CN113370805A - 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。车辆用电源系统包括蓄电装置、包括多个噪声发生设备的多个设备、以及连接蓄电装置和多个设备的配电电路。多个噪声发生设备各自经由噪声滤波器连接到配电电路。噪声滤波器包括第1阻抗元件和相比于所述第1阻抗元件设置于噪声发生设备的附近的Y电容器。针对多个噪声发生设备的各个噪声发生设备设置的第1阻抗元件是具有在多个设备各自中使第1系统阻抗在至少振幅调制频段中高于预定的下限阻抗的形状以及材质的阻抗元件。
Description
技术领域
本发明涉及车辆用电源系统。
背景技术
作为针对共模噪声的对策，已知针对噪声发生设备设置将Y电容器和阻抗元件组合而成的噪声滤波器。在阻抗元件中，包括铁氧体芯、共模扼流线圈。在日本特开2019－047541公开的例子中，对与电源并联地连接的多个电力变换装置的各个电力变换装置设置有噪声滤波器。在各个噪声滤波器中，Y电容器的静电电容以及共模扼流线圈的电感值被设定成噪声滤波器的阻抗比预先决定的噪声滤波器的电源侧的阻抗高。
但是，车辆用电源系统中的课题之一在于，降低AM频段(0.1～2MHz)的噪声、所谓无线电噪声。车辆用电源系统包含成为噪声发生源的设备而由多个设备构成。在日本特开2019－047541记载的技术中，未特别考虑作为由这些多个设备构成的系统整体降低AM频段的噪声。
发明内容
本发明提供一种能够降低AM频段的噪声的车辆用电源系统。
本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统包括蓄电装置、包括多个噪声发生设备的多个设备、以及连接蓄电装置和多个设备的配电电路。多个噪声发生设备各自经由噪声滤波器连接到配电电路。噪声滤波器包括第1阻抗元件和相比于所述第1阻抗元件设置于噪声发生设备的附近的Y电容器。针对多个噪声发生设备的各个噪声发生设备设置的第1阻抗元件是具有在多个设备各自中使第1系统阻抗至少在AM频段中高于预定的下限阻抗的形状以及材质的阻抗元件。第1系统阻抗是多个设备各自中的相比于与配电电路的连接部靠配电电路侧的阻抗。
根据本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统，以至少在AM频段中在多个设备各自中使系统阻抗高于预定的下限阻抗的方式，调整各阻抗元件的形状以及材质，所以能够作为车辆用电源系统的系统整体降低AM频段的噪声。在本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统中，第1阻抗元件也可以是具有使多个设备之间的第1系统阻抗的偏差收敛于预定的容许范围的形状以及材质的阻抗元件。根据本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统，能够抑制噪声流入到系统阻抗比其他低的设备。
在本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统中，蓄电装置也可以经由第2阻抗元件连接到配电电路。针对蓄电装置设置的第2阻抗元件也可以是具有在蓄电装置中使第2系统阻抗至少在AM频段中高于预定的下限阻抗的形状以及材质的阻抗元件。第2系统阻抗也可以是蓄电装置中的相比于与配电电路的连接部靠配电电路侧的阻抗。根据本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统，即使在蓄电装置是噪声发生源的一个的情况下，也能够作为车辆用电源系统的系统整体降低AM频段的噪声。在本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统中，第1阻抗元件以及第2阻抗元件也可以具有使多个设备以及蓄电装置之间的第1系统阻抗以及第2系统阻抗的偏差收敛于预定的容许范围的形状以及材质。根据本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统，能够抑制噪声流入到系统阻抗比其他低的设备或者蓄电装置。
