JP2009248695A

JP2009248695A - 車両用電源システム

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Publication number: JP2009248695A
Application number: JP2008097730A
Authority: JP
Inventors: Motoo Nakai; 基生中井
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2008-04-04
Filing date: 2008-04-04
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2028-04-04
Also published as: JP5163240B2

Abstract

【課題】高圧バッテリを一次エネルギー源として、エネルギーの損失をできるだけ抑制しながら電動パワーステアリング装置の電源を作り出す車両用電源システムを提供する。
【解決手段】車両駆動用の高圧バッテリ１と、その電圧を降圧して得た出力電圧を、電動パワーステアリング装置６の電源供給電路が接続される出力端子Ｔに生じさせる直流電圧変換回路２と、出力端子Ｔに生じる出力電圧によって充電可能なキャパシタ４と、出力端子Ｔにキャパシタ４を繋ぐ電路に設けられ、当該電路を開閉する機能を有するスイッチ装置３と、直流電圧変換回路２に出力電圧を生じさせつつスイッチ装置３を閉じることによりキャパシタ４を充電し、電動パワーステアリング装置６の使用時にスイッチ装置３を開閉制御することによりキャパシタ４の放電時における放電量の制御を行う制御装置５とを備えた車両用電源システムとする。
【選択図】図２

Description

本発明は、ハイブリッド車や電気自動車に搭載される車両用電源システムに関する。

ハイブリッド車や電気自動車には、車両駆動用に、２００Ｖを超える高圧バッテリが搭載されている。このような高圧の直流電圧はＤＣ−ＤＣコンバータやトランスを用いた直流電圧変換器により低電圧に変換され、この低電圧により、低圧バッテリ（１２Ｖ）が充電される。そして、この低圧バッテリから、車載電装品へ電力が供給される（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−２８０１０９号公報（図１）

しかしながら、バッテリは充放電に化学反応を伴うため、充放電のエネルギー効率があまり良いとは言えない。特に、大電流を頻繁に流す可能性のある電動パワーステアリング装置に低圧バッテリから電力を供給すると、エネルギー効率が良くない。また、充放電の回数が多くなるとバッテリの寿命が短くなる。
かかる従来の問題点に鑑み、本発明は、高圧バッテリを一次エネルギー源として、エネルギーの損失をできるだけ抑制しながら電動パワーステアリング装置の電源を作り出す車両用電源システムを提供することを目的とする。

本発明の車両用電源システムは、車両駆動用の高圧バッテリと、前記高圧バッテリの電圧を降圧して得た出力電圧を、電動パワーステアリング装置の電源供給電路が接続される出力端子に生じさせる直流電圧変換回路と、前記出力電圧によって充電可能なキャパシタと、前記出力端子に前記キャパシタを繋ぐ電路に設けられ、当該電路を開閉する機能を有するスイッチ装置と、前記直流電圧変換回路に所定の出力電圧を生じさせつつ前記スイッチ装置を閉じることにより前記キャパシタを充電し、前記電動パワーステアリング装置の使用時に前記スイッチ装置を開閉制御することにより前記キャパシタの放電時における放電量の制御を行い得る制御装置とを備えたものである。
上記のように構成された車両用電源システムでは、キャパシタを、電動パワーステアリング装置の電源として使用することができる。

また、上記車両用電源システムにおいて、制御装置は、電動パワーステアリング装置の不使用時に前記キャパシタを充電することができる。
この場合、電動パワーステアリング装置の不使用時すなわち操舵が行われていない時間を活用して、電動パワーステアリング装置に支障を来すことなく、キャパシタを充電することができる。

また、上記車両用電源システムにおいて、直流電圧変換回路内に、キャパシタの放電電流が流れ得る閉回路が存在し、当該閉回路中に、制御装置によって開閉可能なスイッチが設けられていることが好ましい。
この場合、当該スイッチを開いておくことにより、キャパシタ放電時に、放電電流の還流を防止することができる。

また、上記車両用電源システムにおいて、電動パワーステアリング装置に大電力が必要な場合、制御装置は、スイッチ装置を開き、直流電圧変換回路の出力電圧を増大させるようにしてもよい。
この場合、キャパシタは放電させず、直流電圧変換回路から通常より高い出力電圧を出力することにより、大電力を供給することができる。

