JP2004048937A - 電動車両の制御装置およびそれを有する電動車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】補機バッテリの電圧が低下しても、メインコンタクタの接点の溶着を防止することが可能な電動車両の制御装置を提供する。
【解決手段】一対のメインコンタクタ８０、８１は第１の起動電圧Ｖ１で動作し、プリチャージコンタクタ８２は第２の起動電圧Ｖ２で動作し、第２の起動電圧Ｖ２は、第１の起動電圧Ｖ１よりも低く設定される。これにより、起動電圧が低いプリチャージコンタクタ８２の方から起動しなくなるので、起動電圧がより高いメインコンタクタ８０、８１の接点は閉じず、その接点の溶着を防止することができる。
【選択図】 図４
【解決手段】一対のメインコンタクタ８０、８１は第１の起動電圧Ｖ１で動作し、プリチャージコンタクタ８２は第２の起動電圧Ｖ２で動作し、第２の起動電圧Ｖ２は、第１の起動電圧Ｖ１よりも低く設定される。これにより、起動電圧が低いプリチャージコンタクタ８２の方から起動しなくなるので、起動電圧がより高いメインコンタクタ８０、８１の接点は閉じず、その接点の溶着を防止することができる。
【選択図】 図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車（ＰＥＶ）、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）、燃料電池と二次電池とを有するハイブリッド車両等の電動車両に塔載されるメインバッテリである組電池からの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータに供給し走行する電動車両の制御装置およびかかる制御装置を有する電動車両に関する。また、本発明は、特に組電池とインバータとの間に設けられるメインコンタクタの接点を保護する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンとモータを塔載した、いわゆるハイブリッド車両（ＨＥＶ）等のパワードライブであるインバータの高電位入力端子と低電位入力端子との間には、複数の二次電池が組み合わされた組電池からの直流電圧（例えば、３６０Ｖ）における変動を平滑化してインバータを安定に動作させるために、大容量の電解コンデンサ（以下、平滑用コンデンサと称する）が設けられている。
【０００３】
ＨＥＶを走行させる際には、イグニッションキースイッチの操作により、組電池とインバータとの間に設けられる一対のメインコンタクタの接点が閉じられる。メインコンタクタの接点を閉じた瞬間、大容量の平滑用コンデンサは、高電圧を出力する組電池により電荷が空である状態から充電されるため、大電流（例えば、組電池の内部抵抗を０．３Ωとすると、１２００Ａ）が流れて、メインコンタクタの接点が損傷して開状態になったり、接点の接触抵抗が増加したり、接点が溶けて固着（以下、溶着と称する）する可能性がある。
【０００４】
この問題を解決するために、一対のメインコンタクタの一方に並列に接続された、プリチャージコンタクタと電流制限抵抗との直列接続体が設けられている。そして、メインコンタクタの接点を閉じる前に、まずプリチャージコンタクタの接点を閉じて、抵抗等で電流を制限（例えば、４０Ａ以下に制限）しながら、平滑用コンデンサを所定の電圧までプリチャージし、プリチャージが終了した後にメインコンタクタが閉じられる。これにより、メインコンタクタの接点を閉じた瞬間に大電流が流れるのを防止し、接点の損傷や溶着を防止している。
【０００５】
図６Ａは、プリチャージを行った後にメインコンタクタの接点を閉じた場合の、平滑用コンデンサの充電電圧Ｖｃおよび充電電流Ｉｃの時間変化を示すグラフで、図６Ｂは、プリチャージが失敗した後にメインコンタクタの接点を閉じた場合の、平滑用コンデンサの充電電圧Ｖｃおよび充電電流Ｉｃの時間変化を示すグラフである。図６Ａに示すように、プリチャージが行われた場合、メインコンタクタの接点に流れる充電電流Ｉｃは４０Ａ以下に抑えられている。一方、図６Ｂに示すように、プリチャージが失敗した場合、メインコンタクタの接点を閉じた瞬間、約１２００Ａもの大電流がメインコンタクタの接点に流れ、その接点が溶着することになる。なお、図６Ａおよび図６Ｂにおいて、Ｖｂは組電池の電圧を示し、ここでは３６０Ｖである。
【０００６】
例えば、メインコンタクタの接点の溶着を防止する方法としては、所定のプリチャージ時間を確保する手法（特開平４−１６５９０１号公報）が提案されている。また、プリチャージが正確に行われたことを判断する方法としては、平滑用コンデンサの充電電圧が基準値以上であることに基づいて判断する方法（米国特許第５，３６９，５４０号公報）、平滑用コンデンサの充電電圧の上昇量が基準値以上であることに基づいて判断する方法、平滑用コンデンサの充電電流値が基準値以下で、メインバッテリの電圧と平滑用コンデンサの電圧との差が基準値以下であることに基づいて判断する方法（特開平１０−３０４５０１号公報）などが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにプリチャージの失敗を検出する方法は多数提案されているが、メインコンタクタやプリチャージコンタクタ（以下、まとめてコンタクタとも称する）自体の改善案については提案されていないのが現状である。
【０００８】
コンタクタを起動させる電圧の供給源である補機バッテリの電圧が、劣化、寿命、あるいは過放電（例えば、ヘッドライトを点灯したまま車両を放置した場合）に起因して低下すると、コンタクタはある電圧以下では動作できなくなる。現在のコンタクタの構成では、動作不可能となる電圧範囲はコンタクタの製造ばらつきに依存しており、特別な意図はないため、補機バッテリの電圧が低下してくると、プリチャージコンタクタのみが動作不可能となる電圧範囲が存在する。
【０００９】
