JP6372382B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両等に搭載され、バッテリから供給される電力を降圧して出力する電源装置に関する。

高圧バッテリから供給される電力を降圧し、低圧負荷へ電力を供給するものとして、特許文献１に記載の電源装置がある。

特許文献１に記載の電源装置では、主バッテリと低圧負荷とをメインＤＣＤＣコンバータ及びサブＤＣＤＣコンバータを介して接続している。この電源装置では、イグニッションスイッチがＯＮとされた場合には、高圧バッテリから低圧負荷へメインＤＣＤＣコンバータを介して電力を供給し、イグニッションスイッチがＯＦＦとされた場合には、高圧バッテリから低圧負荷へサブＤＣＤＣコンバータを介して暗電流を供給している。

特開２００１−２６８７８７号公報

特許文献１に記載されているような電源装置では、一般的には、主バッテリに加えて、主バッテリよりも定格電圧が低く、容量も小さい補機バッテリをも備えている。この補機バッテリから供給される電力により、メインＤＣＤＣコンバータ及びサブＤＣＤＣコンバータが備えるスイッチング素子が駆動される。

ところが、補機バッテリは、車両に備えられた低圧負荷への暗電流の供給などにより、バッテリ上がりが生ずることがある。その結果として、メインＤＣＤＣコンバータ及びサブＤＣＤＣコンバータが備えるスイッチング素子の駆動が不能となり、主バッテリから補機バッテリ及び低圧負荷への、メインＤＣＤＣコンバータ又はサブＤＣＤＣコンバータを介した電力の供給ができなくなるおそれが生ずる。

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、その主たる目的は、補機バッテリ等からの電力の供給がなされない場合においても、負荷に対する電力の供給を行うことができる電源装置を提供することにある。

本発明は、バッテリから負荷に対して電力を供給する電源システムであり、前記バッテリの定格電圧は、前記負荷の駆動に必要な電圧よりも高い電圧である電源システムに適用される電源装置であって、スイッチング素子を備え、そのスイッチング素子が駆動されることにより、前記バッテリから供給される電力を降圧して前記負荷へ出力する電力変換回路と、前記電力変換回路の前記スイッチング素子を駆動する制御回路と、前記バッテリから供給される電力を降圧し、前記制御回路へ電力を供給する制御電源と、を備えることを特徴とする。

上記構成では、制御電源により、バッテリから供給される電力を降圧して制御回路へ供給し、その制御回路により、電力変換回路を駆動している。そのため、制御電源へ電力を供給する手段を別途設けることなく、バッテリから供給される電力を電力変換回路により降圧して負荷へ供給することができる。

電源システム全体の回路図である。 制御電源の回路図である。 主バッテリから低圧負荷へ電力変換回路を介して電力を供給する際の、電気経路を示す図である。 主バッテリから低圧負荷へ制御電源を介して電力を供給する際の、電気経路を示す図である。 主バッテリから低圧負荷へ電力変換回路を介した電力の供給に加えて、補機バッテリからも低圧負荷へ電力を供給する際の、電気経路を示す図である。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付しており、同一符号の部分についてはその説明を援用する。

＜実施形態＞
本実施形態に係る電源システムの回路図を図１に示す。本実施形態に係る電源システムは、車両に搭載されるものであり、主バッテリ１０が設けられた高電圧回路と、補機バッテリ１１が設けられた低電圧回路とを、電源装置であるＤＣＤＣコンバータ１２を介して接続し、高電圧回路と低電圧回路との間で電力の授受を行う。

主バッテリ１０は、複数の電池セルが直列接続されたリチウムイオンバッテリである。この主バッテリ１０の定格電圧は、例えば２８８Ｖである。補機バッテリ１１は、鉛バッテリであり、定格電圧は例えば１２Ｖである。なお、主バッテリ１０と補機バッテリ１１の種類及び定格電圧はこれらに限られず、主バッテリ１０の定格電圧が補機バッテリ１１の定格電圧よりも高いものであればよい。

