JP2013055853A - 電動車両の電源制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車載される複数の蓄電装置からの電力供給開始時に流れる突入電流を抑制でき、かつ、当該複数の蓄電装置に蓄えられた電力を有効活用することができる電動車両の電源制御装置を提供する。
【解決手段】電動車両５の電源制御装置は、蓄電装置１００と、蓄電装置１５０と、蓄電装置１００と電力線ＨＰＬとの間で双方向の直流電圧変換を実行するためのコンバータ１１０と、蓄電装置１５０と電力線ＨＰＬとの間に接続されたリレーＲＬ１と、蓄電装置１５０と接地線ＮＬ１との間に接続されたリレーＲＬ２と、電動機ＭＧ１、ＭＧ２の動作状態に応じて、リレーＲＬ１，ＲＬ２のオンオフを制御する制御装置３００とを備える。制御装置３００は、リレーＲＬ２をオンすると、コンバータ１１０の直流電圧変換によって、蓄電装置１５０の出力電圧に対する電力線ＨＰＬの電圧の偏差を所定のしきい値まで低下させた後にリレーＲＬ１をオンする。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動車両の電源制御装置に関し、より特定的には、複数の蓄電装置を搭載した電動車両の電源制御装置に関する。

電動車両に適用される電源制御装置として、たとえば特開２００７−２０９１１４号公報（特許文献１）には、高電圧の走行用バッテリと、走行用バッテリより低電圧で充放電される補機バッテリと、走行用バッテリからの電圧が開閉スイッチを介して入力されるインバータ回路と、走行用バッテリとインバータ回路との間に並列に設けられた平滑コンデンサと、補機バッテリの出力電圧を昇圧してインバータ回路の入力電圧とするＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた構成が開示される。

この特許文献１では、走行用バッテリからインバータ回路への通電を開始する前に、ＤＣ／ＤＣコンバータからの出力電圧を制御して平滑コンデンサをプリチャージする。そして、平滑コンデンサのプリチャージ後に開閉スイッチを閉じることにより、走行用バッテリとインバータ回路とを電気的に接続する。

特開２００７−２０９１１４号公報 特開２００７−３１８８７８号公報 特開２００６−１２１８７４号公報

上記の特許文献１では、平滑コンデンサのプリチャージ後に開閉スイッチを閉じることにより、開閉スイッチの接点の損傷を防止している。しかしながら、特許文献１の構成では、開閉スイッチを閉じた後は、インバータ回路の直流側電圧は、走行用バッテリの出力電圧に固定される。したがって、インバータ回路の直流側電圧を可変制御することができない。さらに、インバータ回路に常時接続される走行用バッテリのみを使用して走行用モータから駆動力を発生させる構成となっているため、電動車両の航続距離が制限されてしまう問題がある。

電動車両の航続距離を拡大するための１つの解決策は、インバータ回路に対して複数の走行用バッテリを並列接続して、複数の走行用バッテリを使用することである。しかしながら、この構成において、インバータ回路の直流側電圧を可変制御するためには、各走行用バッテリに対応付けてコンバータを設けることが必要となり、電力損失を増大させるとともに、電源システムの大型化およびコスト上昇を招いてしまう。したがって、コンバータによる直流電圧の可変制御機能を確保しつつ、複数の走行用バッテリを有効に活用するための仕組みを簡素かつ効率的に構築する必要がある。

さらに、この構成においては、複数の走行用バッテリの各々からインバータ回路への電力供給開始時に流れる突入電流を抑制する必要がある。

それゆえ、この発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、車載される複数の蓄電装置からの電力供給開始時に流れる突入電流を抑制でき、かつ、当該複数の蓄電装置に蓄えられた電力を有効活用することができる電動車両の電源制御装置を提供することである。

この発明のある局面では、車両駆動力を発生するための電動機を搭載した電動車両の電源制御装置は、第１の蓄電装置と、第２の蓄電装置と、電動機に対して入出力される電力を伝達するための電力線と、第１の蓄電装置と電力線との間で双方向の直流電圧変換を実行するためのコンバータと、第２の蓄電装置と電力線との間に接続された第１の開閉器と、第２の蓄電装置と接地線との間に接続された第２の開閉器と、電動機の動作状態に応じて、第１および第２の開閉器のオンオフを制御する制御装置とを備える。制御装置は、第２の開閉器をオンすると、コンバータの直流電圧変換によって、第２の蓄電装置の出力電圧に対する電力線の電圧の偏差を所定のしきい値まで低下させた後に第１の開閉器をオンする。

好ましくは、制御装置は、電動機の動作状態に応じて電力線の電圧指令値を設定する設定手段と、第２の蓄電装置の出力電圧と電圧指令値との比較結果に応じて、第１および第２の開閉器のオンオフを制御する開閉制御手段とを含む。

好ましくは、設定手段は、電動機の動作状態に応じて電力線の必要最低電圧を算出するとともに、必要最低電圧以上の範囲で電圧指令値を設定する。開閉制御手段は、第２の蓄電装置の出力電圧が電圧指令値以上となるときには第１および第２の開閉器をオンする一方で、第２の蓄電装置の出力電圧が電圧指令値よりも低いときには第１および第２の開閉器をオフする。

好ましくは、制御装置は、電力線の電圧が、第２の蓄電装置の出力電圧および所定のしきい値により規定される許容範囲内となるように、コンバータの直流電圧変換を制御する電圧変換制御手段をさらに含む。開閉制御手段は、電圧変換制御手段により電力線の電圧が許容範囲内となったときに、第１および第２の開閉器をオンする。

