JP6737197B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電気自動車に搭載される電源システムに関する。本明細書における電気自動車には、走行用のモータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車が含まれる。また、走行用のモータの電源としてバッテリと燃料電池の双方を備える車両も含まれる。

電気自動車の電源システムは、走行用モータの電源としてのバッテリに加えて、カーオーディオやルームランプなどの低電圧機器に電力を供給するバッテリを備える。本明細書では、説明の便宜上、前者のバッテリを高電圧バッテリと称し、後者のバッテリを補機バッテリと称する。また、カーオーディオやルームランプなど、補機バッテリの出力電力で動作する機器を補機と総称する。補機の中には、常時補機バッテリから電力供給を受けるデバイスがいくつか存在する。それゆえ、電気自動車では、長期間使用されずに放置されると、電源システムの補機バッテリから漏れ出る暗電流によって、補機バッテリの電圧が低下し、いわゆるバッテリ上がりが起こり得る。そのようなバッテリ上がりを抑制するために、補機バッテリと高電圧バッテリに加えて、補機バッテリと高電圧バッテリの間の電圧変換を行うＤＣ−ＤＣコンバータと、ＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御装置と、ユーザの動作を感知するためのセンサを備える電源システムが知られている（例えば特許文献１）。制御装置は、補機バッテリの電圧が所定値であるのか否かを監視する。補機バッテリの電圧が所定値以下であることを感知すると、制御装置は、ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させ、高電圧バッテリから低電圧バッテリに電力を供給させる。また、制御装置は、車両のドアロックの解除などのユーザの動作をセンサが感知することに応じて、上記の補機バッテリの電圧を監視する。これにより、補機バッテリは、電圧低下に伴って無駄に繰り返し充電されることなく、ユーザが車両の使用を望むタイミングで充電され、バッテリ上がりを防ぐことができる。さらに、制御装置が補機バッテリ及び高電圧バッテリの電圧を監視する構成では、電圧の低下が感知された一方のバッテリに対して、他方のバッテリから電力供給を実行することで、両バッテリのバッテリ上がりが抑制される。

特開２０１４−１０７９１０号公報

特許文献１の技術では、補機バッテリがバッテリ上がりを生じた際には高電圧バッテリを使って補機バッテリが充電される。しかし、特許文献１の技術では、高電圧バッテリと補機バッテリの電圧を、分圧抵抗を使って監視しているため、高電圧バッテリと補機バッテリの双方から多少の暗電流が流れてしまう。それゆえ、やはり、長期にわたる車両の放置により、両バッテリともバッテリ上がりを生じる虞がある。本明細書は、暗電流による高電圧バッテリの電力の低下を抑制することで、高電圧バッテリのバッテリ上がりを防止し、長期間の放置の後でも補機バッテリを充電することのできる技術を開示する。

本明細書が開示する電気自動車の電源システムは、高電圧バッテリと、補機バッテリと、電圧コンバータと、スイッチと、センサと、コントローラを備える。高電圧バッテリは、走行用のモータに電力を供給し、補機バッテリは、補機に電力を供給する。電圧コンバータは、高電圧バッテリの電圧を降圧して補機バッテリへ供給する。スイッチは、電圧コンバータの電圧変換主回路と高電圧バッテリの間に接続されている。センサは、車両に対する所定の操作を検知する。コントローラは、車両の始動装置がＯＦＦの間にセンサが車両に対する所定の操作を検知したときにスイッチを閉じるとともに、電圧コンバータを始動する。

上記の構成によれば、高電圧バッテリと電圧コンバータの電圧変換主回路の間にスイッチを設けたため、スイッチを開いておけば高電圧バッテリの放電を防止することができる。そして、長期にわたる放置の後でも、車両が操作されることをセンサが検知すると、直ちに高電圧バッテリから補機バッテリへの充電が開始され、車両を起動することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電源システムを含むプラグインハイブリッド車の電気系のブロック図である。 実施例の電源システムにおける電力供給のフローチャート図である。

