JP2006034006A - Dc−dcコンバータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】DC−DCコンバータは、高圧電池2と低圧電池4との間の電力授受を行う主回路部21と、高圧電池センサ信号検出部17と、低圧電池センサ信号検出部18と、高圧電池センサ信号検出部および低圧電池センサ信号検出部からの検出データに基づいて電池状況を算出する演算部14と、主回路部を制御する制御部15と、冷却装置制御部42とを具備し、制御部は、演算部が算出した電池状況に基づき主回路部の出力電圧および出力電流を制御し、冷却装置制御部は、演算部の指令に基づき冷却装置を制御する構成とした。
【選択図】 図4
Description
また、低圧電池の温度については、温度に関する情報は電池に取り付けられた温度センサからの信号を車両ECUで検出し演算した結果に基づき、DC−DCコンバータに出力電圧指令として送信される。DC−DCコンバータは車両ECUからの出力電圧指令に基づいた出力電圧制御を実施する。
高圧電池の状態監視については、高圧電池に取り付けられた電圧センサ、電流センサおよび温度センサからの信号を電池ECUに設けられた高圧電池検出部で検出し、それらの検出データから高圧電池状態を演算部で演算し、車両ECUに送信する。車両ECUでは、それらの情報に基づいてモータ走行の制限や電池の充電量を決定し、DC−DCコンバータおよび車両のその他の装置に指令をだす。
上記のように、低圧電池の電圧センサ信号はDC−DCコンバータに入力される。一方、低圧電池の温度センサ信号は車両ECUに入力される。また、高圧電池の電圧センサ信号、電流センサ信号および温度センサ信号は電池ECUに入力され演算結果は車両ECUに送られる。また、その目的もDC−DCコンバータの出力電圧制御であったり、モータ走行の制限であったり、電池の充電量の制限であったりする。
このように低圧電池および高圧電池のセンサ情報は、DC−DCコンバータの効率的な制御という見地からは充分に活用されているとはいえなかった。
また、上記DC−DCコンバータに高圧電池およびDC−DCコンバータ自身の温度情報に基づいて冷却装置を制御する機能を持たせることで、冷却装置を効率的に駆動し、省エネルギーおよび車両の静音向上を達成したDC−DCコンバータを提供することを課題としている。
また、演算部もDC−DCコンバータ内に備えられた構成となっているので、高圧電池および低圧電池の充電状況、ならびに高圧負荷および低圧負荷の状況に応じた最適の制御をDC−DCコンバータが実施することができ、ハイブリッド自動車の高圧電源系と低圧電源系およびDC−DCコンバータからなる電源システムの効率化と簡素化をコストアップすることなく実現している。
また、低圧電池センサ信号検出部は、低圧電池に取り付けられた電池センサを構成する低圧電池の電圧を検出する電圧センサ、低圧電池の電流を検出する電流センサおよび低圧電池の温度を検出する温度センサからの信号を入力し、デジタル信号に変換して出力する。
また、演算部は、高圧電池センサ信号検出部および低圧電池センサ信号検出部が出力するデジタル信号に基づいて高圧電池および低圧電池の充電状況と負荷状況を演算する。
そして、制御部は、演算部が算出した高圧電池および低圧電池の充電状況と負荷状況の両方、もしくはどちらかの充電状況と負荷状況に基づき、主回路部の出力電圧および出力電流を制御することを特徴とした構成となっている。
なお、この発明は低圧電池のSOCの演算が不要であり、簡素な方法である。
なお、本発明で使用しているSOC(State of Charge)とは、電池の充電率のことで、電池の満充電のときの電池容量に対する現在の電池容量(充電状態)であらわす。例えば、満充電のときの電池容量が30AHの電池の現在の電池容量が15AHとすると、SOCは0.5(15/30=0.5)であるとする。
また、低圧電池の充電状況を直接監視しているので、例えば、DC−DCコンバータと低圧電池とが離れて設置されていても、その間のハーネスの電圧降下を考慮することなくDC−DCコンバータを制御することができる。
なお、ここで規格上限温度とは、高圧電池あるいはDC−DCコンバータの正常動作が可能な温度の上限値として設定した温度である。
DC−DCコンバータにセンサユニットの一部、または全体を統合したことで、高圧電池および低圧電池の電圧、電流および温度の情報と両電池の負荷状況を直接DC−DCコンバータに取り込み、信号の質を向上させるとともにDC−DCコンバータと高圧電源系および低圧電源系を含めた電源システムにおいて、効率的な電力の授受を実施することができる。
