JP2005176569A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 高圧バッテリからインバータに至るパワーケーブルの電力損失を低減する。
【解決手段】 車両前方のエンジンルームにモータＭＧ１，ＭＧ２に三相交流を供給するインバータ４２，４４を配置すると共に車両後方にバッテリ３０とバッテリ電圧を昇圧してインバータ４２，４４に供給する昇圧コンバータ４０とを隣接して配置し、昇圧コンバータ４０とインバータ４２，４４とをパワーケーブル５０により、バッテリ３０と昇圧コンバータ４０とをパワーケーブル５２によりそれぞれ電気的に接続する。昇圧コンバータ４０による昇圧後の比較的高い電圧が作用するパワーケーブル５０を長くすると共に昇圧前の比較的低い電圧が作用するパワーケーブル５２を短くすることによりパワーケーブル内を流れる電流を小さくしたから、昇圧コンバータ４０をバッテリ３０と離して車両前方に配置するものに比して、配線による電力損失を低減できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気自動車に関し、詳しくは、第１の車輪に動力を出力可能な第１の電動機を備える電気自動車に関する。

従来、この種の電気自動車としては、電力変換器を介したバッテリから電力の供給により車輪に動力を出力するモータを備えるものが提案されている（特許文献１参照）。この電気自動車では、変速機を介して車輪に動力を出力するエンジンを備えており、燃費が最良となる条件でエンジンを駆動すると共に不足するトルクがモータから出力されるようモータを駆動することによりエネルギ効率の向上を図っている。
特開２０００−９４９７９号公報

上述した電気自動車では、バッテリからの電力をモータに供給する配線による電力損失については何ら考慮されていない。通常、モータにより車輪に動力を出力する際には比較的大きな電力が必要となるから、バッテリからモータへ流れる電流が大きくなり、配線による電力損失が無視できなくなる。配線として太いものを用いれば電力損失を抑えられるが、設置スペースが限られている自動車に適用するのは不向きである。

こうした問題を解決する手法の一つとして、出願人は、バッテリとモータとの間の配線による電力損失を低減したりモータの高出力化を図るためにバッテリ電圧を昇圧してインバータ回路に供給する昇圧コンバータを備える電気自動車を提案している（プリウス新車解説書（２００３年９月１日発行））。

本発明の電気自動車は、バッテリなどの電源からの電力を電動機に供給する際の電力損失をより低減させることを目的の一つとする。また、本発明の電気自動車は、電源から電動機に至る電気駆動系の小型化を図ることを目的の一つとする。さらに、本発明の電気自動車は、スペース効率をより向上させることを目的の一つとする。

本発明の電気自動車は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電気自動車は、
第１の車輪に動力を出力可能な第１の電動機を備える電気自動車であって、
電源と、
前記電源の近傍に配置されると共に該電源に第１の電力ラインを介して電気的に接続され、該電源からの電力を昇圧して出力可能な昇圧装置と、
前記昇圧装置の出力端子に第２の電力ラインを介して電気的に接続され、前記第１の電動機を駆動する第１の駆動装置と
を備えることを要旨とする。

この本発明の電気自動車では、電源に第１の電力ラインを介して電気的に接続される昇圧装置を電源の近傍に配置し、昇圧装置の出力端子と第１の電動機を駆動する駆動装置とを第２の電力ラインを介して電気的に接続する。したがって、電源と駆動装置とを接続する電力ラインのうち昇圧装置による昇圧前で比較的大きな電流が流れる第１の電力ラインを短くできるから、全体として電力損失をより低減させることができる。この結果、比較的径の細い配線を用いることも可能となるから、電気駆動系の小型化を図ることができる。

こうした本発明の電気自動車において、空気との熱交換により前記電源と前記昇圧装置とを冷却可能な冷却通路が形成されてなるものとすることもできる。こうすれば、電源や昇圧装置を冷却することができる。この態様の本発明の電気自動車において、前記電源と前記昇圧装置は、該電源，該昇圧装置の順に冷却されるよう配置されてなるものとすることもできる。この態様の本発明の電気自動車において、前記電源は、長手方向が車両の左右方向となるよう配置され、前記冷却通路は、前記電源の長手方向の一端部から該電源に空気が導入されるよう形成されてなり、前記昇圧装置は、前記電源の長手方向の他端部に隣接して配置されてなるものとすることもできる。こうすれば、スペース効率をより向上させることができる。この場合、前記冷却通路は、前記電源の一端部が冷却通路の一部として形成されてなるものとすることもできる。

