CN111669045B - 车辆用电源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开车辆用电源系统。本说明书提供不依赖于低通滤波器而降低连接于主电池与副电池之间的电压转换器产生的噪声对外部的供电装置造成的影响的技术。电源系统(200)具备充电接口(106、107)、电压转换器(200)及控制器(110)。充电接口(106、107)能够连接车辆外部的供电装置。电压转换器(200)连接于主电池(101)与副电池(102)之间，能够通过开关元件(221、222)使主电池(101)的电力降压而供给到副电池(102)。在对充电接口(106、107)连接供电装置且用供电装置对主电池(101)进行充电的期间，相比于并非充电中的情况，控制器(110)减慢开关元件(221、222)的开关速度。

Description

车辆用电源系统
技术领域
本说明书公开的技术涉及车辆用电源系统。
背景技术
搭载于电动汽车的电源系统具备积蓄对行驶用的马达供给的电力的主电池(例如专利文献1)。在电动汽车中，还有能够用车辆外部的供电装置对主电池进行充电的类型。专利文献1公开的电动汽车的电源系统具备主电池和与主电池连接且能够连接车辆外部的供电装置的充电接口。专利文献1的电源系统还具备电压转换器，该电压转换器通过开关元件使主电池的电力降压并供给给副电池。副电池向以比主电池的输出电压低的电压工作的设备供给电力。以比主电池的输出电压低的电压工作的设备有时被总称为“辅助设备”。在辅助设备中，例如，包括收音机、室内灯等。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2016-134976号公报
发明内容
在用户使用收音机、室内灯等辅助设备时，副电池的剩余电量减少。在用车辆外部的供电装置对主电池进行充电的期间副电池的剩余电量变少时，电源系统的控制器启动电压转换器。在用车辆外部的供电装置对主电池进行充电的期间，有时与主电池连接的电压转换器工作。即，工作中的电压转换器经由充电接口与车辆外部的供电装置导通。此时，电压转换器产生的噪声经由充电接口传播到供电装置，有可能对供电装置造成影响。为了抑制噪声，通常引入低通滤波器。然而，在引入低通滤波器时，除了成本增加以外，还需要设置低通滤波器的空间。期望搭载于汽车的设备的体积小。本说明书提供不依赖于低通滤波器而降低连接于主电池与副电池之间的电压转换器产生的噪声对外部的供电装置造成的影响的技术。
电压转换器具备用于对电压进行变换的开关元件，是开关元件的开关所引起的噪声(开关噪声)对外部的供电装置造成影响的一个因素。通过降低开关速度，能够降低开关噪声。但是，在降低开关速度时，电压转换器的损耗会变大。因此，在本说明书公开的电源系统中，在用外部的供电装置经由充电接口对主电池进行充电时，降低开关速度，降低开关噪声。在并非充电中时，使开关速度返回到通常的速度，抑制损耗。本说明书公开的电源系统通过切换开关速度，不依赖于低通滤波器就能够降低噪声对外部的供电装置造成的影响。另外，在未连接外部的供电装置时，得到高的电压变换效率。
本说明书公开的车辆用的电源系统具备充电接口、电压转换器、以及控制器。充电接口与主电池连接，是能够连接车辆外部的供电装置的设备。电压转换器连接于主电池与副电池之间。电压转换器能够通过开关元件使主电池的电力降压而供给到副电池。控制器控制电压转换器。在对充电接口连接有供电装置且用供电装置对主电池进行充电的期间，相比于并非充电中的情况，控制器减慢开关元件的开关速度。本说明书公开的技术通过电压转换器的控制来抑制开关噪声，能够不依赖于低通滤波器而降低噪声。另外，在未进行充电的期间，不降低开关速度，所以损耗不会变大。
也可以在驱动电压转换器的开关元件的驱动电路与开关元件的栅极之间，能够选择地连接第1电阻元件和第2电阻元件。第2电阻元件的电阻值大于第1电阻元件的电阻值。控制器也可以构成为在对充电接口连接有供电装置且用从供电装置供给的电力对主电池进行充电时，选择第2电阻元件，在并非充电中时，选择第1电阻元件。通过具备可选择的2个电阻元件，能够简单地切换开关速度。在采用2个电阻元件的情况下，需要新追加电阻元件和开关，但相比于低通滤波器，追加的部件件数少。
在以下的“具体实施方式”中，说明本说明书公开的技术的详细内容和进一步的改良。
附图说明
图1是包括实施例的电源系统的电动汽车的电力系统的框图。
图2是电压转换器的示意性的电路图。
图3是驱动电路和电阻元件切换电路的一个例子的电路图。
