JP2015053825A

JP2015053825A - 車両用電源システム

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Publication number: JP2015053825A
Application number: JP2013186182A
Authority: JP
Inventors: 荘田　隆博; Takahiro Shoda; 隆博荘田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-03-19

Abstract

【課題】駆動用モータに電力供給する高電圧電池が故障した場合でもより確実に走行可能とする車両用電源システムを提供する。
【解決手段】車両用電源システム１において、低電圧バッテリ６が、低電圧系負荷に電力供給し、高電圧バッテリ５が、車両の駆動用モータＭに電力供給する。電池監視ユニット３０が、高電圧バッテリ５の故障を検出し、また、高電圧バッテリ５から駆動用モータＭへの電力供給時に主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２を閉じ、かつ、高電圧バッテリ５の故障検出時に主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２を開く。そして、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が、電池監視ユニット３０によって主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２が開かれた後、低電圧バッテリ６から出力される低電圧ＶＬを駆動用モータＭを駆動可能な高電圧ＶＨまで昇圧して当該駆動用モータＭに供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、駆動用モータに電力を供給する高電圧電池を備えた車両用電源システムに関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両は、高電圧電池としてのメインバッテリと、低電圧電池としてのサブバッテリとを備えている。メインバッテリは、エアコンやヒータ等の高電圧系負荷及び駆動用モータに電力を供給する。サブバッテリは、車両の制御を司る電子制御ユニットやコンビネーションメータ、ナビゲーション装置等の低電圧系負荷に電力を供給する。

例えば、ハイブリッド自動車においてメインバッテリが故障した場合に、メインバッテリから駆動用モータへの電力供給ができなくなる。そして、このような場合にエンジン出力を利用してバッテリレス走行を可能とする技術が、特許文献１に開示されている。

特許文献１に開示された技術によれば、メインバッテリの故障時に、メインバッテリを電源回路から無電弧状態で切り離し、エンジンに接続された一方のモータジェネレータから駆動輪を駆動する他方のモータジェネレータに電力を供給して、メインバッテリ故障後の走行を可能としている。これにより、故障後に車両を路肩や駐車場などの安全な場所に移動させることができる。

特開２０１０−２４７７２５号公報

しかしながら、メインバッテリの故障時にエンジン出力を利用してバッテリレス走行を可能とする構成であっても、エンジン自体が故障してしまった場合には駆動用モータに電力供給ができなくなり走行不能となってしまう。また、ハイブリッド自動車であっても、モータジェネレータとエンジンとが協調して動作する方式を採用したものではエンジン出力を利用できない場合があり、同様に走行不能となってしまう。また、電気自動車では、エンジンを搭載していないため、当然にその出力を利用できず走行不能となってしまう。

本発明は、かかる問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、駆動用モータに電力供給する高電圧電池が故障した場合でもより確実に走行可能とする車両用電源システムを提供することを目的とする。

請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、車両の低電圧系負荷に電力供給する低電圧電池と、少なくとも前記車両の駆動用モータに電力供給する高電圧電池と、前記高電圧電池と前記駆動用モータとの間に設けられた開閉器と、前記高電圧電池の故障を検出する故障検出手段と、前記高電圧電池から前記駆動用モータへの電力供給時に前記開閉器を閉じ、かつ、前記故障検出手段による前記高電圧電池の故障検出時に前記開閉器を開く開閉器制御手段と、を備えた車両用電源システムであって、前記開閉器制御手段によって前記開閉器が開かれた後、前記低電圧電池から出力される電圧を前記駆動用モータを駆動可能な電圧まで昇圧して当該駆動用モータに供給する昇圧手段を備えていることを特徴とする車両用電源システムである。

請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記車両の速度を検出する速度検出手段をさらに備え、前記昇圧手段が、前記開閉器制御手段によって前記開閉器が開かれた後でかつ前記速度検出手段によって検出された前記車両の速度が所定の基準速度以下であるとき、前記低電圧電池から出力される電圧を前記駆動用モータを駆動可能な電圧まで昇圧して当該駆動用モータに供給するように構成されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載された発明において、前記高電圧電池が、前記駆動用モータ及び前記車両の高電圧系負荷に電力供給するように構成され、前記昇圧手段によって前記低電圧電池から前記駆動用モータに電力供給される際に、前記高電圧系負荷の動作を停止させる高電圧系負荷動作停止手段をさらに備えていることを特徴とするものである。

