JP5134838B2 - 車両用電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電動パワーステアリング装置における高出力の電動モータのように大電流を必要とする負荷を備えた車両に設けられる車両用電源装置に関するものである。

車両の電動パワーステアリング装置においては、ドライバがステアリングホイールに加える手動操舵力を軽減するための補助操舵力を発生する電動モータが設けられており、この電動モータには高出力が要求されることから、バッテリからの電流を昇圧して電動モータに供給する昇圧回路が設けられており、これにより安定した高電圧を得ることができ、且つ入力側の電圧変化の影響を最小限に抑えることができるため、安定した電力供給が可能となり、良好な操舵フィールを得ることが可能になる。

このような昇圧回路を車両に設けるにあたっては、電動モータを駆動する電力制御インバータの近傍に昇圧回路を配置した構成（特許文献１参照）や、バッテリの近傍に昇圧回路を配置した構成（特許文献２参照）が知られている。
特開２００４−２７６８４１号公報 特開２００５−２１２６５９号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示の従来技術では、バッテリと昇圧回路とを結ぶワイヤハーネスの距離が長くなるため、電流が大きくなるのに応じて増大する電気抵抗による電圧低下が顕著になり、負荷の出力を十分に高めることができない不都合が生じる。

一方、前記特許文献２に開示の従来技術では、昇圧回路がバッテリの近傍に配置されることで、バッテリと昇圧回路とを結ぶワイヤハーネスの距離が短くなるため、ワイヤハーネスの電気抵抗による電圧低下を低く抑えて、負荷の出力向上を期待し得るものの、各種の部品が密集したエンジンルーム内で、且つバッテリの近傍に昇圧回路ユニットを配置するにはスペース上の制約が大きく、困難な場合が多い。

また、バッテリには、燃料噴射点火系の電装部品やルームランプ等のその他の電装部品が接続されているが、電動パワーステアリング装置の電動モータに大電流が発生すると、バッテリの電圧が急激に変動することで、ルームランプのちらつき（照度変化）やエンジン回転数の変化が発生して、ドライバに違和感を与えることがある。

本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、大電流を必要とする負荷に対して長距離の給電路を介して電力を供給する場合に、負荷の動作電圧を安定化して負荷の出力の向上を図ることができ、また他の電装部品での急激な電圧変動を回避して安定した動作を実現することができるように構成された車両用電源装置を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明による車両用電源装置においては、請求項１に示すとおり、負荷（電動モータ３３）に所要の電力を供給する主バッテリ（１）と、該主バッテリから前記負荷に向かう給電路（ワイヤハーネス２）に接続され、前記主バッテリの電圧よりも高い電圧を放電可能な補助バッテリ（４１）と、該補助バッテリからの給電を制御する補助バッテリ制御手段（コントローラ４３）とを有し、該補助バッテリ制御手段が、前記主バッテリ側から負荷に向かう給電路の電流が増大する大電流時に、前記補助バッテリからの給電を実行させ、前記補助バッテリから前記主バッテリに向かう逆向きの電流を検知した場合に、前記補助バッテリから前記主バッテリに向かう給電を停止するものとした。

これによると、主バッテリ側から負荷に向かう給電路の電流が増大する大電流時に、補助バッテリからの給電を実行させるため、主バッテリ側からの給電路の電流が小さくなり、電気抵抗による電圧低下を小さく抑えることができ、これにより負荷の動作電圧を安定化して、負荷に十分な電力を供給することができるため、負荷の出力の向上を図ることができる。

さらに、主バッテリの放電電流を低減することができるため、主バッテリに接続された他の電装部品（一般負荷）の電圧変動を抑えることができ、これによりルームランプの照度のちらつきやエンジン回転数の変化などの不具合を回避することができる。

この場合、主バッテリ側から負荷に向かう給電路の電流を検出する電流検出手段を設け、この電流検出手段による電流値に基づいて、補助バッテリからの給電を制御する構成が可能である。また、車両に設けられた各種の装置から出力される外部信号に応じて補助バッテリからの給電を行う構成としても良い。このようにすると、適確な電流供給と電流変化に対する追従応答性の向上を図ることが可能になるため、補助バッテリからの無用な電流供給を抑制することができ、結果的に、補助バッテリの消耗を防ぎ、電池容量の最適化と電池の長寿命化及びユニットの小型化を実現することができる。

電流検出手段を用いた制御では、電流検出手段による電流値を所定の閾値と比較し、その電流値が閾値を超えた場合に、補助バッテリからの給電を開始するものとすれば良い。これによると、主バッテリ側から負荷に向かう給電路の電流を閾値以下に確実に制限することができる。

