JP2018046661A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとインバータの間に平滑化コンデンサを備える車両用電源装置に関し、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの低電圧側と高電圧側の正極端同士の短絡故障時に平滑化コンデンサの電力によって負荷装置に加わる電圧負荷を抑える技術を提供する。【解決手段】電源装置のコントローラは、バッテリの温度が所定温度以下であり（Ｓ１２でＹＥＳ）、かつ、前記平滑化コンデンサの両端電圧が所定電圧以上である場合（Ｓ１４でＹＥＳ）に、リプル処理を開始してバッテリを暖める（Ｓ２０）。【選択図】図３

Description

本明細書は、走行用のモータと、他の負荷装置に電力を供給する車両用電源装置を開示する。

バッテリと、インバータと、バッテリとインバータの間に電圧コンバータが接続されている車両用電源装置が知られている。インバータは、バッテリの直流電力を交流に変換して走行用のモータに供給する。電圧コンバータは、バッテリの側に印加された電力の電圧を昇圧してインバータの側に出力する昇圧機能と、インバータの側に印加された電力の電圧を降圧してバッテリの側に出力する降圧機能の双方を有する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。インバータの側に印加される電力とは、制動時に走行用のモータが逆駆動して発電した交流電力をインバータが直流電力に変換したものである。典型的な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、高電圧側（インバータ側）の正負の端子の間に直列に接続された２個のトランジスタ素子と、２個のトランジスタ素子の中点と低電圧側（バッテリ側）の正極端との間に接続されたリアクトルを備える。また、電圧コンバータとインバータの間に平滑化コンデンサが接続されている。平滑コンデンサは、インバータに入力される直流電力の電流を平滑化する。そのような電源装置が、例えば、特許文献１、２に開示されている。

特許文献１の電源装置は、さらに、バッテリと電圧コンバータの間に、バッテリの電力を受ける負荷装置（エアコン等）が接続されている。また、リアクトルと直列にリレーが接続されている。上記した電源装置では、平滑化コンデンサに大電力が蓄積されている状態が続く。それゆえ、電圧コンバータの高電位側のトランジスタが短絡故障すると、平滑コンデンサから負荷装置に許容値を超える電力が流れる虞がある。そこで、特許文献１の電源装置では、高電位側のトランジスタが短絡故障したとき、リレーを開放し、負荷装置を保護する。

特許文献２の電源装置は、バッテリの温度が低い場合にバッテリを暖めるための昇温処理を実行する。バッテリの出力は、バッテリの温度の低下とともに低下する。バッテリを暖めることにより、バッテリの出力の低下が防止され、インバータに接続されているモータが必要なトルクで駆動できる。

特開２００６−３１１７７５号公報 特開２０１２−１６６７２２号公報

特許文献１の技術では、高電位側のトランジスタが短絡故障した後にリレーが開放される。トランジスタが短絡故障したタイミングからリレーの切り替えまでの僅かな時間に平滑化コンデンサから負荷装置に僅かながら電流（以下、短絡電流）が流れる。短絡電流により、負荷装置の両端電圧が、負荷装置が耐え得る正常な電圧範囲を超える虞がある。負荷装置を保護するために、負荷装置を高耐圧化する対策が考えられるが、負荷装置の高耐圧化は、コスト増加の要因となる。

本明細書では、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとインバータの間に平滑化コンデンサを備える車両用電源装置に関し、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの低電圧側と高電圧側の正極端同士の短絡故障時に、平滑化コンデンサの電力によって負荷装置に加わる電圧負荷を抑える技術を提供する。

発明者は、短絡電流により急上昇する負荷装置の両端電圧がバッテリの温度の上昇とともに小さくなることを発見した。これは、バッテリの内部抵抗が、バッテリの温度の上昇とともに低下することによるものであると考えられる。即ち、バッテリの温度が高いほど、バッテリに電流が流れやすくなり、負荷装置に流れる電流が減少する。その結果、負荷装置に加わる電圧負荷が軽減される。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの正極端同士の短絡故障に備えて、バッテリの温度を上昇させておけば、短絡故障時に負荷装置に加わる電圧負荷を抑えることができる。

