JP2020036465A - 車両用電源システム - Google Patents

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Abstract

【課題】自動運転システムの電源系を安定させることができる車両用電源システムを提供する。【解決手段】高圧電池からの供給電力を電圧変換する第１ＤＣＤＣコンバータ（ＤＤＣ）、第１ＤＤＣの出力電力で充電可能な第１バッテリ、第１バッテリの電力で動作する自動運転システムを含む第１負荷を備える第１電源系と、高圧電池からの供給電力を電圧変換する第２ＤＤＣ、第２ＤＤＣの出力電力で充電可能な第２バッテリ、第２バッテリの電力で動作するステアリング、ブレーキ、及び情報通信部を含む第２負荷を備える第２電源系と、第２ＤＤＣと第３負荷との接続を制御する接続制御器、接続制御器の出力電力で充電可能な第３バッテリ、第３バッテリの電力で動作するステアリング、ブレーキ、及び情報通信部を含む第３負荷とを備える第３電源系と、を備える。第１電源系は、自動運転システムへの電源供給ラインを分離可能な第１ＤＤＣと第１バッテリとの２つを持つ。【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載される車両用電源システムに関する。
特許文献１に、ＡＣＣ（アダプティブ・クルーズ・コントロール）、ＬＫＡ（レーン・キープ・アシスト）、及び自動ブレーキなどを含む運転支援システムに電力を供給する電源を、メイン電源とサブ電源（バックアップ電源）とで冗長的に構成した車両用電源システムが、開示されている。このような車両用電源システムでは、冗長電源構成によって、運転支援システムの動作中にメイン電源に異常が発生したとしても、サブ電源によって運転支援システムを継続して動作できるようにしている。
特開２０１７−２１８０１３号公報
上記特許文献１に記載された車両用電源システムにおいて、例えば自動運転システムを後付けで車両に実装するような場合、自動運転システムを既設の車載インフラの電源系に接続する構成を採用することが考えられる。しかしながら、自動運転システムを車載インフラの電源系に接続する構成では、車載インフラの負荷群によって生じる電圧変動の影響を自動運転システムがそのまま受けてしまう。このため、自動運転システムへ供給される電圧が不安定となり、自動運転システムが最適に動作しないおそれがある。
また、自動運転システムでは、自動運転中に異常が生じた場合などには車両を路肩などに安全に退避させる行動が要求される。よって、自動運転システムにおいても、メイン電源が失陥したときなどに車両の退避行動に必要な電力を負荷に供給するといったフェールセーフを検討する余地がある。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、フェールセーフに対応し、かつ、自動運転システムの電源系を安定させることができる車両用電源システム、を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、高圧電池と、高圧電池から電力が供給される第１、第２、及び第３の電源系とを備える車両用電源システムであって、第１の電源系は、自動運転システムを少なくとも含む第１の負荷を接続し、高圧電池から供給される電力を電圧変換して出力する第１のＤＣＤＣコンバータと、第１のＤＣＤＣコンバータの出力電力で充電可能な第１のバッテリと、第１のＤＣＤＣコンバータと第１のバッテリとの間に挿入され、第１のＤＣＤＣコンバータと第１のバッテリとの接続状態を制御可能な接続デバイスとを備え、第１のＤＣＤＣコンバータの出力電力を第１の整流素子を介して、及び第１のバッテリの電力を第２の整流素子を介して、それぞれ自動運転システムに供給し、第２の電源系は、ステアリングＥＣＵ、ブレーキＥＣＵ、及び自動運転システムとの間で制御情報を送受信する情報通信部を少なくとも含む第２の負荷を接続し、高圧電池から供給される電力を電圧変換して出力する第２のＤＣＤＣコンバータと、第２のＤＣＤＣコンバータの出力電力で充電可能な第２のバッテリとを備え、第２のＤＣＤＣコンバータの出力電力及び第２のバッテリの電力を第２の負荷に供給し、第３の電源系は、ステアリングＥＣＵ、ブレーキＥＣＵ、及び情報通信部を少なくとも含む第３の負荷を接続し、第２のＤＣＤＣコンバータと第３の負荷との接続状態を制御する接続制御器と、接続制御器を介して出力される電力で充電可能な第３のバッテリとを備え、接続制御器を介して出力される電力及び第３のバッテリの蓄電電力を第３の負荷に供給する。
