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技術 電力変換装置

出願人 株式会社デンソー
発明者 鈴木拓人筒雄樹
出願日 2013年5月23日 (6年9ヶ月経過) 出願番号 2013-108808
公開日 2014年12月8日 (5年2ヶ月経過) 公開番号 2014-230416
状態 未査定
技術分野 DC‐DCコンバータ
主要キーワード 高電圧負荷 車両電源システム 最大電力量 低電圧負荷 待機電流 出力直流電圧 入出力電圧 ジェネレーター
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この項目の情報は公開日時点(2014年12月8日)のものです。
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図面 (8)

課題

直流直流変換する際の最大容量を容易に変更することができる電力変換装置を提供すること。

解決手段

Li電池パック100は、それぞれが入力直流電圧出力直流電圧に変換するとともに、互いに並列接続可能であって、2以上の最大装着可能個数の中から一あるいは複数個が選択されて装着される一あるいは複数の直流−直流変換モジュール130、132、134、136と、高電圧バッテリであるLi電池セル110と、Li電池セル110の状態を監視する状態監視部としての制御部140とを備えている。

概要

背景

従来から、車両走行モータを駆動するための高圧バッテリ電圧降圧して複数の負荷に対して、3種の電源電圧を効率よく安定して生成するようにした電力変換装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。この電力変換装置では、第1のDC/DCコンバータによって入力電圧VAを出力電圧V1に降圧するとともに、この電圧V1を第2のDC/DCコンバータによって出力電圧V2、V3に降圧することで、3種の電圧V1、V2、V3を生成している。

概要

直流直流変換する際の最大容量を容易に変更することができる電力変換装置を提供すること。Li電池パック100は、それぞれが入力直流電圧出力直流電圧に変換するとともに、互いに並列接続可能であって、2以上の最大装着可能個数の中から一あるいは複数個が選択されて装着される一あるいは複数の直流−直流変換モジュール130、132、134、136と、高電圧バッテリであるLi電池セル110と、Li電池セル110の状態を監視する状態監視部としての制御部140とを備えている。

目的

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、直流−直流変換する際の最大容量を容易に変更することができる電力変換装置を提供する

効果

実績

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請求項1

それぞれが入力直流電圧出力直流電圧に変換するとともに、互いに並列接続可能であって、2以上の最大装着可能個数の中から一あるいは複数個が選択されて装着される一あるいは複数の直流直流変換モジュール(130、132、134、136)を備えることを特徴とする電力変換装置

請求項2

請求項1において、所定の同期信号を生成する同期信号生成部(150)をさらに備え、前記直流−直流変換モジュールは、前記同期信号に同期して電力変換動作を制御する制御部(134)を有することを特徴とする電力変換装置。

請求項3

請求項2において、前記直流−直流変換モジュールと、前記直流−直流変換モジュールの入力側に接続された高電圧バッテリ(110)と、所定のクロック信号に同期して動作して前記高電圧バッテリの状態を監視する状態監視部(140)とが一体化されており、前記直流−直流変換モジュールの出力側から前記高電圧バッテリよりも低電圧出力電圧が取り出されることを特徴とする電力変換装置。

請求項4

請求項3において、前記同期信号生成部は、前記クロック信号を生成するクロック生成部であり、前記クロック信号を前記同期信号として用いることを特徴とする電力変換装置。

請求項5

請求項3または4において、前記高電圧バッテリは、定格電圧が48Vのリチウムイオン電池であることを特徴とする電力変換装置。

請求項6

請求項5において、一体化されて車両に搭載されており、前記直流−直流変換モジュールの出力側が、定格電圧が12Vの低電圧バッテリ(300)に接続されていることを特徴とする電力変換装置。

技術分野

0001

本発明は、車両等に搭載されて用いられ、所定の直流電圧降圧あるいは昇圧する電力変換装置に関する。

背景技術

0002

従来から、車両走行モータを駆動するための高圧バッテリ電圧を降圧して複数の負荷に対して、3種の電源電圧を効率よく安定して生成するようにした電力変換装置が知られている(例えば、特許文献1参照。)。この電力変換装置では、第1のDC/DCコンバータによって入力電圧VAを出力電圧V1に降圧するとともに、この電圧V1を第2のDC/DCコンバータによって出力電圧V2、V3に降圧することで、3種の電圧V1、V2、V3を生成している。

先行技術

0003

特開2012−186970号公報

発明が解決しようとする課題

0004

ところで、特許文献1に開示された電力変換装置では、DC/DCコンバータに接続可能な負荷の最大容量はあらかじめ決まっており、負荷の最大容量を変更する場合にはその都度DC/DCコンバータの仕様を変更する必要があり、汎用性に欠けるという問題があった。例えば、車両毎使用可能な負荷の種類や数が異なるため、電力変換装置に要求される最大容量も異なってくる。大きな負荷容量に対応して設計された電力変換装置を小さな負荷容量の車両に搭載することで電力変換装置の共用化を図ることはできるが、それでは使用率の低下を招くため望ましくない。

