JP4258534B2

JP4258534B2 - 電源システム

Info

Publication number: JP4258534B2
Application number: JP2006196000A
Authority: JP
Inventors: 耕巳伊藤; 俊▲徳▼ 江坂; 秀哲松任
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-07-18
Filing date: 2006-07-18
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2026-07-18
Also published as: EP2041862B1; CN101395789B; US20090261796A1; EP2041862A1; CN101395789A; JP2008029058A; WO2008010062A8; WO2008010062A1; US7923858B2

Description

本発明は、複数の電源系を有する電源システムに関する。

従来から、２つの異なる電圧系のバッテリを併用する車両の電源制御装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載された電源制御装置をはじめ、このような複数の蓄電装置を併用する電源制御装置は、一方の蓄電装置の電源電圧をＤＣ／ＤＣコンバータなどの電圧変換手段を介して他方の蓄電装置の電源電圧に電圧変換して、その他方の蓄電装置を充電したりその他方の蓄電装置を電源とする電気負荷に電力を供給したりする電力移送の機能を有することがある。
特開２００２−１７６７０４号公報

しかしながら、異なる電圧系間で双方向に電流のやりとりを可能にする上述の従来技術では、電圧変換手段において電圧変換の方向を逆方向に切り替える場合、切り替えに伴うタイムラグが生じるため、瞬間的に電圧変換手段を介して電流が供給されない状態が発生する。このような状態が発生することを避けたいシステムの場合には、それを防ぐ有効な対策が必要である。

この点、上述の特許文献１には、電圧変換方向の切り替え条件については開示されているものの、そのような対策についての開示及び示唆はされていない。

そこで、本発明は、双方向に電圧変換可能な電圧変換手段が電圧変換の方向を切り替える場合に瞬間的に電力が供給されない状態が発生することを防ぐことができる電源システムの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電源システムは、
第１の電圧系から第２の電圧系への第１の方向の電圧変換と第２の電圧系から第１の電圧系への第２の方向の電圧変換とを選択的に切り替え可能な、第１の電圧変換手段と、
前記第１の電圧変換手段に並列接続され、前記第２の方向に電圧変換可能な、第２の電圧変換手段と、を備え、
前記第２の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流が流れた後に前記第１の電圧変換手段を介して流れる電流の方向が前記第１の方向から前記第２の方向に切り替わるように構成される、電源システムであって、
前記第２の電圧変換手段の前記第２の方向の出力電圧であって前記第１の電圧系の電源電圧より低い出力設定電圧となるように調整された出力電圧を、前記第１の電圧系の電圧が下回ると、前記第２の電圧変換手段から前記第２の方向への通電を開始させる回路を備え、
前記第１の電圧系の電源ラインに接続される負荷が、該電源ラインと異なる電源ラインを介して前記回路の出力端子に接続されることを特徴とする。

すなわち、本発明の電源システムは、前記第１の電圧変換手段を介して前記第１の方向に電流が流れている状態から前記第１の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流が流れる状態に切り替わる過程において、前記第２の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流が流れ始めた後に、前記第１の電圧変換手段を介して流れる電流の方向が前記第１の方向から前記第２の方向に切り替わるものである。したがって、前記第１の電圧変換手段の電力移送の方向を前記第１の方向から前記第２の方向に切り替えても、前記第２の電圧変換手段を介して出力設定電圧となるように調整された電圧で前記第２の方向に電流が既に流れ始めているので、前記第１の電圧変換手段を介して瞬間的に電力が供給されない状態が発生することを防ぐことができる。

ここで、本発明の電源システムは、
前記第１の電圧系の異常を検知する異常検知手段と、
前記異常検知手段によって前記第１の電圧系の異常が検知された場合に前記第１の電圧変換手段を介して流れる電流の方向を前記第１の方向から前記第２の方向に切り替えるように指示する指令信号を出力する切替制御手段とを備え、
前記第１の電圧変換手段は、前記切替制御手段によって出力された前記指令信号に基づいて前記第１の方向から前記第２の方向に電流の方向を切り替え後に前記第２の方向に電流を流し始めるものであり、
前記第２の電圧変換手段は、前記第１の電圧系の電圧が所定の出力設定電圧以下になった時点から前記第２の方向に電流を流し始めるものであると、好適である。

つまり、前記第１の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流を流すためには、異常検知をした後に電流方向を切り替える必要があるが、前記第２の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流を流すためには電流方向を切り替える必要がないので、前記第２の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流を流す場合切り替えに伴うタイムラグがなく、前記第１の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流を流すよりも前記第２の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流を流すほうが速やかに前記第２の方向に電流を流し始めることができる。

ここで、前記第２の電圧変換手段を介して前記第２の方向に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、前記異常検知手段は、前記電流検出手段によって所定値以上の電流が検出された場合に前記第１の電圧系の異常と検知するようにしてもよい。

前記第１の電圧系の異常が発生すれば前記第１の電圧系の電圧が低下しはじめるので、前記第１の電圧系の電圧が所定の出力設定電圧以下になった時点から前記第２の方向に電流を流す前記第２の電圧変換手段の電流を検出することで、前記第１の電圧系の異常を検知することができる。

また、本発明の電源システムは、
前記第１の電圧変換手段と前記第２の電圧変換手段のうち前記第２の方向の出力電圧が大きい方の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流が流れ、
前記第１の電圧変換手段に設定された前記第２の方向の目標出力電圧は、前記第２の電圧変換手段に設定された前記第２の方向の目標出力電圧より高いと好ましい。

