JP2011083072A

JP2011083072A - 電気システム

Info

Publication number: JP2011083072A
Application number: JP2009231478A
Authority: JP
Inventors: Koji Katsuta; 浩司勝田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-10-05
Filing date: 2009-10-05
Publication date: 2011-04-21

Abstract

【課題】簡素な回路により太陽電池などの発電装置を付け加える。
【解決手段】電気システムは、電力により作動する補機２５０と、補機２５０に電力を供給するように補機２５０に接続された補機バッテリ１５２と、補機バッテリ１５２に電力を供給するコンバータと、補機２５０に接続される太陽電池２６０と、補機２５０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２４０が作動している場合に補機２５０に電力を供給するように太陽電池２６０を制御するＥＣＵ２７０とを備える。太陽電池２６０が発電する電流の最大値は、補機２５０に供給される電流の最小値以下になるように定められる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気システムに関し、特に、バッテリに接続された機器に、発電装置から電力を供給する技術に関する。

従来より、太陽電池などの外部発電装置が設けられた車両が知られている。特開２００４−８０９１４号公報（特許文献１）は、太陽電池と、太陽電池によって発電された電力により駆動するファンとが搭載された車両を開示する。

特開２００４−８０９１４号公報

しかしながら、太陽電池を車両に付け加えるためには、太陽電池により発電された電力が過剰である場合のためのフェールセーフ機構など、付加的な回路がさらに必要になる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、簡素な回路により太陽電池などの発電装置を付け加えることである。

電気システムは、電力により作動する機器と、機器に電力を供給するように機器に接続されたバッテリと、バッテリに電力を供給するコンバータと、機器に接続される発電装置と、機器およびコンバータが作動している場合に機器に電力を供給するように発電装置を制御する制御装置とを備える。発電装置が発電する電流の最大値は、機器に供給される電流の最小値以下になるように定められる。

この構成によると、機器およびコンバータが作動している場合に限り、発電装置から機器に電力が供給される。したがって、発電装置が電気システムに付け加えられた場合であっても、発電装置とともに新たなコンバータなどを設けずとも、バッテリに電力を供給するために設けられたコンバータによってバッテリに充電される電力および機器に供給される電力を調整することができる。また、発電装置が発電する電流の最大値は、機器に供給される電流の最小値以下である。そのため、発電装置により発電された電力が過剰である場合のためのフェールセーフ機構などの回路を設ける必要がない。よって、簡素な回路により太陽電池などの発電装置を付け加えることができる。

ハイブリッド車両を示す概略図である。ハイブリッド車両の電気システムを示す図である。ＥＣＵが実行するプログラムの制御構造を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、ハイブリッド車両について説明する。なお、ハイブリッド車両の代わりに、電気自動車、燃料電池車およびエンジンのみを駆動源として備える車両を用いてもよい。

ハイブリッド車両は、エンジン１００と、第１ＭＧ（Motor Generator）１１０と、第２ＭＧ１２０と、動力分割機構１３０と、減速機１４０と、バッテリ１５０とを備える。

この車両は、エンジン１００および第２ＭＧ１２０のうちの少なくともいずれか一方からの駆動力により走行する。エンジン１００、第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０は、動力分割機構１３０を介して連結されている。エンジン１００が発生する動力は、動力分割機構１３０により、２経路に分割される。一方は減速機１４０を介して前輪１６０を駆動する経路である。もう一方は、第１ＭＧ１１０を駆動させて発電する経路である。

第１ＭＧ１１０は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルを備える、三相交流回転電機である。第１ＭＧ１１０は、動力分割機構１３０により分割されたエンジン１００の駆動力により発電する。第１ＭＧ１１０により発電された電力は、車両の走行状態や、バッテリ１５０のＳＯＣ（State Of Charge）の状態に応じて使い分けられる。たとえば、
通常走行時では、第１ＭＧ１１０により発電された電力はそのまま第２ＭＧ１２０を駆動させる電力となる。一方、バッテリ１５０のＳＯＣが予め定められた値よりも低い場合、第１ＭＧ１１０により発電された電力は、後述するインバータにより交流から直流に変換される。その後、後述するコンバータにより電圧が調整されてバッテリ１５０に蓄えられる。

