車両用電源システムおよび車両
【課題】 車両搭載用として適し、小型化が図られた車両用電源システムおよびそれを搭載する車両を提供する。
【解決手段】 車両用電源システム１４０は、二次電池であるバッテリＢと、二次電池の電圧を第１の接続ノードに受け第２の接続ノードから二次電池の端子間電圧を昇圧した電圧を出力する昇圧コンバータ１２と、昇圧コンバータ１２によって昇圧された電圧の車両負荷に対する接続および非接続の切替を行なうシステムメインリレーＳＭＲＰ，ＳＭＰＧと、二次電池、昇圧コンバータ１２およびシステムメインリレーＳＭＲＰ，ＳＭＰＧを収容する筐体とを備える。好ましくは、車両用電源システム１４０は、昇圧コンバータ１２の第２の接続ノードに一方端が接続されるキャパシタ２３をさらに備え、筐体は、キャパシタをさらに収容する。好ましくは、キャパシタ２３は、直列接続される複数の電気二重層コンデンサを含む。
【解決手段】 車両用電源システム１４０は、二次電池であるバッテリＢと、二次電池の電圧を第１の接続ノードに受け第２の接続ノードから二次電池の端子間電圧を昇圧した電圧を出力する昇圧コンバータ１２と、昇圧コンバータ１２によって昇圧された電圧の車両負荷に対する接続および非接続の切替を行なうシステムメインリレーＳＭＲＰ，ＳＭＰＧと、二次電池、昇圧コンバータ１２およびシステムメインリレーＳＭＲＰ，ＳＭＰＧを収容する筐体とを備える。好ましくは、車両用電源システム１４０は、昇圧コンバータ１２の第２の接続ノードに一方端が接続されるキャパシタ２３をさらに備え、筐体は、キャパシタをさらに収容する。好ましくは、キャパシタ２３は、直列接続される複数の電気二重層コンデンサを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両用電源システムおよびそれを備える車両に関し、特に高圧直流電源を含む車両用電源システムおよびそれを備える車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に配慮した自動車としてハイブリッド自動車、電気自動車および燃料電池自動車が大きな注目を浴びている。
【０００３】
ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加えて直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力を得るものである。このような自動車においては、直流電源を供給する電源システムを小型化するために、複数の部品を１つの筐体に収めることが行なわれている。
【０００４】
一方、特開２００２−７８２３０号公報（特許文献１）は、コンパクトで携帯に便利な携帯電源装置を開示している。この携帯電源装置は、太陽電池を備えた携帯用ハイブリッド電源システムにおいて、二次電池と電気二重層コンデンサとＤＣ−ＤＣコンバータとを一体化することにより小型化を図るものである。
【特許文献１】特開２００２−７８２３０号公報
【特許文献２】特開２００３−１６４０７５号公報
【特許文献３】特開２００５−７９０８０号公報
【特許文献４】特開２００５−６２９０８号公報
【特許文献５】特開平１０−２２４９８７号公報
【特許文献６】特開２００３−１４３７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特開２００２−７８２３０号公報（特許文献１）に開示された技術は、低電圧の携帯用ハイブリッド電源であるので、高電圧を利用する車両の電源電源システムの小型化を図るにはさらなる改善の余地がある。
【０００６】
車両用の電源装置においては、衝突時の安全を考慮すると、電源部分を１つの筐体に収めておくワンパック化は重要である。すなわち高圧電力貯蔵装置は、高圧部はワンパック化して衝突時には正負の高圧ケーブルがリレーで高圧部と切り離される構成としておく必要がある。
【０００７】
この発明の目的は、車両搭載用として適し、小型化が図られた車両用電源システムおよびそれを搭載する車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、要約すると、車両用電源システムであって、二次電池と、二次電池の電圧を第１の接続ノードに受け第２の接続ノードから二次電池の端子間電圧を昇圧した電圧を出力する電圧変換器と、電圧変換器によって昇圧された電圧の車両負荷に対する接続および非接続の切替を行なう接続部と、二次電池、電圧変換器および接続部を収容する筐体とを備える。
【０００９】
好ましくは、車両用電源システムは、電圧変換器の第２の接続ノードに一方端が接続されるキャパシタをさらに備える。筐体は、キャパシタをさらに収容する。
【００１０】
好ましくは、キャパシタは、直列接続される複数の電気二重層コンデンサを含む。
好ましくは、電圧変換器は、第１の接続ノードから第２の接続ノードに至る経路上において直列に接続されるリアクトルおよびスイッチング素子を含む。
【００１１】
好ましくは、車両用電源システムは、二次電池の端子間に接続される平滑コンデンサをさらに備える。筐体は、平滑コンデンサをさらに収容する。
【００１２】
好ましくは、車両用電源システムは、筐体に設けられ、車両負荷に電力供給するための第１の導電線が接続される第１の端子と、筐体に設けられ、第１のパワーケーブルの帰線である第２の導電線が接続される第２の端子とをさらに備える。接続部は、電圧変換器の第２のノードを第１の端子に接続する第１のリレー回路と、電圧変換器の接地ノードを第２の端子に接続する第２のリレー回路とを含む。
【００１３】
この発明の他の局面に従うと、車両であって、上記いずれかの車両用電源システムと、車両用電源システムから電力供給を受ける車両負荷と、車両用電源システムと車両負荷とを接続する電力ケーブルとを備える。
【００１４】
好ましくは、車両用電源システムは、運転席の前方空間および後方空間のいずれか一方に配置され、車両用負荷は、前方空間および後方空間のいずれか他方に配置され、電力ケーブルは、前方空間と後方空間の間に延在する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、小型で、かつ部品点数が削減された車両用電源システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１７】
ハイブリッド自動車は、エンジンを停止した状態でモータのみによって走行するＥＶ走行を行なう場合がある。ＥＶ走行時において急加速して追越しを行なう際には、バッテリは車輪駆動用モータを高速回転させるために出力パワーを増加させる必要があり、かつさらにそれでも加速が不足する場合にはエンジンを始動させてエンジントルクを車輪の回転トルクとしてさらに追加する場合がある。
【００１８】
図１は、キャパシタを車両に搭載することを検討した検討例を示す回路図である。
図１を参照して、車両１００は、電池ユニット４０と、パワーコントロールユニット２０と、エンジン４と、モータジェネレータＭ１，Ｍ２と、動力分配機構３と、車輪２と、制御装置３０とを含む。
【００１９】
動力分配機構３は、エンジン４とモータジェネレータＭ１，Ｍ２に結合されてこれらの間で動力を分配する機構である。たとえば動力分配機構としてはサンギヤ、プラネタリキャリヤ、リングギヤの３つの回転軸を有する遊星歯車機構を用いることができる。この３つの回転軸がエンジン４、モータジェネレータＭ１，Ｍ２の各回転軸にそれぞれ接続される。なおモータジェネレータＭ２の回転軸は車輪２に図示しない減速ギヤや作動ギヤによって結合されている。また動力分配機構３の内部にモータジェネレータＭ２の回転軸に対する減速機をさらに組み込んでもよい。
【００２０】
電池ユニット４０には端子４１，４２が設けられている。またパワーコントロールユニット２０には端子４３，４４が設けられている。車両１００は、さらに、端子４１と端子４３とを結ぶパワーケーブル６と、端子４２と端子４４とを結ぶパワーケーブル８とを含む。
【００２１】
電池ユニット４０は、バッテリＢと、バッテリＢの負極と端子４２との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ３と、バッテリＢの正極と端子４１との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ２と、システムメインリレーＳＭＲ２と、バッテリＢの正極と端子４１との間に直列に接続される、システムメインリレーＳＭＲ１および制限抵抗Ｒとを含む。システムメインリレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３は、制御装置３０から与えられる制御信号ＳＥに応じて導通／非導通状態が制御される。
【００２２】
電池ユニット４０は、さらに、バッテリＢの端子間の電圧ＶＢを測定する電圧センサ１０と、バッテリＢに流れる電流ＩＢを検知する電流センサ１１とを含む。
【００２３】
バッテリＢとしては、ニッケル水素、リチウムイオン等の二次電池や燃料電池などを用いることができる。
【００２４】
