CN101085603B

CN101085603B - 混合动力汽车

Info

Publication number: CN101085603B
Application number: CN2007101050667A
Authority: CN
Inventors: 濑尾宣英; 天野龙一郎; 米盛敬
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2006-06-07
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2011-06-22
Anticipated expiration: 2027-05-22
Also published as: DE602007012384D1; CN101085603A; US8026679B2; EP1864847B1; US20070296359A1; JP2007326449A; EP1864847A1

Abstract

本发明公开了混合动力汽车。目的在于：在包括通过矩阵式变换器连接第一及第二旋转式电机的结构的混合动力汽车中，防止在驱动一个旋转式电机时使另一个旋转式电机的转矩输出发生变化的现象。包括：第一及第二旋转式电机(2、3)；将第一及第二旋转式电机(2、3)相互连接在一起，进行两个旋转式电机之间的交流电力和交流电力的转换的矩阵式变换器(4)；连接在矩阵式变换器(4)和第二旋转式电机(3)之间所分支出的电通路上的蓄电装置(5)；设置在蓄电装置(5)、和矩阵式变换器(4)及第二旋转式电机(3)之间的、进行交流电力和直流电力的转换的逆变器(6)；以及通过蓄电装置(5)提供的电力，起动第一旋转式电机(2)的起动装置(7)。在通过起动装置(7)起动第一旋转式电机(2)时，抑制第二旋转式电机(3)的转矩输出的变化。

Description

混合动力汽车

技术领域

本发明涉及混合动力汽车(hybrid vehicle)。

背景技术

至今为止，作为混合动力汽车的电力系统的结构，包括连接在发动机上的发电机、连接在驱动轮上的电动机、和分别设置在发电机与电动机之间来进行交流电力和直流电力的转换的第一及第二这两个逆变器(inverter)的结构被众所周知。在该结构中，由发电机发电的交流电力在第一逆变器中转换为直流电力，在第二逆变器中再次转换为交流电力之后，被提供给电动机。

但是，在该结构中，存在有这样的问题：由于在发电机与电动机之间存在有两个逆变器，因此电力损失变大。

作为解决该问题的改善方法，例如，在WO 2005/105511 A1中公开有让直接进行交流电力和交流电力的转换的矩阵式变换器(matrixconverter)存在于发电机与电动机之间的混合动力汽车。

不过，在这样结构的混合动力汽车中，存在有下述问题。也就是说，使该混合动力汽车的电力系统构成为在第一旋转式电机与第二旋转式电机之间设置矩阵式变换器，并且，在该矩阵式变换器和第二旋转式电机之间所分支出的电通路上经由逆变器连接有蓄电装置。这样一来，第一旋转式电机通过逆变器和矩阵式变换器连接在蓄电装置上，第二旋转式电机仅通过逆变器连接在蓄电装置上。

在此结构中，当想通过来自上述蓄电装置的电力驱动第一旋转式电机(起动)时，该电力也被提供给第二旋转式电机。因此，在第二旋转式电机处于驱动状态时，其转矩输出增大，在第二旋转式电机处于停止状态时，产生不需要的转矩。

这样的问题发生在上述第一旋转式电机为连接在发动机上的发电机，将其用作发动机的起动机(starter)的时候。也就是说，如果想起动发动机，而从蓄电装置经由逆变器及矩阵式变换器向发电机(第一旋转式电机)提供驱动电力的话，则驱动电力也被提供给作为第二旋转式电机的电动机，造成对电动机产生了不需要的转矩输出或者增加了不需要的转矩输出的现象。

发明内容

本发明是鉴于上述各点的发明，其目的在于：在包括通过矩阵式变换器连接第一及第二旋转式电机的结构的混合动力汽车中，防止在驱动一个旋转式电机时使另一个旋转式电机的转矩输出发生变化的现象。

根据本发明的一个侧面，混合动力汽车包括：第一及第二旋转式电机，各自根据汽车的工作模式发挥电动机或者发电机的作用；矩阵式变换器，将上述第一及第二旋转式电机相互连接在一起，进行两个旋转式电机之间的交流电力和交流电力的转换；蓄电装置，连接在上述矩阵式变换器与第二旋转式电机之间所分支出的电通路上；逆变器，设置在上述蓄电装置、和矩阵式变换器及第二旋转式电机之间，进行交流电力和直流电力的转换；起动装置，通过上述蓄电装置提供的电力来起动上述第一旋转式电机；以及转矩抑制装置，在通过上述起动装置起动上述第一旋转式电机时，抑制上述第二旋转式电机的转矩输出的变化。

