JP2013143788A - 車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車載蓄電装置が車両外部の電気機器との間で電力を伝送する際の絶縁性と効率性とを両立する車両を提供する。
【解決手段】電力変換装置５０は、第１電路と、第２電路と、リレーとを含む。第１電路は、端子７５と蓄電装置１０との間を電気的に絶縁して電力を伝送する。第２電路は、端子７５と蓄電装置１０との間を電気的に接続して電力を伝送する。リレーは、電気負荷２８が動作する場合に第１電路を選択し、電気負荷２８の動作が停止する場合に第２電路を選択する。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両に関し、特に、車両外部の電気機器との間で電力を伝送する蓄電装置を備える車両に関する。

二次電池に代表される蓄電装置からの電力によって車両駆動用電動機を駆動する電気自動車やハイブリッド自動車等の車両では、車両外部の電源（以下、単に「外部電源」とも称する）によって、車載蓄電装置を充電する構成が提案されている。以下では、外部電源による蓄電装置の充電を「外部充電」とも称する。

特開２０１１−０５５６８４号公報（特許文献１）は、外部電源によって充電可能な蓄電装置を搭載した車両において、非絶縁型の充電装置を用いて、外部充電を行うことを開示している。このとき、蓄電装置とＰＣＵとを結ぶ経路上に介挿されたシステムメインリレーが開放される。これにより、外部充電時にＰＣＵと外部電源との間の絶縁性を確保することができる。

特開２０１１−０５５６８４号公報 特開２００９−２０１１７０号公報 特開２００９−２２５５８７号公報

特開２０１１−０５５６８４号公報では、外部充電時に蓄電装置とＰＣＵとを結ぶ経路上に介挿されたシステムメインリレーが開放されることにより、充電装置の回路系から電気負荷が電気的に切り離される。このため、外部充電時に外部電源から電気負荷に電力を供給することができない。

一方、絶縁トランスを有する絶縁型の充電装置は、充電装置の回路系に電気負荷が接続された場合に、外部電源と電気負荷との間を電気的に絶縁させることができる。このため、外部電源から電気負荷に電力を供給する際に電気負荷と外部電源との間の絶縁性を確保することができる。しかしながら、絶縁トランスを含む充電装置を用いた場合には、絶縁トランスでの電力損失が発生するため、外部充電の効率が低下することが懸念される。

この発明の目的は、車載蓄電装置が車両外部の電気機器との間で電力を伝送する際の絶縁性と効率性とを両立する車両を提供することである。

この発明によれば、車両は、蓄電装置と、端子と、電気負荷と、電力変換装置とを備える。端子は、車両外部の電気機器に接続される。電気負荷は、蓄電装置の電力によって動作する。電力変換装置は、電気機器から電力を供給される場合に、電気機器からの電力を蓄電装置へ伝送して蓄電装置を充電し、電気機器へ電力を供給する場合に、蓄電装置からの電力を電気機器へ伝送して蓄電装置を放電する。電力変換装置は、第１電路と、第２電路と、第１開閉器とを含む。第１電路は、端子と蓄電装置との間を電気的に絶縁して電力を伝送する。第２電路は、端子と蓄電装置との間を電気的に接続して電力を伝送する。第１開閉器は、電気負荷が動作する場合に第１電路を選択し、電気負荷の動作が停止する場合に第２電路を選択する。

好ましくは、電気負荷は、車内温度を調節するための空調機器を含む。電力変換装置は、空調機器が動作する場合に第１電路を選択するように第１開閉器を制御する。

好ましくは、車両は、蓄電装置と電気負荷との間に接続された第２開閉器をさらに備える。電力変換装置は、第２開閉器の閉成時に第１電路を選択するように第１開閉器を制御し、第２開閉器の開放時に第２電路を選択するように第１開閉器を制御する。

好ましくは、電力変換装置は、絶縁トランスと、第１電力変換部と、第２電力変換部と、第３電力変換部とを含む。絶縁トランスは、電磁誘導によって一次側および二次側の間で電気エネルギを伝達する。第１電力変換部は、端子と第１正極線および第１負極線との間で双方向に電力を伝送する。第２電力変換部は、第１正極線および第１負極線と絶縁トランスの一次側との間で双方向に電力を伝送する。第３電力変換部は、絶縁トランスの二次側と第２正極線および第２負極線との間で双方向に電力を伝送する。第１開閉器は、第１開閉素子と、第２開閉素子とを有する。第１開閉素子は、第１正極線および第２正極線の間に接続される。第２開閉素子は、第１負極線および第２負極線の間に接続される。第１開閉素子および第２開閉素子は、第１電路が選択された場合に開放される一方で第２電路が選択された場合に閉成される。

さらに好ましくは、電力変換装置は、第１正極線および第１負極線の間の電圧を電気機器の電圧以上の電圧に昇圧する昇圧回路をさらに含む。

さらに好ましくは、第３電力変換部は、第２正極線および第２負極線の間の電圧を蓄電装置の電圧以上の電圧に昇圧可能に構成される。

この発明においては、車両に搭載された電気負荷を動作させる場合に、電力変換装置は、端子と蓄電装置との間を電気的に絶縁して電力を伝送する。これにより、外部電源から電気負荷に電力を供給する際に電気負荷と外部電源との間の絶縁性を確保することができる。一方、電気負荷の動作を停止させる場合に、電力変換装置は、端子と蓄電装置との間を電気的に接続して電力を伝送する。これにより、電力変換装置における損失を低減させて効率を向上させることができる。したがって、この発明によれば、車載蓄電装置が車両外部の電気機器との間で電力を伝送する際の絶縁性と効率性とを両立できる。

