JP2007318849A - 電気自動車の電気システム - Google Patents

Abstract

【課題】双方向ＤＣ／ＤＣコンバータによるプリチャージを行う電気自動車の電気システムにおいて、高電圧回路の開路故障を適切に検出する。
【解決手段】制御装置８０は、起動時、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を昇圧動作させて平滑コンデンサ２０をプリチャージした後、ＳＭＲ５２，５３を閉じるように制御し、その後双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を降圧動作させ、その時の高電圧バッテリ１０の電流の挙動または平滑コンデンサ２０の電圧の挙動に基づき、高電圧バッテリ１０およびＳＭＲ５２，５３を含む高電圧回路の開路故障を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、バッテリ等の蓄電装置の電力により駆動用モータを駆動する電気自動車の電気システムに関する。

図３は、従来のハイブリッド車の電気システム１００の概略構成を示す図である。図３において、電気システム１００は、高電圧バッテリ１１０と、当該高電圧バッテリ１１０の直流電圧を平滑する平滑コンデンサ１２０と、この平滑コンデンサ１２０の直流電圧を交流電圧に変換して駆動用モータ１４０に供給するインバータ１３０とを有する。高電圧バッテリ１１０の正極と平滑コンデンサ１２０との間には、システムメインリレー（ＳＭＲ）１５１，１５２が介挿されており、高電圧バッテリ１１０の負極と平滑コンデンサ１２０との間には、ＳＭＲ１５３が介挿されている。ＳＭＲ１５１には、抵抗１９０が直列に接続されている。

このハイブリッド車の電気システム１００では、起動時に、ＳＭＲ１５３およびＳＭＲ１５１を投入して平滑コンデンサ１２０のプリチャージを行う。そして、このプリチャージ時の高電圧バッテリ１１０の電流ＩＢ、平滑コンデンサ１２０の電圧ＶＨの挙動を監視することにより、高電圧回路の短絡・断線故障を検出している。

図４は、別の従来のハイブリッド車の電気システム２００の概略構成を示す図である。この電気システム２００は、例えば特許文献１に開示されている。図４において、電気システム２００は、上記電気システム１００と同様に、高電圧バッテリ２１０と、平滑コンデンサ２２０と、駆動用モータ２４０を駆動するインバータ２３０とを有する。高電圧バッテリ２１０の正極と平滑コンデンサ２２０との間には、ＳＭＲ２５２が介挿されており、高電圧バッテリ２１０の負極と平滑コンデンサ２２０との間には、ＳＭＲ２５３が介挿されている。ＳＭＲ２５２，２５３と平滑コンデンサ２２０との間には、高電圧バッテリ２１０または平滑コンデンサ２２０の電圧を降圧して低電圧バッテリ２７０に供給し、低電圧バッテリ２７０の電圧を昇圧して平滑コンデンサ２２０に供給する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６０が設けられている。

このハイブリッド車の電気システム２００では、起動時に、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６０を昇圧制御して平滑コンデンサ２２０のプリチャージを行う。そして、このプリチャージ時の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６０の出力電流の挙動や、平滑コンデンサ２２０の電圧ＶＨの挙動により、高電圧回路の短絡・断線故障を検出することが可能である。

特開２００３−６１２０９号公報 特開２００５−３０４２２８号公報

図３の電気システム１００では、プリチャージ時にＳＭＲ接続を伴うという手順上、ＳＭＲや高電圧バッテリを含めた高電圧回路全体について、開路故障を検出することができる。

しかし、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを用いる図４の電気システム２００では、ＳＭＲ接続はプリチャージ完了後となるので、ＳＭＲや高電圧バッテリを含む、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２６０と高電圧回路との接続部より高電圧バッテリ側の領域（図４の破線で囲まれた領域）については、プリチャージ時の電流・電圧の監視によっては開路故障を検出することができない。

そこで、本発明は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータによるプリチャージを行う電気自動車の電気システムであって、高電圧回路の開路故障を適切に検出することが可能な電気自動車の電気システムを提供する。

本発明に係る電気自動車の電気システムは、第１の蓄電装置と、前記第１の蓄電装置の直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換して駆動用モータに供給するインバータと、前記第１の蓄電装置と前記平滑コンデンサとの間に設けられた開閉スイッチと、前記第１の蓄電装置より低電圧の第２の蓄電装置と、前記開閉スイッチと前記平滑コンデンサとの間に設けられ、前記第１の蓄電装置または前記平滑コンデンサの電圧を降圧して前記第２の蓄電装置に供給し、前記第２の蓄電装置の電圧を昇圧して前記平滑コンデンサに供給する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、起動時、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧動作させて前記平滑コンデンサをプリチャージした後、前記開閉スイッチを閉じるように制御し、その後前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを降圧動作させ、その時の前記第１の蓄電装置の電流の挙動または前記平滑コンデンサの電圧の挙動に基づき、前記第１の蓄電装置および前記開閉スイッチを含む高電圧回路の開路故障を検出する制御装置と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータによるプリチャージを行う電気自動車の電気システムであって、高電圧回路の開路故障を適切に検出することが可能な電気自動車の電気システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。

