JP6812743B2 - 電気自動車用の電源システム - Google Patents

Description

本明細書は、電気自動車用の電源システムを開示する。本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車、及び、モータ用の主電源として燃料電池を備える自動車を含む。

特許文献１に、電気自動車用の電源システムの一例が開示されている。その電源システムは、メインバッテリ、補機バッテリ、電圧コンバータを備えている。電気自動車は、メインバッテリの電力でモータを駆動して走行する。補機バッテリは、メインバッテリの出力電圧よりも低い電圧で動作する低電圧機器群に電力を供給する。そのような低電圧機器群は、補機と総称される。電圧コンバータは、メインバッテリの電圧を降圧して補機バッテリに供給する。

補機の中には、重要な機器とそうでない機器が含まれる。前者の例は、シフトバイワイヤ装置など、走行に関わる機器であり、後者の例は、オーディオ機器など、走行に関与しない機器である。補機バッテリが故障したときに、走行に関わる重要な機器への電力供給が途絶えないように、電源システムは、電力のバックアップ手段を備えていることが望ましい。特許文献１の電源システムでは、補機バッテリが故障したとき、電圧コンバータでメインバッテリの電圧を降圧して重要な補機に供給する。すなわち、メインバッテリと電圧コンバータが、重要な補機への電力バックアップ手段として機能する。

特開２０１０−０７８０９３号公報

特許文献１の技術では、故障した補機バッテリが補機から切り離されればよいが、補機バッテリ（あるいは、他の補機）が短絡故障すると、重要な補機の電源供給端がゼロボルトに維持されることになり、電圧コンバータから電力を供給することができなくなる。本明細書は、補機バッテリあるいは重要でない補機が短絡故障を生じたときでも重要な補機には電力供給を継続することができる電源システムを提供する。

本明細書が開示する電源システムは、主電源、補機バッテリ、補機電力線、電圧コンバータ、遮断スイッチ、バイパス電力線、第１ダイオード、第２ダイオードを備えている。主電源は、走行用モータに供給する電力を蓄えている。主電源は、例えば、リチウムイオンバッテリや燃料電池でよい。補機バッテリは、主電源よりも出力電圧が低いバッテリであり、補機に電力を供給する。補機電力線は、補機バッテリと、補機バッテリの電力で動作する第１補機及び第２補機を接続する電力線である。電圧コンバータは、主電源の出力の電圧を降圧して補機電力線に供給する。遮断スイッチは、補機電力線が短絡したときに電圧コンバータを補機電力線から切り離す。バイパス電力線は、遮断スイッチ及び補機電力線を介さずに電圧コンバータから第１補機へ電力を供給する電力線である。第１ダイオードは、第１補機から補機電力線への電流逆流を防止する。第２ダイオードは、第１補機からバイパス電力線を通じての補機電力線への電流逆流を防止する。第１補機が、走行に関与する補機など、電力供給のバックアップを必要とする重要な補機の代表であり、第２補機が、オーディオ装置など、電力供給のバックアップを必要としない補機の代表である。

上記の構成によれば、補機電力線が短絡すると、遮断スイッチが動作し、電圧コンバータが保護される。そして、バイパス電力線により、短絡した補助電力線を介さずに、電圧コンバータから第１補機へ電力供給が継続される。また、第１、第２ダイオードにより、第１補機から短絡した補機電力線への電流逆流が防止される。特に、第２ダイオードは、補機電力線が短絡してから遮断スイッチが動作するまでの短い間、バイパス電力線を通じて第１補機から補機電力線へ電流が逆流することを防止する。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。

実施例の電源システムを含む電気自動車の電力系のブロック図である。 電圧コンバータの回路構成を示す図である。

図面を参照して実施例の電源システム２を説明する。電源システム２は、電気自動車１００に搭載されている。図１に、電源システム２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。図１において、実線は電力の流れを示しており、矢印破線は信号の流れを示している。

電気自動車１００は、モータ６で走行する。モータ６は、メインバッテリ３の電力で駆動される。メインバッテリ３の出力電圧は例えば３００ボルトである。モータ６は、三相交流電動機であり、電力制御器５が、メインバッテリ３の直流電力の電圧を昇圧した後、モータ６の駆動に適した交流電力に変換する。メインバッテリ３と電力制御器５は、メイン電力線２９で接続されている。メイン電力線２９には、システムメインリレー４が接続されている。図１の記号「ＳＭＲ」は、システムメインリレーを表している。システムメインリレー４は、車両のメインスイッチが入れられると、システムコントローラ２１により閉じられ、メインバッテリ３と電力制御器５が接続される。車両のメインスイッチが切られると、システムコントローラ２１がシステムメインリレー４を開放し、メインバッテリ３と電力制御器５が切り離される。

