JP2023049146A - 電源システム、ｄｃｄｃコンバータ - Google Patents

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Abstract

【課題】高圧側のリレー保護のためのプリチャージを行なう際に、ＤＣＤＣコンバータの内部回路を保護する。【解決手段】リレー（１５０）を介して負荷（１４０）に接続された第１バッテリ（１３０）を含む第１電圧系と、第１バッテリよりも低電圧の第２バッテリ（１１０）を含む第２電圧系と、第１電圧系と第２電圧系との間に設けられ、リレーが閉に切り替えられる前に、第２バッテリの電圧よりも低い電圧を第１電圧系に供給し、その後、第２バッテリの電圧を第１電圧系に供給し、その後、第２バッテリの電圧を第１バッテリの電圧に昇圧して第１電圧系に供給するＤＣＤＣコンバータ（１６０）と、を備えた電源システム（１００）。【選択図】図１

Description

本発明は、電圧の異なる２系統のバッテリを備えた電源システムおよびこの電源システムに用いられるＤＣＤＣコンバータに関する。
従来、自動車の電源システムとしては、１２Ｖバッテリから電源を供給する１２Ｖ系が一般的であったが、近年、４８Ｖバッテリから電源を供給する４８Ｖ系を採用する動きが活発になっている。従来よりも高電圧の電源システムを採用することにより、同じ出力であっても、供給電流を少なくすることができるようになる。これにより、送電時の電力損失削減や電線を細くできることによる車重削減等が期待される。４８Ｖ系の電源システムは、今後、自動運転システムが搭載された自動車にも採用されることが見込まれている。
４８Ｖ系の電源システムを採用した場合であっても、当面は、既存の電装品等を動作させるために１２Ｖ系の電源システムと車両内部で併存することが想定される。１２Ｖ系と４８Ｖ系とを併存させることにより、電源の冗長化を図った電源冗長システムを構築することができる。
特開２０２１－２９０７８号公報
図４は、１２Ｖ系と４８Ｖ系とが併存している自動車の電源システム３００を示すブロック図である。本図に示すように、１２Ｖ系は、１２Ｖバッテリ３１０が１２Ｖ系負荷３２０に電力を供給している。４８Ｖ系は、４８Ｖバッテリ３３０がメインリレー３５０を介して４８Ｖ系負荷３４０に電力を供給している。メインリレー３５０は、一般にメカニカルリレーが用いられる。
１２Ｖ系と４８Ｖ系との間には双方向で動作するＤＣＤＣコンバータ３６０が設けられており、１２Ｖ系と４８Ｖ系とで相互に電力のやり取りが可能となっている。
ＤＣＤＣコンバータ３６０は、昇降圧回路３６１、１２Ｖバッテリ１１０との接続状態を切り替える１２Ｖ側絶縁スイッチ３６２、４８Ｖ系との接続状態を切り替える４８Ｖ側絶縁スイッチ３６３、制御部３６４を備えている。
１２Ｖ側絶縁スイッチ３６２、４８Ｖ側絶縁スイッチ３６３は、ＭＯＳＦＥＴで構成され、１２Ｖ側絶縁スイッチ３６２は電流の逆流を防ぐためにバックトゥバック接続となっている。制御部３６４は、ＣＰＵ等で構成され、昇降圧回路３６１の昇降圧動作、１２Ｖ側絶縁スイッチ３６２、４８Ｖ側絶縁スイッチ３６３の開閉動作を制御する。
４８Ｖ系には、４８Ｖ系負荷３４０と並列に容量Ｃが存在している。これは、４８Ｖ系負荷３４０が有する容量成分や４８Ｖ系に存在する浮遊容量等によって形成される容量である。一般に、イグニッションがオフになり、メインリレー３５０が開になると、容量Ｃは放電される。
電源システム３００において、容量Ｃが充電されていない状態でメインリレー３５０を開から閉に切り替えると、４８Ｖバッテリ３３０から大きな突入電流が流れ、メインリレー３５０が溶着するおそれがある。
突入電流によるメインリレー３５０の溶着を防止するため、電源システム３００では、１２Ｖバッテリ３１０を利用して容量Ｃのプリチャージを行なう。具体的には、メインリレー３５０を閉に切り替える前に、１２Ｖバッテリ３１０が供給する１２Ｖで容量Ｃを充電し、その後、ＤＣＤＣコンバータ３６０を動作させ、１２Ｖを４８Ｖに昇圧して容量Ｃを充電する。このような段階的な充電手順により、４８Ｖバッテリ３３０と容量Ｃとの電圧差を無くしてからメインリレー３５０を閉に切り替えることで、突入電流によるメインリレー３５０の溶着を防ぐようにする。
一方で、１２Ｖバッテリ３１０を利用して容量Ｃのプリチャージを行なう際にも突入電流は発生し、１２Ｖバッテリ３１０からＤＣＤＣコンバータ３６０を通って容量Ｃに流れることになる。この突入電流により、ＤＣＤＣコンバータ３６０の内部回路、特に、１２Ｖ側絶縁スイッチ３６２に負荷が生じるおそれがある。この問題は、自動車の電源システムのみならず、電圧の異なる２系統のバッテリとＤＣＤＣコンバータを備えた電源システム全般に起こり得る。
