JP2015209058A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷に電力を安定に供給し、回生電力を有効に活用する。【解決手段】電源装置１０１は、負荷４、５と発電機１３が並列に接続されたバッテリ１２が接続される第１接続端子Ｃ１と、発電機１３で発生した回生電力を蓄電するキャパシタ１１が接続される第２接続端子Ｃ２と、被保護負荷６が接続される第３接続端子Ｃ３と、ＤＣ−ＤＣコンバータ９と、ＤＣ−ＤＣコンバータ９の動作を制御する制御部１０と、一端が第１接続端子Ｃ１に接続され、他端がＤＣ−ＤＣコンバータ９に設けられた第１入出力端子Ｔ１に接続された第１電力経路Ｌ１と、一端が第２接続端子Ｃ２に接続され、他端がＤＣ−ＤＣコンバータ９に設けられた第２入出力端子Ｔ２に接続された第２電力経路Ｌ２と、一端が第３接続端子Ｃ３に接続され、他端が第２電力経路Ｌ２に接続された第３電力経路Ｌ３とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、発電機で発生した回生電力により蓄電部を充電し、蓄電部や直流電源の電力を負荷に供給する電源装置に関するものである。

地球の環境保護や燃料消費率（燃費）の向上のため、アイドリングストップ機能と減速回生機能とを有する車両が開発されている。この種の車両には、減速時に発電機で発生した回生電力を蓄電部に蓄電したり、蓄電部の電力やバッテリ（直流電源）の電力を負荷に供給したりする電源装置が設けられている。

たとえば、特許文献１の電源装置や、特許文献２の図７に示されている電源装置では、供給電圧が下がらないように保護する必要がある負荷（狭電圧範囲補機）とバッテリとの間の電力経路に、スイッチが設けられている。また、その負荷とスイッチとの間の電力経路には、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して蓄電部が接続されている。バッテリとスイッチとの間の電力経路には、発電機やスタータモータやその他の負荷（補機、広電圧範囲補機）が接続されている。

たとえば、車両の減速により、発電機で回生電力が発生するときは、スイッチがオンされて、ＤＣ−ＤＣコンバータが回生電力により蓄電部を充電する。また、車両がアイドリングストップ以外の状態で、発電機で回生電力が発生しないときは、スイッチがオンされて、ＤＣ−ＤＣコンバータが蓄電部を放電する。この際、特許文献１では、ＤＣ−ＤＣコンバータが動作でき、かつバッテリの電圧が瞬時低下する既定期間に亘り蓄電部が負荷を駆動し続けることができる電圧まで、蓄電部を放電する。

また、車両のアイドリングストップ後にエンジンを再始動する際は、スタータモータを起動することで、スタータモータに大電流が流れて、バッテリの電圧が瞬時低下する。そこで、その際、スイッチがオフされて、負荷と蓄電部とがバッテリとスタータモータとから電気的に切り離され、蓄電部の電力が、ＤＣ−ＤＣコンバータを経由して負荷に供給される。これにより、負荷が蓄電部の電力で安定に駆動し続ける。

特開２０１１−１５５７９１号公報 特許第４８３５６９０号公報

本発明の課題は、負荷に電力を安定に供給し、回生電力を有効に活用することができる電源装置を提供することである。

本発明による電源装置は、第１負荷と発電機とが並列に接続された直流電源が接続される第１接続端子と、発電機で発生した回生電力を蓄電する蓄電部が接続される第２接続端子と、第２負荷が接続される第３接続端子と、ＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を制御する制御部と、一端が第１接続端子に接続され、他端がＤＣ−ＤＣコンバータに設けられた第１入出力端子に接続された第１電力経路と、一端が第２接続端子に接続され、他端がＤＣ−ＤＣコンバータに設けられた第２入出力端子に接続された第２電力経路と、一端が第３接続端子に接続され、他端が第２電力経路に接続された第３電力経路とを備える。

上記によると、ＤＣ−ＤＣコンバータと蓄電部との間にある第２電力経路に、第３電力経路を介して第２負荷が接続されている。このため、直流電源の電力を第１負荷に供給するとともに、直流電源の電力を第１電力経路とＤＣ−ＤＣコンバータと第３電力経路とを通して第２負荷に供給することができる。また、発電機で発生した回生電力を、第１電力経路とＤＣ−ＤＣコンバータと第２電力経路とを通して蓄電部に供給して、蓄電部を充電することができる。また、蓄電部の電力を、第２電力経路と第３電力経路とを通して第２負荷に供給することができる。よって、第１負荷および第２負荷に電力を安定に供給し、回生電力を有効に活用することができる。

また、本発明では、上記電源装置において、一端が第１電力経路に接続され、他端が第３電力経路に接続された第４電力経路と、第４電力経路上に設けられ、第１電力経路側から第３電力経路側へ電流を流す整流器とをさらに備えてもよい。

また、本発明では、上記電源装置において、第４電力経路上に設けられた第１スイッチング素子と、第２電力経路上の第３電力経路との接続点と第２接続端子との間に設けられた第２スイッチング素子と、第３電力経路上の第４電力経路との接続点と第２電力経路との接続点との間に設けられた第３スイッチング素子とをさらに備え、制御部が各スイッチング素子のオン・オフ動作を制御するようにしてもよい。

また、本発明では、上記電源装置において、第１スイッチング素子は、電界効果トランジスタから構成され、整流器は、第１スイッチング素子に並列接続されたダイオードから構成されていてもよい。この場合、第１スイッチング素子に並列接続されたダイオードのアノードは、第１電力経路に接続され、カソードは、第３電力経路に接続される。

また、本発明では、上記電源装置において、第２スイッチング素子は、ダイオードが並列接続された電界効果トランジスタから構成されていてもよい。この場合、第２スイッチング素子に並列接続されたダイオードのアノードは、第２接続端子に接続され、カソードは、第３電力経路およびＤＣ−ＤＣコンバータの第２入出力端子に接続される。

また、本発明では、上記電源装置において、第３スイッチング素子は、それぞれダイオードが並列接続された２個１対の電界効果トランジスタが直列接続されて構成されていてもよい。この場合、１対の電界効果トランジスタのうち、一方の電界効果トランジスタに並列接続されたダイオードの向きと、他方の電界効果トランジスタに並列接続されたダイオードの向きとは逆である。