根据此结构，将矩阵式变换器设置在第一及第二旋转式电机之间，来直接进行交流电力和交流电力的转换。因此，在使第一及第二旋转式电机的任意一个为发电机，使另一个为电动机时，能够将该发电机的发电电力直接转换成提供给电动机的电力，提高效率。

并且，在起动装置通过连接在矩阵式变换器和第二旋转式电机之间所分支出的电通路上的蓄电装置所提供的电力来起动上述第一旋转式电机时，电力也被提供给上述第二旋转式电机。因此，在一般情况下，第二旋转式电机的转矩输出会发生变化，但是在上述结构中，通过转矩抑制装置抑制了该第二旋转式电机的转矩输出的变化。另外，这里所说的“转矩输出的变化”还包含转矩输出从“0”状态到产生转矩的情况。

也可以是，上述第一旋转式电机为连接在发动机的输出轴上，被该发动机驱动的发电机；上述第二旋转式电机为连接在驱动轮上，向该驱动轮输出驱动力的电动机；上述起动装置通过起动上述第一旋转式电机来让上述发动机起动；上述转矩抑制装置用以抑制在起动上述发动机时，上述第二旋转式电机的转矩输出的变化。

也就是说，通过将第一旋转式电机连接在发动机的输出轴上，能够使该第一旋转式电机作为发电机发挥作用，同时还能够作为发动机的起动机发挥作用。并且，通过将第二旋转式电机连接在驱动轮上，能够使该第二旋转式电机作为电动机发挥作用，同时还能够再生电力(regenerateelectric power)。该再生电力经由逆变器而被存储在蓄电装置中，在本结构中，由于在第二旋转式电机与蓄电装置之间仅存在有逆变器，因此再生电力的蓄电效率较高。

上述转矩抑制装置抑制在通过起动第一旋转式电机让发动机起动时第二旋转式电机的转矩输出的变化。这样一来，能够防止混合动力汽车处于停车状态时产生不需要的转矩，混合动力汽车处于移动状态时产生不需要的转矩变化的现象。

最好是，上述转矩抑制装置根据起动上述第一旋转式电机时的上述第二旋转式电机的工作状态来改变其控制内容。

具体地说，也可以是，当使上述第一及第二旋转式电机分别为三相机时，上述转矩抑制装置在起动上述第一旋转式电机时，在上述第二旋转式电机处于停止状态期间，通过控制上述逆变器及上述矩阵式变换器，来让单相电力从上述逆变器输出，并且，让三相电力从上述矩阵式变换器向第一旋转式电机输出。

这样一来，虽然从逆变器输出的单相电力被提供给矩阵式变换器及第二旋转式电机的每一个，但是由于第二旋转式电机为三相机，因此即使被提供了单相电力，也不会产生旋转电场，不会产生转矩。

另一方面，能够通过矩阵式变换器将该单相电力转换成三相电力之后，再向第一旋转式电机输出，来驱动第一旋转式电机。

并且，也可以是，当使上述第一及第二旋转式电机分别为同步机时，上述转矩抑制装置在起动上述第一旋转式电机时，在上述第二旋转式电机处于停止状态期间，通过控制上述逆变器及矩阵式变换器，来让与上述第二旋转式电机的驱动频率不同的频率的交流电力从上述逆变器输出，让与该第一旋转式电机的驱动频率大致相同的频率的交流电力从上述矩阵式变换器向第一旋转式电机输出。

这样一来，由于从逆变器输出的交流电力与第二旋转式电机的驱动频率(同步速度)不同，因此第二旋转式电机不会产生转矩。

另一方面，能够通过矩阵式变换器将该交流电力转换成与第一旋转式电机的驱动频率大致相同的频率(同步机可进行旋转的范围的频率)的交流电力之后，再向第一旋转式电机输出，来驱动第一旋转式电机。

