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公開番号2020145903
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200910
出願番号2019042867
出願日20190308
発明の名称電源システム
出願人マレリ株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類H02J 7/02 20160101AFI20200814BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】複数種類の電圧系統を併用する電源システムにおいて、簡易な構成で高電圧の系統から低電圧を取り出し、且つ、高電圧の系統における電池セル間の容量のアンバランスを抑制する。
【解決手段】電源システム1は、低電圧負荷101と、低電圧負荷101よりも高い電圧で駆動される高電圧負荷102とに電力を供給可能である。電源システム1は、低電圧負荷101に電力を供給可能な第1電池10と、第1電池10の正極側に直列接続され、直列接続された第1電池10と共に高電圧負荷102に電力を供給可能な第2電池20と、第1電池10の容量と第2電池20の容量とを調整することが可能なバランス回路40と、バランス回路40を制御する制御部80と、を備える。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
低電圧負荷と、前記低電圧負荷よりも高い電圧で駆動される高電圧負荷とに電力を供給可能な電源システムであって、
前記低電圧負荷に電力を供給可能な第1電池と、
前記第1電池の正極側に直列接続され、直列接続された前記第1電池と共に前記高電圧負荷に電力を供給可能な第2電池と、
前記第1電池の容量と前記第2電池の容量とを調整することが可能なバランス回路と、
前記バランス回路を制御する制御部と、を備える電源システム。
続きを表示(約 1,400 文字)【請求項2】
請求項1に記載の電源システムにおいて、
前記バランス回路は、アクティブセルバランス回路として構成されている、電源システム。
【請求項3】
請求項1又は2に記載の電源システムにおいて、
前記第1電池は複数の電池セルを含み、
前記第2電池は複数の電池セルを含み、
前記バランス回路は、前記第1電池が含む複数の電池セルの個数と、前記第2電池が含む複数の電池セルの個数とを合わせた個数の複数のトランスを含み、
前記複数のトランスの一次コイルは、前記第2電池の正極と前記第1電池の負極との間に直列接続され、
前記複数のトランスの各二次コイルは、前記第1電池及び前記第2電池が含む前記各電池セルと並列に接続され、
前記各トランスの一次コイルと二次コイルの巻線比は1:1である、電源システム。
【請求項4】
請求項3に記載の電源システムにおいて、
前記一次コイルは、基板の一方の面にパターンで形成されたコイルであり、
前記二次コイルは、前記基板の他方の面にパターンで形成されたコイルである、電源システム。
【請求項5】
請求項1から4のいずれか一項に記載の電源システムにおいて、
前記制御部は、前記第1電池が含む複数の電池セルのうちの最も電圧が高い電池セルと、前記第2電池が含む複数の電池セルのうちの最も電圧が低い電池セルとの電圧差が所定の閾値以上であるときに、前記バランス回路を動作させる、電源システム。
【請求項6】
請求項5に記載の電源システムにおいて、
前記制御部は、前記電圧差の大きさに応じて、前記バランス回路に流す電流の大きさを制御する、電源システム。
【請求項7】
請求項1から6のいずれか一項に記載の電源システムにおいて、
前記第1電池及び前記第2電池を充電可能な発電装置をさらに備え、
前記制御部は、
前記第1電池が含む複数の電池セルのうちの最も電圧が高い電池セルと、前記第2電池が含む複数の電池セルのうちの最も電圧が低い電池セルとの電圧差が所定の閾値未満である場合は、前記発電装置による前記第1電池及び前記第2電池の充電が可能な状態であると判定し、
前記電圧差が前記所定の閾値以上である場合は、前記バランス回路を動作させる、電源システム。
【請求項8】
請求項1から7のいずれか一項に記載の電源システムにおいて、
前記低電圧負荷に電力を供給可能であり、前記第1電池と並列に接続されている第3電池をさらに備える、電源システム。
【請求項9】
請求項8に記載の電源システムにおいて、
前記第1電池が含む複数の電池セル及び前記第2電池が含む複数の電池セルは、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池であり、
前記第3電池が含む複数の電池セルは、鉛蓄電池である、電源システム。
【請求項10】
請求項9に記載の電源システムにおいて、
前記第1電池と前記第3電池との接続を制御するスイッチをさらに備え、
前記低電圧負荷は、前記スイッチの前記第3電池側に接続されており、
前記低電圧負荷とは異なる他の低電圧負荷が前記スイッチの前記第1電池側に接続されており、
前記スイッチの前記第3電池側に接続されている前記低電圧負荷は、瞬断が許されない負荷である、電源システム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電源システムに関する。
