JP2019088140A - 車両用電源システム - Google Patents

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Abstract

【課題】様々な補機が接続されている補機電源を使ってプリチャージを安定して実行する電源システムを提供する。【解決手段】電源システム10は、主電源11と補機電源15と電力変換器20とリレー12と昇圧コンバータ14とコントローラ13を備える。電力変換器は、主電源の正極と負極の間に接続されるコンデンサ214を有する。リレーは、電力変換器と主電源の間の接続と遮断を切り換える。昇圧コンバータは、低電圧端が補機電源に接続されており、高電圧端がリレーを介さずに電力変換器に接続されている。コントローラは、車両のメインスイッチ41をオンしたとき、リレーを接続状態に切り換えるのに先立って昇圧コンバータを動作させてコンデンサをプリチャージする。コントローラは、メインスイッチをオンした後の補機電源の電圧のピーク値を保持し、補機電源の電圧がピーク値から所定の電流差よりも下がったらコンデンサのプリチャージを開始する。【選択図】図1

Description

本明細書が開示する技術は、車両用電源システムに関する。特に、走行用モータのための高電圧電源と、補機のための低電圧電源を備えた車両用電源システムに関する。
電気自動車(燃料電池車とハイブリッド車を含む)は、走行用モータのための高電圧電源(主電源)と、補機のための低電圧電源(補機電源)を備えている。「補機」とは、動作電圧が走行用モータの電圧よりも低く、動作電圧が概ね50ボルト以下の車載機器の総称である。走行用モータの駆動電圧は100ボルトよりも大きく、主電源の出力電圧は100ボルトを超える。即ち、補機電源の出力電圧は主電源の出力電圧よりも低い。主電源の典型は、リチウムイオンバッテリや燃料電池である。補機電源には、再充電可能な二次電池が採用される。補機電源の典型は鉛バッテリである。特許文献1、2に、そのような電源システムが例示されている。
主電源は、システムメインリレ−を介して電力変換器に接続されている。電力変換器は、主電源の電力を走行用モータの駆動電力に変換する。電力変換器は、主電源の正極と負極の間に接続されるコンデンサを備えている。コンデンサは、主電源から供給される電流を平滑化するために備えられていたり、チョッパタイプの電圧コンバータなどにおいて電力エネルギを一時的に蓄えるために備えられている。車両のメインスイッチがオンされたとき、システムメインリレ−を閉じて電力変換器を高電圧電源に接続すると、システムメインリレ−を通じてコンデンサへ大きな電流が流れる。いきなり大電流が流れるとシステムメインリレ−が溶着するおそれがある。そこで、特許文献1、2の電源システムでは、システムメインリレ−を接続状態に切り換えるのに先立って、補機バッテリを使ってコンデンサを充電する。システムメインリレ−を接続状態に切り換える前のコンデンサの充電は、プリチャージと称される。
特許文献1、2の電源システムは、低電圧端が補機電源に接続されており、高電圧端がシステムメインリレ−を介さずに電力変換器に接続されている昇圧コンバータを備えている。電源システムのコントローラは、システムメインリレ−を接続状態に切り換えるのに先立って、昇圧コンバータを作動させ、補機電源の電力でコンデンサをプリチャージする。
特許文献2の電源システムでは、補機電源の残量が少ない場合でもプリチャージを実行できるように、プリチャージに必要な補機だけを起動し、他の補機の起動を禁止する。
特開2017−085810号公報 特開2016−135010号公報
補機電源は、様々な補機に電力を供給する。エアコン、ルームランプ、カーナビゲーションなどのほか、電源システムのコントローラを含む種々のコントローラも補機に属し、補機電源から電力供給を受ける。補機の中には、車両のメインスイッチがオンされると起動時の初期化処理を行うものがある。プリチャージ中に、他の補機において消費電力が増大すると、補機電源の電力が不足し、他の補機の動作が不安定になるおそれがある。本明細書は、様々な補機が接続されている補機電源を使ってプリチャージを安定して実行できる技術を提供する。
