JP5741183B2

JP5741183B2 - 電源システム

Info

Publication number: JP5741183B2
Application number: JP2011097605A
Authority: JP
Inventors: 廷夫勘崎; 英司北野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-25
Filing date: 2011-04-25
Publication date: 2015-07-01
Anticipated expiration: 2031-04-25
Also published as: JP2012231580A

Description

本発明は、高電圧の主電源からの電力をコンデンサで安定化させてから出力する高電圧出力と、前記主電源から電力をＤＣＤＣコンバータで低電圧の電力に変換して出力する低電圧出力の２種類の出力を有する電源システムに関する。

従来より、ハイブリッド自動車や、電気自動車では、主電源としての３００Ｖ程度の高電圧のバッテリを搭載し、この主電源からの電力により、車両駆動用のモータを駆動する。一方、車載の各種機器には、１２Ｖ程度の電圧の補機電池から電力を供給している。この補機電圧の充電は、ＤＣＤＣコンバータにより、主電源の出力を降圧して行っている。また、高出力時のモータの駆動のためモータ駆動電圧はより高い方が好ましいので、主電源の出力を昇圧コンバータで昇圧した後、モータ駆動に用いる場合もある。

また、モータの駆動は、主電源からの電力またはこれを昇圧した電力について、インバータで所定の交流電流に変換して行っており、インバータの入力側電圧を安定化させるために、コンデンサをインバータの入力側に有している。

このような車両において、衝突時などでは、主電源がインバータなどから切り離され、主電源から電力供給が停止されるが、安全のためにコンデンサを放電することが好ましい。

そのために、放電抵抗を設け、ドライブ回路などによりスイッチをオンして、コンデンサの充電電荷を放電抵抗に流して放電することが考えられる。しかし、放電抵抗を別途設けることは、コストアップにつながり、また占有体積が上昇するという問題がある。

特許文献１では、昇圧コンバータを利用し、その降圧動作および昇圧動作を繰り返すことによってコンデンサの放電を行うことが示されている。

特開２００４−２０１４３９号公報

ここで、昇圧コンバータ、インバータおよびそのスイッチング素子の制御信号を出力するドライブ回路などは１つのケース（通常インバータケースと呼ばれる）に収められることが多い。そして、昇圧コンバータ、インバータなどのドライブ回路などは、補機電池からの電力供給を受ける。この補機電池は、車載各種補機に電力を供給するものであり、インバータケースとは別に配置される。

そこで、衝突時などにインバータケースと補機電池の間の配線が断線すると、ドライブ回路が電源供給を受けられず、従ってコンデンサの放電が行えなくなってしまう。このために、ドライブ回路の電源を維持するためにバックアップ電源をインバータのケース内に設けることも考えられる。ところが、昇圧コンバータのスイッチング素子は、大電流を流すＩＧＢＴなどのパワー素子であり、体格が大きく、そのオンオフに大きな電力が必要となる。すなわち、パワー素子では、そのしきい値電圧Ｖ_ＧＥが例えば１５Ｖ程度とかなり大きくまたそこの寄生容量もかなり大きい。例えば、寄生容量をＣ、しきい値電圧をＶ、スイッチングの回数をｎとした場合、その放電に（１／２）Ｃ・Ｖ^２・ｎの電力が必要になる。従って、バックアップ電源として大きなものが必要になる。

本発明は、車両に搭載される電源システムであって、高電圧の主電源からの電力をコンデンサで安定化させてから出力する高電圧出力と、前記主電源から電力をＤＣＤＣコンバータで低電圧の電力に変換して出力する低電圧出力と、の２種類の出力を有する電源システムであって、前記ＤＣＤＣコンバータは、一次側コイルに前記高電圧出力からの電力が供給され、二次側コイルから前記低電圧出力を出力するトランスと、このトランスの一次側コイルに接続され、一次側コイルの電流をオンオフするスイッチング素子と、前記低電圧出力からの電力供給を受け、前記スイッチング素子のオンオフを制御するドライブ回路と、を含み、車両の衝突時に発生する衝突信号を受け、前記主電源を前記コンデンサおよび前記高電圧出力から切り離し、コンデンサの充電電力を前記一次側コイルに供給するとともに、前記ドライブ回路が前記低電圧出力からの電力供給を受け、前記トランスのスイッチング素子のスイッチング周波数を高く変更して前記スイッチング素子をオンオフすることで、前記コンデンサの充電電力をＤＣＤＣコンバータにより消費して前記コンデンサを放電することを特徴とする。

