JP2016157564A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メインバッテリとサブバッテリとが１つの蓄電スタックに集約し、部品点数の削減及び配線や配線スペースの効率化を図る。【解決手段】本発明である車両用電源装置は、車両の走行用モータに電力を供給するメインバッテリを構成する第１蓄電素子群と、補機に電力を供給するサブバッテリを構成し、第１蓄電素子群と同じ蓄電素子で形成される第２蓄電素子群と、第１蓄電素子群及び第２蓄電素子群の各蓄電素子が所定の方向に積層される複数の蓄電素子全体を所定の方向から挟み込むための一対のエンドプレートと、を有する。そして、メインバッテリの電流経路に接続され、電流経路からサブバッテリへの出力電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、メインバッテリ及びサブバッテリの状態を監視する監視ユニットとを含む統合ユニットを、所定の方向に積層される複数の蓄電素子及び一対のエンドプレートで構成される積層体の一部として一体に形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、車両に搭載される電源装置に関する。

ハイブリッド車両や電気自動車には、車両の走行用モータに電力を供給する車両用電源装置が搭載されている。また、車両の走行用モータに電力を供給する電源装置以外にも、車両には、補機に電力を供給する補機バッテリが搭載されている。

メインバッテリである車両用電源装置には、メインバッテリの状態（例えば、電圧）を監視するための監視ユニットが設けられている。一方、サブバッテリである補機バッテリは、メインバッテリの監視系統とは別系統のセンサ機器類で、電圧等が監視されている。

特開２０１２−０８９４４６号公報 特開２０１４−１７５１２８号公報 特開２０１４−１４７１９７号公報

このように従来は、高圧電源であるメインバッテリと低圧電源であるサブバッテリとが別々の電源装置で構成され、かつ別系統で個別に監視されているため、部品点数の低減及び配線や配線スペースの効率化を図ることが難しかった。

さらに、メインバッテリとサブバッテリとは、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して接続することができるが、メインバッテリとＤＣ／ＤＣコンバータとの接続及びＤＣ／ＤＣコンバータとサブバッテリとの間の接続を個別に行う必要があり、個別の電源装置それぞれをＤＣ／ＤＣコンバータに接続するための配線や配線スペースが必要となる。

そこで、本発明は、車両の走行用モータに電力を供給するメインバッテリと補機に電力を供給するサブバッテリとが１つの蓄電スタックに集約され、部品点数の削減及び配線や配線スペースの効率化を図ることができる車両用電源装置を提供することを目的とする。

本発明である車両用電源装置は、車両の走行用モータに電力を供給するメインバッテリを構成する第１蓄電素子群と、補機に電力を供給するサブバッテリを構成し、第１蓄電素子群と同じ蓄電素子で形成される第２蓄電素子群と、第１蓄電素子群及び第２蓄電素子群の各蓄電素子が所定の方向に積層される複数の蓄電素子全体を所定の方向から挟み込むための一対のエンドプレートと、を有する。そして、メインバッテリの電流経路に接続され、電流経路からサブバッテリへの出力電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、メインバッテリ及びサブバッテリの状態を監視する監視ユニットとを含む統合ユニットを、所定の方向に積層される複数の蓄電素子及び一対のエンドプレートで構成される積層体の一部として一体に形成している。

車両用電源装置は、車両の走行用モータに電力を供給するメインバッテリの第１蓄電素子群と、補機に電力を供給するサブバッテリの第２蓄電素子群とを含む複数の蓄電素子を所定の方向に並べて積層し、一対のエンドプレートで蓄電素子全体を挟み込んだ蓄電スタック（積層体）として構成することができる。従来のようにメインバッテリとサブバッテリ（補機バッテリ）が別々だと、個別に監視ユニットが必要となり、配線や配線スペースの効率化を図ることができなかったが、本発明では、１つの蓄電スタックの状態を監視するだけでメインバッテリ及びサブバッテリの双方を一括して監視することができ、部品点数の削減及び配線や配線スペースの効率化を図ることができる。

