JP5726046B2

JP5726046B2 - 車両用電源システム

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Publication number: JP5726046B2
Application number: JP2011244188A
Authority: JP
Inventors: 優介檜垣; 堀　保義; 保義堀; 原田　茂樹; 茂樹原田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2015-05-27
Anticipated expiration: 2031-11-08
Also published as: JP2013102586A

Description

この発明は、電力の供給能力を向上させることができる車両用電源システムに関するものである。

従来の車両用電源システムとして、エンジンより駆動されてバッテリに給電する発電機において、その発電電圧を車両の減速時には非減速時よりも高く設定することにより、制動エネルギーの回生を積極的に行う一方、車両の非減速時には減速時よりも低く設定することにより、エンジンへの負荷を低減させて燃費の向上をはかるものがある（例えば、特許文献１参照）。

しかし、上記の車両用電源システムは、発電機の発電電力をバッテリに直接供給してバッテリを充電するように構成されているので、発電機の発電電力を大きく変化させると、バッテリの寿命を縮めることにつながる。

このような課題を解決するために、車両用電源システムの各部の電圧を適正に保ちつつ、発電機の発電電圧を大きくすることができると共に、車両の制動エネルギーを積極的に回生できる以下の車両用電源システムが提案されている。すなわち、この車両用電源システムは、エンジンにより駆動されて交流電力を発電する発電機と、交流電力を直流電力に整流して発電母線に出力する整流器と、車載負荷にバッテリ母線を介して電力を供給するバッテリと、発電機からの発電電力を蓄電する蓄電デバイスと、発電母線に一方の端子が、バッテリ母線に他方の端子が接続される第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、発電母線に一方の端子が、蓄電デバイスに他方の端子が接続される第２ＤＣ／ＤＣコンバータを備えている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−６７５０４号公報ＷＯ２０１１／０４６１４７

しかしながら、上記の特許文献２の車両用電源システムでは、発電機として電動発電機を用いた場合に、電動発電機の駆動電力を蓄電デバイスから供給する際に、必ず第２ＤＣ／ＤＣコンバータを介することになるため、第２ＤＣ／ＤＣコンバータは駆動電力に耐えられるだけの許容電力を有する大型なものが必要となる。また、車載負荷が大電力を必要とする際に、蓄電デバイスから車載負荷に電力を供給するためには、第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータを直列に介することになるため、第１及び第２ＤＣ／ＤＣコンバータ共に車載負荷が要求する電力に耐えられるだけの許容電力を持つ必要がある。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、複数の電圧変換器を有する車両用電源システムにおいて、電圧変換器の接続方法を状況に応じて切り替えるようにして、各電圧変換器の許容電力を超える電力を供給することができるようにする。

この発明による車両用電源システムは、発電機として車両または内燃機関から供給される運動エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電力を発生するとともに、電動機として直流電力に基づいて上記車両または上記内燃機関を駆動する電動発電機と、
第１蓄電母線を介して車載負荷に電力を供給する第１蓄電装置と、
上記電動発電機と電力の授受を行うと共に、上記車載負荷および上記第１蓄電装置に蓄電電力を供給する第２蓄電装置と、
上記電動発電機に発電母線を介して第１端が接続されると共に上記第２蓄電装置に第２蓄電母線を介して第２端が接続されて上記発電母線及び上記第２蓄電母線間で双方向に電圧変換を行う第１電圧変換器と、
上記第２蓄電装置に上記第２蓄電母線を介して第１端が接続されると共に出力母線に第２端が接続されて上記第２蓄電母線及び上記出力母線間で上記第２蓄電母線から上記出力母線の方向に電圧変換を行う第２電圧変換器と、
上記出力母線と上記第１蓄電母線の間の接続線の開閉を行う第１スイッチと、
上記出力母線と上記発電母線の間の接続線の開閉を行う第２スイッチと、
上記電動発電機、上記第１電圧変換器、上記第２電圧変換器、上記第１スイッチ及び上記第２スイッチを制御する制御回路を備え、
上記第１電圧変換器はその第１端を第１の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、上記第２電圧変換器はその第２端を第２の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、
上記制御回路は、上記第２蓄電装置の電力を上記電動発電機に供給する場合に、上記第１スイッチを開いた状態にすると共に上記第２スイッチを閉じた状態にして、上記第１電圧変換器及び上記第２電圧変換器を上記第２蓄電母線と上記発電母線との間で並列に接続可能とし、上記第１の目標電圧と上記第２の目標電圧を同じ電圧値に設定するものである。

また、この発明による車両用電源システムは、発電機として車両または内燃機関から供給される運動エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電力を発生するとともに、電動機として直流電力に基づいて上記車両または上記内燃機関を駆動する電動発電機と、
第１蓄電母線を介して車載負荷に電力を供給する第１蓄電装置と、
上記電動発電機と電力の授受を行うと共に、上記車載負荷および上記第１蓄電装置に蓄電電力を供給する第２蓄電装置と、
上記電動発電機に発電母線を介して第１端が接続されると共に上記第２蓄電装置に第２蓄電母線を介して第２端が接続されて上記発電母線及び上記第２蓄電母線間で双方向に電圧変換を行う第１電圧変換器と、
上記第２蓄電装置に上記第２蓄電母線を介して第１端が接続されると共に出力母線に第２端が接続されて上記第２蓄電母線及び上記出力母線間で上記第２蓄電母線から上記出力母線の方向に電圧変換を行う第２電圧変換器と、
上記出力母線と上記第１蓄電母線の間の接続線の開閉を行う第１スイッチと、
上記出力母線と上記発電母線の間の接続線の開閉を行う第２スイッチと、
上記電動発電機、上記第１電圧変換器、上記第２電圧変換器、上記第１スイッチ及び上記第２スイッチを制御する制御回路を備え、
上記第１電圧変換器はその第１端を第１の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、上記第２電圧変換器はその第２端を第２の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、
上記制御回路は、上記第２蓄電装置の電力を上記車載負荷および上記第１蓄電装置に供給する場合に、上記第１スイッチを閉じた状態にすると共に上記第２スイッチを閉じた状態にして、上記第１電圧変換器及び上記第２電圧変換器を上記第２蓄電母線と上記第１蓄電母線との間で並列に接続可能とし、上記第１の目標電圧と上記第２の目標電圧を同じ電圧値に設定するものである。

