特開 2024-171781 電源システム

(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】P2024171781

(43)【公開日】2024-12-12

(54)【発明の名称】電源システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20241205BHJP

   H02M 3/00 20060101ALI20241205BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 B

H02M3/00 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023088987

(22)【出願日】2023-05-30

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】野澤 尭志

【テーマコード（参考）】

5G503

5H730

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA01

5G503BB01

5G503CA10

5G503DA04

5G503FA06

5G503GB03

5H730AS01

5H730AS05

5H730FD31

5H730FG22

(57)【要約】

【課題】負荷で必要とされる電力を満たしつつ低コス化を図ることができる電源システムを提供すること。
【解決手段】電力線を介して補機負荷に電力を供給する補機バッテリと、電力線を介して補機バッテリと電気的に接続され、所定電圧に降圧した電力を電力線に出力するＤＣＤＣコンバータと、ＤＣＤＣコンバータを制御する制御装置と、を備える電源システムであって、制御装置は、補機負荷で必要される電力がＤＣＤＣコンバータの定格出力を超える場合に、ＤＣＤＣコンバータの定格出力に補機バッテリの出力可能電力を足し合わせた電力が補機負荷で必要とされる電力を満たさない場合には、ＤＣＤＣコンバータの出力電圧が所定値まで低下した後にＤＣＤＣコンバータの出力電流を定格電流よりも大きい値に設定してＤＣＤＣコンバータの出力電流を増大させる制御を短期的に実施する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力線を介して補機負荷に電力を供給する補機バッテリと、
前記電力線を介して前記補機バッテリと電気的に接続され、所定電圧に降圧した電力を前記電力線に出力するＤＣＤＣコンバータと、
前記ＤＣＤＣコンバータを制御する制御装置と、
を備える電源システムであって、
前記制御装置は、前記補機負荷で必要される電力が前記ＤＣＤＣコンバータの定格出力を超える場合に、前記ＤＣＤＣコンバータの定格出力に前記補機バッテリの出力可能電力を足し合わせた電力が前記補機負荷で必要とされる電力を満たさない場合には、前記ＤＣＤＣコンバータの出力電圧が所定値まで低下した後に前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流を定格電流よりも大きい値に設定して前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流を増大させる制御を短期的に実施する
ことを特徴とする電源システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電源システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、車両に搭載される電源システムにおいて、バッテリの故障等によりバッテリから負荷へ電力を供給できない場合に、バッテリとは異なる蓄電部の電力を利用したバックアップ動作を行うことが開示されている。このバックアップ動作時、蓄電部から出力された電圧を電圧変換部で所望電圧に変圧し、電圧変換部から負荷へ所定経路を介して電力を供給するので、負荷の電流が大きく増大しても所定経路の電圧低下を抑制できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１３７９２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、バックアップ用の蓄電部のように、バックアップ用にバッテリとは異なる電源を追加する必要があるため、コストが増大してしまう。

【0005】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、負荷で必要とされる電力を満たしつつ低コス化を図ることができる電源システムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、電力線を介して補機負荷に電力を供給する補機バッテリと、前記電力線を介して前記補機バッテリと電気的に接続され、所定電圧に降圧した電力を前記電力線に出力するＤＣＤＣコンバータと、前記ＤＣＤＣコンバータを制御する制御装置と、を備える電源システムであって、前記制御装置は、前記補機負荷で必要される電力が前記ＤＣＤＣコンバータの定格出力を超える場合に、前記ＤＣＤＣコンバータの定格出力に前記補機バッテリの出力可能電力を足し合わせた電力が前記補機負荷で必要とされる電力を満たさない場合には、前記ＤＣＤＣコンバータの出力電圧が所定値まで低下した後に前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流を定格電流よりも大きい値に設定して前記ＤＣＤＣコンバータの出力電流を増大させる制御を短期的に実施することを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明では、補機負荷で必要とされる電力が増大した際に、ＤＣＤＣコンバータの出力を増大させる制御を短期的に実施することによって、必要電力に対する不足分をＤＣＤＣコンバータの出力で補うことができる。これにより、補機バッテリのサイズの小型化が可能になり、低コスト化が可能になる。そのため、補機負荷で必要とされる電力を満たしつつ低コスト化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態における電源システムを模式的に示す図である。

【図2】図２は、ＤＣＤＣコンバータにおける出力電流と出力電圧との関係を示すグラフ図である。

【図3】図３は、電力制御フローを示すフローチャート図である。

【図4】図４は、補機負荷で必要とされる電力がＤＣＤＣコンバータの定格出力以下である場合を説明するための図である。

【図5】図５は、補機負荷で必要とされる電力がＤＣＤＣコンバータの定格出力よりも大きい場合かつ短期出力拡大が不要な場合を説明するための図である。

【図6】図６は、補機負荷で必要とされる電力がＤＣＤＣコンバータの定格出力よりも大きい場合かつ短期出力拡大が必要な場合を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態における電源システムについて具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