さらに、メインバッテリの電流経路に接続され、電流経路からサブバッテリへの出力電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、メインバッテリ及びサブバッテリの状態を監視する監視ユニットと、を１つの統合ユニットとして構成しつつ、統合ユニットが、複数の蓄電素子及び一対のエンドプレートで構成される積層体の一部として一体に形成されるように構成している。例えば、統合ユニットを所定の方向に並ぶ蓄電素子群の中に配置し、積層体内に統合ユニットを一緒に組み込むことができる。監視ユニット及びＤＣ／ＤＣコンバータを１つの統合ユニットとして形成することで、蓄電スタックに接続される部品点数を削減できるとともに、メインバッテリ、ＤＣ／ＤＣコンバータ及びサブバッテリの接続を、１つの蓄電スタック（積層体）内で行うことができる。したがって、メインバッテリとサブバッテリそれぞれをＤＣ／ＤＣコンバータに接続するための配線や配線スペースの効率化を図ることができる。

このように本発明の車両用電源装置は、車両の走行用モータに電力を供給するメインバッテリと補機に電力を供給するサブバッテリとが、１つの蓄電スタックに集約され、かつ監視ユニット及びＤＣ／ＤＣコンバータを１つのユニットにして積層体（蓄電スタック）の一部として一体に形成されているため、部品点数の削減及び配線や配線スペースの効率化を図ることができる。

実施例１における、車両に搭載される電池システムの構成を示す図である。 実施例１における、メインバッテリ及びサブバッテリ（補機バッテリ）と、監視ユニット及びＤＣ／ＤＣコンバータを含む統合ユニットを、一体的に構成した電池スタックの一例を示す図である。 実施例１における、統合ユニットを拘束部材の一部として適用した電池スタックの一例を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
図１から図３を参照して、本発明の実施例１における車両用電源装置１０を含む電池システムについて説明する。図１は、本実施例における電池システムの構成を示す概略図である。図１の例は、ハイブリッド車両に適用した一例を示しているが、電気自動車にも適用できる。

本実施例の車両用電源装置１０は、複数の単電池１１（蓄電素子に相当する）を有する組電池である。単電池１１としては、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池といった二次電池を用いることができる。また、二次電池の代わりに、電気二重層キャパシタを用いることができる。

車両用電源装置１０を構成する複数の単電池１１は、車両の走行用モータに電力を供給するメインバッテリ１０Ａを構成する第１単電池１１群と、補機に電力を供給するサブバッテリ１０Ｂを構成する第２単電池１１群とに区画され、１つの組電池内で単電池１１群毎に回路構成が区分けされている。なお、各単電池１１群内の各単電池１１は直列に接続されている。また、各単電池１１群を構成する単電池１１の数は、適宜設定することができる。

サブバッテリ１０Ｂは、高電圧電源であるメインバッテリ１０Ａよりも低電圧電源として構成される補機バッテリである。補機は、例えば、電池システムを搭載する車両の車室空調装置（エアコンのインバータやモータ等）、ＡＶ機器、車室内の照明装置、ヘッドライト等の電力消費機器である。サブバッテリ１０Ｂは、これらの補機に電力を供給する電源装置である。

本実施例の車両用電源装置１０の一部であるメインバッテリ１０Ａの正極端子には、正極ラインＰＬが接続されており、負極端子には、負極ラインＮＬが接続されている。正極ラインＰＬ及び負極ラインＮＬには、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇが設けられ、これらリレー装置のオン／オフ制御を通じて、メインバッテリ１０Ａと負荷（インバータ２２やモータ・ジェネレータＭＧ２）との接続状態／遮断状態が制御される。

メインバッテリ１０Ａは、正極ラインＰＬおよび負極ラインＮＬを介して、昇圧回路２１と接続されており、昇圧回路２１がインバータ２２と接続されている。インバータ２２は、メインバッテリ１０Ａから出力された直流電力を交流電力に変換し、交流電力をモータ・ジェネレータＭＧ２に出力する。モータ・ジェネレータ（本発明の走行用モータに相当する）ＭＧ２は、インバータ２２から出力された交流電力を受けて、車両を走行させるための運動エネルギ（動力）を生成する。

モータ・ジェネレータＭＧ２は、トランスミッション（変速機）ＴＭを介して駆動輪２３に接続される駆動軸に接続され、モータ・ジェネレータＭＧ２の動力がトランスミッションＴＭを介して駆動軸に伝達され、駆動軸によって駆動輪２３に伝達される。モータ・ジェネレータＭＧ２が生成した動力がトランスミッションＴＭを介して駆動輪２３に伝達されることにより、メインバッテリ１０Ａの電力を用いた車両走行を行わせることができる。

