JP2015050846A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、降圧コンバータ１０と低電圧バッテリ３１の間で断線が発生した場合に、走行用のモータ５の駆動に必須の第１補機に安定した電力を供給することのできる電気自動車を提供する。【解決手段】第２補機群は、モータ５の駆動に必須でないデバイスであり、例えばルームランプ３６が含まれる。予備線１５は、降圧器１０の出力を第１補機（コントローラ１３など）に供給する。第１スイッチ２４は、低電圧バッテリ３１と第１補機との間の電力供給経路を開閉する。第２スイッチ１４は、予備線１５を開閉する。コントローラ１３は、断線を検知していない間は第１スイッチ２４を閉じるとともに第２スイッチ１４を開き、降圧器１０の出力電流を第１閾値以下に制限する。また、コントローラ１３は、断線を検知した場合、第１スイッチ２４を開くとともに第２スイッチ１４を閉じ、降圧器１０の出力電流を第１閾値より低い第２閾値以下に制限する。【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、走行用にモータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や燃料電池車を含む。

電気自移動車は、高電圧で駆動する走行用のモータと、走行用のモータよりも低電圧で駆動する多数の電気デバイスを搭載している。その多数の電気デバイスは「補機」と称される。多くの電気自動車は、走行用のモータを駆動する電力を蓄える高電圧バッテリと、補機を駆動する電力を備える低電圧バッテリを備える。低電圧バッテリの出力電圧は高電圧バッテリの出力電圧よりも低い。補機の中には、高電圧バッテリの直流出力を走行用のモータを駆動する交流に変換するインバータのコントローラや、モータの出力を制御するコントローラ、あるいは、インバータやモータの冷却器において冷媒を循環させるポンプなど、モータを駆動するのに必須の補機群とそうでない補機に分かれる。本明細書では、前者を第１補機と称し後者を第２補機と称する。第２補機の例は、ルームランプ、オーディオ、ナビゲーション装置などである。

さらに、電気自動車のなかには、高電圧バッテリの出力電圧を降圧して低電圧バッテリを充電する降圧コンバータを備えるものである。そのようなデバイスを備えた電気自動車が特許文献１、２に開示されている。

このように複雑な電力系を有する電気自動車では、降圧コンバータから低電圧バッテリへの電力供給が不能になった場合、第１補機に優先的に電力を供給し、走行を継続できるバックアップシステムを備えていることが好ましい。例えば特許文献１では、第１補機は低電圧バッテリに直接に接続されており、一方、第２補機はスイッチを介して低電圧バッテリに接続されている。特許文献１の技術では、降圧コンバータの異常を検知すると、スイッチを開いて第２補機（即ちモータ駆動に必須でない補機）を低電圧バッテリから切り離す。即ち特許文献１の電気自動車は、降圧コンバータの異常を検知すると低電圧バッテリの消費電力を抑制し、モータ駆動に必要な補機（第１補機）をできるだけ長時間駆動できるようにする。また、特許文献２では、降圧コンバータから低電圧バッテリまでの通電経路が断線した場合、走行を継続するための応急処置として、降圧コンバータの出力電圧を計測するためのケーブルと、低電圧バッテリの電圧を計測するためのケーブルを短絡させ、低電圧バッテリ充電のための通電経路を確保する。

特開２０１２−０６５４８８号公報 特開２０１０−１４１９８４号公報

特許文献１の技術では、第２補機を低電圧バッテリから切り離すので低電圧バッテリの負荷が減る。そのような場合に降圧コンバータが負荷低下前と同様に動作していると、降圧コンバータの供給電力が過剰となり、電圧が不安定となる虞がある。他方、特許文献２の技術は、本来は電圧計測用のケーブルを充電用に流用するため、十分な電力を伝達できず、やはり電圧が不安定となる虞がある。本明細書は、降圧コンバータと低電圧バッテリの間の電力供給経路が断線したときに、第１補機に安定した電力を供給すると同時に、第２補機へも可能な限り電力を供給する技術を提供する。

