特許 7396555 車載用電源システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-04

(45)【発行日】2023-12-12

(54)【発明の名称】車載用電源システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/00 20060101AFI20231205BHJP

   B60R 16/03 20060101ALI20231205BHJP

   H02J 7/16 20060101ALI20231205BHJP

【ＦＩ】

H02J7/00 302C

B60R16/03 A

B60R16/03 S

H02J7/16 H

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2019137773

(22)【出願日】2019-07-26

(65)【公開番号】P2021023018

(43)【公開日】2021-02-18

【審査請求日】2022-06-23

(73)【特許権者】

【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】100109597

【弁理士】

【氏名又は名称】西尾 章

(72)【発明者】

【氏名】高橋 正好

(72)【発明者】

【氏名】槇尾 大介

【審査官】宮本 秀一

(56)【参考文献】

【文献】欧州特許出願公開第０３３６０７１９（ＥＰ，Ａ１）

【文献】特開２００８－０４３１１６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｌ１／００－３／１２

Ｂ６０Ｌ７／００－１３／００

Ｂ６０Ｌ１５／００－５８／４０

Ｂ６０Ｒ１６／００－１７／０２

Ｈ０２Ｊ７／００－７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

車載用の電源システムであって、
高電圧出力端子と低電圧出力端子とを有する一次側蓄電装置と、
二次側蓄電装置であって、補助電源として低電圧の電力を供給する蓄電装置である二次側蓄電装置と、
前記一次側蓄電装置及び前記二次側蓄電装置に電力を供給する発電装置と、
前記発電装置と前記一次側蓄電装置との間に配置された第一のスイッチと、
前記発電装置と前記二次側蓄電装置との間に配置された第二のスイッチと、
前記一次側蓄電装置の前記低電圧出力端子と前記二次側蓄電装置の出力端子との間に配置された第三のスイッチと、を備えており、
前記発電装置が、可変電圧を出力可能であることを特徴とする車載用の電源システム。

【請求項2】

前記二次側蓄電装置が、リチウムイオンバッテリ、電気二重層コンデンサ、または電解コンデンサのいずれかで構成されていることを特徴とする請求項１記載の車載用の電源システム。

【請求項3】

低電圧の電力を要求する負荷に対して、前記一次側蓄電装置の低電圧出力端子と前記二次側蓄電装置とから並列に電力を供給可能であることを特徴とする請求項１記載の車載用の電源システム。

【請求項4】

前記二次側蓄電装置の出力端に第四のスイッチが配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の車載用の電源システム。

【請求項5】

前記第四のスイッチが開であるとき、低電圧の電力を要求する負荷に電力を供給可能であることを特徴とする請求項４記載の車載用の電源システム。

【請求項6】

前記一次側蓄電装置に不具合が生じたとき、前記第一のスイッチおよび前記第三のスイッチが開となり、前記第二のスイッチが閉となることによって、前記発電装置からの電力
を、高電圧を要求する負荷および低電圧を要求する負荷の両方に供給可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の車載用の電源システム。

【請求項7】

前記一次側蓄電装置に不具合が生じたとき、前記第一のスイッチおよび前記第三のスイッチが開となり、前記第二のスイッチが閉となることによって、充電された前記二次側蓄電装置から電力を供給可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の車載用の電源システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、車載用電源システムに関する。特に、発電装置と蓄電装置とを備えており、二以上の異なる電圧で電力を供給する車載用電源システムに関する。

【背景技術】

【0002】

車両に搭載可能で、４８Ｖまたは２４Ｖの高電圧の電力を供給することのできる蓄電装置として、複数のセル（単電池）を直列に接続したバッテリが知られている。このような高電圧の蓄電装置は、主に、車両を駆動するモータなどに給電を行っている。通常、高電圧の蓄電装置を搭載した車両では、電気系統の装備品等への給電のために、低電圧電力を供給する蓄電装置が、別途搭載されている。

