JP2017103949A - Power supply system - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書が開示する技術は、走行用モータを備えた自動車に適した電源システムに関する。走行用モータを備えた自動車の典型は、電気自動車、ハイブリッド車、燃料電池車などである。 The technology disclosed in this specification relates to a power supply system suitable for an automobile including a traveling motor. Typical examples of automobiles equipped with a traveling motor are electric cars, hybrid cars, fuel cell cars, and the like.
特許文献1に記載されている電気自動車は、バッテリと昇圧コンバータを備えた電源システムを搭載している。昇圧コンバータは、バッテリの電力を昇圧し、走行用モータのインバータに電力を供給する。昇圧コンバータは、その高電圧端の正極と負極の間に接続されている昇圧スイッチング素子と、一端が昇圧スイッチング素子の高電位側に接続されており、他端が低電圧端の正極に接続されているリアクトルと、低電圧端の正極と負極の間に接続されているコンデンサと、昇圧スイッチング素子と直列に接続されている遮断機を備える。昇圧コンバータのコントローラは、昇圧スイッチング素子の短絡故障が検出されたときに、遮断機を作動させ、昇圧スイッチング素子を回路から切り離す。昇圧スイッチング素子が切り離されて回路の短絡が解消することで、電圧コンバータは昇圧動作はできずともバッテリの電力をインバータに供給することができ、走行を継続することができる。特許文献1では、火薬式の遮断機が推奨されている。火薬式の遮断機は、応答が早く、また、確実に昇圧スイッチング素子を切り離すことができる。 The electric vehicle described in Patent Document 1 includes a power supply system including a battery and a boost converter. The boost converter boosts the electric power of the battery and supplies the electric power to the inverter of the traveling motor. The step-up converter has a step-up switching element connected between the positive and negative electrodes at its high voltage end, one end connected to the high potential side of the step-up switching element, and the other end connected to the positive end at the low voltage end. A reactor, a capacitor connected between a positive electrode and a negative electrode at a low voltage end, and a circuit breaker connected in series with the step-up switching element. The controller of the boost converter activates the circuit breaker and disconnects the boost switching element from the circuit when a short circuit failure of the boost switching element is detected. By disconnecting the step-up switching element and eliminating the short circuit, the voltage converter can supply the battery power to the inverter even if it cannot perform the step-up operation, and can continue running. In Patent Document 1, an explosive type circuit breaker is recommended. The explosive circuit breaker has a quick response and can reliably disconnect the step-up switching element.
火薬式の遮断機、あるいは、ソレノイドやメカニカルリレーを用いた高性能の遮断機は高価である。電源システムのコストを抑えるには、安価な熱溶断式のヒューズを上記の遮断機の代わりに利用できるとよい。しかしながら、高性能な遮断機に比較するとヒューズは信頼性に劣り、短絡時に素早く切れない虞がある。ところで、電気自動車用の電源システムは、走行用モータのためのバッテリ(メインバッテリ)の他に、低電圧機器(補機)のためのバッテリ(サブバッテリ)を搭載している場合がある。その場合、電源システムは、メインバッテリの電力を降圧してサブバッテリを充電する別の電圧コンバータを伴う。本明細書は、昇圧スイッチング素子を回路から切り離すヒューズを備えるとともに、昇圧スイッチング素子の短絡故障時に仮にヒューズが切れなかったときに備えて別の電圧コンバータを利用してヒューズを強制的に溶断する仕組みを備えた電源システムを提供する。 Explosive-type circuit breakers or high-performance circuit breakers using solenoids or mechanical relays are expensive. In order to reduce the cost of the power supply system, it is preferable to use an inexpensive thermal fusing type fuse instead of the circuit breaker. However, compared with a high-performance circuit breaker, the fuse is inferior in reliability and may not be quickly blown when a short circuit occurs. Incidentally, a power supply system for an electric vehicle may be equipped with a battery (sub battery) for a low voltage device (auxiliary machine) in addition to a battery (main battery) for a driving motor. In that case, the power supply system involves another voltage converter that steps down the power of the main battery and charges the sub-battery. The present specification includes a fuse for disconnecting a boost switching element from a circuit, and a mechanism for forcibly blowing a fuse using another voltage converter in preparation for a case where the fuse is not blown at the time of a short circuit failure of the boost switching element A power supply system including