請求項１に記載された発明によれば、高電圧電池の故障が検出されることにより開閉器制御手段によって開閉器が開かれた後、昇圧手段が、低電圧電池から出力される電圧を駆動用モータを駆動可能な電圧まで昇圧して当該駆動用モータに供給する。このようにしたことから、高電圧電池が故障した後に、低電圧電池から駆動用モータに電力供給することができるので、駆動用モータに電力供給する高電圧電池が故障した場合でもより確実に走行可能とすることができる。

請求項２に記載された発明によれば、車両の速度を検出する速度検出手段をさらに備えている。そして、昇圧手段が、開閉器制御手段によって開閉器が開かれた後でかつ速度検出手段によって検出された車両の速度が所定の基準速度以下であるとき、低電圧電池から出力される電圧を前記駆動用モータを駆動可能な電圧まで昇圧して当該駆動用モータに供給する。このようにしたことから、高電圧電池が故障した状態において、駆動用モータに対して基準速度以下の場合のみ電力供給され、基準速度を超えると電力供給されないので、車両の速度が必要以上に高くなることを抑制することができ、安全性を確保できる。

請求項３に記載された発明によれば、高電圧電池が、駆動用モータに加えて、車両の高電圧系負荷にも電力供給するように構成されている。そして、高電圧系負荷動作停止手段が、昇圧手段によって低電圧電池から駆動用モータに電力供給される際に、高電圧系負荷の動作を停止させる。このようにしたことから、低電圧電池から供給される電力を駆動用モータのみで使用することができるので、高電圧電池が故障した後の走行可能距離をより伸ばすことができる。

本発明の一実施形態の車両用電源システムの概略構成を示す図である。図１の車両用電源システムの電池監視ユニットが備えるＣＰＵにおける処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の一実施形態の車両用電源システムについて、図１、図２を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態の車両用電源システムの概略構成を示す図である。図２は、図１の車両用電源システムの電池監視ユニットにおける処理の一例を示すフローチャートである。

図１に示す車両用電源システム１は、例えば、電気自動車に搭載され、当該電気自動車が備える駆動用モータへの電力供給などを制御するものである。勿論、電気自動車以外にもハイブリッド自動車などの高電圧電池及び当該高電圧電池によって電力供給される駆動用モータを備えた車両などに適用してもよい。

図１に示すように、本実施形態の車両用電源システム１は、高電圧電池としての高電圧バッテリ５と、低電圧電池としての低電圧バッテリ６と、開閉器としての２つの主開閉器１１ａ、１１ｂ及び１つの副開閉器１２と、突入電流制限抵抗器１３と、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２１と、昇圧手段としての昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と、モータドライバ２３と、電池監視ユニット３０と、を備えている。

高電圧バッテリ５は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池セルが複数個直列に接続された組電池である。本実施形態において、高電圧バッテリ５は、２００Ｖ以上の直流の高電圧ＶＨを出力し、後述するモータドライバ２３を介して、例えば、三相モータで構成された駆動用モータＭに電力を供給する。また、高電圧バッテリ５は、例えば、エアコンやヒータなどの高電圧ＶＨで動作する高電圧系負荷Ｌ１に対しても電力を供給する。

低電圧バッテリ６は、例えば、鉛蓄電池などの二次電池で構成されている。本実施形態において、低電圧バッテリ６は、１２Ｖ〜２４Ｖ程度の直流の低電圧ＶＬを出力し、車両の制御を司る電子制御ユニット（ＥＣＵ）や、コンビネーションメータ類、ナビゲーション装置などの低電圧ＶＬで動作する低電圧系負荷Ｌ２に対して電力を供給する。

２つの主開閉器１１ａ、１１ｂは、例えば、リレー装置などで構成されており、高電圧バッテリ５とモータドライバ２３とを接続する高圧電源バスＣ１（正極側）及び高圧電源バスＣ２（負極側）に直列に挿入されて配置されている。つまり、２つの主開閉器１１ａ、１１ｂは、高電圧バッテリ５と駆動用モータＭとの間に設けられている。

副開閉器１２は、主開閉器１１ａ、１１ｂと同様に、リレー装置などで構成されており、上記高圧電源バスＣ１と並列接続（図中、Ｐ１及びＰ２で示す分岐点の間で並列接続）された、高電圧バッテリ５とモータドライバ２３と接続するバイパス回路Ｃ３に直列に挿入されて配置されている。つまり、副開閉器１２は、主開閉器１１ａと並列に接続されている。

