JP4075836B2 - 車両用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両用電源装置にかかり、特に、高圧バッテリを持つ燃料電池ハイブリッド車、ガソリンハイブリッド車、及び電気自動車等の車両用電源装置に関する。

現在、一般的な鉛蓄電池よりも高圧な高圧蓄電池を駆動のエネルギー源として持つ、燃料電池ハイブリッド自動車、ガソリンハイブリッド自動車、電気自動車等の種々の自動車が提案されている。

このような高圧蓄電池を持つ自動車では、高圧蓄電池から出力される高圧電源を使用して駆動系のモータ等の高圧システムを動作するが、この他に、一般的に低圧電源で動作する低圧システムを有する。低圧システムとしては、例えば、メータ照明やオーディオなどからなり、１２ｖ等の低圧電源で動作する。

従って、高圧システムと低圧システムを有する車両用電源装置は、高圧システムと低圧システムを動作させるために、高圧蓄電池の他に、降圧するＤＣ−ＤＣコンバータや一般的な自動車用蓄電池（例えば、１２ｖバッテリ）を備えている。

図３は、高圧システムと低圧システムへの電源供給を行う車両用電源装置の従来例を示す。

従来の車両用電源装置は、図３に示すように、高圧バッテリ５０を備え、高圧バッテリ５０から高圧システム５２に電源供給を行うようになっている。また、高圧バッテリ５０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ５４に接続され、高圧電源が降圧される。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ５４に低圧システム５６が接続されて、高圧バッテリ５０からの電源供給が降圧されて、低圧システム５６に供給されるようになっている。

また、低圧システム５６は、全システム停止時等にアクセサリ電源等を必要とするために、鉛蓄電池等のバッテリ５８が接続されており、該バッテリ５８の電力を使ってシステム全体の起動や停止時等の低圧システム５６への電源供給を行うようになっている。

一方、このような高圧システムと低圧システムを備えた車両の電源については種々の提案がなされている（例えば、特許文献１〜４）。

特許文献１に記載の技術では、高圧蓄電池からの電源供給をＤＣ−ＤＣコンバータで低圧システムに供給する際に、低圧システムの負荷変動に対応するために二重層コンデンサを用いた車両用電源装置が提案されている。このように二重層コンデンサを用いることで低圧システムの負荷変動に対応することが可能となる。

特許文献２に記載の技術では、ハイブリッド電気自動車の主蓄電手段が、ＤＣ／ＤＣコンバータを通じて補機蓄電手段を充電する。そして、主蓄電手段の充電用の昇圧回路を用いて、主蓄電手段の充電時に補機蓄電手段の低位端をスイッチからなる低位端接地開放手段で非接地としている。これによって、主蓄電手段の充電時に誤って主蓄電手段の高位端又はそれに接続される高圧電気系統に触れることがあっても、この主蓄電手段の高位端の対地インピーダンスが極めて大きいので感電障害が生じることがない。

特許文献３に記載の技術では、ハイブリッド電気自動車の主バッテリが、主バッテリ側の高圧側交直変換回路、トランス及び補機バッテリ側の低圧側交直変換回路を有するＤＣ／ＤＣコンバータを通じて補機バッテリを充電する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータを、トランスの二次巻線を互いに直列接続された基本コイル及び補助コイルで構成し、補機バッテリ充電時に基本コイル及び補助コイルの交流電圧を低圧側交直変換回路の整流素子で整流して補機バッテリに出力し、主バッテリ充電時に低圧側交直変換回路のスイッチング素子で基本コイル及び補助コイルの両端に交流電圧を印加する。これによって、補機バッテリからエンジン始動用モータへの逆送電を簡素な回路で構成することができる。

また、特許文献４に記載の技術にも特許文献２や特許文献３に記載の技術のような、走行モータ駆動用の主バッテリと補機駆動用の補機バッテリを搭載する二電池形式が採用されたものが提案されている。
特開平１０−２２４９８７号公報 特開２０００−５０４０３号公報 特開２０００−５０４０４号公報 特開平１１−１６４４９４号公報

