特開 2023-46562 車両電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023046562

(43)【公開日】2023-04-05

(54)【発明の名称】車両電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20230329BHJP

   H02J 7/02 20160101ALI20230329BHJP

   B60R 16/033 20060101ALI20230329BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 H

H02J7/02 H

B60R16/033 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021155218

(22)【出願日】2021-09-24

(71)【出願人】

【識別番号】000143639

【氏名又は名称】株式会社今仙電機製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100095795

【弁理士】

【氏名又は名称】田下 明人

(74)【代理人】

【識別番号】100143454

【弁理士】

【氏名又は名称】立石 克彦

(72)【発明者】

【氏名】山野上 耕一

(72)【発明者】

【氏名】服部 誠

【テーマコード（参考）】

5G503

5H730

【Ｆターム（参考）】

5G503AA07

5G503BA03

5G503BB01

5G503DA04

5G503GB03

5G503HA02

5H730AS05

5H730AS17

5H730BB13

5H730BB57

5H730DD04

5H730DD16

5H730FD01

5H730FD31

5H730FG01

5H730XX03

5H730XX15

5H730XX23

5H730XX35

(57)【要約】      （修正有）

【課題】上側電池と下側電池とのバランスを取ることができる車両電源装置を提供する。
【解決手段】車両電源装置は、高電圧側の上側電池Ｅ１と、アース側に接続された下側電池Ｅ２と、上側電池と下側電池との接続点ＣＰと、上側電池Ｅ１と下側電池Ｅ２にＰＩＤ制御５０により電力を供給するＦＥＴ１、ＦＥＴ２と、を備える。そして、更に、ＰＩＤ制御５０によるＩ（積分制御）よりも長い時間のフィードバック制御６０を付加する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

高電圧側の上側電池と、低電圧側の下側電池とに分割された電池と、
前記上側電池と前記下側電池に、予め設定された出力制限内で電力を供給するＤＣ－ＤＣコンバータ、とを備える車両用電源装置であって
前記ＤＣ－ＤＣコンバータの出力の長時間平均値と目標値との差をフィードバックするフィードバック制御を付加したことを特徴とする車両用電源装置。

【請求項2】

請求項１の車両用電源装置であって、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータはＰ（比例制御）Ｉ（積分制御）Ｄ（微分制御）制御により電力を供給し、
前記フィードバック制御の長時間平均値は、前記ＰＩＤ制御のＩ（積分制御）制御よりも長い時間の平均値である。

【請求項3】

請求項２の車両用電源装置であって、
前記上側電池は高電圧側に接続され、前記下側電池はアース側に接続され、
前記ＤＣ－ＤＣコンバータは、前記高電圧側と前記上側電池と前記下側電池との接続点間、及び、前記接続点と前記アース側との間に電力を供給し、前記フィードバック制御は、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの出力の長時間平均値と目標値との差を前記ＤＣ－ＤＣコンバータの入力側に加える。

【請求項4】

請求項１の車両用電源装置であって、
前記上側電池と前記下側電池の電圧はほぼ等しい。

【請求項5】

請求項１の車両用電源装置であって、
前記上側電池の電圧は、前記下側電池の電圧よりも高い。

【請求項6】

請求項５の車両用電源装置であって
前記長時間平均値は演算処理によって求められる。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、分割された電池を介して複数の電圧を供給する車両電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、蓄電池を直列に接続して形成した高圧電源から、蓄電池を選択的に低圧電源負荷へ接続することによって電力変換を行う車両電源装置を開示している。

【0003】

図７は、従来技術の車両電源装置３１０を示している。
電池は、高電圧ＶＢ側に接続された上側電池Ｅ１と、アースＥＡ側に接続された下側電池Ｅ２とに分割されている。上側電池Ｅ１と下側電池Ｅ２との接続点ＣＰから電流Ｉｏｕｔが出力される。高電圧ＶＢ側から高電圧が供給される。上側電池Ｅ１、下側電池Ｅ２はバランス回路２４０によって充電が成される。バランス回路２４０は制御部２３０によって制御される。

