JP4277727B2 - 車両用電源システム - Google Patents

Description

本発明は、発電機に接続された第一バッテリと電気負荷に接続されて第一バッテリより開放端子電圧が低い第二バッテリと、前記の二つのバッテリを接続しているシリーズレギュレータとからなる車両の電気回路において、シリーズレギュレータを制御して給電効率、燃費効果を向上する車両用電源システムに関する。

エンジンに連動する発電機に電気負荷が直接接続されている場合、電気エネルギーの回生効果を高めるために減速時に発電電圧を高くする等発電電圧を変動させるとヘッドランプなどにおいて電圧変動が明暗に現れたり、ヘッドランプの寿命を縮める等の好ましくない影響がある。
その対策として、ＤＣ／ＤＣコンバータを通して電気負荷に給電する方法が考案されているが、車両全体の電気負荷に給電可能な大容量のチョッパー式のＤＣ／ＤＣコンバータは体格が大型で、また、高価格でもある。
上記の問題点を解決する低コストの電源システムとして、発電機の発電電圧をシリーズレギュレータを介して電気負荷に給電する方法がある。

前述のように、シリーズレギュレータにより電気負荷に供給する電圧を一定に保つ方法は、低コストでもあり有効な手段であるが、次のような問題点がある。
シリーズレギュレータによって電圧を調節して電気負荷に給電するときの給電効率は、図２に示すようにシリーズレギュレータの入出力間の電位差に比例する。ここで、給電効率とはシリーズレギュレータへの入力電力に対するシリーズレギュレータからの出力電力（電気負荷への供給電力）の比をさすもので、シリーズレギュレータの入出力間の電位差が大きいほど給電効率は低下する（悪くなる）。
すなわち、給電効率の低下分はシリーズレギュレータ内で消費されて発熱するので、電気負荷に大電力を供給する場合、入出力間の電位差が大きい給電効率が悪い点で動作させると、シリーズレギュレータの発熱が大きく、回路を構成する素子の誤動作、故障、最悪の場合は発火のおそれもある。
本発明は上記の実状に鑑み開発されたもので、電気負荷の量に応じてシリーズレギュレータの入出力間の電位差を制御することにより、シリーズレギュレータを保護するとともに給電効率と燃費効果を向上させた電源システムを提供することを課題としている。

このような課題を解決するための手段として、請求項１の発明は、車両のエンジンにより駆動される発電機に接続された第一バッテリと、電気負荷に接続されて第一バッテリより開放端子電圧が低い第二バッテリと、第一バッテリと第二バッテリとを接続し、出力電圧が変動する発電機の出力を第二バッテリ側に一定の電圧として出力するシリーズレギュレータとで構成されている車両の電源システムにおいて、電気負荷の負荷量と、シリーズレギュレータの温度と、シリーズレギュレータの出力電圧とを検出する検出手段と、検出手段の検出値である、電気負荷の負荷量と、シリーズレギュレータの温度から求められるシリーズレギュレータを構成する素子の素子許容損失と、シリーズレギュレータの出力電圧とからシリーズレギュレータの入力上限電圧を算出して、シリーズレギュレータの入力電圧を制御する制御手段を具備している構成とした。
従って、発電機の電力は、シリーズレギュレータを介して電気負荷に供給されることとなるので安定した電圧値に制御されて給電されることになる。また、電気負荷の負荷量とシリーズレギュレータの温度及び出力電圧値とを常に検出して、制御手段において、シリーズレギュレータの最大許容損失を算出し、それに基づきシリーズレギュレータの入出力間電圧を最大許容損失以下になるように制御しているので、シリーズレギュレータの安定した動作が確保され、さらに、電源システム全体の給電効率の向上と車両の燃費効果の向上が図れる。

請求項２の発明は、請求項１の車両用電源システムにおいて、制御手段は、シリーズレギュレータの温度と出力電圧及び電気負荷の負荷量により変化するシリーズレギュレータの入力電圧の入力上限電圧値から決定されるシリーズレギュレータの入出力間の電位差の許容値に基づいて、シリーズレギュレータの入出力間の電位差を変える構成としている。
電気負荷の負荷量とシリーズレギュレータの温度の検出値から、シリーズレギュレータの最大許容損失が算出され、それに従いシリーズレギュレータの入出力間の電位差の許容値を決定し、その電位差の許容値に基づき入出力間の電位差を制御するが、その電位差は発電機の出力電圧を制御して、シリーズレギュレータの入力電圧を変えることで制御されるので電気負荷への供給電力である出力電圧値は変化がなく安定した電力供給が可能となる。

