JP2013102580A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】モータとインバータを備える電気自動車において、車両が障害物に衝突してインバータ及び／又はモータの冷却システムが急に停止した場合に、逆起電力による冷却システムのポンプモータの損傷を防止する技術を提供する。
【解決手段】電気自動車１００は、車輪駆動用のモータ７と、そのモータ７に電力を供給するモータインバータ３と、モータインバータ３とモータ７の少なくとも一方に冷媒を送るポンプ６と、ポンプ６が発生する逆起電力を蓄えるコンデンサ１４を備える。車両コントローラ１５は、車両が衝突したことを示す信号を受信した場合に、ポンプ６への電力供給を停止するとともに、ポンプ６を駆動するポンプインバータ１２にコンデンサ１４を接続する。ポンプ６の逆起電力による交流電力はポンプインバータ１２によって直流に変換され、コンデンサ１４に蓄えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車輪駆動用のモータを備える電気自動車に関する。本明細書における電気自動車には、車両駆動用のモータとエンジンを備えるハイブリッド車、燃料電池車も含まれる。

電気自動車は、車輪駆動用のモータ、大容量／大出力電流のバッテリ、そのバッテリの直流電力をモータ駆動に適した交流電力に変換するインバータなど、従来のエンジン車とは異なり、大電流を扱う電気系を備える。そのため、エンジン車には無い、電気系に対する様々な安全対策や予防措置が講じられる。

例えば、インバータは、バッテリから受ける大電流あるいはモータへ出力する大電流を平滑化するために大容量のコンデンサを備えるが、特許文献１には、車両のメインスイッチ（いわゆるイグニッションスイッチ）がＯＦＦに切り換えられた際にインバータ内の大容量コンデンサの電荷を放電する技術が提案されている。特許文献１の技術は、メインスイッチがＯＦＦに切り換えられた際に、バッテリを切断した状態でインバータのスイッチング素子を適宜に駆動してコンデンサを放電する。

特開２００３−１９９３８７号公報

インバータは大電流を扱うので発熱する。また、モータも発熱する。そこで、多くの電気自動車ではインバータとモータを冷却する冷却システムを備えている。冷媒には液体が使われることがよくあり、冷却システムは冷媒をインバータとモータに送るポンプを備えている。車両のメインスイッチがＯＦＦに切り換えられた場合、あるいは、なんらかのアクシデント（例えば衝突など）により車両の駆動システムが急に停止した場合、ポンプへの電力供給も停止するが、ポンプ自体はそれまで流れていた冷媒の慣性力により、回転を続ける。そうすると、ポンプのモータが逆起電力を発生する。逆起電力により生じる電流をどこかへ逃がさないと、ポンプのモータが損傷する虞がある。特に、車両が障害物に衝突した場合に、車両の駆動システムが急停止する。車両が障害物に衝突してインバータ及び／又はモータの冷却システムが急に停止した場合に、ポンプモータが発生する逆起電力によるポンプモータの損傷を防止することも、電気自動車の特有の対策の一つである。本明細書が開示する技術は、上記の課題を解決する。

本明細書が開示する技術の一態様の電気自動車は、車輪を駆動するためのモータと、モータインバータと、モータとモータインバータの少なくとも一方に冷媒を送るポンプと、ポンプを制御するコントローラを備える。この電気自動車は、さらに、ポンプ（ポンプモータ）が発生する逆起電力を蓄えるためのコンデンサを備える。なんからの原因で冷却システムが急に停止し、冷媒の慣性力によってポンプが出力軸から駆動されて逆起電力を発生した場合、逆起電力により生じる電流をコンデンサによって吸収し、ポンプの損傷を防止する。なお、他のコンデンサと区別するために、以下では上記のコンデンサを非常時コンデンサと称することにする。

