(57)【要約】【課題】電圧センサに測定誤差がある場合であっても突入電流を発生させることなく２つの電源の接続状態を切り換え可能な車両の電源装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る車両の電源装置は、電源装置の出力電圧を測定する電圧センサと、第１電源と第２電源との接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際、電圧センサの測定電圧より高い所定値から測定電圧まで電源装置の出力電圧指令を低下させた後、デューティを０％から徐々に増やしていき１００％になったタイミングで、電源装置の出力電圧指令を測定電圧より低い所定値まで低下させる手段と、を備える。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正線と第１ノードとの間に接続された第１スイッチ素子と、第１ノードと第２ノードとの間に接続された第２スイッチ素子と、第２ノードと負線との間に接続された第３スイッチ素子と、前記第１ノード及び前記負線にそれぞれ正極及び負極が接続された第１電源と、前記正線と第３ノードとの間に接続されたリアクトル素子と、前記第３ノード及び前記第２ノードにそれぞれ正極及び負極が接続された第２電源と、を備え、前記第１スイッチ素子、前記第２スイッチ素子、及び前記第３スイッチ素子のオン／オフ状態を切り換えることにより、前記第１電源と前記第２電源との接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で切り換え可能な車両の電源装置であって、
電源装置の出力電圧を測定する電圧センサと、
前記第１電源と前記第２電源との接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際、前記電圧センサの測定電圧より高い所定値から該測定電圧まで電源装置の出力電圧指令を低下させた後、デューティを０％から徐々に増やしていき１００％になったタイミングで、電源装置の出力電圧指令を前記測定電圧より低い所定値まで低下させる手段と、
を備えることを特徴とする車両の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両の電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、複数のバッテリの接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で切り換え可能な電動車両の電源制御装置であって、電動機の回生時にバッテリに過電圧が掛かる場合、複数のバッテリの接続状態を並列接続状態に切り換える電動車両の電源制御装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−１７６１６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の電動車両の電源制御装置は、複数のバッテリの接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際、昇圧コンバータを利用して電圧センサの測定値を切換閾値まで低下させてから並列接続状態に切り換えている。しかしながら、電圧センサの測定値には数十ボルト程度の誤差が含まれている可能性がある。このため、特許文献１に記載の電動車両の電源制御装置によれば、実際に電圧が十分に低下する前に複数のバッテリの接続状態を並列接続状態に切り換えることによって、電圧が高いバッテリから電圧が低いバッテリへと大きな突入電流が流れ、素子が破損する可能性がある。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電圧センサに測定誤差がある場合であっても突入電流を発生させることなく２つの電源の接続状態を切り換え可能な車両の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】
【０００６】
本発明に係る車両の電源装置は、正線と第１ノードとの間に接続された第１スイッチ素子と、第１ノードと第２ノードとの間に接続された第２スイッチ素子と、第２ノードと負線との間に接続された第３スイッチ素子と、前記第１ノード及び前記負線にそれぞれ正極及び負極が接続された第１電源と、前記正線と第３ノードとの間に接続されたリアクトル素子と、前記第３ノード及び前記第２ノードにそれぞれ正極及び負極が接続された第２電源と、を備え、前記第１スイッチ素子、前記第２スイッチ素子、及び前記第３スイッチ素子のオン／オフ状態を切り換えることにより、前記第１電源と前記第２電源との接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で切り換え可能な車両の電源装置であって、電源装置の出力電圧を測定する