上記本発明の車両用電源システムによれば、フェールセーフに対応し、かつ、自動運転システムの電源系を安定させることができる。
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
［概要］
本発明では、自動運転システムの電源系を車載インフラの電源系から切り離した電源システムを構築する。これにより、自動運転システムの電源系が車載インフラの電源系で生じる電圧変動の影響を受けなくなる。よって、自動運転システムの電源系を安定させることができる。また、自動運転システムの電源ラインを、ＤＣＤＣコンバータからの電源ラインとバッテリからの電源ラインとの２配線とする。これにより、一方の電源ラインに異常が生じても、自動運転システムへの電力供給を他方の電源ラインによって継続することができる。
［構成］
図１は、本発明の一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に示した車両用電源システム１は、第１のＤＣＤＣコンバータ（ＤＤＣ）２１、接続制御部５１、及び第１のバッテリ３１を備え、第１の負荷４１を接続した第１の電源系１００と、第２のＤＣＤＣコンバータ（ＤＤＣ）２２及び第２のバッテリ３２を備え、第２の負荷４２を接続した第２の電源系２００と、接続制御器２３及び第３のバッテリ３３を備え、第３の負荷４３を接続した第３の電源系３００と、高圧電池１０と、で構成されている。車両用電源システム１は、自動運転が可能なハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載される。
高圧電池１０は、充放電可能に構成された高電圧の電池であり、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池とすることができる。この高圧電池１０は、第１のＤＣＤＣコンバータ２１、第２のＤＣＤＣコンバータ２２、及び図示しない電動発電機（ＭＧ）などの車両を駆動させるために必要な所定の機器と接続されており、分配器や遮断器の役割を持つジャンクションボックス（Ｊ／Ｂ）を介して、第１のＤＣＤＣコンバータ２１、及び第２のＤＣＤＣコンバータ２２、及び所定の機器へ高電圧の電力を並列に供給することができる。
＜第１の電源系＞
第１の電源系１００は、例えば、ＯＥＭ(Original Equipment Manufacturing)事業者や、ＭａａＳ(Mobility-as-a-Service)事業者などから車両に提供される自動運転を実施するための自動運転システムを構成する機器などの負荷に対して、負荷動作用の電力を供給するための電源系統である。この自動運転システムを構成する機器は、出荷時に車両に予め導入されてもよいし、出荷後に車両に導入（後付けで実装）されてもよい。この第１の電源系１００は、後述する車載インフラ向けの第２の電源系２００及び第３の電源系３００と切り離して構築される。
第１のＤＣＤＣコンバータ２１は、高圧電池１０から供給される高電圧の電力を所定の低電圧の電力に変換して、第１のバッテリ３１、第１の負荷４１、及び接続制御部５１に出力（供給）することができる。所定の低電圧は、例えば、ＯＥＭ事業者やＭａａＳ事業者などから車両に提供される自動運転システムを構成する機器などを動作させるために必要な電圧とすることができる。
第１のバッテリ３１は、例えば鉛電池や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。この第１のバッテリ３１は、接続制御部５１を介して、第１のＤＣＤＣコンバータ２１から出力される電力を蓄えることができ、また第１の負荷４１に電力供給できるように構成されている。
