JP2013144499A

JP2013144499A - 車載電源システム

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Publication number: JP2013144499A
Application number: JP2012005524A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Mukai; 靖彦向井; Hideki Kabune; 秀樹株根; Toshihisa Yamamoto; 敏久山本
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-07-25
Also published as: DE102012112912A1; US20130184937A1; US8755973B2; CN103204075A

Abstract

【課題】電動パワーステアリング装置の操舵アシスト駆動部が主電池から電力を供給される車載電源システムにおいて、主機の故障に起因する給電経路の遮断によって、操舵アシスト駆動部への電力供給が遮断されることを防止する車載電源システムを提供する。
【解決手段】車載電源システム１０において、車両を走行させるための主モータ３３を駆動する主機駆動部３２、及び、パワーステアリング装置の操舵アシストモータ４３を駆動する操舵アシスト駆動部４２は、いずれも主電池２０から電力を供給される。主機駆動部３２への電力供給を遮断可能な主機遮断部３０、及び、操舵アシスト駆動部４２への電力供給を遮断可能な補機遮断部４０は、主電池２０に対して並列に設けられる。主機遮断部３０が遮断しても、補機遮断部４０が接続されている限り、操舵アシスト駆動部４２への通電は継続される。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両を走行させる主電池を含む車載電源システムに関する。

従来、電気自動車やハイブリッド自動車において、車両を走行させる主モータを駆動するための電力を供給する車載電源システムが知られている。
例えば、特許文献１の電源システムは、主モータ用の駆動部に電圧を出力する主モータ用電圧変換器が設けられており、直流電源と主モータ用電圧変換器との間にシステムリレーが設けられている。また、システムリレーと主モータ用電圧変換器との間に、補機負荷用の駆動部が、直流電源に対して主モータ用電圧変換器と並列に接続されている。そのため、直流電源の電力は、共通のシステムリレーを経由した後、主モータ用電圧変換器と補機負荷用の駆動部とに分岐して供給される。この補機負荷用の駆動部は、具体的にパワーステアリング用またはブレーキ用の駆動部であることが開示されている。

特許第４１２０３１０号公報

特許文献１のように、補機の駆動部毎に専用のバッテリを搭載するのでなく、主モータ駆動用の直流電源を共用することでバッテリの数を減らすことができる。また、主モータ駆動用の主電池は補機専用のバッテリより電圧が高いため、補機の駆動部がより高い電圧を利用することで、同等の電力を得るための電流を低減することができる。したがって、電流の２乗に比例する電流損失を低減することができ、電力効率が改善される。

しかしながら、特許文献１の構成では、主モータ、又は主モータの駆動部の故障等に起因してシステムリレーが遮断すると、同時に補機負荷への電力供給が遮断され、その結果、補機の動作が停止することになる。特に、車両の「曲がる、止まる」機能に関わるパワーステアリング装置やブレーキ装置の動作が停止すると、運転途中に主モータの駆動が停止した時に、車両の操舵アシストおよび制動が不能となるという問題がある。
また、特許文献１のように、所定の条件下でシステムリレーをオンし続ける維持信号を発生させ、補機の継続動作を確保しようとすると、制御が複雑になり、制御演算負荷が増大する。

本発明は上述の課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、電動パワーステアリング装置の操舵アシスト駆動部が主電池から電力を供給される車載電源システムにおいて、主機の故障に起因する給電経路の遮断によって、操舵アシスト駆動部への電力供給が遮断されることを防止する車載電源システムを提供することである。

本発明の車載電源システムは、主モータ、主機駆動部、操舵アシストモータ、操舵アシスト駆動部、主電池、主機遮断部、及び補機遮断部を備える。
主モータは、車両を走行させるためのアクチュエータであり、主機駆動部によって駆動される。操舵アシストモータは、車両の操舵を補助するパワーステアリング装置を構成するアクチュエータであり、操舵アシスト駆動部によって駆動される。このように、主モータは、車両の「走る」機能を担保し、操舵アシストモータは、車両の「曲がる」機能を担保する。
なお、本発明の車載電源システムは、車両の「止まる」機能を担保するブレーキ装置のブレーキアクチュエータおよびブレーキ駆動部をさらに備えることもできる。

