JP6693323B2 - 電気自動車用の電源システム - Google Patents

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Description

本明細書は、電気自動車用の電源システムを開示する。本明細書における「電気自動車」は、走行用モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車を含む。
特許文献1に、電気自動車用の電源システムの一例が開示されている。この電源システムは、メインバッテリ、サブバッテリ、インバータ、及び、DC−DCコンバータを備えている。インバータは、メインバッテリに接続されている一対の入力端子を備えており、一対の入力端子間に供給される直流電力を交流電力に変換する。インバータから走行用モータに交流電力が供給される。インバータの入力端子間に、平滑化コンデンサが接続されている。インバータとメインバッテリとの間に、スイッチが設けられている。DC−DCコンバータは、平滑化コンデンサの両端間の電圧を降圧し、降圧した電圧をサブバッテリに印加することができる。DC−DCコンバータによって、平滑化コンデンサの放電とサブバッテリの充電を同時に行うことができる。
特開平10−248263号公報
電気自動車においては、衝突後の安全確保のために、車両が衝突したときに平滑化コンデンサを放電することが求められている。特許文献1の電源システムにおいては、DC−DCコンバータによって平滑化コンデンサからサブバッテリに電力を送ることで、平滑化コンデンサを放電することができる。しかしながら、車両の衝突によりサブバッテリやその配線部材が破損した場合には、サブバッテリを充電できず、したがって、平滑化コンデンサを放電することができない。このため、本明細書では、車両が衝突したときにより確実に平滑化コンデンサを放電することができる電源システムを提供する。
本明細書が開示する電気自動車用の電源システムは、メインバッテリ、電力制御ユニット、走行用モータ、スイッチ、平滑化コンデンサ、サブバッテリ、衝突検知装置、第1DC−DCコンバータ、第2DC−DCコンバータ及び制御装置を有している。前記メインバッテリは、車両後部に搭載されている。前記電力制御ユニットは、前記メインバッテリに接続されている一対の入力端子を備えており、前記一対の入力端子間に供給される電力を変換する。前記走行用モータは、前記電力制御ユニットによって変換された電力を受ける。前記スイッチは、前記メインバッテリと前記電力制御ユニットとの間を接続状態と非接続状態とに切り換える。前記平滑化コンデンサは、前記一対の入力端子の間に接続されている。前記サブバッテリは、車両前部に搭載されている。前記衝突検知装置は、車両前部における衝突及び車両後部における衝突を検知する。前記第1DC−DCコンバータは、前記平滑化コンデンサの両端間の電圧を降圧し、降圧した電圧を前記サブバッテリに印加する。前記第2DC−DCコンバータは、前記サブバッテリの電圧を昇圧し、昇圧した電圧を前記メインバッテリに印加する。前記制御装置は、車両前部における衝突が検知されたときに前記スイッチをオフするとともに前記第1DC−DCコンバータと前記第2DC−DCコンバータを介して前記平滑化コンデンサから前記メインバッテリに電力を供給し、車両後部における衝突が検知されたときに前記スイッチをオフするとともに前記第1DC−DCコンバータを介して前記平滑化コンデンサから前記サブバッテリに電力を供給する。
なお、上記の「電力制御ユニット」は、入力端子に供給される電力を、電圧波形または電流波形が異なる電力に変換するユニットを意味する。電力制御ユニットには、例えば、直流電流を交流電流に変換するインバータ、直流電圧の大きさを変換するDC−DCコンバータ、DC−DCコンバータとインバータとを組み合わせたユニット等が含まれる。
この電源システムでは、車両がその後部で衝突した場合には、スイッチがオフすることで、メインバッテリから電力制御ユニットの入力端子間(すなわち、平滑化コンデンサの両端間)への電圧の印加が停止される。さらに、第1DC−DCコンバータによって平滑化コンデンサの両端間の電圧が降圧され、降圧された電圧がサブバッテリに印加される。このため、平滑化コンデンサからサブバッテリに電力が供給される。その結果、サブバッテリが充電されると同時に平滑化コンデンサが放電される。サブバッテリが車両前部に搭載されているので、車両後部で衝突が起きても、サブバッテリへの充電が不可能となる可能性は低い。したがって、車両後部で衝突が起きた場合に、平滑化コンデンサを略確実に放電することができる。
