JP2014231324A - 電力供給ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】リレー回路を適切に開閉することでＩＳＧ用電源回路を有効利用する。
【解決手段】電力供給ユニット２は、ハイブリッド車両の動力源となる走行用モータ１４、および、走行用モータで生成された電力を蓄積する補機用バッテリ３６を含み、制御機器３８に電力を供給する補機用電源回路６０と、ハイブリッド車両の動力源となるエンジン１０に連結されたＩＳＧ４０、および、ＩＳＧで生成された電力を蓄積するＩＳＧ用バッテリ４４を含むＩＳＧ用電源回路６２と、補機用電源回路とＩＳＧ用電源回路とを開閉可能に接続するリレー回路４６と、リレー回路の開閉状態の切り替えを要する場合に、リレー回路の２つの接点の電位差が所定値未満となるように制御した後、リレー回路の開閉状態を切り替える電圧制御部４８と、を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、動力源としてエンジンと走行用モータを備えたハイブリッド車両の電力供給ユニットに関する。

近年、エンジンと走行用モータといった、独立して動作可能な異なる複数の動力源を持つハイブリッド車両の開発が進められている。ハイブリッド車両では、例えば、エンジンのトルクが得られない低速走行時には走行用モータによって車両の加速を支援したり、制動時や減速時には走行用モータを発電機として機能させエネルギーを回収したりすることで、エネルギーを有効利用し、燃費を抑えることができる。

また、このようなハイブリッド車両においてエンジンに不具合が生じると、補機用バッテリの電力（電圧）を昇圧して走行用モータの電力供給源である高電圧バッテリに送電し、走行用モータのみで車両を走行させる技術も開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００７−１２９７９９号公報

自動車等の車両には、燃費や排気ガスの低減や騒音の抑制を目的として、信号待ちや渋滞などで車両が停止すると自動的にエンジンを停止し、また、エンジンの作動が必要になるとエンジンを再始動する所謂アイドルストップ機能が採用されている場合がある。かかるエンジンの再始動には、ＩＳＧ（Integrated Starter Generator）が用いられるが、アイドルストップ機能が頻繁に動作すると、エンジンの始動停止も頻繁に生じ得る。このとき、ＩＳＧの電力を補機用バッテリから直接受電するとなると、ＩＳＧへの電力供給に伴う電圧降下によって他の制御機器に影響を及ぼすおそれがある。

そこで、補機用バッテリや、走行用モータの電力を制御機器で受電可能な電力に変換するコンバータ等で構成される補機用電源回路と別に、ＩＳＧ専用のＩＳＧ用バッテリを設け、ＩＳＧやＩＳＧ用バッテリ等で構成されるＩＳＧ用電源回路を上記補機用電源回路と電気的に切り離すことで、他の制御機器への影響を回避することが可能となる。

ところで、ハイブリッド車両における各種制御機器は、その制御機器の電力供給源である補機用バッテリやコンバータが不調の場合であっても、動作し続けなければならない。すなわち、制御機器は、電力を受電し続けなければならない。そこで、補機用バッテリやコンバータが不調の場合に、普段、補機用電源回路とは電気的に切り離されたＩＳＧ用電源回路を一時的に補機用電源回路に接続することで、制御機器は、ＩＳＧ用電源回路の電力を補助的に受電することが可能となる。

しかし、補機用バッテリやコンバータの電力が有効な間に、補機用電源回路とＩＳＧ用電源回路とを、リレー回路を通じて単純に開閉すると、リレー回路の可動接点と固定接点との間の電位差によってアークが生じ、接点同士が溶着したり、ＩＳＧ側でロードダンプが生じたりして、リレー回路を正常に動作させることができない等の問題が生じ得る。だからといって、制御機器とＩＳＧ用電源回路とを接続する前に、予め補機用電源回路を電気的に切り離すと、制御機器への電力供給が途切れてしまう。

