JP2000050402A - ハイブリッド電気自動車用電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】補機バッテリ側からエンジン始動用モータへの
逆送電を簡素な回路構成で実現したハイブリッド電気自
動車用電源装置を提供すること。 【解決手段】ハイブリッド電気自動車の主バッテリ１は
ＤＣ／ＤＣコンバータを通じて補機バッテリ２を充電す
る。特に、本構成のＤＣ／ＤＣコンバータは、主バッテ
リ１側の高圧側交直変換回路５と、トランス６と、補機
バッテリ２側の低圧側交直変換回路７との他に、主バッ
テリ１と高圧側交直変換回路５との間に介設されて主バ
ッテリ充電時にのみ入力電圧を昇圧する昇圧スイッチン
グ回路（８、１２、１４、１５）を有しており、補機バ
ッテリ２の充電時と主バッテリ１の充電時にとの電圧変
換比の差はこの昇圧スイッチング回路の動作、非動作で
調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ハイブリッド電気
自動車用電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関により駆動される発電機から主
バッテリや走行モータへ給電する従来のハイブリッド電
気自動車では、主バッテリから給電されるエンジン始動
用モータにより内燃機関が始動される。尚、この始動用
のモータとしては上記発電機などを用いることができ
る。

【０００３】特開昭６２−１７３９０１号公報は、電気
自動車の走行モータ給電用の主バッテリから補機給電用
のＤＣ／ＤＣコンバータを介して補機駆動用の補機バッ
テリに給電する電気自動車を提案している。この種の電
気自動車では、通常、低圧で給電される補機に比較して
走行モータに対して格段に高圧給電できるので、損失低
減、補機の小形化などの効果を実現でき、一方、補機へ
は電圧変動が少ない電源電圧を供給できるという利益が
生じる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たハイブリッド電気自動車は、エンジンを搭載しない純
電気自動車などに比べて主バッテリが小容量であり、た
とえば長期放置時などにおけるその残量の低下によりエ
ンジン始動ができない場合が考えられる。この場合、上
記補機バッテリ及び補機用ＤＣ／ＤＣコンバータをもつ
ハイブリッド電気自動車では、主バッテリの残量不足時
でも補機バッテリ側からエンジン始動用モータへ給電す
ることによりエンジンを始動することが考えられる。

【０００５】すなわち、補機バッテリは各種補機への給
電のための常時ある電圧レベルの電力が貯えられてお
り、主バッテリでエンジンを始動できないような緊急事
態が生じた場合には補機への安定電圧の給電に優先して
まずエンジンを始動させることが重要であり、エンジン
さえ始動できればその後の補機バッテリの再充電は速や
かに実現できる筈である。

【０００６】しかしながら、上記したように補機バッテ
リにより走行モータを駆動するには、低圧である補機バ
ッテリの出力電圧を昇圧して走行モータへ印加する新た
な昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータを追設しなければなら
ず、回路構成が複雑化し、装置コストが増大するという
問題があった。本発明は、上記問題点に鑑みなされたも
のであり、補機バッテリ側からエンジン始動用モータへ
の逆送電を簡素な回路構成で実現したハイブリッド電気
自動車用電源装置を提供することをその目的としてい
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の構成によ
れば、ハイブリッド電気自動車の主バッテリはＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータを通じて補機バッテリを充電する。特に、
本構成のＤＣ／ＤＣコンバータは、主バッテリ側の高電
圧側交直変換回路と、トランスと、補機バッテリ側の低
電圧側交直変換回路との他に、主バッテリと高電圧側交
直変換回路との間に介設されて主バッテリ充電時にのみ
入力電圧を昇圧する昇圧スイッチング回路を有してい
る。

【０００８】高電圧側交直変換回路は、主バッテリから
補機バッテリへの給電時にはいわゆるインバータ動作を
行ってトランスの一次巻線に交流電流を給電し、一方、
補機バッテリから主バッテリへの給電時にはいわゆる整
流動作を行う。低電圧側交直変換回路は、主バッテリか
ら補機バッテリへの給電時にはいわゆる整流動作を行
い、補機バッテリから主バッテリへの給電時にはいわゆ
るインバータ動作を行ってトランスの二次巻線に交流電
流を給電する。