請求項３の発明は、請求項２の車両用電源システムにおいて、シリーズレギュレータの入力上限電圧値は、シリーズレギュレータの温度の検出値に基づいて求められるシリーズレギュレータを構成する素子の素子許容損失、シリーズレギュレータの出力電圧の検出値及び電気負荷の負荷量の検出値から制御手段において算出される構成となっている。
上記のように、シリーズレギュレータの入力上限電圧値は、常にシリーズレギュレータと電気負荷の状態の監視データに基づいて更新され、制御されていくので、本発明はシリーズレギュレータの保護とともに、給電効率及び燃費効果の向上につながる。

請求項４の発明は、請求項１の車両用電源システムにおいて、シリーズレギュレータの入力電圧の制御は、制御手段が発電機の出力電圧を制御することにより行われる構成としている。
シリーズレギュレータの入出力電圧差の制御は、電気負荷の負荷電流が変動すること、シリーズレギュレータの温度が変動すること等からシリーズレギュレータのみで行うと制御が複雑になる。しかし、シリーズレギュレータの入力電圧を制御して出力電圧を安定した電圧に制御する場合は、発電機の出力を制御することにより容易にシリーズレギュレータの入出力電圧差を制御することができるという効果がある。

請求項５の発明は、請求項４の車両用電源システムにおいて、発電機の出力電圧の制御は、シリーズレギュレータの入力上限電圧値を超えない範囲で出力電圧を上げるものとする。
すなわち、本発明ではシリーズレギュレータと電気負荷の情報に基づいて常にシリーズレギュレータの最大入力電圧が算出されているので、車両減速時等には発電機の出力電圧をシリーズレギュレータの入力電圧限界値までもっていくことでエネルギー回生を最大値まで高めることができるので車両としての高い燃費効果を得ることができる。

請求項６の発明は、前述の請求項１〜５の車両用電源システムにおいて、第一バッテリと第二バッテリとの間にシリーズレギュレータと並列に接続されたスイッチが設けられていて、かつ、そのスイッチは制御手段により開閉を制御される構成となっている。
従って、電気負荷の要求電力がシリーズレギュレータの最大許容電力以上になったときには、制御手段がスイッチを閉じて発電機から直接電気負荷に電力を供給することができるので、シリーズレギュレータを保護すると同時に電気負荷への電力供給を継続することができる。

請求項７の発明は、前述の請求項１〜６の車両用電源システムにおいて、制御手段は、発電機に付属している発電機の制御システムとは、空間的に離れた位置に独立して設置されている構成となっている。
従って、発電機の機械的な振動の影響を少なくすることにより、制御手段を構成する機器の故障を少なくし、動作の信頼性を高めることができる。

請求項８の発明は、前述の請求項１〜７の車両用電源システムにおいて、検出手段による電気負荷の負荷量の検出は、電流検出手段による直接的な検出、各電気負荷の稼動状態から推定することによる検出、もしくはシリーズレギュレータを構成する素子への指令値から推定することによる検出のいずれかによって行われる構成としている。
従って、車両の電源システムの状況に応じた、より正確な電気負荷の負荷量の検出データを得られる検出手段を選択することできる。

本発明は以上説明したものであるから、次に述べるような効果がある。
電気負荷の負荷量及びシリーズレギュレータの温度を常に検知し、監視しながらシリーズレギュレータの能力を最大限に発揮するようにシリーズレギュレータの入力電圧を制御しているので、電源システムの給電効率を向上させ、さらに、車両の燃費効果の向上にもつながる。また、シリーズレギュレータの発熱による誤動作、故障、破損等の防止にも効果が大きい。

以下、本発明を適用した実施例を説明する。
図１は本発明を適用した一実施例の構成を示すブロック図である。図１において、車両のエンジン（図示せず）と連結して駆動される発電機１の出力は第一バッテリ２の正極並びにシリーズレギュレータ４の入力端に接続されている。シリーズレギュレータ４の出力端は第二バッテリ３の正極並びに電気負荷６に接続されている。また、発電機１と第一バッテリ２および第二バッテリ３の負極は接地されている。さらに、スイッチ５が第一バッテリ２と第二バッテリ３との間にシリーズレギュレータ４と並列に接続されている。
従って、本発明の電源システムはシリーズレギュレータ４またはスイッチ５を介して電気負荷６に発電機１からの電力を供給するように構成されている。
そして、発電機１、シリーズレギュレータ４及びスイッチ５を制御するために制御手段７が設けられていて、発電機１、シリーズレギュレータ４及びスイッチ５に接続されている。また、制御手段７には、シリーズレギュレータ４の温度を検出する温度検出器８、シリーズレギュレータ４の出力電圧を検出する出力電圧検出器９及び電気負荷量検出器１０が接続されている。

