JP6690573B2 - 電気自動車 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、走行用のモータを備える電気自動車に関する。本明細書における電気自動車には、エンジンを備えることなく走行用のモータだけを備える自動車と、走行用のモータ及びエンジンの両者を備える自動車の双方を含む。

特許文献１に、メインバッテリと電力制御ユニットの間を接続するメイン電源配線と、このメイン電源配線の導通と遮断を切り換えるシステムメインリレーと、このシステムメインリレーを挟んでメインバッテリ側及び電力制御ユニット側の夫々に設けられる２つのＤＣ−ＤＣコンバータと、を備える電気自動車が開示されている。これらのＤＣ−ＤＣコンバータは、いずれも、メインバッテリより低電圧のサブバッテリに接続されているサブ電源配線に接続されている。電力制御ユニット側のコンバータは、サブ電源配線からメイン電源配線へ昇圧して電力を供給することが可能に構成されている。

上記のような電気自動車は、メイン電源配線の電圧を平滑にするために平滑コンデンサを備えていることが多い。そして、システムメインリレーを導通させる前段階で、電力制御ユニット側のコンバータが昇圧動作を行うことにより平滑コンデンサをプリチャージする。これにより、メインバッテリの電圧と平滑コンデンサの電圧が近づくことから、メイン電源配線に大きな突入電流が流れることを抑制する。

特開２０１６−１０１０５７号公報

ところで、メインバッテリが所定の高電圧を出力しなくなった場合であっても、サブバッテリから供給される電力だけで操舵系などの特定の重要デバイスを動作させる必要が生じ得る。しかし、このような場合に、サブバッテリの充電容量が十分でなかったり、バッテリセルの一部が劣化していたりすると、特定の重要デバイスの制御に必要な電圧を確保することが困難になり得る。本明細書では、サブバッテリの出力電圧が不足する場合であっても、特定の重要デバイスを制御することが可能な技術を提供する。以下、特定の重要デバイスは電源のバックアップが必要であることから、特定の重要デバイスを「バックアップ対象負荷」と称する場合がある。

本明細書が開示する電気自動車は、メインバッテリと電力制御ユニットの間でメイン電源配線の導通と非導通を切り換える第１スイッチと、第１スイッチよりも電力制御ユニット側のメイン電源配線とサブ電源配線の間を接続しておりサブ電源配線からメイン電源配線へ昇圧して電力を供給する昇圧動作が可能な第１ＤＣ−ＤＣコンバータと、第１スイッチよりもメインバッテリ側のメイン電源配線とサブ電源配線の間を接続しておりメイン電源配線からサブ電源配線へ降圧しフィルタ回路を介して電力を供給する降圧動作が可能な第２ＤＣ−ＤＣコンバータと、を備えている。

そして、上記の電気自動車では、さらに、第２ＤＣ−ＤＣコンバータとサブバッテリの間でサブ電源配線の導通と非導通を切り換える第２スイッチと、第２スイッチよりもサブバッテリ側のサブ電源配線に接続されたバックアップ対象負荷と、第２スイッチよりもサブバッテリ側のサブ電源配線とグランドとの間に接続されてフィルタ回路のフィルタコイルに磁気結合するコイル及びコイルに流れる電流をオンオフ制御するスイッチング素子を有するブースト回路と、第２スイッチよりも第２ＤＣ−ＤＣコンバータ側のサブ電源配線とバックアップ対象負荷の間を接続しており、バックアップ対象負荷へ電力を供給する方向にダイオードが設けられるバックアップ配線と、を備えている。これにより、サブ電源配線を非導通に第２スイッチを切り換えた後、ブースト回路のスイッチング素子をオンオフ制御すると、コイルに交番電流が流れるため、第２ＤＣ−ＤＣコンバータのフィルタ回路のフィルタコイルに生じた誘導起電力がバックアップ配線を介してバックアップ対象負荷に供給される。バックアップ配線にはバックアップ対象負荷へ電力を供給する方向にダイオードが設けられている。そのため、バックアップ対象負荷には直流電力が供給されることから、サブバッテリの出力電圧が不足する場合であっても、バックアップ対象負荷を制御することが可能になる。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

実施例の電気自動車の電気系統のブロック図である。 実施例の第１ＤＣ−ＤＣの構成例を示す回路図である。 実施例の第２ＤＣ−ＤＣの構成例を示す回路図である。 第２ＤＣ−ＤＣの降圧動作時の電力供給経路を示す説明図である。 第２ＤＣ−ＤＣのブースト動作時の電力供給経路を示す説明図である。 実施例の電気自動車のＥＣＵがメインバッテリを監視する際に実行する制御処理の流れを示すフローチャートである。

図面を参照して実施例の電気自動車を説明する。図１に、実施例の電気自動車２の電気系統のブロック図を示す。本実施例の電気自動車２は、エンジン６１の動力を利用して走行したり、メインバッテリ４の電力を利用して走行したりするハイブリッド車である。メインバッテリ４の電力を利用して走行する場合、電気自動車２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８を駆動し、第２モータ８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、電気自動車２は、第１モータ６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、電気自動車２は、動力分割機構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、その残りの動力を第１モータ６に伝達させて第１モータ６に発電させる。第１モータ６で発電した電力は、第２モータ８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。

