CN1714494A - 汽车用电力装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种汽车用电力装置，包括：马达(6)，向引擎传送动力使其启动，并在引擎旋转过程中接受引擎的动力来发电；向马达(6)传送电力的电力变换电路(5)；电池(1)；执行能量存储的能量存储源(20)；以及，DC/DC转换器，由至少2个开关元件(10、11)构成，执行对于能量存储源(20)的充电，以及将能量存储源(20)内的能量回收到电池(1)内。由于马达(6)在接受引擎的动力来执行发电，并通过电力变换电路(5)和DC/DC转换器对电池(1)充电时，设置于转换器内的开关恒为ON，因此，能够大幅抑制DC/DC转换电路部的发热。

Description

汽车用电力装置
技术领域
本发明涉及汽车用电力装置，特别涉及安装于汽车等车辆装置上的、作为电池使用的汽车用电力装置。
背景技术
在以往的汽车电池用电力电路中，例如象特开2002-218667号公报(图3、图10)所示的那样，电池组和电容器组串联连接。
在上述专利文献1中，电池组由一个12V的电池构成，电容器组由多个电容器构成。DC/DC转换器连接在电容器组的两端和电池组之间，通过降低电容器组的电压，从而向电池组供电。这里，电池组用于向额定电压12V的电子装置供电，在电池组的两端上连接了负载。
由于以往的装置能够在启动时(启动空转停止操作时)、电力变换电路开始操作的同时，通过使双向DC/DC转换器执行操作，从电池组向电容器组传输电力，而降低流过电容器组的电流，因此，能够减小电容器组的电容。在电力变换装置关闭后，在达到规定电压前利用双向DC/DC转换器对电容器组执行再充电，为下一次再启动作准备。
如上述专利文献1的图10所示，在以往的电力装置的双向DC/DC转换器的电路结构中，设置了在升压和降压时利用高频(50k-200kHz)执行开关操作的2个MOSFET，在升压时执行开关操作的第1MOSFET中，漏极端子连接到电容器的高压侧端子上，源极端子连接到扼流圈的一个端子上，栅极端子连接到控制电路上。在降压时执行开关操作的第2个MOSFET中，漏极端子连接到扼流圈和第1MOSFET的源极端子上，源极端子连接到电池组的低压侧端子上，栅极端子连接到控制电路上。扼流圈的的另一个端子连接到电池组的高压侧端子和平滑电容器的一个电极上，该电容器的另一端子连接到电池组的低压侧端子上。
电力装置通过在空转停止操作的开始时，从电池组和电容器组向电力变换电路提供能量以使电力变换电路执行操作，从而使马达旋转、汽车开始运动。利用马达提升到空转转数，点火引擎，将驱动源从马达转移到引擎。马达启动时执行操作的时间为0.2-1秒左右。另一方面，由于马达作为发电机工作，因此，在汽车行驶过程中电力装置执行操作。该操作时间与启动时的操作相比非常长。
由于操作时间短，因此，启动时的发热量充分小于发电操作的发热量。尽管启动时的瞬时发热非常大，但是，它能够由装置所具有的热容量充分吸收。因此，在执行电力装置的热设计(进行设计以使装置不超过允许温度)的情况下，要考虑到发电时的发热来进行设计。在以往装置中，为了将高压侧(图中Vf3)产生的能量降压为12V电池，发电时以高频驱动DC/DC转换器。若执行高频开关，则由于开关损耗变大，因此，DC/DC转换部发热。电力变换电路部由于在发电时以二极管整流模式来执行操作，因此，即便执行开关操作，其频率也是低的，此时的电力变换电路部的发热减小。因此，装置的热设计必须要充分考虑DC/DC转换器部的发热。为了将装置温度抑制到允许值，必须采取以下对策：或者加大装置的散热片，安装强制空冷用风扇，或者在装置下面配置水冷用散热片来执行水冷的结构。这些对策不仅使装置大型化而且还提高了成本。因此，以往的装置存在装置大型化且高成本的缺陷。
发明内容
本发明是为了解决上述缺陷而作出的，目的在于提供一种小型且低成本的汽车用电力装置，它大幅抑制了DC/DC转换器电路部的发热。
