JP2020029200A

JP2020029200A - 車両用電源システム

Info

Publication number: JP2020029200A
Application number: JP2018156437A
Authority: JP
Inventors: 敏宏河井; Toshihiro Kawai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-08-23
Filing date: 2018-08-23
Publication date: 2020-02-27

Abstract

【課題】過放電防止のためにサブバッテリーを電源ラインから切り離した場合でも、電源ラインの電圧が低下して車載機器の機能が停止してしまうことを回避することが可能な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は、第１及び第２の電源ラインの導通及び遮断が可能な第１のリレー装置と、第２のバッテリーの第２の電源ラインへの導通及び遮断が可能な第２のリレー装置と、第１及び第２のリレー装置を制御する制御部とを備え、制御部は、第２のリレー装置を導通させ、かつ、第１のリレー装置を遮断させた状態において、第２のバッテリーの蓄電量が所定値未満となり、かつ、第２のＤＣＤＣコンバーターの出力電圧が、所定時間、所定電圧未満を維持し続けた場合に、第２のＤＣＤＣコンバーターの出力電圧が所定電圧以上に回復するまで、第２のリレー装置を遮断させ、かつ、第１のリレー装置を導通させる。【選択図】図１

Description

本発明は、車両用電源システムに関する。

特許文献１及び２には、２つのバッテリーを備え、一方のバッテリーが失陥した場合であっても、他方のバッテリーにより車載機器に対し電力供給を可能とする冗長電源構成を採用した車両用電源システムが開示されている。

特開２０１６−０３２９７７号公報特開２０１６−０４７７０７号公報

自動運転制御に関わる車載機器を冗長的に２つ備え、第１の車載機器に第１の電源ラインを介してメインバッテリーから電力を供給し、第２の車載機器に第２の電源ラインを介してサブバッテリーから電力を供給する冗長電源構成を採用した電源システムでは、サブバッテリーをメインバッテリー失陥時のバックアップ電源として機能させるために、サブバッテリーの蓄電量（ＳＯＣ）を、例えば車両を安全に退避行動させるために必要とされる所定値以上に維持することを行っている。

何らかの原因でサブバッテリーのＳＯＣが低下する傾向にある場合、ＳＯＣの低下が進行してサブバッテリーが過放電にならないように、サブバッテリーを第２の電源ラインから切り離すことが考えられる。しかしながら、サブバッテリーを第２の電源ラインから切り離した状態で、例えば短期的な大電力消費が第２の車載機器で生じてしまうと、第２の電源ラインの電圧が低下して第２の車載機器の機能が停止する可能性がある。

本発明は、冗長電源構成を採用した電源システムにおいて、過放電防止のためにサブバッテリーを第２の電源ラインから切り離した場合でも、第２の電源ラインの電圧が低下して第２の車載機器の機能が停止してしまうことを回避することが可能な車両用電源システムを提供することを目的とする。

車両用電源システムは、第１のＤＣＤＣコンバーターの出力電力を第１の電源ラインを介して第１のバッテリー及び第１の車載機器に供給し、第２のＤＣＤＣコンバーターの出力電力を第２の電源ラインを介して第２のバッテリー及び第２の車載機器に供給する、冗長電源構成を採用し、第１の電源ラインと第２の電源ラインとの間に挿入され、両電源ラインの導通及び遮断が可能な第１のリレー装置と、第２のバッテリーと第２の電源ラインとの間に挿入され、第２のバッテリーの第２の電源ラインへの導通及び遮断が可能な第２のリレー装置と、第１のリレー装置及び第２のリレー装置を制御する制御部と、を備え、制御部は、第２のリレー装置を導通させ、かつ、第１のリレー装置を遮断させた状態において、第２のバッテリーの蓄電量が所定値未満となり、かつ、第２のＤＣＤＣコンバーターの出力電圧が、所定時間、所定電圧未満を維持し続けた場合に、第２のＤＣＤＣコンバーターの出力電圧が所定電圧以上に回復するまで、第２のリレー装置を遮断させ、かつ、第１のリレー装置を導通させる。

本発明によれば、冗長電源構成を採用した電源システムにおいて、過放電防止のためにサブバッテリーを第２の電源ラインから切り離した場合でも、第２の電源ラインの電圧が低下して第２の車載機器の機能が停止してしまうことを回避することが可能な車両用電源システムを実現できる。

