WO2022269830A1

WO2022269830A1 - 電池電源回路

Info

Publication number: WO2022269830A1
Application number: PCT/JP2021/023854
Authority: WO
Inventors: 和征榊原
Original assignee: 株式会社EViP
Priority date: 2021-06-23
Filing date: 2021-06-23
Publication date: 2022-12-29

Abstract

【課題】乗用移動体の安全性を向上することのできるようにする。【解決手段】電池電源回路が、乗用移動体を自動運転する制御部と、電池電源と、乗用移動体を駆動するためのモータを駆動するインバータ回路と、を備え、制御部が設定した移動ルートの目的地までの残り距離および電池電源の残容量に応じて、目的地到着時の電池電源の残容量が所定値を下回らないように電池電源の放電量を調整する。

Description

電池電源回路

　本発明は、電池電源回路に関する。

　近年、地球環境への配慮から、内燃機関すなわちエンジンで駆動する自動車がモータで駆動する電気自動車に置き換わりつつある。特に、電気自動車には自動運転技術が開発され始め、また、次世代型交通移動手段として、人が乗るドローン（乗用飛行体）の開発が注目され始めている。

特開2020-125057号公報

　しかしながら、自動運転機能により所望の走行ルートを自動運転走行する場合、その走行ルートの途中に、不意の電池電源の電力消費量の増加、例えば、乗員によるエアコンの多用、または、渋滞による発進および停止の繰り返し、のように目的地に到着するまでの電池電源の残容量が不足し目的地に到着できない、または、目的地周辺にて復路に備えるための充電器による充電を必要とする等の利便性が低下する課題がある。

　本発明はこのような背景を鑑みてなされたものであり、乗用移動体の安全性を向上することのできる技術を提供することを目的とする。

　上記課題を解決するための本発明の主たる発明は、電池電源回路であって、乗用移動体を自動運転する制御部と、電池電源と、前記乗用移動体を駆動するためのモータを駆動するインバータ回路と、を備え、前記制御部が設定した移動ルートの目的地までの残り距離および前記電池電源の残容量に応じて、前記目的地到着時の前記電池電源の残容量が所定値を下回らないように前記電池電源の放電量を調整する。

　その他本願が開示する課題やその解決方法については、発明の実施形態の欄及び図面により明らかにされる。

　本発明によれば、乗用移動体の安全性を向上することができる。

電池電源回路１０１の構成の概略を示す回路ブロック図である。電池電源回路２０１の構成の概略を示す回路ブロック図である。電池電源回路２０２の構成の概略を示す回路ブロック図である。電池電源回路２０３の構成の概略を示す回路ブロック図である。電池電源回路３００の構成の概略を示す回路ブロック図である。電池電源回路３００のメインコントローラ９の制御の概略を示すフローチャート図である。絶縁性通信ライン８ａないし８ｇの詳細を示す回路図である。

　電池電源回路１０１は、図１に示すように、複数のリチウムイオン二次電池セルを直列接続した電池セル群１を有する駆動電池モジュール２を３相インバータ回路６へ接続する。３相インバータ回路６は、前記駆動電池モジュール２から入力した直流電圧を３相交流電圧へ変換および出力し３相モータ７へ前記３相交流電圧を印加し３相モータ７の駆動を制御する。

　電池電源回路２０１は、図２に示すように、前記電池電源回路１０１のモータ７が電気自動車の前輪または後輪のいずれか一方を駆動する形態であることに対して、モータ７Ｆが前輪駆動、および、モータ７Ｒが後輪駆動、というように、駆動源を２個のモータに分担する形態となる。これによって、前記３相モータ７Ｆおよび７Ｒのトルク出力は、前記電池電源回路１０１の3相モータ７のトルク出力に対し、電気自動車の重量が同じであれば概ね半減できる。したがって、トルク出力と正の相関を有する３相モータ７Ｆおよび７Ｒにそれぞれ流れる電流、すなわち、前記3相モータ７Ｆおよび７Ｒに対応する３相インバータ回路６Ｆおよび６Ｒのそれぞれの入出力電流を前記電池電源回路１０１の前記３相インバータ回路６に対して概ね半減できるメリットがある。

