JP2007143374A - 車両の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電用のキャパシタを備え、車両重量増加を抑えつつキャパシタの長寿命化を図ることができる車両の電源装置を提供する。
【解決手段】制御装置６０は、充電回路６に対して商用電源から受ける商用電流が正弦波で力率１になるようにインバータ２０および３０を制御する。その結果充電回路６は、変動する正の電圧を発生する。そして制御装置６０は、充電回路６から与えられる正の電圧をそのまま第１の充電電圧として出力させる第１の充電モードと、第１の充電電圧よりも安定化させた第２の充電電圧として出力させる第２の充電モードのいずれかを選択して昇圧コンバータ１０に実行させる。好ましくは制御装置６０は、キャパシタセルＣＡＰ１〜ＣＡＰｎの電圧ばらつきが所定値より拡大した場合に第２の充電モードを昇圧コンバータに実行させる。そしてキャパシタセルの電圧がばらついていない場合には第２の充電モードを昇圧コンバータ１０に実行させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両の電源装置に関し、特に蓄電装置として大容量のキャパシタを搭載する車両の電源装置に関する。

従来、電気自動車またはハイブリッド自動車の蓄電装置には、化学的二次電池が用いられていたが、化学的二次電池は充放電サイクル寿命が短く、かつ高出力作動時の効率が悪いため、電気二重層コンデンサ等大容量のキャパシタの登場に伴いキャパシタを電気自動車等の蓄電装置として用いることが検討されている。

特許第３６０６７７９号明細書（特許文献１）は、このようなキャパシタを搭載する電気自動車の電源システムを開示する。このシステムでは、多数直列接続された電気二重層キャパシタセルをキャパシタ電池として用いている。多数直列接続された電気二重層キャパシタセルは、充電した状態での長時間放電または充放電を繰返すと、キャパシタセル電圧にばらつきが発生する。したがって、頻繁に充放電を繰返す電気自動車に適用すると、この電圧のばらつきによって、一部のキャパシタセルが過電圧になり、キャパシタ電池の全体寿命が縮まったり、故障の原因となったりするおそれがある。

図５は、キャパシタの電圧ばらつきについて説明するための図である。
図５を参照して、蓄電用に用いられる大容量のキャパシタＣＡＰは、複数の直列接続されたキャパシタセルＣＡＰ１〜ＣＡＰｎを含む。

キャパシタＣＡＰは、たとえば電気自動車等では、１００ボルトを超える直流電圧が両端に印加される。この高電圧に対応するため、キャパシタセルＣＡＰ１〜ＣＡＰｎを直列に接続して１つのキャパシタセル当りにかかる直流電圧を低電圧としている。

このように、多数のキャパシタセルＣＡＰ１〜ＣＡＰｎを直列接続したキャパシタＣＡＰを１つのキャパシタ電池と見なして使用する。このようなキャパシタ電池は、充電した状態で長時間放置したり、または充放電を多数回繰返したりすると、キャパシタセル電圧Ｖ１〜Ｖｎにばらつきが発生する。したがって頻繁に充放電を繰返す電気自動車等にキャパシタ電池を適用すると、この電圧のばらつきによって、一部のキャパシタセルが過電圧になり、キャパシタ電池の故障に至ってしまう。

このため、特許第３６０６７７９号明細書（特許文献１）の電源システムでは複数のＤＣ−ＤＣコンバータを用いてキャパシタセルの電圧がばらついたときには補助電源からの電力でキャパシタを満充電とする。
特許第３６０６７７９号明細書 特開２００３−３２９０８号公報

しかしながら、上記の特許第３６０６７７９号明細書（特許文献１）に開示された技術では、キャパシタのばらつき解消のために複数のＤＣ−ＤＣコンバータを車両内に搭載するので、車両重量が増加してしまうという問題点がある。また、キャパシタ電圧のばらつきの解消を、電力に限りがある補助電源の電力を用いて行なうので、補助電源の充電も考えなければいけないため充電の管理が煩雑となる。

この発明の目的は、蓄電用のキャパシタを備え、車両重量増加を抑えつつキャパシタの長寿命化を図ることができる車両の電源装置を提供することである。

この発明は、要約すると、車両の電源装置であって、複数の直列に接続されたキャパシタセルを含むキャパシタと、交流電源に接続するための接続部を有し、交流電源から電力を受けてキャパシタに対して充電する充電回路と、充電回路とキャパシタとの間に接続される電圧変換回路と、電圧変換回路および充電回路の制御を行なう制御装置とを備える。制御装置は、充電回路に対して正の電圧を発生させ、電圧変換回路に対して正の電圧を第１の充電電圧として出力させる第１の充電モードと第１の充電電圧よりも充電速度が遅くなる第２の充電電圧として出力させる第２の充電モードのいずれかを選択して実行させる
好ましくは、制御装置は、複数のキャパシタセルの電圧ばらつきが所定値より拡大した場合に第２の充電モードを電圧変換回路に実行させ、他の場合は第１の充電モードを電圧変換回路に実行させる。

