JP4835690B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は直流電圧源の電圧低下を補償する電源装置に関するものである。

近年、地球環境保護の流れを受け、特に自動車においてはアイドリングストップ自動車やアイドリングストップ機能を有するハイブリッド自動車が市販されている。これらの自動車は、走行していない時にある一定の条件が整えばエンジンを一時的に停止させ（アイドリングストップ）、再び自動的に起動させるのであるが、再起動時にスタータに流れる大電流によって直流電圧源であるバッテリ電圧の低下が発生する。一方、オーディオやナビゲーションやＥＣＵ（電子制御装置）などを始めとする入力電圧変動の許容範囲が狭い機器はこのような電圧低下によって誤動作や動作停止に至ってしまうため車両制御上の課題となる上、ユーザへの不快感にもつながる。

また、アイドリングストップ機能を備えていない自動車においても、燃費向上のために車載電装品である補機類は油圧系から電動化へと進展している。例えば電動パワーステアリングや電動ブレーキ等の様々なアシスト機器の搭載が進められている。しかし、これらの電動化補機類は一般的に必要な時だけ動作させるため、パルス状の大電流負荷となり、スタータと同様にバッテリ電圧の低下を引き起こす要因となる。

そこで、このようなバッテリ電圧の低下による補機への影響を補償する方法として、例えば特許文献１に示す電源装置が提案されている。この概略ブロック回路図を図８に示す。瞬時大電流を消費するスタータ等の第１補機１０１はバッテリからなる直流電圧源１０２により電力が供給される。また、例えば、オーディオやナビゲーションやＥＣＵ（電子制御装置）などを始めとする狭電圧範囲（駆動時の許容電圧変動範囲が狭い）補機である第２補機１０３は整流器１０４を介して直流電圧源１０２から電力が供給される。これに対し、直流電圧源１０２から第２補機１０３への電圧低下を補償するために、整流器１０４と並列に接続された蓄電素子（例えばキャパシタ）からなるエネルギー蓄積源１０５と、直流電圧源１０２を入力源とし出力端にエネルギー蓄積源１０５が接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１０６とからなる電圧補償部１０７が設けられている。

次に、このような電源装置の動作について説明する。まず、スタータが駆動していないような通常時においては、第１補機１０１に大電流が流れることはないので、直流電圧源１０２の電圧は１２Ｖ程度で安定している。従って、第２補機１０３には直流電圧源１０２の電力が整流器１０４を介して安定供給されている。

この状態で、例えばアイドルストップが終了してエンジンを再起動するためにスタータを駆動した場合、第１補機１０１に大電流が流れる。その結果、直流電圧源１０２の出力電圧は第１補機１０１の駆動中に例えば７Ｖ程度まで低下してしまう。この電圧は、狭電圧範囲の第２補機１０３の駆動下限電圧（例えば１１Ｖ）を大きく下回る。

そこで、これを補償するために電圧補償部１０７が動作する。具体的には、直流電圧源１０２の電圧が所定値以下になるとＤＣ／ＤＣコンバータ１０６が動作し、エネルギー蓄積源１０５の充電を開始する。その結果、エネルギー蓄積源１０５は直流電圧源１０２と直列接続されているので、直流電圧源１０２の電圧低下分を補うようにエネルギー蓄積源１０５の電圧が立ち上がり、この加算された電圧が第２補機１０３へ印加される。従って、第２補機１０３には第１補機１０１の駆動中も安定した電圧が供給される。

以上のようにして、直流電圧源１０２の電圧低下を補償する電源装置を実現していた。

このような従来の電源装置は、確かに直流電圧源１０２が電圧低下しても、電圧補償部１０７がそれを補償して第２補機１０３に電力を安定供給できるのである。しかしながら、安定化すべきポイントとなる直流電圧源１０２とエネルギー蓄積源１０５の直列回路部分においてエネルギー蓄積源１０５のような大容量のデバイスが存在する場合、応答速度を高めようとすると、それに応じた大電流を瞬時的に供給する必要がある。この電流供給は、電力供給手段であるＤＣ／ＤＣコンバータ１０６から供給する必要がある。つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０６の定格電流は第２補機１０３の消費電流よりも大きくする必要がある。

しかも、直流電圧源１０２における電圧降下は、直流電圧源１０２から第１補機１０１へ大電流が流れ出すことによって発生しているが、これと同じタイミングでＤＣ／ＤＣコンバータ１０６も第２補機１０３の電圧安定化のために直流電圧源１０２から電流を引き込むことになる。したがって、直流電圧源１０２に加わる電力負担が瞬時的に大きくなるという課題が発生していた。従って、第２補機１０３への電圧は安定化できたとしても、スタータ等の第１補機１０１に印加される電圧の変動については逆に大きくしてしまう結果となっていた。

さらに、第２補機１０３への電力供給ラインにエネルギー蓄積源１０５を有するため、電圧低下補償に応答遅れが発生するという課題もあった。
特開２００５−２０４４２１号公報

本発明の電源装置は、直流電圧源と、前記直流電圧源に並列接続された第１補機と、前記直流電圧源の正極にアノードが接続された第１整流器と、前記第１整流器のカソードと接続され、前記第１整流器を介して電力が供給される第２補機と、前記直流電圧源を入力源とする第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端に接続された蓄電素子と、前記蓄電素子を入力源とし、出力端を前記第１整流器の両端に接続した第２ＤＣ／ＤＣコンバータとにより構成され、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記直流電圧源の出力電圧が既定値以下に低下すると、前記直流電圧源の電圧低下に応じた出力電圧を前記第１整流器の両端に発生させるようにしたものである。

