(57)【要約】【課題】本発明は、小形化、低発熱量化を図りつつプレ充電が可能な電気自動車用電源装置を提供する。【解決手段】本発明である電気自動車用電源装置５は、ＩＧＢＴ２５より構成される３相モータ１５のスイッチング部２１と走行用バッテリ１９を直列に接続し、走行用バッテリ１９とスイッチング部２１の間にリレースイッチ２９を設け、リレースイッチ２９の開閉接点３０とスイッチング部２１の間に並列に平滑コンデンサ３１を設けて構成される走行用電源回路１７と、車両電装用電源回路３７と、開閉接点３０とスイッチング部２１の間のメイン通電路２７と車両電装用電源回路３７に接続される昇圧コンバータ３５と、リレースイッチ２９のオン時に平滑コンデンサ３１が所定電圧に至っていないときは昇圧コンバータ３５を制御して車両電装用バッテリ４０から昇圧充電させるＥＣＵ４３から構成される。【選択図】　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行用モータをスイッチングするスイッチング部と走行用バッテリとを直列に接続し、かつ当該走行用バッテリとスイッチング部との間に直列にメインスイッチを設け、さらに該メインスイッチと前記スイッチング部との間に並列に平滑コンデンサを設けて構成される走行用電源回路と、
車両の一般電装品に電力を供給する車両電装用電源回路と、
前記メインスイッチと前記平滑コンデンサとの間の回路部分と、前記車両電装用電源回路とに接続されて設けられ，前記車両電装用電源回路の電力を昇圧して前記走行用電源回路に供給可能な昇圧コンバータと、
前記メインスイッチのオン時、前記平滑コンデンサが所定電圧に至っていないとき、そのオンの前に前記昇圧コンバータを作動させて前記車両電装用電源の電力を前記平滑コンデンサへ充電させる制御部と、
を具備したことを特徴とする電気自動車用電源装置。
【請求項２】
前記昇圧コンバータは、前記平滑コンデンサの充電後、前記走行用電源回路の電力を降圧させて前記車両電装用電源へ導く双方向性の機能を有することを特徴とする請求項１に記載の電気自動車用電源装置。
【請求項３】
前記走行用モータによって始動されるエンジンと前記走行用バッテリの充電状態を検出する手段とを有し、前記制御部はさらに前記走行用バッテリが充電不足のとき、前記メインスイッチをオンするとともに前記昇圧コンバータを作動させて、前記車両電装用電源回路の電力を前記走行用バッテリに充電させるように構成してあることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電気自動車用電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メインスイッチと走行用モータをスイッチングするスイッチング部の間に並列に平滑コンデンサを設けて構成される電気自動車用電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車には、走行用バッテリを電源として走行するために、リレースイッチを介して走行用バッテリと、走行用モータの通電を制御するスイッチング部である半導体スイッチング素子とを直列に接続した走行用電源回路を用いることが行なわれている。こうした電源回路では、半導体スイッチング素子オン時の大きな瞬時電流をまかなうために、平滑コンデンサを設けることが行なわれている。
【０００３】
こうした平滑コンデンサが付いた走行用電源回路は、リレースイッチをオンする前に、平滑コンデンサに充電することが求められる。ところが、単に平滑コンデンサに通電すると、リレースイッチの接点において大電流による火花放電が生じ、接点が溶着される問題がある。そこで、従来このような不具合を防止するために、プレリレースイッチと抵抗器を設けて平滑コンデンサへ流れる電流を抑えることが行なわれている。
【０００４】
ところが、プレリレースイッチと抵抗器で形成されるプレ電源投入構造は、抵抗器が１〜１０Ω程度で２０〜１００Ｗ程度といった大形の部品、プレリレースイッチは２０Ａ〜５０Ａ程度といった大形の部品が使用されるために、大形化や多くの発熱量を伴う問題がある。
【０００５】
