JP2016036226A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】２つの直流電源が互いに並列に接続された状態で負荷回路に電力を供給するパラレル接続モードと、互いに直列に接続された状態で負荷回路に電力を供給するシリーズ接続モードと、を選択的に実行する電源システムにおいて、スイッチング素子の故障によって２つの直流電源が互いに直列に接続され且つ負荷回路が含まれない閉回路が発生したとき、この閉回路を速やかに遮断することが可能な電源システムを提供する。【解決手段】本発明に係る電源システムは、上記閉回路を遮断することができる半導体スイッチを備え、同閉回路の発生を検出したとき、このスイッチによって同閉回路を遮断する。【選択図】図１

Description

本発明は、２つの直流電源を備え、これらの直流電源を負荷回路に対し直列又は並列に選択的に接続可能な電源システムに関する。

２つの直流電源、４つのスイッチング素子及び２つのリアクトルを含む電源システム（以下、「従来装置」とも称呼される。）が特許文献１に記載されている。従来装置においては、４つのスイッチング素子の内、特定のスイッチング素子を導通状態（オン状態）に維持することによって２つの直流電源が互いに並列に接続された状態にて負荷回路に電力を供給するパラレル接続モードが実行される。更に、従来装置においては、４つのスイッチング素子の内、別のスイッチング素子を導通状態に維持することによって２つの直流電源が互いに直列に接続された状態にて負荷回路に電力を供給するシリーズ接続モードが実行される。

加えて、従来装置は、４つのスイッチング素子の内、導通状態に維持されていないスイッチング素子を導通状態と遮断状態（オフ状態）との間で切り替え、以て、リアクトルに蓄積されるエネルギーを制御することによって２つの直流電源の出力電圧を昇圧し、その昇圧した電圧を負荷回路に印加することができる。

従来装置によれば、例えば、エネルギー密度及び出力密度が異なる直流電源を２つ搭載することができる。そのため、エネルギー密度の高い直流電源を用いて負荷回路に対する長時間の電力供給を行うと共に、一時的に高い出力が必要なときは出力密度の高い直流電源を用いることが可能となる。

特開２０１２−７０５１４号公報

ところで、スイッチング素子が導通した状態でスイッチング不能に故障（以下、「短絡故障」とも称呼される。）したとき、２つの直流電源が互いに直列に接続され且つ負荷回路が含まれない閉回路が形成される場合がある。この閉回路が形成される現象は「電池間短絡」とも称呼される。電池間短絡が発生したとき、２つの直流電源の電圧差が大きければ、この閉回路に過剰な電流が流れる虞がある。

例えば、電源システムが直流電源に流れる電流を遮断する開閉器（システムメインリレー）を備えていれば、その開閉器を遮断状態に制御することによって、この閉回路を遮断し、以て、電池間短絡を解消することが可能である。しかし、過剰な電流が流れているとき、開閉器を導通状態から遮断状態に変化させることによってアーク放電が発生し、その結果、開閉器の接点が溶着して開閉器が遮断状態とならなくなる虞がある。加えて、開閉器を遮断状態に制御するには所定の時間を要するので、その間、この閉回路を遮断することができない。

そこで、本発明の目的の一つは、スイッチング素子の短絡故障に起因する電池間短絡が発生したとき、速やかに電池間短絡を解消させることが可能な電源システムを提供することである。

上記目的を達成するための電源システム（以下、「本発明装置」とも称呼される。）は、正極接続点及び負極接続点、前記正極接続点と前記負極接続点とを接続する電力線、第１直流電源及び第２直流電源を備えている。本発明装置は、更に、第１ダイオード乃至第４ダイオード、第１半導体スイッチ乃至第４半導体スイッチ並びに制御部を備えている。

前記正極接続点及び負極接続点には負荷回路が接続され、同正極接続点及び負極接続点は、同負荷回路に対して直流電力を供給するために用いられる。

前記電力線は、前記正極接続点と前記負極接続点とを接続する。前記電力線は、前記正極接続点と前記負極接続点との間にある第１接続点、同第１接続点と同負極接続点との間にある第２接続点、同第２接続点と同負極接続点との間にある第３接続点、及び、同第３接続点と同負極接続点との間に第４接続点を有する。

前記第１直流電源の正極は、前記第１接続点に接続され、同第１直流電源の負極は、前記第３接続点に接続されている。前記第２直流電源の正極は、前記第２接続点に接続され、同第２直流電源の負極は、前記第４接続点に接続されている。

前記第１ダイオード（Ｄ１）は、前記電力線の前記第１接続点と前記第２接続点との間の部分に介装されている。前記第１ダイオードのカソードが前記第１接続点側にあり且つ同第１ダイオードのアノードが前記第２接続点側にある。前記第２ダイオード（Ｄ２）は、前記電力線の前記第２接続点と前記第３接続点との間の部分に介装されている。前記第２ダイオードのカソードが前記第２接続点側にあり且つ同第２ダイオードのアノードが前記第３接続点側にある。

前記第３ダイオード（Ｄ３）は、前記電力線の前記第３接続点と前記第４接続点との間の部分に介装されている。前記第３ダイオードのカソードが前記第３接続点側にあり且つ同第３ダイオードのアノードが前記第４接続点側にある。前記第４ダイオード（Ｄ４）は、前記電力線の前記第３接続点と前記第４接続点との間の部分に前記第３ダイオードに対して直列に介装されている。前記第４ダイオードのカソードが前記第４接続点側にあり且つ同第４ダイオードのアノードが前記第３接続点側にある。

