JP2007244124A - 車両駆動用電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】電源投入時に電流を制限する制限抵抗の体格を抑えつつ、キャパシタを搭載した車両駆動用電源システムを提供する。
【解決手段】車両駆動用電源システムは、バッテリＢと、バッテリＢから電力が供給される負荷に対して接続され、負荷に対して電力供給を行なうキャパシタ４０と、キャパシタ４０と負荷との間に設けられ、キャパシタ４０と負荷との接続及び切離しを行なう半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ素子Ｑ９と、キャパシタ４０に蓄積されたエネルギー量に応じて半導体スイッチング素子の導通制御を行なう制御装置３０とを備える。キャパシタ４０は、直列接続される複数の電気二重層コンデンサ４２を含む。制御装置３０は、車両を走行不可能状態から走行可能状態に切換える指示があった場合に、電圧センサ４４の出力に応じて半導体スイッチング素子の導通制御を行なう。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両駆動用電源システムに関し、特に二次電池とキャパシタとを備える車両駆動用電源システムに関する。

駆動力源としてモータを備える電気自動車およびハイブリッド車両が近年注目されている。たとえば、特開２００４−１５８６６号公報（特許文献１）は、このようなハイブリッド車両において並列接続された二次電池とキャパシタを含む蓄電装置を開示している。キャパシタは瞬時における出力可能パワーがバッテリに比べると大きいので、キャパシタによってバッテリの電力を補うことにより加速応答性をさらに改善することができる。
特開２００４−１５８６６号公報

蓄電装置にキャパシタを含まないハイブリッド車両等では、モータに電力を供給するために比較的電圧の高いバッテリが搭載されており、バッテリとモータとの間には電源の接続および遮断を行なうためにリレーが配置されている。

そして、運転者がイグニッションキースイッチ等によりシステム起動指示を行なうとリレーが導通されてモータを駆動するインバータに電力が供給され車両は走行可能状態となる。

システム起動時にリレーをオンする際に大電流が流れると可動接点と固定接点との間に放電が発生して接点が溶着する場合がある。リレー接点が溶着した場合には、システム停止指示を受けても電源を遮断できないという問題が発生する。そこで、たとえば電源投入時には、突入電流を制限する抵抗を介して平滑用コンデンサ等への充電を行ない、その充電完了後にリレーを切換えて電源供給経路から抵抗をはずす方法がしばしば取られている。

しかしながら、特開２００４−１５８６６号公報（特許文献１）に示すような蓄電用の大容量のキャパシタを搭載する場合には、充電完了までの時間が長くなるので従来と同じサイズの制限抵抗を使用すると抵抗の温度が上昇して破壊する恐れがある。

一方で、環境にやさしいハイブリッド車両を多様な車種に展開可能とするために、電源システムの小型化が求められている。キャパシタを採用したハイブリッド車両において制限抵抗をキャパシタの容量に合うサイズに変更すると（抵抗のワット数を上げると）、制限抵抗の部分の体積が増加し電源システムの小型化を図ることができない。また、キャパシタ搭載車と非搭載車で制限抵抗を変更すると部品を共通化することができずコストが上昇する。

この発明の目的は、電源投入時に電流を制限する制限抵抗の体格を抑えつつ、キャパシタを搭載した車両駆動用電源システムを提供することである。

この発明は、要約すると、車両駆動用電源システムであって、二次電池と、二次電池から電力が供給される負荷に対して接続され、負荷に対して電力供給を行なうキャパシタと、キャパシタと負荷との間に設けられ、キャパシタと負荷との接続及び切離しを行なう半導体スイッチング素子と、キャパシタに蓄積されたエネルギ量に応じて半導体スイッチング素子の導通制御を行なう制御装置とを備える。

好ましくは、車両駆動用電源システムは、キャパシタの電圧を測定する第１の電圧センサをさらに備える。制御装置は、車両を走行不可能状態から走行可能状態に切換える指示があった場合に、電圧センサの出力に応じて半導体スイッチング素子の導通制御を行なう。