また、主電池は、主機駆動部および操舵アシスト駆動部に電力を供給する。
主機遮断部は、主電池と主機駆動部との間に設けられ、主電池から主機駆動部への電力供給を遮断可能である。補機遮断部は、主電池と操舵アシスト駆動部との間に、主電池に対して主機駆動部と並列に設けられ、主電池から操舵アシスト駆動部への電力供給を遮断可能である。

本発明の構成では、主機遮断部と補機遮断部とが主電池に対して並列に設けられるため、主機の故障により主機遮断部が遮断しても、補機遮断部が接続されている限り、操舵アシスト駆動部への通電は継続される。したがって、運転途中に何らかの原因で主機遮断部が遮断し、主モータの駆動が停止したとき、車両が慣性で走行しているうちにパワーステアリング装置を用いて、「操舵アシストトルクを得つつ、例えば路肩へ車両を寄せる」といった運転をすることができる。なお、ブレーキ装置についても同様の構成とすることにより、さらに「減速し、停車する」ことができる。
また、特許文献１の従来技術のように、システムリレーをオンし続ける維持信号を発生させるために複雑な制御をする必要がないので、制御演算負荷を低減することができる。

本発明の第１実施形態による車載電源システムの模式図である。本発明の第１実施形態による車載電源システムの概略構成図である。本発明の第２実施形態による車載電源システムの模式図である。本発明の第３実施形態による車載電源システムの模式図である。本発明の第４実施形態による車載電源システムの模式図である。比較例の車載電源システムの模式図である。

以下、本発明による車載電源システムの実施形態を図面に基づいて説明する。
車載電源システムは、電気自動車またはハイブリッド自動車に搭載され、車両の主要機能である「走る、曲がる、止まる」機能やそれ以外の機能を担保する各装置に電力を供給するシステムである。ここで、車両を走行させる、すなわち「走る」機能を発揮するための装置を「主機」といい、それ以外の装置を「補機」という。また、補機の中で特に車両を操舵する装置および車両を制動するための装置、すなわち「曲がる」機能と「止まる」機能とを発揮するための装置を「特定補機」という。具体的には、電動パワーステアリング装置および電動ブレーキ装置をいう。これらの主機および補機は、基本的に、モータ等のアクチェータと、そのアクチェータを駆動する駆動部とから構成されている。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の車載電源システムについて、図１、図２を参照して説明する。
図２に示すように、車載電源システム１０は、車両を走行させる主モータ３３、操舵アシストモータ４３、ブレーキモータ４８、及び、それらのモータを駆動するための駆動部から構成されている。主機駆動部３２は主モータ３３を駆動し、操舵アシスト駆動部４２は操舵アシストモータ４３を駆動し、ブレーキ駆動部４７は「ブレーキアクチュエータ」としてのブレーキモータ４８を駆動する。

主機駆動部３２、操舵アシスト駆動部４２およびブレーキ駆動部４７は、主電池２０に対して並列に接続されており、いずれも主電池２０から電力を供給される。主電池２０は、高電位電極２１と低電位電極２２との電位差が、例えば２８８Ｖのバッテリである。
主電池２０と主機駆動部３２との間には、主機遮断部３０が設けられており、主電池２０と操舵アシスト駆動部４２およびブレーキ駆動部４７との間には、補機遮断部４０が設けられている。主機遮断部３０および補機遮断部４０は、それぞれ対応する駆動部において短絡等の故障が発生し過電流が流れたとき等に、主電池２０から対応する駆動部への電力供給を遮断可能である。