本発明の車両用電源システムによれば、キャパシタを、電動パワーステアリング装置の電源として使用することができる。キャパシタは充放電にバッテリのような化学反応を伴わないので、充放電の効率に優れ、エネルギーの損失が少ない。また、バッテリのように、充放電を繰り返すことによって寿命が短くなることはないので、長期間にわたって使用可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る車両用電源システムの概略構成を示す図である。図において、車両駆動用の高圧バッテリ１は、２００Ｖを超える直流電源であり、ハイブリッド車や電気自動車に搭載された駆動モータ（図示せず。）に電力を供給する。当該システムは、この高圧バッテリ１を一次エネルギー源として構成され、直流電圧変換回路２、スイッチ装置３、キャパシタ４及び制御装置５を備えている。

直流電圧変換回路２は、チョッパ回路を含むものであり、高圧バッテリ１の電圧を降圧して得た出力電圧を、電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）６の電源供給電路が接続される出力端子Ｔに生じさせる。スイッチ装置３は、出力端子Ｔにキャパシタ４を繋ぐ電路Ｌｃに設けられ、当該電路Ｌｃを開閉する機能を有する。キャパシタ４は、大容量キャパシタとしての電気二重層コンデンサによって構成され、出力端子Ｔに生じる出力電圧によって充電可能である。制御装置５は、直流電圧変換回路２に所定の出力電圧を生じさせつつスイッチ装置３を閉じることによりキャパシタ４を充電する。また、制御装置５は、電動パワーステアリング装置６の使用時にスイッチ装置３を開閉制御（スイッチング及びデューティ制御）することによりキャパシタ４の放電時における放電量の制御を行う。

図２は、上記の車両用電源システムの具体例を示す回路図である。電動パワーステアリング装置６は、ステアリングホイール６１に付与される操舵トルクに基づいてモータ６２が操舵補助力を発生し、この操舵補助力が、操向車輪の操舵機構であるステアリング装置６３に提供されるように構成されている。モータ６２は３相ブラシレスモータであり、３相インバータ回路を含むモータ駆動回路６４によって駆動される。モータ駆動回路６４は、ＥＰＳ用の制御装置６５によって制御される。制御装置６５には、操舵トルクを検出するトルクセンサ６６の出力信号、車速を検出する車速センサ６７の出力信号、及び、エンジン回転数を検出する回転数センサ６８の出力信号が入力される。制御装置６５は、各センサの出力信号に基づいて、必要な操舵補助力を生じさせるべくモータ駆動回路６４を制御する。

一方、高圧バッテリ１には電圧検出器７が並列に接続されており、この電圧検出器７は、高圧バッテリ１の電圧（Ｖ_B）を検出して、その出力信号を電源システム用の制御装置５に送る。直流電圧変換回路２は、高圧バッテリ１の高圧側電路Ｌｐと出力端子Ｔとの間に、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１と、ダイオード２２とを有している。ダイオード２２のカソード側と接地側電路Ｌｎとの間には、リアクトル２３と、ＭＯＳ−ＦＥＴ２４とが互いに直列に設けられている。また、ダイオード２２のアノード側と接地側電路Ｌｎとの間には、平滑コンデンサ（容量は例えば数千〜１万μＦ）２５が設けられている。ＭＯＳ−ＦＥＴ２１，２４の各ゲートにはそれぞれ、ゲート駆動回路（ＦＥＴドライバ）２６，２７が接続され、これらは、制御装置５によって制御される。

スイッチ装置３は、出力端子Ｔとキャパシタ４との間に設けられ、ＭＯＳ−ＦＥＴ３１と、そのゲートに接続されたゲート駆動回路（ＦＥＴドライバ）３２とを備えている。このゲート駆動回路３２は、制御装置５により制御される。キャパシタ４には電圧検出器８が並列に接続されており、この電圧検出器８は、キャパシタ４の端子間電圧Ｖ_Cを検出して、その出力信号を制御装置５及び制御装置６５に送る。制御装置５は、ＥＰＳ用の制御装置６５から必要な情報を取得することができる。キャパシタ４の容量は電動パワーステアリング装置６によって異なってくるが、一例としては例えば１００Ｆ程度であり、平滑コンデンサ２５に比べて圧倒的な大容量である。

