JP2015186364A - 車両用電力装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力装置の損失の抑制とバッテリの昇温不足の抑制との両立を図る。【解決手段】バッテリの昇温が可能な昇温可能時間ｔ１がサブＤＣ／ＤＣコンバータからの電力を用いて昇温装置によりバッテリの昇温を完了するまでに要する昇温必要時間ｔ２以上のときには、サブＤＣ／ＤＣコンバータと温度調節装置とを接続してサブＤＣ／ＤＣコンバータから昇温装置に電力を供給してバッテリを昇温する（Ｓ１５０，Ｓ１６０）。一方、昇温可能時間ｔ１が昇温必要時間ｔ２未満のときには、メインＤＣ／ＤＣコンバータと温度調節装置とを接続してメインＤＣ／ＤＣコンバータから昇温装置に電力を供給する（Ｓ１５０，Ｓ１２０）。【選択図】図２

Description

本発明は、車両用電力装置に関し、詳しくは、車両に搭載され、バッテリと、バッテリに接続されると共にモータを駆動する駆動回路と、バッテリから見て駆動回路と並列接続されると共に外部電源からの電力を用いてバッテリを充電する充電器と、バッテリと駆動回路とを接続する電力ラインに取り付けられたメインＤＣ／ＤＣコンバータと、バッテリと充電器とを接続する電力ラインに取り付けられたサブＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える車両用電力装置に関する。

従来、この種の車両用電力装置としては、高電圧バッテリと、高電圧バッテリからの電力を用いて走行用のモータジェネレータを駆動するインバータと、外部の商用電源や車載太陽光発電パネルからの電力を電圧バッテリに供給する電力変換回路と、高電圧バッテリからの電力を用いて車両内の温度を制御する空調ユニットと、高電圧バッテリの電圧を降圧して低電圧バッテリに印加するＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２５０６７２号公報

こうした電力装置では、近年、高電圧バッテリとインバータとを接続する電力ラインに上述のＤＣ／ＤＣコンバータ（メインＤＣ／ＤＣコンバータ）を接続するのに加えて、高電圧バッテリと電力変換回路（充電器）とを接続する電力ラインにも、メインＤＣ／ＤＣコンバータより定格値が小さいサブＤＣ／ＤＣコンバータを接続することが考えられている。２つのＤＣ／ＤＣコンバータを備えるものにおいて、商用電源と電力変換回路とが接続されているときに、高電圧バッテリの温度を調節する温度調節装置への電力供給を、メインＤＣ／ＤＣコンバータから常時行なうものとすると、その定格値が比較的大きいことやメインＤＣ／ＤＣコンバータの作動時にインバータにも電圧が作用することなどにより、電力装置の損失が比較的大きくなる。一方、サブＤＣ／ＤＣコンバータから常時行なうものとすると、その定格値が小さいことなどにより、バッテリを十分に昇温できない場合が生じる。

本発明の車両用電力装置は、電力装置の損失の抑制とバッテリの昇温不足の抑制との両立を図ることを主目的とする。

本発明の車両用電力装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の車両用電力装置は、
車両に搭載され、バッテリと、前記バッテリに接続されると共に前記モータを駆動する駆動回路と、前記バッテリから見て前記駆動回路と並列接続されると共に外部電源からの電力を用いて前記バッテリを充電する充電器と、前記バッテリと前記駆動回路とを接続する電力ラインに取り付けられたメインＤＣ／ＤＣコンバータと、前記バッテリと前記充電器とを接続する電力ラインに取り付けられ且つ前記メインＤＣ／ＤＣコンバータより定格値が小さいサブＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える車両用電力装置であって、
電力の供給を受けて作動し、前記バッテリの温度を調節する温度調節装置と、
前記メインＤＣ／ＤＣコンバータと前記温度調節装置とを接続する第１接続状態と、前記サブＤＣ／ＤＣコンバータと前記温度調節装置とを接続する第２接続状態と、を切り替える切替手段と、
前記外部電源と前記充電器とが接続されているときにおいて、前記バッテリを昇温可能な昇温可能時間内に前記サブＤＣ／ＤＣコンバータからの電力を用いて前記温度調節装置により前記バッテリの昇温を完了できるサブ昇温可能時には、前記切替手段を前記第２接続状態とし、前記サブ昇温可能時でないときには、前記切替手段を前記第１接続状態とする制御手段と、
を備えることを特徴とする。