また、この電源システムでは、車両がその前部で衝突した場合には、スイッチがオフすることで、メインバッテリから電力制御ユニットの入力端子間(すなわち、平滑化コンデンサの両端間)への電圧の印加が停止される。さらに、第1DC−DCコンバータと第2DC−DCコンバータによって平滑化コンデンサからメインバッテリに電力が供給される。より詳細には、第1DC−DCコンバータによって、平滑化コンデンサの両端間の電圧が降圧される。第1DC−DCコンバータによって降圧された電圧(サブバッテリに印加される電圧)は、第2DC−DCコンバータによって昇圧され、昇圧された電圧がメインバッテリに印加される。したがって、メインバッテリには、サブバッテリよりも高い電圧が印加される。このため、メインバッテリが充電される。メインバッテリが充電されると同時に、平滑化コンデンサが放電される。メインバッテリが車両後部に搭載されているので、車両前部で衝突が起きても、メインバッテリへの充電が不可能となる可能性は低い。したがって、車両前部で衝突が起きた場合に、平滑化コンデンサを略確実に放電することができる。
以上に説明したように、この電源システムによれば、車両前部で衝突が起きた場合も、車両後部で衝突が起きた場合も、略確実に平滑化コンデンサを放電することができる。
電源システム8のブロック図。 電源システム8の回路図。 衝突時の処理を示すフローチャート。
図1に示すように、実施形態の電源システム8は、ハイブリッド車100に搭載されている。ハイブリッド車100は、エンジン61、モータ1、モータ2を備えており、これらの動力により走行することができる。モータを利用する場合、ハイブリッド車100は、メインバッテリ4から供給される電力によりモータ2を駆動し、モータ2の動力によって駆動輪(図示せず)を回転させる。エンジン61を利用して走行する場合には、ハイブリッド車100は、モータ1をセルモータとして使用しエンジン61を始動させる。そして、ハイブリッド車100は、動力分配機構62によって、エンジン61が発生させた動力の一部を駆動輪に伝達する一方で、残りの動力をモータ1に伝達させてモータ1で発電する。モータ1で発電した電力は、モータ2に供給して駆動輪の回転に利用したり、メインバッテリ4に充電したりすることもできる。
なお、走行中のハイブリッド車100が減速する際には、モータ1またはモータ2で回生発電し、発電した電力でメインバッテリ4を充電することができる。このように、モータ1とモータ2は、発電機としても機能する。その意味で、モータ1とモータ2は、「モータジェネレータ」と称することができる。図1、2の「MG1」がモータ1(モータジェネレータ1)を表し、「MG2」がモータ2(モータジェネレータ2)を表す。
図1、2に示すように、電源システム8は、メインバッテリ4、サブバッテリ22、電力制御ユニット(PCU)12、システムメインリレー(SMR)20、第1DC−DCコンバータ(第1DDC)28、第2DC−DCコンバータ(第2DDC)30備えている。以下では、電力制御ユニット12をPCU12と表記し、システムメインリレー20をSMR20と表記し、第1DC−DCコンバータ28を第1DDC28と表記し、第2DC−DCコンバータ30を第2DDC30と表記する。
図1の上側が車両前部に対応し、下側が車両後部に対応する。図1に示すように、メインバッテリ4は、車両後部(より詳細には、トランクルームの周辺)に搭載されている。メインバッテリ4は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの二次電池(充電可能電池)である。本実施例では、メインバッテリ4の電圧は約300V(ボルト)である。図2に示すように、メインバッテリ4は、一対のメイン電力線10a、10bを介してPCU12に接続されている。メインバッテリ4の正極がメイン電力線10aに接続されており、メインバッテリ4の負極がメイン電力線10bに接続されている。
図1、2に示すように、PCU12は、メインバッテリ4とMG1、2の間に接続されている。PCU12は、一対の入力端子12a、12bを有している。入力端子12aにメイン電力線10aが接続されており、入力端子12bにメイン電力線10bが接続されている。PCU12は、メイン電力線10a、10b間の直流電力(メインバッテリ4から供給される直流電力)を三相交流電力に変換し、三相交流電力をMG1、2に供給する。また、PCU12は、MG1、2から供給される三相交流電力を直流電力に変換し、直流電力をメイン電力線10a、10b間に供給することもできる。PCU12は、コンバータ(CNV)16及びインバータ(INV)17を備えている。
