(57)【要約】【課題】本明細書は、バッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータを有する電気自動車に関し、昇圧コンバータのスイッチング素子が短絡故障した場合にバッテリを保護しつつ走行を続けることができる技術を提供する。【解決手段】電気自動車の昇圧用の電圧コンバータは、一端が電圧コンバータの低電圧側の正極端子に接続されており他端が高電圧側の正極端子に接続されているリアクトルと、電圧コンバータの低電圧側と高電圧側の負極端子を接続する共通負極線とリアクトルの高電圧側との間に接続している昇圧スイッチング素子を有する。本明細書が開示する電気自動車は、昇圧スイッチング素子の短絡故障を検知すると、昇圧スイッチング素子を電圧コンバータの回路から切り離す遮断器を備える。遮断器が作動すると、電圧コンバータの正極端子と負極端子の短絡が解消され、電圧コンバータは、低電圧側端子と高電圧側端子を直結した単なる導通路となり、継続して走行することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリと、
走行用のモータと、
バッテリの出力電圧を昇圧する電圧コンバータと、
電圧コンバータの出力を交流に変換してモータに供給するインバータと、
を備えており、前記電圧コンバータは、
一端が低電圧側の正極端子に接続されており他端が高電圧側の正極端子に接続されているリアクトルと、
低電圧側の負極端子と高電圧側の負極端子を接続する共通負極線とリアクトルの高電圧側との間に接続されている昇圧スイッチング素子と、
昇圧スイッチング素子の短絡故障を検知すると、昇圧スイッチング素子を電圧コンバータの回路から切り離す遮断器と、
を備えることを特徴とする電気自動車。
【請求項２】
遮断器が昇圧スイッチング素子を切り離した状態でモータを駆動することを特徴とする請求項１に記載の電気自動車。
【請求項３】
遮断器が昇圧スイッチング素子を切り離した状態でモータを駆動する場合にモータの出力の上限を昇圧スイッチング素子切り離し前よりも小さい値に制限することを特徴とする請求項２に記載の電気自動車。
【請求項４】
バッテリを電圧コンバータから遮断するヒューズを備えており、
遮断回路は、火薬を使って昇圧スイッチング素子を切り離すことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や燃料電池車を含む。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車は走行用モータを駆動するための大容量大出力のバッテリを備えており、電気系統に不具合が発生したときにバッテリを保護する様々な技術が提案されている。以下では、走行用のモータに供給する電力を蓄えるバッテリを単純に「バッテリ」と称する。
【０００３】
特許文献１に開示された電気自動車は、バッテリを遮断するヒューズを備える。ヒューズは、本来切断すべきときに溶着してしまうことがある。特許文献２の技術では、そのような場合、バッテリに接続している電圧コンバータのスイッチング素子を短絡させ、バッテリを短絡状態とし、ヒューズに意図的に過電流を通電することによってヒューズを強制的に遮断する。
【０００４】
特許文献２は、バッテリと電圧コンバータとインバータとモータの組を２セット備える電気自動車に関する技術を開示している。電圧コンバータは、バッテリの出力電圧をモータ駆動用の電圧に昇圧するために備えられている。２個の電圧コンバータは高電圧側で並列に接続している。それゆえ、一方の電圧コンバータのスイッチング素子が短絡故障すると、一方のバッテリから他方のバッテリへ短絡電流が流れる虞がある。特許文献２の技術は、そのような場合に備えて、電圧コンバータの短絡故障を検知すると、バッテリと故障した電圧コンバータの間を遮断する。
【０００５】
特許文献３には、衝突したときにバッテリを電気回路から切り離す遮断器を備えた電気自動車が開示されている。特許文献２の遮断器は、火薬によって導電路を物理的に切断する。
【０００６】
電気自動車の場合、バッテリを電気回路から切り離してしまうと走行不能となる。そこで、電気系統において何らかの不具合が生じた場合であっても、バッテリを切り離さずに済むのであれば、バッテリを切り離さずに不具合に対処できれば好ましい。特許文献１が開示する電気自動車は、バッテリ／電圧コンバータ／インバータ／モータの組を２セット有しているので、一方のセットが不具合を生じて使用不能となっても他方のセットで走行を継続することができる。
【０００７】
