JP2018033231A - 車両用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のＤＣ−ＤＣコンバータを有する車両用電源システムの効率化を実現することができる技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する車両用電源システム２の一形態は、並列に接続された複数のＤＣ−ＤＣコンバータ２８，３０を有する。車両用電源システム２は、複数のＤＣ−ＤＣコンバータ２８，３０を冷却する冷却媒体が流れる冷却流路ＰＦと、冷却媒体の温度を取得する温度取得手段Ｓｔと、を備える。車両用電源システム２は、さらに、複数の前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２８，３０の出力電流と、複数の前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２８，３０の出力電圧と、取得された前記温度と、を用いて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２８，３０の駆動台数ごとの損失電力を特定する損失特定手段６０を備え、特定された損失電力のうち、最も小さい損失電力となるＤＣ−ＤＣコンバータの駆動台数を選択する台数選択手段６０を備える。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、車両用電源システムに関する。

車両用電源システムとして、複数のＤＣ−ＤＣコンバータを接続したシステムが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、１つのＤＣ−ＤＣコンバータであるマスタＤＣ−ＤＣコンバータが出力可能な最大電流値を、もう１つのＤＣ−ＤＣコンバータであるスレーブＤＣ−ＤＣコンバータが出力可能な最大電流値よりも小さく設定した電源システムが開示されている。この電源システムでは、車両側の要求電力が大きくなる場合に、マスタＤＣ−ＤＣコンバータとともに、早期にスレーブＤＣ−ＤＣコンバータに要求電力の一部を負担させる。

特開２０１３−８１３４９号公報

車両の燃費の効率化が求められており、車両に搭載される車両用電源システムの効率化も求められている。複数のＤＣ−ＤＣコンバータを有する車両用電源システムでは、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作状況がシステムの効率化に影響する。ＤＣ−ＤＣコンバータにおける損失電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータの温度やシステム内で作動するＤＣ−ＤＣコンバータの台数によって変化する。しかしながら、特許文献１に開示された電源システムでは、スレーブＤＣ−ＤＣコンバータの動作頻度を上昇させることで、電源システムの異常判定の頻度の低下を防止しているものの、電源システムの効率化については、考慮されていない。

本明細書では、複数のＤＣ−ＤＣコンバータを有する車両用電源システムの効率化を実現することができる技術を提供する。

本明細書が開示する車両用電源システムの一形態は、並列に接続された複数のＤＣ−ＤＣコンバータを有する。車両用電源システムは、複数のＤＣ−ＤＣコンバータを冷却する冷却媒体が流れる冷却流路と、冷却媒体の温度を取得する温度取得手段と、を備える。車両用電源システムは、さらに、複数の前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流と、複数の前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧と、取得された前記温度と、を用いて、ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動台数ごとの損失電力を特定する損失特定手段を備え、特定された損失電力のうち、最も小さい損失電力となるＤＣ−ＤＣコンバータの駆動台数を選択する台数選択手段を備える。この形態の車両用電源システムによれば、台数選択手段が損失特定手段によって特定された損失電力を基に、ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動台数を選択するため、車両用電源システムの損失電力を最小化できる。これにより、車両用電源システムの効率化を実現できる。

本明細書が開示する技術の詳細およびさらなる改良は発明を実施するための形態の欄において詳細に説明する。

実施例の車両用電源システムを含む電気自動車の電気系統のブロック図である。 ＥＣＵが実行するＤＣＤＣ制御処理のフローチャートである。 出力電流値と出力電圧値と水温とで特定される１台駆動時損失の一例の説明図である。 出力電圧値がＢ１（Ｖ）で水温がＴ１（℃）の場合の１台駆動時損失と２台駆動時損失との関係の一例を表すグラフである。

図面を参照して実施例の車両用電源システム２を説明する。図１は、実施例の車両用電源システム２を含む電気自動車の電気系統のブロック図である。車両用電源システム２は、電気自動車に搭載されるシステムであって、走行用モータを駆動させるためのシステムである。なお、本明細書における「電気自動車」には、エンジンを備えず走行用のモータだけを備える電気自動車と、走行用のモータとエンジンとを共に備えるハイブリッド車との双方を含む。本実施例では、ハイブリッド車に搭載された車両用電源システム２を一例として説明する。

車両用電源システム２は、メインバッテリ４と、モータ６と、インバータ１８と、システムメインリレー２０（以下、「ＳＭＲ２０」と呼ぶ）と、サブバッテリ２２と、補機２６と、第１コンバータ２８と、第２コンバータ３０と、冷却システム４０と、電子制御ユニット６０（以下、「ＥＣＵ６０」と呼ぶ）と、を備えている。

