JP2018117415A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】充電効率と共にエネルギ効率を高めること。【解決手段】充電器と、充電器に接続され第１ダイオードを含む第１回路と、第１回路における第１ダイオードのカソード側に接続される第１電池及び第１負荷と、第１回路に対して並列な関係で充電器に接続され第２ダイオードを含む第２回路と、第２回路における第２ダイオードのカソード側に接続される第２電池及び第２負荷と、第１回路における第１ダイオードのカソード側と第１電池の正極側の間と、第２回路における第２ダイオードのカソード側と第２電池の正極側の間と、を接続する接続ラインと、接続ラインに設けられるスイッチと、充電器を介して第１電池及び第２電池を充電を行う際に、第１電池と第２電池との電圧差の絶対値又はＳＯＣの差の絶対値が所定値以上である場合に、スイッチを閉じる処理を行ってから、充電を開始する制御部とを含む。【選択図】図１

Description

本開示は、電源システムに関する。

複数の電池が発電機に対して並列接続され、一方の電池から他方の電池への電荷移動が制限されている電源システムにおいて、一方の電池の電圧が他方の電池よりも高い状態で充電を開始すると充電効率が悪くなることを考慮して、一方の電池の電圧が他方の電池よりも高い場合は、一方の電池から負荷回路への放電処理を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開2015-226341号公報

しかしながら、上記のような従来技術では、一方の電池から負荷回路への放電処理を行うことで無駄なエネルギの損失が生じるので、エネルギ効率の観点から改善の余地がある。

そこで、一側面によれば、本発明は、充電効率と共にエネルギ効率を高めることを目的とする。

一側面によれば、充電器と、
前記充電器に接続され、アノード側が前記充電器に接続される第１ダイオードを含む第１回路と、
前記第１回路における前記第１ダイオードのカソード側に接続される第１電池及び第１負荷と、
前記第１回路に対して並列な関係で前記充電器に接続され、アノード側が前記充電器に接続される第２ダイオードを含む第２回路と、
前記第２回路における前記第２ダイオードのカソード側に接続される第２電池及び第２負荷と、
前記第１回路における前記第１ダイオードのカソード側と前記第１電池の正極側の間と、前記第２回路における前記第２ダイオードのカソード側と前記第２電池の正極側の間と、を接続する接続ラインと、
前記接続ラインに設けられるスイッチと、
前記充電器を介して前記第１電池及び前記第２電池を充電を行う際に、前記第１電池と前記第２電池との電圧差の絶対値又はＳＯＣの差の絶対値が所定値以上である場合に、前記スイッチを閉じる処理を行ってから、充電を開始する制御部とを含む、電源システムが提供される。

一側面によれば、充電効率と共にエネルギ効率を高めることができる。

一実施例による電源システム１の概略的な全体構成を示す図である。 制御部４０により実行される充電開始前処理を説明するための概略フローである。 比較例を示す概略図である。 比較例における充電開始時の第１電池５１と第２電池５２との電圧差の影響の説明図である。 比較例における放電領域の発生の説明図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施例について詳細に説明する。以下の説明において、「接続」とは、「電気的な接続」を意味する。

図１は、一実施例による電源システム１の概略的な全体構成を示す図である。図１において、ＶＣＨＧ，ＶＣＨＧ１，ＶＢ１，ＶＣＨＧ２，ＶＢ２は、回路内の対応する個所の電位を表す。また、図１において、ＩＣＨＧ１，ＩＢ１，ＩＤＣ１，ＩＣＨＧ２，ＩＢ２，ＩＤＣ２は、回路内の対応する個所の電流を表し、矢印は電流の向きを表す。また、図１において、一点鎖線は、制御部４０からの制御ラインを模式的に表す。

電源システム１は、車両に搭載される。車両は、例えばプラグインハイブリッド車や、電気自動車、電動車両である。

電源システム１は、充電器１０と、第１回路２１と、第２回路２２と、接続ライン３０と、均等化リレー３２（スイッチの一例）と、制御部４０とを含む。

充電器１０は、外部の充電施設にケーブル（図示せず）を介して接続可能である。充電器１０は、外部の充電施設に接続された状態で、充電施設から電力を受けることができる。充電器１０を介して得られる電力により後述の第１電池５１及び第２電池５２が充電される。

