JP7340775B2

JP7340775B2 - 車載電源システム

Info

Publication number: JP7340775B2
Application number: JP2019161635A
Authority: JP
Inventors: 洋一影山; 克則愛宕; 大貴西中; 一雄竹中; 久雄平城; 侑吾薛; 貴司東出
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2019-09-05
Publication date: 2023-09-08
Anticipated expiration: 2039-09-05
Also published as: JP2020043752A

Description

本発明は、各種車両に使用される車載電源システムに関する。

以下、従来の車載電源１について図面を用いて説明する。図９は従来の車載電源１の構成を示した回路ブロック図であり、車載電源１は充電回路２と蓄電池３と放電回路４とを有していた。ここで、車両バッテリー５が正常な状態であるときには、車両バッテリー５から供給される電力が充電回路２によって蓄電池３へ蓄えられ、そして、蓄電池３に蓄えられた電力は必要に応じて放電回路４によって負荷６へと供給されていた。その一方で、車両バッテリー５が異常な状態となったときには、充電回路２は停止状態となり蓄電池３に蓄えられた電力は、制御回路(図示せず)からの指示によって動作を行う放電回路４を通じて蓄電池３から負荷６へと供給されていた。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。

国際公開第２０１３／１２５１７０号

しかしながら、特に放電回路４が昇圧動作を行うことによって蓄電池３の電力を負荷６へ供給する場合、車両バッテリー５が異常な状態となり蓄電池３への電力供給が絶たれたときには、蓄電池３が放電によって蓄電池３の電圧が低下して所定電圧よりも低くなると放電回路４が昇圧動作できなくなり、車載電源１は負荷６へ電力を供給できなくなっていた。

これは言い換えると、車載電源１は蓄電池３の電力を出力しきれず蓄電池３に所定の電力を残した状態で動作を停止するという課題を有するものであった。

そこで本発明は、蓄電部に蓄えられた電力を効率よく利用することを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために本発明は、入力部と、出力部と、前記入力部と前記出力部とを接続する導電路線部と、高電位電極と低電位電極とを有し、前記高電位電極に前記導電路線部が接続される蓄電部と、前記低電位電極と接地間に接続された可変電圧部と、前記蓄電部と前記可変電圧部とに接続されて、前記電圧可変部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記蓄電部の放電期間に、前記高電位電極と前記低電位電極との電位差へ前記可変電圧部の電圧を加算した値を所定の一定値とするように、前記可変電圧部の電圧を制御する、ことを特徴としたものである。

本発明によれば、蓄電部に残存する電力が少なく、蓄電部の電圧が低下している状況下で蓄電部から電力を放電するときに、蓄電部の電圧に可変電圧部の電圧が重畳されることで蓄電部が有する電圧よりも高い電圧を出力部から外部へと出力することができるので、
蓄電部の電圧が昇圧可能電圧以上である必要がなくなる。このため、蓄電部に残存する電力が少なく、蓄電部の電圧が低下している状況下で蓄電部から電力の放電が継続可能となり、蓄電部に蓄えられた電力を効率よく利用することができる。

本発明の実施の形態における車載電源システムの構成を示す第１回路ブロック図本発明の実施の形態における車載電源システムの構成を示す第２回路ブロック図本発明の実施の形態における車載電源システムの第１の動作タイミングチャート本発明の実施の形態における車載電源システムの構成を示す第３回路ブロック図本発明の実施の形態における車載電源システムの第２の動作タイミングチャート本発明の実施の形態における車載電源システムの構成を示す第４回路ブロック図本発明の実施の形態における車載電源システムの構成を示す第５回路ブロック図本発明の実施の形態における車載電源システムの構成を示す第６回路ブロック図従来の車載電源の構成を示した回路ブロック図

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態における車載電源システム７の構成を示す回路ブロック図である。車載電源システム７は、入力部８と出力部９と導電路線部１０と蓄電部１１と可変電圧部１２と制御部１３とを含む。導電路線部１０は、入力部８と出力部９とを接続する。蓄電部１１は高電位電極１１Ａと低電位電極１１Ｂとを有する。蓄電部１１の高電位電極１１Ａは導電路線部１０に接続されている。可変電圧部１２は蓄電部１１の低電位電極１１Ｂと接地Ｇとに接続されている。制御部１３は、蓄電部１１と可変電圧部１２に接続されている。また、制御部１３は可変電圧部１２の動作を制御する。

制御部１３は、蓄電部１１の放電期間に、蓄電部１１の高電位電極１１Ａと低電位電極１１Ｂとの電位差へ可変電圧部１２の電圧を加算した値を所定の一定値とするように、可変電圧部１２の電圧を制御する。

以上の構成および動作によって、車載電源システム７は特に放電期間において蓄電部１１に蓄えられた電力の大部分を放電、出力させることができるので、蓄電部１１に蓄えられていた電力は効率よく利用される。車載電源システム７は、蓄電部１１に残存する電力が少なく蓄電部１１の電圧が低下している状況下でも、あるいは、蓄電部１１に残存する電力が多く蓄電部１１の電圧が満充電に近い状況下でも、蓄電部１１から電力を放電するときに、蓄電部１１と出力部９との間に昇圧コンバータを設けることなく所定の電圧を出力することができる。車載電源システム７は、蓄電部１１から電力を放電するときに、蓄電部１１の電圧に可変電圧部１２の電圧を重畳させることで蓄電部１１が有する電圧よりも高い電圧である所定の一定値を、出力部９から外部へと出力することができる。このため、蓄電部１１の電圧が昇圧されることが可能な電圧以上である必要がなくなる。したがって、蓄電部１１に残存する電力が少なく、蓄電部１１が有する電位差が小さくなってい
る状況下であっても蓄電部１１が有する電力の放電が継続可能となり、車載電源システム７は蓄電部１１に蓄えられた電力を効率よく利用することができる。いいかえると、車載電源システム７は多くの電力を、長い期間にわたって出力することができる。

