JP7059634B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本発明は、電源システムの技術分野に関する。

この種のシステムとして、バッテリの出力電圧を監視して、バッテリの異常を検出するものが知られている。例えば特許文献１では、バッテリの出力電圧を計測する電圧センサが異常値を示した場合には、バッテリの異常と判断し、バッテリレス走行（即ち、バッテリを使用しない走行）を行う技術が開示されている。

その他の関連技術として、特許文献２では、絶縁抵抗の低下（言い換えれば、漏電）が生じた部位を特定する技術が開示されている

特開２０１３－１１２０９８号公報 特開２０１２－１６５５３６号公報

車両の電源システムにおいては、交流部位（即ち、交流電流が流れる部位）で漏電が発生すると、ボデー（グラウンド）を介して形成された閉回路により回路共振が発生し、バッテリに異常が発生していないにもかかわらず、バッテリの電圧センサで検出される値が異常値となってしまうことがある。

特許文献１に記載されている技術では、上述した漏電に起因して異常値が検出された場合においても、車両がバッテリレス走行へと切り替わることになる。即ち、本来であればバッテリレス走行をすべきでない状況においても、バッテリレス走行が行われてしまう。その結果、不必要に走行可能距離や走行可能時間が短くなってしまう（即ち、走行性能が低下してしまう）という技術的問題点が生じ得る。

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、バッテリの電圧に異常が検出された場合でも、車両の走行性能を好適に維持することが可能な電源システムを提供することを課題とする。

本発明に係る電源システムの一態様では、車両において、バッテリから供給される電力を昇圧し、昇圧電圧としてモータに供給する電源システムであって、前記バッテリの電圧が異常値であることを検出する電圧検出手段と、前記異常値が検出された場合に、前記車両がバッテリレス走行を行うように、前記バッテリから供給される電力を遮断する電力遮断手段と、前記バッテリから供給される電力の漏電を検出する漏電検出手段と、前記漏電が検出された場合に、前記バッテリレス走行を中止するように前記電力遮断手段を制御する遮断制御手段と、前記漏電が発生している部位を特定する部位特定手段と、前記漏電が発生している部位が、前記昇圧電圧が印加される昇圧後部位である場合に、前記漏電が発生している部位が、前記昇圧後部位でない場合と比べて、前記昇圧電圧が低くなるように制御する電圧制御手段とを備える。

本実施形態に係る電源システムが搭載される車両の構成を示すブロック図である。 漏電発生時のセル電圧の変動を示すグラフである。 本実施形態に係る電源システムによる退避走行制御の動作の流れを示すブロック図である。 昇圧電圧低減処理による最大昇圧電圧の変化を示すグラフである。 漏電発生時のＧＮＤ電圧の変動を示すグラフである。

以下、図面を参照して電源システムの実施形態について説明する。

＜装置構成＞
まず、本実施形態に係る電源システムの構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る電源システムが搭載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、本実施形態に係る車両は、バッテリ１０と、セル電圧監視部１１と、システムメインリレー１２と、平滑コンデンサＣ１と、コンバータ２０と、平滑コンデンサＣ２と、インバータ３０と、モータジェネレータＭＧと、ボデー５０と、平滑コンデンサＣ３と、電圧器Ｖ１、Ｖ２と、ＤＤＣ（ＤＣ－ＤＣコンバータ）６０と、補機７０と、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１００とを備えている。

バッテリ１０は、充電可能な蓄電装置である。バッテリ１０の一例として、例えば、二次電池（例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等）が挙げられる。バッテリ１０には、セル電圧を監視するセル電圧監視部１１が設けられている。セル電圧監視部１１は、バッテリ１０のセル電圧が異常値となっているか否かを監視する。バッテリ１０からの電力供給は、システムメインリレー１２によって遮断可能に構成されている。なお、セル電圧監視部１１は、後述する付記における「電圧検出手段」の一具体例である。システムメインリレー１２は、後述する付記における「電力遮断手段」の一具体例である。

