JP7806742B2 - 電動車 - Google Patents

Description

本開示は、電動車に関し、詳しくは、バッテリと三相交流モータと外部直流電力を用いてバッテリを充電する直流充電器とを備える電動車に関する。

従来、この種の電動車としては、バッテリと、三相交流モータと、バッテリと電力ラインにより接続されてバッテリからの電力を用いて三相交流モータを駆動するインバータと、リレーを介して三相交流モータの中性点に接続されて外部電力を用いてバッテリを充電する充電器と、を備える電動車が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平１１－２０５９０９号公報

バッテリと、三相交流モータと、バッテリと電力ラインにより接続されてバッテリからの電力を用いて三相交流モータを駆動するインバータと、を備える電動車において、電力ラインの負極側ラインと三相交流モータの中性点とに接続して外部電力からの直流電力をインバータにより昇圧してバッテリを充電する充電器を備えるものが考えられる。この場合、三相交流モータの中性点に接続するためのリレーをオンする必要があるが、他の部品が故障しているときには、リレーに短絡電流が流れ、リレーが溶着する懸念がある。

本開示の電動車は、三相交流モータの中性点に接続する際にリレーに短絡電流が流れることを抑制することを主目的とする。

本開示の電動車は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本開示の電動車は、
バッテリと、三相交流モータと、前記バッテリからの電力を用いて前記三相交流モータを駆動するインバータと、前記バッテリと前記インバータとを接続する電力ラインに設けられたプリチャージ機能つきのシステムメインリレーと、外部充電コネクタから供給される外部直流電力を用いて前記バッテリを充電する直流充電器と、制御装置と、を備える電動車であって、
前記直流充電器は、前記外部充電コネクタと前記電力ラインの前記システムメインリレーと前記インバータとの間とに接続された充電用電力ラインと、前記充電用電力ラインの正極側ラインに取り付けられたバイパスリレーと、前記三相交流モータの中性点と前記充電用電力ラインの正極側ラインの前記外部充電コネクタと前記バイパスリレーとの間とを接続する中性点充電ラインと、前記中性点充電ラインに取り付けらた中性点リレーと、前記中性点充電ラインの前記中性点リレーより前記外部充電コネクタ側に接続された中性点側遮断回路と、前記充電用電力ラインの負極側ラインに取り付けられた負極側遮断回路と、前記充電用電力ラインの負極側ラインの前記負極側遮断回路より前記電力ライン側と前記中性点充電ラインの前記中性点リレーと前記中性点側遮断回路との間とに接続されたコンデンサと、前記中性点充電ラインの前記中性点側遮断回路より前記外部充電コネクタ側と前記充電用電力ラインの負極側ラインの前記負極側遮断回路より前記外部充電コネクタ側とに接続された電圧センサと、を備え、
前記制御装置は、前記バイパスリレーをオフとすると共に前記中性点リレーをオンとした状態で前記外部直流電力を用いた前記バッテリの充電を開始する中性点充電開始時には、前記システムメインリレーをオフとした状態で前記バイパスリレーをオフとすると共に前記中性点リレーをオンとした状態で前記システムメインリレーのプリチャージ回路をオンとする、
ことを特徴とする。

この本開示の電動車では、バイパスリレーをオフとすると共に中性点リレーをオンとした状態で外部直流電力を用いたバッテリの充電を開始する中性点充電開始時には、システムメインリレーをオフとした状態でバイパスリレーをオフとすると共に中性点リレーをオンとした状態でシステムメインリレーのプリチャージ回路をオンとする。このとき、インバータやモータの素子に故障が生じていないときにはコンデンサに電圧は作用しないから中性点リレーに短絡電流は流れない。一方、インバータやモータの素子に故障が生じているときにはコンデンサの電圧は上昇するが、プリチャージ回路を用いているから中性点リレーに短絡電流は流れない。これらの結果、インバータやモータの素子に故障の有無に拘わらず、中性点リレーに短絡電流が流れることを抑制することができる。

