JP5326333B2 - 車両用電源システム - Google Patents

Description

本発明は、車両の各部に電力を供給する車両用電源システムに関する。

従来、車両の各部に電力を供給する車両用電源システムでは、エネルギーの有効利用を図るため、エンジンの回転エネルギー或いは減速時や下り坂等で得られる回生エネルギーにより発電する発電機を備え、その発電機により発電される電力をバッテリに充電して利用する方法が考えられている（例えば特許文献１参照）。

このような方法において、エネルギーをより有効に利用するためには、車両の加速時にはエンジンによる発電機の駆動負荷を軽減すべくその発電機による発電量（換言すれば、バッテリへの充電量）を抑制し、逆に車両の減速時に発電機による発電量を増加させるようにすると良い。つまり、加速時に、エンジンのエネルギーが加速のため以外に消費されることを抑制し、減速時に、減速により失われることとなるエネルギーを回収すれば良い。

より具体的には、例えば、車両の加速時（或いは減速時以外）にはバッテリが放電されるようにし、車両の減速時にはその減速時の回生エネルギーによって発電される電力がバッテリに充電されるようにすると有効である。

そして、バッテリへの充電量（回生エネルギーの回収量）を増やすためには、車両の減速時以外の放電量をなるべく多くし、車両減速時の充電量をなるべく多くすれば良い。つまり、車両の減速時以外にバッテリの残量をなるべく少なくしておき、車両の減速時にバッテリの目標充電電圧を高くして充電量を多くすれば良い。
特開２００４−３２８９８８号公報

しかしながら、車両においては、エンジンの始動性を確保するため（換言すればバッテリ上がりを防止するため）、バッテリ残量はある程度確保する必要がある。しかも、車両における一般的なＰｂ（鉛）バッテリの場合、その充電状態（残量）の推定精度は高くないため、場合によってはバッテリ残量に余裕分を持たせる必要もある。このため、例えば車両の加速時（或いは減速時以外）にバッテリを放電する場合、バッテリ残量を余裕をもって確保すべくバッテリを十分に放電できない場合がある。

また、バッテリからの電力により車内灯などの電気負荷が駆動する場合、バッテリの電圧変動によるその車内灯のちらつきなどが問題となるため、例えば減速時等のバッテリの充電に際し、バッテリの目標充電電圧を十分に高くすることができない場合がある。

このような理由から、回生エネルギーを十分に利用できない（十分に回収できない）場合があり、回生エネルギーをより有効に利用できるように更なる改善が望まれていた。
本発明は、こうした点に鑑みなされたもので、車両における回生エネルギーをより有効に利用できる車両用電源システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、車両における電気負荷が接続される充放電可能な第１の蓄電手段と、少なくとも車両における回生エネルギーにより駆動する発電手段と、発電手段により発電された電力を蓄電する充放電可能な第２の蓄電手段と、を備え、第２の蓄電手段から、電気負荷を通して第１の蓄電手段に充電可能に構成されている車両用電源システムである。

つまり、この車両用電源システムは、電気負荷に接続される第１の蓄電手段とは別に、回生エネルギーにより駆動する発電手段によって発電された電力を蓄電する第２の蓄電手段を備えている。尚、回生エネルギーは例えば車両の減速時や下り坂等で得られる。また、電気負荷としては、エンジンのスタータ、オーディオ、車内灯などが考えられる。

発電手段により発電された電力を蓄電する第２の蓄電手段を専用に備えているため、その第２の蓄電手段として、例えば充電状態の検出特性に優れたバッテリを用いることで、バッテリの電力を目一杯利用することができる。充電状態の検出特性に優れたバッテリならば、バッテリ残量がより正確に分かり、余裕分を不要に確保する必要がないためである。

そして、バッテリの電力を目一杯利用することで、例えば車両減速時の回生エネルギーによる充電量を増加させることができる。つまり、車両の減速時以外に、バッテリの放電量をより多くすることができるため、その分、回生エネルギーをより多く回収することができる。このため、回生エネルギーをより有効に利用することができるようになる。