【0003】

図５は、従来知られている電源システム１０１の構成を模式的に示した図である。電源システム１０１は、高電圧の電力を供給する蓄電装置１０２と負荷１０６に低電圧電力を供給する蓄電装置１０３とを備えている。それぞれの蓄電装置１０２，１０３は発電機１０４から給電される。蓄電装置１０２と蓄電装置１０３の間には、ＤＣＤＣコンバータが配置されており、蓄電装置１０３側には、降圧された電力が供給される。

【0004】

車両に搭載される電源システムには、高い信頼性と耐久性が要求される。そこで、高電圧の蓄電装置と低電圧の蓄電装置の一方に不具合が生じた場合であっても、正常な蓄電装置から電力を供給して、車両の動作を継続させることのできる構成が、求められている。例えば、特許文献１には、高電圧の蓄電体としてリチウムイオンバッテリを備え、低電圧の蓄電体として鉛バッテリを備えた電源装置が開示されている。特許文献１は、リチウムイオンバッテリと鉛バッテリの導通と遮断を制御するスイッチ制御部によって、センサ異常が発生した場合でも車両用電源を適切に制御する技術が開示されている。

【0005】

特許文献１に開示されているように、低電圧電力を供給する蓄電装置として、鉛蓄電池が広く普及している。鉛バッテリは、安価な材料で製造することができ、大電流の放電に耐えられる安定性の高い蓄電装置である。一方で、電極に鉛を使用するため、電源システム全体が重くなる傾向がある。また、電解液が硫酸を使用するため、万一の破損の際の危険性が指摘されている。このため、鉛バッテリを用いずに、信頼性の高い電源システムを提供する技術が求められている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１８－１９８５１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

鉛バッテリを用いることなく、車両における電源を多重化し、高電圧から低電圧まで異なる電圧の電力を信頼性高く供給することのできる車載用電源システムが求められている。

【0008】

本発明は上記現状に鑑みてなされたものであって、鉛バッテリを用いることなく、信頼性と耐久性の高い車載用の電源システムを提供することを、解決すべき課題としている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

請求項１にかかる発明は、車載用の電源システムに関する。本発明の電源システムは、高電圧出力端子と低電圧出力端子とを有する一次側蓄電装置と、補助電源として低電圧の電力を供給する蓄電装置である二次側蓄電装置と、一次側蓄電装置及び二次側蓄電装置に電力を供給する発電装置とを備えている。さらに本発明の電源システムは、発電装置と一次側蓄電装置との間に配置された第一のスイッチと、発電装置と二次側蓄電装置との間に配置された第二のスイッチと、一次側蓄電装置の低電圧出力端子と二次側蓄電装置の出力端子との間に配置された第三のスイッチと、を備えている。本発明の車載用の電源システムは、発電装置が、可変電圧を出力可能であることを特徴とする。

【0010】

本発明の車載用の電源システムは、二次側蓄電装置が、リチウムイオンバッテリ、電気二重層コンデンサ、または電解コンデンサのいずれかで構成されていることが好ましい。また、低電圧の電力を要求する負荷に対して、一次側蓄電装置の低電圧出力端子と二次側蓄電装置とから並列で電力を供給可能であることが好ましい。

【0011】

本発明の車載用の電源システムは、二次側蓄電装置の出力端に第四のスイッチが配置されていることが好ましい。また、第四のスイッチが開であるとき、低電圧の電力を要求する負荷に電力を供給可能に構成されていることが好ましい。
本発明の車載用の電源システムは、一次側蓄電装置に不具合が生じたとき、第一のスイッチおよび第三のスイッチが開となり、第二のスイッチが閉となることによって、発電装置からの電力を、高電圧を要求する負荷および低電圧を要求する負荷の両方に供給することが好ましい。また、一次側蓄電装置に不具合が生じたとき、前記第一のスイッチおよび前記第三のスイッチが開となり、前記第二のスイッチが閉となることによって、充電された前記二次側蓄電装置から電力を供給することが好ましい。

