JP2021176262A - 配電システム - Google Patents

Abstract

【課題】配電システムを提供する。【解決手段】配電システムは、第１バッテリと、複数の第１負荷と、複数の第１負荷にそれぞれ結合された複数の第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える。第１ＤＣ／ＤＣコンバータは、それぞれ、第１バッテリからの第１電圧を、対応する第１負荷に電力を供給する異なる第２電圧に変換する。この配電システムにおいては、第１ＤＣ／ＤＣコンバータのいくつかが故障しても、故障した第１ＤＣ／ＤＣコンバータに対応する負荷のみが電力供給を失い、一方、他の負荷は依然として機能する。【選択図】図２

Description

本開示は、パワーエレクトロニクス技術分野に、より具体的には、電気自動車の配電システムに関する。

完全に、または部分的に電気モータで駆動される車両が、より人気を博しつつある。ＢＥＶ（Battery Electric Vehicle）、ＨＥＶ（Hybrid Electric Vehicle）、ＰＨＥＶ（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）、ＦＣＥＶ（Fuel Cell Electric Vehicle）などの電動車（ｘＥＶ）の現在の配電システムでは、図１に示すように、高電圧バッテリ１０（６０Ｖよりも高い、典型的にはリチウムイオンバッテリである）および補助バッテリ４０（鉛バッテリである）が、共に含まれる。通常、高電圧バッテリは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０を介して、低電圧のパワーネットの負荷３０（エアコン、電動パワーステアリング、加熱されたウインドスクリーン等であり、これらは、一般的に、１２Ｖ／２４Ｖのネットワークによって電力供給される）に電力を供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が故障する、または機能しないと、低電圧のパワーネットのすべての負荷で停電が発生する。車両に補助バッテリがない場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータが故障した直後にｘＥＶのすべての機能が停止してしまうため、状況が悪化する可能性がある。

さらに、図１に示されたこの集中型システム構成では、低電圧（１２Ｖ／２４Ｖ）配電に起因して、負荷とＤＣ／ＤＣコンバータを接続するケーブルのサイズが大きい。これは、ｘＥＶのライトデューティー設計用には望ましくない。

本発明の一態様は、信頼性の高い配電システムを提供することである。この配電システムは、第１バッテリと、複数の第１負荷と、複数の第１負荷にそれぞれ結合された複数の第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える。第１ＤＣ／ＤＣコンバータは、それぞれ、第１バッテリからの第１電圧を、対応する第１負荷に電力を供給する異なる第２電圧に変換する。

従来の集中型配電システムの概略図である。 本発明の一実施形態による配電システムの概略図である。 本発明の別の実施形態による配電システムの概略図である。 本発明の更なる実施形態による、第２負荷を備える配電システムの概略図である。 本発明の更なる実施形態による第２ＤＣ／ＤＣコンバータを備える配電システムの概略図である。 本発明の更なる実施形態による第２負荷および第２ＤＣ／ＤＣコンバータの両方を備える配電システムの概略図である。 本発明の一実施形態による高電圧アプリケーションの概略図である。 本発明の別の実施形態による高電圧アプリケーションの概略図である。 本発明の低電圧アプリケーションにおける配電システムの概略図である。

図２は、本発明の一実施形態による配電システムを概略的に示す。配電システムは、車両負荷への電力供給のためにｘＥＶにおいて利用される。配電システムは、第１バッテリ１（いわゆる高電圧バッテリで、その電圧は６０Ｖより高い）と、エアコン、電動パワーステアリングシステム、加熱されたウインドスクリーン等である複数の第１負荷３と、を備える。配電システムは、複数の第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２をさらに備える。複数の第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、それぞれ、複数の第１負荷に密接に結合（搭載、プラグイン、または一体化）されている。各第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、第１バッテリ１からの第１電圧を、各第１負荷３に電力を供給する異なる第２電圧に変換する。第２電圧（いわゆる低電圧）は、６０Ｖよりも低く、通常は１２Ｖまたは２４Ｖである。この場合、６０Ｖを超える回路は６０Ｖ未満の回路から電気的に絶縁されていなければならないという典型的なケース（車両安全規則で規定されている）に従って、６０Ｖを超える電圧を高電圧と呼び、一方６０Ｖ未満の電圧を低電圧と呼ぶ。しかしながら、他の電圧値を高電圧／低電圧として使用することも可能であることを理解されたい。この配電システムにおいて、第１ＤＣ／ＤＣコンバータのいくつかが故障しても、故障した第１ＤＣ／ＤＣコンバータに対応する負荷のみが電力供給を失って機能しなくなり、他の負荷は依然として機能する。これによって、ｘＥＶの運転者はｘＥＶを運転して修理工場に行くことができる。さらに、各第１コンバータの入力が高電圧のパワーネット（６０Ｖより高い）に結合されているため、高電圧バッテリと、負荷に密接に結合された各第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、を接続するケーブルの合計サイズが低減される。

