JP6361023B2 - 車両用電源システム - Google Patents

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Description

本発明は、自動車などの車両に用いられる車両用電源システムに関する。
従来、特性の異なる複数の２次電池を搭載し、リレーによって電力を供給する２次電池を選択することが知られている。
例えば、特開２００４−１９０６２６（特許文献１）では、リチウムイオン電池と鉛蓄電池を搭載し、通常起動時には、鉛蓄電池の電力がリレーを介してスタータに供給され、アイドルストップの再起動時には、リチウムイオン電池の電力がリレーを介してスタータに供給される。
また、特許文献１では、通常走行時においては、オルタネータからの発電電力が鉛蓄池および車両補機に供給され、アイドルストップ時においては、リチウムイオン電池から車両補機などに電力が供給される。
ここで、現在、車両の電子化・電動化あるいは車両の自動運転や障害物検知を背景として、電装品（カメラ、レーザーセンサ等）への電力供給の信頼性が求められている。
異常時における電力供給の維持方法として、例えば、特開２００４−３３８５７７（特許文献２）では、一の負荷に対して複数の電源を接続し、かつ、それぞれ一の電源に対して複数の負荷を接続する構成とし、所定の条件において電源と負荷とを電気的に遮断している。
特許文献２では、電源の失陥、電力供給線の地絡または断線等の場合において、故障が発生していない他系統の負荷に対して連続的な電力供給を維持することが可能となっている。
特開２００４−１９０６２６号公報 特開２００４−３３８５７７号公報
車両用電源システムの電力供給先としては、主に、電装品とエンジンのスタータが考えられる。
上述の通り、車両の自動運転や障害物検知を背景として、電装品への電力供給の信頼性が求められており、加えて、コースティング・エコランシステム等のように、走行中にも頻繁にエンジンの停止・再起動を行うシステムが提案されており、エンジンの再起動が確実に行えるようスタータへの電力供給の信頼性も求められる。
さらに、電装品に電力供給を行いつつ、スタータによりエンジン始動をさせる場合、スタータに大電流が供給され、電池の電圧が瞬低（瞬時電圧低下）し、電装品の誤動作や作動停止が生じる恐れがあるため、スタータと電装品の両方へ電力供給を行う場合の信頼性も求められる。
しかしながら、特許文献２に記載された発明は、故障が発生していない他系統の負荷に対して連続的な電力供給を維持するものであり、複数の負荷（例えば、電装品とスタータ）に対する電力供給を維持するものではない。
本願発明は、複数の負荷（例えば、電装品とスタータ）に対する電力供給の信頼性が高い車両用電源システムを提供することを目的とする。
本発明は、スタータおよび電装品に電力を供給可能な第１バッテリから電力を供給するための第１電力供給線に設けられる第１切換部と、前記スタータおよび前記電装品に電力を供給可能な第２バッテリから電力を供給するための第２電力供給線に設けられる第２切換部と、前記第１電力供給線と接続され、前記スタータへ電力を供給するための第３電力供給線に設けられる第３切換部と、前記第２電力供給線と前記第３電力供給線に接続される第４電力供給線に設けられる第４切換部と、前記第１電力供給線と接続され、前記電装品へ電力を供給するための第５電力供給線に設けられる第５切換部と、前記第２電力供給線と前記第５電力供給線に接続される第６電力供給線に設けられる第６切換部と、前記第５電力供給線または前記第６電力供給線に設けられるＤＣ／ＤＣコンバータと、前記第１切換部、前記第２切換部、前記第３切換部、前記第４切換部、前記第５切換部、前記第６切換部、および、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御部と、を備えた車両用電源システムにおいて、前記第１バッテリおよび前記第２バッテリの何れかから、前記スタータおよび前記電装品の両方に電力を供給する場合、前記制御部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを経由して前記電装品へ電力を供給させることを特徴とする車両用電源システム。
複数の負荷（例えば、電装品とスタータ）に対して電力供給の信頼性を高めることができる。
車両用電源システム１の構成を説明する図 車両用電源システム１のＥＣＵ５００を説明するブロック図 車両用電源システム１の正常動作時の動作を説明する図 リチウムイオンバッテリ２００が失陥した場合の車両用電源システム１の動作を説明する図 ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に異常が生じた場合の車両用電源システム１の動作を説明する図 バッテリやリレーの状態と各状態における各リレーのＯＮ／ＯＦＦを示す図
