JP2012249455A - 車両の電気システム - Google Patents

Abstract

【課題】過充電によるバッテリの劣化を抑制する。
【解決手段】車両の電気システムは、電源から供給された電力を蓄えるバッテリ１５０と、電源とバッテリ１５０とを遮断しておき、バッテリ１５０の電圧がしきい値より低いと、電源とバッテリ１５０とを接続する、また前記電源と前記バッテリとを接続した後、前記バッテリの電圧が、前記しきい値よりも高く定められた所定の値よりも高くなると、前記電源と前記バッテリとを遮断するシステムメインリレー２３０とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両の電気システムに関し、特に、蓄電装置を充電する技術に関する。

駆動源として用いられる電動モータを搭載したハイブリッド車、電気自動車、燃料電池車などが知られている。これらの車両には、電動モータに供給する電力を蓄えるバッテリおよびキャパシタなどの蓄電装置が搭載される。蓄電装置には、回生発電により得られた電力、エンジンにより発電器を駆動することにより発電された電力が蓄えられる。車両の外部の電源から供給された電力を蓄電装置に充電することが可能な車両もある。

車両の外部の電源から供給された電力を蓄電装置に充電することが可能である場合、蓄電装置が満充電状態であることに気付かずに充電を繰り返すことが考えられる。このような充電が繰り返されると、蓄電装置が早く劣化し得る。そこで、このような充電を防止すべく、特開平１０−２９０５３４号公報（特許文献１）に記載のように、バッテリの電流ならびに自己放電量などから算出された残容量が所定値以上のとき、充電動作を禁止することが提案されている。

特開平１０−２９０５３４号公報

しかしながら、バッテリの電流ならびに自己放電量は、バッテリの劣化の程度および温度などの因子に応じて大きく変動する。したがって、バッテリが実際には満充電状態であるにもかかわらず、残容量が低く算出されることもあり得る。このような場合、バッテリが誤って充電され得る。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、過充電による蓄電装置の劣化を抑制することである。

ある実施例において、車両の電気システムは、電源から供給された電力を蓄える蓄電装置と、電源と蓄電装置とを遮断しておき、蓄電装置の電圧がしきい値より低いと、電源と蓄電装置とを接続する接続装置とを備える。

この構成によると、蓄電装置の電圧がしきい値より低ければ、蓄電装置の充電が可能となる。蓄電装置の電圧がしきい値以上であれば、蓄電装置の充電が制限される。蓄電装置の電圧は蓄電装置の残存容量を直接的に示すため、蓄電装置の電圧に基づいて充電を制御することにより、蓄電装置が満充電である状態においてさらに蓄電装置を充電することを精度よく抑制できる。そのため、過充電による蓄電装置の劣化を抑制できる。

別の実施例において、接続装置は、電源と充電装置とを接続した後、蓄電装置の電圧が、しきい値よりも高く定められた所定の値よりも高くなると、電源と蓄電装置とを遮断する。

この構成によると、蓄電装置の充電を許容する電圧の上限は、蓄電装置の充電を停止するときの電圧よりも低く定められる。したがって、蓄電装置の過充電をさらに制限し易くできる。

さらに別の実施例において、電気システムは、電源から供給された電力を蓄電装置に充電する充電装置をさらに備える。接続装置は、充電装置が電源に接続された後において、電源と蓄電装置とを遮断しておき、蓄電装置の電圧がしきい値より低いと、蓄電装置と充電装置とを接続する。

この構成によると、蓄電装置と充電装置との間に設けられた接続装置によって、蓄電装置への充電を制限できる。

さらに別の実施例において、電源は、車両の外部の電源である。
この構成によると、車両の外部の電源から供給された電力によって蓄電装置を充電できる。

ハイブリッド車を示す概略構成図である。 動力分割機構の共線図を示す図である。 ハイブリッド車の電気システムを示す図（その１）である。 ハイブリッド車の電気システムを示す図（その２）である。 ＥＣＵが実行する処理を示すフローチャートである。 ハイブリッド車の電気システムを示す図（その３）である。 ハイブリッド車の電気システムを示す図（その４）である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、ハイブリッド車には、エンジン１００と、第１モータジェネレータ１１０と、第２モータジェネレータ１２０と、動力分割機構１３０と、減速機１４０と、バッテリ１５０とが搭載される。なお、以下の説明においては一例としてハイブリッド車について説明するが、電気自動車または燃料電池車を用いるようにしてもよい。

