JP2013150525A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ等の異常が検知されメインリレーを開放した場合にバッテリから補機へ電力を供給する別の経路を備える電気自動車を提供する。
【解決手段】ハイブリッド車２は、バッテリ５の電圧を補機の動作電圧に降圧して出力する第１コンバータ１７と、入力端子の接続先を充電コネクタ３３と補機のいずれかに切り換える切換器３２と、高電圧側端子がバッテリに接続されているとともに低電圧側端子が切換器の入力端に接続されており、低電圧側端子に印加された電力をバッテリの充電用の電力に変換して高電圧側端子に出力する機能と、高電圧側端子に印加されたバッテリの電圧を補機の動作電圧に変換して低電圧側端子に出力する機能を有する充電器４０と、異常を検知した場合に、メインリレー７を開放するとともに、充電器４０と補機１９を接続するように切換器３２を制御し、補機の動作電圧を出力するように充電器４０を制御するコントローラを備える。
【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、外部電源を使ってモータ駆動用のバッテリ（メインバッテリ）を充電することができる電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、車輪駆動用のモータとエンジンを共に備えるとともに、外部電源を使ってモータ駆動用のバッテリを充電することができるいわゆるプラグインハイブリッド車を含む。

電気自動車は、車輪駆動用の電力を供給するメインバッテリ、メインバッテリの電力を交流に変換してモータへ出力するインバータを備える。メインバッテリ、インバータ、及び、モータは、大電流を扱うため、電気自動車では電気系に対する安全対策が重要である。例えば特許文献１には、メインバッテリとインバータの間にリレー（システムメインリレー）を介在させ、インバータの異常が検知された場合にリレーを開放する技術が提案されている。システムメインリレーは、メインバッテリを駆動系に接続したり遮断したりするスイッチである。なお、「リレーを開放する」とは、接続を遮断することを意味する。

特開２００９−１７１７６９号公報

他方、電気自動車は、メインバッテリの出力電圧よりも低い電圧で動作する電気デバイス群を備えており、通常、メインバッテリの出力電圧を降圧してそれらの電気デバイスへ電力を供給する。メインバッテリの出力電圧よりも低い電圧で動作する電気デバイスには、例えば、エアコン、カーオーディオ、ナビゲーション、ランプ、ワイパ、パワーウインドウなどがあり、それらは「補機」と総称される。メインバッテリの出力電圧を降圧して補機へ供給するコンバータも、システムメインリレーよりも電流の下流側に接続されているため、システムメインリレーが開放されると、メインバッテリから補機への電力供給もストップする。電気自動車は、補機へ電力を供給するサブバッテリ（補機バッテリ）も備えているが、容量が小さく、システムメインリレーが開放されると、補機バッテリだけでは長時間は補機へ電力を供給することができない。本明細書は、インバータやモータの異常が検知されシステムメインリレーを開放した場合にメインバッテリから補機へ電力を供給する別の経路を備える電気自動車を提供する。

電気自動車は、外部電源から供給される電圧（電力）を、メインバッテリの充電に適した電圧に変換する充電器を備える。なお、エンジンを使ってモータで発電するハイブリッド車でも、いわゆるプラグインハイブリッド車は、充電器を備える。今、説明のため、充電器において外部電源を接続する側の端子を低電圧側端子と称し、メインバッテリを接続する側の端子を高電圧側端子と称する。充電器は、主たる回路として、ＡＣ／ＤＣ変換回路、ＤＣ／ＡＣ変換回路、昇圧回路、整流回路などを有する。それらの回路のいくつかは、僅かな電子部品を追加するだけで降圧機能を併せ持つことができる。本明細書が開示する技術は、充電器の回路を利用し、システムメインリレーを開放した場合に、充電器を介して補機へ電力を供給する。

本明細書が開示する電気自動車は、車輪駆動用のモータ、メインバッテリ、インバータ、切換器、第１コンバータ、第２コンバータ、コントローラを備える。第１コンバータは、メインバッテリの電圧を補機の動作電圧に降圧して出力する。第２コンバータは、前述した充電器に相当する。

