JP2014187730A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】電圧が異なる複数の電源装置を備える電源システムを、安全性を確保しつつ低コストで設計する。
【解決手段】第１電源装置は、第１電圧系の負荷に電圧を供給する。第２電源装置は、第１電圧系より高電圧の第２電圧系の負荷に電圧を供給する。スイッチＲＹは、第２電源装置と第２電圧系の負荷とを電気的に切り離す。管理装置は、第２電源装置を管理する。第１電源装置、第２電源装置および管理装置のグラウンド線が共通している。管理装置は、自己の装置内のグラウンド線に設定値を超える電流が流れたことを検知すると、スイッチをオフする。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両に搭載されるべき電源システムに関する。

近年、ＣＯ_２排出量が少なく低燃費なハイブリッドカー（ＨＥＶ；Hybrid Electric Vehicle）の普及が拡大している。ＨＥＶには大別すると、ストロングタイプ、マイルドタイプ（マイクロタイプを含む）がある。ストロングタイプは比較的大型の二次電池とモータを搭載し、エンジンが停止した状態でも二次電池に蓄電されたエネルギーで走行できるタイプである。マイルドタイプは比較的小型の二次電池とモータを搭載し、原則的にエンジンが停止した状態では走行できず、二次電池に蓄電されたエネルギーで主にパワーアシストするタイプである。

ストロングタイプでは１００Ｖ以上の駆動用二次電池が搭載される。駆動用二次電池を監視制御する管理装置の動作電圧は一般的に５Ｖ以下であり、補機用二次電池の出力電圧は通常１２Ｖである。従って駆動用二次電池と、管理装置および補機用二次電池との間ではグラウンドが共通されず絶縁される。

一方、マイルドタイプでは４８Ｖ／３６Ｖの駆動用二次電池が搭載される。この場合、安全規格上の危険電圧とされる６０Ｖ以下であるため、駆動用二次電池と、管理装置および補機用二次電池との間でグラウンドを共通にすることも考えられる。グラウンドを共通化すれば、絶縁する場合よりコストを低減できる。

特開２００３−４８２２号公報

しかしながら駆動用二次電池と負荷の間のグラウンド線が断線すると、駆動用二次電池から管理装置および補機用二次電池に共通のグラウンド線を介して大電流が流れこむ。この対策としてグラウンド線を高スペックにすることが考えられるが、コストが増大する。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、電圧が異なる複数の電源装置を備える電源システムを、安全性を確保しつつ低コストで設計する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源システムは、第１電圧系の負荷に電圧を供給する第１電源装置と、第１電圧系より高電圧の第２電圧系の負荷に電圧を供給する第２電源装置と、第２電源装置と第２電圧系の負荷とを電気的に切り離すためのスイッチと、第２電源装置を管理する管理装置と、を備える。第１電源装置、第２電源装置および管理装置のグラウンド線が共通しており、管理装置は、自己の装置内のグラウンド線に設定値を超える電流が流れたことを検知すると、スイッチをオフする。

本発明によれば、電圧が異なる複数の電源装置を備える電源システムを、安全性を確保しつつ低コストで設計できる。

１２Ｖ系、４８Ｖ系の電圧を供給する車載用電源システムの回路構成例を示す図である。 図１の車載用電源システムにおいて、４８Ｖの組電池と４８Ｖ系負荷間の配線が断線した状態を示す図である。 本発明の実施の形態に係る車載用電源システムの回路構成例を示す図である。 変形例に係る車載用電源システムの回路構成例を示す図である。

図１は、１２Ｖ系、４８Ｖ系の電圧を供給する車載用電源システム１００の回路構成例を示す図である。車載用電源システム１００は、第１電源装置、第２電源装置、電池管理装置１０を備える。第１電源装置は二次電池Ｅ１を備え、１２Ｖ系負荷２００に電圧を供給する。通常、この二次電池Ｅ１には鉛電池が用いられる。１２Ｖ系負荷２００は車両内の各種補機である。

第２電源装置は二次電池Ｅ２〜Ｅ５を備え、４８Ｖ系負荷３００に電圧を供給する。各二次電池Ｅ２〜Ｅ５は、１２Ｖのリチウムイオン電池またはニッケル水素電池であり、１２Ｖの二次電池Ｅ２〜Ｅ５が４個直列接続されて、４８Ｖの組電池を構成している。４８Ｖ系負荷３００は、マイルドハイブリッド車に搭載される走行アシスト用モータ及び／又は補機の一部が該当する。