前記第１半導体スイッチ（ＳＷ１）は、前記第１ダイオードに対して逆並列接続されている。前記第２半導体スイッチ（ＳＷ２）は、前記第２ダイオードに対して逆並列接続されている。前記第３半導体スイッチ（ＳＷ３）は、前記第３ダイオードに対して逆並列接続されている。前記第４半導体スイッチ（ＳＷ４）は、前記第４ダイオードに対して逆並列接続されている。

前記制御部は、前記第１半導体スイッチ及び前記第３半導体スイッチのいずれか一方のみを導通状態に維持することによって前記第１直流電源と前記第２直流電源とを互いに並列に接続するパラレル接続モードを実行することができる。加えて、前記制御部は、前記第２半導体スイッチを導通状態に維持することによって前記第１直流電源と前記第２直流電源とを互いに直列に接続するシリーズ接続モードを実行することができる。換言すれば、前記制御部は、パラレル接続モードとシリーズ接続モードとを選択的に実行することができる。

加えて、前記制御部は、前記第４半導体スイッチを導通状態に維持する。前記第１ダイオード及び／又は前記第１半導体スイッチが前記第１接続点から前記第２接続点に流れる電流を常に通過させる短絡故障が発生した結果、前記第１直流電源からの電流が前記第２直流電源に流れ込む閉回路が形成されたとき、前記制御部は同閉回路を遮断する。より具体的に述べると、前記制御部は、前記第４半導体スイッチの状態を導通状態から遮断状態に変更することによってこの閉回路を遮断する。

前記第１半導体スイッチ乃至第４半導体スイッチのそれぞれは、例えば、ＩＧＢＴ及びＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子によって構成され得る。更に、第４半導体スイッチは、逆導通阻止ＩＧＢＴ（ＲＢ−ＩＧＢＴ；Ｒｅｖｅｒｓｅ Ｂｌｏｃｋｉｎｇ ＩＧＢＴ）であることが望ましい。

このように、本発明装置は、電池間短絡の発生を検出したとき、第４半導体スイッチを導通状態から遮断状態に変更することによって、第１直流電源と第２直流電源とが直列に接続される閉回路を速やかに遮断し、以て、電池間短絡を解消することが可能である。

加えて、本発明装置が前記第１直流電源及び／又は前記第２直流電源に流れる電流を遮断するための開閉器を備えている場合、前記制御部は、前記第４半導体スイッチによって上記閉回路が遮断された後、前記開閉器を遮断することが好適である。これにより、電池間短絡時に開閉器に溶着が発生することなく、開閉器を遮断することができる。

なお、本発明は、上記電源システムを搭載する車両にも係り、更に、上記電源システムにて使用される方法にも及ぶ。

本発明の実施形態に係る電源システム（本システム）が搭載される車両の概略図である。 本システムがパラレル接続モードを実行する場合の等価回路を表した概略図である。 本システムが別のパラレル接続モードを実行する場合の等価回路を表した概略図である。 本システムがシリーズ接続モードを実行する場合の等価回路を表した概略図である。 本システムに電池間短絡が発生したときの電流経路を表す部分回路図である。 本システムの制御部が実行する電池間短絡検出処理ルーチンを表したフローチャートである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る電源システム１０（以下、「本システム」とも称呼される。）について説明する。本システムは、図１に概略構成が表された車両１に搭載されている。車両１は、電気自動車である。

本システムは、第１給電部２０、第２給電部３０、スイッチ部４０及びＥＣＵ（電子制御ユニット）５０を含んでいる。車両１は、更に、インバータ６０及び電動機７０を備えている。

第１給電部２０は、蓄電池２１、第１コンデンサ２２、第１リアクトル２３、第１システムメインリレー（ＳＭＲ）２４を含んでいる。

蓄電池２１は、充放電が可能なリチウムイオン電池である。蓄電池２１の正極（Ｐ１）及び負極（Ｎ１）は、一対の給電線（ＰＬ１、ＮＬ１）のそれぞれの一端と接続されている。一対の給電線（ＰＬ１、ＮＬ１）のそれぞれの他端は、スイッチ部４０に接続されている。

第１コンデンサ２２は、一対の給電線（ＰＬ１、ＮＬ１）の間に接続されている。即ち、第１コンデンサ２２は、蓄電池２１と並列に接続されている。第１コンデンサ２２は、蓄電池２１の出力電圧Ｖ１を平滑化する。

第１リアクトル２３は、給電線（ＰＬ１）の第１コンデンサ２２とスイッチ部４０との間の部分に介装されている。

第１システムメインリレー２４は、第１正極開閉器２４ａ及び第１負極開閉器２４ｂを含んでいる。第１正極開閉器２４ａは、給電線（ＰＬ１）の蓄電池２１と第１コンデンサ２２との間の部分に介装されている。第１負極開閉器２４ｂは、給電線（ＮＬ１）の蓄電池２１と第１コンデンサ２２との間の部分に介装されている。第１システムメインリレー２４は、蓄電池２１に流れる電流を遮断することができる。

第２給電部３０は、キャパシタ３１、第２コンデンサ３２、第２リアクトル３３、第２システムメインリレー（ＳＭＲ）３４を含んでいる。

キャパシタ３１は、充放電が可能なリチウムイオンキャパシタである。キャパシタ３１の正極（Ｐ２）及び負極（Ｎ２）は、一対の給電線（ＰＬ２、ＮＬ２）のそれぞれの一端と接続されている。一対の給電線（ＰＬ２、ＮＬ２）のそれぞれの他端は、スイッチ部４０に接続されている。

第２コンデンサ３２は、一対の給電線（ＰＬ２、ＮＬ２）の間に接続されている。即ち、第２コンデンサ３２は、キャパシタ３１と並列に接続されている。第２コンデンサ３２は、キャパシタ３１の出力電圧Ｖ２を平滑化する。

