JP6545230B2 - 車両の電源システム - Google Patents

Description

本発明は、車両の電源システムに関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両は、電源システムを搭載しており、この電源システムから供給される電力を用いてモータを駆動することによって走行する。この電源システムは、高電圧バッテリを有し主としてモータへの電力の供給に係る高電圧系と、高電圧バッテリより出力電圧が低い低電圧バッテリを有し主として制御装置や車両補機等への電力の供給に係る低電圧系とに分けられる。

特許文献１には、常に電力供給が必要な負荷（例えば、電動フットブレーキや電動パーキングブレーキを制御する電動ブレーキシステム）をバックアップ対象負荷と定義し、このバックアップ対象負荷に対しては低電圧系と高電圧系との両方からの電力の供給を可能とした電源システムが示されている。

特許文献１の電源システムでは、高電圧系とバックアップ対象負荷とを接続する電力供給路と、低電圧系とバックアップ対象負荷とを接続する電力供給路とを、それぞれダイオードを介して接続している。この電源システムでは、通常時にはバックアップ対象負荷には低電圧系から電力を供給し、何らかの理由により低電圧系の電圧が、高電圧系の電圧を降圧してバックアップ対象負荷へ供給するＤＣＤＣコンバータの出力電圧を下回った場合には、高電圧系の電力をバックアップ対象負荷に供給する。これにより、バックアップ対象負荷には、低電圧系又は高電圧系から常に電力が供給される。

特開２００６−２９８２４０号公報

ところで高電圧系には、その出力電力を安定化させるために複数の大容量の平滑コンデンサが設けられている。このため車両の始動時には、モータに電力を供給し走行を開始する前に、高電圧バッテリと平滑コンデンサとを接続し、平滑コンデンサを充電する所謂プリチャージが実行される。

しかしながら上述のように高電圧系からバックアップ対象負荷へ電力を供給可能にした電源システムでは、平滑コンデンサのプリチャージ時に、高電圧バッテリからバックアップ対象負荷へ電力が供給されてしまい、プリチャージが阻害されたり、プリチャージが完了するまでに時間がかかってしまったりするおそれがある。

本発明は、高電圧回路を低電圧回路のバックアップ電源として用いる電源システムにおいて、高電圧回路に設けられるコンデンサのプリチャージを速やかに終え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。

（１）車両（例えば、後述の車両Ｖ）の電源システム（例えば、後述の電源システム１）は、主回路（例えば、後述の主回路２９）及び当該主回路に接続された高電圧バッテリ（例えば、後述の高電圧バッテリ２１）を備える高電圧回路（例えば、後述の高電圧回路２）と、前記高電圧バッテリよりも出力電圧が低い低電圧バッテリ（例えば、後述の低電圧バッテリ３１）と、前記高電圧回路又は前記低電圧バッテリから供給される電力によって作動し、前記主回路を制御するシステム制御部（例えば、後述のシステムＥＣＵ８）と、前記低電圧バッテリと前記システム制御部とを接続する第１システム制御電力線（例えば、後述の第１システム制御電力線３２）と、前記高電圧回路と前記システム制御部とを接続する第２システム制御電力線（例えば、後述の第２システム制御電力線５３）と、前記第２システム制御電力線に設けられたスイッチ（例えば、後述の第２スイッチ５９）と、前記高電圧バッテリの電力を供給することによって前記主回路に設けられた１つ以上のコンデンサ（例えば、後述の平滑コンデンサＣ１，Ｃ２）のプリチャージを行う際には、前記スイッチを開成するスイッチ制御部（例えば、後述のバックアップ電源ＥＣＵ５７）と、を備える。

（２）この場合、前記高電圧回路からの電力を降圧する降圧装置（例えば、後述の降圧装置５５）をさらに備え、前記第２システム制御電力線の一端は前記降圧装置の出力側に接続され他端は前記第１システム制御電力線に接続され、前記第１システム制御電力線のうち前記第２システム制御電力線の接続点よりも前記低電圧バッテリ側には、前記低電圧バッテリから前記システム制御部への電流を許容する第１ダイオード（例えば、後述の第１ダイオード３３）が設けられ、前記第２システム制御電力線には、前記降圧装置から前記システム制御部への電流を許容する第２ダイオード（例えば、後述の第２ダイオード５４）が設けられ、前記降圧装置は、前記高電圧回路からの電力を、前記システム制御部の作動電圧範囲内でありかつ前記低電圧バッテリが正常である状態における出力電圧より低い電圧まで降圧することが好ましい。

（１）本発明では、主回路を制御するシステム制御部と低電圧バッテリとを第１システム制御電力線で接続し、さらにこのシステム制御部と高電圧バッテリを備える高電圧回路とを第２システム制御電力線を介して接続する。一般的な車両では、システム制御部や車両補機に電力を供給する低電圧バッテリは、作業者によるメンテナンス性を考慮して、エンジンルーム内のうち車両前方側に設けられる場合が多い。このため車両の衝突時には、低電圧バッテリとシステム制御部との接続が消失してしまい、低電圧バッテリからシステム制御部に電力を供給できなくなる場合がある。なお、低電圧バッテリを室内に設けた場合であっても、車両の衝突時には低電圧系がレアショートを起こしてしまい、同様に低電圧バッテリからシステム制御部に電力を供給できなくなる場合がある。また低電圧バッテリの劣化が過度に進行することによりその出力電圧が低下した場合にも、低電圧バッテリからシステム制御部に電力を供給できなくなる場合がある。これに対し本発明では、低電圧バッテリとシステム制御部との接続が消失したり、低電圧系にレアショートが発生したり、低電圧バッテリの劣化が過度に進行したりすることにより、低電圧バッテリからシステム制御部に電力を供給できなくなった場合には、高電圧回路を低電圧バッテリのバックアップ電源とし、第２システム制御電力線を介して高電圧回路からシステム制御部に必要な電力を供給することができる。

