JP2020103007A

JP2020103007A - Vehicle power supply device

Info

Publication number: JP2020103007A
Application number: JP2018241380A
Authority: JP
Inventors: 俊也小林; Toshiya Kobayashi; 嘉崇新見; Yoshitaka Niimi; 高松　直義; Naoyoshi Takamatsu; 直義高松; 伊藤　悟; Satoru Ito; 悟伊藤; 拓弥坂本; Takuya Sakamoto; 弘嗣大畠; Hiroshi Ohata; 成晶後藤; Shigeaki Goto; 修二戸村; Shuji Tomura; 直樹柳沢; Naoki Yanagisawa
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2020-07-02

Abstract

To provide a vehicle power supply device capable of suppressing generation of an inrush current at a time of startup.SOLUTION: The vehicle power supply device includes means for changing a switch element which is turned on at a time of startup based on a current value when discharged by a d-axis current of an electric motor connected via an inverter. As a result, it is possible to control the on/off of the switch element based on the more accurate magnitude relation of a battery voltage, so that it is possible to suppress generation of an inrush current at the time of startup.SELECTED DRAWING: Figure 1

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。 The present invention relates to a vehicle power supply device capable of switching the connection state of two batteries between a series connection state and a parallel connection state.

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。 In Patent Document 1, two batteries capable of switching a connection state between a series connection state and a parallel connection state by controlling a switching element and one battery of the two batteries are connected in series. A power supply device including a reactor element is described.

特開２０１４−０６４４１６号公報JP, 2014-064416, A

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。 In the power supply device described in Patent Document 1, a method for accurately detecting the magnitude relationship between the voltages of the two batteries at startup has not been studied. Therefore, according to the power supply device described in Patent Document 1, there is a possibility that an inrush current may be generated by controlling the switch element by mistakenly making the magnitude relationship between the voltages of the two batteries wrong at the time of startup.

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。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a power supply device for a vehicle that can suppress the generation of an inrush current at the time of startup.

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、インバータを介して接続された電動機のｄ軸電流により放電した際の電流値に基づいて起動時にオンするスイッチ素子を変更する手段を備えることを特徴とする。 A vehicle power supply device according to the present invention includes a first switch element connected between a positive line and a first node, a second switch element connected between a first node and a second node, Between a third switch element connected between the second node and the negative line, a first battery whose positive and negative electrodes are connected to the first node and the negative line, respectively, and between the positive line and the third node. A second battery having a positive electrode and a negative electrode connected to the third node and the second node, respectively, the first switching device, the second switching device, and the third switching device. A vehicle power supply device capable of switching the connection state between the first battery and the second battery between a serial connection state and a parallel connection state by switching the on/off state of a switch element, the inverter comprising: It is characterized by further comprising means for changing a switch element which is turned on at the time of start-up based on a current value when the d-axis current of the electric motor connected via the electric discharge.

本発明に係る車両の電源装置によれば、バッテリ電圧のより正確な大小関係に基づいてスイッチ素子のオン／オフを制御できるので、起動時に突入電流が発生することを抑制できる。 According to the power supply device for a vehicle of the present invention, it is possible to control the on/off of the switch element based on the more accurate magnitude relation of the battery voltage, so that it is possible to suppress the occurrence of the inrush current at the time of startup.

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。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a vehicle to which a vehicle power supply device according to an embodiment of the present invention is applied. 図２は、第１バッテリの電圧が第２バッテリの電圧より大きい場合における電流経路を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a current path when the voltage of the first battery is higher than the voltage of the second battery. 図３は、第１バッテリの電圧が第２バッテリの電圧より小さい場合における電流経路を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a current path when the voltage of the first battery is lower than the voltage of the second battery.

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。 Hereinafter, a configuration of a power supply device for a vehicle, which is an embodiment of the present invention, will be described with reference to the drawings.

〔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。 [Vehicle configuration]
First, the configuration of a vehicle to which a power supply device for a vehicle according to an embodiment of the present invention is applied will be described with reference to FIG.