この本発明の車両用電力装置では、外部電源と充電器とが接続されているとき（外部電源からの電力を用いてバッテリを充電可能なとき）において、バッテリを昇温可能な昇温可能時間内にメインＤＣ／ＤＣコンバータより定格値が小さいサブＤＣ／ＤＣコンバータからの電力を用いて温度調節装置によりバッテリの昇温を完了できるサブ昇温可能時には、切替手段をサブＤＣ／ＤＣコンバータと温度調節装置とを接続する第２接続状態とし、サブ昇温可能時でないときには、切替手段をメインＤＣ／ＤＣコンバータと前記温度調節装置とを接続する第１接続状態とする。したがって、サブ昇温可能時には、切替手段を第２接続状態としてサブＤＣ／ＤＣコンバータから温度調節装置に電力を供給してバッテリを昇温することにより、メインＤＣ／ＤＣコンバータから温度調節装置に電力を供給する場合に比して電力装置の損失を低減することができる。また、サブ昇温可能時でないときには、切替手段を第１接続状態としてメインＤＣ／ＤＣコンバータから温度調節装置に電力を供給してバッテリを昇温することにより、サブＤＣ／ＤＣコンバータから温度調節装置に電力を供給する場合に比してバッテリをより迅速に昇温することができる（昇温可能時間内にバッテリの昇温を完了することができる場合がある）。これらの結果、電力装置の損失の抑制とバッテリの昇温不足の抑制との両立を図ることができる。

本発明の一実施例としての車両用電力装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。 実施例の電子制御ユニット７０により実行される所定昇温要求時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての車両用電力装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車２０は、図示するように、例えば同期発電電動機として構成された走行用のモータ３２と、モータ３２を駆動する駆動回路としてのパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）３４と、例えばリチウムイオン二次電池として構成されてパワーコントロールユニット３４を介してモータ３２と電力をやりとりするバッテリ３６と、パワーコントロールユニット３４とバッテリ３６とを接続する電力ライン４２に取り付けられたメインリレー４４と、電力ライン４２におけるメインリレー４４よりパワーコントロールユニット３４側に取り付けられて電力ライン４２の電力を降圧して電力ライン（正極母線のみ図示）４６に供給するメインＤＣ／ＤＣコンバータ４８と、家庭用電源などの外部電源のコンセントにプラグが差し込まれているときに外部電源からの電力を用いてバッテリ３６を充電する充電器５０と、充電器５０とバッテリ３６とを接続する電力ライン５２に取り付けられたサブリレー５４と、電力ライン５２におけるサブリレー５４より充電器側に取り付けられて電力ライン５２の電力を降圧して電力ライン（正極母線のみ図示）５６に供給するサブＤＣ／ＤＣコンバータ５８と、電力の供給を受けて作動してバッテリ３６を昇温する昇温装置（例えばヒータなど）６０と、昇温装置６０を電力ライン４６または電力ライン５６に接続する切替スイッチ６２と、装置全体の制御を司る電子制御ユニット７０と、を備える。なお、電力ライン４２および電力ライン５２には、低圧バッテリや電子制御ユニット７０などが常時接続され、システムオン（イグニッションオンやアクセサリーオンなど）時には用いられるがシステムオフ時には用いられない補機類が第１リレーを介して接続され、システムオン時には用いられないがシステムオフで外部電源からの電力を用いてバッテリ３６を充電する外部充電時には用いられる補機類が第２リレーを介して接続されている。また、実施例では、図１中、モータ３２を除く部分が「車両用電力装置」に相当する。

パワーコントロールユニット３４は、バッテリ３６からの直流電力を交流電力に変換してモータ３２に供給するインバータと、バッテリ３６からの電力を昇圧してインバータに供給する昇圧コンバータと、を備える。なお、昇圧コンバータを備えず、インバータだけを備えるものとしてもよい。

サブＤＣ／ＤＣコンバータ５８は、メインＤＣ／ＤＣコンバータ４８に比して、定格値（電力ライン４６，５６に供給する電力やその際の損失）が小さくなるように設計されている。

