JP2020124032A - 車両の電源システム - Google Patents

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Abstract

【課題】補機に供給される電圧の下降を防止する。【解決手段】車載モータに電力を供給する高電圧バッテリ１０と、複数の車載補機（２２，２４）に電力を供給する低電圧バッテリ２０と、前記高電圧バッテリ１０からの出力を電圧変換し、前記低電圧バッテリに供給するＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、前記複数の車載補機（２２，２４）の少なくとも１つの作動状況を検出し、検出された作動状態に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御するコントローラ１４と、を含む。【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータを含む車両の電源システムに関する。
従来、電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＶ）など、駆動用の大出力モータを搭載する車両では、その電源として数１００Ｖ以上の高電圧バッテリを搭載する。一方、車載される電子機器や、ライト、オーディオ、エアコン用ファン、ラジエータファン、電動ブレーキ、電動パワーステアリング、各種制御ユニットなどの補機については、１２Ｖ程度の補機電池から電力が供給される。ガソリンエンジンなどの内燃機関を駆動源とする自動車では、オルタネータを搭載し、この出力で補機電池を充電するが、特許文献１では高電圧バッテリの出力をＤＣ／ＤＣコンバータを介し補機電池に供給することで、補機電池を充電する。
特開２０１７−１９２１７０号公報
ここで、車両の走行を効率的に行うためには、車両に搭載する機器を軽量化することが望まれる。このため、補機電池についても電池容量をなるべく少なくしたいという要求がある。
一方、車載の補機、特にモータを含むアクチュエータの動作では、その消費電流が比較的大きいものもある。消費電流が大きな補機としては、例えば電動ブレーキや、電動パワーステアリングなどが挙げられ、これらはその起動時に補機電池の出力電流が大きく変化する。また、複数の補機を同時に使用した場合には、補機電池からの出力電流が大きなものになる。補機電池から典子出力電流が大きく、その変化量も大きいと、補機電池の出力電圧が低下する可能性があり、補機電池から電力供給を受けている各種補機の動作が不安定になる可能性がある。
本発明は、車両の電源システムであって、車載モータに電力を供給する高電圧バッテリと、複数の車載補機に電力を供給する低電圧バッテリと、前記高電圧バッテリからの出力を電圧変換し、前記低電圧バッテリに供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記複数の車載補機の少なくとも１つの作動状況を検出し、検出された作動状態に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御するコントローラと、を有する。
前記車載補機は、電動パワーステアリングを含み、前記コントローラは、前記電動パワーステアリングの作動信号により、前記電動パワーステアリングの作動状態を検出するとよい。
前記少なくとも１つの車載補機は、電動ブレーキを含み、前記コントローラは、前記電動ブレーキの作動信号により、前記電動ブレーキの作動状態を検出するとよい。
前記コントローラは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧に応じて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを電圧フィードバック制御し、前記少なくとも１つの車載補機が作動している場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの制御ゲインを上昇するとよい。
前記コントローラは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧に応じて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを電圧フィードバック制御し、前記少なくとも１つの車載補機が作動している場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータをその出力電流に応じて、電流フィードバック制御し、前記電流フィードバック制御の目標出力電流は、作動している前記車載補機の作動電流を加算したものとするとよい。
前記コントローラは、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧および出力電流に応じて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータをフィードバック制御し、前記フィードバック制御の目標出力電流は、作動している前記車載補機の作動電流を加算したものとするとよい。
本発明によれば、補機の作動状態に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力を制御することができるため、補機に供給する電圧の低下を防止することが可能となる。