前記第１の電圧変換手段を介して流れる電流の方向が前記第１の方向から前記第２の方向に切り替われば、前記第１の電圧変換手段に設定された前記第２の方向の目標出力電圧が前記第２の電圧変換手段に設定された前記第２の方向の目標出力電圧より高いために、前記第２の方向に電流を流す電圧変換手段を前記第２の電圧変換手段から前記第１の電圧変換手段に速やかに切り替えることができる。すなわち、前記第１の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流を流すことを優先とし、前記第２の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流を流すことを短時間に制限することができる。

なお、前記第１の電圧変換手段の具体例として、スイッチングレギュレータが挙げられ、前記第２の電圧変換手段の具体例として、リニアレギュレータや抵抗器が挙げられる。

本発明によれば、双方向に電圧変換可能な電圧変換手段が電圧変換の方向を切り替える場合に瞬間的に電力が供給されない状態が発生することを防ぐことができる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。図１は、本発明に係る車両用電源システムの第１の実施形態を示す構成図である。本車両用電源システムが搭載される車両は、高圧系（例えば、４２Ｖ系）の蓄電手段である高圧系バッテリ２０と、低圧系（例えば、１４Ｖ系）の蓄電手段である低圧系バッテリ１０と、高圧系の電圧を低圧系の電圧に降圧変換して高圧系から低圧系への電力供給を行う降圧モード及び低圧系の電圧を高圧系の電圧に昇圧変換して低圧系から高圧系への電力供給を行う昇圧モードを少なくとも有する直流／直流電圧変換器７０（ＤＣ／ＤＣコンバータ７０）とを備えている。

車両上には複数の電気負荷が存在し電圧系の異なる電気負荷が混在する場合があり、高圧系バッテリ２０は高圧系の電圧で作動する高圧系負荷６０への電力供給に主に対応し、低圧系バッテリ１０は低圧系の電圧で作動する低圧系負荷５０への電力供給に主に対応する。高圧系バッテリ２０の具体例としてリチウムイオンバッテリがあり、低圧系バッテリ１０の具体例として鉛バッテリがある。リチウムイオンバッテリは、鉛バッテリに比して、パワー密度（単位は、Ｗ／ｋｇまたはＷ／ｌ）が高く、内部抵抗が小さく、充放電によるエネルギー損失が少ない。なお、低圧系バッテリ１０や高圧系バッテリ２０は、ニッケル水素電池や電気二重層キャパシタでもよいし、鉛バッテリとリチウムイオンバッテリとニッケル水素電池と電気二重層キャパシタの中でいずれかを組み合わせたものでもよい。

低圧系バッテリ１０には、低圧系電源ライン１９を介して、運動エネルギーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う発電機２１が接続されている。発電機２１は、車両を走行させるためのエンジンの出力によって発電を行う。発電機２１が発電した電力は、低圧系負荷５０に供給されたり低圧系バッテリ１０に充電されたりする。後述のＤＣ／ＤＣコンバータ７０を介して、高圧系負荷６０への供給もありうる。発電機２１の具体例として、オルタネータがある。エンジンの回転数が上昇するにつれてオルタネータの発電量も増加する。なお、低圧系バッテリ１０への充電等はモータ（電動機）を回生動作させても可能なので、発電機２１は回生制御が可能なモータでもよい。例えば、車両の制動力を確保するために、車輪駆動軸に連結されるモータを回生制御することによって、インバータを介して、低圧系バッテリ１０に充電をすることができたり、低圧系負荷５０に電力の供給をすることができたりする。

また、発電機２１が停止している状態では、低圧系バッテリ１０から低圧系負荷５０に電力を供給し得る。例えば、エンジンが停止してオルタネータの不作動状態である駐車状態で必要とされる電力は、低圧系バッテリ１０から供給することができる。

高圧系バッテリ２０側の高圧系負荷６０として、例えば、操舵状態に応じて電動モータによりアシスト力を発生させてドライバーのステアリング操作をアシストする電動パワーステアリング装置（ＥＰＳ）や車両の横方向の加速度に応じて電動モータにより車両のロール角等を調整する電動スタビリティコントロール装置（電動ＳＴＢ）が挙げられる。ＥＰＳは、電動モータであるＥＰＳモータとＥＰＳモータを駆動するインバータとを有している。電動ＳＴＢは、電動モータである電動ＳＴＢモータと電動ＳＴＢモータを駆動するインバータとを有している。

低圧系バッテリ１０側の低圧系負荷５０として、例えば、エンジン制御装置、ブレーキ制御装置、エアコン、ヘッドライト、リヤデフォッガ、リヤワイパー、ミラーヒータ、シートヒータ、オーディオ、ランプ、シガーソケット、各種ＥＣＵ（Electronic Control Unit）、ソレノイドバルブが挙げられる。低圧系負荷５０は、低圧系バッテリ１０及び発電機２１に並列に接続されていると共に、後述するＤＣ／ＤＣコンバータ７０の低圧系バッテリ側端子７１に接続されている。