【０００９】昇圧スイッチング回路は、主バッテリ充電
時において、高電圧側交直変換回路から給電される直流
電力をリアクトルスイッチング制御により昇圧してダイ
オードを通じて主バッテリへ送電する。このようにすれ
ば、以下の作用効果を奏することができる。まず、補機
バッテリ充電及び主バッテリ充電の両方を共通の電源装
置を用いて行うことができるので、電源装置の小型軽量
化及び部品点数の低減を実現することができる。

【００１０】なお、主バッテリや補機バッテリが充電時
に正常な放電電圧よりも相当過大な充電電圧で充電され
る必要があるので、高電圧側交直変換回路、トランス及
び低電圧側交直変換回路からなるＤＣ／ＤＣコンバ−タ
の補機バッテリ充電時における直流電圧降圧比の逆数よ
りも主バッテリ充電時における直流電圧昇圧比をかなり
高く設定せねばならないという問題が派生する。

【００１１】これに対し本構成では、主バッテリ充電時
にのみ作動する昇圧スイッチング回路を高電圧側交直変
換回路と主バッテリとの間に設けているので、上記ＤＣ
／ＤＣコンバ−タの構成、動作をなんら変更することな
くこの電圧変換比の差を吸収し、これにより共通の電源
装置で両バッテリの双方向充電を行うことができ、この
電源装置の小型軽量化および部品点数の削減を果たすこ
とができる。

【００１２】また、本構成では、補機バッテリ充電時に
のみ選択的に導通されるスイッチ手段は、いわゆるこの
電源装置の電源スイッチを兼ねることができるので回路
構成を簡素化することができ、その上、リアクトルは補
機バッテリ充電時に高電圧側交直変換回路のスイッチン
グ素子の断続などによる主バッテリ電流の変動を抑止す
る効果を奏して主バッテリの劣化を防止できるという効
果も奏する。

【００１３】更に、本構成によれば、昇圧スイッチング
回路のダイオードは、アノードがリアクトルを通じて高
電圧側交直変換回路の高位側の電源端に接続され、カソ
ードが主バッテリの高位端に接続され、更にこのダイオ
ードをスイッチ手段で必要時に短絡するので、この電源
装置の非使用時にこのスイッチ手段を開放することによ
り、この電源装置の各部に主バッテリから高電圧が印加
され続けることがなく安全性を向上することができる。

【００１４】請求項２記載の構成によれば請求項１又は
２記載のハイブリッド電気自動車の電源装置において更
に、エンジン始動時で、かつ、主バッテリの残量不足時
にのみ、補機バッテリから主バッテリへ給電させ、エン
ジン始動時でなければ、主バッテリの残量不足時であっ
ても補機バッテリから主バッテリへの送電を行わないの
で、補機バッテリの無駄な消耗を防止することができ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明のハイブリッド電気自動車
では、主バッテリはエンジン始動用のモ−タに給電して
エンジンを始動させる。エンジン始動用のモ−タとして
は、エンジンにより駆動されて発電して主バッテリを充
電する発電機が一般に用いられる。この発電機として走
行モ−タを用いることもできる。

【００１６】昇圧スイッチング回路のスイッチ手段は、
リレーを用いることができる他、半導体スイッチング素
子を用いることもできる。たとえばＩＢＧＴやバイポー
ラトランジスタを用いる場合には、昇圧スイッチング回
路のダイオードはこれらＩＢＧＴやバイポーラトランジ
スタの逆流保護機能も奏することができる。本発明の好
適な実施態様を以下の実施例を参照して説明する。

【００１７】

【実施例１】（構成）本発明のハイブリッド電気自動車
の電源装置の一実施例を図１を参照して説明する。この
電源装置は、主バッテリ１、補機バッテリ２、エンジン
３、発電機（走行モータ）４、高圧回路５、トランス
６、低圧回路７、スイッチング素子８、コントロ−ラ
９、コンデンサ１１、リアクトル１２、コンデンサ１
３、ダイオード１４、リレー接点１５を備えている。

【００１８】高圧回路５は本発明でいう高電圧側交直変
換回路をなし、低圧回路７及び本発明でいう低電圧側交
直変換回路をなし、スイッチング素子８、リアクトル１
２、ダイオード１４及びリレー接点１５は本発明でいう
昇圧スイッチング回路をなし、高圧回路５、トランス６
及び低圧回路７は本発明でいうＤＣ／ＤＣコンバ−タを
なす。

