JP2007244034A - 車両の電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】補機バッテリ電圧が低下した状態においても走行可能状態に移行できる可能性が増した車両の電源装置を提供する。
【解決手段】システムメインリレーSMRPは、システムメインリレーSMRBと並列的に設けられ、開状態から閉状態に遷移させるための駆動電力がシステムメインリレーSMRBよりも小さい。DC/DCコンバータ42は、システムメインリレーSMRB,SMRPのいずれかを介して受けたメインバッテリB1の電圧を変換する。制御装置30は、補機バッテリB2の電圧によってシステムメインリレーSMRPを開状態から閉状態に遷移させスイッチ回路24を接続してDC/DCコンバータ42にメインバッテリB1の電源電圧を供給し、DC/DCコンバータ42で変換された電圧によってシステムメインリレーSMRBを開状態から閉状態に遷移させる。
【選択図】図1
【解決手段】システムメインリレーSMRPは、システムメインリレーSMRBと並列的に設けられ、開状態から閉状態に遷移させるための駆動電力がシステムメインリレーSMRBよりも小さい。DC/DCコンバータ42は、システムメインリレーSMRB,SMRPのいずれかを介して受けたメインバッテリB1の電圧を変換する。制御装置30は、補機バッテリB2の電圧によってシステムメインリレーSMRPを開状態から閉状態に遷移させスイッチ回路24を接続してDC/DCコンバータ42にメインバッテリB1の電源電圧を供給し、DC/DCコンバータ42で変換された電圧によってシステムメインリレーSMRBを開状態から閉状態に遷移させる。
【選択図】図1
Description
この発明は、車両の電源装置に関し、特に車輪を駆動するモータを有する車両の電源装置に関する。
近年、環境問題等の側面から注目を浴びている電気自動車やハイブリッド自動車は、駆動源としてのモータと、このモータへ電力を供給するためのメインバッテリを有している。そして、このメインバッテリとモータを結ぶ電力配線には、リレーが設けられ、電力の供給をオンオフできるようになっている。
すなわち、ドライバが車両に乗り込み、運転開始のためのキー操作を行った場合にはリレーをオンし、運転終了のキー操作を行った場合にはリレーをオフしている。また、このリレーのオンオフは、リレーコイルへの通電のオンオフによって行われ、このリレーコイルへの電力は補機バッテリから供給されるようになっている。
特開平10−164709号公報(特許文献1)は、リレーを備えた車両用電源装置において、メインリレーと並列に定電流回路を設け、定電流により短時間に平滑コンデンサにプリチャージを行なう技術を開示する。
特開平10−164709号公報
特開2000−90797号公報
特開平8−93517号公報
特開平10−75502号公報
ハイブリッド自動車の高圧電源システムの起動についてもう少し詳細に述べる。起動は、1)運転者のキー操作により補機バッテリから12V系に電源供給され各種ECUが起動、2)ECUからの起動の指令に応じてメインリレーのコイルに通電され、メインリレーが接続状態になる、3)モータ駆動用インバータ等高圧部品の起動、4)走行可能状態(READY ON)を表示、の順序で行なわれる。このとき、補機バッテリの電圧が低いと、メインリレーの起動ができないためそれ以降のシーケンスに移行できず、最終的に走行可能な状態にならない。
しかしながら、特開平10−164709号公報(特許文献1)では、機械式メインリレーを動作させることができない程度にまで補機バッテリの電圧が低下する場合においてどのように電源装置を起動させるかについては考慮されていない。
補機バッテリは、使用方法やメンテナンスが悪いと12Vから8〜9Vまで電圧が下がってしまう。これに対し、メインリレーの励磁電圧は7〜8V程度である。しかし、実際にはメインリレー内のコイルの励磁にはある程度の電力が必要であるので、補機バッテリの電圧が9V程度の場合であってもコイルを励磁しきれない場合があり、メインリレーがオン状態にならず高圧電源システムを起動することができない。つまり、高圧バッテリに電力が蓄積されているにもかかわらず、補機バッテリ上がりによりシステム起動ができなくなってしまう。