図面を参照して、実施例における電源システム２の説明をする。電源システム２は、プラグインハイブリッド車１００に搭載されている。図１に電源システム２を含むプラグインハイブリッド車１００の電気系統のブロック図を示す。プラグインハイブリッド車１００は、エンジン４６の動力、及び／又は、モータ４２の動力により走行することができる。また、プラグインハイブリッド車１００は、動力分配機構４４によって、エンジン４６が発生させた動力の一部を駆動輪に伝達する一方で、残りの動力をモータ４２に伝達させてモータ４２で発電する。モータ４２で発電した電力は、高電圧バッテリ４の充電に利用したりすることができる。なお、電源システム２は、プラグインハイブリッド車に限られず、走行用のモータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車であれば搭載されることができ、走行用のモータの電源としてバッテリと燃料電池の双方を備える車両に搭載されてもよい。

電源システム２は、高電圧バッテリ４、補機バッテリ６、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０、システムメインリレー３０、モータ制御器４０、コントローラ５０、ＡＣ−ＤＣコンバータ６０を備えている。以下では説明を簡単にするため、便宜上、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０をＤＤＣ１０と表記し、システムメインリレー３０をＳＭＲ３０と表記し、ＡＣ−ＤＣコンバータ６０をＡＤＣ６０と表記する。ＡＤＣ６０は、外部電源の交流電流を直流電流に変換し、高電圧バッテリ４に供給する。プラグ６２は、外部電源を用いて高電圧バッテリ４を充電する際に外部電源とプラグインハイブリッド車１００を接続するための電源プラグである。

高電圧バッテリ４は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池（充電可能電池）である。高電圧バッテリ４は、ＳＭＲ３０を介してモータ制御器４０に接続されている。ＳＭＲ２０は、高電圧バッテリ４とモータ制御器４０の間の導通と非導通を切り換える。また、高電圧バッテリ４とモータ制御器４０の間を導通させることを、「ＳＭＲ３０を閉じる」と表現し、高電圧バッテリ４とモータ制御器４０の間を非導通にすることを、「ＳＭＲ３０を開く」と表現する場合がある。

モータ制御器４０は、高電圧バッテリ４から供給される電力をモータ４２の駆動用電力に変換する。モータ制御器４０は、高電圧バッテリ４から供給される電力の電圧を、必要に応じてモータ４２駆動に適した電圧まで昇圧する。またモータ制御器４０は、モータ４２が発電した電力の電圧を、高電圧バッテリ４の充電に適した電圧まで降圧させたりもする。

補機バッテリ６は、典型的には、鉛蓄電池で構成される二次電池（充電可能電池）である。補機バッテリ６の出力電圧は、高電圧バッテリ４の出力電圧よりも低い。補機バッテリ６は、補機バッテリ６の電圧（別言すれば高電圧バッテリ４の電圧よりも低い電圧）で動作する補機に接続されている。補機には、例えば、始動装置５４やヘッドライト５６などがある。なお、補機にはその他、ルームランプ、ナビゲーション装置、オーディオ装置などもある。始動装置５４は、車両の運転席に備えられているメインスイッチと連動して動作する装置でありメインスイッチがＯＮにされると車両システム全体を起動する。メインスイッチはイグニッションスイッチと呼ばれることがあり、電気自動車（ハイブリッド車やプラグインハイブリッド車）では、スタートスイッチと呼ばれることもある。メインスイッチがＯＮにされると、始動装置５４がＳＭＲ３０を閉じ、高電圧バッテリ４とモータ制御器４０が接続される。

コントローラ５０は、ＤＤＣ１０（具体的には、高圧スイッチ１２、内部電源回路１８、マイクロコンピュータ２２）と、動作センサ５２と接続されている。コントローラ５０は、始動装置５４がＯＦＦのときに、動作センサ５２を介してユーザの動作を感知することで、ＤＤＣ１０を起動させる。コントローラ５０が、ＤＤＣ１０を起動するための詳細な処理は後述する。また、コントローラ５０は、独自のバッテリ５３を備えており、電力供給がなくとも動作することができる。

