JP6405799B2

JP6405799B2 - 車両用電源システム

Info

Publication number: JP6405799B2
Application number: JP2014176375A
Authority: JP
Inventors: 大野　徹; 徹大野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-08-29
Filing date: 2014-08-29
Publication date: 2018-10-17
Anticipated expiration: 2034-08-29
Also published as: JP2016052189A

Description

本発明は、車両用の電源システムに関し、特に、走行用モータのための第１バッテリから補機のための第２バッテリへの充電を可能とする電源システムに関する。

走行用の駆動力として電動モータを利用する車両では、モータに電力を供給するためのメインバッテリと、エアコンなどの補機に電力を供給するための補機バッテリとが別に設けられることがある。このような車両では、メインバッテリと補機バッテリの間にＤＣ／ＤＣコンバータが設けられ、メインバッテリからの電力により補機バッテリを充電する制御や、メインバッテリからの電力を補機に供給する制御がなされる（例えば、特許文献１参照）

特開２０１４−９０６３０号公報

車両のイグニッションオフ時に補機バッテリの残存量が低下している場合、メインバッテリと補機バッテリの間が接続され、メインバッテリから補機バッテリへの充電がなされる。このとき、メインバッテリに接続されているモータ駆動用のインバータ等によってメインバッテリの電力の一部が消費されてしまうと、補機バッテリへの充電効率が低下してしまう。

本発明は、こうした状況に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、メインバッテリから補機バッテリへの充電効率を高める技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の車両用電源システムは、車両走行用のモータを駆動させるインバータに電力を供給する第１バッテリと、車両の補機に電力を供給する第２バッテリと、前記第１バッテリおよび前記インバータの間に設けられる第１スイッチと、前記第１バッテリからの電力を変換して前記第２バッテリに供給する降圧コンバータと、前記第１バッテリおよび前記第１スイッチの間の接続点と、前記降圧コンバータとの間に設けられる第２スイッチと、車両のイグニッションオフ時において前記第１バッテリの残存量が第１閾値以上であり、かつ、前記第２バッテリの残存量が第２閾値以下である場合に、前記第１スイッチをオフにし、前記第２スイッチをオンにして前記第１バッテリから前記第２バッテリへの充電を開始させる制御装置と、を備える。

この態様によると、第２スイッチをオンにして第１バッテリから第２バッテリへの充電を行う際に、第１バッテリとモータ駆動用のインバータの間を接続する第１スイッチがオフにされるため、第１バッテリの電力がインバータに消費されることを防ぐことができる。これにより、第１バッテリの電力を第２バッテリに集中的に供給することができるため、第２バッテリの充電効率を高めることができる。

本発明によれば、メインバッテリから補機バッテリへの充電効率を高めることができる。

車両用電源システムの構成を模式的に示す図である。イグニッションオフ時における車両用電源システムの動作の流れを示すフローチャートである。イグニッションオン時における車両用電源システムの動作の流れを示すフローチャートである。

図１は、車両用電源システム１０の構成を模式的に示す図である。車両用電源システム１０は、走行用モータ４０やエアコン等の補機５０に電力を供給する電源管理システムである。車両用電源システム１０は、走行用モータ４０を駆動させるための第１バッテリ１２、昇圧コンバータ１６及びインバータ１８と、補機５０に電力を供給するための第２バッテリ２２及び降圧コンバータ２６とを備える。

第１バッテリ１２は、主に走行用モータ４０に電力を供給するためのメインバッテリであり、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池により構成される。第１バッテリ１２から出力される電圧は、第２バッテリ２２と比較して高い電圧が出力され、例えば、ＤＣ２００Ｖ程度である。なお、第１バッテリ１２は、電気二重層キャパシタにより構成されてもよいし、二次電池とキャパシタの組み合わせにより構成されてもよい。

昇圧コンバータ１６は、第１バッテリ１２から出力される直流電圧を昇圧して、インバータ１８に供給する。インバータ１８は、昇圧コンバータ１６により昇圧された直流電力を交流電力に変換し、走行用モータ４０に交流電力を供給する。インバータ１８は、三相交流電力が供給可能となるように構成され、例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの交流電力を出力するためのパワーモジュールを有する。パワーモジュールは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）や、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）などの半導体素子で構成される。

走行用モータ４０は、インバータ１８から出力される三相交流電力により、回転数やトルクが制御される。走行用モータ４０から出力される回転力は、減速機や遊星歯車装置などによって構成される動力分割機構やディファレンシャルギアなどを介して車両の駆動輪に伝達され、車両を走行させる。なお、走行用モータ４０は、車両の回生制動時に駆動輪の回転力によって発電するジェネレータとしても機能する。走行用モータ４０で発電された交流電力は、インバータ１８および昇圧コンバータ１６を通じて直流電力に変換され、第１バッテリ１２に蓄電される。