またこのように高電圧回路を低電圧バッテリのバックアップ電源として用いた電源システムでは、上述のように主回路に設けられるコンデンサのプリチャージが阻害されるおそれがある。そこで本発明では、第２システム制御電力線にスイッチを設け、さらに主回路に設けられた１つ以上のコンデンサのプリチャージを行う際にはスイッチ制御部によってこのスイッチを開成する。これによりコンデンサのプリチャージ時には、コンデンサとシステム制御部との電気的な接続が遮断されるため、高電圧バッテリからの電力がシステム制御部へ供給されることもないため、コンデンサのプリチャージを速やかに終えることができる。

（２）本発明では、高電圧回路からの電力を降圧する降圧装置の出力側と第１システム制御電力線とを第２システム制御電力線で接続し、第１システム制御電力線のうち第２システム制御電力線の接続点よりも低電圧バッテリ側に第１ダイオードを設け、第２システム制御電力線に第２ダイオードを設ける。また本発明では、降圧装置によって、高電圧回路からの電力を、システム制御部の作動電圧範囲内でありかつ低電圧バッテリが正常である状態における出力電圧より低い電圧まで降圧する。したがって本発明によれば、低電圧バッテリとシステム制御部との接続が消失しておらずかつ過度の劣化により低電圧バッテリの出力電圧が低下していない正常時には、システム制御部にはより高電位である低電圧バッテリから電力が供給される。また例えば衝突により低電圧バッテリとシステム制御部との接続が消失した場合や過度の劣化により低電圧バッテリの出力電圧が低下した場合などの異常発生時には、第２システム制御電力線及び降圧装置を介して、高電圧回路からの電力をシステム制御部に供給し、システム制御部による制御を継続することができる。なお本発明では、上述のように第１システム制御電力線及び第２システム制御電力線にそれぞれダイオードを設けることにより、降圧装置によって第２システム制御電力線側の電位をシステム制御部の作動電圧範囲内で維持しながら、第１システム制御電力線を介して低電圧バッテリからの電力をシステム制御部に供給することができる。これにより、車両が衝突した場合には、この衝突を検知し、これに応じて特別な制御を行うことなく、直ちにシステム制御部の電源を低電圧バッテリから降圧装置側に切り替えることができる。したがって本発明では、車両の衝突の前後で切れ間なくシステム制御部に電力を供給し続けることができる。また過度の劣化により低電圧バッテリの出力電圧が降圧装置の出力電圧よりも低下した場合も同様に、システム制御部の電源を低電圧バッテリから降圧装置側に切り替えることができる。なお、このように高電圧回路からの電力を常にシステム制御部に供給し得るようにした場合、主回路に設けられているコンデンサのプリチャージが阻害されるおそれがある。これに対し本発明では、上述のようにコンデンサのプリチャージ時には第２システム制御電力線に設けられたスイッチを開成するので、プリチャージが阻害されるおそれもない。

本発明の一実施形態に係る電源システムを搭載する電動車両の構成を示す図である。 車両の通常走行中における電源システムの動作例を模式的に示す図である。 通常走行中の車両が物体と衝突し、低電圧バッテリとバックアップ電源ＥＣＵ及びシステムＥＣＵとの接続が消失した場合における電源システムの動作例を模式的に示す図である。 電源システムの始動処理の手順を説明するためのタイムチャートである。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る電源システム１を搭載する電動車両Ｖ（以下、単に「車両」という）の構成を示す図である。なお本実施形態では、車両Ｖとして、エンジンＥと電動機Ｍと発電機Ｇとを備える所謂ハイブリッド車両を例に説明するが、本発明はこれに限るものではない。本発明に係る電源システムは、ハイブリッド車両に限らず、電気自動車や燃料電池自動車等、バッテリに蓄電された電力を用いて走行する車両であれば、どのような車両にも適用可能である。

車両Ｖは、電源システム１と、エンジンＥと、電動機Ｍと、発電機Ｇと、駆動輪Ｗと、を備える。電動機Ｍは、主として車両Ｖが走行するための動力を発生する。電動機Ｍは、駆動輪Ｗに接続されている。電源システム１から電動機Ｍに電力を供給することにより電動機Ｍで発生させたトルクは、図示しない動力伝達機構を介して駆動輪Ｗに伝達され、駆動輪Ｗを回転させ、車両Ｖを走行させる。また電動機Ｍは、車両Ｖの減速回生時には発電機として作用する。電動機Ｍによって発電された電力は、電源システム１が備える後述の高電圧バッテリ２１に充電される。

エンジンＥは、発電機Ｇに接続されている。発電機Ｇは、エンジンＥの動力によって駆動され、電力を発生する。発電機Ｇによって発電された電力は、高電圧バッテリ２１に充電される。なおエンジンＥは、図示しない動力伝達機構を介して駆動輪Ｗに接続されており、エンジンＥの動力を用いて駆動輪Ｗを駆動させることが可能となっている。

電源システム１は、高電圧バッテリ２１が設けられた高電圧回路２と、低電圧バッテリ３１が設けられた低電圧回路３と、バックアップ電源ユニット５と、システムＥＣＵ８と、を備える。

高電圧回路２は、高電圧バッテリ２１と、高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２と、高電圧バッテリ２１の正負両極と高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２の低圧側正極端子２２１及び低圧側負極端子２２２とを接続する第１電力線２６ｐ，２６ｎと、第１インバータ２３と、第２インバータ２４と、高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２の高圧側正極端子２２３及び高圧側負極端子２２４と各インバータ２３，２４の直流入出力側とを接続する第２電力線２７ｐ，２７ｎと、第１電力線２６ｐ，２６ｎに接続された低電圧ＤＣＤＣコンバータ２５と、その駆動回路２５ｄと、第２電力線２７ｐ，２７ｎに接続された第２平滑コンデンサＣ２と、を備える。

