JP2007274840A - 電源装置および電源装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小型の装置構成で高い安全性を実現可能な電源装置および電源装置の制御方法を提供する。
【解決手段】キャパシタＣ１は、電源ラインＬＮ１とアースラインＬＮ２とに対してバッテリＢと並列に接続される。キャパシタＣ１の正電極は、システムリレーＳＲＣ１を介して電源ラインＬＮ１接続される。キャパシタＣ１の負電極は、バッテリＢの負極とアースラインＬＮ２とを接続するためのシステムリレーＳＲＢ３を介してアースラインＬＮ２に接続される。制御装置３０は、車両システムの起動時において端子間電圧Ｖｃが所定値以下のとき、エンジンＥＮＧを始動させてモータジェネレータＭＧ１に逆起電圧を発生させ、発生した逆起電圧でキャパシタＣ１を充電する。この結果、キャパシタＣ１の負電極用のシステムリレーとキャパシタＣ１の限流装置とが不要となり、安全性を確保しつつ電源装置の小型化が可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電源装置および電源装置の制御方法に関し、特に、二次電池とキャパシタとから電力供給可能な電源装置および電源装置の制御方法に関する。

最近、環境に配慮した自動車として、ハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）および電気自動車（Electric Vehicle）が注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力源を得るものである。

また、電気自動車は、直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。

このようなハイブリッド自動車または電気自動車においては、車両を適切に走行させつつエネルギー効率を向上させるためには、そのモータに対する負荷に応じた電力を供給し、回生時は効率良くエネルギーを回収することが求められる。

このような要求に対応するために、たとえば特許文献１には、二次電池とキャパシタとを並列に接続した蓄電装置をモータの電力供給源として搭載するハイブリッド型車両が開示される。

これによれば、二次電池の発熱量が最大となる蓄電装置の残容量になるように蓄電装置の充放電が制御される。そのため、定電力にて蓄電装置の充電を行なう必要がある場合であっても、二次電池の温度を短時間で上昇させて蓄電装置の放電可能出力および充電可能入力を向上させることができる。

また、特許文献２には、キャパシタと電力変換回路を介した二次電池とのいずれかから電力を供給して電動機を駆動する車両の制御装置が開示される。

これによれば、車両の制御装置は、電動機に対する負荷の状態に応じて電力変換回路の作動を制御する制御手段を含む。そして、負荷の状態により制御手段が電力変換回路を作動させないときにはキャパシタから電動機に電力を供給させることができるので、電力変換回路におけるエネルギー損失が発生せず、燃費を向上させることができる。一方、制御手段が電力変換回路を作動させるときには、二次電池による電力供給が可能となるため、車両を駆動するのに十分な駆動力を電動機に発生させることができ、車両の走行性能の低下を防止することができる。
特開２００４−１５８６６号公報 特開２００４−３１２９２６号公報

ここで、電源装置においては、通常、高電圧の電源と電力変換回路との間に、電源の接続または遮断を行なうための複数のリレーが設けられる。そして、電源の接続時には、電源と電動機に電力を供給するための電源線との電圧差に起因して過大な電流（突入電流）が流れるのを抑制するように、複数のリレーのオン／オフが制御される。

したがって、上記の特許文献のように電動機への電力供給源としてキャパシタと二次電池とを備える車両の制御装置においては、キャパシタと電源線との間、および二次電池と電源線との間にはそれぞれ複数のリレーを設ける必要がある。そのため、車両の制御装置の体格が大型化するという問題が生じる。

また、特許文献２の車両の制御装置においては、車両の起動時においてキャパシタは放電状態であるため、運転者によりイグニッションがオンされたことに応じてコンバータが作動してバッテリからキャパシタへの充電が行なわれる。

しかしながら、このときのキャパシタの電圧は略零状態であるため、バッテリとの電圧差によってキャパシタに突入電流が流れ込むおそれがある。これによりキャパシタ内部が過熱されて損傷する可能性がある。また、リレーが溶着する可能性がある。

そこで、このような突入電流を回避するためには、キャパシタの充放電電流を制御するための限流装置の設置がさらに必要となる。限流装置としては、たとえば抵抗やリアクトルなどが適用される。

しかしながら、大容量のキャパシタを電力供給源とする車両の制御装置においては、キャパシタ自体の出力密度が高いことから、設置する限流装置においてもインピーダンスの高い大型なものが必要となる。これは、装置の体格が大型化するのを助長させることとなる。

それゆえ、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、小型の装置構成で高い安全性を実現可能な電源装置および電源装置の制御方法を提供することである。

この発明によれば、電源装置は、第１電源線および第２電源線へ電力を供給可能に設けられた電源と、第１および第２電源線とモータとの間に設けられ、モータを駆動制御する駆動回路と、第１電源線および第２電源線に対して電源と並列に接続される蓄電装置とを備える。電源は、第１電極が第１電源線に第１の開閉装置を介して接続され、かつ、第２電極が第２電源線に第２の開閉装置を介して接続される。蓄電装置は、第１電極が第１電源線に第３の開閉装置を介して接続され、かつ、第２電極が第２電源線に第２の開閉装置を介して接続される。

上記の電源装置によれば、蓄電装置の第２電極は、電源の第２電極用に設けられた開閉装置を介して第２電源線に接続される。この結果、蓄電装置の第２電極と第２電源線とを接続するための開閉装置が不要となり、電源装置を小型化することができる。

好ましくは、電源装置は、電源と駆動回路との間で電圧変換する電圧変換回路をさらに備える。蓄電装置は、第１電極が第３の開閉装置を介して、電圧変換回路と駆動回路との間に配された第１電源線に接続される。

