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JP5378488B2 - 充電システムおよび電動車両 - Google Patents
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Description

本発明は、充電システムおよび電動車両に関し、特に電動車両に設けられるリレーの溶着故障や溶断故障を防止するための技術に関する。
近年、動力源として電動モータを備える電動車両が開発されている。電動車両に搭載されるバッテリ等の蓄電デバイスを充電する際には、外部の充電器から延びる給電コネクタが電動車両の受電コネクタに接続される。また、動力源としてエンジンおよび電動モータを備えるハイブリッド型の電動車両においても、外部の充電器によって蓄電デバイスを充電する所謂プラグイン方式の電動車両が開発されている。
このような電動車両に設けられる受電コネクタには、蓄電デバイスの端子電圧が印加されることから、受電コネクタが露出する充電作業時の安全を確保することが必要となる。このため、蓄電デバイスと受電コネクタとを接続する通電ラインにはリレーが設けられており、充電時以外にはリレーを切断することで受電コネクタに対する端子電圧の印加が防止されている。
このように通電ライン上に設置されるリレーには、充電時に大電流が供給されることから、溶着故障や溶断故障が発生してしまうおそれがある。そこで、充電終了後にリレーを切断状態に切り換えるとともに、リレー切断に伴う電圧変動を監視するようにした充電システムが提案されている(例えば、特許文献１参照)。この充電システムを用いることにより、リレーの溶着故障を検出することが可能となる。
特開２０１０−２３８５７６号公報
しかしながら、蓄電デバイスと受電コネクタとを接続するリレーの溶着故障や溶断故障は、電動車両の安全性等に直結する問題であることから、溶着故障や溶断故障を未然に防止することが求められている。また、蓄電デバイスと受電コネクタとを接続するリレーは、インバータ等が収容されるケース内に併せて設置されることが多い。このため、リレーの交換作業には多大な工数が発生することから、修理費用の観点からも溶着故障や溶断故障を未然に防止することが求められている。
本発明の目的は、リレーの溶着故障や溶断故障を防止することにある。
本発明の充電システムは、蓄電デバイスに繋がる受電コネクタを電動車両に設け、前記受電コネクタに充電器の給電コネクタを接続し、前記充電器から前記蓄電デバイスに充電電力を供給する充電システムであって、前記蓄電デバイスと前記受電コネクタとの間に設けられ、接続状態と切断状態とに切り換えられるリレー手段と、前記蓄電デバイスと前記リレー手段との間に設けられ、前記蓄電デバイスの蓄電電力を昇圧させて前記リレー手段に供給するコンバータと、前記充電器からの充電電力が遮断されないフェイル時には、前記コンバータを駆動して前記リレー手段の一端側に掛かる電圧を引き上げた状態のもとで、前記リレー手段を切断状態に切り換えるフェイル制御手段とを有することを特徴とする。
本発明の充電システムは、前記フェイル制御手段は、前記蓄電デバイスと前記給電コネクタとを接続する通電ラインの電流が所定値を下回った後に、前記リレー手段を切断状態に切り換えることを特徴とする。
本発明の充電システムは、前記電動車両は電動モータに電力を供給するインバータを有し、車両走行時には前記コンバータから前記インバータに昇圧された蓄電電力が供給されることを特徴とする。
本発明の電動車両は、蓄電デバイスに繋がる受電コネクタを備え、充電時には前記受電コネクタに充電器の給電コネクタが接続される電動車両であって、前記蓄電デバイスと前記受電コネクタとの間に設けられ、接続状態と切断状態とに切り換えられるリレー手段と、前記蓄電デバイスと前記リレー手段との間に設けられ、前記蓄電デバイスの蓄電電力を昇圧させて前記リレー手段に供給するコンバータと、前記充電器からの充電電力が遮断されないフェイル時には、前記コンバータを駆動して前記リレー手段の一端側に掛かる電圧を引き上げた状態のもとで、前記リレー手段を切断状態に切り換えるフェイル制御手段とを有することを特徴とする。