【００１９】主バッテリ１は、たとえば発電電動機から
なる走行モ−タ４と電力授受可能に接続されており、走
行モ−タ４は、伝達トルク遮断可能に車輪及びエンジン
３に結合されている。これら走行モ−タ４、エンジン３
および車輪（図示せず）間の連結方式には各種の方式が
あるが、本発明の要旨ではないので説明は省略する。高
圧回路５は、いわゆるブリッジ回路からなり、それぞれ
ＮＭＯＳトランジスタからなるハイサイドスイッチ５ａ
及びローサイドスイッチ５ｂを直列接続してなる第１の
相インバ−タ回路と、それぞれＮＭＯＳトランジスタか
らなるハイサイドスイッチ５ｃ及びローサイドスイッチ
５ｄを直列接続してなる第２の相インバ−タ回路と、各
スイッチ５ａ〜５ｄ個々に逆並列接続されるダイオード
５ｅ〜５ｈとからなる。スイッチ５ａ、５ｂの接続点は
トランス６の大巻数の一次巻線６ａの一端に接続され、
スイッチ５ｃ、５ｄの接続点はトランス６の一次巻線６
ａのの他端に接続されている。ハイサイドスイッチ５
ａ、５ｃの他端は主バッテリ１の高位電源端としてリア
クトル１２及びダイオード１４を通じて主バッテリ１の
高位端に接続され、ローサイドスイッチ５ｂ、５ｄの他
端は主バッテリ１の低位端に接続されているトランス６
は、互いに逆方向に巻装された一対の小巻数の二次巻線
６ｂ、６ｃを有しており、両二次巻線６ｂ、６ｃの各一
端は接続されて低圧回路７を通じて補機バッテリ２の低
位端に接続され、両二次巻線６ｂ、６ｃの接続端は補機
バッテリ２の高位端に接続されている。

【００２０】低圧回路７は、それぞれＩＧＢＴからなる
スイッチング素子７ａ、７ｂと、各スイッチング素子７
ａ、７ｂ個々に逆並列接続されるダイオード７ｃ、７ｄ
からなる。スイッチング素子８はエミッタが高圧回路５
の低位電源（接地）端に、コレクタがリアクトル１２の
反高圧回路５側の一端及びダイオード１４のアノードに
接続されるＩＧＢＴからなり、ダイオード１４はリレー
接点１５と並列接続されている。

【００２１】平滑用のコンデンサ１３は高圧回路５の両
電源端に並列接続され、平滑用のコンデンサ１１は補機
バッテリ２と並列接続されている。コントロ−ラ９は、
高圧回路５のスイッチ５ａ〜５ｄ及び低圧回路７のスイ
ッチ７ａ、７ｂ、スイッチング素子８を断続制御する。
コントロ−ラ９には、外部から入力される主バッテリ１
及び補機バッテリ２の端子電圧と、図示しない外部コン
トロ−ラから入力される補機バッテリ充電信号及び主バ
ッテリ充電信号とに基づいて、上記各スイッチ５ａ〜５
ｄ、７ａ、７ｂ、８を断続制御する。

【００２２】（動作）以下、上記装置の動作を図３のフ
ロ−チャ−トを参照して説明する。電源オンとともにな
されるリセット動作の後、図示しない車両制御用の外部
コントロ−ラからの補機バッテリ充電指令信号が存在す
るかどうかを調べ（Ｓ１００）、なければ補機バッテリ
２の端子電圧Ｖ２が所定の最低しきい値ＶＴ２未満かど
うかを調べ（Ｓ１０２）、Ｖ２がＶＴ２以上であれば補
機バッテリ充電不要と判定してＳ１０８へ進む。

【００２３】一方、補機バッテリ充電指令信号が存在す
るか、または、端子電圧Ｖ２が所定の最低しきい値ＶＴ
２未満であれば、ＤＣ／ＤＣコンバ−タに後述する通常
送電すなわち主バッテリ１から補機バッテリ２への送電
を実施させ（Ｓ１０４）、その後、補機バッテリ２の電
圧Ｖ２が所定のしきい値ＶＴ２’に達したかどうかを調
べ（Ｓ１０６）、達したらＳ１００へリタ−ンする。

【００２４】Ｓ１０８では、図示しない上記車両制御用
の外部コントロ−ラからのエンジン始動が指令されてい
るかどうかを調べ、指令されていれば主バッテリ１の端
子電圧Ｖ１が所定の最低しきい値ＶＴ１未満かどうかを
調べ（Ｓ１１０）、Ｖ１がＶＴ１以上であれば、主バッ
テリはエンジン始動可能と判定してＳ１００へリタ−ン
する。

