JP4844479B2

JP4844479B2 - 電源装置

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Publication number: JP4844479B2
Application number: JP2007159792A
Authority: JP
Inventors: 孝晴村上; 久純渡邉
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-06-18
Filing date: 2007-06-18
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2027-06-18
Also published as: JP2008312404A

Description

本発明は、主電源の電圧を効率よく安定化する補助電源としての電源装置に関するものである。

近年、環境への配慮や燃費向上のために、制動時に発電を行うことで制動エネルギーを電気エネルギーとして回収する回生システムを搭載した自動車（以下、車両という）が開発されている。この回生システムは車両減速時に発電機で発生する電力を充電することで、減速時以外の発電量を減らすことができるので、その分、エンジン負担が軽減され省燃費が可能となる。

このような回生システムを従来の車両に適用すると、減速時の発電電力は鉛バッテリに充電されることになるが、急減速等の場合は大電力が短時間に発生し、急速充電が不十分な鉛バッテリに効率的に充電することができなかった。また、鉛バッテリに印加される電圧が急上昇し、電解液の減少を引き起こす。その結果、鉛バッテリの寿命が短くなってしまう。

そこで、短時間の大電力を効率よく回収するために、急速充放電特性に優れるキャパシタを予備的な蓄電手段として用いた回生システム用の電源装置が、例えば下記特許文献１に提案されている。図６はこのような電源装置のブロック回路図である。

主電源１０１は鉛バッテリであり、その正極にはイグニションスイッチ１０３を介して負荷１０５が接続されている。また、主電源１０１の正極には車両用の発電機１０７が接続されている。発電機１０７はエンジン１０９と機械的に接続されているので、エンジン１０９の動作により発電機１０７が駆動される。さらに、エンジン１０９はタイヤ１１１が機械的に接続されており、エンジン１０９の駆動力によりタイヤ１１１が回転し、車両を走行させる。また、制動による減速時には、車両の慣性によりタイヤ１１１が回転し、これによりエンジン１０９も回転する。この回転エネルギーにより発電機１０７が駆動され、制動エネルギーによる発電が行われる。

このような車両に対し、制動エネルギーによる電力を効率よく回収するために、発電機１０７にはＤＣ／ＤＣコンバータ１１３を介して蓄電手段１１５が接続されている。蓄電手段１１５には大容量の電気二重層キャパシタが用いられるので、急減速時等に発生する短時間の大電力を効率よく回収できる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１３には、その動作を制御するために演算装置１１７が接続されている。さらに、演算装置１１７には車両側から様々な信号を受信するための信号受信用端子１１９が設けられている。従って、演算装置１１７は車両の走行状態やエンジン１０９の動作状態、主電源１０１の電圧状態等を信号受信用端子１１９から受信することにより、それらの状態に応じた蓄電手段１１５への充放電制御をＤＣ／ＤＣコンバータ１１３に対して行う。

このような構成の回生システム用電源装置とすることで、短時間に発生する大電力を含む減速時の電力を、一旦蓄電手段１１５に充電しておき、減速時以外に充電した電力を主電源１０１や負荷１０５に供給することができる。その結果、効率のよい制動エネルギーの回生が可能となるだけでなく、主電源１０１（鉛バッテリ）に印加される電圧の急上昇を低減することも可能となるので、主電源１０１の寿命短縮を抑制できる。
特許第３４６５２９３号公報

上記の電源装置によると、確かに効率的な回生により車両の省燃費化が可能となるのであるが、蓄電手段１１５の充放電制御を車両側の様々な信号により行っているので、車両によってそれぞれ異なる信号フォーマットや通信インターフェースに対応した専用の演算装置１１７を設計する必要があり、電源装置全体の開発効率が低減するという課題があった。

これに対し、特許文献１では信号受信用端子１１９から受信する信号をブレーキランプによる車両減速信号や、フューエルカット信号に限定する構成が記載されている。これにより、確かに専用の演算装置１１７の設計は不要となるが、それでも車両減速信号線やフューエルカット信号線を信号受信用端子１１９に配線する必要があるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、専用の演算装置１１７の設計や車両減速信号等の信号線配線を不要とし、容易に車両装着が可能で電圧安定化と高効率が得られる電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の電源装置は、主電源の正極に接続される正電極と、前記主電源の負極に接続される負電極と、前記正電極に第１入出力端子が接続される双方向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る蓄電部と、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに内蔵された制御部と、前記制御部に接続される車両挙動センサと、を内蔵した構成からなり、前記電源装置は、前記主電源の前記正極に前記正電極が、前記負極に前記負電極が、それぞれ接続されるだけで車両に装着され、前記車両挙動センサが車両の減速挙動を検出すれば、前記制御部は前記蓄電部の電圧（Ｖ２）が満充電電圧以下の場合にのみ、前記第１入出力端子の電圧（Ｖ１）が前記設定電圧になるようにしながら前記蓄電部を充電するように制御し、前記車両挙動センサが前記車両の減速挙動を検出していなければ、前記制御部は前記蓄電部の電圧（Ｖ２）が下限充電電圧以上、前記満充電電圧以下になるように、かつ前記第１入出力端子の電圧（Ｖ１）が設定電圧になるようにしながら前記蓄電部の充放電を制御するようにしたものである。
また、本発明の電源装置は、主電源の正極に接続される正電極と、前記主電源の負極に接続される負電極と、前記正電極に第１入出力端子が接続される双方向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る蓄電部と、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに内蔵された制御部と、前記制御部に接続される車両挙動センサと、を内蔵した構成からなり、前記電源装置は、前記主電源の前記正極に前記正電極が、前記負極に前記負電極が、それぞれ接続され、車両との信号線配線が不要な構成を有し、前記車両挙動センサが車両の減速挙動を検出すれば、前記制御部は前記蓄電部の電圧（Ｖ２）が満充電電圧以下の場合にのみ、前記第１入出力端子の電圧（Ｖ１）が前記設定電圧になるようにしながら前記蓄電部を充電するように制御し、前記車両挙動センサが前記車両の減速挙動を検出していなければ、前記制御部は前記蓄電部の電圧（Ｖ２）が下限充電電圧以上、前記満充電電圧以下になるように、かつ前記第１入出力端子の電圧（Ｖ１）が設定電圧になるようにしながら前記蓄電部の充放電を制御するようにしたものである。

