JP5241761B2 - 車両用電源システム - Google Patents

Description

この発明は、車両用電源システムに関し、特にドライバーが車両の加速感を実感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は、バッテリとＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、ＤＣ／ＤＣコンバータが、バッテリの端子電圧を昇圧する昇圧回路と、バッテリの端子と昇圧回路の出力端子との間に接続されたキャパシタとを備えている。そして、バッテリの端子電圧が所定の範囲を超えて低下した場合でも動作可能な電気機器をＤＣ／ＤＣコンバータの入力側に接続し、電源電圧の低下を許容できない電圧変動に敏感な電気機器をＤＣ／ＤＣコンバータの出力側に接続している。また、バッテリは、発電機の発電電力を蓄電し、電力をターボチャージャの回転機に供給する（例えば、特許文献１参照）。

特許第３８８５７７１号公報

従来の車両用電源システムでは、バッテリの電力がターボチャージャの回転機に供給されるので、大電流、あるいは高電圧を回転機の界磁巻線に供給できない。そこで、ドライバーがアクセルを踏み込んで加速しようとした場合、加速要求タイミングからターボチャージャを駆動するまでに界磁巻線の時定数に起因する応答遅れが発生し、ドライバーが望むタイミングで加速できなかった。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、低速域において、電気二重層コンデンサと発電機とをターボチャージャの回転機に対する電力供給電源とし、かつ回転機の界磁巻線および発電機の界磁巻線への界磁電流の通電を維持し、加速指令からターボチャージャを駆動するまでの応答遅れを抑えて、ドライバーが加速感を実感できるとともに、電気二重層コンデンサの小型化を実現できる車両用電源システムを得ることを目的とする。

この発明による車両用電源システムは、エンジンの吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記エンジンの排気系統に配設されて排気ガスにより駆動されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、直流電力を交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、上記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、上記発電機で発電された交流電力を直流電力に整流して出力する整流器と、上記整流器の高圧側出力端子に高圧側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧を異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、上記第１ＤＣ／ＤＣコンバータに低圧側配線を介して接続され、車載負荷に電力を供給するバッテリと、上記整流器の高圧側出力端子に高圧側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧を異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータに接続される電気二重層コンデンサと、上記第１ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御して、上記発電機の発電電力を上記バッテリおよび上記電気二重層コンデンサに蓄電させるとともに、上記インバータを駆動制御して上記回転機を駆動させる制御回路と、を備えている。そして、上記インバータ、上記回転機の界磁巻線、および上記発電機の界磁巻線が、上記高圧側配線に接続され、上記制御回路は、減速してエンジン回転数が所定回転数まで低下すると、上記高圧側配線の電圧が上記バッテリの定格電圧より高い第１の電圧となるように上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御し、かつ上記発電機の界磁巻線、および上記回転機の界磁巻線に通電させ、該状態を再加速まで維持するように構成されている。

この発明によれば、制御回路が加速指令を受けた時点では、界磁電流が回転機の界磁巻線に通電されており、誘起起電力が発生されている。そこで、界磁巻線の時定数に起因する応答遅れはなく、交流電力がインバータを介して回転機に供給されると、回転機が速やかに駆動される。これにより、ドライバーのアクセル操作に合わせて車体が急加速され、ドライバーが加速感を実感できる。

高圧側配線がバッテリの定格電圧より高い第１の電圧に保持され、界磁電流が発電機の界磁巻線に通電されている。そして、エンジンの回転数が高くなり、発電機の発電可能回転数に達すると、発電機が瞬時に発電し、発電機の出力と電気二重層コンデンサの出力との合成出力がインバータに供給される。これにより、回転機に供給される大電流の一部が発電機の発電電力により賄われ、電気二重層コンデンサおよび第２ＤＣ／ＤＣコンバータの小型化が可能となる。

この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムの構成を示す概略構成図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムの回路構成図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムに用いられる発電機の出力特性を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムに用いられる第２ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムにおける低回域での第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の制御方法を説明する図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用電源システムの低速域での動作を説明する図である。 比較例の車両用電源システムの低速域での動作を説明する図である。 この発明の実施の形態２に係る車両用電源システムの回路構成図である。 この発明の実施の形態３に係る車両用電源システムの回路構成図である。

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の構成を示す概略構成図、図２はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムの回路構成図である。