好ましくは、制御装置は、複数のキャパシタセルに対する充電回数が所定数回ごとに第２の充電モードを電圧変換回路に実行させ、他の場合は電圧変換回路に第１の充電モードを実行させる。

好ましくは、充電回路は、キャパシタに蓄えられた電力を用いて第１の回転電機を駆動する第１のインバータと、キャパシタに蓄えられた電力を用いて第２の回転電機を駆動する第２のインバータとを含む。制御装置は、車両が交流電源と電力授受を行なわない場合には第１、第２のインバータをそれぞれ第１、第２の回転電機の制御に使用し、車両が交流電源と電力授受を行なう場合には第１、第２のインバータを用いて交流電源から与えられる交流電圧を正の電圧に変換して電圧変換回路に与える。

より好ましくは、接続部は、第１の回転電機のステータコイルの中性点に接続される第１の端子と、第２の回転電機のステータコイルの中性点に接続される第２の端子とを含む。

より好ましくは、第１の回転電機の回転軸は、車輪の回転軸と機械的に結合され、車両は、クランク軸が第２の回転電機の回転軸に機械的に結合された内燃機関を備える。

好ましくは、キャパシタは、第１の電源線に接続され、充電回路は、第２の電源線に接続され、電圧変換回路は、第１、第２の電源線の間に設けられるスイッチング素子を含む。制御装置は、第１の充電モードを実行するときにはスイッチング素子を接続状態に固定し、第２の充電モードを実行するときにはスイッチング素子に接続および開放状態を繰返させる。

より好ましくは、制御装置は、第２の充電モードを実行するときにはスイッチング素子の制御電極にキャパシタに安定化された電圧が加わるようにパルス幅変調された制御信号を与える。

本発明によれば、車両重量増加を抑えつつキャパシタの長寿命化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態に係る車両の概略ブロック図である。
図１を参照して、この車両１００は、バッテリユニットＢＵと、昇圧コンバータ１０と、電源線ＰＬ１，ＰＬ２と、接地線ＳＬと、蓄電用の大容量キャパシタＣＡＰと、充電回路６と、エンジン４と、動力分配機構３と、車輪２とを含む。

バッテリユニットＢＵ中のバッテリＢ１は外部から充電することが可能な大容量で比較的低コストのエネルギ密度型のバッテリであり、急速放電ができないのでこれを補うために高速放電が可能な蓄電装置である大容量のキャパシタＣＡＰが設けられている。

充電回路６は、車両走行時にはバッテリユニットＢＵおよび昇圧コンバータ１０の負荷回路としても動作する。充電回路６は、インバータ２０，３０と、Ｕ相ラインＵＬ１，ＵＬ２と、Ｖ相ラインＶＬ１，ＶＬ２と、Ｗ相ラインＷＬ１，ＷＬ２と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２とを含む。

この車両１００は、車輪の駆動にモータとエンジンとを併用するハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）である。

動力分配機構３は、エンジン４とモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に結合されてこれらの間で動力を分配する機構である。たとえば動力分配機構としてはサンギヤ、プラネタリキャリヤ、リングギヤの３つの回転軸を有する遊星歯車機構を用いることができる。この３つの回転軸がエンジン４、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各回転軸にそれぞれ接続される。たとえば、モータジェネレータＭＧ１のロータを中空としてその中心にエンジン４のクランク軸を通すことで動力分配機構３にエンジン４とモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２とを機械的に接続することができる。

なお、モータジェネレータＭＧ２の回転軸は車輪２に図示しない減速ギヤや差動ギヤによって結合されている。また動力分配機構３の内部にモータジェネレータＭＧ２の回転軸に対する減速機をさらに組み込んでもよい。

そして、モータジェネレータＭＧ１は、エンジンによって駆動される発電機として動作し、かつ、エンジン始動を行ない得る電動機として動作するものとしてハイブリッド自動車に組み込まれ、モータジェネレータＭＧ２は、ハイブリッド自動車の駆動輪を駆動する電動機としてハイブリッド自動車に組み込まれる。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、たとえば、３相交流同期電動機である。モータジェネレータＭＧ１はＵ相コイルＵ１、Ｖ相コイルＶ１、Ｗ相コイルＷ１からなる３相コイルをステータコイルとして含む。モータジェネレータＭＧ２はＵ相コイルＵ２、Ｖ相コイルＶ２、Ｗ相コイルＷ２からなる３相コイルをステータコイルとして含む。