以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に説明する。
ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための車両用電源システムを例示して説明するものであって、本発明をこの車両用電源システムに特定することを意図するものではなく特許請求の範囲に示した技術思想を逸脱することなくその他の車両用電源システムにも等しく適用し得るものである。
まず、図１を参照して、本願発明の車両用電源システム１の構成を説明する。なお、図１において、実線は電力供給線であり、破線は信号線を示している。
車両用電源システム１は、鉛バッテリ１００（第１バッテリ）および／またはリチウムイオンバッテリ２００（第２バッテリ）からの電力を電装品３００およびスタータ４００へ供給する構成となっている。
鉛バッテリ１００とリチウムイオンバッテリ２００は、ほぼ同電圧となっており、鉛バッテリ１００とリチウムイオンバッテリ２００の何れか一方が失陥した場合であっても、電装品３００およびスタータ４００へ電力供給を可能としている。
電装品３００は、例えば、カーナビゲーション、カメラ、レーザーセンサなどであり、本実施例においては、車両の自動運転の際にセンシング機能の一環として用いられ、誤動作や作動停止が許容されないものとして説明を行う。
スタータ４００は、車両に搭載されたエンジンを始動させるもので、例えば、モータジェネレータやベルト式スタータジェネレータで構成される。
続いて、車両用電源システム１の内部構成について説明する。
車両用電源システム１は、電力供給線１１〜１６、リレー２１〜２６（第１切換部〜第６切換部）、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０、および、これらを制御するＥＣＵ５００から構成される。
電力供給線１１は、鉛バッテリ１００と接続され、鉛バッテリ１００からの電力を伝送する。電力供給線１１上には、リレー２１が設けられている。
電力供給線１２は、リチウムイオンバッテリ２００と接続され、リチウムイオンバッテリ２００からの電力を伝送する。電力供給線１２上には、リレー２２が設けられている。
電力供給線１３は、電力供給線１１に接続されるとともに、スタータ４００への電力供給線に接続される。電力供給線１３上には、リレー２３が設けられている。
電力供給線１４は、電力供給線１２に接続されるとともに、電力供給線１３（スタータ４００への電力供給線）に接続される。電力供給線１４上には、リレー２４が設けられている。
電力供給線１５は、電力供給線１１に接続されるとともに、電装品３００への電力供給線に接続される。電力供給線１５上には、リレー２５が設けられている。
電力供給線１６は、電力供給線１１に接続されるとともに、電力供給線１５（電装品３００への電力供給線）に接続される。電力供給線１６上には、リレー２６が設けられている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、電力供給線１６上に設けられ、入力電力を変圧（昇圧または降圧）して電装品３００へ出力する。
続いて、ＥＣＵ５００について、図２を用いて説明する。図２はＥＣＵ５００を説明するためのブロック図である。
鉛バッテリ状態検出部１０１は、鉛バッテリ１００の状態を監視するものであり、鉛バッテリ１００の状態をＥＣＵ５００へ通知する。
リチウムイオンバッテリ状態検出部１０１は、リチウムイオンバッテリ２００の状態を監視するものであり、リチウムイオンバッテリ２００の状態をＥＣＵ５００へ通知する。
ＥＣＵ５００は、鉛バッテリ１００およびリチウムイオンバッテリ２００の状態等に基づき、リレー２１〜２６、および、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０の制御を行う。
次に、図３を用いて、車両用電源システム１の正常動作時の動作を説明する。
正常動作時（リチウムイオンバッテリ２００等に異常がない場合）、ＥＣＵ５００は、リレー２２、リレー２４、およびリレー２６をＯＮし、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を駆動させる。
その結果、図３に示す矢印のように、リチウムイオンバッテリ２００から電装品３００およびスタータ４００に電力が供給される。
鉛バッテリ１００において充放電を深くすると寿命への影響が大きいため、正常動作時には、リチウムイオンバッテリ２００から電力を供給することで、電装品３００およびスタータ４００への電力供給の信頼性を向上させている。