かかる電圧範囲では、メインコンタクタは動作可能であるが、プリチャージコンタクタは動作しないので、メインコンタクタの接点を閉じた際に、その接点の損傷や溶着が発生する。メインコンタクタの接点が損傷すると、接触抵抗の増加により接点の温度が上昇し、信頼性が損なわれることになる。また、メインコンタクタの接点が溶着すると、組電池が常にインバータに接続され高電圧が印加された状態となるため、事故や車両の保守点検の際に危険である。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、補機バッテリの電圧が低下しても、メインコンタクタの接点の溶着を防止することが可能な電動車両の制御装置およびかかる制御装置を有する電動車両を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係る電動車両の制御装置は、二次電池を複数個組み合わせて成る組電池からの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータに供給し走行する電動車両の制御装置であって、インバータの高電位入力端子と低電位入力端子との間に接続された平滑用コンデンサと、組電池とインバータとの間に接続されたメインコンタクタと、車両起動時に平滑用コンデンサをプリチャージするために、メインコンタクタと並列に接続された、プリチャージコンタクタと電流制限抵抗との直列接続体と、メインコンタクタおよびプリチャージコンタクタを駆動制御する制御手段とを備え、メインコンタクタは第１の起動電圧で動作し、プリチャージコンタクタは第２の起動電圧で動作し、第２の起動電圧は、第１の起動電圧よりも低く設定されることを特徴とする。
【００１２】
この場合、プリチャージコンタクタは、第２の起動電圧の電圧分布における最大値が、第１の起動電圧の電圧分布における最小値よりも小さくなるように構成される。
【００１３】
上記の構成によれば、第１および第２の起動電圧の供給源である補機バッテリの電圧が、劣化、寿命、あるいは過放電に起因して低下しても、起動電圧が低いプリチャージコンタクタの方から起動しなくなるので、起動電圧がより高いメインコンタクタの接点は閉じず、その接点の溶着を防止することができる。
【００１４】
前記の目的を達成するため、本発明に係る電動車両は、二次電池を複数個組み合わせて成る組電池からの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータに供給する制御装置を有する電動車両であって、制御装置は、インバータの高電位入力端子と低電位入力端子との間に接続された平滑用コンデンサと、組電池とインバータとの間に接続されたメインコンタクタと、車両起動時に平滑用コンデンサをプリチャージするために、メインコンタクタと並列に接続された、プリチャージコンタクタと電流制限抵抗との直列接続体と、メインコンタクタおよびプリチャージコンタクタを駆動制御する制御手段とを備え、メインコンタクタは第１の起動電圧で動作し、プリチャージコンタクタは第２の起動電圧で動作し、第２の起動電圧は、第１の起動電圧よりも低く設定されることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態として、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）を取り上げ、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る電動車両の制御装置が適用されるＨＥＶの全体構成を示す図である。図１において、ＨＥＶ１は、モータジェネレータ２またはエンジン３の出力がトランスミッション４を介して伝達される駆動輪としての左右一対の前輪５、５と、従動輪としての左右一対の後輪６、６とを有する。ＨＥＶ１の後部に塔載された、例えば３６０Ｖの電圧を出力する組電池７は、コンタクタユニット８、インバータ９を介してモータジェネレータ２に接続される。例えば１２Ｖの電圧を出力する補機バッテリ１０には、イグニッションキースイッチ１１を介して車両電子制御ユニット（以下、車両ＥＣＵと略称する）１２が接続される。補機バッテリ１０には、組電池７の電力で充電すべくＤＣ／ＤＣコンバータ１３が接続される。また、エンジン３は、エンジン電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵと略称する）１４により制御される。
【００１７】
図２は、図１の制御系の詳細構成を示す機能ブロック図である。
【００１８】
図２において、エンジン３の出力軸３１は、モータジェネレータ２のロータ２３が接続されており、かつトランスミッション４に入力する。モータジェネレータ２は、三相交流発電機もしくは三相交流電動機として機能する。トランスミッション４は、内部のギアを介してエンジン３の出力軸３１の回転数を減速し、駆動力はディファレンシャルを経て、先端に駆動輪５、５（図１）が結合されたドライブシャフト２４が接続されている。以上の構造によって、エンジン３またはモータジェネレータ２の出力が駆動輪５、５に伝達され、ＨＥＶ１が駆動される。
【００１９】
エンジン３は、アクセルペダル１６の操作量や、冷却水温度、吸気温度、吸気圧力等の環境条件、クランクセンサ、ノックセンサによるエンジン情報、モータジェネレータ２の運転状況に応じて、エンジンＥＣＵ１４によってその出力、回転数が制御される。
【００２０】
組電池７は、図示のように、複数の単電池または単位電池が直列に接続されて構成され、コンタクタユニット８を介してインバータ９に接続されている。コンタクタユニット８は、組電池７の正極端子とインバータ９の高電位入力端子との間に接続された正側メインコンタクタ８０と、組電池７の負極端子とインバータ９の低電位入力端子との間に接続された負側メインコンタクタ８１と、車両起動時にインバータ９の平滑用コンデンサ９１をプリチャージするために、正側メインコンタクタ８０に並列に接続された、プリチャージコンタクタ８２と電流制限抵抗８３との直列接続体とで構成される。
【００２１】