好ましくは、第１の蓄電装置の出力電圧の定格値は、第２の蓄電装置の出力電圧の定格値よりも低い。

この発明によれば、複数の蓄電装置を搭載した電動車両において、各蓄電装置からの電力供給開始時における突入電流を抑制しつつ、複数の蓄電装置に蓄えられた電力を有効活用することができる。

本発明の実施の形態に従う電源制御装置を搭載した電動車両の概略構成図である。 システム電圧とモータジェネレータの動作可能領域との関係を示す概念図である。 本発明の実施の形態による電源制御装置の制御処理の一例を説明するフローチャートである。 制御装置におけるリレーおよびコンバータの制御処理を説明するためのタイミングチャートである。 制御装置におけるリレーおよびコンバータの制御を実現するための制御ブロックの構成例を説明する図である。 制御装置におけるリレーおよびコンバータの制御を実現するための制御処理手順を示したフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明が繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に従う電源制御装置を搭載した電動車両５の概略構成図である。

図１を参照して、電動車両５は、代表的にハイブリッド車両であり、内燃機関（エンジン）２２０と電動機（ＭＧ：Motor Generator）とを搭載し、それぞれからの駆動力を最適な比率に制御して走行する。電動車両５は、このモータジェネレータに電力を供給するための複数（たとえば２個）の蓄電装置を搭載する。これらの蓄電装置は、電動車両５のシステム起動状態において、エンジン２２０の作動により生じる動力を受けて充電可能であるとともに、電動車両５のシステム停止中において、図示しない接続部を介して車両外部の電源と電気的に接続されて充電可能である。

なお、本実施の形態においては、電動車両５が２つのモータジェネレータおよびそれに対応するインバータを備える例について説明するが、１つのモータジェネレータおよびインバータを備える場合でも、３つ以上のモータジェネレータおよびインバータを備える場合でも本発明を適用可能である。

電動車両５は、負荷１０と、電源システム２０と、制御装置３００とを備える。負荷１０は、インバータ１２０と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、動力分割機構２５０と、エンジン２２０と、駆動輪２６０とを含む。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータと中性点でＹ結線された三相コイルを有するステータとを備える永久磁石型同期電動機である。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の出力トルクは、動力分割機構２５０を介して駆動輪２６０に伝達されて、電動車両５を走行させる。モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、電動車両５の回生制動時には、駆動輪２６０の回転力によって発電することができる。そして、その発電電力は、コンバータ１１０およびインバータ１２０によって蓄電装置１００および／または１５０の充電電力に変換される。

また、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、動力分割機構２５０を介してエンジン２２０とも結合される。そして、制御装置３００により、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２およびエンジン２２０が協働的に運転されて必要な車両駆動力が発生される。さらに、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、エンジン２２０の回転により発電が可能であり、この発電電力を用いて蓄電装置１００および／または１５０を充電することができる。なお、本実施の形態においては、モータジェネレータＭＧ２を主として駆動輪２６０を駆動するための電動機として用い、モータジェネレータＭＧ１を主としてエンジン２２０により駆動される発電機として用いるものとする。すなわち、モータジェネレータＭＧ２は、車両駆動力を発生するための「電動機」に対応する。

動力分割機構２５０は、エンジン２２０の動力を、駆動輪２６０とモータジェネレータＭＧ１とに振り分けるために、遊星歯車機構（プラネタリギヤ）を含んで構成される。

電流センサ２３０，２４０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２にそれぞれ流れるモータ電流（すなわち、インバータ出力電流）ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２をそれぞれ検出し、その検出したモータ電流を制御装置３００へ出力する。なお、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの瞬時値の和は零であるので、電流センサ２３０，２４０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相のうちの２相分のモータ電流（たとえば、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗ）を検出するように配置すれば足りる。

回転角センサ（たとえば、レゾルバ）２７０，２８０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転角θ１，θ２をそれぞれ検出し、その検出した回転角θ１，θ２を制御装置３００へ送出する。制御装置３００では、回転角θ１，θ２に基づきモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転速度および角速度が算出できる。なお、回転角センサ２７０，２８０については、回転角θ１，θ２を制御装置３００にてモータ電圧や電流から直接演算することによって、配置を省略してもよい。

インバータ１２０は、電源ラインＨＰＬおよび接地ラインＮＬ１間の直流電力と、モータジェネレータＭＧ１およびＭＧ２に入出力される交流電力との間で双方向の電力変換を実行する。すなわち、電源ラインＨＰＬは、モータジェネレータＭＧ１およびＭＧ２に対して入出力される電力を伝達するための「電力線」に対応する。

インバータ１２０は、図示は省略するが、モータジェネレータＭＧ１を駆動するための第１インバータと、モータジェネレータＭＧ２を駆動するための第２インバータとを含む。主として、第１インバータは、制御装置３００からの制御信号ＰＷＩに応じて、エンジン２２０の出力によってモータジェネレータＭＧ１が発生する交流電力を直流電力に変換し、電源ラインＨＰＬおよび接地ラインＮＬ１へ供給する。このとき、コンバータ１１０は、降圧回路として動作するように制御装置３００によって制御される。これにより、車両走行中も、エンジン２２０の出力によって蓄電装置１００および／または蓄電装置１５０を能動的に充電できる。

また、第１インバータは、エンジン２２０の始動時には、制御装置３００からの制御信号ＰＷＩに応じて、蓄電装置１００および蓄電装置１５０からの直流電力を交流電力に変換して、モータジェネレータＭＧ１へ供給する。これにより、エンジン２２０は、モータジェネレータＭＧ１をスタータとして始動することができる。