図１は、本実施の形態に係る電気自動車の電気システム１の概略構成を示す図である。ここで、電気自動車とは、バッテリ等の蓄電装置の電力を用いて駆動用モータを駆動することにより車両を駆動する自動車である。電気自動車は、例えば、ハイブリッド自動車（HV: Hybrid Vehicle）、いわゆる電気自動車（EV: Electric Vehicle）、燃料電池車（FCEV: Fuel cell Electric Vehicle）などであり、そのタイプは特に限定されない。

図１において、電気システム１は、２００〜３００Ｖ程度の高電圧バッテリ１０を有する。この高電圧バッテリ１０は、駆動用モータ４０に電力を供給するための主バッテリである。この高電圧バッテリ１０には、当該バッテリの直流電圧を平滑する平滑コンデンサ２０が並列に接続されている。この平滑コンデンサ２０には、インバータ３０の入力側が接続されており、インバータ３０の出力側には、駆動用モータ４０が接続されている。駆動用モータ４０は、例えば３相の永久磁石モータである。

インバータ３０は、力行時には、平滑コンデンサ２０の直流電圧を交流電圧に変換して駆動用モータ４０に供給し、これにより駆動用モータ４０が回転駆動される。また、インバータ３０は、回生時には、駆動用モータ４０で発電された交流電圧を直流電圧に変換して高電圧バッテリ１０に供給し、これにより高電圧バッテリ１０が充電される。

なお、平滑コンデンサ２０の高電圧バッテリ１０側には、高電圧バッテリ１０の直流電圧を昇圧する昇圧コンバータが設けられてもよい。この昇圧コンバータを設ける構成では、インバータ３０から駆動用モータ４０への印加電圧を高くすることができ、高回転領域での最大トルクを高めることができる。

高電圧バッテリ１０の正極と平滑コンデンサ２０との間には、両者間を開閉する開閉スイッチとして、ＳＭＲ５２が介挿されている。また、高電圧バッテリの負極と平滑コンデンサ２０との間には、両者間を開閉する開閉スイッチとして、ＳＭＲ５３が介挿されている。

ＳＭＲ５２，５３と平滑コンデンサ２０との間には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の一方側が接続されており、この双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の他方側には、１２Ｖ程度の低電圧バッテリ７０が接続されている。この低電圧バッテリ７０は、オーディオやライト等の電装品に電力を供給するための補機バッテリである。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、降圧動作時には、高電圧バッテリ１０または平滑コンデンサ２０の電圧を降圧して低電圧バッテリ７０に供給し、これにより低電圧バッテリ７０が充電される。また、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、昇圧動作時には、低電圧バッテリ７０の電圧を昇圧して平滑コンデンサ２０に供給し、これにより平滑コンデンサ２０が充電される。

さらに、電気システム１には、当該システム全体を制御する制御装置８０が設けられている。この制御装置８０は、ＳＭＲ５２，５３の開閉動作、インバータ３０の動作、および双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の動作を制御する。ここでは、制御装置８０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，メインメモリ等により構成される電子制御ユニット（ＥＣＵ）であり、その機能は、ＲＯＭ等の記憶媒体に格納されたプログラムがＣＰＵにより実行されることによって実現される。ただし、制御装置８０の具体的構成は、上記に限定されない。

図２は、本実施の形態に係る電気自動車の電気システム１の起動時の動作を示すタイムチャートである。以下、図２を参照して、電気システム１の起動時の動作について説明する。

制御装置８０は、運転者によるイグニッションスイッチのオン操作など、起動指示を受けると、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０による平滑コンデンサ２０のプリチャージを実施する（時刻ｔ＝０）。具体的には、制御装置８０は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を昇圧動作するように制御する。この制御装置８０の制御に基づき、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０は、低電圧バッテリ７０の電圧を昇圧して平滑コンデンサ２０に供給する。これにより、図２のグラフの細線に示されるように、平滑コンデンサ２０の電圧（以下、コンデンサ電圧と称す）ＶＨが上昇する。