本明細書が開示する前提となる電気自動車は、走行用のモータ、高電圧バッテリ、低電圧バッテリ、降圧コンバータ、第１補機、及び、第２補機を備える。高電圧バッテリは、走行用のモータを駆動する電力を蓄える。低電圧バッテリは、高電圧バッテリよりも出力電圧が低いバッテリであって補機を駆動する電力を蓄える。降圧コンバータは、高電圧バッテリの電圧を降圧し、低電圧バッテリに電力を供給する。前述したように、第１補機は、モータを駆動するのに必須なデバイスであり、第２補機は、モータを駆動するのに必須ではないデバイスである。第１補機も第２補機も低電圧バッテリから電力の供給を受けるが、低電圧バッテリと第１補機との間の電力供給経路には、その通電経路を開閉する第１スイッチが設けられている。また、この電気自動車は、降圧コンバータの出力を直接に第１補機に供給する電力供給予備経路と、その電力供給予備経路を開閉する第２スイッチと、第１スイッチと第２スイッチと降圧コンバータを制御するコントローラを備える。ここで、コントローラは、降圧コンバータと低電圧バッテリの間で断線を検知していない間は第１スイッチを閉じるとともに第２スイッチを開き、降圧コンバータの出力電流を第１閾値以下に制限する。そして、コントローラは、降圧コンバータと低電圧バッテリの間で断線を検知した場合、第１スイッチを開くとともに第２スイッチを閉じ、降圧コンバータの出力電流を第１閾値より低い第２閾値以下に制限する。第２閾値は、第１補機の消費電力や第１補機に設けられているヒューズの総許容量で定められる。また、「通電経路を閉じる」とは、通電経路を確保することを意味し、「通電経路を開く」とは、通電経路を遮断することを意味する。

上記の電気自動車は、降圧コンバータと低電圧バッテリの間の電力供給経路の断線を検知すると、モータ駆動に必須でない第２補機へは低電圧バッテリからの電力供給を継続するとともに、モータ駆動に必須の第１補機へは降圧コンバータから直接に電力を供給する。その際、降圧コンバータの出力電流を通常時（断線前）よりも低く制限することで、通常時より少ない負荷（第１補機のみ）に対して過電流とならず安定した電力が供給されるようにする。第１補機は降圧コンバータを介して高電圧バッテリから安定した電力が供給されるので断線後であっても安定して動作することができ、モータによる走行を継続することができる。一方、第２補機は、低電圧バッテリの残量がある限り動作を継続することができる。

コントローラは、例えば、降圧コンバータが正常に動作しているにも関わらずに出力電流がゼロとなったときに、電圧降圧コンバータと低電圧バッテリの間で断線が生じたと判断する。あるいは、断線を検知するセンサを搭載してもよい。

なお、「第１補機」、「第２補機」は、夫々複数であってよく、その代表的なデバイスは先に例示した通りである。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例のハイブリッド車の電気系統のブロック図である。 降圧コンバータのブロック図である。

図面を参照して実施例の電気自動車を説明する。実施例の電気自動車は、走行用にモータとエンジンを備えるハイブリッド車２である。ハイブリッド車２の電気系統のブロック図を図１に示す。

ハイブリッド車２は、電源として、高電圧バッテリ３と低電圧バッテリ３１を搭載している。高電圧バッテリ３は、走行用のモータ５を駆動する電力を蓄えるバッテリであり、その出力電圧は例えば３００ボルトである。低電圧バッテリ３１は、高電圧バッテリ３よりも出力電圧が低く、走行用モータ以外の電気デバイスに電力を供給する。低電圧バッテリ３１の出力電圧は例えば１２ボルトである。低電圧バッテリ３１は、補機バッテリ、あるいは、オグジュアリィバッテリとも呼ばれ、通常のエンジン車が備えるバッテリと基本的に同じである。低電圧バッテリ３１が電力を供給する電気デバイスは、「補機」と総称される。補機については後に詳しく説明する。