最好是，上述转矩抑制装置让频率高于上述第二旋转式电机的驱动频率的交流电力从上述逆变器输出。

例如，当对上述第二旋转式电机提供了频率低于该驱动频率的交流电力时，在规定周期内交流电力的频率会暂时与驱动频率一致，恐怕会在脉冲中偶发地产生转矩输出。而当提供了频率高于驱动频率的交流电力时，能够确实地防止产生这样的脉冲。并且，当提供了较高频率的交流电力时，由于该较高频率的交流电力成为第二旋转式电机的电感负荷(inductanceload)，因此避免了白白消耗电力的现象。

可以是，上述转矩抑制装置在起动上述第一旋转式电机时，在上述第二旋转式电机处于驱动状态期间，通过控制上述逆变器及上述矩阵式变换器，来使施加在上述第二旋转式电机上的驱动电压保持不变，同时，让驱动该第一旋转式电机所需的驱动电力从上述矩阵式变换器输出到第一旋转式电机。

这样一来，由于施加在第二旋转式电机上的驱动电压不变，因此该转矩输出不变。另一方面，由于通过矩阵式变换器将驱动该第一旋转式电机所需的驱动电力提供给第一旋转式电机，因此能够驱动第一旋转式电机。

附图的简单说明

图1为表示混合动力汽车的结构的示意图。

图2为表示混合动力汽车的电力系统的结构的电路图。

图3为矩阵式变换器的开关的结构的一个例子。

图4为逆变器的开关的结构的一个例子。

图5A为表示电动机处于工作状态时且在起动发动机之前的控制状态的说明图，图5B为表示电动机处于工作状态时且在起动发动机时的控制状态的说明图。

图6为表示电动机在停止状态的情况下起动发动机时的控制的说明图。

图7为表示电动机在停止状态的情况下起动发动机时的其它控制的说明图。

(符号的说明)

1-发动机；2-发电机(第一旋转式电机)；3-电动机(第二旋转式电机)；4-矩阵式变换器；5-蓄电装置；6-逆变器；7-控制部(起动装置、转矩抑制装置)；13-驱动轮；HEV-混合动力汽车。

具体实施方式

(第一实施例)

图1为表示本发明的实施例所涉及的混合动力汽车HEV的结构示意图。在同图中，符号1为作为内燃机关的发动机，符号2为发电机(第一旋转式电机)，符号3为电动机(第二旋转式电机)，符号4为矩阵式变换器，符号5为蓄电装置，符号6为逆变器。

在该混合动力汽车HEV中，将发动机1的输出通过变速器(transmission)11及差动齿轮(differential gear)12传达到驱动轮13、13。并且，电动机3连接在变速器11的输出侧，电动机3的输出也传达到驱动轮13。因此，上述驱动轮13或者仅被电动机3驱动，或者仅被发动机1驱动，或者被电动机3及发动机1驱动。另外，并不对上述变速器11的形式加以限定，能够适当地进行选择。并且，也可以代替变速器11，例如，将由行星轮(planetary gear)构成的动力分割机构配置在发动机1与驱动轮13之间，将电动机3连接在该动力分割机构上。而且，如果具有后述的电力系统的结构的话，则混合动力汽车HEV的驱动系统的结构并不限定为上述结构。

在本实施例中，使上述发电机2为三相交流同步发电机。将发电机2连接在发动机1的输出轴上，通过发动机1驱动来进行发电。并且，如后面所要说明的，发电机2接受蓄电装置5所提供的电力，作为电动机发挥作用，担负发动机1的起动机的任务。

在本实施例中，使上述电动机3为三相交流同步电动机。电动机3经由矩阵式变换器4连接在发电机2上，接受由发电机2发电的电力的提供以及/或者来自蓄电装置5的电力提供，而被驱动。并且，在混合动力汽车HEV减速时和制动时，电动机3接受来自驱动轮13的动力，作为发电机发挥作用(再生电力)，该再生电力被存储在蓄电装置5中。

上述蓄电装置5为例如由镍氢和锂离子等二次电池构成的直流电源，或者由电容器构成的直流电源，经由逆变器6连接在上述矩阵式变换器4与电动机3之间所分支出的电通路上。

图2表示上述混合动力汽车HEV的电力系统的结构。另外，在本电路中适当地装有电压传感器及电流传感器等检测传感器，在图2中省略了对它们的图示。

上述矩阵式变换器4为将交流电力直接转换为任意频率和任意电压的交流电力的电力转换装置。如图2所示，矩阵式变换器4包括共9个双方向开关SWAa～SWAc、SWBa～SWBc、SWCa～SWCc和线(line)LA～LC、La～Lc。

