JP6535583B2

JP6535583B2 - 車両用電源装置

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Publication number: JP6535583B2
Application number: JP2015232218A
Authority: JP
Inventors: 佑太池邊
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2019-06-26
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: JP2017099234A

Description

本発明は、第１蓄電体と第２蓄電体とを備える車両用電源装置に関する。

外部電源による充電が可能な電気自動車として、モータジェネレータのみを動力源として備える電気自動車だけでなく、モータジェネレータおよびエンジンを動力源として備えるハイブリッド型の電気自動車がある。これらの電気自動車は、モータジェネレータに電力を供給する高電圧バッテリを備えた高電圧系と、コントローラや補機類に電力を供給する低電圧バッテリを備えた低電圧系と、を有している（特許文献１参照）。また、外部電源によって高電圧バッテリを充電する際には、充電制御用のコントローラを起動する必要があることから、コンバータ等の電力変換器を介して高電圧系から低電圧系に電力が供給されている。

特開２０１１−８７４０８号公報

ところで、高電圧系から低電圧系に電力を供給する際に、電力変換器の温度が過度に上昇した場合には、電力変換器を保護する観点から電力変換器を停止させる必要がある。このように、電力変換器を停止させて低電圧系に対する電力供給を遮断することは、コントローラの電源電圧を低下させる要因であり、コントローラを停止させる要因である。また、充電制御用のコントローラを止めることは、外部電源による充電を停止させる要因であり、高電圧バッテリの充電時間を延ばす要因であった。

本発明の目的は、充電時間の延長を抑制することにある。

本発明の車両用電源装置は、第１蓄電体とこれよりも低電圧の第２蓄電体とを備える車両用電源装置であって、外部電源を用いて前記第１蓄電体を充電する際に、前記外部電源が接続される電源接続部と、前記第１蓄電体と前記第２蓄電体との間に設けられ、前記第１蓄電体から前記第２蓄電体に電力を供給する第１電力変換器と、前記電源接続部と前記第２蓄電体との間に設けられ、前記電源接続部から前記第２蓄電体に電力を供給する第２電力変換器と、前記電源接続部に前記外部電源が接続される外部充電時に、前記第１電力変換器を介して前記第２蓄電体に電力を供給する第１供給モードと、前記第２電力変換器を介して前記第２蓄電体に電力を供給する第２供給モードと、を切り替えるモード制御部と、を有し、前記モード制御部は、温度に基づいて前記第１供給モードと前記第２供給モードとを切り替える。

本発明によれば、モード制御部は、第１電力変換器を介して第２蓄電体に電力を供給する第１供給モードと、第２電力変換器を介して第２蓄電体に電力を供給する第２供給モードと、を温度に基づいて切り替える。これにより、外部電源が電源接続部に接続される外部充電時に、外部電源による第１蓄電体の充電を継続させることができ、第１蓄電体の充電時間の延長を抑制することができる。

本発明の一実施の形態である車両用電源装置を示す概略図である。モード切替制御の実行手順の一例を示すフローチャートである。外部充電中に第１供給モードを実行したときの電力供給状況を示す説明図である。外部充電中に第２供給モードを実行したときの電力供給状況を示す説明図である。本発明の他の実施の形態である車両用電源装置の構成を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である車両用電源装置１０を示す概略図である。図示する車両用電源装置１０は、外部電源による充電が可能な電気自動車に適用される。このような電気自動車として、例えば、モータジェネレータのみを動力源として備える電気自動車があり、モータジェネレータおよびエンジンを動力源として備えるハイブリッド型の電気自動車がある。

図１に示すように、車両用電源装置１０は、高電圧バッテリ（第１蓄電体）１１を有している。高電圧バッテリ１１には、モータジェネレータ１２に電力を供給する高電圧系１３が接続されている。高電圧系１３は、高電圧バッテリ１１に通電ライン１４を介して接続されるインバータ１５と、インバータ１５に通電ライン１６を介して接続されるモータジェネレータ１２と、を有している。このモータジェネレータ１２には、図示しない駆動系を介して駆動輪１７が連結されている。モータジェネレータ１２を力行させる車両加速時には、インバータ１５によって直流電力が交流電力に変換され、高電圧バッテリ１１からモータジェネレータ１２に電力が供給される。一方、モータジェネレータ１２を回生させる車両減速時には、インバータ１５によって交流電力が直流電力に変換され、モータジェネレータ１２から高電圧バッテリ１１に電力が供給される。