主バッテリ１０が設けられた高電圧回路には高圧負荷１３が設けられており、主バッテリ１０とＤＣＤＣコンバータ１２及び高圧負荷１３とはシステムメインリレー１４を介して接続されている。高圧負荷１３としては、例えば、車両を駆動するモータへ電力を供給するパワーコントロールユニット等が挙げられる。システムメインリレー１４は、主バッテリ１０とＤＣＤＣコンバータ１２及び高圧負荷１３との接続及び遮断を行うものである。このシステムメインリレー１４は、補機バッテリ１１から供給される電力に接続及び遮断が行われる。高圧負荷１３の異常時等には、主バッテリ１０とＤＣＤＣコンバータ１２及び高圧負荷１３とがシステムメインリレー１４により遮断され、主バッテリ１０の保護がなされる。

補機バッテリ１１が設けられた低電圧回路には、低圧負荷１５が設けられている。低圧負荷１５としては、車内灯やヘッドライト等の各種の灯火機器、パワースライドドア等の電動ドアや、ＥＣＵ、ナビゲーション装置、オーディオ、盗難防止装置等の電子機器が挙げられる。これら電子機器の中には、内蔵するメモリに電力の供給を継続するために、暗電流を流す必要があるものがある。

ＤＣＤＣコンバータ１２は、電力変換回路２０と、ドライバ２１と、制御電源２２とを含んで構成されている。電力変換回路２０は、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を備えた周知の回路であって、主バッテリ１０から供給される電力を降圧して低電圧回路へ供給する機能を有している。ドライバ２１は、制御電源２２に備えられたマイコンからの指令により駆動する制御回路であり、制御電源２２からの電力の供給により駆動し、電力変換回路２０のスイッチング素子へ制御信号を送信する。電力変換回路２０では、ドライバ２１から送信された制御信号によりスイッチング素子が開閉し、主バッテリ１０から供給された電力を降圧して出力する。

なお、電力変換回路２０を介して主バッテリ１０から補機バッテリ１１へ電力を供給する際には、補機バッテリ１１の残容量を監視し、その残容量が所定値を下回ることを条件として、電力の供給を開始すればよい。また、高圧負荷１３及び低圧負荷１５の要求電力をそれぞれ監視し、その要求電力が所定値を上回った場合に、電力の供給を開始してもよい。

図２は、制御電源２２の回路図である。制御電源２２は、主バッテリ１０からコンデンサ３３を介して電力が供給される一次コイル３１と、一次コイル３１と磁気的に結合された、ドライバ側二次コイル４１及び低圧側二次コイル５１とを備えている。これら一次コイル３１と、ドライバ側二次コイル４１及び低圧側二次コイル５１とによりトランス２２ａを構成している。ドライバ側二次コイル４１は、ドライバ側整流回路４０を介してドライバ２１に接続されている。一方、低圧側二次コイル５１は、低圧側整流回路５０を介して、補機バッテリ１１等からなる低電圧回路に接続されている。

ドライバ側整流回路４０は、高圧側配線に順方向に設けられたダイオード４２と、そのダイオード４２のカソードと低圧側配線との間に逆方向接続されたダイオード４３と、ダイオード４３と並列に設けられたコンデンサ４５と、ダイオード４３とコンデンサ４５との間の高圧側配線に設けられたチョークコイル４４とにより構成されている。低圧側整流回路５０は、ドライバ側整流回路４０と同様に、ダイオード５２，５３と、チョークコイル５４と、コンデンサ５５とにより構成されている。なお、ドライバ側整流回路４０及び低圧側整流回路５０は周知の回路であるため、各構成の具体的な機能についての説明は省略する。

一次コイル３１とドライバ側二次コイル４１との巻数比は、ドライバ２１へ出力される電圧が例えば５Ｖとなるように設定されている。一方、一次コイル３１と低圧側二次コイル５１との巻数比は、低電圧回路へ出力される電圧が補機バッテリ１１へ電力が供給可能な程度の電圧、例えば１４Ｖ程度となるように設定されている。