動作センサ５２は、ユーザの車両に対する動作を感知するためのセンサであり、例えば、プラグインハイブリッド車１００のドアの開閉を感知する第１動作センサ５２ａと、始動装置５４がＯＮされることを感知する第２動作センサ５２ｂと、プラグ６２が外部電源に挿入されることを感知する第３動作センサ５２ｃを含む。第１−第３動作センサ５２ａ−５２ｃを、動作センサ５２と総称する。なお、動作センサ５２は、第１−第３動作センサ５２ａ−５２ｃの３個に限られず、少なくとも１個の動作センサを含めばよい。また、動作センサ５２が感知するユーザの動作は、上記のものに限られず、ユーザが車両を使用する意思の表れを示す動作であればよい。

ＤＤＣ１０について説明する。ＤＤＣ１０は、高圧スイッチ１２と、内部電源回路１８と、マイクロコンピュータ２２と、ドライバ２４と、主回路２０とを備えており、電源システム２においてＳＭＲ３０の上流に接続されている。主回路２０は、電圧変換を行うパワースイッチング素子で構成されており、高電圧バッテリ４の出力電圧を降圧する機能を担う回路である。主回路２０の詳しい構造は割愛する。マイクロコンピュータ２２が主回路２０の動作目標を決定し、ドライバ２４を介して主回路２０のパワースイッチング素子に動作指令を供給する。

高圧スイッチ１２は、第１高圧スイッチ１２ａ、第２高圧スイッチ１２ｂ、第３高圧スイッチ１２ｃの３個のスイッチで構成されている。高圧スイッチ１２は、３個のスイッチ（第１−第３高圧スイッチ１２ａ−１２ｃ）で一つの機能を果たす。その機能は、高電圧バッテリ４と主回路２０とを接続したり遮断したりする機能である。

第１高圧スイッチ１２ａは、トランジスタスイッチであり、高電圧バッテリ４と主回路２０の間に接続されている。第１高圧スイッチ１２ａの高電圧バッテリ側とグランドの間に、第２高圧スイッチ１２ｂと２個の抵抗１３ａ、１３ｂが直列に接続されている。第２高圧スイッチ１２ｂは、リレースイッチであり、コントローラ５０からの指令によりＯＮとＯＦＦが切り換えられる。２個の抵抗１３ａ、１３ｂの中点に第１高圧スイッチ１２ａのゲートが接続されている。第２高圧スイッチ１２ｂがＯＮすると、２個の抵抗１３ａ、１３ｂに電流が流れ、高電圧バッテリ４の電圧が２個の抵抗１３ａ、１３ｂによって分圧される。２個の抵抗１３ａ、１３ｂの間の分圧が第１高圧スイッチ１２ａのゲートに加わると第１高圧スイッチ１２ａがＯＮする。即ち、コントローラ５０が第２高圧スイッチ１２ｂをＯＮすると、第１高圧スイッチ１２ａがＯＮし、高電圧バッテリ４と主回路２０が接続される。第３高圧スイッチ１２ｃは第２高圧スイッチ１２ｂと並列に接続されている。第３高圧スイッチ１２ｃもトランジスタスイッチであり、そのゲートは内部電源回路１８に接続されている。

第１高圧スイッチ１２ａがＯＮすると、高電圧バッテリ４の電力は主回路２０に供給されるとともに内部電源回路１８にも供給される。内部電源回路１８は、高電圧バッテリ４の電力を、マイクロコンピュータ２２とドライバ２４の駆動に適した電力に変換し、それらに電力を供給する。内部電源回路１８は、高電圧バッテリ４から電力供給を受けると、第３高圧スイッチ１２ｃのゲート電圧をＯＮ電圧に上げ、第３高圧スイッチ１２ｃをＯＮさせる。最初に第２高圧スイッチ１２ｂのトリガとなった動作が終わり、コントローラ５０が第２高圧スイッチ１２ｂをＯＦＦした後も、第３高圧スイッチ１２ｃがＯＮ状態にあるため、抵抗１３ａ、１３ｂに電圧が加わり、第１高圧スイッチ１２ａのゲートがＯＮに保持される。このように、第１−第３高圧スイッチ１２ａ−１２ｃは、３個一組で高電圧バッテリ４と主回路２０の間をＯＦＦ（遮断状態）からＯＮ（導通状態）に切り換える。３個の高圧スイッチ１２ａ−１２ｃは、高圧スイッチ１２と総称する場合がある。