线LA～LC分别连接在发电机2的U相、V相、W相上，线La～Lc分别连接在电动机3的U相、V相、W相上。

9个双方向开关SWAa～SWAc、SWBa～SWBc、SWCa～SWCc被配置为3行3列的矩阵状。双方向开关SWAa连接在线LA和线La之间，双方向开关SWBa连接在线LB和线La之间，双方向开关SWCa连接在线LC和线La之间。

双方向开关SWAb连接在线LA和线Lb之间，双方向开关SWBb连接在线LB和线Lb之间，双方向开关SWCb连接在线LC和线Lb之间。

双方向开关SWAc连接在线LA和线Lc之间，双方向开关SWBc连接在线LB和线Lc之间，双方向开关SWCc连接在线LC和线Lc之间。

这样一来，3×3个开关SWAa～SWAc、SWBa～SWBc、SWCa～SWCc就被配置在为发电机2的3相输出的线LA～LC的每一个、与为电动机3的3相输入的线La～Lc的每一个之间。

图3表示上述各双方向开关SW的结构的一个例子。该开关SW构成为包含发射极连接在端子X上且集电极连接在端子Y上的具有反向截止功能(reverse blocking function)的第一IGBT元件31、和发射极连接在端子Y上且集电极连接在端子X上的具有反向截止功能的第二IGBT元件32，这两个IGBT元件31、32并列连接在一起。

第一及第二IGBT元件31、32，通过控制部7使其栅极活性化而成为导通状态。此时，当端子Y的电压高于端子X时，电流流入第一IGBT元件31。另外，虽然反方向电压被施加在第二IGBT元件32上，但是由于是反向截止型IGBT，因此在第二IGBT元件32中没有电流流通。而当端子X的电压高于端子Y时，电流流入第二IGBT元件32。从而使开关SW作为双方向开关工作。

另外，开关SW的结构并不限定于图3所示的结构。例如，也可以采用将IGBT元件和二极管串联在一起的结构来代替具有反向截止功能的IGBT元件，这里将其图示加以省略。

上述结构的矩阵式变换器4如上所述，为进行交流电力和交流电力的转换的装置，通过控制部7控制各开关SWAa～SWAc、SWBa～SWBc、SWCa～SWCc来输出任意频率的正弦波交流电力。因此，矩阵式变换器4在将由发电机2发电的三相交流电力直接转换为用以驱动电动机3的三相交流电力之后，再将其输出。结果是与现有那样的通过两个逆变器进行交流电力和直流电力的转换的情况相比，减少了电力损失。

在本实施例中，如图2所示，上述逆变器6由包括U相上臂(arm)6U、V相上臂6V、W相上臂6W的三相电桥电路构成，进行交流电力和直流电力的转换。

U相上臂6U、V相上臂6V及W相上臂6W分别包含串联连接的两个开关S11、S12、S21、S22、S31、S32。如图4所示，各开关S包含IGBT元件33、和对于IGBT元件33以从发射极朝着集电极的方向为正方向的串联连接的二极管34。

线LU将U相上臂6U的两个开关S11、S12的连接点和电动机3的U相相互连接在一起，线LV将V相上臂6V的两个开关S21、S22的连接点和电动机3的V相相互连接在一起，线LW将W相上臂6W的两个开关S31、S32的连接点和电动机3的W相相互连接在一起。

逆变器6通过控制部7控制其各开关S，来将蓄电装置5输出的直流电力转换为交流电力，然后将该交流电力从U、V、W各相的线LU、LV、LW输出，并且，将从线LU、LV、LW输出的被输入的交流电力转换为直流电力，输出到蓄电装置5。

另外，电容器C1用来减少因电压变动而对逆变器6造成的影响。

根据上述结构，在上述混合动力汽车HEV中，在出发时和低速移动时，接受从蓄电装置5提供的电力，仅用电动机3进行移动，而在一般情况下移动时，让发动机1驱动，使该动力传达到驱动轮13，并且，由发电机2进行发电。使该发电电力经由矩阵式变换器4提供给上述电动机3，用发动机1和电动机3进行移动。