実施形態に係る電源システムの全体構成を示す図である。 通常時の制御（電圧フィードバック制御）の構成を示す図である。 電動パワーステアリングおよび電動ブレーキの両方が同時動作した時の制御を示すフローチャートである。 電動パワーステアリングおよび電動ブレーキの両方が同時動作した時の他の制御を示すフローチャートである。 電流フィードバック制御の構成を示す図である。 電圧フィードバックおよび電流フィードバック制御を行う場合の動作を示すフローチャートである。 電動パワーステアリングおよび電動ブレーキの動作に応じて目標電流を設定する場合のフローチャートである。
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。
「システム全体構成」
図１は、実施形態に係る電源システムの全体構成を示す図である。この電源システムは、ＥＶやＨＶなどに搭載される。高電圧バッテリ１０は、リチウムイオンバッテリーなどの二次電池で構成され、出力電圧は数１００Ｖ程度である。この高電圧バッテリ１０には、インバータ６０が接続されており、このインバータ６０によって直流電力が交流電力に変換される。インバータ６０には、大出力の駆動モータ６２が接続されており、駆動モータ６２の出力によって車両が走行する。この例において、駆動モータ６２は三相の交流モータである。
高電圧バッテリ１０には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の入力側が接続される。このＤＣ／ＤＣコンバータ１２としては各種のものが採用されるが、複数のスイッチング素子を含むブリッジ回路と、出力側のコンデンサを有し、複数のスイッチング素子のスイッチングにより、コンデンサ電圧を１４Ｖ程度に保ち、これをＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力とする。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、コントローラ１４と、メモリ１６を含んでいる。コントローラ１４は、出力電圧が所定の目標電圧になるように内部のスイッチング素子のスイッチングを制御する。また、メモリ１６に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の制御に必要なデータが記憶されている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力側には、低電圧バッテリ２０が接続されている。この低電圧バッテリ２０は車載の各種補機に電力を供給する。図においては、低電圧バッテリ２０に接続される補機として、電動パワーステアリング（ＥＰＳ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ）２２、電動ブレーキ（ＥＣＢ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｂｒａｋｅ Ｓｙｓｔｅｍ）２４を示してある。
また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力ラインには、電流計３０、電圧計３２が配置されており、出力電流、出力電圧がそれぞれ検出される。そして、電流計３０、電圧計３２で検出した電流信号、電圧信号がコントローラ１４に供給される。さらに、電動パワーステアリング２２、電動ブレーキ２４の作動状態を示す作動信号がコントローラ１４に供給される。
なお、電動パワーステアリング２２には、ステアリング４０の操作信号が供給されており、操作信号に基づいて、電動パワーステアリング２２が車両の操舵を制御する。また、電動ブレーキ２４には、ブレーキペダル４２の操作信号が供給されており、操作信号に基づいて、電動ブレーキ２４が車両の制動を制御する。
「ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の制御」
ＤＣ／ＤＣコンバータ１２における、コントローラ１４における動作について説明する。
＜通常時＞
図２は、通常時の制御（電圧フィードバック制御）の構成を示す図である。電圧計３２により検出されたＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧についての電圧信号は、加算器５０に供給される。この加算器５０には、目標電圧（例えば、１４Ｖ）が供給されており、加算器５０において誤差が算出される。算出された誤差は制御部５２に供給される。制御部５２は、誤差を解消するため必要な、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２におけるスイッチングのデューティー比の指令値を計算してＤＣ／ＤＣコンバータ１２に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は指令値に応じてスイッチングを制御して、出力電圧が目標電圧に制御される。
ここで、制御部５２は、例えばＰＩＤ（比例・積分・微分）制御を行う。この制御における制御ゲインを大きくすることで、誤差に対する応答が速くなるが、オーバーシュートし易くなる。
＜制御ゲインの変更＞
図３は、電動パワーステアリングおよび電動ブレーキの両方が同時動作した時の制御を示すフローチャートである。
まず、電動パワーステアリング２２の作動信号から電動パワーステアリング２２が作動しているかを判定する（Ｓ１１）。なお、ステアリング４０の操作信号を作動信号としてもよい。Ｓ１１の判定でＮＯの場合には、電動ブレーキ２４が作動しているかをその作動信号から判定する（Ｓ１２）。