高圧スイッチ１２、内部電源回路１８、マイクロコンピュータ２２は、上述のようにコントローラ５０に接続されており、コントローラ５０からの起動指示を受信することで起動する。起動した内部電源回路１８は、マイクロコンピュータ２２及びドライバ２４に電力を供給する。内部電源回路１８からの電力供給を受けてマイクロコンピュータ２２とドライバ２４が動作し、主回路２０を駆動する。主回路２０は、高電圧バッテリ４の出力電力を降圧して補機バッテリ６に電力を供給する。なお、本実施例では、高圧スイッチ１２がＤＤＣ１０の内部に配置されるが、ＤＤＣ１０の外部に配置されてもよい。

続いて図２を参照して、電源システム２における高電圧バッテリ４から補機バッテリ６への電力供給の詳細について説明する。図２は、電源システム２における電力供給のフローチャート図である。なお、図２の処理は、始動装置５４はＯＦＦとなって間、実行される。

Ｓ３では、コントローラ５０は、動作センサ５２を介して、ユーザの動作を監視する。ユーザの動作が感知された場合、例えば、第１動作センサ５２ａを介してユーザのドアの開閉を感知した場合に、コントローラ５０は、Ｓ３でＹＥＳと判断し、Ｓ５に進む。一方、ユーザの動作を感知しない場合に、コントローラ５０は、Ｓ３でＮＯと判断し、ユーザの動作の監視を繰り返す。

Ｓ５では、コントローラ５０は、ＤＤＣ１０内の第２高圧スイッチ１２ｂに起動指示を送信し、第２高圧スイッチ１２ｂをＯＦＦからＯＮに切り替える。なお、コントローラ５０は、同時に内部電源回路１８及びマイクロコンピュータ２２にも起動指令を送信する。

第２高圧スイッチ１２ｂがＯＦＦからＯＮに切り替わるのに伴い、ＤＤＣ１０内の第１高圧スイッチ１２ａがＯＦＦからＯＮに切り替わる（Ｓ７）。第１高圧スイッチ１２ａがＯＮとなることで、高電圧バッテリ４から内部電源回路１８と主回路２０に電力が供給され始める。

Ｓ９では、高電圧バッテリ４からの電力供給によって、内部電源回路１８が起動する。起動した内部電源回路１８は、第３高圧スイッチ１２ｃ、マイクロコンピュータ２２、ドライバ２４に電力を供給する。内部電源回路１８が起動すると、内部電源回路１８が第３高圧スイッチ１２ｃのゲート電圧をＯＮ電圧に高め、第３高圧スイッチ１２ｃをＯＮする（Ｓ１１）。

なお、コントローラ５０は、Ｓ３で感知したユーザの動作が終了するまで、第２高圧スイッチ１２ｂをＯＮに保持する。コントローラ５０は、一旦検知した動作が終了すると、即ち、第１動作センサ５２ａの検知信号が無くなると、第２高圧スイッチ１２ｂをオフする。ただし、先に説明したように、内部電源回路１８が起動すると第２高圧スイッチ１２ｂのバイパススイッチである第３高圧スイッチ１２ｃがＯＮに保持される。その結果、抵抗１３ａ、１３ｂへの電圧印加が継続され、第１高圧スイッチ１２ａのＯＮ状態が保持される。

Ｓ１３では、内部電源回路１８からマイクロコンピュータ２２及びドライバ２４に電力が供給され、主回路２０に駆動指令が送られる。先に述べたように、高圧スイッチ１２がＯＮされることで、高電圧バッテリ４と主回路２０が接続されており、主回路２０が駆動することで、主回路２０は高電圧バッテリ４の出力電力を降圧して補機バッテリ６に電力を供給する（Ｓ１５）。以上の処理により、補機バッテリ６のバッテリ上がりを防ぐことができる。