また、高電圧バッテリ１１には、外部電源２０から電力が供給される外部充電系２１が接続されている。外部充電系２１は、高電圧バッテリ１１に通電ライン２２を介して接続される充電器２３と、充電器２３に通電ライン２４を介して接続されるインレット（電源接続部）２５と、を有している。外部電源２０を用いて高電圧バッテリ１１を充電する際には、充電ケーブル２６のコネクタ２７がインレット２５に接続され、充電ケーブル２６のプラグ２８が外部電源２０のコンセント２９に接続される。このように、インレット２５に外部電源２０が接続されると、充電器２３によって交流電力が直流電力に変換され、外部電源２０から充電器２３を介して高電圧バッテリ１１に電力が供給される。なお、充電器２３は、複数のスイッチング素子等によって構成される所謂ＡＣ−ＤＣコンバータであり、交流電力を直流電力に変換する機能を有している。

車両用電源装置１０は、低電圧バッテリ（第２蓄電体）３０および車体負荷３１からなる低電圧系３２を有している。なお、低電圧バッテリ３０は、高電圧バッテリ１１よりも低電圧に設計されている。低電圧系３２は、メインコンバータ３３を介して高電圧系１３に接続されるとともに、サブコンバータ３４を介して外部充電系２１に接続される。すなわち、メインコンバータ３３の入力端子には通電ライン３５を介して高電圧系１３が接続されており、メインコンバータ３３の出力端子には通電ライン３６を介して低電圧系３２が接続されている。また、サブコンバータ３４の入力端子には通電ライン３７を介して外部充電系２１が接続されており、サブコンバータ３４の出力端子には通電ライン３８を介して低電圧系３２が接続されている。

このように、高電圧系１３を構成する高電圧バッテリ１１と低電圧系３２を構成する低電圧バッテリ３０との間には、第１電力変換器であるメインコンバータ３３が設けられている。このメインコンバータ３３を作動させることにより、高電圧バッテリ１１から低電圧バッテリ３０に電力が供給される。また、外部充電系２１を構成するインレット２５と低電圧系３２を構成する低電圧バッテリ３０との間には、第２電力変換器であるサブコンバータ３４が設けられている。このサブコンバータ３４を作動させることにより、インレット２５から低電圧バッテリ３０に電力が供給される。

スイッチ操作等によって制御システムが起動されると、メインコンバータ３３を介して高電圧系１３から低電圧系３２に電力が供給される（第１供給モード）。また、外部電源２０がインレット２５に接続される外部充電時には、サブコンバータ３４を介して外部充電系２１から低電圧系３２に電力が供給される（第２供給モード）。すなわち、外部電源２０がインレット２５に接続されていない場合には、メインコンバータ３３を作動させる第１供給モードが実行される一方、外部電源２０がインレット２５に接続されている場合には、サブコンバータ３４を作動させる第２供給モードが実行される。このように、外部充電時にはサブコンバータ３４から低電圧系３２に電力を供給することにより、高電圧バッテリ１１を介さずに低電圧系３２に電力を供給することができ、外部充電時のエネルギー効率を向上させることができる。

なお、メインコンバータ３３およびサブコンバータ３４は、スイッチング素子やリアクトル等によって構成される所謂ＤＣ−ＤＣコンバータであり、直流電力を降圧して低電圧系３２に供給する機能を有している。また、充電器２３とサブコンバータ３４とは１つのケース４０に収容されており、充電器２３およびサブコンバータ３４によって１つの車載充電ユニット４１が構成されている。このように、充電器２３およびサブコンバータ３４を１つのケース４０に組み込むことにより、冷却システム等の共用化を達成することができ、部品点数を削減してコストを下げることができる。

