JP2021158898A - 昇降圧装置および昇降圧方法 - Google Patents

Abstract

【課題】昇降圧動作を簡便な制御で行うこと。【解決手段】実施形態に係る昇降圧装置は、複数のキャパシタと、複数のスイッチとを備える。複数のキャパシタは、第１バッテリと第１バッテリよりも定格電圧が低い第２バッテリとの間に設けられ、一端が第１バッテリに接続し、それぞれが並列して第２バッテリに接続する。複数のスイッチは、複数のキャパシタそれぞれに設けられ、隣接するキャパシタとの接続状態を切り替える。【選択図】図１

Description

本発明は、昇降圧装置および昇降圧方法に関する。

一般的に、電圧の昇降圧を行うＤＣＤＣコンバータは、電圧伝達の効率が高いなどといったメリットがあるものの、コストが高いなどといったデメリットが存在する。このため、ＤＣＤＣコンバータの機能をキャパシタとＨブリッジ回路とで代替した電源装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６−１４４３３９号公報

しかしながら、従来技術では、昇圧または降圧を行う際に、Ｈブリッジ回路に設けられた複数のスイッチング素子を適切に制御しなければならず、煩雑な制御を必要とするため、改善の余地があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、昇降圧動作を簡便な制御で行うことができる昇降圧装置および昇降圧方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、実施形態に係る昇降圧装置は、複数のキャパシタと、複数のスイッチとを備える。前記複数のキャパシタは、第１バッテリと前記第１バッテリよりも定格電圧が低い第２バッテリとの間に設けられ、一端が前記第１バッテリに接続し、それぞれが並列して前記第２バッテリに接続する。前記複数のスイッチは、前記複数の前記キャパシタそれぞれに設けられ、隣接する前記キャパシタとの接続状態を切り替える。

本発明によれば、昇降圧動作を容易な制御で行うことができる。

図１は、電源システムの構成例を示す模式図である。 図２は、キャパシタ部による昇圧動作の一例を示す図である。 図３は、キャパシタ部による昇圧動作の一例を示す図である。 図４は、キャパシタ部による降圧動作の一例を示す図である。 図５は、キャパシタ部による降圧動作の一例を示す図である。 図６は、昇圧動作時におけるキャパシタ部の模式図である。 図７は、降圧動作時におけるキャパシタ部の模式図である。 図８は、昇降圧装置が実行する処理手順を示すフローチャートである。 図９は、昇降圧装置が実行する処理手順を示すフローチャートである。

以下に、本発明にかかる昇降圧装置および昇降圧方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

まず、図１を用いて、実施形態に係る昇降圧装置を含む電源システムの構成例について説明する。図１は、電源システムの構成例を示す模式図である。なお、以下では、電源システム１００が、電気自動車等の車両に搭載される場合を例に挙げて説明する。

図１に示すように、電源システム１００は、昇降圧装置１と、エンジン１０と、ＭＧ（Motor Generator：モータジェネレータ）１１と、負荷１２と、メインバッテリ２０と、補機バッテリ４０とを備える。

エンジン１０は、車両を走行する動力発生源として機能し、エンジン１０で発生した回転エネルギーを図示しないタイヤシャフトへ伝達する。ＭＧ１１は、車両のエンジン１０の始動時や走行時にエンジン１０の駆動をアシストする電動機と、車両の減速時に発生する回生エネルギーによって発電する回転電機として機能する。

負荷１２は、補機バッテリ４０またはキャパシタＣ１〜Ｃ４それぞれから供給される電力によって動作する各種補機であり、安全系補機と、快適系補機とが含まれる。また、安全系補機は、例えば、ブレーキＥＣＵ等である。快適系補機は、例えば、Ａ／Ｖ（オーディオ／ビデオ）装置等である。

メインバッテリ２０は、例えば、ＬｉＢ（lithium-ion rechargeable battery）で構成される２次電池であり、定格電圧が４８Ｖのバッテリである。また、メインバッテリ２０は、ＭＧ１１と、ラッチリレーＲｃを介して接続し、キャパシタ部３０とはさらに第１リレーＲ１を介して接続される。

