JP2009268343A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した高電圧の供給と、簡単な構成で高信頼性と高効率を同時に満たすことができる電源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】バッテリ１３と蓄電部１５の直列回路１６と、蓄電部１５の充放電を行うように接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１７と、直列回路１６とバッテリ１３に接続され、いずれか一方に切り替えるスイッチ２９と、スイッチ２９の出力に電力変換器３６を介して接続されたモータ３７と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７、スイッチ２９、および電力変換器３６に接続された制御回路３９を備え、制御回路３９は、モータ３７が回生運転を行っている時はスイッチ２９をバッテリ１３側に接続し、力行運転を行っている時はスイッチ２９を直列回路１６側に接続し、力行運転により蓄電部１５が放電すれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７により蓄電部１５を充電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アイドリングストップや制動力回生を行う燃費改善車両用の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、特に車両の燃費改善による二酸化炭素排出量の低減が求められている。このために、車両の制動エネルギーを電気エネルギーとして回収し、車両走行用モータ等に供給する回生システムや、車両の停車時にエンジンを止めるアイドリングストップシステム等が開発されている。このうち、前者のシステムが、例えば下記特許文献１に提案されている。図７はこのような電源装置のブロック回路図である。

図７に示す電源装置１０１は、次の構成を有する。バッテリＥｂの正極にはコンデンサＣ１が直列に接続されている。コンデンサＣ１の両端にはスイッチＳＷ１、ＳＷ２の一端がそれぞれ接続されている。さらに、コンデンサＣ１の両端には、その電圧を検出する電圧センサ１０３が接続されている。スイッチＳＷ１、ＳＷ２の他端、およびバッテリＥｂの負極は電力変換器１０５に接続されている。電力変換器１０５にはモータＭ１が接続されている。また、スイッチＳＷ１、ＳＷ２と電圧センサ１０３、および電力変換器１０５には制御回路１０７が接続されている。

次に、電源装置１０１の動作について説明する。車両の制動により、モータＭ１が回生運転されると、制御回路１０７は電力変換器１０５からの信号により回生状態であることを判断する。これにより、制御回路１０７は電圧センサ１０３の出力が所定値以下であれば、スイッチＳＷ１をオフに、スイッチＳＷ２をオンにすることで、バッテリＥｂとコンデンサＣ１の直列回路に回生電力を充電し、電圧センサ１０３の出力が所定値より大きければ、スイッチＳＷ１をオンに、スイッチＳＷ２をオフにすることで、バッテリＥｂのみに回生電力を充電する。

車両の制動が終わり、モータＭ１が力行運転されると、制御回路１０７は電力変換器１０５からの信号により力行状態であることを判断する。これにより、制御回路１０７は電圧センサ１０３の出力が最低レベルの電圧値以下であるか否かを判断し、最低レベルの電圧値より大きければ、スイッチＳＷ１をオフに、スイッチＳＷ２をオンにすることで、バッテリＥｂとコンデンサＣ１の直列回路を電力変換器１０５に接続する。その結果、両者の出力電圧Ｖｏｕｔが電力変換器１０５に入力され、モータＭ１が駆動する。その後、電力供給とともに、コンデンサＣ１の電圧は下がり、電圧センサ１０３の出力が最低レベルの電圧値以下になると、スイッチＳＷ１をオンに、スイッチＳＷ２をオフにする。これにより、バッテリＥｂのみによる出力電圧Ｖｏｕｔが電力変換器１０５に入力され、引き続きモータＭ１が駆動する。

以上に説明したように、回生運転時にコンデンサＣ１が充電可能であれば充電し、力行運転時にコンデンサＣ１が放電可能であれば放電するように、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を制御することで、回生電力を有効に回収することができる。
特開２００２−３３０５４５号公報

上記の電源装置によると、確かに回生電力を有効に回収できるので、燃費改善が可能となるのであるが、以下のような課題があった。

制御回路１０７は、コンデンサＣ１の充電状態に応じて、スイッチＳＷ１、ＳＷ２を制御し、バッテリＥｂのみに充電するか、バッテリＥｂとコンデンサＣ１の直列回路に充電するかを切り替える構成となっているため、いずれに切り替えたかにより回生時の充電電圧、すなわち電力変換器１０５から出力される電圧を可変する必要がある。従って、電力変換器１０５の構成が複雑になるという課題があった。

また、回生電力はバッテリＥｂとコンデンサＣ１の直列回路に充電されるため、バッテリＥｂが満充電状態になると、コンデンサＣ１が未充電状態であっても、これ以上充電することができない。従って、回生電力を十分に回収できなくなり効率が低下するという課題があった。

