JP2008022675A - プリチャージ方法、電気自動車システムおよびハイブリッド自動車システム - Google Patents

Abstract

【課題】プリチャージ抵抗２３の温度上昇を抑制しつつ、コンタクタ２０の再接続を迅速に行うことが可能な、プリチャージ方法を提供する。
【解決手段】第１プリチャージの終了後、第２プリチャージを開始するまでのインターバル時間を、（ａ）第１プリチャージ中にプリチャージ抵抗２３を流れた電流Ｉ１、（ｂ）第１プリチャージ終了時におけるプリチャージコンタクタ２２の２次側電圧Ｖ２、（ｃ）第１プリチャージ終了時におけるプリチャージコンタクタ２２の１次側電圧Ｖ１と２次側電圧Ｖ２との差、のうち少なくとも１つのパラメータを用いて決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、プリチャージ方法、電気自動車システムおよびハイブリッド自動車システムに関するものである。

ＥＶ（Electrical Vehicle：電気自動車）やＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle：ハイブリッド車）等の電動車両においては、燃料電池や高電圧バッテリ（以下、「高圧バッテリ」という。）等の高圧電源を備えている。
図８は、従来技術に係るプリチャージシステムのブロック図である。高圧バッテリ１０は、コンタクタ（接点）２０を介して高圧デバイス３０に接続されている。

一般に、高圧バッテリ１０の出力電圧Ｖ１と高圧デバイス３０の入力電圧Ｖ２との電位差が大きい状態で、コンタクタ２０のメインコンタクタ２５（Ｐ側２５ａおよびＮ側２５ｂ）を接続すると、高圧バッテリ１０から高圧デバイス３０に大電流が流れてメインコンタクタ２５の溶着が発生するおそれがある。そこでメインコンタクタ２５を接続する前に、高圧デバイス３０の入力電圧Ｖ２のプリチャージを行う。そのため、プリチャージ抵抗２３を備えたプリチャージコンタクタ２２が、メインコンタクタＰ側２５ａに並列接続されている。このプリチャージ抵抗２３により、高圧バッテリ１０から高圧デバイス３０に流れる電流を制限しうるようになっている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−３２４８０１号公報

高圧デバイス３０のプリチャージが行われると、プリチャージ抵抗２３が発熱する。特に、コンタクタ２０を再接続するためプリチャージを連続して行う場合には、プリチャージ抵抗２３の温度が著しく上昇するという問題がある。
そこで本発明は、プリチャージ抵抗の温度上昇を抑制しつつ、コンタクタの再接続を迅速に行うことが可能なプリチャージ方法の提供を課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、プリチャージコンタクタ（例えば、実施形態のプリチャージコンタクタ２２）およびプリチャージ抵抗（例えば、実施形態のプリチャージ抵抗２３）を介して電源（例えば、実施形態の高圧バッテリ１０）に接続されたデバイス（例えば、実施形態の高圧デバイス３０）のプリチャージ方法であって、第１プリチャージの終了後、第２プリチャージを開始するまでのインターバル時間を、（ａ）前記第１プリチャージ中に前記プリチャージ抵抗を流れた電流、（ｂ）前記第１プリチャージ中または前記第１プリチャージ終了時における前記プリチャージコンタクタの２次側電圧、（ｃ）前記第１プリチャージ中または前記第１プリチャージ終了時における前記プリチャージコンタクタの１次側電圧と２次側電圧との差、のうち少なくとも１つのパラメータを用いて決定することを特徴とするプリチャージ方法である。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載のプリチャージ方法における（ａ）パラメータが、前記第１プリチャージの開始から終了までに前記プリチャージ抵抗を流れた電流の積算値であることを特徴とするプリチャージ方法である。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載のプリチャージ方法において、（ｂ）パラメータまたは（ｃ）パラメータを用いる場合には、前記第１プリチャージに要した時間を併用して、前記インターバル時間を決定することを特徴とするプリチャージ方法である。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のプリチャージ方法を実施することを特徴とする電気自動車システムである。

請求項５に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のプリチャージ方法を実施することを特徴とするハイブリッド自動車システムである。