また、高圧スイッチ１２（第１高圧スイッチ１２ａ）がＯＦＦしている間、高電圧バッテリ４はＤＤＣ１０と導通しておらず、高電圧バッテリ４から放電される暗電流を抑制することができる。

（本実施例の効果）
本実施例による電源システム２は、高電圧バッテリ４と、補機バッテリ６と、ＤＤＣ１０と、高圧スイッチ１２（第１−第３高圧スイッチ１２ａ−１２ｃ）と、動作センサ５２と、コントローラ５０を備える。高圧スイッチ１２がＯＦＦであるとき、高電圧バッテリ４は、ＤＤＣ１０から遮断されている。これにより、高電圧バッテリ４から漏れ出る暗電流を抑制することができる。即ち、高電圧バッテリ４のバッテリ上がりを防止し得る。

また、始動装置５４がＯＦＦのときに、コントローラ５０は、動作センサ５２を介してユーザの動作を監視する。コントローラ５０は、動作センサ５２を介してユーザの動作を感知する場合に、ＤＤＣ１０内の高圧スイッチ１２をＯＦＦからＯＮに切り替える。高圧スイッチ１２がＯＮになることで、高電圧バッテリ４の電力が内部電源回路１８及び主回路２０に供給されるようになる。これにより、ＤＤＣ１０が起動し、高電圧バッテリ４の電力が補機バッテリ６に供給される。即ち、ユーザが車両の起動を望むタイミングで補機バッテリ６への電力供給が実行され、補機バッテリ６のバッテリ上がりを防止することができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。ＤＤＣ１０が請求項の「電圧コンバータ」の一例に相当する。実施例の高圧スイッチ１２が請求項の「スイッチ」の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電源システム
４：高電圧バッテリ
６：補機バッテリ
１０：ＤＣ−ＤＣコンバータ（ＤＤＣ）
１２（１２ａ、１２ｂ、１２ｃ）：高圧スイッチ
１８：内部電源回路
２０：主回路
２２：マイクロコンピュータ
２４：ドライバ
３０：システムメインリレー（ＳＭＲ）
４０：モータ制御器
４２：モータ
４４：動力分配機構
４６：エンジン
５０：コントローラ
５２（５２ａ、５２ｂ、５２ｃ）：動作センサ
５４：始動装置
５６：ヘッドライト
６０：ＡＣ−ＤＣコンバータ（ＡＤＣ）
６２：プラグ
１００：プラグインハイブリッド車

Claims (1)

1. 電気自動車の電源システムであり、
   走行用のモータに電力を供給する高電圧バッテリと、
   補機に電力を供給する補機バッテリと、
   前記高電圧バッテリの電圧を降圧して前記補機バッテリへ供給する電圧コンバータと、
   前記電圧コンバータの電圧変換主回路と前記高電圧バッテリの間に接続されているスイッチ回路と、
   車両に対する所定の操作を検知するセンサと、
   コントローラと、
   を備えており、
   前記スイッチ回路は、
   前記高電圧バッテリと前記電圧変換主回路との間に接続されている第１トランジスタスイッチと、
   前記第１トランジスタスイッチの前記高電圧バッテリ側とゲート（第１ゲート）との間に直列に接続されている高圧スイッチおよび第１分圧抵抗と、
   前記第１ゲートとグランドとの間に接続されている第２分圧抵抗と、
   前記高圧スイッチと並列に接続されている第２トランジスタスイッチと、
   入力端が前記第１トランジスタスイッチの前記電圧変換主回路側に接続されており、出力端が前記第２トランジスタスイッチのゲート（第２ゲート）に接続されており、入力端に電力が供給されると前記第２トランジスタスイッチをオンする電力を出力する内部電源回路と、
   を備えており、
   前記コントローラは、車両の始動装置がＯＦＦの間に前記センサが車両に対する所定の操作を検知したときに前記高圧スイッチを閉じるとともに、前記電圧コンバータを始動する、電源システム。

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