また、前記主電源からの電力を高電圧化して出力する昇圧コンバータをさらに有し、前記コンデンサは昇圧コンバータの出力側に接続され昇圧コンバータで昇圧された電圧を安定化させ、前記昇圧コンバータは、上側スイッチング素子と、下側スイッチング素子の直列接続を有し、上側スイッチング素子と下側のスイッチング素子の接続点がコイルを介し主電源に接続され、上側スイッチング素子の上側から高電圧化された出力を得、前記衝突信号発生時に、前記昇圧コンバータの前記上側スイッチング素子をオンした状態で、前記ドライブ回路が前記トランスの前記スイッチング素子をオンオフすることで、前記コンデンサを放電することが好適である。

本発明によれば、ドライブ回路への電力供給が断たれた場合にも、ＤＣＤＣコンバータを用いてコンデンサの放電が行える。

実施形態に係る電源システムの全体構成を示す図である。ＤＣＤＣコンバータの構成を示す図である。他の実施形態の電源システムの構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。

「全体システムの構成」
図１は、実施形態に係る電源システムを利用した車載モータ・ジェネレータ駆動システムの構成を示す図である。

主電源１０は、リチウムイオン電池などの蓄電池であり、３００Ｖ程度の高電圧を出力する。主電源１０の正側出力、負側出力は、インバータケースの正端子Ｐ、負端子Ｎにそれぞれ接続される。インバータケース内において、正負端子Ｐ，Ｎ間には、コンデンサ１２が接続され、これによって電圧がノイズ除去されて平滑化される。正負端子Ｐ，Ｎ間には、ＤＣＤＣコンバータ１４も接続されている。このＤＣＤＣコンバータ１４は、コンデンサ１２で平滑化された高電圧の電力から、補機電池（低電圧電源）の充電に用いる所定の低電圧の電力を得る。

正端子Ｐには、リアクトルであるコイル１６の一端が接続されている。コイル１６の他端は、２つのスイッチング素子１８，２０の接続点に接続されている。スイッチング素子１８は、エミッタが負端子Ｎに接続される下側スイッチング素子であり、スイッチング素子２０は、エミッタがスイッチング素子１８のコレクタに接続され、コレクタから高電圧の出力ラインＶＨに接続される上側スイッチング素子である。各スイッチング素子１８，２０は、ＩＧＢＴなどのパワー素子が利用される。また、スイッチング素子１８，２０には素子とは逆方向の電流を流す還流ダイオードＤが並列接続されている。

ここで、コイル１６、スイッチング素子１８，２０によって、昇圧コンバータ２８が構成されている。この昇圧コンバータ２８では、下側のスイッチング素子１８をオンオフすることによって、上側のダイオードＤを介し、ラインＶＨに向けて電流が流れ、ラインＶＨの電圧を上昇する。また、上側のスイッチング素子１８をオンオフすることによって、ラインＶＨ側からおよび下側のダイオードＤを介し主電源１０に向けて電流を流し、ラインＶＨの電圧を下降することができる。

ラインＶＨと負端子Ｎの間には、コンデンサ２２が配置されており、ラインＶＨの電圧を安定化させている。そして、このコンデンサ２２と並列して、インバータ２４が接続されている。すなわち、ラインＶＨがインバータ２４の正極母線、負端子Ｎに接続されるラインがインバータ２４の負極母線に接続されている。

インバータ２４は、周知の直流電力を交流電力に変換するもので、この例では２つのスイッチング素子を直列接続したアームを３本有し、アームの中点がＵＶＷ相の出力になっている。このＵＶＷ相の出力は、モータ・ジェネレータ２６に接続されており、インバータ２４の出力によってモータが駆動される。

すなわち、制御部３０が、モータ・ジェネレータ２６のロータ位置に応じてインバータ２４からの各相出力における位相を制御するとともに、モータの出力トルク指令に応じて、インバータ２４をＰＷＭ制御する。これによって、インバータ２４の６つのスイッチング素子のオンオフが制御され、所定の３相の交流電流がモータ・ジェネレータ２６に供給される。また、トルク指令に応じて昇圧コンバータ２８におけるスイッチング素子１８，２０のデューティー比を制御してインバータ２４の入力電圧を制御する。さらに、通常はインバータ２４のスイッチング制御によってモータ・ジェネレータ２６を回生制動し、またモータ・ジェネレータ２６をエンジンによって駆動して発電機として動作させることもできる。

