JP2005069200A - 電動圧縮機の駆動システムおよび移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストかつ小型軽量化した電動圧縮機の駆動システム等を提供する。
【解決手段】 少なくとも内燃機関１からの動力により、少なくとも第１の交流出力を発生する発電機３と、前記第１の交流出力を変換して電動圧縮機６に供給するコンバータ４および第１のインバータ５と、発電機６への前記動力の供給を制御する動力伝達機構２と、少なくとも蓄電装置７から電動圧縮機６への直接的または間接的な電力の供給を制御する第２のコンバータ７と、少なくとも動力伝達機構６および第２のコンバータ７の動作を制御する制御部１０とを備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は車両の停止時等にエンジンのアイドルストップを行う自動車等に用いられる電動圧縮機の駆動システムおよびそれを搭載した移動体等に関するものである。

第１の従来技術として、車両用の空調装置の一部である圧縮機を駆動する駆動機構として、エンジンと電動機の両方の動力伝達機構を備えたものが知られている。

本従来技術ではエンジン駆動時はエンジンの動力を用いて圧縮機を駆動し、車両停止時にエンジンがアイドルストップを行っている際は、電動機によって圧縮機を駆動することができるので、アイドルストップ時においても、車両の空調装置を運転することができる。圧縮機の運転中にもエンジンのアイドルストップが行えるので、燃費が改善するという効果をもつ（例えば特許文献１参照）。

しかしながら、このような第１の従来技術では、エンジンの動力と電動機の動力の両方を備えた圧縮機を用意せねばならず、エンジンの動力を伝えるための機構と電動機を駆動するためのインバータの両方が必要となり、小型軽量化および低コスト化の課題を有していた。

一方、第２の従来技術として、電動機に２つの巻線を備えて、電動機が回生運転する時には出力電圧の高い発電と出力電圧の低い発電の２種類の発電を行い、それぞれの出力にインバータ回路と蓄電装置を設けた車両用の電力変換システムがある。

力行時には高圧側の蓄電装置からインバータを介して電動機運転を行って車両の推進力を得られると同時に、低電圧側に発電ができるシステムである。この場合、高圧側の蓄電装置からの電力により圧縮機を起動できるため、圧縮機の運転中にもエンジンのアイドルストップができる上記第１の従来技術と同様の効果を持ちながら、エンジンの動力を圧縮機に伝えるための機構を省略することができる。

さらに、本システム構成によって、低電圧発電機を別途搭載する必要がなくなるため、車両の小型軽量化が図れるという効果をもつ。また、本システムはエンジン以外に車両の推進力を備えたシステムであり、いわゆるハイブリッド車両であるため、車両の推進力がエンジンのみである自動車に比べて燃費が改善するという効果もある（例えば特許文献２参照）。
特開２００２−２７４１６６号公報（例えば、第２図を参照） 特開２０００−３２４８７１号公報（例えば、第１図を参照）

しかしながら、上記第２の従来技術は、基本的にハイブリッド車両用の電力変換システムであり、電動機から車両の推進力を得るため、電動機の出力動力も大きくする必要があり、大型の電動機、例えば数十ｋＷの出力が可能な電動機を使用するとともに高圧発電側に蓄電装置を設置する必要があるため、ハイブリッド車両ではない通常の自動車に比べて、結局コスト高および大型、重量化となってしまう課題があった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、例えば非ハイブリッドの自動車においてアイドルストップ時に低燃費で圧縮機を駆動でき、しかもハイブリッド車両のように大型化、重量化することのない、低コストかつ小型軽量化した電動圧縮機の駆動システムおよびそれを搭載した移動体等を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、第１の本発明は、少なくともエンジンからの動力により、少なくとも第１の電力を発生する発電機と、
前記第１の電力を変換して電動圧縮機に供給する電力変換部と、
前記発電機への前記動力の供給を制御する動力伝達機構と、
少なくとも電池から前記電動圧縮機への直接的または間接的な電力の供給を制御する電池電力供給回路と、
少なくとも前記動力伝達機構および前記の電池電力供給回路の動作を制御する制御部とを備えた電動圧縮機の駆動システムである。

