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【発明の名称】 自動車の電気システム
【発明者】 【氏名】木下 繁則

【氏名】植木 浩一

【氏名】中原 和仁

【氏名】高橋 文人
【要約】 【課題】電気自動車の電気システムの標準化と低価格化を図る。

【解決手段】主電池１を構成する複数組のモジュール電池１０毎にユニットＤＣ−ＤＣコンバータ６００を設け、このユニットＤＣ−ＤＣコンバータの出力側は補助電池６にそれぞれ接続する構成にすることで、従来、電気システム毎の個別仕様で製作していたものを標準化し、多様な主電池１の端子電圧に対しても該ユニットＤＤ−ＤＣコンバータの設置数の調整により対応できる様にして、電気システム全体としての価格低減を実現する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 モジュール電池を複数組直列接続してなる主電池が半導体電力変換器を介して車両駆動用電動機に電力を供給すると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して補助電池を充電する自動車の電気システムにおいて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記モジュール電池の端子電圧を入力電圧とし、前記補助電池の端子電圧を出力電圧とするユニットＤＣ−ＤＣコンバータを前記各モジュール電池毎に少なくとも１組備えてなることを特徴とする自動車の電気システム。
【請求項２】 請求項１に記載の自動車の電気システムにおいて、前記ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは、前記モジュール電池の状態に応じて、その出力を制御することを特徴とする自動車の電気システム。
【請求項３】 請求項１に記載の自動車の電気システムにおいて、前記ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは、前記補助電池の状態に応じて、その出力を制御することを特徴とする自動車の電気システム。
【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の自動車の電気システムにおいて、前記ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは、その入力側と出力側とを電気的に絶縁したことを特徴とする自動車の電気システム。
【請求項５】 請求項１乃至３のいずれかに記載の自動車の電気システムにおいて、前記ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは、その入力側と出力側とを電気的に非絶縁にしたことを特徴とする自動車の電気システム。
【請求項６】 請求項１乃至５のいずれかに記載の自動車の電気システムにおいて、前記モジュール電池は、セル電池を複数個直列または直並列接続構成にしてなることを特徴とする自動車の電気システム。
【請求項７】 請求項１乃至６のいずれかに記載の自動車の電気システムにおいて、前記ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは、可逆動作をすることを特徴とする自動車の電気システム。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、電気自動車，ハイブリッド電気自動車，トルクアシスト自動車などに備える補助電池を主電池から充電する自動車の電気システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】図５は電気自動車の代表的なパワートレインと電気システムについて示し、１は主電池、２は車両駆動電動機、３は車両駆動電動機２を駆動するインバータ、４ａは減速機、４ｂはデフギア、４ｃは車輪、５は車体、６は補助電池、７は補助電池６を電源とする車両補機、８は補助電池６を主電池１から充電する充電器としてのＤＣ−ＤＣコンバータ、９は主電池１を電源とする補機である。
【０００３】図５に示した車両補機７としてはラジオ，照明などが該当し、また、補機９としてはエアコンなど比較的消費電力の大きい負荷が該当する。
【０００４】また、図５に示した主電池１は、一般的にモジュール電池１０を必要数直列接続した構成からなっている。
【０００５】なお図５において、太実線表示の部位は車両駆動の機械系を、細実線表示の部位は電気系をそれぞれ示し、この電気自動車の電気システムは周知の技術で構成されているので、ここではその詳細説明を省略する。