本发明的汽车用电力装置具有引擎以及马达，马达向所述引擎传输动力使其启动，同时，还在所述引擎的旋转中接受所述引擎的动力来执行发电的马达。该汽车用电力装置具有：连接到所述电力变换装置上的电池；以及，与所述电池串联连接的、执行能量存储的能量存储源。该汽车用电力装置具有一个DC/DC转换器，它由至少2个开关元件构成，通过对所述能量存储源的电压进行升压而向所述能量存储源充电，并通过降压将所述能量存储源内的能量回收到所述电池内。所述DC/DC转换器的所述开关元件连接了所述电力变换电路的DC电压输入输出端子的高电压侧端子和所述电池的高电压侧端子。在所述马达接受所述引擎的动力后发电，并通过所述电力变换电路以及所述DC/DC转换器对所述电池充电时，设置于所述DC/DC转换器内的所述开关一般为ON。由此，得到大幅抑制了DC/DC转换器电路部的发热的、小型且低成本的汽车用电力装置。
附图说明
图1是一张结构图，它表示了根据本发明实施方式1的汽车用电力变换装置的结构。
图2是一张工作波形图，它表示根据本发明实施方式1的汽车用电力变换装置的操作。
图3是一张说明图，它表示根据本发明实施方式1的汽车用电力变换装置的结构。
图4是一张说明图，它表示根据本发明实施方式1的汽车用电力变换装置的马达转数和马达生成电压之间的关系。
图5是一张说明图，它表示根据本发明实施方式1的汽车用电力变换装置的电池输出电压和马达生成电压之间的关系。
图6是一张结构图，它表示了根据本发明实施方式1的汽车用电力变换装置的电路结构。
图7是一张结构图，它表示根据本发明实施方式1的汽车用电力变换装置的计算模型。
图8是一张说明图，它表示根据本发明实施方式1的汽车用电力变换装置的DC/DC转换器输出电压和最大输出电压的关系。
图9是一张结构图，它表示根据本发明实施方式1的汽车用电力变换装置的其他计算模型。
图10是一张说明图，它表示根据本发明实施方式1的汽车用电力变换装置的输出电压与输出功率的关系。
图11是一张结构图，它表示根据本发明实施方式1的汽车用电力变换装置的其他计算模型。
图12是一张说明图，它表示根据本发明实施方式1的汽车用电力变换装置的输出电压与输出功率的关系。
图13是一张结构图，它表示了根据本发明实施方式2的汽车用电力变换装置的结构。
图14是一张工作波形图，它表示根据本发明实施方式2的汽车用电力变换装置的操作。
图15是一张工作波形图，它表示根据本发明实施方式3的汽车用电力变换装置的操作。
图16是一张结构图，它表示根据本发明实施方式4的汽车用电力变换装置的结构。
图17是一张结构图，它表示根据本发明实施方式5的汽车用电力变换装置的结构。
图18是一张结构图，它表示根据本发明实施方式6的汽车用电力变换装置的结构。
图19是一张说明图，它表示设置于本发明实施方式1-6的汽车用电力装置内的轭流圈的其他例子。
具体实施方式
实施方式1
图1内表示了本发明实施方式1的结构。在图1中，6是一个马达，用于向引擎(图中未示)传送动力以使其开始运动，并且在引擎旋转过程中反向接受引擎的动力来执行发电。1是提供用于使马达6旋转的电力的电池，5是电力变换电路，用于将电池1的电压变换为交流或间歇的直流，并将其输出给马达6。10和11是开关元件Qx1、Qx2(标记12和13)，12和13是二极管Dx1和Dx2，分别并联连接到开关元件10和11上。开关元件10和11(Qx1、Qx2)是MOSFET，在外部与寄生二极管相并联地配置有二极管12和13(Dx1、Dx2)。开关元件连接了电力变换电路5的DC电压输入输出端子的高电压侧端子(图中未示)以及电池1的高电压侧端子(图中未示)。在图1中，14是平滑电容器Cx，15是轭流圈Lx，20是作为执行能量存储的能量存储源的电容器。轭流圈15(Lx)、平滑电容器14(Cx)、开关元件10和11(Qx1、Qx2)以及二极管12和13(Dx1、Dx2)构成了DC/DC转换器。DC/DC转换器通过对电容器的电压进行升压而对电容器充电，并通过降压将存储于电容器内的能量回收到电池1。为了抑制该DC/DC转换器升降压操作时的功耗，配置了正向电压低、回复特性良好的二极管12和13(Dx1、Dx2)。37是控制电路，用于控制开关元件10和11(Qx1、Qx2)的操作。
