JP2021136850A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】複数の機器に電力を供給する電源システムにおいて内部電源部品を削減し、小型化および低コスト化する。【解決手段】電源システムは、電源に接続される電力変換器と、電力変換器に接続される複数の電力消費機器と、を備える。各電力消費機器は、２以上の異なる内部電圧のうちのいずれかの内部電圧で制御される負荷を含む。電力変換器は、電源から出力される電力を利用して、複数の電力消費機器が使用する２以上の異なる内部電圧を生成する。【選択図】図２

Description

本発明は、複数の電力消費機器を備える電源システムに係わる。

近年、自動車または産業車両等の車両には、様々な電気回路および電子機器が搭載されている。そして、車載バッテリから各電気回路および各電子機器に電力が供給される。ただし、車両に搭載される電気回路および電子機器に供給すべき電圧は、互いに同じではない。すなわち、様々な電圧を生成することが要求される。

例えば、図１に示す例では、走行モータインバータ等の高電圧機器に加えて、パワーステアリング装置、ポンプ装置、センサ回路等の低電圧機器が車両に搭載されている。ここで、パワーステアリング装置およびポンプ装置は、内部電圧として直流５Ｖを必要とし、センサ回路は、内部電圧として直流３．３Ｖを必要とするものとする。内部電圧は、例えば、負荷を制御する制御デバイス等により使用される。

高電圧機器には、高電圧バッテリから電力が供給される。また、低電圧機器には、電力変換器を介して電力が供給される。電力変換器は、ＤＣ／ＤＣコンバータを含み、高電圧バッテリの出力電圧（例えば、２５０Ｖ）を所定の直流電圧（例えば、１４Ｖ）に変換して出力する。低電圧バッテリは、電力バッファとして使用される。例えば、高電圧機器が大きな電力を要求し、電力変換器が十分な電力を出力できないときには、低電圧バッテリから低電圧機器に電力が供給されることがある。

各低電圧機器は、自分が必要とする内部電圧を生成する内部電源を備える。例えば、パワーステアリング装置およびポンプ装置は、それぞれ、入力電圧を直流５Ｖに変換する内部電源を備える。また、センサ回路は、入力電圧を直流３．３Ｖに変換する内部電源を備える。

なお、従来技術として、補機バッテリの入力電力に応じて外部充電時に用いられるＤＣ／ＤＣコンバータを適切に制御する方法が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２０１６−１１１７６３号公報

上述のように、各機器が必要とする内部電圧が異なる場合には、機器ごとに内部電源が設けられる。つまり、機器の数と同じ数の内部電源が必要になるので、車両全体のコストが高くなるおそれがある。また、各機器に設けられる内部電源が独立して動作するので、車両全体として電力効率が低下するおそれがある。なお、これらの問題は、車両のみにおいて発生するものではなく、必要な電圧が異なる複数の機器が実装される装置において発生し得る。

本発明の１つの側面に係る目的は、複数の機器に電力を供給する電源システムにおいて内部電源部品を削減し、小型化および低コスト化することである。

本発明の１つの態様の電源システムは、電源に接続される電力変換器と、前記電力変換器に接続される複数の電力消費機器と、を備える。各電力消費機器は、２以上の異なる内部電圧のうちのいずれかの内部電圧で制御される負荷を含む。前記電力変換器は、前記電源から出力される電力を利用して、前記２以上の異なる内部電圧を生成する。

上記構成によれば、各電力消費機器は、内部電圧を生成するための電源を備える必要はない。よって、各電力消費機器の小型化および低コスト化が実現される。

前記電力変換機器は、前記２以上の異なる内部電圧に対応する２以上のＤＣ／ＤＣコンバータと、前記２以上のＤＣ／ＤＣコンバータを制御する電力制御部と、を備え、前記電力制御部は、前記複数の電力消費機器の動作に係わる指示に基づいて、前記２以上のＤＣ／ＤＣコンバータが生成する電力を制御してもよい。この場合、内部電圧を生成するための消費電力が削減され、電源システムとして効率を改善することができる。