しかしながら、従来の車両用電源装置では、高圧バッテリの他に、補機用電源として鉛蓄電池等の低圧バッテリ等を別に備えており、鉛蓄電池等の低圧バッテリによる重量増加などが発生する、という問題がある。

そこで、低圧用電源を単に省略する構成が考えられるが、イグニッションオン等の起動時に低圧用電源を用いて、種々のコントロールユニット等の起動を行うので、低圧用電源を単に省略する構成とすることができない、という問題がある。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、鉛蓄電池等の低圧用電源を不要とすることができる車両用電源装置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請求項１に記載の発明は、蓄電池からの電源供給によって第１のシステムを駆動すると共に、蓄電池から供給される電源を降圧する降圧回路を介して、第１のシステムよりも低圧な第２のシステムを駆動する車両用電源装置であって、前記第１のシステム及び前記降圧回路への蓄電池からの電源供給を非導通とするスイッチ手段と、蓄電池から前記降圧回路に電源が供給されているときに前記降圧回路によって降圧された電源によって充電されるコンデンサを有し、前記コンデンサに充電された電力を用いて前記スイッチ手段を導通状態とする導通手段と、を備えることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、蓄電池によって第１のシステムが駆動されると共に、蓄電池から供給される電源が降圧回路によって降圧されることによって第２のシステムが駆動される。すなわち、第２のシステムに比べて高圧な第１のシステムと、第１のシステムに比べて低圧な第２のシステムが車両用電源装置によって駆動される。

この時、第１のシステム及び第２のシステムは、スイッチ手段によって、第１のシステム及び降圧回路への蓄電池からの電源供給が非導通とされることによって停止される。

そして、導通手段が蓄電池から降圧回路に電源供給されているときに降圧回路によって降圧された電源によって充電されるコンデンサを有しており、当該コンデンサに充電された電力を用いてスイッチ手段が導通状態とされる。すなわち、第１のシステム及び第２のシステムを起動する場合には、導通手段によってスイッチ手段による非導通を導通とすることによって、第１のシステムへの蓄電池からの電源供給及び降圧回路への蓄電池からの電源供給を再開することができるので、第１のシステム及び第２のシステムを起動することができる。

従って、鉛蓄電池等の低圧用電源を不要としながら、システム全体を起動することができる。

また、請求項２に記載の発明のように、スイッチ手段とは別に設けられ、第１のシステムへの蓄電池からの電源供給を非導通とする副スイッチ手段と、導通手段によってスイッチ手段が動津状態とされた時に、降圧回路を介して得られる電力を用いて副スイッチ手段を導通状態とする副導通手段と、を更に備えるようにしてもよい。このように副スイッチ手段と副導通手段を更に備えることで、導通手段によってスイッチ手段を導通状態とすることで、第２のシステムのみを起動することができる。そして、その後に、副導通手段によって副スイッチ手段を導通状態とすることで、第２のシステムに続いて第１のシステムを起動することができる。

なお、第１のシステムは、例えば、請求項３に記載の発明のように、車両の動力系システムを適用することができる。この時、スイッチ手段は、動力系システムへの電源供給を制御するためのシステムメインリレーを適用し、導通手段は、システムメインリレーのオンオフを制御するイグニッションスイッチを含んだイグニッション回路を適用することができる。

以上説明したように本発明によれば、第１のシステム及び降圧回路への蓄電池からの電源供給を非導通とするスイッチ手段と、コンデンサに充電された電力を用いてスイッチ手段を導通状態とする導通手段と、を備えることで、第１のシステム及び第２のシステムを起動することができるので、補機用電源を不要とすることができる、という効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係わる車両用電源装置の構成を示す図である。

本発明の第１実施形態に係わる車両用電源装置１０は、燃料電池ハイブリッド車、ガソリンハイブリッド車、及び電気自動車等の走行用モータ等に電源を供給するための本発明の蓄電池としての高圧バッテリ１２を備えている。高圧バッテリ１０１２としては、例えば、２００ｖ等の高圧バッテリが適用されるが、２００ｖに限るものではなく、一般の自動車用バッテリ（例えば、１２ｖバッテリ）よりも高圧のバッテリを適用することができる。

