WO2013046315A1

WO2013046315A1 - 電動車両の電源システム

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Publication number: WO2013046315A1
Application number: PCT/JP2011/071988
Authority: WO
Inventors: ワンリンアン; 義信杉山
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2011-09-27
Filing date: 2011-09-27
Publication date: 2013-04-04

Abstract

　電力制御ユニット（２０）は、車両走行時に、モータジェネレータ（３０）を駆動制御するために、メインバッテリ（１０）およびモータジェネレータ（３０）の間で電力変換を実行する。外部充電用の充電器（２００）は、メインバッテリ（１０）および第１の電力線（１５７ｐ，１５７ｇ）の間で双方向の電力変換を実行するＤＣ／ＤＣ変換部（２１０）を有する。第１の電力線（１５７ｐ，１５７ｇ）は、電力制御ユニット（２０）内の第２の電力線（１５４ｐ，１５４ｇ）と電気的に接続される。制御装置（８０）は、車両走行時において、メインバッテリ（１０）およびモータジェネレータ（３０）の間での入出力電力に応じて、メインバッテリ（１０）の出力電圧を直流電圧変換して第１の電力線（１５７ｐ，１５７ｇ）へ出力するようにＤＣ／ＤＣ変換部（２１０）を動作させる。

Description

電動車両の電源システム

　この発明は、電動車両の電源システムに関し、より特定的には、車両外部の電源によって車載蓄電装置を搭載する構成を有した電動車両の電源システムに関する。

　近年、環境に配慮した自動車として、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車などの電動車両が注目されている。これらの電動車両は、車両駆動力を発生する電動機と、その電動機に供給される電力を蓄える蓄電装置とを搭載する。ハイブリッド車は、電動機とともに内燃機関をさらに動力源として搭載した車両であり、燃料電池車は車両駆動用の直流電源として燃料電池を搭載した車両である。

　このような電動車両において、車載蓄電装置を、車両外部の電源（以下、「外部電源」とも称する）、代表的には一般家庭の電源から充電可能とした構成が知られている。たとえば、家屋に設けられた電源コンセントと車両の充電インレットとを充電ケーブルで接続することにより、一般家庭の電源によって蓄電装置を充電することができる。以下では、外部電源による車載蓄電装置の充電を、単に「外部充電」とも称する。

　特許文献１（特開２００９－２２５５８７号公報）には、外部電源によって充電可能な蓄電装置を搭載した電動車両において、外部充電時に充電効率向上および補機負荷系の動作確保を両立するための電源システムの構成が記載されている。

特開２００９－２２５５８７号公報

　外部充電可能な電源車両において、基本的には、車両走行時には充電器を含む外部充電系は停止される。そして、走行系の電力制御ユニット（ＰＣＵ）が、外部充電によって蓄積された電力を用いて、車両駆動力発生用のモータジェネレータの駆動制御を実行する。

　このような構成では、電動車両の車両走行時の出力パワーを拡大する場合には、電力制御ユニット（ＰＣＵ）の定格電力（定格電流）を増大させる必要があるが、定格が大きくなると、機器の大型化や高コスト化を招いてしまう。

　さらに、電力制御ユニットを構成する電力変換器（コンバータおよび／またはインバータ）の構成部品（代表的には、電力用半導体スイッチング素子）が電流通過に応じて発熱すると、機器保護のために、定格内であっても出力パワーが制限される虞がある。このような場合に、加速性能等の運転性を改善するために、出力パワーの確保が課題になる。

　この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、外部充電可能な構成を有する電動車両において、電力変換器の大型化や高コスト化を回避して、車両走行時の出力パワーを向上することである。

　この発明のある局面では、車両駆動用の電動機を搭載した電動車両の電源システムであって、電動機に供給する電力を蓄積するための蓄電装置と、電力制御ユニットと、受電ノードと、受電ノードに受けた電力を蓄電装置の充電電力に変換するための充電器と、電力線と、充電器の動作を制御するための制御部とを含む。電力制御ユニットは、蓄電装置および電動機の間に接続されて、電動車両の走行時に電動機を駆動制御するように蓄電装置および電動機の間で双方向の電力変換を行うように構成される。受電ノードは、電動車両の外部の電源からの電力を受けるために設けられる。充電器は、第１の電力変換回路を含む。第１の電力変換回路は、受電ノードおよび蓄電装置の間の電流経路上の第１のノードと蓄電装置との間で双方向の直流電圧変換を実行するように構成される。電力線は、電力制御ユニット内の蓄電装置および電動機の間の電流経路上の直流電流が流れる第２のノードと、第１のノードとの間を電気的に接続する。制御部は、電動車両の走行時において、蓄電装置および電動機の間での入出力電力に応じて、蓄電装置からの出力電圧を直流電圧変換して第１のノードへ出力するように第１の電力変換回路を動作させる。

