JP2011223837A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大容量のキャパシタを搭載した電動車両の始動時間の短縮及び始動損失を抑制する。
【解決手段】二次電池１８と、昇圧コンバータ３０と、システムメインリレー１７ａ，１７ｂと、充電抵抗１６と充電抵抗ラインリレー１５と、平滑コンデンサ１３と、平滑コンデンサ１３に二次電池１８と並列に接続される電圧変換器２０と、電圧変換器２０に接続されるキャパシタ１９と、制御部８０とを備える電源装置１００であって、制御部８０は、充電抵抗ラインリレー１５をオンとして平滑コンデンサ１３を所定の電圧まで充電する第１の充電手段と、第１の充電手段によって平滑コンデンサ１３の充電を行った後、充電抵抗ラインリレー１５をオフとしてシステムメインリレー１７ａ，１７ｂをオンとするとともに、各スイッチング素子をオンオフさせてキャパシタ１９を充電する第２の充電手段を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置の構成に関する。

ハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両では、２００Ｖ程度の充放電可能な二次電池の電圧を昇圧してインバータを介して車両駆動用のモータジェネレータやモータを駆動しているものが多い。二次電池の電圧を昇圧するにはスイッチング素子とリアクトルとを組み合わせた昇圧コンバータが用いられるが、昇圧コンバータから出力される電圧はスイッチング素子のスイッチング動作のため一定ではなく、変動するものである。そこで、昇圧コンバータとインバータとの間の高圧電圧を平滑にするための平滑コンデンサを設ける場合が多い。平滑コンデンサを用いた電源系統では、電動車両を始動する際に、平滑コンデンサにいきなり電流が流れ込まないように、予め充電することが必要となる。この場合、二次電池の出力側に抵抗を通って平滑コンデンサに電流を流す充電回路を設け、この充電抵抗によって平滑コンデンサを徐々に充電していく方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、このように充電抵抗を通して電流を流して平滑コンデンサを充電する場合には、充電抵抗を通すことによる損失があることから、二次電池に蓄電されている電気エネルギを有効に活用できないという問題があった。そこで、充電抵抗を通して平滑コンデンサの充電を行うのではなく、スイッチングトランジスタとチョークコイルとを直列に接続した定電流回路を通して平滑コンデンサを充電する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、この方法は、平滑コンデンサの充電のために定電流回路を設けることから部品点数が増え、電源装置の構造が複雑になってしまうという問題があった。

一方、電動車両には長い航続距離と高い加減速性能が求められる。しかし、二次電池の重量の関係から、車両に搭載することの出来る二次電池の量をあまり大きくすることが出来ない。このため、二次電池と大容量のキャパシタを並列に接続した電源装置とすることによって二次電池の搭載量の削減、二次電池の過充電を抑制し電池を保護することが提案されている。このような、二次電池とキャパシタとを並列に接続した電源装置では、車両を始動する際に平滑コンデンサと共にキャパシタを電動車両の電源系統と接続する必要がある。キャパシタを車両の電源系統に接続する際に、キャパシタの電圧と二次電池或いは電源系統との電圧差が大きいとキャパシタに対して突入電流が流れてキャパシタが損傷を受ける場合がある。このため、キャパシタの電圧が低い場合には、エンジンを始動してモータジュネレータで発電した電力でキャパシタを二次電池と略同様の電圧となるまで予め充電した後にキャパシタと二次電池とを接続し、キャパシタの電圧が二次電池の電圧よりも高い場合には、キャパシタが並列に接続されている電源系統のコンデンサを二次電池の電力で充電してキャパシタと略同電圧となるまで充電し、その後キャパシタと電源系統とを接続する方法が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

特開２００５−１４３２５９号公報 特開平１０−１６４７０９号公報 特開２００６−１５７１７３号公報

ところで、電動車両においても通常のエンジン搭載車両のように起動の即時性が要求されている。特許文献３に記載された従来技術では、キャパシタが放電状態である場合には、エンジンによって平滑コンデンサ、キャパシタの充電を行うため、エンジンを備えていない電動車両には適用することができず、エンジンを備えていない電気自動車等では二次電池から充電抵抗を通して平滑コンデンサと大容量のキャパシタの充電を行わなければならず、大容量のキャパシタの充電に時間がかかってしまい。電動車両の始動時間が長くなってしまうという問題があった。