以下で、図１の回路ブロック図、図２の本発明の実施の形態における車載電源システム７の構成を示す第２回路ブロック図、および図３の本発明の実施の形態における車載電源システム７の第１の動作タイミングチャートを用いて、車載電源システム７の構成および動作について詳細に説明する。先にも述べたように車載電源システム７は、入力部８と出力部９と導電路線部１０と蓄電部１１と可変電圧部１２と制御部１３とを含む。

入力部８は車両用バッテリー１４に接続されていて、車載電源システム７は車両用バッテリー１４から電力の供給を受けて、車両用バッテリー１４からの電力によって蓄電部１１は充電される。ここでは図示していないが、車両用バッテリー１４とともに発電機から車載電源システム７は電力の供給を受けてもよい。

出力部９は車両負荷１５に接続されていて、車載電源システム７は、蓄電部１１に蓄えられていた電力を放電させることによって、車両負荷１５を駆動させる。また、車両負荷１５は、車載電源システム７から電力の供給を受けた時点で駆動を始めても、あるいは、車載電源システム７から電力の供給を受け、そのうえで車両負荷１５の内部などに設けられた開閉器（図示せず）が閉じられることによって双方の条件が揃った時点で駆動を始めても、いずれであってもよい。

図示はしていないが、入力部８および出力部９は特定の機能を有した構成である必要はなく、固定具や溶接などを用いて電気的に接続が可能な端子や、あるいは、溶接などで接続が可能な導体であってよい。

導電路線部１０は、入力部８と出力部９とを接続する。導電路線部１０は車載電源システム７の配線基板（図示せず）に配線パターンとして設けられても、あるいは、ケーブルや銅板状のバスバとして設けられてもよい。いずれの場合であっても、導電路線部１０には充電時や放電時に大きな電流が流れる。このため、導電路線部１０は通電方向に大きな断面積を有した電流容量が大きな導体であることが望ましい。

蓄電部１１は、高電位電極１１Ａと低電位電極１１Ｂとを有し、高電位電極１１Ａは導電路線部１０に接続点１６で接続されている。蓄電素子そのものが蓄電部１１であってもよい。ここでは図示していないが、蓄電部１１は蓄電素子と蓄電部１１専用の保護回路や制御回路や蓄電素子の余剰電力を放電する放電回路などを併せて有していてもよい。また、蓄電部１１の蓄電素子は、鉛バッテリーやリチウムイオンバッテリーなどの化学二次電池であっても、電気二重層キャパシタなどのキャパシタ二次電池であってもかまわない。

先にも述べたように、車載電源システム７は、蓄電部１１に残存する電力が少なくなり蓄電部１１の両端の電位差が小さくなることで蓄電部１１の電圧が低下して、蓄電部１１の電圧を昇圧させるには不適切な状況下であっても蓄電部１１から電力の放電を継続可能とする。したがって、車載電源システム７の蓄電部１１に適用する蓄電素子には、キャパシタ二次電池を用いることで、車載電源システム７は有効に動作することが可能となる。これは、長時間の放電後に急激に蓄電残量が低下する化学二次電池に対して、キャパシタ二次電池は放電時間に応じて概ね近似した蓄電残量の低下率を有し、電力を残したうえで昇圧させるには電圧不足となる状態に早い時点到達するためである。

可変電圧部１２は蓄電部１１の低電位電極１１Ｂと接地Ｇとに接続されている。また、可変電圧部１２の高電位電極１２Ａが蓄電部１１の低電位電極１１Ｂに、可変電圧部１２
の低電位電極１２Ｂが接地Ｇに接続されている。蓄電部１１と可変電圧部１２とは直列に接続されているので、可変電圧部１２は、可変である直流電圧を蓄電部１１の直流電圧に重畳させる。

制御部１３は、蓄電部１１と可変電圧部１２に接続されている。厳密には、制御部１３は蓄電部１１の高電位電極１１Ａの電圧を検出し、さらに制御部１３は蓄電部１１の低電位電極１１Ｂの電圧を検出する。またさらに制御部１３は可変電圧部１２の高電位側の電圧を検出してもよい。可変電圧部１２の高電位側の電圧は蓄電部１１の低電位電極１１Ｂの電圧と概ね同じ値となる。またさらに、制御部１３は入力部８および出力部９の電圧を検出する。そして、制御部１３は可変電圧部１２の動作を制御する。

まず制御部１３における、充電に関する制御および放電に関する制御について説明する。制御部１３の可変電圧部１２に対する制御は、停止期間と充電期間と維持期間と放電期間とに分割される。停止期間は、制御部１３に接続された外部信号受信部１７が車両起動信号ＳＩＧ１を受信する前の状態である。車両起動信号ＳＩＧ１は車載電源システム７が搭載されている車両１８の制御装置（図示せず）から、車両１８が起動すると発せられる信号である。また、車両１８が起動すると、起動前に遮断状態であった連動スイッチ１９が接続状態へと切り替えられる。タイミングチャートでは、外部信号受信部１７が車両起動信号ＳＩＧ１を受信する前の状態で車両起動信号ＳＩＧ１はＯＦＦとし、外部信号受信部１７が車両起動信号ＳＩＧ１を受信する状態で車両起動信号ＳＩＧ１はＯＮとして、それぞれ示されている。

停止期間では、車両用バッテリー１４に端子電圧ＶＢは存在するものの、連動スイッチ１９は遮断状態であるため入力部８において車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢは検知されない。このとき、車両用バッテリー１４から通常路線部２０を経て車両負荷１５へと電圧が印加されているので、出力部９では車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢが検出される。実際には通常路線部２０に整流素子２１が接続されているため、整流素子２１による電圧降下が生じ、出力部９で検出される電圧はＶＢよりも低い値となる。

また停止期間では、蓄電部１１の高電位電極１１Ａと低電位電極１１Ｂとの電位差である第１電位差ＶＤは、概ね基礎電圧ＶＤ１に制御されている。基礎電圧ＶＤ１は、特に蓄電部１１に適用されている蓄電素子が電気二重層キャパシタである場合には、長時間の充電状態において電気二重層キャパシタの劣化が進行しにくい水準の値に低く抑えることが望ましい。また、後述する充電期間において充電時間が短縮されるように基礎電圧ＶＤ１は、電気二重層キャパシタの劣化が進行しにくい水準であって所定の値以上であることが望ましい。