また、この発明による車両用電源システムは、発電機として車両または内燃機関から供給される運動エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電力を発生するとともに、電動機として直流電力に基づいて上記車両または上記内燃機関を駆動する電動発電機と、
第１蓄電母線を介して車載負荷に電力を供給する第１蓄電装置と、
上記電動発電機と電力の授受を行うと共に、上記車載負荷および上記第１蓄電装置に蓄電電力を供給する第２蓄電装置と、
上記電動発電機に発電母線を介して第１端が接続されると共に上記第２蓄電装置に第２蓄電母線を介して第２端が接続されて上記発電母線及び上記第２蓄電母線間で双方向に電圧変換を行う第１電圧変換器と、
上記第２蓄電装置に上記第２蓄電母線を介して第１端が接続されると共に出力母線に第２端が接続されて上記第２蓄電母線及び上記出力母線間で双方向に電圧変換を行う第２電圧変換器と、
上記出力母線と上記第１蓄電母線の間の接続線の開閉を行う第１スイッチと、
上記出力母線と上記発電母線の間の接続線の開閉を行う第２スイッチと、
上記電動発電機、上記第１電圧変換器、上記第２電圧変換器、上記第１スイッチ及び上記第２スイッチを制御する制御回路を備え、
上記第１電圧変換器はその第１端を第１の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、上記第２電圧変換器はその第２端を第２の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、
上記制御回路は、上記電動発電機の発電電力を上記第２蓄電装置に供給する場合に、上記第１スイッチを開いた状態にすると共に上記第２スイッチを閉じた状態にして、上記第１電圧変換器及び上記第２電圧変換器を上記発電母線と上記第２蓄電母線との間で並列に接続可能とし、上記第１の目標電圧と上記第２の目標電圧を同じ電圧値に設定し、
上記第１電圧変換器は、第１端から第２端の方向へ電圧を昇圧するとともに、上記第２電圧変換器は、第２端から第１端の方向へ電圧を昇圧するか、または、
上記第１電圧変換器は、第１端から第２端の方向へ電圧を降圧するとともに、上記第２電圧変換器は、第２端から第１端の方向へ電圧を降圧するものである。

また、この発明による車両用電源システムは、車両または内燃機関から供給される運動エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電力を発生する発電機と、
第１蓄電母線を介して車載負荷に電力を供給する第１蓄電装置と、
上記発電機と電力の授受を行うと共に、上記車載負荷および上記第１蓄電装置に蓄電電力を供給する第２蓄電装置と、
上記発電機に発電母線を介して第１端が接続されると共に上記第２蓄電装置に第２蓄電母線を介して第２端が接続されて上記発電母線及び上記第２蓄電母線間で双方向に電圧変換を行う第１電圧変換器と、
上記第２蓄電装置に上記第２蓄電母線を介して第１端が接続されると共に上記第１蓄電母線に第２端が接続されて上記第２蓄電母線及び上記第１蓄電母線間で上記第２蓄電母線から上記第１蓄電母線の方向に電圧変換を行う第２電圧変換器と、
上記第１蓄電母線と上記発電母線の間の接続線の開閉を行う第３スイッチと、
上記発電機、上記第１電圧変換器、上記第２電圧変換器及び上記第３スイッチを制御する制御回路を備え、
上記第１電圧変換器はその第１端を第１の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、上記第２電圧変換器はその第２端を第２の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、
上記制御回路は、上記第２蓄電装置の電力を上記車載負荷および上記第１蓄電装置に供給する場合に、上記第３スイッチを閉じた状態にして、上記第１電圧変換器及び上記第２電圧変換器を上記第２蓄電母線と上記第１蓄電母線との間で並列に接続可能とし、上記第１の目標電圧と上記第２の目標電圧を同じ電圧値に設定するものである。

この発明によれば、第１及び第２電圧変換器を電動発電機又は車載負荷に対して並列に接続することを可能にする第１及び第２スイッチを備えているため、第２蓄電装置の蓄電電力を第１及び第２電圧変換器を介して電動発電機又は車載負荷のどちらか一方に送電することができる。また、電動発電機の発電電力を第１及び第２電圧変換器を介して第２蓄電装置に送電することができる。その結果、第１及び第２電圧変換器の各許容電力を超える電力を、第２蓄電装置と電動発電機又は車載負荷との間で送電することができる。これにより、第１及び第２電圧変換器を効率的に運用でき、各電圧変換器の許容電力を大きくする必要がなくなるため小型軽量化が図られる。

また、この発明によれば、第１及び第２電圧変換器を車載負荷に対して並列に接続することを可能にする第３スイッチを備えているため、第２蓄電装置の蓄電電力を第１及び第２電圧変換器を介して車載負荷に送電することができる。その結果、第１及び第２電圧変換器の各許容電力を超える電力を、第２蓄電装置と車載負荷との間で送電することができる。これにより、第１及び第２電圧変換器を効率的に運用でき、各電圧変換器の許容電力を大きくする必要がなくなるため小型軽量化が図られる。

