JP2021040372A - 車両の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回生によって過電流や２つの電源間における残容量の不均衡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、第１電源及び第２電源が直列に接続された状態で電気負荷に接続されている直列接続状態と、第１電源及び第２電源が並列に接続された状態で電気負荷に接続されている並列接続状態と、の間で、第１電源及び第２電源と電気負荷との接続状態を切り換え可能な車両の電源装置であって、第１電源及び第２電源と電気負荷との接続状態が直列接続状態であるときに回生電流が発生した場合、第１電源と第２電源の電圧差が所定値以下、且つ、回生電流が所定値以上になるまで直列接続状態を維持することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両の電源装置に関する。

特許文献１には、２つの電源と、少なくとも一つのリアクトル素子と、スイッチ回路と、を備え、２つの電源の接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で交互に切り換えることにより負荷に対する出力電圧を調整する車両の電源装置が記載されている。

特開２０１４−３８５８号公報

特許文献１に記載の車両の電源装置は、２つの電源の接続状態が直列接続状態であるときに減速回生によって車速が下がると、システム効率の面から、２つの電源の接続状態を一方の電源の単独駆動状態に切り換えた後、並列接続状態に移行する。このため、特許文献１に記載の車両の電源装置によれば、回生電流によって一方の電源が充電されることにより過電流や２つの電源間における残容量（State Of Charge：SOC）の不均衡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、回生によって過電流や２つの電源間における残容量の不均衡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電源と、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電源と、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電源及び前記第２電源が直列に接続された状態で電気負荷に接続されている直列接続状態と、前記第１電源及び前記第２電源が並列に接続された状態で前記電気負荷に接続されている並列接続状態と、の間で、前記第１電源及び前記第２電源と電気負荷との接続状態を切り換え可能な車両の電源装置であって、前記第１電源及び前記第２電源と電気負荷との接続状態が前記直列接続状態であるときに回生電流が発生した場合、前記第１電源と前記第２電源の電圧差が所定値以下、且つ、回生電流が所定値以上になるまで前記直列接続状態を維持することを特徴とする。

本発明に係る車両の電源装置によれば、第１電源及び第２電源と電気負荷との接続状態が直列接続状態であるときに回生電流が発生した場合、第１電源と第２電源の電圧差が所定値以下、且つ、回生電流が所定値以上になるまで直列接続状態を維持するので、回生によって過電流や２つの電源間における残容量の不均衡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、モータ回転数及びモータトルクと第１バッテリ及び第２バッテリの接続状態との関係の一例を示す図である。 図４は、従来の車両の電源装置の課題を説明するための図である。 図５は、本発明の一実施形態である車両の電源装置の動作を説明するための図である。

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）車両により構成され、エンジン（ＥＮＧ）２、電源装置３、第１インバータ（ＩＮＶ１）４ａ、第２インバータ（ＩＮＶ２）４ｂ、第１電動機（ＭＧ１）５ａ、及び第２電動機（ＭＧ２）５ｂを備えている。なお、車両１は、ＨＶ車両に限定されることはなく、ＥＶ（Electric Vehicle），ＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle），ＦＣＥＶ（Fuel Cell Electric Vehicle）等であってもよい。

エンジン２は、ガソリンや軽油等を燃料として動力を出力する内燃機関によって構成され、後述するＨＶ電子制御ユニット（以下、ＨＶ−ＥＣＵと表記）１０２によって駆動制御される。

電源装置３は、正線ＰＬ及び負線ＮＬを介して第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂに接続され、後述する電池電子制御ユニット（以下、電池ＥＣＵと標記）１０１によって制御される。

第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂは、複数のスイッチ素子を備え、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。第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂは、ＨＶ−ＥＣＵ１０２による複数のスイッチ素子のオン／オフ制御によって、電源装置３から供給された直流電力を交流電力に変換して第１電動機５ａ及び第２電動機５ｂに供給すると共に、第１電動機５ａ及び第２電動機５ｂが発電した交流電力を直流電力に変換して電源装置３に供給する。

第１電動機５ａ及び第２電動機５ｂは、同期発電電動機により構成されている。第１電動機５ａ及び第２電動機５ｂはそれぞれ、第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂ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１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。

