JP2019146305A - 電源システム - Google Patents

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Abstract

【課題】所定のバッテリー単体の状態を容易に診断し、かつ、予め定められた状態に維持することができる電源システムを提供する。【解決手段】第１の負荷に接続される第１のバッテリーと、第２のバッテリーと、第１のバッテリーと第２のバッテリーとを接続するＤＣＤＣコンバーター、第１のバッテリーと第２の負荷とを接続する第１のスイッチ、及び第２のバッテリーと第２の負荷とを接続する第２のスイッチを含む、接続切り替え部と、を備えた電源システムとし、接続切り替え部は、第１のスイッチを閉成し、かつ、第２のスイッチを開放する第１のモードと、前記第１のスイッチを開放し、かつ、前記第２のスイッチを閉成する第２のモードとを、選択的に切り替える。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のバッテリーを冗長的に備えた電源システムに関する。
特許文献１に、メインバッテリーとサブバッテリーとを用いて電源を冗長構成にした車両用の電源システムが開示されている。この電源システムでは、メインバッテリーを車両に搭載された負荷に直接接続し、サブバッテリーをＤＣＤＣコンバーター又はリレースイッチを介して車両に搭載された負荷に接続することで、電源の冗長性を確保している。
特開２００４−３２８９８８号公報
自動運転における重要な負荷のバックアップ用電源としてサブバッテリーを使用する場合、サブバッテリーの状態をバックアップ用電源に要求される予め定められた状態に維持しておく必要がある。しかしながら、特許文献１に記載された電源システムは、サブバッテリーがＤＣＤＣコンバーター又はリレースイッチのいずれかを介して負荷に常時接続されている構成であるため、サブバッテリー単体の状態を診断して所定の状態を維持することが容易ではない。
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、所定のバッテリー単体の状態を容易に診断し、かつ、予め定められた状態に維持することができる電源システムを、提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の一態様は、電源システムであって、第１の負荷に接続される第１のバッテリーと、第２のバッテリーと、第１のバッテリーと第２のバッテリーとを接続するＤＣＤＣコンバーター、第１のバッテリーと第２の負荷とを接続する第１のスイッチ、及び第２のバッテリーと第２の負荷とを接続する第２のスイッチを含む、接続切り替え部と、を備え、接続切り替え部は、第１のスイッチを閉成し、かつ、第２のスイッチを開放する第１のモードと、前記第１のスイッチを開放し、かつ、前記第２のスイッチを閉成する第２のモードとを、選択的に切り替える、ことを特徴とする。
この本発明の一態様の電源システムは、第１のスイッチを閉成して第１のバッテリーから第２の負荷に電力を直接供給する場合、第２のスイッチを開放して第２のバッテリーを第２の負荷から切り離す（第１のモード）。これにより、ＤＣＤＣコンバーターを用いた充放電制御によって、第２のバッテリー単体の状態を容易に診断することができ、かつ、予め定められた状態も容易に維持することができる。また、この第１のモードでは、ＤＣＤＣコンバーターは、第２の負荷への電力供給は必要なく、第２のバッテリーの状態診断及び状態維持を行うだけでよいので、消費電力を抑制できる。一方、第１のスイッチを開放して第１のバッテリーを第２の負荷から切り離す場合には、第２のスイッチを閉成して第２のバッテリーを第２の負荷に接続する（第２のモード）。これにより、第１のバッテリーが失陥しても第２のバッテリーから第２の負荷に電力を供給することができる。
また、この一態様において、接続切り替え部は、ＤＣＤＣコンバーターの１次側と２次側との電圧差を所定値以下に制御した後に、第１のスイッチ及び第２のスイッチの状態を切り替えてもよい。
この制御によって、ＤＣＤＣコンバーターの１次側と２次側との電圧差を小さくすることができるので、モードを切り替えるときの電圧変動の発生を抑えることができる。また、モードの速やかな切り替えが可能となる。