この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムを示す回路ブロック図である。この発明の実施の形態１に使用される第１電圧変換器の例を示す回路ブロック図である。この発明の実施の形態１に使用される第２電圧変換器の例を示す回路ブロック図である。この発明の実施の形態２に係る車両用電源システムを示す回路ブロック図である。この発明の実施の形態３に使用される第１電圧変換器の例を示す回路ブロック図である。この発明の実施の形態３に使用される第２電圧変換器の例を示す回路ブロック図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムを示す回路ブロック図である。図１に示すように、本実施の形態の車両用電源システムは、発電機として車両（図示せず）または内燃機関（図示せず）から供給される運動エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電力を発生するとともに、電動機として直流電力に基づいて上記車両または上記内燃機関を駆動する電動発電機１と、第１蓄電母線（以下、バッテリ母線と称す）１１を介して車載負荷１２に電力を供給する第１蓄電装置（以下、バッテリと称す）１３と、電動発電機１と電力の授受を行うと共に、車載負荷１２およびバッテリ１３に蓄電電力を供給する第２蓄電装置２と、電動発電機１に発電母線８を介して第１端が接続されると共に第２蓄電装置２に第２蓄電母線９を介して第２端が接続されて発電母線８及び第２蓄電母線９間で電圧変換を行う第１電圧変換器３と、第２蓄電装置２に第２蓄電母線９を介して第１端が接続されると共に出力母線１０に第２端が接続されて第２蓄電母線９及び出力母線１０間で電圧変換を行う第２電圧変換器４と、出力母線１０とバッテリ母線１１の間の接続線の開閉を行う第１スイッチ５と、出力母線１０と発電母線８の間の接続線の開閉を行う第２スイッチ６と、電動発電機１、第１電圧変換器３、第２電圧変換器４、第１スイッチ５及び第２スイッチ６を制御する制御回路７とを含む。

電動発電機１は、車両または内燃機関により回転駆動されかつ制御回路７からの発電指令に基づいて直流電力を発生させ、発電母線８に出力する。また、電動発電機１は、制御回路７からのトルク指令に基づき、第２蓄電装置２の蓄電電力に基づいて回転駆動され、車両又は内燃機関を駆動する。

第１電圧変換器３は、第１端が発電母線８を介して電動発電機１に接続され、第２端が蓄電母線９を介して第２蓄電装置２に接続されている。電動発電機１が車両または内燃機関により駆動されて発電をする際には、発電電力を第２蓄電装置２に送電し、電動発電機１が車両または内燃機関を駆動する際には、第２蓄電装置２に蓄電されている電力を電動発電機１に送電する。したがって、第１電圧変換器３は、発電母線８と第２蓄電母線９の間で両方向に電力を送電することが可能な双方向型の電圧変換器であることが必要である。

第１電圧変換器３は、第１端を所定の第１の目標電圧（以下、目標電圧Ｖ１_refと称す）に保つ定電圧制御型の電圧変換器を用いる。このような電圧変換器としては、例えば第１端の電圧をフィードバック制御する昇降圧チョッパ回路など、一般的な電圧変換器を用いることができる。
ここで、（第１端の電圧変化）／（第１端の電流変化）を、第１電圧変換器３の入力インピーダンスとして考えると、第１電圧変換器３は第１端の電流にかかわらず第１端の電圧を一定に保とうとするので、低い入力インピーダンスの電圧変換器としてみなすことができる。

図２は、第１電圧変換器３の一例を示す回路構成図である。図２において、第１電圧変換器３の第１端３１は発電母線８に接続され、第２端３２は第２蓄電母線９に接続されている。第１電圧変換器３の第１端３１で検出された電圧Ｖ１は、減算器３３により制御回路７から出力される目標電圧Ｖ１_refと比較され、その偏差Ｖ１ｅをＰＩＤ演算器３４に出力する。ＰＩＤ演算器３４は上記偏差Ｖ１ｅに基づきＰＩＤ演算を行い操作量としてデューティ信号を出力する。ＰＷＭ発生器３５はＰＩＤ演算器３４からのデューティ信号に従いＰＷＭ信号を発生する。ＰＷＭ信号はゲートドライブアンプを介してＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子Ｑ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌのゲートに入力され、各スイッチング素子Ｑ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌのオンオフを制御する。なお、Ｌはインダクタ、Ｃｉ及びＣｏはコンデンサである。

第２電圧変換器４は、第１端が第２蓄電母線９を介して第２蓄電装置２に接続され、第２端が出力母線１０を介して第１スイッチ５の第１端５１と第２スイッチ６の第２端６２に接続されている。第２電圧変換器４は、第２蓄電装置２に蓄電されている電力を出力母線１０に送電するために、第１端から第２端に送電可能な単方向型の電圧変換器であることが好ましいが、第１端と第２端間で双方向に送電することが可能な双方向型の電圧変換器でもかまわない。

第２電圧変換器４は、第２端を所定の第２の目標電圧（以下、目標電圧Ｖ２_refと称す）に保つ定電圧制御型の電圧変換器を適用する。このような電圧変換器としては、例えば第２端の電圧をフィードバック制御する昇降圧チョッパ回路など、一般的な電圧変換器を用いることができる。所定の目標電圧Ｖ２_refは、バッテリ１３の定格電圧に基づいて設定され、例えば、バッテリ１３として定格電圧１２Ｖの鉛蓄電池を用いるならば、目標電圧は１４Ｖ程度に設定するのが一般的である。

図３は第２電圧変換器４の一例を示す回路構成図である。この例では、第２電圧変換器４として双方向型の昇降圧チョッパを使用している。図３において、第２電圧変換器４の第１端４１は第２蓄電母線９に接続され、第２端４２は出力母線１０に接続されている。第２電圧変換器４の第２端４２で検出された電圧Ｖ２は、減算器４３により制御回路７から出力される目標電圧Ｖ２_refと比較され、その偏差Ｖ２ｅをＰＩＤ演算器４４に出力する。ＰＩＤ演算器４４は上記偏差Ｖ２ｅに基づきＰＩＤ演算を行い操作量としてデューティ信号を出力する。ＰＷＭ発生器４５はＰＩＤ演算器４４からのデューティ信号に従いＰＷＭ信号を発生する。ＰＷＭ信号はゲートドライブアンプを介してＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子Ｑ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌのゲートに入力され、各スイッチング素子Ｑ１Ｈ、Ｑ１Ｌ、Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌのオンオフを制御する。なお、Ｌはインダクタ、Ｃｉ及びＣｏはコンデンサである。

