JP6766655B2 - 二電源駆動システム - Google Patents

Description

本開示は二電源駆動システムに関する。

並列的に接続されている第１及び第２電源装置により負荷を駆動する二電源負荷駆動システムが知られている（例えば、特許文献１）。二電源負荷駆動システムとして、第１の電源と高電圧補機との間、及び第２の電源と高電圧補機との間に、それぞれ遮断リレーが設けられている、二電源負荷駆動システムが知られている。

特開２０１４−１８３７０５号公報

しかし、遮断リレーを備える二電源負荷駆動システムを終了させる際には、遮断リレーの溶着を防止するためにすべての高電圧補機が停止するまで遮断リレーの遮断処理を行なうことができなかった。そのため、システムの終了処理が完了するまでに時間がかかっていた。

本開示は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。

［適用例１］
本開示の一形態によれば、二電源駆動システムが提供される。この二電源駆動システムは、第１の電池と、前記第１の電池に接続されている第１の補機と、前記第１の電池と前記第１の補機との間に配置されている第１のコンバータと、前記第１のコンバータと前記第１の補機との間に配置されている遮断リレーと、前記第１の補機と前記遮断リレーとの間の配線に接続される第２のコンバータと、前記第２のコンバータを介して前記第１の補機に対して前記第１の電池と並列に接続されている第２の電池と、前記第２のコンバータと前記第２の電池との間の配線に接続されている第２の補機と、前記第１の補機と前記第２の補機と前記遮断リレーと前記第１のコンバータと前記第２のコンバータとを制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記二電源駆動システムの終了処理において、前記第１の補機、前記第１のコンバータ、および前記第２のコンバータの停止が完了していれば、前記第２の補機の停止が完了したか否かにかかわらず、前記遮断リレーを接続状態から遮断状態に切り替える。

この二電源駆動システムによれば、制御部は、二電源駆動システムの終了処理において、第１の補機、第１のコンバータ、および第２のコンバータの停止が完了していれば、第２の補機の停止が完了したか否かにかかわらず、遮断リレーを接続状態から遮断状態に切り替える。このため、第２の補機が停止していなくても、遮断リレーを接続状態から遮断状態に切り替えることができる。従って、すべての高電圧補機が停止するまで遮断処理ができず、システムの終了処理が完了するまでに時間がかかるという問題を解決することが可能である。

なお、本開示は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、二電源駆動システムの他、二電源駆動システムの制御方法や、二電源駆動システムを備えた車両等の移動体、二電源駆動システムを備えた固定型の発電装置の形態で実現することができる。

第１実施形態に係る二電源駆動システムを示す概略図。 第１実施形態に係る二電源駆動システムにより実行される終了処理における第１の遮断リレーの遮断手順を示すフローチャート。 第１実施形態に係る二電源駆動システムにより実行される終了処理における第２の遮断リレーの遮断手順を示すフローチャート。 従来例に係る二電源駆動システムにより実行される終了処理における第１の遮断リレーおよび第２の遮断リレーの遮断手順を示すフローチャート。 第１実施形態に係る二電源駆動システムにより実行される終了処理のタイムチャート。 従来例に係る二電源駆動システムにより実行される終了処理のタイムチャート。

Ａ．第１の実施形態
図１は、第１実施形態に係る二電源駆動システム１００を示す概略図である。二電源駆動システム１００は、例えば、燃料電池車両に適用される燃料電池システムに利用される。二電源駆動システム１００は、第１の電池１０と、第２の電池２０と、第１のコンバータ１１と、第２のコンバータ２１と、第１の遮断リレー１２と、第２の遮断リレー２２と、第２の平滑コンデンサ１３と、インバータ１４と、駆動用モータ３０と、第１の補機３１と、第２の補機３２と、制御部４０とを備えている。駆動用モータ３０は、第１の電池１０および第２の電池２０から電力が供給されることにより車輪（図示しない）を回転させる。なお、第１の遮断リレー１２は、請求項における遮断リレーに相当する。

本実施形態では、第１の電池１０として、反応ガスである水素と酸素とを反応させて発電する燃料電池が採用されている。第１の電池１０は、第１のコンバータ１１と、第１の遮断リレー１２と、インバータ１４と、を介して駆動用モータ３０および第１の補機３１と接続され、第１のコンバータ１１と、第１の遮断リレー１２と、第２のコンバータ２１と、を介して第２の補機３２と接続されている。第１の電池１０は、駆動用モータ３０と、第１の補機３１と、第２の補機３２と、に電力を供給する。第１の補機３１は、高電圧で駆動する高電圧補機であり、例えば、第１の電池１０に空気を供給するエアコンプレッサである。第１の電池１０は、燃料電池に限定されるものではなく、補機を要する二次電池であればよい。

