JP2012222982A

JP2012222982A - 電気システム

Info

Publication number: JP2012222982A
Application number: JP2011087229A
Authority: JP
Inventors: Koji Hara; 浩二原
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2012-11-12

Abstract

【課題】一部が補機バッテリに、他の一部が負荷に接続可能なバッテリのセル間での残存容量のアンバランスを抑制する。
【解決手段】電気システムは、負荷に接続され、低圧部１５２と高圧部１５４とを含むバッテリ１５０、電力が供給されると、低圧部１５２と高圧部１５４とを切り離す第１リレー３０１、電力が供給されると、低圧部１５２を負荷から切り離す第２リレー３０２、電力が供給されると、高圧部１５４を負荷に接続する第３リレー３０３、低圧部１５２から第１リレー３０１、第２リレー３０２および第３リレー３０３に電力を供給する第１電力線３１１、低圧部１５２から補機２５０に電力を供給する第２電力線３１２およびコネクタ３２０を備える。コネクタ３２０は、第１電力線３１１を低圧部１５２に接続した後、第２電力線３１２を低圧部１５２に接続する。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気システムに関し、特に、一部を補機に、他の一部を負荷に接続することが可能なバッテリが設けられた電気システムに関する。

電動モータを駆動源として有するハイブリッド車、電気自動車などが知られている。車両が走行するために、電動モータには、空調装置およびＥＣＵ（Electronic Control Unit）などの補機に比べて非常に高い電圧が供給される。そのような電動モータに供給する電力を蓄えるために、車両には、一般的な１２Ｖの補機バッテリとは別に、走行用の高電圧バッテリが搭載される。

しかしながら、高電圧バッテリの残存容量（ＳＯＣ：State Of Charge）が十分にあっても、補機バッテリの残存容量または電圧が低いと、ＥＣＵが作動しない。そのため、車両を走行させることができない。

このような不都合に対応する１つの方法として、特開２００１−１３５３４６号公報（特許文献１）は、定格電圧より低い電圧を取り出すための中間端子と、低圧バッテリに接続されるコネクタと、中間端子とコネクタ間の接続を切り替えるスイッチとを有する車両用バッテリを開示する。

特開２００１−１３５３４６号公報

しかしながら、特開２００１−１３５３４６号公報に記載の車両用バッテリでは、中間端子とコネクタとを接続した状態において、車両用バッテリのうち、低圧バッテリと並列に接続された部分の残存容量からは、モータを駆動するための電力と低圧バッテリを充電するための電力とが放電される。その結果、低圧バッテリと並列に接続された部分の残存容量のみが、他の部分の残存容量に比べて速く低下する。その結果、車両用バッテリのセル間で残存容量がアンバランスになる。そのため、車両用バッテリの一部において残存容量が高くても、車両用バッテリの全体的な性能は大きく低下し得る。

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、バッテリのセル間での残存容量のアンバランスを抑制することである。

電気システムは、第１の部分と第２の部分とを含む、負荷に接続されたバッテリと、電力が供給されると、第１の部分と第２の部分とを切り離す第１のリレーと、電力が供給されると、第１の部分を負荷から切り離す第２のリレーと、電力が供給されると、第２の部分を負荷に接続する第３のリレーと、第１の部分から第１のリレー、第２のリレーおよび第３のリレーに電力を供給する第１の電力線を第１の部分に接続した後、第１の部分から補機に電力を供給する第２の電力線を第１の部分に接続するコネクタとを備える。

この電気システムによると、バッテリのうち、補機に接続される第１の部分と、負荷に接続される第２の部分とが切り離される。したがって、第１の部分は負荷に電力を供給しない。その結果、第１の部分が補機に加えて負荷に電力を供給するということが防がれる。そのため、第１の部分の残存容量のみが第２の部分の残存容量に比べて著しく速く低下するということが防がれる。よって、バッテリのセル間での残存容量のアンバランスが抑制される。

ハイブリッド車両を示す概略構成図である。ハイブリッド車両の電気システムを示す図（その１）である。ハイブリッド車両の電気システムを示す図（その２）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、第１の実施の形態に係る制御装置を搭載したハイブリッド車両について説明する。この車両は、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。

エンジン１００は、ＰＭ（Power train Manager）−ＥＣＵ１７０により制御される。第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０は、ＭＧ−ＥＣＵ１７２により制御される。ＰＭ−ＥＣＵ１７０とＭＧ−ＥＣＵ１７２とは双方向に通信可能に接続される。

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、ＳＭＲ（System Main Relay）２３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０と、補機２５０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ＭＯＳＦＥ
Ｔ（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。電圧センサ１８０の検出結果は、ＭＧ−ＥＣＵ１７２に送信される。

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。

コンバータ２００、第１インバータ２１０および第２インバータ２２０は、ＭＧ−ＥＣＵ１７２により制御される。ＭＧ−ＥＣＵ１７２は、ＰＭ−ＥＣＵ１７０から入力されたトルク指令値に従ったトルクを出力するように、第１インバータ２１０を制御する。同様に、ＭＧ−ＥＣＵ１７２は、ＰＭ−ＥＣＵ１７０から入力されたトルク指令値に従ったトルクを出力するように、第２インバータ２２０を制御する。