また、本発明では、上記電源装置において、第１負荷には、起動時に大電流が流れる大電流負荷が含まれ、第２負荷は、供給電圧が下がらないように保護する必要がある被保護負荷から成り、蓄電部の電圧を検出する電圧検出部をさらに備えてもよい。この場合、制御部は、大電流負荷が起動する際に、電圧検出部で検出した蓄電部の電圧が被保護負荷を駆動するのに必要な所定値以上であれば、第２スイッチング素子と第３スイッチング素子だけをオンして、蓄電部の電力を被保護負荷に供給する。一方、電圧検出部で検出した蓄電部の電圧が所定値未満であれば、第３スイッチング素子だけをオンし、ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動を制御して、直流電源の電力を被保護負荷に供給する。

さらに、本発明では、上記電源装置において、発電機で回生電力が発生するときに、制御部は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子だけをオンして、回生電力を第２負荷に供給し、かつＤＣ−ＤＣコンバータの駆動を制御して、回生電力で蓄電部を充電してもよい。また、第１負荷に含まれる大電流負荷の起動時以外でかつ発電機で発電していないときに、制御部は、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子だけをオンして、直流電源の電力を第２負荷に供給し、かつＤＣ−ＤＣコンバータの駆動を制御して、蓄電部を放電してもよい。

本発明によれば、負荷に電力を安定に供給し、回生電力を有効に活用できる電源装置を提供することが可能となる。

本発明の第１実施形態による電源装置の回路構成を示した図である。 回生電力発生時の図１の回路の動作を示した図である。 非発電時でかつスタータモータ非起動時の、図１の回路の動作を示した図である。 アイドリングストップ後のスタータモータ起動時の、図１の回路の動作を示した図である。 本発明の第２実施形態による電源装置の回路構成を示した図である。 スタンバイ時の図５の回路の動作を示した図である。 スタータモータ初回起動時の図５の回路の動作を示した図である。 初回走行時の図５の回路の動作を示した図である。 回生電力発生時の図５の回路の動作を示した図である。 非発電時でかつスタータモータ非起動時の、図５の回路の動作を示した図である。 アイドリングストップ後のスタータモータ起動時でかつ蓄電部の電圧が所定値以上の場合の、図５の回路の動作を示した図である。 アイドリングストップ後のスタータモータ起動時でかつ蓄電部の電圧が所定値未満の場合の、図５の回路の動作を示した図である。 本発明の第３実施形態による電源装置の回路構成を示した図である。 本発明の第４実施形態による電源装置の回路構成を示した図である。 本発明の第５実施形態による電源装置の回路構成を示した図である。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照しながら説明する。各図において、同一の部分または対応する部分には、同一符号を付してある。

まず、第１実施形態の電源装置１０１とその周辺部の回路構成を、図１を参照しながら説明する。なお、図１において、実線は電力系配線を示し、破線は制御系配線または通信系配線を示している（以降の各図においても同様）。

図１に示す回生システム２００は、アイドリングストップ機能と減速回生機能とを有した車両に搭載されている。回生システム２００には、電源装置１０１、キャパシタ１１、バッテリ１２、発電機１３、大電流負荷４、負荷５、被保護負荷６、上位ＥＣＵ（電子制御装置）７、およびＩＧ−ＳＷ（イグニションスイッチ）８が含まれている。

キャパシタ１１は、電気二重層キャパシタから成り、本発明の「蓄電部」の一例である。これ以外に、たとえばリチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタ、またはニッケル水素充電池などから蓄電部を構成してもよい。

バッテリ１２は、従来型の鉛バッテリから成り、本発明の「直流電源」の一例である。これ以外のバッテリや電池などから直流電源を構成してもよい。

発電機１３は、図示しない車両のエンジンによって駆動され、電力を発生する。たとえば、車両の通常走行時に、バッテリ１２の電圧が低下した場合は、エンジンの駆動力により、発電機１３を駆動して発電を行う。また、車両の減速時や車両の制動操作時にも、車両は走行を続け、エンジンに燃料が供給されていなくても、エンジンは回転している。そこで、この回転力を利用して発電機１３を駆動し、発電を行う。この減速時等に発電機１３が発生した電力を、回生電力と呼ぶ。キャパシタ１１は、発電機１３で発生した電力を蓄電する。

また、車両の減速時には、エンジンへの燃料供給が停止されている。すなわち、燃料を消費することなく発電が行われるため、車両の燃料消費率が向上する。なお、通常走行時に、バッテリ１２の電圧が十分である場合には、発電機１３による発電は行わない。

大電流負荷４は、起動時に大電流が流れる電動機などから成る。この大電流負荷４には、エンジンを始動するためのスタータモータ４ａが含まれる。他の例として、図示しないパワーステアリング用のモータや電動ブレーキなども、大電流負荷４に含まれる。

負荷５は、車両のアイドリングストップ中に使用しなくてもよい電装品などから成る。負荷５には、たとえば、電熱式シートヒータなどが含まれている。大電流負荷４と負荷５は、本発明の「第１負荷」を構成する。

被保護負荷６は、車両のアイドリングストップ中も電力を供給する必要があり、かつアイドリングストップ後のエンジンの再始動時（スタータモータ４ａの起動時）などに、供給電圧が下がらないように保護する必要がある電装品などから成る。被保護負荷６には、たとえば、ナビゲーション、オーディオ、エアコン、メータ、トランスミッション、および安全装置などが含まれている。被保護負荷６は、本発明の「第２負荷」を構成する。

上位ＥＣＵ７は、たとえばＣＡＮ（Controller Area Network）により、電源装置１０１と接続されている。上位ＥＣＵ７は、車両の状態を示す情報や動作指示などを電源装置１０１に対して送信する。

ＩＧ−ＳＷ８の一端は、バッテリ１２の正極と接続されている。ＩＧ−ＳＷ８の他端は、電源装置１０１に接続されている。バッテリ１２の負極は、接地されている。大電流負荷４、発電機１３、負荷５、および上位ＥＣＵ７は、バッテリ１２に並列に接続されている。

