JP4544423B2 - 車両用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用電源装置に係り、詳しくは車両に備えられた電装品に安定した電力を供給する技術に関する。

近年、電装品として電動パワーステアリングや電動エアコン等の比較的負荷の大きな大電流アクチュエータを備えた車両が増加している。
従来より、車両用電源は、オルタネータで発電した電力をバッテリに充電しながら、上記大電流アクチュエータやその他の電装品への電力供給も行っていた。
しかし、このような構成では大電流アクチュエータを作動させると車両用電源に大きな電圧降下が生じ、電装品を作動させるのに必要な電圧を下回ってしまい、当該電装品の動作が不安定となるという問題があった。

そこで、バッテリとオルタネータとの間にスイッチを設け、大電流アクチュエータ（例えば、電動パワーステアリング（ＥＰＳ））をオルタネータ側に、その他の電装品をバッテリ側に接続させ、大電流アクチュエータが作動するとスイッチによりオルタネータとバッテリとの接続を切断させることで、大電流アクチュエータに必要な電力を確保するという技術が知られている（特許文献１参照）。
特開２００３−１３７１１５号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術のように、バッテリとオルタネータとの接続を切断すると、バッテリとオルタネータが接続状態にあったときにはバッテリにより緩和されていたオルタネータによる発電電力の電圧変動（リップル電圧）が緩和されなくなってしまい、当該オルタネータによる発電電力の電圧変動が増加してしまう。
このようにオルタネータの電圧変動が増加すると電源ノイズとなり、大電流アクチュエータの作動が不安定となったり、ラジオ等の受信の悪化や、ヘッドライトの瞬き等の問題が生じる。

また、オルタネータのみで大電流アクチュエータの電力供給を十分に行うためには、オルタネータの発電性能を向上させる必要があり、これはオルタネータの大型化を招くおそれがある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、車両に備えられた大電流アクチュエータやその他の電装品を安定して作動させることができ、且つオルタネータによる発電電力の電圧変動を緩和させ電源ノイズの発生を抑制させることができる車両用電源装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の車両用電源装置では、第１の電気負荷に接続されたバッテリと、第２の電気負荷に接続されたオルタネータと、前記バッテリと前記オルタネータとの間に設けられ、該バッテリと該オルタネータとの間を流れる電流を調節可能な電流調節手段と、前記オルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動に応じて前記電流調節手段を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。

即ち、バッテリとオルタネータとの間に電流調節手段を設け、バッテリには第１の電気負荷を、オルタネータには第２の電気負荷を接続し、当該電流調節手段によるバッテリとオルタネータ間の電流の調節をオルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動に応じて制御する。
請求項２の車両用電源装置では、請求項１において、前記電流調節手段は、前記バッテリと前記オルタネータとの導通の接続と切断とを切替可能なスイッチング手段であり、前記制御手段は、前記オルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動を検出し、前記バッテリと前記オルタネータとの間を流れる電流が該電圧変動または該電流変動に同期して増減するよう前記スイッチング手段をパルス幅変調により制御することを特徴とする。

即ち、電流調節手段をバッテリとオルタネータとの導通の接続と切断とを切替可能なスイッチング手段で構成し、当該スイッチング手段によるバッテリとオルタネータ間の電流の調節をオルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動に同期させてパルス幅変調により制御する。
請求項３の車両用電源装置では、請求項２において、前記スイッチング手段は、半導体により構成された安定器であることを特徴とする。

即ち、パルス幅変調を半導体を用いて実現する。
請求項４の車両用電源装置では、請求項１乃至３のいずれかにおいて、前記制御手段は、前記第１の電気負荷の作動開始時に前記電流調節手段を一旦電流遮断状態に制御し、該作動開始後に前記バッテリと前記オルタネータとの間の電流が前記オルタネータの電圧変動または電流変動に同期して増減するよう前記電流調節手段を制御することを特徴とする。

即ち、バッテリに接続されている第１の電気負荷が作動を開始した時には、まず電流調節手段（スイッチング手段）によりバッテリとオルタネータとの間を流れる電流を一旦遮断し、当該第１の電気負荷の作動開始後はオルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動に同期させて電流調節手段（スイッチング手段）を制御する。
請求項５の車両用電源装置では、請求項４において、前記第１の電気負荷は、前記第２の電気負荷よりも負荷が大きいことを特徴とする。