Ｓ１１の判定またはＳ１２の判定においてＹＥＳの場合には、電動パワーステアリング２２と電動ブレーキ２４のいずれか一方が作動している。このような場合、低電圧バッテリ２０からの出力電流が大きくなり、その出力電圧が大きく低下するおそれがある。そこで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２における電圧フィードバック制御の制御ゲインを上昇させる（Ｓ１３）。これによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の応答性が改善され、出力電圧が下降しそうになった場合に出力電流がすぐに増加して、電圧低下を防止することができる。特に、作動信号が発生された時点で制御ゲインを上昇することで、補機が動作して電流量が増加した時に対応してＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力を増加することができ、電圧低下を防止することができる。
なお、比較的大電流を消費する補機が１つではなく、２つ以上作動した場合に制御ゲインを変更してもよい。さらに、各補機についての消費電流は通常予めわかっている。従って、各補機の作動に応じて、対応するゲインの上昇量をメモリ１６に記憶しておき、各補機の作動に合わせて対応するだけ制御ゲインを上昇することもできる。
＜電流制御に移行＞
図４は、電動パワーステアリング２２および電動ブレーキ２４の両方が同時動作した時の他の制御を示すフローチャートである。
この例では、電動パワーステアリング２２および電動ブレーキ２４が作動しているかを判定し（Ｓ２１，Ｓ２２）、いずれかが作動している場合には、電流制御に移行する（Ｓ２３）。すなわち、通常はＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧に応じた電圧フィードバック制御であるが、電動パワーステアリングおよび電動ブレーキが作動している時にはＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電流を所定値に維持する電流フィードバック制御とする。特に、作動信号が発生された時点で電流制御に移行することで、補機が動作して電流量が増加した時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の応答性を改善して、電圧低下を防止することができる。なお、電動パワーステアリング２２および電動ブレーキ２４の両方が作動している場合や、これらに限らず２以上の補機が同時に作動していた場合に電流フィードバック制御に移行してもよい。
＜電流フィードバック制御＞
図５は、電流フィードバック制御の構成を示す図である。電流計３０により検出されたＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電流についての電流信号は、加算器５１に供給される。この加算器５１には、目標電流が供給されており、加算器５１において誤差が算出される。
ここで、補機の作動状態に応じて必要な出力電流は異なる。メモリ１６には、各補機の作動状態に応じた必要電流が記憶されており、各補機から供給される作動信号に応じてその時の必要電流が計算され、目標電流が決定される。なお、この目標電流は、必ずしもすべての補機の作動状態に応じて計算する必要はなく、作動時の電流が大きな補機、例えば電動パワーステアリング２２および電動ブレーキ２４などに限定してもよい。
算出された誤差は制御部５２に供給される。制御部５２は、誤差を解消するため必要なＤＣ／ＤＣコンバータ１２におけるスイッチングのデューティー比の指令値を計算してＤＣ／ＤＣコンバータ１２に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は指令値に応じてスイッチングを制御して、出力電流が目標電流に制御される。制御部５２は、上述と同様に、例えばＰＩＤ（比例・積分・微分）制御を行うとよい。
＜電圧・電流フィードバック制御＞
図６は、常時電圧フィードバックおよび電流フィードバック制御を行う場合の動作を示すフローチャートである。まず、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力電圧および出力電流を取得する（Ｓ３１）。次に、目標電流を計算する（Ｓ３２）。そして、出力電圧と目標電圧の誤差および出力電流と目標電流の誤差を計算し（Ｓ３３，Ｓ３４）、計算された誤差に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２におけるスイッチングのデューティー比を計算する（Ｓ３５）。ここで、計算して得られたデューティー比のうち、大きい方（出力が大きくなる方）を採用するとよい。このような処理によっても、急な出力電流増大時に電流フィードバック制御による、出力電圧の維持を図ることができる。また、電圧誤差、電流誤差に基づいて計算された２つのデューティー比を重みづけ加算して、実際に採用するデューティー比を決定してもよい。さらに、通常は、電圧、電流制御をしておき、出力電流が大きい補機の使用開始に伴い、電流制御に移行してもよい。この場合、電流制御の重みを１、電流制御の重みを０に設定すればよく、このような重みの変更によって、切り換えを素早く行うことができる。
＜目標電流の計算＞
