JP2014011897A - 電動車両における電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ショートタイプのコンデンサを用いた場合であっても、コンデンサのショートを簡素な構造で検知することができる電動車両における電力変換装置を提供する。
【解決手段】本発明の電動二輪車１０における電力変換装置１００は、メインバッテリ１８側に接続されるインダクタＬと電力ライン１０２との間に設けられるスイッチング手段１０４と、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２と電力負荷Ｒとを並列に接続する電力ライン１０２と、スイッチング手段１０４をオンオフ制御する制御部１１２とを備え、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２は、過電圧時にショートする小型のコンデンサで形成され、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２に対して直列に接続され、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２がショート状態になったことを検出する検出手段１０６が設けられている。
【選択図】図９

Description

本発明は、ショートタイプのコンデンサを用いた電動車両における電力変換装置に関する。

下記に示す特許文献１には、電動車両に用いられる電力変換装置としてのＤＣ／ＤＣコンバータが開示されており、バッテリに直列に接続されたインダクタ、インダクタに直列に接続されたスイッチング素子、そのスイッチング素子に対してコンデンサ及び負荷が並列に接続された構成が記載されている。

特開２００６−３３９６６号公報

ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、正極の電源ラインと負極の電源ラインとの間に、耐圧が大きい電解コンデンサ又はフイルムを用いた場合は、過電圧等が電解コンデンサ又はフイルムに印加されても電極間がオープン（開放）となるので、正極の電力ラインと負極の電力ラインとがショートすることはないが、電解コンデンサ又はフイルムは、大型で高コストとなるので、電動二輪車のような小型の電動車両には適していない。

これに対して、小型でリップル特性の大きいセラミックコンデンサを用いることは、小型の電動車両に適していると考えられるが、過電圧等が印加された時にショート状態となってしまうので、そのショート状態を検知するための電圧検出器等を別途設ける必要があり、部品点数が多くなりコストもかかってしまう。

そこで、本発明は、ショートタイプのコンデンサを用いた場合であっても、コンデンサのショート状態を簡素な構造で検知することができる電動車両における電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電動車両（１０）における電力変換装置（１００）は、以下の特徴を有する。

第１の特徴；バッテリ（１８）側に接続されるインダクタ（Ｌ）と、前記インダクタ（Ｌ）と後記電力ライン（１０２）との間に設けられるスイッチング手段（１０４）と、コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）と電力負荷（Ｒ）とを並列に接続する電力ライン（１０２）と、前記スイッチング手段（１０４）のオンオフを制御して、前記バッテリ（１８）からの電力を昇圧して前記電力負荷（Ｒ）に供給させ、又は、前記電力負荷（Ｒ）からの電力を降圧して前記バッテリ（１８）に供給させる制御手段（１１２）と、を備えた電動車両（１０）における電力変換装置（１００）において、前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）は、過電圧時にショートする小型のコンデンサで形成され、前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）に対して直列に接続され、前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）がショート状態になったことを報知する報知手段（１０６）が設けられたことを特徴とする。

第２の特徴；前記報知手段（１０６）は、前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）がショート状態になると発光する発光手段（１２２ａ）と、前記発光手段（１２２ａ）が発光した光を受光する受光手段（１２２ｂ）とを有することを特徴とする。

第３の特徴；前記発光手段（１２２ａ）及び前記受光手段（１２２ｂ）は、フォトカプラ（１２２）で構成されることを特徴とする。

第４の特徴；前記制御手段（１１２）は、前記発光手段（１２２ａ）の発光情報を受信することを特徴とする。

第５の特徴；前記報知手段（１０６）は、ダイオードブリッジ回路（１２０）を有し、前記発光手段（１２２ａ）は、前記ダイオードブリッジ回路（１２０）を介して前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）に対して直列に接続されていることを特徴とする。

第６の特徴；前記制御手段（１１２）は、前記報知手段（１０６）により前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）のショート状態が報知された場合は、昇圧又は降圧を停止することを特徴とする。

本発明の第１の特徴によれば、コンデンサに対して直列に接続され、コンデンサがショート状態になったことを報知する報知手段を設けるので、小型のショートタイプのコンデンサを用いた場合であっても、ショート時は、電力ライン間で、コンデンサと報知手段の閉回路が形成され、報知手段によりショートが報知されるので、電圧検出器等の特別な部材が不要となり、小型の電動車両に好適な電力変換装置を提供することができる。

本発明の第２の特徴によれば、報知手段は、コンデンサがショート状態になると発光する発光手段と、発光手段が発光した光を受光する受光手段とを有するので、発光手段と受光手段とのグラウンドを別にして適用することができる。

本発明の第３の特徴によれば、発光手段及び受光手段は、フォトカプラで構成されるので、報知手段を廉価に構成することができる。

本発明の第４の特徴によれば、制御手段は、発光手段の発光情報を受信するので、低電圧系である制御手段と高電圧系の回路とのグラウンドを分離することができる。

本発明の第５の特徴によれば、報知手段は、ダイオードブリッジ回路を有し、発光手段は、ダイオードブリッジ回路を介してコンデンサに対して直列に接続されているので、コンデンサを複数備えた場合であっても、各コンデンサのショートを報知することができる。

本発明の第６の特徴によれば、制御手段は、報知手段によりコンデンサのショート状態が報知された場合は、昇圧又は降圧を停止するが双方向の通過は可能なので、必要最低限の電圧を電力負荷に供給することができるので、リンプホームを行うことができる。

