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【発明の名称】 ハイブリッド電気自動車用電源装置
【発明者】 【氏名】鳥井 孝史
【要約】 【課題】回路の小型軽量化を図りつつ、安全性に優れ、かつ、補機蓄電手段側から主蓄電手段への逆送電が可能なハイブリッド電気自動車用電源装置を提供すること。

【解決手段】ハイブリッド電気自動車の主蓄電手段１はＤＣ／ＤＣコンバータ（５、６、７）を通じて補機蓄電手段２１、２２を充電する。特に、本構成では、主蓄電手段１の充電用の昇圧回路１０、１１、１６としてトランス非内蔵型の軽量な昇圧回路を用い、主蓄電手段１の充電時に補機蓄電手段２２の低位端をスイッチ１２〜１５からなる低位端接地開放手段で非接地とするので、主蓄電手段１の充電時に誤って主蓄電手段１の高位端又はそれに接続される高圧電気系統に触れることがあっても、この主蓄電手段１の高位端の対地インピーダンスが極めて大きいので感電障害が生じることがない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】ハイブリッド電気自動車のエンジン始動用モータに給電する主蓄電手段と、低位端が接地される車載補機駆動用の補機蓄電手段と、前記両蓄電手段の間に設けられて前記主蓄電手段の電力により前記補機蓄電手段を充電するトランス内蔵の降圧回路と、前記降圧回路とは独立に前記両蓄電手段間に設けられて前記補機蓄電手段の電力により前記主蓄電手段を充電するトランス非内蔵の昇圧回路と、前記昇圧回路を通じての主蓄電手段充電時に前記補機蓄電手段の低位端を非接地とする低位端接地開放手段と、前記降圧回路、昇圧回路および低位端接地開放手段を開閉制御する制御手段と、を備えることを特徴とするハイブリッド電気自動車用電源装置。
【請求項２】請求項１記載のハイブリッド電気自動車用電源装置において、前記補機蓄電手段は、低位端が常時接地される常時接地蓄電手段と、前記低位端接地開放手段をなす一対のスイッチ手段を通じて両端が前記常時接地蓄電手段に個別に接続され、主蓄電手段充電時に前記スイッチ手段の開放により前記常時接地蓄電手段から分離される接地解除可能蓄電手段と、を備えることを特徴とするハイブリッド電気自動車用電源装置。
【請求項３】請求項１記載のハイブリッド電気自動車用電源装置において、前記補機蓄電手段は、低位端が常時接地される常時接地蓄電手段と、前記低位端接地開放手段をなすスイッチ手段を通じて一端が前記常時接地蓄電手段の一端に接続され、前記ＤＣ／ＤＣコンバ−タから前記常時接地蓄電手段とは別に充電され、主蓄電手段充電時に前記スイッチ手段の開放により前記常時接地蓄電手段から分離される接地解除可能蓄電手段と、を備えることを特徴とするハイブリッド電気自動車用電源装置。
【請求項４】請求項１記載のハイブリッド電気自動車用電源装置において、低位端接地開放手段は、前記補機蓄電手段の低位端と接地端との間に介設されて、主蓄電手段充電時に開放されるスイッチ手段からなることを特徴とするハイブリッド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、ハイブリッド電気自動車用電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関により駆動される発電機から主蓄電手段や走行モータへ給電する従来のハイブリッド電気自動車では、主蓄電手段から給電されるエンジン始動用モータにより内燃機関が始動される。尚、この始動用のモータとしては上記発電機などを用いることができる。
【０００３】特開昭６２−１７３９０１号公報は、電気自動車の走行モータ給電用の主蓄電手段から補機給電用のＤＣ／ＤＣコンバータを介して補機駆動用の補機蓄電手段に給電する電気自動車を提案している。この種の電気自動車では、通常、低電圧（たとえば１２Ｖ）で給電される補機に比較して走行モータなど高電圧機器に対して格段に高電圧（たとえば３００Ｖ）で給電できるので、高電圧機器の損失低減や小形軽量化などの効果を実現でき、一方、補機へは電圧変動が少ない電源電圧を供給できるという利益が生じる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記したハイブリッド電気自動車は、エンジンを搭載しない純電気自動車などに比べて主蓄電手段が小容量であるので残容量の変動や長期放置時などによりエンジン始動ができない場合が考えられる。この場合、上記補機蓄電手段及び補機給電用のＤＣ／ＤＣコンバータをもつハイブリッド電気自動車では、主蓄電手段の残量不足時でも補機蓄電手段側からエンジン始動用モータへ給電することによりエンジンを始動することが考えられる。