電圧センサと、前記第１電源と前記第２電源との接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際、前記電圧センサの測定電圧より高い所定値から該測定電圧まで電源装置の出力電圧指令を低下させた後、デューティを０％から徐々に増やしていき１００％になったタイミングで、電源装置の出力電圧指令を前記測定電圧より低い所定値まで低下させる手段と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る車両の電源装置によれば、電圧センサに測定誤差がある場合であっても突入電流を発生させることなく２つの電源の接続状態を切り換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明の一実施形態である車両の電源装置が適用される車両の構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す電源装置の構成を示す回路図である。
【図３】図３は、バッテリの直列接続状態及び並列接続状態を示す回路図である。
【図４】図４は、電圧センサの測定誤差に起因して電圧センサの測定値が実際の出力電圧よりも低くなっている場合の課題を説明するための図である。
【図５】図５は、電圧センサの測定誤差に起因して電圧センサの測定値が実際の出力電圧よりも高くなっている場合の課題を説明するための図である。
【図６】図６は、接続状態切換処理用の制御ブロックの構成例を示す図である。
【図７】図７は、電圧センサの測定誤差に起因して電圧センサの測定値が実際の出力電圧よりも低くなっている場合においてバッテリの接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際の処理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、図面を参照して、本発明の一実施形態である車両の電源装置の構成について説明する。
【００１０】
〔車両の構成〕
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態である車両の電源装置が適用される車両の構成について説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態である車両の電源装置が適用される車両の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である車両の電源装置が適用される車両１は、ＨＶ（Hybrid  Vehicle）車両により構成され、エンジン（ＥＮＧ）２、電源装置３、第１インバータ（ＩＮＶ１）４ａ、第２インバータ（ＩＮＶ２）４ｂ、第１電動機（ＭＧ１）５ａ、及び第２電動機（ＭＧ２）５ｂを備えている。なお、車両１は、ＨＶ車両に限定されることはなく、ＥＶ（Electric  Vehicle），ＰＨＶ（Plug-in  Hybrid  Vehicle），ＦＣＥＶ（Fuel  Cell  Electric  Vehicle）等であってもよい。
【００１２】
エンジン２は、ガソリンや軽油等を燃料として動力を出力する内燃機関によって構成され、後述するＨＶ電子制御ユニット（以下、ＨＶ−ＥＣＵと表記）１０２によって駆動制御される。
【００１３】
電源装置３は、正線ＰＬ及び負線ＮＬを介して第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂに接続され、後述する電池電子制御ユニット（以下、電池ＥＣＵと表記）１０１によって制御される。
【００１４】
第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂは、複数のスイッチ素子を備え、直流電力と交流電力とを相互に変換する機能を有している。第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂは、ＨＶ−ＥＣＵ１０２による複数のスイッチ素子のオン／オフ制御によって、電源装置３から供給された直流電力を交流電力に変換して第１電動機５ａ及び第２電動機５ｂに供給すると共に、第１電動機５ａ及び第２電動機５ｂが発電した交流電力を直流電力に変換して電源装置３に供給する。
【００１５】
第１電動機５ａ及び第２電動機５ｂは、同期発電電動機により構成されている。第１電動機５ａ及び第２電動機５ｂはそれぞれ、第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂから供給された交流電力によって駆動されることにより車両駆動用の電動機として機能すると共に、車両１の駆動力を利用して交流電力を発電する発電機として機能する。
【００１６】
車両１は、制御系として、電池ＥＣＵ１０１及びＨＶ−ＥＣＵ１０２を備えている。
【００１７】