図１および図２において、車両用電源システムは、内燃機関であるエンジン１の吸排気システムに接続されたターボチャージャ５と、エンジン１の回転トルクにより駆動されて交流電力を発生する発電機１７と、発電機１７で発生された交流電力を直流電力に整流して出力する整流器２２と、整流器２２の出力電圧を異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２４と、整流器２２の出力電圧を異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５と、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２４により変換された直流電力により充電され、車載負荷３０に電力を供給するバッテリ２６と、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５により変換された直流電力を蓄える電気二重層コンデンサ２７と、直流電力を交流電力に変換してターボチャージャ５に搭載された回転機９の電機子巻線１３に供給するインバータ２８と、エンジン１の回転数ｆ、電気二重層コンデンサ２７の端子電圧Ｖｃなどに基づいて第１および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２４，２５、インバータ２８などの駆動を制御する制御回路３１と、を備えている。

ターボチャージャ５は、エンジン１の排気系統１５に配設されたタービン６と、タービン６の回転軸７に固着され、エンジン１の吸気系統１６に配設されたコンプレッサ８と、回転軸７に同軸に取り付けられた回転機９と、を有する。
回転機９は、界磁制御式の回転機であり、回転軸７に同軸に固着された回転子１０と、回転子１０を囲繞するように配設された固定子鉄心１２、および固定子鉄心１２に巻装され、回転子１０にトルクを発生させる電機子巻線１３からなる固定子１１と、界磁起磁力を発生する界磁巻線１４と、を備えている。

発電機１７は、プーリ３ｂをエンジン１のクランクシャフト２に固着されたプーリ３ａにベルト４を介して連結され、ベルト４を介して伝達されたエンジン１の駆動力を交流電力に変換する。発電機１７は、界磁巻線１９を有するクローポール型回転子１８と、３相交流巻線２１を有する固定子２０と、を備えたランデル型交流発電機である。
整流器２２は、２つのダイオード２３を直列に接続してなるダイオード対を並列に３つ接続したダイオードブリッジ回路からなる三相全波整流回路に構成され、３相交流巻線２１に誘起される交流電力を直流電力に整流する。なお、整流器２２は、発電機１７と別体に構成されているが、発電機１７に内蔵されてもよい。

バッテリ２６は、鉛蓄電池、ニッケル・カドミウム蓄電池などの二次電池であり、例えば１４Ｖ（定格電圧）の低電圧系の車載電源を構成する。そして、バッテリ２６は、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の出力電圧端子と車載負荷３０とを接続する低圧側配線３５に接続されている。車載負荷３０は、車両に搭載される空調装置やオーディオ装置等の電気機器であり、バッテリ２６により駆動される。
電気二重層コンデンサ２７は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介して整流器２２の高圧側出力端子２２ａと第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２４の入力電圧端子とを接続する高圧側配線３４に接続されている。

インバータ２８は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ，ＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子２９を直列に接続してなる素子対を並列に３つ接続して構成され、高圧側配線３４に供給された直流電力を交流電力に変換する。
発電機１７の界磁巻線１９および回転機９の界磁巻線１４の一端が、高圧側配線３４に接続されている。

つぎに、ターボチャージャ５の動作について説明する。
吸気ガスＡが、吸気系統１６を介してエンジン１に供給され、エンジン１の内部で燃焼される。燃焼後の排気ガスＢが、排気系統１５を介して外部に排気され、タービン６が、排気系統１５を流通する排気ガスＢにより駆動される。これにより、タービン６の回転軸７に固着されたコンプレッサ８が回転駆動され、吸気ガスＡが大気圧以上に過給される。
低速域において、ドライバーがアクセル操作によって加速しようとした場合、エンジン１が所定の回転数以上となり、かつ排気ガスＢが十分な流体パワーを得るまでの間の１〜２秒程度は、十分な動力をタービン６に与えることができず、コンプレッサ８の反応が遅れ、いわゆるターボラグという現象を生じる。

そこで、インバータ２８により変換された交流電力が、回転機９に供給され、回転機９が駆動される。これにより、ターボラグが生じる低速で、排気ガスＢの流体パワーが十分に得られない場合でも、駆動力が回転軸７に印加され、コンプレッサ８を迅速に駆動でき、ターボラグの発生が抑制される。

ここで、回転機９は、界磁起磁力を発生する界磁巻線１４を有するので、界磁巻線１４の時定数に起因する応答遅れがある。そこで、ドライバーがアクセルを踏み込んで加速しようとした場合、加速要求タイミングから回転機９を駆動するまでに応答遅れが発生し、その分、コンプレッサ８の駆動が遅れ、ドライバーが望むタイミングで加速できない。
本発明は、この界磁巻線１４の時定数に起因する応答遅れを抑えて、低速域でのドライバーが望むタイミングでの加速を実現するものである。低速域とは、エンジン１の回転数が１０００ｒｐｍ付近の回転数域である。