そこで、本発明は、電圧の異なる２系統のバッテリとＤＣＤＣコンバータを備えた電源システムにおいて、高圧側のリレー保護のためのプリチャージを行なう際に、ＤＣＤＣコンバータの内部回路を保護することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の態様である電源システムは、リレーを介して負荷に接続された第１バッテリを含む第１電圧系と、前記第１バッテリよりも低電圧の第２バッテリを含む第２電圧系と、前記第１電圧系と前記第２電圧系との間に設けられ、前記リレーが閉に切り替えられる前に、前記第２バッテリの電圧よりも低い電圧を前記第１電圧系に供給し、その後、前記第２バッテリの電圧を前記第１電圧系に供給し、その後、前記第２バッテリの電圧を前記第１バッテリの電圧に昇圧して前記第１電圧系に供給するＤＣＤＣコンバータと、を備える。
上記課題を解決するため、本発明の第２の態様であるＤＣＤＣコンバータは、リレーを介して負荷に接続された第１バッテリを含む第１電圧系と前記第１バッテリよりも低電圧の第２バッテリを含む第２電圧系との間に設けられるＤＣＤＣコンバータであって、前記リレーが閉に切り替えられる前に、前記第２バッテリの電圧よりも低い電圧を前記第１電圧系に供給し、その後、前記第２バッテリの電圧を前記第１電圧系に供給し、その後、前記第２バッテリの電圧を前記第１バッテリの電圧に昇圧して前記第１電圧系に供給する。
本実施形態に係る電源システムの構成を示す図である。 昇降圧回路の構成例を示す図である。 本実施形態に係る電源システムの動作を説明する図である。 ２系統のバッテリを備えた従来の電源システムの構成を示す図である。
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る電源システム１００の構成を示す図である。電源システム１００は、２つの電圧系が併存した自動車の電源システムであり、本例では、１２Ｖ系と４８Ｖ系とが併存している。ただし、本発明は、１２Ｖ系と４８Ｖ系とが併存した自動車の電源システムに限られず、電圧の異なる２系統のバッテリを備えた電源システムに広く適用することができる。
本図に示すように、１２Ｖ系は、１２Ｖバッテリ１１０と１２Ｖ系負荷１２０とを備え、１２Ｖバッテリ１１０が１２Ｖ系負荷１２０に電力を供給している。４８Ｖ系は、４８Ｖバッテリ１３０と４８Ｖ系負荷１４０とを備え、４８Ｖバッテリ１３０がメインリレー１５０を介して４８Ｖ系負荷１４０に電力を供給している。さらにＩＳＧ（モーター機能付発電機）等を備えさせ、４８Ｖ系負荷１４０に電力を供給するようにしてもよい。メインリレー１５０は、メカニカルリレーが用いられ、例えば、イグニッションがオンになったことを示すイグニッション信号により閉に切り替えられる。
１２Ｖ系と４８Ｖ系との間には双方向で動作するＤＣＤＣコンバータ１６０が設けられており、１２Ｖ系と４８Ｖ系とで相互に電力のやり取りが可能となっている。例えば、１２Ｖを昇圧して４８Ｖバッテリ１３０を充電したり、４８Ｖを降圧して１２Ｖバッテリ１１０を充電することができる。また、一方のバッテリが失陥等した場合に、他方のバッテリで補うこともできる。さらには、同一の負荷に対して、両方のバッテリから電力を供給することもできる。
４８Ｖ系には、４８Ｖ系負荷１４０と並列に容量Ｃが存在している。これは、４８Ｖ系負荷１４０が有する容量成分や４８Ｖ系に存在する浮遊容量等によって形成される容量である。
ＤＣＤＣコンバータ１６０は、昇降圧回路１６１、１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２、４８Ｖ側絶縁スイッチ１６３、制御部１６４を備えている。１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２は、昇降圧回路１６１の降圧出力側に配置され、１２Ｖ系と接続している。１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２は、バックトゥバック接続された２つのＭＯＳＦＥＴで構成されている。４８Ｖ側絶縁スイッチ１６３は、昇降圧回路１６１の昇圧出力側に配置され、４８Ｖ系と接続している。４８Ｖ側絶縁スイッチ１６３は、ＭＯＳＦＥＴで構成され、ボディダイオードが４８Ｖ側に順方向となっている。