電源装置１０１は、電力経路Ｌ１〜Ｌ３、接続端子Ｃ１〜Ｃ３、ＤＣ−ＤＣコンバータ９、および制御部１０を備えている。

第１接続端子Ｃ１には、バッテリ１２の正極が接続されている。第２接続端子Ｃ２には、キャパシタ１１が接続されている。第３接続端子Ｃ３には、被保護負荷６が接続されている。なお、図１の電源装置１０１を示す一点鎖線の枠上にあるその他の白丸も接続端子を示している（符号省略、以降の各図も同様）。

ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、２つの入出力端子Ｔ１、Ｔ２を備え、４象限の双方向昇降圧機能を有している。制御部１０は、ＣＰＵとメモリから成り、ＤＣ−ＤＣコンバータ９の動作を制御する。また、制御部１０は、上位ＥＣＵ７と相互に通信する。特に、制御部１０は、上位ＥＣＵ７から車両の状態を示す情報や動作指示を受信する。なお、図１では、電源装置１０１内の制御系配線や通信系配線の図示を省略している（以降の各図においても同様）。

第１電力経路Ｌ１の一端は、第１接続端子Ｃ１に接続され、第１電力経路Ｌ１の他端は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９の第１入出力端子Ｔ１に接続されている。第２電力経路Ｌ２の一端は、第２接続端子Ｃ２に接続され、第２電力経路Ｌ２の他端は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９の第２入出力端子Ｔ２に接続されている。第３電力経路Ｌ３の一端は、第３接続端子Ｃ３に接続され、第３電力経路Ｌ３の他端は、第２電力経路Ｌ２に接続されている。

次に、電源装置１０１とその周辺部の電力の流れを、図２〜図４を参照しながら説明する。

ＩＧ−ＳＷ８がオン状態で、車両が走行中の場合において、運転手がアクセルペダルを解放したり、ブレーキペダルを踏み込んだりして、車両が減速すると、発電機１３が回生電力を発生する。この回生電力は、図２に矢印で示すように、発電機１３から、負荷５、上位ＥＣＵ７、バッテリ１２、および電源装置１０１へ供給される。このとき、バッテリ１２の電圧が低下している場合は、回生電力でバッテリ１２が充電される。

また、電源装置１０１では、回生電力が第１接続端子Ｃ１と第１電力経路Ｌ１を通って、ＤＣ−ＤＣコンバータ９に導かれる。制御部１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９で回生電力の電圧をキャパシタ１１に対応する電圧に変換（昇圧または降圧）して、第２電力経路Ｌ２に電力を出力する。この電力は、第２電力経路Ｌ２から第２接続端子Ｃ２を通って、キャパシタ１１に蓄えられる。つまり、回生電力でキャパシタ１１が充電される。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ９から第２電力経路Ｌ２に出力された電力は、第３電力経路Ｌ３と第３接続端子Ｃ３を通して、被保護負荷６にも供給される。

車両がアイドリングストップ以外の状態で、発電機１３が発電しない場合は、スタータモータ４ａの起動も行われない。これは、たとえば、バッテリ１２およびキャパシタ１１の電圧が十分高い場合である。このときは、図３に矢印で示すように、バッテリ１２の電力が負荷５、上位ＥＣＵ７、および電源装置１０１へ供給される。そして、電源装置１０１では、バッテリ１２からの電力が、第１接続端子Ｃ１、第１電力経路Ｌ１、ＤＣ−ＤＣコンバータ９、第３電力経路Ｌ３、および第３接続端子Ｃ３を通って、被保護負荷６に供給される。さらに、キャパシタ１１の電力が、第２接続端子Ｃ２、第２電力経路Ｌ２、第３電力経路Ｌ３、および第３接続端子Ｃ３を通って、被保護負荷６に供給される。つまり、キャパシタ１１が放電される。

車両が極低速走行状態または停止状態になって、所定のアイドリングストップ移行条件が成立すると、アイドリングストップが開始される。このときのアイドリングストップ移行条件としては、たとえば、エンジンの再始動時に被保護負荷６へ供給可能な電力がキャパシタ１１に残っていることである。アイドリングストップ移行条件の成立判定やアイドリングストップの制御は、上位ＥＣＵ７で行われる。

その後、アイドリングストップが終了して、エンジンの再始動のため、スタータモータ４ａが起動される際に、電源装置１０１の制御部１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ９を停止（オフ）する。これにより、図４に示すように、バッテリ１２の電力がＤＣ−ＤＣコンバータ９を通って、被保護負荷６に供給されなくなる。然るに、キャパシタ１１の電力は、第２接続端子Ｃ２、第２電力経路Ｌ２、第３電力経路Ｌ３、および第３接続端子Ｃ３を通って、被保護負荷６に供給される。

また、スタータモータ４ａは、バッテリ１２の電力により起動する。このスタータモータ４ａの起動時（初回起動時を除く）に、バッテリ１２からスタータモータ４ａに大電流が流れても、ＤＣ−ＤＣコンバータ９が停止され、被保護負荷６にはキャパシタ１１から電力が供給されている。このため、被保護負荷６への供給電圧は低下せず、被保護負荷６は安定に駆動し続ける。

上記第１実施形態によると、電源装置１０１のＤＣ−ＤＣコンバータ９とキャパシタ１１との間にある第２電力経路Ｌ２に、第３電力経路Ｌ３を介して被保護負荷６が接続されている。このため、バッテリ１２の電力を直接負荷５や大電流負荷４に供給するとともに、バッテリ１２の電力を第１電力経路Ｌ１とＤＣ−ＤＣコンバータ９と第３電力経路Ｌ３とを通して被保護負荷６に供給することができる。また、発電機１３で発生した回生電力を、第１電力経路Ｌ１とＤＣ−ＤＣコンバータ９と第２電力経路Ｌ２とを通してキャパシタ１１に供給して、キャパシタ１１を充電することができる。また、スタータモータ４ａの起動時に、キャパシタ１１の電力を、第２電力経路Ｌ２と第３電力経路Ｌ３とを通して被保護負荷６に供給することができる。よって、負荷４、５、６に電力を安定に供給し、回生電力を有効に活用することができる。