【0004】

図８（Ａ）は、図７中のバランス回路、上側電池Ｅ１、下側電池Ｅ２の等価回路を示す。ＦＥＴ１、ＦＥＴ２には、デュティ５０％の制御信号が加えられ、ＦＥＴ１はコイルＬを介して上側電池Ｅ１を充電し、ＦＥＴ２はコイルＬを介して下側電池Ｅ２を充電する。

【0005】

図８（Ａ）の回路構成は、図８（Ｂ）に示す構成と等価である。即ち、Ｖ／２の理想電源と出力インピーダンスＲとを組み合わせた構成と等価である。

【0006】

図８（Ｂ）の構成は、図８（Ｃ）に示す構成と等価である。ここで、負荷電流Ｉを負荷に対して流すと、上側電池Ｅ１は[Ｖ／２＋ＩＲ]となり、下側電池Ｅ２は[Ｖ／２－ＩＲ]となりアンバランスになる。

【0007】

図９は、ＦＥＴ１、ＦＥＴ２にＰ（比例制御）Ｉ（積分制御）Ｄ（微分制御）制御を加える従来技術のＤＣＤＣコンバータの構成を示す。ＦＥＴ１、ＦＥＴ２の接続点ＣＰから１２Ｖの出力電圧が、Ｖ／２の基準電圧とオペアンプＯＰＩで比較され、微分回路１３６で微分されて加算ノードＡＮに加えられる。同様に、１２Ｖの出力電圧が、Ｖ／２の基準電圧とオペアンプＯＰＰで比較され、加算ノードＡＮに加えられる。１２Ｖの出力電圧が、Ｖ／２の基準電圧とオペアンプＯＰＤで比較され、積分回路１３８で積分されて加算ノードＡＮに加えられる。加算ノードＡＮからの出力が、ＦＥＴ１、ＦＥＴ２にフィードバックされる。

【0008】

図１０は、図９に示す回路の入力電圧（１０（Ａ））、出力電流（１０（Ｂ））、出力電圧（図１０（Ｃ））を示す。ＤＣＤＣコンバータの電流制限以上の電流が流れる過電流時、出力電圧は低下する。

【0009】

図１１（Ａ）は、図８（Ａ）に示す回路に、図９に示すＰ（比例制御）Ｉ（積分制御）Ｄ（微分制御）制御を加えた構成を示す。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】特開２０１８－２６９７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

車両電源装置では、例えば、電動パワーステアリングのモータを急回転させる際に、規定出力電流以上の出力が発生する場合が生じる。このような際に、図１１（Ａ）の構成の出力電流を表す図１１（Ｂ）中に示されるように、実線で示される下側電池Ｅ２の電圧が、破線で示される下側電池Ｅ２の平均電圧を下回るようになる。即ち、リアルタイムのＰ（比例制御）Ｉ（積分制御）Ｄ（微分制御）制御では、電池の電圧印加時間と化学反応の遅れ時間によって、下側電池Ｅ２の電圧が低下し（２／ＶよりもΔＶ[図８（Ｃ）中のＩＲ]だけ低い）、上側電池Ｅ１の電圧が上昇し（２／ＶよりもΔＶだけ高い）、上側電池と下側電池とのバランスが悪くなり、電池が消耗して、寿命が短くなる。

【0012】

本発明の目的は、上側電池と下側電池とのバランスを取ることができる車両電源装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明に係る車両電源装置は、高電圧側の上側電池と、低電圧側の下側電池とに分割された電池と、前記上側電池と前記下側電池に、予め設定された出力制限内で電力を供給するＤＣ－ＤＣコンバータとを備える。更に、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの出力の長時間平均値と目標値との差をフィードバックするフィードバック制御を付加したことを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