この発明の実施の形態１による車両の全体構成図である。 図１に示す電力変換装置の構成例を示す回路図である。 図１に示す制御装置で実行される電力変換装置の制御を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態１による車両における電力変換装置の動作を説明するための図表である。 この発明の実施の形態２による車両における電力変換装置の構成例を示す回路図である。 図５に示すＰＦＣ回路の動作を説明するための波形図である。 この発明の実施の形態２による車両における電力変換装置の動作を説明するための図表である。

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は繰返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による車両の全体構成図である。図１を参照して、車両１００は、蓄電装置１０と、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２と、駆動装置であるＰＣＵ（Power Control Unit）２０と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、エンジン４０と、動力分割装置４２と、駆動輪４４と、制御装置（以下、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）とも称する）３０と、電気負荷２８と、電力変換装置５０と、端子７５と、リレーＲＹ１，ＲＹ２とを含む。

蓄電装置１０は、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。蓄電装置１０は、たとえば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池あるいは鉛蓄電池などの二次電池や、電気二重層キャパシタなどの蓄電素子を含んで構成される。

蓄電装置１０の正極端および負極端は、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２を介して、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動するためのＰＣＵ２０に接続される。そして、蓄電装置１０は、車両１００の駆動力を発生させるための電力をＰＣＵ２０に供給する。また、蓄電装置１０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２で発電された電力を蓄電する。さらに、蓄電装置１０は、電力変換装置５０によって変換された電気機器７０からの電力によって充電される。また、蓄電装置１０は、放電した電力を電力変換装置５０によって変換して電気機器７０に供給する。以下では、蓄電装置１０の電力の電気機器７０への放電を「外部放電」とも称する。

システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２は、蓄電装置１０とＰＣＵ２０とを結ぶ正極線ＰＬ１および負極線ＮＬにそれぞれ接続される。そして、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２は、ＥＣＵ３０からの制御信号ＳＥ１に基づいて、蓄電装置１０とＰＣＵ２０との間での電力の供給と遮断とを切替える。

システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２は、車両１００の走行時に、蓄電装置１０の電力によってＰＣＵ２０および電気負荷２８を動作させるために閉成される。

ＰＣＵ２０は、コンバータ２２と、インバータ２１−１，２１−２と、コンデンサＣ１，Ｃ２とを含む。

コンバータ２２は、ＥＣＵ３０からの制御信号ＰＷＣに基づいて、電力線対ＰＬ１，ＮＬと電力線対ＰＬ２，ＮＬとの間で電力変換を行なう。

インバータ２１−１，２１−２は、互いに並列して電力線対ＰＬ２，ＮＬに接続される。インバータ２１−１は、ＥＣＵ３０からの信号ＰＷＩ１に基づいてモータジェネレータＭＧ１を駆動する。インバータ２１−２は、ＥＣＵ３０からの信号ＰＷＩ２に基づいてモータジェネレータＭＧ２を駆動する。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、交流電動機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータ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は、動力分割装置４２に連結される。動力分割装置４２は遊星歯車（図示しない）を含む。遊星歯車は、いずれも図示しないが、サンギヤと、ピニオンギヤと、キャリアと、リングギヤとを含む。ピニオンギヤは、サンギヤおよびリングギヤと係合する。キャリアは、ピニオンギヤを自転可能に支持するとともに、エンジン４０のクランクシャフト（図示せず）に連結される。サンギヤは、モータジェネレータＭＧ１の回転軸に連結される。リングギヤは、モータジェネレータＭＧ２の回転軸および駆動輪４４に連結される。この動力分割装置４２によって、エンジン４０が発生する動力は、駆動輪４４へ伝達される経路の動力と、モータジェネレータＭＧ１へ伝達される経路の動力とに分割される。

そして、モータジェネレータＭＧ１は、動力分割装置４２によって分割されたエンジン４０の動力を用いて発電する。たとえば、蓄電装置１０の充電状態を示すＳＯＣ（State Of Charge）が低下すると、エンジン４０が始動されてモータジェネレータＭＧ１により発電が行なわれる。そして、その発電された電力が蓄電装置１０へ供給される。

一方、モータジェネレータＭＧ２は、蓄電装置１０から供給される電力およびモータジェネレータＭＧ１により発電された電力の少なくとも一方を用いて駆動力を発生する。モータジェネレータＭＧ２の駆動力は、駆動輪４４に伝達される。なお、車両の制動時には、車両の運動エネルギが駆動輪４４からモータジェネレータＭＧ２に伝達され、モータジェネレータＭＧ２が駆動されることによってモータジェネレータＭＧ２が発電機として作動する。これにより、モータジェネレータＭＧ２は、車両の運動エネルギを電力に変換して回収する回生ブレーキとして作動する。

コンデンサＣ１は、正極線ＰＬ１および負極線ＮＬの間に設けられ、正極線ＰＬ１および負極線ＮＬ間の電圧変動を減少させる。また、コンデンサＣ２は、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬの間に設けられ、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬ間の電圧変動を減少させる。