一次コイル３１には、電界効果トランジスタ３２が直列接続されており、この電界効果トランジスタ３２は、制御電源用コントローラ６０により制御される。この制御電源用コントローラ６０へは、ドライバ２１へ出力される電圧及び低電圧回路へ出力される電圧が入力され、制御電源用コントローラ６０は、出力される電圧が定電圧となるように電界効果トランジスタ３２を開閉制御する。これにより、一次コイル３１には交流電力が生成され、その磁束の変化により、ドライバ側二次コイル４１及び低圧側二次コイル５１には交流電力が生成される。ドライバ側二次コイル４１及び低圧側二次コイル５１に生成された交流電力は、それぞれドライバ側整流回路４０、低圧側整流回路５０により整流されて、直流電力として出力される。

また、制御電源用コントローラ６０は、ドライバ２１への電力の供給と、低電圧回路への電力の供給とのいずれを行うかを選択する機能も備えている。この選択は、低電圧回路に設けられた図示しない電流センサの検出値等に基づき、図示しないスイッチング素子の開閉することにより行えばよい。なお、制御電源２２にスイッチング素子を設けず、ドライバ２１への電力の供給と、低電圧回路への電力の供給とを同時に行うものとしてもよい。この場合には、制御電源２２からドライバ２１及び低電圧回路へ電力を供給しておき、電力変換回路２０を介して低電圧回路へ電力を供給する必要が生じた場合には、ドライバ２１へ指令を送信し、電力変換回路２０を介した電力の供給を行えばよい。

なお、電力変換回路２０の最大出力電力は、数ｋＷとして設計されており、制御電源２２の最大出力電力は数Ｗとして設計されている。

続いて、図１に示した電源システムを用いて低圧負荷１５へ電力を供給する際の電気経路について、図３〜図５を用いて説明する。図中、電気経路を一点鎖線により示している。なお、車両の起動時とは、車両のメインスイッチが運転者によりオンとされ、低圧負荷１５である各種電子機器が起動している状態のことをいう。また、非起動時とは、車両のメインスイッチが運転者によりオフとされ、各種電子機器は待機状態であり、各種電子機器はメモリ等への暗電流の供給を必要とする状態のことをいう。なお、車両の非起動時において、運転者等により灯火機器や電動ドア等の低圧負荷１５が操作された場合には、その操作された低圧負荷１５へ電流が供給される。本実施形態では、車両の非起動時における、灯火機器や電動ドア等の操作おいて供給される電流も暗電流と称する。

図３は、車両の起動時に、主バッテリ１０から電力変換回路２０を介して低圧負荷１５へ電力を供給する場合の、電気経路を示している。このとき、システムメインリレー１４は接続状態とされ、主バッテリ１０からＤＣＤＣコンバータ１２へ電力が供給される。制御電源２２では、ドライバ側二次コイル４１を介した給電のみが行われ、低圧側二次コイル５１を介した給電が停止されている。

主バッテリ１０から供給される電力は、制御電源２２へ供給される。制御電源２２へ入力された電力は、一次コイル３１及びドライバ側二次コイル４１により降圧され、ドライバ２１へと供給される。一方、低圧側二次コイル５１を介した給電が停止されているために、低圧負荷１５への給電は行われない。そのため、主バッテリ１０から電力変換回路２０を介して低圧負荷１５への給電が行われることとなる。

図４は、車両の非起動時に、低圧負荷１５へ暗電流を供給する場合の電気経路を示している。このとき、システムメインリレー１４は接続状態とされ、主バッテリ１０からＤＣＤＣコンバータ１２へ電力が供給される。制御電源２２では、低圧側二次コイル５１を介した給電のみが行われ、ドライバ側二次コイル４１を介した給電が停止されている。

主バッテリ１０から供給される電力は、制御電源２２へ供給される。制御電源２２へ入力された電力は、一次コイル３１及び低圧側二次コイル５１により降圧され、低圧負荷１５へと供給される。一方、ドライバ側二次コイル４１を介した給電が停止されているために、ドライバ２１への給電は行われない。そのため、主バッテリ１０からの電力変換回路２０を介した低圧負荷１５への給電は、停止されることとなる。

