JP2020141539A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】主電源の電圧を降圧して補機バッテリ（補機）に供給する電圧コンバータを備えている電気自動車において、電圧コンバータの熱保護と補機バッテリへの十分な電力供給の両立を図る。【解決手段】本明細書が開示する電気自動車は、走行用のモータと、電力変換器と、電圧コンバータと、コントローラを備える。電力変換器は、電源とモータの間に接続されている。電力変換器は、電源の電力をモータの駆動電力に変換する。電圧コンバータは、電源と補機バッテリの間に接続されており、電源の電圧を降圧して補機バッテリに供給する。電圧コンバータは、入力電圧が所定の閾値電圧を下回っている場合に出力電流の上限値を第１上限値から第２上限値へ下げる。コントローラは、電圧コンバータが第２上限値を設定しており、かつ、補機バッテリの残電力量が所定の閾値残電力量を下回っている場合、電力変換器の出力上限値を下げる。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や、燃料電池車が含まれる。

電気自動車は、出力電圧の異なる２個の電源（主電源と補機バッテリ）を備えていることが多い。主電源の典型は、バッテリあるいは燃料電池である。主電源は、走行用のモータを駆動するのに用いられ、その出力電圧は１００ボルトを超える。補機バッテリは、ルームランプやカーナビゲーション装置など、走行用のモータと比較すると駆動電圧が低いデバイスを駆動するのに用いられ、その出力電圧は、例えば１２ボルトである。なお、ルームランプやカーナビゲーション装置などの小電力デバイスは補機と総称される。電気自動車は、補機バッテリを充電するのに、主電源の電圧を降圧して補機バッテリに供給する電圧コンバータを備えている（例えば、特許文献１、２）。

特開２０１５−２１７７５７号公報 特開２０１７−１７１００５号公報

近年、電気自動車に搭載される補機の数が増加しており、補機全体の消費電力は増える傾向にある。一方、主電源の電圧が低下していると、電圧コンバータの負荷が増大する（一定の電力を出力する場合に入力電圧が低くなると電圧コンバータの負荷が高くなる）。電圧コンバータの負荷が大きくなりすぎた場合、過熱を避けるために電圧コンバータは出力電流を下げざるを得ない。そうすると、補機バッテリ（補機）に供給する電力が不足しがちになるおそれがある。補機バッテリの残電力量が下がりすぎると劣化の進行が早まる。本明細書は、主電源の電圧を降圧して補機バッテリ（補機）に供給する電圧コンバータを備えている電気自動車に関し、電圧コンバータの熱保護と補機バッテリ（補機）への十分な電力供給の両立を図る技術を提供する。

本明細書が開示する電気自動車は、走行用のモータと、電力変換器と、電圧コンバータと、コントローラを備えている。電力変換器は、電源とモータの間に接続されている。電力変換器は、電源の電力をモータの駆動電力に変換するデバイスである。電圧コンバータは、電源と補機バッテリの間に接続されており、電源の電圧を降圧して補機バッテリに供給するデバイスである。電圧コンバータは、入力電圧が所定の閾値電圧を下回っている場合に出力電流の上限値を第１上限値から第２上限値へ下げる。コントローラは、電圧コンバータが第２上限値を設定しており、かつ、補機バッテリの残電力量が所定の閾値残電力量を下回っている場合、電力変換器の出力上限値を下げる。電力変換器の出力上限値を下げることで電源の負荷が下がり、電源の電圧が回復する。電源の電圧が回復すれば電圧コンバータの入力電圧が上昇する。その結果、電圧コンバータの負荷が減り、電圧コンバータは出力電流の上限値を第１上限値へ戻しても電圧コンバータの過度の温度上昇を防ぐことができる。すなわち、電圧コンバータの熱保護と補機バッテリへの十分な電力供給を両立することができる。

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。

第１実施例の電気自動車のブロック図である。 コントローラが実行する保護処理のフローチャートである。 第２実施例の電気自動車のブロック図である。 第２実施例の場合のコントローラが実行する保護処理のフローチャートである。 第３実施例の電気自動車（ハイブリッド車）のブロック図である。 第３実施例の場合のコントローラが実行する保護処理のフローチャートである。