第２コンバータ（充電器）は、高電圧側端子がメインバッテリに接続されているとともに低電圧側端子が切換器を介して補機と外部電源接続用コネクタに接続している。の入力端に接続されており、低電圧側端子に印加された電力をメインバッテリの充電用の電力に変換して高電圧側端子に出力する機能と、高電圧側端子に印加されたメインバッテリの電圧を補機の動作電圧に変換して低電圧側端子に出力する機能を有する。そして、コントローラは、インバータ又はモータの異常を検知した場合に、システムメインリレーを開放するとともに、第２コンバータと補機を接続するように切換器を制御し、補機の動作電圧を出力するように第２コンバータを制御する。なお、異常検知時以外は、コントローラは、第２コンバータと補機を切り離している。

上記の電気自動車は、異常を検知してシステムメインリレーを開放する場合、切換器と充電器を経由するルートでメインバッテリから補機へ電力を供給する。メインバッテリの出力電圧の降圧には充電器の回路を用いるため、上記の仕組みは低コストで実現することができる。

切換器は、第２コンバータの低電圧側端子の接続先を、補機と外部電源接続用コネクタのいずれか一方に選択的に切り換えるデバイスであってよい。切換器は、典型的には、１入力２出力であって入力端子が第２コンバータの低電圧側端子に接続されており、低電圧側端子の接続先を、外部電源接続用コネクタと補機のいずれか一方に選択的に切り換えるデバイスであるとよい。なお、切換器は、２接点を有し、第２コンバータの入力端の正極と負極の双方の接続先を切り換えることが望ましい。なお、切換器における「入力端子」と「出力端子」は、単に切換器の一方側の端子と他方側の端子を区別する便宜上の呼称であり、電流（あるいは信号）の流れる方向を特定するものではないことに留意されたい。

あるいは、切換器は、第２コンバータ（充電器）の低電圧側端子と補機を接続したり切断したりする第１リレーと、充電器の低電圧側端子と外部電源接続用コネクタを接続したり切断したりする第２リレーで構成されていてもよい。第１リレーを閉じて第２リレーを開放すれば、充電器は補機と接続され、外部電源接続用コネクタとは遮断される。逆に、第１リレーを開放して第２リレーを閉じれば、充電器は補機とは遮断され、外部電源接続用コネクタと接続される。さらに、外部電源接続用コネクタは、外部電源が接続されなければ開放端に相当するので、外部電源が接続されていない間は、第２リレーは閉じていても差し支えない。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

実施例のハイブリッド車の駆動系のブロック図である。 コントローラが実行する処理のフローチャート図である。 充電器の回路の一例である。 切換器の変形例を示す図である。

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、走行用として、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車２である。ハイブリッド車２は、家庭用交流電源など外部電源を使ってバッテリを充電するための充電器を備えているいわゆるプラグインタイプである。

図１にハイブリッド車２の駆動系のブロック図を示す。ハイブリッド車２は、駆動源として、モータ１２とエンジン１６を備えている。モータ１２の出力トルクとエンジン１６の出力トルクは、動力分配機構１４で適宜に分配／合成され、車軸１５へ伝達される。

モータ１２を駆動するための電力はメインバッテリ５から供給される。メインバッテリ５の出力電圧は例えば３００ボルトである。メインバッテリ５は、システムメインリレー７を介してインバータ９に接続される。システムメインリレー７は、メインバッテリ５と車両の駆動系を接続したり切断したりするスイッチである。システムメインリレー７は、コントローラ４によって切り換えられる。

インバータ９は、メインバッテリ５の電圧をモータ駆動に適した電圧（例えば６００ボルト）まで昇圧した後、直流電力を所定の周波数の交流電力に変換してモータ１２へ供給する。なお、ハイブリッド車２は、エンジン１６の駆動力、あるいは、車両の減速エネルギを利用してモータ１２で発電することもできる。モータ１２が発電する場合、インバータ９が、交流を直流に変換し、さらに、メインバッテリ５よりも僅かに高い電圧まで降圧し、メインバッテリ５へ供給する。メインバッテリ５よりも僅かに高い電圧とは、例えばメインバッテリ５の定格出力電圧プラス５ボルト以内である。インバータ９が出力する電圧がメインバッテリ５よりも僅かに高い電圧であるため、メインバッテリ５が充電される。

