JP7066529B2 - Ｄｃ／ｄｃ変換ユニット - Google Patents

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Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣ変換ユニットに関する。
近年、ハイブリッド車や電気自動車においては、駆動モータ用の高圧バッテリ（駆動電源）と、該高圧バッテリからの出力を駆動モータ以外の各種電装品に対応する電圧に変換するＤＣ／Ｄ変換器と、を備えるものが提案されている。
また、車両の運転中に、ＤＣ／ＤＣ変換器の故障などにより上記電装品に対する電源供給が失われないようにするため、ＤＣ／ＤＣ変換器を２つ設ける技術が提案されている（特許文献１）。特に、電装品が自動運転に関係するものである場合に有効な技術である。
しかしながら、ＤＣ／ＤＣ変換器は発熱量が多いため、ＤＣ／ＤＣ変換器を２つ設けると冷却系も２つ必要となり、コスト的に問題があった。
特開２０１５－８０３７２号公報
本発明は、以上の背景に鑑みてなされたものであり、コストダウンを図ったＤＣ／ＤＣ変換ユニットを提供することを目的としている。
本発明の態様であるＤＣ／ＤＣ変換ユニットは、車両のモータに電源供給する駆動電源の電源電圧をＤＣ／ＤＣ変換して、車両に搭載された電装品に供給する２つのＤＣ／ＤＣ変換器と、前記２つのＤＣ／ＤＣ変換器を収容する収容ケースと、を備えたことを特徴とする。
また、前記２つのＤＣ／ＤＣ変換器をそれぞれ独立して制御する２つの制御部をさらに備えてもよい。
また、前記２つのＤＣ／ＤＣ変換器の出力間に接続されたスイッチをさらに備え、前記２つの制御部は、互いを監視し、前記２つの制御部のうち何れか一方の故障を検出すると前記スイッチをオフ制御してもよい。
また、前記スイッチは、前記収容ケースに収容されていてもよい。
また、前記電装品と２つのＤＣ／ＤＣ変換器の出力との間にそれぞれ２つの電装品電源が設けられていてもよい。
以上説明したように上記態様によれば、１つの収容ケースに、２つのＤＣ／ＤＣ変換器を収容することにより、２つのＤＣ／ＤＣ変換器に対して共通の冷却系を用いることができ、コストダウンを図ることができる。
本発明のＤＣ／ＤＣ変換ユニットを組み込んだ電源装置の一実施形態を示す回路図である。 図１に示す電源装置のさらに詳細を示す回路図である。 図１に示す２つのＤＣ／ＤＣ変換器各々の出力電力に対する効率の関係を示すグラフである。 図３に示す特性を有する２つのＤＣ／ＤＣ変換器を協調制御したとき、協調制御しなかったとき、それぞれの出力電力に対する効率の関係を示すグラフである。 他の実施形態における図１に示す２つのＤＣ／ＤＣ変換器各々の出力電力に対する効率の関係を示すグラフである。 図５に示す特性を有する２つのＤＣ／ＤＣ変換器を協調制御したとき、協調制御しなかったとき、それぞれの出力電力に対する効率の関係を示すグラフである。 他の実施形態における図１に示す２つのＤＣ／ＤＣ変換器各々の出力電力に対する効率の関係を示すグラフである。 図７に示す特性を有する２つのＤＣ／ＤＣ変換器を協調制御したとき、協調制御しなかったとき、それぞれの出力電力に対する効率の関係を示すグラフである。
以下、本発明の一実施形態を、図１及び図２に基づいて説明する。図１に示す電源装置１は、モータ（図示せず）により駆動するハイブリッド車、電気自動車などに搭載され、電装品である自動運転負荷５や一般負荷６に電源を供給する。
同図に示すように、電源装置１は、駆動電源としての駆動用バッテリ２と、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット３と、電装品電源としての２つの第１サブバッテリ４Ａ、第２サブバッテリ４Ｂと、自動運転負荷５と、一般負荷６と、を備えている。
駆動用バッテリ２は、ハイブリッド車や電気自動車の駆動用の動力源であるモータを駆動させることを主目的とするメインバッテリである。駆動用バッテリ２は、直流を交流に変換するインバータ回路（図示せず）を介してモータに接続されている。このため、駆動用バッテリ２としては、高電圧、大容量のバッテリを用いている。
ＤＣ／ＤＣ変換ユニット３は、高圧の駆動用バッテリ２の電源電圧をＤＣ／ＤＣ変換して、低圧の第１サブバッテリ４Ａ、第２サブバッテリ４Ｂや自動運転負荷５、一般負荷６に供給する。ＤＣ／ＤＣ変換ユニット３の詳細については後述する。
第１、第２サブバッテリ４Ａ、４Ｂは、モータ以外の低圧で駆動する電装品（自動運転負荷５、一般負荷）を駆動させることを主目的とするサブバッテリである。このため、第１、第２サブバッテリ４Ａ、４Ｂとしては、駆動用バッテリ２に比べて低電圧、小容量のバッテリを用いている。
また、第１、第２サブバッテリ４Ａ、４Ｂは各々別体に設けられている。第１サブバッテリ４Ａは、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット３から出力される電力により充電されると共に、自動運転負荷５及び一般負荷６の双方に電力を供給する。第２サブバッテリ４Ｂは、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット３から出力される電力により充電されると共に、自動運転負荷５のみに電力を供給する。第２サブバッテリ４Ｂから一般負荷６へは電力が供給されない。
第１、第２サブバッテリ４Ａ、４Ｂは、出力電圧が同じバッテリである。第２サブバッテリ４Ｂは、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット３から第１バッテリ４Ａへの充電が途絶える電源異常が生じたときに、少なくとも自動運転負荷５に電力供給を継続させるための補助的なバッテリである。これにより、車両は、上述した電源異常が生じても、自動運転を継続させることができ、最寄のサービス拠点に戻ることができる。
本実施形態では、第２サブバッテリ４Ｂは自動運転負荷５のみに電力を供給し、第１サブバッテリ４Ａよりも容量を少ないものを採用している。勿論これに限ったものではなく、第２サブバッテリ４Ｂは自動運転負荷５及び一般負荷６の双方に電力を供給できるようにしてもよいし、第１サブバッテリ４Ａと第２サブバッテリ４Ｂとの容量を同じにしてもよい。
自動運転負荷５は、アクセル、ハンドル、ブレーキの少なくとも一つの駆動、制御などを行う、自動運転に必要な電装品から構成されている。一般負荷６は、エアコンやオーディオなど自動運転に必要ではない電装品から構成されている。