次に、上記のように構成された車両用電源システムにおけるキャパシタ４の充放電動作について説明する。まず、充電時には、ＭＯＳ−ＦＥＴ２４，３１が共にオン状態とされている。ＭＯＳ−ＦＥＴ３１がオン状態であることにより、平滑コンデンサ２５とキャパシタ４とは互いに並列体を構成している。そして、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１が、制御装置５及びゲート駆動回路２６によって、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御される。ＭＯＳ−ＦＥＴ２１がオン状態のとき、高圧バッテリ１からＭＯＳ−ＦＥＴ２１、リアクトル２３及び、オン状態のＭＯＳ−ＦＥＴ２４を通って電流が流れる。逆に、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１がオフ状態のときは、エネルギーを蓄えたリアクトル２３からＭＯＳ−ＦＥＴ２４、平滑コンデンサ２５及びキャパシタ４の並列体、並びに、ダイオード２２を通って電流が流れる。当該並列体に蓄積される電荷のほとんどは、容量が圧倒的に大きいキャパシタ４に蓄積される。

上記のようなＭＯＳ−ＦＥＴ２１のスイッチングがＰＷＭ制御によって行われることにより、そのデューティに応じて、高圧バッテリ１の電圧を所望の低電圧（例えば１２〜３０Ｖ）に変換することができる。充電によってキャパシタ４の端子間電圧Ｖ_Cが増大し、充電完了に相当する所定値に達すると、制御装置５はＭＯＳ−ＦＥＴ２１をオフ状態とすることにより、充電を停止することができる。なお、充電は、充電完了後も継続的に行うこともできる。また、充電完了前でも、必要により、中止することができる。

一方、放電時には、制御装置５により、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１，２４が共にオフ状態とされる。一方、ＭＯＳ−ＦＥＴ３１は、制御装置５及びゲート駆動回路３２によって、ＰＷＭ制御される。これにより、ＭＯＳ−ＦＥＴ３１は、デューティ制御されながらスイッチングされ、キャパシタ４の電力がモータ駆動回路６４に供給される。デューティ制御によって、キャパシタ４の電荷が一気に放出されることを、防止できる。また、キャパシタ４の電圧により、ダイオード２２からリアクトル２３及びＭＯＳ−ＦＥＴ２４を介して閉回路が構成され得る状態となるが、ＭＯＳ−ＦＥＴ２４がオフ状態であることにより、閉回路の構成は防止される。すなわち、スイッチとしてのＭＯＳ−ＦＥＴ２４を開いておくことにより、キャパシタ放電時に、放電電流の還流を防止することができる。

また、キャパシタ４に依存せず、直流電圧変換回路２から電動パワーステアリング装置６に電力を供給することも可能である。例えば、キャパシタ４の電圧では電力供給が十分とは言えないような大電力が必要となる場合（例えば据え切りをする場合）には、ＭＯＳ−ＦＥＴ３１をオフ状態にしてキャパシタ４を隔離し、ＭＯＳ−ＦＥＴ２１のデューティを高くしてＰＷＭ制御を行うことで、通常より高い電圧（例えば通常１２Ｖのところ２０Ｖ）をモータ駆動回路６４に供給することができる。電圧の増加により、大電力の供給が可能となる。

次に、図３のフローチャートを参照して、実際の動作例について説明する。まず、制御装置５は、ＥＰＳ用の制御装置６５から得る情報に基づいて、エンジンが回転中か否かを判定する(ステップＳ１)。ここで、エンジンが停止している場合には、処理終了となる。一方、エンジンが回転中であれば、制御装置５は、操舵が行われているか否かの判定を行い(ステップＳ２)、操舵が行われていなければ、キャパシタ４の充電を行う（ステップＳ７）。具体的には、アイドリング状態や、直進走行中で操舵されていないときに、充電が行われる。

ステップＳ２で操舵が行われている場合には、制御装置５は、高圧バッテリ１が正常であるか否かを、その端子間電圧Ｖ_Bの信号より判断する（ステップＳ３）。ここで、高圧バッテリ１が正常であるときは、制御装置５は、キャパシタ４の端子間電圧Ｖ_Cが所定の範囲内（例えば満充電のときを１００％として、１００〜７０％）にあるか否かを判定する（ステップＳ４）。そして、所定の範囲内であれば、制御装置５は、据え切りや急操舵のような大電力が必要であるか否かを判定する（ステップＳ５）。特に大電力が必要でないときは、キャパシタ４を放電させることにより電動パワーステアリング装置６に電力を供給する状態となる(ステップＳ６)。

