JP2015220949A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、車両外部に電力を供給するシステムとして二次電池と燃料電池を適切に使い分ける電気自動車を提供する。術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電気自動車は、昇圧動作と降圧動作を行うことのできる昇降圧コンバータ１０と、二次電池７と、リレー１２と、燃料電池１８と、外部給電用インバータ１３と、コントローラ１６を備えている。二次電池７は、リレー１２を介して電圧コンバータの低電圧端ＰＬに接続されている。外部給電用インバータ１３も低電圧端ＰＬに接続されている。燃料電池１８は、昇降圧コンバータ１０の高電圧端ＰＨに接続されている。コントローラ１６は、外部給電用インバータ１３を動作させる際、燃料電池の出力が安定するまではリレーを閉じて二次電池の出力電力を外部給電用インバータに供給し、燃料電池の出力が安定したらリレーと開くとともに、電圧コンバータの低電圧端と高電圧端を直結させる。【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車に関する。特に、二次電池と燃料電池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」は、走行用にモータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車を含む。また、本明細書における二次電池は、充電可能な電池を意味する。そのような電池の典型はリチウムイオン電池やニッケル水素電池、あるいは鉛電池などの化学電池である。本明細書では、二次電池とそれ以外の電池（例えば燃料電池）をまとめて「バッテリ」と総称する。

電気自動車は大容量のバッテリを搭載している。そのバッテリの電力を車両の外のデバイスへも供給することができると便利である。特許文献１には、車両のバッテリの電力を使って別の車両のバッテリ（二次電池）を充電する技術が開示されている。特許文献１に開示された技術は、電力供給側の車両のバッテリの電圧と、電力を受ける側の車両のバッテリの電圧が異なる場合でも充電することができる。また、特許文献２には、燃料電池を搭載した電気自動車に関し、停電時など、電力会社が供給する商用電力の代わりに車載の燃料電池の電力を使えるようにする技術が開示されている。

特開２０１４−５０４１３９号公報 特開２０１３−１９８２８８号公報

本明細書が開示する技術は、走行用モータのバッテリとして二次電池と燃料電池の双方を有する電気自動車に関する。電気自動車の二次電池と燃料電池にはそれぞれ特徴（あるいは制約）がある。燃料電池は二次電池と比較すると、起動してから出力電力が安定するまで時間を要するという特徴がある。一方、二次電池を含む電気自動車の電力システムには、走行用モータが発電する電力（回生電力）で二次電池を充電するための回路が組み込まれている。特に、モータの定格電圧が二次電池の出力電圧よりも高い場合には、二次電池の出力電圧を昇圧してインバータ（モータ）へ供給する昇圧動作と、モータが発生する回生電力の電圧を降圧して二次電池へ供給する降圧動作の双方を行うことのできる電圧コンバータが必要となる。本明細書が開示する技術は、上記の特徴（あるいは制約）の中で、車両外部に電力を供給するシステムとして二次電池と燃料電池を適切に使い分けることのできる電気自動車を提供する。

本明細書が開示する電気自動車は、二次電池と燃料電池と電圧コンバータのほか、走行用のインバータと外部給電用のインバータとコントローラを備える。電圧コンバータは、低電圧端に入力される電圧を昇圧して高電圧端から出力する昇圧動作と、高電圧端に入力される電圧を降圧して低電圧端から出力する降圧動作の双方を行うことができる。二次電池は、リレー（スイッチ）を介して電圧コンバータの低電圧端に接続されている。走行用インバータは、電圧コンバータの高電圧端に接続されている。走行用インバータは、高電圧端から出力される直流電力を交流電力に変換して走行用のモータに供給する。

外部給電用インバータは、電圧コンバータの低電圧端に接続されている。外部給電用インバータは、二次電池又は電圧コンバータの低電圧端から供給される直流電力を交流電力に変換して車両外部に供給する。低電圧端から供給される直流電力とは、燃料電池の出力電力である。また、実際には、外部給電用のインバータの交流出力端には、外部の電気デバイスのコンセントが差し込めるアウトレット（ソケット）が接続されている。燃料電池は、電圧コンバータの高電圧端に接続されている。その燃料電池は、走行用インバータに電力を供給することもできる。