車両用電源装置１０は、充電器２３、メインコンバータ３３およびサブコンバータ３４等を制御するコントローラ４２を有している。前述したように、外部電源２０がインレット２５に接続される外部充電時には、サブコンバータ３４を作動させて低電圧系３２に電力を供給する第２供給モードが実行される。すなわち、コントローラ４２は、高電圧バッテリ１１を充電するために充電器２３を制御するだけでなく、コントローラ４２等の車体負荷３１に印加される電源電圧を安定させるためにサブコンバータ３４を制御する。ところで、外部充電は長時間に渡って継続されることも多く、長時間に渡ってサブコンバータ３４を作動させることは、サブコンバータ３４の過度な温度上昇を招く要因となっていた。

前述したように、サブコンバータ３４の温度が過度に上昇した場合には、内部素子を保護する観点からサブコンバータ３４を停止させることが必要である。この場合には、低電圧系３２に対する電力供給が遮断されることから、低電圧バッテリ３０の放電に伴ってコントローラ４２等の電源電圧が低下する虞があり、コントローラ４２の停止によって外部充電が止められてしまう虞がある。さらに、図示する車両用電源装置１０においては、車載充電ユニット４１に対して充電器２３とサブコンバータ３４との双方が組み込まれるため、サブコンバータ３４の発熱によって充電器２３の温度を上昇させてしまう虞がある。このような充電器２３の温度上昇は、充電器２３の機能を制限する要因であり、外部充電を制限もしくは停止させる要因であった。

そこで、コントローラ４２は、外部充電時における低電圧系３２への電力供給を維持するため、外気温度等に基づいて低電圧系３２の電力供給経路を切り替えるモード切替制御を実行する。すなわち、コントローラ４２は、外気温度等に基づいて、メインコンバータ３３を作動させて低電圧系３２に電力を供給する第１供給モードと、サブコンバータ３４を作動させて低電圧系３２に電力を供給する第２供給モードと、を切り替えるモード切替制御を実行する。このように、モード制御部として機能するコントローラ４２には、外気温度を検出する外気温センサ４３、充電器２３の温度を検出する充電器温度センサ４４、メインコンバータ３３の温度を検出するメイン温度センサ４５、およびサブコンバータ３４の温度を検出するサブ温度センサ４６等が接続されている。また、コントローラ４２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータや、制御電流を生成する駆動回路部等によって構成されている。

［モード切替制御］
以下、コントローラ４２によって実行されるモード切替制御について説明する。なお、モード切替制御は、インレット２５に対する外部電源２０の接続に伴って実行される。図２はモード切替制御の実行手順の一例を示すフローチャートである。なお、図２において、メインコンバータ３３の温度を「メイン温度」と記載し、サブコンバータ３４の温度を「サブ温度」と記載し、充電器２３の温度を「充電器温度」と記載する。また、図２において、「メイン」とはメインコンバータ３３を意味し、「サブ」とはサブコンバータ３４を意味している。

図２に示すように、ステップＳ１０では、外気温度が所定温度（第１閾値）Ｔ１以上であるか否かが判定される。ステップＳ１０において、外気温度が所定温度Ｔ１（例えば４０℃）を上回ると判定された場合、つまり車両用電源装置１０の雰囲気温度が高温であると推定される場合には、ステップＳ１１に進み、メインコンバータ３３を作動させる第１供給モードが実行される。このように、第１供給モードが実行されると、ステップＳ１２に進み、メインコンバータ３３の温度が所定温度（第２閾値）Ｔ２以下であるか否かが判定される。ステップＳ１２において、メインコンバータ３３の温度が所定温度Ｔ２を下回ると判定された場合には、メインコンバータ３３の温度が正常範囲内であることから、ステップＳ１３に進み、メインコンバータ３３を作動させる第１供給モードの継続が決定される。一方、ステップＳ１２において、メインコンバータ３３の温度が所定温度Ｔ２を上回ると判定された場合には、メインコンバータ３３の温度が正常範囲を超えることから、ステップＳ１４に進み、第１供給モードから第２供給モードへの切り替えが決定される。