本明細書が開示する電源システムは、走行用モータを備える自動車に好適なデバイスである。その電源システムは、直流電力を出力する主電源、及び、主電源よりも低電圧の直流電力を出力する副電源と、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、上記した昇圧コンバータに相当する。以下では、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それぞれ第1低電圧端、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それぞれ第2低電圧端、第2高電圧端と称する。第1電圧コンバータは、第1低電圧端が主電源に接続されており、第1高電圧端が走行用モータを駆動するインバータに接続されており、主電源の電力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、第2低電圧端が副電源に接続されており、第2高電圧端が第1低電圧端又は第1高電圧端に接続されており、副電源の電力を昇圧して第1電圧コンバータに供給する。なお、第2電圧コンバータは、主電源の電力を降圧して第2低電圧端に出力する降圧機能を有していてもよい。第1電圧コンバータは、昇圧スイッチング素子と、リアクトルと、コンデンサと、ヒューズを備えている。昇圧スイッチング素子は、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、その一端が昇圧スイッチング素子の高電位側に接続されており、他端が第1低電圧端の正極に接続されている。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。ヒューズは、昇圧スイッチング素子と直列に接続されている。ヒューズは、昇圧スイッチング素子が短絡して過電流が流れると溶断する仕様であるが、不具合により溶断しないことが有り得る。そこで、コントローラは、ヒューズが溶断しなかったとき、第2電圧コンバータを作動させ、ヒューズ電圧を加えて(電流を流して)ヒューズを溶断する。なお、ヒューズが溶断したか否かの判定の例については、実施形態の欄において説明する。 The power supply system disclosed in this specification is a device suitable for an automobile including a driving motor. The power supply system includes a main power supply that outputs DC power, a sub-power supply that outputs DC power having a voltage lower than that of the main power supply, a first voltage converter, a second voltage converter, and a controller. The first voltage converter corresponds to the boost converter described above. Hereinafter, for convenience of explanation, the low voltage end and the high voltage end of the first voltage converter are referred to as the first low voltage end and the first high voltage end, respectively, and the low voltage end and the high voltage end of the second voltage converter are referred to as the first low voltage end and the first high voltage end, respectively. These are referred to as a second low voltage end and a second high voltage end, respectively. The first voltage converter has a first low-voltage end connected to the main power supply, and a first high-voltage end connected to an inverter that drives the traveling motor, and boosts the power of the main power supply and supplies it to the inverter To do. The second voltage converter has a second low voltage end connected to the sub power supply, a second high voltage end connected to the first low voltage end or the first high voltage end, and boosts the power of the sub power supply. To the first voltage converter. The second voltage converter may have a step-down function for stepping down the power of the main power source and outputting it to the second low voltage end. The first voltage converter includes a step-up switching element, a reactor, a capacitor, and a fuse. The step-up switching element is connected between the positive electrode and the negative electrode at the first high voltage end. One end of the reactor is connected to the high potential side of the step-up switching element, and the other end is connected to the positive electrode of the first low voltage end. The capacitor is connected between the positive electrode and the negative electrode at the first low voltage end. The fuse is connected in series with the step-up switching element. The fuse has a specification that blows when an overcurrent flows due to a short circuit of the step-up switching element, but may not blow due to a malfunction. Therefore, when the fuse is not blown, the controller activates the second voltage converter, applies the fuse voltage (flows current), and blows the fuse. An example of determining whether or not the fuse has blown will be described in the section of the embodiment.