本明細書が開示する電源システムは、主電源と補機電源と電力変換器とリレーと昇圧コンバータとコントローラを備えている。電力変換器は、主電源の出力電力を変換するデバイスであり、主電源の正極と負極の間に接続されるコンデンサを有している。リレーは、電力変換器と主電源の間の接続と遮断を切り換える。補機電源は、出力電圧が主電源の出力電圧よりも低い。昇圧コンバータは、低電圧端が補機電源に接続されており、高電圧端がリレーを介さずに電力変換器に接続されている。コントローラは、車両のメインスイッチが入れられたとき、リレーを閉じて電力変換器を主電源に接続するのに先立って昇圧コンバータを動作させてコンデンサを充電する。コントローラは、メインスイッチが入れられた後の補機電源の電圧のピーク値を保持し、補機電源の電圧がピーク値から所定の電流差よりも下がったらコンデンサの充電を開始する。
先に述べたように、補機電源から電力供給を受ける補機のいくつかは、初期化処理を実行する。初期化処理の途中で必要とする電流が増加する場合もある。本明細書が開示する電源システムでは、補機の電流消費のピークが過ぎた後、補機電源に余力(即ち、上記の所定の電流差)が生じてからプリチャージを実行する。プリチャージの途中で他の補機がピーク時のような電流を要求することがないので、プリチャージを安定して実行できる。
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
実施例の電源システムを含むハイブリッド車の電力系のブロック図である。 コントローラが実行するプリチャージ処理のフローチャートである。 補機バッテリの電流の経時的変化の一例を示すタイムチャートである。
図面を参照して実施例の電源システム10を説明する。実施例の電源システム10はハイブリッド車100に搭載されている。図1に、電源システム10を含むハイブリッド車100の電力系のブロック図を示す。ハイブリッド車100は、走行用モータ50とエンジン51を備えている。走行用モータ50の出力トルクとエンジン51の出力トルクはギアセット52で合成されて車軸53へ伝達される。
ハイブリッド車100は、電源システム10と走行用モータ50とエンジン51のほか、メインスイッチ41、エンジンコントローラ32、エアコン33、カーナビゲーション34を備えている。エンジンコントローラ32、エアコン33、カーナビゲーション34は、補機電力線31を通じて補機バッテリ15から電力の供給を受ける。詳しくは後述するが、電源システム10が備えているコントローラ13も補機バッテリ15から電力の供給を受ける。補機バッテリ15から電力の供給を受けるデバイスの総称が「補機」である。以下では、エンジンコントローラ32、エアコン33、カーナビゲーション34、コントローラ13などの補機を総称する場合には補機30と表記する。
電源システム10は、走行用モータ50と補機30に電力を供給するシステムである。電源システム10は、メインバッテリ11、補機バッテリ15、システムメインリレ−12、電力変換器20、昇圧コンバータ14、コントローラ13を備えている。
メインバッテリ11は、主に、走行用モータ50のための電源である。メインバッテリ11は、例えば、再充電が可能なリチウムイオンバッテリである。メインバッテリ11の出力電圧は例えば200ボルトである。
先に述べたように、補機バッテリ15は、補機30に電力を供給するための電源である。補機バッテリ15の出力電圧は、メインバッテリ11の出力電圧よりも低く、例えば、12ボルト、24ボルト、あるいは、48ボルトである。補機バッテリ15も再充電が可能な二次バッテリであり、例えば鉛バッテリである。補機バッテリ15は、車両に張り巡らされている補機電力線31を介して、図示されていない多数の補機に電力を供給する。なお、補機バッテリ15の負極と補機30の負極は、グランドを介して接続される。補機電力系は、車両のボディがグランド端子に相当する。
電力変換器20は、システムメインリレ−12を介してメインバッテリ11と接続されている。電力変換器20は、メインバッテリ11の出力電力を走行用モータ50の駆動電力に変換する。電力変換器20は、双方向DC−DCコンバータ回路21、インバータ回路22、コンデンサ23を備えている。走行用モータ50の駆動電圧は200ボルトから600ボルトの間である。走行用モータ50の駆動電圧目標がメインバッテリ11の出力電圧よりも高い場合、双方向DC−DCコンバータ回路21が、メインバッテリ11の出力電圧を走行用モータ50の駆動電圧まで昇圧する。インバータ回路22が、昇圧された直流電力を、走行用モータ50を駆動するための交流電力に変換する。以下では、説明の便宜のため、双方向DC−DCコンバータ回路21を単純に双方向コンバータ回路21と称する。