本明細書で開示する電源装置は、バッテリと、インバータと、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、平滑化コンデンサと、バッテリを暖める昇温手段と、昇温手段を制御するコントローラを備える。インバータは、バッテリの直流電力を交流に変換して走行用のモータに供給する。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、バッテリとインバータの間に接続されている。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータは、バッテリの側に印加された電圧を昇圧してインバータの側に出力する昇圧機能と、インバータの側に印加された電圧を降圧してバッテリの側へ出力する降圧機能の双方を有している。平滑化コンデンサは、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータとインバータの間に並列に接続されている。また、バッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの間に、バッテリの電力を受ける負荷装置（エアコンなど）が接続されている。本明細書が開示する車両用電源装置では、コントローラは、バッテリの温度が所定温度以下であり、かつ、平滑化コンデンサの両端電圧が所定電圧以上である場合に、昇温手段を作動させてバッテリを暖める。バッテリの温度を高めることで、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの低電圧側と高電圧側の正極端同士の短絡故障時にバッテリに流れる電流を増やし、負荷装置に加わる電圧負荷を軽減することができる。

しかも上記の車両用電源装置は、常にバッテリを所定温度以上に暖めるのではなく、（１）バッテリの温度が所定温度以下であり、かつ、（２）平滑化コンデンサの両端電圧が所定電圧以上である場合に限って、バッテリを暖める。平滑化コンデンサの両端電圧が低く、仮に短絡が生じても負荷装置に加わる電圧負荷が小さいときにはバッテリを暖めない。本明細書が開示する車両用電源装置は、バッテリを暖める条件を厳しくすることで、負荷装置の保護のために要するコスト（バッテリを暖めるのに要するエネルギコスト）も少なくて済むという利点を有する。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。 短絡故障時の双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの低電位側の電圧のタイムチャートを示す図である。 第１実施例の昇温処理のフローチャート図である。 第２実施例の昇温処理のフローチャート図である。

（第１実施例）
図面を参照して実施例の車両用電源装置１０を説明する。車両用電源装置１０は、電気自動車（符号省略）用の電源装置である。車両用電源装置１０は、バッテリ１１と、走行用のモータ１２と、システムメインリレー１３と、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０と、インバータ３０と、フィルタコンデンサ３１と、平滑化コンデンサ３２と、コントローラ４０と、を備えている。双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ２０（以下、コンバータ２０と呼ぶ）は、システムメインリレー１３を介して、バッテリ１１に接続されている。インバータ３０は、コンバータ２０とモータ１２の間に接続されている。即ち、コンバータ２０とインバータ３０は、バッテリ１１とモータ１２の間に接続されている。フィルタコンデンサ３１は、システムメインリレー１３とコンバータ２０の間に並列に接続されている。フィルタコンデンサ３１は、バッテリ１１に入力される直流電力の電流を平滑化する。平滑化コンデンサ３２は、コンバータ２０とインバータ３０の間に並列に接続されている。平滑化コンデンサ３２は、インバータ３０に入力される直流電力の電流を平滑化する。

コンバータ２０とインバータ３０について説明する。コンバータ２０は、バッテリ１１の側に印加された電力の電圧を昇圧してインバータ３０の側に出力する昇圧機能と、インバータ３０の側に印加された電力の電圧を降圧してバッテリ１１の側に出力する降圧機能の双方を有する。インバータ３０は、直流電力を交流電力に変換する機能と、交流電力を直流電力に変換する機能の双方を有する。電気自動車の走行時、コンバータ２０は、バッテリ１１からの直流電力を昇圧してインバータ３０に供給し、インバータ３０は、コンバータ２０からの直流電力を交流電力に変換してモータ１２に供給する。一方、電気自動車の制動時、モータ１２は、発電機として機能する。インバータ３０は、モータ１２で発電された交流電力を直流電力に変換してコンバータ２０に供給し、コンバータ２０は、インバータ３０からの直流電力を降圧してバッテリ１１に供給する。これにより、バッテリ１１が充電される。

コンバータ２０は、２個のトランジスタ２１、２２と、２個のダイオード２３、２４と、リアクトル２５と、を備えている。トランジスタ２１、２２は、高電位側（即ち、インバータ３０の側）の正極端２０ａと負極端２０ｂの間で直列に接続されている。ダイオード２３は、トランジスタ２１と並列に接続されており、ダイオード２４は、トランジスタ２２と並列に接続されている。リアクトル２５は、低電位側（即ち、バッテリ１１の側）の正極端２０ｃと、２個のトランジスタ２１、２２の中点の間に接続されている。低電位側の負極端２０ｄは、高電位側の負極端２０ｂに接続されている。トランジスタ２１、２２は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistorの略）またはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistorの略）等である。コンバータ２０の原理はよく知られているので、説明を省略する。また、インバータ３０の回路構成はよく知られているので、図１では、インバータ３０の回路構成の図示を省略する。また、インバータ３０の原理もよく知られているので、説明を省略する。

