JP2009124914A - 電源制御装置及び電動パワーステアリング装置の電源制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ヒータ等を用いることなく電気二重層コンデンサからなる補助電源を昇温して効率の低下を防止する。
【解決手段】電動パワーステアリング装置１のモータ４に電力を供給可能な電気二重層コンデンサからなる補助電源１２を備え、この補助電源１２の温度を温度測定手段であるサーモセンサ２７により測定する。そして、補助電源１２の温度が所定の閾値以下となったときに、制御回路２４によって補助電源１２を繰り返し充放電させ、補助電源１２を昇温させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気二重層コンデンサからなる電源の制御装置、及び、電動パワーステアリング装置の電源制御装置に関する。

例えば、自動車等の車両に搭載される電動パワーステアリング装置は、必要とされる操舵補助力が大きいほど、モータに大電流を流す必要があるので、車載バッテリだけでは電力が不足することがある。そこで、通常は主電源である車載バッテリからモータに電力を供給するが、据切り時や急操舵時等、必要とされる操舵補助力が大きい場合には、予め電力を貯えていた補助電源からも電力を供給し、車載バッテリの電力不足を補うようにした技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１では、補助電源として例えば電気二重層コンデンサ（キャパシタ）が用いられている。
特開２００３−３２０９４２号公報

図５は電気二重層コンデンサの温度と静電容量との関係を示すグラフである。図５にハッチングを付して示すように、電気二重層コンデンサは約−２０℃よりも温度が低くなると静電容量が低下するとともに内部抵抗が大きくなり、効率が大幅に低下するという問題がある。寒冷地では、自動車の始動直後等にこのような低温状態で電気二重層コンデンサが使用されることがあり、この場合モータに十分な電力を供給することが困難となる。
このような問題を解消するために、低温状態にある電気二重層コンデンサをヒータで暖めることも考えられるが、ヒータを備えることによってコストが増大し、ヒータを作動させるための電力が新たに必要になる。

本発明は、ヒータを用いることなく電気二重層コンデンサからなる電源を昇温して効率の低下を防止する電源制御装置及び電動パワーステアリング装置の電源制御装置を提供することを目的とする。

本発明の電源制御装置は、
電気負荷に電力を供給可能な電気二重層コンデンサからなる電源と、
前記電源の温度を測定する温度測定手段と、
前記電源の温度が所定の閾値以下となったときに、当該電源を繰り返し充放電させることにより当該電源の昇温制御を行う制御回路と、を備えていることを特徴とする。

また、本発明の電動パワーステアリング装置の電源制御装置は、
電動パワーステアリング装置のモータに電力を供給する主電源と、
前記モータに電力を供給可能な電気二重層コンデンサからなる補助電源と、
前記補助電源の温度を測定する温度測定手段と、
前記補助電源の温度が所定の閾値以下となったときに、当該補助電源を繰り返し充放電させることにより当該補助電源の昇温制御を行う制御回路と、を備えていることを特徴とする。

以上の各構成によれば、電気二重層コンデンサからなる電源（補助電源）の温度を測定手段によって測定し、当該温度が所定の閾値以下となったときは、当該電源から電気負荷（モータ）への電力供給の要否に関わらず、当該電源を繰り返し充放電させる。この充放電により電源に電流が流れると、当該電源は内部抵抗によって自己発熱し、昇温する。これにより、当該電源の温度を閾値以上にして効率低下を防止することができる。そのため、当該電源をヒータ等によって外部から昇温させる必要がなくなり、コスト増を抑制することができる。

本発明によれば、電気二重層コンデンサからなる電源が低温状態になっても、ヒータ等を用いることなく昇温することができ、低コストで効率の低下を防止することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１のモータ制御装置（電源制御装置）１０を示すブロック回路図である。図１において、車両のステアリング装置２は、ステアリングホイール（操舵部材）３に加わるドライバーの操舵動作に応じて、図示しないタイヤ（操向車輪）の向きを変えるための操舵軸２ａを備えている。そして、電動パワーステアリング装置１は、必要に応じてブラシレスモータ等のモータ４の動力（操舵補助力）を操舵軸２ａに付与することによってドライバーによる操舵負担を軽減するものとなっている。

