JP2020078135A - 電動車両の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電動車両の状態を走行許可状態に設定した後に平滑コンデンサに過電圧がかかることを抑制可能な電動車両の電源装置を提供すること。【解決手段】本発明に係る電動車両の電源装置は、起動時に第１コンデンサ、第２コンデンサ、及び平滑コンデンサのプリチャージが完了した後、第１蓄電部の電圧が第２蓄電部の電圧以上である場合、第１スイッチ素子をオンした後に電動車両の状態を走行許可状態に設定し、第１蓄電部の電圧が第２蓄電部の電圧未満である場合には、第３スイッチ素子をオンした後に電動車両の状態を走行許可状態に設定する。【選択図】図３

Description

本発明は、電動車両の電源装置に関する。

特許文献１には、直流電源の端子間に接続された平滑コンデンサを有し、直流電源からの電力を電気自動車のモータに供給する電力供給システムにおいて、起動時に直流電源からの電力を利用して平滑コンデンサをプリチャージする技術が記載されている。

特開２００６−２６２５８６号公報

スイッチ素子を制御することによって直列接続状態と並列接続状態との間で接続状態を切り換え可能な２つの直流電源と、２つの直流電源のうちの一方の直流電源に直列に接続されたリアクトル素子と、平滑コンデンサと、を備える電力供給システムに特許文献１に記載の技術を適用することが考えられる。しかしながら、この場合、起動時にプリチャージ完了後に電気自動車の状態を走行許可（ReadyON）状態に設定すると、例えば下り坂駐車からの発進時等では全てのスイッチ素子がオフ状態であるのにも拘わらずシステム側に回生電流が流れてくる可能性がある。結果、回生電流によって平滑コンデンサが充電され続け、平滑コンデンサに過電圧がかかる可能性がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電動車両の状態を走行許可状態に設定した後に平滑コンデンサに過電圧がかかることを抑制可能な電動車両の電源装置を提供することにある。

本発明に係る電動車両の電源装置は、正線と第１ノードとの間に接続された第１スイッチ素子と、前記第１ノードと第２ノードとの間に接続された第２スイッチ素子と、前記第２ノードと負線との間に接続された第３スイッチ素子と、前記第１ノード及び前記負線にそれぞれ正極及び負極が接続された第１蓄電部と、前記正線と第３ノードとの間に接続されたリアクトル素子と、前記第３ノード及び前記第２ノードにそれぞれ正極及び負極が接続された第２蓄電部と、前記正線と前記負線との間に接続された平滑コンデンサと、を備え、前記第１蓄電部は、第１コンデンサ及び前記第１コンデンサをプリチャージするための第１リレー回路を有し、前記第２蓄電部は、第２コンデンサ及び前記第２コンデンサをプリチャージするための第２リレー回路を有する電動車両の電源装置であって、起動時に前記第１コンデンサ、前記第２コンデンサ、及び前記平滑コンデンサのプリチャージが完了した後、前記第１蓄電部の電圧が前記第２蓄電部の電圧以上である場合、前記第１スイッチ素子をオンした後に電動車両の状態を走行許可状態に設定し、前記第１蓄電部の電圧が前記第２蓄電部の電圧未満である場合には、前記第３スイッチ素子をオンした後に電動車両の状態を走行許可状態に設定する手段を備えることを特徴とする。

本発明に係る電動車両の電源装置によれば、起動時に電動車両の状態を走行許可状態に設定する前に２つの蓄電部の電圧の大小関係を把握してスイッチング処理を完了させておくので、電動車両の状態を走行許可状態に設定した後に平滑コンデンサに過電圧がかかることを抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態である電動車両の電源装置が適用される車両の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す電源装置の構成を示す回路図である。 図３は、本発明の一実施形態である走行許可制御処理の流れを示すフローチャートである。 図４は、本発明の一実施形態である走行許可制御処理を説明するための回路図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である電動車両の電源装置の構成について説明する。

〔車両の構成〕
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態である電動車両の電源装置が適用される車両の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である電動車両の電源装置が適用される車両の構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である電動車両の電源装置が適用される車両１は、ＨＶ（Hybrid Vehicle），ＥＶ（Electric Vehicle），ＰＨＶ（Plug-in Hybrid Vehicle），ＦＣＥＶ（Fuel Cell Electric Vehicle）等の電動車両によって構成され、電源装置２、インバータ３、及び駆動用モータ４を備えている。

電源装置２は、正線ＰＬ及び負線ＮＬを介してインバータ３に接続され、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）等の制御装置からの制御信号に従ってインバータ３との間で電力を充放電する機能を有している。