より好ましくは、車両駆動用電源システムは、二次電池の電圧を測定する第２の電圧センサをさらに備える。制御装置は、第１、第２の電圧センサの出力を受け、キャパシタの電圧と二次電池の電圧との差が所定のしきい値を超える場合には、半導体スイッチング素子を周期的に導通させる。

さらに好ましくは、制御装置は、キャパシタの電圧と二次電池の電圧の差に応じて、半導体スイッチング素子を周期的に導通させるデューティ比を決定する。

好ましくは、車両駆動用電源システムは、二次電池の電圧を昇圧して負荷に供給する電圧変換器と、二次電池を電圧変換器に接続する経路上に設けられる、直列接続されたリレーおよび電流制限素子とをさらに備える。

好ましくは、車両駆動用電源システムは、二次電池の電圧を昇圧して負荷に供給する電圧変換器をさらに備える。電圧変換器は、二次電池から負荷に向かう方向を順方向として接続されるダイオードを含む。

好ましくは、車両駆動用電源システムは、負荷とキャパシタの電極との間に半導体スイッチング素子と直列に接続されたリレーをさらに備える。

好ましくは、キャパシタは、直列接続される複数の電気二重層コンデンサを含む。

本発明によれば、電源投入時に電流を制限する制限抵抗の体格を抑えつつ、キャパシタを搭載した電気自動車やハイブリッド自動車を実現することができる。

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符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る車両の構成を示す回路図である。
図１を参照して、車両１００は、バッテリＢと、キャパシタ４０と、エンジン４と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、動力分割機構３と、制御装置３０とを含む。モータジェネレータＭＧ２の回転軸は、図示しない減速ギヤや差動ギヤを介して車輪を駆動する。

動力分割機構３は、エンジン４とモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に結合され、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。なお動力分割機構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。

車両１００は、さらに、バッテリＢの負極と接地ラインＳＬとの間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ３と、バッテリＢの正極と電源ラインＰＬ１との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ２と、バッテリＢの正極と電源ラインＰＬ１との間に直列に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ１および制限抵抗Ｒ１とを含む。システムメインリレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３は、制御装置３０から与えられる制御信号ＳＥに応じて導通／非導通状態が制御される。

車両１００は、さらに、バッテリＢの端子間の電圧ＶＢを測定する電圧センサ１０と、バッテリＢに流れる電流ＩＢを検知する電流センサ１１とを含む。

バッテリＢとしては、ニッケル水素、リチウムイオン等の二次電池や燃料電池などを用いることができる。

車両１００は、さらに、電源ラインＰＬ１と接地ラインＳＬ間に接続される平滑用コンデンサＣ１と、平滑用コンデンサＣ１の両端間の電圧ＶＬを検知して制御装置３０に対して出力する電圧センサ２１と、平滑用コンデンサＣ１の端子間電圧を昇圧する昇圧コンバータ１２と、昇圧コンバータ１２によって昇圧された電圧を平滑化する平滑用コンデンサＣ２と、平滑用コンデンサＣ２の端子間電圧ＶＨを検知して制御装置３０に出力する電圧センサ１３と、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に接続されるディスチャージ用抵抗Ｒ２と、昇圧コンバータ１２から与えられる直流電圧を三相交流に変換してモータジェネレータＭＧ１に出力するインバータ１４とを含む。

昇圧コンバータ１２は、一方端が電源ラインＰＬ１に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。

インバータ１４は、昇圧コンバータ１２から昇圧された電圧を受けてたとえばエンジン４を始動させるためにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。また、インバータ１４は、エンジン４から伝達される機械的動力によってモータジェネレータＭＧ１で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。

インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とを含む。Ｕ相アーム１５，Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に並列に接続される。

Ｕ相アーム１５は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列接続された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、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列接続された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、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列接続された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。

モータジェネレータＭＧ１は、三相の永久磁石同期モータであり、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。

