JP2020068541A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣ／ＤＣコンバータが故障しても、低電圧電池に接続されている負荷に、低電圧電池の残量以上の電力を供給しうる電源システムを提供する。【解決手段】車両で用いられる電源システム１００は、電源システム１００の出力部７０を介して負荷９０に電力を供給する第１電池１０と、直列に接続された複数の電池セル２１を含み、第１電池１０よりも高い電圧を出力する第２電池２０と、第２電池２０の出力電圧を変圧して第１電池１０に供給可能なＤＣ／ＤＣコンバータ３０と、複数の電池セル２１のいずれか２つの電池セルの間の第１ノードＮ１と出力部７０とを接続する第１ダイオード４０と、を備える。第１ダイオード４０のアノードは、第１ノードＮ１に接続される。第１ダイオード４０のカソードは、出力部７０に接続される。第１ノードＮ１の電位は、第１電池１０の通常時の出力電圧より低く、且つ、負荷９０を駆動可能な電位である。【選択図】図１

Description

本発明は、電源システムに関する。

従来、車両用の電源システムとして、高電圧電池と、低電圧電池と、ＤＣ／ＤＣコンバータとを備える電源システムが知られている。このような電源システムにおいては、高電圧電池からの出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータで降圧して低電圧電池に供給して、低電圧電池を充電しうる。

通常、低電圧電池には制御回路などのような車両の走行に不可欠な重要な負荷が接続されていることが多い。そのため、ＤＣ／ＤＣコンバータが故障して低電圧電池を充電することができなくなった場合の対策が求められている。

例えば特許文献１には、ＤＣ／ＤＣコンバータの故障を検知した場合に、車両の走行に不可欠ではない負荷への低電圧電池からの電力供給を遮断する発明が開示されている。

特開２０１２−６５４８８号公報

特許文献１に記載の構成は、車両の走行に不可欠ではない負荷を遮断した分だけ、低電圧電池から負荷へ供給する電力を低減できるため、低電圧電池から負荷へ電力を供給可能な時間を延ばすことができる。しかしながら、低電圧電池の残量分しか、低電圧電池に接続されている負荷に電力を供給することができない。

かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、ＤＣ／ＤＣコンバータが故障しても、低電圧電池に接続されている負荷に、低電圧電池の残量以上の電力を供給しうる電源システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、第１の観点に係る電源システムは、
車両で用いられる電源システムであって、
前記電源システムの出力部を介して負荷に電力を供給する第１電池と、
直列に接続された複数の電池セルを含み、前記第１電池よりも高い電圧を出力する第２電池と、
前記第２電池の出力電圧を変圧して前記第１電池に供給可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記複数の電池セルのいずれか２つの電池セルの間の第１ノードと、前記出力部とを接続する第１ダイオードと、を備え、
前記第１ダイオードのアノードは、前記第１ノードに接続され、
前記第１ダイオードのカソードは、前記出力部に接続され、
前記第１ノードの電位は、前記第１電池の通常時の出力電圧より低く、且つ、前記負荷を駆動可能な電位である。

第１の観点に係る電源システムによれば、ＤＣ／ＤＣコンバータが故障しても、低電圧電池に接続されている負荷に、低電圧電池の残量以上の電力を供給しうる。

第１実施形態に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。 図１の電源システムにおいて第１ダイオードに電流が流れる様子を示す図である。 第２実施形態に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。 図３の電源システムにおいて第２ダイオードに電流が流れる様子を示す図である。 第２実施形態の変形例に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る電源システム１００の構成例を示すブロック図である。電源システム１００は、車両で用いられる電源システムである。電源システム１００は、ガソリンエンジン若しくはディーゼルエンジン等の内燃機関を備えた車両、又は内燃機関と電動機との双方の動力で走行可能なハイブリッド車両等の車両に搭載されてよい。

電源システム１００は、第１電池１０と、第２電池２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と、第１ダイオード４０と、出力ダイオード６０とを備える。

第１電池１０は、二次電池であってよい。第１電池１０は、例えば、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池等であるが、これらに限られない。第１電池１０は、例えば、鉛蓄電池などの他の二次電池であってよい。

第１電池１０は、第２電池２０よりも出力電圧が低い電池である。第１電池１０は、出力ダイオード６０及び出力部７０を介して、負荷９０に電力を供給する。負荷９０は、電源システム１００が搭載されている車両に搭載されている電気機器である。負荷９０は、例えば、電源システム１００が搭載されている車両を動作させるために不可欠な制御機器などでありうる。

