JP2007189854A - 車両の電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回生電力の回収率を維持しつつ回路構成が最適化された車両の電源装置を提供する。
【解決手段】この車両の電源装置は、二次電池であるバッテリＢ１と蓄電用のキャパシタＣ３の間に接続される昇圧コンバータ１０と、昇圧コンバータ１０と並列的に接続される接続回路１１と、昇圧コンバータ１０のキャパシタＣ３側に接続されるインバータ２０，３０と、昇圧コンバータ１０、接続回路１１およびインバータ２０，３０の制御を行なう制御装置６０とを備える。制御装置６０は、モータジェネレータＭＧ２が回生制動の開始をした時点では接続回路１１を開放状態としてキャパシタＣ３に充電を行ないつつ昇圧コンバータ１０を制御してバッテリＢ１に対する充電量をゼロから次第に増加させる。そして制御装置６０は、キャパシタＣ３に対する充電量が所定量に到達したら接続回路１１を閉じてバッテリＢ１に対する充電量を増加させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両の電源装置に関し、特に蓄電装置として大容量のキャパシタを搭載する車両の電源装置に関する。

近年、環境に配慮した自動車として、ハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）が大きく注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、蓄電装置（バッテリ）とインバータとインバータによって駆動される電動機（モータ）とを動力源とする自動車である。

特開平８−１５４３０７号公報（特許文献１）は、外部充電機能を備えたハイブリッド自動車を開示する。このハイブリッド自動車は、外部充電器により充電し得るバッテリと、バッテリからの電力により車輪を駆動する電動機と、電動機の作動を制御する制御手段と、車輪の駆動のために直接的または間接的に使用される内燃機関と、外部充電器によりバッテリの充電が行なわれてからの走行時間に関係する量を算出する走行時間関係量算出手段とを備える。そして、制御手段は、走行時間関係量算出手段によって算出された走行時間関係量が所定量に達すると、電動機の出力を制限する。

このハイブリッド自動車においては、外部充電を行なわないで長時間走行すると電動機の出力が制限され、ドライバは外部充電を行なうように促される。したがって、このハイブリッド自動車によれば、内燃機関への依存度を低減させることができる。
特開平８−１５４３０７号公報 特開平５−２６０７８７号公報 特開２００５−３３８８６号公報

外部から充電して使用することを念頭におくと、二次電池でもたとえば鉛蓄電池のようにエネルギ密度の高い電池を搭載することが有利である。他方、このようなエネルギ密度の高い電池には、一般的には大電流を一気に放出したり受入れたりすることが苦手であるという特性を有している。

そこで、電気二重層コンデンサ等の蓄電用の大容量キャパシタを二次電池と組合せて使用することも考えられる。大容量キャパシタに急激な充放電部分を分担させれば、基本的には、二次電池に対する充放電は比較的単位時間あたりの充放電量を小さく抑えることができるので、小パワーを扱うように充放電に関連する回路構成を小型化することができる。

しかしながら、長時間の下り坂など回生電力を長時間受入れたほうが好ましい運転条件も存在する。このような場合には大容量キャパシタで回生電力を吸収しきれないと充放電に関連する回路が過負荷となったりするので、回生電力を熱等で捨てざるを得ない場合もある。

この発明の目的は、回生電力の回収率を維持しつつ回路構成が最適化された車両の電源装置を提供することである。

この発明は、要約すると、車両の電源装置であって、二次電池と、蓄電用のキャパシタと、二次電池とキャパシタの間に接続される電圧変換回路と、二次電池とキャパシタの間に電圧変換回路と並列的に接続される接続回路と、電圧変換回路のキャパシタ側に接続され車両推進用の回転電機を制御するインバータと、電圧変換回路、接続回路およびインバータの制御を行なう制御装置とを備える。制御装置は、回転電機が回生制動の開始をした時点では接続回路を開放状態として電圧変換回路を制御して回生電力をキャパシタと二次電池とに配分し、キャパシタの電圧が所定値に到達したら接続回路を閉じて二次電池に充電を行なう。

好ましくは、制御装置は、電圧変換回路を制御して回生電力を配分する際に、回転電機が回生制動の開始をした時点では二次電池への配分割合よりもキャパシタへの配分割合を多くし、その後二次電池への配分割合をキャパシタへの配分割合より多くする。

好ましくは、制御装置は、キャパシタに対する充電量が所定量に到達して接続回路を閉じる前に、インバータに対して弱め界磁制御を行ない誘起電圧を二次電池の電源電圧に近づける。

より好ましくは、車両の電源装置は、インバータを電圧変換回路に接続する経路とキャパシタとの間に設けられるスイッチをさらに備える。制御装置は、弱め界磁制御をインバータに行なって経路の電圧を二次電池の電源電圧に近づける際に、スイッチを導通状態から非導通状態に切り替える。

好ましくは、電圧変換回路は、二次電池の正極に一方端が接続されたリアクトルと、リアクトルの他方端とインバータの電源線との間に接続される上アームと、リアクトルの他方端とインバータの接地線との間に接続され、上アームと電流容量の略等しい下アームとを含む。

好ましくは、車両の電源装置は、二次電池に充電を行なうために車両外部から電力供給を受けるための接続部をさらに備える。

この発明によれば、回生電力の回収率を維持しつつコスト上昇を抑え、回路構成の最適化を図った車両用電源装置が実現できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態に係る車両の概略ブロック図である。
図１を参照して、この車両１００は、バッテリユニットＢＵと、昇圧コンバータ１０と、電源ラインＰＬ１，ＰＬ２と、接地ラインＳＬと、蓄電用の大容量キャパシタＣ３と、充電回路６と、エンジン４と、動力分配機構３と、車輪２とを含む。