次に、第２実施形態の電源装置１０２の回路構成を、図５を参照しながら説明する。

電源装置１０２は、前述した構成要素Ｌ１〜Ｌ３、Ｃ１〜Ｃ３、９、１０に加えて、第４電力経路Ｌ４、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）１、ＦＥＴ２、ＦＥＴ３ａ、ＦＥＴ３ｂ、および電圧検出部１４を備えている。

第４電力経路Ｌ４の一端は、第１電力経路Ｌ１に接続され、第４電力経路Ｌ４の他端は、第３電力経路Ｌ３に接続されている。

ＦＥＴ１、ＦＥＴ２、ＦＥＴ３ａ、ＦＥＴ３ｂは、Ｎチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）から構成されている。

ＦＥＴ１は、第４電力経路Ｌ４上に設けられている。ＦＥＴ１のドレインは、第３電力経路Ｌ３および被保護負荷６に接続され、ＦＥＴ１のソースは、第１電力経路Ｌ１に接続されている。ＦＥＴ１に並列に接続されたダイオードＤ１は、ＦＥＴ１の寄生ダイオードである。ダイオードＤ１のアノードは、第１電力経路Ｌ１に接続され、ダイオードＤ１のカソードは、第３電力経路Ｌ３および被保護負荷６に接続されている。このため、ダイオードＤ１は、第１電力経路Ｌ１側から第３電力経路Ｌ３側へ電流を流す。ＦＥＴ１は、本発明の「第１スイッチング素子」の一例である。ダイオードＤ１は、本発明の「整流器」の一例である。

ＦＥＴ２は、第２電力経路Ｌ２上の第３電力経路Ｌ３との接続点Ｐｘと第２接続端子Ｃ２との間に設けられている。ＦＥＴ２のドレインは、第３電力経路Ｌ３およびＤＣ−ＤＣコンバータ９の第２入出力端子Ｔ２に接続され、ＦＥＴ２のソースは、第２接続端子Ｃ２に接続されている。ＦＥＴ２に並列に接続されたダイオードＤ２は、ＦＥＴ２の寄生ダイオードである。ダイオードＤ２のアノードは、第２接続端子Ｃ２に接続され、ダイオードＤ２のカソードは、第３電力経路Ｌ３およびＤＣ−ＤＣコンバータ９の第２入出力端子Ｔ２に接続されている。ＦＥＴ２は、本発明の「第２スイッチング素子」の一例である。

ＦＥＴ３ａ、ＦＥＴ３ｂは、第３電力経路Ｌ３上の第４電力経路Ｌ４との接続点Ｐｙと第２電力経路Ｌ２との接続点Ｐｘとの間に直列に接続されている。ＦＥＴ３ａのドレインは、第２電力経路Ｌ２に接続されている。ＦＥＴ３ａのソースは、ＦＥＴ３ｂのソースと接続されている。ＦＥＴ３ｂのドレインは、第４電力経路Ｌ４および被保護負荷６に接続されている。

ＦＥＴ３ａに並列に接続されたダイオードＤ３ａは、ＦＥＴ３ａの寄生ダイオードである。ＦＥＴ３ｂに並列に接続されたダイオードＤ３ｂは、ＦＥＴ３ｂの寄生ダイオードである。ダイオードＤ３ａのカソードは、第２電力経路Ｌ２に接続されている。ダイオードＤ３ａのアノードは、ダイオードＤ３ｂのアノードと接続されている。ダイオードＤ３ｂのカソードは、第４電力経路Ｌ４および被保護負荷６に接続されている。つまり、ダイオードＤ３ａの向きとダイオードＤ３ｂの向きとは、逆になっている。ＦＥＴ３ａ、３ｂは、本発明の「第３スイッチング素子」の一例である。

各ＦＥＴ１、２、３ａ、３ｂのゲートは、それぞれ制御部１０に接続されている（図示省略、以降の各図においても同様）。制御部１０は、各ＦＥＴ１、２、３ａ、３ｂのゲートに駆動信号を入力して、各ＦＥＴ１、２、３ａ、３ｂのオン・オフ動作を制御する。

電圧検出部１４は、キャパシタ１１の電圧を検出する。制御部１０は、電圧検出部１４の検出電圧に基づいて、キャパシタ１１の充電量を算出する。

次に、電源装置１０２とその周辺部の電力の流れを、図６〜図１２を参照しながら説明する。

ＩＧ−ＳＷ８がオフ状態にあるときは、車両が停止状態にあり、回生システム２００がスタンバイ状態にある。このとき、上位ＥＣＵ７や負荷５、６には、これらが動作できるように、電流を流す必要があるため、図６に矢印で示すように、バッテリ１２の電力が負荷５、上位ＥＣＵ７、および電源装置１０２に供給される。

このスタインバイ時に、電源装置１０２では、ＤＣ−ＤＣコンバータ９が停止（オフ）状態にあり、ＦＥＴ１、２、３ａ、３ｂがオフ状態にある。このため、バッテリ１２から電源装置１０２の第１接続端子Ｃ１に供給された電力は、第１電力経路Ｌ１、第４電力経路Ｌ４、ＦＥＴ１のダイオードＤ１、第３電力経路Ｌ３、および第３接続端子Ｃ３を通って、被保護負荷６に供給される。

そして、運転手の操作によりＩＧ−ＳＷ８がオンされると、エンジンを初回始動するため、スタータモータ４ａが初回起動される。このとき、図７に矢印で示すように、スタータモータ４ａはバッテリ１２の電力により起動する。また、電源装置１０２では、制御部１０が、ＤＣ−ＤＣコンバータ９を停止したまま、ＦＥＴ１だけをオンする。これにより、バッテリ１２の電力が、第１接続端子Ｃ１から第１電力経路Ｌ１、第４電力経路Ｌ４、ＦＥＴ１、第３電力経路Ｌ３、および第３接続端子Ｃ３を通って、被保護負荷６に供給される。

エンジンが始動した後、運転手の操作により車両が初回走行すると、発電機１３で発電が行われる。発電機１３で発電された電力は、図８に矢印で示すように、負荷５、上位ＥＣＵ７、および電源装置１０２に供給される。