尚、エンジン６１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８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。また、メインバッテリ４から電力を供給することなく、第１モータ６で発電した電力だけで第２モータ８を駆動して走行することも可能である（バッテリレス走行）。

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である。本実施例では、メインバッテリ４は、所定の高電圧（例えば、約２００Ｖ（ボルト））を出力する。電気自動車２は、エンジンの動力で第１モータ６を発電し、発電したその電力をメインバッテリ４に充電する。走行中の電気自動車２が減速する場合には、第２モータ８で回生発電し、その回生電力をメインバッテリ４に充電する。メインバッテリ４には、メインバッテリ４の電圧ＶＢを測定する電圧センサ４ａが取り付けられている。メインバッテリ４は、メイン電源配線１０を介して、電力制御ユニット（ＰＣＵ）１２に接続されている。メイン電源配線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、第１モータ６及び第２モータ８との間に設けられている。ＰＣＵ１２は、平滑コンデンサ１４、コンバータ１６及びインバータ１８を備えている。平滑コンデンサ１４は、メイン電源配線１０の電圧を平滑化する。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６や第２モータ８の駆動に適した電圧まで昇圧する。加えてコンバータ１６は、第１モータ６や第２モータ８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させたりもする。本実施例では、第１モータ６や第２モータ８の駆動に用いる電圧は約６００Ｖ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６や第２モータ８を駆動するための三相交流電力に変換する。また、第１モータ６や第２モータ８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。

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、メイン電源配線１０の正極線１０ａの導通と非導通を切り換えるスイッチ２０ａと、メイン電源配線１０の負極線１０ｂの導通と非導通を切り換えるスイッチ２０ｂを備えている。すなわち、ＳＭＲ２０は、メイン電源配線１０の導通と非導通を切り換える。尚、非導通は、遮断と称される場合もある。

電気自動車２は、メインバッテリ４よりも電圧が低いサブバッテリ２２を備えている。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である。サブバッテリは、補機バッテリと称される場合もある。本実施例では、サブバッテリ２２の電圧は約１３Ｖである。サブバッテリ２２は、サブ電源配線２４を介して、パワーステアリングやエアーコンディショナなどの補機２６に接続されている。サブバッテリ２２には、サブバッテリ２２の電圧ＶＳを測定する電圧センサ２２ａが取り付けられている。サブ電源配線２４は、サブバッテリ２２の正極端子に接続された正極線２４ａと、サブバッテリ２２の負極端子に接続された負極線２４ｂを備えている。サブ電源配線２４の負極線２４ｂは、典型的には、接地電位（基準電位）である。

ＳＭＲ２０よりもＰＣＵ１２側のメイン電源配線１０とサブ電源配線２４とは、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８を介して接続されている。図１では、「第１ＤＣ−ＤＣコンバータ」を「ＤＤＣ１」と表記してある。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８は、メイン電源配線１０からサブ電源配線２４へ降圧して電力を供給する降圧機能と、サブ電源配線２４からメイン電源配線１０へ昇圧して電力を供給する昇圧機能を有している。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８は、いわゆる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。電気自動車２では、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８が降圧動作を行うことで、ＳＭＲ２０の導通／非導通に関わらず、第１モータ６や第２モータ８が発電した電力をサブバッテリ２２に充電する。また、電気自動車２では、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８が昇圧動作を行うことで、ＳＭＲ２０の導通／非導通に関わらず、サブバッテリ２２の電力を利用して第１モータ６や第２モータ８を駆動する。

ＳＭＲ２０よりもメインバッテリ４側のメイン電源配線１０とサブ電源配線２４とは、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０を介して接続されている。図１では、「第２ＤＣ−ＤＣコンバータ」を「ＤＤＣ２」と表記してある。第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、メイン電源配線１０からサブ電源配線２４へ降圧して電力を供給する降圧動作を行うことができる。第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、いわゆる単方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。本実施例の第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、後述するブースト回路５３から出力可能なバックアップ電力を供給するバックアップ配線５９ｃを備えている。これにより、サブバッテリ２２の出力電圧が補機２６の駆動可能電圧Ｖｘよりも低い場合であっても補機２６の駆動を可能にしている。尚、図２中の符号５９ａ、５９ｂは、ダイオードを示す。これらについては、ブースト回路５３の説明において言及する。

電気自動車２では、ＳＭＲ２０の導通時に、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８と第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の少なくとも一方が降圧動作を行う。これにより、メインバッテリ４からの電力や、第１モータ６や第２モータ８が発電した電力を、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８と第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の少なくとも一方を介して、サブバッテリ２２に充電する。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８と第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の両方が降圧動作を行う場合、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８と第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０のいずれか一方を介してサブバッテリ２２に充電する場合に比べて、サブバッテリ２２に供給される電流が大きくなる。そのため、サブバッテリ２２の充電に要する時間が短くなる。

