JP2013150497A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】外部電源以外に太陽電池などのサブ電源を使ってメインバッテリを充電する電気自動車であって、外部電源とサブ電源とが短絡してしまうことを確実に防止する。
【解決手段】ハイブリッド車２は、メインバッテリ５、太陽電池５１、充電器４０、及び、切換器３２を備える。メインバッテリ５は、車輪駆動用のモータ１２に電力を供給するためのバッテリある。充電器４０は、出力端がメインバッテリ５に接続されており、外部電源９１から供給される電力の電圧をメインバッテリ充電用の電圧に変換する機能と、サブ電源から供給される電力の電圧をメインバッテリ充電用の電圧に変換する機能を有する。切換器３２は、充電器の入力端を、外部電源接続用コネクタ３３と太陽電池５１のいずれか一方に選択的に接続するとともに他方を充電器から絶縁する。
【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、外部電源を使ってモータ駆動用のバッテリ（メインバッテリ）を充電することができる電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、車輪駆動用のモータとエンジンを共に備えるとともに、外部電源を使ってモータ駆動用のバッテリを充電することができるいわゆるプラグインハイブリッド車を含む。

電気自動車は、外部電源から供給される電圧（電力）をバッテリの充電に適した電圧に変換する充電器を備える。多くの外部電源は交流であるので、充電器は整流回路を含んでおり、交流を直流に変換するとともに電圧を変換する。しかし整流回路をバイパスするか、あるいは整流回路を非動作状態とする（整流回路の入力側と出力側を導通状態にはしておく）ことによって、ＤＣＤＣコンバータとしても利用できる。この性質を利用し、例えば特許文献１では、電気自動車にメインバッテリの他に太陽電池を搭載し、太陽電池の出力を、整流回路をバイパスして充電器に入力し、メインバッテリを充電する技術が開示されている。

特開２００８−３１２３８２号公報

特許文献１に開示された技術では、充電器の整流回路と変圧回路の間に太陽電池が並列に接続される。太陽電池の正極側には太陽電池を充電器と接続したり切断したりするスイッチが嵌挿されているが、太陽電池の負極（グラント）は充電器の負極端と常時接続されている。それゆえ、外部電源が接続されているとき、外部電源と太陽電池が短絡する虞がある。本明細書は、外部電源以外に太陽電池などの電源（サブ電源）を使ってメインバッテリを充電することができる電気自動車であって、外部電源とサブ電源とが短絡してしまうことを確実に防止する技術を提供する。

本明細書が開示する電気自動車は、メインバッテリ、補機バッテリ、サブ電源、電圧コンバータ、充電器、及び、切換器を備える。メインバッテリは、車輪駆動用のモータに電力を供給するためのバッテリある。補機バッテリは、モータ駆動用の電圧よりも低い電圧で作動する補機へ電力を供給するバッテリである。典型的には、メインバッテリの出力電圧は１００ボルト以上であり、補機バッテリの出力電圧は１００ボルト未満である。「補機」とは、モータ駆動用の電圧よりも低い電圧で作動するデバイスの総称であり、例えば、カーオーディオ、ナビゲーション、ランプ、ワイパ、パワーウインドウなどがある。また、１２ボルト、あるいは、２４ボルト程度の電圧で動作する各種のコントローラも補機のカテゴリに含まれる。サブ電源は、メインバッテリよりも出力電圧が低く、補機バッテリとは別に車両に搭載される電源である。サブ電源は、典型的には太陽電池、燃料電池、リチウムイオン電池などの化学バッテリなどである。サブ電源は、着脱できるバッテリであってもよい。