以下，将就操作进行说明。图2中显示了车辆的行驶状态以及此时的DC/DC转换器的工作波形。在表示了车辆行驶状态的图中，横轴表示时间，纵轴表示车速。作为车辆的行驶状态，显示了空转停止状态→启动→加速→稳定行驶(发电)→减速→空转停止。作为工作波形，显示了开关元件10和11(Qx1、Qx2)的栅极电压(在高电压下为ON)、轭流圈15(Lx)的电流IL(在图1中箭头的方向为正)、电容器组20的电流Ic(在图1中箭头的方向为正)、电容器20的电压Vc(在图1中箭头的方向为正)。
首先，车辆从空转停止状态(T1)开始启动。在开始操作期间(T2)中，电容器20的充电电压为被充电到所希望值的状态。在本实施方式中，将电容器充电电压设定为7.5V(将在后面进行描述)，作为利用马达将2L级的车辆的引擎的转数提高到空转旋转(800rpm前后)所需的电压。即，由于电池电压为12V，因此，输入给电力变换电路5(3相交流倒相器)的初始输入电压为19.5V。在开始启动操作的同时，开关元件10(Qx1)为OFF状态，开关元件11(Qx2)在50kHz-200kHz下执行开关操作(对DC/DC转换器执行升压操作)。利用一个开关ON操作，将能量存储于轭流圈15(Lx)内，利用OFF操作将该能量经由二极管12(Dx1)吐出到电力变换电路5的输入部。执行电池1→DC/DC转换器→电力变换电路5的能量供给，以及，电池1→电容器20→电力变换电路5的能量供给。在启动操作时使DC/DC转换器工作，由于既便经由DC/DC转换器也可提供能量，因此，存储于电容器20内的能量也可以较少，能够减小电容器20的容量(后述)。在已有的电力变换装置中也描述了该DC/DC转换器的辅助操作。
利用马达6将引擎的转数提高到空转旋转，点火引擎后，由引擎继续执行驱动。在继续驱动后使马达6停止。通过操作引擎而使车辆加速到所期望的速度。
这里将简要介绍空转停止的意思。空转停止意味着里程数的改善和削减有害废气的排放。由于在停止时制动了引擎，因此使里程数得以改善、削减了有害废气排放。通过使用马达6将其提升到空转旋转，以求有害废气排放的大幅削减，这是因为大部分有害废气排放是在引擎启动时产生的。
车辆被加速，之后达到稳定的速度。检测电池的剩余量，若剩余量不足，则马达6作为发电机工作。沿着与启动操作相反的路径，通过电力变换电路5对电池1进行充电。在即将开始该电池1的充电操作之前，将电容器20的能量回收到电池1(时间段T3)。在电容器能量的回收中，使DC/DC转换器执行降压操作。使开关元件10(Qx1)执行开关操作，开关元件11(Qx2)为OFF状态。在开关元件10(Qx1)为ON时，电容器能量存储在轭流圈15(Lx)内，而在为OFF时，二极管13(Dx2)导通，从而将该能量提供给电池1。由于没有设置该内容能量回收期间(T3)，因此在转移到充电期间(T4)后，在开关元件10(Qx1)为ON时，几乎所有的电容器能量都由开关元件10(Qx1)所消耗，因此，尽管是一个瞬间，但开关元件10(Qx1)还是发热。本实施方式的情况下，由于电容器20是65F-100F的电双层电容器，因此，存在由于瞬间发热而导致由MOSFET构成的开关元件10(Qx1)的温度会超过允许值而损坏的可能性。但是，在本实施方式中，在引擎启动后，在发电操作前，由于将电容器20的能量回收到电池1，因此，减小了将电容器20的电压设定为0V时的损耗，能够抑制DC/DC转换部的发电。
在发电期间(T4)中，DC/DC转换器的开关元件10(Qx1)恒为ON，开关元件11(Qx2)恒为OFF。马达6是带电磁绕线的极爪马达(clawpole motor)，能够通过控制电磁绕线电流来控制经由电力变换电路5(3相二极管整流电路)所产生的DC电压值。发电电压成为对电池1直接进行充电的电压值。经由开关元件10(Qx1)来执行电池1的充电。与象考虑了2电源***的以往的电力装置那样的、在发电时对DC/DC转换器执行降压操作(开关操作)的情况相比，能够将发电期间的DC/DC转换器的损耗抑制为原来的1/2-1/3，从而也将DC/DC转换器的发热降低到原来的1/2-1/3。其结果，能够简化包含电力变换电路5和DC/DC转换器的电力变换装置的冷却机构，从而使用于执行强制空冷的风扇或执行水冷的结构不再是必要的，能够得到小型且低成本的装置。
