JP4742109B2 - 電気自動車 - Google Patents

Description

この発明は、電気自動車に関するものであり、特に、スイッチングデバイスのノイズ低減に関するものである。

従来、駆動用の電力源である比較的高圧な燃料電池と、この燃料電池よりも低圧なバッテリとが並列接続され、これら燃料電池とバッテリとの間に双方向に昇降圧が可能な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを備えた電気自動車が知られている（例えば、特許文献１参照）。
また、燃料電池を用いない電気自動車やハイブリッド車両などにおいては、電気配線の内部抵抗による損失を低減するために、バッテリの電力をＤＣ−ＤＣコンバータによって昇圧して駆動用のモータに供給する技術が知られている。
特開２００２−１１８９８１号公報

ところで、上述した従来の電気自動車のように、車両駆動用の高電圧回路に配置されるＤＣ−ＤＣコンバータの場合、スイッチング素子やＤＣ−ＤＣコンバータの駆動制御を電流センサおよび電圧センサの検出結果に基づいて行っている。そして、これら電流センサおよび電圧センサは、前述の車両駆動用の高電圧回路のマイナス側をグランドとしている。一方、電流センサおよび電圧センサの検出結果が入力され、ＤＣ−ＤＣコンバータを実際に制御する制御装置であるマイコンにあっては、高電圧回路のマイナス側にグランドを接続するとスイッチングノイズの影響により正常に機能しなくなる虞があるため、高電圧側のグランドではなく１２Ｖバッテリ系のグランドに接続される。
しかしながら、このように電流センサおよび電圧センサと制御装置とのグランドがそれぞれ異なると、電流センサおよび電圧センサの検出結果を制御装置に入力する際に、デジタル変換回路や絶縁回路が必要になり、センシング精度の低下やコストアップといった課題が発生していた。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、部品点数の増加を抑制しつつＤＣ−ＤＣコンバータを制御する制御装置におけるセンシング精度を向上し、車両としての効率を向上することができる電気自動車を提供するものである。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載した発明は、直流電源（例えば、実施の形態における燃料電池１１）に接続されたスイッチングデバイス（例えば、実施の形態におけるスイッチングデバイス３１）と、該スイッチングデバイスの入力電圧又は出力電圧の少なくともどちらか一方を検出する検出装置（例えば、実施の形態における電圧センサＶ１，Ｖ２）と、該検出装置の検出電圧が入力され、前記スイッチングデバイスに複数の信号線（例えば、実施の形態における駆動信号ライン４５）を介して駆動信号を送信する制御装置（例えば、実施の形態におけるコントローラ３２）とを備え、前記スイッチングデバイス、前記検出装置、および、前記制御装置が全て同一のグランド（例えば、実施の形態における高圧ＧＮＤ４０）に接続されたＤＣ−ＤＣコンバータ（例えば、実施の形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータ３０）を有する電気自動車において、前記制御装置の接地線（例えば、実施の形態における接地線４４）の全長を、前記信号線の全長よりも長く設定すると共に、前記接地線を信号線群から離間して布設することを特徴とする。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載の発明において、前記接地線は、その一部がコイル状に巻回されて形成されることを特徴とする。

請求項１に記載した発明によれば、接地線の全長を信号線の全長よりも長く設定することでスイッチングデバイスと同一の接地に接続された制御装置の接地線のインピーダンスを増加させて、高電圧系の接地から制御装置に回り込むスイッチングノイズを抑制すると共に、制御装置の接地線と他の信号線とを離間することで、接地線のスイッチングノイズが信号線に影響を及ぼすのを低減することができる。したがって、スイッチングノイズの影響を低減しつつ、従来と比較してＡ／Ｄ変換器や絶縁回路を省略できる分だけ、部品点数を低減して小型化やコストの低減を図ることができ、さらに、Ａ／Ｄ変換器や絶縁回路を介さない分だけＤＣ−ＤＣコンバータの入出力電圧等のセンシング精度が向上して車両としての効率を向上させることができる効果がある。

請求項２に記載した発明によれば、制御装置に接続される接地線の一部をコイル状に巻回して形成することで、このコイル状に巻回された部分のインダクタンスを増加させることができるため、スイッチングノイズにより接地線に流れる交流電流を抑制することができる効果がある。

次に、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１はこの実施形態における電気自動車の高電圧回路１０および低電圧回路２０の間に介装されたＤＣ−ＤＣコンバータ３０を示したものである。この実施形態の電気自動車は、比較的高電圧な電源として燃料電池（ＦＣ）１１を備えており、この燃料電池１１で発電した電力をインバータであるパワードライブユニット（以下、ＰＤＵと称す）を介してブラシレスモータ（ＭＯＴ）１５に供給するようになっている。また、燃料電池１１で発電した電力および昇圧された後述するバッテリ２１の電力は、燃料電池用のエアポンプ（Ａ／Ｐ）１３に供給されてこのエアポンプ１３の駆動により燃料電池１１のカソード側に空気を送り込むようになっている。ＰＤＵ１２は電気自動車の各種制御処理を行う図示しないＥＣＵ（電子制御ユニット）からの制御指令に基づいて、各相の電流をＰＷＭ制御してブラシレスモータ１５の駆動および回生を行うものである。