上記の電源装置によれば、モータを力行モードで駆動するのに必要な電力は、電圧変換された電源からの電力に加えて、蓄電装置からの電力が用いられる。また、モータを回生モードで駆動して発電した電力は、電圧変換されて電源に充電されるとともに蓄電装置に充電される。この結果、小型の装置構成で高いモータ駆動時の応答性が得られる。

好ましくは、電源装置は、モータにより始動され、始動後においてモータを回転させ、回転数に応じた逆起電圧を発生させる逆起電圧発生手段と、第２および第３の開閉装置が閉状態のとき、蓄電装置の電源電圧を第１電源線の電圧と略同じとなるように制御する電圧制御手段とをさらに備える。電圧制御手段は、蓄電装置の電源電圧が所定の電圧以下のとき、モータの逆起電圧から蓄電装置を充電するための電圧を生成して蓄電装置に供給する。

上記の電源装置によれば、突入電流を抑制するための蓄電装置の限流装置がさらに不要となることから、小型の装置構成で安全性の高い電源装置を実現することができる。

好ましくは、逆起電圧発生手段は、車両に搭載された内燃機関である。内燃機関は、所定の回転数でモータを回転させ、所定の回転数に応じた逆起電圧をモータに発生させる。

上記の電源装置によれば、内燃機関の回転数を制御することでモータに所望の逆起電圧を発生させることができる。

好ましくは、電圧制御手段は、電圧変換回路の出力電圧の目標電圧を決定する目標電圧決定手段と、第１および第２の開閉装置が閉状態のとき、出力電圧が目標電圧になるように電圧変換を制御する電圧変換制御手段とを含む。目標電圧決定手段は、蓄電装置の電源電圧が第１電源線の電圧を上回るとき、蓄電装置の電源電圧を目標電圧に決定する。電圧制御手段は、出力電圧が目標電圧に達したことに応じて第３の開閉装置を閉状態とする。

上記の電源装置によれば、突入電流を抑制するための蓄電装置の限流装置がさらに不要となることから、小型の装置構成で安全性の高い電源装置を実現することができる。

好ましくは、電圧制御手段は、車両の起動指示を受けると、蓄電装置の電源電圧が第１電源線の電圧と略同じとなったことに応じて車両を起動させる。

上記の電源装置によれば、蓄電装置と第１電源線との電圧差が低減したことに応じて車両が起動されるため、小型の装置構成で、車両システムの起動時に突入電流が発生するのを抑制することができる。

この発明の別の局面によれば、電源装置の制御方法は、第１電源線および第２電源線へ電力供給可能に配された電源および蓄電装置を有する電源装置の制御方法である。電源は、第１電極が第１電源線に第１の開閉装置を介して接続され、かつ第２電極が第２電源線に第２の開閉装置を介して接続され、蓄電装置は、第１電極が第３の開閉装置を介して第１電源線に接続され、かつ、第２電極が第２電源線に第２の開閉装置を介して接続される。電源装置の制御方法は、モータにより始動され、始動後においてモータを回転させ、回転数に応じた逆起電圧を発生させる逆起電圧発生ステップと、第２および第３の開閉装置が閉状態のとき、蓄電装置の電源電圧を第１電源線の電圧と略同じとなるように制御する電圧制御ステップとを備える。電圧制御ステップは、蓄電装置の電源電圧が所定の電圧以下のとき、モータの逆起電圧から蓄電装置を充電するための電圧を生成して蓄電装置に供給する。

上記の電源装置の制御方法によれば、蓄電装置の第２電極と第２電源線とを接続するための開閉装置および蓄電装置の限流装置が不要となるため、小型の装置構成で安全性の高い電源装置を実現することができる。

好ましくは、逆起電圧発生ステップは、車両に搭載された内燃機関に所定の回転数でモータを回転させ、所定の回転数に応じた逆起電圧をモータに発生させるステップを含む。

上記の電源装置の制御方法によれば、内燃機関の回転数を制御することでモータに所望の逆起電圧を発生させることができる。

好ましくは、電圧制御ステップは、電圧変換回路の出力電圧の目標電圧を決定する目標電圧決定ステップと、第１および第２の開閉装置が閉状態のとき、出力電圧が目標電圧になるように電圧変換を制御する電圧変換制御ステップとを含む。目標電圧決定ステップは、蓄電装置の電源電圧が第１電源線の電圧を上回るとき、蓄電装置の電源電圧を目標電圧に決定する。電圧制御ステップは、出力電圧が目標電圧に達したことに応じて第３の開閉装置を閉状態とする。

上記の電源装置の制御方法によれば、蓄電装置の第２電極と第２電源線とを接続するための開閉装置および蓄電装置の限流装置が不要となるため、小型の装置構成で安全性の高い電源装置を実現することができる。

好ましくは、電圧制御ステップは、車両の起動指示を受けると、蓄電装置の電源電圧が電源線の電圧と略同じとなったことに応じて車両を起動させるステップを含む。

上記の電源装置の制御方法によれば、蓄電装置と第１電源線との電圧差が低減したことに応じて車両が起動されるため、小型の装置構成で、車両システムの起動時に突入電流が発生するのを抑制することができる。

この発明によれば、第１電源線および第２電源線へ電力供給可能に配された電源および蓄電装置を有する電源装置において、小型の装置構成で高い安全性を実現することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

