JP2019022356A - 電圧変換ユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】電源システム間で電力授受を行なう際の電圧変換器における消費電力を削減する。【解決手段】第１電源システムと第２電源システムとの間で双方向に電力供給可能な電圧変換器と、電圧変換器と並列に設けられたバイパススイッチとを備え、電圧変換器が、第１電源システムと第２電源システムとの電圧差を検出する検出部と、あらかじめ定められた規則にしたがって、電圧差に基づいて、バイパススイッチの切換えを制御するスイッチ制御部と、を備えた電圧変換ユニット。【選択図】図１

Description

本発明は、電圧変換器を含んだ電圧変換ユニットに関する。
近年、自動車等において、電圧の異なる２系統の電源システムを搭載することが行なわれている。例えば、従来の１２Ｖの電源システムに加えて、４８Ｖの電源システムを搭載する等である。
電圧の異なる２系統の電源システムを搭載した際に、相互に電力のやり取りができれば、例えば、一方の電源システムがダウンした場合に、他方の電源システムかその分の電力を補うことが可能となる。また、一方の電源システムのバッテリから他方の電源システムのバッテリに充電することも可能となる。そこで、相互に電力のやり取りを行なえるようにするために、双方向電圧変換器、例えば、双方向ＤＣＤＣコンバータを用いることが提案されている。
特開２０１６−２２６１９９号公報
図２は、Ａ系統の電源システム２２０とＢ系統の電源システム２３０との間に設けられた双方向ＤＣＤＣコンバータ２１０を示している。本図に示すように、Ａ系統の電源システム２２０は、第１負荷２２１、メインバッテリ（Ｐｂ）２２２、オルタネータ２２３を備えており、Ｂ系統の電源システム２３０は、サブバッテリ（Ｌｉｂ）２３１、第２負荷２３２を備えている。
ここで、Ａ系統の電源システム２２０の電圧ＶａよりもＢ系統の電源システム２３０の電圧Ｖｂの方が高いものとする。ただし、電圧Ｖａ、電圧Ｖｂは、それぞれのバッテリや負荷等の状況により変動する。
Ａ系統の電源システム２２０からＢ系統の電源システム２３０に電力を供給する場合には、双方向ＤＣＤＣコンバータ２１０は、電圧Ｖａを電圧Ｖｂ付近に昇圧する動作を行なう。逆に、Ｂ系統の電源システム２３０からＡ系統の電源システム２２０に電力を供給する場合には、双方向ＤＣＤＣコンバータ２１０は、電圧Ｖｂを電圧Ｖａ付近に降圧する動作を行なう。
例えば、Ｂ系統の電源システム２３０からＡ系統の電源システム２２０に電力供給を行なうときに、Ｂ系統の電源システム２３０の電圧ＶｂとＡ系統の電源システム２２０の電圧Ｖａとで電圧差が小さく、電圧変換が必ずしも必要でない場合がある。
このような場合に、双方向ＤＣＤＣコンバータ２１０を介して電力を供給すると、双方向ＤＣＤＣコンバータ２１０の動作で消費される電力が無駄になる。電力授受を行なう際に、双方向ＤＣＤＣコンバータ２１０等の電圧変換器における消費電力を削減することができれば、例えば、車両の燃費向上に貢献することになり好ましい。
そこで、本発明は、電源システム間で電力授受を行なう際の電圧変換器における消費電力を削減することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様である電圧変換ユニットは、第１電源システムと第２電源システムとの間で双方向に電力供給可能な電圧変換器と、前記電圧変換器と並列に設けられたバイパススイッチとを備え、前記電圧変換器が、前記第１電源システムと前記第２電源システムとの電圧差を検出する検出部と、あらかじめ定められた規則にしたがって、前記電圧差に基づいて、前記バイパススイッチの切換えを制御するスイッチ制御部と、を備えたことを特徴とする。