パワーコントロールユニット２０は、端子４３，４４間に接続される平滑用コンデンサＣ１と、平滑用コンデンサＣ１の両端間の電圧ＶＬを検知して制御装置３０に対して出力する電圧センサ２１と、平滑用コンデンサＣ１の端子間電圧を昇圧する昇圧コンバータ１２と、昇圧コンバータ１２によって昇圧された電圧を平滑化する平滑用コンデンサＣ２と、平滑用コンデンサＣ２の端子間電圧ＶＨを検知して制御装置３０に出力する電圧センサ１３と、昇圧コンバータ１２から与えられる直流電圧を三相交流に変換してモータジェネレータＭ１に出力するインバータ１４とを含む。
【００２５】
昇圧コンバータ１２は、一方端が端子４３に接続されるリアクトルＬ１と、電圧ＶＨを出力する昇圧コンバータ１２の出力端子間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。
【００２６】
リアクトルＬ１の他方端はＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタおよびＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタに接続される。ダイオードＤ１のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタと接続される。ダイオードＤ２のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタと接続される。
【００２７】
インバータ１４は、昇圧コンバータ１２から昇圧された電圧を受けてたとえばエンジン４を始動させるためにモータジェネレータＭ１を駆動する。また、インバータ１４は、エンジン４から伝達される動力によってモータジェネレータＭ１で発電された電力を昇圧コンバータ１２に戻す。このとき昇圧コンバータ１２は、降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。
【００２８】
インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とを含む。Ｕ相アーム１５，Ｖ相アーム１６，およびＷ相アーム１７は、昇圧コンバータ１２の出力ライン間に並列に接続される。
【００２９】
Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ３，Ｄ４とを含む。ダイオードＤ３のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続される。ダイオードＤ４のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続される。
【００３０】
Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ５，Ｄ６とを含む。ダイオードＤ５のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続される。ダイオードＤ６のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続される。
【００３１】
Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８と、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ７，Ｄ８とを含む。ダイオードＤ７のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ７のコレクタと接続され、ダイオードＤ７のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ７のエミッタと接続される。ダイオードＤ８のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ８のコレクタと接続され、ダイオードＤ８のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ８のエミッタと接続される。
【００３２】
各相アームの中間点は、モータジェネレータＭ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭ１は、三相の永久磁石同期モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々一方端が中点に共に接続されている。そして、Ｕ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の接続ノードに接続される。またＶ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の接続ノードに接続される。またＷ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の接続ノードに接続される。
【００３３】
電流センサ２４は、モータジェネレータＭ１に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ１として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ１を制御装置３０へ出力する。
【００３４】
パワーコントロールユニット２０は、さらに、昇圧コンバータ１２に対してインバータ１４と並列的に接続されるインバータ２２と、昇圧コンバータ１２の正負の出力ノードにそれぞれ接続されるシステムメインリレーＳＭＲ４，ＳＭＲ５と、昇圧コンバータ１２による昇圧後の電力を蓄積するキャパシタ２３とを含む。
【００３５】
インバータ２２は車輪２を駆動するモータジェネレータＭ２に対して昇圧コンバータ１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。またインバータ２２は、回生制動に伴い、モータジェネレータＭ２において発電された電力を昇圧コンバータ１２に戻す。このとき昇圧コンバータ１２は降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。インバータ２２の内部の構成は、図示しないがインバータ１４と同様であり、詳細な説明は繰返さない。
【００３６】
制御装置３０は、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２、電圧ＶＢ，ＶＨ、電流ＩＢの各値、モータ電流値ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２および起動信号ＩＧＯＮを受ける。そして制御装置３０は、昇圧コンバータ１２に対して昇圧指示を行なう制御信号ＰＷＵ，高圧指示を行なう制御信号ＰＷＤおよび動作禁止を指示する信号ＣＳＤＮを出力する。
【００３７】
さらに、制御装置３０は、インバータ１４に対して昇圧コンバータ１２の出力である直流電圧をモータジェネレータＭ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ１と、モータジェネレータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ１とを出力する。
【００３８】
同様に制御装置３０は、インバータ２２に対して直流電圧をモータジェネレータＭ２を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ２と、モータジェネレータＭ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ２とを出力する。
【００３９】
キャパシタ２３は、平滑用コンデンサＣ２よりも容量が大きい蓄電装置であり、たとえば直列接続される複数の電気二重層コンデンサを含む。なお、電気二重層コンデンサはエネルギ密度が高いが、１セル当たりの耐圧が２．５〜２．７Ｖ程度であるので、昇圧コンバータ１２が出力する５００Ｖ程度の電圧に用いるためには各セルに電圧を分担させるために複数の電気二重層コンデンサのセルを直列に接続して用いる必要がある。
【００４０】
従来は、昇圧コンバータ１２の出力電圧のリップルを平滑化するのに十分な程度の容量、たとえば数千μＦの平滑用コンデンサＣ２のみを搭載していたが、これと並列に容量が、たとえば０．５〜２．０Ｆ程度のキャパシタ２３をさらに搭載する。
【００４１】
これにより、たとえばＥＶ走行時において追越しをするために急加速を行なおうとした場合に、モータジェネレータＭ２が車輪２を回転させるパワーを増加しつつ、さらにこれと並行してキャパシタ２３で補填されるパワーでモータジェネレータＭ１を回転させてエンジン４を始動し、エンジン４によって発生されるパワーをさらに加速パワーに加えることが可能となる。つまりキャパシタ２３は瞬時におけるパワー出力がバッテリＢに比べると大きいので、キャパシタ２３によってバッテリＢの電力を補うことにより加速応答性をさらに改善することができる。
【００４２】
図２は、図１で説明した車両１００の各ユニットの搭載位置を説明するための図である。
【００４３】
図２を参照して、電池ユニット４０は、運転席の後部の空間たとえば後部座席の下またはトランクルームの中などに配置される。
【００４４】
これに対し、パワーコントロールユニット２０、エンジン４、モータジェネレータＭ１，Ｍ２は運転席の前部の空間、たとえばエンジンルーム内に配置される。そして車両後部に配置された電池ユニット４０と車両前部に配置されたパワーコントロールユニット２０とはパワーケーブル６，８によって接続される。