　好ましくは、充電器は、第２の電力変換器をさらに含む。第２の電力変換回路は、第１のノードと受電ノードとの間に接続されて、電源からの電力による蓄電装置の充電時に、電源からの電力を変換して第１のノードに出力するように構成される。制御部は、電動車両の走行時には、蓄電装置の充放電電力に関わらず第２の電力変換器を停止させる。

　また好ましくは、制御部は、電動車両の走行時において、入出力電力の指令値が判定値よりも低いときには第１の電力変換回路を停止させる一方で、判定値よりも高いときには第１の電力変換回路を動作させる。

　さらに好ましくは、判定値は、電力制御ユニットが現在の状態において電力変換可能な電力の最大値に対応して設定される。

　あるいは好ましくは、制御部は、電動車両の走行時において、電力制御ユニットの状態に応じた電力制御ユニットの出力制限中には、蓄電装置からの出力電圧を直流電圧変換して第１のノードへ出力するように第１の電力変換回路を動作させる。

　好ましくは、電力制御ユニットは、蓄電装置および第１のノードの間で双方向の直流電圧変換を実行するように構成されたコンバータと、第１のノードおよび電動機の間で直流／交流電力変換を実行するためのインバータとを含む。

　この発明によれば、外部充電可能な構成を有する電動車両において、電力変換器の大型化や高コスト化を回避して、車両走行時の出力パワーを向上することができる。

本発明の実施の形態による電動車両の電源システムの構成を説明する概略構成図である。図１に示した充電器の構成例を説明するための回路図である。車両走行時および外部充電時における電動車両の電源システムの動作を説明するための図表である。本発明の実施の形態による電源システムにおける車両走行時の制御処理を説明するフローチャートである。アシスト制御起動の判定値を設定する制御処理を説明するフローチャートである。通常の車両走行およびアシスト時の出力パワーを比較する概念図である。

　以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則的に繰返さないものとする。

　図１は、本発明の実施の形態による電動車両の電源システムの構成を説明する概略構成図である。

　図１を参照して、電動車両１００は、メインバッテリ１０と、電力制御ユニット（ＰＣＵ：Power　Control　Unit）２０と、モータジェネレータ３０と、動力伝達ギア４０と、駆動輪５０と、制動機構５５と、ＥＣＵ（Electronic　Control　Unit）８０とを備える。

　メインバッテリ１０は、「蓄電装置」の一例として示され、代表的にはリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池により構成される。たとえば、メインバッテリ１０の出力電圧は２００Ｖ程度である。なお、電気二重層キャパシタによって、あるいは二次電池とキャパシタとの組合せによって、蓄電装置を構成してもよい。

　ＰＣＵ２０は、メインバッテリ１０の充放電電力を、モータジェネレータ３０を駆動制御するための電力に変換する。たとえば、モータジェネレータ３０は、永久磁石型の三相同期電動機で構成される。

　ＰＣＵ２０は、コンバータＣＮＶと、平滑コンデンサＣＨと、インバータ２６とを含む。コンバータＣＮＶは、電力線１５３ｐ，１５３ｇ間の直流電圧ＶＬと、電力線１５４ｐ、１５４ｇ間の直流電圧ＶＨとの間で直流電圧変換を行うように構成される。

　電力線１５３ｐ，１５３ｇは、システムメインリレーＳＭＲ１およびＳＭＲ２をそれぞれ介して、メインバッテリ１０の正極端子および負極端子とそれぞれ電気的に接続される。平滑コンデンサＣＨは、電力線１５４ｐ，１５４ｇに接続されて直流電圧を平滑する。同様に平滑コンデンサＣ０は電力線１５３ｐ，１５３ｇに接続されて、直流電圧ＶＬを平滑する。

　コンバータＣＮＶは、図１に示すように、電力用半導体スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂと、リアクトルＬ０と平滑コンデンサＣ０とを含む、非絶縁型のチョッパ回路として構成される。このため、図１の例では、電力線１５３ｇおよび１５４ｇは電気的に接続される。

　本実施の形態では、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する）としては、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）を例示する。ただし、電力用ＭＯＳ（Metal　Oxide　Semiconductor）トランジスタ、あるいは、電力用バイポーラトランジスタ等、オンオフが制御可能な任意の素子を、スイッチング素子として用いることが可能である。

　スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂにはそれぞれ逆並列ダイオードが接続されている。コンバータＣＮＶは、電力線１５３ｐおよび電力線１５４ｐの間で双方向の電圧変換を実行できる。あるいは、上アーム素子であるスイッチング素子Ｑａをオンに固定する一方で下アーム素子であるスイッチング素子Ｑｂをオフに固定して、電力線１５４ｐおよび１５３ｐの電圧を同一（ＶＨ＝ＶＬ）とするように、コンバータＣＮＶを動作させることもできる。