つぎに、発電機１７の動作について説明する。
電流が回転子１８の界磁巻線１９に供給され、磁束が発生される。これにより、Ｎ極とＳ極とが、回転子１８の外周部に、周方向に交互に形成される。そして、エンジン１の回転トルクが回転子１８のシャフトに伝達され、回転子１８が回転駆動される。そこで、回転磁界が固定子２０の３相交流巻線２１に与えられ、起電力が３相交流巻線２１に発生する。この交流の起電力が、整流器２２により直流電力に整流され、出力される。

ここで、発電機１７の出力特性について説明する。図３はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムに用いられる発電機の出力特性を示す図であり、縦軸は発電電力（出力電力）、横軸はエンジン１の回転数ｆである。なお、バッテリ２６の定格電圧が１４Ｖであり、後述するように第１および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２４，２５の電圧交換比Ｎが１と１／２であるので、発電機１７の出力電圧は、１４Ｖと２８Ｖに設定される。

図３から分かるように、発電機１７は、出力電圧を１４Ｖに設定した場合には、回転数ｆがα以上の領域で発電でき、出力電圧を２８Ｖに設定した場合には、回転数ｆがアイドリング域より高いβ以上の領域で発電できる。そして、発電機１７は、回転数ｆがβ未満の領域では、出力電圧を１４Ｖに設定した場合に大きな発電電力を出力することができ、回転数ｆがβ以上の領域では、出力電圧を２８Ｖに設定した場合に大きな発電電力を出力することができる。

自動車においては、通常、エンジン１の回転数ｆは１０００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの範囲がよく使用される。そこで、エンジン１の回転数ｆが１０００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの範囲において、図３に示される出力特性が得られるように、エンジン１と発電機１７の回転子１８との間の動力伝達機構の動力伝達比を調整している。

つぎに、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の具体的な構成について図４を参照しつつ説明する。図４はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムに用いられる第２ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。なお、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２４も、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５と同様に構成されているので、ここでは、その説明を省略する。

第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、入力電圧端子ＶａＨ，ＶａＬと出力電圧端子ＶｂＨ，ＶｂＬとの間に、低圧側および高圧側のスイッチング素子としての２つのＭＯＳＦＥＴ５１〜５４を直列接続してなる２つの直列体と、各直列体に並列に接続された平滑コンデンサＣｓ１，Ｃｓ２と、からなる２段の回路Ａ１，Ａ２を備える。そして、回路Ａ１，Ａ２は直列に接続され、回路Ａ１が整流回路、回路Ａ２が駆動用インバータ回路となる。さらに、エネルギー移行用のコンデンサＣｒ１とインダクタＬｒ１とのＬＣ直列体ＬＣ１が、回路Ａ１の２つのＭＯＳＦＥＴ５１，５２の接続点と回路Ａ２の２つのＭＯＳＦＥＴ５３，５４の接続点との間に接続されている。

なお、ＭＯＳＦＥＴ５１〜５４は、ソース、ドレイン間に寄生ダイオードが形成されているパワーＭＯＳＦＥＴである。また、ＭＯＳＦＥＴ５１〜５４のゲート端子には、制御回路３１からゲート信号Ｇａｔｅ１Ｈ，Ｇａｔｅ１Ｌ，Ｇａｔｅ２Ｈ，Ｇａｔｅ２Ｌがそれぞれ出力される。

つぎに、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の動作について説明する。
ここで、ゲート信号Ｇａｔｅ１Ｈ，Ｇａｔｅ１Ｌ，Ｇａｔｅ２Ｈ，Ｇａｔｅ２Ｌはデューティ比が５０％のＯＮ／ＯＦＦ信号であり、ゲート信号Ｇａｔｅ１Ｈ，Ｇａｔｅ２Ｈが同一の信号であり、ゲート信号Ｇａｔｅ１Ｌ，Ｇａｔｅ２Ｌがゲート信号Ｇａｔｅ１Ｈ，Ｇａｔｅ２Ｈを反転した信号である。