このような構成により、エンジン始動によって直流電圧源に接続された発電機が動作している状態では直流電圧源は既定値よりも高い電圧状態である。したがって、この間に直流電圧源が第１整流器を通して第２補機へ電力供給を行うとともに、第１ＤＣ／ＤＣコンバータが直流電圧源を入力源として蓄電素子の充電を行っておくことができる。

ここで、車両における種々の条件が整った状態で停車してアイドリングストップを開始し、ブレーキ解除などによりアイドリングストップが終了しエンジンを再始動すると、直流電圧源から第１補機としてのスタータに大電流が流れる。これにより、直流電圧源の電圧は瞬時的に低下するが、この電圧低下を防止するために第２ＤＣ／ＤＣコンバータは第１ＤＣ／ＤＣコンバータによって予め充電された蓄電素子を入力源として第１整流器の両端へバッテリの電圧低下分の電圧を出力することができる。

また、本発明の電源装置は、直流電圧源と、直流電圧源に並列接続された広電圧範囲補機と、直流電圧源に直列接続された蓄電素子と第１整流器との並列回路と、直流電圧源と蓄電素子の直列回路に並列接続された、直流電圧源よりも高電圧を必要とする補機と、直流電圧源に接続された第２整流器と、第２整流器を介して直流電圧源と並列に接続された狭電圧範囲補機と、狭電圧範囲補機が第１入出力端子に、蓄電素子と第１整流器との並列回路が第２入出力端子に、それぞれ接続された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとから構成されるものである。

このような構成により、蓄電素子は双方向ＤＣ／ＤＣコンバータにより充電がなされる。また、補機には直流電圧源と蓄電素子の加算電圧が印加される。そして、補機に大電流が流れることにより直流電圧源の電圧が低下した際には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは蓄電素子を入力とし狭電圧範囲補機を出力とする方向で動作を行うことにより、狭電圧範囲補機への印加電圧低下を補償するものである。その結果、この構成によっても蓄電素子に充電した電力を用いて電圧の補償を行うことができる。

また、本発明の電源装置は、直流電圧源と、前記直流電圧源に並列接続された補機、発電機および広電圧範囲補機と、前記直流電圧源に直列接続された整流器とスイッチ素子の並列回路と、前記整流器とスイッチ素子の並列回路の他端と、前記直流電圧源の負極との間に接続された狭電圧範囲補機と、前記狭電圧範囲補機が第１入出力端子に接続された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの第２入出力端子に接続された蓄電素子とにより構成されるものである。

このような構成により、主に自動車の制動時に発電機により発電される電力を双方向ＤＣ／ＤＣコンバータにより蓄電素子へ充電する。そして、アイドリングストップ時や自動車の加速時など発電機による発電が得られない場合に、蓄電素子の電力を双方向ＤＣ／ＤＣコンバータにより補機側へ放電し、電力を供給するものである。この構成によっても、蓄電素子に充電した電力を用いて電圧の補償を行うことができる。

また、スイッチ素子をオフ状態とすることで直流電圧源が逆向きに接続されても、整流器により逆向きに流れる電流を防止する逆接防止回路を構成できる。さらに、アイドリングストップ後のエンジン再始動時等に補機に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータからの供給電流を上回る大電流が流れる際にはスイッチ素子を少なくともオフ状態とすることにより、補機の大電流による直流電圧源の電圧低下から狭電圧範囲補機への印加電圧低下を補償できる。

なお、蓄電素子の充電時や、蓄電素子から狭電圧範囲補機に電力を供給し、かつ大電流を消費する補機が停止中の場合はスイッチ素子をオン状態にしているので、整流器に流れる電流により発生する電力損失を低減できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における電源装置の概略ブロック回路図である。図２は本発明の実施の形態１における電源装置の第２ＤＣ／ＤＣコンバータの詳細なブロック回路図である。図３は、本発明の実施の形態１における電源装置の他の構成の概略ブロック回路図である。図４は、本発明の実施の形態１における電源装置のリニアレギュレータを用いた概略ブロック回路図である。なお、本実施の形態１ではアイドリングストップ機能付き自動車を例に説明する。

図１において、第１補機１は直流電圧源２と並列に接続されている。なお、第１補機１としては例えばスタータや発電機等の大電流を取り扱う機器や、許容電圧変動範囲の広い機器または瞬間的に停止を行っても支障のない機器が挙げられる。また、直流電圧源２は一般的には鉛バッテリのような電力密度の大きい蓄電デバイスである。第２補機３は直流電圧源２から第１整流器４を介して接続されている。第２補機３としては許容電圧変動範囲の狭い機器であり、例えばオーディオやカーナビゲーションなど動作停止や誤動作がユーザに不快感となるものや、各種ＥＣＵのように車両制御上、動作停止や誤動作が許されないものが挙げられる。

ここで、直流電圧源２の電圧低下を補償する電圧補償部５の構成について説明する。まず、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力端には直流電圧源２が接続されている。従って、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６は直流電圧源２を入力源としている。なお、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６としては例えば非絶縁型の昇圧回路や絶縁型の回路などで実現できる。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６の出力端には、例えば電気二重層キャパシタを複数個接続した構成からなる蓄電素子８が接続されている。なお、蓄電素子８はエネルギー蓄積源として、大容量で充放電の繰り返し信頼性が高い電気二重層キャパシタを用いるのが好適であるが、２次電池や他のキャパシタでもよい。また、蓄電素子８は第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力端にも接続されており、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力端には第１整流器４が接続されている。

