JP5772530B2 - 電動車両用の電源装置 - Google Patents

Description

本明細書は、電動車両用の電源装置に関する。

電動車両では、電源装置からモータへ電力を供給することで、車輪を回転させる。電動車両の電源装置において、２つの電池を搭載しておき、必要に応じて２つの電池の直列接続と並列接続を切替えて使用することがある。電動車両を加速させる場合など、大きなトルクが必要となる場合には、２つの電池を直列接続することで、モータに大電圧を供給することができる。また、電動車両が高速走行している場合など、それほど大きなトルクが必要ない場合には、２つの電池を並列接続することで、モータに供給する電圧を低下させる。モータを高効率で動作させつつ、それぞれの電池の消耗を抑制することができる。電動車両の電源装置において、２つの電池の直列接続と並列接続を切替える技術が、例えば特許文献１に記載されている。

特開平５−２３６６０８号公報

２つの電池の直列接続と並列接続を切替える際には、切替え前後の電圧差により生じる突入電流を抑制する必要がある。２つの電池の直列接続と並列接続を切替える際の突入電流を抑制することが可能な技術が期待されている。

本明細書では、上記の課題を解決する技術を提供する。本明細書では、２つの電池の直列接続と並列接続を切替える際の突入電流を抑制することが可能な技術を提供する。

本明細書は、電動車両用の電源装置を開示する。その電源装置は、第１電池と、第１電池の電圧を昇圧して出力する昇圧回路と、昇圧回路の出力に対して並列に接続されるコンデンサと、昇圧回路の出力に対して並列に接続される出力可変電池モジュールを備えている。その出力可変電池モジュールは、第２電池と、第３電池と、第２電池と第３電池の接続状態を、第２電池と第３電池が直列接続する状態と、第２電池と第３電池が並列接続する状態の間で切替え可能な切替え装置と、第２電池および第３電池への逆電流の流入を防止するダイオードを備えている。その電源装置では、切替え装置が第２電池と第３電池の接続状態を切替える際に、１）昇圧回路の出力に対する出力可変電池モジュールの接続を切り離し、２）昇圧回路の出力を第２電池の電圧と第３電池の電圧の和より大きな電圧となるように調整し、切替え装置が第２電池と第３電池の接続状態を切替え、３）昇圧回路の出力に対して出力可変電池モジュールを接続する。

上記の電源装置では、第２電池と第３電池の接続状態を切替える際に、事前に昇圧回路の出力を第２電池の電圧と第３電池の電圧の和より大きな電圧としておく。これにより、コンデンサへのプリチャージが行われて、第２電池と第３電池の接続状態を切替えた際の、出力可変電池モジュールからコンデンサへ流出する突入電流を抑制することができる。また、出力可変電池モジュールが第２電池および第３電池への逆電流の流入を防止するダイオードを備えているので、コンデンサから出力可変電池モジュールへ流入する突入電流も抑制することができる。上記の電源装置によれば、第２電池と第３電池の接続状態を、第２電池と第３電池が直列接続する状態と、第２電池と第３電池が並列接続する状態の間で切替える際の突入電流を抑制することができる。

上記の電動車両用の電源装置では、第１電池と昇圧回路の間に、電流制限抵抗を有するプリチャージ回路が設けられていることが好ましい。

上記の電源装置では、出力可変電池モジュールを接続する前に、第１電池を接続することで、コンデンサにプリチャージが行われる。この際の突入電流の大きさは、第１電池と昇圧回路の間のプリチャージ回路により、抑制されている。その後、昇圧回路の出力を昇圧することで、コンデンサにさらなるプリチャージが行われる。その後に出力可変電池モジュールを接続する際には、すでにコンデンサにプリチャージが行われているので、大きな突入電流が生じない。上記の電源装置によれば、出力可変電池モジュールにプリチャージ回路を設けることなく、出力可変電池モジュールを接続する際の突入電流を抑制することができる。