平滑コンデンサＣ１は、バッテリ１０の正極線とバッテリ１０の負極線との間に接続された電圧平滑用のコンデンサである。平滑コンデンサＣ１は、正極線と負極線との間の端子間電圧ＶＬの変動を平滑化するためのコンデンサである。

コンバータ２０は、リアクトルＬ１と、整流ダイオードＤ１が接続されたスイッチング素子Ｑ１と、整流ダイオードＤ２が接続されたスイッチング素子Ｑ２とを備えている。コンバータ２０では、各スイッチング周期内でスイッチング素子Ｑ１及びＱ２が相補的かつ交互にオンオフするように制御される。

コンバータ２０は、昇圧動作時において、バッテリ１０から供給された直流電圧ＶＬを直流電圧ＶＨ（インバータ３０への入力電圧に相当するこの直流電圧を、以下「昇圧電圧」とも称する）に昇圧する。この昇圧動作は、スイッチング素子Ｑ２のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ１及び整流ダイオードＤ１を介して供給することにより行われる。

また、コンバータ２０は、降圧動作時には、直流電圧ＶＨを直流電圧ＶＬに降圧する。この降圧動作は、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ２及び整流ダイオードＤ２を介して供給することにより行われる。

これらの昇圧動作及び降圧動作における電圧変換比（即ち、ＶＨ及びＶＬの比）は、上記スイッチング周期におけるスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン期間比（即ち、デューティ比）により制御される。なお、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２をオン及びオフにそれぞれ固定すれば、ＶＨ＝ＶＬ（電圧変換比＝１．０）とすることもできる。

平滑コンデンサＣ２は、コンバータ２０とインバータ３０との間に配置された電圧平滑用のコンデンサである。平滑コンデンサＣ２は、昇圧電圧ＶＨの変動を平滑化するためのコンデンサである。

インバータ３０は、コンバータ２０から供給される直流電力（直流電圧）を交流電力（具体的には、三相交流電圧）に変換する。インバータ３０は、直流電力を交流電力に変換するために、ｐ側スイッチング素子Ｑｕｐ及びｎ側スイッチング素子Ｑｕｎを含むＵ相アーム、ｐ側スイッチング素子Ｑｖｐ及びｎ側スイッチング素子Ｑｖｎを含むＶ相アーム、並びにｐ側スイッチング素子Ｑｗｐ及びｎ側スイッチング素子Ｑｗｎを含むＷ相アームを備えている。インバータ３０が備える各アームは、正極線と負極線との間に並列に接続されている。ｐ側スイッチング素子Ｑｕｐ、Ｑｖｐ及びＱｗｐには、整流用ダイオードＤｕｐ、Ｄｖｐ及びＤｗｐが夫々接続されている。ｎ側スイッチング素子Ｑｕｎ、Ｑｖｎ及びＱｗｎについても同様に、整流用ダイオードＤｕｎ、Ｄｖｎ及びＤｗｎが夫々接続されている。インバータ３０の各スイッチング素子Ｑｕｐ～Ｑｗｎは、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によってスイッチングのオンオフが制御される。

インバータ３０における各相アームの上側アーム（つまり、各ｐ側スイッチング素子）と下側アーム（つまり、各ｎ側スイッチング素子）との中間点は、夫々モータジェネレータＭＧの各相コイルに接続されている。その結果、インバータ３０による変換動作の結果生成される交流電力（三相交流電圧）が、モータジェネレータＭＧに供給される。

モータジェネレータＭＧは、三相交流電動発電機として構成されている。モータジェネレータＭＧは、車両が走行するために必要なトルクを発生するように駆動する。モータジェネレータＭＧが発生したトルクは、当該モータジェネレータＭＧの回転軸に機械的に連結された駆動軸を介して、駆動輪に伝達される。なお、モータジェネレータＭＧは、車両の制動時等に電力回生（発電）を行ってもよい。モータジェネレータＭＧは、後述する付記における「モータ」の一具体例である。

