JP2017095071A - ハイブリッド車 - Google Patents

Abstract

【課題】第１電圧コンバータの上スイッチング素子よりもメインバッテリ側で短絡故障が発生したときにエンジンをクランキングすることのできるハイブリッド車を提供する。
【解決手段】第１電圧コンバータ１０の低電圧端３はメインバッテリ１２に接続されており、高電圧端４はインバータ１４ａ、１４ｂに接続されている。第２電圧コンバータ２１の低電圧端２４はサブバッテリ２５に接続されており高電圧端２３はインバータ１４ａ、１４ｂに接続されている。コントローラ１１は、上スイッチング素子７ａよりもメインバッテリ側で短絡故障が検出されたときにエンジン１６が停止していた場合は上スイッチング素子７ａをオフするとともに第２電圧コンバータ２１を作動させ、サブバッテリ２５の電力を使って第１モータ１５ａを駆動してエンジン１６をクランキングする。
【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、エンジンと、エンジンと連動して回転するモータを備えるハイブリッド車に関する。

特許文献１に、エンジンと、エンジンと連動して回転するモータを備えるハイブリッド車が開示されている。モータは、エンジンをクランキングするのに使われる。モータは、エンジンのトルクで逆駆動され、発電機として使われることもある。ハイブリッド車の技術分野では、モータが発電機として用いられることは良く知られており、本明細書では、発電機として機能するデバイスも「モータ」と称する。トルクを出力する機能と発電機としての機能を有するデバイスは、モータジェネレータと呼ばれる場合もある。

特許文献１のハイブリッド車は、モータに交流電力を供給するインバータと、低電圧端がメインバッテリに接続されており、高電圧端がインバータに接続されている第１電圧コンバータと、低電圧端がサブバッテリに接続されており、高電圧端が第１電圧コンバータの低電圧端に接続されている第２電圧コンバータを備えている。特許文献１のハイブリッド車は、メインバッテリの故障が検出されたときにエンジンが停止していた場合は第２電圧コンバータを作動させ、サブバッテリの電力を使ってモータを駆動してエンジンをクランキングする。エンジンが始動すれば、メインバッテリが使えなくとも走行することができる。

特開２００７−２５５２９４号公報

特許文献１のハイブリッド車では、第２電圧コンバータが第１電圧コンバータの低電圧端に接続されている。そのため、第１電圧コンバータとメインバッテリの間で短絡故障が発生すると、第２電圧コンバータも使えなくなり、エンジンをクランキングすることができなくなってしまう。本明細書では、第１電圧コンバータとメインバッテリの間で短絡故障が発生した場合であってもサブバッテリ（あるいはメインバッテリ）を使ってエンジンをクランキングすることができるハイブリッド車を提供する。

本明細書が開示するハイブリッド車は、エンジンと、エンジンと連動して回転するモータと、モータに交流を供給するインバータと、第１電圧コンバータと、第２電圧コンバータと、コントローラを備える。第１電圧コンバータは、低電圧端がメインバッテリに接続されており、高電圧端がインバータに接続されており、メインバッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する。第２電圧コンバータは、低電圧端がサブバッテリに接続されており、高電圧端がインバータに接続されており、低電圧端に供給される電力の電圧を昇圧してインバータに供給する。以下、説明の便宜のため、第１電圧コンバータの低電圧端と高電圧端を夫々第１低電圧端と第１高電圧端と称し、第２電圧コンバータの低電圧端と高電圧端を夫々第２低電圧端と第２高電圧端と称する場合がある。

第１電圧コンバータは、直列に接続されている上スイッチング素子及び下スイッチング素子と、リアクトルと、フィルタコンデンサと、上ダイオード及び下ダイオードを備える。上スイッチング素子及び下スイッチング素子の直列接続は、第１高電圧端の正極と負極の間に接続されている。リアクトルは、その一端が上スイッチング素子と下スイッチング素子の直列接続の中点に接続されており、他端が第１低電圧端の正極に接続されている。フィルタコンデンサは、第１低電圧端の正極と負極の間に接続されている。上ダイオードは、上スイッチング素子に逆並列に接続されており、下ダイオードは、下スイッチング素子に逆並列に接続されている。

上記の第１電圧コンバータの構成によると、上スイッチング素子をオフすると（遮断状態にすると）、インバータ側からメインバッテリ側へ電流が流れなくなる。従って、上スイッチング素子よりもメインバッテリ側で短絡故障が生じても、上スイッチング素子よりもインバータ側に接続されている第２電圧コンバータを使うことができる。そこで、コントローラは、上スイッチング素子よりもメインバッテリ側で短絡故障が検出されたときにエンジンが停止していた場合は上スイッチング素子をオフする（遮断状態にする）とともに第２電圧コンバータを作動させ、第２低電圧端に供給される電力を使ってモータを駆動してエンジンをクランキングする。上記のハイブリッド車は、第１電圧コンバータの上スイッチング素子よりもメインバッテリ側で短絡故障が生じた場合でもエンジンをクランキングすることができ、走行を続けることができる。

なお、サブバッテリのかわりにメインバッテリが第２電圧コンバータの低電圧端（第２低電圧端）に接続されていても、上記の構成と同じ効果を得ることができる。即ち、コントローラは、上スイッチング素子よりもメインバッテリ側で短絡故障が検出されたときにエンジンが停止していた場合は、上スイッチング素子をオフする（遮断状態にする）とともに第２電圧コンバータを作動させ、第２低電圧端に供給される電力を使ってモータを駆動してエンジンをクランキングする。