複数の電力消費機器は、内部電圧ごと且つ各電力消費機器の優先度ごとにグループ化されてもよい。この場合、電力変換器は、グループごとに、電力消費機器に内部電圧を供給する。この構成によれば、例えば、電力変換器から複数の電力消費機器に十分な電力を供給できないときであっても、少なくとも優先度の高い電力消費機器は動作を継続できる。

上述の態様によれば、複数の機器に電力を供給する電源システムの内部電源部品を削減し、小型化および低コスト化することができる。

複数の機器に電力を供給するシステムの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係わる電源システムの一例を示す図である。 電力変換器の一例を示す図である。 電力制御部がＤＣ／ＤＣコンバータを制御するために使用する制御テーブルの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係わる電源システムのバリエーションを示す図である。 本発明の実施形態に係わる電源システムの他のバリエーションを示す図である。

図２は、本発明の実施形態に係わる電源システムの一例を示す。本発明の実施形態に係わる電源システム１００は、高電圧バッテリ１、電力変換器２、低電圧バッテリ３、複数の補機４〜６を備える。ただし、高電圧バッテリ１および低電圧バッテリ３は、電源システム１００の構成要素でなくてもよい。すなわち、高電圧バッテリ１および低電圧バッテリ３は、電源システム１００に接続する構成であってもよい。なお、電源システム１００は、この実施例では、電気自動車等の車両に搭載されるものとする。

高電圧バッテリ１は、例えば、不図示の充電器により充電される二次電池であり、電源システム１００の電源として使用される。高電圧バッテリ１の出力電圧は、特に限定されるものではないが、例えば、２５０Ｖ〜４００Ｖ程度である。

電力変換器２は、高電圧バッテリ１に接続され、高電圧バッテリ１から与えられる電力を変換して出力する。また、電力変換器２は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータを含み、複数の異なる出力電圧を生成することができる。この例では、電力変換器２は、直流１４Ｖ、直流５Ｖ、直流３．３Ｖ、直流１．３Ｖを生成できる。

低電圧バッテリ３は、高電圧バッテリ１から出力される電力を利用して充電される二次電池であり、電源システム１００の電力バッファとして使用される。例えば、高電圧機器５０が大きな電力を要求し、電力変換器２から補機４〜６に十分な電力を供給できないときには、低電圧バッテリ３から補機４〜６に電力が供給されることがある。

補機４〜６は、車両に搭載される電気回路または電子機器である。具体的には、補機４〜６は、例えば、ＤＣ／ＡＣインバータ、パワーステアリング装置、パワーウィンドウ装置、パワーシート装置、ワイパー装置、オーディオ装置、センサ回路、ドアミラー駆動装置、ポンプ、ＬＥＤ回路などに相当する。そして、補機４〜６は、それぞれ、電力変換器２に接続され、電力変換器２から与えられる電力で動作する。なお、各補機４〜６は、電力変換器２から与えられる電力を消費する電力消費機器の一例である。

各補機４〜６は、負荷および制御部を含む。負荷は、当該補機の主要な動作を行う。例えば、パワーステアリング装置の負荷はモータであり、ＤＣ／ＡＣインバータの負荷は、スイッチング素子を含むインバータ回路である。なお、各補機４〜６の負荷が使用する電圧は、実際には必ずしも同じではないが、この実施例では、説明を簡単にするために、各補機４〜６の負荷は、電力変換器２から与えられる直流１４Ｖで動作するものとする。

各補機４〜６の制御部は、対応する負荷を制御する回路または電子部品であり、図２に示す例では、マイコンにより実現される。制御部の動作電圧は、補機４〜６毎に異なっている。この実施例では、補機４（４ａ〜４ｃ）の制御部は直流５Ｖで動作し、補機５（５ａ〜５ｃ）の制御部は直流３．３Ｖで動作し、補機６（６ａ〜６ｃ）の制御部は直流１．３Ｖで動作する。なお、制御部の動作電圧を「内部電圧」と呼ぶことがある。