バッテリユニットＢＵ中のバッテリＢ１は外部から充電することが可能な大容量で比較的低コストのエネルギ密度型のバッテリであり、急速放電ができないのでこれを補うために高速放電が可能な蓄電装置である大容量のキャパシタＣ３が設けられている。

充電回路６は、車両走行時にはバッテリユニットＢＵおよび昇圧コンバータ１０の負荷回路としても動作する。充電回路６は、インバータ２０，３０と、Ｕ相ラインＵＬ１，ＵＬ２と、Ｖ相ラインＶＬ１，ＶＬ２と、Ｗ相ラインＷＬ１，ＷＬ２と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２とを含む。

この車両１００は、車輪の駆動にモータとエンジンとを併用するハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）である。

動力分配機構３は、エンジン４とモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に結合されてこれらの間で動力を分配する機構である。たとえば動力分配機構としてはサンギヤ、プラネタリキャリヤ、リングギヤの３つの回転軸を有する遊星歯車機構を用いることができる。この３つの回転軸がエンジン４、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各回転軸にそれぞれ接続される。たとえば、モータジェネレータＭＧ１のロータを中空としてその中心にエンジン４のクランク軸を通すことで動力分配機構３にエンジン４とモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２とを機械的に接続することができる。

なお、モータジェネレータＭＧ２の回転軸は車輪２に図示しない減速ギヤや差動ギヤによって結合されている。また動力分配機構３の内部にモータジェネレータＭＧ２の回転軸に対する減速機をさらに組み込んでもよい。

そして、モータジェネレータＭＧ１は、エンジンによって駆動される発電機として動作し、かつ、エンジン始動を行ない得る電動機として動作するものとしてハイブリッド自動車に組み込まれ、モータジェネレータＭＧ２は、ハイブリッド自動車の駆動輪を駆動する電動機としてハイブリッド自動車に組み込まれる。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、たとえば、３相交流同期電動機である。モータジェネレータＭＧ１はＵ相コイルＵ１、Ｖ相コイルＶ１、Ｗ相コイルＷ１からなる３相コイルをステータコイルとして含む。モータジェネレータＭＧ２はＵ相コイルＵ２、Ｖ相コイルＶ２、Ｗ相コイルＷ２からなる３相コイルをステータコイルとして含む。

そして、モータジェネレータＭＧ１は、エンジン出力を用いて３相交流電圧を発生し、その発生した３相交流電圧をインバータ２０へ出力する。また、モータジェネレータＭＧ１は、インバータ２０から受ける３相交流電圧によって駆動力を発生し、エンジンの始動を行なう。

モータジェネレータＭＧ２は、インバータ３０から受ける３相交流電圧によって車両の駆動トルクを発生する。また、モータジェネレータＭＧ２は、車両の回生制動時、３相交流電圧を発生してインバータ３０へ出力する。

バッテリユニットＢＵは、負極が接地ラインＳＬに接続された蓄電装置であるバッテリＢ１と、バッテリＢ１の電圧ＶＢ１を測定する電圧センサ７０と、バッテリＢ１の電流ＩＢ１を測定する電流センサ８４とを含む。車両負荷は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、インバータ２０，３０と、インバータ２０，３０に昇圧した電圧を供給する昇圧コンバータ１０とを含む。

バッテリユニットＢＵにおいては、バッテリＢ１は、たとえば、ニッケル水素、リチウムイオンや鉛蓄電池等の二次電池を用いることができる。

バッテリユニットＢＵは、バッテリＢ１から出力される直流電圧を昇圧コンバータ１０へ出力する。また、昇圧コンバータ１０から出力される直流電圧によってバッテリユニットＢＵ内部のバッテリＢ１が充電される。

昇圧コンバータ１０は、リアクトルＬと、ｎｐｎ型トランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。リアクトルＬは、電源ラインＰＬ１に一端が接続され、ｎｐｎ型トランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。ｎｐｎ型トランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列に接続され、制御装置６０からの信号ＰＷＣをベースに受ける。そして、各ｎｐｎ型トランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続される。

なお、上記のｎｐｎ型トランジスタおよび以下の本明細書中のｎｐｎ型トランジスタとして、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることができ、またｎｐｎ型トランジスタに代えて、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）等の電力スイッチング素子を用いることができる。

インバータ２０は、Ｕ相アーム２２、Ｖ相アーム２４およびＷ相アーム２６を含む。Ｕ相アーム２２、Ｖ相アーム２４およびＷ相アーム２６は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に並列に接続される。

Ｕ相アーム２２は、直列に接続されたｎｐｎ型トランジスタＱ１１，Ｑ１２を含み、Ｖ相アーム２４は、直列に接続されたｎｐｎ型トランジスタＱ１３，Ｑ１４を含み、Ｗ相アーム２６は、直列に接続されたｎｐｎ型トランジスタＱ１５，Ｑ１６を含む。各ｎｐｎ型トランジスタＱ１１〜Ｑ１６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１１〜Ｄ１６がそれぞれ接続される。そして、各相アームにおける各ｎｐｎ型トランジスタの接続点は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ１，ＶＬ１，ＷＬ１を介してモータジェネレータＭＧ１の各相コイルの中性点Ｎ１と異なるコイル端にそれぞれ接続される。