また、バッテリＥｂとコンデンサＣ１の直列回路を充電中にコンデンサＣ１の充電電圧が所定の電圧に達した場合、充電電流が流れている状態でスイッチＳＷ１、ＳＷ２を切り替える必要がある。この際、スイッチＳＷ１、ＳＷ２としてリレーを用いた場合、特にスイッチＳＷ２は充電電流が流れている状態でオフにすることになるので、信頼性が低くなる可能性があるという課題があった。

さらに、この電源装置をアイドリングストップシステムに適用した場合、以下のような課題があった。

アイドリングストップシステムにおいては、モータＭ１がスタータと発電機（スタータジェネレータ）に相当する。従って、モータＭ１の回生運転時には、コンデンサＣ１の充電が不十分ならコンデンサＣ１とバッテリＥｂの両方に、十分ならバッテリＥｂのみに回生電力を充電するようスイッチＳＷ１、ＳＷ２を制御する。その後、アイドリングストップが終了し、エンジンを再始動するためにモータＭ１をスタータとして駆動する時は、コンデンサＣ１の充電が十分ならコンデンサＣ１とバッテリＥｂの両方から、コンデンサＣ１の充電が不十分ならバッテリＥｂのみからモータＭ１に電力を供給するようスイッチＳＷ１、ＳＷ２を制御する。

このようにコンデンサＣ１への充電は回生運転時にのみ行われるため、例えば高速走行からの制動時のように回生電力が十分に得られる場合はコンデンサＣ１を十分に充電できるが、渋滞時のように低速走行と停車を繰り返す場合は、回生電力でコンデンサＣ１を十分に充電できない可能性がある。この場合、特に大排気量のエンジンを有する車両では、バッテリＥｂのみでのモータＭ１の駆動が多くなるので、バッテリＥｂの電圧低下が大きくなり、再始動に時間がかかるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、モータＭ１の力行運転時に安定した高電圧を供給することと、簡単な構成で高信頼性と高効率を同時に満たすことができる電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電源装置は、バッテリと、前記バッテリに直列に接続された蓄電部と、前記バッテリを入力源とし前記蓄電部の充放電を行うように接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、力行運転を行うとともに、回生運転によって発電を行うモータと、前記モータに接続され、前記モータの前記力行運転時には電力供給を行い、前記回生運転時には回生電力を変換する電力変換器と前記電力変換器との接続を前記バッテリと前記蓄電部の直列回路または前記バッテリのみのいずれか一方に切り替えるスイッチと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ、スイッチ、および電力変換器に接続された制御回路を備え、前記モータが前記回生運転を行っている時は、前記スイッチを前記バッテリ側に接続し、前記モータが前記力行運転を行っている時は、前記スイッチを前記直列回路側に接続し、前記蓄電部の放電分を、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより充電するようにしたものである。

本発明の電源装置によれば、モータの回生運転時にはスイッチをバッテリ側に接続し、蓄電部への充電はＤＣ／ＤＣコンバータにより行われるので、電力変換器の出力電圧を可変する必要がない。従って、電力変換器の構成が簡単になる。 また、ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させることにより、蓄電部のみへの充電を任意に行うことができるので、回生電力を回収でき、高効率が得られる。

また、スイッチはモータの回生運転と力行運転が変わる時にのみに切り替えればよいので切り替えの回数も少なく、電流も流れていない状態での切り替えが可能であるため、スイッチの高信頼性が得られる。

さらに、モータの力行運転時にはバッテリと蓄電部の直列回路から電力を供給するので、バッテリの電圧低下分を蓄電部で補うことができ、安定した高電圧を供給できる。

これらのことから、安定した高電圧の供給と、簡単な構成で高信頼性と高効率を同時に満たすことができる電源装置を実現することができる。

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１）
図１は、本発明の実施の形態１における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１における電源装置の動作を示すフローチャートである。なお、図１において太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。また、本実施の形態１では電源装置をモータ走行と電力回生が可能なハイブリッド車に適用した場合について述べる。

図１において、電源装置１１は次の構成を有する。まず、車両に搭載されたバッテリ１３の正極には蓄電部１５が直列接続され、直列回路１６を形成している。蓄電部１５は二次電池や大容量キャパシタ等の蓄電素子から構成される。

バッテリ１３と蓄電部１５の接続点にはＤＣ／ＤＣコンバータ１７の入力端子１９が接続されている。また、蓄電部１５の他方の端子にはＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力端子２１が接続されている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７のグランド端子２３はバッテリ１３の負極と共通のグランドに接続されている。このように接続することで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７はバッテリ１３側を入力源とし、蓄電部１５を充放電することができる。