一方、ステップＳ１０において、外気温度が所定温度Ｔ１を下回ると判定された場合、つまり車両用電源装置１０の雰囲気温度が常温であると推定される場合には、ステップＳ１５に進み、サブコンバータ３４を作動させる第２供給モードが実行される。このように、第２供給モードが実行されると、ステップＳ１６に進み、サブコンバータ３４の温度が所定温度（第３閾値）Ｔ３以下であるか否かが判定される。ステップＳ１６において、サブコンバータ３４の温度が所定温度Ｔ３を下回ると判定された場合には、ステップＳ１７に進み、充電器２３の温度が所定温度（第４閾値）Ｔ４以下であるか否かが判定される。そして、ステップＳ１７において、充電器２３の温度が所定温度Ｔ４を下回ると判定された場合には、サブコンバータ３４および充電器２３の温度が正常範囲内であることから、ステップＳ１８に進み、サブコンバータ３４を用いた第２供給モードの継続が決定される。一方、ステップＳ１６において、サブコンバータ３４の温度が所定温度Ｔ３を上回ると判定された場合や、ステップＳ１７において、充電器２３の温度が所定温度Ｔ４を上回ると判定された場合には、サブコンバータ３４または充電器２３の温度が正常範囲を超えることから、ステップＳ１９に進み、第２供給モードから第１供給モードへの切り替えが決定される。

なお、ステップＳ１３，Ｓ１４，Ｓ１８，Ｓ１９を経て、第１供給モードや第２供給モードが実行された場合であっても、再びステップＳ１０に進み、外気温度が所定温度Ｔ１以上であるか否かが判定される。つまり、ステップＳ１３，Ｓ１９を経て、第１供給モードが実行された場合であっても、続くステップＳ１０において、外気温度が所定温度Ｔ１を下回ると判定された場合には、ステップＳ１５に進み、第１供給モードから第２供給モードに切り替えられる。同様に、ステップＳ１４，Ｓ１８を経て、第２供給モードが実行された場合であっても、続くステップＳ１０において、外気温度が所定温度Ｔ１以上であると判定された場合には、ステップＳ１１に進み、第２供給モードから第１供給モードに切り替えられる。

これまで説明したように、外気温度が所定温度Ｔ１を上回る場合、つまり車載充電ユニット４１の雰囲気温度が高い場合には、メインコンバータ３３を作動させる第１供給モードが実行される。ここで、図３は外部充電中に第１供給モードを実行したときの電力供給状況を示す説明図である。図３に示した黒塗りの矢印は、電力の供給状況を示す矢印である。図３に示すように、車載充電ユニット４１の雰囲気温度が高い場合には、第１供給モードを実行することにより、メインコンバータ３３から低電圧系３２に電力が供給される。これにより、低電圧系３２に対する電力供給を維持したまま、サブコンバータ３４を停止させて発熱を止めることができ、車載充電ユニット４１つまり充電器２３の温度上昇を抑制することができる。このように、充電器２３の温度上昇を抑制することにより、充電器２３の出力制限を回避することができるため、高電圧バッテリ１１の充電を継続させることができ、高電圧バッテリ１１の充電時間を短縮することができる。これにより、ユーザの利便性を向上させることができ、電気自動車の商品性を向上させることができる。

一方、外気温度が所定温度Ｔ１を下回る場合、つまり車載充電ユニット４１の雰囲気温度が低い場合には、サブコンバータ３４を作動させる第２供給モードが実行される。ここで、図４は外部充電中に第２供給モードを実行したときの電力供給状況を示す説明図である。図４に示した黒塗りの矢印は、電力の供給状況を示す矢印である。図４に示すように、車載充電ユニット４１の雰囲気温度が低い場合には、第２供給モードを実行することにより、サブコンバータ３４から低電圧系３２に電力が供給される。このように、車載充電ユニット４１の雰囲気温度が低い場合、つまり充電器２３の過度な温度上昇が発生し難い場合には、第２供給モードを実行することによって、サブコンバータ３４を積極的に作動させている。これにより、高電圧バッテリ１１を介さずに外部充電系２１から低電圧系３２に電力を供給することができ、外部充電時のエネルギー効率を向上させることができる。