まず、高圧側のＭＯＳＦＥＴ５２，５４が、ゲート信号Ｇａｔｅ１Ｈ，Ｇａｔｅ２ＨによりＯＮ状態となると、電位差があるため、平滑コンデンサＣｓ２に蓄えられたエネルギーの一部がコンデンサＣｒ１に移行する。
ついで、高圧側のＭＯＳＦＥＴ５２，５４が、ゲート信号Ｇａｔｅ１Ｈ，Ｇａｔｅ２ＨによりＯＦＦ状態となり、低圧側のＭＯＳＦＥＴ５１，５３が、ゲート信号Ｇａｔｅ１Ｌ，Ｇａｔｅ２ＬによりＯＮ状態となると、電位差があるため、コンデンサＣｒ１に蓄えられたエネルギーが平滑コンデンサＣｓ１に移行する。

このように、コンデンサＣｒ１の充放電により、平滑コンデンサＣｓ２に蓄えられているエネルギーが平滑コンデンサＣｓ１に移行される。そして、入力電圧端子ＶａＨ，ＶａＬ間に入力された電圧Ｖ１が、約１／２倍に降圧された電圧Ｖ２として、出力電圧端子ＶｂＨ，ＶｂＬ間に出力される。なお、入力された電圧Ｖ１の電力は、電圧Ｖ２に降圧した電力として移行されることから、電圧Ｖ１は電圧Ｖ２の２倍の電圧よりも大きな値となっている。

また、ゲート信号Ｇａｔｅ２Ｈ，Ｇａｔｅ２ＬをＯＮ信号とし，ゲート信号Ｇａｔｅ１Ｈ，Ｇａｔｅ１ＬをＯＦＦ信号とすれば、ＭＯＳＦＥＴ５３，５４がＯＮ状態となり、ＭＯＳＦＥＴ５１，５２がＯＦＦ状態となる。これにより、入力電圧端子ＶａＨと出力電圧端子ＶｂＨとが導通状態となり、入力電圧端子ＶａＨ，ＶａＬ間に入力された電圧Ｖ１が、約１倍に降圧された電圧Ｖ２として、出力電圧端子ＶｂＨ，ＶｂＬ間に出力される。

このように、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、入力電圧Ｖ１を１又は１／２の電圧交換比Ｎ（Ｖ２／Ｖ１）で変換して出力することができる。

また、コンデンサＣｒ１にはインダクタＬｒ１が直列に接続されてＬＣ直列体ＬＣ１を構成しているので、エネルギーの移行は共振現象を利用したものとなり、ＭＯＳＦＥＴ５１〜５４が状態変化する時の過渡的な損失がなく、大きなエネルギー量を効率よく移行することができる。このように、効率の点で優れているので、回路を冷却するための放熱器を小さくできる。また、ＭＯＳＦＥＴ５１〜５４のスイッチング時の過渡的な損失がないので、スイッチング周波数を高く設定することができる。ＬＣ直列体ＬＣ１の共振周波数を大きくでき、エネルギー移行用のインダクタＬｒ１のインダクタンス値とコンデンサＣｒ１の容量値とを小さく設定でき、回路素子の小型化が図られる。これらのことから、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５は全体を非常に小型にすることができる。

つぎに、低速域における第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の制御方法について図５を参照しつつ説明する。図５はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムにおける低回域での第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の制御方法を説明する図である。

まず、ステップ１００において、制御回路３１は、エンジン１の回転数ｆを監視し、回転数ｆが所定の回転数（ＴｈＲ）未満であるか否かを判断する。ここで、所定の回転数（ＴｈＲ）は、１０００ｒｐｍ付近の回転数であり、例えばアイドリング域の回転数に相当する。

ステップ１００において、回転数ｆが所定の回転数（ＴｈＲ）未満であると、ステップ１０１に移行し、電気二重層コンデンサ２７の端子電圧に基づいて、電気二重層コンデンサ２７の残量が十分であるか否かを判断する。
そして、ステップ１０１において、電気二重層コンデンサ２７の端子電圧が所定の電圧（ＴｈＣ）以下であると、ステップ１０２に移行し、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力電圧指令値を１４Ｖ（バッテリ２６の定格電圧）に設定する。そこで、制御回路３１が第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を駆動し、高圧側配線３４の電圧が１４Ｖとなる。

ステップ１０１において、電気二重層コンデンサ２７の端子電圧が所定の電圧（ＴｈＣ）より大きい場合、インバータ２８を介して回転機９に給電できる電力が残っていると判断し、ステップ１０３に移行する。ステップ１０３では、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力電圧指令値を２８Ｖに設定し、ステップ１０１に戻る。そこで、制御回路３１が第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を駆動し、高圧側配線３４の電圧が２８Ｖとなる。ここで、所定の電圧（ＴｈＣ）は、インバータ２８を介して回転機９に給電できることを判断できればよく、例えばバッテリ２６の定格電圧（１４Ｖ）に設定される。