電気負荷２８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３と、補機負荷２５と、電動エアコン２６とを含む。なお、電気負荷２８は、上記構成に限定されず、他の電力を消費する機器を含んでいてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、正極線ＰＬ１と負極線ＮＬとに接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、蓄電装置１０から供給される直流電圧を電圧変換する。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、電力線対Ｐ１，Ｎ１を経由して、補機負荷２５およびＥＣＵ３０に電源電流を供給するとともに、補機用バッテリ２４に充電電流を供給する。システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２が開放され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３が電圧変換動作を中止しているときには、補機用バッテリ２４から補機負荷２５およびＥＣＵ３０に対して電力の供給が行なわれる。

電動エアコン２６は、正極線ＰＬ１と負極線ＮＬとに接続される。電動エアコン２６は、ＥＣＵ３０からの制御信号ＰＷＥＣに基づいて、車両１００の室内を空調する。車両システム起動前に予め車室内を空調するプレ空調が実行される場合は、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２が閉成され、蓄電装置１０または電気機器７０から電動エアコン２６に電力が供給される。

電力変換装置５０は、リレーＲＹ１，ＲＹ２を介して、蓄電装置１０の正極端および負極端に接続される。また、電力変換装置５０は、電力線ＡＣＬ１，ＡＣＬ２により、車両１００に設けられた端子７５に接続される。端子７５には、車両外部の電気機器７０が接続される。電気機器７０は、電力を供給する外部電源であってもよく、電力を消費する電気負荷であってもよい。電力変換装置５０は、電気機器７０から電力を供給される場合に、電気機器７０からの電力を蓄電装置１０へ伝送して蓄電装置１０を充電させる。一方、電力変換装置５０は、電気機器７０へ電力を供給する場合に、蓄電装置１０からの電力を電気機器７０へ伝送して蓄電装置１０を放電させる。具体的には、電力変換装置５０は、電気機器７０からの交流電力を直流電力に変換して蓄電装置１０を充電する。また、電力変換装置５０は、蓄電装置１０が放電した直流電力を交流電力に変換して電気機器７０へ供給する。

端子７５は、電力線ＡＣＬ１，ＡＣＬ２により、電力変換装置５０に接続されている。端子７５には、車両外部の電気機器７０が接続される。

リレーＲＹ１，ＲＹ２は、ＥＣＵ３０からの制御信号ＳＥ２に基づいて、蓄電装置１０と電力変換装置５０との間での電力の供給と遮断とを切替える。リレーＲＹ１，ＲＹ２は、車両走行時に、開放される。一方、リレーＲＹ１，ＲＹ２は、電気機器７０との接続時に、閉成される。

ＥＣＵ３０は、いずれも図１には図示しないがＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および入出力バッファを含み、各センサ等からの信号の入力や各機器への制御信号の出力を行なうとともに、車両１００および各機器の制御を行なう。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。

ＥＣＵ３０は、ＰＣＵ２０、電力変換装置５０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２３などを駆動するための制御信号を生成して出力する。また、ＥＣＵ３０は、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２およびリレーＲＹ１〜ＲＹ４を制御するための制御信号ＳＥ１〜ＳＥ４を出力する。

ＥＣＵ３０は、車両走行時に、システムメインリレーＳＭＲ１およびＳＭＲ２を閉成する一方で、リレーＲＹ１，ＲＹ２を開放する。これにより、蓄電装置１０の電力を用いて、電気負荷２８を含む走行系の各機器を作動させることができる。また、電力変換装置５０を含む電力変換系を、蓄電装置１０および走行系から完全に切離すことができる。

これに対して、ＥＣＵ３０は、外部充電時に、リレーＲＹ１，ＲＹ２を閉成する。これにより、電力変換装置５０からの電力によって、蓄電装置１０を充電することができる。また、ＥＣＵ３０は、外部放電時に、リレーＲＹ１，ＲＹ２を閉成する。これにより、蓄電装置１０が放電して、電気機器７０に電力を供給することができる。一方で、車両停止時であっても、外部充電時および外部放電時以外では、リレーＲＹ１，ＲＹ２は開放される。システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２は、車両状態に応じて、具体的には、ユーザ操作に応答した走行系での電力消費の状態に応じて、閉成または開放される。

ＥＣＵ３０は、外部充電時または外部放電時であっても、ユーザ操作または電気負荷２８の動作状態（あるいは消費電力）に応じて、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２を閉成する。たとえば、電動エアコンの動作が要求されたり、補機負荷２５の消費電力が大きくなったときには、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２が閉成される。

図２は、図１に示す電力変換装置５０の構成例を示す回路図である。図２を参照して、電力変換装置５０は、フィルタ５１，５７と、第１電力変換部５２と、第２電力変換部５４と、絶縁トランス５５と、第３電力変換部５６と、平滑コンデンサＣ３，Ｃ４とを含む。

フィルタ５１は、正極端子１５１ｐおよび負極端子１５１ｇと第１電力変換部５２との間に接続される。正極端子１５１ｐおよび負極端子１５１ｇは、端子７５を介して、車両外部の電気機器７０に接続される。フィルタ５７は、正極端子１５７ｐおよび負極端子１５７ｇと平滑コンデンサＣ４との間に接続される。正極端子１５７ｐおよび負極端子１５７ｇは、リレーＲＹ１，ＲＹ２を介して、蓄電装置１０に接続される。

第１電力変換部５２は、電力用半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４によって構成されるフルブリッジ回路を有する。本実施の形態では、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する）としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を例示するが、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタ等、オンオフが制御可能な任意のスイッチング素子を用いることが可能である。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に対しては、逆並列ダイオードＤ１〜Ｄ４がそれぞれ配置されている。

第２電力変換部５４は、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０によって構成されたフルブリッジ回路を有する。スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０に対しては、逆並列ダイオードＤ７〜Ｄ１０がそれぞれ接続されている。