近年、電動パワーステアリング、電動ＶＤＣ（Vehicle Dynamics Control）、電動ターボチャージャー、エアコン等、ハイパワーの補機が増えてきている。このようなハイパワーの補機を１２Ｖ系電源で駆動すると大きな電流を流す必要があり、配線コストの増大、ケーブルロスの増加を招く。そこでハイパワーの補機を４８Ｖ系電源で駆動することが検討されている。

ＵＬ（Underwriters Laboratories）規格、ＩＥＣ（International Electrotechnical Commission）規格などの安全規格は、直流６０Ｖを超える電圧を危険電圧と規定し、厳格な絶縁処理を要求する。逆にいえば６０Ｖ以下の電圧であれば絶縁処理を簡素化でき、ガルバニック絶縁が不要となる。また絶縁距離も短くできる。

ストロングハイブリッド車や電気自動車では２００Ｖ以上の二次電池が搭載されるため、厳格な絶縁処理が必要となる。図１の回路では厳格な絶縁処理が不要な６０Ｖ以下の４８Ｖの二次電池を追加することにより、低コストで補機の電源系を増強している。

４８Ｖの組電池と、４８Ｖ系負荷３００との間にスイッチＲＹが挿入される。スイッチＲＹにはリレーコンタクタを用いることができる。スイッチＲＹがオフすることにより、４８Ｖの組電池と４８Ｖ系負荷３００とを電気的に切り離すことができる。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２０は４８Ｖ系配線と１２Ｖ系配線に接続され、直流４８Ｖを直流１２Ｖに降圧する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２０が動作することにより、４８Ｖの組電池からも１２Ｖ系負荷２００へ電源供給することができる。

電池管理装置１０は、４８Ｖの組電池を管理する。なお図１では１２Ｖの二次電池Ｅ１の電池管理装置は省略して描いているが、４８Ｖの組電池の電池管理装置１０と同一基板に実装されてもよいし、別の基板に実装されてもよい。

電池管理装置１０は、電圧検出回路１１、制御回路１２、降圧回路１３、抵抗Ｒ１〜Ｒ５、容量Ｃ１〜容量Ｃ４を含む。電圧検出回路１１は、４８Ｖの組電池を構成する各二次電池Ｅ２〜Ｅ５の電圧を検出する。各二次電池Ｅ２〜Ｅ５のノードと電圧検出回路１１の間は電圧線で接続される。各電圧線にはそれぞれ抵抗Ｒ１〜Ｒ５が挿入される。また各電圧線間には、容量Ｃ１〜容量Ｃ４が接続される。

電圧検出回路１１は、専用のカスタムＩＣであるＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）により構成される。そのＡＳＩＣの電源電圧として、組電池から４８Ｖが供給される。電圧検出回路１１は異常電圧を検出すると、制御回路１２に通知する。

制御回路１２はマイクロコンピュータで構成され、電池管理装置１０全体を制御する。マイクロコンピュータの電源電圧は、１２Ｖの二次電池Ｅ１から供給される。より具体的には降圧回路１３により、１２Ｖが３〜５Ｖに降圧されて供給される。降圧回路１３には例えば、３端子レギュレータを用いることができる。制御回路１２は電圧検出回路１１から異常電圧検出の通知を受けると、スイッチＲＹをオフして４８Ｖの組電池と４８Ｖ系負荷３００とを遮断する。

