特許 7718356 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】2025-07-28

(45)【発行日】2025-08-05

(54)【発明の名称】電源システム

(51)【国際特許分類】

   H02J 7/34 20060101AFI20250729BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20250729BHJP

   H02M 3/157 20060101ALI20250729BHJP

   H02M 3/155 20060101ALI20250729BHJP

【ＦＩ】

H02J7/34 B

H02J7/00 P

H02M3/157

H02M3/155 C

H02M3/155 H

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022134902

(22)【出願日】2022-08-26

(65)【公開番号】P2024031385

(43)【公開日】2024-03-07

【審査請求日】2024-07-12

(73)【特許権者】

【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】110001276

【氏名又は名称】弁理士法人小笠原特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西 航平

【審査官】高野 誠治

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－１３１７７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０６８６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０５２２４２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ７／００ － ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４ － ７／３６

Ｈ０１Ｍ １０／４２ －１０／４８

Ｈ０２Ｍ ３／１５７

Ｈ０２Ｍ ３／１５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回生電力を発生可能な負荷への電力供給を制御する電源システムであって、
第１バッテリと、
複数のスイッチング素子によって昇降圧動作が可能に構成され、前記第１バッテリの電力を前記負荷の動作電圧に変換して前記負荷に供給する双方向ＤＣＤＣコンバータと、
前記負荷に接続され、前記第１バッテリの失陥時に前記負荷に電力を供給する第２バッテリと、
前記双方向ＤＣＤＣコンバータの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記第１バッテリから前記負荷への電力供給状態において前記負荷による回生電力の発生を検出した場合、前記双方向ＤＣＤＣコンバータを構成する前記複数のスイッチング素子のうち、前記負荷から前記第１バッテリに向けて整流する寄生ダイオードを有する降圧用上アームスイッチング素子と昇圧用下アームスイッチング素子とをハードウェアによってオフ動作させて、前記負荷の回生電力が前記第１バッテリへ供給されるように制御する、電源システム。

【請求項2】

前記制御部は、
前記複数のスイッチング素子のオン／オフ動作を、所定のプログラムに従ってソフトウェア制御する第１制御部と、
前記複数のスイッチング素子のオン／オフ動作を、所定の電気回路を介してハードウェア制御する第２制御部と、を備え、
前記第１バッテリから前記負荷への電力供給状態において前記負荷による回生電力の発生を検出した場合、前記第２制御部の前記電気回路が、前記第１制御部によってオン動作している前記降圧用上アームスイッチング素子及び前記昇圧用下アームスイッチング素子をオフ動作にラッチさせる、請求項１に記載の電源システム。

【請求項3】

前記第２制御部は、前記第２バッテリの電圧が所定の閾値を超えた場合、前記降圧用上アームスイッチング素子及び前記昇圧用下アームスイッチング素子をオフ動作にラッチさせる、請求項２に記載の電源システム。

【請求項4】

前記第１制御部は、前記第２バッテリの電圧が前記所定の閾値を超えた状態が所定の時間継続している場合、前記第２制御部の前記電気回路を遮断して前記降圧用上アームスイッチング素子をオン動作に制御する、請求項３に記載の電源システム。

【請求項5】

前記所定の閾値は、前記第２バッテリの定格電圧である、請求項３又は４に記載の電源システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、車両に搭載される電源システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、電動発電機で発生する回生電力を高い電力効率で回収できる車両電源システムが開示されている。この車両電源システムでは、減速回生時に、主電源である第１バッテリを補う副電源である第２バッテリのＳＯＣが回生許可上限値以下である場合には、第２インバータから第２電力線に供給される回生電力で第２バッテリを充電し、第２バッテリのＳＯＣが回生許可上限値より大きい場合には、第２バッテリの充電を禁止すると共に、回生電力の少なくとも一部を電力変換器と第１電力線とを介して第１バッテリに供給（放電）する、ことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－１８０２１０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記特許文献１に記載の車両電源システムでは、回生電力が急激に増加したときなど過大な回生電力が生じた場合、電力変換器によるソフトウェア的な第１バッテリへの放電制御が間に合わず、第２バッテリが過充電されてしまうおそれがある。

