JP6965813B2 - 電源システム - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、走行用のモータを有する自動車に搭載される電源システムに関する。

走行用のモータを有する自動車（電気自動車）は、メインバッテリと、メインバッテリの電力をモータの駆動電力に変換する電力制御ユニットを備えた電源システムを搭載している。電源システムは、メインバッテリの駆動電圧よりも低い電圧で駆動する種々のデバイス（補機）を駆動するためのサブバッテリも備えている。また、電源システムは、メインバッテリの電圧を降圧してサブバッテリを充電するＤＣ―ＤＣコンバータを備える場合もある。

一方、電力制御ユニットには、メインバッテリの正極と負極の間に接続されるコンデンサを有している。コンデンサは、電流の脈動を抑えるために備えられている。また、メインバッテリと電力制御ユニットの間には、両者の接続と遮断を切り換えるリレー（システムメインリレー）が備えられている。車両のメインスイッチがＯＮされたときに単純にシステムメインリレーを閉じると、コンデンサに向けてシステムメインリレ−にサージ電流が流れ込む。このサージ電流によって、システムメインリレ−がダメージを受けるおそれがある。システムメインリレーを閉じたときのサージ電流を抑えるため、特許文献１の電源システムでは、メインバッテリとサブバッテリの間に双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを備える。特許文献１の電源システムでは、システムメインリレーを閉じるのに先立って、サブバッテリと双方向ＤＣ−ＤＣコンバータを使ってコンデンサをプリチャージする。システムメインリレーを閉じるときにはコンデンサの電圧がメインバッテリの電圧に近づいているので、サージ電流が抑制される。なお、本明細書では、リレーの両端を導通状態にすることを「リレーを閉じる」と表現し、リレーの両端を電気的に遮断することを「リレーを開く」と表現する。

特開２００７−３１８８４９号公報

一般に、メインバッテリの出力電圧は１００ボルト以上であり、サブバッテリの出力電圧は１２−２４ボルトである。サブバッテリの出力電圧はメインバッテリの出力電圧よりも低いため、サブバッテリを使ったプリチャージには時間がかかる。本明細書は、速やかにプリチャージ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源システムは、メインバッテリと、サブバッテリと、第１リレーと、第２リレーと、電力制御ユニットと、充電ポートと、トランスと、第１−第３ＤＣ／ＡＣ変換回路と、コントローラを備えている。先に述べたように、サブバッテリの出力電圧はメインバッテリの出力電圧よりも低い。電力制御ユニットは、メインバッテリの出力電力をモータの駆動電力に変換する。また、電力制御ユニットは、メインバッテリの正極と負極の間に接続されるコンデンサを有している。第１リレーは、電力制御ユニットとメインバッテリの間の接続と遮断を切り換える。充電ポートは、外部電源をメインバッテリに接続するための部品である。第２リレーは、充電ポートとメインバッテリの間の接続と遮断を切り換える。充電ポートに外部電源を接続し、第２リレーを閉じれば、外部電源でメインバッテリを充電することができる。

トランスは、相互に磁気結合している第１コイルと第２コイルと第３コイルを備えている。第１−第３ＤＣ／ＡＣ変換回路は、直流端と交流端の間で直流と交流を相互に変換することができる。第１ＤＣ／ＡＣ変換回路は、直流端が第１リレーと電力制御ユニットの間の第１電力線に接続されており、交流端が第１コイルに接続されている。第２ＤＣ／ＡＣ変換回路は、直流端が第２リレーと充電ポートの間の第２電力線に接続されており、交流端が第２コイルに接続されている。第３ＤＣ／ＡＣ変換回路は、直流端がサブバッテリに接続されており、交流端が第３コイルに接続されている。コントローラは、第１リレーを閉じるのに先立って、第２リレーを閉じ、メインバッテリの電力を第１ＤＣ／ＡＣ変換回路とトランスと第２ＤＣ／ＡＣ変換回路を経由させてコンデンサにプリチャージする。この電源システムは、メインバッテリを使うことでコンデンサを高速にプリチャージすることができる。また、プリチャージのとき、メインバッテリとコンデンサの間には、第２ＤＣ／ＡＣ変換回路とトランスと第１ＤＣ／ＡＣ変換回路が接続されており、トランスによってサージ電流が制限される。

