JP2021040372A - 車両の電源装置 - Google Patents

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Hiroshi Ohata
弘嗣 大畠
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Naoyoshi Takamatsu
直義 高松
俊也 小林
Toshiya Kobayashi
俊也 小林
直樹 柳沢
Naoki Yanagisawa
直樹 柳沢
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Shuji Tomura
修二 戸村
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Shigeaki Goto
成晶 後藤
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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(IR)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
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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