なお、本実施の形態に係る車両は、駆動輪に回転力を発生させるためのエンジン（不図示）を備えた、いわゆるハイブリッド車両である。したがって、エンジンと走行用モータ４０を協調的に動作させることにより車両走行に必要な駆動力が発生する。また、エンジンが発生させる回転力を用いて発電し、発電された電力により第１バッテリ１２を充電することができる。このとき、エンジン回転によって発電するジェネレータは、走行用モータ４０であってもよいし（例えば、パラレル方式）、走行用モータ４０とは別に設けられるモータジェネレータ（不図示）であってもよい（例えば、スプリット方式ないしシリーズ・パラレル方式）。走行用モータ４０と別にモータジェネレータを設ける場合、モータジェネレータは、インバータを介して昇圧コンバータ１６に接続され、走行用モータ４０と並列回路を構成するように第１バッテリ１２に接続される。

第２バッテリ２２は、補機５０に電力を供給するための補機バッテリである。第２バッテリ２２は、鉛蓄電池などで構成される。第２バッテリ２２から出力される電圧は、第１バッテリ１２と比較して低い電圧が出力され、例えば、ＤＣ１２Ｖ程度である。

補機５０は、第２バッテリ２２に接続されており、主に第２バッテリ２２からの電力供給を受けて作動する。補機５０は、例えば、カーナビゲーション機器、カーオーディオ機器や、室内灯、ヘッドライト、方向指示灯ないしハザードランプなどの照明機器、電動パワーステアリング機器、電動オイルポンプ、小型モータなどの車両走行を補助する機器である。これらの機器は、第２バッテリ２２から供給される低い電源電圧（ＤＣ１２Ｖ）により作動する。

なお補機５０は、第２バッテリ２２の出力よりも高い電圧で動作する機器であってもよい。この場合、補機５０は、ＤＣ／ＤＣコンバータを介して第２バッテリ２２に接続されてもよい。第２バッテリ２２の出力電圧よりも高い電源電圧を必要とする補機５０は、例えば、サスペンション装置、スタビライザ装置、ブレーキ制御装置などの走行制御に用いられる消費電力の大きい制御システムである。これらの機器には、ＤＣ／ＤＣコンバータを用いて昇圧された高い電源電圧（例えば、ＤＣ４８Ｖ）が供給されてもよい。

降圧コンバータ２６は、第１バッテリ１２と第２バッテリ２２の間に設けられ、第１バッテリ１２からの電力を変換して第２バッテリ２２に供給する。降圧コンバータ２６は、例えば、第１バッテリ１２の出力電圧であるＤＣ２００Ｖ程度を、第２バッテリ２２の充電電圧であるＤＣ１４Ｖ程度に変換する。降圧コンバータ２６を設けることで、第２バッテリ２２の残存量が低下した場合に、第１バッテリ１２の電力を第２バッテリ２２に供給し、第２バッテリ２２を充電することができる。また、降圧コンバータ２６を介して第１バッテリ１２の電力を補機５０に供給し、第１バッテリ１２の電力を用いて補機５０を作動させることもできる。

車両用電源システム１０は、第１スイッチ１４と、第２スイッチ２４と、制御装置３０をさらに備える。

第１スイッチ１４は、第１バッテリ１２と昇圧コンバータ１６の間に設けられる。第１スイッチ１４は、第１バッテリ１２と、昇圧コンバータ１６およびインバータ１８との間の接続および遮断を制御するシステムマネジメントリレー（ＳＭＲ）である。第２スイッチ２４は、第１バッテリ１２と降圧コンバータ２６の間に設けられ、第１バッテリ１２および第１スイッチ１４の間の接続点２０に接続される。第２スイッチ２４は、第１バッテリ１２と、第２バッテリ２２および補機５０との間の接続および遮断を制御するシステムマネジメントリレーである。

制御装置３０は、車両用電源システム１０が備える各機器の動作を制御する電子制御ユニット（ＥＣＵ；Electronic Control Unit）である。制御装置３０は、ハードウェア的には、コンピュータのＣＰＵをはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウェア的にはコンピュータプログラム等によって実現され、それらの連携によって実現される。したがって、制御装置３０が実現する各機能はハードウェア、ソフトウェアの組み合わせによっていろいろなかたちで実現できることは、当業者に理解されるところである。