電圧差が規則に定められた条件を満たす場合に、電圧変換器を介さずに電力供給を行なうことができるようになるため、電源システム間で電力授受を行なう際の電圧変換器における消費電力を削減することができる。
ここで、前記検出部は、前記第１系統電源システムと前記第２系統電源システムとの間に流れる電流をさらに検出し、前記スイッチ制御部は、さらに前記電流に基づいて前記バイパススイッチの切換えを制御してもよい。
第１系統電源システムと第２系統電源システムとの間に流れる電流により消費電力が変化する場合を考慮したものである。
また、前記検出部は、温度をさらに検出し、前記スイッチ制御部は、さらに前記温度に基づいて前記バイパススイッチの切換えを制御してもよい。
温度により消費電力が変化する場合を考慮したものである。
また、前記規則は、前記バイパススイッチを接続状態にしたときの前記バイパススイッチにおける消費電力と、前記バイパススイッチを切断状態にしたときの前記電圧変換器における消費電力とを比較して定められていてもよい。
これにより、電圧変換器とバイパススイッチとで消費電力の少ない経路を選択することができるようになる。
前記規則は、さらに、前記バイパススイッチを接続状態にしたときの前記電圧変換器の動作安定性と、前記バイパススイッチを切断状態にしたときの前記電圧変換器の動作安定性とを比較して定められていてもよい。
これにより、電圧変換器の動作が不安定になることを防止することができる。
本発明によれば、電源システム間で電力授受を行なう際の電圧変換器における消費電力を削減することができる。
本実施形態に係る電圧変換ユニットの構成を説明する図である。 Ａ系統の電源システムとＢ系統の電源システムとの間に設けられた双方向ＤＣＤＣコンバータを示す図である。
本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る電圧変換ユニット１０の構成を説明する図である。本図に示すように、電圧変換ユニット１０は、Ａ系統の電源システム２２０とＢ系統の電源システム２３０との間に設けられており、Ａ系統の電源システム２２０とＢ系統の電源システム２３０との間で電力授受を行なう。ここで、Ａ系統の電源システム２２０と接続している側をＡ側接続端と称し、Ｂ系統の電源システム２３０と接続している側をＢ側入接続端と称する。
Ａ系統の電源システム２２０は、第１負荷２２１、メインバッテリ（Ｐｂ）２２２、オルタネータ２２３を備えており、Ｂ系統の電源システム２３０は、サブバッテリ（Ｌｉｂ）２３１、第２負荷２３２を備えている。Ａ系統の電源システム２２０の電圧ＶａよりもＢ系統の電源システム２３０の電圧Ｖｂの方が高いものとする。ただし、電圧Ｖａ、電圧Ｖｂは、それぞれのバッテリや負荷等の状況により変動する。
電圧変換ユニット１０は、電圧変換器１００とバイパススイッチ１８０とを備えている。バイパススイッチ１８０は、例えば、半導体スイッチで構成することができ、電圧変換器１００と並列に接続されている。バイパススイッチ１８０は、オン時にオン抵抗を有している。消費電力削減の観点からはオン抵抗は小さいほど好ましい。
図１に示すように、電圧変換器１００は、電圧変換部１１０、検出部１２０、スイッチ制御部１３０を備えている。また、スイッチ制御部１３０は、切換テーブル１３１を備えている。
電圧変換部１１０は、Ａ側接続端とＢ側接続端との間において双方向で電圧変換を行なう。電圧変換部１１０は、例えば、双方向ＤＣＤＣコンバータで構成することができる。電圧変換部１１０の電圧変換の方式は問わない。例えば、リニアレギュレータ方式、チョッパ回路方式、スイッチングレギュレータ方式等とすることができる。
検出部１２０は、電圧変換ユニット１０内外の物理量を検出する。検出する物理量は、Ａ側接続端に接続されたＡ系統の電源システム２２０の電圧Ｖａ、Ｂ側接続端に接続されたＢ系統の電源システム２３０の電圧Ｖｂとすることができる。さらに、電圧変換ユニット１０近傍の温度を検出するようにしてもよい。また、電圧変換ユニット１０を介してＡ系統の電源システム２２０とＢ系統の電源システム２３０との間で流れる電流を検出するようにしてもよい。