第２ＭＧ１２０は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルを備える、三相交流回転電機である。第２ＭＧ１２０は、バッテリ１５０に蓄えられた電力および第１ＭＧ１１０により発電された電力のうちの少なくともいずれかの電力により駆動する。

第２ＭＧ１２０の駆動力は、減速機１４０を介して前輪１６０に伝えられる。これにより、第２ＭＧ１２０はエンジン１００をアシストしたり、第２ＭＧ１２０からの駆動力により車両を走行させたりする。なお、前輪１６０の代わりにもしくは加えて後輪を駆動するようにしてもよい。

ハイブリッド車両の回生制動時には、減速機１４０を介して前輪１６０により第２ＭＧ１２０が駆動され、第２ＭＧ１２０が発電機として作動する。これにより第２ＭＧ１２０は、制動エネルギを電力に変換する回生ブレーキとして作動する。第２ＭＧ１２０により発電された電力は、バッテリ１５０に蓄えられる。

第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０の制御には、たとえばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御が用いられる。なお、第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０をＰＷＭ制御を用いて制御する方法には、周知の一般的な技術を利用すればよいため、ここではさらなる詳細な説明は繰返さない。

動力分割機構１３０は、サンギヤと、ピニオンギヤと、キャリアと、リングギヤとを含むプラネタリギヤユニットである。ピニオンギヤは、サンギヤおよびリングギヤと噛合う。キャリアは、ピニオンギヤが自転可能であるように支持する。サンギヤは第１ＭＧ１１０の回転軸に連結される。キャリアはエンジン１００のクランクシャフトに連結される。リングギヤは第２ＭＧ１２０の回転軸および減速機１４０に連結される。

エンジン１００、第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０が、プラネタリギヤユニットを介して連結されることで、エンジン１００、第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０の回転数は、共線図において直線で結ばれる関係になる。

バッテリ１５０は、複数のバッテリセルを一体化したバッテリモジュールを、さらに複数直列に接続して構成された組電池である。バッテリ１５０の電圧は、たとえば２００Ｖ程度である。バッテリ１５０には、第１ＭＧ１１０もしくは第２ＭＧ１２０により発電された電力が充電される。

図２を参照して、ハイブリッド車両の電気システムについてさらに説明する。ハイブリッド車両には、コンバータ２００と、第１インバータ２１０と、第２インバータ２２０と、システムメインリレー（SMR: System Main Relay）２３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０と、補機２５０と、太陽電池２６０とが設けられる。

コンバータ２００は、リアクトルと、二つのｎｐｎ型トランジスタと、二つダイオードとを含む。リアクトルは、バッテリ１５０の正極側に一端が接続され、２つのｎｐｎ型トランジスタの接続点に他端が接続される。

２つのｎｐｎ型トランジスタは、直列に接続される。ｎｐｎ型トランジスタは、ＭＧ−ＥＣＵ１７２により制御される。各ｎｐｎ型トランジスタのコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードがそれぞれ接続される。

なお、ｎｐｎ型トランジスタとして、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることができる。ｎｐｎ型トランジスタに代えて、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）等の電力スイッチング素子を用いることができる。

バッテリ１５０から放電された電力を第１ＭＧ１１０もしくは第２ＭＧ１２０に供給する際、電圧がコンバータ２００により昇圧される。逆に、第１ＭＧ１１０もしくは第２ＭＧ１２０により発電された電力をバッテリ１５０に充電する際、電圧がコンバータ２００により降圧される。

コンバータ２００と、第１インバータ２１０および第２インバータ２２０との間のシステム電圧ＶＨは、電圧センサ１８０により検出される。

第１インバータ２１０は、Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームを含む。Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは並列に接続される。Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは、それぞれ、直列に接続された２つのｎｐｎ型トランジスタを有する。各ｎｐｎ型トランジスタのコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードがそれぞれ接続される。そして、各アームにおける各ｎｐｎ型トランジスタの接続点は、第１ＭＧ１１０の各コイルの中性点１１２とは異なる端部にそれぞれ接続される。

第１インバータ２１０は、バッテリ１５０から供給される直流電流を交流電流に変換し、第１ＭＧ１１０に供給する。また、第１インバータ２１０は、第１ＭＧ１１０により発電された交流電流を直流電流に変換する。