高電圧バッテリ２１は、化学エネルギを電気エネルギに変換する放電と、及び電気エネルギを化学エネルギに変換する充電との両方が可能な二次電池である。以下では、この高電圧バッテリ２１として、電極間をリチウムイオンが移動することで充放電を行う所謂リチウムイオン蓄電池を用いた場合について説明するが、本発明はこれに限らない。

第１電力線２６ｐ，２６ｎには、それぞれ正極コンタクタ２８ｐ及び負極コンタクタ２８ｎが設けられている。これらコンタクタ２８ｐ，２８ｎは、外部からの指令信号が入力されていない状態では開成して高電圧バッテリ２１の両電極と第１電力線２６ｐ，２６ｎとの導通を絶ち、指令信号が入力されている状態では閉成して高電圧バッテリ２１と第１電力線２６ｐ，２６ｎとを接続するノーマルオープン型である。これらコンタクタ２８ｐ，２８ｎは、バッテリＥＣＵ６から送信される指令信号に応じ、低電圧バッテリ３１から供給される電力を用いて開閉する。なお正極コンタクタ２８ｐは、高電圧回路２に設けられる複数の平滑コンデンサへの突入電流を緩和するためのプリチャージ抵抗を有するプリチャージコンタクタとなっている。

高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２は、第１電力線２６ｐ，２６ｎと第２電力線２７ｐ，２７ｎとの間に設けられる。高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２の低圧側正極端子２２１及び低圧側負極端子２２２は、それぞれ上述のように第１電力線２６ｐ，２６ｎを介して高電圧バッテリ２１に接続される。高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２の高圧側正極端子２２３及び高圧側負極端子２２４は、それぞれ上述のように第２電力線２７ｐ，２７ｎを介して第１インバータ２３及び第２インバータ２４に接続される。

高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２は、リアクトルＬと、第１平滑コンデンサＣ１と、ハイアーム素子２２５Ｈと、ローアーム素子２２５Ｌと、負母線２２７と、を組み合わせて構成される双方向ＤＣＤＣコンバータである。

負母線２２７は、低圧側負極端子２２２と高圧側負極端子２２４とを接続する配線である。第１平滑コンデンサＣ１は、その一端側が低圧側正極端子２２１に接続され、その他端側が負母線２２７に接続される。リアクトルＬは、その一端側が低圧側正極端子２２１に接続され、その他端側がハイアーム素子２２５Ｈとローアーム素子２２５Ｌとの接続ノードに接続される。

ハイアーム素子２２５Ｈは、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の既知のパワースイッチング素子と、このパワースイッチング素子に並列に接続されたダイオードと、を備える。ローアーム素子２２５Ｌは、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の既知のパワースイッチング素子と、このパワースイッチング素子に並列に接続されたダイオードと、を備える。これらハイアーム素子２２５Ｈ、及びローアーム素子２２５Ｌは、高圧側正極端子２２３と負極母線２２７との間で、直列に、この順で接続される。

ハイアーム素子２２５Ｈのパワースイッチング素子のコレクタは高圧側正極端子２２３に接続され、そのエミッタはローアーム素子２２５Ｌのコレクタに接続される。ローアーム素子２２５Ｌのパワースイッチング素子のエミッタは、負母線２２７に接続される。ハイアーム素子２２５Ｈに設けられるダイオードの順方向は、リアクトルＬから高圧側正極端子２２３へ向かう向きである。またローアーム素子２２５Ｌに設けられるダイオードの順方向は、負母線２２７からリアクトルＬへ向かう向きである。

これらハイアーム素子２２５Ｈ及びローアーム素子２２５Ｌは、それぞれシステムＥＣＵ８が備えるゲートドライブ回路（図示せず）によって生成されるゲート駆動信号によってオン又はオフにされる。

高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２は、システムＥＣＵ８のゲートドライブ回路から所定のタイミングで生成されるゲート駆動信号に従って上記素子２２５Ｈ，２２５Ｌをオン／オフ駆動することにより、昇圧機能と降圧機能を発揮する。昇圧機能とは、低圧側の端子２２１，２２２に印加される電圧を昇圧して高圧側の端子２２３，２２４に出力する機能をいい、これにより第１電力線２６ｐ，２６ｎから第２電力線２７ｐ，２７ｎへ電流が流れる。また降圧機能とは、高圧側の端子２２３，２２４に印加される電圧を降圧して低圧側の端子２２１，２２２に出力する機能をいい、これにより第２電力線２７ｐ，２７ｎから第１電力線２６ｐ，２６ｎへ電流が流れる。なお以下では、第１電力線２６ｐ，２６ｎの間の電位差をＶ１と表記し、第２電力線２７ｐ，２７ｎの間の電位差をＶ２と表記する。

第１インバータ２３及び第２インバータ２４は、例えば、複数のスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ）をブリッジ接続して構成されるブリッジ回路を備えた、パルス幅変調によるＰＷＭインバータであり、直流電力と交流電力とを変換する機能を備える。第１インバータ２３は、その直流入出力側において第２電力線２７ｐ，２７ｎに接続され、交流入出力側において電動機ＭのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルに接続されている。第２インバータ２４は、その直流入出力側において第２電力線２７ｐ，２７ｎに接続され、交流入出力側において発電機ＧのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各コイルに接続されている。

第１インバータ２３は、電動機ＭのＵ相に接続されたハイ側Ｕ相スイッチング素子及びロー側Ｕ相スイッチング素子と、電動機ＭのＶ相に接続されたハイ側Ｖ相スイッチング素子及びロー側Ｖ相スイッチング素子と、電動機ＭのＷ相に接続されたハイ側Ｗ相スイッチング素子及びロー側Ｗ相スイッチング素子と、を相毎にブリッジ接続して構成される。