バッテリ１３には並列に負荷２５が接続されている。負荷２５は車両に搭載された各種電装品である。

直列回路１６と出力端子２１の接続点にはスイッチ２９の第１端子３１が接続されている。また、バッテリ１３の正極にはスイッチ２９の第２端子３３が接続されている。従って、スイッチ２９は直列回路１６、またはバッテリ１３のいずれか一方に切り替えることができる構成となる。なお、本実施の形態１ではスイッチ２９としてリレーを用いた。

スイッチ２９の出力である共通端子３５には、電力変換器３６を介して力行運転や回生運転のできるモータ３７が接続されている。電力変換器３６はモータの駆動や回生電力の変換を行うものであり、一般的にインバータ回路から構成される。なお、蓄電部１５への充電はＤＣ／ＤＣコンバータ１７により行われる構成であるので、電力変換器３６は出力電圧を可変する必要がない。従って、簡単な構成とすることができる。また、モータ３７は電力の供給を受けて力行運転を行うとともに、車両制動時には回生運転により発電を行う構成としている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１７、スイッチ２９、および電力変換器３６は信号系配線により制御回路３９に接続されている。制御回路３９はマイクロコンピュータと周辺回路で構成され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７からバッテリ１３や蓄電部１５に対する電圧電流特性値ＶＩを読み込むとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の動作を制御する制御信号ｃｏｎｔ、スイッチ２９の切り替え制御を行う切り替え信号ＳＷ、および電力変換器３６の制御を行うモータ制御信号Ｍｃｏｎｔを出力する。なお、モータ制御信号Ｍｃｏｎｔにより電力変換器３６を制御することで、モータ３７の駆動、停止等の制御を行うことができる。さらに、制御回路３９は図示しない車両側制御回路とも接続されており、様々な情報をデータ信号ｄａｔａにより交信している。

次に、電源装置１１の動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、車両エンジンの初期始動については、モータ３７をバッテリ１３で駆動してもよいし、蓄電部１５に十分な電力があれば直列回路１６で駆動してもよい。また、別途設けたスタータで行ってもよく、その方法を限定するものではない。

エンジンが始動して図２のフローチャートが実行されると、制御回路３９はスイッチ２９をバッテリ１３が接続された第２端子３３に切り替える（ステップ番号Ｓ１１）。その後、蓄電部１５の電力が十分に蓄えられているか否かを判断する（Ｓ１３）。十分な電力量とは、モータ３７を力行運転する際に必要な電力量のことであり、蓄電部１５としてキャパシタを用いた場合はこの端子電圧により容易に判定を行う事ができる。２次電池を用いる場合にはこの２次電池の電力の入出量を計測する事により求める必要がある。

もし、蓄電部１５の電力が十分でなければ（Ｓ１３のＮｏ）、制御回路３９はＤＣ／ＤＣコンバータ１７に対して蓄電部１５を充電するように制御信号ｃｏｎｔを送信する（Ｓ１５）。これを受け、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７は蓄電部１５の充電を行う。その後、Ｓ１３に戻り、蓄電部１５が十分な電力量になるまで充電を継続する。

蓄電部１５の電力が十分であれば（Ｓ１３のＹｅｓ）、蓄電部１５への初期充電が完了したことになるので、スタンバイの状態とする（Ｓ１６）。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を停止させる事も可能である。停止させる事により不要な電力消費を削減する事ができる。

次に、制御回路３９はモータ３７が力行運転を行っているか否かを判断する（Ｓ１７）。なお、モータ３７の運転状態は車両側制御回路からのデータ信号ｄａｔａにより得ることができる。また、モータ３７の回生運転と力行運転の切り替えは、車両側制御回路からのデータ信号ｄａｔａにより、制御回路３９からモータ制御信号Ｍｃｏｎｔを電力変換器３６に送信することにより行われているが、これらの制御は図２のフローチャートでは省略している。

力行運転を行う場合（Ｓ１７のＹｅｓ）、制御回路３９はスイッチ２９を直列回路１６側、すなわち第１端子３１側に切り替える（Ｓ１８）。これにより、モータ３７へはバッテリ１３と蓄電部１５の直列回路１６の電力が電力変換器３６を介して供給され、モータ３７の力行運転が実行される。

次に、力行運転が継続するとバッテリ１３と蓄電部１５の放電が進む。そこで制御回路３９は蓄電部１５の電力が十分であるか否かを判断する（Ｓ１９）。この判断はＳ１３と同じ動作である。もし、蓄電部１５の電力が十分であれば（Ｓ１９のＹｅｓ）、Ｓ１７に戻り力行運転を継続する。一方、モータ３７の力行運転により蓄電部１５が放電し、蓄えられている電力が十分でない状態であれば（Ｓ１９のＮｏ）、力行運転を停止させる（Ｓ２０）。その後、Ｓ１７に戻るのであるが、Ｓ２０で力行運転を停止させているので、Ｓ１７では力行運転を行っていない状態（Ｓ１７のＮｏ）となる。なお、この状態はモータ３７が回生運転を行っている場合も含まれる。

