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図面 (6)

課題

走行用モータ電力を供給する電源ステムにおいて、負荷上昇を抑えつつ補機に電力を供給する。

解決手段

電源システム(1)において、第1スイッチ(RY1、RY3)は、蓄電部(20)が搭載される車両内の走行用モータ3を駆動するためのインバータ2と、蓄電部(20)の間に挿入される。第2スイッチ(RY2、RY3)は、車両内の補機(5)と、蓄電部(20)の間に挿入される。管理部(10)は、蓄電部(20)の状態を管理するとともに、第1スイッチ(RY1、RY3)及び第2スイッチ(RY2、RY3)をそれぞれオンオフ制御する。管理部(10)は、蓄電部(20)の負荷が所定の高負荷条件を満たすとき第2スイッチ(RY2、RY3)をオフ状態に制御する。

概要

背景

近年、ハイブリッド車HV)、プラグインハイブリッド車(PHV)、電気自動車EV)が普及してきている。これらの車両には、走行用モータ電力を供給するための走行用バッテリが、補機バッテリ(通常、12Vの鉛電池)と別に搭載される。走行用バッテリは補機バッテリより電圧が高く、高出力である。

近年、車両の電装化が進んでおり、高負荷補機が数多く搭載されるようになってきている。補機の中で特に消費電力が大きいものにカーエアコンがある。そこで補機バッテリからではなく、走行用バッテリからカーエアコン用の電動コンプレッサに電力を供給する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。

概要

走行用モータに電力を供給する電源ステムにおいて、負荷上昇を抑えつつ補機に電力を供給する。電源システム(1)において、第1スイッチ(RY1、RY3)は、蓄電部(20)が搭載される車両内の走行用モータ3を駆動するためのインバータ2と、蓄電部(20)の間に挿入される。第2スイッチ(RY2、RY3)は、車両内の補機(5)と、蓄電部(20)の間に挿入される。管理部(10)は、蓄電部(20)の状態を管理するとともに、第1スイッチ(RY1、RY3)及び第2スイッチ(RY2、RY3)をそれぞれオンオフ制御する。管理部(10)は、蓄電部(20)の負荷が所定の高負荷条件を満たすとき第2スイッチ(RY2、RY3)をオフ状態に制御する。

目的

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、走行用モータに電力を供給する電源システムにおいて、負荷上昇を抑えつつ補機に電力を供給する技術を提供する

効果

実績

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請求項1

蓄電部と、前記蓄電部が搭載される車両内走行用モータを駆動するためのインバータと、前記蓄電部の間に挿入される第1スイッチと、前記車両内の補機と、前記蓄電部の間に挿入される第2スイッチと、前記蓄電部の状態を管理するとともに、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチをそれぞれ、オンオフ制御する管理部と、を備え、前記管理部は、前記蓄電部の負荷が所定の高負荷条件を満たすとき前記第2スイッチをオフ状態に制御することを特徴とする電源ステム

請求項2

前記管理部は、前記蓄電部から設定値を超える電流設定期間以上、流れたとき、前記第2スイッチをターンオフすることを特徴とする請求項1に記載の電源システム。

請求項3

前記管理部は、前記蓄電部のSOC(State Of Charge)に応じて、前記設定値および/または前記設定期間を変えることを特徴とする請求項2に記載の電源システム。

請求項4

前記補機は、前記車両内のエアーコンディショナコンプレッサ利用可能な電動コンプレッサを含むことを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の電源システム。

請求項5

前記補機は、前記蓄電部の冷却にも利用される補機であり、前記管理部は、前記蓄電部の負荷が所定の高負荷条件を満たすときでも、前記蓄電部の温度が設定温度を超えるとき、前記第2スイッチのオン状態を維持することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の電源システム。

技術分野

0001

本発明は、走行用モータ電力を供給するための電源ステムに関する。

背景技術

0002

近年、ハイブリッド車HV)、プラグインハイブリッド車(PHV)、電気自動車EV)が普及してきている。これらの車両には、走行用モータに電力を供給するための走行用バッテリが、補機バッテリ(通常、12Vの鉛電池)と別に搭載される。走行用バッテリは補機バッテリより電圧が高く、高出力である。