またさらに停止期間では、可変電圧部１２の高電位電極１２Ａと低電位電極１２Ｂとの電位差である第２電位差はゼロである。制御部１３は、可変電圧部１２の高電位電極１２Ａと低電位電極１２Ｂとの電圧を検出してもよいが、可変電圧部１２の高電位電極１２Ａは、蓄電部１１の低電位電極１１Ｂと同電位であるので蓄電部１１の低電位電極１１Ｂの電圧が代用されてよい。また、可変電圧部１２の低電位電極１２Ｂは接地されているので、第２電位差は蓄電部１１の低電位電極１１Ｂの電圧としてよい。

次に、充電期間について説明する。充電期間では、充電期間が始まるＴ１の時点で連動スイッチ１９は遮断状態から接続状態へと切り替えられているので、入力部８において車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢがそのまま検出される。そして、車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢを用いて蓄電部１１への充電が行われる。

充電期間が始まる以前、いいかえると停止期間では蓄電部１１の第１電位差ＶＤは基礎
電圧ＶＤ１であったが、充電期間で蓄電部１１の第１電位差ＶＤは基礎電圧ＶＤ１から設定電圧ＶＤ２まで上昇させられる。設定電圧ＶＤ２は概ね蓄電部１１の満充電電圧に相当、あるいは、蓄電部１１の満充電電圧よりも低く過充電とならない値に相当する。そして、予め設定される設定電圧ＶＤ２は車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢの値が設定可能な範囲の上限値となる。したがって、蓄電部１１の蓄電素子の定格電圧は車両用バッテリー１４の定格電圧よりも高くする必要がある。また、設定電圧ＶＤ２は車両負荷１５を駆動することが可能な電圧値以上である。

このときも、車両用バッテリー１４から通常路線部２０を経て車両負荷１５へと電圧が印加されているので、出力部９では車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢが検出される。実際には通常路線部２０に整流素子２１が接続されているため、整流素子２１による電圧降下が生じ、出力部９で検出される電圧はＶＢよりも低い値となる。

充電期間では、制御部１３が蓄電部１１へ流す充電電流に応じて可変電圧部１２の第２電位差ＶＩを変化させて蓄電部１１が充電されても、あるいは、可変電圧部１２の第２電位差ＶＩはゼロのままで固定されて車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢそのものによって蓄電部１１が充電されてもよい。いいかえると、制御部１３は、可変電圧部１２の第２電位差ＶＩによって蓄電部１１へ流す充電電流や充電期間であるＴ１の時点からＴ２の時点までに要する時間を制御する。

タイミングチャートでは、一例として可変電圧部１２のそれまではゼロであった第２電位差ＶＩは、Ｔ１の時点で初期電位差ＶＩ１に切り替えられ上昇する。そして、充電期間が終了するＴ２の時点まで漸減させられる。第２電位差ＶＩは、タイミングチャートのように直線状に漸減してもあるいは曲線状に低下させても、あるいは間欠的に切り替え制御する形態で階段状に低下させてもよい。例えば、蓄電部１１に適用されている蓄電素子が電気二重層キャパシタである場合には、第２電位差ＶＩをＴ１の時点で初期電位差ＶＩ１とすることで、電荷の蓄積量が少なく大電流が流れ易くなっている状態の電気二重層キャパシタに流れる電流を抑制すればよい。

ここで初期電位差ＶＩ１の値は、先述の設定電圧ＶＤ２と基礎電圧ＶＤ１の差として設定すればよい。いいかえると、基礎電圧ＶＤ１に初期電位差ＶＩ１を加えた値が設定電圧ＶＤ２となるように制御部１３は可変電圧部１２を制御する。そして、充電期間においては、第１電位差ＶＤは充電が進行するにしたがって上昇し、第２電位差ＶＩは第１電位差ＶＤの上昇に対応する形で低下し、第１電位差ＶＤに第２電位差ＶＩを加えた値が設定電圧ＶＤ２となるように制御部１３は可変電圧部１２を制御する。つまり、充電期間において、第１電位差ＶＤに第２電位差ＶＩを加算した値を設定電圧ＶＤ２の一定値として制御部１３は可変電圧部１２を制御する。これにより、制御部１３は可変電圧部１２の第２電位差ＶＩを制御することで、蓄電部１１の充電状態を制御できる。

ここで、設定電圧ＶＤ２は車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢが上限値となることから、第２電位差ＶＩは必ず車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢよりも低い値となる。このため、第２電位差ＶＩを発生させる可変電圧部１２は出力部９に給電路１２Ｐによって接続されて、充電期間については出力部９の電圧を用いて第２電位差ＶＩを生成する降圧コンバータとしてもよい。降圧コンバータは電力の変換効率が高い。そして、上記の動作では電圧の変化を生じさせるために可変電圧部１２は設けられているため、可変電圧部１２における電力の消費は非常に小さい。このため、可変電圧部１２が出力部９の電圧を用いて動作する降圧コンバータであっても出力部９や車両負荷１５に対しての影響は非常に小さく抑えられる。また、設定電圧ＶＤ２は車両用バッテリー１４の正常時の端子電圧ＶＢよりも低い値とすればよい。これにより、車両用バッテリー１４が端子電圧ＶＢを出力している限りは、蓄電部１１に蓄えられた電力が排出されることはなく、車載電源システ
ム７は多くの電力を蓄電部１１に長時間にわたって維持することができる。