第１スイッチ５は、上述のように第１端５１が出力母線１０に接続され、第２端はバッテリ１３及び車載負荷１２側のバッテリ母線１１に接続されている。第２蓄電装置２に蓄電されている電力を第２電圧変換器４を経由して車載負荷１２に供給する場合に、第１スイッチ５は閉じた状態にする。

第２スイッチ６は、上述のように第２端６２が出力母線１０に接続され、第１端６１は発電母線８に接続されている。第２蓄電装置２に蓄電されている電力を第１電圧変換器３及び第２電圧変換器４を経由して電動発電機１に供給する場合に、第２スイッチ６を閉じた状態にすると共に第１スイッチ５を開いた状態にする。電動発電機１の発電電力を第１電圧変換器３を介して第２蓄電装置２へ蓄電する場合には、第２スイッチ６は開いた状態にする。

上記のように第１スイッチ５が開き、第２スイッチ６が閉じた状態では、第１電圧変換器３の第１端と、第２電圧変換器４の第２端とが電動発電機１に接続された状態になる。このとき、第１電圧変換器３の第１端の目標電圧Ｖ１_refと、第２電圧変換器４の第２端の目標電圧Ｖ２_refを同じ値に設定することで、第１電圧変換器３と第２電圧変換器４とを並列運用して第２蓄電装置２に蓄電されている電力を電動発電機１に送電することができる。

第２蓄電装置２は、電気二重層コンデンサ若しくはリチウム・イオン蓄電池やニッケル水素蓄電等の蓄電池などの大容量である蓄電デバイスを使用することができる。第２蓄電装置２の充電電圧Ｖｃは、蓄電池を用いた場合には定格電圧になり、電気二重層コンデンサを用いた場合には、コンデンサ容量Ｃと初期電圧Ｖｃ０とコンデンサの充電電流Iｃより、次式で求まる。

Ｖｃ（t）=∫（Iｃ／Ｃ）dt＋Ｖｃ０・・・（１）

ここで、コンデンサの充電電流Ｉｃは、第１電圧変換器３の第２端から出力される電流Ｉ１o、第２電圧変換器４の第１端に入力される電流Ｉ２iより、次式で決まる。

Ｉｃ＝Ｉ１o−Ｉ２i ・・・（２）

第１電圧変換器３として、定電圧制御型の電圧変換器を用いることにより、発電母線８の電圧Ｖｍｇを所定の電圧に保つことが可能となる。このように発電母線８の電圧Ｖｍｇを一意に決めることができるのは、一つの回路接続点である発電母線８に対して、低入力インピーダンスの第１電圧変換器３を接続する構成をとったためである。

電動発電機１は、エンジンが動作状態にあるときはエンジンに駆動されて発電を実施し、エンジンが停止状態にあるときは発電を実施しない。エンジンが停止状態から動作状態に起動するときに、電動発電機１は第２蓄電装置２に蓄電された電力を使用してエンジンを起動する。

電動発電機１の制御は、公知の制御方法を使用すればよい。例えば電動発電機１が発電を実施する際は、電動発電機１は制御回路７から発電指令を受けて発電を実施し、また、電動発電機１がエンジンを駆動する際には、電動発電機１は制御回路７からトルク指令を受けて駆動を実施する。

制御回路７は、電動発電機１の制御指令と、第１電圧変換器３の目標電圧Ｖ１_ref指令と、第２電圧変換器４の目標電圧Ｖ２_ref指令と、第１スイッチ５の開閉指令と、第２スイッチ６の開閉指令を出力する。この制御回路７による車両用電源システムの制御は、車両状態に基づいて実施する。車両状態とは、車速、エンジントルク、バッテリ１３や第２蓄電装置２の電圧等のことであり、これらは公知の方法で検出し、車両状態情報７０として制御回路７に入力される。

電動発電機１の発電出力は車両状態に応じて変化させる。車両が制動中であって余剰なエンジントルクがある場合には、発電出力を高くして第２蓄電装置２を速やかに充電する。ただし、第２蓄電装置２の充電状態が満充電であるなど、追加充電をすることが好ましくない場合には、必ずしも発電出力を高くすることは実施しない。また、車両が制動中ではない等の理由で余剰なエンジントルクが無く、かつ、第２蓄電装置２の充電状態が著しく低くない場合は発電電力を零にし、第２蓄電装置２の充電状態が著しく低い時には車載負荷１２が必要とする電力を発電する。上記のように発電出力を車両状態に応じて変化させることで、余剰なエンジントルクを効率的に使用できるので燃料の使用量が低下する。

第２電圧変換器４の第２端の目標電圧Ｖ２_refは、第１スイッチ５が閉じていてバッテリ母線１１を介してバッテリ１３および車載負荷１２に接続しているときは、前述のようにバッテリ１３の定格電圧に基づいて設定する。一方で、第１スイッチ５が開き、第２スイッチ６が閉じているときは、第１電圧変換器３と第２電圧変換器４が並列に接続されて第２蓄電装置２の蓄電電力を電動発電機１に送電して車両または内燃機関を駆動する状態であるから、第１電圧変換器３の目標電圧Ｖ１_refと第２電圧変換器４の目標電圧Ｖ２_refは同じ電圧値に設定し、その設定値は車両または内燃機関を駆動するのに足る電圧値とする。

上記のように、第１スイッチ５の開閉指令は、電動発電機１に送電する場合には開き、それ以外では閉じるものとする。第２スイッチ６の開閉指令は、上記のように電動発電機１に送電する場合には閉じ、それ以外では閉じるものとする。