第２インバータは、制御装置３００からの制御信号ＰＷＩに応じて、電源ラインＨＰＬおよび接地ラインＮＬ１を介して供給される直流電力を交流電力に変換して、モータジェネレータＭＧ２へ供給する。これにより、モータジェネレータＭＧ２は、電動車両５の駆動力を発生する。

一方、電動車両５の回生制動時には、モータジェネレータＭＧ２は、駆動輪２６０の減速に伴なって交流電力を発電する。このとき、第２インバータは、制御装置３００からの制御信号ＰＷＩに応じて、モータジェネレータＭＧ２が発生する交流電力を直流電力に変換し、電源ラインＨＰＬおよび接地ラインＮＬ１へ供給する。これにより、減速時や降坂走行時に蓄電装置１００および／または蓄電装置１５０が充電される。

電源システム２０は、「第１の蓄電装置」に対応する蓄電装置１００と、「第２の蓄電装置」に対応する蓄電装置１５０と、システムメインリレー１９０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０と、リレーＲＬ１，Ｒ２と、コンバータ１１０と、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２とを含む。

蓄電装置１００，１５０は、再充電可能な電力貯蔵要素であり、代表的には、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池が適用される。したがって、以下では、蓄電装置１００および蓄電装置１５０を、それぞれバッテリ１００およびバッテリ１５０とも称する。ただし、電気二重層キャパシタなどの電池以外の電力貯蔵要素、あるいは電池以外の電力貯蔵要素とバッテリとの組合せによって、蓄電装置１００，１５０を構成してもよい。

また、蓄電装置１００および１５０は、同一種類の蓄電装置によって構成されてもよく、異なる種類の蓄電装置によって構成されてもよい。

バッテリ１００および１５０の各々は、直列接続された複数の電池セルによって構成される。すなわち、バッテリ１００および１５０のそれぞれの出力電圧の定格値は、直列接続される電池セルの個数に依存する。

バッテリ１５０には、バッテリ電圧ＶＢ２を検出するための電圧センサ１５５が設けられる。電圧センサ１５５による検出値は、制御装置３００へ伝達される。

システムメインリレー１９０は、リレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３および抵抗Ｒ１を含む。リレーＳＭＲ１，ＳＭＲ３は、電源ラインＰＬ１および接地ラインＮＬ１にそれぞれ介挿される。リレーＳＭＲ２は、リレーＳＭＲ１に対して並列に、かつ抵抗Ｒ１に対して直列に接続される。すなわち、リレーＳＭＲ２と抵抗Ｒ１とが直列に接続された回路が、リレーＳＭＲ１に対して並列に接続される。リレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３は、制御装置３００から与えられるリレー制御信号ＳＥ１〜ＳＥ３に応じてオン（閉成）／オフ（開放）が制御される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、蓄電装置１００とコンバータ１１０との間において、コンバータ１１０と並列に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０は、直流電圧を降圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１３０から出力される電力は、図示しない補機バッテリに充電される。なお、補機バッテリに充電された電力は、空調装置の電動コンプレッサ等の補機負荷および制御装置３００に供給される。

リレーＲＬ１は、電源ラインＨＰＬと蓄電装置１５０の正極端子との間に接続される。リレーＲＬ２は、蓄電装置１５０の負極端子と接地ラインＮＬ１との間に接続される。リレーＲＬ１，ＲＬ２は、制御装置３００から与えられるリレー制御信号ＳＲ１，ＳＲ２に応じてオン（閉成）／オフ（開放）が制御される。リレーＲＬ１は、蓄電装置１５０と電源ラインＨＰＬとの電気的接続を遮断可能な「第１の開閉器」の代表例として用いられる。リレーＲＬ２は、蓄電装置１５０と接地ラインＮＬ１との電気的接続を遮断可能な「第２の開閉器」の代表例として用いられる。すなわち、任意の形式の開閉器をリレーＲＬ１，ＲＬ２に代えて適用することができる。

コンバータ１１０は、蓄電装置１００とインバータ１２０の直流リンク電圧を伝達する電源ラインＨＰＬとの間で、双方向の直流電圧変換を実行するように構成される。すなわち、蓄電装置１００の入出力電圧と、電源ラインＨＰＬおよび接地ラインＮＬ１間の直流電圧とは、双方向に昇圧または降圧される。

具体的には、コンバータ１１０は、一方端が電源ラインＰＬ１に接続されるリアクトルＬ１と、電源ラインＨＰＬおよび接地ラインＮＬ１の間に直列に接続されるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。スイッチング素子は、代表的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、もしくはＧＴＯ（Gate Turn Off Thyristor）などが用いられる。なお、本実施の形態においては、スイッチング素子としてＩＧＢＴを使用した場合を例として説明する。

リアクトルＬ１の他方端はスイッチング素子Ｑ１のエミッタおよびスイッチング素子Ｑ２のコレクタに接続される。ダイオードＤ１のカソードはスイッチング素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードはスイッチング素子Ｑ１のエミッタと接続される。ダイオードＤ２のカソードはスイッチング素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードはスイッチング素子Ｑ２のエミッタと接続される。

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、制御装置３００からの制御信号ＰＷＣによってオンまたはオフに制御される。

平滑コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１および接地ラインＮＬ１の間に接続され、電源ラインＰＬ１および接地ラインＮＬ１間の電圧変動を減少させる。電圧センサ１７０は、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧ＶＬを検出して制御装置３００に対して出力する。コンバータ１１０は、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧を昇圧する。