そして、第２の蓄電手段から第１の蓄電手段に充電可能に構成されているため、回生エネルギーによる発電電力を第１の蓄電手段に充電することもでき、回生エネルギーをさらに有効に利用できる（さらに多く回収することができる）ようになる。

しかも、第２の蓄電手段から、電気負荷を通して第１の蓄電手段に充電可能に構成されているため、第２の蓄電手段から第１の蓄電手段への充電電力を、電気負荷の駆動にも利用することができる。つまり、第２の蓄電手段の充電電力を、電気負荷の駆動と第１の蓄電手段の充電との両方に利用することができる。尚、この場合の電気負荷としては、例えばオーディオ、車内灯など、車両の走行性能に影響しないような電気負荷が考えられる。

ところで、請求項１の車両用電源システムでは、具体的に、請求項２に記載のように、第２の蓄電手段から第１の蓄電手段への充電経路の途中に電気負荷が接続されるように構成されると良い。

このような具体的な構成により、第２の蓄電手段から第１の蓄電手段への充電電力を電気負荷の駆動にも利用することができるようになる。
次に、請求項３の車両用電源システムは、請求項２の車両用電源システムにおいて、第２の蓄電手段から第１の蓄電手段への充電経路として、電気負荷が経路の途中に接続された第１の経路と、第２の蓄電手段から第１の蓄電手段への供給電圧を、その第１の蓄電手段の目標充電電圧に昇圧又は降圧する昇降圧制御装置が経路の途中に接続された第２の経路と、の２種類が少なくともあり、第１の経路及び第２の経路の両方又は一方を介して、第２の蓄電手段から第１の蓄電手段に充電可能に構成されていることを特徴としている。

このような構成によれば、例えば第１の経路と第２の経路との両方を用いることで、第２の蓄電手段から第１の蓄電手段により速やかに充電できるようになる。
そして、第２の経路には昇降圧制御装置が接続されており、これにより、第１の蓄電手段に適切に充電されるようになる。

また、第１の経路には電気負荷が接続されており、その電気負荷の抵抗の大きさによっては、第２の蓄電手段から第１の蓄電手段への供給電圧が、第１の蓄電手段の目標充電電圧に降圧されることが期待できる。

尚、第２の経路に電気負荷を接続しないようにすれば、第２の経路を用いて充電する場合は、電気負荷の駆動を気にしなくても良くなる。例えば、電気負荷を駆動せず充電のみを実施したい場合は、電気負荷が接続されない第２の経路のみを用いて第２の蓄電手段から第１の蓄電手段に充電するようにすれば良い。

次に、請求項２，３の車両用電源システムでは、請求項４のように構成するとより好ましい。
請求項４の車両用電源システムは、請求項２，３の車両用電源システムにおいて、第２の蓄電手段の充電電圧は、第１蓄電手段の充電電圧よりも高くなるように構成され、電気負荷が接続された充電経路にはスイッチング素子が設けられ、その充電経路における第２の蓄電手段から第１の蓄電手段への供給電圧が、第１の蓄電手段の目標充電電圧となるように、スイッチング素子を所定のタイミングで繰り返し開閉する電圧制御手段を備えていることを特徴としている。

このような構成によれば、電気負荷が接続された充電経路を用いて第２の蓄電手段から第１の蓄電手段に充電する場合、第２の蓄電手段から第１の蓄電手段への供給電圧が、確実に、第１の蓄電手段の目標充電電圧に降圧されるようになる。このため、より確実に、第２の蓄電手段から第１の蓄電手段に充電されるようになる。また、より簡単に、所望の充電量を確保できるようになる。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
［第１実施形態］
まず、第１実施形態について説明する。

図１は、本発明が適用された車両用電源システム１の概略構成図である。この車両用電源システム１は、車両（図示省略）に搭載されるものである。
車両用電源システム１は、車両に設けられる電気負荷５０に接続される充放電可能な第１バッテリ１０と、同じく充放電可能な第２バッテリ２０と、充放電制御回路３０と、発電機４０と、を備えている。そして、この車両用電源システム１では、第２バッテリ２０から第１バッテリ１０への充電経路６０，７０が形成されており、充放電制御回路３０の制御のもと、その第２バッテリ２０から第１バッテリ１０に充電可能に構成されている。尚、電気負荷５０は、本実施形態ではランプ（例えば車内灯）の類である。