電力変換装置を搭載した電動二輪車の左側面図である。 電動二輪車に搭載される電力変換装置の回路図である。 図３Ａは、第２コンデンサの充電時の電流の流れを示し、図３Ｂは、第２コンデンサの充電時に流れる電流の波形を示す。 図４Ａは、第１コンデンサの充電時の電流の流れを示し、図４Ｂは、第１コンデンサの充電時に流れる電流の波形を示す。 図５Ａは、第１コンデンサの放電時の電流の流れを示し、図５Ｂは、第１コンデンサの放電時に流れる電流の波形を示す。 図６Ａは、第２コンデンサの放電時の電流の流れを示し、図６Ｂは、第２コンデンサの放電時に流れる電流の波形を示す。 図７Ａは、第１コンデンサ及び第２コンデンサの放電時の電流の流れを示し、図７Ｂは、第１コンデンサ及び第２コンデンサの放電時に流れる電流の波形を示す。 導通動作における電流の流れを示す。 検出手段の回路図である。 図１０Ａは、電力変換装置の昇圧動作時において、第２コンデンサがショートした場合に、検出手段を流れる電流の状態を示し、図１０Ｂは、図１０Ａにおいて、流れる電流のルートの概念図である。 図１１Ａは、電力変換装置の昇圧動作時において、第１コンデンサがショートした場合に、検出手段を流れる電流の状態を示し、図１１Ｂは、図１１Ａにおいて、流れる電流のルートの概念図である。

本発明に係る電動車両における電力変換装置について、好適な実施の形態を掲げ、添付の図面を参照しながら以下、詳細に説明する。

図１は、電力変換装置を搭載した電動二輪車の左側面図である。電動二輪車（電動車両）１０は、ステップフロア１２を有するスクーター型の二輪車である。スイングアーム１４に設けられたモータ１６の回転駆動力で後輪ＷＲを駆動する。モータ１６に電力を供給する高電圧（例えば、７２Ｖ）のメインバッテリ（バッテリ）１８は、複数のバッテリセルが直列接続された複数のバッテリモジュールを有する。

メインフレーム２０の上端部には、ステアリングステム２２を回転自在に軸支するヘッドパイプ２４が結合されている。ステアリングステム２２には、前輪ＷＦを回転可能に軸支する左右一対のフロントフォーク２６が取付けられている。前輪ＷＦは、ステアリングステム２２の上部に取付けられたアクセルグリップを有するステアリングハンドル２８によって操舵可能とされている。ステアリングハンドル２８には、前記アクセルグリップの回動角、つまり、アクセル開度を検出するスロットルセンサ３０が設けられている。

メインフレーム２０の下部には、車体後方に延びている左右一対のサイドフレーム３２が連結され、左右一対のサイドフレーム３２には、車体上後方に延びているリアフレーム３４が連結されている。ステップフロア１２の下方であって、左右一対のサイドフレーム３２の間にメインバッテリ１８が設けられる。サイドフレーム３２の後部には、スイングアームピボット３６が形成されたピボットプレート３８が取付けられている。スイングアームピボット３６には、車幅方向左側のアームのみで後輪ＷＲを支持する片持ち式のスイングアーム１４の前端部が揺動可能に軸支されている。スイングアーム１４の後端部には、後輪ＷＲが車軸４０によって回転自在に軸支されており、スイングアーム１４の後端部は、リアサスペンション４２によってリアフレーム３４に吊り下げられている。

スイングアーム１４には、メインバッテリ１８から供給される直流電流を交流電流に変換してモータ１６に供給するＰＤＵ（パワードライブユニット）４４が設けられる。ピボットプレート３８には、サイドスタンド４６が設けられ、サイドスタンド４６は、該サイドスタンド４６が所定の格納位置に上げられているときに検出信号を出力するサイドスタンドスイッチ４８を有する。

リアフレーム３４の上には、メインバッテリ１８を充電する充電器（図示略）から延びる充電ケーブル５０の充電プラグ５２を結合することができる充電ソケット５４が設けられる。リアフレーム３４には、さらにリアキャリア５６及びテールライト５８が設けられる。

メインバッテリ１８の前部には、空気導入パイプ６０が連結され、メインバッテリ１８の後部には吸気ファン６２が設けられる。吸気ファン６２によって空気導入パイプ６０からメインバッテリ１８に空気が導入されて車体後方に排出される。これにより、メインバッテリ１８が発生した熱を外気によって冷却することができる。

左右一対のリアフレーム３４の間には、荷室６４が設けられ、この荷室６４から下部に突出している荷室底部６６には、メインバッテリ１８又は前記充電器で充電される低電圧（例えば、１２Ｖ）のサブバッテリ６８が収納される。荷室６４の上には、荷室６４の蓋を兼用するシート７０が設けられ、シート７０には、運転者が着座したときに作動して着座信号を出力するシートスイッチ７２が設けられる。

ヘッドパイプ２４の前部にはブラケット７４が結合され、このブラケット７４の前端部には、ヘッドライト７６が取付けられ、ヘッドライト７６の上方には、ブラケット７４で支持されるフロントキャリア７８が設けられる。