力行運転を停止している期間（回生運転期間を含む）は、スイッチ２９をバッテリ１３側、すなわち第２端子３３側に切り替える（Ｓ２５）。この力行運転停止期間中に蓄電部１５の電力判定を行い、蓄電部１５の電力が十分でなければ（Ｓ２６のＮｏ）、制御回路３９はＤＣ／ＤＣコンバータ１７に対し、蓄電部１５を充電するように制御信号ｃｏｎｔを送信する（Ｓ２７）。これを受け、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７は蓄電部１５を充電する。なお、この充電はモータ３７が回生運転を行っている期間に実施する事が効果的である。これは、通常、回生電力はバッテリ１３の充電と負荷２５への供給しかできないが、本実施の形態１では蓄電部１５の充電にも利用する事が可能であるからである。その後、Ｓ２６に戻る。

一方、蓄電部１５の電力が十分であれば（Ｓ２６のＹｅｓ）、Ｓ１７に戻って、以後の動作を繰り返す。

このように、回生運転時にはスイッチ２９をバッテリ１３側に切り替えることで、回生電力を負荷２５に供給するとともに、バッテリ１３の充電と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７により蓄電部１５の電力量が十分になるまで蓄電部１５の充電を行うことができるので、回生電力を最大限に有効活用でき、車両全体としての効率を向上することができる。

また、モータ３７が回生運転か力行運転かの判定（Ｓ１７）によるスイッチ２９の切り替えを電力変換器３６の動作前に実施する事で、スイッチ２９を流れる電流がほぼ０Ａの状態で切り替えが可能となる。従って、従来のように充電電流が流れている状態でのスイッチ２９の切り替えを行わないので、スイッチ２９の信頼性が向上する。

ここまで説明した電源装置１１の動作をまとめると、次のようになる。制御回路３９は、モータ３７が回生運転を行っている時は、スイッチ２９をバッテリ１３側に接続し、モータ３７が力行運転を行っている時は、スイッチ２９を直列回路１６側に接続し、力行運転により蓄電部１５が放電すれば、その放電分をＤＣ／ＤＣコンバータ１７により蓄電部１５に充電する。

なお、蓄電部１５の充電は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７により、蓄電部１５のみへの充電を任意に行うことができる。従って、モータ３７の回生運転時に蓄電部１５の充電を行うことが制動エネルギーを活用できるので効率的であるが、モータ３７が軽負荷状態下での力行運転時や、モータ３７の停止時等に蓄電部１５の充電を行ってもよい。このように動作することで、蓄電部１５が放電した後、できるだけ早く充電して、次回の高負荷力行運転に備えることが可能となる。但し、この場合は蓄電部１５をバッテリ１３の電力で充電することになるので、バッテリ１３の電力量が十分な状態の時に蓄電部１５を充電すればよい。

以上の構成、動作により、安定した高電圧の供給と、簡単な構成で高信頼性と高効率を同時に満たすことができる電源装置１１を実現することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における電源装置のブロック回路図である。図４は、本発明の実施の形態２における電源装置の動作を示すフローチャートである。なお、図３においても太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。また、本実施の形態２では、電源装置をアイドリングストップ車に適用した場合について説明する。

図３において、実施の形態１の図１と同じ構成要素には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。すなわち、本実施の形態２における構成上の特徴は、以下の通りである。

１）蓄電部として急速充放電特性に優れるキャパシタ５１を用いた。これにより、アイドリングストップ後のエンジン再始動時において、モータ３７を力行運転する際に必要となる急峻な大電流を十分に供給することができる。なお、本実施の形態２では、キャパシタ５１として大容量の電気二重層キャパシタを用いた。

２）キャパシタ５１と並列にダイオード５３を接続した。接続方向は図３に示す通り、アノードがバッテリ１３側になるようにしている。これにより、例えばエンジン再始動が正常に完了せずに大電流が流れ続けることによる蓄電部への逆電圧の印加を防止することができる。

３）バッテリ１３に状態検出手段５５を接続した。また、バッテリ１３の近傍に温度センサ５７を配し、温度センサ５７の出力が状態検出手段５５に入力されるようにした。状態検出手段５５は、バッテリ１３の電圧電流特性から充電状態や劣化状態を、温度センサ５７から温度を、それぞれ求め、バッテリ１３の状態信号ＳＯＨとして制御回路３９に送信する。これにより、バッテリ１３の状態に応じてキャパシタ５１の充電電圧を変化させる制御が可能となる。

上記以外の構成は図１と同じである。

次に、本実施の形態２における電源装置の動作について図４により説明する。なお、図４において、実施の形態１の図２と同じ動作には同じステップ番号を付して詳細な説明を省略し、異なる動作について説明する。また、図２で蓄電部と記載された部分は、図４ではキャパシタに変更している。