電気自動車２は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）６０を備えている。ＥＣＵ６０には、電圧センサ４ａ、２２ａなど、電気自動車２に搭載された各種のセンサの計測データが入力される。また、車内ＬＡＮを介して、他のＥＣＵ（例えば、エンジン制御用のＥＣＵ（エンジンＥＣＵ））から各種の制御情報などを取得する。本実施例では、電圧センサ４ａからメインバッテリ４の電圧ＶＢの計測データが入力され、電圧センサ２２ａからサブバッテリ２２の電圧ＶＳの計測データが入力される。それらのデータ（及び他のデータ）を参照して、ＥＣＵ６０は、ＰＣＵ１２、ＳＭＲ２０、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０など、電気自動車２の電気系統を構成する各構成要素の動作を制御する。またＥＣＵ６０は、電気自動車２の走行中などにおけるメインバッテリ４やサブバッテリ２２の充電時及び放電時の電圧ＶＢ、ＶＳの情報を充放電履歴としてログファイル（半導体メモリ）などに記録する。これにより、メインバッテリ４やサブバッテリ２２の出力電圧の履歴をＥＣＵ６０が参照したり、車両メンテナンス時にサービススタッフに提供することが可能になる。

図２に、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８の構成例を示す。以下の説明では、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８に関しメイン電源配線１０側（ＰＣＵ１２側）を一次側といい、サブ電源配線２４側（サブバッテリ２２側）を二次側という。

第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８は、一次側フィルタ３２、一次側回路３４、トランス３６、二次側回路３８、二次側フィルタ４０及び制御回路４２を備えている。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８は、トランス３６を介する絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータである。本実施例では、一次側フィルタ３２、一次側回路３４、トランス３６、二次側回路３８、二次側フィルタ４０及び制御回路４２は、筐体５７内に収容されている。

一次側フィルタ３２は、コンデンサ３２ａで構成されており、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８のメイン電源配線１０側でのノイズの発生を抑制する。一次側回路３４は、スイッチング素子３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄと、これらのスイッチング素子３４ａ−３４ｄに夫々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−３４ｄは、典型的には、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの電力用の半導体スイッチであり、オンオフ動作を制御可能に制御端子が制御回路４２に接続されている。

本実施例では、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、またスイッチング素子３４ｃとスイッチング素子３４ｄも直列に接続されている。これらの直列接続されたスイッチング素子３４ａ、３４ｂ及びスイッチング素子３４ｃ、３４ｄは、一次側フィルタ３２のコンデンサ３２ａに並列に接続されている。一次側回路３４は、スイッチング回路と称される場合もある。

トランス３６は、一次側コイル３６ａと二次側コイル３６ｂを備えている。これらのコイルは所定の巻線比でコアに巻回されている。この巻線比に応じて、トランス３６では、一次側コイル３６ａから二次側コイル３６ｂへ降圧して電力を供給し、また二次側コイル３６ｂから一次側コイル３６ａへ昇圧して電力を供給する。一次側コイル３６ａの一端（始端又は終端）は、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、また一次側コイル３６ａの他端（終端又は始端）は、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。

二次側回路３８は、スイッチング素子３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄと、これらのスイッチング素子３８ａ−３８ｄに並列に接続された還流ダイオード３８ｅ、３８ｆ、３８ｇ、３８ｈ、並びにチョークコイル３８ｉ及びコンデンサ３８ｊを備えている。チョークコイルは、インダクタと称したり、単にコイルと称したりする。スイッチング素子３８ａ−３８ｄも、スイッチング素子３４ａ−３４ｄと同様に、典型的には、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの電力用の半導体スイッチであり、オンオフ動作を制御可能に制御端子が制御回路４２に接続されている。

本実施例では、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、またスイッチング素子３８ｃとスイッチング素子３８ｄも直列に接続されている。チョークコイル３８ｉとコンデンサ３８ｊは、トランス３６側から見てＬ型のローパスフィルタを構成するように接続されており、これらは、直列接続されたスイッチング素子３８ａ、３８ｂ及びスイッチング素子３８ｃ、３８ｄに対して、並列に接続されている。二次側コイル３６ｂの一端は、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、また二次側コイル３６ｂの他端は、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。二次側回路３８は、スイッチング回路と称される場合もある。

二次側フィルタ４０は、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８のサブ電源配線２４側でのノイズの発生を抑制する。本実施例では、二次側フィルタ４０は、二次側回路３８から見て、チョークコイル４０ａとコンデンサ４０ｂによりＬ型のローパスフィルタを構成している。

制御回路４２は、前述のＥＣＵ６０（図１参照）と通信可能である。制御回路４２は、ＥＣＵ６０からの指示（制御コマンド）に従って、一次側回路３４のスイッチング素子３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄと、二次側回路３８のスイッチング素子３８ａ、３８ｂ、３８ｃ、３８ｄの動作を制御する。