この発明の目的は、補機バッテリ電圧が低下した状態においても走行可能状態に移行できる可能性が増した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、車輪を駆動するモータを有する車両の電源装置であって、モータに電力を供給する主蓄電装置と、主蓄電装置からモータへの電力供給経路上に設けられ、電力供給経路の開閉を行なう第1の開閉部と、第1の開閉部と並列的に設けられ、開状態から閉状態に遷移させるための駆動電力が第1の開閉部よりも小さい第2の開閉部と、副蓄電装置と、第1、第2の開閉部のいずれかを介して受けた主蓄電装置の電圧を変換する電圧変換部と、第1、第2の開閉部および電圧変換部の動作を制御する制御部とを備える。制御部は、副蓄電装置の電圧によって第2の開閉部を開状態から閉状態に遷移させて電圧変換部に主蓄電装置の電源電圧を供給し、電圧変換部で変換された電圧によって第1の開閉部を開状態から閉状態に遷移させる。
好ましくは、第1の開閉部は、機械式接点を有するリレーを含み、第2の開閉部は、制御電極を有するパワー半導体素子を含む。
好ましくは、制御部は、電圧変換部で変換された電圧によって第1の開閉部を開状態から閉状態に遷移させる前に、第2の開閉部を介して電圧変換部に主蓄電装置の電源電圧を供給し副蓄電装置を充電する。
好ましくは、電源装置は、電圧変換部で変換された電圧を電源電圧として受け、制御部の出力に応じて第1の開閉部の開閉動作をさせる駆動回路をさらに備える。
好ましくは、制御部は、副蓄電装置の蓄電状態が所定のしきい値よりも低い場合には、電圧変換部で変換された電圧によって第1の開閉部を開状態から閉状態に遷移させ、副蓄電装置の蓄電状態が所定のしきい値よりも高い場合には、副蓄電装置の電圧によって第1の開閉部を開状態から閉状態に遷移させる。
この発明によれば、補機バッテリ電圧が低下した状態においても車両を走行可能状態に移行させることができる可能性が高まる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳しく説明する。なお、同一または相当の部品には同一の符号を付し、それらの説明は繰返さない。
図1は、本発明の実施の形態に係る電源装置を搭載する車両の構成を示す回路図である。
なお、この車両は、モータで車輪を駆動する電気自動車、燃料電池自動車やモータとエンジンとを車両の駆動に併用するハイブリッド自動車のいずれであってもよい。
図1を参照して、この車両は、メインバッテリB1、電流センサ11、システムメインリレーSMRBを含む電源装置と、昇圧コンバータ12と、インバータ14と、車輪を駆動するモータM1とを備える。
この車両において、車両の電源装置は、モータM1に電力を供給するメインバッテリB1と、メインバッテリB1からモータM1への電力供給経路上に設けられ、電力供給経路の開閉を行なうシステムメインリレーSMRBと、システムメインリレーSMRBと並列的に設けられ、開状態から閉状態に遷移させるための駆動電力がシステムメインリレーSMRBよりも小さいシステムメインリレーSMRPと、補機バッテリB2と、システムメインリレーSMRB,SMRPのいずれかを介して受けたメインバッテリB1の電圧を変換するDC/DCコンバータ42と、システムメインリレーSMRB,SMRPおよびDC/DCコンバータ42の動作を制御する制御装置30とを備える。
制御装置30は、補機バッテリB2の電圧によってシステムメインリレーSMRPを開状態から閉状態に遷移させてDC/DCコンバータ42にメインバッテリB1の電源電圧を供給し、DC/DCコンバータ42で変換された電圧によってシステムメインリレーSMRBを開状態から閉状態に遷移させる。
メインバッテリB1は、たとえば、ニッケル水素またはリチウムイオンなどの二次電池を用いることができる。メインバッテリB1は、直流電力を昇圧コンバータ12に供給するとともに昇圧コンバータ12からの直流電力によって充電される。
車両の電源装置は、電源ラインPL1と接地ラインSLの間に電源電圧を出力する。昇圧コンバータ12は、車両の電源装置から電圧供給を受ける。