第２リアクトル３３は、給電線（ＰＬ２）の第２コンデンサ３２とスイッチ部４０との間の部分に介装されている。

第２システムメインリレー３４は、第２正極開閉器３４ａ及び第２負極開閉器３４ｂを含んでいる。第２正極開閉器３４ａは、給電線（ＰＬ２）のキャパシタ３１と第２コンデンサ３２との間の部分に介装されている。第２負極開閉器３４ｂは、給電線（ＮＬ２）のキャパシタ３１と第２コンデンサ３２との間の部分に介装されている。第２システムメインリレー３４は、キャパシタ３１に流れる電流を遮断することができる。

スイッチ部４０は、給電線（ＦＲ）、５つのダイオード４１ａ〜４５ａ及び５つのＩＧＢＴ４１ｂ〜ＩＧＢＴ４５ｂを含んでいる。給電線（ＦＲ）は、接続点Ｃ０〜接続点Ｃ４を含んでいる。接続点Ｃ０〜接続点Ｃ４は、接続点Ｃ０、接続点Ｃ１、接続点Ｃ２、接続点Ｃ３及び接続点Ｃ４の順に並んでいる。給電線（ＦＲ）の一端にある接続点Ｃ０は、給電線（ＰＨ）の一端と接続されている。給電線（ＦＲ）の他端にある接続点Ｃ４は、給電線（ＮＨ）の一端と接続されている。

ダイオード４１ａは、給電線（ＦＲ）の接続点Ｃ０と接続点Ｃ１との間の部分に介装され、カソードが接続点Ｃ０側にあり且つアノードが接続点Ｃ１側にある。ＩＧＢＴ４１ｂは、ダイオード４１ａに逆並列接続されている。

ダイオード（便宜上、「第１ダイオードＤ１」とも称呼される場合がある。）４２ａは、給電線（ＦＲ）の接続点Ｃ１と接続点Ｃ２との間の部分に介装され、カソードが接続点Ｃ１側にあり且つアノードが接続点Ｃ２側にある。ＩＧＢＴ（便宜上、「第１半導体スイッチＳＷ１」とも称呼される場合がある。）４２ｂは、ダイオード４２ａに逆並列接続されている。

ダイオード（便宜上、「第２ダイオードＤ２」とも称呼される場合がある。）４３ａは、給電線（ＦＲ）の接続点Ｃ２と接続点Ｃ３との間の部分に介装され、カソードが接続点Ｃ２側にあり且つアノードが接続点Ｃ３側にある。ＩＧＢＴ（便宜上、「第２半導体スイッチＳＷ２」とも称呼される場合がある。）４３ｂは、ダイオード４３ａに逆並列接続されている。

ダイオード（便宜上、「第３ダイオードＤ３」とも称呼される場合がある。）４４ａは、給電線（ＦＲ）の接続点Ｃ３と接続点Ｃ４との間の部分に介装され、カソードが接続点Ｃ３側にあり且つアノードが接続点Ｃ４側にある。ダイオード（便宜上、「第４ダイオードＤ４」とも称呼される場合がある。）４５ａは、給電線（ＦＲ）のダイオード４４ａと接続点Ｃ４との間の部分に介装され、カソードが接続点Ｃ４側にあり且つアノードがダイオード４４ａ側にある。

ＩＧＢＴ（便宜上、「第３半導体スイッチＳＷ３」とも称呼される場合がある。）４４ｂは、ダイオード４４ａに逆並列接続されている。ＩＧＢＴ（便宜上、「第４半導体スイッチＳＷ４」とも称呼される場合がある。）４５ｂは、ダイオード４５ａに逆並列接続されている。ＩＧＢＴ４５ｂは、逆導通阻止ＩＧＢＴ（ＲＢ−ＩＧＢＴ）である。

接続点Ｃ１には第１給電部２０の給電線（ＰＬ１）が接続されている。接続点Ｃ２には第２給電部３０の給電線（ＰＬ２）が接続されている。接続点Ｃ３には第１給電部２０の給電線（ＮＬ１）が接続されている。接続点Ｃ４には第２給電部３０の給電線（ＮＬ２）が接続されている。

給電線（ＰＨ）の他端は正極接続点（Ｐ３）に接続されている。給電線（ＮＨ）の他端は負極接続点（Ｎ３）に接続されている。正極接続点（Ｐ３）及び負極接続点（Ｎ３）のそれぞれは、インバータ６０に接続されている。

スイッチ部４０は、後述するＩＧＢＴ４１ｂ〜ＩＧＢＴ４４ｂの導通状態の制御によって、蓄電池２１及び／又はキャパシタ３１の出力する直流電圧を昇圧し、その昇圧された電圧を後述するインバータ６０に印加する。

ＥＣＵ５０は、ＣＰＵ５１、ＣＰＵ５１が実行するプログラム及びマップ等を記憶するＲＯＭ５２並びにデータを一時的に記憶するＲＡＭ５３を含むマイクロコンピュータである。

ＥＣＵ５０は、ＩＧＢＴ４１ｂ〜ＩＧＢＴ４５ｂ、第１システムメインリレー２４及び第２システムメインリレー３４の状態（導通状態及び遮断状態）並びにインバータ６０を制御する。ＥＣＵ５０は、後述する第１電流センサ８１、第２電流センサ８２、第１電圧センサ８３及び第２電圧センサ８４と接続されている。

インバータ６０は、スイッチ部４０が出力した直流電力を、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相交流電力に変換して電動機７０に出力する。

インバータ６０は、電動機７０が発電機として動作するとき、電動機７０が出力した交流電力を直流電力に変換してスイッチ部４０に出力する。この場合、スイッチ部４０は、後述するＩＧＢＴ４１ｂ〜ＩＧＢＴ４４ｂの導通状態の制御によって、その直流電圧を降圧し、その降圧された電圧を蓄電池２１及び／又はキャパシタ３１に印加する。その結果、蓄電池２１及び／又はキャパシタ３１が充電される。

