JP2011097760A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用電源装置において、車両停止時における待機中に二次電池と第一のＤＣ／ＤＣコンバータとの間の電気経路を遮断しておくことを可能とし、二次電池から流れる暗電流（待機電流）を少なくして、二次電池の過放電を防ぐことにある。
【解決手段】二次電池（１２）とこの二次電池（１２）の電圧を降圧し補機（３２）に電力を供給する第一のＤＣ／ＤＣコンバータ（２５）との間の電気経路（２２）を導通又は遮断するリレー（２６）と、二次電池（１２）の電圧を降圧しリレー（２６）を導通する制御電圧を発生する第二のＤＣ／ＤＣコンバータ（３７）とを備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両用電源装置に係り、特に車両システムの起動制御を行う車両用電源装置に関する。

燃料電池を主電源として電動機（モータ）を駆動する燃料電池自動車においては、一般的に、高負荷時の出力補助や車両減速時の回生エネルギの受け入れのために、二次電池や電気二重層キャパシタ等の高電圧電気エネルギ貯蔵装置を搭載している。
また、従来、燃料電池自動車においては、車両システムを起動し、また、様々な車両補機類を駆動するための低電圧電気エネルギ貯蔵装置を搭載している。
即ち、燃料電池自動車においては、図５に示すように、車両システム１０２や燃料電池システム１０３を搭載している。車両システム１０２は、車両制御装置１３３を含む車両補機類１３２を備える。燃料電池システム１０３は、燃料電池１０４とモータコントローラ１０８とモータ１１０とを備える。
また、燃料電池自動車には、モータコントローラ１０８への電力供給を補助する等の機能を有する高電圧電気エネルギ貯蔵装置１１１としての二次電池１１２が搭載されている。モータコントローラ１０８と二次電池１１２との間の電気経路には、第１リレー１１６と第２リレー１１７とが並列に設けられている。二次電池１１２は、車両補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１２５を介して車両補機類１３２にも電源を供給する。車両補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１２５と車両補機類１３２との間の電気経路には、手動スイッチ（メインスイッチ）１４９と低電圧電気エネルギ貯蔵装置１５８としての補機用二次電池１５９とが接続している。

特開２００６−２９６０４９号公報 特開２００５−２８７２４２号公報 特開２００８−５６２２号公報

特許文献１に係る電源制御装置は、分圧回路から取り出した低電圧をＤＣ−ＤＣコンバータの制御回路部へ供給して、高圧バッテリの他に、別途低電圧用の補機バッテリを設けることなく、ＤＣ−ＤＣコンバータを起動可能として、小型化を図るものである。
特許文献２に係る車両用電源装置は、イグニションスイッチがオンした時に、コンデンサの電力を用いてリレースイッチを導通状態とすることで、高圧システム及び低圧システムを起動可能とするものである。
特許文献３に係る車両用電源装置は、メインＤＣ／ＤＣコンバータを遮断手段よりも蓄電手段側の高電圧回路と低電圧回路との間に接続し、高電圧バッテリセルから給電される第１の電圧範囲の電圧を、一定の電圧範囲に降下するものである。

ところが、従来、車両用電源装置において、高負荷時の出力補助や車両減速時の回生エネルギの受け入れのための高電圧電気エネルギ貯蔵装置は、大型で重量も大きいのに加え、長期間車両停止中の暗電流（待機電流）によるエネルギ消費や自己放電等に起因した過放電によって燃料電池システムの起動が不可能になることを防止するために、低電圧電気エネルギ貯蔵装置も小型化が困難であるため、このように複数の電気エネルギ貯蔵装置を有することは、燃料電池システムの大型化や重量化に繋がる場合があった。

そして、高電圧電気エネルギ貯蔵装置から燃料電池システムを起動するためには、図４に示すように、車両補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１２５の電気経路である低電圧側出力バスに手動スイッチ１４９を挿入している。この方式によれば、手動スイッチ１４９をオンとすることより、高電圧電気エネルギ貯蔵装置１１１である二次電池１１２からの車両補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１２５によって低電圧（通常は１２Ｖ系）に変換された電力が、車両制御装置１３３を含む車両補機類１３２に供給され、車両起動アルゴリズムが遂行される。
しかしながら、この場合、車両停止時における車両補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ１２５の微小な暗電流（待機電流）により、二次電池１１２が過放電に至ることが懸念されていた。