ボデー５０は、車両の筐体部分であり、本実施形態に係る電源システムにおけるグラウンド（ＧＮＤ）として機能している。

平滑コンデンサＣ３は、バッテリ１０とボデー５０との間に配置された電圧平滑用のコンデンサである。電圧器Ｖ１は、バッテリ１０の正極線とボデー５０との間に配置された電圧検出器である。電圧器Ｖ２は、バッテリ１０の負極線とボデー５０との間に配置された電圧検出器である。

ＤＤＣ６０は、ＤＣ－ＤＣコンバータであり、バッテリ１０から供給される直流電力を変圧して、補機７０に供給可能に構成されている。補機７０は、車両において電力を消費して動作する部位であり、一例としてエアーコンプレッサー等が挙げられる。

ＥＣＵ１００は、車両における各部の動作を制御するための電子制御ユニットである。ＥＣＵ１００は、その機能を実現するための処理ブロックとして、漏電検出部１１０、電力遮断制御部１２０、漏電部位特定部１３０、昇圧電圧制御部１４０を備えている。

漏電検出部１１０は、後述する付記における「漏電検出手段」の一具体例であり、本実施形態に係る電源システムにおける漏電の発生を検出する。電力遮断制御部１２０は、後述する付記における「遮断制御手段」の一具体例であり、システムメインリレー１２を制御することで、バッテリ１０からの電力供給（即ち、供給又は遮断）を制御する。漏電部位特定部１３０は、後述する付記における「部位特定手段」の一具体例であり、漏電検出部１１０において検出された漏電が、電源システムにおけるどの部位において発生しているかを特定する。昇圧制御部１４０は、後述する付記における「電圧制御手段」の一具体例であり、本実施形態に係る電源システムにおける昇圧電圧（即ち、昇圧電圧ＶＨ）の上限値である最大昇圧電圧を制御する。上記ＥＣＵ１００の各部の動作については、後に詳細に説明する。

＜漏電発生時のセル電圧異常＞
次に、本実施形態に係る電源システムにおいて漏電が発生した場合に生じ得るセル電圧の異常について、図２を参照して具体的に説明する。図２は、漏電発生時のセル電圧の変動を示すグラフである。

図２に示すように、本実施形態に係る電源システムにおいて漏電が発生すると、セル電圧監視部１１において検出されるセル電圧に大きな変動が生ずる。具体的には、交流部位において地絡故障が発生すると（図１参照）、ボデー５０を介した閉回路において回路共振が発生し、ボデー（即ち、グラウンド）の電位（以下、適宜「ＧＮＤ電位」と称する）が変動する。すると、ＧＮＤ電位を基準として検出されているセル電圧にも変動が生ずる。よって、漏電が発生すると、セル電圧の大きな変動が発生し、バッテリ１０に異常が発生していると誤検出されてしまうおそれがある。

本実施形態に係る車両では、バッテリ１０に異常が発生した場合には、システムメインリレー１２がオフとされ、バッテリレス走行が行われる。しかしながら、上述したように漏電に起因してバッテリ１０の異常が誤検出されてしまうと、バッテリ１０には異常が発生していないにもかかわらず、バッテリレス走行が行われてしまうおそれがある。この場合、不必要に走行可能距離や走行可能時間が短くなってしまう。

本実施形態に係る電源システムは、上述した走行性能の低下を防止するために、以下に詳述するような退避走行制御を実行する。

＜退避走行制御＞
本実施形態に係る電源システムが実行する退避走行制御出（即ち、バッテリ１０異常時に退避走行を行うための制御）について、図３を参照して説明する。図３は、本実施形態に係る電源システムによる退避走行制御の動作の流れを示すブロック図である。

図２に示すように、退避走行制御時には、まずセル電圧監視部１１が、セル電圧の異常が検出されているか否かを判定する（ステップＳ１１）。具体的には、バッテリ１０のセル電圧が、予め設定された閾値（即ち、異常値を判定するための閾値）を超えているか否かを判定する。