本明細書は、上記の構成を活用した別の技術も提供する。一般に、メインバッテリと第１電圧コンバータの間には、両者を電気的に導通したり遮断したりするリレーが設けられていることが多い。車両のシステム起動時など、リレーを遮断状態から導通状態に切り換えるとフィルタコンデンサに突入電流が生じる。そこで、コントローラは、リレーを閉じてメインバッテリを第１電圧コンバータに接続するのに先立って、第２電圧コンバータを作動させるとともに上スイッチング素子をオンにして（導通状態にして）フィルタコンデンサをプリチャージする。メインバッテリと第１電圧コンバータを接続する前にフィルタコンデンサをプリチャージすることで、リレーを閉じたときにメインバッテリからフィルタコンデンサへ流れる突入電流を抑えることができる。

本明細書が開示する技術の詳細およびさらなる改良は発明を実施するための形態の欄において詳細に説明する。

実施例のハイブリッド車の電気系統のブロック図である。 動力分割機構のスケルトン図である。 短絡故障時の処理のフローチャートである。 プリチャージ処理のフローチャートである。 第１変形例のハイブリッド車の電気系統のブロック図である。 第１変形例のハイブリッド車におけるプリチャージ処理のフローチャートである。 第２変形例のハイブリッド車の電気系統のブロック図である。

図面を参照して実施例のハイブリッド車を説明する。図１に、ハイブリッド車２の電気系統のブロック図を示す。ハイブリッド車２は、走行用に、エンジン１６と２個のモータ（第１モータ１５ａ、第２モータ１５ｂ）を備える。なお、第１モータ１５ａは、主として発電とエンジンのクランキングを行う。第１モータ１５ａは、直接には車両の推進力を出力しないが、後述する動力分割機構３０においてエンジントルクの一部を車軸に伝達することに関与する。従って第１モータ１５ａも走行用のモータとみなす。また、第１モータ１５ａと第２モータ１５ｂは発電することがあるが、本明細書では、発電する機能も含めて「モータ」と称する。

エンジン１６の出力トルクと第１モータ１５ａ、第２モータ１５ｂの出力トルクは動力分割機構３０によって適宜に分割、合成される。ここで、図２を参照して動力分割機構３０について説明する。

図２は、動力分割機構３０のスケルトン図である。動力分割機構３０は、プラネタリギア３１を主な部品とするギアセットである。プラネタリギア３１のサンギア３１ａが第１モータ１５ａに係合しており、キャリア３１ｂがエンジン１６に係合しており、リングギア３１ｃがアイドルギア３２を介して車軸１７に係合している。車軸１７の先はデファレンシャルギア３４が連結され、その先に駆動輪３５が取り付けられている。車軸１７には、リダクションギア３３を介して第２モータ１５ｂが係合している。なお、サンギア３１ａと第１モータ１５ａの間、あるいは、エンジン１６とキャリア３１ｂの間には別のギアが介在してもよい。第２モータ１５ｂと車軸１７の間にリダクションギア３３とは別のギアが介在してもよい。

ハイブリッド車２は、発進時、及び、中低速域のエンジン効率の低い車速領域では、エンジン１６を停止し、第２モータ１５ｂで走行する。中高速域のエンジン効率の高い車速領域では、エンジン１６を作動させる。エンジン１６で走行する場合、車軸１７に連結されているリングギア３１ｃの出力トルクが所望のトルクとなるように、サンギア３１ａに現れる反力を第１モータ１５ａが支える。このとき、第１モータ１５ａは、サンギア３１ａに現れる反力で発電する。発電で得た電力で第２モータ１５ｂを駆動し、車両の推進力を補助する。サンギア３１ａに現れる反力を支える第１モータ１５ａのトルクを負のトルクと称する。

仮にサンギア３１ａが無負荷であると、プラネタリギア３１の特性により、リングギア３１ｃにトルクが伝わらずにエンジンの回転数が上昇してしまう。即ちエンジンが吹き上がってしまう。第１モータ１５ａは、エンジン１６の出力トルクに対して逆向きの負のトルクを与え、エンジンの吹き上がりを抑えるとともにエンジンのトルクの一部がリングギア３１ｃ（即ち車軸１７）に伝達されるように補助する。

第１モータ１５ａが与える負のトルクとは、出力軸側から駆動されることを意味し、第１モータ１５ａは負のトルク（即ち出力軸側から駆動されるトルク）によって回転し、発電する。第１モータ１５ａの負のトルクの大きさは、第１モータ１５ａの起電力に依存し、その起電力は第１インバータ１４ａのスイッチング動作により調整される。第１モータ１５ａは、エンジン１６のクランキングにも用いられる。第１モータ１５ａが出力する正のトルクも第１インバータ１４ａによって調整される。即ち、第１モータ１５ａが正のトルクを出力する場合も負のトルクを出力する場合も第１インバータ１４ａによって制御される。

ハイブリッド車２は、大きな加速力が必要な場合にはメインバッテリ１２の電力も使って第２モータ１５ｂの出力を高める。ハイブリッド車２は、ブレーキペダルが踏まれたときには、エンジン１６を停止し、車両の慣性力によって逆駆動される第１モータ１５ａ、第２モータ１５ｂによって発電する。発電で得た電力はメインバッテリ１２の充電や、補機２６（図１参照）の駆動に用いられる。

第２モータ１５ｂの出力トルクは第２インバータ１４ｂによって調整される。先に述べたようにブレーキペダルが踏まれたときには第２モータ１５ｂも発電する。第２モータ１５ｂの発電力は、第２モータ１５ｂの起電力に依存し、その起電力は第２インバータ１４ｂのスイッチング動作により調整される。即ち、第２モータ１５ｂも、正のトルク出力と負のトルク出力に関わらずに第２インバータ１４ｂによって制御される。