【発明の効果】

【0012】

本発明の電源システムは、一次側蓄電装置が、高電圧出力端子に加えて低電圧出力端子を有しており、通常稼働時は、一次側蓄電装置が、高電圧の電力に加えて低電圧の電力を給電する。二次側蓄電装置の給電する機会を減らすことができるため、二次側蓄電装置の交換頻度を下げることができ、また二次側蓄電装置を小型小容量とすることができる。

【0013】

本発明の電源システムは、一次側蓄電装置に不具合が発生した場合に、第一のスイッチと第二のスイッチをオフにして一次側蓄電装置を切り離し、発電装置および二次側蓄電装置によって、給電を継続し、車両を安定して走行させることができる。

【0014】

本発明の電源システムは、一次側蓄電装置の冗長化が不要であり、かつ二次側蓄電装置を小型小容量にできることにより、電源システム全体の信頼性を維持しながら、車両重量を軽量化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】図１は、本発明の好適な実施形態に従った電源システムの構成を模式的に示す図である。

【図2】図２は、本発明の好適な実施形態に従った電源システムの構成を模式的に示す図である。

【図3】図３は、一次側蓄電装置が正常に稼働しているときの電力の供給状態を模式的に示す図である。

【図4】図４は、一次側蓄電装置に不具合が発生しているときの電力の供給状態を模式的に示す図である。

【図5】図５は、従来技術の電源システムの構成を模式的に示す図である。

【図6】図６は、比較例の電源システムの構成の一例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の電源システムについて、最初に用語を定義し、次に、最も好適な実施形態を説明する。

【0017】

本発明において、一次側蓄電装置とは、車両が備えている一以上の負荷に対して主電源として電力を供給する蓄電装置である。本発明の一次側蓄電装置は、異なる電圧の電力を様々な負荷に対して供給できるように、高電圧出力端子と低電圧出力端子とを備えている。

【0018】

本発明において二次側蓄電装置とは、通常稼働時に、補助電源として低電圧の電力を供給する蓄電装置である。一方で、二次側蓄電装置は、一次側蓄電装置に不具合が発生した場合に、発電装置と共働して様々な負荷に異なる電圧で電力を供給することのできる蓄電装置である。

【0019】

本発明における発電装置とは、発電機を含み、負荷および蓄電装置に電力を供給する装置である。ここでいう発電機とは、回生エネルギーで発電するモータ、車両のエンジンを動力源として発電を行うオルタネータ、その他車両への給電装置である。

【0020】

以下、図１および図２を参照しつつ、本発明に係る車載用の電源システム１、６１の好適な実施形態を説明する。本実施形態における電源システム１は、一次側蓄電装置２と、二次側蓄電装置３と、発電装置４とを備えている。電源システム１と電源システム６１の相違点は、二次側蓄電装置３の構成の違いである。

【0021】

好適な実施形態において、一次側蓄電装置２は、複数のセルからなるバッテリを複数備えており、これらのバッテリは直列接続されている。図１および図２に示した一次側蓄電装置２では、一実施形態として、４個のバッテリ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄが直列接続された状態を示している。しかしながら、バッテリに含まれるセルの定格電圧、セルの数、及び一次側蓄電装置２内で直列接続するバッテリの個数は、供給する電圧に応じて適宜変更が可能である。一次側蓄電装置２に適用可能なセルの種類は、リチウムイオンセル、ニッケル水素セルなどである。

【0022】

一次側蓄電装置２は、高電圧出力端子１１と低電圧出力端子１２とを有している。高電圧出力端子１１は、バッテリ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ全体から電力を供給することで、出力可能な最大電圧の電力を供給することができる。低電圧出力端子１２は、バッテリの一部から電力を供給することで、出力電圧を低く制御している。図１および図２では、バッテリ２ａから電力を供給している。

【0023】

図１に示すように、電源システム１では、二次側蓄電装置３を、複数のセルを含む単一のバッテリ３１で構成することができる。バッテリ３１に好適に適用可能なセルは、一次側蓄電装置２と同様に、リチウムイオンセル、ニッケル水素セルなどである。

