JP5369753B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド車両用および電気自動車の暖機が必要な高圧の電池を急速に暖機する電源システムに関する。

従来、ハイブリッド車両用および電気自動車の暖機が必要な電源である高圧の電池は、低温時には内部抵抗が上昇し、出力が低下するので、寒冷地での車両の始動時等において電源が冷え切っている場合、電源の急速な暖機が必要となっている。

そこで、電源を暖機する技術として、特許文献１に記載の電源システムがある。この電源システムは、電源が高温のとき電気部品と共にこれらを冷却し、電源が低温のときに電気部品の発熱を利用し電源を暖機する構成となっている。即ち、電源と、電源よりも単位時間温度変化率の大きい電気部品と、空気を取り込む取込口から、空気を排出する排出口までを結ぶ流路であって、流れる空気と熱交換するように電源と電気部品とが配置される流路とを備えた電源システムにおいて、電源と電気部品とを冷却する冷却モードと、電気部品の発熱を利用して電源を暖機する暖気モードと、冷却モードと暖機モードとの間の切換を行う切換手段と、電源システムの状態に応じて切換手段を制御する制御手段とを含むことを特徴としている。但し、電気部品は、車両用低電圧を生成するＤＣ／ＤＣ（直流／直流）コンバータである。

ＤＣ／ＤＣコンバータは、車両電源から１２Ｖ等の低電圧を作り出すため等に用いられる電気部品である。従って、１２Ｖ電源は車両においてほぼ常時使用していることから、ＤＣ／ＤＣコンバータもほぼ常時稼動している。そこで、例えば高圧電源が稼動していなくて低温であっても、ＤＣ／ＤＣコンバータの温度は比較的高い。従って、高圧電池である電源が低温のときには暖機モードを選択してＤＣ／ＤＣコンバータの発熱を利用して電源を暖機するようになっている。

特開２００８−５２９９７号公報

上記の特許文献１では、ＤＣ／ＤＣコンバータで発した熱で高圧電池を暖機するようになっている。しかし、ＤＣ／ＤＣコンバータは、車両電源がオフの状態ではオフとなっており発熱していない。近年、ＤＣ／ＤＣコンバータは二次側をＭＯＳトランジスタで整流する同期整流方式などによる高効率化が進んで電力損失が低減されており、車両電源がオフでＤＣ／ＤＣコンバータもオフの状態から、キーのオン操作で車両電源がオンとなってからＤＣ／ＤＣコンバータがオンとなり暖機に必要な所定温度まで熱するまでに時間が掛かる。つまり、寒冷地での車両の始動時等において高圧電池が冷え切っている場合に急速な暖機が必要な高圧電池を、車両電源をオンとしてからＤＣ／ＤＣコンバータの発熱で暖機するまでには時間が掛かってしまうという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、急速な暖機が必要な電池をＤＣ／ＤＣコンバータの発する熱で急速に暖機することができる電源システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、電池と、同期整流方式のスイッチング電源と、電池とスイッチング電源とを空間的に連通して接続する流路と、流路内に配置され、スイッチング電源から電池へ向かって送風を行うファンとを有する電源システムにおいて、前記電池の温度を検出し、この検出温度が当該電池が適正に作動するに必要な所定値よりも低い場合に前記スイッチング電源の同期整流動作を禁止し、所定値以上の場合に同期整流動作を許可する制御を行う制御手段を備えるものであって、前記スイッチング電源は、直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣＤＣコンバータであり、前記ＤＣＤＣコンバータは、２次側に同期整流動作をするためのスイッチング素子と、該スイッチング素子と並列に接続されたダイオードとを有し、前記制御手段は、前記電池の検出温度が前記所定値よりも低い場合に、前記ＤＣＤＣコンバータの前記スイッチング素子をオフとし、該スイッチング素子と並列に接続された前記ダイオードを介して２次側に電流を流す制御を行うことを特徴とする。

この構成によれば、急速な暖機が必要な電池の温度が所定値よりも低い場合、制御手段はスイッチング電源に対して同期整流動作の禁止とする制御を行う。この場合、スイッチング電源の同期整流用のＭＯＳトランジスタがオフとなり、当該各ＭＯＳトランジスタのソース−ドレイン間に形成されたボディダイオードを通じて２次側の電流が流れるので、電力損失が大きく発熱量も大きくなる。この熱がファンで電池へ送風されることによって電池が早く暖機される。