ポンプを制御するコントローラ（車両コントローラ）は、車両が衝突したことを示す信号を受信した場合に、ポンプへの電力供給を停止するとともに、ポンプを駆動するポンプインバータに非常時コンデンサを接続する。ポンプの逆起電力に起因して発生する交流電力は、ポンプインバータによって直流に変換され、コンデンサに蓄えられる。即ち、コントローラは、ポンプが発生する逆起電力を直流電力に変換してコンデンサへ出力するようにポンプインバータを制御する。なお、定常時には、非常時コンデンサはポンプインバータとは切り離されており、電荷を蓄えていない。また、定常時には、ポンプインバータは、バッテリの直流電力を交流に変換し、ポンプの交流モータに供給する。

上記した電気自動車のさらなる改良として、本明細書は、上記の非常時コンデンサが蓄えた電力を有効に使う技術も提供する。前述したように、モータインバータは電流平滑化用の大容量のコンデンサを備えることが多い。なお、そのコンデンサを、非常時コンデンサと区別するために平滑化コンデンサと称することにする。車両が衝突した場合、感電の虞を排除するため、平滑化コンデンサに蓄えられた電荷は放出しておくことが好ましい。そこで、電気自動車は、平滑化コンデンサを放電するデバイス（放電デバイス）を備えることがある。放電デバイスを制御するコントローラ（インバータコントローラ）は、バッテリの電源で作動するが、衝突の衝撃によりバッテリからの電力供給が途絶えてしまうと、放電デバイスを作動させることができなくなってしまう。本明細書が開示する電気自動車の別の態様では、そのような場合に備えて、前記した車両コントローラが、車両が衝突したことを示す信号を受信した場合、非常時コンデンサが蓄えた電力を使って放電デバイスを作動させる。さらに好ましくは、車両コントローラは、放電デバイスを作動させるためのバッテリが使用不能の場合に、非常時コンデンサに蓄積された電力を使って放電デバイスを作動させる。バッテリが使用不能か否かは、放電デバイスを動かすコントローラの入力端の電圧をモニタしておけば判別することができる。

放電デバイスの典型は放電抵抗であるがこれに限られるものではない。また、特許文献１の技術のように、モータインバータそのものを駆動することによって平滑化コンデンサの電荷を放電することもある。後者の場合、モータインバータそのものが放電デバイスに相当する。放電抵抗を放電デバイスとして採用する場合、「放電デバイスを作動させる」とは、放電抵抗は平滑化コンデンサに接続することを意味する。モータインバータを放電デバイスとして採用する場合、「放電デバイスを作動させる」とは、モータインバータのスイッチング回路を駆動して平滑化コンデンサに蓄えられた電荷を流すことを意味する。

なお、電気自動車は、モータ駆動用の高出力のバッテリと、コントローラやオーディオなどを駆動するためのバッテリを備えることが多い。前者のバッテリは一般に１００［Ｖ］以上であり、後者のバッテリは１００［Ｖｏｌｔ］未満（典型的には１２又は２４［Ｖ］）である。以後、前者のバッテリをメインバッテリと称し、後者のバッテリをサブバッテリと称することがある。インバータのスイッチング回路を駆動する回路や放電デバイスを作動させる回路は、サブバッテリの電力により動作する。

実施例の電気自動車のシステム図である。

図１に、電気自動車１００のシステム図を示す。図１は、冷却システム１００ａ（破線の上側の図）と、駆動システム１００ｂ（破線の下側の図）を同時に示している。冷却システム１００ａ側に描かれたモータインバータ３、モータ７と、駆動システム１００ｂ側に描かれたモータインバータ３、モータ７は同一のものであることに留意されたい。また、図１における破線の矢印は信号の流れを示している。実施例の車両は、車輪駆動用の一つのモータ７を有する１モータの電気自動車である。