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ハイブリッド車のブロック図である。 ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。 電源システム起動時のフローチャートである。 ＳＭＲオープン故障時のクランキング処理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１を説明する。電源システム１は、ハイブリッド車１００に搭載されている。図１に、電源システム１を含むハイブリッド車１００のブロック図を示す。ハイブリッド車１００は、メインバッテリ４の電力を利用して走行することもできるし、エンジン１０１を利用して走行することもできる。メインバッテリ４の電力を利用して走行する場合、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第２モータ１０４を駆動し、第２モータ１０４の動力によって駆動輪（図示せず）を回転させる。エンジン１０１を利用して走行する場合には、ハイブリッド車１００は、第１モータ１０３をセルモータとして使用しエンジン１０１を始動させる。そして、ハイブリッド車１００は、動力分割機構１０２によって、エンジン１０１が発生させた動力の一部を駆動輪に伝達する一方、エンジン１０１の動力の残りを第１モータ１０３に伝達させて、第１モータ１０３に発電させる。第１モータ１０３で発電した電力は、第２モータ１０４に供給して駆動力の補助に利用することもできるし、メインバッテリ４に充電することもできる。なお、エンジン１０１を利用して走行している際に、さらにメインバッテリ４からも第２モータ１０４に電力を供給して、駆動輪を回転させることも可能である。以下では、メインバッテリ４から電力を供給することなく、エンジン１０１のみを利用して走行することを、バッテリレス走行ともいう。また、エンジン１０１を使用せず、モータのみで走行することを、ＥＶ走行と称する。走行中のハイブリッド車１００が減速する際には、第２モータ１０４で発電し、第２モータ１０４で発電した電力（回生電力）をメインバッテリ４に充電することができる。図１の「ＭＧ１」、「ＭＧ２」は、モータジェネレータの略であり、モータが発電機としても機能することを表している。

ハイブリッド車１００は、モータ１０３、１０４とエンジン１０１と動力分割機構１０２の他に、電源システム１を備える。電源システム１は、メインバッテリ４と、サブバッテリ２２と、電力制御ユニット（ＰＣＵ）１２と、第１回路３１と、第２回路３２と、第３回路３３と、トランス３６と、メイン電力線１０と、サブ電力線２４と、充電用電力線６１と、充電ポート６３と、電子制御ユニット（ＥＣＵ）９を備える。

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等の二次電池である。本実施例では、メインバッテリ４の電圧は３００Ｖ程度である。メインバッテリ４の電圧は、電圧センサ５０で計測される。ハイブリッド車１００は、エンジン１０１の動力を用いて第１モータ１０３で発電し、第１モータ１０３で発電した電力（回生電力）をメインバッテリ４に充電することができる。また、走行中のハイブリッド車１００が減速する際に、第２モータ１０４で回生発電し、第２モータ１０４で発電した電力（回生電力）をメインバッテリ４に充電することもできる。

メインバッテリ４は、メイン電力線１０を介して、ＰＣＵ１２に接続されている。メイン電力線１０は、メインバッテリ４の正極端子に接続された正極線１０ａと、メインバッテリ４の負極端子に接続された負極線１０ｂを備えている。

ＰＣＵ１２は、メインバッテリ４とモータ（第１モータ１０３および第２モータ１０４）の間に設けられている。ＰＣＵ１２は、平滑コンデンサ１４と、コンバータ１６と、インバータ１８を備えている。平滑コンデンサ１４は、メイン電力線１０の正極線１０ａと負極線１０ｂの間に接続されており、メイン電力線１０の電流を平滑化する。平滑コンデンサ１４は、コンバータ１６とインバータ１８の間に備えられていても良い。平滑コンデンサ１４の電圧は、電圧センサ５３で計測される。コンバータ１６は、メインバッテリ４から供給される電力の電圧を、必要に応じて第１モータ１０３や第２モータ１０４の駆動に適した電圧まで昇圧する。また、コンバータ１６は、第１モータ１０３や第２モータ１０４が発電した電力の電圧を、メインバッテリ４への充電に適した電圧まで降圧することもできる。本実施例では、第１モータ１０３や第２モータ１０４の駆動に用いる電圧は６００Ｖ程度である。インバータ１８は、メインバッテリ４から供給される直流電力を、第１モータ１０３や第２モータ１０４の駆動のための三相交流電力に変換する。また、インバータ１８は、第１モータ１０３や第２モータ１０４が発電した三相交流電力を、メインバッテリ４へ充電するための直流電力に変換することもできる。

メインバッテリ４とＰＣＵ１２の間には、システムメインリレー（ＳＭＲ）２０が設けられている。ＳＭＲ２０は、メインバッテリ４とＰＣＵ１２の間の接続と遮断を切り換えるスイッチである。

メインバッテリ４には、充電用電力線６１を介して充電ポート６３が接続されている。充電用電力線６１には、充電ポートリレー（ＣＨＲ）６２が接続されている。ＣＨＲ６２は、充電ポート６３とメインバッテリ４の間の接続と遮断を切り換えるスイッチである。充電ポート６３は、外部電源をメインバッテリ４に接続するための部品である。充電ポート６３に外部電源を接続し、ＣＨＲ６２を閉じることで、メインバッテリ４を充電することができる。即ち、ハイブリッド車１００は、いわゆるプラグインハイブリッド車である。

電源システム１のサブバッテリ２２は、鉛電池等の二次電池である。本実施例では、サブバッテリ２２の電圧は１３Ｖ〜１５Ｖ程度である。サブバッテリ２２の電圧は、電圧センサ５４で計測されている。サブバッテリ２２は、サブ電力線２４を介して、パワーステアリングやエアコン等の補機２６に接続されている。サブ電力線２４の電流値は、電流センサ５２で計測される。