図４において、Ｓ１１からＳ１６までに示すキャパシタ５１の初期充電動作は図２と同じである。Ｓ１６の後、制御回路３９は、車両がアイドリングストップを実施するかどうかを判定する。キャパシタ５１の充電状態もその判断要素の一つであるがバッテリ１３の充電状態やエンジンの温度、車両の停止状態など様々な判断要素に基づきアイドリングストップするか否かを判定する（Ｓ５０）。なお、これらの判断要素の一部は車両用制御回路から得られる。

アイドリングストップが実施された場合（Ｓ５０のＹｅｓ）、車両のエンジンは停止状態となり、モータ３７も停止状態となる。この間にスイッチ２９の接続をバッテリ１３とキャパシタ５１の直列回路１６に切り替える（Ｓ５３）。なお、エンジン停止中の負荷２５への電力供給はバッテリ１３から行う。

この後、車両側制御回路は、ドライバーがブレーキを解除するなどの判定要素に基づきエンジンの再始動を行う。このエンジンの再始動はモータ３７の力行運転により行われる。この時、モータ３７にはバッテリ１３とキャパシタ５１の直列回路１６から電力変換器３６を介して電力供給がなされる。従って、バッテリ１３単独よりも高い電圧を印加することができるので、モータ３７の駆動能力が向上し、エンジンの再始動時間を短縮する事が可能となる。

制御回路３９は、エンジンの始動を判定し（Ｓ５４）、エンジンが始動していなければ（Ｓ５４のＮｏ）、始動するまでＳ５４に戻る。エンジンが始動すれば（Ｓ５４のＹｅｓ）、制御回路３９はスイッチ２９をバッテリ１３側に切り替える（Ｓ５５）。エンジン始動後はモータ３７が回生運転となり、この回生電力はバッテリ１３の充電および負荷２５への電力として供給される。その後、Ｓ５０に戻るのであるが、この時、エンジンは始動しているので、Ｓ５０ではアイドリングストップ状態ではないことになる（Ｓ５０のＮｏ）。従って、エンジンが始動するとキャパシタ５１も放電されているので、制御回路３９はキャパシタ５１の電力判定を行い（Ｓ５７）、電力が不足していれば（Ｓ５７のＮｏ）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７によりキャパシタ５１の充電が行われる（Ｓ５９）。その後、Ｓ５７に戻る。

キャパシタ５１の電力が十分な状態になると（Ｓ５７のＹｅｓ）、再度アイドリングストップ判定（Ｓ５０）に戻る。

なお、Ｓ５９でキャパシタ５１を充電する際、制御回路３９はバッテリ１３の状態検出手段５５からバッテリ１３の温度、充電状態、劣化状態を読み込むことで、バッテリ１３の状態に応じてキャパシタ５１の充電電圧を変化させるよう制御する。具体的には次のようにして制御する。エンジンを再始動する際に、モータ３７には大電流が流れるが、これによりバッテリ１３の電圧低下が起こる。この電圧低下幅は現在のバッテリ１３の内部抵抗値によって決まる。そこで、状態検出手段５５からの温度、充電状況、劣化状況から推測される内部抵抗値の情報を基に電圧低下幅を求め、それを補うために必要なキャパシタ５１の充電電圧を決定する。例えば、内部抵抗値が大きくなれば、電圧低下幅も大きくなるので、その分、キャパシタ５１の充電電圧を高く決定する。このようにしてキャパシタ５１の充電を行うので、バッテリ１３が劣化して徐々に内部抵抗値が大きくなったり、温度が変化して内部抵抗値が変動しても、安定した電力を供給できるので、モータ３７が力行運転しエンジンを再始動する場合も安定した再始動性が得られる。

このような動作によって、電源装置１１をアイドリングストップ車に適用しても安定した高電圧の供給が可能となるので、高速なエンジン再始動ができる。

なお、本実施の形態２ではモータ３７が力行運転した後に、キャパシタ５１が放電した電力を直ちに充電して次回のアイドリングストップに備えるように動作しているが、これは、実施の形態１と同様に、モータ３７が回生運転を行った時に優先してキャパシタ５１を充電するようにしてもよい。これにより、さらに高効率な電源装置１１を実現できる。

また、モータ３７の力行運転時に必要な電力より多くの電力を、回生運転時にキャパシタ５１に充電する構成としてもよい。これにより、さらに多くの回生電力をキャパシタ５１に充電することができ、効率が向上する。