　インバータ２６は、一般的な三相インバータであるので、詳細な回路構成については図示を省略する。たとえば、各相に上アーム素子および下アーム素子を配置するとともに、各相での上下アーム素子の接続点がモータジェネレータ３０の対応相の固定子コイル巻線と接続されるように、インバータ２６は構成される。

　モータジェネレータ３０の出力トルクは、減速機や動力分割機構によって構成される動力伝達ギア４０を介して駆動輪５０に伝達されて電動車両１００を走行させる。モータジェネレータ３０は、電動車両１００の回生制動時には、駆動輪５０の回転力によって発電することができる。そしてその発電電力は、ＰＣＵ２０によってメインバッテリ１０の充電電力に変換される。

　制動機構５５は、車輪に対して機械的な制動力を発生する。制動機構５５は、代表的には、油圧の供給に応じて摩擦制動力を発生する油圧ブレーキによって構成される。電動車両１００のブレーキペダル操作時には、制動機構５５による機械制動力と、モータジェネレータ３０による回生制動力との和によって、ブレーキペダル操作に対応した全体制動力が確保される。

　なお、モータジェネレータ３０の他にエンジン（図示せず）が搭載されたハイブリッド自動車では、このエンジンおよびモータジェネレータ３０を協調的に動作させることによって、必要な電動車両１００の車両駆動力が発生される。この際には、エンジンの回転による発電電力を用いて、メインバッテリ１０を充電することも可能である。

　電動車両１００は、車両駆動力発生用の電動機を搭載する車両を示すものであり、エンジンおよび電動機により車両駆動力を発生するハイブリッド自動車、エンジンを搭載しない電気自動車、燃料電池車等を含む。

　電動車両１００の走行時には、インバータ２６は、各スイッチング素子がＥＣＵ８０によってオンオフ制御されることによって、電力線１５４ｐの直流電圧を三相交流電圧に変換してモータジェネレータ３０へ供給する。あるいは、電動車両１００の回生制動動作時には、インバータ２６は、モータジェネレータ３０からの交流電圧を直流電圧に変換して、電力線１５４ｐへ出力するように、各スイッチング素子がＥＣＵ８０によってオンオフ制御される。

　ＥＣＵ８０は、図示しないＣＰＵ（Central　Processing　Unit）およびメモリを内蔵した電子制御ユニットにより構成され、当該メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、各センサによる検出値を用いた演算処理を行なうように構成される。あるいは、ＥＣＵ８０の少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。ＥＣＵ８０は、電動車両１００の車両走行時および外部充電時における制御機能を有するブロックとして包括的に表記される。

　さらに、電動車両１００の電源システムは、メインバッテリ１０の外部充電系の構成として、充電インレット１０５と、ＡＣコンセント１２０と、ＬＣフィルタ１３０と、充電器２００と、リレーＲＬ１，ＲＬ２とを含む。

　さらに、外部充電系と走行系との間を電気的に接続するための電力線１５５が設けられる。電力線１５５は、電力線１５４ｐ，１５４ｇおよび電力線１５７ｐ，１５７ｇの間に電気的に接続される。すなわち、電力線１５７ｐ，１５７ｇは「第１のノード」に対応し、電力線１５４ｐ，１５４ｇは「第２のノード」に対応する。

　充電インレット１０５は、外部電源４００と接続された状態である充電ケーブルの充電プラグ４１０と接続されることによって、外部電源４００と電気的に接続される。なお、充電ケーブルには、外部電源４００の充電経路を遮断するためのリレー４０５が内蔵されている。一般的には、外部電源４００は商用交流電源で構成される。充電インレット１０５は、「受電ノード」に対応する。

　なお、図１に示す構成に代えて、外部電源４００と電動車両１００とを非接触のまま電磁的に結合して電力を供給する構成、具体的には外部電源側に一次コイルを設けるとともに、車両側に二次コイルを設け、一次コイルと二次コイルとの間の相互インダクタンスを利用して、外部電源４００から電動車両１００へ電力を供給してもよい。このような外部充電を行なう場合でも、外部電源４００からの供給電力を受けるための「受電ノード」以降の構成は共通化できる。

　電力線１５１は、充電インレット１０５および充電器２００の間を電気的に接続する。ＬＣフィルタ１３０は、電力線１５１に介挿接続されて、交流電圧の高調波成分を除去する。

　充電器２００は、電力線１５１に伝達された、外部電源４００からの交流電圧を、メインバッテリ１０を充電するための直流電圧に変換する。変換された直流電圧は、電力線１５２ｐ，１５２ｇの間へ出力される。

