JP2021029078A - 電気自動車用の電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、システムメインリレーを閉じたときに大きな電流が流れることを防止する。【解決手段】本明細書が開示する電源システムは、主電源の電圧を計測する第１電圧センサと、副電源と、リレーを介して主電源に接続される電力変換器と、電圧コンバータと、コントローラを備えている。電力変換器には、主電源と接続されるコンデンサと、コンデンサの電圧を計測する第２電圧センサが含まれている。コントローラは、リレーを閉じるのに先立って、電圧コンバータでコンデンサをプリチャージする。コントローラは、第１電圧センサの計測値に基づいて目標電圧を設定し、第２電圧センサまたは第３電圧センサの計測値（制御電圧）と目標電圧の差が所定の許容公差内に達したら再び第１電圧センサの計測値（確認電圧）を取得し、制御電圧と確認電圧の差が許容公差内であればリレーを閉じる。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、電気自動車用の電源システムに関する。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と、モータ用の電源として燃料電池を搭載する車が含まれる。

電気自動車に備えられている電源システムは、主電源と、主電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器を備えている。特許文献１−３に、そのような電源システムの例が開示されている。電力変換器は、リレーを介して主電源と接続されており、車両のメインスイッチがオフの間、リレーが開かれ、主電源は電力変換器などの機器から切り離される。電力変換器には、主電源と接続されるコンデンサが備えられている。リレーを閉じる際、コンデンサの蓄電量が少ないと、主電源からコンデンサへ大きな電流が流れ得る。コンデンサへの大電流の流入を抑えるべく、特許文献１−３の電源システムでは、リレーを閉じるのに先立って、コンデンサを充電する。リレーを閉じるのに先立って電力変換器内のコンデンサを充電することを本明細書ではプリチャージと称する場合がある。

特許文献１に開示されている電源システムは、上記した主電源、リレー、電力変換器に加えて、副電源、電圧コンバータ、第１−第３電圧センサ、コントローラを備えている。副電源の出力電圧は、主電源の出力電圧よりも低い。副電源は、小電力の電気機器へ電力を供給するために備えられている。第１電圧センサは、主電源の電圧を計測する。第２電圧センサは、電力変換器の中のコンデンサ（主電源と接続されるコンデンサ）の電圧を計測する。電圧コンバータは副電源とコンデンサの間に接続されており、副電源の電圧を昇圧してコンデンサに供給することができる。第３電圧センサは、電圧コンバータの出力端の電圧を計測する。コントローラは、リレーを閉じるのに先立って電圧コンバータを駆動し、コンデンサをプリチャージする。コントローラは、第１電圧センサの計測値（主電源の電圧）と第３電圧センサの計測値（電圧コンバータの出力電圧）の差が所定の許容公差内に達したらリレーを閉じる。第３電圧センサで異常が生じている場合は、コントローラは、第１電圧センサの計測値（主電源の電圧）と第２電圧センサの計測値（コンデンサの電圧）の差が所定の許容公差内に達したらリレーを閉じる。

特開２０１９−０８８０９８号公報 特開２０１７−２２９１０８号公報 特開２０１７−０８５８６９号公報

特許文献１の技術を採用した場合、第１電圧センサの計測値（主電源の電圧）と第３電圧センサの計測値（電圧コンバータの出力電圧）の差が所定の許容公差内に達した後（すなわち、プリチャージ完了後）、リレーを閉じるまでの間に主電源の電圧が変化する可能性がある。リレーを閉じる前に主電源の電圧が変化すると、リレーを閉じたときにコンデンサに大きな電流が流れる可能性がある。特許文献１の技術の改善が望まれている。

本明細書が開示する電源システムは、主電源、副電源、リレー、電力変換器、電圧コンバータ、第１−第３電圧センサ、コントローラを備えている。それらの接続関係は上述した通りである。本明細書が開示する電源システムは、リレーを閉じるのに先立ってコントローラが行う処理が従来の技術と相違する。本明細書が開示する電源システムのコントローラは、リレーを閉じるのに先立って次の処理を行う。コントローラは、第１電圧センサの計測値に基づいて目標電圧を設定する。目標電圧は、例えば、第１電圧センサの計測値に等しい値であってよい。コントローラは、第２電圧センサまたは第３電圧センサの計測値（制御電圧）と目標電圧の差が所定の許容公差内に達するように電圧コンバータを制御する。コントローラは、制御電圧と目標電圧の差が許容公差に達したら再び前記第１電圧センサの計測値（確認電圧）を取得する。コントローラは、制御電圧と確認電圧の差が許容公差内であればリレーを閉じる。