高電圧バッテリ３は、インバータ４に電力を供給する。インバータ４は、高電圧バッテリ３の直流電力をモータ５の駆動に適した３相交流電力に変換する。インバータ４は昇圧コンバータも含んでおり、高電圧バッテリ３の出力電圧を昇圧した後に交流に変換する。

モータ５の出力軸とエンジン６の出力軸は動力分配機構７に連結されている。モータ５の出力トルクとエンジン６の出力トルクは動力分配機構７で合成され、その出力はデフギア９を介して車輪８に伝達される。動力分配機構７は基本的には遊星歯車ギアであり、モータ５の出力軸はサンギアに連結され、エンジン６の出力軸はプラネタリキャリアに連結され、出力軸（デフギア９に連結している車軸）はリングギアに連結されている。動力分配機構７は、また、エンジン６の出力トルクをモータ５と出力軸に振り分ける場合もある。その場合、ハイブリッド車２は、エンジン６の出力で走行しながらモータ５で発電する。発電で得られた電力で高電圧バッテリ３が充電される。

高電圧バッテリ３は、インバータ４に接続されているとともに、降圧コンバータ１０にも接続されている。降圧コンバータ１０の出力端は低電圧バッテリ３１の出力端に接続している。なお、低電圧系の負極は車両のボディに接続している。車両のボディはグランドに相当する。即ち、降圧コンバータ１０の負極出力端や低電圧バッテリの負極出力端はグランドＧに接続している。各補機（後述）の負極もグランドに接続している。

符号１０が示す破線の矩形が降圧コンバータを表しており、符号１２の矩形はコンバータ主回路を示しており、符号１３はコンバータ主回路を制御するコントローラを示している。符号１０が示す破線の矩形は、物理的には降圧コンバータの筐体を示している。詳しくは後述するが、降圧コンバータ１０の筐体の内部には、コンバータ主回路１２から第１補機群へ直接に電力を供給する電力供給予備線１５（電力供給予備経路）が備えられている。降圧コンバータ１０の筐体内にはさらに、電力供給予備線１５を開閉する第２スイッチ１４が備えられている。「電力供給予備線１５を開閉する」とは、前述したように、コンバータ主回路１２と第１補機群との間の通電経路を確保したり遮断したりすることを意味する。ここで、第１補機群とは、モータ５を駆動するのに必須のデバイスを意味する。主な第１補機群には、ハイブリッド車のメインコントローラ３２、モータ５を制御するモータコントローラ３３、モータ５とインバータ４の冷却器のポンプ３４、高電圧バッテリ３を制御するバッテリコントローラ３５、及び、降圧コンバータ内のコントローラ１３が含まれる。コントローラ１３は、コンバータ主回路１２が備える複数のトランジスタ（スイッチング素子）を制御する。メインコントローラ３２は、アクセル開度と車速からモータ５の出力とエンジン６の出力（目標出力）を決定し、夫々の目標出力をモータコントローラ３３とエンジンコントローラ（不図示）に指令する。

降圧コンバータ１０の出力端子は低電圧バッテリ３１に接続している。その低電圧バッテリ３１の出力端は、ヒューズ２５と第１スイッチ２４を介して第１電力線２１に接続しているとともに、ヒューズ２６を介して第２電力線２２に接続している。第１電力線２１は、低電圧バッテリ３１から前述した第１補機群（メインコントローラ３２など）に電力を供給するケーブルである。先に述べた電力供給予備線１５は、第２スイッチ１４を介してこの第１電力線２１に接続している。第２電力線２２は、低電圧バッテリ３１から第２補機群に電力を供給するケーブルである。第２補機群とは、モータ５を駆動するのに必須でないデバイスを意味する。第２補機群には、例えば、ルームランプ３６、カーオーディオ３７、カーナビゲーション３８が含まれる。前述したように、車両のボディが補機の電力系のグランドに相当するため、第１補機群（メインコントローラ３２など）と第２補機群（ルームランプ３６など）の電力供給端子の一方はグランドに接続している。

