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車両電源用キャパシタの充電装置 - 特開平9−25864 | j-tokkyo
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【発明の名称】 車両電源用キャパシタの充電装置
【発明者】 【氏名】佐々木 虎彦

【目的】
【構成】
【特許請求の範囲】
【請求項1】 少なくとも機関停止操作以前の特定機関運転状態においてキャパシタを充電する主充電手段と、車両駐車に際しての機関停止操作を検出する機関停止操作検出手段と、前記機関停止操作検出手段により機関停止操作が検出された後に所定時間の間だけ前記キャパシタをその定格電圧で充電する予備充電手段、とを具備することを特徴とする車両電源用キャパシタの充電装置。
【請求項2】 前記機関停止操作検出手段により機関停止操作が検出された時の前記キャパシタの第1電圧値及びその時から設定時間経過後の第2電圧値を測定するキャパシタ電圧測定手段と、前記第1電圧値及び第2電圧値に基づき決定される電圧降下程度を算出する算出手段と、前記算出手段により算出される前記電圧降下程度が所定値以下である時には前記予備充電手段による前記キャパシタの充電を中止する充電中止手段、とをさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の車両電源用キャパシタの充電装置。
【請求項3】 前記予備充電手段は、少なくとも前記所定時間の間だけ機関を運転する機関運転手段と、前記機関運転手段により運転される機関によって駆動されて前記キャパシタを充電する発電機とを有することを特徴とする請求項1又は2に記載の車両用キャパシタの充電装置。
【請求項4】 前記予備充電手段は、少なくとも前記所定時間の間だけ前記キャパシタを充電する蓄電池を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の車両用キャパシタの充電装置。
【発明の詳細な説明】【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、車両電源用キャパシタの充電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、機関クランクシャフトと変速機との間にかご型多相誘導機を配置し、車両制動時にこの誘導機を発電機として機能させて、機械的エネルギを電気エネルギとして回収し、機関始動時及び車両加速時にこの電気エネルギを利用して誘導機を電動機関として機能させ、スタータ及び加速アシスト装置として使用するリターダ装置が提案されている。前述の誘導機は、機関始動時及び車両加速時に直接クランクシャフトを回転させるために、高トルクを発生するものでなけばならず、高電圧駆動誘導機が使用されている。
【0003】それにより、このようなリターダ装置において、通常、高電圧蓄電池が電気エネルギを蓄えるために使用されるが、特開平5−260609号公報には、これに代えてキャパシタを使用することにより、軽量化を図ると共に電気エネルギの利用効率を高めることが開示されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】前述の従来技術において、キャパシタは、車両駐車に際して、走行車両の最後の制動によって必ず充電される。しかしながら、この充電後のキャパシタ電圧が十分に高くても、車両駐車期間が一日程度で大きな自己放電が起こる可能性があり、この時には、機関始動時において誘導機をスタータとして機能させることができない。
【0005】従って、本発明の目的は、車両電源用キャパシタの車両駐車中における自己放電を低減することが可能な車両電源用キャパシタの充電装置を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の本発明による車両電源用キャパシタの充電装置は、少なくとも機関停止操作以前の特定機関運転状態においてキャパシタを充電する主充電手段と、車両駐車に際しての機関停止操作を検出する機関停止操作検出手段と、前記機関停止操作検出手段により機関停止操作が検出された後に所定時間の間だけ前記キャパシタをその定格電圧で充電する予備充電手段、とを具備することを特徴とする。
【0007】この車両用キャパシタの充電装置の作用を説明すると、車両駐車に際して、機関停止操作以前に主充電手段がキャパシタを充電し、機関停止操作検出手段により機関停止操作が検出された後に、予備充電手段が、所定時間の間だけキャパシタをその定格電圧で充電するために、機関停止操作が検出された時点でキャパシタの充電が不十分であってもそれを満充電状態に近づけることができる。