モータ制御装置１０は、主電源１１、補助電源１２、充電回路１３、放電回路１４、リレー回路１５、モータ駆動回路５等を備えている。主電源１１は、車載バッテリ及びオルタネータによって構成されている。車載バッテリ及びオルタネータは、電動パワーステアリング装置１を含む車両の各種電気機器に電力を供給し、車載バッテリはオルタネータにより充電される。主電源１１は、給電電路１６を介してモータ駆動回路５に接続されている。

補助電源１２は、電気二重層コンデンサによって構成され、主電源１１によって充電されると共に、必要に応じて電動パワーステアリング装置１のモータ４に電力を供給する。補助電源１２の一方の端子１２ａは、給電電路１６に接続された充電電路１８と、放電電路１９とに接続されている。補助電源１２の他方の端子１２ｂは、第１切換スイッチ２０を介して給電電路１６又は接地電位に接続されている。充電電路１８には逆流防止用のダイオード２１が設けられ、このダイオード２１と第１切換スイッチ２０によって充電回路１３が構成されている。

放電電路１９は、第２切換スイッチ２２を介してモータ駆動回路５に接続されている。第２切換スイッチ２２は、モータ駆動回路５を給電電路１６と放電電路１９とに切り換えて接続する。この第２切換スイッチ２２によって放電回路１４が構成されている。リレー回路１５は、制御回路２４等に異常が発生した場合に主電源１１の電流がモータ４へ流れないように給電電路１６を遮断する。

モータ駆動回路５、充電回路１３、放電回路１４、及びリレー回路１５は、制御回路２４の制御信号を受けて動作する。この制御回路２４には、運転者によるステアリングホイール３の操舵トルクを検出するトルクセンサ２５や、車速センサ２６からの検出結果が入力されるようになっており、制御回路２４はこれらの検出結果に応じて適切な操舵補助力を発生させるべく、モータ４を駆動させる。

充電回路１３を構成する第１切換スイッチ２０が実線で示すａ位置に切り換えられると、補助電源１２の他方の端子１２ｂが接地電位に接続される。この状態で、放電回路１４を構成する第２切換スイッチ２２が実線で示すｃ位置に切り換えられると、給電電路１６がモータ駆動回路５に接続される。これにより、主電源１１の電力が給電電路１６を介してモータ駆動回路５に供給され、補助電源１２が充電電路１８を介して主電源１１によって充電される。したがって、補助電源１２の電力はモータ駆動回路５には供給されない。

一方、第１切換スイッチ２０が点線で示すｂ位置に切り換えられると、補助電源１２の他方の端子１２ｂが主電源１１に直列に接続される。この状態で、第２切換スイッチ２２が点線で示すｄ位置に切り換えられると、放電電路１９がモータ駆動回路５に接続され、主電源１１及び補助電源１２の電力がモータ駆動回路５に供給される。

つまり、第１，第２切換スイッチ２０，２２を実線で示す位置ａ，ｃに切り換えると補助電源１２が充電状態になり、第１，第２切換スイッチ２０，２２を点線で示す位置ｂ，ｄに切り換えると補助電源１２が放電状態になる。

上記の構成において、必要とされる操舵補助力が比較的小さいときは、制御回路２４は第１，第２切換スイッチ２０，２２をそれぞれ位置ａ，ｃに切り換えて補助電源１２を充電状態にする。これにより、主電源１１の電力がモータ駆動回路５に供給され、モータ駆動回路５が制御回路２４による制御信号に基づいてモータ４を駆動する。