次に、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の詳細構成について図２を参照しながら説明する。図２において、第１スイッチ素子１０と第２スイッチ素子１１は蓄電素子８が接続される入力端に対して直列に接続されている。インダクタンス素子１２と平滑キャパシタ１３は直列に接続され、これらは第１スイッチ素子１０に対して並列に接続されている。平滑キャパシタ１３は第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力端であり第１整流器４に接続される。第１スイッチ素子１０と第２スイッチ素子１１は制御回路１４により交互にオンオフ制御されている。なお、制御回路１４は出力電圧に応じたオンオフ比を制御している。また、平滑キャパシタ１５は第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力端であり蓄電素子８に接続されている。

なお、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９は降圧型回路が好適である。これは、降圧の比率に応じて出力電流と入力電流の比率が変わるからである。これにより、蓄電素子８に流れる電流を低減することが可能となるので、その分、高応答性に寄与するとともに、蓄電素子８の小型化が可能となる。

また、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９は降圧型同期整流回路を有する双方向コンバータ回路がさらに好適である。これは以下の理由による。スタータ電流などはパルス状に流れるため、これに伴う直流電圧源２の電圧変動は、低下、上昇ともに急峻に発生する。低下については通常どおり第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９が出力を増加することで対応可能である。一方、急峻な電圧上昇の変動に対しては、双方向化することにより電力を蓄電素子８に返すことが可能となる。従って、高応答に電圧を安定化することができる。

次に、このような電源装置の動作について説明する。

アイドリングストップ車は所定の条件が整い車両が停車するとエンジンを停止させる。エンジン停止期間は発電機が非動作状態であるので、この間の車両における電力は直流電圧源２から供給される。

次に、例えばブレーキ解除の信号が発せられると、エンジンが自動的に再始動する。これにより、直流電圧源２からは第１補機１のひとつであるスタータに大電流が流れる。この電流は通常５００アンペア前後の電流値であり、この時直流電圧源２の内部抵抗によって電圧低下が発生する。例えば１０ミリオームの内部抵抗値を有する１２ボルトの直流電圧源２に５００アンペアの電流が流れた場合の直流電圧源２の両端電圧Ｖｂは、Ｖｂ＝１２−５００×０．０１＝７ボルトになる。

この電圧低下により許容電圧変動範囲の狭い機器は動作停止や誤動作に陥ってしまう可能性があるので、上記の電圧低下を補償した入力電圧を印加する必要がある。そこで、直流電圧源２が電圧低下に至っていない時、すなわち直流電圧源２の出力電圧が既定値（例えば上記した７Ｖ）より高い時に、直流電圧源２から第２補機３へ電力を供給するとともに、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６を動作させて蓄電素子８を充電する。蓄電素子８への充電電力は、一回のアイドリングストップの再始動時に電圧低下する分の電力であればよい。この電力は再始動時以外に充電されているが、この再始動時以外の時間の割合は圧倒的に大きいので、時間当たりの充電電力を少なくすることが可能となる。従って、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６を小型化することも可能となる。

また、蓄電素子８の充電電圧は、直流電圧源２の最大低下電圧に加え、蓄電素子８の内部抵抗値と最大電流を乗じることで得られる蓄電素子８の最大低下電圧を合わせた値よりも高くなるように充電している。これにより、直流電圧源２の電圧低下分を十分補償することができる。

蓄電素子８への充電が完了すると、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６は動作を停止する。このように蓄電素子８の充電時以外は第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６を停止することで、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６の固定損失を低減することが可能となり、直流電圧源２の負担を低減できる。このために、蓄電素子８の充電状態を電圧により検出し、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６の動作、停止を制御している。

次に、アイドリングストップを終了し、エンジン再始動のために直流電圧源２からスタータ電流が流れると、直流電圧源２の出力電圧が既定値以下に低下する。これと同時に、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９は動作を開始し、直流電圧源２の電圧低下に応じた出力電圧を第１整流器４の両端に発生させる。すなわち、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９は第２補機３への印加電圧を制御することになる。その結果、第２補機３へ供給される電圧の低下が防止でき、直流電圧源２の電圧変動に関係なく安定化することが可能となる。なお、本実施の形態１の場合、電力を供給するエネルギー蓄積源は第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力源である蓄電素子８であり、従来のように出力側にエネルギー蓄積源を有さないので、高速応答が可能となる。しかも第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電流は第２補機３への供給電流とほぼ等しいので、取り扱う電力を小さくすることが可能である。

なお、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の取り扱う電力Ｗ２は、直流電圧源２の低下電圧をＶｄ、第２補機３の消費電流をＩ２とすると、Ｗ２＝Ｖｄ×Ｉ２で表すことができるが、Ｗ２はほぼ蓄電素子８に蓄えられた電力から供給される。従って、従来のように直流電圧源２からスタータ等の第１補機１に大電流が流れる同じタイミングで第２補機３にも電流供給するものとは異なり、蓄電素子８は第２補機３にのみ電流供給すればよいため負担が少なくなり、蓄電素子８の信頼性も向上できる。

また、ここでは第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９は直流電圧源２の出力電圧が既定値以下に低下すると同時に動作を開始する構成としたが、これは車両側等の外部からの信号を受信した時に動作させることも可能である。これにより、再始動するよりも前に信号を受信することで第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の起動を早くすることができるので、その分、出力を安定化することができる。