【０００６】図６はシリーズハイブリッド電気自動車の代表的なパワートレインと電気システムを示し、この図において、構成要素の下1桁または下2桁の参照番号が図５に示した構成要素の参照番号と同一のものは、図５と同一機能の構成要素を示し、例えば、図６に示すインバータ１０３は、図５に示したインバータ３と同一機能である。また、１２０はエンジン、１３０は発電機、１４０は整流器を示し、このシリーズハイブリッド電気自動車はエンジン１２０，発電機１３０，整流器１４０により、主電池１０１に必要な電力を発電し充電する構成である。
【０００７】すなわち図６に示した電気システムは、エンジン１２０，発電機１３０，整流器１４０による主電池１０１の充電制御を除けば、図５に示した電気自動車の電気システムと同じである。
【０００８】また、図６に示した主電池１０１は、一般にモジュール電池１１０を必要数直列接続した構成からなっている。
【０００９】なお図６において、太実線表示の部位は車両駆動の機械系を、細実線表示の部位は電気系をそれぞれ示し、このシリーズハイブリット電気自動車の電気システムは周知の技術で構成されているので、ここではその詳細説明を省略する。
【００１０】図７はパラレルハイブリッド電気自動車の代表的なパワートレインと電気システムを示し、この図においても、構成要素の下1桁または下2桁の参照番号が図５に示した構成要素の参照番号と同一のものは、図５と同一機能の構成要素を示している。また、２２０はエンジン、２５０は動力分配機、２３０は発電機、２４０は整流器である。
【００１１】また、図７に示した主電池２０１は、一般にモジュール電池２１０を必要数直列接続した構成にしている。
【００１２】なお図７において、太実線表示の部位は車両駆動の機械系を、細実線表示の部位は電気系をそれぞれ示し、このパラレルハイブリット電気自動車の電気システムは周知の技術で構成されているので、ここではその詳細説明を省略する。
【００１３】図８はトルクアシスト電気自動車の代表的なパワートレインと電気システムを示し、この図においても、構成要素の下1桁または下2桁の参照番号が図５に示した構成要素の参照番号と同一のものは、図５と同一機能の構成要素を示している。また、３２０はエンジン、３６０は発電動機、３７０は変速機である。
【００１４】また、図８に示した主電池３０１は、一般にモジュール電池３１０を必要数直列接続した構成にしている。
【００１５】なお図８において、太実線表示の部位は車両駆動の機械系を、細実線表示の部位は電気系をそれぞれ示し、このトルクアシスト電気自動車の電気システムは周知の技術で構成されているので、ここではその詳細説明を省略する。
【００１６】上記図５〜図７に示した電気自動車においては、車両駆動電動機のみによる車両駆動を行うのに対し、図８に示した電気自動車では、車両駆動電動機３６０のみによる車両駆動を行わない。また、主電池３０１の端子電圧も５０Ｖ以下とし、その容量も図５〜図７に示した主電池に比べて小さく、安価になっている。
【００１７】図９は、図５〜図８に示した電気自動車の電気システムの主電池の状態監視と充放電制御の代表的なシステム構成を、図５に示した電気自動車の例で示し、５００は車両制御装置を示し電気自動車としての制御，保護を行い、５０１は主電池監視制御装置を示し主電池１および各モジュール電池１０の充電，放電状況及び動作状態を監視，制御し、５００ａ〜５００ｃは制御信号線を示す。
【００１８】なお、図９に示すシステム構成では図示しないが、必要に応じ主電池冷却系の運転制御も主電池監視制御装置５０１が行う。
【００１９】図１０は、図５〜図７に示した電気自動車に備えるＤＣ−ＤＣコンバータの代表的な基本システム構成を図５に示した電気自動車の例で示したものである。
【００２０】この種のＤＣ−ＤＣコンバータとしては、主電池１側と補助電池６側とを一般に電気的に絶縁する必要があるため、高周波スイッチング技術を適用した回路方式が採用されている。
【００２１】すなわち図１０において、８１は高周波インバータ、８２は高周波変圧器、８３は整流器、８４は制御回路、８４ａは入力電圧検出器、８４ｂは出力電圧検出器、８４ｃは出力電流検出器である。
【００２２】この制御回路８４は、出力電圧と出力電流とが所定の値になるよう高周波インバータ８１を制御する。
【００２３】図１１は、図８に示した電気自動車に備えるＤＣ−ＤＣコンバータ３０８の代表的な基本システム構成を示したものであり、図８，図１０と同一構成要素には同一参照番号を付している。
【００２４】このＤＣ−ＤＣコンバータ８（３０８）としては、主電池１（３０１）側と補助電池６（３０６）側とを電気的に絶縁する必要がないため、チョッパ回路方式が採用されている。
【００２５】すなわち図１１において、制御回路８４により、出力電圧と出力電流とを所定の値になるようチョッパ８５を制御する。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】上述の図５〜図８に示した電気自動車に備える主電池の端子電圧は下記の如く多様であり、また、同じ構成の電気システムでも、車種が異なると、その主電池の端子電圧も異なっていることがある。