ここで可変電圧部１２として降圧コンバータが用いられる場合は、一例として図４の本発明の実施の形態における車載電源システムの構成を示す第３回路ブロック図に示すように、可変電圧部１２は、出力部９と蓄電部１１の低電位電極１１Ｂとの間に出力部９側から順に直列に接続されたスイッチング素子２４とチョークコイル２５とを有し、さらに、平滑コンデンサ２７と整流素子２８とを有していればよい。平滑コンデンサ２７は、チョークコイル２５と低電位電極１１Ｂとの接続点２６と、接地Ｇとの間に接続され、整流素子２８は、スイッチング素子２４とチョークコイル２５との接続点２９にカソードが、接地Ｇにアノードが接続され配置されている。また、スイッチング素子２４を接続して出力部９からチョークコイル２５へと電力を供給する、あるいは、スイッチング素子２４を遮断して出力部９からチョークコイル２５へと電力を非供給とするために、スイッチング素子２４の開閉を駆動するドライバ３０は、制御部１３によって制御されるように可変電圧部１２に設けられた形態で図示されているが、ドライバ３０は制御部１３に含まれていても構わない。また、スイッチング素子２４はＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）をはじめとする半導体スイッチであってよい。

次に、維持期間について説明する。維持期間では、車両用バッテリー１４からの電力供給の状態や、入力部８および出力部９で検出される電圧などは充電期間と変化はない。維持期間が始まるＴ２の時点で、蓄電部１１に対する充電に関する動作は基本的に終了している。したがって、可変電圧部１２に対して制御部１３が行う制御は少ない。タイミングチャートでは、維持期間に相当するＴ２の時点からＴ３の時点までは、蓄電部１１の第１電位差ＶＤは概ね平坦な状態となっているが、実際には車両用バッテリー１４の電圧変動や蓄電部１１の自然放電などにより、蓄電部１１の第１電位差ＶＤは次第に低下する場合がある。このため、制御部１３は定期的に、あるいは、蓄電部１１の第１電位差ＶＤが閾値を下回ったことを検出した時点で、可変電圧部１２の第２電位差ＶＩを制御し、第１電位差ＶＤに第２電位差ＶＩを加算した値を設定電圧ＶＤ２の一定値となるように維持する。

以上の充電期間および維持期間は、車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢが正常な値として車載電源システム７へ供給されているときであり、いいかえると入力部８の電圧が入力閾値Ｖｔｈよりも高く車両用バッテリー１４が健全なときに設けられる動作期間である。そして、充電期間における蓄電部１１への充電に関する動作は、車両１８が起動した後で入力部８の電圧が入力閾値Ｖｔｈよりも高い期間全般にわたって、あるいは入力部８の電圧が入力閾値Ｖｔｈよりも高い期間の一部において必要に応じて行われるとよい。

以上の説明では充電期間と維持期間とは異なる制御の期間としているものの、充電期間と維持期間とは併せて充電期間としてもよい。また、車両用バッテリー１４から車載電源システム７への電力供給は、充電期間あるいは維持期間に行われる形態で説明しているが、車両１８が起動停止している間に車両用バッテリー１４からの微弱電流により、基礎電圧ＶＤ１までの蓄電部１１への充電や制御部１３の起動が行われてもよい。このとき、上記の微弱電流の供給は、連動スイッチ１９とは別に設けられて車両用バッテリー１４と入力部８とに接続された補助スイッチ（図示せず）や、入力部８とは別に設けられた電力供給路（図示せず）によって行われてもよい。

次に、放電期間について説明する。放電期間が始まるＴ３の時点では、充電期間と維持期間とにより蓄電部１１の第１電位差ＶＤは概ね設定電圧ＶＤ２に充電されている。そして、放電期間が始まるＴ３の時点までは、車両用バッテリー１４は端子電圧ＶＢを有していて、出力部９へは車載電源システム７からの設定電圧ＶＤ２と車両用バッテリー１４からの端子電圧ＶＢとの双方が供給されている。このとき、端子電圧ＶＢは設定電圧ＶＤ２
よりも高い電圧値で設定されているため、Ｔ３の時点以前では車両負荷１５への電力の供給は基本的に車両用バッテリー１４が行う。

ここで、外部信号受信部１７が車両起動信号ＳＩＧ１を受信中のＴ３の時点で車両用バッテリー１４の端子電圧が急激に低下したとき、いいかえると車両１８が起動中で連動スイッチ１９が接続状態を継続しているにもかかわらずＴ３の時点で車両用バッテリー１４の端子電圧が急激に低下して入力閾値Ｖｔｈよりも低くなったこと、を制御部１３が検出すると、放電期間が始まる。これは、車両１８の搭乗者が車両１８の起動を停止させる操作を行っていないにもかかわらずに車両用バッテリー１４の端子電圧が急激に低下している状態であり、車両１８が事故などに遭遇し、バッテリー失陥状態となった場合に相当する。タイミングチャートではＴ３の時点以降でも車両起動信号ＳＩＧ１が継続する状態の曲線が描かれているが、Ｔ３の時点で連動スイッチ１９は接続状態から遮断状態へと切り替わる指示を、車両１８の制御装置（図示せず）から受けていない状態に相当する。

Ｔ３の時点までは先述のように、出力部９へは車載電源システム７からの設定電圧ＶＤ２と車両用バッテリー１４からの端子電圧ＶＢとの双方が供給されていて、車両負荷１５への電力の供給は基本的に車両用バッテリー１４が行っていた。しかしながら、車両用バッテリー１４が電力を喪失した状態、車両用バッテリー１４からの電力を喪失した状態、あるいはそれに類似した状態のバッテリー失陥状態となっているため、車両負荷１５への電力の供給は車載電源システム７が行う。

ここでバッテリー失陥状態となったとき、制御部１３が駆動するための電力は、蓄電部１１から供給される。また、バッテリー失陥状態となる前のＴ３の時点以前では、制御部１３が駆動するための電力は、車両用バッテリー１４、蓄電部１１のいずれか一方、あるいは双方から供給される。また、制御部１３が駆動するための電力は、車両負荷１５へ出力する電力に比較して非常に小さな値である。このため、制御部１３は蓄電部１１からの電力によって十分に長い期間の動作が可能である。