本明細書が開示する電源システムでは、リレーを閉じる前に再度、第１電圧センサの計測値（確認電圧）、すなわち主電源の電圧を確認する。従って、コントローラは、主電源の電圧（確認電圧）とコンデンサの電圧（第２または第３電圧センサの計測値（目標電圧））の差が許容公差から外れた状態でリレーを閉じることはない。本明細書が開示する技術は、リレーを閉じたときに電力変換器のコンデンサに大きな電流が流れることを確実に防止することができる。

コントローラは、さらに、次の処理を実行してもよい。コントローラは、制御電圧と目標電圧の差が許容公差内に達した後、制御電圧が目標電圧に一致するように電圧コンバータを保持する。そのような処理によって、リレーを閉じる前にコンデンサの電圧（第２電圧センサの計測値）と主電源の電圧（第１電圧センサの計測値）の差が許容公差を外れてしまうことを防止できる。

コントローラは、第３電圧センサの計測値を目標電圧として用いてもよい。第３電圧センサは電圧コンバータの出力電圧を計測するので、高速・高精度でコンデンサをプリチャージすることができる。

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。

実施例の電源システムを含む電気自動車の電力系のブロック図である。 コントローラが実行するプリチャージ処理のフローチャートである。 プリチャージ処理の変形例のフローチャートである。

図面を参照して実施例の電源システム３を説明する。電源システム３は、電気自動車２に搭載されている。図１に、電源システム３を含む電気自動車２の電力系のブロック図を示す。実施例の電気自動車２は、走行用のモータ７を有する。電源システム３から、モータ７へ、駆動電力が供給される。図１の矢印破線は信号の流れを表している。

電源システム３は、メインバッテリ４、サブバッテリ５、システムメインリレー６、電力変換器２０、電圧コンバータ３０、バッテリコントローラ８、車両コントローラ４０、電圧センサ１１、１２、１３を備えている。

メインバッテリ４は、走行用のモータ７のための電力を蓄える直流電源であり、その出力電圧は例えば２００ボルトである。メインバッテリ４は、具体的にはリチウムイオンバッテリである。サブバッテリ５は、モータ７の駆動電力よりも小さい小電力機器のための直流電源であり、その出力電圧は、メインバッテリ４の出力電圧よりも低く、例えば１２ボルトである。サブバッテリ５は、例えば鉛バッテリである。

メインバッテリ４はバッテリコントローラ８によって常に監視されている。バッテリコントローラ８は、メインバッテリ４の出力電圧を計測する電圧センサ１１を有している。電圧センサ１１が計測した電圧は車内ネットワーク４１を介して車両コントローラ４０に送られる。車両コントローラ４０については後述する。

メインバッテリ４の出力端にはシステムメインリレー６が接続されている。電力変換器２０は、システムメインリレー６を介してメインバッテリ４と接続されている。電力変換器２０は、メインバッテリ４の出力電力をモータ７の駆動電力に変換するデバイスである。電力変換器２０は、電圧コンバータ２１と、インバータ２８を含んでいる。

電圧コンバータ２１は、フィルタコンデンサ２５、リアクトル２２、２個のスイッチング素子２３ａ、２３ｂ、２個のダイオード２４ａ、２４ｂを備えている。電圧コンバータ２１は、低電圧端２０ａ、２０ｂに印加された電圧を昇圧して高電圧端２０ｃ、２０ｄから出力する昇圧機能と、高電圧端２０ｃ、２０ｄに印加された電圧を降圧して低電圧端２０ａ、２０ｂから出力する降圧機能を備える双方向電圧コンバータである。図１の電圧コンバータ２１の回路構成とその機能は良く知られているので詳しい説明は割愛する。

電圧コンバータ２１の高電圧端２０ｃ、２０ｄにインバータ２８が接続されている。電力変換器２０は、メインバッテリ４の出力電力を昇圧し、さらに直流を交流に変換してモータ７に供給する機能を備えている。インバータ２８が、電圧コンバータ２１によって昇圧された直流電力を交流電力（モータ７の駆動電力）に変換する。電力変換器２０は、減速時にモータ７が逆駆動されて生じた電力（回生電力）を交流から直流に変換し、さらに降圧してメインバッテリ４に供給する機能も備えている。

電圧コンバータ２１のスイッチング素子２３ａ、２３ｂとインバータ２８はモータコントローラ２９によって制御される。モータコントローラ２９は、車両コントローラ４０からの指令に基づいてスイッチング素子２３ａ、２３ｂ、インバータ２８を制御する。