【0005】

本開示は、上記課題を鑑みてなされたものであり、バックアップ用のサブバッテリに接続される負荷において過大な回生電力が生じた場合にサブバッテリが過充電されることを抑制することができる、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】

上記課題を解決するために、本開示技術の一態様は、回生電力を発生可能な負荷への電力供給を制御する電源システムであって、第１バッテリと、第１バッテリの電力を負荷の動作電圧に変換して負荷に供給する双方向ＤＣＤＣコンバータと、負荷に接続され、第１バッテリの失陥時に負荷に電力を供給する第２バッテリと、双方向ＤＣＤＣコンバータの動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、負荷による回生電力の発生を検出した場合、負荷の回生電力が第１バッテリへ供給されるように双方向ＤＣＤＣコンバータをハードウェアによって制御する、電源システムである。

【発明の効果】

【0007】

上記本開示の電源システムによれば、バックアップ用の第２バッテリに接続される負荷において過大な回生電力が生じた場合に、双方向ＤＣＤＣコンバータをハードウェア的に制御する。これにより、ハードウェアの応答速度でメインの第１バッテリへの給電が可及的速やかに実施され、第２バッテリが過充電されることを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の一実施形態に係る電源システムとその周辺部の機能ブロック図

【図2】過電圧検出部の詳細な電気回路の一例を示す図

【図3】制御部が実行する電力制御を説明する処理フローチャート

【図4】通常制御時における双方向ＤＣＤＣコンバータの電力の流れを説明する図

【図5】回生電力のハードウェア制御時における双方向ＤＣＤＣコンバータの電力の流れを説明する図

【図6】回生電力のソフトウェア制御時における双方向ＤＣＤＣコンバータの電力の流れを説明する図

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示によるメインバッテリとサブバッテリとで冗長構成された電源システムは、メインバッテリ側とサブバッテリ側との間における電力授受を、ソフトウェアとハードウェアとの双方によって制御する。ソフトウェア制御では処理が間に合わない大きな電力がサブバッテリ側で発生した場合には、ハードウェア制御によって素早くメインバッテリ側に放電する。この制御により、サブバッテリが過充電されてしまうことを抑制できる。
以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0010】

＜実施形態＞
［構成］
図１は、本開示の一実施形態に係る電源システム１とその周辺部の機能ブロック図である。図１に例示した電源システム１は、第１バッテリ１１と、第２バッテリ１２と、双方向ＤＣＤＣコンバータ３０と、制御部４０と、を備える。この図１においては、電力が流れる接続線を実線で示し、検出信号や制御信号などが流れる接続線を点線で示している。この電源システム１は、例えば自動車などの車両に搭載される。

【0011】

第１バッテリ１１は、充放電可能に構成された二次電池であり、例えば鉛蓄電池である。第１バッテリ１１は、第１負荷２１及び双方向ＤＣＤＣコンバータ３０に接続されており、自らが蓄えている電力を第１負荷２１に供給したり、双方向ＤＣＤＣコンバータ３０を介して自らが蓄えている電力を第２負荷２２に供給したりする。また、第１バッテリ１１は、図示しない発電機などが発生する電力を蓄えたり、図示しない高圧バッテリが出力する電力を蓄えたりすることができる。この第１バッテリ１１は、第２負荷２２に対して電力供給を行うメインバッテリとして機能する。

【0012】

第２バッテリ１２は、充放電可能に構成された二次電池であり、例えばリチウムイオン電池である。第２バッテリ１２は、第２負荷２２及び双方向ＤＣＤＣコンバータ３０に接続されており、自らが蓄えている電力を第２負荷２２に供給したり、双方向ＤＣＤＣコンバータ３０を介して第１バッテリ１１から出力される電力を充電したりする。この第２バッテリ１２は、第１バッテリ１１が失陥したときなどに、第２負荷２２に対して電力をバックアップ供給するサブバッテリとして機能する。