車両１は、制御系として、電池ＥＣＵ１０１及びＨＶ−ＥＣＵ１０２を備えている。

電池ＥＣＵ１０１は、電源装置３を構成する複数のバッテリの充電状態の管理や異常検出や電圧制御を実行する。電池ＥＣＵ１０１には、各バッテリの温度Ｔｂを示す電気信号、各バッテリの出力電圧Ｖｂを示す電気信号、各バッテリの出力電流Ｉｂを示す電気信号等の各種電気信号が入力される。電池ＥＣＵ１０１は、温度Ｔｂ、出力電圧Ｖｂ、電流Ｉｂ等に基づいて各バッテリの残容量を算出する。電池ＥＣＵ１０１は、出力電圧Ｖｂ、温度Ｔｂ、各バッテリの残容量等の各種信号をＨＶ−ＥＣＵ１０２に送信する。また、電池ＥＣＵ１０１は、ＨＶ−ＥＣＵ１０２から受信した指令信号に基づいて電源装置３に対する制御信号を出力する。

ＨＶ−ＥＣＵ１０２は、電池ＥＣＵ１０１と相互に通信可能に構成されており、各種指令や各種センサの検知結果等の各種信号の送受信を行う。ＨＶ−ＥＣＵ１０２は、車両１の走行時においてドライバの要求に応じた車両駆動力を発生させるために、エンジン２、第１インバータ４ａ、及び第２インバータ４ｂを制御すると共に、電源装置３の出力電圧を制御する。ＨＶ−ＥＣＵ１０２には、イグニッションスイッチの操作信号ＩＧＣＮ、エンジン２の回転数ＮＥ、第１電動機５ａ及び第２電動機５ｂの回転数、車速、アクセル開度、電源装置３の出力電圧Ｖｈ、温度Ｔｂ、各バッテリの残容量等の各種信号が入力される。また、ＨＶ−ＥＣＵ１０２は、入力された情報に基づいて算出された、エンジン２に対する制御信号ＮＲｅｆ、第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂに対するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御信号である信号ＰＷＭ１，ＰＷＭ２、電源装置３の出力電圧を要求電圧に切り替えるための指令信号、及び電源装置３内のスイッチ素子に対するＰＷＭ制御信号である信号ＰＷＣ等を出力する。

電池ＥＣＵ１０１及びＨＶ−ＥＣＵ１０２は、物理的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及び入出力インターフェース等を含む周知のマイクロコンピュータを主体とする電子回路によって構成されている。電池ＥＣＵ１０１及びＨＶ−ＥＣＵ１０２の機能は、ＣＰＵがＲＯＭに保持されているコンピュータプログラムをＲＡＭにロードして実行することによって、制御対象を動作させると共にＲＡＭやＲＯＭにおけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。

〔電源装置の構成〕
次に、図２を参照して、電源装置３の構成について説明する。

図２は、図１に示す電源装置３の構成を示す回路図である。図２に示すように、電源装置３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第１コンデンサＣ１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第２コンデンサＣ２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。ここで、第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２はキャパシタであってもよい。

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。

〔電気負荷との接続状態〕
この電源装置３では、ＨＶ−ＥＣＵ１０２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及び第２バッテリＢ２と第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂ（電気負荷）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の単独接続状態、及び第２バッテリＢ２の単独接続状態の間で切り換えることができる。

具体的には、ＨＶ−ＥＣＵ１０２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とを直列に接続された状態で第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂに接続する（直列接続状態）。また、ＨＶ−ＥＣＵ１０２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とを並列に接続された状態で第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂに接続する（並列接続状態）。また、ＨＶ−ＥＣＵ１０２は、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のみを第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂに接続する（第１バッテリＢ１の単独接続状態）。また、ＨＶ−ＥＣＵ１０２は、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のみを第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂに接続する（第２バッテリＢ２の単独接続状態）。

〔電気負荷との接続状態の切り換え〕
また、この電源装置３では、ＨＶ−ＥＣＵ１０２が、第１電動機５ａ及び第２電動機５ｂ（以下、モータと総称）の回転数（以下、モータ回転数と表記）及び出力トルク（以下、モータトルクの表記）に応じて、第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２と第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂ（以下、インバータと総称）との接続状態を切り換える。以下、図３を参照して、モータ回転数及びモータトルクと第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２とインバータとの接続状態との関係について説明する。