メインバッテリ５の出力はまた、システムメインリレー７を介して電圧コンバータ１７へも送られる。電圧コンバータ１７は、メインバッテリ５の出力電圧（例えば３００ボルト）を、他の電子デバイスを駆動するのに適した電圧（例えば１２ボルト）に降圧する降圧ＤＣＤＣコンバータである。ここで、他のデバイス、即ち、モータ１２を駆動するための電圧よりも低い電圧で動作するデバイスを「補機」と総称する。補機の代表的な例には、エアコン１９、ヘッドライト２０、カーナビゲーション２１などがある。また、車載の様々なコントローラの回路（モータ駆動電流が流れる部品を除く）も、カーナビゲーションなどと同じレベルの電圧で動作するので補機のカテゴリに含まれる。インバータ９や電圧コンバータ１７への指令であるＰＷＭ信号を生成するコントローラ４も補機のカテゴリに含まれる。図１では、補機へ電力を供給する共通の電力供給ラインを符号ＡＰＬで示している。図１において電力供給ラインＡＰＬが途中で途切れているのは、図示した補機の他にも別の補機が電力供給ラインＡＰＬに接続されていることを示している。

補機への電力供給ラインＡＰＬには、補機バッテリ１８も接続されている。電圧コンバータ１７の出力は、その電力供給ラインＡＰＬに接続されている。即ち、電圧コンバータ１７の出力端は補機バッテリ１８に並列に接続されており、電圧コンバータ１７の出力は補機バッテリ１８にも供給される。ハイブリッド車２は、モータ駆動用の高出力高容量のメインバッテリ５を使って、補機バッテリ１８の充電と、補機への電力供給を行う。補機バッテリ１８は、メインバッテリ５あるいは発電機としてのモータ１２からの電力供給を受けられないときに補機へ電力を供給する目的で備えられている。

なお、ハイブリッド車２は、実際には、機能ごとに備えられた多数のコントローラを有しており、それら多数のコントローラが協働することによって、一つの車両システムとして機能する。しかし本明細書では説明を簡略化するため、物理的に複数のコントローラに分かれていても、それらを「コントローラ４」で総称する。

ハイブリッド車２は、外部電源９１からの電力供給を受けてメインバッテリ５を充電することができる。充電系は、サブリレー３１、充電器４０、切換器３２、及び、外部電源接続用コネクタ３３を主たる構成部品として構成される。外部電源９１から電力を供給するプラグ９０を接続する外部電源接続用コネクタ３３は、切換器３２を介して充電器４０に接続されている。

充電器４０は、外部電源９１の電力をメインバッテリ５の充電に適した直流電力に変換する機能を有する。外部電源９１は、通常、メインバッテリ５の出力電圧よりも低い電圧で電力を供給する。通常、外部電源９１の出力電圧は１００ボルト〜２００ボルトである。それゆえ、充電器４０のメインバッテリ５側の端子を高電圧側端子ＴＨと称し、外部電源９１側の端子を低電圧側端子ＴＬと称する。充電器４０の高電圧側端子ＴＨは、サブリレー３１を介してメインバッテリ５に接続される。サブリレー３１は、メインバッテリ５と、外部電源あるいは補機群との間を遮断するために設けられている。サブリレー３１は、コントローラ４によって切り換えられる。

