(57)【要約】【課題】直流−直流変換する際の最大容量を容易に変更することができる電力変換装置を提供すること。【解決手段】Ｌｉ電池パック１００は、それぞれが入力直流電圧を出力直流電圧に変換するとともに、互いに並列接続可能であって、２以上の最大装着可能個数の中から一あるいは複数個が選択されて装着される一あるいは複数の直流−直流変換モジュール１３０、１３２、１３４、１３６と、高電圧バッテリであるＬｉ電池セル１１０と、Ｌｉ電池セル１１０の状態を監視する状態監視部としての制御部１４０とを備えている。【選択図】図１
2014230416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが入力直流電圧を出力直流電圧に変換するとともに、互いに並列接続可能であって、２以上の最大装着可能個数の中から一あるいは複数個が選択されて装着される一あるいは複数の直流−直流変換モジュール（１３０、１３２、１３４、１３６）を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１において、
所定の同期信号を生成する同期信号生成部（１５０）をさらに備え、
前記直流−直流変換モジュールは、前記同期信号に同期して電力変換動作を制御する制御部（１３４）を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記直流−直流変換モジュールと、前記直流−直流変換モジュールの入力側に接続された高電圧バッテリ（１１０）と、所定のクロック信号に同期して動作して前記高電圧バッテリの状態を監視する状態監視部（１４０）とが一体化されており、
前記直流−直流変換モジュールの出力側から前記高電圧バッテリよりも低電圧の出力電圧が取り出されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記同期信号生成部は、前記クロック信号を生成するクロック生成部であり、
前記クロック信号を前記同期信号として用いることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項３または４において、
前記高電圧バッテリは、定格電圧が４８Ｖのリチウムイオン電池であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項５において、
一体化されて車両に搭載されており、
前記直流−直流変換モジュールの出力側が、定格電圧が１２Ｖの低電圧バッテリ（３００）に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両等に搭載されて用いられ、所定の直流電圧を降圧あるいは昇圧する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、車両走行モータを駆動するための高圧バッテリの電圧を降圧して複数の負荷に対して、３種の電源電圧を効率よく安定して生成するようにした電力変換装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この電力変換装置では、第１のＤＣ／ＤＣコンバータによって入力電圧ＶＡを出力電圧Ｖ１に降圧するとともに、この電圧Ｖ１を第２のＤＣ／ＤＣコンバータによって出力電圧Ｖ２、Ｖ３に降圧することで、３種の電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３を生成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１８６９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に開示された電力変換装置では、ＤＣ／ＤＣコンバータに接続可能な負荷の最大容量はあらかじめ決まっており、負荷の最大容量を変更する場合にはその都度ＤＣ／ＤＣコンバータの仕様を変更する必要があり、汎用性に欠けるという問題があった。例えば、車両毎に使用可能な負荷の種類や数が異なるため、電力変換装置に要求される最大容量も異なってくる。大きな負荷容量に対応して設計された電力変換装置を小さな負荷容量の車両に搭載することで電力変換装置の共用化を図ることはできるが、それでは使用率の低下を招くため望ましくない。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、直流−直流変換する際の最大容量を容易に変更することができる電力変換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】