第２電池２０は、直列に接続された複数の電池セル２１−１〜２１−Ｎを含む。図１に示す例では、電池セル２１−１の負極がグラウンドに接続され、電池セル２１−２の負極が電池セル２１−１の正極に接続され、この順番で、電池セル２１−Ｎまで接続されている。以後、電池セル２１−１〜２１−Ｎについて、特に区別する必要がない場合は、単に、電池セル２１と称する場合がある。電池セル２１の個数Ｎは、適宜選択された任意の個数であってよい。

第２電池２０は、第１電池１０よりも高い電圧を出力する。例えば、第２電池２０の公称電圧が４８Ｖであり、第１電池１０の公称電圧が１２Ｖであってよい。第２電池２０は、例えば、３．７Ｖの電池セル２１が１３個直列に接続された構成を含んでよい。以後、具体的な電圧値を用いて説明する際に、これらの電圧値を用いて説明する場合があるが、これらの電圧値は一例であり、これらの電圧値に限定されるものではない。

第２電池２０は、電源システム１００が搭載された車両の減速時などに、回生によって充電されうる。第２電池２０は、商用の交流電源によって充電可能であってよい。

電池セル２１は、二次電池であってよい。電池セル２１は、例えば、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池等であるが、これらに限られず、他の二次電池であってよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、第２電池２０の出力電圧を変圧して第１電池１０に供給可能である。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、例えば、第２電池２０の出力電圧を降圧して第１電池１０に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、双方向のＤＣ／ＤＣコンバータであってもよい。双方向のＤＣ／ＤＣコンバータである場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、第１電池１０の出力電圧を変圧して第２電池２０に供給しうる。

第１ダイオード４０は、直列に接続された電池セル２１−１〜２１−Ｎのいずれか２つの電池セル２１の間のノードと、出力部７０とを接続する。図１に示す例においては、第１ダイオード４０は、電池セル２１−３と電池セル２１−４の間のノードである第１ノードＮ１と、出力部７０とを接続する。

第１ダイオード４０のアノードは、第１ノードＮ１に接続されている。第１ダイオード４０のカソードは、出力部７０に接続されている。

第１ノードＮ１の電位は、第１電池１０の通常時の出力電圧より低い。例えば、電池セル２１の電圧が３．７Ｖである場合、第１ノードＮ１の電位は、３．７Ｖ×３＝１１．１Ｖである。これは、第１電池１０の通常時の出力電圧である１２Ｖより低い。従って、通常時においては、第１ダイオード４０に電流は流れない。

第１ノードＮ１の電位は、負荷９０を起動可能な電位である。上述のように、第１ノードＮ１の電位は、例えば１１．１Ｖである。この電位は、第１電池１０の通常時の出力電圧である１２Ｖよりは低いが、負荷９０を起動可能な電位である。

出力ダイオード６０は、第１電池１０の正極と、出力部７０とを接続する。出力ダイオード６０のアノードは、第１電池１０の正極に接続されている。出力ダイオード６０のカソードは、出力部７０に接続されている。

図２を参照して、電源システム１００において故障が発生した場合における電源システム１００の動作の一例について説明する。電源システム１００においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側が短絡する故障、又は、第１電池１０自身が短絡する故障などが起こりうる。これらの故障が発生した場合、いずれの場合も、第１電池１０の正極側の電圧が０Ｖに低下しうる。

図２は、第１電池１０の正極側の電圧が０Ｖに低下する故障が発生した場合における電流の流れを矢印で示した図である。

第１電池１０の正極側の電圧が０Ｖに低下していくと、出力ダイオード６０のアノードの電圧がカソードの電圧より低くなり、出力ダイオード６０には電流が流れなくなる。

出力ダイオード６０に電流が流れなくなることにより、出力部７０の電圧が低下していくと、出力部７０の電圧が第１ノードＮ１の電位より低くなったところで、第１ダイオード４０のアノードの電圧がカソードの電圧より高くなるため、第１ダイオード４０に電流が流れる。これにより、電池セル２１−１〜２１−３は、第１ダイオード４０及び出力部７０を介して、負荷９０に電力を供給しうる。