在减速期间(T5)中，使用制动引擎对电容器20充电。利用速度计来检测车辆的减速，或检测施加了制动，利用制动时的部分能量将电容器20充电到规定电压。由于充电时所使用的能量小，因此，减速时的大部分能量都是作为制动的机械损耗(摩擦)而被消耗。
若利用减速时的能量对电容器20进行充电，则能量的利用率较好，但是控制变得比较复杂。因此，对于电容器20的充电操作也可以是：在空转停止期间(T1)或停止前的空转停止期间(T6)，借助于DC/DC转换器的升压操作将其充电到规定电压。
如此，在本实施方式中，在汽车车辆停止或减速时，由于要对电容器20执行充电，因此，在启动空转停止操作时，能够得到所期望的马达输出。
接下来，将描述本发明的有效性。首先，我们试着考虑一下利用如图3所示的12V的电池1、电力变换电路5(3相倒相器)以及马达6的结构。在该结构中，若能够满足空转停止操作，则能够实现非常小型且低成本的电力变换装置。若是1.5L级以下的小型车辆，则既便是这种结构也可满足功能，但是，若达到2L级以上，则所需要的马达6的扭矩输出也变大，从而难以满足功能。特别是，若转数达到空转旋转附近，则由于马达6所产生的电动势而难以利用12V的电池电压向马达6提供能量。在将马达6设计为12V用的情况下，能够得到启动扭矩，但是若转数提高则不能得到所希望的扭矩输出(图4)。
在马达转数提高的状态下，为了向马达提供大的功率，在电力变换电路的输入部上需要高电压。图5表示了来自12V电池1的最大功率、以及此时电池输出电压的关系。将电池1的内部电阻设为8mΩ。我们可以看到，若提高电池1的电压，则来自电池1的最大功率就会变低。
接下来，我们考虑利用DC/DC转换器来执行升压，从内部电阻为8mΩ的12V电池中取出能量，并将其输入到电力变换电路的情况。在图6中表示了电路结构。本发明的结构为没有电容器20的结构。如(1)式所示定义了DC/DC转换器的转换效率η，利用图7所示的计算模式推导出(2)-(4)式。通过解这些方程式而得到DC/DC转换器输出电压和最大输出功率的关系(图8)。
η = 0.95 - 0.05 1000 IoutVout - - - ( 1 )
Vin = Vout n - - - ( 2 )
Iin = n η Iout - - - ( 3 )
V＝RIin+Vin                         (4)
其中，n是DC/DC转换器的升压比，Iout和Vout分别是DC/DC转换器的输出电流和输出电压，Vin和Iin是DC/DC转换器的输入电压和输入电流，R是电池内部电阻(8mΩ)、V是电池电压(12V)。从图8中我们可以看到，若提高升压比，则能够在高输出电压下得到输出功率，但是，输出功率下降了与DC/DC转换器的效率相应的量。当然，在不需要3.5kW以上的输出的情况下，图5所示的方式就足够了。有关该方式将在后述的实施方式3中进行描述。
在想要在高电压下将大功率投入给电力变换电路的情况下，需要电池之外的能量源。本发明(图1)是具有2个能量源的方式，从而使对于电力变换电路5的高电压、高功率输入成为可能。电容器20成为另一个能量源。如上所述，电容器20是电双层电容器。电双层电容器构成为1个单元单位2.5V。这里，在设电容器20的1个单元为耐压2.5V、内部电阻8mΩ、电容100F，设向电力变换电路5的输入电压为13V、输入功率为4kW(在2L级的车辆内，仅仅利用马达6将引擎转数提高到空转旋转域所需的电压、功率值)的情况下，求出此时所需的电容器单元数目。首先，就没有DC/DC转换器的辅助操作的情况进行讨论。在图9中表示了该计算模式。在串联连接电容器的情况下，充电电压也会变大相应的量。当然，并联连接的情况下，内部电阻减小相应的量。在该计算中，由于将电容器20作为电源，因此，不用考虑电容器能量减少、电压降低的影响。电容器20是大容量，但是由于发生了一些电压下降，因此，多少必须考虑并联数。图10中表示了结果。我们可以理解，如果是以3个串联单元为1组而并联3组共9个单元，既便没有利用DC/DC转换器来执行辅助，也能够得到13V、4kW的输出，但是，利用以3个串联单元为1组而并联2组共6个单元，13V下的输出为3.3kW，就不足了。