本発明の電動車両は、前記フェイル制御手段は、前記蓄電デバイスと前記給電コネクタとを接続する通電ラインの電流が所定値を下回った後に、前記リレー手段を切断状態に切り換えることを特徴とする。
本発明の電動車両は、電動モータに電力を供給するインバータを有し、車両走行時には前記コンバータから前記インバータに昇圧された蓄電電力が供給されることを特徴とする。
本発明によれば、充電器からの充電電力が遮断されないフェイル時には、コンバータを駆動してリレー手段の一端側に掛かる電圧を引き上げた状態のもとで、リレー手段を切断状態に切り換えるようにしている。これにより、電流が引き下げられた状態のもとでリレー手段を切断することができ、溶着故障や溶断故障の発生を防止することが可能となる。
本発明の一実施の形態である充電システムによる充電状況を示す説明図である。 充電システムを構成する電動車両の内部構造を示す概略図である。 充電システムを構成する充電器の内部構造を示す概略図である。 電動車両に充電器を接続した状態を示す概略図である。 フェイルセーフ制御を実行する充電システムの要部を示す概略図である。 フェイルセーフ制御の実行時における電圧や電流の変動状況を示す説明図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明の一実施の形態である充電システム１０による充電状況を示す説明図である。また、図２は充電システム１０を構成する電動車両１１の内部構造を示す概略図である。さらに、図３は充電システム１０を構成する充電器１２の内部構造を示す概略図である。図１に示すように、電動車両１１には蓄電デバイスとしてバッテリ１３が搭載されており、バッテリ１３を充電する際には充電器１２の充電ケーブル１４が電動車両１１の充電口１５に接続される。
図２に示すように、電動車両１１は駆動源であるモータジェネレータ(電動モータ)２０を有しており、モータジェネレータ２０は駆動軸２１を介して駆動輪２２に連結されている。また、モータジェネレータ２０には、インバータ２３およびコンバータ２４を介してバッテリ１３が接続されている。バッテリ１３に一対の電力ライン２５，２６を介して接続されるコンバータ２４は、ＩＧＢＴ、リアクトル、コンデンサ等によって構成されており、バッテリ１３の直流電力を昇圧して出力することが可能となっている。また、コンバータ２４には一対の電力ライン２７，２８を介してインバータ２３が接続されており、インバータ２３にはコンバータ２４から昇圧された直流電力が供給されている。なお、電力ライン２７，２８にはメインリレー２９，３０が設けられている。また、モータジェネレータ２０に複数の電力ライン３１〜３３を介して接続されるインバータ２３は、ＩＧＢＴやコンデンサ等によって構成されており、直流電力からモータ駆動用の交流電力を擬似的に生成することが可能となっている。なお、コンバータ２４は、バッテリ１３からインバータ２３に向かう直流電力を昇圧させるだけでなく、回生時にインバータ２３からバッテリ１３に向かう直流電力を降圧させることが可能である。また、インバータ２３は、直流電力と交流電力とを双方向に変換することが可能である。
また、電動車両１１の充電口１５は、車体側部に開閉自在に設けられる充電リッド３４と、充電リッド３４の内側に収容される受電コネクタ３５とによって構成されている。受電コネクタ３５には一対の受電端子３５ａ，３５ｂが設けられており、一方の受電端子３５ａは受電ライン(通電ライン)３６を介して正極側の電力ライン２７に接続され、他方の受電端子３５ｂは受電ライン(通電ライン)３７を介して負極側の電力ライン２８に接続されている。すなわち、受電コネクタ３５とバッテリ１３とはコンバータ２４を介して接続されている。また、受電ライン３６には電流Ｉ１を計測する電流センサ３８が設けられている。また、受電ライン３６にはリレー(リレー手段)３９が設けられており、受電ライン３７にはリレー(リレー手段)４０が設けられている。さらに、受電コネクタ３５には信号端子３５ｃが設けられており、信号端子３５ｃには通信ライン４１が接続されている。さらに、電動車両１１には、インバータ２３、コンバータ２４、リレー３９，４０等を制御する車両制御ユニット４２が設けられており、バッテリ１３の充放電を管理するバッテリ制御ユニット４３が設けられている。これらの制御ユニット４２，４３は、通信ネットワーク４４を介して相互に接続されている。なお、各制御ユニット４２，４３はＣＰＵやメモリ等によって構成されている。