冷却システム１００ａから説明する。冷却システム１００ａは、モータ７と、モータ７に交流電力を供給するモータインバータ３を冷却するためのシステムである。冷却システム１００ａは、モータ７とモータインバータ３とラジエータ２とリザーブタンク５の間で冷媒を循環させる冷媒流路４を備えており、その冷媒流路４には、冷媒を送り出すポンプ６が取り付けられている。モータ７とモータインバータ３を冷却し、温度が上昇した冷媒は、ラジエータにて冷やされ、ポンプ６により送り出され、再びモータ７、モータインバータ３へと循環する。ポンプ６の近傍には冷媒の温度を計測する温度センサ８が取り付けられている。温度センサ８が計測する冷媒温度は車両コントローラ１５に送られる。車両コントローラ１５は、冷媒温度が所定の温度範囲内に収まるように、ポンプ６の出力を調整する。即ち、冷媒温度が高ければポンプ６の出力を高め、冷媒温度が所定の温度範囲となったらポンプ６の出力を低くする。また、車両コントローラ１５は、モータインバータ３の出力が大きければ、その後にモータインバータ３の温度上昇が見込まれるので、ポンプ出力を上げる。

ポンプ６は、交流モータの出力軸に羽根車が取り付けられた構造であり、ポンプインバータ１２が、サブバッテリ２１（後述）の直流電力を交流電力に変換してポンプ６に供給する。車両コントローラ１５は、厳密にはポンプインバータ１２に対して出力指令を与える。

駆動システム１００ｂを説明する。電気自動車１００は、２個の異なるバッテリを備えている。一つは、車輪駆動用のモータ７に電力を供給するためのメインバッテリ２２であり、他の一つは、コントローラやオーディオ、カーナビゲーションシステムなど、いわゆる電子デバイスを駆動するためのサブバッテリ２１である。メインバッテリ２２の出力は、３００［Ｖｏｌｔ］であり、サブバッテリ２１の出力は１２［Ｖｏｌｔ］である。

まず、メインバッテリ２２に関する電気系統について説明する。メインバッテリ２２は、システムメインリレー２９を介して、モータインバータ３内の交流生成回路３ａに接続している。交流生成回路３ａは、６個のスイッチング回路ＳＷで構成されている。夫々のスイッチング回路ＳＷは、ＩＧＢＴとダイオード（還流ダイオード）が逆並列に接続された回路構成を有している。２個のスイッチング回路ＳＷが直列に接続されており、その組が３組並列に接続されている。直列に接続された２個のスイッチング回路ＳＷの中間点から線が伸びており、モータ７に繋がっている。３組の直列スイッチング回路ＳＷから伸びる３本の線が、ＵＶＷ３相交流を構成する。モータインバータ３内にはインバータ制御回路３ｂがあり、その回路３ｂが各スイッチング回路ＳＷへスイッチング指令（ＰＷＭ信号）を与える。インバータ制御回路３ｂ自体はサブバッテリ２１から電力の供給を受けて作動する。

交流生成回路３ａの入力側（交流生成回路３ａとメインバッテリ２２の間）には、平滑化コンデンサ２６が接続されている。平滑化コンデンサ２６は、交流生成回路３ａに入力する電流を平滑化するために備えられている。メインバッテリ２２の出力電圧は３００［Ｖｏｌｔ］であり、また大電流が流れる。そのため、平滑化コンデンサ２６の容量も、５Ｖや１２Ｖ等で作動する制御回路内のコンデンサとは桁違いに大きい。

平滑化コンデンサ２６と並列に、放電抵抗２５とリレー２４が接続されている。なお、放電抵抗２５とリレー２４は直列に接続されている。放電抵抗２５は、平滑化コンデンサ２６に蓄えられた電荷を熱エネルギに変換して散逸させるためのデバイス（放電デバイス）であり、熱に強い高抵抗値の抵抗である。リレー２４は、放電抵抗２５を平滑化コンデンサ２６に接続／切断するためのスイッチである。リレー２４は通常は開放されているが、車両が停止したとき、あるいは車両が衝突したときに閉じられる。リレー２４の開閉は、インバータ制御回路３ｂが制御する。

次に、サブバッテリ２１に関する電気系統について説明する。サブバッテリ２１は、ポンプインバータ１２とインバータ制御回路３ｂに電力を供給する。なお、サブバッテリ２１は、車両コントローラ１５へも電力を供給するが、図１ではその電力供給線は図示を省略している。インバータ制御回路３ｂの電力入力側には電圧センサ２３が備えられている。電圧センサ２３のセンサデータは、車両コントローラ１５に送られる。即ち、車両コントローラ１５は、インバータ制御回路３ｂに入力される電圧をモニタしている。