そこで、この発明の目的は、低電圧電気エネルギ貯蔵装置を省略し、高電圧電気エネルギ貯蔵装置のみによる車両システムの起動を実現可能な車両用電源装置を提供することにある。

この発明は、二次電池と、この二次電池の電圧を降圧し補機に電力を供給する第一のＤＣ／ＤＣコンバータとを備える車両用電源装置において、前記二次電池と前記第一のＤＣ／ＤＣコンバータとの間の電気経路を導通又は遮断するリレーと、前記二次電池の電圧を降圧し前記リレーを導通する制御電圧を発生する第二のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えることを特徴とする。

この発明の車両用電源装置は、第一のＤＣ／ＤＣコンバータよりも待機電流の少ない第二のＤＣ／ＤＣコンバータを設けることにより、待機中には二次電池と第一のＤＣ／ＤＣコンバータとの間の電気経路を遮断しておくことを可能とし、二次電池から流れる暗電流（待機電流）を少なくして、二次電池の過放電を防ぐことができる。

図１は車両用電源装置のシステム構成図である。（実施例） 図２は車両システム起動ルーチンのフローチャートである。（実施例） 図３は車両システム停止ルーチンのフローチャートである。（実施例） 図４はこの発明の基本となる車両用電源装置のシステム構成図である。（基本使用例） 図５は従来の車両用電源装置のシステム構成図である。（従来例）

この発明は、二次電池から流れる暗電流（待機電流）を少なくして、二次電池の過放電を防ぐ目的を、第一のＤＣ／ＤＣコンバータよりも待機電流の少ない第二のＤＣ／ＤＣコンバータを設けることにより、待機中には二次電池と第一のＤＣ／ＤＣコンバータとの間の電気経路を遮断しておくことを可能として実現する。
以下、図面に基づいてこの発明の実施例を詳細且つ具体的に説明する。

図１〜図３は、この発明の実施例を示すものである。
図１において、１は車両に搭載される車両用電源装置、２は車両システム、３は燃料電池システムである。
燃料電池システム３は、燃料電池４と、この燃料電池４に並列に接続した第１電気経路５としての第１正極用バス６及び第１負極用バス７で連絡したモータコントローラ８と、このモータコントローラ８に三相線９で連絡したモータ（電動機）１０とを備える。
燃料電池４は、燃料及び酸化剤の供給を受けて発電するものである。
モータコントローラ８は、燃料電池４で発電された直流電力を三相交流電力に変換し、モータ１０を駆動制御する。なお、このモータコントローラ８は、モータ１０の駆動制御に加え、車両減速時には、モータ１０の負トルクを電力に変換する回生制御を行う。
モータ１０は、モータコントローラ８から供給された電力によって駆動する。このモータ１０で発生した駆動力は、変速機を介して駆動輪に伝達される。

また、車両には、高電圧電気エネルギ貯蔵装置１１としての二次電池１２が搭載される。この二次電池１２は、燃料電池４と並列に配設されるものであり、第１電気経路５としての第１正極用バス６及び第１負極用バス７に接続した第２電気経路１３としての第２正極用バス１４及び第２負極用バス１５に接続し、モータコントローラ８への電力供給を補助すると共に、燃料電池４の発電電力や、車両減速時におけるモータコントローラ８からの回生電力を受け入れる。
燃料電池システム３においては、上記の高電圧の二次電池１２以外の電気エネルギ貯蔵装置が存在しない。

第２正極用バス１４及び第２負極用バス１５の途中には、第１リレー１６及び第２リレー１７が設けられる。第１リレー１６は、第１駆動コイル１８と第１接点１９とを備える。第２リレー１７は、第２駆動コイル２０と第２接点２１とを備える。
この第１リレー１６及び第２リレー１７は、二次電池１２と燃料電池４側の第１電気経路５としての第１正極用バス６及び第１負極用バス７との接続又は遮断を行うものである。
また、第１リレー１６及び第２リレー１７と二次電池１２との間の第２正極用バス１４及び第２負極用バス１５には、第３電気経路２２としての第３正極用バス２３及び第３負極用バス２４が接続して第一のＤＣ／ＤＣコンバータ（車両補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ）２５が連絡する。第３正極用バス２３の途中には、二次電池１２と第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５との間の第３電気経路２２を導通又は遮断するリレーとしての第３リレー２６が設けられている。この第３リレー２６は、第３駆動コイル２７と第３接点２８とを備える。
第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５には、第４電気経路２９として、並列した低電圧出力バスである第４正極用バス３０及び第４負極用バス３１を介して車両補機類３２に連絡する。
第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５は、燃料電池４や二次電池１２からの高電圧入力電力を低電圧（通常は１２Ｖ系）電力に降圧し、この降圧した電力を車両補機類３２に供給する。
この車両補機類３２は、車両制御をする車両制御装置３３を含むとともに、燃料電池４、モータコントローラ８、あるいは二次電池１２等の制御・通信回路や燃料電池４に反応空気を供給するためのブロアファン等の機器を備える。