上記の車両システムのコントローラは、外部給電用インバータを動作させる際、次の処理を行う。即ち、コントローラは、燃料電池の出力が安定するまでは、上記リレーを閉じて二次電池の出力電力を外部給電用インバータへ供給する。コントローラは、燃料電池の出力が安定したら、リレーと開くとともに、低電圧端と高電圧端の電圧が等しくなるように電圧コンバータの低電圧端と高電圧端を直結状態にする。直結状態とは、別言すると、電圧コンバータの回路において低電圧端と高電圧端の間に接続されているスイッチング素子をＯＮ（導通）状態に保持することをいう。そうしてコントローラは、燃料電池の出力電力がその出力電圧のままで外部給電用インバータに供給されるようにする。

昇圧動作と降圧動作を行うことができる電圧コンバータの構成の典型は次の回路構成を備える。高電圧端とグランド線の間に２個のスイッチング素子の直列回路が接続されている。なお、グランド線は、電圧コンバータの負極端に相当する。電圧コンバータは、高電圧端の負極端と低電圧端の負極端が直結されており、それら負極端がグランド線に相当する。従って、「高電圧端」、「低電圧端」とは、それらの正極端子を意味することに留意されたい。スイッチング素子の直列回路の中点と低電圧端（その正極端子）との間にリアクトルが接続されている。従って、高電圧端と低電圧端を直結状態にするには、リアクトル（低電圧端）と高電圧端との間に接続されているスイッチング素子が導通状態（ＯＮ状態）を保持するようにそのスイッチング素子に駆動信号（ＰＷＭ信号）を与えればよい。

上記の電気自動車のコントローラは、外部給電用インバータを動作させる際、燃料電池の出力が安定するまでは二次電池の出力電力を使って外部給電用の交流電力を生成する。燃料電池の出力が安定したら、コントローラは、燃料電池の出力電力を使って外部給電用の交流電力を生成する。このとき、コントローラは、二次電池を電圧コンバータの低電圧端から切り離すとともに、高電圧端と低電圧端を直結状態とする。二次電池を切り離すことで、二次電池の端子電圧に関係なく、燃料電池の電力を外部給電用インバータへ供給することができる。もし仮に二次電池を電圧コンバータから切り離さない場合には、電圧コンバータに、燃料電池の電圧を二次電池の電圧まで降圧させなければならなくなる。その場合、電圧コンバータに電力ロスが生じる。また電圧コンバータ内のスイッチング素子が発熱する。上記の電気自動車は、二次電池と燃料電池がともに走行用モータに電力を供給できるように構成されている電力システムに大きな変更を加えることなく、また、電圧コンバータに電力ロスを生じさせることなく、外部に交流電力を供給することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電気自動車の電力系のブロック図である。 外部給電用インバータを作動させるときのフローチャート図である。

図面を参照して実施例の電気自動車１００を説明する。図１に、電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。実施例の電気自動車１００は、走行用のモータ２３を使って走行する。電気自動車１００は、二次電池７あるいは燃料電池１８の直流電力を交流に変換してモータ２３に供給する。二次電池７は、リチウムイオン電池であり、繰り返し充電が可能である。