図２は、電動二輪車１０に搭載される電力変換装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）の回路図である。電力変換装置１００は、メインバッテリ１８の電圧を昇圧してＰＤＵ４４のインバータ回路４４ａに供給し、又は、ＰＤＵ４４のインバータ回路４４ａ等からの電圧を降圧してメインバッテリ１８に供給するものである。電力変換装置１００は、メインバッテリ１８側に接続され、メインバッテリ１８と直列に接続されるインダクタＬと、直列に接続された第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２と、第３コンデンサＣ３と、インバータ回路４４ａとを並列に接続する電力ライン１０２と、インダクタＬと電力ライン１０２との間に設けられるスイッチング手段１０４と、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２と直列に接続され、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２がショート状態になったことを検出（報知）する検出手段（報知手段）１０６とを備える。この検出手段１０６については、後で詳細に述べる。

インダクタＬは、昇圧動作時や降圧動作時に磁気エネルギーを蓄積するものであり、電力変換装置１００の正極側入力部１０８ａに接続される。スイッチング手段１０４は、一対のＩＧＢＴ等のスイッチング素子を有する第１スイッチング部１０４ａ及び第２スイッチング部１０４ｂを備え、第１スイッチング部１０４ａは、インダクタＬを介して正極側入力部１０８ａに接続され、第２スイッチング部１０４ｂは、電力変換装置１００の負極側入力部１０８ｂに接続される。正極側入力部１０８ａと負極側入力部１０８ｂ間の電圧（入力電圧）をＶ１とする。

なお、正極側入力部１０８ａは、メインバッテリ１８の正極に接続され、負極側入力部１０８ｂは、メインバッテリ１８の負極に接続される。また、平滑コンデンサＣ４は、メインバッテリ１８のインピーダンスを下げるために設けられており、例えば、メインバッテリ１８が電力変換装置１００から離れ電源配線が長くなった場合、メインバッテリ１８のインピーダンスが上昇し、制御の誤動作を招くことがあるが平滑コンデンサＣ４はこれを防止する。

第１スイッチング部１０４ａ及び第２スイッチング部１０４ｂは直列に接続され、第１スイッチング部１０４ａは、電力ライン１０２の正極ライン１０２ａに接続され、第２スイッチング部１０４ｂは、電力ライン１０２の負極ライン１０２ｂに接続されている。なお、正極ライン１０２ａの正極側出力部１１０ａは、ＰＤＵ４４のインバータ回路４４ａの正極側に接続され、負極ライン１０２ｂの負極側出力部１１０ｂは、ＰＤＵ４４のインバータ回路４４ａの負極側に接続される。正極側出力部１１０ａと負極側出力部１１０ｂ間の電圧（出力電圧）をＶ２とする。

直列に接続された第１スイッチング部１０４ａ及び第２スイッチング部１０４ｂと、直列に接続された第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２とは並列に接続されており、第１スイッチング部１０４ａ及び第２スイッチング部１０４ｂとの接続点Ａは、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との接続点Ｂに接続されている。

第１スイッチング部１０４ａは、直列に接続された第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２と、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２に並列に接続された第１フライホイールダイオードＤ１及び第２フライホイールダイオードＤ２とを有する。また、第２スイッチング部１０４ｂは、直列に接続された第３スイッチング素子ＳＷ３及び第４スイッチング素子ＳＷ４と、第３スイッチング素子ＳＷ３及び第４スイッチング素子ＳＷ４に並列に接続された第３フライホイールダイオードＤ３及び第４フライホイールダイオードＤ４とを有する。この第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４は直列に接続されている。

第１スイッチング素子ＳＷ１は、メインバッテリ１８の正極側、つまり、インダクタＬを、第１コンデンサＣ１の正極側及び正極ライン１０２ａに接続するためのスイッチング素子であり、第２スイッチング素子ＳＷ２は、メインバッテリ１８の正極側、つまり、インダクタＬを、第１コンデンサＣ１の負極側及び第２コンデンサＣ２の正極側、つまり、接続点Ｂに接続するためのスイッチング素子である。

第３スイッチング素子ＳＷ３は、メインバッテリ１８の負極側を、第１コンデンサＣ１の負極側及び第２コンデンサＣ２の正極側、つまり、接続点Ｂに接続するためのスイッチング素子であり、第４スイッチング素子ＳＷ４は、メインバッテリ１８の負極側を、第２コンデンサＣ２の負極側及び負極ライン１０２ｂに接続するためのスイッチング素子である。なお、第２スイッチング素子ＳＷ２と第３スイッチング素子ＳＷ３とは接続点Ａで接続されている。

第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、及び第３コンデンサＣ３は、過電圧時にショートする小型のコンデンサ、例えば、セラミックコンデンサで構成されており、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４のスイッチングにより、充放電を繰り返すものである。

ＰＤＵ４４のインバータ制御部４４ｂは、インバータ回路４４ａの図示しないスイッチング素子を駆動制御して、インバータ回路４４ａに供給された直流電圧を三相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）の交流電圧に変換して、モータ１６に供給することでモータを駆動させる。インバータ制御部４４ｂは、インバータ回路４４ａの前記スイッチング素子を駆動制御して、モータ１６が発生した交流の回生電圧を直流電圧に変換して、電力変換装置１００に供給する。

制御部（制御手段）１１２は、設定した動作モードに従って、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４のオンオフ制御を行なう。動作モードとしては、昇圧動作、降圧動作、及び導通動作があり、以下、これらの動作について説明する。

始めに、昇圧動作について説明する。昇圧動作では、電力変換装置１００は、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とを交互に充電するとともに、インダクタＬに磁気エネルギーを蓄積させることで、メインバッテリ１８の電圧の昇圧を行う。