第１バッテリ１０は、車両において一般的なＰｂ（鉛）バッテリであり、公称電圧１２Ｖを発生する。
第２バッテリ２０は、発電機４０と直接接続され、発電機４０により発電された電力を蓄電できるようになっている。また、第１バッテリ１０よりもバッテリの状態検出特性に優れたバッテリ（例えば、Ｌｉイオンバッテリ、ニッケル系バッテリ等）であり、公称電圧２４Ｖを発生する。

発電機４０は、車両におけるエンジンの回転エネルギー及び車両減速時の回生エネルギーにより駆動して発電する。
充放電制御回路３０は、電圧の昇圧及び降圧を行うＤＣ／ＤＣコンバータ３１と、各種制御処理を行うマイコンとしてのＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）３２と、半導体スイッチとしてのスイッチング素子３３，３４と、電気負荷５０に流れる電流を検出するための抵抗３５と、を備えている。

ＭＰＵ３２には、電気負荷５０を駆動するスイッチ（図示省略）のＯＮ／ＯＦＦを表すＯＮ／ＯＦＦ信号、車速を表す車速信号、エンジンの負荷を表すエンジン負荷信号等が入力される。

また、ＭＰＵ３２は、第１バッテリ１０の端子間、及び第２バッテリ２０の端子間の電流／電圧をモニタしている。電流について、具体的に、第１バッテリ１０のプラス端子には電流センサ１２が接続され、第２バッテリ２０のプラス端子には電流センサ２２が接続されている。ＭＰＵ３２は、電流センサ１２，２２の検出値に基づき、第１バッテリ１０及び第２バッテリ２０の端子間の電流を算出する。そして、ＭＰＵ３２は、第１バッテリ１０の端子間、及び第２バッテリ２０の端子間の電流／電圧に基づき、その第１バッテリ１０の充電状態、及び第２バッテリ２０の充電状態を演算する。

また、ＭＰＵ３２は、電気負荷５０を駆動するスイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号が表す電気負荷５０の駆動状態、車速信号が表す車速、エンジン負荷信号が表すエンジンの負荷の状態、第１バッテリ１０及び第２バッテリ２０の充電状態、発電機４０の発電能力及び消費電力、等に基づき、第１バッテリ１０及び第２バッテリ２０の充電・放電を行うタイミングやその充電・放電の期間の制御等を行う。

例えば、車両の加速時など、エンジンの高負荷時では、発電機４０による発電量（つまり、発電機４０から第２バッテリ２０への充電量）を抑制する。一方、車両の減速時には、第２バッテリ２０の目標充電電圧を高くする（例えば２８Ｖにする）ことで、発電機４０による発電量を多くする（つまり、回生エネルギーの回収量を多くする）。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、より具体的に、ＭＰＵ３２の制御のもと、第２バッテリ２０から第１バッテリ１０への供給電圧を、第１バッテリ１０の目標充電電圧に昇圧或いは降圧する機能を有する。

スイッチング素子３３は、第２バッテリ２０→電気負荷５０→第１バッテリ１０の電流の経路を接続／遮断するものである。
また、スイッチング素子３４は、第１バッテリ１０→電気負荷５０の電流の経路を接続／遮断するものである。

次に、充電経路６０は、第２バッテリ２０から、スイッチング素子３３、抵抗３５、及び電気負荷５０を介して第１バッテリ１０に接続する経路である。
充電経路７０は、第２バッテリ２０から、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１を介して第１バッテリ１０に接続する経路である。