平滑コンデンサＣ２は、電源ラインＨＰＬおよび接地ラインＮＬ１の間に接続され、電源ラインＨＰＬおよび接地ラインＮＬ１間の電圧変動を減少させる。すなわち、平滑コンデンサＣ２は、コンバータ１１０によって昇圧された電圧を平滑化する。電圧センサ１８０は、平滑コンデンサＣ２の端子間電圧ＶＨを検出して制御装置３００に対して出力する。以下では、平滑コンデンサＣ２の端子間電圧ＶＨ（すなわち、インバータ１２０の直流側電圧）を「システム電圧ＶＨ」とも称する。

制御装置３００は、いずれも図示しないがＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および入出力バッファを含み、コンバータ１１０およびインバータ１２０を制御する。なお、これらの制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で構築して処理することも可能である。

制御装置３００は、電流センサ２３０，２４０によって検出されたモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のそれぞれに流れるモータ電流ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２の検出値を受ける。制御装置３００は、回転角センサ２７０，２８０によって検出されたモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転角θ１，θ２の検出値を受ける。また、制御装置３００は、電圧センサ１７０，１８０によって検出された平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の両端の電圧ＶＬ，ＶＨの検出値を受ける。さらに、制御装置３００は、図示しないイグニッションスイッチのオン／オフ状態を示すイグニッション信号ＩＧを受ける。

制御装置３００は、平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の両端の電圧ＶＬ，ＶＨに基づいて、コンバータ１１０の制御信号ＰＷＣを生成する。そして、制御装置３００は、制御信号ＰＷＣによりコンバータ１１０のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を駆動することによって、コンバータ１１０に昇圧動作または降圧動作を行なわせる。

また、制御装置３００は、電流センサ２３０，２４０によって検出されたモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のそれぞれに流れるモータ電流ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２、および回転角センサ２７０，２８０によって検出されたモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転角θ１，θ２に基づいて、インバータ１２０を駆動するための制御信号ＰＷＩを生成する。そして、制御装置３００は、制御信号ＰＷＩによりインバータ１２０のスイッチング素子を駆動することによって、コンバータ１１０から供給された直流電力を、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動するための交流電力に変換する。

制御装置３００は、イグニッション信号ＩＧに基づいてリレー制御信号ＳＥ１〜ＳＥ３を生成する。そして、制御装置３００は、リレー制御信号ＳＥ１〜ＳＥ３によりシステムメインリレー１９０のリレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３のオンオフを制御する。具体的には、運転者がイグニッションスイッチをオンすることによりイグニッション信号ＩＧがオフ状態からオン状態に切替わると、制御装置３００は、まず、リレーＳＭＲ１をオフ状態のまま、リレーＳＭＲ２，ＳＭＲ３をオンする。このとき、抵抗Ｒ１により一部の電流が消費されて、平滑コンデンサＣ１に流れ込む電流を小さくできるので、平滑コンデンサＣ１への突入電流を防止することができる。その後、平滑コンデンサＣ１のプリチャージが完了すると、リレーＳＭＲ１がオンされ、それに引き続いてリレーＳＭＲ２がオフされる。

制御装置３００は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作状態および各センサの検出値に基づいて、リレー制御信号ＳＲ１，ＳＲ２を生成する。そして、制御装置３００は、リレー制御信号ＳＲ１，ＳＲ２によりリレーＲＬ１，ＲＬ２のオンオフを制御する。

なお、本実施の形態に示される各リレーは、代表的には、通電時に接点間を接続することによってオン（閉成）される一方で、非通電時には接点間を非接続とすることによってオフ（開放）される電磁リレーによって構成される。ただし、閉成（オン）および開放(オフ）を制御可能な構成であれば、半導体リレーを始めとして、任意の開閉器を適用することができる。

このように、本発明の実施の形態による電源システム２０は、複数の蓄電装置１００および１５０を含んで構成される。そして、蓄電装置１５０は、コンバータ１１０を介することなく、直接、電源ラインＨＰＬに対して電気的に接続される。したがって、リレーＲＬ１，ＲＬ２のオン時には、システム電圧ＶＨをバッテリ電圧ＶＢ２によりも高くすることができない。

一方、蓄電装置１００は、コンバータ１１０を介して電源ラインＨＰＬに接続される。したがって、バッテリ電圧ＶＢ１がシステム電圧ＶＨよりも低い状態でも、蓄電装置１００から電源ラインＨＰＬへ電力を供給できるとともに、電源ラインＨＰＬの電力によって蓄電装置１００を充電することができる。

このため、蓄電装置１００の出力電圧の定格値は、蓄電装置１５０の出力電圧の定格値よりも低くすることが好ましい。このようにすると、蓄電装置１００での直列接続される電池セル数を少なくしても、蓄電装置１００および１５０を並列に使用することができる。

次に、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作状態と、システム電圧ＶＨとの関係について詳細に説明する。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を円滑に駆動するためには、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作点、具体的には、回転数およびトルクに応じて、システム電圧ＶＨを適切に設定する必要がある。第１に、インバータ１２０における電力変換の変調率には一定の限界があるため、システム電圧ＶＨに対して、出力可能な上限トルクが存在する。

図２は、システム電圧とモータジェネレータの動作可能領域との関係を示す概念図である。

図２を参照して、モータジェネレータの動作可能領域および動作点は、回転数およびトルクの組合せによって示される。最大出力線２００は、システム電圧ＶＨ＝Ｖｍａｘ（上限電圧）であるときの動作可能領域の限界を示すものである。最大出力線２００は、トルクＴ＜Ｔｍａｘ（最大トルク）かつ回転数Ｎ＜Ｎｍａｘ（最高回転数）であっても、出力電力に相当するＴ×Ｎによって制限される部分を有する。システム電圧ＶＨが低下すると、動作可能領域は狭くなっていく。