また、ステップＳ３において、高圧バッテリ１が正常でない（故障）ときは、ステップＳ４，Ｓ５をスキップしてキャパシタ４を放電させることにより電動パワーステアリング装置６に電力を供給する状態となる(ステップＳ６)。すなわち、高圧バッテリ１が故障したときは、バックアップ電源としてのキャパシタ４から電動パワーステアリング装置６に電力が供給される。
また、高圧バッテリ１は正常であるが、キャパシタ４の電圧Ｖ_Cが所定の範囲内にない（７０％未満）場合には、キャパシタ４から給電せず、直流電圧変換回路２から電動パワーステアリング装置６に電力を供給する。すなわち、このときスイッチ装置３はオフ状態とされる。

また、高圧バッテリ１は正常で、キャパシタ４の電圧が所定の範囲内にあっても、大電力が必要な場合には、スイッチ装置３を開いてキャパシタ４からは給電せず、直流電圧変換回路２でＭＯＳ−ＦＥＴ２１のデューティを大きくして、出力電圧を通常の電圧より高い電圧（例えば通常１２Ｖに対して２０Ｖ）とし、電動パワーステアリング装置６に大電力を供給する。

以上のように、本実施形態の車両用電源システムでは、キャパシタ４を、電動パワーステアリング装置６の電源として使用することができる。キャパシタ４はバッテリのような化学反応を伴わないので、充放電の効率に優れ、エネルギーの損失が少ない。また、バッテリのように、充放電を繰り返すことによって寿命が短くなることはないので、長期間にわたって使用可能である。
また、キャパシタ４が充電されるのは、電動パワーステアリング装置６の不使用時すなわち操舵が行われていない時間であり、この時間を活用して、電動パワーステアリング装置６に支障を来すことなく、キャパシタ４を充電することができる。

なお、上記実施形態では、高圧バッテリ１からの降圧手段としてチョッパ回路を含む直流電圧変換回路２を使用したが、チョッパ回路に代えてトランスを使用してもよい。
また、上記実施形態では、電源システム用の制御装置５を、ＥＰＳ用の制御装置６５とは別に設けたが、これらは１つの制御装置にまとめることも可能である。

なお、上記実施形態では、キャパシタ４を、電動パワーステアリング装置６のいわば主電源として使用したが、他に主電源を持つ電動パワーステアリング装置の補助電源として使用することも可能である。

本発明の一実施形態に係る車両用電源システムの概略構成を示す図である。図１の車両用電源システムの具体例を示す回路図である。動作例を示すフローチャートである。

符号の説明

１高圧バッテリ
２直流電圧変換回路
３スイッチ装置
４キャパシタ
５制御装置
６電動パワーステアリング装置

Claims

車両駆動用の高圧バッテリと、
前記高圧バッテリの電圧を降圧して得た出力電圧を、電動パワーステアリング装置の電源供給電路が接続される出力端子に生じさせる直流電圧変換回路と、
前記出力電圧によって充電可能なキャパシタと、
前記出力端子に前記キャパシタを繋ぐ電路に設けられ、当該電路を開閉する機能を有するスイッチ装置と、
前記直流電圧変換回路に所定の出力電圧を生じさせつつ前記スイッチ装置を閉じることにより前記キャパシタを充電し、前記電動パワーステアリング装置の使用時に前記スイッチ装置を開閉制御することにより前記キャパシタの放電時における放電量の制御を行い得る制御装置と
を備えたことを特徴とする車両用電源システム。
前記制御装置は、前記電動パワーステアリング装置の不使用時に前記キャパシタを充電する請求項１記載の車両用電源システム。
前記直流電圧変換回路内に、前記キャパシタの放電電流が流れ得る閉回路が存在し、当該閉回路中に、前記制御装置によって開閉可能なスイッチが設けられている請求項１記載の車両用電源システム。
前記電動パワーステアリング装置に大電力が必要な場合、前記制御装置は、前記スイッチ装置を開き、前記直流電圧変換回路の出力電圧を増大させる請求項１記載の車両用電源システム。