また、特許文献４は、バッテリの出力電圧を昇圧する電圧コンバータの異常を検知すると、電圧コンバータを停止し、昇圧前のバッテリ出力でモータを駆動し走行を継続する電気自動車を開示している。ただし、バッテリへ許容値を超える回生電流が流れた場合にバッテリを回路から切り離す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−０６８３３６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２２６８６９号公報
【特許文献３】特開平０７−５９２０２号公報
【特許文献４】特開２００９−１００５０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２、４が開示しているように、バッテリの出力電圧を昇圧する電圧コンバータを搭載し、バッテリ出力電圧よりも高い電圧でモータを駆動するタイプの電気自動車がある。昇圧型の電圧コンバータの多くは、低電圧側（バッテリ側）の正極端子と負極端子に夫々繋がる正極線と負極線の間にスイッチング素子を備える。そのスイッチング素子が短絡故障するとバッテリが短絡状態となりバッテリに過電流が流れる虞がある。そのままでは電圧コンバータを停止しても短絡状態は解消されないため、特許文献４の技術は使えない。また、バッテリと電圧コンバータの組を１セットしか備えていない電気自動車では、特許文献２の技術も使えない。
【００１０】
本明細書は、昇圧コンバータのスイッチング素子が短絡故障した場合にバッテリを保護しつつ走行を続けることができる技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述したように、バッテリの出力電圧よりも高電圧でモータを駆動する電気自動車は、バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する電圧コンバータを備える。一般的な昇圧用電圧コンバータは、主たる部品として、一端が電圧コンバータの低電圧側の正極端子に接続されており他端が高電圧側の正極端子に接続されているリアクトルと、電圧コンバータの低電圧側の負極端子と高電圧側の負極端子を接続する共通負極線とリアクトルの高電圧側との間に接続されている昇圧スイッチング素子を有する。従って、昇圧スイッチング素子が短絡故障すると、電圧コンバータの正極端子と負極端子が短絡し、その結果、バッテリが短絡してしまう。そこで、本明細書が開示する電気自動車は、昇圧スイッチング素子の短絡故障を検知すると、昇圧スイッチング素子を電圧コンバータの回路から切り離す遮断器を備える。なお、短絡故障の検知はコントローラが行い、そのコントローラが遮断器を動作させる。遮断器が作動すると、電圧コンバータの正極端子と負極端子の短絡が解消され、電圧コンバータは、低電圧側端子と高電圧側端子を直結した単なる導通路となる。それゆえ、バッテリに短絡電流が流れることがなく、かつ、インバータに電力を供給することができる。
【００１２】
なお、通常はバッテリの出力電圧を昇圧した電圧がインバータに供給されるが、昇圧前の電圧であってもモータの出力を制限すれば、走行は可能となる。それゆえ、電気自動車のコントローラは、遮断器が昇圧スイッチング素子を切り離した状態でモータを駆動する場合には、モータの出力上限を昇圧スイッチング素子切り離し前よりも小さい値に制限する。ここで、昇圧スイッチング素子切り離し前の出力上限とは、何らの不具合も生じていないときの出力上限を意味する。
【００１３】
ところで、前述したように、多くの電気自動車では、バッテリを回路（即ち電圧コンバータ）から切り離すためのヒューズを備えていることが多い。そのような場合、ヒューズが切れるよりも先に上記の遮断器が昇圧スイッチング素子を切り離すのがよい。それには、応答の早い遮断器が好ましい。応答が早く確実に昇圧スイッチング素子を切り離すことができる遮断器として、火薬を使って昇圧スイッチング素子を切り離すタイプのものが好ましい。
【００１４】
上記の電気自動車が有する電圧コンバータは、バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給するデバイスであると説明した。多くの電気自動車では、車両の減速エネルギでモータを回転させ、モータで発電した電力でバッテリを充電する。そのような場合、インバータから出力される直流電力をバッテリの充電に適した電圧まで降圧する必要がある。従って、上記した電圧コンバータは、バッテリの直流電力を昇圧してインバータに供給する機能と、インバータによって交流から直流に変換された電力を降圧してバッテリに供給する機能を有するものであってもよい。
【００１５】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施例の電気自動車の電気系と駆動系のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図面を参照して実施例の電気自動車を説明する。実施例の電気自動車は、走行用に１個のエンジンと２個のモータを有するハイブリッド車である。図１にハイブリッド車２の電気系と駆動系のブロック図を示す。