電動機７０は、回転磁界を発生させる３相巻線（コイル）を備えるステータと、その回転磁界と吸引又は反発する磁気力によってトルクを発生させる永久磁石を備えるロータと、を含む。電動機７０は、電動機として動作するとともに発電機として動作することも可能である。電動機７０は、電動機として動作するとき、車両１の駆動力（車両を走行させるためのトルク）を発生する。

第１電流センサ８１は、第１リアクトル２３に流れる電流Ａ１を表す信号を発生させる。第１リアクトル２３から接続点Ｃ１の方向に電流が流れているとき、電流Ａ１は正の値となる。第２電流センサ８２は、第２リアクトル３３に流れる電流Ａ２を表す信号を発生させる。第２リアクトル３３から接続点Ｃ２の方向に電流が流れているとき、電流Ａ２は正の値となる。

第１電圧センサ８３は、蓄電池２１の出力電圧Ｖ１を表す信号を発生させる。第２電圧センサ８４は、キャパシタ３１の出力電圧Ｖ２を表す信号を発生させる。

＜作動＞
次に、ＥＣＵ５０のＣＰＵ５１（以下、単に「ＣＰＵ」とも称呼される。）が実行するＩＧＢＴ４１ｂ〜ＩＧＢＴ４５ｂの状態（導通状態及び遮断状態）の制御について説明する。ＣＰＵは、車両１の作動中、第１システムメインリレー２４及び第２システムメインリレー３４並びにＩＧＢＴ４５ｂを導通状態に維持する。

ＣＰＵは、ＩＧＢＴ４２ｂ及びＩＧＢＴ４４ｂのいずれか一方のみを導通状態に維持することによって蓄電池２１及びキャパシタ３１が互いに並列接続された状態でインバータ６０に電力を供給するパラレル接続モードを実行する。或いは、ＣＰＵは、ＩＧＢＴ４３ｂを導通状態に維持することによって蓄電池２１及びキャパシタ３１が互いに直列接続された状態でインバータ６０に電力を供給するシリーズ接続モードを実行する。換言すれば、ＣＰＵは、パラレル接続モードとシリーズ接続モードとを選択的に実行する。

パラレル接続モードが実行されるとき、「昇圧後の蓄電池２１の出力電圧」及び「昇圧後のキャパシタ３１の出力電圧」が共に電圧ＶＨとなる。換言すれば、昇圧後の出力電圧がＶＨとなるように、蓄電池２１の運転ポイント（昇圧される前の蓄電池２１の出力電圧と出力電流との組合せ）及びキャパシタ３１の運転ポイントのそれぞれが決定される。

一方、シリーズ接続モードが実行されるとき、「昇圧後の蓄電池２１の出力電流」及び「昇圧後のキャパシタ３１の出力電流」が互いに等しくなる。換言すれば、昇圧後の出力電流が互いに等しくなるように、蓄電池２１の運転ポイント及びキャパシタ３１の運転ポイントのそれぞれが決定される。

決定された蓄電池２１の運転ポイントにおける出力電圧と出力電流との積が、蓄電池２１の出力電力である。同様に、決定されたキャパシタ３１の運転ポイントにおける出力電圧と出力電流との積が、キャパシタ３１の出力電力である。即ち、蓄電池２１及びキャパシタ３１のそれぞれの運転ポイントが決定されることによって、蓄電池２１及びキャパシタ３１のそれぞれの出力電力の配分が決定される。

ＣＰＵは、蓄電池２１及びキャパシタ３１のそれぞれの残容量（ＳＯＣ）並びに電動機７０が必要とする電力に基づいて、パラレル接続モード及びシリーズ接続モードの内の一方を選択し、且つ、蓄電池２１及びキャパシタ３１のそれぞれの出力電力の配分を決定する。

１ パラレル接続モード
パラレル接続モードの場合、ＣＰＵは、蓄電池２１の出力電圧Ｖ１とキャパシタ３１の出力電圧Ｖ２との大小関係に応じて本システムの作動状態を切り替える。

１−１ 電圧Ｖ１＜電圧Ｖ２の場合
パラレル接続モードの実行時、電圧Ｖ１が電圧Ｖ２よりも低い場合、ＣＰＵは、ＩＧＢＴ４２ｂを導通状態に維持する。その結果、蓄電池２１及びキャパシタ３１が互いに並列に接続される。この場合における本システムの等価回路を図２に示す。

この状態において、ＩＧＢＴ４３ｂが導通状態にあるとき、第１リアクトル２３にエネルギーが蓄積される。その後、ＩＧＢＴ４３ｂが遮断状態に変化すると、第１リアクトル２３に蓄積されたエネルギーが解放され、インバータ６０に供給される。その結果、蓄電池２１の出力する電圧Ｖ１が昇圧され、その昇圧された電圧がインバータ６０に印加される。即ち、この場合、第１給電部２０及びスイッチ部４０は、昇圧チョッパ回路として作動する。

或いは、ＩＧＢＴ４３ｂ及びＩＧＢＴ４４ｂが共に導通状態にあるとき、第１リアクトル２３に加えて第２リアクトル３３にもエネルギーが蓄積される。その後、ＩＧＢＴ４３ｂ及びＩＧＢＴ４４ｂの少なくとも一方が遮断状態に変化すると、第２リアクトル３３に蓄積されたエネルギーが解放され、インバータ６０に供給される。その結果、キャパシタ３１の出力する電圧Ｖ２が昇圧され、その昇圧された電圧がインバータ６０に印加される。即ち、この場合、第２給電部３０及びスイッチ部４０は、昇圧チョッパ回路として作動する。

