JP2019088142A - 車両用電源システム - Google Patents

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できる電源システムを提供する。【解決手段】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。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、リレーを閉じるのに先立って昇圧コンバータを作動させてコンデンサをプリチャージする。コントローラは、補機電源の電圧と電流の経時的変化のデータを取得し、それらのデータから補機電源の電圧と電流の関係を特定する。コントローラは、特定した関係に基づいて、補機電源の電圧が所定の電圧閾値を下回らないように昇圧コンバータを制御する。【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、走行用モータの電圧よりも低い電圧で動作する車載機器であって、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１−３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−を開放状態から接続状態に切り換え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１−３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 特開２０１６−１２３１４９号公報

システムメインリレ−を接続状態に切り換える前のプリチャージはできるだけ短時間で終了することが望ましい。そのためには、昇圧コンバータの出力（即ち、昇圧コンバータの消費電流）は大きい方が望ましい。一方、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。いくつかの補機は、プリチャージの際に動作している場合があり、補機電源の電力を消費する。いくつかの補機の動作中に昇圧コンバータも動作を開始すると、補機電源の電力が不足し、補機電源の電圧が低下し、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車両用電源システムを提供する。

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、リレーを接続状態にし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作動させてコンデンサをプリチャージする。コントローラは、補機電源の電流と電圧の経時的変化のデータを取得し、それらのデータから補機電源の電流と電圧の関係を特定する。コントローラは、特定された関係に基づいて、昇圧コンバータ起動後の補機電源の電圧が所定の電圧閾値を下回らないように昇圧コンバータを制御する。電圧閾値は、補機電源に接続されている補機が安定して動作できる電圧の下限値（あるいは下限値にマージンを加えた値）に設定されている。

本明細書が開示する電源システムは、補機電源の電圧と電流の関係を特定し、その関係を用いて昇圧コンバータを制御する。従って、この電源システムは、補機電源の電圧が電圧閾値を下回ることなく、かつ、できるだけ高出力で昇圧コンバータを制御することができる。別言すれば、この電源システムは、補機電源の電圧が電圧閾値を下回ることなく、かつ、プリチャージを短時間で終わらせることができる。本明細書が開示する電源システムは、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することができる。

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（１）。 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（２）。 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（３）。 出力電流目標を決定するアルゴリズムを説明する図である。 第１変形例のプリチャージ処理のフローチャートである。 第２変形例のプリチャージ処理のフローチャートである。

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。なお、補機３０は、特別補機３０ａと通常補機３０ｂに分類されるが、その分類については後述する。

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を開放状態から接続状態に切り換え、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を開放状態から接続状態に切り換えると、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を接続状態にすると、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を接続状態に切り換える前のコンデンサ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を接続状態にすることができない。従ってプリチャージは、短時間で終了することが望ましい。

一方、補機バッテリ１５には、様々な補機が接続されている。先に述べたように、図１には、補機３０として、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が描かれている。図示を省略しているが、他にも、電動シフト装置、電子制御ブレーキ装置、ルームランプ、カーオーディオ、シートヒータ、ワイパ、リアデフォッガなどが、補機として補機バッテリ１５から電力の供給を受ける。

いくつかの補機３０は、車両のメインスイッチ４１がオンされてからしばらくの間、作動を制限する、あるいは、作動を禁止してもよい。別言すれば、いくつかの補機３０は、車両のメインスイッチ４１がオンされてからしばらくの間、消費電力を抑えてもよい。例えば、エアコン３３やシートヒータなどの補機は、最大出力を中程度に抑えてもよい。カーナビゲーション３４、リアデフォッガ、ワイパは、起動を禁止してもよい。以下では、車両のメインスイッチ４１がオンされてからしばらくの間、消費電力を抑えてもよい補機３０を通常補機３０ｂと称する。

他方、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、電動シフト装置、電子制御ブレーキ装置など、別のいくつかの補機３０は、車両のメインスイッチ４１がオンされた直後から作動を禁止することができない。作動を禁止することができない補機３０を、以下では特別補機３０ａと称する。実施例の電源システム１０では、通常補機３０ｂは、コントローラ１３のメモリ１３２に予め登録されている。