在本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统中，预定的下限阻抗也可以是根据LISN的阻抗－频率特性决定的阻抗。在本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统中，第1阻抗元件以及第2阻抗元件也可以是铁氧体芯。在本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统中，多个噪声发生设备的至少1个也可以是具有开关元件的逆变器。在本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统中，多个设备的至少1个也可以是DC－DC转换器。
如以上所述，根据本发明的一个方式所涉及的车辆用电源系统，能够作为车辆用电源系统的系统整体降低AM频段的噪声。
附图说明
下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中，相同的附图标记表示相同的元件，其中：
图1是示出本发明的实施方式所涉及的车辆用电源系统的结构的图。
图2是示出PCU的等效电路的电路图。
图3是示出铁氧体芯的形状以及材质的调整过程的图。
图4是示出没有铁氧体芯的情况的系统阻抗的频率特性的图。
图5是示出将铁氧体芯设置于PCU和水加热器的情况的系统阻抗的频率特性的图。
图6是示出将铁氧体芯设置于PCU、水加热器、以及蓄电池的情况的系统阻抗的频率特性的图。
图7是示出调整铁氧体芯的形状以及材质前的噪声电平－频率特性的图。
图8是示出调整铁氧体芯的形状以及材质后的噪声电平－频率特性的图。
具体实施方式
以下，参照附图，说明本发明的实施方式。但是，在以下所示的各实施方式中提及各要素的个数、数量、量、范围等的数的情况下，除了特别明示的情况、原理上明确地确定为该数的情况以外，本发明不限定于该提及的数。另外，在以下所示的实施方式中说明的构造等除了特别明示的情况、明确地原理上确定于此的情况以外，并不是本发明必须的。
1.车辆用电源系统的结构
图1示出本实施方式所涉及的车辆用电源系统的结构。本实施方式所涉及的车辆用电源系统2是电动汽车用的电源系统。但是，车辆用电源系统2不仅能够应用于未搭载引擎的纯粹的电动汽车，而且还能够应用于搭载引擎的混合动力汽车。
应用车辆用电源系统2的电动汽车具备驱动后轮的后电动发电机10和驱动前轮的前电动发电机14。以下，电动发电机被记载为MG。MG10、MG14例如是三相交流同步电动机。MG10、MG14被供给电力而发生驱动力。在车辆的制动时，MG10、MG14作为发电机工作而发电。但是，电动机和发电机也可以分别设置。即，MG10也可以是驱动后轮的电动机和对后轮再生制动的发电机的集合。同样地，MG14也可以是驱动前轮的电动机和对前轮再生制动的发电机的集合。
车辆用电源系统2具备可充放电地构成的高电压蓄电池4。从高电压蓄电池4供给驱动MG10、MG14的电力。另外，由MG10、MG14发电的电力被充电到高电压蓄电池4。高电压蓄电池4例如是包括锂离子电池、镍氢电池等二次电池的蓄电装置。锂离子二次电池除了电解质为液体的一般的锂离子二次电池以外，也可以是使用固体的电解质的全固体电池。高电压蓄电池4还能够与包括电容器等蓄电元件的蓄电装置置换。
车辆用电源系统2具备将积蓄于高电压蓄电池4的电力供给给多个设备的配电组件6。配电组件6具备对高电压蓄电池4连接多个设备的分支箱40。
分支箱40经由未图示的系统主继电器与高电压蓄电池4连接。通过一对电力线，对分支箱40分别并联地连接第1功率控制组件8、第2功率控制组件12、水加热器16、空调器18、第1DC－DC转换器42、第2DC－DC转换器20、以及DC电源用入口24。由分支箱40和连接分支箱40以及各设备的电力线构成连接多个设备和高电压蓄电池4的配电电路。此外，以下，功率控制组件被记载为PCU。