コントローラ４０は、コンバータ２０を制御する。具体的には、コントローラ４０は、トランジスタ２１、２２のゲート電極にＰＷＭ（Pulse Width Modulationの略）信号を出力することにより、コンバータ２０を作動させる。コントローラ４０は、モータ１２を所望のトルクで駆動させるために、アクセル開度等の情報に基づいて、ＰＷＭ信号のデューティ比を調整する。これにより、コンバータ２０の高電位側の電圧が、モータ１２の所望のトルクに応じた電圧に調整される。

また、コントローラ４０は、コンバータ２０の高電位側の電圧Ｖｃ１（即ち、平滑化コンデンサ３２の両端電圧）と、バッテリ１１の温度Ｔｂを監視している。これら情報を利用してコントローラ４０が実行する昇温処理は、後述する（図３参照）。バッテリ１１の温度Ｔｂは、温度センサ１４により測定される。コンバータ２０の高電位側の電圧Ｖｃ１は、電圧センサ１５により測定される。また、コントローラ４０は、後述するリプル処理を実行するための回路４０ａを備える。なお、回路４０ａは、コントローラ４０と別体に設けられてもよい。

車両用電源装置１０には、さらに、負荷装置５０、６０が接続されている。負荷装置５０、６０は、それぞれ、システムメインリレー１３とコンバータ２０の間でバッテリ１１と並列に接続されている。負荷装置５０、６０のそれぞれは、バッテリ１１の電力を受ける。負荷装置５０は、バッテリ１１の電力を降圧して、バッテリ１１より低圧な補機バッテリ５２に電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータである。補機バッテリ５２は、補機（例えば、ルームランプ等）に電力を供給するためのバッテリである。負荷装置６０は、エアコンである。負荷装置６０のコンプレッサーは、バッテリ１１の電力により駆動する。

システムメインリレー１３は、電気自動車のイグニションスイッチがオンされることにより、開放状態から導通状態に切り替わる。バッテリ１１の電力は、コンバータ２０、負荷装置５０、６０のそれぞれに供給される。コンバータ２０が作動することにより、平滑化コンデンサ３２には、コンバータ２０の高電位側の電圧に応じた電荷が蓄えられる。この際、高電位側のトランジスタ２１又はダイオード２３で短絡故障（即ち、コンバータ２０の正極端２０ａと２０ｃの間の短絡故障）が発生すると、平滑化コンデンサ３２から負荷装置５０、６０に電流が流れる。この電流は、コンバータ２０の低電位側の電圧Ｖｃ２（即ち、負荷装置５０、６０の両端電圧）を急上昇させる。

図２は、トランジスタ２１が短絡故障した際の電圧Ｖｃ２のタイムチャートを示す。横軸が時間を、縦軸が電圧Ｖｃ２を示す。図２の実線のグラフは、バッテリ１１の温度が温度Ｔｂ１である場合におけるグラフである。一点鎖線のグラフは、バッテリ１１の温度が温度Ｔｂ１より高い温度Ｔｂ２である場合におけるグラフである。破線のグラフは、バッテリ１１の温度が温度Ｔｂ２より高い温度Ｔｂ３である場合におけるグラフである。

各グラフは、平滑化コンデンサ３２の両端電圧Ｖｃ１が所定電圧以上である状況で、トランジスタ２１がタイミングＴ０で短絡故障した場合における電圧Ｖｃ２を示す。各グラフに示されるように、電圧Ｖｃ２は、タイミングＴ０の直後に急上昇する。図２の電圧Ｖ０は、負荷装置５０、６０の両端電圧の正常な電圧範囲における上限値である。実線のグラフに示すように、バッテリ１１の温度が温度Ｔｂ１である場合、電圧Ｖｃ２のピーク値は、電圧Ｖ０を超える。これに対して、一点鎖線のグラフに示すように、バッテリ１１の温度が温度Ｔｂ２である場合、電圧Ｖｃ２のピーク値は、温度Ｔｂ１と比較して、低くなる。さらに、破線のグラフに示すように、バッテリ１１の温度が温度Ｔｂ３である場合、電圧Ｖｃ２のピーク値は、他の場合と比較して、さらに低くなり、電圧Ｖ０を下回る。即ち、電圧Ｖｃ２のピーク値は、バッテリ１１の温度Ｔｂの上昇とともに小さくなる。

バッテリ１１の内部抵抗は、バッテリ１１の温度の上昇とともに低下する。即ち、バッテリ１１の温度が高いほど、バッテリ１１に電流が流れやすくなり、負荷装置５０、６０に流れる電流が減少する。バッテリ１１の温度の上昇とともに電圧Ｖｃ２のピーク値が小さくなることは、バッテリ１１の内部抵抗の低下によるものであると考えられる。

