JP7044687B2 - 車両の電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、２つのバッテリの接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で切り換え可能な車両の電源装置に関する。
特許文献１には、スイッチ素子を制御することによって直列接続状態と並列接続状態との間で接続状態を切り換え可能な２つのバッテリと、２つのバッテリのうちの一方のバッテリに直列に接続されたリアクトル素子と、を備える電源装置が記載されている。
特開２０１４－０６４４１６号公報
特許文献１に記載の電源装置では、２つのバッテリの接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際、リアクトル素子が接続されている方のバッテリの電圧が他方のバッテリの電圧より高い場合には、他方のバッテリに突入電流が発生する可能性がある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、２つのバッテリの接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際に突入電流が発生することを抑制可能な車両の電源装置を提供することにある。
本発明に係る車両の電源装置は、正線と第１ノードとの間に接続された第１スイッチ素子と、第１ノードと第２ノードとの間に接続された第２スイッチ素子と、第２ノードと負線との間に接続された第３スイッチ素子と、前記第１ノード及び前記負線にそれぞれ正極及び負極が接続された第１バッテリと、前記正線と第３ノードとの間に接続されたリアクトル素子と、前記第３ノード及び前記第２ノードにそれぞれ正極及び負極が接続された第２バッテリと、前記正線と前記負線との間に接続された平滑コンデンサと、を備え、前記第１スイッチ素子、前記第２スイッチ素子、及び前記第３スイッチ素子のオン／オフ状態を切り換えることにより、前記第１バッテリと前記第２バッテリとの接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で切り換え可能な車両の電源装置であって、前記第１バッテリと前記第２バッテリとの接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際、時間経過と共に前記第２スイッチ素子のオン時間を短く、且つ、前記第３スイッチ素子のオン時間を長くしながら前記第２スイッチ素子及び前記第３スイッチ素子を交互にオン／オフする遷移制御を実行することにより前記平滑コンデンサの電圧を前記第１バッテリの電圧と前記第２バッテリの電圧の高い方の電圧まで減少させ、前記第１スイッチ素子のダイオードが通電した後、前記第１スイッチ素子をオンする切換制御を実行する制御手段を備えることを特徴とする。
本発明に係る車両の電源装置は、上記発明において、前記制御手段は、前記第１スイッチ素子及び前記第３スイッチ素子をオフ状態、前記第２スイッチ素子をオン状態に制御することにより、前記第１バッテリと前記第２バッテリとの接続状態を直列接続状態に制御し、前記第１スイッチ素子及び前記第３スイッチ素子をオン状態、前記第２スイッチ素子をオフ状態に制御することにより、前記第１バッテリと前記第２バッテリとの接続状態を並列接続状態に制御することを特徴とする。
本発明に係る車両の電源装置は、上記発明において、前記制御手段は、前記第１バッテリの電圧が前記第２バッテリの電圧より小さい場合に前記切換制御を実行することを特徴とする。
本発明に係る車両の電源装置は、上記発明において、前記制御手段は、前記第１スイッチ素子のダイオードが通電しない場合、前記第１バッテリと前記第２バッテリとの接続状態を直列接続状態に維持することを特徴とする。
本発明に係る車両の電源装置によれば、時間経過と共に第２スイッチ素子のオン時間を短く、且つ、第３スイッチ素子のオン時間を長くしながら第２スイッチ素子及び第３スイッチ素子を交互にオン／オフする遷移制御を実行することにより平滑コンデンサの電圧を第１バッテリの電圧と第２バッテリの電圧の高い方の電圧まで減少させ、第１スイッチ素子のダイオードが通電した後、第１スイッチ素子をオンするので、２つのバッテリの接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際に突入電流が発生することを抑制できる。
図１は、本発明の一実施形態である車両の電源装置が適用される車両の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す電源装置の構成を示す回路図である。 図３は、第１バッテリの電圧が第２バッテリの電圧より大きい場合における直列／並列切換制御処理を説明するための図である。 図４は、第１バッテリの電圧が第２バッテリの電圧より小さい場合における直列／並列切換制御処理を説明するための図である。 図５は、本発明の一実施形態である直列／並列切換制御処理の流れを示すフローチャートである。 図６は、図５に示すステップＳ３の処理を説明するための図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である車両の電源装置の構成について説明する。
〔車両の構成〕
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態である車両の電源装置が適用される車両の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態である車両の電源装置が適用される車両の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である車両の電源装置が適用される車両１は、ＨＶ（Hybrid Vehicle），ＥＶ（Electric Vehicle），ＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle），ＦＣＥＶ（Fuel Cell Electric Vehicle）等の車両によって構成され、電源装置２、インバータ３、及び駆動用モータ４を備えている。