エンジン１００、第１モータジェネレータ１１０、第２モータジェネレータ１２０、バッテリ１５０は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１７０により制御される。ＥＣＵ１７０は複数のＥＣＵに分割するようにしてもよい。

この車両は、エンジン１００および第２モータジェネレータ１２０のうちの少なくともいずれか一方からの駆動力により走行する。すなわち、エンジン１００および第２モータジェネレータ１２０のうちのいずれか一方もしくは両方が、運転状態に応じて駆動源として自動的に選択される。

たとえばアクセル開度が小さい場合および車速が低い場合などには、第２モータジェネレータ１２０のみを駆動源としてハイブリッド車が走行する。この場合、エンジン１００が停止される。ただし、発電などのためにエンジン１００が駆動する場合がある。

また、アクセル開度が大きい場合、車速が高い場合、バッテリ１５０の残存容量（ＳＯＣ：State Of Charge）が小さい場合などには、エンジン１００が駆動される。この場合、エンジン１００のみ、もしくはエンジン１００および第２モータジェネレータ１２０の両方を駆動源としてハイブリッド車が走行する。

エンジン１００を走行用の駆動源として用いずに、発電のためにだけ用いるようにしてもよい。すなわち、ハイブリッド車は、シリーズハイブリッド車であってもよい。

エンジン１００は、内燃機関である。燃料と空気の混合気が燃焼室内で燃焼することよって、出力軸であるクランクシャフトが回転する。エンジン１００から排出される排気ガスは、触媒１０２によって浄化された後、車外に排出される。触媒１０２は、温度が所定の活性温度まで増大されることによって浄化作用を発揮する。触媒１０２の暖機は、排気ガスの熱を利用して行なわれる。触媒１０２は、たとえば三元触媒である。

排気ガスから、エンジン１００の空燃比が空燃比センサ１０４により検出される。また、エンジン１００の冷却水の温度は、温度センサ１０６により検出される。空燃比センサ１０４の出力および温度センサ１０６の出力は、ＥＣＵ１７０に入力される。

エンジン１００、第１モータジェネレータ１１０および第２モータジェネレータ１２０は、動力分割機構１３０を介して接続されている。エンジン１００が発生する動力は、動力分割機構１３０により、２経路に分割される。一方は減速機１４０を介して前輪１６０を駆動する経路である。もう一方は、第１モータジェネレータ１１０を駆動させて発電する経路である。

第１モータジェネレータ１１０は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルを備える、三相交流回転電機である。第１モータジェネレータ１１０は、動力分割機構１３０により分割されたエンジン１００の動力により発電する。第１モータジェネレータ１１０により発電された電力は、車両の走行状態や、バッテリ１５０の残存容量の状態に応じて使い分けられる。たとえば、通常走行時では、第１モータジェネレータ１１０により発電された電力はそのまま第２モータジェネレータ１２０を駆動させる電力となる。一方、バッテリ１５０のＳＯＣが予め定められた値よりも低い場合、第１モータジェネレータ１１０により発電された電力は、後述するインバータにより交流から直流に変換される。その後、後述するコンバータにより電圧が調整されてバッテリ１５０に蓄えられる。

第１モータジェネレータ１１０が発電機として作用している場合、第１モータジェネレータ１１０は負のトルクを発生している。ここで、負のトルクとは、エンジン１００の負荷となるようなトルクをいう。第１モータジェネレータ１１０が電力の供給を受けてモータとして作用している場合、第１モータジェネレータ１１０は正のトルクを発生する。ここで、正のトルクとは、エンジン１００の負荷とならないようなトルク、すなわち、エンジン１００の回転をアシストするようなトルクをいう。なお、第２モータジェネレータ１２０についても同様である。

第２モータジェネレータ１２０は、Ｕ相コイル、Ｖ相コイルおよびＷ相コイルを備える、三相交流回転電機である。第２モータジェネレータ１２０は、バッテリ１５０に蓄えられた電力および第１モータジェネレータ１１０により発電された電力のうちの少なくともいずれかの電力により駆動する。

第２モータジェネレータ１２０の駆動力は、減速機１４０を介して前輪１６０に伝えられる。これにより、第２モータジェネレータ１２０はエンジン１００をアシストしたり、第２モータジェネレータ１２０からの駆動力により車両を走行させたりする。なお、前輪１６０の代わりにもしくは加えて後輪を駆動するようにしてもよい。

