JP2007295749A

JP2007295749A - 電源装置およびこれを備える車両

Info

Publication number: JP2007295749A
Application number: JP2006122221A
Authority: JP
Inventors: Sakaki Okamura; 賢樹岡村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-04-26
Filing date: 2006-04-26
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: JP4747933B2

Abstract

【課題】昇圧コンバータの昇圧側の電圧低下や過電圧を抑制する。
【解決手段】バッテリ２２の正側の出力端子とインバータ１１，１２の正極母線との間に順方向に取り付けられたダイオードＤ３と、ダイオードＤ３に並列接続されたスイッチング素子Ｔｒ３と、スイッチング素子Ｔｒ３やダイオードＤ３に対して直列接続された抵抗Ｒ３とを備える調整回路４６を取り付け、コンデンサ電圧Ｖｈが電圧指令より高くなったときにスイッチング素子Ｔｒ３をオンする。これにより、モータＭＧ１，ＭＧ２の電力消費量が一時的に過剰となった場合でもコンデンサ電圧Ｖｈの電圧低下を電池電圧Ｖｂまでに抑制することができ、コンデンサ電圧Ｖｈが電圧指令より高くなったときでもコンデンサ電圧Ｖｈの電圧を低くすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置およびこれを備える車両に関する。

従来、この種の電源装置としては、直流電源の電圧を二つのスイッチング素子とリアクトルとを有する昇圧コンバータにより昇圧して電気負荷に供給するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、昇圧側の電圧指令に基づいて二つのスイッチング素子のオン時間をデューティー制御している。
ＷＯ０３／０５６６９４Ａ１

上述の電源装置では、昇圧側に接続された電気機器により入出力される電力が急変すると、昇圧コンバータの応答性が低いことから、昇圧側に電圧低下を生じたり過電圧を生じる場合がある。昇圧側の電圧低下は電気機器の所望の駆動を阻害し、過電圧は直流電源と電気機器との間に設けられた回路の素子の損傷を招く場合を生じる。

本発明の電源装置およびこれを備える車両は、昇圧コンバータの昇圧側の電圧低下を抑制することを目的の一つとする。また、本発明の電源装置およびこれを備える車両は、昇圧コンバータの昇圧側の過電圧を抑制することを目的の一つとする。さらに、本発明の電源装置およびこれを備える車両は、電気機器の駆動を確保することを目的の一つとする。あるいは、本発明の電源装置およびこれを備える車両は、素子の破損や損傷を抑制することを目的の一つとする。

本発明の電源装置およびこれを備える車両は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明の第１の電源装置は、
電気機器と電力のやりとりを行なう電源装置であって、
直流電源と、
前記直流電源の電圧を昇圧して前記電気機器に供給可能な昇圧コンバータと、
前記直流電源の正極からみて前記電気機器に対して順方向に且つ前記昇圧コンバータと並列に接続されたダイオードと、
を備えることを要旨とする。

この本発明の第１の電源装置では、昇圧コンバータの昇圧側の電圧が降下して直流電源の電圧未満に至るときには、ダイオードを介して電気機器に直流電源の電圧が作用するから、昇圧コンバータの昇圧側の電圧を直流電源の電圧以上にすることができる。この結果、昇圧コンバータの昇圧側の電圧が直流電源の電圧未満に低下するのを抑制することができ、電気機器の駆動を確保することができる。ここで、電気機器は、電源装置と電力のやりとりが可能であれば如何なる機器であってもよい。

本発明の第２の電源装置は、
電気機器と電力のやりとりを行なう電源装置であって、
直流電源と、
前記直流電源の電圧を昇圧して前記電気機器に供給可能な昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータの昇圧側の端子に接続されたコンデンサと、
前記直流電源から前記コンデンサに対して前記昇圧コンバータをバイパスするバイパス回路と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の第２の電源装置では、昇圧コンバータの昇圧側の端子に接続されたコンデンサに対して直流電源から昇圧コンバータをバイパスするバイパス回路が機能することにより、コンデンサの予期しない過電圧や電圧降下に対処することができる。例えば、「バイパス回路」として直流電源の正極からみて電気機器に対して順方向に接続されたダイオードを用いれば、昇圧コンバータの昇圧側の電圧が降下して直流電源の電圧未満に至るときには、ダイオードを介してコンデンサ側に直流電源の電圧が作用するから、コンデンサの電圧を直流電源の電圧以上にすることができる。この結果、コンデンサの電圧が直流電源の電圧未満に低下するのを抑制することができ、電気機器の駆動を確保することができる。なお、第２の電源装置でも、電気機器は、電源装置と電力のやりとりが可能であれば如何なる機器であってもよい。