つぎに、本車両用電源システムの低速域での動作について図６を参照しつつ説明する。図６はこの発明の実施の形態１に係る車両用電源システムの低速域での動作を説明する図である。

この実施の形態１では、制御回路３１が、エンジン１の回転数ｆを監視し、減速状態で低速域に至り、かつ電気二重層コンデンサ２７の残量が十分であると判断すると、加速状態まで、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力電圧指令値を２８Ｖに維持する。つまり、アイドリング域でも、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の電圧交換比Ｎを１／２とし、高圧側配線３４の電圧を２８Ｖに保持する。そして、制御回路３１は、スイッチング素子３２，３３をＯＮ状態に保持し、界磁電流が界磁巻線１４，１９に通電されている状態を維持する。

そして、図６の（ｂ）に示されるように、車体が減速し、アイドリング域に達しても、高圧側配線３４の電圧は２８Ｖに維持される。高圧側配線３４に接続されている界磁巻線１４，１９に流れる界磁電流は、図６の（ｃ）に示されるように、最大値に維持される。そこで、制御回路３１が、アイドリング状態中に加速指令を受けると、インバータ２８を駆動し、交流電力を電機子巻線１３に供給し、回転機９を駆動する。このとき、界磁巻線１４には最大値の界磁電流が流れているので、時定数に起因する応答遅れはない。回転機９は、図６の（ｄ）に示されるように、回転機９固有の応答遅れのみとなり、速やかに駆動される。これにより、ターボチャージャ５のコンプレッサ８は速やかに十分な回転数に達し、エンジン１の回転数ｆは、図６の（ａ）に示されるように、加速指令とほぼ同時に立ち上がる。そこで、ドライバーのアクセル操作に合わせて車体が急加速され、ドライバーが加速感を実感できる。

そして、ターボチャージャ５が動作し、エンジン１の回転数ｆが急峻に立ち上がり、発電機１７の発電可能回転数であるβに達すると、発電機１７が発電する。このとき、界磁巻線１９には最大値の界磁電流が流れているので、時定数に起因する応答遅れはなく、回転数ｆがβに達すると、発電機１７は瞬時に出力電圧２８Ｖで発電する。これにより、発電機１７の出力と電気二重層コンデンサ２７の第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介しての出力との合成出力がインバータ２８で交流電力に変換され、回転機９に供給される。

ここで、車体の減速状態で低速域に至る過程では、制御回路３１は、バッテリ２６および電気二重層コンデンサ２７の端子電圧を監視し、必要に応じて、エネルギーの回生を行う。つまり、バッテリ２６および電気二重層コンデンサ２７の端子電圧から容量低下を検出すると、発電機１７を駆動して発電する。そして、第１および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２４，２５を駆動して、発電機１７の発電電力をバッテリ２６および電気二重層コンデンサ２７に蓄電させる。

つぎに、エンジン１の回転数ｆがアイドリング域の時に、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力電圧指令値を１４Ｖに切り換える比較例の動作についてに図７を参照しつつ説明する。図７は比較例の車両用電源システムの低速域での動作を説明する図である。

この比較例では、車体が減速し、アイドリング域に達すると、高圧側配線３４の電圧は、図７の（ｂ）に示されるように、２８Ｖから１４Ｖ（バッテリ２６の定格電圧）に下がる。そして、高圧側配線３４に接続されている界磁巻線１４，１９に流れる界磁電流は、図７の（ｃ）に示されるように、回転数ｆが減少するとともに減少し、アイドリング域で、低い値に維持される。そこで、制御回路３１が、アイドリング状態中に加速指令を受けると、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を制御し、高圧側配線３４の電圧を２８Ｖに昇圧するとともに、インバータ２８を駆動し、交流電力を電機子巻線１３に供給し、回転機９を駆動する。このとき、界磁巻線１４に流れる界磁電流は、図７の（ｃ）に示されるように、時定数に起因する応答遅れを有する。回転機９は、図７の（ｄ）に示されるように、時定数により応答が遅れて駆動される。これにより、ターボチャージャ５のコンプレッサ８が十分な回転数に至るまでに時間を要し、エンジン１の回転数ｆは、図７の（ａ）に示されるように、加速指令から遅れて立ち上がる。

そして、ターボチャージャ５が動作し、エンジン１の回転数ｆが急峻に立ち上がり、発電機１７の発電可能回転数であるβに達すると、発電機１７が瞬時に出力電圧２８Ｖで発電する。