電動パワーステアリング装置は、操舵アシストモータ４３の出力トルクを減速して得られた操舵アシストトルクをステアリングシャフト９２に提供し、運転者によるハンドル９１の操舵を補助する。ステアリングシャフト９２の先端にはピニオンギア９６が設けられており、ピニオンギア９６はラック軸９７に噛み合っている。ラック軸９７の両端には、タイロッド等を介して一対の車輪９８が回転可能に連結されている。ステアリングシャフト９２の回転運動は、ピニオンギア９６によってラック軸９７の直線運動に変換され、ラック軸９７の直線運動変位に応じた角度について一対の車輪９８が操舵される。

操舵アシスト駆動部４２は、主電池２０から供給される直流電力を変換して操舵アシストモータ４３に供給する電力変換器と、この電力変換器の出力を制御する操舵アシスト制御部とを含む。例えば、モータ４３が３相交流ブラシレスモータである場合は、電力変換器として３相インバータを用いることができる。或いは、モータ４３が直流モータである場合は、電力変換器としてＤＣ／ＤＣコンバータを用いることができる。

操舵アシスト制御部は、ＥＣＵ、すなわち電子制御装置として具現化される。操舵アシスト制御部は、運転者による操舵トルクや現在車速の入力信号、及びモータ４３からフィードバックされる回転角の入力信号に基づき、アシスト電流指令値を演算し、電力変換器に出力する。
一方、電動ブレーキ装置は、ブレーキモータ４８の出力トルクによって、車輪９８に対応して設けられるブレーキロータ９９を押さえ付けることにより、車両を制動する。より車両重量が重く、大きなブレーキロータ９９を押さえ付ける力が必要な場合には、ブレーキモータ４８の出力トルクによって油圧ポンプを駆動し、油圧ポンプの圧力によってブレーキロータ９９を押さえ付けることにより、車両を制動するものもある。

このように、本実施形態の車載電源システム１０は、操舵アシストモータ４３を駆動する操舵アシスト駆動部４２やブレーキモータ４８を駆動するブレーキ駆動部４７が、それぞれ専用のバッテリに接続されるのではなく、主機駆動部３２用の主電池２０を共用する点を特徴とする。これにより、車両に搭載するバッテリを集約することができる。
操舵アシスト駆動部４２が専用のバッテリに接続される場合、通常１４Ｖ程度のバッテリが用いられる。それに対し、主電池２０は、例えば２８８Ｖのバッテリである。すなわち、主電池２０は、「操舵アシストモータ４３を駆動するために必要な電圧」よりも高い電圧を有している。操舵アシスト駆動部４２がより高い電圧を利用することで、同等の電力を得るための電流を低減することができる。したがって、電流の２乗に比例する電流損失を低減することができ、電力効率が改善される。

次に、図１を参照して構成要素の電気的接続に係る構成について説明する。
図１に示すように、主機遮断部３０は、主電池２０と主機駆動部３２との間に設けられる。補機遮断部４０は、主電池２０と操舵アシスト駆動部４２およびブレーキ駆動部４７との間に設けられる。また、主機遮断部３０および補機遮断部４０は、主電池２０に対して並列に接続される。

主機遮断部３０は、具体的には、主機リレー３１により構成される。
補機遮断部４０は、補機リレー４１、第１ヒューズ４４および第２ヒューズ４９から構成される。補機リレー４１は、特許請求の範囲に記載の「開閉器」に相当する。第１ヒューズ４４は、操舵アシスト駆動部４２に直列に接続され、第２ヒューズ４９は、ブレーキ駆動部４７に直列に接続される。第１ヒューズ４４および第２ヒューズ４９は、補機リレー４１の主電池２０と反対側に並列に接続される。

主機リレー３１および補機リレー４１は、統括制御部１１からの電気信号により通電又は遮断を切替可能である。統括制御部１１は、車載電源システム１０における通電又は遮断状態を統括的に制御する。また、ここで「リレー」とは、電気信号によってオンオフ可能な継電器、又はサーキットプロテクタ等の遮断器一般を意味する。
一方、第１ヒューズ４４および第２ヒューズ４９は、定格以上の電流がながれたとき切断する。ヒューズ４４、４９は、一旦切断したら復元不能であり、部品の交換が必要となる反面、一般にリレーよりも安価であることを特徴とする。