一方、必要とされる操舵補助力が比較的大きく、主電源１１のみではまかないきれないときは、制御回路２４は、第１，第２切換スイッチ２０，２２をそれぞれ位置ｂ，ｄに切り換えて補助電源１２を放電状態にする。これにより、主電源１１と補助電源１２とが互いに直列に接続された状態で、両者の電力がモータ駆動回路５に供給される。

本実施の形態のモータ制御装置１０の制御回路２４は、必要とされる操舵補助力に応じて主電源１１及び補助電源１２の電力をモータ４に供給するための上述の制御（通常制御）を行うだけでなく、補助電源１２が低温状態にある場合に当該補助電源１２を昇温させるための昇温制御をも行うようになっている。

電気二重層コンデンサからなる補助電源１２は、低温になるとその静電容量が低下し、内部抵抗が大きくなることが知られている。そのため、補助電源１２が低温状態にあり且つ必要とされる操舵補助力が大きくなった場合には、補助電源１２からモータ４へ十分な電力を供給できなくなる可能性が高くなる。そこで、本実施形態では、補助電源１２の温度を監視すると共に当該温度が所定の閾値よりも低下したときに補助電源１２を昇温させるための昇温制御を行う。以下、その詳細について説明する。

補助電源１２にはサーモセンサ（温度測定手段）２７が取り付けられており、このサーモセンサ２７によって補助電源１２の温度が常時測定され、その測定結果が制御回路２４に入力される。制御回路２４は、入力された測定結果に基づき充電回路１３及び放電回路１４を制御する。具体的には、サーモセンサ２７によって測定された補助電源１２の温度が所定の閾値以下のとき、制御回路２４は、補助電源１２の充電と放電とを繰り返し行うように第１，第２切換スイッチ２０，２２を制御する。

前記閾値は、補助電源１２である電気二重層コンデンサの温度が当該閾値以下となると、静電容量が低下するとともに内部抵抗の増大し、効率が低下してしまうような値として設定される。例えば、補助電源１２が図５に示す特性を示す場合、閾値を−２０℃に設定する。補助電源１２の温度が閾値である−２０℃を超えていれば、補助電源１２が本来備えている性能を発揮できる。一方、補助電源１２の温度が−２０℃以下となると、静電容量の低下によりモータに十分な電力を供給できなくなる。

このような低温状態で補助電源１２の充放電を繰り返し行うと、補助電源１２には頻繁に電流が流れ、内部抵抗により自己発熱する。そのため、外部から補助電源１２を暖めなくても補助電源１２の温度を所定の閾値以上に上昇させることができ、補助電源１２の効率低下を防止することが可能となる。

図２は、制御回路２４による補助電源１２の昇温制御の手順を示すフローチャートである。
自動車のエンジンを始動するとモータ制御装置１０が起動し、制御回路２４は、主電源１１によって補助電源１２を充電するように第１，第２切換スイッチ２０，２２を切り換える（ステップＳ１）。一方、補助電源１２の温度はサーモセンサ２７により測定され、その測定結果は、制御回路２４に入力されるとともに所定の閾値と比較される（ステップＳ２）。補助電源１２の温度が閾値よりも高い場合（Ｎｏ）、制御回路２４は通常制御を行い、必要とされる操舵補助力に応じて補助電源１２を充放電させる。

一方、補助電源１２の温度が所定の閾値以下の場合（Ｙｅｓ）、制御回路２４は補助電源１２の放電を行うように第１，第２切換スイッチ２０，２２を切り換える（ステップＳ３）。そして、所定時間経過後又は所定の放電量に達した後、ステップＳ１に戻り、再度補助電源１２の充電を行うように第１，第２切換スイッチ２０，２２を切り換える。その後、制御回路２４は、補助電源１２の温度を所定の閾値と再度比較し（ステップＳ２）、充放電によって補助電源１２の温度が所定の閾値よりも高くなった場合（Ｎｏ）には通常制御を行い、依然として閾値以下の場合（Ｎｏ）は補助電源１２の充放電動作を繰り返し行う。

