JP2013150524A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧の異なる２種類の補機電源系を備えつつ、電圧コンバータの数は増やさすに済む技術を提供する。
【解決手段】ハイブリッド車２は、メインバッテリ５と、第１補機１９と、第１補機の動作電圧よりも高い電圧で動作する第２補機５１と、外部電源接続用コネクタ３３と、電圧コンバータ１７と、充電器４０を備える。電圧コンバータ１７は、メインバッテリ５の電圧を降圧して第１補機へ供給する。充電器４０は、その高電圧側端子ＴＨがメインバッテリ５に接続されており、その低圧側端子ＴＬが切換器３２を介して第２補機５１と外部電源接続用コネクタ３３に選択的に接続される。充電器４０は、低電圧側端子ＴＬに印加された電力をメインバッテリの充電用の電力に変換して高電圧側端子ＴＨに出力する機能と、高電圧側端子ＴＨに印加されたメインバッテリの電力を第２補機の駆動に適した電圧に変換して低電圧側端子ＴＬに出力する機能を有する。
【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、外部電源を使ってモータ駆動用のバッテリ（メインバッテリ）を充電することができ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、車輪駆動用のモータとエンジンを共に備えるとともに、外部電源を使ってモータ駆動用のバッテリを充電することができるいわゆるプラグインハイブリッド車を含む。

電気自動車は、モータ駆動用のバッテリ（メインバッテリ）に加えてサブバッテリを備えていることが多い。サブバッテリは、メインバッテリの出力電圧よりも低い電圧で動作する電気デバイスに電力を供給するために備えられている。メインバッテリの出力電圧は、通常、１００ボルト以上である。サブバッテリの出力電圧は、通常、１００ボルト未満であり、多くの場合、５０ボルト未満である。メインバッテリの出力電圧よりも低い電圧で動作する電気デバイスには、例えば、カーオーディオ、ナビゲーション、ランプ、ワイパ、パワーウインドウなどがあり、それらは「補機」と総称される。１２〜１４ボルト、あるいは、２４ボルト程度の電圧で動作する各種のコントローラ（ＣＰＵ）も補機のカテゴリに含まれる。補機に電力を供給するサブバッテリは、通常、補機バッテリと呼ばれることがある。本明細書でも、「補機」、「補機バッテリ」という呼称を用いる。

補機、あるいは、補機バッテリに関する従来技術として、動作電圧の異なる複数の補機を備える電気自動車や（特許文献１）、外部の電源を使ってメインバッテリを充電する際に補機バッテリを効率よく充電する電気自動車（特許文献２、特許文献３）が知られている。補機バッテリの容量は小さく、走行中は、メインバッテリの電圧を降圧して補機に電力を供給するとともに、補機バッテリを充電するようになっている。

特開２００８−１１０７００号公報 特開２０１１−０７２０６９号公報 特開２０１１−０５５６８２号公報

従来の電気自動車は、モータを駆動するメインバッテリと、補機を駆動する補機バッテリの２電源系を有していた。補機といっても様々であり、カーオーディオやカーナビなど、従来の１２〜１４Ｖボルトが適している補機もあれば、デフォッガ、電動パワーステアリング、車内ヒータなど、さらに高い電圧、例えば４２ボルト程度が好ましい補機もある。それゆえ、モータを駆動するメインバッテリのほか、電圧の異なる２種類の補機バッテリを備え、合計で３電源系とする案もある。しかしながら、補機バッテリへの充電はメインバッテリの電圧を降圧して行うため、補機への電力供給を２系統にするには、２つの補機バッテリの夫々の電圧に応じて２種類の電圧コンバータが必要となる。本明細書は、電圧の異なる２種類の補機電力供給系を備えつつ、電圧コンバータの数は増やさずに済む技術を提供する。