請求項１に係る発明によれば、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のうち少なくとも１つのパラメータを用いることにより、第１プリチャージにおけるプリチャージ抵抗の発熱量を予測することができる。これにより、第１プリチャージ終了時のプリチャージ抵抗の予測される温度が高い場合はインターバル時間を長く設定し、温度が低い場合はインターバル時間を短く設定して、第２プリチャージを開始することが可能になる。したがって、プリチャージ抵抗の温度上昇を抑制しつつ、コンタクタの再接続を迅速に行うことができる。

請求項２に係る発明によれば、第１プリチャージにおけるプリチャージ抵抗の発熱量を正確に予測することができる。
請求項３に係る発明によっても、第１プリチャージにおけるプリチャージ抵抗の発熱量を正確に予測することができる。

請求項４に係る発明によれば、プリチャージ抵抗の温度上昇を抑制することが可能になる。またコンタクタの再接続を迅速に行うことができるので、システムの再起動時間を短縮することが可能になる。したがって、信頼性および商品性に優れた電気自動車システムを提供することができる。
請求項５に係る発明によっても、同様に信頼性および商品性に優れたハイブリッド自動車システムを提供することができる。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
（第１実施形態、高圧システム）
図１は、実施形態に係る高圧システムのブロック図である。このシステム１では、高圧電源が高圧デバイス（例えば、ダウンバータを介して接続される１２Ｖバッテリ）に接続されている。高圧電源として、図１では高圧バッテリ１０が採用されているが、燃料電池等を採用することも可能である。

高圧バッテリ１０は、コンタクタ（接点）２０を介して高圧デバイス３０に接続されている。このコンタクタ２０は、高圧バッテリ１０と高圧デバイス３０とを直結するためのメインコンタクタ２５（Ｐ側２５ａおよびＮ側２５ｂ）と、高圧デバイス３０をプリチャージするためのプリチャージコンタクタ２２とを備えている。このプリチャージコンタクタ２２は、プリチャージ抵抗２３に直列接続され、メインコンタクタＰ側２５ａに並列接続されている。

またシステム１には、イグニションスイッチ（以下、「ＩＧ」という。）５０に連動してシステム全体の制御を行う制御部３４が設けられている。この制御部３４は、高圧バッテリ１０の出力電圧Ｖ１および高圧デバイス３０の入力電圧Ｖ２をモニタして、コンタクタ２０の断接を制御するようになっている。これに加え、本実施形態の制御部３４では、プリチャージ抵抗を流れる電流Ｉ１をモニタして、コンタクタ２０の断接を制御しうるようになっている。

この制御部３４が、プリチャージコンタクタ２２およびメインコンタクタＮ側２５ｂをともに接続することにより、高圧バッテリ１０による高圧デバイス３０の入力電圧Ｖ２のプリチャージが行われる。プリチャージ終了後、制御部３４がメインコンタクタＰ側２５ａを接続（プリチャージコンタクタ２２は切断）することにより、高圧バッテリ１０と高圧デバイス３０とが直結される。

（プリチャージ方法）
次に、上記プリチャージシステムを用いたプリチャージ方法について説明する。
図２は実施形態に係るプリチャージ方法のタイミングチャートであり、図３は制御部の動作のフローチャートである。図３に示すフローチャートは、例えば１０ｍｓｅｃ毎に処理を繰り返すものである。

図２のＡ時点でＩＧがＯＮになると、制御部３４は第１プリチャージの要求ありと判断する。
すなわち、図３のＳＴ１０においてプリチャージ要求あり（ＹＥＳ）と判断し、ＳＴ１２に進む。ＳＴ１２では、インターバルタイマーが０であるか判断する。前回のプリチャージから長時間が経過していれば、インターバルタイマーは０であるから、判断はＹＥＳでありＳＴ１６に進む。ＳＴ１６では、プリチャージを終了するか判断する。今からプリチャージを開始する場合には、プリチャージを終了しないから、判断はＮＯでありＳＴ１８に進む。

図３のＳＴ１８では、プリチャージを実施し、プリチャージ時間をカウントする時間カウンタを加算する。
具体的には、図２のプリチャージコンタクタ２２およびメインコンタクタＮ側２５ｂをＯＮにして、第１プリチャージを開始する。プリチャージを開始すると、プリチャージ抵抗２３に電流Ｉ１が流れ、高圧デバイスの入力電圧Ｖ２が上昇する。