加えて、インバータ６０の発生させる直流電圧によって蓄電池２１及び／又はキャパシタ３１が充電されるとき、ＩＧＢＴ４１ｂが制御される。より具体的に述べると、ＩＧＢＴ４１ｂが導通状態にあるとき、インバータ６０が発生させる直流電圧によって第２リアクトル３３にエネルギーが蓄積される。その後、ＩＧＢＴ４１ｂが遮断状態に変化すると、第２リアクトル３３に蓄積されたエネルギーが解放される。即ち、この場合、インバータ６０の発生させる電圧が降圧され、その降圧された電圧がキャパシタ３１に印加される。即ち、第２給電部３０及びスイッチ部４０は、降圧チョッパ回路として作動する。

或いは、ＩＧＢＴ４１ｂ及びＩＧＢＴ４４ｂが共に導通状態にあるとき、インバータ６０が発生させる直流電圧によって第２リアクトル３３に加えて第１リアクトル２３にもエネルギーが蓄積される。その後、ＩＧＢＴ４１ｂ及びＩＧＢＴ４４ｂの少なくとも一方が遮断状態に変化すると、第１リアクトル２３に蓄積されたエネルギーが解放される。即ち、この場合、インバータ６０の発生させる電圧が降圧され、その降圧された電圧が蓄電池２１に印加される。即ち、この場合、第１給電部２０及びスイッチ部４０は、降圧チョッパ回路として作動する。

１−２ 電圧Ｖ１＞電圧Ｖ２の場合
パラレル接続モードの実行時、電圧Ｖ１が電圧Ｖ２よりも高い場合、ＣＰＵは、ＩＧＢＴ４４ｂを導通状態に維持する。その結果、蓄電池２１及びキャパシタ３１が互いに並列に接続される。この場合における本システムの等価回路を図３に示す。

この状態において、ＩＧＢＴ４３ｂが導通状態にあるとき、第２リアクトル３３にエネルギーが蓄積される。その後、ＩＧＢＴ４３ｂが遮断状態に変化すると、第２リアクトル３３に蓄積されたエネルギーが解放され、インバータ６０に供給される。その結果、キャパシタ３１の出力する電圧Ｖ２が昇圧され、その昇圧された電圧がインバータ６０に印加される。即ち、この場合、第２給電部３０及びスイッチ部４０は、昇圧チョッパ回路として作動する。

或いは、ＩＧＢＴ４２ｂ及びＩＧＢＴ４３ｂが共に導通状態にあるとき、第２リアクトル３３に加えて第１リアクトル２３にもエネルギーが蓄積される。その後、ＩＧＢＴ４２ｂ及びＩＧＢＴ４３ｂの少なくとも一方が遮断状態に変化すると、第１リアクトル２３に蓄積されたエネルギーが解放され、インバータ６０に供給される。その結果、蓄電池２１の出力する電圧Ｖ１が昇圧され、その昇圧された電圧がインバータ６０に印加される。即ち、この場合、第１給電部２０及びスイッチ部４０は、昇圧チョッパ回路として作動する。

加えて、インバータ６０の発生させる直流電圧によって蓄電池２１及び／又はキャパシタ３１を充電されるとき、ＩＧＢＴ４１ｂが制御される。より具体的に述べると、ＩＧＢＴ４１ｂが導通状態にあるとき、インバータ６０が発生させる直流電圧によって第１リアクトル２３にエネルギーが蓄積される。その後、ＩＧＢＴ４１ｂが遮断状態に変化すると、第１リアクトル２３に蓄積されたエネルギーが解放される。即ち、この場合、インバータ６０の発生させる電圧が降圧され、その降圧された電圧が蓄電池２１に印加される。即ち、第１給電部２０及びスイッチ部４０は、降圧チョッパ回路として作動する。

或いは、ＩＧＢＴ４１ｂ及びＩＧＢＴ４２ｂが共に導通状態にあるとき、インバータ６０が発生させる直流電圧によって第１リアクトル２３に加えて第２リアクトル３３にもエネルギーが蓄積される。その後、ＩＧＢＴ４１ｂ及びＩＧＢＴ４２ｂの少なくとも一方が遮断状態に変化すると、第２リアクトル３３に蓄積されたエネルギーが解放される。即ち、この場合、インバータ６０の発生させる電圧が降圧され、その降圧された電圧がキャパシタ３１に印加される。即ち、第２給電部３０及びスイッチ部４０は、降圧チョッパ回路として作動する。

２ シリーズ接続モード
シリーズ接続モードの実行時、ＣＰＵは、ＩＧＢＴ４３ｂを導通状態に維持する。その結果、蓄電池２１及びキャパシタ３１が互いに直列に接続される。この場合における本システムの等価回路を図４に示す。

この状態において、ＩＧＢＴ４２ｂが導通状態にあるとき、第１リアクトル２３にエネルギーが蓄積される。その後、ＩＧＢＴ４２ｂが遮断状態に変化すると、第１リアクトル２３に蓄積されたエネルギーが開放され、インバータ６０に供給される。その結果、蓄電池２１の出力する電圧Ｖ１が昇圧され、その昇圧された電圧がインバータ６０に印加される。即ち、第１給電部２０及びスイッチ部４０は、昇圧チョッパ回路として作動する。

或いは、ＩＧＢＴ４４ｂが導通状態にあるとき、第２リアクトル３３にエネルギーが蓄積される。その後、ＩＧＢＴ４４ｂが遮断状態に変化すると、第２リアクトル３３に蓄積されたエネルギーが開放され、インバータ６０に供給される。その結果、キャパシタ３１の出力する電圧Ｖ２が昇圧され、その昇圧された電圧がインバータ６０に印加される。即ち、第２給電部３０及びスイッチ部４０は、昇圧チョッパ回路として作動する。