高圧バッテリ１２のマイナス端子１２ｍ側は、本発明の降圧回路としてのＤＣ−ＤＣコンバータ１４の入力側の一方の端子（マイナス入力端子）１４ｍに接続されていると共に、本発明の第１のシステムとしての高圧システム１６のマイナス入力端子１６ｍに接続されている。また、高圧バッテリ１２のプラス端子１２ｐ側は、本発明のスイッチ手段としてのリレースイッチ１８のスイッチ端子の一方の端子１８ｓに接続されている。

リレースイッチ１８のスイッチ端子の他方の端子１８ｓには、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４の入力側の他方の端子（プラス入力端子）１４ｐが接続されていると共に、高圧システム１６のプラス入力端子１６ｐに接続されている。すなわち、リレースイッチ１８のスイッチ端子１８がオンすることによって、高圧バッテリ１２から高圧システム１６に電源が供給されるようになっている。

なお、高圧システム１６としては、例えば、走行用モータや減速用ブレーキシステムとしてのコンプレッサ等を含んでおり、この他に高圧電源が必要な車両の動力系のシステムを適用することができる。また、リレースイッチ１８としては、動力系のシステムへの電源供給を制御するシステムメインリレーを適用することができる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４の出力側の一方の端子（マイナス出力端子）１４ｏｍは、接地（以下、ボディーアースという）されており、他方の端子（プラス出力端子）１４ｏｐは、本発明の第２のシステムとしての低圧システム２０のプラス側の端子２０ｐに接続されている。

一方、低圧システム２０のマイナス側の端子２０ｍは、ボディーアースされており、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４からの電力供給がなされることで低圧システム２０が動作する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、高圧バッテリ１２から供給される電圧を低圧システム２０に供給するために降圧する機能を有しており、例えば、２００ｖの高電圧を１２ｖに降圧して、低圧システム２０に電力供給を行うようになっている。

なお、低圧システム２０としては、エンジンやモータ等の制御や変速機等を制御するためのＥＣＵ（Electronic Control Unit）、メータ照明、オーディオやナビゲーションシステム等のアクセサリ電源で起動する装置等を含んでおり、この他に一般的な自動車用バッテリ（例えば、１２ｖ）で駆動される装置が接続される。

さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４のプラス出力端子１４ｏｐは、ダイオード２２のアノード側に接続されており、ダイオード２２のカソード側には、イグニッションスイッチ２４の一方の端子が接続されていると共に、一端がボディーアースされたコンデンサ２６に接続されている。

イグニッションスイッチ２４の他方の端子は、リレースイッチ１８の一方の制御端子１８ｃに接続されており、リレースイッチ１８の他方の制御端子１８ｃは、ボディーアースされている。

なお、イグニッションスイッチ２４及びコンデンサ２６は本発明の導通手段に相当する。また、イグニッションスイッチ２４は、例えば、自動車に設けられたアクセサリ（例えば、オーディオやナビゲーションシステム等）や走行するためのモータ等を起動するためのスイッチであり、ダイオード２２及びコンデンサ２６と共に車両の電装系を起動するイグニッション回路の一部を構成する。

続いて、上述のように構成された本発明の第１実施形態に係わる車両用電源装置１０の作用について説明する。

システムを起動するために、運転者がイグニッションスイッチ２４をオン状態とすると、コンデンサ２６に蓄積された電荷がイグニッションスイッチ２４を介して、リレースイッチ１８に出力される。リレースイッチ１８の一方の制御端子１８ｃがボディーアースされているので、コンデンサ２６からリレースイッチ１８の制御端子１８ｃに電流が流れる。