昇圧コンバータ12は、一方端が電源ラインPL1と接続されるリアクトルL1と、電源ラインPL2と接地ラインSLとの間に直列に接続されるIGBT素子Q1,Q2と、IGBT素子Q1,Q2にそれぞれ並列に接続されるダイオードD1,D2とを含む。
リアクトルL1の他方端は、IGBT素子Q1のエミッタおよびIGBT素子Q2のコレクタに接続される。ダイオードD1のカソードはIGBT素子Q1のコレクタと接続され、ダイオードD1のアノードはIGBT素子Q1のエミッタと接続される。ダイオードD2のカソードは、IGBT素子Q2のコレクタと接続され、ダイオードD2のアノードはIGBT素子Q2のエミッタと接続される。
システムメインリレーSMRBはメインバッテリB1の正極とリアクトルL1との間に接続される。
コンデンサC2は電源ラインPL2と接地ラインSLとの間に接続され昇圧コンバータ12から送られたエネルギを蓄積するとともに、電圧の平滑化を行なう。
インバータ14は、昇圧コンバータ12から昇圧電位を受けて交流モータM1を駆動する。また、インバータ14、回生制動に伴い交流モータM1において発電された電力を昇圧コンバータ12に戻す。このとき昇圧コンバータ12は、降圧回路として動作するように制御装置30によって制御される。
交流モータM1は、ハイブリッド自動車等の駆動輪を駆動するためのトルクを発生するモータである。このモータは、たとえばエンジンによって駆動される発電機の機能を持ち、かつ、エンジンに対して電動機として動作しエンジンの始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド自動車に組込まれるものであってもよい。
U相アーム15は、直列接続されたIGBT素子Q3,Q4と、IGBT素子Q3,Q4とそれぞれ並列に接続されるダイオードD3,D4とを含む。ダイオードD3のカソードはIGBT素子Q3のコレクタと接続され、ダイオードD3のアノードはIGBT素子Q3のエミッタと接続される。ダイオードD4のカソードはIGBT素子Q4のコレクタと接続され、ダイオードD4のアノードはIGBT素子Q4のエミッタと接続される。
V相アーム16は、直列接続されたIGBT素子Q5,Q6と、IGBT素子Q5,Q6とそれぞれ並列に接続されるダイオードD5,D6とを含む。ダイオードD5のカソードはIGBT素子Q5のコレクタと接続され、ダイオードD5のアノードはIGBT素子Q5のエミッタと接続される。ダイオードD6のカソードはIGBT素子Q6のコレクタと接続され、ダイオードD6のアノードはIGBT素子Q6のエミッタと接続される。
W相アーム17は、直列接続されたIGBT素子Q7,Q8と、IGBT素子Q7,Q8とそれぞれ並列に接続されるダイオードD7,D8とを含む。ダイオードD7のカソードはIGBT素子Q7のコレクタと接続され、ダイオードD7のアノードはIGBT素子Q7のエミッタと接続される。ダイオードD8のカソードはIGBT素子Q8のコレクタと接続され、ダイオードD8のアノードはIGBT素子Q8のエミッタと接続される。
各相アームの中間点は、交流モータM1の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、交流モータM1は、三相の永久磁石モータであり、U,V,W相の3つのコイルは各々一方端が中点に共に接続されている。そして、U相コイルの他方端がIGBT素子Q3,Q4の接続ノードに接続される。またV相コイルの他方端がIGBT素子Q5,Q6の接続ノードに接続される。またW相コイルの他方端がIGBT素子Q7,Q8の接続ノードに接続される。
制御装置30は、トルク指令値、モータ回転数、電流センサ11で測定したバッテリ電流値IBおよびモータ電流値などを受ける。そして制御装置30は、昇圧コンバータ12に対して昇圧指示する制御信号PWU1、降圧指示する制御信号PWD1およびゲート遮断信号CSDN1を出力する。
さらに制御装置30は、インバータ14に対して、昇圧コンバータ12の出力である直流電圧をモータM1を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示PWMIと、モータM1で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ12側に戻す回生指示PWMCとを出力する。
