JP4832116B2 - 車両用電源システム - Google Patents

Description

本発明は、車両用電源システムに関し、より詳細には、複数の発電手段によって車載の電気負荷に電力を供給する車両用電源システムに関する。

従来から、エンジンによって駆動される複数の発電機が設けられた車両用発電装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この車両用発電装置は、複数の発電機の出力特性を互いに異ならせ、かつ、各発電機を異なるプーリ比で駆動することで、エンジンの運転状態に応じた適切な発電特性が得られるようにして、車両全体の電力を賄うものである。
特開平５−９５６３７号公報

しかしながら、上述の従来技術では、発電機の駆動源がエンジンであるため、アイドル回転状態など、停車時であってもエンジンが回転している状態であれば、停車時には電力を必要としない電気負荷に対しても発電機から電力が供給され得る。つまり、停車時には電力を本来必要としない電気負荷分も発電機で発電することによって発電効率が低下するおそれが考えられる。

そこで、本発明は、発電の効率を向上させることができる車両用電源システムの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、第１の発明として、
車載の電気負荷に電力を供給する第１及び第２の発電手段を有し、
前記第１の発電手段はエンジンの回転によって発電し、前記第２の発電手段は車軸の回転によって発電する、車両用電源システムであって、
前記第２の発電手段は、前記車載の電気負荷のうち走行時のみに電力を必要とする電気負荷に発電した電力を供給することを特徴とする、車両用電源システムを提供する。

また、第２の発明として、
車載の電気負荷に電力を供給する第１及び第２の発電手段を有し、
前記第１の発電手段はエンジンの回転によって発電し、前記第２の発電手段は車軸の回転によって発電する、車両用電源システムであって、
前記第１の発電手段は、前記車載の電気負荷のうち走行時のみに電力を必要とする電気負荷に発電した電力を供給せず、前記第２の発電手段は、前記車載の電気負荷のうち走行時のみに電力を必要とする電気負荷に発電した電力を供給する、ことを特徴とする、車両用電源システムを提供する。

また、第３の発明は、第１または第２の発明に係る車両用電源システムであって、前記第１の発電手段によって電力が供給される電気負荷と前記第２の発電手段によって電力が供給される電気負荷が互いに異なることを特徴とする。

また、第４の発明は、第１または第２の発明に係る車両用電源システムであって、電圧変換手段を備え、前記電圧変換手段は、前記第１の発電手段の出力電圧と前記第２の発電手段の出力電圧の間の電圧変換を行うことを特徴とする。

また、第５の発明は、第４の発明に係る車両用電源システムであって、前記電圧変換手段は、前記第２の発電手段の出力電圧から前記第１の発電手段の出力電圧への片方向に電圧変換を行うことを特徴とする。

また、第６の発明は、第５の発明に係る車両用電源システムであって、前記電圧変換手段は、減速時のみに電圧変換を行うことを特徴とする。

また、第７の発明は、第１から第６の発明のいずれかに係る車両用電源システムであって、前記走行時のみに電力を必要とする電気負荷は、アクティブスタビライザ装置であることを特徴とし、第８の発明は、第１から第６の発明のいずれかに係る車両用電源システムであって、前記走行時のみに電力を必要とする電気負荷は、配光可変型灯火装置であることを特徴とする。

本発明によれば、発電の効率を向上させることができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明の車両用電源システムの第１の実施形態を示すブロック図である。車両１０は、様々な電気負荷を搭載している。本発明に係る車両用電源システムでは、車両１０に搭載される電気負荷を２つのグループに分類している。

車両全体としての動作態様を走行時と停車時に分けるとすると、第１グループに分類される電気負荷は、走行時及び／又は停車時に電力を必要とする電気負荷１１であり、第２グループに分類される電気負荷は、走行時のみに電力を必要とし停車時には電力を必要としない電気負荷１２である。すなわち、電気負荷１１は、走行時及び／又は停車時に作動が必要となる電気負荷であり、電気負荷１２は、停車時に作動が必要とならず走行時に作動が必要となる電気負荷である。

第１グループの電気負荷１１は、その一部を具体例として挙げるならば、エンジン制御装置、ブレーキ制御装置、エアコン、リヤワイパー、ミラーヒータ、シートヒータ、オーディオ及びシガーソケットなどである。