本発明の一実施形態に係る車両用電源システムの概略構成を示す図接続制御ＥＣＵによる第１及び第２のリレー装置の接続及び遮断の制御を説明するフローチャート

（実施形態）
本発明の一実施形態に係る車両用電源システムは、互いに独立したメインバッテリーの電源系統及びサブバッテリーの電源系統による冗長電源構成を採用している。この車両用電源システムでは、サブバッテリーが過放電になりそうなＳＯＣまで低下するとサブバッテリーを電源系統から切り離す。これにより、サブバッテリーの過放電を防止する。さらに、サブバッテリーの電源系統をメインバッテリーの電源系統に接続する。これにより、サブバッテリーが切り離された電源系統の車載機器で大電力消費が生じても車載機器の機能が停止してしまうことを回避することができる。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

＜構成＞
図１は、本実施形態に係る車両用電源システム１の概略構成を示す図である。図１に例示した電源システム１は、第１のＤＣＤＣコンバーター（ＤＤＣ）１１、第１のバッテリー１２、及び第１の車載機器（電気負荷）１３を含む第１の電源系統と、第２のＤＣＤＣコンバーター（ＤＤＣ）２１、第２のバッテリー２２、及び第２の車載機器（電気負荷）２３を含む第２の電源系統と、電源供給部３０と、第１のリレー装置４０と、第２のリレー装置５０と、接続制御ＥＣＵ６０と、を備えて構成されている。第１のバッテリー１２及び第１の車載機器１３は、それぞれ、第１の電源ライン１４を介して第１のＤＣＤＣコンバーター１１の出力端に接続されている。第２のバッテリー２２及び第２の車載機器２３は、それぞれ、第２の電源ライン２４を介して第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力端に接続されている。

電源システム１は、例えば車載機器による自動運転が可能な車両に搭載される。

電源供給部３０は、第１の電源系統が有する第１のＤＣＤＣコンバーター１１及び第２の電源系統が有する第２のＤＣＤＣコンバーター２１へ、並列に電力を供給することができる。電源供給部３０は、例えば、リチウムイオン電池などの充放電可能に構成された高圧電池とすることができる。

第１のＤＣＤＣコンバーター１１は、電源供給部３０から供給される高電圧電力を低電圧電力へ降圧して第１の電源ライン１４に出力し、第１の電源ライン１４を介して第１のバッテリー１２及び第１の車載機器１３に電力を供給することができる。

第１のバッテリー１２は、例えば、鉛電池などの充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。第１のバッテリー１２は、第１のＤＣＤＣコンバーター１１から出力される電力を蓄えること（充電）ができ、また第１の車載機器１３に電力を供給できるように構成されている。また、詳細は後述するが、第１のバッテリー１２は、第１の電源ライン１４と第２の電源ライン２４とが第１のリレー装置４０により接続された状態において、第２の車載機器２３に電力を供給できるように構成されている。

第１の車載機器１３及び第２の車載機器２３は、相補的あるいは冗長的に構成され、例えば、車両の自動運転制御のためのＥＣＵと電動ブレーキ装置や電動パワーステアリング装置等のアクチュエータとを含む。

第２のＤＣＤＣコンバーター２１は、電源供給部３０から供給される高電圧電力を低電圧電力へ降圧して第２の電源ライン２４に出力し、第２の電源ライン２４を介して第２のバッテリー２２及び第２の車載機器２３に電力を供給することができる。

第２のバッテリー２２は、リチウムイオン電池などの充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。第２のバッテリー２２は、第２のリレー装置５０を介して、第２のＤＣＤＣコンバーター２１及び第２の車載機器２３と接続されている。第２のバッテリー２２は、第２のリレー装置５０を介して、第２のＤＣＤＣコンバーター２１から出力される電力を蓄えること（充電）ができ、また第２の車載機器２３に電力を供給できるように構成されている。第２のバッテリー２２は、車両の自動運転中に第１のバッテリー１２が失陥したときのサブバッテリーとしての役割を有する。