電気自動車１００には、メインバッテリ３の出力電圧で動作するモータ６のほか、メインバッテリ３の出力電圧よりも低い電圧で動作する補機群を備えている。補機群は、車両の走行に関与する重要なデバイスであって走行中は停止しないことが求められる重要補機と、車両の走行には関与しない非重要補機の２タイプに分けることができる。重要補機の例は、シフトバイワイヤ装置３１とシステムコントローラ２１である。非重要補機の例は、オーディオ装置３３である。図示は省略するが、シフトバイワイヤ装置３１とシステムコントローラ２１のほかにもいくつかの重要補機が接続されているとともに、オーディオ装置３３のほかにも様々な非重要補機が接続されている。本実施例では、シフトバイワイヤ装置３１とシステムコントローラ２１が重要補機の代表であり、オーディオ装置３３が非重要補機の代表である。

電源システム２は、メインバッテリ３のほか、補機バッテリ８、電圧コンバータ１０、遮断スイッチ７、補機電力線２２、第１バイパス電力線２３、第２バイパス電力線２４、ダイオード９ａ、９ｂを備えている。詳しくは図２を参照して後述するが、電圧コンバータ１０の内部には、ダイオード９ｂと同じ役割を担うダイオード１４が備えられている。

補機バッテリ８は、シフトバイワイヤ装置３１、オーディオ装置３３、システムコントローラ２１へ電力を供給するためのバッテリであり、その出力電圧は例えば１２ボルトである。シフトバイワイヤ装置３１、オーディオ装置３３、システムコントローラ２１は、補機電力線２２を介して補機バッテリ８と接続されている。なお、シフトバイワイヤ装置３１、オーディオ装置３３、システムコントローラ２１、補機バッテリ８の負極は、グランドＧを介して導通する。グランドＧは、車両の導電性のボディである。補機電力線２２は、車両内に広く張り巡らされており、シフトバイワイヤ装置３１、オーディオ装置３３、システムコントローラ２１のほかにも様々な補機が接続されている。

重要補機の代表であるシフトバイワイヤ装置３１には、ダイオード９ａが付随する。ダイオード９ａは、補機電力線２２からシフトバイワイヤ装置３１へは電流を通すが、逆向き電流は通さない。ダイオード９ａは、補機電力線２２、補機バッテリ８又はオーディオ装置３３がグランドＧと短絡したときに、シフトバイワイヤ装置３１から補機電力線２２への電流の逆流を防止するために備えられている。

電圧コンバータ１０は、メイン電力線２９と補機電力線２２の間に接続されている。電圧コンバータ１０の入力端１０ｃがメイン電力線２９に接続され、第１出力端１０ａが遮断スイッチ７を介して補機電力線２２と接続される。電圧コンバータ１０は、メインバッテリ３の電力の電圧を降圧し、補機電力線２２（即ち補機バッテリ８）に供給する。電圧コンバータ１０の第１出力端１０ａと補機電力線２２の間には、遮断スイッチ７が接続されている。遮断スイッチ７は、通常は閉じられており、補機電力線２２が短絡したときに開放され、電圧コンバータ１０を補機電力線２２から切り離す。遮断スイッチ７は、システムコントローラ２１により制御される。

遮断スイッチ７よりも電圧コンバータ側、即ち、電圧コンバータ１０の第１出力端１０ａには、第１バイパス電力線２３も接続されている。第１バイパス電力線２３は、シフトバイワイヤ装置３１につながっている。第１バイパス電力線２３は、補機電力線２２を介さずに電圧コンバータ１０からシフトバイワイヤ装置３１へ電力を供給するための電力線である。第１バイパス電力線２３の途中にダイオード９ｂが接続されている。ダイオード９ｂは、電圧コンバータ１０からシフトバイワイヤ装置３１へ向けて電流を通し、逆向きの電流は通さない。ダイオード９ｂは、シフトバイワイヤ装置３１から第１バイパス電力線２３を通じての補機電力線２２への電流逆流を防止するために備えられている。

電圧コンバータ１０は、第１バイパス電力線２３、及び、補機電力線２２と接続されている第１出力端１０ａのほかに、第２出力端１０ｂを備える。いずれの出力端からも、メインバッテリ３の出力電圧を降圧した電圧の電力が出力される。電圧コンバータ１０の第２出力端１０ｂは、第２バイパス電力線２４を介してシステムコントローラ２１に接続されている。システムコントローラ２１は、補機電力線２２と第２バイパス電力線２４の双方から電力供給を受ける。システムコントローラ２１と補機電力線２２の間には、ダイオード３４が接続されている。ダイオード３４は、補機電力線２２からシステムコントローラ２１へは電流を通すが、逆向き電流は通さない。ダイオード３４は、補機電力線２２がグランドＧと短絡したときに、システムコントローラ２１から補機電力線２２への電流の逆流を防止するために備えられている。