　充電器２００は、ＤＣ／ＤＣ変換部２１０およびＡＣ／ＤＣ変換部２２０を有する。ＡＣ／ＤＣ変換部２２０は、電力線１５１の交流電力を直流電力に変換して、電力線１５７ｐ，１５７ｇへ出力する。ＤＣ／ＤＣ変換部２１０は、電力線１５７ｐ，１５７ｇの直流電圧を、メインバッテリ１０の充電に適した電圧レベルに変換して電力線１５２ｐ，１５２ｇへ出力する。

　リレーＲＬ１は、電力線１５２ｐおよびメインバッテリ１０の正極の間に電気的に接続される。リレーＲＬ２は、電力線１５２ｇおよびメインバッテリ１０の負極の間に電気的に接続される。

　リレーＲＬ１，ＲＬ２およびシステムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２の各々は、代表的には、図示しない励磁回路による励磁電流の供給時に閉成（オン）する一方で、励磁電流の非供給時には開放（オフ）される電磁リレーにより構成される。但し、通電経路の接続（オン）／遮断（オフ）を制御可能な開閉器であれば、任意の回路要素を当該リレーもしくはシステムメインリレーとして使用することができる。

　ＥＣＵ８０は、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２およびリレーＲＬ１，ＲＬ２のオンオフを制御するための、制御指令ＳＭ１，ＳＭ２，ＳＲ１，ＳＲ２を生成する。制御指令ＳＭ１，ＳＭ２およびＳＲ１，ＳＲ２の各々に応答して、対応するシステムメインリレーまたはリレーの励磁電流が発生される。

　ＡＣコンセント１２０は、電力線１５１と接続される。たとえば。ＡＣコンセント１２０は、図示しない操作スイッチのオン時に、電力線１５１と電気的に接続される。これにより、ＡＣコンセント１２０に接続された電気機器（図示せず）は、電力線１５１上の交流電力によって作動できる。

　充電ケーブルの接続時には、外部電源４００からの電力によって、ＡＣコンセント１２０から交流電力を供給することができる。また、充電器２００（ＡＣ／ＤＣ変換部２２０およびＤＣ／ＤＣ変換部２１０）を双方向の電力変換器によって構成することにより、充電ケーブルの非接続時にも、メインバッテリ１０からの電力を交流電力に変換して、ＡＣコンセント１２０から供給することも可能である。

　図２は、図１の充電器２００の構成例を説明するための回路図である。
　図２を参照して、充電器２００は、ＤＣ／ＤＣ変換部２１０と、ＡＣ／ＤＣ変換部２２０と、平滑リアクトルＬ１および平滑コンデンサＣ１，Ｃ２とを含む。

　ＡＣ／ＤＣ変換部２２０は、スイッチング素子Ｑ９～Ｑ１２を含む。スイッチング素子Ｑ９～Ｑ１２に対しては、逆並列ダイオードＤ９～Ｄ１２がそれぞれ配置されている。

　スイッチング素子Ｑ９～Ｑ１２は、電力線１５１と電力線１５７ｐ，１５７ｇとの間に、フルブリッジ回路（以下、第１のフルブリッジ回路とも称する）を構成する。スイッチング素子Ｑ９～Ｑ１２のオンオフは、ＥＣＵ８０（図１）からの制御信号ＣＳ２に応答して制御される。

　ＤＣ／ＤＣ変換部２１０は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４およびＱ５～Ｑ８と、絶縁トランス２３０とを含む。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８には、それぞれ逆並列ダイオードＤ１～Ｄ８が接続されている。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ８のオンオフは、ＥＣＵ８０からの制御信号ＣＳ１に応答して制御される。

　スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４は、電力線１５７ｐ，１５７ｇと電力線１５８との間にフルブリッジ回路（以下、第２のフルブリッジ回路とも称する）を構成する。スイッチング素子Ｑ５～Ｑ８は、電力線１５９と電力線１５２ｐ，１５２ｇとの間にフルブリッジ回路（以下、第３のフルブリッジ回路とも称する）を構成する。

　ＡＣ／ＤＣ変換部２２０およびＤＣ／ＤＣ変換部２１０の各フルブリッジ回路は、周知のように、スイッチング素子のオンオフ制御によって、双方向のＡＣ／ＤＣ電力変換を実行することができる。また、オンオフ制御におけるスイッチング素子のデューティ比制御によって、直流電圧（電流）あるいは交流電圧（電流）のレベルについても制御可能であることが知られている。

　絶縁トランス２３０は、電力線１５８が接続された一次側と、電力線１５９が接続された二次側とを有する。周知のように、絶縁トランス２３０は、一次側および二次側を電気的に絶縁した上で交流電圧を巻数に応じて変換するように構成されている。

　平滑コンデンサＣ２は、電力線１５７ｐ，１５７ｇの直流電圧を平滑する。平滑コンデンサＣ１および平滑リアクトルＬ１は、電力線１５２ｐ，１５２ｇの直流電圧および直流電流を平滑する。