本発明の第１の電源装置やバイパス回路としてダイオードを備える態様の本発明の第２の電源装置において、前記ダイオードと並列接続されたスイッチング素子と、前記昇圧コンバータの昇圧側の電圧を検出する電圧検出手段と、前記検出された電圧が第１の電圧以上に至ったときに前記スイッチング素子をオンし、前記検出された電圧が前記第１の電圧より低い第２の電圧未満に至ったときに前記スイッチング素子をオフするスイッチオンオフ手段と、を備えるものとすることもできる。こうすれば、昇圧コンバータの昇圧側の電圧が第１の電圧を超える電圧となるのを抑制することができる。この結果、昇圧コンバータの昇圧側が過電圧となるのを抑制することができ、昇圧コンバータの昇圧側に接続された素子の過電圧による損傷や破損を抑制することができる。

こうしたダイオードと並列されたスイッチング素子を備える態様の本発明の第１または第２の電源装置において、前記ダイオードに直列接続された抵抗を備えるものとすることもできる。また、前記ダイオードは、前記昇圧コンバータが有するリアクトルの中間タップに接続されてなるものとすることもできる。これらの場合、抵抗やリアクトルによる電圧降下を期待することができる。

本発明の第１または第２の電源装置において、前記昇圧コンバータは、昇圧機能を不能にするリレーを備えるものとすることもできる。こうすれば、異常が生じたときに対処することができる。この場合、前記リレーは前記昇圧コンバータのリアクトルに直列に接続されてなるものとすることもできる。

本発明の車両は、
走行用の駆動力を出力する電動機と、
前記電気機器として前記電動機と電力のやりとりを行なう上述のいずれかの態様の第１または第２の電源装置、即ち、基本的には、電気機器と電力のやりとりを行なう電源装置であって、直流電源と、前記直流電源の電圧を昇圧して前記電気機器に供給可能な昇圧コンバータと、前記直流電源の正極からみて前記電気機器に対して順方向に且つ前記昇圧コンバータと並列に接続されたダイオードと、を備える本発明の第１の電源装置や、電気機器と電力のやりとりを行なう電源装置であって、直流電源と、前記直流電源の電圧を昇圧して前記電気機器に供給可能な昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの昇圧側の端子に接続されたコンデンサと、前記直流電源から前記コンデンサに対して前記昇圧コンバータをバイパスするバイパス回路と、を備える本発明の第２の電源装置と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の車両は、上述のいずれかの態様の本発明の第１または第２の電源装置を備えるから、本発明の第１または第２の電源装置の奏する効果、例えば、昇圧コンバータの昇圧側の電圧低下を抑制することができる効果やこれに伴い電気機器の駆動を確保することができる効果、昇圧コンバータの昇圧側の過電圧を抑制することができる効果やこれに伴い素子の損傷や破損を抑制することができる効果、コンデンサの予期しない過電圧や電圧降下に対処することができる効果などと同様の効果を奏することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての車載用の電源装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電源装置２０は、図示するように、インバータ１１，１２を介して走行用の動力を出力する二つのモータＭＧ１，ＭＧ２に接続されており、直流電源としてのバッテリ２２と、バッテリ２２の電圧を昇圧して二つのモータＭＧ１，ＭＧ２側に供給したりモータＭＧ１，ＭＧ２側の電圧を降圧してバッテリ２２側に供給したりする昇圧コンバータ３０と、昇圧コンバータ３０の機能を停止するためのリレー２６と、昇圧コンバータ３０の昇圧側（二つのモータＭＧ１，ＭＧ２側）に配置されて昇圧側の電圧を平滑する平滑コンデンサ４２と、平滑コンデンサ４２側の電圧を調整する調整回路４６と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット５０と、を備える。

バッテリ２２は、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの充放電可能な二次電池として構成されている。