ハイブリッド車の回生制動時には、減速機１４０を介して前輪１６０により第２モータジェネレータ１２０が駆動され、第２モータジェネレータ１２０が発電機として作動する。これにより第２モータジェネレータ１２０は、制動エネルギを電力に変換する回生ブレーキとして作動する。第２モータジェネレータ１２０により発電された電力は、バッテリ１５０に蓄えられる。

動力分割機構１３０は、サンギヤと、ピニオンギヤと、キャリアと、リングギヤとを含む遊星歯車から構成される。ピニオンギヤは、サンギヤおよびリングギヤと係合する。キャリアは、ピニオンギヤが自転可能であるように支持する。サンギヤは第１モータジェネレータ１１０の回転軸に連結される。キャリアはエンジン１００のクランクシャフトに連結される。リングギヤは第２モータジェネレータ１２０の回転軸および減速機１４０に連結される。

エンジン１００、第１モータジェネレータ１１０および第２モータジェネレータ１２０が、遊星歯車からなる動力分割機構１３０を介して連結されることで、エンジン１００、第１モータジェネレータ１１０および第２モータジェネレータ１２０の回転数は、図３で示すように、共線図において直線で結ばれる関係になる。

図１に戻って、バッテリ１５０は、複数のバッテリセルを一体化したバッテリモジュールを、さらに複数直列に接続して構成された組電池である。バッテリ１５０の電圧は、電圧センサ１５２により検出され、検出された電圧を表す信号がＥＣＵ１７０に入力される。バッテリ１５０には、第１モータジェネレータ１１０および第２モータジェネレータ１２０の他、車両の外部の電源から供給される電力が充電される。なお、バッテリ１５０の代わりにもしくは加えてキャパシタを用いるようにしてもよい。

図３を参照して、ハイブリッド車の電気システムについてさらに説明する。ハイブリッド車には、コンバータ２００と、第１インバータ２１０と、第２インバータ２２０と、システムメインリレー（ＳＭＲ）２３０と、充電器２４０と、インレット２５０とが設けられる。

コンバータ２００は、リアクトルと、二つのｎｐｎ型トランジスタと、二つダイオードとを含む。リアクトルは、各バッテリの正極側に一端が接続され、２つのｎｐｎ型トランジスタの接続点に他端が接続される。

２つのｎｐｎ型トランジスタは、直列に接続される。ｎｐｎ型トランジスタは、ＥＣＵ１７０により制御される。各ｎｐｎ型トランジスタのコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードがそれぞれ接続される。

なお、ｎｐｎ型トランジスタとして、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることができる。ｎｐｎ型トランジスタに代えて、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）等の電力スイッチング素子を用いることができる。

バッテリ１５０から放電された電力を第１モータジェネレータ１１０もしくは第２モータジェネレータ１２０に供給する際、電圧がコンバータ２００により昇圧される。逆に、第１モータジェネレータ１１０もしくは第２モータジェネレータ１２０により発電された電力をバッテリ１５０に充電する際、電圧がコンバータ２００により降圧される。

コンバータ２００と、各インバータとの間のシステム電圧ＶＨは、電圧センサ１８０により検出される。電圧センサ１８０の検出結果は、ＥＣＵ１７０に送信される。

第１インバータ２１０は、Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームを含む。Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは並列に接続される。Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは、それぞれ、直列に接続された２つのｎｐｎ型トランジスタを有する。各ｎｐｎ型トランジスタのコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードがそれぞれ接続される。そして、各アームにおける各ｎｐｎ型トランジスタの接続点は、第１モータジェネレータ１１０の各コイルの中性点１１２とは異なる端部にそれぞれ接続される。

第１インバータ２１０は、バッテリ１５０から供給される直流電流を交流電流に変換し、第１モータジェネレータ１１０に供給する。また、第１インバータ２１０は、第１モータジェネレータ１１０により発電された交流電流を直流電流に変換する。

第２インバータ２２０は、Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームを含む。Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは並列に接続される。Ｕ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームは、それぞれ、直列に接続された２つのｎｐｎ型トランジスタを有する。各ｎｐｎ型トランジスタのコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードがそれぞれ接続される。そして、各アームにおける各ｎｐｎ型トランジスタの接続点は、第２モータジェネレータ１２０の各コイルの中性点１２２とは異なる端部にそれぞれ接続される。

第２インバータ２２０は、バッテリ１５０から供給される直流電流を交流電流に変換し、第２モータジェネレータ１２０に供給する。また、第２インバータ２２０は、第２モータジェネレータ１２０により発電された交流電流を直流電流に変換する。