第１のコンバータ１１は、第１の電池１０と駆動用モータ３０及び第１の補機３１との間に配置されている。第１のコンバータ１１は、第１の電池１０が出力する電圧を、駆動用モータ３０及び第１の補機３１の駆動電圧まで昇圧させるＤＣ−ＤＣ昇圧コンバータであり、具体的には、スイッチング素子１１ｂを有するチョッパ方式のコンバータである。第１のコンバータ１１は、インバータ１４へ供給される電圧の変動を抑える第１の平滑コンデンサ１１ａを有している。

インバータ１４は、第１の遮断リレー１２と、駆動用モータ３０及び第１の補機３１と、の間に配置されている。インバータ１４は、第１の電池１０から供給される直流電流を、例えば３相交流の電力に変換して供給することにより、駆動用モータ３０及び第１の補機３１の動作を制御する。駆動用モータ３０や第１の補機として、交流により駆動されるモータや補機ではなく、直流により駆動されるモータや補機が用いられてもよい。この場合、インバータ１４は、省略することができる。

第２の平滑コンデンサ１３は、第１の遮断リレー１２とインバータ１４との間に配置されている。第２の平滑コンデンサ１３は、電荷の充放電をすることにより、インバータ１４に供給される電圧の変動を抑える。

第１の遮断リレー１２は、第１のコンバータ１１と駆動用モータ３０及び第１の補機３１との間に配置されている。第１の遮断リレー１２は、第１の電池１０から供給される電力を駆動用モータ３０、第１の補機３１、および第２の補機に通電可能になる接続状態と通電不可能になる遮断状態とのいずれか一方に切り替えるリレー回路である。第１の遮断リレー１２には、例えば、電磁リレーを用いることができる。第１の遮断リレー１２を遮断状態から接続状態へ切り替えるために必要な電力は、第２の電池２０から供給される。

第２の電池２０は、蓄電池であり、例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池が用いられる。第２の電池２０は、第２の遮断リレー２２と、第２のコンバータ２１と、を介して駆動用モータ３０および第１の補機３１に接続され、第２の遮断リレー２２を介して第２の補機３２に接続されている。第２の電池２０は、駆動用モータ３０、第１の補機３１、および第２の補機３２に対して第１の電池１０と並列に接続されている。第２の電池２０は、第１の電池１０の発電によって得られた電力や駆動用モータ３０により回生された回生電力を蓄える。第２の電池２０に蓄えられた電力は、駆動用モータ３０、第１の補機３１および第２の補機３２の駆動に用いられる。

第２の補機３２は、高電圧で駆動される高電圧補機であり、例えば、水素ポンプや、燃料電池冷却水ポンプ、エアコンディショナ、水加熱用ヒータ、低電圧補機バッテリ用のＤＣ−ＤＣコンバータが含まれる。第２の補機３２は、二電源駆動システムの終了処理の際に、終了処理の最後まで駆動されていなければならない補機である。二電源駆動システムの終了処理の際に、第２の補機３２の駆動を継続しなければならないのは、例えば、低電圧補機バッテリ用のＤＣ−ＤＣコンバータによって低電圧補機バッテリ（図示しない）に電力を供給し、低電圧補機バッテリが過放電状態になるのを防止するためである。水素ポンプや燃料電池冷却水ポンプ等は、第１の電池１０である燃料電池の終了処理に用いられるため、継続して駆動され続けなければならない。

第２のコンバータ２１は、第１の遮断リレー１２とインバータ１４との間の配線に接続されている。第２のコンバータ２１は、第２の電池２０が出力する電圧を、駆動用モータ３０及び第１の補機３１の駆動電圧まで昇圧させ、第２の電池２０へ入力する回生電力を降圧する。すなわち、双方向の電圧変換を行うことができるＤＣ−ＤＣコンバータである。

制御部４０は、制御線４１を介して、第１のコンバータ１１、第２のコンバータ２１、第１の遮断リレー１２、第２の遮断リレー２２、インバータ１４、駆動用モータ３０、第１の補機３１、および第２の補機３２を制御する。

図２は、第１実施形態に係る二電源駆動システム１００により実行される終了処理における第１の遮断リレー１２の遮断手順を示すフローチャートである。この終了処理は、二電源駆動システム１００の通常終了時に実行される処理であり、二電源駆動システム１００の緊急停止時に実行される終了処理ではない。通常時に実行される終了処理とは、例えば、二電源駆動システム１００の起動スイッチがＯＮからＯＦＦに切り替えられることにより実行される終了処理である。終了処理は、第１の遮断リレー１２と第２の遮断リレー２２との両方を、接続状態から遮断状態に切り替えたときに完了する。