加えて、インバータ６０の発生させる直流電圧によって蓄電池２１及び／又はキャパシタ３１が充電されるとき、ＩＧＢＴ４１ｂが制御される。より具体的に述べると、ＩＧＢＴ４１ｂが導通状態にあるとき、インバータ６０が発生させる直流電圧によって第１リアクトル２３及び第２リアクトル３３のそれぞれにエネルギーが蓄積される。或いは、ＩＧＢＴ４１ｂ及びＩＧＢＴ４２ｂが共に導通状態にあるとき、第２リアクトル３３にのみエネルギーが蓄積される。一方、ＩＧＢＴ４１ｂ及びＩＧＢＴ４４ｂが共に導通状態にあるとき、第１リアクトル２３にのみエネルギーが蓄積される。

その後、ＩＧＢＴ４１ｂが遮断状態に変化すると、第１リアクトル２３及び／又は第２リアクトル３３に蓄積されたエネルギーが解放される。この場合、インバータ６０の発生させる電圧が降圧され、その降圧された電圧が蓄電池２１及び／又はリアクトル３３に印加される。即ち、この場合、第１給電部２０及び／又は第２給電部３０並びにスイッチ部４０は、降圧チョッパ回路として作動する。

上述したパラレル接続モード及びシリーズ接続モードのそれぞれのより詳細な作動は、特許文献１の他、例えば、特開２０１３−０１３２３４号公報、特開２０１３−０９３９２３号公報及び特開２０１３−１０２５９５号公報等に記載されている。

＜電池間短絡検出処理の概要＞
次に、ＣＰＵが実行する電池間短絡検出処理について説明する。

ダイオード４２ａ及び／又はＩＧＢＴ４２ｂが常に導通した状態となる短絡故障が発生した場合、電圧Ｖ１＞電圧Ｖ２であれば、図５の太線Ｂ１によって表されるように、蓄電池２１とキャパシタ３１とが互いに直列に接続される閉回路が形成される。即ち、電池間短絡が発生する。

電池間短絡が発生しているか否かを判定するための条件は「短絡判定条件」とも称呼される。本例において短絡判定条件は、電流Ａ１の大きさと電流Ａ２の大きさとが共に正の定数αより大きく（即ち、｜Ａ１｜＞α且つ｜Ａ２｜＞α）、電流Ａ１の大きさと電流Ａ２の大きさとの差が正の定数βよりも小さい（即ち、｜Ａ１｜−β＜｜Ａ２｜＜｜Ａ１｜＋β）ときに成立する。

電池間短絡が発生した場合、蓄電池２１の出力する電力によってキャパシタ３１が充電される。更に、蓄電池２１とキャパシタ３１との間の電圧差が大きければ、この閉回路に流れる電流が過大となり得る。

過大電流が流れているとき、第１システムメインリレー２４及び／又は第２システムメインリレー３４を遮断した場合、アーク放電が発生してシステムメインリレーを構成する開閉器のいずれかに溶着が発生する虞がある。加えて、これらの開閉器を導通状態から遮断状態へ変更するためには所定の時間を要するので、開閉器によって閉回路を遮断しようとすれば、速やかにこの閉回路を遮断することができない。

そこで、ＣＰＵは、電池間短絡の発生を検出したとき、閉回路を遮断するため、ＩＧＢＴ４５ｂを遮断状態に制御する。次いで、ＣＰＵは、第１システムメインリレー２４（即ち、第１正極開閉器２４ａ及び第１負極開閉器２４ｂ）を遮断する。更に、ＣＰＵは、車両１の運転者に対して警告を発するとともに、蓄電池２１を電気的に遮断した状態にて車両１の縮退運転を実行する。

ＣＰＵは、車両１の縮退運転を実行するとき、ＩＧＢＴ４３ｂ及びＩＧＢＴ４４ｂを共に導通状態にすることによって第２リアクトル３３にエネルギーを蓄積させる。次いで、ＣＰＵは、ＩＧＢＴ４３ｂ及びＩＧＢＴ４４ｂを共に遮断状態にすることによって第２リアクトル３３に蓄積されたエネルギーを開放し、以て、キャパシタ３１の出力電圧を昇圧し、その昇圧された電圧をインバータ６０に印加する。この処理によって、車両１は、キャパシタ３１が出力する電力によって走行を継続することができる。

＜具体的作動＞
電池間短絡検出処理の実行時におけるＣＰＵの具体的な作動を、図６にフローチャートにより表された「電池間短絡検出処理ルーチン」を参照しながら説明する。ＣＰＵは、上述したパラレル接続モード及びシリーズ接続モードのいずれか一方を実行中、本ルーチンを所定の時間が経過する毎に実行する。即ち、適当なタイミングになると、ＣＰＵはステップ６００から処理を開始してステップ６０５に進み、上記短絡判定条件が成立しているか否かを判定する。

上記短絡判定条件が成立していた場合、ＣＰＵは、ステップ６０５にて「Ｙｅｓ」と判定し、以下に述べるステップ６１０乃至ステップ６３０の処理を順に実行する。

ステップ６１０：ＣＰＵは、電池間短絡が発生していると判定する。
ステップ６１５：ＣＰＵは、ＩＧＢＴ４５ｂを遮断状態に制御する。
ステップ６２０：ＣＰＵは、第１システムメインリレー２４（即ち、第１正極開閉器２４ａ及び第１負極開閉器２４ｂ）を遮断する。
ステップ６２５：ＣＰＵは、車両１の運転席のダッシュボードに配設された警告灯（不図示）を点灯させる。
ステップ６３０：ＣＰＵは、蓄電池２１を遮断した状態で上記縮退運転を実行する。
次いで、ＣＰＵは、ステップ６９５に進み本ルーチンを終了する。