本発明は、大容量のキャパシタを搭載した電動車両の始動時間の短縮及び始動損失の抑制を図ることを目的とする。

本発明の電源装置は、第１の蓄電装置と、前記第１の蓄電装置に接続される第１の電圧変換器と、前記第１の蓄電装置と前記第１の電圧変換器との間に設けられるシステムメインリレーと、前記システムメインリレーと並列に接続され、充電抵抗とオンオフスイッチとが直列に接続された充電抵抗回路と、前記第１の電圧変換器に接続されるインバータと、前記第１の電圧変換器とインバータとの間に配置され、前記第１の電圧変換器と前記インバータとを接続する高圧電路と第１の基準電路との間に接続される平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに前記第１の電圧変換器と並列に接続され、複数のスイッチング素子を含む第２の電圧変換器と、前記第２の電圧変換器に接続される第２の蓄電装置と、前記オンオフスイッチと、前記システムメインリレーと、各スイッチング素子とをオンオフする制御部と、を備える電源装置であって、制御部は、前記オンオフスイッチをオンとして前記平滑コンデンサを所定の電圧まで充電する第１の充電手段と、前記第１の充電手段によって前記平滑コンデンサの充電を行った後、前記オンオフスイッチをオフとしてシステムメインリレーをオンとするとともに、前記スイッチング素子をオンオフさせて前記第２の蓄電装置を充電する第２の充電手段と、を有することを特徴とする。

本発明の電源装置において、第１の充電手段は、前記スイッチング素子をオフとして、前記平滑コンデンサと前記第２の蓄電装置とを遮断し、前記平滑コンデンサを充電すること、としても好適である。

本発明は、大容量のキャパシタを搭載した電動車両の始動時間の短縮及び始動損失の抑制を図ることができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における電源装置の構成を示す系統図である。 本発明の実施形態における電源装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施形態における電源装置の動作を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら本実施形態の電源装置について説明する。図１に示すように、電動車両２００に搭載される本実施形態の電源装置１００は、第１の蓄電装置である充放電可能な二次電池１８と、二次電池１８の電力を昇圧してインバータ１２に供給する第１の電圧変換器である昇圧コンバータ３０と、昇圧コンバータ３０とインバータ１２のプラス側を接続する高圧電路である高圧側入出力線４５と、マイナス側を接続する第１の基準電路である基準入出力線４６と、高圧側入出力線４５と基準入出力線４６との間に接続される平滑コンデンサ１３と、平滑コンデンサ１３に昇圧コンバータ３０と並列に接続される第２の電圧変換器である電圧変換器２０と、電圧変換器２０に接続される第２の蓄電装置であるキャパシタ１９とを備えている。インバータ１２には車両駆動用のモータジェネレータ１１が接続されている。

二次電池１８のプラス側入出力線４８は昇圧コンバータ３０低圧側の低圧側入出力線４７に接続され、二次電池１８のマイナス側入出力線４９は昇圧コンバータ、インバータ１２の基準入出力線４６に接続されている。また、二次電池１８の入出力線４８，４９にはそれぞれ二次電池１８と昇圧コンバータ３０とを遮断するシステムメインリレー１７ａ（ＳＭＲ２），１７ｂ（ＳＭＲ３）が設けられている。また、二次電池１８のプラス側入出力線４８には充電抵抗１６が直列に挿入されたオンオフスイッチである充電抵抗ラインリレー１５（ＳＭＲ１）が設けられている。充電抵抗ラインリレー１５（ＳＭＲ１）と充電抵抗１６とは充電抵抗回路を構成する。また、昇圧コンバータ３０の低圧側入出力線４７と基準入出力線４６との間には低圧コンデンサ１４が設けられている。