昇圧動作においては、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第４スイッチング素子ＳＷ４を常時オフにし、第２スイッチング素子ＳＷ２と第３スイッチング素子ＳＷ３とを交互にオンオフするように、制御部１１２から第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３にゲート電圧が印加される。

まず、第２コンデンサＣ２の充電動作について説明する。図３Ａは、第２コンデンサＣ２の充電時の電流の流れを示し、図３Ｂは、第２コンデンサＣ２の充電時に流れる電流の波形を示す。なお、図３Ａでは、メインバッテリ１８を電源Ｅで表し、出力側のインバータ回路４４ａ及びモータ１６の電力負荷をＲで表している。

時刻ｔ１に、制御部１１２が、第１スイッチング部１０４ａの第２スイッチング素子ＳＷ２にゲート電圧を印加して、第２スイッチング素子ＳＷ２をオンにすると（第１スイッチング素子ＳＷ１、第３スイッチング素子ＳＷ３、及び第４スイッチング素子ＳＷ４はオフ）、電源Ｅ→インダクタＬ→第２スイッチング素子ＳＷ２→第２コンデンサＣ２→第４フライホイールダイオードＤ４→電源Ｅのルートで充電電流Ｉ１が流れる。このとき、第２コンデンサＣ２は、電源Ｅによって充電され、インダクタＬには、磁気エネルギーが蓄積される（図３ＢのＩ１：Ｃ２充電電流の波形を参照）。また、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２は、第３コンデンサＣ３と電力負荷Ｒにも接続されているので、同時に第３コンデンサＣ３が充電されるとともに、電力負荷Ｒに出力電流が流れる。

その後、時刻ｔ２において、制御部１１２が、第２スイッチング素子ＳＷ２へのゲート電圧の印加を停止して、第２スイッチング素子ＳＷ２をオフにすると（第１スイッチング素子ＳＷ１、第３スイッチング素子ＳＷ３、及び第４スイッチング素子ＳＷ４もオフ）、インダクタＬに蓄積された磁気エネルギーによる放出電流Ｉ２が、インダクタＬ→第１フライホイールダイオードＤ１→第１コンデンサＣ１→第２コンデンサＣ２→第４フライホイールダイオードＤ４→電源Ｅ→インダクタＬのルートで流れる（図３ＢのＩ２：Ｌ放出電流の波形を参照）。

続いて、第１コンデンサＣ１の充電動作について説明する。図４Ａは、第１コンデンサＣ１の充電時の電流の流れを示し、図４Ｂは、第１コンデンサＣ１の充電時に流れる電流の波形を示す。なお、図４Ａでは、図３Ａと同様に、メインバッテリ１８を電源Ｅで表し、出力側のインバータ回路４４ａ及びモータ１６の電力負荷をＲで表している。

時刻ｔ３に、制御部１１２が、第２スイッチング部１０４ｂの第３スイッチング素子ＳＷ３にゲート電圧を印加して、第３スイッチング素子ＳＷ３をオンにすると（第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第４スイッチング素子ＳＷ４はオフ）、電源Ｅ→インダクタＬ→第１フライホイールダイオードＤ１→第１コンデンサＣ１→第３スイッチング素子ＳＷ３→電源Ｅのルートで充電電流Ｉ３が流れる。このとき、第１コンデンサＣ１が電源Ｅによって充電される。このとき、第１コンデンサＣ１が電源Ｅによって充電され、インダクタＬには磁気エネルギーが蓄積される（図４ＢのＩ３：Ｃ１充電電流の波形を参照）。また、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２は、第３コンデンサＣ３と電力負荷Ｒにも接続されているので、同時に第３コンデンサＣ３が充電されるとともに、電力負荷Ｒに出力電流が流れる。

その後、時刻ｔ４において、制御部１１２が、第３スイッチング素子ＳＷ３へのゲート電圧の印加を停止して、第３スイッチング素子ＳＷ３をオフにすると（第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、及び第４スイッチング素子ＳＷ４もオフ）、インダクタＬに蓄積された磁気エネルギーによる放出電流Ｉ４が、インダクタＬ→第１フライホイールダイオードＤ１→第１コンデンサＣ１→第２コンデンサＣ２→第４フライホイールダイオードＤ４→電源Ｅ→インダクタＬのルートで流れる（図４ＢのＩ４：Ｌ放出電流の波形を参照）。

このように、電力変換装置１００では、２個に直列接続された第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２へ電源Ｅから交互に充電電流Ｉ１、Ｉ３を流すこと、及び、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２への充電電流Ｉ１、Ｉ３でインダクタＬに磁気エネルギーを蓄積し、このインダクタＬの放出電流Ｉ２、Ｉ４により第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２を充電することにより昇圧動作を行わせることができる。

なお、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３のオン時間のデューティ（ＤＵＴＹ）比を０〜５０％（実際には、第２スイッチング素子ＳＷ２と第３スイッチング素子ＳＷ３との短絡防止用のデッドタイムを考慮して、５０％以下の値、例えば、４５％等）の間に変化させることにより、電力変換装置１００は、入力された電源Ｅの電圧を１〜２倍にして出力することができる。すなわち、デューティ比を変化させて、電源Ｅから第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２への充電電流Ｉ１、Ｉ３、及び、インダクタＬによる放出電流Ｉ２、Ｉ４を制御（調整）することにより、出力電圧を任意の値に連続的に変化することができる。