動力分割機構２４は、エンジン２５の動力を、駆動輪２３に伝達したり、モータ・ジェネレータＭＧ１に伝達したりする。モータ・ジェネレータＭＧ１は、エンジン２５の動力を受けて発電する発電機である。モータ・ジェネレータＭＧ１が生成した電力（交流電力）は、インバータ２２を介して、モータ・ジェネレータＭＧ２に供給されたり、昇圧回路２１を介してメインバッテリ１０Ａやサブバッテリ１０Ｂに供給されたりする。

車両を減速させたり、停止させたりするとき、モータ・ジェネレータＭＧ２は、車両の制動時に発生する運動エネルギを電気エネルギ（交流電力）に変換する。インバータ２２は、モータ・ジェネレータＭＧ２が生成した交流電力を直流電力に変換し、直流電力をメインバッテリ１０Ａに出力する。これにより、メインバッテリ１０Ａは、回生電力を蓄えることができる。

昇圧回路２１は、メインバッテリ１０Ａの出力電圧を昇圧し、昇圧後の電力をインバータ２２に出力したり、インバータ２２の出力電圧を降圧して降圧後の電力をメインバッテリ１０Ａに出力したりする。エンジン２５は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃料を燃焼させて動力を出力する公知の内燃機関である。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、メインバッテリ１０Ａやモータ・ジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の出力電圧を降圧し、降圧後の電力をサブバッテリ１０Ｂに出力する。本実施例のＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、メインバッテリ１０Ａと昇圧回路２１との間の電流経路に接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の一端が、システムメインリレーＳＭＲ−Ｂおよび昇圧回路２１の間の正極ラインＰＬに接続され、他端が、システムメインリレーＳＭＲ−Ｇ及び昇圧回路２１の間の負極ラインＮＬに接続されている。

監視ユニット２０は、車両用電源装置１０を構成するメインバッテリ１０Ａ及びサブバッテリ１０Ｂの電圧を検出し、検出結果をコントローラ３０に出力する。このとき、端子間電圧のみならず、メインバッテリ１０Ａに含まれる各単電池１１の電圧を検出することもできる。また、メインバッテリ１０Ａの充放電電流を検出する電流センサや電池温度を検出する温度センサを備えることができる。サブバッテリ１０Ｂについても同様である。

コントローラ３０は、監視ユニット２０や不図示の電流センサ、温度センサからの検出値に基づいてメインバッテリ１０ＡのＳＯＣ（state of Charge）や満充電容量を算出してメインバッテリ１０Ａの状態を管理し、充放電制御を行う制御装置である。また、コントローラ３０は、監視ユニット２０から出力されるサブバッテリ１０Ｂの電圧検出値や不図示の電流センサ、温度センサからの検出値に基づいてサブバッテリ１０ＢのＳＯＣや満充電容量を算出してサブバッテリ１０Ｂの状態を管理する。

次に、図２を参照して本実施例の車両用電源装置１０の構成について説明する。図２に示すように、本実施例の車両用電源装置１０は、Ｘ方向に並んで配置される複数の単電池１１を電気的に接続して構成することができる。Ｘ方向における複数の単電池１１の両端には、一対のエンドプレート１２が配置されている。一対のエンドプレート１２には、Ｘ方向に延びる拘束ロッド１３が接続されている。拘束ロッド１３の両端を一対のエンドプレート１２に固定することにより、車両用電源装置１０を構成する複数の単電池１１に対して拘束力を与えることができる。拘束力とは、Ｘ方向において単電池１１を挟む力である。

エンドプレート１２の上下方向端面には、拘束ロッド１３が固定される固定部１２ａが設けられている。固定部１２ａは、拘束ロッド１３が挿通する挿通孔を有し、挿通孔に挿通された拘束ロッド１３をボルト等の締結部材で固定部１２ａに締結することで、拘束ロッド１３がエンドプレート１２に固定される。

