JP2012115031A - 車両電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】ステアリング操作やサスペンション動作から得られた回生エネルギーを有効利用することができ、かつ、失陥時における電源バックアップを効果的に行うことができる、車両電源システムを提供する。
【解決手段】高圧電源１１から供給される高電圧（２８８Ｖ）が流れる高電圧供給ラインＡと中間電圧（４２Ｖ）が流れる中間電圧供給ラインＢとの間に挿入されるＤＣ−ＤＣコンバータ２２、及び低圧電源１２から供給される低電圧（１２Ｖ）が流れる低電圧供給ラインＣと中間電圧が流れる中間電圧供給ラインＢとの間に挿入されるＤＣ−ＤＣコンバータ２３の両方を、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両電源システムに関し、より特定的には、複数の電源系統を使用するハイブリッドシステムを搭載した車両の電源システムに関する。

近年、内燃機関を用いた動力発生機構と電気モータを用いた動力発生機構とを組み合わせたハイブリッドシステムを搭載した車両が、急速に普及している。このようなハイブリッドシステムにおいては、車両を駆動する十分な動力を発生させるために、電気モータに高電圧（例えば２８８Ｖ）を供給する必要がある。この電気モータ等に高電圧を供給する高圧電源には、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池が用いられる。

また、このハイブリッドシステムを搭載した車両においても、内燃機関による動力だけを使用していた車両に搭載されているランプ類、オーディオ類、及び電子制御ブレーキ装置等の、いわゆる補機と呼ばれる設備／機器に供給する低電圧（例えば１２Ｖ）が必要である。この補機に低電圧を供給する低圧電源には、鉛蓄電池等の二次電池が用いられる。

さらには、このハイブリッドシステムを搭載した車両には、ステアリングの回転操作を補助する装置、すなわち電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）に用いられる電動モータや、車両の走行に伴う振動を抑制する装置、すなわちサスペンション制御装置に用いられる電動モータに供給する中間電圧（例えば４２Ｖ）が必要である。一般に、この中間電圧は、高圧電源が供給する高電圧をＤＣ−ＤＣコンバータを用いて降圧することで生成される。

このような高電圧、中間電圧、及び低電圧の３種類を供給する従来の車両電源システム１０１及び１０２の一例を、図３及び図４に示す。図３は、中間電圧を供給する装置として、電動パワーステアリング装置１３１（図中では「ステアリング−ＥＣＵ」と表記）だけを備えた構成を表した図である。図４は、中間電圧を供給する装置として、電動パワーステアリング装置１３１に加えて、車両の横滑りを防止するアクスタ装置１３２（図中では「アクスタ−ＥＣＵ」と表記）及びサスペンション装置１３３（図中では「サスペンション−ＥＣＵ」と表記）を備えた構成を表した図である。

この図３及び図４に示す従来の車両電源システム１０１及び１０２は、高電圧２８８Ｖを供給する高圧電源１１１、低電圧１２Ｖを供給する低圧電源１１２、及び電子制御ブレーキ装置１３４専用のバックアップ電源であるバックアップキャパシタ１３５の３つの電源と、高電圧を降圧して補機に供給する低電圧を生成する補機用ＤＣ−ＤＣコンバータ１２１、高電圧を降圧して電動パワーステアリング装置１３１及びアクスタ装置１３２に供給する中間電圧４２Ｖを生成するメインＤＣ−ＤＣコンバータ１２２、高電圧を降圧してサスペンション装置１３３に供給する中間電圧を生成するメインＤＣ−ＤＣコンバータ１２４、及び失陥時に低電圧を昇圧して中間電圧を生成するサブＤＣ−ＤＣコンバータ１２３の４つのコンバータとを備えている。

特開２００２−１７６７０４号公報

近年では、ブレーキ操作だけでなく、ステアリング操作やサスペンション動作からも回生エネルギーを得ることができる。しかしながら、図３に示した上記従来の車両電源システム１０１では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２２〜１２４は、降圧又は昇圧のどちらか一方向の変換しかできないため、ステアリング操作やサスペンション動作から得られた回生エネルギーを、抵抗素子を含むダイナミックブレーキ回路１２５及び１２６を介して熱消費させており、回生エネルギーを有効に利用していない。このため、電源システムからの発熱量の増加及び車両の燃費悪化が課題となる。