プリチャージを短時間で終了するには、昇圧コンバータ１４からコンデンサ２１４、２３に大電流を供給すればよい。しかし、一方、昇圧コンバータ１４の消費電力を大きくすると、補機バッテリ１５の電力が不足し、作動している補機３０、あるいは、昇圧コンバータ１４の動作が不安定になるおそれがある。そこで、実施例の電源システム１０のコントローラ１３は、プリチャージ前の補機バッテリ１５の電流と電圧の関係を特定し、その関係から、補機バッテリ１５が電力不足とならない程度に昇圧コンバータ１４を制御する。本実施例のコントローラ１３は、補機バッテリ１５が電力不足とならない程度に昇圧コンバータ１４の消費電流（即ち、昇圧コンバータ１４の出力電流目標）を決定する。

図２−図５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−図４は、プリチャージ処理のフローチャートである。図２−図４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、異なる２つの時刻における補機バッテリ１５の電流と電圧の組に基づいて、電流と電圧の関係を直線の方程式として特定する。まずコントローラ１３は、補機バッテリ１５の電流Ｉ１と電圧Ｖ１のデータを取得する（ステップＳ２）。補機バッテリ１５の電流と電圧は、電流センサ１６と電圧センサ１７から取得できる。

続いてコントローラ１３は、所定時間だけ待って（ステップＳ３）、補機バッテリ１５の電流Ｉ２と電圧Ｖ２のデータを取得する（ステップＳ４）。所定時間は、例えば３０秒でよい。１回目のデータ取得と２回目のデータ取得の間に所定時間の間隔をあけるのは、異なる２個の時刻の間に、動作している補機の動作状態が変化し、それぞれの時刻におけるデータが異なるようにするためである。例えば電動シフト装置は、メインスイッチ４１がオンされると、シフトレバーのゼロ点リセットのためにアクチュエータを動作させる。また、メインスイッチ４１がオンされると、電子制御ブレーキシステムは、アキュムレータに予備圧力を蓄積する。このように、いくつかの補機はメインスイッチ４１がオンされるとアクチュエータの動作を伴う初期化処理を行うため、補機バッテリ１５の出力電流が変化する。１回目のデータ取得と２回目のデータ取得の間に所定時間の間隔を空ければ、２組のデータを異ならしめることができる。異なる時刻の２組のデータは、別言すれば、補機バッテリ１５の電流と電圧の経時的変化のデータである。

コントローラ１３は、２組の経時的変化のデータから、補機バッテリ１５の電流と電圧の関係を直線の方程式として特定する（ステップＳ５）。良く知られているように、縦軸の指標（電圧）と横軸の指標（電流）のデータが２組あれば、２点を通る直線を求めることができる。補機バッテリ１５の電流Ｉと電圧Ｖの関係を直線で表すと、Ｖ＝Ｃａ×Ｉ＋Ｃｂとなる。ここで、Ｃａ、Ｃｂは定数である。電流Ｉと電圧Ｖの関係を直線の方程式で特定することは、定数ＣａとＣｂを決定すればよいことになる。２組の経時的変化のデータ（Ｖ１、Ｉ１）と（Ｖ２、Ｉ２）から、定数Ｃａ、Ｃｂを決定することができる。

次にコントローラ１３は、プリチャージ直前の補機バッテリ１５の最新の電流Ｉａを取得する（ステップＳ１０２）。電流と電圧の関係が特定できているので、補機バッテリ１５の最新の電圧Ｖａを取得した後、決定された直線の方程式に基づいて電流Ｉａを求めてもよい。作動している補機３０が不安定とならないための補機バッテリ１５の最低出力電圧を、電圧閾値Ｖｔｈで表す。コントローラ１３は、補機バッテリ１５の最新の電流Ｉａと電圧閾値Ｖｔｈと決定された直線の方程式から、昇圧コンバータ１４の出力電流目標Ｉｐを決定する（ステップＳ１０３）。