たとえば、動作点Ｐ１は、システム電圧ＶＨ＝Ｖａで実現可能である。この状態から、ユーザのアクセル操作によって、電動車両５が加速する場合には、車両駆動力の要求値が高くなる。これにより、モータジェネレータＭＧ２の出力トルクが増加するので、動作点はＰ２に変化する。しかしながら、動作点Ｐ２には、システム電圧ＶＨをＶｂ（Ｖｂ＞Ｖａ）に上昇させなければ対応することができない。

図２に示した、システム電圧ＶＨと動作領域の限界線との関係に基づいて、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各動作点（回転数、トルク）における、システム電圧ＶＨの下限値（必要最低電圧ＶＨｍｉｎ）を求めることができる。

また、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２には、回転数に応じた誘起電圧が発生する。この誘起電圧がシステム電圧ＶＨよりも高くなると、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の電流を制御できなくなる。したがって、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転数が高くなる電動車両５の高速走行時には、システム電圧ＶＨの必要最低電圧ＶＨｍｉｎが上昇する。

これらの観点から、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作点に対応させて、当該動作点に従った出力を確保するための必要最低電圧ＶＨｍｉｎを予め算出可能であることが理解される。

図３は、本発明の実施の形態による電源制御装置の制御処理の一例を説明するフローチャートである。図３を始めとして、以下に示すフローチャートの各ステップの処理は、制御装置３００によるソフトウェア処理またはハードウェア処理によって実行される。また、以下に示すフローチャートの各々による一連の制御処理は、制御装置３００によって所定の制御周期毎に実行される。

図３を参照して、制御装置３００は、ステップＳ０１において、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作状態より、上述の必要電圧マップを用いて必要最低電圧ＶＨｍｉｎを算出する。さらに、制御装置３００は、必要最低電圧ＶＨｍｉｎを考慮して電圧指令値ＶＨ＊を設定する。電圧指令値ＶＨ＊は、必要最低電圧ＶＨｍｉｎ以上となるように設定される。たとえば、ＶＨ＞ＶＨｍｉｎのときよりも、電源システム２０および負荷１０での損失が最小となる電圧が存在するときには、燃費優先の観点から、電圧指令値ＶＨ＊を当該電圧に設定することが好ましい。一方、蓄電装置１５０を積極的に使用したい場合には、電圧指令値ＶＨ＊が低いほうが好ましいので、電圧指令値ＶＨ＊＝ＶＨｍｉｎに設定してもよい。

このように、電圧指令値ＶＨ＊は、必要最低電圧ＶＨｍｉｎを考慮したうえで、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作点に対応して算出できる。このため、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作点に対応させて、当該動作点に従った電圧指令値ＶＨ＊を算出するためのマップ（電圧指令値マップ）を予め作成することができる。電圧指令値マップは、制御装置３００の図示しないメモリに記憶される。このように、本実施の形態による電動車両では、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を円滑かつ効率的に駆動するために、システム電圧ＶＨを可変制御している。すなわち、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２へ印加される電圧振幅（パルス電圧振幅）が、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作状態（回転数およびトルク）に応じて可変制御される。

制御装置３００は、ステップＳ０２では、図１に示した電圧センサ１５５の検出値に基づいて、バッテリ情報を読み込む。バッテリ情報には、バッテリ電圧ＶＢ２が少なくとも含まれる。

制御装置３００は、ステップＳ０３により、バッテリ電圧ＶＢ２と、ステップＳ０１で設定された電圧指令値ＶＨ＊とを比較する。バッテリ電圧ＶＢ２が電圧指令値ＶＨ＊以上となるとき（ステップＳ０３のＹＥＳ判定時）には、制御装置３００は、ステップＳ０４に処理を進めて、リレーＲＬ１，ＲＬ２をオンする。これにより、蓄電装置１５０が電源ラインＨＰＬに接続される。

コンバータ１１０は、システム電圧ＶＨを電圧指令値ＶＨ＊に一致させるように、蓄電装置１００の充放電を制御する。これにより、蓄電装置１００，１５０を並列に用いて、負荷１０に対する充放電を制御することができる。この状態で電動車両５が回生制動を行なうと、蓄電装置１００，１５０を並列に充電することができる。

一方、バッテリ電圧ＶＢ２が電圧指令値ＶＨ＊を下回るとき（ステップＳ０３のＮＯ判定時）には、制御装置３００は、ステップＳ０５に処理を進めて、リレーＲＬ１，ＲＬ２をオフする。これにより、蓄電装置１５０は電源ラインＨＰＬから切り離される。上述のように、電圧指令値ＶＨ＊≧ＶＨｍｉｎであるから、少なくとも、ＶＢ２＜ＶＨｍｉｎのときにはリレーＲＬ１，ＲＬ２は確実にオフされる。

このときには、コンバータ１１０を介して、蓄電装置１００のみを用いて負荷１０に対する充放電が制御される。この状態で、電動車両５が回生制動を行なうと、蓄電装置１００のみが充電される。

このように、本実施の形態による電源車両では、複数の蓄電装置１００，１５０を備えた電動制御装置において、蓄電装置１００のみにコンバータを設ける構成としても、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作状態に応じたシステム電圧ＶＨの可変制御を実現することができる。この結果、複数の蓄電装置１００，１５０の電力によりモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の出力による走行距離を拡大できる電源システムを、簡素かつ効率的に構成できる。

