JP5941991B2 - ハイブリッド車における方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド車パワートレイン内の直流配電システムを起動するための方法及び装置に関する。

容量性構成要素への突入電流が、構成要素の起動ストレスにおける重要な問題であることは周知である。直流（ＤＣ）入力電力が容量性負荷に印加されるとき、電圧入力のステップ応答によって入力キャパシタが充電される。キャパシタ充電は、突入電流で始まり、指数関数的に減衰して定常状態で終わる。突入ピークの大きさが構成要素の最大定格よりかなり大きいときは、構成要素へのストレスが予想される。キャパシタへの電流は、Ｉ＝Ｃ（ｄＶ／ｄＴ）によって示され、ピーク突入電流は、容量Ｃと電圧変化率（ｄＶ／ｄＴ）に依存する。突入電流は、容量値が増え電源電圧が高くなるほど増大する。この第２のパラメータは、高電圧配電システムにおける主要な問題である。そのような特性により、高電圧電源は、配電システムに高電圧を提供する。その場合、容量性負荷は、起動時に高突入電流を受ける。構成要素へのストレスが最小にされることが望ましい。

事前充電機能の目的は、起動の際の容量性負荷への突入電流の大きさを制限することである。これは、システムにより数秒かかることがある。一般に、高電圧システムほど、起動の際の事前充電時間が長い方が有利である。

高電圧事前充電回路の機能要件は、入力電源電圧の変化率ｄＶ／ｄＴを遅くすることによって、電源からのピーク電流を最小にすることである。事前充電モードでは、配電システム上の誘導性負荷は、遮断されなければならない。事前充電中、システム電圧は、ゆっくりと制御可能に上昇し、起動電流が最大許容値を超えることはない。回路電圧が定常状態に近づいたとき、事前充電機能が完了する。事前充電回路の通常動作は、回路電圧が動作電圧の９０％又は９５％のときに事前充電モードを終了することである。事前充電が完了したとき、事前充電抵抗が、電源回路から切り替えられ、通常モードの低インピーダンス電源が接続される。次に、高電圧負荷にかかる電圧が連続的に高められる。

多くの民生電子装置で使用されている最も単純な突入電流制限システムは、負温度係数（ＮＴＣ）サーミスタ、即ちＮＴＣ抵抗器である。低温のときは、その抵抗が高いため、小電流でリザーバキャパシタを事前充電することができる。長寿命で耐久性の耐熱性材料で構成された場合、ＮＴＣサーミスタの抵抗は、その本体温度の上昇と共に対数的に低下する。このタイプのサージリミッタの機能は、まず突入電流を阻止し、次に突入電流自体を回路から除去することである。サージリミッタは、電源投入時に相対的に高抵抗を示すことによって突入電流スパイクを阻止する。あるいは、抵抗器を含む事前充電回路は、電源回路と並列に接続される。前述のように、事前充電回路は、起動の際の容量性負荷への突入電流の大きさを制限し、次に通常電源が接続されたときに電源回路から切り替えられる。

典型的な抵抗範囲は、所望の保護の大きさにより、０．２５Ω〜２２０Ωである。サージリミッタに電流が流れるとき、抵抗値が数ミリ秒で０．０１Ωまで低下し、これにより電流からサージが機能的に除去される。リザーバキャパシタは、交流整流器からのパルス直流を平滑化するために使用されるキャパシタである。温度上昇後、その抵抗値が低いので動作電流がより効率的に通過される。

例えば、突入電流を制限する事前充電回路を含む電圧源に接続可能なキャパシタを含む回路を検討する。適切な構成要素を選択することによって、突入電流を、そのような事前充電回路のない回路の１％まで減らすことができ、これにより、高電圧直流配電システムを作動させるときの構成要素へのストレスが大幅に減少する。起動の際の構成要素ストレスを回避する主な利点は、高信頼性で長寿命の構成要素によって長いシステム動作寿命を実現することである。