二電源駆動システム１００の起動スイッチ（図示しない）がＯＮからＯＦＦに切り替わると、制御部４０は終了処理を開始する。終了処理を開始すると、制御部４０は、電力の消費を停止するために、駆動用モータ３０および第１の補機３１に対して停止信号を送信する（ステップＳ１０１）。制御部４０は、停止信号を受信した駆動用モータ３０および第１の補機３１が停止を完了するまで待機する（ステップＳ１０２：ＮＯ）。駆動用モータ３０および第１の補機３１の停止が完了したか否かの判断は、例えば、制御部４０が駆動用モータ３０と第１の補機３１とに対して停止信号を送信してから、停止の完了に十分な予め定めた時間が経過したか否かによって判断することができる。あるいは、駆動用モータ３０および第１の補機３１の物理的な変化に基づいて判断してもよい。具体的には、二電源駆動システム１００が備える回転センサにより、駆動用モータの回転数を検出し、検出した回転数が０になった際に駆動用モータ３０の停止が完了したと判断することができる。駆動用モータ３０と第１の補機３１との停止が完了すると、制御部４０による終了処理はステップＳ１０３へと進む（ステップＳ１０２：ＹＥＳ）。

制御部４０は、第１の遮断リレー１２に高圧電流が流れなくするために、第１のコンバータ１１に対して停止信号を送信する（ステップＳ１０３）。停止信号を受信した第１のコンバータ１１は、スイッチング素子１１ｂをＯＦＦの状態に固定し、昇圧機能を停止する。第１のコンバータ１１の昇圧機能を停止することにより、第１の電池１０から供給される電力の消費を少なくすることができる。制御部４０は、第１のコンバータ１１の停止が完了するまで待機する（ステップＳ１０４：ＮＯ）。第１のコンバータ１１の停止が完了したか否かの判断は、例えば、制御部４０が第１のコンバータ１１に対して停止信号を送信してから、停止の完了に十分な予め定めた時間が経過したか否かによって判断することができる。第１のコンバータ１１の停止が完了すると、制御部４０による終了処理はステップＳ１０５へと進む（ステップＳ１０４：ＹＥＳ）。

制御部４０は、第２の電池２０に対して回生電流が流れるのを防止するために、第２のコンバータ２１に対して停止信号を送信する（ステップＳ１０５）。停止信号を受信した第２のコンバータ２１は、スイッチング素子２１ａ、２１ｂをＯＦＦの状態に固定する。スイッチング素子２１ａ、２１ｂをＯＦＦの状態に固定することにより、昇圧機能を停止するとともに、第１の電池１０の側から供給される電力を遮断する。制御部４０は、第２のコンバータ２１の停止が完了するまで待機する（ステップＳ１０６：ＮＯ）。第２のコンバータ２１が停止したか否かの判断は、例えば、制御部４０が第２のコンバータ２１に対して停止信号を送信してから、停止の完了に十分な予め定めた時間が経過したか否かによって判断することができる。第２のコンバータ２１の停止が完了すると、制御部４０による終了処理はステップＳ１０７へと進む（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）。

制御部４０は、第２のコンバータ２１の停止が完了した後、予め定めた時間ｔ１が経過するまで待機する（ステップＳ１０７）。予め定めた時間ｔ１とは、第１の平滑コンデンサ１１ａと第２の平滑コンデンサ１３との間の電位差がなくなるために十分な長さの時間であり、具体的には、第１の平滑コンデンサ１１ａおよび第２の平滑コンデンサ１３のコンデンサ容量と回路抵抗とに基づいて決定することができる。第１の電池１０および第２の電池２０から電力の供給が停止された後であっても、第１の平滑コンデンサ１１ａと第２の平滑コンデンサ１３はそれぞれ電荷を蓄えているため、第１の平滑コンデンサ１１ａと第２の平滑コンデンサ１３とに間に電位差が生じている場合がある。第１の平滑コンデンサ１１ａと第２の平滑コンデンサ１３との間に電位差があると、第１の平滑コンデンサ１１ａと第２の平滑コンデンサ１３との間に電流が流れ、第１の遮断リレー１２にも電流が流れる。電流が流れている状態で第１の遮断リレー１２を接続状態から遮断状態へと切り替えると、アークが発生し、第１の遮断リレー１２が溶着してしまうおそれがある。したがって第１の平滑コンデンサ１１ａと第２の平滑コンデンサ１３との電位差がなくなるまで第１の遮断リレー１２を接続状態から遮断状態に切り替えることができない。予め定めた時間ｔ１が経過すると、制御部４０は、第１の遮断リレー１２を接続状態から遮断状態に切り替える（ステップＳ１０８）。