こうした本開示の電動車において、前記制御装置は、前記中性点充電開始時に、前記システムメインリレーのプリチャージ回路をオンとしたときに前記電圧センサにより検出される電圧が上昇したときには、前記インバータの素子または前記三相交流モータの素子に故障が生じていると判定するものとしてもよく、前記外部直流電力を用いた前記バッテリの充電を禁止するものとしてもよい。

本開示の実施形態としての電動車２０の構成の概略を示す構成図である。 電子制御ユニット６０により実行される昇圧充電開始処理の一例を示すフローチャートである。

次に、本開示を実施するための形態（実施形態）について説明する。図１は、本開示の実施形態としての電動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施形態の電動車２０は、走行用のモータ２２と、モータ２２を駆動するインバータ２４と、バッテリ２６と、充電器４０と、電子制御ユニット６０と、を備える。

モータ２２は、例えば外表面に永久磁石が貼り付けられたロータと三相コイルが巻回されたステータとを備える周知の同期発電電動機として構成されている。インバータ２４は６つのトランジスタＴ１～Ｔ６と、トランジスタＴ１～Ｔ６に逆方向に並列接続された６つのダイオードＤ１～Ｄ６とにより構成されている。トランジスタＴ１～Ｔ６は、インバータ２４が電力ライン３０として共用する正極母線と負極母線とに対してソース側とシンク側になるよう２個ずつペアで配置されており、対となるトランジスタ同士の接続点の各々にモータ２２の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。したがって、正極母線と負極母線との間に電圧が作用している状態で対をなすトランジスタＴ１～Ｔ６のオン時間の割合を制御することにより三相コイルに回転磁界を形成でき、モータ２２を回転駆動することができる。なお、電力ライン３０には平滑用のコンデンサ３４が接続されている。

バッテリ２６は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、電力ライン３０に接続されている。電力ライン３０には、システムメインリレー２８が取り付けられている、システムメインリレー２８は、電力ライン３０の正極側ラインに設けられた正極側リレーＳＭＲＢと、電力ライン３０の負極側ラインに設けられた負極側リレーＳＭＲＧと、負極側リレーＳＭＲＧをバイパスするようにプリチャージ用抵抗Ｒとプリチャージ用リレーＳＭＲＰとが直列接続されたプリチャージ回路と、を有する。電力ライン３０には、ノイズを除去するフィルタ３２も取り付けられている。

充電器４０は、外部電源に接続する外部充電コネクタ４２と、外部充電コネクタ４２に接続されると共に電力ライン３０のシステムメインリレー２８とインバータ２４との間（図１ではフィルタ３２とインバータ２４との間）に接続された充電用電力ライン４３（正極側ライン４４と負極側ライン４５）と、充電用電力ライン４３の正極側ライン４４とモータ２２の中性点とに接続された中性点充電ライン５０と、を備える。

充電用電力ライン４３には、外部充電コネクタ４２側から順に充電用リレー４８，平滑用のコンデンサを含むノイズフィルタ４９が取り付けられている。充電用リレー４８は、充電用電力ライン４３の正極側ライン４４に設けられた正極側リレーＣＨＲＢと、充電用電力ライン４３の負極側ライン４５に設けられた負極側リレーＣＨＲＧとを有する。充電用電力ライン４３の正極側ライン４４には、バイパスリレー４６が取り付けられている。充電用電力ライン４３の負極側ライン４５には、負極側遮断回路４７が取り付けられている。負極側遮断回路４７は、バッテリ２６から外部充電コネクタ４２の方向を順方向とするダイオードと、スイッチング素子としてのトランジスタと、バリスタとを並列接続するように構成されている。

中性点充電ライン５０には、モータ２２側から順に中性点リレー５１と、中性点側遮断回路５２とが取り付けられている。中性点側遮断回路５２は、負極側遮断回路４７と同様に、バッテリ２６から外部充電コネクタ４２の方向を順方向とするダイオードと、スイッチング素子としてのトランジスタと、バリスタとを並列接続するように構成されている。