制御装置８０は、不図示の電圧センサによりコンデンサ電圧ＶＨを監視し、コンデンサ電圧ＶＨが所定のプリチャージ完了閾値に達したと判断すると、すなわちプリチャージが完了したと判断すると、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の昇圧動作を停止させるとともに、ＳＭＲ５２に閉路指令を与える（時刻ｔ＝ｔ１）。ここで、上記プリチャージ完了閾値は、例えば、高電圧バッテリ１０の電圧（以下、バッテリ電圧と称す）ＶＢと等しい電圧値、またはバッテリ電圧ＶＢ近傍の電圧値である。

ついで、制御装置８０は、ＳＭＲ５３に閉路指令を与える（時刻ｔ＝ｔ２）。なお、ここではＳＭＲ５２→ＳＭＲ５３の順に閉路指令を与えているが、両方に同時に閉路指令を与えることも可能であるし、ＳＭＲ５３→ＳＭＲ５２の順に閉路指令を与えることも可能である。

上記ＳＭＲ５２，５３の投入後、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０による低電圧バッテリ７０への電力供給を一定期間実施する（時刻ｔ＝ｔ３→ｔ４）。具体的には、制御装置８０は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を降圧動作するように制御する。

ここで、時間（ｔ３−ｔ２）は、ＳＭＲ５３の主接点のオンが完了した後に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の降圧動作が開始するように設定される。

制御装置８０は、上記降圧動作時における高電圧バッテリ１０のバッテリ電流ＩＢの挙動またはコンデンサ電圧ＶＨの挙動に基づき、高電圧バッテリ１０およびＳＭＲ５２，５３を含む高電圧回路の開路故障を検出する。

以下、高電圧回路の開路故障の検出について、第１〜第４の検出処理例に分けて詳しく説明する。

（第１の検出処理例）
正常時には、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動により、図２のグラフの太実線に示されるように、時刻ｔ３以降で高電圧バッテリ１０のバッテリ電流ＩＢが流れるはずである。一方、高電圧バッテリ１０およびＳＭＲ５２，５３を含む、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０と高電圧回路との接続部より高電圧バッテリ１０側の領域（図１の破線で囲まれた領域）において開路故障が存在する時には、図２のグラフの太破線で示されるように、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を降圧動作させてもバッテリ電流ＩＢは流れない。

そこで、第１の検出処理例では、制御装置８０は、不図示の電流センサによりバッテリ電流ＩＢを監視し、バッテリ電流ＩＢが所定以上流れなかった場合に高電圧回路の開路故障と判定する。好適な態様では、制御装置８０は、バッテリ電流ＩＢが所定閾値ＩＢ１以上流れている時間が一定時間Δｔ以上継続すれば、高電圧バッテリ１０およびＳＭＲ５２，５３を含む高電圧回路は正常に接続されていると判定する。一方、それ以外の場合には、制御装置８０は、高電圧回路の開路故障と判定する。

ここで、時間Δｔは、電流センサの検出電流値がノイズではないと保証できるだけの時間とする。また、電流値ＩＢ１は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の降圧動作時に少なくとも流れると見込まれるバッテリ電流値（最小消費電流値）とする。また、時間（ｔ４−ｔ３）は、Δｔに対し余裕を持った長さとする。

（第２の検出処理例）
正常時には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を降圧動作させても、図２のグラフの細実線で示されるように、コンデンサ電圧ＶＨはバッテリ電圧ＶＢから殆ど変動しないはずである。一方、高電圧バッテリ１０およびＳＭＲ５２，５３を含む、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０と高電圧回路との接続部より高電圧バッテリ１０側の領域（図１の破線で囲まれた領域）において開路故障が存在する時には、上記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０の駆動により平滑コンデンサ２０の充電電力が消費され、コンデンサ電圧ＶＨは図２の細破線で示されるように低下する。

そこで、第２の検出処理例では、制御装置８０は、不図示の電圧センサによりコンデンサ電圧ＶＨを監視し、コンデンサ電圧ＶＨがバッテリ電圧ＶＢから所定閾値Ｖｎｇだけ低下した場合には、高電圧回路の開路故障と判定する。一方、それ以外の場合には、制御装置８０は、高電圧回路の接続状態は正常であると判定する。

ここで、所定閾値Ｖｎｇは、平滑コンデンサ２０の電圧に偏差が生じたと判断できる電圧値とする。

（第３の検出処理例）
本例では、制御装置８０は、バッテリ電流ＩＢが所定閾値ＩＢ１未満であり、かつ、コンデンサ電圧ＶＨがバッテリ電圧ＶＢから所定閾値Ｖｎｇだけ低下した場合には、高電圧回路の開路故障と判定する。一方、それ以外の場合には、制御装置８０は、高電圧回路の接続状態は正常であると判定する。