また制御装置30は、DC/DCコンバータ42に対しては、昇圧指示する制御信号PWU2,降圧指示する制御信号PWD2,ゲート遮断信号CSDN2を出力する。
次に、昇圧コンバータ12の動作について簡単に説明する。昇圧コンバータ12は、力行運転中にはメインバッテリB1からの電力をインバータ14に供給する順方向変換回路としての昇圧回路として動作する。逆に、回生運転時には昇圧コンバータ12は、メインバッテリB1にモータM1で発電された電力を回生する逆方向変換回路としての降圧回路としても動作する。
なお、回生制御には、ハイブリッド自動車または電気自動車を運転するドライバ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が含まれる。また、フットブレーキを操作しない場合であっても、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速させたりまたは加速を中止させたりするときが含まれる。
この車両は、さらに、補機負荷回路44を含む。補機バッテリB2は、補機負荷回路に電力を供給する。DC/DCコンバータ42は、メインバッテリB1から補機バッテリB2に向けて降圧して補機負荷回路44への電力供給および補機バッテリB2の充電を行なう。補機負荷回路44は、たとえば、電動パワーステアリングや、ブレーキの油圧ポンプや、ヘッドランプや、エアコンファンモータや、各種ECU(Electric Control Unit)の電源等を含む。
補機バッテリB2の正極と補機負荷回路44の電源端子は電源ラインPL3によって接続される。補機バッテリB2の負極および補機負荷回路44の接地端子は、接地ラインSLが接続されている接地ノードGNDHとは異なる接地ノードGNDBに接続される。
DC/DCコンバータ42は、一方端が電源ラインPL3に接続されるリアクトルL2と、コレクタがスイッチ回路24を介して電源ラインPL1に接続されエミッタがリアクトルL2の他方端に接続されるIGBT素子Q9と、リアクトルL2の他方端にコレクタが接続されエミッタが接地ノードGNDHに接続されるIGBT素子Q10と、IGBT素子Q9,Q10とそれぞれ並列接続されるダイオードD9,D10とを含む。
ダイオードD9はIGBT素子Q9のエミッタからコレクタに向かう向きが順方向となるように接続される。ダイオードD10はIGBT素子Q10のエミッタからコレクタに向かう向きが順方向となるように接続される。
システムメインリレーSMRBは、機械式接点を有するリレーである。一方、システムメインリレーSMRPは、制御電極を有するパワー半導体素子を含む開閉スイッチである。システムメインリレーSMRPは、開状態から閉状態に遷移させるための駆動電力がシステムメインリレーSMRBよりも小さい。このため、補機バッテリB2がシステムメインリレーSMRBを駆動できないほど電圧低下していても、システムメインリレーSMRBは補機バッテリB2により駆動できる場合がある。
制御装置30は、DC/DCコンバータ42で変換された電圧によってシステムメインリレーSMRBを開状態から閉状態に遷移させる前に、システムメインリレーSMRPを介してDC/DCコンバータ42にメインバッテリB1の電源電圧を供給し補機バッテリB2を充電する「制御部」である。
駆動回路22は、DC/DCコンバータ42で変換された電圧を電源電圧として受け、制御装置30の出力に応じてシステムメインリレーSMRBの開閉動作をさせる「駆動回路」である。そして、制御装置30は、DC/DCコンバータ42を動作させてから駆動回路22に対してシステムメインリレーSMRBを開状態から閉状態に移行させる指示を行なう。
好ましくは、制御装置30は、補機バッテリB2の蓄電状態が所定のしきい値よりも低い場合には、DC/DCコンバータ42で変換された電圧によってシステムメインリレーSMRBを開状態から閉状態に遷移させ、補機バッテリB2の蓄電状態が所定のしきい値よりも高い場合には、補機バッテリB2の電圧によってシステムメインリレーSMRBを開状態から閉状態に遷移させる「制御部」としても動作する。