電子制御ユニット７０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭやデータを一時的に 記憶するＲＡＭ，入出力ポートを備える。電子制御ユニット７０には、モータ３２のロータの回転位置を検出する回転位置検出センサからのモータ３２のロータの回転位置θｍ，モータ３２の三相コイルの各相に流れる相電流を検出する電流センサからの相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ，バッテリ３６の電圧，電流，温度を検出する電圧センサ，電流センサ，温度センサからの端子間電圧Ｖｂ，充放電電流Ｉｂ，電池温度Ｔｂ，イグニッションスイッチ（スタートスイッチ）からのイグニッション信号，シフトレバーの操作位置を検出するシフトポジションセンサからのシフトポジションＳＰ，アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサからのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサからのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサからの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット７０からは、駆動回路（インバータや昇圧コンバータ）のスイッチング素子へのスイッチング制御信号，メインリレー４４への制御信号，メインＤＣ／ＤＣコンバータ４８への制御信号，充電器５０への制御信号，昇温装置６０への制御信号，サブリレー５４への制御信号，サブＤＣ／ＤＣコンバータ５８への制御信号，昇温装置６０への制御信号などが出力ポートを介して出力されている。なお、電子制御ユニット７０は、回転位置検出センサからのモータ３２のロータの回転位置θｍに基づいてモータ３２の回転数Ｎｍを演算したり、電流センサからのバッテリ３６の充放電電流Ｉｂに基づいてそのときのバッテリ３６から放電可能な電力量の全容量に対する割合である蓄電割合ＳＯＣを演算したり、演算した蓄電割合ＳＯＣと温度センサからの電池温度Ｔｂとに基づいてバッテリ３６を充放電してもよい最大許容電力である入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを演算したりしている。

こうして構成された実施例の電気自動車２０では、自宅や予め設定された充電ポイントでイグニッションスイッチがオフとされて、プラグが外部電源のコンセントに差し込まれるプラグイン操作が行なわれると、外部電源からの電力を用いてバッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣが予め設定された所定割合Ｓｅｎｄ（例えば満充電やそれより若干低い蓄電割合など）に至るまでバッテリ３６の入力制限Ｗｉｎの範囲内の電力でバッテリ３６が充電されるよう充電器５０を制御する。ここで、タイマー充電機能（バッテリ３６の充電完了予定時刻などを設定する機能）がオンのときには、その充電完了予定時刻にバッテリ３６の充電が終了するようバッテリ３６の現在の蓄電割合ＳＯＣと所定割合Ｓｅｎｄとの差分とに応じて充電開始予定時刻を設定すると共にその充電開始予定時刻に至ったときにバッテリ３６の充電を開始し、タイマー充電機能がオフのときには、直ちにバッテリ３６の充電を開始するものとした。

次に、こうして構成された実施例の電気自動車２０の動作、特に、システムオフで外部電源からの電力を用いてバッテリ３６を充電する外部充電時（プラグイン操作が行なわれてからバッテリ３６の充電を開始するまでの間も含む）でバッテリ３６の昇温が要求されているときの動作について説明する。図２は、実施例の電子制御ユニット７０により実行される所定昇温要求時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、外部充電時でバッテリ３６の昇温が要求されているときに繰り返し実行される。なお、このルーチンの初回の実行開始時（プラグイン操作が行なわれた直後）には、メインリレー４４はオフとされており、サブリレー５４はオンとされている。

所定昇温要求時処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０は、まず、外部充電時に外部電源からバッテリ３６に供給可能な電力としてのインフラ側充電可能電力Ｐ１や、外部充電時にバッテリ３６が受け入れ可能な電力としてのバッテリ側充電可能電力Ｐ２などのデータを入力する（ステップＳ１００）。ここで、インフラ側充電可能電力Ｐ１は、外部電源の仕様（例えば、１００Ｖ，３０Ａの交流電源など）に応じた値を外部電源から通信などにより取得して入力するものとした。また、バッテリ側充電可能電力Ｐ２は、バッテリ３６の入力制限Ｗｉｎの絶対値を入力するものとした。