【００４５】
電池ユニット４０は、図２に示すように安全のために外部に高圧部が露出しないように１つの筐体中に収められており、その端子出口付近には図１に示すようにシステムメインリレーが設けられ、衝突などの事故発生時にはシステムメインリレーが非導通状態となることにより、高圧電圧がパワーケーブルと遮断され外部に出力されないように構成されている。
【００４６】
しかし図１に示したような構成では、バッテリＢと平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２およびキャパシタ２３がパワーケーブル６，８を介して接続されており、離れた配置となっているのでシステムメインリレーを接続する際には所定のシーケンスで接続する必要がある。これはキャパシタ２３や平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２を充電するための過大な突入電流によって接続時に発生するスパークによってリレーの溶着などが起こるのを防ぐためである。
【００４７】
図３は、図１の車両１００における電源投入時のシステムメインリレーの制御シーケンスを説明するためのフローチャートである。
【００４８】
図３を参照して、まずステップＳ１において運転者から起動指示が与えられ起動信号ＩＧＯＮが活性化される。するとステップＳ２において車両の補機バッテリ（たとえば１２Ｖ）の低圧系の電源電圧が制御装置３０をはじめとする低圧系の負荷回路に供給される。
【００４９】
そしてステップＳ３において制御装置３０はシステムメインリレーＳＭＲ１およびＳＭＲ３をオフ状態からオン状態に変化させる。これにより図１の制限抵抗Ｒを経由して平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２に対して充電が行なわれる。このとき予めシステムメインリレーＳＭＲ４，ＳＭＲ５を接続しておいてキャパシタ２３に対する充電も行なってもよい。
【００５０】
そして平滑用コンデンサＣ１および平滑用コンデンサＣ２の電圧がそれぞれバッテリ電圧とほぼ等しくなる時間が経過した後にステップＳ４においてシステムメインリレーＳＭＲ２がオフ状態からオン状態に変更される。このようにすることによりシステムメインリレーＳＭＲ２の接続する電位差および電流が許容範囲内に収まるのでシステムメインリレーＳＭＲ２が溶着することを防ぐことができる。
【００５１】
ステップＳ４が終了するとステップＳ５においてシステムメインリレーＳＭＲ１をオン状態からオフ状態に変更する。そしてステップＳ６において、昇圧コンバータ１２が駆動可能でインバータ１４および２２の運転が可能となるReady 0N状態に車両状態が移行する。
【００５２】
図４は、図１の車両１００において実行される車両停止時のシステムメインリレーの制御を説明するためのフローチャートである。
【００５３】
図１、図４を参照して、まずステップＳ１１において、たとえばイグニッションキーがオフ状態に変更されるまたはスタートスイッチがオフ状態に変更されるような運転者の指示により図１の起動信号ＩＧＯＮが非活性化される。
【００５４】
ステップＳ１１において起動信号ＩＧＯＮが非活性化されるとステップＳ１２に進み制御装置３０は昇圧コンバータ１２に対して昇圧動作を停止させる。そしてステップＳ１３に進む。
【００５５】
ステップＳ１３においては、制御装置３０は平滑用コンデンサＣ２の端子間電圧ＶＨが所定のしきい値電圧Ｖｔｈより小さいか否かを判断する。ＶＨ＜Ｖｔｈが成立しない場合にはステップＳ１４において制御装置３０はインバータ１４または２２にディスチャージ動作を行なわせる。
【００５６】
ディスチャージ動作とは、モータジェネレータＭ１またはＭ２においてロータに回転力を発生させないようにｑ軸電流を流さずｄ軸電流のみを流すように制御を行ない、平滑用コンデンサＣ２およびキャパシタ２３に蓄積されていた電荷を熱として消費させる動作である。また、ディスチャージ動作において蓄積電荷を熱として消費させるのではなく、バッテリＢへ電荷を移動させることで消費させても良い。ディスチャージ動作が行なわれることにより蓄積電荷が消費され、これによって電圧ＶＨは低下する。ステップＳ１３が終了すると再びステップＳ１２においてＶＨ＜Ｖｔｈが成立するか否かが判断される。
【００５７】
一方、ステップＳ１３においてＶＨ＜Ｖｔｈが成立した場合にはステップＳ１５に進む。ステップＳ１５においては、制御装置３０はシステムメインリレーＳＭＲ２およびＳＭＲ４をオン状態からオフ状態に変更する。そしてステップＳ１６に処理が進み制御装置３０はシステムメインリレーＳＭＲ３およびＳＭＲ５をオン状態からオフ状態に変更する。ステップＳ１６の処理が終了するとステップＳ１７において低圧系の電源が供給されているたとえば制御装置３０のような低圧系負荷に対して電源の供給が停止され、さらにステップＳ１８において車両は停止状態となり、次の運転者からの起動信号を待つ待機状態となる。
【００５８】
以上図１〜図４で説明した検討例においては、キャパシタ２３を用いることによってＥＶ走行時の加速応答性は改善される。しかしながら、システムメインリレーの数が増加し、部品点数が増加するとともに制御装置３０の制御も複雑になってしまう。
【００５９】
図５は、本発明の実施の形態に係る車両２００の構成を示した回路図である。
図５を参照して、車両２００は、直流電源を供給するための直流電源システム１４０と、直流電源システム１４０から直流電圧を受けて三相交流に変換するインバータユニット１２０と、インバータユニット１２０によって駆動されるモータジェネレータＭ１，Ｍ２と、エンジン４と、動力分配機構３と、車輪２と、制御装置１３０とを含む。
【００６０】
モータジェネレータＭ１，Ｍ２と、エンジン４と、動力分配機構３と、車輪２の関係については、図１で説明した検討例と同様であるので説明は繰返さない。
【００６１】
直流電源システム１４０には端子１４１，１４２が設けられている。またインバータユニット１２０には端子１４３，１４４が設けられている。車両２００は、さらに、端子１４１と端子１４３とを結ぶパワーケーブル１０６と、端子１４２と端子１４４とを結ぶパワーケーブル１０８とを含む。
【００６２】
直流電源システム１４０は、バッテリＢと、バッテリＢの端子間に接続される平滑用コンデンサＣ１と、バッテリＢの出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ１２と、昇圧コンバータ１２の出力端子間に接続されるキャパシタ２３と、昇圧コンバータ１２の正側出力端子と端子１４１との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲＰと、昇圧コンバータ１２の負側出力端子と端子１４２との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲＧとを含む。
【００６３】
直流電源システム１４０は、さらに、バッテリＢの端子間電圧ＶＢを検知する電圧センサ１０と、バッテリＢに流れる電流ＩＢを検知する電流センサ１１と、キャパシタ２３の端子間の電圧ＶＨを検知する電圧センサ１３とを含む。制御装置１３０は、各センサで検知された電圧ＶＢ，ＶＨおよび電流ＩＢを測定値として取込む。
【００６４】
インバータユニット１２０は、昇圧コンバータ１２で昇圧された電圧を三相交流に変換してモータジェネレータＭ１に供給するインバータ１４と、昇圧コンバータ１２で昇圧された電圧を三相交流に変換してモータジェネレータＭ２に出力するインバータ２２とを含む。
【００６５】
なお、インバータ１４および２２の構成については図１で説明したものと同様であるのでその説明は繰返さない。
【００６６】
制御装置１３０は、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２、電圧ＶＢ，ＶＨ、電流ＩＢの各値、モータ電流値ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２および起動信号ＩＧＯＮを受ける。そして制御装置１３０は、昇圧コンバータ１２に対して昇圧指示を行なう制御信号ＰＷＵ，高圧指示を行なう制御信号ＰＷＤおよび動作禁止を指示する信号ＣＳＤＮを出力する。
【００６７】
さらに、制御装置１３０は、インバータ１４に対して、昇圧コンバータ１２の出力である直流電圧をモータジェネレータＭ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ１と、モータジェネレータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ１とを出力する。
【００６８】
同様に制御装置１３０は、インバータ２２に対して、直流電圧をモータジェネレータＭ２を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ２と、モータジェネレータＭ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ２とを出力する。
【００６９】
次に、昇圧コンバータ１２の動作について簡単に説明する。昇圧コンバータ１２は、並行運転時にはバッテリＢからの電力をインバータ１４および２２に供給する昇圧回路として動作する。逆に、回生運転時には、昇圧コンバータ１２は、バッテリＢにモータジェネレータＭ１またはＭ２で発電された電力を回生する降圧回路としても動作する。