図１は、この発明の実施の形態による電源装置を適用されるモータ駆動装置の概略ブロック図である。

図１を参照して、モータ駆動装置１００は、バッテリＢと、昇圧コンバータ１２と、キャパシタＣ１と、コンデンサＣ２と、インバータ１４，３１と、電圧センサ１０，１１，１３と、電流センサ２４，２８と、システムリレーＳＲＢ１〜ＳＲＢ３，ＳＲＣ１と、抵抗Ｒ１と、制御装置３０とを備える。

エンジンＥＮＧは、ガソリンなどの燃料の燃焼エネルギーを源として駆動力を発生する。エンジンＥＮＧの発生する駆動力は、図１の太斜線で示すように、動力分割機構５０により、２つの経路に分割される。一方は、図示しない減速機を介して車輪を駆動する駆動軸に伝達する経路である。もう一方は、モータジェネレータＭＧ１へ伝達する経路である。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、発電機としても電動機としても機能し得るが、以下に示すように、モータジェネレータＭＧ１は、主として発電機として動作し、モータジェネレータＭＧ２は、主として電動機として動作する。

詳細には、モータジェネレータＭＧ１は、三相交流回転機であり、加速時において、エンジンＥＮＧを始動する始動機として用いられる。このとき、モータジェネレータＭＧ１は、バッテリＢからの電力の供給を受けて電動機として駆動し、エンジンＥＮＧをクランキングして始動する。

さらに、エンジンＥＮＧの始動後において、モータジェネレータＭＧ１は、動力分割機構５０を介して伝達されたエンジンＥＮＧの駆動力によって回転されて発電する。

モータジェネレータＭＧ１の発電した電力は、車両の運転状態やキャパシタＣ１の蓄電エネルギーによって使い分けられる。たとえば、通常走行時や急加速時においては、モータジェネレータＭＧ１の発電した電力は、そのままモータジェネレータＭＧ２を駆動させる電力となる。一方、キャパシタＣ１の蓄電エネルギーが所定の値よりも低いときには、モータジェネレータＭＧ１の発電した電力は、インバータ１４によって交流電力から直流電力に変換されて、キャパシタＣ１に蓄えられる。

モータジェネレータＭＧ２は、三相交流回転機であり、キャパシタＣ１に蓄えられた電力およびモータジェネレータＭＧ１が発電した電力の少なくともいずれか一方によって駆動される。モータジェネレータＭＧ２の駆動力は、減速機を介して車輪の駆動軸に伝達される。これにより、モータジェネレータＭＧ２は、エンジンＥＮＧをアシストして車両を走行させたり、自己の駆動力のみによって車両を走行させたりする。

また、車両の回生制動時には、モータジェネレータＭＧ２は、減速機を介して車輪により回転されて発電機として動作する。このとき、モータジェネレータＭＧ２により発電された回生電力は、インバータ３１を介してキャパシタＣ１に充電される。

バッテリＢは、ニッケル水素電池またはリチウムイオン電池などの二次電池から成る。他にも、バッテリＢは、燃料電池であってもよい。電圧センサ１０は、バッテリＢから出力される直流電圧Ｖｂを検出し、その検出した直流電圧Ｖｂを制御装置３０へ出力する。

システムリレーＳＲＢ１および抵抗Ｒ１は、バッテリＢの正極と昇圧コンバータ１２との間に直列に接続される。システムリレーＳＲＢ２は、バッテリＢの正極と昇圧コンバータ１２との間に、システムリレーＳＲＢ１および抵抗Ｒ１に並列に接続される。システムリレーＳＲＢ３は、バッテリＢの負極と昇圧コンバータ１２との間に接続される。

システムリレーＳＲＢ１〜ＳＲＢ３は、制御装置３０からの信号ＳＥＢによりオン／オフされる。より具体的には、システムリレーＳＲＢ１〜ＳＲＢ３は、制御装置３０からのＨ（論理ハイ）レベルの信号ＳＥＢによりオンされ、制御装置３０からのＬ（論理ロー）レベルの信号ＳＥＢによりオフされる。

昇圧コンバータ１２は、バッテリＢから供給された直流電圧Ｖｂを任意のレベルを有する昇圧電圧に昇圧してコンデンサＣ２へ供給する。より具体的には、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０から信号ＰＷＭＣを受けると、信号ＰＷＭＣに応じて昇圧した直流電圧ＶｂをコンデンサＣ２に供給する。また、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０から信号ＰＷＭＣを受けると、コンデンサＣ２を介してインバータ１４および／またはインバータ３１から供給された直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。

キャパシタＣ１は、たとえば電気二重層キャパシタからなり、電源ラインＬＮ１とアースラインＬＮ２とに対してバッテリＢと並列に接続される。電圧センサ１１は、キャパシタＣ１の両端の電圧Ｖｃを検出して制御装置３０へ出力する。

システムリレーＳＲＣ１は、電源ラインＬＮ１とキャパシタＣ１の正電極との間に接続される。システムリレーＳＲＣ１は、制御装置３０からの信号ＳＥＣによりオン／オフされる。より具体的には、システムリレーＳＲＣ１は、制御装置３０からのＨレベルの信号ＳＥＣによりオンされ、制御装置３０からのＬレベルの信号ＳＥＣによりオフされる。

この発明において、キャパシタＣ１の負電極は、バッテリＢの負極に直接的に接続される。すなわち、キャパシタＣ１の負電極は、正電極とは異なり、バッテリＢ側のシステムリレーＳＲＢ３を介してアースラインＬＮ２に接続される。これは、後述するように、モータ駆動装置１００に配置されるシステムリレーの総数を低減して、装置全体を小型化することを意図したものである。