インバータ３０は、Ｕ相アーム３２、Ｖ相アーム３４およびＷ相アーム３６を含む。Ｕ相アーム３２、Ｖ相アーム３４およびＷ相アーム３６は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に並列に接続される。

Ｕ相アーム３２は、直列に接続されたｎｐｎ型トランジスタＱ２１，Ｑ２２を含み、Ｖ相アーム３４は、直列に接続されたｎｐｎ型トランジスタＱ２３，Ｑ２４を含み、Ｗ相アーム３６は、直列に接続されたｎｐｎ型トランジスタＱ２５，Ｑ２６を含む。各ｎｐｎ型トランジスタＱ２１〜Ｑ２６のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ２１〜Ｄ２６がそれぞれ接続される。そして、インバータ３０においても、各相アームにおける各ｎｐｎ型トランジスタの接続点は、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相ラインＵＬ２，ＶＬ２，ＷＬ２を介してモータジェネレータＭＧ２の各相コイルの中性点Ｎ２と異なるコイル端にそれぞれ接続される。

車両１００は、さらに、平滑用のコンデンサＣ１，Ｃ２と、リレー回路４０と、コネクタ５０と、制御装置６０と、電力入力ラインＡＣＬ１，ＡＣＬ２と、電圧センサ７２，７３と、電流センサ８０，８２とを含む。コネクタ５０は、バッテリＢ１に充電を行なうために車両外部から電力供給を受けるための接続部である。

車両１００は、さらに、コネクタ５０に外部から与えられる電圧ＶＩＮを測定する電圧センサ７４を含む。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１と接地ラインＳＬとの間に接続され、電圧変動に起因するバッテリＢ１および昇圧コンバータ１０への影響を低減する。電源ラインＰＬ１と接地ラインＳＬとの間の電圧ＶＬは、電圧センサ７３で測定される。

コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に接続され、電圧変動に起因するインバータ２０，３０および昇圧コンバータ１０への影響を低減する。電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間の電圧ＶＨは、電圧センサ７２で測定される。

なお、コンデンサＣ１，Ｃ２に対して、キャパシタＣ３は保持可能な電荷量すなわちエネルギー量が大きい。コンデンサＣ１，Ｃ２にはたとえばフイルムコンデンサ等を用いることができ、キャパシタＣ３は電気二重層コンデンサ等の大容量のものを用いることができる。

昇圧コンバータ１０は、バッテリユニットＢＵから電源ラインＰＬ１を介して供給される直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２へ出力する。より具体的には、昇圧コンバータ１０は、制御装置６０からの信号ＰＷＣに基づいて、ｎｐｎ型トランジスタＱ２のスイッチング動作に応じて流れる電流をリアクトルＬに磁場エネルギを蓄積し、その蓄積したエネルギをｎｐｎ型トランジスタＱ２がＯＦＦされたタイミングに同期してダイオードＤ１を介して電源ラインＰＬ２へ電流を流すことによって放出することにより昇圧動作を行なう。

また、昇圧コンバータ１０は、制御装置６０からの信号ＰＷＣに基づいて、電源ラインＰＬ２を介してインバータ２０および３０のいずれか一方または両方から受ける直流電圧をバッテリユニットＢＵの電圧レベルに降圧してバッテリユニットＢＵ内部のバッテリを充電する。

インバータ２０は、制御装置６０からの信号ＰＷＭ１に基づいて、電源ラインＰＬ２から供給される直流電圧を３相交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１を駆動する。

これにより、モータジェネレータＭＧ１は、トルク指令値ＴＲ１によって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ２０は、エンジンからの出力を受けてモータジェネレータＭＧ１が発電した３相交流電圧を制御装置６０からの信号ＰＷＭ１に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を電源ラインＰＬ２へ出力する。

インバータ３０は、制御装置６０からの信号ＰＷＭ２に基づいて、電源ラインＰＬ２から供給される直流電圧を３相交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ２を駆動する。

これにより、モータジェネレータＭＧ２は、トルク指令値ＴＲ２によって指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ３０は、車両１００が搭載されたハイブリッド自動車の回生制動時、駆動軸からの回転力を受けてモータジェネレータＭＧ２が発電した３相交流電圧を制御装置６０からの信号ＰＷＭ２に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧を電源ラインＰＬ２へ出力する。

なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車を運転するドライバによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをＯＦＦすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。

リレー回路４０は、リレーＲＹ１，ＲＹ２を含む。リレーＲＹ１，ＲＹ２としては、たとえば、機械的な接点リレーを用いることができるが、半導体リレーを用いてもよい。リレーＲＹ１は、電力入力ラインＡＣＬ１とコネクタ５０との間に設けられ、制御装置６０からの制御信号ＣＮＴＬに応じてＯＮ／ＯＦＦされる。リレーＲＹ２は、電力入力ラインＡＣＬ２とコネクタ５０との間に設けられ、制御装置６０からの制御信号ＣＮＴＬに応じてＯＮ／ＯＦＦされる。

