JP2018019504A - 電気自動車用の電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】通常動作と省電力動作の何れにおいても、十分な冷却性能が得るとともに、ポンプを高効率で動作させる電源システムを提供する。
【解決手段】電気自動車用の電源システム８であって、メインバッテリ４と、電力制御ユニット１２と、走行用モータ２と、メインバッテリの直流電力をより低電圧の直流電力に変換するコンバータ３０と、変換後の直流電力によって充電されるサブバッテリ２２と、電力制御ユニットを冷却する冷媒を循環させるポンプ４０と、ポンプを制御するポンプ制御ユニット４２を有する。コンバータが、変換後の直流電力の電圧を第１電圧に制御する通常動作と、変換後の直流電力の電圧を第１電圧よりも低い第２電圧に制御する省電力動作を実行可能である。ポンプ制御ユニットが、省電力動作時に通常動作時よりも変換後の直流電力がポンプに供給される期間の比率を高くする。
【選択図】図１

Description

本明細書は、電気自動車用の電源システムを開示する。本明細書における「電気自動車」は、走行用モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車を含む。

特許文献１に、メインバッテリと、コンバータと、サブバッテリと、複数の補機を有する電源システムが開示されている。コンバータは、メインバッテリの直流電力をより低電圧の直流電力に変換する。サブバッテリは、変換後の直流電力によって充電される。補機は、サブバッテリの出力電力（すなわち、コンバータによる変換後の直流電力）によって動作する機器（低電圧機器）の総称である。補機には、例えば、ルームランプ、ナビゲーションシステム、カーオーディオなどが含まれる。

特許文献１の電源システムでは、コンバータが通常動作と省電力動作を行うことができる。省電力動作では、通常動作よりも、変換後の直流電力の電圧が低くなる。これによって、補機が低電圧で動作し、電力消費が抑制される。

特開２０１４−１６６０２８号公報

電気自動車の電源システムは、走行用モータを動作させるための電力制御ユニット（いわゆる、ＰＣＵ）を有している。電力制御ユニットは、メインバッテリの直流電力を交流電力に変換して走行用モータに供給する。この種の電力制御ユニットでは、内部の素子（例えば、スイッチング素子）が発熱する。このため、電源システムは、冷媒を循環させることで電力制御ユニットを冷却する冷却構造を備えている。冷媒を循環させるためのポンプは、サブバッテリの出力電力によって動作する。すなわち、ポンプは、補機の一種である。一般に、ポンプの制御ユニットは、ポンプに供給する通電量を制御することでポンプの出力を調整する。ポンプへの通電量は、サブバッテリの出力電力を、一定の割合で周期的に通電と遮断を繰り返して調整される。本明細書では、ポンプへ供給する電力の通電と遮断の割合をデューティ比と称する。デューティ比を適切に調節することで、ポンプを高効率で動作させることができる。

特許文献１のように、コンバータが通常動作と省電力動作を実行可能な場合、省電力動作において変換後の直流電力の電圧（すなわち、サブバッテリの出力電圧）が低くなる。このため、省電力動作時にポンプに印加される電圧が低くなる。したがって、省電力動作時に十分な冷却性能が得られるように、電圧が低い分を補うべくデューディ比を高くする必要がある。一方、デューティ比を高くすると、通常動作時（サブバッテリの出力電圧が高い場合）にポンプに供される電力が必要以上に大きくなり、ポンプで生じる損失が大きくなる。したがって、本明細書では、通常動作と省電力動作の何れでも、十分な冷却性能が得られるとともにポンプを高効率で動作させることができる技術を提供する。

電気自動車用の電源システムであって、メインバッテリと、電力制御ユニットと、走行用モータと、コンバータと、サブバッテリと、複数の補機と、ポンプ制御ユニットを有する。前記電力制御ユニットは、前記メインバッテリの直流電力を交流電力に変換する。前記走行用モータは、前記交流電力によって動作する。前記コンバータは、前記メインバッテリの直流電力をより低電圧の直流電力に変換する。前記サブバッテリは、変換後の前記直流電力によって充電される。複数の前記補機は、変換後の前記直流電力によって動作する。複数の前記補機は、前記電力制御ユニットを冷却する冷媒を循環させるポンプを含む。前記ポンプ制御ユニットは、変換後の前記直流電力が前記ポンプに供給される期間と供給されない期間とが交互に繰り返されるようにポンプを制御する。前記コンバータが、変換後の前記直流電力の電圧を第１電圧に制御する通常動作と、変換後の前記直流電力の電圧を前記第１電圧よりも低い第２電圧に制御する省電力動作を実行可能である。前記ポンプ制御ユニットが、前記省電力動作時に前記通常動作時よりも変換後の前記直流電力が前記ポンプに供給される期間の比率を高くする。