ＳＭＲ２０よりもメインバッテリ４の側のメイン電力線１０とトランス３６の第１コイル３６ａの間に第１回路３１が接続されている。後に詳述するが、トランス３６は、第１コイル３６ａの他に、第２コイル３６ｂと第３コイル３６ｃを備える。ＣＨＲ６２よりも充電ポート６３の側の充電用電力線６１と第２コイル３６ｂとの間に第２回路３２が接続されている。また、サブ電力線２４と第３コイル３６ｃとの間に第３回路３３が接続されている。第１回路３１、第２回路３２、第３回路３３は、いずれも、直流から交流へ、又は、交流から直流へ変換するＤＣ／ＡＣ変換回路である。

ＳＭＲ２０よりもＰＣＵ１２側のメイン電力線１０とサブ電力線２４は、第１回路３１とトランス３６と第３回路３３を介して接続される。第１回路３１とトランス３６と第３回路３３の組合せは、メイン電力線１０からサブ電力線２４へ降圧して電力を供給する降圧動作を行うこともできるし、サブ電力線２４からメイン電力線１０へ昇圧して電力を供給する昇圧動作を行うこともできる。即ち、第１回路３１とトランス３６と第３回路３３の組合せは、いわゆる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。

ＣＨＲ６２よりも充電ポート６３の側の充電用電力線６１は、第２回路３２とトランス３６と第３回路３３を介して、サブ電力線２４に接続される。第２回路３２とトランス３６と第３回路３３の組合せは、充電用電力線６１からサブ電力線２４へ降圧して電力を供給する降圧動作を行うこともできるし、サブ電力線２４から充電用電力線６１へ昇圧して電力を供給する昇圧動作を行うこともできる。第２回路３２とトランス３６と第３回路３３の組合せは、いわゆる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。

さらに、ＣＨＲ６２よりも充電ポート６３側の充電用電力線６１とＳＭＲ２０よりもＰＣＵ１２側のメイン電力線１０は、第２回路３２とトランス３６と第１回路３１を介して接続される。第２回路３２とトランス３６と第１回路３１の組合せは、ＣＨＲ６２よりも充電ポート６３側の充電用電力線６１からＳＭＲ２０よりもＰＣＵ１２側のメイン電力線１０へ電力を供給する供給動作を行うこともできるし、ＳＭＲ２０よりもＰＣＵ１２側のメイン電力線１０からＣＨＲ６２よりも充電ポート６３側の充電用電力線６１へ電力を供給する供給動作を行うこともできる。

電源システム１では、第１回路３１、第２回路３２、及び、第３回路３３が動作することによって、ＳＭＲ２０の導通／非導通に関わらず、充電用電力線６１とメイン電力線１０とサブ電力線２４との間で電力を融通し合うことができる。

具体的には、ＣＨＲ６２を閉じ、第２回路３２とトランス３６と第１回路３１を経由してメインバッテリ４の電力をＰＣＵ１２へ送ることができる。この特徴を利用して、ＳＭＲ２０を閉じるのに先立ってＰＣＵ１２の平滑コンデンサ１４をプリチャージすることができる。プリチャージについては後述する。

また、ＣＨＲ６２を閉じることで、ＳＭＲ２０が開いていても、第２回路３２とトランス３６と第１回路３１を経由してメインバッテリ４の電力をＰＣＵ１２へ送り、第１モータ１０３や第２モータ１０４を駆動することができる。逆に、ＳＭＲ２０が開いていても、ＣＨＲ６２を閉じることで、第２回路３２とトランス３６と第１回路３１を経由して第１モータ１０３や第２モータ１０４が発電した回生電力でメインバッテリ４を充電することもできる。

さらには、第１回路３１とトランス３６と第３回路３３の組合せが降圧動作を行うことで、第１モータ１０３や第２モータ１０４が発電した回生電力をサブバッテリ２２に充電することができる。また、第１回路３１とトランス３６と第３回路３３の組合せが昇圧動作を行うことで、サブバッテリ２２の電力を利用して第１モータ１０３や第２モータ１０４を駆動することができる。

また、ＣＨＲ６２を閉じ、第２回路３２とトランス３６と第３回路３３の組合せ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、ＣＨＲ６２を閉じ、第２回路３２とトランス３６と第３回路３３の組合せが昇圧動作を行うことで、ＳＭＲ２０が開いていてもサブバッテリ２２の電力でメインバッテリ４を充電することもできる。

図２に、第１−第３回路３１−３３とトランス３６の概略の構成を示す。第１−第３回路３１−３３とトランス３６は、１個の筐体５８に収容されている。筐体５８に含まれている構成の全体を、「ＤＣ−ＤＣコンバータ」と称してもよい。