本発明の電源装置によれば、主電源や負荷に接続された第１入出力端子の電圧Ｖ１を自ら検出し、電圧Ｖ１が設定電圧になるようにしながら、蓄電部が適正な充電電圧範囲に入るように充放電を行う。従って、車両減速時における電圧Ｖ１の上昇時には蓄電部を充電し、負荷が大電流を消費する等による電圧Ｖ１の下降時には蓄電部を放電するというような動作を自動的に繰り返すことになるので、電圧Ｖ１の安定化を図りつつ制動エネルギーを有効に活用でき高効率化が得られる。また、電源装置を主電源の正極と負極間に並列に接続するだけで自己完結的に動作することができ、従来の信号線配線が不要になるという効果が得られる。

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動作を示すフローチャートである。

図１において、電源装置１１は主電源１５に並列に接続されている。すなわち、電源装置１１の正電極１７と負電極１９が、それぞれ主電源１５の正極と負極に接続されている。なお、主電源１５は定格電圧１４Ｖの鉛バッテリで構成されている。主電源１５にはエンジン（図示せず）により発電を行う発電機２１と、イグニションスイッチ２３を介して負荷２５も接続されている。ここで、発電機２１はエンジン駆動時の発電電圧が例えば１４．５Ｖになるように調整されている。また、負荷２５はオーディオやナビゲーション等の車載用補機である。

電源装置１１は次の構成を有する。まず、主電源１５の正極に接続された正電極１７は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７の第１入出力端子２９に接続されている。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７の第２入出力端子３１には蓄電部３３が接続されている。なお、蓄電部３３は電気二重層キャパシタ３５を複数個接続した構成を有する。本実施の形態１では、定格電圧２．２Ｖの電気二重層キャパシタ３５を１４個直列に接続して満充電電圧が３０．８Ｖになるようにしている。ここで、使用した電気二重層キャパシタ３５の最大許容電圧は２．４Ｖであったので、定格電圧をそれより低く設定することで、電気二重層キャパシタ３５の寿命を伸ばすようにしている。また、蓄電部３３は主電源１５や発電機２１からの電力が電源装置１１を介して直接流入しないように、それらよりも高い電圧を保つようにしている。具体的には、主電源１５の定格電圧が１４Ｖ、発電機２１の発電電圧が１４．５Ｖなので、それらよりも高い蓄電部３３の電圧として最低１６Ｖになるように制御している。以下、この電圧を蓄電部３３の下限充電電圧という。従って、蓄電部３３の電圧Ｖ２は１６Ｖから３０．８Ｖの間となる。なお、これらの数字は一例であり、使用する電気二重層キャパシタ３５の仕様や発電機２１の発電電力、負荷２５の消費電力等の観点から適宜決定すればよい。

また、第１入出力端子２９には双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７の制御部（後述する）に駆動電力を供給するためのレギュレータ３７が接続されている。これにより、第１入出力端子２９の電圧Ｖ１を制御部駆動用電圧（例えばＤＣ５Ｖ）に変換して供給することができるので、電源装置１１内で必要な電力を賄うことが可能となる。

次に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７の詳細構成について説明する。第１入出力端子２９と第２入出力端子３１には、それぞれ平滑用のコンデンサ３９が接続されている。また、各コンデンサ３９には並列に第１入出力端子２９の電圧Ｖ１と蓄電部３３の電圧Ｖ２を検出するための第１電圧検出回路４１と第２電圧検出回路４３がそれぞれ接続されている。なお、これらは本実施の形態１において抵抗器を２個直列に接続し、その中点電圧を出力する構成としたが、これに限らず他の電圧検出手段を用いてもよい。

第１入出力端子２９には、さらにインダクタンス素子４５の一端が接続され、その他端には第１スイッチ素子４７と第２スイッチ素子４９の一端が接続されている。また、第１スイッチ素子４７の他端はグランドに、第２スイッチ素子４９の他端は第２入出力端子３１にそれぞれ接続されている。なお、第１スイッチ素子４７と第２スイッチ素子４９はいずれもＦＥＴで構成している。

第１電圧検出回路４１と第２電圧検出回路４３の電圧出力、および第１スイッチ素子４７と第２スイッチ素子４９のゲート端子は、それぞれ制御部５１に接続されている。制御部５１はマイクロコンピュータと周辺回路で構成されている。なお、制御部５１の駆動電力は前記したようにレギュレータ３７から供給される。