このように、第１電池１０の正極側の電圧が０Ｖに低下する故障が発生しても、負荷９０を起動可能な電位を有する第１ノードＮ１から負荷９０に電力を供給可能であるため、電源システム１００は、第２電池２０から負荷９０に電力を供給しうる。

比較例として、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側が短絡する故障に対応するために、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０と第１電池１０とを遮断可能なスイッチを設けることが考えられる。このようなスイッチを設けると、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側が短絡する故障を検出した際にスイッチを遮断することで、第１電池１０から負荷９０への電力供給を継続することができる。しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側が短絡する故障を検出してからスイッチを遮断するまでに応答の遅れがあるため、その間は第１電池１０から負荷９０へ電力を供給することができない。すなわち、第１電池１０から負荷９０へ電力を供給できない時間が発生してしまう。これに対し、本実施形態に係る電源システム１００によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側が短絡する故障などによって出力部７０の電圧が低下すると、第１ダイオード４０を介して即時に負荷９０に電力が供給される。従って、本実施形態に係る電源システム１００によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側が短絡する故障が起こっても、途切れなく負荷９０に電力を供給しうる。

本実施形態に係る電源システム１００によれば、電源システム１００は、第１ノードＮ１と出力部７０とを接続する第１ダイオード４０を備える。第１ダイオード４０のアノードは第１ノードＮ１に接続され、第１ダイオード４０のカソードは出力部７０に接続されている。第１ノードＮ１の電位は、第１電池１０の通常時の出力電圧より低く、且つ、負荷９０を駆動可能な電位である。これにより、本実施形態に係る電源システム１００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が故障しても、低電圧を出力する第１電池１０に接続されている負荷９０に対して、高電圧を出力する第２電池２０を用いて、第１電池１０の残量以上の電力を供給しうる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態に係る電源システム２００の構成例を示すブロック図である。第２実施形態に係る電源システム２００については、第１実施形態に係る電源システム１００と共通又は類似する内容については適宜説明を省略し、電源システム１００と相違する点について主に説明する。

第２実施形態に係る電源システム２００は、第２ダイオード５０を備える点で、第１実施形態に係る電源システム１００と相違する。

第２ダイオード５０は、直列に接続された電池セル２１−１〜２１−Ｎのいずれか２つの電池セル２１の間のノードと、出力部７０とを接続する。図３に示す例においては、第２ダイオード５０は、電池セル２１−４と電池セル２１−５の間のノードである第２ノードＮ２と、出力部７０とを接続する。

第２ダイオード５０のアノードは、出力部７０に接続されている。第２ダイオード５０のカソードは、第２ノードＮ２に接続されている。

第２ノードＮ２の電位は、第１電池１０の通常時の出力電圧より高い。例えば、電池セル２１の電圧が３．７Ｖである場合、第２ノードＮ２の電位は、３．７Ｖ×４＝１４．８Ｖである。これは、第１電池１０の通常時の出力電圧である１２Ｖより高い。従って、通常時においては、第２ダイオード５０に電流は流れない。

図２を参照して説明した故障とは異なる故障が発生した場合における電源システム２００の動作の一例について、図４を参照して説明する。電源システム２００においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が暴走して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側の電圧が高くなる故障が起こりうる。この故障が発生した場合、第１電池１０の正極側の電圧が所定電圧以上に上昇すると、第１電池１０が過充電され、第１電池１０が故障しうる。また、負荷９０に過大な電圧が印加され、負荷９０が故障しうる。

図４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が暴走して、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側の電圧が高くなる故障が発生した場合における電流の流れを矢印で示した図である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側の電圧が上昇していくと、それに伴い、出力部７０の電圧も上昇していく。出力部７０の電圧が第2ノードＮ2の電位より高くなったところで、第２ダイオード５０のアノードの電圧がカソードの電圧より高くなるため、第２ダイオード５０に電流が流れる。このように、電源システム２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が暴走しても、第２ダイオード５０を介して電池セル２１−１〜２１−４に電流を流し込むことで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側の電圧、及び出力部７０の電圧の上昇を抑えることができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が暴走した場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側の電圧の上昇が抑えられることで、電源システム２００は、第１電池１０の故障を抑制しうる。ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が暴走した場合に、出力部７０の電圧の上昇が抑えられることで、電源システム２００は、負荷９０の故障を抑制しうる。