ただし、第２電圧変換器４に双方向型電圧変換器を用いた場合には、電動発電機１から第２蓄電装置２への充電を第１電圧変換器３及び第２電圧変換器４を並列に接続して実施することが可能であり、このような動作をする場合には第２スイッチ６は閉じ、第１スイッチ５は開くものとする。

さらに、第２蓄電装置２から車載負荷１２及びバッテリ１３への送電を第１電圧変換器３及び第２電圧変換器４を並列に接続して実施することが可能であり、このような動作をする場合には第２スイッチ６は閉じ、第１スイッチ５は閉じるものとする。

以上のように本実施の形態によれば、第１及び第２電圧変換器３，４を電動発電機１又は車載負荷１２に対して並列に接続することを可能にする第１及び第２スイッチ５，６を備えているため、第２蓄電装置２の蓄電電力を第１及び第２電圧変換器３，４を介して電動発電機１又は車載負荷１２のどちらか一方に送電することができる。また、電動発電機１の発電電力を第１及び第２電圧変換器３，４を介して第２蓄電装置２に送電することができる。その結果、第１及び第２電圧変換器３，４の各許容電力を超える電力を、第２蓄電装置２と電動発電機１又は車載負荷１２との間で送電することができる。これにより、第１及び第２電圧変換器３，４を効率的に運用でき、各電圧変換器３，４の許容電力を大きくする必要がなくなるため小型軽量化が図られる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る車両用電源システムの回路構成図である。図４に示すように、本実施の形態の車両用電源システムは、車両（図示せず）または内燃機関（図示せず）から供給される運動エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電力を発生する発電機１４と、第１蓄電母線（以下、バッテリ母線と称す）１１を介して車載負荷１２に電力を供給する第１蓄電装置（以下、バッテリと称す）１３と、発電機１４と電力の授受を行うと共に、車載負荷１２およびバッテリ１３に蓄電電力を供給する第２蓄電装置２と、発電機１４に発電母線８を介して第１端が接続されると共に第２蓄電装置２に第２蓄電母線９を介して第２端が接続されて発電母線８及び第２蓄電母線９間で電圧変換を行う第１電圧変換器３と、第２蓄電装置２に第２蓄電母線９を介して第１端が接続されると共にバッテリ母線１１に第２端が接続されて第２蓄電母線９及びバッテリ母線１１間で電圧変換を行う第２電圧変換器４と、バッテリ母線１１と発電母線８の間の接続線の開閉を行う第３スイッチ１５と、発電機１４、第１電圧変換器３、第２電圧変換器４及び第３スイッチ１５を制御する制御回路７とを含む。

図４に示す実施の形態２の車両用電源システムは、実施の形態１の車両用電源システムと比較して、電動発電機１は発電機１４に置き換えられ、出力母線１０と第１スイッチ５と第２スイッチ６が省かれて、第２電圧変換器４の第２端はバッテリ母線１１に接続され、バッテリ母線１１と発電母線８の間の接続線の開閉を行う第３スイッチ１５が追加されている。その他の構成部品及びそれらの機能は、実施の形態１と同様である。

本実施の形態において、第３スイッチ１５が開かれると、発電機１４の発電電力を第１電圧変換器３を介して第２蓄電装置２に蓄電し、さらに第２蓄電装置２の蓄電電力を第２電圧変換器４を介してバッテリ母線１１へ供給することができる。一方で、第３スイッチ１５を閉じると、発電母線８とバッテリ母線１１が接続されるので、第１電圧変換器３と第２電圧変換器４が並列に接続された状態となる。このような接続方法をとると、第２蓄電装置２の蓄電電力を第１電圧変換器３及び第２電圧変換器４を介してバッテリ母線１１へ供給することが可能となる。したがって、第１電圧変換器３および第２電圧変換器４の許容電力を超える電力を第２蓄電装置２からバッテリ母線１１へ供給することが可能である。

車載負荷１２が大電力を必要とする際に、上述のように第２蓄電装置２の蓄電電力を第１電圧変換器３及び第２電圧変換器４を介してバッテリ母線１１へ供給することで、バッテリ母線１１の電圧低下を抑制することができるため、車載負荷１２の瞬停を防止する効果が得られる。

車載負荷１２が大電力を必要とする場合は、例えばスタータ（始動電動機）を駆動する場合である。スタータはエンジンを始動するためにあるので、スタータが動作する際はエンジンは停止していて発電機１４の発電も停止している。そのため、上述のように第３スイッチ１５を閉じて第１電圧変換器３及び第２電圧変換器４とを並列に接続した状態とすることにより、第２蓄電装置２からスタータへの供給電力を増加する効果がある。

上記のように第１電圧変換器３および第２電圧変換器４を並列に接続した状態をとる場合に、第２電圧変換器４の第２端の目標電圧Ｖ２_refと第１電圧変換器３の第１端の目標電圧Ｖ１_refは同じ電圧値に設定し、その設定値はバッテリ１３の定格電圧に基づいて設定する。

なお、車載負荷１２であってスタータ以外の機器が大電力を必要とする場合は、発電機１４は、第１電圧変換器３および第２電圧変換器４を並列に接続してバッテリ母線１１へ電力を供給する際に、発電を実施していても実施していなくてもどちらでも構わない。

以上のように本実施の形態によれば、第１及び第２電圧変換器３，４を車載負荷１２に対して並列に接続することを可能にする第３スイッチ１５を備えているため、第２蓄電装置２の蓄電電力を第１及び第２電圧変換器３，４を介して車載負荷１２に送電することができる。その結果、第１及び第２電圧変換器３，４の各許容電力を超える電力を、第２蓄電装置２と車載負荷１２との間で送電することができる。これにより、第１及び第２電圧変換器３，４を効率的に運用でき、各電圧変換器３，４の許容電力を大きくする必要がなくなるため小型軽量化が図られる。