ポンプインバータ１２は、ポンプ６のモータを駆動するための電力と、ポンプインバータ内の制御回路を駆動するための電力の双方をサブバッテリ２１に頼っている。即ち、定常時には、ポンプインバータ１２は、サブバッテリ２１の直流電力を交流に変換し、ポンプ６の交流モータに供給する。サブバッテリ２１とポンプインバータ１２の間には、それらの接続を開閉するリレー１７が挿入されている。リレー１７は通常は閉じているが（サブバッテリ２１とポンプインバータ１２を繋いでいるが）、車両のメインスイッチ（不図示）がＯＦＦに切り換えられたとき、あるいは、車両が衝突したとき、には開放される。即ち、サブバッテリ２１とポンプインバータ１２の接続が遮断される。リレー１７の開閉は、車両コントローラ１５が制御する。

ポンプインバータ１２の直流入力側に、非常時コンデンサ１４とリレー１３が接続されている。リレー１３は、非常時コンデンサ１４のポンプインバータ１２への接続と遮断を切り換えるスイッチである。車両が正常に走行している間は、リレー１３は開放されており（非常時コンデンサ１４はポンプインバータ１２とは切り離されており）、車両のメインスイッチがＯＦＦに切り換えられたとき、あるいは、車両が衝突したとき、リレー１３は閉じられる。リレー１３は車両コントローラ１５が制御する。なお、図１の符号１６はエアバッグシステムが備える加速度センサである。加速度センサ１６は、予め定められた大きさの加速度を検知したときに、その旨を車両コントローラ１５に伝える。即ち、加速度センサ１６の信号が、車両が衝突したことを示す信号に相当する。

車両コントローラ１５による非常時コンデンサ１４の制御と非常時コンデンサ１４の利点を説明する。車両の走行中に車両のメインスイッチ（通常イグニッションスイッチと呼ばれるスイッチ）がＯＮからＯＦＦに切り換えられると、車両コントローラ１５は、リレー１７を開放し、ポンプインバータ１２への電力供給を遮断する。即ち、ポンプ６への電力供給を遮断する。他方、直前まで車両は走行していたので、冷媒流路４内を冷媒が循環しており、メインスイッチがＯＦＦに切り換えられた後、電力供給は停止するが、ポンプ６は流れ続けている冷媒の慣性力により逆駆動される。そのためポンプ６（ポンプモータ）は逆起電力を発生する。逆起電力により、ポンプ６は交流電流を発生する。そのような場合、車両コントローラ１５は、リレー１３を閉じ（即ち、非常時コンデンサ１４をポンプインバータ１２に接続し）、同時にポンプインバータ１２のスイッチング回路に対して、ポンプ６が発生する交流電流を直流に変換するようにスイッチング指令を与える。そうすると、ポンプ６が発生した交流電流は非常時コンデンサ１４に吸収される。こうして、ポンプ６が発生する交流電流を非常時コンデンサ１４が吸収することによって、逆起電力によりポンプ６自身が損傷してしまうことが回避される。

車両が衝突した場合も、上記ケースと同様にポンプ６が逆起電力を発生し得る。車両コントローラ１５は、加速度センサ１６から、車両が衝突したことを示す信号を受信した場合、メインスイッチがＯＦＦに切り換えられた場合と同様の処理を行う。即ち車両コントローラ１５は、リレー１３とポンプインバータ１２を制御し、ポンプ６の逆起電力に起因する電流を非常時コンデンサ１４に蓄える。