従来技術のＰ（比例制御）Ｉ（積分制御）Ｄ（微分制御）制御のＩ（積分制御）の積分項には、現時点での出力電値圧を出力指示電圧に保つための設定がなされている。このため、従来技術のＰ（比例制御）Ｉ（積分制御）Ｄ（微分制御）制御のＩ（積分制御）の積分項の時定数を大きくした場合、目標指示電圧への応答が悪くなり、出力させたい電圧値と異なった電圧が出力されることになる。

【0015】

請求項１の車両電源装置は、長い時間のフィードバック制御が付加される。このため、長期間においても電池のバランスを取るように制御が行える。

【0016】

請求項２の車両電源装置は、Ｐ（比例制御）Ｉ（積分制御）Ｄ（微分制御）制御により電力を供給する電源回路に、更に、ＰＩＤ制御のＩ（積分制御）制御よりも長い時間のフィードバック制御が付加される。このため、短期間で見た場合、目標出力電圧とほぼ同じ電圧が出力でき、長期間で見た場合、電池のバランスを取るように制御が行える。

【0017】

更に、リアルタイムのＰ（比例制御）Ｉ（積分制御）Ｄ（微分制御）制御のみでは、電池の電圧印加時間と化学反応の遅れ時間によって、下側電池の電圧が低下し、上側電池と下側電池とのバランスが悪くなるが、ＰＩＤ制御のＩ（積分制御）制御よりも長い時間のフィードバック制御が付加されることで、電池の電圧印加時間と化学反応の遅れ時間に対応させ、上側電池と下側電池とのバランスを取ることで、電池の消耗を低減し、電池寿命を延ばすことができる。

【0018】

請求項３の車両電源装置は、フィードバック制御でＤＣ－ＤＣコンバータの出力の長時間平均値と目標値との差をＤＣ－ＤＣコンバータの入力側に加える。このため、短期間で見た場合、目標出力電圧とほぼ同じ電圧が出力でき、長期間で見た場合、電池のバランスを取るように制御が行える。

【0019】

請求項４の車両電源装置は、上側電池と下側電池の電圧はほぼ等しいため、電源回路は、５０－５０の簡易なデュ－ティで上側電池と下側電池とを充電することができる。

【0020】

請求項５の車両電源装置は、上側電池の電圧は下側電池の電圧よりも高い。電源回路は、デュ－ティ比を電圧に合わせて調整することで上側電池と下側電池とを充電することができる。

【0021】

請求項６の車両電源装置は、長時間平均値は演算処理によって求められため、例えば、１時間程度の長時間の平均を正確に求めることができ、電池の電圧印加時間と化学反応の遅れ時間に対応させ、上側電池と下側電池とのバランスを取ることで、電池の消耗を低減し、電池寿命を延ばすことができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明の第１実施形態に係る車両電源装置のバランス回路、上側電池、下側電池の等価回路を示す図。

【図2】第１実施形態の車両電源装置のＰＩＤ制御の内容を示す図。

【図3】図３（Ａ）は第１実施形態の車両電源装置の出力電流を、図３（Ｂ）は時定数の長い積分制御が付加されない場合の出力電圧を、図３（Ｃ）は時定数の長い積分制御が付加された場合の出力電圧を示す。