燃料電池１８は、昇圧コンバータ１７を介して走行用インバータ１４に接続している。昇圧コンバータ１７は、燃料電池１８の出力電圧を高めるとともに、出力電圧を一定に保つために備えられている。また、燃料電池１８は、ファンや改質器、及び、それらを制御する制御基板などの補助デバイス１９を伴っている。図１において、昇圧コンバータ１７や補助デバイス１９に繋がっている符号「＋Ｂ」が付された線は、それらのデバイスに電力を供給する電力供給線を表している。図１に示すように、後述する外部給電用インバータ１３とコントローラ１６にも電力供給線が接続されている。車内の電気デバイスを駆動する電力は、サブバッテリ８から供給される。サブバッテリ８の電力で駆動されるデバイスを「補機」と総称する。サブバッテリ８の負極は車両のボディに接続されている。車両のボディの電位をボディグランドと称する。補機の駆動電圧はモータの駆動電圧よりもはるかに低い。それゆえ、補機の負極電位の基準となるボディグランドは、走行用モータ２３に電力を供給する二次電池７と燃料電池１８の負極電位の基準となるグランドからは独立している。二次電池７と燃料電池１８の負極電位の基準となるグランドを高電圧系グランドと称する。高電圧系グランドは図１において符号Ｇで示されている。サブバッテリ８は、典型的には一般のエンジン車に搭載されている鉛蓄電池である。二次電池７の出力電圧が１００ボルト以上であるのに対してサブバッテリ８の出力電圧は１０〜５０ボルト程度である。

二次電池７は、システムメインリレー１２を介して昇降圧コンバータ１０と接続されている。昇降圧コンバータ１０は走行用インバータ１４と接続されている。昇降圧コンバータ１０と走行用インバータ１４の間には電流を平滑化するためのコンデンサ６が並列に接続されている。昇降圧コンバータ１０は、二次電池７の出力電圧を昇圧して走行用インバータ１４に出力する昇圧動作と、制動時に車両の運動エネルギを利用してモータ２３が発電した電力（回生電力）を降圧して二次電池７に供給する降圧動作を行うことができる。なお、モータ２３が発電した交流の回生電力は走行用インバータ１４が直流に変換した後に昇降圧コンバータ１０に入力される。昇降圧コンバータ１０は、図１において、左側が低電圧側に相当し右側が高電圧側に相当する。図中の符号ＰＬが低電圧端を示しており、符号ＰＨが高電圧端を示している。昇降圧コンバータ１０の負極は低電圧側と高電圧側、及び、二次電池７、燃料電池１８の負極と共通であり、それらをつなぐ線が先に述べた走行系グランドＧに相当する。

昇降圧コンバータ１０の回路構成を説明する。昇降圧コンバータ１０は、２個のスイッチング素子２ａ、２ｂ、２個のダイオード３ａ、３ｂ、リアクトル４、及び、コンデンサ５で構成されている。２個のスイッチング素子２ａ、２ｂは直列に接続されている。各スイッチング素子２ａ（２ｂ）にダイオード３ａ（３ｂ）が逆並列に接続されている。スイッチング素子は、典型的にはＩＧＢＴである。スイッチング素子の直列回路は、高電圧端ＰＨと走行系グランドＧの間に接続されている。直列回路の中点と低電圧端ＰＬの間にリアクトル４が接続されている。また、低電圧端ＰＬと走行系グランドＧの間にコンデンサ５が接続されている。

各スイッチング素子２ａ、２ｂをＯＮ／ＯＦＦ（導通／切断）する駆動信号は、コントローラ１６が供給する。図１中の矢印破線は信号線を表している。駆動信号は典型的にはＰＷＭ信号である。コントローラ１６は、昇降圧コンバータ１０のほか、システムメインリレー１２、走行用インバータ１４、昇圧コンバータ１７、燃料電池１８の補助デバイス１９も制御する。図１では、コントローラ１６からそれらのデバイスへ信号線を表す矢印破線が描かれている。

なお、電気自動車１００は機能毎に複数のコントローラを有している。しかし、本実施例では、説明の便宜上、一つのコントローラ１６が全てのデバイスを制御していることとする。

昇降圧コンバータ１０の説明に戻る。昇圧動作は、スイッチング素子２ｂの動作により実現される。スイッチング素子２ｂをＯＮ（導通）すると、スイッチング素子２ｂ、コンデンサ５、及び、リアクトル４を繋ぐ閉回路に電流が流れる。このときリアクトル４とコンデンサ５に電気エネルギが蓄積される。スイッチング素子２ｂをＯＦＦ（遮断）すると、リアクトル４とコンデンサ５に蓄えられた電気エネルギが放出される。放出される電気エネルギが二次電池７の電圧を押し上げる。こうして、二次電池７の出力電圧よりも高い電圧が高電圧端ＰＨから出力される。なお、昇圧動作のときにはスイッチング素子２ａはＯＦＦ（遮断）のままでよい。電流はスイッチング素子２ａを迂回してダイオード３ａを通じて低電圧端ＰＬから高電圧端ＰＨへと流れる。