なお、図３に示すように、本実施例では、車両用電源装置１０の上面に、２つの拘束ロッド１３が配置され、下面にも、２つの拘束ロッド１３が配置されている。そして、一対のエンドプレート１２の上下方向端面それぞれに、車両用電源装置１０の上面に配置される２つの拘束ロッド１３に対応する２つの固定部１２ａと、下面に配置される２つの拘束ロッド１３に対応する２つの固定部１２ａとが設けられている。

なお、拘束ロッド１３の数やその断面形状、固定部１２ａの数は、適宜設定することができる。拘束ロッド１３の断面形状とは、拘束ロッド１３の長手方向と直交する断面における形状である。拘束ロッド１３は、一対のエンドプレート１２に接続されることにより、拘束力を発生させることができればよい。また、車両用電源装置１０の上下に拘束ロッド１３を配置しているが、例えば、車両用電源装置１０の左右に拘束ロッド１３が配置されるように構成することもできる。

Ｘ方向に隣り合う単電池１１は、メインバッテリ１０Ａ及びサブバッテリ１０Ｂの単電池１１群毎に、バスバー１４によって直列に接続されている。バスバー１４は、導電部材であり、一方の単電池１１の正極端子１１ａと他方の単電池１１の負極端子１１ｂとを接続する。なお、メインバッテリ１０Ａの単電池１１群とサブバッテリ１０Ｂの単電池１１群とは、バスバー１４を介して電気的に接続されていない。

ここで、本実施例では、監視ユニット２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０が１つの統合ユニット５０として構成されている。例えば、統合ユニット５０は、単電池１１やエンドプレート１２と同じ形状のユニットケースを備え、ユニットケース内に監視ユニット２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０が収容される。

そして、統合ユニット５０が、複数の単電池１１及び一対のエンドプレート１２で構成される電池スタック（積層体）の一部として一体に形成されるように構成されている。図２に示す例では、統合ユニット５０をＸ方向に並ぶ単電池１１群の中に配置し、積層体内に統合ユニット５０を一緒に組み込んでいる。

Ｘ方向に並んで配置され、一対のエンドプレート１２によって挟み込まれる複数の単電池１１は、統合ユニット５０を挟んで、メインバッテリ１０Ａを構成する第１単電池１１群と、サブバッテリ１０Ｂを構成する第２単電池１１群とに区画されている。図２において点線で示すように、メインバッテリ１０Ａの正極端子及び負極端子は、総合ユニット５０のＤＣ／ＤＣコンバータ４０に接続される。また、サブバッテリ１０Ｂの正極端子及び負極端子は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０に接続される。このようにメインバッテリ１０Ａ及びサブバッテリ１０Ｂは、１つの電池スタック（積層体）内で電気的な接続が区画されつつ、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０を介して互いに接続されている。

監視ユニット２０は、メインバッテリ１０Ａの正極端子及び負極端子と、第１単電池１１群の各単電池１１とに、不図示の電圧検出線を介して接続される。サブバッテリ１０Ｂについても同様である。各電圧検出線やＤＣ／ＤＣコンバータ４０との接続線は、集約されて統合ユニット５０に導かれる。統合ユニット５０の上面には、例えば、電圧検出線や接続線を、監視ユニット２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０が収容されたユニットケース内部に挿通されるための挿通部を設けることができる。

図３は、統合ユニット５０を拘束部材の一部として適用した車両用電源装置の一例である。図３に示すように、例えば、統合ユニット５０の上面及び下面に、固定部５１を設けることができる。固定部５１は、固定部１２ａと同様の構成であり、拘束ロッド１３が固定される。

統合ユニット５０をエンドプレート１２と同様の拘束部材として構成することで、メインバッテリ１０Ａの第１単電池１１群が、右側のエンドプレート１２と統合ユニット５０とにＸ方向で挟まれて拘束される。また、サブバッテリ１０Ｂの第２単電池１１群が、左側のエンドプレート１２と統合ユニット５０とにＸ方向で挟まれて拘束される。そして、一対のエンドプレート１２によって、メインバッテリ１０Ａ及びサブバッテリ１０Ｂ全体の各単電池１１が、Ｘ方向で挟まれて拘束される。