このような構成とすることにより、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７は主電源１５や発電機２１の電力を蓄電部３３に充電したり、蓄電部３３の電力を主電源１５や負荷２５に対して放電することができる。

次に、このような電源装置１１の動作について、図２のフローチャートを用いて説明する。なお、制御部５１はメインルーチン（図示せず）から必要に応じて様々なサブルーチンを実行することにより全体の動作を行うソフトウエア構成としているので、図２に示すフローチャートをサブルーチンの形態で示した。

メインルーチンから図２のサブルーチンが実行されると、制御部５１は第１入出力端子２９の電圧Ｖ１を第１電圧検出回路４１の出力から、蓄電部３３の電圧Ｖ２（＝第２入出力端子３１の電圧）を第２電圧検出回路４３の出力から、それぞれ読み込む（ステップ番号Ｓ１１）。次に、蓄電部３３の電圧Ｖ２と下限充電電圧を比較する（Ｓ１３）。ここで、下限充電電圧は前記したように１６Ｖである。

もし、蓄電部３３の電圧Ｖ２が下限充電電圧未満であれば（Ｓ１３のＹｅｓ）、これ以上蓄電部３３の電圧Ｖ２が下がらないようにするために、充電可能であれば蓄電部３３を充電する必要がある。そこで、現在蓄電部３３の充電が可能であるか否かを判断するために、Ｓ１１で読み込んだ第１入出力端子２９の電圧Ｖ１と設定電圧を比較する（Ｓ１４）。ここで、設定電圧は双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７が第１入出力端子２９の電圧Ｖ１を制御する目標電圧のことであり、本実施の形態１では主電源１５の定格電圧１４Ｖより僅かに高い１４．１Ｖとした。

もし、第１入出力端子２９の電圧Ｖ１が設定電圧未満であれば（Ｓ１４のＹｅｓ）、蓄電部３３を充電する必要があるにもかかわらず、例えばスタータモータや電動パワーステアリング用モータのように短期間に大電力を消費する負荷２５が動作中のため、発電機２１からの電力では十分に負荷２５に供給できず、主電源１５からの電力の持ち出しが大きくなっている状態である。そのため、主電源１５の電圧（＝Ｖ１）が下がり、設定電圧を大きく下回ることになる。この場合は、発電機２１や主電源１５は負荷２５に電力を供給するだけで大きな負担となっており、この状態でさらに双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７を動作させて蓄電部３３を充電すると、主電源１５の電圧降下がさらに大きくなり負担が増え、寿命が短くなる可能性がある。そこで、この場合は蓄電部３３の充放電を行わないようにするため、後述するＳ２７にジャンプする。

一方、第１入出力端子２９の電圧Ｖ１が設定電圧以上であれば（Ｓ１４のＮｏ）、負荷２５は大電力の消費を行っておらず電圧Ｖ１が設定電圧に維持されている通常状態であるか、あるいは車両制動により発電機２１の発電量が増え調整電圧（１４．５Ｖ）を一時的に上回ることで電圧Ｖ１が設定電圧を超えている状態と想定される。なお、車両制動により一時的に電圧Ｖ１が設定電圧を超えるのは次に説明する動作による。車両を制動するためにアクセルペダルを離し、ブレーキペダルを踏むと、エンジンはアイドリング状態となり回転数が下がる。その結果、発電量が低下する。しかし、負荷２５は車両制動前と同じ電力を消費しているので、発電機２１の電圧が調整電圧より下がる。その分は主電源１５から電力供給して賄うと同時に、発電機２１は調整電圧になるように発電量を増やす。これにより、発電電圧は調整電圧を一時的に上回る。その後、発電機２１は発電量の増減を繰り返し、発電電圧が調整電圧に収束していく。ゆえに、車両制動時には発電機２１の発電量が増え調整電圧を一時的に上回ることがある。

このように、車両制動時に一時的に電圧Ｖ１が設定電圧を上回るか、あるいは通常時に電圧Ｖ１が設定電圧に維持されている時は、発電機２１や主電源１５の電力を蓄電部３３に充電することが可能となる。従って、制御部５１は第１入出力端子２９の電圧Ｖ１を第１電圧検出回路４１の出力により監視することで、電圧Ｖ１が設定電圧になるようにしながら蓄電部３３を充電するように第１スイッチ素子４７と第２スイッチ素子４９のオンオフ制御を行う（Ｓ１５）。その後、図２のサブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

ここでＳ１３に戻って、蓄電部３３の電圧Ｖ２が下限充電電圧以上であれば（Ｓ１３のＮｏ）、蓄電部３３には少なくとも最低限の電力が蓄電されている状態であるので、次に電圧Ｖ２と満充電電圧を比較する（Ｓ１７）。ここで、満充電電圧は前記したように３０．８Ｖである。もし、電圧Ｖ２が満充電電圧以下であれば（Ｓ１７のＮｏ）、蓄電部３３の電圧Ｖ２は下限充電電圧以上、かつ満充電電圧以下の状態であるので、蓄電部３３は発電機２１、主電源１５、および負荷２５の状態に応じて充放電を行うことができる。そこで、制御部５１は第１入出力端子２９の電圧Ｖ１を第１電圧検出回路４１の出力により監視することで、電圧Ｖ１が設定電圧になるようにしながら蓄電部３３を充電、または放電するように第１スイッチ素子４７と第２スイッチ素子４９のオンオフ制御を行う（Ｓ１９）。具体的には、前記したように車両制動で発電機２１の発電量が増え、一時的に設定電圧を超えている状態と想定される場合は、第１入出力端子２９の電圧Ｖ１が設定電圧になるようにしながら蓄電部３３を充電する。これにより、制動で発生した電気エネルギーを蓄電することができる。また、短期間に大電力を消費する負荷２５が動作中の場合は、蓄電部３３が蓄えた電力を負荷２５に対して放電することにより、主電源１５の電圧降下を低減するとともに、その他の負荷２５への電力供給を補助する。これにより、主電源１５の寿命短縮を抑制できる上に、その他の負荷２５の安定動作が可能となる。さらに、短期間に大電力を消費する負荷２５が非動作の時は第１入出力端子２９の電圧Ｖ１の設定電圧（１４．１Ｖ）が主電源１５の定格電圧（１４Ｖ）より高いので、蓄電部３３の電力を放電し、徐々に主電源１５を充電することができる。その後、図２のサブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