（第１実施例）図１、２を参照して第１実施例の電気自動車１００を説明する。図１に、電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。実施例の電気自動車１００は、走行用のモータ１０３で走行することができる。走行用のモータ１０３の出力軸は、デファレンシャルギア１０４を介して駆動輪１０５に連結されている。

電気自動車１００は、走行用のモータ１０３のほか、メインバッテリ１０１、補機バッテリ１２０、電力変換器１０２、電圧コンバータ１０６、コントローラ１１０、いくつかの補機１２２、１２３を備えている。電力変換器１０２は、メインバッテリ１０１とモータ１０３の間に接続されている。電力変換器１０２は、メインバッテリ１０１の電力をモータ１０３の駆動電力に変換するデバイスである。電力変換器１０２は、メインバッテリ１０１の出力電圧を昇圧した後、モータ１０３の駆動に適した周波数の交流に変換し、モータ１０３へ供給する。メインバッテリ１０１の出力電圧は、１００ボルト以上である。

補機バッテリ１２０の出力電圧は、１００ボルト未満であり、例えば１２ボルトである。補機バッテリ１２０は、補機（例えば、ルームランプ１２２、カーナビゲーション装置１２３）に電力を供給する。「補機」とは、補機バッテリ１２０の出力電圧で動作する電気デバイスの総称である。車内には補機電力線１２１が張り巡らされており、その補機電力線１２１に様々な補機（ルームランプ１２２、カーナビゲーション装置１２３など）が接続されている。ルームランプ１２２、カーナビゲーション装置１２３のほかにも、図示は省略しているが様々な補機が補機電力線１２１を通して補機バッテリ１２０から電力供給を受ける。車体が補機系のグランド電位になっており、補機バッテリ１２０の負極、及び、補機の負極は車体を通して接地される。

補機バッテリ１２０は、メインバッテリ１０１で充電される。メインバッテリ１０１と補機バッテリ１２０の間に電圧コンバータ１０６が接続されている。電圧コンバータ１０６は、メインバッテリ１０１の出力電力の電圧を降圧し、降圧後の電力を補機バッテリ１２０へ供給する。

電力変換器１０２、電圧コンバータ１０６は、コントローラ１１０によって制御される。図１における破線矢印線は、信号の流れを表している。電気自動車１００は電圧センサ１１２、１１３を備えており、電圧センサ１１２、１１３の計測値はコントローラ１１０に送られる。電圧センサ１１２はメインバッテリ１０１の出力電圧を計測する。電圧センサ１１３は、補機バッテリ１２０の電圧を計測する。補機バッテリ１２０の電圧は、補機バッテリ１２０の残電力量と相関がある。すなわち、コントローラ１１０は、補機バッテリ１２０の電圧から補機バッテリ１２０の残電力量を知ることができる。

多くの補機が動作し、補機全体の総消費電力が大きくなると、補機バッテリ１２０の残電力量が減っていく。補機バッテリ１２０の残電力量が大きく減らないように、コントローラ１１０は、電圧コンバータ１０６を起動し、メインバッテリ１０１の電力の電圧を降圧して補機電力線１２１（補機バッテリ１２０）へ供給する。なお、以下では、補機バッテリ１２０の残電力量をＳＯＣ（State Of Charge）と称する場合がある。

一方、長い登板路を走行している場合などには、電力変換器１０２（モータ１０３）も大きな電力を消費する。電力変換器１０２の消費電力が大きいとメインバッテリ１０１の出力電圧が下がりがちになる。すなわち、電圧コンバータ１０６の入力電圧が下がる場合がある。電圧コンバータ１０６は、入力電圧が下がった状態で大きな電力を出力し続けると負荷が高くなり、電圧コンバータ１０６の温度が上昇する。そのような場合、コントローラ１１０は、電圧コンバータ１０６を保護すべく、電圧コンバータ１０６の出力電流を制限する。すなわち、電圧コンバータ１０６の出力電流の上限値を下げる。電圧コンバータ１０６の出力電流の上限値を下げると補機バッテリ１２０及び補機へ供給する電力が不足し、補機バッテリ１２０のＳＯＣ（残電力量）が減っていく。