また、マイコン演算部でDC−DCコンバータの異常検出、出力電圧制御の処理をできるので車両ECUとの配線削減ができ、コスト低減および特性向上が達成できる。
さらに、DC−DCコンバータに冷却装置を制御する機能を持たせる場合は、省エネルギーを促進し、車両の静音向上の効果が大きい。
(実施例1)
図1は、本発明を適用した実施例1の構成を示すブロック図で請求項1に対応する。図1において、10はDC−DCコンバータ、1は発電電動機、2は高圧電池(定格300V)、3は高圧負荷、4は低圧電池(定格14V)、5は低圧負荷、6はイグニッションスイッチ、7は車両ECU、8は電池監視装置である。
演算部14での演算結果に基づいて、演算部14から制御部15に主回路部11の制御指令が送られ、制御部15は、その指令に基づいて主回路部11を制御する。
主回路部11の制御は、電力を順方向に送電(高圧電池側から低圧電池側に給電する)するときは、主回路部の二次側(低圧電池側)の出力電圧と出力電流をコントロールし、
電力を逆方向に送電(低圧電池側から高圧電池側に給電する)するときは、主回路部の一次側(高圧電池側)の出力電圧と出力電流をコントロールしている。
また、DC−DCコンバータ10には、電池センサ検出部12が備えられているので、低圧電池センサ信号を直接DC−DCコンバータ10に入力し、その検出データに基づき制御部15が主回路部11を制御することも可能な構成となっている。
さらに、信号送受信部13は、電池監視装置8から送られる電池センサの信号を受信して演算部14に送るとともに、電池ECU7にも同時に送信する。
図2は、本発明の実施例2(請求項2〜9に対応)の構成を示すブロック図であり、実施例1DC−DCコンバータ10と異なる点は、主回路部21の電力授受の方向が順方向であることと、高圧電池センサ信号検出部17および低圧電池センサ信号検出部18がDC−DCコンバータ内に設けられていることである。
その他の発電電動機1、高圧電池2、高圧負荷3、低圧電池4、低圧負荷5、イグニッションスイッチ6、車両ECU7、高圧電池センサ信号検出部17、低圧電池センサ信号検出部18、演算部14、制御部15およびコンバータ部異常検出部16は図1のDC−DCコンバータ10と同様のものである。従って、実施例1のDC−DCコンバータ10と同じ符号を付してある。
なお、高圧電池センサ信号検出部17と低圧電池センサ信号検出部18には、電圧検出部、電流検出部および温度検出部がそれぞれ設けられている。
DC−DCコンバータ20の出力電圧が、低圧電池4の電圧値以上に設定されることにより低圧負荷への給電がDC−DCコンバータ20を介して高圧電池側から行われ、また、低圧電池4の充電も同時に行うこともできる。
高圧電池2に取り付けられている温度センサが検出した信号は高圧電池センサ信号検出部12に備えられている温度検出部においてデジタル信号に変換され、演算部14に入力される。演算部14に入力された高圧電池2の温度データから演算部14では高圧電池2のSOCを算出し、そのSOCをあらかじめ演算部14に記憶されている設定値と比較して高圧電池2のSOCの値に応じて高圧電池側から低圧電池側に送電する電力量を決定し、制御部15が主回路部21の最大出力電圧または最大出力電流を所定値以下に制御する。そのため、高圧電池2は不要な放電から保護される。
例えば、請求項6の発明では、低圧電池に取り付けられた電流センサの検出データの情報に基づいてDC−DCコンバータの出力電圧を制御している。この場合、その他のセンサ(低圧電池の電圧センサ、温度センサおよび高圧電池の電圧センサ、電流センサ、温度センサ)は、すべて所定の位置に取り付けられ、低圧電池センサ検出部または高圧電池センサ検出部に接続されたものでもよい。あるいは、低圧電池の電流センサ以外は備えられていないものでもよい。
図3は本発明の実施例3(請求項10〜11に対応)を示すブロック図であり、実施例2と異なる点は、主回路部31が双方向となっていることで、その他の発電電動機1、高圧電池2、高圧負荷3、低圧電池4、低圧負荷5、イグニッションスイッチ6、車両ECU7、高圧電池センサ信号検出部17、低圧電池センサ信号検出部18、演算部14、制御部15およびコンバータ部異常検出部16は図1および図2のDC−DCコンバータと同様のものである。従って、実施例1のDC−DCコンバータ10と同じ符号を付してある。