次に、ＤＣ／ＤＣ変換ユニット３の詳細について説明する。ＤＣ／ＤＣ変換ユニット３は、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂと、スイッチ３２と、これら２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂ及びスイッチ３２を収容する収容ケース３３と、２つの制御部３４Ａ、３４Ｂ（図２）と、を備えている。
２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂは各々、スイッチング素子、コイルなどから構成された周知のＤＣ／ＤＣ変換器である。２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂは各々、駆動用バッテリ２の電源電圧を降圧して第１、第２サブバッテリ４Ａ、４Ｂ、自動運転負荷５、一般負荷６に適した電圧に変換する。
ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの出力には、第１サブバッテリ４Ａが接続される。ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの出力には、第２サブバッテリ４Ｂが接続される。
スイッチ３２は、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの出力間に設けられている。このスイッチ３２をオンすると、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの出力間が接続され、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの出力に第２サブバッテリ４Ｂが接続されると共に、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの出力に第１サブバッテリ４Ａが接続される。上記スイッチ３２をオフすると、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの出力間が切断され、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの出力と第２サブバッテリ４Ｂとの接続が切り離されると共に、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの出力と第１サブバッテリ４Ａとの接続が切り離される。
上記スイッチ３２は、後述する２つの制御部３４Ａ、３４Ｂ（図２）の双方によりオンオフ制御される。制御部３４Ａ、３４Ｂは、通常時はスイッチ３２をオンする。これにより、通常時において、第１サブバッテリ４Ａは、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの双方の出力電力により充電され、第２サブバッテリ４Ｂも、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの双方の出力電力により充電される。
一方、制御部３４Ａ、３４Ｂは、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの何れか一方に異常が発生した時はスイッチ３２をオフする。例えば、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの異常発生時にスイッチ３２がオフすると、異常が発生したＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａと第２サブバッテリ４Ｂとの接続が切り離される。これにより、異常なＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの出力電圧が、第２サブバッテリ４Ｂや自動運転負荷５に供給されることがなく、正常なＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの出力電圧のみが第２サブバッテリ４Ｂや自動運転負荷５に供給されるため、自動運転負荷５への電源供給を継続できる。
同様に、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの異常発生時にスイッチ３２がオフすると、異常が発生したＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂと第１サブバッテリ４Ａとの接続が切り離される。これにより、異常なＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの出力電圧が、第１サブバッテリ４Ａや自動運転負荷５、一般負荷６に供給されることがなく、正常なＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの出力電圧のみが第１サブバッテリ４Ａや自動運転負荷５、一般負荷６に供給されるため、自動運転負荷５、一般負荷６への電源供給を継続できる。
上記２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂは、１つの収容ケース３３内に収容されている。即ち、１つの収容ケース３３によって外部空間とは仕切られた１つの空間に、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂが収容される。このように１つの収容ケース３３に、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂが収容されているので、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂに対して共通の冷却系を用いることができ、コストダウンを図ることができる。
冷却系としては、収容ケース３３内の温度を冷却できる周知の冷却系を用いればよい。冷却系としては、例えば、外部の空気を収容ケース３３内に取り込む冷却ファンを設ける構成や、収容ケース３３内に熱交換器などを設ける構成することが考えられる。また、冷却媒体としては、液体であってもよいし、気体であってもよい。
また、スイッチ３２も、１つの収容ケース３３内に収容されている。このため、スイッチ３２をＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの近くに配置することにより、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂを制御する後述する制御部３４Ａ、３４Ｂによりスイッチ３２のオンオフを制御できる。即ち、制御部３４Ａ、３４Ｂとは別にスイッチ３２のオンオフ制御用の制御部を設ける必要がなく、コストダウンを図ることができる。