第１インバータ２３は、システムＥＣＵ８のゲートドライブ回路から所定のタイミングで生成されるゲート駆動信号に従って上記各相のスイッチング素子をオン／オフ駆動することにより、高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２から供給される直流電力を交流電力に変換して電動機Ｍに供給したり、電動機Ｍから供給される交流電力を直流電力に変換して高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２に供給したりする。

第２インバータ２４は、発電機ＧのＵ相に接続されたハイ側Ｕ相スイッチング素子及びロー側Ｕ相スイッチング素子と、発電機ＧのＶ相に接続されたハイ側Ｖ相スイッチング素子及びロー側Ｖ相スイッチング素子と、発電機ＧのＷ相に接続されたハイ側Ｗ相スイッチング素子及びロー側Ｗ相スイッチング素子と、を相毎にブリッジ接続して構成される。

第２インバータ２４は、システムＥＣＵ８のゲートドライブ回路から所定のタイミングで生成されるゲート駆動信号に従って上記各相のスイッチング素子をオン／オフ駆動することにより、高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２から供給される直流電力を交流電力に変換して発電機Ｇに供給したり、発電機Ｇから供給される交流電力を直流電力に変換して高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２に供給したりする。

低電圧ＤＣＤＣコンバータ２５は、第１電力線２６ｐ，２６ｎに対し、高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２と並列に接続されている。駆動回路２５ｄは、バックアップ電源ユニット５から供給される電力を用いることによって低電圧ＤＣＤＣコンバータ２５のスイッチング素子をオン／オフ駆動することによって、第１電力線２６ｐ，２６ｎ間の電圧Ｖ１を降圧し、低電圧バッテリ３１に供給し、低電圧バッテリ３１を充電する。

システムＥＣＵ８は、車両Ｖの走行制御、より具体的には高電圧回路２のうち、高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２、第１インバータ２３、第２インバータ２４、及び第２平滑コンデンサＣ２によって構成される主回路２９の制御を担うマイクロコンピュータである。このシステムＥＣＵ８は、低電圧バッテリ３１又はバックアップ電源ユニット５から供給される電力を用いて作動する。システムＥＣＵ８は、運転者によって電源システム１を始動するためにスタートスイッチ（図示せず）がオンにされると、低電圧バッテリ３１から供給される電力の下で起動し、その後は低電圧バッテリ３１又はバックアップ電源ユニット５から供給される電力を用いて作動する。

低電圧回路３は、低電圧バッテリ３１と、第１システム制御電力線３２と、第１ダイオード３３と、衝突検知部３５と、バッテリＥＣＵ３６と、を備える。

低電圧バッテリ３１は、化学エネルギを電気エネルギに変換する放電と、及び電気エネルギを化学エネルギに変換する充電との両方が可能な二次電池である。本実施形態では、バッテリ３として、電極に鉛を用いた鉛バッテリを用いた場合について説明するが、本発明はこれに限らない。また以下では、低電圧バッテリ３１として、その出力電圧は高電圧バッテリ２１の出力電圧よりも低いものを用いた場合について説明する。なお以下では、この低電圧バッテリ３１を、作業者によるメンテナンス性を考慮して、車両Ｖの図示しないエンジンルームのうち車両前方側に設けた場合について説明するが、本発明はこれに限らない。

第１システム制御電力線３２は、低電圧バッテリ３１とバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８とを接続し、低電圧バッテリ３１からバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８へ電力を供給する給電線である。なお以下では、第１システム制御電力線３２の電圧、すなわち低電圧バッテリ３１の出力電圧をＶＢと表記する。

第１ダイオード３３は、第１システム制御電力線３２に設けられる。第１ダイオード３３の順方向は、低電圧バッテリ３１からバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８へ向かう向きであり、低電圧バッテリ３１からバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８への電流を許容する。

衝突検知部３５は、加速度センサ（図示せず）の検出信号を用いることによって、車両Ｖが衝突又は横転したか否かを判定し、衝突又は横転したと判定した場合には、バッテリＥＣＵ３６へ衝突検知信号を送信する。衝突検知部３５は、低電圧バッテリ３１から供給される電力を用いて作動する。

バッテリＥＣＵ３６は、コンタクタ２８ｐ，２８ｎのオン／オフや高電圧バッテリ２１及び低電圧バッテリ３１の状態の監視等に関する制御を担うマイクロコンピュータである。バッテリＥＣＵ３６は、低電圧バッテリ３１から供給される電力を用いて作動する。

バッテリＥＣＵ３６は、運転者によってスタートスイッチがオンにされると、低電圧バッテリ３１から供給される電力の下で起動し、高電圧回路２に設けられている複数の平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージを開始する。より具体的には、バッテリＥＣＵ３６は、コンタクタ２８ｐ，２８ｎをオンにし、高電圧バッテリ２１を第１電力線２６ｐ，２６ｎに接続することによって平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージを行う。なおバッテリＥＣＵ３６は、平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージを行う際には、負極コンタクタ２８ｎをオンにするとともに、正極コンタクタ２８ｐのうちプリチャージ抵抗を有するコンタクタをオンにする。またバッテリＥＣＵ３６は、平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージが完了した後、正極コンタクタ２８ｐのうちプリチャージ抵抗を有さないコンタクタをオンにする。これにより、プリチャージの実行時における平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２への突入電流を緩和することができる。

またバッテリＥＣＵ３６と後述のバックアップ電源ＥＣＵ５７とは、図示しないＣＡＮバスを介してＣＡＮ通信を行うことが可能となっている。そこでバッテリＥＣＵ３６は、以上のような手順によって平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージを行っている間は、実行中のプリチャージが阻害されないように、その旨を示すＣＡＮ信号をバックアップ電源ＥＣＵ５７へ送信する。