本実施例の車両用電源装置１０は、車両の走行用モータに電力を供給するメインバッテリ１０Ａの第１単電池１１群と、補機に電力を供給するサブバッテリ１０Ｂの第２単電池１１群とを含む複数の単電池１１をＸ方向に並べて積層し、一対のエンドプレート１２で単電池１１全体を挟み込んだ電池スタック（積層体）として構成される。このため、１つの車両用電源装置１０の状態を監視するだけでメインバッテリ１０Ａ及びサブバッテリ１０Ｂの双方を一括して監視することができ、部品点数の削減及び配線や配線スペースの効率化を図ることができる。

さらに、メインバッテリ１０Ａの電流経路からサブバッテリ１０Ｂへの出力電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ４０と、メインバッテリ１０Ａ及びサブバッテリ１０Ｂの双方を一括して監視する監視ユニット２０と、を１つの統合ユニット５０として構成し、統合ユニット５０が、複数の単電池１１及び一対のエンドプレート１２で構成される電池スタックの一部として一体に形成されるように構成している。監視ユニット２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０を１つの統合ユニットとして形成することで、車両用電源装置１０に接続される部品点数を削減できるとともに、メインバッテリ１０Ａ、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０及びサブバッテリ１０Ｂの接続を、１つの電池スタック（積層体）内で行うことができる。したがって、メインバッテリ１０Ａとサブバッテリ１０ＢそれぞれをＤＣ／ＤＣコンバータ４０に接続するための配線や配線スペースの効率化を図ることができる。

このように車両用電源装置１０は、車両の走行用モータに電力を供給するメインバッテリ１０Ａと補機に電力を供給するサブバッテリ１０Ｂとが、１つの電池スタックとして集約され、かつ監視ユニット２０及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０を１つのユニットにして積層体（蓄電スタック）の一部として一体に形成されているため、部品点数の削減及び配線や配線スペースの効率化を図ることができる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０とメインバッテリ１０Ａとの接続線及びＤＣ／ＤＣコンバータ４０とサブバッテリ１０Ｂとの接続線を、従来に比べて短くすることができる。このため、配線抵抗を低減することができ、電力損失を抑制することができる。

なお、車両用電源装置１０を構成する複数の単電池１１において、隣り合う単電池１１間には、スペーサを設けることができる。スペーサは、車両用電源装置１０の温度調節用の空気（例えば、冷却風）が流れる冷却スペースを形成する。このとき、１つの電池スタックとして構成されるメインバッテリ１０Ａとサブバッテリ１０Ｂとで、温度調節構造を区画して形成してもよい。この場合、例えば、１つの電池スタックであっても、メインバッテリ１０Ａに送り込む冷却風の供給量を、サブバッテリ１０Ｂへの供給量に比べて多くしたりすることができる。

１０：車両用電源装置、１０Ａ：メインバッテリ、１０Ｂ：サブバッテリ、１１：単電池、１１ａ：正極端子、１１ｂ：負極端子、１２：エンドプレート、１２ａ：固定部、１３：拘束ロッド、１４：バスバー、２０：監視ユニット、２１：昇圧回路、２２：インバータ、２３：駆動輪、２４：動力分割機構、２５：エンジン、３０：コントローラ、４０：ＤＣ／ＤＣコンバータ、５０：統合ユニット、ＰＬ：正極ライン、ＮＬ：負極ライン、ＳＭＲ−Ｂ，ＳＭＲ−Ｇ：システムメインリレー

Claims (1)

1. 車両の走行用モータに電力を供給するメインバッテリを構成する第１蓄電素子群と、
   補機に電力を供給するサブバッテリを構成し、前記第１蓄電素子群と同じ蓄電素子で形成される第２蓄電素子群と、
   前記第１蓄電素子群及び前記第２蓄電素子群の各蓄電素子が所定の方向に積層される複数の蓄電素子全体を前記所定の方向から挟み込むための一対のエンドプレートと、を有し、
   前記メインバッテリの電流経路に接続され、前記電流経路からサブバッテリへの出力電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータと、前記メインバッテリ及び前記サブバッテリの状態を監視する監視ユニットとを含む統合ユニットを、前記所定の方向に積層される前記複数の蓄電素子及び前記一対のエンドプレートで構成される積層体の一部として一体に形成したことを特徴とする車両用電源装置。
   

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