧が作動に支障をきたす程度まで低下すると予測されると、駐車中作動システム５０から継電部６０に対して通電要求が送られる。

図４は、継電部６０の具体的な構成を示す図である。図４に示すように、継電部６０は、バッテリ容量判定部６１、アンド回路６２、オア回路６３、ドライバ６４、スイッチ素子６５、キャパシタ電圧判定部６６を含んで構成されている。

バッテリ容量判定部６１は、電流検出部１２によって検出されたバッテリ１０の充放電電流に基づいて、例えば充放電電流を積算することにより、その時点におけるバッテリ１０の充電容量（バッテリ容量）を判定する。そして、この判定されたバッテリ容量（正確には、このバッテリ容量からキャパシタ４０に対する１回の充電に必要な容量を差し引いた後の予測値）が、次回のエンジン始動が可能な値より大きい場合には、キャパシタ４０に対する充電許可を示すハイレベルの信号が出力される。なお、この信号は充電不許可フラグも兼ねており、この信号をローレベルするということは、バッテリ容量が次回のエンジン始動が不可能な値を示しており、充電不許可フラグがセットされたことに相当する。

オア回路６３は、３つの入力端子を有しており、ＩＧスイッチ３２がオンされているときにハイレベルになるＩＧ ＳＷ信号と、駐車中作動システム５０から通電要求が行われているときにハイレベルになる通電要求信号と、キャパシタ電圧判定部６６の出力信号（キャパシタ４０の電圧が所定値（例えば、駐車中作動システム５０内の通電要否判定部５４によるステップ１０３（図３）で用いられる電圧（７Ｖ）よりも若干低い電圧以下になったときにハイレベルになる信号）とが入力される。これら３つの入力信号の少なくとも一つがハイレベルになると、オア回路６３の出力がハイレベルになる。

アンド回路６２は、バッテリ容量判定部６１の出力信号とオア回路６３の出力信号が入力されており、両方の信号がハイレベルのときに出力信号がハイレベルになる。ドライバ６４は、アンド回路６２からハイレベルの信号が出力されたときに、スイッチ素子６５をオンする。このように、ある充電条件を満たしたときに駐車中作動システム５０から通電要求が送られてくるとスイッチ素子６５がオンされて、継電部６０によるキャパシタ４０に対する充電が行われる。

図５は、バッテリ容量判定部６１による動作手順を示す流れ図である。車両が停車して車両用発電機２０が非発電状態に移行すると、バッテリ容量判定部６１は、停車時のバッテリ容量を取得する（ステップ２００）。なお、図示しない外部装置によって検出あるいは算出されたバッテリ容量を取得してもよいが、バッテリ容量判定部６１自身が常時バッテリ１０の充放電電流を監視することにより、停車時点におけるバッテリ容量を決定するようにしてもよい。

次に、バッテリ容量判定部６１は、取得したバッテリ容量からキャパシタ４０に対する１回の充電に必要な容量を差し引いた後の予測値が、エンジン始動に必要な容量よりも大きいか否かを判定する（ステップ２０１）。バッテリ容量の予測値がエンジン始動に必要な容量以下になっている場合には否定判断が行われ、バッテリ容量判定部６１は、出力をローレベルにして充電不許可フラグをセットする（ステップ２０２）。この場合には、アンド回路６２の出力がローレベルになるため、ドライバ６４によってスイッチ素子６５がオンされることはなく、キャパシタ４０に対する充電は行われない。

また、バッテリ容量の予測値がエンジン始動に必要な容量よりも大きい場合には、ステップ２０１の判定において肯定判断が行われ、次に、バッテリ容量判定部６１は充電許可を示すハイレベルの信号を出力する（ステップ２０３）。これにより、アンド回路６２の出力がハイレベルになり、このとき駐車中作動システム５０から通電要求が送られてくると、ドライバ６４によってスイッチ素子６５がオンされて、バッテリ１０からキャパシタ４０に対する給電（充電）が行われる。

この給電動作と並行して、バッテリ容量判定部６１は、電流検出部１２によって検出されたバッテリ１０の充放電電流を観測し（ステップ２０４）、この充放電電流を用いて（例えば積算して）新たなバッテリ容量を演算する（ステップ２０５）。その後、ステップ２０１に戻って処理が繰り返される。

図６は、車両の状態とキャパシタ４０の端子電圧との関係を示す図である。車両が稼働中（車両用発電機２０が発電状態であって駐車中でない場合）には、ＩＧスイッチ３２がオンされてＩＧ ＳＷ信号がハイレベルになるためオア回路６３の出力がハイレベルを維持する。したがって、継電部６０内のスイッチ素子６５がオン状態を維持し、バッテリ１０とキャパシタ４０とが並列接続された状態となる。このため、キャパシタ４０の端子電圧がバッテリ１０の端子電圧（１４Ｖ）と同じになる。

