JP2015050846A - 電気自動車 - Google Patents
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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。
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
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)
- 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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---|---|---|---|
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JP2013181332A Pending JP2015050846A (ja) | 2013-09-02 | 2013-09-02 | 電気自動車 |
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JP (1) | JP2015050846A (ja) |
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2013
- 2013-09-02 JP JP2013181332A patent/JP2015050846A/ja active Pending
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