また、第２の本発明は、前記発電機は前記電池からの電力により前記第１の電力を発電する電動発電機であって、
前記電動発電機からの前記第１の電力の供給により、前記間接的な電力の供給を実現する第１の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第３の本発明は、前記電池は充放電可能な蓄電池であって、
前記発電機は前記第１の電力よりも低電圧の第２の電力も発生し、
前記電池電力供給回路は前記第２の電力を前記電池に充電する第１または第２の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第４の本発明は、前記制御部は、
外部から前記エンジンに対し動作停止の制御がなされていて、かつ前記電池の蓄電量が第１の所定の蓄電量以上である場合、前記エンジンの動作を停止させる制御を行う第１から第３のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第５の本発明は、前記制御部は、
外部から前記電動圧縮機への駆動要求がなされている場合は、前記電池から前記電動圧縮機へ前記第１の電力が供給されるよう前記電池電力供給回路を制御するとともに、前記動力伝達機構の前記伝達を遮断した後に、前記エンジンを停止させる制御を行う第４の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第６の本発明は、前記制御部は、
前記電動圧縮機への駆動要求がなされていない場合は、前記動力伝達機構の前記伝達を遮断した後に、前記エンジンを停止させる制御を行う第４の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第７の本発明は、前記制御部は、
前記電池の蓄電量が前記第１の所定の蓄電量以下である時、または前記エンジンに駆動要求がなされており、かつ前記エンジンが停止している場合、前記エンジンを始動する制御を行う第４から第６のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第８の本発明は、前記制御部は、
前記電池の蓄電量が第２の所定の蓄電量以上である時は、前記電池への充電量を減少させるように前記動力伝達機構を制御する第１から第７のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第９の本発明は、前記制御部は、
前記電池の蓄電量が前記第１の所定の蓄電量以上で、かつ前記第２の所定の蓄電量以下である場合には、前記電池への充電量が、前記蓄電量が小さいときほど多く、大きいときほど少なくなるように前記動力伝達機構の伝達量を制御する第４から第８のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第１０の本発明は、前記制御部は、
前記電池の蓄電量が前記第１の所定の蓄電量以上で、かつ前記第２の所定の蓄電量以下である場合には、前記電池への充電量が、前記蓄電量が小さいときほど多く、大きいときほど少なくなるように前記電池電力供給回路を制御する第４から第８のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第１１の本発明は、前記制御部は、
前記電池の蓄電量が前記第１の所定の蓄電量以下の時、前記第２の出力を前記電池に充電するように前記電池電力供給回路を制御する第４から第１０のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第１２の本発明は、前記制御部は、
前記電池の蓄電量が前記第２の所定の蓄電量以上の時、前記電池電力供給回路に整流動作させる第８の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第１３の本発明は、前記電力変換部は、少なくともインバータを備えた第１から第１２のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第１４の本発明は、前記電力変換部は、前記インバータと直列接続され前記発電機寄りに接続されたコンバータを備えた第１３の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第１５の本発明は、前記インバータは直列接続された複数のインバータから構成された第１３の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第１６の本発明は、前記コンバータと前記インバータとの間、または前記複数のインバータ間に接続されたキャパシタを備えた第１４または第１５の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第１７の本発明は、前記コンバータと前記インバータとの間、または前記複数のインバータ間に接続された、少なくとも１つの負荷用インバータを備えた第１から第１４のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第１８の本発明は、前記負荷用インバータの出力に接続された電動パワーステアリング用モータを備えた第１７の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第１９の本発明は、前記負荷用インバータの出力に接続された、移動体を移動させる移動用モータを備えた第１７の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第２０の本発明は、前記負荷用インバータは、前記移動体の減速時は前記走行用モータを回生動作するように動作する第１９の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第２１の本発明は、前記エンジンが停止中であって、前記蓄電池の蓄電量が前記第１の所定の蓄電量以下の時は、前記キャパシタを電源として前記発電機を駆動するように、前記発電機寄りの前記インバータを動作させて、前記発電機の第２の交流出力を前記蓄電池に充電する第１６の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第２２の本発明は、前記キャパシタの電圧が実質的に０になっている場合、前記エンジンを運転して、前記動力伝達機構より前記動力を伝達し、前記発電機から前記第１の電力を発生させることにより、前記キャパシタに充電する第１６の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第２３の本発明は、前記発電機の出力は３系統以上である第１から第３のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第２４の本発明は、前記発電機の前記出力はそれぞれ絶縁されている第１から第３のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第２５の本発明は、前記電力変換部は、外部からの前記電動圧縮機への回転数要求に従うように制御される第１から第３のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第２６の本発明は、前記蓄電池の充電電流が設定値を超える時は、前記充電電流が前記設定値以下となるように前記電動圧縮機の出力を上げるように、前記電力変換部を制御する第１から第３のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第２７の本発明は、前記電力変換部は、前記発電機と前記インバータとの間に設けられた開閉器を備えた第１３の本発明の電動圧縮機の駆動システムである。

また、第２８の本発明は、エンジンと、
蓄電池と、
前記エンジンまたは前記蓄電池からの電力または動力により動作する駆動機構と、
前記駆動機構により動作する電動圧縮機とを備え、
前記電動圧縮機として、第１から第２７のいずれかの本発明の電動圧縮機の駆動システムを用いた移動体である。

また、第２９の本発明は、前記移動体は自動車である第２８の本発明の移動体である。

本発明によれば、低燃費かつ小型軽量化した電動圧縮機の駆動システム等を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における、自動車の電源システムの構成を示すブロック図である。図１において、１は内燃機関、２は動力伝達機構、３は電動発電機である発電機、４はコンバータ、５は第１のインバータ、６は電動圧縮機、７は第２のインバータ、８は蓄電装置、９は負荷、１０は制御部である。発電機３の第１の交流出力はコンバータ４を介して整流され、第１のインバータ５に高電圧を発生させる。発生する電圧は発電機３の回転数が最大の時でせいぜい４〜６００Ｖ程度である。第１のインバータ５はこの電圧を入力とし、電動圧縮機６の内部に備わっている電動機（図示しない）を駆動する。発電機３の第２の交流出力は、第２のインバータ７に内蔵される各スイッチ素子（図示しない）の動作の停止時には、整流されて蓄電装置８に供給されると同時に、車両で使用される１２Ｖで駆動する負荷にも供給される。すなわち、発電機３の第２の交流出力は１２Ｖ程度の低電圧を発生させる。