　次に、充電器２００の動作についてさらに詳細に説明する。充電器２００は、外部充電時には、以下の電力変換を行う。

　外部充電時には、ＥＣＵ８０は、リレーＲＬ１，ＲＬ２をオンする。また、外部充電の許可条件が整うと、充電ケーブル内のリレー４０５（図１）がオンされる。これにより、電力線１５１には、外部電源４００からの交流電圧が供給される。

　ＡＣ／ＤＣ変換部２２０の第１のフルブリッジ回路（Ｑ９～Ｑ１２）は、電力線１５１上の交流電圧を直流電圧に変換して、電力線１５７ｐ，１５７ｇに出力する。ＡＣ／ＤＣ変換部２２０は、「第２の電力変換回路」に対応する。

　この際に、ＡＣ／ＤＣ変換部２２０は、外部電源４００からの供給電力の力率を改善するように、ＡＣ／ＤＣ変換を制御する。すなわち、ＡＣ／ＤＣ変換部２２０は、外部充電時には、ＰＦＣ（Power　Factor　Correction）回路としても動作することが好ましい。一般的には、外部充電時における電力線１５７ｐ，１５７ｇの電圧は、ＡＣ／ＤＣ変換部２２０によって、外部電源４００からの交流電圧振幅よりも高い直流電圧に制御される。

　ＤＣ／ＤＣ変換部２１０において、第２のフルブリッジ回路（Ｑ１～Ｑ４）は、電力線１５７ｐ，１５７ｇの直流電圧を、高周波交流電圧に変換して、電力線１５８に出力する。電力線１５８に出力された高周波交流電圧は、絶縁トランス２３０の一次側および二次側の巻数比に従って変圧されて、電力線１５９に出力される。

　第３のフルブリッジ回路（Ｑ５～Ｑ８）は、電力線１５９に出力された高周波交流電圧を直流電圧に変換して、電力線１５２ｐ，１５２ｇに出力する。第２および第３のフルブリッジ回路を構成するスイッチング素子Ｑ１～Ｑ８のオンオフ制御によって、電力線１５２ｐ，１５２ｇの直流電圧は制御される。リレーＲＬ１，ＲＬ２がオンされているので、電力線１５２ｐ，１５２ｇの直流電圧によって、メインバッテリ１０が充電される。

　充電器２００は、出力電圧および／または出力電流のフィードバック制御により、外部充電時の充電指令に従って、メインバッテリ１０を充電するための直流電力を出力する。当該充電指令は、メインバッテリ１０の状態、たとえば、ＳＯＣ（State　Of　Charge）や温度に応じて設定される。そして、ＥＣＵ８０は、外部充電が終了すると、リレーＲＬ１，ＲＬ２をオフする。

　充電器２００のうち、少なくともＤＣ／ＤＣ変換部２１０は、双方向の電力変換を実行する。具体的には、リレーＲＬ１，ＲＬ２のオンによって電力線１５２ｐ，１５２ｇに伝達されたメインバッテリ１０の出力電圧が、第３のフルブリッジ回路（Ｑ５～Ｑ８）によって、高周波交流電圧に変換されて、電力線１５９に出力される。そして、絶縁トランス２３０によって電力線１５９から電力線１５８へ伝達された高周波交流電圧は、第２のフルブリッジ回路（Ｑ１～Ｑ４）によって直流電圧に変換されて、電力線１５７ｐ，１５７ｇに出力される。

　すなわち、ＤＣ／ＤＣ変換部２１０は、外部充電時以外にも動作して、メインバッテリ１０の出力電圧を変換した直流電圧を電力線１５７ｐ，１５７ｇに出力することができる。この直流電圧は、電力線１５５（図１）を介して、走行系の電力線１５４ｐ，１５４ｇに伝達される。ＤＣ／ＤＣ変換部２１０は、「第１の電力変換回路」に対応する。

　さらに、ＡＣ／ＤＣ変換部２２０についても双方向の電力変換を実行する場合には、ＡＣ／ＤＣ変換部２２０の第１のフルブリッジ回路（Ｑ９～Ｑ１２）は、電力線１５７ｐ，１５７ｇ上の直流電圧を交流電圧に変換して、電力線１５１に出力する。これにより、発電モードでは、充電ケーブルによって外部電源４００が電動車両１００に接続されていなくても、メインバッテリ１０の電力を用いてＡＣコンセント１２０から交流電力を出力することができる。なお、ＡＣコンセント１２０が配置されない電動車両では、ＡＣ／ＤＣ変換部２２０は、外部電源４００からの交流電力を直流電力へ変換する機能のみを有すれば足りるので、ＤＣ／ＤＣ変換部２１０のみを双方向の電力変換可能に構成すればよい。