続きを表示(約 7,000 文字)【背景技術】
【0002】
従来、自動車の電源システムとして、例えば48V系と12V系を併用する電源システムのように、複数種類の電圧系統を併用する電源システムが知られている。
【0003】
このような複数種類の電圧系統を併用する電源システムにおいて、高電圧の系統(例えば48V系)と低電圧の系統(例えば12V系)とを、DC/DCコンバータで接続する構成が知られている。
【0004】
DC/DCコンバータを用いるためには、DC/DCコンバータを設置するためのスペースが必要となる。また、DC/DCコンバータを用いると、コストアップの要因となる。そのため、複数種類の電圧系統を併用する電源システムにおいて、DC/DCコンバータを用いない構成が検討されている。
【0005】
例えば、特許文献1は、36Vのバッテリの中間部分である12V及び24Vのところに端子を設けて、12Vずつの中間電圧を3つに分けて取り出せるようにした構成を開示している。特許文献1は、ヘッドランプなどに12Vの電圧を供給することを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
特開2003−95039号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献1に記載の構成は、それぞれの12Vの部分で消費される電力がほぼ均等になるように負荷を配置しているため、複雑な構成となっている。一方、構成を簡素化するために、例えば特許文献1に記載の構成において、1つの12V電源のみを用いるようにすると(例えば、特許文献1の図1の端子38と接地ラインとの間の12V電源のみを用いるようにすると)、36V電源の中で電池容量のアンバランスが生じてしまう。
【0008】
かかる観点に鑑みてなされた本発明の目的は、複数種類の電圧系統を併用する電源システムにおいて、簡易な構成で高電圧の系統から低電圧を取り出し、且つ、高電圧の系統における電池セル間の容量のアンバランスを抑制することができる電源システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記課題を解決するために、第1の観点に係る電源システムは、
低電圧負荷と、前記低電圧負荷よりも高い電圧で駆動される高電圧負荷とに電力を供給可能な電源システムであって、
前記低電圧負荷に電力を供給可能な第1電池と、
前記第1電池の正極側に直列接続され、直列接続された前記第1電池と共に前記高電圧負荷に電力を供給可能な第2電池と、
前記第1電池の容量と前記第2電池の容量とを調整することが可能なバランス回路と、
前記バランス回路を制御する制御部と、を備える。
【発明の効果】
【0010】
第1の観点に係る電源システムによれば、複数種類の電圧系統を併用する電源システムにおいて、簡易な構成で高電圧の系統から低電圧を取り出し、且つ、高電圧の系統における電池セル間の容量のアンバランスを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
一実施形態に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。
バランス回路の動作を説明するための図である。
トランスの構成の一例を示す図である。
第1変形例に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。
第2変形例に係る電源システムの構成例を示すブロック図である。
一実施形態に係る電源システムの動作の一例を示すフローチャートである。
一実施形態に係る電源システムの動作の他の例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。
【0013】
図1は、一実施形態に係る電源システム1の構成例を示すブロック図である。電源システム1は、第1電池10と、第2電池20と、第3電池30と、バランス回路40と、発電装置50と、電圧検出回路60と、スイッチ70と、制御部80とを備える。電源システム1は、低電圧負荷101及び高電圧負荷102に電力を供給することができる。
【0014】
図1に示す電源システム1、低電圧負荷101及び高電圧負荷102は、ガソリンエンジン若しくはディーゼルエンジン等の内燃機関を備えた車両、又は内燃機関と電動機との双方の動力で走行可能なハイブリッド車両等の車両に搭載されてよい。
【0015】
低電圧負荷101は、例えば、12V系で駆動される負荷である。低電圧負荷101が12V系で駆動される負荷である場合、低電圧負荷101は、例えば10〜14.5Vの範囲の電圧で動作可能である。図1においては、1つの低電圧負荷101を示しているが、電源システム1は、1以上の任意の数の低電圧負荷101に電力を供給してよい。低電圧負荷101は、例えば、車両走行時に常時稼動する負荷であってよい。
【0016】
高電圧負荷102は、低電圧負荷101よりも高い電圧で駆動される負荷であり、例えば、48V系で駆動される負荷である。高電圧負荷102が48V系で駆動される負荷である場合、高電圧負荷102は、例えば44〜48Vの範囲の電圧で動作可能である。図1においては、1つの高電圧負荷102を示しているが、電源システム1は、1以上の任意の数の高電圧負荷102に電力を供給してよい。高電圧負荷102は、低電圧負荷101よりも少ない頻度で稼動する負荷であってよい。