　電池電源回路２０２は、図３に示すように、前記駆動電池モジュール２と同じ定格電圧及び同じ定格容量である駆動電池モジュール２Ｆから３相モータ７Ｆへ電力供給する回路、および、前記電池モジュール２と同じ定格電圧及び同じ定格容量である駆動電池モジュール２Ｒから3相モータ７Ｒへ電力供給する回路、をそれぞれ電気的に独立する。これによって、駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒそれぞれの放電電流を前記電池電源回路２０１の前記駆動電池モジュール２に対して半減でき、前記電池電源回路２０１の課題を比較的解消しやすくなる。

　電池電源回路２０３は、図４に示すように、前記電池電源回路２０２の駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒが収容するものと同じ電池セル群１を２個並列接続してその定格容量を２倍に大容量化した駆動電池モジュール２Ｆ’および２Ｒ’により、前述の走行ルートの途中で不意に電力消費量が増加した場合に目的地への到着前に電池セル群１の残容量が０％を下回る事象の発生確率を減らすことを目的とした形態である。

　電池電源回路３００は、図５に示すように、前記電池電源２０２の３相インバータ回路６Ｆおよび６Ｒの間に、図７を用いて詳細を後述する絶縁性通信ライン８ａないし８ｇを介して接続したメインコントローラ９を追加した構成である。

　前記メインコントローラ９は、駆動電池モジュール２Ｆ、または、降圧ＤＣＤＣコンバータ３を介した予備電池モジュール２Ｂ、のいずれか一方からの電力供給を受けて駆動し、絶縁性通信ライン８ａをないし８ｇを用いた通信により３相インバータ回路６Ｆおよび６Ｒからの情報を取得し、その情報取得結果に応じて降圧ＤＣＤＣコンバータへ電流出力制御の指示を行う。

　なお、電気自動車の自動運転に関する自動運転制御は前記メインコントローラ９が後述のフローチャート図に示す制御とまとめて行う方式、図示しない別のドライブコントローラによって行う方式、のいずれを用いても良い。また、メインコントローラ９は、駆動電池モジュール２Ｆ内および２Ｒ内のモジュールコンローラ２０から詳細図示しない通信ラインにより電池セル群１の電圧または電流の検知情報を取得し電気自動車の走行中の残容量値、または、目的地到着時の残容量予想値の算出を行う。

　また、前記駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒに対し２倍の定格電圧を有し、および、前記駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒに対し相対的に定格容量が小さい予備電池モジュール２Ｂを、降圧ＤＣＤＣコンバータ３がオンまたはオフに操作するＦＥＴ４およびＦＥＴ５を介して駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒへ接続する。

　降圧ＤＣＤＣコンバータ３は、前記メインコントローラ９の指示に従いＦＥＴ４およびＦＥＴ５をオンに操作して駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒを並列接続した状態にて、例えば、それ以前の駆動電池モジュール２Ｆから３相インバータ回路６Ｆへの放電電流がＩｆ（Ａ）、および、それ以前の駆動電池モジュール２Ｒから３相インバータ回路６Ｒへの放電電流がＩｒ（Ａ）であった条件下において、降圧ＤＣＤＣコンバータ３が予備電池モジュール２Ｂの放電電圧を前記駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの放電電圧に合わせて降圧し、かつ、電流Ｉｂ（Ａ）を出力した場合、前記３相インバータ回路６Ｆおよび６Ｒの駆動条件が同じであれば、駆動電池モジュール２Ｆの放電電流は、（Ｉｆ－Ｉｂ／２）（Ａ）、および、駆動電池モジュール２Ｒの放電電流は、（Ｉｒ－Ｉｂ／２）（Ａ）にそれぞれ低減し、すなわち、予備電池モジュール２Ｂの放電電流が前記駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの放電電流を補完し、駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの放電時間の延長に貢献する。

　ここで、予備電池モジュール２Ｂの放電電流は、その定格電圧が駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの２倍であるため、予備電池モジュール２Ｂの放電電流は降圧ＤＣＤＣコンバータ３の電力変換効率を無視すると概ねＩｂ／２（Ａ）となる。したがって、Ｉｂ（Ａ）をＩｆ（Ａ）およびＩｒ（Ａ）より予め小さく設定することにより予備電池モジュール２Ｂが後述の電流補完用の電池電源としての役割を正しく果たすことができる。すなわち、前記電流補完の実行により電気自動車の１充電あたりの航続距離を向上し、後述の自動運転機能を有する電気自動車が目的に到着する際の駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの残容量が５０％を下回らないように調整することにも奏功する。