突入電流制限抵抗器１３は、固定抵抗器などで構成されており、上記バイパス回路Ｃ３に直列に挿入されて配置されている。つまり、突入電流制限抵抗器１３は、主開閉器１１ａと並列にかつ副開閉器１２と直列に接続されている。

降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、高圧電源バスＣ１及び高圧電源バスＣ２を介して、高電圧バッテリ５に接続されている。降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は、高電圧バッテリ５から出力される電圧を降圧して、低電圧バッテリ６の充電が可能な電圧を当該低電圧バッテリ６に出力する。低電圧バッテリ６は、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の出力により充電される。勿論、この構成に限定されるものではなく、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２１を備えず、車両のエンジンや駆動軸などに接続された発電機により、低電圧バッテリ６が充電される構成としてもよい。

昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、低圧電源バスＤ１（正極側）及び低圧電源バスＤ２（負極側）を介して、低電圧バッテリ６に接続されている。昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、低電圧バッテリ６から出力される低電圧ＶＬを昇圧して、高電圧バッテリ５が出力する高電圧ＶＨと同じ電圧を高圧電源バスＣ１及び高圧電源バスＣ２間に出力する。

本実施形態において、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２１と昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２とが別個に設けられているが、これに限定されるものではなく、例えば、これらが一体となった昇降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを備えた構成としてもよい。また、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、低電圧バッテリ６から出力される低電圧ＶＬを高電圧ＶＨまで昇圧するものであることが好ましいが、少なくともモータドライバ２３を通じて駆動用モータＭを駆動可能な電圧まで昇圧するものであればよい。

モータドライバ２３は、例えば、インバータで構成され、高圧電源バスＣ１及び高圧電源バスＣ２を介して供給される直流電圧を三相モータである駆動用モータＭが動作可能な交流電圧に変換して当該駆動用モータＭに出力する。

電池監視ユニット３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを内蔵したマイクロコンピュータ及び高電圧バッテリ５の各電池セルの電圧、温度を監視するセンサなどで構成されており、車両用電源システム１全体の制御を司る。ＲＯＭには、ＣＰＵを故障検出手段、開閉器制御手段、速度検出手段及び高電圧系負荷動作停止手段などの各種手段として機能させるための制御プログラムが予め記憶されており、ＣＰＵは、この制御プログラムを実行することにより上記各種手段として機能する。

電池監視ユニット３０は、主開閉器１１ａ、１１ｂ、副開閉器１２及び昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２と接続されている。電池監視ユニット３０は、これらに対して制御信号を送信することにより、主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２を開閉制御し、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の動作開始停止を制御する。

また、電池監視ユニット３０は、図示しない電子制御ユニットを介して間接的に、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２１、モータドライバ２３及び高電圧系負荷Ｌ１と間接的に接続されている（図１において、電子制御ユニットを省略して各接続を記載している）。電池監視ユニット３０は、高電圧バッテリ５の故障検出時に、これらに対して電子制御ユニットを通じて制御信号を送信することにより、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２１による低電圧バッテリ６の充電を停止させ、駆動用モータＭに必要以上に電力が供給されないようにモータドライバ２３の動作を抑制し、高電圧系負荷Ｌ１の動作を停止させる。

また、電池監視ユニット３０は、図示しない車速センサから車両の速度を示す信号（車両速度信号）が入力され、当該信号に基づいて車両の速度を検出する。

この電池監視ユニット３０は、高電圧バッテリ５からモータドライバ２３及び高電圧系負荷Ｌ１に向けて大きな電流が急激に流れることにより高電圧バッテリ５などが損傷してしまうことを防ぐために、電力供給開始時において主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２を制御する。具体的には、電池監視ユニット３０は、主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２が共に開かれた状態（電力供給停止状態）において、図示しない電子制御ユニットからイグニッションスイッチＯＮが通知されると、始めに主開閉器１１ｂ及び副開閉器１２を閉じる。これにより、高電圧バッテリ５から突入電流制限抵抗器１３及び副開閉器１２並びに主開閉器１１ｂを通じてモータドライバ２３及び高電圧系負荷Ｌ１に電流が流れる。その後、主開閉器１１ａを開くとともに副開閉器１２を閉じる。これにより、それ以降、高電圧バッテリ５から主開閉器１１ａ、１１ｂを通じてモータドライバ２３及び高電圧系負荷Ｌ１に電流が流れる。このように、最初に突入電流制限抵抗器１３によって制限された電流を流し、そのあとに制限のない電流を流す。