在减速时和制动时，在电动机3(发电机)中将来自驱动轮13的动力转换为电能量，将再生电力存储在蓄电装置5中。另外，在上述电力系统的结构中，由于在电动机3和蓄电装置5之间仅设置有一个逆变器6，因此再生电力的蓄电效率较高。

并且，根据蓄电装置5的蓄电量，通过在蓄电量变少时让发动机1起动，驱动发电机2，来进行蓄电装置5的蓄电。

因此，在混合动力汽车HEV中，在其移动时和停车时，根据需要来起动发动机1，如上所述，该发动机1的起动是通过将来自蓄电装置5的电力提供给发电机2，让该发电机2作为起动机发挥作用来进行的。

那时，如图2所示，由于电动机3仅经由逆变器6连接在蓄电装置5上，因此来自逆变器6的输出电力被提供给矩阵式变换器4和电动机3。从而使电动机3在处于工作状态时(例如，从出发时的状态变为一般移动状态时等)，输出电力叠加(superposed)在电动机3的施加电压上，造成电动机3的转矩输出增加。并且，在电动机3处于停止状态时(例如，在停车时进行蓄电装置5的蓄电时等)，产生电动机3的驱动电压，产生电动机3的转矩输出。

所以，在本混合动力汽车HEV中，通过上述控制部7控制矩阵式变换器4以及/或者逆变器6，来抑制起动发动机1时的电动机3的转矩输出的变化。

具体地说，控制部7在为发动机1的起动时刻时，通过电压传感器或电流传感器来确认电动机3的工作状况。在电动机3处于工作状态时(参照图5A)，如图5B所示，追加对矩阵式变换器4所提供的电力，控制部7控制逆变器6，让为电动机3的驱动电力和发电机2的驱动电力的合计电力从该逆变器6输出。并且，控制矩阵式变换器4，让发电机2的驱动电力吸入矩阵式变换器4中，以使施加在电动机3上的驱动电压保持不变。这样一来，能够在不使提供给电动机3上的电力发生变化的情况下(参照图5A及图5B的阴影箭头(shaded arrow))，将驱动电力提供给发电机2(参照图5B的空心箭头(unfilled arrow))。从而能够在不让电动机3的转矩输出发生变化的情况下，让发电机2驱动，让发动机1起动。

而如图6所示，在电动机3处于停止状态时，控制部7控制逆变器6，不让三相内的一相开关S导通，从而使单相电力从逆变器6输出(在图示的例子中，使V相开关S21、S22为非驱动状态)。因此，在为三相机的电动机3中没有形成旋转电场，电动机3没有驱动。

控制部7控制矩阵式变换器4，在将所输入的单相电力(参照空心箭头)转换为三相电力之后输出。这样一来，能够让为三相机的发电机2驱动，能够起动发动机1。

这样一来，在本实施例的混合动力汽车HEV中，由于在起动发动机1时，抑制了电动机3的转矩输出的变化，因此防止了例如在停车时产生不需要的转矩，在移动时产生不需要的转矩变动的现象。

另外，在本实施例中，还能够采用诱导机(induction machine)作为发电机2及电动机3。

(第二实施例)

第二实施例与第一实施例的不同之处在于：电动机3处于停止状态时的控制。具体地说，在电动机3处于停止状态时，上述控制部7控制逆变器6，让频率高于电动机3的驱动频率(同步速度)的交流电力从逆变器6输出，如图7所示。使为同步机的电动机3不会因不同步(step-out)而被驱动。

另一方面，控制部7控制矩阵式变换器4，将被输入的交流电力的频率降低到发电机2的驱动频率之后，再让其输出。从而能够让为同步机的发电机2驱动，能够起动发动机1。

由于在该控制中，也抑制了在起动发动机1时，电动机3的转矩输出的变化，因此防止了例如在停车时产生不需要的转矩，在移动时产生不必要的转矩变动的现象。

并且，在该控制中，较高频率的交流电力被从逆变器6提供到电动机3，由于这成为电动机3的电感负荷，因此抑制了电力的消耗。

另外，控制部7也可以让频率低于电动机3的驱动频率的交流电力从逆变器6输出。但是，当将频率低于其驱动频率的交流电力提供给电动机3时，在规定周期内交流电力的频率会暂时与驱动频率一致，恐怕会在脉冲中偶发地产生转矩输出。并且，当提供给电动机3的交流电力的频率较低时，会产生短路，对电力消耗方面带来不利。