以上の通り、第１モータ１５ａと第２モータ１５ｂは、プラネタリギア３１を介してエンジン１６と連動して回転する。なお、以下では、メインバッテリ１２の電力を使わずに主にエンジン１６を利用して走行することを、バッテリレス走行という。バッテリレス走行では、メインバッテリ１２は使わないが、第１モータ１５ａによる回生電力を使って第２モータ１５ｂを駆動することがあってもよい。

図１に戻り、ハイブリッド車２の電気系統の説明に戻る。ハイブリッド車２は、メインバッテリ１２、サブバッテリ２５、システムメインリレー１３、第１電圧コンバータ１０、第１及び第２インバータ１４ａ、１４ｂ、第２電圧コンバータ２１などを備える。第１電圧コンバータ１０は、メインバッテリ１２の電圧を昇圧して第１、第２インバータ１４ａ、１４ｂに供給する昇圧機能と、第１、第２インバータ１４ａ、１４ｂが出力する回生電力を降圧してメインバッテリ１２に供給する降圧機能の両方を備える。即ち、第１電圧コンバータ１０は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。別言すれば、第１電圧コンバータ１０の低電圧端３は、システムメインリレー１３を介してメインバッテリ１２に接続されている。第１電圧コンバータ１０の高電圧端４は第１、第２インバータ１４ａ、１４ｂに接続されている。第１インバータ１４ａは第１モータ１５ａに交流電力を供給する。第２インバータ１４ｂは第２モータ１５ｂに交流電力を供給する。

第１電圧コンバータ１０の高電圧端４には、さらに、第２電圧コンバータ２１が接続されている。第２電圧コンバータ２１も双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。説明の便宜上、第１電圧コンバータ１０の低電圧端と高電圧端をそれぞれ第１低電圧端３、第１高電圧端４と称し、第２電圧コンバータ２１の低電圧端２４と高電圧端２３をそれぞれ第２低電圧端２４、第２高電圧端２３と称する。第２電圧コンバータ２１の低電圧端（第２低電圧端２４）はサブバッテリ２５に接続されており、高電圧端（第２高電圧端２３）は第１電圧コンバータ１０の第１高電圧端４に接続されている。なお、第２電圧コンバータ２１の低電圧端（第２低電圧端２４）の負極は、ボディグランドＧを介してサブバッテリ２５の負極と接続されている。

メインバッテリ１２の出力電圧は約３００ボルトであり、サブバッテリ２５の出力電圧は約１２ボルトである。メインバッテリ１２は、例えばリチウムイオン電池であり、サブバッテリ２５は例えば鉛バッテリである。いずれのバッテリも充電が可能なリチャージャブルバッテリである。メインバッテリ１２の電力は主に第１、第２モータ１５ａ、１５ｂの駆動に用いられ、サブバッテリ２５の電力は主に補機２６の駆動に用いられる。補機２６とは、ルームランプやオーディオなどの低電圧機器の総称である。

第１電圧コンバータ１０は、メインバッテリ１２の出力電圧を、第１、第２インバータ１４ａ、１４ｂ（即ち、第１、第２モータ１５ａ、１５ｂ）が必要とする電圧まで昇圧する。その昇圧電圧は、例えば最大で約６００ボルトである。第２電圧コンバータ２１は、メインバッテリ１２の電力、あるいは、回生電力を使ってサブバッテリ２５を充電したり、補機２６に電力を供給する。第２電圧コンバータ２１は、第１高電圧端４に現れる最大約６００ボルトの電力を、約１２ボルトに降圧してサブバッテリ２５や補機２６に供給する。

第２電圧コンバータ２１は、また、サブバッテリ２５の約１２ボルトの電力を昇圧して第２高電圧端２３に出力することもできる。第２電圧コンバータ２１は、メインバッテリ１２が使えない場合にサブバッテリ２５の電力を昇圧して第１インバータ１４ａに供給することができる。第１インバータ１４ａは、サブバッテリ２５の電力で第１モータ１５ａを駆動し、エンジン１６をクランキングする。サブバッテリ２５の電力でエンジン１６をクランキングすることについては後述する。

第１電圧コンバータ１０の回路を説明する。第１電圧コンバータ１０は、２個のスイッチング素子７ａ、７ｂ、２個のダイオード８ａ、８ｂ、フィルタコンデンサ５、電圧センサ２９、リアクトル６を備える。２個のスイッチング素子７ａ、７ｂは、第１電圧コンバータ１０の高電圧端（第１高電圧端４）の正極４ａと負極４ｂの間に直列に接続されている。以下では、説明の便宜上、直列接続の高電位側に位置するスイッチング素子７ａを上スイッチング素子７ａと称し、低電位側に位置するスイッチング素子７ｂを下スイッチング素子７ｂと称する。２個のダイオード８ａ、８ｂはそれぞれ、上スイッチング素子７ａ、７ｂの夫々に逆並列に接続されている。上スイッチング素子７ａ、下スイッチング素子７ｂは、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。