降圧動作はスイッチング素子２ａの動作により実現される。スイッチング素子２ａがＯＮ（導通）している間、高電圧端ＰＨと低電圧端ＰＬが直結状態となるとともに、リアクトル４とコンデンサ５に電気エネルギが蓄積される。スイッチング素子２ａをＯＦＦ（遮断）すると、高電圧端ＰＨと低電圧端ＰＬの間が遮断され、高電圧端ＰＨに入力される電力が低電圧端ＰＬに届かなくなる。その間は、リアクトル４とコンデンサ５に蓄積された電気エネルギが放出される。それゆえ、低電圧端ＰＬの電圧が高電圧端ＰＨの電圧から徐々に下がる。スイッチング素子２ａを定期的にＯＮ／ＯＦＦ（導通／遮断）することで、高電圧端ＰＨに入力された電圧よりも低い電圧が平均化されて低電圧端ＰＬから出力される。降圧動作のときにはスイッチング素子２ｂはＯＦＦ（遮断）のままでよい。スイッチング素子２ａがＯＮ（導通）のとき、ダイオード３ｂを通じてリアクトル４とコンデンサ５に電流が流れ、電気エネルギが蓄積される。上述したように、低電圧端ＰＬと高電圧端ＰＨの間に接続されているスイッチング素子２ａをＯＮ（導通）にすると、定常的には、低電圧端ＰＬと高電圧端ＰＨが直結状態となり、両者の電圧が等しくなる。

昇降圧コンバータ１０の低電圧端ＰＬには、外部給電用インバータ１３と降圧コンバータ１５が接続されている。外部給電用インバータ１３の交流出力側には、外部の電気デバイスのプラグを接続するためのアウトレット（ソケット）２１が接続されている。外部給電用インバータ１３は、二次電池７あるいは燃料電池１８から供給される直流電力を商用電源と同じ交流電力に変換する。また、降圧コンバータ１５は、二次電池７の電圧を降圧してその電力をサブバッテリ８充電するともに、他の補機に供給する。システムメインリレー１２が閉じている間は、二次電池７と降圧コンバータ１５が接続されるので、降圧コンバータ１５を通じて二次電池７の電力が、サブバッテリ８と補機に供給される。

車両のメインスイッチが入れられる前はシステムメインリレー１２が開いている。その間は、サブバッテリ８が補機へ電力を供給する。あるいは、サブバッテリ８の残量が充分に高い場合は、システムメインリレー１２が接続されていても降圧コンバータ１５を停止し、サブバッテリ８の電力を補機に供給することもある。

電気自動車１００は、二次電池７あるいは燃料電池１８の電力を使ってモータ２３を駆動し、走行する。二次電池７の定格出力電圧は、例えば、３００ボルトであり、昇圧コンバータ１７を通じて燃料電池１８が安定して出力できる電圧は例えば４００ボルトである。また、モータ２３の駆動電圧は、例えば、最大で６００ボルトである。以上の電圧値から、燃料電池１８を使う場合、その出力電力は、昇圧コンバータ１７によって昇圧された後に走行用インバータ１４へ供給される。一方、二次電池７を使う場合、その出力電力は、昇降圧コンバータ１０によって昇圧された後に走行用インバータ１４へ供給される。二次電池７の出力電圧がモータ２３の最大駆動電圧や燃料電池１８の出力電圧よりも低いので、図１の構成が必要となる。また、モータ２３が生成した回生電力で二次電池７を充電するために、昇降圧コンバータ１０が必要となる。

電気自動車１００は、外部給電用インバータ１３を介して、二次電池７あるいは燃料電池１８の電力を外部のデバイスに供給することができる。電気自動車１００は、上記した走行系としての回路構成をできるだけ有効に使って、効率よく外部へ電力を供給する。電力を外部へ供給する際の二次電池７と燃料電池１８の使い分けを説明する。