特に、車両加速時等に対応したシステム電圧ＶＨの高電圧領域に対しては、電圧指令値（必要最低電圧）よりも出力電圧が低い蓄電装置１５０を電源ラインＨＰＬから切り離すとともに、蓄電装置１００の出力電圧をコンバータ１１０によって昇圧することで対応できる。また、蓄電装置１５０の出力電圧が、電圧指令値（必要最低電圧）よりも高く、蓄電装置１５０が使用可能であるときには、蓄電装置１００，１５０を並列に使用することができる。このように、複数の蓄電装置１００，１５０を有効に活用して、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に電力を供給することができるので、電源システムを小型化かつ低コストで効率的に構成することが可能となる。

以上のように、本発明の実施の形態による電源システム２０では、蓄電装置１５０が使用される第１のモードと、蓄電装置１５０が不使用とされる第２のモードとが選択される。第２のモードから第１のモードへの切替え時には、リレーＲＬ１，ＲＬ２をオンすることによって、蓄電装置１５０が電源ラインＨＰＬおよび接地ラインＮＬ１に接続される。

なお、リレーＲＬ２については、蓄電装置１５０の負極端子を蓄電装置１００の負極端子と電気的に接続することによって、配置を省略することも可能である。このようにすると、リレーの個数削減により、小型化および低コスト化が図られる。一方で、図１のようにリレーＲＬ２を配置すると、蓄電装置１５０を完全に電源システム２０から電気的に切離すことができるので、安全上好ましい構成とすることができる。

ここで、システム電圧ＶＨとバッテリ電圧ＶＢ２との電圧差ΔＶ（ΔＶ＝ＶＢ２−ＶＨ）が大きいと、蓄電装置１５０と電源ラインＨＰＬおよび接地ラインＮＬ１との接続時において、蓄電装置１５０（または、平滑コンデンサＣ２）に対して大きな突入電流が流れ込む虞がある。リレーＲＬ１，ＲＬ２では、この突入電流によってアークが発生することにより、接点が溶着してしまう虞がある。

蓄電装置１５０（または平滑コンデンサＣ２）に突入電流が流れるのを抑制するためには、上述したシステムメインリレー１９０の構成と同様に、リレーＲＬ１，ＲＬ２のいずれか一方に対して並列に、プリチャージ用リレーと制限抵抗とが直列に接続された回路を接続する構成とすることができる。このような構成において、リレーＲＬ１，ＲＬ２およびプリチャージ用リレーのオンオフは、まず、リレーＲＬ１をオフ状態のまま、リレーＲＬ２およびプリチャージ用リレーをオンするように制御される。これにより、制限抵抗により一部の電流が消費されて、蓄電装置１５０（または平滑コンデンサＣ２）に流れ込む電流を小さくできるので、蓄電装置１５０（または平滑コンデンサＣ２）への突入電流を防止することができる。その後、平滑コンデンサＣ２のプリチャージが完了すると、リレーＲＬ１がオンされ、それに引き続いてプリチャージ用リレーがオフされる。

しかしながら、本実施の形態による電源システム２０においては、このようなプリチャージ用リレーおよび制限抵抗からなる回路を用いた構成では、蓄電装置１５０（または平滑コンデンサＣ２）への突入電流を制限することが困難である。電源システム２０では、コンバータ１１０による可変制御によってシステム電圧ＶＨがダイナミックに変化することに加えて、蓄電装置１００よりも高い出力電圧定格値を有する蓄電装置１５０の出力電圧ＶＢ２もダイナミックに変化するため、システム電圧ＶＨとバッテリ電圧ＶＢ２との電圧差ΔＶの変化に対して、プリチャージ用リレーおよび制限抵抗によるプリチャージ処理では、十分に対応することができないためである。

そこで、本発明の実施の形態では、リレーＲＬ１，ＲＬ２のオンオフ制御に付随して、コンバータ１１０を用いてシステム電圧ＶＨを以下のように制御することにより、蓄電装置１５０と電源ラインＨＰＬとの接続時における突入電流を防止する。

図４は、制御装置３００におけるリレーＲＬ１，ＲＬ２およびコンバータ１１０の制御処理を説明するためのタイミングチャートである。

図４を参照して、時刻ｔ０において、蓄電装置１５０を不使用とする第２のモードが選択されているものとする。この時刻ｔ０では、リレーＲＬ１，ＲＬ２はオフされている。

ここで、蓄電装置１５０を使用する第１のモードが選択されると、まず、時刻ｔ１において、制御装置３００は、リレーＲＬ１をオフしたままで、リレーＲＬ２のみをオンする。このように、蓄電装置１５０の負極端子と接地ラインＮＬ１とを最初に接続することによって、接地ラインＮＬ１の電位を安定させる。

次に、制御装置３００は、電圧センサ１８０により検出されるシステム電圧ＶＨと、電圧センサ１５５により検出されるバッテリ電圧ＶＢ２とを比較する。そして、システム電圧ＶＨが予め定められた許容範囲から外れている場合には、制御装置３００は、システム電圧ＶＨが当該許容範囲内に収まるように、コンバータ１１０の電圧変換動作を制御する。

なお、システム電圧ＶＨの許容範囲は、電圧センサ１５５からのバッテリ電圧ＶＢ２に応じて設定される。図４では、バッテリ電圧ＶＢ２に対して所定のしきい値ΔＶｔｈを持つように、許容範囲が設定される。このしきい値ΔＶｔｈは、リレーＲＬ１，ＲＬ２の接点が溶着しないように、リレーＲＬ１，ＲＬ２の許容電流を考慮して設定される。

コンバータ１１０の電圧変換動作によって、システム電圧ＶＨが許容範囲内に収束すると（時刻ｔ２）、制御装置３００は、リレーＲＬ１をオンする。これにより、蓄電装置１５０が電源ラインＨＰＬに接続される。