ところで、コンタクタ２０の下流側で短絡が発生している場合や、本来は停止しているはずの高圧デバイス３０が動作している場合などの異常事態においては、プリチャージ抵抗に過大な電流が流れる。また高圧バッテリ１０からの出力電圧Ｖ１が消費されるため、高圧デバイス３０の入力電圧Ｖ２のプリチャージに長時間を要することになる。図２の第１プリチャージでは、入力電圧Ｖ２の上昇速度が遅くなっているので、上記のような異常事態が発生していると考えられる。このような異常事態の下でプリチャージを継続すると、プリチャージ抵抗に過大な電流が流れ続けて発熱量が大きくなり、プリチャージ抵抗が破損するおそれがある。

そこで図２のＢ時点では、プリチャージコンタクタ２２およびメインコンタクタＮ側２５ｂをＯＦＦにして、第１プリチャージを中止する。
具体的には、図３のＳＴ１０およびＳＴ１４を経てＳＴ１６に進み、プリチャージを終了するか判断する。ここでは、高圧バッテリ１０の出力電圧Ｖ１と高圧デバイス３０の入力電圧Ｖ２との電位差が所定値以下になるか（正常終了の場合）、またはプリチャージ時間をカウントする時間カウンタが所定値以上になるか（異常終了の場合）、何れかを満足した場合にプリチャージを終了すると判断する。Ｂ時点では、Ｖ１とＶ２との電位差は所定値以上であるが、時間カウンタが所定値以上であるため、第１プリチャージを終了する（ＹＥＳ）と判断し、ＳＴ２０に進む。

ＳＴ２０では、インターバルタイマーをセットする。インターバルタイマーとは、インターバル時間の残り時間をカウントするものであり、インターバル時間とは、第１プリチャージを終了してから第２プリチャージが開始可能になるまでの時間である。第１プリチャージの実施により、プリチャージ抵抗２３は発熱している。このプリチャージ抵抗２３の温度が十分に低下する前に第２プリチャージを開始すると、第２プリチャージ中にプリチャージ抵抗２３の温度が許容範囲を超えるおそれがある。そこで、第１プリチャージにおけるプリチャージ抵抗の発熱量を予測し、プリチャージ抵抗の温度が十分に低下するまでの時間をインターバル時間に設定する。

制御部３４は、（ａ）第１プリチャージ中にプリチャージ抵抗２３を流れた電流、（ｂ）第１プリチャージ中または第１プリチャージ終了時におけるプリチャージコンタクタ２２の２次側電圧Ｖ２、（ｃ）第１プリチャージ中または第１プリチャージ終了時におけるプリチャージコンタクタ２２の１次側電圧Ｖ１と２次側電圧Ｖ２との差、のうち少なくとも１つのパラメータを用いて、インターバル時間を決定する。

図４は、インターバル時間を決定するためのテーブルまたはマップである。
図４（ａ）は、上記（ａ）パラメータを用いてインターバル時間を決定するためのテーブルである。このテーブルでは、第１プリチャージの開始から終了までにプリチャージ抵抗２３を流れた電流の積算値が大きいほど、インターバル時間が長くなっている。プリチャージ抵抗２３に電流が流れるとジュール熱が発生するので、プリチャージ抵抗２３の発熱量は流れた電流の積算値に比例すると考えられる。そこで、電流の積算値と比例するようにインターバル時間を決定することにより、プリチャージ抵抗２３の温度が高い場合はインターバル時間を長く、温度が低い場合はインターバル時間を短く設定することができる。