【0013】

第１負荷２１は、車両に搭載されたＥＣＵ（Electronic Control Unit）と呼ばれる電子機器や電装部品などの装置である。この第１負荷２１は、第１バッテリ１１に蓄えられた電力で動作するように構成されている。第１負荷２１としては、ヘッドランプや室内灯などの灯火類、ヒーターやクーラーなどの空調類の装置を例示できる。

【0014】

第２負荷２２は、車両に搭載されたＥＣＵと呼ばれる電子機器や電装部品などの装置である。この第２負荷２２は、第１負荷２１のうち、冗長的な電源構成が要求される装置について同一又は等価の機能を有する装置が冗長的に設けられたものである。より具体的には、第２負荷２２は、第１バッテリ１１が失陥した場合でも第２バッテリ１２から所定の期間かつ所定の電流による電力供給を必要とする、車両の安全走行に関わる重要負荷である。第２負荷２２としては、電動パワーステアリング（ＥＰＳ）、電動ブレーキ（ＥＢＫ）、自動運転（ＡＤ）や先進運転支援（ＡＤＡＳ）、及びシフトバイワイヤ（ＳＢＷ）などの装置を例示できる。本実施形態では、回生電力を発生することができる少なくとも１つの負荷（例えばＥＰＳ）が、第２負荷２２に含まれている。なお、どのような電子機器や電装部品が第２負荷２２として搭載されるかは、車両の仕様や要求される性能などに応じて適切に決定される。

【0015】

双方向ＤＣＤＣコンバータ３０は、入力する電力を所定の電圧（例えば、第２負荷２２の動作電圧）の電力に変換して出力するための電力変換器である。この双方向ＤＣＤＣコンバータ３０は、第１バッテリ１１が接続された１次側端子から入力する電圧Ｖ１の電力を電圧Ｖ２の電力に変換（例えば昇圧）して、第２バッテリ１２が接続された２次側端子へ出力することができる。また、双方向ＤＣＤＣコンバータ３０は、２次側端子から入力する電圧Ｖ２の電力を電圧Ｖ１の電力に変換して（例えば降圧）、１次側端子へ出力することができる。

【0016】

この双方向ＤＣＤＣコンバータ３０は、１次側端子と２次側端子との間に直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ１（降圧用上アーム素子）、インダクタＬ、及びスイッチング素子ＳＷ４（昇圧用上アーム素子）と、スイッチング素子ＳＷ１とインダクタＬとの間を接地するスイッチング素子ＳＷ２（降圧用下アーム素子）と、インダクタＬとスイッチング素子ＳＷ４との間を接地するスイッチング素子ＳＷ３（昇圧用下アーム素子）と、を構成に含んでいる。この双方向ＤＣＤＣコンバータ３０は、後述する制御部４０の指示（電圧指令値など）に基づいて動作する。

【0017】

複数のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４は、制御部４０によるオン動作とオフ動作との切り替え制御が可能な能動素子であり、例えば金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。この複数のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４は、オン動作（ゲートにオン電圧を印加）のときに電流を流すことができる。スイッチング素子ＳＷ１は、寄生ダイオード（又はボディダイオード）が第２バッテリ１２側から第１バッテリ１１側へ整流する向きで設けられる。スイッチング素子ＳＷ４は、寄生ダイオードが第１バッテリ１１側から第２バッテリ１２側へ整流する向きで設けられる。インダクタＬは、流れる電流によって磁界を発生させて磁気エネルギーを蓄えることが可能な受動素子であり、例えば電流を維持しようとする定電流特性を有しているチョークコイルである。