次に、降圧動作について説明する。出力側の電力負荷としてモータ１６が使用されており、モータ１６の回転数を減速制御して（回生ブレーキ動作して）、出力側の電圧が上昇した場合に、降圧動作を行って、出力側の電圧を降圧して入力側のメインバッテリ１８を充電することができる。

電力変換装置１００では、降圧率が高い場合、即ち、回生電圧が大きい場合、例えば、回生電圧と、メインバッテリ１８に印加する電圧との比が、「１：０．５」〜「１：０．８」程度の場合は、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とを交互に放電することで降圧を行う。降圧率が低い場合、即ち、回生電圧が小さい場合、例えば、「１：０．８」〜「１：１」の程度の場合には、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とを同時に放電させることで降圧を行う。なお、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とには、回生電圧によって充電されている。

降圧率が高い場合の降圧動作においては、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３を常時オフにし、第１スイッチング素子ＳＷ１と第４スイッチング素子ＳＷ４とを交互にオンオフするように、制御部１１２から第１スイッチング素子ＳＷ１及び第４スイッチング素子ＳＷ４にゲート電圧が印加される。

まず、降圧率が高い場合の第１コンデンサＣ１の放電動作について説明する。図５Ａは、第１コンデンサＣ１の放電時の電流の流れを示し、図５Ｂは、第１コンデンサＣ１の放電時に流れる電流の波形を示す。なお、図５Ａにおいては、出力側の回生電圧を電源Ｅｇで表し、入力側のメインバッテリ１８を負荷Ｒｇで表している。

時刻ｔ１に、制御部１１２が、第１スイッチング部１０４ａの第１スイッチング素子ＳＷ１にゲート電圧を印加して、第１スイッチング素子ＳＷ１をオンにすると（第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３、及び第４スイッチング素子ＳＷ４はオフ）、第１コンデンサＣ１→第１スイッチング素子ＳＷ１→インダクタＬ→負荷Ｒｇ→第３フライホイールダイオードＤ３→第１コンデンサＣ１のルートで放電電流Ｉ１が流れる。このとき、負荷Ｒｇが第１コンデンサＣ１によって充電され、インダクタＬに磁気エネルギーが蓄積される（図５ＢのＩ１：Ｃ１放電電流の波形を参照）。

その後、時刻ｔ２において、制御部１１２が、第１スイッチング素子ＳＷ１へのゲート電圧の印加を停止して、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフにすると（第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３、及び第４スイッチング素子ＳＷ４もオフ）、インダクタＬに蓄積された磁気エネルギーによる放出電流Ｉ２が、インダクタＬ→負荷Ｒｇ→第３フライホイールダイオードＤ３→第２フライホイールダイオードＤ２→インダクタＬのルートで流れる（図５ＢのＩ２：Ｌ放出電流の波形を参照）。

このようにして、電力変換装置１００では、第１コンデンサＣ１に充電された回生電力がメインバッテリ１８に返還され、第１コンデンサＣ１の電圧が降下する。

続いて、降圧率が高い場合の第２コンデンサＣ２の放電動作について説明する。図６Ａは、第２コンデンサＣ２の放電時の電流の流れを示し、図６Ｂは、第２コンデンサＣ２の放電時に流れる電流の波形を示す。なお、図６Ａにおいては、図５Ａと同様に、出力側の回生電圧を電源Ｅｇで表し、入力側のメインバッテリ１８を負荷Ｒｇで表している。

時刻ｔ３に、制御部１１２が、第２スイッチング部１０４ｂの第４スイッチング素子ＳＷ４にゲート電圧を印加して、第４スイッチング素子ＳＷ４をオンにすると（第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３はオフ）、第２コンデンサＣ２→第２フライホイールダイオードＤ２→インダクタＬ→負荷Ｒｇ→第４スイッチング素子ＳＷ４→第２コンデンサＣ２のルートで放電電流Ｉ３が流れる。このとき、負荷Ｒｇが第２コンデンサＣ２によって充電され、インダクタＬに磁気エネルギーが蓄積される（図６ＢのＩ３：Ｃ２放電電流の波形を参照）。

その後、時刻ｔ４において、制御部１１２が、第４スイッチング素子ＳＷ４へのゲート電圧の印加を停止して、第４スイッチング素子ＳＷ４をオフにすると（第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２、第３スイッチング素子ＳＷ３もオフ）、インダクタＬに蓄積された磁気エネルギーによる放出電流Ｉ４が、インダクタＬ→負荷Ｒｇ→第３フライホイールダイオードＤ３→第２フライホイールダイオードＤ２→インダクタＬのルートで流れる（図６ＢのＩ４：Ｌ放出電流の波形を参照）。

このようにして、電力変換装置１００では、第２コンデンサＣ２に蓄積された回生電力がメインバッテリ１８に返還され、第２コンデンサＣ２の電圧が降下する。

このように、電力変換装置１００では、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とを交互に放電させることで、出力側に接続されたモータ１６及びインバータ回路４４ａからの回生電圧を降圧してメインバッテリ１８に供給することが可能となる。

次に、降圧率が低い場合の第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の放電動作について説明する。図７Ａは、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の放電時の電流の流れを示し、図７Ｂは、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の放電時に流れる電流の波形を示す。なお、図７Ａにおいては、出力側の回生電圧を電源Ｅｇで表し、入力側のメインバッテリ１８を負荷Ｒｇで表している。