絶縁トランス５５は、第２電力変換部に接続された一次側と、第３電力変換部に接続された二次側とを有する。絶縁トランス５５は、一次側および二次側を電気的に絶縁した上で、電磁誘導によって一次側および二次側の間で電気エネルギを伝達する。

第３電力変換部５６は、スイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５によって構成されたフルブリッジ回路を有する。スイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５に対しては、逆並列ダイオードＤ１２〜Ｄ１５がそれぞれ接続されている。

平滑コンデンサＣ３は、正極線１５３ｐおよび負極線１５３ｇの間に電気的に接続される。平滑コンデンサＣ４は、正極線１５５ｐおよび負極線１５５ｇの間に電気的に接続される。

ＥＣＵ３０は、第１電力変換部５２と、第２電力変換部５４と、第３電力変換部５６とを制御する制御信号ＰＷＥを電力変換装置５０に出力する。

電力変換装置５０には、リレーＲＹ３，ＲＹ４が設けられている。リレーＲＹ３，ＲＹ４の開閉はＥＣＵ３０からの制御信号ＳＥ３，ＳＥ４によって制御される。リレーＲＹ３，ＲＹ４は、以下に詳細に説明する、「絶縁型充電モード」および「絶縁型放電モード」での電力変換経路（第１電路）と「非絶縁型充電モード」および「非絶縁型放電モード」での電力変換経路（第２電路）との切換を制御するように配置される。

図２の構成例では、リレーＲＹ３は、正極線１５３ｐと正極線１５５ｐとの間に接続される。リレーＲＹ４は、負極線１５３ｇと負極線１５５ｇとの間に接続される。これにより、リレーＲＹ３，ＲＹ４が開放されると、絶縁トランス５５を経由する第１電路を形成することができる。一方、リレーＲＹ３，ＲＹ４が閉成されると、絶縁トランス５５をバイパスする第２電路を形成することができる。このように、リレーＲＹ３，ＲＹ４を設けることで、第１電路と第２電路との切り替えをすることができる。また、リレーＲＹ３が正極線１５３ｐと正極線１５５ｐとの間に接続され、リレーＲＹ４が負極線１５３ｇと負極線１５５ｇとの間に接続されることにより、リレーＲＹ３，ＲＹ４が閉成されるときに絶縁トランス５５に電流が流れない。これにより、電力変換装置５０の電力変換効率を高めることができる。

図３は、図１に示すＥＣＵ３０で実行される電力変換装置５０の制御を説明するためのフローチャートである。メインルーチンからこのフローチャートの処理ルーチンが、一定時間毎あるいは所定条件を満たすごとに実行される。

図３を参照して、まず処理が開始されると、ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、ＥＣＵ３０は、外部充電中であるかどうかを判定する。この処理で肯定的な判断がなされると（Ｓ１００にてＹＥＳ）、処理がＳ１１０に進められる。一方、Ｓ１００で否定的な判断がなされると（Ｓ１００にてＮＯ）、処理がＳ１５０に進められる。

Ｓ１１０にて、ＥＣＵ３０は、外部充電の充電モードを選択する。具体的には、絶縁型充電が必要な車両状態であるか否かが判定される。たとえば、ＥＣＵ３０は、プレ空調が実行されるためシステムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２を閉成する必要があるときには、Ｓ１１０をＹＥＳ判定として、絶縁型充電モードを選択する（Ｓ１２０）。一方、ＥＣＵ３０は、プレ空調が実行されないためシステムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２が開放されているときには、Ｓ１１０をＮＯ判定として、非絶縁型充電モードを選択する（Ｓ１３０）。

ＥＣＵ３０は、絶縁型充電モードを選択したときには、リレーＲＹ３，ＲＹ４を開放する（Ｓ１２２）。これにより、絶縁トランス５５を経由する第１電路が形成される。一方、ＥＣＵ３０は、非絶縁型充電モードを選択したときには、リレーＲＹ３，ＲＹ４を閉成する（Ｓ１３２）。これにより、絶縁トランス５５をバイパスする第２電路が形成される。

Ｓ１５０にて、ＥＣＵ３０は、外部放電中であるかどうかを判定する。この処理で肯定的な判断がなされると（Ｓ１５０にてＹＥＳ）、処理がＳ１６０に進められる。

Ｓ１６０にて、ＥＣＵ３０は、外部放電の放電モードを選択する。具体的には、絶縁型放電が必要な車両状態であるか否かが判定される。たとえば、ＥＣＵ３０は、プレ空調が実行されるためシステムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２を閉成する必要があるときには、Ｓ１６０をＹＥＳ判定として、絶縁型放電モードを選択する（Ｓ１７０）。一方、ＥＣＵ３０は、プレ空調が実行されないためシステムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２が開放されているときには、Ｓ１６０をＮＯ判定として、非絶縁型放電モードを選択する（Ｓ１８０）。

ＥＣＵ３０は、絶縁型放電モードを選択したときには、リレーＲＹ３，ＲＹ４を開放する（Ｓ１７２）。一方、ＥＣＵ３０は、非絶縁型放電モードを選択したときには、リレーＲＹ３，ＲＹ４を閉成する（Ｓ１８２）。

図４は、この発明の実施の形態１による車両における電力変換装置５０の動作を説明するための図表である。図４および図２を参照して、絶縁型充電モードでの電力変換装置５０の動作を説明する。