【００７０】
図６は、図５で説明した車両２００の各ユニットの車両内配置を説明するための図である。
【００７１】
図６を参照して、直流電源システム１４０は、運転席の後部の空間たとえば後部座席の下またはトランクルームの中などに配置される。
【００７２】
これに対し、インバータユニット１２０、エンジン４、モータジェネレータＭ１，Ｍ２は運転席の前部の空間、たとえばエンジンルーム内に配置される。そして車両後部に配置された直流電源システム１４０と車両前部に配置されたインバータユニット１２０とはパワーケーブル１０６，１０８によって接続される。
【００７３】
直流電源システム１４０は、図６に示すように安全のために外部に高圧部が露出しないように１つの筐体中に収められており、その端子出口付近には図５に示すようにシステムメインリレーＳＭＲＰ，ＳＭＲＧが設けられ、衝突などの事故発生時にはシステムメインリレーＳＭＲＰ，ＳＭＲＧがともに非導通状態となることにより、高圧電圧がパワーケーブル１０６，１０８と遮断され外部に出力されないように構成されている。
【００７４】
図７は、車両起動時における車両２００で実行されるシステムメインリレーの制御を説明するためのフローチャートである。
【００７５】
図７を参照して、まずステップＳ２１において運転者によってたとえばイグニッションキーまたはスタートスイッチが操作されることにより起動信号ＩＧＯＮが活性化される。これに応じてステップＳ２２において、高圧バッテリＢとは別の低圧（たとえば１２Ｖ）の補機バッテリから低圧系電源負荷に対して電源の供給が開始される。
【００７６】
そしてステップＳ２３において制御装置１３０は接地側のシステムメインリレーＳＭＲＧを非導通状態から導通状態に変化させる。そしてステップＳ２４に処理が進み制御装置１３０は、さらに高電圧側のシステムメインリレーＳＭＲＰを非導通状態から導通状態に変化させる。これによりインバータ１４および２２には電源が供給されステップＳ２５においてインバータ１４，２２および昇圧コンバータ１２が動作可能なReady ON状態となり、次の操作を待つこととなる。
【００７７】
図１の平滑用コンデンサＣ２をキャパシタ２３で兼用してシステムメインリレーのバッテリＢ側に取込んでいるので、始動時にシステムメインリレーを接続したときにキャパシタ充電のための突入電流が流れることがなくなる。このため図１のシステムメインリレーＳＭＲ１および制限抵抗Ｒが不要となり構成が簡単になるとともに、図３に示した場合と比べて制御も図７に示すように簡単となる。
【００７８】
図８は、車両停止時のリレーの制御を説明するためのフローチャートである。
図５、図８を参照して、まずステップＳ３１において運転者がイグニッションキーまたはスタートスイッチを制御することにより起動信号ＩＧＯＮが非活性化され、続いてステップＳ３２において制御装置１３０は、昇圧コンバータ１２の昇圧動作を停止させる。
【００７９】
続いてステップＳ３３において制御装置１３０は高圧側のシステムメインリレーＳＭＲＰを導通状態から非導通状態に変化させる。さらにステップＳ３４において制御装置１３０は接地側のシステムメインリレーＳＭＲＧを導通状態から非導通状態に変化させる。その後ステップＳ３５において低圧系負荷に対する電源の供給が停止され、ステップＳ３６において車両は停止状態となり、運転者からの次の起動指示の入力を待つ待機状態となる。
【００８０】
図４で説明した検討例における車両停止時の制御と比べるとキャパシタ２３に蓄積された電荷を車両停止ごとに放電させることが不要であるので制御が簡単となる。
【００８１】
また起動および停止を頻繁に繰返すような使い方をした場合には特にキャパシタ２３に蓄積された電荷分の電力が強制的なディスチャージにより損失として熱に変わることがないので車両の燃費も向上させることができる。
【００８２】
なお、停止状態が長時間続くと、キャパシタ２３の自己放電はバッテリＢの自己放電よりも大きい場合が一般的であるのでキャパシタ２３の端子間の電圧は次第に低下していくが、バッテリＢの電圧以下に低下するとリアクトルＬ１およびダイオードＤ１を介してバッテリＢから電流が供給され充電が行なわれるので、キャパシタ２３の電圧はバッテリＢの電圧とほぼ等しい状態で定常状態となる。
【００８３】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、直流電源システムを昇圧コンバータやキャパシタを取込んで筐体に収める１パックとしたので、システムメインリレーの個数を減らし、制限抵抗を無くすことができる。また、これに伴い制御装置における制御も簡単なものでよくなり、制御装置の負荷も少なくなる。
【００８４】
また、平滑コンデンサよりも大容量のキャパシタを昇圧コンバータの出力部分に設けたので、急加速時の応答性がよくなる。
【００８５】
さらに、筐体内に収容したキャパシタや平滑コンデンサを車両停止ごとに放電させないので燃費も向上する。
【００８６】
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特許請求の範囲によって示され、特許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。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】キャパシタを車両に搭載することを検討した検討例を示す回路図である。
【図２】図１で説明した車両１００の各ユニットの搭載位置を説明するための図である。
【図３】図１の車両１００における電源投入時のシステムメインリレーの制御シーケンスを説明するためのフローチャートである。
【図４】図１の車両１００において実行される車両停止時のシステムメインリレーの制御を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態に係る車両２００の構成を示した回路図である。
【図６】図５で説明した車両２００の各ユニットの車両内配置を説明するための図である。
【図７】車両起動時における車両２００で実行されるシステムメインリレーの制御を説明するためのフローチャートである。
【図８】車両停止時のリレーの制御を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８８】
２ 車輪、３ 動力分配機構、４ エンジン、６，８，１０６，１０８ パワーケーブル、１０，１３，２１ 電圧センサ、１１，２４ 電流センサ、１２ 昇圧コンバータ、１４，２２ インバータ、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、２０ パワーコントロールユニット、２２ インバータ、２３ キャパシタ、３０，１３０ 制御装置、４０ 電池ユニット、４１，４２，４３，４４，１４１，１４２，１４３，１４４ 端子、１００，２００ 車両、１２０ インバータユニット、１４０ 直流電源システム、Ｂ バッテリ、Ｃ１，Ｃ２ 平滑用コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｌ１ リアクトル、Ｍ１，Ｍ２ モータジェネレータ、Ｑ１〜Ｑ８ ＩＧＢＴ素子、Ｒ 制限抵抗、ＳＭＲ１〜ＳＭＲ５，ＳＭＲＰ，ＳＭＲＧ システムメインリレー。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両用電源システムおよびそれを備える車両に関し、特に高圧直流電源を含む車両用電源システムおよびそれを備える車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境に配慮した自動車としてハイブリッド自動車、電気自動車および燃料電池自動車が大きな注目を浴びている。
【０００３】
ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加えて直流電源とインバータとインバータによって駆動されるモータとを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力を得るものである。このような自動車においては、直流電源を供給する電源システムを小型化するために、複数の部品を１つの筐体に収めることが行なわれている。
【０００４】
一方、特開２００２−７８２３０号公報（特許文献１）は、コンパクトで携帯に便利な携帯電源装置を開示している。この携帯電源装置は、太陽電池を備えた携帯用ハイブリッド電源システムにおいて、二次電池と電気二重層コンデンサとＤＣ−ＤＣコンバータとを一体化することにより小型化を図るものである。
【特許文献１】特開２００２−７８２３０号公報
【特許文献２】特開２００３−１６４０７５号公報
【特許文献３】特開２００５−７９０８０号公報
【特許文献４】特開２００５−６２９０８号公報
【特許文献５】特開平１０−２２４９８７号公報
【特許文献６】特開２００３−１４３７１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特開２００２−７８２３０号公報（特許文献１）に開示された技術は、低電圧の携帯用ハイブリッド電源であるので、高電圧を利用する車両の電源電源システムの小型化を図るにはさらなる改善の余地がある。