セル電圧の異常が検出された場合には（ステップＳ１１：ＹＥＳ）、退避走行としてバッテリレス走行を選択し、ＨＶコーションを点灯させる（ステップＳ１３）。バッテリレス走行が選択された場合には、電力遮断制御部１２０がシステムメインリレー１２をオフにする（ステップＳ１４）。

続いて、漏電検出部１１が、電源システムにおいて漏電が発生しているか否かを判定する（ステップＳ１４）。なお、漏電の発生を検出する方法については、既存の技術を適宜採用することが可能であるため、ここでの詳細な説明は省略する。漏電が検出されない場合には（ステップＳ１４：ＮＯ）、バッテリレス走行が継続される。

漏電が検出された場合には（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、退避走行としてダイアグありの通常走行が選択され、ＨＶコーションを点灯させる（ステップＳ１５）。この場合、バッテリレス走行を中止するために、電力遮断制御部１２０がシステムメインリレー１２をオンにする（ステップＳ１６）。

上記のように、本実施形態に係る電源システムでは、漏電が発生していることが検出された場合には、バッテリレス走行が中止される。即ち、漏電が発生している場合には、バッテリ１０に異常が生じていないにもかかわらず、バッテリ１０のセル電圧が異常値として検出されていると判断し、本来であれば行うはずのバッテリレス走行を行わないようにする。このようにすれば、バッテリ１０に異常が生じていないにもかかわらず、バッテリレス走行が行われ、その結果として車両の走行性能が低下してしまうことを防止できる。

続いて、漏電部位特定部１３０が、電源システムにおける漏電が発生している部位を特定する。なお、漏電が発生している部位の特定については、昇圧後エリアの部位（例えば、コンバータ２０、インバータ３０、及びモータジェネレータＭＧ等）であるか否かを特定できればよい。漏電が発生している部位を特定する方法については、既存の技術を適宜採用することが可能であるため、ここでの詳細な説明は省略する。

漏電部位特定部１３０の特定結果が、昇圧後エリアであった場合（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、昇圧電圧制御部１４０が昇圧電圧低減処理（即ち、昇圧電圧ＶＨの最大値を低くする処理）を実行する（ステップＳ１９）。一方、漏電部位特定部１３０の特定結果が、昇圧後エリア以外のエリアであった場合（ステップＳ１８：ＮＯ）、昇圧電圧低減処理は実行されない。

ここで、昇圧電圧低減処理について、図４及び図５を参照して詳細に説明する。図４は、昇圧電圧低減処理による最大昇圧電圧の変化を示すグラフである。図５は、漏電発生時のＧＮＤ電圧の変動を示すグラフである。

図４に示すように、昇圧電圧低減処理では、昇圧後エリアにおける漏電が確定すると、最大昇圧電圧が通常時の値よりも低くなるように変更される。よって、昇圧後エリアで漏電が発生している場合には、昇圧後エリア以外で漏電が発生している場合と比べて、昇圧電圧ＶＨは低くなる

図５に示すように、漏電発生時のＧＮＤ電位の変動は、昇圧電圧ＶＨに依存している。具体的には、昇圧電圧ＶＨが高いほど、ＧＮＤ電位の変動は大きくなる。つまり、昇圧電圧ＶＨが高いほど、漏電発生時にバッテリ１０の異常が検出され易くなると言える。

これに対し、本実施形態に係る電源システムでは、漏電が発生している部位が昇圧後エリアである場合には、上述した昇圧電圧低減処理が実行される。このようにすれば、昇圧電圧ＶＨに依存して大きくなる漏電発生時のＧＮＤ電位の変動を抑制することができる。よって、ＧＮＤ電圧を基準に検出されるバッテリ１０のセル電圧の変動も抑制することができる。この結果、漏電が発生している場合であっても、バッテリ１０の電圧の正確な値を検出し易くすることが可能である。

