JP2016010280A - 電動車両の制御装置 - Google Patents

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裕一 宇田
Yuichi Uda
裕一 宇田
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Abstract

【課題】プリチャージを早期に完了させて、車両走行が可能になるまでの時間を短縮することができる電動車両の制御装置を提供すること。【解決手段】高電圧を蓄電可能な高電圧バッテリ２と、高電圧バッテリ２の出力電圧を降圧するＤＣＤＣコンバータ４と、ＤＣＤＣコンバータ４の出力端子に接続された低電圧バッテリ３と、イグニッションスイッチがオンにされるとプリチャージコンタクタ１２及びマイナスコンタクタ１４をオンにしてコンデンサ４１を充電するプリチャージを開始させるコントローラ７と、プリチャージ中にＤＣＤＣコンバータ４の出力電圧を低電圧バッテリ３と同じ電圧に設定する電圧調整部７１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電力により駆動される走行用モータなどの高電圧機器を搭載する車両において、車両の始動時など高電圧機器の駆動の際に、高電圧機器への過大な電力が急に流れることを防止する機能を備えた電動車両の制御装置に関する。
走行駆動源として走行用モータを搭載した車両では、比較的高電圧、例えば、２００Ｖ程度の直流電力を蓄える高電圧バッテリと、高電圧バッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータによって変換された交流電力によって駆動される走行用モータとを備え、走行用モータの出力軸に動力伝達可能に連結された駆動輪を回転駆動することで車両を走行させている。
このような車両は、高電圧バッテリとは別に、比較的低電圧、例えば、１２Ｖの直流電力を蓄える低電圧バッテリを備え、この低電圧バッテリの電力によって車両の照明や車両を制御するための種々のコントローラなどの低電圧系機器を作動させている。
低電圧バッテリは、ＤＣ（direct current）ＤＣコンバータを介して高電圧バッテリと接続され、高電圧バッテリの高電圧の出力電圧がＤＣＤＣコンバータで低電圧に変換されて低電圧バッテリに蓄電されるようになっている。
また、高電圧バッテリとインバータとの間には、高電圧バッテリとの電気的接続を断接するためのメインコンタクタが介装されている。また、インバータの入力端には、高電圧バッテリから供給される電圧変動を抑制するため、入力された電圧を平滑化するコンデンサが設けられている。
しかしながら、メインコンタクタをオンにして高電圧バッテリからの直流電流をインバータに入力すると、コンデンサに極めて大きな電流が短時間に流れ込み、その結果、メインコンタクタの接点が溶着するなどの損傷を招く恐れがある。
そこで、メインコンタクタと並列にプリチャージコンタクタとプリチャージ抵抗とを設け、メインコンタクタをオンにする前にプリチャージコンタクタをオンにして、コンデンサを徐々に充電し、高電圧バッテリとコンデンサとの電位差が小さくなったところでメインコンタクタをオンにする。このようなプリチャージ制御を行うことで、メインコンタクタの損傷等が生じないようにしている。
このような車両において、プリチャージ中にＤＣＤＣコンバータが動作すると、コンデンサのプリチャージに必要な電流がＤＣＤＣコンバータにて消費され、プリチャージが完了しないことになる。
この問題を解決するため、ＤＣＤＣコンバータの動作をオンまたはオフする動作許可信号をＤＣＤＣコンバータに入力して、プリチャージ中にはＤＣＤＣコンバータを動作させないようにする車両がある。このような車両では、動作許可信号を送信する通信線が断線した場合にも、ＤＣＤＣコンバータが動作を継続できるように制御させるようになっている。