電気自動車は、外部電源から供給される電圧（電力）を、メインバッテリの充電に適した電圧に変換する充電器を備える。充電器は、主たる回路として、ＡＣ／ＤＣ変換回路、ＤＣ／ＡＣ変換回路、昇圧回路、整流回路などを有する。そのような充電器は、少しの電子部品を追加するだけで、直流電圧を降圧する降圧コンバータ機能を併せ持つことができる。本明細書が開示する技術は、充電器の回路を利用し、充電器を、メインバッテリの電圧を２系統の補機系一方へ供給するための電圧コンバータとして利用する。

本明細書が開示する電気自動車は、メインバッテリ、第１補機、第２補機、第１コンバータ、第２コンバータ（充電器）、および、切換器を備える。メインバッテリは、車輪駆動用のモータに電力を供給するためのバッテリである。第１補機は、メインバッテリの出力電圧よりも低い電圧で動作する補機である。第２補機もメインバッテリの出力電圧よりも低い電圧で動作するが、その動作電圧は第１補機の動作電圧よりも高い。外部電源接続用コネクタは、外部電源の電力供給プラグを接続するためのコネクタである。第１コンバータは、高電圧側端子がメインバッテリに接続されているとともに低電圧側端子が第１補機に接続されており、メインバッテリの出力電圧を降圧して出力する。第２コンバータは、いわゆる充電器であり、高電圧側端子がメインバッテリに接続されているとともに低電圧側端子が切換器を介して第２補機と外部電源接続用コネクタに接続される。この第２コンバータは、低電圧側端子に印加された電力をメインバッテリの充電用の電力に変換して高電圧側端子に出力する機能と、高電圧側端子に印加されたメインバッテリの電力を第２補機の駆動に適した電圧に変換して低電圧側端子に出力する機能を有する。

上記の電気自動車は、第２コンバータ（充電器）が、メインバッテリの電圧を降圧して第２補機へ供給するＤＣＤＣコンバータを兼ねる。それゆえ、第２補機専用の個別のＤＣＤＣコンバータを備える必要がない。さらに外部電源の電圧は１００ボルト以上であることが多い。それゆえ、充電器（第２コンバータ）が兼ねる降圧コンバータの出力電圧のレベルを、第１補機の動作電圧ではなくそれよりも高い第２補機の動作電圧とすることによって、充電機能を併せ持つ降圧コンバータ機能における降圧比を小さくすることができ、第２コンバータの効率低下を抑制することができる。

さらに、２種類の補機系のうち、動作電圧の高い第２補機の代表的なものは、前述したように、車内ヒータ、デフォッガ、パワーステアリングなどであり、それらは、外部電源を使って充電している間に必要とされることがほとんどない。充電時に同時に必要とされる可能性が第１補機群よりも小さい第２補機群を、充電器を利用した電力供給の対象に選択したことも、ユーザの利便性の上で有効である。さらに、第２補機群は、車両システムが起動していない間は使われることがほとんどないので、上記の電気自動車は、第２補機群用のバッテリ（第２補機バッテリ）を備えずともよい。あるいは、備えても容量の小さいバッテリで済む。

充電器（第２コンバータ）の接続先を切り換える切換器は、充電器の低電圧側端子を、第２補機と外部電源接続用コネクタのいずれか一方に選択的に切り換えるデバイスであってよい。切換器は、典型的には、１つの入力端子の接続先を２つの出力端子のいずれかに選択的に切り換えることができ、その入力端子が充電器の低電圧側端子に接続されており、２つの出力端子が夫々第２補機と外部電源接続用コネクタに接続されているものであってよい。なお、切換器における「入力端子」と「出力端子」は、単に切換器の一方側の端子と他方側の端子を区別する便宜上の呼称であり、電流（あるいは信号）の流れる方向を特定するものではないことに留意されたい。

あるいは、切換器は、充電器（第２コンバータ）の低電圧側端子と第２補機を接続したり切断したりする第１リレーと、充電器の低電圧側端子と外部電源接続用コネクタを接続したり切断したりする第２リレーで構成されていてもよい。第１リレーを閉じて第２リレーを開放すれば、充電器は第２補機と接続され、外部電源接続用コネクタとは遮断される。逆に、第１リレーを開放して第２リレーを閉じれば、充電器は第２補機とは遮断され、外部電源接続用コネクタと接続される。さらに、外部電源接続用コネクタは、外部電源が接続されなければ開放端に相当するので、外部電源が接続されていない間は、第２リレーは閉じていても差し支えない。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