このリレー回路４０は、制御装置６０からの制御信号ＣＮＴＬに応じて、電力入力ラインＡＣＬ１，ＡＣＬ２とコネクタ５０との接続／切離しを行なう。すなわち、リレー回路４０は、制御装置６０からＨ（論理ハイ）レベルの制御信号ＣＮＴＬを受けると、電力入力ラインＡＣＬ１，ＡＣＬ２をコネクタ５０と電気的に接続し、制御装置６０からＬ（論理ロー）レベルの制御信号ＣＮＴＬを受けると、電力入力ラインＡＣＬ１，ＡＣＬ２をコネクタ５０から電気的に切離す。

コネクタ５０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の中性点Ｎ１，Ｎ２間に外部から電力を入力するための端子を含む。

たとえば、交流１００Ｖの商用電源５５からの入力電力を、コネクタ５０を介して車両に入力することができる。コネクタ５０への電源接続の有無は、電圧センサ７４測定される電力入力ラインＡＣＬ１，ＡＣＬ２の線間電圧ＶＩＮに基づき制御装置６０で判断される。

電圧センサ７０は、バッテリＢ１のバッテリ電圧ＶＢ１を検出し、その検出したバッテリ電圧ＶＢ１を制御装置６０へ出力する。電圧センサ７３は、コンデンサＣ１の両端の電圧、すなわち、昇圧コンバータ１０の入力電圧ＶＬを検出し、その検出した電圧ＶＬを制御装置６０へ出力する。電圧センサ７２は、コンデンサＣ２の両端の電圧、すなわち、昇圧コンバータ１０の出力電圧ＶＨ（インバータ２０，３０の入力電圧に相当する。以下同じ。）を検出し、その検出した電圧ＶＨを制御装置６０へ出力する。

電流センサ８０は、モータジェネレータＭＧ１に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１を検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴ１を制御装置６０へ出力する。電流センサ８２は、モータジェネレータＭＧ２に流れるモータ電流ＭＣＲＴ２を検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴ２を制御装置６０へ出力する。

制御装置６０は、外部に設けられるＥＣＵ（Electronic Control Unit）から出力されたモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２およびモータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２、電圧センサ７３からの電圧ＶＬ、ならびに電圧センサ７２からの電圧ＶＨに基づいて、昇圧コンバータ１０を駆動するための信号ＰＷＣを生成し、その生成した信号ＰＷＣを昇圧コンバータ１０へ出力する。

また、制御装置６０は、電圧ＶＨならびにモータジェネレータＭＧ１のモータ電流ＭＣＲＴ１およびトルク指令値ＴＲ１に基づいて、モータジェネレータＭＧ１を駆動するための信号ＰＷＭ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭ１をインバータ２０へ出力する。さらに、制御装置６０は、電圧ＶＨならびにモータジェネレータＭＧ２のモータ電流ＭＣＲＴ２およびトルク指令値ＴＲ２に基づいて、モータジェネレータＭＧ２を駆動するための信号ＰＷＭ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭ２をインバータ３０へ出力する。

ここで、制御装置６０は、イグニッションスイッチ（またはイグニッションキー）からの信号ＩＧおよびバッテリＢ１の充電状態ＳＯＣに基づいて、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の中性点Ｎ１，Ｎ２間に与えられる商用電源用の交流電圧からバッテリＢ１に対する充電が行なわれるようにインバータ２０，３０を制御するための信号ＰＷＭ１，ＰＷＭ２を生成する。

さらに、制御装置６０は、バッテリＢ１の充電状態ＳＯＣに基づいて、外部から充電可能かを判断し、充電可能と判断したときは、Ｈレベルの制御信号ＣＮＴＬをリレー回路４０へ出力する。一方、制御装置６０は、バッテリＢ１がほぼ満充電状態であり、充電可能でないと判断したときは、Ｌレベルの制御信号ＣＮＴＬをリレー回路４０へ出力し、信号ＩＧが停止状態を示す場合にはインバータ２０および３０を停止させる。

図２は、図１に示した制御装置６０の機能ブロック図である。
図２を参照して、制御装置６０は、コンバータ制御部６１と、第１のインバータ制御部６２と、第２のインバータ制御部６３と、電力入力制御部６４とを含む。コンバータ制御部６１は、バッテリ電圧ＶＢ１、電圧ＶＨ、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、およびモータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２に基づいて昇圧コンバータ１０のｎｐｎ型トランジスタＱ１，Ｑ２をＯＮ／ＯＦＦするための信号ＰＷＣを生成し、その生成した信号ＰＷＣを昇圧コンバータ１０へ出力する。

第１のインバータ制御部６２は、モータジェネレータＭＧ１のトルク指令値ＴＲ１およびモータ電流ＭＣＲＴ１ならびに電圧ＶＨに基づいてインバータ２０のｎｐｎ型トランジスタＱ１１〜Ｑ１６をＯＮ／ＯＦＦするための信号ＰＷＭ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭ１をインバータ２０へ出力する。

第２のインバータ制御部６３は、モータジェネレータＭＧ２のトルク指令値ＴＲ２およびモータ電流ＭＣＲＴ２ならびに電圧ＶＨに基づいてインバータ３０のｎｐｎ型トランジスタＱ２１〜Ｑ２６をＯＮ／ＯＦＦするための信号ＰＷＭ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭ２をインバータ３０へ出力する。

電力入力制御部６４は、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２およびモータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２に基づいてモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の駆動状態を判定し、信号ＩＧとバッテリＢ１のＳＯＣに応じて、インバータ２つを協調制御して外部から与えられる電力を直流に変換すると共に昇圧し、バッテリへの充電を行なう。