そして、モータジェネレータＭＧ１は、エンジン出力を用いて３相交流電圧を発生し、その発生した３相交流電圧をインバータ２０へ出力する。また、モータジェネレータＭＧ１は、インバータ２０から受ける３相交流電圧によって駆動力を発生し、エンジンの始動を行なう。

モータジェネレータＭＧ２は、インバータ３０から受ける３相交流電圧によって車両の駆動トルクを発生する。また、モータジェネレータＭＧ２は、車両の回生制動時、３相交流電圧を発生してインバータ３０へ出力する。

バッテリユニットＢＵは、負極が接地線ＳＬに接続された蓄電装置であるバッテリＢ１と、バッテリＢ１の電圧ＶＢ１を測定する電圧センサ７０と、バッテリＢ１の電流ＩＢ１を測定する電流センサ８４とを含む。車両負荷は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、インバータ２０，３０と、インバータ２０，３０に昇圧した電圧を供給する昇圧コンバータ１０とを含む。

バッテリユニットＢＵにおいては、バッテリＢ１は、たとえば、ニッケル水素、リチウムイオンや鉛蓄電池等の二次電池を用いることができる。また、バッテリＢ１に代えて大容量の電気二重層コンデンサを用いることもできる。

車両１００は、さらに、電源線ＰＬ１と接地線ＳＬとの間にバッテリＢ１と並列に接続された蓄電用の大容量キャパシタＣＡＰを含む。キャパシタＣＡＰは、複数の直列接続されたキャパシタセルＣＡＰ１〜ＣＡＰｎを含む。これら直列接続されたキャパシタセルＣＡＰ１〜ＣＡＰｎは、バッテリＢ１と同様１つの蓄電装置であるキャパシタＣＡＰとして動作する。キャパシタＣＡＰはバッテリＢ１よりも大電力を高速に充放電可能であるという特性を有する。

車両１００は、さらに、キャパシタＣＡＰの複数のキャパシタセルＣＡＰ１〜ＣＡＰｎの各端子間電圧Ｖ１〜Ｖｎのばらつきを監視する電圧センサ７１を含む。

バッテリＢ１およびキャパシタＣＡＰは、直流電圧を昇圧コンバータ１０へ出力する。また、昇圧コンバータ１０から出力される直流電圧によってバッテリＢ１およびキャパシタＣＡＰが充電される。

昇圧コンバータ１０は、リアクトルＬと、ｎｐｎ型トランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。リアクトルＬは、電源線ＰＬ１に一端が接続され、ｎｐｎ型トランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。ｎｐｎ型トランジスタＱ１，Ｑ２は、電源線ＰＬ２と接地線ＳＬとの間に直列に接続され、制御装置６０からの信号ＰＷＣをベースに受ける。そして、各ｎｐｎ型トランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続される。

なお、上記のｎｐｎ型トランジスタおよび以下の本明細書中のｎｐｎ型トランジスタとして、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることができ、またｎｐｎ型トランジスタに代えて、パワーＭＯＳＦＥＴ（metal oxide semiconductor field-effect transistor）等の電力スイッチング素子をもちいることができる。

インバータ２０は、Ｕ相アーム２２、Ｖ相アーム２４およびＷ相アーム２６を含む。Ｕ相アーム２２、Ｖ相アーム２４およびＷ相アーム２６は、電源線ＰＬ２と接地線ＳＬとの間に並列に接続される。

Ｕ相アーム２２は、直列に接続されたｎｐｎ型トランジスタＱ１１，Ｑ１２を含み、Ｖ相アーム２４は、直列に接続されたｎｐｎ型トランジスタＱ１３，Ｑ１４を含み、Ｗ相アーム２６は、直列に接続されたｎｐｎ型トランジスタＱ１５，Ｑ１６を含む。各ｎｐｎ型トランジスタＱ１１〜Ｑ１６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１１〜Ｄ１６がそれぞれ接続される。そして、各相アームにおける各ｎｐｎ型トランジスタの接続点は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ１，ＶＬ１，ＷＬ１を介してモータジェネレータＭＧ１の各相コイルの中性点Ｎ１と異なるコイル端にそれぞれ接続される。