加えて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して電装品３００へ電力供給を行うことにより、スタータ４００に大電流が供給され電圧が一時的に下がった場合でも、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０により適切な電圧に昇圧されたのち電装品３００へ供給されるため、電装品３００の誤動作や動作停止を防止することが可能である。
次に、図４を用いて、リチウムイオンバッテリ２００に異常が生じた場合の車両用電源システム１の動作を説明する。
リチウムイオンバッテリ２００に異常が生じた場合、ＥＣＵ５００は、リレー２２をＯＦＦ、リレー２１、リレー２３、リレー２４、およびリレー２６をＯＮし、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を駆動させる。
その結果、図４に示す矢印のように、鉛バッテリ１００から電装品３００およびスタータ４００に電力が供給される。
鉛バッテリ１００から電装品３００およびスタータ４００に電力を供給する場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を介して電装品３００へ電力供給を行うことにより、スタータ４００に大電流が供給され電圧が一時的に下がった場合でも、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０により適切な電圧に昇圧されたのち電装品３００へ供給されるため、電装品３００の誤動作や動作停止を防止することが可能である。
すなわち、各リレーを図４のように制御することにより、リチウムイオンバッテリ２００に異常が生じ失陥した場合であっても、電装品３００およびスタータ４００に安定して電力を供給することが可能である。
さらに、リレー２３、リレー２４、およびリレー２６をＯＮし、電力供給線１３、電力供給線１４、および電力供給線１６を経由してＤＣ／ＤＣコンバータ３０へ電力を入力することにより、バッテリ毎にＤＣ／ＤＣコンバータ３０を備えることなく、１つのＤＣ／ＤＣコンバータ３０で適切な電圧に変圧することが可能である。これにより、コストの増大、システムの大型化などを防止することもできる。
次に、図５を用いて、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に異常が生じた場合の車両用電源システム１の動作を説明する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に異常が生じた場合、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０で電圧を変圧することができない。そのため、鉛バッテリ１００とリチウムイオンバッテリ２００の何れか一方から、電装品３００およびスタータ４００の両方に電力供給を行った場合、電装品３００の誤動作や動作停止が生じる恐れがある。
そこで、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に異常が生じた場合には、電装品３００およびスタータ４００のそれぞれに異なるバッテリから電力を供給させる。
図５では、鉛バッテリ１００から電装品３００へ電力供給し、リチウムイオンバッテリ２００からスタータ４００へ電力供給する場合を例示する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に異常が生じた場合、ＥＣＵ５００は、リレー２３およびリレー２６をＯＦＦし、リレー２１、リレー２２、リレー２４、およびリレー２５をＯＮする。
その結果、図５に示す矢印のように、鉛バッテリ１００から電装品３００に電力が供給され、リチウムイオンバッテリ２００からスタータ４００に電力が供給される。
これにより、スタータ４００に電力を供給しているバッテリの電圧が一時的に下がった場合でも、電装品３００への電力供給には影響を受けず、電装品３００の誤動作や動作停止を防止することができる。
図６にバッテリやリレーの状態と、各状態における各リレーのＯＮ／ＯＦＦを示す。
上述の通り、正常動作時には、ＥＣＵ５００は、リレー２２、リレー２４、およびリレー２６をＯＮし、リチウムイオンバッテリ２００から電装品３００およびスタータ４００に電力を供給する。
また、鉛バッテリ１００が失陥した場合には、ＥＣＵ５００は、リレー２１をＯＦＦし、リレー２２、リレー２４、およびリレー２６をＯＮし、リチウムイオンバッテリ２００から電装品３００およびスタータ４００に電力を供給する。