ここで、Ｈレベルの信号ＩＧは、車両１００が搭載されたハイブリッド自動車が起動されたことを意味する信号であり、Ｌレベルの信号ＩＧは、ハイブリッド自動車が停止されたことを意味する信号である。

そして、電力入力制御部６４は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の駆動状態が停止状態であり、信号ＩＧもハイブリッド自動車が停止していることを示している場合には、バッテリＢ１のＳＯＣが所定レベルよりも低ければ充電動作を行なわせる。具体的には、信号ＣＮＴＬによってリレーＲＹ１，ＲＹ２を導通させ、電圧ＶＩＮの入力があればこれに応じて制御信号ＣＴＬ１を生成しインバータ２０，３０を協調制御して外部から与えられる交流電圧を直流に変換すると共に昇圧し、バッテリへの充電を行なわせる。

一方、電力入力制御部６４は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の駆動状態が稼動状態であるかまたは信号ＩＧがハイブリッド自動車の運転中を示している場合、および、バッテリＢ１のＳＯＣが所定レベルよりも高い場合には、充電動作を行なわせない。具体的には、信号ＣＮＴＬによってリレーＲＹ１，ＲＹ２を開放させ、制御信号ＣＴＬ０を生成して、昇圧コンバータ１０とインバータ２０，３０に車両運転時の通常動作を行なわせる。

図３は、図２に示したコンバータ制御部６１の機能ブロック図である。
図３を参照して、コンバータ制御部６１は、インバータ入力電圧指令演算部１１２と、フィードバック電圧指令演算部１１４と、デューティー比演算部１１６と、ＰＷＭ信号変換部１１８とを含む。

インバータ入力電圧指令演算部１１２は、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２およびモータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２に基づいてインバータ入力電圧の最適値（目標値）、すなわち電圧指令ＶＨ＿ｃｏｍを演算し、その演算した電圧指令ＶＨ＿ｃｏｍをフィードバック電圧指令演算部１１４へ出力する。

フィードバック電圧指令演算部１１４は、電圧センサ７２によって検出される昇圧コンバータ１０の出力電圧ＶＨと、インバータ入力電圧指令演算部１１２からの電圧指令ＶＨ＿ｃｏｍとに基づいて、出力電圧ＶＨを電圧指令ＶＨ＿ｃｏｍに制御するためのフィードバック電圧指令ＶＨ＿ｃｏｍ＿ｆｂを演算し、その演算したフィードバック電圧指令ＶＨ＿ｃｏｍ＿ｆｂをデューティー比演算部１１６へ出力する。

デューティー比演算部１１６は、電圧センサ７０からのバッテリ電圧ＶＢ１と、フィードバック電圧指令演算部１１４からのフィードバック電圧指令ＶＨ＿ｃｏｍ＿ｆｂとに基づいて、昇圧コンバータ１０の出力電圧ＶＨを電圧指令ＶＨ＿ｃｏｍに制御するためのデューティー比を演算し、その演算したデューティー比をＰＷＭ信号変換部１１８へ出力する。

ＰＷＭ信号変換部１１８は、デューティー比演算部１１６から受けたデューティー比に基づいて昇圧コンバータ１０のｎｐｎ型トランジスタＱ１，Ｑ２をＯＮ／ＯＦＦするためのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成し、その生成したＰＷＭ信号を信号ＰＷＣとして昇圧コンバータ１０のｎｐｎ型トランジスタＱ１，Ｑ２へ出力する。

なお、昇圧コンバータ１０の下アームのｎｐｎ型トランジスタＱ２のＯＮデューティーを大きくすることによりリアクトルＬにおける電力蓄積が大きくなるため、より高電圧の出力を得ることができる。一方、上アームのｎｐｎ型トランジスタＱ１のＯＮデューティーを大きくすることにより電源ラインＰＬ２の電圧が下がる。そこで、ｎｐｎ型トランジスタＱ１，Ｑ２のデューティー比を制御することで、電源ラインＰＬ２の電圧をバッテリＢ１の出力電圧以上の任意の電圧に制御することができる。

さらに、ＰＷＭ信号変換部１１８は、制御信号ＣＴＬ１が活性化しているときは、デューティー比演算部１１６の出力に拘わらず、ｎｐｎ型トランジスタＱ１を導通状態とし、ｎｐｎ型トランジスタＱ２を非導通状態とする。これにより、電源ラインＰＬ２から電源ラインＰＬ１に向けて充電電流を流すことが可能となる。

図４は、図２に示した第１および第２のインバータ制御部６２，６３の機能ブロック図である。

図４を参照して、第１および第２のインバータ制御部６２，６３の各々は、モータ制御用相電圧演算部１２０と、ＰＷＭ信号変換部１２２とを含む。

モータ制御用相電圧演算部１２０は、インバータ２０，３０の入力電圧ＶＨを電圧センサ７２から受け、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の各相に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１（またはＭＣＲＴ２）を電流センサ８０（または８２）から受け、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）をＥＣＵから受ける。そして、モータ制御用相電圧演算部１２０は、これらの入力値に基づいて、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の各相コイルに印加する電圧を演算し、その演算した各相コイル電圧をＰＷＭ信号変換部１２２へ出力する。