任意選択で、優先度の高い第１負荷のために、第１ＤＣ／ＤＣコンバータが故障した場合に、この優先度の高い第１負荷に電力を供給するために、補助バッテリ４が設けられている。

第１ＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれについて、ＤＣ入力およびＤＣ出力は相互に電気的に絶縁されている。この場合、ＤＣ出力のみが車両シャシに接続されている。しかしながら、ＤＣ入力（高電圧バッテリに結合され、６０Ｖを超える）は、車両シャシに接続されておらず、フロートされている必要がある。他の場合では、両方のパワーネットが６０Ｖを超える電圧（例えば４００Ｖ乃至１００Ｖ）を扱う場合、両方が車両シャシに接続されておらず、フロートされている必要がある。このようにすることで、車のクラッシュなどの事故のために高電圧回路の活電部が露出され、触れやすくなった場合に、高電圧側からの感電による危険から乗客を保護することができる。

図３に示される別の好適な実施形態において、すべての第１負荷３は、対応する第１ＤＣ／ＤＣコンバータが故障した場合に低電圧のパワーネット（６０Ｖより低い）での電力供給を確保するために、補助バッテリ４に結合されている。

図４は、本発明の更なる実施形態による第２負荷を備える配電システムを概略的に示す。重要度の低い、いくつかの車両負荷について、一時的な電力供給の遮断は、あまりクリティカルではない。独立して主配電システムから電力供給される他の車両負荷について、これらは、システム全体のアーキテクチャ設計の観点から、分離された電力供給を必要とする。したがって、第２負荷３１は、それぞれ、個々の第１ＤＣ／ＤＣコンバータに結合されず、代わりに補助バッテリ４に結合されている。この場合、いくつかの第１負荷を、補助バッテリ４に対して分離させることができる。

図５は、本発明の更なる好適な実施形態による第２ＤＣ／ＤＣコンバータ５を備える配電システムを概略的に示す。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力は高電圧バッテリに結合されている。一方、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力は、すべての第１負荷３に結合されている。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入力は、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ５の出力から電気的に絶縁されている。この実施形態において、第１負荷を、それぞれ、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ３、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ５を介して高電圧バッテリ１によって給電することができる、または補助バッテリ４によって給電することができる（３種類の給電電圧は必ずしも同一ではない）。したがって、各第１負荷への電力供給が、さらに確実になる。

図６は、本発明の更なる実施形態による第２負荷を備える配電システムを概略的に示す。この実施形態において、複数の第２負荷３１および第２ＤＣ／ＤＣコンバータ５の両方が設けられている。いくつかの車両負荷は、重要性が低い、および／または独立して主配電システムから電力供給される必要がある。そのため、各第２負荷３１は、個々の第１ＤＣ／ＤＣコンバータには結合されず、代わりに補助バッテリ４もしくは第２ＤＣ／ＤＣコンバータ５、またはその両方に結合されている（２種類の給電電圧は必ずしも同一ではない）。第１負荷は、それぞれ、補助バッテリ４もしくは第２ＤＣ／ＤＣコンバータ、またはその両方に結合されている、またはいずれにも結合されていない（３種類または２種類の給電電圧も、必ずしも同一ではない）。

他のアプリケーションにおいては、すべての第１負荷が高電圧（６０Ｖより高い）によって電力供給される。すなわち、第１電圧および第２電圧は、両方とも高電圧である。このような場合、ＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれについて、ＤＣ入力側のグランドおよびＤＣ出力側のグランドは、同一の基準電位を有する。したがって、電気的な絶縁は必要でない。別の代替的な実施形態において、ＤＣ出力側のグランドの基準電位は、ＤＣ入力側のグランドの基準電位とは異なる。また、ＤＣ出力側のグランドは、車両シャシに接続されていない。