【００２７】例えば、図５に示した電気自動車では主電池の端子電圧は１２０〜３３６Ｖ（モジュール電池数：１０〜２８）であり、また、図６，図７に示した電気自動車では主電池の端子電圧は２８８〜３３６Ｖ（モジュール電池数：２４〜２８）であり、さらに、図８に示した電気自動車では主電池の端子電圧は３６Ｖ（モジュール電池数：３）である。
【００２８】一方、電気自動車に備える補助電池の端子電圧は前述の如く電気システムや車種が異なっても１２Ｖ又は２４Ｖとなっている。
【００２９】２１世紀の自動車は地球環境保全の観点から無公害自動車および低公害自動車の普及が望まれている。この目的のために、図５〜図１０に示した各種の自動車の実用化が進められている。
【００３０】これらの自動車を広く普及させるためには、価格低減が最優先課題であり、その結果、図１０に示した電気システムの低価格化も大きな課題となっている。
【００３１】この発明の目的は、現状では多種多様の補助電池充電用ＤＣ−ＤＣコンバータを共通化して、価格低減を図った自動車の電気システムを提供することにある。
【００３２】
【課題を解決するための手段】この第１の発明は、モジュール電池を複数組直列接続してなる主電池が半導体電力変換器を介して車両駆動用電動機に電力を供給すると共に、ＤＣ−ＤＣコンバータを介して補助電池を充電する自動車の電気システムにおいて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは、前記モジュール電池の端子電圧を入力電圧とし、前記補助電池の端子電圧を出力電圧とするユニットＤＣ−ＤＣコンバータを前記各モジュール電池毎に少なくとも１組備えてなることを特徴とする。
【００３３】第２の発明は前記第１の発明の自動車の電気システムにおいて、前記ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは、前記モジュール電池の状態に応じて、その出力を制御することを特徴とする。
【００３４】第３の発明は前記第１の発明の自動車の電気システムにおいて、前記ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは、前記補助電池の状態に応じて、その出力を制御することを特徴とする。
【００３５】第４の発明は前記第１〜第３の発明の自動車の電気システムにおいて、前記ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは、その入力側と出力側とを電気的に絶縁したことを特徴とする。
【００３６】第５の発明は前記第１〜第３の発明の電気システムにおいて、前記ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは、その入力側と出力側とを電気的に非絶縁にしたことを特徴とする。
【００３７】第６の発明は前記第１〜第５の発明の自動車の電気システムにおいて、前記モジュール電池は、セル電池を複数個直列または直並列接続構成にしてなることを特徴とする。
【００３８】第７の発明は前記第１〜第６の発明の自動車の電気システムにおいて、前記ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは、可逆動作をすることを特徴とする。
【００３９】この発明は、下記（１）〜（３）項に着目してなされたものである。
（１）自動車の主電池はモジュール電池を必要数直列接続した構成である。
（２）自動車の車両制御装置は車載機器を個別に監視，制御している。
（３）上記モジュール電池は個別にその状態が監視されている。
【００４０】すなわち、前記ＤＣ−ＤＣコンバータは前記モジュール電池の端子電圧を入力とし、前記補助電池の端子電圧を出力としたユニットＤＣ−ＤＣコンバータを前記各モジュール電池毎に少なくとも１組備える構成にしたことにより、それぞれのユニットＤＣ−ＤＣコンバータを同一仕様で製作し、全体としての共通化，低価格化を図ることができる。
【００４１】
【発明の実施の形態】図１はこの発明の第１の実施例を示す自動車の電気システムの構成図であり、この電気システムは図５に示した自動車の電気システムに適用した場合の例であり、また、図５〜図１０に示した構成要素と同一機能の構成要素には同一参照番号を付している。
【００４２】すなわち図１において、６００はユニットＤＣ−ＤＣコンバータであり、その入力はモジュール電池１０に接続線６１０ａにより接続し、その出力の一方は接続線６１０ｂにより補助電池６に電流検出器６２１を介して接続し、他方の出力は接続線６１０ｃにより車体５に接続している。この図から明らかなように、各ユニットＤＣ−ＤＣコンバータの出力は補助電池６に並列接続されている。
【００４３】以下に、図１に示し電気システムの制御動作について説明する。