電源装置２は、正線ＰＬ及び負線ＮＬを介してインバータ３に接続され、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）等の制御装置からの制御信号に従ってインバータ３との間で電力を充放電する機能を有している。
インバータ３は、配線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を介して駆動用モータ４に接続され、直流電力と交流電力とを相互に変換する機能を有している。本実施形態では、インバータ３は、電源装置２から供給された直流電力を交流電力に変換して駆動用モータ４に供給すると共に、駆動用モータ４が発電した交流電力を直流電力に変換して電源装置２に供給する。なお、インバータ３は複数設けてもよい。
駆動用モータ４は、同期発電電動機により構成されている。駆動用モータ４は、インバータ３から供給された交流電力によって駆動されることにより車両駆動用の電動機として機能すると共に、車両の駆動力を利用して交流電力を発電する発電機として機能する。
〔電源装置の構成〕
次に、図２を参照して、電源装置２の構成について説明する。
図２は、図１に示す電源装置２の構成を示す回路図である。図２に示すように、電源装置２は、正線ＰＬと第１ノードＮ１との間に接続された第１スイッチ素子Ｓ１と、第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間に接続された第２スイッチ素子Ｓ２と、第２ノードＮ２と負線ＮＬとの間に接続された第３スイッチ素子Ｓ３と、第１ノードＮ１及び負線ＮＬにそれぞれ正極及び負極が接続された第１バッテリＢ１と、正線ＰＬと第３ノードＮ３との間に接続されたリアクトル素子Ｒと、第３ノードＮ３及び第２ノードＮ２にそれぞれ正極及び負極が接続された第２バッテリＢ２と、正線ＰＬと負線ＮＬとの間に接続された平滑コンデンサＣＨと、を備えている。また、電源装置２は、その制御系として、第１スイッチ素子Ｓ１のダイオード電流を検出する電流センサ２１と、電源装置２の動作を制御する制御部２２と、を備えている。
なお、第１スイッチ素子Ｓ１、第２スイッチ素子Ｓ２、及び第３スイッチ素子Ｓ３は、半導体スイッチング素子によって構成されている。半導体スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。ＩＧＢＴのコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子に接続される側をアノードとしてダイオード（整流素子）が接続されている。半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ以外のものを用いる場合、スイッチ素子が導通したときに流れる電流とは逆向きの電流が流れるように半導体スイッチング素子にダイオードを並列に接続する。ダイオードは、半導体スイッチング素子に伴う寄生ダイオードであってもよい。本明細書では、半導体スイッチング素子とダイオードとを併せたものをスイッチ素子という。
この電源装置２では、制御部２２が、第１スイッチ素子Ｓ１、第２スイッチ素子Ｓ２、及び第３スイッチ素子Ｓ３のオン／オフ状態を制御することにより、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で切り換えることができる。具体的には、制御部２２が、第１スイッチ素子Ｓ１及び第３スイッチ素子Ｓ３をオフ状態、第２スイッチ素子Ｓ２をオン状態に制御することにより、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２とは直列に接続される。また、制御部２２が、第１スイッチ素子Ｓ１及び第３スイッチ素子Ｓ３をオン状態、第２スイッチ素子Ｓ２をオフ状態に制御することにより、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２とは並列に接続される。
ところで、このような構成を有する電源装置２では、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際、制御部２２が、時間経過と共に第２スイッチ素子Ｓ２のオン時間を短く、且つ、第３スイッチ素子Ｓ３のオン時間を長くしながら第２スイッチ素子及び第３スイッチ素子を交互にオン／オフする直列／並列切換遷移制御処理を実行することにより、平滑コンデンサＣＨの電圧ＶＨを第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１及び第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２の大きい方の電圧まで減少させる。そして、制御部２２は、直列／並列切換遷移制御処理の実行が完了した後、第１スイッチ素子Ｓ１をオンする。