コンバータ２００、第１インバータ２１０、第２インバータ２２０、第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０は、要するに、バッテリ１５０に接続される負荷である。

ＳＭＲ２３０は、バッテリ１５０とコンバータ２００との間に設けられる。ＳＭＲ２３０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リレーである。ＳＭＲ２３０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。ＳＭＲ２３０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、ＳＭＲ２３０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。ＳＭＲ２３０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。

ＳＭＲ２３０の状態は、ＰＭ−ＥＣＵ１７０により制御される。たとえば、ＰＭ−ＥＣＵ１７０が起動すると、ＳＭＲ２３０が閉じられる。ＰＭ−ＥＣＵ１７０が停止する際、ＳＭＲ２３０が開かれる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０は、バッテリ１５０と補機バッテリ１５１との間に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０は、バッテリ１５０の電圧を降圧する。補機バッテリ１５１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１５１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、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、ＰＭ−ＥＣＵ１７０、ＭＧ−ＥＣＵ１７２、コンバータ２００、第１インバータ２１０、第２インバータ２２０、ＳＭＲ２３０、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４０を含む。

図３を参照して、電気システムについてさらに説明する。電気システムは、バッテリ１５０に加えて、第１リレー３０１、第２リレー３０２、第３リレー３０３、第１電力線３１１、第２電力線３１２およびコネクタ３２０を備える。

上述したように、バッテリ１５０は、コンバータ２００、第１インバータ２１０、第２インバータ２２０、第１ＭＧ１１０および第２ＭＧ１２０などの負荷に接続される。本実施の形態において、バッテリ１５０は、低圧部１５２と高圧部１５４との２つの部分に分けられる。低圧部１５２および高圧部１５４は、各々、複数のバッテリセルから構成される。低圧部１５２の電圧は、補機バッテリ１５１の電圧と同じまたは略同じである。低圧部１５２の電圧は、たとえば１２Ｖである。

高圧部１５４の電圧は、バッテリ１５０全体の電圧から低圧部１５２の電圧を減算して得られる電圧と同じである。

第１リレー３０１は、電力が供給されると開き、低圧部１５２と高圧部１５４とを切り離す。第２リレー３０２は、電力が供給されると開き、低圧部１５２をたとえばコンバータ２００などの負荷から切り離す。第３リレー３０３は、電力が供給されると閉じ、高圧部１５４を負荷に接続する。

第１電力線３１１は、低圧部１５２から第１リレー３０１、第２リレー３０２および第３リレー３０３に電力を供給する。第２電力線３１２は、低圧部１５２から補機２５０に電力を供給する。

コネクタ３２０は、第１電力線３１１に繋がれた第１端子３２１と、第２電力線３１２に繋がれた第２端子３２２とを含む。図３に示すように、第１端子３２１はコネクタ３２０の外部まで突出している一方、第２端子３２２は、コネクタ３２０の内部にある。このような第１端子３２１および第２端子３２２を有するコネクタ３２０を、ユーザがソケット３３０に挿入することにより、コネクタ３２０は、第１電力線３１１を低圧部１５２に接続した後、第２電力線３１２を低圧部１５２に接続する。

したがって、先に、補機２５０よりも先に、低圧部１５２から第１リレー３０１、第２リレー３０２および第３リレー３０３に電力が供給される。その結果、補機２５０に電力が供給されるよりも先に、低圧部１５２と高圧部１５４とが切り離され、低圧部１５２が負荷から切り離され、高圧部１５４が負荷に接続される。

以上のように、本実施の形態においては、バッテリ１５０のうち、補機２５０に接続される低圧部１５２と、負荷に接続される高圧部１５４とが切り離される。したがって、低圧部１５２は負荷に電力を供給しない。その結果、低圧部１５２が補機２５０に加えて負荷に電力を供給するということが防がれる。そのため、低圧部１５２の残存容量のみが高圧部１５４の残存容量に比べて著しく速く低下するということが防がれる。よって、バッテリ１５０のセル間での残存容量のアンバランスが抑制される。

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、１５０バッテリ、１５１補機バッテリ、１５２低圧部、１５４高圧部、１７０ＰＭ−ＥＣＵ、１７２ＭＧ−ＥＣＵ、２００コンバータ、２１０第１インバータ、２２０第２インバータ、２３０ＳＭＲ、２４０ＤＣ／ＤＣコンバータ、２５０補機、３０１第１リレー、３０２第２リレー、３０３第３リレー、３１１第１電力線、３１２第２電力線、３２０コネクタ、３２１第１端子、３２２第２端子、３３０ソケット。

Claims

第１の部分と第２の部分とを含む、負荷に接続されたバッテリと、
電力が供給されると、前記第１の部分と前記第２の部分とを切り離す第１のリレーと、
電力が供給されると、前記第１の部分を前記負荷から切り離す第２のリレーと、
電力が供給されると、前記第２の部分を前記負荷に接続する第３のリレーと、
前記第１の部分から前記第１のリレー、前記第２のリレーおよび前記第３のリレーに電力を供給する第１の電力線を前記第１の部分に接続した後、前記第１の部分から補機に電力を供給する第２の電力線を前記第１の部分に接続するコネクタとを備える、電気システム。