第１の負荷４１は、ＯＥＭ事業者やＭａａＳ事業者などから提供される機器であり、一例として、自動運転システム４１１及びその他の機器４１２を含む機器とすることができる。自動運転システム４１１は、車両の自動運転を制御するための機器である。この自動運転システム４１１は、２つの電源ラインを有しており、少なくとも一方の電源ラインから電力供給を受けることで動作可能なように構成されている。その他の機器４１２は、自動運転システム４１１及び冷却器４１２以外の自動運転に関わる機器である。なお、このその他の機器４１２は、自動運転システム４１１による自動運転動作に必須な機器でなければ、省略することができる。なお、本実施形態では、第１のバッテリ３１及び第１のＤＣＤＣコンバータ２１が組み込まれた車両に、自動運転システム４１１、冷却器４１２、及びその他の機器４１３が自動運転システムを構成する機器として提供される一例を記載した。しかし、この第１のバッテリ３１及び第１のＤＣＤＣコンバータ２１の一方又は両方は、予め車両に組み込まれずに、例えば自動運転システムを構成する機器などと一緒に後から車両に提供されてもよい。
接続制御部５１は、第１のＤＣＤＣコンバータ２１と第１のバッテリ３１との間に挿入され、第１のＤＣＤＣコンバータ２１及び第１のバッテリ３１と自動運転システム４１１との接続状態を制御することができる。この接続制御部５１は、カップリングデバイス（ＣＤ）５１１、第１の整流素子５１２、及び第２の整流素子５１３を含む。
カップリングデバイス５１１は、第１のＤＣＤＣコンバータ２１と第１のバッテリ３１との接続状態を制御可能に、第１のＤＣＤＣコンバータ２１と第１のバッテリ３１との間に挿入されている。このカップリングデバイス５１１には、一例として、入力電圧を電圧変換（同圧、昇圧、降圧）して出力するＤＣＤＣコンバータや、導通又は遮断の状態に切り替える半導体リレーなど、を用いることができる。
第１の整流素子５１２は、一方向に電流を流すことが可能な能動素子であり、例えばダイオードである。この第１の整流素子５１２は、第１のＤＣＤＣコンバータ２１とカップリングデバイス５１１とを接続する電源ラインと自動運転システム４１１の電源ラインとの間に、第１のＤＣＤＣコンバータ２１から自動運転システム４１１に向かって整流するように設けられる。
第２の整流素子５１３は、一方向に電流を流すことが可能な能動素子であり、例えばダイオードである。この第２の整流素子５１３は、第１のバッテリ３１とカップリングデバイス５１１とを接続する電源ラインと自動運転システム４１１の電源ラインとの間に、第１のバッテリ３１から自動運転システム４１１に向かって整流するように設けられる。
＜第２の電源系＞
第２の電源系２００は、ＯＥＭ事業者やＭａａＳ事業者などから設計後に提供される機能以外の、設計当初の車両に搭載された各種機能を実現するために構築された車載インフラに接続された各負荷に対して、負荷動作用の電力を供給するための電源系統である。
第２のＤＣＤＣコンバータ２２は、高圧電池１０から供給される高電圧の電力を所定の低電圧の電力に変換して、接続制御器２３、第２のバッテリ３２、及び第２の負荷４２に出力（供給）することができる。所定の低電圧は、車載インフラの第２の負荷４２を動作させるために必要な電圧とすることができる。なお、この第２のＤＣＤＣコンバータ２２は、図示しないインバータや昇圧コンバータなどを含み、電動発電機（ＭＧ）による力行動作及び回生動作を制御するパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）の一部として構成されてもよい。
第２のバッテリ３２は、例えば鉛電池や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。この第２のバッテリ３２は、第２のＤＣＤＣコンバータ２２から出力される電力を蓄えることができ、また自らが蓄えている電力を第２の負荷４２や接続制御器２３に出力（供給）できるように構成されている。