上述した課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、それぞれが入力直流電圧を出力直流電圧に変換するとともに、互いに並列接続可能であって、２以上の最大装着可能個数の中から一あるいは複数個が選択されて装着される一あるいは複数の直流−直流変換モジュール（１３０、１３２、１３４、１３６）を備えている。最大装着可能個数の範囲内で一あるいは複数の直流−直流変換モジュールを選択して装着することができるため、個数に応じた最大容量を設定して容易に最大容量を変更することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】一実施形態の車両電源システムの全体構成を示す図である。
【図２】直流−直流変換モジュールの概略的な構成を示す図である。
【図３】降圧型直流−直流変換モジュールの具体例を示す図である。
【図４】昇圧型直流−直流変換モジュールの具体例を示す図である。
【図５】１つの直流−直流変換モジュールを用いた場合の構成を示す図である。
【図６】２つの直流−直流変換モジュールを用いた場合の構成を示す図である。
【図７】３つの直流−直流変換モジュールを用いた場合の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明の電力変換装置を適用した一実施形態の車両電源システムについて、図面を参照しながら説明する。図１に示す一実施形態の車両電源システムは、Ｌｉ（リチウム）電池パック１００、車両用発電機（ＩＳＧ）２００、高電圧負荷２１０、低電圧バッテリ３００、低電圧負荷３１０、スタータ（ＳＴ）３２０を含んで構成されている。
【０００９】
Ｌｉ電池パック１００は、高電圧バッテリであるＬｉ電池セル１１０と、Ｌｉ電池セル１１０の端子電圧と低電圧バッテリ３００の端子電圧との間で降圧動作あるいは昇圧動作を行う。本実施形態では、Ｌｉ電池セル１１０は、定格電圧が４８Ｖに設定されている。また、低電圧バッテリ３００は、例えば鉛蓄電池が用いられており、定格電圧が１２Ｖに設定されている。Ｌｉ電池パック１００は、Ｌｉ電池セル１１０の端子電圧である４８Ｖを１２Ｖに降圧する動作と、低電圧バッテリ３００の端子電圧である１２Ｖを４８Ｖに昇圧する動作を行う。Ｌｉ電池パック１００の詳細構成については後述する。
【００１０】
車両用発電機２００は、ＩＳＧ（インテグレーテッド・スターター・ジェネレーター）と称される車両用回転電機であって、出力電圧が４８Ｖに制御されて高電圧負荷２１０やＬｉ電池セル１１０に対して動作電力や充電電力を供給する。また、車両用発電機２００は、発電機の機能の他に電動機の機能を有している。例えば、主に駐車中のエンジンを始動させる場合にスタータ３２０を使用し、アイドリングストップ時にエンジンを再起動するために車両用発電機２００を使用する場合が考えられる。
【００１１】
高電圧負荷２１０は、４８Ｖの電圧で動作する電気負荷である。低電圧負荷３１０は、１２Ｖの電圧で動作する電気負荷である。スタータ３２０は、アイドリングストップ時以外の駐車時や停車時にエンジンを起動するために用いられる。
【００１２】
次に、Ｌｉ電池パック１００の詳細構成について説明する。図１に示すように、Ｌｉ電池パック１００は、Ｌｉ電池セル１１０、リレー１１２、電流センサ１１４、温度センサ１１６、直流−直流変換モジュール（ＤＣ／ＤＣ）１２０、１３０、１３２、１３４、１３６、制御部１４０、クロック生成部１５０、電源部１６０を含んで構成されている。Ｌｉ電池パック１００は、これらの構成が一体化されたパッケージの形態で車両の組み立て工程に提供される。
【００１３】