0005

本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、直流直流変換する際の最大容量を容易に変更することができる電力変換装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0006

上述した課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、それぞれが入力直流電圧出力直流電圧に変換するとともに、互いに並列接続可能であって、2以上の最大装着可能個数の中から一あるいは複数個が選択されて装着される一あるいは複数の直流−直流変換モジュール(130、132、134、136)を備えている。最大装着可能個数の範囲内で一あるいは複数の直流−直流変換モジュールを選択して装着することができるため、個数に応じた最大容量を設定して容易に最大容量を変更することが可能になる。

図面の簡単な説明

0007

一実施形態の車両電源システムの全体構成を示す図である。
直流−直流変換モジュールの概略的な構成を示す図である。
降圧型直流−直流変換モジュールの具体例を示す図である。
昇圧型直流−直流変換モジュールの具体例を示す図である。
1つの直流−直流変換モジュールを用いた場合の構成を示す図である。
2つの直流−直流変換モジュールを用いた場合の構成を示す図である。
3つの直流−直流変換モジュールを用いた場合の構成を示す図である。

実施例

0008

以下、本発明の電力変換装置を適用した一実施形態の車両電源システムについて、図面を参照しながら説明する。図1に示す一実施形態の車両電源システムは、Li(リチウム電池パック100、車両用発電機(ISG)200、高電圧負荷210、低電圧バッテリ300、低電圧負荷310、スタータ(ST)320を含んで構成されている。

0009

Li電池パック100は、高電圧バッテリであるLi電池セル110と、Li電池セル110の端子電圧と低電圧バッテリ300の端子電圧との間で降圧動作あるいは昇圧動作を行う。本実施形態では、Li電池セル110は、定格電圧が48Vに設定されている。また、低電圧バッテリ300は、例えば鉛蓄電池が用いられており、定格電圧が12Vに設定されている。Li電池パック100は、Li電池セル110の端子電圧である48Vを12Vに降圧する動作と、低電圧バッテリ300の端子電圧である12Vを48Vに昇圧する動作を行う。Li電池パック100の詳細構成については後述する。

0010

車両用発電機200は、ISG(インテグレーテッドスタータージェネレーター)と称される車両用回転電機であって、出力電圧が48Vに制御されて高電圧負荷210やLi電池セル110に対して動作電力充電電力を供給する。また、車両用発電機200は、発電機の機能の他に電動機の機能を有している。例えば、主に駐車中エンジン始動させる場合にスタータ320を使用し、アイドリングストップ時にエンジンを再起動するために車両用発電機200を使用する場合が考えられる。

0011

高電圧負荷210は、48Vの電圧で動作する電気負荷である。低電圧負荷310は、12Vの電圧で動作する電気負荷である。スタータ320は、アイドリングストップ時以外の駐車時や停車時にエンジンを起動するために用いられる。

0012

次に、Li電池パック100の詳細構成について説明する。図1に示すように、Li電池パック100は、Li電池セル110、リレー112、電流センサ114、温度センサ116、直流−直流変換モジュール(DC/DC)120、130、132、134、136、制御部140、クロック生成部150、電源部160を含んで構成されている。Li電池パック100は、これらの構成が一体化されたパッケージの形態で車両の組み立て工程に提供される。

0013

Li電池セル110は、複数個のセルを含んでおり、リチウムイオン二次電池を構成する。リレー112は、Li電池セル110のプラス端子側に直列に接続されており、異常発生時にLi電池セル110を他の構成から分離するためのものである。電流センサ114は、Li電池セル110のマイナス端子側の配線に流れる電流値を検出する。例えば、電流センサ114として電流検出用抵抗が用いられ、その両端電圧に基づいて電流値を検出する場合が考えられる。温度センサ116は、Li電池セル110の温度を検出する。

0014

直流−直流変換モジュール(DC/DC)120は、低電圧バッテリ300の端子電圧である12Vを、Li電池セル110の端子電圧である48Vに昇圧する。また、直流−直流変換モジュール130、132、134、136のそれぞれは、Li電池セル110の端子電圧である48Vを、低電圧バッテリ300の端子電圧である12Vに降圧する。これら4つの直流−直流変換モジュール130〜136は、同じ負荷容量(例えば、400W)を有するものが並列に接続されており、合計で1600Wまでの電気負荷に電力を供給することができる。