そこでトランスを使って所定の電圧まで昇圧することが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２９９９０２号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、トランスを用いて昇圧する構造でも、プレリレースイッチと抵抗器を用いた構造と同様に大形の部品が使用されるために、大形化や多くの発熱量を伴う問題がある。
【０００８】
従って、本発明は小形化、低発熱量化を図りつつプレ充電が行なえる電気自動車用電源装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載した電気自動車用電源装置は、走行用モータのスイッチング部と走行用バッテリを直列に接続し、スイッチング部と走行用バッテリの間に直列にメインスイッチを設け、メインスイッチとスイッチング部の間に並列に平滑コンデンサを設けて構成される走行用電源回路と、車両電装用電源回路と、メインスイッチと平滑コンデンサの間の回路部分と車両電装用電源回路に接続されて車両電装用電源回路の電力を昇圧して走行用電源回路に電力を供給可能な昇圧コンバータと、メインスイッチのオン時に平滑コンデンサが所定電圧に至っていないときは昇圧コンバータをオンして平滑コンデンサへ充電させる制御部とから構成される。
【００１０】
請求項２に記載した電気自動車用電源装置は、前記昇圧コンバータは前記走行用電源回路の電力を降圧させて前記車両電装用電源回路へ電力を供給する双方向性の機能をもつ。
【００１１】
このように構成された電気自動車用電源装置では、前記平滑コンデンサを充電後、前記走行用電源回路の電力を降圧して前記車両電装用電源回路へ電力を供給する。
【００１２】
請求項３に記載した電気自動車用電源装置は、前記走行用モータによって始動されるエンジンと前記走行用バッテリの充電状態を検出する手段を有し、前記走行用バッテリが充電不足のときは前記メインスイッチをオンするとともに、前記昇圧コンバータで前記車両電装用電源回路の電力を昇圧して前記走行用バッテリへ充電するように構成されている。
【００１３】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態について図１および図２を参照して説明する。
【００１４】
図１は電気自動車用電源装置５を模式的に示していて、図中１０は車体、１１は同車体１０の前部両側に設けた前輪、１２は同じく後部両側に設けた後輪である。このうち、後輪１２がドライブシャフト１３、リアデファレンシャル１４を介して走行用モータ、例えば３相モータ１５に接続してある。
【００１５】
この３相モータ１５には、同モータ１５の通電制御を行なう走行用電源回路１７が接続してある。走行用電源回路１７について説明すると、図中１９は、例えば３００Ｖといった電圧で電力が充電されてなる走行用バッテリ、２１は３相モータ１５をスイッチングするスイッチング部である。
【００１６】
このスイッチング部２１には、３相モータ１５に合わせて、例えば半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　ＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）２５を２つ直列に並べて形成される回路を３列並列に接続した構造が用いられる。そして、各直列に並ぶＩＧＢＴ２５は、メイン通電路２７を介して走行用バッテリ１９に直列に接続され、走行用バッテリ１９の電力を３組のＩＧＢＴ２５を通じて３相モータ１５へ供給できるようにしている。
【００１７】
このスイッチング部２１と３相モータ１５との間のメイン通電路２７には、メインスイッチを構成するリレースイッチ２９の開閉接点３０が設けてある。また、開閉接点３０とスイッチング部２１との間に、スイッチング部２１の近傍に位置して、平滑コンデンサ３１が並列に接続してある。
【００１８】
一方、３５はプレ充電回路を形成する昇圧コンバータである。昇圧コンバータ３５は、半導体部品で形成してあり、一次側から入力される電力の電圧を昇圧、例えば走行用バッテリ１９の電圧と近い電圧まで昇圧させて二次側に出力する機能をもつ。
【００１９】
この昇圧コンバータ３５の一次側が、車体１０に搭載してある車両電装用電源回路３７、例えば電動パワーステアリング、電動エアコン、ライト、オーディオなどといった一般電装品へ電力を供給する、例えば１２Ｖの車両電装用バッテリ４０に接続してある。また、二次側は、開閉接点３０と平滑コンデンサ３１との間のメイン通電路２７に接続してある。