　またさらに、予備電池モジュール２Ｂ、および、駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの内の電池セル群１のリチウムイオン二次電池セルの単セルレベルの定格容量の小容量化を適切に設定し部品共通化することにより、比較的コストウェイトの高い電池セル群１をコストダウンし、電池電源回路３００の全体的なコストダウンを実現することも可能となる。

　なお、自動操縦飛行機能を有する乗用飛行体においては、図５に示す前輪駆動用の３相モータ７Ｆおよび駆動電池モジュール２Ｆ、および、後輪駆動用の３相モータ７Ｒおよび駆動電池モジュール２Ｒを少なくとも４個のプロペラを駆動する少なくとも４個の３相モータ、および、少なくとも４個の駆動電池モジュール、に置き換えて構成することもできる。

　電池電源回路３００のメインコントローラ９の制御の概略について、次に、図６を用いて説明する。

　電池電源回路３００のメインコントローラ９は、自動運転機能を有する電気自動車の走行中に、Ｓｔｅｐ１にて、予め設定された目的地までの距離、および、目的地到着時の残容量（ＳＯＣ）の予想値を算出する。これらは、電気自動車の走行平均速度および平均速度走行中の駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの放電電流値を予め設定することにより算出できる。ここで、算出された前記目的地到着時の残容量が０％を下回る、すなわち、目的地までの距離が１充電あたりの航続距離を上回る場合は、目的地の変更を促す旨を乗員に対して表示しても良い。メインコントローラ９は、Ｓｔｅｐ２にて、駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの残容量がアンバランス状態であるか否かを検知し、前記アンバランス状態であると判定した場合は、Ｓｔｅｐ３へ移行しＦＥＴ４およびＦＥＴ５をオンに操作し駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒを並列接続し、かつ、降圧ＤＣＤＣコンバータ３をオンに操作し、その出力電圧を前記駆動電池モジュール２Fおよび２Ｒの放電電圧に合わせ所定の直流電流出力を開始する一方、そうでない場合は、Ｓｔｅｐ１へ帰還する。これにより、駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒから３相インバータ回路６Ｆおよび６Ｒへそれぞれ放電される放電電流を予備電池モジュール２Ｂの放電電流により補完しながら前記駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの残容量アンバランスをバランスして３相モータ７Ｆおよび７Ｒの相乗的な駆動時間の延長、すなわち、電気自動車の航続距離の相乗的な延長に奏功する。

　メインコントローラ９は、Ｓｔｅｐ４にて、前記Ｓｔｅｐ１における算出結果、および、Ｓｔｅｐ５における予備電池モジュール２Ｂによる駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒへの放電電流補完量に基づき目的地到着時の残容量予想値を再算出し、前記再算出した的地到着時の残容量（ＳＯＣ）の予想値が５０％を下回るか否かを検知し、前記残容量（ＳＯＣ）の予想値が５０％を下回ると判定した場合は、Ｓｔｅｐ５へ移行し前記降圧ＤＣＤＣコンバータ３が出力する補完電流値をそれ以前より増やす一方、そうでない場合は、Ｓｔｅｐ６へ移行し前記降圧ＤＣＤＣコンバータ３が出力する補完電流値をそれ以前より減らす。これによって、走行ルート上の不意の消費電力の増加の大小に関わらず前記目的地到着時の駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの残容量（ＳＯＣ）が５０％を下回らないように調整し、目的地から出発地へ戻る復路のための残容量（ＳＯＣ）を確保して利便性の向上に貢献する。

　メインコントローラ９は、Ｓｔｅｐ７にて、駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒ間の残容量アンバランスがバランスしたか否かを検知し、前記残容量アンバランスがバランスしたと判定した場合は、Ｓｔｅｐ８へ移行し、降圧ＤＣＤＣコンバータ３の出力を停止し、ＦＥＴ４およびＦＥＴ５をオフに操作して駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの並列接続状態を開放する一方、そうでない場合は、Ｓｔｅｐ４へ帰還する。