次に、図２は、ＭＰＵ３２において実行される電力供給制御処理の内容を表すフローチャートである。
この処理では、まず、Ｓ１１０で、電気負荷５０の駆動を指示するＯＮ信号が検出されたか否かを判定する。具体的に、車両には電気負荷５０を駆動するためのスイッチ（図示省略）が備えられており、そのスイッチが例えば車両の運転手等により操作されると、電気負荷５０のＯＮ信号がＭＰＵ３２に入力されるようになっている。ＭＰＵ３２は、ＯＮ信号が検出されると、後述するように、電気負荷５０に電力が供給されるような制御を実行する。つまり、電気負荷５０を駆動する。

Ｓ１１０でＯＮ信号が検出されていないと判定した場合は（Ｓ１１０：ＮＯ）、再びＳ１１０の処理を実行する。
一方、Ｓ１１０でＯＮ信号が検出されたと判定すると（Ｓ１１０：ＹＥＳ）、Ｓ１２０に移行し、第２バッテリ２０の充電量が所定量以上か否かを判定し、所定量以上であると判定すると（Ｓ１２０：ＹＥＳ）、Ｓ１３０に移行する。

Ｓ１３０では、第２バッテリ２０から電気負荷５０に電力が供給されるようにする。
具体的に、スイッチング素子３３を駆動し、第２バッテリ２０から電気負荷５０への電流の経路を接続するとともに、スイッチング素子３４を駆動し、第１バッテリ１０から電気負荷５０への電流の経路を遮断する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１を停止する。

また、ここでは、所定のデューティー比のパルス信号（以下、ＰＷＭ信号とも記載する）によりスイッチング素子３３を繰り返し駆動する（つまり、第２バッテリ２０から電気負荷５０への電流の経路の接続／遮断を繰り返す）ことにより、第２バッテリ２０から電気負荷５０への供給電圧が所望の電圧になるように制御する。

換言すれば、第２バッテリ２０から第１バッテリ１０への供給電圧が所望の電圧になるように制御する。つまり、電気負荷５０には第１バッテリ１０が接続されており、第２バッテリ２０から電気負荷５０に電力を供給すると、その電力は、電気負荷５０を通じて第１バッテリ１０に供給される。このため、第２バッテリ２０から電気負荷５０への供給電圧は、第２バッテリ２０から第１バッテリ１０への供給電圧でもある。

ここで、前述のＰＷＭ信号について、図３を用いて説明する。尚、図３に示すＰＷＭ信号において、そのＰＷＭ信号の出力レベルがハイレベルの間、スイッチング素子３３が駆動して第２バッテリ２０から電気負荷５０及び第１バッテリ１０への電流の経路が接続される。

図３（ａ）に示すように、第２バッテリ２０の電圧が高い（例えば所定値より高い）場合は、デューティー比を低く（小さく）設定する（例えばデューティー比０．５未満）。これにより、第２バッテリ２０から第１バッテリ１０への供給電圧について、降圧される度合いを大きくする。

一方、図３（ｂ）に示すように、第２バッテリ２０の電圧が低い（例えば所定値より低い）場合は、デューティー比を高く（大きく）設定する（例えばデューティー比０．５以上）。これにより、第２バッテリ２０から第１バッテリ１０への供給電圧について、降圧される度合いを小さくする。

また、図３（ｃ）に示すように、第２バッテリ２０の電圧が変動する場合は、その変動に合わせて、デューティー比も所定のタイミングで変更する。図３（ｃ）においても、基本的には、第２バッテリ２０の電圧が高い（例えば所定値より高い）場合は、デューティー比を低く（小さく）設定し（例えばデューティー比０．５未満）、第２バッテリ２０の電圧が低い（例えば所定値より低い）場合は、デューティー比を高く（大きく）設定する（例えばデューティー比０．５以上）。

つまり、第２バッテリ２０の電圧の変動に伴い電気負荷５０に流れる電流が変動してしまう、ということを防止するようにしている。このため、電気負荷５０としてのランプの明滅が防止される。尚、ＭＰＵ３２は、電気負荷５０を流れる電流を抵抗３５両端の電圧値から演算すると共に、電気負荷５０を流れる電流の値も加味し、デューティー比の制御を行う。

このようにして、第２バッテリ２０から第１バッテリ１０への供給電圧が、所望の電圧になるように制御される。
ここで、図２に戻り、Ｓ１３０の後はその図２の処理を終了する。