なお、この場合はモータ３７が力行運転を行っても、キャパシタ５１に電力が余ることになるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７によるキャパシタ５１の充電後で、かつモータ３７が回生運転を行っていない時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７によりキャパシタ５１の蓄積電力をバッテリ１３へ放電すればよい。従って、キャパシタ５１の蓄積電力放電中はモータ３７からの発電電力が不要になるので、エンジンの負担を軽減することができ、高効率が得られる。なお、キャパシタ５１は、モータ３７の力行運転時に必要な電圧まで放電される。この電圧は前記したようにバッテリ１３の状態検出手段５５から出力された情報に基づいて決定される。

また、本実施の形態２ではスイッチ２９として３端子構造のリレーを用いたが、これは２個の２端子構造リレーを組み合わせるようにしてもよい。これにより、特にアイドリングストップ車のように力行運転時にスイッチ２９に流れる電流が回生運転時に流れる電流より数倍大きい場合、それぞれの電流容量に応じたスイッチ２９を選定することができる。具体的には、例えば力行運転時の電流が６００Ａで、回生運転時の電流が１００Ａであったとすると、直列回路１６と電力変換器３６の間に接続される第１スイッチは電流容量が６００Ａ程度のものを用い、バッテリ１３と電力変換器３６の間に接続される第２スイッチは電流容量が１００Ａ程度のものを用いればよい。これにより、最適なスイッチ構成にすることができるので、スイッチ２９の信頼性が高まる。

以上の構成、動作により、アイドリングストップ車に適用しても、安定した高電圧の供給と、簡単な構成で高信頼性と高効率を同時に満たすことができる電源装置１１を実現することができる。

なお、実施の形態２において、キャパシタ５１には電気二重層キャパシタを用いたが、これは電気化学キャパシタ等の他のキャパシタでもよい。

（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における電源装置のモータ回生時、および非動作時のブロック回路図である。図６は、本発明の実施の形態３における電源装置のモータ力走時のブロック回路図である。なお、図５、図６においても太線は電力系配線を、細線は信号系配線をそれぞれ示す。また、本実施の形態３でも、電源装置をアイドリングストップ車に適用した場合について説明する。

図５、図６において、実施の形態１の図１と同じ構成要素には同じ符号を付して詳細な説明は省略する。すなわち、本実施の形態３における構成上の特徴は、以下の通りである。

１）ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の入力端子１９と出力端子２１、蓄電部１５、および、負荷２５に電気的に接続されるとともに、制御回路３９とも電気的に接続された切替器６１を設けた。

２）実施の形態２と同様に、蓄電部１５を電気二重層キャパシタで構成した。

上記以外の構成は図１と同じである。

ここで、切替器６１の詳細構成について、以下に説明する。

切替器６１は上記した接続により、負荷２５とバッテリ１３を電気的に接続するか、または切断する第１切替器６３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力端子２１を蓄電部１５、または負荷２５のいずれかに電気的に接続する第２切替器６５とから構成される。これらには、いずれもリレーを用いた。

第１切替器６３と第２切替器６５は制御回路３９と信号系配線で接続されており、制御回路３９からの第１切替信号ＳＷ１、および第２切替信号ＳＷ２により、それぞれ第１切替器６３と第２切替器６５の状態が切り替えられる。これにより、例えば図５に示すように、切替器６１において、第１切替器６３がオンで第２切替器６５が蓄電部１５側に切り替えられていると、負荷２５にはバッテリ１３の電力が供給されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を動作させることでバッテリ１３の電力を蓄電部１５に充電することができる。また、図６に示すように、切替器６１において、第１切替器６３がオフで第２切替器６５が負荷２５側に切り替えられていると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７を動作させることで、バッテリ１３の電圧を昇圧、かつ安定化して負荷２５に供給することができる。

次に、本実施の形態３の特徴となる動作について具体的に説明する。なお、ここで説明しない動作については実施の形態１と同じである。

まず、車両の通常走行時について説明する。この場合は、切替器６１は図５に示す状態となっている。また、スイッチ２９も図５に示すように第２端子３３に切り替えられている。ここで、モータ３７はアイドリングストップ後にエンジンが再始動を行うための力行運転と、減速時に回生電力を発電する回生運転を行うが、通常走行時においては、モータ３７はエンジンのトルクにより発電を行う。従って、図５に示す切替器６１の状態とすることで、負荷２５やバッテリ１３に電力を供給している。なお、この場合にバッテリ１３から負荷２５へはＤＣ／ＤＣコンバータ１７を介さずに電力が供給されるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７による損失がなく、高効率化が図れる。