このとき、図３（ａ）～（ｃ）に示すように、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２より大きい場合、第１スイッチ素子Ｓ１のダイオードが通電することによって第１バッテリＢ１から第２バッテリＢ２側に電流が流れるが、第２バッテリＢ２側にはリアクトル素子Ｒがあるので、第１スイッチ素子Ｓ１をオンしたときに突入電流は発生しない。しかしながら、図４（ａ）～（ｃ）に示すように、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２より小さい場合には、第１スイッチ素子Ｓ１と平滑コンデンサＣＨとの間にはリアクトル素子Ｒが無いために、第１スイッチ素子Ｓ１をオンした瞬間に平滑コンデンサＣＨから第１バッテリＢ１に向かって突入電流が発生する。なお、図３（ａ），図４（ａ）は直列／並列切換遷移制御処理の実行前後における第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１及び第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２を示している。
そこで、本発明の一実施形態である車両の電源装置では、制御部２２が以下に示す直列／並列切換処理を実行することにより第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際に突入電流が発生することを抑制する。以下、図５及び図６を参照して、直列／並列切換処理を実行する際の制御部２２の動作について説明する。
〔直列／並列切換処理〕
図５は、本発明の一実施形態である直列／並列切換制御処理の流れを示すフローチャートである。図６は、図５に示すステップＳ３の処理を説明するための図である。図５に示すフローチャートは、車両１のイグニッションスイッチがオフ状態からオン状態に切り換えられたタイミングでスタートとなり、直列／並列切換制御処理はステップＳ１の処理に進む。
ステップＳ１の処理では、制御部２２が、電源装置２に対する動作モード指令が並列接続状態であるか否かを判別する。判別の結果、動作モード指令が並列接続状態である場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、制御部２２は、直列／並列切換制御処理をステップＳ２の処理に進める。一方、動作モード指令が並列接続状態でない場合には（ステップＳ１：Ｎｏ）、制御部２２は、一連の直列／並列切換制御処理を終了する。
ステップＳ２の処理では、制御部２２が、第１スイッチ素子Ｓ１の状態がオフ状態であるか否かを判別する。判別の結果、第１スイッチ素子Ｓ１の状態がオフ状態である場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、制御部２２は、直列／並列切換制御処理をステップＳ３の処理に進める。一方、第１スイッチ素子Ｓ１の状態がオン状態である場合には（ステップＳ２：Ｎｏ）、制御部２２は、一連の直列／並列切換制御処理を終了する。
ステップＳ３の処理では、制御部２２が、図６（ａ），（ｂ）に示すように、時間経過と共に第２スイッチ素子Ｓ２のオン時間を短く、且つ、第３スイッチ素子Ｓ３のオン時間を長くしながら第２スイッチ素子Ｓ２及び第３スイッチ素子Ｓ３を交互にオン／オフする直列／並列切換遷移制御処理を実行することにより平滑コンデンサＣＨの電圧ＶＨを第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１及び第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２の大きい方の電圧まで減少させる。これにより、ステップＳ３の処理は完了し、直列／並列切換制御処理はステップＳ４の処理に進む。
ステップＳ４の処理では、制御部２２が、直列／並列切換遷移制御処理が完了したか否かを判別する。判別の結果、直列／並列切換遷移制御処理が完了した場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、制御部２２は、直列／並列切換制御処理をステップＳ５の処理に進める。一方、直列／並列切換遷移制御処理が完了していない場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、制御部２２は、所定時間が経過した後に再度ステップＳ４の処理を実行する。直列／並列切換遷移制御処理が完了したか否かは、例えば第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１、第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２、及び電源装置２の出力電圧ＶＨが同じになったことを検出することにより判別できる。
ステップＳ５の処理では、制御部２２が、電流センサ２１の検出信号に基づいて第１スイッチ素子Ｓ１のダイオードが通電しているか否かを判別する。判別の結果、第１スイッチ素子Ｓ１のダイオードが通電している場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、制御部２２は、直列／並列切換制御処理をステップＳ６の処理に進める。一方、第１スイッチ素子Ｓ１のダイオードが通電していない場合には（ステップＳ５：Ｎｏ）、制御部２２は、一連の直列／並列切換制御処理を終了する。なお、電流センサ２１の検出信号に基づいて誤判定をしないように、判定閾値は電流センサ２１の検出誤差を考慮して設定されている。
ステップＳ６の処理では、制御部２２が、第１スイッチ素子Ｓ１をオンする。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、一連の直列／並列切換制御処理は終了する。
