JP6375929B2

JP6375929B2 - 車両用電源装置

Info

Publication number: JP6375929B2
Application number: JP2014254724A
Authority: JP
Inventors: 俊介戸本; 大和宇都宮
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2018-08-22
Anticipated expiration: 2034-12-17
Also published as: JP2016116384A

Description

本発明は、車両において短絡異常の発生時に電流遮断を実施できる車両用電源装置に関するものである。

車両においては、鉛蓄電池の補助等を目的として、リチウムイオン蓄電池等の高密度蓄電池（第２蓄電池）が搭載される場合がある。例えば特許文献１では、鉛蓄電池と第２蓄電池とをスイッチ部を介して並列接続する。そしてスイッチ部の導通と遮断とを切り替えることで、鉛蓄電池を用いた電力供給と第２蓄電池を用いた電力供給とを切り替えている（特許文献１参照）。

ところで、これらの各蓄電池に接続された各種電気機器や電子機器、又は接続経路にはインダクタンス成分が存在している。そのため、スイッチ部を遮断する際にはインダクタンス成分に起因してサージ電圧が発生する懸念がある。サージ電圧はスイッチ部の遮断速度が高いほど大きくなる傾向がある。そこで、サージ電圧から各種機器等を保護するために、スイッチ部の遮断速度を抑えることが行われている。

特開２００４−６１８１５９号公報

しかし、短絡異常が発生した場合に、スイッチ部の遮断速度が制限されていると、過電流が遮断されるまでに時間を要することに伴う不都合が生じるおそれがある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、短絡異常の発生時に電流遮断を適切に実施できる車両用電源装置を提供することを主たる目的とする。

本発明は、発電機（１４）に接続される蓄電池（１２，１３）と、前記発電機と前記蓄電池とを電気的に接続する接続経路（Ｌ１，Ｌ２）に設けられ、前記発電機と前記蓄電池との導通及び遮断を切り替える半導体スイッチ（１６，１７）と、を備え、前記発電機の発電により前記蓄電池が充電される車両用の電源システムに適用され、前記発電機と前記蓄電池との前記接続経路における短絡異常の有無を判定する短絡異常判定手段と、前記短絡異常の有無の判定結果に基づいて、前記半導体スイッチを遮断する際の遮断速度を設定する遮断速度設定手段と、前記遮断速度設定手段で設定された遮断速度で前記半導体スイッチを遮断する遮断制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、発電機と蓄電池との接続経路における短絡異常の有無に応じて、半導体スイッチを遮断する際の遮断速度を設定するようにしたため、短絡異常の有無に応じて半導体スイッチを適切に遮断することができる。

電源システムの電気的構成を示す図。制御部の電気的構成を示す図。遮断処理の手順を示すフローチャート。遮断処理の実行例を示す図。遮断処理の実行例を示す図。

まずは、電池ユニットの具体的な構成の説明に先立って、本電池ユニットが適用される電源システムの概要について図１を用いて説明する。

図１に示すように、電源システムは、鉛蓄電池１２、リチウムイオン蓄電池１３、電動発電機である回転機１４、電気負荷１５、スイッチ１６，１７、電流センサ１８及び制御部２０を備えている。このうち、リチウムイオン蓄電池１３、各スイッチ１６，１７、電流センサ１８及び制御部２０は筐体（収容ケース）に収容されることで一体化され、電池ユニット１０として構成されている。制御部２０は、各スイッチ１６，１７の導通（オン）と遮断（オフ）との切り替えを実施し、これにより各蓄電池１０１，１０２の充放電を制御する。

鉛蓄電池１２は周知の汎用蓄電池である。これに対し、リチウムイオン蓄電池１３は、鉛蓄電池１２に比べて、充放電における電力損失が少なく、出力密度、及びエネルギ密度の高い高密度蓄電池である。リチウムイオン蓄電池１３は、複数の電池セルを直列に接続してなる組電池により構成されている。

電池ユニット１０内には電力入出力端子として端子Ｐ１，Ｐ２が設けられている。端子Ｐ１には鉛蓄電池１２と電気負荷１５とが接続されている。端子Ｐ２には回転機１４が接続されている。端子Ｐ１とＰ２とを接続する接続経路Ｌ１にはスイッチ１６が設けられている。接続経路Ｌ１上の接続点Ｎ１とリチウムイオン蓄電池１３とを接続する接続経路Ｌ２にはスイッチ１７が設けられている。