先に述べたように、補機バッテリ１２０のＳＯＣと出力電圧には正の相関がある。補機バッテリ１２０のＳＯＣが減り続けることは補機バッテリ１２０の出力電圧が低下することを意味し、補機の動作が不安定になるおそれがある。そのような場合、コントローラ１１０は、電力変換器１０２の出力電力の上限値を下げる。

電力変換器１０２の出力電力の上限値を下げることは、メインバッテリ１０１から出力される電流値が下がることを意味する。メインバッテリ１０１の出力電圧は、バッテリのセルの出力電圧から、内部抵抗と出力電流の積で表される電圧降下分を減じた値となる。メインバッテリ１０１の出力電流が下がることで、メインバッテリ１０１の内部の電圧降下分が小さくなるのでメインバッテリ１０１の出力電圧は回復する。

メインバッテリ１０１の出力電圧が回復すると、電圧コンバータ１０６の負荷が減り、制限していた出力電流の上限値を元に戻すことができる。電圧コンバータ１０６が通常の上限値まで電流を出力することができるようになり、補機と補機バッテリ１２０へ十分な電流を供給できるようになる。

コントローラ１１０が実行する保護処理のフローチャートを図２に示す。図２を参照しつつコントローラ１１０が実行する保護処理を説明する。コントローラ１１０は、所定の周期で図２の処理を繰り返し実行する。

まず、コントローラ１１０は、電圧コンバータ１０６への入力電圧（すなわち、メインバッテリ１０１の出力電圧）を、所定の閾値電圧と比較する（ステップＳ１２）。先に述べたように、メインバッテリ１０１の出力電圧は、電圧センサ１１２で計測される。

電圧コンバータ１０６への入力電圧が閾値電圧を上回っている場合、コントローラ１１０は、電圧コンバータ１０６の出力電流の上限値を第１電流上限値に設定し（ステップＳ１２：ＮＯ、Ｓ１３）、入力電圧が閾値電圧を下回っている場合、コントローラ１１０は、電圧コンバータ１０６の出力電流の上限値を第２電流上限値に設定する（ステップＳ１２：ＹＥＳ、Ｓ１４）。第１電流上限値は通常時の上限値である。第２電流上限値は第１電流上限値よりも低い。なお、図２のフローチャートでは、コントローラ１１０は、入力電圧が閾値電圧に等しい場合は出力電流の上限値を第１電流上限値に設定する。入力電圧が閾値電圧に等しい場合は出力電流の上限値を第２電流上限値に設定するようにしてもよい。

電圧コンバータ１０６の出力電流の上限値を第１電流上限値（＞第２電流上限値）に設定した場合は（ステップＳ１３）、電圧コンバータ１０６は十分な電流を出力することができるので、コントローラ１１０は処理を終了する。

電圧コンバータ１０６の出力電流の上限値を第２電流上限値に設定した場合（ステップＳ１４）、次にコントローラ１１０は、補機バッテリ１２０のＳＯＣ（残電力量）を閾値ＳＯＣ（閾値残電力量）と比較する。先に述べたように、補機バッテリ１２０のＳＯＣは、電圧センサ１１３が計測する補機バッテリ１２０の出力電圧から得ることができる。補機バッテリ１２０のＳＯＣは補機バッテリ１２０の出力電圧と正の相関がある。すなわち、補機バッテリ１２０の出力電圧が低いほど、ＳＯＣは低い。

補機バッテリ１２０のＳＯＣが閾値ＳＯＣを上回っている場合、コントローラ１１０は、電力変換器１０２の出力電力の上限値を第１電力上限値に設定し（ステップＳ１５：ＮＯ、Ｓ１６）、補機バッテリ１２０のＳＯＣが閾値ＳＯＣを下回っている場合、コントローラ１１０は、電力変換器１０２の出力電力の上限値を第２電力上限値に設定する（ステップＳ１５：ＹＥＳ、Ｓ１７）。第２電力上限値は第１電力上限値よりも低い。なお、図２のフローチャートでは、コントローラ１１０は、補機バッテリ１２０のＳＯＣが閾値ＳＯＣに等しい場合は出力電力上限値を第１電力上限値に設定する。補機バッテリ１２０のＳＯＣが閾値ＳＯＣに等しい場合は出力電力上限値を第２電力上限値に設定するようにしてもよい。