图4是选择第1电阻元件时的开关时序图(图4的(A))和选择第2电阻元件时的开关时序图(图4的(B))。
(符号说明)
2：电动汽车；3：逆变器；4：马达；5：辅助设备电力线；6：收音机；7：室内灯；100：电源系统；101：主电池；102：副电池；103：充电继电器；104：系统主继电器；105：AC充电器；106、107：充电接口；108：低通滤波器；110：电源控制器；200：电压转换器；205：扼流线圈；206a：正极线；206b：负极线；211a、211b：Y电容器；212：X电容器；221、222：开关元件；223、224：回流二极管；225：电容器；226：线圈；230：变压器；231：初级线圈；232：次级线圈；240：整流电路；250：驱动电路；251、252：晶体管；253：CMOS；254：电源；260：开关；261：第1电阻元件；262：第2电阻元件；263：反转元件。
具体实施方式
参照附图，说明实施例的电源系统100。电源系统100是车辆用的电源系统，搭载于电动汽车2。图1示出包括电源系统100的电动汽车2的电力系统的框图。实施例的电动汽车2能够用行驶用的马达4行驶。电源系统100对马达4供给电力，并且对电动汽车2搭载的辅助设备也供给电力。马达4的驱动电压是100伏特以上。辅助设备是驱动电力比马达4的驱动电力低的车载设备的总称。在辅助设备中，例如有收音机6、室内灯7等。电动汽车2除了收音机6、室内灯7以外还具备很多辅助设备，但省略它们的图示。
电动汽车2具备电源系统100、逆变器3、马达4、收音机6、室内灯7。在电动汽车2的主体周围设置有辅助设备电力线5，收音机6、室内灯7等辅助设备从辅助设备电力线5接受电力供给。车辆的主体成为辅助设备的地线G。
电源系统100具备主电池101、副电池102、充电继电器103、系统主继电器104、低通滤波器108、电压转换器200、电源控制器110。
主电池101积蓄用于行驶用的马达4的电力。主电池101是锂离子电池等二次电池。主电池101的输出电压例如是200伏特。
副电池102如上所述积蓄驱动收音机6等辅助设备的电力。副电池102的输出电压低于主电池101的输出电压。副电池102的输出电压例如是12伏特。对副电池102的正极连接辅助设备电力线5，经由辅助设备电力线5对收音机6等辅助设备供给电力。
主电池101经由系统主继电器104与逆变器3连接。通过电源控制器110控制系统主继电器104。在车辆的主开关(未图示)接通时，电源控制器110使系统主继电器104闭合，将主电池101与逆变器3连接。在主电池101与逆变器3连接时，电动汽车2完成行驶准备。
对系统主继电器104的逆变器3侧的主电力线109，除了连接逆变器3以外，还连接电压转换器200。电压转换器200具备开关元件221、222。电压转换器200是降压转换器，通过开关元件221、222使主电池101的电力降压而供给给副电池102。如上所述，副电池102对收音机6等辅助设备供给电力。在副电池102的剩余电量(State Of Charge：SOC)变少时，电源控制器110启动电压转换器200，用主电池101的电力对副电池102进行充电。在图1中，示意性地示出电压转换器200具有开关元件221、222。在后面，参照图2，详细说明电压转换器200的电路结构。
电压转换器200经由低通滤波器108与主电池101连接。省略详细的构造说明，低通滤波器108具有将由线圈和电容器构成的多个LC滤波器串联地连接的构造。低通滤波器108也可以是组合扼流线圈、Y电容器、X电容器的构造。低通滤波器108降低电压转换器200产生的噪声。
电源系统100还具备AC充电器105、AC充电接口106、DC充电接口107。电源系统100能够用车辆外部的供电装置对主电池101进行充电。在图1中，作为外部的供电装置，用假想线描绘AC供电装置301和DC供电装置302。
为了用供给交流电力的外部的AC供电装置301对主电池101进行充电，具备AC充电器105和AC充电接口106。AC充电接口106设置于车辆的主体，能够连接外部的AC供电装置301。AC充电器105与AC充电接口106连接，并且经由充电继电器103与主电池101连接。
AC充电器105是AC-DC转换器，将从外部的AC供电装置301供给的交流电力变换为适合于主电池101的充电的直流电力。
在AC充电接口106中，具备未图示的传感器，当外部的AC供电装置301被连接时，连接信号从传感器送到电源控制器110。电源控制器110在探测到AC供电装置301被连接时，使充电继电器103闭合而将AC充电器105与主电池101连接。电源控制器110在从AC供电装置301的供电开始时，启动AC充电器105。如上所述，AC充电器105将从AC供电装置301供给的交流电力变换为直流，供给给主电池101。