なお、補助電源１２の昇温制御を行う場合において、補助電源１２を放電させるとその電流はモータ駆動回路５に流れるが、その際、モータ４が駆動されてしまうと不必要な操舵補助力がステアリング装置２に加わり、好ましくない。そのため、本実施の形態では、モータ４を駆動させることなく補助電源１２を強制的に放電させる強制放電手段を備えている。この強制放電手段は、制御回路２４によってモータ４を駆動する形態とは異なる形態でモータ駆動回路５内のスイッチングを行い、モータ４を駆動しない状態で放電電流（ｄ軸電流）がモータ駆動回路５内の抵抗を通って接地電位に流れるようにモータ駆動回路５を制御することで実現される。また、このような制御に代えて、モータ駆動回路５へ電流が流れる経路とは別の経路に昇温制御用の抵抗を別途設けておき、昇温制御の際に補助電源１２をその抵抗に接続して放電させる構成を採用することも可能である。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１のモータ制御装置１０の回路図である。本実施形態では、第１の実施の形態における充電回路１３に昇圧回路が備わっており、昇圧された主電源１１の電圧により補助電源１２が充電されるようになっている。その他の構成は第１の実施の形態と同様であるため詳細な説明は省略する。

図４は、本発明の第３の実施の形態に係る電動パワーステアリング装置１のモータ制御装置１０の回路図である。本実施の形態では、補助電源１２が充放電回路３０を介して主電源１１に並列に接続されたものである。本実施の形態においても、補助電源１２の温度測定結果が制御回路２４に入力され、制御回路２４は、温度測定結果に応じて充放電回路１４を制御し、補助電源１２を充放電させる。

本発明は、上述した実施の形態に限定されることなく適宜設計変更可能である。
例えば、充電回路１３及び放電回路１４を構成する第１，第２切換スイッチ２０，２２としては、ＭＯＳ−ＦＥＴ、ＢＪＴ、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を用いることができる。
図２に示す昇温制御の手順では、補助電源１２の温度が所定の閾値以下の場合は、通常制御に移行せず、昇温制御を優先的に行うようになっている。しかし、昇温制御中、補助電源１２の電力をモータに供給する必要が生じた場合には、強制的に昇温制御から通常制御に移行するように構成することも可能である。
本発明は、電動パワーステアリング装置１の電源制御装置だけではなく、電気二重層コンデンサからなる電源を使用する各種の電気機器、特に低温状態で使用され得る電気機器に好適に採用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電動パワーステアリング装置のモータ制御装置（電源制御装置）のブロック回路図である。 補助電源の昇温制御の手順を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る電動パワーステアリング装置のモータ制御装置（電源制御装置）のブロック回路図である。 本発明の第３の実施形態に係る電動パワーステアリング装置のモータ制御装置（電源制御装置）のブロック回路図である。 電気二重層コンデンサの温度と静電容量との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
４ モータ
１０ モータ制御装置（電源制御装置）
１１ 主電源
１２ 補助電源
２４ 制御回路
２７ サーモセンサ（温度測定手段）

Claims (2)

1. 電気負荷に電力を供給可能な電気二重層コンデンサからなる電源と、
   前記電源の温度を測定する温度測定手段と、
   前記電源の温度が所定の閾値以下となったときに、当該電源を繰り返し充放電させることにより当該電源の昇温制御を行う制御回路と、を備えていることを特徴とする電源制御装置。
2. 電動パワーステアリング装置のモータに電力を供給する主電源と、
   前記モータに電力を供給可能な電気二重層コンデンサからなる補助電源と、
   前記補助電源の温度を測定する温度測定手段と、
   前記補助電源の温度が所定の閾値以下となったときに、当該補助電源を繰り返し充放電させることにより当該補助電源の昇温制御を行う制御回路と、を備えていることを特徴とする電動パワーステアリング装置の電源制御装置。

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