こうしてデータを入力すると、インフラ側充電可能電力Ｐ１とバッテリ側充電可能電力Ｐ２とを比較する（ステップＳ１１０）。この比較処理は、外部電源からの電力の全てをバッテリ３６に供給することができるか否かを判定する処理である。

インフラ側充電可能電力Ｐ１がバッテリ側充電可能電力Ｐ２以下のときには、外部電源からの電力の全てをバッテリ３６に供給することができると判断し、メインリレー４４をオンとし（オンのときにはその状態を保持し）、切替スイッチ６２により昇温装置６０と電力ライン４６とを接続し（この状態のときにはそれを保持し）、電力ライン４２（バッテリ３６）からメインＤＣ／ＤＣコンバータ４８，電力ライン４６を介して昇温装置６０に電力が供給されるようメインＤＣ／ＤＣコンバータ４８を制御して（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。この場合、メインＤＣ／ＤＣコンバータ４８から昇温装置６０に電力を供給することにより、昇温装置６０に大きな電力を供給してバッテリ３６を迅速に昇温することができるが、その電力が大きいことや駆動回路３４にも電圧が作用するなどの理由により、その際の電力装置の損失も比較的大きい。

インフラ側充電可能電力Ｐ１がバッテリ側充電可能電力Ｐ２より大きいときには、外部電源からの電力の全てをバッテリ３６に供給することはできないと判断し、バッテリ３６の昇温が可能な時間としての昇温可能時間ｔ１を設定すると共に（ステップＳ１３０）、サブＤＣ／ＤＣコンバータ５８からの電力を用いて昇温装置６０によりバッテリ３６の昇温を完了するまでに要する時間としての昇温必要時間ｔ２を設定する（ステップＳ１４０）。ここで、昇温可能時間ｔ１は、タイマー充電機能がオフのときには、バッテリ３６の現在の蓄電割合ＳＯＣと所定割合Ｓｅｎｄとバッテリ３６の充電電力Ｗｂ（＝Ｖｂ・Ｉｂ）とに基づいて得られるバッテリ３６の充電が終了するまでの残充電時間を設定し、タイマー充電機能がオンのときには、現在時刻から充電完了予定時刻までの時間を設定するものとした。また、昇温必要時間ｔ２は、現在の電池温度Ｔｂと予め定められた昇温目標温度ＴｂｓｅｔとサブＤＣ／ＤＣコンバータ５８から昇温装置６０に電力を供給する際の単位時間当たりのバッテリ３６の予測上昇温度ΔＴｂとに基づいて得られるバッテリ３６の昇温完了までに要する時間を設定するものとした。

そして、昇温可能時間ｔ１と昇温必要時間ｔ２とを比較する（ステップＳ１５０）。この比較処理は、サブＤＣ／ＤＣコンバータ５８から昇温装置６０に電力を供給したときにバッテリ３６の昇温が可能な間（実施例ではバッテリ３６の充電が完了するまでの間）にバッテリ３６の昇温を完了できるか否かを判定する処理である。

昇温可能時間ｔ１が昇温必要時間ｔ２以上のときには、サブＤＣ／ＤＣコンバータ５８から昇温装置６０に電力を供給してバッテリ３６の昇温が可能な間にバッテリ３６の昇温を完了できると判断し、メインリレー４４をオフとし（オフのときにはその状態を保持し）、切替スイッチ６２により昇温装置６０と電力ライン５６とを接続し（この状態のときにはそれを保持し）、電力ライン５２（充電器５０）からサブＤＣ／ＤＣコンバータ５８，電力ライン５６を介して昇温装置６０に電力が供給されるようサブＤＣ／ＤＣコンバータ５８を制御して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。この場合、サブＤＣ／ＤＣコンバータ５８から昇温装置６０に電力を供給することにより、メインＤＣ／ＤＣコンバータ４８に比して定格値が小さい（出力電力が小さい）ことや駆動回路３４に電圧が作用しないなどの理由により、電力装置の損失を抑制しながらバッテリ３６を昇温することができる。