電力変換器２０の低電圧端２０ａ、２０ｂの間にフィルタコンデンサ２５が接続されており、高電圧端２０ｃ、２０ｄの間に平滑コンデンサ２６が接続されている。低電圧端の正極２０ａと高電圧端の正極２０ｃの間にはダイオード２４ａが接続されている。ダイオード２４ａは、低電圧端の正極２０ａから高電圧端の正極２０ｃへ向けて電流を通す。それゆえ、システムメインリレー６を閉じると、フィルタコンデンサ２５と平滑コンデンサ２６はメインバッテリ４に接続され、メインバッテリ４の電流がそれらのコンデンサに流れる。以下では、フィルタコンデンサ２５と平滑コンデンサ２６を合わせてコンデンサ２５、２６と表記する場合がある。

電力変換器２０には、フィルタコンデンサ２５の電圧を計測する電圧センサ１２が備えられている。電圧センサ１２の計測値はモータコントローラ２９に送られ、さらに、車内ネットワーク４１を介して車両コントローラ４０へ送られる。詳しくは後述するが、車両コントローラ４０は、システムメインリレー６を閉じるのに先立ってコンデンサ２５、２６を充電（プリチャージ）する。車両コントローラ４０は、プリチャージの際に電圧センサ１２の計測値を用いる。

電力変換器２０の低電圧端２０ａ、２０ｂに電圧コンバータ３０が接続されている。電圧コンバータ３０も双方向電圧コンバータである。電力変換器２０は、電圧コンバータ３０の高電圧端３０ａに接続されている。電圧コンバータ３０の低電圧端３０ｂは、サブバッテリ５に接続されている。サブバッテリ５には、電力線４２を介して様々な補機が接続される。「補機」とは、サブバッテリ５の供給電力で動作する電気機器の総称であり、その一例はカーナビゲーション４３である。

電圧コンバータ３０は、車両コントローラ４０によって制御される。車両コントローラ４０は、サブバッテリ５の電圧が下がると（すなわち、サブバッテリ５の蓄電量が下がると）、電圧コンバータ３０に降圧動作を指令する。電圧コンバータ３０は、指令を受けて、メインバッテリ４の電圧を降圧し、サブバッテリ５へ供給する。先に述べたプリチャージの際には、電圧コンバータ３０は、サブバッテリ５の電圧を昇圧してコンデンサ２５、２６へ供給する。電圧コンバータ３０が昇圧動作を実行するときには高電圧端３０ａが出力端に相当する。すなわち、電力変換器２０のコンデンサ２５、２６は、電圧コンバータ３０の出力端（高電圧端３０ａ）に接続されている。

電圧コンバータ３０は、高電圧端３０ａの電圧を計測する電圧センサ１３を備えている。電圧センサ１３の計測値も車両コントローラ４０へ送られる。

車両コントローラ４０と他のコントローラ（バッテリコントローラ８、モータコントローラ２９）、電圧コンバータ３０は、車内ネットワーク４１を介して相互に通信することが可能である。システムメインリレー６は、専用の通信線で車両コントローラ４０と接続されている。システムメインリレー６も車両コントローラ４０が制御する。

コンデンサ２５、２６のプリチャージについて述べる。コンデンサ２５、２６の蓄電量が低いときにシステムメインリレー６を閉じるとメインバッテリ４からコンデンサ２５、２６へ大電流が流れ得る。大電流は、コンデンサ２５、２６、あるいはシステムメインリレー６にダメージを与えるおそれがある。コンデンサ２５、２６やシステムメインリレー６のダメージを抑えるため、車両コントローラ４０は、システムメインリレー６を閉じるのに先立って、サブバッテリ５と電圧コンバータ３０を使ってコンデンサ２５、２６をプリチャージする。

説明の便宜上、メインバッテリ４の電圧を計測する電圧センサ１１を第１電圧センサ１１と表記し、第１電圧センサ１１の計測値を電圧ＶＢと表記する。コンデンサ２５の電圧を計測する電圧センサ１２を第２電圧センサ１２と表記し、第２電圧センサの計測値を電圧ＶＬと表記する。電圧コンバータ３０の高電圧端３０ａの電圧を計測する電圧センサ１３を第３電圧センサ１３と表記し、第３電圧センサの計測値を電圧ＶＤと表記する。

図２に、プリチャージ処理のフローチャートを示す。車両コントローラ４０は、車両のメインスイッチが入れられると、図２の処理を開始する。車両コントローラ４０は、第１電圧センサ１１から電圧ＶＢを得る（ステップＳ２）。車両コントローラ４０は、取得した電圧ＶＢに基づいて、コンデンサ２５、２６のプリチャージにおける目標電圧ＶＢ１を設定する（ステップＳ３）。目標電圧ＶＢ１は、取得した電圧ＶＢの近傍の値に設定される。目標電圧ＶＢ１は、取得した電圧ＶＢと同じ値でもよいし、電圧ＶＢにわずかなオフセットを加えた値（オフセットを減じた値）であってもよい。