４８Ｖの組電池と４８Ｖ系負荷３００間は、数１０Ａ以上の大電流が流れる。従って４８Ｖ系の配線は、バスバーや線径が太いワイヤーハーネスで構成している。また図１の回路では、低コストな回路とすべく、４８Ｖの組電池、１２Ｖの二次電池Ｅ１、電池管理装置１０のグラウンド線を共通にしている。また電池管理装置１０のグラウンド線を、通常のプリント配線で構成している。加えて、図１の回路では、グランド線は、二か所で接地されている。具体的には、４８Ｖ側の回路と、１２Ｖ側の回路の二か所で、グランド線がシャーシアースＣＥ１、ＣＥ２に接続されている。図１の回路では、低コストな回路とすべく、４８Ｖの組電池、１２Ｖの二次電池Ｅ１、電池管理装置１０のグラウンド線を共通にしているため、比較的グランド線が長くなりやすい。長いグランド線では、相対的に配線抵抗の影響が大きくなり、一か所の接地では、グランド線の電位レベルが共通とならないおそれがある。すなわち、グランド線の両端で電位差が生じ、グランド線がグランドとして機能しなくなるおそれがある。特に、低コストな回路とする場合、コストの増大を招くため、グランド線の太さを必要以上に太くすることができない。そのため、配線抵抗の影響を受けやすく、このような接地の問題が顕著となる。また、長いグランド線や細いグランド線は、グランド線がアンテナのように機能してノイズを拾う問題もある。そのため、図１の構成では、グランド線は、シャーシアースＣＥ１、ＣＥ２と最短距離で接続されるように、二か所で接地されている。この構成によると、グランド線の長さが長くなっても、グランド線の電位レベルを同じにすることができ、また、ノイズの影響も抑制することができる。以上の構成により、４８Ｖの組電池、１２Ｖの二次電池Ｅ１、電池管理装置１０のグラウンド線を共通にすることができる。

図２は、図１の車載用電源システム１００において、４８Ｖの組電池と４８Ｖ系負荷３００間の配線が断線した状態を示す図である。この状態で４８Ｖの組電池を動作させると、４８Ｖの組電池と１２Ｖの二次電池Ｅ１のグラウンド線がシャーシアースＣＥ１、ＣＥ２に接続されているため、４８Ｖの組電池と４８Ｖ系負荷３００間の配線が断線しても、シャーシアースＣＥ１、ＣＥ２を介して電流が流れる。つまり、電池管理装置１０のグラウンド線を介して大電流が流れる可能性がある。電池管理装置１０のグラウンド線の許容電流を超える大電流が流れると、電池管理装置１０の故障につながる。また車載用電源システム１００は通常、手作業で組み立てられるため、断線以外でも作業者の接続ミスにより図２の状態が発生することもある。

図３は、本発明の実施の形態に係る車載用電源システム１００の回路構成例を示す図である。図３の回路は図１の回路と比較し、電池管理装置１０に、グラウンド線の大電流対策が追加された回路である。具体的には、電池管理装置１０のグラウンド線に設定値を超える電流が流れたことが検知されると、スイッチＲＹをオフする機能が追加されている。

本実施の形態に係る電池管理装置１０は、図１の電池管理装置１０に対して、電流制限素子、差動アンプＡＰが追加されている。電流制限素子は、電池管理装置１０内のグラウンド線に挿入される。本実施の形態では電流制限素子にＰＴＣ（Positive Temperature Coefficien）サーミスタＴ１を用いる。ＰＴＣサーミスタＴ１は温度が上昇すると抵抗値が増大する。従って大電流が流れると、その自己発熱により抵抗値が増大し電流を制限する。

ＰＴＣサーミスタＴ１の両端は、差動アンプＡＰの反転入力端子および非反転入力端子にそれぞれ接続される。差動アンプＡＰは、ＰＴＣサーミスタＴ１の両端電圧を差動増幅し、制御回路に出力する。差動アンプＡＰにはオペアンプを使用できる。電池管理装置１０内のグラウンド線に電流が流れるとＰＴＣサーミスタＴ１の両端に電位差が発生する。

制御回路１２は、差動アンプＡＰの出力電圧を受け、ＰＴＣサーミスタＴ１の両端電圧が設定電圧を超えたとき、電池管理装置１０内のグラウンド線に大電流が流れたと判定する。制御回路１２は大電流が流れたと判定するとスイッチＲＹをオフするよう制御する。

なおＰＴＣサーミスタＴ１は、電池管理装置１０内のグラウンド線において制御回路１２のグラウンド端子および電圧検出回路１１のグラウンド端子より、４８Ｖ系の組電池のグラウンド端子側に挿入されることが望ましい。これにより、制御回路１２のグラウンド端子と電圧検出回路１１のグラウンド端子間に電位差が発生することを抑制できる。