一方、蓄電部３３の電圧Ｖ２が満充電電圧より大きければ（Ｓ１７のＹｅｓ）、これ以上蓄電部３３の電圧Ｖ２が上がらないようにするために、放電可能であれば蓄電部３３を放電する必要がある。そこで、現在蓄電部３３の放電が可能であるか否かを判断するために、Ｓ１１で読み込んだ第１入出力端子２９の電圧Ｖ１と設定電圧を比較する（Ｓ２３）。

もし、第１入出力端子２９の電圧Ｖ１が設定電圧以下であれば（Ｓ２３のＮｏ）、短期間に大電力を消費する負荷２５が動作中であるか、電圧Ｖ１が設定電圧に維持されている通常状態であると想定されるので、この時の蓄電部３３の電力を主電源１５や負荷２５に対して放電することが可能となる。従って、制御部５１は第１入出力端子２９の電圧Ｖ１を第１電圧検出回路４１の出力により監視することで、電圧Ｖ１が設定電圧になるようにしながら蓄電部３３を放電するように第１スイッチ素子４７と第２スイッチ素子４９のオンオフ制御を行う（Ｓ２５）。その後、図２のサブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

一方、第１入出力端子２９の電圧Ｖ１が設定電圧より大きければ（Ｓ２３のＹｅｓ）、蓄電部３３を放電する必要があるにもかかわらず、車両制動により発電機２１の発電量が増え、一時的に設定電圧を超えている状態と想定されるので、蓄電部３３の電力を放電することができない。そこで、この場合は蓄電部３３の充放電を行わないようにするため、第１スイッチ素子４７と第２スイッチ素子４９のオンオフ制御を停止することで双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７の動作を止める。その結果、蓄電部３３の充放電動作が停止する（Ｓ２７）。これにより、Ｓ１４のＹｅｓの場合は蓄電部３３の過放電を防止し、Ｓ２３のＹｅｓの場合は蓄電部３３の過充電を防止し、蓄電部３３の電圧Ｖ２を適正な充電電圧範囲（１６Ｖ〜３０．８Ｖ）に入るようにしている。その後、図２のサブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

メインルーチンは以上説明した図２のサブルーチンを繰り返し実行し、主電源１５、発電機２１、および負荷２５の状態に応じた蓄電部３３の充放電を行うことで、回生動作や補助的な電力供給を行いながら第１入出力端子２９の電圧Ｖ１（＝主電源１５の電圧）の安定化を図ることが可能となる。

なお、Ｓ２７により双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７の動作が止まるが、Ｓ１４のＹｅｓで止まった場合は負荷２５の大電流消費が終了することによる電圧Ｖ１の設定電圧への回復により、また、Ｓ２３のＹｅｓで止まった場合は制動による発電機２１の発電が終了することによる電圧Ｖ１の設定電圧への収束により、それぞれＳ１４やＳ２３のＹｅｓがＮｏとなり、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７の動作が再開する。従って、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７が止まった場合も、自動的に動作が再開し、電圧Ｖ１を設定電圧に維持するように蓄電部３３の充放電を行うことができる。

また、回生動作は発電機２１の発電電圧の一時的な増大に応じて自動的に蓄電部３３を充電する動作を行うので、従来のように車両減速等の信号線配線を行う必要がなくなる。

以上の構成、動作により、車両側との信号線配線が不要で、主電源１５の正極と負極に並列に接続するだけで容易に車両装着ができる上に、回生動作や補助的な電力供給を行いながら第１入出力端子２９の電圧Ｖ１の安定化を自己完結的に行うことが可能な高効率の電源装置を実現することができた。

なお、本実施の形態１では制御部５１は、その駆動電力が第１入出力端子２９からレギュレータ３７を介して供給されるようにしているが、これは蓄電部３３からレギュレータ３７を介して供給するようにしてもよい。但し、この場合は車両を長期間使用していない間も蓄電部３３から制御部５１に電力が供給され続けるので、蓄電部３３が放電し切ってしまうと双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７が停止してしまい、その後電源装置１１を動作させることができなくなる可能性がある。従って、上記のような可能性がある場合は、蓄電部３３に比べ蓄電量が極めて多い主電源１５の正極が接続される第１入出力端子２９から制御部５１の駆動電力を供給する方が望ましい。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における電源装置の動作を示すフローチャートである。