タイミングチャートに示すように、Ｔ３の時点以降の放電期間では、車載電源システム７の蓄電部１１は出力部９から車両負荷１５への電力の供給を始めると、同時に蓄電部１１の第１電位差ＶＤは低下し始める。制御部１３は第１電位差ＶＤを検出し、さらに可変電圧部１２を動作させる。可変電圧部１２は、蓄電部１１の第１電位差ＶＤへ加えるバイアス電圧に相当する。可変電圧部１２は、Ｔ３の時点まではゼロであった第２電位差ＶＩを出力し始め、同時に第２電位差ＶＩは上昇し始める。そして第２電位差ＶＩは第１電位差ＶＤの低下分を補完し、出力部９の出力電圧は一定値に維持される。いいかえると、制御部１３は、第１電位差ＶＤに相当する高電位電極１１Ａと低電位電極１１Ｂとの電位差へ可変電圧部１２の電圧である第２電位差ＶＩを加算した値を設定電圧ＶＤ２の一定値として出力させるように、可変電圧部１２を制御する。これにより、制御部１３は可変電圧部１２の第２電位差ＶＩを制御することで、蓄電部１１の放電状態を制御できる。

先に説明したように、充電期間において制御部１３は可変電圧部１２の第２電位差ＶＩを制御することで蓄電部１１の充電状態を制御できる。そして、放電期間において制御部１３は可変電圧部１２の第２電位差ＶＩを制御することで、蓄電部１１の放電状態を制御できる。つまり、可変電圧部１２は充電動作と放電動作との役割を単一の回路で果たすこととなり、車載電源システム７の小型化が可能となる。

ここでも先述と同様に、設定電圧ＶＤ２は車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢが上限値となることから、第２電位差ＶＩは必ず車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢよりも低い値となる。このため、第２電位差ＶＩを発生させる可変電圧部１２は、出力部９の電圧を用いた降圧コンバータとして動作させ、特に放電期間において第２電位差ＶＩは蓄電部
１１の電圧である第１電位差ＶＤよりも小さな値として制御されるとよい。降圧コンバータは電力の変換効率が高い。そして、上記の動作では電圧の変化を生じさせるために可変電圧部１２は設けられているため、可変電圧部１２における電力の消費は非常に小さく、出力部９からの電力の出力は蓄電部１１の電力が担うこととなる。このため、可変電圧部１２が出力部９の電圧を用いて動作する降圧コンバータであっても、可変電圧部１２が動作することによる出力部９や車両負荷１５に対しての影響は非常に小さく抑えられる。これにより、可変電圧部１２は蓄電部１１への充電動作と蓄電部１１からの放電動作との役割を単一の回路で果たすことで車載電源システム７の小型化が可能となるとともに、動作の省電力化を図ることができる。

そして、特に放電期間において、蓄電部１１の電圧に可変電圧部１２の電圧を重畳させたうえで、蓄電部１１の電圧が漸減する相当量を可変電圧部１２の電圧が漸増することで補完するよう制御部１３が制御することで、蓄電部１１の高電位電極１１Ａの電圧は蓄電部１１が有する第１電位差ＶＤよりも高い値で、かつ、可能な限りまで一定の値に維持される。これにより、蓄電部１１に蓄えられた電力の大部分を放電、出力させることができるので、蓄電部１１に蓄えられていた電力は効率よく利用される。

車載電源システム７は、蓄電部１１に残存する電力が少なく蓄電部１１の電圧が低下している状況下でも、あるいは、蓄電部１１に残存する電力が多く蓄電部１１の電圧が満充電に近い状況下でも、蓄電部１１から電力を放電するときに、必ずしも蓄電部１１の電圧が蓄電部１１と出力部９との間に設けられた昇圧コンバータによって昇圧させられる動作は用いられなくてもよい。このため、蓄電部１１の電圧である第１電位差ＶＤが昇圧されることが可能な電圧値以上である必要がなくなる。

一般的に昇圧動作を用いて電圧を昇圧する場合、昇圧される前の電圧は、昇圧動作のための回路の固有値である昇圧前電圧下限値よりも高いことを満たす必要がある。したがって、昇圧動作を用いて電圧を昇圧する場合には、昇圧前電圧下限値よりも低い電圧に相当する蓄電素子の電力は出力電力として利用できない無駄な電力となってしまう。

本開示の車載電源システム７では、蓄電部１１の電圧である第１電位差ＶＤが昇圧されることが可能な電圧値以上である必要がなくなる。このため、蓄電部１１に残存する電力が少なく、蓄電部１１の電圧が低下している状況下であっても蓄電部１１から電力の放電が継続可能となり、昇圧動作を用いる電源に比較して車載電源システム７は蓄電部１１に蓄えられた電力を効率よく利用することができる。いいかえると、車載電源システム７は多くの電力を、長い期間にわたって出力することができる。

また、車載電源システム７は放電期間での説明のように、車両用バッテリー１４は電力を喪失した状態、あるいはそれに類似した状態となった際に、車両負荷１５への電力の供給は車載電源システム７が行う。このため、放電期間において蓄電部１１が有する電力は完全に使い尽くされてもよい。したがって、蓄電部１１の残存電力がほぼ無い状態で、出力部９へ所定の電圧を供給できなくなり、降圧コンバータを用いた可変電圧部１２もまた動作しなくなるＴＸの時点で、車載電源システム７は機能を停止する。

また放電期間においてのタイミングチャートでは、車両負荷１５が時間の経過とともに連続して蓄電部１１の電力を消費し、蓄電部１１の第１電位差ＶＤが漸減する場合を一例として示されている。しかしながら、車両負荷１５は不連続に電力を消費し、蓄電部１１の第１電位差ＶＤが階段状に低下してもよい。その場合、可変電圧部１２の第２電位差ＶＩは階段状に上昇したうえで、制御部１３は、第１電位差ＶＤに相当する高電位電極１１Ａと低電位電極１１Ｂとの電位差へ可変電圧部１２の電圧である第２電位差ＶＩを加算した値を設定電圧ＶＤ２の一定値として出力させるように、可変電圧部１２を制御する。

車両負荷１５は車両１８が非常事態に陥った場合に動作が必要となるアクチュエータである場合、車両負荷１５は不連続な動作によって不連続に電力を消費する。しかしながら、制御部１３は、第１電位差ＶＤに相当する高電位電極１１Ａと低電位電極１１Ｂとの電位差へ可変電圧部１２の電圧である第２電位差ＶＩを加算した値を設定電圧ＶＤ２の一定値として出力させるように可変電圧部１２を制御することで、車両負荷１５が連続して動作する場合と同様に車載電源システム７は多くの電力を、長い期間にわたって出力することができる。