　図１および図３を参照して、車両走行時および外部充電時の各々における電源システムの動作を説明する。

　外部充電時には、リレーＲＬ１，ＲＬ２がオンされるとともに、充電器２００がオンされる。充電器２００は、外部電源４００からの交流電力をメインバッテリ１０を充電するための直流電力に変換する。充電器２００からの直流電力は、オン状態のリレーＲＬ１，ＲＬ２を経由してメインバッテリ１０を充電する。一方で、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２およびＰＣＵ２０はオフされる。これにより、走行系の回路が停止した状態で、メインバッテリ１０が外部充電される。

　車両走行時には、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２がオンされるとともに、ＰＣＵ２０がオンされる。これにより、車両走行時には、メインバッテリ１０からの出力電圧が、オン状態のシステムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２を経由して電力線１５３ｐ，１５３ｇに伝達される。この結果、メインバッテリ１０と電気的に接続された電力線１５３ｐ，１５３ｇの電力が、ＰＣＵ２０によってモータジェネレータ３０を駆動制御するための電力に変換される。一方で、車両走行時には、通常、リレーＲＬ１，ＲＬ２および充電器２００はオフされる。通常の車両走行時には、外部充電系の回路が停止した状態で、メインバッテリ１０およびモータジェネレータ３０の間での電力変換を伴って、モータジェネレータ３０が駆動される。

　車両走行時において、メインバッテリ１０から入出力される電源システムの出力パワーは、ＰＣＵ２０による電力変換を伴って得られる。したがって、ＰＣＵ２０の定格（電力・電流）は、出力パワー定格をカバーするように設計される。一方で、パワー定格の拡大に従って、ＰＣＵ２０のコストおよび体格が増大する。

　本実施による電動車両の電源システムでは、ＤＣ／ＤＣ変換部２１０を双方向の電力変換可能に構成するとともに、電力線１５５を配置している。このため、車両走行時においても、ＤＣ／ＤＣ変換部２１０を動作させることにより、メインバッテリ１０からの電力を変換して電力線１５４ｐ，１５４ｇへ出力することができる。すなわち、車両走行時において、コンバータＣＮＶのからの電力に加えて、ＤＣ／ＤＣ変換部２１０からの電力を、電力線１５７ｐ，１５７ｇに出力することができる。

　したがって、高出力時にはＤＣ／ＤＣ変換部２１０によってコンバータＣＮＶをアシストすることを前提としてシステムを設計することにより、コンバータＣＮＶのみで出力パワーを確保する従来の構成と比較して、コンバータＣＮＶの定格を抑制できる。この結果、コンバータＣＮＶの小型化、低コスト化を図ることができる。

　さらに、コンバータＣＮＶの構成部品（たとえば、スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂ）の発熱によって、コンバータＣＮＶの出力（電力または電流）が制限される場合がある。たとえば、コンバータＣＮＶの通過電流の履歴や、コンバータＣＮＶの温度検出値に基づいて、コンバータＣＮＶの出力制限の要否が判断される。このような出力制限中にも、ＤＣ／ＤＣ変換部２１０によるアシストによって、車両走行時における出力パワーを増加することができる。

　したがって、図３に示されるように、外部充電系によって車両走行時の出力パワーをアシストする制御（以下、「アシスト制御」とも称する）を実行する場合には、リレーＲＬ１，ＲＬ２がオンされるとともに、充電器２００のうち少なくともＤＣ／ＤＣ変換部２１０がオンされる。一方で、ＡＣ／ＤＣ変換部２２０は、アシスト制御時には電力変換の必要がないので停止を維持する。

　図４は、本発明の実施の形態による電源システムにおける車両走行時の制御処理を説明するフローチャートである。図４に示すフローチャートは、ＥＣＵ８０によって所定周期で実行される。図４に示すフローチャート中の各ステップは、ＥＣＵ８０によるソフトウェアおよび／またはハードウェア処理によって実現されるものとする。

　図４を参照して、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１００では、アシスト制御を起動可能な条件が成立しているかどうかを判定する。たとえば、Ｓ１００では、外部充電系の回路、具体的には、ＤＣ／ＤＣ変換部２１０およびリレーＲＬ１，ＲＬ２等のアシスト制御時にオンする回路に異常が発生していないことが確認される。

　ＥＣＵ８０、必要な回路に異常が発生しているとき（Ｓ１００のＮＯ判定時）には、アシスト制御のためのステップＳ１１０～Ｓ１３０をスキップする。

　ＥＣＵ８０は、アシスト制御時にオンする回路が正常である場合（Ｓ１００のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ１１０に処理を進めて、電源システムの電力指令値Ｐｒを判定値Ｐαと比較する。図１の構成例では、電力指令値Ｐｒは、メインバッテリ１０およびモータジェネレータ３０の間で入出力される電力の指令値に相当する。なお、電力指令値Ｐｒは、別途、メインバッテリ１０のＳＯＣあるいは温度に応じて設定される充放電可能な電力範囲内となるように設定されている。