電圧コンバータは、メインバッテリの出力電圧を降圧するデバイスであって出力端が補機バッテリと並列に接続されている。即ち、メインバッテリが車両の電気系に接続されており電圧コンバータが稼働しているときは、メインバッテリの電力が補機へ供給される。即ち、補機バッテリは、メインバッテリからの電力供給が受けられないときのバックアップ的な電源である。また、補機バッテリにも電圧コンバータを介してメインバッテリの電力が供給される。即ち、補機バッテリはメインバッテリの電力により充電される。充電器は、前述したように、出力端がメインバッテリに接続されており、外部電源から供給される電圧（電力）をメインバッテリ充電用の電圧（直流であってメインバッテリの出力電圧より僅かに高い電圧）に変換する機能と、サブ電源から供給される電圧（電力）をメインバッテリの充電用の電圧に変換する機能を有する。切換器は、１入力２出力であり、入力端の接続先を２つの出力端のいずれか一方に選択的に切り換えるものである。切換器における「入力端」と「出力端」は、単に切換器の一方側の端子と他方側の端子を区別する便宜上の呼称であり、電流（あるいは信号）の流れる方向を示すものではないことに留意されたい。切換器の入力端は充電器に接続されており、２つの出力端はそれぞれ外部電源接続用コネクタとサブ電源に接続されている。切換器は、充電器の入力端を外部電源接続用コネクタとサブ電源のいずれか一方に選択的に接続するとともに、他方を充電器から絶縁する。なお、切換器は、典型的には、正極と負極（グランド）を同時に切り換えることができる２極（入力接点数が２個、出力接点数が４個）のリレーでよい。そのようなリレーは、充電器を外部電源接続用コネクタに接続しているときには、サブ電源の正極と負極を共に充電器から切り離し（すなわち絶縁し）、逆に、充電器をサブ電源に接続しているときには、外部電源接続用コネクタの正極と負極（グランド）を共に充電器から切り離す（絶縁する）。そのような切換器を採用することによって、外部電源（外部電源接続用コネクタ）とサブ電源との短絡を確実に防止することができる。

リレーは、通常、コイルをＯＮ／ＯＦＦすることにより入力端（ｃ接点）を２つの出力端（ａ接点とｂ接点）のいずれかに切り換える構成を有している。コイルに電力供給がない場合、ｃ接点はａ接点と接続され、ｂ接点は開放される。コイルに通電すると、ｃ接点はｂ接点と接続され、ａ接点は開放される。本明細書が開示する切換器の一実施形態では、ｃ接点が充電器の入力端に接続される。ａ接点に外部電源接続用コネクタを接続し、ｂ接点にサブ電源を接続した場合、即ち、電力供給がない場合は充電器を外部電源接続用コネクタに接続するように切換器を構成した場合、切換器のコントローラは、サブ電源側の接続端子間の電圧が所定値を超えた場合に、充電器の接続先を外部電源接続用コネクタからサブ電源に切り換えるようにプログラムされているのがよい。そのような構成を採用すれば、例えばサブ電源が太陽電池である場合、太陽電池が発電し、その出力が所定値を超えれば、自動的に太陽電池によるメインバッテリの充電が開始される。サブ電源が着脱自在のバッテリである場合、バッテリが接続されると、自動的にそのバッテリの電力によるメインバッテリの充電が開始される。いずれの場合も、ユーザの操作が簡単になる。

他方、ａ接点にサブ電源を接続し、ｂ接点に外部電源接続用コネクタを接続した場合、即ち、電力供給がない場合は充電器をサブ電源に接続するように切換器を構成した場合、切換器のコントローラは、外部電源接続用コネクタに外部電源（そのプラグ）が接続された場合に充電器の接続先をサブ電源から外部電源接続用コネクタに切り換えるようにプログラムされているのがよい。外部電源によってメインバッテリを充電する場合のユーザの操作が簡単になる。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

実施例のハイブリッド車の駆動系のブロック図である。 充電器の回路の一例である。

図面を参照して実施例の電気自動車を説明する。実施例の電気自動車は、走行用として、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車２である。ハイブリッド車２は、家庭用交流電源など外部電源を使ってバッテリを充電するための充電器を備えているいわゆるプラグインタイプである。

図１にハイブリッド車２の駆動系のブロック図を示す。ハイブリッド車２は、駆動源として、モータ１２とエンジン１６を備えている。モータ１２の出力トルクとエンジン１６の出力トルクは、動力分配機構１４で適宜に分配／合成され、車軸１５へ伝達される。

モータ１２を駆動するための電力はメインバッテリ５から供給される。メインバッテリ５の出力電圧は例えば３００ボルトである。メインバッテリ５は、システムメインリレー７を介してインバータ９に接続される。システムメインリレー７は、メインバッテリ５と車両の駆動系を接続したり切断したりするスイッチである。システムメインリレー７は、コントローラ４によって切り換えられる。