この初回走行時に電源装置１０２では、ＤＣ−ＤＣコンバータ９が停止状態で、ＦＥＴ１だけがオン状態にある。このため、発電機１３からの電力は、第１接続端子Ｃ１から第１電力経路Ｌ１、第４電力経路Ｌ４、ＦＥＴ１、第３電力経路Ｌ３、および第３接続端子Ｃ３を通って、被保護負荷６に供給される。

走行中の車両が減速すると、発電機１３が回生電力を発生する。発電機１３での回生電力は、図９に矢印で示すように、負荷５、上位ＥＣＵ７、バッテリ１２、および電源装置１０２へ供給される。このとき、バッテリ１２の電圧が低下している場合は、回生電力でバッテリ１２が充電される。

回生電力が発生する際、電源装置１０２では、制御部１０が、ＦＥＴ１とＦＥＴ２だけをオンする。これにより、回生電力が第１接続端子Ｃ１から、第１電力経路Ｌ１、第４電力経路Ｌ４、ＦＥＴ１、第３電力経路Ｌ３、および第３接続端子Ｃ３を通って、被保護負荷６に供給される。また、制御部１０は、第１接続端子Ｃ１から第１電力経路Ｌ１を通って入力される回生電力の電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ９でキャパシタ１１に対応する電圧に変換して、第２電力経路Ｌ２へ電力を出力する。この電力は、第２電力経路Ｌ２からＦＥＴ２と第２接続端子Ｃ２を通って、キャパシタ１１に蓄えられる。つまり、回生電力でキャパシタ１１が充電される。

発電機１３の非発電時でかつスタータモータ４ａの非起動時は、図１０に矢印で示すように、バッテリ１２の電力が負荷５、上位ＥＣＵ７、および電源装置１０２へ供給される。このとき、電源装置１０２では、制御部１０が、ＦＥＴ１をオンする。これにより、バッテリ１２からの電力が、第１接続端子Ｃ１、第１電力経路Ｌ１、第４電力経路Ｌ４、ＦＥＴ１、および第３電力経路Ｌ３を通って、被保護負荷６に供給される。

また、制御部１０は、図１０に示すように、ＦＥＴ３ａ、３ｂをオフし、ＦＥＴ２をオンする。そして、制御部１０は、キャパシタ１１から第２接続端子Ｃ２と第２電力経路Ｌ２とＦＥＴ２を通って入力される電圧を、ＤＣ−ＤＣコンバータ９で被保護負荷６に対応する電圧に変換して、第１電力経路Ｌ１に電力を出力する。この電力は、第１電力経路Ｌ１から第４電力経路Ｌ４、ＦＥＴ１、第３電力経路Ｌ３、および第３接続端子Ｃ３を通って、被保護負荷６に供給される。つまり、キャパシタ１１が放電される。

車両が極低速走行状態または停止状態になって、所定のアイドリングストップ移行条件が成立すると、アイドリングストップが開始される。このときのアイドリングストップ移行条件としては、たとえば、エンジンの再始動時に被保護負荷６へ供給可能な電力がキャパシタ１１またはバッテリ１２に残っていることである。

その後、アイドリングストップが終了して、エンジンの再始動のため、スタータモータ４ａが起動される際に、制御部１０は、電圧検出部１４によりキャパシタ１１の電圧を検出する。このとき、電圧検出部１４で検出したキャパシタ１１の電圧が、被保護負荷６の駆動に必要な所定値以上であれば、制御部１０は、図１１に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ９の駆動を停止し、ＦＥＴ１をオフし、ＦＥＴ２とＦＥＴ３ａ、３ｂをオンする。これにより、図１１に矢印で示すように、キャパシタ１１からの電力が、第２接続端子Ｃ２、第２電力経路Ｌ２、ＦＥＴ２、第３電力経路Ｌ３、ＦＥＴ３ａ、３ｂ、および第３接続端子Ｃ３を通って、被保護負荷６に供給される。また、バッテリ１２と被保護負荷６とが、ＦＥＴ１やＤＣ−ＤＣコンバータ９がオフ状態であることから、電気的に切り離される。

このため、スタータモータ４ａの起動時（初回起動時を除く）に、バッテリ１２からスタータモータ４ａに大電流が流れても、キャパシタ１１から被保護負荷６への供給電圧は低下せず、被保護負荷６は安定に駆動し続ける。

一方、スタータモータ４ａが起動される際に、電圧検出部１４で検出したキャパシタ１１の電圧が所定値未満であれば、制御部１０は、図１２に示すように、ＦＥＴ１、２をオフする。これにより、被保護負荷６やバッテリ１２などに対してキャパシタ１１が、ＦＥＴ２で電気的に切り離され、また、第４電力経路Ｌ４がＦＥＴ１で電気的に切断される。

また、制御部１０は、図１２に示すように、ＦＥＴ３ａ、３ｂをオンして、バッテリ１２から第１接続端子Ｃ１と第１電力経路Ｌ１を通って入力される電圧を、ＤＣ−ＤＣコンバータ９で被保護負荷６に対応する電圧に変換して、第２電力経路Ｌ２へ電力を出力する。この電力は、第２電力経路Ｌ２から第３電力経路Ｌ３、ＦＥＴ３ａ、３ｂ、第３電力経路Ｌ３、および第３接続端子Ｃ３を通って、被保護負荷６に供給される。つまり、バッテリ１２からの電力が、ＤＣ−ＤＣコンバータ９を経由して、被保護負荷６に供給される。

このため、スタータモータ４ａの起動時に、バッテリ１２からスタータモータ４ａに大電流が流れても、被保護負荷６にはＤＣ−ＤＣコンバータ９から対応した電力が供給されているので、被保護負荷６は駆動を継続する。

車両のアイドリングストップ中も、キャパシタ１１の電圧と所定値との比較結果に基づいて、図１１や図１２に示すようにキャパシタ１１またはバッテリ１２の電力を被保護負荷６に供給してもよい。

