JP2010036594A - ハイブリッド自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータとモータジェネレータとを一体化することでエンジンルーム内に搭載スペースを確保し、電気自動車やハイブリッド自動車としての補機バッテリの充電制御を行うＤＣ−ＤＣコンバータを有するハイブリッド自動車を提供する。
【解決手段】ハイブリッド自動車１０は、高電圧の電池パック４４と、充電監視システム２０と、トランクアクスル１６と、エアコン用コンプレッサ３１と、ヒューズボックス２３を介して接続される補機２８と、を有している。また、充電監視システム２０には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１と、ＦＬボックス２２と、電流センサ２６と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１によって降圧された電力によって充電される鉛電池２４と、が設けられている。
【選択図】図２

Description

走行用の高圧バッテリと、補機バッテリと、高圧バッテリからの電力により補機バッテリを充電するＤＣ−ＤＣコンバータと、を備えると共に、モータとインバータとを一体化したハイブリッド自動車に関する。

近年、省エネルギーや環境問題に対する関心が高まり、排気ガスを出さない電気自動車や、燃料電池自動車及び燃費の良いハイブリッド自動車が注目されるようになった。ここで電気自動車は、バッテリに充電された電力をインバータにて制御しつつモータを駆動するものであり、ハイブリッド自動車は燃料電池による発電又は通常の内燃機関と電気自動車とを組み合わせて、電気自動車の充電作業の煩わしさを解消したものである。

ハイブリッド自動車では、エンジンと走行用のモータジェネレータと高圧バッテリと発電機と電力を制御するためのインバータとを備えている。しかし、一般的に高圧バッテリの電圧は数百ボルトと高く車両に搭載されている補機類の電源としては不向きであるため、高圧バッテリとは別に、１２ボルトの補機バッテリが搭載されている。また、補機バッテリは高圧バッテリを電源とするＤＣ−ＤＣコンバータにより高圧電圧から降圧して充電される。

従来のハイブリッド自動車において、高圧バッテリ、高圧バッテリの電力を制御してモータジェネレータを制御するインバータ等は、搭載スペースと車両の重量バランスを取るため分散して配置されていた。しかし、特許文献１に示すように、車両の重量バランスを保ち、インバータとモータジェネレータとを一体化すると共に、従来別々の冷却系であった冷却システムを共用する技術が開示されている。このように、インバータとモータジェネレータとを一体化することにより小型化され、搭載スペースの確保が容易になった。

また、特許文献２には、バッテリの直流電源を電源とする車載用電装装置に関し、バッテリの直流電源をその直流電圧より高い電圧に昇圧するＤＣ−ＤＣコンバータをエンジンルーム内に配置する技術が開示されている。

さらに、特許文献３には、補機バッテリの充電電圧を精度よく制御するために、ＤＣ−ＤＣコンバータから補機バッテリに供給される電流を検知し、補機バッテリに供給される電流に応じてＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を補正する技術が開示されている。

特開２００５−３３３７４７号公報 実開昭６４−９８５５号公報 特開２００７−２９５７８５号公報

近年、ハイブリッド自動車のさらなる燃費の改善及び省エネルギー化を図るため、外部交流電源により充電可能なプラグイン・ハイブリッド自動車も開発されるようになった。このような車両では、単にインバータとモータジェネレータと発電機とを一体化するだけでなく、高圧バッテリからＤＣ−ＤＣコンバータ及び補機バッテリ等に接続される車両配線や車両全体の機器の配置の見直しにより車両の軽量化を図り、燃費の改善が必要となる。

そこで、インバータとモータジェネレータとを一体化することでエンジンルーム内に搭載スペースを確保し、電気自動車やハイブリッド自動車としての補機バッテリの充電制御を行うＤＣ−ＤＣコンバータを有するハイブリッド自動車を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係るハイブリッド自動車は、走行用の高圧バッテリを備えると共に、モータとインバータとを一体化したハイブリッド自動車において、高圧バッテリからの電力により補機バッテリを充電するＤＣ−ＤＣコンバータを補機バッテリに隣接して配置したことを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド自動車において、エンジンルーム内に補機バッテリとＤＣ−ＤＣコンバータとを設け、補機バッテリの車両後方側にＤＣ−ＤＣコンバータを配置したことを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド自動車において、ＤＣ−ＤＣコンバータは、車両の制御をつかさどる制御装置からの指令に基づき、補機に接続されている補機バッテリとＤＣ−ＤＣコンバータとの間に設けられた電流センサにて検知した電流に応じて補機バッテリの充電及び放電を制御することを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド自動車において、エンジンを停止して電気自動車として走行する場合は、補機バッテリへの充電電流を低減させ、ゼロ近傍とすることを特徴とする。