本発明は、このような課題に鑑み、リレー回路を適切に開閉することでＩＳＧ用電源回路の有効利用が可能な電力供給ユニットを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の電力供給ユニットは、ハイブリッド車両の動力源となる第１モータジェネレータ、および、第１モータジェネレータで生成された電力を蓄積する第１バッテリを含み、制御機器に電力を供給する第１電源回路と、ハイブリッド車両における第１モータジェネレータ以外の動力源であるエンジンに連結された第２モータジェネレータ、および、第２モータジェネレータで生成された電力を蓄積する第２バッテリを含む第２電源回路と、第１電源回路と第２電源回路とを開閉可能に接続するリレー回路と、リレー回路の開閉状態の切り替えを要する場合に、リレー回路の２つの接点の電位差が所定値未満となるように制御した後、リレー回路の開閉状態を切り替える電圧制御部と、を備えることを特徴とする。

リレー回路の２つの接点の電圧をそれぞれ検知する２つの電圧センサを備え、電圧制御部は、２つの電圧センサで検知された電圧の差が所定値未満となるように制御してもよい。

本発明によれば、リレー回路を適切に開閉することでＩＳＧ用電源回路の有効利用が可能となる。

電力供給ユニットの駆動系統を示した機能ブロック図である。 電力供給ユニットの電気系統を示した機能ブロック図である。 リレー回路を閉状態に切り替える場合の電圧制御部の動作を説明したフローチャートである。 リレー回路を開状態に切り替える場合の電圧制御部の動作を説明したフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値などは、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

自動車等の車両では、エンジン等の駆動機構により動力が得られ、ステアリングホイールやブレーキペダルを通じた運転者の操作により車両の操舵や制動が実行される。さらに、ハイブリッド車両では、エンジンと走行用モータといった、独立して動作可能な異なる複数の動力源が用いられ、両者の特性を活かして車両を効率的に走行させることができる。以下、このようなハイブリッド車両１を制御する電力供給ユニット２の駆動系統と電気系統とをその順に説明する。

（電力供給ユニット２の駆動系統）
図１は、電力供給ユニット２の駆動系統を示した機能ブロック図である。電力供給ユニット２には、エンジン１０と、出力軸１２と、走行用モータ（第１モータジェネレータ）１４と、クラッチ１６と、変速機１８とが含まれる。本実施形態のハイブリッド車両１は、所謂パラレルハイブリッドに相当し、主としてエンジン１０を動力源として出力軸１２を回動し、三相交流式の走行用モータ１４は、動力源ではあるものの、あくまでエンジン１０を補助する役割を担う。

ただし、発進時や加速時等、エンジン１０の回転数が高まらない低速走行時には、エンジン１０のパワーやトルクが上がらないため、クラッチ１６が解放され、走行用モータ１４のみが動力源として用いられる。また、発進時や加速時等以外であっても、ハイブリッド車両１の走行モードをＥＶモードに設定し、クラッチ１６を解放することで、走行用モータ１４のみで走行することが可能となる。

変速機１８は、クラッチ１６を介してエンジン１０と連結され、エンジン１０の動力を、回転速度やトルクを変換しつつ出力軸１２に伝達する。

本実施形態の電力供給ユニット２は、このようなハイブリッド車両１に搭載されることを前提に、車両内に配されたバッテリ同士の接続関係を工夫することで、各制御機器の電力供給源が不調の場合であっても、制御機器に安定的に電力を供給することが可能となる。

（電力供給ユニット２の電気系統）
図２は、電力供給ユニット２の電気系統を示した機能ブロック図である。電力供給ユニット２には、上述した駆動系統に属する構成に加え、高電圧インバータ３０と、高電圧バッテリ３２と、ＤＣＤＣコンバータ３４と、補機用バッテリ（第１バッテリ）３６と、制御機器３８と、ＩＳＧ（第２モータジェネレータ）４０と、ＩＳＧインバータ４２と、ＩＳＧ用バッテリ（第２バッテリ）４４と、リレー回路４６と、電圧制御部４８と、第１電圧センサ５０と、第２電圧センサ５２とが含まれる。ここで、ＤＣＤＣコンバータ３４と補機用バッテリ３６とは、制御機器３８に電力を供給する補機用電源回路（第１電源回路）６０として機能し、ＩＳＧ４０とＩＳＧ用バッテリ４４とはＩＳＧ用電源回路（第２電源回路）６２として機能する。