なお、制御部３０は、各種入力信号に応じて、各種スイッチング素子の制御信号を発生する回路などを有している。

そして、本実施形態においては、衝突時において、コンデンサ２２，１２を放電する放電用の機構を有しており、これについて以下に説明する。

まず、衝突センサは、エアバッグの駆動などに使われるものを共用することが好適であり、加速度センサなどによって衝突を検出する。衝突センサの出力である衝突信号は、放電制御部３２に入力される。この放電制御部３２は、衝突信号が入力されたときは、スイッチング素子２０をオンする。また、放電制御部３２には、バックアップ電源３４が接続されており、外部からの電源供給が断たれても、動作が可能になっている。また、この放電制御部３２はスイッチング素子２０をオンし続ければよいため、スイッチング素子２０をオンオフするときのように大きな電力は不要である。従って、バックアップ電源３４は比較的小さなものでよく、インバータケース内に容易に収容することが可能である。バックアップ電源３４には、コンデンサや電池が利用できる。また、放電制御部３２は、衝突信号をラッチするラッチ回路と、ラッチ回路の出力でオンするトランジスタなど比較的簡単な回路で構成することが可能である。

「ＤＣＤＣコンバータの構成」
また、本実施形態において、コンデンサ２２，１２の放電にはＤＣＤＣコンバータ１４が利用される。そこで、このＤＣＤＣコンバータ１４の構成について、図２に基づいて説明する。

主電源１０の正側に接続される正端子Ｐには、トランス４０の一次側コイル４２の一端が接続されている。この一次側コイル４２の他端には、トランジスタ５０のドレインが接続され、ソースは負端子Ｎに接続されている。トランス４０の二次側には、第１の二次側コイル４４と第２の二次側コイル４６の２つの二次側コイルが設けられている。この例においては、トランジスタ５０として、ＮチャネルＭＯＳトランジスタが用いられている。

第１の二次側コイル４４の一端は、平滑回路５２、ノイズフィルタ５４を介し出力に接続されており、この出力が補機電池に接続され、補機電池の充電に利用される。補機電池には各種の補機が接続されており、これら補機の電力がこのＤＣＤＣコンバータ１４の出力から提供される。

第２の二次側コイル４６の一端は、ダイオード５６を介し、ドライブ回路６０に接続される。なお、第１および第２の二次側コイル４４，４６の他端は、アースに接続されている。

ドライブ回路６０には、補機電池からの電力がダイオード６２を介し供給されるようになっている。ダイオード５６を介し供給されるトランス４０からの電圧を補機電池の電圧より若干小さくしておくことで、通常時は補機電池からの電力がドライブ回路６０に供給される。このように、通常時は補機電池から電力供給を受けることで、通常時におけるトランス４０による補機電池への出力を適切なものに維持することができる。

ドライブ回路６０は、トランジスタ５０を制御し、一次側コイル４２に流れる電流を制御する。ドライブ回路６０は、通常時においては、二次側コイル４４を介し、補機電池の充電に適した電力が出力されるようにトランジスタ５０のスイッチングを制御する。

なお、ダイオード５６を介しドライブ回路６０に供給される二次側コイル４６からの電力は電圧が変化するので、ドライブ回路６０はコンデンサなどで平滑する回路を有している。

「衝突時の動作」
衝突時において衝突信号が入力された場合、制御部３０は、インバータ２４の動作を停止し、主電源１０と正負端子Ｐ，Ｎを接続しているリレーをオフする。なお、インバータケースに外部から接続されているケーブルは衝突によって断線する場合もある。また、補機電池とのケーブルも切断する場合がある。

この状態において、コンデンサ２２，１２は、充電されており、これを放電する。上述のように、昇圧コンバータ２８の上側のスイッチング素子２０はオンされる。なお、バックアップ電源３４は、常時放電制御部３２に電力を供給してもよいし、衝突信号を受けて電力の供給を開始してもよい。スイッチング素子２０をオンすることで、コンデンサ２２，１２の充電電圧は、正負端子Ｐ，Ｎに印加される。なお、コンデンサ２２からの電流はコイル１６を介し、コンデンサ１２に供給されるため、ここである程度消耗する。

ここで、ＤＣＤＣコンバータ１４は、補機電池からの電源供給が断たれても、ドライブ回路６０は、トランジスタ５０のオンオフを継続する。これによって、ダイオード５６を介し、ドライブ回路６０に電力供給が続けられて、トランス４０の駆動が継続される。このようなＤＣＤＣコンバータ１４の駆動によって、コンデンサ２２，１２に充電されていた電力が消費される。そして、コンデンサ２２，１２が放電されると、ドライブ回路６０の動作が終了し、ここへの電力供給も終了する。