更に、ハードウェアの破損又は故障によってシステム保全が損なわれたときに生じることがある電気的障害が減少するという利点もある。高電圧直流システムを短絡又は地絡させるか、何も知らない人及びその機器に対して作動させると、望ましくない作用が生じる可能性がある。事前充電機能によって高電圧起動の作動時間が遅くなると、アークフラッシュが最小になる。また、事前充電が遅いと、システム診断がオンラインになっている間、故障回路への電圧が低下する。これにより、故障が最悪ケースの比率に完全に生じる前に診断で遮断することができる。

無制限の突入電流が、電源回路遮断器を作動させるのに十分に大きい場合は、面倒な作動を防ぐために遅い事前充電が必要とされることがある。

事前充電は、一般に、電気自動車及びハイブリッド電気自動車用途で使用され、ハイブリッド電気型の用途の一例は、特許文献１に記載されている。モータへの電流は、入力回路内で大型キャパシタを使用するコントローラによって調整される。そのようなシステムは、典型的には、非活動期間中にシステムを無効にしまた活動状態でモータ電流レギュレータが故障した場合に緊急切断として働く大電流継電器、即ちコンタクタを有する。事前充電がない場合、コンタクタの両端の高電圧と突入電流によって、短い火花が発生し点蝕を引き起こす可能性がある。コントローラの入力キャパシタを、典型的には印加バッテリ電圧の９０〜９５パーセントまで事前充電すると、点蝕問題がなくなる。充電を維持する電流がきわめて少ないので、幾つかのシステムは、バッテリを充電しているとき以外は常に事前充電を適用し、より複雑なシステムは、事前充電を始動シーケンスの一部として適用し、また十分に高い事前充電電圧レベルが検出されるまで主コンタクタを閉じるのを遅らせる。

事前充電に関連する問題は、電源を接続できるまでに事前充電手順を行なうのに必要な時間である。この時間が比較的長いと、ドライバは、システムが全てオンラインになるまで遅延を経験することがある。更に他の問題は、事前充電回路構成要素が比較的高価であり、また回路自体が、しばしば構成要素パッケージ問題のある環境でスペースを必要とすることである。

本発明は、ハイブリッド電気自動車内の電気回路を事前充電するための改善された方法及び改善された装置を提供することによって、これらの問題を解決することを目標とする。

国際公開第２０１１／０８１８６３号

本発明は、添付された特許請求の範囲により、ハイブリッド車パワートレイン内の直流配電システムを起動する方法及び装置に関する。

好ましい実施形態によれば、本発明は、ハイブリッド車パワートレイン内の直流配電システムを起動する方法に関する。直流配電システムは、車両内の蓄電システムによって起動することができる集合的な電気回路及び構成要素として定義される。パワートレインは、車両を駆動する電気推進又は内燃機関の支援に使用される蓄電システムを含む。蓄電システムは、適切な電圧の電力を供給するための１つ又は複数のバッテリ又は電池を含むことができる。本発明によれば、比較的高電圧の蓄電システム（例えば、１００〜７００Ｖ）を使用することができる。パワートレインは、更に、車両を駆動するため又は蓄電システムを充電する電力を生成するために、トランスミッションを介して内燃機関（推進モード）又は車輪（再生モード）によって駆動することができる電気モータ／ジェネレータを含む。電気モータ／ジェネレータを内燃機関に直接又はギアボックスなどの機械的トランスミッションを介して接続するために、クラッチ装置が提供される。パワートレインは、更に、前記モータによって生成された電力の電圧を調整するために、電気モータ／ジェネレータに接続された電圧レギュレータを含むパワーエレクトロニクスユニットを含む。電圧レギュレータは、ジェネレータモードで動作されたときに、電気モータ／ジェネレータによって生成された交流電流を、蓄電システムを充電しまた車両内の直流消費機器を駆動するための直流電流に変換するように構成される。また、電圧レギュレータは、車両推進用のモータモードで動作されたとき、蓄電システムからの直流電流を、電気モータ／ジェネレータを駆動する交流電流に変換するように構成される。電気モータ／ジェネレータは、三相電流を使用／生成するように構成される。