車両１００は、さらに、昇圧コンバータ１２に対してインバータ１４と並列的に接続されるインバータ１４Ａと、昇圧コンバータ１２による昇圧後の電力を蓄積するキャパシタ４０と、電源ラインＰＬ２にキャパシタ４０の一方電極を接続するシステムメインリレーＣ−ＳＭＲＰと、接地ラインＳＬにキャパシタ４０の他方電極を接続するシステムメインリレーＣ−ＳＭＲＧとを含む。

車両１００は、負荷であるインバータ１４，１４Ａとキャパシタ４０の電極との間にシステムメインリレーＣ−ＳＭＲＰと直列に接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ９と、キャパシタの正電極から電源ラインＰＬ２に向かう向きを順方向としてＩＧＢＴ素子Ｑ９に並列接続されるダイオードＤ９とをさらに備える。

図示しないが、システムメインリレーＣ−ＳＭＲＧ，Ｃ−ＳＭＲＰも、制御装置３０から与えられる制御信号ＳＥに応じて導通／非導通状態が制御される。

車両１００は、さらに、キャパシタ４０の端子間の電圧ＶＣを測定する電圧センサ４４と、キャパシタ４０に流れる電流ＩＣを検知する電流センサ４６とを含む。

インバータ１４Ａは車輪を駆動するモータジェネレータＭＧ２に対して昇圧コンバータ１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。またインバータ１４Ａは、回生制動に伴い、モータジェネレータＭＧ２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。

インバータ１４Ａは、Ｕ相アーム１５Ａと、Ｖ相アーム１６Ａと、Ｗ相アーム１７Ａとを含む。Ｕ相アーム１５Ａ，Ｖ相アーム１６ＡおよびＷ相アーム１７Ａは、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に並列に接続される。Ｕ相アーム１５Ａ，Ｖ相アーム１６ＡおよびＷ相アーム１７Ａの内部の構成は、Ｕ相アーム１５，Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７とそれぞれ同様であり、詳細な説明は繰返さない。

制御装置３０は、２つのモータジェネレータのトルク指令値、モータ回転数、モータ電流値と、電圧ＶＢ，ＶＨ，ＶＣ、電流ＩＢ，ＩＣの各値と、起動信号ＩＧ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、降圧指示および動作禁止指示を出力する。

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ジェネレータＭＧ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示と、モータジェネレータＭＧ１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側に戻す回生指示とを出力する。

同様に制御装置３０は、インバータ１４Ａに対して直流電圧をモータジェネレータＭＧ２を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示と、モータジェネレータＭＧ２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側に戻す回生指示とを出力する。

キャパシタ４０は、平滑用コンデンサＣ２よりも容量が大きい蓄電装置であり、たとえば直列接続される複数の電気二重層コンデンサ４２を含む。なお、電気二重層コンデンサはエネルギ密度が高いが、１セル当たりの耐圧が２．５〜２．７Ｖ程度であるので、昇圧コンバータ１２が出力する３００〜６５０Ｖ程度の電圧に用いるためには各セルに電圧を分担させるために複数の電気二重層コンデンサ４２のセルを直列に接続して用いる必要がある。

従来は、昇圧コンバータ１２の出力電圧のリップルを平滑化するのに十分な程度の容量、たとえば数千μＦの平滑用コンデンサＣ２のみを搭載していたが、これと並列に容量が、たとえば０．５〜２．０Ｆ程度のキャパシタ４０をさらに搭載する。

これにより、たとえばＥＶ走行時において追越しをするために急加速を行なおうとした場合に、モータジェネレータＭＧ２が車輪を回転させるパワーを増加しつつ、さらにこれと並行してキャパシタ４０で補填されるパワーでモータジェネレータＭＧ１を回転させてエンジン４を始動し、エンジン４によって発生されるパワーをさらに加速パワーに加えることが可能となる。つまりキャパシタ４０は瞬時における出力可能パワーがバッテリＢに比べると大きいので、キャパシタ４０によってバッテリＢの電力を補うことにより加速応答性をさらに改善することができる。