第１回路３１の直流端は、接続配線７０を介して、メイン電力線１０に接続されている。第１回路３１は、フィルタ２９と、スイッチング回路３４と、逆流防止スイッチ２８を備える。フィルタ２９は、コンデンサ２９ａを備える。フィルタ２９は、メイン電力線１０の側でのノイズの発生を抑制する。逆流防止スイッチ２８は、スイッチング素子のオンとオフを切り替えることによって、第１回路３１からＰＣＵ１２側のメイン電力線１０に電力が供給可能な状態（即ちスイッチング素子がオンの状態）と不可能な状態（即ちスイッチング素子がオフの状態）を切り換える。

スイッチング回路３４は、スイッチング素子３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄと、スイッチング素子３４ａ−３４ｄの夫々に逆並列に接続された還流ダイオード３４ｅ、３４ｆ、３４ｇ、３４ｈを備えている。スイッチング素子３４ａとスイッチング素子３４ｂは直列に接続されており、スイッチング素子３４ｃとスイッチング素子３４ｄは直列に接続されている。

第１回路３１の交流端、即ち、スイッチング回路３４は、トランス３６に接続されている。トランス３６は、３個のコイル３６ａ、３６ｂ、３６ｃを備える。第１コイル３６ａは、接続配線７２を介して、スイッチング回路３４に接続されている。即ち、第１回路３１の直流端がＳＭＲ２０とＰＣＵ１２の間のメイン電力線１０に接続され、交流端が第１コイル３６ａに接続される。

第２コイル３６ｂは、接続配線７６を介して第２回路３２のスイッチング回路４６に接続されている。第３コイル３６ｃは、接続配線７４を介して第３回路３３のスイッチング回路３８に接続されている。トランス３６では、第１コイル３６ａから第３コイル３６ｃへ降圧して電力を供給することもできるし、第３コイル３６ｃから第１コイル３６ａへ昇圧して電力を供給することもできる。さらに、トランス３６では、第２コイル３６ｂから第３コイル３６ｃへ降圧して電力を供給することもできるし、第３コイル３６ｃから第２コイル３６ｂへ昇圧して電力を供給することもできる。また、第１コイル３６ａから第２コイル３６ｂへ電圧を変化させずに電力を供給することもできるし、第２コイル３６ｂから第１コイル３６ａへ電圧を変化させずに電力を供給することもできる。

第１コイル３６ａの一端は、接続配線７２を介してスイッチング素子３４ａとスイッチング素子３４ｂの間に接続されており、第１コイル３６ａの他端は、接続配線７２を介してスイッチング素子３４ｃとスイッチング素子３４ｄの間に接続されている。

スイッチング回路３４では、スイッチング素子３４ａ−３４ｄのそれぞれのオンオフが所定のタイミングで切り替えられることによって、メイン電力線１０からスイッチング回路３４に供給される直流電力を交流電力へと変換する。即ち、スイッチング回路３４は、ＤＣ／ＡＣコンバータとして機能する。また、スイッチング回路３４では、還流ダイオード３４ｅ−３４ｈによって、トランス３６から供給される交流電力を直流電力に変換する。即ち、スイッチング回路３４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（即ち整流器）としても機能する。第１回路３１は、直流端と交流端の間で、直流電力と交流電力を相互に変換可能な回路である。

第１回路３１は、制御回路４２によって制御されている。具体的には、制御回路４２は、スイッチング回路３４のスイッチング素子３４ａ−３４ｄ及び逆流防止スイッチ２８の動作を制御する。

第２コイル３６ｂに接続されている第２回路３２は、接続配線７６を介して、充電用電力線６１に接続されている。第２回路３２の直流端が、ＣＨＲ６２と充電ポート６３（図２では不図示）の間の充電用電力線６１に接続されており、交流端が第２コイル３６ｂに接続されている。ＣＨＲ６２は充電用電力線６１でメインバッテリ４に接続されており、図２では、第２回路３２の直流端には、ＣＨＲ６２とメインバッテリ４が描かれている。

第２回路３２は、フィルタ４４と、スイッチング回路４６と、逆流防止スイッチ４５を備える。フィルタ４４は、コンデンサ４４ａを備える。フィルタ４４は、充電用電力線６１の側でのノイズの発生を抑制する。逆流防止スイッチ４５は、スイッチング素子のオンとオフを切り替えることによって、第２回路３２から充電ポート６３（図２では不図示）の側の充電用電力線６１に電力が供給可能な状態（即ちスイッチング素子がオンの状態）と不可能な状態（即ちスイッチング素子がオフの状態）を切り換える。

スイッチング回路４６は、スイッチング素子４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄと、スイッチング素子４６ａ−４６ｄの夫々に逆並列に接続された還流ダイオード４６ｅ、４６ｆ、４６ｇ、４６ｈを備えている。スイッチング素子４６ａとスイッチング素子４６ｂは直列に接続されており、スイッチング素子４６ｃとスイッチング素子４６ｄは直列に接続されている。第２コイル３６ｂの一端は、接続配線７６を介してスイッチング素子４６ａとスイッチング素子４６ｂの間に接続されており、第２コイル３６ｂの他端は、接続配線７６を介してスイッチング素子４６ｃとスイッチング素子４６ｄの間に接続されている。