コンバータ16は、一対の入力端子12a、12b間の直流電力の電圧を昇圧し、昇圧した電圧をインバータ17に供給する。インバータ17は、コンバータ16から供給される直流電力を三相交流電力に変換し、変換した三相交流電力をMG1、2に供給する。また、インバータ17は、MG1やMG2が発電した三相交流電力を直流電力に変換し、直流電力をコンバータ16に供給することもできる。コンバータ16は、インバータ17から供給される直流電力の電圧を降圧し、降圧した電圧を一対の入力端子12a、12b間に印加することもできる。
平滑化コンデンサ14は、PCU12の一対の入力端子12a、12b間に接続されている。平滑化コンデンサ14は、一対の入力端子12a、12b間(すなわち、メイン電力線10a、10b間)の電圧を平滑化する。
メイン電力線10a、10bには、SMR20が設けられている。SMR20は、メイン電力線10aとメイン電力線10bのそれぞれに介装されたスイッチを備えている。SMR20は、メインバッテリ4とPCU12の間を接続状態と非接続状態とに切り換える。SMR20がオンすると、メインバッテリ4がPCU12に電気的に接続される。SMR20がオフすると、メインバッテリ4がPCU12から遮断される。不図示の車両メインスイッチ(イグニッションスイッチ)がオフの間は、SMR20はオフしている。車両メインスイッチがオフからオンに切り換えられると、SMR20がオンし、メインバッテリ4とPCU12が接続される。メインバッテリ4とPCU12が接続されると、モータ1とモータ2に電力を供給可能な状態、即ち、走行可能な状態になる。また、SMR20がオンしている状態においては、メインバッテリ4の電圧が平滑化コンデンサ14に印加されるので、平滑化コンデンサ14に電荷が蓄えられている。
図1に示すように、サブバッテリ22は、車両前部(より詳細には、エンジンルーム内)に搭載されている。サブバッテリ22の出力電圧は、メインバッテリ4の出力電圧よりも低い。サブバッテリ22は、典型的には、鉛蓄電池で構成される二次電池(充電可能電池)である。本実施例では、サブバッテリ22の電圧は約13Vである。図2に示すように、サブバッテリ22は、一対のサブ電力線24を介して、補機(AUX)26に接続されている。図2では、記号「AUX」が補機を意味する。補機26は、サブバッテリ22の電圧で動作する機器(低電圧機器)の総称である。図2では、補機26を一つの矩形で表しているが、補機26は、ルームランプ、ナビゲーションシステム、カーオーディオなど、複数の低電圧機器を含む。車両の導電性のボデーが、サブ電力線24の負極線を兼ねる場合がある。サブ電力線24の負極線の電位は接地電位(基準電位)と呼ばれることがある。
図1、2に示すように、PCU12の入力端子12a、12bの間(すなわち、SMR20よりもPCU12側のメイン電力線10a、10bの間)に、第1DDC28が接続されている。第1DDC28は、一対のサブ電力線24にも接続されている。第1DDC28は、一対の入力端子12a、12bの間の電圧を降圧し、降圧した電圧を一対のサブ電力線24の間に印加する降圧動作を行うことができる。ハイブリッド車100では、第1DDC28が降圧動作を行うことで、SMR20がオフしているときでも、モータ1やモータ2が発電した電力でサブバッテリ22を充電することができる。
メインバッテリ4の正極と負極の間(すなわち、SMR20よりもメインバッテリ4側のメイン電力線10a、10bの間)に、第2DDC30(第2DC−DCコンバータ)が接続されている。第2DDC30は、一対のサブ電力線24にも接続されている。第2DDC30は、メインバッテリ4の正極と負極の間の電圧を降圧し、降圧した電圧を一対のサブ電力線24の間に印加する降圧動作を行うことができる。第2DDC30が降圧動作を行うことで、メインバッテリ4の電力でサブバッテリ22を充電することができる。また、第2DDC30は、一対のサブ電力線24の間の電圧を昇圧し、昇圧した電圧をメインバッテリ4の正極と負極の間に印加する昇圧動作を行うこともできる。第2DDC30が昇圧動作を行うことで、サブバッテリ22の電力でメインバッテリ4を充電することができる。
電源システム8は、MG−ECU60(Motor Generator Electronic Control Unit)、A/B−ECU70(Airbag Electronic Control Unit)及びセンサ群72をさらに有している。なお、MG−ECU60は、SMR20、第1DDC28、第2DDC30、PCU12等と通信線で接続されているが、図2では通信線は描かれていない。