この比較例においては、加速指令時に、高圧側配線３４の電圧が１４Ｖに維持されている場合に比べ、界磁巻線１４に印加される電圧の絶対値が大きいので、時定数に起因する応答遅れを抑えることができる。

この実施の形態１では、制御回路３１は、界磁巻線１４，１９の端子間電圧を監視し、界磁巻線１４，１９の端子間電圧が閾値を超えると、スイッチング素子３２，３３をＯＦＦとし、界磁巻線１４，１９への界磁電流の通電を停止する。これにより、界磁巻線１４，１９の温度を所定の温度以下に保持することができ、界磁巻線１４，１９の焼損事故を未然に回避することができる。

つまり、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力電圧指令値が２８Ｖに設定されているので、最大値の界磁電流が界磁巻線１４，１９に流れる。そして、界磁電流の界磁巻線１４，１９への通電が続くと、界磁巻線１４，１９が発熱し、温度上昇する。そして、最悪の場合、界磁巻線１４，１９が焼ける事態に至る。界磁巻線１４，１９は温度上昇とともに、抵抗値が上昇する。また、界磁巻線１４，１９への通電は、定電流制御が行われるので、通電電流は一定値となる。このことから、界磁巻線１４，１９の端子間電圧から界磁巻線１４，１９の温度を推定できる。そこで、界磁巻線１４，１９の端子間電圧の閾値を設定し、界磁巻線１４，１９の端子間電圧が閾値を超えないように界磁巻線１４，１９への界磁電流の通電を制御することで、界磁巻線１４，１９の温度を所定の温度以下に保持することができる。

この実施の形態１によれば、発電機１７の界磁巻線１９の一端、およびターボチャージャ５の回転機９の界磁巻線１４の一端が高圧側配線３４に接続され、インバータ２８の入力端子が高圧側配線３４に接続されている。そして、車体が減速し、エンジン１の回転数ｆが低速域まで低下すると、制御回路３１が第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を駆動制御し、出力電圧を２８Ｖとする。さらに、制御回路３１は、スイッチング素子３２，３３をＯＮとし、界磁電流を界磁巻線１４，１９に通電する。

そこで、加速指令を受け、交流電力がインバータ２８を介して電機子巻線１３に供給された時点では、界磁巻線１４による誘導起電力は発生しており、界磁巻線１４の時定数に起因する応答遅れはない。また、電気二重層コンデンサ２７は大電流を応答性よく放電できるので、加速指令に対応して、大電流が電気二重層コンデンサ２７から高圧側配線３４を介してインバータ２８に供給される。それらの結果、加速指令に対して、回転機９が速やかに駆動され、ターボチャージャ５のコンプレッサ８が速やかに十分な回転数に至る。これにより、ドライバーのアクセル操作に合わせて車体が急加速され、ドライバーが加速感を実感できる。

また、ターボチャージャ５が動作し、エンジン１の回転数ｆが急峻に立ち上がり、発電機１７の発電可能回転数であるβに達すると、発電機１７が発電する。このとき、界磁巻線１９には最大値の界磁電流が流れているので、時定数に起因する応答遅れはなく、回転数ｆがβに達すると、発電機１７は瞬時に出力電圧２８Ｖで発電する。これにより、発電機１７の出力と電気二重層コンデンサ２７の第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を介しての出力との合成出力がインバータ２８で交流電力に変換され、回転機９の電機子巻線１３に供給される。電機子巻線１３に供給される大電流の一部が発電機１７の発電電力により賄われるので、電気二重層コンデンサ２７および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の給電負荷が軽減され、電気二重層コンデンサ２７および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の小型化が可能となる。

なお、上記実施の形態１では、バッテリの定格電圧が１４Ｖであり、電圧交換比Ｎが１又は１／２に構成された第１および第２ＤＣ／ＤＣコンバータを用いているので、低速域での高圧側配線は２８Ｖに保持され、発電機および回転機の界磁巻線に通電される界磁電流は最大値となる。しかし、電圧交換比Ｎを任意に制御できる第１および第２ＤＣ／ＤＣコンバータを用い、低速域での高圧側配線の電圧をバッテリの定格電圧より大きな第１の電圧に保持し、界磁電流の電流値を下げてもよい。この場合、第１の電圧は、第１の電圧を出力電圧とする発電機の発電開始回転数がアイドリング域より高くなるように設定すればよい。

また、上記実施の形態１では、電圧交換比Ｎが１又は１／２に構成された第１および第２ＤＣ／ＤＣコンバータを用いているが、第１および第２ＤＣ／ＤＣコンバータの電圧交換比Ｎはこれに限定されるものではなく、例えば電圧交換比Ｎを１、１／２、１／３とする第１および第２ＤＣ／ＤＣコンバータを用いてもよい。