コンバータ２００、第１インバータ２１０および第２インバータ２２０は、ＥＣＵ１７０により制御される。

システムメインリレー２３０は、バッテリ１５０と充電器２４０との間に設けられる。システムメインリレー２３０は、バッテリ１５０と電気システムとを接続した状態および遮断した状態を切換えるリレーである。システムメインリレー２３０が開いた状態であると、バッテリ１５０が電気システムから遮断される。システムメインリレー２３０が閉じた状態であると、バッテリ１５０が電気システムに接続される。

すなわち、システムメインリレー２３０が開いた状態であると、バッテリ１５０が充電器２４０および後述する外部電源４０２などから電気的に遮断される。システムメインリレー２３０が閉じた状態であると、バッテリ１５０が、充電器２４０および外部電源４０２などと電気的に接続される。システムメインリレー２３０の状態は、ＥＣＵ１７０により制御される。システムメインリレー２３０の制御態様は、あとで詳述する。

充電器２４０は、バッテリ１５０とコンバータ２００との間に接続される。図４に示すように、充電器２４０は、ＡＣ／ＤＣ変換回路２４２と、ＤＣ／ＡＣ変換回路２４４と、絶縁トランス２４６と、整流回路２４８とを含む。

ＡＣ／ＤＣ変換回路２４２は、単相ブリッジ回路から成る。ＡＣ／ＤＣ変換回路２４２は、ＥＣＵ１７０からの駆動信号に基づいて、交流電力を直流電力に変換する。また、ＡＣ／ＤＣ変換回路２４２は、コイルをリアクトルとして用いることにより電圧を昇圧する昇圧チョッパ回路としても機能する。

ＤＣ／ＡＣ変換回路２４４は、単相ブリッジ回路から成る。ＤＣ／ＡＣ変換回路２４４は、ＥＣＵ１７０からの駆動信号に基づいて、直流電力を高周波の交流電力に変換して絶縁トランス２４６へ出力する。

絶縁トランス２４６は、磁性材から成るコアと、コアに巻回された一次コイルおよび二次コイルを含む。一次コイルおよび二次コイルは、電気的に絶縁されており、それぞれＤＣ／ＡＣ変換回路２４４および整流回路２４８に接続される。絶縁トランス２４６は、ＤＣ／ＡＣ変換回路２４４から受ける高周波の交流電力を一次コイルおよび二次コイルの巻数比に応じた電圧レベルに変換して整流回路２４８へ出力する。整流回路２４８は、絶縁トランス２４６から出力される交流電力を直流電力に整流する。

ＡＣ／ＤＣ変換回路２４２とＤＣ／ＡＣ変換回路２４４との間の電圧（平滑コンデンサの端子間電圧）は、電圧センサ１８２により検出され、検出結果を表わす信号がＥＣＵ１７０に入力される。また、充電器２４０の出力電流は、電流センサ１８４により検出され、検出結果を表わす信号がＥＣＵ１７０に入力される。さらに、充電器２４０の温度は、温度センサ１８６により検出され、検出結果を表わす信号がＥＣＵ１７０に入力される。

インレット２５０は、たとえばハイブリッド車の側部に設けられる。インレット２５０には、ハイブリッド車と外部の電源４０２とを連結する充電ケーブル３００のコネクタ３１０が接続される。

充電ケーブル３００のプラグ３２０は、家屋に設けられたコンセント４００に接続される。コンセント４００には、ハイブリッド車の外部の電源４０２から交流電力が供給される。

充電ケーブル３００によりハイブリッド車と外部の電源４０２とが連結された状態において、外部の電源４０２から供給された電力がバッテリ１５０に充電される。バッテリ１５０の充電時には、システムメインリレー２３０が閉じられる。

図５を参照して、バッテリ１５０の充電に関してＥＣＵ１７０が実行する処理について説明する。以下に説明する処理は、ソフトウェア、ハードウェアまたはソフトウェアとハードウェアとの協働により実行される。以下に説明する処理は、たとえば、車両が停止し、イグニッションスイッチ（もしくはスタートスイッチ）がオフにされた状態において実行される。

ステップ（以下ステップをＳと略す）１００にて、車両に外部充電用のコネクタ３１０が接続されたか否かを判断する。たとえば、車両に外部充電用のコネクタ３１０が接続された場合にオンになるように構成されたスイッチを用いて、車両に外部充電用のコネクタ３１０が接続されたか否かが判断される。車両に外部充電用のコネクタ３１０が接続されたか否かを判断する方法はこれに限定されない。