メインバッテリ４は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池である。本実施例では、メインバッテリ４の電圧は３００ボルト（Ｖ）程度である。ハイブリッド車としての電気自動車は、エンジン（図示せず）の動力を利用して走行することもできるし、メインバッテリ４の電力を利用して走行することもできる。電気自動車がエンジンの動力を利用して走行する場合には、エンジンが発生させた動力の一部を駆動輪（図示せず）に伝達して、駆動輪を回転させる。なお、エンジンを始動させる際には、メインバッテリ４からの電力をモータ６に供給し、モータ６をセルモータとして機能させて、駆動輪を回転させる。電気自動車は、エンジンの動力を用いてモータ６で発電し、モータ６で発電した電力をメインバッテリ４に充電できる。また、走行中の電気自動車が減速する際に、モータ６で回生発電し、モータ６で発電した電力をメインバッテリ４に充電することもできる。図１に示すように、メインバッテリ４には、メインバッテリ４の電圧を測定する電圧センサ４ａが取り付けられている。

インバータ１８は、メインバッテリ４から供給される直流電力を、モータ６を駆動させるための三相交流電力に変換する。また、インバータ１８は、モータ６が発電した三相交流電力を、メインバッテリ４へ充電するための直流電力に変換することもできる。

ＳＭＲ２０は、インバータ１８と、メインバッテリ４および第２コンバータ３０と、の導通と非導通とを切り替える。ＳＭＲ２０は、メインバッテリ４とインバータ１８との間に設けられている。ＳＭＲ２０は、正極線の導通と非導通とを切り換えるスイッチ２０ａと、負極線の導通と非導通とを切り換えるスイッチ２０ｂと、を備えている。

サブバッテリ２２は、鉛電池等の二次電池である。本実施例では、サブバッテリ２２の電圧は１３Ｖ〜１４．５Ｖ程度である。サブバッテリ２２は、後述する第１コンバータ２８および第２コンバータ３０を挟んで、メインバッテリ４、ＳＭＲ２０、インバータ１８、およびモータ６が設けられた一次側の反対である二次側に設けられている。サブバッテリ２２は、配線を介して、パワーステアリングやエアコン等の補機２６に接続されている。図１において、補機２６を示す一つの矩形（ＡＵＸ）には、電気自動車の全ての補機が含まれる。補機２６は、サブバッテリの電力で作動するデバイス群の総称である。そのため、補機２６とは別に示された後述の冷却システム４０に含まれるポンプＰＭも、補機２６の一つである。

第１コンバータ２８は、直流電圧を変換できるＤＣ−ＤＣコンバータである。第１コンバータ２８は、車両用電源システム２において、一次側のインバータ１８と二次側との間に設けられている。換言すると、一次側と二次側とは、第１コンバータ２８および後述する第２コンバータ３０によって分けられている。第１コンバータ２８は、一次側の電圧を一次側の電圧よりも低い電圧に降圧させた電力を、二次側に供給する降圧動作を実行できる。さらに、第１コンバータ２８は、二次側の電圧を二次側の電圧よりも高い電圧に昇圧させた電力を、一次側に供給する昇圧動作も実行できる。すなわち、第１コンバータ２８は、いわゆる双方向コンバータである。本実施例の車両用電源システム２では、第１コンバータ２８が降圧動作を行うことで、ＳＭＲ２０の導通／非導通に関わらず、モータ６が発電した電力を二次側に供給することができる。二次側に供給された電力は、サブバッテリ２２を充電ための電力、および、補機２６を駆動させるための電力として使われる。また、車両用電源システム２では、第１コンバータ２８が昇圧動作を行うことで、ＳＭＲ２０の導通／非導通に関わらず、サブバッテリ２２の電力がモータを駆動させる電力として使われる。

第２コンバータ３０は、直流電圧を変換できるＤＣ−ＤＣコンバータである。第２コンバータ３０は、車両用電源システム２において、一次側のメインバッテリ４と二次側との間に設けられている。第２コンバータ３０は、一次側の電圧を一次側の電圧よりも低い電圧に降圧させた電力を、二次側に供給する降圧動作を実行できる。第２コンバータ３０は、双方向コンバータの第１コンバータ２８とは異なり、いわゆる単方向コンバータである降圧コンバータである。第２コンバータ３０の性能は、第１コンバータ２８の性能と同じである。本実施例の車両用電源システム２では、ＳＭＲ２０が導通している間、第１コンバータ２８が降圧動作を行い、かつ、第２コンバータ３０も降圧動作を行う。これにより、一次側の電力を、第１コンバータ２８と第２コンバータ３０とのそれぞれを介して、二次側に供給できる。なお、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０が一次側と二次側とを分けるため、換言すると、車両用電源システム２では、第１コンバータ２８と第２コンバータ３０とは、並列に接続されている。