正側メインコンタクタ８０、負側メインコンタクタ８１、およびプリチャージコンタクタ８２（以下、まとめてコンタクタとも称する）は、車両ＥＣＵ１２から起動電圧（最小動作電圧）が供給されていない場合は接点が開状態にあり、起動電圧が供給されている場合は接点が閉状態にある。プリチャージコンタクタ８２は、その起動電圧（第２の起動電圧）が正側メインコンタクタ８０および負側メインコンタクタ８１の起動電圧（第１の起動電圧）よりも低くなるように構成されている。この起動電圧の関係は、プリチャージコンタクタ８２を構成する電磁コイルの巻線数を、正側メインコンタクタ８０および負側メインコンタクタ８１を構成する電磁コイルの巻線数よりも多くすることで達成される。
【００２２】
図３Ａは、従来のコンタクタの起動電圧の電圧分布を示す図で、図３Ｂは、本実施形態によるコンタクタの起動電圧の電圧分布を示す図である。
【００２３】
図３Ａに示すように、従来では、正側メインコンタクタ、負側メインコンタクタ、およびプリチャージコンタクタは全て、８Ｖを中心として６Ｖを超えた電圧から１０Ｖ未満の電圧という同じ起動電圧分布を有する。これに対して、図３Ｂに示すように、本実施形態では、正側メインコンタクタ８０および負側メインコンタクタ８１は、９Ｖを中心として８Ｖを超えた電圧から１０Ｖ未満の電圧という起動電圧分布Ｖ１を有し、プリチャージコンタクタ８２は、７Ｖを中心として６Ｖを超えた電圧から８Ｖ未満の電圧という起動電圧分布Ｖ２を有する。
【００２４】
このように、起動電圧分布Ｖ２の最大値が起動電圧分布Ｖ１の最小値よりも小さくすることで、第１の起動電圧Ｖ１および第２の起動電圧Ｖ２の供給源である補機バッテリ１０の電圧が、劣化、寿命、あるいは過放電に起因して低下しても、起動電圧が低いプリチャージコンタクタ８２の方から起動しなくなるので、起動電圧がより高いメインコンタクタ８０、８１の接点は閉じず、その接点の溶着を防止することができる。
【００２５】
図４は、図２の車両ＥＣＵ１２に含まれるコンタクタ駆動回路およびその周辺回路の一構成例を示す回路ブロック図である。図４において、イグニッションキースイッチがオンになると、補機バッテリ１０から例えば１２Ｖの電源電圧が車両ＥＣＵ１２内の電源回路１２１に供給される。電源回路１２１は、ＣＰＵ１２２用の電源電圧、正側メインコンタクタ８０および負側メインコンタクタ８１をそれぞれ駆動するためのトランジスタ１２３、１２４用の電源電圧と、プリチャージコンタクタ８２を駆動するためのトランジスタ１２５用の電源電圧を生成する。トランジスタ１２３、１２４、１２５はそれぞれＣＰＵ１２２からの駆動制御信号に応じてオン／オフされ、トランジスタ１２３、１２４がオンすると第１の起動電圧Ｖ１を出力し、トランジスタ１２５がオンすると第２の起動電圧Ｖ２を出力する。
【００２６】
再び図２に戻り、車両ＥＣＵ１２の制御により、プリチャージコンタクタ８２の接点が閉じることで平滑用コンデンサ９１へのプリチャージが行われ、インバータ９側の電圧検出手段２６により、平滑用コンデンサ９１の充電電圧Ｖｃが所定値Ｖｔにまで達したことが検出されると、次に、正側メインコンタクタ８０および負側メインコンタクタ８１の接点が閉じて、組電池７からインバータ９を介してモータジェネレータ２に電力が供給される。また、車両ＥＣＵ１２の制御により、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、組電池７からの高電圧（例えば、３６０Ｖ）を降圧して低電圧（例えば、１２Ｖ）に変換し、補機バッテリ１０を充電する。
【００２７】
本実施形態では、組電池７を構成する二次電池はニッケル・水素二次電池からなる単位電池である。モータジェネレータ２は、インバータ９により制御が行われ、組電池７との間でインバータ９を介して電力の授受を行う。
【００２８】
インバータ９の制御は、車両ＥＣＵ１２が行い、この制御は、エンジンＥＣＵ１４からのエンジン３の運転状態の情報、アクセルペダル１６の操作量、ブレーキペダル１７の操作量、シフトレバー１８で設定されるシフトレンジ、電池電子制御ユニット（以下、電池ＥＣＵと称する）２０からの蓄電状態（残存容量：ＳＯＣ）や故障などの組電池７の情報、レゾルバ２５によって検出されたエンジン３の出力軸３１の回転角θ、モータジェネレータ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗなどに基づいて行われる。
【００２９】
車両ＥＣＵ１２は、これらの情報に基づいて、インバータ９を構成する各トランジスタを制御する信号を出力する。そして、モータジェネレータ２の界磁電流をその時の回転数に応じて制御して、モータジェネレータ２を発電機として機能させるか、電動機として機能させるかを決定する。発電機として機能している場合は、組電池７に充電が行われ、電動機として機能し電力を消費している場合には、組電池７から電力が放電される。
【００３０】
例えば、電池ＥＣＵ２０は、組電池７のＳＯＣの低下を検出した場合、車両ＥＣＵ１２およびインバータ９を介して、エンジン３が発生するトルクの一部によってモータジェネレータ２による発電を行わせ、組電池７への充電が行われる。また、電池ＥＣＵ２０は、組電池７のＳＯＣの増大を検出した場合には、車両ＥＣＵ１２から、エンジンＥＣＵ１４を介してエンジン３の出力を抑え気味にして、インバータ９を介してモータジェネレータ２を電動機として機能させ、これにより発生するトルクを車両走行用に用いるよう制御する。また、車両が制動する場合には、車両ＥＣＵ１２は、モータジェネレータ２を発電機として機能させ、発生した電力で組電池７を充電する。
【００３１】
ＨＥＶ１の制動がいつ行われるかを予測することは困難であるため、組電池７は、制動によって発生した電力を十分受け入れられるようになっていることが望ましい。一方、エンジン３の出力だけでドライバーの所望する加速が得られない場合には、モータジェネレータ２を電動機として機能させるために、組電池７のＳＯＣがある程度必要である。この条件を満たすために、組電池７のＳＯＣは、常に電池容量の中間程度になるように制御される。
【００３２】
エンジン３の出力によって発電し、電池を充電するＨＥＶの場合には、組電池７のＳＯＣを適切に管理することにより、制動時の回生電力を十分に回収してエネルギ効率を高め、加速時にはドライバーが所望する加速度を達成できるようにしている。
【００３３】