また、上記従来の車両電源システム１０１では、ステアリング系、サスペンション系、及びブレーキ系の各システムにそれぞれ専用のＤＣ−ＤＣコンバータ１２２〜１２４を設けているため、車両電源システム１０１の大型化、高コスト化、及び発熱量の増加が課題となる。

これらの課題を解決するためには、ステアリング操作やサスペンション動作から得られた回生エネルギーを有効利用する仕組みを新たに構築する必要がある。このような仕組みを構築するために利用できるものとして、例えば特許文献１に開示されている双方向ＤＣ−ＤＣコンバータが存在する。この双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、１つで降圧と昇圧とが可能な回路であるため、回生エネルギーの伝搬経路や電源失陥時のバックアップ経路等を考慮した双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの使用方法を考案することができれば、上記課題を解決できるものと考えられる。

それ故に、本発明の目的は、ハイブリッドシステムを搭載した車両において、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを使用して、ステアリング操作やサスペンション動作から得られた回生エネルギーを有効利用することができ、かつ、失陥時における電源バックアップを効果的に行うことができる、車両電源システムを提供することである。

本発明は、複数の電源系統を使用する車両に用いられる車両電源システムに向けられている。そして、上記目的を達成するために、本発明の車両電源システムは、第１の装置に高電圧を供給する高圧電源と、第２の装置に低電圧を供給する低圧電源と、高電圧を降圧して第３の装置に供給する中間電圧を生成し、この第３の装置で発生した余剰電圧を昇圧して高圧電源に蓄電する高電圧を生成するメイン双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、低電圧を昇圧して中間電圧を生成し、第３の装置で発生した余剰電圧を降圧して低圧電源に蓄電する低電圧を生成するサブ双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとを備える。

上記本発明の車両電源システムによれば、第３の装置で発生した余剰電圧（回生エネルギー）を高圧電源及び／又は低圧電源に蓄電して有効に再利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る車両電源システム１の概略構成を示す図 本発明の第２の実施形態に係る車両電源システム２の概略構成を示す図 従来の車両電源システム１０１の構成例を示す図 従来の車両電源システム１０２の構成例を示す図

以下、本発明の各実施形態を、図面を参照しながら説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は、複数の電源系統を使用するハイブリッドシステムを搭載した車両に用いられる、本発明の第１の実施形態に係る車両電源システム１の概略構成を示す図である。図１に示す第１の実施形態に係る車両電源システム１は、高圧電源１１と、低圧電源１２と、補機用ＤＣ−ＤＣコンバータ２１と、メイン双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２と、サブ双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３と、ダイナミックブレーキ回路２５と、キャパシタ２７とを備える。

この第１の実施形態に係る車両電源システム１は、背景技術で述べた従来の車両電源システム１０１の構成（図３）に対応しており、中間電圧を供給する装置（請求項では第３の装置）として、電動パワーステアリング装置３１（ステアリング−ＥＣＵ）だけを備えた構成を表した図である。

まず、車両電源システム１に用いられる各構成の概要を説明する。
高圧電源１１は、高電圧供給ラインＡに接続され、ハイブリッドシステムの電気モータ等の装置（図示せず、請求項では第１の装置）に高電圧（この実施例では２８８Ｖ）を供給する電源である。この高圧電源１１には、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池が用いられる。
低圧電源１２は、低電圧供給ラインＣに接続され、補機に低電圧（この実施例では１２Ｖ）を供給する電源である。この低圧電源１２には、鉛蓄電池等の二次電池が用いられる。なお、本実施例では、電子制御ブレーキ装置（図中では「ブレーキ−ＥＣＵ」と表記）３４を補機（請求項では第２の装置）の一例として説明する。