中性点充電ライン５０の中性点リレー５１と中性点側遮断回路５２との間と、充電用電力ライン４３の負極側ライン４５の負極側遮断回路４７よりバッテリ２６側とには、コンデンサ５３の各端子が接続されている。また、中性点充電ライン５０の中性点側遮断回路５２より外部充電コネクタ４２側と、充電用電力ライン４３の負極側ライン４５の負極側遮断回路４７より外部充電コネクタ４２側とには、中性点充電ライン５０と負極側ライン４５との電圧を検出する電圧センサ５４が接続されている。また、中性点充電ライン５０と負極側ライン４５とには漏電を検出する漏電検出回路５５も取り付けられている。

電子制御ユニット６０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭやデータを一時的に記憶するＲＡＭ，フラッシュメモリ，入出力ポート、通信ポートなどを備える。電子制御ユニット６０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット６０に入力される信号としては、例えば、モータ２２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ（例えばレゾルバ）２３からの回転位置θｍや、モータ２２の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）に流れる相電流、充電器４０が備える電圧センサ５４からの電圧ＶＬ、漏電検出回路５５からの検出信号などを挙げることができる。また、電子制御ユニット６０は、外部充電コネクタ４２を介して外部直流電源装置と通信を行なうための通信線も接続されている。電子制御ユニット６０は、電動車２０の制御装置としても機能するため、シフトポジションやアクセル開度、ブレーキポジションなども入力されている。

電子制御ユニット６０からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット６０から出力される信号としては、例えば、インバータ２４のトランジスタＴ１～Ｔ６へのスイッチング制御信号，システムメインリレー２８への駆動制御信号、充電用リレー４８への駆動制御信号、バイパスリレー４６への駆動制御信号、中性点リレー５１への駆動制御信号、負極側遮断回路４７への駆動制御信号、中性点側遮断回路５２への駆動制御信号などを挙げることができる。

電子制御ユニット６０は、充電器４０の外部充電コネクタ４２に外部直流電源装置が接続されると、外部直流電源装置により供給される直流電力の電圧Ｖｄ（外部直流電圧Ｖｄ）を入力し、外部直流電圧Ｖｄがバッテリ２６の電圧Ｖｂより高いときには、充電器４０による通常充電によってバッテリ２６を充電し、外部直流電圧Ｖｄがバッテリ２６の電圧Ｖｂより低いときには、充電器４０による昇圧充電によってバッテリ２６を充電する。通常充電では、バイパスリレー４６をオンとすると共に中性点リレー５１をオフとし、システムメインリレー２８をオンとした状態で、充電用電力ライン４３の正極側ライン４４と負極側ライン４５を用いてバッテリ２６を充電する。昇圧充電では、バイパスリレー４６をオフとすると共に中性点リレー５１をオンとし、システムメインリレー２８をオンとした状態で、中性点充電ライン５０と充電用電力ライン４３の負極側ライン４５とを用いてバッテリ２６を充電する。この昇圧充電では、インバータ２４のトランジスタＴ１～Ｔ６のスイッチングによりモータ２２の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）とインバータ２４の各相の組み合わせを昇圧回路として機能させることにより、外部直流電力の電圧を昇圧してバッテリ２６を充電する。

次に、こうして構成された電動車２０の動作、特に充電器４０による昇圧充電を開始する際の動作について説明する。図２は、電子制御ユニット６０により実行される昇圧充電開始処理の一例を示すフローチャートである。