補機バッテリ８あるいはオーディオ装置３３が短絡故障を生じると、補機電力線２２がグランドＧと短絡する。システムコントローラ２１は、補機電力線２２を通じての電力供給が途絶えると、補機電力線２２の短絡と判断し、遮断スイッチ７を開放する。その結果、電圧コンバータ１０が、短絡した補機電力線２２から切り離される。なお、システムコントローラ２１は、補機電力線２２のほか、第２バイパス電力線２４を介して電圧コンバータ１０から電力供給を受けているので、補機電力線２２からの電力供給が途絶えても継続して動作することができる。補機電力線２２とシステムコントローラ２１の間には、逆流防止のダイオード３４が接続されているので、補機電力線２２が短絡しても、システムコントローラ２１から補機電力線２２へ電流が逆流することはない。

補機電力線２２が短絡しても、逆流防止用のダイオード９ａにより、シフトバイワイヤ装置３１から補機電力線２２へ電流が逆流することはない。補機電力線２２が短絡すると、遮断スイッチ７が開放されるまでのわずかな間、電圧コンバータ１０の第１出力端１０ａと第１バイパス電力線２３も短絡状態となる。第１バイパス電力線２３には、逆流防止用のダイオード９ｂが接続されているので、シフトバイワイヤ装置３１から第１バイパス電力線２３と開放前の遮断スイッチ７を介して補機電力線２２に電流が逆流することはない。ただし、シフトバイワイヤ装置３１は、遮断スイッチ７が開放されるまでの僅かの間は電力供給が途絶える。遮断スイッチ７が開放されると、電圧コンバータ１０の第１出力端１０ａの出力電圧が回復し、第１バイパス電力線２３を介してシフトバイワイヤ装置３１への電力供給が再開される。

上記のとおり、補機電力線２２が短絡しても、シフトバイワイヤ装置３１には継続して電力が供給される。また、補機電力線２２が短絡しても、システムコントローラ２１へも電力供給が継続される。なお、前述したように、補機電力線２２が短絡すると、遮断スイッチ７が開放されるまでの僅かな時間は、シフトバイワイヤ装置３１への電力供給が停止する。これに対して、電圧コンバータ１０の内部には、第１出力端１０ａが短絡状態になっても第２出力端１０ｂからの電力供給が継続する回路が構成されている。次に、図２を参照して、電圧コンバータ１０の回路構成について説明する。

図２は、電圧コンバータ１０の回路構成を示す図である。電圧コンバータ１０は、パワートランジスタを含む変換主回路１２と、変換主回路１２のパワートランジスタを制御する制御回路１３と、ダイオード１４とキャパシタ１５を備えている。変換主回路１２は、入力端１０ｃから入力されるメインバッテリ３の電力の電圧を降圧して第１出力端１０ａと第２出力端１０ｂへ出力する。なお、変換主回路１２の出力の負極はグランドＧに接続される。変換主回路１２の正極出力端１２ａと第２出力端１０ｂの間には、ダイオード１４が接続されている。先に図１を参照しつつ述べたように、第１出力端１０ａには、遮断スイッチ７を介して補機電力線２２が接続されており、第２出力端１０ｂには、第２バイパス電力線２４を介してシステムコントローラ２１が接続されている。補機電力線２２が短絡すると、遮断スイッチ７が開放されるまでの短時間、電圧コンバータ１０の第１出力端１０ａも短絡状態となる。ダイオード１４は、変換主回路１２の正極出力端１２ａから第２出力端１０ｂへ向けて電流は通すが逆方向の電流は遮断する。ダイオード１４は、第１出力端１０ａが短絡したとき、システムコントローラ２１から第２バイパス電力線２４と遮断スイッチ７を介して補機電力線２２へ電流が逆流することを防止する。

逆流防止用のダイオード１４よりも第２出力端１０ｂの側には、キャパシタ１５と制御回路１３が接続されている。なお、図示は省略しているが、制御回路１３は、補機電力線２２を介して補機バッテリ８からも電力供給を受けている。補機電力線２２が短絡する前は、制御回路１３は、補機電力線２２を介して補機バッテリ８から電力供給を受け、動作する。制御回路１３と補機電力線２２の間にも、制御回路１３から補機電力線２２への電流逆流を防止する別のダイオードが接続されている。それゆえ、補機電力線２２が短絡したとき、制御回路１３から補機電力線２２へ電流が逆流することはない。