【0024】

図２に示すように、電源システム６１では、二次側蓄電装置３をコンデンサ３２で構成することができる。コンデンサ３２としては、出力密度が高く性能劣化の少ない電気二重層コンデンサや、容量の大きな電解コンデンサを好適に適用することができる。

【0025】

好適な実施形態において、発電装置４は、インバータ４１を備えた発電機４２を備えている。発電機４２が出力する電力はインバータ４１によって任意の電圧に変換される。発電装置４は、一次側蓄電装置２と二次側蓄電装置３に給電することができ、さらに、図示されない車内の負荷に給電することができる。

【0026】

また本発明の発電装置４は、可変電圧出力可能な発電機で構成することができる。この場合の発電機４は、接続されている負荷の要求に応じて、出力電圧を調整する。

【0027】

本実施形態の電源システム１は、一次側蓄電装置２と発電装置４との間に第一のスイッチ２１が配置されている。また、二次側蓄電装置３と発電装置４との間に第二のスイッチ２２が配置されている。さらに、一次側蓄電装置２の低電圧出力端子１２と二次側蓄電装置３の出力端子１３との間に配置された第三のスイッチ２３とを備えている。

【0028】

必須ではないが、電源システム１は、二次側蓄電装置３の出力端に、第四のスイッチ２４を備えることが好ましい。

【0029】

電源システム１は、図示されない制御手段によって第一のスイッチ２１から第四のスイッチ２４までの開閉を切り替えることにより、それぞれの負荷に対する電力の供給源を適宜変更する。

【0030】

本実施形態では、一次側蓄電装置２の全てのバッテリ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄと並列に接続されてバイパス回路を形成しているバランサー５を備えることが望ましい。図１および図２に示したように、一次側蓄電装置２の複数のバッテリの中から、たとえばバッテリ２ａのみで二次側蓄電装置３や外部負荷に給電した場合、バッテリ間の電圧や残容量のバランスを維持しにくくなる。そこでバランサー５は、一次側蓄電装置２内の各バッテリの電位と残容量を均等に維持するように充放電時のバランス制御を行い、バッテリの過放電や過充電を未然に防いでいる。

【実施例】

【0031】

以下、図１，３，４を参照しつつ、一次側蓄電装置２と二次側蓄電装置３にそれぞれリチウムイオンバッテリを適用した電源システム１についての構成と動作を詳細に説明する。さらに、電源の多重化を行わない比較例について、図６を参照しつつ説明する。

【0032】

（実施例）
図１に示すように、本実施例の一次側蓄電装置２は、４個のバッテリ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄを備えており、それぞれのバッテリの中に、リチウムイオンセルが４個ずつ含まれている。本実施例において、それぞれの蓄電装置には、出力電圧３Ｖであるリチウムイオンセルが適用されている。その結果、一次側蓄電装置２が高電圧出力端子１１から供給する最大出力電圧は４８Ｖとなる。また、二次側蓄電装置３の出力端子２４から供給する電力の電圧は１２Ｖとなる。

【0033】

図３に、一次側蓄電装置２が正常に稼働しているときの、電源システム１の構成と動作を模式的に示す。発電装置４からは、図中で矢印Ａから矢印Ｂで示される方向に電力が供給されており、一次側蓄電装置２と発電装置４との間の第一のスイッチ２１が閉となっており、発電装置４は一次側蓄電装置２を充電する。また、車両の運行状況に応じて、一次側蓄電装置２と発電装置４のいずれか一方が、高電圧の電力を要求する負荷に対して給電する。

【0034】

一次側蓄電装置２が正常に稼働しているとき、二次側蓄電装置３と発電装置４との間の第二のスイッチ２２は開となっており、発電装置４から二次側蓄電装置３との間は、直接接続されていない。一方で、一次側蓄電装置２の低電圧出力端子１２と二次側蓄電装置３の出力端子１３との間に配置された第三のスイッチ２３とは閉となっており、また二次側蓄電装置の出力端に設けられた第四のスイッチも閉となっている。これにより、図中の矢印Ｃおよび矢印Ｄで示したとおり、低電圧の電力を要求している負荷に対して、一次側蓄電装置２からも、二次側蓄電装置３からも給電することができる。また、一次側蓄電装置２を経由して二次側蓄電装置３を充電しておくことが可能である。