放電期間の説明では、外部信号受信部１７が車両起動信号ＳＩＧ１を受信している状態で入力閾値Ｖｔｈよりも低くなる場合について説明した。ここで仮に、外部信号受信部１７が車両起動信号ＳＩＧ１を受信している状態から受信しなくなったと同時に、入力部８の電圧が入力閾値Ｖｔｈよりも低くなると、制御部１３は車両１８が起動状態から停止状態へと切り替わったと判断すればよい。これは搭乗者によって車両１８が正常な順序で起動を停止された状態であり、連動スイッチ１９が接続状態から遮断状態へと切り替わったと同時に、入力部８の電圧が入力閾値Ｖｔｈよりも低くなったときに制御部１３が正常な起動停止と判断してもよい。

このとき、先述のように出力部９へは車載電源システム７からの設定電圧ＶＤ２と車両用バッテリー１４からの端子電圧ＶＢとの双方が供給されているが、端子電圧ＶＢは設定電圧ＶＤ２よりも高い電圧値で設定されている。このため、Ｔ３の時点以前では車両負荷１５への電力の供給は基本的に車両用バッテリー１４が行う。そして、制御部１３は蓄電部１１の第１電位差ＶＤを基礎電圧ＶＤ１まで低下させるように、蓄電部１１を制御する。

以上で説明した放電期間は、車両起動信号ＳＩＧ１と入力部８における電圧とを基準に動作するものであったが、図５の本発明の実施の形態における車載電源システム７の第２の動作タイミングチャートに示すように、放電期間は外部信号受信部１７が緊急起動信号ＳＩＧ２を受信したときに始められてもよい。この場合の緊急起動信号ＳＩＧ２は、車体２２に搭載された制御ユニット（図示せず）などから、車両１８が事故に遭遇した場合に発信される信号である。

また、放電期間が外部信号受信部１７で緊急起動信号ＳＩＧ２を受信したときに始められる場合、制御部１３は車両起動信号ＳＩＧ１や入力部８における電圧を緊急起動信号ＳＩＧ２と同時に検知していても構わないが、制御部１３は放電期間に関する動作の実行に対する判断に、車両起動信号ＳＩＧ１や入力部８における電圧は用いられなくてよい。

放電期間に関する動作は、車両起動信号ＳＩＧ１や入力部８における電圧を基準とする場合と同様に制御部１３は、第１電位差ＶＤに相当する高電位電極１１Ａと低電位電極１１Ｂとの電位差へ可変電圧部１２の電圧である第２電位差ＶＩを加算した値を設定電圧ＶＤ２の一定値として出力させるように可変電圧部１２を制御する。これにより、蓄電部１１に残存する電力が少なく、蓄電部１１の電圧が低下している状況下であっても蓄電部１１から電力の放電が継続可能となり、車載電源システム７は蓄電部１１に蓄えられた電力を効率よく利用することができる。いいかえると、車載電源システム７は多くの電力を、長い期間にわたって出力することができる。

ここで、より厳密には、図６の本発明の実施の形態における車載電源システムの構成を示す第４回路ブロック図に示すように、低電位電極１１Ｂと高電位電極１２Ａとの間に、接地Ｇに接続された加算回路３２が設けられるとよい。加算回路３２は例えば電圧維持を可能とする抵抗やインピーダンスなどを有した回路で構成されている。いいかえると、低
電位電極１１Ｂと高電位電極１２Ａとの接続点と接地Ｇとの間に、電圧維持回路（図示せず）が接続されている。

そして、加算回路３２は、充電時には可変電圧部１２で生成された電圧を維持しつつ蓄電部１１から電圧維持回路（図示せず）を介しての接地への経路を接続するように制御され、放電時には蓄電部１１から電圧維持回路（図示せず）を介しての接地への経路を遮断するように制御される。これにより、蓄電部１１と可変電圧部１２との電圧を加算し出力部９の電圧を的確に得ることができる。また、図６では可変電圧部１２と加算回路３２とは個別の要素として記載のうえ説明しているものの、加算回路３２の機能や動作は可変電圧部１２に包含されていても構わない。

ここまでは、可変電圧部１２に降圧コンバータを用いた場合を一例として説明した。可変電圧部１２に降圧コンバータを用いた場合、制御部１３は先にも述べたように、蓄電部１１の電位差ＶＤと可変電圧部１２の電位差ＶＩとの加算によって得られる設定電圧ＶＤ２が一定となるように可変電圧部１２を制御している。また、可変電圧部１２で生成可能な電位差ＶＩの最大値は蓄電部１１の電位差ＶＤに相当するように制限される。

このため、蓄電部１１の電位差ＶＤが設定電圧ＶＤ２の半分以下となったＴＸ０の時点において可変電圧部１２で生成される電位差ＶＩもまた設定電圧ＶＤ２の半分以下となる。この結果、設定電圧ＶＤ２は予め設定されていた所定の一定値を維持することができなくなり、ＴＸ０の時点以降では値が漸減する。そして蓄電部１１の残存電圧と可変電圧部１２によって生成された電圧とが双方共に低下して車両負荷１５の駆動が不可能となったＴＸの時点で、車載電源システムの実質的な機能は停止する。

そこで、一例として図７の本発明の実施の形態における車載電源システムの構成を示す第５回路ブロック図に示すように、可変電圧部１２蓄電部１１が有する電圧を上昇させる動作および下降させる動作の何れもが可能な回路やコンバータによって構成されてもよい。この場合、可変電圧部１２は、スイッチング素子２４とスイッチング素子２４を駆動するドライバ３０と平滑コンデンサ２７と整流素子２８とトランス３１とを有する。蓄電部１１の低電位電極１１Ｂには整流素子２８のカソードと平滑コンデンサ２７の一端が接続されている。また、整流素子２８のアノードとトランス３１の第１巻線３１Ａの一端と、第１巻線３１Ａの他端と平滑コンデンサ２７の他端と、がそれぞれ接続されている。第１巻線３１Ａの他端と平滑コンデンサ２７の他端とは接地Ｇに接続されていても、接地Ｇとは異なる基準電圧（例えば０Ｖ）に接続されていても、あるいは接地Ｇや基準電圧に接続されずにフローティング状態であってもよい。また、出力部９と接地Ｇとの間にトランス３１の第２巻線３１Ｂとスイッチング素子２４とが直列に接続されている。

