JP6913050B2 - 高電圧系と低電圧系とを備えた電源系 - Google Patents

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Description

本発明は、高電圧バッテリを含んだ高電圧系と低電圧系とを備えた電源系における高電圧バッテリの均等化方式に関する。
一般に、走行用の高電圧バッテリを搭載しているハイブリッド車、電気自動車等は、電子制御装置や電気装置等の低電圧負荷に電力を供給するために低電圧バッテリも備えている。低電圧バッテリとしては、１２Ｖの鉛蓄電池が広く用いられている。
低電圧バッテリから電力を供給される低電圧負荷は、走行、操舵、停止、扉開閉等の機能に関するもので、低電圧バッテリの失陥時にも電力供給が維持されることが望ましい負荷（以下、「バックアップ負荷」と称する）と、それ以外の負荷（以下、「一般負荷」と称する）とに区分することができる。
従来から、バックアップ負荷に対して、サブバッテリを備えることで、電源を冗長化することが行なわれている。図４は、低電圧バッテリを冗長化した電源系の従来の構成例を示すブロック図である。本例の電源系は、高電圧バッテリ５１０により数１００Ｖの電圧が供給される高電圧系と、低電圧バッテリ５３０により１２Ｖ等の電圧が供給される低電圧系とを備えている。高電圧系と低電圧系とはグラウンドが独立しているが、絶縁型のＤＣＤＣコンバータ５２０を介して電力のやり取りが行なえるようになっている。
低電圧系には、一般負荷５４０とバックアップ負荷５５０とが備えられている。バックアップ負荷５５０には、サブバッテリ５６０がリレー５７０を介して接続されている。低電圧バッテリ５３０失陥時等には、図示しない制御装置によりリレー５７０がオンに切り替えられ、バックアップ負荷５５０への電源供給が維持されるようになっている。サブバッテリ５６０を充電する経路を設けたり、サブバッテリ５６０にＤＣＤＣコンバータを接続して１２Ｖ等にコンバートすることも行なわれている。
特開２０１３−９９００２号公報
高電圧バッテリ５１０としては、リチウムイオン組電池、ニッケル水素組電池等が用いられている。組電池は、多数の２次電池セルを直列に接続して構成したものであり、その能力を十分発揮させるために、充電状態、例えば、充電容量の均等化処理が必要とされている。
セル電圧の均等化処理は、各セルの端子電圧を測定し、解析することで、セルの充電状態にバラツキが発生しているかどうかを監視する。そして、セルの充電状態にバラツキが検出された場合に、均等化動作を実行する。
均等化動作には、パッシブ方式とアクティブ方式とがある。パッシブ方式は、充電容量が大きいセルを選択し、放電させることで充電状態の均等化を行なうものである。一方、アクティブ方式は、充電容量が大きいセルと充電容量が小さいセルとを選択し、充電容量が大きいセルの電荷を充電容量が小さいセルに移すことで充電状態の均等化を行なうものである。
パッシブ方式は、構成が簡易であり普及しているが、放電させることで電力を消費するため、エネルギーが無駄になる。一方、アクティブ方式は、エネルギー効率は優れているが、構成が複雑化し、コストが上昇するため、普及が進んでいない。
このため、エネルギー効率の高い新たな均等化方式の開発が望まれている。そこで、本発明は、高電圧バッテリを含んだ高電圧系と低電圧系とを備えた電源系において、エネルギー効率の優れた新たな高電圧バッテリの均等化方式を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の１態様である電源系は、複数の電池セルを有する高電圧バッテリを含んだ高電圧系と低電圧系とを備えた電源系であって、前記電池セルのそれぞれから、前記低電圧系にエネルギーを個別に絶縁伝送可能な絶縁伝送部と、前記電池セルのそれぞれの電圧を測定して、均等化処理対象の電池セルを設定するとともに、前記絶縁伝送部の動作を制御することで、均等化処理対象となった電池セルのエネルギーを前記低電圧系に伝送する均等化伝送処理部と、を備えることを特徴とする。
ここで、前記低電圧系は、低電圧バッテリを含み、前記均等化処理部は、前記絶縁伝送部の動作を制御することで、均等化処理対象となった電池セルのエネルギーを前記低電圧バッテリに伝送することができる。
このとき、前記低電圧バッテリは、前記低電圧系のサブバッテリとして用いられることができる。
あるいは、前記低電圧系は、低電圧負荷を含み、前記均等化処理部は、前記絶縁伝送部の動作を制御することで、均等化処理対象となった電池セルのエネルギーを前記低電圧負荷に伝送するようにしてもよい。
また、前記絶縁伝送部は、絶縁トランスを備えることができる。
このとき、前記絶縁トランスの１次側にスイッチが設けられ、前記均等化伝送処理部は、前記スイッチのオンオフを切り換えることで、前記絶縁伝送部の動作を制御することができる。