(第三实施例)

第三实施例为第一实施例、第二实施例的控制的组合。控制部7在电动机3处于停止状态时，控制逆变器6，不让三相内的一相开关S导通，使单相电力从逆变器6输出，并且，使该单相电力的频率为高于电动机3的驱动频率的频率。因此，电动机3没有驱动。

另一方面，控制部7控制矩阵式变换器4，让被输入的单相且高频率的交流电力转换为与发电机2的驱动频率几乎相等的频率的三相交流电力之后，再将其输出。从而，能够让为三相交流同步机的发电机2驱动，能够起动发动机1。

另外，本发明并不限定于使第一旋转式电机为发电机，第二旋转式电机为电动机那样的结构。本发明能够广泛地适用于在第一旋转式电机与第二旋转式电机之间设置矩阵式变换器，并且，在该矩阵式变换器与第二旋转式电机之间所分支出的电通路上经由逆变器连接有蓄电装置的结构。

Claims

1.一种混合动力汽车，包括：第一及第二旋转式电机，各自根据汽车的工作模式发挥电动机或者发电机的作用；矩阵式变换器，将上述第一及第二旋转式电机相互连接在一起，进行两个旋转式电机之间的交流电力和交流电力的转换；蓄电装置，连接在上述矩阵式变换器与第二旋转式电机之间所分支出的电通路上；逆变器，设置在上述蓄电装置、与矩阵式变换器及第二旋转式电机之间，进行交流电力和直流电力的转换；以及起动装置，通过上述蓄电装置所提供的电力起动上述第一旋转式电机，其特征在于：

还包括：转矩抑制装置，用以在通过上述起动装置起动上述第一旋转式电机时抑制上述第二旋转式电机的转矩输出的变化。

2.根据权利要求1所述的混合动力汽车，其特征在于：

上述第一旋转式电机为连接在发动机的输出轴上且被该发动机驱动的发电机；

上述第二旋转式电机为连接在驱动轮上且向该驱动轮输出驱动力的电动机；

上述起动装置通过起动上述第一旋转式电机来让上述发动机起动；

上述转矩抑制装置用以在起动上述发动机时抑制上述第二旋转式电机的转矩输出的变化。

3.根据权利要求1或2所述的混合动力汽车，其特征在于：

上述转矩抑制装置根据起动上述第一旋转式电机时的上述第二旋转式电机的工作状态来改变控制内容。

4.根据权利要求3所述的混合动力汽车，其特征在于：

上述第一及第二旋转式电机分别为三相机；

上述转矩抑制装置在起动上述第一旋转式电机时，在上述第二旋转式电机处于停止状态期间，通过控制上述逆变器及上述矩阵式变换器，来让单相电力从上述逆变器输出，让三相电力从上述矩阵式变换器向第一旋转式电机输出。

5.根据权利要求3所述的混合动力汽车，其特征在于：

上述第一及第二旋转式电机分别为同步机；

上述转矩抑制装置在起动上述第一旋转式电机时，在上述第二旋转式电机处于停止状态期间，通过控制上述逆变器及上述矩阵式变换器，来让与上述第二旋转式电机的驱动频率不同的频率的交流电力从上述逆变器输出，让与第一旋转式电机的驱动频率大致相同的频率的交流电力从上述矩阵式变换器向该第一旋转式电机输出。

6.根据权利要求5所述的混合动力汽车，其特征在于：

上述转矩抑制装置让频率高于上述第二旋转式电机的驱动频率的交流电力从上述逆变器输出。

7.根据权利要求3所述的混合动力汽车，其特征在于：

上述转矩抑制装置在起动上述第一旋转式电机时，在上述第二旋转式电机处于驱动状态期间，通过控制上述逆变器及上述矩阵式变换器，来使施加在上述第二旋转式电机上的驱动电压保持不变，同时，让驱动第一旋转式电机所需的驱动电力从上述矩阵式变换器输出到该第一旋转式电机。