一方、上記短絡判定条件が成立していなかった場合、ＣＰＵは、ステップ６０５にて「Ｎｏ」と判定してステップ６３５に進み、電池間短絡が発生していないと判定する。次いで、ＣＰＵはステップ６９５に直接進む。

以上、説明したように、本システム（電源システム１０）は、
負荷回路（インバータ６０）が接続され、同負荷回路に対して直流電力を供給するために用いられる正極接続点（Ｐ３）及び負極接続点（Ｎ３）と、
前記正極接続点と前記負極接続点とを接続し、同正極接続点と同負極接続点との間にある第１接続点（接続点Ｃ１）、同第１接続点と同負極接続点との間にある第２接続点（接続点Ｃ２）、同第２接続点と同負極接続点との間にある第３接続点（接続点Ｃ３）、及び、同第３接続点と同負極接続点との間に第４接続点（接続点Ｃ４）を有する電力線（給電線（ＰＨ）、給電線（ＦＲ）及び給電線（ＮＨ））と、
前記第１接続点に正極が接続され、前記第３接続点に負極が接続された第１直流電源（蓄電池２１）と、
前記第２接続点に正極が接続され、前記第４接続点に負極が接続された第２直流電源（キャパシタ３１）と、
前記電力線の前記第１接続点と前記第２接続点との間の部分に介装され、カソードが同第１接続点側にあり且つアノードが同第２接続点側にある第１ダイオード４２ａ（第１ダイオードＤ１）と、
前記電力線の前記第２接続点と前記第３接続点との間の部分に介装され、カソードが同第２接続点側にあり且つアノードが同第３接続点側にある第２ダイオード４３ａ（第２ダイオードＤ２）と、
前記電力線の前記第３接続点と前記第４接続点との間の部分に介装され、カソードが同第３接続点側にあり且つアノードが同第４接続点側にある第３ダイオード４４ａ（第３ダイオードＤ３）と、
前記第１ダイオード４２ａに対して逆並列接続された第１半導体スイッチ４２ｂ（第１ＩＧＢＴＳＷ１）と、
前記第２ダイオード４３ａに対して逆並列接続された第２半導体スイッチ４３ｂ（第２ＩＧＢＴＳＷ２）と、
前記第３ダイオード４４ａに対して逆並列接続された第３半導体スイッチ４４ｂ（第３ＩＧＢＴＳＷ３）と、
前記第１半導体スイッチ４２ｂ及び前記第３半導体スイッチ４４ｂのいずれか一方のみを導通状態に維持することによって前記第１直流電源と前記第２直流電源とを互いに並列に接続するパラレル接続モード（図２及び図３）と、前記第２半導体スイッチ４３ｂを導通状態に維持することによって前記第１直流電源と前記第２直流電源とを互いに直列に接続するシリーズ接続モード（図４）と、を選択的に実行する制御部（ＥＣＵ５０）と、
を備える電源システムであって、
前記電力線の前記第３接続点と前記第４接続点との間の部分に前記第３ダイオード４４ａに対して直列に介装され、カソードが同第４接続点側にあり且つアノードが同第３接続点側にある第４ダイオード４５ａ（第４ダイオードＤ４）と、
前記第４ダイオード４５ａに対して逆並列接続された第４半導体スイッチ４５ｂ（第４ＩＧＢＴＳＷ４）と、
を備え、
前記制御部は、
前記第４半導体スイッチ４５ｂを導通状態に維持し、
前記第１ダイオード４２ａ及び／又は前記第１半導体スイッチ４２ｂが前記第１接続点から前記第２接続点に流れる電流を常に通過させる短絡故障が発生した結果、前記第１直流電源からの電流が前記第２直流電源に流れ込む閉回路が形成されたとき（図６のステップ６１０）、前記第４半導体スイッチの状態を導通状態から遮断状態に変更することによって同閉回路を遮断する（図６のステップ６１５）ように構成されている。

本システムによれば、ダイオード４２ａ及び／又はＩＧＢＴ４２ｂの短絡故障に起因して電池間短絡が発生したとき、速やかに電池間短絡を解消させることができる。

更に、本システムによれば、電池間短絡を解消するとき、第１システムメインリレー２４（即ち、第１正極開閉器２４ａ及び／又は第１負極開閉器２４ｂ）に溶着が発生することを防ぐことができる。

以上、本発明に係る内燃機関の制御装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、本発明は、駆動力源として電動機を搭載した車両に適用される車両の電源システムはもとより、駆動力源として更に内燃機関を搭載した車両（即ち、ハイブリッド車両）に適用される電源システムにも及ぶ。

加えて、本実施形態においてＩＧＢＴ４４ｂは、ＩＧＢＴ４５ｂよりも接続点Ｃ３側に介装されていた。しかし、ＩＧＢＴ４４ｂは、ＩＧＢＴ４５ｂよりも接続点Ｃ４側に介装されても良い。即ち、ダイオード４５ａのアノードが接続点Ｃ３に接続され、ダイオード４５ａのカソードがダイオード４４ａのカソードと接続され、ダイオード４４ａのアノードが接続点Ｃ４に接続されていても良い。

加えて、本実施形態においてＥＣＵ５０は、電池間短絡が発生したとき、第１システムメインリレー２４を遮断し、キャパシタ３１の出力によって車両１の縮退運転を実行していた。しかし、ＥＣＵ５０は、電池間短絡が発生したとき、第２システムメインリレー３４を遮断し、蓄電池２１の出力によって車両１の縮退運転を実行しても良い。この場合、ＥＣＵ５０は、第１システムメインリレー２４の代わりに第２システムメインリレー３４を遮断した後、ＩＧＢＴ４５ｂを導通状態に制御したうえで、ＩＧＢＴ４３ｂの導通状態を制御することによって蓄電池２１の出力電圧を昇圧し、その昇圧した電圧をインバータ６０に印加する。