次に、上述した車両用電源システム１の電池監視ユニット３０（具体的にはそのＣＰＵ）における処理（故障時処理）の一例について、図２のフローチャートを参照して説明する。

電池監視ユニット３０は、高電圧バッテリ５の各電池セルの電圧、温度を監視しており（Ｓ１１０でＮ）、当該監視結果に基づいて高電圧バッテリ５の故障が検出されると（Ｓ１１０でＹ）、主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２に制御信号を送信し、これら主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２を開いて、高電圧バッテリ５とモータドライバ２３及び高電圧系負荷Ｌ１とを切り離す（Ｓ１２０）。

次に、電池監視ユニット３０は、図示しない電子制御ユニットを通じて高電圧系負荷Ｌ１に制御信号を送信し、高電圧系負荷Ｌ１の動作を停止する（Ｓ１３０）。高電圧系負荷Ｌ１の動作停止は必須ではないが、高電圧系負荷Ｌ１による電力消費が抑制されるため停止することが好ましい。また、電池監視ユニット３０は、図示しない電子制御ユニットを通じて降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２１に制御信号を送信し、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２１の動作を停止する（Ｓ１４０）。これにより、低電圧バッテリ６の充電動作が停止する。

次に、電池監視ユニット３０は、車速センサから入力された信号に基づいて、車両の速度を検出し（Ｓ１５０）、当該速度が所定の基準速度（例えば、時速４ｋｍ）以下であるか判定する（Ｓ１６０）。

電池監視ユニット３０は、車両の速度が基準速度以下であるとき（Ｓ１６０でＹ）、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に制御信号を送信し、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の動作を開始する（Ｓ１７０）。これにより、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、低電圧バッテリ６から出力される低電圧ＶＬを昇圧して高電圧バッテリ５から出力される高電圧ＶＨとし、高圧電源バスＣ１、高圧電源バスＣ２を通じて、モータドライバ２３に供給する。また、電池監視ユニット３０は、車両の速度が基準速度超であるとき（Ｓ１６０でＮ）、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２に制御信号を送信し、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の動作を停止する（Ｓ１８０）。これにより、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２は、動作を停止して、高圧電源バスＣ１、高圧電源バスＣ２を通じた高電圧ＶＨの供給が停止する。

以降、車両が停止するまで、車両の速度の検出及び昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２の制御（Ｓ１５０〜Ｓ１８０）を繰り返す。

電池監視ユニット３０は、上述したステップＳ１１０を実行することにより故障検出手段として機能し、ステップＳ１２０を実行することにより開閉器制御手段として機能し、ステップＳ１５０を実行することにより速度検出手段として機能し、ステップＳ１３０を実行することにより高電圧系負荷動作停止手段として機能する。

本実施形態の車両用電源システム１は、車両の低電圧系負荷Ｌ２に電力供給する低電圧バッテリ６と、少なくとも車両の駆動用モータＭに電力供給する高電圧バッテリ５と、高電圧バッテリ５と駆動用モータＭとの間に設けられた主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２と、高電圧バッテリ５の故障を検出する故障検出手段（電池監視ユニット３０）と、高電圧バッテリ５から駆動用モータＭへの電力供給時に主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２を閉じ、かつ、故障検出手段による高電圧バッテリ５の故障検出時に主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２を開く開閉器制御手段（電池監視ユニット３０）と、を備えている。そして、開閉器制御手段によって主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２が開かれた後、低電圧バッテリ６から出力される低電圧ＶＬを駆動用モータＭを駆動可能な高電圧ＶＨまで昇圧して当該駆動用モータＭに供給する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２を備えている。

また、車両用電源システム１は、車両の速度を検出する速度検出手段（電池監視ユニット３０）をさらに備えている。そして、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が、開閉器制御手段によって主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２が開かれた後でかつ速度検出手段によって検出された車両の速度が所定の基準速度以下であるとき、低電圧バッテリ６から出力される低電圧ＶＬを駆動用モータＭを駆動可能な高電圧ＶＨまで昇圧して当該駆動用モータＭに供給するように構成されている。