充電器４０の低電圧側端子ＴＬは、切換器３２の入力端子ｃ１、ｃ２に接続している。切換器３２は、１入力２出力である。接点ｃ１、ｃ２が入力端に相当し、接点ａ１、ａ２のセット、及び、ｂ１、ｂ２のセットが出力端に相当する。ただし、「入力端」、「出力端」との呼称は、切換器の一方側の端子とそれに接続される他方側の端子を区別するための便宜上のものであり、電流（あるいは信号）の流れる方向を規定するものではないことに留意されたい。切換器３２は２接点式（接点ｃ１、ｃ２）であり、充電器４０の正極と負極を同時に切り換える。切換器３２の一つの出力端子ａ１、ａ２は、外部電源接続用のコネクタ３３に接続している。外部電源９１のプラグ９０を外部電源接続用コネクタ３３に接続することによって、物理的には、外部電源９１と車両２が接続される。切換器３２の他方の出力端子ｂ１、ｂ２は、補機の電力供給ラインＡＰＬに接続している。即ち、切換器３２の他方の出力端子ｂ１、ｂ２は、補機に接続している。充電器４０は、低電圧側端子ＴＬに入力された電力をメインバッテリ５の充電に適した直流電力に変換する機能のほかに、高電圧側端子ＴＨに入力されるメインバッテリ５の電力を、補機の動作電圧に変換する機能を有している。コントローラ４は、外部電源９１によってメインバッテリ５を充電するときには（外部電源９１のプラグ９０が外部電源接続用コネクタ３３に接続されているときには）、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを外部電源接続用コネクタ３３に接続するように切換器３２を制御する。

他方、コントローラ４は、インバータ９やモータ１２に異常が発生していないか否かを監視している。コントローラ４は、例えば、インバータの温度やインバータの出力電流が許容範囲を外れた場合を異常発生と判断する。インバータやモータの異常は様々なセンサデータに基づくが、本明細書では、そのような様々なセンサを、インバータセンサ１３ａ、モータセンサ１３ｂと総称して表す。インバータセンサ１３ａ、モータセンサ１３ｂの具体例は、温度センサや電流センサ、電圧センサなどである。コントローラ４は、インバータセンサ１３ａ、モータセンサ１３ｂのセンサデータから異常を検知した場合、システムメインリレー７を開放するとともに、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを補機に接続するように切換器３２を制御する。同時にコントローラ４は、メインバッテリ５の電圧を降圧して低電圧側端子ＴＬから出力するように充電器４０を制御する。

インバータ９やモータ１２の異常検知に関するコントローラ４の処理を説明する。図２に、コントローラ４が実行する処理のフローチャート図を示す。図２の処理は、コントローラ４が、インバータセンサ１３ａあるいはモータセンサ１３ｂのデータに基づいてインバータあるいはモータの何らかの異常を検知すると開始される。

コントローラ４は、まず、インバータセンサ１３ａあるいはモータセンサ１３ｂのセンサデータから、車両が走行を継続できる程度の異常であるか、あるいは走行不能な異常であるかを判別する（Ｓ２）。異常の種類が、車両が走行を継続できるものであるのか、あるいは、走行不能なものであるのかは、センサデータに対して予め定められており、コントローラ４に記憶されている。例えば、コントローラ４には、インバータ９の温度が第１閾値温度から第２閾値温度の間である場合、インバータ９がやや過熱しているが、モータ出力上限を下げて走行を継続するというルールや、インバータ９の温度が第２閾値を超えている場合は、インバータ９が酷く加熱しており、走行を直ちに停止するというルールなどが、予め記述されている。コントローラ４は、記憶しているルールとセンサデータを照合し、走行継続が可能であるか否かを判断する。走行継続が可能でないと判断した場合（Ｓ２：ＮＯ）、コントローラ４は、システムメインリレー７を開放する（Ｓ３）。即ち、コントローラ４は、メインバッテリ５とインバータ９との接続を遮断する。図１に示されているように、システムメインリレー７を開放すると、電圧コンバータ１７への電力供給も遮断される。その結果、電圧コンバータ１７を介した補機への電力供給が停止する。このとき、補機には補機バッテリ１８から電力が供給されるので、補機への電力供給が停止するわけではないことに留意されたい。

次に、コントローラ４は、切換器３２を制御し、充電器４０の低電圧側端子ＴＬの接続先を、接点ａ１、ａ２から接点ｂ１、ｂ２へと切り換える。即ち、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを補機と接続する（Ｓ４）。次にコントローラ４は、サブリレー３１を閉じ、メインバッテリ５を充電器４０に接続する。コントローラ４は、高電圧端子ＴＨ側に印加された電圧（メインバッテリの出力電圧）を補機の動作電圧に降圧して低電圧端子ＴＬ側へ出力するように充電器４０を駆動する（Ｓ６）。その結果、電圧コンバータ１７を介してではなく、充電器４０と切換器３２を介して、メインバッテリ５から補機に電力が供給される。