車両外部へ電力を供給する場合には、車両が停車している。従って、回生電力で二次電池７を充電することができない。それゆえ、外部へ電力を供給するにはできるだけ燃料電池１８の電力を使うのが望ましい。しかし、二次電池と比較して燃料電池は起動から出力が安定するまでに時間がかかる。そこで、コントローラ１６は、車両外部へ電力を供給する際、燃料電池１８の出力が安定していない間は、二次電池７を使って外部へ電力を供給する。燃料電池１８の出力が安定していれば、コントローラ１６は、燃料電池１８を使って外部へ電力を供給する。そして、燃料電池１８を使う場合、コントローラ１６は、システムメインリレー１２を解放する。また、コントローラ１６は、昇降圧コンバータ１０の低電圧端ＰＬと高電圧端ＰＨを直結状態とする。具体的には、コントローラ１６は、ＯＮ（導通）を保持する駆動信号をスイッチング素子２ａに与える。二次電池７が昇降圧コンバータ１０と接続されたままであると、燃料電池１８の電力を外部給電用インバータ１３に供給する際、昇降圧コンバータ１０を通じて燃料電池１８と二次電池７が接続されることになる。その場合には、昇降圧コンバータ１０の低電圧端ＰＬの電圧を二次電池７の出力電圧に揃えなければならない。即ち、二次電池７を接続したままの場合には、昇降圧コンバータ１０を作動させ、燃料電池１８の出力電圧を降圧する必要がある。しかし、実施例の電気自動車１００は、二次電池７を昇降圧コンバータ１０から切り離すことで、上記の制約（低電圧端ＰＬの電圧を二次電池７の電圧に揃えること）を回避する。

また、上記の制約を回避できるので、コントローラ１６は、低電圧端ＰＬと高電圧端ＰＨが直結されるようにスイッチング素子２ａを制御する。そうすることで、スイッチング素子２ａあるいは２ｂにＯＮ／ＯＦＦ（導通／遮断）を繰り返させる必要がなくなり、昇降圧コンバータ１０での電力ロスを出さずに済む。なお、「低電圧端ＰＬと高電圧端ＰＨが直結される」とは、低電圧端ＰＬと高電圧端ＰＨが等電圧となることを意味する。

外部へ電力を供給する際のコントローラ１６の具体的な処理を説明する。図２に、外部給電処理のフローチャート図を示す。なお、外部給電処理は、運転席に設けられたスイッチを乗員が操作することで開始される。図２における記号「ＦＣ」は燃料電池（Fuel Cell）を意味する。

コントローラ１６は、まず、燃料電池１８が既に起動しているか否かを確認する。例えば電気自動車１００の全システムが起動しており、停車している状態であれば、燃料電池１８も既に起動している場合がある。一方、車両のメインスイッチを入れた直後などでは燃料電池１８は起動していない場合もある。燃料電池１８が起動していない場合（ステップＳ２：ＮＯ）、コントローラ１６は、燃料電池１８を起動する（Ｓ３）。前述したように、燃料電池１８は起動してから出力が安定するまでに相応の時間を要する。そこで、コントローラ１６は、最初は二次電池７を使って外部へ電力を供給すべく、システムメインリレー１２を閉じ（Ｓ４）、外部給電用インバータ１３を起動する（Ｓ５）。即ち、コントローラ１６は、二次電池７を外部給電用インバータ１３に接続し、外部給電用インバータ１３を作動させて、外部への電力供給を開始する。電力はアウトレット２１、及び、アウトレット２１に接続されたプラグを通じて外部のデバイスへ供給される。