また、内燃機関１および電動圧縮機６は、制御部１０とは別に外部からそれぞれ駆動要求、回転数要求を含む制御を受けて動作するものである。

図２は蓄電装置８の蓄電状態について所望の値を示した図である。図２において、ＳＯＣ１は望ましい蓄電状態の最小値であり、ＳＯＣ２は望ましい蓄電状態の最大値である。蓄電状態がＳＯＣ１とＳＯＣ２の間にあれば、所望の蓄電状態、ＳＯＣ１以下であれば蓄電量が不足した状態、ＳＯＣ２以上であれば満充電状態である。なお、ＳＯＣ１は本発明の第１の所定の蓄電量に相当し、ＳＯＣ２は本発明の第２の所定の蓄電量に相当する。

以上のような構成を有する本発明の実施の形態１の自動車の電源システムの動作を以下に説明する。

はじめに、内燃機関１が運転している時は、制御部１０は内燃機関１と発電機３とを動力伝達機構２を介して機械的に接続し、発電機３を内燃機関１の動力により回転駆動させる。

ここでいう動力伝達機構２は、内燃機関１の回転数の方が発電機３の回転数よりも高いかあるいは等しくなるように動力の伝達量を調整できるものである。すなわち、動力伝達機構２の伝達量が多ければ内燃機関１と発電機３との回転数の差はゼロに近づくし、伝達量が小さければ回転数の差は広がる。また、伝達力をゼロ、すなわち、内燃機関１と発電機３とを切り離すこともできる。以下、内燃機関１、動力伝達機構２、および第２のインバータ７の動作を決める制御部１０の動作について説明する。

制御部１０は、蓄電装置８の蓄電量を検出し、その結果が図２におけるＳＯＣ１以上で、かつ、自動車が停止中の場合、アイドルストップが可能であると判定する。次に、電動圧縮機６への駆動要求を判定し、駆動要求がない場合は、内燃機関１を停止させ、動力伝達機構２は内燃機関１と発電機３を切り離すことでアイドルストップを行う。

一方、電動圧縮機６の駆動要求がある場合は、発電機３を発電機運転から、電動機＋発電機運転に変更する必要がある。すなわち、第２のインバータ７のスイッチ素子の動作を一旦停止させ、発電機３の回転数を検出し、位相を同期させて交流電圧を発生するように第２のインバータ７のスイッチ素子を動作させる。この動作状態では、発電機３は蓄電装置８の電圧を電源とした電動機として駆動されている。

次に、動力伝達機構２の伝達力を徐々に低下させて最終的にはゼロとし、発電機３の駆動力を蓄電装置８と第２のインバータ７から得る。そして、内燃機関１を停止させて、アイドルストップを行う。発電機３は電動発電機として、電動機側の駆動により発電を行っているので、第１の交流出力からは高電圧が発生する。この高電圧の電力はコンバータ４と第１のインバータ５を通じて電動圧縮機６を駆動させることができる。

以上のようにして、アイドルストップ時に圧縮機駆動要求があっても電動圧縮機６を継続して駆動することができる。

なお、電動圧縮機６の回転数要求に対して電動圧縮機６の回転数が低い場合、第１のインバータ５は出力電圧の周波数を増大するが、電動圧縮機６に印加する電圧が不足する場合は、第２のインバータ７の出力電圧の周波数を増大させて発電機３の回転数を増大させ、蓄電装置８からの電力供給を併せることにより第１の出力電圧を増大させることで、電動圧縮機６に印加する電圧の不足に対応する。

逆に、電動圧縮機６への回転数指令要求に対して電動圧縮機６の回転数が高い場合、第１のインバータ５は出力電圧の周波数を減少する。このとき電動圧縮機６に印加する電圧が余剰であれば、第２のインバータ７の出力電圧の周波数を減少させて発電機３の回転数を減少させ、第１の出力電圧を減少させる。このように電動圧縮機６の回転数要求に応じて第２のインバータ７の出力周波数を変更してもよい。

次に、蓄電装置８の蓄電量が図２におけるＳＯＣ１以下、すなわち、充電不足であると判定した場合、あるいは、自動車が発進要求を受けた時であって内燃機関１が停止していた場合は、制御部１０は内燃機関１を始動させる。もし、動力伝達機構２の伝達力がゼロであった場合、徐々に伝達力を増加させ、最終的には伝達力を最大、すなわち、内燃機関１と発電機３の回転数がほぼ等しくなるように伝達力を増やす。自動車の発進要求があった場合は、外部の自動車の制御側のアクセル指令に基づいて内燃機関１の回転数を変更される。

蓄電量がＳＯＣ１以下で内燃機関１を始動した場合は、回転数はアイドリング状態である。この時の発電機３の第２の交流出力電圧は図３の発電機出力電圧の最小値である。したがって、第２のインバータ７は昇圧動作を行って、蓄電装置８に発電機３からの電力を充電する。発電機３の回転数によって、蓄電装置８への充電方法は図３のように変化し、蓄電装置８の電圧よりも発電機３の第２の交流出力電圧が低い場合は第２のインバータ７は昇圧動作させる。逆に、蓄電装置８の電圧よりも発電機３の第２の交流出力電圧が高い場合は、第２のインバータ７はすべてのスイッチ素子を停止させて、整流動作を行う。