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（ＩＮＶ）３、及び駆動用モータ（ＭＧ）４を備えている。 FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of a vehicle to which a vehicle power supply device according to an embodiment of the present invention is applied. As shown in FIG. 1, a vehicle 1 to which a vehicle power supply device according to an embodiment of the present invention is applied includes an HV (Hybrid Vehicle), an EV (Electric Vehicle), a PHV (Plug-in Hybrid Vehicle), and an FCEV ( A fuel cell electric vehicle) and the like, and includes a power supply device 2, an inverter (INV) 3, and a drive motor (MG) 4.

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。 The power supply device 2 is connected to the inverter 3 via a positive line PL and a negative line NL, and has a function of charging/discharging electric power with the inverter 3 in accordance with a control signal from a control device such as an ECU (Electronic Control Unit) not shown. have.

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。 The inverter 3 is connected to the drive motor 4 via the wirings L1, L2, L3 and has a function of mutually converting DC power and AC power. In the present embodiment, the inverter 3 converts the DC power supplied from the power supply device 2 into AC power and supplies the AC power to the drive motor 4, and converts the AC power generated by the drive motor 4 into DC power. It is supplied to the power supply device 2. A plurality of inverters 3 may be provided.

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。 The drive motor 4 is composed of a synchronous generator motor. The drive motor 4 functions as an electric motor for driving the vehicle by being driven by the AC power supplied from the inverter 3, and also functions as a generator that generates AC power using the driving force of the vehicle.

〔電源装置の構成〕
次に、図１を参照して、電源装置２の構成について説明する。 [Structure of power supply device]
Next, the configuration of the power supply device 2 will be described with reference to FIG.

図１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、第１ノードＮ１と負線ＮＬとの間に接続されたフィルタコンデンサＣ_Ｆ１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、第３ノードＮ３と第２ノードＮ２との間に接続されたフィルタコンデンサＣ_Ｆ２と、正線ＰＬと負線ＮＬとの間に接続された平滑コンデンサＣ_Ｈ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、第２バッテリＢ２の出力電流ＩＢ２を検出する電流センサ２２、及び電源装置２の動作を制御する制御部２３を備えている。 As shown in FIG. 1, the power supply device 2 is connected between the first switch element S1 connected between the positive line PL and the first node N1 and between the first node N1 and the second node N2. The second switch element S2, the third switch element S3 connected between the second node N2 and the negative line NL, and the first battery B1 whose positive and negative electrodes are connected to the first node N1 and the negative line NL, respectively. , A filter capacitor C _F1 connected between the first node N1 and the negative line NL, a reactor element R connected between the positive line PL and the third node N3, a third node N3 and a second node N3. A second battery B2 having a positive electrode and a negative electrode connected to the node N2, a filter capacitor C _F2 connected between the third node N3 and the second node N2, and a positive line PL and a negative line NL. And a connected smoothing capacitor C _H. Further, the power supply device 2 controls the operation of the current sensor 21 that detects the output current IB1 of the first battery B1, the current sensor 22 that detects the output current IB2 of the second battery B2, and the power supply device 2 as its control system. The control unit 23 is provided.

なお、図示しないが、第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２は、プリチャージ機能を有するシステムメインリレー（ＳＭＲ）素子及びコンデンサを備えている。また、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。 Although not shown, the first battery B1 and the second battery B2 include a system main relay (SMR) element having a precharge function and a capacitor. Further, the first switch element S1, the second switch element S2, and the third switch element S3 are composed of semiconductor switching elements. An IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is used as the semiconductor switching element. A diode (rectifying element) is connected between the collector terminal and the emitter terminal of the IGBT with the side connected to the emitter terminal as the anode. When a semiconductor switching element other than the IGBT is used, a diode is connected in parallel to the semiconductor switching element so that a current flowing in the opposite direction to the current flowing when the switching element becomes conductive. The diode may be a parasitic diode associated with the semiconductor switching element. In this specification, a combination of a semiconductor switching element and a diode is called a switching element.