【０００５】すなわち、補機蓄電手段は各種補機への給電のための常時ある電圧レベルの電力が貯えられており、主蓄電手段でエンジンを始動できないような緊急事態が生じた場合には補機への安定電圧の給電に優先してまずエンジンを始動させることが重要であり、エンジンさえ始動できればその後の補機蓄電手段の再充電は速やかに実現できる筈である。
【０００６】このような補機蓄電手段による主蓄電手段の充電には、上記補機給電用のＤＣ／ＤＣコンバータを双方向性として逆送電することが回路構成の簡素化の点で有利である。しかし、主蓄電手段や補機蓄電手段の少なくとも一方を電池で構成する場合、電池を充電する場合には、規定の放電電圧値よりも相当過大な充電電圧で充電される必要があり、主蓄電手段や補機蓄電手段の少なくとも一方をコンデンサ（特に大容量の電気二重層コンデンサ）で構成する場合にも、コンデンサは放電により顕著に端子電圧が低下するので十分な放電電力を得るためには、規定の放電電圧値よりも相当過大な充電電圧で充電される必要がある。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバ−タの補機蓄電手段充電時における直流電圧降圧比の逆数よりも主蓄電手段充電時における直流電圧昇圧比をかなり高く設定せねばならないという問題が派生する。
【０００７】これに対し、補機給電用のＤＣ／ＤＣコンバ−タ（降圧回路）とは別個に、主蓄電手段と補機蓄電手段との間に上記降圧回路の降圧比とは独立に設定した昇圧比をもつ昇圧回路を設ければ、上記電圧変換比の差に伴う問題は解決される筈である。ところが、このような降圧回路と昇圧回路とを独立に設ける場合、回路構成がどうしても複雑化するという問題を派生する。特にトランスは重量および体格の点で大きな負担となる。
【０００８】そこで、昇圧回路を昇圧トランスをもたない構成とすることも考えられるが、この場合、補機蓄電手段の低位端が通常は車体に接地されるので、主蓄電手段の高位端およびそれにつながる電気系統が小さい接地インピーダンスで高い対地電圧をもつこととなり、感電障害を低減する工夫を更に施す必要性が生じる。本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、回路の小型軽量化を図りつつ、安全性に優れ、かつ、補機蓄電手段側から主蓄電手段への逆送電が可能なハイブリッド電気自動車用電源装置を提供することをその目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の構成によれば、ハイブリッド電気自動車の主蓄電手段はＤＣ／ＤＣコンバータを通じて補機蓄電手段を充電する。特に、本構成では、主蓄電手段の充電用の昇圧回路をトランス非内蔵型の軽量な昇圧回路を用い、主蓄電手段充電時に補機蓄電手段の低位端をスイッチなどの低位端接地開放手段で非接地とするので、主蓄電手段充電時に誤って主蓄電手段の高位端又はそれに接続される高圧電気系統に触れることがあっても、この主蓄電手段の高位端の対地インピーダンスが極めて大きいので感電障害が生じることがなく、安全性に優れるという効果を奏することができる。
【００１０】請求項２記載の構成によれば請求項１記載の構成において更に、 補機蓄電手段を、低位端が常時接地される常時接地蓄電手段と、低位端接地開放手段をなす一対のスイッチ手段を通じて両端が常時接地蓄電手段に個別に接続される接地解除可能蓄電手段とで構成し、主蓄電手段充電時にスイッチ手段の開放により常時接地蓄電手段から接地解除可能蓄電手段を電気絶縁するので、確実に請求項１記載の構成を実現できる他、主蓄電手段充電時中でも、補機蓄電手段から補機や制御装置に給電できるという利点がある。
【００１１】また、接地解除可能蓄電手段は通常は十分に容量を確保した状態で常時接地蓄電手段から分離しておくことも可能であり、この場合には常時接地蓄電手段が放電した場合でもエンジン始動が可能となる。ただし、この場合には、常時接地蓄電手段の容量低下時に接地解除可能蓄電手段から適宜常時接地蓄電手段に送電したり、またはその逆送電を行うことができる。