上スイッチング素子７ａに逆並列に接続されているダイオード８ａを上ダイオード８ａと称し、下スイッチング素子７ｂに逆並列に接続されているダイオード８ｂを下ダイオード８ｂと称する。ダイオード８ａ、８ｂは還流ダイオードとも呼ばれる。リアクトル６は、その一端が、上スイッチング素子７ａと下スイッチング素子７ｂの直列接続の中点に接続されており、他端は第１低電圧端３の正極３ａに接続されている。フィルタコンデンサ５は、第１低電圧端３の正極３ａと負極３ｂの間に接続されている。第１低電圧端３の負極３ｂは第１高電圧端４の負極４ｂと直接に接続されている。電圧センサ２９は、第１低電圧端３の正極３ａと負極３ｂの間に接続されている。電圧センサ２９は、第１低電圧端３の正極３ａと負極３ｂの間の電圧、即ち、メインバッテリ１２から供給される電力の電圧を計測する。電圧センサ２９の計測結果はコントローラ１１に送信される。

第１電圧コンバータ１０の第１高電圧端４の正極４ａと負極４ｂの間には、平滑コンデンサ９が接続されている。平滑コンデンサ９は、第１電圧コンバータ１０から第１、第２インバータ１４ａ、１４ｂに供給される電流の脈動を抑制するために挿入されている。

先に述べたように、第１電圧コンバータ１０は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。上スイッチング素子７ａと下ダイオード８ｂが主に降圧動作に関与し、下スイッチング素子７ｂと上ダイオード８ａが主に昇圧動作に関与する。第１電圧コンバータ１０、及び、第１、第２インバータ１４ａ、１４ｂ、第２電圧コンバータ２１は、コントローラ１１によって制御される。図１の記号、ＣＭＤ＿ｄ１、ＣＭＤ＿ｄ２は、それぞれ、第１、第２電圧コンバータ１０、２１への指令信号を意味する。図１の記号ＣＭＤ＿ｉ１、ＣＭＤ＿ｉ２は、それぞれ、第１、第２インバータ１４ａ、１４ｂへの指令信号を意味する。記号ＣＭＤ＿ｒは、システムメインリレー１３への指令信号を意味する。すなわち、コントローラ１１は、システムメインリレー１３の開閉も制御する。コントローラ１１は、車両のメインスイッチが入れられるとシステムメインリレー１３を閉じ、メインバッテリ１２と第１電圧コンバータ１０を電気的に接続する。

コントローラ１１は、アクセルペダルやブレーキペダルの情報、速度、メインバッテリ１２の残量、エンジン燃料の残量などから車両が出力すべきトルク（要求トルク）を決定するとともに、要求トルクのエンジンとモータへの配分も決定する。そして、コントローラ１１は、第１、第２モータ１５ａ、１５ｂが出力すべきトルク、及び、サブバッテリ２５へ供給すべき電力に応じて、第１、第２電圧コンバータ１０、２１、及び、第１、第２インバータ１４ａ、１４ｂへ適切な指令を送る。

先に述べたように、ハイブリッド車２は、メインバッテリ１２の電力を使って第２モータ１５ｂ（及び第１モータ１５ａ）を駆動する。何らかの理由でメインバッテリ１２が使えない場合、ハイブリッド車２は、エンジン１６を使って走行することができる。エンジン１６を停止し第２モータ１５ｂ（及び第１モータ１５ａ）で走行している間にメインバッテリ１２が使えなくなった場合、コントローラ１１は、サブバッテリ２５の電力を使って第１モータ１５ａを駆動し、エンジン１６をクランキングする。先に述べたように、第２電圧コンバータ２１は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであり、サブバッテリ２５の電圧を昇圧して第１インバータ１４ａへ供給することができる。なお、コントローラ１１は、第１電圧コンバータ１０の上スイッチング素子７ａよりもメインバッテリ側で短絡故障が生じた場合、上スイッチング素子７ａをオフしてから第２電圧コンバータ２１を駆動する。コントローラ１１は、例えば、電圧センサ２９の計測結果がゼロボルトであった場合、上スイッチング素子７ａよりもメインバッテリ側で短絡故障が生じた判断する。以下、コントローラ１１が実行する短絡故障検知時の処理を説明する。

図３に短絡故障時の処理のフローチャートを示す。図３の処理は、電圧センサ２９の計測等によって上スイッチング素子７ａよりもメインバッテリ側で短絡故障が検知されると割り込み処理により直ちに開始される。なお、図３における「ＳＭＲ」はシステムメインリレー１３を意味し、ＤＤＣ２は第２電圧コンバータ２１を意味する。

コントローラ１１は、短絡故障を検知すると、システムメインリレー１３を開き、第１電圧コンバータ１０をメインバッテリ１２から遮断する（Ｓ２）。次にコントローラ１１は、上スイッチング素子７ａをオフし（遮断状態とし）、インバータ側（第１高電圧端４の正極４ａ）からメインバッテリ側へ電流が流れないようにする（Ｓ３）。次に、コントローラ１１は、そのときにエンジン１６が動作中か否かを確認する（Ｓ４）。エンジン１６が動作中であれば（Ｓ４：ＹＥＳ）、コントローラ１１は、走行モードをバッテリレス走行モードに設定して処理を終了する（Ｓ８）。エンジン１６が停止中の場合（Ｓ４：ＮＯ）、コントローラ１１は、第２電圧コンバータ２１に昇圧動作を開始させ、サブバッテリ２５を使って第１インバータ１４ａに電力を供給する（Ｓ５）。そしてコントローラ１１は、第１モータ１５ａを駆動し、エンジン１６をクランキングする（Ｓ６）。コントローラ１１は、エンジン１６が始動したら、第２電圧コンバータ２１を停止する（Ｓ７）。そして、コントローラ１１は、走行モードをバッテリレス走行モードに設定して処理を終了する（Ｓ８）。なお、バッテリレス走行モードとは、メインバッテリ１２を使わずに走行するモードである。このモードは、基本的にエンジン１６の駆動力で走行する。ただし、第１モータ１５ａが発電機として機能する場合には、回生電力で第２モータ１５ｂを駆動する場合がある。また、バッテリレス走行モードにおいては、第１モータ１５ａが生成した回生電力は、第２電圧コンバータ２１によってサブバッテリ２５あるいは、補機２６に供給される。