【図4】積分回路での処理を示すフローチャート。

【図5】本発明の第１実施形態の改変例に係る車両電源装置の回路図。

【図6】第２実施形態の車両電源装置の回路図。

【図7】第１実施形態及び従来技術の車両電源装置の構成を示す図。

【図8】従来技術の車両電源装置のバランス回路、上側電池、下側電池の等価回路を示す図。

【図9】ＦＥＴにＰＩＤ制御を加える従来技術のＤＣＤＣコンバータの構成を示す図。

【図10】１０（Ａ）は図９に示す回路の入力電圧、図１０（Ｂ）は出力電流、図１０（Ｃ）は出力電圧を示す。

【図11】図１１（Ａ）は従来技術のＤＣＤＣコンバータの構成を示し、図１１（Ｂ）は、図１１（Ａ）のＤＣ－ＣＤコンバータの出力電圧を表す。

【発明を実施するための形態】

【0023】

[第１実施形態]
図７は、第１実施形態に係る車両電源装置１０の構成を示す。
電池は、２４Ｖの高電圧ＶＢ側に接続された上側電池Ｅ１と、アースＥＡ側に接続された下側電池Ｅ２とに分割されている。上側電池Ｅ１の電圧と、下側電池Ｅ２の電圧は共に１２Ｖである。上側電池Ｅ１と下側電池Ｅ２との接続点ＣＰから１２Ｖの電流Ｉｏｕｔが出力される。高電圧ＶＢ側から２４Ｖの高電圧が供給される。上側電池Ｅ１、下側電池Ｅ２はバランス回路４０によって充電が成される。バランス回路４０は制御部３０によって制御される。制御部３０及びバランス回路４０はＤＣ－ＤＣコンバータを構成する。

【0024】

制御部３０は、予め設定された定格出力容量を超える出力電流が長時間流れないようにし、出力異常時に安全に動作を行うため、出力電流Ｉｏｕｔに対して電流制限を加える。即ち、制御部３０は、出力電流（電流Ｉｏｕｔ）をモニターして異常な電流を検出した場合、それ以上出力電流が流れないように電流制限を加える。なお、定格出力容量を超える出力電流が流れるのは、全体の時間の間の極短時間だけである。例えば、電動パワーステアリングをロック状態まで操作した場合、極短い時間（２秒程度）、大きな出力電流が流れる。なお、電動パワーステアリングのロック状態が発生する頻度は、ほとんどなく、多くても１時間に１回程度と想定される。

【0025】

図１中に、図７中のバランス回路、上側電池Ｅ１、下側電池Ｅ２の等価回路が示される。ＦＥＴ１、ＦＥＴ２には、デュティ５０％の制御信号が加えられ、ＦＥＴ１はコイルＬを介して上側電池Ｅ１を充電し、ＦＥＴ２はコイルＬを介して下側電池Ｅ２を充電する。

【0026】

ＦＥＴ１、ＦＥＴ２の入力側には、Ｐ（比例制御）Ｉ（積分制御）Ｄ（微分制御）制御を行うＰＩＤ制御５０が設けられている。ＰＩＤ制御の内容は図２に示される。ＦＥＴ１、ＦＥＴ２の接続点ＣＰから１２Ｖの出力電圧が、Ｖ／２の基準電圧とオペアンプＯＰＩで比較され、微分回路３６で微分されて第１加算ノードＡＮ１に加えられる。同様に、１２Ｖの出力電圧が、Ｖ／２の基準電圧とオペアンプＯＰＰで比較され、第１加算ノードＡＮ１に加えられる。１２Ｖの出力電圧が、Ｖ／２の基準電圧と第１オペアンプＯＰＤ１で比較され、積分回路３８で積分されて第１加算ノードＡＮ１に加えられる。第１加算ノードＡＮ１からの出力が、ＦＥＴ１、ＦＥＴ２にフィードバックされる。

【0027】

第１実施形態の車両電源装置１０では、ＰＩＤ制御５０に加え、ＰＩＤ制御５０の積分回路３８によるＩ制御よりも長い時間の平均値を求める平均化手段６８によるフィードバック制御６０が付加されている。平均化手段６８の平均時間は、積分回路３８の時定数よりも少なくとも１０倍以上長いことが好適であり、１００倍以上長いことが更に望ましい。
平均化手段６８でＰＩＤ制御５０の積分回路３８によるＩ制御よりも長い時間の平均値が求められ、求められた平均値がＶ／２の基準電圧（目標値）と第２オペアンプＯＰＤ２で比較され、差分が第２加算ノードＡＮ２に加えられる。第２加算ノードＡＮ２からの出力が、ＰＩＤ制御５０の一方の入力端子に加えられる。ＰＩＤ制御５０の他方の入力端子には１２Ｖの出力電圧が加えられる。

【0028】

図３（Ａ）は第１実施形態の出力電流を、図３（Ｂ）はフィードバック制御が付加されない場合の出力電圧を、図３（Ｃ）はフィードバック制御が付加された場合の出力電圧を示している。