インバータ９は、メインバッテリ５の電圧をモータ駆動に適した電圧（例えば６００ボルト）まで昇圧した後、直流電力を所定の周波数の交流電力に変換してモータ１２へ供給する。なお、ハイブリッド車２は、エンジン１６の駆動力、あるいは、車両の減速エネルギを利用してモータ１２で発電することもできる。モータ１２が発電する場合、インバータ９が、交流を直流に変換し、さらに、メインバッテリ５よりも僅かに高い電圧まで降圧し、メインバッテリ５へ供給する。メインバッテリ５よりも僅かに高い電圧とは、例えばメインバッテリ５の定格出力電圧プラス５ボルト以内である。

メインバッテリ５の出力はまた、電圧コンバータ１７へも送られる。電圧コンバータ１７は、メインバッテリ５の出力電圧（例えば３００ボルト）を、他の電子デバイスを駆動するのに適した電圧（例えば１２ボルト）に降圧する降圧ＤＣＤＣコンバータである。ここで、他のデバイス、即ち、モータ１２を駆動するための電圧よりも低い電圧で動作するデバイスを「補機」と総称する。補機の代表的な例には、エアコン１９、ヘッドライト２０、カーナビゲーション２１などがある。また、車載の様々なコントローラの回路（モータ駆動電流が流れる部品を除く）も、カーナビゲーションなどと同じレベルの電圧で動作するので補機のカテゴリに含まれる。インバータ９や電圧コンバータ１７への指令であるＰＷＭ信号を生成するコントローラ４も補機のカテゴリに含まれる。

補機への電力供給ラインＡＰＬには、補機バッテリ１８も接続されている。電圧コンバータ１７の出力は、その電力供給ラインＡＰＬに接続されている。即ち、電圧コンバータ１７の出力端は補機バッテリ１８に並列に接続されており、電圧コンバータ１７の出力は補機バッテリ１８にも供給される。ハイブリッド車２は、モータ駆動用の高出力高容量のメインバッテリ５を使って、補機バッテリ１８の充電と、補機への電力供給を行う。補機バッテリ１８は、メインバッテリ５あるいは発電機としてのモータ１２からの電力供給を受けられないときに補機へ電力を供給する目的で備えられている。

なお、ハイブリッド車２は、実際には、機能ごとに備えられた多数のコントローラを有しており、それら多数のコントローラが協働することによって、一つの車両システムとして機能する。しかし本明細書では説明を簡略化するため、物理的に複数のコントローラに分かれていても、それらを「コントローラ４」で総称する。

コントローラ４は、車両の様々なセンサのデータやほかのデバイスからの信号に基づいて、モータ１２や、インバータ９、電圧コンバータ１７を制御する。また、コントローラ４は、システムメインリレー７、後述する充電メインリレー３１、充電器４０、切換器３２も制御する。コントローラ４が用いるセンサには、例えば、車速を計測する車速センサ１３、後述する太陽電池５１の出力電圧を計測する電圧センサ３６などがある。その他にもインバータ９の温度を計測する温度センサ等もあるが、説明は省略する。

ハイブリッド車２は、補機バッテリ１８あるいは電圧コンバータ１７による電力供給ラインＡＰＬとは別の電力供給ラインＳＰＬを有している。この電力供給ラインＳＰＬには、太陽電池５１と、車内の空気を社外へ排出するファン５２が接続されている。ファン５２は、太陽電池５１が出力する電力により動作する。太陽電池５１とファン５２は、炎天下に駐車している間に車内を換気するために備えられている。実施例のハイブリッド車２は、外部電源を使ってメインバッテリ５を充電することもできるし、太陽電池５１を使ってメインバッテリ５を充電することもできる。太陽電池５１は、サブ電源の一例である。

前述したように、ハイブリッド車２は、外部電源９１からの電力供給を受けてメインバッテリ５を充電することができる。充電系は、充電メインリレー３１、充電器４０、切換器３２、及び、外部電源接続用コネクタ３３を主たる構成部品として構成される。外部電源のプラグ９０を接続する外部電源接続用コネクタ３３は、切換器３２を介して充電器４０に接続されている。切換器３２については後に詳しく説明する。また、充電器４０の回路についても後に説明する。充電器４０の出力端ＴＨは、充電メインリレー３１を介してメインバッテリ５に接続されている。充電メインリレー３１は、充電器４０を使ってメインバッテリ５を充電する際、コントローラ４によって閉じられる。コントローラ４は、充電器４０が動作していない間は、充電メインリレー３１を開放し、充電器４０をメインバッテリ５から絶縁する。