図５は、制御装置３００におけるリレーＲＬ１，ＲＬ２およびコンバータ１１０の制御を実現するための制御ブロックの構成例を説明する図である。

図５を参照して、制御装置３００は、電圧指令生成部３１０と、減算部３２０と、ＰＩ制御部３３０と、伝達関数３４０と、リレー制御部３５０とを含む。

電圧指令生成部３１０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作状態に基づいて、電圧指令値ＶＨ＊を設定する。電圧指令生成部３１０は、図２で説明したように、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作状態より、必要最低電圧ＶＨｍｉｎを算出し、算出した必要最低電圧ＶＨｍｉｎを考慮して電圧指令値ＶＨ＊を設定する。

電圧指令生成部３１０は、電圧指令値ＶＨ＊を設定すると、図３のフローチャートに示した制御処理を実行することにより、電圧指令値ＶＨ＊とバッテリ電圧ＶＢ２との比較結果に応じて、蓄電装置１５０を使用する第１のモードおよび蓄電装置１５０を不使用とする第２のモードのいずれか一方を選択する。そして、電圧指令生成部３１０は、選択したモードに関する情報をリレー制御部３５０へ出力する。

電圧指令生成部３１０は、第２のモードが選択された場合には、電圧センサ１５５により検出されるバッテリ電圧ＶＢ２を、電圧指令値ＶＨ＊に設定する。

減算部３２０は、電圧指令値ＶＨ＊とシステム電圧ＶＨとの差から電圧偏差ΔＶＨを演算し、ＰＩ制御部３３０へ出力する。ＰＩ制御部３３０は、所定の比例ゲインおよび積分ゲインに従って、電圧偏差ΔＶＨに応じたＰＩ出力を生成し、伝達関数３４０へ出力する。ＰＩ制御部３３０は、電圧フィードバック制御要素を構成する。

具体的には、ＰＩ制御部３３０は、比例要素と、積分要素と、加算部とを含む。比例要素は、電圧偏差ΔＶＨに所定の比例ゲインＫｐを乗じて加算部へ出力し、積分要素は、所定の積分ゲインＫｉ（積分時間：１／Ｋｉ）で電圧偏差ΔＶＨを積分して加算部へ出力する。加算部は、比例要素および積分要素からの出力を加算してＰＩ出力を生成する。このＰＩ出力は、電圧制御を実現するためのフィードバック制御量に相当する。ＰＩ制御部３３０は、フィードバック制御量と、フィードフォワード制御量ＤｖＦＦとの和に従って、電圧制御のためのデューティ比指令値ｄを生成する。デューティ比指令値ｄは、電圧制御におけるコンバータ１１０のスイッチング素子Ｑ２（図１）のオン・デューティを規定する制御指令である。また、電圧制御におけるフィードフォワード制御量ＤｖＦＦは、電圧指令値ＶＨ＊と蓄電装置１００の電圧ＶＢ１との電圧差に応じて設定される。伝達関数３４０は、電圧源として動作する蓄電装置１００に対するコンバータ１１０の伝達関数に相当する。

リレー制御部３５０は、電圧指令生成部３１０から与えられるモード情報に応じて、リレーＲＬ１，ＲＬ２のオンオフを制御する。第２のモードが選択されている場合には、リレー制御部３５０は、リレー制御信号ＳＲ１，ＳＲ２により、リレーＲＬ１，ＲＬ２をオフする。そして、第２のモードから第１のモードへの切替え時には、リレー制御部３５０は、最初に、リレー制御信号ＳＲ２によりリレーＲＬ２をオンし、蓄電装置１５０の負極端子を接地ラインＮＬ１に接続する。そして、リレー制御部３５０は、システム電圧ＶＨとバッテリ電圧ＶＢ２とを比較する。システム電圧ＶＨが許容範囲（ＶＢ２±ΔＶｔｈ）内に収束したと判断されると、リレー制御部３５０は、リレー制御信号ＳＲ１により、リレーＲＬ１をオンする。これにより、蓄電装置１５０の正極端子が電源ラインＨＰＬに接続される。

図６は、制御装置３００におけるリレーＲＬ１，ＲＬ２およびコンバータ１１０の制御を実現するための制御処理手順を示したフローチャートである。図６のフローチャートの処理は、所定のメインルーチンから一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとに呼び出されて実行される。

図６を参照して、制御装置３００は、ステップＳ０１において、蓄電装置１５０を使用する第１のモードが選択されているか否かを判定する。第１のモードが選択されていない場合（ステップＳ０１のＮＯ判定時）には、処理は最初に戻される。

一方、第１のモードが選択されている場合（ステップＳ０１のＹＥＳ判定時）には、制御装置３００は、続いてステップＳ０２により、リレーＲＬ１，ＲＬ２がオンされているか否かを判定する。リレーＲＬ１，ＲＬ２がオンされている場合（ステップＳ０２のＹＥＳ判定時）には、処理は最初に戻される。

これに対して、リレーＲＬ１，ＲＬ２がオフされている場合（ステップＳ０２のＮＯ判定時）には、制御装置３００は、ステップＳ０３により、リレー制御信号ＳＲ１，ＳＲ２により、リレーＲＬ１をオフしたまま、リレーＲＬ２のみをオンする。

続いて、制御装置３００は、電圧センサ１５５からのバッテリ電圧ＶＢ２に基づいて、電圧指令値ＶＨ＊を設定するとともに、システム電圧ＶＨの許容範囲（ＶＢ２±ΔＶｔｈ）を設定する。そして、システム電圧ＶＨが電圧指令値ＶＨ＊に一致するように、コンバータ１１０を制御する。