発明者は、上記の現象から、将来に発生するかもしれないコンバータ２０の正極端２０ａ、２０ｃの間の短絡故障に備えて、バッテリ１１の温度を上昇させておくことを想到した。バッテリ１１の温度を予め温度Ｔｂ３付近まで上昇させておけば、短絡故障時に負荷装置の両端電圧が正常な電圧範囲を超えることを抑えることができる。短絡故障時に負荷装置に加わる電圧負荷を軽減することができる。

図３を参照して、コントローラ４０が実行する昇温処理について説明する。昇温処理は、短絡故障に備えて、バッテリ１１の温度を上昇させるための処理である。この処理は、システムメインリレー１３が導通状態となっている期間において、定期的に実行される。

Ｓ１０では、コントローラ４０は、バッテリ１１の温度Ｔｂと、平滑化コンデンサ３２の両端電圧Ｖｃ１と、を取得する。

Ｓ１２では、コントローラ４０は、Ｓ１０で取得した温度Ｔｂが所定温度（例えば、図２の値Ｔｂ３）以下であるのか否かを判断する。コントローラ４０は、温度Ｔｂが所定温度以下である場合（Ｓ１２でＹＥＳ）に、Ｓ１４に進み、温度Ｔｂが所定温度より大きい場合（Ｓ１２でＮＯ）に、Ｓ１４以降の処理をスキップして、昇温処理を終了する。

Ｓ１４では、コントローラ４０は、Ｓ１０で取得した両端電圧Ｖｃ１が所定電圧以上であるのか否かを判断する。コントローラ４０は、両端電圧Ｖｃ１が所定電圧以上である場合（Ｓ１４でＹＥＳ）に、Ｓ２０に進み、両端電圧Ｖｃ１が所定電圧より小さい場合（Ｓ１４でＮＯ）に、Ｓ２０をスキップして、昇温処理を終了する。

Ｓ２０では、コントローラ４０は、バッテリ１１を暖めるためのリプル処理を開始する。具体的には、コントローラ４０は、回路４０ａに作動を開始するための信号を出力する。リプル処理は、バッテリ１１とコンバータ２０の間を流れる電流の脈動（リプル）の振幅を大きくするための処理である。リプル電流の振幅が大きくなると、当該振幅のエネルギによりバッテリ１１が発熱する。これにより、バッテリ１１が暖められる。

一般に、トランジスタはＰＷＭ信号の立ち上りと立ち下りにリプル電流を生じる。リプル電流の振幅は、ＰＷＭ信号の周波数を小さくすると、大きくなる。リプル電流は、ノイズの要因となる。ノイズを抑えるために、通常、トランジスタ２１、２２には、所定値以上の周波数を有するＰＷＭ信号が出力されている。リプル処理では、コントローラ４０は、リプル電流の振幅を大きくするために、トランジスタ２１、２２に出力されているＰＷＭ信号の周波数を所定値より小さくする。なお、コントローラ４０は、バッテリ１１の温度Ｔｂが基準値（例えば、図３の値Ｔｂ３）より大きくなると、リプル処理を終了する。

バッテリ１１の温度Ｔｂが所定温度以下であることは、コンバータ２０の正極端２０ａ、２０ｃの間の短絡故障が将来に発生すると、負荷装置５０、６０の両端電圧Ｖｃ２が正常な電圧範囲を超えて上昇し得ることを示す。上記の構成によれば、将来に発生するかもしれないコンバータ２０の正極端２０ａ、２０ｃの間の短絡故障に備えて、リプル処理によりバッテリ１１を暖めておくことができる。短絡故障時に、負荷装置５０、６０に加わる電圧負荷を抑えることができる。

さらに、上記の構成では、Ｓ１２の条件とＳ１４の条件の両条件が満たされる場合に限って、Ｓ２０のリプル処理が開始される。Ｓ１４の条件が満たされることは、平滑化コンデンサ３２に大電力が蓄電されていることを意味する。即ち、短絡故障が発生すると、負荷装置５０、６０に加わる電圧負荷が、平滑化コンデンサ３２に蓄電されている大電力により、大きくなることを示す。上記の構成によれば、電圧Ｖｃ１が所定電圧以下であり、仮に短絡故障が生じても負荷装置５０、６０に加わる電圧負荷が小さいときには、リプル処理を開始せず、バッテリ１１を暖めない。本実施例では、バッテリ１１を暖める条件を厳しくすることで、負荷装置５０、６０の保護のために要するコスト（バッテリ１１を暖めるのに要するエネルギコスト）も少なくて済むという利点を有する。