0003

近年、車両の電装化が進んでおり、高負荷補機が数多く搭載されるようになってきている。補機の中で特に消費電力が大きいものにカーエアコンがある。そこで補機バッテリからではなく、走行用バッテリからカーエアコン用の電動コンプレッサに電力を供給する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。

先行技術

0004

特開2015−194393号公報

発明が解決しようとする課題

0005

上述の構成では、カーエアコンの温度が非常に低く設定されている状態において、走行用モータの回転数が上昇すると、走行用バッテリーが高負荷になる。バッテリーが高負荷の状態が長く続くと、バッテリーの劣化が促進され寿命が短くなる。

0006

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、走行用モータに電力を供給する電源システムにおいて、負荷上昇を抑えつつ補機に電力を供給する技術を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電源システムは、蓄電部と、前記蓄電部が搭載される車両内の走行用モータを駆動するためのインバータと、前記蓄電部の間に挿入される第1スイッチと、前記車両内の補機と、前記蓄電部の間に挿入される第2スイッチと、前記蓄電部の状態を管理するとともに、前記第1スイッチ及び前記第2スイッチをそれぞれ、オンオフ制御する管理部と、を備える。前記管理部は、前記蓄電部の負荷が所定の高負荷条件を満たすとき前記第2スイッチをオフ状態に制御する。

0008

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

発明の効果

0009

本発明によれば、走行用モータに電力を供給する電源システムにおいて、負荷上昇を抑えつつ補機に電力を供給することができる。

図面の簡単な説明

0010

比較例に係る電源システムを説明するための図である。
本発明の実施の形態1に係る電源システムを説明するための図である。
本発明の実施の形態1に係る電源システムにおけるコンタクタ制御の流れを示すフローチャートである。
本発明の実施の形態2に係る電源システムを説明するための図である。
本発明の実施の形態2に係る電源システムにおけるコンタクタ制御の流れを示すフローチャートである。

実施例

0011

図1は、比較例に係る電源システム1を説明するための図である。電源システム1は、走行用モータ3に供給するための電力を蓄える蓄電システムである。電源システム1は車両内において、補機用の12V系の二次電池(通常、鉛電池が使用される)と別に設けられる。電源システム1は蓄電部20と管理装置10を備え、蓄電部20と管理装置10は1つの筐体内に収納される。

0012

電源システム1は、2系統外部電流端子として第1コネクタ31及び第2コネクタ32を有する。第1コネクタ31及び第2コネクタ32は何れも、高圧仕様のものを使用する。蓄電部20の正極端子に繋がる電流配線は2つに分岐され、それぞれ第1正極側コンタクタRY1と第2正極側コンタクタRY2の一端に接続される。蓄電部20の負極端子に繋がる電流配線は負極側コンタクタRY3の一端に接続される。

0013

第1正極側コンタクタRY1の他端に繋がる電流配線は第1コネクタ31の正極端子に接続され、第2正極側コンタクタRY2の他端に繋がる電流配線は第2コネクタ32の正極端子に接続される。負極側コンタクタRY3の他端に繋がる電流配線は2つに分岐され、それぞれ第1コネクタ31の負極端子と第2コネクタ32の負極端子に接続される。これらの電流配線は例えば、ワイヤーハーネスバスバーの組み合わせで構成できる。

0014

第1コネクタ31には、インバータ2に繋がる電流配線の先端の端子が装着される。インバータ2は力行時、電源システム1から供給される直流電力交流電力に変換して走行用モータ3に供給する。回生時、走行用モータ3から供給される交流電力を直流電力に変換して電源システム1に供給する。走行用モータ3には例えば、三相交流同期モータを使用する。以下、本明細書では200〜400Vの高圧モータを想定する。走行用モータ3は力行モードでは、インバータ2から供給される電力をもとに回転し、車両を走行させる。回生モードでは、車両の減速エネルギーもとづく回転により発電し、インバータ2を介して電源システム1を充電する。