このような構成、動作により、直流電圧源２や蓄電素子８への負担を低減し、高応答に第２補機３への供給電圧を安定化できる。

なお、図１の構成を改良したものとして、図３に他の回路構成の電源装置の概略ブロック回路図を示す。すなわち、図１の回路構成との違いは、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力端に第２整流器１７を接続した点である。第２整流器１７は直流電圧源２が逆向きに接続された場合に流れる電流を防止し回路を保護する目的のものである。このように、蓄電素子８と第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６の入力端の間に第２整流器１７を設けることで逆接合の電流を防止でき信頼性が高まるとともに、図１の構成と同様の動作を行うことが可能となる。

また、図３において、第２整流器１７に並列にスイッチ素子（図示せず）を設ける構成としてもよい。これにより、少なくとも第１ＤＣ／ＤＣコンバータ６が蓄電素子８を充電する場合に、車両側ＥＣＵ（図示せず）がこのスイッチ素子をオン状態にすることで、第２整流器１７に流れる電流による損失を低減することができるという効果も得られる。

また、図１の構成をさらに改良したものとして、図４にさらに他の回路構成の電源装置の概略ブロック回路図を示す。両者の違いは、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力および出力が共通となるようにリニアレギュレータ１９を接続した点である。具体的には、図４に示すように第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の入力にリニアレギュレータ１９の入力を、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力にリニアレギュレータ１９の出力をそれぞれ接続している。リニアレギュレータ１９の応答スピードは一般的にＤＣ／ＤＣコンバータよりも高速である。従って、ＤＣ／ＤＣコンバータのみの構成であれば若干の応答遅れにより僅かに電圧低下が発生する可能性があるが、リニアレギュレータ１９と組み合わせることにより応答遅れ分の電圧低下を防止することが可能となり、第２補機３への電圧供給がさらに安定する。

なお、リニアレギュレータ１９の出力電圧は第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧よりも若干低めに設定している。これにより、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ９の出力電圧が立ち上がった時点でリニアレギュレータ１９の出力が自動的にオフになるので、リニアレギュレータ１９の損失を最小限にでき、蓄電素子８への負担を低減できる。

以上の構成、動作により、直流電圧源と蓄電素子のいずれに対しても負担を大きくすることなく高応答に所定の補機への供給電圧安定化を達成することのできる電源装置を実現できた。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２における電源装置の概略ブロック回路図である。図６は、本発明の実施の形態２における電源装置の他の構成の概略ブロック回路図である。なお、図５、図６において、図１と同じ構成要素については同じ符号を用いて説明する。本実施の形態２の構成は、アイドリングストップ機能だけではなく、車載補機における電動化に向けた自動車用電源システムにおける電圧低下補償回路であり、この例に基づいて説明する。

図５において、直流電圧源２には蓄電素子８と第１整流器４の並列回路が直列に接続されている。蓄電素子８と第１整流器４の並列回路と直流電圧源２との直列回路には補機２２が並列接続されている。補機２２としては主にモータを動力源とする機器、例えば電動パワーステアリングや電動ブレーキ、電動エアコン、電動ターボ等が挙げられ、いずれも直流電圧源２よりも高電圧を供給することによりモータの高トルク化が可能となり、性能向上を図ることができるものである。なお、補機２２は、上記以外にもパルス状に電力を消費するものでもよい。

直流電圧源２には広電圧範囲補機２０が並列接続されている。ここで、広電圧範囲補機２０とは、許容電圧変動範囲が広い補機のことを示し、例えばスタータ等のように大電力をパルス状に消費する補機２２が動作して、直流電圧源２の出力電圧が７Ｖ程度まで落ち込んでも正常に動作し続けることができるか、または動作が停止しても問題のない補機を意味する。

また、直流電圧源２には第２整流器２３を介して狭電圧範囲補機２４が並列に接続されている。狭電圧範囲補機２４とは、広電圧範囲補機２０と対照的に許容電圧変動範囲が狭い補機のことを示し、電圧低下による動作の停止が許されない補機であり、カーオーディオやカーナビゲーションや車両側ＥＣＵなどである。

さらに、狭電圧範囲補機２４が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６の第１入出力端子２６ａに、蓄電素子８と第１整流器４との並列回路が第２入出力端子２６ｂに、それぞれ接続されている。

次に、このような電源装置の動作について説明する。

まず、車両のイグニションスイッチ（図示せず）をオンにすると、補機２２としてのスタータが駆動する。この初期始動の時、蓄電素子８に十分な充電がなされていない場合にはスタータの接続により蓄電素子８に逆電圧が印加される可能性があるが第１整流器４が蓄電素子８に加わる逆電圧印加を防止する。つまり、初期のエンジン始動において蓄電素子８に十分な充電電圧がない状態ではスタータ電流は第１整流器４を通って流れる。

エンジンが始動すると、直流電圧源２に接続されている発電機（図示せず）が発電する。そして、発電機が直流電圧源２の充電および広電圧範囲補機２０、狭電圧範囲補機２４への電力供給を行う。この時、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は直流電圧源２を入力、蓄電素子８を出力として動作を開始し蓄電素子８の充電を開始する。蓄電素子８の充電電圧は補機２２の大電流消費時に低下する直流電圧源２の電圧よりも高い電圧、または補機２２が必要とする高電圧にしておく必要がある。これは、直流電圧源２の電圧低下時に狭電圧範囲補機２４の補償電圧を動作可能な既定値（例えば１１Ｖ）以上に確保するためである。

なお、上記の動作ではエンジン始動後に蓄電素子８の充電を開始しているので、充電が完了するまでは補機２２を起動できない。そこで、補機２２の起動を早く行いたい場合には、カーテシスイッチ（図示せず）などの信号を用いてエンジン始動よりも前に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６を動作させ、蓄電素子８の充電を開始してもよい。この場合、第１整流器４をなくすことも可能である。