制御装置３０は、昇圧コンバータ１６、インバータ１８および降圧コンバータ２６に制御信号を送信し、これらの機器が所望の条件で動作するように制御する。制御装置３０は、第１スイッチ１４および第２スイッチ２４に制御信号を送信し、これらのスイッチの開閉を制御する。また、制御装置３０は、第１バッテリ１２および第２バッテリ２２の出力において電圧値や電流値を計測することにより、これらのバッテリの残存量を把握する。

制御装置３０は、イグニッションスイッチ７０と接続されており、イグニッションがオン状態であるかオフ状態であるかに応じて、車両用電源システム１０を構成する各機器の動作を制御する。制御装置３０は、イグニッションスイッチ７０がオンであれば、第１スイッチ１４や第２スイッチ２４を接続し、走行用モータ４０や補機５０が作動可能な状態とする。また、制御装置３０は、イグニッションスイッチ７０がオフであれば、第１スイッチ１４や第２スイッチ２４を遮断し、第１バッテリ１２や第２バッテリ２２の電力消費を抑える。

制御装置３０は、イグニッションスイッチ７０がオフの場合に、第１バッテリ１２の電力を用いて第２バッテリ２２を充電してもよい。例えば、第１バッテリ１２の残存量が第１閾値以上であり、第２バッテリ２２の残存量が第２閾値以下である場合に、第１スイッチ１４をオフにし、第２スイッチ２４をオンにして第１バッテリ１２から第２バッテリ２２への充電を開始させる。第１スイッチ１４をオフにすることにより、第２バッテリ２２の充電中に第１バッテリ１２の電力が昇圧コンバータ１６やインバータ１８で消費されてしまうことを防ぐことができる。

なお制御装置３０は、第１バッテリ１２の残存量に応じてイグニッションをオンにし、エンジンの回転力を用いた発電を利用して、第１バッテリ１２の充電を開始させてもよい。例えば、第１バッテリ１２の残存量が第１閾値未満であり、かつ、第２バッテリ２２の残存量が第２閾値以下であるような場合に、第１バッテリ１２の充電が必要と判断し、エンジンを始動させて第１バッテリ１２の充電が行われるようにしてもよい。

制御装置３０は、第１バッテリ１２の残存量が第１閾値以上であり、第２バッテリ２２の残存量が第２閾値以下であったとしても、所定の充電中止条件を満たす場合には、第２スイッチ２４をオフにして充電を中断させる。例えば、第１バッテリ１２から第２バッテリ２２への充電により第２バッテリ２２の残存量を回復させたにも関わらず、第２バッテリ２２の残存量が第２閾値を下回る状況が連続する場合である。このような状況が所定期間内に複数回繰り返される場合には、第２バッテリ２２が劣化していると判断して第２バッテリ２２への充電を中断する。また、第１バッテリ１２から第２バッテリ２２への充電を開始してから所定時間を経過しても第２バッテリ２２の残存量が回復しない場合に、第２バッテリ２２が劣化していると判断して第２バッテリ２２への充電を中断してもよい。

制御装置３０には、通知部６０が接続されており、通知部６０を通じて車両用電源システム１０の状態をユーザに通知する。通知部６０は、例えば、車両のインストルメントパネルに設けられる表示機器などである。通知部６０には、第１バッテリ１２の残存量低下を知らせるメッセージや、第２バッテリ２２の交換を促すメッセージなどが表示される。

なお、通知部６０は、無線通信等の手段を介してユーザが所持する端末へ情報を通知する機能をしてもよい。この場合、第１バッテリ１２の残存量低下を知らせる通知や、第１バッテリ１２の残存量を回復させるためにユーザにイグニッションオンを促す通知をしてもよい。また、第１バッテリ１２の残存量に応じて自動的にエンジンを始動させる場合には、イグニッションオンをした旨をユーザに通知してもよい。

つづいて、車両用電源システム１０の動作について説明する。

図２は、イグニッションオフ時における車両用電源システム１０の動作の流れを示すフローチャートである。制御装置３０は、イグニッションスイッチ７０がオフとなった場合（Ｓ１０）、第１スイッチ１４をオフにし（Ｓ１２）、第２スイッチ２４をオフにする（Ｓ１４）。第２バッテリ２２の残存量が第２閾値以下であり（Ｓ１６のＹ）、第１バッテリ１２の残存量が第１閾値以上であり（Ｓ１８のＹ）、所定の充電中止条件がなければ（Ｓ２０のＹ）、第２スイッチ２４をオンにして（Ｓ２２）、第１バッテリ１２から第２バッテリ２２への充電を行う（Ｓ２４）。その後、第２バッテリ２２の残存量が回復するまでＳ１６〜２４の処理を繰り返す。