【0008】また、請求項2に記載の本発明による車両用キャパシタの充電装置は、請求項1に記載の車両電源用キャパシタの充電装置において、前記機関停止操作検出手段により機関停止操作が検出された時の前記キャパシタの第1電圧値及びその時から設定時間経過後の第2電圧値を測定するキャパシタ電圧測定手段と、前記第1電圧値及び第2電圧値に基づき決定される電圧降下程度を算出する算出手段と、前記算出手段により算出される前記電圧降下程度が所定値以下である時には前記予備充電手段による前記キャパシタの充電を中止する充電中止手段、とをさらに具備することを特徴とする。
【0009】この車両用キャパシタの充電装置の作用を説明すると、請求項1に記載の車両電源用キャパシタの充電装置において、キャパシタ電圧測定手段により測定される機関停止操作時のキャパシタの第1電圧値及びその後の設定時間経過後の第2電圧値に基づき、算出手段が電圧降下程度を算出し、充電中止手段が、この電圧降下程度が所定値以下である時には、機関停止操作が検出された時点でキャパシタが満充電状態であるとして予備充電手段によるキャパシタの充電を中止する。
【0010】また、請求項3に記載の本発明による車両用キャパシタの充電装置は、請求項1又は2に記載の車両用キャパシタの充電装置において、前記予備充電手段は、少なくとも前記所定時間の間だけ機関を運転する機関運転手段と、前記機関運転手段により運転される機関によって駆動されて前記キャパシタを充電する発電機とを有することを特徴とする。
【0011】また、請求項4に記載の本発明による車両用キャパシタの充電装置は、請求項1又は2に記載の車両用キャパシタの充電装置において、前記予備充電手段は、少なくとも前記所定時間の間だけ前記キャパシタを充電する蓄電池を有することを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】図1は、本発明による車両用キャパシタの充電装置を含むリターダ装置の構成を示す概略図である。1は内燃機関、2は変速器であり、内燃機関1と変速器2との間にはかご型多相誘導機3が配置されている。この誘導機3は、その回転軸3fの一端部が機関クランクシャフトに、また他端部が変速器2へそれぞれ直結されている。回転軸3fの回りに配置されるロータ鉄心3aには、かご型巻線3bが装着され、またステータ鉄心3cには、低圧巻線3d及び高圧巻線3eが装着されている。
【0013】図2は、このリターダ装置の電気回路の概略図である。同図に示すように、誘導機3の高圧巻線3eは、第1インバータ4を介して、キャパシタ5とそれに並列に配置された抵抗器6及びその通電を制御するチョッパ7へ電気的に接続され、また、低圧巻線3dは、第2インバータ8を介して直流の低圧バッテリ9へ電気的に接続されている。第2インバータ8と低圧バッテリ9との間には、コンタクタ10が設けられている。この低圧バッテリ9は、車両の電装品へ電気を供給するためのものである。
【0014】第2インバータ8は、トランジスタ及びダイオードから成り、充電側に制御される時に低圧巻線3dで発生した交流電流を直流電流に変換して低圧バッテリ9へ充電することを可能にすると共に、逆に放電側に制御される時に低圧バッテリ9の電圧を低圧巻線3dへ印加することを可能にするものである。第1インバータ4も同様なものであるが、さらに高圧巻線3eに印加する電圧及び周波数を変化させて発生する磁束及び誘導機トルクを変化させることができるものである。
【0015】制御装置20は、第1及び第2インバータ4,8、チョッパ7、コンタクタ10を制御するためのものであり、キャパシタ5の電圧Vh及び電流I1、低圧バッテリ9の電圧Vl、高圧巻線3eの電流I2、誘導機3のロータ回転数すなわち機関回転数N、変速器2のギヤ比i、内燃機関1の点火信号S1、及び車両におけるアクセル開度θ、ブレーキ油圧p、イグニッションオン信号S2、スタータオン信号S3、車速v、及びブレーキスイッチ信号S4等が入力される。
【0016】制御装置20は、スタータオン信号S3が入力されたことに基づき機関始動時であると判断して、負荷を低減するためにコンタクタ10をオフし、高圧巻線3eに発生する磁束φが最大となり、機関回転数Nに応じた最適トルクTが発生するように第1インバータ4を制御して、キャパシタ5に充電された電気エネルギを使用して誘導機3を電動機として機能させ、スタータとして使用するようになっている。また、アクセル開度θの変化量に基づき車両加速時であると判断した時には、車速v、ギヤ比i、及び機関回転数N等に基づき最適トルクが発生するように第1インバータ4を制御して、この時にも誘導機3は電動機として機能させ、加速アシストを行うようになっている。
【0017】また、ブレーキスイッチ信号S4が入力されたことに基づきブレーキが踏み込まれた車両制動時であると判断した時には、誘導機3を発電機として機能させ、車両の制動性能を高めると共に、従来ブレーキ熱として排出されていた機械的エネルギをキャパシタ5及び低圧バッテリ9へ電気エネルギとして回収するようになっている。この場合において、車速vが比較的速い時には、低圧巻線3dにより発生する電圧が電装品の許容電圧Veを越える可能性があり、低圧バッテリ9への充電を中止するために、コンタクタ10はオフされ、最大の制動力を得るために誘導機3の高圧巻線3eに発生する磁束φが最大となり、ブレーキ油圧p及び変速機2のギヤ比iを基に誘導機3に最適トルクTを発生させるように第1インバータ4を制御し、さらに、キャパシタ5の過充電を防止するために、余剰電流を抵抗器6の発熱により排出させるべく、キャパシタ5の電圧Vhを基にチョッパ7を制御するようになっている。