補機用ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、高電圧供給ラインＡに印加された高電圧を降圧して低電圧を生成する。この生成された低電圧は、低電圧供給ラインＣを通じて低圧電源１２に蓄電される。
メイン双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、高圧電源１１の高電圧を降圧して中間電圧（この実施例では４２Ｖ）を生成する。この生成された中間電圧は、電動パワーステアリング装置３１に供給される。また、メイン双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２は、中間電圧供給ラインＢに発生した回生電力から得られる余剰電圧を昇圧して、高電圧を生成する。この生成された高電圧は、高電圧供給ラインＡを通じて高圧電源１１に蓄電される。
サブ双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３は、低圧電源１２の低電圧を昇圧して中間電圧を生成する。この生成された中間電圧は、中間電圧供給ラインＢのバックアップ電源として用いられる。また、サブ双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３は、中間電圧供給ラインＢに発生した回生電力から得られる余剰電圧を降圧して、低電圧を生成する。この生成された低電圧は、低電圧供給ラインＣを通じて低圧電源１２に蓄電される。

次に、車両電源システム１で行われる各種処理を説明する。
（１）エネルギー回生処理
電動パワーステアリング装置３１の動作に基づいて生じた回生エネルギー（回生電力）は、中間電圧供給ラインＢに接続されているキャパシタ２７への充電によって余剰電圧として表れる。この余剰電圧が発生した場合、車両電源システム１は、まず高圧電源１１が蓄電可能な状態であるか否かを判断する。

高圧電源１１が蓄電可能な状態であると判断された場合、余剰電圧は、メイン双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２に与えられる。そして、余剰電圧は、メイン双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２によって高電圧まで昇圧され、高電圧供給ラインＡを通じて高圧電源１１に蓄電される（図１に示す点線矢印(i)）。
一方、高圧電源１１が蓄電可能な状態でない、すなわち満充電状態であると判断された場合、又は蓄電を行っていた高圧電源１１が満充電状態に至ったと判断された場合、余剰電圧は、サブ双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３に与えられる。ここで、車両電源システム１は、低圧電源１２が蓄電可能な状態であるか否かを次に判断する。

低圧電源１２が蓄電可能な状態であると判断された場合、余剰電圧は、サブ双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３によって低電圧まで降圧され、低電圧供給ラインＣを通じて低圧電源１２に蓄電される（図１に示す点線矢印(ii)）。
一方、低圧電源１２が蓄電可能な状態でない、すなわち満充電状態であると判断された場合、又は蓄電を行っていた低圧電源１２が満充電状態に至ったと判断された場合、車両電源システム１は、余剰電圧をこれ以上は再利用できないとして、抵抗素子を含むダイナミックブレーキ回路２５に余剰電圧を与え、従来技術と同様に余剰電圧を熱に変換して放出（廃棄）する。

このように、本発明の車両電源システム１では、高電圧供給ラインＡと中間電圧供給ラインＢとの間に挿入されるＤＣ−ＤＣコンバータ２２及び低電圧供給ラインＣと中間電圧供給ラインＢとの間に挿入されるＤＣ−ＤＣコンバータ２３の両方を、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで構成する。
この構成により、電動パワーステアリング装置３１の動作によって生じた回生エネルギーを従来技術のように単純に廃棄するのではなく、高圧電源１１及び低圧電源１２が満充電状態になるまで蓄電して有効に再利用することができる。

なお、上述したエネルギー回生方法では、まず初めに高圧電源１１を蓄電して次に低圧電源１２を蓄電するという蓄電順を説明した。しかし、この蓄電順は一例であり、まず初めに低圧電源１２を蓄電して次に高圧電源１１を蓄電してもよいし、高圧電源１１と低圧電源１２とを同時に蓄電してもよい。また、高圧電源１１だけに蓄電してもよいし、低圧電源１２だけに蓄電してもよい。

（２）失陥時の電源バックアップ処理
何らかの原因で高圧電源１１が失陥して、高電圧だけではなく、メイン双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２を介して生成される中間電圧が低下するような場合があり得る。このような場合、車両電源システム１は、サブ双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３によって低圧電源１２の低電圧を昇圧して中間電圧を生成し、中間電圧供給ラインＢに供給する（図１に示す点線矢印(iii)）。
これにより、高圧電源１１からの電圧供給が不調となっても、中間電圧供給ラインＢに供給する中間電圧を低圧電源１２からバックアップ供給することができる。なお、この電源バックアップ手法は、従来技術でも採用されている。