実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１又は実施の形態２と同様の構成の車両用電源システムにおいて、第１電圧変換器３に昇圧型の電圧変換器を用いて、第２電圧変換器４に降圧型の電圧変換器を用いるか、あるいは、第１電圧変換器３に降圧型の電圧変換器を用いて、第２電圧変換器４に昇圧型の電圧変換器を用いる。

上記第１電圧変換器３又は第２電圧変換器４に用いる昇圧型の電圧変換器は、それぞれ第１端から第２端の方向へ電圧を昇圧し、かつ第２端から第１端の方向へは電圧を降圧することが可能な電圧変換器とする。同様に、上記第１電圧変換器３又は第２電圧変換器４に用いる降圧型の電圧変換器は、それぞれ第１端から第２端の方向へ電圧を降圧し、かつ第２端から第１端の方向へ電圧を昇圧することが可能な電圧変換器とする。

実施の形態１の車両用電源システムにおいて、第２スイッチ６を開き、第１スイッチ５を閉じた状態とすると、電動発電機１の発電電力は第１電圧変換器３を介して第２蓄電母線９に送電され、さらに第２蓄電母線９から第２電圧変換器４を介して出力母線１０へ送電される。このとき、第１電圧変換器３が昇圧型の電圧変換器であり第２電圧変換器４が降圧型の電圧変換器であれば、電動発電機１の発電電力が出力母線１０へ送電される過程において、電圧は、第１電圧変換器３で昇圧されて、続けて第２電圧変換器４で降圧されることとなる。一方で、第１電圧変換器３が降圧型の電圧変換器であり第２電圧変換器４が昇圧型の電圧変換器であれば、電動発電機１の発電電力が出力母線１０へ送電される過程において、電圧は、第１電圧変換器３で降圧されて、続けて第２電圧変換器４で昇圧されることとなる。

また、実施の形態１の車両用電源システムにおいて、第１スイッチ５を開き、第２スイッチ６を閉じた状態とすると、第１電圧変換器３の第１端と、第２電圧変換器４の第２端とが電動発電機１に接続された状態になる。このとき、第１電圧変換器３の第１端の目標電圧Ｖ１_refと、第２電圧変換器４の第２端の目標電圧Ｖ２_refを同じ値に設定することで、第２蓄電装置２に蓄電されている電力を、第１電圧変換器３と第２電圧変換器４とを並列運用して電動発電機１に対して送電することができる。ここで、第１電圧変換器３と第２電圧変換器４の組み合わせとして、昇圧型と降圧型、あるいは降圧型と昇圧型という組み合わせで使用すれば、上記のように第１電圧変換器３の第１端と第２電圧変換器４の第２端とが電動発電機１に接続された状態にあるから、第１電圧変換器３と第２電圧変換器４は電動発電機１に対して第２蓄電装置２の電力を降圧あるいは昇圧して送電することができる。

つまり、第１電圧変換器３と第２電圧変換器４として、昇圧型と降圧型あるいは降圧型と昇圧型というように異なる型の電圧変換器を組み合わせることで、昇降圧型の電圧変換器を用いなくても実施の形態１の車両用電源システムを実現することが可能である。昇圧型または降圧型の電圧変換器は、昇降圧型の電圧変換器と比較して回路が簡易であるため車両用電源システムの小型化に寄与する。

ここで、第１電圧変換器３として降圧型の電圧変換器を使用した例を図５に示すと共に、第２電圧変換器４として昇圧型の電圧変換器を使用した例を図６に示す。

図５において、第１電圧変換器３の第１端３１は発電母線８に接続され、第２端３２は第２蓄電母線９に接続されている。第１電圧変換器３の第１端３１で検出された電圧Ｖ１は、減算器３３により制御回路７から出力される目標電圧Ｖ１_refと比較され、その偏差Ｖ１ｅをＰＩＤ演算器３４に出力する。ＰＩＤ演算器３４は上記偏差Ｖ１ｅに基づきＰＩＤ演算を行い操作量としてデューティ信号を出力する。ＰＷＭ発生器３５はＰＩＤ演算器３４からのデューティ信号に従いＰＷＭ信号を発生する。ＰＷＭ信号はゲートドライブアンプを介してＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子Ｑ１Ｈ、Ｑ１Ｌのゲートに入力され、各スイッチング素子Ｑ１Ｈ、Ｑ１Ｌのオンオフを制御する。

図６において、第２電圧変換器４の第１端４１は第２蓄電母線９に接続され、第２端４２は出力母線１０に接続されている。第２電圧変換器４の第２端４２で検出された電圧Ｖ２は、減算器４３により制御回路７から出力される目標電圧Ｖ２_refと比較され、その偏差Ｖ２ｅをＰＩＤ演算器４４に出力する。ＰＩＤ演算器４４は上記偏差Ｖ２ｅに基づきＰＩＤ演算を行い操作量としてデューティ信号を出力する。ＰＷＭ発生器４５はＰＩＤ演算器４４からのデューティ信号に従いＰＷＭ信号を発生する。ＰＷＭ信号はゲートドライブアンプを介してＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌのゲートに入力され、各スイッチング素子Ｑ２Ｈ、Ｑ２Ｌのオンオフを制御する。

実施の形態２についても同様に、第１電圧変換器３と第２電圧変換器４として、昇圧型と降圧型の電圧変換器あるいは降圧型と昇圧型の電圧変換器というように異なる型の電圧変換器を組み合わせることができる。そうすると、第１電圧変換器３と第２電圧変換器４として昇降圧型の電圧変換器を用いなくても実施の形態２の車両用電源システムを実現することが可能となる。