【0010】

図１は、実施形態における電源システムを模式的に示す図である。電源システム１は、車両に搭載される車両用電源システムであって、電源装置１０によって補機負荷２０に電力を供給するシステムである。電源装置１０は制御装置３０によって制御される。

【0011】

電源装置１０は、補機バッテリ１１と、ＤＣＤＣコンバータ１２とを備える。

【0012】

補機バッテリ１１は、補機負荷２０に電力を供給するバッテリである。補機バッテリ１１は、補機負荷２０に供給するための電力を蓄える二次電池により構成されている。例えば補機バッテリ１１は１２Ｖ電源により構成される。また、補機バッテリ１１は、充電量に応じて内部抵抗が変化するため、出力可能な電力が変化する。補機バッテリ１１は電力線を介して補機負荷２０と電気的に接続されている。補機負荷２０で必要とされる電力を満たすために、補機バッテリ１１は電力線に電力を出力し、電力線を介して補機負荷２０に電力を供給する。なお、図１には、補機負荷２０がひとつのみ図示されているが、補機負荷２０の数は特に限定されず、補機負荷２０は複数であってもよい。

【0013】

ＤＣＤＣコンバータ１２は、所定電圧に降圧した電力を電力線に出力する電力変換装置である。ＤＣＤＣコンバータ１２は電力線を介して補機バッテリ１１と補機負荷２０とに電気的に接続されている。ＤＣＤＣコンバータ１２が電力線に出力した電力は電力線を介して補機負荷２０に供給される。

【0014】

制御装置３０は、ＤＣＤＣコンバータ１２を制御する電子制御装置である。制御装置３０には各種センサから信号が入力される。制御装置３０は各種センサからの信号に基づいて各種演算を行い、演算結果に応じた指令信号をＤＣＤＣコンバータ１２出力する。指令信号に応じてＤＣＤＣコンバータ１２は動作する。

【0015】

制御装置３０は、補機負荷２０で必要とされる電力を満たすように補機バッテリ１１の出力とＤＣＤＣコンバータ１２の出力とを制御する電力制御を実施する。制御装置３０は、電力制御を実施する際、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力を補機バッテリ１１の出力よりも優先する。例えば、補機負荷２０で必要とされる電力がＤＣＤＣコンバータ１２の定格出力以下である場合、補機バッテリ１１から補機負荷２０への電力供給は行わず、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力のみで補機負荷２０の電力を賄うように電力制御が実施される。

【0016】

図２は、ＤＣＤＣコンバータにおける出力電流と出力電圧との関係を示すグラフ図である。制御装置３０は、電力制御を実施する際、ＤＣＤＣコンバータ１２の動作点が図２に示す線上を動作するようにＤＣＤＣコンバータ１２を制御する。制御装置３０は、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流が定格値以下である場合にはＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が一定の状態となるようにＤＣＤＣコンバータ１２を制御する。この場合、制御装置３０は、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が電圧値Ｖ１となるように定電圧制御を実施する。定電圧制御では、ＤＣＤＣコンバータ２の動作点が定常動作領域Ｈ１の動作点となる。定常動作領域Ｈ１は、定常的に出力可能な値である。定常動作領域Ｈ１の動作点でＤＣＤＣコンバータ１２が動作する場合、ＤＣＤＣコンバータ１２は定格出力以下で動作することになる。出力電流の定格値は、例えば１５０Ａに設定される。

【0017】

また、ＤＣＤＣコンバータ１２は、所定条件を満たす場合に短期的ではあるが、出力電流が定格値を超えた値となる出力拡大状態で動作することが可能である。出力電流の拡大分は、例えば３０Ａである。短期的とは、例えば５０ｍｓである。制御装置３０は、所定条件を満たす場合、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流を一時的に拡大させた状態に制御することが可能である。その際、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧は電圧値Ｖ１よりも小さい値である電圧値Ｖ２になる。この所定条件は、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が電圧値Ｖ１から電圧値Ｖ２まで低下したことを条件に含むものである。より詳細には、ＤＣＤＣコンバータ１２が出力拡大する条件には、出力電流が定格を超えた状態で出力電圧が徐々に低下した後、出力電圧が所定値まで低下することが条件に含まれる。要するに、ＤＣＤＣコンバータ１２の短期出力拡大が電源システム１として最低限必要なシーンのみで動作するように構成されている。拡大された出力電流は、例えば１５０Ａ＋３０Ａとなる。また、電圧値Ｖ１は例えば１４Ｖであり、電圧値Ｖ２は例えば８Ｖである。