仮に、制御回路１２のグラウンド端子と電圧検出回路１１のグラウンド端子間にＰＴＣサーミスタＴ１を挿入した場合、ＰＴＣサーミスタＴ１に電流が流れると両グラウンド端子間に電位差が発生する。この場合、制御回路１２と電圧検出回路１１間の通信信号の基準電位がずれてしまい正常な通信が困難になる。なお本実施の形態は、この対策を施した上、制御回路１２のグラウンド端子と電圧検出回路１１のグラウンド端子間にＰＴＣサーミスタＴ１を挿入する構成を排除するものではない。

図４は、変形例に係る車載用電源システム１００の回路構成例を示す図である。変形例に係る電池管理装置１０は、図３の電池管理装置１０のＰＴＣサーミスタＴ１をヒューズＦ１に置換した構成である。ヒューズは大電流が流れ、溶断すると再使用が不可能であるが、低コストな電流制限素子である。

以上説明したように本実施の形態によれば、電流制限素子を設けることにより、電圧検出回路１１のグラウンド線に過電流が流れることを抑制できる。従って電池管理装置１０の配線材を、大電流を許容する線径とする必要がなく、コスト増大を抑制できる。また電流制限素子に印加される電圧変動を監視することにより、４８Ｖの組電池のグラウンド線の断線を検出できる。また、その断線検出時にスイッチＲＹをオフするため、４８Ｖの組電池の異常状態での使用を防止できる。従って電圧が異なる複数の電源装置（本実施の形態では４８Ｖ系電源装置と１２Ｖ系電源装置）を備える電源システムを、安全性を確保しつつ低コストで設計できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。こられ実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では４８Ｖの組電池の１２Ｖの二次電池Ｅ１を組み合わせた電源システムを想定した。この点、これらの電圧の組み合わせに限るものではない。１２Ｖ以上６０Ｖ以下の電圧（例えば、３６Ｖ）の組電池と、１２Ｖの二次電池を組み合わせた電源システムであってもよい。また電源装置は二次電池に限らず、電気二重層コンデンサなどのキャパシタであってもよい。また電源システムは車載用途に限定されず、電圧の異なる複数の電源装置を組み合わせたシステム全般に適用可能である。

１００ 車載用電源システム、 ２００ １２Ｖ系負荷、 ３００ ４８Ｖ系負荷、 １０ 電池管理装置、 １１ 電圧検出回路、 １２ 制御回路、 １３ 降圧回路、 ＲＹ スイッチ、 Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ４，Ｅ５ 二次電池、 ＣＥ１，ＣＥ２ シャーシアース、 Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５ 抵抗、 Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４ 容量、 ２０ ＤＣ−ＤＣコンバータ、 Ｔ１ ＰＴＣサーミスタ、 Ｆ１ ヒューズ、 ＡＰ 差動アンプ。

Claims (5)

1. 第１電圧系の負荷に電圧を供給する第１電源装置と、
   前記第１電圧系より高電圧の第２電圧系の負荷に電圧を供給する第２電源装置と、
   前記第２電源装置と前記第２電圧系の負荷とを電気的に切り離すためのスイッチと、
   前記第２電源装置を管理する管理装置と、を備え、
   前記第１電源装置、前記第２電源装置および前記管理装置のグラウンド線が共通しており、
   前記管理装置は、自己の装置内のグラウンド線に設定値を超える電流が流れたことを検知すると、前記スイッチをオフすることを特徴とする電源システム。
2. 前記第２電源装置は二次電池を含み、
   前記管理装置は、
   前記二次電池の電圧を検出する電圧検出回路と、
   自己の装置内のグラウンド線に挿入された電流制限素子と、
   前記電流制限素子の両端電圧を検出する差動アンプと、
   前記差動アンプの出力を受け、前記電流制限素子の両端電圧が設定電圧を超えたとき 前記スイッチをオフするよう制御する制御回路と、
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記電流制限素子は、前記グラウンド線において前記制御回路のグラウンド端子および前記電圧検出回路のグラウンド端子より、前記二次電池側に挿入されることを特徴とする請求項２に記載の電源システム。
4. 前記電流制限素子は、サーミスタまたはヒューズであることを特徴とする請求項２または３に記載の電源システム。
5. 本電源システムは車両に搭載され、
   前記第２電圧系の負荷には走行用モータが含まれ、
   前記第２電圧系は６０Ｖ以下、１２Ｖ以上の電圧系であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電源システム。

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