図３は、第１実施形態に係る二電源駆動システム１００により実行される終了処理における第２の遮断リレー２２の遮断手順を示すフローチャートである。第２の遮断リレー２２の遮断手順は、図２に示した第１の遮断リレー１２の遮断処理が行なわれる終了処理中に実行される。

二電源駆動システム１００の起動スイッチがＯＮからＯＦＦに切り替わると、制御部４０は、終了処理を開始する。第２の補機３２は、終了処理を実行するために作動している必要があり、制御部４０は、終了処理が開始しても第２の補機３２を直ちに停止させることはできない。制御部４０は、終了処理が開始した後、第２の補機３２を停止させることが可能な状態になるまで待機する（ステップＳ２０１：ＮＯ）。第２の補機３２を停止させることが可能になったか否かの判断は、例えば、終了処理を開始してから予め定めた時間が経過したか否かによって判断することができる。あるいは、第２の補機３２の作動状態を検出可能なセンサの検出信号に基づいて判断してもよく、例えば、燃料電池冷却水ポンプであれば燃料電池冷却水ポンプの回転数に基づいて判断することができる。第２の補機３２を停止させることが可能になると（ステップＳ２０１：ＹＥＳ）、制御部４０は、第２の補機３２に対して停止信号を送信する（ステップＳ２０２）。制御部４０は、第２の補機３２の停止が完了するまで待機する（ステップＳ２０３：ＮＯ）。第２の補機３２の停止が完了したか否かの判断は、例えば、制御部４０が第２の補機３２に対して停止信号を送信してから、停止の完了に十分な時間が経過したか否かによって判断することができる。第２の補機３２の停止が完了すると（ステップＳ２０３：ＹＥＳ）、制御部４０は、第２のコンバータ２１が停止しているか否かを判定し（ステップＳ２０４）、第２のコンバータ２１の停止が完了するまで待機する（ステップＳ２０４：ＮＯ）。制御部４０は、第２のコンバータ２１が停止していると判定して場合には（ステップＳ２０４：ＹＥＳ）、第２の遮断リレー２２を接続状態から遮断状態に切り替える（ステップＳ２０５）。この状態においては、第２の遮断リレー２２には電流は流れず、遮断に伴うアークの発生による溶着を回避することができる。

図４は、従来例に係る二電源駆動システムにより実行される終了処理における第１の遮断リレーおよび第２の遮断リレーの遮断手順を示すフローチャートである。従来例に係る二電源駆動システムの制御部は、終了処理を開始すると駆動用モータと第１の補機と第２の補機とに停止信号を送信する（ステップＳ３０１）。制御部は、駆動用モータと第１の補機と第２の補機とのすべての停止が完了するまで待機する（ステップＳ３０２：ＮＯ）。駆動用モータと第１の補機と第２の補機とが停止すると（ステップＳ３０２：ＹＥＳ）、制御部は、第１のコンバータに停止信号を送信する（ステップＳ３０３）。制御部は、第１のコンバータの停止が完了するまで待機する（ステップＳ３０４：ＮＯ）。第１のコンバータの停止が完了すると（ステップＳ３０４：ＹＥＳ）、制御部は第２のコンバータに停止信号を送信する（ステップＳ３０５）。制御部は第２のコンバータの停止が完了するまで待機し（ステップＳ３０６：ＮＯ）、第２のコンバータの停止が完了すると（ステップＳ３０６：ＹＥＳ）、第２のコンバータの停止が完了してから予め定めた時間ｔ１が経過するまで待機する（ステップＳ３０７）。予め定めた時間ｔ１が経過すると、制御部は、第１の遮断リレーと第２の遮断リレーを接続状態から遮断状態に切り替える。終了処理は、第１の遮断リレーおよび第２の遮断リレーの双方を遮断させることによって完了する。

図５と図６を用いて、第１実施形態に係る二電源駆動システム１００と従来例に係る二電源駆動システムとにおいて実行される終了処理を説明する。図５は、第１実施形態に係る二電源駆動システム１００により実行される終了処理のタイムチャートである。図６は、従来例に係る二電源駆動システムにより実行される終了処理のタイムチャートである。