また、本発明に係るハイブリッド自動車において、回生制動中に補機バッテリへの充電電流を通常より大きくして充電することを特徴とする。

さらに、本発明に係るハイブリッド自動車において、外部交流電源を用いて充電する場合、補機バッテリより高圧バッテリを優先して充電させるために、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作周波数を通常より下げることを特徴とする。

本発明を用いると、高圧バッテリからＤＣ−ＤＣコンバータ及び補機バッテリ等に接続される車両配線や車両全体の機器の配置を見直し、高圧配線の配置及び接続の簡略化、低圧配線の短縮化にいる電圧低下の低減、及び、ラジオノイズ特性の改善が可能となるという効果がある。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１はハイブリッド自動車１０における充電監視システム２０の外観を示している。本発明におけるハイブリッド自動車１０の特徴事項の一つは、インバータをトランクアクスルと一体化したことにより車両配線と機器の配置とを変更したことである。

図１に示すハイブリッド自動車１０では、フロントグリル１４，ライト１３及びフェンダ１１に近い部位に充電監視システムを配置している。充電監視システムは、鉛電池２４と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１と、高電圧のケーブルと高電圧ビューズとを接続するジャンクション・ボックス（以下、ＪＢという。）と、低電圧のケーブルと低電圧ヒューズとを接続するＪＢであるＦＬボックスと、を有している。また、充電監視システム２０の横には、エンジンのエアフィルタ１５やトランクアクスル１６等が配置されている。さらに、鉛電池２４のグランド端子は、ボディー４２のアース点にアースケーブル４２によって接地されている。

図２はハイブリッド自動車１０の構成を示し、ハイブリッド自動車１０は、高電圧の電池パック４４と、充電監視システム２０と、トランクアクスル１６と、エアコン用コンプレッサ３１と、ヒューズボックス２３を介して接続される補機２８と、を有している。また、充電監視システム２０には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１と、ＦＬボックス２２と、電流センサ２６と、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１によって降圧された電力によって充電される鉛電池２４と、が設けられている。

図２の電池パック４４は、車室内に配置され、電池パック４４から伸びる高圧電源ケーブルはエンジンルームの機器に接続されている。高圧電源ケーブルはＪＢを内蔵するＤＣ−ＤＣコンバータ２１に接続され、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１からトランクアクスル１６及びエアコン用コンプレッサ３１等に高電圧電力が供給されている。また、トランクアクスル１６には、第１モータジェネレータ１７と第２モータジェネレータ１８とインバータ１９とが一体化されている。

本発明で特徴的な事項の一つは、従来、車両を制御する車両コントローラが検知した鉛電池の電圧や電流によりＤＣ−ＤＣコンバータを制御していた構成を変更したことである。具体的には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１のＤＣ−ＤＣモジュール２５を低圧・高圧のＪＢと一体又は近接配置し、鉛電池２４の充放電量を検知する電流センサ２６をＤＣ−ＤＣコンバータのＣＰＵ２７へ接続することで、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１がノイズや変動の少ない情報により精度の高い制御を可能としたことである。このような構成により、高圧配線の簡略化、低圧配線の短縮化による電圧低下の低減及びラジオノイズ特性の改善が可能となった。

図３は車両の先頭方向上側から見た充電監視システム２０の配置を示し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１と、ＦＬボックス２２と、ＦＬボックス２２の下に配置された鉛電池２４と、フェンダー側に配置されたヒューズボックス２３と、を示している。

高電圧の電池パックからの電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の高圧入力から入力され、インバータを有するトランクアクスルと、エアコン用コンプレッサ等に供給される。また、ＤＣ−ＤＣモジュール２５は、鉛電池２４と補機との間の電流と、ＤＣ−ＤＣモジュール２５から鉛電池２４を充電する際の電流と、をＦＬボックス２２内の電流センサ２６にて測定する。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ヒューズ、鉛電池が直近に配置されるため、鉛電池２４の入出力管理が容易となる。この構成により充電監視が可能となり、充電監視に基づいて充放電制御を行うことで車両の燃費・効率アップが可能となる。