【００１８】
まず、駆動系を説明する。２個のモータ４４、４５の出力軸とエンジン４３の出力軸は、動力分配機構４６に連結している。動力分配機構４６はプラネタリギアであり、サンギアに第１モータ４４の出力軸が連結しており、プラネタリキャリアにエンジン４３の出力軸が連結しており、リングギアに第２モータ４５が連結している。また、リングギアは、車軸４７にも連結している。車軸４７はデファレンシャルギア４８を介して車輪４９と連動する。エンジン４３の出力と２個のモータ４４、４５の出力を適宜に調整することによって、動力分配機構４６は、エンジン４３と２個のモータ４４、４５の出力を合成して車軸４７に出力したり、エンジン４３の出力を第１モータ４４と車軸４７に分配する。後者の場合、エンジン４３の駆動力によって第１モータ４４が発電する。また、ハイブリッド車２は、車両の減速エネルギを使って２個のモータ４４、４５を回転させ、発電する。車両の減速エネルギを使って発電することは一般に「回生」と呼ばれる。ハイブリッド車２は、回生で得られた電力でバッテリ３を充電する。
【００１９】
次に電気系を説明する。バッテリ３は、システムメインリレー４とヒューズ５を介して電圧コンバータ１０に接続している。電圧コンバータ１０は、バッテリ３の電圧ＶＬを昇圧して２個のインバータ４１、４２に供給する昇圧機能と、回生によって得られた交流をインバータ４１（４２）が直流に変換した電力の電圧をバッテリ３の充電に適した電圧まで降圧する降圧機能を有する。電圧コンバータ１０のバッテリ側の端子１０ａ、１０ｂが低電圧側の端子に相当し、インバータ４１、４２に接続している側の端子１０ｃ、１０ｄが高電圧側の端子に相当する。また、符号１０ａ、１０ｃが示す端子は正極であり、符号１０ｂ、１０ｄが示す端子は負極である。正極端子１０ａ、１０ｃ側の導電路を正極線Ｐと称し、負極端子１０ｂ、１０ｄ側の導電路を共通負極線Ｎと称する。共通負極線ＮはシステムのグランドＧに接続している。
【００２０】
高電圧側の端子１０ｃ、１０ｄには、２個のインバータ４１、４２が並列に接続している。２個のインバータ４１、４２は、昇圧された直流電力をモータ駆動に適した周波数の交流に変換し、それぞれモータ４４、４５に供給する。交流の振幅と周波数は、モータの回転数とアクセルペダル（不図示）の開度で定まる。アクセル開度はモータに要求される出力の大きさ（即ち、インバータが出力すべき交流の振幅）に対応し、モータの回転数はインバータが出力すべき交流の周波数に対応する。
【００２１】
電圧コンバータ１０の低電圧側と高電圧側にはそれぞれ、コンデンサ６とコンデンサ７が接続されている。コンデンサ６、７は、流れる電流を平滑化する目的で備えられている。
【００２２】
バッテリ３と電圧コンバータ１０の間には、システムメインリレー４とヒューズ５が挿入されている。システムメインリレー４は、ハイブリッド車２のメインスイッチ（いわゆるイグニッションスイッチ）に連動して開閉される。ヒューズ５は、バッテリ３を過電流から保護するために挿入されている。ヒューズ５は、正極線Ｐに所定の過電流が流れると破断（溶断）する。
【００２３】
電圧コンバータ１０の回路構成を説明する。電圧コンバータ１０は、直列に接続された２個のスイッチング素子１４、１５、夫々のスイッチング素子に逆並列に接続されたダイオード１６、１７、及び、リアクトル１２で構成される。スイッチング素子１４、１５は、トランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴである。以上の部品が昇圧機能と降圧機能を実現する。電圧コンバータ１０はほかに、遮断器１８と抵抗１３（シャント抵抗）と、電圧センサ２１を備える。
【００２４】
電圧コンバータ１０の部品のうち、昇圧機能を実現するのはリアクトル１２と昇圧用のスイッチング素子（昇圧スイッチング素子１５）とダイオード１６である。リアクトル１２は、一端が電圧コンバータ１０の低電圧側の正極端子１０ａに接続されており他端が（後述するダイオード１６を介して）高電圧側の正極端子１０ｃに接続されている。昇圧動作の場合、電流は低電圧側から高電圧側に流れる。それゆえ、昇圧中は、リアクトル１２の高電圧側と正極端子１０ｃは直結されているに等しい。
【００２５】
昇圧スイッチング素子１５は、電圧コンバータ１０の低電圧側の負極端子１０ｂと高電圧側の負極端子１０ｄを接続する共通負極線Ｎとリアクトル１２の高電圧側との間に接続されている。ダイオード１６は、リアクトル１２の高電圧側と電圧コンバータ１０の高電圧側の正極端子１０ｃの間に接続されており、電流の逆流を防止する。なお、昇圧動作時は、降圧スイッチング素子１４は常にＯＦＦ状態である。