図４（ｂ）は、上記（ｂ）パラメータを用いてインターバル時間を決定するためのマップである。このマップでは、第１プリチャージ終了時におけるプリチャージコンタクタ２２の２次側電圧Ｖ２が小さいほど、また第１プリチャージに要した時間が長いほど、インターバル時間が長くなっている。コンタクタ２０の下流側で短絡が発生している場合や、本来は停止しているはずの高圧デバイスが動作している場合などの異常事態においては、プリチャージ抵抗２３に大きな電流が流れるとともに、プリチャージコンタクタの２次側電圧Ｖ２の上昇速度が遅くなる。そのため、２次側電圧Ｖ２が小さいほど、またプリチャージ時間が長いほど、プリチャージ抵抗の発熱量が大きくなっていると考えられる。したがって、図４（ｂ）のマップを用いた場合でも、プリチャージ抵抗２３の温度が高い場合はインターバル時間を長く、温度が低い場合はインターバル時間を短く設定することができる。

図４（ｃ）は、上記（ｃ）パラメータを用いてインターバル時間を決定するためのマップである。このマップでは、第１プリチャージ終了時におけるプリチャージコンタクタ２２の１次側電圧Ｖ１と２次側電圧Ｖ２との差（Ｖ１−Ｖ２）が大きいほど、またプリチャージ時間が長いほど、インターバル時間が長くなっている。Ｖ１−Ｖ２が大きいほど、またプリチャージ時間が長いほど、プリチャージ抵抗２３に大きな電流が流れ、プリチャージ抵抗２３の発熱量が大きくなっていると考えられる。したがって、図４（ｃ）のマップを用いた場合でも、プリチャージ抵抗２３の温度が高い場合はインターバル時間を長く、温度が低い場合はインターバル時間を短く設定することができる。

制御部３４には、上述した図４（ａ）のテーブル、図４（ｂ）のマップ、図４（ｃ）のマップのうち少なくとも１つが記録されている。制御部３４は、いずれか１つのテーブルまたはマップを用いてインターバル時間を決定してもよいし、複数のテーブルまたはマップにより算出された複数のインターバル時間を平均してインターバル時間を決定してもよい。いずれの場合でも、プリチャージ抵抗２３の温度が高い場合はインターバル時間を長く、温度が低い場合はインターバル時間を短く設定することができる。

図２に示すように、第１プリチャージ中の電流Ｉ１の積算値は大きくなっている。また第１プリチャージ終了時におけるプリチャージコンタクタ２２の２次側電圧Ｖ２は小さく、１次側電圧Ｖ１と２次側電圧Ｖ２との差は大きくなっている。そこでＢ時点では、インターバル時間が長くなるようにインターバルタイマーをセットする。
図３のＳＴ２０でインターバルタイマーをセットしたら、ＳＴ１２で第１プリチャージを終了し、時間カウンタをリセットする。なおインターバルタイマーは、図３の処理を繰り返すたびに減算する。

図２のＣ時点でＩＧがＯＦＦされた後に、Ｄ時点でＩＧがＯＮされると、制御部３４は第２プリチャージの要求ありと判断する。しかしながら、Ｄ時点ではインターバルタイマーが０になっていないので、第２プリチャージを開始しない。Ｅ時点において、インターバルタイマーが０になってから、プリチャージコンタクタ２２およびメインコンタクタＮ側２５ｂをＯＮにして、第２プリチャージを開始する。
具体的には、図３のＳＴ１０を経てＳＴ１４に進み、インターバルタイマーが０か判断する。判断がＮＯ（インターバル中）の間はＳＴ１０およびＳＴ１４の判断を繰り返す。ＳＴ１４の判断がＹＥＳ（インターバル経過）になったら、ＳＴ１６を経てＳＴ１８に進み、第２プリチャージを開始する。

図２のＦ時点では、高圧バッテリ１０の出力電圧Ｖ１と高圧デバイス３０の入力電圧Ｖ２との電位差が小さくなっている。そこで、メインコンタクタ２５をＯＮにし、さらにプリチャージコンタクタ２２をＯＦＦにして、第２プリチャージを終了する。
具体的には、図３のＳＴ１０およびＳＴ１４を経てＳＴ１６に進み、Ｖ１とＶ２との電位差が所定値以下になったので、第２プリチャージを終了する（ＹＥＳ）と判断する。さらに、ＳＴ２０に進んでインターバルタイマーをセットし、ＳＴ１２に進んで第２プリチャージを終了する。