本明細書が開示する技術によれば、２つの電池の直列接続と並列接続を切替える際の突入電流を抑制することができる。

電動車両１０の電気系統を模式的に示す図である。

図１は、本実施例の電動車両１０の電気系統を示している。電動車両１０は、メイン電池パック１２と、システムメインリレー（ＳＭＲ）１４と、コンバータ回路１６と、サブ電池パック１８と、平滑コンデンサ２０と、三相インバータ回路２２と、モータ２４と、制御装置２５を備えている。電動車両１０は、メイン電池パック１２およびサブ電池パック１８からの電力を利用してモータ２４を駆動する。また、電動車両１０の減速時に、モータ２４での回生発電により発生した電力を、メイン電池パック１２に充電することもできる。モータ２４は車輪の駆動軸を回転させる三相交流モータである。電動車両１０は、車輪の駆動軸を回転させるエンジンを備えるハイブリッド自動車であってもよいし、エンジンを備えていない電池式電気自動車であってもよい。本実施例では、メイン電池パック１２と、ＳＭＲ１４と、コンバータ回路１６と、サブ電池パック１８と、平滑コンデンサ２０と、制御装置２５によって、電動車両１０の電源装置を構成している。

メイン電池パック１２は、第１電池２６を備えている。第１電池２６は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池である。

ＳＭＲ１４は、メイン電池パック１２とコンバータ回路１６の間に設けられている。ＳＭＲ１４は、スイッチ２８、３０および３２と、電流制限抵抗３４を備えている。スイッチ２８と電流制限抵抗３４は直列に接続されており、それらは、スイッチ３２に対して並列に接続されている。ＳＭＲ１４は、プリチャージ回路を構成している。

コンバータ回路１６は、メイン電池パック１２から供給される電力の電圧を、必要に応じてモータ２４への供給に適した電圧まで昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータである。また、コンバータ回路１６は、モータ２４が回生発電した電力の電圧を、メイン電池パック１２と同じ電圧まで降圧することもできる。コンバータ回路１６は、昇圧回路ということもできるし、降圧回路ということもできる。コンバータ回路１６は、リアクトル３６と、上アームスイッチ３８と、下アームスイッチ４０を備えている。上アームスイッチ３８は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ３８ａと、還流ダイオード３８ｂを備える逆導通型スイッチである。下アームスイッチ４０は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ４０ａと、還流ダイオード４０ｂを備える逆導通型スイッチである。上アームスイッチ３８と下アームスイッチ４０は、互いに相補的にオン／オフが切替えられる。

モータ２４が力行動作する際には、メイン電池パック１２からモータ２４へ電力が供給される。この場合、コンバータ回路１６は、メイン電池パック１２から入力される低電圧の直流電力を、三相インバータ回路２２へ出力する高電圧の直流電力に変換する。この際には、リアクトル３６、下アームスイッチ４０のＩＧＢＴ４０ａおよび上アームスイッチ３８の還流ダイオード３８ｂによって、コンバータ回路１６は昇圧チョッパ回路として機能する。この際の高圧側電圧ＶＨと低圧側電圧ＶＬの比は、下アームスイッチ４０のオン／オフのデューティ比に応じたものとなる。下アームスイッチ４０のデューティ比を適切に設定することで、目標とする高圧側電圧ＶＨを実現することができる。

モータ２４が回生動作する際には、モータ２４からメイン電池パック１２へ電力が供給される。この場合、コンバータ回路１６は、三相インバータ回路２２から入力される高電圧の直流電力を、メイン電池パック１２へ出力する低電圧の直流電力に変換する。この際には、リアクトル３６、上アームスイッチ３８のＩＧＢＴ３８ａおよび下アームスイッチ４０の還流ダイオード４０ｂによって、コンバータ回路１６は降圧チョッパ回路として機能する。この際の高圧側電圧ＶＨと低圧側電圧ＶＬの比は、上アームスイッチ３８のオン／オフのデューティ比に応じたものとなる。上アームスイッチ３８のデューティ比を適切に設定することで、目標とする高圧側電圧ＶＨを実現することができる。