また、本発明の電気自動車において、前記昇圧装置の出力側に電源の接続および遮断を行なうリレーが設けられてなるものとすることもできる。こうすれば、リレーを昇圧装置の入力側に設けるものに比してリレーを流れる電流を小さくできるから、リレーを小型化することができる。

さらに、本発明の電気自動車において、前記第１の電動機は、前記第１の車輪としての前輪に動力を出力可能な電動機であり、前記第１の電動機と前記第１の駆動装置は、車両前方に配置され、前記電源と前記昇圧装置は、車両後方または乗員が着座可能なシート下方に配置されてなるものとすることもできる。こうすれば、配置のバランスをより適切なものとすることができる。この態様の本発明の電気自動車において、内燃機関と、該内燃機関の出力軸と前記第１の電動機の回転軸と第３の回転軸の３軸に接続され、該３軸のうちのいずれか２軸に入出力される動力が決定されると残余の１軸に入出力される動力が決定される３軸式動力入出力機構と、前記第３の回転軸に接続された発電可能な第２の電動機と、前記昇圧装置の出力端子に前記第２の電力ラインを介して電気的に接続され、前記第２の電動機を駆動する第２の駆動装置と、を備え、前記内燃機関と前記３軸式動力入出力機構と前記第２の電動機と前記第２の駆動装置は、車両前方に配置されてなるものとすることもできるし、内燃機関と、該内燃機関の出力軸に接続された第１の回転子と第１の車輪に機械的に接続された駆動軸とに接続された第２の回転子とを有し、電磁気的な作用により相対的に回転する対回転子電動機と、前記昇圧装置の出力端子に前記第２の電力ラインを介して電気的に接続され、前記対回転子電動機を駆動する第２の駆動装置と、を備え、前記内燃機関と前記対回転子電動機と前記第２の駆動装置は、車両前方に配置されてなるものとすることもできる。さらに、これらの態様の本発明の電気自動車において、後輪に動力を出力可能な第３の電動機と、前記昇圧装置の出力端子に前記第２の電力ラインを介して電気的に接続され、前記第３の電動機を駆動する第３の駆動装置とを備えるものとすることもできる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態としての電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車２０は、図示するように、エンジン２２と、エンジン２２のクランクシャフトにキャリアが接続された遊星歯車機構２４と、遊星歯車機構２４のサンギヤに接続された発電可能なモータＭＧ１と、遊星歯車機構２４のリングギヤに接続されたモータＭＧ２と、バッテリ３０の直流電圧を所望の直流電圧に昇圧してインバータ４２，４４に供給する昇圧コンバータ４０と、昇圧コンバータ４０による昇圧後の直流を交流に変換してモータＭＧ１，ＭＧ２に供給するインバータ４２，４４とを備える。遊星歯車機構２４のリングギヤは、ギヤ機構２７を介して最終的には車輪２６に連結されている。

実施例の電気自動車２０では、エンジン２２や遊星歯車機構２４，モータＭＧ１，ＭＧ２，インバータ４２，４４が車両前方のスペース（エンジンルーム）に、バッテリ３０や昇圧コンバータ４０が車両後方のスペースに配置されている。車両後方に配置された昇圧コンバータ４０と車両前方に配置されたインバータ４２，４４とは、パワーケーブル５０により電気的に接続されている。このパワーケーブル５０は、実施例では、バッテリ３０のコネクタからリヤシートの下部でフロアパネルを貫通し車室外に出てフロアーアンダーリインフォースメントに沿ってエンジンルーム内のインバータ４２，４４に接続されている。また、バッテリ３０と昇圧コンバータ４０とはパワーケーブル５２により電気的に接続されている。

バッテリ３０は、単セルを複数個直列に接続してなる高圧バッテリとして構成されている。実施例では、２００Ｖ程度の直流電圧が得られるよう１．２Ｖの単セルを１６８個直列に接続するものとした。