降圧率が低い場合の降圧動作においては、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３を常時オフ、第４スイッチング素子ＳＷ４を常時オンにし、第１スイッチング素子ＳＷ１のみがオンオフするように、制御部１１２から第１スイッチング素子ＳＷ１及び第４スイッチング素子ＳＷ４にゲート電圧が印加される。

時刻ｔ１において、制御部１１２が、第１スイッチング部１０４ａの第１スイッチング素子ＳＷ１にゲート電圧を印加して、第１スイッチング素子ＳＷ１をオンにすると（第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２はオフ、第４スイッチング素子ＳＷ４はオン）、第１コンデンサＣ１→第１スイッチング素子ＳＷ１→インダクタＬ→負荷Ｒｇ→第４スイッチング素子ＳＷ４→第２コンデンサＣ２→第１コンデンサＣ１のルートで放電電流Ｉ１が流れる。このとき、負荷Ｒｇが第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２によって充電され、インダクタＬに磁気エネルギーが蓄積される（図７ＢのＩ１：Ｃ１、Ｃ２放電電流の波形を参照）。

その後、時刻ｔ２において、制御部１１２が、第１スイッチング素子ＳＷ１へのゲート電圧の印加を停止して、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフにすると、インダクタＬに蓄積された磁気エネルギーによる放出電流Ｉ２が、インダクタＬ→負荷Ｒｇ→第３フライホイールダイオードＤ３→第２フライホイールダイオードＤ２→インダクタＬのルートで流れる（図７ＢのＩ２：Ｌ放出電流の波形を参照）。

このように、電力変換装置１００は、降圧率の低い場合（回生電圧が低い場合）は、第１スイッチング素子ＳＷ１をオンオフ制御するだけで回生を行うことができる。

次に、導通動作について説明する。導通動作時では、電力変換装置１００は、メインバッテリ１８の電圧の昇圧及び降圧を行わない。図８は、導通動作における電流の流れを示し、導通動作においては、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４の全てを常時オフにする。

第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４の全てを常時オフにすると、電源Ｅ→インダクタＬ→第１フライホイールダイオードＤ１→電力負荷Ｒ→第４フライホイールダイオードＤ４→電源Ｅのルートで電流が流れる。この場合は、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２は、昇圧に寄与せず、出力電圧Ｖ２は、入力電圧Ｖ１の約１倍となる。つまり、導通動作時には、電力変換装置１００は、整流回路として機能する。

図９は、検出手段１０６の回路図である。検出手段１０６は、直列に接続された第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２と、ダイオードブリッジ回路１２０と、フォトカプラ１２２とを有する。

第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２は、正極ライン１０２ａと負極ライン１０２ｂとを繋ぐように設けられ、詳しくは、第１抵抗Ｒ１は正極ライン１０２ａに接続され、第２抵抗Ｒ２は負極ライン１０２ｂに接続される。第１抵抗Ｒ１及び第２抵抗Ｒ２は、直列に接続された第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２と並列に接続され、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２よりも出力側に設けられている。

ダイオードブリッジ回路１２０は、ダイオードＤ１１、ダイオードＤ１２、ダイオードＤ１３、及びダイオードＤ１４を有する。ダイオードＤ１２及びダイオードＤ１３は、アノード同士が互いに接続され、ダイオードＤ１１及びダイオードＤ１４は、カソード同士が互いに接続される。また、ダイオードＤ１２のカソードは、ダイオードＤ１１のアノードと接続され、ダイオードＤ１３のカソードは、ダイオードＤ１４のアノードと接続される。

ダイオードＤ１１とダイオードＤ１２との接続点は、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との接続点Ｃと接続されており、ダイオードＤ１３とダイオードＤ１４との接続点は、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との接続点Ｂと接続されている。ダイオードＤ１１とダイオードＤ１４との接続点と、ダイオードＤ１２とダイオードＤ１３との接続点とは、フォトカプラ１２２に接続されている。

フォトカプラ１２２は、光を発光する発光手段としての発光ダイオード１２２ａと、光を受光する受光手段としてのフォトトランジスタ１２２ｂとを有する。ダイオードＤ１１とダイオードＤ１４との接続点と、発光ダイオード１２２ａのアノードとが第３抵抗Ｒ３介して接続されており、ダイオードＤ１２とダイオードＤ１３との接続点と、発光ダイオード１２２ａのカソードとが接続されている。また、第４抵抗Ｒ４は、発光ダイオード１２２ａと並列に接続され、ダイオードブリッジ回路１２０と発光ダイオード１２２ａとの間に設けられている。発光ダイオード１２２ａは、流れた電流量に応じた光量の光を発光するものであり、フォトトランジスタ１２２ｂは、発光ダイオード１２２ａが発光した光量に応じて電流を流す。従って、発光ダイオード１２２ａを流れる電流が大きくなる程、フォトトランジスタ１２２ｂを流れる電流量は大きくなる。

次に、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２がショート状態になったときの検出手段１０６の動作について説明する。この第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２は、過電圧が印加された場合等にショートする。検出手段１０６は、昇圧動作時において第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２のショートを検出し、検出手段１０６の動作は、第１コンデンサＣ１のショート時と第２コンデンサＣ２のショート時とで異なる。