第２の負荷４２は、一例として、ステアリング（ＥＰＳ）を制御するＥＣＵ４２２、ブレーキを制御するＥＣＵ４２３、及びインタフェースボックス（Ｉ/Ｆ＿ＢＯＸ）４２４、並びにこれら列挙したもの以外の車両に搭載される一般的な機器４２１を含む。インタフェースボックス４２４は、ＯＥＭ事業者やＭａａＳ事業者などから車両に提供された自動運転システム４１１と車両に搭載された各種システムとの間で情報を通信する情報通信部であり、ゲートウェイとしての役割を果たす。このインタフェースボックス４２４は、自動運転システム４１１と通信して、自動運転システム４１１で生成された車両の自動運転に関する運行計画である軌道データを取得及び記憶することができる。
＜第３の電源系＞
第３の電源系３００は、第２の電源系２００のバックアップを目的として冗長的に構成された電源系統である。この第３の電源系３００は、第２の電源系２００において電源失陥が生じた場合など、緊急時に車両を安全に退避行動させるために必要な負荷を継続して動作させることが可能なように構成されている。
接続制御器２３は、第２のＤＣＤＣコンバータ２２と第３の負荷４３との間に挿入され、第２のＤＣＤＣコンバータ２２と第３の負荷４３との接続状態を制御する。接続制御器２３は、例えば、導通又は遮断の状態に切り替える半導体リレーや、入力電圧を電圧変換（同圧、昇圧、降圧）して出力するＤＣＤＣコンバータで構成されてもよい。この接続制御器２３は、第２のＤＣＤＣコンバータ２２から出力される電力の一部を第３のバッテリ３３及び第３の負荷４３に出力（供給）することができる。
第３のバッテリ３３は、例えば鉛電池や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。この第３のバッテリ３３は、接続制御器２３から出力される電力を蓄えることができ、また第３の負荷４３に電力供給できるように構成されている。
第３の負荷４３は、一例として、ステアリング（ＥＰＳ）を制御するＥＣＵ４３１、ブレーキを制御するＥＣＵ４３２、及び上述したインタフェースボックス（Ｉ/Ｆ＿ＢＯＸ）４２４を含む。ステアリングＥＣＵ４３１は、ステアリングＥＣＵ４２２と同等の機能を冗長的に構成したものである。ブレーキＥＣＵ４３２は、ブレーキＥＣＵ４２３と同等の機能を冗長的に構成したものである。
なお、上述した本実施形態の構成例では、ステアリングＥＣＵ及びブレーキＥＣＵを、第２の電源系２００及び第３の電源系３００のそれぞれに独立して接続させた冗長構成としているが、単一の構成を第２の電源系２００及び第３の電源系３００のいずれからも電力供給が可能なように構成してもよい。また、インタフェースボックス４２４を、第２の電源系２００及び第３の電源系３００のいずれからも電力供給が可能な単一の構成としているが、第２の電源系２００及び第３の電源系３００のそれぞれに独立して２つ接続させた冗長構成としてもよい。
［構成による作用］
上述した第１の電源系１００、第２の電源系２００、及び第３の電源系３００で構成された車両用電源システム１で実現可能な作用の一例を説明する。
車両用電源システム１では、自動運転システム４１１を含む第１の電源系１００が、車載インフラの第２の電源系２００及び第３の電源系３００と切り離して構成されている。つまり、第１の電源系１００と、第２の電源系２００及び第３の電源系３００との間に、電圧変動を抑制できるＤＣＤＣコンバータ２１及び２２を介在させることで、上記電源系の切り離しを実施している。この構成により、車載インフラに接続された第２の負荷４２及び第３の負荷４３によって生じる電圧変動の影響、例えばステアリングやブレーキなどの消費電力が大きいアクチュエータ（モータなど）を持つ負荷によって生じる電圧変動の影響を、自動運転システム４１１が受けてしまうことを回避できる。よって、自動運転システム４１１が接続された第１の電源系１００が安定し、自動運転システム４１１が電圧変動が原因でリセットしてしまうこと（リセットリスク）を防止できるので、自動運転を最適に動作させることができる。
また、車両用電源システム１では、第１の電源系１００を電圧変動しにくくしているので、第１のバッテリ３１以外に電圧変動吸収用のバッテリを新たな追加することなく、第１のＤＣＤＣコンバータ２１と第１のバッテリ３１との間に接続制御部５１を挿入するだけで、自動運転システム４１１について第１の電源系１００を冗長的に構成することができる。