次に、Ｓ１２０で第２バッテリ２０の充電量が所定量以上でない、つまり所定量未満であると判定すると（Ｓ１２０：ＮＯ）、Ｓ１４０に移行し、第１バッテリ１０から電気負荷５０に電力が供給されるようにする。

具体的に、スイッチング素子３３を駆動し、第２バッテリ２０から電気負荷５０への電流の経路を遮断するとともに、スイッチング素子３４を駆動し、第１バッテリ１０から電気負荷５０への電流の経路を接続する。尚、スイッチング素子３４の駆動に際しても、スイッチング素子３３の場合と同様、ＰＷＭ信号によりその駆動を制御する。具体的に、抵抗３５の両端の電圧値に基づき演算される電流値であって、電気負荷５０に流れる電流値が一定となるように、第１バッテリ１０から電気負荷５０への供給電圧（或いは供給電流）を調整している。

Ｓ１４０の後は図２の処理を終了する。
以上説明したように、本第１実施形態においては、発電機４０による発電電力を蓄電する第２バッテリ２０を専用に備えているため、回生エネルギーの回収量を向上させることができる。具体的に、まず、第２バッテリ２０は充電専用のバッテリであるため、基本的には車両における電気負荷を駆動するための電力を確保しておく必要がない。このため、バッテリ残量を極力小さくすることができる。そして、その分、充電量を多く確保できる、という具合である。

しかも、本第１実施形態では、第２バッテリ２０は状態検出特性に優れたバッテリであるため、バッテリ残量がより正確に分かる。これにより、バッテリ残量をより精密に制御できる。このため、上記のバッテリ残量を極力小さくして充電量を多く確保できるようになるという効果をより確実に得ることができる。

また、充電の際の目標充電電圧を高くしても、電気負荷５０の駆動には影響しないため好都合である。例えば、電気負荷５０への供給電圧が変動すると、その電気負荷５０としてのランプが明滅してしまう可能性があるが、本第１実施形態では、第２バッテリ２０への充電に際し、そのような心配がいらなくなる。

また、本第１実施形態では、第２バッテリ２０から第１バッテリ１０に充電可能に構成されているため、第２バッテリ２０から第１バッテリ１０に充電することで回生エネルギーをより有効に利用することができる。さらに、充電経路６０を介して第２バッテリ２０から第１バッテリ１０に充電すれば、電気負荷５０を駆動しつつ、第１バッテリ１０を充電できるようになる。つまり、第２バッテリ２０の電力を、電気負荷５０の駆動と第１バッテリ１０への充電との両方に利用することができる。したがって、回生エネルギーをより効果的に利用できるようになる。

尚、本実施形態において、第１バッテリ１０が第１の蓄電手段に相当し、第２バッテリ２０が第２の蓄電手段に相当し、発電機４０が発電手段に相当し、電気負荷５０が電気負荷に相当し、充電経路６０が第１の経路に相当し、充電経路７０が第２の経路に相当し、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１が昇降圧制御装置に相当し、スイッチング素子３３がスイッチング素子に相当し、ＭＰＵ３２（具体的に、ＭＰＵ３２のＰＷＭ機能）が電圧制御手段に相当している。
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。

図４は、第２実施形態の車両用電源システム１の概略構成図である。尚、第１実施形態と同じ構成については、同じ符号を付している。
図４に示す第２実施形態の車両用電源システム１は、第１実施形態の車両用電源システムと比較して、第２バッテリ２０から第１バッテリ１０への充電経路として、電気負荷５０が経路の途中に接続された充電経路６０のみが設けられている。

また、充放電制御回路３０が、スイッチング素子３３，３４に代えて、スイッチ３６を備えている。スイッチ３６は、電気負荷５０への電流の経路を、第２バッテリ２０側と第１バッテリ１０側との何れかに切り替えるものである。具体的に、スイッチ３６の一端ａは電気負荷５０に接続されており、他端ｂが、第２バッテリ２０側の端子ｃに接続されると、第２バッテリ２０から電気負荷５０への通電経路が接続される。つまり、第２バッテリ２０から、電気負荷５０に電流が供給されるようになる。この場合、第２バッテリ２０から第１バッテリ１０への充電も同時になされることとなる。