図３のフローチャートの処理が終了した後、ハイブリッド車２は、メインバッテリ１２を使うことなく、エンジン１６の駆動力で走行を続ける。

実施例のハイブリッド車２の利点を説明する。実施例のハイブリッド車２は、第２電圧コンバータ２１の高電圧端（第２高電圧端２３）が、第１電圧コンバータ１０の高電圧端（第１高電圧端４）に接続されている。そして、第１電圧コンバータ１０において、第１高電圧端４の正極４ａと第１低電圧端３の正極３ａの間に、上スイッチング素子７ａが、第１高電圧端４の正極４ａから第１低電圧端３の正極３ａへ向けて順方向となるように配置されている。それゆえ、上スイッチング素子７ａをオフすると（遮断状態にすると）、インバータ側からメインバッテリ側へは電流が流れなくなる。そのような構成を採用することによって、上スイッチング素子７ａからメインバッテリ側で短絡故障が生じた場合にサブバッテリ２５を使ってエンジン１６をクランキングすることが可能となる。即ち、ハイブリッド車２は、上スイッチング素子７ａからメインバッテリ側で短絡故障が生じた場合であってもエンジン１６を始動して走行を継続することができる。

図１の構成の別の利点を説明する。先に述べたように、コントローラ１１は、車両のメインスイッチが入れられるとシステムメインリレー１３を閉じ、メインバッテリ１２と第１電圧コンバータ１０を接続する。フィルタコンデンサ５に電力がほとんど残っていない状態でシステムメインリレー１３を閉じるとフィルタコンデンサ５に大きな突入電流が流れ、フィルタコンデンサ５に大きな負荷が加わる。図１に示した構成を採用する場合、システムメインリレー１３を閉じる前に第２電圧コンバータ２１を使ってフィルタコンデンサ５をプリチャージしておくことができる。フィルタコンデンサ５をプリチャージしておくことで、システムメインリレー１３を閉じたときにフィルタコンデンサ５へ流れる突入電流を軽減することができる。

図４を参照してコントローラ１１が行うプリチャージ処理を説明する。図４の処理は、システムメインリレー１３を閉じてメインバッテリ１２を第１電圧コンバータ１０に接続するのに先立って実行される。なお、図４における「ＤＤＣ２」も、第２電圧コンバータ２１を意味する。

コントローラ１１は、まず、上スイッチング素子７ａをオンする（Ｓ１２）。すなわち、コントローラ１１は、上スイッチング素子７ａのインバータ側からメインバッテリ側で電流が流れるようにする。なお、このとき、下スイッチング素子７ｂはオフする（遮断様態にする）。次にコントローラ１１は、第２電圧コンバータ２１に昇圧動作を開始させる（Ｓ１３）。第２電圧コンバータ２１は、サブバッテリ２５の出力電圧を昇圧して第１電圧コンバータ１０の高電圧端（第１高電圧端４）に供給する。第１高電圧端４に供給された電力は、上スイッチング素子７ａを通じてフィルタコンデンサ５にチャージされる。コントローラ１１は、フィルタコンデンサ５の両端電圧ＶＬが電圧閾値ＶＬｍｉｎより大きくなるまで第２電圧コンバータ２１を作動させる（Ｓ１４：ＮＯ）。フィルタコンデンサ５の両端電圧ＶＬが電圧閾値ＶＬｍｉｎより大きくなったら、コントローラ１１は、第２電圧コンバータ２１の動作を停止させる（Ｓ１５）。ここで、電圧閾値ＶＬｍｉｎは、システムメインリレー１３を閉じたときにフィルタコンデンサ５に流れる突入電流が許容値となり得る値に設定されている。最後にコントローラ１１は、上スイッチング素子７ａをオフする（Ｓ１６）。コントローラ１１は、図４の処理を終了した後にシステムメインリレー１３を閉じ、メインバッテリ１２と第１電圧コンバータ１０を接続する。フィルタコンデンサ５は電圧閾値ＶＬｍｉｎ以上にプリチャージされているので、フィルタコンデンサ５に流れる突入電流が抑えられる。

次に、図５と図６を参照して変形例のハイブリッド車を説明する。図５は、第１変形例のハイブリッド車１０２の電気系統のブロック図である。第１変形例のハイブリッド車１０２は、実施例のハイブリッド車２の構成に加えて第３電圧コンバータ４１を備える。図５では、図１で示した部品と同じ部品には同じ符号を付している。図１で説明した部品と同じ部品については説明を省略する。

第３電圧コンバータ４１もコントローラ１１によって制御される。図５における記号「ＣＭＤ＿ｄ３」は、コントローラ１１から第３電圧コンバータ４１への指令信号を表している。第３電圧コンバータ４１は降圧コンバータであり、高電圧端（第３高電圧端４２）がメインバッテリ１２に接続され、低電圧端（第３低電圧端４３）がサブバッテリ２５に接続されている。第３電圧コンバータ４１は、メインバッテリ１２の出力電圧を降圧しサブバッテリ２５、あるいは、補機２６に供給する。ハイブリッド車１０２の場合、第２電圧コンバータ２１の低電圧端（第２低電圧端２４）は、第３電圧コンバータ４１を介してメインバッテリ１２と接続されている。また、第３電圧コンバータ４１の高電圧端（第３高電圧端４２）は、システムメインリレー１３のメインバッテリ側でメインバッテリ１２と接続している。それゆえ、システムメインリレー１３が開いているときでも、第３電圧コンバータ４１を介してメインバッテリ１２からサブバッテリ２５へ電力を供給することができる。