以上のとおり、実施例のハイブリッド車２は、システムメインリレー７を開放した場合であっても、メインバッテリ５から補機への電力供給を継続することができる。なお、コントローラ４は、切換器３２を制御し、通常は（異常が検知されていない間は）、充電器４０の低電圧側端子ＴＬと補機との間を遮断しており、異常が検知されると、低電圧側端子ＴＬと補機を接続する。

充電器４０は、低電圧側端子ＴＬに印加された電圧を昇圧して高電圧側端子ＴＨへ出力する機能と、高電圧側端子ＴＨに印加された電圧を降圧して低電圧側端子ＴＬに出力する機能を備える、いわば双方向の電力変換を行う。そのような充電器４０の回路構成の一例を図３に示す。充電器４０は、低電圧側端子ＴＬから高電圧側端子ＴＨに向かって、コイルＬ、ＡＣＤＣ変換回路４１、昇降圧回路４２、ＤＣＡＣ変換回路４３、トランスＴｓ、及び、整流回路４４で構成されている。各回路に含まれているトランジスタは、コントローラ４によって適宜に駆動される。

外部電源９１の交流電力をメインバッテリ５の充電に適した電力へ変換する際の充電器４０の動作を概説する。充電器４０の低電圧側端子ＴＬには、外部電源９１の交流電力が入力される。コイルＬは、外部電源９１の交流電力に含まれる高周波成分を除去する。ＡＣＤＣ変換回路４１は、外部電源９１から供給される交流電力を直流電力に変換する。昇降圧回路４２は、このとき、ＡＣＤＣ変換回路４１が出力した直流電圧を、メインバッテリ５の充電に適した電圧に昇圧する。ＤＣＡＣ変換回路４３は、昇圧された直流電力を再び交流に変換する。これは、次のトランスＴｓにて絶縁状態で電力を伝達するためである。トランスＴｓを介して、ＤＣＡＣ変換回路４３が出力した交流電力が整流回路４４に伝達される。整流回路４４は、２つのスイッチング回路４４ａ、４４ｂを有している。この場合（外部電源の電力を充電用電力に変換する場合）は、スイッチング回路４４ａ、４４ｂは、開かれたままであり、還流トランジスタが機能し、トランス側の交流電力が直流に変換されて高電圧側端子ＴＨから出力される。

メインバッテリ５の出力電圧を補機の動作電圧に変換する際の充電器４０の動作を概説する。高電圧側端子ＴＨには、メインバッテリ５の直流電力が印加される。コントローラ４は、整流回路４４のスイッチング回路４４ａ、４４ｂに適宜の駆動指令（ＰＷＭ信号）を出力する。整流回路４４は、メインバッテリ５の直流電力を、トランスＴｓの図中右側に交流電力として出力する。コントローラ４は、スイッチング回路４４ａのトランジスタと、スイッチング回路４４ｂのトランジスタを交互にＯＮ／ＯＦＦさせればよい。そうするだけで、トランスＴｓの右側には交流電流が流れるようになる。交流電力はトランスＴｓによって絶縁状態で伝達され、回路４３に入力される。この場合、回路４３は、図中の右側から入力される交流電力を直流に変換して左側へ出力するＡＣＤＣ変換回路として機能する。交流に変換された電力は、昇降圧回路４２にて降圧される。回路４１は、全てのスイッチング回路がＯＦＦに維持されており、昇降圧回路４２が出力する直流電力がそのまま低電圧側端子ＴＬへと出力される。前述したように、充電器４０がメインバッテリ５の電力を補機の動作電圧へ降圧する場合は、コントローラ４は、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを電力供給ラインＡＰＬ（即ち補機群）に接続するように切換器３２を制御する。なお、図２に示す回路構成は一例であり、ハイブリッド車２が備える充電器４０は、図２の回路に限定されるものではないことに留意されたい。