第２グループの電気負荷１２は、その一部を具体例として挙げるならば、電動機の駆動により車両のロール姿勢を調整するアクティブスタビライザ装置などの車両の走行安定を図る装置、ステアリングの操舵角や車速等に応じて電動機の駆動により前照灯等のライトの照射方向を変える配光可変型灯火装置、電動機の駆動により圧縮空気を送る電動アシストターボなどである。また、車両衝突時の乗員の安全性を図る装置、より具体的には、プリテンショナシートベルトのアクチュエータやエアバッグの点火装置なども、電気負荷１２に含めてもよい。

電気負荷１１の電源は、第一発電機１と蓄電装置１５である。第一発電機１と蓄電装置１５は、電源ライン１３を介して、電気負荷１１に電力を供給する。一方、電気負荷１２の電源は、第二発電機２である。第二発電機２は、電源ライン１４を介して、電気負荷１２に電力を供給する。なお、第一発電機１と電気負荷１１との間に第一発電機１に固有の蓄電装置があってもよく、また、第二発電機２と電気負荷１２との間に第二発電機２に固有の蓄電装置があってもよい。

第一発電機１は、車両を走行させるためのエンジン３を駆動源とする発電機であって、エンジン３の回転によって発電する。エンジン３のクランク軸７に同軸に取付けられたクランクプーリ４によって、エンジン３の回転が第一発電機１に伝達される。第一発電機１で発電した電力が電気負荷１１や蓄電装置１５に供給されて、電気負荷１１が作動したり、蓄電装置１５が充電されたりする。

蓄電装置１５も、第一発電機１と同様に、電源ライン１３を介して電気負荷１１に電力を供給する。蓄電装置１５は、第一発電機１の電力供給能力が足りない時に電気負荷１１に電力を供給し、また、エンジン３を始動させるためのスタータモータに電力を供給するようにしてもよい。蓄電装置１５の具体例として、鉛バッテリ、ニッケル水素電池、リチウムイオンバッテリ、電気二重層キャパシタなどが挙げられる。また、蓄電装置１５は、鉛バッテリとリチウムイオンバッテリとニッケル水素電池と電気二重層キャパシタの中でいずれかを組み合わせたものでもよい。

また、第一発電機１が停止している状態では、蓄電装置１５から電気負荷１１に電力を供給し得る。例えば、第一発電機１の不作動状態であるエンジン３の停止状態において必要とされる電力は、蓄電装置１５から電気負荷１１に電力を供給することができる。

第二発電機２は、車軸（ドライブシャフト）８を駆動源とする発電機であって、車軸８の回転によって発電する。エンジン３のクランク軸７の回転は、クラッチ機構（図示しない）とトランスミッション５を介してディファレンシャル６に伝達される。クラッチ機構は、エンジン３のクランク軸７の回転をトランスミッション５や車軸８と断絶させることが可能である。ディファレンシャル６で左右に振り分けられた回転が、車軸８によって、図示していない左右の車輪に伝達される。逆に言えば、車軸８に接続される第二発電機２は、車両が走行することによって生じる車輪の回転（車軸８の回転）によって、発電することが可能である。第二発電機２で発電した電力が電気負荷１２に供給されて、電気負荷１２が作動する。ここで、車軸８とは、ドライブシャフト単体に限らず、クラッチ機構から車輪（ホイール）までの動力機構全体若しくはその一部を含むものでもよい。

したがって、図１に示される本発明の車両用電源システムの第１の実施形態によれば、停車時に作動が必要とならず走行時に作動が必要となる電気負荷１２に対する電力供給は、走行時のみ発電が可能であって停車時には発電が不可能な第二発電機２が対応することによって、停車時に作動しなくてもよい電気負荷１２に対して、スタンバイ電流等による本来は必要がない電力を供給することがなくなるため、車両全体としての発電効率を向上させることができる。その結果、第一発電機１の大きさを小さくしたり定格を下げたりすることも可能である。また、燃費向上にも貢献する。なお、エンジン３が回転していても停車時には第二発電機２は発電を停止しているため、停車時に第二発電機２が第一発電機１の負荷にはならない。

図２は、本発明の車両用電源システムの第２の実施形態を示すブロック図である。図２において、図１と同一部位や同一符号については、説明を省略または簡略する。

片方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、トランスやスイッチングレギュレータやシリーズレギュレータ等のＤＣ／ＤＣコンバータ２０内部にある電圧変換機構によって、第二発電機２側の電源ライン１４上の電圧を電圧変換して第一発電機１側に出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の電圧変換方向は、第二発電機２側から第一発電機１側への片方向のみである。変換された出力電圧は、ＥＣＵ４０や片方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０内部にあるコンバータ制御回路などによって監視され、出力電圧が一定となるように制御される。片方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、第二発電機２側の電圧を電圧変換して第一発電機１側に電力を供給する電圧変換モードと電圧変換を停止して電力供給を行わない停止モードを有し、動作中いずれかのモードに設定される。この片方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の電圧変換機能を使用することによって、第二発電機２側の電圧を電圧変換して電気負荷１１に電力供給を行ったり蓄電装置１５に充電を行ったりすることが可能となったり、電圧変換を停止して電力供給を行わないことが可能となったりする。

