JP2023037513A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バックアップ制御を担保しつつ電池劣化を抑制できる電源装置を提供すること。【解決手段】実施形態に係る電源装置は、第１系統と、第２系統と、系統間スイッチと、電源用スイッチと、制御部とを備える。第１系統は、第１電源の電力が第１負荷に供給される。第２系統は、第２電源の電力が第２負荷に供給される。系統間スイッチは、第１系統と第２系統とを接続または遮断する。電源用スイッチは、第２電源と第２系統とを接続または遮断する。制御部は、第１系統の電源失陥が検出された場合に、系統間スイッチを遮断して電源用スイッチを接続することで第２電源から第２負荷へ電力を供給するバックアップ制御を行うとともに、第２電源の充電状態をバックアップ制御が実行可能な設定値以上となるように充電制御を行う。制御部は、設定値を、第２電源の温度が高い程低く設定するとともに、バックアップ制御に必要な最小電力量に寄せた値に設定する。【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関する。

従来、複数の電源系統を備え、車両の走行中に一方の電源系統に失陥が生じた場合に、他方の電源系統に切り替えて車載器へ電力供給を行うバックアップ制御を行うことで、安全な場所まで退避走行させる技術がある。

特開２０１９－６２７２７号公報

上記技術では、電源失陥の発生に備えて、他方の電源系統における電源の充電状態をバックアップ制御が実行可能な充電状態で維持するよう充電制御を行う必要がある。しかしながら、リチウムイオン電池等の電源は、温度が高いほど、電池劣化が大きくなる傾向にあるため、例えば、高温条件下において、充電状態を満充電付近で維持してしまうと電池劣化が大きくなるおそれがあった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、バックアップ制御を担保しつつ電池劣化を抑制できる電源装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電源装置は、第１系統と、第２系統と、系統間スイッチと、電源用スイッチと、制御部とを備える。前記第１系統は、第１電源の電力が第１負荷に供給される。前記第２系統は、第２電源の電力が第２負荷に供給される。前記系統間スイッチは、前記第１系統と前記第２系統とを接続または遮断する。前記電源用スイッチは、前記第２電源と前記第２系統とを接続または遮断する。前記制御部は、前記第１系統の電源失陥が検出された場合に、前記系統間スイッチを遮断して前記電源用スイッチを接続することで前記第２電源から前記第２負荷へ電力を供給するバックアップ制御を行うとともに、前記第２電源の充電状態を前記バックアップ制御が実行可能な設定値以上となるように充電制御を行う。前記制御部は、前記設定値を、前記第２電源の温度が高い程低く設定するとともに、前記バックアップ制御に必要な最小電力量に寄せた値に設定する。

本発明によれば、バックアップ制御を担保しつつ電池劣化を抑制できる。

図１は、実施形態に係る電源装置を含む自動運転システムの構成例を示す図である。 図２は、バックアップ制御の動作例を示す図である。 図３は、充電制御の動作例を示す図である。 図４は、ＳＯＣおよび温度の組み合わせにおける第２電源の劣化量を示す図である。 図５は、実施形態に係る電源装置によって実行される充電制御処理の処理手順を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する電源装置の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態により本発明が限定されるものではない。実施形態に係る電源装置は、自動運転機能を有する車両に搭載され、自動運転制御に関わる負荷へ電力を供給する。

図１は、実施形態に係る電源装置１を含む自動運転システムＳの構成例を示す図である。図１に示すように、自動運転システムＳは、電源装置１と、第１電源１０と、車両制御装置１００と、第１負荷１０１と、第２負荷１０２とを備える。

第１負荷１０１は、自動運転に関わる負荷を含む。例えば、第１負荷１０１は、自動運転中に動作するステアリングモータ、電動ブレーキ装置、車載カメラ、およびレーダ等を含む。なお、第１負荷１０１は、ディスプレイ、エアコン、オーディオ、ビデオ、各種ライト等の自動運転とは関わりの無い一般負荷が含まれてもよい。