【００２０】
つまり、昇圧コンバータ３５は、車両電装用バッテリ４０の電源電圧を走行用バッテリ１９の電源電圧近くまで昇圧して走行用電源回路１７に供給できるようにしている。なお、昇圧コンバータ３５には、走行用電源回路１７の平滑コンデンサ３１側の電圧検出が行なえる電圧センサ部３５ａが内蔵してある。
【００２１】
他方、４３は制御部を構成するＥＣＵ（例えばマイクロプロセッサから構成される）である。このＥＣＵ４３には、アクセルペダル５０のアクセル開度を検出するアクセルセンサ５１、３組のＩＧＢＴ２５のドライバ５３、走行用バッテリ１９の電圧を検出する電圧センサ５４、イグニションスイッチ５５、故障表示をなすフェイルインジケータ５６が接続してある。同ＥＣＵ４３には、アクセルペダル５０のアクセル開度に応じてドライバ５３を制御して、３組のＩＧＢＴ２５を３相の正弦波を模擬したタイミングでオンオフする機能の他に、平滑コンデンサ３１をプレ充電する機能が設定されている。
【００２２】
プレ充電機能は、イグニションスイッチ５５の操作時、平滑コンデンサ３１が所定の電圧に至っていないとき（充電していない、充電が不足している状態）、リレースイッチ２９が開閉接点３０をオンする前に昇圧コンバータ３５の昇圧動作により、所定時間、車両電装用バッテリ４０の電力を平滑コンデンサ３１に充電する機能と、所定時間経過後、所定電圧範囲まで充電したことが認められると、リレースイッチ２９の開閉接点３０がオフする機能とを有していて、半導体部品である昇圧コンバータ３５によるプレ充電を実現させる構成としてある。
【００２３】
なお、ＥＣＵ４３には、所定時間経過後、所定の充電が認められないと、故障表示をするべくフェイルインジケータ５６を点灯作動させる機能も設けてある。
【００２４】
このように構成された電気自動車用電源装置５のプレ充電時の制御が図２のフローチャートに示されている。運転者が電気自動車を運転するためにイグニションスイッチ５５を操作するとする。なお、このときはリレースイッチ２９の開閉接点３０は開けられている。
【００２５】
ＥＣＵ４３はステップＳ１において、イグニションスイッチ５５がスタート位置なるか否かを判定している。そして，スタート位置になるにしたがいステップＳ２に進み、平滑コンデンサ３１の充電状態をチェックする。なお、スタート位置に至らないときは、オフを含めステップＳ３に進む。このチェックは電圧センサ部３５ａで検出される平滑コンデンサ３１の電圧と、電圧センサ５４で検出される走行用バッテリ１９の電圧の電位差を検出することで行なわれる。
【００２６】
このとき、電位差が目標範囲内、すなわち予め定めた所定値以内、例えば２０Ｖである場合は、平滑コンデンサ３１は充電が完了していると判断してステップＳ６に進み、プレ充電を行なわずにリレースイッチ２９を作動させて、開閉接点３０を閉じる。電位差が所定値以上の場合は、平滑コンデンサ３１は充電状態が不充分なのでステップＳ４に進み、プレ充電である平滑コンデンサ３１の充電が行なわれる。
【００２７】
このステップＳ４は、リレースイッチ２９の開閉部接点３０が開放したまま昇圧コンバータ３５をオンする。これにより、昇圧コンバータ３５は車両電装用電源回路３７の車両電装用バッテリ４０の電圧（１２Ｖ）を走行用バッテリ１９の電圧（３００Ｖ）の近くまで昇圧させて車両電装用バッテリ４０の電力を平滑コンデンサ３１へ充電させる。そして、ステップＳ７へ進み、そのプレ充電を所定時間、例えば１秒間続ける。
【００２８】
この間、ステップＳ２では、平滑コンデンサ３１の電圧が走行用バッテリ１９の電圧に近くになる状況をチェックしている。そして、走行用バッテリ１９の電圧に対して所定値内に収まると、ステップＳ６へ進み昇圧コンバータ３５をオフさせ、平滑コンデンサ３１への充電を終了する。
【００２９】
続いて、開閉接点３０が閉じて走行用バッテリ１９から平滑コンデンサ３１、各ＩＧＢＴ２５へ電力が供給され、アクセルペダル５０の操作による走行が可能となる。また、１秒間を経過しても平滑コンデンサ３１の所定の電圧上昇が検出されなければステップＳ８へ進み、昇圧コンバータ３５の作動を停止する。そして、続くステップＳ９により故障と判断してフェイルインジケータ５６を点灯させ、運転者に故障を表示する。