図４はＤＣ−ＤＣコンバータ２１の断面図である。高電圧入力コネクタ３６は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の下部に設けられ、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１にて降圧された電力はＤＣ−ＤＣコンバータ２１上部の出力端子から鉛電池２４と補機へ供給される。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１には、下から、基板の上に配置された高圧入力端子と高圧ヒューズ３２とトランス３４とＣＰＵ２７と出力端子とが配置されている。なお、発熱するトランス３４や図示しないトランジスタは放熱フィン３５に接続されている。

図５と図６には充電監視システムの配置に関するその他のバリエーションを示している。図５は鉛電池２４の底部に配置した例であり、図６は鉛電池２４の側面に配置した例である。これらの配置で共通な点は、鉛電池２４の電極に近い位置にＦＬボックスを配置し、ヒューズボックス２３をヒューズの交換作業を考慮して配置したことである。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の配置としては、衝突時の安全性を考慮すると図６の側面に配置するより図５の鉛電池の底面に配置する方が良く、図５の鉛電池２４の底面に配置するより、図１のように鉛電池２４の後方に配置する方がさらに望ましい。これは、バンパー、ライト、鉛電池２４及び鉛電池２４の取り付けステイ等の構造物変形によるエネルギー吸収が期待でき、高電圧部品の保護が容易となるからである。

図７はＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧制御特性を示す。このＤＣ−ＤＣコンバータの特性によると、鉛電池を充電する場合において、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧は、鉛電池自体の電圧より高い（Ｖｈｉ）を出力できるが、消費電流が増加して予め決められた定格電流以上を取り出そうとすると出力電圧は急激に減少する。また、鉛電池の出力電圧（Ｖｌｏ）近傍では、鉛電池への充電量が少ないため、充電中は充電電圧をＶｌｏより高めに設定することが必要となる。

このような出力電圧制御特性により、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータでは、次に示す３つの制御を行うこととした。具体的には、（１）ＥＶ走行時に鉛電池への充電電流をゼロで制御。（２）ＨＶ走行時において、力走時に充電電流をゼロに制御し、回生時に電圧を上げて、定電流又は定電圧充電を制御。（３）プラグイン交流充電時に、補機バッテリへの充電電流を制限する制御、というものである。

図８はＥＶ走行時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御の流れを示すフローチャート図であり、図１０はＥＶ走行時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御波形を示している。本処理は、上述した（１）ＥＶ走行時に鉛電池への充電電流をゼロで制御するものである。なお、図１０において、上側の波形は充電電流（Ｉｃｈ）を示し、下側の波形は充電電圧（Ｖｃｈ）を示している。

図８の処理は、ＥＶ走行時は燃費向上のため、高圧の電池パック（高圧電池）から鉛電池への電力持ち出しを減らし、充電電流がゼロになるようＤＣ−ＤＣコンバータの電圧調整を行う。その後、エンジン始動により発電が期待できる場合に定電流及び定電圧モードにて充電を行うことにより、高圧電池による入力電流を低減（１−Ｖｌｏ／Ｖｈｉ）させている。

図８の処理が実行されると、ステップＳ１０にてハイブリッド自動車の初期設定（ＲｅａｄｙＯｎ）が実行され、正常で有る場合にはステップＳ１２へ移る。ステップＳ１２において、充電電圧（Ｖｃｈ）の状態を検知して充電が必要であるかどうかを判定すると共に、エンジンが停止中であって、モータによる電気自動車としての走行モードであるＥＶ走行である場合には、ステップＳ１４に移り、充電電流制限モード（ステップＳ１４）を実行する。この処理により図１０のＥＶ走行時には、充電電圧（Ｖｃｈ）をＶｌｏとし、充電電流（Ｉｃｈ）をゼロにすることで、高圧電池の負荷を低減すると共に、充電電流制限の時間積算を開始する。

ステップＳ１６において、充電電流制限モードにおいて時間積算が許容時間であるＴｍｉｎ以下であれば充電電流制限モードを継続し、もし、時間積算が平均時間であるＴａｖｅ以上である場合は、ステップＳ１２のＥＶ走行判定に移り、エンジン走行に移っているかどうか判断をした後、ステップＳ１４の充電電流制限モード又はステップＳ１８の低電流充電モードに移る。また、時間積算が放電過多となるＴｍａｘ以上となった場合には充電を行うため、ステップＳ１８の定電流充電モードに移ることになる。