高電圧インバータ３０は、走行用モータ１４を動力源として用いている間、高電圧バッテリ３２の高電圧（例えば２００Ｖ）の直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を走行用モータ１４に供給する。高電圧バッテリ３２は例えばリチウムイオンバッテリで構成される。

また、ハイブリッド車両１の制動時や減速時には、走行用モータ１４が発電機として機能し、高電圧インバータ３０は、走行用モータ１４から出力された交流電力を高電圧の直流電力に変換する。変換された電気エネルギーは、高電圧バッテリ３２に蓄電されるか、さらに、ＤＣＤＣコンバータ３４を介して例えば電圧が１２Ｖに降圧され（補機用バッテリ３６に蓄積可能な電力に変換し）、補機用バッテリ３６に蓄電される。ここで、補機用バッテリ３６は鉛蓄電池で構成される。補機用バッテリ３６に蓄積された電力は、ＤＣＤＣコンバータ３４から出力される電力とともに制御機器３８に供給される。ここで、制御機器３８は、走行用モータ１４、エンジン１０、各バッテリ（高電圧バッテリ３２、補機用バッテリ３６、ＩＳＧ用バッテリ４４等）、ＩＳＧ４０、および、車両全体等、ハイブリッド車両１を統括的に制御する制御回路や、電動パワーステアリング、補機類等の各機器を含む。

本実施形態では、高電圧バッテリ３２と別体に補機用バッテリ３６を設けることで、ＤＣＤＣコンバータ３４の出力の変動に拘わらず、補機用バッテリ３６から制御機器３８に安定して電力を供給することができる。

ＩＳＧ４０は、エンジン１０の回転軸１０ａに直接またはプーリ機構を介して連結され、電動機として機能させることで、エンジン１０を始動するスタータモータの役を担う。また、ＩＳＧ４０は、エンジン１０が始動した後はエンジン１０の回転エネルギーを電気エネルギーとして回収する発電機として機能する。

ＩＳＧ４０を発電機として機能させる場合、ＩＳＧ４０のフィールドコイルに界磁電流を供給し、三相交流の誘起電流を生じさせる。そして、フィールドコイルの界磁電流を、レギュレータ等を通じて調整することで、ＩＳＧ４０の発電電圧、すなわち、ＩＳＧインバータ４２の出力電圧を可変することができる。こうして、回収された電気エネルギーは、ＩＳＧインバータ４２を介して電圧が１２Ｖに降圧され、ＩＳＧ用バッテリ４４に蓄電される。ＩＳＧ用バッテリ４４は鉛蓄電池である。

ここでは、ＩＳＧ４０やＩＳＧ用バッテリ４４を含むＩＳＧ用電源回路６２と、制御機器３８や補機用バッテリ３６を含み制御機器３８に電力を供給する補機用電源回路６０とを電気的に切り離すことで、ＩＳＧ４０への電力供給に伴う電圧降下によって、補機用電源回路６０に接続された制御機器３８に影響を及ぼすことを回避することが可能となる。

リレー回路４６は、補機用電源回路６０とＩＳＧ用電源回路６２とを開閉可能に接続する。ここでは、電気的に切り離されたＩＳＧ用電源回路６２と補機用電源回路６０とを、リレー回路４６を通じて電気的に接続することで、ＩＳＧ用電源回路６２の電力を制御機器３８に補助的に供給することが可能となる。こうして、補機用バッテリ３６やＤＣＤＣコンバータ３４が不調の場合であっても制御機器３８には電力を供給し続けることができる。

ただし、補機用バッテリ３６やＤＣＤＣコンバータ３４の電力が有効な間に、補機用電源回路６０とＩＳＧ用電源回路６２とを、リレー回路４６を通じて単純に開閉すると、リレー回路４６を正常に動作させることができない等の問題が生じ得る。例えば、補機用電源回路６０とＩＳＧ用電源回路６２との電気的接続を開状態（ＯＦＦ）から閉状態（ＯＮ）に単純に切り替えると、リレー回路４６の可動接点と固定接点との間の電位差によってアークが生じ、接点同士が溶着するおそれがある。また、補機用電源回路６０とＩＳＧ用電源回路６２との電気的接続を閉状態から開状態に単純に切り替えると、ＩＳＧ４０の負荷が急激に減り、リレー回路４６のＩＳＧ４０側で所謂ロードダンプが生じ得る。そこで、本実施形態では、以下の電圧制御部４８を設けている。