この電源システムでは、ポンプ制御ユニットが、変換後の直流電力がポンプに供給される期間と供給されない期間とが交互に繰り返されるようにポンプを制御する。前述したように、変換後の直流電力がポンプに供給される期間の比率をデューティ比という。ポンプ制御ユニットは、省電力動作時に通常動作時よりもデューティ比を高くする。すなわち、省電力動作時には、通常動作時よりもポンプへの印加電圧が低くなる一方で、通常動作時よりもデューティ比が高くなる。このように通常動作時と省電力動作時との間でデューティ比が変更されることで、通常動作時にポンプに供給される電力と省電力動作時にポンプに供給される電力の差が小さくなる。したがって、通常動作時と省電力動作時の何れでも、十分な冷却性能が得られるとともに高効率で動作が可能な条件でポンプを動作させることができる。

電源システムの回路図。 通常動作時の電圧Ｖ２を示すグラフ。 省電力動作時の電圧Ｖ２を示すグラフ。 電源システムが実行する処理を示すフローチャート。 通常動作から省電力動作に切り換わるときの各値のグラフ。

図１に示す実施形態の電源システム８は、ハイブリッド車に搭載されている。ハイブリッド車は、エンジン６１、モータ１（ＭＧ１）、モータ２（ＭＧ２）を備えており、これらの動力により走行することができる。モータを利用する場合、ハイブリッド車は、メインバッテリ４から供給される電力によりモータ２を駆動し、モータ２の動力によって駆動輪（図示せず）を回転させる。エンジン６１を利用して走行する場合には、ハイブリッド車は、モータ１をセルモータとして使用しエンジン６１を始動させる。そして、ハイブリッド車は、動力分配機構６２によって、エンジン６１が発生させた動力の一部を駆動輪に伝達する一方で、残りの動力をモータ１に伝達させてモータ１で発電する。モータ１で発電した電力は、モータ２に供給して駆動輪の回転に利用したり、メインバッテリ４に充電したりすることができる。

なお、走行中のハイブリッド車が減速する際には、モータ１またはモータ２で回生発電し、発電した電力でメインバッテリ４を充電することができる。このように、モータ１とモータ２は、発電機としても機能する。その意味で、モータ１とモータ２は、「モータジェネレータ」と称することができる。図１の「ＭＧ１」がモータ１（モータジェネレータ１）を表し、「ＭＧ２」がモータ２（モータジェネレータ２）を表す。

電源システム８は、メインバッテリ４、サブバッテリ２２、電力制御ユニット（ＰＣＵ）１２、ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＤＣ）３０を備えている。以下では、電力制御ユニット１２をＰＣＵ１２と表記し、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０をＤＤＣ３０と表記する。

メインバッテリ４は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池（再充電可能電池）である。本実施形態では、メインバッテリ４の電圧は約３００Ｖ（ボルト）である。メインバッテリ４は、一対のメイン電力線１０を介してＰＣＵ１２に接続されている。

ＰＣＵ１２は、メインバッテリ４とＭＧ１、ＭＧ２の間に接続されている。ＰＣＵ１２は、一対のメイン電力線１０の間の直流電力（メインバッテリ４から供給される直流電力）を三相交流電力に変換し、三相交流電力をＭＧ１、ＭＧ２に供給する。また、ＰＣＵ１２は、ＭＧ１、ＭＧ２から供給される三相交流電力を直流電力に変換し、直流電力を一対のメイン電力線１０間に供給することもできる。ＰＣＵ１２は、コンバータ（ＣＮＶ）１６及びインバータ（ＩＮＶ）１７を備えている。

コンバータ１６は、一対のメイン電力線１０の間の直流電力の電圧を昇圧し、昇圧した電圧をインバータ１７に供給する。インバータ１７は、コンバータ１６から供給される直流電力を三相交流電力に変換し、変換した三相交流電力をＭＧ１、ＭＧ２に供給する。また、インバータ１７は、ＭＧ１やＭＧ２が発電した三相交流電力を直流電力に変換し、直流電力をコンバータ１６に供給することもできる。コンバータ１６は、インバータ１７から供給される直流電力の電圧を降圧し、降圧した電圧を一対のメイン電力線１０の間に印加することもできる。