図2は、図1における制御装置30が実行する電源装置の立上げに関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。
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、運転者がイグニッションキースイッチなどにより車両システムの起動指示を行なう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、補機バッテリB2および補機負荷回路44が接続されている電源ラインPL3の電圧VCCが制御装置30によって読込まれ、この値が所定のしきい値Vth1(たとえば9ボルト)より小さいか否かが判断される。電圧VCCがしきい値Vth1以上である場合はステップS2に処理が進む。この場合、補機バッテリB2の電源電圧によってシステムメインリレーSMRBが駆動可能であるのでDC/DCコンバータ42の起動が行なわれずに処理が進められる。すなわちステップS2においてまず制御装置30がシステムメインリレーSMRPをオフ状態からオン状態に遷移させる。そしてステップS6以降の処理が行なわれる。
一方ステップS1において電圧VCCがしきい値Vth1未満である場合には処理はステップS3に進む。
ステップS3において、制御装置30はまずシステムメインリレーSMRPをオフ状態からオン状態に遷移させる。そしてステップS4において、制御装置30はDC/DCコンバータの起動を行なう。
すなわち制御装置30は、電源ラインPL1とDC/DCコンバータ42との間に配置されているスイッチ回路24を導通状態に制御し、そしてDC/DCコンバータ42に対して降圧指示を行なう信号PWD2を出力する。
これにより、DC/DCコンバータ42は起動され、高圧のメインバッテリB1の電圧の降圧動作を行ない電源ラインPL3に対して電圧を出力する。これにより電圧VCCは上昇を開始する。
図3は、車両起動時に補機バッテリB2の電圧が降下していた場合の動作を説明するための動作波形図である。
図3を参照して、時刻t0においては、電圧VCCは8Vであり、これはしきい値Vth1(たとえば9V)より低い。このときには、時刻t1においてシステムメインリレーSMRPがオフ状態からオン状態に制御され、続いてスイッチ回路24がオフ状態からオン状態に遷移され、DC/DCコンバータ42が停止状態から動作状態に制御される。
すると電圧VCCは次第に上昇を始め、時刻t2においてしきい値Vth2(たとえば12V)に到達する。
再び図2を参照して、ステップS5において電圧VCCがしきい値Vth2に到達するまで時間待ちが行なわれ、そして電圧VCCがしきい値Vth2以上になると処理がステップS6に進む。
ステップS6においては、図3の時刻t2に示すようにシステムメインリレーSMRBをオフ状態からオン状態に制御装置30が駆動回路22を用いて駆動する。なお平滑用コンデンサC2のプリチャージは、ステップS3からステップS6の間において完了する。
ステップS6に続き、時刻t3においてステップS7の処理が実行される。ステップS7では、システムメインリレーSMRBをオン状態からオフ状態に制御する。そしてステップS8において、昇圧コンバータ12のIGBT素子のゲート活性化禁止の解除が行なわれる。具体的には、図1の信号CSDN2が非活性化され、信号PWU2,PWD2が有効となりこれに応じてIGBT素子Q9,Q10がスイッチング制御される。
そしてステップS9において車両走行可能を示すReadyONを示すランプが点灯されステップS10において処理はメインルーチンに移される。
なお、ステップS1において電圧VCCがしきい値Vth1より小さいと判断された場合には、運転者に補機バッテリの交換を促すため補機ランプを点灯させてもよい。
以上説明したように、システムメインリレーSMRBは大電流を扱うリレーであり、リレー自身を駆動するための消費電流も大きい。これに対し、プリチャージを行なうための半導体素子によるシステムメインリレーSMRPおよびDC/DCコンバータ42を電源ラインPL1に接続するためのスイッチ回路24は、取扱う電流がシステムメインリレーSMRBほど大きくないため駆動電流も小さい。