なお、車両の起動時において、低圧負荷１５が要求する電力が小さい場合においても、図４で示した電気経路により電力を供給するものとしてもよい。この場合において、低圧負荷１５が要求する電力が増加すれば、制御電源２２を介した電力の供給を停止し、制御電源２２からドライバ２１への電力の供給を開始して、図３で示した電気経路での電力の供給を行えばよい。

ところで、上述したとおり、暗電流が供給されている車両の非起動時において、運転者等により灯火機器や電動ドア等の低圧負荷１５が操作された場合には、その低圧負荷１５への暗電流の供給が必要となる。このとき、制御電源２２からの電力の供給は、不十分となる場合がある。そこで、この場合には、制御電源２２からの暗電流の供給を停止し、主バッテリ１０から電力変換回路２０を介して低圧負荷１５へ電力を供給する。なお、この場合の電気経路は、図３で示したものとなる。

主バッテリ１０から電力変換回路２０を介して低圧負荷１５へ暗電流を供給しているときに、暗電流の供給量が低圧負荷１５に必要とされる量に対して不足する場合が起こり得る。この場合、図５で示す電気経路のごとく、主バッテリ１０からの電力変換回路２０を介した暗電流の供給に加えて、補機バッテリ１１から低圧負荷１５への暗電流の供給も行われる。なお、この場合に、低圧負荷１５から要求される暗電流が小さくなり、主バッテリ１０から電力変換回路２０を介した供給により低圧負荷１５へ十分な暗電流を供給できるようになれば、主バッテリ１０から電力変換回路２０を介して、補機バッテリ１１への補充電が行われる。加えて、低圧負荷１５から要求される暗電流がさらに小さくなった場合には、主バッテリ１０からの電力変換回路２０を介した暗電流の供給を停止し、制御電源２２を介した暗電流の供給を行う。こうすることにより、暗電流の供給に加えて、制御電源２２から供給される電力により補機バッテリ１１の補充電も行われる。

主バッテリ１０からの電力変換回路２０を介した暗電流の供給が継続し、主バッテリ１０の容量が低下した場合には、主バッテリ１０が過放電となるおそれがある。そのため、主バッテリ１０の残容量が所定値を下回った場合には、制御電源２２からドライバ２１への電力の供給を停止する。これにより、主バッテリ１０からの電力変換回路２０を介した暗電流の供給を停止することができ、主バッテリ１０の過放電を抑制することができる。このとき、補機バッテリ１１から低圧負荷１５へ暗電流が供給されることとなる。

なお、この場合には、低圧負荷１５と接続された補機バッテリ１１からの暗電流の供給が再開し、補機バッテリ１１の過放電が生ずる場合がある。そのため、補機バッテリ１１と低圧負荷１５とをスイッチ等を介して接続し、主バッテリ１０からの電力変換回路２０を介した暗電流の供給を停止する場合には、補機バッテリ１１と低圧負荷１５とを切り離すようにしてもよい。

さらに、主バッテリ１０からの制御電源２２を介した暗電流の供給が行われている際に、低圧負荷１５から要求される暗電流が急激に上昇すれば、電力変換回路２０を介した暗電流の供給が間に合わないときがある。この場合には、低圧負荷１５には補機バッテリ１１が接続されているため、低圧負荷１５へは補機バッテリ１１から暗電流が供給される。また、制御電源２２を介した暗電流の供給には、小さいながらも電力の損失が生ずる。そのため低圧負荷１５へと供給する暗電流が微小である場合には、補機バッテリ１１から暗電流の供給を行い、暗電流が増加した場合に、制御電源２２を介した暗電流の供給を行うものとしてもよい。

上記構成により、本実施形態に係る電源システムは、以下の効果を奏する。

・電力変換回路２０が備えるスイッチング素子の駆動を、主バッテリ１０から供給される電力により行っている。主バッテリ１０は、補機バッテリ１１と比較して相対的に容量が大きいため、バッテリ上がりによる電力変換回路２０の作動が不能となる事態を抑制することができる。