Ｌｉ電池セル１１０は、複数個のセルを含んでおり、リチウムイオン二次電池を構成する。リレー１１２は、Ｌｉ電池セル１１０のプラス端子側に直列に接続されており、異常発生時にＬｉ電池セル１１０を他の構成から分離するためのものである。電流センサ１１４は、Ｌｉ電池セル１１０のマイナス端子側の配線に流れる電流値を検出する。例えば、電流センサ１１４として電流検出用抵抗が用いられ、その両端電圧に基づいて電流値を検出する場合が考えられる。温度センサ１１６は、Ｌｉ電池セル１１０の温度を検出する。
【００１４】
直流−直流変換モジュール（ＤＣ／ＤＣ）１２０は、低電圧バッテリ３００の端子電圧である１２Ｖを、Ｌｉ電池セル１１０の端子電圧である４８Ｖに昇圧する。また、直流−直流変換モジュール１３０、１３２、１３４、１３６のそれぞれは、Ｌｉ電池セル１１０の端子電圧である４８Ｖを、低電圧バッテリ３００の端子電圧である１２Ｖに降圧する。これら４つの直流−直流変換モジュール１３０〜１３６は、同じ負荷容量（例えば、４００Ｗ）を有するものが並列に接続されており、合計で１６００Ｗまでの電気負荷に電力を供給することができる。
【００１５】
制御部１４０は、Ｌｉ電池セル１１０の状態を監視する状態監視部であって、監視結果に基づいてリレー１１２をオフする動作や、外部装置としてのＥＣＵ４００に対して異常発生を通知する動作などを行う。このために、制御部１４０は、状態検知部１４２、リレー制御部１４４、通信インタフェース部（通信Ｉ／Ｆ）１４６を備えている。制御部１４０は、例えばマイコン（マイクロコンピュータ）によって構成されており、クロック信号に同期して所定の制御プログラムを実行することにより、各構成の動作を行っている。
【００１６】
状態検知部１４２は、電流センサ１１４と温度センサ１１６のそれぞれの出力に基づいてＬｉ電池セル１１０の状態（異常の有無）を監視し、異常発生時にはその旨をＥＣＵ４００に通知するために異常信号を生成する。リレー制御部１４４は、状態検知部１４２による監視動作によってＬｉ電池セル１１０の異常が検出されたときにリレー１１２をオフする。通信インタフェース部１４６は、状態検知部１４２によって生成された異常信号を所定の通信方式によってＥＣＵ４００に向けて送信する。通信方式としては、ＬＩＮ（Local Interconnect Network）プロトコルを用いた通信やＣＡＮ（Controller Area Network）プロトコルを用いた通信などが考えられるが、その他の通信方式を用いるようにしてもよい。
【００１７】
クロック生成部１５０は、制御部１４０の動作に必要なクロック信号を生成する。本実施形態では、このクロック信号は、４つの直流−直流変換モジュール１３０〜１３６の電力変換動作を制御する際の同期をとるために必要な同期信号としても用いられており、クロック生成部１５０は同期信号生成部としての機能を有している。電源部１６０は、Ｌｉ電池パック１００の動作に必要な動作電圧を生成する。例えば、Ｌｉ電池セル１１０の端子電圧が印加されており、この端子電圧に基づいて制御部１４０および直流−直流変換モジュール１２０、１３０〜１３６のそれぞれの動作に必要な動作電圧が生成され、それぞれに動作電力が供給される。
【００１８】
次に、４つの直流−直流変換モジュール１３０〜１３６について説明する。図２に概略的な構成を示すように、直流−直流変換モジュール１３０は、パワー部２３１、フィルタ２３２、２３３、制御部２３４、電源部２３５、通信インタフェース部（通信Ｉ／Ｆ）２３６を備えている。他の直流−直流変換モジュール１３２〜１３６も同じ構成を有しており、詳細な説明は省略する。
【００１９】
パワー部２３１は、リアクトル（あるいはトランス）、ダイオード、スイッチング素子によって構成されており、スイッチング素子が所定の周期でオンオフ制御される。フィルタ２３２、２３３は、入出力電圧を平滑するためのものである。通信インタフェース部２３６は、クロック生成部１５０から出力されるクロック信号を取り込んで制御部２３４に入力する。制御部２３４は、通信インタフェース部２３６から入力されるクロック信号を同期信号として用い、この同期信号に同期してパワー部２３１内のスイッチング素子をオンオフすることにより、入力電圧である４８Ｖを出力電圧である１２Ｖに変換する制御を行う。電源部２３５は、制御部２３４の動作電圧を生成する。