さらに、電流検出手段を用いた制御では、補助バッテリ、補助バッテリ制御手段、及び電流検出手段を１つにまとめて補助電源ユニットとして構成することができ、この場合、主バッテリからの給電線が接続される入力端子と、負荷に向かう給電線が接続される出力端子とを備え、入力端子側の内部給電線に電流検出手段を設ければ、外部との信号の授受を要しない独立した簡素で廉価なシステムにすることが可能である。

また、外部信号に基づく制御では、負荷としての電動モータなどを制御する負荷制御手段から出力させた給電指示信号を外部信号として補助バッテリ制御手段に入力させれば良く、負荷制御手段では、電流、電圧、トルク及び回転数などの各種の状態量検出手段の出力信号の変動状況から負荷に対する給電量の増大を検知して給電指示信号を出力する。

また、各種の状態量検出手段から出力される信号を補助バッテリ制御手段に直接入力して、補助バッテリ制御手段において補助バッテリからの給電の要否を判定する構成も可能である。また、補助バッテリ制御手段あるいは外部の制御手段において、車両全体の電装部品やエンジンの動作状況を総合的に勘案して、補助バッテリからの給電の要否を判断するようにしても良い。

特に、前記補助バッテリ制御手段が、前記補助バッテリから前記主バッテリに向かう逆向きの電流を検知した場合に、前記補助バッテリから前記主バッテリに向かう給電を停止する構成としたため、補助バッテリの充電電力が無駄に放電されることを避けることができる。

この場合、主バッテリ側から負荷に向かう給電路の電流を検出する電流検出手段により、逆向きの電流を検知すれば良い。

前記車両用電源装置においては、請求項２に示すとおり、前記補助バッテリが、前記主バッテリ側から負荷に向かう給電路に対して、昇圧及び降圧を行う双方向コンバータ（４２）を介して接続され、前記補助バッテリ制御手段が、前記補助バッテリから前記主バッテリに向かう逆向きの電流を検知した場合に、前記双方向コンバータを制御して前記補助バッテリからの給電を停止する構成とすることができる。これによると、補助バッテリの放電電流を適切な電圧に降圧して給電路に送り込むことができ、また給電路からの電流を昇圧して補助バッテリの充電を行うことができる。さらに、昇圧及び降圧で変圧コイルを兼用することで、昇圧コンバータと降圧コンバータとを併設した構成に比較して、低コスト化及び小型化を図ることができる。

前記車両用電源装置においては、請求項３に示すとおり、前記補助バッテリ制御手段が、前記補助バッテリからの給電が不要な小電流時に、試験的に前記補助バッテリからの給電を行い、これに応じた負荷側の電流変化に基づいて、前記補助バッテリの動作状態を判定する構成とすることができる。これによると、補助バッテリの動作状態、すなわち補助バッテリが正常に動作するか否かを判定することができるため、信頼性の向上を図ることができる。

この場合、補助バッテリからの給電を短時間とすれば、負荷の動作に影響を与えることはない。また、負荷側の電流変化は、負荷側に設けられた電流検出手段の出力変化で検知すれば良い。

このように本発明によれば、主バッテリ側から負荷に向かう給電路の電流が増大する大電流時に、補助バッテリからの給電を実行させるため、主バッテリ側からの給電路の電流が小さくなり、電気抵抗による電圧低下を小さく抑えて、負荷の動作電圧を安定化することができ、負荷の出力の向上を図る上で大きな効果が得られる。さらに、主バッテリの放電電流を低減することができるため、主バッテリに接続された他の電装部品の電圧変動を抑えることができ、他の電装部品の安定した動作を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明による車両用電源装置が適用された電力供給システムの全体を示すブロック図である。ここでは、主バッテリ１から長寸なワイヤハーネス（給電路）２を介して電動パワーステアリングシステム３に電力が給電され、電動パワーステアリングシステム３の操舵制御ユニット３１の近傍には、補助電源ユニット４が設けられている。

主バッテリ１は、例えば鉛電池からなる。この主バッテリ１には、セルモータ１１が接続されており、主バッテリ１から供給される電力でセルモータ１１が駆動してエンジン（図示せず）を始動する。また主バッテリ１には、エンジンにより駆動される発電機（オルタネータ）１２が整流器（レクチファイア）１３を介して接続されており、発電機１２が発生する電力により主バッテリ１が充電される。さらに主バッテリ１には、電磁リレー１４を介して、燃料噴射点火系の電装部品１５と、ルームランプやヘッドライト等のその他の電装部品１６とが接続されており、各々に電力を供給する。

電動パワーステアリングシステム３は、操舵車輪Ｗを転舵する際に、ステアリングホイール３２の手動操舵力を軽減するための補助操舵力を発生する電動モータ（負荷）３３と、手動操舵トルクを検出する操舵トルクセンサ３４と、ステアリングホイール３１の回転角を検出する操舵角センサ３５と、操舵制御ユニット３１とを備えている。