絶縁型充電モードでは、第１電力変換部５２は、電気機器７０の交流電圧を直流電圧ｖｄｃに変換する。第２電力変換部５４は、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０のオンオフ制御によって、直流電圧ｖｄｃを交流電圧に変換して、絶縁トランス５５の一次側に出力する。リレーＲＹ３，ＲＹ４が開放されるため、第２電力変換部５４および第３電力変換部５６の間は、電気的に切り離される。第３電力変換部５６は、絶縁トランス５５の二次側の交流電圧を直流電圧に変換して蓄電装置１０に出力する。スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０のオンオフは、蓄電装置１０へ入力される直流電流または直流電圧が制御指令値に従うように制御される。

このように、絶縁型充電モードでは、電力変換装置５０は、電気的な絶縁を確保して電気エネルギを伝達する絶縁トランスを経由した電力変換経路によって、電気機器７０からの電力を蓄電装置１０の充電電力に変換する。この結果、電気機器７０が蓄電装置１０から電気的に絶縁された状態で外部充電が実行できるので、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２が閉成されていても、電気負荷２８および電気機器７０の間で確実に絶縁を確保できる。

次に、非絶縁型充電モードでの電力変換装置５０の動作を説明する。
非絶縁型充電モードでは、第１電力変換部５２は、電気機器７０の交流電圧を直流電圧ｖｄｃに変換する。リレーＲＹ３，ＲＹ４が閉成されるので、正極線１５３ｐおよび負極線１５３ｇが、絶縁トランス５５をバイパスして、正極線１５５ｐおよび負極線１５５ｇと電気的に接続される。したがって、絶縁トランス５５による電気エネルギの伝達は実行されない。そして、第２電力変換部５４および第３電力変換部５６は、停止される。すなわち、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０およびスイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５がオフに固定される。

このように、非絶縁型充電モードでは、電力変換装置５０は、絶縁トランス５５をバイパスして、電気機器７０および蓄電装置１０の間が電気的に接続された電力変換経路によって、電気機器７０からの電力を蓄電装置１０の充電電力に変換する。この結果、絶縁トランス５５での損失を生じさせることなく、絶縁型充電モードよりも高効率で外部充電を実行できる。特に、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２の開放によって、蓄電装置１０および電気負荷２８の間の絶縁が確保されている場合には、非絶縁型充電モードを適用することによって、電気負荷２８および電気機器７０の間での絶縁を確保した上で、外部充電の効率を高めることができる。

次に、絶縁型放電モードでの電力変換装置５０の動作を説明する。
絶縁型放電モードでは、第３電力変換部５６は、スイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５のオンオフ制御によって、蓄電装置１０の直流電圧を交流電圧に変換して、絶縁トランス５５の二次側に出力する。リレーＲＹ３，ＲＹ４が開放されるため、第２電力変換部５４および第３電力変換部５６の間は、電気的に切り離される。第２電力変換部５４は、絶縁トランス５５の一次側の交流電圧を直流電圧に変換する。第１電力変換部５２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンオフ制御によって、正極線１５３ｐおよび負極線１５３ｇの直流電圧を交流電圧に変換して電気機器７０に出力する。スイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５のオンオフは、電気機器７０へ入力される交流電流または交流電圧が制御指令値に従うように制御される。

このように、絶縁型放電モードでは、電力変換装置５０は、電気的な絶縁を確保して電気エネルギを伝達する絶縁トランスを経由した電力変換経路によって、蓄電装置１０からの電力を電気機器７０への供給電力に変換する。この結果、蓄電装置１０が電気機器７０から電気的に絶縁された状態で外部放電が実行できるので、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２が閉成されていても、電気負荷２８および電気機器７０の間で確実に絶縁を確保できる。

次に、非絶縁型放電モードでの電力変換装置５０の動作を説明する。
非絶縁型放電モードでは、リレーＲＹ３，ＲＹ４が閉成されるので、正極線１５５ｐおよび負極線１５５ｇが、絶縁トランス５５をバイパスして、正極線１５３ｐおよび負極線１５３ｇと電気的に接続される。したがって、絶縁トランス５５による電気エネルギの伝達は実行されない。そして、第２電力変換部５４および第３電力変換部５６は、停止される。すなわち、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０およびスイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５がオフに固定される。第１電力変換部５２は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオンオフ制御によって、正極線１５３ｐおよび負極線１５３ｇの直流電圧を交流電圧に変換して電気機器７０に出力する。

このように、非絶縁型放電モードでは、電力変換装置５０は、絶縁トランス５５をバイパスして、蓄電装置１０および電気機器７０の間が電気的に接続された電力変換経路によって、蓄電装置１０からの電力を電気機器７０への供給電力に変換する。この結果、絶縁トランス５５での損失を生じさせることなく、絶縁型放電モードよりも高効率で外部放電を実行できる。特に、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２の開放によって、蓄電装置１０および電気負荷２８の間の絶縁が確保されている場合には、非絶縁型放電モードを適用することによって、電気負荷２８および電気機器７０の間での絶縁を確保した上で、外部放電の効率を高めることができる。

このように、実施の形態１による車両では、絶縁トランス５５を介した電力変換経路による絶縁性能を確保した外部充電（絶縁型充電モード）および外部放電（絶縁型放電モード）と、絶縁トランス５５をバイパスした電力変換経路による高効率を優先した外部充電（非絶縁型充電モード）および外部放電（非絶縁型放電モード）とを選択的に適用できる。

