JP2020092551A - 車両の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】起動時に突入電流が発生することを抑制可能な車両の電源装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る車両の電源装置は、起動時に時間経過と共にデューティを長くしながら第３スイッチ素子をオン／オフし、第１バッテリの出力電流が第１所定値以上になった場合、第１バッテリの電圧は第２バッテリの電圧以上であると判定し、第１バッテリの出力電流が第１所定値未満であり、且つ、第３スイッチ素子のデューティが第２所定値以上になった場合、第１バッテリの電圧は第２バッテリの電圧未満であると判定する。【選択図】図２

Description

本発明は、２つのバッテリの接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で切り換え可能な車両の電源装置に関する。

特許文献１には、スイッチ素子を制御することによって直列接続状態と並列接続状態との間で接続状態を切り換え可能な２つのバッテリと、２つのバッテリのうちの一方のバッテリに直列に接続されたリアクトル素子と、を備える電源装置が記載されている。

特開２０１４−０６４４１６号公報

特許文献１に記載の電源装置では、起動時に２つのバッテリの電圧の大小関係を正確に検知する手法が検討されていない。このため、特許文献１に記載の電源装置によれば、起動時に２つのバッテリの電圧の大小関係を間違えてスイッチ素子を制御することによって突入電流が発生する可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、起動時に突入電流が発生することを抑制可能な車両の電源装置を提供することにある。

本発明に係る車両の電源装置は、正線と第１ノードとの間に接続された第１スイッチ素子と、第１ノードと第２ノードとの間に接続された第２スイッチ素子と、第２ノードと負線との間に接続された第３スイッチ素子と、前記第１ノード及び前記負線にそれぞれ正極及び負極が接続された第１バッテリと、前記正線と第３ノードとの間に接続されたリアクトル素子と、前記第３ノード及び前記第２ノードにそれぞれ正極及び負極が接続された第２バッテリと、を備え、前記第１スイッチ素子、前記第２スイッチ素子、及び前記第３スイッチ素子のオン／オフ状態を切り換えることにより、前記第１バッテリと前記第２バッテリとの接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で切り換え可能な車両の電源装置であって、起動時に時間経過と共にデューティを長くしながら前記第３スイッチ素子をオン／オフし、前記第１バッテリの出力電流が第１所定値以上になった場合、前記第１バッテリの電圧は前記第２バッテリの電圧以上であると判定し、前記第１バッテリの出力電流が前記第１所定値未満であり、且つ、前記第３スイッチ素子のデューティが第２所定値以上になった場合、前記第１バッテリの電圧は前記第２バッテリの電圧未満であると判定する手段を備えることを特徴とする。

なお、前記第１バッテリの電圧が前記第２バッテリの電圧以上であると判定された場合、前記第１スイッチ素子をオンし、前記第１バッテリの電圧が前記第２バッテリの電圧未満であると判定された場合には、前記第３スイッチ素子をオンする手段を備えるとよい。これにより、起動時に突入電流が発生することを抑制できる。

本発明に係る車両の電源装置によれば、起動時の２つのバッテリの電圧の大小関係を正確に検知できるので、起動時に突入電流が発生することを抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態である車両の電源装置が適用される車両の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す電源装置の構成を示す回路図である。 図３は、第１バッテリの電圧が第２バッテリの電圧以上である場合における突入電流を説明するための図である。 図４は、第１バッテリの電圧が第２バッテリの電圧未満である場合における突入電流を説明するための図である。 図５は、第１バッテリの電圧が第２バッテリの電圧以上である場合におけるＳ３ゲート信号、デューティ、及び第１バッテリの出力電流の時間変化を示す図である。 図６は、第１バッテリの電圧が第２バッテリの電圧未満である場合におけるＳ３ゲート信号、デューティ、及び第１バッテリの出力電流の時間変化を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である車両の電源装置の構成について説明する。

〔車両の構成〕
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態である車両の電源装置が適用される車両の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である車両の電源装置が適用される車両の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である車両の電源装置が適用される車両１は、ＨＶ（Hybrid Vehicle），ＥＶ（Electric Vehicle），ＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle），ＦＣＥＶ（Fuel Cell Electric Vehicle）等の車両によって構成され、電源装置２、インバータ３、及び駆動用モータ４を備えている。

電源装置２は、正線ＰＬ及び負線ＮＬを介してインバータ３に接続され、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）等の制御装置からの制御信号に従ってインバータ３との間で電力を充放電する機能を有している。

