JP2005348578A - 電源供給装置およびそれを備える車両 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＤＣ／ＤＣコンバータを設けることなく、動作電圧がそれぞれ異なる負荷群に対して安定的に動作電圧を供給可能な電源供給装置およびそれを備えた車両を提供する。
【解決手段】 第１の電池群１０は、動作電圧Ｖ１を取出すための電圧端子対１１，１２の間に接続される。第２の電池群２０は、動作電圧Ｖ１よりも低い動作電圧Ｖ２を取出すための電圧端子対２１，２２の間に接続される。第２の電池群２０は、第１の電池群１０のうちの一部の電池群１７に対して並列に接続される。このため、動作電圧Ｖ１およびＶ２の供給にともに用いられる一部の電池群１７の出力電圧低下によって動作電圧Ｖ１の低下を招く危険性が小さい。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電源供給装置に関し、より特定的には、動作電圧が異なる複数の負荷群に対して共通に適用される電源供給装置およびこのような電源供給装置を備える車両に関する。

一般的な車両や機器類において、動作電圧が異なる複数の負荷群に電源供給が必要な構成が存在する。たとえば、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）においては、車両駆動用の電動機（主機）およびそれ以外の補機類との動作電圧は異なることが一般的である。このため、これらの主機および補機類に対して、安定的かつ効率的にそれぞれの動作電圧を供給可能な電源供給装置が要求される。

一例として、電気自動車の電力供給装置において、複数の単電池を直列接続して走行用モータを駆動する走行用バッテリ電源を構成する一方で、補機用バッテリ電源を独立に設け、かつ、ＤＣ／ＤＣコンバータによって走行用バッテリ電源の電圧を降圧して補機用バッテリ電源を充電する構成が提案されている。特にこのような構成において、ＤＣ／ＤＣコンバータに異常が生じた場合は、補機用バッテリ電源を走行用バッテリ電源の一部のバッテリに直結することによって、補機類をなるべく長い期間継続的に動作可能な構成が開示されている（たとえば特許文献１）。
特開平８−２１４４０９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電力供給装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータの配置を前提とする構成であることから、電力供給装置の製造コスト増大および、大型化による車両搭載性の低下といった問題点が発生するおそれがある。

また、走行用バッテリ電源の一部のバッテリを補機用バッテリ電源と直結して補機電源を供給した場合に、当該一部のバッテリ部分の出力電圧が低下して、走行用モータへの供給電圧が低下してしまうおそれがある。このような現象が生じると、補機類を継続的に動作することができても、車両の走行継続に支障を来たすおそれがある。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けることなく、動作電圧がそれぞれ異なる負荷群に対して安定的に動作電圧を供給可能な電源供給装置およびそれを備えた車両を提供することである。

この発明による電源供給装置は、動作電圧がそれぞれ異なる負荷群に共通に適用される電源供給装置であって、第１の動作電圧を取出すための第１の電圧端子対と、第１の電圧端子対の間に直列接続された第１の電池群と、第１の動作電圧より低い第２の動作電圧を取出すための第２の電圧端子対と、第２の電圧端子対の間に直列接続された第２の電池群とを備え、第２の電池群は、第１の電池群の一部に対して並列に接続される。

上記の電源供給装置によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータを配置することなく第１および第２の動作電圧を供給可能であるとともに、第１の電池群の一部に対して第２の電池群を並列接続する構成としているので、当該一部の出力電圧低下によって第１の動作電圧の低下を招く危険性が小さい。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータの省略による低製造コスト化および小型化を図るとともに、動作電圧の安定的な供給により負荷を安定的に動作させることができる。

好ましくは、この発明による電源供給装置では、第１の電池群の各々および第２の電池群の各々は、同一形式の単電池ユニットで構成される。

上記の電源供給装置によれば、第１の電池群および第２の電池群を構成する単電池ユニットの個数によって第１の動作電圧および第２の動作電圧を設定できるので、設計が簡易となる。