上記の電源システムは、安価なヒューズを採用するとともに、昇圧スイッチング素子の短絡時に仮にヒューズが切れなかった場合にヒューズを強制的に溶断する手段を備えており、安価なヒューズの信頼性の低さを補う。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。 The above power supply system employs an inexpensive fuse and has means for forcibly blowing the fuse if the fuse is not blown when the boost switching element is short-circuited. Make up. Details and further improvements of the technology disclosed in this specification will be described in detail in the section of Detailed Description.
図面を参照して実施例の電源システムを説明する。実施例の電源システムは、ハイブリッド車に適用されている。図1に、実施例の電源システム2を含むハイブリッド車100の電気系統のブロック図を示す。ハイブリッド車100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寄与する。それゆえ第1モータ15aも走行用のモータとみなす。また、電気自動車やハイブリッド車の技術分野では、車両の駆動トルクに寄与するモータが発電機を兼ねることがよくある。本実施例の第1モータ15aと第2モータ15bも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。
A power supply system according to an embodiment will be described with reference to the drawings. The power supply system of the embodiment is applied to a hybrid vehicle. FIG. 1 shows a block diagram of an electric system of a
実施例の電源システム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2電圧コンバータ21、及び、コントローラ11を備える。電源システム2は、モータ15aを駆動するインバータ14aと、モータ15bを駆動するインバータ14bに電力を供給するとともに、補機26にも電力を供給する。補機26とは、ルームランプやカーオーディオなど、低電圧で動作するデバイスの総称である。電源システム2については後に詳しく説明する。
The
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。
The output torque of the
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。
FIG. 2 is a skeleton diagram of the
ハイブリッド車100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にエンジントルクが伝達されるように、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。
The
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。
If the
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。
The negative torque provided by the
エンジン16を停止して第2モータ15bで走行する場合も、図2の動力分割機構30(特にプラネタリギア31)の特性により、第2モータ15bの出力トルクの一部によって第1モータ15aが回転し、発電する。第1モータ15aの発電によって得た電力は、第2モータ15bの駆動に使われる。
Even when the
ハイブリッド車100は、大きな加速力が必要な場合にはエンジン16を作動させるとともに、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100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。
The
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。
The output torque of the
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。いずれのモータも、車両の駆動トルクを得ることに機械的にも電気的にも寄与する。それゆえ、先に述べたように、第1モータ15a、第2モータ15bをともに走行用のモータと称する。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を駆動し、車両の推進力を補助することがあってもよい。
As described above, the
図1に戻り、ハイブリッド車100の電気系統の説明に戻る。ハイブリッド車100は、第1インバータ14a、第2インバータ14b、電源システム2、補機26を備える。電源システム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有する。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。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。
Returning to FIG. 1, the description returns to the electric system of the
