JP6787271B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、電源システムに関する。

例えば、特許文献１に、高圧系である２次側のバッテリーに充電した回生電力を、ＤＣＤＣコンバーターを介して低圧系である１次側に供給することによって、燃費を改善する車両用の電源システムが、開示されている。

特開２０１５−０７７９３３号公報

上記特許文献１に記載の電源システムなどでは、回生エネルギーを多く回収するために２次側のバッテリーを高電圧化している。しかし、この２次側の高電圧化は、ＤＣＤＣコンバーターの入力電圧（２次側）と出力電圧（１次側）との電圧差を広げることになり、充放電時の損失が増加して熱性能を満足させることが困難になる場合がある。つまり、ＤＣＤＣコンバーターの変換効率が低下する場合がある。

本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、ＤＣＤＣコンバーターの変換効率を改善す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。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、ＤＣＤＣコンバーターと、ＤＣＤＣコンバーターの一方側に接続される第１電圧の第１バッテリーと、ＤＣＤＣコンバーターの他方側に接続され、第１電圧以上の第２電圧を出力する第１の接続状態と第２電圧を超える第３電圧を出力する第２の接続状態とを切り替え可能に構成された、複数のセルからなる第２バッテリーと、ＤＣＤＣコンバーターの一方側に接続される負荷の要求電力に応じたＤＣＤＣコンバーターの変換効率が相対的に高くなる方に、第２バッテリーの接続状態を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。

この本発明の一態様では、第２バッテリーを、低電圧の第２電圧による出力と高電圧の第３電圧による出力とを切り替えられるように、複数の電池セルからなる構成とする。そして、本電源システムは、ＤＣＤＣコンバーターの一方側（例えば１次側）に接続される負荷の要求電力に応じて、ＤＣＤＣコンバーターの変換効率が常に高くなる方の電圧（第２電圧又は第３電圧）がＤＣＤＣコンバーターの他方側（例えば２次側）に接続されるように、第２バッテリーの電池セルの接続状態（第１の接続状態又は第２の接続状態）を切り替える。この制御により、変換効率が相対的に高くなる状態でＤＣＤＣコンバーターを動作させることができるので、ＤＣＤＣコンバーターの変換効率が改善される。

上記本発明の電源システムによれば、ＤＣＤＣコンバーターの変換効率を改善することができる。

本発明の一実施形態に係る電源システムの概略構成を示す図 第２バッテリーにおける並列接続と直列接続とのリレースイッチ切り替え状態を示す図 ＤＣＤＣコンバーターの変換効率特性の一例を示す図 リレー制御部が行う電源制御処理の手順を説明するフローチャート

［概要］
本発明の電源システムは、高圧系バッテリーを低電圧と高電圧とに切り替えできるように複数の電池セルから構成する。高圧系バッテリーの電力をＤＣＤＣコンバーターを介して低圧系に供給する際には、高圧系バッテリーの出力をＤＣＤＣコンバーターの変換効率が高くなるように低電圧又は高電圧を適宜切り替える。これにより、ＤＣＤＣコンバーターの変換効率を改善することができる。

［電源システムの構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る電源システム１０の概略構成を示す図である。図１に例示した電源システム１０は、第１バッテリー１１と、負荷１２と、ＤＣＤＣコンバーター（ＤＤＣ）１３と、第２バッテリー１４と、ＩＳＧ１５と、リレー制御部１６と、を備えている。本実施形態の電源システム１０は、例えばハイブリッド自動車や電気自動車などの車両に搭載することができる。

第１バッテリー１１は、例えば、鉛蓄電池などの充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。第１バッテリー１１は、後述するＤＣＤＣコンバーター１３の１次側に接続されている。この第１バッテリー１１には、第１電圧（例えば１２Ｖ）のバッテリーが用いられている。

負荷１２は、電力を消費する機器であって、例えば車両に搭載される機器としてはエアコンディショナーや灯火類などが該当する。この負荷１２は、上述した第１電圧（１２Ｖ）で動作するように構成される。負荷１２は、後述するＤＣＤＣコンバーター１３の１次側に接続されている。