電力変換器２と各補機４〜６との間は、それぞれ、主電力線および制御系電力線で接続されている。主電力線Ｐは、電力変換器２から各補機４〜６に直流１４Ｖを伝達する。制御系電力線Ｓ１は、電力変換器２から各補機４（４ａ〜４ｃ）に直流５Ｖを伝達する。制御系電力線Ｓ２は、電力変換器２から各補機５（５ａ〜５ｃ）に直流３．３Ｖを伝達する。制御系電力線Ｓ３は、電力変換器２から各補機６（６ａ〜６ｃ）に直流１．３Ｖを伝達する。

コントローラ３０は、車両内で発生する指示に基づいて電力の使用に係わる電力制御指示を生成して電力変換器２に与える。例えば、車両の運転者がステアリングを操作したときには、コントローラ３０は、パワーステアリング装置を駆動する旨の電力制御指示を生成して電力変換器２に与える。この場合、電力変換器２は、コントローラ３０から与えられる指示に応じて電力変換器２内に実装されているＤＣ／ＤＣコンバータを制御することで必要な電力を生成する。なお、コントローラ３０は、例えば、マイコンにより実現される。

高電圧機器５０は、車両に搭載される電気回路または電子機器である。高電圧機器５０は、特に限定されるものではないが、例えば、車両の走行用モータ（または、走行用モータのためのインバータ回路）である。そして、高電圧機器５０は、高電圧バッテリ１から与えられる電力で動作する。

このように、本発明の実施形態に係わる電源システム１００においては、電力変換器２が各補機４〜６の内部電圧（即ち、制御部の動作電圧）を生成し、電力変換器２から各補機４〜６に内部電圧が供給される。このため、各補機４〜６は、自分で内部電圧を生成するための内部電源を備える必要はない。したがって、各補機４〜６の構成が簡単になり、小型化および低コスト化が実現される。

なお、電源システム１００においては、図１に示す構成と比較して、電力変換器２と補機４〜６との間の配線の数が増加する。ただし、本発明の実施形態では、内部電圧に応じて補機４〜６をグループ化し、グループ毎に制御系電力線を設けることで、電力変換器２と補機４〜６との間の配線の数の増加を抑制している。具体的には、内部電圧が５Ｖであるグループに属する補機４ａ〜４ｃには、１本の制御系電力線Ｓ１を介して電力が供給される。同様に、内部電圧が３．３Ｖであるグループに属する補機５ａ〜５ｃには、１本の制御系電力線Ｓ２を介して電力が供給される。また、内部電圧が１．３Ｖであるグループに属する補機６ａ〜６ｃには、１本の制御系電力線Ｓ３を介して電力が供給される。ここで、各グループに属する補機は、対応する制御系電力線に対して芋づる式に接続される。具体的には、制御系電力線Ｓ１に補機４ａ〜４ｃが芋づる式に接続され、制御系電力線Ｓ２に補機５ａ〜５ｃが芋づる式に接続され、制御系電力線Ｓ３に補機６ａ〜６ｃが芋づる式に接続される。よって、内部電圧ごとにグループ化することで、電力変換器２と補機４〜６との間の配線の数が抑制される。

図３は、電力変換器２の一例を示す。この例では、電力変換器２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０〜２３および電力制御部２４を備える。なお、電力変換器２は、図３に示していない他の回路またはデバイスを備えてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０〜２３は、それぞれ入力電圧を所定の出力電圧に変換する。この実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、２１、２２、２３は、入力電圧をそれぞれ１４Ｖ、５Ｖ、３．３Ｖ、１．３Ｖに変換する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０〜２３は、電力制御部２４から与えられる指示に従って、対応する補機が必要とする電力を生成する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０〜２３がパルス幅変調方式で動作するときは、電力制御部２４は、出力すべき出力に応じてパルスのデューティを表す指示を生成してもよい。

