JP2016141356A - 自動車用電源装置及び自動車用電源装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】オルタネータの出力電力の低下に基づくキャパシタの放電を抑制して、電力効率を向上させ得る自動車用電源装置を提供する。
【解決手段】オルタネータ１３から出力される回生電力を蓄電するキャパシタ１４と、オルタネータの出力電圧を変換してメインバッテリー１６及び負荷群１７に供給する電圧変換部２３を有するＤＣ／ＤＣコンバータ１５とを備えた自動車用電源装置において、回生動作時に、キャパシタ１４の放電電流Ｉｏを検出する第一の電流センサ１９と、第一の電流センサから出力される放電電流検出信号ｘ１の受信に基づいて、電圧変換部２３に供給される出力電圧設定値Ｃ２を低下させる制御部１８，２２を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、エネルギー回生システムを備えた自動車用電源装置及び自動車用電源装置の制御方法に関するものである。

近年、自動車の燃料消費量を低減するために、エネルギー回生システムを備えた自動車が実用化されている。回生システムの一例として、自動車の減速時の慣性エネルギーでオルタネータを作動させて発電した電力をキャパシタ及びメインバッテリーに蓄え、アイドリングストップに続くエンジンの再始動時に、キャパシタの蓄電電力でスターターモータを駆動するようにしたものがある。また、走行時にキャパシタの蓄電電力でモータを作動させて、エンジンの出力トルクを補うことも行われる。

このような動作により、充電効率に優れたキャパシタを活用して、メインバッテリーの電力消費が低減されるため、通常走行時にオルタネータの作動時間が短縮される。また、ハイブリッドシステムを備えた自動車では、キャパシタの電力で動作するモータでエンジンの出力トルクが補われるので、エンジンの負荷が低減されて、燃料消費量の低減が図られている。

図４は、上記のような回生システムを備えた自動車用電源装置の一例を示す。スターターモータ１とオルタネータ２の機能を備えたＩＳＧ（integrated starter generator）ユニット３で発電される電力はキャパシタ４に充電されるとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ５で降圧されてメインバッテリー６及び負荷群７に供給される。ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電力は、メインバッテリー６及び負荷群７で必要とする電力に基づいて電源制御ＥＣＵにより制御される。

そして、オルタネータ２は電源制御ＥＣＵの制御に基づいて主に減速時に作動し、その発電電力がキャパシタ４、メインバッテリー６及び負荷群７に供給される。
特許文献１には、変圧部の出力電流の異常を検出可能としたＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。

特許文献２には、出力電圧を安定化可能としたＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。

特開２０１２−６０７２３号公報 特開２００２−３１５３１３号公報

図５に示すように、上記のような自動車用電源装置では、回生動作時において、オルタネータ２の出力電力Ｑは自動車の速度が低下するにつれて低下する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５は電源制御ＥＣＵにより一定の出力電圧Ｖｃ、例えばメインバッテリー６に充電電流を供給するために１５Ｖの電圧で一定電力Ｐを出力するように制御される。

すると、オルタネータ２の出力電力ＱがＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電力Ｐより大きい領域Ａでは、オルタネータ２の出力電力Ｑに基づいてメインバッテリー６に充電電流が供給されるとともに、負荷群７に所要の電力が供給される。

一方、オルタネータ２の出力電力ＱがＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力電力Ｐより小さくなる領域Ｂでは、キャパシタ４の充電電力を使用して、メインバッテリー６に充電電流が供給される。

従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ５はオルタネータ２の出力電力Ｑが低下したとき、キャパシタ４からメインバッテリー６への電力の転送が行われ、電力効率が低下する。メインバッテリー６は、充電効率が劣る鉛バッテリーで構成されるためである。

また、自動車が回生動作に移行する度に、キャパシタ４では充電動作と放電動作が繰り返されるため、キャパシタ４が劣化し易いという問題点がある。
特許文献１及び特許文献２に開示されたＤＣ／ＤＣコンバータでは、回生システムに使用して、自動車の電力効率を向上させるようにする構成は開示されていない。

この発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、その目的はオルタネータの出力電力の低下に基づくキャパシタの放電を抑制して、電力効率を向上させ得る自動車用電源装置を提供することにある。