図８のステップＳ１２において、エンジン走行を検出すると、ステップＳ１８の定電流充電モードにて充電を開始する。図１０の定電流充電において充電電圧Ｖｃｈが上昇してＶｈｉに達すると、ステップＳ２０において、定電圧充電に移行する前段階の判定を行う、もし、Ｖｈｉに達していると判断すると、ステップＳ２２に移る。ステップＳ２２では、定電圧充電を実行するため、充電電流Ｉｃｈが減少することになる。ステップＳ２４では、充電電流Ｉｃｈが充電を継続する必要がない最低電流であるＩＬＯＷより小さい場合には充電を停止して高圧電池の負荷を低減させることになる。なお、ステップＳ２４の次は、図９のステップＳ２６に移ることになり、ＩＬＯＷより大きい場合には充電を継続するためのステップＳ１８に戻る。

図９はエンジン走行時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御の流れを示すフローチャート図であり、図１１はエンジン走行時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御波形を示している。図９のステップＳ２６では、充電電流制限モードであり、高圧電池の負荷を低減させているが、Ｔｍｉｎ以上となるかをステップＳ２８にて判断し、Ｔｍｉｎ以上となると充電を行う前に、放電が開始しているかを確認する。ＤＣ−ＤＣコンバータは取り出せる電流値が鉛電池より小さいため、ＤＣ−ＤＣコンバータの電流リミッタが作動（ステップＳ３０）することにより鉛電池の放電モードであるステップＳ３２に移る。放電が開始されると、鉛電池からの放電が行われる。その後、電流リミッタ値以上の放電が停止すると、ステップＳ３４の定電流充電モードを実行し、ステップＳ３４の定電圧モードの判断を行う。図１１の場合には、ステップＳ３６の定電流充電モード、ステップＳ３８の定電圧充電モード、及びステップＳ４０の最低電流判断処理を順次実行することになる。

図１２は回生走行時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御の流れを示し、図１３は回生走行時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御波形を示している。本処理は、上述した（２）ＨＶ走行時において力走時に充電電流をゼロに制御し、回生時に充電電圧を上げて、定電流又は定電圧充電を実施するものである。また、通常走行中において、回生中にのみ鉛電池の充電を実施する動作を行うことを特徴とし、その電力メリット（（１−Ｖｌｏ／Ｖｈｉ）×力走時間比率）は回生と力行との走行時間により求まる。

図１２のステップＳ４２において、力行と判断すると、ステップＳ４４の充電電流制限モードとなる。その後、走行状態が変化して力行から回生となると、ステップＳ４６において、回生と判断され、上述した定電流・電圧充電モードと同様のステップＳ４８を実行することになる。

図１４はプラグイン交流充電時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御の流れを示し、図１５はプラグイン交流充電時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御波形を示している。本発明で特徴的な事項の一つは、プラグイン交流充電時において、容量の大きい高圧電池の充電を優先するために、比較的短時間に終了するであろう鉛電池の充電を急速充電制御により実行し、充電が終了した後は、高圧電池への充電に注力するというものである。これは、上述した（３）プラグイン交流充電時に、補機バッテリへの充電電流を制限することで実現する。

外部交流電源から高圧電池を充電する場合において、ＤＣ−ＤＣコンバータから補機バッテリへの電流の持ち出しを最小限に抑えるために、無駄なエネルギー消費を低減する処理を実行する。図１４の処理が開始すると、ステップＳ５０において、ＡＣ充電であるかを判断し、充電と判断した場合には、ステップＳ５２の急速充電制御を実行する。次に、鉛電池のＶｃｈ電圧によりステップＳ５８の定電流充電モードとなる。この時、図１６に示すようなスイッチング動作により一定時間の通電と、可変時間によるスイッチングタイミング調整により動作周波数を下げることによりスイッチイング損失を低減している。特に、プラグイン交流充電中は、車両の補機の電流消費量が少ないため、このような処理を実行しても急激な消費電流の変化がなく、鉛電池を短時間で確実に充電を完了し、始動時に鉛電池への充電（高電圧負荷）を最小に抑えている。