またバッテリＥＣＵ３６は、以上のようにしてコンタクタ２８ｐ，２８ｎをオンにした後、運転者によって電源システム１を停止するためにスタートスイッチがオフにされた場合、又は衝突検知部３５から衝突検知信号を受信した場合には、コンタクタ２８ｐ，２８ｎをオフにし、高電圧バッテリ２１を第１電力線２６ｐ，２６ｎから切り離す。

バックアップ電源ユニット５は、第３電力線５１と、第２システム制御電力線５３と、第２ダイオード５４と、降圧装置５５と、電源ＩＣ５６と、バックアップ電源ＥＣＵ５７と、第１スイッチ５８と、第２スイッチ５９と、を備える。

第３電力線５１は、高電圧回路２の第２電力線２７ｐと低電圧ＤＣＤＣコンバータ２５の駆動回路２５ｄとを接続し、第２電力線２７ｐから駆動回路２５ｄへ電力を供給する給電線である。

降圧装置５５は、第３電力線５１に設けられる。降圧装置５５は、その一次側が第２電力線２７ｐ側に接続され、その二次側が駆動回路２５ｄ側に接続されたトランスと、このトランスの一次側に流れる電流を断続するスイッチング素子と、を備える絶縁型のＤＣＤＣコンバータである。電源ＩＣ５６は、スタートスイッチがオンにされ、上述のようにコンタクタ２８ｐ，２８ｎがオンにされた後、第１電力線２６ｐ（又は第２電力線２７ｐ）から供給される電力を用いて降圧装置５５のスイッチング素子をオン／オフ駆動することにより、第２電力線２７ｐから供給される電力を降圧して駆動回路２５ｄ側へ出力する。

第１スイッチ５８は、第３電力線５１のうち降圧装置５５よりも駆動回路２５ｄ側に設けられ、降圧装置５５と駆動回路２５ｄとの接続を断続する。第１スイッチ５８は、外部からの指令信号が入力されていない状態では開成して降圧装置５５と駆動回路２５ｄとの導通を絶ち、指令信号が入力されている状態では閉成して降圧装置５５と駆動回路２５ｄとを接続するノーマルオープン型である。第１スイッチ５８は、バックアップ電源ＥＣＵ５７から送信される指令信号に応じて開閉する。

第２システム制御電力線５３は、第３電力線５１のうち第１スイッチ５８と降圧装置５５との間と、第１システム制御電力線３２のうち第１ダイオード３３よりもバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８側とを接続し、降圧装置５５からバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８へ電力を供給する給電線である。なお以下では、第２システム制御電力線５３の電圧、すなわち降圧装置５５の出力電圧をＶｃｃと表記する。なお以下では、第２システム制御電力線５３を第１システム制御電力線３２に接続する場合について説明するが、本発明はこれに限らない。第２システム制御電力線５３は、第１システム制御電力線３２を介さずにバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８に直接接続してもよい。

第２スイッチ５９は、第２システム制御電力線５３に設けられ、降圧装置５５とバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８との接続を断続する。第２スイッチ５９は、外部からの指令信号が入力されていない状態では開成して降圧装置５５とバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８との導通を絶ち、指令信号が入力されている状態では閉成して降圧装置５５とバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８とを接続するノーマルオープン型である。第２スイッチ５９は、バックアップ電源ＥＣＵ５７から送信される指令信号に応じて開閉する。

第２ダイオード５４は、第２システム制御電力線５３のうち第２スイッチ５９よりも第１システム制御電力線３２側に設けられる。第２ダイオード５４の順方向は、降圧装置５５からバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８へ向かう向きであり、降圧装置５５からバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８への電流を許容する。

ここで降圧装置５５の出力電圧Ｖｃｃの設定について説明する。図１に示すように、車両Ｖの走行制御を担うシステムＥＣＵ８には、電力供給源である低電圧バッテリ３１及び降圧装置５５がそれぞれダイオード３３，５４を介して接続されている。このためシステムＥＣＵ８には、これら２つの電力供給源のうちより高電位である方から選択的に電力を供給することが可能となっている。本実施形態では、低電圧バッテリ３１をシステムＥＣＵ８のメイン電源とし、降圧装置５５を低電圧バッテリ３１に不具合が生じた場合（より具体的には、車両Ｖが衝突することにより、低電圧バッテリ３１とシステムＥＣＵ８との接続が消失した場合や、低電圧バッテリ３１が正常でない状態になった場合等）におけるバックアップ電源として用いるようにするため、降圧装置５５の出力電圧Ｖｃｃは、システムＥＣＵ８の作動電圧範囲内でありかつ低電圧バッテリ３１が正常である状態における出力電圧ＶＢより低くなるように設定される。ここで低電圧バッテリ３１が正常でない状態とは、例えば低電圧バッテリ３１の劣化が過度に進行することにより、その出力電圧が新品時よりも大きく低下した状態をいう。

バックアップ電源ＥＣＵ５７は、第１スイッチ５８及び第２スイッチ５９のオン／オフに関する制御を担うマイクロコンピュータである。バックアップ電源ＥＣＵ５７は、低電圧バッテリ３１又はバックアップ電源ユニット５から供給される電力を用いて作動する。

バックアップ電源ＥＣＵ５７は、運転者によってスタートスイッチがオンにされると、システムＥＣＵ８と同様に、低電圧バッテリ３１から供給される電力の下で起動し、その後は低電圧バッテリ３１又はバックアップ電源ユニット５から供給される電力を用いて作動する。またバックアップ電源ＥＣＵ５７は、低電圧バッテリ３１から供給される電力の下で起動した後は、第１スイッチ５８及び第２スイッチ５９を共にオンにし、降圧装置５５から駆動回路２５ｄ、バックアップ電源ＥＣＵ５７、及びシステムＥＣＵ８へ電力を供給可能な状態にする。