また、低圧系バッテリ１０側の低圧系負荷として、冗長対象負荷５１が存在する。冗長対象負荷５１は、一定の水準以上の電力供給が継続的に必要な電気負荷（例えば、ステアバイワイヤ、電動ブレーキ装置、緊急通報装置）である。つまり、冗長対象負荷５１は、低圧系バッテリ１０や発電機２１の低圧系電源あるいは低圧系電源ライン１９に異常や故障があっても継続的な電力供給を必要とする電気負荷である。冗長対象負荷５１は、低圧系バッテリ２０及び発電機２１に並列に接続されていると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の低圧系バッテリ側端子７１に接続されており、更に、低圧系電源や低圧系電源ライン１９に異常や故障が生じてもＤＣ／ＤＣコンバータ７０から電力供給を受けることができるように、冗長対象負荷用電源ライン３９を介してＤＣ／ＤＣコンバータ７０の冗長対象負荷用電力供給端子７２に接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の冗長対象負荷用電力供給端子７２は、ダイオード３８を介して双方向スイッチングレギュレータ３０の低圧系側端子（ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の低圧系バッテリ側端子７１と同電位）に接続されている。なお、ダイオード５２を備えることによって冗長対象負荷用電源ライン３９を通じて冗長対象負荷５１に供給された電流が低圧系電源ライン１９側に流れ込むことはなく、ダイオード３８を備えることによって低圧系電源ライン１９を通じて冗長対象負荷５１に供給された電流が冗長対象負荷用電源ライン３９側に流れ込むことはない。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７０は、その内部にある電圧変換手段である双方向スイッチングレギュレータ３０によって、高圧系バッテリ２０側の電圧を降圧変換して低圧系バッテリ１０側の低圧系バッテリ側端子７１及びダイオード３８を介して冗長対象負荷用電力供給端子７２に出力し、あるいは、低圧系バッテリ１０側の電圧を昇圧変換して高圧系バッテリ２０側の高圧系バッテリ側端子７３に出力する。双方向スイッチングレギュレータ３０は、コンピュータ４０によって制御される。

コンピュータ４０は、高圧系バッテリ２０側の電圧を降圧変換して低圧系バッテリ１０側に出力する降圧モード、低圧系バッテリ１０側の電圧を昇圧変換して高圧系バッテリ２０側に出力する昇圧モード、電圧変換を停止して電圧出力を行わない停止モードのうち、いずれかのモードにＤＣ／ＤＣコンバータ７０の動作モードを設定する。すなわち、コンピュータ４０は、電圧変換方向の選択的な切り替えを行うための切替指令信号（即ち、低圧系バッテリ１０側の電圧を昇圧して高圧系バッテリ２０側に電力供給する「昇圧方向」に電圧変換の方向を設定するように指令する信号、あるいは、高圧系バッテリ２０側の電圧を降圧して低圧系バッテリ１０側に電力供給する「降圧方向」に電圧変換の方向を設定するように指令する信号）を双方向スイッチングレギュレータ３０に供給することにより、双方向スイッチングレギュレータ３０の動作方向（電圧変換方向）を制御する。

また、コンピュータ４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の低圧系バッテリ側端子７１の出力電圧を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の低圧系バッテリ側端子７１の目標出力電圧（出力設定電圧。例えば、１３．５Ｖ〜１４．５Ｖの範囲内の電圧値）がコンピュータ４０に指令として供給されることにより、あるいは、コンピュータ４０が車両の走行状態（例えば、車両の加速状態や定常走行状態、エンジンのアイドル運転状態、アイドルストップ状態）や発電機２１の発電状態や各バッテリの状態などに基づいてその目標出力電圧を設定することにより、コンピュータ４０は低圧系バッテリ側端子７１の出力電圧を制御する。コンピュータ４０は、低圧系バッテリ側端子７１の目標出力電圧に基づいて、双方向スイッチングレギュレータ３０に対して降圧方向に電圧変換の方向を設定する切替指令信号を供給する。双方向スイッチングレギュレータ３０は、当該切替指令信号に基づいて高圧系バッテリ２０側の電圧を目標出力電圧まで降圧して低圧系バッテリ１０側に出力する。これにより、高圧系バッテリ２０側では、低圧系バッテリ側端子７１の目標出力電圧（又は、発電機２１の発電電圧）に応じた放電がなされる。

この低圧系バッテリ側端子７１の出力電圧の制御は、アイドルストップ時、若しくは、高圧系バッテリ２０が過充電状態の時に実行されてよい。これにより、アイドルストップ時には、低圧系バッテリ１０に代わって高圧系バッテリ２０が低圧系負荷５０や冗長対象負荷５１の電力源として機能し、低圧系バッテリ１０の寿命低下が防止される。また、高圧系バッテリ２０が過充電状態の時には、高圧系バッテリ２０の放電が促進され、高圧系バッテリ２０の過充電状態が解消される。

同様に、コンピュータ４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の高圧系バッテリ側端子７３の出力電圧を制御する。ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の高圧系バッテリ側端子７３の目標出力電圧（出力設定電圧。例えば、４０．５Ｖ〜４３．５Ｖの範囲内の電圧値）がコンピュータ４０に指令として供給されることにより、あるいは、コンピュータ４０が車両の走行状態（例えば、車両の加速状態や定常走行状態、エンジンのアイドル運転状態、アイドルストップ状態）や発電機２１の発電状態や各バッテリの状態などに基づいてその目標出力電圧を設定することにより、コンピュータ４０は高圧系バッテリ側端子７３の出力電圧を制御する。コンピュータ４０は、高圧系バッテリ側端子７３の目標出力電圧に基づいて、双方向スイッチングレギュレータ３０に対して昇圧方向に電圧変換の方向を設定する切替指令信号を供給する。双方向スイッチングレギュレータ３０は、当該切替指令信号に基づいて低圧系バッテリ１０側の電圧を目標出力電圧まで昇圧して高圧系バッテリ２０側に出力する。これにより、目標出力電圧に応じた高圧系バッテリ２０の充電が実現される。