このように、発電機３の出力電圧に応じて、第２のインバータ７の動作方法を変更することで、蓄電装置８の蓄電量が不足している状況をすみやかに解消することができる。

次に、蓄電装置８の蓄電量が図２におけるＳＯＣ２以上、すなわち、満充電であると判定した場合、制御部１０は蓄電装置８への充放電量を実質上０にするように動力伝達機構２の伝達力を調整する。負荷９の大きさは変化するので、蓄電量を随時検出し、その負荷に流れる電力と等しい電力が発電機３の第２の交流出力から発電できるように動力伝達機構２の伝達力を調整すればよい。このときの第２のインバータは整流動作を行うよう制御される。

次に、蓄電装置８の蓄電量が図２における、ＳＯＣ１以上ＳＯＣ２以下、すなわち、所望の蓄電状態と判定した場合は、蓄電装置８への充電量が、蓄電量が小さいときほど多く、大きいときほど小さくなるように動力伝達機構２の伝達量を制御する。伝達量は負荷９の大きさで変化する。このときは発電機３の回転数が低く、第２の交流出力電圧が蓄電装置８の電圧よりも低い場合は第２のインバータ７を昇圧動作させてもよいし、整流動作させてもよい。

次に、第１のインバータ５の動作について説明する。電動圧縮機６の現在の回転数が電動圧縮機６に対する回転数要求に対して大きい場合は第１のインバータ５は出力する周波数を減少させて電動圧縮機６の回転数を低下させる。次に、電動圧縮機６の現在の回転数が電動圧縮機６に対する回転数要求に対して小さい場合は、第１のインバータ５は出力する周波数を増大させて電動圧縮機６の回転数を上昇させる。すなわち、第１のインバータ５は、外部からの電動圧縮機６の回転数要求に従って動作するものである。

なお、アイドルストップ時の回転数の増減に対応する制御方法は上述した通りであるが、内燃機関１で発電機３を駆動している場合は、発電機３の第１の出力電圧は内燃機関１の回転数変動によって変化するため、第１のインバータ５の出力も得られた第１の出力電圧に応じて変化する。すなわち、内燃機関１はアクセル指令などによって回転数が変化するため、発電機３の回転数もそれに応じて変化し、第１の出力電圧は瞬間的な電圧降下が発生する場合がある。このようなときには、例えばインバータの入力電圧が低下してもブラシレスモータを駆動し続けられるインバータ制御技術を用いて電動圧縮機６の回転数が低下しないように制御すればよい。また、電動圧縮機６に備わっている電動機がブラシレスモータであれば、第１のインバータ５の入力電圧が不足しがちなときは、モータ電流位相を進めて回転数の上昇を図る、いわゆる弱め界磁制御を行って、回転数要求を満足するように制御してもよい。また、電動圧縮機６に備わっている電動機が誘導電動機であれば、第１のインバータ５の出力周波数を回転数要求になるように制御すればよい。

なお、本実施の形態では動力伝達機構２として、内燃機関１からの伝達力を連続的に変更できるものとして説明したが、クラッチなどの接続か切り離しかの２つの状態を選択できるような動力伝達機構である場合、本実施例における伝達力を調整する場合において、接続したり切り離したりの繰り返し動作を行えばよい。

また、本実施の形態の発電機３は、図１に示すように、高圧側と低圧側を容易に絶縁して引き出すことができる。ここで図１０および図１１に、発電機３のより具体的な構成例を示す。図１０は発電機３のモータ主要部を説明するための回転中心軸に垂直な面で断面にした主要部断面図である。図１０において、電磁鋼板を積層して構成したステータコア１０１は、第１の巻線群１０４を卷回したティース１０２と第２の巻線群１０５を卷回したティース１０３とを具備している。一方、電磁鋼板を積層して構成したロータコア１０６に永久磁石１０７が埋め込まれており、ロータを構成しており、回転中心Ｏの周りに自由に回転可能な状態で第１および第２のティース１０２，１０３と僅かなギャップを介して配置されている。このとき、永久磁石１０７の向きは、それぞれ隣り合うものと異なる磁界方向を向くようにそれぞれ配置されている。

そして、第１の巻線群１０４を卷回した第１のティース１０２は全部で９個あるが、Ｕ相の電圧が印加されるグループＩ、Ｖ相の電圧が印加されるグループII、Ｗ相の電圧が印加されるグループIIIに分けられており、各グループＩ，II，IIIにはそれぞれ３個の第１のティース１０２が設けられている。また、各グループＩ，II，IIIの間には、第２の巻線群１０５を卷回した第２のティース１０３が設けられている。第２の巻線群１０５は、第１の巻線群１０４の各相の間に電気角で１２０度の位相差で配置され、スター結線がなされており、第１の巻線群１０４とは独立した状態で、こちらも３相巻線を形成している。その巻線仕様は第１の巻線群１０４とは相違なる仕様とし、ターン数を第１の巻線群１０４よりも少なくする。例えば、第１の巻線群１０４のターン数を２００ターン、第２の巻線群５のターン数を１２ターンとすれば、第１の巻線群１０４からは２００Ｖが、第２の巻線群１０５からは１２Ｖが出力される。第１の巻線群１０４が発電機３の第１の出力に該当し、第２の巻線群１０５が発電機３の第２の出力に該当する。