また好ましくは、この発明による電源供給装置は、第１の電圧端子対に充電電流を供給可能な充電器が接続され、かつ、第１および第２の電池群の充電状態を検知する充電状態検知手段をさらに備える。さらに、充電器からの充電電流の供給は、第１の電池群および第２の電池群のいずれかについて充電状態検知手段によって過充電が検知された場合に停止される。

上記の電源供給装置によれば、第１の電池群および第２の電池群、特に、第１の電池群のうちの第２の電池群と並列接続されていない部分での過充電を防止しつつ、第１の電池群および第２の電池群の各々を充電することができる。

また、並列に接続された第１の電池群の一部と第２の電池群とでは、各電池の内部抵抗も並列接続されるので、充電電流経路のトータル抵抗は、第２の電池群を配置しない構成と比較して小さくなる。この結果、第１および第２の電池群の充電効率が向上する。

あるいは好ましくは、この発明による電源供給装置では、第２の電池群および第２の電圧端子対の組は、複数個設けられ、複数個の第２の電池群は、第１の電池群の異なる一部ずつに対してそれぞれ並列に接続される。

上記の電源供給装置によれば、３種類以上の動作電圧を供給可能な構成において、上述のように、ＤＣ／ＤＣコンバータの省略による低製造コスト化および小型化ならびに、動作電圧の安定的な供給による負荷の安定動作化を図ることができる。

この発明による車両は、車輪を駆動可能な電動機と、電動機を駆動制御する電力制御器と、請求項１から４のいずれかに記載の電源供給装置と、電動機および電力制御器とは動作電圧が異なる補機とを備える。電動機および電力制御器は、電源供給装置の第１の電圧端子対から第１の動作電圧の供給を受けて動作し、補機は、電源供給装置の第２の電圧端子対から第２の動作電圧の供給を受けて動作する。

上記の車両によれば、効率向上のために動作電圧が高く設定された電動機および電動機より動作電圧が低い補機に対して上記の電源供給装置によって動作電圧をそれぞれ供給するので、車両搭載に適した電源供給装置の小型化ならびに、電動機および補機の動作電圧安定化による車両の動作安定化を実現することができる。

この発明による電源供給装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータの配置を省略して小型化および低コスト化を実現するとともに、動作電圧がそれぞれ異なる負荷群に対して安定的に動作電圧を供給できる。また、小型化された車両搭載性の高い電源供給装置によって搭載機器類に安定的な電源供給が可能な車両を提供できる。

以下に、この発明の一実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さないものとする。

図１は、この発明の実施の形態による電源供給装置１００の構成例を示すブロック図である。

図１を参照して、この発明による電源供給装置１００は、第１の電池群１０および第２の電池群２０と、動作電圧Ｖ１を取出すための電圧端子１１，１２と、動作電圧Ｖ２（Ｖ２＜Ｖ１）を取出すための電圧端子２１，２２と、制御装置７０とを備える。

電圧端子１１および１２には、動作電圧が相対的に高い主機に相当する負荷４０が接続される。一方、電圧端子２１および２２には、動作電圧が相対的に低い補機に相当する負荷５０が接続される。

電圧端子１１および２１には、通過電流（充放電電流）を測定するための電流センサ３１および３２がそれぞれ設けられる。なお、電流センサ３１，３２の方式等は特に限定されず、任意のセンサを適用可能である。電流センサ３１および３２の測定電流ｉ１およびｉ２は、制御装置７０へ伝達される。

第１の電池群１０は、電圧端子１１および１２の間に直列に接続された複数の単電池セル１５により構成される。なお、第１の電池群１０を構成する複数の単電池セル１５は、電圧端子１１およびノードＮ０間に接続されるサブグループ１６と、ノードＮ０および電圧端子１２の間に接続されるサブグループ１７とに分類される。

