JP5257430B2 - 車両用電源制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両の外部の電源装置との間で電力の授受を行なう車両用電源装置を操作することで、前記電力の授受を制御する車両用電源制御装置に関する。

例えば下記特許文献１に見られるように、車載主機としての電動機に電力を供給するバッテリを、外部の商用電源によって充電することが提案され、実用化されつつある。

特開２０１０−７００３０号公報

ところで、上記のように車両の外部との間で電力の授受を行っている際には、車両と外部の商用電源との間を大電力が移動する。このため、車両の周囲にいる人がその旨の認識がない場合には、電力の授受のなされている電気経路の接続を誤って解除する等により、大電力の急激な切断に伴う不都合等、様々な不都合が生じることが懸念される。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、車両の外部の電源装置との間で電力の授受を行なう車両用電源装置を操作することで、前記電力の授受を制御するに際し、電力の授受がなされていることを好適に感知させることのできる車両用電源制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。

請求項１記載の発明は、車両の外部の電源装置との間で電力の授受を行なう車両用電源装置を操作することで、前記電力の授受を制御する車両用電源制御装置において、前記車両用電源装置は、スイッチング素子を備え、該スイッチング素子がオン・オフ操作されることによって前記授受する電力を変換するものであり、前記電力の授受を制御するに際して、前記スイッチング素子のオン・オフ操作に応じて生じる音の音圧が、可聴周波数帯域内において極大値を取り且つ前記極大値が前記可聴周波数帯域内で微小に変化するように、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を周期的に又はランダムに可変操作する操作手段を備えることを特徴とする。

上記発明では、操作手段を備えるために、スイッチング操作によって生じる音を人が感知することができ、ひいては、電力の授受がなされていることを好適に感知させることができる。
さらに、特定の周波数の音圧のみが大きくなる場合、人にとって不快感を伴いやすいという知見に基づいて、音圧の極大値が微小に変化するようにスイッチング周波数を周期的に又はランダムに可変操作することが有効である。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記操作手段は、前記スイッチング素子のオン・オフ操作に起因して生じる音圧についての０．５〜８ｋＨｚの周波数帯域における最大値が該帯域に隣接する高周波帯域における値と比較して大きくなるようにすることを特徴とする。

「０．５〜８ｋＨｚ」の周波数帯域の音波は、人に特に感知されやすい。上記発明では、この点に鑑み、上記設定とした。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記操作手段は、前記電力の授受量が大きいほど、前記可聴周波数帯域における音圧を大きくすることを特徴とする。

電力の授受量が大きいほど、電力の授受を行なっていることを感知させることの要求が大きい。上記発明では、この点に鑑み、上記設定とした。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記操作手段は、前記スイッチング素子のオン・オフ操作に起因した音の音圧レベルおよび周波数の少なくとも一方を前記車両用電源装置の周囲の音に応じて可変設定することを特徴とする。

周囲の音の音圧レベルが高い周波数と同一の周波数のノイズをスイッチング操作によって生成したとしても、これは感知されにくい。また、深夜等、周囲が静かなときに大きな音を生じると騒音となるおそれがある。上記発明では、こうした点に鑑み、上記可変設定を行うことで、電力の授受を行ううえで適切な音を生じさせることが可能となる。

請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の発明において、前記車両には、前記車両用電源装置とは別に、車両走行時にスイッチング素子のオン・オフ操作によって駆動される電力変換回路が備えられており、前記電力変換回路のスイッチング素子のオン・オフ操作によって生じる音の可聴周波数帯域の音の極大値と、前記車両用電源装置のオン・オフ操作によって生じる音の可聴周波数帯域の音の極大値とが相違することを特徴とする。

上記発明では、車両用電源装置のスイッチング操作に起因した音と他の電力変換回路のスイッチング操作に起因した音とを相違させることができ、ひいては電力の授受をより正確に感知させることができる。

第１の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかるスイッチング周波数の設定手法を示す図。 第２の実施形態にかかるスイッチング操作の変更処理手順を示す流れ図。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明にかかる車両用電源制御装置を車載主機として回転機を備える車両に適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。