昇圧コンバータ３０は、上アームスイッチング素子３１（Ｑ１）と、上アームスイッチング素子３１（Ｑ１）と逆並列に接続された上アームダイオード３２と、上アームスイッチング素子３１（Ｑ１）と直列に接続された下アームスイッチング素子３３（Ｑ２）と、下アームスイッチング素子３３（Ｑ２）と逆並列に接続された下アームダイオード３４と、上アームスイッチング素子３１（Ｑ１）と下アームスイッチング素子３３（Ｑ２）との間に接続された低圧側入出力線４７と、低圧側入出力線４７の中に設けられたリアクトル３５と、上アームスイッチング素子３１（Ｑ１）の低圧側入出力線４７と反対側に接続される高圧側入出力線４５とを含み、下アームスイッチング素子３３（Ｑ２）は基準入出力線４６に接続されている。昇圧コンバータ３０の高圧側入出力線４５と基準入出力線４６とはそれぞれ、インバータ１２のプラス側端、マイナス側端にそれぞれ接続されている。

電圧変換器２０は、二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）と、二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）と逆並列に接続された二次側上アームダイオード２２と、二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）と直列に接続された二次側下アームスイッチング素子２３（Ｑ６）と、二次側下アームスイッチング素子２３（Ｑ６）と逆並列に接続された二次側下アームダイオード２４と、一次側上アームスイッチング素子２６（Ｑ３）と、一次側上アームスイッチング素子２６（Ｑ３）と逆並列に接続された一次側上アームダイオード２７と、一次側上アームスイッチング素子２６（Ｑ３）と直列に接続された一次側下アームスイッチング素子２８（Ｑ４）と、一次側下アームスイッチング素子２８（Ｑ４）と逆並列に接続された一次側下アームダイオード２９と、二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）と二次側下アームスイッチング素子２３（Ｑ６）との間と一次側上アームスイッチング素子２６（Ｑ３）と一次側下アームスイッチング素子２８（Ｑ４）との間の接続線５３ａに接続されたリアクトル２５と、二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）の一端に接続された二次側入出力線５１と、一次側上アームスイッチング素子２６（Ｑ３）の一端に接続された一次側入出力線５３と、各下アームスイッチング素子２３（Ｑ６），２８（Ｑ４）の接続線５３ａと反対側に接続される基準入出力線５２とを含んでいる。電圧変換器２０の一次側入出力線５３と基準入出力線５２の一次側はそれぞれキャパシタ１９のプラス側入出力線５４、マイナス側入出力線５５にそれぞれ接続されている。また、電圧変換器２０の二次側入出力線５１と基準入出力線５２の二次側はそれぞれ接続点４３，４４に接続され、二次側入出力線５１は昇圧コンバータ３０、インバータ１２の高圧側入出力線４５に電気的に接続され、電圧変換器２０の基準入出力線５２の二次側は昇圧コンバータ３０、インバータ１２の基準入出力線４６に接続されている。このため、電圧変換器２０は高圧側入出力線４５と基準入出力線４６とを介して平滑コンデンサ１３に昇圧コンバータ３０と並列に接続されている。

二次電池１８の出力側には二次電池１８の出力電圧を検出する電圧センサ６３が設けられ、二次電池１８のプラス側入出力線４８には二次電池１８の入出力電流を検出する電流センサ６２が設けられている。また、キャパシタ１９の出力側には、キャパシタ１９の出力電圧を検出する電圧センサ６５が設けられ、キャパシタ１９のプラス側入出力線５４にはキャパシタ１９の入出力電流を検出する電流センサ６４が設けられている。また、平滑コンデンサ１３には平滑コンデンサ１３の両端の電圧を検出する電圧センサ６１が設けられている。