このように、組電池７のＳＯＣを精度良く検出し、ＳＯＣを適切に制御することはＨＥＶのように電池を動力源とする車両にとって重要である。そのため、電池ＥＣＵ２０には、組電池７を構成する電池の状態に関する情報として、電池電圧、充放電電流、電池温度が入力され、組電池７のＳＯＣや故障が演算推定される。電池電圧は、組電池７を複数のブロックに分割し、各ブロック毎に検出される。また、電池温度は、電池温度が場所によって異なるため、複数の箇所に設けられた温度センサ２２で検出される。
【００３４】
また、組電池７の充放電電流を検出するために、組電池７に直列に接続された電流検出抵抗２１が設けられており、組電池７の充電または放電時に電流検出抵抗２１の両端に発生する微小な電圧は電池ＥＣＵ２０に入力され、電流値が算出される。
【００３５】
図５は、本実施形態におけるコンタクタ駆動制御ルーチンの処理工程を示すフローチャートである。図５において、イグニッションキースイッチ１１がＯＮになると（Ｓ５０１）、車両ＥＣＵ１２は、プリチャージコンタクタ８２の接点を閉じるべくＯＮ制御を行う（Ｓ５０２）。次に、平滑用コンデンサ９１の電圧Ｖｃが所定値Ｖｔ以上であるか否かを判断する（Ｓ５０３）。ステップＳ５０３の判断の結果、補機バッテリ１０の電圧低下により、プリチャージコンタクタ８２の接点は閉じられず、電圧Ｖｃが所定値Ｖｔ未満であった場合（Ｎｏ）、車両ＥＣＵ１２は、プリチャージコンタクタ８２をＯＦＦ制御し（Ｓ５０４）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を制御して補機バッテリ１０を充電させる（Ｓ５０５）。
【００３６】
次に、ステップＳ５０２に戻って、再度、プリチャージコンタクタ８２の接点を閉じるべくＯＮ制御を行う。ここで、補機バッテリ１０の電圧は充電により上昇しているので、ステップＳ５０３の判断の結果、電圧Ｖｃが所定値Ｖｔ以上となり（Ｙｅｓ）、車両ＥＣＵ１２は、プリチャージコンタクタ８２をＯＦＦ制御し（Ｓ５０６）、メインコンタクタ８０、８１をＯＮ制御して、このルーチンが終了する。
【００３７】
このように、第１および第２の起動電圧の供給源である補機バッテリ１０の電圧が、劣化、寿命、あるいは過放電に起因して低下している場合、起動電圧が低いプリチャージコンタクタ８２の方から起動しなくなる。この状態で、組電池７からＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介して補機バッテリ１０を充電して電圧を上昇させた後に、プリチャージコンタクタ８２の接点を閉じることができる。これにより、平滑用コンデンサ９１に対するプリチャージを確実に行って、メインコンタクタ８０、８１の接点を閉じた際に大電流が流れるのを防止することができ、その接点の溶着を防止することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、補機バッテリの電圧が低下しても、メインコンタクタの接点の溶着を確実に防止することが可能となる、という格別な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動車両の制御装置が適用されるＨＥＶの全体構成を示す図
【図２】図１の制御系の詳細構成を示す機能ブロック図
【図３Ａ】従来のコンタクタの起動電圧の電圧分布を示す図
【図３Ｂ】本実施形態によるコンタクタの起動電圧の電圧分布を示す図
【図４】図２の車両ＥＣＵ１２に含まれるコンタクタ駆動回路およびその周辺回路の一構成例を示す回路ブロック図
【図５】本実施形態におけるコンタクタ駆動制御ルーチンの処理工程を示すフローチャート
【図６Ａ】プリチャージを行った後にメインコンタクタの接点を閉じた場合の、平滑用コンデンサの充電電圧Ｖｃおよび充電電流Ｉｃの時間変化を示すグラフ
【図６Ｂ】プリチャージが失敗した後にメインコンタクタの接点を閉じた場合の、平滑用コンデンサの充電電圧Ｖｃおよび充電電流Ｉｃの時間変化を示すグラフ
【符号の説明】
１ ＨＥＶ
２ モータジェネレータ
３ エンジン
４ トランスミッション
５ 前輪
６ 後輪
７ 組電池
８ コンタクタユニット
９ インバータ
１０ 補機バッテリ
１１ イグニッションキースイッチ
１２ 車両ＥＣＵ
１２１ 電源回路
１２２ ＣＰＵ
１２３ 正側メインコンタクタ８０駆動用のトランジスタ
１２４ 負側メインコンタクタ８１駆動用のトランジスタ
１２５ プリチャージコンタクタ８２駆動用のトランジスタ
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ エンジンＥＣＵ
１６ アクセルペダル
１７ ブレーキペダル
１８ シフトレバー
２０ 電池ＥＣＵ
２１ 電流検出抵抗
２２ 温度センサ
２３ ロータ
２４ ドライブシャフト
２５ レゾルバ
２６ 電圧検出手段
３１ 出力軸
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気自動車（ＰＥＶ）、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）、燃料電池と二次電池とを有するハイブリッド車両等の電動車両に塔載されるメインバッテリである組電池からの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータに供給し走行する電動車両の制御装置およびかかる制御装置を有する電動車両に関する。また、本発明は、特に組電池とインバータとの間に設けられるメインコンタクタの接点を保護する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンとモータを塔載した、いわゆるハイブリッド車両（ＨＥＶ）等のパワードライブであるインバータの高電位入力端子と低電位入力端子との間には、複数の二次電池が組み合わされた組電池からの直流電圧（例えば、３６０Ｖ）における変動を平滑化してインバータを安定に動作させるために、大容量の電解コンデンサ（以下、平滑用コンデンサと称する）が設けられている。
【０００３】