この接続制御部５１の作用によって、例えば第１のバッテリ３１側に地絡などの異常が生じた場合には、第１のバッテリ３１を第１のＤＣＤＣコンバータ２１から電気的に切り離して、第１のＤＣＤＣコンバータ２１の出力電力を第１の整流素子５１２を介して自動運転システム４１１に供給することができる。また、例えば第１のＤＣＤＣコンバータ２１側に出力低下などの異常が生じた場合には、第１のバッテリ３１を第１のＤＣＤＣコンバータ２１から電気的に切り離して、第１のバッテリ３１の蓄電電力を第２の整流素子５１３を介して自動運転システム４１１に供給することができる。このように、車両用電源システム１では、自動運転中において第１のＤＣＤＣコンバータ２１及び第１のバッテリ３１のいずれか一方に異常が生じても、第１の電源系１００において自動運転を継続することができる。
ここで、その他の機器４１２は、第１の電源系１００が失陥するような異常時における第１のバッテリ３１の不必要な電力消費を抑えるため、第１のＤＣＤＣコンバータ２１とカップリングデバイス５１１とを接続する電源ラインに接続することが好ましい。また、例えば自動運転システム４１１の動作時に発熱する電子制御装置（図示せず）などを冷却するファンは、消費電力が大きいアクチュエータに該当する。このため、その他の機器４１２と同様に第１のＤＣＤＣコンバータ２１とカップリングデバイス５１１とを接続する電源ラインに接続する場合には、第１の電源系１００の電圧変動を抑えるため、第１のＤＣＤＣコンバータ２１として電圧変動に対する応答性が速い高コストかつ高性能の部品が必要となる。従って、車両用電源システム１の低コスト化の観点から、自動運転システム４１１の冷却ファンは、第１の電源系１００以外の電源系、例えば第２の電源系２００に接続されることが望ましい。
なお、カップリングデバイス５１１は、第１のＤＣＤＣコンバータ２１と第１のバッテリ３１との切り離しを、第１の電源系１００の失陥状態を自ら判断して行ってもよいし、第１の電源系１００の失陥状態を判断できる制御ＥＣＵなど（図示せず）の指示に従って行ってもよい。
また、車両用電源システム１では、インタフェースボックス４２４に自動運転システム４１１による自動運転計画である軌道データが記憶されている。これにより、例えば自動運転での走行時に第１の電源系１００に電源失陥が生じた場合（第１のＤＣＤＣコンバータ２１も第１のバッテリ３１も異常である場合）には、自動運転システム４１１が停止やリセットしてしまうが、インタフェースボックス４２４に記憶された軌道データに従って、ステアリングＥＣＵ４２２及びブレーキＥＣＵ４２３を最適に制御して、路肩に停止などの安全な状態になるまで車両を操作することができる。
これに加えて、さらに第２の電源系２００の第２のバッテリ３２に電源失陥が生じた場合でも、ステアリングＥＣＵ４２２及びブレーキＥＣＵ４２３は機能停止してしまうが、第３の電源系３００の第３のバッテリ３３によってステアリングＥＣＵ４３１及びブレーキＥＣＵ４３２の動作を継続することができる。これにより、インタフェースボックス４２４に記憶された軌道データに従って、ステアリングＥＣＵ４３１及びブレーキＥＣＵ４３２を最適に制御して、路肩に停止などの安全な状態になるまで車両を操作することができる。
［本実施形態における作用・効果］
以上のように、本実施形態に係る車両用電源システム１によれば、自動運転システム４１１が接続された第１の電源系１００を車載インフラの第２の電源系２００及び第３の電源系３００と切り離している。これにより、車載インフラの第２の負荷４２及び第３の負荷４３によって生じる電圧変動を、自動運転システム４１１が接続された第１の電源系１００が受けることがない。従って、フェールセーフに対応しつつ自動運転システム４１１の電源系を安定させることができ、自動運転を最適に動作させることができる。