これによって、リレースイッチ１８のスイッチ端子１８ｓが導通状態へ移行する。すなわち、高圧バッテリ１２のプラス端子１２ｐとＤＣ−ＤＣコンバータ１４が接続状態となり、高圧バッテリ１２のマイナス端子１２ｍがＤＣ−ＤＣコンバータ１４と常時接続されているので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４に高圧バッテリ１２から電源供給される。

また、高圧システム１６についても高圧バッテリ１２のプラス端子１２ｐと高圧システム１６が接続状態となり、高圧バッテリ１２のマイナス端子１２ｍが高圧システム１６と常時接続されているので、高圧システム１６に高圧バッテリ１２から電源供給される。

一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４では、高圧バッテリ１２から電源供給されると、供給された電源電圧が降圧されて低圧システム２０に電源供給がなされる。これによって、各種ＥＣＵやメータ照明等を含む低圧システム２０を起動することができる。

また、高圧システム１６についても、リレースイッチ１８のスイッチ端子１８ｓがオン状態となることで上述したように高圧バッテリ１２から電源供給されるので起動可能となる。すなわち、走行用のモータ等が起動可能となるので走行可能となる。

さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４では、高圧バッテリ１２から供給された電源電圧が降圧されてダイオード２２を介してコンデンサ２６にも電源供給がなされる。これによって、コンデンサ２６が充電され、次回の起動時に必要な電荷をコンデンサ２６に蓄積することができる。従って、次回イグニッションスイッチ２４をオンした時に、システムを起動することが可能な状態となる。

すなわち、本実施形態では、車両停止時等に常時高圧バッテリ１２の電圧を付加することなく、必要に応じてイグニッションスイッチ２４をオンするだけで、システムを起動することができるので、高圧バッテリ１２を常時接続することなく、補機用バッテリを省略することができる。

換言すれば、本実施形態では、リレースイッチ１８及びコンデンサ２６を付加するだけで、システム全体を起動することができるので、低圧システム２０用の補機用バッテリ等を省略ことによって、重量を軽減することができると共にコストを低減することができる。さらには、不要となった低圧システム２０用のバッテリ分のスペースを確保することができるので、エンジンコンパートメントの設計自由度を増加させることができる。
［第２実施形態］
続いて、本発明の第２実施形態に係わる車両用電源装置について説明する。図２は、本発明の第２実施形態に係わる車両用電源装置の構成を示す図である。なお、第１実施形態と同一構成については同一符号を付して説明する。

本発明の第２実施形態に係わる車両用電源装置１１は、第１実施絵形態と同様に、燃料電池ハイブリッド車、ガソリンハイブリッド車、及び電気自動車等の走行用モータ等に電源を供給するための本発明の蓄電池としての高圧バッテリ１２を備えている。高圧バッテリ１２としては、例えば、２００ｖ等の高圧バッテリが適用されるが、２００ｖに限るものではなく、一般の自動車用バッテリ（例えば、１２ｖバッテリ）よりも高圧のバッテリを適用することができる。

高圧バッテリ１２のマイナス端子１２ｍ側には、本発明の降圧回路としてのＤＣ−ＤＣコンバータ１４の入力側の一方の端子（マイナス入力端子）１４ｍに接続されていると共に、本発明の副スイッチ手段としてのリレースイッチ２８のスイッチ端子の一方の端子２８ｓに接続されている。また、リレースイッチ２８のスイッチ端子の他方の端子２８ｓは本発明の第１のシステムとしての高圧システム１６に接続されている。

また、高圧バッテリ１２のプラス端子１２ｐ側は、本発明のスイッチ手段としてのリレースイッチ１８のスイッチ端子の一方の端子１８ｓに接続されており、リレースイッチ１８のスイッチ端子の他方の端子１８ｓには、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４の入力側の他方の端子（プラス入力端子）１４ｐが接続さていると共に、高圧システム１６のプラス入力端子１６ｐに接続されている。すなわち、リレースイッチ１８及びリレースイッチ２８の各スイッチ端子がオンすることによって、高圧バッテリ１２から高圧システム１６に電源が供給されるようになっている。