ＨＥＶを走行させる際には、イグニッションキースイッチの操作により、組電池とインバータとの間に設けられる一対のメインコンタクタの接点が閉じられる。メインコンタクタの接点を閉じた瞬間、大容量の平滑用コンデンサは、高電圧を出力する組電池により電荷が空である状態から充電されるため、大電流（例えば、組電池の内部抵抗を０．３Ωとすると、１２００Ａ）が流れて、メインコンタクタの接点が損傷して開状態になったり、接点の接触抵抗が増加したり、接点が溶けて固着（以下、溶着と称する）する可能性がある。
【０００４】
この問題を解決するために、一対のメインコンタクタの一方に並列に接続された、プリチャージコンタクタと電流制限抵抗との直列接続体が設けられている。そして、メインコンタクタの接点を閉じる前に、まずプリチャージコンタクタの接点を閉じて、抵抗等で電流を制限（例えば、４０Ａ以下に制限）しながら、平滑用コンデンサを所定の電圧までプリチャージし、プリチャージが終了した後にメインコンタクタが閉じられる。これにより、メインコンタクタの接点を閉じた瞬間に大電流が流れるのを防止し、接点の損傷や溶着を防止している。
【０００５】
図６Ａは、プリチャージを行った後にメインコンタクタの接点を閉じた場合の、平滑用コンデンサの充電電圧Ｖｃおよび充電電流Ｉｃの時間変化を示すグラフで、図６Ｂは、プリチャージが失敗した後にメインコンタクタの接点を閉じた場合の、平滑用コンデンサの充電電圧Ｖｃおよび充電電流Ｉｃの時間変化を示すグラフである。図６Ａに示すように、プリチャージが行われた場合、メインコンタクタの接点に流れる充電電流Ｉｃは４０Ａ以下に抑えられている。一方、図６Ｂに示すように、プリチャージが失敗した場合、メインコンタクタの接点を閉じた瞬間、約１２００Ａもの大電流がメインコンタクタの接点に流れ、その接点が溶着することになる。なお、図６Ａおよび図６Ｂにおいて、Ｖｂは組電池の電圧を示し、ここでは３６０Ｖである。
【０００６】
例えば、メインコンタクタの接点の溶着を防止する方法としては、所定のプリチャージ時間を確保する手法（特開平４−１６５９０１号公報）が提案されている。また、プリチャージが正確に行われたことを判断する方法としては、平滑用コンデンサの充電電圧が基準値以上であることに基づいて判断する方法（米国特許第５，３６９，５４０号公報）、平滑用コンデンサの充電電圧の上昇量が基準値以上であることに基づいて判断する方法、平滑用コンデンサの充電電流値が基準値以下で、メインバッテリの電圧と平滑用コンデンサの電圧との差が基準値以下であることに基づいて判断する方法（特開平１０−３０４５０１号公報）などが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにプリチャージの失敗を検出する方法は多数提案されているが、メインコンタクタやプリチャージコンタクタ（以下、まとめてコンタクタとも称する）自体の改善案については提案されていないのが現状である。
【０００８】
コンタクタを起動させる電圧の供給源である補機バッテリの電圧が、劣化、寿命、あるいは過放電（例えば、ヘッドライトを点灯したまま車両を放置した場合）に起因して低下すると、コンタクタはある電圧以下では動作できなくなる。現在のコンタクタの構成では、動作不可能となる電圧範囲はコンタクタの製造ばらつきに依存しており、特別な意図はないため、補機バッテリの電圧が低下してくると、プリチャージコンタクタのみが動作不可能となる電圧範囲が存在する。
【０００９】
かかる電圧範囲では、メインコンタクタは動作可能であるが、プリチャージコンタクタは動作しないので、メインコンタクタの接点を閉じた際に、その接点の損傷や溶着が発生する。メインコンタクタの接点が損傷すると、接触抵抗の増加により接点の温度が上昇し、信頼性が損なわれることになる。また、メインコンタクタの接点が溶着すると、組電池が常にインバータに接続され高電圧が印加された状態となるため、事故や車両の保守点検の際に危険である。
【００１０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、補機バッテリの電圧が低下しても、メインコンタクタの接点の溶着を防止することが可能な電動車両の制御装置およびかかる制御装置を有する電動車両を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本発明に係る電動車両の制御装置は、二次電池を複数個組み合わせて成る組電池からの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータに供給し走行する電動車両の制御装置であって、インバータの高電位入力端子と低電位入力端子との間に接続された平滑用コンデンサと、組電池とインバータとの間に接続されたメインコンタクタと、車両起動時に平滑用コンデンサをプリチャージするために、メインコンタクタと並列に接続された、プリチャージコンタクタと電流制限抵抗との直列接続体と、メインコンタクタおよびプリチャージコンタクタを駆動制御する制御手段とを備え、メインコンタクタは第１の起動電圧で動作し、プリチャージコンタクタは第２の起動電圧で動作し、第２の起動電圧は、第１の起動電圧よりも低く設定されることを特徴とする。
【００１２】
この場合、プリチャージコンタクタは、第２の起動電圧の電圧分布における最大値が、第１の起動電圧の電圧分布における最小値よりも小さくなるように構成される。
【００１３】
上記の構成によれば、第１および第２の起動電圧の供給源である補機バッテリの電圧が、劣化、寿命、あるいは過放電に起因して低下しても、起動電圧が低いプリチャージコンタクタの方から起動しなくなるので、起動電圧がより高いメインコンタクタの接点は閉じず、その接点の溶着を防止することができる。
【００１４】