モータＭＧ１，ＭＧ２は、電動機として駆動できると共に発電機としても駆動できる発電電動機、例えば、外表面に永久磁石が貼り付けられたロータと、三相コイルが巻回されたステータとからなるＰＭ型の同期発電電動機として構成されている。

図２は、バッテリ３０からモータＭＧ１，ＭＧ２に至る高電圧回路の一例を示す回路図である。図示するように、バッテリ３０にパワーケーブル５２を介して接続された昇圧コンバータ４０は、対となる２個のトランジスタ（ＩＧＢＴなど）および２個のトランジスタの各々に逆並列接続された２個のダイオードとトランジスタ同士の接続点に接続されると共にバッテリ３０の正極端子に接続されたリアクトルとを備え、トランジスタのオンオフによりリアクトルに蓄えられるエネルギを利用してバッテリ３０からの直流電圧を所望の直流電圧に昇圧してインバータ４２，４４に供給する。実施例では、２００Ｖ程度のバッテリ３０の電圧に対して最大５００Ｖ程度まで昇圧するものとした。インバータ４２，４４は、昇圧コンバータ４０の出力端子に接続された電力ラインを正極母線と負極母線として２個ずつペアで接続された６個のトランジスタ（ＩＧＢＴなど）および６個のトランジスタの各々に逆並列接続された６個のダイオードを備え、トランジスタのスイッチングにより昇圧コンバータ４０による昇圧後の直流を三相交流に変換してモータＭＧ１，ＭＧ２の三相コイルに供給する。なお、モータＭＧ１，ＭＧ２の回生時には、インバータ４２，４４のダイオードを介して入力された電圧を昇圧コンバータ４０により降圧してバッテリ３０を充電できるようになっている。また、昇圧コンバータ４０とインバータ４２，４４との間には、高電圧回路の電気的な接続および遮断を行なうリレー４８が設けられている。

図３は、バッテリ３０と昇圧コンバータ４０が車両後方に搭載されている様子を示す斜視図であり、図４は、バッテリ３０と昇圧コンバータ４０とが冷却されている様子を示す説明図である。バッテリ３０と昇圧コンバータ４０は、共にリヤシートの後方のスペースに配置されており、バッテリ３０の長手方向が車両の左右方向となるよう配置されると共にバッテリ３０の図中左端に昇圧コンバータ４０やリレー４８が隣接して配置されている。バッテリ３０には、冷却のために熱交換媒体としての空気が通過する冷却通路６８が形成されている。また、昇圧コンバータ４０やリレー４８には、その上部に空気が通過可能な放熱器６０が取り付けられている。バッテリ３０の図中右端の冷却通路６８の入口６９ａには、吸い込み口６６が車室内と連通している吸気ダクト６２が接続されており、バッテリ３０の冷却通路６８の出口６９ｂには、放熱器６０を介して排気ダクト６４が接続されている。したがって、図示しない冷却ファンの駆動により吸い込み口６６から吸い込まれた空気は、吸気ダクト６２，バッテリ３０の冷却通路６８，放熱器６０，排気ダクト６４を順に通過してバッテリ３０や昇圧コンバータ４０，リレー４８を冷却しながら車外に排出されることになる。

なお、インバータ４２，４４は、車両前方に配置されたエンジン２２の冷却にも用いられる図示しないラジエータを流れる冷却水との熱交換によって冷却されるようになっている。

こうして構成された実施例の電気自動車２０では、アクセルペダルの踏み込み量や車速などの車両の走行状態や残容量ＳＯＣなどのバッテリ３０の状態に基づいて、エンジン２２を停止してバッテリ３０の充放電を伴ってモータＭＧ２からの動力だけで走行したり、バッテリ３０の充放電なしにエンジン２２からの動力のすべてをモータＭＧ１，ＭＧ２によりトルク変換して走行したり、バッテリ３０の充放電を伴ってエンジン２２からの動力のすべて又は一部をモータＭＧ１，ＭＧ２によりトルク変換して走行したりする。バッテリ３０の充放電を伴って走行する際、昇圧コンバータ４０による昇圧前の直流電圧が作用するパワーケーブル５２には昇圧後の直流電圧が作用するパワーケーブル５０に比して大きな電流が流れるから、パワーケーブル５２による電力損失はパワーケーブル５０による電力損失よりも大きくなる。実施例では、昇圧コンバータ４０をバッテリ３０に隣接して配置したから、バッテリ３０とインバータ４２，４４とを接続する電力ラインのうち電力損失の大きいパワーケーブル５２を短くすることができ、全体として配線による電力損失を低減させている。