なお、高圧システム１６としては、例えば、走行用モータや減速用ブレーキシステムとしてのコンプレッサ等を含んでおり、この他に高圧電源が必要な車両の動力系のシステムを適用することができる。また、リレースイッチ１８としては、動力系のシステムへの電源供給を制御するシステムメインリレーを適用することができる。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４の出力側の一方の端子（マイナス出力端子）１４ｏｍは、ボディーアースされており、他方の端子（プラス出力端子）１４ｏｐは、本発明の第２のシステムとしての低圧システム２０のプラス側の端子２０ｐに接続されている。

一方、低圧システム２０のマイナス側の端子２０ｍは、ボディーアースされており、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４からの電力供給がなされることで低圧システム２０が動作する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１４は、高圧バッテリ１２から供給される電圧を低圧システム２０に供給するために降圧する機能を有しており、例えば、２００ｖの高電圧を１２ｖに降圧して、低圧システム２０に電力供給を行うようになっている。

なお、低圧システムとしては、エンジンやモータ等の制御や変速機等を制御するためのＥＣＵ（Electronic Control Unit）、メータ照明、オーディオやナビゲーションシステム等のアクセサリ電源で起動する装置等を含んでおり、この他に一般的な自動車用バッテリ（例えば、１２ｖ）で駆動される装置が接続される。

さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４のプラス出力端子１４ｏｐは、ダイオード２２のアノード側に接続されており、ダイオード２２のカソード側には、イグニッションスイッチ２４の一方の端子が接続されていると共に、一端がボディーアースされたコンデンサ２６に接続されている。

イグニッションスイッチ２４の他方の端子は、リレースイッチ１８の一方の制御端子１８ｃに接続されており、リレースイッチ１８の他方の制御端子１８ｃは、ボディーアースされている。

なお、イグニッションスイッチ２４及びコンデンサ２６は本発明の導通手段に相当する。また、イグニッションスイッチ２４は、例えば、自動車に設けられたアクセサリ（例えば、オーディオやナビゲーションシステム等）や走行するためのモータ等を起動するためのスイッチであり、ダイオード２２及びコンデンサ２６と共に車両の電装系を起動するイグニッション回路の一部を構成する。

一方、高圧バッテリ１２と高圧システム１６間に接続されたリレースイッチ２８の制御端子２８ｃの一端はボディーアースされ、他端は、低圧システム２０内に設けられた本発明の副導通手段としてのスイッチ３０の一端に接続されている。低圧システム２０内に設けられたスイッチ３０の他端は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４のプラス出力端子１４ｏｐ側に接続されている。すなわち、低圧システム２０内に設けられたスイッチ３０のオンオフによって、リレースイッチ２８の制御端子２８ｃに電流が印加されることによって、高圧バッテリ１２と高圧システム１６のマイナス側の導通が行われるようになっている。

低圧システム２０内に設けられたスイッチ３０は、運転者が操作可能なスイッチを適用するようにしてもよいが、例えば、ＥＣＵ等を適用することができる。すなわち、イグニッションスイッチ２４がオンしたときに動作するＥＣＵによってスイッチ３０のオン信号をリレースイッチ２８に出力するようにすることが可能である。換言すれば、ＥＣＵからの信号に応じて高圧システム１６の動作開始を指示することが可能となる。

続いて、上述のように構成された本発明の第２実施形態に係わる車両用電源装置１１の作用について説明する。

システムを起動するために、運転車がイグニッションスイッチ２４をオン状態とすると、コンデンサ２６に蓄積された電荷がイグニッションスイッチ２４を介して、リレースイッチ１８に出力される。リレースイッチ１８の一方の制御端子１８ｃがボディーアースされているので、コンデンサ２６からリレースイッチ１８の制御端子１８ｃに電流が流れる。

これによって、リレースイッチ１８のスイッチ端子１８ｓが導通状態へ移行する。すなわち、高圧バッテリ１２のプラス端子１２ｐとＤＣ−ＤＣコンバータ１４が接続状態となり、高圧バッテリ１２のマイナス端子１２ｍがＤＣ−ＤＣコンバータ１４と常時接続されているので、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４に高圧バッテリ１２から電源供給される。