接下来，我们讨论利用以3个串联单元为1组而并联2组共6个单元来构成电容器20，使DC/DC转换器启动时执行升压操作的情况。在图11中表示了计算模式。在计算中将电容器看作电源，而忽略电容器电压的过渡变化。η是效率，在DC/DC转换器输出功率1kW的情况下设为0.9，而在2kW的情况下设为0.85，在3kW的情况下设为0.8。n是升压比，ΔV是电容器电压，r是电容器内部电阻，V是电池电压，R是电池内部电阻。以下表示了根据计算模式得到的方程式。
Vin = Vout n - - - ( 5 )
Idc = η n I 1 - - - ( 6 )
R(I1+I2)+Vin＝V                           (7)
Iout＝Idc+I2                               (8)
Pdc＝IdcVout                                 (9)
R(I1+I2)+rI2+Vout＝V+ΔV                 (10)
通过解上式，能够导出相对于各DC/DC转换器辅助功率的、输出电压和最大输出功率的关系。在图12中分别予以显示。从图中我们可以看出，通过利用DC/DC转换器来执行2kW的辅助，能够得到所期望的功率(4kW以上)。利用DC/DC转换器辅助，能够将电容器的尺寸减小到2/3。
根据以上说明，本实施方式的操作如下。电容器20由以3个串联单元为1组而并联2组共6个单元的电双层电容器构成，在空转停止时，被初始充电为7.5V。在启动时，利用DC/DC转换器来执行2kW的辅助。通过采用这种结构以及执行操作，能够满足2L级的车辆所期望的空转停止操作。通过使DC/DC转换器执行操作，将发电期间前存储在电容器20内的能量回收到电池内，从而将DC/DC转换部中的发热抑制为低。在发电期间，通过使马达发电电压与电池充电电压相一致并使Qx1恒为ON来执行电池充电，从而将DC/DC转换部中的发热抑制为低。电容器的再充电在减速时或者在空转停止时执行，为下一次启动做准备。
如上所述，在本实施方式中，设发电操作时马达发电电压为电池组1的充电电压，使由MOSFET构成的开关元件10(Qx1)恒为ON状态，可以对电池组1执行充电。另外，在空转停止时的启动操作结束后，通过使DC/DC转换器执行降压操作，而将电容器20的能量回收到电池1内。另外，用于空转停止操作的对于电容器20的充电是检测车速的减速状态、或者是检测制动操作，利用制动能量来执行电容器20的充电。启动操作前的电容器电压的调节是通过对DC/DC转换器执行升降压操作来执行的。通过对电力装置执行上述的新的控制操作，在车辆操作时的大部分时间所执行的发电操作中，能够得到大幅抑制DC/DC转换电路部的发热的、小型且低成本的汽车用电力装置。
在本实施方式中，尽管将MOSFET用作开关元件(Qx1、Qx2)，但不用说也可以利用IGBT等其他半导体器件来代替。由于利用半导体元件来构成开关元件(Qx1、Qx2)，因此，在本实施方式中，能够高速执行开关操作。
不用说，可以将本实施方式1中的电容器20替换为其他能量存储源，例如是电解电容器。
实施方式2
图13中表示了本发明实施方式2的电路结构。与实施方式1(图1)的不同之处在于，在电容器20的高电压侧端子和由MOSFET构成的开关元件(Qx1)的漏极端子之间，配置了开关元件16(Qx3)。开关元件16(Qx3)为MOSFET。
以下将就其操作进行说明。图14表示了车辆行驶状态和此时的DC/DC转换器的工作波形。作为工作波形，表示了开关元件10、11和16(Qx1、Qx2、Qx3)的栅极电压(在高电压下为ON)、轭流圈电流IL(在图13中，箭头方向为正)、电容器20的电流Ic(在图13中，箭头方向为正)、电容器20的电压Vc(图13中，箭头方向为正)。