出力電流目標Ｉｐの決定のアルゴリズムを説明する。昇圧コンバータ１４が、出力電流目標Ｉｐを実現すると、補機バッテリ１５の電流は（Ｉａ＋Ｉｐ）となる。補機バッテリ１５がこの電流（Ｉａ＋Ｉｐ）を出力したとき、補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回らなければよいので、求めた直線の方程式から、Ｖｔｈ≦Ｃａ（Ｉａ＋Ｉｐ）＋Ｃｂという関係式が得られる。補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回らない条件のもと、昇圧コンバータ１４の最大出力は、Ｉｐ＝（Ｖｔｈ−Ｃｂ）／Ｃａ−Ｉａとなる。この電流値Ｉｐが、コントローラ１３が昇圧コンバータ１４へ指令する出力電流目標Ｉｐとなる。

補機バッテリ１５の電流と電圧の関係を求め、次いで出力電流目標Ｉｐを決定するアルゴリズムを、図５のグラフを使って再度説明する。ステップＳ２、Ｓ４で、補機バッテリ１５の電流と電圧の経時的変化のデータの組（Ｉ１、Ｖ１）、（Ｉ２、Ｖ２）を得る（図５の（１））。２組のデータ（Ｉ１、Ｖ１）、（Ｉ２、Ｖ２）から、直線方程式Ｖ＝Ｃａ×Ｉ＋Ｃｂの定数Ｃａ、Ｃｂが求まる（図５の（２））。コントローラ１３は、補機バッテリ１５の最新の電流Ｉａを取得する（図５の（３））。直線の方程式と電流Ｉａと電圧閾値Ｖｔｈから、補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回らない出力電流目標Ｉｐ＝（Ｖｔｈ−Ｃｂ）／Ｃａ−Ｉａが決まる（図５（４））。

図４を参照してプリチャージ処理の続きを説明する。昇圧コンバータ１４の出力電流目標が決まると、コントローラ１３は、メモリ１３２に登録されている補機（通常補機３０ｂ）に、作動禁止の指令を送信する（ステップＳ１２）。通常補機３０ｂに作動禁止の指令を出すのは、出力電流目標Ｉｐでプリチャージを開始した後に他の補機が起動してさらに消費電流が増えると補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回ってしまうおそれがあるからである。作動禁止の指令は、車内ネットワーク３５を通じて送られる。

コントローラ１３は、昇圧コンバータ１４を起動し、出力電流目標Ｉｐを与える（ステップＳ１３）。即ち、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の電圧が所定の充電電圧閾値ＶＣｔｈに達するまで、充電を継続する（ステップＳ１４：ＮＯ）。充電電圧閾値ＶＣｔｈは、メインバッテリ１１の出力電圧に近い方が望ましく、例えば、メインバッテリ１１の電圧の７０−９５％に設定されている。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。

コンデンサ２１４、２３の電圧が所定の充電電圧閾値ＶＣｔｈに達したら、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Ｓ１４：ＹＥＳ、Ｓ１５）。コントローラ１３は、先に作動禁止指令を送った通常補機３０ｂ（メモリ１３２に登録されている補機）に、作動禁止解除の指令を送信する（ステップＳ１６）。作動禁止解除の指令も、車内ネットワーク３５を通じて送られる。以上でプリチャージ処理は終了する。

プリチャージ処理を終了した後、コントローラ１３は、システムメインリレ−１２を接続状態に切り換え、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を接続状態に切り換えたときに大きな突入電流は流れない。

コントローラ１３は、プリチャージに先立って、補機バッテリ１５の電圧と電流の関係を直線方程式として特定し、その関係を用いて昇圧コンバータを制御する。具体的には、補機バッテリ１５の最新の電流Ｉａを取得し、電流Ｉａと電圧閾値Ｖｔｈと直線の方程式から、補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回らない出力電流目標Ｉｐを決定する。電源システム１０は、補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回ることなく、かつ、プリチャージを短時間で終わらせることができる。