スイッチ制御部１３０は、電圧変換ユニット１０における電圧変換が不要である場合に、検出部１２０の検出結果に基づいて、バイパススイッチ１８０のオンオフを制御する。なお、電圧変換ユニット１０における電圧変換の要不要は、例えば、上位装置からの指示に基づいて判断することができる。スイッチ制御部１３０は、バイパススイッチ１８０のオンオフを、切換テーブル１３１を参照して決定する。
ここで、切換テーブル１３１は、電圧Ｖａと電圧Ｖｂとの電圧差ｄＶと、バイパススイッチ１８０のオンオフとを対応付けたテーブルである。すなわち、スイッチ制御部１３０は、電圧Ｖａと電圧Ｖｂとの電圧差ｄＶが切換テーブル１３１で規定された範囲内であれば、バイパススイッチ１８０をオンにし、それ以外の場合はバイパススイッチ１８０をオフにする。
スイッチ制御部１３０は、例えば、マイクロコンピュータ等の演算装置で構成することができ、切換テーブル１３１は、例えば、マイクロコンピュータが搭載するメモリ上に格納することができる。
バイパススイッチ１８０をオフにした場合は、電圧変換ユニット１０を介したＡ系統の電源システム２２０とＢ系統の電源システム２３０との間の電力供給は、電圧変換器１００を経由して行なわれる。このとき、電圧変換部１１０の動作電力が消費電力となる。
バイパススイッチ１８０をオンにした場合は、電圧変換ユニット１０を介したＡ系統の電源システム２２０とＢ系統の電源システム２３０との間の電力供給は、バイパススイッチ１８０を経由して行なわれる。バイパススイッチ１８０はオン抵抗を有しているため、バイパススイッチ１８０を流れる電流と電圧差ｄＶとの積、言い換えれば電圧差ｄＶの２乗をオン抵抗で割った値が消費電力となる。
切換テーブル１３１は、電圧差ｄＶに対応して、消費電力が少なくなるようにバイパススイッチ１８０のオンオフを規定している。すなわち、切換テーブル１３１は、電圧変換部１１０およびバイパススイッチ１８０のスペック値や実測値等から、電圧差ｄＶ毎に、バイパススイッチ１８０をオフにしたときの消費電力と、オンにしたときの消費電力とを求め、より消費電力が少なくなる経路が選択されるようにあらかじめ作成しておく。
例えば、スペック上、３ｋＷの電圧変換部１１０が、ある電圧差ｄＶ１における電圧変換部１１０の変換効率が９７％であったとすると、３ｋＷ×（１−０．９７）＝９０Ｗが電圧変換部１１０の消費電力となる。一方、バイパススイッチ１８０のオン抵抗が１ｍΩであったとすると、（ｄＶ１＾２／０．００１）Ｗがバイパススイッチ１８０の消費電力となる。バイパススイッチ１８０の消費電力の方が少ないものとすると、電圧差ｄＶ１では、バイパススイッチをオンにするように切換テーブル１３１が規定される。
このため、切換テーブル１３１は、例えば、Ｖ１＜ｄＶ＜Ｖ２、Ｖ３＜ｄＶ＜Ｖ４であれば、バイパススイッチ１８０をオンにするというような形式とすることができる。もちろん他の形式で切換テーブル１３１を規定するようにしてもよい。
ところで、電圧差ｄＶが小さい場合等に電圧変換部１１０を動作させたときに、電圧変換部１１０の動作が不安定になる場合がある。例えば、昇圧と降圧とを繰り返す昇降圧動作となり、リップル電圧が増加したり電圧変動が発生する等である。
そこで、電圧変換部１１０の動作が不安定となる電圧差ｄＶの範囲では、消費電力の多少にかかわらず、バイパススイッチ１８０をオンにするように切換テーブル１３１を定めておくようにしてもよい。これにより、電圧変換部１１０の動作が不安定になることを防止することができる。この場合、例えば、Ｖ５＜ｄＶ＜Ｖ６であれば、バイパススイッチ１８０をオンにするという規則を切換テーブル１３１に追加することができる。