【００１２】更に、常時接地蓄電手段を二次電池、接地解除可能蓄電手段を電気二重層コンデンサとする場合には、通常は接地解除可能蓄電手段を常時接地蓄電手段から分離しておいてその漏洩電流による損失を回避し、主蓄電手段充電時にのみ、まず常時接地蓄電手段から接地解除可能蓄電手段に必要な電力を充電し、その後、接地解除可能蓄電手段を常時接地蓄電手段から分離し、その後、接地解除可能蓄電手段で主蓄電手段を充電することが最も好適である。
【００１３】なお、本構成によれば２つの低圧蓄電手段を必要とするので、装置構造が増大するように考えられるが、そうではなく、これら両方の低圧蓄電手段の容量により補機蓄電手段の最大定格容量とすることができる。請求項３記載の構成によれば請求項１記載のハイブリッド電気自動車用電源装置において更に、補機蓄電手段を、低位端が常時接地される常時接地蓄電手段と、低位端接地開放手段をなすスイッチ手段を通じて一端が常時接地蓄電手段に接続される接地解除可能蓄電手段とで構成し、接地解除可能蓄電手段は常時接地蓄電手段とは別の手段を通じて主蓄電手段から充電手段を充電する。
【００１４】このようにすれば、低位端接地開放手段をなすスイッチ手段を請求項２の構成よりも減らすことができる。請求項４記載の構成によれば請求項１記載のハイブリッド電気自動車用電源装置において更に、低位端接地開放手段は、補機蓄電手段の低位端と接地端との間に介設されるので、補機蓄電手段を複数設けなくてもよいという利点が生じる。
【００１５】
【発明の実施の形態】本発明のハイブリッド電気自動車では、主蓄電手段はエンジン始動用のモ−タに給電してエンジンを始動させる。エンジン始動用のモ−タとしては、エンジンにより駆動されて発電して主蓄電手段を充電する発電機が一般に用いられる。この発電機として走行モ−タを用いることもできる。
【００１６】主蓄電手段や補機蓄電手段としては、電池又は電気二重層コンデンサを用いることができる。スイッチ手段としては、手動スイッチの他、リレーや半導体スイッチング素子を用いることもできる。本発明の好適な実施態様を以下の実施例を参照して説明する。
【００１７】
【実施例１】（構成）本発明のハイブリッド電気自動車の電源装置の一実施例を図１を参照して説明する。この電源装置は、主蓄電手段（主バッテリ）１、補機蓄電手段（補機バッテリ）２、エンジン３、発電機（エンジン始動用モータを兼ねる発電電動機）４、高圧回路５、トランス６、低圧回路７、コントロ−ラ９、リアクトル１０、スイッチング（チョッパ）回路１１、リレー接点１２〜１５、ダイオード１６を備えている。
【００１８】高圧回路５、トランス６及び低圧回路７は本発明でいう降圧回路（ＤＣ／ＤＣコンバ−タ）をなし、スイッチング回路１１、リアクトル１０およびダイオード１６は本発明でいう昇圧回路を構成している。リレー接点１２、１３は本発明でいう低位端接地開放手段をなし、コントロ−ラ９は本発明でいう制御手段をなす。
【００１９】補機蓄電手段２は、電池２１、２２からなり、電池２１は低位端が接地されて本発明でいう常時接地蓄電手段をなし、電池２２は両端がリレー接点１２、１３を個別に通じて電池２１と並列接続されて本発明でいう接地解除可能蓄電手段をなす。主蓄電手段１は、たとえば発電電動機からなる走行モ−タ４と電力授受可能に接続されており、走行モ−タ４は、伝達トルク遮断可能に車輪及びエンジン３に結合されている。これら走行モ−タ４、エンジン３および車輪（図示せず）間の連結方式には各種の方式があるが、本発明の要旨ではないので説明は省略する。
【００２０】高圧回路５は、いわゆるブリッジ回路からなり、それぞれＮＭＯＳトランジスタからなるハイサイドスイッチ５ａ及びローサイドスイッチ５ｂを直列接続してなる第１の相インバ−タ回路と、それぞれＮＭＯＳトランジスタからなるハイサイドスイッチ５ｃ及びローサイドスイッチ５ｄを直列接続してなる第２の相インバ−タ回路と、各スイッチ５ａ〜５ｄ個々に逆並列接続されるダイオード５ｅ〜５ｈとからなる。スイッチ５ａ、５ｂの接続点はトランス６の大巻数の一次巻線６ａの一端に接続され、スイッチ５ｃ、５ｄの接続点はトランス６の一次巻線６ａのの他端に接続されている。ハイサイドスイッチ５ａ、５ｃの他端は主蓄電手段１の高位電源端としてリアクトル１２及びダイオード１４を通じて主蓄電手段１の高位端に接続され、ローサイドスイッチ５ｂ、５ｄの他端は主蓄電手段１の低位端に接続されているトランス６は、互いに逆方向に巻装された一対の小巻数の二次巻線６ｂ、６ｃを有しており、両二次巻線６ｂ、６ｃの各一端は接続されて低圧回路７を通じて補機蓄電手段２の低位端に接続され、両二次巻線６ｂ、６ｃの接続端はリアクトル１０を通じて補機蓄電手段２の高位端に接続されている。