【0018】

制御部４０は、双方向ＤＣＤＣコンバータ３０の動作（昇圧／降圧、変換方向）を制御することによって、第１バッテリ１１と第２バッテリ１２及び第２負荷２２との間の電力授受を制御する。この制御部４０は、ＤＤＣ制御部４１と、過電圧検出部４２と、を備える。

【0019】

ＤＤＣ制御部４１は、双方向ＤＣＤＣコンバータ３０を構成する複数のスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４のオン／オフ動作を、所定のプログラムに従ってソフトウェア的に制御して、第１バッテリ１１の電力を第２バッテリ１２及び第２負荷２２に供給することを行うための構成（第１制御部）である。具体的には、ＤＤＣ制御部４１は、双方向ＤＣＤＣコンバータ３０の出力電圧が予め定めた目標電圧になるように、各スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４のゲートに印加する信号のデューティ比を個別に指示することによって、各スイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４のオン／オフ動作を独立して制御する。

【0020】

過電圧検出部４２は、双方向ＤＣＤＣコンバータ３０を構成するスイッチング素子ＳＷ１～ＳＷ４の一部である特定のスイッチング素子のオン／オフ動作を、第２負荷２２で発生する回生電力に応じてハードウェア的に制御して、回生電力を第１バッテリ１１及び／又は第１負荷２１に供給することを行うための構成（第２制御部）である。具体的には、過電圧検出部４２は、第２負荷２２で発生する回生電力の影響によって第２バッテリ１２の端子電圧である電圧Ｖ２が所定の閾値を超えるまで上昇したことを検出すると、第１バッテリ１１及び第１負荷２１に向けて回生電力が放電（供給）されるように双方向ＤＣＤＣコンバータ３０の状態をハードウェア動作によって強制的に切り替える。電圧Ｖ２が上昇する状態としては、第２バッテリ１２が満充電状態に達してこれ以上電力を充電できない状態などを例示できる。よって、所定の閾値は、第２バッテリ１２の定格電圧に基づいて任意の値を設定することができる。

【0021】

図２に、過電圧検出部４２の詳細な電気回路の構成の一例を示す。図２に例示する過電圧検出部４２は、第２バッテリ１２の端子電圧である電圧Ｖ２及び閾値Ｖｆｅｆを入力とする比較器の出力を、双方向ＤＣＤＣコンバータ３０のスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ３（特定のスイッチング素子）のゲートに接続した構成である。この過電圧検出部４２は、電圧Ｖ２と閾値Ｖｆｅｆとを比較して、電圧Ｖ２が閾値Ｖｆｅｆを超えると比較器の出力をローレベルに固定する。このように、電圧Ｖ２が閾値Ｖｆｅｆを超えた場合、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ３のゲート電圧を低下させるため、ＤＤＣ制御部４１のゲート信号Ｇｃｏｎｔによってソフトウェア制御されていたスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ３のオン動作が、過電圧検出部４２のハードウェア制御によって強制的にオフ動作に切り替えられる。

【0022】

以下、第２負荷２２で回生電力が発生した場合に、制御部４０（ＤＤＣ制御部４１及び過電圧検出部４２）によって実行される電力制御を、詳細に説明する。

【0023】

［制御］
次に、図３をさらに参照して、電源システム１によって行われる制御を説明する。図３は、制御部４０が実行する電力制御の処理手順を説明するフローチャートである。図３に例示する電力制御は、例えば、車両のイグニッションがオンにされると開始され、イグニッションがオフされるまで繰り返し行われる。

【0024】

（ステップＳ３０１）
制御部４０のＤＤＣ制御部４１は、過剰な回生電力が発生していない通常時の動作として、第１バッテリ１１の電力を第２バッテリ１２及び第２負荷２２に供給するように双方向ＤＣＤＣコンバータ３０をソフトウェア制御（ＳＷ制御）する。より具体的には、例えば第１バッテリ１１の電圧が第２バッテリ１２の定格電圧よりも低い場合、ＤＤＣ制御部４１は、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ４をオン動作、スイッチング素子ＳＷ２をオフ動作、スイッチング素子ＳＷ３をデューティ比オン／オフ動作させることで、双方向ＤＣＤＣコンバータ３０を昇圧回路として機能させる。図４に、通常制御時において昇圧回路として機能する双方向ＤＣＤＣコンバータ３０の電力の流れを示す。