ＤＣＤＣコンバーター１３は、入力された電圧を予め定めた電圧に変換して出力する機器である。このＤＣＤＣコンバーター１３は、１次側の電圧を昇圧して２次側に出力する昇圧機能と２次側の電圧を降圧して１次側に出力する降圧機能とを兼ね備えた昇降圧型の変換器であってもよいし、降圧機能だけを備えた降圧型の変換器であってもよい。

第２バッテリー１４は、例えば、リチウムイオン電池などの充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。第２バッテリー１４は、ＤＣＤＣコンバーター１３の２次側に接続されている。本実施形態の第２バッテリー１４は、複数の電池セルと、後述するリレー制御部１６によって制御される複数のリレースイッチとで、構成されている。

より具体的には、第２バッテリー１４は、Ｍ個の電池セルを直列に接続したセル群をＮ個有し、このＮ個のセル群を並列に接続した状態（請求項の「第１の接続状態」に該当）と、Ｎ個のセル群を直列に接続した状態（請求項の「第２の接続状態」に該当）とを切り替えるための［（Ｎ−１）×２］個のリレースイッチを有した構成である。よって、電池セルの単体電圧をｃｖとすると、第２バッテリー１４は、並列接続の状態では［ｃｖ×Ｍ］電圧（以下「第２電圧」という）のバッテリーとして機能し、直列接続の状態では［ｃｖ×Ｍ×Ｎ］電圧（以下「第３電圧」という）のバッテリーとして機能する。なお、定数Ｍ及びＮは、２以上の任意の整数とすることができるが、第２電圧が上述した第１電圧以上となるように設定されることが望ましい。

図１に例示した第２バッテリー１４は、４個の電池セルＣを直列接続したセル群を３つ形成した合計１２個の電池セルＣと、この１２個の電池セルＣを並列接続の状態と直列接続の状態とに切り替えるための４つのリレースイッチＳＷ１〜ＳＷ４とで、構成されている。リレースイッチＳＷ１及びＳＷ２は１極単投型のスイッチであり、リレースイッチＳＷ３及びＳＷ４は１極双投型のスイッチである。図２に、第２バッテリー１４における電池セルＣの並列接続と直列接続とのリレースイッチＳＷ１〜ＳＷ４の切り替え状態を示す。この例において、電池セルＣの単体電圧ｃｖを「４Ｖ」とした場合、第２バッテリー１４を並列接続の状態とした第２電圧が「１２Ｖ」となり、第２バッテリー１４を直列接続の状態とした第３電圧が「４８Ｖ」となる。

ＩＳＧ（Integrated Starter Generator）１５は、アイドリングストップなどによって停止させたエンジンを再始動させるためのスターター機能と、ブレーキなどによる制動時に発電を行うジェネレーター機能とを、兼ね備えたモーターである。ＩＳＧ１５は、上述した第３電圧（４８Ｖ）で動作するように構成されており、再始動動作時には、第２バッテリー１４から第３電圧（４８Ｖ）の電力供給を受けてエンジンを再始動させ、回生動作時には、ブレーキ制動によって発生する回生エネルギーを第２バッテリー１４に第３電圧（４８Ｖ）で蓄電する。

リレー制御部１６は、例えばマイコンなどで構成され、ＩＳＧ１５の動作状態及び負荷１２が要求する電力に応じて、第２バッテリー１４を構成する複数の電池セルＣの接続状態を切り替えることができる。このリレー制御部１６による第２バッテリー１４の接続状態の切り替え手法については、後述する。

図１に例示した構成において、リレー制御部１６は、第２バッテリー１４を構成するリレースイッチＳＷ１〜ＳＷ４を制御して、Ｍ個直列の電池セルＣをＮ個並列に接続した並列接続の状態と、Ｍ×Ｎ個の電池セルＣを直列に接続した直列接続の状態とを、選択的に切り替える。この選択的な切り替えは、以下に説明するＤＣＤＣコンバーター１３の変換効率特性に基づいて行われる。