【０００６】
車両用の電源装置においては、衝突時の安全を考慮すると、電源部分を１つの筐体に収めておくワンパック化は重要である。すなわち高圧電力貯蔵装置は、高圧部はワンパック化して衝突時には正負の高圧ケーブルがリレーで高圧部と切り離される構成としておく必要がある。
【０００７】
この発明の目的は、車両搭載用として適し、小型化が図られた車両用電源システムおよびそれを搭載する車両を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、要約すると、車両用電源システムであって、二次電池と、二次電池の電圧を第１の接続ノードに受け第２の接続ノードから二次電池の端子間電圧を昇圧した電圧を出力する電圧変換器と、電圧変換器によって昇圧された電圧の車両負荷に対する接続および非接続の切替を行なう接続部と、二次電池、電圧変換器および接続部を収容する筐体とを備える。
【０００９】
好ましくは、車両用電源システムは、電圧変換器の第２の接続ノードに一方端が接続されるキャパシタをさらに備える。筐体は、キャパシタをさらに収容する。
【００１０】
好ましくは、キャパシタは、直列接続される複数の電気二重層コンデンサを含む。
好ましくは、電圧変換器は、第１の接続ノードから第２の接続ノードに至る経路上において直列に接続されるリアクトルおよびスイッチング素子を含む。
【００１１】
好ましくは、車両用電源システムは、二次電池の端子間に接続される平滑コンデンサをさらに備える。筐体は、平滑コンデンサをさらに収容する。
【００１２】
好ましくは、車両用電源システムは、筐体に設けられ、車両負荷に電力供給するための第１の導電線が接続される第１の端子と、筐体に設けられ、第１のパワーケーブルの帰線である第２の導電線が接続される第２の端子とをさらに備える。接続部は、電圧変換器の第２のノードを第１の端子に接続する第１のリレー回路と、電圧変換器の接地ノードを第２の端子に接続する第２のリレー回路とを含む。
【００１３】
この発明の他の局面に従うと、車両であって、上記いずれかの車両用電源システムと、車両用電源システムから電力供給を受ける車両負荷と、車両用電源システムと車両負荷とを接続する電力ケーブルとを備える。
【００１４】
好ましくは、車両用電源システムは、運転席の前方空間および後方空間のいずれか一方に配置され、車両用負荷は、前方空間および後方空間のいずれか他方に配置され、電力ケーブルは、前方空間と後方空間の間に延在する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、小型で、かつ部品点数が削減された車両用電源システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１７】
ハイブリッド自動車は、エンジンを停止した状態でモータのみによって走行するＥＶ走行を行なう場合がある。ＥＶ走行時において急加速して追越しを行なう際には、バッテリは車輪駆動用モータを高速回転させるために出力パワーを増加させる必要があり、かつさらにそれでも加速が不足する場合にはエンジンを始動させてエンジントルクを車輪の回転トルクとしてさらに追加する場合がある。
【００１８】
図１は、キャパシタを車両に搭載することを検討した検討例を示す回路図である。
図１を参照して、車両１００は、電池ユニット４０と、パワーコントロールユニット２０と、エンジン４と、モータジェネレータＭ１，Ｍ２と、動力分配機構３と、車輪２と、制御装置３０とを含む。
【００１９】
動力分配機構３は、エンジン４とモータジェネレータＭ１，Ｍ２に結合されてこれらの間で動力を分配する機構である。たとえば動力分配機構としてはサンギヤ、プラネタリキャリヤ、リングギヤの３つの回転軸を有する遊星歯車機構を用いることができる。この３つの回転軸がエンジン４、モータジェネレータＭ１，Ｍ２の各回転軸にそれぞれ接続される。なおモータジェネレータＭ２の回転軸は車輪２に図示しない減速ギヤや作動ギヤによって結合されている。また動力分配機構３の内部にモータジェネレータＭ２の回転軸に対する減速機をさらに組み込んでもよい。
【００２０】
電池ユニット４０には端子４１，４２が設けられている。またパワーコントロールユニット２０には端子４３，４４が設けられている。車両１００は、さらに、端子４１と端子４３とを結ぶパワーケーブル６と、端子４２と端子４４とを結ぶパワーケーブル８とを含む。
【００２１】
電池ユニット４０は、バッテリＢと、バッテリＢの負極と端子４２との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ３と、バッテリＢの正極と端子４１との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲ２と、システムメインリレーＳＭＲ２と、バッテリＢの正極と端子４１との間に直列に接続される、システムメインリレーＳＭＲ１および制限抵抗Ｒとを含む。システムメインリレーＳＭＲ１〜ＳＭＲ３は、制御装置３０から与えられる制御信号ＳＥに応じて導通／非導通状態が制御される。
【００２２】
電池ユニット４０は、さらに、バッテリＢの端子間の電圧ＶＢを測定する電圧センサ１０と、バッテリＢに流れる電流ＩＢを検知する電流センサ１１とを含む。
【００２３】
バッテリＢとしては、ニッケル水素、リチウムイオン等の二次電池や燃料電池などを用いることができる。
【００２４】
パワーコントロールユニット２０は、端子４３，４４間に接続される平滑用コンデンサＣ１と、平滑用コンデンサＣ１の両端間の電圧ＶＬを検知して制御装置３０に対して出力する電圧センサ２１と、平滑用コンデンサＣ１の端子間電圧を昇圧する昇圧コンバータ１２と、昇圧コンバータ１２によって昇圧された電圧を平滑化する平滑用コンデンサＣ２と、平滑用コンデンサＣ２の端子間電圧ＶＨを検知して制御装置３０に出力する電圧センサ１３と、昇圧コンバータ１２から与えられる直流電圧を三相交流に変換してモータジェネレータＭ１に出力するインバータ１４とを含む。
【００２５】
昇圧コンバータ１２は、一方端が端子４３に接続されるリアクトルＬ１と、電圧ＶＨを出力する昇圧コンバータ１２の出力端子間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。
【００２６】
リアクトルＬ１の他方端はＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタおよびＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタに接続される。ダイオードＤ１のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタと接続される。ダイオードＤ２のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタと接続される。
【００２７】
インバータ１４は、昇圧コンバータ１２から昇圧された電圧を受けてたとえばエンジン４を始動させるためにモータジェネレータＭ１を駆動する。また、インバータ１４は、エンジン４から伝達される動力によってモータジェネレータＭ１で発電された電力を昇圧コンバータ１２に戻す。このとき昇圧コンバータ１２は、降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。
【００２８】
インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とを含む。Ｕ相アーム１５，Ｖ相アーム１６，およびＷ相アーム１７は、昇圧コンバータ１２の出力ライン間に並列に接続される。
【００２９】
Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ３，Ｄ４とを含む。ダイオードＤ３のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続される。ダイオードＤ４のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続される。
【００３０】
Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ５，Ｄ６とを含む。ダイオードＤ５のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続される。ダイオードＤ６のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続される。
【００３１】
Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８と、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ７，Ｄ８とを含む。ダイオードＤ７のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ７のコレクタと接続され、ダイオードＤ７のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ７のエミッタと接続される。ダイオードＤ８のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ８のコレクタと接続され、ダイオードＤ８のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ８のエミッタと接続される。