また、車両用電源システム１は、高電圧バッテリ５が、駆動用モータＭ及び車両の高電圧系負荷Ｌ１に電力供給するように構成され、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２によって低電圧バッテリ６から駆動用モータＭに電力供給される際に、高電圧系負荷Ｌ１の動作を停止させる高電圧系負荷動作停止手段（電池監視ユニット３０）をさらに備えている。

以上より、本実施形態によれば、高電圧バッテリ５の故障が検出されることにより開閉器制御手段によって主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２が開かれた後、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が、低電圧バッテリ６から出力される低電圧ＶＬを駆動用モータＭを駆動可能な高電圧ＶＨまで昇圧して当該駆動用モータＭに供給する。このようにしたことから、高電圧バッテリ５が故障した後に、低電圧バッテリ６から駆動用モータＭに電力供給することができるので、駆動用モータＭに電力供給する高電圧バッテリ５が故障した場合でもより確実に走行可能とすることができる。

また、車両の速度を検出する速度検出手段をさらに備えている。そして、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２が、開閉器制御手段によって主開閉器１１ａ、１１ｂ及び副開閉器１２が開かれた後でかつ速度検出手段によって検出された車両の速度が所定の基準速度以下であるとき、低電圧バッテリ６から出力される低電圧ＶＬを駆動用モータＭを駆動可能な高電圧ＶＨまで昇圧して当該駆動用モータＭに供給する。このようにしたことから、高電圧バッテリ５が故障した状態において、駆動用モータＭに対して基準速度以下の場合のみ電力供給され、基準速度を超えると電力供給されないので、車両の速度が必要以上に高くなることを抑制することができ、安全性を確保できる。

また、高電圧バッテリ５が、駆動用モータＭに加えて、車両の高電圧系負荷Ｌ１にも電力供給するように構成されている。そして、高電圧系負荷動作停止手段が、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２によって低電圧バッテリ６から駆動用モータＭに電力供給される際に、高電圧系負荷Ｌ１の動作を停止させる。このようにしたことから、低電圧バッテリ６から供給される電力を駆動用モータＭのみで使用することができるので、高電圧バッテリ５が故障した後の走行可能距離をより伸ばすことができる。

上述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の車両用電源システムの構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。

１車両用電源システム
５高電圧バッテリ（高電圧電池）
６低電圧バッテリ（低電圧電池）
１１ａ、１１ｂ主開閉器（開閉器）
１２副開閉器（開閉器）
１３突入電流制限抵抗器
２１降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ
２２昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧手段）
２３モータドライバ
３０電池監視ユニット（故障検出手段、開閉器制御手段、速度検出手段、高電圧系負荷動作停止手段）
Ｃ１、Ｃ２高圧電源バス
Ｃ３バイパス回路
Ｄ１、Ｄ２低圧電源バス
Ｌ１高電圧系負荷
Ｌ２低電圧系負荷
Ｍ駆動用モータ

Claims

車両の低電圧系負荷に電力供給する低電圧電池と、少なくとも前記車両の駆動用モータに電力供給する高電圧電池と、前記高電圧電池と前記駆動用モータとの間に設けられた開閉器と、前記高電圧電池の故障を検出する故障検出手段と、前記高電圧電池から前記駆動用モータへの電力供給時に前記開閉器を閉じ、かつ、前記故障検出手段による前記高電圧電池の故障検出時に前記開閉器を開く開閉器制御手段と、を備えた車両用電源システムであって、
前記開閉器制御手段によって前記開閉器が開かれた後、前記低電圧電池から出力される電圧を前記駆動用モータを駆動可能な電圧まで昇圧して当該駆動用モータに供給する昇圧手段を備えていることを特徴とする車両用電源システム。
前記車両の速度を検出する速度検出手段をさらに備え、
前記昇圧手段が、前記開閉器制御手段によって前記開閉器が開かれた後でかつ前記速度検出手段によって検出された前記車両の速度が所定の基準速度以下であるとき、前記低電圧電池から出力される電圧を前記駆動用モータを駆動可能な電圧まで昇圧して当該駆動用モータに供給するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の車両用電源システム。
前記高電圧電池が、前記駆動用モータ及び前記車両の高電圧系負荷に電力供給するように構成され、
前記昇圧手段によって前記低電圧電池から前記駆動用モータに電力供給される際に、前記高電圧系負荷の動作を停止させる高電圧系負荷動作停止手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用電源システム。