図３は、ＤＣＤＣコンバーター１３の変換効率特性の一例を示す図である。図３において、横軸は入力側電力（本実施形態では２次側）を示し、縦軸は入力側電力が変換されて所望する出力側電力（本実施形態では１次側）として現れる効率を示している。この図３では、第２バッテリー１４を並列接続状態とした場合（実線）と、第２バッテリー１４を直列接続状態とした場合（破線）とにおける、変換効率を示している。

図３に例示するように、ＤＣＤＣコンバーター１３の変換効率は、所定の電力Ｐを境に高効率となる第２バッテリー１４の接続状態が逆転する。より具体的には、ＤＣＤＣコンバーター１３の出力側で要求される電力が所定の電力Ｐよりも小さい場合には、第２バッテリー１４を並列接続状態にした方がＤＣＤＣコンバーター１３の変換効率が高くなり、ＤＣＤＣコンバーター１３の出力側で要求される電力が所定の電力Ｐよりも大きい場合には、第２バッテリー１４を直列接続状態にした方がＤＣＤＣコンバーター１３の変換効率が高くなる。すなわち、ＤＣＤＣコンバーター１３は、所定の電力Ｐ未満の電力を入出力する場合には、入力側の電圧に低い側の第２電圧を選んだ方が高効率となり、所定の電力Ｐを超える電力を入出力する場合には、入力側の電圧に高い側の第３電圧を選んだ方が高効率となる。なお、所定の電力Ｐを入出力する場合には、並列接続でも直列接続でも同じ変換効率となる。

このような効率の変化は、ＤＣＤＣコンバーター１３が備えるチョークコイルの銅損（直流電流の２乗に比例する損失）、鉄損（電流リプルのおおよそ２乗に比例する損失）、及びスイッチング素子のターンオン／ターンオフ損失（スイッチング動作中の素子に掛かる電圧と素子を流れる電流との積による損失）など、が原因となって現れる。従って、これらの損失を考慮した上で、シミュレーション計算や実機評価などによって、ＤＣＤＣコンバーター１３の変換効率における所定の電力Ｐを決定することができる。

なお、リレー制御部１６は、ＩＳＧ１５の動作状態（再始動動作、回生動作、非動作）を、ＩＳＧ１５を制御する電子制御ユニット（図示せず）から取得することができる。また、リレー制御部１６は、負荷１２が要求する電力の情報を、電流検出器（図示せず）などを用いて自ら演算して取得することができるし、ＤＣＤＣコンバーター１３を制御する電子制御ユニット（図示せず）から取得することもできる。

［電源システムが実行する制御］
次に、図４をさらに参照して、本発明の一実施形態に係る電源システム１０が実行する制御を説明する。図４は、電源システム１０のリレー制御部１６が行う電源制御処理の手順を説明するフローチャートである。

図４に例示する電源制御は、例えば、ＤＣＤＣコンバーター１３の２次側（第２バッテリー１４側）から１次側（負荷１２側）へ、電力を供給する必要が生じた場合などに開始される。

ステップＳ４０１：この処理では、ＩＳＧ１５がエンジンの再始動動作中（もしくは再始動動作の直前）であるか否か又は回生動作中であるか否か、が判断される。ＩＳＧ１５が再始動動作も回生動作も行っていない場合（Ｓ４０１、Ｎｏ）、ステップＳ４０２に処理が進む。ＩＳＧ１５が再始動動作又は回生動作のいずれかを行っている場合（Ｓ４０１、Ｙｅｓ）には、ステップＳ４０４に処理が進む。

ステップＳ４０２：この処理では、ＤＣＤＣコンバーター１３の２次側から１次側へ供給する電力が、所定の電力Ｐ未満（又は以下）であるか否かが判断される。供給電力が所定の電力Ｐ以下である場合（Ｓ４０２、Ｙｅｓ）、ステップＳ４０３に処理が進む。供給電力が所定の電力Ｐ未満（又は以下）でない場合（Ｓ４０２、Ｎｏ）、ステップＳ４０４に処理が進む。