図１にしめされる車両駆動用電源システムは、要約すると、バッテリＢと、バッテリＢから電力が供給される負荷に対して接続され、負荷に対して電力供給を行なうキャパシタ４０と、キャパシタ４０と負荷との間に設けられ、キャパシタ４０と負荷との接続及び切離しを行なう半導体スイッチング素子であるＩＧＢＴ素子Ｑ９と、キャパシタ４０に蓄積されたエネルギー量に応じて半導体スイッチング素子の導通制御を行なう制御装置３０とを備える。キャパシタ４０は、直列接続される複数の電気二重層コンデンサ４２を含む。制御装置３０は、車両を走行不可能状態から走行可能状態に切換える指示があった場合に、電圧センサ４４の出力に応じて半導体スイッチング素子の導通制御を行なう。

図２は、図１の車両１００で実行される電源システムの起動処理の手順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、運転者が車両起動を指示して信号ＩＧがオフ状態からオン状態に変化するごとに所定のメインルーチンから呼び出されて実行される。

図１、図２を参照して、まずステップＳ１において制御装置３０は、電圧センサ４４の出力から電圧ＶＣを測定する。そしてステップＳ２において制御装置３０は、キャパシタ電圧ＶＣがしきい値ＶＣ０より小さいか否かを判断する。しきい値ＶＣ０は、バッテリ電圧ＶＢを考慮して決定される。たとえば、そのときのバッテリ電圧ＶＢを測定して、しきい値ＶＣ０をバッテリ電圧ＶＢと同じに設定してもよい。またしきい値ＶＣ０をバッテリ電圧ＶＢにオフセット値を加えたものとしてもよい。

ステップＳ２においてＶＣ＜ＶＣ０が成立した場合にはステップＳ１０に処理が進み、ＶＣ＜ＶＣ０が成立しない場合にはステップＳ３に処理が進む。

ステップＳ３に処理が進む場合は、キャパシタ４０の電圧がバッテリに比べて大きいかまたはほとんど等しい場合である。この場合、システムメインリレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３およびＣ−ＳＭＲＰ，Ｃ−ＳＭＲＧによってキャパシタとバッテリが電気的に接続されても、キャパシタ４０には充電電流が流入しない。したがって、システム起動時にバッテリから負荷側に充電される突入電流は、平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２を充電する電流が殆どである。したがって制限抵抗Ｒ１は、短時間で電流が流れなくなるので、過負荷となることがない。

図３は、キャパシタ電圧ＶＣがバッテリ電圧ＶＢを超えている場合のシステム起動時の動作を説明するための動作波形図である。

図２、図３を参照して、時刻ｔ１において信号ＩＧがオフ状態からオン状態に変化すると、図２のフローチャートが実行されてステップＳ１およびＳ２の処理が行なわれ、続いて時刻ｔ２においてステップＳ３の処理が行なわれる。ステップＳ３では、制御装置３０は、システムメインリレーＳＭＲ１を非導通状態から導通状態に変化させる。

続いて時刻ｔ３においてステップＳ４の処理が行なわれる。ステップＳ４では、制御装置３０は、システムメインリレーＳＭＲ３を非導通状態から導通状態に変化させる。

本実施の形態の車両駆動用電源システムは、バッテリＢの電圧を昇圧して負荷に供給する昇圧コンバータ１２を備える。昇圧コンバータ１２は、バッテリＢから負荷に向かう方向を順方向として接続されるダイオードＤ１を含む。したがって、ダイオードＤ１によって制限抵抗Ｒ１を経由してコンデンサＣ１およびＣ２に充電電流が流れ、電圧ＶＨはバッテリ電圧ＶＢ近くまで充電される。

そして時刻ｔ４においてステップＳ５の処理が行なわれる。ステップＳ５において制御装置３０は、システムメインリレーＳＭＲ２を非導通状態から導通状態に変化させる。これにより制限抵抗Ｒ１を経由せずにバッテリＢから電力の負荷への供給が可能となる。そして時刻ｔ５においてステップＳ６の処理が行なわれ、制限抵抗Ｒ１を切離すために制御装置３０はシステムメインリレーＳＭＲ１を導通状態から非導通状態に変化させる。