実施例の技術に関する留意点を述べる。電圧コンバータ１７が第１コンバータの一例に相当し、充電器４０が第２コンバータの一例に相当する。実施例ではエンジンとモータを備えるハイブリッド車を対象としたが、本明細書が開示する技術は、車輪を駆動するためのモータは備えるがエンジンは備えない電気自動車に適用することもできる。

切換器は、上記した１入力２出力の構成（切換器３２）に限られない。図４に、別の構成の切換器１３２を備えたハイブリッド車２ａのブロック図を示す。図４は、切換器１３２以外は、図１と同じである。図４に示すように、切換器１３２は、第１リレー１３２ａと第２リレー１３２ｂで構成されてもよい。ここで、第１リレー１３２ａは、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを電力供給ラインＡＰＬ（即ち補機群）に接続したり遮断したりする。第２リレー１３２ｂは、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを外部電源接続用コネクタ３３に接続したり遮断したりする。第１リレー１３２ａと第２リレー１３２ｂはコントローラ４によって制御される。第１リレー１３２ａを閉じて第２リレー１３２ｂを開放すれば、充電器４０は補機群と接続され、外部電源接続用コネクタ３３とは遮断される。逆に、第１リレー１３２ａを開放して第２リレー１３２ｂを閉じれば、充電器４０は補機群とは遮断され、外部電源接続用コネクタ３３と接続される。さらに、外部電源接続用コネクタ３３は、外部電源が接続されなければ開放端に相当する。それゆえ、外部電源が接続されていない間は、第２リレー１３２ｂは閉じていても差し支えない。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。また、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するものであり、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、２ａ：ハイブリッド車
４：コントローラ
５：メインバッテリ
７：システムメインリレー
９：インバータ
１２：モータ
１３ａ：インバータセンサ
１３ｂ：モータセンサ
１４：動力分配機構
１６：エンジン
１７：電圧コンバータ（第１コンバータ）
１８：補機バッテリ
１９：エアコン（補機）
２０：ヘッドライト（補機）
２１：カーナビゲーション（補機）
３１：サブリレー
３２、１３２：切換器
３３：外部電源接続用コネクタ
４０：充電器
４１：ＡＣＤＣ変換回路
４２：昇降圧回路
４３：ＤＣＡＣ変換回路
４４：整流回路
９０：外部電源のプラグ
９１：外部電源

Claims (3)

1. 車輪駆動用のモータと、
   前記モータに電力を供給するメインバッテリと、
   メインバッテリの直流電力を交流電力に変換してモータに出力するインバータと、
   メインバッテリの出力電圧よりも低い電圧で動作する補機と、
   メインバッテリの電圧を補機の動作電圧に降圧して出力する第１コンバータと、
   メインバッテリをインバータと第１コンバータに接続したり遮断したりするシステムメインリレーと、
   外部電源の電力供給プラグを接続する外部電源接続用コネクタと、
   高電圧側端子がメインバッテリに接続されているとともに低電圧側端子が切換器を介して補機と外部電源接続用コネクタに接続されており、低電圧側端子に印加された電力をメインバッテリの充電用の電力に変換して高電圧側端子に出力する機能と、高電圧側端子に印加されたメインバッテリの電圧を補機の動作電圧に変換して低電圧側端子に出力する機能を有する第２コンバータと、
   インバータ又はモータの異常を検知した場合に、システムメインリレーを開放するとともに、第２コンバータと補機を接続するように切換器を制御し、補機の動作電圧を出力するように第２コンバータを制御するコントローラと、
   を備えていることを特徴とする電気自動車。
2. 前記切換器は、１つの入力端子の接続先を２つの出力端子のいずれかに選択的に切り換えるデバイスであり、第２コンバータの低電圧側端子が入力端子に接続されており、補機と外部電源接続用コネクタが２つの出力端子の夫々に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車。
3. 切換器は、第２コンバータの入力端の正極と負極の双方の接続先を切り換えることを特徴とする請求項２に記載の電気自動車。
   

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