図３は、モータ回転数及びモータトルクと第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２とインバータとの接続状態との関係の一例を示す図である。図３において、曲線Ｌ１は、モータ回転数とモータトルクとから決まるモータの必要最低電圧を表す曲線示す。第１バッテリＢ１の出力電圧と第２バッテリＢ２の出力電圧のうち、大きい方の出力電圧が曲線Ｌ１に示す必要最低電圧より小さいモータの運転領域Ｒ１１では、第１バッテリＢ１の出力電圧と第２バッテリＢ２の出力電圧との和をインバータに供給するために、第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２とインバータとの接続状態は直列接続状態に切り換えられる（運転領域Ｒ１１）。一方、曲線Ｌ２は、第１バッテリＢ１単独又は第２バッテリＢ２単独で出力可能な電力を示す曲線である。曲線Ｌ１と曲線Ｌ２とによって囲まれるモータの運転領域Ｒ１２では、第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２とインバータとの接続状態は直列接続状態又は並列接続状態に切り換えられる。

また、曲線Ｌ２に対応するモータ回転数及びモータトルクよりモータ回転数及びモータトルクが小さいモータの運転領域Ｒ１３では、第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２とインバータとの接続状態は直列接続状態、並列接続状態、第１バッテリＢ１の単独接続状態、及び第２バッテリＢ２の単独接続状態のうちのいずれかの接続状態に切り換えられる。なお、モータの運転領域Ｒ１２，Ｒ１３では、第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２とインバータとの接続状態は、モータの動作点と損失との関係を示すマップデータを参照してモータの動作点における電源装置３の回路損失、インバータの損失、及びモータの損失を接続状態毎に算出し、算出された損失の和が低い接続状態、すなわちモータを最も効率的に運転可能な接続状態を選択することによって決定される。

〔減速回生時の切り換え〕
ところで、このような構成を有する電源装置３では、図４（ａ）に示すように第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２とインバータとの接続状態が直列接続状態であるときに図４（ｂ）に示すように減速回生によって車速が下がると、システム効率の面から、ＨＶ−ＥＣＵ１０２が、デューティ制御によって平滑コンデンサＣ_Ｈの電圧をバッテリ電圧まで下げた後、接続状態を第２バッテリＢ２の単独駆動状態及び並列接続状態の順に切り換える。このため、図４（ｃ）に示すように、回生電流によって第２バッテリＢ２が充電されることにより過電流や第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２間における残容量の不均衡が発生する。

そこで、本実施形態では、図５（ａ）に示すように第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２とインバータとの接続状態が直列接続状態であるときに図５（ｂ）に示すように減速回生によって車速が下がった場合には、図５（ｃ）に示すように、ＨＶ−ＥＣＵ１０２が、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２の電圧差が所定値以下、且つ、回生電流が所定値以上になるまで直列接続状態を維持する。そして、停車等によって回生電流がなくなった場合には、ＨＶ−ＥＣＵ１０２は、デューティ制御によって平滑コンデンサＣ_Ｈの電圧をバッテリ電圧まで下げた後に接続状態を並列接続状態に制御する。これにより、回生電流によって第２バッテリＢ２が充電されることにより過電流や第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２間における残容量の不均衡が発生することを抑制できる。また、リアクトル素子が第１バッテリＢ１側にも設けられている場合には、回生電流とバッテリ間の循環電流による損失（Ｉ^２Ｒ）の増加を抑制できる。

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 エンジン（ＥＮＧ）
３ 電源装置
４ａ 第１インバータ（ＩＮＶ１）
４ｂ 第２インバータ（ＩＮＶ２）
５ａ 第１電動機（ＭＧ１）
５ｂ 第２電動機（ＭＧ２）
１０１ 電池電子制御ユニット（電池ＥＣＵ）
１０２ ＨＶ電子制御ユニット（ＨＶ−ＥＣＵ）
Ｂ１ 第１バッテリ
Ｂ２ 第２バッテリ
Ｃ１ 第１コンデンサ
Ｃ２ 第２コンデンサ
Ｃ_Ｈ 平滑コンデンサ
ＮＬ 負線
Ｎ１ 第１ノード
Ｎ２ 第２ノード
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 (1)

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電源と、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電源と、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電源及び前記第２電源が直列に接続された状態で電気負荷に接続されている直列接続状態と、前記第１電源及び前記第２電源が並列に接続された状態で前記電気負荷に接続されている並列接続状態と、の間で、前記第１電源及び前記第２電源と電気負荷との接続状態を切り換え可能な車両の電源装置であって、
   前記第１電源及び前記第２電源と電気負荷との接続状態が前記直列接続状態であるときに回生電流が発生した場合、前記第１電源と前記第２電源の電圧差が所定値以下、且つ、回生電流が所定値以上になるまで前記直列接続状態を維持することを特徴とする車両の電源装置。

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