第１の実施形態に係る二電源駆動システム１００の起動スイッチがＯＮからＯＦＦへと切り替わると、作動中の駆動用モータ３０および第１の補機３１に停止信号が送信される。従来例に係る二電源駆動システムにおいても、起動スイッチがＯＮからＯＦＦへと切変わると、駆動用モータと第１の補機とに対して停止信号が送信される。第１実施形態では、駆動用モータ３０および第１の補機３１が停止すると、第２の補機３２の駆動が継続していても、第１のコンバータ１１は停止される。第１のコンバータ１１が停止された後、第２のコンバータ２１は停止される。第２のコンバータ２１が停止した後、第２の補機３２の駆動が継続している場合であっても、予め定めた時間ｔ１が経過すると第１の遮断リレー１２が遮断される。一方、従来例では、第２の補機が停止するまで第１のコンバータを停止されない。一般的に、第２の補機は、駆動用モータおよび第１の補機に対して遅れて停止される。第１実施形態では、第２のコンバータ２１がすでに停止しているため、第２の補機３２が停止すると第２の遮断リレー２２には電流は流れない。したがって、第２の補機３２が停止すると、第２の遮断リレー２２は接続状態から遮断状態に切り替えられる。第２の遮断リレー２２を遮断状態にすることにより終了処理は完了する。一方、従来例では、第２の補機の停止が完了し、駆動用モータと第１の補機と第２の補機とのすべてが停止した後に、第１のコンバータと第２のコンバータが停止される。第２のコンバータが停止した後、予め定めた時間ｔ１が経過すると、第１の遮断リレーと第２の遮断リレーが接続状態から遮断状態に切り替えられる。第１の遮断リレーと第２の遮断リレーとの双方が遮断状態になると、終了処理は完了する。第１実施形態に係る二電源駆動システム１００により実行される終了処理に要する時間ｔ２は、従来例に係る二電源駆動システムにより実行される終了処理に要する時間ｔ３に比べて短くなっている。従来例では、第２の補機の停止を完了した後でなければ、第１のコンバータおよび第２のコンバータを停止させることができず、第１の遮断リレーを接続状態から遮断状態に切り替えることができなかった。第１実施形態に係る二電源駆動システム１００による終了処理では、停止時間を遅らせることが求められる第２の補機３２の停止が完了したか否かにかかわらず、第１のコンバータ１１と第２のコンバータ２１を停止させ、第１の遮断リレーを接続状態から遮断状態に切り替える。その結果、従来例と比べ、第１実施形態は終了処理に要する時間を短縮することが可能である。

以上説明した第１の実施形態の二電源駆動システム１００によれば、第２の補機３２の停止が完了しているか否かにかかわらず、第１の遮断リレー１２を接続状態から遮断状態に切り替える遮断処理をすることができる。従って、第１の補機３１および第２の補機３２のすべてが停止するまで待機することなく、第１の遮断リレー１２を接続状態から遮断状態に切り替えることができる。この結果、システムの終了処理が完了するまでの時間を短縮することができる。

本開示は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施例中の技術的特徴は、上述の課題の一部または全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

１０…第１の電池
１１…第１のコンバータ
１１ａ…第１の平滑コンデンサ
１１ｂ…スイッチング素子
１２…第１の遮断リレー
１３…第２の平滑コンデンサ
１４…インバータ
２０…第２の電池
２１…第２のコンバータ
２１ａ、２１ｂ…スイッチング素子
２２…第２の遮断リレー
３０…駆動用モータ
３１…第１の補機
３２…第２の補機
４０…制御部
４１…制御線
１００…二電源駆動システム

Claims (1)

1. 二電源駆動システムであって、
   第１の電池と、
   前記第１の電池に接続されている第１の補機と、
   前記第１の電池と前記第１の補機との間に配置されている第１のコンバータと、
   前記第１のコンバータと前記第１の補機との間に配置されている遮断リレーと、
   前記第１の補機と前記遮断リレーとの間の配線に接続される第２のコンバータと、
   前記第２のコンバータを介して前記第１の補機に対して前記第１の電池と並列に接続されている第２の電池と、
   前記第２のコンバータと前記第２の電池との間の配線に接続されている第２の補機と、
   前記第１の補機と前記第２の補機と前記遮断リレーと前記第１のコンバータと前記第２のコンバータとを制御する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記二電源駆動システムの終了処理において、前記第１の補機、前記第１のコンバータ、および前記第２のコンバータの停止が完了していれば、前記第２の補機の停止が完了したか否かにかかわらず、前記遮断リレーを接続状態から遮断状態に切り替える、
   二電源駆動システム。

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