第１のリレー装置４０は、第１の電源ライン１４と第２の電源ライン２４との間に挿入される。後述する接続制御ＥＣＵ６０の制御により、第１のリレー装置４０を導通させることで、第１の電源ライン１４と第２の電源ライン２４とを接続させたり、あるいは、第１のリレー装置４０を遮断させることで、第１の電源ライン１４と第２の電源ライン２４とを切り離したりすることができるように構成されている。この第１のリレー装置４０は、原則遮断状態となっており、後述する第２のバッテリー２２が所定の状態になった場合にだけ導通状態となる。

第２のリレー装置５０は、第２のバッテリー２２と第２の電源ライン２４との間に挿入される。後述する接続制御ＥＣＵ６０の制御により、第２のリレー装置５０を導通させることで、第２のバッテリー２２を第２の電源ライン２４に接続させたり、あるいは、第２のリレー装置５０を遮断させることで、第２のバッテリー２２を第２の電源ライン２４から切り離したりすることができるように構成されている。この第２のリレー装置５０は、原則導通状態となっており、後述する第２のバッテリー２２が所定の状態になった場合にだけ遮断状態となる。

接続制御ＥＣＵ６０は、車両用電源システム１において、第１のリレー装置４０及び第２のリレー装置５０の導通及び遮断を制御するものである。接続制御ＥＣＵ６０は、第２のバッテリー２２のＳＯＣをモニタリングして、第２のバッテリー２２のＳＯＣが低下傾向にあるか否かを判断する。第２のバッテリー２２のＳＯＣは、例えば第２のバッテリー２２のＳＯＣ−ＯＣＶ（開放端電圧）曲線から検出するなど、公知の手法を用いることができる。また、接続制御ＥＣＵ６０は、第２のＤＣＤＣコンバーター２１に対する電圧指示値を制御し、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧の変化に基づいて、第２のバッテリー２２のＳＯＣが低下傾向にあるか否かを判断する。また、接続制御ＥＣＵ６０は、第２の車載機器２３の消費電力を低減させるように制御し、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧の変化に基づいて、第２のバッテリー２２のＳＯＣが低下傾向にあるか否かを判断する。たりする。そして、接続制御ＥＣＵ６０は、第２のバッテリー２２のＳＯＣが低下傾向にある場合に、後述する第１のリレー装置４０及び第２のリレー装置５０による導通及び遮断の制御を行う。

尚、接続制御ＥＣＵ６０は、典型的には中央演算処理装置（ＣＰＵ）、メモリ、及び入出力インターフェースを含んで構成され、メモリに格納されたプログラムをＣＰＵが読み出して実行することによって、所定の機能が実現される。

＜接続制御ＥＣＵによる第１及び第２のリレー装置の接続及び遮断の制御＞
接続制御ＥＣＵ６０は、第２のリレー装置５０を導通させ、かつ、第１のリレー装置４０を遮断させた状態において、第２のバッテリー２２のＳＯＣが所定値未満となり、かつ、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧が、所定時間、所定電圧未満を維持し続けた場合に、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧が所定電圧以上に回復するまで、第２のバッテリー２２の過放電を防止するために、第２のリレー装置５０を遮断させる。これに加えて、第２の車載機器２３において短期的な大電力消費が発生した場合に、第２の電源ライン２４の電圧が低下したことによる第２の車載機器２３の機能が停止するような事態を回避するために、第１のリレー装置４０を導通させる。本実施形態に係る接続制御ＥＣＵ６０が行う第１のリレー装置４０及び第２のリレー装置５０の接続及び遮断の制御について、図２を参照して説明する。図２は、接続制御ＥＣＵ６０による第１のリレー装置４０及び第２のリレー装置５０の導通及び遮断の制御を説明するフローチャートである。図２に示す接続制御ＥＣＵ６０の制御は、車両の電源がＯＮになったときに開始され、車両の電源がＯＦＦになるまで繰り返し実行される。

ステップＳ１において、接続制御ＥＣＵ６０は、第２のリレー装置５０を導通させて第２のバッテリー２２を第２の電源ライン２４と接続させ、かつ、第１のリレー装置４０を遮断させて第１の電源ライン１４と第２の電源ライン２４とを切り離した状態にする。その後、処理はステップＳ２に進む。