インバータ３は、配線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を介して駆動用モータ４に接続され、直流電力と交流電力とを相互に変換する機能を有している。本実施形態では、インバータ３は、電源装置２から供給された直流電力を交流電力に変換して駆動用モータ４に供給すると共に、駆動用モータ４が発電した交流電力を直流電力に変換して電源装置２に供給する。なお、インバータ３は複数設けてもよい。

駆動用モータ４は、同期発電電動機により構成されている。駆動用モータ４は、インバータ３から供給された交流電力によって駆動されることにより車両駆動用の電動機として機能すると共に、車両の駆動力を利用して交流電力を発電する発電機として機能する。

〔電源装置の構成〕
次に、図２を参照して、電源装置２の構成について説明する。

図２は、図１に示す電源装置２の構成を示す回路図である。図２に示すように、電源装置２は、正線ＰＬと第１ノードＮ１との間に接続された第１スイッチ素子Ｓ１と、第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間に接続された第２スイッチ素子Ｓ２と、第２ノードＮ２と負線ＮＬとの間に接続された第３スイッチ素子Ｓ３と、第１ノードＮ１及び負線ＮＬにそれぞれ正極及び負極が接続された第１バッテリＢ１と、正線ＰＬと第３ノードＮ３との間に接続されたリアクトル素子Ｒと、第３ノードＮ３及び第２ノードＮ２にそれぞれ正極及び負極が接続された第２バッテリＢ２と、正線ＰＬと負線ＮＬとの間に接続された平滑コンデンサＣＨと、を備えている。また、電源装置２は、その制御系として、第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１を検出する電流センサ２１と、電源装置２の動作を制御する制御部２２と、を備えている。

なお、第１スイッチ素子Ｓ１、第２スイッチ素子Ｓ２、及び第３スイッチ素子Ｓ３は、半導体スイッチング素子によって構成されている。半導体スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。ＩＧＢＴのコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子に接続される側をアノードとしてダイオード（整流素子）が接続されている。半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ以外のものを用いる場合、スイッチ素子が導通したときに流れる電流とは逆向きの電流が流れるように半導体スイッチング素子にダイオードを並列に接続する。ダイオードは、半導体スイッチング素子に伴う寄生ダイオードであってもよい。本明細書では、半導体スイッチング素子とダイオードとを併せたものをスイッチ素子という。

この電源装置２では、制御部２２が、第１スイッチ素子Ｓ１、第２スイッチ素子Ｓ２、及び第３スイッチ素子Ｓ３のオン／オフ状態を制御することにより、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態、並列接続状態、第１バッテリＢ１の単独駆動状態、及び第２バッテリＢ２の単独駆動状態の間で切り換えることができる。具体的には、制御部２２が、第１スイッチ素子Ｓ１及び第３スイッチ素子Ｓ３をオフ状態、第２スイッチ素子Ｓ２をオン状態に制御することにより、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２とは直列に接続される。また、制御部２２が、第１スイッチ素子Ｓ１及び第３スイッチ素子Ｓ３をオン状態、第２スイッチ素子Ｓ２をオフ状態に制御することにより、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２とは並列に接続される。また、制御部２２が、第１スイッチ素子Ｓ１をオン状態、第２スイッチ素子Ｓ２及び第３スイッチ素子Ｓ３をオフ状態に制御することにより、第１バッテリＢ１からのみ電力が供給される。また、制御部２２が、第１スイッチ素子Ｓ１及び第２スイッチ素子Ｓ２をオフ状態、第３スイッチ素子Ｓ３をオン状態に制御することにより、第２バッテリＢ２からのみ電力が供給される。なお、この際、平滑コンデンサＣＨは、インバータ３との間を流れる電力を平滑化する。

ところで、このような構成を有する電源装置２では、図３（ａ）に示すように、起動前の第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２以上である場合、図３（ｂ），（ｃ）に示すように第２スイッチ素子Ｓ２や第３スイッチ素子Ｓ３がオンになったときに図中矢印で示す突入電流が発生する。同様に、図４（ａ）に示すように、起動前の第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２未満である場合には、図４（ａ），（ｂ）に示すように第１スイッチ素子Ｓ１や第２スイッチ素子Ｓ２がオンになったときに図中矢印で示す突入電流が発生する。