コンデンサＣ２は、昇圧コンバータ１２によって昇圧された直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１４，３１へ供給する。電圧センサ１３は、コンデンサＣ２の両端の電圧Ｖｍ（インバータ１４，３１の入力電圧に相当）を検出し、その検出した電圧Ｖｍを制御装置３０へ出力する。

インバータ１４は、コンデンサＣ２を介して昇圧コンバータ１２またはキャパシタＣ１から直流電圧が供給されると、制御装置３０からの制御信号ＰＷＭＩ１に基づいて直流電圧を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１４は、モータ駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車の回生制動時、モータジェネレータＭＧ１が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ１に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサＣ２を介してキャパシタＣ１または昇圧コンバータ１２へ供給する。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なう制動や、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オフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速を中止）させることを含む。

インバータ３１は、コンデンサＣ２を介して昇圧コンバータ１２またはキャパシタＣ１から直流電圧が供給されると、制御装置３０からの制御信号ＰＷＭＩ２に基づいて直流電圧を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３１は、モータ駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車の回生制動時、モータジェネレータＭＧ２が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ２に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサＣ２を介してキャパシタＣ１または昇圧コンバータ１２へ供給する。

電流センサ２４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３０へ出力する。電流センサ２８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３０へ出力する。

制御装置３０は、図示しない外部ＥＣＵ（Electronic Control Unit）からトルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２およびイグニッションキーＩＧを受け、電圧センサ１０から直流電圧Ｖｂを受け、電圧センサ１１からキャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃを受け、電圧センサ１３から電圧Ｖｍを受け、電流センサ２４からモータ電流ＭＣＲＴ１を受け、電流センサ２８からモータ電流ＭＣＲＴ２を受ける。

制御装置３０は、インバータ１４の入力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ１およびモータ電流ＭＣＲＴ１に基づいてインバータ１４がモータジェネレータＭＧ１を駆動するときにインバータ１４のＩＧＢＴ素子（図示せず）をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ１をインバータ１４へ出力する。

また、制御装置３０は、インバータ３１の入力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ２およびモータ電流ＭＣＲＴ２に基づいて、インバータ３１がモータジェネレータＭＧ２を駆動するときにインバータ３１のＩＧＢＴ素子（図示せず）をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ２をインバータ３１へ出力する。

さらに、制御装置３０は、インバータ１４がモータジェネレータＭＧ１を駆動するとき、バッテリＢの直流電圧Ｖｂ、インバータ１４の入力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ１およびモータ回転数ＭＲＮ１に基づいて昇圧コンバータ１２のＩＧＢＴ素子（図示せず）をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＣを生成し、その生成した信号ＰＷＭＣを昇圧コンバータ１２へ出力する。

また、制御装置３０は、インバータ３１がモータジェネレータＭＧ２を駆動するとき、バッテリＢの直流電圧Ｖｂ、インバータ３１の入力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ２およびモータ回転数ＭＲＮ２に基づいて昇圧コンバータ１２のＩＧＢＴ素子（図示せず）をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＣを生成し、その生成した信号ＰＷＭＣを昇圧コンバータ１２へ出力する。

さらに、制御装置３０は、モータ駆動装置１００が搭載されたハイブリッド自動車の回生制動時、インバータ３１の入力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ２およびモータ電流ＭＣＲＴ２に基づいてモータジェネレータＭＧ２が発電した交流電圧を直流電圧に変換するための信号ＰＷＭＩ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ２をインバータ３１へ出力する。

以上のように、この発明によるモータ駆動装置１００は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を力行モードで駆動させるときに必要な電力は、バッテリＢに蓄えられている電力に加えて、キャパシタＣ１に蓄えられている電力を用いる。また、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を回生モードで駆動させたときに発電した電力を、バッテリＢとキャパシタＣ１とに充電する。特に、キャパシタＣ１に大容量の電気二重層キャパシタを採用することから、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に迅速に電力を供給でき、モータ駆動時の応答性を高めることができる。この結果、車両の走行性能を確保することができる。

一方、モータ駆動装置１００に電気二重層キャパシタを搭載した場合、上述したように、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃとシステム電圧（モータ駆動装置１００の電源ラインＬＮ１−アースラインＬＮ２間の電圧に相当）との電圧差に起因して突入電流が発生する可能性がある。この結果、バッテリＢ、キャパシタＣ１、インバータ１４，３１および昇圧コンバータ１２などが過熱されて損傷するおそれがある。また、突入電流が通過することによりシステムリレーＳＲＣの接点間を溶着させるおそれがある。

このようなキャパシタＣ１による突入電流を回避する手段としては、たとえば図２に示すように、キャパシタＣ１と電源ラインＬＮ１およびアースラインＬＮ２との間に合計３個のシステムリレーＳＲＣ１〜ＳＲＣ３と抵抗Ｒ２とを設け、これらのシステムリレーを介してキャパシタＣ１と電源ラインＬＮ１およびアースラインＬＮ２とを電気的に接続する構成を採ることができる。

図２は、電源装置の他の構成例を説明するための概略ブロック図である。
図２を参照して、システムリレーＳＲＣ１は、キャパシタＣ１の正電極と電源ラインＬＮ１との間に接続される。システムリレーＳＲＣ２および抵抗Ｒ２は、キャパシタＣ１の正電極と電源ラインＬＮ１との間にシステムリレーＳＲＣ１に並列に接続される。システムリレーＳＲＣ２は、キャパシタＣ１の負電極とアースラインＬＮ２との間に接続される。

そして、キャパシタＣ１を電源ラインＬＮ１およびアースラインＬＮ２に接続するにあたっては、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃとシステム電圧との間に所定値を超える電圧差があることに応じて、最初にシステムリレーＳＲＣ２，ＳＲＣ３のみをオンする。そして、キャパシタＣ１が充電または放電されることにより両者間の電圧差が所定値以下に低下したことに応じて、システムリレーＳＲＣ１をオンするとともに、システムリレーＳＲＣ２をオフする。