例えば、第１電圧変換器３と第２電圧変換器４としてそれぞれ昇圧型と降圧型の電圧変換器を使用した場合、第３スイッチ１５を開いた状態では、発電機１４の発電電力は、第１電圧変換器３で昇圧されて、第２蓄電母線９を介して第２電圧変換器４で降圧されてバッテリ母線１１へ出力される。一方、第３スイッチ１５が閉じた状態では、発電母線８とバッテリ母線１１が接続されて第１電圧変換器３と第２電圧変換器４は並列接続されるため、第２蓄電装置２から第１電圧変換器３及び第２電圧変換器４を介して降圧してバッテリ母線１１に電力を送電することができる。この場合、第１電圧変換器３の第１端の目標電圧Ｖ１_refと第２電圧変換器４の第２端の目標電圧Ｖ２_refはバッテリ１３の定格電圧に基づく同じ電圧値に設定する。また、発電機１４から第１電圧変換器３及び第２電圧変換器４を介して昇圧して第２蓄電装置２に電力を送電することもできる。

また、第１電圧変換器３と第２電圧変換器４としてそれぞれ降圧型と昇圧型の電圧変換器を使用した場合、第３スイッチ１５を開いた状態では、発電機１４の発電電力は、第１電圧変換器３で降圧されて、第２蓄電母線９を介して第２電圧変換器４で昇圧されてバッテリ母線１１へ出力される。一方、第３スイッチ１５が閉じた状態では、第２蓄電装置２から第１電圧変換器３及び第２電圧変換器４を介して昇圧してバッテリ母線１１に電力を送電することができる。この場合、第１電圧変換器３の第１端の目標電圧Ｖ１_refと第２電圧変換器４の第２端の目標電圧Ｖ２_refはバッテリ１３の定格電圧に基づく同じ電圧値に設定する。また、発電機１４から第１電圧変換器３及び第２電圧変換器４を介して降圧して第２蓄電装置２に電力を送電することもできる。

以上のように本実施の形態では、実施の形態１又は２の車両用電源システムにおいて、第１電圧変換器は第１端から第２端の方向へ電圧を昇圧しかつ第２端から第１端の方向へ電圧を降圧する電圧変換器であり、第２電圧変換器は第１端から第２端の方向へ電圧を降圧しかつ第２端から第１端の方向へ電圧を昇圧する電圧変換器であるか、又は第１電圧変換器は第１端から第２端の方向へ電圧を降圧しかつ第２端から第１端の方向へ電圧を昇圧する電圧変換器であり、第２電圧変換器は第１端から第２端の方向へ電圧を昇圧しかつ第２端から第１端の方向へ電圧を降圧する電圧変換器であることとした。その結果、昇降圧型の電圧変換器を用いなくても実施の形態１又は２のシステムを実現することが可能となり、回路が簡易となりシステムの小型化に寄与する。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１電動発電機、２第２蓄電装置、３第１電圧変換器、４第２電圧変換器、
５第１スイッチ、６第２スイッチ、７制御回路、８発電母線、
９第２蓄電母線、１０出力母線、１１第１蓄電母線（バッテリ母線）、
１２車載負荷、１３第１蓄電装置（バッテリ）、１４発電機、
１５第３スイッチ。