　Ｓｔｅｐ２ないしＳｔｅｐ７では、駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの残容量アンバランスが解消されるまでそれらのシーケンスが繰り返され、駆動電池モジュール２Ｆおよび２Ｒの残容量をバランスすること、および、予備電池モジュール２Ｂが放電電流を補完することにより電気自動車の相乗的な航続距離の延長に奏功する。

　メインコントローラ９は、Ｓｔｅｐ９にて、自動運転制御または乗員の手動運転に従い、電気自動車が走行停止、すなわち、３相モータ７Ｆおよび７Ｒが停止したか否かを検知し、前記３相モータ７Ｆおよび７Ｒが停止したと判定した場合は制御シーケンスを終了する一方、そうでない場合は、Ｓｔｅｐ１へ帰還する。

　図７に示すように、ホスト側となるメインコントローラ９がフォトカプラ８Ｈの発光部に電圧を印加し、他方（スレーブ側）となる３相インバータ回路２Ｆまたは２Ｒ、または、降圧ＤＣＤＣコンバータ３のいずれか１個がフォトカプラ８Ｈの受光部に生じた電圧を検知し、前記他方（スレーブ側）がフォトカプラ８Ｓの発光部に電圧を印加し、さらにその他方（ホスト側）がフォトカプラ８Ｓの受光部に生じた電圧を検知し、前記フォトカプラ８Ｈおよび８Ｓのオンまたはオフの操作および検知を繰り返し実行することにより双方向の絶縁性デジタル通信が成立する。つまり、前述のフローチャート図に従うホスト側としての前記メインコントローラ９が、前記３相インバータ回路６Ｆおよび６Ｒを用いたそれぞれの３相交流電圧の出力制御に関する情報を前記絶縁性デジタル信号に全て含めて絶縁性通信ライン８ａないし８ｇを介して送受信する。

　なお、前記絶縁性通信ライン８ａないし８ｇにおける前記絶縁性デジタル信号のためのスイッチング周波数は、前記３相インバータ回路２Ｆおよび２Ｒによる前記３相交流電圧出力のためのＰＷＭ制御のスイッチング周波数よりも十分に高くすることが好ましい。

これらによって、本発明の実施例の電池電源回路３００は、全体的なコストダウン、１充電あたりの航続距離の延長、および、自動運転機能を有する電気自動車または自動操縦飛行機能を有するスカイドライブの目的地までの走行中または飛行中の不意の電力消費量の増加に対応し復路のための残容量を確保することによる利便性および安全性の向上、の両立を実現する。

　以上、本実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物も含まれる。

　　７　　　モータ
　　９　　　メインコントローラ
　　１０１　電池電源回路
　　２０１　電池電源回路
　　２０２　電池電源回路
　　２０３　電池電源回路
　　３００　電池電源回路

Claims

　乗用移動体を自動運転する制御部と、
　電池電源と、
　前記乗用移動体を駆動するためのモータを駆動するインバータ回路と、
　を備え、
　前記制御部が設定した移動ルートの目的地までの残り距離および前記電池電源の残容量に応じて、前記目的地到着時の前記電池電源の残容量が所定値を下回らないように前記電池電源の放電量を調整する、
　電池電源回路。
　前記電池電源は、前記モータの駆動のための駆動電池モジュールと、前記駆動電池モジュールより相対的に高い定格電圧および相対的に小さい定格容量を有する予備電池モジュールとを備え、
　前記予備電池モジュールは、前記目的地までの残り距離および前記駆動電池モジュールの残容量に応じて、降圧ＤＣＤＣコンバータを介して前記駆動電池モジュールの放電電流に対して放電電流補完を行う、
　請求項１に記載の電池電源回路。
　前記モータは複数存在し、
　前記駆動電池モジュールから前記モータへ前記インバータ回路を介して電力供給する回路が前記モータごとに設けられ、前記電力供給する回路は、前記予備電池モジュールからの前記放電電流補完時を除き絶縁性信号線を介して電気的に独立する請求項２に記載の電池電源回路。
　前記目的地到着時の前記駆動電池モジュールの残容量が５０％を下回らないように前記予備電池モジュールの放電量を調整する請求項２又は３に記載の電池電源回路。
　前記乗用移動体は、電気自動車または乗用飛行体である請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電池電源回路。