0015

第2コネクタ32には、DC−DCコンバータ4に繋がる電流配線の先端の端子が装着される。DC−DCコンバータ4は、蓄電部20から供給される直流電圧を、所定の直流電圧に降圧して補機5に供給する。補機5には、車両内における走行用モータ3以外の負荷の内、相対的に消費電力が高い少なくとも1つの負荷が選定される。例えば、電動コンプレッサ、オルタネータ電動ウォータポンプパワーステアリング等が、電源システム1から電力供給を受ける補機5の候補となる。補機5に選定されなかった補機は、補機バッテリ(通常、12V出力の鉛電池)から電力供給を受ける。

0016

また補機5には補機バッテリが含まれてもよい。この場合、DC−DCコンバータ4は、蓄電部20から供給される直流電圧を12Vの直流電圧に降圧して補機バッテリを充電する。また蓄電部20の電圧が48V等の中電圧の場合、DC−DCコンバータ4を設けずに直接、補機5に供給できる場合もある。

0017

第1正極側コンタクタRY1、第2正極側コンタクタRY2及び負極側コンタクタRY3には大型のリレーを使用することができる。図1に示す例では、第1正極側コンタクタRY1と第2正極側コンタクタRY2で負極側コンタクタRY3を共有する構成を示しているが、第1正極側コンタクタRY1と第2正極側コンタクタRY2のそれぞれに専用の負極側コンタクタを2つ設けてもよい。また、負極側コンタクタRYを2つ設けて、1つの正極側コンタクタを2つの負極側コンタクタで共有する構成でもよい。

0018

蓄電部20は複数のセルS1〜Snが直列接続されて形成される。なお蓄電部20は、複数のセルS1〜Snが直列接続されて構成される蓄電モジュールが、さらに複数、直列接続されて構成されてもよい。セルには、リチウムイオン電池セルニッケル水素電池セル電気二重層キャパシタセルリチウムイオンキャパシタセル等を用いることができる。以下、本明細書ではリチウムイオン電池セル(公称電圧:3.6−3.7V)を使用する例を想定する。

0019

複数のセルS1−Snと直列ヒューズF1が直列に接続される。さらに複数のセルS1−Sn及びヒューズF1と直列にシャント抵抗Rsが接続される。シャント抵抗Rsは電流検出素子として機能する。なおシャント抵抗Rsの代わりにホール素子を用いてもよい。また蓄電部20には、複数のセルS1−Snの温度を検出するための温度センサT1が設置される。温度センサT1には例えば、サーミスタを使用することができる。

0020

管理装置10は電圧検出部11、温度検出部12、電流検出部13、制御部14、記憶部15及び駆動部16を備える。電圧検出部11は複数のセルS1−Snのそれぞれの電圧および総電圧を検出して制御部14に出力する。温度検出部12は温度センサT1の出力値をもとに複数のセルS1−Snの温度を推定して制御部14に出力する。電流検出部13は、シャント抵抗Rsの両端に接続された誤差増幅器を含み、誤差増幅器はシャント抵抗Rsの両端電圧を検出する。電流検出部13は当該両端電圧をもとに、蓄電部20に流れる電流を検出して制御部14に出力する。

0021

制御部14は、電圧検出部11、温度検出部12及び電流検出部13により検出された複数のセルS1−Snの電圧、電流、温度をもとに蓄電部20を管理する。制御部14は例えば、マイクロコントローラで構成できる。記憶部15は各種の情報を記憶する。記憶部15は例えば、不揮発性半導体メモリで構成できる。駆動部16は、制御部14からの切替指示信号を受けて、第1正極側コンタクタRY1、第2正極側コンタクタRY2及び負極側コンタクタRY3を開閉制御するための駆動信号を生成し、第1正極側コンタクタRY1、第2正極側コンタクタRY2及び負極側コンタクタRY3に供給する。

0022

制御部14は、検出された複数のセルS1−Snの電圧、電流、温度をもとに、過電圧不足電圧過電流、温度異常、過放電過充電の何れかを検出すると、第1正極側コンタクタRY1、第2正極側コンタクタRY2及び負極側コンタクタRY3をオープンさせるための制御信号を生成して駆動部16に供給する。