第２負荷１０２は、自動運転に関わる負荷を含む。例えば、第１負荷１０１は、自動運転中に動作するステアリングモータ、電動ブレーキ装置、車載カメラ、およびレーダ等を含む。

車両制御装置１００は、第１負荷１０１および第２負荷１０２を動作させて、車両の自動運転制御を行う制御装置である。

第１電源１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１（以下、ＤＣ／ＤＣ１１と記載する）と、鉛バッテリ１２（以下、ＰｂＢ１２と記載する）とを含む。なお、第１電源１０の電池は、ＰｂＢ１２以外の任意の２次電池であってもよい。

ＤＣ／ＤＣ１１は、上流側において、車両の回生エネルギーを電力に変換して発電する発電機（不図示）に接続され、発電機から入力される入力電圧を変圧して出力する。発電機は、車両がエンジンを備える場合、エンジンの回転力を電力に変換して発電するオルタネータであってもよい。ＤＣ／ＤＣ１１は、ＰｂＢ１２の充電、第１負荷１０１への電力供給、第２負荷１０２への電力供給、および後述する第２電源２０の充電を行う。

電源装置１は、第１負荷１０１および第２負荷１０２への電力供給を制御する装置である。図１に示すように、電源装置１は、第２電源２０と、系統間スイッチ４と、制御部３１と、記憶部３２と、電圧センサ５１，５２とを備える。

第２電源２０は、第１電源１０による電力供給ができなくなった場合のバックアップ用電源である。第２電源２０は、リチウムイオンバッテリ２１（以下、「ＬｉＢ２１」と記載する）と、電源用スイッチ２２とを備える。電源用スイッチ２２は、ＬｉＢ２１と第２負荷１０２とを接続／切断可能に接続する。なお、第２電源２０の電池は、ＬｉＢ２１以外の任意の２次電池であってもよい。

また、電源装置１は、第１電源１０から第１負荷１０１へ電力を供給する第１系統１１０と、第２電源２０から第２負荷１０２へ電力を供給する第２系統１２０とを備える。

系統間スイッチ４は、第１系統１１０と第２系統１２０とを接続／切断可能に接続する。

電圧センサ５１は、第１電源１０と第１負荷１０１との間に接続され、第１系統１１０の電圧値を検出する。電圧センサ５２は、第２電源２０と第２負荷１０２との間に接続され、第２系統１２０の電圧値を検出する。

制御部３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）などを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含む。なお、制御部３１は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで構成されてもよい。記憶部３２は、例えば、不揮発性メモリやデータフラッシュ、ハードディスクドライブといった記憶デバイスで構成される記憶部である。かかる記憶部３２には、各種プログラムなどが記憶される。

制御部３１は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを、ＲＡＭを作業領域として使用して実行することにより、電源装置１の動作を制御する。制御部３１は、電圧センサ５１、５２から入力される検出結果（電圧値）に基づいて、系統間スイッチ４および電源用スイッチ２２をオンオフ制御することで、第１電源１０または第２電源２０から第１負荷１０１と第２負荷１０２とに電力を供給する。また、制御部３は、ＬｉＢ２１の電池監視機能を備えている。具体的には、ＬｉＢ２１には図示しない計測装置が設けられており、計測装置がＬｉＢ２１の電圧、電流、温度等の電池パラメータを計測する。制御部３は、定期的に計測装置に対して、図示しない通信線を介して電池パラメータの計測を指示し、計測装置から取得したＬｉＢ２１の電圧、電流、温度に基づいて、ＬｉＢ２１の充電状態（SOC:State Of Charge）を検出する。

図１では、第１系統１１０および第２系統１２０に地絡等の異常が発生していない正常時の制御（正常制御）の一例を示している。具体的には、制御部３は、正常制御時には、系統間スイッチ４をオンし、電源用スイッチ２２をオフする。