前記の目的を達成するため、本発明に係る電動車両は、二次電池を複数個組み合わせて成る組電池からの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータに供給する制御装置を有する電動車両であって、制御装置は、インバータの高電位入力端子と低電位入力端子との間に接続された平滑用コンデンサと、組電池とインバータとの間に接続されたメインコンタクタと、車両起動時に平滑用コンデンサをプリチャージするために、メインコンタクタと並列に接続された、プリチャージコンタクタと電流制限抵抗との直列接続体と、メインコンタクタおよびプリチャージコンタクタを駆動制御する制御手段とを備え、メインコンタクタは第１の起動電圧で動作し、プリチャージコンタクタは第２の起動電圧で動作し、第２の起動電圧は、第１の起動電圧よりも低く設定されることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態として、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）を取り上げ、図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態に係る電動車両の制御装置が適用されるＨＥＶの全体構成を示す図である。図１において、ＨＥＶ１は、モータジェネレータ２またはエンジン３の出力がトランスミッション４を介して伝達される駆動輪としての左右一対の前輪５、５と、従動輪としての左右一対の後輪６、６とを有する。ＨＥＶ１の後部に塔載された、例えば３６０Ｖの電圧を出力する組電池７は、コンタクタユニット８、インバータ９を介してモータジェネレータ２に接続される。例えば１２Ｖの電圧を出力する補機バッテリ１０には、イグニッションキースイッチ１１を介して車両電子制御ユニット（以下、車両ＥＣＵと略称する）１２が接続される。補機バッテリ１０には、組電池７の電力で充電すべくＤＣ／ＤＣコンバータ１３が接続される。また、エンジン３は、エンジン電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵと略称する）１４により制御される。
【００１７】
図２は、図１の制御系の詳細構成を示す機能ブロック図である。
【００１８】
図２において、エンジン３の出力軸３１は、モータジェネレータ２のロータ２３が接続されており、かつトランスミッション４に入力する。モータジェネレータ２は、三相交流発電機もしくは三相交流電動機として機能する。トランスミッション４は、内部のギアを介してエンジン３の出力軸３１の回転数を減速し、駆動力はディファレンシャルを経て、先端に駆動輪５、５（図１）が結合されたドライブシャフト２４が接続されている。以上の構造によって、エンジン３またはモータジェネレータ２の出力が駆動輪５、５に伝達され、ＨＥＶ１が駆動される。
【００１９】
エンジン３は、アクセルペダル１６の操作量や、冷却水温度、吸気温度、吸気圧力等の環境条件、クランクセンサ、ノックセンサによるエンジン情報、モータジェネレータ２の運転状況に応じて、エンジンＥＣＵ１４によってその出力、回転数が制御される。
【００２０】
組電池７は、図示のように、複数の単電池または単位電池が直列に接続されて構成され、コンタクタユニット８を介してインバータ９に接続されている。コンタクタユニット８は、組電池７の正極端子とインバータ９の高電位入力端子との間に接続された正側メインコンタクタ８０と、組電池７の負極端子とインバータ９の低電位入力端子との間に接続された負側メインコンタクタ８１と、車両起動時にインバータ９の平滑用コンデンサ９１をプリチャージするために、正側メインコンタクタ８０に並列に接続された、プリチャージコンタクタ８２と電流制限抵抗８３との直列接続体とで構成される。
【００２１】
正側メインコンタクタ８０、負側メインコンタクタ８１、およびプリチャージコンタクタ８２（以下、まとめてコンタクタとも称する）は、車両ＥＣＵ１２から起動電圧（最小動作電圧）が供給されていない場合は接点が開状態にあり、起動電圧が供給されている場合は接点が閉状態にある。プリチャージコンタクタ８２は、その起動電圧（第２の起動電圧）が正側メインコンタクタ８０および負側メインコンタクタ８１の起動電圧（第１の起動電圧）よりも低くなるように構成されている。この起動電圧の関係は、プリチャージコンタクタ８２を構成する電磁コイルの巻線数を、正側メインコンタクタ８０および負側メインコンタクタ８１を構成する電磁コイルの巻線数よりも多くすることで達成される。
【００２２】
図３Ａは、従来のコンタクタの起動電圧の電圧分布を示す図で、図３Ｂは、本実施形態によるコンタクタの起動電圧の電圧分布を示す図である。
【００２３】
図３Ａに示すように、従来では、正側メインコンタクタ、負側メインコンタクタ、およびプリチャージコンタクタは全て、８Ｖを中心として６Ｖを超えた電圧から１０Ｖ未満の電圧という同じ起動電圧分布を有する。これに対して、図３Ｂに示すように、本実施形態では、正側メインコンタクタ８０および負側メインコンタクタ８１は、９Ｖを中心として８Ｖを超えた電圧から１０Ｖ未満の電圧という起動電圧分布Ｖ１を有し、プリチャージコンタクタ８２は、７Ｖを中心として６Ｖを超えた電圧から８Ｖ未満の電圧という起動電圧分布Ｖ２を有する。
【００２４】
このように、起動電圧分布Ｖ２の最大値が起動電圧分布Ｖ１の最小値よりも小さくすることで、第１の起動電圧Ｖ１および第２の起動電圧Ｖ２の供給源である補機バッテリ１０の電圧が、劣化、寿命、あるいは過放電に起因して低下しても、起動電圧が低いプリチャージコンタクタ８２の方から起動しなくなるので、起動電圧がより高いメインコンタクタ８０、８１の接点は閉じず、その接点の溶着を防止することができる。
【００２５】
図４は、図２の車両ＥＣＵ１２に含まれるコンタクタ駆動回路およびその周辺回路の一構成例を示す回路ブロック図である。図４において、イグニッションキースイッチがオンになると、補機バッテリ１０から例えば１２Ｖの電源電圧が車両ＥＣＵ１２内の電源回路１２１に供給される。電源回路１２１は、ＣＰＵ１２２用の電源電圧、正側メインコンタクタ８０および負側メインコンタクタ８１をそれぞれ駆動するためのトランジスタ１２３、１２４用の電源電圧と、プリチャージコンタクタ８２を駆動するためのトランジスタ１２５用の電源電圧を生成する。トランジスタ１２３、１２４、１２５はそれぞれＣＰＵ１２２からの駆動制御信号に応じてオン／オフされ、トランジスタ１２３、１２４がオンすると第１の起動電圧Ｖ１を出力し、トランジスタ１２５がオンすると第２の起動電圧Ｖ２を出力する。
【００２６】