第２インバータ２２０は、Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームを含む。Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは並列に接続される。Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは、それぞれ、直列に接続された２つのｎｐｎ型トランジスタを有する。各ｎｐｎ型トランジスタのコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードがそれぞれ接続される。そして、各アームにおける各ｎｐｎ型トランジスタの接続点は、第２ＭＧ１２０の各コイルの中性点１２２とは異なる端部にそれぞれ接続される。

第２インバータ２２０は、バッテリ１５０から供給される直流電流を交流電流に変換し、第２ＭＧ１２０に供給する。また、第２インバータ２２０は、第２ＭＧ１２０により発電された交流電流を直流電流に変換する。

システムメインリレー２３０は、バッテリ１５０とコンバータ２００との間に設けられる。システムメインリレー２３０は、バッテリ１５０と電気システムとを接続した状態および遮断した状態を切換える。システムメインリレー２３０が開いた状態であると、バッテリ１５０が電気システムから遮断される。システムメインリレー２３０が閉じた状態であると、バッテリ１５０が電気システムに接続される。

すなわち、システムメインリレー２３０が開いた状態であると、バッテリ１５０が、コンバータ２００などから電気的に遮断される。システムメインリレー２３０が閉じた状態であると、バッテリ１５０がコンバータ２００などと電気的に接続される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０は、バッテリ１５０と補機バッテリ１５２との間に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２７０により制御される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０は、バッテリ１５０の電圧を降圧し、補機バッテリ１５２に電力を供給する。補機バッテリ１５２には、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０から出力された電力が充電される。補機バッテリ１５２の電圧は電圧センサ１８２により検出される。補機バッテリ１５２の電圧を表わす信号は、ＥＣＵ２７０に入力される。

補機バッテリ１５２に充電された電力、すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０から出力された電力は、補機２５０に供給される。補機２５０は、電力により作動する。補機２５０は、たとえば電動オイルポンプ、電動ウォータポンプ、空調装置のインバータなどである。なお、補機２５０はこれらに限らない。

太陽電池２６０は、ハイブリッド車の外部発電装置である。太陽電池２６０は、補機２５０および補機バッテリ１５２に接続される。なお、太陽電池２６０の代わりに熱電素子などを外部発電装置として用いてもよい。

太陽電池２６０は、ＥＣＵ２７０により制御される。ＥＣＵ２７０は、補機２５０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２４０が作動している場合に補機２５０に電力を供給するように太陽電池２６０を制御する。より具体的には、補機２５０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２４０が作動している場合にスイッチ２６２が閉じ、補機２５０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２４０のうちの少なくともいずれか一方が停止している場合にスイッチ２６２が開くように制御される。すなわち、補機２５０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２４０が作動している場合に太陽電池２６０が補機２５０に接続され、補機２５０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２４０のうちの少なくともいずれか一方が停止している場合に太陽電池２６０が補機２５０から遮断される。なお、補機２５０が作動しているか否かは、たとえばイグニッションスイッチ（もしくはスタートスイッチ）がオンであるか否かにより判断される。補機２５０が作動しているか否かを判断する方法はこれに限らない。

本実施の形態において、太陽電池２６０は、専用のコンバータなどを介さずに、補機２５０に直接接続される。太陽電池２６０により発電された電力は補機２５０により消費される。したがって、太陽電池２６０をハイブリッド車両に付け加える際に必要な付加的な回路による電気エネルギの損失を最小限にすることができる。

太陽電池２６０が発電する電流Ｉｃｈｇは、電流センサ１８４により検出される。太陽電池２６０が発電する電流Ｉｃｈｇを表わす信号は、ＥＣＵ２７０に入力される。

本実施の形態において、太陽電池２６０が発電する電流Ｉｃｈｇは、補機２５０に供給される電流（補機２５０が消費する電流）Ｉｈｏｋｉ以下になるように定められる。

図３を参照して、ＥＣＵ２７０が実行するプログラムの制御構造について説明する。なお、以下に説明する制御構造はソフトウェアにより実現するようにしてもよく、ハードウェアにより実現するようにしてもよい。