第１バッテリ１２の残存量が第１閾値未満である場合（Ｓ１８のＮ）や、所定の充電中止条件がある場合（Ｓ２０のＮ）には、ユーザへその旨を通知する（Ｓ３０）。第２スイッチ２４がオンであれば、第２スイッチ２４をオフにして（Ｓ３４）、本フローを終了する。また、第２スイッチ２４の残存量が第２閾値以上である場合（Ｓ１６のＮ）、第２スイッチ２４がオンであれば、第２スイッチ２４をオフにして（Ｓ３４）、本フローを終了する。

本実施の形態によれば、第１バッテリ１２から第２バッテリ２２への充電が必要な場合に、第１スイッチ１４を遮断し、第２スイッチ２４のみを接続することにより、第１バッテリ１２の電力を第２バッテリ２２の充電に集中させることができる。これにより、第２バッテリ２２の充電中において、第１バッテリ１２の電力が昇圧コンバータ１６やインバータ１８で消費されることを防ぎ、充電効率を高めることができる。

また、第１バッテリ１２から第２バッテリ２２への充電が必要な場合であっても、所定の中止条件がある場合には、充電処理を中断することにより、第１バッテリ１２の電力を無駄に消費することを防ぐことができる。また、第１バッテリ１２の残存量が低下している場合や、第２バッテリ２２が劣化している場合にユーザへの通知を行うことで、ユーザは早期に対応を取ることができるようになる。これにより、ユーザの利便性を高めるとともに、車両用電源システム１０を備える車両の信頼性を高めることができる。

図３は、イグニッションオン時における車両用電源システム１０の動作の流れを示すフローチャートである。制御装置３０は、イグニッションスイッチ７０がオンとなった場合（Ｓ４０）、第１バッテリ１２の残存量を確認し、第１バッテリ１２の残存量が第１閾値以上であれば（Ｓ４２のＹ）、第２スイッチ２４をオンにしてから（Ｓ４４）、第１スイッチ１４をオンにする（Ｓ４６）。一方、第１バッテリ１２の残存量が第１閾値未満であれば（Ｓ４２のＮ）、第２スイッチ２４をオフにしたまま（Ｓ４８）、第１スイッチ１４をオンにする（Ｓ４６）。

本実施の形態によれば、第１バッテリ１２の残存量が第１閾値以上であり、第１バッテリ１２の容量が十分にある場合に、第２スイッチ２４をオンにすることにより、第１バッテリ１２の電力を補機５０に供給することができる。これにより、仮に第２バッテリ２２の容量が少ない場合であっても、第１バッテリ１２からの電力を通じて補機５０を作動させることができる。一方、第１バッテリ１２の残存量が第１閾値未満であり、第１バッテリ１２の容量が少ない場合には、第１スイッチ１４のみをオンにすることにより、エンジン回転による発電電力を第１バッテリ１２の充電に集中させ、走行用モータ４０の駆動に備えて第１バッテリ１２の残存量を回復させることができる。これにより、ユーザの利便性を高めるとともに、車両用電源システム１０を備える車両の信頼性を高めることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

１０車両用電源システム、１２第１バッテリ、１４第１スイッチ、１８インバータ、２０接続点、２２第２バッテリ、２４第２スイッチ、２６降圧コンバータ、３０制御装置、４０走行用モータ、５０補機。

Claims

車両走行用のモータを駆動させるインバータに電力を供給する第１バッテリと、
車両の補機に電力を供給する第２バッテリと、
前記第１バッテリおよび前記インバータの間に設けられる第１スイッチと、
前記第１バッテリからの電力を変換して前記第２バッテリに供給する降圧コンバータと、
前記第１バッテリおよび前記第１スイッチの間の接続点と、前記降圧コンバータとの間に設けられる第２スイッチと、
車両のイグニッションオフ時において前記第１バッテリの残存量が第１閾値以上であり、かつ、前記第２バッテリの残存量が第２閾値以下である場合に、前記第１スイッチをオフにし、前記第２スイッチをオンにして前記第１バッテリから前記第２バッテリへの充電を開始させる制御装置と、を備え、
前記制御装置は、車両のイグニッションオン時において前記第１バッテリの残存量が前記第１閾値未満である場合、前記第２スイッチをオフにし、前記第１スイッチをオンにし、車両のエンジン回転による発電電力を前記インバータを介して前記第１バッテリに充電させることを特徴とする車両用電源システム。