図２に示すように、第２プリチャージ中の電流Ｉ１の積算値は小さくなっている。また第２プリチャージ終了時におけるプリチャージコンタクタ２２の２次側電圧Ｖ２は大きく、１次側電圧Ｖ１と２次側電圧Ｖ２との差は小さくなっている。そこでＦ時点では、インターバル時間が短くなるようにインターバルタイマーをセットする。

図２のＦ時点の直後のＧ時点においてＩＧがＯＦＦになり、その直後のＨ時点においてＩＧがＯＮになると、制御部３４は第３プリチャージの要求ありと判断する。Ｆ時点ではインターバル時間が短くなるようにインターバルタイマーをセットしたので、Ｈ時点ではインターバルタイマーが０になっている。そこで、Ｈ時点では直ちに第３プリチャージを開始することができる。
本実施形態では、以上のようにプリチャージを連続して行うことが可能である。

（代替プリチャージ方法）
ここで、本実施形態に代わるプリチャージ方法について検討する。
図５は、代替プリチャージ方法のタイミングチャートである。この代替プリチャージ方法では、Ａ時点でＩＧがＯＮになると、本実施形態と同様にプリチャージコンタクタ２２およびメインコンタクタＮ側２５ｂをＯＮにし、プリチャージを開始する。またＢ時点でプリチャージが完了すると、本実施形態と同様にメインコンタクタＰ側２５ａをＯＮにし、プリチャージコンタクタ２２をＯＦＦにして、インターバルタイマーをセットする。

代替プリチャージ方法では、本実施形態とは異なり、常に一定のインターバル時間を設定する。
図６（ａ）は、代替プリチャージ方法におけるプリチャージ抵抗の温度変化のグラフである。異常事態下で第１プリチャージが行われると、プリチャージ抵抗２３の温度はＴ_０からＴ_１Ａまで上昇するが、インターバル時間ｔ_１の経過によりＴ_１Ｂまで低下する。次に異常事態下で第２プリチャージが行われると、プリチャージ抵抗２３の温度はＴ_１ＢからＴ_２Ａまで上昇する。ここでインターバル時間ｔ_１は、異常事態下で連続して第１および第２プリチャージが行われた場合でも、第２プリチャージ終了後の温度Ｔ_２Ａが許容範囲を超えることがないように設定される。

しかしながら、第１プリチャージが正常終了した場合のプリチャージ抵抗２３の温度Ｔ_１Ｃは、異常時における温度Ｔ_１Ａより低くなる。この場合、プリチャージ抵抗２３の温度がＴ_１ＣからＴ_１Ｂまで低下するのに要する時間は、異常時においてＴ_１ＡからＴ_１Ｂまで低下するのに要する時間より短くなる。それにもかかわらず、異常時と同じインターバル時間ｔ_１が設定されるので、インターバル時間の一部が無駄になり、第２プリチャージを開始するのが遅れる。これに伴って、コンタクタ２０の再接続を迅速に行うことができなくなり、ひいてはシステム１の再起動に時間がかかるという問題がある。

図６（ｂ）は、本実施形態のプリチャージ方法におけるプリチャージ抵抗の温度変化のグラフである。本実施形態のプリチャージ方法では、上述した（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のうち少なくとも１つのパラメータを用いることにより、第１プリチャージにおけるプリチャージ抵抗２３の発熱量を予測することができる。これにより、第１プリチャージ終了時のプリチャージ抵抗２３の予測される温度が高い場合はインターバル時間ｔ_Ｈを長く設定し、温度が低い場合はインターバル時間ｔ_Ｌを短く設定して、第２プリチャージを開始することが可能になる。したがって、プリチャージ抵抗２３の温度上昇を抑制しつつ、コンタクタ２０の再接続を迅速に行うことができる。これに伴って、システムの再起動時間を短縮することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態では、第１実施形態に係るプリチャージ方法を実施する電気自動車システムについて説明する。
図７は、電気自動車システムのブロック図である。電気自動車のうち燃料電池自動車は、燃料電池（Fuel Cell；ＦＣ）スタック６０を備えている。ＦＣスタック６０は、反応ガスを電気化学反応させて電力を得るタイプのものであり、例えば固体高分子電解質膜をアノードおよびカソードで挟み込んだセルを複数積層して構成されている。そのアノードに燃料ガスとして水素ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスとして酸素を含む空気を供給する。すると、アノードで触媒反応により発生した水素イオンが、固体高分子電解質膜を通過してカソードまで移動し、カソードで酸素と電気化学反応を起こして水が生成され、発電が行われる。