一方、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０はスイッチングデバイス３１と、このスイッチングデバイス３１を制御するコントローラ３２とを備えており、高電圧側の入出力端子３３，３４が上述した燃料電池１１とブラシレスモータ１５との間に接続され、低電圧側の入出力端子３５，３６が、燃料電池１１と比較して低電圧に設定された直流電源であるバッテリ（ＢＡＴＴ）２１に接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、スイッチングデバイス３１のスイッチング動作により高電圧側の入出力端子３３，３４と低電圧側の入出力端子３５，３６との間において双方向の電力授受を可能とすべく昇圧および降圧を可能としている。

より具体的には、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、ブラシレスモータ１５の回生時には、ＰＤＵ１２を介して高電圧側の入出力端子３３，３４に印加される電圧を降圧して低電圧側の入出力端子３５，３６に接続されたバッテリ２１を充電し、他方、バッテリ２１に充電された電力により高電圧側をアシストする場合には、低電圧側の入出力端子３５，３６に印加されるバッテリ電圧を燃料電池１１の出力電圧と同等の電圧に昇圧する。なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の高電圧側の入出力端子３３，３４間にはスイッチングデバイスと並列に平滑用のコンデンサ３７が接続され、低電圧側の入出力端子３５，３６のうち＋側の入出力端子３５には、スイッチングデバイス３１との間に平滑用のリアクトル３８が直列に接続されている。

また、燃料電池１１の−側端子１６とバッテリ２１の−側端子２２とが高圧ＧＮＤ４０を介して接続され、この高圧ＧＮＤ４０が基準電位であるシグナル接地として利用されている。ここで、「高圧ＧＮＤ」とは、比較的高電圧な電源である燃料電池１１の−側端子１６の電位を基準電位としていることから高圧ＧＮＤと称している。また、高圧ＧＮＤ４０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０内を経由して燃料電池１１の−側端子１６とバッテリ２１の−側端子２２とを接続している。

スイッチングデバイス３１は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＥＴ（Field effect transistor）などで構成されたものであり、コントローラ３２からの制御信号に従って昇圧および降圧のためのスイッチング動作を行うものである。
コントローラ３２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０のスイッチングデバイス３１の駆動を制御するものであり、駆動信号ライン４５を介してスイッチングデバイス３１に駆動制御信号を出力するように構成されている。コントローラ３２には、図２，３に示すように、スイッチングデバイス３１の入出力電圧を検出する電圧センサＶ１，Ｖ２と、スイッチングデバイス３１の入出力電流を検出する電流センサＩ１，Ｉ２とがそれぞれ接続されるとともに、スイッチングデバイス３１の温度を検出する図示しない温度センサがシリアルライン４１を介して接続されている。コントローラ３２は、これら電圧センサＶ１，Ｖ２、電流センサＩ１，Ｉ２、および、温度センサの検出結果に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータ３０に対する入出力電圧、入出力電流、および、スイッチングデバイス３１の温度を監視しながらスイッチングデバイス３１の駆動制御を行っている。

電圧センサＶ１，Ｖ２および電流センサＩ１，Ｉ２は、スイッチングデバイス３１の低電圧側の入出力端子３５に接続される＋側のライン４３、および、高電圧側の入出力端子３３に接続される＋側のライン４２にそれぞれ取り付けられている。
また、コントローラ３２のシグナル接地は、接地線４４を介して上述したＤＣ−ＤＣコンバータ３０の内部で、スイッチングデバイス３１よりも入出力端子３４側の高圧ＧＮＤ４０に接続されている。

ところで、コントローラ３２とスイッチングデバイス３１との間の駆動信号ライン４５、シリアルライン４１、および、接地線４４は、単一のコネクタ部を介してコントローラ３２に接続される。より具体的には、図４に示すように、例えば、駆動信号ライン４５、シリアルライン４１、および、接地線４４の各端部がオス型のコネクタ５０に接続され、一方、コントローラ３２側にメス型のコネクタ５１が設けられ、このメス型のコネクタ５１にオス型のコネクタ５０が押し込まれて挿入されることで駆動信号ライン４５、シリアルライン４１、および、接地線４４がコントローラ３２の回路と電気的に接続されることとなる。なお、図３、図４において、図示都合上、駆動信号ライン４５を一本の線で示しているが、実際には、スイッチングデバイス３１が備えるスイッチング素子の数に応じた複数の駆動信号ライン４５で構成されており、これら複数の駆動信号ライン４５により、信号線群が構成される。

駆動信号ライン４５とシリアルライン４１とは、１本のワイヤーハーネス５３として構成され、このワイヤーハーネス５３のコネクタ５０近傍の周囲にノイズカット用のフェライトコア５４が装着されている。フェライトコア５４としては、円筒形状のコアや分割形状のコアなど適宜用いればよく、被装着箇所に想定されるノイズの周波数成分に対応する周波数特性を有したコアを適宜用いればよい。