一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ１４では、高圧バッテリ１２から電源供給されると、供給された電源電圧が降圧されて低圧システム２０に電源供給がなされる。これによって、各種ＥＣＵやメータ正面等を含む低圧システム２０を起動することができる。

この時、本実施形態では、高圧バッテリ１２と高圧システム１６間のリレースイッチ２８のスイッチ端子２８ｓはオフ状態であるので、低圧システム２０だけを起動することができる。

そして、低圧システム２０が起動されることで、例えば、ＥＣＵ等をスイッチ３０として適用した場合には、ＥＣＵからＤＣ−ＤＣコンバータ１４の電圧がリレースイッチ２８の制御端子２８ｃに印加されることによってリレースイッチ２８のスイッチ端子２８ｓがオン状態となり、高圧バッテリ１２のマイナス端子側１２ｍと高圧システム１６のマイナス入力端子１６ｍ側が導通状態となる。すなわち、高圧バッテリ１２のプラス端子１２ｐ側に設けられたリレースイッチ１８は、既にオン状態となっているので、高圧バッテリ１２から高圧システム１６に対しても電源供給され、高圧システム１６を起動することができる。

すなわち、本実施形態でも、第１実施形態と同様に、本実施形態では、車両停止時等に常時高圧バッテリ１２の電圧を付加することなく、必要に応じてイグニッションスイッチ２４をオンするだけで、システムを起動することができるので、高圧バッテリ１２を常時接続することなく、補機用バッテリを省略することができる。

換言すれば、本実施形態では、リレースイッチ１８及びコンデンサ２６を付加するだけで、システム全体を起動することができるので、低圧システム２０用の補機用バッテリ等を省略ことによって、重量を軽減することができると共にコストを低減することができる。さらには、不要となった低圧システム２０用のバッテリ分のスペースを確保することができるので、エンジンコンパートメントの設計自由度を増加させることができる。

また、本実施形態では、高圧バッテリ１２と高圧システム１６間に、低圧システム２０内に設けたスイッチ３０で制御できるリレースイッチ２８を設けることで、高圧システム１６に電源供給せずに、低圧システム２０だけを起動することができる。従って、第１実施形態に比べて電源の供給効率を向上することができる。

なお、上記の第１実施形態及び第２実施形態では、高圧バッテリ１２のプラス端子１２ｐ側にリレースイッチ１８を設けるようにしたが、これに限るものではなく、マイナス端子１８ｍ側にリレースイッチ１８を設けるようにしてもよい。

本発明の第１実施形態に係わる車両用電源装置の構成を示す図である。 本発明の第２実施形態に係わる車両用電源装置の構成を示す図である。 従来の車両用電源装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１０、１１ 車両用電源装置
１２ 高圧バッテリ
１４ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１６ 高圧システム
１８、２８ リレースイッチ
２０ 低圧システム
２４ イグニッションスイッチ
２６ コンデンサ
３０ スイッチ

Claims (3)

1. 蓄電池からの電源供給によって第１のシステムを駆動すると共に、蓄電池から供給される電源を降圧する降圧回路を介して、第１のシステムよりも低圧な第２のシステムを駆動する車両用電源装置であって、
   前記第１のシステム及び前記降圧回路への蓄電池からの電源供給を非導通とするスイッチ手段と、
   蓄電池から前記降圧回路に電源が供給されているときに前記降圧回路によって降圧された電源によって充電されるコンデンサを有し、前記コンデンサに充電された電力を用いて前記スイッチ手段を導通状態とする導通手段と、
   を備えることを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記スイッチ手段とは別に設けられ、前記第１システムへの蓄電池からの電源供給を非導通とする副スイッチ手段と、
   前記導通手段によって前記スイッチ手段が導通状態とされた時に前記降圧回路を介して得られる電力を用いて前記副スイッチ手段を導通状態とする副導通手段と、
   を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記第１のシステムは、車両の動力系システムであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車両用電源装置。

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