次に、第１の巻線群１０４および第１０２の巻線群１０５の結線状態を図１１に示す。図１１において、１１５ｕ・１１５ｖ・１１５ｗはそれぞれ第１の巻線群１０４のＵ・Ｖ・Ｗ相の各出力点であり、１１５ｒ・１１５ｓ・１１５ｔはそれぞれ第２の巻線群１０５のＵ・Ｖ・Ｗ相の各出力点である。第１の巻線群１０４は、第１の巻線群１０４同士が配線１１７ａで接続され、第２の巻線群１０５は、第２の巻線群１０５同士が配線１１７ｂで接続されていることにより、第１の巻線群１０４と第１０２の巻線群１０５はそれぞれ機械的にも電気的にも独立し、それぞれの出力は互いに電気的に絶縁された構成を実現している。

以上のような構成の発電機３は、図９に示す、第２の従来技術にて用いられている三相モータ４００が、二つのグループに分かれたｗ相、ｖ相、ｕ相のそれぞれから供給される電圧の出力（図中Ｌｗ２，Ｌｖ２，Ｌｕ２からの出力とＬｗ１＋Ｌｗ２，Ｌｖ１＋Ｌｖ２，Ｌｕ１＋Ｌｕ２からの出力）が電気的に同一回路上で結線され、電気的に絶縁されていないのに対し、より安全性が高まるという効果を有する。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２における、自動車の電源システムの構成を示すブロック図である。図４において、内燃機関１、動力伝達機構２、発電機３、コンバータ４、第１のインバータ５、電動圧縮機６、第２のインバータ７、蓄電装置８、負荷９、制御部１０は実施の形態１と同様である。大容量キャパシタ１１がコンバータ４と第１のインバータ５の間に備わっている点が実施の形態１と異なる。なお、ここで大容量キャパシタ１１の容量は、任意としてよいが、例えば２００Ｆ程度を上限とすることが望ましい。また、大容量キャパシタは、電気二重層コンデンサ等で構成すればよい。

このような電源システムを構成することで、コンバータ４からの電圧が大容量キャパシタ１１に一旦蓄電されることにより、第１のインバータ５にかかる電圧が、発電機３の第１の交流出力電圧に左右されることなく平滑して安定するため、電動圧縮機６の出力が安定すると同時に回転数要求に追従しやすいシステムとなる。したがって、車室内の快適性がさらに高まるという効果を持つ。

なお、車両の始動時など、大容量キャパシタ１１の残存電圧が実質的に０に近い場合、内燃機関１が駆動したら、動力伝達機構２の伝達力をゼロから徐々に上昇させて、発電機３の第１の交流出力電圧を増大させていけばよい。このように動力伝達機構２を動作させることで、大容量キャパシタ１１への急激な充電を防ぐことができ、安全に充電するシステムとなる。

（実施の形態３）
図５は本発明の実施の形態３における、自動車の電源システムの構成を示すブロック図である。図５において、内燃機関１、動力伝達機構２、発電機３、コンバータ４、第１のインバータ５、電動圧縮機６、第２のインバータ７、蓄電装置８、負荷９、制御部１０、大容量キャパシタ１１は実施の形態２と同様である。第３のインバータ１２と、第３のインバータ１２からの電力により駆動するパワーステアリング駆動用モータ１３が大容量キャパシタ１１と並列に備わっている点が実施の形態２と異なる。

このような電源システムを構成することで、従来は内燃機関の動力を用いて駆動させていたパワーステアリングをモータで駆動できるようになるので、内燃機関の動力をパワーステアリング装置に伝達するための伝達機構が不要となる。第３のインバータ１２とパワーステアリング駆動用モータ１３の方がこの伝達機構よりも小型軽量で済み、さらには内燃機関の動力を効率よくパワーステアリング装置に伝達できるため、車両の小型軽量化と燃費の改善という効果をもつ。

（実施の形態４）
図６は本発明の実施の形態４における、自動車の電源システムの構成を示すブロック図である。図６において、内燃機関１、動力伝達機構２、発電機３、コンバータ４、第１のインバータ５、電動圧縮機６、第２のインバータ７、蓄電装置８、負荷９、制御部１０、大容量キャパシタ１１、第３のインバータ１２とパワーステアリング駆動用モータ１３は実施の形態３と同様である。第４のインバータ１４と、第４のインバータ１４からの電力により駆動し、図示しない自動車の走行系に接続された走行用モータ１５が大容量キャパシタ１１と並列に備わっている点が実施の形態３と異なる。

このような電源システムを構成することで、この電源システムを搭載した自動車をハイブリッド車両と同等の構成にすることができ、走行用モータ１５を駆動させて自動車の走行に用いることができる。第４のインバータ１４は、自動車が減速する時は、走行用モータ１５を回生動作するように制御して、発電機として動作させ、大容量キャパシタ１１に充電させることもできる。これにより、さらに燃費が改善した車両を提供することができる。

なお、本実施の形態ではコンバータ４と第１のインバータ５の間に開閉器２１を備えた構成とした。この開閉器２１を備えたことで、第１のインバータ５や第３のインバータ１２、第４のインバータ１４とそれらによって駆動する各モータを電源システムから切り離すことができるので、修理などの場合においても安全性の高い自動車の電源システムを構成することができる。なお、本開閉器２１の設置は本実施の形態のみに限るものではなく、実施の形態１〜３における自動車の電源システムの例に設置しても同様の効果を有する。

（実施の形態５）
図７は本発明の実施の形態５における、自動車の電源システムの構成を示すブロック図である。図７において、内燃機関１、動力伝達機構２、発電機３、第１のインバータ５、電動圧縮機６、第２のインバータ７、蓄電装置８、負荷９、制御部１０、大容量キャパシタ１１は実施の形態２と同様である。コンバータ４の代わりに第５のインバータ１６が備わっている点が実施の形態２と異なる。