第１回路２１は、充電器１０に接続される。第１回路２１には、第１ダイオード９１が設けられる。第１ダイオード９１は、アノード側が充電器１０に接続される向きで設けられる。従って、第１ダイオード９１は、充電器１０及び第２回路２２に向かう電流の流れを阻止する。

第１回路２１には、第１ダイオード９１のカソード側に第１電池５１及び第１負荷８１が接続される。第１電池５１は、例えばリチウムイオンバッテリである。第１負荷８１は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）やセンサ、補機などを含む各種の電子機器である。

図１に示す例では、第１回路２１には、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＤＣ１が設けられ、第１負荷８１は、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＤＣ１の低圧側に設けられる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＤＣ１の低圧側には、鉛バッテリＰｂＢ１も設けられる。ＤＣ−ＤＣコンバータＤＤＣ１は、降圧型であり、充電器１０からの電圧を降圧して、鉛バッテリＰｂＢ１及び第１負荷８１に供給する。

このようにして、図１に示す例では、充電器１０からの高電位側ライン２１０には、第１ダイオード９１を介して、第１電池５１、第１負荷８１、及び鉛バッテリＰｂＢ１が並列に接続される。尚、高電位側ライン２１０には、ヒューズや、各種リレーＣＨＲＢ１，ＳＭＲＢ１，ＳＭＲＰ１が設けられる。また、第１電池５１は、高電位側ライン２１０の接続ポイントＣ１に正極側が接続される。第１電池５１と高電位側ライン２１０との間には、電流計や第１ヒューズ４１が設けられ、第１電池５１とグランドの間には、リレーＳＭＲＧ１が設けられる。

第２回路２２は、第１回路２１とは並列な関係で、充電器１０に接続される。第２回路２２には、第２ダイオード９２が設けられる。第２ダイオード９２は、アノード側が充電器１０に接続される向きで設けられる。従って、第２ダイオード９２は、充電器１０及び第１回路２１に向かう電流の流れを阻止する。

第２回路２２には、第２ダイオード９２のカソード側に第２電池５２及び第２負荷８２が接続される。第２電池５２は、例えばリチウムイオンバッテリである。第２負荷８２は、ＥＣＵやセンサ、補機などを含む各種の電子機器であり、第１負荷８１と同じであってもよいし、異なってもよい。例えば、第２負荷８２及び第１負荷８１は、２系統として、それぞれ同一の所定の電気負荷を含んでもよい。所定の電気負荷は、例えば冗長系が有用な負荷であり、駆動用モータや、バイワイヤシステム等であってよい。尚、所定の電気負荷が駆動用モータを含む場合は、一方の系統にフェールが生じた場合でも、他方の系統の駆動用モータによる車両の走行が可能である。

図１に示す例では、第２回路２２には、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＤＣ２が設けられ、第２負荷８２は、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＤＣ２の低圧側に設けられる。また、ＤＣ−ＤＣコンバータＤＤＣ２の低圧側には、鉛バッテリＰｂＢ２も設けられる。ＤＣ−ＤＣコンバータＤＤＣ２は、降圧型であり、充電器１０からの電圧を降圧して、鉛バッテリＰｂＢ２及び第２負荷８２に供給する。

このようにして、図１に示す例では、充電器１０からの高電位側ライン２２０には、第２ダイオード９２を介して、第２電池５２、第２負荷８２、及び鉛バッテリＰｂＢ２が並列に接続される。尚、高電位側ライン２２０には、ヒューズや、各種リレーＣＨＲＢ２，ＳＭＲＢ２，ＳＭＲＰ２が設けられる。また、第２電池５２は、高電位側ライン２２０の接続ポイントＣ２に正極側が接続される。第２電池５２と高電位側ライン２２０との間には、電流計や第２ヒューズ４２が設けられ、第２電池５２とグランドの間には、リレーＳＭＲＧ２が設けられる。

図１に示す例では、電源システム１は、第１回路２１及び第２回路２２の２系統を有するので、一方の系統の異常などが発生した場合でも、他方の系統を利用して負荷等を動作させることができる。