【0017】
第1電池10は、直列に接続された複数の電池セル11を含む。電池セル11は、二次電池であってよい。電池セル11は、例えば、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池等であるが、これらに限られず、他の二次電池であってよい。第1電池10は、発電装置50の発電電力によって充電されうる。
【0018】
第1電池10は、スイッチ70がオン状態であるとき、スイッチ70を介して低電圧負荷101に電力を供給しうる。
【0019】
第2電池20は、直列に接続された複数の電池セル21を含む。電池セル21は、二次電池であってよい。電池セル21は、例えば、リチウムイオン電池又はニッケル水素電池等であるが、これらに限られず、他の二次電池であってよい。電池セル21は、第1電池10が含む電池セル11と同じ種類の電池セルである。第2電池20は、発電装置50の発電電力によって充電されうる。
【0020】
第2電池20は、第1電池10の正極側に直列接続されている。第2電池20は、直列接続された第1電池10と共に、高電圧負荷102に電力を供給しうる。例えば、第1電池10が12Vを供給可能であり、第2電池20が36Vを供給可能であるとき、第1電池10と第2電池20とが直列接続された構成は、48Vを供給可能である。従って、第2電池20は、直列接続された第1電池10と共に、48V系の高電圧負荷102に電力を供給可能である。
【0021】
第3電池30は、直列に接続された複数の電池セル31を含む。電池セル31は、二次電池であってよい。電池セル31は、例えば、鉛蓄電池等であるが、これに限られず、他の二次電池であってよい。第3電池30は、第1電池10、第2電池20又は発電装置50によって充電されうる。
【0022】
第3電池30は、スイッチ70を介して、第1電池10と並列に接続されている。第3電池30は、低電圧負荷101に電力を供給しうる。
【0023】
バランス回路40は、第1電池10が含む各電池セル11の容量と、第2電池20が含む各電池セル21の容量とが略均一になるように、各電池セル11の容量及び各電池セル21の容量を調整する。以後、第1電池10が含む電池セル11の容量のことを単に「第1電池10の容量」と記載し、第2電池20が含む電池セル21の容量のことを単に「第2電池20の容量」と記載する場合がある。
【0024】
第1電池10が低電圧負荷101に電力を供給すると、第2電池20の容量に比べて、第1電池10の容量は小さくなる。このような場合に、バランス回路40は、第1電池10の容量と第2電池20の容量とが略均一になるように、第1電池10の容量及び第2電池20の容量を調整する。
【0025】
バランス回路40は、第2電池20が含む電池セル21の電荷を、第1電池10が含む電池セル11に移すことが可能なアクティブセルバランス回路として構成されてよい。図1に示すバランス回路40は、バランス回路40がアクティブセルバランス回路として構成されている場合の回路構成の一例である。
【0026】
バランス回路40は、複数のトランス41と、複数のダイオード42と、スイッチ43とを含む。
【0027】
トランス41の個数は、第1電池10が含む電池セル11の個数と、第2電池20が含む電池セル21の個数とを合わせた個数である。複数のトランス41の一次コイルは、直列接続されている。直列接続された一次コイルの一端は、第2電池20の正極に接続されている。直列接続された一次コイルの他端は、スイッチ43を介して、第1電池10の負極に接続されている。
【0028】
複数のトランス41の各二次コイルは、第1電池10が含む電池セル11又は第2電池20が含む電池セル21とダイオード42を介して並列に接続されている。
【0029】
トランス41の一次コイルと二次コイルの巻線比は1:1である。
【0030】
ダイオード42は、整流用のダイオードである。ダイオード42は、トランス41から電池セル11又は電池セル21に流れる電流の方向を一方向に制限する。
【0031】
スイッチ43は、直列接続された複数のトランス41の一次コイルと、第1電池10の負極との接続を切り替える。スイッチ43のオン/オフは、制御部80からの制御信号によって切り替えられる。
【0032】
スイッチ43は、制御部80から制御信号として送信される矩形波によりオン/オフが制御される。トランス41に流れる電流は、制御部80から制御信号として送信される矩形波のデューティ比に依存する。矩形波のデューティ比が大きいときは、トランス41に大きい電流が流れ、矩形波のデューティ比が小さきときは、トランス41に小さい電流が流れる。
【0033】
バランス回路40の動作の詳細な説明については、後述する。
【0034】
発電装置50は、発電した電力によって、第1電池10及び第2電池20を充電可能である。また、発電装置50は、発電した電力によって、第3電池30を充電可能である。
【0035】