次に、車両減速時の動作を説明する。制御回路３９は車両側制御回路から車両が減速していることをデータ信号ｄａｔａにより受信すると、モータ３７が発電した回生電力を有効に回収するために、バッテリ１３の電圧を昇圧して蓄電部１５を充電するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。なお、モータ３７の回生運転時を含む発電時には、バッテリ１３の電圧は電力変換器３６の出力電圧と等しくなるので、実質的には回生により発生した出力電圧を昇圧して蓄電部１５を充電することになる。さらに、この際に第１切替器６３はオンであるので、回生電力は直接負荷２５にも供給される。これらのことから、制動により発生した回生電力はバッテリ１３と蓄電部１５に充電されるとともに、負荷２５にも供給されるので、回生電力を有効に活用でき、車両の高効率化が図れる。

その後、車両が停止し、アイドリングストップ状態となっても、スイッチ２９や切替器６１の状態は図５のままである。従って、アイドリングストップ中はバッテリ１３の電力が負荷２５に供給される。

次に、アイドリングストップが終了し、車両が再度走行を開始する際の動作を説明する。運転者がブレーキペダルからアクセルペダルに踏み替えたことを車両側制御回路が検出すると、その情報がデータ信号ｄａｔａとして制御回路３９に送信される。これを受け、制御回路３９は、直ちに図６に示すように、スイッチ２９を第１端子３１側に切り替えるとともに、第１切替器６３をオフに、第２切替器６５を負荷２５側に切り替える。この状態で制御回路３９は電力変換器３６を制御してモータ３７を力行運転する。これにより、エンジンが再始動するのであるが、この際にモータ３７へはバッテリ１３と蓄電部１５の合計電圧が印加され、両者の電力で駆動する。従って、モータ３７の駆動直後に大電流が流れても、蓄電部１５からの電力供給が行われるため、バッテリ１３の電圧低下を抑制することができる。また、高電圧で駆動できるので、モータ３７に流れる電流を低減することも可能となる。

しかし、蓄電部１５によりバッテリ１３の電圧低下を抑制したとしても、若干の低下は依然として起こる。従って、負荷２５の内、電圧変動の許容範囲が狭いものについては、その動作が不安定になったり停止したりする可能性がある。そこで、本実施の形態３では、制御回路３９がモータ３７の力行運転中にＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御して、低下したバッテリ１３の電圧を昇圧することにより、出力端子２１の電圧が安定化するようにしている。その結果、モータ３７の力行運転時にも、負荷２５に安定した電圧が供給されるので、負荷２５は正常動作を継続することができる。

このように、実施の形態１、２ではＤＣ／ＤＣコンバータ１７を蓄電部１５の充電のみに使用していたが、本実施の形態３では、実施の形態１、２においてＤＣ／ＤＣコンバータ１７を使用しないモータ３７の力行運転時に、負荷２５に供給されるバッテリ１３の電圧を安定化するためにも使用しているので、切替器６１を追加するだけの簡単な回路構成でＤＣ／ＤＣコンバータ１７の有効活用が可能となる。

エンジンの再始動が完了すると、制御回路３９はスイッチ２９と切替器６１を図５の状態に戻す。以後、上記した動作を繰り返す。

なお、切替器６１は上記した状態以外にはならないように制御されている。すなわち、もし切替器６１が図５の状態で、第１切替器６３がオフになると、負荷２５への電力供給が停止してしまう。また、切替器６１が図５の状態で、第２切替器６５が負荷２５側に切り替えられると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の入力端子１９と出力端子２１が短絡した状態となり、蓄電部１５の充電ができなくなる。従って、制御回路３９は、これらの状態にならないように切替器６１を制御している。

以上の特徴となる動作をまとめると、次のようになる。制御回路３９は、モータ３７が回生運転を行っている時は、図５に示すように、バッテリ１３を負荷２５に接続するとともに、出力端子２１を蓄電部１５に接続するように切替器６１を切り替えて、バッテリ１３の電圧を昇圧して蓄電部１５を充電するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。モータ３７が力行運転を行っている時は、制御回路３９は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力端子２１を負荷２５に接続するように切替器６１を切り替えて、バッテリ１３の電圧を安定化して負荷２５に供給するようにＤＣ／ＤＣコンバータ１７を制御する。

以上の構成、動作により、モータ３７への安定した高電圧の供給と、簡単な構成で高信頼性と高効率を同時に満たすことができるとともに、モータ３７の力行運転時にも負荷２５に安定した電圧を供給できる電源装置１１を実現することができる。

なお、本実施の形態３において、切替器６１をリレーで構成したが、これは半導体スイッチの組み合わせで構成してもよい。これにより、機械的な接触部分がなくなるので、高信頼性が得られる。但し、大電流を消費する負荷２５の場合は、前記半導体スイッチで損失が発生するので、必要な電流容量に応じて、適宜最適な方を選択すればよい。