ここで、蓄電素子８に電気二重層キャパシタを用いているので、蓄電素子８の充電電圧は任意で設定することが可能となる。この充電電圧は双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６により制御可能であるので、蓄電素子８の充電電圧を制御するだけでなく、直流電圧源２と蓄電素子８の加算電圧を制御することも可能である。後者の場合は直流電圧源２の充電状態や劣化状態により変化する電圧に依存することなく補機２２に安定した電圧を供給することが可能となる。

上記のように補機２２には直流電圧源２の電圧よりも高い電圧を印加することが可能となる。これにより、補機２２がモータを動力源とする機器である場合には、高トルクを得ることができるので、各種機器の高性能化を図ることができる。

次に、例えばアイドルストップが終了してエンジンを再起動するためにスタータを駆動する等の動作を行った場合について説明を行う。

再始動時において補機２２であるスタータに例えば５００アンペアの大電流が流れた場合、直流電圧源２であるバッテリの電圧を１２Ｖ、内部抵抗を１０ミリオームとするとバッテリの出力電圧Ｖｂは実施の形態１で述べたように、既定値（１１Ｖ）以下の７Ｖ程度まで低下する。この時、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は次のように動作する。

まず、スタータが動作するよりも前の段階で、蓄電素子８を入力、狭電圧範囲補機２４を出力として、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６の動作を切り換え、かつ双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６はエンジン再始動前の狭電圧範囲補機２４の印加電圧Ｖｃを維持するように制御をかける。これにより、スタータ起動の大電流より直流電圧源２の電圧Ｖｂが低下しても、それに依存せず双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は狭電圧範囲補機２４への印加電圧低下を補償する。具体的には、狭電圧範囲補機２４の印加電圧Ｖｃを既定値の１１Ｖに補償している。

次に、スタータの駆動が完了すると、発電機が起動して直流電圧源２の電圧が通常時に戻り定常状態となる。これにより、第２整流器２３は導通となり、直流電圧源２から狭電圧範囲補機２４に電力が供給される。

この時、蓄電素子８の充電電圧は、補機２２の電流消費や狭電圧範囲補機２４の電圧補償により低下した状態であるが、その後の定常状態になった際に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６により既定の電圧まで再充電を行う。また、スタータ以外の補機２２の動作による電流によっても蓄電素子８の電圧は低下するが、同様の動作により再充電を行う。

このような動作を繰り返すことにより、補機２２が断続的に大電流を消費しても、狭電圧範囲補機２４に安定した電圧を供給し続けることができる。

なお、モータを用いた電動化補機による消費電力は一般的に短期間の大電流となるが、この短期間分を蓄電素子８から供給し、その他の期間に充電すればよいことから電力の平均化を図ることができるので、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６を小型化することが可能となる。

また、本実施の形態２では１つの双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６により構成したが、２つのコンバータを用いても同様の機能を実現できる。しかし、大きさやコスト面で双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６を用いる方が好適である。

また、図５の構成を改良したものとして、図６に他の回路構成の電源装置を示す。すなわち、図６において図５と異なる点は双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８になっている点である。非絶縁型の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの場合においては、出力電圧を直流電圧源２の電圧と蓄電素子８の充電電圧の和とする必要がある。しかし、これに対し、絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の場合は、出力電圧を蓄電素子８の充電電圧のみとすればよいので、出力電力を小さくすることができるという利点がある。

次に、このような電源装置における動作を説明する。なお、基本的な動作は図５と同様であるので相違点を中心に述べる。

車両の使用を終了し、イグニションスイッチをオフにした場合、電気二重層キャパシタからなる蓄電素子８を車両の使用終了時に蓄電素子８の定格電圧に近い状態でそのまま放置すると、電気二重層キャパシタの劣化が促進してしまう。これを防止するために、車両の使用終了時に単純に放電させてもよいが、本実施の形態２ではエネルギー効率を向上させるために、蓄電素子８の充電電圧が既定電圧になるまで放電させている。そのために、次のような動作を行っている。

車両用の補機の中で直流電圧源２が直接接続されている機器においては、車両の非使用時においても動作させるものや、非動作であるが消費電流の流れるものがあるので、僅かな電流（以下、暗電流という）が流れ続ける。この暗電流はバッテリの寿命や車両の長期間放置後の始動性に大きな影響を与えるものである。そこで蓄電素子８の残留電力を用いて暗電流として有効利用している。

具体的には、車両の停止状態をイグニッションキーなどの信号により検出すると、絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は蓄電素子８を入力とし狭電圧範囲補機２４を出力とする方向で動作する。この時、狭電圧範囲補機２４の定格電圧内で直流電圧源２よりも高い電圧を出力する。この電圧に達すると絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は回路動作を停止する。この時、狭電圧範囲補機２４には暗電流しか流れないので、狭電圧範囲補機２４の印加電圧は絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の出力電圧から直流電圧源２の電圧Ｖｂ近くまで徐々に低下する。この電圧を検出するか、または停止する期間をタイマーなどにより既定しておき、絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８を再び上記のように動作させる。このように、非使用時に蓄電素子８の電圧を、直流電圧源２の電圧より高くなるように絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８で出力することにより、蓄電素子８に残留電力が蓄えられている間は直流電圧源２から暗電流が流れることはなくなる。したがって、直流電圧源２の負担を低減できる上、蓄電素子８の電力を有効に暗電流に応用することが可能となる。また、絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８は間欠動作をするので、蓄電素子８から狭電圧範囲補機２４に暗電流を断続的に供給することになる。その結果、絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の動作損失を低減できる。以上の動作を蓄電素子８の信頼性上問題のない電圧（既定電圧）になるまで繰り返している。