第２の電池群２０は、電圧端子２１および２２の間に直列に接続された複数の単電池セル２５によって構成される。ノードＮ０は電圧端子２１と接続され、かつ電圧端子１２および２２が接続される。これにより、第２の電池群２０は、サブグループ１７の単電池セル群に対して並列に接続される。第２の電池群２０の出力電圧およびサブグループ１７の単電池セル群による出力電圧は、ともに動作電圧Ｖ２となるように設計される。

単電池セル１５および単電池セル２５は、好ましくは同一形式の単電池ユニットで構成される。この場合には、第２の電池群２０を構成する単電池セル２５の個数と、サブグループ１７を構成する単電池セル１５の個数とは同じとなる。

電圧端子１１および１２は、リレースイッチ４１および４２をそれぞれ介して負荷４０と接続される。リレースイッチ４１および４２は、制御装置７０からの制御信号ＳＲ１およびＳＲ２にそれぞれ応答して、オン・オフする。

リレースイッチ４１，４２のオン時において、電源供給装置１００は、電圧端子１１および１２を介して、第１の電池群１０により負荷４０へ動作電圧Ｖ１を供給する。また、電源供給装置１００は、電圧端子２１および２２を介して、第１の電池群のうちのサブグループ１７の単電池セル群および第２の電池群２０の並列接続によって、負荷５０へ動作電圧Ｖ２を供給する。

さらに、充電器６０が、リレースイッチ４１および４２のオン時に電圧端子１１および１２に接続されるように配置される。充電器６０による充電電流ｉｃの供給は、制御装置７０からの制御信号ＣＳによって制御される。

制御装置７０は、電流センサ３１，３２による測定電流ｉ１，ｉ２や、図示しないセンサにより測定された電池状態パラメータ（たとえば、開放電圧Ｖｏｐや電池温度Ｔ等）により、各単電池セル１５，２５の充電状態（残容量）を検知する。さらに、これらの各単電池セル１５，２５に充電が必要な場合には、制御信号ＣＳにより、充電電流ｉｃの供給を充電器６０へ指示する。制御装置７０は、代表的には、予めプログラムされた所定シーケンスおよび所定演算を実行するためのマイクロコンピュータ等で構成される。

このように、第１の電池群１０を構成する各単電池セル１５および第２の電池群２０を構成する各単電池セル２５は、制御装置７０の指示に応答して供給される、充電器６０からの充電電流ｉｃによって充電可能である。

図１の構成と、この発明の構成とを対比すれば、第１の電池群１０がこの発明における「第１の電池群」に相当し、第２の電池群２０がこの発明における「第２の電池群」に相当し、電圧端子１１，１２がこの発明における「第１の負荷電圧端子対」に相当し、電圧端子２１，２２がこの発明における「第２の負荷電圧端子対」に相当する。また、単電池セル１５および２５は、この発明における「単電池ユニット」に相当し、制御装置７０は、この発明における「充電状態検知手段」に相当する。

このように、電源供給装置１００では、ＤＣ／ＤＣコンバータを配置することなく動作電圧がそれぞれ異なる負荷４０，５０の両方へ対応可能であるとともに、サブグループ１７の単電池セル群に対して第２の電池群２０を並列接続する構成としているので、サブグループ１７の単電池セル群の出力電圧低下によって動作電圧Ｖ１の低下を招く危険性が小さい。このため、電源供給装置１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータの省略による低製造コスト化および小型化を図るとともに、動作電圧の安定的な供給により負荷を安定的に動作させることができる。

また、サブグループ１７を構成する複数の単電池セル１５と、第２の電池群２０を構成する複数の単電池セル２５とが並列接続されるので、この部分では、各電池セルの内部抵抗も並列に接続される。これにより、第２の電池群２０が存在しない場合と比較して、ノードＮ０および電圧端子１１（１２）間のトータル内部抵抗が小さくなり、充電電流経路のトータル抵抗も小さくなる。この結果、各単電池セル１５，２５の充電効率が向上する。