・制御電源２２を、主バッテリ１０からして電力が供給される一次コイル３１と、一次コイル３１と磁気的に結合された、ドライバ側二次コイル４１及び低圧側二次コイル５１とを含んで構成している。そのため、ドライバ２１への電力の供給を主目的としている制御電源２２を、低電圧回路への電力の供給にも用いることができる。

・制御電源２２から低圧回路へ電力の供給を行っている際に、低圧負荷１５の要求電力が所定値を上回る場合には、制御電源２２から低圧回路への電力の供給を停止するとともにドライバ２１への電力を開始し、主バッテリ１０から電力変換回路２０を介して電力の供給を行うものとしている。そのため、低圧負荷１５の要求電力が大きくなり制御電源２２から供給される電力が不足する場合に、電力変換回路２０を駆動する電力が不十分となる事態を回避することができる。

・低圧負荷１５への暗電流の供給を、主バッテリ１０から制御電源２２を介して行っている。そのため、暗電流を供給するためのＤＣＤＣコンバータを別途設ける必要がないため、電源システムの構成を簡略化することができる。

・低圧負荷１５への暗電流の供給を、主バッテリ１０から制御電源２２を介して行っている。そのため、トランス２２ａを用いる制御電源２２と比較して相対的に損失の大きい電力変換回路２０を介することなく、暗電流を供給することができる。

・主バッテリ１０から制御電源２２を介して低圧負荷１５へ電力を供給している際に、その電力が所定値を上回った場合には、主バッテリ１０から電力変換回路２０を介して暗電流を供給している。これにより、制御電源２２に流れる電流を抑制することができ、制御電源２２の回路を保護することができる。

・車両の非起動時において、補機バッテリ１１から低圧負荷１５への暗電流の供給を、暗電流が微小な場合と、要求される暗電流が急激に増加した場合と、主バッテリ１０から電力変換回路２０を介した暗電流の供給よりも要求される暗電流が大きい場合に限定している。そのため、補機バッテリ１１の最大容量について、暗電流を考慮する必要がなくなり、その最大容量をより小さいものとすることができる。加えて、補機バッテリ１１には、暗電流の供給に伴う残容量の低下が生じないため、補機バッテリ１１の劣化を抑制することができる。

＜変形例＞
・上記実施形態では、主バッテリ１０から制御電源２２を介して低圧負荷１５へ暗電流を供給している際に、要求電力が増加した場合には電力変換回路２０を介して暗電流を供給している。この点、要求電力が増加した場合に、補機バッテリ１１から暗電流を供給し、さらに要求電力が増加した場合や補機バッテリ１１の残容量が低下した場合に、電力変換回路２０を介して暗電流を供給するものとしてもよい。

・上記実施形態では、補機バッテリ１１を設けるものとしているが、補機バッテリ１１は必須の構成ではない。電力変換回路２０のスイッチング素子は、主バッテリ１０から供給される電力により駆動され、主バッテリ１０から電力変換回路２０を介して低圧負荷１５へと電力が供給される。そのため、補機バッテリ１１を用いることなく、低圧負荷１５への電力の供給が可能となる。なお、この場合には、制御電源２２を介して暗電流を供給している際に暗電流が所定値を超えれば、制御電源２２を介した暗電流の供給を停止するとともに、制御電源２２からドライバ２１へ電力を供給し、電力変換回路２０を介した暗電流の供給を開始すればよい。

・上記実施形態において、制御電源２２がトランス２２ａを備えており、主バッテリ１０から供給される電力を降圧し、補機バッテリ１１が設けられている低電圧回路へ供給するものとした。これに加えて、制御電源２２に、補機バッテリ１１から供給される電力を昇圧し、主バッテリ１０へと供給するトランスを設けるものとしてもよい。こうすることにより、主バッテリ１０の容量が低下した場合等には、補機バッテリ１１から主バッテリ１０へ電力を供給することができる。そして、主バッテリ１０の容量が回復した場合には、主バッテリ１０から供給される電力により電力変換回路２０を動作させ、補機バッテリ１１から主バッテリ１０へのさらなる電力の供給を行うものとすればよい。