第1電圧コンバータ10の低電圧端3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の低電圧端と高電圧端をそれぞれ第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(及び補機26)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低電圧端3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。補機26の負極もボディグランドGを介してサブバッテリ25の負極と接続されている。
A
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。即ち、サブバッテリ25は、メインバッテリ12よりも低電圧の直流電力を出力する。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。サブバッテリ25は、キャパシタであってもよい。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。
The output voltage of the
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の出力電力を、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。
The
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(第1低電圧端3)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電圧コンバータ10に供給する。メインバッテリ12が使えず、エンジン16も停止している場合、第2電圧コンバータ21と第1電圧コンバータ10と第1インバータ14aを作動させ、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。エンジン16が始動すれば、バッテリレス走行が可能となる。
The
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、電流センサ28、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。直列接続の高電位側に位置するスイッチング素子7aは主として降圧に関与するので降圧スイッチング素子7aと称する場合がある。直列接続の低電位側に位置するスイッチング素子7bは主として昇圧に関与するので昇圧スイッチング素子7bと称する場合がある。2個のスイッチング素子の両方を示すときには、スイッチング素子7a、7bと称する。2個のスイッチング素子7a、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。2個のダイオード8a、8bはそれぞれ、スイッチング素子7a、7bのそれぞれに逆並列に接続されている。ダイオード8a、8bは還流ダイオードとも呼ばれる。なお、ダイオード8aは主として昇圧に関与し、ダイオード8bは主として降圧に関与する。
A circuit of the
リアクトル6は、その一端が、2個のスイッチング素子7a、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。電流センサ28は、リアクトル6を流れる電流を計測する。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。電流センサ28と電圧センサ29の計測結果はコントローラ11に送信される。
One end of the reactor 6 is connected to the midpoint of the series connection of the two
第1電圧コンバータ10の回路構成は次のように別言することができる。昇圧スイッチング素子7bは、第1高電圧端4の正極4aと負極4bの間に接続されている。リアクトル6は、一端が昇圧スイッチング素子7bの高電位側に接続されており、他端が第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。降圧スイッチング素子7aは、昇圧スイッチング素子7bとリアクトル6の接続点と、第1高電圧端4の正極4aの間に接続されている。スイッチング素子7a、7bの夫々にダイオード8a、8bが接続されている。なお、昇圧スイッチング素子7bと直列にヒューズ19が接続されている。ヒューズ19については後述する。
The circuit configuration of the
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。
A smoothing
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。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。
As described above, the
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。
The
電源システム2は、2個のヒューズ(ヒューズ18、ヒューズ19)を備えている。ヒューズ18は、メインバッテリ12とシステムメインリレー13の間に設けられている。ヒューズ19は昇圧スイッチング素子7bと直列に接続されている。いずれのヒューズも熱溶断タイプのものである。ヒューズ18は、メインバッテリ12で短絡などの不具合が生じた場合に第1電圧コンバータ10などの電子機器を保護するために設けられている。
The
ヒューズ19は、昇圧スイッチング素子7b又はダイオード8bが短絡故障を起こしたときに昇圧スイッチング素子7bとダイオード8bを回路から切り離すために設けられている。昇圧スイッチング素子7b又はダイオード8bが短絡故障した場合、第1電圧コンバータ10は、昇圧も降圧もできなくなる。しかし、第1電圧コンバータ10の第1低電圧端3の正極3aと負極3bの間(第1高電圧端4の正極4aと負極4bの間)の短絡が解消すれば、メインバッテリ12の電力をその出力電圧のままインバータ14a、14bに供給することは可能となる。即ち、メインバッテリ12の電力で第1、第2モータ15a、15bを駆動し、走行を続けることができる。あるいは、エンジン16が停止していた場合には、第1電圧コンバータ10が昇圧機能と降圧機能を失っても正極と負極が短絡していなければ、第2電圧コンバータ21を使ってメインバッテリ12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ことができる。あるいはまた、エンジン16が停止していた場合には、第1電圧コンバータ10が昇圧機能と降圧機能を失っても正極と負極が短絡していなければ、第2電圧コンバータ21と第1インバータ14aを使ってサブバッテリ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ことができる。エンジン16が始動すれば、バッテリレス走行を続けることができる。