切換器３２について説明する。ハイブリッド車２は、家庭用商用電源などの外部電源９１から電力の供給を受けてメインバッテリ５を充電することができ、また、搭載された太陽電池５１（サブ電源）が発生する電力によっても充電することができる。切換器３２が、バッテリ充電用の電源を切り換える。切換器３２は、１入力２出力である。接点ｃ１、ｃ２が入力端に相当し、接点ａ１、ａ２のセット、及び、ｂ１、ｂ２のセットが出力端に相当する。ただし、「入力端」、「出力端」との呼称は、切換器の一方側の端子とそれに接続される他方側の端子を区別するための便宜上のものであり、電流（あるいは信号）の流れる方向を規定するものではないことに留意されたい。

切換器３２は２極のリレーであり、充電器４０の入力端ＴＬの正極と負極（グランド）を同時に切り換えることができる。具体的には、切換器３２（リレー）の入力端であるｃ１接点とｃ２接点の夫々に充電器４０の入力端ＴＬの正極と負極が接続され、一方の出力端であるａ１接点とａ２接点の夫々に外部電源接続用コネクタ３３の正極と負極（即ち、外部電源９１の２つの出力端）が接続され、もう一方の出力端であるｂ１接点とｂ２接点の夫々に太陽電池５１の正極と負極が接続される。切換器３２はコントローラ４によって制御される。リレーは、通常、リレーのコイルに電力が供給されていないときにｃ接点をａ接点にコンタクトさせ、ｂ接点は開放される。コイルに電力が供給されると、ｃ接点をｂ接点にコンタクトさせ、ａ接点は開放される。即ち、充電器４０は、通常は外部電源接続用コネクタ３３と接続しており、太陽電池５１は切り離されている。このとき、太陽電池５１の正極と負極のいずれもが開放されるので、太陽電池５１は充電器４０から絶縁される。上記のとおり、切換器３２は、充電器４０の２つの入力端ＴＬを、外部電源接続用コネクタ３３と太陽電池５１のいずれか一方に選択的に接続し、他方を充電器４０から絶縁する。

コントローラ４は、太陽電池５１の出力電圧を電圧センサ３６によって計測し、その出力電圧が所定の値に達すると、切換器３２を制御し、充電器４０の入力端ＴＬの接続先を外部電源接続用コネクタ３３から太陽電池５１へ切り換える。そうすると、外部電源接続用コネクタ３３の正極と負極（あるいは２つの出力端子）は充電器４０から絶縁される。即ち、ハイブリッド車２は、太陽電池５１が充電器４０と接続されている間、充電器４０と外部電源９１との間の絶縁を確実に確保する。

ハイブリッド車２は、充電器４０の入力端ＴＬの正極と負極（グランド）を同時に切り換えることのできる切換器３２を備えることによって、外部電源９１によりメインバッテリ５を充電している間は、太陽電池５１（サブ電源）を充電器４０から完全に絶縁することができる。他方、ハイブリッド車２は、太陽電池５１（サブ電源）が充電器４０と接続している間は、外部電源９１を完全に充電器４０から絶縁することができる。

次に、充電器４０の回路構成の一例を示す（図２）。図２の左側の端子が、充電器４０の入力端ＴＬ（入力端子ＴＬ）に相当し、右側の端子が充電器４０の出力端ＴＨ（出力端子ＴＨ）に相当する。充電器４０は入力端ＴＬの側から、入力電流を平滑化するためのコイルＬ、ＡＣ／ＤＣ変換回路４１、昇圧回路４２、ＤＣ／ＡＣ変換回路４３、絶縁トランスＴｓ、及び、整流回路４４の順に回路が連なっている。夫々の回路構成は図２に示した通りである。夫々の回路はよく知られているので、詳しい説明は省略する。なお、充電器４０に入力される電力が交流の場合は、コントローラ４はＡＤ／ＤＡ変換回路４１を作動させ、外部電源の交流電力を直流に変換する。充電器４０に入力される電力が直流の場合（すなわち、太陽電池５１の場合）、コントローラ４は、ＡＤ／ＤＡ変換回路４１を、単に電流が素通りするようにその各スイッチング素子の開閉を定める。即ち、充電器４０は、入力される電力が直流であっても交流であっても、目標の電圧に昇圧し、直流として出力することができる。なお、入力端ＴＬの電圧は出力端ＴＨの電圧よりも低くなるので、入力端ＴＬは低電圧側端子と呼ぶことができ、出力端ＴＨは高電圧側端子と呼ぶこともできる。