図１に示した電源供給装置１００は、たとえば、エンジンおよびモータの両方によって車両を駆動可能なハイブリッド自動車に適用することができる。

図２は、この発明による電源供給装置が適用されたハイブリッド自動車の駆動システム（以下、「ハイブリッド駆動システム」と称する）を示すブロック図である。

図２を参照して、この発明の実施の形態に従うハイブリッド駆動システム２００は、図１に示した電源供給装置１００と、エンジン２１０と、インバータ２３０と、車輪２４０ａ、トランスアクスル２５０と、補機類２９０とを備える。

エンジン２１０は、ガソリン等の燃料の燃焼エネルギを源として駆動力を発生する。電源供給装置１００は、図１に示したように構成され、電力ライン２５１は、図１における電圧端子１１，１２と接続されて、動作電圧Ｖ１をインバータ２３０へ供給する。また、電力ライン２５４は、図１における電圧端子２１，２２と接続されて補機類２９０へ動作電圧Ｖ２（Ｖ２＜Ｖ１）を供給する。

インバータ２３０は、電力ライン２５１を介して電源供給装置１００から供給された動作電圧Ｖ１（直流電圧）を交流電圧に変換して電力ライン２５３へ出力する。あるいは、インバータ２３０は、電力ライン２５２，２５３に供給された交流電圧を直流電圧に変換して、電力ライン２５１へ出力する。

トランスアクスル２５０は、トランスミッションとアクスル（車軸）を一体構造として備えており、動力分割機構２６０と、減速機２６２と、ジェネレータ２７０と、モータ２８０とを有する。

動力分割機構２６０は、エンジン２１０によって生じた駆動力を、減速機２６２を介して車輪２４０ａ駆動用の車軸２４１へ駆動する経路と、ジェネレータ２７０へ伝達する経路とに分割可能である。

ジェネレータ２７０は、動力分割機構２６０を介して伝達されたエンジン２１０からの駆動力によって回転されて発電する。ジェネレータ２７０による発電電力は、電力ライン２５２を介して、インバータ２３０へ供給され、電源供給装置１００内の第１の電池群１０，２０の充電電力として、あるいはモータ２８０の駆動電力として用いられる。

モータ２８０は、インバータ２３０から電力ライン２５３へ供給された交流電圧によって回転駆動される。モータ２８０によって生じた駆動力は、減速機２６２を介して車軸２４１へ伝達される。

なお、回生制動動作時にモータ２８０が車輪２４０ａの減速に伴って回転される場合には、モータ２８０に生じた起電力（交流電圧）が電力ライン２５３へ供給される。

補機類２９０として、たとえばハイブリッド駆動システム２００が搭載された自動車を運転者の指示に応じて運転させるために、自動車に搭載された機器・回路群の全体動作を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ：図示せず）や、照明機器類（図示せず）、場合によっては空調装置類（図示せず）などが含まれる。

ハイブリッド駆動システム２００では、発進時ならびに低速走行時あるいは緩やかな坂を下るとき等の軽負荷時には、エンジン効率の悪い領域を避けるために、エンジン２１０を動作させることなく、モータ２８０による駆動力で走行する。

通常走行時には、エンジン２１０から出力された駆動力は、動力分割機構２６０によって、車輪２４０ａの駆動力と、ジェネレータ２７０での発電用駆動力とに分割される。ジェネレータ２７０による発電電力は、モータ２８０の駆動に用いられる。したがって、通常走行時には、エンジン２１０による駆動力をモータ２８０による駆動力でアシストして、車輪２４０ａが駆動される。図示しないＥＣＵは、動力分割機構２６０による動力分割比率を全体の効率が最大となるように制御する。

全開加速時には、電源供給装置１００から供給される動作電圧Ｖ１がモータ２８０の駆動にさらに用いられて、車輪２４０ａの駆動力がさらに増加する。

減速および制動時には、モータ２８０は、車輪２４０ａによって回転駆動されて発電機として作用する。モータ２８０の回生発電によって回収された電力は、電力ライン２５３、インバータ２３０および電力ライン２５１を介して、電源供給装置１００内の第１の電池群１０，２０の充電に用いられる。さらに、車両停止時には、エンジン２１０は自動的に停止される。