ＰＷＭ信号変換部１２２は、電力入力制御部６４から制御信号ＣＴＬ０を受けると、モータ制御用相電圧演算部１２０から受ける各相コイル電圧指令に基づいて、実際にインバータ２０（または３０）の各ｎｐｎ型トランジスタＱ１１〜Ｑ１６（またはＱ２１〜Ｑ２６）をＯＮ／ＯＦＦする信号ＰＷＭ１＿０（信号ＰＷＭ１の一種）（またはＰＷＭ２＿０（信号ＰＷＭ２の一種））を生成し、その生成した信号ＰＷＭ１＿０（またはＰＷＭ２＿０）をインバータ２０（または３０）の各ｎｐｎ型トランジスタＱ１１〜Ｑ１６（またはＱ２１〜Ｑ２６）へ出力する。

このようにして、各ｎｐｎ型トランジスタＱ１１〜Ｑ１６（またはＱ２１〜Ｑ２６）がスイッチング制御され、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）が指令されたトルクを出力するようにモータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の各相に流す電流が制御される。その結果、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）に応じたモータトルクが出力される。

また、ＰＷＭ信号変換部１２２は、電力入力制御部６４から制御信号ＣＴＬ１を受けると、モータ制御用相電圧演算部１２０の出力に拘わらず、インバータ２０（または３０）のＵ相アーム２２（または３２）、Ｖ相アーム２４（または３４）およびＷ相アーム２６（または３６）に同位相の交流電流を流すようにｎｐｎ型トランジスタＱ１１〜Ｑ１６（またはＱ２１〜Ｑ２６）をＯＮ／ＯＦＦする信号ＰＷＭ１＿１（信号ＰＷＭ１の一種）（またはＰＷＭ２＿１（信号ＰＷＭ２の一種））を生成し、その生成した信号ＰＷＭ１＿１（またはＰＷＭ２＿１）をインバータ２０（または３０）のｎｐｎ型トランジスタＱ１１〜Ｑ１６（またはＱ２１〜Ｑ２６）へ出力する。

Ｕ，Ｖ，Ｗの各相コイルに同位相の交流電流が流れる場合には、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２には回転トルクは発生しない。そしてインバータ２０および３０が協調制御されることにより交流の電圧ＶＩＮが直流の充電電圧に変換される。

次に、本実施の形態において、回生制動時に大容量キャパシタＣ３およびバッテリＢ１にエネルギを回収する手順について説明を行なう。

再び図１を参照して、車両１００は、二次電池であるバッテリＢ１と蓄電用のキャパシタＣ３の間に接続される昇圧コンバータ１０と、バッテリＢ１とキャパシタＣ３の間に昇圧コンバータ１０と並列的に接続される接続回路１１をさらに備える。接続回路１１は、たとえば、ＩＧＢＴ素子であるトランジスタＱ３を含む。トランジスタＱ３は制御装置６０から与えられる制御信号ＰＷＣ２によって導通／非導通が制御される。

車両推進用の回転電機を制御するインバータ２０，３０は、昇圧コンバータ１０のキャパシタＣ３側に接続される。制御装置６０は、昇圧コンバータ１０、接続回路１１およびインバータ２０，３０の制御を行なう。制御装置６０は、モータジェネレータＭＧ２が回生制動の開始をした時点では接続回路１１を開放状態としてキャパシタＣ３に充電を行ないつつ昇圧コンバータ１０を制御してバッテリＢ１に対する充電量をゼロから次第に増加させる。そして制御装置６０は、キャパシタＣ３に対する充電量が所定量に到達したら接続回路１１を閉じてバッテリＢ１に対する充電量を増加させる。

昇圧コンバータ１０は、バッテリＢ１の正極に一方端が接続されたリアクトルＬと、リアクトルＬの他方端と電源ラインＰＬ２との間に接続される上アームと、リアクトルＬの他方端と接地ラインＳＬとの間に接続され、上アームと電流容量の略等しい下アームとを含む。このように昇圧コンバータとしては上アームと下アームの電流容量は略等しいのが一般的であり安価なコストで入手が可能である。上アームのみ回生時に供えて電流容量を大きくすることは一般的ではない。力行時に昇圧コンバータの性能を合わせると、回生時には昇圧コンバータの過負荷を避けるため回生電力を捨てざるを得ない場合がある。逆に回生時に昇圧コンバータの性能をあわせると力行時に対しては過剰性能となり、コスト高となる。そこで、本実施の形態においては、接続回路１１を別途設けて回生制動が長時間続く場合にも、回生電力をバッテリＢ１に回収可能としている。

制御装置６０は、キャパシタＣ３に対する充電量が所定量に到達して接続回路１１を閉じる前に、インバータ２０，３０に対して弱め界磁制御を行ない誘起電圧をバッテリＢ１の電源電圧に近づける。このようにすることで、モータ制御が破綻するのを避けることができる。

図５は、弱め界磁制御を説明するためのモータのベクトル図である。
図５においてｑ軸は、電圧のｑ軸成分（ロータ永久磁石の磁極方向に直交する成分でトルクを発生する成分）を示し、ｄ軸は電圧のｄ軸成分（ロータ永久磁石の磁極方向の成分でトルクを発生しない成分）を示す。矢印ＯＣは、回生時にモータジェネレータＭＧ２で発生する誘起電圧であり、ロータ角速度ωと磁束φによって定まる。

矢印ＣＤは、モータパラメータＬｑとｑ軸電流Ｉｑとの積で表される電圧であり、モータにトルクを発生させる成分である。矢印ＤＡは、モータパラメータＬｄとｄ軸電流との積で表される電圧であり、トルクを発生させず電圧降下を起こさせる成分である。