このような電源システムを構成することで、蓄電装置８の蓄電量が何かの原因でＳＯＣ１以下になってしまっても、大容量キャパシタ１１を電源として第５のインバータで発電機３を駆動し、発電機３の第２の交流出力を得ることで、蓄電装置８を充電することができる。したがって、蓄電装置８の電力不足で内燃機関１が始動できなくなることを回避することができるので、信頼性の高い車両を提供することができる。

（実施の形態６）
図８は本発明の実施の形態６における、自動車の電源システムの構成を示すブロック図である。図８において、内燃機関１、動力伝達機構２、コンバータ４、第１のインバータ５、電動圧縮機６、第２のインバータ７、負荷９、制御部１０は実施の形態１と同様である。発電機３ａは３つの異なる出力を持つ発電機であり、例えば、３００Ｖ程度の高電圧と、４２Ｖの中電圧と、１２Ｖの低電圧である。このような発電機を構成し、図８には４２Ｖの中電圧の出力の系統に蓄電装置１９を、１２Ｖの低電圧の出力の系統に大容量キャパシタ２０を配置した構成を示した。なお、蓄電装置１９と大容量キャパシタ２０の配置を入れ替えてもよい。いずれの配置にするかは、車両の負荷として１２Ｖと４２Ｖのうち負荷の大きい方、あるいは内燃機関１を始動する際に使うスタータの配置する系統の方に蓄電装置１９を配置し、もう一方の系統に大容量キャパシタ２０を配置してもよい。

このように配置することで、内燃機関１の始動性を向上することができる。また、高電圧の出力の系統に大容量キャパシタ２０を配置してもよいことは実施の形態２以降で説明した通りである。また、実施の形態１では、１２Ｖの低電圧の系統に蓄電装置８を配置した場合について説明しているが、本実施の形態に示したように４２Ｖの中電圧の出力の系統に蓄電装置１９を配置した場合についても、制御部１０の機能として１２Ｖの低電圧の出力の系統への機能を４２Ｖの中電圧の出力の系統への機能とすればよい。

なお、上記の各実施の形態において、自動車の電源システムは本発明の電動圧縮機の駆動システムに相当するものである。また、内燃機関１は本発明のエンジンに相当し、発電機３は本発明の発電機に相当し、第１のインバータ５、コンバータ４、第５のインバータ１６は本発明の電力変換部に相当する。第１のインバータ５および第５のインバータ１６は本発明の直列接続された複数のインバータに相当する。また、動力伝達機構２は本発明の電力伝達機構に相当し、第２のインバータ７は本発明の電池電力供給回路に相当し、蓄電装置８，１９は本発明の電池、蓄電池に相当し、電動圧縮機６は本発明の電動圧縮機に相当し、制御部１０は本発明の制御部に相当する。また第１の交流出力は本発明の第１の電力に相当し、第２の交流出力は、本発明の第２の電力に相当する。また大容量キャパシタ１１、２０は本発明のキャパシタに相当する。また、第３のインバータ１２，第４のインバータ１４は本発明の負荷用インバータに相当する。

ただし本発明は上記の構成に限定されるものではない。上記各実施の形態においては、電動圧縮機６は、常時発電機３からの電力により動作し、蓄電装置８からは発電機３を介して間接的な電力の供給を受けるものとして説明を行ったが、アイドルストップ時においては、第２のインバータ７からの電力もしくは蓄電装置８からの直接的な電力の供給によって動作させるものとしてもよい。この場合も、低燃費で圧縮機を駆動でき、低コストかつ小型軽量化の効果が得られる。さらに本発明の発電機として、電動発電機である発電機３とは異なる普通の発電機を用いることもできる。また、本発明の電池としては、蓄電装置８の代わりに充電できないタイプの電池を用いてもよい。

また、内燃機関１の代わりに本発明のエンジンとしては、スターリングエンジン等の外燃機関を用いてもよい。この場合、外燃機関を用いた自動車にも本発明を適用することができる。

また、上記各実施の形態においては、本発明は自動車の電源システムを例として説明を行ったが、本発明の電動圧縮機の駆動システムは、自動車の他、船舶、機関車等のエンジンを用いて駆動する移動体において実施するものとしてもよい。また、本発明の電動圧縮機の駆動システムと、これにより動作する電動圧縮機、駆動機構に動力を与えるエンジン、および駆動機構に電力を与える電池を備えた上記移動体もまた本発明に含まれる。

なお、以上のような本発明は、例えば以下のような効果をも有する。１つの発電機で複数の異なる電圧を発生するので、例えば２出力の場合、低圧側は１２Ｖの車両の補機負荷用に、高圧側は高電圧を必要とする電動圧縮機などの電源として使用することができる。通常のエンジン駆動時は、エンジンの動力にて発電機を駆動するので、高圧側出力から得られた電力で電動圧縮機を駆動できる。アイドルストップ時には、１２Ｖのバッテリを電源としてインバータにて発電機を駆動できるので、アイドルストップ時においても電動圧縮機を駆動できる。したがって、エンジンからの動力を伝達して圧縮機を駆動する機構を不要にしたので、高圧側を含めた発電機は必要だが、圧縮機が大幅に小型化できるので、トータルで小型軽量化と低価格化の効果を有する。