本発明によれば、高電圧バッテリを含んだ高電圧系と低電圧系とを備えた電源系において、エネルギー効率の優れた新たな高電圧バッテリの均等化方式が提供される。
本実施形態に係る電源系の構成を示すブロック図である。 均等化伝送処理部、絶縁伝送部の構成例を示す図である。 均等化伝送処理部の動作について説明するフローチャートである。 従来の電源系の構成を示すブロック図である。
本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る電源系１０の構成を示すブロック図である。電源系１０は、ハイブリッド車、電気自動車等の電源系であり、走行用の高電圧バッテリ１１０を含んだ高電圧系と低電圧系とを備えている。
高電圧バッテリ１１０は、多数の２次電池セルが直列に接続されたリチウムイオン組電池、ニッケル水素組電池等を用いることができ、数１００Ｖの電圧を、走行用モータ（不図示）を含んだ高電圧系に供給する。
高電圧バッテリ１１０は、その能力を十分発揮させるために、充電状態、例えば、充電容量の均等化処理が必要とされている。このため、高電圧系には、均等化処理を行なう均等化伝送処理部１８０が設けられている。後述するように、均等化伝送処理部１８０は、高電圧バッテリ１１０の均等化処理を行なう際に、処理対象となったセルのエネルギーを、絶縁伝送部１９０を介して低電圧系に伝送する処理も行なう。
電源系１０の低電圧系は、低電圧メインバッテリ１３０を備えている。高電圧系と低電圧系とはグラウンドが独立しているが、絶縁型のＤＣＤＣコンバータ１２０を介して電力のやり取りが行なえるようになっている。
低電圧メインバッテリ１３０は、１２Ｖの鉛蓄電池等を用いることができ、一般負荷１４０とバックアップ負荷１５０とに電力を供給している。ここで、バックアップ負荷１５０は、走行、操舵、停止、扉開閉等の機能に関するもので、低電圧メインバッテリ１３０の失陥時にも電力供給が維持されることが望ましい低電圧負荷であり、一般負荷１４０は、それ以外の低電圧負荷である。
バックアップ負荷１５０は、電源が冗長化されており、低電圧系制御部２００により切り替えが制御されるリレー１７０を介して、サブバッテリ１６０に接続されている。サブバッテリ１６０は、コンデンサ、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等を用いることができる。リレー１７０をサブバッテリ１６０に内蔵してもよい。また、低電圧系制御部２００は、ＥＣＵ等により構成することができる。
図２は、均等化伝送処理部１８０、絶縁伝送部１９０の構成例を示す図である。本図に示すように、均等化伝送処理部１８０は、電圧測定部１８１、処理対象セル設定部１８２、伝送制御部１８３を備えている。均等化伝送処理部１８０は、ＩＣ等を用いて構成することができる。
絶縁伝送部１９０は、絶縁トランス１９１とスイッチ１９２とダイオード１９３とが高電圧バッテリ１１０の各セルに対応して設けられている。各セルの端子は、絶縁トランス１９１の１次側にスイッチ１９２を介して接続されている。各絶縁トランス１９１の２次側は、ダイオード１９３を介して、サブバッテリ１６０に接続している。これにより、各セルのエネルギーを個別にサブバッテリ１６０に絶縁伝送することができる。絶縁トランス１９１を設けることで、高電圧系と低電圧系との絶縁を確保することができる。２次側に平滑コンデンサを接続してもよい。
絶縁トランス１９１は、セル電圧を低電圧系の電圧に昇圧する程度の変圧比とする。これにより、サブバッテリ１６０には、低電圧系の電圧が印加され、充電されることになる。なお、経路切り替え回路を別途設けて、１セットの絶縁トランス１９１とスイッチ１９２とダイオード１９３とを各セルで共用してもよい。
均等化伝送処理部１８０の電圧測定部１８１は、高電圧バッテリ１１０の各セルの端部と接続しており、高電圧バッテリ１１０の各セル電圧を測定する。処理対象セル設定部１８２は、測定電圧に基づいて、均等化処理の対象となるセルを設定する。処理対象となるセルは、複数個設定することができ、例えば、充電容量の大きさに従って順番を設定してもよい。
伝送制御部１８３は、均等化処理の対象となったセルに対応したスイッチ１９２に対して、所定の周波数でオンオフ制御を行なう。これにより、処理対象のセルのエネルギーを２次側に絶縁伝送することができる。伝送されたエネルギーは、ダイオード１９３を介してサブバッテリ１６０に蓄積される。
すなわち、本実施形態では、高電圧バッテリの均等化処理の際に、充電容量の大きなセルのエネルギーを放電させることなく、絶縁伝送して、低電圧系のサブバッテリ１６０に蓄積する。これにより、エネルギー効率の優れた新たな高電圧バッテリの均等化方式を実現している。
次に、上記構成の均等化伝送処理部１８０の動作について図３のフローチャートを参照して説明する。まず、電圧測定部１８１が所定のタイミングで、高電圧バッテリの各セルの電圧を測定し（Ｓ１０１）、充電状態を把握する（Ｓ１０２）。