【００２０】
図２に示す構成によって降圧動作を行う場合のさらに具体的な例を図３に示す。図３に示す例では、フィルタ２３２、２３３は、コンデンサによって構成されている。また、パワー部２３１は、スイッチング素子としてのＭＯＳトランジスタ２３１Ａと、リアクトル２３１Ｂと、ダイオード２３１Ｃとで構成されている。ＭＯＳトランジスタ２３１Ａとリアクトル２３１Ｂによって構成された直列回路が入出力端子間に挿入されており、ＭＯＳトランジスタ２３１Ａとリアクトル２３１Ｂの接続点がダイオード２３１Ｃを介して接地されている。制御部２３４は、ＭＯＳトランジスタ２３１Ａをオンオフする周期およびオンデューティの少なくとも一方を可変することにより、入力電圧（４８Ｖ）を出力電圧（１２Ｖ）に変換するとともに、この変換に際して伝達する電力量を制御している。
【００２１】
なお、昇圧動作を行う直流−直流変換モジュール１３０の構成も概略的には図２に示した構成と同じであり、その具体例を図４に示す。図４に示す具体例では、パワー部２３１’の構成が、図３に示したパワー部２３１の構成と異なっている。パワー部２３１’では、リアクトル２３１Ｂとダイオード２３１Ｃによって直列回路が形成されており、この直列回路の一方の端部（リアクトル２３１Ｂの一方端）が入力端子に、他方の端部（ダイオード２３１Ｃのカソード側）が出力端子に接続されている。また、ＭＯＳトランジスタ２３１Ａは、一方端（ドレイン側）がリアクトル２３１Ｂとダイオード２３１Ｃの接続点に接続され、他方端（ソース側）が接地されている。制御部２３４’は、ＭＯＳトランジスタ２３１Ａをオンオフする周期およびオンデューティの少なくとも一方を可変することにより、入力電圧（１２Ｖ）を出力電圧（４８Ｖ）に変換するとともに、この変換に際して伝達する電力量を制御している。本実施形態では、例えば車両用発電機２００の停止時（非発電時）に高電圧負荷２１０に流れ込む待機電流分の電力を低電圧バッテリ３００から供給するために直流−直流変換モジュール１２０が用いられる。
【００２２】
本実施形態の車両電源システムはこのような構成を有しており、次に、低電圧バッテリ３００に接続される低電圧負荷３１０の最大容量が車両によって異なる場合の対応方法について説明する。上述したように、直流−直流変換モジュール１３０〜１３６のそれぞれは、定格電圧１２Ｖで４００Ｗまで電力を供給する能力を有する。
【００２３】
Ｌｉ電池パック１００から低電圧バッテリ３００側に供給する電力の要求値（低電圧負荷３１０の動作電力と低電圧バッテリ３００の充電電力の合計）が４００Ｗ以下の場合には、図５に示すように、直流−直流変換モジュール１３０のみが用いられ、他の直流−直流変換モジュール１３２〜１３６については非搭載となる。
【００２４】
また、Ｌｉ電池パック１００から低電圧バッテリ３００側に供給する電力の要求値が４００Ｗより多く、８００Ｗ以下の場合には、図６に示すように、直流−直流変換モジュール１３０、１３２のみが用いられ、他の直流−直流変換モジュール１３４、１３６については非搭載となる。
【００２５】
また、Ｌｉ電池パック１００から低電圧バッテリ３００側に供給する電力の要求値が８００Ｗより多く、１２００Ｗ以下の場合には、図７に示すように、直流−直流変換モジュール１３０〜１３４が用いられ、残りの直流−直流変換モジュール１３６については非搭載となる。
【００２６】
さらに、Ｌｉ電池パック１００から低電圧バッテリ３００側に供給する電力の要求値が１２００Ｗより多く、１６００Ｗ以下の場合には、図１に示すように、全ての直流−直流変換モジュール１３０〜１３６が用いられる。
【００２７】
このように、本実施形態の車両電源システムでは、最大装着可能個数（例えば４個）の範囲内で一あるいは複数の直流−直流変換モジュール１３０〜１３６を選択して装着することができるため、個数に応じた最大容量を設定して容易に最大容量を変更することが可能になる。
【００２８】