【0018】

図３は、電力制御フローを示すフローチャート図である。図３に示す制御は制御装置３０により実施される。

【0019】

ＤＣＤＣコンバータ１２が定格出力以下で動作中（ステップＳ１）、制御装置３０は、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が目標出力電圧となるように定電圧制御を実施する（ステップＳ２）。ステップＳ２では、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧の目標値（目標出力電圧）が電圧値Ｖ１に設定された状態で、電力制御として定電圧制御が実施される。つまり、ＤＣＤＣコンバータ１２の動作点は定常動作領域Ｈ１に含まれる。

【0020】

制御装置３０は、ＤＣＤＣコンバータ１２が定常動作領域Ｈ１で動作している最中に、出力拡大の休止期間を算出する（ステップＳ３）。ステップＳ３では、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力拡大を休止している期間が算出される。ＤＣＤＣコンバータ１２の出力拡大を休止している期間とは、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流を定格値よりも大きい値になることを休止している期間であり、ＤＣＤＣコンバータ１２の動作点が定常動作領域Ｈ１に留まっている期間を表す。電源システム１ではＤＣＤＣコンバータ１２を冷却するための期間として、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力拡大を休止する期間を設ける必要がある。そのため、ステップＳ３において制御装置３０は、定格動作時に、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力拡大を休止している期間として、ＤＣＤＣコンバータ１２が定常動作領域Ｈ１で動作している継続期間を積算する。

【0021】

制御装置３０は、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流が定格以上であるか否かを判定する（ステップＳ４）。

【0022】

ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流が定格以上でない場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、制御装置３０は、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力上限電流を定格値に設定する（ステップＳ５）。ステップＳ５で設定される定格値は、定常的に出力可能な値であり、例えば１５０Ａである。ステップＳ５の処理を実施すると、この制御ルーチンはステップＳ２にリターンする。

【0023】

ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流が定格以上である場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、制御装置３０は、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が所定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ６）。ステップＳ６では、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が、定常動作領域Ｈ１における電圧値Ｖ１から低下し、電圧値Ｖ２まで低下したか否かが判定される。ステップＳ６で用いる所定値は電圧値Ｖ２であってよい。図２に示す動作領域Ｈ２のように、ＤＣＤＣコンバータ１２は、出力電流が定格を超えた状態で出力電圧が徐々に低下する。

【0024】

ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が所定値以下である場合（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、制御装置３０は、出力拡大の休止期間が所定値以上であるか否かを判定する（ステップＳ７）。ステップＳ７では、ステップＳ３で算出された休止期間が所要休止時間以上であるか否かが判定される。所要休止時間は、ＤＣＤＣコンバータ１２の冷却に必要なインターバル時間である。このインターバルとは、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力拡大を実施した後のインターバルである。ステップＳ７において制御装置３０は冷却に必要なインターバル時間を経過したか否かを判定する。

【0025】

出力拡大の休止期間が所定値以上である場合（ステップＳ７：Ｙｅｓ）、制御装置３０は、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力上限電流を短期拡大値に設定する（ステップＳ８）。ステップＳ８では、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力上限電流が定格値よりも大きな値である短期拡大値に設定される。ステップＳ７で肯定的に判定された場合には、所定条件を満たしたと判定されたことになる。

【0026】

そして、制御装置３０は、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力を拡大する出力拡大制御を実施する（ステップＳ９）。ステップＳ９では、ステップＳ８で設定された短期拡大値となるようにＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流が制御される。この場合、制御装置３０は、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が電圧値Ｖ２となるように制御する。つまり、ＤＣＤＣコンバータ１２の動作点は動作領域Ｈ３に含まれる。

【0027】

制御装置３０は、出力拡大制御を実施中に、出力拡大の継続期間に応じて所要休止時間を算出する（ステップＳ１０）。ステップＳ１０では、所要休止時間として、ＤＣＤＣコンバータ１２を冷却するためにＤＣＤＣコンバータ１２の出力拡大を休止する必要がある期間（インターバル時間）が算出される。出力拡大の継続期間は、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流が定格値よりも大きい値になるように動作領域が拡大されている期間であり、ＤＣＤＣコンバータ１２の動作点が動作領域Ｈ３に留まっている期間を表す。ステップＳ１０において制御装置３０は、出力拡大中に、ＤＣＤＣコンバータ１２が動作領域Ｈ３で動作している継続期間に基づいて所要休止期間を積算する。