続いて車両コントローラ４０は、電圧コンバータ３０に昇圧動作を開始させ、プリチャージを開始する（ステップＳ４）。

車両コントローラ４０は、第３電圧センサ１３の計測値（電圧ＶＤ）を取得する（ステップＳ５）、ステップＳ５で取得される電圧ＶＤを制御電圧ＶＤと称する。車両コントローラ４０は、制御電圧ＶＤと目標電圧ＶＢ１の差が所定の許容公差ｄＶ以下に達するまで電圧コンバータ３０を駆動する（ステップＳ６：ＮＯ、Ｓ５）。許容公差ｄＶは、コンデンサ２５、２６に大きな電流が流れ込まない程度の電圧差（例えば２０ボルト）に設定されている。

車両コントローラ４０は、制御電圧ＶＤと目標電圧ＶＢ１の差が許容公差ｄＶ内まで達すると（ステップＳ６：ＹＥＳ）、プリチャージを停止する（ステップＳ７）。すなわち、車両コントローラ４０は、電圧コンバータ３０を止める。

車両コントローラ４０は、制御電圧ＶＤと目標電圧ＶＢ１の差が許容公差ｄＶに達したら、再び第１電圧センサ１１の計測値（電圧ＶＢ）と第２電圧センサ１２の計測値（電圧ＶＬ）を取得する（ステップＳ８）。ステップＳ８で取得した電圧ＶＢを、他のタイミングで取得した電圧ＶＢと区別するために確認電圧ＶＢ２と称することにする。電圧ＶＬは、プリチャージ終了後のコンデンサ２５、２６の電圧に相当する。

車両コントローラ４０は、確認電圧ＶＢ２と電圧ＶＬを比較する（ステップＳ９）。確認電圧ＶＢ２と電圧ＶＬの差が許容公差ｄＶの範囲内であれば、車両コントローラ４０は、システムメインリレー６を閉じる（ステップＳ１０）。すなわち、車両コントローラ４０は、電力変換器２０をメインバッテリ４に接続する。電力変換器２０がメインバッテリ４に接続されると、車両は走行可能になる。また、車両コントローラ４０は、サブバッテリ５の電圧が低ければ（サブバッテリ５の蓄電量が低ければ）、電圧コンバータ３０に降圧動作を指令し、メインバッテリ４の電力でサブバッテリ５を充電する。

一方、ステップＳ９の判断において、確認電圧ＶＢ２と電圧ＶＬの差が許容公差ｄＶから外れていた場合は、何等かの異常が生じている可能性が高い。その場合、車両コントローラ４０は、システムメインリレー６を閉じることなく、異常時対応処理を実行する（ステップＳ９：ＮＯ、Ｓ１１）。

異常時対応処理の一例は、次の通りである。車両コントローラ４０は、インストルメントパネルの警告灯を点灯させる。また、車両コントローラ４０は、電力システム３で異常が生じている旨を示すメッセージ（あるいはエラーコード）を、ダイアグメモリに記憶する。ダイアグメモリは、車両のメンテナンススタッフが参照するメモリである。メンテナンススタッフは、ダイアグメモリのデータを見て、車両の状態を知る手掛りにする。

図２の処理の利点を説明する。プリチャージが終了した後、コンデンサ２５、２６の電圧（電圧ＶＬ）が下がることが起こり得る。あるいは、メインバッテリ４の電圧（電圧ＶＢ）が変化することが起こり得る。プリチャージ後に電圧ＶＬあるいは電圧ＶＢが変化してしまうと、システムメインリレー６を閉じたときにコンデンサ２５、２６に大きな電流が流れてしまうおそれがある。あるいは、第３電圧センサ１３で異常が発生している場合、第３電圧センサ１３の計測値（電圧ＶＤ）がコンデンサ２５、２６の電圧を正確に表していない可能性がある。そのような場合も、システムメインリレー６を閉じたときにコンデンサ２５、２６に大きな電流が流れてしまうおそれがある。図２の処理（特にステップＳ９の判断）によると、メインバッテリ４の電圧ＶＢとコンデンサ２５の電圧ＶＬの差が確実に小さい状態（許容公差ｄＶ内）でシステムメインリレー６を閉じることができる。それゆえ、実施例の電源システム３では、システムメインリレー６を閉じてもコンデンサ２５、２６に大きな電流が流れることがない。