一方、昇温可能時間ｔ１が昇温必要時間ｔ２未満のときには、サブＤＣ／ＤＣコンバータ５８から昇温装置６０に電力を供給するとバッテリ３６の昇温が可能な間にバッテリ３６の昇温が完了しないと判断し、メインリレー４４をオンとし（オンのときにはその状態を保持し）、切替スイッチ６２により昇温装置６０と電力ライン４６とを接続し（この状態のときにはそれを保持し）、電力ライン４２（バッテリ３６）からメインＤＣ／ＤＣコンバータ４８，電力ライン４６を介して昇温装置６０に電力が供給されるようメインＤＣ／ＤＣコンバータ４８を制御して（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。この場合、メインＤＣ／ＤＣコンバータ４８から昇温装置６０に電力を供給することにより、昇温装置６０に大きな電力を供給してバッテリ３６をより迅速に昇温することができる（昇温可能時間内のバッテリ３６の昇温を完了することができる場合がある）。

以上説明した実施例の車両用電力装置を搭載する電気自動車２０によれば、昇温可能時間ｔ１が昇温必要時間ｔ２以上のときには、サブＤＣ／ＤＣコンバータ５８と温度調節装置６０とを接続してサブＤＣ／ＤＣコンバータ５８から昇温装置６０に電力を供給してバッテリ３６を昇温することにより、メインＤＣ／ＤＣコンバータ４８から昇温装置６０に電力を供給する場合に比して、電力装置の損失を抑制しながらバッテリ３６を昇温することができる。一方、昇温可能時間ｔ１が昇温必要時間ｔ２未満のときには、メインＤＣ／ＤＣコンバータ４８と温度調節装置６０とを接続してメインＤＣ／ＤＣコンバータ４８から昇温装置６０に電力を供給することにより、サブＤＣ／ＤＣコンバータ５８から昇温装置６０に電力を供給する場合に比して、バッテリ３６を迅速に昇温することができる。これらの結果、電力装置の損失の抑制とバッテリ３６の昇温不足の抑制との両立を図ることができる。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、バッテリ３６が「バッテリ」に相当し、パワーコントロールユニット３４が「駆動回路」に相当し、充電器５０が「充電器」に相当し、メインＤＣ／ＤＣコンバータ４８が「メインＤＣ／ＤＣコンバータ」に相当し、サブＤＣ／ＤＣコンバータ５８が「サブＤＣ／ＤＣコンバータ」に相当し、昇温装置６０が「温度調節装置」に相当し、切替スイッチ６２が「切替手段」に相当し、電子制御ユニット７０が「制御手段」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、車両用電力装置の製造産業などに利用可能である。

２０ 電気自動車、３２ モータ、３４ パワーコントロールユニット、３６ バッテリ、４２，４６，５２，５６ 電力ライン、４４ メインリレー、４８ メインＤＣ／ＤＣコンバータ、５０ 充電器、５４ サブリレー、５８ サブＤＣ／ＤＣコンバータ、６０ 昇温装置、６２ 切替スイッチ、７０ 電子制御ユニット。

Claims (1)

1. 車両に搭載され、バッテリと、前記バッテリに接続されると共に前記モータを駆動する駆動回路と、前記バッテリから見て前記駆動回路と並列接続されると共に外部電源からの電力を用いて前記バッテリを充電する充電器と、前記バッテリと前記駆動回路とを接続する電力ラインに取り付けられたメインＤＣ／ＤＣコンバータと、前記バッテリと前記充電器とを接続する電力ラインに取り付けられ且つ前記メインＤＣ／ＤＣコンバータより定格値が小さいサブＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える車両用電力装置であって、
   電力の供給を受けて作動し、前記バッテリの温度を調節する温度調節装置と、
   前記メインＤＣ／ＤＣコンバータと前記温度調節装置とを接続する第１接続状態と、前記サブＤＣ／ＤＣコンバータと前記温度調節装置とを接続する第２接続状態と、を切り替える切替手段と、
   前記外部電源と前記充電器とが接続されているときにおいて、前記バッテリを昇温可能な昇温可能時間内に前記サブＤＣ／ＤＣコンバータからの電力を用いて前記温度調節装置により前記バッテリの昇温を完了できるサブ昇温可能時には、前記切替手段を前記第２接続状態とし、前記サブ昇温可能時でないときには、前記切替手段を前記第１接続状態とする制御手段と、
   を備える車両用電力装置。

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