したがって、通信線が断線していると、プリチャージ中にＤＣＤＣコンバータが動作してしまい、プリチャージが完了しなくなってしまう。
特許文献１においては、通信線が断線しているか否かを検出し、断線が検出された場合は、高電圧バッテリからの電力の供給を遮断してプリチャージを行わないで異常ランプを点灯するようになっている。
このような車両では、動作許可信号を送信する通信線が断線した場合には、プリチャージを実行できないので、ＤＣＤＣコンバータの運転を開始できない。また、高電圧バッテリからの電力の供給が行われないため、インバータにも電力が供給されず、走行用モータを駆動することもできない。
特許第３９６３１５５号公報
このように、プリチャージ中にＤＣＤＣコンバータが動作すると、ＤＣＤＣコンバータで電流が消費されてプリチャージが完了しなくなる。ＤＣＤＣコンバータの動作を動作許可信号で停止させるようにしても、動作許可信号を送信する通信線が断線した場合には、ＤＣＤＣコンバータが動作してしまいプリチャージが完了しなくなる。特許文献１では、通信線の断線を検出するようにしているが、検出してもプリチャージを完了させることはできず、車両走行ができなくなる。
そこで、本発明は、プリチャージを早期に完了させて、車両走行が可能になるまでの時間を短縮することができる電動車両の制御装置を提供することを目的としている。
上記課題を解決する電動車両の制御装置の発明の一態様は、高電圧の電力を蓄電可能な高電圧バッテリと、高電圧バッテリの出力電圧を降圧する電圧変換器と、電圧変換器の出力端子に接続された低電圧バッテリと、電圧変換器の入力端子間に接続されたコンデンサと、コンデンサのプリチャージを行うためのプリチャージ回路と、を備えた電動車両の制御装置であって、電圧変換器の出力電圧を調整する電圧調整部を備え、電圧調整部は、コンデンサのプリチャージ実施中に、電圧変換器の出力電圧を低電圧バッテリと同じ電圧に設定するものである。
このように本発明の一態様によれば、プリチャージ実施中に電圧変換器の出力電圧を低電圧バッテリと同じ電圧にしているので、電圧変換器から電流が流れないようにすることができる。したがって、電圧変換器でプリチャージに必要な電流が消費されなくなり、プリチャージを早期に完了させて、車両走行が可能になるまでの時間を短縮することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る電動車両の制御装置を示す図であり、その概念ブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る電動車両の制御装置を示す図であり、そのプリチャージ制御処理を説明するフローチャートである。 図３は、本発明の一実施形態に係る電動車両の制御装置を示す図であり、そのプリチャージ制御処理を説明するタイムチャートである。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る電動車両の制御装置ついて詳細に説明する。
図１において、本実施形態の電動車両の制御装置を搭載した車両１は、高電圧バッテリ２と、低電圧バッテリ３と、ＤＣＤＣコンバータ４と、高電圧系機器５と、低電圧系機器６と、コントローラ７とを含んで構成される。
高電圧バッテリ２は、例えば、ニッケル蓄電池やリチウム蓄電池等からなり、出力電圧が２００Ｖ程度であり、複数のセルを直列に接続して構成されている。高電圧バッテリ２は、各セルのセル電圧を検出する電圧センサ２１、高電圧バッテリ２の温度を検出する温度センサ２２、充電電流及び放電電流を検出する電流センサ２３などが設けられている。高電圧バッテリ２の出力端子にはＤＣＤＣコンバータ４と高電圧系機器５とが並列に接続されている。すなわち、高電圧バッテリ２は、ＤＣＤＣコンバータ４と高電圧系機器５とに電力を供給する。高電圧系機器５は、車両１の走行駆動源である走行用モータの駆動を制御するモータインバータや空調用の電動コンプレッサなどが含まれる。