本実施の形態２における電源装置の構成は図１と同じであるので、詳細な説明を省略する。本実施の形態２における特徴となる部分（動作）は次の通りである。

実施の形態１では蓄電部３３の電圧Ｖ２が下限充電電圧（１６Ｖ）以上、満充電電圧（３０．８Ｖ）以下の範囲になるように、かつ第１入出力端子２９の電圧Ｖ１が設定電圧（１４．１Ｖ）になるようにしながら蓄電部３３の充放電を制御している。これに対し、本実施の形態２では蓄電部３３の電圧Ｖ２が、下限充電電圧（１６Ｖ）から満充電電圧（３０．８Ｖ）の範囲の中でも、特に下限充電電圧（１６Ｖ）と実質的に等しくなるようにしつつ、第１入出力端子２９の電圧Ｖ１が設定電圧（１４．１Ｖ）になるようにしながら蓄電部３３の充放電を制御するようにしている。以下に、この特徴的な動作を中心に図３を用いて説明する。なお、図３も図２と同様にサブルーチンの形態で示した。

図３のサブルーチンが実行されると、制御部５１は第１入出力端子２９の電圧Ｖ１を第１電圧検出回路４１の出力から、蓄電部３３の電圧Ｖ２（＝第２入出力端子３１の電圧）を第２電圧検出回路４３の出力から、それぞれ読み込む（Ｓ３１）。次に、第１入出力端子２９の電圧Ｖ１と設定電圧（１４．１Ｖ）を比較する（Ｓ３３）。もし、電圧Ｖ１が設定電圧以下であれば（Ｓ３３のＮｏ）、負荷２５が大電力の消費を行っているか、あるいは電圧Ｖ１が設定電圧に維持されている通常状態であるので、この場合はできるだけ蓄電部３３の電力を放電して負荷２５や主電源１５に供給することにより、電力の効率的な活用を図る。そのために、制御部５１はＳ３１で読み込んだ蓄電部３３の電圧Ｖ２と下限充電電圧（１６Ｖ）を比較する（Ｓ３５）。もし、電圧Ｖ２が下限充電電圧以上であれば（Ｓ３５のＮｏ）、蓄えた電力を放電することができる。そこで、制御部５１は第１入出力端子２９の電圧Ｖ１を第１電圧検出回路４１の出力により監視することで、電圧Ｖ１が設定電圧になるようにしながら蓄電部３３を放電するように第１スイッチ素子４７と第２スイッチ素子４９のオンオフ制御を行う（Ｓ３７）。これにより、蓄電部３３の電圧Ｖ２が下限充電電圧と実質的に等しくなるまで放電を行うことができ、高効率化が図れる。ここで、実質的に等しいとは、蓄電部３３の電圧Ｖ２と下限充電電圧を比較した時に、両者が第２電圧検出回路４３の検出精度範囲内で等しい状態であると定義する。Ｓ３７の後は図３のサブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

一方、蓄電部３３の電圧Ｖ２が下限充電電圧未満であれば（Ｓ３５のＹｅｓ）、これ以上蓄電部３３を放電することができないので、後述するＳ４３にジャンプする。

ここでＳ３３に戻って、第１入出力端子２９の電圧Ｖ１が設定電圧より大きければ（Ｓ３３のＹｅｓ）、発電機２１が制動エネルギーを電気エネルギーに変換している状態であるので、蓄電部３３にできるだけ電力を充電することで、電力の効率的な活用を図る。そのために、制御部５１はＳ３１で読み込んだ蓄電部３３の電圧Ｖ２と満充電電圧（３０．８Ｖ）を比較する（Ｓ３９）。もし、電圧Ｖ２が満充電電圧以下であれば（Ｓ３９のＮｏ）、発電機２１の発電電力を充電することができる。そこで、制御部５１は第１入出力端子２９の電圧Ｖ１を第１電圧検出回路４１の出力により監視することで、電圧Ｖ１が設定電圧になるようにしながら蓄電部３３を充電するように第１スイッチ素子４７と第２スイッチ素子４９のオンオフ制御を行う（Ｓ４１）。その後、図３のサブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

一方、蓄電部３３の電圧Ｖ２が満充電電圧より大きければ（Ｓ３９のＹｅｓ）、これ以上蓄電部３３に充電することができないので、蓄電部３３の充放電を行わないようにするため、第１スイッチ素子４７と第２スイッチ素子４９のオンオフ制御を停止することで双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２７の動作を止める。その結果、蓄電部３３の充放電動作が停止する（Ｓ４３）。これにより、Ｓ３５のＹｅｓの場合は蓄電部３３の過放電を防止し、Ｓ３９のＹｅｓの場合は蓄電部３３の過充電を防止している。その後、図３のサブルーチンを終了し、メインルーチンに戻る。

このような動作を行うことにより、蓄電部３３の電圧Ｖ２は下限充電電圧と実質的に等しくなるように制御されるので、蓄電部３３が満充電電圧に至るまでの電圧差が大きくなり、蓄電部３３に回生による電気エネルギーをできるだけ多く蓄えることができる。また、この蓄えた電力を非回生時に下限充電電圧に至るまで負荷２５や主電源１５に供給するので、電力を有効に活用できるとともに、蓄電部３３の電圧Ｖ２は再び下限充電電圧と実質的に等しくなるので、次回の回生時に蓄える電気エネルギーをできるだけ多くすることができる。これらの動作を繰り返すことで、実施の形態１の動作に比べてさらに高効率の電源装置１１を実現できる。