以下では、コンバータ回路１６から見た三相インバータ回路２２側の電圧を、システム電圧と表現する。上述のように、システム電圧の大きさは、コンバータ回路１６でのスイッチング動作によって調整される。

サブ電池パック１８は、コンバータ回路１６と三相インバータ回路２２の間に設けられている。サブ電池パック１８は、モータ２４を駆動するための電力を三相インバータ回路２２に供給する。サブ電池パック１８は、第２電池４２と、第３電池４４と、スイッチ４６，４８，５０，５２，５４と、ダイオード５６を備えている。第２電池４２および第３電池４４は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池であってもよいし、燃料電池等の一次電池であってもよい。サブ電池パック１８では、スイッチ５０，５２および５４を切替えることで、第２電池４２と第３電池４４を直列接続とするか、並列接続とするかを切替えることができる。スイッチ５０および５２を導通させて、スイッチ５４を非導通とすると、第２電池４２と第３電池４４は並列接続となる。スイッチ５４を導通させて、スイッチ５０および５２を非導通とすると、第２電池４２と第３電池４４は直列接続となる。ダイオード５６は、第２電池４２および第３電池４４への逆電流の流入を防止するために設けられている。ダイオード５６によって、モータ２４が回生発電した電力が第２電池４２および第３電池４４へ供給されることが阻止される。サブ電池パック１８は、出力電圧を変えることができるので、出力可変電池モジュールということもできる。

平滑コンデンサ２０は、コンバータ回路１６と三相インバータ回路２２の間に設けられており、システム電圧を平滑化する。

三相インバータ回路２２は、メイン電池パック１２やサブ電池パック１８から供給される直流電力を、モータ２４の駆動のための三相交流電力に変換する。また、三相インバータ回路２２は、電動車両１０の減速時にモータ２４が回生発電した三相交流電力を、メイン電池パック１２へ供給するための直流電力に変換することもできる。

制御装置２５は、コンバータ回路１６の上アームスイッチ３８および下アームスイッチ４０のオン／オフ動作を制御する。また、制御装置２５は、三相インバータ回路２２のスイッチング素子のオン／オフ動作を制御する。さらに、制御装置２５は、ＳＭＲ１４の各スイッチのオン／オフ動作と、サブ電池パック１８の各スイッチのオン／オフ動作を制御する。

メイン電池パック１２およびサブ電池パック１８を電動車両１０の電力系統に接続する際や、サブ電池パック１８において第２電池４２と第３電池４４の並列接続と直列接続を切替える際には、電圧差に起因して平滑コンデンサ２０への充放電が生じ、これによる突入電流が発生する。大きな突入電流が発生すると、電動車両１０の電力系統を構成する部品が過熱により損傷するおそれがある。このため、メイン電池パック１２およびサブ電池パック１８を電力系統に接続する際や、サブ電池パック１８において第２電池４２と第３電池４４の並列接続と直列接続を切替える際の、突入電流を抑制する必要がある。

メイン電池パック１２とサブ電池パック１８の双方が電力系統に接続されていない場合には、まずメイン電池パック１２から接続する。ＳＭＲ１４のスイッチ２８、３０，３２が全て非導通の状態から、メイン電池パック１２を接続する際には、まずスイッチ２８を導通させて、その後にスイッチ３０を導通させる。これにより、メイン電池パック１２が電力系統に接続されて、メイン電池パック１２の電圧まで平滑コンデンサ２０がプリチャージされる。この際には、ＳＭＲ１４の電流制限抵抗３４により、突入電流の大きさが抑制されている。平滑コンデンサ２０へのプリチャージが終了した後、スイッチ３２を導通させて、その後にスイッチ２８を非導通とすることで、メイン電池パック１２の接続が完了する。