電池ＥＣＵ１０１は、電源装置３を構成する２つのバッテリの充電状態の管理や異常検出や電圧制御を実行する。電池ＥＣＵ１０１には、各バッテリの温度Ｔｂを示す電気信号、各バッテリの出力電圧Ｖｂを示す電気信号、各バッテリの出力電流Ｉｂを示す電気信号等の各種電気信号が入力される。電池ＥＣＵ１０１は、温度Ｔｂ、出力電圧Ｖｂ、出力電流Ｉｂ等に基づいて各バッテリの残容量を算出する。電池ＥＣＵ１０１は、出力電圧Ｖｂ、温度Ｔｂ、各バッテリの残容量等の各種信号をＨＶ−ＥＣＵ１０２に送信する。また、電池ＥＣＵ１０１は、ＨＶ−ＥＣＵ１０２から受信した指令信号に基づいて電源装置３に対する制御信号を出力する。
【００１８】
ＨＶ−ＥＣＵ１０２は、電池ＥＣＵ１０１と相互に通信可能に構成されており、各種指令や各種センサの検知結果等の各種信号の送受信を行う。ＨＶ−ＥＣＵ１０２は、車両１の走行時においてドライバの要求に応じた車両駆動力を発生させるために、エンジン２、第１インバータ４ａ、及び第２インバータ４ｂを制御すると共に、電源装置３の出力電圧を制御する。ＨＶ−ＥＣＵ１０２には、イグニッションスイッチの操作信号ＩＧＣＮ、エンジン２の回転数ＮＥ、第１電動機５ａ及び第２電動機５ｂの回転数、車速、アクセル開度、電圧センサによって測定された電源装置３の出力電圧ＶＨ、温度Ｔｂ、各バッテリの残容量等の各種信号が入力される。また、ＨＶ−ＥＣＵ１０２は、入力された情報に基づいて算出された、エンジン２に対する制御信号ＮＲｅｆ、第１インバータ４ａ及び第２インバータ４ｂに対するＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）制御信号である信号ＰＷＭ１，ＰＷＭ２、電源装置３の出力電圧を要求電圧に切り替えるための指令信号、及び電源装置３内のスイッチ素子に対するＰＷＭ制御信号である信号ＰＷＣ等を出力する。
【００１９】
電池ＥＣＵ１０１及びＨＶ−ＥＣＵ１０２は、物理的には、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、及び入出力インターフェース等を含む周知のマイクロコンピュータを主体とする電子回路によって構成されている。電池ＥＣＵ１０１及びＨＶ−ＥＣＵ１０２の機能は、ＣＰＵがＲＯＭに保持されているコンピュータプログラムをＲＡＭにロードして実行することによって、制御対象を動作させると共にＲＡＭやＲＯＭにおけるデータの読み出し及び書き込みを行うことで実現される。
【００２０】
〔電源装置の構成〕
次に、図２及び図３を参照して、電源装置３の構成について説明する。
【００２１】
図２は、図１に示す電源装置３の構成を示す回路図である。図２に示すように、電源装置３は、正線ＰＬと第１ノードＮ１との間に接続された第１スイッチ素子Ｓ１と、第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間に接続された第２スイッチ素子Ｓ２と、第２ノードＮ２と負線ＮＬとの間に接続された第３スイッチ素子Ｓ３と、第１ノードＮ１及び負線ＮＬにそれぞれ正極及び負極が接続された第１バッテリＢ１と、正線ＰＬと第３ノードＮ３との間に接続されたリアクトル素子Ｒと、第３ノードＮ３及び第２ノードＮ２にそれぞれ正極及び負極が接続された第２バッテリＢ２と、正線ＰＬと負線ＮＬとの間に接続された平滑コンデンサＣＨと、を備えている。第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２はキャパシタであってもよい。
【００２２】
なお、第１スイッチ素子Ｓ１、第２スイッチ素子Ｓ２、及び第３スイッチ素子Ｓ３は、半導体スイッチング素子によって構成されている。半導体スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）が用いられる。ＩＧＢＴのコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子に接続される側をアノードとしてダイオード（整流素子）が接続されている。半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ以外のものを用いる場合、スイッチ素子が導通したときに流れる電流とは逆向きの電流が流れるように半導体スイッチング素子にダイオードを並列に接続する。ダイオードは、半導体スイッチング素子に伴う寄生ダイオードであってもよい。本明細書では、半導体スイッチング素子とダイオードとを併せたものをスイッチ素子という。
【００２３】