図示されるモータジェネレータ１０は、車載主機であり、駆動輪に機械的に連結されている。モータジェネレータ１０は、インバータ１２を介して高電圧バッテリ１４に接続されている。高電圧バッテリ１４は、その端子電圧が高電圧（例えば百Ｖ以上）となる２次電池である。

本実施形態では、車両の外部の電源装置と高電圧バッテリ１４との間で電力の授受を行うべく、双方向コンバータ２０を備えている。双方向コンバータ２０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａと、ＤＣＤＣコンバータ２０ｂとを備えて構成されている。

ここで、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａは、高電位側のスイッチング素子Ｓａ１および低電位側のスイッチング素子Ｓａ２の直列接続体と、高電位側のスイッチング素子Ｓａ３および低電位側のスイッチング素子Ｓａ４の直列接続体とが互いに並列接続されたものであり、これらスイッチング素子Ｓａ１〜Ｓａ４には、フリーホイールダイオードＦａ１〜Ｆａ４がそれぞれ逆並列接続されている。

ＤＣＤＣコンバータ２０ｂは、コンデンサ２２と、高電位側のスイッチング素子Ｓｂ１および低電位側のスイッチング素子Ｓｂ２の直列接続体と、高電位側のスイッチング素子Ｓｂ３および低電位側のスイッチング素子Ｓｂ４の直列接続体とを備え、これらは、互いに並列接続されている。また、コンデンサ２６と、高電位側のスイッチング素子Ｓｂ５および低電位側のスイッチング素子Ｓｂ６の直列接続体と、高電位側のスイッチング素子Ｓｂ７および低電位側のスイッチング素子Ｓｂ８の直列接続体とを備え、これらは、互いに並列接続されている。そして、高電位側のスイッチング素子Ｓｂ１および低電位側のスイッチング素子Ｓｂ２の接続点と、高電位側のスイッチング素子Ｓｂ３および低電位側のスイッチング素子Ｓｂ４の接続点との間には、トランス２４の１次側コイルが接続され、高電位側のスイッチング素子Ｓｂ５および低電位側のスイッチング素子Ｓｂ６の接続点と、高電位側のスイッチング素子Ｓｂ７および低電位側のスイッチング素子Ｓｂ８の接続点との間には、トランス２４の２次側コイルが接続されている。なお、これらスイッチング素子Ｓｂ１〜Ｓｂ８には、フリーホイールダイオードＦｂ１〜Ｆｂ８がそれぞれ逆並列接続されている。

上記ＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａは、ＬＣ回路からなるフィルタ回路３０を介して車両の外部に接続可能とされている。図では、外部の商用電源４０に接続される例が例示されている。

一方、制御装置５０は、双方向コンバータ２０を操作することで、商用電源４０等の外部の電源装置と、高電圧バッテリ１４との間の電力の授受を制御する。

ここで、高電圧バッテリ１４の充電処理としては、基本的には、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａを構成するスイッチング素子Ｓａ１〜Ｓａ４を全てオフ状態とすることで、フリーホイールダイオードＦａ１〜Ｆａ４とコンデンサ２２とによって、外部の商用電源４０の交流電力が直流に変換される。そして、ＤＣＤＣコンバータ２０ｂのスイッチング素子Ｓｂ１,Ｓｂ４と、スイッチング素子Ｓｂ２,Ｓｂ３とを交互にオン・オフ操作することで、コンデンサ２２の電圧を変換して高電圧バッテリ１４側に出力する。この際、スイッチング素子Ｓｂ５〜Ｓｂ８をオフ状態とすることで、フリーホイールダイオードＦｂ５〜Ｆｂ８およびコンデンサ２６は、整流回路として機能する。