第１リレー１６及び第２リレー１７と二次電池１２との間の第２正極用バス１４及び第２負極用バス１５には、第５電気経路３４としての第５正極用バス３５及び第５負極用バス３６を介して第二のＤＣ／ＤＣコンバータ（起動用ＤＣ／ＤＣコンバータ）３７が連絡する。
この第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７には、第６電気経路３８として、前記第２リレー１７の第２駆動コイル２０を駆動するための第６正極用バス３９及び第６負極用バス４０が接続している。
また、この第６正極用バス３９及び第６負極用バス４０には、第７電気経路４１として、前記第３リレー２６の第３駆動コイル２７を駆動するための第７正極用バス４２及び第７負極用バス４３が接続している。

出力側低電圧バスである第６正極用バス３９には、第７正極用バス４２の接続部位よりも第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７側で、第一の手動スイッチ（キースイッチ）４４が設けられている。
また、第６正極用バス３９には、第一の手動スイッチ４４を迂回するバイパスバス４５に、第一の手動スイッチ４４と並列に他のリレーである第４リレー４６が設けられている。第一の手動スイッチ４４は、運転者が車両システム２を起動させるためのものである。第４リレー４６は、第４駆動コイル４７と第４接点４８とを備える。
これにより、第一の手動スイッチ４４をオンにすることにより、運転者の操作により、車両システム２を起動したり停止したりすることが可能となる。また、車両システム２を停止するために第一の手動スイッチ４４をオフした後でも、他のリレーである第４リレー４６を導通することにより、車両制御装置３３を含む車両補機類３２に電力供給を継続して、車両停止の手続きを実行することが可能となる。
なお、第一の手動スイッチ４４は、オフを検知するため、同時にオン／オフする二つの独立した接点を有する、いわゆる単入力二出力のスイッチである。第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７の出力側に接続されている第一の手動スイッチ４４は、その内の一つであり、もう一つの接点信号が車両制御装置３３に入力され、第一の手動スイッチ４４のオン／オフ状態を検知する。

第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７は、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５と比較して、車両システム２の停止時における暗電流（待機電流）が非常に小さいものである。
また、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７は、二次電池１２からの高電圧入力電力を低電圧（通常は１２Ｖ系）電力に降圧し、この降圧した電力を、第一の手動スイッチ４４及び並列に備えた第４リレー４６を介して第２リレー１７を駆動する第２駆動コイル２０及び第３リレー２６を駆動する第３駆動コイル２７に供給する。
第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７の出力側低電圧バスである第６正極用バス３９及び第６負極用バス４０は、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力側低電圧バスである第４正極用バス３０及び第４負極用バス３１とは独立したものである。
このように、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５よりも暗電流（待機電流）の少ない第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７を設けることにより、待機中には二次電池１２と第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５との間の第３電気経路２２を遮断しておくことが可能となるため、二次電池１２から流れる暗電流（待機電流）を少なくして、二次電池１２の過放電を防ぐことができる。

第５正極用バス３５の途中には、第二の手動スイッチ（メインスイッチ）４９を設ける。この第二の手動スイッチ４９は、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７の暗電流（待機電流）による二次電池１２の過放電を防ぐことを目的としており、二次電池１２の容量が暗電流（待機電流）によるエネルギ消費に比べて相対的に十分に大きい場合はこれを省略することも可能である。
よって、第二の手動スイッチ４９をオフにすることにより、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７の待機中の暗電流（待機電流）が流れなくなるので、二次電池１２の過放電を防ぐことができる。

第１リレー１６と第４リレー４６と第一の手動スイッチ４４とは、車両制御装置３３に連絡している。また、燃料電池４とモータコントローラ８も、車両制御装置３３に連絡している。