ステップＳ６の処理が終了すると、ステップＳ７において制御装置３０は、キャパシタ電圧ＶＣが所定のしきい値ＶＣ１を超えているか否かを判断する。たとえばしきい値ＶＣ１はバッテリ電圧ＶＢと同じに設定してもよく、またバッテリ電圧ＶＢに対してリレーの接続可能な電位差を考慮したオフセットを持たせた値に設定してもよい。

ステップＳ７では制御装置３０は、昇圧コンバータ１２を用いて電圧ＶＨを昇圧してからキャパシタを電源ラインＰＬ２におよび接地ラインＳＬに接続する必要があるか、それとも昇圧をせずとも接続可能かを判断する。

ステップＳ７においてＶＣ＞ＶＣ１が成立した場合には、ステップＳ８において制御装置３０はキャパシタ電圧ＶＣ付近まで電圧ＶＨを昇圧させるように昇圧コンバータ１２に対して昇圧指示を行なう。図３においては時刻ｔ６において昇圧コンバータが停止状態から昇圧動作を開始している。これに応じて電圧ＶＨはバッテリ電圧ＶＢ付近からキャパシタ電圧ＶＣ付近まで昇圧される。

ステップＳ８の昇圧が終了するとステップＳ９に処理が進む。一方ステップＳ７においてＶＣ＞ＶＣ１が成立しない場合にはキャパシタ電圧ＶＣはバッテリ電圧ＶＢとほぼ等しい状態であるので昇圧コンバータの昇圧動作は必要ない。この場合はステップＳ７から直接ステップＳ９に処理が進む。

なお、図３の動作波形図は、ステップＳ８の昇圧動作が行なわれる場合について示しており、ステップＳ７からステップＳ９に処理が直接進む場合については図示していない。

ステップＳ９においては、時刻ｔ７に示すように制御装置３０は、システムメインリレーＣ−ＳＭＲＰ，Ｃ−ＳＭＲＧおよびＩＧＢＴ素子Ｑ９が非導通状態から導通状態に変化させる。そしてプリチャージ処理は終了する。

図４は、キャパシタ電圧ＶＣがバッテリ電圧ＶＢよりも低下している場合のシステム起動時の動作を説明するための動作波形図である。

図２、図４を参照して、時刻ｔ１１において信号ＩＧがオフ状態からオン状態に遷移すると、図２のフローチャートの処理が実行されステップＳ１においてキャパシタ電圧が測定されてステップＳ２によってキャパシタ電圧が所定のしきい値ＶＣ０と比較される。

図４に示すように、キャパシタ電圧ＶＣはしきい値ＶＣ０より低いためステップＳ２からステップＳ１０に処理が進み時刻ｔ１２においてステップＳ１０の処理が行なわれ、制御装置３０がシステムメインリレーＳＭＲ１を非導通状態から導通状態に変化させる。

続いて時刻ｔ１３においてステップＳ１１の処理が実行され、制御装置３０はシステムメインリレーＳＭＲ３を非導通状態から導通状態に変化させる。これにより制限抵抗Ｒ１を介して時刻ｔ１３からｔ１４の間コンデンサＣ２に対して充電が行なわれることにより電圧ＶＨはバッテリ電圧ＶＢ付近まで上昇する。このときステップＳ１２に示すようにＩＧＢＴ素子Ｑ９はオフ状態に固定されている。

その後時刻ｔ１４においてステップＳ１３の処理が行なわれる。ステップＳ１３では、制御装置３０は、システムメインリレーＣ−ＳＭＲＰおよびＣ−ＳＭＲＧをともに非導通状態から導通状態に変化させる。このときまだＩＧＢＴ素子Ｑ９が非導通状態であるので、図１に破線で示した充電電流はまだ流れない。