また、第１供給モードが実行されている状態のもとで、メインコンバータ３３の温度が正常範囲を超える場合には、第１供給モードから第２供給モードに切り替えられる。これにより、メインコンバータ３３を停止させることができるため、低電圧系３２への電力供給を維持して外部充電を継続させながら、メインコンバータ３３を保護することができる。また、第２供給モードが実行されている状態のもとで、サブコンバータ３４の温度が正常範囲を超えた場合には、第２供給モードから第１供給モードに切り替えられる。これにより、サブコンバータ３４を停止させることができるため、低電圧系３２への電力供給を維持して外部充電を継続させながら、サブコンバータ３４を保護することができる。また、第２供給モードが実行されている状態のもとで、充電器２３の温度が正常範囲を超えた場合には、第２供給モードから第１供給モードに切り替えられる。これにより、サブコンバータ３４の発熱を止めることができ、車載充電ユニット４１つまり充電器２３の温度上昇を抑制することができる。すなわち、温度上昇による充電器２３の出力制限を抑制することができるため、高電圧バッテリ１１の充電を継続させることができ、充電時間の大幅な延長を回避することができる。

［他の実施の形態］
図１に示した例では、車両用電源装置１０が充電器２３を備えているが、これに限られることはなく、車外の充電設備を利用することで車両用電源装置１０から充電器２３を省略しても良い。ここで、図５は本発明の他の実施の形態である車両用電源装置５０の構成を示す概略図である。なお、図５において、図１に示す部品と同様の部品については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図５に示すように、車両用電源装置５０には、外部電源２０から高電圧バッテリ１１に電力を供給する外部充電系５１が設けられている、外部充電系５１は、高電圧バッテリ１１に通電ライン５２を介して接続されるインレット２５を有している。外部電源２０を用いて高電圧バッテリ１１を充電する際には、車外の充電設備５３から延びる充電ケーブル２６のコネクタ２７が、インレット２５に対して接続される。このように、充電ケーブル２６をインレット２５に接続することにより、インレット２５には充電設備５３を介して外部電源２０が接続される。

このように、充電器２３を持たない車両用電源装置５０であっても、図２のフローチャートに示すように、外気温度等に基づいてモード切替制御を実行することにより、前述した効果と同様の効果を得ることができる。すなわち、外気温度やサブコンバータ３４の温度が低い場合には、サブコンバータ３４を作動させる第２供給モードが実行される。これにより、高電圧バッテリ１１を介さずに外部充電系５１から低電圧系３２に電力を供給することができ、外部充電時のエネルギー効率を向上させることができる。一方、外気温度やサブコンバータ３４の温度が高い場合には、メインコンバータ３３を作動させる第１供給モードが実行される。これにより、外部充電中にサブコンバータ３４の温度が過度に上昇した場合であっても、メインコンバータ３３を用いて低電圧系３２への電力供給を継続することができるため、外部充電中にコントローラ４２等の電源電圧を安定させることができる。これにより、外部充電を適切に継続することができるため、高電圧バッテリ１１の充電を継続させることができ、充電時間の延長を抑制することができる。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。図示する電気自動車は、モータジェネレータ１２のみを動力源として備える電気自動車であるが、これに限られることはなく、モータジェネレータおよびエンジンを動力源として備えるハイブリッド型の電気自動車であっても良い。

前述の説明では、外気温度、メインコンバータ３３の温度、サブコンバータ３４の温度、および充電器２３の温度に基づいて、モード切替制御を実行しているが、これに限られることはない。例えば、外気温度、メインコンバータ３３の温度、サブコンバータ３４の温度、および充電器２３の温度のうち、少なくともいずれか１つの温度に基づいてモード切替制御を実行しても良い。また、前述の各温度に限られることはなく、車室温度やバッテリ温度等の温度に基づいて、モード切替制御を実行しても良い。