補機バッテリ４０は、例えば、鉛電池で構成される２次電池であり、定格電圧が１２Ｖのバッテリである。補機バッテリ４０は、第２リレーＲ２を介してキャパシタ部３０に接続される。より具体的には、補機バッテリ４０に対して、キャパシタＣ１〜Ｃ４が並列に接続される。なお、メインバッテリ２０は、第１バッテリの一例であり、補機バッテリ４０は、第２バッテリの一例である。

昇降圧装置１は、キャパシタ部３０と、制御ＩＣ５０とを備える。キャパシタ部３０は、メインバッテリ２０と補機バッテリ４０との間に設けられ、昇降圧を行う電力変換器として機能する。すなわち、実施形態において、キャパシタ部３０は、ＤＣＤＣコンバータの機能を代替する。

図１に示すように、キャパシタ部３０は、並列接続された複数のキャパシタＣ１〜Ｃ４と、複数のスイッチＳＷとを備える。複数のキャパシタＣ１〜Ｃ４は、隣り合うキャパシタ同士がスイッチＳＷを介して接続される。

また、図１に示すように、キャパシタＣ１〜Ｃ３にそれぞれ設置されたスイッチＳＷは、１２Ｖの第１グランドＧ１または隣り合うキャパシタＣ２〜Ｃ４の間でキャパシタＣ１〜Ｃ３それぞれの接続先を切り替えることができる。

なお、キャパシタＣ４に設置されたリレーＲは、下流側にキャパシタがないので、４８Ｖの第２グランドに接続される。また、キャパシタ部３０は、一端（キャパシタＣ１）がメインバッテリ２０に接続され、キャパシタＣ１〜Ｃ４それぞれが並列して補機バッテリ４０に接続される。

このように、キャパシタＣ１〜Ｃ４は、リレーＲによって直列接続または並列接続を切り替えることができる。以下では、キャパシタＣ１〜Ｃ４を区別する必要がない場合、単に「キャパシタＣ」と記載する場合がある。

制御ＩＣ５０は、電源システム１００全体を制御する制御装置である。なお、制御ＩＣは、制御部の一例に対応する。制御ＩＣ５０は、メインバッテリ２０、キャパシタ部３０および補機バッテリ４０の充放電に伴い、ラッチリレーＲｃ、第１リレーＲ１、第２リレーＲ２、および、キャパシタ部３０の各スイッチＳＷを制御する。

より具体的には、制御ＩＣ５０は、メインバッテリ２０および補機バッテリ４０間での充放電において、スイッチＳＷの接続先を切り替えることで、キャパシタ部３０による昇圧動作または降圧動作を制御する。以下、この点の詳細について、図２以降の図面を参照して説明する。

まず、補機バッテリ４０からメインバッテリ２０へ給電する場合について説明する。図２および図３は、キャパシタ部３０による昇圧動作の一例を示す図である。なお、以下では、電源システム１００の一部を抜粋して示す。

図２に示すように、補機バッテリ４０からメインバッテリ２０へ給電する場合、まず、第２リレーＲ２を繋ぐことで、補機バッテリ４０に対して各キャパシタＣを並列に接続する。すなわち、この場合、制御ＩＣ５０は、各スイッチＳＷを第１グランドＧ１側に接続した状態で、第２リレーＲ２を接続する。

これにより、図２に太線で示すように、補機バッテリ４０から各キャパシタＣへ給電される。なお、制御ＩＣ５０は、キャパシタ部３０から充放電される電流を電流計によって計測することで、各キャパシタ部３０の充電容量を算出することができる。

その後、制御ＩＣ５０は、補機バッテリ４０から各キャパシタＣへの給電を終えると、図３に示すように、各スイッチＳＷを対応するキャパシタＣ２〜Ｃ３または第２グランドＧ２に接続する。

これにより、図３に示すように、キャパシタＣがそれぞれ直列接続されるので、それぞれ１２ＶのキャパシタＣを４８Ｖの１つの蓄電池として動作させることができる。

かかる状態において、制御ＩＣ５０は、ラッチリレーＲｃおよび第１リレーＲ１を繋ぐことで、キャパシタＣ１〜Ｃ４から４８Ｖの電力をメインバッテリ２０へ給電することができる。

このように、昇降圧装置１では、補機バッテリ４０からメインバッテリ２０へ給電する場合、補機バッテリ４０からキャパシタＣそれぞれに対して給電した後に、キャパシタＣ１〜Ｃ４を直列接続し、キャパシタＣからメインバッテリ２０へ給電する。