これにより、第１電源１０から第１系統１１０を介して第１負荷１０１へ電力が供給されるとともに、第１電源１０から第１系統１１０、系統間スイッチ４および第２系統１２０を介して第２負荷１０２へ電力が供給される。なお、この正常制御は、車両が自動運転および手動運転のいずれの場合でも行われる。

ここで、自動運転における正常制御時において、電圧センサ５１の電圧値が予め定められた閾値（地絡を判定可能な閾値）未満まで低下したとする。かかる場合、制御部３１は、系統間スイッチ４をオフ、電源用スイッチ２２をオンして、第１系統１１０および第２系統１２０のいずれに地絡が発生しているかを電圧センサ５１、５２の電圧値により特定する。

ここで、電圧センサ５１の電圧値が閾値未満により第１系統１１０の電源失陥が検出されたとする。かかる場合には、電源装置１は、図２に示すバックアップ制御に切り替える。なお、電圧センサ５２の電圧値が閾値未満により第２系統１２０の電源失陥が検出された場合には、系統間スイッチ４をオフ、電源用スイッチ２２をオフして、第１電源１０から第１負荷１０１へ電力供給を行うことで、後述する退避走行制御を行う。

図２は、バックアップ制御の動作例を示す図である。バックアップ制御とは、第１系統の電源失陥により第１電源１０から第１負荷１０１および第２負荷１０２への電力供給が行えなくなった場合に、第２系統１２０の第２電源２０から第２負荷１０２へ電力供給を行う制御である。

なお、バックアップ制御時において、車両制御装置１００は、自動運転における電力供給の冗長性が担保されなくなるため、第２負荷１０２を制御することで、自動運転中の車両を路肩等の安全な場所へ退避して停止させる退避走行制御を実行する。

図２に示すように、制御部３１は、第１系統１１０に電源失陥が発生した場合には、系統間スイッチ４をオフするとともに、電源用スイッチ２２をオンする。そして、制御部３１は、第１電源１０から第１負荷１０１への電力供給を停止させ、第２電源２０から第２負荷１０２への電力供給を行う。つまり、車両制御装置１００は、第１系統１１０に電源失陥が発生した場合には、第２電源２０の電力のみで退避走行制御を行うこととなる。

また、電源装置１は、例えば、図１に示す正常制御中において、第２電源２０のＳＯＣをバックアップ制御が実行可能な設定値以上となるように充電制御を行う。ここで、図３を用いて、第２電源２０の充電制御について説明する。

図３は、充電制御の動作例を示す図である。充電制御は、上述した発電機から第１電源１０のＤＣ／ＤＣ１１を介して第２電源２０のＬｉＢ２１を充電する制御である。

図３に示すように、制御部３１は、第２電源２０の充電状態が設定値未満となった場合に、系統間スイッチ４をオンするとともに、電源用スイッチ２２をオンする充電制御を行う。これにより、第１電源１０から第２電源２０へ電力供給が行われ、充電状態が設定値未満となったＬｉＢ２１を設定値以上まで充電することができる。なお、制御部３１は、設定値からＳＯＣが所定値高い充電完了値まで充電するが、かかる点については図４で後述する。

ここで、第２電源２０におけるＬｉＢ２１は、温度が高いほど、電池劣化が大きくなる傾向にある。このため、ＬｉＢ２１の充電状態の設定値（あるいは、後述する充電完了値）を満充電付近に設定してしまうと、例えば、高温条件下において、ＬｉＢ２１の充電状態が満充電付近で維持されてしまい電池劣化が大きくなるおそれがあった。

そこで、実施形態に係る電源装置１は、かかる設定値を、第２電源２０におけるＬｉＢ２１の温度が高い程低く設定するとともに、バックアップ制御に必要な最小電力量に寄せた値に設定する。