また、この状態から車両が非稼働状態（駐車中）に移行すると、ＩＧスイッチ３２がオフされてＩＧ ＳＷ信号がローレベルになってスイッチ素子６５がオフされ、キャパシタ４０への通電が停止される。その後、キャパシタ４０から駐車中作動システム５０に対する給電が行われるため、キャパシタ４０の端子電圧が徐々に低下する。そして、この端子電圧が７Ｖになると、駐車中作動システム５０内の通電要否判定部５４から通電要求が適当なタイミングで（７Ｖを下回らないような間隔で）出力されるため、その都度スイッチ素子６５がオンされてキャパシタ４０に対する間欠的な充電が行われる。これにより、キャパシタ４０の端子電圧が７Ｖ（正確には７Ｖよりも若干高い値）に維持される。また、駐車中は、駐車中作動システム５０は間欠作動する（図３のステップ１０５の動作）。

このように、本実施形態の車両用電源システムでは、駐車中作動システム５０の給電をキャパシタ４０から行うことにより、電圧制御範囲を広げることができ、しかも、駐車中は駐車中作動システム５０の動作電圧をバッテリ電圧よりも低くすることにより駐車中作動システム５０による消費電力を抑えることができる。これにより、バッテリ１０からキャパシタ４０に対して供給される電力を低減し、バッテリ１０とキャパシタ４０を併用した場合のスペースや重量の増加を抑え、コストダウンを図ることができる。

また、継電部６０にキャパシタ４０の充電電圧の制御手段を内在させることにより、自立的にキャパシタ電圧を維持することができるので、作動電力を下げつつ、確実に駐車中作動システム５０が動作可能な電力の供給を行うことが可能となる。また、駐車中作動システム５０から継電部６０に対して通電要求を送ることにより、駐車中作動システム５０自身によって、必要な電圧を確保することができるため、確実に駐車中作動システム５０が動作可能な状態を維持することが可能となる。

さらに、駐車中作動システム５０に対する給電をキャパシタ４０から行うため、従来のように駐車時にバッテリから駐車中作動システムに流れる暗電流のように微小な電流を検出してバッテリ容量を算出する必要がなく、電流検出の分解能（検出精度）を上げることなく正確にバッテリ容量を算出することが可能になり、次回のエンジン始動に必要なバッテリ容量を確保することが容易となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態において図２に示す構成では、必要な機能を実現するためにマイコン５１と制御回路５２を用いたが、必要な構成は電子機器の種類に応じて適宜変更することができる。また、図２に示す例では、シリーズ電源５３を用いたが、スイッチング電源やその他の電源を用いるようにしてもよい。

上述したように、本発明によれば、駐車中作動システムの給電をキャパシタから行うことにより、電圧制御範囲を広げることができ、しかも、駐車中は駐車中作動システムの動作電圧をバッテリ電圧よりも低くすることにより駐車中作動システムによる消費電力を抑えることができる。これにより、バッテリからキャパシタに対して供給される電力を低減し、バッテリとキャパシタを併用した場合のスペースや重量の増加を抑え、コストダウンを図ることができる。

１０ バッテリ
１２ 電流検出部
２０ 車両用発電機
３０ 電気システム
３２ ＩＧ（イグニッション）スイッチ
４０ キャパシタ
５０ 駐車中作動システム
５４ 通電要否判定部
６０ 継電部
６１ バッテリ容量判定部
６２ アンド回路
６３ オア回路
６４ ドライバ
６５ スイッチ素子
６６ キャパシタ電圧判定部

Claims (4)

1. エンジンにより駆動されて発電を行う車両用発電機と、前記車両用発電機により充電されるバッテリと、前記バッテリに継電手段を介して並列接続されるキャパシタとを備える車両用電源システムであって、
   前記キャパシタは、前記継電手段により充電されるとともに、車両駐車中に作動する駐車中作動システムに対して作動電力を供給し、
   前記キャパシタから前記駐車中作動システムに供給される作動電力の電圧は、前記バッテリの端子電圧よりも低く、前記駐車中作動システムの内部電圧よりも高いことを特徴とする車両用電源システム。
2. 請求項１において、
   前記継電手段は、車両駐車中に前記キャパシタの端子電圧を監視し、この端子電圧が前記バッテリの端子電圧よりも低くなるように前記キャパシタを間欠的に充電することを特徴とする車両用電源システム。
3. 請求項１または２において、
   前記駐車中作動システムは、作動に必要な電圧を確保するために、前記継電手段に対して通電要求を行い、
   前記継電手段は、前記通電要求に応じて前記キャパシタを充電することを特徴とする車両用電源システム。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、
   前記バッテリの充放電電流を検出する電流検出手段をさらに備え、
   前記継電手段は、前記電流検出手段による検出結果に基づいてバッテリ容量を判定し、このバッテリ容量が次回のエンジン始動が不可能な値に達する前に前記キャパシタへの充電を停止することを特徴とする車両用電源システム。

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