JP2004312854A - 車両用電動駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン・モータ複合型四輪駆動装置の電装部品の簡略化，小形化を図る。
【解決手段】車両に搭載される車載バッテリ８と、エンジン３の動力によって駆動されてモータ駆動電源と補機類電源とを兼ねる発電機３と、を備える。発電機３は、自励，他励双方の機能を有し車両の運転状態に応じて自励，他励のいずれか一方のモードに切り替わる。発電機７の他励モードでは、バッテリ８の電力を昇圧して発電機７の界磁巻線に供給し、それによって得られる発電機出力によりモータ４を駆動する。また、発進後に車両が所定速度或いはエンジン回転数になると、前記発電機が自励モードに切り替わり補機類電源として機能する。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用電動駆動装置に係り、特にエンジンを備えた車両において、エンジンで駆動されない車輪をモータで駆動するタイプの車両に適した車両用電動駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、前輪，後輪の一方の駆動軸（例えば、前輪駆動軸であり、以下単に「前輪」とする）をエンジンにより駆動し、他方（例えば、後輪駆動軸であり、以下単に「後輪」とする）を必要に応じてモータを制御することにより駆動する複合型の四輪駆動装置が知られている。
【０００３】
前記エンジンとモータによる四輪駆動は、例えば発進時や登坂走行等のように走行負荷が大きい場合に利用され、負荷が比較的小さい通常走行時（低負荷運転領域）には、エンジンのみの二輪駆動となる。
【０００４】
複合型四輪の駆動装置には、車輪駆動に用いるモータとして、直流モータ或いは交流モータを使用している。前記モータの駆動電源としては、補機類電源（例えばライト，車内灯，スタータ，エアコン等の一般の車載電装品に用いる１２Ｖ或いは１４Ｖのオルタネータ及びバッテリ）とは別に、車輪駆動モータ用の発電機（例えば５０Ｖ以上の発電出力機能を有するオルタネータ）やそれに対応のモータ専用の高圧バッテリを用いていた（例えば特許文献１）。これは、補機類用の１２Ｖ，１４Ｖのバッテリやそれに対応するオルタネータでは、車輪駆動モータの駆動に要する電力確保ができないためである。
【０００５】
そして、車両の発進時に車輪の電動駆動を実行する場合に、エンジン回転数が低く車輪駆動モータ用オルタネータの発電力が低いエンジン始動時には、そのオルタネータが他励モードになって、前記モータ用の高圧バッテリからオルタネータの界磁巻線に界磁電流を供給して、前記オルタネータの発電出力を高め、この発電出力により前記モータを駆動していた。発進後に車速が所定速度（例えば時速２０ｋｍ）に達すると、前記車輪駆動モータ用のオルタネータが、モータ駆動に必要な充分な電力を出力するので、オルタネータは自身の出力電力を界磁巻線の電源として用いる（自励モード）。
【０００６】
また、特許文献２では、車輪駆動用モータの高圧仕様の発電機及び主電池と、補機類の補助電池とを搭載し、高圧仕様の発電機或いは主バッテリからの電力により前記モータを駆動するほかに、この発電機による高圧電源（例えば２５０Ｖ〜３５０Ｖ）をＤＣ−ＤＣコンバータにより低圧（１２Ｖまたは２４Ｖ）に降圧して補機類の補助バッテリに供給する技術が開示されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００１−２５３２５６号公報（図１、図２）
【特許文献２】
特開２０００−２２４７０９号公報（図１、図２）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のエンジン・モータ複合型四輪駆動装置においては、発電機（オルタネータ）は、車輪駆動用と補機類のものを個別に備え、また、バッテリについても補機用と車輪駆動モータ用のものを個別に用意していた。そのために、電装部品が増加し、コスト高になっていた。