＜付記＞
以上説明した実施形態から導き出される発明の各種態様を以下に説明する。

（付記１）
付記１に記載の電源システムは、車両において、バッテリから供給される電力を昇圧し、昇圧電圧としてモータに供給する電源システムであって、前記バッテリの電圧が異常値であることを検出する電圧検出手段と、前記異常値が検出された場合に、前記車両がバッテリレス走行を行うように、前記バッテリから供給される電力を遮断する電力遮断手段と、前記バッテリから供給される電力の漏電を検出する漏電検出手段と、前記漏電が検出された場合に、前記バッテリレス走行を中止するように前記電力遮断手段を制御する遮断制御手段と、前記漏電が発生している部位を特定する部位特定手段と、前記漏電が発生している部位が、前記昇圧電圧が印加される昇圧後部位である場合に、前記漏電が発生している部位が、前記昇圧後部位でない場合と比べて、前記昇圧電圧が低くなるように制御する電圧制御手段とを備える。

漏電が発生した場合には、交流部位の地絡故障によってグラウンド電位が変動し、グラウンド電位を基準として検出されるバッテリの電圧も大きく変動する。このため、バッテリに異常が生じていないにもかかわらず、バッテリの電圧が異常値として検出されてしまうおそれがある。

これに対し、付記１に記載の電源システムでは、漏電が発生していることが検出された場合には、バッテリレス走行が中止される。即ち、漏電が発生している場合には、バッテリに異常が生じていないにもかかわらず、バッテリの電圧が異常値として検出されていると判断し、本来であれば行うはずのバッテリレス走行を行わないようにする。このようにすれば、バッテリに異常が生じていないにもかかわらず、バッテリレス走行が行われ、その結果として不必要に走行可能距離や走行可能時間が低下してしまうことを防止できる。

また、付記１に記載の電源システムでは、漏電が発生している部位が昇圧後部位である場合には、漏電が発生している部位が昇圧後部位でない場合と比べて、昇圧電圧が低くなるように制御される。このようにすれば、昇圧電圧に依存して大きくなる漏電発生時のグラウンド電圧の変動を抑制することができる。よって、グラウンド電圧を基準に検出されるバッテリの電圧の変動も抑制することができる。この結果、漏電が発生している場合であっても、バッテリの電圧の正確な値を検出し易くすることが可能である。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電源システムもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１０ バッテリ
１１ セル電圧監視部
１２ システムメインリレー
Ｃ１ 平滑コンデンサ
２０ コンバータ
Ｌ１ リアクトル
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子
Ｄ１、Ｄ２ 整流ダイオード
Ｃ２ 平滑コンデンサ
２０ インバータ
Ｑｕｐ～Ｑｗｎ スイッチング素子
Ｄｕｐ～Ｄｗｎ 整流ダイオード
ＭＧ モータジェネレータ
５０ ボデー
Ｃ３ 平滑コンデンサ
Ｖ１，Ｖ２ 電圧器
６０ ＤＤＣ
７０ 補機
１００ ＥＣＵ
１１０ 漏電検出部
１２０ 電力遮断制御部
１３０ 漏電部位特定部
１４０ 昇圧電圧制御部

Claims (1)

1. 車両において、バッテリから供給される電力を昇圧し、昇圧電圧としてモータに供給する電源システムであって、
   前記バッテリの電圧が異常値であることを検出する電圧検出手段と、
   前記異常値が検出された場合に、前記車両が前記バッテリから供給される電力以外の駆動力を用いて走行するバッテリレス走行を行うように、前記バッテリから供給される電力を遮断する電力遮断手段と、
   前記バッテリから供給される電力の漏電を検出する漏電検出手段と、
   前記漏電が検出された場合に、前記バッテリレス走行を中止して、前記バッテリから供給される電力を用いる走行に復帰するように前記電力遮断手段を制御する遮断制御手段と、
   前記漏電が発生している部位を特定する部位特定手段と、
   前記漏電が発生している部位が、前記昇圧電圧が印加される昇圧後部位である場合に、前記漏電が発生している部位が、前記昇圧後部位でない場合と比べて、前記昇圧電圧が低くなるように制御する電圧制御手段と
   を備えることを特徴とする電源システム。

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