インバータ１２、昇圧コンバータ３０の各スイッチング素子３１（Ｑ１），３３（Ｑ２）、電圧変換器２０の各スイッチング素子２１（Ｑ５），２３（Ｑ６），２６（Ｑ３），２８（Ｑ４）、システムメインリレー１７ａ，１７ｂ、充電抵抗ラインリレー１５は制御部８０に接続され、制御部８０の指令によって動作するよう構成されている。また、モータジェネレータ１１、各電圧センサ６１，６３，６５、各電流センサ６２，６４、二次電池１８、キャパシタ１９はそれぞれ制御部８０に接続され、制御部８０には各部の電圧値、電流値、モータジェネレータ１１、二次電池１８，キャパシタ１９の状態が入力されるよう構成されている。制御部８０は、内部に信号処理を行うＣＰＵと、制御プログラムやデータを格納する記憶部とを含むコンピュータである。

以上のように構成された電源装置１００において、平滑コンデンサ１３とキャパシタ１９の充電を行う動作について説明する。電源装置１００を搭載した電動車両２００は停止しており、平滑コンデンサ１３、キャパシタ１９は放電されてその電圧は略ゼロとなっている。また、初期状態では、全てのスイッチング素子２１（Ｑ５），２３（Ｑ６），２６（Ｑ３），２８（Ｑ４），３１（Ｑ１），３３（Ｑ２）はオフとなっており、各リレー１５，１７ａ，１７ｂもオフとなっている。

図２のステップＳ１０１に示すように、制御部８０は、充電抵抗ラインリレー１５（ＳＭＲ１）をオンとすると同時に二次電池１８のマイナス側入出力線４９側のシステムメインリレー１７ｂ（ＳＭＲ３）の接点をオンとする。これによって二次電池１８は充電抵抗１６を介して昇圧コンバータ３０に接続される。すると、二次電池１８の電流は、プラス側入出力線４８から充電抵抗ラインリレー１５（ＳＭＲ１）、充電抵抗１６から昇圧コンバータ３０の低圧側入出力線４７に流れる。そして、リアクトル２５から上アームダイオード３２を通って高圧側入出力線４５に流れ、平滑コンデンサ１３を充電し始める。この際、二次電池１８のマイナス側入出力線４９はシステムメインリレー１７ｂ（ＳＭＲ３）のマイナス側接点、昇圧コンバータ３０の基準入出力線４６を介してインバータ１２のマイナス側接点に接続されている。平滑コンデンサ１３を充電すると、図３の時間ｔ₀から時間ｔ₁に示すように、平滑コンデンサ１３の両端の電圧ＶＨは次第に上昇していく。

図２のステップＳ１０２に示すように、制御部８０は、電圧センサ６１によって平滑コンデンサ１３の両端の電圧ＶＨを取得し、二次電池１８の電圧ＶＢに近い所定の電圧ＶＨ₀まで昇圧されたかどうかを監視する。そして、制御部８０は、平滑コンデンサ１３の電圧ＶＨが、所定の電圧ＶＨ₀と略同様の電圧となった場合には、図２のステップＳ１０３、図３の時間ｔ₁に示すように、充電抵抗ラインリレー１５（ＳＭＲ１）をオフとし、二次電池１８のプラス側入出力線４８に設けられているシステムメインリレー１７ａ（ＳＭＲ２）をオンとし、二次電池１８と昇圧コンバータ３０とを充電抵抗１６を介さずに直接接続する。すると、二次電池１８と平滑コンデンサ１３との間の電気抵抗が小さくなることから、図２のステップＳ１０４、図３の時間ｔ₁に示すように、平滑コンデンサ１３の電圧ＶＨは二次電池１８の電圧ＶＢと略同一の電圧となる。また、制御部８０は、昇圧コンバータ３０の上アームスイッチング素子３１（Ｑ１）をオンとし、二次電池１８を充電するために高圧側入出力線４５から二次電池１８のプラス側入出力線４８に電流を流せるように準備する。