上記第２実施形態によると、バッテリ１２の電力を直接負荷５や大電流負荷４に供給するとともに、バッテリ１２の電力を電力経路Ｌ１〜Ｌ４やＦＥＴ１、２、３ａ、３ｂやＤＣ−ＤＣコンバータ９を通して被保護負荷６に供給することができる。また、発電機１３で発生した回生電力を、電力経路Ｌ１、Ｌ２やＤＣ−ＤＣコンバータ９やＦＥＴ２を通してキャパシタ１１に蓄えることができる。また、キャパシタ１１の電力を、電力経路Ｌ１〜Ｌ４やＦＥＴ１、２、３ａ、３ｂやＤＣ−ＤＣコンバータ９を通して被保護負荷６に供給することができる。よって、負荷４、５、６に電力を安定に供給し、回生電力を有効に活用することができる。

また、上記第２実施形態では、第１電力経路Ｌ１と第３電力経路Ｌ３とをバイパスするように第４電力経路Ｌ４を設け、第４電力経路Ｌ４にダイオードＤ１が並列接続されたＦＥＴ１を設けている。このため、ＦＥＴ１をオンすることで、バッテリ１２の電力や発電機１３での回生電力をＤＣ−ＤＣコンバータ９を経由せずに、被保護負荷６に供給することができる（図７、図９）。また、ダイオードＤ１のアノードが第１電力経路Ｌ１に接続され、カソードが第３電力経路Ｌ３に接続されているので、スタンバイ時に、ＤＣ−ＤＣコンバータ９が停止状態でかつＦＥＴ１がオフ状態であっても、バッテリ１２の電力をＦＥＴ１のダイオードＤ１を通して、被保護負荷６に供給することができる（図６）。また、ＦＥＴ２とＦＥＴ１をオンすることで、キャパシタ１１の電力をＤＣ−ＤＣコンバータ９を経由して、被保護負荷６に供給することができる（図１０）。さらに、たとえばスタータモータ４ａの起動時に、ＦＥＴ１をオフすることで、第３電力経路Ｌ３から被保護負荷６に供給される電力が、第４電力経路Ｌ４からバッテリ１２側へ引き込まれるのを阻止することができる（図１１）。

また、上記第２実施形態では、ダイオードＤ２が並列接続されたＦＥＴ２を第２電力経路Ｌ２に設けている。このため、ＦＥＴ２をオンして、ＤＣ−ＤＣコンバータ９を駆動することにより、キャパシタ１１を放電したり、キャパシタ１１を回生電力で充電したりすることができる（図９、図１０）。また、ダイオードＤ２のカソードが第３電力経路Ｌ３に接続されているので、ＦＥＴ２をオフすることで、負荷４〜６やバッテリ１２に対してキャパシタ１１を電気的に切り離して、意図せずキャパシタ１１が充放電されるのを阻止することができる。特に、図１２に示したように、スタータモータ４ａの起動時にキャパシタ１１の電圧が低い場合でも、ＦＥＴ２をオフすることで、バッテリ１２からの電力でキャパシタ１１が充電されるのを阻止して、バッテリ１２からの電力を被保護負荷６に確実に供給することができる。さらに、バッテリ１２または発電機１３からの突入電流が、ＤＣ−ＤＣコンバータ９を経由してキャパシタ１１に流れるのを、ＦＥＴ２とダイオードＤ２により阻止することができる。

また、上記第２実施形態では、寄生ダイオードＤ３ａ、Ｄ３ｂの向きが逆になるように、第３電力経路Ｌ３にＦＥＴ３ａ、３ｂを直列接続している。このため、ＦＥＴ２とＦＥＴ３ａ、３ｂをオンすることで、キャパシタ１１の電力をＤＣ−ＤＣコンバータ９を経由させずに、被保護負荷６に供給することができる（図１１）。また、ＦＥＴ３ａ、３ｂだけオンして、バッテリ１２の電力をＤＣ−ＤＣコンバータ９を経由させて、被保護負荷６に供給することができる（図１２）。また、ＦＥＴ３ａ、３ｂをオフすることで、バッテリ１２または発電機１３からの突入電流が、ＦＥＴ１のダイオードＤ１を経由してキャパシタ１１に流れるのを、ＦＥＴ３ａ、３ｂとダイオードＤ３ｂにより阻止することができる。

また、発電機１３での回生電力の発生時に、ＦＥＴ２をオンして、ＦＥＴ３ａ、３ｂをオフすることで、バッテリ１２の電圧よりキャパシタ１１の電圧が低くても、回生電力がＤＣ−ＤＣコンバータ９から被保護負荷６に供給されず、キャパシタ１１にだけ回生電力を供給することができる。逆に、バッテリ１２の電圧よりキャパシタ１１の電圧が高くても、キャパシタ１１の電力が第３電力経路Ｌ３を通して放電されるのを阻止することができる。この結果、バッテリ１２とキャパシタ１１の電圧の大小に依存せずに、回生電力でキャパシタ１１を充電することができ、該充電効率を上げることが可能となる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ９で回生電力を昇圧するために、ＤＣ−ＤＣコンバータ９に大電流を流さなくてもよくなり、定格電流の高いＤＣ−ＤＣコンバータ９を用いる必要がなくなる。

また、上記第２実施形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ９と並列にＦＥＴ１、３ａ、３ｂを設け、ＤＣ−ＤＣコンバータ９のキャパシタ１１側にＦＥＴ２を設けている。このため、大型のスイッチング素子を用いずに、小型のＦＥＴ１、２、３ａ、３ｂを用いて、電源装置１０２の小型化を実現することができる。

また、上記第２実施形態では、アイドリングストップ後のスタータモータ４ａの起動時に、キャパシタ１１の電圧が所定値以上であれば、ＦＥＴ２とＦＥＴ３ａ、３ｂだけをオンして、キャパシタ１１の電力を被保護負荷６に供給する（図１１）。一方、キャパシタ１１の電圧が所定値未満であれば、ＦＥＴ３ａ、３ｂだけをオンし、ＤＣ−ＤＣコンバータ９の駆動を制御して、バッテリ１２の電力を被保護負荷６に供給する（図１２）。このため、スタータモータ４ａの起動時に備えて、キャパシタ１１に電力（電荷）を残しておく必要がなく、キャパシタ１１の電力を使い切って、キャパシタ１１の利用効率を上げることができる。また、キャパシタ１１の電力を使い切っても、スタータモータ４ａの起動時に、バッテリ１２の電力をＤＣ−ＤＣコンバータ９を経由させて被保護負荷６に供給するので、被保護負荷６を駆動することができる。この結果、キャパシタ１１に電力が残っていない場合でも、アイドリングストップの実行が可能となり、燃料消費率を向上させることができる。