【００３２】
各相アームの中間点は、モータジェネレータＭ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭ１は、三相の永久磁石同期モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々一方端が中点に共に接続されている。そして、Ｕ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の接続ノードに接続される。またＶ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の接続ノードに接続される。またＷ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の接続ノードに接続される。
【００３３】
電流センサ２４は、モータジェネレータＭ１に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ１として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ１を制御装置３０へ出力する。
【００３４】
パワーコントロールユニット２０は、さらに、昇圧コンバータ１２に対してインバータ１４と並列的に接続されるインバータ２２と、昇圧コンバータ１２の正負の出力ノードにそれぞれ接続されるシステムメインリレーＳＭＲ４，ＳＭＲ５と、昇圧コンバータ１２による昇圧後の電力を蓄積するキャパシタ２３とを含む。
【００３５】
インバータ２２は車輪２を駆動するモータジェネレータＭ２に対して昇圧コンバータ１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。またインバータ２２は、回生制動に伴い、モータジェネレータＭ２において発電された電力を昇圧コンバータ１２に戻す。このとき昇圧コンバータ１２は降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。インバータ２２の内部の構成は、図示しないがインバータ１４と同様であり、詳細な説明は繰返さない。
【００３６】
制御装置３０は、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２、電圧ＶＢ，ＶＨ、電流ＩＢの各値、モータ電流値ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２および起動信号ＩＧＯＮを受ける。そして制御装置３０は、昇圧コンバータ１２に対して昇圧指示を行なう制御信号ＰＷＵ，高圧指示を行なう制御信号ＰＷＤおよび動作禁止を指示する信号ＣＳＤＮを出力する。
【００３７】
さらに、制御装置３０は、インバータ１４に対して昇圧コンバータ１２の出力である直流電圧をモータジェネレータＭ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ１と、モータジェネレータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ１とを出力する。
【００３８】
同様に制御装置３０は、インバータ２２に対して直流電圧をモータジェネレータＭ２を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ２と、モータジェネレータＭ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ２とを出力する。
【００３９】
キャパシタ２３は、平滑用コンデンサＣ２よりも容量が大きい蓄電装置であり、たとえば直列接続される複数の電気二重層コンデンサを含む。なお、電気二重層コンデンサはエネルギ密度が高いが、１セル当たりの耐圧が２．５〜２．７Ｖ程度であるので、昇圧コンバータ１２が出力する５００Ｖ程度の電圧に用いるためには各セルに電圧を分担させるために複数の電気二重層コンデンサのセルを直列に接続して用いる必要がある。
【００４０】
従来は、昇圧コンバータ１２の出力電圧のリップルを平滑化するのに十分な程度の容量、たとえば数千μＦの平滑用コンデンサＣ２のみを搭載していたが、これと並列に容量が、たとえば０．５〜２．０Ｆ程度のキャパシタ２３をさらに搭載する。
【００４１】
これにより、たとえばＥＶ走行時において追越しをするために急加速を行なおうとした場合に、モータジェネレータＭ２が車輪２を回転させるパワーを増加しつつ、さらにこれと並行してキャパシタ２３で補填されるパワーでモータジェネレータＭ１を回転させてエンジン４を始動し、エンジン４によって発生されるパワーをさらに加速パワーに加えることが可能となる。つまりキャパシタ２３は瞬時におけるパワー出力がバッテリＢに比べると大きいので、キャパシタ２３によってバッテリＢの電力を補うことにより加速応答性をさらに改善することができる。
【００４２】
図２は、図１で説明した車両１００の各ユニットの搭載位置を説明するための図である。
【００４３】
図２を参照して、電池ユニット４０は、運転席の後部の空間たとえば後部座席の下またはトランクルームの中などに配置される。
【００４４】
これに対し、パワーコントロールユニット２０、エンジン４、モータジェネレータＭ１，Ｍ２は運転席の前部の空間、たとえばエンジンルーム内に配置される。そして車両後部に配置された電池ユニット４０と車両前部に配置されたパワーコントロールユニット２０とはパワーケーブル６，８によって接続される。
【００４５】
電池ユニット４０は、図２に示すように安全のために外部に高圧部が露出しないように１つの筐体中に収められており、その端子出口付近には図１に示すようにシステムメインリレーが設けられ、衝突などの事故発生時にはシステムメインリレーが非導通状態となることにより、高圧電圧がパワーケーブルと遮断され外部に出力されないように構成されている。
【００４６】
しかし図１に示したような構成では、バッテリＢと平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２およびキャパシタ２３がパワーケーブル６，８を介して接続されており、離れた配置となっているのでシステムメインリレーを接続する際には所定のシーケンスで接続する必要がある。これはキャパシタ２３や平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２を充電するための過大な突入電流によって接続時に発生するスパークによってリレーの溶着などが起こるのを防ぐためである。
【００４７】
図３は、図１の車両１００における電源投入時のシステムメインリレーの制御シーケンスを説明するためのフローチャートである。
【００４８】
図３を参照して、まずステップＳ１において運転者から起動指示が与えられ起動信号ＩＧＯＮが活性化される。するとステップＳ２において車両の補機バッテリ（たとえば１２Ｖ）の低圧系の電源電圧が制御装置３０をはじめとする低圧系の負荷回路に供給される。
【００４９】
そしてステップＳ３において制御装置３０はシステムメインリレーＳＭＲ１およびＳＭＲ３をオフ状態からオン状態に変化させる。これにより図１の制限抵抗Ｒを経由して平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２に対して充電が行なわれる。このとき予めシステムメインリレーＳＭＲ４，ＳＭＲ５を接続しておいてキャパシタ２３に対する充電も行なってもよい。
【００５０】
そして平滑用コンデンサＣ１および平滑用コンデンサＣ２の電圧がそれぞれバッテリ電圧とほぼ等しくなる時間が経過した後にステップＳ４においてシステムメインリレーＳＭＲ２がオフ状態からオン状態に変更される。このようにすることによりシステムメインリレーＳＭＲ２の接続する電位差および電流が許容範囲内に収まるのでシステムメインリレーＳＭＲ２が溶着することを防ぐことができる。
【００５１】
ステップＳ４が終了するとステップＳ５においてシステムメインリレーＳＭＲ１をオン状態からオフ状態に変更する。そしてステップＳ６において、昇圧コンバータ１２が駆動可能でインバータ１４および２２の運転が可能となるReady 0N状態に車両状態が移行する。
【００５２】
図４は、図１の車両１００において実行される車両停止時のシステムメインリレーの制御を説明するためのフローチャートである。
【００５３】
図１、図４を参照して、まずステップＳ１１において、たとえばイグニッションキーがオフ状態に変更されるまたはスタートスイッチがオフ状態に変更されるような運転者の指示により図１の起動信号ＩＧＯＮが非活性化される。
【００５４】
ステップＳ１１において起動信号ＩＧＯＮが非活性化されるとステップＳ１２に進み制御装置３０は昇圧コンバータ１２に対して昇圧動作を停止させる。そしてステップＳ１３に進む。
【００５５】
ステップＳ１３においては、制御装置３０は平滑用コンデンサＣ２の端子間電圧ＶＨが所定のしきい値電圧Ｖｔｈより小さいか否かを判断する。ＶＨ＜Ｖｔｈが成立しない場合にはステップＳ１４において制御装置３０はインバータ１４または２２にディスチャージ動作を行なわせる。