【００３０】
このように昇圧コンバータ３５といった１つの半導体部品だけで、リレースイッチ２９の開閉接点３０が溶着を起こさないよう、車両電装用電源回路３７の車両電装用バッテリ４０を昇圧して平滑コンデンサ３１へ充電するようにしたから、開閉接点３０の溶着を防ぎ、プレ充電構造は専有面積が小さくてすみ、小形化が図れる。しかも、発熱が抑えられ、高い信頼性が確保できる利点がある。
【００３１】
［第２の実施の形態］
図３は本発明の第２の実施の形態を示す。本実施の形態は、第１の実施の形態で述べた、昇圧機能を有するだけの昇圧コンバータ３５でなく、降圧機能も有するＤＣ−ＤＣコンバータ、すなわち双方向コンバータ６０を用いたものである。
【００３２】
具体的には、図１中の昇圧コンバータ３５の代わりに走行用バッテリ１９を１２Ｖ位に降圧して、車両電装用電源回路３７へ電力を供給する機能と、昇圧機能と降圧機能とを併せもつ双方向コンバータ６０を設けたものである。
【００３３】
本実施の形態は、こうした双方向コンバータ６０の採用により、図３のフローチャート中のステップＳ１０（図２中のステップＳ４に代わるステップ）に示されるように昇圧機能で平滑コンデンサ３１の充電が行なわれ、ステップＳ１１（図２中のステップＳ６に代わるステップ）に示されるように平滑コンデンサ３１の充電を終えると、コンバータ方向を昇圧側から降圧側に切り換えて車両電装用電源回路３７へ電力が供給されるものである。
【００３４】
第２の実施の形態によると、双方向コンバータ６０を使用して走行用バッテリ１９から車両電装用電源回路３７へ電力を供給するので、第１の実施の形態の効果に加えて、別途専用の充電機器を設けることなく車両電装用の電源を確保できる利点がある。
【００３５】
なお、図３のフローチャートにおいて第１の実施の形態と共通するステップは、同じ符号を附して、ここでの説明を省略する。
【００３６】
［第３の実施の形態］
図４〜図６は、本発明の第３の実施の形態を示す。
本発明の実施の形態は、図４に示されるように３相モータ１５にエンジン６１を接続したハイブリッドカーのハイブリッドシステム、例えば３相モータ１５でエンジン６１を始動して走行をアシストする方式のシステムに、例えば双方向コンバータ６０を採用したものである。
【００３７】
そして、走行用バッテリ１９が放電したとき、車両電装用の低圧の車両電装用バッテリ４０の電力を走行用バッテリ１９に昇圧充電して、走行用バッテリ１９に蓄えられた電力でエンジン６１の始動を可能としている。
【００３８】
エンジン６１の始動を行なわせるために、図４に示されるようにＥＣＵ４３は、昇圧充電を表示する昇圧充電インジケータ６５と、電源の入れ直しを知らせる電源入れ直しインジケータ６６とを接続してある。
【００３９】
双方向コンバータ６０は充電電流と充電電圧を検出するセンサ６７を有するＤＣ−ＤＣコンバータが採用してある。また、ＥＣＵ４３には図５に示されるように、図３のフローに対して走行用バッテリ１９の充電状態を検出するステップＳ１３と、走行用バッテリ１９が充電不足（エンジンの始動が困難）のとき、昇圧充電を行なわせるステップＳ１４を追加できる。
【００４０】
そして、昇圧充電を行なう制御フローが図６に示されている。このフローチャートを説明すれば、今、走行用バッテリ１９が充電不足で、現在の状態では３相モータ１５によるエンジン６１の始動が行なえない状態にあるとする。すると、ＥＣＵ４３は、図５に示されるフローチャートのステップＳ１３、ステップＳ１４を経て図６に示されるフローチャートのステップＳ１５の制御へ進み、昇圧充電インジケータ６５を点滅させて、充電不足である旨を表示する。
【００４１】
次に、ステップＳ１６において平滑コンデンサ３１の充電チェックを行なうが、ここで走行用バッテリ１９の電圧は低いのでステップＳ１８へ進み、双方向コンバータ６０による昇圧充電が行なわれる。
【００４２】
すなわち、ステップＳ１８に示されるように、双方向コンバータ６０がオフ、リレースイッチ２９の開閉接点３０がオンとなる状態から、ステップＳ２２に示されるように双方向コンバータ６０のコンバータ方向を昇圧側にセットし、同双方向コンバータ６０をオンする。
【００４３】