ＥＣＵ４０は、蓄電装置１５の充放電電流を検出する電流センサの出力値に基づいて蓄電装置１５の充放電電流値（バッテリ電流値）を算出する。電流センサに内蔵される電流検出部には、ホール素子によって電流を検出するタイプやシャント抵抗によって電流を検出するタイプなどがある。電流センサは、例えば、検出した電流に応じた電圧（０〜５Ｖ）を出力する。また、ＥＣＵ４０は、蓄電装置１５の電圧を検出する電圧センサの出力値に基づいて蓄電装置１５の電圧値を算出する。蓄電装置１５の電圧とは、図２からも明らかなように、電源ライン１３の電圧であって電気負荷１１に印加される電圧に相当する。

また、ＥＣＵ４０は、蓄電装置１５の充放電電流を検出する電流センサや蓄電装置１５の電圧を検出する電圧センサを用いて蓄電装置１５の電流値や電圧値を検出することによって、蓄電装置１５の容量がどれだけ残っているのかを示す「充電率（ＳＯＣ：State of Charge）」を算出する。充電率は、満充電容量に対する残容量を示すものである。ＥＣＵ４０は、例えば、蓄電装置１５の充放電電流の積算（積分）などにより充電率（残容量）を算出する。電気量（蓄電装置１５の容量）の時間的変化の割合が、電流に相当するからである。残容量は蓄電装置１５の満充電時の容量から蓄電装置１５から放電された放電量を引いた値に相当することから、ＥＣＵ４０は、蓄電装置１５に接続される電源ライン１３を電流センサ等によって蓄電装置１５の充放電電流をモニターしその履歴をメモリに記録することによって、充電率（残容量）を算出することが可能になる。なお、満充電時の初期容量は、メモリに記憶されている。

また、ＥＣＵ４０は、放電初期時の蓄電装置１５の電圧の極小値を測定することによって充電率を推定してもよい。放電初期時の電圧の落ち込みにより生じる極小値と充電率は相関があることが知られているため、ＥＣＵ４０は、その相関関係（例えば、マップデータ）に基づいて充電率を推定することができる。

また、ＥＣＵ４０は、放電初期時の蓄電装置１５の内部抵抗を測定することによって充電率及び満充電容量を算出してもよい。内部抵抗は、初期放電電流と初期放電電圧によって算出される。内部抵抗と充電率、ならびに、内部抵抗と満充電容量は、相関があることが知られている。ＥＣＵ４０は、蓄電装置１５の内部抵抗に対する充電率の算出マップを参照して、蓄電装置１５の内部抵抗に対応する充電率を算出する。ＥＣＵ４０は、蓄電装置１５の内部抵抗に対する満充電容量の算出マップを参照して、蓄電装置１５の内部抵抗に対応する満充電容量を算出する。

なお、蓄電装置１５が電気二重層キャパシタに置換可能であり、その静電容量が既知であるならば、ＥＣＵ４０は、電気二重層キャパシタの電圧値と静電容量に基づいて電気二重層キャパシタの充電率（残容量）を算出することができる。

また、充電率は、所定の充電率を上下限値とするＳＯＣ管理幅に保たれるように充放電の制御が実行される。ＳＯＣ管理幅を設けることによって、例えば過度の充放電を原因とする蓄電装置１５の劣化の進行速度が速まるのを防ぐことができる。

また、ＥＣＵ４０は、図示しない他のＥＣＵ等からの車両の状態情報に基づいて車両が減速状態であるか否かを判断する。例えば、ＥＣＵ４０は、ブレーキ情報が作動状態である場合に減速状態であると判断し、ブレーキ情報が作動状態でない場合に減速状態でないと判断する。あるいは、ＥＣＵ４０は、車速の微分値が負の場合に減速状態であると判断し、車速の微分値が負でない場合に減速状態ではないと判断する。なお、車速情報、ブレーキ情報、エンジン回転数情報、加減速度センサ情報のいずれかを組み合わせて減速状態を判断することもできる。例えば、ブレーキ情報が作動状態且つ車速の微分値が負の場合に減速状態であると判断してもよい。