【００２５】一方、エンジン始動指令が存在するにもか
かわらず端子電圧Ｖ１が所定の最低しきい値ＶＴ１未満
であれば、ＤＣ／ＤＣコンバ−タ３に後述する逆送電指
令すなわち補機バッテリ２から主バッテリ１への送電を
実施させ（Ｓ１１２）、その後、主バッテリ１の電圧Ｖ
１が所定のしきい値ＶＴ１’に達したかどうかを調べ
（Ｓ１１４）、達したらＳ１００へリタ−ンする。

【００２６】なお、Ｓ１０８において、エンジン始動指
令の代わりにマニュアルスイッチによる強制主バッテリ
充電指令の有無を判定してもよい。 （通常送電）以下、上記通常送電について説明する。こ
の通常送電では、リレー接点１５を導通させておく、そ
して、高圧回路５をインバ−タ動作をさせるために、ス
イッチ５ａ、５ｄを導通させ、スイッチ５ｂ、５ｃを遮
断するモ−ドと、スイッチ５ａ、５ｄを遮断し、スイッ
チ５ｂ、５ｃを導通させるモ−ドとを一定周期で交互に
繰り返す。補機バッテリ２の電圧Ｖ２をモニタして、そ
の大きさすなわち補機バッテリ２の残量に応じてこれら
スイッチ５ａ〜５ｄのデュ−ティ比を制御してもよい。

【００２７】二次巻線６ｂ、６ｃは逆向きに巻装されて
いるので、それらの出力端は、補機バッテリ２の低位端
を０Ｖとした場合に交互に正電位と負電位とになる。二
次巻線６ｂ、６ｃの出力端が補機バッテリ２の高位端よ
り正電位となると、ダイオ−ド７ｃ、７ｄを通じて補機
バッテリ２が充電される。なお、スイッチ７ａ、７ｂは
この間中、遮断される。これにより、補機バッテリ２
は、リアクトル１０とコンデンサ１１とからなる平滑回
路を通じてリップル除去された直流電流により充電され
る。

【００２８】この時、リアクトル１２は高圧回路５に印
加される電源電圧を平滑化する。 （逆送電）以下、上記逆送電について説明する。この逆
送電の間中、リレー接点１５は遮断される。そして、低
圧回路７をインバ−タ動作をさせ、トランス６の一次巻
線６ａの出力電圧を高圧回路５で整流し、昇圧スイッチ
ング回路で昇圧して主バッテリ１を充電する。

【００２９】更に説明すると、スイッチング素子７ａ、
７ｂを所定周期で交互断続することにより二次巻線６
ｂ、６ｃに電流を交互に流し、一次巻線６ａに交流電圧
を発生させる。この交流電圧は、高圧回路５のブリッジ
接続された４個のダイオ−ド５ｄ〜５ｈで全波整流さ
れ、コンデンサ１３で平滑されて昇圧スイッチング回路
に入力される。なお、スイッチ５ａ〜５ｄはこの間中、
遮断される。

【００３０】昇圧スイッチング回路では、スイッチング
素子８が一定周期で断続されることにより、リアクトル
１２における一定周期の磁気エネルギーの蓄積と放出が
行われ、これにより、生じた高電圧がダイオード１４を
通じて主バッテリ１に印加され、主バッテリ１が充電さ
れる。以上説明したように、この実施例では、リアクト
ル１２は通常送電時には主バッテリ１から出力される電
流を平滑する機能を果たし、逆送電時にはスイッチング
素子８、ダイオード１４との協同により昇圧機能を果た
すことができる。

【００３１】また、昇圧スイッチング回路の昇圧比だ
け、逆送電時の電圧変換比率を増大できるので、主バッ
テリ１の充電を良好に行うことができる。更に、主バッ
テリ１にエンジン始動に必要な電力が充電された時点で
逆充電を停止する（Ｓ１１４）ので、補機バッテリ２の
無用の消耗を防止することができる。