ステップ（以下、ステップをＳと略す）１００にて、ＥＣＵ２７０は、イグニッションスイッチがオンであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０が作動しており、かつ太陽電池２６０が正常であるか否かを判断する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０はＥＣＵ２７０が制御しているため、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０が作動しているか否かはＥＣＵ２７０の内部で判断される。太陽電池２６０が正常であるか否かは、周知の一般的な技術を利用すればよいため、ここではその詳細な説明は繰返さない。

イグニッションスイッチがオンであり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０が作動しており、かつ太陽電池２６０が正常であると（Ｓ１００にてＹＥＳ）、処理はＳ１０２に移される。もしそうでないと（Ｓ１００にてＮＯ）、処理はＳ１０４に移される。

Ｓ１０２にて、ＥＣＵ２７０は、太陽電池２６０を補機２５０に接続するようにスイッチ２６２を閉じる。

Ｓ１０４にて、ＥＣＵ２７０は、太陽電池２６０を補機２５０から遮断するようにスイッチ２６２を開く。

Ｓ１１０にて、ＥＣＵ２７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０への指示電圧のベース値Ｖｔａｇｂａｓｅを算出する。たとえば、補機２５０の運転状態および補機バッテリ１５２の電圧などに基づいて、指示電圧のベース値Ｖｔａｇｂａｓｅが算出される。

Ｓ１１２にて、ＥＣＵ２７０は、太陽電池２６０が発電する電流Ｉｃｈｇを検出する。
Ｓ１１４にて、ＥＣＵ２７０は、太陽電池２６０が発電する電流Ｉｃｈｇに、補機バッテリ１５２の抵抗Ｒｂａｔｔを乗じることにより、電圧の低下量ΔＶｔａｇを算出する。補機バッテリの抵抗Ｒｂａｔｔは、たとえば、補機バッテリ１５２の温度、およびＳＯＣなどをパラメータに有するマップに従って算出される。

Ｓ１１６にて、ＥＣＵ２７０は、ベース値Ｖｔａｇｂａｓｅから低下量ΔＶｔａｇを減算することにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０への指示電圧Ｖｔａｇを算出する。

Ｓ１１８にて、ＥＣＵ２７０は、指示電圧Ｖｔａｇを予め定められた最大値Ｖｍａｘ以下であり、予め定められた最小値Ｖｍｉｎ以上に制限する。

Ｓ１２０にて、ＥＣＵ２７０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０の出力電圧が指示電圧Ｖｔａｇになるように制御する。

以上のように、本実施の形態に係る電気システムによれば、補機２５０およびＤＣ／ＤＣコンバータ２４０が作動している場合に限り、太陽電池２６０から補機２５０に電力が供給される。したがって、太陽電池２６０が電気システムに付け加えられた場合であっても、太陽電池２６０とともに新たなコンバータなどを設けずとも、補機バッテリ１５２に電力を供給するために設けられたＤＣ／ＤＣコンバータ２４０によって補機バッテリ１５２に充電される電力および補機２５０に供給される電力を調整することができる。また、太陽電池２６０が発電する電流Ｉｃｈｇの最大値は、補機２５０に供給される電流Ｉｈｏｋｉの最小値以下である。そのため、太陽電池２６０により発電された電力が過剰である場合のためのフェールセーフ機構などの回路を設ける必要がない。よって、簡素な回路により太陽電池２６０などの外部発電装置を電気システムに付け加えることができる。

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て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。

１００エンジン、１１０第１ＭＧ、１２０第２ＭＧ、１３０動力分割機構、１４０減速機、１５０バッテリ、１５２補機バッテリ、１６０前輪、１８０，１８２電圧センサ、１８４電流センサ、２００コンバータ、２１０第１インバータ、２２０第２インバータ、２３０システムメインリレー、２４０ＤＣ／ＤＣコンバータ、２５０補機、２６０太陽電池、２６２スイッチ、２７０ＥＣＵ。

Claims

電力により作動する機器と、
前記機器に電力を供給するように前記機器に接続されたバッテリと、
前記バッテリに電力を供給するコンバータと、
前記機器に接続される発電装置と、
前記機器および前記コンバータが作動している場合に前記機器に電力を供給するように前記発電装置を制御する制御装置とを備え、
前記発電装置が発電する電流の最大値は、前記機器に供給される電流の最小値以下になるように定められる、電気システム。