図５の変形例のハイブリッド車１０２も、図３に示した短絡故障時の処理、及び、図４に示したプリチャージ処理を行うことができる。第２電圧コンバータ２１は、サブバッテリ２５の電力、あるいは、第３電圧コンバータ４１を介してメインバッテリ１２から供給される電力の電圧を昇圧して第２高電圧端２３から出力し、第１インバータ１４ａへ供給することができる。即ち、第２電圧コンバータ２１は、第２低電圧端２４に供給される電力の電圧を昇圧して第２高電圧端２３から出力し、第１インバータ１４ａへ供給することができる。第２電圧コンバータ２１は、第２低電圧端２４に供給される電力を使って第１モータ１５ａを駆動し、エンジン１６をクランキングすることができる。あるいは、ハイブリッド車１０２の第２電圧コンバータ２１は、第２低電圧端２４に供給される電力の電圧を昇圧して第２高電圧端２３から出力し、フィルタコンデンサ５をプリチャージすることができる。

第２電圧コンバータ２１と第３電圧コンバータ４１はいずれもスイッチング素子の動作で電圧を変える回路であり、スイッチング素子へ与えるデューティ比により、出力を調整することができる。図６に変形例のハイブリッド車１０２が行うプリチャージ処理のフローチャートを示す。なお、図６における「ＤＤＣ２」、「ＤＤＣ３」は、それぞれ、第２電圧コンバータ２１、第３電圧コンバータ４１を意味している。また、図中のＩｈ、Ｖｈは、サブバッテリ２５の電流と電圧を意味する。Ｖｍｉｎは、サブバッテリ２５の下限電圧を意味し、Ｉｍａｘは、サブバッテリ２５の出力上限電流を意味する。図５には図示されていないが、ハイブリッド車１０２は、サブバッテリ２５の電圧を計測する電圧センサと電流を計測する電流センサを備えている。図６は、サブバッテリ２５の性能低下を回避するようにメインバッテリ１２から電力を補いつつフィルタコンデンサ５をプリチャージする処理である。

まず、ステップＳ２１では、コントローラ１１は、第１電圧コンバータ１０の上スイッチング素子７ａをオンする。なお、このとき、下スイッチング素子７ｂはオフする。次にステップＳ２２では、コントローラ１１は、第３電圧コンバータ４１に降圧動作を開始させる。これによって、メインバッテリ１２からサブバッテリ２５あるいは補機２６への電力供給が開始される。

次にステップＳ２４では、コントローラ１１は、第２電圧コンバータ２１に昇圧動作を開始させる。これによって、第２電圧コンバータ２１の低電圧端（第２低電圧端２４）に供給される電力が第１電圧コンバータ１０へ供給され始める。

ステップＳ２６では、コントローラ１１は、第３電圧コンバータ４１のデューティ比が上限に達しているか否かを判断する。第３電圧コンバータ４１のデューティ比が上限に達していない場合（ステップＳ２６でＮＯの場合）、処理はステップＳ２８へ進む。

ステップＳ２８では、コントローラ１１は、不図示の電圧センサで計測されるサブバッテリ２５の電圧Ｖｈが、下限電圧Ｖｍｉｎを下回るか否かを判断する。サブバッテリ２５の電圧Ｖｈが下限電圧Ｖｍｉｎを下回る場合（ステップＳ２８でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ３０へ進む。ステップＳ３０では、コントローラ１１は、第３電圧コンバータ４１のデューティ比を増加させる。ステップＳ３０の後、処理はステップＳ３４へ進む。ステップＳ２８でサブバッテリ２５の電圧Ｖｈが下限電圧Ｖｍｉｎ以上の場合（ＮＯの場合）、第３電圧コンバータ４１のデューティ比を変更することなく、処理はステップＳ３４へ進む。

ステップＳ２６で第３電圧コンバータ４１のデューティ比が上限に達している場合（ＹＥＳの場合）には、処理はステップＳ３２へ進む。ステップＳ３２では、コントローラ１１は、第３電圧コンバータ４１のデューティ比を固定する。ステップＳ３２の後、処理はステップＳ３４へ進む。

ステップＳ３４では、コントローラ１１は、不図示の電流センサで検出されるサブバッテリ２５の出力電流Ｉｈが、上限電流Ｉｍａｘを下回るか否かを判断する。サブバッテリ２５の出力電流Ｉｈが上限電流Ｉｍａｘを下回る場合（ステップＳ３４でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ３６へ進む。ステップＳ３６では、コントローラ１１は、第２電圧コンバータ２１のデューティ比を増加させる。ステップＳ３６の後、処理はステップＳ４０へ進む。サブバッテリ２５の出力電流Ｉｈが上限電流Ｉｍａｘ以上の場合（ステップＳ３４でＮＯの場合）、処理はステップＳ３８へ進む。ステップＳ３８では、コントローラ１１は、第２電圧コンバータ２１のデューティ比を固定する。ステップＳ３８の後、処理はステップＳ４０へ進む。

ステップＳ４０では、コントローラ１１は、不図示の電圧センサで検出されるメインバッテリ１２の電圧Ｖｂと電圧センサ２９で検出されるフィルタコンデンサ５の電圧Ｖｌの差Ｖｂ−Ｖｌが、所定電圧差ｄＶ以下であるか否かを判断する。電圧差Ｖｂ−Ｖｌが所定電圧差ｄＶを上回る場合（ステップＳ４０でＮＯの場合）、処理はステップＳ２６へ戻る。電圧差Ｖｂ−Ｖｌが所定電圧差ｄＶ以下である場合（ステップＳ４０でＹＥＳの場合）、処理はステップＳ４２へ進む。