第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８の動作について説明する。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８が降圧動作をする場合には、一次側回路３４において直流電力から交流電力に変換し、トランス３６において降圧して、二次側回路３８において交流電力から直流電力に変換する。この場合、二次側回路３８ではスイッチング素子３８ａ−３８ｄは動作することなく、還流ダイオード３８ｅ−３８ｈによる整流と、チョークコイル３８ｉ及びコンデンサ３８ｊによる平滑化がなされる。これにより、メイン電源配線１０からサブ電源配線２４へ降圧して電力を供給する。この際、制御回路４２が一次側回路３４のスイッチング素子３４ａ−３４ｄのオン／オフのタイミングを調整することで、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８が降圧動作をするときのデューティ比を調整することが可能になる。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８の降圧動作においては、デューティ比が大きくなるほどメイン電源配線１０（ＰＣＵ１２）からサブ電源配線２４へ供給される電力が増加する。

逆に、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８が昇圧動作をする場合には、二次側回路３８において直流電力から交流電力に変換し、トランス３６において昇圧して、一次側回路３４において交流電力から直流電力に変換する。この場合には、一次側回路３４ではスイッチング素子３４ａ−３４ｄは動作することなく、還流ダイオード３４ｅ−３４ｈにより整流されて一次側フィルタ３２において平滑化される。これにより、サブ電源配線２４からメイン電源配線１０へ昇圧して電力を供給する。この際、制御回路４２が二次側回路３８のスイッチング素子３８ａ−３８ｄのオン／オフのタイミングを調整することで、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８が昇圧動作をするときのデューティ比を調整することが可能になる。第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８の昇圧動作においては、デューティ比が大きくなるほどサブ電源配線２４からメイン電源配線１０（ＰＣＵ１２）へ供給される電力が増加する。

尚、図２に示した第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８の一次側フィルタ３２、一次側回路３４、二次側回路３８、二次側フィルタ４０の具体的な回路構成はあくまでも一例である。そのため、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８としては、メイン電源配線１０からサブ電源配線２４へ降圧して電力を供給する降圧動作と、サブ電源配線２４からメイン電源配線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。

次に、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の構成などを説明する。図３に、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の構成例を示す。図４に、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の降圧動作時の電力供給経路を示す。図５に、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０のブースト動作時の電力供給経路を示す。以下の説明では、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０に関しメイン電源配線１０側（メインバッテリ４側）を一次側といい、サブ電源配線２４側（サブバッテリ２２側）を二次側という。

図３に示すように、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、一次側フィルタ４４、一次側回路４６、トランス４８、二次側回路５０、二次側フィルタ５１、出力スイッチ５２、ブースト回路５３、内部電源５４及び制御回路５６を備えている。第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータである。一次側フィルタ４４、一次側回路４６、トランス４８、二次側回路５０、二次側フィルタ５１、出力スイッチ５２、ブースト回路５３、内部電源５４及び制御回路５６は、筐体５８内に収容されている。

一次側フィルタ４４は、コンデンサ４４ａで構成されており、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０のメイン電源配線１０側でのノイズの発生を抑制する。一次側回路４６は、スイッチング素子４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄと、これらのスイッチング素子４６ａ−４６ｄに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−４６ｄも、スイッチング素子３４ａ−３４ｄと同様に、典型的には、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの電力用の半導体スイッチであり、オンオフ動作を制御可能に制御端子が制御回路５６に接続されている。

本実施例では、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、またスイッチング素子４６ｃとスイッチング素子４６ｄも直列に接続されている。これらのスイッチング素子４６ａ、４６ｂ及びスイッチング素子４６ｃ、４６ｄは、一次側フィルタ４４のコンデンサ４４ａに並列に接続されている。一次側回路４６は、スイッチング回路と称される場合もある。

トランス４８は、一次側コイル４８ａと二次側コイル４８ｂを備えている。これらのコイルは所定の巻線比でコアに巻回されている。この巻線比に応じて、トランス４８では、一次側コイル４８ａから二次側コイル４８ｂに降圧して電力を供給する。本実施例では、二次側コイル４８ｂには同コイル巻線の中央に相当する中点タップ４８ｃが設けられており、グランドに接続されている。一次側コイル４８ａの一端は、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、一次側コイル４８ａの他端は、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。

二次側回路５０は、ダイオード５０ａ、５０ｂ、チョークコイル５０ｅ及びコンデンサ５０ｆを備えている。ダイオード５０ａ、５０ｂは、トランス４８の二次側コイル４８ｂから出力される交流電圧を直流電圧に整流する整流回路を構成している。チョークコイル５０ｅとコンデンサ５０ｆは、トランス４８側から見てＬ型のローパスフィルタを構成するように接続されており、これらは、整流回路として接続されたダイオード５０ａ、５０ｂに対して、並列に接続されている。チョークコイル５０ｅは、後述するように、ブースト回路５３のコイル５３ａに対して磁気結合するように構成されており、本実施例では当該ブースト回路５３の一部として機能する。

二次側フィルタ５１は、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０のサブ電源配線２４側でのノイズの発生を抑制する。本実施例では、二次側フィルタ５１は、二次側回路５０から見て、チョークコイル５１ａとコンデンサ５１ｂによりＬ型のローパスフィルタを構成している。