図７は、電動パワーステアリング２２および電動ブレーキ２４の動作に応じて目標電流を設定する場合のフローチャートである。この例では、まず電動パワーステアリング２２が動作しているかを判定する（Ｓ４１）。このＳ４１の判定でＹＥＳの場合には、電動ブレーキ２４が作動しているかを判定する（Ｓ４２）。このＳ４２の判定でＹＥＳの場合には、メモリ１６に記憶されている電動パワーステアリング２２および電動ブレーキ２４の作動電流の合計に通常時の目標電流を加算して目標電流を計算する（Ｓ４３）。なお、ここでの通常時の目標電流は、電動パワーステアリング２２および電動ブレーキ２４が作動していないときの目標電流である。Ｓ４２の判定でＮＯの場合は、メモリ１６に記憶されている、電動パワーステアリング２２の作動電流の合計に通常時の目標電流を加算して目標電流を算出する（Ｓ４４）。
また、Ｓ４１の判定でＮＯの場合には、電動ブレーキ２４が作動しているかを判定する（Ｓ４５）。このＳ４５の判定でＹＥＳの場合には、メモリ１６に記憶されている電動ブレーキ２４の作動電流の合計に通常時の目標電流を加算して目標電流を計算する（Ｓ４６）。Ｓ４５の判定でＮＯの場合は、加算はせず、通常時の目標電流をそのままに目標電流にする（Ｓ４７）。なお、対象とする補機を広げ、それら補機の作動状態に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の出力を補機動作状態に見合ったものに制御してもよい。
１０ 高電圧バッテリ、１２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１４ コントローラ、１４ コンバータ、１６ メモリ、２０ 低電圧バッテリ、２２ 電動パワーステアリング、２４ 電動ブレーキ、３０ 電流計、３２ 電圧計、４０ ステアリング、４２ ブレーキペダル、５０ 加算器、５２ 制御部、６０ インバータ、６２ 駆動モータ。

Claims (6)

  1. 車両の電源システムであって、
    車載モータに電力を供給する高電圧バッテリと、
    複数の車載補機に電力を供給する低電圧バッテリと、
    前記高電圧バッテリからの出力を電圧変換し、前記低電圧バッテリに供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記複数の車載補機の少なくとも１つの作動状況を検出し、検出された作動状態に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御するコントローラと、
    を有する、
    車両の電源システム。
  2. 請求項１に記載の車両の電源システムであって、
    前記車載補機は、電動パワーステアリングを含み、
    前記コントローラは、前記電動パワーステアリングの作動信号により、前記電動パワーステアリングの作動状態を検出する、
    車両の電源システム。
  3. 請求項１または２に記載の車両の電源システムであって、
    前記少なくとも１つの車載補機は、電動ブレーキを含み、
    前記コントローラは、前記電動ブレーキの作動信号により、前記電動ブレーキの作動状態を検出する、
    車両の電源システム。
  4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の車両の電源システムであって、
    前記コントローラは、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧に応じて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを電圧フィードバック制御し、
    前記少なくとも１つの車載補機が作動している場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの制御ゲインを上昇する、
    車両の電源システム。
  5. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の車両の電源システムであって、
    前記コントローラは、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧に応じて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを電圧フィードバック制御し、
    前記少なくとも１つの車載補機が作動している場合に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータをその出力電流に応じて、電流フィードバック制御し、前記電流フィードバック制御の目標出力電流は、作動している前記車載補機の作動電流を加算したものとする、
    車両の電源システム。
  6. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の車両の電源システムであって、
    前記コントローラは、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧および出力電流に応じて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータをフィードバック制御し、前記フィードバック制御の目標出力電流は、作動している前記車載補機の作動電流を加算したものとする、
    車両の電源システム。
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