スイッチング回路４６では、スイッチング素子４６ａ−４６ｄのそれぞれのオンオフが所定のタイミングで切り替えられることによって、充電用電力線６１からスイッチング回路４６に供給される直流電力を交流電力へと変換する。即ち、スイッチング回路４６は、ＤＣ／ＡＣコンバータとして機能する。また、スイッチング回路４６では、ダイオード４６ｅ−４６ｈによって、トランス３６から供給される交流電力を直流電力に変換する。即ち、スイッチング回路４６は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（即ち整流器）としても機能する。第２回路３２は、直流端と交流端の間で、直流電力と交流電力を相互に変換可能な回路である。

第３コイル３６ｃに接続されている第３回路３３は、サブ電力線２４に接続されている。第３回路３３の直流端がサブ電力線２４に接続されており、交流端が第３コイル３６ｃに接続されている。第３回路３３は、フィルタ４０と、スイッチング回路３８と、逆流防止スイッチ４１を備える。フィルタ４０は、インダクタ４０ａとコンデンサ４０ｂを備えている。フィルタ４０は、サブ電力線２４の側でのノイズの発生を抑制する。逆流防止スイッチ４１は、スイッチング素子のオンとオフを切り替えることによって、第３回路３３からサブ電力線２４に電力が供給可能な状態（即ちスイッチング素子がオンの状態）と不可能な状態（即ちスイッチング素子がオフの状態）を切り換える。

スイッチング回路３８は、スイッチング素子３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄと、スイッチング素子３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄの夫々に逆並列に接続された還流ダイオード３８ｅ、３８ｆ、３８ｇ、３８ｈと、インダクタ３８ｉと、コンデンサ３８ｊを備えている。スイッチング素子３８ａとスイッチング素子３８ｂは直列に接続されており、スイッチング素子３８ｃとスイッチング素子３８ｄは直列に接続されている。第３コイル３６ｃの一端は、接続配線７４を介してスイッチング素子３８ａとスイッチング素子３８ｂの間に接続されており、第３コイル３６ｃの他端は、接続配線７４を介してスイッチング素子３８ｃとスイッチング素子３８ｄの間に接続されている。

スイッチング回路３８では、スイッチング素子３８ａ−３８ｄのそれぞれのオンオフが所定のタイミングで切り替えられることによって、サブ電力線２４からスイッチング回路３８に供給される直流電力を交流電力へと変換する。即ち、スイッチング回路３８は、ＤＣ／ＡＣコンバータとして機能する。また、スイッチング回路３８では、還流ダイオード３８ｅ−３８ｈによって、トランス３６から供給される交流電力を直流電力に変換する。即ち、スイッチング回路３８は、ＡＣ／ＤＣコンバータ（即ち整流器）としても機能する。第３回路３３も、直流端と交流端の間で、直流電力と交流電力を相互に変換可能な回路である。

第１回路３１と第３回路３３は、制御回路４２によって制御される。具体的には、制御回路４２は、第１回路３１のスイッチング回路３４のスイッチング素子３４ａ−３４ｄ及び逆流防止スイッチ２８と、第３回路３３のスイッチング回路３８のスイッチング素子３８ａ−３８ｄ及び逆流防止スイッチ４１の動作を制御する。

次いで、第１−第３回路３１−３３の動作について説明する。最初に、第１回路３１と第３回路３３とが動作することによって、第１回路３１とトランス３６と第３回路３３の組合せが降圧動作を実行する場合を説明する。第１回路３１とトランス３６と第３回路３３の組合せが降圧動作を実行する際には、第１回路３１のスイッチング回路３４においてスイッチング素子３４ａ−３４ｄが動作してＤＣ／ＡＣコンバータとして機能することによって、メイン電力線１０から供給される直流電力を交流電力へと変換する。そして、変換された交流電力の電圧をトランス３６において降圧して、第３回路３３のスイッチング回路３８がＡＣ／ＤＣコンバータとして機能することによって交流電力から直流電力へと変換される。この場合には、スイッチング回路３８では、還流ダイオード３８ｅ−３８ｈによる整流と、インダクタ３８ｉおよびコンデンサ３８ｊによる平滑化が行われる。これによって、メイン電力線１０からサブ電力線２４へ降圧して電力を供給することができる。なお、スイッチング回路３８がＡＣ／ＤＣコンバータとして機能する際に、スイッチング素子３８ａ−３８ｄのそれぞれは、逆並列に接続されている還流ダイオード３８ｅ−３８ｈに電流が流れる間はオン状態に保持される。即ち、電流は、還流ダイオード３８ｅ（３８ｆ、３８ｇ、３８ｈ）とスイッチング素子３８ａ（３８ｂ、３８ｃ、３８ｄ）に分散して流れる。これにより、還流ダイオード３８ｅ−３８ｈの負荷を低減することができる。