The
このように、電源システム2は、昇圧スイッチング素子7bとダイオード8bの一方が短絡故障を生じても、ヒューズ19が溶断することによって第1高電圧端4に所定の電力を供給することができる。ただし、ヒューズ19は先に述べたように熱溶断タイプであり、火薬式等の遮断機よりも低コストであるが信頼性が高くない。昇圧スイッチング素子7b又はダイオード8bの短絡時にヒューズ19が溶断されないと、走行を続けることができなくなる。
As described above, the
そこで電源システム2は、万が一ヒューズ19が溶断しない場合は、第2電圧コンバータ21を使ってサブバッテリ25の電力でヒューズ19の両端電圧を増し、ヒューズ19を強制的に溶断する。次に、ヒューズ19の強制溶断を含めた短絡時の処理を、図3のフローチャートを参照して説明する。
Therefore, in the unlikely event that the
図3は、第1電圧コンバータ10で短絡故障が検知されたときの対策処理(短絡対策処理)のフローチャートである。図3の処理は、コントローラ11が実行する。コントローラ11は、第1低電圧端3の両端電圧を計測する電圧センサ29を備えており、電圧センサ29の計測値がゼロに近い所定閾値を下回ったら昇圧スイッチング素子7b又はダイオード8bで短絡故障が生じたとして、図3の処理を開始する。なお、図3における記号「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。また、記号「VL」は、第1電圧コンバータ10の低電圧端(第1低電圧端3)の正極3aと負極3bの間の電圧を意味する。記号「Vth」は、ゼロに近い所定の電圧値(破断判定閾値電圧)を意味する。
FIG. 3 is a flowchart of countermeasure processing (short circuit countermeasure processing) when a short circuit failure is detected in the
なお、昇圧スイッチング素子7b又はダイオード8bの短絡故障以外にも、例えばフィルタコンデンサ5の短絡故障のときにも電圧センサ29の計測値が所定閾値を下回る。フィルタコンデンサ5短絡故障検知は、別の処理で行われる。例えば、コントローラ11は、電圧センサ29の計測値と電流センサ28の計測値の両方の情報を使って、フィルタコンデンサ5の短絡を判断する。本明細書は、昇圧スイッチング素子7b又はダイオード8bの短絡故障時の処理に焦点をあてて説明するものである。
In addition to the short circuit failure of the
短絡が検知されると、コントローラ11はまず、システムメインリレー13を開き、メインバッテリ12を第1電圧コンバータ10から切り離す(S2)。これは、第1電圧コンバータ10の短絡の影響がメインバッテリ12に及ばないようにするためである。具体的には、ヒューズ18の溶断を防ぐとともに、メインバッテリ12の過放電を防ぐためである。
When a short circuit is detected, the
次にコントローラ11は、エンジン16が停止中か否かをチェックする(S3)。エンジン16が停止中でない場合(S3:NO)、即ち、エンジン16が動作中の場合、コントローラ11は、降圧スイッチング素子7aをオフし、第1電圧コンバータ10を第1インバータ14a(第2インバータ14b)から切り離す(S12)。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する(S10)。先に述べたように、バッテリレス走行モードとは、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モードである。
Next, the
一方、ステップS3にて、エンジン16が停止中の場合(S3:YES)、コントローラ11は、第2電圧コンバータ21による昇圧動作を開始する(S4)。第2電圧コンバータ21が昇圧動作を開始すると、第2電圧コンバータ21の第2高電圧端23、即ち、第1電圧コンバータ10の低電圧端3の間に電力が供給される。
On the other hand, when the
昇圧スイッチング素子7b又はダイオード8bが短絡した場合、通常であれば、ステップS2によりシステムメインリレー13を開く前に、ヒューズ19に過電流が流れ、ヒューズ19が溶断する。ヒューズ19が溶断すれば、第1電圧コンバータ10の短絡は解消する。ヒューズ19が溶断していれば、ステップS4で第2電圧コンバータ21の昇圧動作を開始すると、第2電圧コンバータ21の高電圧端(第2高電圧端23)から出力される電力により、第1低電圧端3の正極3aと負極3bの間の電圧VLが上昇する。電圧VLが所定の電圧(破断判定閾値電圧Vth)以上に上昇すれば、ヒューズ19が溶断していると判断できる(S5:YES)。一方、電圧VLが破断判定閾値電圧Vthを上回らなければ(S5:NO)、ヒューズ19は正常に溶断せず、つながったままになっていると判定できる。破断判定閾値電圧Vthにはゼロに近い値が設定されている。また、図示していないが、ステップS4の処理の後、ヒューズ19が溶断していない場合に電圧VLが上昇するのを待つために数秒のウエイト時間が設定されている。
When the step-up
ヒューズ19が溶断していなかった場合、即ち、第2電圧コンバータ21が昇圧動作を開始しても電圧VLが破断判定閾値電圧Vthを越えない場合(S5:NO)、コントローラ11は、第2電圧コンバータ21の出力を上げる(S6)。すなわち、ヒューズ19の両端にさらなる電圧を加える。コントローラ11は、ヒューズ19が溶断するまで、即ち、ステップS5の判断が「YES」となるまで、第2電圧コンバータ21の出力を増加する(S5:NO、S6)。ステップS5とS6のループを繰り返すうちにヒューズ19が溶断すると、ステップS5の判断が「YES」となる。なお、昇圧スイッチング素子7b又はダイオード8bのいずれかが短絡故障を生じたときにヒューズ19が適切に溶断している場合は、ステップS4の処理の次のステップS5の処理において判断が「YES」となる。