また、ＰＣＵ１２は、冷却水を循環させる冷却水路４６を有している。後述するポンプ４０が動作すると、冷却水路４６内に冷却水が循環する。ＰＣＵ１２が動作すると、コンバータ１６とインバータ１７（より詳細には、これらの内部のスイッチング素子）が発熱する。冷却水路４６内の冷却水は、コンバータ１６とインバータ１７を冷却する。

メイン電力線１０には、ＳＭＲ２０が設けられている。ＳＭＲ２０は、メインバッテリ４とＰＣＵ１２の間を接続状態と非接続状態とに切り換える。ＳＭＲ２０がオンすると、メインバッテリ４がＰＣＵ１２に電気的に接続される。ＳＭＲ２０がオフすると、メインバッテリ４がＰＣＵ１２から遮断される。不図示の車両メインスイッチ（イグニッションスイッチ）がオフの間は、ＳＭＲ２０はオフしている。車両メインスイッチがオフからオンに切り換えられると、ＳＭＲ２０がオンし、メインバッテリ４とＰＣＵ１２が接続される。メインバッテリ４とＰＣＵ１２が接続されると、ＭＧ１とＭＧ２に電力を供給可能な状態、即ち、走行可能な状態になる。

サブバッテリ２２は、典型的には、鉛蓄電池で構成される二次電池（再充電可能電池）である。サブバッテリ２２の出力電圧は、メインバッテリ４の出力電圧よりも低い。本実施形態では、サブバッテリ２２の電圧は約１３．６Ｖである。サブバッテリ２２は、一対のサブ電力線２４の間に接続されている。なお、車両の導電性のボデーが、サブ電力線２４の負極線を兼ねる場合がある。

メインバッテリ４の正極と負極の間（すなわち、ＳＭＲ２０よりもメインバッテリ４側のメイン電力線１０の間）に、ＤＤＣ３０が接続されている。ＤＤＣ３０は、一対のサブ電力線２４にも接続されている。ＤＤＣ３０は、メインバッテリ４の正極と負極の間の電圧を降圧し、降圧した電圧を一対のサブ電力線２４の間に印加する降圧動作を行うことができる。ＤＤＣ３０が降圧動作を行うことで、メインバッテリ４の電力でサブバッテリ２２を充電することができる。ＤＤＣ３０は、一対のサブ電力線２４の間に印加する電圧Ｖ１（降圧後の電圧）を所定の電圧に制御する。サブバッテリ２２の出力電圧は、電圧Ｖ１に等しくなる。ＤＤＣ３０は、図示しない制御装置からの指令に基づいて、通常動作と省電力動作を実行することができる。通常動作では、ＤＤＣ３０は、電圧Ｖ１を高電圧Ｖ１Ｈ（本実施形態では、１３．６Ｖ）に制御する。省電力動作では、ＤＤＣ３０は、電圧Ｖ１を低電圧Ｖ１Ｌ（本実施形態では、１２．５〜１３．５Ｖの範囲内の電圧）に制御する。すなわち、省電力動作では、通常動作に比べて、サブバッテリ２２の出力電圧Ｖ１が低くなる。省電力動作は、システムエラー（通信エラー等）、バッテリの温度異常（高温または低温）、バッテリの低容量、車両の停止（パーキングまたはニュートラル）、電気的負荷の増大（テールランプオン、ブロアＨｉ等）の場合に実行される。

サブバッテリ２２は、一対のサブ電力線２４を介して、補機（ＡＵＸ）２６に接続されている。また、サブバッテリ２２は、一対のサブ電力線２４、ポンプ制御ユニット４２及び一対のポンプ配線４４を介してポンプ４０に接続されている。

補機２６は、サブバッテリ２２の出力電圧Ｖ１で動作する機器（低電圧機器）の総称である。図２では、補機２６を一つの矩形で表しているが、補機２６は、ルームランプ、ナビゲーションシステム、カーオーディオなど、複数の低電圧機器を含む。ＤＤＣ３０が省電力動作を実行している場合には、補機２６に供給される電圧Ｖ１が低くなり、補機２６における消費電力が抑制される。