また、本実施形態に係る車両用電源システム１によれば、自動運転システム４１１の電源系を車載インフラの電源系と切り離すことで、車載インフラの負荷群によって生じる電圧変動による第１の負荷４１のリセットリスクを低減している。これにより、新たなバッテリを追加することなく、カップリングデバイス５１１、第１の整流素子５１２、及び第２の整流素子５１３による簡単な回路で第１の電源系１００を冗長的に構成することができる。従って、自動運転を実行中であれば、第１のＤＣＤＣコンバータ２１及び第１のバッテリ３１の一方に異常が生じても、第１の電源系１００において自動運転を継続することができる。
本発明の車両用電源システムは、車両メーカー以外の所定の事業者から提供される自動運転システムが実装された車両などに利用可能である。
１ 車両用電源システム
１０ 高圧電池
２１、２２ ＤＣＤＣコンバータ（ＤＤＣ）
２３ 接続制御器
３１〜３３ バッテリ
４１〜４３ 負荷
５１ 接続制御部
１００、２００、３００ 電源系
４１１ 自動運転システム
５１１ カップリングデバイス（ＣＤ）
５１２、５１３ 整流素子

Claims (4)

  1. 高圧電池と、当該高圧電池から電力が供給される第１、第２、及び第３の電源系とを備える車両用電源システムであって、
    前記第１の電源系は、
    自動運転システムを少なくとも含む第１の負荷を接続し、
    前記高圧電池から供給される電力を電圧変換して出力する第１のＤＣＤＣコンバータと、
    前記第１のＤＣＤＣコンバータの出力電力で充電可能な第１のバッテリと、
    前記第１のＤＣＤＣコンバータと前記第１のバッテリとの間に挿入され、前記第１のＤＣＤＣコンバータ及び前記第１のバッテリと前記自動運転システムとの接続状態を制御する接続制御部と、を備え、
    前記第２の電源系は、
    ステアリングＥＣＵ、ブレーキＥＣＵ、及び前記自動運転システムとの間で制御情報を送受信する情報通信部を少なくとも含む第２の負荷を接続し、
    前記高圧電池から供給される電力を電圧変換して出力する第２のＤＣＤＣコンバータと、
    前記第２のＤＣＤＣコンバータの出力電力で充電可能な第２のバッテリと、を備え、
    前記第２のＤＣＤＣコンバータの出力電力及び前記第２のバッテリの電力を前記第２の負荷に供給し、
    前記第３の電源系は、
    ステアリングＥＣＵ、ブレーキＥＣＵ、及び前記情報通信部を少なくとも含む第３の負荷を接続し、
    前記第２のＤＣＤＣコンバータと前記第３の負荷との接続状態を制御する接続制御器と、
    前記接続制御器を介して出力される電力で充電可能な第３のバッテリと、を備え、
    前記接続制御器を介して出力される電力及び前記第３のバッテリの電力を前記第３の負荷に供給する、
    車両用電源システム。
  2. 前記接続制御部は、
    前記第１のＤＣＤＣコンバータと前記第１のバッテリとの接続状態を制御可能なカップリングデバイスと、
    前記第１のＤＣＤＣコンバータと前記カップリングデバイスとを接続する電源ラインと前記自動運転システムの電源ラインとの間に設けられ、前記第１のＤＣＤＣコンバータから前記自動運転システムに向かって整流する第１の整流素子と、
    前記第１のバッテリと前記カップリングデバイスとを接続する電源ラインと前記自動運転システムの電源ラインとの間に設けられ、前記第１のバッテリから前記自動運転システムに向かって整流する第２の整流素子と、を備える、
    請求項１に記載の車両用電源システム。
  3. 前記カップリングデバイスは、前記第１のＤＣＤＣコンバータ及び前記第１のバッテリのいずれかで異常が生じた場合、前記第１のバッテリを前記第１のＤＣＤＣコンバータから電気的に切り離す、
    請求項２に記載の車両用電源システム。
  4. 前記接続制御器は、入力される電力を電圧変換して出力する第３のＤＣＤＣコンバータ或いは導通又は遮断の状態に切り替える半導体リレーである、
    請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
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