また、本実施の形態３では、第１切替器６３として、負荷２５とバッテリ１３を電気的に接続、または切断するリレーを用いているが、これは負荷２５側にカソードを、バッテリ１３側にアノードを、それぞれ接続したダイオードでもよい。この場合、バッテリ１３と負荷２５を電気的に完全に切断できないが、上記したような第１切替器６３と第２切替器６５の動作に限定しているので、第１切替器６３を前記ダイオードに置き換えることができる。これにより、上記した高信頼性の点で有利になるとともに、制御回路３９の制御も容易になる。但し、ダイオードは電圧降下に起因した損失が発生するため、負荷２５の消費電流が小電流であればダイオードを、大電流が必要であればリレーを、それぞれ適宜選択すればよい。

また、実施の形態１〜３において、スイッチ２９にリレーを用いたが、これは制御回路３９からの切り替え信号ＳＷにより第１端子３１と第２端子３３の切り替えが可能な構成のもの、例えば上記したように半導体スイッチでもよい。

また、実施の形態１〜３において、電源装置１１をハイブリッド車やアイドリングストップ車に適用した場合について説明したが、それに限定されるものではなく、電気車や燃料電池車等にも適用できる。さらに、車両に限定されるものではなく、エレベータやクレーン等のモータ駆動用電源装置としても適用できる。

本発明にかかる電源装置は、電圧低下を低減し、安定した高電圧を供給することができるので、特にアイドリングストップや制動力回生を行う燃費改善車両用の電源装置等として有用である。

本発明の実施の形態１における電源装置のブロック回路図 本発明の実施の形態１における電源装置の動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態２における電源装置のブロック回路図 本発明の実施の形態２における電源装置の動作を示すフローチャート 本発明の実施の形態３における電源装置のモータ回生時、および非動作時のブロック回路図 本発明の実施の形態３における電源装置のモータ力走時のブロック回路図 従来の電源装置のブロック回路図

１１ 電源装置
１３ バッテリ
１５ 蓄電部
１６ 直列回路
１７ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２９ スイッチ
３６ 電力変換器
３７ モータ
３９ 制御回路
５１ キャパシタ
５３ ダイオード
５５ 状態検出手段
６１ 切替器
６３ 第１切替器
６５ 第２切替器

Claims (9)

1. バッテリと、
   前記バッテリに直列に接続された蓄電部と、
   前記バッテリを入力源とし前記蓄電部の充放電を行うように接続されたＤＣ／ＤＣコンバータと、
   力行運転を行うとともに、回生運転によって発電を行うモータと、
   前記モータに接続され、前記モータの前記力行運転時には電力供給を行い、前記回生運転時には回生電力を変換する電力変換器と、
   前記電力変換器との接続を前記バッテリと前記蓄電部の直列回路または前記バッテリのみのいずれか一方に切り替えるスイッチと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ、スイッチ、および電力変換器に接続された制御回路を備え、
   前記モータが前記回生運転を行っている時は、前記スイッチを前記バッテリ側に接続し、
   前記モータが前記力行運転を行っている時は、前記スイッチを前記直列回路側に接続し、
   前記蓄電部の放電分を、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより充電することを特徴とする電源装置。
2. 少なくとも前記モータが前記回生運転を行っている時に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより、前記蓄電部を充電することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記蓄電部はキャパシタからなることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
4. 前記キャパシタと並列にダイオードを接続したことを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
5. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータによる前記キャパシタの充電後で、かつ前記モータが前記回生運転を行っていない時に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータにより前記キャパシタの蓄積電力を前記バッテリ側に放電することを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
6. 前記バッテリに状態検出手段を接続した構成を有し、
   前記制御回路は前記状態検出手段から出力される前記バッテリの状態に応じて、前記キャパシタの充電電圧を変化させることを特徴とする請求項３に記載の電源装置。
7. 前記スイッチは、前記直列回路と前記電力変換器の間に接続された第１スイッチと、
   前記バッテリと前記電力変換器の間に接続された第２スイッチとから構成されることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
8. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータの入力端子と出力端子、蓄電部、および、負荷に電気的に接続されるとともに、前記制御回路とも電気的に接続された切替器を備え、
   前記制御回路は、前記モータが前記回生運転を行っている時は、前記バッテリを前記負荷に接続するとともに、前記出力端子を前記蓄電部に接続するように前記切替器を切り替えて、前記バッテリの電圧を昇圧して前記蓄電部を充電するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、
   前記モータが力行運転を行っている時は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの前記出力端子を前記負荷に接続するように前記切替器を切り替えて、前記バッテリの電圧を安定化して前記負荷に供給するように前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
9. 前記切替器は、前記負荷と前記バッテリを電気的に接続、または切断する第１切替器と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの前記出力端子を、前記蓄電部、または前記負荷のいずれかに電気的に接続する第２切替器と、を備えることを特徴とする請求項８に記載の電源装置。

Images