図２に、降圧コンバータ１０の内部回路の詳細なブロック図を示す。図２を参照して降圧コンバータ１０と補機の電力系について詳しく説明する。

降圧コンバータ１０のコンバータ主回路１２について説明する。コンバータ主回路１２は、４個のトランジスタ５３のフルブリッジ回路と、トランス５４で構成される。各トランジスタ５３には、還流用のダイオードが逆並列に接続されている。図２のコンバータ主回路に用いられているトランジスタはＭＯＳＦＥＴである。トランス５４は、ダイオード５５とともに、トランジスタ５３のスイッチング動作の出力を整流し、一定の電圧を出力する。コンバータ主回路１２に付随する部品として、電流平滑化用のコンデンサ５２、５７、トランジスタ５３のスイッチングノイズの外部への影響を抑制するチョークコイル５１、５６がある。図２の降圧コンデンサの回路は良く知られているので、詳しい説明は省略する。

コンバータ主回路１２の４個のトランジスタ５３は、コントローラ１３によって制御される。コントローラ１３は、降圧コンバータ１０の所望の出力（所望の出力電圧、及び、所望の出力電流）に応じて各トランジスタのスイッチング周期とゲート電圧を決定する。別言すれば、コントローラ１３は、各トランジスタ５３のゲートに適切な周期のゲート電圧を与え、降圧コンバータ１０の所望の出力電圧と出力電流を実現する。簡単に言えば、コントローラ１３は降圧コンバータ１０の出力電圧と出力電流を調整する。コントローラ１３は、通常は、降圧コンバータ１０の出力端Ｐ１から出力される電流の大きさを第１閾値以下に制限している。第１閾値は、第１補機群と第２補機群の消費電力や夫々の補機が有するヒューズの総容量などに基づいて予め定められている。この電流制限は、降圧コンバータ１０の出力電流の過電流を制限するために設けられている。

前述したように、降圧コンバータ１０の出力端Ｐ１には、低電圧バッテリ３１の出力端Ｐ２が接続されている。即ち、低電圧バッテリ３１は、降圧コンバータ１０の出力電力で充電される。降圧コンバータ１０は、高電圧バッテリ３の出力電圧を降圧して低電圧バッテリ３１に供給する。

また、その低電圧バッテリ３１の出力端Ｐ２には、ヒューズ２５と第１スイッチ２４を介して第１電力線２１が接続している。さらに、低電圧バッテリ３１の出力端Ｐ２には、ヒューズ２６を介して第２電力線２２が接続している。第１電力線２１には、モータ５（図１参照）を駆動するのに必須の第１補機群（メインコントローラ３２やモータコントローラ３３など）が接続されており、第２電力線２２には、モータ５を駆動するのに必須ではない第２補機群（ルームランプ３６、カーオーディオ３７など）が接続されている。

降圧コンバータ１０の筐体内部では、チョークコイル５６の出力側（即ち、コンバータ主回路１２の出力端）に、電力供給予備線１５が接続している。電力供給予備線１５の途中には第２スイッチ１４が接続され、電力供給予備線１５の他端は、第１電力線２１に接続している。第２スイッチ１４は、ＭＯＳＦＥＴである。第２スイッチ１４も降圧コンバータ１０の筐体内に配置されている。

第２スイッチ１４、及び、第１スイッチ２４は、コントローラ１３によって制御されており、第２スイッチ１４は通常は開いており、第１スイッチ２４は通常は閉じている。即ち、通常、第１補機群は、電力供給予備線１５を経由して低電圧バッテリ３１から電力供給を受けることはなく、第１スイッチ２４を経由して第１電力線２１により低電圧バッテリ３１から電力の供給を受ける。なお、第２スイッチ１４のＭＯＳＦＥＴにはダイオード１７が逆並列に接続されており、第１電力線２１の側から出力端Ｐ１へは電流が流れるようになっている。