接続ライン３０は、第１回路２１における第１ダイオード９１のカソード側と第１電池５１の正極側の間と、第２回路２２における第２ダイオード９２のカソード側と第２電池５２の正極側の間と、を接続する。図１に示す例では、接続ライン３０は、一端が第１ヒューズ４１と第１電池５１の間に接続され、他端が第２ヒューズ４２と第２電池５２の間に接続される。従って、図１に示す例では、接続ライン３０は、第１電池５１と第２電池５２の正極間を直接接続する。

均等化リレー３２は、接続ライン３０に設けられる。接続ライン３０には、均等化リレー３２に加えて抵抗Ｒ１が設けられる。均等化リレー３２は、例えば常態が開状態（即ちオフ状態）である。

制御部４０は、コンピュータ（例えばマイコン）により形成される。第１電池５１と第２電池５２とが別々のコンピュータにより制御（監視）される場合、以下で説明する制御部４０の機能は、２つのコンピュータにより協動して実現されてもよいし、一方のコンピュータにより実現されてもよい。

制御部４０は、充電器１０を介して第１電池５１及び第２電池５２を充電を行う際に、充電を開始するのに先立って、第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値又はＳＯＣ(State Of Charge)の差の絶対値が所定値ＴＨ１以上であるか否かを判定する。第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値（＝｜ＶＢ１−ＶＢ２｜）は、第１電池５１及び第２電池５２の各電圧値ＶＢ１、ＶＢ２から算出できる。ＳＯＣは、第１電池５１及び第２電池５２の開放電圧から算出できる。尚、第１電池５１及び第２電池５２のＳＯＣは、それぞれ、第１電池５１の電圧及び第２電池５２の電圧に相関するため（例えば開放電圧とＳＯＣとの関係を表す特性データが導出可能であるため）、電圧と同様に扱うことができる。本実施例では、一例として、制御部４０は、第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値が所定値ＴＨ１以上であるか否かを判定する。

第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値が有意に大きい状態で、充電器１０を介して第１電池５１及び第２電池５２を充電すると、電圧が高い方の電池からの放電が発生し、充電効率が悪くなる。この点を考慮し、所定値ＴＨ１は、許容できないレベルの放電が発生するような有意な電位差に設定されてよい。

制御部４０は、判定の結果、第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値が所定値ＴＨ１未満である場合は、第１電池５１及び第２電池５２を開始する。第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値が所定値ＴＨ１未満である場合は、充電効率の悪化が発生しないためである。

他方、制御部４０は、判定の結果、第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値が所定値ＴＨ１以上である場合は、均等化リレー３２を閉じることで電圧均等化処理を行う。これにより、第１電池５１及び第２電池５２のうちの、電圧が高い方の電池から他方の電池への充電が実現される。これにより、第１電池５１及び第２電池５２のうちの、電圧が高い方の電池の電力を無駄に消費することなく、充電効率の悪化を防止できる。

制御部４０は、均等化リレー３２を閉じると、その後、第１電池５１と第２電池５２との電圧差を監視し、第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値が所定値ＴＨ１未満となった場合に、充電器１０を介した第１電池５１及び第２電池５２の充電を開始する。或いは、制御部４０は、均等化リレー３２を閉じると、その後、所定時間ΔＴ１経過後に、充電器１０を介した第１電池５１及び第２電池５２の充電を開始してもよい。所定時間ΔＴ１は、第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値が所定値ＴＨ１未満になるのに要する時間に対応し、試験等に基づく適合値であってよい。また、所定時間ΔＴ１は、電圧均等化処理開始時での第１電池５１と第２電池５２との電圧差に応じて可変されてもよい。

次に、制御部４０により実行される充電開始前処理を説明するための概略フローである図２を参照しつつ、制御部４０の動作例を説明する。

図２に示する充電開始前処理は、充電器１０を介して第１電池５１及び第２電池５２を充電を開始する際に実行される処理の一例であり、例えば車両のイグニッションスイッチのオフ状態で、外部の充電施設に接続された場合に起動される。尚、イグニッションスイッチのオフ状態では、リレーＳＭＲＧ１，ＳＭＲＧ２はオフであり、均等化リレー３２はオフであり、リレーＣＨＲＢ１，ＣＨＲＢ２はオフである。