また、スイッチ１６と１７との間（接続点Ｎ１とスイッチ１７との間）には、リチウムイオン蓄電池１３に流れる電流を検出する電流センサ１８が接続されている。電流センサ１８は、例えばシャント抵抗器を用いたものの他、ホール素子を用いて磁気的に検出するものでもよい。

電気負荷１５は、車両に搭載されたヘッドライト、フロントウインドシールド等のワイパ、空調装置の送風ファン、リヤウインドシールドのデフロスタ用ヒータ等の一般的な電気負荷である。

回転機１４は、エンジンのクランク軸の回転により発電を行う発電機能を備えている。回転機１４で発電した電力は、電気負荷１５に供給されるとともに、鉛蓄電池１２及びリチウムイオン蓄電池１３に供給される。各蓄電池１２，１３から回転機１４及び電気負荷１５への放電量、及び、回転機１４から各蓄電池１２，１３への充電量は、各蓄電池１２，１３のＳＯＣ（State of charge）が過放電・過充電とならない適正範囲となるように制御される。

図２において、各スイッチ１６，１７は、いずれもＭＯＳＦＥＴ（半導体スイッチ）であり、ＭＯＳＦＥＴの寄生ダイオードの極性が互いに逆極性となるように互いに直列接続されている。そのため、各スイッチ１６，１７が遮断される際には、寄生ダイオードによって、スイッチ１６，１７間を流れる電流が遮断される。

制御部２０は、ＭＰＵ１２１、スイッチ１６に接続される駆動回路１２２ａ、スイッチ１７に接続される駆動回路１２２ｂを備えて構成されている。ＭＰＵ１２１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなる周知のマイクロコンピュータで構成されており、図示を略す上位ＥＣＵからの指令信号に基づいて、各駆動回路１２２ａ、１２２ｂの信号レベルを調整することで、各スイッチ１６，１７の導通と遮断を切り替える。

例えば、スイッチ１６（１７）を導通する場合には、駆動回路１２２ａ（１２２ｂ）をハイレベルにする。スイッチ１６（１７）を遮断する場合には、駆動回路１２２ａ（１２２ｂ）をローレベルにする。

ところで、電池ユニットを構成する各電気・電子機器や、各機器に接続される接続経路にはインダクタンス成分が存在している。そのため、スイッチ１６，１７を遮断にする際にはサージ電圧が発生する懸念がある。サージ電圧はスイッチ１６，１７が遮断とする際の遮断速度が高いほど大きくなる傾向がある。そこで、スイッチ１６，１７を遮断する際には、遮断速度を抑えることで、サージ電圧から各種機器等が保護されるようにしている。

しかしリチウムイオン蓄電池１３の電力供給経路（例えば接続経路Ｌ２）に短絡異常が発生した場合には過電流が発生しこれによる影響が生じうる。この際、スイッチ１６，１７の遮断速度が制限されていると、過電流が遮断されるまでに時間を要することに伴う不都合が生じてしまう。

そこで、本実施形態では、スイッチ１６と駆動回路１２２ａとの間、スイッチ１７と駆動回路１２２ｂとの間に、スイッチ１６，１７を異なる遮断速度で遮断するための遮断回路を設けている。

次に、遮断回路の構成について詳しく説明する。なお、ここでは説明の簡略化のためにスイッチ１７の遮断回路について説明する。スイッチ１６の遮断回路については、スイッチ１７の遮断回路と同じ構成であるため詳述は省略する。

図示されるように、スイッチ１７の入力端子であるゲートと駆動回路１２２ｂとの間には、抵抗体Ｒ１が接続されている。スイッチ１７の入出力端子間であるゲートソース間には、キャパシタンスＣ１が接続されている。そして、これら抵抗体Ｒ１及びキャパシタンスＣ１により時定数τ１＝Ｃ１・Ｒ１（遮断速度Ｖ１）でスイッチ１７を遮断する第１遮断回路が構成されている。

また、スイッチ１７のゲートには抵抗体Ｒ１よりも抵抗値が大きい抵抗体Ｒ２が接続されている（Ｒ１＜Ｒ２）。また抵抗体Ｒ２には、ＭＰＵ１２１からの指令信号に基づき導通と遮断とが切り替えられるスイッチ１１３が接続されている。そして、キャパシタンスＣ１，抵抗体Ｒ１，Ｒ２により時定数τ１よりも小さい時定数τ２（遮断速度Ｖ２）でスイッチ１７を遮断する第２遮断回路が構成されている。