即ち、バッテリには比較的負荷の大きな第１の電気負荷が接続され、オルタネータには比較的電気負荷の小さい第２の電気負荷が接続される。

上記手段を用いる本発明の請求項１の車両用電源装置によれば、バッテリとオルタネータ間を流れる電流を電流調節手段によりオルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動に応じて制御することで、オルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動に合わせてオルタネータからバッテリへ流れる電流を調節できる。これにより、オルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動を緩和させ、電源ノイズの発生を防止することができる。

請求項２の車両用電源装置によれば、バッテリとオルタネータ間の導通の接続と切断をスイッチング手段によりオルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動に同期させてパルス幅変調により制御することで、電流調節手段をスイッチング手段を用いて簡単に構成しつつオルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動に合わせてオルタネータからバッテリへ流れる電流を増減させるようにできる。これにより、オルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動を緩和させ、電源ノイズの発生を防止することができる。

請求項３の車両用電源装置によれば、パルス幅変調を半導体により構成された安定器で行うことで、スイッチング手段を半導体を用いたアナログ回路で簡易に構成できるとともに、パルス幅変調を高速且つ適正に行うことができ、オルタネータからバッテリへ流れる電流をオルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動に合わせて適切に増減させるようにできる。

請求項４の車両用電源装置によれば、第１の電気負荷の作動開始時に電流調節手段（スイッチング手段）によりバッテリとオルタネータとの間を流れる電流を一旦遮断することで、オルタネータによる発電電力の電圧降下を防止して各電気負荷へ安定した電力供給を行うことができるとともに、第１の電気負荷の作動開始後はオルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動に同期させて電流調節手段（スイッチング手段）を制御することで、上記電流の遮断によりオルタネータ側に生じるオルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動を緩和させ、電源ノイズの発生を防止することができる。

請求項５の車両用電源装置によれば、バッテリに比較的負荷の大きな第１の電気負荷が接続され、オルタネータに比較的電気負荷の小さい第２の電気負荷が接続されていると、第１の電気負荷の作動によってオルタネータによる発電電力の著しい電圧降下が生じるおそれがあるが、電流調節手段（スイッチング手段）によりバッテリとオルタネータとの間を流れる電流を一旦遮断することにより、当該電圧降下を防止して各電気負荷へ安定した電力供給を行うことができるとともに、第１の電気負荷の作動開始後にはオルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動に同期させて電流調節手段（スイッチング手段）を制御することにより、上記電流の遮断によりオルタネータ側に生じるオルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動を緩和させ、電源ノイズの発生を防止することができる。

また、オルタネータ側には比較的小さな電気負荷が接続されることになるので、小型のオルタネータを使用することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る車両用電源装置の概略構成図が示されている。
図１に示すように、車両に備えられた電動パワーステアリングや電動エアコン等の比較的負荷の大きな大電流アクチュエータ２（第１の電気負荷）がバッテリ４と接続されている。

また、大電流アクチュエータ２以外の比較的負荷の小さな他の電装品６（第２の電気負荷）がオルタネータ８と接続されている。
そして、バッテリ４とオルタネータ８との間にはバラスト１０（安定器、スイッチング手段、電流調節手段）が設けられており、バッテリ４とオルタネータ８とはバラスト１０を介して接続されている。当該バラスト１０は例えばＭＯＳ−ＦＥＴ等の半導体リレーであり、バッテリ４とオルタネータ８との間（以下、バッテリ−オルタネータ間という）の導通の切断（ＯＮ）と接続（ＯＦＦ）の切り替えを行う。なお、ＭＯＳ−ＦＥＴは高速（およそ１ナノ秒間隔）で適正なＯＮ−ＯＦＦの切替を行うことが可能である。

また、バッテリ−オルタネータ間にはバラスト１０と並列に抵抗１２が接続されており、当該抵抗１２は、例えばバラスト１０が故障しＯＮ−ＯＦＦの切り替えが行われなくなった場合でもバッテリ−オルタネータ間の導通が完全に切断されないようにするための故障保証の機能を有している。さらに、バラスト１０がＯＦＦの状態であっても、抵抗１２を介してバッテリ−オルタネータ間に微小の電流が通電することによりオルタネータの電圧又は電流の変動の増加を若干緩和させることも可能である。

そして、上記バラスト１０はバラスト制御装置２０（制御手段）と接続されている。当該バラスト制御装置２０は、バラスト１０のＯＮ−ＯＦＦの切替を制御する機能を有している。詳しくはバラスト制御装置２０は、オルタネータ８により発電される発電電力のリップル電圧（電圧変動）を検出する検出部２２、基準電圧を算出する基準電圧部２４、検出部２２において検出したリップル電圧を基準電圧に合わせてオフセットする調節部２６、当該オフセットされた電圧パターンをバラスト駆動信号に合成してバラスト補正信号を算出する制御部２８、及び、当該バラスト補正信号をバラスト１０のＯＮ−ＯＦＦの切替制御信号に変換する変換部３０から構成されている。即ち、バラスト制御装置２０は、これら検出部２２、基準電圧部２４、調節部２６、制御部２８、変換部３０によってアナログ回路で構成されている。