PCU8、PCU12具备中间夹着冷却器而层叠多张而成的电源卡。电源卡是将构成逆变器的IGBT以及二极管封装成1个而构成的。后PCU8设置于高电压蓄电池4与后MG10之间。前PCU12设置于高电压蓄电池4与前MG14之间。PCU8、PCU12通过控制从高电压蓄电池4供给的电力，控制MG10、MG14发生的驱动力。MG10、MG14发电的电力经由PCU8、PCU12被供给到高电压蓄电池4。
水加热器16经由保险丝30与分支箱40连接。水加热器16通过从高电压蓄电池4供给的电力工作，将水加热而生成热水。由水加热器16生成的热水例如在冬季用于车辆的室内的制热。水加热器16是例如PTC加热器，通过来自未图示的ECU的控制信号，以PWM方式控制通电。
空调器18经由保险丝32与分支箱40连接。空调器18具有未图示的电动压缩机。该压缩机通过从高电压蓄电池4供给的电力工作。空调器18根据来自未图示的ECU的控制信号，进行车辆的室内的温度调节。
第1DC－DC转换器42内置于配电组件6。第1DC－DC转换器42是额定输出电流为例如150A的大电流输出转换器。第1DC－DC转换器42与未图示的低电压蓄电池连接，构成为将从高电压蓄电池4接受的电力降压为低电压蓄电池的电压电平。
第2DC－DC转换器20经由保险丝34与分支箱40连接。第2DC－DC转换器20的额定输出电流是例如50A。第2DC－DC转换器20与AC100V逆变器22连接，构成为将从高电压蓄电池4接受的电力降压为AC100V逆变器22的输入电压电平。
DC电源用入口24是未图示的DC充电电缆的连接器被连接的受电部。DC充电电缆与未图示的DC电源连接。DC电源用入口24经由内置于配电组件6的DC继电器44、46连接到分支箱40。DC继电器44、46在通过DC电源执行外部充电时通过未图示的ECU接通。
在配电组件6中，内置有AC充电器48。对AC充电器48连接有设置于配电组件6外的AC电源用入口26。AC电源用入口26是未图示的AC充电电缆的连接器被连接的受电部。AC充电电缆与未图示的AC电源连接。
AC充电器48构成为包括：AC－DC转换器，将从AC电源接受的交流电力变换为直流；以及DC－DC转换器，将AC－DC转换器的输出变换为高电压蓄电池4的电压电平。AC充电器48未连接到分支箱40，经由未图示的充电继电器直接连接到高电压蓄电池4。充电继电器在通过AC电源执行外部充电时通过未图示的ECU接通。
除了以上的结构以外，车辆用电源系统2在重要地点具备阻抗元件。在本实施方式中，作为阻抗元件使用铁氧体芯50、52、54、56。但是，也可以代替铁氧体芯而使用共模扼流线圈。铁氧体芯50设置于连接后PCU8和分支箱40的电力线。铁氧体芯52设置于连接前PCU12和分支箱40的电力线。铁氧体芯54设置于连接水加热器16和分支箱40的电力线。在本实施方式中，铁氧体芯50、52、54可视为第1阻抗元件的一个例子。铁氧体芯56设置于连接高电压蓄电池4和分支箱40的电力线。在本实施方式中，铁氧体芯56可视为第2阻抗元件的一个例子。
设置铁氧体芯50、52、54的后PCU8、前PCU12、以及水加热器16是在内部具有噪声发生源的噪声发生设备。另外，设置铁氧体芯56的高电压蓄电池4也在内部具有噪声发生源。铁氧体芯50、52、54、56是以通过提高后述系统阻抗来降低从车辆用电源系统2向外部发出的噪声、特别是共模噪声的目的而设置的。此外，图示的铁氧体芯50、52、54、56的配置位置是一个例子。既可以在设备的内部配置铁氧体芯50、52、54、56，也可以在配电组件6中配置铁氧体芯50、52、54、56。
2.噪声降低对策的详细内容
接下来，使用图2，详细说明在车辆用电源系统2中采用的噪声降低对策。图2是示出PCU的等效电路的电路图。在此，以前PCU12的等效电路为例子，但后PCU8的等效电路也能够用与此相同的电路图表示。另外，其他噪声发生设备的等效电路也能够用与此同样的电路图表示。