【０００９】
仮に、一バッテリ化を図るために、エンジン始動時に、車輪駆動用の発電機の界磁巻線に、補機用（例えば１２Ｖ仕様）のバッテリから電力を供給しようとすると、次のような問題がある。
【００１０】
例えば、補機類バッテリの電力で車輪駆動用の発電機を発電させる場合には、界磁電流が小さいために、車両発進時のようにエンジン回転数が低い時には、充分な発電機出力が得られず、車輪駆動用モータの電力を充分に確保することができなかった。また、車輪駆動モータ用の発電機を利用して、車両発進時に前記モータに駆動電力を提供しようとしても、車両発進時の低速回転時には、モータ駆動の電力を充分に確保できない。
【００１１】
本発明は、以上の点に鑑みてなされ、その目的は、エンジン・モータ複合型四輪駆動装置の電装部品の簡略化，小形化を図り、コスト低減に貢献できる車両駆動用電動装置を提供することにある。特に、エンジン・モータ複合型の四輪駆動装置において、一発電機，一バッテリを実現できる車両用電動駆動装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、基本的に次のように構成される。適用対象は、車輪の一部がエンジンにより駆動される車両に用いられ、前記エンジンにより駆動される車輪以外の車輪をモータにより駆動する車両用電動駆動装置である。
【００１３】
そして、車両に搭載される車載バッテリと、前記エンジンの動力によって駆動されて前記モータの駆動電源と前記補機類の電源とを兼ねる発電機と、を備える。前記発電機は、自励，他励双方の機能を有し車両の運転状態に応じて自励，他励のいずれか一方のモードに切り替わる。該発電機の他励モードでは、前記バッテリの電力を昇圧して前記発電機の界磁巻線に供給し、それによって得られる発電機出力により前記モータを駆動するように構成した。
【００１４】
また、発進後に車両が所定速度或いはエンジン回転数になると、前記発電機が自励モードに切り替わり補機類電源として機能する車両用電動駆動装置も提案する。
【００１５】
さらに、前記モータは、車両が登坂走行状態になると前記発電機から電力が供給されて駆動し、この時の前記発電機の出力は前記モータを駆動するに必要な界磁巻線電圧を得た自励モードになり、且つ前記発電機の電力は降圧されて前記バッテリ及び補機に供給されるように設定されたものも提案する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例に係る車両電動駆動装置の回路図、図２は車両電動駆動装置が適用されるエンジン・モータ複合型の四輪駆動装置の概要図である。
【００１７】
まず、図２によりエンジン・モータ複合型の四輪駆動装置の概要について説明する。
【００１８】
例えば前輪１，後輪２の一方（ここでは、前輪とする）はエンジン３（エンジンの種類は問わない）により駆動され、他方（ここでは、後輪とする）は、モータ４により駆動されるものとする。
【００１９】
すなわち、エンジン３は、その動力をトランスミッション５及び前輪車輪軸に伝達して一対の前輪１を駆動する。モータ（直流モータ）４は、その動力をクラッチ３０，ディファレンシャルギア６を介して後輪車輪軸に伝達して、後輪２を駆動する。
【００２０】
後輪２については、必要（運転条件）に応じてモータ４を駆動することにより、駆動される。本実施例では、モータ４については、直流モータを使用する。
【００２１】
エンジン３の動力は、プーリ，Ｖベルトを介してオルタネータ（ＡＣジェネレータ）７に伝達される。オルタネータ７は、界磁電流制御で出力電圧を０〜５０Ｖ以上可変とし、モータ４の駆動電源と、補機類（一般電装品）電源とを兼ね、また、補機類用バッテリ（例えば１２Ｖ或いは１４Ｖバッテリ）８の充電用電源とを兼ねる。オルタネータ７に、このような複数の用途の電源を兼用させるために、本発明独自の機能を有するＤＣ−ＤＣコンバータ９を備えているが、このＤＣ−ＤＣコンバータについては後述する。
【００２２】