また、上記第２実施形態では、発電機１３での回生電力の発生時に、回生電力が負荷５に供給されるとともに、ＦＥＴ１がオンされて、回生電力が被保護負荷６に供給されるので、回生電力で各負荷５、６を駆動することができる（図９）。また、ＦＥＴ２がオンされて、回生電力がＤＣ−ＤＣコンバータ９を経由してキャパシタ１１に供給されるので、回生電力でキャパシタ１１を充電することができる（図９）。

さらに、上記第２実施形態では、スタータモータ４ａの起動時以外の非発電時に、ＦＥＴ１、２がオンされて、キャパシタ１１を放電するように、ＤＣ−ＤＣコンバータ９の駆動を制御する（図１０）。このため、バッテリ１２の電力やキャパシタ１１の電力を各負荷５、６に供給して、各負荷５、６を安定に駆動させつつ、キャパシタ１１の利用効率を上げることができる。

本発明は、上述した以外にも種々の実施形態を採用することができる。たとえば、第２実施形態では、図５などに示したように、第３電力経路Ｌ３上に２つのＦＥＴ３ａ、３ｂを設けた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。ＦＥＴ３ａ、３ｂのうちいずれか１つを、図１３や図１４に示すように第３電力経路Ｌ３上に設けてもよい。

図１３に示す第３実施形態の電力装置１０３では、第３電力経路Ｌ３上の第４電力経路Ｌ４との接続点Ｐｙと第２電力経路Ｌ２との接続点Ｐｘとの間に、ＦＥＴ３ａだけを設けている。ＦＥＴ３ａのドレインは、第２電力経路Ｌ２に接続され、ＦＥＴ３ａのソースは、第４電力経路Ｌ４および被保護負荷６に接続されている。ＦＥＴ３ａの寄生ダイオードＤ３ａのアノードは、第４電力経路Ｌ４および被保護負荷６に接続され、カソードは、第２電力経路Ｌ２に接続されている。

この第３実施形態によると、ＦＥＴ２とＦＥＴ３ａをオンすることで、キャパシタ１１やバッテリ１２の電力を、被保護負荷６に供給することができる。また、発電機１３での回生電力の発生時に、ＦＥＴ１、２をオンして、ＦＥＴ３ａをオフすることで、ＦＥＴ１を通して回生電力を被保護負荷６に供給しつつ、回生電力をＤＣ−ＤＣコンバータ９からキャパシタ１１に供給して、キャパシタ１１を充電することができる。その際、ＤＣ−ＤＣコンバータ９で昇降圧された回生電力が、被保護負荷６に供給されず、キャパシタ１１にだけ供給されて、キャパシタ１１の充電効率を上げることができる。然も、ＤＣ−ＤＣコンバータ９で回生電力を昇圧するために、ＤＣ−ＤＣコンバータ９に大電流を流さなくてもよくなり、定格電流の高いＤＣ−ＤＣコンバータ９を用いる必要がなくなる。

図１４に示す第４実施形態の電力装置１０４では、第３電力経路Ｌ３上の第４電力経路Ｌ４との接続点Ｐｙと第２電力経路Ｌ２との接続点Ｐｘとの間に、ＦＥＴ３ｂだけを設けている。ＦＥＴ３ｂのソースは、第２電力経路Ｌ２に接続され、ＦＥＴ３ｂのドレインは、第４電力経路Ｌ４および被保護負荷６に接続されている。ＦＥＴ３ｂの寄生ダイオードＤ３ｂのアノードは、第２電力経路Ｌ２に接続され、カソードは、第４電力経路Ｌ４および被保護負荷６に接続されている。

この第４実施形態によると、ＦＥＴ２とＦＥＴ３ｂをオンすることで、キャパシタ１１やバッテリ１２の電力を、被保護負荷６に供給することができる。また、発電機１３での回生電力の発生時に、ＦＥＴ１、２をオンして、ＦＥＴ３ｂをオフすることで、回生電力をＤＣ−ＤＣコンバータ９からキャパシタ１１に供給して、キャパシタ１１を充電しつつ、回生電力をＦＥＴ１へ通して被保護負荷６に供給することができる。さらに、ＦＥＴ３ｂをオフすることで、バッテリ１２または発電機１３からの突入電流が、ＦＥＴ１のダイオードＤ１を経由してキャパシタ１１に流れるのを、ＦＥＴ３ｂとダイオードＤ３ｂにより阻止することができる。

以上の第２〜第４実施形態では、第１〜第３スイッチング素子としてＮチャンネル型のＭＯＳＦＥＴ１、２、３ａ、３ｂを用いた例を示したが、本発明はこれのみに限定するものではない。これ以外に、たとえば、Ｐチャンネル型のＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。また、ＭＯＳＦＥＴの代わりに、接合形ＦＥＴを用いてもよい。さらに、トランジスタまたはリレーなどのような、他のスイッチング素子を各電力経路Ｌ２〜Ｌ４にそれぞれ設けてもよい。

また、図１５に示す第５実施形態の電源装置１０５のように、電力経路Ｌ２〜Ｌ４上のスイッチング素子を省略してもよい。電源装置１０５では、第４電力経路Ｌ４上にダイオードＤ４を設けている。ダイオードＤ４のアノードは、第１電力経路Ｌ１に接続され、カソードは、第３電力経路Ｌ３に接続されている。ダイオードＤ４は、第１電力経路Ｌ１側から第３電力経路Ｌ３側へ電流を流す。ダイオードＤ４は、本発明の「整流器」の一例である。