また、１２Ｖの発電機を搭載して、ＤＣ／ＤＣコンバータなどにより１２Ｖを入力として電動圧縮機を駆動できる３００Ｖ程度の高電圧を発生させる装置に比べて、本発明は以下の効果を有する。この装置の場合、電動圧縮機を駆動するだけの電力も１２Ｖの発電機で発電しなければならないため、発電機が大電流を流せるものでなければならず、発電機自体が大型化する。また、発電機の電流が大きくなるので、蓄電装置の充放電電流も増大するため、蓄電装置も大型化する。さらにＤＣ／ＤＣコンバータを必要とする。しかし、本発明では、最初から高電圧が発生する発電機であるため、電流も小さくてすみ小型の発電機でよい。発電機を駆動するためのインバータは必要になるが、ＤＣ／ＤＣコンバータは不要にできる。また、蓄電装置も小型のものでよい。その結果、トータルでは発電機の小型軽量化と低価格化の効果を有する。

このように、複数の出力を持つ発電機を用いた自動車の電源システムを構成できるので、アイドルストップを実現して燃費を改善できる自動車を提供することができる。また、本システムの制御部に関する本発明によって、アイドルストップの可否、動力伝達機構の動作方法、インバータの動作方法が決まるので、本システムを適切に制御することができる。また、本発明によって、車両の走行時であっても、アイドルストップ時であっても蓄電装置の過充電あるいは、過放電による破損が防止できる制御方法が得られるので、安全でかつ長寿命な自動車の電源システムを提供することができる。

また、この発明によって、高圧側に大容量のキャパシタを備えた自動車の電源システムを提供することができるので、電動圧縮機の入力電力を安定化させ、車室内の快適性をより高めることができる。

また、この発明によって、高圧側に電動パワーステアリング装置用モータを備えた自動車の電源システムを提供することができるので、パワーステアリング装置を電動化することによって燃費を改善することができる。

また、この発明によって、高圧側に走行用モータを備えた自動車の電源システムを提供することができるので、電気的４輪駆動などの、走行安定性を高めた安全な自動車を提供することができる。

また、この発明によって、自動車の電源として３系統の電源が必要な場合においても、電源システムを１台の発電機で構成できるので、小型軽量で低コストな自動車の電源システムを提供することができる。さらに、１つの系統に蓄電装置を配置し、その蓄電装置を電源として発電機をインバータ駆動することによって、その他の系統にも電力を供給することができるので、その他の系統に蓄電装置を配置することなくアイドルストップ時においても電力を供給することができる。

また、この発明によって、１つの系統に蓄電装置を配置し、その系統以外の別の系統に大容量キャパシタを配置する電源システムを提供できるので、その系統の電力供給が安定化するため、より信頼性の高い自動車の電源システムを提供することができる。

本発明にかかる電動圧縮機の駆動システムは、低燃費かつ小型、軽量化した電動圧縮機の駆動システムおよびそれを搭載した移動体等を提供できるという効果を有し、例えば、車両の停止時等にエンジンのアイドルストップを行う自動車等に有用である。

本発明の実施の形態１における自動車の電源システムの構成図。 本発明の実施の形態１における蓄電装置の蓄電状態を示す図。 本発明の実施の形態１における発電機と蓄電装置の関係から第２のインバータの動作を示す図。 本発明の実施の形態２における自動車の電源システムの構成図。 本発明の実施の形態３における自動車の電源システムの構成図。 本発明の実施の形態４における自動車の電源システムの構成図。 本発明の実施の形態５における自動車の電源システムの構成図。 本発明の実施の形態６における自動車の電源システムの構成図。 第２の従来技術における三層モータを用いた自動車の電源システムの構成図。 発電機３の具体的な構成の一例を示す図。 発電機３の具体的な構成の一例を示す図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 動力伝達機構
３、３ａ 発電機
４ コンバータ
５ 第１のインバータ
６ 電動圧縮機
７ 第２のインバータ
８ 蓄電装置
９ 負荷
１０ 制御部
１１ 大容量キャパシタ
１２ 第３のインバータ
１３ パワーステアリング用モータ
１４ 第４のインバータ
１５ 走行用モータ
１６ 第５のインバータ
１７ 第６のインバータ
１８ 負荷
１９ 第２の蓄電装置
２０ 第２の大容量キャパシタ
２１ 開閉器

Claims (29)