降圧コンバータ１０の出力端Ｐ１と低電圧バッテリの出力端Ｐ２の間（図２中の符号Ｑが示す位置）で断線が生じたときのコントローラ１３の処理を説明する。なお、コントローラ１３は、不図示の電流センサにより、降圧コンバータ１０の出力端Ｐ１を流れる電流を計測しており、降圧コンバータ１０が正常に動作しているにも関わらずに出力端Ｐ１を電流が流れなくなったときに位置Ｑで断線が生じたと判断する。

降圧コンバータ１０の出力端Ｐ１と低電圧バッテリ３１の出力端Ｐ２の間（図２中の符号Ｑが示す位置）で断線が生じると、コントローラ１３は、第１スイッチ２４を開くとともに、第２スイッチ１４を閉じる。また、コントローラ１３は、降圧コンバータ１０の出力電流を第１閾値より低い第２閾値以下に制限する。

位置Ｑで断線したとき、第１スイッチ２４が開かれることで、第１電力線２１は低電圧バッテリ３１から切り離される。位置Ｑで断線しているので、第２スイッチ１４が閉じても低電圧バッテリ３１から第１補機群へは電力が供給されない。他方、低電圧バッテリ３１の出力は第２電力線２２を通じて継続して第２補機群へは供給される。なお、位置Ｑでの断線により、降圧コンバータ１０から低電圧バッテリ３１への電力供給は途絶えているので、第２補機群は、低電圧バッテリ３１の残量がなくなると停止する。

他方、位置Ｑで断線が生じると、第１スイッチ２４が開かれて第２スイッチ１４が閉じられるので、第１補機群は降圧コンバータ１０から直接に電力供給を受ける。それゆえ、低電圧バッテリ３１からの電力供給が途絶えても、第１補機群は降圧コンバータ１０からの電力供給により作動し続けることができる。このとき、降圧コンバータ１０に接続されているのは第１補機群だけであり第２補機群は切り離されているので、降圧コンバータ１０の負荷が断線前よりも低くなっている。コントローラ１３は、位置Ｑで断線を検知したときに降圧コンバータ１０の出力電流を、断線前の第１閾値よりも低い第２閾値以下に制限する。降圧コンバータ１０の負荷低下に伴う降圧コンバータ１０の出力電流が抑制されるので、第１補機群には安定した電力が供給され、過電流となることはない。こうして、位置Ｑで断線が生じた後でも第１補機群は安定して動作することができ、モータ５による走行を継続することができる。なお、第２閾値は、第１補機群回りの配線や、第１補機群の夫々のデバイスが備えるヒューズの容量に応じて定められる。

以上説明したように、実施例のハイブリッド車２は、降圧コンバータ１０から低電圧バッテリ３１への電力供給経路に断線が発生した場合、第１スイッチ２４を開くことで、モータ駆動に必要な第１補機群を低電圧バッテリ３１から切り離し、第２スイッチ１４を閉じることで降圧コンバータ１０からの直接的な電力供給に切り換える。しかも、降圧コンバータ１０の出力電流は第１閾値よりも小さい第２閾値以下に制限される。このことにより、第１補機群には、降圧コンバータ１０から安定した電力が供給され、ハイブリッド車２はモータ５を使って走行を続けることができる。

実施例で説明したハイブリッド車２（電気自動車）に関する留意点を述べる。位置Ｑでの断線に関するコントローラ１３の動作を述べると次の通りである。コントローラ１３は、降圧コンバータ１０と低電圧バッテリ３１の間（図２中の符号Ｑが示す箇所）で断線を検知していない間は第１スイッチ２４を閉じるとともに第２スイッチ１４を開き、降圧コンバータ１０の出力電流を第１閾値以下に制限する。コントローラ１３は、降圧コンバータ１０と低電圧バッテリ３１の間で断線を検知した場合、第１スイッチ２４を開くとともに第２スイッチ１４を閉じる。このときコントローラ１３は、降圧コンバータ１０の出力電流を第１閾値より低い第２閾値以下に制限する。第１閾値の具体例は、例えば１２０アンペアであり、第２閾値の具体例は、例えば３０アンペアであるが、これらの数値は、電気自動車の仕様から定められる。