上記課題を解決する自動車用電源装置は、オルタネータから出力される回生電力を蓄電するキャパシタと、前記オルタネータの出力電圧を変換してメインバッテリー及び負荷群に供給する電圧変換部を有するＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた自動車用電源装置において、回生動作時に、前記キャパシタの放電電流を検出する第一の電流センサと、前記第一の電流センサから出力される放電電流検出信号の受信に基づいて、前記電圧変換部に供給される出力電圧設定値を低下させる制御部を備えたことを特徴とする。

この構成により、回生動作時にキャパシタからＤＣ／ＤＣコンバータに放電電流が流れると、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が下げられて、メインバッテリーへの充電電流が抑制される。

また、上記の自動車用電源装置において、前記ＤＣ／ＤＣコンバータからメインバッテリーに供給される充電電流を検出する第二の電流センサを備え、前記制御部は、前記放電電流検出信号と、前記第二の電流センサから出力される充電電流検出信号に基づいて、前記電圧変換部の出力電圧を前記メインバッテリーに前記充電電流が供給されないレベルに低下させることが好ましい。

この構成により、回生動作時にキャパシタからＤＣ／ＤＣコンバータに放電電流が流れると、ＤＣ／ＤＣコンバータからメインバッテリーへの充電電流が遮断される。
また、上記の自動車用電源装置において、前記制御部は、前記放電電流検出信号の受信に基づいて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに指令信号を出力する電源制御ＥＣＵと、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられ、前記指令信号に基づいて前記電圧変換部の出力電圧を低下させるマイコンを備えることが好ましい。

この構成により、回生動作時に第一の電流センサから放電電流検出信号が出力されるとともに、第二の電流センサから充電電流検出信号が出力されると、電源制御ＥＣＵとマイコンの動作により、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧が下げられて、メインバッテリーへの充電電流が遮断される。

また、上記課題を解決する自動車用電源装置の制御方法は、回生動作時にキャパシタの放電電流を検出したとき、前記放電電流に基づいてメインバッテリーに充電電流を供給するＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を低下させることを特徴とする。

この方法により、回生動作時にキャパシタの放電電流が流れると、ＤＣ／ＤＣコンバータからメインバッテリーへの充電電流が抑制される。
また、上記の自動車用電源装置の制御方法において、前記充電電流の検出に基づいて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を、前記充電電流が遮断される電圧まで低下させることが好ましい。

この方法により、回生動作時にキャパシタからＤＣ／ＤＣコンバータに放電電流が流れると、ＤＣ／ＤＣコンバータからメインバッテリーへの充電電流が遮断される。

本発明の自動車用電源装置によれば、オルタネータの出力電力の低下に基づくキャパシタの放電を抑制して、電力効率を向上させることができる。

自動車用電源装置を示すブロック図である。 第一の実施形態の動作を示す説明図である。 自動車用電源装置の動作を示すフローチャートである。 従来の自動車用電源装置を示す説明図である。 従来の自動車用電源装置の動作を示す説明図である。

以下、自動車用電源装置の一実施形態を図面に従って説明する。図１に示す自動車用電源装置のＩＳＧユニット１１は、スターターモータ１２とオルタネータ１３の機能を備え、オルタネータ１３として動作すると、その出力電力Ｑでキャパシタ１４が充電される。

また、オルタネータ１３から出力される出力電力Ｑは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５で降圧されて、メインバッテリー１６及び負荷群１７に供給される。
オルタネータ１３は、キャパシタ１４及びメインバッテリー１６の充電量に基づいて電源制御ＥＣＵ１８により制御され、主に自動車の減速時の慣性エネルギーに基づいて動作して発電する。

スターターモータ１２の動作は、エンジン制御ＥＣＵ（図示しない）により制御され、エンジンの始動時及びアイドリングストップに続くエンジンの再始動時に動作する。そして、常にはキャパシタ１４から供給される電力に基づいて動作する。

キャパシタ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１５との間には、第一の電流センサ１９が介在されている。この第一の電流センサ１９は、キャパシタ１４からＤＣ／ＤＣコンバータ１５に向かって流れる放電電流Ｉｏを検出し、その放電電流検出信号ｘ１を電源制御ＥＣＵ１８に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１５とメインバッテリー１６との間には、第二の電流センサ２０が介在されている。この第二の電流センサ２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５からメインバッテリー１６に流れる充電電流Ｉｃを検出し、その検出信号ｘ２を電源制御ＥＣＵ１８に出力する。