すなわち、システムリレーＳＲＣ２および抵抗Ｒ２はキャパシタＣ１の充放電電流を制限するための限流装置を形成する。また、システムリレーＳＲＣ３は、キャパシタＣ１の負電極をアースラインＬＮ２に接続するための接続手段を形成する。

しかしながら、図２に示す構成では、キャパシタＣ１に対して合計３個のリレーを設ける必要があるため、装置の体格が大きくなってしまうという問題が生じる。

さらに、限流装置については、キャパシタＣ１自体の出力密度が高いことに起因して、抵抗Ｒ１にはインピーダンスの高い大型なものが必要とされる。このため、装置の体格がさらに大型化するのを避けることができない。

これに対して、この発明による電源装置は、再び図１を参照して、キャパシタＣ１と電源ラインＬＮ１との間に配されたシステムリレーＳＲＣ１のみが維持され、かつ、システムリレーＳＲＣ２および抵抗Ｒ２とシステムリレーＳＲＣ３とが除去された構成を有する。この発明によれば、より少数のシステムリレーで装置を構成することができるとともに、キャパシタＣ１への限流装置の設置が不要となる。この結果、電源装置の小型化を実現することができる。

詳細には、まず、キャパシタＣ１の負電極側のシステムリレーＳＲＣ３については、キャパシタＣ１の負電極とバッテリＢの負極とが実質的に同電位であることに着目して、バッテリＢの負極側のシステムリレーＳＲＢ３を併用してキャパシタＣ１の負電極とアースラインＬＮ２とを接続することにより、これを除去することができる。すなわち、図２におけるシステムリレーＳＲＢ３とシステムリレーＳＲＣ３とは、単一のシステムリレーＳＲＢ３により共通化される。

この結果、キャパシタＣ１は、正電極がシステムリレーＳＲＣ１を介して電源ラインＬＮ１に接続される一方で、負電極がバッテリＢ側のシステムリレーＳＲＢ３を介してアースラインＬＮ２に接続される。したがって、システムリレーＳＲＢ３には、オン状態においてバッテリＢを通過した電流とキャパシタＣ１を通過した電流とが足し合わされた電流が流れることになる。そのため、システムリレーＳＲＢ３については、図２のシステムリレーＳＲＢ３に対して相対的に容量の大きなものを設置することが望ましい。

次に、システムリレーＳＲＣ２および抵抗Ｒ２については、以下に述べるキャパシタＣ１の電圧制御を実行することにより、その設置を必要とすることなく、高い安全性を実現することができる。

詳細には、この発明による電源装置は、システムリレーＳＲＣ１のキャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃとシステム電圧との電圧差をなくすための電圧制御を実行する。なお、システム電圧としては、電圧センサ１３からのインバータ１４，３１の入力電圧Ｖｍの検出値が用いられる。

車両システムの起動時においては、キャパシタＣ１が過放電状態となっている場合があるため、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃとシステム電圧Ｖｍとの電圧差に応じた突入電流がキャパシタＣ１に流れ込む可能性がある。

そこで、車両システムを起動する際には、イグニッションキーＩＧがオンされたことに応じて、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃをシステム電圧Ｖｍと同じとするための電圧制御を行ない、制御終了後において通常のシステム起動を実行する構成とする。

図３および図４は、この発明の実施の形態によるキャパシタＣ１の電圧制御を説明するためのフローチャートである。なお、以下の電圧制御は、モータ駆動装置１００全体の制御を担う制御装置３０によって実行される。

図３を参照して、最初に、イグニッションキーＩＧがオンされたことに応じて（ステップＳ０１）、制御装置３０は、バッテリＢ側のシステムリレーＳＲＢ１〜ＳＲＢ３に、Ｈレベルの信号ＳＥＢを出力し、システムリレーＳＲＢ１〜ＳＲＢ３をオンする（ステップＳ０２）。

このとき、高電圧のバッテリＢをいきなり負荷に接続すると、瞬間的に突入電流が流れるおそれがある。そのため、電源供給開始時点においては、システムリレーＳＲＢ１に設けた抵抗Ｒ１によって突入電流を防止するような手順で、システムリレーＳＲＢ１〜ＳＲＢ３がオン／オフされる。具体的には、最初に、システムリレーＳＲＢ１とシステムリレーＳＲＢ３とが同時にオンされる。これにより、システムリレーＳＲＢ１は、バッテリＢからの直流電流を抵抗Ｒ１を介して昇圧コンバータ１２に供給する。続いて、システムリレーＳＲＢ１，ＳＲＢ３がオンされた状態で、システムリレーＳＲＢ２がオンされる。システムＳＲＢ２は、バッテリＢからの直流電流を昇圧コンバータ１２に直接供給する。最後に、システムリレーＳＲＢ１のみがオフされる。

次に、制御装置３０は、電圧センサ１１からキャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃを受けると、その端子間電圧Ｖｃの電圧レベルに基づいて、以下に述べる手順に従って、キャパシタＣ１側のシステムリレーＳＲＣ１をオンし、キャパシタＣ１の正電極を電源ラインＬＮ１に接続する。

詳細には、最初に、制御装置３０は、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃが、キャパシタＣ１の接続時に突入電流を生じない電圧範囲内にあるか否かの判定を行なう。