昇圧充電開始処理が実行されると、電子制御ユニット６０は、まず、バッテリ２６の電圧Ｖｂが外部直流電源装置から供給される電圧（外部直流電圧）Ｖｄより高いことを確認する（ステップＳ１００）。この確認ができないときには、昇圧充電ではないと判断し、本処理を終了する。一方、確認できたときには、中性点リレー５１をオンとし（ステップＳ１１０）、その後に、システムメインリレー２８の正極側リレーＳＭＲＢとプリチャージ用リレーＳＭＲＰをオンとする（ステップＳ１２０）。いま、インバータ２４やモータ２２の素子に導通故障が生じている場合を考える。中性点リレー５１をオンとした後にシステムメインリレー２８の正極側リレーＳＭＲＢと負極側リレーＳＭＲＧをオンとする場合や、システムメインリレー２８の正極側リレーＳＭＲＢと負極側リレーＳＭＲＧをオンとした後に中性点リレー５１をオンとする場合には、中性点リレー５１やコンデンサ５３に短絡電流が流れて中性点リレー５１に溶着故障が生じる懸念が生じる。こうした中性点リレー５１の溶着故障を防止するために、中性点リレー５１をオンとした後にシステムメインリレー２８の正極側リレーＳＭＲＢとプリチャージ用リレーＳＭＲＰをオンとするのである。こうしたリレー操作により、インバータ２４やモータ２２の素子に導通故障が生じていたときでも、中性点リレー５１やコンデンサ５３に短絡電流が流れて中性点リレー５１に溶着故障が生じるのを防止することができる。

続いて、電圧センサ５４により検出される電圧Ｖｃ（中性点電圧）に基づいて中性点電圧Ｖｃが上昇したか否かを判定する（ステップＳ１３０）。インバータ２４やモータ２２の素子に導通故障が生じているときには中性点リレー５１やコンデンサ５３に電流が流れて中性点電圧Ｖｃが上昇し、インバータ２４やモータ２２の素子に導通故障が生じていないときには中性点リレー５１やコンデンサ５３には電流は流れないため中性点電圧Ｖｃは上昇しない。中性点電圧Ｖｃが上昇していないと判定したときには、インバータ２４やモータ２２の素子に導通故障が生じていないと判断し、昇圧充電を開始して（ステップＳ１４０）、本処理を終了する。一方、中性点電圧Ｖｃが上昇していると判定したときには、インバータ２４やモータ２２の素子に導通故障が生じていると判断し、昇圧充電を禁止しして（ステップＳ１５０）、本処理を終了する。

以上説明した実施形態の電動車２０では、充電器４０により昇圧充電によってバッテリ２６の充電を開始するときには、中性点リレー５１をオンとした後にシステムメインリレー２８の正極側リレーＳＭＲＢとプリチャージ用リレーＳＭＲＰをオンとする。これにより、インバータ２４やモータ２２の素子に導通故障が生じていたときでも、中性点リレー５１やコンデンサ５３に短絡電流が流れて中性点リレー５１に溶着故障が生じるのを防止することができる。また、中性点リレー５１をオンとした後にシステムメインリレー２８の正極側リレーＳＭＲＢとプリチャージ用リレーＳＭＲＰをオンとした状態で、中性点電圧Ｖｃが上昇していないときには昇圧充電を開始し、中性点電圧Ｖｃが上昇しているときにはインバータ２４やモータ２２の素子に導通故障が生じていると判断して昇圧充電を禁止する。これにより、充電器４０による昇圧充電をより適正に行なうことができる。

実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施形態では、バッテリ２６が「バッテリ」に相当し、モータ２２が「三相交流モータ」に相当し、インバータ２４が「インバータ」に相当し、システムメインリレー２８が「システムメインリレー」にそうとうし、外部充電コネクタ４２が「外部充電コネクタ」に相当し、充電器４０が「直流充電器」に相当し、電子制御ユニット６０が「制御装置」に相当する。また、電力ライン３０が「電力ライン」に相当し、充電用電力ライン４３が「充電用電力ライン」に相当し、バイパスリレー４６が「バイパスリレー」に相当し、中性点充電ライン５０が「中性点充電ライン」に相当し、中性点リレー５１が「中性点リレー」に相当し、中性点側遮断回路５２が「中性点側遮断回路」に相当し、負極側遮断回路４７が「負極側遮断回路」に相当し、コンデンサ５３が「コンデンサ」に相当し、電圧センサ５４が「電圧センサに相当する。