走行用モータ50は、運転者がブレーキペダルを踏んだとき、車両の慣性力を利用して発電する。走行用モータ50が発電した電力は回生電力と称される。インバータ回路22は、交流の回生電力を直流電力に変換して双方向コンバータ回路21に送ることもできる。双方向コンバータ回路21は、直流電力に変換された回生電力をメインバッテリ11の電圧まで降圧する。降圧された回生電力でメインバッテリ11が充電される。
双方向コンバータ回路21の回路構成を説明する。双方向コンバータ回路21は、2個のトランジスタ211、212、2個のダイオード215、216、リアクトル213、コンデンサ214で構成されている。2個のトランジスタ211、212は、双方向コンバータ回路21のインバータ側の端子(正極端子203と負極端子204)の間で直列に接続されている。ダイオード215はトランジスタ211に逆並列に接続されており、ダイオード216はトランジスタ212に逆並列に接続されている。ダイオード215、216は、オフ時のトランジスタ211、212を迂回して電流を流すために備えられている。
リアクトル213の一端は、トランジスタ211、212の直列接続の中点に接続されており、他端は、双方向コンバータ回路21のバッテリ側の正極端子201に接続されている。コンデンサ214は、双方向コンバータ回路21のバッテリ側の正極端子201と負極端子202の間に接続されている。双方向コンバータ回路21のバッテリ側の負極端子202とインバータ側の負極端子204は直接に接続されている。
直列接続の正極側のトランジスタ211が主に降圧動作に関与し、負極側のトランジスタ212が主に昇圧動作に関与する。図1の双方向コンバータ回路21の回路構成と動作は良く知られているので詳しい説明は省略する。
コンデンサ214は、双方向コンバータ21回路において、電気エネルギを一時的に蓄える役割を果たす。双方向コンバータ回路21とインバータ回路22の間には、メインバッテリ11から送られる電流を平滑化するコンデンサ23が並列に接続されている。図1に示されているように、コンデンサ214、23は、システムメインリレ−12を介してメインバッテリ11の正極と負極の間に接続されている。
システムメインリレ−12は、電力変換器20とメインバッテリ11の間を接続したり切断したりするスイッチである。システムメインリレ−12は、電源システム10のコントローラ13によって制御される。コントローラ13は、車両のメインスイッチ41がオンされると、コンデンサ214、23のプリチャージ(後述)の後、システムメインリレ−12を閉じ、電力変換器20をメインバッテリ11に接続する。なお、図1における点線矢印線は、信号線を表している。電源システム10のコントローラ13、エンジンコントローラ32、エアコン33、カーナビゲーション34などの補機30は、車内ネットワーク35によって、相互に通信が可能になっている。
昇圧コンバータ14は、低電圧端142が補機バッテリ15に接続されており、高電圧端141がシステムメインリレ−12よりも電力変換器20の側で電力変換器20に接続されている。別言すれば、昇圧コンバータ14の高電圧端141は、システムメインリレ−12を介さずに電力変換器20に接続されている。昇圧コンバータ14は、補機バッテリ15の出力電圧を昇圧して電力変換器20(コンデンサ214、23)に供給することができる。
コントローラ13は、システムメインリレ−12と昇圧コンバータ14を制御する。コントローラ13は、CPU131とメモリ132を備えており、メモリ132に格納されたブログラムをCPU131が実行することで、様々な処理を実行することができる。電源システム10は、補機バッテリ15の電圧を計測する電圧センサ17と補機バッテリ15の電流を計測する電流センサ16を備えており、それらのセンサのデータはコントローラ13に送られる。図示を省略しているが、双方向コンバータ回路21のバッテリ側の正極端子201と負極端子202の間にも電圧センサが接続されており、その電圧センサの計測データもコントローラ13に送られる。正極端子201と負極端子202の間の電圧センサは、後述するプリチャージ処理において、コンデンサ214、23の両端電圧を計測する。