実施の形態２．
図８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８において、インバータ２８の入力端子が電気二重層コンデンサ２７の高圧側端子、即ち電気二重層コンデンサ２７と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力電圧端子と間の配線に接続されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２では、加速指令に先立って、界磁電流が界磁巻線１４に通電されている。制御回路３１は、加速指令を受けると、インバータ２８を駆動し、電気二重層コンデンサ２７の出力電力が交流電力に変換されて電機子巻線１３に供給される。電気二重層コンデンサ２７は大電流を応答性よく放電できるので、加速指令に対応して、大電流がインバータ２８に供給され、回転機９が速やかに駆動される。
したがって、この実施の形態２においても、上記実施の形態１と同様に、ドライバーが加速感を実感できる。

また、この実施の形態２では、高圧側配線３４が２８Ｖに保持され、界磁電流が界磁巻線１９に通電されている。そして、発電機１７の発電可能回転数であるβに達すると、発電機１７が瞬時に発電し、発電機１７の出力と電気二重層コンデンサ２７の出力との合成出力がインバータ２８に供給される。
したがって、この実施の形態２においても、電機子巻線１３に供給される大電流の一部が発電機１７の発電電力により賄われるので、電気二重層コンデンサ２７および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の小型化が可能となる。

実施の形態３．
図９はこの発明の実施の形態３に係る車両用電源システムの回路構成図である。

図９において、界磁巻線１４の一端およびインバータ２８の入力端子が電気二重層コンデンサ２７の高圧側端子、即ち電気二重層コンデンサ２７と第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力電圧端子と間の配線に接続されている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態３では、加速指令に先立って、界磁電流が界磁巻線１４に通電されている。制御回路３１は、加速指令を受けると、インバータ２８を駆動し、電気二重層コンデンサ２７の出力電力が交流電力に変換されて電機子巻線１３に供給される。電気二重層コンデンサ２７は大電流を応答性よく放電できるので、加速指令に対応して、大電流がインバータ２８に供給され、回転機９が速やかに駆動される。
したがって、この実施の形態３においても、上記実施の形態１と同様に、ドライバーが加速感を実感できる。

また、この実施の形態３では、高圧側配線３４が２８Ｖに保持され、界磁電流が界磁巻線１９に通電されている。そして、発電機１７の発電可能回転数であるβに達すると、発電機１７が瞬時に発電し、発電機１７の出力と電気二重層コンデンサ２７の出力との合成出力がインバータ２８に供給される。
したがって、この実施の形態３においても、電機子巻線１３に供給される大電流の一部が発電機１７の発電電力により賄われるので、電気二重層コンデンサ２７および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２５の小型化が可能となる。

なお、上記各実施の形態では、整流器がダイオードブリッジを用いた三相全波整流回路に構成されているものとしているが、整流器は、同期整流を行うＭＯＳＦＥＴや寄生ダイオードで整流を行うＭＯＳＦＥＴなどの多相インバータで構成してもよい。
また、上記各実施の形態では、発電機の固定子は３相交流巻線を用いるものとしているが、固定子巻線は３相交流巻線に限定されるものでなく、３相交流巻線を多重化したものや、多相交流巻線（例えば、５相、７相）でもよい。その場合、整流器は、相数に応じた全波整流回路で、交流電力を直流に整流する。

１ エンジン、５ ターボチャージャ、６ タービン、7 回転軸、８ コンプレッサ、９ 回転機、１４ 界磁巻線、１５ 排気系統、１６ 吸気系統、１７ 発電機、１９ 界磁巻線、２２ 整流器、２２ａ 高圧側出力端子、２４ 第１ＤＣ／ＤＣコンバータ、２５ 第２ＤＣ／ＤＣコンバータ、２６ バッテリ、２７ 電気二重層コンデンサ、２８ インバータ、３１ 制御回路、３４ 高圧側配線、３５ 低圧側配線。

Claims (7)