【００５６】
ディスチャージ動作とは、モータジェネレータＭ１またはＭ２においてロータに回転力を発生させないようにｑ軸電流を流さずｄ軸電流のみを流すように制御を行ない、平滑用コンデンサＣ２およびキャパシタ２３に蓄積されていた電荷を熱として消費させる動作である。また、ディスチャージ動作において蓄積電荷を熱として消費させるのではなく、バッテリＢへ電荷を移動させることで消費させても良い。ディスチャージ動作が行なわれることにより蓄積電荷が消費され、これによって電圧ＶＨは低下する。ステップＳ１３が終了すると再びステップＳ１２においてＶＨ＜Ｖｔｈが成立するか否かが判断される。
【００５７】
一方、ステップＳ１３においてＶＨ＜Ｖｔｈが成立した場合にはステップＳ１５に進む。ステップＳ１５においては、制御装置３０はシステムメインリレーＳＭＲ２およびＳＭＲ４をオン状態からオフ状態に変更する。そしてステップＳ１６に処理が進み制御装置３０はシステムメインリレーＳＭＲ３およびＳＭＲ５をオン状態からオフ状態に変更する。ステップＳ１６の処理が終了するとステップＳ１７において低圧系の電源が供給されているたとえば制御装置３０のような低圧系負荷に対して電源の供給が停止され、さらにステップＳ１８において車両は停止状態となり、次の運転者からの起動信号を待つ待機状態となる。
【００５８】
以上図１〜図４で説明した検討例においては、キャパシタ２３を用いることによってＥＶ走行時の加速応答性は改善される。しかしながら、システムメインリレーの数が増加し、部品点数が増加するとともに制御装置３０の制御も複雑になってしまう。
【００５９】
図５は、本発明の実施の形態に係る車両２００の構成を示した回路図である。
図５を参照して、車両２００は、直流電源を供給するための直流電源システム１４０と、直流電源システム１４０から直流電圧を受けて三相交流に変換するインバータユニット１２０と、インバータユニット１２０によって駆動されるモータジェネレータＭ１，Ｍ２と、エンジン４と、動力分配機構３と、車輪２と、制御装置１３０とを含む。
【００６０】
モータジェネレータＭ１，Ｍ２と、エンジン４と、動力分配機構３と、車輪２の関係については、図１で説明した検討例と同様であるので説明は繰返さない。
【００６１】
直流電源システム１４０には端子１４１，１４２が設けられている。またインバータユニット１２０には端子１４３，１４４が設けられている。車両２００は、さらに、端子１４１と端子１４３とを結ぶパワーケーブル１０６と、端子１４２と端子１４４とを結ぶパワーケーブル１０８とを含む。
【００６２】
直流電源システム１４０は、バッテリＢと、バッテリＢの端子間に接続される平滑用コンデンサＣ１と、バッテリＢの出力電圧を昇圧する昇圧コンバータ１２と、昇圧コンバータ１２の出力端子間に接続されるキャパシタ２３と、昇圧コンバータ１２の正側出力端子と端子１４１との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲＰと、昇圧コンバータ１２の負側出力端子と端子１４２との間に接続されるシステムメインリレーＳＭＲＧとを含む。
【００６３】
直流電源システム１４０は、さらに、バッテリＢの端子間電圧ＶＢを検知する電圧センサ１０と、バッテリＢに流れる電流ＩＢを検知する電流センサ１１と、キャパシタ２３の端子間の電圧ＶＨを検知する電圧センサ１３とを含む。制御装置１３０は、各センサで検知された電圧ＶＢ，ＶＨおよび電流ＩＢを測定値として取込む。
【００６４】
インバータユニット１２０は、昇圧コンバータ１２で昇圧された電圧を三相交流に変換してモータジェネレータＭ１に供給するインバータ１４と、昇圧コンバータ１２で昇圧された電圧を三相交流に変換してモータジェネレータＭ２に出力するインバータ２２とを含む。
【００６５】
なお、インバータ１４および２２の構成については図１で説明したものと同様であるのでその説明は繰返さない。
【００６６】
制御装置１３０は、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２、電圧ＶＢ，ＶＨ、電流ＩＢの各値、モータ電流値ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２および起動信号ＩＧＯＮを受ける。そして制御装置１３０は、昇圧コンバータ１２に対して昇圧指示を行なう制御信号ＰＷＵ，高圧指示を行なう制御信号ＰＷＤおよび動作禁止を指示する信号ＣＳＤＮを出力する。
【００６７】
さらに、制御装置１３０は、インバータ１４に対して、昇圧コンバータ１２の出力である直流電圧をモータジェネレータＭ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ１と、モータジェネレータＭ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ１とを出力する。
【００６８】
同様に制御装置１３０は、インバータ２２に対して、直流電圧をモータジェネレータＭ２を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ２と、モータジェネレータＭ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換して昇圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ２とを出力する。
【００６９】
次に、昇圧コンバータ１２の動作について簡単に説明する。昇圧コンバータ１２は、並行運転時にはバッテリＢからの電力をインバータ１４および２２に供給する昇圧回路として動作する。逆に、回生運転時には、昇圧コンバータ１２は、バッテリＢにモータジェネレータＭ１またはＭ２で発電された電力を回生する降圧回路としても動作する。
【００７０】
図６は、図５で説明した車両２００の各ユニットの車両内配置を説明するための図である。
【００７１】
図６を参照して、直流電源システム１４０は、運転席の後部の空間たとえば後部座席の下またはトランクルームの中などに配置される。
【００７２】
これに対し、インバータユニット１２０、エンジン４、モータジェネレータＭ１，Ｍ２は運転席の前部の空間、たとえばエンジンルーム内に配置される。そして車両後部に配置された直流電源システム１４０と車両前部に配置されたインバータユニット１２０とはパワーケーブル１０６，１０８によって接続される。
【００７３】
直流電源システム１４０は、図６に示すように安全のために外部に高圧部が露出しないように１つの筐体中に収められており、その端子出口付近には図５に示すようにシステムメインリレーＳＭＲＰ，ＳＭＲＧが設けられ、衝突などの事故発生時にはシステムメインリレーＳＭＲＰ，ＳＭＲＧがともに非導通状態となることにより、高圧電圧がパワーケーブル１０６，１０８と遮断され外部に出力されないように構成されている。
【００７４】
図７は、車両起動時における車両２００で実行されるシステムメインリレーの制御を説明するためのフローチャートである。
【００７５】
図７を参照して、まずステップＳ２１において運転者によってたとえばイグニッションキーまたはスタートスイッチが操作されることにより起動信号ＩＧＯＮが活性化される。これに応じてステップＳ２２において、高圧バッテリＢとは別の低圧（たとえば１２Ｖ）の補機バッテリから低圧系電源負荷に対して電源の供給が開始される。
【００７６】
そしてステップＳ２３において制御装置１３０は接地側のシステムメインリレーＳＭＲＧを非導通状態から導通状態に変化させる。そしてステップＳ２４に処理が進み制御装置１３０は、さらに高電圧側のシステムメインリレーＳＭＲＰを非導通状態から導通状態に変化させる。これによりインバータ１４および２２には電源が供給されステップＳ２５においてインバータ１４，２２および昇圧コンバータ１２が動作可能なReady ON状態となり、次の操作を待つこととなる。
【００７７】
図１の平滑用コンデンサＣ２をキャパシタ２３で兼用してシステムメインリレーのバッテリＢ側に取込んでいるので、始動時にシステムメインリレーを接続したときにキャパシタ充電のための突入電流が流れることがなくなる。このため図１のシステムメインリレーＳＭＲ１および制限抵抗Ｒが不要となり構成が簡単になるとともに、図３に示した場合と比べて制御も図７に示すように簡単となる。
【００７８】
図８は、車両停止時のリレーの制御を説明するためのフローチャートである。
図５、図８を参照して、まずステップＳ３１において運転者がイグニッションキーまたはスタートスイッチを制御することにより起動信号ＩＧＯＮが非活性化され、続いてステップＳ３２において制御装置１３０は、昇圧コンバータ１２の昇圧動作を停止させる。
【００７９】
続いてステップＳ３３において制御装置１３０は高圧側のシステムメインリレーＳＭＲＰを導通状態から非導通状態に変化させる。さらにステップＳ３４において制御装置１３０は接地側のシステムメインリレーＳＭＲＧを導通状態から非導通状態に変化させる。その後ステップＳ３５において低圧系負荷に対する電源の供給が停止され、ステップＳ３６において車両は停止状態となり、運転者からの次の起動指示の入力を待つ待機状態となる。
【００８０】
図４で説明した検討例における車両停止時の制御と比べるとキャパシタ２３に蓄積された電荷を車両停止ごとに放電させることが不要であるので制御が簡単となる。