図３に、プリチャージ処理の変形例を示す。図３のステップＳ２からステップＳ６までの処理、および、ステップＳ８からステップＳ１１までの処理は、図２のフローチャートと同じである。

変形例では、制御電圧ＶＤと目標電圧ＶＢ１の差が許容公差ｄＶに達した後の処理が図２の場合と相違する。制御電圧ＶＤと目標電圧ＶＢ１の差が許容公差ｄＶに達した後（ステップＳ６：ＹＥＳ）、車両コントローラ４０は、制御電圧ＶＤが目標電圧ＶＢ１に一致するように電圧コンバータ３０を保持する（ステップＳ１２）。ステップＳ１２以後の処理は、実施例の場合と同じである。

ステップＳ１２の処理により、制御電圧ＶＤは目標電圧ＶＢ１に保持される。なお、ステップＳ１２のときの電圧コンバータ３０の動作は、間欠駆動であってもよい。

この変形例では、制御電圧ＶＤは目標電圧ＶＢ１に保持される。この処理によって、システムメインリレー６を閉じる前にコンデンサ２５、２６の電圧（電圧ＶＬ）とメインバッテリ４の電圧（電圧ＶＢ）の差が許容公差ｄＶを外れてしまうことを防止できる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。図２または図３のステップＳ５とＳ６の処理において、第３電圧センサ１３の計測値（電圧ＶＤ）のかわりに第２電圧センサ１２の計測値（電圧ＶＬ）を制御電圧として用いてもよい。

車両コントローラ４０と別のコントローラが共同して図２または図３の処理を実現してもよい。例えば、電圧コンバータ３０にもコントローラが実装されており、図２のステップＳ５、Ｓ６の処理は電圧コンバータ３０のコントローラが実行してもよい。

ステップＳ５とＳ６の繰り返しの途中で目標電圧ＶＢ１が変更されてもよい。例えば、車両コントローラ４０は、ステップＳ５とＳ６の繰り返しの途中でときどき第１電圧センサ１１の計測値（電圧ＶＢ）を取得し、新たに取得した電圧ＶＢで目標電圧ＶＢ１を更新するようにしてもよい。

先に述べたように、目標電圧ＶＢ１は、電圧センサ１１の計測値（電圧ＶＢ）に等しくてもよいし、電圧ＶＢに小さなオフセットを加えた値であってもよい。

メインバッテリ４が主電源の一例に相当する。主電源は燃料電池であってもよい。サブバッテリ５が副電源の一例に相当する。

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：電気自動車 ３：電源システム ４：メインバッテリ ５：サブバッテリ ６：システムメインリレー ７：モータ ８：バッテリコントローラ １１−１３：電圧センサ ２０：電力変換器 ２１：電圧コンバータ ２２：リアクトル ２３ａ、２３ｂ：スイッチング素子 ２４ａ、２４ｂ：ダイオード ２５、２６：コンデンサ ２８：インバータ ２９：モータコントローラ ３０：電圧コンバータ

Claims (3)

1. 主電源と、
   前記主電源の電圧を計測する第１電圧センサと、
   出力電圧が前記主電源のよりも低い副電源と、
   前記主電源の出力端に接続されているリレーと、
   前記リレーを介して前記主電源に接続される電力変換器であって、前記主電源と接続されるコンデンサと、前記コンデンサの電圧を計測する第２電圧センサを備えている電力変換器と、
   前記副電源の電圧を昇圧して前記コンデンサを充電する電圧コンバータであって、出力端の電圧を計測する第３電圧センサを備えている電圧コンバータと、
   コントローラと、
   を備えており、前記コントローラは、
   前記リレーを閉じるのに先立って、
   前記第１電圧センサの計測値に基づいて目標電圧を設定し、
   前記第２電圧センサまたは前記第３電圧センサの計測値（制御電圧）と前記目標電圧の差が所定の許容公差内に達するように前記電圧コンバータを制御し、
   前記制御電圧と前記目標電圧の差が前記許容公差に達したら再び前記第１電圧センサの計測値（確認電圧）を取得し、
   前記制御電圧と前記確認電圧の差が前記許容公差内であれば前記リレーを閉じる、
   電気自動車用の電源システム。
2. 前記コントローラは、
   前記制御電圧と前記目標電圧の差が前記許容公差内に達した後、前記制御電圧が前記目標電圧に一致するように前記電圧コンバータを保持する、
   請求項１に記載の電源システム。
3. 前記コントローラは、前記第３電圧センサの計測値を前記制御電圧として用いる、請求項１または２に記載の電源システム。

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