短絡異常が生じていない場合、ＭＰＵ１２１は、第１遮断回路を用いてスイッチ１７を遮断速度Ｖ１で遮断することで、サージ電圧の発生を抑制する。一方、短絡異常が生じた場合には、ＭＰＵ１２１は、第２遮断回路を用いてスイッチ１７を遮断速度Ｖ２（＞Ｖ１）で遮断することで、過電流から電源システムを保護する。なお遮断速度Ｖ２は、スイッチ１６，１７の耐圧を考慮して、サージ電圧でスイッチ１６，１７が損傷しない速度に設定されるようにする。

次にＭＰＵ１２１によるスイッチ１７の遮断処理の手順について図３を用いて説明する。なお、スイッチ１６についてはスイッチ１７と同じ処理手順であるため詳述は省略する。

まず、スイッチ１７が導通しているか否かを判定する（Ｓ１１）。本処理は、駆動回路１２２ｂがハイレベルの際に肯定判定し、ローレベルの際に否定判定する。Ｓ１１で肯定判定した場合には、スイッチ１７を遮断に切り替えるか否かを判定する（Ｓ１２）。本処理は図示を略す上位ＥＣＵの指令信号に基づき判定する。なお上位ＥＣＵはスイッチ１７の通常動作に基づき導通及び遮断の指令信号を出力する他、スイッチ１７の短絡異常が生じた際にはスイッチ１７を強制的に遮断するための指令信号を出力する。

Ｓ１２でスイッチ１７を遮断すると判定した場合には、短絡異常判定フラグがオンであるか否かを判定する（Ｓ１３）。なお短絡異常判定フラグは、電流の検出値Ｉが所定の閾値Ｉｔｈ未満の場合にオフとなり、電流の検出値Ｉが所定の閾値Ｉｔｈ以上の場合にオンとなる。

短絡異常判定フラグがオフの場合には、スイッチ１１３をオフにした状態で、駆動回路１２２ｂをローレベルに切り替える（Ｓ１４）このとき、スイッチ１１３がオフであるため、第１遮断回路により時定数τ１でスイッチ１７がオフに切り替えられる。短絡異常判定フラグがオンの場合には、スイッチ１１３をオンにした状態で、駆動回路１１２ｂをローレベルに切り替える（Ｓ１５）このとき、スイッチ１１３がオンであるため、第２遮断回路により時定数τ２でスイッチ１７がオフに切り替えられる。

次に上記処理の実行例を図４，図５を用いて説明する。図４は短絡異常が生じていない正常状態での遮断処理の例である。図５は短絡異常が生じた際の遮断処理の例である。なお、図４，図５において、Ａが駆動回路１２２ｂの出力信号、Ｂがスイッチ１１３の導通・遮断状態、Ｃが接続経路Ｌ１の電圧、Ｄが接続経路Ｌ１の電流、Ｓがスイッチング損失をそれぞれ示している。なお以下の各処理は制御部２０が所定周期で繰り返し実施する。また図４，図５ではスイッチ１７のスイッチング動作を例示している。

図４において、時刻ｔ１でスイッチ１７が導通から遮断に切り替えられる際、電流の検出値Ｉ＜Ｉｔｈであることで、第１遮断回路の時定数τ１でスイッチ１７が遮断される。この場合、接続経路Ｌ１の電圧は期間ΔＴ１をかけて比較的に緩やかに遮断されるため、サージ電圧が抑えられる。

図５において、時刻ｔ１０で、電流の検出値Ｉ＞Ｉｔｈとなる過電流状態となると、図示を略すＥＣＵからの指令信号に基づき、スイッチ１７が強制的に遮断される。この際、Ｉ＞Ｉｔｈであることで、第２遮断回路の時定数τ２でスイッチ１７が遮断される。この場合、スイッチ１７は期間ΔＴ１よりも短い期間ΔＴ２（＜ΔＴ１）で比較的に高速で遮断される。そのため、この場合に時定数τ１でスイッチ１７が遮断される場合と比べて、過電流に伴う損失を抑制できる。

上記によれば以下の優れた効果を奏する。

・車両用電源システムにおいて、発電機と蓄電池との接続経路における短絡異常の有無に応じて、半導体スイッチを遮断する際の遮断速度を設定するようにしたため、短絡異常の有無に応じて半導体スイッチを適切に遮断することができる。