【0028】

そして、制御装置３０は、出力電流の拡大期間が所定値以内であるか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１では、出力拡大の継続期間が上限値以内であるか否かが判定される。電源システム１では出力拡大の継続期間に上限を設けている。ステップＳ１１で用いる所定値は、出力拡大の継続期間に設けられた上限値である。この上限値は予め設定された値である。制御装置３０は出力拡大制御を短期的に実施する。つまり、制御装置３０は、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が電圧値Ｖ２まで低下した後にＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流を定格電流よりも大きい値に設定してＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流を増大させる制御を短期的に実施する。

【0029】

出力電流の拡大期間が所定値以内である場合（ステップＳ１１：Ｙｅｓ）、この制御ルーチンはステップＳ４にリターンする。

【0030】

出力電流の拡大期間が所定値以内でない場合（ステップＳ１１：Ｎｏ）、この制御ルーチンはステップＳ５に進む。ステップＳ１１からステップＳ５に進んだ場合、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流の上限値（出力上限電流）が短期拡大値から定格値に変更される。そして、ステップＳ５の処理を実施すると、ステップＳ２にリターンする。このリターン後は、出力拡大を短期的に実施した後であるため、ステップＳ７の判定処理を設けることによって、所要休止時間以上に休止期間が経過してないと再度出力拡大を実施できないように構成されている。

【0031】

ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流が定格以上でない場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が所定値以下でない場合（ステップＳ６：Ｎｏ）、出力拡大の休止期間が所定値以上でない場合（ステップＳ７：Ｎｏ）、この制御ルーチンはステップＳ５に進む。ステップＳ４，Ｓ６，Ｓ７からステップＳ５に進んだ場合、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流の上限値（出力上限電流）が定格値に設定される。

【0032】

補機負荷２０で必要とされる電力がＤＣＤＣコンバータ１２の定格出力以下である場合には、図４に示すように、補機バッテリ１１からの持ち出し電流はなく、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流だけで補機負荷２０の必要電力を賄う。この場合、図２に示す定常動作領域Ｈ１の動作点となる。

【0033】

補機負荷２０で必要とされる電力がＤＣＤＣコンバータ１２の定格出力よりも大きい場合、かつ短期出力拡大が不要な場合には、図５に示すように、補機負荷２０での必要電力に対する不足分を補機バッテリ１１から持ち出す。ＤＣＤＣコンバータ１２の定格出力と補機バッテリ１１の放電との合算により補機負荷２０で必要とされる電力を賄う。この場合、図２に示す動作領域Ｈ２の動作点となる。

【0034】

補機負荷２０で必要とされる電力がＤＣＤＣコンバータ１２の定格出力よりも大きい場合、かつ短期出力拡大が必要な場合には、ＤＣＤＣコンバータ１２の定格出力と補機バッテリ１１の放電では補機負荷２０で必要とされる電力を賄えないため、図６に示すように、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力を拡大させる制御を短期的に実施する。この際、補機バッテリ１１の電流が大きくなり、補機バッテリ端電圧、すなわちＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が下がる。そして、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が所定値まで低下する。この状態でＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流を短期的に拡大させる。この場合、図２に示す動作領域Ｈ３の動作点となる。

【0035】

このように構成された電源システム１では、補機負荷２０で必要な電力がＤＣＤＣコンバータ１２の定格出力を超過した場合、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が電圧値Ｖ１から低下し、補機バッテリ１１が放電する。そして、補機バッテリ１１の放電量が許容値を超過すると、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電圧が電圧値Ｖ２まで低下する。この場合に、ＤＣＤＣコンバータ１２の出力電流が短期間拡大し、電圧低下を許容値以内に収めることができる。

【0036】

以上説明した通り、実施形態によれば、補機負荷２０で必要とされる電力の短期的な増大に対して、一部をＤＣＤＣコンバータ１２の短期出力拡大で賄うことができる。これにより、補機バッテリ１１のサイズを小型にすることが可能であるため、低コスト化を図ることができる。

【0037】

また、ＤＣＤＣコンバータ１２が出力拡大する条件を、出力電流が定格を超えた状態で出力電圧が徐々に低下した後、出力電圧が所定値まで下がった場合としている。そのため、ＤＣＤＣコンバータ１２の短期出力拡大が電源システム１として最低限必要なシーンのみで動作可能になる。これにより、ＤＣＤＣコンバータ１２の短期出力拡大後、冷却に必要なインターバルを確保することが可能である。

【符号の説明】

【0038】

１ 電源システム
１０ 電源装置
１１ 補機バッテリ
１２ ＤＣＤＣコンバータ
２０ 補機負荷
３０ 制御装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】