主機リレー３１および補機リレー４１は、イグニションスイッチとして連動してオンオフする。主機リレー３１が接続されると、主電池２０から主モータ３３への電力供給が可能となり、車両を走行させることが可能となる。また、補機リレー４１が接続され、且つ、第１ヒューズ４４が切断していなければ、操舵アシストモータ４３への電力供給が可能となり、運転者は操舵アシストトルクを用いて車両を操舵することができる。さらに、補機リレー４１が接続され、且つ、第２ヒューズ４９が切断していなければ、ブレーキモータ４８への電力供給が可能となり、運転者は車両を制動することができる。

このように、通常運転時には、電流は、主電池２０の高電位電極２１から３つの経路を経由して低電位電極２２に向かって流れる。第１の経路は、主機リレー３１および主機駆動部３２を経由する。第２の経路は、補機リレー４１、第１ヒューズ４４および操舵アシスト駆動部４２を経由する。第３の経路は、補機リレー４１の後、第２の経路から分岐して、第２ヒューズ４９およびブレーキ駆動部４７を経由する。
なお、イグニションスイッチがオフのときは主機リレー３１および補機リレー４１をオフとすることで、主電池２０からの電流のリークを防止し、特に長期間車両を使用しない場合に、主電池２０の消耗を抑制することができる。

以上の構成による本実施形態の作用効果について、比較例と対比しつつ説明する。
図６に示すように、比較例の車載電源システム１９は、操舵アシスト駆動部４２およびブレーキ駆動部４７が、ヒューズ４４、４９を介して主機遮断部３０の主電池２０と反対側に、主機駆動部３２と並列に接続されている。言い換えれば、主機遮断部３０は、主電池２０と３つの駆動部３２、４２、４７との間に共通に設けられている。
この場合、いずれかの駆動部３２、４２、４７で短絡や地絡等の故障が発生すると、主機遮断部３０が遮断し、３つの駆動部３２、４２、４７の機能、すなわち、車両の「走る、曲がる、止まる」機能が同時に停止することとなる。

それに対し本実施形態では、主機遮断部３０と補機遮断部４０とが主電池２０に対して並列に設けられるため、仮に主機駆動部３２の故障により主機遮断部３０が遮断した場合でも、補機遮断部４０が接続されている限り、操舵アシスト駆動部４２およびブレーキ駆動部４７への通電は継続される。
したがって、運転途中に何らかの原因で主機遮断部３０が遮断し、主モータ３３の駆動が停止したとき、車両が慣性で走行しているうちにパワーステアリング装置およびブレーキ装置を用いて、「操舵アシストトルクを得つつ、例えば路肩へ車両を寄せて減速し、停車する」といった運転をすることができる。
また、特許文献１の従来技術のように、システムリレーをオンし続ける維持信号を発生させるために複雑な制御をする必要がないので、制御演算負荷を低減することができる。

また、本実施形態では、補機遮断部４０は、第１ヒューズ４４および第２ヒューズ４９を含むことを特徴とする。
一般にヒューズは、負荷の短絡等の故障によって過電流が流れると切断し、給電経路を遮断する。ところが、切断する電流値にばらつきがあるため、電源電圧がそれほど高くなく短絡故障時の電流が通常時の電流の数倍程度にしかならない場合には、ヒューズの規格選定が難しくなる。すなわち、正常時に切断しないことを優先して選定すると、故障しているにも拘わらず切断しない場合が生じ、逆に故障時に確実に切断することを優先して選定すると、正常であるにも拘わらず切断する場合が生じ得る。そのため、ヒューズの使用を断念し、サーキットブレーカ等の高価な部品を使用せざるを得ない場合がある。

それに対し本実施形態では、主電池２０の電圧は約２８８Ｖであり、パワーステアリング装置やブレーキ装置で一般に必要とされる約１４Ｖよりも十分高い。そのため、例えば通常時の数Ａ程度の電流に対し、短絡故障時には数百Ａ程度の電流がヒューズに流れることとなる。したがって、ヒューズの切断電流のばらつき範囲よりも十分大きな電流差が生じるため、「正常時に切断せず、故障時に確実に切断する」という機能を容易に実現することができる。