【0029】

図３（Ｂ）に示されるフィードバック制御が付加されない場合、出力電流が車両電源装置の電流制限を超える際に、上述したように出力電流（電流Ｉｏｕｔ）をモニターしている制御部３０は、異常な電流を検出し、それ以上出力電流が流れないように電流制限を加える。これにより、実線で示される下側電池Ｅ２の電圧が、破線で示される下側電池Ｅ２の平均電圧を下回るようになる。

【0030】

図３（Ｃ）に示されるフィードバック制御が付加された場合、出力電流が車両電源装置の電流制限を超える際に、実線で示される下側電池Ｅ２の電圧が、破線で示される下側電池Ｅ２の平均電圧を下回るようになるが、出力電流が電流制限内になると、しばらくの間、実線で示される下側電池Ｅ２の電圧が、破線で示される下側電池Ｅ２の平均電圧を上回る。即ち、実線で示される下側電池Ｅ２の電圧が、破線で示される下側電池Ｅ２の平均電圧を下回るようになった矩形の面積と、実線で示される下側電池Ｅ２の電圧が、破線で示される下側電池Ｅ２の平均電圧を上回った台形の面積とが等しくなる。

【0031】

従来技術のＰ（比例制御）Ｉ（積分制御）Ｄ（微分制御）制御のＩ（積分制御）の積分項には、現時点での出力電値圧を出力指示電圧に保つための設定がなされている。このため、従来技術のＰ（比例制御）Ｉ（積分制御）Ｄ（微分制御）制御のＩ（積分制御）の積分項の時定数を大きくした場合、目標指示電圧への応答が悪くなり、出力させたい電圧値と異なった電圧が出力されることになる。

【0032】

第１実施形態の車両電源装置１０は、Ｐ（比例制御）Ｉ（積分制御）Ｄ（微分制御）制御により電力を供給する電源回路（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）に、更に、ＰＩＤ制御の積分回路３８のＩ制御よりも長い時間の平均化手段６８によるフィードバック制御６０が付加される。このため、短期間で見た場合、目標出力電圧とほぼ同じ電圧が出力でき、長期間で見た場合、電池のバランスを取るように制御が行える。更に、ＰＩＤ制御のＩ（積分制御）制御よりも長い時間のフィードバック制御が付加されることで、電池の電圧印加時間と化学反応の遅れ時間に対応させ、上側電池と下側電池とのバランスを取ることで、電池の消耗を低減し、電池寿命を延ばすことができる。

【0033】

ここで、使用される出力電流よりも十分に大きな容量をＤＣ－ＤＣコンバータに設定する、即ち、ハードウエアの強化によって、出力電圧の低下を無くし、平均電圧を保つ方法も考え得る。しなしながら、ＤＣ－ＤＣコンバータの出力容量を上げると、車両電源装置が大型化すると共に、高価になるという問題が生じる。これに対して、第１実施形態の車両電源装置１０ではフィードバック制御によって長期的に電池のバランスを取り、電池の消耗を低減し、電池の活用時間を延ばすことができる。

【0034】

図４は、マイコン（デジタル回路）で構成した平均化手段６８での処理を示すフローチャートである。
ステップ１２で、変数ｉを１にして、平均値を算出する途中のＶsumを０に初期化する。
ステップ１４で、変数ｉが合計積分時間ｘより小さいかを判断する。合計積分時間としては例えば１時間が設定されている。変数ｉが合計積分時間ｘより小さい場合（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、ステップ１６へ移行する。

【0035】

ステップ１６で、Ｖｉに１が加えられ、ＶsumがＶsum＋Ｖｉに、即ち、前回のＶsumに今回の電圧値Ｖｉが加算される。変数ｉに１が加えられる。ステップ１６では、Ｖ1～Ｖｘの過去の電圧値データをずらして、合計値が計算される。