昇圧コンバータ３０は、インバータ１１，１２の正極母線と負極母線に平滑コンデンサ４２と並列するよう直列に配置された二つのゲート式のスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴ）Ｔｒ１，Ｔｒ２と、各スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２に対して並列に電圧を保持するよう取り付けられた二つのダイオードＤ１，Ｄ２と、二つのスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２の中間とバッテリ２２の正極側に取り付けられたコイル３２と、により構成された周知の昇圧コンバータである。なお、リレー２６は、バッテリ２２の正側の出力端子と昇圧コンバータ３０のコイル３２との間に取り付けられている。

調整回路４６は、バッテリ２２の正側の出力端子とインバータ１１，１２の正極母線との間に順方向に取り付けられたダイオードＤ３と、このダイオードＤ３に並列接続されたスイッチング素子Ｔｒ３とスイッチング素子Ｔｒ３やダイオードＤ３に対して直列接続された抵抗Ｒ３とから構成されている。

電子制御ユニット５０は、ＣＰＵ５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ５２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ５４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ５６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット５０には、バッテリ２２の出力端子間に取り付けられた電圧センサ２４からの電池電圧Ｖｂや平滑コンデンサ４２の端子間に取り付けられた電圧センサ４４からのコンデンサ電圧Ｖｈなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット５０からは、昇圧コンデンサ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２へのスイッチング信号や調整回路４６のスイッチング素子Ｔｒ３へのスイッチング信号，リレー２６への駆動信号などが出力ポートから出力されている。電子制御ユニット５０は、電源装置２０の制御ユニットとして機能するだけでなく、走行用の二つのモータＭＧ１，ＭＧ２の駆動制御ユニットとしても機能する。このため、電子制御ユニット５０にはモータＭＧ１，ＭＧ２に取り付けられた回転位置センサ１３，１４からのロータの回転位置やインバータ１１，１２に取り付けられた図示しない電流センサからのモータＭＧ１，ＭＧ２に印加される相電流などが入力ポートを介して入力されており、電子制御ユニット５０からはインバータ１１，１２へのスイッチング信号などが出力ポートを介して出力されている。

なお、二つのモータＭＧ１，ＭＧ２は、いずれも発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されており、インバータ１１，１２および昇圧コンバータ３０を介してバッテリ２２と電力のやりとりを行なう。

こうして構成された電源装置２０は、基本的には、バッテリ２２と二つのモータＭＧ１，ＭＧ２との間で電力のやりとりを円滑に行なうためにコンデンサ電圧Ｖｈが電圧指令Ｖｈ＊となるよう電子制御ユニット５０により昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２がオンオフ制御される。

次に、実施例の電源装置２０における調整回路４６のダイオードＤ３の動作について説明する。モータＭＧ１，ＭＧ２の電力消費量が一時的に過剰となった場合には、平滑コンデンサ４２からの放電によりコンデンサ電圧Ｖｈは低くなる。このとき、コンデンサ電圧Ｖｈが電池電圧Ｖｂを下回ると、ダイオードＤ３を介してバッテリ２２側から電流が平滑コンデンサ４２側に流れる。このため、コンデンサ電圧Ｖｈは電池電圧Ｖｂとなる。いま、比較例としてダイオードＤ３を備えない場合を考えると、モータＭＧ１，ＭＧ２の電力消費量が一時的に過剰になると、コンデンサ電圧Ｖｈは値０まで低下することになる。したがって、ダイオードＤ３を設けることにより、コンデンサ電圧Ｖｈの予期しない低下を電池電圧Ｖｂまでに抑制することができる。