インバータ３は、配線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３を介して駆動用モータ４に接続され、直流電力と交流電力とを相互に変換する機能を有している。本実施形態では、インバータ３は、電源装置２から供給された直流電力を交流電力に変換して駆動用モータ４に供給すると共に、駆動用モータ４が発電した交流電力を直流電力に変換して電源装置２に供給する。なお、インバータ３は複数設けてもよい。

駆動用モータ４は、同期発電電動機により構成されている。駆動用モータ４は、インバータ３から供給された交流電力によって駆動されることにより車両駆動用の電動機として機能すると共に、車両の駆動力を利用して交流電力を発電する発電機として機能する。

〔電源装置の構成〕
次に、図２を参照して、電源装置２の構成について説明する。

図２は、図１に示す電源装置２の構成を示す回路図である。図２に示すように、電源装置２は、正線ＰＬと第１ノードＮ１との間に接続された第１スイッチ素子Ｓ１と、第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間に接続された第２スイッチ素子Ｓ２と、第２ノードＮ２と負線ＮＬとの間に接続された第３スイッチ素子Ｓ３と、正線ＰＬと負線ＮＬとの間に接続された平滑コンデンサＣ_Ｈと、を備えている。

第１スイッチ素子Ｓ１、第２スイッチ素子Ｓ２、及び第３スイッチ素子Ｓ３は、半導体スイッチング素子によって構成されている。半導体スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。ＩＧＢＴのコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子に接続される側をアノードとしてダイオード（整流素子）が接続されている。半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ以外のものを用いる場合、スイッチ素子が導通したときに流れる電流とは逆向きの電流が流れるように半導体スイッチング素子にダイオードを並列に接続する。ダイオードは、半導体スイッチング素子に伴う寄生ダイオードであってもよい。本明細書では、半導体スイッチング素子とダイオードとを併せたものをスイッチ素子という。

第１ノードＮ１と等電位である第４ノードＮ４と負線ＮＬとの間には、第４ノードＮ４側から順に直列に接続された正極側リレーＳＭＲＢ１、第１バッテリＢ１、及び負極側リレーＳＭＲＧ１とコンデンサＣ_Ｆ１とが互いに並列に接続されている。第１バッテリＢ１は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等の充放電可能な二次電池によって構成されている。第１バッテリＢ１の正極は正極側リレーＳＭＲＢ１に接続され、負極は負極側リレーＳＭＲＧ１に接続されている。また、負極側リレーＳＭＲＧ１には、直列に接続された抵抗素子Ｒ１及びプリチャージリレーＳＭＲＰ１が並列に接続されている。なお、第１バッテリＢ１は、キャパシタ等により構成してもよい。

正線ＰＬと第３ノードＮ３との間にはリアクトル素子Ｒが接続されている。第３ノードＮ３と第２ノードＮ２と等電位である第５ノードＮ５との間には、第３ノードＮ３側から順に直列に接続された正極側リレーＳＭＲＢ２、第２バッテリＢ２、及び負極側リレーＳＭＲＧ２とコンデンサＣ_Ｆ２とが互いに並列に接続されている。第２バッテリＢ２は、第１バッテリＢ１と同様の充放電可能な二次電池によって構成されている。第２バッテリＢ２の正極は正極側リレーＳＭＲＢ２に接続され、負極は負極側リレーＳＭＲＧ２に接続されている。また、負極側リレーＳＭＲＧ２には、直列に接続された抵抗素子Ｒ２及びプリチャージリレーＳＭＲＰ２が並列に接続されている。なお、第２バッテリＢ２は、キャパシタ等により構成してもよい。

電源装置２は、その制御系として、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１を検出する電圧センサ２１と、第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２を検出する電圧センサ２２と、電源装置２の動作を制御する制御部２３と、を備えている。

この電源装置２では、起動時、制御部２３がコンデンサＣ_Ｆ１、コンデンサＣ_Ｆ２、及び平滑コンデンサＣ_Ｈのプリチャージを実行する。具体的には、制御部２３は、起動時に正極側リレーＳＭＲＢ１及びプリチャージリレーＳＭＲＰ１をオン、負極側リレーＳＭＲＧ１をオフする。これにより、第１バッテリＢ１の電力が抵抗素子Ｒ１によって電圧が調整された状態でコンデンサＣ_Ｆ１に供給され、コンデンサＣ_Ｆ１はプリチャージされる。また、制御部２３は、起動時に正極側リレーＳＭＲＢ２及びプリチャージリレーＳＭＲＰ２をオン、負極側リレーＳＭＲＧ２をオフする。これにより、第２バッテリＢ２の電力が抵抗素子Ｒ２によって電圧が調整された状態でコンデンサＣ_Ｆ２に供給され、コンデンサＣ_Ｆ２はプリチャージされる。また、制御部２３は、第１バッテリＢ１及び／又は第２バッテリＢ２の電力により平滑コンデンサＣ_Ｈのプリチャージを実行する。