インバータ３０は、Ｕ相アーム３２、Ｖ相アーム３４およびＷ相アーム３６を含む。Ｕ相アーム３２、Ｖ相アーム３４およびＷ相アーム３６は、電源線ＰＬ２と接地線ＳＬとの間に並列に接続される。

Ｕ相アーム３２は、直列に接続されたｎｐｎ型トランジスタＱ２１，Ｑ２２を含み、Ｖ相アーム３４は、直列に接続されたｎｐｎ型トランジスタＱ２３，Ｑ２４を含み、Ｗ相アーム３６は、直列に接続されたｎｐｎ型トランジスタＱ２５，Ｑ２６を含む。各ｎｐｎ型トランジスタＱ２１〜Ｑ２６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ２１〜Ｄ２６がそれぞれ接続される。そして、インバータ３０においても、各相アームにおける各ｎｐｎ型トランジスタの接続点は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ２，ＶＬ２，ＷＬ２を介してモータジェネレータＭＧ２の各相コイルの中性点Ｎ２と異なるコイル端にそれぞれ接続される。

車両１００は、さらに、平滑用のコンデンサＣ１，Ｃ２と、リレー回路４０と、コネクタ５０と、制御装置６０と、電力入力ラインＡＣＬ１，ＡＣＬ２と、電圧センサ７２，７３と、電流センサ８０，８２とを含む。

車両１００は、さらに、コネクタ５０に外部から与えられる電圧ＶＩＮを測定する電圧センサ７４を含む。

コンデンサＣ１は、電源線ＰＬ１と接地線ＳＬとの間に接続され、電圧変動に起因するバッテリＢ１および昇圧コンバータ１０への影響を低減する。電源線ＰＬ１と接地線ＳＬとの間の電圧ＶＬは、電圧センサ７３で測定される。

コンデンサＣ２は、電源線ＰＬ２と接地線ＳＬとの間に接続され、電圧変動に起因するインバータ２０，３０および昇圧コンバータ１０への影響を低減する。電源線ＰＬ２と接地線ＳＬとの間の電圧ＶＨは、電圧センサ７２で測定される。

昇圧コンバータ１０は、バッテリユニットＢＵから電源線ＰＬ１を介して供給される直流電圧を昇圧して電源線ＰＬ２へ出力する。より具体的には、昇圧コンバータ１０は、制御装置６０からの信号ＰＷＣに基づいて、ｎｐｎ型トランジスタＱ２のスイッチング動作に応じて流れる電流をリアクトルＬに磁場エネルギを蓄積し、その蓄積したエネルギをｎｐｎ型トランジスタＱ２がＯＦＦされたタイミングに同期してダイオードＤ１を介して電源線ＰＬ２へ電流を流すことによって放出することにより昇圧動作を行なう。

また、昇圧コンバータ１０は、制御装置６０からの信号ＰＷＣに基づいて、電源線ＰＬ２を介してインバータ２０および３０のいずれか一方または両方から受ける直流電圧をバッテリユニットＢＵの電圧レベルに降圧してバッテリユニットＢＵ内部のバッテリを充電する。

インバータ２０は、制御装置６０からの信号ＰＷＭ１に基づいて、電源線ＰＬ２から供給される直流電圧を３相交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１を駆動する。

これにより、モータジェネレータＭＧ１は、トルク指令値ＴＲ１によって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ２０は、エンジンからの出力を受けてモータジェネレータＭＧ１が発電した３相交流電圧を制御装置６０からの信号ＰＷＭ１に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を電源線ＰＬ２へ出力する。

インバータ３０は、制御装置６０からの信号ＰＷＭ２に基づいて、電源線ＰＬ２から供給される直流電圧を３相交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ２を駆動する。

これにより、モータジェネレータＭＧ２は、トルク指令値ＴＲ２によって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ３０は、車両１００が搭載されたハイブリッド自動車の回生制動時、駆動軸からの回転力を受けてモータジェネレータＭＧ２が発電した３相交流電圧を制御装置６０からの信号ＰＷＭ２に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を電源線ＰＬ２へ出力する。

なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをＯＦＦすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。

リレー回路４０は、リレーＲＹ１，ＲＹ２を含む。リレーＲＹ１，ＲＹ２としては、たとえば、機械的な接点リレーを用いることができるが、半導体リレーを用いてもよい。リレーＲＹ１は、電力入力ラインＡＣＬ１とコネクタ５０との間に設けられ、制御装置６０からの制御信号ＣＮＴＬに応じてＯＮ／ＯＦＦされる。リレーＲＹ２は、電力入力ラインＡＣＬ２とコネクタ５０との間に設けられ、制御装置６０からの制御信号ＣＮＴＬに応じてＯＮ／ＯＦＦされる。