電源制御ＥＣＵ１８は、回生動作時に放電電流検出信号ｘ１と、充電電流検出信号ｘ２と、あらかじめ設定されたプログラムに基づいて動作して、キャパシタ１４の蓄電電力によるメインバッテリー１６の充電動作を阻止するように動作する。

具体的には、放電電流検出信号ｘ１の入力に基づいてキャパシタ１４の放電を抑制する放電抑制モードに移行する。そして、放電抑制モードでは検出信号ｘ２に基づいて、メインバッテリー１６への充電電流Ｉｃの流入を阻止するように、電圧変換部２３の出力電圧Ｖｃを下げるような指令信号Ｃ１をＤＣ／ＤＣコンバータ１５に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は、電源制御ＥＣＵ１８との間で通信動作を行う通信部２１と、あらかじめ設定されているプログラムに基づいて動作するマイコン２２と、マイコン２２から出力される出力電圧設定値Ｃ２により、ＰＷＭ制御のデューティ比を調整して出力電圧Ｖｃ及び出力電力Ｐを調整する電圧変換部２３を備えている。

そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５はオルタネータ１３の出力電圧を所定の電圧に降圧しながら、一定の出力電力Ｐをメインバッテリー１６及び負荷群１７に供給する。
次に、上記のようなＤＣ／ＤＣコンバータ１５を備えた自動車用電源装置の作用を説明する。

図２に示すように、回生動作時に自動車の速度の低下にともなってオルタネータ１３の出力電力Ｑは徐々に低下するが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５はあらかじめ設定された一定の出力電力Ｐを出力する。そして、その出力電力Ｐによりメインバッテリー１６が充電され、負荷群１７に所要の電力が供給される。

出力電力Ｑが出力電力Ｐより小さくなると、キャパシタ１４からＤＣ／ＤＣコンバータ１５に放電電流Ｉｏが流れ始める。すると、第一の電流センサ１９は放電電流Ｉｏを検出して放電電流検出信号ｘ１を電源制御ＥＣＵ１８に出力する。

電源制御ＥＣＵ１８は、放電電流検出信号ｘ１の受信に基づいて放電抑制モードに移行する。そして、放電抑制モードでは第二の電流センサ２０がメインバッテリー１６への充電電流を検出して検出信号ｘ２を出力していると、その検出信号ｘ２の受信に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５のマイコン２２に指令信号Ｃ１を出力する。

マイコン２２は、指令信号Ｃ１の受信に基づいて電圧変換部２３に出力電圧設定値Ｃ２を出力する。すると、電圧変換部２３ではＰＷＭ制御のデューティ比が変更されて、例えば電圧変換部２３が出力しようとする出力電圧Ｖｃが、約１５Ｖからメインバッテリー１６の通常の出力電圧である１２．８Ｖ程度まで低下するように制御される。

この結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力Ｐが下降して、オルタネータ１３の出力電力Ｑより小さくなる。この状態では、キャパシタ１４の放電電流Ｉｏ及びメインバッテリー１６への充電電流Ｉｃが遮断される。

この後は、オルタネータ１３の出力電力Ｑが低下しても、電圧変換部２３の出力電圧Ｖｃがメインバッテリー１６の出力電圧とほぼ同電位に維持されるので、オルタネータ１３の出力電力Ｑに関わらず、充電電流Ｉｃは遮断される。そして、負荷群１７にはほぼメインバッテリー１６から所要の電力が供給される。

図３は、上記のような回生動作時における自動車用電源装置の動作を示す。回生動作時に電源制御ＥＣＵ１８はオルタネータ１３に発電指示を行い（ステップ１）、第一及び第二の電流センサ１９，２０からの放電電流検出信号ｘ１と充電電流検出信号ｘ２の有無を検知する。

オルタネータ１３の出力電力ＱがＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電力より大きい状態では、放電電流検出信号ｘ１は出力されず、検出信号ｘ２のみが出力されている。そして、放電電流検出信号ｘ１を検知すると、放電抑制モードに移行し（ステップ３）、検出信号ｘ２を検知可能か否かを判定する（ステップ４）。