【００２１】低圧回路７は、それぞれダイオード７ａ、７ｂからなる整流回路からなる。コントロ−ラ９は、高圧回路５のスイッチ５ａ〜５ｄ及びスイッチング回路１１及びリレー接点１２〜１５を開閉制御する。コントロ−ラ９には、主蓄電手段１及び電池２１の端子電圧と、図示しない外部コントロ−ラから入力される補機蓄電手段充電信号及び主蓄電手段充電信号とに基づいて、上記各スイッチ５ａ〜５ｄ、スイッチング回路１１、リレー接点１２〜１５を開閉制御する。
【００２２】（動作）コントローラ９によりなされる上記電源装置の動作を説明する。電源オンとともになされるリセット動作の後、図示しない車両制御用の外部コントロ−ラからの補機蓄電手段充電指令信号が存在するかどうかを調べ、なければ補機蓄電手段２の端子電圧Ｖ２が所定の最低しきい値ＶＴ２未満かどうかを調べ、Ｖ２がＶＴ２以上であれば補機蓄電手段充電不要と判定して後述のＳ１０８へ進む。
【００２３】一方、補機蓄電手段充電指令信号が存在するか、または、端子電圧Ｖ２が所定の最低しきい値ＶＴ２未満であれば、ＤＣ／ＤＣコンバ−タに後述する通常送電すなわち主蓄電手段１から補機蓄電手段２への送電を実施させ、その後、補機蓄電手段２の電圧Ｖ２が所定のしきい値ＶＴ２’に達したかどうかを調べ達したらルーチンの最初にリタ−ンする。
【００２４】Ｓ１０８では、図示しない上記車両制御用の外部コントロ−ラからのエンジン始動が指令されているかどうかを調べ、指令されていれば主蓄電手段１の端子電圧Ｖ１が所定の最低しきい値ＶＴ１未満かどうかを調べ、Ｖ１がＶＴ１以上であれば、主蓄電手段はエンジン始動可能と判定してルーチンの最初にリタ−ンする。
【００２５】一方、エンジン始動指令が存在するにもかかわらず端子電圧Ｖ１が所定の最低しきい値ＶＴ１未満であれば、ＤＣ／ＤＣコンバ−タ３に後述する逆送電指令すなわち補機蓄電手段２から主蓄電手段１への送電を実施させ、その後、主蓄電手段１の電圧Ｖ１が所定のしきい値ＶＴ１’に達したかどうかを調べ、達したらルーチンの最初にリタ−ンする。
【００２６】なお、Ｓ１０８において、エンジン始動指令の代わりにマニュアルスイッチによる強制主蓄電手段充電指令の有無を判定してもよい。
（通常送電）以下、上記通常送電について説明する。この通常送電では、リレー接点１２、１３を導通し、リレー接点１４、１５を開放するのが通常であるが、上述したように全て開放してもよく、全て導通させてもよい。あるいはリレー接点１２、１３だけを導通させてリレー接点１４、１５だけを開放してもよい。ただし、後述する逆送電時以外においてリレー接点１４、１５を開放すれば、たとえばダイオード１６の故障などが生じても、電池２２は保護されることができる。なお、この通常送電時にリレー接点１４、１５を開放する場合、少なくとも主蓄電手段１の充電の直前には電池２２は充電されている必要があり、このため、この直前において、または、電池２２の電圧が低下した場合にリレー接点１２、１３を導通させる必要がある。そして、高圧回路５をインバ−タ動作をさせるために、スイッチ５ａ、５ｄを導通させ、スイッチ５ｂ、５ｃを遮断するモ−ドと、スイッチ５ａ、５ｄを遮断し、スイッチ５ｂ、５ｃを導通させるモ−ドとを一定周期で交互に繰り返す。補機バッテリ２の電圧Ｖ２をモニタして、その大きさすなわち補機バッテリ２の残量に応じてこれらスイッチ５ａ〜５ｄのデュ−ティ比を制御してもよい。
【００２７】二次巻線６ｂ、６ｃは逆向きに巻装されているので、それらの出力端は、補機バッテリ２の低位端を０Ｖとした場合に交互に正電位と負電位とになる。二次巻線６ｂ、６ｃの出力端が補機バッテリ２の高位端より正電位となると、ダイオ−ド７ａ、７ｂ及びリアクトル１０を通じて補機バッテリ２が充電される。これにより、補機バッテリ２は、リアクトル１０からなる平滑回路を通じてリップル除去された直流電流により充電される。
（逆送電）以下、上記逆送電について説明する。