Claims

発電機として車両または内燃機関から供給される運動エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電力を発生するとともに、電動機として直流電力に基づいて上記車両または上記内燃機関を駆動する電動発電機と、
第１蓄電母線を介して車載負荷に電力を供給する第１蓄電装置と、
上記電動発電機と電力の授受を行うと共に、上記車載負荷および上記第１蓄電装置に蓄電電力を供給する第２蓄電装置と、
上記電動発電機に発電母線を介して第１端が接続されると共に上記第２蓄電装置に第２蓄電母線を介して第２端が接続されて上記発電母線及び上記第２蓄電母線間で双方向に電圧変換を行う第１電圧変換器と、
上記第２蓄電装置に上記第２蓄電母線を介して第１端が接続されると共に出力母線に第２端が接続されて上記第２蓄電母線及び上記出力母線間で上記第２蓄電母線から上記出力母線の方向に電圧変換を行う第２電圧変換器と、
上記出力母線と上記第１蓄電母線の間の接続線の開閉を行う第１スイッチと、
上記出力母線と上記発電母線の間の接続線の開閉を行う第２スイッチと、
上記電動発電機、上記第１電圧変換器、上記第２電圧変換器、上記第１スイッチ及び上記第２スイッチを制御する制御回路を備え、
上記第１電圧変換器はその第１端を第１の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、上記第２電圧変換器はその第２端を第２の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、
上記制御回路は、上記第２蓄電装置の電力を上記電動発電機に供給する場合に、上記第１スイッチを開いた状態にすると共に上記第２スイッチを閉じた状態にして、上記第１電圧変換器及び上記第２電圧変換器を上記第２蓄電母線と上記発電母線との間で並列に接続可能とし、上記第１の目標電圧と上記第２の目標電圧を同じ電圧値に設定する車両用電源システム。
発電機として車両または内燃機関から供給される運動エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電力を発生するとともに、電動機として直流電力に基づいて上記車両または上記内燃機関を駆動する電動発電機と、
第１蓄電母線を介して車載負荷に電力を供給する第１蓄電装置と、
上記電動発電機と電力の授受を行うと共に、上記車載負荷および上記第１蓄電装置に蓄電電力を供給する第２蓄電装置と、
上記電動発電機に発電母線を介して第１端が接続されると共に上記第２蓄電装置に第２蓄電母線を介して第２端が接続されて上記発電母線及び上記第２蓄電母線間で双方向に電圧変換を行う第１電圧変換器と、
上記第２蓄電装置に上記第２蓄電母線を介して第１端が接続されると共に出力母線に第２端が接続されて上記第２蓄電母線及び上記出力母線間で上記第２蓄電母線から上記出力母線の方向に電圧変換を行う第２電圧変換器と、
上記出力母線と上記第１蓄電母線の間の接続線の開閉を行う第１スイッチと、
上記出力母線と上記発電母線の間の接続線の開閉を行う第２スイッチと、
上記電動発電機、上記第１電圧変換器、上記第２電圧変換器、上記第１スイッチ及び上記第２スイッチを制御する制御回路を備え、
上記第１電圧変換器はその第１端を第１の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、上記第２電圧変換器はその第２端を第２の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、
上記制御回路は、上記第２蓄電装置の電力を上記車載負荷および上記第１蓄電装置に供給する場合に、上記第１スイッチを閉じた状態にすると共に上記第２スイッチを閉じた状態にして、上記第１電圧変換器及び上記第２電圧変換器を上記第２蓄電母線と上記第１蓄電母線との間で並列に接続可能とし、上記第１の目標電圧と上記第２の目標電圧を同じ電圧値に設定する車両用電源システム。
発電機として車両または内燃機関から供給される運動エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電力を発生するとともに、電動機として直流電力に基づいて上記車両または上記内燃機関を駆動する電動発電機と、
第１蓄電母線を介して車載負荷に電力を供給する第１蓄電装置と、
上記電動発電機と電力の授受を行うと共に、上記車載負荷および上記第１蓄電装置に蓄電電力を供給する第２蓄電装置と、
上記電動発電機に発電母線を介して第１端が接続されると共に上記第２蓄電装置に第２蓄電母線を介して第２端が接続されて上記発電母線及び上記第２蓄電母線間で双方向に電圧変換を行う第１電圧変換器と、
上記第２蓄電装置に上記第２蓄電母線を介して第１端が接続されると共に出力母線に第２端が接続されて上記第２蓄電母線及び上記出力母線間で双方向に電圧変換を行う第２電圧変換器と、
上記出力母線と上記第１蓄電母線の間の接続線の開閉を行う第１スイッチと、
上記出力母線と上記発電母線の間の接続線の開閉を行う第２スイッチと、
上記電動発電機、上記第１電圧変換器、上記第２電圧変換器、上記第１スイッチ及び上記第２スイッチを制御する制御回路を備え、
上記第１電圧変換器はその第１端を第１の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、上記第２電圧変換器はその第２端を第２の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、
上記制御回路は、上記電動発電機の発電電力を上記第２蓄電装置に供給する場合に、上記第１スイッチを開いた状態にすると共に上記第２スイッチを閉じた状態にして、上記第１電圧変換器及び上記第２電圧変換器を上記発電母線と上記第２蓄電母線との間で並列に接続可能とし、上記第１の目標電圧と上記第２の目標電圧を同じ電圧値に設定し、
上記第１電圧変換器は、第１端から第２端の方向へ電圧を昇圧するとともに、上記第２電圧変換器は、第２端から第１端の方向へ電圧を昇圧するか、または、
上記第１電圧変換器は、第１端から第２端の方向へ電圧を降圧するとともに、上記第２電圧変換器は、第２端から第１端の方向へ電圧を降圧する、車両用電源システム。
上記制御回路は、上記電動発電機の発電電力を上記車載負荷および上記第１蓄電装置に供給する場合に、上記第１スイッチを閉じた状態にすると共に上記第２スイッチを開いた状態にする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
車両または内燃機関から供給される運動エネルギーを電気エネルギーに変換して直流電力を発生する発電機と、
第１蓄電母線を介して車載負荷に電力を供給する第１蓄電装置と、
上記発電機と電力の授受を行うと共に、上記車載負荷および上記第１蓄電装置に蓄電電力を供給する第２蓄電装置と、
上記発電機に発電母線を介して第１端が接続されると共に上記第２蓄電装置に第２蓄電母線を介して第２端が接続されて上記発電母線及び上記第２蓄電母線間で双方向に電圧変換を行う第１電圧変換器と、
上記第２蓄電装置に上記第２蓄電母線を介して第１端が接続されると共に上記第１蓄電母線に第２端が接続されて上記第２蓄電母線及び上記第１蓄電母線間で上記第２蓄電母線から上記第１蓄電母線の方向に電圧変換を行う第２電圧変換器と、
上記第１蓄電母線と上記発電母線の間の接続線の開閉を行う第３スイッチと、
上記発電機、上記第１電圧変換器、上記第２電圧変換器及び上記第３スイッチを制御する制御回路を備え、
上記第１電圧変換器はその第１端を第１の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、上記第２電圧変換器はその第２端を第２の目標電圧に保つ定電圧制御型の電圧変換器であり、
上記制御回路は、上記第２蓄電装置の電力を上記車載負荷および上記第１蓄電装置に供給する場合に、上記第３スイッチを閉じた状態にして、上記第１電圧変換器及び上記第２電圧変換器を上記第２蓄電母線と上記第１蓄電母線との間で並列に接続可能とし、上記第１の目標電圧と上記第２の目標電圧を同じ電圧値に設定する車両用電源システム。
上記制御回路は、上記発電機の発電電力を上記車載負荷および上記第１蓄電装置に供給する場合に、上記第３スイッチを開いた状態にする請求項５に記載の車両用電源システム。
上記車載負荷が電力を必要とする場合は、スタータ起動時である請求項５に記載の車両用電源システム。
上記第１電圧変換器は、第１端から第２端の方向へ電圧を昇圧しかつ第２端から第１端の方向へ電圧を降圧する電圧変換器であり、
上記第２電圧変換器は、第１端から第２端の方向へ電圧を降圧しかつ第２端から第１端の方向へ電圧を昇圧する電圧変換器である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
上記第１電圧変換器は、第１端から第２端の方向へ電圧を降圧しかつ第２端から第１端の方向へ電圧を昇圧する電圧変換器であり、
上記第２電圧変換器は、第１端から第２端の方向へ電圧を昇圧しかつ第２端から第１端の方向へ電圧を降圧する電圧変換器である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の車両用電源システム。