図１に示すように、オルタネータ７の三相電力は、整流器１１で直流に変換されて、直流モータ４に必要に応じて（すなわち、車両運転条件に応じて）スイッチ１０を介して駆動電力が供給される。
【００２３】
オルタネータ７の整流器１１（出力部）とバッテリ８間は、電圧の昇圧，降圧機能を有する昇降圧装置９を介して電気的に接続されている。ここでは、ＤＣ−ＤＣコンバータに昇降圧装置としての機能を与えている。
【００２４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、チョークコイルＬ、平滑コンデンサを兼ねる平滑コンデンサＣ２、及び第１，第２のスイッチ素子２０，２１、出力コンデンサＣ１を有する。出力コンデンサＣ１は、容量的に５０Ｖ或いはそれ以上の電圧をチャージする機能を有する。
【００２５】
第１，第２のスイッチ素子２０，２１は、半導体パワースイッチ素子（半導体パワートランジスタ）で構成され、ここでは、一例としてＭｏｓトランジスタが使用されている。
【００２６】
第１，第２のスイッチ素子２０，２１は、互いに直列に接続され、かつ出力コンデンサＣ１に対し並列に接続されている。第１のスイッチ素子２０は、チョークコイルＬ，オルタネータ７の界磁巻線７ａ間に位置し、第２のスイッチ素子２１がチョークコイルＬ，平滑コンデンサＣ２により構成したＬＣ回路の中に配設されている。
【００２７】
上記スイッチ素子２０，２１のそれぞれがバイパスダイオード２２，２３と並列に接続され、スイッチ素子２０，２１間の中間点にチョークコイルＬの出力側一端が接続されている。チョークコイルＬの他端には、コンデンサＣ２とバッテリ８とが接続され、コンデンサＣ２とバッテリ８とは並列接続である。バッテリ８は、補機（１４Ｖ電気負荷）１２が接続されている。
【００２８】
ＤＣ−ＤＣコンバータ９の出力部（すなわち出力コンデンサＣ１の電源ライン）１４´とオルタネータ７の出力部（整流器）１１との間には、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力部１４´側からオルタネータ７の出力側をみて逆方向となるダイオードＤ２が接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ９の電力線１４´はダイオードＤ１を介してオルタネータ７の界磁巻線７ａの一端が接続され、界磁巻線７ａの他端が発電機電圧調整用の界磁電流制御素子１５と接続されている。界磁電流制御素子１５は、例えばＮＰＮトランジスタであり、そのコレクタ側に界磁巻線７ａの一端が接続され、エミッタ側がアースに接続され、ベース（ゲート）には、図示されない制御装置から所定電力を得るための指令信号が入力される。
【００２９】
オルタネータ７の電流ラインにおける整流器１１とダイオード１２との間には、モータスイッチ素子１０を介してモータ４の電機子巻線が接続されている。モータ４の界磁コイル４ａには、バッテリ８或いはオルタネータ７（整流器１１）から界磁電流が供給され、また、このモータ界磁電流は、図示されない電流方向切替え回路により正逆いずれの方向にも電流が流れるようにしてある。このモータ界磁電流の正逆切替えにより、モータ４の正逆回転が車両の前進，後退に対応して替え可能にしてある。
【００３０】
ここで、本実施例に係る車両用電動駆動装置の動作モードを、図１を用いて説明する。
【００３１】
▲１▼車両発進時のモード
この場合には、モータスイッチ１０はオン、第１のスイッチ素子２０はオフ、第２のスイッチ素子２１はオン，オフの繰り返しとなるように制御される（制御回路は省略してある）。このようにすると、第２のスイッチ素子２１のオン時にチョークコイルＬに急峻に電流が流れその時点でスイッチ素子２１をオフするとＬに電流を流し続けようとする電圧（Ｌｄｉ／ｄｔ）が発生し、その電気エネルギーがバイパスダイオード２２を介して出力コンデンサＣ１に向けて放出され、この繰り返しにより出力コンデンサＣ１が昇圧する。それによって、高電圧（例えば５０Ｖ）がダイオードＤ１を介して界磁コイル７ａに印加され、界磁コイル７ａに充分な界磁電流を流すことができる（他励モード）。その結果、オルタネータ７の出力が増大し、充分な駆動電力をモータ４に供給することができる。この▲１▼のモードの場合には、例えば前輪，後輪の一方がエンジンにより駆動され、他方がモータ４により駆動されて四輪駆動の状態になる。なお、昇圧の電圧制御は、スイッチ素子Ｓ１をＰＷＭ制御で動作させ、その時に通流率（デューティ）を変えて行う。