この高圧系バッテリ側端子７３の出力電圧の制御は、車両の定常走行時やエンジンのアイドル運転時、車両の減速時（回生ブレーキ作動時）において実行されてよい。尚、このとき、低圧系バッテリ１０側においても、高圧系バッテリ側端子７３の目標出力電圧及び発電機２１の発電電圧に応じた充電がなされる。

また、双方向スイッチングレギュレータ３０の動作を停止させる制御信号がコンピュータ４０に供給されることにより、若しくは、上述の切替指令信号の供給を停止することにより、コンピュータ４０は双方向スイッチングレギュレータ３０の動作を停止させる。この双方向スイッチングレギュレータ３０の動作の停止は、車両加速時に実行されてよい。

このようなＤＣ／ＤＣコンバータ７０の各動作モードは、車両の走行状態（例えば、車両の加速状態や定常走行状態、エンジンのアイドル運転状態、アイドルストップ状態）や、発電機２１の発電状態、各バッテリの状態等に応じて決定されてよい。例えば、上述の如く、高圧系バッテリ２０が過充電状態の時には、高圧系バッテリ２０の放電を促進するため、降圧モードが実現され、また、アイドルストップ中（即ち、発電機２１による発電が行われていない状況下）には、低圧系バッテリ１０の寿命低下を防止するため、降圧モードが実現されてよい。また、車両の定常走行時やエンジンのアイドル運転時、回生ブレーキ作動時には、昇圧モードが実現され、車両の加速時には、停止モードが実現されてよい。

従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０は、図示しないＥＣＵから得られる情報（例えば、エンジン回転数や発電機２１の発電状態）やアクセルセンサ等の各種センサの出力値を監視しつつ、車両の走行状態等が所定の状態になった場合には、その車両の走行状態等に応じた動作モードを実現する（即ち、所定の切替条件が成立すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の各動作モード間の切り替えが実現される）。

図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の動作モードの切り替えを実現する双方向スイッチングレギュレータ３０の一具体例である。双方向スイッチングレギュレータ３０は、パワートランジスタ等のスイッチング素子３１ａ〜３１ｄ、インダクタンス３２、低圧系平滑コンデンサ３３及び高圧系平滑コンデンサ３４によってブリッジ回路を構成する。本ブリッジ回路は、低圧系バッテリ１０側と高圧系バッテリ２０側を結ぶ電流経路は一本であり、図２上の左端は低圧系バッテリ側端子７１（図１参照）に接続され、図２上の右端は高圧系バッテリ側端子７３（図１参照）に接続される。すなわち、インダクタンス３２は、低圧系バッテリ側端子７１と高圧系バッテリ側端子７３とを結ぶ線路上に直列に接続されている。低圧系平滑コンデンサ３３及び高圧系平滑コンデンサ３４は、低圧系バッテリ１０や発電機２１から供給される電力又は高圧系バッテリ２０から供給される電力を蓄えかつ放出することが可能である。

図２に示されるブリッジ回路から構成される双方向スイッチングレギュレータ３０は、コンピュータ４０によって駆動される。すなわち、コンピュータ４０は、スイッチング素子３１ａ〜３１ｄの各ゲートに接続しており、それらのスイッチング素子３１ａ〜３１ｄをそれぞれスイッチング駆動する。コンピュータ４０は、低圧系電圧から高圧系電圧への昇圧変換又は高圧系電圧から低圧系電圧への降圧変換を実現すべく、スイッチング素子３１ａ〜３１ｄを所定のスイッチングパターンで駆動する。スイッチング素子３１ａ〜３１ｄはそれぞれ、コンピュータ４０からの駆動指令に従ってスイッチング動作する。

コンピュータ４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の動作モードを昇圧モードに設定するときは、まず、高圧系バッテリ側端子７３の目標出力電圧に基づいてスイッチング素子３１ａ〜３１ｄのデューティ比を設定し、設定デューティ比に応じてスイッチング素子３１ａ及び３１ｄをオンしかつスイッチング素子３１ｂ及び３１ｃをオフする。スイッチング素子３１ａ及び３１ｄがオン動作しかつスイッチング素子３１ｂ及び３１ｃがオフ動作すると、インダクタンス３２に低圧系から高圧系に向けて電流が流れることで、そのインダクタンス３２に電力が蓄積される。コンピュータ４０は、インダクタンス３２に電力が蓄積された状態で、次に、設定デューティ比に応じてスイッチング素子３１ａ及び３１ｄをオフしかつスイッチング素子３１ｂ及び３１ｃをオンする。スイッチング素子３１ａ及び３１ｄがオフ動作しかつスイッチング素子３１ｂ及び３１ｃがオン動作すると、インダクタンス３２に蓄積されていた電力は平滑コンデンサ３４に充電されて、低圧系バッテリ１０側の電圧よりも高い平滑された電圧が高圧系バッテリ２０側に出力される。