電力制御部２４は、コントローラ３０から与えられる電力制御指示に従ってＤＣ／ＤＣコンバータ２０〜２３を制御する。ここで、コントローラ３０は、車両内で発生する指示に基づいて電力制御指示を生成する。例えば、車両の運転者がステアリングを操作したときには、コントローラ３０は、パワーステアリング装置を駆動する旨の電力制御指示を生成して電力変換器２に与える。そうすると、電力変換器２は、コントローラ３０から与えられる電力制御指示に応じて、電力変換器２内に実装されているＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する。なお、電力制御部２４は、例えば、マイコンにより実現される。

図４は、電力制御部２４がＤＣ／ＤＣコンバータ２０〜２３を制御するために使用する制御テーブルの一例である。この制御テーブルには、コントローラ３０から与えられる電力制御指示に対応するパラメータが登録されている。ここで、「負荷電力」は、電力制御指示が指定する補機の負荷の消費電力を表す。「内部電圧」は、電力制御指示が指定する補機の内部電圧を表す。「制御電力」は、電力制御指示が指定する補機の制御部の消費電力を表す。なお、各パラメータの値は、例えば、予め測定により取得されているものとする。

電力制御部２４は、図４に示す制御テーブルを参照して、各ＤＣ／ＤＣコンバータ２０〜２３の動作を決定する。例えば、パワーステアリング装置を駆動する旨の電力制御指示が与えられたときは、電力制御部２４は、負荷電力として「２０」が必要であり、５Ｖの制御部電力として「２」が必要であると判定する。この場合、電力制御部２４は、直流１４Ｖを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２０に「電力＝２０」を生成させ、直流５Ｖを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２１に「電力＝２」を生成させる。

コントローラ３０から複数の電力制御指示が与えられたときには、電力制御部２４は、出力電圧ごとに合計電力を計算する。例えば、ＤＣ／ＡＣインバータを使用する旨の電力制御指示、及び、パワーステアリング装置を駆動する旨の電力制御指示が与えられたときには、電力制御部２４は、負荷電力として「１７０」が必要であり、５Ｖの制御電力として「４」が必要であると判定する。この場合、電力制御部２４は、直流１４Ｖを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２０に「電力＝１７０」を生成させ、直流５Ｖを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２１に「電力＝４」を生成させる。

また、パワーステアリング装置を駆動する旨の電力制御指示、及び、ワイパー装置を駆動する旨の電力制御指示が与えられたときには、電力制御部２４は、負荷電力として「３０」が必要であり、５Ｖの制御電力として「２」が必要であり、３．３Ｖの制御電力として「１」が必要であると判定する。この場合には、電力制御部２４は、直流１４Ｖを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２０に「電力＝３０」を生成させ、直流５Ｖを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２１に「電力＝２」を生成させ、直流３．３Ｖを出力するＤＣ／ＤＣコンバータ２２に「電力＝１」を生成させる。

なお、上述の実施例では、電力制御部２４は、補機４〜６の内部電圧毎に各電力制御指示に対応する電力の和を計算し、その計算結果に応じて各ＤＣ／ＤＣコンバータを制御するが、本発明はこの方法に限定されるものではない。例えば、複数の補機４〜６が同時に動作する場合であっても、それらの全てがそれぞれ最大電力で動作するとは限らない。したがって、電力制御部２４は、内部電圧毎に各電力制御指示に対応する電力の和を計算した後、その和に所定の係数Ｋ（Ｋは、１より小さい）を乗算してもよい。そして、電力制御部２４は、この計算結果に応じて各ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。

したがって、電力制御部２４により、各補機４〜６の内部電圧を生成するための内部電圧に対応するＤＣ／ＤＣコンバータ２１、２２、２３の消費電力が削減される。なお、係数Ｋは、例えば、予め実測またはシミュレーションにより決定される。また電力制御部２４によりＤＣ／ＤＣコンバータ２０を制御することで、さらに消費電力を削減することができる。したがって電源システムとして効率を改善することができる。