再び図２に戻り、車両ＥＣＵ１２の制御により、プリチャージコンタクタ８２の接点が閉じることで平滑用コンデンサ９１へのプリチャージが行われ、インバータ９側の電圧検出手段２６により、平滑用コンデンサ９１の充電電圧Ｖｃが所定値Ｖｔにまで達したことが検出されると、次に、正側メインコンタクタ８０および負側メインコンタクタ８１の接点が閉じて、組電池７からインバータ９を介してモータジェネレータ２に電力が供給される。また、車両ＥＣＵ１２の制御により、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３は、組電池７からの高電圧（例えば、３６０Ｖ）を降圧して低電圧（例えば、１２Ｖ）に変換し、補機バッテリ１０を充電する。
【００２７】
本実施形態では、組電池７を構成する二次電池はニッケル・水素二次電池からなる単位電池である。モータジェネレータ２は、インバータ９により制御が行われ、組電池７との間でインバータ９を介して電力の授受を行う。
【００２８】
インバータ９の制御は、車両ＥＣＵ１２が行い、この制御は、エンジンＥＣＵ１４からのエンジン３の運転状態の情報、アクセルペダル１６の操作量、ブレーキペダル１７の操作量、シフトレバー１８で設定されるシフトレンジ、電池電子制御ユニット（以下、電池ＥＣＵと称する）２０からの蓄電状態（残存容量：ＳＯＣ）や故障などの組電池７の情報、レゾルバ２５によって検出されたエンジン３の出力軸３１の回転角θ、モータジェネレータ２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗなどに基づいて行われる。
【００２９】
車両ＥＣＵ１２は、これらの情報に基づいて、インバータ９を構成する各トランジスタを制御する信号を出力する。そして、モータジェネレータ２の界磁電流をその時の回転数に応じて制御して、モータジェネレータ２を発電機として機能させるか、電動機として機能させるかを決定する。発電機として機能している場合は、組電池７に充電が行われ、電動機として機能し電力を消費している場合には、組電池７から電力が放電される。
【００３０】
例えば、電池ＥＣＵ２０は、組電池７のＳＯＣの低下を検出した場合、車両ＥＣＵ１２およびインバータ９を介して、エンジン３が発生するトルクの一部によってモータジェネレータ２による発電を行わせ、組電池７への充電が行われる。また、電池ＥＣＵ２０は、組電池７のＳＯＣの増大を検出した場合には、車両ＥＣＵ１２から、エンジンＥＣＵ１４を介してエンジン３の出力を抑え気味にして、インバータ９を介してモータジェネレータ２を電動機として機能させ、これにより発生するトルクを車両走行用に用いるよう制御する。また、車両が制動する場合には、車両ＥＣＵ１２は、モータジェネレータ２を発電機として機能させ、発生した電力で組電池７を充電する。
【００３１】
ＨＥＶ１の制動がいつ行われるかを予測することは困難であるため、組電池７は、制動によって発生した電力を十分受け入れられるようになっていることが望ましい。一方、エンジン３の出力だけでドライバーの所望する加速が得られない場合には、モータジェネレータ２を電動機として機能させるために、組電池７のＳＯＣがある程度必要である。この条件を満たすために、組電池７のＳＯＣは、常に電池容量の中間程度になるように制御される。
【００３２】
エンジン３の出力によって発電し、電池を充電するＨＥＶの場合には、組電池７のＳＯＣを適切に管理することにより、制動時の回生電力を十分に回収してエネルギ効率を高め、加速時にはドライバーが所望する加速度を達成できるようにしている。
【００３３】
このように、組電池７のＳＯＣを精度良く検出し、ＳＯＣを適切に制御することはＨＥＶのように電池を動力源とする車両にとって重要である。そのため、電池ＥＣＵ２０には、組電池７を構成する電池の状態に関する情報として、電池電圧、充放電電流、電池温度が入力され、組電池７のＳＯＣや故障が演算推定される。電池電圧は、組電池７を複数のブロックに分割し、各ブロック毎に検出される。また、電池温度は、電池温度が場所によって異なるため、複数の箇所に設けられた温度センサ２２で検出される。
【００３４】
また、組電池７の充放電電流を検出するために、組電池７に直列に接続された電流検出抵抗２１が設けられており、組電池７の充電または放電時に電流検出抵抗２１の両端に発生する微小な電圧は電池ＥＣＵ２０に入力され、電流値が算出される。
【００３５】
図５は、本実施形態におけるコンタクタ駆動制御ルーチンの処理工程を示すフローチャートである。図５において、イグニッションキースイッチ１１がＯＮになると（Ｓ５０１）、車両ＥＣＵ１２は、プリチャージコンタクタ８２の接点を閉じるべくＯＮ制御を行う（Ｓ５０２）。次に、平滑用コンデンサ９１の電圧Ｖｃが所定値Ｖｔ以上であるか否かを判断する（Ｓ５０３）。ステップＳ５０３の判断の結果、補機バッテリ１０の電圧低下により、プリチャージコンタクタ８２の接点は閉じられず、電圧Ｖｃが所定値Ｖｔ未満であった場合（Ｎｏ）、車両ＥＣＵ１２は、プリチャージコンタクタ８２をＯＦＦ制御し（Ｓ５０４）、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３を制御して補機バッテリ１０を充電させる（Ｓ５０５）。
【００３６】
次に、ステップＳ５０２に戻って、再度、プリチャージコンタクタ８２の接点を閉じるべくＯＮ制御を行う。ここで、補機バッテリ１０の電圧は充電により上昇しているので、ステップＳ５０３の判断の結果、電圧Ｖｃが所定値Ｖｔ以上となり（Ｙｅｓ）、車両ＥＣＵ１２は、プリチャージコンタクタ８２をＯＦＦ制御し（Ｓ５０６）、メインコンタクタ８０、８１をＯＮ制御して、このルーチンが終了する。
【００３７】
このように、第１および第２の起動電圧の供給源である補機バッテリ１０の電圧が、劣化、寿命、あるいは過放電に起因して低下している場合、起動電圧が低いプリチャージコンタクタ８２の方から起動しなくなる。この状態で、組電池７からＤＣ／ＤＣコンバータ１３を介して補機バッテリ１０を充電して電圧を上昇させた後に、プリチャージコンタクタ８２の接点を閉じることができる。これにより、平滑用コンデンサ９１に対するプリチャージを確実に行って、メインコンタクタ８０、８１の接点を閉じた際に大電流が流れるのを防止することができ、その接点の溶着を防止することができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、補機バッテリの電圧が低下しても、メインコンタクタの接点の溶着を確実に防止することが可能となる、という格別な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動車両の制御装置が適用されるＨＥＶの全体構成を示す図