（第１変形例）次に、図６を用いてプリチャージ処理の第１変形例を説明する。第１変形例のプリチャージ処理は、図２−図４のフローチャートにおいて、図３の部分が図６のフローに置き換えられる。別言すれば、第１変形例のプリチャージ処理において、実施例のプリチャージ処理のステップＳ２−Ｓ５（図２）と、ステップＳ１２−Ｓ１６の部分は共通である。

第１変形例のプリチャージ処理では、昇圧コンバータ１４に与える出力電流目標Ｉｐは予め定められている。補機バッテリ１５の電流Ｉと電圧Ｖの関係を表す直線方程式を決定した後（図２、ステップＳ２−Ｓ５）、コントローラ１３は、プリチャージ直前の最新の補機バッテリ１５の電流Ｉａを取得する（図６、ステップＳ２０２）。なお、コントローラ１３は、電圧センサ１７から最新の電圧Ｖａを取得し、電圧Ｖａと直線の方程式から最新の電流Ｉａを取得してもよい。

次にコントローラ１３は、取得した電流Ｉａ、予め定められた出力電流目標Ｉｐ、決定された直線方程式から、補機バッテリ１５の電圧の予測値Ｖｐを決定する（ステップＳ２０３）。直線の方程式より、予測値Ｖｐは、Ｖｐ＝Ｃａ×（Ｉａ＋Ｉｐ）＋Ｃｂの式で得られる。

予測値Ｖｐが電圧閾値Ｖｔｈを上回っていれば、コントローラ１３は、予め定められている出力電流目標Ｉｐを使ってプリチャージを開始する（ステップＳ２０４：ＹＥＳ、図４の処理へ）。以後の処理は、第１実施例のプリチャージ処理と同じである。

予測値Ｖｐが電圧閾値Ｖｔｈを下回っていた場合（ステップＳ２０４：ＮＯ）、コントローラ１３は、メモリ１３２に登録されている補機３０（通常補機３０ｂ）と通信し、動作中の補機３０があれば、それらの補機３０の一つへ消費電力を下げる指令を送信する（ステップＳ２０５）。指令を受けた補機３０がエアコン３３またはシートヒータの場合、指令を受けたエアコン３３またはシートヒータは出力を下げる。指令を受けた補機３０がカーナビゲーション３４の場合、カーナビゲーションは停止する。

ステップＳ２０５の次はステップＳ２０２の処理に戻り、コントローラ１３は、再び補機バッテリ１５の最新の電流Ｉａを取得する。いずれかの補機３０（通常補機３０ｂ）が消費電力を下げているので、電流Ｉａは前回の値よりも小さくなっている。コントローラ１３は、再び、最新の電流Ｉａ、出力電流目標Ｉｐ、決定された直線方程式から、補機バッテリ１５の電圧の予測値Ｖｐを決定する（ステップＳ２０３）。そして、コントローラ１３は、予測値Ｖｐを電圧閾値Ｖｔｈと比較する（ステップＳ２０４）。コントローラ１３は、予測値Ｖｐが電圧閾値Ｖｔｈを上回るまで、ステップＳ２０２からＳ２０５までの処理を繰り返す。予測値Ｖｐが電圧閾値Ｖｔｈを上回ったら、コントローラ１３は、図４のステップＳ１２へ処理を移す。

第１変形例のプリチャージ処理は、補機バッテリ１５の電圧を電圧閾値Ｖｔｈより低くすることなく、予め定められた望ましい出力電流目標Ｉｐを実現できる利点がある。

（第２変形例）続いて、図７を参照して、第２変形例のプリチャージ処理を説明する。第２変形例のプリチャージ処理も、実施例のプリチャージ処理のステップＳ２−Ｓ５（図２）と、ステップＳ１２−Ｓ１６（図４）の部分は共通である。第２変形例のプリチャージ処理は、図２−図４のフローチャートにおいて、図３の部分が図７のフローに置き換えられたものである。