　たとえば、電動車両１００の走行状態（アクセル開度、車速等）に基づいて求められる車両全体での要求パワーに対する、電源システムの出力パワーの配分に従って電力指令値Ｐｒが設定される。一例として、ハイブリッド車では、燃費を考慮したエンジンおよびモータジェネレータ３０の間のパワー配分に従って、メインバッテリ１０から入出力される電力指令値Ｐｒが設定される。あるいは、電気自動車等のモータジェネレータ３０のみが車両駆動力源である構成では、要求パワーに従って電力指令値Ｐｒが設定される。

　図５には、アシスト制御の起動要否の判定値Ｐαを設定する制御処理を説明するためのフローチャートが示される。

　図５を参照して、ＥＣＵ８０は、ステップＳ１１２により、コンバータＣＮＶが現在の状態に応じて出力制限中であるかどうかを判断する。たとえば、コンバータＣＮＶの通過電流の履歴や、実際の温度検出値に基づいて、コンバータＣＮＶの出力が制限されている期間中には、ステップＳ１１２がＹＥＳ判定とされる。

　ＥＣＵ８０は、コンバータＣＮＶの出力制限が発生していないとき（Ｓ１１２のＮＯ判定時）には、ステップＳ１１４により、コンバータＣＮＶの定格能力に従って判定値Ｐαを設定する（Ｐα＝α１）。

　一方、ＥＣＵ８０は、コンバータＣＮＶの出力制限中（Ｓ１１２のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ１１６により、制限下での電力上限値または電流上限値に従って、判定値Ｐαを設定する。このときの判定値Ｐαは、出力制限非発生時のＰα（α１）よりも低い。あるいは、出力制限中には、アシスト制御が常時オンされるように判定値Ｐαを低く設定してもよい。このようにして、コンバータＣＮＶが現在の状態で電力変換可能な電力の最大値に対応するように、判定値Ｐαが設定される。

　再び図４を参照して、ＥＣＵ８０は、Ｐｒ＜Ｐαのとき（Ｓ１１０のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ１２０により、アシスト制御をオフして通常の車両走行を行う。この場合には、充電器２００およびリレーＲＬ１，ＲＬ２がオフされて、コンバータＣＮＶの出力のみで電源システムの出力パワーが確保される。

　これに対して、ＥＣＵ８０は、Ｐｒ＞Ｐαのとき（Ｓ１１０のＮＯ判定時）には、ステップＳ１３０により、アシスト制御をオンする。すなわち、充電器２００のうちのＤＣ／ＤＣ変換部２１０を作動させるとともに、リレーＲＬ１，ＲＬ２をオンする。これにより、並列に動作するコンバータＣＮＶおよびＤＣ／ＤＣ変換部２１０の両方の出力によって、電源システムの出力パワーが確保される。すなわち、車両走行時に、コンバータＣＮＶの出力電力よりも高い電力を、メインバッテリ１０およびモータジェネレータ３０の間で入出力できる。すなわち、コンバータＣＮＶの出力電力よりも高い電力が、電源システムから出力できる。

　図６を参照して、コンバータＣＮＶに出力制限が生じていない正常時には、アシスト制御オフ時における出力パワーをα１とすると、アシスト制御をオンすることによって、出力パワーをα１＋βへ拡大できる。α１は、コンバータＣＮＶの正常時の出力定格に相当し、βはＤＣ／ＤＣ変換部２１０の出力定格に相当する。

　また、コンバータＣＮＶに出力制限が生じている場合には、コンバータＣＮＶの出力最大値がα２に抑制されても、アシスト制御をオンすることによって、メインバッテリ１０およびモータジェネレータ３０の間で入出力できる電力を、ＤＣ／ＤＣ変換部２１０の出力定格分増加できる。これにより、電源システムの出力パワーをα２＋βまで拡大することができる。

　このように、本実施の形態による電源システムでは、アシスト制御によって、コンバータＣＮＶが出力可能な最大パワーよりも、車両走行時における出力パワーを増やすことができる。したがって、ＰＣＵ２０（電力変換器）の定格増大による大型化やコスト増加を招くことなく、車両走行時の出力パワーを高めることが可能になる。特に、機器状態等によってＰＣＵ２０に出力制限が生じている場合にも、車両走行のための出力パワーを確保することが可能となる。