また、コンピュータ４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の動作モードを降圧モードに設定するときは、まず、低圧系バッテリ側端子７１の目標出力電圧に基づいてスイッチング素子３１ａ〜３１ｄのデューティ比を設定し、設定デューティ比に応じてスイッチング素子３１ａ及び３１ｄをオフしかつスイッチング素子３１ｂ及び３１ｃをオンする。スイッチング素子３１ａ及び３１ｄがオフ動作しかつスイッチング素子３１ｂ及び３１ｃがオン動作すると、インダクタンス３２に高圧系から低圧系に向けて電流が流れることで、そのインダクタンス３２に電力が蓄積される。コンピュータ４０は、インダクタンス３２に電力が蓄積された状態で、次に、設定デューティ比に応じてスイッチング素子３１ａ及び３１ｄをオンしかつスイッチング素子３１ｂ及び３１ｃをオフする。スイッチング素子３１ａ及び３１ｄがオン動作しかつスイッチング素子３１ｂ及び３１ｃがオフ動作すると、インダクタンス３２に蓄積されていた電力は平滑コンデンサ３３に充電されて、高圧系バッテリ２０側の電圧よりも低い平滑された電圧が低圧系バッテリ１０側に出力される。

したがって、このＤＣ／ＤＣコンバータ７０の電圧変換機能によって、高圧系バッテリ２０側の電圧を降圧して低圧系負荷５０に電力供給を行ったり低圧系バッテリ１０に充電を行ったりすることが可能となり、低圧系バッテリ１０側の電圧を昇圧して高圧系負荷６０に電力供給を行ったり高圧系バッテリ２０に充電を行ったりすることが可能となり、そして、電圧変換を停止して電力供給を行わないことが可能となる。

なお、コンピュータ４０は、制御プログラムや制御データを記憶するＲＯＭ、制御プログラムの処理データを一時的に記憶するＲＡＭ、制御プログラムを処理するＣＰＵ、外部と情報をやり取りするための入出力インターフェースなどの複数の回路要素によって構成されたものである。また、コンピュータ４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０に内蔵するものではなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の外部に備えるものでもよい。

ところで、上述したように、低圧系電源や低圧系電源ライン１９にオープン故障や短絡故障等の異常があっても、一定の水準以上の電力がＤＣ／ＤＣコンバータ７０から継続的に供給可能となるように、冗長対象負荷５１は冗長対象負荷用電源ライン３９を介してＤＣ／ＤＣコンバータ７０の冗長対象負荷用電力供給端子７２に接続されている。

しかしながら、双方向スイッチングレギュレータ３０によって電圧変換の方向を切り替える過程において電流の流れる方向が反対になるため、また、電圧変換方向の切り替え時間が必要となるため、瞬間的に電力が供給されない状態が発生することになる。例えば、低圧系電源等に異常が発生した場合、その異常を検知し、低圧系の電源供給を確保するためにＤＣ／ＤＣコンバータ７０が昇圧モードから降圧モードに切り替わるまで、数ｍｓのタイムラグが発生する。この間は、低圧系負荷５０や冗長対象負荷５１には異常検知から電力供給が何らされていないことになる。したがって、一定の水準以上の電力供給が継続的に必要な冗長対象負荷５１のような電気負荷が接続されている場合には、双方向スイッチングレギュレータ３０の電圧変換方向の切り替えに伴う瞬間的な電力供給の停止を防ぐ対策が必要である。

そこで、そのような対策を講じるにあたって、本実施形態の車両用電源システムは、図１に示されるように、リニアレギュレータ３５とダイオードＯＲ回路３６を備えるものとする。

リニアレギュレータ（シリーズレギュレータ）３５は、高圧系バッテリ２０側の電圧を降圧変換して低圧系バッテリ１０側に出力する。リニアレギュレータ３５の高圧系バッテリ２０側の入力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の高圧系バッテリ側端子７３に接続される。リニアレギュレータ３５の低圧系バッテリ１０側の出力端子は、ダイオードＯＲ回路３６のダイオード３７のアノードに接続される。リニアレギュレータ３５は、高圧系バッテリ２０側の入力端子と低圧系バッテリ１０側の出力端子間にパワートランジスタを備え、そのパワートランジスタを可変抵抗器として使い、負帰還動作によって低圧系バッテリ１０側の出力端子の出力電圧が一定となるように（目標出力電圧に収束するように）調整する。リニアレギュレータ３５の低圧系バッテリ側出力端子の目標出力電圧（出力設定電圧）は、冗長対象負荷５１が正常動作に必要な電圧である最低作動電圧より高い値に設定し、双方向スイッチングレギュレータ３０の低圧系バッテリ側端子７１の目標出力電圧より低い値に設定しておく。例えば、冗長対象負荷５１の最低作動電圧が１０Ｖで、双方向スイッチングレギュレータ３０の低圧系バッテリ側端子７１の目標出力電圧が低圧系の電源電圧に相当する１４Ｖである場合、リニアレギュレータ３５の低圧系バッテリ側出力端子の出力設定電圧は、１１Ｖとする。

また、ダイオードＯＲ回路３６は、ダイオード３７及び３８から構成される。ダイオードＯＲ回路３６のダイオード３８には双方向スイッチングレギュレータ３０の低圧側出力電圧が入力され、ダイオード３７にはリニアレギュレータ３５の出力電圧が入力される。ダイオードＯＲ回路３６の出力端子は、冗長対象負荷用電源ライン３９を介して冗長対象負荷５１に接続される。