さらに、車両には、各種装置を制御するＥＣＵ４０（電子コントロールユニット）が設けられている。当該ＥＣＵ４０はバラスト制御装置２０の制御部２８と接続されており、大電流アクチュエータ２が作動した際にバラスト駆動信号を送信する機能を有している。
以下、このように構成された本発明に係る車両用電源装置の作用について説明する。
図２を参照すると、大電流アクチュエータ２の作動時にバラスト制御装置２０によって実行される制御ルーチンがフローチャートで示されており、また、図３乃至５を参照すると、バラストＯＮ時とバラストＯＦＦ時のオルタネータ電圧のリップル電圧パターン、バラスト補正信号パターン、バラスト補正信号に従ってバラスト１０を制御した場合のリップル電圧パターンがそれぞれ示されている。以下図３乃至５を参照しながら図２のフローチャートに基づき説明する。

図２において、ステップＳ１では、制御部２８がＥＣＵ４０からのバラスト駆動信号を受信しているか、即ち大電流アクチュエータ２が作動しているか否かを判別する。判別結果が偽（Ｎｏ）である場合は、当該判別を繰り返す。一方、当該判別結果が真（Ｙｅｓ）となった場合、即ち大電流アクチュエータ２が作動して制御部２８がＥＣＵ４０からのバラスト駆動信号を受信した場合はステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、ステップＳ１で受信したバラスト駆動信号に従いバラスト１０をＯＦＦ（接続）状態からＯＮ（切断）状態に切り替える。
次のステップＳ３では、検出部２２においてオルタネータ８による発電電圧を検出する。なお、このときバラスト１０はＯＮ状態にありバッテリ４とオルタネータ８との導通は切断されていることから、オルタネータ８による発電電力のリップル電圧はバッテリ電流による緩和がなされず、図３に示すように、検出されるリップル電圧パターン（実線で示す）は、バラスト１０がＯＦＦ状態にあるときのリップル電圧パターン（破線で示す）よりも増加した波形をなしている。

そして、ステップＳ４では、調節部２６において、上記検出部２２において検出したオルタネータ８による発電電力のリップル電圧パターンを、基準電圧部２４から受信される基準電圧に合わせてオフセットし、ステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、制御部２８において、ステップ４でオフセットしたリップル電圧パターン（以下オフセット電圧パターンという）とＥＣＵ４０から受信されるバラスト駆動信号とを合成することでバラスト補正信号を算出する。詳しくは図４に示すように、オフセット電圧パターンをバラスト駆動信号のＯＮ部上に合成することでバラスト補正信号を算出する。このように算出されたバラスト補正信号は、ＯＮ状態より若干ＯＦＦ側に電圧が変動するようなものであり、バラスト駆動信号がＯＮ状態にある場合をデューティ率１００％とすると、当該バラスト補正信号は平均デューティ率がおよそ９０％のバラスト駆動信号であるといえる。

次のステップＳ６では、変換部３０において、ステップＳ５で算出したバラスト補正信号をバラスト１０により実行されるＯＮ−ＯＦＦの切替制御の信号に変換する。詳しくは、バラスト補正信号の波形を、ＯＮ状態である時間とＯＦＦ状態である時間との割合により制御する所謂ＰＷＭ（パルス幅変調）制御の信号に変換する。
そして、ステップＳ７では、ステップＳ６で変換したバラスト補正信号をバラスト１０に出力することで、バラスト補正信号に従ったバラスト１０のＯＮ−ＯＦＦの切り替えが行なわれる。

このように、ステップＳ３からステップＳ６を経て算出されるバラスト補正信号に従いバラスト１０が制御されることで、バラスト１０を流れる電流は上記リップル電圧パターンと同期してバラスト補正信号に応じて変動することになる。これより、バッテリ−オルタネータ間の導通は平均デューティ率がおよそ９０％の半切断状態となり、オルタネータ８による発電電力のリップル電圧パターンは、図５に示すようにオルタネータ８からバッテリ４に流れる電流の分だけ減少した波形となる。