一方、高電圧バッテリ１４の放電処理としては、ＤＣＤＣコンバータ２０ｂのスイッチング素子Ｓｂ５,Ｓｂ８と、スイッチング素子Ｓｂ６，Ｓｂ７とを交互にオン・オフ操作することで、高電圧バッテリ１４の電圧を変換してＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａ側に出力する。この際、スイッチング素子Ｓｂ１〜Ｓｂ４をオフ状態とすることで、フリーホイールダイオードＦｂ１〜Ｆｂ４およびコンデンサ２２は、整流回路として機能する。そして、ＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａのスイッチング素子Ｓａ１〜Ｓａ４を操作することで、コンデンサ２２の直流電圧を交流電圧に変換して外部に出力する。

ところで、上記のように、高電圧バッテリ１４と外部の電源装置との間で電力の授受を行っている際には、その電力量が大きくなるために、外部の電源装置と車両側との接続を解除することで様々な不都合が生じることが懸念される。そこで本実施形態では、双方向コンバータ２０のスイッチング操作に伴って生じる音が可聴周波数帯域内となるように、スイッチング周波数を設定する。

図２に、本実施形態にかかるスイッチング周波数の設定手法を示す。詳しくは、図２（ａ）に、高電圧バッテリ１４の充電処理時におけるスイッチング素子Ｓｂ１，Ｓｂ４の操作態様の推移を示し、図２（ｂ）に、スイッチング素子Ｓｂ２，Ｓｂ３の操作態様の推移を示し、図２（ｃ）に、コンデンサ２６へと流れる電流ｉの推移を示す。

図示されるように、スイッチング素子Ｓｂ１、Ｓｂ４がオン操作されることで、電流ｉが漸増し、スイッチング素子Ｓｂ１，Ｓｂ４がオフ操作されてからスイッチング素子Ｓｂ２、Ｓｂ３がオン操作されるまでの期間にわたって電流ｉが漸減する。また、スイッチング素子Ｓｂ２，Ｓｂ３がオン操作されることで電流ｉが漸増し、スイッチング素子Ｓｂ２，Ｓｂ３がオフ操作されてからスイッチング素子Ｓｂ１，Ｓｂ４がオン操作されるまでの期間にわたって電流ｉが漸減する。これにより、スイッチングパターンの１周期Ｔが電流ｉの２周期に対応して且つ、電流ｉの１回の漸増期間は、スイッチング素子Ｓｂ１，Ｓｂ４またはスイッチング素子Ｓｂ２，Ｓｂ３がオン状態となる期間の時比率Ｄに１周期Ｔを乗算した長さとなる。

ここで、電流ｉのリプル周波数は、スイッチングに伴って生じる音の周波数と相関を有する。ここで、本実施形態では、図２（ｄ）に示すように、双方向コンバータ２０のスイッチングに伴うノイズの音圧が可聴周波数帯域内において極大を取るようにスイッチング周波数を設定する。特に本実施形態では、「０．５〜８ｋＨｚ」において音圧が極大値を取るようにスイッチング周波数を設定する。この周波数帯域は、人に特に感知されやすい周波数帯域である。より詳しくは、「１〜５ｋＨｚ」において音圧が極大値を取る（代表的な可聴周波数「１〜１２ｋＨｚ」において最大値となってもいる）。ここで、「１〜５ｋＨｚ」の周波数帯域は、人に特に感知されやすくて且つ不快感を生じることが少ない周波数帯域である。

この設定は、音圧の極大値が高すぎる場合には、スイッチング周波数を低下させ、音圧の極大値が低すぎる場合には、スイッチング周波数を上昇させることで行うことができる。

ここで、本実施形態では、スイッチング周波数を固定値とする。この場合、時比率Ｄが大きくなるほどリプルのエネルギが大きくなり、ひいては音圧が大きくなる。このため、本実施形態では、高電圧バッテリ１４の急速充電等、外部の電源装置との間で授受される電力が大きいほど音圧を大きくすることもできる。

さらに、本実施形態では、インバータ１２のスイッチングに起因した音圧が可聴周波数帯域において極大となる周波数と双方向コンバータ２０のスイッチングに起因した音圧が可聴周波数帯域において極大となる周波数とを互いに相違させる。これにより、外部の電源装置との間で電力の授受がなされる状況を音色によって識別することができるようになる。