そこで、本発明の一実施形態である車両の電源装置では、制御部２２が以下に示す電圧判別処理を実行することにより起動時に突入電流が発生することを抑制する。以下、図５及び図６を参照して、電圧判別処理を実行する際の制御部２２の動作について説明する。

〔電圧判別処理〕
図５は、第１バッテリＢ１の電圧が第２バッテリＢ２の電圧以上である場合における第３スイッチ素子Ｓ３のオン信号（Ｓ３ゲート信号）、第３スイッチ素子Ｓ３のデューティ、及び第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１の時間変化を示す図である。図６は、第３スイッチ素子Ｓ３のオン信号（Ｓ３ゲート信号）、第３スイッチ素子Ｓ３のデューティ、及び第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１の時間変化を示す図である。

この電圧判別処理では、図５（ａ），（ｂ）及び図６（ａ），（ｂ）に示すように、制御部２２が、起動時に第３スイッチ素子Ｓ３をオン／オフし、第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１を見ながら時間経過と共に第３スイッチ素子Ｓ３のデューティ（オン時間）を徐々に長くしていく。このとき、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２以上である場合、図５（ｃ）に示すように第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１は徐々に増加して判定値（第１所定値）以上になる。そこで、制御部２２は、電流センサ２１を利用して第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１を検出し、第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１が判定値以上になった場合、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１は第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２以上であると判定する。

一方、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２未満である場合には、図６（ｃ）に示すように第３スイッチ素子Ｓ３のデューティが判定値（第２所定値）以上になっても第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１は判定値未満になる。そこで、制御部２２は、電流センサ２１を利用して第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１を検出し、第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１が判定値未満であり、且つ、第３スイッチ素子Ｓ３のデューティが判定値以上になった場合、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１は第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２未満であると判定する。このような構成によれば、起動時の第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２の電圧の大小関係を正確に検知できるので、起動時に突入電流が発生することを抑制できる。

なお、制御部２２は、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２以上であると判定された場合、第１スイッチ素子Ｓ１をオンし、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２未満であると判定された場合には、第３スイッチ素子Ｓ３をオンすることが望ましい。これにより、図３（ｂ）及び図４（ｄ）に示すように起動時に突入電流が発生することを抑制できる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 車両
２ 電源装置
３ インバータ
４ 駆動用モータ
２１ 電流センサ
２２ 制御部
Ｂ１ 第１バッテリ
Ｂ２ 第２バッテリ
ＣＨ 平滑コンデンサ
Ｎ１ 第１ノード
Ｎ２ 第２ノード
Ｎ３ 第３ノード
ＮＬ 負線
ＰＬ 正線
Ｒ リアクトル素子
Ｓ１ 第１スイッチ素子
Ｓ２ 第２スイッチ素子
Ｓ３ 第３スイッチ素子

Claims (2)

1. 正線と第１ノードとの間に接続された第１スイッチ素子と、第１ノードと第２ノードとの間に接続された第２スイッチ素子と、第２ノードと負線との間に接続された第３スイッチ素子と、前記第１ノード及び前記負線にそれぞれ正極及び負極が接続された第１バッテリと、前記正線と第３ノードとの間に接続されたリアクトル素子と、前記第３ノード及び前記第２ノードにそれぞれ正極及び負極が接続された第２バッテリと、を備え、前記第１スイッチ素子、前記第２スイッチ素子、及び前記第３スイッチ素子のオン／オフ状態を切り換えることにより、前記第１バッテリと前記第２バッテリとの接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で切り換え可能な車両の電源装置であって、
   起動時に時間経過と共にデューティを長くしながら前記第３スイッチ素子をオン／オフし、前記第１バッテリの出力電流が第１所定値以上になった場合、前記第１バッテリの電圧は前記第２バッテリの電圧以上であると判定し、前記第１バッテリの出力電流が前記第１所定値未満であり、且つ、前記第３スイッチ素子のデューティが第２所定値以上になった場合、前記第１バッテリの電圧は前記第２バッテリの電圧未満であると判定する手段を備えることを特徴とする車両の電源装置。
2. 前記第１バッテリの電圧が前記第２バッテリの電圧以上であると判定された場合、前記第１スイッチ素子をオンし、前記第１バッテリの電圧が前記第２バッテリの電圧未満であると判定された場合には、前記第３スイッチ素子をオンする手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の車両の電源装置。

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