第２変形例のプリチャージ処理は、実施例のプリチャージ処理の特徴と第１変形例のプリチャージ処理の特徴を合わせたものである。第２変形例のプリチャージ処理でも、昇圧コンバータ１４に与える出力電流目標Ｉｐは予め定められている。ただし、消費電力を下げることが可能な通常補機３０ｂが無くなったら、出力電流目標Ｉｐを下げる。

補機バッテリ１５の電流Ｉと電圧Ｖの関係を表す直線方程式を決定した後（図２、ステップＳ２−Ｓ５）、コントローラ１３は、プリチャージ直前の最新の補機バッテリ１５の電流Ｉａを取得する（図７、ステップＳ３０２）。続いて、コントローラ１３は、取得した電流Ｉａ、予め定められた出力電流目標Ｉｐ、決定された直線方程式から、補機バッテリ１５の電圧の予測値Ｖｐを決定する（ステップＳ２０３）。直線の方程式より、予測値Ｖｐは、Ｖｐ＝Ｃａ×（Ｉａ＋Ｉｐ）＋Ｃｂの式で得られる。

予測値Ｖｐが電圧閾値Ｖｔｈを上回っていれば、コントローラ１３は、予め定められている出力電流目標Ｉｐを使ってプリチャージを開始する（ステップＳ３０４：ＹＥＳ、図４の処理へ）。以後の処理は、第１実施例のプリチャージ処理と同じである。

予測値Ｖｐが電圧閾値Ｖｔｈを下回っていた場合（ステップＳ３０４：ＮＯ）、コントローラ１３は、メモリ１３２に登録されている補機（通常補機３０ｂ）と通信し、動作中の補機が残っているか否かをチェックする（ステップＳ３０５）。残っている補機があれば（ステップＳ３０５：ＹＥＳ）、コントローラ１３は、それらの補機３０の一つへ消費電力を下げる指令を送信する（ステップＳ３０６）。そして、ステップＳ３０２から繰り返す。ステップＳ３０２からステップＳ３０６までの処理は、第１変形例の場合と同じである。

動作中の補機が残っていない場合（ステップＳ３０５：ＮＯ）、コントローラ１３は、再度、補機バッテリ１５の最新の電流Ｉａを取得する（ステップＳ３０７）、そして、コントローラ１３は、ステップＳ３０８にて、電流Ｉａ、電圧閾値Ｖｔｈ、及び、直線の方程式から、昇圧コンバータ１４を動作させたときの補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回らないように、出力電流目標Ｉｐを再決定する（調整する）。ステップＳ３０７、Ｓ３０８の処理は、実施例のときの処理（図３、ステップＳ１０２、Ｓ１０３）と同じである。

第２変形例のプリチャージ処理では、可能な限り、他の補機（通常補機３０ｂ）の消費電力を下げて、当初の出力電流目標Ｉｐの実現を試みる。消費電流を下げる補機がなくなった場合には、出力電流目標Ｉｐを下げ、プリチャージを開始しても、補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回らないようにする。

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。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を介さずに電力変換器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のコンデンサ２１４、２３に接続されている。

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を接続状態に切り換えて電力変換器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を作動させてコンデンサ２１４、２３を充電する。コントローラ１３は、補機バッテリ１５の電圧と電流の経時的変化のデータを取得し、それらのデータから補機バッテリの電圧と電流の関係を特定する。コントローラ１３は、特定した関係に基づいて、補機バッテリ１５の電圧が所定の電圧閾値Ｖｔｈを下回らないように、昇圧コンバータ１４を制御する。補機バッテリ１５の電圧と電流の関係の典型は、異なる２つの時刻の経時的データから定まる直線の方程式である。

コントローラ１３の一実施形態は、昇圧コンバータ１４を起動する直前の補機バッテリ１５の電流Ｉａと電圧閾値Ｖｔｈと上記の関係に基づいて、昇圧コンバータ１４の起動後の補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回らないように昇圧コンバータ１４に指令する出力電流目標Ｉｐを決定するように構成されている。実施例の電源システム１０は、補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回ることなく、かつ、プリチャージを短時間で終わらせることができる。別言すれば、電源システム１０は、様々な補機が接続されている補機バッテリ１５を使ってプリチャージを安定して実行することができる。