0015

制御部140は、Li電池セル110の状態を監視する状態監視部であって、監視結果に基づいてリレー112をオフする動作や、外部装置としてのECU400に対して異常発生を通知する動作などを行う。このために、制御部140は、状態検知部142、リレー制御部144、通信インタフェース部(通信I/F)146を備えている。制御部140は、例えばマイコンマイクロコンピュータ)によって構成されており、クロック信号に同期して所定の制御プログラムを実行することにより、各構成の動作を行っている。

0016

状態検知部142は、電流センサ114と温度センサ116のそれぞれの出力に基づいてLi電池セル110の状態(異常の有無)を監視し、異常発生時にはその旨をECU400に通知するために異常信号を生成する。リレー制御部144は、状態検知部142による監視動作によってLi電池セル110の異常が検出されたときにリレー112をオフする。通信インタフェース部146は、状態検知部142によって生成された異常信号を所定の通信方式によってECU400に向けて送信する。通信方式としては、LIN(Local Interconnect Network)プロトコルを用いた通信やCAN(Controller Area Network)プロトコルを用いた通信などが考えられるが、その他の通信方式を用いるようにしてもよい。

0017

クロック生成部150は、制御部140の動作に必要なクロック信号を生成する。本実施形態では、このクロック信号は、4つの直流−直流変換モジュール130〜136の電力変換動作を制御する際の同期をとるために必要な同期信号としても用いられており、クロック生成部150は同期信号生成部としての機能を有している。電源部160は、Li電池パック100の動作に必要な動作電圧を生成する。例えば、Li電池セル110の端子電圧が印加されており、この端子電圧に基づいて制御部140および直流−直流変換モジュール120、130〜136のそれぞれの動作に必要な動作電圧が生成され、それぞれに動作電力が供給される。

0018

次に、4つの直流−直流変換モジュール130〜136について説明する。図2に概略的な構成を示すように、直流−直流変換モジュール130は、パワー部231、フィルタ232、233、制御部234、電源部235、通信インタフェース部(通信I/F)236を備えている。他の直流−直流変換モジュール132〜136も同じ構成を有しており、詳細な説明は省略する。

0019

パワー部231は、リアクトル(あるいはトランス)、ダイオードスイッチング素子によって構成されており、スイッチング素子が所定の周期オンオフ制御される。フィルタ232、233は、入出力電圧を平滑するためのものである。通信インタフェース部236は、クロック生成部150から出力されるクロック信号を取り込んで制御部234に入力する。制御部234は、通信インタフェース部236から入力されるクロック信号を同期信号として用い、この同期信号に同期してパワー部231内のスイッチング素子をオンオフすることにより、入力電圧である48Vを出力電圧である12Vに変換する制御を行う。電源部235は、制御部234の動作電圧を生成する。

0020

図2に示す構成によって降圧動作を行う場合のさらに具体的な例を図3に示す。図3に示す例では、フィルタ232、233は、コンデンサによって構成されている。また、パワー部231は、スイッチング素子としてのMOSトランジスタ231Aと、リアクトル231Bと、ダイオード231Cとで構成されている。MOSトランジスタ231Aとリアクトル231Bによって構成された直列回路入出力端子間に挿入されており、MOSトランジスタ231Aとリアクトル231Bの接続点がダイオード231Cを介して接地されている。制御部234は、MOSトランジスタ231Aをオンオフする周期およびオンデューティの少なくとも一方を可変することにより、入力電圧(48V)を出力電圧(12V)に変換するとともに、この変換に際して伝達する電力量を制御している。

0021

なお、昇圧動作を行う直流−直流変換モジュール130の構成も概略的には図2に示した構成と同じであり、その具体例を図4に示す。図4に示す具体例では、パワー部231’の構成が、図3に示したパワー部231の構成と異なっている。パワー部231’では、リアクトル231Bとダイオード231Cによって直列回路が形成されており、この直列回路の一方の端部(リアクトル231Bの一方端)が入力端子に、他方の端部(ダイオード231Cのカソード側)が出力端子に接続されている。また、MOSトランジスタ231Aは、一方端(ドレイン側)がリアクトル231Bとダイオード231Cの接続点に接続され、他方端ソース側)が接地されている。制御部234’は、MOSトランジスタ231Aをオンオフする周期およびオンデューティの少なくとも一方を可変することにより、入力電圧(12V)を出力電圧(48V)に変換するとともに、この変換に際して伝達する電力量を制御している。本実施形態では、例えば車両用発電機200の停止時(非発電時)に高電圧負荷210に流れ込む待機電流分の電力を低電圧バッテリ300から供給するために直流−直流変換モジュール120が用いられる。