加えて、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５及び第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７の低電圧出力バスである第４正極用バス３０及び第６正極用バス３９には、第８電気経路５０としての第８正極用バス５１及び第９正極用バス５２を接続してＡＣ／ＤＣコンバータ５３が接続している。この第８正極用バス５１及び第９正極用バス５２には、第１電流逆流防止用ダイオード５４及び第２電流逆流防止用ダイオード５５が設けられている。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ５３には、第４負極用バス３１と第６負極用バス４０とに接続する第８負極用バス５６が接続している。
ＡＣ／ＤＣコンバータ５３は、入力部５７に交流商用電源（ＡＣ）を接続することにより、低電圧バスである第４正極用バス３０及び第６正極用バス３９に直流電力を供給できるものである。
これにより、二次電池１２が過放電になり、車両システム２が起動できない場合でも、外部の交流電源を利用して車両システム２を起動することができる。
これは、車両を非常に長期間放置した際等、万一、二次電池１２が過放電状態となって車両システム２が起動できない場合に備えて、燃料電池システム３においては、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５及び第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７の出力部に１２Ｖ電源を供給するためのＡＣ／ＤＣコンバータ５３を設けている。このＡＣ／ＤＣコンバータ５３は、例えば、ＡＣ１００Ｖ〜２４０Ｖ等の商用電源に入力部を接続することで、ＤＣ１２Ｖを出力可能なものである。
なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ５３は、車載としてもよいが、車両にＤＣ１２Ｖの入力部を設け、外付けのアダプタを接続する構成とすれば、車両システム２は、より小型化・簡素化できる。

次に、この実施例に係る電源制御について説明する。
先ず、車両システム起動ルーチンを、図２のフローチャートに基づいて説明する。
図２に示すように、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７の入力部の正極側に設けた第二の手動スイッチ４９をオンとした状態において（ステップＡ０１）、運転者が車両システム２の起動のための第一の手動スイッチ４４をオンにすると（ステップＡ０２）、第二のＤＣ／Ｃコンバータ３７は、入力部に接続された二次電池１２からの高電圧を低電圧（１２Ｖ系）に降圧する（ステップＡ０３）。
これにより、二次電池１２の負極側の第２リレー１７の第２駆動コイル２０と第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５の正極入力側に設けた第３リレー２６の第３駆動コイル２７とに電源が供給され（ステップＡ０４）、第２リレー１７及び第３リレー２６は、閉状態（オン）となる。
続いて、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力側に二次電池１２から電源が供給され（ステップＡ０５）、出力側に接続された車両制御装置３３や燃料電池制御装置等、各制御装置類、そして燃料電池４への送風ファン等の車両補機類３２には、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５から、通常は１２Ｖ等に降圧された電源が供給される。このようにして車両制御装置３３に電源が供給されると、この車両制御装置３３は燃料電池４やモータコントローラ８を起動する等、車両システム起動アルゴリズムを遂行し（ステップＡ０６）、そして、車両制御装置３３により第１リレー１６と第４リレー４６とをオンとし（ステップＡ０７）、車両システム２の起動を完了する（ステップＡ０８）。
なお、車両システム２の第一の手動スイッチ４４と並列に設けた第４リレー４６は、第一の手動スイッチ４４をオフにした後の車両停止ルーチンにおいて、車両制御装置３３等の制御装置類や車両補機類３２への電源供給を継続するために、第２リレー１７の第２起動コイル２０と第３リレー２６の第３駆動コイル２７とに電源の供給を続けるためのものである。全ての車両停止ルーチンが終了した際に、車両制御装置３３は、第４リレー４６を開き（オフ）、車両システム２の遮断が完了する。

次いで、車両システム停止ルーチンを、図３のフローチャートに基づいて説明する。
図３に示すように、運転者が第一の手動スイッチ４４をオフにすると（ステップＢ０１）、車両制御装置３３は車両システム２の停止アルゴリズムを実行する（ステップＢ０２）。 そして、燃料電池システム３等が停止処理を行った後に、車両制御装置３３により第１リレー１６が開かれ（オフ）（ステップＢ０３）、続いて、第４リレー４６が開かれ（ステップＢ０４）、その結果、第２リレー１７及び第３リレー２６が開かれて第一のＤＣ／ＤＣコンパータ２５ヘの高電圧電源の供給が遮断されることにより（ステップＢ０５）、車両制御装置３３への１２Ｖ電源の供給も途絶え、これにより、車両システム停止アルゴリズムが完了する（ステップＢ０６）。