高電圧バッテリ２のプラス端子には、プラスコンタクタ１１が接続されており、プラスコンタクタ１１と並列にプリチャージコンタクタ１２とプリチャージ抵抗１３との直列接続回路が接続されている。高電圧バッテリ２のマイナス端子には、マイナスコンタクタ１４が接続されている。プラスコンタクタ１１、プリチャージコンタクタ１２、マイナスコンタクタ１４は、高電圧バッテリ２とＤＣＤＣコンバータ４及び高電圧系機器５との接続をオンまたはオフするスイッチである。プラスコンタクタ１１、プリチャージコンタクタ１２、マイナスコンタクタ１４のオンまたはオフは、コントローラ７によって制御される。
低電圧バッテリ３は、例えば、鉛蓄電池からなり、出力電圧が１２Ｖ程度であり、車両１の電装系などからなる各種の低電圧系機器６を駆動させる電力を供給する。
ＤＣＤＣコンバータ４は、高電圧バッテリ２の高電圧の出力電圧を低電圧に変換して低電圧バッテリ３に供給する。ＤＣＤＣコンバータ４は、コンデンサ４１と、トランジスタ４２と、高電圧側コイル４３と、低電圧側コイル４４と、鉄心４５と、制御部４６と、コンデンサ電圧センサ４７とを含んで構成される。
コンデンサ４１は、高電圧バッテリ２からの入力端子間に接続され、高電圧バッテリ２から供給される電力の電圧変動を抑制して平滑化させる。コンデンサ４１には、コンデンサ４１の端子間電圧を検出するコンデンサ電圧センサ４７が設けられている。
高電圧側コイル４３は、コンデンサ４１と並列に接続されている。低電圧側コイル４４は、鉄心４５を挟んで高電圧側コイル４３に対向して設けられている。高電圧側コイル４３に電流が流れると磁界が生じ、この磁界により低電圧側コイル４４側にも磁界が生じ電流が流れる。高電圧側コイル４３の巻数と低電圧側コイル４４の巻数の比により低電圧側コイル４４側の電圧が決まる。このように、ＤＣＤＣコンバータ４は、本発明における電圧変換器を構成する。
トランジスタ４２は、高電圧側コイル４３と直列に接続され、高電圧側コイル４３に流れる電流のオンまたはオフを行うものである。制御部４６がトランジスタ４２のオンの期間とオフの期間を制御することにより低電圧側コイル４４側の電圧を制御することができる。制御部４６には、コントローラ７から動作許可信号が送信される通信線と電圧指令信号が送信される通信線が接続されている。
制御部４６は、動作許可信号がオフの間は、トランジスタ４２をオフにすることで、高電圧側コイル４３に電流が流れないようにして、ＤＣＤＣコンバータ４が動作しないようにする。制御部４６は、動作許可信号がオンの間は、電圧指令信号の電圧値に応じてトランジスタ４２のオンまたはオフを制御して、低電圧側コイル４４の電圧値が電圧指令信号の電圧値になるように制御する。ＤＣＤＣコンバータ４の出力には、低電圧バッテリ３と低電圧系機器６とが並列に接続されている。
コントローラ７は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、フラッシュメモリと、入力ポートと、出力ポートとを備えたコンピュータユニットによって構成されている。
コントローラ７のＲＯＭには、各種制御定数や各種マップ等とともに、当該コンピュータユニットをコントローラ７として機能させるためのプログラムが記憶されている。すなわち、コントローラ７において、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムを実行することにより、当該コンピュータユニットは、コントローラ７として機能する。
コントローラ７の入力ポートには、電圧センサ２１と、温度センサ２２と、電流センサ２３と、コンデンサ電圧センサ４７とを含む各種センサ類が接続されている。一方、コントローラ７の出力ポートには、プラスコンタクタ１１と、プリチャージコンタクタ１２と、マイナスコンタクタ１４と、ＤＣＤＣコンバータ４とを含む各種制御対象類が接続されている。なお、動作許可信号が送信される通信線は、例えば、通信線の電位を参照することで断線しているか否かをコントローラ７側で検出することができるようになっている。ＤＣＤＣコンバータ４は、動作許可信号が送信される通信線が断線した場合には、動作を継続するように構成されている。