具体的には、制御装置３００は、ステップＳ０４により、システム電圧ＶＨが許容範囲の上限値（ＶＢ２＋ΔＶｔｈ）よりも高いか否かを判定する。システム電圧ＶＨが上限値（ＶＢ２＋ΔＶｔｈ）よりも高い場合（ステップＳ０４のＹＥＳ判定時）には、制御装置３００は、ステップＳ０５により、システム電圧ＶＨを降下させるようにコンバータ１１０を制御する。

一方、システム電圧ＶＨが上限値（ＶＢ２＋ΔＶｔｈ）以下となる場合（ステップＳ０４のＮＯ判定時）には、続いてステップＳ０６により、システム電圧ＶＨが許容範囲の下限値（ＶＢ２−ΔＶｔｈ）よりも低いか否かを判定する。システム電圧ＶＨが下限値（ＶＢ２−ΔＶｔｈ）よりも低い場合（ステップＳ０６のＹＥＳ判定時）には、制御装置３００は、ステップＳ０７により、システム電圧ＶＨを上昇させるようにコンバータ１１０を制御する。

これに対して、システム電圧ＶＨが下限値（ＶＢ２−ΔＶｔｈ）以上となる場合（ステップＳ０７のＮＯ判定時）には、制御装置３００は、システム電圧ＶＨが許容範囲内に収束したと判断して、ステップＳ０８に進み、リレーＲＬ１をオンする。

以上説明したように、この発明の実施の形態では、蓄電装置１００の出力電圧を昇圧可能なコンバータの出力側に蓄電装置１５０を設けた電源システムにおいて、蓄電装置１５０を電源ラインＨＰＬおよび接地ラインＮＬ１に接続するときには、最初に、蓄電装置１５０の負極側のリレーＲＬ２をオンし、コンバータ１１０の直流電圧変換によって蓄電装置１５０の出力電圧と電力線の電圧との電圧差を小さくした後に、蓄電装置１５０の正極側のリレーＲＬ１をオンする。これにより、プリチャージ用リレーおよび制限抵抗を用いることなく、蓄電装置１５０と電力線および接地線との接続時における突入電流を防止することができる。その結果、突入電流によってリレーが溶着するのを回避できる。

なお、図１に示した電動車両５の負荷１０（すなわち、駆動系）の構成は、図示された構成に限定されるものではない。すなわち、電気自動車、燃料電池自動車等、走行用電動機を搭載した電動車両に対して、本発明は共通に適用することができる。さらに、負荷１０としては、車両の駆動力を発生する駆動系に限定されず、電力消費を行なう装置に適用することができることを確認的に記載する。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

５ 電動車両、１０ 負荷、２０ 電源システム、１００，１５０ 蓄電装置、１１０ コンバータ、１２０ インバータ、１３０ ＤＣ／ＤＣコンバータ、１７０，１８０ 電圧センサ、１９０ システムメインリレー、２２０ エンジン、２３０，２４０ 電流センサ、２５０ 動力分割機構、２６０ 駆動輪、２７０，２８０ 回転角センサ、３００ 制御装置、３１０ 電圧指令生成部、３２０ 減算部、３３０ ＰＩ制御部、３４０ 伝達関数、３５０ リレー制御部、Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、ＳＭＲ１〜ＳＭＲ３，ＲＬ１，Ｒ２ リレー。

Claims (5)

1. 車両駆動力を発生するための電動機を搭載した電動車両の電源制御装置であって、
   第１の蓄電装置と、
   第２の蓄電装置と、
   前記電動機に対して入出力される電力を伝達するための電力線と、
   前記第１の蓄電装置と前記電力線との間で双方向の直流電圧変換を実行するためのコンバータと、
   前記第２の蓄電装置と前記電力線との間に接続された第１の開閉器と、
   前記第２の蓄電装置と接地線との間に接続された第２の開閉器と、
   前記電動機の動作状態に応じて、前記第１および第２の開閉器のオンオフを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記第２の開閉器をオンすると、前記コンバータの直流電圧変換によって、前記第２の蓄電装置の出力電圧に対する前記電力線の電圧の偏差を所定のしきい値まで低下させた後に前記第１の開閉器をオンする、電動車両の電源制御装置。
2. 前記制御装置は、
   前記電動機の動作状態に応じて前記電力線の電圧指令値を設定する設定手段と、
   前記第２の蓄電装置の出力電圧と前記電圧指令値との比較結果に応じて、前記第１および第２の開閉器のオンオフを制御する開閉制御手段とを含む、請求項１に記載の電動車両の電源制御装置。
3. 前記設定手段は、前記電動機の動作状態に応じて前記電力線の必要最低電圧を算出するとともに、前記必要最低電圧以上の範囲で前記電圧指令値を設定し、
   前記開閉制御手段は、前記第２の蓄電装置の出力電圧が前記電圧指令値以上となるときには前記第１および第２の開閉器をオンする一方で、前記第２の蓄電装置の出力電圧が前記電圧指令値よりも低いときには前記第１および第２の開閉器をオフする、請求項２に記載の電動車両の電源制御装置。
4. 前記制御装置は、
   前記電力線の電圧が、前記第２の蓄電装置の出力電圧および前記所定のしきい値により規定される許容範囲内となるように、前記コンバータの直流電圧変換を制御する電圧変換制御手段をさらに含み、
   前記開閉制御手段は、前記電圧変換制御手段により前記電力線の電圧が前記許容範囲内となったときに、前記第１および第２の開閉器をオンする、請求項２に記載の電動車両の電源制御装置。
5. 前記第１の蓄電装置の出力電圧の定格値は、前記第２の蓄電装置の出力電圧の定格値よりも低い、請求項１から４のいずれか１項に記載の電動車両の電源制御装置。

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