これにより、双方向コンバータ６０は車両電装用バッテリ４０の電圧を昇圧して、走行用バッテリ１９への充電を開始する（昇圧充電）。むろん、この充電は双方向コンバータ６０から既定値の充電電流、同じく既定値の充電電圧が出力されて行なわれる。
【００４４】
続いて、ステップＳ２３、ステップＳ２４を経てステップＳ２５に進み、同ステップＳ２５により、３相モータ１５でエンジン６１を始動させるのに必要な電力が確保されたか否かの判断が行なわれる。
【００４５】
１分を経過すると続くステップＳ２６により、ＥＣＵ４３は昇圧充電が完了したとして、双方向コンバータ６０をオフして走行用バッテリ１９への充電を終了し、開閉部接点３０をオフし、昇圧インジケータ６５を点灯させ、運転者に車両電装用バッテリ４０からの昇圧充電が終了したことを知らせる。さらに、電源入れ直しインジケータ６６をオンして、電源入れ直しを表示し、運転者に再度のキー操作を促す。
【００４６】
続いて、運転者がキー操作をすると、第２の実施の形態で説明したステップＳ１７〜Ｓ１９により、開閉接点３０をオフ、昇圧側に切り替えた双方向コンバータ６０の作動により、平滑コンデンサ３１の充電が行なわれる。
【００４７】
この状態により、３相モータ１５でエンジン６１を始動する体制が整う。これによりＥＣＵ４３は、３相モータ１５でエンジン６１を始動させればよく、以後はエンジン６１で駆動される発電機（図示せず）により、走行用バッテリ１９が充電され、充電不足が解消される。
【００４８】
なお、ステップＳ１９において、１秒間充電しても充電が完了しなかったり、ステップＳ２３，２４において双方向コンバータ６０から出力される充電電流や充電電圧が既定値でないときは、フェイルインジケータ５６を表示して、運転者へ故障がある旨を知らせる。
【００４９】
このように、本実施の形態の電気自動車用電源装置５によると、第２の実施の効果に加え、走行用バッテリ１９が充電不足でエンジン６１の始動ができないというトラブルを回避することができる。但し、第３の実施の形態において、第２の実施の形態と同じ部分は、同一符合を附してその説明を省略した。
【００５０】
なお、本発明を実施するに当たって、走行用電源回路の構成要素をはじめとして本発明の構成要素は本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変換して実施できることは言うまでもない。
【００５１】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、車両電装用電源回路の電力を昇圧コンバータで昇圧して平滑コンデンサへ充電する構造を採用したので、抵抗器を設置した並列な充電回路を用いた構造やトランスを用いた構造に比べ、専有面積が小さくてすみ、充電構造の小形化が図れる。しかも、発熱量が少なくすむといった効果を奏する。
【００５２】
請求項２に記載した発明によれば、さらに双方向コンバータを用いて車両電装用回路へも電力を供給できるといった効果を奏する。
【００５３】
請求項３に記載した発明によれば、さらに、走行用バッテリが充電不足でエンジンが始動できないというトラブルを回避したハイブリッドカーを実現できるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る電気自動車用電源装置を示す回路図
【図２】同電源装置の制御を示すフローチャート
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る電気自動車の制御を示すフローチャート
【図４】第３の実施の形態に係る電源装置を示す回路図
【図５】同電源装置の制御を示すフローチャート
【図６】同制御の昇圧充電処理の制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
５…電気自動車用電源装置
１５…３相モータ
１７…走行用電源回路
１９…走行用バッテリ
２１…スイッチング部
２９…リレースイッチ（メインスイッチ）
３１…平滑コンデンサ
３５…昇圧コンバータ
３７…車両電装用電源回路
４３…ＥＣＵ（制御部）
６０…双方向コンバータ
６１…エンジン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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