このリレー回路４０は、制御装置６０からの制御信号ＣＮＴＬに応じて、電力入力ラインＡＣＬ１，ＡＣＬ２とコネクタ５０との接続／切離しを行なう。すなわち、リレー回路４０は、制御装置６０からＨ（論理ハイ）レベルの制御信号ＣＮＴＬを受けると、電力入力ラインＡＣＬ１，ＡＣＬ２をコネクタ５０と電気的に接続し、制御装置６０からＬ（論理ロー）レベルの制御信号ＣＮＴＬを受けると、電力入力ラインＡＣＬ１，ＡＣＬ２をコネクタ５０から電気的に切離す。

コネクタ５０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の中性点Ｎ１，Ｎ２間に外部から電力を入力するための端子を含む。

たとえば、交流１００Ｖの商用電源５５からの入力電力を、コネクタ５０を介して車両に入力することができる。コネクタ５０への電源接続の有無は、電圧センサ７４測定される電力入力ラインＡＣＬ１，ＡＣＬ２の線間電圧ＶＩＮに基づき制御装置６０で判断される。

電圧センサ７０は、バッテリＢ１のバッテリ電圧ＶＢ１を検出し、その検出したバッテリ電圧ＶＢ１を制御装置６０へ出力する。電圧センサ７３は、コンデンサＣ１の両端の電圧、すなわち、昇圧コンバータ１０の入力電圧ＶＬを検出し、その検出した電圧ＶＬを制御装置６０へ出力する。電圧センサ７２は、コンデンサＣ２の両端の電圧、すなわち、昇圧コンバータ１０の出力電圧ＶＨ（インバータ２０，３０の入力電圧に相当する。以下同じ。）を検出し、その検出した電圧ＶＨを制御装置６０へ出力する。

電流センサ８０は、モータジェネレータＭＧ１に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１を検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴ１を制御装置６０へ出力する。電流センサ８２は、モータジェネレータＭＧ２に流れるモータ電流ＭＣＲＴ２を検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴ２を制御装置６０へ出力する。

制御装置６０は、外部に設けられるＥＣＵ（Electronic Control Unit）から出力されたモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２およびモータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２、電圧センサ７３からの電圧ＶＬ、ならびに電圧センサ７２からの電圧ＶＨに基づいて、昇圧コンバータ１０を駆動するための信号ＰＷＣを生成し、その生成した信号ＰＷＣを昇圧コンバータ１０へ出力する。

また、制御装置６０は、電圧ＶＨならびにモータジェネレータＭＧ１のモータ電流ＭＣＲＴ１およびトルク指令値ＴＲ１に基づいて、モータジェネレータＭＧ１を駆動するための信号ＰＷＭ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭ１をインバータ２０へ出力する。さらに、制御装置６０は、電圧ＶＨならびにモータジェネレータＭＧ２のモータ電流ＭＣＲＴ２およびトルク指令値ＴＲ２に基づいて、モータジェネレータＭＧ２を駆動するための信号ＰＷＭ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭ２をインバータ３０へ出力する。

ここで、制御装置６０は、イグニッションスイッチ（またはイグニッションキー）からの信号ＩＧおよびバッテリＢ１の充電状態ＳＯＣに基づいて、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の中性点Ｎ１，Ｎ２間に与えられる商用電源用の交流電圧からバッテリＢ１に対する充電が行なわれるようにインバータ２０，３０を制御するための信号ＰＷＭ１，ＰＷＭ２を生成する。

さらに、制御装置６０は、バッテリＢ１の充電状態ＳＯＣに基づいて、外部から充電可能かを判断し、充電可能と判断したときは、Ｈレベルの制御信号ＣＮＴＬをリレー回路４０へ出力する。一方、制御装置６０は、バッテリＢ１がほぼ満充電状態であり、充電可能でないと判断したときは、Ｌレベルの制御信号ＣＮＴＬをリレー回路４０へ出力し、信号ＩＧが停止状態を示す場合にはインバータ２０および３０を停止させる。

充電回路６は、商用電源５５に接続するための接続部であるコネクタ５０を有し、商用電源５５から電力を受けてキャパシタＣＡＰに対して充電を行なう。昇圧コンバータ１０は、電圧変換回路として機能し、充電回路６とキャパシタＣＡＰとの間に接続される。