加えて、本実施形態においてＥＣＵ５０は、パラレル接続モードを実行するとき、電圧Ｖ１＜電圧Ｖ２であればＩＧＢＴ４２ｂを導通状態に維持し、電圧Ｖ１＞電圧Ｖ２であればＩＧＢＴ４４ｂを導通状態に維持していた。しかし、ＥＣＵ５０は、パラレル接続モードを実行するとき、電圧Ｖ１＞電圧Ｖ２であればＩＧＢＴ４２ｂを導通状態に維持し、電圧Ｖ１＜電圧Ｖ２であればＩＧＢＴ４４ｂを導通状態に維持していた。

加えて、本実施形態においてＥＣＵ５０は、パラレル接続モード及びシリーズ接続モードのいずれか一方を実行中、電池間短絡検出処理ルーチンを所定の時間が経過する毎に実行していた。しかし、ＥＣＵ５０は、更に、電圧Ｖ１＞電圧Ｖ２である場合にのみ電池間短絡検出処理ルーチンを実行しても良い。

加えて、本実施形態においてＥＣＵ５０は、上記短絡判定条件が成立するとき、電池間短絡が発生していると判定していた。しかし、ＥＣＵ５０は、上記短絡判定条件が成立した状態が所定の期間継続したとき、電池間短絡が発生していると判定しても良い。

加えて、本実施形態において蓄電池２１は、リチウムイオン電池であった。しかし、蓄電池２１は、ニッケル水素電池、電気二重層キャパシタ及びリチウムイオンキャパシタ等のリチウムイオン電池とは異なる種類の充放電可能な直流電源であっても良い。或いは、本実施形態においてキャパシタ３１はリチウムイオンキャパシタであった。しかし、キャパシタ３１は、上述したようなリチウムイオンキャパシタとは異なる種類の充放電可能な直流電源であっても良い。

加えて、本実施形態においてスイッチ部４０は、半導体スイッチとしてＩＧＢＴ４１ｂ〜ＩＧＢＴ４５ｂを備えていた。特に、ＩＧＢＴ４５ｂは、逆導通阻止ＩＧＢＴ（ＲＢ−ＩＧＢＴ）であった。しかし、スイッチ部４０は、半導体スイッチとしてＭＯＳＦＥＴ及びＧＴＯサイリスタ等を備えていても良い。或いは、ＩＧＢＴ４１ｂ〜ＩＧＢＴ４４ｂは、逆導通阻止ＩＧＢＴであっても良い。

車両…１０、蓄電池…２１、第１コンデンサ…２２、第１リアクトル…２３、第１システムメインリレー…２４、キャパシタ…３１、第２コンデンサ…３２、第２リアクトル…３３、第２システムメインリレー…３４、スイッチ部…４０、インバータ…５０、電動機…６０。

Claims (1)

1. 負荷回路が接続され、同負荷回路に対して直流電力を供給するために用いられる正極接続点及び負極接続点と、
   前記正極接続点と前記負極接続点とを接続し、同正極接続点と同負極接続点との間にある第１接続点、同第１接続点と同負極接続点との間にある第２接続点、同第２接続点と同負極接続点との間にある第３接続点、及び、同第３接続点と同負極接続点との間に第４接続点を有する電力線と、
   前記第１接続点に正極が接続され、前記第３接続点に負極が接続された第１直流電源と、
   前記第２接続点に正極が接続され、前記第４接続点に負極が接続された第２直流電源と、
   前記電力線の前記第１接続点と前記第２接続点との間の部分に介装され、カソードが同第１接続点側にあり且つアノードが同第２接続点側にある第１ダイオードと、
   前記電力線の前記第２接続点と前記第３接続点との間の部分に介装され、カソードが同第２接続点側にあり且つアノードが同第３接続点側にある第２ダイオードと、
   前記電力線の前記第３接続点と前記第４接続点との間の部分に介装され、カソードが同第３接続点側にあり且つアノードが同第４接続点側にある第３ダイオードと、
   前記第１ダイオードに対して逆並列接続された第１半導体スイッチと、
   前記第２ダイオードに対して逆並列接続された第２半導体スイッチと、
   前記第３ダイオードに対して逆並列接続された第３半導体スイッチと、
   前記第１半導体スイッチ及び前記第３半導体スイッチのいずれか一方のみを導通状態に維持することによって前記第１直流電源と前記第２直流電源とを互いに並列に接続するパラレル接続モードと、前記第２半導体スイッチを導通状態に維持することによって前記第１直流電源と前記第２直流電源とを互いに直列に接続するシリーズ接続モードと、を選択的に実行する制御部と、
   を備える電源システムであって、
   前記電力線の前記第３接続点と前記第４接続点との間の部分に前記第３ダイオードに対して直列に介装され、カソードが同第４接続点側にあり且つアノードが同第３接続点側にある第４ダイオードと、
   前記第４ダイオードに対して逆並列接続された第４半導体スイッチと、
   を備え、
   前記制御部は、
   前記第４半導体スイッチを導通状態に維持し、
   前記第１ダイオード及び／又は前記第１半導体スイッチが前記第１接続点から前記第２接続点に流れる電流を常に通過させる短絡故障が発生した結果、前記第１直流電源からの電流が前記第２直流電源に流れ込む閉回路が形成されたとき、前記第４半導体スイッチの状態を導通状態から遮断状態に変更することによって同閉回路を遮断するように構成された、
   電源システム。
   

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