図３に示すように、充電器１２には、外部電源５０の交流電力から直流電力(充電電力)を生成する電力変換部５１が設けられている。この電力変換部５１は、整流回路、変圧器、スイッチング回路等によって構成されている。また、充電器１２に設けられる充電ケーブル１４の先端には、受電コネクタ３５に対して着脱自在となる給電コネクタ５２が設けられている。この給電コネクタ５２には、受電コネクタ３５の受電端子３５ａ，３５ｂに対応する一対の給電端子５２ａ，５２ｂが設けられている。一方の給電端子５２ａは給電ライン５３を介して電力変換部５１の正極端子５１ａに接続され、他方の給電端子５２ｂは給電ライン５４を介して電力変換部５１の負極端子５１ｂに接続されている。さらに、給電コネクタ５２には信号端子５２ｃが設けられており、信号端子５２ｃには通信ライン５５が接続されている。さらに、充電器１２にはＣＰＵやメモリ等によって構成される充電制御ユニット５６が設けられており、充電制御ユニット５６によって電力変換部５１が制御されている。
図４は電動車両１１に充電器１２を接続した状態を示す概略図である。図４に示すように、充電口１５に充電ケーブル１４を接続する際には、車体の充電リッド３４を開いて受電コネクタ３５を露出させ、受電コネクタ３５に対して充電ケーブル１４の給電コネクタ５２が接続される。これにより、給電および受電ライン３６，３７，５３，５４を介して電力変換部５１とバッテリ１３とが接続されるとともに、通信ライン４１，５５を介して車両制御ユニット４２と充電制御ユニット５６とが接続された状態となる。そして、車両制御ユニット４２は、充電電力の供給に備え、メインリレー２９，３０を切断状態に切り換えるとともに、リレー３９，４０を接続状態に切り換える。次いで、充電制御ユニット５６は、バッテリ１３の目標充電状態ＳＯＣ(例えば１００％)に対応する目標電圧(例えば４００Ｖ)を設定し、バッテリ１３の端子電圧が目標電圧に達するまで電力変換部５１からバッテリ１３に向けて充電電力を供給する。
このような充電時には、受電ライン３６，３７に大きな電流(例えば１００Ａ)が流れることから、充電電力の供給中に不用意にリレー３９，４０を切断状態や接続状態に切り換えることは、リレー３９，４０の溶着故障や溶断故障を招く要因であった。このため、充電開始時には、電力変換部５１から充電電力を出力する前にリレー３９，４０が接続状態に切り換えられ、充電終了時には、電力変換部５１からの充電電力を遮断した後にリレー３９，４０が切断状態に切り換えられている。しかしながら、電力変換部５１は大きな充電電力を出力することから、充電時には電力変換部５１から大きな電磁ノイズが発生し、この電磁ノイズによって充電器１２内の充電制御ユニット５６が誤作動することも想定される。そして、充電制御ユニット５６の誤作動内容によっては、電力変換部５１から出力される充電電力を遮断することができないことも考えられる。そこで、本発明の一実施の形態である充電システム１０および電動車両１１は、充電器１２から充電電力が供給され続けるフェイル時において、溶着故障や溶断故障を発生させずにリレー３９，４０を切断状態に切り換えるため、以下の手順に沿ってフェイルセーフ制御を実行する。