本一態様の電源システムを車両に搭載した場合には、第１のモードを手動運転モードとし、第２のモードを自動運転モードとすることができる。
上記本発明の電源システムによれば、バッテリー単体の状態を容易に診断し、かつ、予め定められた状態に維持することができる。
本発明の一実施形態に係る電源システムの概略構成を示す図 ＤＣＤＣコンバーターの構成例を示す図 接続切り替え部が行うモード切り替え制御を説明するフローチャート 手動運転モードにおける第１及び第２のスイッチの状態を示す図 自動運転モードにおける第１及び第２のスイッチの状態を示す図
［概要］
本発明の複数のバッテリーを冗長的に備えた電源システムは、メインバッテリーから負荷に電力供給を行っている通常の状態において、サブバッテリーを負荷から切り離しておく。これにより、サブバッテリー単体の状態を容易に診断することができ、かつ、予め定められた状態も容易に維持することができる。
［電源システムの構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る電源システム１の概略構成を示す図である。図１に例示した電源システム１は、第１のバッテリー１１と、第２のバッテリー１２と、第１の負荷２１と、第２の負荷２２と、接続切り替え部３０と、発電機４０と、を備えている。
第１のバッテリー１１、第１の負荷２１、接続切り替え部３０、及び発電機４０は、第１の配線５１で相互に接続されている。第２のバッテリー１２及び接続切り替え部３０は、第２の配線５２で接続されている。第２の負荷２２及び接続切り替え部３０は、第３の配線５３で接続されている。
本実施形態に係る電源システム１は、冗長的な電源構成を必要とする設備装置に搭載することが可能である。以下の実施形態では、手動運転モードと自動運転モードとを切り替え可能な車両に電源システム１が搭載される場合を一例に説明する。
発電機４０は、例えばオルタネーターやＤＣＤＣコンバーターなど、所定の電力を出力することができる機器である。この発電機４０が出力する電力は、第１のバッテリー１１や第１の負荷２１などに供給される。
第１のバッテリー１１は、例えば鉛蓄電池やリチウムイオン電池などの充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。第１のバッテリー１１は、発電機４０が出力する電力を蓄えたり、自らが蓄えている電力を第１の負荷２１及び接続切り替え部３０に放出したりする。この第１のバッテリー１１は、車両の走行に専ら利用されるメインバッテリーとして設けられている。なお、バッテリーに代えてキャパシタを用いてもよい。
第２のバッテリー１２は、例えば鉛蓄電池やリチウムイオン電池などの充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。第２のバッテリー１２は、発電機４０が出力する電力や第１のバッテリー１１の電力を接続切り替え部３０を介して蓄えたり、自らが蓄えている電力を接続切り替え部３０を介して第２の負荷２２などに放出（供給）したりする。この第２のバッテリー１２は、第１のバッテリー１１をバックアップするためのサブバッテリーとして冗長的に設けられている。
第１の負荷２１は、電力を消費する車載機器である。この第１の負荷２１は、発電機４０が出力する電力及び／又は第１のバッテリー１１に蓄えられた電力で動作するように構成されている。
第２の負荷２２は、電力を消費する車載機器であって、特に車両の安全走行に関わる装置とすることができる。より具体的には、第２の負荷２２は、第１のバッテリー１１による電源が失陥した場合でも第２のバッテリー１２から所定の期間かつ所定の電流による電力供給を必要とする重要負荷であり、例えば自動運転において緊急時に車両を安全に退避行動させるための重要な機能を担う負荷とすることができる。この第２の負荷２２は、後述するように、手動運転時には発電機４０が出力する電力及び／又は第１のバッテリー１１に蓄えられた電力で動作し、自動運転時には第１のバッテリー１１に蓄えられた電力及び／又は第２のバッテリー１２に蓄えられた電力で動作するように、構成されている。
接続切り替え部３０は、第１のスイッチ３１、第２のスイッチ３２、及びＤＣＤＣコンバーター３３を、構成に含んでいる。これらの構成は、図示しないマイコンなどの制御部によって制御される。