特に、プレ空調が実行される場合に、絶縁トランス５５を介した電力変換経路によって、蓄電装置１０または電気機器７０から電動エアコン２６に電力を供給してもよい。これにより、プレ空調時に車両ボデーと外部電源のアースとの間の絶縁性を確保することができる。

また、蓄電装置１０および電気負荷２８の間の電気的接続を制御するシステムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２の開閉に連動して、絶縁型充電モードおよび非絶縁型充電モードを切換えてもよい。これにより、電気負荷２８と電気機器７０との間の絶縁を確保した上で、高効率の外部充電および外部放電を実行できるようになる。

［実施の形態２］
図５は、この発明の実施の形態２による車両における電力変換装置５０Ａの構成例を示す回路図である。

図５を図２と比較して、実施の形態２による電力変換装置５０Ａにおける、昇圧回路５３および第３電力変換部５６Ａの構成が図２の構成（実施の形態１）と異なる。

電力変換装置５０Ａでは、第１電力変換部５２と平滑コンデンサＣ３との間に昇圧回路５３が設けられている。昇圧回路５３は、インダクタＬ１と、スイッチング素子Ｑ５および逆並列ダイオードＤ５と、スイッチング素子Ｑ６および逆並列ダイオードＤ６とを含む。

インダクタＬ１は、第１電力変換部５２の正極端およびノードＮ１の間に接続される。
スイッチング素子Ｑ５は、ノードＮ１および負極線１５３ｇの間に接続される。スイッチング素子Ｑ５に対しては、逆並列ダイオードＤ５が設けられる。スイッチング素子Ｑ６は、ノードＮ１および正極線１５３ｐの間に接続される。スイッチング素子Ｑ６に対しては、逆並列ダイオードＤ６が設けられる。

第１電力変換部５２と昇圧回路５３と平滑コンデンサＣ３とは、ＡＣ−ＤＣ変換の力率を改善するためのＰＦＣ（Power Factor Correction）回路５８を構成する。

図６は、図５に示すＰＦＣ回路５８の外部充電時の動作を説明するための波形図である。

図６を参照して、電気機器７０からの電源電圧ｖａｃは、所定周波数（以下、「電源周波数」と称する）の交流電圧である。ＰＦＣ回路５８では、インダクタＬ１の電流ｉＬが、スイッチング素子Ｑ５のオン期間には増加する一方で、スイッチング素子Ｑ５のオフ期間には減少する。したがって、電流ｉＬを検出するための図示しない電流センサの出力に基づくスイッチング素子Ｑ５のオンオフ制御により、インダクタＬ１の電流ｉＬを目標電流ｉＬ＊に合致させることができる。

ここで、目標電流ｉＬ＊を、電源電圧ｖａｃと同位相の交流電流の絶対値に設定すると、電源電流ｉａｃおよび電源電圧ｖａｃが同位相となるように、電流ｉＬを制御できる。これにより、電源電流ｉａｃおよび電源電圧ｖａｃの積で示される瞬時電力ＶＡが常に正値となるので、瞬時電力ＶＡの平均値である有効電力が大きくなる。すなわち、電気機器７０から供給される電力の力率を１に近付けることができる。

平滑コンデンサＣ３は、ダイオードＤ６を経由して供給される電流により充電される。また、平滑コンデンサＣ３から放電される電流は、第２電力変換部５４へ供給されて蓄電装置１０の充電に用いられる。これらの充放電により、平滑コンデンサＣ３の電圧、すなわち直流電圧ｖｄｃは、電源周波数の２倍の周波数で変動することになる。

ここで、電流ｉＬの積分値は、平滑コンデンサＣ３へ供給される電荷に相当するので、目標電流ｉＬ＊の大きさ（振幅）ｉＬＡに応じて、直流電圧ｖｄｃを制御することができる。すなわち、ＰＦＣ回路５８は、スイッチング素子Ｑ５のオンオフによる電流ｉＬの制御に伴って、電圧指令値ｖｄｃ＊に従って直流電圧ｖｄｃを制御することができる。

再び図５を参照して、第３電力変換部５６Ａは、スイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５および逆並列ダイオードＤ１２〜Ｄ１５と、インダクタＬ２と、スイッチング素子Ｑ１１および逆並列ダイオードＤ１１とを含む。

インダクタＬ２は、スイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５および逆並列ダイオードＤ１２〜Ｄ１５と平滑コンデンサＣ４との間に接続される。

スイッチング素子Ｑ１１は、リレーＲＹ３とスイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５および逆並列ダイオードＤ１２〜Ｄ１５との間に接続される。スイッチング素子Ｑ１１に対しては、逆並列ダイオードＤ１１が設けられる。

以上の構成により、第３電力変換部は、第２正極線および第２負極線の間の電圧を蓄電装置の電圧以上の電圧に昇圧可能なチョッパ回路を形成する。

実施の形態２の車両においても、絶縁型充電モードおよび非絶縁型充電モードと絶縁型放電モードおよび非絶縁型放電モードとの選択が、図３のＳ１００−Ｓ１８２と同様に実行される。

図７は、この発明の実施の形態２による車両における電力変換装置５０Ａの動作を説明するための図表である。図７および図５を参照して、絶縁型充電モードでの電力変換装置５０Ａの動作を説明する。