一方、上述のようにスタートスイッチがオンにされると、バッテリＥＣＵ３６によってコンタクタ２８ｐ，２８ｎがオンにされ、平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージが行われる。そこでバックアップ電源ＥＣＵ５７は、バッテリＥＣＵ３６から平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージを実行中である旨のＣＡＮ信号を受信している間は、これら平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージが阻害されないように、第１及び第２スイッチ５８，５９のうち少なくとも第２スイッチ５９をオフの状態にする。その後バックアップ電源ＥＣＵ５７は、平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージが完了し、バッテリＥＣＵ３６からプリチャージが完了した旨のＣＡＮ信号を受信した場合には、それまでオフの状態にしていたスイッチをオンにする。また上述のようにして平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージを開始することによって、電圧Ｖ１又はＶ２が所定の閾値を超えると、電源ＩＣ５６は降圧装置５５を起動し、降圧装置５５の出力電力を用いて駆動回路２５ｄによって低電圧ＤＣＤＣコンバータ２５の駆動を開始する。

次に、図２及び図３を参照しながら電源システム１の動作例について説明する。

図２は、車両Ｖの通常走行中における電源システム１の動作例を模式的に示す図である。ここで通常走行中とは、より具体的には、平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージが完了した後をいう。

上述のようにバックアップ電源ＥＣＵ５７は、通常走行中には第１スイッチ５８及び第２スイッチ５９を共にオンにし、降圧装置５５は第２電力線２７ｐから供給される電力を降圧して出力する。駆動回路２５ｄは、降圧装置５５の出力電力を消費して低電圧ＤＣＤＣコンバータ２５を駆動する。これにより低電圧ＤＣＤＣコンバータ２５は、第１電力線２６ｐから供給される電力を降圧し、低電圧バッテリ３１を充電する。なおこの際、上述のように降圧装置５５の出力電圧Ｖｃｃは、低電圧バッテリ３１の出力電圧ＶＢよりも低くなるように設定されている。このためバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８には、より高電位である低電圧バッテリ３１からの電力が供給される。システムＥＣＵ８は、低電圧バッテリ３１から供給される電力によって作動し、主回路２９を制御する。

図３は、通常走行中の車両Ｖが物体と衝突し、低電圧バッテリ３１とバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８との接続が消失した場合における電源システム１の動作例を模式的に示す図である。なお、例えば、低電圧バッテリ３１からの電力が供給される低電圧系にレアショートが発生することにより低電圧バッテリ３１の電圧が低下した場合も同様に動作する。

車両Ｖが衝突すると、上述のようにバッテリＥＣＵ３６は、コンタクタ２８ｐ，２８ｎをオフにし、高電圧バッテリ２１を第１電力線２６ｐ，２６ｎから切り離す。

なお高電圧バッテリ２１を第１電力線２６ｐ，２６ｎから切り離した直後には、高電圧回路２に設けられる平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２には多くの電荷が残留しているため、これを速やかに放電し、高電圧回路２の電位を速やかに低下させる必要がある。そこで降圧装置５５は、第２電力線２７ｐを介して平滑コンデンサＣ１，Ｃ２から供給される電力を降圧して駆動回路２５ｄに供給する。駆動回路２５ｄは、降圧装置５５から供給される電力を用いて低電圧ＤＣＤＣコンバータ２５のスイッチング素子をオン／オフ駆動し、これにより平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２に残留している電力を消費する。

また車両Ｖが衝突することによって低電圧バッテリ３１とシステムＥＣＵ８との接続が消失すると、低電圧バッテリ３１の出力電圧ＶＢよりも降圧装置５５の出力電圧Ｖｃｃの方が高くなり、降圧装置５５からバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８へ電力を供給することが可能な状態になる。そこで降圧装置５５は、第２電力線２７ｐを介して平滑コンデンサＣ１，Ｃ２から供給される電力を降圧し、上述のように駆動回路２５ｄに供給するとともに、バックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８に供給することにより、平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２に残留している電力をこれらバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８で消費させる。

またシステムＥＣＵ８は、車両Ｖが衝突した後には、上述のようにバックアップ電源ユニット５から供給される電力を用いて作動し、例えば電動機３の空転を停止させる制御や、積極的に平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２に蓄えられている電力を消費する放電制御等を実行する。

以上のように、車両Ｖが衝突した直後には、平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２に残留している電力は、バックアップ電源ユニット５を介して駆動回路２５ｄ、バックアップ電源ＥＣＵ５７、及びシステムＥＣＵ８に供給され、これらで消費されるので、高電圧回路２の電位を速やかに低下させることができる。ここで第１平滑コンデンサＣ１に残留する電力は、図３に示すようにリアクトルＬとハイアーム素子２２５Ｈのダイオードと第２電力線２７ｐと第３電力線５１とを介して降圧装置５５に供給される。また第２平滑コンデンサＣ２に残留する電力は、図３に示すように第２電力線２７ｐと第３電力線５１とを介して降圧装置５５に供給される。

ここで第３電力線５１を高電圧回路２の第２電力線２７ｐに接続することの利点について、第３電力線を高電圧回路２の第１電力線２６ｐに接続した場合と比較して説明する。第２平滑コンデンサＣ２は、高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２のハイアーム素子２２５Ｈとローアーム素子２２５Ｌの直列接続体に対し並列に接続されている。このため、第３電力線を第１電力線２６ｐに接続した場合、第２平滑コンデンサＣ２に残留する電荷は、ハイアーム素子２２５Ｈをオンにしなければ降圧装置５５に供給することができない。これに対し電源システム１では、第３電力線５１を第２電力線２７ｐに接続することにより、車両Ｖが衝突した場合には、２つの平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２に残留する電荷を、第３電力線５１を介して速やかに降圧装置５５に供給し、駆動回路２５ｄで消費させることができる。