この第５実施形態によると、バッテリ１２の電力や発電機１３での回生電力を電力経路Ｌ１、Ｌ４、Ｌ３とダイオードＤ４を通して被保護負荷６に供給することができる。特に、スタンバイ時に、ＤＣ−ＤＣコンバータ９が停止状態にあっても、バッテリ１２の電力を電力経路Ｌ１、Ｌ４、Ｌ３とダイオードＤ４を通して、被保護負荷６に供給することができる。また、キャパシタ１１の電力をＤＣ−ＤＣコンバータ９を経由させた後、電力経路Ｌ１、Ｌ４、Ｌ３とダイオードＤ４を通して、被保護負荷６に供給することができる。さらに、たとえばスタータモータ４ａの起動時に、第３電力経路Ｌ３から被保護負荷６に供給される電力が、第４電力経路Ｌ４からバッテリ１２側へ引き込まれるのを阻止することができる。

また、以上の実施形態では、アイドリングストップ機能と減速回生機能とを有した車両用の電源装置１０１〜１０５に、本発明を適用した例を挙げたが、これに限るものではない。これ以外の、たとえば減速回生機能は有しているがアイドリングストップ機能は有していない車両用の電源装置や、その他の用途の電源装置に対しても、本発明を適用することは可能である。

１ ＦＥＴ（第１スイッチング素子）
２ ＦＥＴ（第２スイッチング素子）
３ａ ＦＥＴ（第３スイッチング素子）
３ｂ ＦＥＴ（第３スイッチング素子）
４ 大電流負荷（第１負荷）
４ａ スタータモータ
５ 負荷（第１負荷）
６ 被保護負荷（第２負荷）
９ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０ 制御部
１１ キャパシタ（蓄電部）
１２ バッテリ（直流電源）
１３ 発電機
１４ 電圧検出部
１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 電源装置
Ｃ１ 第１接続端子
Ｃ２ 第２接続端子
Ｃ３ 第３接続端子
Ｄ１、Ｄ４ ダイオード（整流器）
Ｄ２、Ｄ３ａ、Ｄ３ｂ ダイオード
Ｌ１ 第１電力経路
Ｌ２ 第２電力経路
Ｌ３ 第３電力経路
Ｌ４ 第４電力経路
Ｐｘ 第２電力経路上の第３電力経路との接続点
Ｐｙ 第３電力経路上の第４電力経路との接続点
Ｔ１ 第１入出力端子
Ｔ２ 第２入出力端子

Claims (8)

1. 第１負荷と発電機とが並列に接続された直流電源が接続される第１接続端子と、
   前記発電機で発生した回生電力を蓄電する蓄電部が接続される第２接続端子と、
   第２負荷が接続される第３接続端子と、
   ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作を制御する制御部と、
   一端が前記第１接続端子に接続され、他端が前記ＤＣ−ＤＣコンバータに設けられた第１入出力端子に接続された第１電力経路と、
   一端が前記第２接続端子に接続され、他端が前記ＤＣ−ＤＣコンバータに設けられた第２入出力端子に接続された第２電力経路と、
   一端が前記第３接続端子に接続され、他端が前記第２電力経路に接続された第３電力経路と、を備えたことを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置において、
   一端が前記第１電力経路に接続され、他端が前記第３電力経路に接続された第４電力経路と、
   前記第４電力経路上に設けられ、前記第１電力経路側から前記第３電力経路側へ電流を流す整流器と、をさらに備えた、ことを特徴とする電源装置。
3. 請求項２に記載の電源装置において、
   前記第４電力経路上に設けられた第１スイッチング素子と、
   前記第２電力経路上の前記第３電力経路との接続点と前記第２接続端子との間に設けられた第２スイッチング素子と、
   前記第３電力経路上の前記第４電力経路との接続点と前記第２電力経路との接続点との間に設けられた第３スイッチング素子と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記各スイッチング素子のオン・オフ動作を制御する、ことを特徴とする電源装置。
4. 請求項３に記載の電源装置において、
   前記第１スイッチング素子は、電界効果トランジスタから成り、
   前記整流器は、前記第１スイッチング素子に並列接続されたダイオードから成り、
   前記第１スイッチング素子に並列接続された前記ダイオードのアノードは、前記第１電力経路に接続され、カソードは、前記第３電力経路に接続されている、ことを特徴とする電源装置。
5. 請求項３または請求項４に記載の電源装置において、
   前記第２スイッチング素子は、ダイオードが並列接続された電界効果トランジスタから成り、
   前記第２スイッチング素子に並列接続された前記ダイオードのアノードは、前記第２接続端子に接続され、カソードは、前記第３電力経路および前記ＤＣ−ＤＣコンバータの前記第２入出力端子に接続されている、ことを特徴とする電源装置。
6. 請求項３ないし請求項５のいずれかに記載の電源装置において、
   前記第３スイッチング素子は、それぞれダイオードが並列接続された２個１対の電界効果トランジスタが直列接続されて構成され、
   前記１対の電界効果トランジスタのうち、一方の電界効果トランジスタに並列接続された前記ダイオードの向きと、他方の電界効果トランジスタに並列接続された前記ダイオードの向きとが逆である、ことを特徴とする電源装置。
7. 請求項３ないし請求項６のいずれかに記載の電源装置において、
   前記第１負荷には、起動時に大電流が流れる大電流負荷が含まれ、
   前記第２負荷は、供給電圧が下がらないように保護する必要がある被保護負荷から成り、
   前記蓄電部の電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
   前記制御部は、前記大電流負荷が起動する際に、
   前記電圧検出部で検出した前記蓄電部の電圧が前記被保護負荷を駆動するのに必要な所定値以上であれば、前記第２スイッチング素子と前記第３スイッチング素子だけをオンして、前記蓄電部から前記被保護負荷に電流を供給し、
   前記電圧検出部で検出した前記蓄電部の電圧が前記所定値未満であれば、前記第３スイッチング素子だけをオンし、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動を制御して、前記直流電源の電力を前記被保護負荷に供給する、ことを特徴とする電源装置。
8. 請求項３ないし請求項７のいずれかに記載の電源装置において、
   前記発電機で回生電力が発生するときに、前記制御部は、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子だけをオンして、回生電力を前記第２負荷に供給し、かつ前記ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動を制御して、回生電力で前記蓄電部を充電し、
   前記第１負荷に含まれる大電流負荷が停止中でかつ前記発電機で発電していないときに、前記制御部は、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子だけをオンして、前記直流電源の電力を前記第２負荷に供給し、かつ前記ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動を制御して、前記蓄電部を放電する、ことを特徴とする電源装置。

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