この電源装置３では、電池ＥＣＵ１０１が、第１スイッチ素子Ｓ１、第２スイッチ素子Ｓ２、及び第３スイッチ素子Ｓ３のオン／オフ状態を制御することにより、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で切り換えることができる。具体的には、電池ＥＣＵ１０１は、図３（ａ）に示すように、第１スイッチ素子Ｓ１及び第３スイッチ素子Ｓ３をオフ状態、第２スイッチ素子Ｓ２をオン状態に制御することにより、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２とを直列に接続する（直列接続状態）。また、電池ＥＣＵ１０１は、図３（ｂ）に示すように、第１スイッチ素子Ｓ１及び第３スイッチ素子Ｓ３をオン状態、第２スイッチ素子Ｓ２をオフ状態に制御することにより、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２とを並列に接続する（並列接続状態）。
【００２４】
ところで、このような構成を有する電源装置３では、電源装置３の出力電圧ＶＨを測定する電圧センサに測定誤差が含まれている場合、以下に示すような課題が発生する。以下、図４及び図５を参照して、電圧センサに測定誤差が含まれている場合の課題について説明する。図４は、電圧センサの測定誤差に起因して電圧センサの測定値が実際の出力電圧よりも低くなっている場合の課題を説明するための図である。図５は、電圧センサの測定誤差に起因して電圧センサの測定値が実際の出力電圧よりも高くなっている場合の課題を説明するための図である。
【００２５】
通常、電源装置３の出力電圧ＶＨの指令値（ＶＨ指令）は電圧センサの測定値に基づいて算出される。このため、図４に示すように、電圧センサの測定誤差に起因して電圧センサの測定値（センサＶＨ）が実際の出力電圧（実ＶＨ）よりも低くなっている場合、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際、実ＶＨが直並列切換閾値まで下がりきっていない状態で切り換えが行われる（時間ｔ＝ｔ２）。結果、センサＶＨと実ＶＨとの電圧の段差に起因して第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２に向かって突入電流が流れ、素子が破損する可能性がある。
【００２６】
同様に、図５に示すように、電圧センサの測定誤差に起因して電圧センサの測定値（センサＶＨ）が実際の出力電圧（実ＶＨ）よりも高くなっている場合には、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を並列接続状態から直列接続状態に切り換える際、実ＶＨが直並列切換閾値まで上がりきっていない状態で切り換えが行われる（時間ｔ＝ｔ４）。結果、センサＶＨと実ＶＨとの電圧の段差に起因して平滑コンデンサＣＨに向かって突入電流が流れる。
【００２７】
そこで、本発明の一実施形態である車両の電源装置では、電池ＥＣＵ１０１及びＨＶ−ＥＣＵ１０２が以下に示す接続状態切換処理を実行することにより、電圧センサに測定誤差がある場合であっても突入電流を発生させることなく第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を切り換える。以下、図６及び図７を参照して、接続状態切換処理を実行する際の電池ＥＣＵ１０１及びＨＶ−ＥＣＵ１０２の動作について説明する。
【００２８】
〔接続状態切換処理〕
まず、図６を参照して、接続状態切換処理用の制御ブロックの構成について説明する。
【００２９】
図６は、接続状態切換処理用の制御ブロックの構成例を示す図である。図６に示すように、接続状態切換処理用の制御ブロックは、電源装置３の出力電圧を測定する電圧センサの測定値に基づくフィードフォワード制御及びフィードバック制御によって算出されたスイッチ素子に対するｄｕｔｙ指令に基づき第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態と並列接続状態との間で交互に切り換えるＰＷＭ制御を実行するものである。但し、フィードフォワード制御及びフィードバック制御の一方のみを使用する構成としてもよい。
【００３０】
より具体的には、接続状態切換処理用の制御ブロックは、差分器１０２ａ、比例項演算部１０２ｂ、積分項演算部１０２ｃ、微分項演算部１０２ｄ、加算器１０２ｅ、差分器１０２ｆ、比例項演算部１０２ｇ、積分項演算部１０２ｈ、加算器１０２ｉ、及び加算器１０２ｊを備えている。
【００３１】
差分器１０２ａは、電源装置３の出力電圧の指令値（ＶＨ指令）と電圧センサの測定値（センサＶＨ）との差分値を算出し、算出された差分値を比例項演算部１０２ｂ、積分項演算部１０２ｃ、及び微分項演算部１０２ｄに出力する。なお、ＶＨ指令は、電圧センサの測定誤差の最大値を考慮して、直列接続状態のときはセンサＶＨよりも測定誤差の最大値分高い値に設定され、並列接続状態のときにはセンサＶＨよりも測定誤差の最大値分小さい値に設定されている。
【００３２】
比例項演算部１０２ｂ、積分項演算部１０２ｃ、及び微分項演算部１０２ｄはそれぞれ、差分器１０２ａから出力された差分値をゼロとするようにＰＩＤ制御の比例項、積分項、及び微分項を算出し、算出されたＰＩＤ制御の比例項、積分項、及び微分項を加算器１０２ｅに出力する。なお、ＰＩＤ制御の積分項は、ｄｕｔｙ指令が０％に張り付いている場合はｄｕｔｙ０％相当の値、ｄｕｔｙ指令が１００％に張り付いている場合はｄｕｔｙ１００％相当の値になるように設定されている。