リチウムイオンバッテリ２００が失陥した場合には、ＥＣＵ５００は、リレー２２をＯＦＦ、リレー２１、リレー２３、リレー２４、およびリレー２６をＯＮし、鉛バッテリ１００から電装品３００およびスタータ４００に電力を供給する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ３０に異常が生じた場合には、ＥＣＵ５００は、リレー２３およびリレー２６をＯＦＦし、リレー２１、リレー２２、リレー２４、およびリレー２５をＯＮし、鉛バッテリ１００から電装品３００に電力を供給し、リチウムイオンバッテリ２００からスタータ４００に電力を供給する。
リレー２３がリレー溶着等によりショート状態となった場合には、リレー２４およびリレー２５をＯＦＦし、リレー２１、リレー２２およびリレー２６をＯＮし、鉛バッテリ１００からスタータ４００に電力を供給し、リチウムイオンバッテリ２００から電装品３００に電力を供給する。
リレー２４がリレー溶着等によりショート状態となった場合には、リレー２３およびリ
レー２５をＯＦＦし、リレー２１、リレー２２、およびリレー２６をＯＮし、リチウムイオンバッテリ２００から電装品３００およびスタータ４００に電力を供給する。電装品３００へはＤＣ／ＤＣコンバータ３０を経由して電力供給される。
リレー２５がリレー溶着等によりショート状態となった場合には、リレー２３をＯＦＦし、リレー２１、リレー２２、リレー２４、およびリレー２６をＯＮし、鉛バッテリ１００から電装品３００に電力を供給し、リチウムイオンバッテリ２００からスタータ４００に電力を供給する。リレー２６がＯＮされる理由は、リレー２５がショート状態から突然回復した場合に、電装品３００への電力供給が停止しないようにするためである。
リレー２６がリレー溶着等によりショート状態となった場合には、リレー２３およびリレー２５をＯＦＦし、リレー２１、リレー２２、およびリレー２４をＯＮし、リチウムイオンバッテリ２００から電装品３００およびスタータ４００に電力を供給する。電装品３００へはＤＣ／ＤＣコンバータ３０を経由して電力供給される。なお、リレー２６がショート状態から突然回復した場合に、電装品３００への電力供給が停止しないようにするためにリレー２５をＯＮにしてもよい。
なお、図６の説明はあくまで例示であり、一方のバッテリから電装品３００およびスタータ４００の両方に電力を供給する場合、電装品３００へはＤＣ／ＤＣコンバータ３０を経由して電力供給される、という条件を満たしておれば他のリレー制御を行っても構わない。
以上の説明の通り、本願発明では、一方のバッテリから電装品３００およびスタータ４００の両方に電力を供給する場合、電装品３００へはＤＣ／ＤＣコンバータ３０を経由して電力供給することにより、何れか一方のバッテリが失陥した場合であっても、電装品３００およびスタータ４００の両方に対して安定した電力供給を行うことができる。
さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０を電力供給線１６上（鉛バッテリ１００およびリチウムイオンバッテリ２００から電力を受けられ、電装品３００へ電力供給が可能な位置）に設け、リレー制御によって電力供給線を切り替えることにより、１つのＤＣ／ＤＣコンバータ３０で鉛バッテリ１００およびリチウムイオンバッテリ２００からの電力を変圧することが可能となり、バッテリ毎にＤＣ／ＤＣコンバータを設ける必要がない。
なお、本願発明は上記の実施例に限られず、種々の変更が可能である。
例えば、上記実施例では、正常動作時には、リチウムイオンバッテリ２００から電装品３００およびスタータ４００の両方に電力を供給したが、これに限らず、例えば、図５のように、鉛バッテリ１００から電装品３００へ電力供給し、リチウムイオンバッテリ２００からスタータ４００へ電力供給するようにしてもよい。
また、上記実施例では、正常動作時には、リチウムイオンバッテリ２００から電装品３００およびスタータ４００へ電力供給を行うため、電力供給線１６上にＤＣ／ＤＣコンバータ３０を設けたが、例えば、正常動作時に、鉛バッテリ１００から電装品３００およびスタータ４００へ電力供給を行うような場合であれば、電力供給線１５上にＤＣ／ＤＣコンバータ３０を設けてもよい。
また、上記実施例では、リレーのみを記載したが、リレー２５およびリレー２６と並列に、電装品３００に向かうダイオードを配置することが好ましい。これにより、例えば、リチウムイオンバッテリ２００から電装品３００およびスタータ４００へ電力供給を行っている際中に、リチウムイオンバッテリ２００が失陥した場合であっても、リレーをＯＮ
／ＯＦＦする前に、電装品３００に電力を供給することができ、電装品３００の動作停止を防止することができる。なお、正常動作時には、リチウムイオンバッテリ２００から電装品３００へ電力を供給する構成であれば、ダイオードはリレー２５と並列にのみ配置されてもよい。