【0018】一方、車速vが遅くなった時には、低圧バッテリ9への充電も可能となるために、コンタクタ10はオンされ、この充電電流が電装品の許容電圧未満の所定電圧Veとなるように機関回転数Nを考慮して定められた高圧巻線3eにより発生する磁束φが実現され、誘導機3に最適トルクTを発生させるように第1インバータ4が制御される。
【0019】制御装置20は、このような一般的なキャパシタ5の充放電に加えて、図3に示す第1フローチャートによる充電も実行するようになっている。まず、ステップ101において、イグニッションオン信号S2が入力されているか否かが判断され、この判断が肯定される時にはそのまま終了するが、否定される時には、イグニッションがオフされた時であり、機関停止ステップ102に進み、運転者が車両駐車を意図する時であるが、機関アイドル運転を維持し、誘導機3を発電機として機能させ、その発生電圧がキャパシタ5の定格電圧となるように第1インバータ4を制御して充電を実行する。
【0020】次に、ステップ103に進み、ステップ102の充電が開始されてからの経過時間tが所定時間t0(例えば、数分間)に達しているか否かが判断され、この判断が肯定されるまでステップ102の充電が実行される。一方、前述の経過時間tが所定時間t0となれば、ステップ104に進み、機関を停止させ、それに伴い誘導機3によるキャパシタ5の充電も終了する。このように、制御装置20は、イグニッションオフ、すなわち機関停止操作後に、所定時間の間だけ定格電圧でのキャパシタ5の充電を行うようになっている。
【0021】キャパシタ5は、その等価回路図である図4に示すように、端子間の抵抗Rと、多数の直列に配置された微小なコンデンサcnと抵抗rnの組み合わせとが、並列に配置されたようになっている。これらの各抵抗rnの抵抗値は微視的には異なり、それによって、キャパシタ5の充電時には小さな抵抗値を有する抵抗rnに直列配置された微小コンデンサcnから順に充電される。
【0022】このようなキャパシタ5に対して、前述したように、車両駐車に際しては、最後の車両制動によって充電されて、その後この電気エネルギは誘導機3によって使用されることはない。しかしながら、この充電によって、キャパシタ5の電圧がその定格電圧となっていても、微小なコンデンサcnの全てが十分に充電されていないことがあり、その状態で放置すると、キャパシタ5の自己放電特性を示す図5に点線で表すように、十分に充電された微小コンデンサから十分に充電されていない微小コンデンサへの自己放電が発生して、一日程度の車両駐車でもキャパシタ5の電圧はかなり低下して次回の機関始動時に誘導機3をスタータとして機能させることができないことがあるが、本実施態様により、車両駐車に際して機関停止操作後に所定時間の間だけ定格電圧でのキャパシタ5の充電が実行されるために、キャパシタ5を構成する微小コンデンサのほぼ全てが十分に充電され、図5に実線で表すように、次回の機関始動時における自己放電による電圧降下をかなり抑制することができる。
【0023】図6は、図3の第1フローチャートに代えて制御装置20によって実行される第2フローチャートである。まず、ステップ201において、イグニッションオン信号S2が入力されているか否かが判断され、この判断が肯定される時にはそのまま終了するが、否定される時には、ステップ202に進み、運転者が車両駐車を意図する時であり機関を停止させ、ステップ203においてキャパシタ5の現在の第1電圧V1を測定する。
【0024】次に、ステップ204において、第1電圧V1が測定されてから設定時間経過後(例えば1時間)のキャパシタ5の第2電圧V2を測定し、ステップ205において、第1電圧V1及び第2電圧V2に基づき電圧降下度D(=1−V2/V1)を算出し、ステップ206において、この電圧降下度Dが所定値D0より大きいか否かが判断され、この判断が否定される時には、機関停止操作時において、キャパシタ5は、図5の実線で表された十分な充電が行われており、過充電を防止するために、さらなる充電は行われずそのまま終了する。
【0025】一方、ステップ206における判断が肯定される時には、機関停止操作時において、キャパシタ5には十分な充電が行われておらず、ステップ207に進み、誘導機3の低圧巻線3dと高圧巻線3eとがトランスのように構成されているために、第1インバータ4が充電側に、また第2インバータ8が放電側とされ、低圧バッテリ9からキャパシタ5への定格電圧での充電が開始され、ステップ208においてこの充電開始からの経過時間tが所定時間t0に達したか否かが判断され、この判断が肯定されるまでステップ207の充電が継続され、その後、ステップ209において低圧バッテリ9からの充電が終了される。