即ち、この実施例においては、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５と並列に小電力・低待機電力起動用の第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７を備え、この第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７からの出力により第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５の入力側の第３リレー２６を駆動することで、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力部に接続された車両補機類３２に電源を供給する。これにより、従来における起動用の低電圧電気エネルギ貯蔵装置がなくても、車両制御装置３３を含む車両補機類３２に電源を供給し、車両システム２を起動することができる。また、第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５よりも暗電流（待機電流）が少ない第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７を使用することで、高電圧電気エネルギ貯蔵装置１１の過放電を防止することができる。
また、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７の入力部に第二の手動スイッチ４９を設けたことにより、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７の待機時の暗電流（待機電流）の消費を防ぎ、車両システム２の停止時の高電圧電気エネルギ貯蔵装置１１の過放電を防止することができる。
更に、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７の出力部に設けた第一の手動スイッチ４４と並列に第４リレー４６を設けたことにより、車両システム２の停止時に、第一の手動スイッチ４４をオフにした後にも、車両制御装置３３を含む車両補機類３２に電力供給を継続し、車両停止アルゴリズムを実行することができる。
また、第二のＤＣ／ＤＣコンバータ３７及び第一のＤＣ／ＤＣコンバータ２５の出力側に１２Ｖの電源を供給するためのＡＣ／ＤＣコンバータ５３の出力側を設けたことにより、高電圧電気エネルギ貯蔵装置１１が過放電状態となり車両システム２が起動できなくなった場合に、特別な高電圧直流電源を用いることなく、外部ＡＣ電源を使用して車両システム２を起動することができる。

なお、この実施例においては、以下のように種々応用改変が可能である。
例えば、第３リレー、第４リレー、第一の手動スイッチ及び第二の手動スイッチは、全て正極側のバスに挿入したが、夫々負極側のバスに挿入することも可能である。
また、第２リレーを第二のＤＣ／ＤＣコンバータの出力により駆動する構成としたが、第１リレー等と同様、車両制御装置の指示により駆動するものであっても構わない（但し、第３リレーは、第二のＤＣ／ＤＣコンバータからの駆動が必須である）。
更に、二次電池内にメンテナンス時等の際に回路を遮断するためのサービスプラグやサービスディスコネクトスイッチが具備されている場合は、第二の手動スイッチを省略することも可能である。
更にまた、第４リレー及び第一の手動スイッチは、第二のＤＣ／ＤＣコンバータの出力部に設けるものでなくとも、入力部に設けることも可能である。この場合も、第二の手動スイッチを省略することが可能である。
また、ＡＣ／ＤＣコンバータを第一のＤＣ／ＤＣコンバータ及び第二のＤＣ／ＤＣコンバータの低電圧出力バスに接続する際に正極に具備する逆流防止用ダイオードは、負極側のバスに挿入することも可能である。

この発明の車両用電源装置を、各種車両に適用可能である。

１ 車両用電源装置
２ 車両システム
３ 燃料電池システム
４ 燃料電池
８ モータコントローラ
１０ モータ
１２ 二次電池
２２ 第３電気経路（電気経路）
２５ 第一のＤＣ／ＤＣコンバータ（車両補機用ＤＣ／ＤＣコンバータ）
２６ 第３リレー（リレー）
３２ 車両補機類
３３ 車両制御装置
３７ 第二のＤＣ／ＤＣコンバータ（起動用ＤＣ／ＤＣコンバータ）
４４ 第一の手動スイッチ
４６ 第４リレー（他のリレー）
４９ 第二の手動スイッチ
５３ ＡＣ／ＤＣコンバータ

Claims (5)

1. 二次電池と、この二次電池の電圧を降圧し補機に電力を供給する第一のＤＣ／ＤＣコンバータとを備える車両用電源装置において、前記二次電池と前記第一のＤＣ／ＤＣコンバータとの間の電気経路を導通又は遮断するリレーと、前記二次電池の電圧を降圧し前記リレーを導通する制御電圧を発生する第二のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えることを特徴とする車両用電源装置。
2. 前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータの出力側には、第一の手動スイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータの入力側には、第二の手動スイッチを備えることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。
4. 前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータの出力側に設けた前記第一の手動スイッチと並列に他のリレーを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に車両用電源装置。
5. 前記第一のＤＣ／ＤＣコンバータ及び前記第二のＤＣ／ＤＣコンバータの出力側には、交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ／ＤＣコンバータの出力側を接続したことを特徴とする請求項１に記載の車両用電源装置。

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