つまり、第１実施形態と同様、第２バッテリ２０の電力を、電気負荷５０の駆動と第１バッテリ１０への充電との両方に利用することができる。このように、第２実施形態のような簡易な構成によっても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

尚、スイッチ３６の他端ｂが、第１バッテリ１０側の端子ｄに接続されると、第１バッテリ１０から電気負荷５０への通電経路が接続され、第１バッテリ１０から、電気負荷５０に電流が供給されるようになる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術範囲内において種々の形態をとることができる。
例えば、上記第１実施形態において、充電経路６０，７０の双方の経路から同時に、第１バッテリ１０に充電されるようにしても良い。例えば、充電経路６０を介しての充電が不十分な場合（例えば充電量が不足する場合、充電に時間を要する場合など）は、充電経路７０も同時に利用されるようにすると効果的である。また、充電経路７０のみを用いて、第２バッテリ２０から第１バッテリ１０に充電されるようにしても良い。例えば、電気負荷５０を駆動する必要がなく、しかも第１バッテリ１０への充電が必要な場合には、充電経路７０のみが用いられるようにすれば良い。

また、上記第２実施形態では、充電経路６０において、電気負荷５０に流れる電流を検出するための抵抗が設けられていないが、第１実施形態と同様に設けることとしても良い。つまり、電気負荷５０に流れる電流が検出される構成でも良い。

第１実施形態の車両用電源システム１の概略構成図である。 ＭＰＵ３２において実行される電力供給制御処理を表すフローチャートである。 ＰＷＭ信号を表す図である。 第２実施形態の車両用電源システム１の概略構成図である。

符号の説明

１…車両用電源システム、１０…第１バッテリ、１２…電流センサ、２０…第２バッテリ、２２…電流センサ、３０…充放電制御回路、３１…ＤＣ／ＤＣコンバータ、３２…ＭＰＵ、３３…スイッチング素子、３４…スイッチング素子、３５…抵抗、３６…スイッチ、４０…発電機、５０…電気負荷、６０，７０…充電経路。

Claims (4)

1. 車両における電気負荷が接続される充放電可能な第１の蓄電手段と、
   少なくとも前記車両における回生エネルギーにより駆動する発電手段と、
   前記発電手段により発電された電力を蓄電する充放電可能な第２の蓄電手段と、
   を備え、
   前記第２の蓄電手段から、前記電気負荷を通して前記第１の蓄電手段に充電可能に構成されていることを特徴とする車両用電源システム。
2. 請求項１に記載の車両用電源システムにおいて、
   前記第２の蓄電手段から前記第１の蓄電手段への充電経路の途中に前記電気負荷が接続されていることを特徴とする車両用電源システム。
3. 請求項２に記載の車両用電源システムにおいて、
   前記第２の蓄電手段から前記第１の蓄電手段への充電経路として、前記電気負荷が経路の途中に接続された第１の経路と、前記第２の蓄電手段から前記第１の蓄電手段への供給電圧を、その第１の蓄電手段の目標充電電圧に昇圧又は降圧する昇降圧制御装置が経路の途中に接続された第２の経路と、の２種類が少なくともあり、
   前記第１の経路及び前記第２の経路の両方又は一方を介して、前記第２の蓄電手段から前記第１の蓄電手段に充電可能に構成されていることを特徴とする車両用電源システム。
4. 請求項２又は請求項３に記載の車両用電源システムにおいて、
   前記第２の蓄電手段の充電電圧は、前記第１蓄電手段の充電電圧よりも高くなるように構成され、
   前記電気負荷が接続された充電経路にはスイッチング素子が設けられ、
   その充電経路における前記第２の蓄電手段から前記第１の蓄電手段への供給電圧が、前記第１の蓄電手段の目標充電電圧となるように、前記スイッチング素子を所定のタイミングで繰り返し開閉する電圧制御手段を備えていることを特徴とする車両用電源システム。

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