実施例のハイブリッド車２に関する留意点を述べる。太陽電池５１（サブ電源）が接続されている電力供給ラインＳＰＬは、補機バッテリ１８が接続されている電力供給ラインＡＰＬからは分離されている。それゆえ、ハイブリッド車２は、太陽電池５１の出力によってメインバッテリ５を充電している間でも、補機には影響が及ばない、という利点を有する。

図２の回路は一例であり、充電器４０は他の回路構成を有していてもよい。図２では、スイッチング回路のトランジスタとしてＩＧＢＴタイプのトランジスタを描いた。スイッチング回路のトランジスタはＭＯＳタイプのトランジスタであってもよい。

実施例のハイブリッド車２の変形例を説明する。サブ電源は、太陽電池５１に代えて、鉛バッテリ、リチウムイオンバッテリ、燃料電池など、他の電源であってもよい。また、切換器３２の設定として、通常は充電器４０の接続先を太陽電池５１（あるいは他のサブ電源）とし、コントローラ４は、外部電源接続用コネクタ３３に外部電源のプラグ９０が差し込まれた場合に、充電器４０の接続先を太陽電池５１から外部電源接続用コネクタ３３に切り換えてもよい。さらに、コントローラ４は、車両が停止している間は、充電器４０の接続先を外部電源接続用コネクタ３３とし、走行中は充電器４０の接続先を太陽電池５１（サブ電源）に切り換えるように切換器３２を制御することも好適である。

ハイブリッド車２は、補機用の電力供給ラインＡＰＬとは別に、太陽電池５１による電力供給ラインＳＰＬを有している。電力供給ラインＳＰＬには、太陽電池ではなく、他のバッテリを接続するための第２外部電源接続用コネクタであってもよい。コントローラ４は、電圧センサ３６の計測値を常時モニタし、第２外部電源接続用コネクタの端子間に所定の大きさ以上の電圧が加わっていることを検知した場合に、切換器３２を制御して充電器４０の接続先を外部電源接続用コネクタ３３から第２外部電源接続用コネクタに切り換えてもよい。即ち、そのようなハイブリッド車は、サブ電源として着脱可能な外部バッテリを採用することができる。サブ電源は、他の車両に搭載されたバッテリであってもよい。

本明細書が開示する技術はエンジンを搭載しない電気自動車に適用することも可能である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ハイブリッド車
４：コントローラ
５：メインバッテリ
７：システムメインリレー
９：インバータ
１２：モータ
１３：車速センサ
１４：動力分配機構
１６：エンジン
１７：電圧コンバータ
１８：補機バッテリ
３１：充電メインリレー
３２：切換器
３３：外部電源接続用コネクタ
３６：電圧センサ
４０：充電器
５１：太陽電池（サブ電源）
５２：ファン
９０：外部電源のプラグ
９１：外部電源

Claims (5)

1. 車輪駆動用のモータに電力を供給するメインバッテリと、
   モータ駆動用の電圧よりも低い電圧で動作する補機へ電力を供給する補機バッテリと、
   メインバッテリよりも出力電圧が低いサブ電源と、
   メインバッテリの出力電圧を降圧する電圧コンバータであって出力端が補機バッテリと並列に接続されている電圧コンバータと、
   出力端がメインバッテリに接続されており、外部電源から供給される電力の電圧をメインバッテリ充電用の電圧に変換する機能と、サブ電源から供給される電力の電圧をメインバッテリの充電用の電圧に変換する機能を有する充電器と、
   充電器の入力端を外部電源接続用コネクタとサブ電源のいずれか一方に選択的に接続するとともに、他方を充電器から絶縁する切換器と、
   を備えていることを特徴とする電気自動車。
2. 前記サブ電源は、太陽電池と燃料電池とバッテリのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車。
3. 前記サブ電源は、着脱可能なバッテリであることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車。
4. 前記切換器は、電力供給がない場合は充電器を外部電源接続用コネクタに接続するように構成されており、
   切換器のコントローラは、サブ電源側の接続端子間の電圧が所定値を超えた場合に、充電器の接続先を外部電源接続用コネクタからサブ電源に切り換えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電気自動車。
5. 前記切換器は、電力供給がない場合は充電器をサブ電源に接続するように構成されており、
   切換器のコントローラは、外部電源接続用コネクタに外部電源が接続された場合に充電器の接続先をサブ電源から外部電源接続用コネクタに切り換えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電気自動車。

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