When the
ステップS5の判断が「YES」の場合、コントローラ11は、モータ15aがエンジン16をクランキングするのに十分な電力が第1インバータ14aに供給されるように、第2電圧コンバータ21の出力を調整する(S7)。第2電圧コンバータ21の出力電圧がクランキングに適切な値になったらコントローラ11は、第1インバータ14aを作動させ、即ち、第1モータ15aを駆動し、エンジン16をクランキングする(S8)。エンジン16が始動したらコントローラ11は第2電圧コンバータ21を停止する(S9)。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、処理を終了する(S10)。バッテリレス走行モードについては先に述べた通りである。
When the determination in step S5 is “YES”, the
図3のフローチャートの処理、特に、ステップS5、S6が、ヒューズ19の強制溶断の処理に相当する。ステップS5、S6を含む図3の処理を備えることで、電源システム2は、安価なヒューズ19が万が一正常に溶断しないときにサブバッテリ25と第2電圧コンバータ21を使ってヒューズ19を強制的に溶断することができる。即ち、電源システム2は、昇圧スイッチング素子7bとダイオード8bのいずれかが短絡故障を起こした場合、昇圧スイッチング素子7bとダイオード8bを確実に回路から切り離すことができ、走行を続けることができる。
The process of the flowchart of FIG. 3, particularly steps S <b> 5 and S <b> 6, correspond to the process of forcibly blowing the
なお、図示は省略しているが、ステップS5とS6のループを繰り返してもヒューズ19が溶断せずに電圧VLが上限値に達した場合の処理は別に設けてある。
Although illustration is omitted, a process is separately provided when the voltage VL reaches the upper limit value without the
変形例の電源システムについて説明する。図4に、第1変形例の電源システム2aを含むハイブリッド車100aのブロック図を示す。図4のブロック図において、図1のブロック図と同じ部品には同じ符号を付した。第1のブロック図の部品と同じ部品については説明を省略する。
A modified power supply system will be described. FIG. 4 shows a block diagram of a
第1変形例の電源システム2aは、第2電圧コンバータ21の高電圧端(第2高電圧端23)の接続先が実施例の電源システム2と異なる。実施例の電源システム2では、第2高電圧端23は、第1電圧コンバータ10の低電圧端(第1低電圧端3)に接続されていたが、第1変形例では、第1電圧コンバータ10の高電圧端(第1高電圧端4)に接続されている点が異なる。図4の電源システム2aの場合、図3の処理において、ステップS4の前に、降圧スイッチング素子7aをオンする(導通状態にする)処理が追加される。降圧スイッチング素子7aをオンすることによって、第1高電圧端4からヒューズ19の両端へ電圧を加えることができるようになる。降圧スイッチング素子7aをオンする処理以外は、図3の処理がそのまま使える。
The
図5に、第2変形例の電源システム2bを含むハイブリッド車100bのブロック図を示す。図5のブロック図において、図1のブロック図と同じ部品には同じ符号を付した。第1のブロック図の部品と同じ部品については説明を省略する。
FIG. 5 shows a block diagram of a
第2変形例の電源システム2bは、図1の電源システム2に、第3電圧コンバータ41が追加されている。第3電圧コンバータ41は、降圧動作のみができる電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に接続されており、低電圧端(第3低電圧端43)はサブバッテリ25に接続されている。なお、第3高電圧端42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。また、第3低電圧端43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。第3電圧コンバータ41もコントローラ11に制御される。図5中の符号CMD_d3が、コントローラ11から第3電圧コンバータ41への指令信号を意味する。なお、第3高電圧端42とメインバッテリ12の間には別のヒューズ45が備えられている。
In the
先に述べたように、第3電圧コンバータ41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、電源システム2bは、システムメインリレー13が開かれていても、メインバッテリ12を使ってサブバッテリ25を充電することができる。電源システム2bを採用する場合、バッテリレス走行モードにおいて、エンジン16で走行しつつ、コントローラ11は、第3電圧コンバータ41を使ってサブバッテリ25を充電する。
As described above, the
図5の変形例の場合において、第2電圧コンバータ21の高電圧端(第2高電圧端23)は、第1電圧コンバータ10の高電圧端(第1高電圧端4)に接続されていてもよい。
5, the high voltage end (second high voltage end 23) of the
図6に、第3変形例の電源システム2cを含むハイブリッド車100cのブロック図を示す。図6のブロック図において、図1のブロック図と同じ部品には同じ符号を付した。第1のブロック図の部品と同じ部品については説明を省略する。
FIG. 6 shows a block diagram of a