如图14所示，在空转停止操作的开始期间(T2)中，与实施方式1相同，从电池1→电容器20→电力变换电路5、以及电池1→DC/DC转换器→电力变换电路5这2条路径向电力变换电路5提供能量。与实施方式1的不同点在于，此时开关元件16(Qx3)为ON。在图14中，在启动的同时开关元件(Qx3)为ON，但是，在马达6的低旋转域内，开关元件16(Qx3)也可以为OFF，并按照转数提高的状态在空转旋转域中使其为ON。如图4所示，由于马达生成电压为低，因此，既便电力变换电路5的输入电压低，也可以在马达低旋转域中执行能量提供，所以，既便开关元件16(Qx3)为OFF也不会有问题。如此，通过延迟开关元件16(Qx3)的ON操作，能够节约电容器能量，能够减小电容器尺寸(使用单元数)。在开关元件16(Qx3)为OFF期间，DC/DC转换器也可以如图14所示执行升压操作，通常也可以使开关元件10(Qx1)为ON。如果在低旋转域内马达生成电压为低的区域，则通过使开关元件10(Qx1)为ON，还能够减少提供能量一方的损耗。
在发电期间(T3)，除了开关元件16(Qx3)为OFF状态之外，其他都与实施方式1相同。在发电期间之前，没有必要将存储于电容器20内的能量回收到电池1内。可以说实施方式2由于也可以仅仅在结束启动操作期间之后将开关元件16(Qx3)变为OFF，因此控制简单。
在变为空转停止状态或停止前的空转状态后，将电容器20充电到所期望的电压，为下一次启动作准备。由此，在空转停止操作启动时，能够得到所期望的马达输出。
如上所述，在本实施方式中，在电容器20的高电压侧端子和由MOSFET构成的开关元件10(Qx1)的漏极端子之间设置了一个开关元件16(Qx3)，将发电操作时的马达发电电压设定为电池1的充电电压，使开关元件16(Qx3)为OFF状态、由MOSFET构成的开关元件10(Qx1)恒为ON状态，从而可以对电池充电。另外，在空转停止操作的停止期间，执行将电容器20充电到开始操作所需要的电压。在电力装置中设置了上述这种新的开关，通过执行新的控制操作，能够大幅抑制车辆操作时大部分时间所执行的发电操作中DC/DC转换器电路部的发热。如此，与实施方式1相比，实施方式2由于设置了开关元件16(Qx3)，因此，能够进一步减小电容器尺寸，从而具有汽车用电力装置的整体控制简单的优点。通过将电力装置的DC/DC转换部的发热抑制得很低，可以实现电力装置的小型化以及低成本化。
在利用马达6来启动引擎的的期间(T2)的前半个期间，从电池1向电力变换电路5提供能量，而在后半个期间，从电池1和电容器20向电力变换电路5提供能量的情况下，能够在启动空转停止操作时，得到所期望的马达输出，降低能量存储源的容量(尺寸)。
在本实施方式中，将MOSFET用作开关元件10、11以及16(Qx1、Qx2、Qx3)，但是，不用说也可以用IGBT等其他半导体器件来代替。通过利用半导体元件来构成开关元件10、11以及16(Qx1、Qx2、Qx3)，从而可以高速地执行操作。
在本实施方式2中，也可以将电容器20替换为其他能量存储源。例如也可以是电解电容器。由于有开关元件16(Qx3)，并可以在不需要时将其切离，因此，能够置换为能存储高能量的电池1。
实施方式3
图6中表示了本发明实施方式3的结构。与实施方式1所示的图1的结构的不同点在于没有电容器20。因此，由于能量源仅仅有电池1，因此，难以得到高输出功率，但是，如上所述(图5、图8)，也可以在高电压下得到大的功率。若在图8所示的条件下，能够满足车辆的空转停止操作的条件，则可以使电力装置减小消除了电容器20的部分的尺寸，并降低了与之相应部分的成本。
以下将就其操作进行说明。在图15中表示了车辆的行驶状态以及此时的DC/DC转换器的工作波形。作为工作波形，表示了开关元件10和11(Qx1、Qx2)的栅极电压(在高电压下为ON)、轭流圈电流IL(在图6中箭头的方向为正)、电力变换电路的输入电压Vinv(在图6中箭头的方向为正)。