出力スイッチ５２は、サブ電源配線２４の正極線２４ａが接続される第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の出力端子と、二次側フィルタ５１の出力端との間を筐体５８内で接続する内部配線２４ａ１、２４ａ２に設けられるスイッチングデバイスである。典型的には、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの電力用の半導体スイッチである。出力スイッチ５２は、そのオンオフ動作が制御回路５６により制御されるように制御端子が制御回路５６に接続されている。制御回路５６は、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０が降圧動作を行う場合には出力スイッチ５２がオン状態を維持するように制御する。

ブースト回路５３は、コイル５３ａ、スイッチング素子５３ｂ及びダイオード５３ｃを備えている。コイル５３ａは、一端側が内部配線２４ａ２に接続され、他端側がスイッチング素子５３ｂに接続されている。前述した二次側回路５０のチョークコイル５０ｅは、ブースト回路５３には含まれていないが、ブースト回路５３の一部として機能する。すなわち、コイル５３ａは、いわゆる昇圧コイルであり、二次側回路５０のチョークコイル５０ｅに対して巻回数が少なくかつ磁気結合するように構成されている。より具体的には、例えば、コイル５３ａ及びチョークコイル５０ｅは、コイル５３ａが一次側コイルとして機能し、チョークコイル５０ｅが二次側コイルとして機能し得る、昇圧トランスを構成する。コイル５３ａ及びチョークコイル５０ｅは、磁気結合することが可能であれば、昇圧トランスの構成に限られることはなく、どのような構成のものを用いてもよい。

スイッチング素子５３ｂは、典型的には、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの電力用の半導体スイッチであり、コイル５３ａの他端側とグランドとの間に接続されている。スイッチング素子５３ｂの制御端子も制御回路５６に接続されており、制御回路５６によりオンオフ動作を制御することができるように構成されている。スイッチング素子５３ｂにも、スイッチング素子３４ａ−３４ｄ、３８ａ−３８ｄ、４６ａ−４６ｄと同様に、還流ダイオード５３ｃが逆並列に接続されている。尚、直列接続されているコイル５３ａとスイッチング素子５３ｂに流れる電流の最大値を所定値以下に制御するため、不図示の抵抗をこれらに対して直列に設ける場合もある。

内部電源５４は、ＩＧＣＴ端子や内部配線２４ａ１（二次側フィルタ５１の出力側と出力スイッチ５２の間を接続する電気配線）からダイオード５５ａを介して入力される直流電圧を制御回路５６の駆動電圧Ｖｐｐに降圧して出力する電源回路である。ＩＧＣＴ端子には、電気自動車２のパワー（イグニッション）スイッチのオンに伴って所定電圧が供給される。ここでは図示しないが、例えば、降圧トランスとスイッチング素子などにより構成される。ダイオード５５ａは電流方向を制御する整流素子である。ダイオード５５ａが接続されている内部電源５４の入力側には、平滑コンデンサ５５ｂが接続されている。

本実施例では、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０には、バックアップ配線５９ｃが設けられている。バックアップ配線５９ｃの一端側は、二次側フィルタ５１の出力側と出力スイッチ５２との間を繋ぐ内部配線２４ａ１に接続されている。またバックアップ配線５９ｃの他端側は、補機２６の入力側に接続されている。バックアップ配線５９ｃは、順方向が補機２６の入力側に向くダイオード５９ｂを備えている。これにより、後述のように、サブバッテリ２２の電圧低下時などにおいて、ブースト回路５３が動作することで、サブバッテリ２２の出力電圧が補機２６の駆動可能電圧Ｖｘよりも低い場合であっても補機２６に対する駆動電力の供給を可能にしている。

尚、補機２６には、サブバッテリ２２の正常電圧出力時における駆動電力の供給ルートとして、順方向が補機２６の入力側に向くダイオード５９ａを備えた配線５９ｄが接続されている。

制御回路５６は、ＥＣＵ６０（図１参照）と通信可能である。制御回路５６は、ＥＣＵ６０からの指示（制御コマンド）に従って、一次側回路４６のスイッチング素子４６ａ、４６ｂ、４６ｃ、４６ｄ、ブースト回路５３のスイッチング素子５３ｂや出力スイッチ５２の動作を制御する。

第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の動作を説明する。図４は、図３の回路図に、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０が降圧動作を行うときの二次側の電流の流れを太線で追加した図である。図４に示すように、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０が降圧動作をする場合、一次側回路４６において直流電力から交流電力に変換し、トランス４８において降圧して、二次側回路５０において交流電力から直流電力に変換する。この場合、二次側回路５０ではダイオード５０ａ、５０ｂによる整流と、チョークコイル５０ｅ及びコンデンサ５０ｆによる平滑化がなされる。これにより、メイン電源配線１０からサブ電源配線２４へ降圧して、サブバッテリ２２及び補機２６に電力を供給する（図４に示す太い実線の経路）。この際、出力スイッチ５２がオン（導通）状態である。また、ブースト回路５３のスイッチング素子５３ｂは、オフ（遮断）状態を保つ。この状態において、制御回路５６が一次側回路４６のスイッチング素子４６ａ−４６ｄのオン／オフのタイミングを調整することで、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０が降圧動作をするときのデューティ比を調整することが可能になる。第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の降圧動作においては、デューティ比が大きくなるほどメイン電源配線１０（メインバッテリ４）からサブ電源配線２４へ供給される電力が増加する。