続いて、実施例の電源装置２０における調整回路４６のスイッチング素子Ｔｒ３の動作について説明する。図２は、電子制御ユニット５０により実行される調整回路４６のスイッチング素子Ｔｒ３をオンオフするためのスイッチング制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは所定時間毎（例えば、数ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。スイッチング制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０のＣＰＵ５２は、まず、モータＭＧ１，ＭＧ２を駆動するために図示しない駆動制御ルーチンにより設定された電圧指令Ｖｈ＊と電圧センサ４４からのコンデンサ電圧Ｖｈとを入力し（ステップＳ１００）、入力した電圧指令Ｖｈ＊からコンデンサ電圧Ｖｈを減じて電圧偏差ΔＶを計算する処理を実行する（ステップＳ１１０）。そして、電圧偏差ΔＶを値０を挟んで閾値Ｖｒｅｆの範囲である通常電圧範囲内にあるか否かを判定し（ステップＳ１２０）、電圧偏差ΔＶが通常電圧範囲内のときにはそのまま本ルーチンを終了し、電圧偏差ΔＶが通常電圧範囲を下回るときにはコンデンサ電圧Ｖｈを低くするためにスイッチング素子Ｔｒ３をオンとして（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了し、電圧偏差ΔＶが通常電圧範囲を上回るときにはコンデンサ電圧Ｖｈを高くするためにスイッチング素子Ｔｒ３をオフとして（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。即ち、コンデンサ電圧Ｖｈが電圧指令Ｖｈ＊より閾値Ｖｒｅｆだけ大きくなるとスイッチング素子Ｔｒ３をオンとして抵抗Ｒ３を介してバッテリ２２の正側の出力端子に電流を流してコンデンサ電圧Ｖｈを低くし、これによりコンデンサ電圧Ｖｈが電圧指令Ｖｈ＊より閾値Ｖｒｅｆだけ小さくなるとスイッチング素子Ｔｒ３をオフとしてバッテリ２２側に電流が流れるのを抑止するのである。実施例では、閾値Ｖｒｅｆとしては、制御上で設定される最大の電圧指令Ｖｈ＊と平滑コンデンサ４２の耐圧との差より小さな値として設定されているから、これにより、コンデンサ電圧Ｖｈが電圧指令Ｖｈ＊より閾値Ｖｒｅｆ以上に高くなるのを抑制することができると共に平滑コンデンサ４２の破損を抑制することができる。

図３は、リレー２６のオンオフを制御するリレー制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは所定時間毎（例えば、数ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。リレー制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０のＣＰＵ５２は、図示しない異常判定ルーチンにより昇圧コンバータ３０に異常が生じているときに値１が設定される異常判定信号を入力し（ステップＳ２００）、入力した異常判定信号により昇圧コンバータ３０に異常が生じているか否かを判定し（ステップＳ２１０）、昇圧コンバータ３０に異常が生じていないときにはそのまま本ルーチンを終了し、昇圧コンバータ３０に異常が生じているときにはリレー２６をオフとして（ステップＳ２２０）、本ルーチンを終了する。リレー２６がオフとされると、昇圧コンバータ３０は機能しなくなる。これにより、リレー２６をオフするだけで昇圧コンバータ３０を停止することができる。

以上説明した実施例の電源装置２０によれば、インバータ１１，１２の正極母線とバッテリ２２の正側の出力端子との間にバッテリ２２の正側の出力端子からみて順方向にダイオードＤ３を取り付けることにより、モータＭＧ１，ＭＧ２の電力消費量が一時的に過剰となった場合などに生じ得るコンデンサ電圧Ｖｈの予期しない低下を電池電圧Ｖｂまでに抑制することができる。この結果、モータＭＧ１，ＭＧ２の制御を破綻させることなく、モータＭＧ１，ＭＧ２の駆動を確保することができる。

また、実施例の電源装置２０によれば、ダイオードＤ３に並列にスイッチング素子Ｔｒ３を設けると共にスイッチング素子Ｔｒ３に直列に抵抗Ｒ３を設け、コンデンサ電圧Ｖｈが電圧指令Ｖｈ＊より閾値Ｖｒｅｆ分大きくなるとスイッチング素子Ｔｒ３をオンとし、コンデンサ電圧Ｖｈが電圧指令Ｖｈ＊より閾値Ｖｒｅｆ分小さくなるとスイッチング素子Ｔｒ３をオフとすることにより、コンデンサ電圧Ｖｈが電圧指令Ｖｈ＊より閾値Ｖｒｅｆ以上に高くなるのを抑制することができると共に平滑コンデンサ４２の破損を抑制することができる。

さらに、実施例の電源装置２０によれば、バッテリ２２の正側の出力端子と昇圧コンバータ３０のコイル３２との間にリレー２６を取り付け、昇圧コンバータ３０に異常が生じたときにリレー２６をオフすることにより、昇圧コンバータ３０の異常に迅速に対処することができる。

実施例の電源装置２０では、スイッチング素子Ｔｒ３に対して直列に抵抗Ｒ３を設けたが、抵抗Ｒ３と同様に電力消費ができればよいから、図４の変形例の電源装置２０Ｂに例示するように、昇圧コンバータ３０のコイル３２を中間タップを有するコイル３２Ｂとすると共にスイッチング素子Ｔｒ３をこのコイル３２Ｂの中間タップとインバータ１１，１２の正極母線とに接続するものとしてもよい。