制御装置６０は、充電回路６に対して商用電源から受ける商用電流が正弦波で力率１になるようにインバータ２０および３０を制御する。その結果充電回路６は、変動する正の電圧を発生する。そして制御装置６０は、充電回路６から与えられる正の電圧をそのまま第１の充電電圧として出力させる第１の充電モードと、第１の充電電圧よりも安定化させた第２の充電電圧として出力させる第２の充電モードのいずれかを選択して昇圧コンバータ１０に実行させる。

換言すれば、制御装置６０は、充電回路６に対して正の電圧を発生させ、昇圧コンバータに対して正の電圧を第１の充電電圧として出力させる第１の充電モードと第１の充電電圧よりも充電速度が遅くなる第２の充電電圧として出力させる第２の充電モードのいずれかを選択して実行させる。

制御装置６０は、キャパシタセルＣＡＰ１〜ＣＡＰｎの電圧ばらつきが所定値より拡大した場合に第２の充電モードを昇圧コンバータに実行させる。そしてキャパシタセルの電圧がばらついていない場合には第２の充電モードを昇圧コンバータ１０に実行させる。

また制御装置６０は、複数のキャパシタセルＣＡＰ１〜ＣＡＰｎに対する充電回数が所定数ごと、たとえば５０回充電するたびごとに一度第２の充電モードを昇圧コンバータ１０に実行させ、５０回の充電回数のうち他の場合は昇圧コンバータ１０に第１の充電モードを実行させる。

充電回路６は、キャパシタＣＡＰに蓄えられた電力を用いてモータジェネレータＭＧ１を駆動するインバータ２０と、モータジェネレータＭＧ２を駆動するインバータ３０とを含む。制御装置６０は、車両が商用電源５５と電力授受を行なわない場合にはインバータ２０，３０をそれぞれモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の制御に使用する。そして制御装置６０は、車両が商用電源５５と電力授受を行なう場合にはインバータ２０，３０を用いて商用電源５５から与えられる交流電圧を正の電圧に変換して昇圧コンバータ１０に与える。

キャパシタＣＡＰは電源線ＰＬ１に接続され、充電回路６は電源線ＰＬ２に接続され、昇圧コンバータ１０は、電源線ＰＬ１，ＰＬ２の間に設けられるスイッチング素子であるＩＧＢＴ素子Ｑ１を含む。制御装置６０は、第１の充電モードを実行させるときには、ＩＧＢＴ素子Ｑ１を接続状態に固定させる。また制御装置６０は、第２の充電モードを実行させるときにはＩＧＢＴ素子Ｑ１に接続状態および開放状態を繰返させる。

より具体的には、制御装置６０は、第２の充電モードを実行するときには、キャパシタＣＡＰに安定化された充電電圧が加わるように、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の制御電極（ゲート）にパルス幅変調（ＰＷＭ）された制御信号を与える。

図２は、図１の制御装置６０が充電操作を行なう際に実行するプログラムの制御構造を示したフローチャートである。なお、このフローチャートの処理は、所定のメインルーチンから、一定期間ごとまたは所定の条件が成立するごとに呼び出されて実行される。

図１、図２を参照して、まず処理が開始されると、ステップＳ１において制御装置６０は運転者が車両を停止させてイグニッションスイッチをオフ状態にしたか否かを信号ＩＧを観測して検知する。

信号ＩＧがオフ状態でない場合にはステップＳ１２において処理がメインルーチンに移される。

一方、ステップＳ１において信号ＩＧがオフ状態を示す場合には、処理はステップＳ２に進む。ステップＳ２では、制御装置６０は、センサ７４から出力される電圧ＶＩＮを観測し、商用電源５５から交流１００Ｖがリレー回路４０の手前まで与えられているかを検知する。電圧ＶＩＮに入力が検知された場合にはステップＳ３に処理が進み、検知されない場合はステップＳ１２に処理が進む。

ステップＳ３においては、制御装置６０は、バッテリＢ１やキャパシタＣＡＰに流入する電流を積算することにより求められる充電状態ＳＯＣが所定のしきい値Ｓｔｈ（Ｆ）より小さいか否かを判断する。ＳＯＣ＜Ｓｔｈ（Ｆ）が成立しない場合にはバッテリ等は満充電状態であるので充電は必要ない。このため処理はステップＳ９に進む。

一方ＳＯＣ＜Ｓｔｈ（Ｆ）が成立した場合には処理はステップＳ４に進む。ステップＳ４においてはリレー回路４０のリレーＲＹ１，ＲＹ２が導通状態に制御され、続いてステップＳ５において充電回数の判断を行なう。