MG−ECU60は、PCU12、SMR20、第1DDC28、第2DDC30など、ハイブリッド車100の電気系統を構成する各構成要素を制御する。また、MG−ECU60は、エンジン61の点火機構、燃料噴射機構、給排気機構等の動作を制御する。図1、2では、MG−ECU60を一つの矩形で描いているが、MG−ECU60の機能は、複数のプロセッサの連携で実現されてもよい。
センサ群72は、車両の衝突を検出するための複数のセンサ(例えば、加速度センサ)を有している。図1に示すように、センサ群72の一部のセンサは、車両前部に設けられている。車両前部のセンサは、車両前部における衝突を検出することができる。また、センサ群72の一部のセンサは、車両後部に設けられている。車両後部のセンサは、車両後部における衝突を検出することができる。センサ群72の各センサの検出信号は、A/B−ECU70に送信される。
A/B−ECU70は、センサ群72の各センサから検出信号を受信し、車両が衝突しているか否かを判定する。A/B−ECU70は、車両が衝突した場合に、図示しないエアバッグを動作させる。さらに、A/B−ECU70は、センサ群72の各センサからの検出信号に基づいて、車両前部で衝突が生じたか、車両後部で衝突が生じたかを判定する。A/B−ECU70の判定結果は、MG−ECU60に送信される。
図3に、車両衝突時に電源システム8で実行される処理を示している。車両の走行中に、MG−ECU60は、A/B−ECU70からの信号を常時監視している。車両の衝突が生じると、センサ群72からの信号に基づいて、A/B−ECU70が車両が衝突したと判定する。さらに、A/B−ECU70は、センサ群72からの信号に基づいて、車両前部で衝突が生じたか、車両後部で衝突が生じたかを判定する。A/B−ECU70の判定結果は、MG−ECU60に送信される。MG−ECU60がA/B−ECU70から車両の衝突を示す判定結果を受信すると、図3の処理が開示される。
ステップS2では、MG−ECU60がSMR20をオフする。これによって、メインバッテリ4からPCU12への電力の供給が停止される。したがって、メインバッテリ4から平滑化コンデンサ14への電力の供給が停止される。
ステップS4では、MG−ECU60が、A/B−ECU70から受信した判定結果が、車両前部での衝突を示すものであるか、車両後部での衝突を示すものであるかを判定する。
ステップS4において車両前部で衝突が生じていると判定すると、MG−ECU60は、ステップS6を実行する。ステップS6では、MG−ECU60が、第1DDC28に降圧動作を実行させる。すなわち、第1DDC28が、一対の入力端子12a、12bの間の電圧を降圧し、降圧した電圧を一対のサブ電力線24の間に印加する。
ステップS6と略同時に、ステップS8が実行される。ステップS8では、MG−ECU60が、第2DDC30に昇圧動作を実行させる。すなわち、第2DDC30が、一対のサブ電力線24の間の電圧を昇圧し、昇圧した電圧をメインバッテリ4の正極と負極の間に印加する。
したがって、ステップS6、S8において、第1DDC28の降圧動作と第2DDC30の昇圧動作が同時に行われる。第1DDC28の降圧動作によって平滑化コンデンサ14からサブ電力線24に電力が送られ、第2DDC30の昇圧動作によってサブ電力線24からメインバッテリ4に電力が送られる。第1DDC28の降圧動作によってサブ電力線24には平滑化コンデンサ14の電圧を降圧した電圧が印加されるが、第2DDC30の昇圧動作によってサブ電力線24の電圧を昇圧した電圧がメインバッテリ4に印加される。このため、メインバッテリ4には、メインバッテリ4を充電可能な程度に高い電圧が印加される。したがって、平滑化コンデンサ14が放電されるとともにメインバッテリ4が充電される。すなわち、平滑化コンデンサ14からメインバッテリ4に電力を送ることで、平滑化コンデンサ14が放電される。上述したように、メインバッテリ4は車両後部に搭載されているので、車両前部で衝突が生じた場合に、メインバッテリ4及びその配線に破損が生じる可能性は低い。したがって、車両前部で衝突が生じた場合には、上記のように平滑化コンデンサ14からメインバッテリ4に電力を送ることで、平滑化コンデンサ14を略確実に放電することができる。ステップS6、S8は、ステップS10で平滑化コンデンサ14の両端の間の電圧が60Vを下回るまで実行される。平滑化コンデンサ14の両端の間の電圧が60Vを下回ると、ステップS18でMG−ECU60が第1DDC28及び第2DDC30の動作を停止させる。