前PCU12具备未图示的升压电路和逆变器80、82。各逆变器80、82由包括三相量的开关元件的桥电路构成。一方的逆变器80使图1所示的MG14作为电动机工作，另一方的逆变器82使MG14作为发电机工作。伴随开关元件的动作而从逆变器80、82发生噪声。即，逆变器80、82是噪声发生源。
在从车辆用电源系统2的各噪声发生设备经由电力线放出的噪声中，包含共模噪声。在车辆用电源系统2中，对各噪声发生设备设置有用于降低共模噪声的噪声滤波器。噪声滤波器包括设置于配电电路侧的Y电容器和设置于配电电路侧的上述铁氧体芯。在前PCU12中也设置有噪声滤波器60。
前PCU12的噪声滤波器60构成为包括Y电容器62和铁氧体芯52。Y电容器62相对铁氧体芯52设置于逆变器80、82侧。Y电容器62具备与一对电力线对应的2个电容器63a、63b。电容器63a、63b接地到前PCU12的框体。
如用等效电路所示，未图示的升压电路的电力线和对电源卡冷却的冷却器经由寄生电容70连接。另外，作为升压电路与逆变器80、82之间的部位的稳定部位和冷却器经由寄生电容72、74连接。作为逆变器80、82与MG14之间的部位的变动部位和冷却器经由寄生电容76、78连接。冷却器接地到前PCU12的框体。
通过设置Y电容器62，从逆变器80、82流出的共模电流经由Y电容器62流到前PCU12的框体，经由寄生电容70、72、74、76、78返回到逆变器80、82。即，通过设置Y电容器62，针对作为噪声发生源的逆变器80、82，形成共模噪声的反馈路径。但是，Y电容器62具有降低特定的频域的阻抗的作用。
作为阻抗元件的铁氧体芯52具有使由于Y电容器62的设置而降低的阻抗增大的作用。在此重要的是，针对前PCU12设置的铁氧体芯52具有针对经由分支箱40连接的其他设备、高电压蓄电池4也增大阻抗的效果。同样地，针对后PCU8等其他设备、高电压蓄电池4设置的铁氧体芯50、54、56也具有增大前PCU12的阻抗的效果。
与配电电路连接的设备或者高电压蓄电池4的、相比于与配电电路的连接部靠配电电路侧的阻抗被定义为系统阻抗。在成为系统阻抗的对象的设备中，包括后PCU8、前PCU12、水加热器16、空调器18、第1DC－DC转换器42、以及第2DC－DC转换器20。系统阻抗的值针对每个设备不同。例如，从前PCU12观察的系统阻抗的值与从第1DC－DC转换器42观察的系统阻抗的值不同，与从高电压蓄电池4观察的系统阻抗的值也不同。如果能够在与配电电路连接的多个设备以及高电压蓄电池4的各个中提高系统阻抗，则能够作为车辆用电源系统2的系统整体降低噪声。
但是，在所有频域中降低噪声是困难的、且也不现实。另外，即使在缩小到特定的频域来降低噪声的情况下，也不容易使噪声接近零。在车辆中优先地降低的噪声是AM频段的噪声、即无线电噪声。因此，在本实施方式中，以至少使无线电噪声降低的方式，设计铁氧体芯50、52、54、56。
更详细而言，在与配电电路连接的多个设备以及高电压蓄电池4的各个中，以使系统阻抗至少在AM频段中高于预定的下限阻抗的方式，设计铁氧体芯50、52、54、56。作为针对系统阻抗设定的下限阻抗，例如，能够使用根据LISN(Line Impedance StabilizationNetwork，线路阻抗稳定网络)的阻抗－频率特性决定的AM频段中的阻抗。
进而，在本实施方式中，以至少在AM频段中使与配电电路连接的多个设备以及高电压蓄电池4之间的系统阻抗的偏差收敛于预定的容许范围的方式，设计铁氧体芯50、52、54、56。偏差被容许的系统阻抗的范围例如是20Ω。通过在多个设备以及高电压蓄电池4之间降低系统阻抗的偏差，能够抑制噪声侵入到系统阻抗低的特定的设备。