以上説明した実施例の電気自動車２０によれば、車両前方のスペースにモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動するインバータ４２，４４を配置すると共に車両後方のスペースにバッテリ３０と昇圧後のバッテリ３０からの直流をインバータ４２，４４に供給する昇圧コンバータ４０とを配置したから、バッテリ３０と昇圧コンバータ４０とを離して配置するものに比して、昇圧コンバータ４０による昇圧後の比較的小さな電流が流れるパワーケーブル５０を長くすると共に昇圧前の比較的大きな電流が流れるパワーケーブル５２を短くすることができ、全体として配線による電力損失を低減することができる。

また、実施例の電気自動車２０によれば、昇圧コンバータ４０に放熱器６０を取り付けてバッテリ３０の冷却通路６８の出口６９ｂに放熱器６０を配置したから、昇圧コンバータ４０を空気との熱交換によりバッテリ３０と共に冷却することができる。また、高電圧回路の接続および遮断を行なうリレー４８を昇圧コンバータ４０の出力側に設けたから、昇圧コンバータ４０の入力側に設けるものに比して、リレー４８に流れる電流を小さくすることができ、リレー４８の小型化を図ることができる。この結果、スペース効率をより向上させることができる。

実施例の電気自動車２０では、昇圧コンバータ４０をバッテリ３０に隣接して配置したが、バッテリ３０の近傍であれば、必ずしも隣接して配置させる必要はない。

実施例の電気自動車２０では、昇圧コンバータ４０とバッテリ３０とを車両後方のスペースに配置するものとしたが、乗員が着座するシート（前シートや後シート）の下方スペースに配置するものとしてもよい。

実施例の電気自動車２０では、リレー４８を昇圧コンバータ４０とインバータ４２，４４との間に設けるものとしたが、バッテリ３０と昇圧コンバータ４０との間に設けるものとしてもよい。

実施例の電気自動車２０では、同一の冷却経路６８によりバッテリ３０と昇圧コンバータ４０とを冷却するものとしたが、バッテリ３０と昇圧コンバータ４０とを別々の冷却経路により冷却するものとしてもよい。また、実施例の電気自動車２０では、昇圧コンバータ４０を空気との熱交換により冷却するものとしたが、熱交換器（例えば、エンジン２２を冷却するためのラジエータ）と昇圧コンバータ４０とを接続する冷却水の通路を設置して通路内の冷却水を循環させることにより昇圧コンバータ４０を冷却するものとしてもよい。

実施例の電気自動車２０では、エンジン２２と遊星歯車機構２４とモータＭＧ１，ＭＧ２とを備えるものとしたが、バッテリなどの電源の近傍に昇圧コンバータを配置すると共に昇圧コンバータによる昇圧後の電力をインバータなどの駆動装置に供給可能な電気自動車であれば、如何なるタイプの電気自動車に適用するものとしてもよい。例えば、遊星歯車機構２４とモータＭＧ１とに代えて、エンジン２２のクランクシャフトに接続されたインナーロータと駆動軸に接続されたアウターロータとを有し電磁的な作用により相対的に回転する対ロータ電動機を備える電気自動車に適用するものとしてもよいし、走行用の動力源としてモータのみを備える電気自動車に適用するものとしてもよい。また、図５に例示する変形例の電気自動車１２０に示すように、図１の電気自動車２０に加えて、後輪２８に動力を出力するモータＭＧ３とこのモータＭＧ３を駆動するインバータ４６とを備える４輪駆動の電気自動車に適用するものとしてもよい。インバータ４６は、図６に示すように、図１のインバータ４２，４４が共用する正極母線と負極母線に並列して接続される。この変形例の電気自動車１２０では、図５に示すようにインバータ４６を車両後方に配置するものとしたが、車両前方にインバータ４２，４４と共に配置するものとしてもよい。勿論、こうした電気自動車に搭載する走行用のモータの数は幾つであっても構わない。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明の一実施例である電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。 バッテリ３０からモータＭＧ１，ＭＧ２に至る高電圧回路の一例を示す回路図である。 バッテリ３０と昇圧コンバータ４０が車両後方に搭載されている様子を示す斜視図である。 バッテリ３０と昇圧コンバータ４０とが車室内の空気により冷却されている様子を示す説明図である。 変形例の電気自動車１２０の構成の概略を示す構成図である。 バッテリ３０からモータＭＧ１，ＭＧ２，ＭＧ３に至る高電圧回路の一例を示す回路図である。