第3変形例の電源システム2cは、図1の電源システム2の第2電圧コンバータ21の代わりに、マルチ入力電圧コンバータ50を備える。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を有するトランス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の低電圧端(第1低電圧端3)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。なお、第3入出力端53cとメインバッテリ12の間には別のヒューズ45が備えられている。
The
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において、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。すなわち、マルチ入力電圧コンバータ50は、サブバッテリ25の電力またはメインバッテリ12の電力を電圧変換して第1電圧コンバータ10の低電圧端(第1低電圧端)に供給することができる。それゆえ、第3変形例の電源システム2cも、図3の処理を実行することができる。また、第3変形例の電源システム2cは、第2変形例の電源システム2bと同様に、バッテリレス走行モードにおいて、エンジン16で走行しつつ、マルチ入力電圧コンバータ50により、メインバッテリ12を使ってサブバッテリ25を充電することができる。
Each circuit converts the DC power applied to the input / output terminals into AC and flows it to the corresponding coil. Each circuit can also convert the induced current flowing in the corresponding coil into a direct current and output it to the input / output terminal. In the
図6の変形例の場合において、マルチ入力電圧コンバータ50の第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)に接続されていてもよい。
In the case of the modification of FIG. 6, the first input /
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図3の短絡対策処理のステップS4の判断がNOの場合、ヒューズ19の強制切断は行われない。本明細書が開示する技術は、昇圧スイッチング素子7b又はダイオード8bで短絡故障が生じたときであってヒューズ19が切断しない場合であっても、他の条件によってはヒューズ19を強制切断しない態様を含む。
Points to be noted regarding the technology described in the embodiments will be described. When the determination in step S4 of the short circuit countermeasure process in FIG. 3 is NO, the
第1電圧コンバータ10が降圧動作を有しない場合もある。例えば、メインバッテリ12の代わりに燃料電池が接続されている場合には、充電が必要ないので降圧動作は不要である。その場合、第1電圧コンバータ10は、降圧スイッチング素子7aを必要としない。また、昇圧スイッチング素子7bに逆並列に接続されているダイオード8bも必要としない。その場合の第1電圧コンバータの回路構成は次の通りである。第1電圧コンバータは、昇圧スイッチング素子と、リアクトルと、コンデンサと、ヒューズを備える。昇圧スイッチング素子は、第1電圧コンバータの高電圧端(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、一端が昇圧スイッチング素子の高電位側に接続されており、他端が第1電圧コンバータの低電圧端(第1低電圧端)の正極に接続されている。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。ヒューズは、昇圧スイッチング素子と直列に接続されている。第1電圧コンバータが降圧機能を有さない場合は、コントローラ11は、昇圧スイッチング素子7bの短絡故障が検出されたときに、第2電圧コンバータ21を作動させ、ヒューズに電圧を加えてヒューズを溶断する。
The
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。実施例の電源システムでは、ヒューズ19は昇圧スイッチング素子7bの低電位側に直列に接続されている。ヒューズ19は、昇圧スイッチング素子7bの高電位側に直列に接続されていてもよい。
In FIG. 1, the
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。実施例のフィルタコンデンサ5が請求項の「コンデンサ」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。実施例のメインバッテリ12が請求項の「主電源」の一例に相当し、サブバッテリ25が請求項の「副電源」の一例に相当する。主電源は、リチウムイオン電池などの化学電池のほか、燃料電池であってもよい。本明細書が開示する技術では、大容量のキャパシタを副電源として採用してもよい。
The
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。 Specific examples of the present invention have been described in detail above, but these are merely examples and do not limit the scope of the claims. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above. The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology exemplified in this specification or the drawings can achieve a plurality of objects at the same time, and has technical usefulness by achieving one of the objects.