他方、ステップS4において車両後部で衝突が生じていると判定すると、MG−ECU60は、ステップS12を実行する。ステップS12では、MG−ECU60が、第2DDC30を停止させる。
ステップS12と略同時に、ステップS14が実行される。ステップS14では、MG−ECU60が、第1DDC28に降圧動作を実行させる。すなわち、第1DDC28が、一対の入力端子12a、12bの間の電圧を降圧し、降圧した電圧を一対のサブ電力線24の間に印加する。
したがって、ステップS12、S14において、第2DDC30が停止した状態で第1DDC28の降圧動作が行われる。第1DDC28の降圧動作によって、平滑化コンデンサ14からサブ電力線24に電力が送られる。したがって、平滑化コンデンサ14が放電されるとともにサブバッテリ22が充電される。すなわち、平滑化コンデンサ14からサブバッテリ22に電力を送ることで、平滑化コンデンサ14が放電される。上述したように、サブバッテリ22は車両前部に搭載されているので、車両後部で衝突が生じた場合に、サブバッテリ22及びその配線に破損が生じる可能性は低い。したがって、車両後部で衝突が生じた場合には、上記のように平滑化コンデンサ14からサブバッテリ22に電力を送ることで、平滑化コンデンサ14を略確実に放電することができる。ステップS12、S14は、ステップS16で平滑化コンデンサ14の両端の間の電圧が60Vを下回るまで実行される。平滑化コンデンサ14の両端の間の電圧が60Vを下回ると、ステップS18で、MG−ECU60が第1DDC28の動作を停止させる。
以上に説明したように、この電源システムでは、車両前部で衝突が生じた場合には、平滑化コンデンサ14からメインバッテリ4(車両後部に搭載されているバッテリ)に電力を送ることで平滑化コンデンサ14を放電し、車両後部で衝突が生じた場合には、平滑化コンデンサ14からサブバッテリ22(車両前部に搭載されているバッテリ)に電力を送ることで平滑化コンデンサ14を放電する。したがって、車両前部と車両後部のいずれで衝突が起きた場合でも、略確実に平滑化コンデンサ14を放電することができる。
実施例の電源システム8は、走行用にエンジンとモータの双方を備えるハイブリッド車に適用されている。本明細書が開示する電源システムは、エンジンを備えない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。
1:モータ
2:モータ
4:メインバッテリ
8:電源システム
10a、10b:メイン電力線
12:電力制御ユニット
14:平滑化コンデンサ
16:コンバータ
17:インバータ
20:システムメインリレー
22:サブバッテリ
24:サブ電力線
26:補機
28:第1DC−DCコンバータ
30:第2DC−DCコンバータ
60:MG−ECU
61:エンジン
62:動力分配機構
70:A/B−ECU
72:センサ群
100:ハイブリッド車

Claims (1)

  1. 電気自動車用の電源システムであって、
    車両後部に搭載されているメインバッテリと、
    前記メインバッテリに接続されている一対の入力端子を備えており、前記一対の入力端子間に供給される電力を変換する電力制御ユニットと、
    前記電力制御ユニットによって変換された電力を受ける走行用モータと、
    前記メインバッテリと前記電力制御ユニットとの間を接続状態と非接続状態とに切り換えるスイッチと、
    前記一対の入力端子の間に接続されている平滑化コンデンサと、
    車両前部に搭載されているサブバッテリと、
    車両前部における衝突及び車両後部における衝突を検知する衝突検知装置と、
    前記平滑化コンデンサの両端間の電圧を降圧し、降圧した電圧を前記サブバッテリに印加する第1DC−DCコンバータと、
    前記サブバッテリの電圧を昇圧し、昇圧した電圧を前記メインバッテリに印加する第2DC−DCコンバータと、
    車両前部における衝突が検知されたときに前記スイッチをオフするとともに前記第1DC−DCコンバータと前記第2DC−DCコンバータを介して前記平滑化コンデンサから前記メインバッテリに電力を供給し、車両後部における衝突が検知されたときに前記スイッチをオフするとともに前記第1DC−DCコンバータを介して前記平滑化コンデンサから前記サブバッテリに電力を供給する制御装置、
    を有する電源システム。
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