絶縁型充電モードでは、ＰＦＣ回路５８は、電気機器７０の交流電圧を直流電圧ｖｄｃに変換する。第２電力変換部５４は、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０のオンオフ制御によって、直流電圧ｖｄｃを交流電圧に変換して、絶縁トランス５５の一次側に出力する。リレーＲＹ３，ＲＹ４が開放されるため、第２電力変換部５４および第３電力変換部５６Ａの間は、電気的に切り離される。第３電力変換部５６Ａは、絶縁トランス５５の二次側の交流電圧を直流電圧に変換して蓄電装置１０に出力する。スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０のオンオフは、蓄電装置１０へ入力される直流電流または直流電圧が制御指令値に従うように制御される。

次に、非絶縁型充電モードでの電力変換装置５０Ａの動作を説明する。
非絶縁型充電モードでは、ＰＦＣ回路５８は、電気機器７０の交流電圧を直流電圧ｖｄｃに変換する。リレーＲＹ３，ＲＹ４が閉成されるので、正極線１５３ｐおよび負極線１５３ｇが、絶縁トランス５５をバイパスして、正極線１５５ｐおよび負極線１５５ｇと電気的に接続される。したがって、絶縁トランス５５による電気エネルギの伝達は実行されない。そして、第２電力変換部５４は、停止される。すなわち、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０がオフに固定される。第３電力変換部５６Ａは、スイッチング素子Ｑ１１を上アームとし、スイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５を下アームとする非絶縁型チョッパ回路として動作する。たとえば、スイッチング素子Ｑ１１およびスイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５を所定のスイッチング周期に従って相補にオンオフするとともに、これらのオンオフ比（デューティ比）を制御することによって蓄電装置１０へ入力される直流電流または直流電圧が制御指令値に従うように制御される。

このように、絶縁型充電モードおよび非絶縁型充電モードでは、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

さらに、昇圧回路５３を設けることにより、第１電力変換部５２と昇圧回路５３と平滑コンデンサＣ３とは、ＰＦＣ回路５８を構成する。これにより、ＡＣ−ＤＣ変換の力率を改善することができる。

次に、絶縁型放電モードでの電力変換装置５０Ａの動作を説明する。
絶縁型放電モードでは、第３電力変換部５６Ａは、スイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５のオンオフ制御によって、蓄電装置１０の直流電圧を交流電圧に変換して、絶縁トランス５５の二次側に出力する。リレーＲＹ３，ＲＹ４が開放されるため、第２電力変換部５４および第３電力変換部５６の間は、電気的に切り離される。第２電力変換部５４は、絶縁トランス５５の一次側の交流電圧を直流電圧に変換する。ＰＦＣ回路５８は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４，Ｑ６のオンオフ制御によって、正極線１５３ｐおよび負極線１５３ｇの直流電圧を交流電圧に変換して電気機器７０に出力する。すなわち、ＰＦＣ回路５８は、スイッチング素子Ｑ５をオフとし、スイッチング素子Ｑ６をスイッチングする。このとき、スイッチング素子Ｑ６のスイッチングのデューティ比を制御することで、正弦波を全波整流した電圧波形を生成できる。そして、上記全波整流した電圧が０Ｖになる度に、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４のオンオフとスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３のオンオフとを交互に切替える。ここで、スイッチング素子Ｑ１はスイッチング素子Ｑ４と同期してスイッチングし、スイッチング素子Ｑ２はスイッチング素子Ｑ３と同期してスイッチングする。スイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５のオンオフは、電気機器へ入力される交流電流または交流電圧が制御指令値に従うように制御される。

次に、非絶縁型放電モードでの電力変換装置５０Ａの動作を説明する。
非絶縁型放電モードでは、リレーＲＹ３，ＲＹ４が閉成されるので、正極線１５５ｐおよび負極線１５５ｇが、絶縁トランス５５をバイパスして、正極線１５３ｐおよび負極線１５３ｇと電気的に接続される。したがって、絶縁トランス５５による電気エネルギの伝達は実行されない。第３電力変換部５６Ａは、スイッチング素子Ｑ１１を上アームとし、スイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５を下アームとする非絶縁型チョッパ回路として動作する。たとえば、スイッチング素子Ｑ１１およびスイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５を所定のスイッチング周期に従って相補にオンオフするとともに、これらのオンオフ比（デューティ比）を制御することによって蓄電装置１０の電圧を所望の電圧に制御することができる。第２電力変換部５４は、動作を停止する。すなわち、スイッチング素子Ｑ７〜Ｑ１０がオフに固定される。ＰＦＣ回路５８は、正極線１５３ｐおよび負極線１５３ｇの間の交流電圧を直流電圧に変換して電気機器７０に出力する。

このように、絶縁型放電モードおよび非絶縁型放電モードでは、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。

さらに、第３電力変換部５６Ａは、スイッチング素子Ｑ１２〜Ｑ１５および逆並列ダイオードＤ１２〜Ｄ１５と、インダクタＬ２と、スイッチング素子Ｑ１１および逆並列ダイオードＤ１１とを含む。これにより、第３電力変換部は、第２正極線および第２負極線の間の電圧を蓄電装置の電圧以上の電圧に昇圧可能である。

このように、実施の形態２による車両では、実施の形態１と同様に、絶縁トランス５５を介した電力変換経路による絶縁性能を確保した外部充電（絶縁型充電モード）および外部放電（絶縁型放電モード）と、絶縁トランス５５をバイパスした電力変換経路による高効率を優先した外部充電（非絶縁型充電モード）および外部放電（非絶縁型放電モード）とを選択的に適用できる。さらに、実施の形態２による車両では、蓄電装置１０および電気機器７０の電圧を昇圧することが可能である。