実施例のハイブリッド車の駆動系のブロック図である。 充電器の回路の一例である。 切換器の変形例を示す図である。

図面を参照して実施例の電気自動車を説明する。実施例の電気自動車は、走行用として、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車２である。ハイブリッド車２は、家庭用交流電源など外部電源を使ってバッテリを充電するための充電器を備えている、いわゆるプラグインタイプである。

図１にハイブリッド車２の駆動系のブロック図を示す。ハイブリッド車２は、駆動源として、モータ１２とエンジン１６を備えている。モータ１２の出力トルクとエンジン１６の出力トルクは、動力分配機構１４で適宜に分配／合成され、車軸１５へ伝達される。即ち、車輪を駆動する。

モータ１２を駆動するための電力はメインバッテリ５から供給される。メインバッテリ５の出力電圧は例えば３００ボルトである。メインバッテリ５は、システムメインリレー７を介してインバータ９に接続される。システムメインリレー７は、メインバッテリ５と車両の駆動系を接続したり切断したりするスイッチである。システムメインリレー７は、コントローラ４によって切り換えられる。

インバータ９は、メインバッテリ５の電圧をモータ駆動に適した電圧（例えば６００ボルト）まで昇圧した後、直流電力を所定の周波数の交流電力に変換してモータ１２へ供給する。なお、ハイブリッド車２は、エンジン１６の駆動力、あるいは、車両の減速エネルギを利用してモータ１２で発電することもできる。モータ１２が発電する場合、インバータ９は、交流を直流に変換し、さらに、メインバッテリ５よりも僅かに高い電圧まで降圧し、メインバッテリ５へ供給する。メインバッテリ５よりも僅かに高い電圧とは、例えばメインバッテリ５の定格出力電圧プラス５ボルト以内である。

メインバッテリ５の出力はまた、電圧コンバータ１７へも送られる。電圧コンバータ１７は、メインバッテリ５の出力電圧（例えば３００ボルト）を、他の電子デバイスを駆動するのに適した電圧（例えば１２ボルト）に降圧する降圧ＤＣＤＣコンバータである。ここで、他のデバイス、即ち、モータ１２を駆動するための電圧よりも低い電圧で動作するデバイスを「補機」と総称する。補機の代表的な例には、エアコン１９、ヘッドライト２０、カーナビゲーション２１などがある。また、車載の様々なコントローラの回路（モータ駆動電流が流れる部品を除く）も、カーナビゲーションなどと同じレベルの電圧で動作するので補機のカテゴリに含まれる。インバータ９や電圧コンバータ１７への指令であるＰＷＭ信号を生成するコントローラ４も補機のカテゴリに含まれる。電圧コンバータ１７が第１電圧コンバータの一例に相当する。

補機への電力供給ラインＡＰＬには、補機バッテリ１８も接続されている。電圧コンバータ１７の出力は、その電力供給ラインＡＰＬに接続されている。即ち、電圧コンバータ１７の出力端は補機バッテリ１８に並列に接続されており、電圧コンバータ１７の出力は補機バッテリ１８にも供給される。ハイブリッド車２は、モータ駆動用の高出力高容量のメインバッテリ５を使って、補機バッテリ１８の充電と、補機への電力供給を行う。補機バッテリ１８は、メインバッテリ５あるいは発電機としてのモータ１２からの電力供給を受けられないときに補機へ電力を供給する目的で備えられている。