【００３２】

【実施例２】他の実施例を図２を参照して説明する。こ
の実施例では、リアクトル１０がトランス６の二次巻線
６ｂ、６ｃの接続点と補機バッテリ２の高電位端子との
間に接続され、スイッチ手段３０がリアクトル１０と並
列に接続されている。 （通常送電）通常送電は、スイッチ手段３０の接点端子
間は開放しておく。このため、トランス６の二次巻線６
ｂ、６ｃに誘起された交流電圧はリアクトル１０でリッ
プルを除去されて補機バッテリ２を充電する。

【００３３】また、一次側のスイッチ手段１５は、接点
端子間が導通しており、これによりスイッチング手段５
ａ、５ｂ、５ｃおよび５ｄで一次電流を断続してもリア
クトル１２および３１からサージ電圧が発生することが
ない。 （逆送電）逆送電時には、スイッチ手段３０の接点端子
間は導通されており、このため、スイッチング手段７
ａ、７ｂで二次電流を断続してもリアクトル１０からサ
ージ電圧が放出されることはない。

【００３４】一次側のスイッチ手段１５の接点端子間は
開放されており、これによりトランス６の一次巻線６ａ
に誘起された交流電圧はリアクトル３１、コンデンサ１
３でリップルを除去されて、電圧変動率が小さい直流電
圧を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１のハイブリッド電気自動車の電源装置
を示す回路図である。

【図２】実施例２のハイブリッド電気自動車の電源装置
を示す回路図である。

【図３】図１のコントロ−ラ５の動作を示すフロ−チャ
−トである。

【符号の説明】

１は主バッテリ、２は補機バッテリ、３はエンジン、４
は発電機（走行モータ）、５は高圧回路（高電圧側交直
変換回路）、６はトランス、７は低圧回路（低電圧側交
直変換回路）、８はスイッチング素子（昇圧スイッチン
グ回路）、９はコントローラ、１２はリアクトル（昇圧
スイッチング回路）、１４はダイオード（昇圧スイッチ
ング回路）、１５はリレー接点（スイッチ手段）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ハイブリッド電気自動車の走行モータに給
   電する主バッテリと、 車載補機駆動用の補機バッテリと、 前記両バッテリの間に設けられるトランスと、 このトランスの一次巻線と前記主バッテリとの間に接続
   されて、補機バッテリ充電時にスイッチング素子の断続
   により前記一次巻線に交流電流を給電し、主バッテリ充
   電時に整流素子により前記一次巻線の誘起電圧を整流す
   る高電圧側交直変換回路と、 前記トランスの二次巻線と前記補機バッテリとの間に接
   続されて、主バッテリ充電時にスイッチング素子の断続
   により前記二次巻線に交流電流を給電し、補機バッテリ
   充電時に整流素子により前記二次巻線の誘起電圧を整流
   する低電圧側交直変換回路と、 前記高電圧側交直変換回路と前記主バッテリとの間に接
   続されて、前記主バッテリ充電時に前記高電圧側交直変
   換回路からの入力電圧を昇圧する昇圧スイッチング回路
   と前記高電圧側交直変換回路、低電圧側交直変換回路及
   び昇圧スイッチング回路を開閉制御する制御手段と、 を備え、 前記昇圧スイッチング回路は、 一端が前記高電圧側交直変換回路の電源端に接続される
   リアクトルと、 前記リアクトルの他端と前記主バッテリの一端とを接続
   して主バッテリ充電時に開閉されるスイッチング素子
   と、 アノードが前記リアクトルを通じて前記高電圧側交直変
   換回路の高位側の電源端に接続され、カソードが前記主
   バッテリの高位端に接続されるダイオードと、 前記ダイオードを短絡するスイッチ手段と、 を備えることを特徴とするハイブリッド電気自動車用電
   源装置。
2. 【請求項２】請求項１記載のハイブリッド電気自動車用
   電源装置において、 前記制御手段は、 前記補機バッテリの残量不足時に、前記スイッチ手段を
   短絡し、前記高電圧側交直変換回路の前記スイッチング
   素子を断続させ、前記低電圧側交直変換回路の前記整流
   素子を整流動作させて、前記主バッテリから前記補機バ
   ッテリへ給電させ、 前記主バッテリの残量不足時でかつ前記エンジンの始動
   時のみ、前記スイッチ手段を開放し、前記高電圧側交直
   変換回路の前記整流素子を整流動作させ、前記低電圧側
   交直変換回路の前記スイッチング素子を断続させて、前
   記補機バッテリから前記主バッテリへ給電させることを
   特徴とするハイブリッド電気自動車の電源装置。