【００２６】
電圧コンバータ１０の部品のうち、降圧機能を実現するのはリアクトル１２と降圧用のスイッチング素子（降圧スイッチング素子１４）とダイオード１７である。リアクトル１２は、一端が電圧コンバータ１０の低電圧側の正極端子１０ａに接続されており他端が降圧スイッチング素子１４を介して高電圧側の正極端子１０ｃに接続されている。ダイオード１７は、電圧コンバータ１０の低電圧側の負極端子１０ｂと高電圧側の負極端子１０ｄを接続する共通負極線Ｎとリアクトル１２の高電圧側との間に接続されている。ダイオード１７は、電流の逆流を防止するために備えられている。なお、降圧動作時は、昇圧スイッチング素子１５は常にＯＦＦ状態である。図１の回路による昇圧動作と降圧動作は良く知られているので説明は省略する。
【００２７】
昇圧スイッチング素子１５はセンスエミッタ付きであり、センスエミッタはシャント抵抗１３を介して共通負極線（即ちグランドＧ）に接続している。シャント抵抗１３の両側に電圧センサ２１が接続している。電圧センサ２１とシャント抵抗１３とセンスエミッタが電流センサを構成し、昇圧スイッチング素子１５のコレクタ／エミッタ間に流れる電流を計測する。電圧センサ２１の計測値はコントローラ２０に送られる。
【００２８】
遮断器１８は、火薬によって昇圧スイッチング素子１５の高電圧側の導電路を物理的に切断するデバイスである。遮断器１８はコントローラ２０からの信号により制御される。図１のブロック図では、コントローラ２０は、インバータ４１、４２、電圧コンバータ１０のスイッチング素子、及び、システムメインリレー４を制御する。なお、ハイブリッド車２は通常、多数のコントローラが協働して様々な処理を実現するが、本実施例では、便宜上、一つのコントローラ２０が全ての処理を実現するものとする。
【００２９】
電気系の動作を説明する。通常の走行時は電圧コンバータ１０がバッテリ３の出力電圧を昇圧してインバータ４１、４２に供給する。インバータ４１、４２が車速とアクセル開度に応じた交流を生成し、モータ４４、４５に供給する。電圧コンバータ１０では、昇圧時、昇圧スイッチング素子１５が適宜のＰＷＭ信号に応じてＯＮ／ＯＦＦを繰り返す。何らかの原因で昇圧スイッチング素子１５が短絡故障すると、図１から明らかなとおり、バッテリ３の正極と負極が短絡する。
【００３０】
コントローラ２０は電流センサ（センスエミッタとシャント抵抗１３と電圧センサ２１で構成される）を常に監視しており、昇圧スイッチング素子１５がＯＦＦとなるタイミングであってもセンスエミッタに所定値以上の電流が流れている場合に、昇圧スイッチング素子１５が短絡故障していると判断する。短絡故障していると判断すると、コントローラ２０は、遮断器１８を作動させる。即ち、昇圧スイッチング素子１５を電圧コンバータ１０の回路から切り離す。そうすると、電圧コンバータ１０は、単にバッテリ３とインバータ４１、４２を接続する導電路となる。インバータ４１、４２は、通常は、昇圧後電圧ＶＨの電力で駆動する。しかし、昇圧スイッチング素子１５が切り離された後は、インバータ４１、４２にはバッテリ電圧ＶＬの電力しか供給されない。例えば、バッテリ電圧ＶＬは３００ボルトであり、昇圧後の電圧ＶＨは６００ボルトである。
【００３１】
コントローラ２０は、通常は、車速とアクセル開度からモータ４４、４５（及びエンジン４３）の目標出力を決定し、その目標出力が得られるように電圧コンバータ１０とインバータ４１、４２への指令値であるＰＷＭ信号を生成する。遮断器１８を作動させ、昇圧スイッチング素子１５を切り離した後は、コントローラ２０は、モータ４４、４５の最高目標出力を制限する。別言すれば、コントローラ２０は、昇圧スイッチング素子１５を切り離した後、モータ４４、４５の出力の上限値をスイッチング素子切り離し前よりも低い値に制限する。具体的には車両の速度あるいは加速度が制限される。モータ４４、４５の目標出力の上限値を制限することによって、バッテリ電圧ＶＬの昇圧なしに走行を継続することができるようになる。
【００３２】
なお、ハイブリッド車２は、バッテリ３を過電流から保護するヒューズ５を備えている。それゆえ、昇圧スイッチング素子１５が短絡故障し、バッテリ３が短絡状態となると過電流が流れ、いずれヒューズ５が溶断する。しかし、昇圧スイッチング素子１５の短絡を検知するとコントローラ２０は直ちに遮断器１８を動作させる。それゆえ、ヒューズ５が溶断する前に短絡故障した昇圧スイッチング素子１５を切り離すことができ、バッテリ３の短絡状態を解消することができる。
【００３３】