＜バリエーション＞
車両には多数の補機が搭載されており、各補機の機能も様々である。例えば、運転状況を検知するためのセンサ回路、パワーステアリング装置、オイルポンプ等は、安全な走行を実現するために必要な補機であり、他の補機と比較して高い優先度で動作することが好ましい。一方、オーディオ機器等は、車両の走行に必須の機能とはいえないので、他の補機と比較して低い優先度で動作しても問題はないと考えられる。

図５は、本発明の実施形態に係わる電源システムのバリエーションを示す。図５に示す電源システム１００Ｂにおいては、車両に搭載される複数の補機は、各補機の内部電圧、且つ、各補機の優先度に応じてグループ化される。

例えば、補機４Ｈ１〜４Ｈ３には、最も高い優先度が与えられている。補機４Ｍ１〜４Ｍ３には、２番目に高い優先度が与えられている。補機４Ｌ１〜４Ｌ３には、他の補機より低い優先度が与えられている。なお、補機４Ｈ１〜４Ｈ３、４Ｍ１〜４Ｍ３、４Ｌ１〜４Ｌ３の内部電圧は、いずれも直流５Ｖであるものとする。

この場合、補機４Ｈ１〜４Ｈ３が高優先グループに属し、補機４Ｍ１〜４Ｍ３が中優先グループに属し、補機４Ｌ１〜４Ｌ３が低優先グループに属するようにグループ化が行われる。そして、電力変換器２Ｂは、これらのグループそれぞれに対してＤＣ／ＤＣコンバータを備える。すなわち、高優先グループに属する補機４Ｈ１〜４Ｈ３に対してＤＣ／ＤＣコンバータ２１Ｈが設けられ、中優先グループに属する補機４Ｍ１〜４Ｍ３に対してＤＣ／ＤＣコンバータ２１Ｍが設けられ、低優先グループに属する補機４Ｌ１〜４Ｌ３に対してＤＣ／ＤＣコンバータ２１Ｌが設けられる。なお、各ＤＣ／ＤＣコンバータ２１Ｈ、２１Ｍ、２１Ｌは、直流５Ｖを出力する。

また、各グループに対して制御系電力線が設けられる。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１Ｈに接続する制御系電力線Ｈに対して、高優先グループに属する補機４Ｈ１〜４Ｈ３が芋づる式に接続される。同様に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１Ｍに接続する制御系電力線Ｍに対して、中優先グループに属する補機４Ｍ１〜４Ｍ３が芋づる式に接続される。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１Ｌに接続する制御系電力線Ｌに対して、低優先グループに属する補機４Ｌ１〜４Ｌ３が芋づる式に接続される。

電力変換器２Ｂは、コントローラ３０から与えられる電力制御指示に従って各ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。ただし、電力変換器２Ｂから各補機に対して十分な電力を供給できないときは、優先度の低いグループに属する補機への電力の供給を停止または抑制する。例えば、図２に示す高電圧機器５０が大きな電力を要求し、電力変換器２Ｂから各補機に対して十分な電力を供給できないときは、電力変換器２Ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１Ｌの出力を停止してもよい。また、電力変換器２Ｂは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０の出力電力を、補機４Ｌ１〜４Ｌ３の負荷の消費電力の分だけ削減してもよい。

この場合、優先度の低い補機は動作できなくなるが、優先度の高い補機は動作を継続できる。すなわち、何らかの理由によって電力変換器２Ｂから各補機に十分な電力を供給できない場合であっても、優先度の高い補機は動作を継続できるので、車両の走行に必要な機能は維持される。また、優先度によって不具合が生じた時などの安全対応を分けることもできる。例えば、低優先度の補機に不具合が生じた場合電力供給には即停止し、中優先度の補機に不具合が生じた場合には数秒後に電力供給を停止し、高優先度の補機に不具合が生じた場合には停止させないといったこともできる。なお、図５においては、内部電圧が５Ｖである補機のみが描かれているが、他の内部電圧の補機に対しても同様に優先度に基づくグループごとにＤＣ／ＤＣコンバータおよび制御系電力線が設けられる。