以上説明したように本発明によれば、急速な暖機が必要な電池をＤＣ／ＤＣコンバータの発する熱で急速に暖機することができる電源システムを提供することができるという効果がある。

本発明の実施形態に係る電源システムの構成を示すブロック図である。 上記実施形態の電源システムの同期整流制御の動作を説明するための図である。 上記実施形態の電源システムのＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す回路図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る電源システムの構成を示すブロック図である。
図１に示す電源システム１０は、ハイブリッド車両および電気自動車に用いられるものであり、暖機が必要な高圧の電池１１と、車両電源から１２Ｖ等の低電圧を作り出す同期整流方式のスイッチング電源としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、電池１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１２とを接続する配管による流路１３と、流路１３内に配置され、矢印Ｙ１で示す方向にＤＣ／ＤＣコンバータ１２から電池１１へ向かって風を流す送風を行うファン１４とを備える。更に、電池１１の温度１６を検出し、この検出温度１６が図２に示す所定値ｔａよりも低い場合にＤＣ／ＤＣコンバータ１２の同期整流動作を禁止し、所定値ｔａ以上となった際に同期整流動作を許可する制御を制御信号１７によって行う制御部１８とを備えて構成されている。但し、所定値ｔａとは、電池１１が適正に作動するに必要な温度であるとする。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、図３に示すように、スイッチング素子２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂを介して車両電源２０に接続された１次側コイル２１ａ及び、第１及び第２の２次側コイル２１ｂ，２１ｃを有する変圧器２１と、ソース−ドレイン間にボディダイオード２２ａを備える第１のＭＯＳトランジスタ２２と、ソース−ドレイン間にボディダイオード２３ａを備える第２のＭＯＳトランジスタ２３と、出力電圧を平滑するインダクタ２４とコンデンサ２５とを備えて構成されている。

各ＭＯＳトランジスタ２２，２３は、第１の２次側コイル２１ｂと第２の２次側コイル２１ｃとの間にソース、ドレインを従属にして接続されており、各ＭＯＳトランジスタ２２，２３同士の接続部分がＤＣ／ＤＣコンバータ１２の一対の出力端子２６ａ，２６ｂのうちの一方の出力端子２６ｂに接続されている。また、第１の２次側コイル２１ｂ及び第２の２次側コイル２１ｃの双方の他端はコイル２４を介して出力端子２６ａに接続されており、そのコイル２４の出力側と出力端子２６ｂ側との間にコンデンサ２５が接続されている。更に、各ＭＯＳトランジスタ２２，２３のゲートには、制御部１８からの制御信号１７ａ、１７ｂが入力されるようになっている。

同期整流動作の許可を指示する場合、１次側のスイッチング素子２７ａと２７ｂがオンしている場合にはＭＯＳトランジスタ２２がオンし、このときスイッチング素子２８ａ、２８ｂおよびＭＯＳトランジスタ２３はオフする。逆に１次側のスイッチング素子２７ａと２７ｂがオフしている場合にはＭＯＳトランジスタ２２がオフし、このときスイッチング素子２８ａ、２８ｂおよびＭＯＳトランジスタ２３はオンとなる。車両電源２０からの電流が１次側コイル２１ａに流れると、２次側コイル２１ｂ，２１ｃから電流が流れ、ＭＯＳトランジスタ２２又は２３を流れて出力端子２６ａ，２６ｂから出力される。一方、同期整流動作の禁止を指示する場合、車両電源２０からの電流が１次側コイル２１ａに流れると、２次側コイル２１ｂ，２１ｃから電流が流れ、ダイオード２２ａ又は２２ｂを流れて出力端子２６ａ，２６ｂから出力される。このような動作によって、車両電源２０の電圧Ｖ１が変圧器２１によって所定の低電圧Ｖ２に変換されて出力端子２６ａ，２６ｂから出力される。

ところで、ダイオード２２ａ又は２２ｂを電流が流れると、ダイオードの大きな電圧降下分が出力電流に乗算された分、電力損失となって発熱する。各ＭＯＳトランジスタ２２，２３がオン状態の場合は電圧降下が殆ど無いので電力損失が小さく発熱量が小さいが、先のようにダイオードを電流が流れた場合は電力損失が大きいので発熱量も大きくなる。