また、リニアレギュレータ３５の出力電流は、コンピュータ４０によって算出される。コンピュータ４０は、リニアレギュレータ３５の出力電流を検出する電流センサ８４の出力値に基づいてリニアレギュレータ３５の出力電流値を算出する。また、コンピュータ４０は、低圧系電源ライン１９上の電圧を検出する電圧センサ８０の出力値に基づいて低圧系電源ライン１９上の電圧値を算出することもできる。さらに、コンピュータ４０は、ダイオードＯＲ回路３６の出力電圧（冗長対象負荷用電源ライン３９上の電圧）を検出する電圧センサ８２の出力値に基づいてダイオードＯＲ回路３６の出力電圧値を算出することもできる。コンピュータ４０は、後述するように、リニアレギュレータ３５の出力電流値や低圧系電源ライン１９上の電圧値や冗長対象負荷用電源ライン３９上の電圧値を少なくとも一つ用いて、電圧変換方向を設定する切替指令信号を決定し、双方向スイッチングレギュレータ３０に出力する。

それでは、本実施形態の車両用電源システムにおいて、低圧系電源や低圧系電源ライン１９に異常が生じた場合の動作について説明する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ７０が昇圧モードの状態で低圧系電源等にオープン故障等の電力供給能力が低下する異常が発生すると、低圧系電源ライン１９上の電圧は、発電機２１によって調整され得る低圧系電源電圧１４Ｖから降下し始める。低圧系電源ライン１９上の電圧降下に伴い冗長対象負荷５１に印加される電圧も降下することになる。そして、低圧系電源ライン１９上の電圧がリニアレギュレータ３５の出力設定電圧を下回ると、ダイオードＯＲ回路３６の２つのダイオードによるＯＲ判定に基づき、ダイオード３７を介してリニアレギュレータ３５から冗長対象負荷５１への電力供給（通電）が開始する。

その一方で、コンピュータ４０は、電流センサ８４によってリニアレギュレータ３５の出力電流値が所定の電流値（リニアレギュレータ３５を介して電流が流れたことを検知できればよい）以上検出された場合には、低圧系電源等の電力供給能力が低下する異常が発生したとみなして、降圧方向の電圧変換に切り替えるための切替指令信号を双方向スイッチングレギュレータ３０に出力する。上述したように、低圧系電源等の電力供給能力が低下する異常が発生することにより低圧系電源ライン１９上の電圧がリニアレギュレータ３５の出力設定電圧を下回ることで、リニアレギュレータ３５を介して電流が流れる回路構成になっているからである。または、コンピュータ４０は、電圧センサ８０によって低圧系電源ライン１９上の電圧値が所定の電圧値（少なくとも、冗長対象負荷５１の最低作動電圧以上の値であって、ダイオード５２の電圧ドロップ分を考慮した値）以下検出された場合には、低圧系電源等の電力供給能力が低下する異常が発生したとみなして、降圧方向の電圧変換に切り替えるための切替指令信号を双方向スイッチングレギュレータ３０に出力するようにしてもよい。低圧系電源等の電力供給能力が低下する異常が発生することにより低圧系電源ライン１９上の電圧が低下するからである。または、コンピュータ４０は、電圧センサ８２によって冗長対象負荷用電源ライン３９上の電圧値が所定の電圧値（少なくとも、冗長対象負荷５１の最低作動電圧以上の値）以下検出された場合には、低圧系電源等の電力供給能力が低下する異常が発生したとみなして、降圧方向の電圧変換に切り替えるための切替指令信号を双方向スイッチングレギュレータ３０に出力する。低圧系電源等の電力供給能力が低下する異常が発生することにより冗長対象負荷用電源ライン３９上の電圧も低下するからである。あるいは、低圧系電源等の電力供給能力が低下しているとみなすことができるこれらの条件のいずれかを組み合わせて、降圧方向の電圧変換に切り替えるための切替指令信号を双方向スイッチングレギュレータ３０に出力してもよい。これらの条件を組み合わせて低圧系電源等の電力供給能力の低下について冗長判定することによって、双方向スイッチングレギュレータ３０の電圧変換方向の切替制御の信頼性が向上する。

降圧方向の電圧変換に切り替えるための切替指令信号が入力された双方向スイッチングレギュレータ３０は、電圧変換方向を昇圧方向から降圧方向に切り替え、リニアレギュレータ３５の出力設定電圧より高い電圧（双方向スイッチングレギュレータ３０の低圧系バッテリ側端子７１の目標出力電圧）で電力の供給を開始する。双方向スイッチングレギュレータ３０の低圧系バッテリ側端子７１の目標出力電圧は、リニアレギュレータ３５の出力設定電圧より高い値に設定されているので、双方向スイッチングレギュレータ３０の電圧変換方向が降圧方向に切り替わると、ダイオードＯＲ回路３６の２つのダイオードによるＯＲ判定に基づき、ダイオード３７を介してリニアレギュレータ３５から冗長対象負荷５１への電力供給（通電）は停止し、ダイオード３８，５２を介して双方向スイッチングレギュレータ３０から冗長対象負荷５１への電力供給（通電）が開始する。

なお、低圧系側への電力移送は、高圧系バッテリ２０の残容量が所定値以上ある場合に限り実行するようにすることが望ましい。高圧系バッテリ２０の残容量が少ないときに低圧系側への電力移送を実行することによって高圧系側の電力供給能力が低下するのを防ぐためである。また、低圧系側への電力移送は、高圧系負荷６０が非作動の場合に限り実行するようにしてもよい。高圧系負荷６０（特に、消費電力の大きいＥＰＳ等の電気負荷）の作動が不安定になることを防止するためである。

したがって、本実施形態の車両用電源システムによれば、リニアレギュレータ３５を介して降圧方向に電流が流れた後に双方向スイッチングレギュレータ３０を介して流れる電流の方向が昇圧方向から降圧方向に切り替わるように構成されているので、低圧系電源等の電力供給能力が低下して、双方向スイッチングレギュレータ３０の電力移送の方向を昇圧方向から降圧方向に切り替えても、冗長対象負荷５１に対する電力供給が瞬間的に低下または停止する状態を防ぐことができる。