なお、高電圧バッテリ１４から外部への電力の出力処理においては、スイッチング素子Ｓｂ５〜Ｓｂ８のスイッチング周波数を同様に設定する。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）双方向コンバータ２０のスイッチング素子のオン・オフ操作に応じて生じる音の周波数が、可聴周波数帯域において極大となるようにスイッチング周波数を設定した。これにより、双方向コンバータ２０の稼動時において、その旨を人に感知させることができる。

（２）双方向コンバータ２０のスイッチング素子のオン・オフ操作に起因して生じる音圧についての０．５〜８ｋＨｚの周波数帯域における最大値が該帯域に隣接する高周波帯域における値と比較して大きくなるように設定した。これにより、双方向コンバータ２０が稼動していることを、人に特に感知されやすいようにすることができる。

（３）電力の授受量が大きいほど、可聴周波数帯域における音圧を大きくした。これにより、外部の電源装置との間で電力の授受を行なっていることを人に感知させる要求が大きいほど音圧を大きくすることができる。

（４）インバータ１２のスイッチング素子のオン・オフ操作によって生じる音の可聴周波数帯域における極大値と、双方向コンバータ２０のオン・オフ操作によって生じる音の可聴周波数帯域における極大値とを相違させた。これにより、電力の授受をより正確に感知させることができる。
＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、双方向コンバータ２０のスイッチング操作に伴うノイズを夜間において低減させる処理を行う。

図３に、本実施形態にかかる双方向コンバータ２０による充電処理時の音圧制御の処理手順を示す。この処理は、制御装置５０によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、充電処理要求があるか否かを判断する。そしてステップＳ１０において肯定判断される場合、ステップＳ１２において、夜間であるか否かを判断する。この処理は、双方向コンバータ２０のスイッチング操作に伴うノイズを低減しても双方向コンバータ２０が稼動状態であることを感知させることができる状況であるか否かを判断するためのものである。そしてステップＳ１２において肯定判断される場合、ステップＳ１４において、スイッチング素子Ｓｂ１，Ｓｂ４やスイッチング素子Ｓｂ２，Ｓｂ３の時比率Ｄを小さくし、また、スイッチング周波数を変更する。

ここで、時比率Ｄを小さくすると、電流ｉのリプルが小さくなり、ひいてはリプルのエネルギが小さくなる。このため、音圧レベルを低減することができる。なお、スイッチング周波数は、例えば、双方向コンバータ２０のスイッチング操作によって生じるノイズが夜間において遠方に到達しにくいように変更すればよい。

なお、上記ステップＳ１４の処理が完了する場合や、ステップＳ１０，Ｓ１２において否定判断される場合には、この一連の処理を一旦終了する。

以上詳述した本実施形態によれば、上記第１の実施形態の上記（１）〜（４）の各効果に加えて、以下の効果が得られるようになる。

（５）双方向コンバータ２０のスイッチング素子のオン・オフ操作に起因した音の音圧レベルおよび周波数を夜間であるか否かに応じて可変設定した。これにより、電力の授受を行ううえで適切な音を生じさせることが可能となる。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

「スイッチング周波数について」
スイッチング周波数としては、状況に応じた周波数の変更処理がなされる際以外においては固定されるものに限らない。例えば、周期的に周波数を微小に変化させてもよい。これは、特定の周波数の音圧のみが大きくなる場合、人にとって不快感を伴いやすいという知見に基づくものである。このため、音圧のピークが微小に変化するようにスイッチング周波数を周期的に可変操作することは有効である。この際、音圧のピークは、可聴周波数帯域内（より望ましくは「０．５〜８ｋＨｚ」）から外れないようにする。なお、この条件を満たす限り、スイッチング周波数を周期的に可変操作するものにも限らず、例えばランダムに変化させるものであってもよい。

「音圧レベルおよび周波数の可変設定について」
音圧レベルや周波数の可変設定としては、上記第２の実施形態において例示したものに限らない。例えば周囲の音圧およびその周波数を検出するためのマイクを備え、可聴周波数帯域内（より望ましくは「０．５〜８ｋＨｚ」）において、周囲のノイズによる音圧レベルの大きい周波数を避けた周波数帯域において双方向コンバータ２０による音の音圧のピークがくるように、スイッチング周波数を可変設定してもよい。