・上記実施形態では、主バッテリ１０と、ＤＣＤＣコンバータ１２及び高圧負荷１３とをシステムメインリレー１４を介して接続しているが、システムメインリレー１４が設ける場所は、上記実施形態で示した例に限られない。例えば、主バッテリ１０をシステムメインリレー１４に対してＤＣＤＣコンバータ１２側に設け、システムメインリレー１４により、主バッテリ１０及びＤＣＤＣコンバータ１２と、高圧負荷１３との接続及び遮断を行うものとしてもよい。こうすることで、主バッテリ１０から低圧負荷１５へ暗電流を供給する場合等において、システムメインリレー１４により主バッテリ１０と高圧負荷１３とを遮断することができる。これにより、車両の非起動時において、高圧負荷１３が備えるインバータ等に含まれる素子等における電力の消費を抑制することができる。

・上記実施形態では、主バッテリ１０と、ＤＣＤＣコンバータ１２及び高圧負荷１３とを一対のシステムメインリレー１４を介して接続しているが、このシステムメインリレー１４に加えて、許容電流が相対的に小さく、操作に必要な電力も相対的に小さい補助的なリレーを設けるものとしてもよい。こうすることにより、主バッテリ１０からの暗電流の供給を補助的なリレーを介して行うことができる。これにより、より小さな電力により、主バッテリ１０とＤＣＤＣコンバータ１２とを接続状態にすることができ、且つ、車両の非起動時において、高圧負荷１３が備えるインバータ等が備える素子等における電力の消費を抑制することができる。

・上記実施形態では、制御電源２２の回路を降圧型チョッパ回路とトランス２２ａとを用いたものとしているが、制御電源２２の回路はこれに限られることはなく、様々な公知の回路を用いることができる。

・上記実施形態では、電源システムが車両に搭載されるものとしたが、搭載対象は車両に限られることはなく、車両以外の移動体に搭載することもでき、また、移動体以外にも搭載することができる。

１０…主バッテリ、２０…電力変換回路、２１…ドライバ、２２…制御電源。

Claims (8)

1. バッテリ（１０）から負荷（１５）に対して電力を供給する電源システムであり、前記バッテリの定格電圧は、前記負荷の駆動に必要な電圧よりも高い電圧である電源システムに適用される電源装置（１２）であって、
   スイッチング素子を備え、そのスイッチング素子が駆動されることにより、前記バッテリから供給される電力を降圧して前記負荷へ出力する電力変換回路（２０）と、
   前記電力変換回路の前記スイッチング素子を駆動する制御回路（２１）と、
   前記バッテリから供給される電力を降圧し、前記制御回路へ電力を供給する制御電源（２２）と、を備え、
   前記制御電源は、前記バッテリから供給される電圧を降圧し、前記負荷へ電力を供給する経路を備え、前記バッテリから供給される電圧を降圧し、前記負荷へ暗電流を供給することを特徴とする電源装置。
2. 前記制御電源は、前記負荷が必要とする電力に応じて、前記制御回路への電力の供給と、前記負荷への電力の供給との少なくとも一方を行うことを特徴とする、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記制御電源は、前記負荷へ暗電流を供給する際には、前記制御回路への電力の供給を停止することを特徴とする、請求項１又は２に記載の電源装置。
4. 前記制御電源は、前記暗電流が所定値よりも大きい場合に前記制御回路への電力の供給を開始し、
   前記バッテリから前記電力変換回路を介して暗電流を供給することを特徴とする、請求項３に記載の電源装置。
5. 前記バッテリの残容量が所定値よりも小さい場合には、前記暗電流の供給を停止することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電源装置。
6. 前記バッテリよりも定格電圧が低い補機バッテリ（１１）をさらに備え、
   前記暗電流が所定値よりも大きくなった場合には、前記バッテリからの暗電流の供給に加えて、前記補機バッテリから暗電流を供給することを特徴とする、請求項１又は２に記載の電源装置。
7. 前記制御電源は、供給された電力を昇圧して前記バッテリへ電力を供給する経路をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電源装置。
8. 前記制御電源は、前記バッテリの残容量が所定値を下回った場合に、前記バッテリへ電力を供給することを特徴とする、請求項７に記載の電源装置。

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