次に、図１に示した実施例の動作について説明する。
車両の通常の走行状態では、発電機１はエンジンにより駆動されて交流電力を発生する。発電機１は、整流装置を搭載している。発電機１により発電された交流電力は、整流装置によって全波整流され、直流電力として出力される。出力された直流電力は、シリーズレギュレータ４の入力端並びに第一バッテリ２に加えられる。このとき、スイッチ５は開いた状態にあり、シリーズレギュレータ４に加えられた電力は、制御手段７からの指令によりシリーズレギュレータ４において所定の出力電圧とされて電気負荷６が接続されている第二バッテリ３へと出力される。
制御手段７においては、温度検出器８、出力電圧検出器９及び電気負荷量検出器１０からのデータと制御手段７に記憶しているシリーズレギュレータ４を構成している素子の素子許容損失に基づいて入力上限電圧を算出し、発電機１へ出力電圧を指令する。
次に、電気負荷６の負荷電力の要求が大きい、シリーズレギュレータ４の温度が高い等の条件が重なり、負荷電力の要求がシリーズレギュレータ４を構成する素子の素子許容損失以上となったときには、制御手段７はスイッチ５を閉じる指令を送り、スイッチ５は閉じられる。従って、発電機１からシリーズレギュレータ４を通さず、スイッチ５を介して直接電気負荷６に電力が供給されるのでシリーズレギュレータ４を異常な発熱から保護すると同時に、電気負荷６の正常な動作を保証することができる。

図１に示した電源システムのシリーズレギュレータ４の入力上限電圧の算出処理について具体的に述べる。
図３は図１のシリーズレギュレータ４と電気負荷６の入出力電圧と電流の関係を示したものである。なお、シリーズレギュレータ４の内部は図４に示す構成となっており、前述の素子とは素子４１をさしている。この素子４１は、半導体素子であって、トランジスタを用いることができる。
図３において、入力電圧をＶｉ、出力電圧をＶｏ、給電電流をＩｏ、電気負荷電力をＰｌ、素子許容損失をＰｅ、素子温度をＴｅとすると次式が成り立つ。
Ｖｉ＝（Ｐｅ／Ｉｏ）＋Ｖｏ＝Ｐｅ×（Ｖｏ／Ｐｌ）＋Ｖｏ………（１）
ここで、Ｖｏ及びＰｌは図１に示されているように、出力電圧検出器９及び電気負荷量検出器１０によって検出されている。
検出されるデータを次の条件として入力電圧（Ｖｉ）を算出すると以下のようになる。
Ｖｏ＝１３．８Ｖ
Ｐｌ＝４１４Ｗ
Ｔｅ＝１００℃
ここで、Ｐｅは次のようにして求められる。素子の温度が１００℃、Ｖｏが１３．８Ｖであるので、図５に示すようにＰｅは６０Ｗとなる。なお、この素子温度に基づいて素子許容損失を求めるデータは、あらかじめ制御手段７を構成しているＥＣＵに記憶されている。
従って、（１）式により
Ｖｉ＝Ｐｅ×（Ｖｏ／Ｐｌ）＋Ｖｏ＝６０×（１３．８／４１４）＋１３．８＝２＋１３．８＝１５．８
入力電圧（Ｖｉ）は、１５．８Ｖと算出される。すなわち、この値が上記の条件におけるシリーズレギュレータ４の入力上限電圧となる。

また、このときのシリーズレギュレータの入出力電位差は２Ｖということとなる。従って、素子温度と出力電圧を一定（たとえば、Ｔｅ＝１００℃、Ｖｏ＝１３．８Ｖ）と仮定すれば、入力電圧（Ｖｉ）を出力電圧（Ｖｏ）に近づけること（入出力電位差を零に近づける）で電気負荷への供給可能電力は無限に大きくなることになるが実際には、図４の素子４１の通電可能最大電流により制限される。
上記の条件（Ｖｏ＝１３．８Ｖ、Ｔｅ＝１００℃）でシリーズレギュレータの入出力電位差と供給可能電力との関係を算出しグラフ化したものが図６であり、横軸に示されている入出力電位差（Ｖ）が小さくなるに従い、供給可能電力（Ｗ）が大きくなっている。しかし、Ｐ点において素子４１の通電可能最大電流（Ａｍａｘ）により、供給可能電力が飽和することが示されている。
なお、このグラフは（１）式より導かれる次式により算出される。
Ｐｌ＝（Ｐｅ×Ｖｏ）／（Ｖｉ−Ｖｏ）
ここで、Ｐｌはシリーズレギュレータの供給可能電力（Ｐｍａｘ）と同等でもあるので
Ｐｍａｘ＝（Ｐｅ×Ｖｏ）／（Ｖｉ−Ｖｏ）………（２）
となる。
以上述べたように、図３及び図５に基づきシリーズレギュレータの入力上限電圧と入出力間電位差の許容値が求められる。従って、この入出力間電位差の許容値の範囲内で入力電圧を制御して電気負荷の状況に応じて電源システムの給電効率を向上させ、かつシリーズレギュレータの破損を防止することができる。