ここで、ＤＣＤＣコンバータ１４における電力消費は、トランジスタ５０のスイッチング周波数によって異なり、スイッチング周波数が大きいほど、トランス４０おける電力消費が大きくなる。そこで、本実施形態では、ドライブ回路６０は、衝突信号を受けた場合に、スイッチング周波数を大きくして、電力消費量を大きくすることもできる。

例えば、スイッチング周波数を、通常時の１００Ｈｚ程度から２００Ｈｚ程度に変更することが好適である。

なお、スイッチング周波数は、内部の発振器の発振周波数を変更したり、分周比を変更することで容易に行うことができる。

また、ドライブ回路６０には、補機電池からの電力を供給することは必ずしも必要ではなく、通常時も第２の二次側コイル４６からの電力で動作するようにしてもよい。さらに、第２の二次側コイル４６を設けることなく、第１の二次側コイル４４から、ドライブ回路６０に電力供給してもよい。また、上述の放電制御部３２への電源供給も第１の二次側コイル４４や、第２の二次側コイル４６の電力により行うことも好適である。

「他の実施形態」
図３には、他の実施形態の構成が示してある。この例では，昇圧コンバータ２８がなく、主電源１０の電力がそのままインバータ２４に供給される。

従って、上述例のように、放電制御部３２を設ける必要がない。そして、ＤＣＤＣコンバータ１４は、上述の実施形態と同様の構成を採ることで、コンデンサ２２の放電を行うことができる。なお、この例において正負端子Ｐ，Ｎ間につながれるコンデンサは１つでよい。

「実施形態の効果」
このように、実施形態に係る電源システムによれば、インバータケースにつながれる、主電源および補機電池からの電力供給が断たれた状態においても、内部回路によりＤＣＤＣコンバータにおける損失発生を継続することができ、コンデンサの放電を行うことができる。

１０主電源、１２，２２コンデンサ、１４ＤＣＤＣコンバータ、１６コイル、１８，２０スイッチング素子、２４インバータ、２６モータ・ジェネレータ、２８昇圧コンバータ、３０制御部、３２放電制御部、３４バックアップ電源、４０トランス、４２一次側コイル、４４，４６二次側コイル、５０トランジスタ、５２平滑回路、５４ノイズフィルタ、５６，６２ダイオード、６０ドライブ回路。

Claims

車両に搭載される電源システムであって、高電圧の主電源からの電力をコンデンサで安定化させてから出力する高電圧出力と、前記主電源から電力をＤＣＤＣコンバータで低電圧の電力に変換して出力する低電圧出力と、の２種類の出力を有する電源システムであって、
前記ＤＣＤＣコンバータは、
一次側コイルに前記高電圧出力からの電力が供給され、二次側コイルから前記低電圧出力を出力するトランスと、
このトランスの一次側コイルに接続され、一次側コイルの電流をオンオフするスイッチング素子と、
前記低電圧出力からの電力供給を受け、前記スイッチング素子のオンオフを制御するドライブ回路と、
を含み、
車両の衝突時に発生する衝突信号を受け、前記主電源を前記コンデンサおよび前記高電圧出力から切り離し、コンデンサの充電電力を前記一次側コイルに供給するとともに、前記ドライブ回路が前記低電圧出力からの電力供給を受け、前記トランスのスイッチング素子のスイッチング周波数を高く変更して前記スイッチング素子をオンオフすることで、前記コンデンサの充電電力をＤＣＤＣコンバータにより消費して前記コンデンサを放電することを特徴とする電源システム。
請求項１に記載の電源システムにおいて、
前記主電源からの電力を高電圧化して出力する昇圧コンバータをさらに有し、前記コンデンサは昇圧コンバータの出力側に接続され昇圧コンバータで昇圧された電圧を安定化させ、
前記昇圧コンバータは、上側スイッチング素子と、下側スイッチング素子の直列接続を有し、上側スイッチング素子と下側のスイッチング素子の接続点がコイルを介し主電源に接続され、上側スイッチング素子の上側から高電圧化された出力を得、
前記衝突信号発生時に、前記昇圧コンバータの前記上側スイッチング素子をオンした状態で、前記ドライブ回路が前記トランスの前記スイッチング素子をオンオフすることで、前記コンデンサを放電することを特徴とする電源システム。