次に、図４および図５を用いて、メインバッテリ２０から補機バッテリ４０へ給電する場合の動作について説明する。図４および図５は、キャパシタ部３０による降圧動作の一例を示す図である。

図４に示すように、メインバッテリ２０から補機バッテリ４０へ給電する場合、まず、スイッチＳＷによって各キャパシタＣ１〜Ｃ４を直列に接続することで、キャパシタＣ１〜Ｃ４を４８Ｖの蓄電池として機能させる。

そして、ラッチリレーＲｃおよび第１リレーＲ１を繋ぐことで、メインバッテリ２０から各キャパシタＣへの給電を開始する。メインバッテリ２０から各キャパシタＣへの給電を終えると、図５に示すように、リレーＲをそれぞれ第１グランドＧ１へ接続することで、各キャパシタＣを並列接続に組み替える。

その後、第２リレーＲ２を繋ぐことで、キャパシタＣ１〜Ｃ４それぞれから１２Ｖの電力を補機バッテリ４０へ供給することになる。

次に、図６および図７を用いて、昇圧動作および降圧動作について模式的に説明する。図６は、昇圧動作の模式図である。図７は、降圧動作の模式図である。図６に示すように、降圧動作時においては、補機バッテリ４０から各キャパシタＣ１〜Ｃ４それぞれに対して給電した後に、各キャパシタＣ１〜Ｃ４をリレーＲによって直列接続することで、４８Ｖの蓄電池とし、キャパシタＣ１〜Ｃ４からメインバッテリ２０へ給電を行う。

また、図７に示すように、降圧動作時においては、各キャパシタＣ１〜Ｃ４をリレーＲによって直列接続することで、４８Ｖの蓄電池とした状態で、メインバッテリ２０からキャパシタＣ１〜Ｃ４へ給電を行う。その後、キャパシタＣ１〜Ｃ４の接続を解除することで、キャパシタＣ１〜Ｃ４それぞれを１２Ｖの蓄電池へと組み替えた後に、キャパシタＣ１〜Ｃ４それぞれから補機バッテリ４０へ給電を行う。

このように、実施形態に係る昇降圧装置１は、各スイッチＳＷを切り替えることで、各キャパシタＣ１〜Ｃ４の並列接続および直列接続を切り替えることで、キャパシタ部３０によって昇降圧を行うことができる。

また、実施形態に係る昇降圧装置１では、キャパシタ部３０による昇降圧動作において、各スイッチＳＷを切り替えるだけでよいので、例えば、ＤＣＤＣコンバータなどを用いて昇降圧動作を行う場合に比べて、昇降圧動作の制御を簡略化することが可能となる。

また、昇降圧装置１では、補機バッテリ４０と各キャパシタＣ１〜Ｃ４との間で充放電を行う場合、各キャパシタＣ１〜Ｃ４で電位差が生じないように、各キャパシタＣ１〜Ｃ４の充電容量は均等化されることになる。すなわち、昇降圧装置１は、各キャパシタＣ１〜Ｃ４の蓄電容量を平均化することで、各キャパシタＣ１〜Ｃ４の電池寿命の偏りを抑えることができる。

次に、図８および図９を用いて、制御ＩＣ５０が実行する処理手順について説明する。図８および図９は、制御ＩＣ５０が実行する処理手順を示すフローチャートである。まず、図８を用いて、補機バッテリ４０からメインバッテリ２０へ給電際の昇圧時に処理手順について説明する。

図８に示すように、制御ＩＣ５０は、メインバッテリ２０の電池電圧が閾値以下かを判定し（ステップＳ１０１）、メインバッテリ２０の電池電圧が閾値以下であった場合（ステップＳ１０１，Ｙｅｓ）、補機バッテリ４０の電池電圧は閾値以上か否かを判定する（ステップＳ１０２）。

すなわち、ステップＳ１０１の判定では、メインバッテリ２０に対する充電の要否を判定し、ステップＳ１０２の判定では、補機バッテリ４０からメインバッテリ２０へ給電か否かを判定する。

制御ＩＣ５０は、ステップＳ１０２の判定において、補機バッテリ４０の電池電圧が閾値以上であった場合（ステップＳ１０２，Ｙｅｓ）、キャパシタＣ１〜Ｃ４を並列に接続する（ステップＳ１０３）。すなわち、ステップＳ１０３は、各キャパシタＣ１〜Ｃ４のスイッチＳＷによる接続を解除する。