なお、実施形態の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施形態が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施形態は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本開示は、電動車の製造産業などに利用可能である。

２０ 電動車、２２ モータ、２４ インバータ、２６ バッテリ、２８ システムメインリレー、３０ 電力ライン、３２ フィルタ、３４ コンデンサ、４０ 充電器、４２ 外部充電コネクタ、４３ 充電用電力ライン、４４ 正極側ライン、４５ 負極側ライン、４６ バイパスリレー、４７ 負極側遮断回路、４８ 充電用リレー、４９ フィルタ、５０ 中性点充電ライン、５１ 中性点リレー、５２ 中性点側遮断回路、５３ コンデンサ、５４ 電圧センサ、５５ 漏電検出回路、６０ 電子制御ユニット、ＣＨＲＢ 正極側リレー、ＣＨＲＧ 負極側リレー、ＳＭＲＢ 正極側リレー、ＳＭＲＧ 負極側リレー、ＳＭＲＰ プリチャージ用リレー、Ｒ プリチャージ用抵抗。

Claims (3)

1. バッテリと、三相交流モータと、前記バッテリからの電力を用いて前記三相交流モータを駆動するインバータと、前記バッテリと前記インバータとを接続する電力ラインに設けられたプリチャージ機能つきのシステムメインリレーと、外部充電コネクタから供給される外部直流電力を用いて前記バッテリを充電する直流充電器と、制御装置と、を備える電動車であって、
   前記直流充電器は、前記外部充電コネクタと前記電力ラインの前記システムメインリレーと前記インバータとの間とに接続された充電用電力ラインと、前記充電用電力ラインの正極側ラインに取り付けられたバイパスリレーと、前記三相交流モータの中性点と前記充電用電力ラインの正極側ラインの前記外部充電コネクタと前記バイパスリレーとの間とを接続する中性点充電ラインと、前記中性点充電ラインに取り付けらた中性点リレーと、前記中性点充電ラインの前記中性点リレーより前記外部充電コネクタ側に接続された中性点側遮断回路と、前記充電用電力ラインの負極側ラインに取り付けられた負極側遮断回路と、前記充電用電力ラインの負極側ラインの前記負極側遮断回路より前記電力ライン側と前記中性点充電ラインの前記中性点リレーと前記中性点側遮断回路との間とに接続されたコンデンサと、前記中性点充電ラインの前記中性点側遮断回路より前記外部充電コネクタ側と前記充電用電力ラインの負極側ラインの前記負極側遮断回路より前記外部充電コネクタ側とに接続された電圧センサと、を備え、
   前記制御装置は、前記バイパスリレーをオフとすると共に前記中性点リレーをオンとした状態で前記外部直流電力を用いた前記バッテリの充電を開始する中性点充電開始時には、前記システムメインリレーをオフとした状態で前記バイパスリレーをオフとすると共に前記中性点リレーをオンとした状態で前記システムメインリレーのプリチャージ回路をオンとする、
   ことを特徴とする電動車。
2. 請求項１記載の電動車であって、
   前記制御装置は、前記中性点充電開始時に、前記システムメインリレーのプリチャージ回路をオンとしたときに前記電圧センサにより検出される電圧が上昇したときには、前記インバータの素子または前記三相交流モータの素子に故障が生じていると判定する、
   電動車。
3. 請求項１記載の電動車であって、
   前記制御装置は、前記中性点充電開始時に、前記システムメインリレーのプリチャージ回路をオンとしたときに前記電圧センサにより検出される電圧が上昇したときには、前記外部直流電力を用いた前記バッテリの充電を禁止する、
   電動車。