図1のブロック図から理解されるように、システムメインリレ−12を開放状態(開)から接続状態(閉)に切り換えると、電力変換器20がメインバッテリ11に接続され、メインバッテリ11の電流が電力変換器20のコンデンサ214、23に流れ込む。トランジスタ211がオフしていても、メインバッテリ11の電流はダイオード215を通じてコンデンサ23へ流れ込む。コンデンサ214、23が完全に放電された状態でシステムメインリレ−12を閉じると、システムメインリレ−12を通じてメインバッテリ11の電流が急激にコンデンサ214、23に流れ込む。大電流がシステムメインリレ−12を流れるとシステムメインリレ−12が溶着するおそれがある。そこで、コントローラ13は、メインスイッチ41がオンされると、システムメインリレ−12を開放状態から接続状態に切り換えるのに先立って、補機バッテリ15と昇圧コンバータ14を使って予めコンデンサ214、23を充電する。システムメインリレ−12を閉じる前のコンデンサ214、23の充電をプリチャージと称する。
コンデンサ214、23の充電には相応の電力が必要である。また、車両のメインスイッチ41がオンされた後、プリチャージが完了しないとシステムメインリレ−12を接続状態に切り換えることができない。従ってプリチャージは、大電流を使ってなるべく速やかに達成されることが望ましい。
一方、車両のメインスイッチ41がオンされると、車内のいくつかの補機が起動時の初期化処理を行う。補機は、補機バッテリ15から電力の供給を受けて動作する。例えば、エンジンコントローラ32は、起動時の初期化処理として、自己の回路のセルフチェックやエンジン51のインジェクタ装置などの通電確認を行う。他にも、補機に属する電動シフト装置は、シフトポジションのゼロ点リセットのため、シフトレバーを動かすアクチュエータを動作させる。また、補機に属する電子制御ブレーキ装置は、アキュムレータに予備圧力を蓄積する。
プリチャージ中に補機の消費電流が増えると、補機バッテリ15の電力が不足し、プリチャージを行う昇圧コンバータ14、あるいは、補機の動作が不安定になりかねない。そこで、実施例の電源システム10のコントローラ13は、補機の電流消費のピークが過ぎてからプリチャージを開始する。
図2を参照してコントローラ13が実行するプリチャージ処理を説明する。図2は、プリチャージ処理のフローチャートである。図2の処理は、車両のメインスイッチ41がオンされると開始される。コントローラ13は、プリチャージの開始前に、補機バッテリ15の出力電流(電流Id)をモニタし、電流Idがピーク値から所定の電流差よりも下がったらプリチャージを開始する。
コントローラ13は、まず、電流センサ16から補機バッテリ15の出力電流(電流Id)を取得する(ステップS2)。次にコントローラ13は、今回取得した電流Idが、電流Idのモニタリングを開始してから過去最大であるか否かをチェックする(ステップS3)。今回取得した電流Idが過去最大の場合(ステップS3:YES)、コントローラ13は、今回取得した電流Idを、ピーク値Idpとしてメモリ132に保持する(ステップS4)。今回取得した電流Idが過去最大でなかった場合(ステップS3:NO)、ピーク値Idpは更新されない。
次にコントローラ13は、ピーク値Idpと今回取得した電流Idの差が所定の電流差Ihpよりも大きくなったら(ステップS5:YES)、特定の補機へ動作を制限する指令を送信し(ステップS6)、昇圧コンバータ14を起動してプリチャージを開始する(ステップS7)。別言すると、コントローラ13は、補機バッテリ15の電流Idがピーク値Idpから電流差Ihpより下がったら、プリチャージを開始する。電流差Ihpは、プリチャージに必要な電流値に設定されている。コントローラ13は、昇圧コンバータ14の出力電流を電流差Ihpに設定して昇圧コンバータ14を起動する。
コントローラ13は、補機バッテリ15の電流Idがピーク値Idpから電流差Ihpより下がるまで、補機バッテリ15の電流Idをモニタし続ける(ステップS5:NO、S2)。なお、ステップS6における、動作を制限する指令については後述する。