なお、主回路部31の具体的な電力の昇圧送電動作については、周知のことなので説明を省略する。
図4は本発明の実施例4(請求項12〜15に対応)を示すブロック図であり、実施例1〜3と異なる点はDC−DCコンバータ40内に冷却装置制御部42を持っていることと、DC−DCコンバータの温度を検出する温度センサーと温度検出部41が備えられていることである。
温度センサーは、高温となる主回路部の半導体部品や温度余裕が最も少ない部品の温度検出が可能な箇所、あるいはケースに取り付けられている。また、複数の温度センサーを使用してもよい。
その他のDC−DCコンバータ40の構成は主回路部21(又は31)、制御部15、演算部14、高圧電池センサ信号検出部17、低圧電池センサ信号検出部18、およびコンバータ部異常検出部16となっている。
さらに、DC−DCコンバータ40には、発電電動機1、高圧電池2、高圧負荷3、低圧電池4、低圧負荷5、イグニッションスイッチ6、車両ECU7、および高圧電池2と低圧電池4に取り付けられた電池センサーが接続されている。
冷却装置制御部42には冷却装置駆動部43を備えた冷却装置44が接続されている。
また、DC−DCコンバータ40自体の温度は、温度検出部41で検出された温度データが同様に演算部14に送られる。演算部14では高圧電池の温度データおよびDC−DCコンバータの温度データを演算部14に記憶しているそれぞれの冷却開始として設定されている温度に達しているかどうかの判定を行う。判定結果が高圧電池あるいはDC−DCコンバータの温度が設定温度以上であれば冷却装置運転開始の指令が演算部14から冷却装置制御部41に送られ、冷却装置制御部42は冷却装置駆動部43を介して冷却装置44の運転をスタートさせる。逆に冷却装置運転中に高圧電池およびDC−DCコンバータの両者の温度が設定温度以下となったときは冷却停止の指令が出される。
なお、通常、冷却装置運転開始の設定温度と運転停止の設定温度とは異なった温度を設定する(運転停止の温度を運転開始の温度より低く設定する)。
請求項13の発明は冷却装置制御の基となるデータとして、高圧電池の温度データ、DC−DCコンバータの温度データおよび出力を使用する。DC−DCコンバータの出力電力データを加えることで今後のDC−DCコンバータの温度上昇の程度が推定され(出力電力が大きければ発熱が大となる)、冷媒流量加減のより正確なデータを得ることができる。
請求項14の発明は、図6に示すように冷却装置が直列配置となっており、冷媒が高圧電池からDC−DCコンバータの順に流れる構成となっている。従って、冷媒の温度は前段の高圧電池の温度と関連づけられ、後段のDC−DCコンバータの温度は高圧電池を通過してきた冷媒の温度で決定されるので、高圧電池の温度データをもとにDC−DCコンバータの最大出力電流を変えていく構成としている。本発明では高圧電池の温度データからDC−DCコンバータの最大出力電流を決定する演算は演算部14で行われ、制御部15に指令が出される。
請求項15の発明は、図7に示すように冷却装置が並列配置となっており、冷却装置を出た冷媒は高圧電池を冷却する冷媒通路とDC−DCコンバータを冷却する冷媒通路を並列に流れる。
演算部14は、温度センサによって検出された高圧電池の温度データとDC−DCコンバータの温度データを、あらかじめ設定されている規格上限温度(DC−DCコンバータが正常動作可能な上限温度)と比較して高圧電池およびDC−DCコンバータに流す冷媒量を決定し、冷却装置制御部42に冷却装置の制御指令を発する。制御指令に基づき冷却装置制御部42は冷却装置駆動部43を介して冷却装置44の冷媒流量を制御する。
2:高圧電池
3:高圧負荷
4:低圧電池
5:低圧負荷
6:イグニッションスイッチ
7:車両ECU
8:電池監視装置
9:電池ECU
10、20、30、40:DC−DCコンバータ
11、21、31:主回路部
12:電池センサ検出部
13:信号送受信部
14:演算部
15:制御部
16:コンバータ異常検出部
17:高圧電池センサ信号検出部
18:低圧電池センサ信号検出部
41:温度検出部
42:冷却装置制御部
43:冷却装置駆動部
44:冷却装置
45:冷媒通路
111、112:入力端子
113、114:出力端子
Claims (15)
- ハイブリッド自動車の発電電動機および高圧負荷に電力授受可能に接続された高圧電池を含む高圧電源系と、低圧負荷に電力を供給する低圧電池を含む低圧電源系と、の間に接続されるDC−DCコンバータにおいて、
該高圧電池と該低圧電池との間の電力授受を行う主回路部と、