制御装置６０は充電回数を内部のメモリに所定の変数として不揮発的に記憶しており、充電回数がたとえば丁度５０の倍数であるか否かを判断する。これはたとえば５０回に１回は後に説明するリカバリ充電を行なうためである。ステップＳ５において充電回数がちょうど５０の倍数であると判断された場合には処理はステップＳ８に進み、ちょうど５０の倍数ではなかった場合には処理はステップＳ６に進む。なお、この判定の回数はたとえば５０回でなくても３０回や１００回等でもよい。

ステップＳ６では、制御装置６０は、センサ７１から得られたキャパシタセルＣＡＰ１〜ＣＡＰｎの端子間電圧Ｖ１〜Ｖｎを判断してセル間でばらつきが大きいか否かをチェックする。たとえば電圧Ｖ１〜Ｖｎの中の最大値と最小値の差を求めることによってばらつきを判断することができる。

ステップＳ６においてキャパシタ電圧のセル間のばらつきが大と判断された場合には、処理はステップＳ８に進む。一方キャパシタ電圧のばらつきが大と判断されなかった場合には、処理はステップＳ７に進む。

なお、ステップＳ５，Ｓ６はいずれか一方だけを行なうように変形することも可能である。具体的にはステップＳ４の処理が終了するとステップＳ６の判断を実行してもよいし、またステップＳ５の判断結果がＮＯである場合に直接ステップＳ７に進むように変形してもよい。

ステップＳ７においては通常充電が行なわれる。
図３は、図２のステップＳ７の通常充電を説明するための動作波形図である。

図１、図３を参照して、通常充電においては、制御装置６０は、インバータ２０および３０を用いて商用電源５５の電圧を力率１となるように正の電圧および電流に変換して正電圧ＶＨを発生する。このとき制御装置６０は、昇圧コンバータ１０の内部のスイッチング素子であるＩＧＢＴ素子Ｑ１を常時オン状態にし、電圧ＶＨをそのまま電圧ＶＢとしてキャパシタＣＡＰに与える。これにより商用電源５５からキャパシタおよびバッテリへの効率のよい充電動作が行なわれる。

ステップＳ７の処理が終了するとステップＳ１２に進み制御はメインルーチンに移される。

ステップＳ５またはステップＳ６からステップＳ８に処理が進んだ場合にはリカバリ充電が行なわれる。リカバリ充電は、キャパシタセルＣＡＰ１〜ＣＡＰｎに生じた電圧ばらつきを小さくするためにゆっくりじわじわとキャパシタＣＡＰに対して充電を行なう処理である。

図４は、ステップＳ８のリカバリ充電について説明するための図である。
図４を参照して、図１の充電回路６は、通常充電の場合と同様に交流の商用電源５５から与えられる電圧を力率１で直流の脈流に変換し電圧ＶＨを出力する。

制御装置６０は、電圧ＶＨのレベルが低いときにはパルスデューティを大とし、電圧ＶＨのレベルが高いときにはパルスデューティを小としてＰＷＭ制御を行なってＩＧＢＴ素子Ｑ１のゲートに制御電圧を与える。

その結果バッテリＢ１およびキャパシタＣＡＰの両端に印加される電圧ＶＢは、図３に示した通常充電の場合とは異なりほぼ一定の電圧に制御される。これによりキャパシタＣＡＰに与えられる電流も図３の場合よりも変動の少ない電流となる。このように充電することによりキャパシタＣＡＰの複数のキャパシタセルＣＡＰ１〜ＣＡＰｎに生じた端子間電圧のばらつきは小さくなり、キャパシタＣＡＰの全体寿命を延ばすことができる。

再び図２を参照して、ステップＳ８の処理が終了するとステップＳ１２に処理が進み制御はメインルーチンに移される。

次に充電の停止処理について説明を行なう。ステップＳ３からステップＳ９に処理が進んだ場合には制御装置６０は、インバータ２０および３０の動作を停止させて充電を停止する。

そしてステップＳ１０において充電回数を示す変数をインクリメントさせる。
その後ステップＳ１１においてリレー回路４０の中のリレーＲＹ１，ＲＹ２を導通状態から非導通状態にして商用電源５５を充電回路６から切離す。ステップＳ１１の処理が終了するとステップＳ１２に進み制御はメインルーチンに移される。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、複数のキャパシタセル間のばらつきが検知された場合やばらつきが予想される場合に、商用電源からプラグイン充電を行なう場合に通常充電よりもゆっくり満充電にすることにより、キャパシタセルの劣化を抑えつつキャパシタセル間のばらつきを解消することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態に係る車両の概略ブロック図である。 図１の制御装置６０が充電操作を行なう際に実行するプログラムの制御構造を示したフローチャートである。 図２のステップＳ７の通常充電を説明するための動作波形図である。 ステップＳ８のリカバリ充電について説明するための図である。 キャパシタの電圧ばらつきについて説明するための図である。