一般に、バッテリ１１の温度は、電気自動車が走行し続けると上昇する。例えば、電気自動車をしばらく走行した後に、イグニションスイッチをオンにしたまま、電気自動車を停止している状況（即ち、コンバータ２０の作動が停止している状況）が長時間続くと、平滑化コンデンサ３２に大電力が蓄電されたまま、バッテリ１１の温度が低下する。Ｓ１２の条件とＳ１４の条件の両条件が満たされるのは、このような状況が想定される。例えば、イグニションスイッチをオンにした直後は、平滑化コンデンサ３２に大電力が蓄電されている可能性が低いので、Ｓ１４の条件が満たされる可能性は低い。また、例えば、電気自動車が走行し続けている状況（即ち、コンバータ２０が作動している状況）では、バッテリ１１の温度は上昇しているので、Ｓ１２の条件が満たされる可能性は低い。即ち、図３の両条件が満たされるのは、限られた状況であり、バッテリ１１を暖める条件は厳しい。

（第２実施例）
図４を参照して、第２実施例の昇温処理を説明する。第２実施例は、昇温処理が一部で異なる点を除いて、第１実施例の車両用電源装置１０と同様である。

Ｓ３０では、コントローラ４０は、図３のＳ１０で取得する温度Ｔｂと電圧Ｖｃ１に加えて、負荷装置５０、６０の両端電圧Ｖｃ２も取得する。両端電圧Ｖｃ２は、電圧センサ（不図示）により測定される。Ｓ３２、Ｓ３４は、図３のＳ１２、Ｓ１４と同様である。なお、Ｓ３４の第１所定電圧は、Ｓ１４の所定電圧に相当する値である。

Ｓ３６では、コントローラ４０は、Ｓ３０で取得した両端電圧Ｖｃ２が第２所定電圧以上であるのか否かを判断する。コントローラ４０は、両端電圧Ｖｃ２が第２所定電圧以上である場合（Ｓ３６でＹＥＳ）に、Ｓ４０に進み、両端電圧Ｖｃ２が第２所定電圧より小さい場合（Ｓ３６でＮＯ）に、Ｓ４０をスキップして、昇温処理を終了する。Ｓ４０は、図３のＳ２０と同様である。

この構成によれば、第１実施例の両条件に加えて、さらに、Ｓ３６の条件が満たされる場合に限って、Ｓ４０のリプル処理が開始される。Ｓ３６の条件が満たされることは、負荷装置５０、６０に予め第２所定電圧以上の電圧が印加されていることを示す。即ち、両端電圧Ｖｃ２は、短絡故障が生じると予め印加されている電圧から急上昇するので、正常な電圧範囲を超える可能性が高まる。本実施例では、バッテリ１１を暖める条件をさらに厳しくして、負荷装置５０、６０の保護のために要するコストをさらに少なくすることができる。

以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。実施例では、リプル処理を実行するための回路４０ａと大きなリプルを発生させるトランジスタ２１、２２が、「昇温手段」の一例である。例えば、コントローラ４０は、Ｓ２０において、バッテリ１１に接するように電気自動車に搭載されているヒータに作動を開始するための信号を出力してもよい。本変形例では、ヒータが、「昇温手段」の一例である。

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。

１０：車両用電源装置
１１：バッテリ
１２：モータ
１３：システムメインリレー
２０：双方向ＤＣ−ＤＣコンバータ
２１、２２：トランジスタ
２３、２４：ダイオード
２５：リアクトル
３０：インバータ
３１：フィルタコンデンサ
３２：平滑化コンデンサ
４０：コントローラ
４０ａ：回路
５０、６０：負荷装置
Ｔｂ：バッテリの温度
Ｖｃ１：平滑化コンデンサの両端電圧
Ｖｃ２：負荷装置の両端電圧

Claims (1)

1. バッテリと、
   前記バッテリの直流電力を交流に変換して走行用のモータに供給するインバータと、
   前記バッテリと前記インバータの間に接続されており、前記バッテリの側に印加された電圧を昇圧して前記インバータの側に出力する昇圧機能と、前記インバータの側に印加された電圧を降圧して前記バッテリの側へ出力する降圧機能の双方を有している双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータと前記インバータの間に並列に接続されている平滑化コンデンサと、
   前記バッテリを暖める昇温手段と、
   前記昇温手段を制御するコントローラと、を備えており、
   前記バッテリと前記双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの間に、前記バッテリの電力を受ける負荷装置が接続されており、
   前記コントローラは、前記バッテリの温度が所定温度以下であり、かつ、前記平滑化コンデンサの両端電圧が所定電圧以上である場合に、前記昇温手段を作動させて前記バッテリを暖める、車両用電源装置。

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