実施例の電源装置２０では、ダイオードＤ３に並列にスイッチング素子Ｔｒ３を設けると共にスイッチング素子Ｔｒ３に直列に抵抗Ｒ３を設けるものとしたが、図５の変形例の電源装置２０Ｃに例示するように、スイッチング素子Ｔｒ３も抵抗Ｒ３も設けないものとしてもかまわない。

実施例の電源装置２０では、バッテリ２２の正側の出力端子と昇圧コンバータ３０のコイル３２との間にリレー２６を取り付けるものとしたが、スイッチング素子Ｔｒ１とスイッチング素子Ｔｒ２との中間点とコイル３２との間にリレー２６を取り付けるものとしてもよい。また、リレー２６を備えないものとしてもかまわない。

実施例の電源装置２０では、インバータ１１，１２を介して二つのモータＭＧ１，ＭＧ２に接続されるものとして説明したが、一つのモータに接続されるものとしてもよく、三つ以上のモータに接続されるものとしてもかまわない。また、接続先としては、モータや発電機に限定されるものではなく、電力消費する如何なる機器や電力を発電または回生する如何なる機器としてもかまわない。

実施例の電源装置２０では、車載されて走行用のモータＭＧ１，ＭＧ２と電力のやりとりを行なうものとしたが、車載されずに他の電気的な機器と電力のやりとりを行なうものとしてもかまわない。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電源装置やこれを搭載する車両の製造産業などに利用可能である。

本発明の一実施例としての車載用の電源装置２０の構成の概略を示す構成図である。電子制御ユニット５０により実行されるスイッチング制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。電子制御ユニット５０により実行されるリレー制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。変形例の電源装置２０Ｂの構成の概略を示す構成図である。変形例の電源装置２０Ｃの構成の概略を示す構成図である。

符号の説明

１１，１２インバータ、１３，１４回転位置センサ、２０，２０Ｂ，２０Ｃ電源装置、２２バッテリ、２４電圧センサ、２６リレー、３０昇圧コンバータ、３２コイル、４２平滑コンデンサ、４４電圧センサ、４６調整回路、５０電子制御ユニット、５２ＣＰＵ、５４ＲＯＭ、５６ＲＡＭ、Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３スイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３ダイオード、Ｒ３抵抗、ＭＧ１，ＭＧ２モータ。

Claims

電気機器と電力のやりとりを行なう電源装置であって、
直流電源と、
前記直流電源の電圧を昇圧して前記電気機器に供給可能な昇圧コンバータと、
前記直流電源の正極からみて前記電気機器に対して順方向に且つ前記昇圧コンバータと並列に接続されたダイオードと、
を備える電源装置。
電気機器と電力のやりとりを行なう電源装置であって、
直流電源と、
前記直流電源の電圧を昇圧して前記電気機器に供給可能な昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータの昇圧側の端子に接続されたコンデンサと、
前記直流電源から前記コンデンサに対して前記昇圧コンバータをバイパスするバイパス回路と、
を備える電源装置。
前記バイパス回路は、前記直流電源の正極からみて前記電気機器に対して順方向に接続されたダイオードである請求項２記載の電源装置。
請求項１または３記載の電源装置であって、
前記ダイオードと並列接続されたスイッチング素子と、
前記昇圧コンバータの昇圧側の電圧を検出する電圧検出手段と、
前記検出された電圧が第１の電圧以上に至ったときに前記スイッチング素子をオンし、前記検出された電圧が前記第１の電圧より低い第２の電圧未満に至ったときに前記スイッチング素子をオフするスイッチオンオフ手段と、
を備える電源装置。
前記ダイオードに直列接続された抵抗を備える請求項４記載の電源装置。
前記ダイオードは、前記昇圧コンバータが有するリアクトルの中間タップに接続されてなる請求項４記載の電源装置。
前記昇圧コンバータは、昇圧機能を不能にするリレーを備える請求項１ないし６いずれか記載の電源装置。
走行用の駆動力を出力する電動機と、
前記電動機器として前記電動機と電力のやりとりを行なう請求項１ないし７いずれか記載の電源装置と、
を備える車両。