DC充电接口107也设置于车辆的主体，能够连接供给直流电力的外部的DC供电装置302。在DC充电接口107中也具备未图示的传感器，当外部的DC供电装置302被连接时，连接信号从传感器送到电源控制器110。DC充电接口107经由主电力线109和系统主继电器104连接于主电池101。在系统主继电器104断开时，如果探测到DC供电装置302被连接，则电源控制器110使系统主继电器104闭合，连接DC充电接口107和主电池101。在从外部的DC供电装置302送来直流电力时，主电池101被充电。
此外，AC供电装置301的插头和DC供电装置302的插头的形状不同，所以AC供电装置301不会连接到DC充电接口107，DC供电装置302也不会连接到AC充电接口106。
即使在用外部的AC供电装置301或者DC供电装置302对主电池101进行充电的过程中，也能够使用收音机6、室内灯7等辅助设备。在主电池101的充电中使用辅助设备时，副电池102的剩余电量变少。如上所述，电源控制器110在副电池102的剩余电量变少时，启动电压转换器200，用主电池101的电力对副电池102进行充电。如果在连接有外部的AC供电装置301、DC供电装置302时启动电压转换器200，则电压转换器200产生的噪声经由电源线传播到AC供电装置301或者DC供电装置302。电压转换器200产生的噪声有可能对AC供电装置301或者DC供电装置302造成影响。低通滤波器108降低电压转换器200的噪声。然而，为了充分降低噪声，需要强大的低通滤波器。强大的低通滤波器成本提高而且需要车内的空间。实施例的电源系统100具有不依赖于低通滤波器而降低电压转换器200的噪声的功能。通过不依赖于低通滤波器而降低电压转换器200的噪声，能够用小的低通滤波器108，充分地抑制传播到AC供电装置301或者DC供电装置302的噪声。
接下来，说明不依赖于低通滤波器而降低电压转换器200的噪声的机制。此外，该功能降低低通滤波器的负荷，通过与低通滤波器一起活用，有效地抑制噪声。
图2示出电压转换器200的电路图。电压转换器200主要通过2个开关元件221、222和变压器230进行变压。由于开关元件221、222的工作而产生噪声(开关噪声)。电压转换器200除了具备这些主要部件以外，还具备抑制噪声的若干部件。
对电压转换器200的输入端201连接主电力线109，对输出端202连接副电池102(参照图1)。对输入端201侧，连接扼流线圈205、2个Y电容器211a、211b、X电容器212。
扼流线圈205连接于输入端201与电压转换器200的内部的正极线206a以及负极线206b之间。2个Y电容器211a、211b串联地连接于正极线206a与负极线206b之间。2个Y电容器211a、211b的串联连接的中点与地线G连接。X电容器212连接于正极线206a与负极线206b之间。扼流线圈205和Y电容器211a、211b抑制共模噪声。X电容器212抑制差模噪声。扼流线圈205、Y电容器211a、211b、X电容器212是噪声降低用的无源元件。
2个开关元件221、222串联地连接于正极线206a与负极线206b之间。对开关元件221逆并联地连接回流二极管223，对开关元件222逆并联地连接回流二极管224。
变压器230的初级线圈231的一端231a与正极线206a连接。初级线圈231的另一端231b与2个开关元件221、222的串联连接的中点连接。通过驱动电路250控制2个开关元件221、222。驱动电路250以在一方的开关元件221导通(截止)时使另一方的开关元件222截止(导通)的方式，驱动开关元件221、222。在2个开关元件221、222交替地导通截止时，在初级线圈231中产生交流，在次级线圈232中产生感应电流。在次级线圈232中，产生与初级线圈231和次级线圈232的绕组比对应的电压。即，输入电力的电压根据变压器230的绕组比而降压。对次级线圈232连接整流电路240。整流电路240将在次级线圈232中产生的交流电力变换为直流电力。整流电路240的输出与电压转换器200的输出端202连接。由变压器230降压后的电力(交流)通过整流电路240变换为直流电力而输出。
驱动电路250接受来自电源控制器110的指令，向开关元件221、222发送驱动信号。即，电压转换器200通过来自电源控制器110的指令而启动。