なお、上記の実施の形態においては、動力分割装置４２によりエンジン４０の動力を駆動輪４４とモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２とに分割して伝達可能なシリーズ／パラレル型のハイブリッド車両について説明したが、この発明は、その他の形式のハイブリッド車両にも適用可能である。すなわち、たとえば、モータジェネレータＭＧ１を駆動するためにのみエンジン４０を用い、モータジェネレータＭＧ２でのみ車両の駆動力を発生する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド車両や、エンジン４０が生成した運動エネルギーのうち回生エネルギーのみが電気エネルギーとして回収されるハイブリッド車両、エンジンを主動力として必要に応じてモータがアシストするモータアシスト型のハイブリッド車両などにもこの発明は適用可能である。

また、上記の実施の形態では、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２とエンジン４０とを搭載したハイブリッド車を用いて説明したが、本発明は、ハイブリッド車に限定されず、電気自動車や燃料電池車などに適用してもよい。

なお、上記において、リレーＲＹ３，ＲＹ４は、この発明における「第１開閉器」の一実施例に対応し、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２は、この発明における「第２開閉器」の一実施例に対応する。また、リレーＲＹ３は、この発明における「第１開閉素子」の一実施例に対応し、リレーＲＹ４は、この発明における「第２開閉素子」の一実施例に対応する。また、正極線１５３ｐは、この発明における「第１正極線」の一実施例に対応し、負極線１５３ｇは、この発明における「第１負極線」の一実施例に対応する。また、正極線１５５ｐは、この発明における「第２正極線」の一実施例に対応し、負極線１５５ｇは、この発明における「第２負極線」の一実施例に対応する。また、電動エアコン２６は、この発明における「空調機器」の一実施例に対応する。

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。

１０ 蓄電装置、２３ ＤＣ／ＤＣコンバータ、２４ 補機バッテリ、２５ 補機負荷、２６ 電動エアコン、２８ 電気負荷、３０ 制御装置（ＥＣＵ）、４２ 動力分割装置、４４ 駆動輪、５０，５０Ａ 電力変換装置、５２ 第１電力変換部、５３ 昇圧回路、５４ 第２電力変換部、５５ 絶縁トランス、５６ 第３電力変換部、５８ ＰＦＣ回路、７０ 電気機器、７５ 端子、１００ 車両、１５１ｇ，１５３ｇ，１５５ｇ，１５７ｇ 負極線、１５１ｐ，１５３ｐ，１５５ｐ，１５７ｐ 正極線、Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ１５ 逆並列ダイオード、Ｌ１，Ｌ２ インダクタ、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｑ１〜Ｑ１５ 電力用半導体スイッチング素子、ＲＹ１，ＲＹ２ リレー、ＲＹ３，ＲＹ４ リレー（第１開閉器）、ＳＭＲ１，ＳＭＲ２ システムメインリレー（第２開閉器）。

Claims (6)

1. 蓄電装置と、
   車両外部の電気機器に接続される端子と、
   前記蓄電装置の電力によって動作する電気負荷と、
   前記電気機器から電力を供給される場合に、前記電気機器からの電力を前記蓄電装置へ伝送して前記蓄電装置を充電し、前記電気機器へ電力を供給する場合に、前記蓄電装置からの電力を前記電気機器へ伝送して前記蓄電装置を放電する電力変換装置とを備え、
   前記電力変換装置は、
   前記端子と前記蓄電装置との間を電気的に絶縁して電力を伝送する第１電路と、
   前記端子と前記蓄電装置との間を電気的に接続して電力を伝送する第２電路と、
   前記電気負荷が動作する場合に前記第１電路を選択し、前記電気負荷の動作が停止する場合に前記第２電路を選択する第１開閉器とを含む、車両。
2. 前記電気負荷は、車内温度を調節するための空調機器を含み、
   前記電力変換装置は、前記空調機器が動作する場合に前記第１電路を選択するように前記第１開閉器を制御する、請求項１に記載の車両。
3. 前記蓄電装置と前記電気負荷との間に接続された第２開閉器をさらに備え、
   前記電力変換装置は、前記第２開閉器の閉成時に前記第１電路を選択するように前記第１開閉器を制御し、前記第２開閉器の開放時に前記第２電路を選択するように前記第１開閉器を制御する、請求項１に記載の車両。
4. 前記電力変換装置は、
   電磁誘導によって一次側および二次側の間で電気エネルギを伝達する絶縁トランスと、
   前記端子と第１正極線および第１負極線との間で双方向に電力を伝送する第１電力変換部と、
   前記第１正極線および前記第１負極線と前記絶縁トランスの一次側との間で双方向に電力を伝送する第２電力変換部と、
   前記絶縁トランスの二次側と第２正極線および第２負極線との間で双方向に電力を伝送する第３電力変換部とを含み、
   前記第１開閉器は、
   前記第１正極線および前記第２正極線の間に接続された第１開閉素子と、
   前記第１負極線および前記第２負極線の間に接続された第２開閉素子とを有し、
   前記第１開閉素子および前記第２開閉素子は、前記第１電路が選択された場合に開放される一方で前記第２電路が選択された場合に閉成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の車両。
5. 前記電力変換装置は、前記第１正極線および前記第１負極線の間の電圧を前記電気機器の電圧以上の電圧に昇圧する昇圧回路をさらに含む、請求項４に記載の車両。
6. 前記第３電力変換部は、前記第２正極線および前記第２負極線の間の電圧を前記蓄電装置の電圧以上の電圧に昇圧可能に構成される、請求項４または５に記載の車両。

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