1. 少なくともエンジンからの動力により、少なくとも第１の電力を発生する発電機と、
   前記第１の電力を変換して電動圧縮機に供給する電力変換部と、
   前記発電機への前記動力の供給を制御する動力伝達機構と、
   少なくとも電池から前記電動圧縮機への直接的または間接的な電力の供給を制御する電池電力供給回路と、
   少なくとも前記動力伝達機構および前記の電池電力供給回路の動作を制御する制御部とを備えた電動圧縮機の駆動システム。
2. 前記発電機は前記電池からの電力により前記第１の電力を発電する電動発電機であって、
   前記電動発電機からの前記第１の電力の供給により、前記間接的な電力の供給を実現する請求項１に記載の電動圧縮機の駆動システム。
3. 前記電池は充放電可能な蓄電池であって、
   前記発電機は前記第１の電力よりも低電圧の第２の電力も発生し、
   前記電池電力供給回路は前記第２の電力を前記電池に充電する請求項１または２に記載の電動圧縮機の駆動システム。
4. 前記制御部は、
   外部から前記エンジンに対し動作停止の制御がなされていて、かつ前記電池の蓄電量が第１の所定の蓄電量以上である場合、前記エンジンの動作を停止させる制御を行う請求項１から３のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システム。
5. 前記制御部は、
   外部から前記電動圧縮機への駆動要求がなされている場合は、前記電池から前記電動圧縮機へ前記第１の電力が供給されるよう前記電池電力供給回路を制御するとともに、前記動力伝達機構の前記伝達を遮断した後に、前記エンジンを停止させる制御を行う請求項４に記載の電動圧縮機の駆動システム。
6. 前記制御部は、
   前記電動圧縮機への駆動要求がなされていない場合は、前記動力伝達機構の前記伝達を遮断した後に、前記エンジンを停止させる制御を行う請求項４に記載の電動圧縮機の駆動システム。
7. 前記制御部は、
   前記電池の蓄電量が前記第１の所定の蓄電量以下である時、または前記エンジンに駆動要求がなされており、かつ前記エンジンが停止している場合、前記エンジンを始動する制御を行う請求項４から６のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システム。
8. 前記制御部は、
   前記電池の蓄電量が第２の所定の蓄電量以上である時は、前記電池への充電量を減少させるように前記動力伝達機構を制御する請求項１から７のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システム。
9. 前記制御部は、
   前記電池の蓄電量が前記第１の所定の蓄電量以上で、かつ前記第２の所定の蓄電量以下である場合には、前記電池への充電量が、前記蓄電量が小さいときほど多く、大きいときほど少なくなるように前記動力伝達機構の伝達量を制御する請求項４から８のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システム。
10. 前記制御部は、
    前記電池の蓄電量が前記第１の所定の蓄電量以上で、かつ前記第２の所定の蓄電量以下である場合には、前記電池への充電量が、前記蓄電量が小さいときほど多く、大きいときほど少なくなるように前記電池電力供給回路を制御する請求項４から８のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システム。
11. 前記制御部は、
    前記電池の蓄電量が前記第１の所定の蓄電量以下の時、前記第２の出力を前記電池に充電するように前記電池電力供給回路を制御する請求項４から１０のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システム。
12. 前記制御部は、
    前記電池の蓄電量が前記第２の所定の蓄電量以上の時、前記電池電力供給回路に整流動作させる請求項８に記載の電動圧縮機の駆動システム。
13. 前記電力変換部は、少なくともインバータを備えた請求項１から１２のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システム。
14. 前記電力変換部は、前記インバータと直列接続され前記発電機寄りに接続されたコンバータを備えた請求項１３に記載の電動圧縮機の駆動システム。
15. 前記インバータは直列接続された複数のインバータから構成された請求項１３に記載の電動圧縮機の駆動システム。
16. 前記コンバータと前記インバータとの間、または前記複数のインバータ間に接続されたキャパシタを備えた請求項１４または１５記載の電動圧縮機の駆動システム。
17. 前記コンバータと前記インバータとの間、または前記複数のインバータ間に接続された、少なくとも１つの負荷用インバータを備えた請求項１から１４のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システム。
18. 前記負荷用インバータの出力に接続された電動パワーステアリング用モータを備えた請求項１７に記載の電動圧縮機の駆動システム。
19. 前記負荷用インバータの出力に接続された、移動体を移動させる移動用モータを備えた請求項１７に記載の電動圧縮機の駆動システム。
20. 前記負荷用インバータは、前記移動体の減速時は前記走行用モータを回生動作するように動作する請求項１９に記載の電動圧縮機の駆動システム。
21. 前記エンジンが停止中であって、前記蓄電池の蓄電量が前記第１の所定の蓄電量以下の時は、前記キャパシタを電源として前記発電機を駆動するように、前記発電機寄りの前記インバータを動作させて、前記発電機の第２の交流出力を前記蓄電池に充電する請求項１６に記載の電動圧縮機の駆動システム。
22. 前記キャパシタの電圧が実質的に０になっている場合、前記エンジンを運転して、前記動力伝達機構より前記動力を伝達し、前記発電機から前記第１の電力を発生させることにより、前記キャパシタに充電する請求項１６に記載の電動圧縮機の駆動システム。
23. 前記発電機の出力は３系統以上である請求項１から３のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システム。
24. 前記発電機の前記出力はそれぞれ絶縁されている請求項１から３のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システム。
25. 前記電力変換部は、外部からの前記電動圧縮機への回転数要求に従うように制御される請求項１から３のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システム。
26. 前記蓄電池の充電電流が設定値を超える時は、前記充電電流が前記設定値以下となるように前記電動圧縮機の出力を上げるように、前記電力変換部を制御する請求項１から３のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システム。
27. 前記電力変換部は、前記発電機と前記インバータとの間に設けられた開閉器を備えた請求項１３に記載の電動圧縮機の駆動システム。
28. エンジンと、
    蓄電池と、
    前記エンジンまたは前記蓄電池からの電力または動力により動作する駆動機構と、
    前記駆動機構により動作する電動圧縮機とを備え、
    前記電動圧縮機として、請求項１から２７のいずれかに記載の電動圧縮機の駆動システムを用いた移動体。
29. 前記移動体は自動車である請求項２８に記載の移動体。
    

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