次いで、第１回路３１と第３回路３３が動作することによって、第１回路３１とトランス３６と第３回路３３の組合せが昇圧動作を実行する場合を説明する。第１回路３１とトランス３６と第３回路３３の組合せが昇圧動作を実行する際には、第３回路３３のスイッチング回路３８においてスイッチング素子３８ａ−３８ｄが動作してＤＣ／ＡＣコンバータとして機能することによって、サブ電力線２４から供給される直流電力が交流電力へと変換される。そして、変換された交流電圧をトランス３６において昇圧して、第１回路３１のスイッチング回路３４がＡＣ／ＤＣコンバータとして機能することによって交流電力から直流電力へと変換される。この場合には、スイッチング回路３４では、還流ダイオード３４ｅ−３４ｈによる整流がなされ、フィルタ２９において平滑化がなされる。これによって、サブ電力線２４からメイン電力線１０へ昇圧して電力を供給することができる。なお、スイッチング回路３４がＡＣ／ＤＣコンバータとして機能する際に、スイッチング素子３４ａ−３４ｄのそれぞれは、並列に接続されている還流ダイオード３４ｅ−３４ｈに電流が流れる間オンに保持される。即ち、電流は、還流ダイオード３４ｅ（３４ｆ、３４ｇ、３４ｈ）とスイッチング素子３４ａ（３４ｂ、３４ｃ、３４ｄ）に分散して流れる。これにより、還流ダイオード３４ｅ、３４ｆ、３４ｇ、３４ｈの負荷を低減することができる。

第１回路３１とトランス３６と第３回路３３の組合せの昇降圧動作中では、第２回路３２の逆流防止スイッチ４５を第３回路３３からメインバッテリ４側の充電用電力線６１に供給不可能な状態に維持することによって、充電用電力線６１に意図せずに電流が流れることを防止する。

図２から理解されるように、第１回路３１と第２回路３２は構成が同じである。従って、第１回路３１とトランス３６と第３回路３３によって昇圧動作と降圧動作が実現されることと同様に、第２回路３２とトランス３６と第３回路３３によっても昇圧動作と降圧動作が実現できる。その動作は、第１回路３１とトランス３６と第３回路３３の組み合わせの場合と同じであるので詳しい説明は省略する。

次いで、第１回路３１と第２回路３２が動作することによって、第１回路３１とトランス３６と第２回路３２の組合せが供給動作を実行する場合を説明する。この場合は、ＣＨＲ６２は閉じられる。第１回路３１とトランス３６と第２回路３２の組合せが供給動作を実行する際には、第２回路３２のスイッチング回路４６は、第１回路３１とトランス３６と第３回路３３の組合せが降圧動作を実行する場合と同様に、ＤＣ／ＡＣコンバータとして機能することによって、充電用電力線６１から供給される直流電力が交流電力へと変換される。そして、変換された交流電力の電圧をトランス３６において電圧を変えずに、第１回路３１のスイッチング回路３４において交流電力から直流電力へと変換される。この場合には、スイッチング回路３４は、第１回路３１とトランス３６と第３回路３３の組合せが昇圧動作を実行する場合と同様に、ＡＣ／ＤＣコンバータとして機能することによって交流電力から直流電力へと変換する。ＳＭＲ２０がＰＣＵ１２をメインバッテリ４から遮断した状態であっても、ＣＨＲ６２を閉じ、第１回路３１と第２回路３２が上記の動作を実行することによって、メインバッテリ４からＰＣＵ１２へ電圧を変えずに電力を供給することができる。

この供給動作中は、第３回路３３の逆流防止スイッチ４１を第３回路３３からサブ電力線２４に供給不可能な状態に維持することによって、サブ電力線２４に意図せずに電力が供給されることを防止することができる。

上記した第１−第３回路３１−３３の動作によって、メインバッテリ４とサブバッテリ２２の電力を有効に使うことができる。

図２に示した第１−第３回路３１−３３の具体的な回路構成はあくまでも一例であり、第１回路３１と第３回路３３では、メイン電力線１０からサブ電力線２４へ降圧して電力を供給する降圧動作と、サブ電力線２４からメイン電力線１０へ昇圧して電力を供給する昇圧動作が可能であれば、どのような構成のものを用いてもよい。また、第２回路３２は、充電用電力線６１からメイン電力線１０へ電圧を変えずに電力を供給する供給動作が可能であれば、どのような構成のものを用いてもよい。

制御回路４２、４３は、ＥＣＵ９によって制御される。ＥＣＵ９は、ＣＰＵとメモリを含む。ＥＣＵ９は、電源システム１の各部１２、２０、４２、４３、６２に接続され、メモリに格納されたプログラムに従って、各部１２、２０、４２、４３、６２を制御する。