図２のステップＳ１０５、図３の時間ｔ₁から時間ｔ₂に示すように、制御部８０は、電圧変換器２０の二次側下アームスイッチング素子２３（Ｑ６）、一次側上アームスイッチング素子２６（Ｑ３）、一次側下アームスイッチング素子２８（Ｑ４）をオフのままとし、二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）をオンオフ動作させる降圧動作を開始し、二次電池１８と略同様の電圧ＶＢに昇圧されている平滑コンデンサ１３の電圧ＶＨを降圧してキャパシタ１９の充電を開始する。電圧変換器２０の二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）がオンとなると、平滑コンデンサ１３のプラス側は、高圧側入出力線４５、接続点４３、電圧変換器２０の二次側入出力線５１、二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）を介してリアクトル２５に接続され、平滑コンデンサ１３に蓄電されている電荷はリアクトル２５に電気エネルギとして蓄積される。そして、電圧変換器２０の二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）がオフとなると、平滑コンデンサ１３から電圧変換器２０への電流の流れは遮断され、リアクトル２５に蓄積された電力はリアクトル２５、一次側上アームダイオード２７、キャパシタ１９、二次側下アームダイオード２４をつなぐ回路を流れてキャパシタ１９に充電される。この際、電圧変換器２０の一次側入出力線５３の電圧は二次側入出力線５１の電圧よりも降圧されている。どの程度の電圧まで降圧するかは電圧変換器２０の二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）のオンオフのデューティ比によって決まる。初期状態ではキャパシタ１９は放電状態となっており、その電圧は略ゼロとなっていることから、キャパシタ１９の充電開始の際には、二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）のデューティ比を小さくして、キャパシタ１９に突入電流が流れないように、充電を開始する。このキャパシタ１９の充電制御は、電流センサ６４、電圧センサ６５によってキャパシタ１９に流入する電流が最適な充電電流となるようにフィードバック制御をかけるようにしてもよい。また、各スイッチング素子２１（Ｑ５，）２３（Ｑ６），２６（Ｑ３），２８（Ｑ４）のオンオフ動作は上記のような動作に限らず、二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）の他のスイッチング素子をオンオフ動作させるように制御してもよい。

制御部８０は、図２のステップＳ１０６、図３の時間ｔ₂に示すように、キャパシタ１９の電圧が二次電池１８の電圧ＶＢと同様の電圧となっている平滑コンデンサ１３の電圧ＶＨに近い所定の電圧ＶＣ₀まで上昇したら、図２のステップＳ１０７に示すように、キャパシタ１９の充電を終了する。そして、制御部８０は、図３の時間ｔ₂から二次電池１８とキャパシタ１９とを用いて電動車両２００を駆動していく。この場合、制御部８０は、図３の時間ｔ₂以降に示すように、昇圧コンバータ３０の上アームスイッチング素子３１（Ｑ１）と下アームスイッチング素子３３（Ｑ２）とオンオフ動作させながら、二次電池１８の電圧を昇圧してインバータ１２に供給したり、逆にモータジェネレータ１１によって発電した電力を二次電池１８に蓄電したりする。また、制御部８０は電圧変換器２０の各スイッチング素子２１（Ｑ５，）２３（Ｑ６），２６（Ｑ３），２８（Ｑ４）をオンオフ動作させて、電動車両２００の駆動力が必要な場合にはキャパシタ１９の電圧を平滑コンデンサ１３の電圧に昇圧してインバータ１２に供給し、より大きな蓄電容量が必要となった場合には各スイッチング素子２１（Ｑ５，）２３（Ｑ６），２６（Ｑ３），２８（Ｑ４）をオンオフ動作させて、インバータ１２からの電力を降圧してキャパシタ１９に蓄電、二次電池１８の過充電を抑制する。

以上説明した実施形態では、最初に充電抵抗１６を通して比較的小容量の平滑コンデンサ１３を充電した後、システムメインリレー１７ａ，１７ｂをオンとし、電圧変換器２０を動作させることによって充電抵抗１６を通さずに大容量のキャパシタ１９を充電することとしているので、従来技術のように充電抵抗１６を通して大容量のキャパシタ１９を充電する場合に比較してキャパシタ１９の充電時間を短縮でき、電動車両２００の始動時間を短縮することができるという効果を奏する。また、充電抵抗１６を通さずに大容量のキャパシタ１９の充電を行うので、キャパシタ１９を充電する際の損失を少なくすることができるという効果を奏する。