0023

セルS1−Snの過放電および過充電は、セルS1−SnのSOC(State Of Charge)を推定することにより検出することができる。SOCは例えば、OCV(OpenCircuit Voltage)法および/または電流積算法により推定できる。リチウムイオン電池ではSOCとOCVとの間に安定的な関係がある。従って、セルS1−Snに電流が流れていない状態において各セルS1−Snの両端電圧を検出することにより、各セルS1−SnのSOCを推定することができる。セルS1−Snに電流が流れている間は、電流積算法によりSOCの増減を推定することができる。

0024

図2は、本発明の実施の形態1に係る電源システム1を説明するための図である。図1に示した電源システム1では、第1正極側コンタクタRY1、第2正極側コンタクタRY2及び負極側コンタクタRY3の開閉制御を一括して行っていた。この点、実施の形態1に係る電源システム1では、第1正極側コンタクタRY1と第2正極側コンタクタRY2を個別に制御することができる。即ち、比較例では走行用モータ3への給電と補機5への給電を個別に制御できなかったが、実施の形態1では走行用モータ3への給電と補機5への給電を個別に制御できるようになっている。

0025

図3は、本発明の実施の形態1に係る電源システム1におけるコンタクタ制御の流れを示すフローチャートである。図3の説明では第1正極側コンタクタRY1と負極側コンタクタRY3を総称して第1コンタクタ、第2正極側コンタクタRY2と負極側コンタクタRY3を総称して第2コンタクタと呼ぶ。

0026

運転者により電源スイッチ(又はイグニッションスイッチ)がオンされると電源システム1が起動する(S10)。制御部14は第1コンタクタ及び第2コンタクタを閉じる(ターンオン)。運転者により電源スイッチ(又はイグニッションスイッチ)がオフされると電源システム1が停止する(S12のY)、電源システム1が起動中(S12のN)、制御部14は下記の制御を実行する。

0027

電圧検出部11、電流検出部13及び温度検出部12はセルS1−Snの電圧、電流及び温度を検出し、制御部14に出力する(S13)。制御部14は取得したセルS1−Snの電圧および/または電流をもとに、各セルS1−SnのSOCを推定する(S14)。

0028

制御部14は検出された電流値、及び推定したSOCをもとに所定の高負荷条件を満たすか否か判定する(S15)。電源システム1の負荷は、走行用モータ3の回転数が上がるほど上昇する。例えば、高速走行時や登りで上昇する。また電源システム1の負荷は補機5の消費電力の上昇によっても上昇する。例えば、カーエアーコンディショナの設定温度を大きく下げた場合、補機5の消費電力が上昇する。

0029

上記高負荷条件は、セルS1−Snに設定値を超える電流が設定期間以上、流れたことで規定される。例えば、100Aの電流が10秒間流れたことと規定される。高負荷条件はセルS1−SnのSOCに応じて異なるものが規定されてもよい。具体的には、セルS1−SnのSOCが高いほど、上記設定値が低く、及び/又は上記設定期間が長く規定される。反対にセルS1−SnのSOCが低いほど、上記設定値が高く、及び/又は上記設定期間が短く規定される。即ち、セルS1−SnのSOCが高いほど高負荷条件が緩く設定され、セルS1−SnのSOCが低いほど高負荷条件が厳しく設定される。

0030

セルS1−SnのSOCに応じた高負荷条件の一例を下記に挙げる。
SOC>80% 高負荷条件=∞(常に満たさない)
80%>SOC>60% 高負荷条件=150Aが15秒以上流れる
60%>SOC>40% 高負荷条件=100Aが10秒以上流れる
40%>SOC>20% 高負荷条件=50Aが5秒以上流れる
20%>SOC 高負荷条件=0(常に満たす)