ステップＳ２００では、制御部４０は、電圧検出回路（図示せず）を介して、第１電池５１及び第２電池５２の各電圧ＶＢ１、ＶＢ２を計測する。

ステップＳ２０１では、制御部４０は、電圧均等化処理中であるか否かを判定する。判定結果が"ＹＥＳ"の場合、ステップＳ２０８に進み、それ以外の場合は、ステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、ステップＳ２００の計測結果に基づいて、第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値（＝｜ＶＢ１−ＶＢ２｜）を算出し、電圧差の絶対値が所定値ＴＨ１以上であるか否かを判定する。判定結果が"ＹＥＳ"の場合は、ステップＳ２０４に進み、それ以外の場合は、ステップＳ２１１に進む。

ステップＳ２０４では、制御部４０は、リレーＳＭＲＧ１，ＳＭＲＧ２をオンさせる。

ステップＳ２０６では、制御部４０は、均等化リレー３２をオンさせて電圧均等化処理を開始する。

ステップＳ２０８では、制御部４０は、ステップＳ２００の計測結果に基づいて、第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値を算出し、電圧差の絶対値が所定値ＴＨ１未満であるか否かを判定する。判定結果が"ＹＥＳ"の場合は、ステップＳ２１０に進み、それ以外の場合は、ステップＳ２１２に進む。

ステップＳ２１０では、制御部４０は、均等化リレー３２をオフさせて電圧均等化処理を終了する。

ステップＳ２１１では、制御部４０は、リレーＳＭＲＧ１，ＳＭＲＧ２をオンさせる。

ステップＳ２１２では、制御部４０は、充電器１０と外部の充電施設（例えば専用の充電ケーブル）との接続状態（ＣＰＬＴ信号の確認など）や他の充電開始条件をチェックしたうえで、リレーＣＨＲＢ１，ＣＨＲＢ２をオンさせる。

ステップＳ２１４では、制御部４０は、充電器１０を制御して充電を開始する。

次に、比較例と対比して、本実施例の効果について説明する。

図３は、比較例を示す概略図である。比較例は、本実施例に対して、接続ライン３０及び均等化リレー３２を備えない点が異なる。従って、比較例では、図２に示す処理において、ステップＳ２０１乃至ステップＳ２１０の処理は行われない。即ち、比較例では、充電器１０に外部の充電施設に接続されると、接続状態等をチェックしたうえで、リレーＣＨＲＢ１，ＣＨＲＢ２がオンされ、充電が開始される。

図４及び図５は、比較例における充電開始時の第１電池５１と第２電池５２との電圧差の影響の説明図である。図４では、ＶＣＨＧ１（又はＶＣＨＧ２）が第１電池５１及び第２電池５２の各電圧ＶＢ１、ＶＢ２よりも大きい場合が、上段に示され、ＶＣＨＧ１（又はＶＣＨＧ２）が電圧ＶＢ１よりも有意に小さく電圧ＶＢ２よりも大きい場合が、下段に示される。図５には、横軸の時間を取り、縦軸に開放電圧（又はＳＯＣ）を取り、ＶＣＨＧ（充電器１０の出力電圧）と電圧ＶＢ１、ＶＢ２の波形が示される。また、横軸には、充電開始時点が矢印で示される。図５に示す例では、充電開始時点で、第１電池５１のＳＯＣが３０％であり、第２電池５２のＳＯＣが１５％である。

ＶＣＨＧ１（又はＶＣＨＧ２）が電圧ＶＢ１、ＶＢ２よりも大きい場合は、第１電池５１及び第２電池５２に係る電流ＩＢ１、ＩＢ２が共に充電電流となり、充電器１０を介した第１電池５１及び第２電池５２の充電が、無駄なく実現される。