なお、この動作は図５の構成により、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６を用いても可能である。しかし、この場合は上記したように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６の入力に直流電圧源２も含まれることから、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６での回路損失分が余計に増加することになる。一方、絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２８の場合は、入力電圧が蓄電素子８のみとなるので損失が低減され、図５の構成よりさらにエネルギーの有効活用が図れる。

また、図５、図６において、実施の形態１で述べたように、第２整流器２３に並列に例えばＦＥＴからなるスイッチ素子（図示せず）を設ける構成としてもよい。そして、このスイッチ素子の制御は例えば車両側ＥＣＵ（図示せず）により行うようにする。また、この車両側ＥＣＵは、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６が蓄電素子８から狭電圧範囲補機２４に電力を供給し、かつ補機２２が動作中の場合に、このスイッチ素子がオフ状態となるように制御する。これは、スタータ（補機２２）が動作することによる直流電圧源２の電圧降下を補い、オーディオやナビゲーション、各種ＥＣＵ（狭電圧範囲補機２４）への電力供給を安定化させるためである。これは具体的には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６が蓄電素子８から狭電圧範囲補機２４に電力を供給している場合は、このスイッチ素子をオフにする動作を行うことになる。これにより、蓄電素子８から狭電圧範囲補機２４に電力を供給している場合は、第２整流器２３が有効となり、蓄電素子８から直流電圧源２や広電圧範囲補機２０への電流が流れないようにして、狭電圧範囲補機２４を安定動作させ続けることができる。また、自動車の非使用時にもＦＥＴからなるこのスイッチ素子がオフ状態となるので、直流電圧源２の逆接防止回路としても構成される。さらに、直流電圧源２の電力を蓄電素子８に充電する場合には、このスイッチ素子をオン状態とすることにより、第２整流器１７に流れる電流による損失を低減することができるという効果も得られる。

また、このような電源装置を回生機能（車両制動時の運動エネルギーを発電機により電気エネルギーとして回収する機能）付き自動車に適用すると、次のような効果が得られる。回生時には短時間に１００Ａ以上の大電流が発電機により発電される。しかし、直流電圧源２としてのバッテリはこの電流を全て受け入れることができない。そこで、回生時に双方向コンバータ２６により蓄電素子８を充電すれば、回生量を多くすることが可能となる。但し、この時に第２整流器２３は約１Ｖの電圧降下を起こすので、電力損失が大きく発生する。この損失は全て熱となるので、第２整流器２３の放熱器の形状が大きくなったり、重量が重くなったりする等の課題が生じる。そこで、このスイッチ素子を設け、少なくとも回生時にオン状態とすることで、大電流はこのスイッチ素子に流れるので、第２整流器２３における電力損失を低減することができる。

また、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６が蓄電素子８から狭電圧範囲補機２４へ電力を供給し、かつ補機２２が停止中の場合には、このスイッチ素子をオン状態としてもよい。これにより、第１入出力端子２６ａから出力される電力は、狭電圧範囲補機２４だけでなく、直流電圧源２にも供給される。ゆえに、上記した回生機能付き自動車の場合、回生により蓄電素子８に蓄えた電力で直流電圧源２を充電することもできるという効果が得られる。

以上の構成、動作により、直流電圧源と蓄電素子のいずれに対しても負担を大きくすることなく高応答に所定の補機への供給電圧安定化を達成することのできる電源装置を実現できた。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における電源装置の概略ブロック回路図である。なお、図７において、図１、図５と同じ構成要素については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。また、本実施の形態３の構成は、アイドリングストップ機能に加え、前述した回生機能付きの車両用電源装置の例について説明する。

図７において、直流電圧源２には並列に補機２２、および広電圧範囲補機２０が接続されている。さらに、エンジンにより発電を行う発電機３０も並列接続されている。また、直流電圧源２には整流器３１とスイッチ素子３２の並列回路が直列に接続されている。スイッチ素子３２の制御は車両側ＥＣＵ３３によって行われている。なお、整流器３１とスイッチ素子３２の並列回路として、本実施の形態３でも実施の形態１や２で説明したようにＦＥＴを用いたが、これは、整流器３１とスイッチ素子３２を独立させて、スイッチ素子３２に例えばリレーを用いる構成としてもよい。

整流器３１とスイッチ素子３２の並列回路の他端には、狭電圧範囲補機２４が接続されている。また、狭電圧範囲補機２４は双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６の第１入出力端子２６ａに接続されている。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６の第２入出力端子２６ｂには蓄電素子８が接続されている。

次に、このような電源装置の動作について説明する。

まず、車両のイグニションスイッチ（図示せず）をオンにして、エンジンが始動すると発電機３０が発電を開始し、直流電圧源２の充電および広電圧範囲補機２０、狭電圧範囲補機２４への電力供給を行う。この時、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６は車両側ＥＣＵ３３の信号により第１入出力端子２６ａを入力、第２入出力端子２６ｂを出力として動作を開始し蓄電素子８の予備充電を開始する。なお、蓄電素子８の充電開始は実施の形態２で述べたように、カーテシスイッチ（図示せず）等の信号に連動してエンジン始動前に行ってもよい。

ここで、直流電圧源２や発電機３０により蓄電素子８を充電する際には、車両側ＥＣＵ３３はスイッチ素子３２をオン状態にする。その結果、充電電流は主にスイッチ素子３２を流れることになり、整流器３１での電力損失を低減することができる。