0031

テップS15において高負荷条件を満たす場合(S15のY)、制御部14は第2コンタクタを開く(ターンオフ)(S16)。その後、ステップS12に遷移する。ステップS15において高負荷条件を満たさない場合(S15のN)、制御部14は第2コンタクタの閉状態を維持する。第2コンタクタが開状態の場合は第2コンタクタを閉じる(ターンオン)(S17)。その後、ステップS12に遷移する。

0032

以上説明したように実施の形態1によれば、電源システム1の高負荷時において補機5への出力を遮断することにより、電源システム1の負荷を下げることができる。従ってモータによる走行を継続しつつ、蓄電部20内のセルS1−Snのストレス増加を抑制し、セルS1−Snの劣化を抑えることができる。

0033

図4は、本発明の実施の形態2に係る電源システム1を説明するための図である。実施の形態2では、補機5が蓄電部22の冷却に利用される補機である構成を示す。図4では補機5が、車両内のエアーコンディショナシステム6の一部を担う電動コンプレッサ5aである例を示している。

0034

電動コンプレッサ5aは、エバポレータ(不図示)により熱を奪われて気化された低温低圧冷媒ガス吸入圧縮し、高温高圧になった半液体冷媒コンデンサ(不図示に送る。コンデンサは、コンデンサファンの風によって冷媒を冷却し、さらに液化した冷媒をレシーバ(不図示)へ送る。 レシーバは、液化できなかった冷媒(水分や不純物)を取り除く。液化された冷媒はエキスパンションバルブノズル穴から、エバポレータ内噴射されて気化される。気化された冷媒は、エバポレータ周りの熱を奪い、エバポレータを冷却する。冷却されたエバポレータにブロワファンの風を通過させて冷風を発生させる。なお、エバポレータにより熱を奪われて気化された低温低圧の冷媒ガスは、電動コンプレッサ5aに戻り、再び圧縮される。

0035

エバポレータで発生した冷風は、車室内に送られ車室内の温度を低下させる。図4に示す例では、当該冷風がダクト(不図示)を辿り電源システム1の筐体内にも送られる。これにより電源システム1内の蓄電部20が空冷により冷却される。

0036

図5は、本発明の実施の形態2に係る電源システム1におけるコンタクタ制御の流れを示すフローチャートである。図5のフローチャートのステップS20−S24までの処理は、図3のフローチャートのステップS10−S14までの処理と同様であるため説明を省略する。

0037

制御部14は、温度検出部12により検出されたセルS1−Snの何れかの温度が設定値(例えば、60℃)以上であるか否か判定する(S25)。セルS1−Snの何れかの温度が設定値以上である場合(S25のY)、制御部14は第2コンタクタの閉状態を維持する。第2コンタクタが開状態の場合は第2コンタクタを閉じる(ターンオン)(S26)。その後、ステップS22に遷移する。

0038

ステップS25においてセルS1−Snの何れかの温度が設定値未満である場合(S25のN)、制御部14は検出された電流値、及び推定したSOCをもとに所定の高負荷条件を満たすか否か判定する(S27)。高負荷条件を満たす場合(S27のY)、制御部14は第2コンタクタを開く(ターンオフ)(S28)。その後、ステップS22に遷移する。ステップS25において高負荷条件を満たさない場合(S27のN)、制御部14は第2コンタクタの閉状態を維持する。第2コンタクタが開状態の場合は第2コンタクタを閉じる(ターンオン)(S26)。その後、ステップS22に遷移する。

0039

以上説明したように実施の形態2によれば、実施の形態1で説明した効果に加えて、さらに以下の効果を奏する。即ち、セルS1−Snの何れかの温度が設定値以上に上昇している状態において、セルS1−Snの冷却部が停止することを回避することができる。リチウムイオン電池は温度が高いほど劣化が促進される性質を有している。従って高負荷時に冷却部の動作を停止させて、セルS1−Snの温度上昇放置することはセルS1−Snの劣化を促進する結果を招く。これに対して実施の形態2では、高負荷条件を満たす場合でもセルS1−Snの温度が高い場合は、補機5への電源供給を継続することにより、セルS1−Snの冷却部が停止することを回避することができる。

0040

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。これら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。