【００８１】
また起動および停止を頻繁に繰返すような使い方をした場合には特にキャパシタ２３に蓄積された電荷分の電力が強制的なディスチャージにより損失として熱に変わることがないので車両の燃費も向上させることができる。
【００８２】
なお、停止状態が長時間続くと、キャパシタ２３の自己放電はバッテリＢの自己放電よりも大きい場合が一般的であるのでキャパシタ２３の端子間の電圧は次第に低下していくが、バッテリＢの電圧以下に低下するとリアクトルＬ１およびダイオードＤ１を介してバッテリＢから電流が供給され充電が行なわれるので、キャパシタ２３の電圧はバッテリＢの電圧とほぼ等しい状態で定常状態となる。
【００８３】
以上説明したように、本発明の実施の形態によれば、直流電源システムを昇圧コンバータやキャパシタを取込んで筐体に収める１パックとしたので、システムメインリレーの個数を減らし、制限抵抗を無くすことができる。また、これに伴い制御装置における制御も簡単なものでよくなり、制御装置の負荷も少なくなる。
【００８４】
また、平滑コンデンサよりも大容量のキャパシタを昇圧コンバータの出力部分に設けたので、急加速時の応答性がよくなる。
【００８５】
さらに、筐体内に収容したキャパシタや平滑コンデンサを車両停止ごとに放電させないので燃費も向上する。
【００８６】
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特許請求の範囲によって示され、特許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。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】キャパシタを車両に搭載することを検討した検討例を示す回路図である。
【図２】図１で説明した車両１００の各ユニットの搭載位置を説明するための図である。
【図３】図１の車両１００における電源投入時のシステムメインリレーの制御シーケンスを説明するためのフローチャートである。
【図４】図１の車両１００において実行される車両停止時のシステムメインリレーの制御を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態に係る車両２００の構成を示した回路図である。
【図６】図５で説明した車両２００の各ユニットの車両内配置を説明するための図である。
【図７】車両起動時における車両２００で実行されるシステムメインリレーの制御を説明するためのフローチャートである。
【図８】車両停止時のリレーの制御を説明するためのフローチャートである。
【符号の説明】
【００８８】
２ 車輪、３ 動力分配機構、４ エンジン、６，８，１０６，１０８ パワーケーブル、１０，１３，２１ 電圧センサ、１１，２４ 電流センサ、１２ 昇圧コンバータ、１４，２２ インバータ、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、２０ パワーコントロールユニット、２２ インバータ、２３ キャパシタ、３０，１３０ 制御装置、４０ 電池ユニット、４１，４２，４３，４４，１４１，１４２，１４３，１４４ 端子、１００，２００ 車両、１２０ インバータユニット、１４０ 直流電源システム、Ｂ バッテリ、Ｃ１，Ｃ２ 平滑用コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｌ１ リアクトル、Ｍ１，Ｍ２ モータジェネレータ、Ｑ１〜Ｑ８ ＩＧＢＴ素子、Ｒ 制限抵抗、ＳＭＲ１〜ＳＭＲ５，ＳＭＲＰ，ＳＭＲＧ システムメインリレー。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次電池と、
前記二次電池の電圧を第１の接続ノードに受け第２の接続ノードから前記二次電池の端子間電圧を昇圧した電圧を出力する電圧変換器と、
前記電圧変換器によって昇圧された電圧の車両負荷に対する接続および非接続の切替を行なう接続部と、
前記二次電池、前記電圧変換器および前記接続部を収容する筐体とを備える、車両用電源システム。
【請求項２】
前記電圧変換器の前記第２の接続ノードに一方端が接続されるキャパシタをさらに備え、
前記筐体は、前記キャパシタをさらに収容する、請求項１に記載の車両用電源システム。
【請求項３】
前記キャパシタは、
直列接続される複数の電気二重層コンデンサを含む、請求項２に記載の車両用電源システム。
【請求項４】
前記電圧変換器は、
前記第１の接続ノードから前記第２の接続ノードに至る経路上において直列に接続されるリアクトルおよびスイッチング素子を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
【請求項５】
前記二次電池の端子間に接続される平滑コンデンサをさらに備え、
前記筐体は、前記平滑コンデンサをさらに収容する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
【請求項６】
前記筐体に設けられ、前記車両負荷に電力供給するための第１の導電線が接続される第１の端子と、
前記筐体に設けられ、前記第１のパワーケーブルの帰線である第２の導電線が接続される第２の端子とをさらに備え、
前記接続部は、
前記電圧変換器の第２のノードを前記第１の端子に接続する第１のリレー回路と、
前記電圧変換器の接地ノードを前記第２の端子に接続する第２のリレー回路とを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用電源システムと、
前記車両用電源システムから電力供給を受ける車両負荷と、
前記車両用電源システムと前記車両負荷とを接続する電力ケーブルとを備える、車両。
【請求項８】
前記車両用電源システムは、運転席の前方空間および後方空間のいずれか一方に配置され、
前記車両用負荷は、前記前方空間および前記後方空間のいずれか他方に配置され、
前記電力ケーブルは、前記前方空間と前記後方空間の間に延在する、請求項７に記載の車両。
【請求項１】
二次電池と、
前記二次電池の電圧を第１の接続ノードに受け第２の接続ノードから前記二次電池の端子間電圧を昇圧した電圧を出力する電圧変換器と、
前記電圧変換器によって昇圧された電圧の車両負荷に対する接続および非接続の切替を行なう接続部と、
前記二次電池、前記電圧変換器および前記接続部を収容する筐体とを備える、車両用電源システム。
【請求項２】
前記電圧変換器の前記第２の接続ノードに一方端が接続されるキャパシタをさらに備え、
前記筐体は、前記キャパシタをさらに収容する、請求項１に記載の車両用電源システム。
【請求項３】
前記キャパシタは、
直列接続される複数の電気二重層コンデンサを含む、請求項２に記載の車両用電源システム。
【請求項４】
前記電圧変換器は、
前記第１の接続ノードから前記第２の接続ノードに至る経路上において直列に接続されるリアクトルおよびスイッチング素子を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
【請求項５】
前記二次電池の端子間に接続される平滑コンデンサをさらに備え、
前記筐体は、前記平滑コンデンサをさらに収容する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
【請求項６】
前記筐体に設けられ、前記車両負荷に電力供給するための第１の導電線が接続される第１の端子と、
前記筐体に設けられ、前記第１のパワーケーブルの帰線である第２の導電線が接続される第２の端子とをさらに備え、
前記接続部は、
前記電圧変換器の第２のノードを前記第１の端子に接続する第１のリレー回路と、
前記電圧変換器の接地ノードを前記第２の端子に接続する第２のリレー回路とを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用電源システム。
【請求項７】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両用電源システムと、
前記車両用電源システムから電力供給を受ける車両負荷と、
前記車両用電源システムと前記車両負荷とを接続する電力ケーブルとを備える、車両。
【請求項８】
前記車両用電源システムは、運転席の前方空間および後方空間のいずれか一方に配置され、
前記車両用負荷は、前記前方空間および前記後方空間のいずれか他方に配置され、
前記電力ケーブルは、前記前方空間と前記後方空間の間に延在する、請求項７に記載の車両。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−３４５６０６（Ｐ２００６−３４５６０６Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１６７２１４（Ｐ２００５−１６７２１４）
【出願日】平成１７年６月７日（２００５．６．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月７日（２００５．６．７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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