【0035】

一次側蓄電装置２が正常に稼働しているとき、二次側蓄電装置の出力端に設けられた第四のスイッチが開であっても、第四のスイッチが閉である場合と同様に、低電圧の電力を要求している負荷に対して、電力を供給することができる。

【0036】

図４に、一次側蓄電装置２に不具合が生じているときの、電源システム１の構成と動作を模式的に示す。第一のスイッチ２１と第三のスイッチ２３が開となっており、電源システム１から一次側蓄電装置２が電気的に切り離されている。同時に、第二のスイッチ２２は閉となっている。発電装置４から、図中の矢印Ｅで示される方向で電力が供給される。このとき発電装置４から供給される電力は、インバータ４１によって電圧が調整されており、高電圧を要求する負荷と低電圧を要求する負荷のいずれに対しても、給電が可能となっている。また、通常の稼働時に充電されていた二次側蓄電装置３から、給電を行うことが可能である。

【0037】

本発明の電源システム１は、通常では一次側蓄電装置２が、高電圧の電力を要求する負荷と低電圧の電力を要求する負荷の両方に、電力を供給することが可能であり、二次側蓄電装置３は、予備の電源として機能する。万一、一次側蓄電装置２に不具合が生じた場合には、二次側蓄電装置３と発電装置４から負荷に対する給電が可能である。このように、本発明の電源システムは、車両における電源を多重化する事が可能であり、高電圧の電力と低電圧の電力とをそれぞれ信頼性高く供給することができる。

【0038】

（比較例）
比較例として、電源を多重化していない電源システム１１１の構成を図６に示す。図６の電源システム１１１は、発電装置１０４と蓄電装置１０７とを備えている。蓄電装置１０７は、直列接続されたバッテリ１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄを備えており、バッテリ１０７ａとバッテリ１０７ｂとの間に出力端子が設けられている。蓄電装置１０７は、バッテリ１０７ａのみから負荷１０６に電力を供給することで、電圧の低い電力を供給することができる。また、全てのバッテリ１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄから電力を供給する場合には、より高い電圧の電力を供給することができる。電源システム１１１は、蓄電装置１０７の全てのバッテリ１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄと並列に接続されてバイパス回路を形成しているバランサー１０８を備えており、バランサー１０８は、それぞれのバッテリの充放電制御を行って、蓄電装置の過放電や過充電を防止している。

【0039】

比較例の電源システム１１１は、簡易な構成によって、高電圧の電力と低電圧の電力を適宜供給することができる。しかしながら、単一の蓄電装置によって電力を供給しているため、万一蓄電装置に不具合が生じたときに、電力の供給が滞るおそれがある。実施例の電源システム１，６１は、より信頼性高く、電圧の異なる電力を供給するとの比較例にない特徴を有している。

【0040】

本実施例で説明した電源システムの構成は、適宜変更が可能である。例えば、要求される出力電圧と電流に応じて、複数のバッテリから電力を供給することが可能である。またスイッチの位置やセルの種類も、適宜変更が可能である。

【産業上の利用可能性】

【0041】

本発明に係る電源システムは、車両に最も好適に適用される。これに加えて、異なる電圧の電力を供給する任意の産業用機器にも搭載することが可能である。

【符号の説明】

【0042】

１，６１，１０１，１１１ 電源システム
２ 一次側蓄電装置
３ 二次側蓄電装置
４ 発電装置
５ バランサー
２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，３１ バッテリ
１１ 高電圧出力端子
１２ 低電圧出力端子
１３ 出力端子
２１ 第一のスイッチ
２２ 第二のスイッチ
２３ 第三のスイッチ
２４ 第四のスイッチ
３１ 発電装置
３２ コンデンサ
４１ インバータ
４２ 発電機

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】