以上の構成、動作により、車両装着容易性と第１入出力端子２９の電圧Ｖ１の自己完結動作による安定化に加え、さらなる高効率が得られる電源装置を実現することができた。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における電源装置のブロック回路図である。図５は、本発明の実施の形態３における電源装置の動作を示すフローチャートである。

図４に示す本実施の形態３の電源装置１１の構成において、図１と同じ構成要素には同じ番号を付して詳細な説明を省略する。すなわち、本実施の形態３における電源装置１１の構成上の特徴は、制御部５１に車両挙動センサ６１を接続した点である。本実施の形態３では車両挙動センサ６１として加速度センサを用いた。また、前記加速度センサは電源装置１１を車両に設置した時に、車両の進行方向の加速度を検出するように電源装置１１の内部に配した。なお、制御部５１に車両挙動センサ６１を接続した以外の構成は実施の形態１と同じである。

このように、車両挙動センサ６１を電源装置１１に内蔵することにより、従来のように車両減速信号やフューエルカット信号等を受信する信号線配線を用いることなく、車両の加減速や定速走行等の状態を検出することができる。

次に、本実施の形態３における電源装置１１の動作において特徴となる車両挙動センサ６１に関連する部分を中心に図５を用いて説明する。なお、それ以外の動作は実施の形態１と同じであるので、同一部分には図２と同じステップ番号を付して詳細な説明を省略する。また、図５のフローチャートも図２と同様にサブルーチンの形態で示した。

メインルーチンから図５のサブルーチンが実行され、Ｓ１１で第１入出力端子２９の電圧Ｖ１と蓄電部３３の電圧Ｖ２（＝第２入出力端子３１の電圧）を読み込んだ後、制御部５１は車両挙動センサ６１の出力、すなわち加速度に比例した電圧出力Ｇを読み込む（Ｓ５１）。次に、出力Ｇから車両が減速挙動を行っているか否かを判断する（Ｓ５３）。なお、減速挙動は出力Ｇが減速加速度であることから判断できる。具体的には、車両が加速している時の加速度センサの出力Ｇを正とすれば、減速時の加速度センサの出力Ｇが負となるので、減速挙動を検出できる。但し、定速走行時や停車時は速度が一定、または０であるので、いずれも加速度センサの出力Ｇは０になる。

また、Ｓ５３において、加速度センサの出力Ｇが負となれば車両が減速挙動を行っていると判断しているが、これは出力Ｇが負で、その絶対値が減速時の既定加速度以上の場合にのみ減速挙動を行っていると判断してもよい。これにより、出力Ｇが負でも、その絶対値が減速時の既定加速度より小さい時（＝ゆっくりした減速時）は、運転者がブレーキ操作を行わず慣性で走行していると想定されるので、回生動作を行わずに慣性走行距離を伸ばすことができる。また、出力Ｇが負で、その絶対値が減速時の既定加速度以上の時（＝急減速時など）は、運転者が積極的にブレーキ操作を行っていると想定されるので、回生動作を行い、熱として捨てていた制動エネルギーを活用することができる。なお、この場合の既定加速度は、ブレーキ操作を行ったときの減速加速度の大きさからあらかじめ求めておけばよい。

ここでＳ５３に戻って、もし出力Ｇより車両が減速挙動を行っていないと判断されれば（Ｓ５３のＮｏ）、制動動作を行っていないことになるので、制動エネルギーは発生していない。従って、発電機２１による回生動作が行えないので、実施の形態１と同様に電圧Ｖ２の大きさに応じた蓄電部３３の充放電制御（Ｓ１３以降）を行う。

一方、出力Ｇより車両が減速挙動を行っていると判断されれば（Ｓ５３のＹｅｓ）、制動エネルギーを電気エネルギーとして積極的に蓄電部３３に充電する状態であるが、蓄電部３３が満充電状態であれば、それ以上充電できない。そこで、Ｓ１１で読み込んだ蓄電部３３の電圧Ｖ２と満充電電圧（３０．８Ｖ）を比較する（Ｓ５５）。もし、蓄電部３３の電圧Ｖ２が満充電電圧以下であれば（Ｓ５５のＹｅｓ）、第１入出力端子２９の電圧Ｖ１が設定電圧になるようにしながら蓄電部３３を充電する動作（Ｓ１５以降）を行う。

一方、電圧Ｖ２が満充電電圧より大きければ（Ｓ５５のＮｏ）、蓄電部３３に充電を行いたいにもかかわらず蓄電部３３にこれ以上充電できない状態であるので、Ｓ１７のＹｅｓと同様にＳ２３にジャンプし、第１入出力端子２９の電圧Ｖ１の状態に応じて蓄電部３３を放電するか、充放電を停止する動作を行う。

この動作をまとめると、車両挙動センサ６１が車両の減速挙動を検出すれば、制御部５１は蓄電部３３の電圧Ｖ２が満充電電圧以下の場合にのみ、第１入出力端子２９の電圧Ｖ１が設定電圧になるようにしながら蓄電部３３を充電することになる。これにより、車両の減速挙動に対応して制動エネルギーを回生できるので、さらに回生効率が向上するという効果が得られる。

なお、上記した動作以外は実施の形態１と同じである。

以上の構成、動作により、主電源１５の正極と負極に並列に接続するだけで容易に車両装着ができる上に、より高効率な回生動作や補助的な電力供給を行いながら第１入出力端子２９の電圧Ｖ１の安定化を自己完結的に行うことが可能な電源装置を実現することができた。