第１コンバータ２８と第２コンバータ３０とのそれぞれは、一次側と二次側とのそれぞれの電圧および電流を計測する電圧計および電流計を有している。計測された電圧および電流は、後述するＥＣＵ６０が実行する第１コンバータ２８および第２コンバータ３０の制御に用いられる。

冷却システム４０は、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０を冷却するためのシステムである。図１に示すように、冷却システム４０は、冷却媒体が内部に流れる冷却流路ＰＦと、ポンプＰＭと、水温センサＳｔとを備えている。冷却流路ＰＦは、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０を冷却する１つの循環路である。換言すると、冷却流路ＰＦを流れる冷却媒体によって、第１コンバータ２８と第２コンバータ３０とのそれぞれが冷却される。本実施例では、冷却流路ＰＦの内部を流れる冷却媒体は、冷却水である。ポンプＰＭは、冷却流路ＰＦの内部を流れる冷却媒体を循環させる。ポンプＰＭは、補機２６の１つであり、電力が供給されることで稼動する。水温センサＳｔは、冷却流路ＰＦの内部を循環する冷却媒体の水温を検出する。検出された水温は、後述のＥＣＵ６０によって実行される後述のＤＣＤＣ制御処理で用いられる。なお、水温センサＳｔは、「温度取得手段」の一例である。

図２は、ＥＣＵ６０が実行するＤＣＤＣ制御処理のフローチャートである。ＤＣＤＣ制御処理では、ＥＣＵ６０が、取得した第１コンバータ２８の電圧値等を用いて、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０を駆動させるか、第１コンバータ２８または第２コンバータ３０のみを駆動させるかを決定する処理である。なお、ＥＣＵ６０は、「損失特定手段」および「台数選択手段」の一例である。

初めに、ＥＣＵ６０は、ＤＣ−ＤＣコンバータである第１コンバータ２８および第２コンバータ３０の出力電流値を取得する（ステップＳ１１）。ＥＣＵ６０は、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０の出力電流値を、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０が有する電流計から取得する。次に、ＥＣＵ６０は、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０の出力電圧値を取得する（ステップＳ１３）。ＥＣＵ６０は、出力電流値と同じように、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０の出力電圧値を、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０が有する電圧計から取得する。次に、ＥＣＵ６０は、水温センサＳｔから、冷却流路ＰＦの水温を取得する（ステップＳ１５）。

ＥＣＵ６０は、取得した第１コンバータ２８および第２コンバータ３０の出力電流値および出力電圧値と、取得した冷却流路ＰＦの水温と、に基づいて、第１コンバータ２８または第２コンバータ３０を駆動させた場合の電力の損失である１台駆動時損失と、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０を駆動させた場合の電力の損失である２台駆動時損失と、を特定する。ＥＣＵ６０は、特定した１台駆動時損失が２台駆動時損失以下であるか否かを判定する（ステップＳ１７）。

図３は、出力電流値と出力電圧値と水温とを用いて、ＥＣＵ６０に記憶されているマップから特定される１台駆動時損失の一例の説明図である。ＥＣＵ６０は、１台駆動時における複数の出力電流値について、出力電流値ごとの出力電流値と水温と損失との関係を表す複数のマップを予め記憶している。ＥＣＵ６０は、２台駆動時における複数の出力電流値について、１台駆動時における複数の出力電流値と同様に、複数のマップを記憶している。これら複数のマップは、予め実験又はシミュレーションによって特定され、ＥＣＵ６０に記憶される。図３には、第１コンバータ２８のみが駆動し、出力電流値が６０アンペア（Ａ）、出力電圧値が１４ボルト（Ｖ）、水温が摂氏５０度（℃）の場合に、１台駆動時損失（図３におけるハッチングしたセル）がＸワット（Ｗ）（例えばＸ＝８０）であることが表されている。なお、図３では、簡略化のため、各セルに損失が「・」で示されているが、実際には、この「・」のセルには、それぞれの条件に対応する１台駆動時損失が示されている。ＥＣＵ６０は、出力電流値と出力電圧値と水温とを取得すると、取得した出力電流値に基づいてマップを選択し、取得した出力電圧値と水温とに対応する１台駆動時損失と２台駆動時損失とを特定できる。なお、図３とは異なるマップに基づいて、ＥＣＵ６０は、出力電流値が６０Ａ、衆力電圧値が１４Ｖ、水温が５０℃の場合、２台駆動時損失をＹＷ（例えばＹ＝１００）と特定する。