この電源装置２では、制御部２３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と並列接続状態との間で切り換えることができる。具体的には、制御部２３は、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とを直列に接続する。また、制御部２３は、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とを並列に接続する。 In the power supply device 2, the control unit 23 controls the on/off states of the first switch element S1, the second switch element S2, and the third switch element S3, so that the first battery B1 and the second battery B2 are connected to each other. The connection state of can be switched between a series connection state and a parallel connection state. Specifically, the control unit 23 controls the first switch element S1 and the third switch element S3 to be in the off state and the second switch element S2 to be in the on state, thereby switching the first battery B1 and the second battery B2. Connect in series. In addition, the control unit 23 connects the first battery B1 and the second battery B2 in parallel by controlling the first switch element S1 and the third switch element S3 to be in the ON state and the second switch element S2 to be in the OFF state. To do.

ところで、このような構成を有する電源装置２では、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、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突入電流が発生する。同様に、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、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突入電流が発生する。そこで、本実施形態では、制御部２３が以下に示す起動処理を実行することによって起動時に突入電流が発生することを抑制する。以下、図２，図３を参照して、起動処理を実行する際の制御部２０の動作について説明する。 By the way, in the power supply device 2 having such a configuration, when the voltage VB1 of the first battery B1 before activation is equal to or higher than the voltage VB2 of the second battery B2, the second switch element S2 and the third switch element S3 are turned on. Inrush current is generated when Similarly, when the voltage VB1 of the first battery B1 before startup is less than the voltage VB2 of the second battery B2, an inrush current is generated when the first switch element S1 and the second switch element S2 are turned on. To do. Therefore, in the present embodiment, the control unit 23 executes the following startup processing to suppress the generation of an inrush current at startup. Hereinafter, the operation of the control unit 20 when executing the activation process will be described with reference to FIGS.

〔起動処理〕
図２は、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２より大きい場合における電流経路を示す図である。図３は、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２より小さい場合における電流経路を示す図である。〔Start process〕
FIG. 2 is a diagram showing a current path when the voltage VB1 of the first battery B1 is higher than the voltage VB2 of the second battery B2. FIG. 3 is a diagram showing a current path when the voltage VB1 of the first battery B1 is lower than the voltage VB2 of the second battery B2.

本実施形態では、制御部２３は、電源装置２の起動時、第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２のプリチャージが完了した後、駆動モータ４のｄ軸電流を流して電源装置２を放電させる（いわゆるディスチャージ制御）。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より大きい場合、第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１が第１所定値以上になる。一方、第１バッテリＢ１の電圧が第２バッテリＢ２の電圧より小さい場合には、第２バッテリＢ２の出力電流ＩＢ２が第２所定値以上になる。 In the present embodiment, the control unit 23 causes the d-axis current of the drive motor 4 to flow and discharge the power supply device 2 after the precharge of the first battery B1 and the second battery B2 is completed when the power supply device 2 is started. (So-called discharge control). At this time, when the voltage VB1 of the first battery B1 is higher than the voltage VB2 of the second battery B2, the output current IB1 of the first battery B1 becomes the first predetermined value or more. On the other hand, when the voltage of the first battery B1 is lower than the voltage of the second battery B2, the output current IB2 of the second battery B2 becomes the second predetermined value or more.