第１のスイッチ３１は、第１の配線５１と第３の配線５３との間に配置され、車両の運転モードに基づいて開閉可能に構成されている。この第１のスイッチ３１は、車両が手動運転モードであるときは、閉成して第１の配線５１と第３の配線５３とを接続し、車両が自動運転モードであるときは、開放して第１の配線５１と第３の配線５３とを切り離す。この第１のスイッチ３１には、例えば、ノーマリーオン型の半導体リレーや励磁式のメカニカルリレーなどを用いることができる。
第２のスイッチ３２は、第２の配線５２と第３の配線５３との間に配置され、車両の運転モードに基づいて開閉可能に構成されている。この第２のスイッチ３２は、車両が自動運転モードであるときは、閉成して第２の配線５２と第３の配線５３とを接続し、車両が自動運転モードであるときは、開放して第２の配線５２と第３の配線５３とを切り離す。この第２のスイッチ３２には、例えば、ノーマリーオフ型の半導体リレーや励磁式のメカニカルリレーなどを用いることができる。
ＤＣＤＣコンバーター３３は、入力された電圧を予め定めた電圧に変換して出力する電圧変換器である。このＤＣＤＣコンバーター３３は、１次側が第１の配線５１に接続されており、２次側が第２の配線５２に接続されている。このＤＣＤＣコンバーター３３は、例えば、１次側の電圧を降圧して２次側に出力する降圧機能と、２次側の電圧を昇圧して１次側に出力する昇圧機能とを兼ね備えた、双方向昇降圧型のＤＣＤＣコンバーターとすることができる。
双方向昇降圧型のＤＣＤＣコンバーターの一例を図２に示す。図２に例示するＤＣＤＣコンバーターは、１次側端子と２次側端子との間に、直列に接続されたスイッチング素子Ｍ１、インダクタＬ、及びスイッチング素子Ｍ３が挿入されている。スイッチング素子Ｍ１とインダクタＬとの間はスイッチング素子Ｍ２で接地され、インダクタＬとスイッチング素子Ｍ３との間はスイッチング素子Ｍ４で接地されている。また、１次側端子及び２次側端子には、それぞれ平滑用のコンデンサＣ１及びＣ２が接地されている。スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ４には、例えば、電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を使用することができる。スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ４は、図示しない制御部によってゲート電圧が制御され、オンオフ動作を行う。
［電源システムが実行する制御］
次に、図３乃至図５をさらに参照して、本実施形態に係る電源システム１が実行する制御を説明する。図３は、電源システム１の接続切り替え部３０が行うモード切り替え制御の処理手順を説明するフローチャートである。図４は、手動運転モードにおける第１のスイッチ３１及び第２のスイッチ３２の状態を示す図である。図５は、自動運転モードにおける第１のスイッチ３１及び第２のスイッチ３２の状態を示す図である。
図３に例示する制御は、車両の電源がオン状態になると開始され、電源がオフ状態になるまで繰り返し実行される。なお、電源がオンされた直後における車両の初期状態は、手動運転モードが設定されるものとして説明する。
ステップＳ３０１：接続切り替え部３０は、第１のスイッチ３１を閉成し、かつ、第２のスイッチ３２を開放して、電源システム１を「手動運転モード（図４）」に設定する。手動運転モードが設定されると、ステップＳ３０２に処理が進む。
この手動運転モードでは、第１のバッテリー１１から第２の負荷２２へは、ＤＣＤＣコンバーター３３を介さずに電力供給できるため（図４の実線矢印）、ＤＣＤＣコンバーター３３での電力消費を抑制できる。また、第２のバッテリー１２が第２の負荷２２から切り離されて第２のバッテリー１２から第２の負荷２２へ電流が流れないため、第２のバッテリー１２の放電を抑制できる。また、第２のバッテリー１２は、ＤＣＤＣコンバーター３３を介して第１のバッテリー１１及び発電機４０に接続されているため、第１のバッテリー１１の電力や発電機４０の発電電力で充電することが可能となる。さらに、ＤＣＤＣコンバーター３３が双方向型なので、第２のバッテリー１２（第２の配線５２側）から第１のバッテリー１１など（第１の配線５１側）に向けて放電することが可能となる。