符号の説明

２０，１２０ 電気自動車、２２ エンジン、２４ 遊星歯車機構、２６ 前輪、２７，２８ 後輪、３０ バッテリ、４０ 昇圧コンバータ、４２，４４，４６ インバータ、４８ リレー、５０，５２ パワーケーブル、６０ 放熱器、６２ 吸気ダクト、６４ 排気ダクト、６６ 吸い込み口、６８ 冷却通路、６９ａ 入口、６９ｂ 出口、ＭＧ１，ＭＧ２，ＭＧ３ モータ。

Claims (9)

1. 第１の車輪に動力を出力可能な第１の電動機を備える電気自動車であって、
   電源と、
   前記電源の近傍に配置されると共に該電源に第１の電力ラインを介して電気的に接続され、該電源の電圧を昇圧して出力可能な昇圧装置と、
   前記昇圧装置の出力端子に第２の電力ラインを介して電気的に接続され、前記第１の電動機を駆動する第１の駆動装置と
   を備える電気自動車。
2. 空気との熱交換により前記電源と前記昇圧装置とを冷却可能な冷却通路が形成されてなる請求項１記載の電気自動車。
3. 前記電源と前記昇圧装置は、該電源，該昇圧装置の順に冷却されるよう配置されてなる請求項２記載の電気自動車。
4. 請求項３記載の電気自動車であって、
   前記電源は、長手方向が車両の左右方向となるよう配置され、
   前記冷却通路は、前記電源の長手方向の一端部から該電源に空気が導入されるよう形成されてなり、
   前記昇圧装置は、前記電源の長手方向の他端部に隣接して配置されてなる
   電気自動車。
5. 前記昇圧装置の出力側に電源の接続および遮断を行なうリレーが設けられてなる請求項１ないし４いずれか記載の電気自動車。
6. 請求項１ないし５いずれか記載の電気自動車であって、
   前記第１の電動機は、前記第１の車輪としての前輪に動力を出力可能な電動機であり、
   前記第１の電動機と前記第１の駆動装置は、車両前方に配置されてなり、
   前記電源と前記昇圧装置は、車両後方または乗員が着座可能なシート下方に配置されてなる
   電気自動車。
7. 請求項６記載の電気自動車であって、
   内燃機関と、
   該内燃機関の出力軸と前記第１の電動機の回転軸と第３の回転軸の３軸に接続され、該３軸のうちのいずれか２軸に入出力される動力が決定されると残余の１軸に入出力される動力が決定される３軸式動力入出力機構と、
   前記第３の回転軸に接続された発電可能な第２の電動機と、
   前記昇圧装置の出力端子に前記第２の電力ラインを介して電気的に接続され、前記第２の電動機を駆動する第２の駆動装置と、を備え、
   前記内燃機関と前記３軸式動力入出力機構と前記第２の電動機と前記第２の駆動装置は、車両前方に配置されてなる電気自動車。
8. 請求項６記載の電気自動車であって、
   内燃機関と、
   該内燃機関の出力軸に接続された第１の回転子と第１の車輪に機械的に接続された駆動軸とに接続された第２の回転子とを有し、電磁気的な作用により相対的に回転する対回転子電動機と、
   前記昇圧装置の出力端子に前記第２の電力ラインを介して電気的に接続され、前記対回転子電動機を駆動する第２の駆動装置と、を備え、
   前記内燃機関と前記対回転子電動機と前記第２の駆動装置は、車両前方に配置されてなる電気自動車。
9. 請求項６ないし８いずれか記載の電気自動車であって、
   後輪に動力を出力可能な第３の電動機と、
   前記昇圧装置の出力端子に前記第２の電力ラインを介して電気的に接続され、前記第３の電動機を駆動する第３の駆動装置と
   を備える電気自動車。

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