【００４４】図１に示した電気システムでは、１個のモジュール電池に１組のユニットＤＣ−ＤＣコンバータを接続した構成であり、電圧検出器６２０，電流検出器６２１で補助電池６の充電電圧，充電電流を検出する。車両制御装置５００は補助電池６の端子電圧値，電流値（電圧検出器６２０および電流検出器６２１の検出値）と、主電池監視制御装置５０１による各モジュール電池１０の状態情報とから各ユニットＤＣ−ＤＣコンバータ６００の出力電流値を制御線６３０を介して指令する。この指令された出力電流値になるように各ユニットＤＣ−ＤＣコンバータ６００は動作する。
【００４５】その結果、ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは電気自動車，ハイブリット自動車などの電気システムの構成や車種に関係なく標準化が図れ、また、各モジュール電池の放電電流の均等化が図れる。
【００４６】図２は、図1に示したユニットＤＣ−ＤＣコンバータ６００の詳細構成図であり、このユニットＤＣ−ＤＣコンバータ６００の構成は図１０に示した従来の構成ものとほぼ同じであり、従って、それぞれの構成要素の参照番号の接頭数字の６を削除した参照番号が、図１０に示した参照番号と同じものは同一機能の構成要素であることを示している。
【００４７】なお、ユニットＤＣ−ＤＣコンバータ６００がモジュール電池１０から補助電池６へ充電する場合で説明したが、補助電池６からモジュール電池１０へ充電する機能を合せ持った可逆動作にすることも可能である。この可逆動作により、例えば、主電池の端子電圧が下限値未満になろうとしたときにも補助電池からの電力で上昇させることができ、電気システム全体の動作信頼性が向上する。
【００４８】図３は図２に示したユニットＤＣ−ＤＣコンバータとは別のユニットＤＣ−ＤＣコンバータ構成図であり、この電気システムは図８に示した自動車の電気システムに適用した場合の例であり、このユニットＤＣ−ＤＣコンバータ７００の構成は図１１に示した従来の構成ものとほぼ同じであり、従って、それぞれの構成要素の参照番号の接頭数字の７を削除した参照番号が、図１１に示した参照番号と同じものは同一機能の構成要素であることを示している。
【００４９】図４はこの発明の第２の実施例を示す自動車の電気システム構成図であり、図１に示した構成要素と同一機能を有するものには同一参照番号を付している。
【００５０】すなわち図４に示した構成が図１に示した構成と異なっている点は、各モジュール電池に複数組のユニットＤＣ−ＤＣコンバータを並列接続する電気システムであり、この図ではその並列数を２の場合で示している。
【００５１】すなわち図４において、１０ａ〜１０ｃはモジュール電池を示し、図１に示したモジュール電池１０に相当する。また、６００ａ１〜６００ｃ２はユニットＤＣ−ＤＣコンバータを示し、図１に示したユニットＤＣ−ＤＣコンバータ６００に相当する。このユニットＤＣ−ＤＣコンバータ６００ａ１、６００ａ２は接続線６１０ａ１を介してモジュール電池１０ａに並列接続する。同様に、ユニットＤＣ−ＤＣコンバータ６００ｂ１、６００ｂ２はモジュール電池１０ｂに並列接続し、ユニットＤＣ−ＤＣコンバータ６００ｃ１、６００ｃ２はモジュール電池１０ｃに並列接続している。
【００５２】また、車両制御装置５００からの指令により、各ユニットＤＣ−ＤＣコンバータが個別に制御動作をするが、この制御動作は図１に示したた実施例と同じであり、その結果、ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは電気システムの構成や車種に関係なく標準化が図れ、また、各モジュール電池の放電電流の均等化が図れる。
【００５３】
【発明の効果】この発明は、主電池を構成するモジュール電池の端子電圧を入力電圧とし、補助電池の端子電圧を出力電圧とするユニットＤＣ−ＤＣコンバータを必要数直並列接続して、主電池から補助電池を充電する自動車の電気システムにしたので、以下の（１）〜（４）項に記す効果が期待できる。
（１）ユニットＤＣ−ＤＣコンバータは電気自動車，ハイブリット自動車などの電気システムの構成や車種に関係なく製作でき、従って、ユニットＤＣ−ＤＣコンバータの標準化が図れる。
（２）上述の標準化により、ユニットＤＣ−ＤＣコンバータの価格低減が図れ、自動車の電気システムの価格低減に大きく寄与する。
（３）ユニットＤＣ−ＤＣコンバータを可逆動作にすることにより、自動車全体の動作信頼性が向上する。
（４）各モジュール電池の放電電流の均等化が図れ、その結果、主電池の寿命が大幅に延びる。
【００５４】
【出願人】 【識別番号】０００００５２３４
【氏名又は名称】富士電機株式会社
【出願日】 平成１２年６月２３日（２０００．６．２３）
【代理人】 【識別番号】１０００７５１６６
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 巖 （外２名）
【公開番号】 特開２００２−１０４１０（Ｐ２００２−１０４１０Ａ）
【公開日】 平成１４年１月１１日（２００２．１．１１）
【出願番号】 特願２０００−１９０２０４（Ｐ２０００−１９０２０４）