時刻ｔ１５において制御装置３０はステップＳ１４の処理を実行し、ＩＧＢＴ素子Ｑ９を周期的にオン状態とオフ状態を繰返すように制御する。

つまり、本実施の形態の車両駆動用電源システムは、バッテリＢの電圧を測定する電圧センサ１０をさらに備える。制御装置３０は、電圧センサ４４，１０の出力を受け、キャパシタ４０の電圧とバッテリＢの電圧との差が所定のしきい値を超える場合（ステップＳ２でＹＥＳ）には、ＩＧＢＴ素子Ｑ９を周期的に導通させる。

そしてステップＳ１５において制御装置３０は、電流センサ４６で検知したキャパシタの充電電流ＩＣを観測し、この充電電流が所定のしきい値Ｉ０より小さくなるまでステップＳ１４の処理を繰返す。これにより、キャパシタ電圧ＶＣは少しずつ階段状にバッテリ電圧ＶＢ付近まで上昇していく。

ステップＳ１５においてキャパシタの充電電流ＩＣがしきい値Ｉ０よりも小さくなるとステップＳ１５からステップＳ１６に処理が進みＩＧＢＴ素子Ｑ９は導通状態に固定される。

そして時刻ｔ１６においてステップＳ１７の処理が実行され制御装置３０がシステムメインリレーＳＭＲ２を非導通状態から導通状態に変化させる。

続いて時刻ｔ１７においてステップＳ１８の処理が実行され制御装置３０がシステムメインリレーＳＭＲ１を導通状態から非導通状態に変化させて制限抵抗Ｒ１を電流供給経路から切離す。以上でキャパシタ４０およびコンデンサＣ１，Ｃ２のプリチャージ処理が終了する。

図５は、ＩＧＢＴ素子Ｑ９を周期的にオンオフさせない場合の問題点について説明するための図である。

すなわち、キャパシタ４０の電圧が極端に低い状態でＩＧＢＴ素子Ｑ９を導通させた場合に流れる電流をＩ₁、充電時間をＴ₁、そのときの電力をＰ₁とする。電力Ｐ₁＝Ｉ₁ ²Ｒである。

制限抵抗の定格電力をＷｔとした場合、平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２のみを充電するような場合には、充電時間Ｔ₁が非常に短い。したがって制限抵抗における発熱および放熱を考慮した所定時間内の平均値でみれば、Ｗ₁（＝Ｐ₁平均値×Ｔ₁）は定格電力Ｗｔを超えることがない。

しかし、キャパシタ４０にも充電しなければならない場合には、充電時間Ｔ₁が長くなる。すると、所定時間内のＷ₁の平均値が、制限抵抗の定格電力Ｗｔを超える恐れがある。

図６は、本実施の形態においてＩＧＢＴ素子Ｑ９を周期的に導通させた場合の電力を説明するための波形図である。

図６に示すように、ＩＧＢＴ素子Ｑ９を導通させる時間ＰＷを調整することで、所定時間内の平均された電力が定格電力Ｗｔを超えないようにすることができる。そうすれば、キャパシタ電圧が極端に低く、キャパシタに充電する電流を長時間流さなければならない場合でも同じ制限抵抗を用いて充電をすることが可能となる。

好ましくは、充電が進むにつれてキャパシタ電圧とバッテリ電圧との差が小さくなり電力のピーク値が下がるので、充電周期Ｔに対するパルス幅ＰＷの比率すなわちデューティ比を次第に大きくするように制御してもよい。つまり、この場合、制御装置３０は、キャパシタ４０の電圧とバッテリＢの電圧の差に応じて、ＩＧＢＴ素子Ｑ９を周期的に導通させるデューティ比を決定する。これにより、充電時間を短くすることができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、二次電池とキャパシタの間の電流経路上に接続されているＩＧＢＴ素子を高速にオン／オフさせることで、平均的な制限抵抗で消費される電力を低減させることができる。これを利用することで制限抵抗の寸法を大きくすることなくキャパシタを充電することが可能となる。