そこで、制御部２３は、電源装置２の放電時、電流センサ２１及び電流センサ２２を利用して第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１及び第２バッテリＢ２の出力電流ＩＢ２を検出する。そして、図２に示すように、第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１が第１所定値以上である場合、制御部２３は、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２より大きいと判断し、第１スイッチ素子Ｓ１をオンする。一方、図３に示すように、第２バッテリＢ２の出力電流ＩＢ２が第２所定値以上である場合には、制御部２３は、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２より小さいと判断し、第３スイッチ素子Ｓ３をオンする。 Therefore, the control unit 23 detects the output current IB1 of the first battery B1 and the output current IB2 of the second battery B2 by using the current sensor 21 and the current sensor 22 when the power supply device 2 is discharged. Then, as shown in FIG. 2, when the output current IB1 of the first battery B1 is greater than or equal to the first predetermined value, the control unit 23 determines that the voltage VB1 of the first battery B1 is greater than the voltage VB2 of the second battery B2. Then, the first switch element S1 is turned on. On the other hand, as shown in FIG. 3, when the output current IB2 of the second battery B2 is equal to or higher than the second predetermined value, the control unit 23 controls the voltage VB1 of the first battery B1 to be higher than the voltage VB2 of the second battery B2. It is judged to be small, and the third switch element S3 is turned on.

このようにして、本実施形態では、制御部２３は、インバータ３を介して接続された駆動モータ４のｄ軸電流により放電した際の電流値に基づいて起動時にオンするスイッチ素子を変更する。そして、このような構成によれば、バッテリ電圧のより正確な大小関係に基づいてスイッチ素子のオン／オフを制御できるので、起動時に突入電流が発生することを抑制できる。 In this way, in the present embodiment, the control unit 23 changes the switch element that is turned on at startup based on the current value when the d-axis current of the drive motor 4 connected via the inverter 3 causes discharge. Further, according to such a configuration, it is possible to control the on/off of the switch element based on the more accurate magnitude relationship of the battery voltage, so that it is possible to suppress the generation of the inrush current at the time of startup.

なお、第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１が第１所定値以上、且つ、第２バッテリＢ２の出力電流ＩＢ２が第２所定値以上である場合、制御部２３は、第１スイッチ素子Ｓ１及び第３スイッチ素子３を共にオンする。また、第１所定値及び第２所定値は、ディスチャージ電流より小さい大きさに設定されているものとする。 When the output current IB1 of the first battery B1 is equal to or higher than the first predetermined value and the output current IB2 of the second battery B2 is equal to or higher than the second predetermined value, the control unit 23 causes the first switch element S1 and the third switch element S1 to operate. Both switch elements 3 are turned on. Further, it is assumed that the first predetermined value and the second predetermined value are set to be smaller than the discharge current.

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。 Although the embodiments to which the invention made by the inventors has been applied have been described above, the present invention is not limited to the description and the drawings that form part of the disclosure of the present invention according to the embodiments. That is, all other embodiments, examples, operation techniques and the like made by those skilled in the art based on the present embodiment are included in the category of the present invention.

１車両
２電源装置
３インバータ（ＩＮＶ）
４駆動用モータ（ＭＧ）
２１，２２電流センサ
２３制御部
Ｂ１第１バッテリ
Ｂ２第２バッテリ
Ｃ_Ｆ１，Ｃ_Ｆ２フィルタコンデンサ
Ｃ_Ｈ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 1 vehicle 2 power supply device 3 inverter (INV)
4 Drive motor (MG)
21, 22 Current sensor 23 Control unit B1 First battery B2 Second battery C _F1 , C _F2 Filter capacitor C _H Smoothing capacitor N1 First node N2 Second node N3 Third node NL Negative line PL Positive line R Reactor element S1 No. 1 switch element S2 2nd switch element S3 3rd switch element

Claims

A first switch element connected between the positive line and the first node, a second switch element connected between the first node and the second node, and a second switch element connected between the second node and the negative line A third switch element, a first battery having a positive electrode and a negative electrode connected to the first node and the negative line, respectively, a reactor element connected between the positive line and a third node, and And a second battery having a positive electrode and a negative electrode connected to the third node and the second node, respectively, and switching on/off states of the first switch element, the second switch element, and the third switch element. A power supply device for a vehicle capable of switching the connection state between the first battery and the second battery between a series connection state and a parallel connection state,
A power supply device for a vehicle, comprising means for changing a switch element that is turned on at startup based on a current value when a d-axis current of an electric motor connected via an inverter is discharged.