また、外気温度と比較される所定温度Ｔ１、メインコンバータ３３の温度と比較される所定温度Ｔ２、サブコンバータ３４の温度と比較される所定温度Ｔ３、および充電器２３の温度と比較される所定温度Ｔ４の各温度は、各機器に対して保護制御が介入する温度等に基づき適宜設定される温度である。なお、所定温度Ｔ１〜Ｔ４については、各機器の仕様等に応じて適宜設定される温度であるが、互いに同じ温度であっても良く、互いに異なる温度であっても良い。

前述の説明では、第１蓄電体および第２蓄電体としてバッテリ１１，３０を用いているが、これに限られることはなく、第１蓄電体や第２蓄電体としてキャパシタを用いても良い。また、図示する例では、電気自動車にインレット２５を設けているが、これに限られることはなく、電気自動車に充電ケーブルを設けても良い。この場合には、電気自動車側の充電ケーブルが、電源接続部として機能することになる。また、図１に示した例では、１つのケース４０に充電器２３およびサブコンバータ３４を組み込んでいるが、これに限られることはなく、充電器２３とサブコンバータ３４とを別個に設けても良い。

１０車両用電源装置
１１高電圧バッテリ（第１蓄電体）
２０外部電源
２３充電器
２５インレット（電源接続部）
３０低電圧バッテリ（第２蓄電体）
３３メインコンバータ（第１電力変換器）
３４サブコンバータ（第２電力変換器）
４０ケース
４２コントローラ（モード制御部）
５０車両用電源装置
Ｔ１所定温度（第１閾値）
Ｔ２所定温度（第２閾値）
Ｔ３所定温度（第３閾値）
Ｔ４所定温度（第４閾値）

Claims

第１蓄電体とこれよりも低電圧の第２蓄電体とを備える車両用電源装置であって、
外部電源を用いて前記第１蓄電体を充電する際に、前記外部電源が接続される電源接続部と、
前記第１蓄電体と前記第２蓄電体との間に設けられ、前記第１蓄電体から前記第２蓄電体に電力を供給する第１電力変換器と、
前記電源接続部と前記第２蓄電体との間に設けられ、前記電源接続部から前記第２蓄電体に電力を供給する第２電力変換器と、
前記電源接続部に前記外部電源が接続される外部充電時に、前記第１電力変換器を介して前記第２蓄電体に電力を供給する第１供給モードと、前記第２電力変換器を介して前記第２蓄電体に電力を供給する第２供給モードと、を切り替えるモード制御部と、
を有し、
前記モード制御部は、温度に基づいて前記第１供給モードと前記第２供給モードとを切り替える、車両用電源装置。
請求項１記載の車両用電源装置において、
前記モード制御部は、外気温度が第１閾値を上回る場合に、前記第１供給モードを実行する一方、外気温度が前記第１閾値を下回る場合に、前記第２供給モードを実行する、車両用電源装置。
請求項１または２記載の車両用電源装置において、
前記モード制御部は、前記第１供給モードが実行されている状態のもとで、前記第１電力変換器の温度が第２閾値を上回る場合に、前記第１供給モードから前記第２供給モードに切り替える、車両用電源装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用電源装置において、
前記モード制御部は、前記第２供給モードが実行されている状態のもとで、前記第２電力変換器の温度が第３閾値を上回る場合に、前記第２供給モードから前記第１供給モードに切り替える、車両用電源装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両用電源装置において、
前記電源接続部と前記第１蓄電体との間に設けられ、前記電源接続部から前記第１蓄電体に電力を供給する充電器、を有し、
前記充電器と前記第２電力変換器との双方は、１つのケースに収容される、車両用電源装置。
請求項５記載の車両用電源装置において、
前記モード制御部は、前記第２供給モードが実行されている状態のもとで、前記充電器の温度が第４閾値を上回る場合に、前記第２供給モードから前記第１供給モードに切り替える、車両用電源装置。