発電装置50は、例えば、オルタネータ又はスタータジェネレータなどであってよい。発電装置50がスタータジェネレータである場合、スタータジェネレータは、発電をしていないときに、直列接続された第1電池10及び第2電池20によって電力を供給されうる。
【0036】
電圧検出回路60は、第1電池10が含む各電池セル11の電圧を検出する。また、電圧検出回路60は、第2電池20が含む各電池セル21の電圧を検出する。電圧検出回路60は、検出した電池セル11及び電池セル21の電圧を制御部80に出力する。
【0037】
また、図1では配線の図示を省略しているが、電圧検出回路60は、第3電池30が含む各電池セル31の電圧を検出する。電圧検出回路60は、検出した電池セル31の電圧を制御部80に出力する。
【0038】
スイッチ70は、第1電池10の正極と第3電池30の正極との接続を制御する。スイッチ70のオン/オフは、制御部80からの制御信号によって制御される。
【0039】
制御部80は、電源システム1の各構成部に通信可能に接続する。制御部80は、各構成部に対して制御指示を出力したり、各構成部から情報を取得したりしてよい。
【0040】
図1において、制御部80は電圧検出回路60とのみ接続しているが、これは可読性を高めるため接続線を省略したものである。実際は、制御部80は、スイッチ43、発電装置50及びスイッチ70とも通信可能に接続している。
【0041】
制御部80は、制御手順を規定したプログラムを実行するCPU(Central Processing Unit)等のプロセッサで構成されてよい。制御部80が車両に搭載される場合、制御部80は、車両のECU(Electric Control Unit又はEngine Control Unit)として構成されてよい。
【0042】
制御部80は、電圧検出回路60から取得した電池セル11、電池セル21及び電池セル31の電圧を、例えば予め保持しているテーブルなどに基づいて、それぞれ、電池セル11、電池セル21及び電池セル31の容量に変換してよい。
【0043】
制御部80は、第1電池10及び第3電池30の組み合わせに応じて、通常時にスイッチ70をオンにする設定としてもよいし、通常時にスイッチ70をオフにする設定としてもよい。通常時にスイッチ70をオンにする設定とするか、オフにする設定とするかは、例えば、予め制御部80に設定されていてもよいし、ユーザからの入力操作に応じて設定可能としてもよい。
【0044】
例えば、第1電池10が含む電池セル11がリン酸鉄リチウム(LFP)電池であり、第3電池30が含む電池セル31が鉛蓄電池である場合、制御部80は、通常時にスイッチ70をオンにする設定としてよい。
【0045】
第1電池10が含む電池セル11がLFP電池である場合、4つの電池セル11を直列接続することで、第3電池30が出力する12V系の電圧とほぼ同じ電圧となる。通常時にスイッチ70がオンに制御されていると、低電圧負荷101に電力を供給する際、鉛蓄電池よりも内部抵抗が小さいLFP電池を含む第1電池10の方が、第3電池30よりも多くの電流を供給する。その結果、鉛蓄電池を含む第3電池30から低電圧負荷101に流れる電流が小さくなるため、第3電池30の寿命を延ばすことができる。
【0046】
第1電池10が低電圧負荷101に電力を供給することによって、第1電池10が含む電池セル11の容量が小さくなって、第2電池20が含む電池セル21との間でアンバランスが発生した場合、制御部80は、バランス回路40を動作させて、第1電池10の容量と第2電池20の容量とが略均一になるように、第1電池10の容量及び第2電池20の容量を調整することができる。
【0047】
制御部80は、例えば、第1電池10が含む複数の電池セル11のうちの最も電圧が高い電池セル11と、第2電池20が含む複数の電池セル21のうちの最も電圧が低い電池セル21との電圧差が所定の閾値以上であるときに、バランス回路40を動作させる。
【0048】
制御部80は、第1電池10が含む複数の電池セル11のうちの最も電圧が高い電池セル11と、第2電池20が含む複数の電池セル21のうちの最も電圧が低い電池セル21との電圧差の大きさに応じて、バランス回路40に流す電流の大きさを制御してよい。
【0049】
制御部80は、上記電圧差が大きい場合はバランス回路40に流す電流を大きくし、上記電圧差が小さい場合はバランス回路40に流す電流を小さくするように、バランス回路40を制御してよい。制御部80は、スイッチ43を制御する矩形波のデューティ比を大きくすることで、バランス回路40に流す電流を大きくすることできる。制御部80は、スイッチ43を制御する矩形波のデューティ比を小さくすることで、バランス回路40に流す電流を小さくすることできる。これにより、制御部80は、第1電池10が含む電池セル11の容量と、第2電池20が含む電池セル21の容量との差が小さくなるにつれて、バランス回路40に流れる電流が小さくなるようにすることができる。
【0050】
制御部80は、例えば、上記電圧差が0.02Vのときに10Aが流れるようにバランス回路40を制御し、上記電圧差が0.06Vのときに30Aが流れるようにバランス回路40を制御してよい。
(【0051】以降は省略されています)

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