しかしながら、比較例の場合、ＶＣＨＧ１（又はＶＣＨＧ２）が電圧ＶＢ１よりも有意に小さく電圧ＶＢ２よりも大きい場合は、図４に示すように、第１電池５１に係る電流ＩＢ１が放電電流となり、無駄なエネルギの損失が生じる。これは、ＶＣＨＧ１（又はＶＣＨＧ２）が電圧ＶＢ２よりも有意に小さく電圧ＶＢ１よりも大きい場合も同様である。

より具体的には、図５にてハッチング領域で示すように、第１電池５１が放電する領域が発生する。尚、ＶＣＨＧ１（又はＶＣＨＧ２）の大きさは、充電電流の上限値により制限されるので、ＶＣＨＧ１（又はＶＣＨＧ２）は、第１電池５１及び第２電池５２の電圧のうちの低い方の電圧（図５の例では、第２電池５２の電圧ＶＢ２）で決まる。電圧差の絶対値（＝｜ＶＢ１−ＶＢ２｜）が大きいほど、ＶＣＨＧ１と電圧ＶＢ１との差ΔＶが大きくなり、放電領域が増加することが分かる。

この点、本実施例によれば、ＶＣＨＧ１（又はＶＣＨＧ２）が電圧ＶＢ１よりも有意に小さく電圧ＶＢ２よりも大きい場合や、ＶＣＨＧ１（又はＶＣＨＧ２）が電圧ＶＢ２よりも有意に小さく電圧ＶＢ１よりも大きい場合、電圧均等化処理が実行されるので、比較例において生じる無駄なエネルギの損失を防止できる。即ち、ＶＣＨＧ１（又はＶＣＨＧ２）が電圧ＶＢ１よりも有意に小さく電圧ＶＢ２よりも大きい場合や、ＶＣＨＧ１（又はＶＣＨＧ２）が電圧ＶＢ２よりも有意に小さく電圧ＶＢ１よりも大きい場合、第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値が所定値ＴＨ１以上となり、電圧均等化処理が実行される。電圧均等化処理が実行されると、第１電池５１と第２電池５２との電圧差の絶対値が所定値ＴＨ１未満となるまで、第１電池５１及び第２電池５２のうちの、電圧が高い方の電池から他方の電池への充電が実現される。これにより、第１電池５１及び第２電池５２のうちの、電圧が高い方の電池の電力を無駄に消費することなく、充電効率の悪化を防止できる。

以上、各実施例について詳述したが、特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施例の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

例えば、上述した実施例では、電源システム１は、第１回路２１及び第２回路２２の２系統を有するが、３系統以上有してもよい。例えば第３回路を有する場合、第１回路２１と第３回路との間と、第２回路２２と第３回路との間とに、それぞれ、均等化リレー３２と同様のリレーを備える接続ラインが設けられてよい。

１ 電源システム
１０ 充電器
２１ 第１回路
２２ 第２回路
３０ 接続ライン
３２ 均等化リレー
４０ 制御部
４１ 第１ヒューズ
４２ 第２ヒューズ
５１ 第１電池
５２ 第２電池
８１ 第１負荷
８２ 第２負荷
９１ 第１ダイオード
９２ 第２ダイオード
２１０ 高電位側ライン
２２０ 高電位側ライン

Claims (1)

1. 充電器と、
   前記充電器に接続され、アノード側が前記充電器に接続される第１ダイオードを含む第１回路と、
   前記第１回路における前記第１ダイオードのカソード側に接続される第１電池及び第１負荷と、
   前記第１回路に対して並列な関係で前記充電器に接続され、アノード側が前記充電器に接続される第２ダイオードを含む第２回路と、
   前記第２回路における前記第２ダイオードのカソード側に接続される第２電池及び第２負荷と、
   前記第１回路における前記第１ダイオードのカソード側と前記第１電池の正極側の間と、前記第２回路における前記第２ダイオードのカソード側と前記第２電池の正極側の間と、を接続する接続ラインと、
   前記接続ラインに設けられるスイッチと、
   前記充電器を介して前記第１電池及び前記第２電池を充電を行う際に、前記第１電池と前記第２電池との電圧差の絶対値又はＳＯＣの差の絶対値が所定値以上である場合に、前記スイッチを閉じる処理を行ってから、充電を開始する制御部とを含む、電源システム。

Images