２つの制御部３４Ａ、３４Ｂは、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどから構成されたマイクロコンピュータから構成され、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂをそれぞれ独立して制御する。「独立して制御する」とは、２つの制御部３４Ａ、３４Ｂは各々別々の部品から構成されていることを意味し、制御部３４Ａを構成するマイコンと、制御部３４Ｂを構成するマイコンと、は別部品であることを意味する。
このように制御部３４Ａ、３４Ｂを２つ設け、それぞれにＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの制御を独立して行わせることにより、制御部３４Ａ、３４Ｂの一方が故障しても他方が対応するＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの動作を継続させることができる。このため、自動運転負荷５への電源供給遮断を抑制することができる。
そして、制御部３４Ａが、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの変換制御を行い、制御部３４Ｂが、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの変換制御を行い、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂから所望の出力電圧が出力されるように制御する。２つの制御部３４Ａ、３４Ｂは、収容ケース３３内に収容されていてもよいし、収容ケース３３の外部に設けてもよい。
次に、上記２つの制御部３４Ａ、３４Ｂが行う変換制御について説明する。２つの制御部３４Ａ、３４Ｂは各々、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂに内蔵されたスイッチング素子のオンオフ制御を行うことによって、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの動作を制御している。
本実施形態では、２つの制御部３４Ａ、３４Ｂは、例えばイグニッションスイッチのオンに応じてＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの制御を開始するが、同時に変換制御を開始せず、以下に示す協調制御を実行する。協調制御において、まず、先に制御部３４Ｂが、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの変換制御を開始する。このとき、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの動作は停止されている。その後、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの出力電力がある程度高くなると、もう一方の制御部３４ＡがＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの変換制御を開始する。
これにより、変換開始時の出力電力が低いときに２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの動作が実行されることがなく、効率向上を図ることができる。なお、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの変換制御開始のタイミングは、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの出力電圧が閾値を上回ったタイミングでもよいし、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの制御開始から予め定めた時間経過したタイミングとしてもよい。
上記効果をシミュレーションにより確認する。図３は、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂ各々の出力電力に対する効率の関係を示すグラフである。２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂは、同じ出力電力対効率特性のものを用いている。同図に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂは、出力電力が低い間、効率が悪く、出力電力が高くなるに従って急激に効率がよくなる。そして、出力電力がある程度高くなると、出力電力が高くなるに従って緩やかに効率が低下する。
そして、制御部３４Ａ、３４Ｂが上記特性のＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの協調制御を実行した時と、制御部３４Ａ、３４Ｂが協調制御を実行しなかった時（即ち２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの変換制御を同時に開始する制御を実行した時）の出力電力に対する効率の関係をシミュレーションした。結果を図４に示す。同図からも明らかなように、協調制御を行うことにより、出力電力が低いときの効率を改善することができることが分かった。
なお、上記実施形態によれば、２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの出力電力対効率特性は同じであったが、これに限ったものではない。例えば、図５及び図７に示すように２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの出力電力対効率特性が異なっていてもよい。なお、図６は、図５に示す特性を有するＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂを協調制御したとき、協調制御しなかったとき、それぞれの出力電力に対する効率の関係を示すグラフである。また、図８は、図７に示す特性を有するＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂを協調制御したとき、協調制御しなかったとき、それぞれの出力電力に対する効率の関係を示すグラフである。図５及び図７に示すように、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂは、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａに比べて出力電力が低いときの効率がよいが、出力電力が高いときの効率は悪い。