ステップＳ４２では、コントローラ１１は、第２電圧コンバータ２１に昇圧動作を停止させる。これによって、フィルタコンデンサ５への電力供給が停止される。

ステップＳ４４では、コントローラ１１は、第３電圧コンバータ４１に降圧動作を停止させる。これによって、メインバッテリ１２からサブバッテリ２５への電力供給が停止される。

図６の処理が終了すると、コントローラ１１は、システムメインリレー１３を閉じ、メインバッテリ１２を第１電圧コンバータ１０に接続する。フィルタコンデンサ５へのプリチャージがすでになされているため、システムメインリレー１３を閉じたときに、メインバッテリ１２からフィルタコンデンサ５に大きな突入電流が流れることはない。

図６の処理がもたらす効果について説明する。図６に示す処理では、ステップＳ３６において、第２電圧コンバータ２１のデューティ比を増加させつつ、ステップＳ２８、Ｓ３０において、サブバッテリ２５の電圧Ｖｈが下限電圧Ｖｍｉｎを下回ると、第３電圧コンバータ４１のデューティ比を増加させる。これによって、サブバッテリ２５の電圧Ｖｈが下限電圧Ｖｍｉｎより低下することを抑制しつつ、フィルタコンデンサ５のプリチャージに要する時間を短くすることができる。

また、図６に示す処理では、ステップＳ３４、Ｓ３８において、サブバッテリ２５の出力電流Ｉｈが上限電流Ｉｍａｘまで増加したときに、第２電圧コンバータ２１のデューティ比を固定する。これによって、第２電圧コンバータ２１によってフィルタコンデンサ５へ供給される電力がさらに大きくなることを防ぎ、サブバッテリ２５の出力電流Ｉｈがさらに増加することを防ぐことができる。図６の処理によれば、サブバッテリ２５の出力電流Ｉｈが上限電流Ｉｍａｘを上回ることを抑制し、かつサブバッテリ２５の電圧Ｖｈが下限電圧Ｖｍｉｎを下回ることを抑制しつつ、可能な限りフィルタコンデンサ５のプリチャージの時間を短くすることができる。

図６に示す処理では、下限電圧Ｖｍｉｎは、フィルタコンデンサ５のプリチャージの際にサブバッテリ２５での電圧低下として許容する電圧の値を任意に設定しておくことができる。例えば、下限電圧Ｖｍｉｎを、補機２６の駆動に最低限必要な電圧に設定しておくことで、補機２６を駆動可能な状態を維持しつつ、可能な限りフィルタコンデンサ５のプリチャージの時間を短くすることができる。

図６の処理に関する留意点を述べる。サブバッテリ２５の上限電流Ｉｍａｘは、例えば、補機２６の寿命要件や容量に基づいて設定される。図６の処理においては、Ｉｍａｘはゼロであってもよい。また、電圧差ｄＶは、システムメインリレー１３が溶着しない程度の値に設定される。あるいは、電圧差ｄＶは、システムメインリレー１３の寿命が設計値を満足するように定められてもよい。あるいは、コントローラ１１は、メインバッテリ１２の電圧Ｖｂが下限値を下回らないように、第３電圧コンバータ４１の出力電流（第３低電圧端４３から出力される電流）を調整してもよい。メインバッテリ１２の電圧Ｖｂの下限値は、例えばメインバッテリ１２の電池保護の要求に基づいて定められる。あるいは、コントローラ１１は、サブバッテリ２５の要件で定まる電流上限値を越えないように、第３電圧コンバータ４１の出力電流を庁調整してもよい。さらに、コントローラ１１は、システム全体の要件などで定まる補機への供給電圧の下限値を下回らないように第２電圧コンバータ２１の出力電流（第２高電圧端２３から出力される電流）を調整してもよい。

図７は、第２変形例のハイブリッド車２０２の電気系統のブロック図である。第２変形例のハイブリッド車２０２は、実施例のハイブリッド車２の第２電圧コンバータ２１に代えて、マルチ入力電圧コンバータ５０を備える。図７では、図１で示した部品と同じ部品には同じ符号を付している。図１で説明した部品と同じ部品については説明を省略する。

マルチ入力電圧コンバータ５０は、３個の入出力端の間で電圧を変換する電圧コンバータである。マルチ入力電圧コンバータ５０は、３個のコイル５１ａ、５１ｂ、５１ｃを備えるトランス５１と、各コイルに付随する第１回路５２ａ、第２回路５２ｂ、第３回路５２ｃを備える。第１回路５２ａの入出力端（第１入出力端５３ａ）は、第１電圧コンバータ１０の高電圧端（第１高電圧端４）に接続されている。第２回路５２ｂの入出力端（第２入出力端５３ｂ）は、サブバッテリ２５に接続されている。第３回路５２ｃの入出力端（第３入出力端５３ｃ）は、メインバッテリ１２に接続されている。なお、第３回路５２ｃの入出力端（第３入出力端５３ｃ）は、システムメインリレー１３よりもメインバッテリ側でメインバッテリ１２に接続されている。