また、ＤＣＤＣコンバータ１６０は、昇降圧回路１６１と１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２との間に、１０Ｖ電源の接続／非接続を切り替えるプリチャージスイッチ１６５と電圧センサ１６６とを備えている。ただし、プリチャージスイッチ１６５は、１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２よりも４８Ｖ系側に配置すれば足りる。
１０Ｖ電源は、例えば、ＤＣＤＣコンバータ１６０が備えるＩＣ等の電子部品１６７に供給するために、１２Ｖバッテリ１１０を電源として従来から用意されたものを流用することができる。既存の電源を利用することで、１０Ｖ電源のために新たな電源回路を設ける必要がなくなる。また、１０Ｖに限られず、ＤＣＤＣコンバータ１６０が備える電子部品を動作させるための、１２Ｖバッテリ１１０が供給する１２Ｖよりも低い電圧であればよい。
昇降圧回路１６１は、既知の回路を適用することができ、例えば、図２に示すような回路とすることができる。本図の例では、降圧出力側から昇圧出力側にコイル１６１ａとスイッチング素子１６１ｃとを直列に接続し、降圧出力側と接地との間にコンデンサ１６１ｂを接続している。なお、スイッチング素子１６１ｃは、ボディダイオードが昇圧出力側に順方向となっている。
また、コイル１６１ａとスイッチング素子１６１ｃとの接続点と接地との間にスイッチング素子１６１ｄを接続している。なお、スイッチング素子１６１ｄのボディダイオードは接地側から順方向となっている。
駆動部１６１ｅは、制御部１６４の制御に基づいてスイッチング素子１６１ｃとスイッチング素子１６１ｄとを駆動する。具体的には、降圧動作を行なう場合は、スイッチング素子１６１ｄをオフの状態で、スイッチング素子１６１ｃをオンオフ駆動する。昇圧動作を行なう場合は、スイッチング素子１６１ｃをオフの状態で、スイッチング素子１６１ｄをオンオフ駆動する。
制御部１６４は、ＣＰＵ等で構成され、イグニッションがオンになったことを示すイグニッション信号および電圧センサ１６６の検出結果に基づいて、以下に説明する昇降圧回路１６１の昇降圧動作、１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２、４８Ｖ側絶縁スイッチ１６３、プリチャージスイッチ１６５の開閉動作を制御する。
次に、本実施形態の電源システムの動作について図３を参照して説明する。図３は、上位装置が制御するメインリレー１５０の開閉状態、制御部１６４が制御する１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２、４８Ｖ側絶縁スイッチ１６３、プリチャージスイッチ１６５の開閉状態、昇降圧回路１６１の動作状態、および容量Ｃの充電電圧の推移を示している。
まず、イグニッションがオフの初期状態Ｔ０において、メインリレー１５０は開状態で容量Ｃは放電しており０Ｖである。制御部１６４は、１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２、４８Ｖ側絶縁スイッチ１６３、プリチャージスイッチ１６５を開状態とし、昇降圧回路１６１は非動作とする。
Ｔ１でイグニッションがオンになったことを示すイグニッション信号が入力されると、制御部１６４は、上位装置がＴ４でメインリレー１５０を閉状態に切り替えるよりも前に以下のＴ１～Ｔ３の制御を行なう。
すなわち、まずＴ１で、制御部１６４は、プリチャージスイッチ１６５を閉状態に切り替える。これにより、昇降圧回路１６１と１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２との間に１０Ｖが印加され、非動作の昇降圧回路１６１のスイッチング素子１６１ｃおよび４８Ｖ側絶縁スイッチ１６３のボディダイオードを介して容量Ｃが１０Ｖに充電される。
電圧センサ１６６の出力信号から容量Ｃが１０Ｖに充電されたことを検知すると、Ｔ２で、制御部１６４は、１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２を閉に切り替える。これにより、１２Ｖバッテリ１１０から１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２を介して１２Ｖが印加され、非動作の昇降圧回路１６１のスイッチング素子１６１ｃのボディダイオードおよび４８Ｖ側絶縁スイッチ１６３のボディダイオードを介して容量Ｃが１２Ｖに充電される。この際に、１０Ｖ電源に逆流しないように、Ｔ２においてプリチャージスイッチ１６５を開状態に切り替えておく。