また、本実施形態では、補機遮断部４０は、補機リレー４１と第１ヒューズ４４とが直列に接続され、また、補機リレー４１と第２ヒューズ４９とが直列に接続されることを特徴とする。ここで、補機リレー４１の遮断電流は、ヒューズ４４、４９の切断電流よりも十分大きく設定される。

これにより、図１に示す、補機リレー４１と第１ヒューズ４４または第２ヒューズ４９との間のＸ点で地絡した場合には、補機リレー４１が遮断する。この場合、地絡故障の原因を取り除いた後、補機リレー４１を接続することで通電状態を復元することができる。
一方、操舵アシスト駆動部４２またはブレーキ駆動部４７で短絡等の故障が発生した場合には、補機リレー４１が遮断する前に、ヒューズ４４、４９が切断する。これにより、例えば操舵アシスト駆動部４２が故障した場合、ヒューズ４４のみが切断し、ブレーキ駆動部４７への電力供給は継続することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態の車載電源システムについて、図３を参照して説明する。以下の実施形態の説明において、前述の実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
図３に示すように、第２実施形態では、統括制御部１１と、主機駆動部３２、操舵アシスト駆動部４２およびブレーキ駆動部４７とが、それぞれ通信手段１５で接続されている。ここで「通信手段」とは、物理的に離れた物同士を通信可能に接続するケーブルやハーネス、および光、磁気、電波などを用いた無線全般を指す。すなわち、図３において、統括制御部１１と各駆動部とは、物理的に離れて設けられている。

仮に、主機駆動部３２で短絡や地絡等の故障が生じ過電流が流れた場合を想定すると、主機リレー３１すなわち主機遮断部３０が遮断する。このとき、統括制御部１１は、主機駆動部３２から通信手段１５を経由して信号を受信することにより、主機遮断部３０が遮断したことを認識する。また、統括制御部１１は、操舵アシスト駆動部４２およびブレーキ駆動部４７から通信手段１５を経由して信号を受信することにより、それらの駆動部４２、４７が正常であることを認識する。そして、補機リレー４１の接続を維持し、操舵アシスト駆動部４２およびブレーキ駆動部４７への通電を継続する。

このように、統括制御部１１が各駆動部と通信手段１５で接続されることにより、統括制御部１１の搭載位置の自由度が確保される。例えば、車両が衝突した場合に影響を受けにくい場所に統括制御部１１を設置することにより、統括制御部１１の破損を防止し、システムの信頼性を確保することができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態の車載電源システムについて、図４を参照して説明する。第３実施形態は、第２実施形態に対し、統括制御部１１と各駆動部３２、４２、４７との接続方法に係る構成のみが異なる。
図４に示すように、統括制御部１１と各駆動部３２、４２、４７とは、１つの制御基板１１０上に搭載され、基板内の内部信号経路１６によって接続される。すなわち、第２実施形態のように物理的に離れていない。これにより、制御基板を１箇所に集約することで小型化が可能であり、通信手段を省くことで低コスト化が可能である。

（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態の車載電源システムについて、図５を参照して説明する。
図５に実線で示す例では補機遮断部４０は、操舵アシスト駆動部４２専用の補機リレー４１のみで構成され、主電池２０に対し、主機遮断部３０と並列に接続される。
本実施形態では、操舵アシスト駆動部４２で短絡等の故障が発生した場合、補機リレー４１が遮断し、車両の「曲がる」機能のみが停止する。この場合、補機リレー４１と操舵アシスト駆動部４２との間にヒューズは設けられなくてもよい。また、ブレーキ装置については、主電池２０を共用するのでなく、専用のバッテリから電力を供給されることとしてもよい。