前記高圧電池および前記低圧電池に取り付けられた電池センサからの信号を高圧電池センサ信号検出部および低圧電池センサ信号検出部に入力し、デジタル信号に変換して出力する電池監視装置との間で、該電池監視装置が送信する該デジタル信号よりなる電池監視情報あるいは該DC−DCコンバータの動作指令を受信し、車両ECUとの間で該DC−DCコンバータの動作指令を送受信する信号送受信部と、
該電池センサからの信号を入力し、デジタル信号に変換して出力する電池センサ検出部と、
該信号送受信部の受信した該電池監視情報に基づいて前記高圧電池および前記低圧電池の充電状況と負荷状況を演算する演算部と、
該演算部からの動作指令に基づいて該主回路部を制御する制御部と、を具備していることを特徴とするDC−DCコンバータ。 - 前記高圧電池センサ信号検出部および前記低圧電池センサ信号検出部が前記DC−DCコンバータ内に形成され、
該高圧電池センサ信号検出部は、
前記高圧電池に取り付けられた前記電池センサを構成する前記高圧電池の電圧を検出する電圧センサ、前記高圧電池の電流を検出する電流センサおよび前記高圧電池の温度を検出する温度センサからの信号を入力し、デジタル信号に変換して出力し、
該低圧電池センサ信号検出部は、
前記低圧電池に取り付けられた前記電池センサを構成する前記低圧電池の電圧を検出する電圧センサ、前記低圧電池の電流を検出する電流センサおよび前記低圧電池の温度を検出する温度センサからの信号を入力し、デジタル信号に変換して出力し、
前記演算部は、
該高圧電池センサ信号検出部および該低圧電池センサ信号検出部が出力する該デジタル信号に基づいて前記高圧電池および前記低圧電池の充電状況と負荷状況を演算し、
前記制御部は、前記演算部が算出した前記高圧電池および前記低圧電池の充電状況と負荷状況の両方、もしくはどちらかの充電状況と負荷状況に基づき、前記主回路部の出力電圧および出力電流を制御することを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。 - 前記高圧電池センサ信号検出部を構成する前記高圧電池の電圧を検出する前記電圧センサからの信号を入力し、デジタル信号に変換して高圧電池電圧データとして出力する電圧検出部と、
前記高圧電池の電流を検出する前記電流センサからの信号を入力し、デジタル信号に変換して高圧電池電流データとして出力する電流検出部と、
前記高圧電池の温度を検出する前記温度センサからの信号を入力し、デジタル信号に変換して高圧電池温度データとして出力する温度検出部と、
前記低圧電池センサ信号検出部を構成する前記低圧電池の電圧を検出する前記電圧センサからの信号を入力し、デジタル信号に変換して低圧電池電圧データとして出力する電圧検出部と、
前記低圧電池の電流を検出する前記電流センサからの信号を入力し、デジタル信号に変換して低圧電池電流データとして出力する電流検出部と、
前記低圧電池の温度を検出する前記温度センサからの信号を入力し、デジタル信号に変換して低圧電池温度データとして出力する温度検出部と、
のすべて、またはいずれかの検出部を具備していることを特徴とする請求項2に記載のDC−DCコンバータ。 - 前記演算部は、前記高圧電池電圧データ、前記高圧電池電流データおよび前記高圧電池温度データのすべて、またはいずれかのデータから前記高圧電池の充電状況と負荷状況を算出し、前記制御部は、算出された前記高圧電池の充電状況と負荷状況に基づき、前記主回路部の出力電圧および出力電流を制御することを特徴とする請求項2および3に記載のDC−DCコンバータ。
- 前記演算部は、前記低圧電池電圧データ、前記低圧電池電流データおよび前記低圧電池温度データのすべて、またはいずれかのデータから前記低圧電池の充電状況と負荷状況を算出し、前記制御部は、算出された前記低圧電池の充電状況と負荷状況に基づき、前記主回路部の出力電圧および出力電流を制御することを特徴とする請求項2および3に記載のDC−DCコンバータ。
- 前記演算部が、前記低圧電池センサ信号検出部が出力する前記低圧電池電流データに基づいて前記低圧電池の電流が放電であると判定した時は、前記制御部は、前記主回路部の出力電圧を前記低圧電池の電圧値以上に制御することを特徴とする請求項5に記載のDC−DCコンバータ。
- 前記制御部は、前記演算部において前記高圧電池温度データ、前記高圧電池電流データおよび前記高圧電池電圧データのすべて、またはいずれかのデータから算出された前記高圧電池のSOC、