図４は、ＳＯＣおよび温度の組み合わせにおける第２電源２０（ＬｉＢ２１）の劣化量を示す図である。図４に示すように、第２電源２０の温度が高い程、かつ、第２電源２０のＳＯＣが高い程、第２電源２０の劣化量が多くなる傾向にある。

また、図４に示すバックアップ要求温度下限値とは、バックアップ制御が実行可能な温度の下限値である。すなわち、第２電源２０の温度がバックアップ要求温度下限値未満である場合には、バックアップ制御の実行が禁止される。なお、図４に示す劣化量の情報は、例えば、実験や、ＬｉＢ２１の製造メーカー等から取得可能である。

図４では、バックアップ制御に必要な最小電力量ｔｈ１を示している。図４に示すように、ＬｉＢ２１の温度特性により、温度が高い程、最小電力量ｔｈ１であるＳＯＣは低くなる傾向にある。そして、制御部３１は、設定値ｔｈ２を、最小電力量ｔｈ１の近傍に設定する。

つまり、図４に示すように、制御部３１は、設定値ｔｈ２を、第２電源２０の温度が高い程低くする設定するとともに、最小電力量ｔｈ１に寄せた値に設定値ｔｈ２を設定する。換言すれば、制御部３１は、設定値ｔｈ２を、最小電力量ｔｈ１以上となるようにし、かつ、「劣化量：大」の領域ではなく、「劣化量：中」の領域内となるように設定する。

これにより、設定値ｔｈ２は、最小電力量ｔｈ１以上を維持しつつ、「劣化量：大」で充電状態が維持される場合（満充電付近で維持される場合）に比べて、電池劣化を抑制することができる。すなわち、実施形態に係る電源装置１によれば、バックアップ制御を担保しつつ電池劣化を抑制できる。

また、制御部３１は、最小電力量ｔｈ１からＳＯＣが所定値高い設定値ｔｈ２を設定する。換言すれば、設定値ｔｈ２は、最小電力量ｔｈ１の曲線をＳＯＣの高い側（紙面右方向）へスライドした曲線となる。なお、設定値ｔｈ２の曲線は、図４に示す「劣化量：中」の領域に収まるようにする。

この所定値（最小電力量ｔｈ１と設定値ｔｈ２との差分）は、車両停止後の自然放電による低下量に応じた値である。つまり、制御部３１は、車両停止後の自然放電による低下量に基づいて設定値ｔｈ２を設定する。

例えば、所定値は、車両が所定期間（例えば、数十日間）停止した場合でもＳＯＣが最小電力量ｔｈ１以上となる値が設定される。これにより、車両が所定期間停止することで自然放電によりＳＯＣが低下した場合であっても、最小電力量ｔｈ１以上の充電状態を維持できる。従って、車両を所定期間停止させた後の始動時においてもバックアップ制御を即座に行うことができる。

また、制御部３１は、第２電源２０のＳＯＣが設定値ｔｈ２未満となった場合に充電制御を開始し、設定値ｔｈ２からＳＯＣが所定値高い値である充電完了値ｔｈ３まで第２電源２０を充電する充電制御を行う。

つまり、充電完了値ｔｈ３は、設定値ｔｈ２の曲線をＳＯＣの高い側（紙面右方向）へスライドした曲線となる。なお、充電完了値に対応する所定値は、充電完了値ｔｈ３の曲線が、図４に示す「劣化量：中」の領域に収まるような値が設定される。

これにより、充電完了値ｔｈ３から充電開始位置である設定値ｔｈ２までの間でＳＯＣの多少の低下を許容できるため、設定値ｔｈ２を跨いで充電制御が断続的に繰り返されることを回避できる。

また、充電完了値ｔｈ３を「劣化量：中」の領域に収めることで、第２電源２０のＳＯＣが「劣化量：高」の状態で維持されることを回避できるため、電池劣化を抑制することができる。