ステップＳ２において、接続制御ＥＣＵ６０は、第２のバッテリー２２のＳＯＣをモニタリングし、第２のバッテリー２２のＳＯＣがＳＯＣ低下傾向にあると判断できる所定値Ｔ１未満となっているか否かを判定する。第２のバッテリー２２のＳＯＣの所定値Ｔ１は、第１のバッテリー１２が失陥したときにサブバッテリーとして機能することができるＳＯＣ値以上の値を適宜設定することができる。具体的な判定手法としては、設定された第２のバッテリー２２のＳＯＣの所定値Ｔ１からＳＯＣ−ＯＣＶ曲線により求められる電圧値を設定して、第２のバッテリー２２のＳＯＣを判定することができる。例えば、第２のバッテリー２２が、１セル当りの定格電圧が３．７Ｖのリチウムイオン電池のセルを４つ直列に接続した定格電圧が１４．８Ｖのリチウムイオン電池である場合、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧を過放電になるおそれがあるＳＯＣの低下傾向を判断できる１１Ｖを第２のバッテリー２２のＳＯＣを判定する電圧値に設定することができる。ステップＳ２の判定がＹｅｓの場合、処理はステップＳ３に進み、それ以外の場合（ステップＳ２でＮｏ）は、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ３において、接続制御ＥＣＵ６０は、ＳＯＣ低下傾向にある第２のバッテリー２２が過放電となることを防ぐため、第２のＤＣＤＣコンバーター２１に対する電圧指示値を制御する。接続制御ＥＣＵ６０は、放電を継続しても第２のバッテリー２２が過放電とならない最小電圧値を下回らない電圧値の範囲で、第２のＤＣＤＣコンバーター２１に対する電圧指示値を制御する。例えば、第２のバッテリー２２が上述した定格電圧が１４．８Ｖのリチウムイオン電池である場合、第２のＤＣＤＣコンバーター２１に対する電圧指示値を過放電を回避できる１２．５Ｖに制御することができる。その後、処理はステップＳ４に進む。

ステップＳ４において、接続制御ＥＣＵ６０は、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧が所定値Ｔ２未満を維持し続けているか否かを判定する。ここで、ステップＳ４における「出力電圧が所定値Ｔ２未満を維持し続けている」とは、第１の所定時間が経過しても第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧が所定値Ｔ２以上に回復しないことを言う。これにより、第２のバッテリー２２のＳＯＣがまだ低下傾向にあることが分かる。ステップＳ４の判定がＹｅｓの場合、処理はステップＳ５に進み、それ以外の場合（ステップＳ４でＮｏ）は、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ５において、接続制御ＥＣＵ６０は、第２の車載機器２３の電力消費を低減させるべく、第２の車載機器２３の機能を制限して負荷を軽減させるように制御する。接続制御ＥＣＵ６０は、例えば、第２の車載機器２３に含まれるディープラーニング（深層学習）の判断材料となる情報を取得するための車載レーダ、車載センサによる検出範囲や車載カメラの撮像範囲を狭くすることで、演算負荷処理を軽減することができる。これにより、第２の車載機器２３の電力消費を低減させることができる。その後、処理はステップＳ６に進む。

ステップＳ６において、接続制御ＥＣＵ６０は、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧が所定値Ｔ３未満を維持し続けているか否かを判定する。ここで、ステップＳ６における「出力電圧が所定値Ｔ３未満を維持し続けている」とは、第２の所定時間が経過しても第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧が所定値Ｔ３以上に回復しないことを言う。これにより、第２のバッテリー２２のＳＯＣがいまだ低下傾向であることが分かる。第２の所定時間は、第１の所定時間と同じであっても異なっていてもよい。所定値Ｔ３も所定値Ｔ２と同じであっても異なっていてもよい。ステップＳ６の判定がＹｅｓの場合、処理はステップＳ７に進み、それ以外の場合（ステップＳ６でＮｏ）は、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ７において、接続制御ＥＣＵ６０は、導通状態の第２のリレー装置５０を遮断させて、第２のバッテリー２２を第２の電源ライン２４から切り離す。これにより、第２のバッテリー２２の過放電を防止することができる。また、接続制御ＥＣＵ６０は、遮断状態の第１のリレー装置４０を導通させて、第１の電源ライン１４と第２の電源ライン２４とを接続させる。これにより、第１のバッテリー１２から第２の車載機器２３に電力を供給することができるため、万が一第２の車載機器２３において短期的な大電力消費が発生した場合でも、第２の電源ライン２４の電圧が低下して第２の車載機器２３の機能が停止するような事態を回避することができる。尚、接続制御ＥＣＵ６０は、第２のリレー装置５０を遮断させ、第１のリレー装置４０を導通させた場合、車両の自動運転制御のためのＥＣＵに、第１の電源系統において失陥が発生したとしても第２のバッテリー２２はサブバッテリーとして機能し得ない旨通知してもよい。その後、処理はステップＳ８に進む。