図５はフェイルセーフ制御を実行する充電システム１０の要部を示す概略図である。また、図６はフェイルセーフ制御の実行時における電圧や電流の変動状況を示す説明図である。なお、図５において、図４に示す部品と同一の部品については、同一の符号を付してその説明を省略する。図５および図６に示すように、充電終了時には、車両制御ユニット４２から充電制御ユニット５６に向けて停止信号が出力され、この停止信号を受けて充電制御ユニット５６は電力変換部５１からの電力供給を停止させる。このとき、図６に符号ａで示すように、電流センサ３８によって所定値以上の電流Ｉ１が検出され続けた場合には、充電器１２が充電電力を遮断できないフェイル状態であると判定される。このように、充電器１２のフェイル状態が検出されると、フェイル制御手段として機能する車両制御ユニット４２は、コンバータ２４を昇圧駆動させることにより、リレー３９，４０の一端側にバッテリ１３の蓄電電力を昇圧して供給する。すなわち、バッテリ１３からコンバータ２４に電圧Ｖｉで入力された電力は、コンバータ２４を介して電圧Ｖｏに昇圧された後にリレー３９，４０に向けて出力される。そして、図６に示すように、車両制御ユニット４２は、電力変換部５１の出力電圧Ｖ１に達するまで(符号ｂ)、つまり受電ライン３６，３７を流れる電流Ｉ１がゼロに低下するまで(符号ｃ)、コンバータ２４の出力電圧Ｖｏを引き上げた状態のもとで、リレー３９，４０を接続状態(ＯＮ)から切断状態(ＯＦＦ)に切り換える。
このように、充電電力の供給が遮断されないフェイル時においては、コンバータ２４を駆動することにより、バッテリ１３の蓄電電力を昇圧してリレー３９，４０に供給している。これにより、充電電力の供給が遮断されないフェイル時においても、リレー３９，４０の一端側(コンバータ側)と他端側(受電コネクタ側)との電位差を解消することができ、リレー３９，４０を流れる電流Ｉ１をゼロに引き下げることが可能となる。そして、リレー３９，４０を流れる電流Ｉ１を引き下げた状態のもとで、リレー３９，４０を切断状態に切り換えることにより、リレー３９，４０の溶着故障や溶断故障を防止することが可能となる。なお、前述の説明では電流Ｉ１をゼロまで引き下げているが、これに限られることはなく、溶着故障等が発生することのない電流値であれば、電流Ｉ１が所定値を下回った段階でリレー３９，４０を切断状態に切り換えても良い。
しかも、受電ライン３６，３７は電力ライン２７，２８に接続されることから、コンバータ２４はリレー３９，４０とバッテリ１３との間に設置されるとともに、インバータ２３とバッテリ１３との間に設置された状態となっている。すなわち、車両走行時には、バッテリ１３からコンバータ２４を介して昇圧させた電力を、モータジェネレータ２０に供給することが可能となる。これにより、モータジェネレータ２０に供給する電力の低電流化を図ることができ、インバータ２３の小型軽量化を達成することが可能となる。このように、コンバータ２４を充電器１２のフェイル時に用いるだけでなく、インバータ２３に供給する電力を昇圧させるために用いることができるため、製造コストを抑制しつつ電動車両１１にフェイルセーフ機能を持たせることが可能となる。
本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。前述の説明では、車両制御ユニット４２をフェイル制御手段として機能させているが、これに限られることはなく、充電制御ユニット５６をフェイル制御手段として機能させても良い。また、前述の説明では、電流センサ３８からの電流Ｉ１に基づいて、充電器１２のフェイル状態やリレー３９，４０の切断タイミングを判定しているが、これに限られることはなく、給電ライン５３，５４、受電ライン３７、電力ライン２５，２６を流れる電流に基づきリレー３９，４０の切断タイミングを判定しても良い。また、図示する場合には、コンバータ２４とリレー３９との間の受電ライン３６を流れる電流Ｉ１に基づいて、リレー３９，４０の切断タイミングを判定しているが、これに限られることはなく、リレー３９と受電コネクタ３５との間の受電ライン３６を流れる電流に基づきリレー３９，４０の切断タイミングを判定しても良い。さらに、電力変換部５１の出力電圧Ｖ１やコンバータ２４の出力電圧Ｖｏを計測する電圧センサを用いることにより、充電器１２のフェイル状態やリレー３９，４０の切断タイミングを判定しても良い。