このため、図1に示した構成とすれば、補機バッテリB2の電圧が低くなってしまった場合においてもDC/DCコンバータ42を動作させることができ、さらに12V系回路への電力の供給が可能となる。その後にシステムメインリレーSMRBの操作を行なうことで車両を走行可能状態にすることができる。
図4は、図1に示した電源装置を搭載する車両の変形例である。
図4に示すように、図1で説明した電源装置の構成に加えて、バッテリB1の負極と昇圧コンバータ12の接地ラインSLとの間に駆動回路22で駆動されるシステムメインリレーSMRGを追加しても良い。この場合でもDC/DCコンバータ42はシステムメインリレーSMRGを介さずにバッテリBの負極に接続される。
図4に示すように、図1で説明した電源装置の構成に加えて、バッテリB1の負極と昇圧コンバータ12の接地ラインSLとの間に駆動回路22で駆動されるシステムメインリレーSMRGを追加しても良い。この場合でもDC/DCコンバータ42はシステムメインリレーSMRGを介さずにバッテリBの負極に接続される。
図4に示す構成では、DC/DCコンバータ42は、バッテリBから見ると、システムメインリレーSMRPの下流で、かつシステムメインリレーSMRGの上流に接続される。このような位置にDC/DCコンバータ42を配置する点が従来にない新しい点であり、これにより、接地ライン側にシステムメインリレーを設ける構成でもDC/DCコンバータ42に電源供給がし易くなる。
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。
11 電流センサ、12 昇圧コンバータ、14 インバータ、15 U相アーム、16 V相アーム、17 W相アーム、22 駆動回路、24 スイッチ回路、30 制御装置、42 DC/DCコンバータ、44 補機負荷回路、B1 メインバッテリ、B2 補機バッテリ、C2 平滑用コンデンサ、D1〜D10 ダイオード、L1,L2 リアクトル、M1 交流モータ、PL1〜PL3 電源ライン、Q1〜Q10 IGBT素子、SL 接地ライン、SMRB,SMRP,SMRG システムメインリレー。
Claims (5)
- 車輪を駆動するモータを有する車両の電源装置であって、
前記モータに電力を供給する主蓄電装置と、
前記主蓄電装置から前記モータへの電力供給経路上に設けられ、前記電力供給経路の開閉を行なう第1の開閉部と、
前記第1の開閉部と並列的に設けられ、開状態から閉状態に遷移させるための駆動電力が前記第1の開閉部よりも小さい第2の開閉部と、
副蓄電装置と、
前記第1、第2の開閉部のいずれかを介して受けた前記主蓄電装置の電圧を変換する電圧変換部と、
前記第1、第2の開閉部および前記電圧変換部の動作を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記副蓄電装置の電圧によって第2の開閉部を開状態から閉状態に遷移させて前記電圧変換部に前記主蓄電装置の電源電圧を供給し、前記電圧変換部で変換された電圧によって前記第1の開閉部を開状態から閉状態に遷移させる、車両の電源装置。 - 前記第1の開閉部は、
機械式接点を有するリレーを含み、
前記第2の開閉部は、
制御電極を有するパワー半導体素子を含む、請求項1に記載の車両の電源装置。 - 前記制御部は、前記電圧変換部で変換された電圧によって前記第1の開閉部を開状態から閉状態に遷移させる前に、前記第2の開閉部を介して前記電圧変換部に前記主蓄電装置の電源電圧を供給し前記副蓄電装置を充電する、請求項1または2に記載の車両の電源装置。
- 前記電圧変換部で変換された電圧を電源電圧として受け、前記制御部の出力に応じて前記第1の開閉部の開閉動作をさせる駆動回路をさらに備える、請求項1に記載の車両の電源装置。
- 前記制御部は、前記副蓄電装置の蓄電状態が所定のしきい値よりも低い場合には、前記電圧変換部で変換された電圧によって前記第1の開閉部を開状態から閉状態に遷移させ、前記副蓄電装置の蓄電状態が所定のしきい値よりも高い場合には、前記副蓄電装置の電圧によって前記第1の開閉部を開状態から閉状態に遷移させる、請求項1に記載の車両の電源装置。
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