このような構成の電源システム１０がハイブリッド車両および電気自動車に用いられており、車両がキー操作オフとなっているため、車両電源２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ１２もオフ状態であるとする。また、車両が寒冷地にあって電池１１が図２に示す所定値ｔａよりも低い状態に冷え切っている場合に、キーのオン操作で電源システム１０がオンとなったとする。

この場合、制御部１８によって電池１１の温度１６が検出されるが、ここでは電池１１の温度が所定値ｔａよりも低いので、制御部１８は制御信号１７ａ、１７ｂを同期整流動作の禁止を指示するように制御する。これによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の各ＭＯＳトランジスタ２２，２３がオフとなるので、変圧器２１の２次側ではダイオード２２ａ又は２２ｂを電流が流れる。この場合、電力損失が大きいので発熱量が大きくなり、この熱がファン１４で電池１１へ送風されると電池１１が素早く暖機される。

これによって検出温度１６が所定値ｔａ以上になると、制御部１８は制御信号１７ａ、１７ｂを同期整流動作の許可を指示するように制御する。これによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の各ＭＯＳトランジスタ２２，２３がオンとなって、２次側の電流がＭＯＳトランジスタ２２又は２３を流れて出力端子２６ａ，２６ｂから出力される。

このように本実施形態の電源システム１０によれば、電池１１と、同期整流方式のスイッチング電源としてのＤＣ／ＤＣコンバータ１２と、電池１１とＤＣ／ＤＣコンバータ１２とを空間的に連通して接続する流路１３と、流路１３内に配置され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２から電池１１へ向かって送風を行うファン１４とを有する構成において、電池１１の温度を検出し、この検出温度１６が当該電池１１が適正に作動するに必要な所定値ｔａよりも低い場合にＤＣ／ＤＣコンバータ１２の同期整流動作を禁止し、所定値ｔａ以上の場合に同期整流動作を許可する制御を行う制御部１８を備えた。

従って、電池１１の温度が所定値ｔａよりも低い場合、制御部１８は制御信号１７ａ、１７ｂを同期整流動作の禁止を指示するように制御するので、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の同期整流動作としての各ＭＯＳトランジスタ２２，２３がオフとなる。これによって、ダイオード２２ａ又は２２ｂを２次側の電流が流れるが、この場合、電力損失が大きいので発熱量が大きくなり、この熱がファン１４で電池１１へ送風されることによって、電池１１が素早く暖機される。つまり、急速な暖機が必要な電池１１をＤＣ／ＤＣコンバータ１２の発する熱で急速に暖機することができる。

また、上記では、スイッチング電源がＤＣ／ＤＣコンバータ１２であるとして説明したが、スイッチング電源が交流電圧を所定の直流電圧に変換するコンバータであっても同様の効果を得ることができる。

１０ 電源システム
１１ 電池
１２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３ 流路
１４ ファン
１６ 検出温度
１７ａ 制御信号
１７ｂ 制御信号
１８ 制御部
２０ 車両電源
２１ 変圧器
２１ａ １次側コイル
２１ｂ，２１ｃ ２次側コイル
２２ａ，２３ａ ダイオード
２２ 第１のＭＯＳトランジスタ
２３ 第２のＭＯＳトランジスタ
２４ コイル
２５ コンデンサ
２６ａ，２６ｂ 出力端子
２７ａ，２７ｂ スイッチング素子
２８ａ，２８ｂ スイッチング素子
Ｖ１ 車両電源の電圧
Ｖ２ ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧

Claims (1)

1. 電池と、同期整流方式のスイッチング電源と、電池とスイッチング電源とを空間的に連通して接続する流路と、流路内に配置され、スイッチング電源から電池へ向かって送風を行うファンとを有する電源システムにおいて、
   前記電池の温度を検出し、この検出温度が当該電池が適正に作動するに必要な所定値よりも低い場合に前記スイッチング電源の同期整流動作を禁止し、所定値以上の場合に同期整流動作を許可する制御を行う制御手段を備えるものであって、
   前記スイッチング電源は、直流電圧を所定の直流電圧に変換するＤＣＤＣコンバータであり、
   前記ＤＣＤＣコンバータは、２次側に同期整流動作をするためのスイッチング素子と、該スイッチング素子と並列に接続されたダイオードとを有し、
   前記制御手段は、前記電池の検出温度が前記所定値よりも低い場合に、前記ＤＣＤＣコンバータの前記スイッチング素子をオフとし、該スイッチング素子と並列に接続された前記ダイオードを介して２次側に電流を流す制御を行うことを特徴とする電源システム。

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