1. エンジンの吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記エンジンの排気系統に配設されて排気ガスにより駆動されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、
   直流電力を交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、
   上記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、
   上記発電機で発電された交流電力を直流電力に整流して出力する整流器と、
   上記整流器の高圧側出力端子に高圧側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧を異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   上記第１ＤＣ／ＤＣコンバータに低圧側配線を介して接続され、車載負荷に電力を供給するバッテリと、
   上記整流器の高圧側出力端子に高圧側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧を異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータに接続される電気二重層コンデンサと、
   上記第１ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御して、上記発電機の発電電力を上記バッテリおよび上記電気二重層コンデンサに蓄電させるとともに、上記インバータを駆動制御して上記回転機を駆動させる制御回路と、を備え、
   上記インバータ、上記回転機の界磁巻線、および上記発電機の界磁巻線が、上記高圧側配線に接続され、
   上記制御回路は、減速してエンジン回転数が所定回転数まで低下すると、上記高圧側配線の電圧が上記バッテリの定格電圧より高い第１の電圧となるように上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御し、かつ上記発電機の界磁巻線、および上記回転機の界磁巻線に通電させ、該状態を再加速まで維持するように構成されていることを特徴とする車両用電源システム。
2. エンジンの吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記エンジンの排気系統に配設されて排気ガスにより駆動されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、
   直流電力を交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、
   上記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、
   上記発電機で発電された交流電力を直流電力に整流して出力する整流器と、
   上記整流器の高圧側出力端子に高圧側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧を異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   上記第１ＤＣ／ＤＣコンバータに低圧側配線を介して接続され、車載負荷に電力を供給するバッテリと、
   上記整流器の高圧側出力端子に高圧側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧を異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータに接続される電気二重層コンデンサと、
   上記第１ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御して、上記発電機の発電電力を上記バッテリおよび上記電気二重層コンデンサに蓄電させるとともに、上記インバータを駆動制御して上記回転機を駆動させる制御回路と、を備え、
   上記インバータが、上記電気二重層コンデンサの高圧側端子に接続され、
   上記回転機の界磁巻線、および上記発電機の界磁巻線が、上記高圧側配線に接続され、
   上記制御回路は、減速してエンジン回転数が所定回転数まで低下すると、上記高圧側配線の電圧が上記バッテリの定格電圧より高い第１の電圧となるように上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御し、かつ上記発電機の界磁巻線、および上記回転機の界磁巻線に通電させ、該状態を再加速まで維持するように構成されていることを特徴とする車両用電源システム。
3. エンジンの吸気系統に配設されて吸気ガスを圧縮するコンプレッサ、該コンプレッサの回転軸に同軸に取り付けられ、上記エンジンの排気系統に配設されて排気ガスにより駆動されるタービン、および上記回転軸に同軸に取り付けられた回転機を有するターボチャージャと、
   直流電力を交流電力に変換して上記回転機に供給するインバータと、
   上記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、
   上記発電機で発電された交流電力を直流電力に整流して出力する整流器と、
   上記整流器の高圧側出力端子に高圧側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧を異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   上記第１ＤＣ／ＤＣコンバータに低圧側配線を介して接続され、車載負荷に電力を供給するバッテリと、
   上記整流器の高圧側出力端子に高圧側配線を介して接続され、該整流器の出力電圧を異なる電圧値の直流電圧に変換して出力する第２ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータに接続される電気二重層コンデンサと、
   上記第１ＤＣ／ＤＣコンバータおよび上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御して、上記発電機の発電電力を上記バッテリおよび上記電気二重層コンデンサに蓄電させるとともに、上記インバータを駆動制御して上記回転機を駆動させる制御回路と、を備え、
   上記インバータ、および上記回転機の界磁巻線が、上記電気二重層コンデンサの高圧側端子に接続され、
   上記発電機の界磁巻線が、上記高圧側配線に接続され、
   上記制御回路は、減速してエンジン回転数が所定回転数まで低下すると、上記高圧側配線の電圧が上記バッテリの定格電圧より高い第１の電圧となるように上記第２ＤＣ／ＤＣコンバータを駆動制御し、かつ上記発電機の界磁巻線、および上記回転機の界磁巻線に通電させ、該状態を再加速まで維持するように構成されていることを特徴とする車両用電源システム。
4. 上記所定回転数は、ほぼ１０００ｒｐｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
5. 上記第１の電圧を出力電圧とする上記発電機の発電開始回転数が、アイドリング域より高いことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
6. 上記制御回路は、上記回転機の界磁巻線、および上記発電機の界磁巻線への通電をＯＮ／ＯＦＦ制御して、上記回転機の界磁巻線、および上記発電機の界磁巻線の温度制御することを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
7. 上記制御回路は、上記回転機の界磁巻線、および上記発電機の界磁巻線の端子間電圧に基づいて上記回転機の界磁巻線、および上記発電機の界磁巻線への通電をＯＮ／ＯＦＦ制御することを特徴とする請求項６記載の車両用電源システム。

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