この操舵制御ユニット３１では、操舵トルクセンサ３４及び操舵角センサ３５により取得した操舵トルク及び操舵角などに基づいてモータ電流Ａ０の目標値が算出され、電力制御インバータからなる駆動回路３６において目標値と実電流との偏差が小さくなるように電動モータ３３の電流が制御され、大きな補助操舵力が要求される際には大電流が必要となる。

補助電源ユニット４は、補助バッテリ４１と、双方向コンバータ４２と、電流検出器４４と、電圧検出器４５と、コントローラ（補助バッテリ制御手段）４３とを備えている。

この補助電源ユニット４は、主バッテリ１から電動パワーステアリングシステム３に向かう給電路に介装され、大電流を必要とする電動パワーステアリングシステム３のサブ電源として機能するものであり、主バッテリ１からのワイヤハーネス２が接続される入力端子と、電動パワーステアリングシステム３に向かう給電線５が接続される出力端子とを備えており、外部との信号の授受を要しない独立した簡素で廉価なシステムとなっている。

補助バッテリ４１は、充電が可能な二次電池、例えばリチウムイオン電池からなる。この補助バッテリ４１は、主バッテリ１の電圧（通常１２Ｖ）よりも高い電圧（例えば１６Ｖ）を放電可能となっている。

双方向コンバータ４２は、昇圧及び降圧の両方向の電圧変換が可能なＤＣ／ＤＣコンバータであり、主バッテリ１側からの給電線Ｌ１に対する接続点Ｎと補助バッテリ４１との間に介装され、補助バッテリ４１の放電電流を適切な電圧に降圧して接続点Ｎに送り込み、また接続点Ｎからの電流を昇圧して補助バッテリ４１の充電を行う。この双方向コンバータ４２は、昇圧及び降圧で変圧コイルが兼用されているため、昇圧コンバータと降圧コンバータとを併設した構成に比較して、低コスト化及び小型化を図ることができる。

電流検出器４４及び電圧検出器４５はそれぞれ、主バッテリ１側からの給電線Ｌ１、すなわち接続点Ｎより主バッテリ１側の電流Ａ１及び電圧Ｖ１を検出する。

コントローラ４３は、補助バッテリ４１からの給電を制御するものであり、特にここでは、主バッテリ１側からの給電線Ｌ１の電流を検出する電流検出器４４の電流値に基づいて、補助バッテリ４１からの給電を制御し、主バッテリ１側からの給電線Ｌ１の電流が増大する大電流時（例えば４０〜５０Ａ以上）に、双方向コンバータ４２を制御して補助バッテリ４１からの給電を実行させる。

具体的には、電流検出器４４により検出された電流Ａ１を所定の閾値（例えば５０Ａ）と比較し、その電流Ａ１が閾値（例えば５０Ａ）を超えた場合に、補助バッテリ４１からの給電を開始する。すなわち、小電流時（例えば５０Ａ程度まで）には、主バッテリ１から電力が供給され、大電流時（例えば５０Ａ以上）には、主バッテリ１に加えて補助バッテリ４１からも電力が供給される。

このとき、双方向コンバータ４２では、主バッテリ１よりも高い電圧を放電可能な補助バッテリ４１の放電電流を、主バッテリ１側からの給電線Ｌ１の電圧を検出する電圧検出器４５の電圧値に基づいて所要の電圧に降圧し、これにより発生したブースト電流Ａ２が接続点Ｎに送り込まれる。

これにより、電動モータ３３の電流Ａ０が増大しても、主バッテリ１側からのワイヤハーネス２に流れる電流Ａ１の上昇が抑制されるため、ワイヤハーネス２での電気抵抗による電圧低下（Ｖ０−Ｖ１）を小さく抑えることができる。このため、電動モータ３３の動作電圧が高くなり、電動モータ３３に十分な電力が供給されるため、電動モータ３３の出力の向上を図ることができる。

また、主バッテリ１の放電電流を低減することができるため、主バッテリ１に接続された電装部品１５・１６の電圧変動を抑えることができ、これによりルームランプのちらつきやエンジン回転数の変化などの不具合を回避することができる。

このように電流検出器４４にて主バッテリ１側からの電流を検出して制御するため、適確な電流供給と電流変化に対する追従応答性の向上を図ることが可能になり、補助バッテリ４１からの無用な電流供給を抑制することができ、結果的に、補助バッテリ４１の消耗を防ぎ、電池容量の最適化と電池の長寿命化及びユニットの小型化を実現することができる。

また、この電力供給システムでは、補助バッテリ４１からの給電中に、主バッテリ１側の電圧状況に応じて、補助バッテリ４１から主バッテリ１に向かう逆向きの電流が発生する可能性があり、これを放置すると、補助バッテリ４１の充電電力が無駄に放電される。