これは、キャパシタＣ１が過充電状態、あるいは過放電状態にあるときに、いきなりキャパシタＣ１を接続すると、システム電圧Ｖｍとの電圧差によって、キャパシタＣ１に突入電流が流れることを考慮したものである。したがって、このときの判定基準となる電圧範囲としては、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃとシステム電圧Ｖｍとの電圧差が、許容値以上の突入電流を発生させない所定の範囲となるように予め定められている。

具体的には、まず、制御装置３０は、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃが、上記の電圧範囲の下限値（以下、下限値Ｖｍｉｎとする）よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ０３）。

ステップＳ０３において、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃが下限値Ｖｍｉｎ以下であると判定されると、制御装置３０は、図４のフローチャートに従ってキャパシタＣ１の充電動作を行なう。この充電動作については、後に詳述する。

一方、ステップＳ０３において、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃが下限値Ｖｍｉｎよりも大きいと判定されると、制御装置３０は、続いて、端子間電圧Ｖｃが上記の電圧範囲の上限値（以下、上限値Ｖｍａｘとする）よりも小さいか否かを判定する（ステップＳ０４）。

このとき、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃが上限値Ｖｍａｘよりも小さいと判定されると、すなわち、端子間電圧Ｖｃが上述した電圧範囲内にあると判定されると、制御装置３０は、Ｈレベルの信号ＳＥＣを出力してシステムリレーＳＲＣ１をオンする（ステップＳ０５）。そして、キャパシタＣ１が電源ラインＬＮ１およびアースラインＬＮ２に電気的に接続されたことに応じて、モータ駆動装置１００は、システム起動開始が可能なＲＤＹ状態となり（ステップＳ０６）、以降、通常のシステム起動動作を実行する。

一方、ステップＳ０４において、制御装置３０は、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃが上限値Ｖｍａｘ以上であると判定されると、キャパシタＣ１の正電極と電源ラインＬＮ１との接続に先立って、コンデンサＣ２の両端の電圧Ｖｍ（昇圧コンバータ１２の出力電圧に相当）がキャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃと略同じとなるように、昇圧コンバータ１２を駆動制御して昇圧動作を行なう（ステップＳ０７）。

詳細には、制御装置３０は、電圧センサ１３からコンデンサＣ２の両端の電圧Ｖｍを受けると、電圧ＶｍがキャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃとなるように、昇圧コンバータ１２の目標電圧Ｖｄｃ＿ｃｏｍを決定する。

さらに、制御装置３０は、その決定した目標電圧（Ｖｄｃ＿ｃｏｍ＝Ｖｃ）、直流電圧Ｖｂおよび出力電圧Ｖｍに基づいて、出力電圧Ｖｍが目標電圧になるように直流電圧Ｖｂを出力電圧Ｖｍへ昇圧するための信号ＰＷＭＣを生成し、その生成した信号ＰＷＭＣを昇圧コンバータ１２へ出力する。これにより、昇圧コンバータ１２は、出力電圧Ｖｍが目標電圧Ｖｄｃ＿ｃｏｍとなるように直流電圧Ｖｂを出力電圧Ｖｍに変換する。

制御装置３０は、以上の昇圧動作を、出力電圧ＶｍとキャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃとの電圧差が所定の電圧範囲Ｖ１以下となるまで継続する。そして、制御装置３０は、出力電圧Ｖｍと端子間電圧Ｖｃとの電圧差がＶ１以下にまで縮減されたことを確認して（ステップＳ０８）、Ｈレベルの信号ＳＥＣを出力してシステムリレーＳＲＣ１をオンする（ステップＳ０５）。

図４は、この発明の実施の形態によるキャパシタＣ１の電圧制御を説明するためのフローチャートである。

図４を参照して、制御装置３０は、図３のステップＳ０３においてキャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃが下限値Ｖｍｉｎ以下であると判定されると、以下のステップＳ１０〜Ｓ１６に従って、エンジンＥＮＧの駆動に伴なってモータジェネレータＭＧ１に発生する逆起電圧によってキャパシタＣ１を充電する。なお、この逆起電圧は、一般に、ロータの回転角速度と永久磁石の磁束との積で表わされる。したがって、モータジェネレータＭＧ１の回転角速度、すなわちエンジン回転数に比例して、生じる逆起電圧が上昇する。

詳細には、まず、モータジェネレータＭＧ１は、エンジンＥＮＧを始動する始動機として用いられる。このとき、制御装置３０には、エンジンＥＮＧの回転数がアイドル回転数に設定されるようにモータジェネレータＭＧ１を駆動するための指令（トルク指令値ＴＲ１）が外部ＥＣＵから与えられる。

制御装置３０は、トルク指令値ＴＲ１、モータ電流ＭＣＲＴ１および電圧Ｖｍに基づいて信号ＰＷＭＩ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ１をインバータ１４へ出力する。

インバータ１４は、昇圧コンバータ１２からの直流電圧を信号ＰＷＭＩ１に応じて交流電圧に変換し、トルク指令値ＴＲ１によって指定されたトルクを出力するようにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。モータジェネレータＭＧ１は、バッテリＢからの電力の供給を受けて電動機として駆動し、動力分割機構５０を介してエンジンＥＮＧをクランキングして始動させる（ステップＳ１０）。

そして、エンジン回転数が所定のアイドル回転数に到達したことに応じてエンジンＥＮＧの起動が完了すると（ステップＳ１１）、制御装置３０は、Ｌレベルの信号ＳＥＢを生成してバッテリＢの正極側のシステムリレーＳＲＢ２に出力し、システムリレーＳＲＢ２のみをオフする（ステップＳ１２）。これにより、バッテリＢがモータ駆動装置１００から電気的に分離される。なお、バッテリＢの負極側のシステムリレーＳＲＢ３はオン状態に保持されるため、キャパシタＣ１の負電極はアースラインＬＮ２に電気的に接続されている。