図１と図２の降圧コンバータ１０の周辺の構成は、次のように表現することもできる。ハイブリッド車２は、走行用のモータ５と、モータ５を駆動する電力を蓄える高電圧バッテリ３と、高電圧バッテリ３の電圧を降圧する降圧コンバータ１０と、高電圧バッテリ３よりも出力電圧が低いバッテリであって降圧コンバータ１０の出力電力で充電される低電圧バッテリ３１を備える。ハイブリッド車２は、さらに、低電圧バッテリ３１から電力供給を受ける第１補機であってモータ５を駆動するのに必須の第１補機群（メインコントローラ３２やモータコントローラ３３など）と、低電圧バッテリ３１から電力供給を受ける第２補機であってモータ５を駆動するのに必須でない第２補機群（ルームランプ３６やカーオーディオ３７など）を備える。さらにハイブリッド車２は、第１補機群に低電圧バッテリ３１から電力を供給するための第１電力線２１と、第２補機群に低電圧バッテリ３１から電力を供給するための第２電力線２２と、低電圧バッテリ３１から第１電力線２１への通電経路を開閉する第１スイッチ２４と、降圧コンバータ１０の出力を低電圧バッテリ３１を経ずして第１電力線２１に供給する電力供給予備線１５と、電力供給予備線１５を開閉する（導通と遮断を切り換える）第２スイッチ１４を備える。第１スイッチ２４と第２スイッチ１４と降圧コンバータ１０を制御するコントローラ１３は、位置Ｑでの断線の検知の前後において、前述した処理を行う。

本明細書が開示する技術は、ハイブリッド車だけでなく、モータのみで走行するいわゆるピュアＥＶに適用することもできる。また、高電圧バッテリ３は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの化学電池でもよいし、水素と酸素を反応させて電流を取り出す燃料電池であってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ハイブリッド車
３：高電圧バッテリ
４：インバータ
５：モータ
６：エンジン
７：動力分配機構
８：車輪
９：デフギア
１０：降圧コンバータ
１２：コンバータ主回路
１３：コントローラ
１４：第２スイッチ
１５：電力供給予備線（電力供給予備経路）
１７：ダイオード
２１：第１電力線
２２：第２電力線
２４：第１スイッチ
２５、２６：ヒューズ
３１：低電圧バッテリ
３２：メインコントローラ
３３：モータコントローラ
３４：ポンプ
３５：バッテリコントローラ
３６：ルームランプ
３７：カーオーディオ
３８：カーナビゲーション
５１、５６：チョークコイル
５２、５７：コンデンサ
５３：トランジスタ
５４：トランス
５５：ダイオード

Claims (1)

1. 走行用のモータと、
   前記モータを駆動する電力を蓄える高電圧バッテリと、
   高電圧バッテリの電圧を降圧する降圧コンバータと、
   高電圧バッテリよりも出力電圧が低いバッテリであって前記降圧コンバータの出力電力で充電される低電圧バッテリと、
   前記低電圧バッテリから電力供給を受ける第１補機であって前記モータを駆動するのに必須の第１補機と、
   前記低電圧バッテリから電力供給を受ける第２補機であって前記モータを駆動するのに必須でない第２補機と、
   前記降圧コンバータの出力を前記第１補機に供給する電力供給予備経路と、
   前記低電圧バッテリと前記第１補機との間の電力供給経路を開閉する第１スイッチと、
   前記電力供給予備経路を開閉する第２スイッチと、
   第１スイッチと第２スイッチと降圧コンバータを制御するコントローラと、
   を備えており、前記コントローラは、
   前記降圧コンバータと前記低電圧バッテリの間で断線を検知していない間は第１スイッチを閉じるとともに第２スイッチを開き、前記降圧コンバータの出力電流を第１閾値以下に制限し、
   前記降圧コンバータと前記低電圧バッテリの間で断線を検知した場合、第１スイッチを開くとともに第２スイッチを閉じ、前記降圧コンバータの出力電流を前記第１閾値より低い第２閾値以下に制限することを特徴とする電気自動車。

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