ステップ４で検出信号ｘ２を検知すると、キャパシタ１４の放電電流Ｉｏを使用してメインバッテリー１６に充電電流Ｉｃが供給されている状態であるので、電源制御ＥＣＵ１８はＤＣ／ＤＣコンバータ１５の出力電圧Ｖｃを下げさせるような指令信号Ｃ１を出力する。

すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５ではマイコン２２から電圧変換部２３に出力される出力電圧設定値Ｃ２が調整されて、出力電圧Ｖｃが下げられる（ステップ５）。この結果、キャパシタ１４からの放電電流Ｉｏ及びメインバッテリー１６への充電電流Ｉｃが遮断される。

回生動作が終了した後、通常走行に復帰すると、指令信号Ｃ１及び出力電圧設定値Ｃ２はリセットされ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１５は通常の出力電圧Ｖｃ及び出力電力Ｐを出力する状態に復帰する。

上記のような自動車用電源装置では、次に示す効果を得ることができる。
（１）回生動作時に、キャパシタ１４からＤＣ／ＤＣコンバータ１５を介してメインバッテリー１６に供給される充電電流Ｉｃを遮断することができる。従って、キャパシタ１４の充電電力をメインバッテリー１６に転送する際に生じる電力損失の発生を防止して、自動車用電源装置の電力効率を向上させることができる。
（２）回生動作時に、キャパシタ１４の蓄電電力の消費を抑制することができるので、回生動作に続くエンジンの再始動時等のために、キャパシタ１４の蓄電電力を確実に確保することができる。
（３）回生動作時に、キャパシタ１４の蓄電電力の消費を抑制することができるので、キャパシタ１４を充電するために回生動作時以外にオルタネータ１３を作動させる必要がない。従って、燃費低減効果を確保することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・放電電流検出信号ｘ１と充電電流検出信号ｘ２に基づいて、電源制御ＥＣＵ１８でＤＣ／ＤＣコンバータの電圧変換部２３を直接に制御してもよい。

１３…オルタネータ、１４…キャパシタ、１５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６…メインバッテリー、１７…負荷群、１８…制御部（電源制御ＥＣＵ）、１９…第一の電流センサ、２０…第二の電流センサ、２２…制御部（マイコン）、２３…電圧変換部、ｘ１…放電電流検出信号、ｘ２…充電電流検出信号、Ｉｏ…放電電流、Ｉｃ…充電電流、Ｖｃ…出力電圧、Ｃ１…指令信号、Ｃ２…出力電圧設定値。

Claims (5)

1. オルタネータから出力される回生電力を蓄電するキャパシタと、
   前記オルタネータの出力電圧を変換してメインバッテリー及び負荷群に供給する電圧変換部を有するＤＣ／ＤＣコンバータと
   を備えた自動車用電源装置において、
   回生動作時に、前記キャパシタの放電電流を検出する第一の電流センサと、
   前記第一の電流センサから出力される放電電流検出信号の受信に基づいて、前記電圧変換部に供給される出力電圧設定値を低下させる制御部と
   を備えたことを特徴とする自動車用電源装置。
2. 請求項１に記載の自動車用電源装置において、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータからメインバッテリーに供給される充電電流を検出する第二の電流センサを備え、
   前記制御部は、前記放電電流検出信号と、前記第二の電流センサから出力される充電電流検出信号に基づいて、前記電圧変換部の出力電圧を前記メインバッテリーに前記充電電流が供給されないレベルに低下させることを特徴とする自動車用電源装置。
3. 請求項２に記載の自動車用電源装置において、
   前記制御部は、
   前記放電電流検出信号の受信に基づいて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに指令信号を出力する電源制御ＥＣＵと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータに設けられ、前記指令信号に基づいて前記電圧変換部の出力電圧を低下させる出力電圧設定値を出力するマイコンと
   を備えたことを特徴とする自動車用電源装置。
4. 回生動作時にキャパシタの放電電流を検出したとき、前記放電電流に基づいてメインバッテリーに充電電流を供給するＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を低下させることを特徴とする自動車用電源装置の制御方法。
5. 請求項４に記載の自動車用電源装置の制御方法において、
   前記充電電流の検出に基づいて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を、前記充電電流が遮断される電圧まで低下させることを特徴とする自動車用電源装置の制御方法。