電圧制御部４８は、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭ等を含む半導体集積回路で構成され、各種センサの値を読み出して電力供給ユニット２全体を制御する。例えば、電圧制御部４８は、リレー回路４６の開閉状態の切り替えを要する機会が生じると、リレー回路４６の補機用電源回路６０側の接点の電圧を検知する第１電圧センサ５０や、リレー回路４６のＩＳＧ用電源回路６２側の接点の電圧を検知する第２電圧センサ５２の電圧値を読み出す。そして、電圧制御部４８は、第１電圧センサ５０と第２電圧センサ５２で検知された電圧の差（リレー回路４６の２つの接点の電位差）が所定値（例えば０．２Ｖ）未満となるように制御する。その後、電圧制御部４８は、リレー回路４６の開閉状態を切り替える。以下、リレー回路４６を開状態から閉状態に切り替える場合と、閉状態から開状態に切り替える場合とに分けて、電圧制御部４８の詳細な動作を説明する。

（リレー回路４６開状態→閉状態）
図３は、リレー回路４６を閉状態に切り替える場合の電圧制御部４８の動作を説明したフローチャートである。補機用バッテリ３６やＤＣＤＣコンバータ３４の不調を検知すると、電圧制御部４８は、ＤＣＤＣコンバータ３４の出力電圧を現在設定されている値（例えば、１２Ｖ）に固定し（Ｓ２００）、第１電圧センサ５０の電圧値を読み出す（Ｓ２０２）。

そして、電圧制御部４８は、ＩＳＧインバータ４２の出力電圧が第１電圧センサ５０で読み出した電圧値となるように、ＩＳＧ４０の出力電圧の目標値を設定する（Ｓ２０４）。そして、電圧制御部４８は、第１電圧センサ５０および第２電圧センサ５２のその時点の電圧値を読み出し（Ｓ２０６）、その電位差が所定値未満であるか否か判定する（Ｓ２０８）。その結果、所定値以上であれば（Ｓ２０８におけるＮＯ）、ＩＳＧ４０の出力電圧を電位差が小さくなる方向に予め定められた値だけ増減し（Ｓ２１０）、センサ読み出しステップ（Ｓ２０６）からを繰り返す。

第１電圧センサ５０および第２電圧センサ５２の電位差が所定値未満であれば（Ｓ２０８におけるＹＥＳ）、接点間に大電流が流れるのを回避できたとして、リレー回路４６を開状態から閉状態に切り替え、補機用電源回路６０とＩＳＧ用電源回路６２とを電気的に接続し（Ｓ２１２）、ＤＣＤＣコンバータ３４の出力を停止する（Ｓ２１４）。こうして、接点同士が溶着することなく、ＩＳＧ用電源回路６２から制御機器３８に電力を供給することができる。

（リレー回路４６閉状態→開状態）
図４は、リレー回路４６を開状態に切り替える場合の電圧制御部４８の動作を説明したフローチャートである。リレー回路４６が閉状態となっている間に、補機用バッテリ３６やＤＣＤＣコンバータ３４の不調が解消されると、以下の手順でリレー回路４６が開状態に切り替えられる。

まず、リレー回路４６を開状態に切り替え得る条件が整うと、電圧制御部４８は、ＩＳＧ４０の出力電圧を現在設定されている値（例えば、１２Ｖ）に設定し（Ｓ２５０）、第２電圧センサ５２の電圧値を読み出す（Ｓ２５２）。