また、双方向スイッチングレギュレータ３０を介して流れる電流の方向が昇圧方向から降圧方向に切り替わった後には、自動的に速やかにリニアレギュレータ３５を介さずに双方向スイッチングレギュレータ３０を介して電力供給がなされるため、リニアレギュレータ３５の動作時間は極めて短い。リニアレギュレータは、スイッチングレギュレータに比べ部品点数が少なく安価であるという特長がある反面、放熱が大きく大型のラジエータが必要であるという短所がある。しかしながら、リニアレギュレータを双方向スイッチングレギュレータ３０の電圧変換方向の切替時間にのみ使用を限定することによって、比較的小さなラジエータでよく、スイッチングレギュレータを採用する場合に比べ小型で安価なリニアレギュレータ３０にすることができる。

図３は、本発明の車両用電源システムの第２の実施形態を示す構成図である。第２の実施形態の車両用電源システムが第１の実施形態の車両用電源システムと異なる点は、発電機２１と冗長対象負荷５１が高圧系に設定されている点と双方向スイッチングレギュレータ３０に並列接続されるレギュレータがリニアレギュレータではなくスイッチングレギュレータ４５に置き換えられている点である。

第２の実施形態の車両用電源システムは、低圧系電源や低圧系電源ライン１９にオープン故障や短絡故障等の異常を想定した第１の実施形態の車両用電源システムと同様に、高圧系電源や高圧系電源ライン２９にオープン故障や短絡故障等の異常があっても、一定の水準以上の電力がＤＣ／ＤＣコンバータ７０から継続的に供給可能となるように、冗長対象負荷５１は冗長対象負荷用電源ライン３９を介してＤＣ／ＤＣコンバータ７０の冗長対象負荷用電力供給端子７２に接続されている。

しかしながら、第１の実施形態の場合と同様に、双方向スイッチングレギュレータ３０によって電圧変換の方向を切り替える過程において電流の流れる方向が反対になるため、また、電圧変換方向の切り替え時間が必要となるため、瞬間的に電力が供給されない状態が発生することになる。例えば、高圧系電源等に異常が発生した場合、その異常を検知し、高圧系の電源供給を確保するためにＤＣ／ＤＣコンバータ７０が降圧モードから昇圧モードに切り替わるまで、数ｍｓのタイムラグが発生する。この間は、高圧系負荷６０や冗長対象負荷５１には異常検知から電力供給が何らされていないことになる。したがって、一定の水準以上の電力供給が継続的に必要な冗長対象負荷５１のような電気負荷が接続されている場合には、双方向スイッチングレギュレータ３０の電圧変換方向の切り替えに伴う瞬間的な電力供給の停止を防ぐ対策が必要である。

スイッチングレギュレータ４５は、低圧系バッテリ１０側の電圧を昇圧変換して高圧系バッテリ２０側に出力する。スイッチングレギュレータ４５の低圧系バッテリ１０側の入力端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７０の低圧系バッテリ側端子７１に接続される。スイッチングレギュレータ４５の高圧系バッテリ２０側の出力端子は、ダイオードＯＲ回路３６のダイオード３７のアノードに接続される。スイッチングレギュレータ４５の高圧系バッテリ側出力端子の目標出力電圧（出力設定電圧）は、冗長対象負荷５１が正常動作に必要な電圧である最低作動電圧より高い値に設定し、双方向スイッチングレギュレータ３０の高圧系バッテリ側端子７３の目標出力電圧より低い値に設定しておく。例えば、冗長対象負荷５１の最低作動電圧が４１Ｖで、双方向スイッチングレギュレータ３０の高圧系バッテリ側端子７３の目標出力電圧が高圧系の電源電圧に相当する４３Ｖである場合、スイッチングレギュレータ４５の高圧系バッテリ側出力端子の出力設定電圧は、４２Ｖとする。スイッチングレギュレータ４５は、双方向スイッチングレギュレータ３０の電圧変換方向が切り替わる過程では少なくとも電圧変換の方向を切り替えることはせず、電圧変換方向を昇圧方向に設定しておく。

また、ダイオードＯＲ回路３６は、ダイオード３７及び３８から構成される。ダイオードＯＲ回路３６のダイオード３８には双方向スイッチングレギュレータ３０の高圧側出力電圧が入力され、ダイオード３７にはスイッチングレギュレータ４５の出力電圧が入力される。ダイオードＯＲ回路３６の出力端子は、冗長対象負荷用電源ライン３９を介して冗長対象負荷５１に接続される。

また、スイッチングレギュレータ４５の出力電流は、コンピュータ４０によって算出される。コンピュータ４０は、スイッチングレギュレータ４５の出力電流を検出する電流センサ８４の出力値に基づいてスイッチングレギュレータ４５の出力電流値を算出する。また、コンピュータ４０は、高圧系電源ライン２９上の電圧を検出する電圧センサ８０の出力値に基づいて高圧系電源ライン２９上の電圧値を算出することもできる。さらに、コンピュータ４０は、ダイオードＯＲ回路３６の出力電圧（冗長対象負荷用電源ライン３９上の電圧）を検出する電圧センサ８２の出力値に基づいてダイオードＯＲ回路３６の出力電圧値を算出することもできる。コンピュータ４０は、後述するように、スイッチングレギュレータ４５の出力電流値や高圧系電源ライン２９上の電圧値や冗長対象負荷用電源ライン３９上の電圧値を少なくとも一つ用いて、電圧変換方向を設定する切替指令信号を決定し、双方向スイッチングレギュレータ３０に出力する。