・半導体スイッチに接続された抵抗体とキャパシタンス成分とから設定される時定数に基づいて、半導体スイッチの遮断速度を切り替えることができる。

・接続経路における電流の検出結果に基づいて短絡異常の有無を判定できる。

本発明は、上記実施形態の記載内容に限定されず、次のように実施されてもよい。なお以下の説明において上記と同じ構成には同じ図番号を付し、詳述は省略する。

・上記では、２つのスイッチ１６，１７の各々に遮断回路を設ける例を示したが、リチウムイオン蓄電池１３のスイッチ１７にのみ遮断回路を設けてもよい。

・上記では、鉛蓄電池１２側とリチウムイオン蓄電池１３側のそれぞれにスイッチ１６，１７を設けているが、接続経路Ｌ１，Ｌ２においてスイッチは少なくとも一つ設けられていればよい。

・上記では、鉛蓄電池１２とリチウムイオン蓄電池１３との２つの二次電池を備える電池システムにおいて遮断回路を設ける例を説明したが、電池システムにおいて少なくとも一つの高密度蓄電池が設けられる場合に上記の構成を適用可能である。

・リチウムイオン蓄電池１３の電圧（開放電圧ＯＣＶ：Open circuit voltage）に応じて、短絡異常の判定のための電流の閾値Ｉｔｈを可変設定してもよい。すなわちリチウムイオン蓄電池１３の電圧が小さくなるほど、短絡異常が生じた際に流れる過電流の大きさが小さくなる傾向があるため、閾値Ｉｔｈを小さめの値に設定する。この場合、リチウムイオン蓄電池１３の充電状態に応じて短絡異常の判定精度を高められる。

・上記では、スイッチ１６（１７）に対して電気的に接続される抵抗体を切り替えることで、スイッチ１６（１７）の遮断速度を切り替える例を示した。これ以外にも、スイッチ１６（１７）に接続された抵抗体の抵抗値を可変設定する構成とすることで、スイッチ１６（１７）を遮断する際の時定数τ（遮断速度）を切り替えるようにしてもよい。

１２…鉛蓄電池、１３…リチウムイオン蓄電池、１４…回転機、１６…スイッチ、１７…スイッチ、２０…制御部。

Claims

発電機（１４）に接続される蓄電池（１２，１３）と、
前記発電機と前記蓄電池とを電気的に接続する接続経路（Ｌ１，Ｌ２）に設けられ、前記発電機と前記蓄電池との導通及び遮断を切り替える半導体スイッチ（１６，１７）と、を備え、前記発電機の発電により前記蓄電池が充電される車両用の電源システムに適用され、
前記発電機と前記蓄電池との前記接続経路における短絡異常の有無を判定する短絡異常判定手段と、
前記短絡異常の有無の判定結果に基づいて、前記半導体スイッチを遮断する際の遮断速度を設定する遮断速度設定手段と、
前記遮断速度設定手段で設定された遮断速度で前記半導体スイッチを遮断する遮断制御手段と、
を備え、
前記遮断速度設定手段は、
前記短絡異常無しと判定された場合、前記半導体スイッチを遮断する際におけるサージ電圧の発生を抑制する第１遮断速度（Ｖ１）で前記半導体スイッチを遮断し、
前記短絡異常有りと判定された場合、前記第１遮断速度よりも大きく、かつ、前記サージ電圧で前記半導体スイッチが損傷しない第２遮断速度（Ｖ２）で前記半導体スイッチを遮断することを特徴とする車両用電源装置。
前記遮断速度設定手段は、前記半導体スイッチの入力端子に接続された抵抗体の抵抗を変更する抵抗可変手段を備えており、
前記遮断速度は前記抵抗体の抵抗値とキャパシタンス成分とで定められる時定数に基づき設定される請求項１に記載の車両用電源装置。
前記蓄電池は、前記発電機による充電電力を充電可能な鉛蓄電池と、前記鉛蓄電池に対して電気的に並列接続され、前記発電機の電力を充電可能であり且つ前記鉛蓄電池に比べて出力密度又はエネルギ密度の高い第２蓄電池と、を備えており、
前記半導体スイッチは、前記鉛蓄電池と前記第２蓄電池との間に電気的に接続されている請求項１又は２に記載の車両用電源装置。
前記接続経路の電流を検出する電流検出手段（１８）を備え、
前記短絡異常判定手段は、前記電流検出手段による電流の検出値に基づいて前記短絡異常の有無を判定する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車両用電源装置。