ステップＳ４０３：この処理では、第２バッテリー１４の複数の電池セルＣが、Ｍ個の電池セルＣを直列に接続したセル群をＮ個並列に接続した並列接続の状態に切り替えられる。この制御により、第２バッテリー１４が第２電圧（１２Ｖ）のバッテリーとして構成され、ＤＣＤＣコンバーター１３において所定の電力Ｐ未満となる電力の変換効率が高くなる。

ステップＳ４０４：この処理では、第２バッテリー１４の複数の電池セルＣが、すべて（＝Ｍ×Ｎ個）の電池セルＣを直列に接続した直列接続の状態に切り替えられる。この制御により、第２バッテリー１４が第３電圧（４８Ｖ）のバッテリーとして構成され、ＤＣＤＣコンバーター１３において所定の電力Ｐを超える電力の変換効率が高くなる。また、ＩＳＧ１５のエンジン再始動動作時又は回生動作時には、ＤＣＤＣコンバーター１３の１次側（の負荷１２）で要求される電力量にかかわらず、第２バッテリー１４を第３電圧（４８Ｖ）のバッテリーとして機能させることができる。

上記ステップＳ４０１〜Ｓ４０４の処理は、ＤＣＤＣコンバーター１３の２次側から１次側へ電力を供給する必要が生じている間、繰り返して実行される。

なお、上記ステップＳ４０１におけるＩＳＧ１５がエンジンの再始動又は回生の動作中であるか否かの判断を行わずに、上記ステップＳ４０２におけるＤＣＤＣコンバーター１３の２次側から１次側へ供給する電力が所定の電力Ｐ未満（又は以下）であるか否かを判断しても構わない。このように制御しても、ＤＣＤＣコンバーター１３の変換効率を改善することができる。

［本実施形態における作用・効果］
上述した本発明の一実施形態に係る電源システム１０によれば、ＤＣＤＣコンバーター１３の２次側に接続される第２バッテリー１４を、低電圧の第２電圧（１２Ｖ）による出力と高電圧の第３電圧（４８Ｖ）による出力とを切り替えられるように、複数の電池セルＣからなる構成とする。そして、本電源システム１０は、ＤＣＤＣコンバーター１３を作動させる際、ＤＣＤＣコンバーター１３の１次側に接続される負荷１２の要求電力に応じて、ＤＣＤＣコンバーター１３の変換効率が常に高くなる方の電圧（第２電圧又は第３電圧）がＤＣＤＣコンバーター１３の２次側に接続されるように、第２バッテリー１４の電池セルＣの接続状態を並列又は接続に切り替える。

この制御により、本電源システム１０では、変換効率が相対的に高くなる状態でＤＣＤＣコンバーター１３を動作させることができる。よって、ＤＣＤＣコンバーター１３の変換効率を改善することができる。

本発明の電源システムは、回生用のバッテリー及びＤＣＤＣコンバーターを搭載した車両などに利用可能である。

１０ 電源システム
１１ 第１バッテリー
１２ 負荷
１３ ＤＣＤＣコンバーター（ＤＤＣ）
１４ 第２バッテリー
１５ ＩＳＧ
１６ リレー制御部
Ｃ 電池セル
ＳＷ１〜４ リレースイッチ

Claims (1)

1. ＤＣＤＣコンバーターと、
   前記ＤＣＤＣコンバーターの一方側に接続される第１電圧の第１バッテリーと、
   前記ＤＣＤＣコンバーターの他方側に接続され、前記第１電圧以上の第２電圧を出力する第１の接続状態と前記第２電圧を超える第３電圧を出力する第２の接続状態とを切り替え可能に構成された、複数の電池セルからなる第２バッテリーと、
   前記第１の接続状態及び前記第２の接続状態のいずれも選択可能なとき、前記ＤＣＤＣコンバーターの一方側に接続される負荷の要求電力に応じた前記ＤＣＤＣコンバーターの変換効率が相対的に高くなる方に、前記第２バッテリーの接続状態を制御する制御部と、
   を備える、電源装置。

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