ここで、エンジンＥＮＧの起動が完了すると、モータジェネレータＭＧ１は、動力分割機構５０を介して伝達されたエンジンＥＮＧの駆動力によって回転される。このとき、モータジェネレータＭＧ１には、エンジン回転数に比例した逆起電圧が発生する。この発明は、このモータジェネレータＭＧ１に発生した逆起電圧で、キャパシタＣ１を充電する。

詳細には、最初に、制御装置３０は、キャパシタＣ１への充電動作に先立って、インバータ１４の入力電圧（システム電圧）Ｖｍが所定の電圧レベルＶ２よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１３）。このときの所定の電圧レベルＶ２は、システムリレーＳＲＣ１をオンしてキャパシタＣ１を接続した際に、端子間電圧Ｖｃと入力電圧Ｖｍとの電圧差による突入電流の発生を防止可能な電圧レベルとする。入力電圧ＶｍがステップＳ１０のエンジンＥＮＧの起動によって高い電圧レベルに昇圧されていることを考慮したものである。

ステップＳ１３において、インバータ１４の入力電圧Ｖｍが所定の電圧Ｖ２よりも低いと判定されると、制御装置３０は、Ｈレベルの信号ＳＥＣを出力してシステムリレーＳＲＣ１をオンする（ステップＳ１４）。

一方、ステップＳ１３において、インバータ１４の入力電圧Ｖｍが所定の電圧Ｖ２以上であると判定されると、制御装置３０は、コンデンサＣ２に蓄積されているエネルギーを消費して、入力電圧Ｖｍを所定の電圧Ｖ２レベルにまで低減させる（ステップＳ１９）。なお、このエネルギー消費の具体的な方法としては、インバータ３１の図示しない上アームのＩＧＢＴ素子のオンデューティーを大きくして、コンデンサＣ２からインバータ３１を介してモータジェネレータＭＧ２にエネルギーが流出する経路を設けることなどが採用される。

次に、システムリレーＳＲＣ１がオンされたことに応じてキャパシタＣ１の正電極が電源ラインＬＮ１に接続されると、エンジンＥＮＧの駆動力によってモータジェネレータＭＧ１に発生した逆起電圧によりキャパシタＣ１が充電される。

詳細には、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧ１において所望の逆起電圧が発生するためのエンジンＥＮＧの目標回転数を決定する（ステップＳ１５）。所望の逆起電圧とは、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃとインバータ１４の入力電圧Ｖｍとを略同じ電圧レベルとするために、キャパシタＣ１に供給しなければならない電力量から求められる。なお、ステップＳ１５においては、制御装置３０が、エンジン回転数と逆起電圧との相関を予めマップとして格納しており、所望の逆起電圧に対応するエンジン回転数を当該マップから選出する構成としてもよい。

モータジェネレータＭＧ１に発生した逆起電圧は、インバータ１４において交流電力から直流電力に変換されてキャパシタＣ１に蓄えられる。これにより、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃが増加する。

制御装置３０は、以上のキャパシタＣ１の充電動作を、インバータ１４の入力電圧ＶｍとキャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃとの電圧差が所定の電圧範囲Ｖ１以下となるまで継続する。最後に、制御装置３０は、出力電圧Ｖｍと端子間電圧Ｖｃとの電圧差がＶ１以下にまで縮減されたことを確認して（ステップＳ１６）、Ｈレベルの信号ＳＥＢを生成してシステムリレーＳＲＢ２へ出力し、システムリレーＳＲＢ２を再びオンする（ステップＳ１７）。モータ駆動装置１００は、システム起動開始が可能なＲＤＹ状態となったことに応じて、通常のシステム起動動作を実行する（ステップＳ１８）。

以上のように、キャパシタＣ１の端子間電圧Ｖｃとシステム電圧Ｖｍとの電圧差を縮減するための電圧制御を行なうことにより、図２のシステムリレーＳＲＣ２および抵抗Ｒ２のような大型の限流装置を設けることなく、突入電流からキャパシタＣ１およびバッテリＢなどを保護することが可能となる。

以上のようにこの発明の実施の形態によれば、バッテリとともに電源線に電力を供給するキャパシタを、従来よりも少数のリレーで電源線に接続することができる。また、キャパシタに対する限流装置の設定が不要となる。この結果、小型の装置構成で、安全性の高い電源装置を実現することができる。

なお、本実施の形態では動力分割機構によりエンジンの動力を車軸と発電機とに分割して伝達可能なシリーズ／パラレル型ハイブリッド自動車に適用した例を示した。しかし本発明は、発電機を駆動するためにエンジンを用い、発電機により発電された電力を使うモータでのみ車軸の駆動力を発生させるシリーズ型ハイブリッド自動車にも適用できる。これらの構成はいずれも、車軸とモータまたは発電機とが接続されており、減速時の回生エネルギーを回収しバッテリおよびキャパシタに蓄えることが可能であるため、本発明を適用することができる。

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、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。