铁氧体芯50、52、54、56的设计是指，决定形状以及材质。例如，在铁氧体芯50、52、54、56的形状是环状的情况下，环的外径、内径、以及宽度成为决定阻抗的参数。另外，用于铁氧体芯50、52、54、56的每个材质决定有透磁率－频率特性。因此，通过调整形状以及材质，能够针对铁氧体芯50、52、54、56的每一个调整其阻抗。
3.铁氧体芯的形状以及材质的调整过程
接下来，使用图3，说明铁氧体芯50、52、54、56的形状以及材质的调整过程。首先，在步骤S1中，从对象设备(包括高压蓄电池4)中，选择测量系统阻抗的设备。在步骤S2中，调整各铁氧体芯50、52、54、56的形状以及材质。在步骤S3中，根据调整后的铁氧体芯50、52、54、56的各特性值，计算系统阻抗。在步骤S4中，判定计算出的系统阻抗是否大于根据LISN决定的下限值。如果系统阻抗是下限值以下，则再次返回到步骤S2，进行形状以及材质的再调整。
在更具体地说明步骤S2至S4的处理时，如下所述。首先，关于1个铁氧体芯，决定铁氧体材质。作为可选择的铁氧体材质，可以举出例如HF40、HF57、HF70。通过决定铁氧体材质，根据铁氧体材质固有的透磁率－频率特性决定透磁率。接下来，关于该铁氧体芯，临时决定芯形状。如果芯形状和透磁率确定，则作为该铁氧体芯的特性值的阻抗、电感、以及电抗被定量化。关于其他铁氧体芯也进行同样的处理。然后，根据各铁氧体芯的阻抗、电感、以及电抗，计算系统阻抗。在系统阻抗的计算值是下限值以下的情况下，铁氧体材质保持原样而再临时决定芯形状。这样通过芯形状的微调整而进行最佳化的结果，如果系统阻抗的计算值大于下限值，则在该时间点临时决定的芯形状被决定为正式的芯形状。另一方面，在系统阻抗的计算值未超过下限值的情况下，变更铁氧体材质而反复上述处理。
在系统阻抗大于下限值的情况下，处理进入到步骤S5。在步骤S5中，判定在所有对象设备(包括高压蓄电池4)中系统阻抗的调整是否完成。在未完成所有对象设备中的调整的情况下，处理返回到步骤S1，计算系统阻抗的设备被变更。反复进行以上的处理，直至在所有对象设备中系统阻抗的调整完成。
在上述过程中，通过仿真来调整铁氧体芯50、52、54、56的形状以及材质。但是，也可以在步骤S2中实际上调整铁氧体芯50、52、54、56的形状以及材质。然后，也可以在步骤S3中将实际上调整形状以及材质后的铁氧体芯50、52、54、56安装到车辆用电源系统2，使用阻抗分析仪来测量系统阻抗。
4.铁氧体芯的形状以及材质的调整结果
最后，使用图4至图8，说明在上述过程中调整铁氧体芯50、52、54、56的形状以及材质的结果。在图4至图6的各图中，分别包括4个图表。在最上段的图表中，将从各对象设备(包括高压蓄电池4)观察的系统阻抗的频率特性与LISN的频率特性一起示出。在第二段的图表中，将从后PCU8以及前PCU12分别观察的系统阻抗的频率特性与LISN的频率特性一起示出。在第三段的图表中，将从水加热器16观察的系统阻抗的频率特性与LISN的频率特性一起示出。而且，在最下段的图表中，将从高电压蓄电池4观察的系统阻抗的频率特性与LISN的频率特性一起示出。
图4示出在车辆用电源系统2中未设置铁氧体芯的情况的系统阻抗的频率特性。在着眼于作为AM频段的中心的1MHz附近时，在后PCU8、前PCU12、水加热器16、以及高电压蓄电池4的各个中，系统阻抗低于LISN的阻抗。另外，从第1DC－DC转换器42(在图表中记载为DCDC)观察的系统阻抗也低于LISN的阻抗。
图5示出在后PCU8、前PCU12、以及水加热器16中设置有铁氧体芯50、52、54的情况的系统阻抗的频率特性。在后PCU8、前PCU12、以及水加热器16的各个中，AM频段中的系统阻抗高于LISN的阻抗。但是，从高电压蓄电池4观察的系统阻抗比LISN的阻抗稍微低，从第1DC－DC转换器42观察的系统阻抗也比LISN的阻抗低。
图6示出进而在高电压蓄电池4中也设置有铁氧体芯56的情况的系统阻抗的频率特性。在高电压蓄电池4中，1AM频段中的系统阻抗也比LISN的阻抗高。进而，关于包括第1DC－DC转换器42的其他设备，AM频段中的系统阻抗也上升至LISN的阻抗的附近。另外，对象设备(包括高压蓄电池4)之间的AM频段中的系统阻抗的偏差收敛于大致20Ω的范围。