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である直列／並列切換制御処理では、制御部２２が、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際、時間経過と共に第２スイッチ素子Ｓ２のオン時間を短く、且つ、第３スイッチ素子Ｓ３のオン時間を長くしながら第２スイッチ素子Ｓ２及び第３スイッチ素子Ｓ３を交互にオン／オフする直列／並列切換遷移制御処理を実行することにより平滑コンデンサＣＨの電圧ＶＨを第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１及び第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２の大きい方の電圧まで減少させ、第１スイッチ素子Ｓ１のダイオードが通電した後、第１スイッチ素子Ｓ１をオンするので、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際に突入電流が発生することを抑制できる。
より詳しくは、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換えると、第１バッテリＢ１、第２バッテリＢ２、及び平滑コンデンサＣＨが並列に接続されるので、平滑コンデンサＣＨには第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１及び第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２の高い方の電圧が印加され、電圧の低い方のバッテリには突入電流が流れ込むことになる。図２に示す構成では、第２バッテリＢ２側にリアクトル素子Ｒが配置されているので、一般的には第１バッテリＢ１の電圧が第２バッテリＢ２の電圧より高くなり、第２バッテリＢ２に突入電流が流れ込もうとする。しかしながら、リアクトル素子Ｒがあるので、第２バッテリＢ２に突入電流が流れ込むことは抑制される。但し、状況によっては第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２より低くなることもあるが、第１バッテリＢ１側にはリアクトル素子がないため、第１バッテリＢ１に突入電流が流れ込む。このため、本実施形態では、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２より低い場合であっても第１バッテリＢ１に突入電流が流れ込むことを抑制するために上述した制御を行っている。なお、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２より高い、つまり第１スイッチ素子Ｓ１のダイオードが通電した後ならば、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を並列接続状態にしても突入電流は発生しない。
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
１ 車両
２ 電源装置
３ インバータ
４ 駆動用モータ
２１ 電流センサ
２２ 制御部
Ｂ１ 第１バッテリ
Ｂ２ 第２バッテリ
ＣＨ 平滑コンデンサ
Ｎ１ 第１ノード
Ｎ２ 第２ノード
Ｎ３ 第３ノード
ＮＬ 負線
ＰＬ 正線
Ｒ リアクトル素子
Ｓ１ 第１スイッチ素子
Ｓ２ 第２スイッチ素子
Ｓ３ 第３スイッチ素子

Claims (4)

  1. 正線と第１ノードとの間に接続された第１スイッチ素子と、第１ノードと第２ノードとの間に接続された第２スイッチ素子と、第２ノードと負線との間に接続された第３スイッチ素子と、前記第１ノード及び前記負線にそれぞれ正極及び負極が接続された第１バッテリと、前記正線と第３ノードとの間に接続されたリアクトル素子と、前記第３ノード及び前記第２ノードにそれぞれ正極及び負極が接続された第２バッテリと、前記正線と前記負線との間に接続された平滑コンデンサと、を備え、前記第１スイッチ素子、前記第２スイッチ素子、及び前記第３スイッチ素子のオン／オフ状態を切り換えることにより、前記第１バッテリと前記第２バッテリとの接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で切り換え可能な車両の電源装置であって、
    前記第１バッテリと前記第２バッテリとの接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際、時間経過と共に前記第２スイッチ素子のオン時間を短く、且つ、前記第３スイッチ素子のオン時間を長くしながら前記第２スイッチ素子及び前記第３スイッチ素子を交互にオン／オフする遷移制御を実行することにより前記平滑コンデンサの電圧を前記第１バッテリの電圧と前記第２バッテリの電圧の高い方の電圧まで減少させ、前記第１スイッチ素子のダイオードが通電した後、前記第１スイッチ素子をオンする切換制御を実行する制御手段を備えることを特徴とする車両の電源装置。
  2. 前記制御手段は、前記第１スイッチ素子及び前記第３スイッチ素子をオフ状態、前記第２スイッチ素子をオン状態に制御することにより、前記第１バッテリと前記第２バッテリとの接続状態を直列接続状態に制御し、前記第１スイッチ素子及び前記第３スイッチ素子をオン状態、前記第２スイッチ素子をオフ状態に制御することにより、前記第１バッテリと前記第２バッテリとの接続状態を並列接続状態に制御することを特徴とする請求項１に記載の車両の電源装置。
  3. 前記制御手段は、前記第１バッテリの電圧が前記第２バッテリの電圧より小さい場合に前記切換制御を実行することを特徴とする請求項１又は２に記載の車両の電源装置。
  4. 前記制御手段は、前記第１スイッチ素子のダイオードが通電しない場合、前記第１バッテリと前記第２バッテリとの接続状態を直列接続状態に維持することを特徴とする請求項１～３のうち、いずれか１項に記載の車両の電源装置。
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