パワートレインとその構成部品を制御するための電子制御ユニットが提供される。蓄電システムと電気モータ／ジェネレータは、車両を駆動するための１つ又は複数の電気負荷に接続可能である。直流配電システムを起動する方法は、
−内燃機関点火を初期化する段階と、
−パワートレイン構成要素の診断テストを初期化する段階と、
−内燃機関を始動させる段階と、
−パワーエレクトロニクスユニットによる電気負荷の事前充電を要求する段階と、
−事前充電と診断テストが完了したときに蓄電システムを電気負荷に接続する段階と、
−パワーエレクトロニクスユニットの通常動作に戻して直流配電システムの起動を完了する段階とを含む。

内燃機関点火の初期化は、制御又はセキュリティシステムによって認識されるかキーレスエントリシステムによって初期化されたスマートカードなどによって、ドライバがキーを廻すかボタン又はスイッチを押すことによって行なうことができる。パワートレイン構成要素の診断テストの初期化は、バッテリ又は電池を含む蓄電システムの診断テストを含む。内燃機関の始動は、別個のスタータモータによって直接行なわれてもよく、補助バッテリ又は電源によって電力供給された電気モータ／ジェネレータによってクラッチを介して行われてもよい。

この方法によれば、事前充電する要求が電子制御ユニットからパワーエレクトロニクスユニットに送られ、パワーエレクトロニクスユニットは、事前充電モードになり、電圧レギュレータから所定電圧を要求する。そのような要求は、エンジン始動が完了しエンジンが始動したことを検出したときに送ることができる。電圧レギュレータから要求された所定電圧は、蓄電システム障害の場合に車両の１つ又は複数の電力取出ユニットに供給される電圧に対応することが好ましいが必須ではない。所定電圧は、蓄電システム電圧より低い。

この方法によれば、電気モータ／ジェネレータによって生成された電圧は、クラッチが電気モータ／ジェネレータを内燃機関に接続した後で、電圧レギュレータを使用して所定の事前充電電圧を供給するように制御される。

あるいは、電気モータ／ジェネレータによって生成された電圧は、電圧レギュレータを使用して所定の事前充電電圧まで徐々に上昇する電圧を供給するように制御される。

少なくとも蓄電システムの診断テストが完了したとき、蓄電システムは、電気負荷に接続され、車両が動作可能になる。同様に、診断テストが、蓄電システム障害を示す場合、電気負荷への蓄電システムの接続が阻止される。

前述のクラッチ装置は、所定の最低エンジン速度に達したときは、電気モータ／ジェネレータを内燃機関に接続することができる。この速度は、公称アイドリング速度より遅くてよいが、クラッチ装置が操作されたときにエンジンがストールするのを防ぐのに十分であるように選択される。動作は自動であり、車両のドライバによる操作を必要としない。

本発明は、更に、ハイブリッド車パワートレイン内の直流配電システムを起動する装置を含む。前述のように、パワートレインは、蓄電システム、内燃機関、電気モータ／ジェネレータ、電気モータ／ジェネレータを内燃機関に接続するクラッチ装置、電気モータ／ジェネレータに接続された電圧レギュレータを有するパワーエレクトロニクスユニット、及びパワートレインを制御する電子制御ユニットを含み、蓄電システム及び電気モータ／ジェネレータは、車両を駆動するための１つ又は複数の電気負荷に接続可能である。

電子制御ユニットは、内燃機関を始動させるために内燃機関点火を初期化し、始動前にパワートレイン構成要素の診断テストを初期化し、始動後にパワーエレクトロニクスユニットから電気負荷の事前充電を要求するように構成される。パワーエレクトロニクスユニットは、電気モータ／ジェネレータによって生成された電力によって電気負荷を事前充電するように構成される。蓄電システムは、前記事前充電及び診断テストが完了したときに、電気負荷に接続されるように構成される。最後に、パワーエレクトロニクスユニットは、蓄電システムが接続され、直流配電でシステムの起動が完了したときに、通常動作に戻るように構成される。

電気構成要素の事前充電は、パワーエレクトロニクスユニットによって要求され、パワーエレクトロニクスユニットは、事前充電モードになりまた電圧レギュレータから所定電圧を要求するように構成される。そのような要求は、エンジン始動が完了しエンジンが動き始めたことを検出したときに送られてもよい。