尚、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０としては、図３に示すような、一次側回路４６がスイッチング素子４６ａ−４６ｄを備えており、制御回路５６が一次側回路４６の動作を制御する構成に限られない。例えば、二次側回路５０がスイッチング素子を備えており、制御回路５６が二次側回路５０の動作を制御する構成にしてもよい。また、一次側回路４６と二次側回路５０の夫々がスイッチング素子を備えており、制御回路５６が一次側回路４６と二次側回路５０のそれぞれの動作を制御する構成にしてもよい。また図３に示した第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の一次側フィルタ４４、一次側回路４６、二次側回路５０、二次側フィルタ５１などの具体的な回路構成はあくまでも一例であって、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０としては、メイン電源配線１０からサブ電源配線２４へ降圧して電力を供給する降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。

このような降圧動作に対して、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０がブースト動作をする場合は、図５に示すように、別の電力供給経路が構成される。図５は、図３の回路図に、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０がブースト動作を行うときの二次側の電流の流れを太線で追加した図である。第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０がブースト動作をする場合には、まず出力スイッチ５２をオフ（遮断）状態に設定する。これにより、二次側フィルタ５１の出力側とサブバッテリ２２の正極線２４ａとの電気的な接続が切断されてブースト動作が可能になる。ブースト動作では、この状態において、制御回路５６がスイッチング素子５３ｂを所定周期でオンオフを繰り返すスイッチング制御を行う。これにより、コイル５３ａ及びスイッチング素子５３ｂを経由して、オン状態においてはサブバッテリ２２の正極線２４ａからグランドに電流が流れ、オフ状態においてはその逆方向に電流が流れる（図５に示す太い実線の経路）。

すなわち、スイッチング素子５３ｂをオンオフ制御すると、コイル５３ａに交番電流が流れることから、コイル５３ａに磁気結合している二次側回路５０のチョークコイル５０ｅには誘導起電力が生じる。本実施例では、コイル５３ａの巻回数は、チョークコイル５０ｅに対して巻回数が少ない（チョークコイル５０ｅの巻回数は、コイル５３ａに対して巻回数が多い）。そのため、二次側フィルタ５１の出力側に接続される内部配線２４ａ１やバックアップ配線５９ｃに発生する電圧は、サブ電源配線２４の（サブバッテリ２２）の電圧よりも高くなる。即ち、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、バックアップ配線５９ｃを介してサブバッテリ２２よりも高い電圧の直流電力を補機２６に供給することが可能になる（図５に示す太い破線の経路）。

このようなブースト動作に伴って、ダイオード５５ａを介して内部配線２４ａ１に接続される内部電源５４の入力側にも、サブバッテリ２２よりも高い電圧の直流電力を供給することが可能になる（図５に示す太い一点鎖線の経路）。尚、図４に示したブースト回路５３のコイル５３ａ、スイッチング素子５３ｂなどの具体的な回路構成はあくまでも一例であって、ブースト回路５３としては、二次側回路５０のチョークコイル５０ｅに誘導起電力を発生させることが可能であれば、どのような構成のものを用いてもよい。また、二次側回路５０のチョークコイル５０ｅではなく、チョークコイル５０ｅの一端側又は他端側に直列に接続された別個のコイル（インダクタ）において、ブースト回路５３による誘導起電力を発生させる構成を用いてもよい。

本実施例の電気自動車２は、メインバッテリ４が所定の高電圧を出力しなくなった場合、例えば、サブバッテリ２２から供給される電力だけで、操舵系などの特定の補機２６を制御する。しかし、このような場合に、サブバッテリ２２の充電容量が十分でなかったり、バッテリセルの一部が劣化していたりすると、操舵系などの特定の補機２６の制御に必要な電圧Ｖｘを確保することが困難になり得るため、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０が上記のブースト動作を行う。本実施例の電気自動車２では、ＥＣＵ６０がメインバッテリ４の出力電圧を監視する所定制御において、図６に示す制御処理を実行することにより、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０によるブースト動作を可能にしている。図６に、電気自動車２のＥＣＵ６０がメインバッテリ４を監視する際に実行する制御処理の流れを示す。

本制御処理では、ＥＣＵ６０は、まずステップＳ２により、電圧センサ４ａで計測されるメインバッテリ４の電圧ＶＢやメインバッテリ４の充放電状態の履歴情報（充放電履歴）などを取得する。そして、ステップＳ３によりメインバッテリ４の状態判定を行う。この判定は、例えば、ＳＯＣ（Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の最大値や出力電圧の最高値などに基づいて行われる。尚、ＳＯＣは、充電率と称される場合もあり、満充電を１００％とした場合におけるメインバッテリ４の充電割合（単位％）のことである。

ステップＳ３により、メインバッテリ４の状態が正常であると判定した場合には（Ｓ３；正常）、当該電気自動車２においては、操舵などの運転操作に障害が生じる蓋然性が低いことから、本制御処理を終了する。これに対して、メインバッテリ４の状態が異常であると判定した場合には（Ｓ３；異常）、当該電気自動車２は、操舵などの運転操作において障害が生じる可能性がある。そのため、ＥＣＵ６０は、ステップＳ４に処理を移行して、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の出力スイッチ５２をオフにする。すなわち、ＥＣＵ６０は、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の制御回路５６に対して、出力スイッチ５２をオフ状態にする制御コマンドを送る。これにより、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、前述のブースト動作が可能になる。