在初级线圈231的一端231a与开关元件221的漏极之间，串联地连接有电容器225和线圈226。电容器225和线圈226构成LC类型的低通滤波器(LC滤波器)。由电容器225和线圈226构成的LC滤波器也去除开关噪声。
如上所述，电压转换器200具备若干噪声去除元件(扼流线圈205、Y电容器211a、211b、X电容器212、构成LC滤波器的电容器225和线圈226)。但是，仅通过这些无法充分降低开关噪声。因此，电源系统100在电压转换器200的输入侧具备低通滤波器108(参照图1)。进而，电源系统100通过降低开关元件221、222的开关速度来降低开关噪声。
说明通过降低开关速度来降低噪声。能够通过降低开关速度来降低开关噪声。另一方面，在降低开关速度时，损耗增大。因此，在实施例的电源系统100中，在对AC充电接口106或者DC充电接口107连接有供电装置(AC供电装置301或者DC供电装置302)且用从供电装置供给的电力对主电池101进行充电的期间，相比于并非充电中的情况，减慢开关元件221、222的开关速度。仅限于连接有外部的供电装置时降低开关速度，从而降低噪声向外部的供电装置造成的影响，并且在未连接供电装置时，抑制电压转换器200的损耗。
说明改变开关速度的一个结构例。图3示出驱动电路250和开关元件221、222的示意性的电路图。
驱动电路250具备p沟道型MOS晶体管251和n沟道型MOS晶体管252的串联连接。p沟道型MOS晶体管251和n沟道型MOS晶体管252的串联连接被称为CMOS(Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)。以下，为便于说明，将配置于高电位侧的p沟道型MOS晶体管251称为上晶体管251，将配置于低电位侧的n沟道型MOS晶体管252称为下晶体管252。将上晶体管251和下晶体管252的串联连接称为CMOS253。
对上晶体管251的源电极连接电源254，下晶体管252的源电极与地线G连接。输入脉冲信号Sig输入到上晶体管251和下晶体管252各自的栅极。在输入脉冲信号Sig是高(HIGH)电平时，上晶体管251截止，下晶体管252导通。即，CMOS253的输出被保持为低(LOW)电平。在输入脉冲信号Sig从HIGH电平切换到LOW电平时，上晶体管251导通，下晶体管252截止。即，CMOS253的输出从LOW电平切换到HIGH电平。
CMOS253的输出端即驱动电路250的输出端与开关260的输入端260a连接。开关260具备2个输出端260b、260c，分别连接有第1电阻元件261和第2电阻元件262。第1电阻元件261和第2电阻元件262的另一端与开关元件221的栅极G1和开关元件222的栅极G2连接。此外，在第1电阻元件261和第2电阻元件262的另一端与开关元件222的栅极G2之间，连接有反转元件263。因此，在对开关元件221的栅极G1供给的驱动信号是HIGH电平(LOW电平)时，对开关元件222的栅极G2供给的驱动信号成为LOW电平(HIGH电平)。通过对一方的开关元件222的栅极G2连接反转元件263，对开关元件221的栅极G1和反转元件263的输入端供给相同的驱动信号，从而开关元件221、222的动作相互相反。
第2电阻元件262的电阻值R2大于第1电阻元件261的电阻值R1(R2>R1)。开关260将驱动电路250的输出端与开关元件221的栅极之间的电阻切换为第1电阻元件261和第2电阻元件262中的某一个。开关260通过来自电源控制器110的指令切换。
在对AC充电接口106或者DC充电接口107连接供电装置(AC供电装置301或者DC供电装置302)且用从供电装置供给的电力对主电池101进行充电的期间，电源控制器110选择第2电阻元件262。即，电源控制器110经由第2电阻元件262，连接驱动电路250的输出端和开关元件221的栅极。
在未通过外部的供电装置进行主电池101的充电时，电源控制器110选择第1电阻元件261。即，在不是通过外部的供电装置对主电池101进行充电中时，电源控制器110经由第1电阻元件261连接驱动电路250的输出端和开关元件221的栅极。
如上所述，第2电阻元件262的电阻值R2大于第1电阻元件261的电阻值R1。因此，在选择了第2电阻元件262的情况下，相比于选择了第1电阻元件261的情况，栅极电压(施加到栅极的信号的电压)的上升速度变缓慢。即，这意味着，在选择了第2电阻元件262的情况下，相比于选择了第1电阻元件261的情况，开关元件221的开关速度变缓慢。