電圧レギュレータから所定電圧が要求され、この電圧は、蓄電システム障害の場合に車両の１つ又は複数の電力取出ユニットに供給される電圧に対応する。所定電圧は、蓄電システム電圧より低く、蓄電システムは、少なくとも蓄電システムの診断テストが完了したときに電気負荷に接続されるように構成される。少なくとも蓄電システムの診断テストが、蓄電システム障害を示すエラーメッセージを生成した場合は、蓄電システムの電気負荷への接続が阻止される。本発明の利点は、蓄電システムの充電が少ないか、電気的動作が可能な最低電圧レベルに近い場合でも、直流配電システムを事前充電できることである。

前述の装置は、上記の方法を実行するために使用することができる。本発明は、更に、前述のような装置を含む車両に関する。

以下の文では、本発明は、添付図面を参照して詳細に説明される。これらの概略図は、単に説明のために使用され、本発明の範囲を決して限定しない。
本発明による直流配電システムを起動する装置の概略図を示す。

図１は、ハイブリッド車パワートレイン１０内の直流配電システムを起動する装置の概略図を示す。パワートレインは、蓄電システム１１、内燃機関１２、電気モータ／ジェネレータ１３、電気モータ／ジェネレータ１３を内燃機関１２に接続するクラッチ装置１４からなる。内燃機関１２及び／又は電気モータ／ジェネレータ１３によって駆動することができるギアボックスなどのトランスミッション１５が、少なくとも１対の駆動輪２５に接続される（点線で示された）。電気モータ／ジェネレータ１３に接続された電圧レギュレータ１７と、キャパシタ１８とを有するパワーエレクトロニクスユニット１６。このキャパシタ１８は、システムの事前充電の際に電流及び電圧リップルをなくすために使用されるリザーバキャパシタである。電圧レギュレータ１７は、電気モータ／ジェネレータ１３からの三相交流出力を、車両内の電気負荷（図示せず）を駆動するか蓄電システム１１を充電するための直流出力に変換するように構成される。また、電圧レギュレータ１７は、蓄電システム１１からの直流出力を、電気モータ／ジェネレータ１３を駆動して車両を推進させるための三相交流出力に変換するように構成される。

直流出力は、例えば１２Ｖ、２４Ｖ、４２Ｖなどの比較的低い所定電圧を有する。また、電圧レギュレータ１７は、蓄電システム１１からの直流出力を、６００Ｖなどの比較的高い電圧から前記比較的低い電圧に変換するように構成される。電子制御ユニット１９をパワートレイン１０の各構成部品に接続する点線によって示されたような制御バス２０によってパワートレイン１０を制御するための電子制御ユニット１９が提供される。正端子と負端子を有する蓄電システム１１は、電力線２１及び２２によって、車両内の動力取出ユニットなどの１つ又は複数の電気負荷と、パワーエレクトロニクスユニット１６とに接続される。電気モータ／ジェネレータ１３は、電力線２４を介してパワーエレクトロニクスユニット１６に接続される。

電子制御ユニット１９は、内燃機関１２を始動させるために、内燃機関点火を初期化するように構成される。図１は、概要であり、始動に使用されるスタータモータ又は補助バッテリなどの、ＩＣエンジン１２を始動させるのに必要な機器を示していない。同時、又は少なくとも始動前に、パワートレイン構成要素の診断テストが初期化される。診断テストは、少なくとも、蓄電システム１１に対する診断テストを含まなければならない。電気負荷を事前充電するパワーエレクトロニクスユニット１６からの要求は、始動後に電子制御ユニット１９からパワーエレクトロニクスユニット１６に送られる。電圧レギュレータから所定電圧が要求され、この電圧は、蓄電システム故障の場合に車両の１つ又は複数の電力取出ユニット（図示せず）に供給される電圧に対応することが好ましいが必須ではない。所定電圧は、蓄電システム電圧より低い。電力取出ユニットは、パワーエレクトロニクスユニット１６から蓄電システム１１を切り離すために、パワーエレクトロニクスユニット１６と制御可能スイッチ２３との間で、蓄電システム１１のそれぞれの正電力線と負電力線２１，２２に接続される。