なお、制御部３１は、車両停止後における第２電源２０の温度変化を予測し、予測した温度変化に基づいて設定値ｔｈ２を設定してもよい。例えば、制御部３１は、車両停止後における第２電源２０の過去の温度変化に基づいて、第２電源２０の温度の低下（あるいは上昇）を予測する。

例えば、制御部３１は、車両の停車場所や、停車時間、気温に基づいて第２電源２０の温度変化を予測する。具体的には、制御部３１は、例えば、車両を通勤に使用している場合に、自宅における過去の気温や、停車時間（例えば、１８時から８時までの１４時間等）を用いて始動までの第２電源２０の温度変化を予測する。

そして、制御部３１は、予測した温度変化により始動時における第２電源２０の温度を予測する。そして、制御部３１は、予測した第２電源２０の温度に対応したＳＯＣを車両停止直前の設定値ｔｈ２として設定する。

例えば、制御部３１は、車両停止後に第２電源２０の温度が上昇すると予測した場合、現在（車両停止前）の温度に対応したＳＯＣ、または、車両始動時の予測温度に対応したＳＯＣを設定値ｔｈ２として設定する。

これにより、車両停車後から始動時までに温度が上昇した場合であっても、第２電源２０のＳＯＣを最小電力量ｔｈ１以上に維持できるため、始動後に即座にバックアップ制御を実行できない状況を高精度に回避することができる。

また、制御部３１は、車両停止後に第２電源２０の温度が低下すると予測した場合、車両が始動してから自動運転制御に移行するまでの期間に充電可能な電力量に基づいて設定値ｔｈ２を設定する。図４に示すように、車両停止後に第２電源２０の温度が低下した場合、車両停止時に比べて、始動時の最小電力量ｔｈ１は高くなる。

このため、設定値ｔｈ２は、始動時の最小電力量ｔｈ１以上となるように車両停止時に設定されていることが好ましいものの、温度の低下度合いによっては始動時の最小電力量ｔｈ１以上を満たす設定値ｔｈ２を設定することが難しい場合がある。

一方で、車両が始動してから自動運転制御に移行するまでには一定時間を要するため、車両が始動してから自動運転制御に移行するまでの期間は充電制御を実行可能である。

従って、制御部３１は、車両停止後に第２電源２０の温度が低下すると予測した場合において、始動時の最小電力量ｔｈ１以上を満たす設定値ｔｈ２を設定することが難しい時には、車両が始動してから自動運転制御に移行するまでの期間に充電可能な電力量を差し引いた設定値ｔｈ２を設定する。当該期間は、予め想定した時間である。

これにより、始動時には第２電源２０のＳＯＣが最小電力量ｔｈ１未満であっても、自動運転制御に移行するまでの期間に充電制御を行うことで、自動運転開始時には最小電力量ｔｈ１以上を満たすことが可能となる。

次に、図５を用いて、実施形態に係る電源装置１において実行される充電制御処理の手順について説明する。図５は、実施形態に係る電源装置１によって実行される充電制御処理の処理手順を示すフローチャートである。

図５に示すように、まず、制御部３１は、第２電源２０の温度を検出する（ステップＳ１０１）。つづいて、制御部３１は、検出した第２電源２０の温度に基づいて設定値ｔｈ２を設定する（ステップＳ１０２）。

つづいて、制御部３１は、第２電源２０のＳＯＣを検出する（ステップＳ１０３）。つづいて、制御部３１は、検出した第２電源２０のＳＯＣが設定値ｔｈ２未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。

制御部３１は、第２電源２０のＳＯＣが設定値ｔｈ２未満である場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、系統間スイッチ４をオン、電源用スイッチ２２をオンすることで充電制御を実行する（ステップＳ１０５）。なお、制御部３１は、第２電源２０のＳＯＣが設定値ｔｈ２以上である場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、処理を終了する。すなわち、充電制御を実行しない。