例えば、本発明の１つの高電圧アプリケーション（図７に示される）において、第１電圧と第２電圧の両方が６０Ｖを超える。例えば、第１電圧は４００Ｖであり、第２電圧は２００Ｖである。ＤＣ入力は、ＤＣ出力と電気的に絶縁されていない。ＤＣ入力側のグランドは、ＤＣ出力側のグランドと同一の基準電位を有する。両方のグランドは、乗客の安全のために、フロートされて車両シャシから分離されている必要がある。別の高電圧アプリケーション（図８に示される）において、ＤＣ入力はＤＣ出力と電気的に絶縁されている。ＤＣ入力側のグランドは、ＤＣ出力側の基準電位とは異なる基準電位を有する。両方のグランドは、フロートされて車両シャシから分離されている必要がある。図７〜図８に示されるコンセプトは、図２〜図６に示される配電システムにおいて適用可能である。

以上のことに基づいて、本発明の更なる実施形態として、図９は、すべての第１負荷が低電圧（６０Ｖよりも低い低電圧バッテリ１１）によって電力供給される、すなわち第１電圧および第２電圧は、両方とも低電圧である、４８ＶのＨＥＶシステムなどの配電システムを概略的に示す。この場合、各ＤＣ／ＤＣコンバータにおける絶縁は、当初必要でなかった。ＤＣ入力側のグランドおよびＤＣ出力側のグランドは、車両シャシに接続された同一の基準電位を有する。しかしながら最近では、ＥＭＣ、短絡、および他のフェイルセーフ設計上の問題に対処する方法として、絶縁が必要になってきている。図９は、図２と同一のシステムコンセプトで構成されている。低電圧（６０Ｖより低い）によって完全に電力供給されるこのケースは、図３、４、５、および６に対しても展開することができる。

任意選択で、補助バッテリ４は配電システムに含まれる。しかしながら、当業者にとっては、補助バッテリ４が必要でない場合もあることは明白である。図９に示されるように、補助バッテリ４は、優先度の高い第１負荷（スターターなど）に結合されており、低温下で高電圧バッテリによって負荷に電力を供給できない場合に、電力を供給する。

前述の第１ＤＣ／ＤＣコンバータおよび第２ＤＣ／ＤＣコンバータは、双方向の電力変換を与えることができる、また一方向（高電圧側から低電圧側へ）でも与えることができる。

特定の実施形態を参照して、本発明を説明した。しかしながら、この記載は、本発明の例示であり、したがって本発明を限定するものと解釈されるべきではない。添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者には、多様な変更および応用が想到されるであろう。

Claims (12)

1. 配電システムであって、第１バッテリと、複数の第１負荷と、前記複数の第１負荷にそれぞれ結合された複数の第１ＤＣ／ＤＣコンバータと、を備え、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータは、それぞれ、前記第１バッテリからの第１電圧を、対応する第１負荷に電力を供給する異なる第２電圧に変換する、配電システム。
2. 請求項１に記載の配電システムであって、前記第１電圧は高電圧であり、前記第２電圧は低電圧である、配電システム。
3. 請求項１に記載の配電システムであって、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれのＤＣ入力およびＤＣ出力は、電気的に絶縁されている、配電システム。
4. 請求項１に記載の配電システムであって、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれのＤＣ出力のグランドは、車両シャシに接続されている、配電システム。
5. 請求項１に記載の配電システムであって、前記第１電圧および前記第２電圧は、両方とも高電圧である、配電システム。
6. 請求項５に記載の配電システムであって、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれについて、ＤＣ入力側のグランドおよびＤＣ出力側のグランドは、同一の基準電位を有する、配電システム。
7. 請求項５に記載の配電システムであって、前記第１ＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれについて、ＤＣ出力側のグランドの基準電位は、ＤＣ入力側のグランドの基準電位と異なる、配電システム。
8. 請求項１に記載の配電システムであって、前記第１電圧および前記第２電圧は、両方とも低電圧である、配電システム。
9. 請求項１に記載の配電システムであって、前記配電システムは第２ＤＣ／ＤＣコンバータをさらに備え、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの入力は前記第１バッテリに結合され、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータの出力は少なくとも１つの第１負荷に結合されている、配電システム。
10. 請求項９に記載の配電システムであって、前記配電システムは、前記第２ＤＣ／ＤＣコンバータに結合された少なくとも１つの第２負荷をさらに備える、配電システム。
11. 請求項１に記載の配電システムであって、前記配電システムは、少なくとも１つの第１負荷に結合された補助バッテリをさらに備える、配電システム。
12. 請求項１１に記載の配電システムであって、前記配電システムは、前記補助バッテリに結合された少なくとも１つの第２負荷をさらに備える、配電システム。
    

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