【００３２】
▲２▼エンジンのみの駆動いわゆる二輪駆動となる通常走行時のモード
この場合には、モータスイッチ１０はオフ、第１のスイッチ素子２０はオン、第２のスイッチ素子２１はオフである。この場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ９は、昇圧，降圧を行わず、その意味でＤＣ−ＤＣコンバータ９はオフ状態にある。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ９の出力ライン１４´は、オルタネータ７の界磁電流制御により補機電圧レベル（１４Ｖ）になり、その電圧がオルタネータ７の界磁巻線７ａに印加され、オルタネータ７の出力は１４Ｖとなる。このオルタネータ７の出力が自身の界磁巻線７ａの励磁電源となり（自励モード）、オルタネータ７の出力が第１のスイッチ２０を介して補機用バッテリ８或いは補機１２に供給される。
【００３３】
▲２▼のモードでは、モータはオフ状態で、内燃機関による二輪駆動モードになる。
【００３４】
▲３▼車両が登坂走行のように高負荷状態で、及び／又は補機類１２の電気負荷の大きい場合
この場合には、モータスイッチ１０はオン、第１のスイッチ素子２０はオン，オフの繰り返し、第２のスイッチ素子２１はオフである。登坂モードのようにエンジン回転数が高い状態では、オルタネータ７は自励モードとなり、界磁巻線７ａにはオルタネータ７の出力電圧が印加される。この場合、オルタネータ７の出力電圧は、界磁電流制御により通常走行時に比べて高くなり（例えば４０Ｖ程度）、オルタネータ７は高出力状態になってモータ４を充分に駆動することができる。また、第１のスイッチ２０がオン，オフすることで、スイッチ素子２０をＰＷＭ周期の通流率を制御してオルタネータ出力は平均値がバッテリ充電電圧になるよう降圧されて（１４Ｖ）されてバッテリ８及び補機１２に供給できる。この▲３▼のモードの場合には、▲１▼同様の四輪駆動となり、また、補機１２の電気負荷が大きくてもそれに対応した１４Ｖ電力を、オルタネータ４を電源としてＤＣ−ＤＣコンバータ９を介して供給することができる。
【００３５】
図１からも明らかなように、ＤＣ−ＤＣコンバータ９の第１のスイッチ２０がオフ時には、モータスイッチ１０は、必ずオン状態になるようにしてある。このようにすれば、出力コンデンサＣ１の容量をできるだけ小形化しつつ、コンデンサＣ１，ダイオードＤ１，Ｄ２，整流器１１，スイッチ素子２０等の電力素子が保護される。
【００３６】
すなわち、仮にＤＣ−ＤＣコンバータ９の第１のスイッチ２０がオフ時には、モータスイッチ１０をオフのままにしておくと、オルタネータ７の出力の逃げ場がなくなりコンデンサＣ１の電圧が異常昇圧し（ＬＩ^２／２のエネルギーでオルタネータ出力電圧が跳ね上がる）、その結果、上記した電力素子が破損することになる。本実施例では、第１スイッチ素子２０がオフの時は、モータスイッチ１０のオンすることによりオルタネータ出力が消費されるので、このような不具合を防ぐことができる。
【００３７】
図３に、上記▲１▼〜▲３▼のモードを実行する場合の制御装置（図示省略）のフローチャートを示す。
【００３８】
エンジン始動後（ステップ４１）、車両が発進状態にあるか否か車速の変化０〜ΔＳにより検出される（ステップ４２）。発進状態になると、車速Ｓが所定の低速速度Ｓ１（例えば時速２０ｋｍ）以内であるか或いはエンジン回転数Ｎが所定の回転数Ｎ１以下であるか否か監視され、車速ＳがＳ１以下、或いはエンジン回転数ＮがＮ１以下であれば、前記▲１▼のモードを実行する（ステップ４４）。Ｓ＜Ｓ１、Ｎ＜Ｎ１であれば車両が通常走行と判断される（ステップ４６）。