前記低圧電池温度データ、前記低圧電池電流データおよび前記低圧電池電圧データのすべて、またはいずれかのデータから算出された前記低圧電池のSOCの両方、またはどちらかの該SOCに基づき、前記主回路部の出力電圧および出力電流を制御することを特徴とする請求項2および3に記載のDC−DCコンバータ。 - 前記演算部が、前記高圧電池センサ信号検出部が出力する前記高圧電池温度データに基づいて算出した前記高圧電池のSOCが所定値よりも低いと判定した時は、前記制御部は、前記主回路部の最大出力電圧または最大出力電流を所定電圧以下または所定電流以下となるように制御することを特徴とする請求項7に記載のDC−DCコンバータ。
- 前記演算部が、前記高圧電池温度データから算出した前記高圧電池のSOCが第一の基準値よりも低く、前記低圧電池温度データから算出した前記低圧電池のSOCが第二の基準値よりも高いと判定した時は、前記制御部は、前記主回路部の出力電流が所定電流以下となるように制限することを特徴とする請求項7に記載のDC−DCコンバータ。
- 前記主回路部は、前記高圧電池側と前記低圧電池側との電力授受が双方向に可能であり、前記演算部が、前記高圧電池温度データから算出した前記高圧電池のSOCが第一の所定値よりも低く、前記低圧電池温度データから算出した前記低圧電池のSOCが第二の所定値よりも高いと判定した時は、前記制御部は、前記低圧電池側から前記高圧電池側に昇圧給電を行うように前記主回路部を制御することを特徴とする請求項7に記載のDC−DCコンバータ。
- 前記主回路部は、前記高圧電池側と前記低圧電池側との電力授受が双方向に可能であり、前記演算部が、
前記高圧電池の温度が所定温度よりも低い、
前記高圧電池のSOCが第一の所定値よりも低い、
前記高圧電池のSOCが第一の所定値よりも低く、かつ、前記低圧電池のSOCが第二の所定値よりも高い、
との条件のうち、すべての条件、あるいはいずれかの条件に該当すると判定した時は、前記制御部は、前記発電電動機の起動時に前記低圧電池側から前記高圧電池側に昇圧給電を行うように前記主回路部を制御することを特徴とする請求項7に記載のDC−DCコンバータ。 - 前記DC−DCコンバータおよび前記高圧電池は、共通の冷却装置から流入する冷媒によって冷却され、前記DC−DCコンバータは、該DC−DCコンバータの温度を検出する温度センサと、該温度センサからの信号を入力し、デジタル信号に変換してコンバータ温度データとして前記演算部に出力する温度検出部と、該冷却装置を制御する冷却装置制御部とを備え、前記演算部が前記高圧電池温度データおよび前記コンバータ温度データから、前記高圧電池の温度あるいは前記DC−DCコンバータの温度のいずれかが所定の温度に達したと判定した時は、該冷却装置制御部が前記冷却装置の駆動信号を発生することを特徴とする請求項1〜11に記載のDC−DCコンバータ。
- 前記演算部は、前記高圧電池温度データ、前記DC−DCコンバータの出力電力および前記コンバータ温度データの関数として前記冷却装置の冷媒流量を算出し、前記冷却装置制御部は、前記演算部の指令に基づき該冷媒流量を制御することを特徴とする請求項12に記載のDC−DCコンバータ。
- 前記冷却装置は、冷媒が上流に位置する前記冷却装置から前記高圧電池、前記DC−DCコンバータの順に流れるように冷媒通路が形成され、該冷媒が前段の前記高圧電池を経由して後段の前記DC−DCコンバータに流れる時は、前記制御部は、前記演算部が前記高圧電池データから算出した前記高圧電池の温度に基づいて前記DC−DCコンバータの最大出力電流を制御することを特徴とする請求項12に記載のDC−DCコンバータ。
- 前記冷却装置は、冷媒が上流に位置する前記冷却装置から前記高圧電池に流れる第一の冷媒通路と、前記冷却装置から前記DC−DCコンバータに流れる第二の冷媒通路とが並列に形成され、該冷媒が前記冷却装置から前記高圧電池と前記DC−DCコンバータに並列に流れる時は、前記演算部が前記高圧電池データから算出した前記高圧電池の温度を前記高圧電池の規格上限温度と、前記コンバータ温度データから算出した前記DC−DCコンバータの温度を前記DC−DCコンバータの規格上限温度と比較演算して、前記高圧電池および前記DC−DCコンバータに流す冷媒の比率を決定し、前記冷却装置制御部は、前記演算部の指令に基づいて前記高圧電池および前記DC−DCコンバータに流す前記冷媒の比率を制御することを特徴とする請求項12に記載のDC−DCコンバータ。
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