ＰＣＵ１２の平滑コンデンサ１４のプリチャージについて説明する。車両全体のシステムが停止している間、平滑コンデンサ１４に残っている電荷はゼロあるいは僅かであることが多い。そのような状態で車両のシステム立ち上げのためにＳＭＲ２０を閉じると、大きな電圧差のため、ＳＭＲ２０を通じてメインバッテリ４から平滑コンデンサ１４へ電流が一気に流れる。一気に流れる電流はサージ電流と呼ばれる。サージ電流の発生により、ＳＭＲ２０が溶着するおそれがある。そこで、ハイブリッド車１００では、ＳＭＲ２０を閉じるのに先立って、ＣＨＲ６２を閉じ、第２回路３２、トランス３６、第１回路３１を経由して、メインバッテリ４からＰＣＵ１２（平滑コンデンサ１４）へ電流を供給する。即ち、ＳＭＲ２０を閉じるのに先立って平滑コンデンサ１４をプリチャージする。メインバッテリ４と平滑コンデンサ１４の間に大きな電圧差があっても、トランス３６が電流を制限するので、サージ電流の発生が回避される。

図３にプリチャージのフローチャートを示す。図３の処理は、ＥＣＵ９によって実行される。ＥＣＵ９は、例えば、車両のメインスイッチが入れられたときに、図３の処理を実行する。ＥＣＵ９は、まず、第１回路３１の逆流防止スイッチ２８を閉じ、第３回路３３の逆流防止スイッチ４１を開く（ステップＳ２）。逆流防止スイッチ２８を閉じることで、トランス３６の側からメイン電力線１０の側へ電流が流れるようにする。また、逆流防止スイッチ４１を開くことで、意図しない電流がトランス３６からサブ電力線２４へ流れることが防止される。

次に、ＥＣＵ９は、ＣＨＲ６２を閉じ（ステップＳ３）、第２回路３２（そのスイッチング回路４６）を駆動する（ステップＳ４）。先に、第１回路３１と第２回路３２の供給動作で説明したように、ＥＣＵ９は、第２回路３２がＤＣ／ＡＣコンバータとして機能するように、スイッチング回路４６を駆動する。第１回路３１は、スイッチング回路３４の還流ダイオード３４ｅ−３４ｈに電流が流れることで、受動的にＡＣ／ＤＣコンバータとして機能する。なお、ＥＣＵ９は、第１回路３１の還流ダイオード３４ｅ−３４ｈの夫々に電流が流れる間、各還流ダイオードに並列に接続されているスイッチング素子３４ａ−３４ｄをオンに保持してもよい。スイッチング素子３４ａ−３４ｄをオンに保持することで、還流ダイオード３４ｅ−３４ｈの負荷を軽減することができる。

ＥＣＵ９は、電圧センサ５３の計測値、即ち、平滑コンデンサ１４の電圧をモニタしている。ＥＣＵ９は、平滑コンデンサ１４の電圧が所定の電圧閾値以上となるまで、第２回路３２を駆動する（ステップＳ５：ＮＯ、Ｓ４）。電圧閾値は、例えば、メインバッテリ４の電圧の９０％の値に設定される。別言すれば、電圧閾値は、ＳＭＲ２０を閉じたときに流れる電流がＳＭＲ２０の許容値以下となるように設定される。

ＥＣＵ９は、平滑コンデンサ１４の電圧が電圧閾値以上となったら、第２回路３２のスイッチング回路４６を停止する（ステップＳ５：ＹＥＳ、Ｓ６）。そして、ＥＣＵ９は、ＳＭＲ２０を閉じ（ステップＳ７）、メイン電力線１０を介してメインバッテリ４とＰＣＵ１２を接続する。最後にＥＣＵ９は、ＣＨＲ６２を開く（ステップＳ８）。こうして、プリチャージが完了する。先に述べたように、プリチャージ中は、トランス３６が電流を制限するのでサージ電流の発生が抑制される。

次に、ＳＭＲ２０がオープン故障したときに、エンジン１０１をクランキングする処理について説明する。

図１に示すハイブリッド車１００では、通常は、エンジン１０１を始動させる際には、ＳＭＲ２０を閉じて、メインバッテリ４からメイン電力線１０を介してＰＣＵ１２に電力を供給する。そして、ＰＣＵ１２が第１モータ１０３に電力を供給し、第１モータ１０３がエンジン１０１をクランキングする。これによって、エンジン１０１を始動させることができる。

ハイブリッド車１００において、ＳＭＲ２０にオープン故障が生じる場合がある。ＳＭＲ２０にオープン故障が生じた場合、ＳＭＲ２０はメイン電力線１０を非導通の状態で維持する。このため、ＳＭＲ２０にオープン故障が生じた場合、メインバッテリ４からメイン電力線１０とＳＭＲ２０を介してＰＣＵ１２に電力を供給することができなくなる。ハイブリッド車１００は、ＥＶ走行中（即ち、エンジン１０１を停止した状態で走行しているとき）、ＳＭＲ２０にオープン故障が生じるおそれがある。この場合、エンジン１０１を始動させる際に、ＳＭＲ２０を介してメインバッテリ４からＰＣＵ１２へ電力を供給することができなくなる。そこで、ハイブリッド車１００のＥＣＵ９は、ＥＶ走行中にＳＭＲ２０のオープン故障が検知されると、図４の処理（ＣＨＲ６２を介したクランキング処理）を実行する。