また、矢印ＯＡは、図１のインバータ３０と昇圧コンバータ１０とが接続されている部分の電圧ＶＨ、すなわち電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間の線間電圧を示す。

一般に、モータは内部にコイル成分を持ち、回転数が高くなると誘起電圧が大きくなる。印加電圧（インバータの昇圧コンバータ側の電圧ＶＨ）よりも誘起電圧が高くなるとモータは制御不能に陥ってしまう。したがって、回転数が高くなると、インバータにおいて電流波形の位相を進めて誘起電圧を下げる弱め界磁制御が実施される。

回生当初の時刻ｔ０〜ｔ１においては、大容量キャパシタＣ３に回生エネルギの受入れが可能であるので、バッテリＢ１への充電電流は少なくてもよい。このため、昇圧コンバータ１０において、たとえば、ＶＨ＝５００ＶからＶＢ＝２００Ｖへの変換が行なわれる。したがって、インバータ３０で行なわれる弱め界磁は矢印ＤＡで示される。

しかし、大容量キャパシタＣ３が充電され、回生エネルギの受入れ可能量が減ってくると、より多くの充電電流をバッテリＢ１に流さないと回生エネルギを捨てなければならない。なるべくならば、回生エネルギを捨てずにバッテリＢ１に回収するのが望ましい。しかし、昇圧コンバータ１０の能力は力行時の必要能力に合わせているので、この動作は昇圧コンバータ１０の能力を超えてしまう。

そこで、接続回路１１を使用して、電源ラインＰＬ２と電源ラインＰＬ１とを直結する。図１には接続回路１１はトランジスタＱ３を使用した例が示されるが、リレーでも良い。

しかし、インバータ３０の入力側電圧をいきなりバッテリ電圧と等しくすると、先に述べたようにモータが制御不能に陥るおそれがある。したがって、時刻ｔ１〜ｔ２においてインバータ３０によって矢印ＤＢに示されるような一層の弱め界磁を行なって、電圧ＶＨをバッテリ電圧ＶＢと等しくしてから接続回路１１を接続する。

図６は、回生時の動作を説明するための動作波形図である。
図７は、回生時に制御装置６０において実行されるプログラムの制御構造を示したフローチャートである。このフローチャートの処理は、所定時間経過ごとまたは所定条件が成立するごとにメインルーチンから呼び出されて実行される。

図６、図７を参照して、時刻ｔ０において長い下り坂等に車両がさしかかり、回生制動が開始される。その結果たとえば２０ｋＷの回生電力が回収されるが、当初はキャパシタＣ３に大部分が受入れられるが、その一部は昇圧コンバータを経由してバッテリＢ１に受入れられ徐々にその分担割合が増加される。この間ステップＳ１において電圧ＶＨが監視され、ステップＳ２においてキャパシタＣ３が満充電になったか否かが判断されている。キャパシタＣ３が満充電になったか否かの判断は、電圧ＶＨが所定の電圧ＶＨＦに到達したことをもって満充電と判断する。ステップＳ２でキャパシタＣ３がまだ満充電に至っていないと判断された場合はメインルーチンに処理が戻り、キャパシタへの充電が継続される。

ステップＳ２でキャパシタＣ３が満充電に至ったと判断された場合には、ステップＳ３に処理が進み制御装置はキャパシタＣ３を電源ラインＰＬ２から切離す。この時点が図６の時刻ｔ１に相当する。

図１の車両１００は、インバータ２０，３０を昇圧コンバータ１０に接続する電源ラインＰＬ２とキャパシタＣ３との間に設けられるスイッチＳＷをさらに備える。制御装置６０は、弱め界磁制御をインバータ２０，３０に行なって電源ラインＰＬ２の電圧をバッテリＢ１の電源電圧に近づける際に、スイッチＳＷを導通状態から非導通状態に切り替える。このようにすることで、後の力行時に再び電源ラインＰＬ２の電圧を上げたときにスイッチＳＷを閉じれば、キャパシタＣ３に回収した電力をその後有効に使用することができる。

ステップＳ３の処理が終了するとステップＳ４の処理が実行される。ステップＳ４では、制御装置６０は、電圧ＶＨをバッテリＢ１の電源電圧ＶＢに下げるための電流Ｉｄ，Ｉｑの指令値を算出する。そして、制御装置６０は、ステップＳ４で算出した指令値に一致するようにインバータ３０を電流制御する。その後ステップＳ６において電圧ＶＨがバッテリＢ１の電源電圧ＶＢに略等しくなったかどうかが判断される。具体的にはＶＢ±所定のしきい値電圧の範囲に電圧ＶＨが収まったかどうかを見ればよい。

ステップＳ６で未だＶＨがＶＢ近くまで下がっていないと判断された場合には処理はステップＳ５に戻り電流制御が続行される。

ステップＳ６でＶＨがＶＢ近くまで下がったと判断された場合には処理はステップＳ７に進む。この時点が図６の時刻ｔ２に相当する。

そして、制御装置６０は制御信号ＰＷＣ２を用いて接続回路１１を導通させ電源ラインＰＬ１とＰＬ２とを接続する。この時点が図６の時刻ｔ３に相当する。そして、昇圧コンバータ１０は、動作停止状態とされバッテリＢ１が直接電源ラインＰＬ２に接続された状態でバッテリＢ１への充電が続行される。