一方、何らかの原因で低圧電源１２が失陥して、低電圧が低下するような場合があり得る。このような場合、車両電源システム１は、サブ双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３によって中間電圧供給ラインＢの中間電圧を降圧して低電圧を生成し、電子制御ブレーキ装置３４に供給する（図１に示す点線矢印(iv)）。
これにより、低圧電源１２から電子制御ブレーキ装置３４へ直接電圧供給することが不調となっても、中間電圧供給ラインＢから電子制御ブレーキ装置３４へ間接的に低電圧をバックアップ供給することができる。なお、中間電圧は高電圧から生成されるため、高電圧供給ラインＡから電子制御ブレーキ装置３４へ間接的に低電圧をバックアップ供給するという広義な解釈ができる。この電源バックアップ手法は、本発明独自の特徴的な技術である。

このように、本発明の車両電源システム１では、低電圧供給ラインＣと中間電圧供給ラインＢとの間に挿入されるサブＤＣ−ＤＣコンバータ２３を双方向ＤＣ−ＤＣコンバータで構成することにより、従来技術でも行っていた低電圧→中間電圧の電源バックアップに加えて、中間電圧（高電圧）→低電圧の電源バックアップも行うことができる。従って、図３に示した従来の車両電源システム１０１では必要であった電子制御ブレーキ装置１３４専用のバックアップキャパシタ１３５が不要となる。

以上のように、本発明の第１の実施形態に係る車両電源システム１によれば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを適切に設けることで、中間電圧供給ラインＢに生じた回生エネルギーに基づく余剰電圧を、高圧電源１１及び／又は低圧電源１２に蓄電して有効に再利用する。これにより、回生エネルギーの再利用によって車両の燃費向上が期待できる。
また、本車両電源システム２によれば、低電圧をバックアップ供給する経路を構築することで、失陥時の電源確保のために従来構成では必須であったバックアップキャパシタを削減する。これにより、低電圧バックアップによる電源システムの低コスト化及び省スペース化が図れる。

＜第２の実施形態＞
図２は、複数の電源系統を使用するハイブリッドシステムを搭載した車両に用いられる、本発明の第２の実施形態に係る車両電源システム２の概略構成を示す図である。この車両電源システム２は、背景技術で述べた従来の車両電源システム１０２の構成（図４）に対応しており、中間電圧を供給する装置としてサスペンション装置３３（サスペンション−ＥＣＵ）をさらに加えた構成である。車両電源システム２は、上述した第１の実施形態に係る車両電源システム１と比べて、スイッチ２８をさらに備える。なお、車両電源システム２において車両電源システム１と同じ構成には、同一の参照符号を付してその説明を一部省略する。
以下、車両電源システム１と異なる部分を中心に、車両電源システム２を説明する。

高圧電源１１、低圧電源１２、補機用ＤＣ−ＤＣコンバータ２１、メイン双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２、サブ双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２３、ダイナミックブレーキ回路２５、及びキャパシタ２７の各構成は、上記第１の実施形態で説明したとおりである。
スイッチ２８は、サスペンション装置３３と中間電圧供給ラインＢとの間に設けられる。このスイッチ２８は、メイン双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２２で生成された中間電圧をサスペンション装置３３に供給する場合には導通状態となり、サスペンション装置３３で発生した回生エネルギー（回生電力）を利用する場合には、状況に応じて導通状態と非導通状態とを選択的に切り換える。

（１）エネルギー回生処理
電動パワーステアリング装置３１の動作に基づいて回生エネルギー（回生電力）が生じた場合、この回生エネルギーは、中間電圧供給ラインＢに接続されているキャパシタ２７への充電によって余剰電圧として表れる。
一方、サスペンション装置３３の動作に基づいて回生エネルギーが生じた場合、サスペンション装置３３の状態に応じて、この回生エネルギーを中間電圧供給ラインＢに出力すべきか否かが判断される。この判断は、例えば次のようにして行われる。

一般的に、サスペンション制御機構は、車両の四輪それぞれに独立して設けられ、各車輪の制御が別個独立して行われる。このため、ある車輪に関しては「力行」状態であって中間電圧の供給が必要であるが、別の車輪に関しては「回生」状態であって余剰電圧が発生しているといったことも十分にあり得る。このような力行状態と回生状態とが混在している状況でスイッチ２８を導通状態にしてしまうと、高圧電源１１からの高電圧の給電と高圧電源１１及び／又は低圧電源１２への余剰電圧の蓄電とが並行して行われる現象が生じ、高圧電源１１及び／又は低圧電源１２に無駄な蓄給電（充放電）を行わせることになる。