【００３３】
加算器１０２ｅは、比例項演算部１０２ｂ、積分項演算部１０２ｃ、及び微分項演算部１０２ｄから出力されたＰＩＤ制御の比例項、積分項、及び微分項を加算した値を電流指令値（ＩＬ指令）として算出し、算出されたＩＬ指令を差分器１０２ｆに出力する。
【００３４】
差分器１０２ｆは、加算器１０２ｅから出力されたＩＬ指令と電源装置３の出力電流を測定する電流センサの測定値（センサＩＬ）との差分値を算出し、算出された差分値を比例項演算部１０２ｇ及び積分項演算部１０２ｈに出力する。
【００３５】
比例項演算部１０２ｇ及び積分項演算部１０２ｈはそれぞれ、差分器１０２ｆから出力された差分値をゼロとするようにＰＩ制御の比例項及び積分項を算出し、算出された比例項及び積分項を加算器１０２ｉに出力する。なお、ＰＩ制御の積分項は、ｄｕｔｙ指令が０％に張り付いている場合はｄｕｔｙ０％相当の値、ｄｕｔｙ指令が１００％に張り付いている場合はｄｕｔｙ１００％相当の値になるように設定されている。
【００３６】
加算器１０２ｉは、比例項演算部１０２ｇ及び積分項演算部１０２ｈから出力されたＰＩ制御の比例項及び積分項を加算した値をｄｕｔｙ指令として算出し、算出されたｄｕｔｙ指令を加算器１０２ｊに出力する。
【００３７】
加算器１０２ｊは、加算器１０２ｅから出力されたｄｕｔｙ指令にｄｕｔｙ指令のフィードフォワード制御項（ｄｕｔｙ＿ＦＦ項）を加算した値を最終的なｄｕｔｙ指令として出力する。
【００３８】
次に、図７を参照して、上記接続状態切換処理用の制御ブロックによる第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態の切り換え処理について説明する。なお、以下では、電圧センサの測定誤差に起因して電圧センサの測定値が実際の出力電圧よりも低くなっている場合の接続状態切換処理について説明するが、電圧センサの測定誤差に起因して電圧センサの測定値が実際の出力電圧よりも高くなっている場合も同様にして接続状態を切り換えることができる。
【００３９】
図７は、電圧センサの測定誤差に起因して電圧センサの測定値が実際の出力電圧よりも低くなっている場合において第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える際の処理を説明するための図である。図７（ａ）に示すように、この接続状態切換処理では、直列接続状態から並列接続状態への切換指示が入力されると（時間ｔ＝ｔ５）、ＶＨ指令がセンサＶＨよりも測定誤差の最大値分高い値に設定されているので、まず、ｄｕｔｙを０％に維持した状態でＶＨ指令をセンサＶＨに向かって滑らかに変化させる（時間ｔ＝ｔ５〜ｔ６）。次に、ＶＨ指令がセンサＶＨになると（時間ｔ＝ｔ６）、ｄｕｔｙを０％から徐々に増やしていく。次に、ｄｕｔｙが１００％（直並列切換閾値）になったタイミングで（時間ｔ＝ｔ７）、ｄｕｔｙを１００％に維持した状態でセンサＶＨよりも測定誤差の最大値分低い値に向かって滑らかにＶＨ指令を変化させる（時間ｔ＝ｔ７〜ｔ８）。そして、ｄｕｔｙが１００％である状態が継続していると判定した場合（図７（ｃ））、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態から並列接続状態に切り換える（時間ｔ＝ｔ８）。このような処理によれば、電圧センサに測定誤差がある場合であっても突入電流を発生させることなく第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を切り換えることができる。なお、時間ｔ＝ｔ５〜ｔ６，ｔ７〜ｔ８におけるＶＨ指令の変化レートを早めることにより移行期間の長さを短縮するようにしてもよい。
【００４０】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００４１】
１  車両
２  エンジン（ＥＮＧ）
３  電源装置
４ａ  第１インバータ（ＩＮＶ１）
４ｂ  第２インバータ（ＩＮＶ２）
５ａ  第１電動機（ＭＧ１）
５ｂ  第２電動機（ＭＧ２）
１０１  電池電子制御ユニット（電池ＥＣＵ）
１０２  ＨＶ電子制御ユニット（ＨＶ−ＥＣＵ）
Ｂ１  第１バッテリ
Ｂ２  第２バッテリ
ＣＨ  平滑コンデンサ
ＮＬ  負線
Ｎ１  第１ノード
Ｎ２  第２ノード
ＰＬ  正線
Ｒ  リアクトル素子
Ｓ１  第１スイッチ素子
Ｓ２  第２スイッチ素子
Ｓ３  第３スイッチ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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