続くステップＳ５では、ＥＣＵ６０は、電気自動車２のエンジン６１の情報（エンジン情報）を取得する。エンジン情報は、例えば、エンジンＥＣＵから取得する。そして、ステップＳ６によりそのエンジン情報に基づいて、エンジン６１の現在の状態を判定する。エンジン６１が現在も動作している場合には（Ｓ６；動作中）、ステップＳ８に処理を移行して、第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８による降圧動作を開始する。すなわち、当該電気自動車２では、エンジン６１が発生させた動力の一部により第１モータ６が発電しているため、その交流電圧をＰＣＵ１２によりメインバッテリ４への充電に適した直流電圧に変換かつ降圧し、さらにそれを第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８によって補機２６に適した電圧Ｖｘに降圧する。これにより、操舵系などの特定の補機２６の制御が可能になる。

一方、エンジン６１が現在停止してはいるものの、第１モータ６がエンジン６１をクランキングするセルモータとして機能することが可能である場合には（Ｓ６；停止中・クランキング可）、ステップＳ７に処理を移行して、第１モータ６によるエンジン６１のクランキングを開始する。これにより、エンジン６１が動作を開始すれば、エンジン６１の動力の一部を受けて今度は第１モータ６が発電するため、ステップＳ８により第１ＤＣ−ＤＣコンバータ２８による降圧動作を開始することで、上記のように操舵系などの特定の補機２６の制御が可能になる。

他方、エンジン６１が現在停止しており、かつ第１モータ６がエンジン６１をクランキングするセルモータとして機能することが不可能である場合には（Ｓ６；停止中・クランキング不可）、ステップＳ９に処理を移行して電圧センサ２２ａで計測されるサブバッテリ２２の電圧ＶＳの情報を取得する。そして、次のステップＳ１０により、電圧センサ２２ａの現在の電圧ＶＳが、補機２６に適した電圧Ｖｘ未満であるか否かを判定する。

ステップＳ１０の判定処理によって、電圧センサ２２ａの現在の電圧ＶＳが補機２６に適した電圧Ｖｘ未満でないと判定された場合には（Ｓ１０；ＮＯ）、当該電圧センサ２２ａから供給される電力により特定の補機２６を制御することが可能である。

これに対して、ステップＳ１０の判定処理によって、電圧センサ２２ａの現在の電圧ＶＳが補機２６に適した電圧Ｖｘ未満であると判定された場合には（Ｓ１０；ＹＥＳ）、続くステップＳ１１により第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０によるブースト動作を開始する。すなわち、ＥＣＵ６０は、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の制御回路５６に対して、ブースト回路５３のスイッチング素子５３ｂをオンオフ制御する制御コマンドを送る。これにより、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、前述のブースト動作を開始することから、バックアップ配線５９ｃを介して補機２６に適した駆動電力を供給することが可能になり、また特定の補機２６の制御が可能になる。

このようにステップＳ８、Ｓ１１などによる処理が完了すると、本制御処理を終える。尚、ステップＳ３において、メインバッテリ４の状態が異常であると判定した場合には（Ｓ３；異常）、当該電気自動車２のインスツルメントパネル（不図示）にメインバッテリ４が故障している（又は異常である）内容の警告表示を出力してもよい。これにより、当該電気自動車２の運転者に対して、メインバッテリ４の故障などを知らせることが可能になる。

以上のとおり、本実施例の電気自動車２では、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の二次側フィルタ５１とサブバッテリ２２の間でサブ電源配線２４（内部配線２４ａ１、２４ａ２）の導通と非導通を切り換える出力スイッチ５２と、出力スイッチ５２よりもサブバッテリ２２側のサブ電源配線２４（内部配線２４ａ２）に接続された補機２６と、出力スイッチ５２よりも二次側フィルタ５１側のサブ電源配線２４（内部配線２４ａ１）とグランドとの間に接続されるブースト回路５３（二次側回路５０のチョークコイル５０ｅに磁気結合するコイル５３ａ及びコイル５３ａに流れる電流をオンオフ制御するスイッチング素子５３ｂを有する）と、出力スイッチ５２よりも二次側フィルタ５１側のサブ電源配線２４（内部配線２４ａ１）と補機２６の間を接続しており、補機２６へ電力を供給する方向にダイオード５９ｂが設けられるバックアップ配線５９ｃと、を備えている。

これにより、サブ電源配線２４（内部配線２４ａ１、２４ａ２）を非導通に出力スイッチ５２を切り換えた後、ブースト回路５３のスイッチング素子５３ｂをオンオフ制御すると、コイル５３ａに交番電流が流れるため、二次側回路５０のチョークコイル５０ｅに生じた誘導起電力がバックアップ配線５９ｃを介して補機２６に供給される。バックアップ配線５９ｃには補機２６へ電力を供給する方向にダイオード５９ｂが設けられている。そのため、補機２６には直流電力が供給されることから、サブバッテリ２２の出力電圧ＶＳが不足する場合であっても、操舵系などの特定の補機２６を制御することが可能になる。