このように、ハイブリッド駆動システム２００は、エンジンによって発生された駆動力と、電気エネルギを源としてモータ２８０によって発生された駆動力等の組合せによって、すなわち、車両状況に応じてエンジン２１０およびモータ２８０の作動を制御することにより燃費を向上させた車両運転を行なう。

すなわち、図２の構成と、この発明の構成とを対比すれば、モータ２８０がこの発明における「電動機」に相当し、インバータ２３０がこの発明における「電力制御器」に相当し、補機類２９０がこの発明における「補機」に相当する。

ハイブリッド駆動システム２００では、モータ効率上、モータ２８０の動作電圧を高くすることが好ましいためモータ２８０および補機類２９０の動作電圧は必然的に異なるレベルに設定される。また、車両への搭載スペース制約から、これらの負荷への電源供給装置への小型化要求が高い。したがって、モータ２８０および補機類２９０への電源供給に、図１に示した電源供給装置１００を適用することにより、その小型化および負荷の安定動作を実現できる。

また、ハイブリッド駆動システム２００においては、電源供給装置１００内のバッテリ（電池群１０，２０）は、ジェネレータ２７０による発電電力またはモータ２８０による回生制動発電による電力によって充電可能であるので、図１に示した各単電池セル１５，２５の充電効率向上効果についても享受することができる。

なお、図１では、２種類の動作電圧Ｖ１，Ｖ２が取出し可能な電源供給装置１００の構成を説明したが、同様に構成された電源供給装置から３種類以上の動作電圧を取出す構成とすることも可能である。

図３は、この発明の実施の形態による電源供給装置の他の構成例を示すブロック図である。

図３を参照して、この発明の実施の形態の他の構成例に従う電源供給装置１００♯は、図１に示された電源供給装置１００と同様に、第１の電池群１０と、電圧端子１１，１２とを備える。さらに、電源供給装置１００♯は、複数の第２の電池群２０ａ〜２０ｃと、電圧端子２１ａ〜２１ｃおよび２２ａ〜２２ｃとを備える。

第２の電池群２０ａは、電圧端子対２１ａおよび２２ａの間に接続され、第２の電池群２０ｂは、電圧端子対２１ｂおよび２２ｂの間に接続され、第２の電池群２０ｃは、電圧端子対２１ｃおよび２２ｃの間に接続される。すなわち、電源供給装置１００♯において、「第２の電池群」および「電圧端子対」の組は複数個設けられている。

第１の電池群１０は、電圧端子１１およびノードＮ１の間に直列接続された単電池セル１５から構成されるサブグループ１６ａと、ノードＮ１およびＮ２間に直列接続される単電池セル１５で構成されるサブグループ１６ｂと、ノードＮ２およびＮ３の間に直列接続される単電池セル１５で構成されるサブグループ１６ｃと、ノードＮ３および電圧端子１２の間に直列接続される単電池セル１５から構成されるサブグループ１６ｄとに分類される。

電圧端子１１および１２の間には、動作電圧Ｖ１が生成される。

動作電圧Ｖ２ａを取出すための電圧端子２１ａおよび２２ａは、ノードＮ３および電圧端子１２とそれぞれ接続される。したがって、第２の電池群２０ａは、第１の電池群１０のうちの、サブグループ１６ｄに属する単電池セル群と並列に接続される。

同様に、動作電圧Ｖ２ｂを取出すための電圧端子２１ｂおよび２２ｂは、ノードＮ２および電圧端子１２とそれぞれ接続される。したがって、第２の電池群２０ｂは、第１の電池群１０のうちの、サブグループ１６ｃおよび１６ｄに属する単電池セル群と並列に接続される。

また、動作電圧Ｖ２ｃを取出すための電圧端子２１ｃおよび２２ｃは、ノードＮ１およびＮ３とそれぞれ接続される。したがって、第２の電池群２０ｃは、第１の電池群１０のうちの、サブグループ１６ｂおよび１６ｃに属する単電池セル群と並列に接続される。