【００３９】
車両が走行中の場合には、車両速度，スロットル速度，エンジン回転数，電気負荷スイッチ等に基づき車両が登坂走行にあるか否か、及び／又は電気負荷が大きいか否か判断され（エンジン負荷＞Ｒ１）、そうである場合には、▲３▼のモードが実行される（ステップ４７、４８）。そうでない場合には、通常走行として▲２▼のモードが実行される（ステップ４９）。
【００４０】
以上の本実施例によれば、次のような効果を奏する。
▲１▼エンジン・モータ複合型車両駆動装置において、１オルタネータ（１発電機），１バッテリを実現することができる。
▲２▼発進時、登坂時の発電機の出力アップを図ることで、車輪の電動駆動のパワーアップを図ることができる。
▲３▼発電機とバッテリをＤＣ−ＤＣコンバータで接続し、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチ素子オフ時には、モータスイッチをつなぐようにしたので、発電機出力の異常昇圧を防止でき、出力コンデンサの容量をその分小さくできる。
▲４▼ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧出力が発電機出力（低出力時）の影響を受けないので、この種電動装置を可能にする。
▲５▼モータ駆動用発電機を運転状態に応じて自励，他励モードに切替えることで、常に発電機に車両駆動用モータ駆動のための最適界磁電流を提供することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、エンジン・モータ複合型四輪駆動装置の電装部品の簡略化，小形化を図り、コスト低減に貢献できる車両駆動用電動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る車両電動駆動装置の回路図。
【図２】本実施例を適用したエンジン・モータ複合型の四輪駆動装置の概要図。
【図３】上記実施例の動作状態を示すフローチャート。
【符号の説明】
１，２…車輪、３…エンジン、４…直流モータ、７…発電機、９…昇降圧装置（ＤＣ／ＤＣコンバータ）、８…バッテリ、１２…電気負荷（補機類）、Ｄ２…ダイオード。

Claims (13)

1. 車輪の一部がエンジンにより駆動される車両に用いられ、前記エンジンにより駆動される車輪以外の車輪をモータにより駆動する車両用電動駆動装置において、
   車両に搭載される車載バッテリと、前記エンジンの動力によって駆動されて前記モータの駆動電源とその他補機類の電源とを兼ねる発電機と、を備え、
   前記発電機は、自励，他励双方の機能を有し車両の運転状態に応じて自励，他励のいずれか一方のモードに切り替わり、該発電機の他励モードでは、前記バッテリの電力を昇圧して前記発電機の界磁巻線に供給し、それによって得られる発電機出力により前記モータを駆動するように構成したことを特徴とする車両用電動駆動装置。
2. 前記発電機の自励モードでは、前記モータの駆動が要求され前記発電機の出力電圧が前記モータを駆動する電圧レベルにあるときに、前記発電機の出力により前記発電機の界磁巻線に界磁電流を流すほかに、前記発電機の出力を補機類の電圧レベルに降圧して前記補機類及び前記バッテリの電源として用いるように構成した請求項１記載の車両用電動駆動装置。
3. 前記モータは、車両の発進時に前記発電機から電力が供給されて駆動し、この時の前記発電機が前記他励モードにより駆動され、発進後所定速度或いはエンジン回転数になると、前記発電機が自励モードに切り替わり補機電源として機能するように設定されている請求項１記載の車両用電動駆動装置。
4. 前記モータは、車両の発進時に前記発電機から電力が供給されて駆動し、この時の前記発電機が前記他励モードにより駆動され、発進後に車両が所定速度或いはエンジン回転数になると、前記発電機が自励モードに切り替わり補機電源として機能するように設定され、