　なお、図１および図２に示した、ＰＣＵ２０を含む以降の走行系の回路構成、および、充電器２００の構成は一例であって、このような回路構成以外にも本発明を適用可能であることを確認的に記載する。すなわち、走行系の回路の中間点（メインバッテリ１０からモータジェネレータ３０までの経路上のノード）に対して、充電器２００の少なくとも一部の回路によって変換されたメインバッテリ１０からの電力を供給可能な構成となっている限り、車両走行時に本実施の形態で説明したアシスト制御を適用することが可能である。また、モータジェネレータ３０については、直流電動機であっても構わない。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１０　メインバッテリ、２６　インバータ、３０　モータジェネレータ、４０　動力伝達ギア、５０　駆動輪、５５　制動機構、１００　電動車両、１０５　充電インレット、１２０　コンセント、１３０　フィルタ、１５１，１５２ｇ，１５２ｐ，１５３ｇ，１５３ｐ，１５３ｐ，１５４ｇ，１５４ｐ，１５５，１５７ｇ，１５７ｐ，１５８，１５９　電力線、２００　充電器、２１０　ＤＣ／ＤＣ変換部、２２０　ＡＣ／ＤＣ変換部、２３０　絶縁トランス、４００　外部電源、４０５　リレー（充電ケーブル）、４１０　充電プラグ、Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，ＣＨ　コンデンサ、ＣＮＶ　コンバータ、ＣＳ１，ＣＳ２　制御信号、Ｄ１～～Ｄ１２　逆並列ダイオード、Ｌ０　リアクトル（チョッパ）、Ｌ１　平滑リアクトル、Ｐα　判定値（アシスト制御）、Ｐｒ　電力指令値、Ｑ１～Ｑ１２，Ｑａ，Ｑｂ　電力用半導体スイッチング素子、ＲＬ１，ＲＬ２　リレー（外部充電）、ＳＭ１，ＳＭ２，ＳＲ１，ＳＲ２　制御指令、ＳＭＲ１，ＳＭＲ１，ＳＭＲ２　システムメインリレー、ＶＨ，ＶＬ　直流電圧。

Claims

　車両駆動用の電動機（３０）を搭載した電動車両の電源システムであって、
　前記電動機に供給する電力を蓄積するための蓄電装置（１０）と、
　前記蓄電装置および前記電動機の間に接続されて、前記電動車両の走行時に前記電動機を駆動制御するように前記蓄電装置および前記電動機の間で双方向の電力変換を行うための電力制御ユニット（２０）と、
　前記電動車両の外部の電源からの電力を受けるための受電ノード（１０５）と、
　前記受電ノードに受けた電力を前記蓄電装置の充電電力に変換するための充電器（２００）とを備え、
　前記充電器は、
　前記受電ノードおよび前記蓄電装置の間の電流経路上の第１のノード（１５７ｐ，１５７ｇ）と前記蓄電装置との間で双方向の直流電圧変換を実行するための第１の電力変換回路（２１０）を含み、
　前記電力制御ユニット内の前記蓄電装置および前記電動機の間の電流経路上の第２のノード（１５４ｐ，１５４ｇ）と、前記第１のノードとの間を電気的に接続するための電力線（１５５）と、
　前記充電器の動作を制御するための制御部（８０）とをさらに備え、
　前記制御部は、前記電動車両の走行時において、前記蓄電装置および前記電動機の間での入出力電力に応じて、前記蓄電装置からの出力電圧を直流電圧変換して前記第１のノードへ出力するように前記第１の電力変換回路を動作させる、電動車両の電源システム。
　前記充電器（２００）は、
　前記第１のノードと前記受電ノードとの間に接続されて、前記電源からの電力による前記蓄電装置の充電時に、前記電源からの電力を変換して前記第１のノードに出力するように構成された第２の電力変換回路（２２０）をさらに含み、
　前記制御部（８０）は、前記電動車両の走行時には、前記蓄電装置の充放電電力に関わらず前記第２の電力変換回路を停止させる、請求項１記載の電動車両の電源システム。
　前記制御部は、前記電動車両の走行時において、前記入出力電力の指令値（Ｐｒ）が判定値よりも低いときには前記第１の電力変換回路を停止させる一方で、前記指令値が判定値よりも高いときには前記第１の電力変換回路を動作させる、請求項１または２記載の電動車両の電源システム。
　前記判定値は、前記電力制御ユニットが現在の状態において電力変換可能な電力の最大値に対応して設定される、請求項３記載の電動車両の電源システム。
　前記制御部は、前記電動車両の走行時において、前記電力制御ユニットの状態に応じた前記電力制御ユニットの出力制限中には、前記蓄電装置からの出力電圧を直流電圧変換して前記第１のノードへ出力するように前記第１の電力変換回路を動作させる、請求項１または２記載の電動車両の電源システム。
　前記電力制御ユニット（２０）は、
　前記蓄電装置および前記第１のノードの間で双方向の直流電圧変換を実行するように構成されたコンバータ（ＣＮＶ）と、
　前記第１のノードおよび前記電動機の間で直流／交流電力変換を実行するためのインバータ（ＩＮＶ）とを含む、請求項１または２記載の電動車両の電源システム。