そして、電圧制御部４８は、ＤＣＤＣコンバータ３４の出力電圧が第２電圧センサ５２で読み出した電圧値となるように、ＤＣＤＣコンバータ３４の出力電圧の目標値を設定し、ＤＣＤＣコンバータ３４の動作を開始して電圧を固定する（Ｓ２５４）。そして、電圧制御部４８は、第１電圧センサ５０および第２電圧センサ５２のその時点の電圧値を読み出し（Ｓ２５６）、その電位差が所定値未満であるか否か判定する（Ｓ２５８）。その結果、所定値以上であれば（Ｓ２５８におけるＮＯ）、電位差が小さくなる方向にＩＳＧ４０の出力電圧を予め定められた値だけ増減し（Ｓ２６０）、センサ読み出しステップ（Ｓ２５６）からを繰り返す。

第１電圧センサ５０および第２電圧センサ５２の電位差が所定値未満であれば（Ｓ２５８におけるＹＥＳ）、制御機器３８の電源を補機用バッテリ３６もしくはＤＣＤＣコンバータ３４で賄える、すなわち、制御機器３８の電源をＩＳＧ４０から供給しなくてよい（電流０）として、リレー回路４６を閉状態から開状態に切り替え、補機用電源回路６０とＩＳＧ用電源回路６２とを電気的に切り離す（Ｓ２６２）。

こうして、ロードダンプが生じることなく、ＩＳＧ用電源回路６２を補機用電源回路６０から切り離し、ＩＳＧ４０への電力供給に伴う電圧降下に拘わらず、ＤＣＤＣコンバータ３４や補機用バッテリ３６による制御機器３８の安定稼働を実現することが可能となる。

以上、説明したように、本実施形態では、リレー回路４６を適切に開閉することで、リレー回路４６の溶着やロードダンプ等を回避しつつ、制御機器３８に対するＩＳＧ用電源回路６２を有効利用することが可能となる。

また、コンピュータを、電力供給ユニット２として機能させるプログラムや当該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段をいう。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態では、補機用バッテリ３６やＤＣＤＣコンバータ３４が不調に陥った場合に、ＩＳＧ用電源回路６２の電力を補助的に制御機器３８に供給する例を挙げて説明しているが、ＩＳＧ用バッテリ４４が不調な場合のエンジン１０の始動時に、補機用電源回路６０の電力を補助的にＩＳＧ４０に供給してもよい。

なお、本実施形態のリレー回路４６の開閉に関する各工程は、必ずしもフローチャートとして記載された順序に沿って時系列に処理する必要はなく、並列的あるいはサブルーチンによる処理を含んでもよい。

本発明は、動力源としてエンジンと走行用モータを備えたハイブリッド車両の電力供給ユニットに利用することができる。

１ ハイブリッド車両
２ 電力供給ユニット
１０ エンジン
１４ 走行用モータ（第１モータジェネレータ）
３４ ＤＣＤＣコンバータ
３６ 補機用バッテリ（第１バッテリ）
３８ 制御機器
４０ ＩＳＧ（第２モータジェネレータ）
４４ ＩＳＧ用バッテリ（第２バッテリ）
４６ リレー回路
４８ 電圧制御部
５０ 第１電圧センサ
５２ 第２電圧センサ
６０ 補機用電源回路（第１電源回路）
６２ ＩＳＧ用電源回路（第２電源回路）

Claims (2)

1. ハイブリッド車両の動力源となる第１モータジェネレータ、および、該第１モータジェネレータで生成された電力を蓄積する第１バッテリを含み、制御機器に電力を供給する第１電源回路と、
   前記ハイブリッド車両における前記第１モータジェネレータ以外の動力源であるエンジンに連結された第２モータジェネレータ、および、該第２モータジェネレータで生成された電力を蓄積する第２バッテリを含む第２電源回路と、
   前記第１電源回路と前記第２電源回路とを開閉可能に接続するリレー回路と、
   前記リレー回路の開閉状態の切り替えを要する場合に、前記リレー回路の２つの接点の電位差が所定値未満となるように制御した後、前記リレー回路の開閉状態を切り替える電圧制御部と、
   を備えることを特徴とする電力供給ユニット。
2. 前記リレー回路の２つの接点の電圧をそれぞれ検知する２つの電圧センサを備え、
   前記電圧制御部は、前記２つの電圧センサで検知された電圧の差が所定値未満となるように制御することを特徴とする請求項１に記載の電力供給ユニット。

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