【００２８】この逆送電の間中、リレー接点１２〜１５は導通され、リレー接点１４、１５は導通される。なお、この逆送電開始時には電池２２には主蓄電手段１への送電に十分な電力量が蓄電されているものとする。スイッチング素子５ａ〜５ｄは遮断される。そして、スイッチング回路１１を一定周期で断続させ、これによりリアクトル１０の磁気エネルギの放出、蓄積に伴う高電圧がダイオード１６を通じて主バッテリ１に印加され、を充電する。
【００２９】この実施例によれば、少なくとも逆送電中はリレー接点１２、１３が開放されるので、主バッテリ１の高位端の対地インピーダンスを高く保持することができ、感電事故を防止することができる。更に、主バッテリ１にエンジン始動に必要な電力が充電された時点で逆充電を停止するので、補機バッテリ２の無用の消耗を防止することができる。
【００３０】
【実施例２】本発明のハイブリッド電気自動車の電源装置の他の実施例を図２を参照して説明する。この電源装置は、図１に示す実施例１の装置において、低圧回路７に、アノードがそれぞれ二次巻線６ｂ、６ｃの一端に個別に接続される一対のダイオード７ｃ、７ｄを追加し、このダイオード７ｃ、７ｄのカソードをリレー接点１２を介してリアクトル１０に接続したものである。
【００３１】この電源装置の通常送電動作は実施例１のそれと同じであるので、逆送電動作のみを以下に説明する。このリレー接点１２は、他のリレー接点１３〜１５とは独立動作可能となっており、少なくとも主バッテリ１により電池２２を充電する場合には導通させる。この実施例においても、電池２２による主バッテリ１の充電時には電池２２の低位端はリレー接点１３の開放により非接地となり、電池２２の高位端はリレー接点１２の開放により遮断されるので、電池２２は対地電位からフローティングとされ、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【００３２】
【実施例３】本発明のハイブリッド電気自動車の電源装置の他の実施例を図３を参照して説明する。この電源装置は、図２に示す実施例２の装置において、リレー接点１２を省略したものである。
【００３３】この実施例においても、電池２２による主バッテリ１の充電時には電池２２の低位端はリレー接点１３の開放により非接地となり、電池２２の高位端はダイオード７ｃ、７ｄにより接地端から遮断されるので、電池２２は対地電位からフローティングとされ、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【００３４】
【実施例４】本発明のハイブリッド電気自動車の電源装置の他の実施例を図４を参照して説明する。この電源装置は、図２に示す実施例２の装置において、電池２１を省略し、電池２２を補機蓄電手段（補機バッテリ）をなす電池２に代替したものである。ただし、この実施例においても、補機バッテリ２の低位端はリレー接点１３を通じて接地されるものとする。また、この実施例において、リレー接点１３と１５とは逆動作するように設けられる。このようにすれば通常送電時には、補機バッテリ２の低位端がリレー接点１３を通じて接地されるものの、リレー接点１５は開放されるために、主バッテリ１の端子電位が固定されることはない（低対地インピーダンスで接地端に接続されることはない）。
【００３５】このようにすれば、補機バッテリ２による主バッテリ１の充電時には補機バッテリ２の低位端は非接地となるので、補機バッテリ２は対地電位からフローティングとされ、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。
【００３６】
【実施例５】本発明のハイブリッド電気自動車の電源装置の他の実施例を図５を参照して説明する。この電源装置は、主バッテリ１の低位端にのみリレー接点１５を設けたものである。
【００３７】このようにすれば、通常送電時には、リレー接点１５の開放により主バッテリ１の端子電位が固定されることはない（低対地インピーダンスで接地端に接続されることはない）。
【出願人】 【識別番号】０００００４２６０
【氏名又は名称】株式会社デンソー
【出願日】 平成１０年８月３日（１９９８．８．３）
【代理人】 【識別番号】１０００８１７７６
【弁理士】
【氏名又は名称】大川 宏
【公開番号】 特開２０００−５０４０３（Ｐ２０００−５０４０３Ａ）
【公開日】 平成１２年２月１８日（２０００．２．１８）
【出願番号】 特願平１０−２１９３５６