一方、図５に破線で示すように、操舵アシスト駆動部４２に加え、さらにブレーキ駆動部４７が主電池２０に接続される場合は、ブレーキ駆動部４７専用の補機リレー４６が第２の補機遮断部４５を構成する。補機リレー４６とブレーキ駆動部４７との間には、上記と同様にヒューズは設けられなくてもよい。
これにより、操舵アシスト駆動部４２で異常が生じたときは補機リレー４１が遮断し、ブレーキ駆動部４７で異常が生じたときは補機リレー４６が遮断するため、互いに影響を及ぼすことがない。さらに、ヒューズを使用しないため、故障原因を取り除いた後、補機リレー４１、４６を接続することで、接続状態を復元することができる。

（その他の実施形態）
上記実施形態では、車両の「曲がる、止まる」機能を担保する「特定補機」として、パワーステアリング装置およびブレーキ装置の駆動部が主電池２０に並列に接続される車載電源システムについて説明した。
その他の実施形態では、特定補機以外の補機の駆動部が、さらに主電池２０に接続されてもよい。特定補機以外の補機とは、例えば、パワーウインドウ、エアコンブロワ、ワイパ等をいう。これらの補機は、特定補機とは異なり、仮に車両が走行できなくなったとき同時に機能を喪失しても比較的影響が小さいと考えられる。したがって、これらの補機の駆動部は、例えば、主機リレー３１と主機駆動部３２との間にヒューズを介して接続されてもよい。これにより、リレーの数を低減し、補機毎の遮断機能をより安価なヒューズで実現することができる。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１０・・・車載電源システム、
２０・・・主電池、
３０・・・主機遮断部、
３２・・・主機駆動部、
３３・・・主モータ、
４０・・・補機遮断部、
４２・・・操舵アシスト駆動部、
４３・・・操舵アシストモータ。

Claims

車両を走行させるための主モータ（３３）と、
前記主モータを駆動する主機駆動部（３２）と、
車両の操舵を補助するための操舵アシストモータ（４３）と、
前記操舵アシストモータを駆動する操舵アシスト駆動部（４２）と、
前記主機駆動部および前記操舵アシスト駆動部に電力を供給する主電池（２０）と、
前記主電池と前記主機駆動部との間に設けられ、前記主電池から前記主機駆動部への電力供給を遮断可能な主機遮断部（３０）と、
前記主電池と前記操舵アシスト駆動部との間に、前記主電池に対して前記主機駆動部と並列に設けられ、前記主電池から前記操舵アシスト駆動部への電力供給を遮断可能な補機遮断部（４０）と、
を備えることを特徴とする車載電源システム（１０）。
前記主電池は、前記操舵アシストモータを駆動するために必要な電圧よりも高い電圧を有しており、
前記補機遮断部は、ヒューズ（４４）を含むことを特徴とする請求項１に記載の車載電源システム。
前記補機遮断部は、通電又は遮断を切替可能な開閉器（４１）を含み、
前記ヒューズは、前記開閉器と前記操舵アシスト駆動部との間に直列に接続されることを特徴とする請求項２に記載の車載電源システム。
前記主機遮断部および前記補機遮断部による通電又は遮断を制御する統括制御部（１１）を備え、
前記統括制御部は、前記主機遮断部が遮断した場合でも、前記操舵アシスト駆動部が正常であれば、前記補機遮断部の接続を維持し、前記主電池から前記操舵アシスト駆動部への通電を継続することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の車載電源システム。
前記統括制御部と、前記統括制御部に対して物理的に離れて設けられる前記主機駆動部および前記操舵アシスト駆動部との間に通信手段（１５）を有し
前記統括制御部は、前記主機遮断部が遮断したこと、及び、前記操舵アシスト駆動部が正常であることを認識することを特徴とする請求項４に記載の車載電源システム。
車両を制動するためのブレーキアクチュエータ（４８）と、
前記主電池に対して前記主機駆動部および前記操舵アシスト駆動部と並列に設けられ、前記ブレーキアクチュエータを駆動するブレーキ駆動部（４７）と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の車載電源システム。