図６は、本発明の実施形態に係わる電源システムの他のバリエーションを示す。図６に示す電源システム１００Ｃにおいては、高電圧機器５０の制御部（図６では、マイコン）に与えられる内部電圧が、電力変換器２により生成される。そして、例えば、高電圧機器５０の内部電圧が直流５Ｖである場合、制御系電力線Ｓ１は、補機４ａ〜４ｃだけではなく、高電圧機器５０にも内部電力を供給する。

また、上述の実施例では、１つの補機が１つの内部電圧を使用するが、１つの補機が複数の内部電圧を使用することもある。例えば、図２に示す電源システム１００において、ある補機が、内部電圧として、直流５Ｖおよび直流３．３Ｖを使用するものとする。この場合、この補機は、制御系電力線Ｓ１および制御系電力線Ｓ２に接続される。

なお、本発明の実施形態に係わる電源システム１００、１００Ｂ、１００Ｃが搭載される車両は、特に限定されるものではない。例えば、電源システム１００、１００Ｂ、１００Ｃは、電気自動車、ハイブリッド車、プラグインハイブリッド車、ガソリン車、またはディーゼル車に搭載される。ガソリン車、またはディーゼル車の場合、低電圧バッテリ３が電源として機能する。また、電源システム１００、１００Ｂ、１００Ｃは、サーバシステム等の定置型のシステムにも適用可能である。

１ 高電圧バッテリ
２、２Ｂ 電力変換器
３ 低電圧バッテリ
４（４ａ〜４ｃ）、５（５ａ〜５ｃ）、６（６ａ〜６ｃ） 補機
２０〜２３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２４ 電力制御部
３０ コントローラ
５０ 高電圧機器
１００、１００Ｂ、１００Ｃ 電源システム

Claims (8)

1. 電源に接続される電力変換器と、
   前記電力変換器に接続される複数の電力消費機器と、を備え、
   各電力消費機器は、２以上の異なる内部電圧のうちのいずれかの内部電圧で制御される負荷を含み、
   前記電力変換器は、前記電源から出力される電力を利用して、前記２以上の異なる内部電圧を生成する
   ことを特徴とする電源システム。
2. 前記電力変換器は、前記電源の電力を変換して出力する機能を備え、
   各電力消費機器の負荷は、前記電力変換器から出力される電力を消費する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
3. 前記電力変換器は、
   前記２以上の異なる内部電圧に対応する２以上のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記２以上のＤＣ／ＤＣコンバータを制御する電力制御部と、を備え、
   前記電力制御部は、前記複数の電力消費機器の動作に係わる指示に基づいて、前記２以上のＤＣ／ＤＣコンバータが生成する電力を制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
4. 前記電力制御部は、前記複数の電力消費機器の動作に係わる指示および各電力消費機器の優先度に基づいて、前記２以上のＤＣ／ＤＣコンバータが生成する電力を制御する
   ことを特徴とする請求項３に記載の電源システム。
5. 前記複数の電力消費機器は、内部電圧ごとにグループ化され、
   前記電力変換器は、グループごとに、電力消費機器に内部電圧を供給する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
6. 前記複数の電力消費機器は、内部電圧ごと且つ各電力消費機器の優先度ごとにグループ化され、
   前記電力変換器は、グループごとに、電力消費機器に内部電圧を供給する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
7. 前記電力変換器および前記複数の電力消費機器は、車両に搭載される
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
8. 前記電源は高電圧バッテリであり、
   前記電力変換器の出力側に、前記電力変換器から前記複数の電力消費機器の負荷に電力を供給するための電力バッファとして動作する低電圧バッテリが設けられる
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源システム。
   

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