電気負荷を検出する検出手段は、種々の構成を選択的に用いることができる。例えば、電気負荷へ供給される電流を直接的に検出する電流検出器の出力を電気負荷量とする構成、複数の電気負荷のうち稼動中の電気負荷の稼動状態から、それら稼動中の電気負荷の電気負荷量の合計として推定することにより電気負荷量を検出する構成、もしくはシリーズレギュレータ内の素子４１への指令値から電気負荷量を推定する構成などを用いることができる。

本発明を適用した電源システムの一実施例の構成図である。 シリーズレギュレータの入出力電位差に対する効率を示す説明図である。 シリーズレギュレータの入出力電圧と供給電流の説明図である。 シリーズレギュレータの構成図である。 シリーズレギュレータの素子温度と素子許容損失の説明図である。 シリーズレギュレータの入出力電位差と給電可能電力の説明図である。

符号の説明

１：発電機
２：第一バッテリ
３：第二バッテリ
４：シリーズレギュレータ
５：スイッチ
６：電気負荷
７：制御手段
８：温度検出器
９：出力電圧検出器
１０：電気負荷量検出器
４１：半導体素子
４２：電圧制御部

Claims (8)

1. 車両のエンジンにより駆動される発電機に接続された第一バッテリと、電気負荷に接続されて該第一バッテリより開放端子電圧が低い第二バッテリと、前記第一バッテリと該第二バッテリとを接続し、出力電圧が変動する前記発電機の出力を前記第二バッテリ側に一定の電圧として出力するシリーズレギュレータとで構成されている車両の電源システムにおいて、
   前記電気負荷の負荷量と、前記シリーズレギュレータの温度と、前記シリーズレギュレータの出力電圧とを検出する検出手段と、
   該検出手段の検出値である、前記電気負荷の負荷量と、前記シリーズレギュレータの温度から求められる前記シリーズレギュレータを構成する素子の素子許容損失と、前記シリーズレギュレータの出力電圧とから前記シリーズレギュレータの入力上限電圧を算出して、前記シリーズレギュレータの入力電圧を制御する制御手段と、
   を具備していることを特徴とする車両用電源システム。
2. 前記制御手段は、前記シリーズレギュレータの温度と出力電圧及び前記電気負荷の負荷量により変化する前記シリーズレギュレータの入力電圧の入力上限電圧値から決定される前記シリーズレギュレータの入出力間の電位差の許容間に基づいて、前記発電機の出力電圧を制御して、前記入出力間の電位差を変えることを特徴とする請求項１記載の車両用電源システム。
3. 前記シリーズレギュレータの入力上限電圧値は、前記シリーズレギュレータの温度の検出値に基づいて求められる前記シリーズレギュレータを構成する素子の素子許容損失、前記シリーズレギュレータの出力電圧の検出値及び前記電気負荷の負荷量の検出値から前記制御手段において算出されることを特徴とする請求項２記載の車両用電源システム。
4. 前記シリーズレギュレータの入力電圧の制御は、前記制御手段が前記発電機の出力電圧を制御することにより行われることを特徴とする請求項１記載の車両用電源システム。
5. 前記発電機の出力電圧の制御は、前記シリーズレギュレータの入力上限電圧値を超えない範囲で前記発電機の出力電圧を上げることを特徴とする請求項４記載の車両用電源システム。
6. 前記第一バッテリと前記第二バッテリとの間に前記シリーズレギュレータと並列に接続されたスイッチを有し、該スイッチは前記制御手段により開閉を制御されることを特徴とする請求項１〜５記載の車両用電源システム。
7. 前記制御手段は、前記発電機に内蔵されている前記発電機の制御システムとは空間的に離れた位置に設置されていることを特徴とする請求項１〜６記載の車両用電源システム。
8. 前記検出手段による前記電気負荷の負荷量の検出は、電流検出手段による直接的な検出、各電気負荷の稼動状態から推定することによる検出、もしくは前記シリーズレギュレータを構成する素子への指令値から推定することによる検出のいずれかによって行われることを特徴とする請求項１〜７記載の車両用電源システム。

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