启动时(开始操作期间T1)，对DC/DC转换器执行升压操作，并在所期望的电压下将所期望的功率输入到电力变换电路5。在发电期间(T2)内，同样，使开关元件10(Qx1)恒为ON，使马达6的发电电压与电池1的充电电压相一致地对电池1充电。
如上所述，根据本实施方式，不用电容器20，将发电操作时的马达发电电压设定为电池1的充电电压，将由MOSFET构成的开关元件10(Qx1)设置为恒为ON状态，从而可以对电池1充电。利用上述结构以及通过执行上述控制操作，在既便启动时对于电力变换电路5的电力注入量较低但也足够的情况下，满足空转停止时的启动操作，且，能够大幅抑制发电时DC/DC转换器电路部的发热。如上所述，在本实施方式中，在发电期间(T2)中，通常将开关元件10(Qx1)设置为ON，从而对电池1充电，由于将电力装置的DC/DC转换部的发热抑制为低，因此能够实现电力装置的小型化和低成本化。
在本实施方式中，尽管将开关元件10和11(Qx1、Qx2)用作MOSFET，但是不用说也可以用IGBT等其他半导体器件来代替。若用半导体器件构成开关元件10和11(Qx1、Qx2)，则可以高速地执行操作。
实施方式4
在发电期间，开关元件10(Qx1)恒为ON，利用在马达6发电后经电力变换电路5整流的电力对电池1进行充电。例如若发电2kW，则流过开关元件10(Qx1)的电流为2kW/12V＝167A。由MOSFET构成的多个开关元件10(Qx1)相并联，这降低了ON电阻，从而抑制了开关元件10(Qx1)中的发热。本发明的实施方式4的目的在于，进一步抑制在该发电期间的发热。
图16中表示了本发明实施方式4的结构。与实施方式1(图1)的不同之处为：与开关元件10(Qx1)并联地配置了一个机械式开关17(Sx1)。这种情况下，没有必要并联多个开关元件10(Qx1)，只要是电容器能量回收期间(T3)的降压操作时所需的电容即可。本实施方式的情况下，利用1个MOSFET构成开关元件10(Qx1)。在发电期间中，由于开关17(Sx1)为ON，利用发电电力对电池1充电。
如上所述，在本实施方式中，在得到与上述实施方式1相同效果的同时，由于利用半导体元件和机械式开关的并联电路来构成开关元件10(Qx1)，因此，由于机械式开关17(Sx1)的电阻非常小，从而能够进一步抑制发热。
实施方式5
图17中表示了本发明实施方式5的结构。与实施方式2中所示的图13的不同点在于，分别设置了机械式开关18和19(Sx1、Sx2)来代替图13所示的、由MOSFET构成的开关元件10和16(Qx1、Qx3)。在实施方式2中，由于没有电容器能量回收期间，因此不需要由MOSFET构成的开关元件10(Qx1)。由于发电期间，使电流通过开关18(Sx1)充电到电池1，因此，如上所述，因为机械式开关的电阻非常小，所以能够进一步减小发热。在启动期间中，由于将来自电容器20的电流通过开关19(Sx2)提供给电力变换电路5，因此还能够抑制启动期间的发热。
实施方式6
图18表示本发明实施方式6的结构。与图6所示的实施方式3的不同点在于，将实施方式3中的由MOSFET构成的开关元件10(Qx1)替换为开关18(Sx1)。
在本实施方式中，在发电期间(T2)中，开关元件10(Qx1)恒为ON，从而执行对电池1的充电，但是，如上所述，由于机械式开关的电阻非常小，因此，能够进一步将电力装置的DC/DC转换部的发热抑制为低。由此，实现了电力装置的小型化和低成本化。
在上述实施方式1-6所示的扼流圈Lx是作为普通扼流圈说明的，但是，通过将该扼流圈Lx设定为图19所示的线圈结构的磁场偏置方式，具有能够使扼流圈小型化的优点。在磁场偏置方式中，如图19所示，在芯40的内部配置了磁铁41。如果使用了这种方式，则即便进行小型化，在升压方向也能够实现所期望的电感值。但是，如果在电流反方向上电流变大，就不能得到反方向的电感值(会发生磁芯的磁饱和)，而在本发明的情况下，即便在从倒相器到电池的电流方向上没有电感值也不会有问题。
如此，上述实施方式1-6所示的扼流圈Lx也可以利用将磁铁配置在铁芯内部的磁场偏置方式的扼流圈来构成，在这种情况下，在得到与上述实施方式1-6相同效果的同时，还得到能够小型化的效果。