コントローラ７は、不図示のイグニッションスイッチがオンされると、処理を開始し、動作許可信号をオフにしてＤＣＤＣコンバータ４の動作を停止させ、プリチャージコンタクタ１２とマイナスコンタクタ１４をオンにして、コンデンサ４１を充電するプリチャージを開始する。このように、プリチャージコンタクタ１２及びマイナスコンタクタ１４をオンした時の閉回路をプリチャージ回路という。
そして、コントローラ７は、例えば、電圧センサ２１の検出する高電圧バッテリ２の電圧と、コンデンサ電圧センサ４７の検出するコンデンサ４１の電圧との差が、予め設定された値以下になった場合、プリチャージが完了したと判定する。プリチャージが完了したと判定すると、コントローラ７は、プラスコンタクタ１１をオンにし、プリチャージコンタクタ１２をオフにし、動作許可信号をオンにしてＤＣＤＣコンバータ４の動作を開始させる。
コントローラ７は、ＤＣＤＣコンバータ４の出力電圧を調整する電圧調整部７１を備えている。電圧調整部７１は、プリチャージ中のＤＣＤＣコンバータ４の出力電圧を、低電圧系機器６への電力供給が低電圧バッテリ３からのみとなりＤＣＤＣコンバータ４から出力電流が流れないような値、例えば、低電圧バッテリ３の出力電圧と同じ値に設定する。
具体的には、コントローラ７は、イグニッションスイッチがオンされると、ＤＣＤＣコンバータ４への動作許可信号をオフにするとともに、プリチャージコンタクタ１２及びマイナスコンタクタ１４をオンにする。また、電圧調整部７１は、ＤＣＤＣコンバータ４への電圧指令信号を、例えば１２Ｖとして送信する。
そして、コントローラ７は、プリチャージの完了を監視する。プリチャージが完了したと判定すると、コントローラ７は、プラスコンタクタ１１をオンにし、プリチャージコンタクタ１２をオフにし、ＤＣＤＣコンバータ４への動作許可信号をオンとして送信する。また、電圧調整部７１は、ＤＣＤＣコンバータ４への電圧指令信号を通常値の、例えば、１４Ｖとして送信する。
このように、プリチャージ中のＤＣＤＣコンバータ４への電圧指令信号を、低電圧系機器６への電力供給が低電圧バッテリ３からのみとなり、ＤＣＤＣコンバータ４から出力電流が流れないような値に設定しているため、ＤＣＤＣコンバータ４が動作を開始した場合でも、ＤＣＤＣコンバータ４から出力電流が流れないため、プリチャージを早期に完了させることができる。
以上のように構成された本実施形態に係る電動車両の制御装置によるプリチャージ制御処理について、図２を参照して説明する。なお、以下に説明するプリチャージ制御処理は、イグニッションスイッチがオンにされると実行される。
まず、コントローラ７は、マイナスコンタクタ１４をオンにする（ステップＳ１００）。次いで、電圧調整部７１は、ＤＣＤＣコンバータ４への電圧指令信号をプリチャージ用に、例えば、１２Ｖに設定する（ステップＳ１０１）。次いで、コントローラ７は、ＤＣＤＣコンバータ４への動作許可信号をオフとして送信する（ステップＳ１０２）。そして、コントローラ７は、プリチャージコンタクタ１２をオンにする（ステップＳ１０３）。
次いで、コントローラ７は、プリチャージが完了したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。プリチャージが完了していないと判定した場合、コントローラ７は、ステップＳ１０４の処理を繰り返し、プリチャージの完了を待ち合わせる。
一方、プリチャージが完了したと判定した場合、コントローラ７は、プラスコンタクタ１１をオンにする（ステップＳ１０５）。次いで、コントローラ７は、プリチャージコンタクタ１２をオフにする（ステップＳ１０６）。次いで、電圧調整部７１は、ＤＣＤＣコンバータ４への電圧指令信号を通常値の、例えば１４Ｖに設定する（ステップＳ１０７）。次いで、コントローラ７は、ＤＣＤＣコンバータ４への動作許可信号をオンとして送信し（ステップＳ１０８）、処理を終了する。