容量Ｃが１２Ｖに充電される直前では、プリチャージスイッチ１６５により容量Ｃは１０Ｖに充電されている。このため、閉に切り替えられた１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２には、その差の２Ｖに対応する突入電流しか流れず、１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２の負荷は十分低減される。
電圧センサ１６６の出力信号から容量Ｃが１２Ｖに充電されたことを検知すると、Ｔ４で、制御部１６４は、昇降圧回路１６１を昇圧動作させて、１２Ｖバッテリ１１０が供給する１２Ｖを４８Ｖに昇圧するとともに、４８Ｖ側絶縁スイッチ１６３を閉状態にする。これにより、容量Ｃが４８Ｖに充電される。４８Ｖ側絶縁スイッチ１６３を開状態のまま、ボディダイオードを介して容量Ｃを４８Ｖに充電してもよい。
そして、Ｔ４で上位装置がメインリレー１５０を閉状態に切り替える。容量Ｃは、前もって４８Ｖに充電されているため、突入電流は発生せず、メインリレー１５０が溶着するおそれはない。なお、Ｔ４以降において、制御部１６４は、プリチャージスイッチ１６５の開状態は維持するが、１２Ｖ側絶縁スイッチ１６２、４８Ｖ側絶縁スイッチ１６３の開閉状態、昇降圧回路１６１の動作状態は、自動車の走行状態、バッテリの蓄電状態等に応じて適宜制御するようにする。
以上説明したように、本実施形態の電源システム１００は、１２Ｖバッテリ１１０が供給する１２Ｖよりも低い電圧で容量Ｃを充電した後、１２Ｖで容量Ｃを充電する段階的なプリチャージを行なうようにする。これにより、ＤＣＤＣコンバータ１６０の内部回路には、１２Ｖと１２Ｖよりも低い電圧との差分に相当する突入電流しか流れない。したがって、プリチャージの際の突入電流からＤＣＤＣコンバータ１６０の内部回路を保護することができる。
また、１２Ｖよりも低い電圧は、ＤＣＤＣコンバータ１６０が備える電子部品１６７に供給するために用意された、１２Ｖバッテリ１１０を電圧源とした電圧を流用することができる。このため、１２Ｖよりも低い電圧のプリチャージのために新たに電源を準備する必要は無く、簡易な構成で実現することができる。
１００ 電源システム
１１０ １２Ｖバッテリ
１１０ ４８Ｖバッテリ
１２０ １２Ｖ系負荷
１３０ ４８Ｖバッテリ
１４０ ４８Ｖ系負荷
１５０ メインリレー
１６０ ＤＣＤＣコンバータ
１６１ 昇降圧回路
１６１ａ コイル
１６１ｂ コンデンサ
１６１ｃ スイッチング素子
１６１ｄ スイッチング素子
１６１ｅ 駆動部
１６２ １２Ｖ側絶縁スイッチ
１６３ ４８Ｖ側絶縁スイッチ
１６４ 制御部
１６５ プリチャージスイッチ
１６６ 電圧センサ
１６７ 電子部品

Claims (4)

  1. リレーを介して負荷に接続された第１バッテリを含む第１電圧系と、
    前記第１バッテリよりも低電圧の第２バッテリを含む第２電圧系と、
    前記第１電圧系と前記第２電圧系との間に設けられ、
    前記リレーが閉に切り替えられる前に、
    前記第２バッテリの電圧よりも低い電圧を前記第１電圧系に供給し、
    その後、前記第２バッテリの電圧を前記第１電圧系に供給し、
    その後、前記第２バッテリの電圧を前記第１バッテリの電圧に昇圧して前記第１電圧系に供給するＤＣＤＣコンバータと、
    を備えた電源システム。
  2. 前記ＤＣＤＣコンバータは、
    前記第２バッテリの電圧よりも低い電圧で動作する電子部品を備える請求項１に記載の電源システム。
  3. 前記ＤＣＤＣコンバータは、
    前記第２バッテリとの接続状態を切り替えるスイッチを備え、
    前記第２バッテリの電圧よりも低い電圧は、前記スイッチよりも前記第１電圧系側から前記第１電圧系に供給する請求項１または２に記載の電源システム。
  4. リレーを介して負荷に接続された第１バッテリを含む第１電圧系と前記第１バッテリよりも低電圧の第２バッテリを含む第２電圧系との間に設けられるＤＣＤＣコンバータであって、
    前記リレーが閉に切り替えられる前に、
    前記第２バッテリの電圧よりも低い電圧を前記第１電圧系に供給し、
    その後、前記第２バッテリの電圧を前記第１電圧系に供給し、
    その後、前記第２バッテリの電圧を前記第１バッテリの電圧に昇圧して前記第１電圧系に供給するＤＣＤＣコンバータ。
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