【0025】

ＤＤＣ制御部４１によって、第１バッテリ１１から第２バッテリ１２及び第２負荷２２へのソフトウェア制御による給電（通常動作）がなされると、ステップＳ３０２に処理が進む。

【0026】

（ステップＳ３０２）
制御部４０の過電圧検出部４２は、第２バッテリ１２の端子電圧である電圧Ｖ２が閾値Ｖｆｅｆを超えたか否かを判断する。すなわち、過電圧検出部４２は、第２負荷２２によって第２バッテリ１２が許容できる量を超える回生電力が発生したか否かを判断する。閾値Ｖｆｅｆは、例えば第２バッテリ１２の定格電圧である。

【0027】

過電圧検出部４２が、電圧Ｖ２が閾値Ｖｆｅｆを超えたと判断した場合は（ステップＳ３０２、はい）、ステップＳ３０３に処理が進む。一方、過電圧検出部４２が、電圧Ｖ２が閾値Ｖｆｅｆ未満であると判断した場合は（ステップＳ３０２、いいえ）、ステップＳ３０１に処理が進む。

【0028】

（ステップＳ３０３）
制御部４０の過電圧検出部４２は、第２負荷２２で発生した回生電力を第１バッテリ１１へ放電できるように双方向ＤＣＤＣコンバータ３０をハードウェア制御（ＨＷ制御）する。より具体的には、過電圧検出部４２は、スイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ３のゲート電圧をローレベルにラッチさせてスイッチング素子ＳＷ１及びＳＷ３をオフ動作させる。図５に、回生電力のハードウェア制御時における双方向ＤＣＤＣコンバータ３０の電力の流れを示す。図５に示すように、スイッチング素子ＳＷ１を強制的にオフ動作させることによって、第１バッテリ１１から第２バッテリ１２への電荷の回り込みを防止しつつ、寄生ダイオードを介して第２負荷２２で発生した回生電力を第１バッテリ１１及び第１負荷２１へ逃がすことができる。

【0029】

過電圧検出部４２によって第２バッテリ１２及び第２負荷２２側から第１バッテリ１１及び第１負荷２１側へのハードウェア制御による放電がなされると、ステップＳ３０４に処理が進む。

【0030】

（ステップＳ３０４）
制御部４０の過電圧検出部４２は、第２バッテリ１２の端子電圧である電圧Ｖ２が閾値Ｖｆｅｆを超えてから所定の時間が経過するまで、電圧Ｖ２が閾値Ｖｆｅｆを超えた状態が継続しているか否かを判断する。上記ステップＳ３０３において回生電力を第１バッテリ１１及び第１負荷２１へ放電しているにもかかわらず依然として電圧Ｖ２が高い状態が続く場合には、スイッチング素子ＳＷ１の破壊が懸念される。よって、この判断は、スイッチング素子ＳＷ１の破壊を回避するために行われる。所定の時間は、スイッチング素子ＳＷ１の構造や性能などに基づいて適切に設定される。

【0031】

過電圧検出部４２が、電圧Ｖ２が閾値Ｖｆｅｆを超えた状態で所定の時間が経過したと判断した場合は（ステップＳ３０４、はい）、ステップＳ３０５に処理が進む。一方、過電圧検出部４２が、電圧Ｖ２が閾値Ｖｆｅｆを超えた状態であるが所定の時間はまだ経過していないと判断した場合は（ステップＳ３０４、いいえ）、ステップＳ３０２に処理が進む。