このようなプリチャージ制御処理による動作について図３を参照して説明する。なお、ＤＣＤＣコンバータ４への電圧指令信号は、最初からプリチャージ用の１２Ｖとなっている。
まず、Ｔ１においてマイナスコンタクタ１４がオンにされ、Ｔ２においてプリチャージコンタクタ１２がオンにされると、コンデンサ４１への充電が開始され、コンデンサ４１の電圧が上昇していく。
そして、Ｔ３のタイミングで、高電圧バッテリ２の電圧２００Ｖと、コンデンサ４１の電圧との差が、予め設定された値以下になり、プリチャージが完了したと判定され、プラスコンタクタがオンにされる。次いで、Ｔ４においてプリチャージコンタクタ１２がオフにされ、ＤＣＤＣコンバータ４への電圧指令信号が１２Ｖから１４Ｖに変更される。次いで、Ｔ５においてＤＣＤＣコンバータ４への動作許可信号がオンにされ、ＤＣＤＣコンバータ４が動作を開始する。
このように、本実施形態では、プリチャージ実施中にＤＣＤＣコンバータ４への電圧指令信号を低電圧バッテリ３と同じ電圧（１２Ｖ）に設定しているため、ＤＣＤＣコンバータ４による低電圧系機器６への電流の供給を止めることができる。したがって、ＤＣＤＣコンバータ４でプリチャージに必要な電流が消費されなくなり、早期にプリチャージを完了させて、車両走行が可能となるまでの時間を短縮させることができる。
なお、本実施形態においては、プリチャージを実施している間はＤＣＤＣコンバータ４への電圧指令信号を低電圧バッテリ３と同じ電圧にしていたが、プリチャージ実施中において動作許可指令を送信する通信線の断線を検出した場合のみＤＣＤＣコンバータ４への電圧指令信号を低電圧バッテリ３と同じ電圧にするようにしてもよい。
このように、プリチャージ実施中に動作許可指令を送信する通信線の断線を検出した場合のみＤＣＤＣコンバータ４への電圧指令信号を低電圧バッテリ３と同じ電圧にしているため、動作許可指令を送信する通信線が断線したときのみＤＣＤＣコンバータ４による低電圧系機器６への電流の供給を止めることができ、動作許可指令を送信する通信線が断線したときでも早期にプリチャージを完了させて、車両走行が可能となるまでの時間を短縮させることができる。
本発明の実施形態を開示したが、当業者によっては本発明の範囲を逸脱することなく変更が加えられうることは明白である。すべてのこのような修正及び等価物が次の請求項に含まれることが意図されている。
１ 車両
２ 高電圧バッテリ
３ 低電圧バッテリ
４ ＤＣＤＣコンバータ（電圧変換器）
７ コントローラ
１１ プラスコンタクタ
１２ プリチャージコンタクタ
１３ プリチャージ抵抗
１４ マイナスコンタクタ
４１ コンデンサ
４２ トランジスタ
４６ 制御部
４７ コンデンサ電圧センサ
７１ 電圧調整部

Claims (2)

  1. 高電圧の電力を蓄電可能な高電圧バッテリと、
    前記高電圧バッテリの出力電圧を降圧する電圧変換器と、
    前記電圧変換器の出力端子に接続された低電圧バッテリと、
    前記電圧変換器の入力端子間に接続されたコンデンサと、
    前記コンデンサのプリチャージを行うためのプリチャージ回路と、
    を備えた電動車両の制御装置であって、
    前記電圧変換器の出力電圧を調整する電圧調整部を備え、
    前記電圧調整部は、前記コンデンサのプリチャージ実施中に、前記電圧変換器の出力電圧を前記低電圧バッテリと同じ電圧に設定する電動車両の制御装置。
  2. 前記電圧変換器は、通信線を介して送信される動作許可信号により動作または停止を制御可能に構成され、
    前記電圧調整部は、前記動作許可信号が送信される前記通信線が断線したときのみ、前記電圧変換器の出力電圧を前記低電圧バッテリと同じ電圧に設定する請求項１に記載の電動車両の制御装置。
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