車両が衝突したことを示す信号を受信した場合、車両コントローラ１５は、電圧センサ２３の電圧をモニタし、サブバッテリ２１の電力がインバータ制御回路３ｂに供給されているか否かをチェックする。電圧センサ２３の値がインバータ制御回路３ｂを駆動するには不十分なほど低い場合、即ち、サブバッテリ２１の電力がインバータ制御回路３ｂに十分に供給されていない場合、車両コントローラ１５は、リレー１７を閉じる。そうすると、非常時コンデンサ１４に蓄えられた電力がインバータ制御回路３ｂに供給され、インバータ制御回路３ｂは作動可能な状態となる。車両コントローラ１５はインバータ制御回路３ｂに指令を送り、リレー２４を閉じさせ、放電抵抗２５によって平滑化コンデンサ２６を放電させる。

上記説明したように、実施例の電気自動車１００は、モータ７やモータインバータ３に冷媒を送るポンプ６の逆起電力により生ずる電流を非常時コンデンサ１４によって吸収する。さらに、電気自動車１００は、車両が衝突した際にサブバッテリ２１が使用不能であっても、非常時コンデンサ１４に蓄えられた電力によって放電デバイスを作動させることができる。

実施例に関する留意点を述べる。放電デバイスは放電抵抗に限られない。例えば、モータインバータ３内の交流生成回路３ａを放電デバイスとして利用することも好適である。交流生成回路３ａのスイッチング回路ＳＷを適宜に駆動することによって、スイッチングロスにより平滑化コンデンサ２６に蓄えられた電力を散逸させることができる。

実施例の冷却システム１００ａは、モータインバータ３とモータ７の双方を冷却するものであった。本明細書が開示する技術は、モータインバータ又はモータを冷却する冷却システムに適用してもよい。さらに、実施例の車両は１個のモータを備える電気自動車であったが、本明細書が開示する技術は、車輪を駆動するモータとエンジンを共に備えるハイブリッド車に適用することも可能である。

実施例の説明は、本発明の原理を説明するものであり、車両のシステムが完全に動作するために必要ないくつかの要素は説明を省略している。例えば、車両が衝突し、サブバッテリ２１が使用不能となった場合であっても車両コントローラ１５は作動できるように、内部に電力を蓄えるコンデンサ（キャパシタ）を装備していてもよい。あるいは、車両コントローラ１５は、バックアップ用のバッテリを備えていてもよい。また、非常時コンデンサ１４に蓄えられた電力でインバータ制御回路３ｂを駆動するには、電圧レギュレータが必要となる場合がある。本明細書では、バックアップ用のバッテリや電圧レギュレータ等の説明は省略した。そのようなコンポーネントは、本明細書に接した当業者であれば容易に理解することができる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ラジエータ
３：モータインバータ
３ａ：交流生成回路
３ｂ：インバータ制御回路
４：冷媒流路
５：リザーブタンク
６：ポンプ（ポンプモータ）
７：モータ
８：温度センサ
１２：ポンプインバータ
１３、１７、２４：リレー
１４：非常時コンデンサ
１５：車両コントローラ
１６：加速度センサ
２１：サブバッテリ
２２：メインバッテリ
２３：電圧センサ
２５：放電抵抗
２６：平滑化コンデンサ
２９：システムメインリレー
１００：電気自動車
１００ａ：冷却システム
１００ｂ：駆動システム

Claims (3)

1. 車輪駆動用のモータに電力を供給するモータインバータと、
   モータインバータとモータの少なくとも一方に冷媒を送るポンプと、
   ポンプが発生する逆起電力を蓄えるコンデンサと、
   車両が衝突したことを示す信号を受信した場合に、ポンプへの電力供給を停止するとともに、ポンプを駆動するポンプインバータに前記コンデンサを接続するコントローラと、
   を備えていることを特徴とする電気自動車。
2. モータインバータに蓄積された電荷を散逸させる放電デバイスをさらに備えており、
   前記コントローラは、車両が衝突したことを示す信号を受信した場合に、前記コンデンサに蓄積された電力によって前記放電デバイスを作動させることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車。
3. 前記コントローラは、放電デバイスを作動させるバッテリが使用不能の場合に、前記コンデンサに蓄積された電力によって前記放電デバイスを作動させることを特徴とする請求項２に記載の電気自動車。

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