次に、車両制動による回生動作について説明する。

車両制動のためにブレーキ操作されたことを車両側ＥＣＵ３３が検出すると、車両側ＥＣＵ３３はスイッチ素子３２がオン状態でなければオン状態にするとともに、蓄電素子８に電力が出力されるように双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６を制御する。その後、車両制動により発電機３０が発電した電力は直流電圧源２に充電されるとともに、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６を介して蓄電素子８に充電される。この時、直流電圧源２は鉛バッテリであるので、車両制動により短時間に発生した大電力を十分充電できない。従って、発生した電力の多くは蓄電素子８側に供給される。この際、あらかじめ双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６が動作しているので、素早く蓄電素子８に充電できるとともに、スイッチ素子３２がオン状態であるので、実施の形態２で説明したような整流器３１に発生する１００Ｗ以上の大きな電力損失を低減することができる。このような動作により、回生時に高応答で低損失に回生電力を充電することができる。

次に、例えばアイドルストップが終了してエンジンを再起動するためにスタータを駆動する等の動作を行った場合について説明を行う。

エンジン再起動のために直流電圧源２から補機２２（スタータ）に電力を供給すると、短時間に大電流が流れることから、直流電圧源２の電圧は前述したように７Ｖ程度まで低下する。この状態では狭電圧範囲補機２４を動作し続けられないので、車両側ＥＣＵ３３は次のように動作する。

車両側ＥＣＵ３３はスタータを動作させる直前に、スイッチ素子３２をオフ状態にするとともに、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６の第２入出力端子２６ｂが入力、第１入出力端子２６ａが出力となるように動作させる。これにより、スタータが動作する前に、あらかじめ蓄電素子８の電力を双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６で安定化して狭電圧範囲補機２４に供給し続けることができる。

この状態で車両側ＥＣＵ３３はスタータを動作させ、エンジンを再始動させる。この時、直流電圧源２の電圧Ｖｂは約７Ｖまで低下するが、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６の出力端電圧Ｖｃは狭電圧範囲補機２４を駆動し続けられる１１Ｖ以上となっている上に、スイッチ素子３２はオフ状態である。したがって、整流器３１のアノード側電圧（＝Ｖｂ）がカソード側電圧（＝Ｖｃ）より低くなり、整流器３１はオフになる。その結果、蓄電素子８の電力が直流電圧源２側に供給されることなく、安定して狭電圧範囲補機２４を駆動し続けることができる。

次に、スタータの駆動が完了すると、発電機３０が起動して直流電圧源２の電圧Ｖｂが通常時に戻り定常状態となる。この時、車両側ＥＣＵ３３はスイッチ素子３２をオン状態にする。その結果、整流器３１による電力損失を低減した状態で直流電圧源２から狭電圧範囲補機２４に電力が供給される。

なお、エンジン起動後も蓄電素子８に十分な電力がある場合は、蓄電素子８からの電力供給を行い、この間、発電機３０を止めておくことも可能である。

以上、いずれの場合も、蓄電素子８の充電電圧は、狭電圧範囲補機２４の電圧補償のための放電により低下した状態であるが、その後の定常状態になった際や、ブレーキ時の回生により双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６で既定の電圧まで再充電を行う。また、スタータ以外の補機２２の動作による電流によっても蓄電素子８の電圧は低下するが、同様の動作により再充電を行う。

このような動作を繰り返すことにより、補機２２が断続的に大電流を消費しても、狭電圧範囲補機２４に安定した電圧を供給し続けることができる。

以上のことから、スイッチ素子３２の動作をまとめると、次のようになる。車両側ＥＣＵ３３は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６が蓄電素子８から狭電圧範囲補機２４に電力を供給し、かつ大電流を消費する補機２２が動作中の場合に、スイッチ素子３２がオフ状態となるようにする。さらに、回生時を含めた蓄電素子８を充電する場合や直流電圧源２から狭電圧範囲補機２４への電力供給時ではスイッチ素子３２をオン状態にするようにしている。

なお、実施の形態２と同様に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６が蓄電素子８から狭電圧範囲補機２４へ電力を供給し、かつ補機２２が停止中の場合には、スイッチ素子３２をオン状態としてもよい。これにより、第１入出力端子２６ａから出力される電力は、狭電圧範囲補機２４だけでなく、直流電圧源２にも供給される。ゆえに、回生により蓄電素子８に蓄えた電力で直流電圧源２を充電することもできるという効果が得られる。

以上の構成、動作により、蓄電素子８に充電した電力を用いて狭電圧範囲補機２４の電圧補償を高応答に行うことができるとともに、整流器３１に流れる電流による電力損失を低減することが可能な電源装置を実現できた。

なお、本実施の形態３ではアイドリングストップ機能と回生機能を両方有する車両の例について述べたが、これはいずれか一方のみを有する車両についても適用できる。

本発明にかかる電源装置は、直流電圧源の電圧低下時に、電圧低下補償された安定電圧を補機に供給できるので、大電流を消費するアイドリングストップ機能を有する車両等の直流電圧源の電圧低下を補償する電源装置等として有用である。

本発明の実施の形態１における電源装置の概略ブロック回路図 本発明の実施の形態１における第２ＤＣ／ＤＣコンバータの詳細なブロック回路図 本発明の実施の形態１における電源装置の他の構成の概略ブロック回路図 本発明の実施の形態１における電源装置のリニアレギュレータを用いた概略ブロック回路図 本発明の実施の形態２における電源装置の概略ブロック回路図 本発明の実施の形態２における電源装置の他の構成の概略ブロック回路図 本発明の実施の形態３における電源装置の概略ブロック回路図 従来の電源装置の概略ブロック回路図