車両に外部充電用のコネクタ３１０が接続されると（Ｓ１００にてＹＥＳ）、Ｓ１０２にて、システムメインリレー２３０が開かれたまま待機される。Ｓ１０４にて、バッテリ１５０の電圧が第１しきい値より低いか否かが判断される。第１しきい値は、予め開発者により定められた値である。

充電を開始するために必要な条件として予め定められたその他の条件が満たされた場合に、バッテリ１５０の電圧が第１しきい値より低いか否かを判断するようにしてもよい。充電を開始するために必要な条件が、バッテリ１５０の電圧が第１しきい値より低いという条件を含んでもよい。

バッテリ１５０の電圧が第１しきい値より低いと（Ｓ１０４にてＹＥＳ）、Ｓ１０６にて、システムメインリレー２３０が閉じられる。さらに、Ｓ１０８にて、バッテリ１５０の充電が開始される。

その後、Ｓ１１０にて、バッテリ１５０の電圧が第２しきい値より高いか否かが判断される。第２しきい値は、第１しきい値よりも高く定められた所定の値である。第２しきい値は、予め開発者により定められる。バッテリ１５０の電圧が第２しきい値より高いと（Ｓ１１０にてＹＥＳ）、バッテリ１５０が満充電状態であると判断され、Ｓ１１２にて充電が停止されるともに、Ｓ１１４にて、システムメインリレー２３０が開かれる。

一方、車両に外部充電用のコネクタ３１０が接続されるても（Ｓ１００にてＹＥＳ）、バッテリ１５０の電圧が第１しきい値以上であると（Ｓ１０４にてＮＯ）、システムメインリレー２３０を閉じることなく、処理が終了する。

以上のように、本実施の形態によれば、バッテリ１５０の電圧が第１しきい値より低ければ、バッテリ１５０の充電が可能となる。バッテリ１５０の電圧がしきい値以上であれば、バッテリ１５０の充電が制限される。バッテリ１５０の電圧はバッテリ１５０の残存容量を直接的に示すため、バッテリ１５０の電圧に基づいて充電を制御することにより、バッテリ１５０が満充電である状態においてさらにバッテリ１５０を充電することを精度よく抑制できる。そのため、過充電によるバッテリ１５０の劣化を抑制できる。

なお、図６に示すように、充電器２４０とシステムメインリレー２３０との間にさらに別のリレー２３２を設け、システムメインリレー２３０の代わりにもしくは加えてリレー２３２を制御するようにしてもよい。すなわち、リレー２３２を開いておき、バッテリ１５０の電圧が第１しきい値より低いとリレー２３２を閉じるようにしてもよい。この場合、図７に示すように、バッテリ１５０とシステムメインリレー２３０との間に充電器２４０を接続するようにしてもよい。すなわち、リレー２３２の位置は、バッテリ１５０と外部の電源４０２との間であればどこでもよい。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ エンジン、１０２ 触媒、１１０ 第１モータジェネレータ、１２０ 第２モータジェネレータ、１３０ 動力分割機構、１４０ 減速機、１５０ バッテリ、１５２ 電圧センサ、１６０ 前輪、１７０ ＥＣＵ、２３０ システムメインリレー、２３２ リレー、２４０ 充電器、２４２ ＡＣ／ＤＣ変換回路、２４４ ＤＣ／ＡＣ変換回路、２４６ 絶縁トランス、２４８ 整流回路、２５０ インレット、３００ 充電ケーブル、３１０ コネクタ、３２０ プラグ、４００ コンセント、４０２ 電源。

Claims (4)

1. 車両の電気システムであって、
   電源から供給された電力を蓄える蓄電装置と、
   前記電源と前記蓄電装置とを遮断しておき、前記蓄電装置の電圧がしきい値より低いと、前記電源と前記蓄電装置とを接続する接続装置とを備える、電気システム。
2. 前記接続装置は、前記電源と前記充電装置とを接続した後、前記蓄電装置の電圧が、前記しきい値よりも高く定められた所定の値よりも高くなると、前記電源と前記蓄電装置とを遮断する、請求項１に記載の電気システム。
3. 前記電源から供給された電力を前記蓄電装置に充電する充電装置をさらに備え、
   前記接続装置は、前記充電装置が前記電源に接続された後において、前記電源と前記蓄電装置とを遮断しておき、前記蓄電装置の電圧が前記しきい値より低いと、前記蓄電装置と前記充電装置とを接続する、請求項１に記載の電気システム。
4. 前記電源は、前記車両の外部の電源である、請求項１〜３のいずれかに記載の電気システム。

Images