ハイブリッド車２は、補機バッテリ１８あるいは電圧コンバータ１７による電力供給ラインＡＰＬ（第１電力供給ライン）とは別の電力供給ラインＳＰＬ（第２電力供給ライン）を有している。この電力供給ラインＳＰＬには、デフォッガ５１や車内ヒータ５２など、前述したカーナビゲーションなどの補機よりも動作電圧が高いデバイスが接続されている。ただし、それらのデバイスも補機のカテゴリに含まれる。電力供給ラインＡＰＬに接続されている補機を第１補機と称し、電力供給ラインＳＰＬに接続されている補機を第２補機と称する。第２補機は、メインバッテリ５の出力電圧よりも低いが、第１補機よりも高い電圧で動作するデバイスである。

電力供給ラインＳＰＬ（即ち第２補機群）へは、メインバッテリ５から充電器４０、及び、切換器３２を介して電力が供給される。

次に、充電器４０と切換器３２について説明する。充電器４０は、第一に、外部電源９１の電力をメインバッテリ５の充電に適した直流電力に変換する機能を有する。外部電源９１は、メインバッテリ５の出力電圧よりも低い電圧を供給する。通常、外部電源９１の出力電圧は１００ボルト〜２００ボルトである。それゆえ、充電器４０のメインバッテリ５側の端子を高電圧側端子ＴＨと称し、外部電源９１側の端子を低電圧側端子ＴＬと称する。

充電器４０の高電圧側端子ＴＨは、サブリレー３１を介してメインバッテリ５に接続される。サブリレー３１は、メインバッテリ５と、外部電源あるいは第２補機群との間を遮断するために設けられている。サブリレー３１は、コントローラ４によって切り換えられる。

充電器４０の低電圧側端子ＴＬは、切換器３２の入力端子ｃ１、ｃ２に接続している。切換器３２は、１入力２出力である。接点ｃ１、ｃ２が入力端に相当し、接点ａ１、ａ２のセット、及び、ｂ１、ｂ２のセットが出力端に相当する。ただし、「入力端」、「出力端」との呼称は、切換器の一方側の端子とそれに接続される他方側の端子を区別するための便宜上のものであり、電流（あるいは信号）の流れる方向を規定するものではないことに留意されたい。切換器３２の一つの出力端子ａ１、ａ２は、外部電源接続用のコネクタ３３に接続している。外部電源９１のプラグ９０を外部電源接続用コネクタ３３に接続することによって、物理的には、外部電源９１と車両２が接続される。切換器３２の他方の出力端子ｂ１、ｂ２は、第２の電力供給ラインＳＰＬに接続している。充電器４０は、低電圧側端子ＴＬに入力された電力をメインバッテリ５の充電に適した直流電力に変換する機能と、高電圧側端子ＴＨに入力されるメインバッテリ５の電力を、第２補機を駆動するのに適した電力に変換する機能を兼ね備えている。コントローラ４は、外部電源９１によってメインバッテリ５を充電するときには（外部電源９１のプラグ９０が外部電源接続用コネクタ３３に接続されているときには）、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを外部電源接続用コネクタ３３に接続するように切換器３２を制御する。他方、コントローラ４は、外部電源９１のプラグ９０が外部電源接続用コネクタ３３に接続されていないときには、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを第２電力供給ラインＳＰＬに接続するように切換器３２を制御する。充電器４０の低電圧側端子ＴＬは、切換器３２を介して、外部電源接続用コネクタ３３と、第２の電力供給ラインＳＰＬ（即ち第２補機）とに並列に接続される。

切換器３２が第２電力供給ラインＳＰＬ側に切り換えられている間、充電器４０は、高電圧側端子ＴＨに入力されるメインバッテリ５の電力を、第２補機（デフォッガ５１や車内ヒータ５２）の駆動に適した電圧に変換して低電圧側端子から出力する。そのように双方向の電力変換を行う充電器４０の回路構成の一例を図２に示す。充電器４０は、低電圧側端子ＴＬから高電圧側端子ＴＨに向かって、コイルＬ、ＡＣＤＣ変換回路４１、昇降圧回路４２、ＤＣＡＣ変換回路４３、トランスＴｓ、及び、整流回路４４で構成されている。各回路に含まれているトランジスタは、コントローラ４によって適宜に駆動される。