そして、処理対象セル設定部１８２が、充電状態、例えば、充電容量に基づいて均等化対象セルを抽出する（Ｓ１０３）。例えば、最も充電容量の小さいセル以外を均等化対象セルとして抽出することができる。この場合、均等化処理により、各セルの充電容量を最も充電容量の小さいセルの充電容量に揃えることになる。
さらに、処理対象セル設定部１８２は、抽出された均等化対象セルから実際に処理対象とするセルを決定する（Ｓ１０４）。均等化処理は、１セルずつ行なってもよいし、対象全セルを同時に行なってもよい。１セルずつ行なう場合には、例えば、充電容量の大きい順に処理対象セルを決定することができる。
そして、決定された処理対象セルに対して、均等化伝送処理部１８０が、絶縁伝送処理を行なう（Ｓ１０５）。絶縁伝送制御では、目標とするセル電圧が定められる。目標とするセル電圧は、例えば、最も充電容量の小さいセルの充電容量に対応したセル電圧とすることができる。
均等化伝送処理部１８０は、電圧測定部１８１が測定するセル電圧を監視し、目標となるセル電圧になるまで、スイッチ１９２をオンオフ制御する。これにより、絶縁トランス１９１の２次側にエネルギーが伝送され、サブバッテリ１６０に充電されることになる。スイッチ１９２をオンオフする周波数は固定でもよいし、目標セル電圧との差、サブバッテリ１６０の充電状態等に応じて可変としてもよい。
サブバッテリ１６０が蓄積したエネルギーは、低電圧系の冗長電源として用いられる。低電圧系制御部２００は、サブバッテリ１６０の電圧や充電状態を監視し、充電容量が過剰になるおそれがある場合には、リレー１７０をオンに切り換えて、バックアップ負荷１５０に電力を供給することが望ましい。サブバッテリ１６０の下流に別途放電用回路を設けておき、低電圧系制御部２００がサブバッテリ１６０の充電量が過剰であると判断したときに、電荷を放電するようにしてもよい。また、サブバッテリ１６０にＤＣＤＣコンバータを接続し、所望の電圧値に変圧して利用するようにしてもよい。
均等化処理を１セルずつ行なう場合には、処理対象セルを順次決定し（Ｓ１０４）、絶縁伝送処理（Ｓ１０５）を繰り返す。そして、対象となった全セルに対して均等化処理を行なうと（Ｓ１０６：Ｙｅｓ）、本動作を終了する。なお、低電圧系で電力が不足している等の事情がある場合には、さらに、各セルからサブバッテリ１６０への絶縁伝送を継続するようにしてもよい。
以上、本発明の実施形態について説明した。ただし、本発明の上記実施形態に限られず、種々の変形を行なうことが可能である。例えば、高電圧バッテリ１１０、均等化伝送処理部１８０、絶縁伝送部１９０、サブバッテリ１６０を高電圧バッテリユニットとして一体化してもよい。
また、上記実施形態では、絶縁伝送したエネルギーを低電圧系のサブバッテリ１６０に蓄積するようにしていたが、低電圧メインバッテリ１３０に蓄積するようにしてもよい。すなわち、低電圧系に備えられた低電圧バッテリ全般を蓄積対象とすることができる。
さらには、低電圧系に絶縁伝送したエネルギーを低電圧系のサブバッテリ１６０に蓄積せずに、低電圧系の一般負荷１４０、バックアップ負荷１５０に直接供給するようにしてもよい。
１０ 電源系
１１０ 高電圧バッテリ
１２０ ＤＣＤＣコンバータ
１３０ 低電圧メインバッテリ
１４０ 一般負荷
１５０ バックアップ負荷
１６０ サブバッテリ
１７０ リレー
１８０ 均等化伝送処理部
１８１ 電圧測定部
１８２ 処理対象セル設定部
１８３ 伝送制御部
１９０ 絶縁伝送部
１９１ 絶縁トランス
１９２ スイッチ
１９３ ダイオード
２００ 低電圧系制御部

Claims (3)

  1. 複数の電池セルを有する高電圧バッテリを含んだ高電圧系と、メインバッテリ、前記メインバッテリから電力を供給される低電圧負荷、及び前記低電圧負荷に接続されたサブバッテリを含んだ低電圧系と、を備え、前記高電圧系と前記低電圧系は、ＤＣＤＣコンバータを介して電力のやり取りを行なえる電源系であって、
    前記電池セルのそれぞれから、前記低電圧系のサブバッテリにエネルギーを個別に絶縁伝送可能な絶縁伝送部と、
    前記電池セルのそれぞれの電圧を測定して、均等化処理対象の電池セルを設定するとともに、前記絶縁伝送部の動作を制御することで、均等化処理対象となった電池セルのエネルギーを前記低電圧系のサブバッテリに伝送する均等化伝送処理部と、
    を備えることを特徴とする電源系。
  2. 前記絶縁伝送部は、絶縁トランスを備えていることを特徴とする請求項１に記載の電源系。
  3. 前記絶縁トランスの１次側にスイッチが設けられ、
    前記均等化伝送処理部は、前記スイッチのオンオフを切り換えることで、前記絶縁伝送部の動作を制御することを特徴とする請求項２に記載の電源系。
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