ステップＳ８において、接続制御ＥＣＵ６０は、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧が所定値Ｔ３（又はＴ２）以上であるか否か、すなわち第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧が所定値Ｔ３（又はＴ２）以上に回復したか否かを判定する。ステップＳ８の判定がＹｅｓの場合、処理はステップＳ１に戻り、それ以外の場合（ステップＳ８でＮｏ）は、ステップＳ８に戻る。尚、第２の車載機器２３の短期的な大電力消費が解消されることで、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧は所定電圧以上に回復する。そのため、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧が所定値Ｔ３（又はＴ２）以上に回復した時点で処理はステップＳ１に戻る。一方、一定時間が経過しても処理がステップＳ８に戻り続ける場合には、接続制御ＥＣＵ６０は、第２の電源系統に失陥が発生した可能性があると判断してもよい。この場合、接続制御ＥＣＵ６０は、ドライバーに所定の退避動作を行うように通知し、車両の安全を確保した後にドライバーが車両の電源をＯＦＦにすることで本処理を終了させることができる。

＜効果等＞
本発明の一実施形態に係る車両用電源システム１によれば、第２のリレー装置５０を導通させ、第１のリレー装置４０を遮断させた状態において、第２のバッテリー２２のＳＯＣが低下傾向にあると判断した後、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧が回復しない場合に、接続制御ＥＣＵ６０は、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧が回復するまで、第２のリレー装置５０を遮断させる。これにより、第２のバッテリー２２を第２の電源ライン２４から切り離すことができるため、第２のバッテリー２２の過放電を防止することができる。

また、接続制御ＥＣＵ６０は、第２のＤＣＤＣコンバーター２１の出力電圧が回復するまでは第２のリレー装置５０を遮断させるとともに、第１のリレー装置４０を導通させる。これにより、第１の電源ライン１４と第２の電源ライン２４とを接続させることができるため、第１のバッテリー１２から第２の電源系統の第２の車載機器２３に電力を供給することができる。その結果、万が一第２の車載機器２３において短期的な大電力消費が発生した場合でも、第２の電源ライン２４の電圧が低下して第２の車載機器２３の機能が停止してしまうことを回避することができる。

本発明に係る車両用電源システムは、例えば冗長電源構成を採用した電源システムを備えた車両に好適に利用できる。

１車両用電源システム
１１第１のＤＣＤＣコンバーター
１２第１のバッテリー
１３第１の車載機器
１４第１の電源ライン
２１第２のＤＣＤＣコンバーター
２２第２のバッテリー
２３第２の車載機器
２４第２の電源ライン
３０電源供給部
４０第１のリレー装置
５０第２のリレー装置
６０接続制御ＥＣＵ

Claims

第１のＤＣＤＣコンバーターの出力電力を第１の電源ラインを介して第１のバッテリー及び第１の車載機器に供給し、第２のＤＣＤＣコンバーターの出力電力を第２の電源ラインを介して第２のバッテリー及び第２の車載機器に供給する、冗長電源構成を採用した車両用電源システムであって、
前記第１の電源ラインと前記第２の電源ラインとの間に挿入され、両電源ラインの導通及び遮断が可能な第１のリレー装置と、
前記第２のバッテリーと前記第２の電源ラインとの間に挿入され、前記第２のバッテリーの前記第２の電源ラインへの導通及び遮断が可能な第２のリレー装置と、
前記第１のリレー装置及び前記第２のリレー装置を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第２のリレー装置を導通させ、かつ、前記第１のリレー装置を遮断させた状態において、前記第２のバッテリーの蓄電量が所定値未満となり、かつ、前記第２のＤＣＤＣコンバーターの出力電圧が、所定時間、所定電圧未満を維持し続けた場合に、前記第２のＤＣＤＣコンバーターの出力電圧が前記所定電圧以上に回復するまで、前記第２のリレー装置を遮断させ、かつ、前記第１のリレー装置を導通させる、車両用電源システム。