ステップＳ３０２：接続切り替え部３０は、第２のバッテリー１２の状態を診断する。この診断は、例えば所定の時間間隔で、第２のバッテリー１２が予め定められた状態にあるか否かを判断することで行われる。この予め定められた状態とは、第２のバッテリー１２が規定の電流値を規定の時間継続して出力することが可能な電力を蓄えている状態をいい、第２のバッテリー１２の蓄電量（ＳＯＣ）や内部抵抗値などに基づいて判断される。この診断は、例えば、第２のバッテリー１２からＤＣＤＣコンバーター３３を介して第１の配線５１に放電する際の電圧値及び電流値の変化などに基づいて行うことが可能である（図４の破線矢印）。第２のバッテリー１２が予め定められた状態にある場合（Ｓ３０２、ＯＫ）は、ステップＳ３０４に処理が進み、第２のバッテリー１２が予め定められた状態にない場合（Ｓ３０２、ＮＧ）は、ステップＳ３０３に処理が進む。
ステップＳ３０３：接続切り替え部３０は、第２のバッテリー１２が予め定められた状態になるように所定の回復処理を行う。回復処理の一例として、第２のバッテリー１２の蓄電量が規定の蓄電量よりも少ない場合には、ＤＣＤＣコンバーター３３を介して第１のバッテリー１１の電力などで第２のバッテリー１２を充電する処理、及び第２のバッテリー１２の蓄電量が規定の蓄電量よりも多い場合には、ＤＣＤＣコンバーター３３を介して第２のバッテリー１２の電力を第１の配線５１に放出する処理が挙げられる（図４の破線矢印）。回復処理が実行されると、ステップＳ３０４に処理が進む。
ステップＳ３０４：接続切り替え部３０は、車両が手動運転から自動運転に移行したか否かを判断する。自動運転に移行せず手動運転のままである場合（Ｓ３０４、Ｎｏ）には、ステップＳ３０２に処理が戻り、手動運転から自動運転に移行した場合（Ｓ３０４、Ｙｅｓ）には、ステップＳ３０５に処理が進む。
なお、上記ステップＳ３０４の判断は、上記ステップＳ３０２及びＳ３０３の処理と並行して行われてもよいが、下記ステップＳ３０５は、ステップＳ３０３による第２のバッテリー１２の回復を待って実行するとよい。
ステップＳ３０５：接続切り替え部３０は、第１のスイッチ３１を開放し、かつ、第２のスイッチ３２を閉成して、電源システム１を「自動運転モード（図５）」に設定する。自動運転モードが設定されると、ステップＳ３０６に処理が進む。
この自動運転モードでは、第１のバッテリー１１から第２の負荷２２へは、ＤＣＤＣコンバーター３３を介して電力供給され、また第２のバッテリー１２からも電力供給を受ける状態になる（図５の実線矢印）。これにより、例えば、第１のバッテリー１１が失陥するなどの緊急時においても、介在するＤＣＤＣコンバーター３３の作用によって第２のバッテリー１２は失陥の影響をほとんど受けないため、第２のバッテリー１２から第２の負荷２２への電力供給をバックアップすることができる。
ここで、図２を参照して、第１のバッテリー１１が失陥しても第２のバッテリー１２が影響をほとんど受けない理由を説明する。第１のバッテリー１１が接続されたＤＣＤＣコンバーター３３の１次側の電圧が第２のバッテリー１２が接続された２次側の電圧よりも低下してくると、図示しない制御部によって１次側から２次側に向けて電流を流す昇圧動作が行われる（スイッチング素子Ｍ１及びＭ４のオンによるインダクタＬへのエネルギーチャージ、スイッチング素子Ｍ４のオフ及びスイッチング素子Ｍ３のオンによるインダクタＬからのディスチャージ）。このため、第２のバッテリー１２からＤＣＤＣコンバーター３３を介した電流放出は生じない。さらにＤＣＤＣコンバーター３３の１次側の電圧低下が進むと、図示しない制御部がＤＣＤＣコンバーター３３の動作を停止（スイッチング素子Ｍ１〜Ｍ４の全てオフ）するため、第２のバッテリー１２からＤＣＤＣコンバーター３３を介した電流放出は生じない。このようにして、第２のバッテリー１２の電力が維持される。
ステップＳ３０６：接続切り替え部３０は、車両が自動運転から手動運転に移行したか否かを判断する。手動運転に移行せず自動運転のままである場合（Ｓ３０６、Ｎｏ）には、引き続きステップＳ３０６の判断を実施し、自動運転から手動運転に移行した場合（Ｓ３０６、Ｙｅｓ）には、ステップＳ３０１に処理が戻る。