外部電源９１の交流電力をメインバッテリ５の充電に適した電力へ変換する際の充電器４０の動作を概説する。充電器４０の低電圧側端子ＴＬには、外部電源９１の交流電力が入力される。コイルＬは、外部電源９１の交流電力に含まれる高周波成分を除去する。ＡＣＤＣ変換回路４１は、外部電源９１から供給される交流電力を直流電力に変換する。昇降圧回路４２は、このとき、ＡＣＤＣ変換回路４１が出力した直流電圧を、メインバッテリ５の充電に適した電圧に昇圧する。ＤＣＡＣ変換回路４３は、昇圧された直流電力を再び交流に変換する。これは、次のトランスＴｓにて絶縁状態で電力を伝達するためである。トランスＴｓを介して、ＤＣＡＣ変換回路４３が出力した交流電力が整流回路４４に伝達される。整流回路４４は、２つのスイッチング回路４４ａ、４４ｂを有している。この場合（外部電源の電力を充電用電力に変換する場合）は、スイッチング回路４４ａ、４４ｂは、開かれたままであり、還流トランジスタが機能し、トランス側の交流電力が直流に変換されて高電圧側端子ＴＨから出力される。

メインバッテリ５の出力電圧を第２補機の駆動に適した電圧に変換する際の充電器４０の動作を概説する。高電圧側端子ＴＨには、メインバッテリ５の直流電力が印加される。コントローラ４は、整流回路４４のスイッチング回路４４ａ、４４ｂに適宜の駆動指令（ＰＷＭ信号）を出力し、メインバッテリ５の直流電力を、トランスＴｓの図中右側に交流電力に変換して出力する。コントローラ４は、スイッチング回路４４ａのトランジスタと、スイッチング回路４４ｂのトランジスタを交互にＯＮ／ＯＦＦさせればよい。そうするだけで、トランスＴｓの右側には交流電流が流れるようになる。交流電力はトランスＴｓによって絶縁状態で伝達され、回路４３に入力される。この場合、回路４３は、図中の右側から入力される交流電力を直流に変換して左側へ出力するＡＣＤＣ変換回路として機能する。交流に変換された電力は、昇降圧回路４２にて降圧される。回路４１は、全てのスイッチング回路がＯＦＦに維持されており、昇降圧回路４２が出力する直流電力がそのまま低電圧側端子ＴＬへと出力される。前述したように、充電器４０がメインバッテリ５の電力を第２補機の駆動に適した電圧へ降圧する場合は、コントローラ４は、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを第２電力供給ラインＳＰＬに接続するように切換器３２を制御する。なお、図２に示す回路構成は一例であり、ハイブリッド車２が備える充電器４０は、図２の回路に限定されるものではないことに留意されたい。

上記したように、ハイブリッド車２は、外部電源９１から充電を受ける場合には、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを外部電源接続用コネクタ３３に接続するように切換器３２を制御し、そうでない場合には、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを第２電力供給ラインＳＰＬに接続するように切換器３２を制御する。

例えば、コントローラ４は、外部電源接続用コネクタ３３のプラグ９０が差し込まれた場合に、充電器４０の接続先を第２補機から外部電源接続用コネクタ３３に切り換え、プラグ９０が引き抜かれたことを検知した場合に、充電器４０の接続先を第２補機から外部電源接続用コネクタ３３に切り換えるようにしてもよい。

切換器は、上記した１入力２出力の構成（切換器３２）に限られない。図３に、別の構成の切換器１３２を備えたハイブリッド車２ａのブロック図を示す。図３は、切換器１３２以外は、図１と同じである。図３に示すように、切換器１３２は、第１リレー１３２ａと第２リレー１３２ｂで構成されてもよい。ここで、第１リレー１３２ａは、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを第２電力供給ラインＳＰＬ（即ち第２補機）に接続したり遮断したりする。第２リレー１３２ｂは、充電器４０の低電圧側端子ＴＬを外部電源接続用コネクタ３３に接続したり遮断したりする。第１リレー１３２ａと第２リレー１３２ｂはコントローラ４によって制御される。第１リレー１３２ａを閉じて第２リレー１３２ｂを開放すれば、充電器４０は第２補機と接続され、外部電源接続用コネクタ３３とは遮断される。逆に、第１リレー１３２ａを開放して第２リレー１３２ｂを閉じれば、充電器４０は第２補機とは遮断され、外部電源接続用コネクタ３３と接続される。さらに、外部電源接続用コネクタ３３は、外部電源が接続されなければ開放端に相当する。それゆえ、外部電源が接続されていない間は、第２リレー１３２ｂは閉じていても差し支えない。