符号の説明

２ 車輪、３ 動力分配機構、４ エンジン、６ 充電回路、１０ 昇圧コンバータ、２０，３０ インバータ、２２，３２ Ｕ相アーム、２４，３４ Ｖ相アーム、２６，３６ Ｗ相アーム、４０ リレー回路、５０ コネクタ、５５ 商用電源、６０ 制御装置、７０〜７４ 電圧センサ、８０，８２，８４ 電流センサ、１００ 車両、ＡＣＬ１，ＡＣＬ２ 電力入力ライン、Ｂ１ バッテリ、ＢＵ バッテリユニット、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、ＣＡＰ キャパシタ、ＣＡＰ１〜ＣＡＰｎ キャパシタセル、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６ ダイオード、Ｌ リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、ＰＬ１，ＰＬ２ 電源線、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１〜Ｑ１６，Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２１〜Ｑ２６ トランジスタ、ＲＹ１，ＲＹ２ リレー、ＳＬ 接地線、Ｕ１，Ｕ２ Ｕ相コイル、ＵＬ１，ＵＬ２ Ｕ相ライン、Ｖ１，Ｖ２ Ｖ相コイル、ＶＬ１，ＶＬ２ Ｖ相ライン、Ｗ１，Ｗ２ Ｗ相コイル、ＷＬ１，ＷＬ２ Ｗ相ライン。

Claims (8)

1. 複数の直列に接続されたキャパシタセルを含むキャパシタと、
   交流電源に接続するための接続部を有し、前記交流電源から電力を受けて前記キャパシタに対して充電する充電回路と、
   前記充電回路と前記キャパシタとの間に接続される電圧変換回路と、
   前記電圧変換回路および前記充電回路の制御を行なう制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記充電回路に対して正の電圧を発生させ、前記電圧変換回路に対して前記正の電圧を第１の充電電圧として出力させる第１の充電モードと前記第１の充電電圧よりも充電速度が遅くなる第２の充電電圧として出力させる第２の充電モードのいずれかを選択して実行させる、車両の電源装置。
2. 前記制御装置は、
   前記複数のキャパシタセルの電圧ばらつきが所定値より拡大した場合に前記第２の充電モードを前記電圧変換回路に実行させ、他の場合は前記第１の充電モードを前記電圧変換回路に実行させる、請求項１に記載の車両の電源装置。
3. 前記制御装置は、
   前記複数のキャパシタセルに対する充電回数が所定数回ごとに前記第２の充電モードを前記電圧変換回路に実行させ、他の場合は前記電圧変換回路に前記第１の充電モードを実行させる、請求項１に記載の車両の電源装置。
4. 前記充電回路は、
   前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて第１の回転電機を駆動する第１のインバータと、
   前記キャパシタに蓄えられた電力を用いて第２の回転電機を駆動する第２のインバータとを含み、
   前記制御装置は、車両が前記交流電源と電力授受を行なわない場合には前記第１、第２のインバータをそれぞれ前記第１、第２の回転電機の制御に使用し、前記車両が前記交流電源と電力授受を行なう場合には前記第１、第２のインバータを用いて前記交流電源から与えられる交流電圧を正の電圧に変換して前記電圧変換回路に与える、請求項１に記載の車両の電源装置。
5. 前記接続部は、
   前記第１の回転電機のステータコイルの中性点に接続される第１の端子と、
   前記第２の回転電機のステータコイルの中性点に接続される第２の端子とを含む、請求項４に記載の車両の電源装置。
6. 前記第１の回転電機の回転軸は、車輪の回転軸と機械的に結合され、
   前記車両は、
   クランク軸が前記第２の回転電機の回転軸に機械的に結合された内燃機関を備える、請求項４に記載の車両の電源装置。
7. 前記キャパシタは、第１の電源線に接続され、
   前記充電回路は、第２の電源線に接続され、
   前記電圧変換回路は、
   前記第１、第２の電源線の間に設けられるスイッチング素子を含み、
   前記制御装置は、前記第１の充電モードを実行するときには前記スイッチング素子を接続状態に固定し、前記第２の充電モードを実行するときには前記スイッチング素子に接続および開放状態を繰返させる、請求項１に記載の車両の電源装置。
8. 前記制御装置は、前記第２の充電モードを実行するときには前記スイッチング素子の制御電極に前記キャパシタに安定化された電圧が加わるようにパルス幅変調された制御信号を与える、請求項７に記載の車両の電源装置。

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