   かつ前記モータは、車両が登坂走行状態になると前記発電機から電力が供給されて駆動し、この時の前記発電機の出力は前記モータを駆動するに必要な界磁巻線電圧を得た自励モードになり、且つ前記発電機の電力は降圧されて前記バッテリ及び補機に供給されるように設定されている請求項１記載の車両用電動駆動装置。
5. 車輪の一部がエンジンにより駆動される車両に用いられ、前記エンジンにより駆動される車輪以外の車輪をモータにより駆動する車両用電動駆動装置において、
   車両に搭載される補機類の電源となる補機用電圧レベルの車載バッテリと、前記エンジンの動力によって駆動されて前記モータの駆動電源と前記補機類の電源とを兼ねる発電機と、を備え、
   前記モータは直流モータであり、前記発電機と前記バッテリ間が電圧の昇圧，降圧機能を有する昇降圧装置を介して電気的に接続され、前記昇降圧装置は、車両の運転状態に応じて、前記バッテリの電力を昇圧して前記発電機の界磁コイルに界磁電流を供給する機能と、前記発電機から出力された電力をそのまま或いは降圧して前記バッテリ及び前記補機類に供給する機能とを備えてなることを特徴とする車両用電動駆動装置。
6. 前記昇降圧装置の出力部と前記発電機の出力部との間には、前記昇降圧装置の出力電圧を前記発電機の出力電圧に影響されないで維持する回路素子が設けてある請求項５記載の車両用電動駆動装置。
7. 前記回路素子は、前記昇降圧装置の出力部から前記発電機の出力部をみたときに逆方向となるダイオードよりなる請求項６記載の車両用電動駆動装置。
8. 前記モータは、車両の発進時に前記発電機から電力が供給されて駆動し、発進時の前記発電機の界磁巻線には、前記昇降圧装置により前記バッテリの電圧が昇圧されて供給され、発進後車両が所定速度或いはエンジン回転数になると、前記発電機が自励モードに切り替わり前記発電機の出力が前記昇降圧装置を介してそのまま前記バッテリ及び前記補機類に供給され、
   かつ前記モータは、車両が登坂走行状態になると前記発電機から電力が供給されて駆動し、この時の前記発電機の出力は前記モータを駆動するに必要な界磁巻線電圧を得た自励モードになり、且つ前記発電機の電力は、前記昇降圧装置により降圧されて前記バッテリ及び補機に供給されるように設定されている請求項５ないし７のいずれか１項記載の車両用電動駆動装置。
9. 前記昇降圧装置は、チョークコイル、平滑コンデンサ、第１，第２のスイッチ素子，出力コンデンサを有し、
   前記第１，第２のスイッチ素子は、直列に接続され、かつ前記出力コンデンサに対し並列に接続され、前記第１のスイッチ素子が前記チョークコイル，前記発電機の界磁巻線間に位置し、前記第２のスイッチ素子が前記チョークコイル，平滑コンデンサにより構成したＬＣ回路の中にあり、
   前記第１，第２のスイッチ素子のそれぞれがバイパスダイオードと並列接続され、前記第１，第２のスイッチ素子間を結ぶ電力ラインに前記チョークコイルが接続され、
   前記発電機と前記モータの電機子巻線との間には、指令信号によりオン，オフするモータ用スイッチ素子が設けられている請求項５ないし８のいずれか１項記載の車両用電動駆動装置。
10. 前記モータ用のスイッチ素子は、前記第１のスイッチがオフ時には、必ずオン状態にある請求項９記載の車両用電動駆動装置。
11. 車両の発進時には、前記モータを駆動するモードにあり、このとき、前記モータ用スイッチがオン、前記第１のスイッチ素子がオフ、前記第２のスイッチ素子がオン，オフ繰り返しとなる請求項９又は１０記載の車両用電動駆動装置。
12. 前記モータを運転しないモードのときは、前記モータ用スイッチがオフ、前記第１のスイッチ素子がオン、前記第２のスイッチ素子がオフとなる請求項９ないし１１のいずれか１項記載の車両用電動駆動装置。
13. 車両が登坂及び／又は前記バッテリの負荷が最大時のときは、前記モータ用スイッチがオン、前記第１のスイッチ素子がオン，オフの繰り返し、前記第２のスイッチ素子がオフとなる請求項９ないし１２のいずれか１項記載の車両用電動駆動装置。

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