以上説明した実施形態では、電圧変換器２０は昇圧、降圧の両方を行うものとして説明したが、図１に示す各スイッチング素子２１（Ｑ５），２３（Ｑ６）、各ダイオード２２，２４、リアクトル２５で構成され、平滑コンデンサ１３の電圧をキャパシタ１９に向かって降圧するだけのものとしてもよい。このような構成としても、平滑コンデンサ１３からキャパシタ１９への充電の際には二次側上アームスイッチング素子２１（Ｑ５）をオフとすることによって平滑コンデンサ１３からキャパシタ１９への電流の流れを遮断することができるので、充電電流を制御することができるからである。また、上記のような構成でも、モータジェネレータ１１からの電力を降圧してキャパシタ１９に蓄電させることが出来るし、キャパシタ１９からインバータ１２に電力を供給する際にはキャパシタ１９の電圧を昇圧して高圧の電力を供給することができる。

１１ モータジェネレータ、１２ インバータ、１３ 平滑コンデンサ、１４ 低圧コンデンサ、１５ 充電抵抗ラインリレー、１６ 充電抵抗、１７ａ，１７ｂ システムメインリレー、１８ 二次電池、１９ キャパシタ、２０ 電圧変換器、２１ 二次側上アームスイッチング素子、２２ 二次側上アームダイオード、２３ 二次側下アームスイッチング素子、２４ 二次側下アームダイオード、２５ リアクトル、２６ 一次側上アームスイッチング素子、２７ 一次側上アームダイオード、２８ 一次側下アームスイッチング素子、２９ 一次側下アームダイオード、３０ 昇圧コンバータ、３１ 上アームスイッチング素子、３２ 上アームダイオード、３３ 下アームスイッチング素子、３４ 下アームダイオード、３５ リアクトル、４３，４４ 接続点、４５ 高圧側入出力線、４６，５２ 基準入出力線、４７ 低圧側入出力線、４８，５４ プラス側入出力線、４９，５５ マイナス側入出力線、５１ 二次側入出力線、５３ 一次側入出力線、５３ａ 接続線、６１，６３，６５ 電圧センサ、６２，６４ 電流センサ、８０ 制御部、１００ 電源装置、２００ 電動車両。

Claims (2)

1. 第１の蓄電装置と、
   前記第１の蓄電装置に接続される第１の電圧変換器と、
   前記第１の蓄電装置と前記第１の電圧変換器との間に設けられるシステムメインリレーと、
   前記システムメインリレーと並列に接続され、充電抵抗とオンオフスイッチとが直列に接続された充電抵抗回路と、
   前記第１の電圧変換器に接続されるインバータと、
   前記第１の電圧変換器とインバータとの間に配置され、前記第１の電圧変換器と前記インバータとを接続する高圧電路と第１の基準電路との間に接続される平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサに前記第１の電圧変換器と並列に接続され、複数のスイッチング素子を含む第２の電圧変換器と、
   前記第２の電圧変換器に接続される第２の蓄電装置と、
   前記オンオフスイッチと、前記システムメインリレーと、各スイッチング素子とをオンオフする制御部と、を備える電源装置であって、
   制御部は、
   前記オンオフスイッチをオンとして前記平滑コンデンサを所定の電圧まで充電する第１の充電手段と、
   前記第１の充電手段によって前記平滑コンデンサの充電を行った後、前記オンオフスイッチをオフとしてシステムメインリレーをオンとするとともに、前記スイッチング素子をオンオフさせて前記第２の蓄電装置を充電する第２の充電手段と、
   を有することを特徴とする電源装置。
2. 請求項１に記載の電源装置であって、
   第１の充電手段は、前記スイッチング素子をオフとして、前記平滑コンデンサと前記第２の蓄電装置とを遮断し、前記平滑コンデンサを充電すること、
   を特徴とする電源装置。

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