実施例の技術の利点／留意点を説明する。ハイブリッド車２は、電圧の異なる２系統の補機電力供給ライン（ＡＰＬとＳＰＬ）を有する。第１補機よりも動作電圧の高い第２補機へは、充電器４０を使ってメインバッテリ５から電力が供給される。充電器４０に、充電用と補機への電力供給用の機能を兼ねさせることによって、２系統の補機電力供給ラインの一方について専用の電圧コンバータを備えずに済む。また、２系統の補機電力供給ラインのうち、電圧が高い方（第２補機群）を充電器４０に割り当てた。これにより次の利点が得られる。第１補機群よりも動作電圧の高い第２補機は、デフォッガや車内ヒータなど、停車中（充電中）に使われる可能性は、第１補機よりも低い。それゆえ、充電と第２補機への電力供給が同時に生じる可能性が小さく、ユーザに不便を強いる虞が小さい。

電圧コンバータ１７が第１コンバータの一例に相当する。充電器４０が第２コンバータの一例に相当する。本明細書が開示する技術はエンジンを搭載しない電気自動車に適用することも可能である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。また、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するものであり、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：ハイブリッド車
４：コントローラ
５：メインバッテリ
７：システムメインリレー
９：インバータ
１２：モータ
１４：動力分配機構
１６：エンジン
１７：電圧コンバータ（第１コンバータ）
１８：補機バッテリ
１９：エアコン（第１補機）
２０：ヘッドライト（第１補機）
２１：カーナビゲーション（第１補機）
３１：サブリレー
３２、１３２：切換器
３３：外部電源接続用コネクタ
４０：充電器
４１：ＡＣＤＣ変換回路
４２：昇降圧回路
４３：ＤＣＡＣ変換回路
４４：整流回路
５１：デフォッガ（第２補機）
５２：車内ヒータ（第２補機）
９０：外部電源のプラグ
９１：外部電源

Claims (3)

1. 車輪駆動用のモータに電力を供給するメインバッテリと、
   メインバッテリの出力電圧よりも低い電圧で動作する第１補機と、
   メインバッテリの出力電圧よりも低く第１補機の動作電圧よりも高い電圧で動作する第２補機と、
   外部電源の電力供給プラグを接続する外部電源接続用コネクタと、
   高電圧側端子がメインバッテリに接続されているとともに低電圧側端子が第１補機に接続されており、メインバッテリの出力電圧を降圧して出力する第１コンバータと、
   高電圧側端子がメインバッテリに接続されているとともに低電圧側端子が第２補機と外部電源接続用コネクタに接続されており、低電圧側端子に印加された電力をメインバッテリの充電用の電力に変換して高電圧側端子に出力する機能と、高電圧側端子に印加されたメインバッテリの電力を第２補機の駆動に適した電圧に変換して低電圧側端子に出力する機能を有する第２コンバータと、
   を備えていることを特徴とする電気自動車。
2. 第２コンバータの低電圧側端子は、切換器を介して第２補機と外部電源接続用コネクタに接続されており、
   当該切換器は、第２コンバータの低電圧側端子を、第２補機と外部電源接続用コネクタのいずれか一方に選択的に切り換えることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車。
3. 前記切換器は、１つの入力端子の接続先を２つの出力端子のいずれかに選択的に切り換えるデバイスであり、入力端子が第２コンバータの低電圧側端子に接続されており、２つの出力端子の夫々が第２補機と外部電源接続用コネクタに接続されてい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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