ＥＣＵ４０は、車両が減速状態であると判断した場合には、片方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作モードを、第二発電機２側の電圧を電圧変換して第一発電機１側に電力を供給する電圧変換モードに設定する。これにより、第二発電機２で回生した電力が電気負荷１２に必要な電力量を超えた場合には、その超えた電力分を第一発電機１側に供給できるようになる。

なお、ＥＣＵ４０は、制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭ、制御プログラムの処理データを一時的に記憶するＲＡＭ、制御プログラムを処理するＣＰＵ、外部と情報をやり取りするための入出力インターフェースなどの複数の回路要素によって構成されたものである。また、ＥＣＵ４０は一つの制御ユニットとは限らず、制御が分担されるように複数の制御ユニットであってよい。

したがって、図２に示される本発明の車両用電源システムの第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、停車時に作動が必要とならず走行時に作動が必要となる電気負荷１２に対する電力供給は、走行時のみ発電が可能であって停車時には発電が不可能な第二発電機２が対応することによって、停車時に作動しなくてもよい電気負荷１２に対して、スタンバイ電流等による本来は必要がない電力を供給することがなくなるため、車両全体としての発電効率を向上させることができる。その結果、第一発電機１の大きさを小さくしたり定格を下げたりすることも可能である。なお、エンジン３が回転していても停車時には第二発電機２は発電を停止しているため、停車時に第二発電機２が第一発電機１の負荷にはならない。

また、図２に示される本発明の車両要電源システムの第２の実施形態によれば、減速時の車両エネルギーを第二発電機２で回生できるので、ＥＣＵ４０が、車両１０が減速しているか否かを判断し車両１０が減速していると判断した場合には、片方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の動作モードを電圧変換モードに設定して、第二発電機２で回収した回生電力を第一発電機１側に出力して、電気負荷１１に電力供給を行ったり、蓄電装置１５に充電を行ったりすることができる。その結果、第二発電機２で回収した回生電力を熱等によって無駄に消費せずに第一発電機１側に供給することができるとともに、第一発電機１が発電すべき電力を第二発電機２からの回生電力によって補うことができるので、発電の効率化を図ることができる。また、燃費向上にも貢献する。

図３は、本発明の車両用電源システムの第３の実施形態を示すブロック図である。図３において、図１及び図２と同一部位や同一符号については、説明を省略または簡略する。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、第２発電機１側の電圧が第１発電機１側の電圧より高い場合には、トランスやスイッチングレギュレータやシリーズレギュレータ等のＤＣ／ＤＣコンバータ３０内部にある電圧変換機構によって、第二発電機２側の電圧を降圧変換して第一発電機１側に出力し、あるいは、第一発電機１側の電圧を昇圧変換して第二発電機２０側に出力する。変換された出力電圧は、ＥＣＵ４０やＤＣ／ＤＣコンバータ３０内部にあるコンバータ制御回路などによって監視され、出力電圧が一定となるように制御される。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、第二発電機２側の電圧を降圧変換して第一発電機１側に電力を供給する降圧モードと、第一発電機１側の電圧を昇圧変換して第二発電機２側に電力を供給する昇圧モードと、電圧変換を停止して電力供給を行わない停止モードとを有し、動作中いずれかのモードに設定される。この双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の電圧変換機能を使用することによって、第二発電機２側の電圧を降圧して電気負荷１１に電力供給を行ったり蓄電装置１５に充電を行ったりすることが可能となり、第一発電機１側の電圧を昇圧して電気負荷１２に電力供給を行うことが可能となり、そして、電圧変換を停止して電力供給を行わないことが可能となる。

したがって、図３に示される本発明の車両用電源システムの第３の実施形態によれば、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の動作モードが降圧モードあるいは停止モードの場合、第１の実施形態と同様に、停車時に作動しなくてもよい電気負荷１２に対して、スタンバイ電流等による本来は必要がない電力を供給することがなくなるため、車両全体としての発電効率を向上させることができる。その結果、第一発電機１の大きさを小さくしたり定格を下げたりすることも可能である。なお、エンジン３が回転していても停車時には第二発電機２は発電を停止しているため、停車時に第二発電機２が第一発電機１の負荷にはならない。さらに、第２の実施形態と同様に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の動作モードが降圧モードの場合、第二発電機２で回収した回生電力を第一発電機１側に出力して、電気負荷１１に電力供給を行ったり、蓄電装置１５に充電を行ったりすることができる。その結果、第二発電機２で回収した回生電力を熱等によって無駄に消費せずに第一発電機１側に供給することができるとともに、第一発電機１が発電すべき電力を第二発電機２からの回生電力によって補うことができるので、発電の効率化を図ることができる。また、燃費向上にも貢献する。