【0032】

（ステップＳ３０５）
制御部４０のＤＤＣ制御部４１は、第２負荷２２で発生した回生電力を第１バッテリ１１側へより多く放電できるように双方向ＤＣＤＣコンバータ３０をソフトウェア制御（ＳＷ制御）する。より具体的には、ＤＤＣ制御部４１は、例えばスイッチング素子ＳＷ１（のゲート）と過電圧検出部４２との接続をリレーＲで強制的に遮断して、スイッチング素子ＳＷ１をオン動作させる。図６に、回生電力のソフトウェア制御時における双方向ＤＣＤＣコンバータ３０の電力の流れを示す。図６に示すように、スイッチング素子ＳＷ１をオン動作させることによって寄生ダイオードだけでなくトランジスタを介して多くの電流を流すことができるので、スイッチング素子ＳＷ１の破壊を回避した回生電力の第１バッテリ１１及び第１負荷２１側への放電を行うことができる。

【0033】

ＤＤＣ制御部４１によって第２バッテリ１２及び第２負荷２２側から第１バッテリ１１及び第１負荷２１側へのソフトウェア制御による放電（特別動作）がなされると、ステップＳ３０６に処理が進む。

【0034】

（ステップＳ３０６）
制御部４０の過電圧検出部４２は、第２バッテリ１２の端子電圧である電圧Ｖ２が閾値Ｖｆｅｆ未満になったか否かを判断する。すなわち、過電圧検出部４２は、第２負荷２２で発生する回生電力がなくなったか否か、あるいは第２負荷２２によって発生する回生電力が第２バッテリ１２の許容量以下になったか否かを判断する。

【0035】

過電圧検出部４２が、電圧Ｖ２が閾値Ｖｆｅｆ未満になったと判断した場合は（ステップＳ３０６、はい）、ステップＳ３０１に処理が進む。一方、過電圧検出部４２が、電圧Ｖ２が閾値Ｖｆｅｆ未満になっていないと判断した場合は（ステップＳ３０６、いいえ）、ステップＳ３０５に処理が進む。

【0036】

なお、上記実施形態では、第２バッテリ１２の端子電圧である電圧Ｖ２を監視することによって、第２負荷２２における過大な回生電力の発生を判断した。しかし、この電圧Ｖ２以外にも、スイッチング素子ＳＷ１を流れる電流や、第２バッテリ１２に流入する電流などを監視することによっても、第２負荷２２における過大な回生電力の発生を判断することができる。

【0037】

＜作用・効果＞
以上のように、本開示の一実施形態に係る電源システム１は、第１バッテリ１１のバックアップ用である第２バッテリ１２に接続された第２負荷２２において第２バッテリ１２が許容（処理）できない過大な回生電力が発生した場合、回生電力を第１バッテリ１１及び第１負荷２１側へ放電できるようにハードウェア回路によって双方向ＤＣＤＣコンバータ３０を強制的に制御する。この制御によって、回生電力で第２バッテリ１２が過充電状態になってしまうことを抑制することができる。

【0038】

また、本実施形態に係る電源システム１は、過大な回生電力の発生が長い時間続いた場合には、ＤＤＣ制御部４１によって双方向ＤＣＤＣコンバータ３０をソフトウェア的に制御して、第１バッテリ１１及び第１負荷２１側と第２バッテリ１２及び第２負荷２２側との電気的な導通を維持する。この制御によって、双方向ＤＣＤＣコンバータ３０を構成するスイッチング素子ＳＷ４の破壊を防止することができる。

【産業上の利用可能性】

【0039】

本開示の電源システムは、回生電力を発生することができる負荷を搭載した車両などに利用可能である。

【符号の説明】

【0040】

１ 電源システム
１１ 第１バッテリ
１２ 第２バッテリ
２１ 第１負荷
２２ 第２負荷
３０ 双方向ＤＣＤＣコンバータ
４０ 制御部
４１ ＤＤＣ制御部（第１制御部）
４２ 過電圧検出部（第２制御部）
ＳＷ１～ＳＷ４ スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）
Ｌ インダクタ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】