0041

上述の実施の形態2では、蓄電部20の冷却を、車室用のエアーコンディショナシステム6で発生させた冷風を活用して行う例を説明した。この点、蓄電部20の近傍に専用の空冷ファンを設置して蓄電部20を冷却する構成であってもよい。当該空冷ファンが補機5に含まれる場合(即ち、電源システム1から給電される場合)、実施の形態2に係るコンタクタ制御を適用可能である。また蓄電部20を液冷方式で冷却する構成であってもよい。冷却水循環するためのポンプや、熱交換器が電源システム1から給電を受ける場合、実施の形態2に係るコンタクタ制御を適用可能である。なお、蓄電部20の冷却部に電源システム1から給電される部材が含まれていない場合、実施の形態1に係るコンタクタ制御を適用可能である。

0042

また上述の実施の形態1、2では電源システム1を車両用電源装置に利用する例を想定したが、車載用途に限らず、航空用電源装置船舶用電源装置、定置型蓄電システム等、他の用途にも利用可能である。

0043

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

0044

[項目1]
蓄電部(20)と、
前記蓄電部(20)が搭載される車両内の走行用モータ(3)を駆動するためのインバータ(2)と、前記蓄電部(20)の間に挿入される第1スイッチ(RY1、RY3)と、
前記車両内の補機(5)と、前記蓄電部(20)の間に挿入される第2スイッチ(RY2、RY3)と、
前記蓄電部(20)の状態を管理するとともに、前記第1スイッチ(RY1、RY3)及び前記第2スイッチ(RY2、RY3)をそれぞれ、オン/オフ制御する管理部(10)と、を備え、
前記管理部(10)は、前記蓄電部(20)の負荷が所定の高負荷条件を満たすとき前記第2スイッチ(RY2、RY3)をオフ状態に制御することを特徴とする電源システム(1)。
これによれば、走行用モータ(3)への給電を維持しつつ、蓄電部(20)の負荷を低減することができる。
[項目2]
前記管理部(10)は、前記蓄電部(20)から設定値を超える電流が設定期間以上、流れたとき、前記第2スイッチ(RY2、RY3)をターンオフすることを特徴とする項目1に記載の電源システム(1)。
これによれば、蓄電部(20)から流れる電流を監視することにより、高負荷条件を満たすか否か判定することができる。
[項目3]
前記管理部(10)は、前記蓄電部(20)のSOC(State Of Charge)に応じて、前記設定値および/または前記設定期間を変えることを特徴とする項目2に記載の電源システム(1)。
これによれば、高負荷条件をきめ細かく設定することにより、利便性と蓄電部(20)の保護のバランスを図ることができる。
[項目4]
前記補機(5)は、前記車両内のエアーコンディショナ(6)のコンプレッサに利用可能な電動コンプレッサ(5a)を含むことを特徴とする項目1から3のいずれかに記載の電源システム(1)。
これによれば、電動コンプレッサ(5a)を、補機バッテリの電圧より高電圧で駆動することができる。
[項目5]
前記補機(5)は、前記蓄電部(20)の冷却にも利用される補機(5a)であり、
前記管理部(10)は、前記蓄電部(20)の負荷が所定の高負荷条件を満たすときでも、前記蓄電部(20)の温度が設定温度を超えるとき、前記第2スイッチ(RY2、RY3)のオン状態を維持することを特徴とする項目1から4のいずれかに記載の電源システム(1)。
これによれば、蓄電部(20)の温度が高い状態において、蓄電部(20)の冷却が停止することを回避することができる。

0045

1電源システム、 2インバータ、 3走行用モータ、 4DC−DCコンバータ、 5補機、 5a電動コンプレッサ、 6エアーコンディショナシステム、 10管理装置、 11電圧検出部、 12温度検出部、 13電流検出部、 14 制御部、 15 記憶部、 16 駆動部、 20蓄電部、 S1−Snセル、 Rsシャント抵抗、 T1温度センサ、 RY1 第1正極側コンタクタ、 RY2 第2正極側コンタクタ、 RY3 負極側コンタクタ、 31 第1コネクタ、 32 第2コネクタ。

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