符号の説明

１ 第１補機
２ 直流電圧源
３ 第２補機
４ 第１整流器
６ 第１ＤＣ／ＤＣコンバータ
８ 蓄電素子
９ 第２ＤＣ／ＤＣコンバータ
１７，２３ 第２整流器
１９ リニアレギュレータ
２０ 広電圧範囲補機
２２ 補機
２４ 狭電圧範囲補機
２６ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
２６ａ 第１入出力端子
２６ｂ 第２入出力端子
２８ 絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
３１ 整流器
３２ スイッチ素子

Claims (21)

1. 直流電圧源と、
   前記直流電圧源に並列接続された第１補機と、
   前記直流電圧源の正極にアノードが接続された第１整流器と、
   前記第１整流器のカソードと接続され、前記第１整流器を介して電力が供給される第２補機と、
   前記直流電圧源を入力源とする第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端に接続された蓄電素子と、
   前記蓄電素子を入力源とし、出力端を前記第１整流器の両端に接続した第２ＤＣ／ＤＣコンバータとにより構成され、
   前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記直流電圧源の出力電圧が既定値以下に低下すると、前記直流電圧源の電圧低下に応じた出力電圧を前記第１整流器の両端に発生させるようにした電源装置。
2. 前記直流電圧源の出力電圧が既定値より高い時は、前記直流電圧源から前記第２補機へ電力を供給するとともに、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータを動作させて前記蓄電素子を充電し、
   前記直流電圧源の出力電圧が前記既定値以下に低下した時、または外部からの信号を受信した時には、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータが動作を開始し、前記第２補機への供給電圧の低下を防止する請求項１記載の電源装置。
3. 前記蓄電素子の充電時以外は前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータを停止する請求項１に記載の電源装置。
4. 前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータは降圧型回路である請求項１に記載の電源装置。
5. 前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータは降圧型同期整流回路である請求項１に記載の電源装置。
6. 前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータは前記第２補機への印加電圧を制御する請求項１に記載の電源装置。
7. 前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力にリニアレギュレータの入力を、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの出力に前記リニアレギュレータの出力をそれぞれ接続した請求項１に記載の電源装置。
8. 前記リニアレギュレータの出力電圧は前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧より低くした請求項７に記載の電源装置。
9. 前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータの入力端に第２整流器を接続した請求項１に記載の電源装置。
10. 前記第２整流器と並列に接続されたスイッチ素子をさらに有し、
    前記スイッチ素子は少なくとも前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータが前記蓄電素子を充電中にオン状態となるようにした請求項９に記載の電源装置。
11. 直流電圧源と、
    前記直流電圧源に並列接続された広電圧範囲補機と、
    前記直流電圧源に直列接続された蓄電素子と第１整流器との並列回路と、
    前記直流電圧源と前記蓄電素子の直列回路に並列接続された、前記直流電圧源よりも高電圧が供給される補機と、
    前記直流電圧源に接続された第２整流器と、
    前記第２整流器を介して前記直流電圧源と並列に接続された狭電圧範囲補機と、
    前記狭電圧範囲補機が第１入出力端子に、前記蓄電素子と前記第１整流器との並列回路が第２入出力端子に、それぞれ接続された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータとにより構成された電源装置。
12. 前記蓄電素子は前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータにより充電がなされ、
    前記補機には前記直流電圧源と前記蓄電素子の加算電圧が印加され、
    前記補機に大電流が流れることにより前記直流電圧源の電圧が低下した際には、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは前記蓄電素子を入力とし前記狭電圧範囲補機を出力とする方向で動作を行うことにより、前記狭電圧範囲補機への印加電圧低下を補償する請求項１１に記載の電源装置。
13. 前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータは絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである請求項１１に記載の電源装置。
14. 非使用時に前記蓄電素子の電圧を前記直流電圧源の電圧より高くなるように前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータで出力することにより、前記蓄電素子から前記狭電圧範囲補機に暗電流を断続的に供給する請求項１１に記載の電源装置。
15. 前記第２整流器と並列に接続されたスイッチ素子をさらに有し、
    前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが前記蓄電素子から前記狭電圧範囲補機に電力を供給し、かつ前記補機が動作中の場合に、前記スイッチ素子がオフ状態となるようにした請求項１１に記載の電源装置。
16. 前記スイッチ素子は前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが前記蓄電素子を充電中にオン状態となるようにした請求項１５に記載の電源装置。
17. 前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが前記蓄電素子から前記狭電圧範囲補機へ電力を供給し、かつ前記補機が停止中の場合に、前記スイッチ素子がオン状態となるようにした請求項１５に記載の電源装置。
18. 直流電圧源と、
    前記直流電圧源に並列接続された補機、発電機および広電圧範囲補機と、
    前記直流電圧源に直列接続された整流器とスイッチ素子の並列回路と、
    前記整流器とスイッチ素子の並列回路の他端と、前記直流電圧源の負極との間に接続された狭電圧範囲補機と、
    前記狭電圧範囲補機が第１入出力端子に接続された双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータの第２入出力端子に接続された蓄電素子とにより構成された電源装置。
19. 前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが前記蓄電素子から前記狭電圧範囲補機に電力を供給し、かつ前記補機が動作中の場合に、前記スイッチ素子がオフ状態となるようにした請求項１８に記載の電源装置。
20. 前記スイッチ素子は前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが前記蓄電素子を充電中にオン状態となるようにした請求項１９に記載の電源装置。
21. 前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータが前記蓄電素子から前記狭電圧範囲補機へ電力を供給し、かつ前記補機が停止中の場合に、前記スイッチ素子がオン状態となるようにした請求項１９に記載の電源装置。

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