つづいて、制御部３１は、第２電源２０のＳＯＣが充電完了値ｔｈ３に到達したか否かを判定する（ステップＳ１０６）。制御部３１は、第２電源２０のＳＯＣが充電完了値ｔｈ３に到達した場合（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、充電制御を終了し（ステップＳ１０７）、処理を終了する。

なお、制御部３１は、第２電源２０のＳＯＣが充電完了値ｔｈ３に到達していない場合（ステップＳ１０６：Ｎｏ）、ステップＳ１０５に戻り、第２電源２０のＳＯＣが充電完了値ｔｈ３に到達するまで充電制御を継続する。

上述してきたように、実施形態に係る電源装置１は、第１系統１１０と、第２系統１２０と、系統間スイッチ４と、電源用スイッチ２２と、制御部３１とを備える。第１系統１１０は、第１電源１０の電力が第１負荷１０１に供給される。第２系統１２０は、第２電源２０の電力が第２負荷１０２に供給される。系統間スイッチ４は、第１系統１１０と第２系統１２０とを接続または遮断する。電源用スイッチ２２は、第２電源２０と第２系統１２０とを接続または遮断する。制御部３１は、第１系統１１０の電源失陥が検出された場合に、系統間スイッチ４を遮断して電源用スイッチ２２を接続することで第２電源２０から第２負荷１０２へ電力を供給するバックアップ制御を行うとともに、第２電源２０の充電状態をバックアップ制御が実行可能な設定値ｔｈ２以上となるように充電制御を行う。制御部３１は、設定値ｔｈ２を、第２電源２０の温度が高い程低く設定するとともに、バックアップ制御に必要な最小電力量ｔｈ１に寄せた値に設定する。これにより、バックアップ制御を担保しつつ電池劣化を抑制できる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 電源装置
３ 制御部
４ 系統間スイッチ
１０ 第１電源
１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ 鉛バッテリ
２０ 第２電源
２１ リチウムイオンバッテリ
２２ 電源用スイッチ
３１ 制御部
３２ 記憶部
５１、５２ 電圧センサ
１００ 車両制御装置
１０１ 第１負荷
１０２ 第２負荷
１１０ 第１系統
１２０ 第２系統
Ｓ 自動運転システム

Claims (5)

1. 第１電源の電力が第１負荷に供給される第１系統と、
   第２電源の電力が第２負荷に供給される第２系統と、
   前記第１系統と前記第２系統とを接続または遮断する系統間スイッチと、
   前記第２電源と前記第２系統とを接続または遮断する電源用スイッチと、
   前記第１系統の電源失陥が検出された場合に、前記系統間スイッチを遮断して前記電源用スイッチを接続することで前記第２電源から前記第２負荷へ電力を供給するバックアップ制御を行うとともに、前記第２電源の充電状態を前記バックアップ制御が実行可能な設定値以上となるように充電制御を行う制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記設定値を、前記第２電源の温度が高い程低く設定するとともに、前記バックアップ制御に必要な最小電力量に寄せた値に設定すること
   を特徴とする電源装置。
2. 前記制御部は、
   前記第２電源の充電状態が前記設定値未満となった場合に、前記設定値から所定値高い値である充電完了値まで前記第２電源を充電する前記充電制御を行うこと
   を特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記制御部は、
   車両停止後の自然放電による低下量に基づいて前記設定値を設定すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
4. 前記制御部は、
   車両停止後における前記第２電源の温度変化を予測し、予測した前記温度変化に基づいて前記設定値を設定すること
   を特徴とする請求項１～３のいずれか１つに記載の電源装置。
5. 前記バックアップ制御は、
   車両の自動運転制御時に実行される制御であり、
   前記制御部は、
   車両停止後に前記第２電源の温度が低下すると予測した場合、車両が始動してから前記自動運転制御に移行するまでの期間に充電可能な電力量に基づいて前記設定値を設定すること
   を特徴とする請求項４に記載の電源装置。

Images