【図２】図１の制御系の詳細構成を示す機能ブロック図
【図３Ａ】従来のコンタクタの起動電圧の電圧分布を示す図
【図３Ｂ】本実施形態によるコンタクタの起動電圧の電圧分布を示す図
【図４】図２の車両ＥＣＵ１２に含まれるコンタクタ駆動回路およびその周辺回路の一構成例を示す回路ブロック図
【図５】本実施形態におけるコンタクタ駆動制御ルーチンの処理工程を示すフローチャート
【図６Ａ】プリチャージを行った後にメインコンタクタの接点を閉じた場合の、平滑用コンデンサの充電電圧Ｖｃおよび充電電流Ｉｃの時間変化を示すグラフ
【図６Ｂ】プリチャージが失敗した後にメインコンタクタの接点を閉じた場合の、平滑用コンデンサの充電電圧Ｖｃおよび充電電流Ｉｃの時間変化を示すグラフ
【符号の説明】
１ ＨＥＶ
２ モータジェネレータ
３ エンジン
４ トランスミッション
５ 前輪
６ 後輪
７ 組電池
８ コンタクタユニット
９ インバータ
１０ 補機バッテリ
１１ イグニッションキースイッチ
１２ 車両ＥＣＵ
１２１ 電源回路
１２２ ＣＰＵ
１２３ 正側メインコンタクタ８０駆動用のトランジスタ
１２４ 負側メインコンタクタ８１駆動用のトランジスタ
１２５ プリチャージコンタクタ８２駆動用のトランジスタ
１３ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４ エンジンＥＣＵ
１６ アクセルペダル
１７ ブレーキペダル
１８ シフトレバー
２０ 電池ＥＣＵ
２１ 電流検出抵抗
２２ 温度センサ
２３ ロータ
２４ ドライブシャフト
２５ レゾルバ
２６ 電圧検出手段
３１ 出力軸
Claims (3)
- 二次電池を複数個組み合わせて成る組電池からの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータに供給し走行する電動車両の制御装置であって、
前記インバータの高電位入力端子と低電位入力端子との間に接続された平滑用コンデンサと、
前記組電池と前記インバータとの間に接続されたメインコンタクタと、
車両起動時に前記平滑用コンデンサをプリチャージするために、前記メインコンタクタと並列に接続された、プリチャージコンタクタと電流制限抵抗との直列接続体と、
前記メインコンタクタおよび前記プリチャージコンタクタを駆動制御する制御手段とを備え、
前記メインコンタクタは第１の起動電圧で動作し、前記プリチャージコンタクタは第２の起動電圧で動作し、前記第２の起動電圧は、前記第１の起動電圧よりも低く設定されることを特徴とする電動車両の制御装置。 - 前記プリチャージコンタクタは、前記第２の起動電圧の電圧分布における最大値が、前記第１の起動電圧の電圧分布における最小値よりも小さくなるように構成されることを特徴とする請求項１記載の電動車両の制御装置。
- 二次電池を複数個組み合わせて成る組電池からの直流電力をインバータにより交流電力に変換してモータに供給する制御装置を有する電動車両であって、前記制御装置は、
前記インバータの高電位入力端子と低電位入力端子との間に接続された平滑用コンデンサと、
前記組電池と前記インバータとの間に接続されたメインコンタクタと、
車両起動時に前記平滑用コンデンサをプリチャージするために、前記メインコンタクタと並列に接続された、プリチャージコンタクタと電流制限抵抗との直列接続体と、
前記メインコンタクタおよび前記プリチャージコンタクタを駆動制御する制御手段とを備え、
前記メインコンタクタは第１の起動電圧で動作し、前記プリチャージコンタクタは第２の起動電圧で動作し、前記第２の起動電圧は、前記第１の起動電圧よりも低く設定されることを特徴とする電動車両。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2002204447A JP2004048937A (ja) | 2002-07-12 | 2002-07-12 | 電動車両の制御装置およびそれを有する電動車両 |
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| JP2002204447A JP2004048937A (ja) | 2002-07-12 | 2002-07-12 | 電動車両の制御装置およびそれを有する電動車両 |
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| JP2002204447A Withdrawn JP2004048937A (ja) | 2002-07-12 | 2002-07-12 | 電動車両の制御装置およびそれを有する電動車両 |
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| JP (1) | JP2004048937A (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US9434261B2 (en) | 2011-10-17 | 2016-09-06 | Robert Bosch Gmbh | Welded contactor checking systems and methods |
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| CN111137150A (zh) * | 2018-11-02 | 2020-05-12 | 北汽福田汽车股份有限公司 | 充电控制方法和车载充电机 |
-
2002
- 2002-07-12 JP JP2002204447A patent/JP2004048937A/ja not_active Withdrawn
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