メイン電池パック１２が電力系統に接続された後、コンバータ回路１６により、システム電圧の昇圧を行う。これによって、平滑コンデンサ２０は昇圧後のシステム電圧までプリチャージされる。この際のシステム電圧としては、サブ電池パック１８の第２電池４２と第３電池４４を直列接続した場合の電圧（すなわち第２電池４２の電圧と第３電池４４の電圧の和）よりも高い電圧となるように調整される。その後、スイッチ４６とスイッチ４８を導通させることで、サブ電池パック１８が電力系統に接続される。平滑コンデンサ２０はサブ電池パック１８よりも高い電圧までプリチャージされているから、サブ電池パック１８から大きな突入電流が流出することがない。また、サブ電池パック１８にはダイオード５６が設けられているから、サブ電池パック１８に大きな突入電流が流入することもない。本実施例によれば、サブ電池パック１８に電流制限抵抗を有するプリチャージ回路を設けることなく、サブ電池パック１８を接続する際の突入電流を抑制することができる。

サブ電池パック１８を接続した後は、サブ電池パック１８の電圧に応じて、システム電圧を調整する。すなわち、第２電池４２と第３電池４４が直列接続している場合には、両者を直列接続したときのサブ電池パック１８の電圧と一致するように、コンバータ回路１６がシステム電圧を調整する。また、第２電池４２と第３電池４４が並列接続している場合には、両者を並列接続したときのサブ電池パック１８の電圧と一致するように、コンバータ回路１６がシステム電圧を調整する。

電動車両１０の動作中に、第２電池４２と第３電池４４を直列接続から並列接続に切替えたり、並列接続から直列接続に切替えたりする場合がある。この場合、スイッチ４６とスイッチ４８を非導通として、サブ電池パック１８を電力系統から切り離した状態で、スイッチ５０、５２、５４の切り替えを行う。その後、サブ電池パック１８を再び接続する際には、上記と同様に、コンバータ回路１６によりシステム電圧をサブ電池パック１８よりも高い電圧まで昇圧させた状態で、スイッチ４６とスイッチ４８を導通させる。これにより、第２電池４２と第３電池４４の直列接続と並列接続を切替える際の突入電流を抑制することができる。

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。

１０ 電動車両
１２ メイン電池パック
１４ システムメインリレー
１６ コンバータ回路
１８ サブ電池パック
２０ 平滑コンデンサ
２２ 三相インバータ回路
２４ モータ
２５ 制御装置
２６ 第１電池
２８，３０，３２ スイッチ
３４ 電流制限抵抗
３６ リアクトル
３８ 上アームスイッチ
３８ａ ＩＧＢＴ
３８ｂ 還流ダイオード
４０ 下アームスイッチ
４０ａ ＩＧＢＴ
４０ｂ 還流ダイオード
４２ 第２電池
４４ 第３電池
４６，４８，５０，５２，５４ スイッチ
５６ ダイオード

Claims (2)

1. 電動車両用の電源装置であって、
   第１電池と、
   第１電池の電圧を昇圧して出力する昇圧回路と、
   昇圧回路の出力に対して並列に接続されるコンデンサと、
   昇圧回路の出力に対して並列に接続される出力可変電池モジュールを備えており、
   出力可変電池モジュールは、
   第２電池と、
   第３電池と、
   第２電池と第３電池の接続状態を、第２電池と第３電池が直列接続する状態と、第２電池と第３電池が並列接続する状態の間で切替え可能な切替え装置と、
   第２電池および第３電池への逆電流の流入を防止するダイオードを備えており、
   切替え装置が第２電池と第３電池の接続状態を切替える際に、
   １）昇圧回路の出力に対する出力可変電池モジュールの接続を切り離し、
   ２）昇圧回路の出力を第２電池の電圧と第３電池の電圧の和より大きな電圧となるように調整し、切替え装置が第２電池と第３電池の接続状態を切替え、
   ３）昇圧回路の出力に対して出力可変電池モジュールを接続する、電動車両用の電源装置。
2. 第１電池と昇圧回路の間に、電流制限抵抗を有するプリチャージ回路が設けられている、請求項１の電動車両用の電源装置。

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