ポンプ４０は、冷却水路４６に介装されており、冷却水路４６内の冷却水を循環させる。ポンプ４０は、ポンプ配線４４を介してポンプ制御ユニット４２に接続されている。ポンプ制御ユニット４２には、一対のサブ電力線２４が接続されている。ポンプ制御ユニット４２は、サブ電力線２４がポンプ配線４４に電気的に接続されている状態（以下、オン状態という）と、サブ電力線２４がポンプ配線４４から電気的に遮断されている状態（以下、オフ状態という）とに切り換わる。ポンプ制御ユニット４２がオン状態である場合には、サブバッテリ２２の出力電圧Ｖ１がポンプ４０に印加される。ポンプ制御ユニット４２がオフ状態である場合には、サブバッテリ２２の出力電圧Ｖ１がポンプ４０に印加されない。ポンプ４０は、サブバッテリ２２からの電力により動作する。すなわち、ポンプ４０は補機の一種である。ポンプ制御ユニット４２は、オン状態の期間（以下、オン期間という）とオフ状態の期間（以下、オフ期間という）とが交互に繰り返されるように動作する。また、以下では、オン期間の長さの比率をデューティ比という。オン期間の長さがＴ１であり、オフ期間の長さがＴ２である場合に、デューティ比Ｄは、Ｄ＝Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２）で表される。

サブバッテリ２２の出力電圧Ｖ１とデューティ比Ｄによって、ポンプ４０に供給される電力が変化する。ポンプ４０に供給される電力が大きいほど、冷却水の循環速度が速くなる。冷却水の循環速度が速いほど、冷却性能が高くなる。但し、冷却水の循環速度が一定の速度よりも高くなると、冷却性能はそれ以上ほとんど向上しない。冷却水の循環速度が速すぎると、冷却性能が向上しない一方で、ポンプ４０の消費電力が高くなる。したがって、ポンプ４０に供給される電力は、十分な冷却性能が得られる一方で、ポンプ４０の消費電力が過度に高くならないように設定されていることが好ましい。本実施形態の電源システム８では、ポンプ制御ユニット４２がデューティ比Ｄを変更することで、ポンプ４０を効率的に動作させる。

図２は、通常動作時にポンプ４０に印加される電圧Ｖ２を示している。また、図３は、省電力動作時にポンプ４０に印加される電圧Ｖ２を示している。なお、図２、３では、オン期間Ｔ１における電圧Ｖ２が電圧Ｖ１と一致するように示されているが、配線抵抗等に起因する電圧降下によって、ポンプ４０に印加される電圧Ｖ２が電圧Ｖ１よりも僅かに低くなる場合がある。

通常動作時には、ポンプ制御ユニット４２は、図２に示すようにポンプ４０に印加される電圧Ｖ２（ポンプ配線４４の電圧）を制御する。図２に示すように、ポンプ制御ユニット４２は、オン期間Ｔ１とオフ期間Ｔ２が交互に繰り返されるように動作する。オン期間Ｔ１においては、ポンプ４０にサブバッテリ２２の出力電圧Ｖ１と略同じ大きさの電圧が印加される。通常動作においては、出力電圧Ｖ１は高電圧Ｖ１Ｈである。オフ期間Ｔ２においては、ポンプ４０に印加される電圧は略ゼロである。通常動作時のデューティ比Ｄ（＝Ｔ１／（Ｔ１＋Ｔ２））は、出力電圧Ｖ１が高電圧Ｖ１Ｈの場合に、ポンプ４０が高効率で動作するとともに十分な冷却性能が得られる値に設定されている。

省電力動作時には、ポンプ制御ユニット４２は、図３に示すように電圧Ｖ２を制御する。図３に示すように、省電力動作時には、出力電圧Ｖ１は低電圧Ｖ１Ｌである。また、省電力動作時には、ポンプ制御ユニット４２は、通常動作時に比べて、オン期間Ｔ１を長くするとともにオフ期間Ｔ２を短くする。すなわち、ポンプ制御ユニット４２は、省電力動作時に、通常動作時よりもデューティ比Ｄを高くする。このように、省電力動作時には、オン期間Ｔ１における電圧Ｖ２が低電圧Ｖ１Ｌとなる一方で、デューティ比Ｄが高くなる。このため、省電力動作時にポンプ４０に供給される電力は、通常動作時にポンプ４０に供給される電力と略等しい。つまり、省電力動作時のデューティ比Ｄは、出力電圧Ｖ１が低電圧Ｖ１Ｌの場合に、ポンプ４０が高効率で動作するとともに十分な冷却性能が得られる値に設定されている。