昇圧コンバータ14を起動し、コンデンサ214、23の電圧が所定の電圧閾値Vth(例えば、メインバッテリ11の電圧の90%の電圧)を超えると(ステップS8:YES)、コントローラ13は、昇圧コンバータ14を停止し、プリチャージを終了する(ステップS9)。最後にコントローラ13は、先に動作制限指令を送った特定の補機に対して動作制限解除の指令を送信する(ステップS10)。以上でプリチャージ処理は終了する。なお、先に述べたように、双方向コンバータ回路21の正極端子201と負極端子202の間に電圧センサが接続されており、コントローラ13は、その電圧センサから、コンデンサ214、23の電圧を取得する。
プリチャージを終了した後、コントローラ13は、システムメインリレ−12を閉じ、電力変換器20をメインバッテリ11に接続する。電力変換器20がメインバッテリ11に接続されると、ハイブリッド車100は走行可能状態となる。
プリチャージによってコンデンサ214、23が充電されているので、システムメインリレ−12を閉じたときに大きな突入電流は流れない。なお、上記の実施例では、プリチャージでは、コンデンサ214、23の電圧がメインバッテリ11の出力電圧の90%を超えるまで充電するように構成されていた。プリチャージにおけるコンデンサ214、23の充電量は、メインバッテリ11の出力電圧に近いことが望ましい。
補機バッテリ15の電流の経時的変化の一例を図3に示す。図3のグラフの横軸は時間を示しており、縦軸は補機バッテリ15の電流Idを示している。時刻T1で車両のメインスイッチ41がオンされ、いくつかの補機が初期化を開始する。それゆえ、時刻T1以降、補機バッテリ15から電流Idが出力される。コントローラ13は、補機バッテリ15の電流Idをモニタしており、そのピーク値Idpをメモリ132に保持している。図3のタイムチャートの例では、時刻T2に補機バッテリ15の電流Idがピークとなる。コントローラ13は、その後、電流Idがピーク値Idpから電流差Ihpよりも下がるのを待つ。図3のタイムチャートの例では、時刻T3に、電流Idがピーク値Idpから電流差Ihpだけ下がる。コントローラ13は、電流Idが電流差Ihpだけ下がった時刻T3にプリチャージを開始する。コントローラ13は、昇圧コンバータ14の出力電流を、電流差Ihpに設定する。
時刻T3以降、補機の電流消費に加え、昇圧コンバータ14がプリチャージのために電流Ihpを出力する。図3のタイムチャートにおいて、斜線でハッチングされた面積が、コンデンサ214、23に蓄積される電力量を表している。図3の例では、時刻T4にコンデンサ214、23のプリチャージが完了し、コントローラ13は、昇圧コンバータ14を停止する。プリチャージが完了した後、コントローラ13は、システムメインリレ−12を閉じ、電力変換器20をメインバッテリ11に接続する。
図2の処理によると、コントローラ13は、補機バッテリ15の電流Id(即ち、補機30の総消費電流)がピーク値を超え、ピーク値から電流差Ihpよりも下がってからプリチャージを開始する。補機30の電流消費のピークを過ぎてからプリチャージを開始するので、プリチャージ中に補機の消費電流が増加して補機バッテリ15の出力不足に陥る可能性は小さい。即ち、図2の処理により、プリチャージを安定して実施することができる。
ステップS6の特定補機への動作制限の指令について説明する。プリチャージを開始した後、例えば補機に属するエアコン33が最大出力で動作を開始すると、補機の消費電流が大きく増加する。そうすると、補機バッテリ15の電力が不足しかねない。そこで、コントローラ13は、プリチャージを開始するとともに、特定の補機(消費電流が大きくなる可能性のある補機)へ、動作を制限する指令を送信する。プリチャージ中の特定の補機の動作を制限することで、プリチャージ中に補機30の消費電流が増大することが防げる。動作の制限は、例えばエアコン33であれば、出力を中程度の出力までに制限する指令であったり、例えばカーナビゲーション34の場合は起動を禁止する指令であったりする。なお、コントローラ13は、プリチャージが完了すると、動作制限を解除する信号を特定の補機(動作制限指令を送った補機)へ送信する(ステップS10)。動作を制限する指令、及び、動作制限解除の指令は、車内ネットワーク35を通じて送信される。