次に、図４を参照しながら電源システム１の始動処理について説明する。
図４は、電源システム１の始動処理の手順を説明するためのタイムチャートである。図４には、上段から順に、低電圧バッテリ３１の出力電圧ＶＢと、バックアップ電源ＥＣＵ５７と、第２スイッチ５９と、高電圧回路２の第１電力線２６ｐ，２６ｎ間の電圧Ｖ１と、高電圧回路２の第２電力線２７ｐ，２７ｎ間の電圧Ｖ２と、降圧装置５５の出力電圧Ｖｃｃと、第１スイッチ５８と、を示す。

始めに時刻ｔ１では、電源システム１を起動するためにスタートスイッチがオンにされたことに応じて低電圧バッテリ３１の出力電圧ＶＢが立ち上がり、バックアップ電源ＥＣＵ５７、システムＥＣＵ８、及びバッテリＥＣＵ３６に低電圧バッテリ３１からの電力が供給され始める。その後時刻ｔ２ではバックアップ電源ＥＣＵ５７が立ち上がる。時刻ｔ３では、バックアップ電源ＥＣＵ５７は、第１スイッチ５８及び第２スイッチ５９をオンにし、降圧装置５５と低電圧ＤＣＤＣコンバータ２５の駆動回路２５ｄとを接続する。

その後時刻ｔ４では、バッテリＥＣＵ３６はコンタクタ２８ｐ，２８ｎをオンにし、高電圧バッテリ２１と平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２とを接続し、これら平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージを開始する。これにより時刻ｔ４以降では、高電圧回路２の電圧Ｖ１，Ｖ２が上昇し始める。また同時刻ｔ４では、バックアップ電源ＥＣＵ５７は、バッテリＥＣＵ３６から平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージの実行中である旨のＣＡＮ信号を受信したことに応じて、プリチャージに要する電力の一部がシステムＥＣＵ８やバックアップ電源ＥＣＵ５７に供給され、このプリチャージが阻害されないようにするため、第２スイッチ５９をオフにする。

その後時刻ｔ５では、第１電力線２６ｐ、２６ｎの間の電圧Ｖ１（又は第２電力線２７ｐ，２７ｎの間の電圧Ｖ２）が所定の起動電圧を超えたことに応じて、電源ＩＣ５６が起動し、降圧装置５５の出力電圧Ｖｃｃが立ち上がる。しかしこの時点では、バックアップ電源ＥＣＵ５７は第２スイッチ５９をオフにしているため、降圧装置５５の出力電力がバックアップ電源ＥＣＵ５７やシステムＥＣＵ８に供給されることはない。

その後時刻ｔ６では、バッテリＥＣＵ３６は、高電圧回路２の電圧Ｖ１，Ｖ２が所定の閾値まで上昇したことに応じて、平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージが完了したと判断し、その旨を示すＣＡＮ信号をバックアップ電源ＥＣＵ５７へ送信する。バックアップ電源ＥＣＵ５７は、このＣＡＮ信号を受信したことに応じて、それまでオフにしていた第２スイッチ５９をオンにする。これにより、降圧装置５５とバックアップ電源ＥＣＵ５７及びシステムＥＣＵ８とが導通し、時刻ｔ６以降では降圧装置５５からこれらＥＣＵ５７，８へ電力の供給が可能な状態となる。

本実施形態の電源システム１によれば、以下の効果を奏する。
（１）電源システム１では、主回路２９を制御するシステムＥＣＵ８と低電圧バッテリ３１とを第１システム制御電力線３２で接続し、さらにこのシステムＥＣＵ８と高電圧バッテリ２１を備える高電圧回路２とを第２システム制御電力線５３及び降圧装置５５を介して接続する。電源システム１では、衝突によって低電圧バッテリ３１とシステムＥＣＵ８との接続が消失したり、低電圧系にレアショートが発生したり、低電圧バッテリ３１の劣化が過度に進行したりすることにより、低電圧バッテリ３１からシステムＥＣＵ８に電力を供給できなくなった場合には、バックアップ電源５は、高電圧回路２を低電圧バッテリ３１のバックアップ電源とし、第２システム制御電力線５３及び降圧装置５５を介して高電圧回路２からシステムＥＣＵ８に必要な電力を供給することができる。

またこのように高電圧回路２を低電圧バッテリ３１のバックアップ電源として用いた電源システム１では、上述のように主回路２９に設けられる平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージが阻害されるおそれがある。そこで電源システム１では、第２システム制御電力線５３に第２スイッチ５９を設け、さらに主回路２９に設けられた平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージを行う際にはバックアップ電源ＥＣＵ５７によってこの第２スイッチ５９をオフにする。これにより平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージ時には、平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２とシステムＥＣＵ８との電気的な接続が遮断されるため、高電圧バッテリ２１からの電力がシステムＥＣＵ８へ供給されることもないため、平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージを速やかに終えることができる。