図４は、ポンプ制御ユニット４２の動作を示すフローチャートである。ステップＳ２で、省電力動作を実行中か否かが判定される。省電力動作を実行中でない場合には、ステップＳ４で低いデューティ比でポンプ制御ユニット４２が動作する。すなわち、図２に示す波形の電圧Ｖ２がポンプ４０に印加される。また、省電力動作を実行中の場合には、ステップＳ６で高いデューティ比でポンプ制御ユニット４２が動作する。すなわち、図３に示す波形の電圧Ｖ２がポンプ４０に印加される。図４のフローチャートが繰り返し実行されることで、適宜、デューティ比が切り替えられる。これによって、ポンプ４０が、十分な冷却性能が得られる範囲で高効率で動作する。

図５は、通常動作から省電力動作に切り換わる際の各値の変化を模式的に示している。記号Ｖ１は電圧を示し、記号Ｄはデューティ比を示し、記号ｎはポンプ４０の回転数ｎを示し、記号Ｑは冷却水の流量を示し、記号ｔは冷却水の温度を示している。図５は、各物理量の変化を理解し易くために、異なる物理量を一つのグラフに混在させている模式的なグラフである。

通常動作から省電力動作に切り換わる際に、サブバッテリ２２の出力電圧Ｖ１が高電圧Ｖ１Ｈから低電圧Ｖ１Ｌに切り換わる。同時に、デューティ比Ｄが、低い値ＤＬから高い値ＤＨに切り換わる。このように、サブバッテリ２２の出力電圧Ｖ１が低下しても、それと略同時にデューティ比Ｄが高くなるので、ポンプ４０に供給される電力はほとんど変わらない。したがって、通常動作から省電力動作に切り換わる際に、ポンプ４０の回転数ｎがほとんど変化せず、したがって冷却水の流量Ｑもほとんど変化しない。このため、冷却水の温度ｔ（より詳細には、ＰＣＵ１２の内部における冷却水の温度）も、通常動作から省電力動作に切り換わる際にほとんど変化しない。このように、通常動作から省電力動作に切り換わる際に、冷却性能はほとんど変化しない。

以上に説明したように、本実施形態の電源システム８では、省電力動作時に通常動作時よりもデューティ比Ｄが高くなる。これによって、通常動作時と省電力動作時の両方で、ポンプ４０が高効率で動作するとともに、ＰＣＵ１２を十分に冷却することができる。

なお、ポンプ制御ユニット４２は、ＰＣＵ１２の温度に応じてポンプ４０の出力を調整する。ポンプ４０の出力は上記したデューティ比Ｄで調整することができる。ポンプ制御ユニット４２は、ＰＣＵ１２の温度が高いほど、デューティ比Ｄを高くする。ポンプ制御ユニット４２は、ポンプ４０の出力目標が最大のときのデューティ比Ｄを、通常動作時よりも省電力動作時に高くする。別言すれば、ポンプ制御ユニット４２は、ポンプの出力目標が最大のときの、直流電力がポンプ４０に供給される期間の比率を、通常動作時よりも省電力動作時に高くする。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１、２：モータ
４ ：メインバッテリ
８ ：電源システム
１０ ：メイン電力線
１２ ：電力制御ユニット
１６ ：コンバータ
１７ ：インバータ
２２ ：サブバッテリ
２４ ：サブ電力線
２６ ：補機
３０ ：ＤＣ−ＤＣコンバータ
４０ ：ポンプ
４２ ：ポンプ制御ユニット
４４ ：ポンプ配線
４６ ：冷却水路
６１ ：エンジン
６２ ：動力分配機構

Claims (1)

1. 電気自動車用の電源システムであって、
   メインバッテリと、
   前記メインバッテリの直流電力を交流電力に変換する電力制御ユニットと、
   前記交流電力によって動作する走行用モータと、
   前記メインバッテリの直流電力をより低電圧の直流電力に変換するコンバータと、
   変換後の前記直流電力によって充電されるサブバッテリと、
   変換後の前記直流電力によって動作する複数の補機であって、前記電力制御ユニットを冷却する冷媒を循環させるポンプを含む複数の補機と、
   変換後の前記直流電力が前記ポンプに供給される期間と供給されない期間とが交互に繰り返されるように前記ポンプを制御するポンプ制御ユニット、
   を有し、
   前記コンバータが、変換後の前記直流電力の電圧を第１電圧に制御する通常動作と、変換後の前記直流電力の電圧を前記第１電圧よりも低い第２電圧に制御する省電力動作を実行可能であり、
   前記ポンプ制御ユニットが、前記省電力動作時に前記通常動作時よりも変換後の前記直流電力が前記ポンプに供給される期間の比率を高くする、
   電源システム。

Images