（第４の検出処理例）
本例では、制御装置８０は、バッテリ電流ＩＢが所定閾値ＩＢ１未満であるか、または、コンデンサ電圧ＶＨがバッテリ電圧ＶＢから所定閾値Ｖｎｇだけ低下した場合には、高電圧回路の開路故障と判定する。一方、それ以外の場合には、制御装置８０は、高電圧回路の接続状態は正常であると判定する。

なお、上記検出処理により開路故障と判定された場合には、制御装置８０は、その旨をユーザに適宜の方法で通知し、駆動用モータ４０の駆動を行わない。一方、上記検出処理により正常と判定された場合には、制御装置８０は、ユーザの運転操作に従って、インバータ３０を制御して駆動用モータ４０を駆動する。

以上のとおり、本実施の形態では、高電圧バッテリ１０と、当該高電圧バッテリ１０の直流電圧を平滑する平滑コンデンサ２０と、当該平滑コンデンサ２０の直流電圧を交流電圧に変換して駆動用モータ４０に供給するインバータ３０と、高電圧バッテリ１０と平滑コンデンサ２０との間に設けられたＳＭＲ５２，５３と、高電圧バッテリ１０より低電圧の低電圧バッテリ７０と、ＳＭＲ５２，５３と平滑コンデンサ２０との間に設けられ、高電圧バッテリ１０または平滑コンデンサ２０の電圧を降圧して低電圧バッテリ７０に供給し、低電圧バッテリ７０の電圧を昇圧して平滑コンデンサ２０に供給する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０と、を有する電気自動車の電気システム１において、制御装置８０は、起動時、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を昇圧動作させて平滑コンデンサ２０をプリチャージした後、ＳＭＲ５２，５３を閉じるように制御し、その後双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０を降圧動作させ、その時の高電圧バッテリ１０の電流ＩＢの挙動または平滑コンデンサ２０の電圧ＶＨの挙動に基づき、高電圧バッテリ１０およびＳＭＲ５２，５３を含む高電圧回路の開路故障を検出する。このため、本実施の形態によれば、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータによるプリチャージを行う電気自動車の電気システムにおいて、高電圧回路の開路故障を適切に検出することができる。具体的には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０によるプリチャージ時に行う高電圧回路の故障検出においては検出不可能な、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ６０と高電圧回路との接続部より高電圧バッテリ側の領域について、ＳＭＲの開路故障やバッテリの締結緩みに代表される高電圧回路の開路故障を検出することが可能となる。

また、本実施の形態では、故障検出のために流される電流は低電圧バッテリ７０に充電されるので、故障検出に伴う電気エネルギーの消失を軽減することができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に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で種々変更することができる。例えば、上記の実施の形態では高電圧バッテリ１０および低電圧バッテリ７０を用いる構成を例示したが、これらの代わりに大容量コンデンサ等の他の蓄電装置を用いてもよい。

また、上記の実施の形態では、２つのＳＭＲを設ける構成を例示したが、ＳＭＲは１つであってもよい。

実施の形態に係る電気自動車の電気システムの概略構成を示す図である。 実施の形態に係る電気自動車の電気システムの起動時の動作を示すタイムチャートである。 従来のハイブリッド車の電気システムの概略構成を示す図である。 別の従来のハイブリッド車の電気システムの概略構成を示す図である。

符号の説明

１ 電気自動車の電気システム、１０ 高電圧バッテリ、２０ 平滑コンデンサ、３０ インバータ、４０ 駆動用モータ、５２，５３ ＳＭＲ、６０ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ、７０ 低電圧バッテリ、８０ 制御装置。

Claims (1)

1. 第１の蓄電装置と、
   前記第１の蓄電装置の直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサの直流電圧を交流電圧に変換して駆動用モータに供給するインバータと、
   前記第１の蓄電装置と前記平滑コンデンサとの間に設けられた開閉スイッチと、
   前記第１の蓄電装置より低電圧の第２の蓄電装置と、
   前記開閉スイッチと前記平滑コンデンサとの間に設けられ、前記第１の蓄電装置または前記平滑コンデンサの電圧を降圧して前記第２の蓄電装置に供給し、前記第２の蓄電装置の電圧を昇圧して前記平滑コンデンサに供給する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   起動時、前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを昇圧動作させて前記平滑コンデンサをプリチャージした後、前記開閉スイッチを閉じるように制御し、その後前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを降圧動作させ、その時の前記第１の蓄電装置の電流の挙動または前記平滑コンデンサの電圧の挙動に基づき、前記第１の蓄電装置および前記開閉スイッチを含む高電圧回路の開路故障を検出する制御装置と、
   を有することを特徴とする電気自動車の電気システム。
   
   
   

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