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。

本発明の実施の形態に係る車両の構成を示す回路図である。 図１の車両１００で実行される電源システムの起動処理の手順を示したフローチャートである。 キャパシタ電圧ＶＣがバッテリ電圧ＶＢを超えている場合のシステム起動時の動作を説明するための動作波形図である。 キャパシタ電圧ＶＣがバッテリ電圧ＶＢよりも低下している場合のシステム起動時の動作を説明するための動作波形図である。 ＩＧＢＴ素子Ｑ９を周期的にオンオフさせない場合の問題点について説明するための図である。 本実施の形態においてＩＧＢＴ素子Ｑ９を周期的に導通させた場合の電力を説明するための波形図である。

符号の説明

３ 動力分割機構、４ エンジン、１０，１３，２１，４４ 電圧センサ、１１，４６ 電流センサ、１２ 昇圧コンバータ、１４，１４Ａ インバータ、１５，１５Ａ Ｕ相アーム、１６，１６Ａ Ｖ相アーム、１７，１７Ａ Ｗ相アーム、３０ 制御装置、４０ キャパシタ、４２ 電気二重層コンデンサ、１００ 車両、Ｂ バッテリ、Ｃ１，Ｃ２ 平滑用コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ９ ダイオード、Ｌ１ リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、ＰＬ１，ＰＬ２ 電源ライン、Ｑ１〜Ｑ９ ＩＧＢＴ素子、Ｒ１ 制限抵抗、Ｒ２ ディスチャージ用抵抗、ＳＬ 接地ライン、ＳＭＲ１〜ＳＭＲ３，Ｃ−ＳＭＲＰ，Ｃ−ＳＭＲＧ システムメインリレー。

Claims (8)

1. 二次電池と、
   前記二次電池から電力が供給される負荷に対して接続され、前記負荷に対して電力供給を行なうキャパシタと、
   前記キャパシタと前記負荷との間に設けられ、前記キャパシタと前記負荷との接続及び切離しを行なう半導体スイッチング素子と、
   前記キャパシタに蓄積されたエネルギー量に応じて前記半導体スイッチング素子の導通制御を行なう制御装置とを備える車両駆動用電源システム。
2. 前記キャパシタの電圧を測定する第１の電圧センサをさらに備え、
   前記制御装置は、車両を走行不可能状態から走行可能状態に切換える指示があった場合に、前記第１の電圧センサの出力に応じて前記半導体スイッチング素子の導通制御を行なう、請求項１に記載の車両駆動用電源システム。
3. 前記二次電池の電圧を測定する第２の電圧センサをさらに備え、
   前記制御装置は、前記第１、第２の電圧センサの出力を受け、前記キャパシタの電圧と前記二次電池の電圧との差が所定のしきい値を超える場合には、前記半導体スイッチング素子を周期的に導通させる、請求項２に記載の車両駆動用電源システム。
4. 前記制御装置は、前記キャパシタの電圧と前記二次電池の電圧の差に応じて、前記半導体スイッチング素子を周期的に導通させるデューティ比を決定する、請求項３に記載の車両駆動用電源システム。
5. 前記二次電池の電圧を昇圧して前記負荷に供給する電圧変換器をさらに備え、
   前記二次電池を前記電圧変換器に接続する経路上に設けられる、直列接続されたリレーおよび電流制限素子をさらに備える、請求項１に記載の車両駆動用電源システム。
6. 前記二次電池の電圧を昇圧して前記負荷に供給する電圧変換器をさらに備え、
   前記電圧変換器は、前記二次電池から前記負荷に向かう方向を順方向として接続されるダイオードを含む、請求項１に記載の車両駆動用電源システム。
7. 前記負荷と前記キャパシタの電極との間に前記半導体スイッチング素子と直列に接続されたリレーをさらに備える、請求項１に記載の車両駆動用電源システム。
8. 前記キャパシタは、
   直列接続される複数の電気二重層コンデンサを含む、請求項１に記載の車両駆動用電源システム。

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