【0036】

ステップ１４で、変数ｉが合計積分時間ｘより小さいかを判断する。変数ｉが合計積分時間ｘより大きい、または、等しい場合（Ｓ１４：Ｎｏ）、ステップ１８へ移行する。

【0037】

ステップ１８で、ＶｘはＶout（現時点の出力電圧値）とされ、平均値を算出する途中のＶsumはＶsum＋Ｖoutとされ、目標電圧値Ｖtargetはx分の電圧値を足し込んだＶsum／xとして求められる。即ち、最新の電圧値を合計し、平均値が算出される。

【0038】

第１実施形態の車両電源装置は、付加されるフィードバック制御は、長時間平均の制御であるため、電池の電圧印加時間と化学反応の遅れ時間に対応させ、上側電池と下側電池とのバランスを取ることで、電池の消耗を低減し、電池寿命を延ばすことができる。

【0039】

第１実施形態の車両電源装置は、長時間平均値は演算処理によって求められため、例えば、１時間程度の長時間の平均を正確に求めることができ、電池の電圧印加時間と化学反応の遅れ時間に対応させ、上側電池と下側電池とのバランスを取ることで、電池の消耗を低減し、電池寿命を延ばすことができる。

【0040】

第１実施形態の車両電源装置は、上側電池Ｅ１と下側電池Ｅ２の電圧はほぼ等しいため、電源回路は、５０－５０の簡易なデュ－ティで上側電池と下側電池とを充電することができる。

【0041】

[第１実施形態の改変例]
図５は第１実施形態の改変例に係る車両電源装置１１０の構成を示す。
電池は、４８Ｖの高電圧ＶＢ側に接続された上側電池Ｅ１と、アースＥＡ側に接続された下側電池Ｅ２に分割されている。上側電池Ｅ１の電圧は３６Ｖ、下側電池Ｅ２の電圧は１２Ｖである。上側電池Ｅ１と下側電池Ｅ２との接続点ＣＰから１２Ｖの電流Ｉｏｕｔが出力される。高電圧ＶＢ側から４８Ｖの高電圧が供給される。上側電池Ｅ１、下側電池Ｅ２はＰＩＤ制御５０によって充電が成される。ＦＥＴ１には、デュティ２５％の制御信号が加えられ、コイルＬを介して上側電池Ｅ１を充電する。ＦＥＴ２には、デュティ７５％の制御信号が加えられ、コイルＬを介して下側電池Ｅ２を充電する。

【0042】

第１実施形態の改変例に係る車両電源装置では、上側電池Ｅ１の電圧は下側電池Ｅ２の電圧よりも高い。ＦＥＴ１、ＦＥＴ２のデュ－ティ比を電圧に合わせて調整することで、上側電池Ｅ１と下側電池Ｅ２とを充電することができる。

【0043】

[第２実施形態]
図６は第２実施形態に係る車両電源装置２１０の構成を示す。
デュ－ティ制御１５０により、ＦＥＴ１に５０％のデュ－ティ信号が加えられ、コイルＬを介して上側電池Ｅ１が充電される。デュ－ティ制御１５０により、ＦＥＴ２に５０％のデュ－ティ信号が加えられ、コイルＬを介して下側電池Ｅ２が充電する。
フィードバック制御６０で長い時間の平均値を求める平均化手段６８による平均値が求められ、求められた平均値がＶ／２の基準電圧（目標値）と第２オペアンプＯＰＤ２で比較され、差分が第２加算ノードＡＮ２に加えられる。差分に基づき、デュ－ティ制御１５０が、ＦＥＴ１への５０％のデュ－ティ信号、ＦＥＴ２への５０％のデュ－ティ信号を加算／減算することで、長期間においても電池のバランスを取るように制御が行える。

【符号の説明】

【0044】

１０ 車両電源装置
３６ 微分回路
３８ 積分回路
５０ ＰＩＤ制御
６０ フィードバック制御
６８ 平均化手段
ＥＡ アース
ＶＢ 高電圧
Ｅ１ 上側電池
Ｅ２ 下側電池

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】