コネクタ５０に接続された接地線４４は、上述したワイヤーハーネス５３とは個別に樹脂チューブ５６に挿通されて離間されるとともに、その全長がワイヤーハーネス５３すなわち駆動信号ライン４５の全長およびシリアルライン４１の全長よりも十分に長く設定されて、コネクタ５０近傍の樹脂チューブ内の所定の長さＬ（例えば、６０ｍｍ程度）の区間において複数回（例えば、６〜７回程度）コイル状に巻回された後に樹脂チューブの枝管５７を介して上述した高圧ＧＮＤ４０に接続される。

ここで、図５は、高圧ＧＮＤ４０およびコントローラ３２の接地線４４に重畳するコモンモードのスイッチングノイズの一例を示すものである。燃料電池１１、バッテリ２１、および、スイッチングデバイス３１の近傍においては、相対的に大きなスイッチングノイズが重畳しているが、コントローラ３２近傍の接地線４４では、接地線４４の全長がワイヤーハーネス５３よりも十分に長く設定されていることで、インピーダンスが相対的に増加してスイッチングノイズに起因する電流が流れ難くなっている。また、接地線４４が複数回巻回されることで、接地線４４のインダクタンスが相対的に増加し、スイッチングノイズのうち特に高周波成分が低減されている。なお、図５においては、図示都合上、接地線４４の巻回および駆動信号ライン４５を省略している。

したがって、上述の実施の形態によれば、接地線４４の全長を駆動信号ライン４５とシリアルライン４１とで構成されるワイヤーハーネス５３の全長よりも長く設定することでスイッチングデバイス３１と同一の高圧ＧＮＤ４０に接続されたコントローラ３２の接地線４４のインピーダンスを増加させて、高圧ＧＮＤ４０からコントローラ３２に回り込むスイッチングノイズを抑制すると共に、さらにコントローラ３２の接地線４４とワイヤーハーネス５３とを離間することで、接地線４４のスイッチングノイズが駆動信号ライン４５やシリアルライン４１に影響を及ぼすのを低減することができ、この結果、スイッチングノイズの影響を低減しつつ、従来と比較してＡ／Ｄ変換器や絶縁回路を省略できる分だけ、小型化やコストの低減を図ることができ、さらに、Ａ／Ｄ変換器や絶縁回路を介さない分だけＤＣ−ＤＣコンバータ３０の入出力電圧等のセンシング精度が向上して車両としての効率を向上させることができる。

さらに、コントローラ３２に接続される接地線４４の一部をコイル状に巻回して形成することで、このコイル状に巻回された部分のインダクタンスを増加させることができるため、スイッチングノイズにより接地線４４に流れる交流電流を抑制することができ、この結果、スイッチングノイズの影響をさらに低減することができる。

なお、上述の実施の形態では、ワイヤーハーネス５３にフェライトコア５４を設けた場合について説明したが、この構成に限られず、例えば、フェライトコア５４を省略しても良い。また、上述の実施の形態では、ワイヤーハーネス５３をフェライトコア５４に１貫通させる場合について説明したが、ワイヤーハーネス５３を介して送受信される信号が減衰し過ぎない程度で、複数回貫通させるようにしても良い。

また、上述の実施の形態では、高電圧側の直流電源として燃料電池１１を用いた場合について説明したが、比較的高電圧の電源であればこの構成に限られず、例えば、蓄電池や他の発電機であってもよい。

本発明の実施の形態における電気自動車のＤＣ−ＤＣコンバータ近傍の電源回路の概略構成図である。 本発明の実施の形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの拡大図である。 本発明の実施の形態におけるコントローラとＤＣ−ＤＣコンバータとの間の配線の概略を示す図である。 本発明の実施の形態におけるコントローラ側のコネクタ近傍の接地線およびワイヤーハーネスを示す部分断面図である。 本発明の実施の形態における接地線のスイッチングノイズを示す図である。

符号の説明

１１ 燃料電池（直流電源）
３１ スイッチングデバイス
Ｖ１，Ｖ２ 電圧センサ（検出装置）
４５ 駆動信号ライン（信号線）
３２ コントローラ（制御装置）
４０ 高圧ＧＮＤ（接地）
３０ ＤＣ−ＤＣコンバータ
４４ 接地線

Claims (2)

1. 直流電源に接続されたスイッチングデバイスと、
   該スイッチングデバイスの入力電圧又は出力電圧の少なくともどちらか一方を検出する検出装置と、
   該検出装置の検出電圧が入力され、前記スイッチングデバイスに複数の信号線を介して駆動信号を送信する制御装置とを備え、
   前記スイッチングデバイス、前記検出装置、および、前記制御装置が全て同一のグランドに接続されたＤＣ−ＤＣコンバータを有する電気自動車において、
   前記制御装置の接地線の全長を、前記信号線の全長よりも長く設定すると共に、前記接地線を、信号線群から離間して布設することを特徴とする電気自動車。
2. 前記接地線は、その一部がコイル状に巻回されて形成されることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車。

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