ここでスイッチング素子２４はドライバ３０から発せられる信号（ＰＷＭ信号など）によってスイッチング制御され、制御部１３が第２巻線３１Ｂの両端に任意の電圧を発生させる。そして、第２巻線３１Ｂの両端に発生した電圧に対応して第１巻線３１Ａの両端に電圧が発生する。第１巻線３１Ａの両端に発生した電圧は整流素子２８で整流され、さらに整流された電圧は平滑コンデンサ２７で平滑されることで高電位電極１２Ａと低電位電極１２Ｂとの間に直流電圧が生成される。

これにより放電期間においては、可変電圧部１２で生成される電位差ＶＩは、蓄電部１１の電位差ＶＤよりも大きな値となるように制御部１３によって制御されることが可能となる。この結果、蓄電部１１の電位差ＶＤが設定電圧ＶＤ２の半分以下となった場合であっても、可変電圧部１２の電位差ＶＩは設定電圧ＶＤ２の半分以上の電圧を得ることができる。いいかえると、可変電圧部１２の電位差ＶＩは、蓄電部１１の電位差ＶＤよりも大きな電位差を得ることができる。したがって、可変電圧部１２の電位差ＶＩを蓄電部１１
の電位差ＶＤに加算させることによって設定電圧ＶＤ２は一定値を維持することができる。

よって、蓄電部１１に残存する電力が少なく、蓄電部１１の電圧が低下している状況下であっても蓄電部１１から電力の放電が継続可能となり、車載電源システム７は蓄電部１１に蓄えられた電力を効率よく利用することができる。いいかえると、車載電源システム７は多くの電力を、長い期間にわたって出力することができる。

また、充電期間においては、先にも述べたように、制御部１３が蓄電部１１へ流す充電電流に応じて可変電圧部１２の第２電位差ＶＩを変化させて蓄電部１１が充電されても、あるいは、可変電圧部１２の第２電位差ＶＩはゼロのままで固定されて車両用バッテリー１４の端子電圧ＶＢそのものによって蓄電部１１が充電されてもよい。可変電圧部１２の第２電位差ＶＩを制御部１３が蓄電部１１に流れる電流を調整することによって、可変電圧部１２は蓄電部１１における充電に要する時間や過電流に対する対応が可能となる。

また、別の一例として図８の本発明の実施の形態における車載電源システムの構成を示す第６回路ブロック図に示すように、上記の図７についての説明と同様に可変電圧部１２は、蓄電部１１が有する電圧を上昇させる動作および下降させる動作の何れもが可能な回路やコンバータによって構成されてもよい。ここでも、可変電圧部１２は、スイッチング素子２４とスイッチング素子２４を駆動するドライバ３０と平滑コンデンサ２７と整流素子２８とトランス３１とを有する。蓄電部１１の低電位電極１１Ｂには整流素子２８のカソードと平滑コンデンサ２７の一端が接続されている。また、整流素子２８のアノードとトランス３１の第１巻線３１Ａの一端と、第１巻線３１Ａの他端と平滑コンデンサ２７の他端と、がそれぞれ接続されている。第１巻線３１Ａの他端と平滑コンデンサ２７の他端とは接地Ｇに接続されていても、接地Ｇとは異なる基準電圧（例えば０Ｖ）に接続されていても、あるいは接地Ｇや基準電圧に接続されずにフローティング状態であってもよい。また、出力部９と蓄電部１１の低電位電極１１Ｂとの間に、トランス３１の第２巻線３１Ｂとスイッチング素子２４とが直列に接続されている。

これにより放電期間においては、蓄電部１１に残留する電圧が直接に用いられたうえで、可変電圧部１２で生成される電位差ＶＩは、蓄電部１１の電位差ＶＤよりも大きな値となるように制御部１３によって制御されることが可能となる。この結果、蓄電部１１の電位差ＶＤが設定電圧ＶＤ２の半分以下となった場合であっても、可変電圧部１２の電位差ＶＩは設定電圧ＶＤ２の半分以上の電圧を得ることができる。したがって、可変電圧部１２の電位差ＶＩを蓄電部１１の電位差ＶＤに加算させることによって設定電圧ＶＤ２は一定値を維持することができる。

ここでは蓄電部１１に残留する低い電圧を用いた昇圧動作が必要となるものの、蓄電部１１の電圧に対する昇圧動作を行う可変電圧部１２は車両負荷１５へ電力を供給するのではなく、可変電圧部１２の高電位電極１２Ａと低電位電極１２Ｂとの間に直流電圧を供給する。この際の電力の供給は非常に小さな値である。このため、可変電圧部１２における昇圧の動作は、蓄電部１１に残留する電圧が低い場合であっても可能である。

図７および図８には図示していないが図６と同様に、低電位電極１１Ｂと高電位電極１２Ａとの間には加算回路３２が設けられるとよい。先に説明した際と同様に加算回路３２は、充電時には可変電圧部１２で生成された電圧を維持しつつ蓄電部１１から電圧維持部（図示せず）を介しての接地への経路を接続するように制御され、放電時には蓄電部１１から電圧維持回路（図示せず）を介しての接地への経路を遮断するように制御される。これにより、蓄電部１１と可変電圧部１２との電圧を加算し出力部９の電圧を的確に得ることができる。

ここで、外部信号受信部１７は特定の機能を有した構成である必要はなく、固定具や溶接などを用いて電気的に接続が可能な端子や、あるいは、溶接などで接続が可能な導体であってよい。また、放電期間において蓄電部１１から入力部８側への電力の逆流を防止するために、入力部８にアノードが接続され、接続点１６にカソードが接続される整流素子２３が配置されることが望ましい。