図２のステップＳ１７の処理において、ＥＣＵ６０は、１台駆動時損失のＸＷの方が２台駆動時損失のＹＷ以下であると判定すると（ステップＳ１７：ＹＥＳ）、第１コンバータ２８のみの１台駆動を開始し（ステップＳ１９）、ＤＣＤＣ制御処理を終了する。一方、ステップＳ１７の処理において、ＥＣＵ６０は、１台駆動時損失のＸＷの方が２台駆動時損失のＹＷよりも大きいと判定すると（ステップＳ１７：ＮＯ）、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０を駆動する２台駆動を開始し（ステップＳ２１）、ＤＣＤＣ制御処理を終了する。

図４は、出力電圧値がＢ１（Ｖ）で水温がＴ１（℃）の場合の１台駆動時損失と２台駆動時損失との関係の一例を表すグラフである。図４では、出力電圧値がＢ１（Ｖ）の場合に、横軸を出力電流値とするとともに縦軸を電力損失としたとき、１台駆動時損失が破線で表され、２台駆動時損失が実線で表されている。図４に示す例では、出力電流値がＡ１（Ａ）以下の場合に、１台駆動時損失が２台駆動時損失よりも小さく、一方で、出力電流値がＡ１（Ａ）を超える場合に、１台駆動時損失が２台駆動時損失よりも大きい。この場合、ＥＣＵ６０は、出力電流値がＡ１（Ａ）以下の場合に１台駆動損失を実行し、出力電流値がＡ１（Ａ）を超える場合に２台駆動損失を実行する。

以上説明したように、車両用電源システム２は、並列に接続された第１コンバータ２８と第２コンバータ３０とを有している。車両用電源システム２は、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０を冷却する冷却流路ＰＦと、冷却流路ＰＦを流れる冷却媒体の水温を検出する水温センサＳｔを有している。車両用電源システム２が有するＥＣＵ６０は、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０のそれぞれの出力電流値および出力電圧値と、冷却流路ＰＦを流れる冷却媒体の温度と、を用いて、１台駆動時損失および２台駆動時損失を特定する。ＥＣＵ６０は、特定した１台駆動時損失および２台駆動時損失の内、小さい電力損失となる駆動台数のＤＣ−ＤＣコンバータを駆動する。そのため、本実施例の車両用電源システム２では、複数のＤＣ−ＤＣコンバータを有する場合に、車両用電源システム２の損失電力を最小化したＤＣ−ＤＣコンバータの駆動台数を選択できる。これにより、車両用電源システム２の効率化を実現できる。

なお、上記実施例では、車両用電源システム２が有する複数のＤＣ−ＤＣコンバータとして、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０の２台のＤＣ−ＤＣコンバータを一例として説明したが、ＤＣ−ＤＣコンバータの台数は、３台以上であってもよい。また、上記実施例では、第１コンバータ２８が双方向コンバータであり、第２コンバータ３０が単方向コンバータであったが、複数のＤＣ−ＤＣコンバータについては、種々変形可能であり、例えば、第１コンバータ２８および第２コンバータ３０が双方向コンバータであってもよい。また、上記実施例では、第１コンバータ２８の性能と第２コンバータ３０の性能とが一緒であり、１台駆動の場合には、第１コンバータ２８が駆動させられたが、異なる性能のＤＣ−ＤＣコンバータが並列に接続されて、ＥＣＵ６０は、最小の損失電力となるＤＣ−ＤＣコンバータの駆動台数を選択してもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：車両用電源システム
４：メインバッテリ
４ａ：電圧センサ
６：モータ
１８：インバータ
２０：ＳＭＲ（システムメインリレー）
２０ａ，２０ｂ：スイッチ
２２：サブバッテリ
２６：補機
２８：第１コンバータ
３０：第２コンバータ
４０：冷却システム
６０：電子制御ユニット
ＰＦ：冷却流路
ＰＭ：ポンプ
Ｓｔ：水温センサ

Claims (1)

1. 並列に接続された複数のＤＣ−ＤＣコンバータを有する車両用電源システムであって、
   複数の前記ＤＣ−ＤＣコンバータを冷却する冷却媒体が流れる冷却流路と、
   前記冷却媒体の温度を取得する温度取得手段と、
   複数の前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流と、複数の前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧と、取得された前記温度と、を用いて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動台数ごとの損失電力を特定する損失特定手段と、
   特定された前記損失電力のうち、最も小さい損失電力となる前記ＤＣ−ＤＣコンバータの駆動台数を選択する台数選択手段と、を備える、車両用電源システム。

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