また、この電源装置２では、制御部２３が、第１スイッチ素子Ｓ１、第２スイッチ素子Ｓ２、及び第３スイッチ素子Ｓ３のオン／オフ状態を制御することにより、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２との接続状態を直列接続状態、並列接続状態、第１バッテリＢ１の単独駆動状態、及び第２バッテリＢ２の単独駆動状態の間で切り換えることができる。具体的には、制御部２３が、第１スイッチ素子Ｓ１及び第３スイッチ素子Ｓ３をオフ状態、第２スイッチ素子Ｓ２をオン状態に制御することにより、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２とは直列に接続される。また、制御部２３が、第１スイッチ素子Ｓ１及び第３スイッチ素子Ｓ３をオン状態、第２スイッチ素子Ｓ２をオフ状態に制御することにより、第１バッテリＢ１と第２バッテリＢ２とは並列に接続される。また、制御部２３が、第１スイッチ素子Ｓ１をオン状態、第２スイッチ素子Ｓ２及び第３スイッチ素子Ｓ３をオフ状態に制御することにより、第１バッテリＢ１からのみ電力が供給される。また、制御部２３が、第１スイッチ素子Ｓ１及び第２スイッチ素子Ｓ２をオフ状態、第３スイッチ素子Ｓ３をオン状態に制御することにより、第２バッテリＢ２からのみ電力が供給される。なお、この際、平滑コンデンサＣ_Ｈは、インバータ３との間を流れる電力を平滑化する。

ところで、このような構成を有する電源装置２では、起動時のコンデンサＣ_Ｆ１、コンデンサＣ_Ｆ２、及び平滑コンデンサＣ_Ｈのプリチャージ完了後に車両１の状態を走行許可（ReadyON）状態に設定した場合、例えば下り坂駐車からの発進時等では全ての素子がオフ状態であるのにも拘わらず電源装置２側に回生電流が流れてくる可能性がある。結果、回生電流によって平滑コンデンサＣ_Ｈが充電され続け、平滑コンデンサＣ_Ｈに過電圧がかかる可能性がある。そこで、図２に示す電源装置２では、制御部２３が、以下に示す走行許可制御処理を実行することにより、車両１の状態を走行許可状態に設定した後に平滑コンデンサＣ_Ｈに過電圧がかかることを抑制する。以下、図３に示すフローチャートを参照して、走行許可制御処理を実行する際の制御部２３の動作について説明する。

〔走行許可制御処理〕
図３は、本発明の一実施形態である走行許可制御処理の流れを示すフローチャートである。図３に示すフローチャートは、電源装置２に起動要求信号が入力されたタイミングで開始となり、走行許可制御処理はステップＳ１の処理に進む。

ステップＳ１の処理では、制御部２３が、コンデンサＣ_Ｆ１、コンデンサＣ_Ｆ２、及び平滑コンデンサＣ_Ｈのプリチャージを実行する。なお、本実施形態では、後述するステップＳ２の処理を実行する前にプリチャージを実行することとしたが、ステップＳ２の処理の実行中やステップＳ２の処理の完了後にプリチャージを実行してもよい。これにより、ステップＳ１の処理は完了し、走行許可制御処理はステップＳ２の処理に進む。

ステップＳ２の処理では、制御部２３が、電圧センサ２１及び電圧センサ２２を利用して第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１及び第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２を検出する。これにより、ステップＳ２の処理は完了し、走行許可制御処理はステップＳ３の処理に進む。

ステップＳ３の処理では、制御部２３が、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２以上であるか否かを判別する。判別の結果、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２以上である場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、制御部２３は、走行許可制御処理をステップＳ４の処理に進める。一方、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２未満である場合には（ステップＳ３：Ｎｏ）、制御部２３は、走行許可制御処理をステップＳ５の処理に進める。

ステップＳ４の処理では、制御部２３が、第１スイッチ素子Ｓ１をオンする。このような処理によれば、図４（ａ）に示すように、車両１の状態を走行許可状態に設定した直後に回生電流が発生したとしても回生電流は正線ＰＬ、第１バッテリＢ１、及び負線ＮＬを通る電流経路ＩＬ１に流れるので、平滑コンデンサＣ_Ｈに過電圧がかかることを抑制できる。これにより、ステップＳ４の処理は完了し、走行許可制御処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ５の処理では、制御部２３が、第３スイッチ素子Ｓ３をオンする。このような処理によれば、図４（ｂ）に示すように、車両１の状態を走行許可状態に設定した直後に回生電流が発生したとしても回生電流は正線ＰＬ、リアクトル素子Ｒ、第２バッテリＢ２、及び負線ＮＬを通る電流経路ＩＬ２に流れるので、平滑コンデンサＣ_Ｈに過電圧がかかることを抑制できる。これにより、ステップＳ５の処理は完了し、走行許可制御処理はステップＳ６の処理に進む。