キャパシタ１５は、ダイオード１４のカソード側に接続されているので、第１出力端１０ａが短絡状態のときもキャパシタ１５から第１出力端１０ａの側へ電流が流れることはない。補機電力線２２が短絡する前にキャパシタ１５には電力が蓄えられる。補機電力線２２が短絡し、第１出力端１０ａ（及び、変換主回路１２の正極出力端１２ａ）の電圧がゼロボルトに下がったとき、キャパシタ１５から制御回路１３へ電力が供給される。また、第２出力端１０ｂには、第２バイパス電力線２４を介してシステムコントローラ２１が接続されている。補機電力線２２が短絡し、第１出力端１０ａ（及び、変換主回路１２の正極出力端１２ａ）の電圧がゼロボルトに下がったとき、キャパシタ１５からシステムコントローラ２１へも電力が供給される。すなわち、ダイオード１４とキャパシタ１５によって、補機電力線２２が短絡してから遮断スイッチ７が開放されるまでの間、制御回路１３とシステムコントローラ２１に電力が供給され続ける。システムコントローラ２１は、補機電力線２２が短絡状態のときにも動作し続けることができ、遮断スイッチ７を開放する。遮断スイッチ７が開放されると、第１出力端１０ａ（及び、変換主回路１２の正極出力端１２ａ）の短絡状態が解消する。そうすると、変換主回路１２からシフトバイワイヤ装置３１とシステムコントローラ２１への電力供給が再開される。

以上説明したように、電源システム２は、補機電力線が短絡しても、重要な補機（シフトバイワイヤ装置３１とシステムコントローラ２１）への電力供給を継続することができる。電源システム２では、補機電力線２２が短絡したとき、遮断スイッチ７が開放されるまでの間、シフトバイワイヤ装置３１への電力供給は一時的に停止する。これに対して、システムコントローラ２１への電力供給は、遮断スイッチ７が開放されるまでの間も継続する。

システムコントローラ２１は、補機電力線２２の短絡を検知すると、遮断スイッチ７を開放するとともに、補機系で異常が発生したことを知らせる警告灯を点灯させる。電気自動車１００は、補機系で異常が発生しても、重要な補機（第１補機）には電力供給が継続されるので、走行を続けることができる。このとき、システムコントローラ２１は、モータ６の最高出力を抑制するなど、異常発生時の特別走行モード（退避モード）に移行してもよい。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。電源システム２は、メインバッテリ３の代わりに燃料電池を用いてもよい。

実施例のシフトバイワイヤ装置３１とシステムコントローラ２１が請求項の「第１補機」の一例に相当する。シフトバイワイヤ装置３１とシステムコントローラ２１以外にも、補機電力線２２の短絡後も電力供給を継続すべき第１補機が接続されていてもよい。実施例の第１バイパス電力線２３、第２バイパス電力線２４は、いずれも、請求項の「バイパス電力線」の一例に相当する。実施例のオーディオ装置３３が、請求項の「第２補機」の一例に相当する。補機電力線２２が地絡したら停止してもよい第２補機として、例えば、ルームランプなど、オーディオ以外のデバイスが接続されていてもよい。

実施例のダイオード９ａ、３４が、請求項の「第１ダイオード」の一例に相当する。実施例のダイオード９ｂ、１４が、請求項の「第２ダイオード」の一例に相当する。ダイオード９ａ、９ｂは、シフトバイワイヤ装置３１に組み込まれていてもよい。ダイオード３４は、システムコントローラ２１に組み込まれていてもよい。

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：電源システム
３：メインバッテリ
４：システムメインリレー
５：電力制御器
６：モータ
７：遮断スイッチ
８：補機バッテリ
９ａ、９ｂ、１４、３４：ダイオード
１０：電圧コンバータ
１０ａ：第１出力端
１０ｂ：第２出力端
１０ｃ：入力端
１２：変換主回路
１２ａ：正極出力端
１３：制御回路
１５：キャパシタ
２１：システムコントローラ
２２：補機電力線
２３：第１バイパス電力線
２４：第２バイパス電力線
２９：メイン電力線
３１：シフトバイワイヤ装置
３３：オーディオ装置
１００：電気自動車
Ｇ：グランド

Claims (1)

1. 走行用モータに供給する電力を蓄えている主電源と、
   主電源よりも出力電圧が低い補機バッテリと、
   前記補機バッテリと、前記補機バッテリの電力で動作する第１補機及び第２補機を接続する補機電力線と、
   前記主電源の電圧を降圧して前記補機電力線に供給する電圧コンバータと、
   前記補機電力線が短絡したときに前記電圧コンバータを前記補機電力線から切り離す遮断スイッチと、
   前記遮断スイッチ及び前記補機電力線を介さずに前記電圧コンバータから前記第１補機へ電力を供給するバイパス電力線と、
   前記第１補機から前記補機電力線への電流逆流を防止する第１ダイオードと、
   前記第１補機から前記バイパス電力線を通じての前記補機電力線への電流逆流を防止する第２ダイオードと、
   を備えている、電気自動車用の電源システム。

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