2、2a、2b、2c:電源システム
3:第1低電圧端
4:第1高電圧端
5:フィルタコンデンサ
6:リアクトル
7a:降圧スイッチング素子
7b:昇圧スイッチング素子
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
18、19、45:ヒューズ
21:第2電圧コンバータ
23:第2高電圧端
24:第2低電圧端
25:サブバッテリ
26:補機
28:電流センサ
29:電圧センサ
30:動力分割機構
31:プラネタリギア
35:駆動輪
41:第3電圧コンバータ
42:第3高電圧端
43:第3低電圧端
50:マルチ入力電圧コンバータ
51:トランス
100、100a、100b、100c:ハイブリッド車
2, 2a, 2b, 2c: power supply system 3: first low voltage end 4: first high voltage end 5: filter capacitor 6:
Claims (2)
直流電力を出力する主電源と、
前記主電源よりも低電圧の直流電力を出力する副電源と、
第1低電圧端が前記主電源に接続されており、第1高電圧端が前記走行用モータを駆動するインバータに接続されており、前記主電源の電力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低電圧端が前記副電源に接続されており、第2高電圧端が前記第1低電圧端又は前記第1高電圧端に接続されており、前記副電源の電力を昇圧して前記第1電圧コ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接続されている昇圧スイッチング素子と、
一端が前記昇圧スイッチング素子の高電位側に接続されており、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コンデンサと、
前記昇圧スイッチング素子と直列に接続されているヒューズと、
を備えており、
前記コントローラは、前記昇圧スイッチング素子の短絡故障が検出されたとき前記ヒューズが溶断していない場合に前記第2電圧コンバータを作動させ、前記ヒューズに電圧を加えて前記ヒューズを溶断する、
電源システム。 It is a power supply system for automobiles equipped with a traveling motor,
A main power supply that outputs DC power;
A sub power source that outputs DC power having a lower voltage than the main power source;
A first low voltage terminal is connected to the main power source, a first high voltage terminal is connected to an inverter that drives the traveling motor, and a first power source of the main power source is boosted and supplied to the inverter. One voltage converter;
A second low voltage end is connected to the sub power source, a second high voltage end is connected to the first low voltage end or the first high voltage end, and the power of the sub power source is boosted to increase the power A second voltage converter for supplying to the first voltage converter;
A controller,
With
The first voltage converter includes:
A step-up switching element connected between a positive electrode and a negative electrode of the first high-voltage end;
A reactor having one end connected to the high potential side of the step-up switching element and the other end connected to the positive electrode of the first low voltage end;
A capacitor connected between a positive electrode and a negative electrode of the first low voltage end;
A fuse connected in series with the step-up switching element;
With
The controller activates the second voltage converter when the fuse is not blown when a short circuit fault of the boost switching element is detected, and applies a voltage to the fuse to blow the fuse.
Power system.
前記コントローラは、前記昇圧スイッチング素子と前記ダイオードの一方の短絡故障が検出されたときに、前記第2電圧コンバータを作動させ、前記ヒューズに電圧を加えて前記ヒューズを溶断する、請求項1に記載の電源システム。 A diode connected in anti-parallel to the step-up switching element;
2. The controller according to claim 1, wherein the controller activates the second voltage converter and applies a voltage to the fuse to blow the fuse when a short circuit failure of one of the boost switching element and the diode is detected. Power system.
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