実施例で説明したハイブリッド車２の利点を再度説明する。実施例のハイブリッド車２は、バッテリ３の電圧を昇圧してインバータ４１、４２にする電圧コンバータ１０を備える。そして、電圧コンバータ１０において正極線Ｐと負極線Ｎの間に配置されている昇圧スイッチング素子１５の短絡故障を検知すると直ちにその昇圧スイッチング素子１５を電圧コンバータの回路から切り離す。そのような構成と処理により、バッテリ３の短絡状態を解消するとともに、継続して走行を続けることができる。またハイブリッド車２は、昇圧スイッチング素子１５を回路から切り離した後は、モータ４４、４５の目標出力の上限を制限する。そうすることで、昇圧なしのバッテリの出力電圧で走行を継続することができる。
【００３４】
また、ハイブリッド車２は、バッテリ３を短絡から保護するヒューズ５を備える。昇圧スイッチング素子１５の短絡故障がしばらく継続すると、ヒューズ５が溶断する。しかし、ハイブリッド車２は、昇圧スイッチング素子１５を切り離すのに、レスポンスの早い火薬式の遮断器１８を備える。コントローラ２０は昇圧スイッチング素子１５を常時監視しており、短絡故障を検知すると直ちに遮断器１８を作動させる。それゆえ、ヒューズ５が溶断する前に昇圧スイッチング素子１５を切り離すことができる。
【００３５】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。遮断器１８は、導電路を物理的に切断するデバイスが好ましいが、火薬によって導電路を遮断するデバイスに限られない。例えばメカニカルリレーやソレノイドを遮断器として採用してもよい。遮断器１８は、導電路を物理的に切断するデバイスが好ましいが、半導体スイッチであっても本明細書が開示する技術的思想を具現化することができる。
【００３６】
実施例では昇圧スイッチング素子１５の短絡故障を検知するセンサを、昇圧スイッチング素子のセンスエミッタとシャント抵抗１３と電圧センサ２１で構成した。短絡故障を検知するセンサは、単純な電流センサであってもよい。電流センサは、例えばリアクトル１２を流れる電流を計測するものであってもよい。コントローラ２０は、昇圧スイッチング素子１５がＯＦＦしている間にリアクトル１２に所定以上の電流が流れたときに昇圧スイッチング素子１５が短絡故障したと判断する。
【００３７】
実施例の電気自動車は走行用にエンジン４３と２個のモータ４４、４５を有するハイブリッド車２である。本明細書が開示する技術は、エンジンを備えない所謂ピュアＥＶに適用することも好適であるし、燃料電池車に適用してもよい。
【００３８】
実施例の電圧コンバータ１０は、昇圧機能と降圧機能を兼ねた。本明細書が開示する技術は、降圧機能を備えない昇圧専用の電圧コンバータにも適用することができる。なお、昇降圧機能を兼ねた電圧コンバータの構成は、次のように説明することができる。電圧コンバータは、２個のスイッチング素子と、２個のダイオードと、リアクトルと、遮断器を備える。２個のスイッチング素子は、電圧コンバータの高電圧側の正極と負極の間に直列に接続されている。低電圧側のスイッチング素子が昇圧スイッチング素子に相当し、高電圧側のスイッチング素子が降圧スイッチング素子に相当する。２個のダイオードは、それぞれ、各スイッチング素子に逆並列に接続されている。リアクトルは、一端が電圧コンデンサの低電圧側の正極に接続されており、他端がスイッチング素子の直列接続の中点に接続されている。遮断器は、昇圧スイッチング素子の短絡故障を検知すると、その昇圧スイッチング素子を電圧コンバータの回路から切り離す。
【００３９】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、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。本明細書また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、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、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。
【符号の説明】
【００４０】
２：ハイブリッド車
３：バッテリ
４：システムメインリレー
５：ヒューズ
６、７：コンデンサ
１０：電圧コンバータ
１０ａ、１０ｃ：正極端子
１０ｂ、１０ｄ：負極端子負極
１２：リアクトル
１３：抵抗
１４：降圧スイッチング素子
１５：昇圧スイッチング素子
１６、１７：ダイオード
１８：遮断器
２０：コントローラ
２１：電圧センサ
４１、４２：インバータ
４３：エンジン
４４、４５：モータ
４６：動力分配機構
４７：車軸
４８：デファレンシャルギア
４９：車輪
Ｇ：グランド
Ｎ：共通負極線
Ｐ：正極線
ＶＨ：昇圧後電圧
ＶＬ：バッテリ電圧
【図１】
2014054102.tif 000003