この発明は、第１電源線および第２電源線に電力供給可能に配された電源と蓄電装置とを有する電源装置および電源装置の制御方法に適用することができる。

この発明の実施の形態による電源装置を適用されるモータ駆動装置の概略ブロック図である。 電源装置の他の構成例を説明するための概略ブロック図である。 この発明の実施の形態によるキャパシタの電圧制御を説明するためのフローチャートである。 この発明の実施の形態によるキャパシタの電圧制御を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０，１１，１３ 電圧センサ、１２ 昇圧コンバータ、１４，３１ インバータ、２４，２８ 電流センサ、３０ 制御装置、５０ 動力分割機構、１００，１００Ａ モータ駆動装置、Ｃ１ キャパシタ、Ｃ２ コンデンサ、ＥＮＧ エンジン、ＩＧ イグニッションキー、ＬＮ１ 電源ライン、ＬＮ２ アースライン、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｒ１，Ｒ２ 抵抗、ＳＲＢ１〜ＳＲＢ３，ＳＲＣ１〜ＳＲＣ３ システムリレー。

Claims (10)

1. 第１電源線および第２電源線へ電力を供給可能に設けられた電源と、
   前記第１および第２電源線とモータとの間に設けられ、前記モータを駆動制御する駆動回路と、
   前記第１電源線および第２電源線に対して前記電源と並列に接続される蓄電装置とを備え、
   前記電源は、第１電極が前記第１電源線に第１の開閉装置を介して接続され、かつ、第２電極が前記第２電源線に第２の開閉装置を介して接続され、
   前記蓄電装置は、第１電極が前記第１電源線に第３の開閉装置を介して接続され、かつ、第２電極が前記第２電源線に前記第２の開閉装置を介して接続される、電源装置。
2. 前記電源と前記駆動回路との間で電圧変換する電圧変換回路をさらに備え、
   前記蓄電装置は、前記第１電極が前記第３の開閉装置を介して、前記電圧変換回路と前記駆動回路との間に配された前記第１電源線に接続される、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記モータにより始動され、始動後において前記モータを回転させ、回転数に応じた逆起電圧を発生させる逆起電圧発生手段と、
   前記第２および第３の開閉装置が閉状態のとき、前記蓄電装置の電源電圧を前記第１電源線の電圧と略同じとなるように制御する電圧制御手段とをさらに備え、
   前記電圧制御手段は、前記蓄電装置の電源電圧が所定の電圧以下のとき、前記モータの逆起電圧から前記蓄電装置を充電するための電圧を生成して前記蓄電装置に供給する、請求項２に記載の電源装置。
4. 前記逆起電圧発生手段は、車両に搭載された内燃機関であり、
   前記内燃機関は、所定の回転数で前記モータを回転させ、前記所定の回転数に応じた逆起電圧を前記モータに発生させる、請求項３に記載の電源装置。
5. 前記電圧制御手段は、
   前記電圧変換回路の出力電圧の目標電圧を決定する目標電圧決定手段と、
   前記第１および第２の開閉装置が閉状態のとき、前記出力電圧が前記目標電圧になるように前記電圧変換を制御する電圧変換制御手段とを含み、
   前記目標電圧決定手段は、前記蓄電装置の電源電圧が前記第１電源線の電圧を上回るとき、前記蓄電装置の電源電圧を前記目標電圧に決定し、
   前記電圧制御手段は、前記出力電圧が前記目標電圧に達したことに応じて前記第３の開閉装置を閉状態とする、請求項３に記載の電源装置。
6. 前記電圧制御手段は、前記車両の起動指示を受けると、前記蓄電装置の電源電圧が前記第１電源線の電圧と略同じとなったことに応じて前記車両を起動させる、請求項３から請求項５のいずれか１項に記載の電源装置。
7. 第１電源線および第２電源線へ電力供給可能に配された電源および蓄電装置を有する電源装置の制御方法であって、
   前記電源は、第１電極が前記第１電源線に第１の開閉装置を介して接続され、かつ第２電極が前記第２電源線に第２の開閉装置を介して接続され、
   前記蓄電装置は、第１電極が第３の開閉装置を介して前記第１電源線に接続され、かつ、第２電極が前記第２電源線に前記第２の開閉装置を介して接続され、
   前記電源装置の制御方法は、
   前記モータにより始動され、始動後において前記モータを回転させ、回転数に応じた逆起電圧を発生させる逆起電圧発生ステップと、
   前記第２および第３の開閉装置が閉状態のとき、前記蓄電装置の電源電圧を前記第１電源線の電圧と略同じとなるように制御する電圧制御ステップとを備え、
   前記電圧制御ステップは、前記蓄電装置の電源電圧が所定の電圧以下のとき、前記モータの逆起電圧から前記蓄電装置を充電するための電圧を生成して前記蓄電装置に供給する、電源装置の制御方法。
8. 前記逆起電圧発生ステップは、車両に搭載された内燃機関に所定の回転数で前記モータを回転させ、前記所定の回転数に応じた逆起電圧を前記モータに発生させるステップを含む、請求項７に記載の電源装置の制御方法。
9. 前記電圧制御ステップは、
   前記電圧変換回路の出力電圧の目標電圧を決定する目標電圧決定ステップと、
   前記第１および第２の開閉装置が閉状態のとき、前記出力電圧が前記目標電圧になるように前記電圧変換を制御する電圧変換制御ステップとを含み、
   前記目標電圧決定ステップは、前記蓄電装置の電源電圧が前記第１電源線の電圧を上回るとき、前記蓄電装置の電源電圧を前記目標電圧に決定し、
   前記電圧制御ステップは、前記出力電圧が前記目標電圧に達したことに応じて前記第３の開閉装置を閉状態とする、請求項７に記載の電源装置の制御方法。
10. 前記電圧制御ステップは、前記車両の起動指示を受けると、前記蓄電装置の電源電圧が前記電源線の電圧と略同じとなったことに応じて前記車両を起動させるステップを含む、請求項７から請求項９のいずれか１項に記載の電源装置の制御方法。

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