また燃料電池自動車は、車両駆動用のモータ６４と、そのモータ６４を駆動制御するモータ駆動ユニット（ＭＯＴＰＤＵ）６２とを備えている。上述したＦＣスタック６０は、コンタクタ７０を介してＭＯＴＰＤＵ６２に接続され、モータ６４を駆動するようになっている。なおモータ６４は、高圧バッテリ１０から供給される電力によっても駆動される。そのため、高圧デバイス３０の入力側とＭＯＴＰＤＵ６２の入力側とが連結されている。

そして、高圧バッテリ１０により高圧デバイス３０の入力電圧Ｖ２がプリチャージされると、ＭＯＴＰＤＵ６２の入力電圧もプリチャージされる。ここでコンタクタ７０を接続すれば、コンタクタ７０の溶着を防止しつつ、ＦＣスタック６０をＭＯＴＰＤＵ６２に接続することができる。そのため、コンタクタ７０にはプリチャージコンタクタを設ける必要がない。

この第２実施形態の電気自動車システム１０１は、第１実施形態のプリチャージ方法を実施することができるように構成されているので、プリチャージ抵抗２３の温度上昇を抑制することが可能になる。またコンタクタ２０の再接続を迅速に行うことができるので、システム１０１の再起動時間を短縮することが可能になる。したがって、信頼性および商品性に優れた電気自動車システム１０１を提供することができる。

なお、この発明は上記実施形態に限られるものではない。
例えば、ハイブリッド自動車システムにつき、第１実施形態のプリチャージ方法を実施することができるように構成することも可能である。これにより、プリチャージ抵抗の温度上昇を抑制することが可能になる。またコンタクタの再接続を迅速に行うことができるので、システムの再起動時間を短縮することが可能になる。したがって、信頼性および商品性に優れたハイブリッド自動車システムを提供することができる。

実施形態に係るプリチャージシステムのブロック図である。 実施形態に係るプリチャージ方法のタイミングチャートである。 制御部の動作のフローチャートである。 インターバル時間を設定するためのテーブルまたはマップである。 代替プリチャージ方法のタイミングチャートである。 プリチャージ抵抗の温度変化のグラフである。 電気自動車システムのブロック図である。 従来技術に係るプリチャージシステムのブロック図である。

符号の説明

Ｉ１…電流 Ｖ１…出力電圧（１次側電圧） Ｖ２…入力電圧（２次側電圧） １０…高圧バッテリ（電源） ２０…コンタクタ ２２…プリチャージコンタクタ ２５…メインコンタクタ ３０…高圧デバイス（デバイス）

Claims (5)

1. プリチャージコンタクタおよびプリチャージ抵抗を介して電源に接続されたデバイスのプリチャージ方法であって、
   第１プリチャージの終了後、第２プリチャージを開始するまでのインターバル時間を、（ａ）前記第１プリチャージ中に前記プリチャージ抵抗を流れた電流、
   （ｂ）前記第１プリチャージ中または前記第１プリチャージ終了時における前記プリチャージコンタクタの２次側電圧、
   （ｃ）前記第１プリチャージ中または前記第１プリチャージ終了時における前記プリチャージコンタクタの１次側電圧と２次側電圧との差、
   のうち少なくとも１つのパラメータを用いて決定することを特徴とするプリチャージ方法。
2. 請求項１に記載のプリチャージ方法における（ａ）パラメータは、
   前記第１プリチャージの開始から終了までに前記プリチャージ抵抗を流れた電流の積算値であることを特徴とするプリチャージ方法。
3. 請求項１に記載のプリチャージ方法において、（ｂ）パラメータまたは（ｃ）パラメータを用いる場合には、
   前記第１プリチャージに要した時間を併用して、前記インターバル時間を決定することを特徴とするプリチャージ方法。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のプリチャージ方法を実施することを特徴とする電気自動車システム。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のプリチャージ方法を実施することを特徴とするハイブリッド自動車システム。

Images