なお、本実施の形態３では車両挙動センサ６１として加速度センサを用いたが、これは角速度センサや傾斜角センサでもよい。

まず、角速度センサを用いた場合は、電源装置１１の内部で車両の旋回角速度を検出するように配する。これにより、車両が曲がる挙動を検出することができる。動作としては、角速度センサの出力絶対値が既定角速度以上になった場合に、車両の減速挙動を検出するようにしている。すなわち、車両が交差点や急カーブ等を曲がる時は速度を落とさなければ曲がり切れないので、この性質を利用し、車両が交差点や急カーブ等を曲がる時の角速度範囲をあらかじめ求めて既定角速度範囲とし、現在の角速度センサの出力絶対値が既定角速度範囲であれば減速を伴う旋回動作を行っていると判断する。これにより減速挙動を検出すると、図５のＳ５５以降の動作を行う。従って、車両の旋回による減速挙動に対応して制動エネルギーを回生でき、回生効率を向上することが可能となる。但し、角速度センサでは直進時の減速を検出することができないが、この場合は実施の形態１で述べたように、発電機２１の発電量増大による一時的な電圧上昇を検出し、制動エネルギーの回生動作を行う。なお、角速度センサの出力に対して絶対値を求めているのは、車両の右旋回時と左旋回時で出力の符号が逆になるためである。また、角速度センサの出力絶対値が既定角速度範囲内でなければ、車両が旋回動作を行っているものの、減速がそれほど必要のない緩やかなカーブを走行しているか、あるいは車両が通常動作以外の状態（スピン等）にあると考えられるので、この場合は運転への影響を低減するために積極的な回生動作を行わないようにできる。

次に、傾斜角センサを用いた場合は、電源装置１１の内部で車両の進行方向に対する傾斜角を検出するように配する。これにより、車両が制動動作を行った時の前傾姿勢（車両前部が後部に対して低くなる）を検出することができる。動作としては、傾斜角センサの出力が車両の前傾時に既定傾斜角度以上になった場合に、車両の前記減速挙動を検出するようにしている。既定傾斜角度はブレーキ操作により車両が前傾姿勢となった時にどれだけ傾くかをあらかじめ求めることで決定しておく。従って、車両の前傾時に傾斜角センサの出力が既定傾斜角度以上になれば、車両が減速挙動を行っていると判断し、図５のＳ５５以降の動作を行う。これにより、車両の減速挙動に対応して制動エネルギーを回生でき、回生効率を向上することが可能となる。なお、傾斜角センサの出力が既定傾斜角度に至っていなければ、車両が前傾姿勢になっていたとしても、それほどの減速を行っていないか、あるいは下り坂を走行していると考えられるので、この場合は運転への影響を低減するために積極的な回生動作を行わないようにできる。

また、車両挙動センサとして、上記した加速度センサ、角速度センサ、および傾斜角センサの内の複数種類を同時に搭載してもよい。この場合はさらに高精度に車両挙動を検出することができる。

また、実施の形態１〜３において、制御部５１に接続された車両振動センサを内蔵する構成としてもよい。車両振動センサはエンジンや車両走行時の振動を検出するもので、例えば車両の上下方向の加速度を検出する加速度センサを用いればよい。これにより、車両非使用時は車両振動が発生しないので、車両振動センサの出力は出力誤差範囲内で０（以下、ほぼ０、という）となる。この状態が既定期間（例えば１０分）に渡って続くと車両非使用状態であると判断し、制御部５１の特にマイクロコンピュータが省電力状態になるようにしている。その結果、電源装置１１の車両非使用時における消費電力を低減することが可能になる。なお、車両振動センサの出力がほぼ０であってもすぐに車両非使用状態と判断せずに、既定期間に渡り連続してほぼ０である場合に車両非使用状態と判断する理由は次の通りである。もし、車両がアイドリングストップ車であれば、アイドリングストップ中にはエンジンが止まりほとんど振動しなくなる。従って、車両非使用状態とアイドリングストップ中とを車両からの信号によらずに判断するために、既定期間に渡り車両振動センサの出力がほぼ０であれば車両非使用状態と判断している。なお、既定時間を１０分としたのは、通常アイドリングストップを行う時間が交差点の信号待ち程度であるので、長くても１０分以内にはエンジンが再始動すると想定されるためである。従って、既定期間（１０分）以上もエンジンが再始動しなければ、車両非使用状態と判断している。なお、車両がアイドリングストップ車でない場合は、車両振動センサの出力がほぼ０であればすぐに車両非使用状態と判断してもよい。

一方、車両使用時はエンジンや車両走行時の振動が発生するので、それを車両振動センサが検出する。車両振動センサの出力はほぼ０の値を超えるので、これにより車両使用中であると判断できる。その結果、制御部５１のマイクロコンピュータが通常動作状態となる。なお、マイクロコンピュータが省電力状態になると、通常動作状態に戻すためにはマイクロコンピュータの起動信号を入力する必要がある。そこで、車両振動センサの出力がほぼ０の値を超えた場合は起動信号を生成する回路を制御部５１の周辺回路として組み込んでおけばよい。この場合、車両振動センサや起動信号生成回路等には、車両非使用時でもレギュレータ３７から電力が常時供給されているので、車両振動によりマイクロコンピュータを通常動作状態に戻すことができる。このような構成とすることにより、車両からの信号によらずに車両使用時、非使用時を判断できるので、主電源１５の正極と負極に電源装置１１を並列接続するだけで、車両非使用時の省電力も可能な電源装置１１を実現できる。