補機バッテリ１２０のＳＯＣが閾値ＳＯＣを上回っている場合、補機バッテリ１２０を充電する必要がないので、電圧コンバータ１０６を最大出力で動作させる必要がない。それゆえ、補機バッテリ１２０のＳＯＣが閾値ＳＯＣを上回っている場合は電力変換器１０２の出力電力上限値を通常の第１電力上限値に設定し、メインバッテリ１０１の出力電圧（電圧コンバータ１０６の入力電圧）が低い状態を継続しても、電圧コンバータ１０６の温度が過度に上昇することはない。

補機バッテリ１２０のＳＯＣが閾値ＳＯＣを上回っている場合はステップＳ１７の処理により電力変換器１０２の出力電力の上限値が下げられる。それゆえ、メインバッテリ１０１の負荷が減り、メインバッテリ１０１の出力電圧が回復する。図２の処理の次の周期において、ステップＳ１２の分岐判断がＮＯとなり、電圧コンバータ１０６の出力電流の上限値が前回に設定された第２電流上限値から通常時の第１電流上限値に戻される。その結果、電圧コンバータ１０６の出力が増え、補機や補機バッテリ１２０に十分な電流を供給できるようになる。図２の処理により、電圧コンバータ１０６を過熱から保護しつつ、補機バッテリ１２０へも十分な電力を供給することができる。

なお、図２のステップＳ１７により電力変換器１０２の出力電力の上限値を第２電力上限値（＜第１電力上限値）に設定した後は、コントローラ１１０は、補機バッテリ１２０のＳＯＣが別の閾値ＳＯＣを上回ったら、電力変換器１０２の出力上限値を元の第１電力上限値に戻す。別の閾値ＳＯＣは、ステップＳ１５で用いる閾値ＳＯＣよりも高い値に設定されている。

第１実施例の電気自動車１００では、電圧コンバータ１０６の入力電圧が低く、かつ、補機バッテリ１２０のＳＯＣが低い場合、電力変換器１０２の出力電力の上限値を下げる。電力変換器１０２の出力電力の上限値を下げると走行性能が低下するが、その結果、電圧コンバータ１０６の過度の温度上昇を避けつつ、補機バッテリ１２０に十分な電流を供給できるようになる。

（第２実施例）図３、図４を参照して第２実施例の電気自動車１００ａを説明する。図３に、電気自動車１００ａのブロック図を示す。第２実施例の電気自動車１００ａは、第１実施例の電気自動車１００の構成に加えて、電圧コンバータ１０６を冷却する冷却器１３０を備えている。

冷却器１３０は、電圧コンバータ１０６とラジエータ１３３の間で冷媒を循環させる冷媒循環路１３１と、ラジエータ１３３と、ポンプ１３２と、温度センサ１３４を備えている。ポンプ１３２が、冷媒循環路１３１の中の冷媒を圧送する。温度センサ１３４は、冷媒循環路１３１の電圧コンバータ１０６の出口付近に取り付けられている。温度センサ１３４は、電圧コンバータ１０６から熱を吸収した冷媒の温度を計測する。温度センサ１３４の計測値もコントローラ１１０ａに送られる。

コントローラ１１０ａは、温度センサ１３４が計測した冷媒の温度を、電圧コンバータ１０６の温度の近似値として利用する。コントローラ１１０ａは、電圧コンバータ１０６の入力電圧と温度に基づいて、電圧コンバータ１０６の出力電流の上限値を下げる。コントローラ１１０ａは、入力電圧が低いほど電流上限値が低くなり、温度が高いほど電流上限値が低くなるように規定されている出力電流上限値のマップを記憶している。コントローラ１１０ａは、マップを参照し、電圧コンバータ１０６の入力電圧と温度から出力電流の上限値を決定する。マップによって決定される上限値は、制限しない場合の上限値（第１実施例の第１電流上限値）よりも低く設定されている。なお、マップでは、電圧コンバータ１０６の温度が比較的に低い領域では、上限値を下げないように設定されていてもよい。