第２の実施形態の車両用電源システムにおける高圧系電源や高圧系電源ライン２９に異常が生じた場合の動作については、第１の実施形態の車両用電源システムにおける低圧系電源や低圧系電源ライン１９に異常が生じた場合の動作と同様なので、説明を省略する。
ている。

したがって、第２の実施形態の車両用電源システムによれば、スイッチングレギュレータ４５を介して昇圧方向に電流が流れた後に双方向スイッチングレギュレータ３０を介して流れる電流の方向が降圧方向から昇圧方向に切り替わるように構成されているので、高圧系電源等の電力供給能力が低下して、双方向スイッチングレギュレータ３０の電力移送の方向を降圧方向から昇圧方向に切り替えても、冗長対象負荷５１に対する電力供給が瞬間的に低下または停止する状態を防ぐことができる。また、スイッチングレギュレータ４５を備えることによって、冗長対象負荷５１が高圧系に接続されていても、昇圧方向に電流を流すことが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、図４は、本発明の車両用電源システムの第３の実施形態を示す構成図である。第３の実施形態の車両用電源システムが第１の実施形態の車両用電源システムと異なる点は、リニアレギュレータ３５を電気抵抗の抵抗素子９０に置き換えている点である。抵抗素子９０は、電流が流れることによって、電圧変換手段となりうる。第３の実施形態の車両用電源システムの場合、抵抗素子９０の発熱上昇が生じるため、冗長対象負荷５１が低電力負荷に場合に限り、第１の実施形態の車両用電源システムと同様の構成で同様の動作をした場合に、同様の効果が得られる。第１の実施形態の車両用電源システムに比べ、さらに安価な構成が実現できる。

本発明の車両用電源システムの第１の実施形態を示す構成図である。双方向スイッチングレギュレータ３０の一具体例である。本発明の車両用電源システムの第２の実施形態を示す構成図である。本発明の車両用電源システムの第３の実施形態を示す構成図である。

符号の説明

１０低圧系バッテリ
１９低圧系電源ライン
２０高圧系バッテリ
２１発電機
２９高圧系電源ライン
３０双方向スイッチングレギュレータ
３５リニアレギュレータ
３６ダイオードＯＲ回路
４０コンピュータ
４５スイッチングレギュレータ
５０低圧系負荷
５１冗長対象負荷
６０高圧系負荷
７０ＤＣ／ＤＣコンバータ
８０，８２電圧センサ
８４電流センサ
９０抵抗素子

Claims

第１の電圧系から第２の電圧系への第１の方向の電圧変換と第２の電圧系から第１の電圧系への第２の方向の電圧変換とを選択的に切り替え可能な、第１の電圧変換手段と、
前記第１の電圧変換手段に並列接続され、前記第２の方向に電圧変換可能な、第２の電圧変換手段と、を備え、
前記第２の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流が流れた後に前記第１の電圧変換手段を介して流れる電流の方向が前記第１の方向から前記第２の方向に切り替わるように構成される、電源システムであって、
前記第２の電圧変換手段の前記第２の方向の出力電圧であって前記第１の電圧系の電源電圧より低い出力設定電圧となるように調整された出力電圧を、前記第１の電圧系の電圧が下回ると、前記第２の電圧変換手段から前記第２の方向への通電を開始させる回路を備え、
前記第１の電圧系の電源ラインに接続される負荷が、該電源ラインと異なる電源ラインを介して前記回路の出力端子に接続されることを特徴とする、電源システム。
前記第１の電圧系の異常を検知する異常検知手段と、
前記異常検知手段によって前記第１の電圧系の異常が検知された場合に前記第１の電圧変換手段を介して流れる電流の方向を前記第１の方向から前記第２の方向に切り替えるように指示する指令信号を出力する切替制御手段とを備え、
前記第１の電圧変換手段は、前記切替制御手段によって出力された前記指令信号に基づいて前記第１の方向から前記第２の方向に電流の方向を切り替え後に前記第２の方向に電流を流し始めるものであり、
前記第２の電圧変換手段は、前記第１の電圧系の電圧が所定の出力設定電圧以下になった時点から前記第２の方向に電流を流し始めるものである、請求項１記載の電源システム。
前記第２の電圧変換手段を介して前記第２の方向に流れる電流を検出する電流検出手段を備え、
前記異常検知手段は、前記電流検出手段によって所定値以上の電流が検出された場合に前記第１の電圧系の異常と検知する、請求項２記載の電源システム。
前記第１の電圧変換手段と前記第２の電圧変換手段のうち前記第２の方向の出力電圧が大きい方の電圧変換手段を介して前記第２の方向に電流が流れ、
前記第１の電圧変換手段に設定された前記第２の方向の目標出力電圧は、前記第２の電圧変換手段に設定された前記第２の方向の目標出力電圧より高い、請求項１から３のいずれかに記載の電源システム。
前記第１の電圧変換手段は、スイッチングレギュレータである、請求項１から４のいずれかに記載の電源システム。
前記第２の電圧変換手段は、リニアレギュレータである、請求項１から５のいずれかに記載の電源システム。
前記第２の電圧変換手段は、抵抗器である、請求項１から５のいずれかに記載の電源システム。