そこで、コントローラ４３において、補助バッテリ４１から主バッテリ１に向かう逆向きの電流を検知した場合に、双方向コンバータ４２を制御して補助バッテリ４１からの給電を停止する。このとき、補助バッテリ４１から主バッテリ１に向かう逆向きの電流は、主バッテリ１側からの給電線Ｌ１の電流を検出する電流検出器４４を用いて検知すれば良い。

また、この電力供給システムでは、信頼性の向上を図るため、補助バッテリ４１の動作状態、すなわち補助バッテリ４１が正常に動作するか否かの故障判定が行われる。

すなわち、コントローラ４３において、補助バッテリ４１からの給電が不要な小電流時に、試験的に補助バッテリ４１からの給電を行い、これに応じた電動モータ３３側の電流変化に基づいて、補助バッテリ４１の動作状態を判定する。このとき、補助バッテリ４１からの試験的な給電を短時間で行えば、電動モータ３３の動作に影響を与えることはない。また、電動モータ３３側の電流変化は、操舵制御ユニット３１に設けられた電流検出器３７の出力変化で検知すれば良い。

この動作試験の際には、コントローラ４３において、例えば補助バッテリ４１からの給電を要する大電流時か否かの判定基準となる閾値（例えば５０Ａ）を一時的に低い値に設定変更すれば、コントローラ４３の基本的な制御手順を変更することなく、試験的な補助バッテリ４１からの給電動作を実行させることができる。また、この動作試験は、タイマを用いて定期的に行うようにすると良い。

図２は、本発明による車両用電源装置が適用された電力供給システムの別の例を示すブロック図である。ここでは、電動パワーステアリングシステム３の操舵制御ユニット３１から出力される給電指示信号に応じて、補助電源ユニット４のコントローラ４３が、双方向コンバータ４２を制御して補助バッテリ４１からの給電を行う。

操舵制御ユニット３１では、電動モータ３３に対する給電量の増大を検知して給電指示信号を出力する。ここで、電動モータ３３の給電量の増大は、電動モータ３３の電流を検出する電流検出器３６による電流Ａ０が所定の閾値を超えたことで検知すれば良い。また、操舵トルクセンサ３３により検出された操舵トルク、電動モータ３３の回転数、並びに操舵制御ユニット３１の入力電圧などの変動状況に基づいて、電動モータ３３の給電量の増大を検知するようにしても良い。

なお、電流、電圧、トルク及び回転数などの各種の状態量検出センサから出力される信号を、補助電源ユニット４のコントローラ４３に直接入力して、そのコントローラ４３において補助バッテリ４１からの給電の要否を判定するようにしても良い。また、補助電源ユニット４のコントローラ４３あるいは外部のコントローラにおいて、車両全体の電装部品やエンジンの動作状況を総合的に勘案して、補助バッテリ４１からの給電の要否を判断するようにしても良い。

本発明による車両用電源装置が適用された電力供給システムの全体を示すブロック図である。 本発明による車両用電源装置が適用された電力供給システムの別の例を示すブロック図である。

符号の説明

１ 主バッテリ
２ ワイヤハーネス（給電路）
３ 電動パワーステアリングシステム
４ 補助電源ユニット
５ ワイヤハーネス
１５・１６ 電装部品
３３ 電動モータ（負荷）
４１ 補助バッテリ
４２ 双方向コンバータ
４３ コントローラ（補助バッテリ制御手段）

Claims (3)

1. 負荷に所要の電力を供給する主バッテリと、
   該主バッテリから前記負荷に向かう給電路に接続され、前記主バッテリの電圧よりも高い電圧を放電可能な補助バッテリと、
   該補助バッテリからの給電を制御する補助バッテリ制御手段とを有し、
   該補助バッテリ制御手段が、前記主バッテリ側から負荷に向かう給電路の電流が増大する大電流時に、前記補助バッテリからの給電を実行させ、前記補助バッテリから前記主バッテリに向かう逆向きの電流を検知した場合に、前記補助バッテリから前記主バッテリに向かう給電を停止することを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記補助バッテリが、前記主バッテリ側から負荷に向かう給電路に対して、昇圧及び降圧を行う双方向コンバータを介して接続され、
   前記補助バッテリ制御手段が、前記補助バッテリから前記主バッテリに向かう逆向きの電流を検知した場合に、前記双方向コンバータを制御して前記補助バッテリからの給電を停止することを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記補助バッテリ制御手段が、前記補助バッテリからの給電が不要な小電流時に、試験的に前記補助バッテリからの給電を行い、これに応じた負荷側の電流変化に基づいて、前記補助バッテリの動作状態を判定することを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の車両用電源装置。

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