図４に電気自動車１００ａのコントローラ１１０ａが実行する保護処理のフローチャートを示す。図４のフローチャートは、図２のフローチャートと比較すると、ステップＳ２３が追加されている点と、図２のステップＳ１４がステップＳ２４に変更されている点が相違する。それら以外は図２のフローチャートの処理と同じである。

コントローラ１１０ａは、電圧コンバータ１０６の入力電圧（すなわち、メインバッテリ１０１の出力電圧）を閾値電圧と比較する（ステップＳ１２）。入力電圧が閾値電圧を上回っている場合、コントローラ１１０ａは、電圧コンバータ１０６の出力電流の上限値を通常時の第１電流上限値に設定する（ステップＳ１２：ＮＯ、Ｓ１３）。

入力電圧が閾値電圧を下回っている場合、コントローラ１１０ａは、電圧コンバータ１０６の温度を閾値温度と比較する（ステップＳ１２：ＮＯ、Ｓ２３）。先に述べたように、コントローラ１１０ａは、温度センサ１３４が計測する冷媒の温度（電圧コンバータ１０６から熱を吸収した後の冷媒の温度）を、電圧コンバータ１０６の温度（正確には電圧コンバータ１０６の温度の近似値）として用いる。

電圧コンバータ１０６の温度が閾値温度よりも低い場合は、コントローラ１１０ａは、電圧コンバータ１０６にまだ余力があると判断し、出力電流の上限値は通常時の第１電流上限値に設定する（ステップＳ２３：ＮＯ、Ｓ１３）。電圧コンバータ１０６の温度が閾値温度よりも高い場合、コントローラ１１０ａは、先に述べたマップを参照し、入力電圧と温度に基づいて出力電流の上限値を第１上限値よりも低い値に設定する（ステップＳ２３：ＹＥＳ、Ｓ２４）。ステップＳ１５以降の処理は、第１実施例の場合と同様である。

第２実施例の電気自動車１００ａによれば、電圧コンバータ１０６の入力電圧が低い場合であってもその温度が閾値温度よりも低い場合は電圧コンバータ１０６の出力上限値を下げない。電圧コンバータ１０６の出力上限値を下げない場合は、電力変換器１０２の出力電力の上限値を下げないので、走行能力が制限されることがない。

（第３実施例）図５、図６を参照して第３実施例の電気自動車を説明する。第３実施例の電気自動車は、走行用に２個のモータ１０３ａ、１０３ｂを備えているとともにエンジン１４１を備えているハイブリッド車１００ｂである。電力変換器１０２ａは、２個のモータ１０３ａ、１０３ｂのそれぞれに電力を供給することができる。

２個のモータ１０３ａ、１０３ｂの出力軸とエンジン１４１の出力軸は、動力分配機構１４２に連結されている。動力分配機構１４２は、モータ１０３ａ、１０３ｂの出力トルクとエンジン１４１の出力トルクを合成する。合成されたトルクはデファレンシャルギア１０４を介して駆動輪１０５に伝達される。また、動力分配機構１４２は、エンジン１４１の出力トルクの一部をモータ１０３ｂへ振り分ける場合もある。その場合、モータ１０３ｂはジェネレータとして機能し、発電する。発電で得られた電力は、モータ１０３ａの駆動電力に使われたり、メインバッテリ１０１の充電に使われたりする。モータ１０３ｂは、エンジン１４１のスタータとしても機能する。

ハイブリッド車１００ｂは、エンジン１４１を停止し、モータ１０３ａ（及び１０３ｂ）で走行することも可能である。エンジン１４１は、エンジンコントローラ１４３によって制御される。エンジンコントローラ１４３はコントローラ１１０ｂを通信することができる。コントローラ１１０ｂとエンジンコントローラ１４３が協働することで、エネルギ効率のよい走行が実現される。上記の構成以外は、ハイブリッド車１００ｂは、第１実施例の電気自動車１００と同じである。