そこで、車両電源システム２では、回生状態にあるサスペンション装置３３で生じた回生エネルギーを、中間電圧供給ラインＢへ出力することなくサスペンション装置３３内で環流させて、力行状態にあるサスペンション装置３３で再利用（消費）することを行う（図２に示す点線矢印(v)）。この動作に際しては、車両電源システム２が、サスペンション装置３３のそれぞれの力行状態／回生状態を確認した上で、発生した回生エネルギーを環流させるべきか中間電圧供給ラインＢへ出力すべきかを判断し、この判断に応じてスイッチ２８の導通／非道通を切り換える。
なお、力行状態にあるサスペンション装置３３に回生エネルギーを効率的に環流供給するために、回生状態にあるサスペンション装置３３から回生エネルギーを出力するタイミングを制御してもよい。

サスペンション装置３３で発生した回生エネルギーを中間電圧供給ラインＢへ出力すべきと判断された場合は、中間電圧供給ラインＢに接続されているキャパシタ２７への充電によって余剰電圧に変換される。この変換された余剰電圧は、上記第１の実施形態で説明したように、高圧電源１１及び／又は低圧電源１２に蓄電されるか、ダイナミックブレーキ回路２５を介して熱放出される。

（２）失陥時の電源バックアップ処理
何らかの原因で高圧電源１１及び／又は低圧電源１２が失陥した場合の処理は、上記第１の実施形態で説明したとおりである。

以上のように、本発明の第２の実施形態に係る車両電源システム２によれば、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを適切に設けることで、中間電圧供給ラインＢに生じた回生エネルギーに基づく余剰電圧を、高圧電源１１及び／又は低圧電源１２に蓄電して有効に再利用する。これにより、回生エネルギーの再利用によって車両の燃費向上が期待できる。
また、本車両電源システム２によれば、低電圧をバックアップ供給する経路を構築することで、失陥時の電源確保のために従来構成では必須であったバックアップキャパシタを削減する。これにより、低電圧バックアップによる電源システムの低コスト化及び省スペース化が図れる。
さらに、本車両電源システム２によれば、スイッチ２８を設けて、回生エネルギーを中間電圧供給ラインＢに出力することなく環流させることで、回生エネルギーを装置内で消費することができる。これにより、高圧電源１１及び／又は低圧電源１２に無駄な蓄給電（充放電）を行わせなくてすむ。

本発明の車両電源システムは、複数の電源系統を使用するハイブリッドシステムを搭載した車両等に利用可能であり、特に回生エネルギーを有効利用し、かつ、失陥時における電源バックアップを効果的に行いたい場合等に有用である。

１、２、１０１、１０２ 車両電源システム
１１、１１１ 高圧電源
１２、１１２ 低圧電源
２１、１２１ 補機用ＤＣ−ＤＣコンバータ
２２ メイン双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
２３ サブ双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
２５、１２５、１２６ ダイナミックブレーキ回路
２７ キャパシタ
３１、１３１ 電動パワーステアリング装置（ステアリング−ＥＣＵ）
３３、１３３ サスペンション装置（サスペンション−ＥＣＵ）
３４、１３４ 電子制御ブレーキ装置（ブレーキ−ＥＣＵ）
１２２、１２４ メインＤＣ−ＤＣコンバータ
１２３ サブＤＣ−ＤＣコンバータ
１３２ アクスタ装置（アクスタ−ＥＣＵ）
１３５ バックアップキャパシタ

Claims (1)

1. 複数の電源系統を使用する車両に用いられる車両電源システムであって、
   第１の装置に高電圧を供給する高圧電源と、
   第２の装置に低電圧を供給する低圧電源と、
   前記高電圧を降圧して第３の装置に供給する中間電圧を生成し、当該第３の装置で発生した余剰電圧を昇圧して前記高圧電源に蓄電する高電圧を生成するメイン双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記低電圧を昇圧して前記中間電圧を生成し、前記第３の装置で発生した前記余剰電圧を降圧して前記低圧電源に蓄電する低電圧を生成するサブ双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとを備える、車両電源システム。

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