在图6所示的图表中，关于包括第1DC－DC转换器42的一部分的设备，AM频段中的系统阻抗不高于LISN的阻抗。但是，通过调整各铁氧体芯50、52、54、56的形状以及材质，能够使对象设备之间的系统阻抗的偏差收敛于容许范围，并且关于全部对象设备使AM频段中的系统阻抗高于LISN的阻抗。
图7示出调整铁氧体芯50、52、54、56的形状以及材质前的噪声电平－频率特性。图8示出调整铁氧体芯50、52、54、56的形状以及材质后的噪声电平－频率特性。从2个噪声电平－频率特性的比较能够确认通过调整铁氧体芯50、52、54、56的形状以及材质，AM频段中的噪声电平作为整体降低。
此外，在本实施方式中，将后PCU8、前PCU12、以及水加热器16视为噪声发生设备，但只要是具有开关元件的设备，则可能成为噪声发生设备。因此，第1DC－DC转换器42和第2DC－DC转换器20也可能成为噪声发生设备。但是，重要的是，作为车辆用电源系统2的系统整体降低AM频段的噪声，未必对所有噪声发生设备设置铁氧体芯。在图4至图8所示的例子中，即使在第1DC－DC转换器42和第2DC－DC转换器20中不设置铁氧体芯，作为系统整体而AM频段的噪声也被降低。
Claims (8)
1.一种车辆用电源系统，其特征在于，包括：
蓄电装置；
多个设备，包括多个噪声发生设备；
配电电路，连接所述蓄电装置和所述多个设备，其中，
所述多个噪声发生设备各自经由噪声滤波器连接到所述配电电路，
所述噪声滤波器包括第1阻抗元件和相比于所述第1阻抗元件设置于所述噪声发生设备的附近的Y电容器，
针对所述多个噪声发生设备的各个噪声发生设备设置的所述第1阻抗元件是具有在所述多个设备各自中使第1系统阻抗至少在振幅调制频段中高于预定的下限阻抗的形状以及材质的阻抗元件，所述第1系统阻抗是所述多个设备各自中的相比于与所述配电电路的连接部靠所述配电电路侧的阻抗。
2.根据权利要求1所述的车辆用电源系统，其特征在于，
所述蓄电装置经由第2阻抗元件连接到所述配电电路，
针对所述蓄电装置设置的所述第2阻抗元件是具有在所述蓄电装置中使第2系统阻抗至少在振幅调制频段中高于所述预定的下限阻抗的形状以及材质的阻抗元件，所述第2系统阻抗是所述蓄电装置中的相比于与所述配电电路的连接部靠所述配电电路侧的阻抗。
3.根据权利要求1所述的车辆用电源系统，其特征在于，
所述第1阻抗元件是具有使所述多个设备之间的所述第1系统阻抗的偏差收敛于预定的容许范围的形状以及材质的阻抗元件。
4.根据权利要求2所述的车辆用电源系统，其特征在于，
所述第1阻抗元件以及所述第2阻抗元件是具有使所述多个设备以及所述蓄电装置之间的所述第1系统阻抗以及所述第2系统阻抗的偏差收敛于预定的容许范围的形状以及材质的阻抗元件。
5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的车辆用电源系统，其特征在于，
所述预定的下限阻抗是根据LISN的阻抗－频率特性决定的阻抗。
6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的车辆用电源系统，其特征在于，
所述第1阻抗元件以及第2阻抗元件是铁氧体芯。
7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的车辆用电源系统，其特征在于，
所述多个噪声发生设备的至少1个是具有开关元件的逆变器。
8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的车辆用电源系统，其特征在于，
所述多个设备的至少1个是DC－DC转换器。
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