ステップＳ６の処理では、制御部２３が、車両１の状態を走行許可状態に設定する。これにより、ステップＳ６の処理は完了し、一連の走行許可制御処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である走行許可制御処理では、制御部２３が、起動時にコンデンサＣ_Ｆ１、コンデンサＣ_Ｆ２、及び平滑コンデンサＣ_Ｈのプリチャージが完了した後、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２以上である場合、第１スイッチ素子Ｓ１をオンした後に車両１の状態を走行許可状態に設定し、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２未満である場合には、第３スイッチ素子Ｓ３をオンした後に車両１の状態を走行許可状態に設定する。このような処理によれば、車両１の状態を走行許可状態に設定する前に２つのバッテリの電圧の大小関係を把握してスイッチング処理を完了させておくので、車両１の状態を走行許可状態に設定した後に平滑コンデンサＣ_Ｈに過電圧がかかることを抑制できる。

なお、本実施形態では、電圧センサ２１，２２を利用して第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２の電圧の大小関係を検出したが、以下のようにして第１バッテリＢ１及び第２バッテリＢ２の電圧の大小関係を検出してもよい。すなわち、この電源装置２では、起動時に第３スイッチ素子Ｓ３をオン／オフし、第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１を見ながら時間経過と共に第３スイッチ素子Ｓ３のデューティ（オン時間）を徐々に長くしていくと、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２以上である場合、第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１は徐々に増加して第１所定値以上になる。一方、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１が第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２未満である場合には、第３スイッチ素子Ｓ３のデューティが第２所定値以上になっても第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１は第１所定値未満になる。そこで、電流センサを利用して第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１を検出し、第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１が判定値以上になった場合、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１は第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２以上であると判定できる。また、第１バッテリＢ１の出力電流ＩＢ１が判定値未満であり、且つ、第３スイッチ素子Ｓ３のデューティが判定値以上になった場合には、第１バッテリＢ１の電圧ＶＢ１は第２バッテリＢ２の電圧ＶＢ２未満であると判定することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 車両
２ 電源装置
３ インバータ
４ 駆動用モータ
２１，２２ 電圧センサ
２３ 制御部
Ｂ１ 第１バッテリ
Ｂ２ 第２バッテリ
Ｃ_Ｆ１，Ｃ_Ｆ２ コンデンサ
Ｃ_Ｈ 平滑コンデンサ
Ｎ１ 第１ノード
Ｎ２ 第２ノード
Ｎ３ 第３ノード
Ｎ４ 第４ノード
Ｎ５ 第５ノード
ＮＬ 負線
ＰＬ 正線
Ｒ リアクトル素子
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗素子
Ｓ１ 第１スイッチ素子
Ｓ２ 第２スイッチ素子
Ｓ３ 第３スイッチ素子
ＳＭＲＢ１，ＳＭＲＢ２ 正極側リレー
ＳＭＲＧ１，ＳＭＲＧ２ 負極側リレー
ＳＭＲＰ１，ＳＭＲＰ２ プリチャージリレー

Claims (1)

1. 正線と第１ノードとの間に接続された第１スイッチ素子と、前記第１ノードと第２ノードとの間に接続された第２スイッチ素子と、前記第２ノードと負線との間に接続された第３スイッチ素子と、前記第１ノード及び前記負線にそれぞれ正極及び負極が接続された第１蓄電部と、前記正線と第３ノードとの間に接続されたリアクトル素子と、前記第３ノード及び前記第２ノードにそれぞれ正極及び負極が接続された第２蓄電部と、前記正線と前記負線との間に接続された平滑コンデンサと、を備え、前記第１蓄電部は、第１コンデンサ及び前記第１コンデンサをプリチャージするための第１リレー回路を有し、前記第２蓄電部は、第２コンデンサ及び前記第２コンデンサをプリチャージするための第２リレー回路を有する電動車両の電源装置であって、
   起動時に前記第１コンデンサ、前記第２コンデンサ、及び前記平滑コンデンサのプリチャージが完了した後、前記第１蓄電部の電圧が前記第２蓄電部の電圧以上である場合、前記第１スイッチ素子をオンした後に電動車両の状態を走行許可状態に設定し、前記第１蓄電部の電圧が前記第２蓄電部の電圧未満である場合には、前記第３スイッチ素子をオンした後に電動車両の状態を走行許可状態に設定する手段を備えることを特徴とする電動車両の電源装置。

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