このように、電源システム２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が暴走した場合に、負荷９０の故障を抑制しうるため、車両を運転しているユーザは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が暴走しても、負荷９０が正常に動作している間に、車両を道端に停車するなどの安全措置をとりうる。

本実施形態に係る電源システム２００によれば、電源システム２００は、第２ノードＮ２と出力部７０とを接続する第２ダイオード５０を備える。第２ダイオード５０のアノードは出力部７０に接続され、第２ダイオード５０のカソードは第２ノードＮ２に接続されている。第２ノードＮ２の電位は、第１電池１０の通常時の出力電圧より高い。これにより、本実施形態に係る電源システム２００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０が暴走した場合に、出力部７０の電圧が上昇することを抑制することができる。

（第２実施形態の変形例）
図５は、第２実施形態の変形例に係る電源システム２００ａの構成例を示すブロック図である。

第２実施形態の変形例に係る電源システム２００ａは、アクティブバランス回路８０を備える点で、第２実施形態に係る電源システム２００と相違する。

アクティブバランス回路８０は、電池セル２１−１〜２１−Ｎの充電率を揃える。アクティブバランス回路８０は、充電率の大きい電池セル２１から充電率の小さい電池セル２１に電流を流して充電率の小さい電池セル２１を充電することで、複数の電池セル２１の充電率を揃える。

例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の第１電池１０側が短絡する故障、第１電池１０自身が短絡する故障、又は、負荷９０の急激な負荷増加による出力部７０の電圧低下などが起こった場合、図２に示した矢印の経路で電流が流れうる。この場合、電池セル２１−１〜２１−３の充電率が低下するが、電源システム２００ａは、アクティブバランス回路８０が電池セル２１−４〜２１−Ｎから電池セル２１−１〜２１−３に電流を流すことで、電池セル２１−１〜２１−Ｎの充電率を揃えうる。

第２実施形態に係る電源システム２００がアクティブバランス回路８０をさらに備える場合を、第２実施形態の変形例に係る電源システム２００ａとして説明したが、第１実施形態に係る電源システム１００がアクティブバランス回路８０をさらに備えていてもよい。

本開示に係る一実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形又は修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各手段に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段等を１つに組み合わせたり、あるいは分割したりすることが可能である。

１００、２００、２００ａ 電源システム
１０ 第１電池
２０ 第２電池
２１ 電池セル
３０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４０ 第１ダイオード
５０ 第２ダイオード
６０ 出力ダイオード
７０ 出力部
８０ アクティブバランス回路
９０ 負荷
Ｎ１ 第１ノード
Ｎ２ 第２ノード

Claims (5)

1. 車両で用いられる電源システムであって、
   前記電源システムの出力部を介して負荷に電力を供給する第１電池と、
   直列に接続された複数の電池セルを含み、前記第１電池よりも高い電圧を出力する第２電池と、
   前記第２電池の出力電圧を変圧して前記第１電池に供給可能なＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記複数の電池セルのいずれか２つの電池セルの間の第１ノードと、前記出力部とを接続する第１ダイオードと、を備え、
   前記第１ダイオードのアノードは、前記第１ノードに接続され、
   前記第１ダイオードのカソードは、前記出力部に接続され、
   前記第１ノードの電位は、前記第１電池の通常時の出力電圧より低く、且つ、前記負荷を駆動可能な電位である、電源システム。
2. 請求項１に記載に電源システムにおいて、
   前記複数の電池セルのいずれか２つの電池セルの間のノードであって前記第１ノードとは異なる第２ノードと、前記出力部とを接続する第２ダイオードをさらに備え、
   前記第２ダイオードのアノードは、前記出力部に接続され、
   前記第２ダイオードのカソードは、前記第２ノードに接続され、
   前記第２ノードの電位は、前記第１電池の通常時の出力電圧より高い、電源システム。
3. 請求項２に記載に電源システムにおいて、
   前記第１ノードと前記第２ノードの間に１つの前記電池セルが接続されている、電源システム。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載に電源システムにおいて、
   前記第１電池の正極と、前記出力部とを接続する出力ダイオードを更に備え、
   前記出力ダイオードのアノードは、前記第１電池の前記正極に接続され、
   前記出力ダイオードのカソードは、前記出力部に接続されている、電源システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載に電源システムにおいて、
   前記複数の電池セルの充電率を揃えるアクティブバランス回路をさらに備える、
   電源システム。