このように、第２の電池群２０から動作電圧を取出すための電圧端子を適宜配置することにより、複数種類の動作電圧を第１の電池群１０により供給することが可能である。さらに、これらの電圧端子に並列に第２の電池群２０ａ〜２０ｃをそれぞれ並列接続することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータを設けることなく動作電圧の安定化を図ることができる。

なお、この実施の形態では、この発明による電源供給装置をハイブリッド自動車へ適用する構成例を示したが、この発明の適用はこのような場合に限定されるものではない。すなわち、ハイブリッド車両以外にも、電気自動車等の電動機を主機として車両や、動作電圧が異なる負荷群を備えた機器・システムに対して、この発明による電源供給装置を適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態による電源供給装置の構成例を示すブロック図である。 この発明による電源供給装置が適用されたハイブリッド自動車の駆動システムを示すブロック図である。 この発明の実施の形態による電源供給装置の他の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 第１の電池群、１１，１２，２１，２２，２１ａ〜２１ｃ，２２ａ〜２２ｃ 電圧端子、１５，２５ 単電池セル、１６，１６ａ〜１６ｄ，１７ サブグループ（第１の電池群）、２０，２０ａ〜２０ｃ 第２の電池群、３１，３２ 電流センサ、４０ 負荷（主機）、４１，４２ リレースイッチ、５０ 負荷（補機）、６０ 充電器、７０ 制御装置、１００，１００♯ 電源供給装置、２００ ハイブリッド駆動システム、２１０ エンジン、２３０ インバータ、２４０ａ 車輪、２４１ 車軸、２５０ トランスアクスル、２５１〜２５３ 電力ライン、２６０ 動力分割機構、２６２ 減速機、２７０ ジェネレータ、２８０ モータ、２９０ 補機、ｉ１，ｉ２ 測定電流（センサ）、ｉｃ 充電電流、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ２ａ〜Ｖ２ｃ 動作電圧（負荷）。

Claims (5)

1. 動作電圧がそれぞれ異なる負荷群に共通に適用される電源供給装置であって、
   第１の動作電圧を取出すための第１の電圧端子対と、
   前記第１の電圧端子対の間に直列接続された第１の電池群と、
   前記第１の動作電圧より低い第２の動作電圧を取出すための第２の電圧端子対と、
   前記第２の電圧端子対の間に直列接続された第２の電池群とを備え、
   前記第２の電池群は、前記第１の電池群の一部に対して並列に接続される、電源供給装置。
2. 前記第１の電池群の各々および前記第２の電池群の各々は、同一形式の単電池ユニットで構成される、請求項１に記載の電源供給装置。
3. 前記第１の電圧端子対には充電電流を供給可能な充電器が接続され、
   前記電源供給装置は、前記第１および第２の電池群の充電状態を検知する充電状態検知手段をさらに備え、
   前記充電器からの前記充電電流の供給は、前記第１の電池群および前記第２の電池群のいずれかについて前記充電状態検知手段によって過充電が検知された場合に停止される、請求項１に記載の電源供給装置。
4. 前記第２の電池群および前記第２の電圧端子対の組は、複数個設けられ、
   前記複数個の前記第２の電池群は、前記第１の電池群の異なる一部ずつに対してそれぞれ並列に接続される、請求項１に記載の電源供給装置。
5. 車輪を駆動可能な電動機と、
   前記電動機を駆動制御する電力制御器と、
   請求項１から４のいずれかに記載の電源供給装置と、
   前記電動機および前記電力制御器とは動作電圧が異なる補機とを備え、
   前記電動機および前記電力制御器は、前記電源供給装置の前記第１の電圧端子対から前記第１の動作電圧の供給を受けて動作し、
   前記補機は、前記電源供給装置の前記第２の電圧端子対から前記第２の動作電圧の供給を受けて動作する、車両。

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