また、前述の説明では、バッテリ１３の正極側と負極側との双方にリレー３９，４０が設けられているが、バッテリ１３の正極側だけにリレー３９を備える電動車両や、バッテリ１３の負極側だけにリレー４０を備える電動車両を充電する際にも、本発明を適用することが可能である。なお、充電作業時における安全性を高める観点からは、バッテリ１３の正極側と負極側との双方にリレー３９，４０を設けることが望ましい。また、図示する電動車両１１は、駆動源としてモータジェネレータ２０のみを備えた電動車両であるが、駆動源としてモータジェネレータ２０およびエンジンを備えたハイブリッド型の電動車両であっても良い。また、蓄電デバイスとして、リチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池等のバッテリ１３を採用しているが、これに限られることはなく、蓄電デバイスとして、リチウムイオンキャパシタや電気二重層キャパシタ等のキャパシタを用いても良い。
１０ 充電システム
１１ 電動車両
１２ 充電器
１３ バッテリ(蓄電デバイス)
２３ インバータ
２４ コンバータ
３５ 受電コネクタ
３６ 受電ライン(通電ライン)
３７ 受電ライン(通電ライン)
３９，４０ リレー(リレー手段)
４２ 車両制御ユニット(フェイル制御手段)
５２ 給電コネクタ

Claims (6)

  1. 蓄電デバイスに繋がる受電コネクタを電動車両に設け、前記受電コネクタに充電器の給電コネクタを接続し、前記充電器から前記蓄電デバイスに充電電力を供給する充電システムであって、
    前記蓄電デバイスと前記受電コネクタとの間に設けられ、接続状態と切断状態とに切り換えられるリレー手段と、
    前記蓄電デバイスと前記リレー手段との間に設けられ、前記蓄電デバイスの蓄電電力を昇圧させて前記リレー手段に供給するコンバータと、
    前記充電器からの充電電力が遮断されないフェイル時には、前記コンバータを駆動して前記リレー手段の一端側に掛かる電圧を引き上げた状態のもとで、前記リレー手段を切断状態に切り換えるフェイル制御手段とを有することを特徴とする充電システム。
  2. 請求項１記載の充電システムにおいて、
    前記フェイル制御手段は、前記蓄電デバイスと前記給電コネクタとを接続する通電ラインの電流が所定値を下回った後に、前記リレー手段を切断状態に切り換えることを特徴とする充電システム。
  3. 請求項１または２記載の充電システムにおいて、
    前記電動車両は電動モータに電力を供給するインバータを有し、車両走行時には前記コンバータから前記インバータに昇圧された蓄電電力が供給されることを特徴とする充電システム。
  4. 蓄電デバイスに繋がる受電コネクタを備え、充電時には前記受電コネクタに充電器の給電コネクタが接続される電動車両であって、
    前記蓄電デバイスと前記受電コネクタとの間に設けられ、接続状態と切断状態とに切り換えられるリレー手段と、
    前記蓄電デバイスと前記リレー手段との間に設けられ、前記蓄電デバイスの蓄電電力を昇圧させて前記リレー手段に供給するコンバータと、
    前記充電器からの充電電力が遮断されないフェイル時には、前記コンバータを駆動して前記リレー手段の一端側に掛かる電圧を引き上げた状態のもとで、前記リレー手段を切断状態に切り換えるフェイル制御手段とを有することを特徴とする電動車両。
  5. 請求項４記載の電動車両において、
    前記フェイル制御手段は、前記蓄電デバイスと前記給電コネクタとを接続する通電ラインの電流が所定値を下回った後に、前記リレー手段を切断状態に切り換えることを特徴とする電動車両。
  6. 請求項４または５記載の電動車両において、
    電動モータに電力を供給するインバータを有し、車両走行時には前記コンバータから前記インバータに昇圧された蓄電電力が供給されることを特徴とする電動車両。
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