以上で説明した、車載電源システム７を構成する要素は、必ずしも単一の筐体内に収納、配置されている必要はない。いいかえると、車載電源システム７の構成要素（又は機能）は、複数の筐体に分散して設けられていてもよい。例えば、蓄電部１１は、制御部１３等が設けられた筐体と同じ筐体に設けられていてもよいし、別の筐体に設けられていてもよい。当然ながら、車載電源システム７を構成するすべての要素が単一の筐体内に収納、配置されていてもよい。

本発明の車載電源システムは、蓄電部に蓄えられた電力を効率よく利用することができるという効果を有し、各種車両において有用である。

７車載電源システム
８入力部
９出力部
１０導電路線部
１１蓄電部
１１Ａ高電位電極
１１Ｂ低電位電極
１２可変電圧部
１２Ａ高電位電極
１２Ｂ低電位電極
１２Ｐ給電路
１３制御部
１４車両用バッテリー
１５車両負荷
１６、２６、２９接続点
１７外部信号受信部
１８車両
１９連動スイッチ
２０通常路線部
２１、２３、２８整流素子
２２車体
２４スイッチング素子
２５チョークコイル
２７平滑コンデンサ
３０ドライバ
３１トランス
３１Ａ第１巻線
３１Ｂ第２巻線
３２加算回路
Ｇ接地（グランド）

Claims

入力部と、
出力部と、
前記入力部と前記出力部とを接続する導電路線部と、
高電位電極と低電位電極とを有し、前記高電位電極に前記導電路線部が接続される蓄電部と、
前記低電位電極と接地間に接続された可変電圧部と、
前記蓄電部と前記可変電圧部とに接続されて、前記可変電圧部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記蓄電部の充電期間および放電期間に、前記高電位電極と前記低電位電極との電位差へ前記可変電圧部の電圧を加算した値を所定の一定値とするように、前記可変電圧部の電圧を制御する、
車載電源システム。
前記蓄電部はキャパシタを蓄電素子として用いた、
請求項１に記載の車載電源システム。
前記可変電圧部は、前記出力部の電圧を用いて電位差を生成するコンバータであり、
前記放電期間における前記可変電圧部の電位差は前記蓄電部が有する電位差よりも小さな値である、
請求項１に記載の車載電源システム。
前記可変電圧部は、前記出力部の電圧を用いて電位差を生成するコンバータであり、
前記放電期間における前記可変電圧部の電位差は前記蓄電部が有する電位差よりも大きな値である、
請求項１に記載の車載電源システム。
前記充電期間は、前記入力部の電圧が入力閾電圧よりも高いときに設けられる、
請求項１に記載の車載電源システム。
前記制御部に接続された外部信号受信部をさらに備え、
前記放電期間は、前記外部信号受信部が車両起動信号を受信しているときに前記入力部の電圧が入力閾電圧よりも低くなったときに始められる、
請求項１に記載の車載電源システム。
前記制御部に接続された外部信号受信部をさらに備え、
前記放電期間は、前記外部信号受信部が緊急起動信号を受信したときに始められる、
請求項１に記載の車載電源システム。
入力部と、
出力部と、
前記入力部と前記出力部とを接続する導電路線部と、
高電位電極と低電位電極とを有し、前記高電位電極に前記導電路線部が接続される蓄電部と、
前記低電位電極と接地間に接続された可変電圧部と、
前記蓄電部と前記可変電圧部とに接続されて、前記可変電圧部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記蓄電部の放電期間に、前記高電位電極と前記低電位電極との電位差へ前記可変電圧部の電圧を加算した値を所定の一定値とするように、前記可変電圧部の電圧を制御し、
前記可変電圧部は、前記出力部の電圧を用いて電位差を生成するコンバータであり、
前記放電期間における前記可変電圧部の電位差は前記蓄電部が有する電位差よりも小さな値である、
車載電源システム。
入力部と、
出力部と、
前記入力部と前記出力部とを接続する導電路線部と、
高電位電極と低電位電極とを有し、前記高電位電極に前記導電路線部が接続される蓄電部と、
前記低電位電極と接地間に接続された可変電圧部と、
前記蓄電部と前記可変電圧部とに接続されて、前記可変電圧部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記蓄電部の放電期間に、前記高電位電極と前記低電位電極との電位差へ前記可変電圧部の電圧を加算した値を所定の一定値とするように、前記可変電圧部の電圧を制御し、
前記可変電圧部は、前記出力部の電圧を用いて電位差を生成するコンバータであり、
前記放電期間における前記可変電圧部の電位差は前記蓄電部が有する電位差よりも大きな値である、
車載電源システム。
入力部と、
出力部と、
前記入力部と前記出力部とを接続する導電路線部と、
高電位電極と低電位電極とを有し、前記高電位電極に前記導電路線部が接続される蓄電部と、
前記低電位電極と接地間に接続された可変電圧部と、
前記蓄電部と前記可変電圧部とに接続されて、前記可変電圧部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記蓄電部の放電期間に、前記高電位電極と前記低電位電極との電位差へ前記可変電圧部の電圧を加算した値を所定の一定値とするように、前記可変電圧部の電圧を制御し、
前記制御部に接続された外部信号受信部をさらに備え、
前記放電期間は、前記外部信号受信部が車両起動信号を受信しているときに前記入力部の電圧が入力閾電圧よりも低くなったときに始められる、
車載電源システム。
入力部と、
出力部と、
前記入力部と前記出力部とを接続する導電路線部と、
高電位電極と低電位電極とを有し、前記高電位電極に前記導電路線部が接続される蓄電部と、
前記低電位電極と接地間に接続された可変電圧部と、
前記蓄電部と前記可変電圧部とに接続されて、前記可変電圧部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記蓄電部の放電期間に、前記高電位電極と前記低電位電極との電位差へ前記可変電圧部の電圧を加算した値を所定の一定値とするように、前記可変電圧部の電圧を制御し、
前記制御部に接続された外部信号受信部をさらに備え、
前記放電期間は、前記外部信号受信部が緊急起動信号を受信したときに始められる、
車載電源システム。