また、音圧レベルを大きくするに際し、効率を低下させてもよい。すなわち、例えば高電圧バッテリ１４から商用電源４０に電力を供給するに際して、力率を低下させるようにＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａを操作してもよい。これにより、ＤＣＤＣコンバータ２０ｂの扱う電力を大きくすることができるため、そのスイッチング操作に伴う音圧レベルを上昇させやすくなる。

「車両走行時に駆動される電力変換回路について」
上記実施形態では、双方向コンバータ２０のスイッチングノイズとインバータ１２のスイッチングノイズとの混同を回避すべく、これらのスイッチング周波数を設定したが、これに限らない。例えば高電圧バッテリ１４の電圧を降圧して低電圧バッテリ（図示略）に出力する降圧コンバータのスイッチングノイズとの混同を回避するように、降圧コンバータと双方向コンバータ２０とのそれぞれのスイッチング周波数を設定してもよい。

なお、インバータ１２等については、スイッチングノイズが可聴周波数領域においては非常に小さくなるようにスイッチング周波数を設定してもよい。これによっても、双方向コンバータ２０を用いた電力の授受がなされていることを適切に認知させることができる。

「車両用電源装置について」
双方向コンバータ２０を備えるものに限らず、例えば商用電源４０の電力を高電圧バッテリ１４に充電する機能のみを搭載したものであってもよい。これは、例えばＡＣ／ＤＣコンバータ２０ａのスイッチング素子Ｓａ１〜Ｓａ４と、ＤＣＤＣコンバータ２０ｂのスイッチング素子Ｓｂ５〜Ｓｂ８を削除することで実現することができる。

また、外部の電源装置との間で電力の授受を行うための専用の回路にも限らず、例えばインバータ１２（の回路の一部）を流用したものであってもよい。

「そのほか」
・音圧の制御としては、「０．５〜８ｋＨｚ」の帯域の音圧がこれに隣接する高周波帯域の音圧よりも大きくなる制御にも限らず、スイッチングノイズが可聴周波数帯域に入るものであればよい。

１０…モータジェネレータ、１４…高電圧バッテリ、２０…双方向コンバータ、４０…商用電源。

Claims (5)

1. 車両の外部の電源装置との間で電力の授受を行なう車両用電源装置を操作することで、前記電力の授受を制御する車両用電源制御装置において、
   前記車両用電源装置は、スイッチング素子を備え、該スイッチング素子がオン・オフ操作されることによって前記授受する電力を変換するものであり、
   前記電力の授受を制御するに際して、前記スイッチング素子のオン・オフ操作に応じて生じる音の音圧が、可聴周波数帯域内において極大値を取り且つ前記極大値が前記可聴周波数帯域内で微小に変化するように、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を周期的に又はランダムに可変操作する操作手段を備えることを特徴とする車両用電源制御装置。
2. 前記操作手段は、前記スイッチング素子のオン・オフ操作に起因して生じる音圧についての０．５〜８ｋＨｚの周波数帯域における最大値が該帯域に隣接する高周波帯域における値と比較して大きくなるようにすることを特徴とする請求項１記載の車両用電源制御装置。
3. 前記操作手段は、前記電力の授受量が大きいほど、前記可聴周波数帯域における音圧を大きくすることを特徴とする請求項１または２記載の車両用電源制御装置。
4. 前記操作手段は、前記スイッチング素子のオン・オフ操作に起因した音の音圧レベルおよび周波数の少なくとも一方を前記車両用電源装置の周囲の音に応じて可変設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用電源制御装置。
5. 前記車両には、前記車両用電源装置とは別に、車両走行時にスイッチング素子のオン・オフ操作によって駆動される電力変換回路が備えられており、
   前記電力変換回路のスイッチング素子のオン・オフ操作によって生じる音の可聴周波数帯域の音の極大値と、前記車両用電源装置のオン・オフ操作によって生じる音の可聴周波数帯域の音の極大値とが相違することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両用電源制御装置。

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