始動が完了したことと、内燃機関１２が少なくとも最低許容可能エンジン速度で動作していることが決定されたとき、電子制御ユニット１９からクラッチ装置１４に信号が送られる。次に、クラッチ装置１４は、閉じて、電気モータ／ジェネレータ１３を駆動し始める。パワーエレクトロニクスユニット１９は、電圧レギュレータ１７を介して、電気モータ／ジェネレータ１３によって生成された電力によって電気負荷を事前充電するように構成される。直流配電システムを起動するとき、蓄電システム１１は、制御可能スイッチ２３によって、パワーエレクトロニクスユニット１６及び電気負荷から切断される。制御可能スイッチ２３は、蓄電システム１１の正端子と負端子にそれぞれ接続された１対の回路遮断器を有する。前記制御可能スイッチ２３は、電子制御ユニット１９から送られる信号に応じて開閉する。蓄電システム１１は、前記事前充電及び診断テストが完了したとき電気負荷に接続されるように構成される。

最後に、パワーエレクトロニクスユニットは、制御可能スイッチ２３が閉じることによって蓄電システム１１が接続されたときに通常動作に戻り、それにより直流配電システムの起動が完了するように構成される。

本発明は、上記の実施形態に限定されず、特許請求の範囲内で自由に変更され得る。

１１ 蓄電システム
１２ 内燃機関
１３ 電気モータ／ジェネレータ
１４ クラッチ装置
１６ パワーエレクトロニクスユニット
１７ 電圧レギュレータ
１９ 電子制御ユニット

Claims (15)