なお、実施の形態３で述べた車両挙動センサ６１を２軸加速度センサとし、一方の軸を車両進行方向に、他方の軸を車両上下方向になるように配すれば、車両挙動センサ６１に車両振動センサを内蔵することができる。この場合、２軸加速度センサを１個搭載するだけでよいので、別々に搭載するよりも小型低コスト化が図れる。

また、実施の形態１〜３において、蓄電部３３は電気二重層キャパシタ３５で構成したが、これは電気化学キャパシタ等の高容量キャパシタでもよい。さらに、蓄電部３３は複数（８個）の電気二重層キャパシタ３５を直列に接続した構成としたが、これは発電機２１や負荷２５等の電力仕様に応じて直並列接続としてもよい。

本発明にかかる電源装置は、主電源の正極と負極間に並列に接続するだけで、主電源電圧の安定化を図りつつ制動エネルギーの回生や負荷等への補助的な電力供給が自己完結的に行えるので、特に主電源の電圧を効率よく安定化する補助電源としての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動作を示すフローチャート本発明の実施の形態２における電源装置の動作を示すフローチャート本発明の実施の形態３における電源装置の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動作を示すフローチャート従来の電源装置のブロック回路図

符号の説明

１１電源装置
１５主電源
２７双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
２９第１入出力端子
３１第２入出力端子
３３蓄電部
３５電気二重層キャパシタ
５１制御部
６１車両挙動センサ

Claims

主電源に対し並列に接続される電源装置であって、
前記電源装置は、前記主電源の正極に接続される正電極と、
前記主電源の負極に接続される負電極と、
前記正電極に第１入出力端子が接続される双方向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る蓄電部と、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに内蔵された制御部と、
前記制御部に接続される車両挙動センサと、を内蔵した構成からなり、
前記電源装置は、前記主電源の前記正極に前記正電極が、前記負極に前記負電極が、それぞれ接続されるだけで車両に装着され、
前記車両挙動センサが車両の減速挙動を検出すれば、前記制御部は前記蓄電部の電圧（Ｖ２）が満充電電圧以下の場合にのみ、前記第１入出力端子の電圧（Ｖ１）が前記設定電圧になるようにしながら前記蓄電部を充電するように制御し、
前記車両挙動センサが前記車両の減速挙動を検出していなければ、前記制御部は前記蓄電部の電圧（Ｖ２）が下限充電電圧以上、前記満充電電圧以下になるように、かつ前記第１入出力端子の電圧（Ｖ１）が設定電圧になるようにしながら前記蓄電部の充放電を制御するようにした電源装置。
主電源に対し並列に接続される電源装置であって、
前記電源装置は、前記主電源の正極に接続される正電極と、
前記主電源の負極に接続される負電極と、
前記正電極に第１入出力端子が接続される双方向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る蓄電部と、
前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータに内蔵された制御部と、
前記制御部に接続される車両挙動センサと、を内蔵した構成からなり、
前記電源装置は、前記主電源の前記正極に前記正電極が、前記負極に前記負電極が、それぞれ接続され、車両との信号線配線が不要な構成を有し、
前記車両挙動センサが車両の減速挙動を検出すれば、前記制御部は前記蓄電部の電圧（Ｖ２）が満充電電圧以下の場合にのみ、前記第１入出力端子の電圧（Ｖ１）が前記設定電圧になるようにしながら前記蓄電部を充電するように制御し、
前記車両挙動センサが前記車両の減速挙動を検出していなければ、前記制御部は前記蓄電部の電圧（Ｖ２）が下限充電電圧以上、前記満充電電圧以下になるように、かつ前記第１入出力端子の電圧（Ｖ１）が設定電圧になるようにしながら前記蓄電部の充放電を制御するようにした電源装置。
前記制御部は、前記蓄電部の電圧（Ｖ２）が前記下限充電電圧と実質的に等しくなるように制御するようにした請求項１、または２に記載の電源装置。
前記車両挙動センサは、前記車両の進行方向の加速度を検出するように配された加速度センサであり、
前記加速度センサの出力が減速時の既定加速度以上になった場合に、前記車両の前記減速挙動が検出されるようにした請求項１、または２に記載の電源装置。
前記車両挙動センサは、前記車両の旋回角速度を検出するように配された角速度センサであり、
前記角速度センサの出力絶対値が既定角速度範囲にある場合に、前記車両の前記減速挙動が検出されるようにした請求項１、または２に記載の電源装置。
前記車両挙動センサは、前記車両の進行方向に対する傾斜角を検出するように配された傾斜角センサであり、
前記車両の前傾時に前記傾斜角センサの出力が既定傾斜角度以上になった場合に、前記車両の前記減速挙動が検出されるようにした請求項１、または２に記載の電源装置。
前記蓄電部はキャパシタで構成された請求項１、または２に記載の電源装置。
前記制御部は、その駆動電力が前記第１入出力端子から供給されるようにした請求項１、または２に記載の電源装置。
前記制御部に車両振動センサを接続した構成を有し、
前記車両振動センサの出力が出力誤差範囲内で０の場合は、前記制御部が省電力状態となり、
前記車両振動センサの出力が前記出力誤差範囲内で０を超えた場合は、前記制御部が通常動作状態となるようにした請求項１、または２に記載の電源装置。