その後、制御ＩＣ５０は、補機バッテリ４０からキャパシタＣ１〜Ｃ４へ給電を行うと（ステップＳ１０４）、スイッチＳＷによってキャパシタＣ１〜Ｃ４を直列に組み替える（ステップＳ１０５）。

そして、制御ＩＣ５０は、直列接続のキャパシタＣ１〜Ｃ４からメインバッテリ２０へ給電し（ステップＳ１０６）、処理を終了する。また、制御ＩＣ５０は、ステップＳ１０１の判定において、メインバッテリ２０の電池電圧が閾値を超える場合、または、ステップＳ１０２の判定において、補機バッテリ４０の電池電圧が閾値未満である場合（ステップＳ１０１／Ｓ１０２，Ｎｏ）、昇圧動作を行わず（ステップＳ１０７）、処理を終了する。

次に、図９を用いて、降圧時における制御ＩＣ５０の処理手順について説明する。図９に示すように、制御ＩＣ５０は、補機バッテリ４０の電池電圧が閾値以下か否かを判定し（ステップＳ１１１）、電池電圧が閾値以下である場合（ステップＳ１１１、Ｙｅｓ）、メインバッテリ２０の電池電圧が閾値以上か否かを判定する（ステップＳ１１２）。

制御ＩＣ５０は、ステップＳ１１２の判定において、メインバッテリ２０の電池電圧が閾値以上であった場合（ステップＳ１１２，Ｙｅｓ）、スイッチＳＷによってキャパシタＣ１〜Ｃ４を直列に接続する（ステップＳ１１３）。

続いて、制御ＩＣ５０は、メインバッテリ２０から直列接続されたキャパシタＣ１〜Ｃ４へ給電し（ステップＳ１１４）、スイッチＳＷによってキャパシタＣ１〜Ｃ４を並列に組み替える（ステップＳ１１５）。

その後、制御ＩＣ５０は、キャパシタＣ１〜Ｃ４から補機バッテリ４０へ給電させて（ステップＳ１１６）、処理を終了する。また、制御ＩＣ５０は、ステップＳ１１１の判定において、補機バッテリ４０の電池電圧が閾値を超える場合、または、ステップＳ１１２の判定において、メインバッテリ２０の電池電圧が閾値未満である場合（ステップＳ１１１／Ｓ１１２，Ｎｏ）、降圧動作を行わず（ステップＳ１１７）、処理を終了する。

上述したように、実施形態に係る昇降圧装置１は、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ４と、複数のスイッチＳＷとを備える。複数のキャパシタＣ１〜Ｃ４は、メインバッテリ２０（第１バッテリの一例）とメインバッテリよりも定格電圧が低い補機バッテリ４０（第２バッテリ）との間に設けられ、一端がメインバッテリ２０に接続し、それぞれが並列して補機バッテリ４０に接続する。

複数のスイッチＳＷは、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ４それぞれに設けられ、隣接するキャパシタＣ２〜Ｃ４との接続状態を切り替える。したがって、実施形態に係る昇降圧装置１によれば、昇降圧動作を容易な制御で行うことができる。

ところで、上述した実施形態では、メインバッテリ２０および補機バッテリ４０との間で充放電を行う場合に、キャパシタ部３０を介在させて昇降圧を行う場合について説明したが、これに限定されるものではない。

すなわち、例えば、ＭＧ１１などの外部電源から供給される電力を直接キャパシタ部３０へ給電しておき、キャパシタ部３０からメインバッテリ２０または補機バッテリ４０へ給電することにしてもよい。また、キャパシタ部３０からメインバッテリ２０や補機バッテリ４０を介さずに、ＭＧ１１や負荷１２へ直接給電することにしてもよい。

特に、電圧変動が大きい場合に、メインバッテリ２０または補機バッテリ４０と、ＭＧ１１または負荷１２との間で直接充放電を行うと、メインバッテリ２０または補機バッテリ４０の劣化を早めることになる。