コントローラの別の一実施形態では、昇圧コンバータ１４に指令する出力電流目標Ｉｐが予め定められている。コントローラ１３は、昇圧コンバータ１４を起動する直前の補機バッテリ１５の電流Ｉａと上記の関係に基づいて、出力電流目標Ｉｐに対する補機バッテリ１５の電圧の予測値Ｖｐを特定する。予測値Ｖｐが電圧閾値Ｖｔｈを下回っている場合、補機バッテリ１５に接続されていて動作している補機３０に対して消費電力を下げる指令を出力する。この実施形態では、望ましい出力電流目標Ｉｐを実現できるので、補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回ることなく、プリチャージをより短時間で終了することができる。

さらに上記した実施例と第１変形例のプリチャージ処理を合わせてもよい。その場合、コントローラ１３は、少なくとも１個の補機に対して消費電力を下げる指令を出力した後の補機バッテリ１５の最新の電流Ｉａと出力電流目標Ｉｐの関係に基づいて、出力電流目標Ｉｐに対する補機バッテリ１５の電圧の予測値Ｖｐを特定する。コントローラ１３は、予測値Ｖｐが電圧閾値Ｖｔｈを下回っている場合、補機バッテリ１５の電流と電圧閾値Ｖｔｈと上記の関係に基づいて、昇圧コンバータ１４の起動後の補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回らないように出力電流目標Ｉｐを調整する。

このプリチャージ処理では、補機の消費電力をできるだけ下げておいてから、補機バッテリ１５の電圧が電圧閾値Ｖｔｈを下回らないための出力電流目標Ｉｐを決定する。

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。

実施例と変形例では、補機バッテリ１５の電圧と電流の経時的変化のデータから、電流と電圧の関係を直線の方程式で特定した。３組以上の経時的変化のデータに基づいて、電流と電圧の関係を高次方程式で特定してもよい。

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
３０ａ：特別補機
３０ｂ：通常補機
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 (5)

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、
   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作動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と電流の経時的変化のデータを取得し、
   前記データから前記補機電源の前記電圧と前記電流の関係を特定し、
   前記関係に基づいて、前記補機電源の電圧が所定の電圧閾値を下回らないように、前記昇圧コンバータを制御する、車両用電源システム。
2. 前記コントローラは、前記昇圧コンバータを起動する直前の前記補機電源の電流と前記電圧閾値と前記関係に基づいて、前記昇圧コンバータ起動後の前記補機電源の電圧が前記電圧閾値を下回らないように前記昇圧コンバータに指令する出力電流目標を決定する、
   請求項１に記載の車両用電源システム。
3. 前記コントローラが前記昇圧コンバータに指令する出力電流目標が予め定められており、
   前記コントローラは、
   前記昇圧コンバータを起動する直前の前記補機電源の電流と前記関係に基づいて、前記出力電流目標に対する前記補機電源の電圧の予測値を特定し、
   前記予測値が前記電圧閾値を下回っている場合、前記補機電源に接続されていて動作している補機に対して消費電力を下げる指令を出力する、
   請求項１に記載の車両用電源システム。
4. 前記コントローラは、
   少なくとも１個の前記補機に対して消費電力を下げる指令を出力した後の前記補機電源の電流と前記電圧閾値の関係に基づいて、前記出力電流目標に対する前記補機電源の電圧の予測値を特定し、
   前記予測値が前記電圧閾値を下回っている場合、前記補機電源の電流と前記電圧閾値と前記関係に基づいて、前記昇圧コンバータ起動後の前記補機電源の電圧が前記電圧閾値を下回らないように前記昇圧コンバータに指令する出力電流目標を調整する、
   請求項３に記載の車両用電源システム。
5. 前記コントローラは、異なる２つの時刻における前記補機電源の電流と電圧の組を含んでいる前記データに基づいて、前記関係を直線の方程式として特定する、請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用電源システム。

Images