1. ハイブリッド車パワートレイン内の直流配電システムを起動する方法であって、前記パワートレインが、蓄電システム（１１）、内燃機関（１２）、電気モータ／ジェネレータ（１３）、電気モータ／ジェネレータ（１３）を内燃機関（１２）に接続するクラッチ装置（１４）、電気モータ／ジェネレータ（１３）に接続された電圧レギュレータ（１７）を有するパワーエレクトロニクスユニット（１６）、及びパワートレインを制御するための電子制御ユニット（１９）を含み、前記蓄電システム（１１）と前記電気モータ／ジェネレータ（１３）が、前記車両を駆動するための１つ又は複数の電気負荷に接続可能であり、
   −内燃機関（１２）点火を初期化する段階と、
   −パワートレイン構成要素の診断テストを初期化する段階と、
   −スタータモータを使用して前記内燃機関（１２）を始動させる段階と、
   −前記パワーエレクトロニクスユニット（１６）から前記電気負荷の事前充電が要求される段階と、
   −前記始動が完了したことと、前記内燃機関（１２）が少なくとも最低許容可能エンジン速度で動作していることが決定されたとき、前記電子制御ユニット（１９）から前記クラッチ装置（１４）に信号が送られ、次に、前記クラッチ装置（１４）は、閉じて、前記電気モータ／ジェネレータ（１３）を駆動し始め、前記パワーエレクトロニクスユニット（１６）が前記電圧レギュレータ（１７）を介して、前記電気モータ／ジェネレータ（１３）によって生成された電力によって前記電機負荷を事前充電するように構成され、前記前記診断テストと前記事前充電が完了したときに前記蓄電システム（１１）を前記電気負荷に接続する段階と、
   −前記パワーエレクトロニクスユニット（１６）の通常動作に戻って前記直流配電でシステムの起動を完了する段階とを含む方法。
2. 前記パワーエレクトロニクスユニット（１６）から事前充電が要求され、前記パワーエレクトロニクスユニット（１６）が、事前充電モードになり、前記電圧レギュレータ（１７）から所定電圧が要求される、請求項１に記載の方法。
3. 蓄電システム障害の場合に、前記電圧レギュレータ（１７）からの１組の所定電圧が要求され、前記電圧が、車両の１つ又は複数の電気負荷に供給される電圧に対応する、請求項２に記載の方法。
4. 前記所定電圧が、前記蓄電システム電圧より低い、請求項２又は３に記載の方法。
5. 所定の事前充電電圧を供給する前記電圧レギュレータ（１７）を使用して、前記電気モータ／ジェネレータ（１３）によって生成される電圧を制御する、請求項１乃至４のいずれかに記載の方法。
6. 電圧を所定の事前充電電圧まで徐々に上昇させる前記電圧レギュレータ（１７）を使用して、前記電気モータ／ジェネレータ（１３）によって生成される前記電圧を制御する、請求項１乃至５のいずれかに記載の方法。
7. 前記蓄電システム（１１）の診断テストが完了したときに前記蓄電システム（１１）を前記電気負荷に接続する、請求項１乃至６のいずれかに記載の方法。
8. 前記診断テストが蓄電システム障害を示す場合に、前記蓄電システム（１１）の前記電気負荷への接続を阻止する、請求項１乃至７のいずれかに記載の方法。
9. 所定の最低エンジン速度に達したときに前記電気モータ／ジェネレータ（１３）を前記内燃機関（１２）に接続する前記クラッチ装置を作動させる、請求項１乃至８のいずれかに記載の方法。
10. ハイブリッド車パワートレイン内の直流配電システムを起動する装置であって、前記パワートレインが、蓄電システム（１１）、内燃機関（１２）、電気モータ／ジェネレータ（１３）、電気モータ／ジェネレータ（１３）を内燃機関（１２）に接続するクラッチ装置、電気モータ／ジェネレータ（１３）に接続された電圧レギュレータ（１７）を有するパワーエレクトロニクスユニット（１６）、及び前記パワートレインを制御する電子制御ユニット（１９）を含み、前記蓄電システム（１１）と前記電気モータ／ジェネレータ（１３）が、前記車両を駆動するための１つ又は複数の電気負荷に接続可能であり、
    前記電子制御ユニット（１９）が、前記内燃機関（１２）を始動させるために前記内燃機関点火を初期化し、始動前にパワートレイン構成要素の診断テストを初期化し、始動後に前記パワーエレクトロニクスユニット（１６）から電気負荷の事前充電が要求されるように構成され、
    前記パワーエレクトロニクスユニット（１６）が、前記電気モータ／ジェネレータ（１３）によって生成された電力によって電気負荷を事前充電するように構成され、
    前記蓄電システム（１１）は、前記始動が完了したことと、前記内燃機関（１２）が少なくとも最低許容可能エンジン速度で動作していることが決定されたとき、前記電子制御ユニット（１９）から前記クラッチ装置（１４）に信号が送られ、次に、前記クラッチ装置（１４）は、閉じて、前記電気モータ／ジェネレータ（１３）を駆動し始め、前記パワーエレクトロニクスユニット（１６）が前記電圧レギュレータ（１７）を介して、前記電気モータ／ジェネレータ（１３）によって生成された電力によって前記電機負荷を事前充電するように構成され、前記診断テストと前記事前充電が完了したときに前記電気負荷に接続されるように構成され、
    パワーエレクトロニクスユニット（１６）は、前記蓄電システム（１１）が接続され前記直流配電システムの起動が完了したときに通常動作に戻るように構成された装置。
11. 前記事前充電が、前記パワーエレクトロニクスユニット（１６）によって要求され、パワーエレクトロニクスユニット（１６）が、事前充電モードになり、前記電圧レギュレータ（１７）から所定電圧が要求されるように構成された、請求項１０に記載の装置。
12. 前記電圧が、前記電圧レギュレータ（１７）から要求され、前記電圧が、蓄電システム（１１）故障の場合に前記車両上の１つ又は複数の電気負荷に供給される電圧に対応する、請求項１１に記載の装置。
13. 前記所定電圧が、前記蓄電システム電圧より低い、請求項１１又は１２に記載の装置。
14. 前記蓄電システム（１１）が、前記蓄電システム（１１）の診断テストが完了したときに前記電気負荷に接続されるように構成された、請求項１０乃至１３のいずれかに記載の装置。
15. 請求項１０乃至１４のいずれかに記載の装置を有する車両。

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