各回路は、入出力端に印加された直流電力を交流に変換して対応するコイルへ流す。各回路は、対応するコイルに流れる誘導電流を直流に変換して入出力端へ出力することもできる。トランス５１では、第１入出力端５３ａの電圧が最も高く、次に第３入出力端５３ｃの電圧が高く、第２入出力端５３ｂの電圧が最も低くなるように、各コイルの巻数が定められている。マルチ入力電圧コンバータ５０は、第１入出力端５３ａに供給される直流電力を降圧して第２入出力端５３ｂへ出力することができる。この降圧動作により、第１モータ１５ａが生成した回生電力でサブバッテリ２５を充電することができる。また、マルチ入力電圧コンバータ５０は、第２入出力端５３ｂに供給される電力、及び／又は、第３入出力端５３ｃに供給される電力を昇圧して第１入出力端５３ａに出力することができる。この昇圧動作により、図３の短絡故障時の処理や図４のプリチャージ処理を行うことができる。

図７の構成の特徴をまとめると次の通りである。マルチ入力電圧コンバータ５０は、第１入出力端５３ａが第１インバータ１４ａと第１電圧コンバータ１０に接続されており、第２入出力端５３ｂがサブバッテリ２５に接続されており、第３入出力端５３ｃがメインバッテリ１２に接続されている。そして、マルチ入力電圧コンバータ５０は、第２入出力端５３ｂに供給されるサブバッテリ２５の電力、及び／又は、第３入出力端５３ｃに供給されるメインバッテリ１２の電力を昇圧して第１インバータ１４ａに供給することができる。コントローラ１１は、上スイッチング素子７ａよりもメインバッテリ側で短絡故障が検出されたときにエンジン１６が停止していた場合は上スイッチング素子７ａをオフするとともにマルチ入力電圧コンバータ５０を作動させる。そして、コントローラ１１は、サブバッテリ２５の電力及び／又はメインバッテリ１２の電力を使って第１モータ１５ａを駆動してエンジン１６をクランキングする。また、コントローラ１１は、システムメインリレー１３によりメインバッテリ１２を第１電圧コンバータ１０に接続するのに先立って、マルチ入力電圧コンバータ５０を作動させるとともに上スイッチング素子７ａを導通状態にしてフィルタコンデンサ５をプリチャージする。先に述べたように、第３回路５２ｃの入出力端（第３入出力端５３ｃ）は、システムメインリレー１３よりもメインバッテリ側でメインバッテリ１２に接続されている。それゆえ、システムメインリレー１３を閉じる前に、マルチ入力電圧コンバータ５０を使ってフィルタコンデンサ５をプリチャージすることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図１ではコントローラ１１は一つの矩形で表したが、実施例におけるコントローラ１１の機能は、複数のプロセッサが協調して実現するものであってもよい。

実施例の第１インバータ１４ａと第１モータ１５ａがそれぞれ請求項の「インバータ」、「モータ」の一例に相当する。実施例のシステムメインリレー１３が請求項の「リレー」の一例に相当する。実施例の第２電圧コンバータ２１とマルチ入力電圧コンバータ５０が請求項の「第２電圧コンバータ」の例に相当する。

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。

２、１０２、２０２：ハイブリッド車
５：フィルタコンデンサ
６：リアクトル
７ａ：上スイッチング素子
７ｂ：下スイッチング素子
８ａ、８ｂ：ダイオード
９：平滑コンデンサ
１０：第１電圧コンバータ
１１：コントローラ
１２：メインバッテリ
１３：システムメインリレー
１４ａ：第１インバータ
１４ｂ：第２インバータ
１５ａ：第１モータ
１５ｂ：第２モータ
１６：エンジン
１７：車軸
２１：第２電圧コンバータ
２５：サブバッテリ
２６：補機
２９：電圧センサ
３０：動力分割機構
３１：プラネタリギア
４１：第３電圧コンバータ
５０：マルチ入力電圧コンバータ
５１：トランス

Claims (2)

1. エンジンと、
   前記エンジンと連動して回転するモータと、
   前記モータに交流を供給するインバータと、
   第１低電圧端がメインバッテリに接続されており、第１高電圧端が前記インバータに接続されており、前記メインバッテリの電圧を昇圧して前記インバータに供給する第１電圧コンバータと、
   第２低電圧端が前記メインバッテリ又はサブバッテリに接続されており、第２高電圧端が前記インバータに接続されており、前記第２低電圧端に供給される電力の電圧を昇圧して前記インバータに供給する第２電圧コンバータと、
   コントローラと、を備えており、
   前記第１電圧コンバータは、
   前記第１高電圧端の正極と負極の間に直列に接続されている上スイッチング素子及び下スイッチング素子と、
   一端が前記上スイッチング素子と前記下スイッチング素子の直列接続の中点に接続されており、他端が前記第１低電圧端の正極に接続されているリアクトルと、
   前記第１低電圧端の正極と負極の間に接続されているフィルタコンデンサと、
   前記上スイッチング素子に逆並列に接続されている上ダイオードと、
   前記下スイッチング素子に逆並列に接続されている下ダイオードと、
   を備えており、
   前記コントローラは、前記上スイッチング素子よりも前記メインバッテリ側で短絡故障が検出されたときにエンジンが停止していた場合は前記上スイッチング素子を遮断状態にするとともに前記第２電圧コンバータを作動させ、前記第２低電圧端に供給される電力を使って前記モータを駆動して前記エンジンをクランキングする、
   ハイブリッド車。
2. 前記メインバッテリと前記第１電圧コンバータの間に両者を電気的に遮断するリレーをさらに備えており、
   前記コントローラは、前記リレーにより前記メインバッテリを前記第１電圧コンバータに接続するのに先立って、前記第２電圧コンバータを作動させるとともに前記上スイッチング素子を導通状態にして前記フィルタコンデンサをプリチャージする、
   請求項１に記載のハイブリッド車。

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