また、各直流−直流変換モジュール１３０〜１３６には、同期信号に同期して電力変換動作を制御する制御部１４０が備わっている。これにより、搭載される直流−直流変換モジュール１３０〜１３６の個数が変更された場合であっても、全ての直流−直流変換モジュール１３０等を同期して動作させることが可能となる。
【００２９】
また、直流−直流変換モジュール１３０等と、直流−直流変換モジュール１３０等の入力側に接続された高電圧バッテリとしてのＬｉ電池セル１１０と、所定のクロック信号に同期して動作してＬｉ電池セル１１０の状態を監視する制御部１４０とが一体化されてＬｉ電池パック１００が構成されている。また、制御部１４０に入力されるクロック信号が、直流−直流変換モジュール１３０等の同期をとる同期信号としても用いられている。これにより、制御部１４０の動作に必要なクロック信号を同期信号として用いて各直流−直流変換モジュール１３０等を同期させることが可能になり、同期をとるために必要な同期信号を生成するための同期信号生成部を個別に用意する必要がなくなるため、部品点数の削減とともにコストダウンを図ることができる。
【００３０】
また、一体化されたＬｉ電池パック１００が車両に搭載されており、高電圧バッテリとして定格電圧が４８Ｖのリチウムイオン電池（Ｌｉ電池セル１１０）が用いられ、低電圧バッテリ３００として定格電圧が１２Ｖの例えば鉛蓄電池が用いられている。これにより、一体化された構成の中で、最大装着可能個数の範囲内で任意の数の直流−直流変換モジュール１３０等を組み合わせることが可能となり、接続される負荷の大きさに応じて供給可能な最大電力量としての最大容量を変更することができる。また、車両において、従来から使用されている鉛蓄電池に接続される低電圧負荷３１０を次第に減らして、高電圧バッテリに接続される高電圧負荷２１０に移行する場合に、低電圧負荷３１０の大きさの変化に容易に対応することができるＬｉ電池パック１００を実現することが可能となる。
【００３１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した実施形態では、最大個数４の直流−直流変換モジュール１３０〜１３６の中から必要個数を選択的に用いる場合について説明したが、最大個数は４以外の数であってもよい。また、必ずしも同一構成の直流−直流変換モジュール１３０〜１３６を組み合わせる必要はなく、少なくとも一部に負荷容量が異なる直流−直流変換モジュールが含まれていてもよい。
【００３２】
また、上述した実施形態では、降圧型の直流−直流変換モジュール１３０〜１３６について説明したが、昇圧型の複数の直流−直流変換モジュールを組み合わせる場合についても本発明を適用することができる。
【００３３】
また、上述した実施形態では、Ｌｉ電池パック１００としてＬｉ電池セル１１０と直流−直流変換モジュール１３０〜１３６等とを一体化した場合について説明したが、一部の構成を一体化の対象から除くようにしてもよい。この場合であっても、低電圧バッテリ３００に接続される低電圧負荷３１０の最大容量が車両によって異なる場合に直流−直流変換モジュール１３０等の個数を変更することで対応することができる利点に変わりはない。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
上述したように、本発明によれば、最大装着可能個数の範囲内で一あるいは複数の直流−直流変換モジュールを選択して装着することができるため、個数に応じた最大容量を設定して容易に最大容量を変更することが可能になる。
【符号の説明】
【００３５】
１１０  Ｌｉ電池セル
１３０、１３２、１３４、１３６  直流−直流変換モジュール
１４０、２３４  制御部
１５０  クロック生成部
３００  低電圧バッテリ
【図１】
2014230416.tif 000003
【図２】
2014230416.tif 000004
【図３】
2014230416.tif 000005
【図４】
2014230416.tif 000006
【図５】
2014230416.tif 000007
【図６】
2014230416.tif 000008
【図７】
2014230416.tif 000009