この場合、制御部３４Ａ、３４Ｂが、出力電力が低いときの効率がよいＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの変換制御を先に開始して、後から出力電力が高いときの効率がよいＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの変換制御を開始すれば、図６及び図８に示すように、出力電力が低いときの効率をより一層、改善することができる。
また、２つの制御部３４Ａ、３４Ｂは、互いに監視して、２つの制御部３４Ａ、３４Ｂのうち何れか一方の故障を検出すると、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂの何れか一方に異常が生じていると判断してスイッチ３２をオフ制御する。制御部３４Ａは、自身からＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａに対して出力される制御信号、制御部３４ＢからＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂに対して出力される制御信号を監視して、何れか一方でも制御信号が出力されなくなると、スイッチ３２をオフする。
同様に、制御部３４Ｂも、自身からＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂに対して出力される制御信号、制御部３４ＡからＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａに対して出力される制御信号を監視して、何れか一方でも制御信号が出力されなくなると、スイッチ３２をオフする。
制御部３４Ａが故障するとＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａからの所望の出力電圧が出力されなくなる。本実施形態では、制御部３４Ａが故障すると、制御部３４Ａ、３４Ｂがスイッチ３２をオフして異常が発生しているＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａを切り離すことができる。そして、正常なＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂからの出力電圧により第２サブバッテリ４Ｂ、自動運転負荷５への電源供給を継続させることができる。
また、制御部３４Ｂが故障した場合は、制御部３４Ａ、３４Ｂがスイッチ３２をオフして異常が発生しているＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂを切り離すことができる。そして、正常なＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａからの出力に基づいて第１サブバッテリ４Ａ、自動運転負荷５及び一般負荷６への電源供給を継続させることができる。
なお、上述した実施形態によれば、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂは２つの制御部３４Ａ、３４Ｂによってそれぞれ独立して制御されていたが、これに限ったものではない。１つの制御部によって２つのＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａ、３１Ｂを制御するようにしてもよい。
また、上述した実施形態によれば、スイッチ３２は、収容ケース３３に収容されていたが、これに限ったものではない。スイッチ３２を収容ケース３３外に設けてもよい。
また、上述した実施形態によれば、電源装置１には２つの第１サブバッテリ４Ａ、第２サブバッテリ４Ｂが設けられていたが、これに限ったものではない。第１サブバッテリ４Ａのみ設けるようにしてもよい。
また、上述した実施形態によれば、制御部３４Ａ、３４Ｂは、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの変換制御を先に開始し、その後、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの変換制御を開始していたが、これに限ったものではない。ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ａの変換制御を先に開始し、その後、ＤＣ／ＤＣ変換器３１Ｂの変換制御を開始するようにしてもよい。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
２ 駆動用バッテリ（駆動電源）
３ ＤＣ／ＤＣ変換ユニット
４Ａ 第１サブバッテリ（電装品電源）
４Ｂ 第２サブバッテリ（電装品電源）
５ 自動運転負荷（電装品）
６ 一般負荷（電装品）
３１Ａ、３１Ｂ ＤＣ／ＤＣ変換器
３２ スイッチ
３３ 収容ケース
３４Ａ、３４Ｂ 制御部

Claims (3)

  1. 車両のモータに電源供給する駆動電源の電源電圧をＤＣ／ＤＣ変換して、車両に搭載された電装品に供給する２つのＤＣ／ＤＣ変換器と、
    前記２つのＤＣ／ＤＣ変換器を収容する収容ケースと、
    前記２つのＤＣ／ＤＣ変換器をそれぞれ独立して制御する２つの制御部と、
    前記２つのＤＣ／ＤＣ変換器の出力間に接続されたスイッチと、を備え、
    前記２つの制御部は、互いを監視し、前記２つの制御部のうち何れか一方の故障を検出すると前記スイッチをオフ制御することを特徴とするＤＣ／ＤＣ変換ユニット。
  2. 前記スイッチは、前記収容ケースに収容されていることを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣ変換ユニット。
  3. 前記電装品と２つのＤＣ／ＤＣ変換器の出力との間にそれぞれ２つの電装品電源が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載のＤＣ／ＤＣ変換ユニット。
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