また、スタータ４００がベルト・オルタネーター・スタータのように発電機も兼ねる場合であれば、バッテリ残量などに基づいて、リレー２３およびリレー２４を制御することで、発電された電力の供給先（バッテリ）を決めることも可能である。
また、上記実施例では、鉛バッテリ１００とリチウムイオンバッテリ２００の組み合わせを例示したが、例えば、鉛バッテリとニッケル水素バッテリの組み合わせ、リチウムイオンバッテリとニッケル水素バッテリの組み合わせ、鉛バッテリと鉛バッテリの組み合わせなどでもよい。
また、上記実施例では、切換部の一例としてリレーを例示したが、例えば、トランジスタやＦＥＴ等の半導体スイッチであってもよい。
また、上記実施例では、鉛バッテリ１００とリチウムイオンバッテリ２００は、ほぼ同電圧としたが、電池電圧が異なっていても構わない。例えば、鉛バッテリ１００の電池電圧が１２Ｖでリチウムイオンバッテリ２００の電池電圧が１６Ｖであってもよい。この場合、リチウムイオンバッテリ２００から電装品３００へ電力供給する際、ＤＣ／ＤＣコンバータ３０により１２Ｖに降圧されて供給される。鉛バッテリ１００とリチウムイオンバッテリ２００の電池電圧は、電装品の対応電圧である９Ｖ〜１６Ｖの範囲内であることが好ましい。
また、鉛バッテリ１００とリチウムイオンバッテリ２００を含めて車両用電源システム１として構成してもよい。
本発明の車両用電源システムは、電装品およびスタータの両方に対して安定した電力供給を行うのに有用である。
１ 車両用電源システム
１１〜１６ 電力線
２１〜２６ リレー
３０ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１００ 鉛バッテリ
２００ リチウムイオンバッテリ
３００ 電装品
４００ スタータ
５００ ＥＣＵ

Claims (4)

  1. スタータおよび電装品に電力を供給可能な第１バッテリから電力を供給するための第１電力供給線に設けられる第１切換部と、
    前記スタータおよび前記電装品に電力を供給可能な第２バッテリから電力を供給するための第２電力供給線に設けられる第２切換部と、
    前記第１電力供給線と接続され、前記スタータへ電力を供給するための第３電力供給線に設けられる第３切換部と、
    前記第２電力供給線と前記第３電力供給線に接続される第４電力供給線に設けられる第４切換部と、
    前記第１電力供給線と接続され、前記電装品へ電力を供給するための第５電力供給線に設けられる第５切換部と、
    前記第２電力供給線と前記第５電力供給線に接続される第６電力供給線に設けられる第６切換部と、
    前記第５電力供給線または前記第６電力供給線に設けられるＤＣ／ＤＣコンバータと、
    前記第１切換部、前記第２切換部、前記第３切換部、前記第４切換部、前記第５切換部、前記第６切換部、および、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する制御部と、
    を備えた車両用電源システムにおいて、
    前記第１バッテリおよび前記第２バッテリの何れかから、前記スタータおよび前記電装品の両方に電力を供給する場合、前記制御部は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを経由して前記電装品へ電力を供給させる、
    ことを特徴とする車両用電源システム。
  2. 前記第１バッテリおよび前記第２バッテリの何れかから、前記ＤＣ／ＤＣコンバータを経由せずに前記電装品へ電力を供給する場合、前記制御部は、前記電装品へ電力を供給していないバッテリから前記スタータへ電力を供給させる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の車両用電源システム。
  3. 前記第１バッテリおよび前記第２バッテリを備える、
    ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両用電源システム。
  4. 前記第１バッテリは鉛バッテリであり、
    前記第２バッテリはリチウムイオンバッテリであり、
    前記ＤＣ／ＤＣコンバータは前記第６電力供給線に設けられ、
    前記制御部は、正常動作時には、前記第２バッテリから前記スタータおよび前記電装品の両方に電力を供給させ、且つ、前記電装品へは前記ＤＣ／ＤＣコンバータを経由して電力を供給させる、
    ことを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の車両用電源システム。
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