図１７はＤＣ−ＤＣコンバータによるスイッチング動作を示している。プラグイン交流充電であると判断した場合、電流センサ２６による電流値を電流制御部４５が読み込み、ＰＬＬ４６によりスイッチング周波数を可変して、ＰＷＭ制御部４７にてＤＣ−ＤＣモジュールの制御を行い、電池パック４４へ充電されている高圧負荷を最小に抑えつつ、鉛電池２４を充電することが可能となっている。

以上、上述したように、本実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータを用いることにより、高圧バッテリからＤＣ−ＤＣコンバータ及び補機バッテリ等に接続される車両配線や車両全体の機器の配置を見直し、高圧配線の配置及び接続の簡略化、低圧配線の短縮化にいる電圧低下の低減、及び、ラジオノイズ特性の改善が可能となる。

本発明の実施形態に係るハイブリッド自動車の充電監視システムの外観を示した外観図である。 本発明の実施形態に係るハイブリッド自動車の構成を示す構成図である。 本発明の実施形態に係る充電監視システムの構成を示す構成図である。 本発明の実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの断面図である。 本実施形態に係る充電監視システムの配置に関する一例である。 本実施形態に係る充電監視システムの配置に関する別の一例である。 本実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧制御特性の説明図である。 本実施形態に係るＥＶ走行時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御の流れを示すフローチャート図である。 本実施形態に係るＥＶ走行時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御の流れを示すフローチャート図である。 本実施形態に係るＥＶ走行時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御波形を説明する説明図である。 本実施形態に係るエンジン走行時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御波形を説明する説明図である。 本実施形態に係る回生走行時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御の流れを示すフローチャート図である。 本実施形態に係る回生走行時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御波形を説明する説明図である。 本実施形態に係るプラグイン交流充電時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御の流れを示すフローチャート図である。 本実施形態に係るプラグイン交流充電時におけるＤＣ−ＤＣコンバータの制御波形を説明する説明図である。 本実施形態に係るプラグイン交流充電時におけるＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチングによる制御波形を説明する説明図である。 本実施形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータによるスイッチング動作を説明する説明図である。

符号の説明

１０ ハイブリッド自動車、１１ フェンダ、１２ バンパー、１３ ライト、１４ フロントグリル、１５ エアフィルタ、１６ トランクアクスル、１７ 第１モータジェネレータ、１８ 第２モータジェネレータ、１９ インバータ、２０ 充電監視システム、２１ ＤＣ−ＤＣコンバータ、２２ ＦＬボックス、２３ ヒューズボックス、２４ 鉛電池、２５ ＤＣ−ＤＣモジュール、２６ 電流センサ、２７ ＣＰＵ、２８ 補機、３１ エアコン用コンプレッサ、３２ 高圧ヒューズ、３４ トランス、３５ 放熱フィン、３６ 高圧入力コネクタ、３７ 出力コネクタ、３８ 基板、４１ アースケーブル、４２ ボディー、４４ 電池パック、４５ 電流制御部、４６ ＰＬＬ、４７ ＰＷＭ制御部。

Claims (6)

1. 走行用の高圧バッテリを備えると共に、モータとインバータとを一体化したハイブリッド自動車において、
   高圧バッテリからの電力により補機バッテリを充電するＤＣ−ＤＣコンバータを補機バッテリに隣接して配置したことを特徴とするハイブリッド自動車。
2. 請求項１に記載のハイブリッド自動車において、
   エンジンルーム内に補機バッテリとＤＣ−ＤＣコンバータとを設け、補機バッテリの車両後方側にＤＣ−ＤＣコンバータを配置したことを特徴とするハイブリッド自動車。
3. 請求項１又は２に記載のハイブリッド自動車において、
   ＤＣ−ＤＣコンバータは、
   車両の制御をつかさどる制御装置からの指令に基づき、補機に接続されている補機バッテリとＤＣ−ＤＣコンバータとの間に設けられた電流センサにて検知した電流に応じて補機バッテリの充電及び放電を制御することを特徴とするハイブリッド自動車。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のハイブリッド自動車において、
   エンジンを停止して電気自動車として走行する場合は、補機バッテリへの充電電流を低減させ、ゼロ近傍とすることを特徴とするハイブリッド自動車。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載のハイブリッド自動車において、
   回生制動中に補機バッテリへの充電電流を通常より大きくして充電することを特徴とするハイブリッド自動車。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載のハイブリッド自動車において、
   外部交流電源を用いて充電する場合、補機バッテリより高圧バッテリを優先して充電させるために、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作周波数を通常より下げることを特徴とするハイブリッド自動車。

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