なお、運転モードを切り替える際には、電圧変動の影響を抑制するために、一方のバッテリーを充放電処理してＤＣＤＣコンバーター３３の１次側と２次側の電圧差を所定値以下に極力少なくしておくことが望ましい。但し、ＤＣＤＣコンバーター３３の２次側から１次側に電流を放出した場合、第１の配線５１の電源電圧が発電機４０の出力電圧からさらに持ち上がって高くなってしまい、第１の負荷２１の定格電圧を超えてしまうおそれがある。このようなことを避けるため、ＤＣＤＣコンバーター３３の２次側から１次側に電流を放出するときには、発電機４０の出力電圧を予め下げておくことが有用である。
［本実施形態における作用・効果］
上述した本発明の一実施形態に係る電源システム１によれば、手動運転モード（第１のモード）では、接続切り替え部３０が、第１のスイッチ３１を閉成して第１のバッテリー１１から第２の負荷２２に電力を直接供給し、第２のスイッチ３２を開放して第２のバッテリー１２を第２の負荷２２から切り離すことを行う。
これにより、手動運転モードでは、ＤＣＤＣコンバーター３３を用いた充放電制御によって、自動運転時のバックアップ用である第２のバッテリー１２単体の状態を容易に診断することができ、かつ、所定の期間かつ所定の電流による電力供給が可能な状態も容易に維持することができる。また、この手動運転モードでは、ＤＣＤＣコンバーター３３は、第２の負荷２２への電力供給は必要なく、第２のバッテリー１２の状態診断及び状態維持を行うだけでよいので、消費電力を抑制できる。
また、本実施形態に係る電源システム１によれば、自動運転モード（第２のモード）では、接続切り替え部３０が、第１のスイッチ３１を開放して第１のバッテリー１１を第２の負荷２２から切り離す場合には、第２のスイッチ３２を閉成して第２のバッテリー１２を第２の負荷２２に接続する。
これにより、自動運転モードでは、第１のバッテリー１１が失陥しても第２のバッテリー１２から第２の負荷２２に電力を供給することができる。
さらに、本実施形態に係る電源システム１によれば、接続切り替え部３０は、ＤＣＤＣコンバーター３３の１次側と２次側との電圧差を所定値以下に制御した後に、第１のスイッチ３１及び第２のスイッチ３２の状態を切り替える。これにより、ＤＣＤＣコンバーター３３の１次側と２次側との電圧差を小さくすることができるので、運転モードを切り替えるときの電圧変動の発生を抑えることができる。また、運転モードの速やかな切り替えが可能となる。
なお、車両の電源オフ時は、第２の負荷２２に流れる暗電流を第１のバッテリー１１から供給できるように、図４に示した第１のスイッチ３１を閉成し、かつ、第２のスイッチ３２を開放した手動運転モードとすることが望ましい。
また、上記実施形態は、双方向昇降圧型のＤＣＤＣコンバーター３３を用いて説明したが、本願発明が適用される範囲は“双方向型”である必要はない。
本発明の電源システムは、複数のバッテリーを冗長的に備えた車両などに利用可能である。
１ 電源システム
１１ 第１のバッテリー
１２ 第２のバッテリー
２１ 第１の負荷
２２ 第２の負荷
３０ 接続切り替え部
３１ 第１のスイッチ
３２ 第２のスイッチ
３３ ＤＣＤＣコンバーター
４０ 発電機
５１〜５３ 配線

Claims (3)

  1. 第１の負荷に接続される第１のバッテリーと、
    第２のバッテリーと、
    前記第１のバッテリーと前記第２のバッテリーとを接続するＤＣＤＣコンバーター、前記第１のバッテリーと第２の負荷とを接続する第１のスイッチ、及び前記第２のバッテリーと前記第２の負荷とを接続する第２のスイッチを含む、接続切り替え部と、を備え、
    前記接続切り替え部は、前記第１のスイッチを閉成し、かつ、前記第２のスイッチを開放する第１のモードと、前記第１のスイッチを開放し、かつ、前記第２のスイッチを閉成する第２のモードとを、選択的に切り替える、ことを特徴とする、
    電源システム。
  2. 前記接続切り替え部は、前記ＤＣＤＣコンバーターの１次側と２次側との電圧差を所定値以下に制御した後に、前記第１のスイッチ及び前記第２のスイッチの状態を切り替える、ことを特徴とする、
    請求項１に記載の電源システム。
  3. 前記電源システムが車両に搭載されおり、
    前記第１のモードは手動運転モードであり、前記第２のモードは自動運転モードである、ことを特徴とする、
    請求項２に記載の電源システム。
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