その後、コントローラ１６は、燃料電池１８の出力が安定するまで、待機する（Ｓ６）。燃料電池１８の出力が安定しているか否かは、昇圧コンバータ１７をモニタすることで判断する。なお、この間も、二次電池７を使って外部への電力供給は続けられる。燃料電池１８の出力が安定したら、コントローラ１６は、昇降圧コンバータ１０の低電圧端ＰＬと高電圧端ＰＨを直結状態にする（Ｓ７）。直結の具体的な処理は上記した通り、スイッチング素子２ａをＯＮ（導通）状態に保持することである。なお、昇降圧コンバータ１０の低電位側の負極と高電位側の負極は、元々、走行系グランドＧで直結されている。ステップＳ７の処理と同時にコントローラ１６は、システムメインリレー１２を解放する（Ｓ８）。即ち、二次電池７を昇降圧コンバータ１０から切り離す。

一方、ステップＳ２において、燃料電池１８が既に起動している場合には、コントローラ１６は、燃料電池１８の出力が安定しているか否かをチェックする（Ｓ２：ＹＥＳ、Ｓ１２）。燃料電池１８の出力が安定していなければ（Ｓ１２：ＮＯ）、ステップＳ４へ移行する。ステップＳ４より後の処理は、先に述べた通りである。ステップＳ１２において既に燃料電池１８の出力が安定している場合には（Ｓ１２：ＹＥＳ）、コントローラ１６は直ちに燃料電池１８を使って外部への電力供給を開始する。具体的にはコントローラ１６は、システムメインリレー１２を解放し（Ｓ１３）、昇降圧コンバータ１０の低電圧端ＰＬと高電圧端ＰＨを直結状態とし（Ｓ１４）、外部給電用インバータ１３を起動する（Ｓ１５）。こうして、コントローラ１６は、燃料電池１８の出力が安定するまでは二次電池７を使って外部へ電力を供給し、燃料電池１８の出力が安定したら二次電池７を昇降圧コンバータ１０から切り離す。燃料電池１８を使って外部へ電力を供給する際、昇降圧コンバータ１０で電力をロスすることがない。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の電気自動車はエンジンを備えない。本明細書が開示する技術は、走行用にモータとともにエンジンを備えるハイブリッド車に適用することも好適である。

実施例の昇降圧コンバータ１０が、請求項における電圧コンバータの一例に相当する。また、実施例の二次電池は典型的にはリチウムイオン電池などの化学電池であるが、充電可能という観点では、大容量キャパシタも含まれる。

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。

２ａ、２ｂ：スイッチング素子
３ａ、３ｂ：ダイオード
４：リアクトル
５：コンデンサ
６：コンデンサ
７：二次電池
８：サブバッテリ
１０：昇降圧コンバータ
１２：システムメインリレー
１３：外部給電用インバータ
１４：走行用インバータ
１５：降圧コンバータ
１６：コントローラ
１７：昇圧コンバータ
１８：燃料電池
１９：補助デバイス
２１：アウトレット
２３：走行用モータ
１００：電気自動車
Ｇ：走行系グランド
ＰＨ：高電圧端
ＰＬ：低電圧端

Claims (1)

1. 低電圧端に入力される電圧を昇圧して高電圧端から出力する昇圧動作と、前記高電圧端に入力される電圧を降圧して前記低電圧端から出力する降圧動作の双方を行うことができる電圧コンバータと、
   前記低電圧端にリレーを介して接続されている二次電池と、
   前記高電圧端に接続されており、前記高電圧端から出力される直流電力を交流電力に変換して走行用のモータに供給する走行用インバータと、
   前記低電圧端に接続されており、前記二次電池又は前記低電圧端から供給される直流電力を交流電力に変換して車両外部に供給する外部給電用インバータと、
   前記高電圧端に接続されており、前記高電圧端と前記走行用インバータに電力を供給する燃料電池と、
   前記外部給電用インバータを動作させる際、前記燃料電池の出力が安定するまでは前記リレーを閉じて前記二次電池の出力電力を前記外部給電用インバータに供給し、前記燃料電池の出力が安定したら前記リレーと開くとともに、前記電圧コンバータにおいて前記低電圧端と前記高電圧端の間に挿入されているスイッチング素子を導通状態に保持するコントローラと、
   を備えることを特徴とする電気自動車。

Images