図４の処理において、ステップＳ２からＳ５の処理は、図３のフローチャートと同じである。ただし、ステップＳ５の処理における電圧閾値が図３の場合と異なる。図４の場合の閾値（第２電圧閾値）は、第１モータ１０３でエンジン１０１をクランキングするのに必要な電圧に設定されている。

平滑コンデンサ１４の電圧、即ち、コンバータ１６への入力電圧が、第１モータ１０３でエンジン１０１をクランキングするのに必要な電圧（第２閾値電圧）以上となったら、ＥＣＵ９は第１モータ１０３を駆動し、エンジン１０１をクランキングする（ステップＳ５：ＹＥＳ、Ｓ１２）。エンジン１０１が始動したら、ＥＣＵ９は、第２回路３２（スイッチング回路４６）を停止し、ＣＨＲ６２を開く（ステップＳ１３）。図４の処理によってエンジン１０１が始動したら、ハイブリッド車１００はバッテリレス走行を行う。ただし、ＳＭＲ２０がオープン故障した状態でのバッテリレス走行では、通常のバッテリレス走行とは異なり、オープン故障した状態での安全を確保するための制限が加えられる。例えば、サブバッテリ２２の電圧が低下した場合、ＥＣＵ９は、ＣＨＲ６２を閉じ、第２回路３２とトランス３６と第３回路３３を使って降圧動作を実行し、ＣＨＲ６２を経由してメインバッテリ４からサブバッテリ２２へ電力を供給する。

以上説明したように、電源システム１は、ＳＭＲ２０を閉じるのに先立って、ＣＨＲ６２経由でＰＣＵ１２の平滑コンデンサ１４をプリチャージすることができる。出力電圧の低いサブバッテリ２２ではなくメインバッテリ４を使ってプリチャージを行うので、平滑コンデンサ１４を速やかに充電することができる。

また、電源システム１は、ＥＶ走行中にＳＭＲ２０がオープン故障した場合、ＣＨＲ６２経由でエンジン１０１をクランキングすることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。第１−第３回路３１−３３は、いずれも、直流電力を交流電力へ、また、交流電力を直流電力に変換することができるＤＣ／ＡＣ変換回路である。第１回路３１が第１ＤＣ／ＡＣ変換回路の一例に相当する。また、第２回路３２が第２ＤＣ／ＡＣ変換回路の一例に相当し、第３回路３３が第３ＤＣ／ＡＣ変換回路の一例に相当する。

実施例の電源システム１は、ハイブリッド車１００に搭載されている。プリチャージする機能に着目すれば、本明細書が開示する電源システム１は、エンジンを備えない電気自動車（燃料電池車を含む）に適用することもできる。

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：電源システム
４：メインバッテリ
９：ＥＣＵ
１０：メイン電力線
１４：平滑コンデンサ
１６：コンバータ
１８：インバータ
２０：システムメインリレー（ＳＭＲ）
２２：サブバッテリ
２４：サブ電力線
２６：補機
３１：第１回路
３２：第２回路
３３：第３回路
３６：トランス
６１：充電用電力線
６２：充電ポートリレー（ＣＨＲ）
１００：ハイブリッド車
１０１：エンジン
１０３：第１モータ
１０４：第２モータ

Claims (1)

1. メインバッテリと、
   前記メインバッテリの出力電力をモータの駆動電力に変換する電力制御ユニットであって、前記メインバッテリの正極と負極の間に接続されるコンデンサを有している電力制御ユニットと、
   前記電力制御ユニットと前記メインバッテリの間の接続と遮断を切り換える第１リレーと、
   出力電圧が前記メインバッテリの出力電圧よりも低いサブバッテリと、
   外部電源を前記メインバッテリに接続する充電ポートと、
   前記充電ポートと前記メインバッテリの間の接続と遮断を切り換える第２リレーと、
   第１コイルと第２コイルと第３コイルが磁気結合しているトランスと、
   直流端が前記第１リレーと前記電力制御ユニットの間の第１電力線に接続されており、交流端が前記第１コイルに接続されている第１ＤＣ／ＡＣ変換回路と、
   直流端が前記第２リレーと前記充電ポートの間の第２電力線に接続されており、交流端が前記第２コイルに接続されている第２ＤＣ／ＡＣ変換回路と、
   直流端が前記サブバッテリに接続されており、交流端が前記第３コイルに接続されている第３ＤＣ／ＡＣ変換回路と、
   コントローラと、を含んでおり、
   前記コントローラは、前記第１リレーを閉じるのに先立って、前記第２リレーを閉じ、メインバッテリの電力を前記第２ＤＣ／ＡＣ変換回路と前記トランスと前記第１ＤＣ／ＡＣ変換回路を経由させて前記コンデンサにプリチャージする、電源システム。

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