図６にハイブリッド車１００ｂが実行する保護制御のフローチャートを示す。図６のフローチャートは、図２のフローチャートと比較すると、ステップＳ３１が追加されている点で相違する。その他の処理は、図２のフローチャートと同じである。

図６のステップＳ１５から処理を説明する。補機バッテリ１２０のＳＯＣが閾値ＳＯＣを上回っている場合、コントローラ１１０ｂは、電力変換器１０２の出力電力の上限値を第１電力上限値に設定する（ステップＳ１５：ＮＯ、Ｓ１６）。第１電力上限値は通常時の上限値である。

補機バッテリ１２０のＳＯＣが閾値ＳＯＣを下回っている場合、コントローラ１１０ｂは、電力変換器１０２の出力電力の上限値を第２電力上限値に設定する（ステップＳ１５：ＹＥＳ、Ｓ１７）。第２電力上限値は第１電力上限値よりも低い。次にコントローラ１１０ｂは、エンジン１４１の出力比率を上げる（ステップＳ３１）。すなわち、電力変換器１０２ａの出力が制限されたことでハイブリッド車１００ｂの走行性能が不足する分をエンジン１４１で補う。ステップＳ３１の処理の実行時にエンジン１４１が停止している場合は、コントローラ１１０ｂは、モータ１０３ｂを使ってエンジン１４１を始動する。

第３実施例のハイブリッド車１００ｂでは、電力変換器１０２ａの出力電力の上限値が下げられた分をエンジン１４１が補うので走行性能が低下しない。ステップＳ３１が実行されるとエンジン１４１の使用頻度が増えるのでエネルギ効率は通常時と比較して低下する。しかし、図６の処理により、電圧コンバータ１０６の過度の温度上昇を防ぎつつ補機バッテリ１２０へ十分な電力を供給することができ、しかも走行性能の低下も防ぐことができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図３のハイブリッド車１００ｂに図３の冷却器１３０を追加し、図４のフローチャートのステップＳ２３、Ｓ２４の処理を図６のフローチャートの処理に追加してもよい。

実施例のメインバッテリ１０１が車載の電源の一例である。本明細書が開示する技術は、メインバッテリに代えて燃料電池を搭載している電気自動車に適用することも可能である。

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。

１００、１００ａ：電気自動車
１００ｂ：ハイブリッド車（電気自動車）
１０１：メインバッテリ
１０２、１０２ａ：電力変換器
１０３、１０３ａ、１０３ｂ：モータ
１０６：電圧コンバータ
１１０、１１０ａ、１１０ｂ：コントローラ
１１２、１１３：電圧センサ
１２０：補機バッテリ
１２２：ルームランプ（補機）
１２３：カーナビゲーション装置（補機）
１３０：冷却器
１３１：冷媒循環路
１３２：ポンプ
１３３：ラジエータ
１３４：温度センサ
１４１：エンジン
１４３：エンジンコントローラ

Claims (2)

1. 走行用のモータと、
   電源と前記モータの間に接続されており、前記電源の電力を前記モータの駆動電力に変換する電力変換器と、
   前記電源と補機バッテリの間に接続されており、前記電源の電圧を降圧して前記補機バッテリに供給する電圧コンバータであって、入力電圧が所定の閾値電圧を下回っている場合に出力電流の上限値を第１上限値から第２上限値へ下げる電圧コンバータと、
   前記電圧コンバータが前記第２上限値を設定しており、かつ、前記補機バッテリの残電力量が所定の閾値残電力量を下回っている場合、前記電力変換器の出力上限値を下げるコントローラと、
   を備えている、電気自動車。
2. 前記電圧コンバータは、前記入力電圧が前記閾値電圧を下回っており、かつ、当該電圧コンバータの温度が所定の閾値温度を上回っている場合に、前記上限値を前記第１上限値から前記第２上限値へ下げる、請求項１に記載の電気自動車。

Images