図１０Ａは、電力変換装置１００の昇圧動作時において、第２コンデンサＣ２がショートした場合に、検出手段１０６を流れる電流Ｉｓ１の状態を示し、図１０Ｂは、図１０Ａにおいて、流れる電流Ｉｓ１のルートの概念図である。なお、図１０Ａでは、メインバッテリ１８を電源Ｅで表している。

図１０Ａに示すように、第２コンデンサＣ２がショートした場合であって、昇圧動作時において、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４の全てがオフの状態になると、電源Ｅ→インダクタＬ→第１フライホイールダイオードＤ１→第１抵抗Ｒ１→ダイオードＤ１１→第３抵抗Ｒ３→発光ダイオード１２２ａ→ダイオードＤ１３→第２コンデンサＣ２（ショート状態）→第４フライホイールダイオードＤ４→電源Ｅのルートで電流Ｉｓ１が流れる。このとき、発光ダイオード１２２ａは、電流Ｉｓ１が流れることによって発光し、これに応じて、フォトトランジスタ１２２ｂに電流Ｉｓ´１が流れる。従って、制御部１１２は、フォトトランジスタ１２２ｂによって流れた電流Ｉｓ´１（発光情報）を受け取ることで、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の何れかがショートしたと判断することができる。

即ち、図１０Ｂに示すように、正極ライン１０２ａ及び負極ライン１０２ｂ間で、第１抵抗Ｒ１及びフォトカプラ１２２が、第２コンデンサＣ２に対して直列に接続されるように、第１抵抗Ｒ１及びフォトカプラ１２２を設けたので、つまり、正極ライン１０２ａ、第１抵抗Ｒ１、フォトカプラ１２２、第２コンデンサＣ２、及び負極ライン１０２ｂで閉回路が形成されるので、第２コンデンサＣ２がショートした時に、フォトカプラ１２２に電流Ｉｓ１を流すことができる。従って、第２コンデンサＣ２がショートした時に、フォトカプラ１２２は、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の何れかがショートしたことを検出（報知）することができる。

図１１Ａは、電力変換装置１００の昇圧動作時において、第１コンデンサＣ１がショートした場合に、検出手段１０６を流れる電流Ｉｓ２の状態を示し、図１１Ｂは、図１１Ａにおいて、流れる電流Ｉｓ２のルートの概念図である。なお、図１１Ａでは、メインバッテリ１８を電源Ｅで表している。

図１１Ａに示すように、第１コンデンサＣ１がショートした場合であって、昇圧動作時において、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４の全てがオフの状態になると、電源Ｅ→インダクタＬ→第１フライホイールダイオードＤ１→第１コンデンサＣ１（ショート状態）→ダイオードＤ１４→第３抵抗Ｒ３→発光ダイオード１２２ａ→ダイオードＤ１２→第２抵抗Ｒ２→第４フライホイールダイオードＤ４→電源Ｅのルートで電流Ｉｓ２が流れる。このとき、発光ダイオード１２２ａは、電流Ｉｓ２が流れることによって発光し、これに応じて、フォトトランジスタ１２２ｂに電流Ｉｓ´２が流れる。従って、制御部１１２は、フォトトランジスタ１２２ｂによって流れた電流Ｉｓ´２（発光情報）を受け取ることで、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の何れかがショートしたと判断することができる。

即ち、図１１Ｂに示すように、正極ライン１０２ａ及び負極ライン１０２ｂ間で、フォトカプラ１２２及び第２抵抗Ｒ２が、第１コンデンサＣ１に対して直列に接続されるように、フォトカプラ１２２及び第２抵抗Ｒ２を設けたので、つまり、正極ライン１０２ａ、第１コンデンサＣ１、フォトカプラ１２２、第２抵抗Ｒ２及び負極ライン１０２ｂで閉回路が形成されるので、第１コンデンサＣ１がショートした時に、フォトカプラ１２２に電流Ｉｓ２を流すことができる。従って、第１コンデンサＣ１がショートした時に、フォトカプラ１２２は、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２の何れかがショートしたことを検出（報知）することができる。

制御部１１２は、検出手段１０６により第１コンデンサＣ１又は第２コンデンサＣ２のショート状態が検出された場合は、導通動作に設定し、昇圧又は降圧を停止する。つまり、第１スイッチング素子ＳＷ１〜第４スイッチング素子ＳＷ４を全てオフする。これにより、入力電圧と出力電圧とは同じ値になる。なお、制御部１１２は、第１コンデンサＣ１又は第２コンデンサＣ２のショート状態が検出された場合は、図示しないインジケータランプを点灯させることによって、ショート状態が検出された旨を電動二輪車１０の運転者に報知してもよい。また、図示しない液晶ディスプレイ等の表示部に、ショート状態が検出された旨を表示することで電動二輪車１０の運転者に報知してもよく、スピーカから音を出力することで報知してもよい。

このように、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２に対して直列に接続され、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２がショート状態になったことを検出（報知）する検出手段１０６を設けるので、小型のショートタイプのコンデンサを用いた場合であっても、ショート時は、電力ライン１０２間で、第１コンデンサＣ１又は第２コンデンサＣ２と、検出手段１０６との閉回路が形成され、検出手段１０６によりショートが報知されるので、電圧検出器等の特別な部材が不要となり、小型の電動車両に好適な電力変換装置１００を提供することができる。