【0026】このように、機関停止操作時にキャパシタ5の充電が不十分である時にだけキャパシタ5のさらなる充電を実行することで、キャパシタ5の過充電を防止して車両駐車中のキャパシタ5の自己放電による電圧降下を抑制することが可能となる。このようなキャパシタ5の充電、言わば予備充電では、機関停止操作以前の主充電によって少なくともある程度のキャパシタの充電が行われているために、電流はほとんど流れず、低圧バッテリ9の電力の損失は非常に小さいものである。
【0027】図7は、図3の第1フローチャートの変更例であり、キャパシタの予備充電手段として誘導機3を使用する代わりに低圧バッテリ9を使用するものであり、車両停止操作時に機関を停止させて、所定時間の間だけ低圧バッテリ9でキャパシタ5を充電するようになっている。また、図8は、図6の第2フローチャートの変更例であり、キャパシタの予備充電手段として低圧バッテリ9を使用する代わりに誘導機3を使用するものであり、機関停止操作時に機関を停止させて、キャパシタ5の電圧降下度を算出し、これがキャパシタの充電不良を示す場合には、再び機関を運転させて誘導機3によりキャパシタ5を充電するようになっている。
【0028】前述した実施態様では、誘導機3が、低圧バッテリ9の充電も行うために、二種類の巻線を有しており、それにより、前述の低圧バッテリからのキャパシタの予備充電において、この二種類の巻線をトランスのように機能させたが、低圧バッテリ9を通常のようにオルタネータで充電するものにおいては、この予備充電には、キャパシタ5と低圧バッテリ9を接続するためのDC−DCコンバータが必要となる。また、キャパシタ5は、機関始動時において、誘導機をスタータとして機能させるものとして説明したが、これは本発明を限定するものではなく、例えば、機関始動時において触媒早期暖機を意図して配置された電気加熱式触媒コンバータへの通電にも利用可能である。さらに、キャパシタの予備充電に、リターダ装置の誘導機3又は車両電装品用の低圧バッテリ9を流用したが、もちろん、それ専用に機関により駆動される発電機又はバッテリを設けてもよい。
【0029】
【発明の効果】このように、請求項1に記載の本発明による車両電源用キャパシタの充電装置によれば、車両駐車に際して、機関停止操作以前に主充電手段がキャパシタを充電し、機関停止操作検出手段により機関停止操作が検出された後に、予備充電手段が、所定時間の間だけキャパシタをその定格電圧で充電するために、機関停止操作が検出された時点でキャパシタの充電が不十分であってもそれを満充電状態に近づけることができ、車両駐車中において、キャパシタの微小なコンデンサの間で電荷が移動する自己放電量が少なくなり、次回の機関始動時におけるキャパシタの電圧降下量をかなり抑制することができる。また、この自己放電は、エネルギ損失が大きく発熱を伴うために、これを低減することでキャパシタの耐久性を向上させることができる。
【0030】また、請求項2に記載の本発明による車両用キャパシタの充電装置によれば、請求項1に記載の車両電源用キャパシタの充電装置において、キャパシタ電圧測定手段により測定される機関停止操作時のキャパシタの第1電圧値及びその後の設定時間経過後の第2電圧値に基づき、算出手段が電圧降下程度を算出し、充電中止手段が、この電圧降下程度が所定値以下である時には、機関停止操作が検出された時点でキャパシタが満充電状態であるとして予備充電手段によるキャパシタの充電を中止するために、キャパシタの過充電が防止されると共に、予備充電手段による無駄なエネルギ損失を防止すことができる。
【0031】また、請求項3に記載の本発明による車両用キャパシタの充電装置によれば、請求項1又は2に記載の車両用キャパシタの充電装置において、予備充電手段は、少なくとも所定時間の間だけ機関を運転する機関運転手段と、機関運転手段により運転される機関によって駆動されてキャパシタを充電する発電機とを有するために、主充電手段としてこの発電機を使用することも可能である。
【0032】また、請求項4に記載の本発明による車両用キャパシタの充電装置によれば、請求項1又は2に記載の車両用キャパシタの充電装置において、予備充電手段は、少なくとも所定時間の間だけキャパシタを充電する蓄電池を有するために、機関停止操作後に機関を運転する必要はない。
【出願人】 【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
【出願日】 平成7年(1995)7月10日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】石田 敬 (外3名)
【公開番号】 特開平9−25864
【公開日】 平成9年(1997)1月28日
【出願番号】 特願平7−173413