実施例で説明した電源システム10の特徴は次の通りである。電源システム10は、メインバッテリ11と、電力変換器20と、システムメインリレ−12と、補機バッテリ15と、昇圧コンバータ14と、コントローラ13を備えている。電力変換器20は、システムメインリレ−12を介してメインバッテリ11に接続されるコンデンサ214、23を備えている。コントローラ13は、車両のメインスイッチ41が入れられたとき、システムメインリレ−12を閉じて電力変換器20をメインバッテリ11に接続するのに先立って昇圧コンバータ14を動作させてコンデンサ214、23をプリチャージする。コントローラ13は、補機バッテリ15の電流Idのピーク値Idpをメモリ132に保持する。コントローラ13は、補機バッテリ15の電流Idがピーク値Idpから所定の電流差Ihpよりも下がったら、昇圧コンバータ14を起動し、コンデンサ214、23のプリチャージを開始する。
コントローラ13は、コンデンサ214、23のプリチャージを開始した後、補機バッテリ15に接続されている特定の補機の動作を制限する。そのような処理により、プリチャージ中に、特定の補機の消費電流が予期せず大きくなることが防止される。特定の補機は、消費電流が所定の消費電流閾値よりも大きくなる可能性のある補機に限ってよい。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。メインバッテリ11が主電源の一例に相当する。主電源は、燃料電池であってもよい。補機バッテリ15が補機電源の一例に相当する。
昇圧コンバータ14は、双方向DC−DCコンバータであってもよい。その場合、システムメインリレ−12を接続状態に切り換えた後、メインバッテリ11の電力を降圧して補機バッテリ15を充電することが可能となる。
実施例で説明したプリチャージ処理は、車内ネットワークで相互に通信可能な複数のコンピュータによって実行されてもよい。即ち、実施例で説明したコントローラ13の実態は、ネットワークで相互に通信可能に接続された複数のコンピュータであってもよい。
実施例の車両は走行用モータ50とエンジン51を備えるハイブリッド車であった。本明細書が開示する車両用電源システムは、燃料電池車、エンジンを備えない電気自動車にも適用できる。
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。
10:電源システム
11:メインバッテリ
13:コントローラ
14:昇圧コンバータ
15:補機バッテリ
16:電流センサ
17:電圧センサ
20:電力変換器
21:双方向DC−DCコンバータ回路
22:インバータ回路
23:コンデンサ
30:補機
31:補機電力線
32:エンジンコントローラ
33:エアコン
34:カーナビゲーション
35:車内ネットワーク
41:メインスイッチ
50:走行用モータ
51:エンジン
100:ハイブリッド車

Claims (2)

  1. 主電源と、
    前記主電源の出力電力を変換する電力変換器であって、前記主電源の正極と負極の間に接続されるコンデンサを有している電力変換器と、
    前記電力変換器と前記主電源の間の接続と遮断を切り換えるリレーと、
    出力電圧が前記主電源の出力電圧よりも低い補機電源と、
    低電圧端が前記補機電源に接続されており、高電圧端が前記リレーを介さずに前記電力変換器に接続されている昇圧コンバータと、
    車両のメインスイッチが入れられたとき、前記リレーを接続状態にするのに先立って前記昇圧コンバータを動作させて前記コンデンサをプリチャージするコントローラと、
    を備えており、
    前記コントローラは、前記補機電源の電圧のピーク値をメモリに保持し、前記補機電源の電圧が前記ピーク値から所定の電流差よりも下がったら前記コンデンサのプリチャージを開始する、車両用電源システム。
  2. 前記コントローラは、前記コンデンサのプリチャージを開始した後、前記補機電源に接続されている特定の補機の動作を制限する、請求項1に記載の車両用電源システム。
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