また、次のステップＳ８では、再度バラスト駆動信号を受信しているかを判別する。つまり大電流アクチュエータ２が作動を続けているか否かを判別する。判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合は、ステップＳ３に戻る。つまり、再びバラスト補正信号を算出していき、大電流アクチュエータ２の作動中は常にオルタネータ８のリップル電圧に応じた制御を行うこととなる。一方、判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち大電流アクチュエータ２が停止したならば当該ルーチンを抜ける。

以上説明したように、本発明に係る車両用電源装置では、バラスト制御装置２０をアナログ回路で高い応答性を有して簡易に構成しながら、大電流アクチュエータ２が作動を開始したときは、まずバッテリ−オルタネータ間を流れる電流を遮断することで、オルタネータ８による発電電力の電圧降下を防止することができ、大電流アクチュエータ２及び他の電装品６へ安定した電力供給を行うことができる。そして、当該遮断により生じるオルタネータ８による発電電力のリップル電圧の増加についても、当該リップル電圧パターンに同期するようにバラスト駆動信号を補正し当該バラスト補正信号に従ってバラスト１０を制御することにより当該リップル電圧に合わせてオルタネータからバッテリへ流れる電流を増減させるようにでき、当該リップル電圧を緩和させることができる。これにより、電源ノイズの発生を防止することができ、ラジオ等の受信の悪化や、ヘッドライトの瞬き等を確実に防止できる。

また、大電流アクチュエータ２はバッテリ４に接続され、オルタネータ８は比較的電気負荷の小さい他の電装品６と接続されていることで小型のオルタネータを使用することができる。
以上で本発明に係る車両用電源装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。

例えば、上記実施形態では、バラスト１０がＭＯＳ−ＦＥＴで構成されることからバラスト制御装置２０はオルタネータによる発電電力の電圧に基づいて制御を行っていたが、バラスト１０を例えばトランジスタで構成し、電流に基づいて制御を行っても構わない。
また、バラスト１０はバッテリ−オルタネータ間の導通の接続と切断の切り替えを行うことができればＭＯＳ−ＦＥＴやトランジスタ以外の例えば他の半導体リレーを用いて構成してもよく、高速切替可能であれば単純なスイッチ装置等で構成しても構わない。

また、ここではバラスト１０を用いるようにしたが、このようなＯＮ−ＯＦＦ制御を行うものに限らず、バッテリ−オルタネータ間を流れる電流を制御できれば例えば可変抵抗器等を使用しても構わない。
また、上記実施形態ではバラスト制御装置２０は、検出部２２、基準電圧部２４、調節部２６、制御部２８、変換部３０から構成されているが、このような構成に限るものではない。

本発明に係る車両用電源装置の概略構成図である。 大電流アクチュエータの作動時に本発明に係る車両用電源装置におけるバラスト制御装置によって実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。 バラストＯＮ時とバラストＯＦＦ時のオルタネータ電圧のリップル電圧パターンを示した図である。 バラスト補正信号を示した図である。 バラスト補正信号に従ってバラストを制御した場合のリップル電圧パターンを示した図である。

符号の説明

２ 大電流アクチュエータ（第１の電気負荷）
４ バッテリ
６ オルタネータ
８ 他の電装品（第２の電気負荷）
１０ バラスト（安定器、スイッチング手段、電流調節手段）
２０ バラスト制御装置（制御手段）
４０ ＥＣＵ

Claims (5)

1. 第１の電気負荷に接続されたバッテリと、
   第２の電気負荷に接続されたオルタネータと、
   前記バッテリと前記オルタネータとの間に設けられ、該バッテリと該オルタネータとの間を流れる電流を調節可能な電流調節手段と、
   前記オルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動に応じて前記電流調節手段を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記電流調節手段は、前記バッテリと前記オルタネータとの導通の接続と切断とを切替可能なスイッチング手段であり、
   前記制御手段は、前記オルタネータによる発電電力の電圧変動または電流変動を検出し、前記バッテリと前記オルタネータとの間を流れる電流が該電圧変動または該電流変動に同期して増減するよう前記スイッチング手段をパルス幅変調により制御することを特徴とする、請求項１記載の車両用電源装置。
3. 前記スイッチング手段は、半導体により構成された安定器であることを特徴とする、請求項２記載の車両用電源装置。
4. 前記制御手段は、前記第１の電気負荷の作動開始時に前記電流調節手段を一旦電流遮断状態に制御し、該作動開始後に前記バッテリと前記オルタネータとの間の電流が前記オルタネータの電圧変動または電流変動に同期して増減するよう前記電流調節手段を制御することを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか記載の車両用電源装置。
5. 前記第１の電気負荷は、前記第２の電気負荷よりも負荷が大きいことを特徴とする、請求項４記載の車両用電源装置。

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