ステップＳ７の処理が終了すると、制御は所定のメインルーチンに移される。
以上説明したように、本実施の形態の車両では、大容量のキャパシタＣ３を搭載し、バッテリＢ１の充放電に関する回路の一つである昇圧コンバータ１０の小型化がなされた場合であっても、回生電力をなるべく捨てずに回収することができる。

このような構成は、特に、外部から充電するのに適したエネルギ密度の高いバッテリを搭載する車両に好適に適用が可能である。

なお、本実施の形態では動力分割機構によりエンジンの動力を車軸と発電機とに分割して伝達可能なシリーズ／パラレル型ハイブリッドシステムに適用した例を示した。しかし本発明は、発電機を駆動するためにのみエンジンを用い、発電機により発電された電力を使うモータでのみ車軸の駆動力を発生させるシリーズ型ハイブリッド自動車や、モータのみで走行する電気自動車にも適用できる。これらの構成は、いずれも車軸とモータまたは発電機とが接続されており、減速時の回生エネルギを回収しバッテリに蓄えることが可能であるため本発明が適用可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態に係る車両の概略ブロック図である。 図１に示した制御装置６０の機能ブロック図である。 図２に示したコンバータ制御部６１の機能ブロック図である。 図２に示した第１および第２のインバータ制御部６２，６３の機能ブロック図である。 弱め界磁制御を説明するためのモータのベクトル図である。 回生時の動作を説明するための動作波形図である。 回生時に制御装置６０において実行されるプログラムの制御構造を示したフローチャートである。

符号の説明

２ 車輪、３ 動力分配機構、４ エンジン、６ 充電回路、１０ 昇圧コンバータ、１１ 接続回路、２０，３０ インバータ、２２，３２ Ｕ相アーム、２４，３４ Ｖ相アーム、２６，３６ Ｗ相アーム、４０ リレー回路、５０ コネクタ、５５ 商用電源、６０ 制御装置、６１ コンバータ制御部、６２，６３ インバータ制御部、６４ 電力入力制御部、７０，７２，７３，７４ 電圧センサ、８０，８２，８４ 電流センサ、１００ 車両、１１２ インバータ入力電圧指令演算部、１１４ フィードバック電圧指令演算部、１１６ デューティー比演算部、１１８，１２２ ＰＷＭ信号変換部、１２０ モータ制御用相電圧演算部、ＡＣＬ１，ＡＣＬ２ 電力入力ライン、Ｂ１ バッテリ、ＢＵ バッテリユニット、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｃ３ 大容量キャパシタ、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６ ダイオード、Ｌ リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｎ１，Ｎ２ 中性点、ＰＬ１，ＰＬ２ 電源ライン、Ｑ１〜Ｑ３，Ｑ１１〜Ｑ１６，Ｑ２１〜Ｑ２６ トランジスタ、ＲＹ１，ＲＹ２ リレー、ＳＬ 接地ライン、ＳＷ スイッチ、Ｕ１，Ｕ２ Ｕ相コイル、ＵＬ１，ＵＬ２ Ｕ相ライン、Ｖ１，Ｖ２ Ｖ相コイル、ＶＬ１，ＶＬ２ 相ライン、Ｗ１，Ｗ２ Ｗ相コイル、ＷＬ１，ＷＬ２ Ｗ相ライン。

Claims (6)

1. 二次電池と、
   蓄電用のキャパシタと、
   前記二次電池と前記キャパシタの間に接続される電圧変換回路と、
   前記二次電池と前記キャパシタの間に前記電圧変換回路と並列的に接続される接続回路と、
   前記電圧変換回路の前記キャパシタ側に接続され車両推進用の回転電機を制御するインバータと、
   前記電圧変換回路、前記接続回路および前記インバータの制御を行なう制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記回転電機が回生制動の開始をした時点では前記接続回路を開放状態として前記電圧変換回路を制御して回生電力を前記キャパシタと前記二次電池とに配分し、前記キャパシタの電圧が所定値に到達したら前記接続回路を閉じて前記二次電池に充電を行なう、車両の電源装置。
2. 前記制御装置は、前記電圧変換回路を制御して回生電力を配分する際に、前記回転電機が回生制動の開始をした時点では前記二次電池への配分割合よりも前記キャパシタへの配分割合を多くし、その後前記二次電池への配分割合を前記キャパシタへの配分割合より多くする、請求項１に記載の車両の電源装置。
3. 前記制御装置は、前記キャパシタに対する充電量が前記所定量に到達して前記接続回路を閉じる前に、前記インバータに対して弱め界磁制御を行ない誘起電圧を前記二次電池の電源電圧に近づける、請求項１に記載の車両の電源装置。
4. 前記インバータを前記電圧変換回路に接続する経路と前記キャパシタとの間に設けられるスイッチをさらに備え、
   前記制御装置は、前記弱め界磁制御を前記インバータに行なって前記経路の電圧を前記二次電池の電源電圧に近づける際に、前記スイッチを導通状態から非導通状態に切り替える、請求項３に記載の車両の電源装置。
5. 前記電圧変換回路は、
   前記二次電池の正極に一方端が接続されたリアクトルと、
   前記リアクトルの他方端と前記インバータの電源線との間に接続される上アームと、
   前記リアクトルの前記他方端と前記インバータの接地線との間に接続され、前記上アームと電流容量の略等しい下アームとを含む、請求項１に記載の車両の電源装置。
6. 前記二次電池に充電を行なうために車両外部から電力供給を受けるための接続部をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の車両の電源装置。

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