0022

本実施形態の車両電源システムはこのような構成を有しており、次に、低電圧バッテリ300に接続される低電圧負荷310の最大容量が車両によって異なる場合の対応方法について説明する。上述したように、直流−直流変換モジュール130〜136のそれぞれは、定格電圧12Vで400Wまで電力を供給する能力を有する。

0023

Li電池パック100から低電圧バッテリ300側に供給する電力の要求値(低電圧負荷310の動作電力と低電圧バッテリ300の充電電力の合計)が400W以下の場合には、図5に示すように、直流−直流変換モジュール130のみが用いられ、他の直流−直流変換モジュール132〜136については非搭載となる。

0024

また、Li電池パック100から低電圧バッテリ300側に供給する電力の要求値が400Wより多く、800W以下の場合には、図6に示すように、直流−直流変換モジュール130、132のみが用いられ、他の直流−直流変換モジュール134、136については非搭載となる。

0025

また、Li電池パック100から低電圧バッテリ300側に供給する電力の要求値が800Wより多く、1200W以下の場合には、図7に示すように、直流−直流変換モジュール130〜134が用いられ、残りの直流−直流変換モジュール136については非搭載となる。

0026

さらに、Li電池パック100から低電圧バッテリ300側に供給する電力の要求値が1200Wより多く、1600W以下の場合には、図1に示すように、全ての直流−直流変換モジュール130〜136が用いられる。

0027

このように、本実施形態の車両電源システムでは、最大装着可能個数(例えば4個)の範囲内で一あるいは複数の直流−直流変換モジュール130〜136を選択して装着することができるため、個数に応じた最大容量を設定して容易に最大容量を変更することが可能になる。

0028

また、各直流−直流変換モジュール130〜136には、同期信号に同期して電力変換動作を制御する制御部140が備わっている。これにより、搭載される直流−直流変換モジュール130〜136の個数が変更された場合であっても、全ての直流−直流変換モジュール130等を同期して動作させることが可能となる。

0029

また、直流−直流変換モジュール130等と、直流−直流変換モジュール130等の入力側に接続された高電圧バッテリとしてのLi電池セル110と、所定のクロック信号に同期して動作してLi電池セル110の状態を監視する制御部140とが一体化されてLi電池パック100が構成されている。また、制御部140に入力されるクロック信号が、直流−直流変換モジュール130等の同期をとる同期信号としても用いられている。これにより、制御部140の動作に必要なクロック信号を同期信号として用いて各直流−直流変換モジュール130等を同期させることが可能になり、同期をとるために必要な同期信号を生成するための同期信号生成部を個別に用意する必要がなくなるため、部品点数の削減とともにコストダウンを図ることができる。

0030

また、一体化されたLi電池パック100が車両に搭載されており、高電圧バッテリとして定格電圧が48Vのリチウムイオン電池(Li電池セル110)が用いられ、低電圧バッテリ300として定格電圧が12Vの例えば鉛蓄電池が用いられている。これにより、一体化された構成の中で、最大装着可能個数の範囲内で任意の数の直流−直流変換モジュール130等を組み合わせることが可能となり、接続される負荷の大きさに応じて供給可能な最大電力量としての最大容量を変更することができる。また、車両において、従来から使用されている鉛蓄電池に接続される低電圧負荷310を次第に減らして、高電圧バッテリに接続される高電圧負荷210に移行する場合に、低電圧負荷310の大きさの変化に容易に対応することができるLi電池パック100を実現することが可能となる。

0031

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、最大個数4の直流−直流変換モジュール130〜136の中から必要個数を選択的に用いる場合について説明したが、最大個数は4以外の数であってもよい。また、必ずしも同一構成の直流−直流変換モジュール130〜136を組み合わせる必要はなく、少なくとも一部に負荷容量が異なる直流−直流変換モジュールが含まれていてもよい。

0032

また、上述した実施形態では、降圧型の直流−直流変換モジュール130〜136について説明したが、昇圧型の複数の直流−直流変換モジュールを組み合わせる場合についても本発明を適用することができる。

0033

また、上述した実施形態では、Li電池パック100としてLi電池セル110と直流−直流変換モジュール130〜136等とを一体化した場合について説明したが、一部の構成を一体化の対象から除くようにしてもよい。この場合であっても、低電圧バッテリ300に接続される低電圧負荷310の最大容量が車両によって異なる場合に直流−直流変換モジュール130等の個数を変更することで対応することができる利点に変わりはない。

0034

上述したように、本発明によれば、最大装着可能個数の範囲内で一あるいは複数の直流−直流変換モジュールを選択して装着することができるため、個数に応じた最大容量を設定して容易に最大容量を変更することが可能になる。

0035

110Li電池セル
130、132、134、136直流−直流変換モジュール
140、234 制御部
150クロック生成部
300 低電圧バッテリ

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