また、検出手段１０６は、第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２がショート状態になると発光する発光ダイオード１２２ａと、発光ダイオード１２２ａが発光した光を受光するフォトトランジスタ１２２ｂとを有するので、発光ダイオード１２２ａとのグラウンドを別にして適用することができる。

また、発光ダイオード１２２ａ及びフォトトランジスタ１２２ｂは、フォトカプラ１２２で構成されるので、検出手段１０６を廉価に構成することができる。制御部１１２は、発光ダイオード１２２ａの発光情報を受信するので、低電圧系である制御部１１２と高電圧系の回路（メインバッテリ１８、インダクタＬ、スイッチング手段１０４、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２、第３コンデンサＣ３、ダイオードブリッジ回路１２０）とのグランドを分離することができる。

検出手段１０６は、ダイオードブリッジ回路１２０を有し、発光ダイオード１２２ａは、ダイオードブリッジ回路１２０を介して第１コンデンサＣ１及び第２コンデンサＣ２に対して直列に接続されているので、コンデンサを複数備えた場合であっても、各コンデンサのショートを報知することができる。

制御部１１２は、検出手段１０６により第１コンデンサＣ１又は第２コンデンサＣ２のショート状態が報知された場合は、昇圧又は降圧を停止するが双方向の通過は可能なので、必要最低限の電圧を電力負荷Ｒに供給することができるので、リンプホームを行うことができる。

以上、本発明について好適な実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態の記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。また、特許請求の範囲に記載された括弧書きの符号は、本発明の理解の容易化のために添付図面中の符号に倣って付したものであり、本発明がその符号をつけた要素に限定されて解釈されるものではない。

１０…電動二輪車 １６…モータ
１８…メインバッテリ ４４…ＰＤＵ
４４ａ…インバータ回路 ４４ｂ…インバータ制御部
６８…サブバッテリ １００…電力変換装置
１０２…電力ライン １０２ａ…正極ライン
１０２ｂ…負極ライン １０４…スイッチング手段
１０４ａ…第１スイッチング部 １０４ｂ…第２スイッチング部
１０６…検出手段 １１２…制御部
１２０…ダイオードブリッジ回路 １２２…フォトカプラ
１２２ａ…発光ダイオード １２２ｂ…フォトトランジスタ
Ｃ１…第１コンデンサ Ｃ２…第２コンデンサ
Ｃ３…第３コンデンサ Ｃ４…平滑コンデンサ
ＳＷ１…第１スイッチング素子 ＳＷ２…第２スイッチング素子
ＳＷ３…第３スイッチング素子 ＳＷ４…第４スイッチング素子
Ｄ１…第１フライホイールダイオード Ｄ２…第２フライホイールダイオード
Ｄ３…第３フライホイールダイオード Ｄ４…第４フライホイールダイオード
Ｒ１…第１抵抗 Ｒ２…第２抵抗
Ｒ３…第３抵抗 Ｒ４…第４抵抗
Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ１３、Ｄ１４…ダイオード

Claims (6)

1. バッテリ（１８）側に接続されるインダクタ（Ｌ）と、
   前記インダクタ（Ｌ）と後記電力ライン（１０２）との間に設けられるスイッチング手段（１０４）と、
   コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）と電力負荷（Ｒ）とを並列に接続する電力ライン（１０２）と、
   前記スイッチング手段（１０４）のオンオフを制御して、前記バッテリ（１８）からの電力を昇圧して前記電力負荷（Ｒ）に供給させ、又は、前記電力負荷（Ｒ）からの電力を降圧して前記バッテリ（１８）に供給させる制御手段（１１２）と、
   を備えた電動車両（１０）における電力変換装置（１００）において、
   前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）は、過電圧時にショートする小型のコンデンサで形成され、
   前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）に対して直列に接続され、前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）がショート状態になったことを報知する報知手段（１０６）が設けられた
   ことを特徴とする電動車両（１０）における電力変換装置（１００）。
2. 請求項１に記載の電動車両（１０）における電力変換装置（１００）において、
   前記報知手段（１０６）は、前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）がショート状態になると発光する発光手段（１２２ａ）と、前記発光手段（１２２ａ）が発光した光を受光する受光手段（１２２ｂ）とを有する
   ことを特徴とする電動車両（１０）における電力変換装置（１００）。
3. 請求項２に記載の電動車両（１０）における電力変換装置（１００）において、
   前記発光手段（１２２ａ）及び前記受光手段（１２２ｂ）は、フォトカプラ（１２２）で構成される
   ことを特徴とする電動車両（１０）における電力変換装置（１００）。
4. 請求項２又は３に記載の電動車両（１０）における電力変換装置（１００）において、
   前記制御手段（１１２）は、前記発光手段（１２２ａ）の発光情報を受信する
   ことを特徴とする電動車両（１０）における電力変換装置（１００）。
5. 請求項２〜４の何れか１項に記載の電動車両（１０）における電力変換装置（１００）において、
   前記報知手段（１０６）は、ダイオードブリッジ回路（１２０）を有し、
   前記発光手段（１２２ａ）は、前記ダイオードブリッジ回路（１２０）を介して前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）に対して直列に接続されている
   ことを特徴とする電動車両（１０）における電力変換装置（１００）。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の電動車両（１０）における電力変換装置（１００）において、
   前記制御手段（１１２）は、前記報知手段（１０６）により前記コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）のショート状態が報知された場合は、昇圧又は降圧を停止する
   ことを特徴とする電動車両（１０）における電力変換装置（１００）。

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