また、図３に示される本発明の車両用電源システムの第３の実施形態によれば、第一発電機１側から第二発電機２側の方向に電圧変換できるので、ＥＣＵ４０が、車両１０が減速していない状態で第二発電機２側の電力が不足しているか否かを判断し、第二発電機２側の電力が不足していると判断した場合には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の動作モードを昇圧モードに設定して、第一発電機１で発生した発電電力もしくは蓄電装置１５の蓄電電力を第二発電機２側に供給して、電気負荷１２に電力供給を行うことができる。その結果、蓄電装置１５が満充電のため充電できない過剰に発生した第一発電機１の発電電力を第二発電機２側に供給することができるとともに、第二発電機２側で不足した電力を第一発電機１からの電力によって補うことができるので、発電の効率化を図ることができる。また、燃費向上にも貢献する。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、第２発電機１側の電圧が第１発電機１側の電圧より高い場合の実施形態を本発明の実施例として挙げたが、本発明は、第一発電機１側の電圧と第二発電機２側の電圧はどちらが高くてもよく、あるいは、同一でもよい。

本発明の車両用電源システムの第１の実施形態を示すブロック図である。 本発明の車両用電源システムの第２の実施形態を示すブロック図である。 本発明の車両用電源システムの第３の実施形態を示すブロック図である。

符号の説明

１ 第一発電機
２ 第二発電機
３ エンジン
４ クランクプーリ
７ クランク軸
８ 車軸
１１，１２ 電気負荷
１５ 蓄電装置
２０，３０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４０ ＥＣＵ

Claims (8)

1. 車載の電気負荷に電力を供給する第１及び第２の発電手段を有し、
   前記第１の発電手段はエンジンの回転によって発電し、前記第２の発電手段は車軸の回転によって発電する、車両用電源システムであって、
   前記第１の発電手段の出力電圧と前記第２の発電手段の出力電圧の間の電圧変換を行う電圧変換手段を備え、
   前記第２の発電手段は、前記車載の電気負荷のうち走行時のみに電力を必要とする電気負荷に発電した電力を供給することを特徴とする、車両用電源システム。
2. 車載の電気負荷に電力を供給する第１及び第２の発電手段を有し、
   前記第１の発電手段はエンジンの回転によって発電し、前記第２の発電手段は車軸の回転によって発電する、車両用電源システムであって、
   前記第１の発電手段の出力電圧と前記第２の発電手段の出力電圧の間の電圧変換を行う電圧変換手段を備え、
   前記第１の発電手段は、前記車載の電気負荷のうち走行時のみに電力を必要とする電気負荷に発電した電力を供給せず、
   前記第２の発電手段は、前記車載の電気負荷のうち走行時のみに電力を必要とする電気負荷に発電した電力を供給する、ことを特徴とする、車両用電源システム。
3. 前記電圧変換手段は、前記第２の発電手段の出力電圧から前記第１の発電手段の出力電圧への片方向に電圧変換を行う、請求項１又は２に記載の車両用電源システム。
4. 前記電圧変換手段は、減速時のみに電圧変換を行う、請求項３に記載の車両用電源システム。
5. 前記走行時のみに電力を必要とする電気負荷は、アクティブスタビライザ装置である、請求項１から４のいずれか一項に記載の車両用電源システム。
6. 前記走行時のみに電力を必要とする電気負荷は、配光可変型灯火装置である、請求項１から４のいずれか一項に記載の車両用電源システム。
7. 車載の電気負荷に電力を供給する第１及び第２の発電手段を有し、
   前記第１の発電手段はエンジンの回転によって発電し、前記第２の発電手段は車軸の回転によって発電する、車両用電源システムであって、
   前記第２の発電手段は、前記車載の電気負荷のうち、走行時のみに電力を必要とする電気負荷として、アクティブスタビライザ装置に、発電した電力を供給することを特徴とする、車両用電源システム。
8. 車載の電気負荷に電力を供給する第１及び第２の発電手段を有し、
   前記第１の発電手段はエンジンの回転によって発電し、前記第２の発電手段は車軸の回転によって発電する、車両用電源システムであって、
   前記第２の発電手段は、前記車載の電気負荷のうち、走行時のみに電力を必要とする電気負荷として、配光可変型灯火装置に、発電した電力を供給することを特徴とする、車両用電源システム。

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