これに対して、キャパシタ部３０とＭＧ１１または負荷１２との間で直接充放電を行うことで、メインバッテリ２０または補機バッテリ４０の劣化を抑制することが可能となる。

なお、電圧変動が大きい場合として、ＭＧ１１によるエンジン１０の始動時や、車両の減速に伴うＭＧ１１の発電時、電動パワーステアリングの動作時、急ブレーキによるＡＢＳ（Anti-lock Braking System）の作動時などが挙げられる。

また、キャパシタ部３０とＭＧ１１との間で充放電を行う場合、スイッチＳＷによってキャパシタＣ１〜Ｃ４を直列に接続し、キャパシタ部３０と負荷１２との間で充放電を行う場合、スイッチＳＷを切り離してキャパシタＣ１〜Ｃ４を並列に接続しておくことが好ましい。

また、上述した実施形態では、昇降圧装置１が車両に搭載された電源システム１００に搭載される場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、定格電圧が異なる複数の２次電池によって構成されるその他のシステムに本願発明を適用することも可能である。

また、上述した実施形態では、メインバッテリ２０が４８Ｖであり、補機バッテリ４０が１２Ｖであるため、キャパシタ部３０にそれぞれが１２Ｖの４つのキャパシタＣ１〜Ｃ４を設ける場合について説明したが、これに限定されるものではない。

すなわち、各キャパシタの数および定格電圧は、第１バッテリと、第２バッテリとの定格電圧によって任意に変更することにしてもよい。また、キャパシタ部３０は、ＤＣＤＣコンバータの代替として動作させることが可能である。

キャパシタ部３０は、第１バッテリと、第２バッテリとの間に必ずしも設けられる必要はなく、従来ＤＣＤＣコンバータが設定される位置にＤＣＤＣコンバータに代えて設けることにしてもよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 昇降圧装置
１０ エンジン
１２ 負荷
２０ メインバッテリ（第１バッテリの一例）
３０ キャパシタ部
４０ 補機バッテリ（第２バッテリの一例）
５０ 制御ＩＣ（制御部の一例）
Ｃ、Ｃ１〜Ｃ４ キャパシタ
Ｇ１ 第１グランド
Ｇ２ 第２グランド
Ｒ１ 第１リレー
Ｒ２ 第２リレー
Ｒｃ ラッチリレー
ＳＷ スイッチ

Claims (6)

1. 第１バッテリと前記第１バッテリよりも定格電圧が低い第２バッテリとの間に設けられ、一端が前記第１バッテリと接続し、それぞれが並列に前記第２バッテリと接続する複数のキャパシタと、
   前記複数のキャパシタそれぞれに設けられ、隣接する前記キャパシタとの接続状態を切り替える複数のスイッチと
   を備えることを特徴とする昇降圧装置。
2. 前記スイッチは、
   隣接する前記キャパシタと、前記第２バッテリの定格電圧に応じたグランドとの間で前記接続状態を切り替えること
   を特徴とする請求項１に記載の昇降圧装置。
3. 前記第１バッテリおよび前記第２バッテリの間での充放電時に前記スイッチを制御する制御部
   を備える、請求項１または２に記載の昇降圧装置。
4. 前記制御部は、
   前記第１バッテリから前記第２バッテリへ給電する場合、前記スイッチによって隣接する前記キャパシタ同士を繋いだ状態で、前記第１バッテリから前記キャパシタへ給電した後に、前記スイッチによって前記キャパシタ同士を切り離した状態で、前記キャパシタから前記第２バッテリへ給電すること
   を特徴とする請求項３に記載の昇降圧装置。
5. 前記制御部は、
   前記第２バッテリから前記第１バッテリへ給電する場合、前記スイッチによって前記キャパシタ同士を切り離した状態で、前記第２バッテリから前記キャパシタへ給電した後に、前記スイッチによって前記キャパシタ同士を繋いだ状態で、前記キャパシタから前記第１バッテリへ給電すること
   を特徴とする請求項３または４に記載の昇降圧装置。
6. 第１バッテリと前記第１バッテリよりも定格電圧が低い第２バッテリとの間に設けられ、一端が前記第１バッテリに接続し、それぞれが並列して前記第２バッテリに接続する複数のキャパシタと、
   前記複数のキャパシタそれぞれに設けられ、隣接する前記キャパシタとの接続状態を切り替える複数のスイッチと
   を用い、
   前記第１バッテリおよび前記第２バッテリの間での充放電時に前記スイッチを制御する制御工程
   を含む昇降圧方法。

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