通过具备开关260、第1电阻元件261、第2电阻元件262，电源控制器110在用车辆外部的供电装置对主电池101进行充电的期间，相比于并非充电中的情况，减慢开关元件221、222的开关速度。
图4示出选择第1电阻元件时的开关的时序图(图4的(A))和选择第2电阻元件时的开关的时序图(图4的(B))。图4的(A)、(B)的实线的图形S11、S21示出开关元件221的导通截止的时序图，虚线的图形S12、S22示出开关元件222的导通截止的时序图。如上所述，开关元件221、222成为导通和截止相互反转的动作。
在选择了电阻值小的第1电阻元件261的情况下，开关所需的时间是时间dT1，在选择了电阻值大的第2电阻元件262的情况下，开关所需的时间是时间dT2(>dT1)。图4的图形示出在选择了第2电阻元件262的情况下，相比于选择了第1电阻元件261的情况，开关速度变慢。
另外，在一定的时间dT3的期间，在选择了第1电阻元件261的情况下，实施约5.0次的开关(图4的(A))，但在选择了第2电阻元件262的情况下，仅执行约3.5次的开关(图4的(B))。在选择了第2电阻元件262的情况下，一定时间期间的开关次数减少也对噪声降低作出贡献。
图4的灰色部分表示开关损耗发生的部位。灰色部分的面积的大小与开关损耗具有正的相关。相比于图4的(A)的情况，在图4的(B)中，灰色的面积更大。即，在选择第2电阻元件262而开关速度降低的情况下，相比于选择了第1电阻元件261的情况，损耗变大。选择第2电阻元件262是用外部的供电装置对主电池101进行充电的时候。在未通过外部的供电装置进行主电池101的充电的情况下，选择第1电阻元件261，所以损耗不会变大。
此外，如上所述，启动电压转换器200是副电池102的剩余电量低于预定的电力阈值的时候。在副电池102的剩余电量高于电力阈值的情况下，电压转换器200不被启动。如果即使主电池101处于充电中但电压转换器200未被启动，则电源控制器110无需改变开关速度。
如以上说明，实施例的电源系统100在用外部的供电装置对主电池101进行充电的期间启动电压转换器200的情况下，相比于并非充电中的情况，降低电压转换器200的开关元件221、222的开关速度。通过降低开关速度，开关噪声降低，向外部的供电装置的影响降低。电源系统100能够不依赖于低通滤波器而降低电压转换器的开关噪声。
如上所述，通过降低开关速度的控制和低通滤波器108(参照图1)这两方，开关噪声有效地降低。根据一个例子，通过引入降低开关速度的控制，相比于没有进行降低开关速度的控制的情况，能够将低通滤波器108的尺寸减小25％。
叙述与在实施例中说明的技术有关的留意点。实施例的电源系统100的电源控制器110在用外部的供电装置对主电池101进行充电的期间启动电压转换器200的情况下，相比于并非充电中的情况，降低开关速度。电源控制器110也可以构成为在对充电接口106、107连接外部的供电装置时启动电压转换器200的情况下，相比于非充电中，降低开关速度。
实施例的电源系统100应用于电动汽车2。在本说明书中的电动汽车中，包括具备行驶用的马达和引擎的混合动力汽车、以及作为马达用的电源具备电池和燃料电池这双方的汽车。
以上，详细说明了本发明的具体例，但这些仅为例示，未限定权利要求书。在权利要求书记载的技术中，包括将以上例示的具体例各种各样地变形、变更的例子。在本说明书或者附图中说明的技术要素单独或者通过各种组合而发挥技术上的有用性，不限定于在申请时权利要求中记载的组合。另外，在本说明书或者附图中例示的技术能够同时达成多个目的，达成其中的一个目的本身具有技术上的有用性。

Claims (1)

1.一种车辆用电源系统，具备：
充电接口，与主电池连接，能够连接车辆外部的供电装置；
电压转换器，通过开关元件使主电池的电力降压而供给到副电池；以及
控制器，控制所述电压转换器，
在对所述充电接口连接有所述供电装置且用所述供电装置对所述主电池进行充电的期间，相比于并非充电中的情况，所述控制器减慢所述开关元件的开关速度，
在驱动所述开关元件的驱动电路与所述开关元件的栅极之间，能够选择地连接有第1电阻元件和第2电阻元件，
所述第2电阻元件的电阻值大于所述第1电阻元件的电阻值，
在对所述充电接口连接有所述供电装置且用所述供电装置对所述主电池进行充电时，所述控制器选择所述第2电阻元件，在并非充电中时，所述控制器选择所述第1电阻元件。
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