また、電圧変換部１１０の消費電力やバイパススイッチ１８０の消費電力は、電圧差ｄＶ以外の影響を受ける場合もある。例えば、周辺温度に応じて消費電力が変化する場合には、周辺温度毎に切換テーブル１３１を用意しておくようにする。
この場合、周辺温度を検出部１２０が検出し、スイッチ制御部１３０は、検出された周辺温度に対応した切換テーブル１３１に基づいて、バイパススイッチ１８０のオンオフを制御する。例えば、５度刻みで切換テーブル１３１を作成しておき、検出された温度に対応した切換テーブル１３１を用いるようにする。
また、電圧変換部１１０を流れる電流に応じて消費電力が変化する場合には、電流毎に切換テーブル１３１を用意しておくようにする。この場合、電圧変換ユニット１０のＡ側接続端とＢ側接続端との間を流れる電流を検出部１２０が検出し、スイッチ制御部１３０は、検出された電流に対応した切換テーブル１３１に基づいて、バイパススイッチ１８０のオンオフを制御する。
さらには、電源システムのバッテリ、例えば、Ｂ系統の電源システム２３０のサブバッテリ２３１の種類（鉛、リチウムイオン、キャパシタ等）毎に切換テーブル１３１を用意してもよい。
以上説明したように、本実施形態の電圧変換ユニット１０によれば、検出部１２０により検出された電源システム間の電圧差に基づいて、スイッチ制御部１３０がバイパススイッチ１８０の切換えを制御する。これにより、電圧変換部１１０を介さずに電力供給を行なうことができるようになるため、電源システム間で電力授受を行なう際の電圧変換器１００における消費電力を削減することができる。
１０ 電圧変換ユニット
１００ 電圧変換器
１１０ 電圧変換部
１２０ 検出部
１３０ スイッチ制御部
１３１ 切換テーブル
１８０ バイパススイッチ
２２０ Ａ系統電源システム
２２２ メインバッテリ
２３０ Ｂ系統電源システム
２３１ サブバッテリ

Claims (5)

  1. 第１電源システムと第２電源システムとの間で双方向に電力供給可能な電圧変換器と、
    前記電圧変換器と並列に設けられたバイパススイッチとを備え、
    前記電圧変換器が、
    前記第１電源システムと前記第２電源システムとの電圧差を検出する検出部と、
    あらかじめ定められた規則にしたがって、前記電圧差に基づいて、前記バイパススイッチの切換えを制御するスイッチ制御部と、
    を備えたことを特徴とする電圧変換ユニット。
  2. 前記検出部は、前記第１系統電源システムと前記第２系統電源システムとの間に流れる電流をさらに検出し、
    前記スイッチ制御部は、さらに前記電流に基づいて前記バイパススイッチの切換えを制御することを特徴とする請求項１に記載の電圧変換ユニット。
  3. 前記検出部は、温度をさらに検出し、
    前記スイッチ制御部は、さらに前記温度に基づいて前記バイパススイッチの切換えを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の電圧変換ユニット。
  4. 前記規則は、前記バイパススイッチを接続状態にしたときの前記バイパススイッチにおける消費電力と、前記バイパススイッチを切断状態にしたときの前記電圧変換器における消費電力とを比較して定められていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電圧変換ユニット。
  5. 前記規則は、さらに、前記バイパススイッチを接続状態にしたときの前記電圧変換器の動作安定性と、前記バイパススイッチを切断状態にしたときの前記電圧変換器の動作安定性とを比較して定められていることを特徴とする請求項４に記載の電圧変換ユニット。
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