Claims (16)

1.一种汽车用电力装置，其特征在于，包括：
引擎；
马达，向所述引擎传递动力以使其启动，并在所述引擎的旋转过程中接受所述引擎的动力进行发电；
电力变换电路，具有至少2个DC电压输入输出端子，并向所述马达传输电力；
连接于所述电力变换电路的电池；
能量存储源，与所述电池串联连接，并进行能量的存储；以及
DC/DC转换器，由至少2个开关元件构成，通过对所述能量存储源的电压进行升压而对所述能量存储源进行充电，并通过降压而将所述能量存储源内的能量回收到所述电池内，
其中，所述DC/DC转换器的所述开关元件使所述电力变换电路的DC电压输入输出端子的高电压侧端子与所述电池的高电压侧端子相连接；
在所述马达接受所述引擎的动力来执行发电，并通过所述电力变换电路和所述DC/DC转换器对所述电池进行充电时，使设置于所述DC/DC转换器内的所述开关恒为接通状态。
2.如权利要求1所述的汽车用电力装置，其特征在于，在利用所述马达启动引擎后、执行所述发电前，所述DC/DC转换器通过对所述能量存储源执行降压操作，将存储于所述能量存储源内的能量回收到所述电源内。
3.如权利要求1或2所述的汽车用电力装置，其特征在于，在车辆停止时、停止前的空转时或减速时，对所述能量存储源进行充电。
4.如权利要求1到3之一所述的汽车用电力装置，其特征在于，所述DC/DC转换器的所述开关元件由半导体元件构成。
5.如权利要求1到3之一所述的汽车用电力装置，其特征在于，所述DC/DC转换器具有的所述开关元件由半导体元件和机械式开关的并联电路构成。
6.如权利要求1到5之一所述的汽车用电力装置，其特征在于，还包括：连接在所述能量存储源的高电压侧端子和所述电力变换电路的DC电压输入输出端子的高电压端子之间的开关。
7.如权利要求1到6之一所述的汽车用电力装置，其特征在于，在通过所述马达启动引擎前，还经由所述DC/DC转换器从所述电池对所述能量存储源进行充电。
8.如权利要求6或7所述的汽车用电力装置，其特征在于，在通过所述马达启动引擎的期间的前半部分，从所述电池向所述电力变换电路提供能量，而在后半部分，从所述电池和所述能量存储源向所述电力变换电路提供能量。
9.如权利要求6到8之一所述的汽车用电力装置，其特征在于，连接于所述能量存储源的高电压侧端子和所述电力变换电路的DC电压输入输出端子的高电压侧端子之间的所述开关由半导体元件构成。
10.如权利要求1到9之一所述的汽车用电力装置，其特征在于，所述DC/DC转换器的所述开关元件由机械式开关构成。
11.如权利要求6到8之一所述的汽车用电力装置，其特征在于，连接于所述能量存储源的高电压侧端子和所述电力变换电路的DC电压输入输出端子的高电压侧端子之间的所述开关元件由机械式开关构成。
12.一种汽车用电力装置，其特征在于，包括：
引擎；
马达，向所述引擎传递动力以使其启动，并在所述引擎的旋转过程中接受所述引擎的动力来执行发电；
电力变换电路，具有至少2个DC电压输入输出端子，并向所述马达传输电力；
连接于所述电力变换电路上的电池；以及
DC/DC转换器，由至少2个开关元件构成，并在进行升压后从所述电池向所述电力变换电路进行供电，
其中，所述DC/DC转换器的所述开关元件使所述电力变换电路的DC电压输入输出端子的高电压侧端子和所述电池的高电压侧端子相连接；
在所述马达接受所述引擎的动力执行发电，并通过所述电力变换电路和所述DC/DC转换器对所述电池进行充电时，使设置于所述DC/DC转换器内的所述开关恒为接通状态。
13.如权利要求12所述的汽车用电力装置，其特征在于，所述DC/DC转换器的所述开关元件由半导体元件构成。
14.如权利要求12所述的汽车用电力装置，其特征在于，所述DC/DC转换器的所述开关元件由机械式开关构成。
15.如权利要求1到14之一所述的汽车用电力装置，其特征在于，构成所述DC/DC转换器的扼流圈为将磁铁配置于铁芯内部的磁场偏置方式的扼流圈。
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