また、本実施例の電気自動車２では、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の二次側回路５０を構成するチョークコイル５０ｅを、ブースト回路５３のコイル５３ａとともに昇圧トランスを構成する部品の一部として用いた。これにより、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の既存回路の一部を共用するので、部品点数の削減によりブースト回路５３の製品コストや体格の増大を抑制することが可能になる。特に、昇圧トランスの一次側コイルを構成するブースト回路５３のコイル５３ａに対して、巻線比により同トランスの二次側コイルの体格が大きくならざるを得ない場合には、体格増大の抑制効果が大きい。

本実施例の電気自動車２では、図３−図５に示すように、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０内にブースト回路５３を設ける構成を採用した。つまり、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０として、その筐体５８内に出力スイッチ５２、ブースト回路５３及びバックアップ配線５９ｃの一部を構成した。しかしこれに限られることなく、ブースト回路５３のコイル５３ａが第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０のチョークコイル５０ｅと磁気結合可能であれば、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の外部（別体）に、出力スイッチ５２、ブースト回路５３及びバックアップ配線５９ｃを設けるように構成してもよい。このように本実施例では、ブースト回路５３などを筐体５８内に設けているが、第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０が、ブースト回路５３を除いた「一次側フィルタ４４、一次側回路４６、トランス４８、二次側回路５０、二次側フィルタ５１、内部電源５４、制御回路５６など」により構成されると理解することにより、出力スイッチ５２、ブースト回路５３及びバックアップ配線５９ｃが第２ＤＣ−ＤＣコンバータ３０とは別に設けられていることがわかる。

実施例技術に関する留意点を述べる。ＰＣＵ１２が電力制御ユニットの一例に相当する。ＳＭＲ２０のスイッチ２０ａが第１スイッチの一例に相当する。内部配線２４ａ１、２４ａ２がサブ電源配線の一例に相当する。補機２６がバックアップ対象負荷の一例に相当する。チョークコイル５０ｅがフィルタコイルの一例に相当する。チョークコイル５０ｅ及びコンデンサ５０ｆがフィルタ回路の一例に相当する。出力スイッチ５２が第２スイッチの一例に相当する。スイッチング素子５３ｂがスイッチング素子の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。また、本明細書又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、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、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。

２：電気自動車
４：メインバッテリ
６：第１モータ
８：第２モータ
１０：メイン電源配線
１２：ＰＣＵ
１６：コンバータ
１８：インバータ
２０：ＳＭＲ
２０ａ、２０ｂ：スイッチ
２２：サブバッテリ
２４：サブ電源配線
２４ａ１、２４ａ２：内部配線
２６：補機
２８：第１ＤＣ−ＤＣコンバータ
３０：第２ＤＣ−ＤＣコンバータ
５０ｅ：チョークコイル
５０ｆ：コンデンサ
５２：出力スイッチ
５３：ブースト回路
５３ａ：コイル
５３ｂ：スイッチング素子
５４：内部電源
５６：制御回路
５９ｃ：バックアップ配線
６０：ＥＣＵ
６１：エンジン
６２：動力分割機構

Claims (1)

1. メインバッテリと、
   前記メインバッテリに接続されたメイン電源配線と、
   前記メイン電源配線を介して前記メインバッテリに接続された電力制御ユニットと、
   前記メインバッテリと前記電力制御ユニットの間で前記メイン電源配線の導通と非導通を切り換える第１スイッチと、
   前記メインバッテリより低電圧のサブバッテリと、
   前記サブバッテリに接続されたサブ電源配線と、
   前記第１スイッチよりも前記電力制御ユニット側の前記メイン電源配線と前記サブ電源配線の間を接続しており、前記サブ電源配線から前記メイン電源配線へ昇圧して電力を供給する昇圧動作が可能な第１ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記第１スイッチよりも前記メインバッテリ側の前記メイン電源配線と前記サブ電源配線の間を接続しており、前記メイン電源配線から前記サブ電源配線へ降圧しフィルタ回路を介して電力を供給する降圧動作が可能な第２ＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータと前記サブバッテリの間で前記サブ電源配線の導通と非導通を切り換える第２スイッチと、
   前記第２スイッチよりも前記サブバッテリ側の前記サブ電源配線に接続されたバックアップ対象負荷と、
   前記第２スイッチよりも前記サブバッテリ側の前記サブ電源配線とグランドとの間に接続されて前記フィルタ回路のフィルタコイルに磁気結合するコイル、及び、前記コイルに流れる電流をオンオフ制御するスイッチング素子、を有するブースト回路と、
   前記第２スイッチよりも前記第２ＤＣ−ＤＣコンバータ側の前記サブ電源配線と前記バックアップ対象負荷の間を接続しており、前記バックアップ対象負荷へ電力を供給する方向にダイオードが設けられるバックアップ配線と、
   を備えている、ことを特徴とする電気自動車。

Images