（２）電源システム１では、降圧装置５５の出力側と第１システム制御電力線３２とを第２システム制御電力線３２で接続し、第１システム制御電力線３２のうち第２システム制御電力線５３の接続点よりも低電圧バッテリ３１側に第１ダイオード３３を設け、第２システム制御電力線５３に第２ダイオード５４を設ける。また電源システム１では、降圧装置５５によって、高電圧回路２からの電力を、システムＥＣＵ８の作動電圧範囲内でありかつ低電圧バッテリ３１が正常である状態における出力電圧より低い電圧まで降圧する。したがって電源システム１によれば、低電圧バッテリ３１とシステムＥＣＵ８との接続が消失しておらずかつ過度の劣化により低電圧バッテリ３１の出力電圧が低下していない正常時には、システムＥＣＵ８にはより高電位である低電圧バッテリ３１から電力が供給される。また例えば衝突により低電圧バッテリ３１とシステムＥＣＵ８との接続が消失した場合や過度の劣化により低電圧バッテリ３１の出力電圧が低下した場合等の異常発生時には、第２システム制御電力線５３及び降圧装置５５を介して、高電圧回路２からの電力をシステムＥＣＵ８に供給し、システムＥＣＵ８による制御を継続することができる。なお電源システム１では、システム制御電力線３２，５３にそれぞれダイオード３３，５４を設けることにより、降圧装置５５によって第２システム制御電力線５３側の電位をシステムＥＣＵ８の作動電圧範囲内で維持しながら、第１システム制御電力線３２を介して低電圧バッテリ３１からの電力をシステムＥＣＵ８に供給することができる。これにより、車両Ｖが衝突した場合には、この衝突を検知し、これに応じて特別な制御を行うことなく、直ちにシステムＥＣＵ８の電源を低電圧バッテリ３１から降圧装置５５側に切り替えることができる。したがって電源システム１では、車両Ｖの衝突の前後で切れ間なくシステムＥＣＵ８に電力を供給し続けることができる。また過度の劣化により低電圧バッテリ３１の出力電圧ＶＢが降圧装置５５の出力電圧Ｖｃｃよりも低下した場合も同様に、システムＥＣＵ８の電源を低電圧バッテリ３１から降圧装置５５側に切り替えることができる。なお、このように高電圧回路２からの電力を常にシステムＥＣＵ８に供給し得るようにした場合、主回路２９に設けられている平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージが阻害されるおそれがある。これに対し電源システム１では、上述のように平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージ時には第２システム制御電力線５３に設けられた第２スイッチ５９をオフにするので、プリチャージが阻害されるおそれもない。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限らない。本発明の趣旨の範囲内で、細部の構成を適宜変更してもよい。例えば、高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２、第１インバータ２３、及び第２インバータ２４の具体的な回路構成は、図１〜図３に示すものに限らない。特に高電圧ＤＣＤＣコンバータ２２としては、図１〜図３に示すものの他、マルチレベルチョッパ方式、インタリーブ方式、磁気結合を備えるもの等、既知の回路を用いてもよい。例えばマルチレベルチョッパ方式の回路は、第１平滑コンデンサＣ１とは別に、スイッチング素子やダイオード等の直列接続体に対し並列に設けられたコンデンサを備える。このコンデンサは、車両Ｖの衝突時には、第２平滑コンデンサＣ２と同様に残留する電荷を、第３電力線５１を介して速やかに降圧装置５５に供給し、駆動回路２５ｄで消費させることができる。このためマルチレベルチョッパ方式の回路は、本発明に適用した場合の利点が多い。

また上記実施形態では、バックアップ電源ＥＣＵ５７は、バッテリＥＣＵ３６によって平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージが行われている間は、第１スイッチ５８をオンにし、第２スイッチ５９をオフにする場合について説明したが、本発明はこれに限らない。上記実施形態によれば、プリチャージを行っている間も第１スイッチ５８をオンにすることにより、降圧装置５５と低電圧ＤＣＤＣコンバータ２５の駆動回路２５ｄとが接続されるので、低電圧ＤＣＤＣコンバータ２５を速やかに利用可能な状態にできるという利点がある。しかしながら駆動回路２５ｄの消費電力が大きくなると、プリチャージを行っている間も第１スイッチ５８をオンにし続けると、プリチャージが妨げられるおそれもある。したがってこのような場合には、バックアップ電源ＥＣＵ５７は、バッテリＥＣＵ３６によって平滑コンデンサＣ１〜Ｃ２のプリチャージが行われている間は、第２スイッチ５９だけでなく第１スイッチ５８もオフにしてもよい。

Ｖ…車両
１…電源システム
２…高電圧回路
２１…高電圧バッテリ
Ｃ１…第１平滑コンデンサ（コンデンサ）
Ｃ２…第２平滑コンデンサ（コンデンサ）
２９…主回路
３…低電圧回路
３１…低電圧バッテリ
３２…第１システム制御電力線
３３…第１ダイオード
５…バックアップ電源ユニット
５３…第２システム制御電力線
５４…第２ダイオード
５５…降圧装置
５７…バックアップ電源ＥＣＵ（スイッチ制御部）
５９…第２スイッチ（スイッチ）
８…システムＥＣＵ（システム制御部）

Claims (2)

1. 主回路及び当該主回路に接続された高電圧バッテリを備える高電圧回路と、
   前記高電圧バッテリよりも出力電圧が低い低電圧バッテリと、
   前記高電圧回路又は前記低電圧バッテリから供給される電力によって作動し、前記主回路を制御するシステム制御部と、を備える車両の電源システムであって、
   前記低電圧バッテリと前記システム制御部とを接続する第１システム制御電力線と、
   前記高電圧回路と前記システム制御部とを接続する第２システム制御電力線と、
   前記第２システム制御電力線に設けられたスイッチと、
   前記高電圧バッテリの電力を供給することによって前記主回路に設けられた１つ以上のコンデンサのプリチャージを行う際には、前記スイッチを開成し、前記プリチャージが完了した後に前記スイッチを閉成するスイッチ制御部と、を備えることを特徴とする車両の電源システム。
2. 前記高電圧回路からの電力を降圧する降圧装置をさらに備え、
   前記第２システム制御電力線の一端は前記降圧装置の出力側に接続され他端は前記第１システム制御電力線に接続され、
   前記第１システム制御電力線のうち前記第２システム制御電力線の接続点よりも前記低電圧バッテリ側には、前記低電圧バッテリから前記システム制御部への電流を許容する第１ダイオードが設けられ、
   前記第２システム制御電力線には、前記降圧装置から前記システム制御部への電流を許容する第２ダイオードが設けられ、
   前記降圧装置は、前記高電圧回路からの電力を、前記システム制御部の作動電圧範囲内でありかつ前記低電圧バッテリが正常である状態における出力電圧より低い電圧まで降圧することを特徴とする請求項１に記載の車両の電源システム。
   

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