JP2007269208A - 車両のハイブリッドシステム - Google Patents

Abstract

【課題】発電機出力の周波数又は電圧をエンジン回転数に依存せずに制御可能とし、電動機のトルク及び回転数を任意に調整可能とする車両のハイブリッドシステムを提供する。
【解決手段】エンジンにより発電機が駆動され、該発電機により発電された電力が直接供給されて車輪駆動用の電動機が駆動される車両のハイブリッドシステムにおいて、車両の要求出力に応じて電動機の要求出力を設定し、設定された電動機の要求出力に応じて発電機の要求出力を設定し、設定された発電機の要求出力に応じてエンジン出力を設定する。上記発電機は、界磁コイルを備え該発電機にて形成される界磁場を調整する界磁場調整手段を備える。界磁調整手段は、該界磁コイルに変動交流電流を流すとともに、該変動交流電流の電流値又は電流周期を変更することで、上記発電機電圧又は周波数が調整可能である。
【選択図】図８

Description

本発明は、エンジンの動力で発電機を駆動し、その発電機の発電力で電動機を駆動する車両のハイブリッドシステムに関する。

従来、電動機を駆動させる動力源として、エンジン，発電機，バッテリ等の複数の動力源を組み合わせ、状況に応じてそれら動力源を同時に又は個々に作動させて走行するハイブリッドシステムを搭載した車両が知られている。例えば特許文献１には、シリーズタイプのハイブリッドシステムが開示されている。

特開２００５−３３８８６号公報

ところで、シリーズタイプのハイブリッドシステムの場合、発電機及び電動機とバッテリとの間には、交流−直流変換用のインバータや変圧や周波数変換用のコンバータ等の構成が設定されるのが一般的であるが、それらにおける変換時、大きな電力損失が発生することが知られている。
そこで、上記インバータやコンバータを廃止したいという要求がある。ところが、上記シリーズタイプのハイブリッドシステムにおいて、単に、インバータやコンバータを廃止すると、発電機から電動機へ直接に送電されることになり、動力源であるエンジンの出力が電動機の要求出力に応じて調整されるが、ここでは、発電電力のみ調整可能であり、発電機からの出力電流の周波数が常時エンジンの回転数に同期するため、発電周波数の調整が不可能であった。

この発明は、上記技術的課題に鑑みてなされたもので、発電機出力の周波数又は電圧をエンジン回転数に依存せずに制御可能とし、電動機のトルク及び回転数を任意に調整可能とする車両のハイブリッドシステムを提供することを目的とする。

そこで、本願の請求項１に係る発明は、エンジンにより発電機が駆動され、該発電機により発電された電力が直接供給されて車輪駆動用の電動機が駆動される車両のハイブリッドシステムにおいて、車両の要求出力に応じて電動機の要求出力を設定する電動機要求出力設定手段と、上記電動機要求出力設定手段により設定された電動機の要求出力に応じて発電機の要求出力を設定する発電機要求出力設定手段と、上記発電機要求出力設定手段により設定された発電機の要求出力に応じてエンジン出力を設定するエンジン出力設定手段と、を有しており、上記発電機は、界磁コイルを備え該発電機にて形成される界磁場を調整する界磁場調整手段を備えており、該界磁調整手段は、該界磁コイルに変動交流電流を流すとともに、該変動交流電流の電流値又は電流周期を変更することで、上記発電機電圧又は周波数が調整可能である、ことを特徴としたものである。

また、本願の請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、上記変動電流が正弦波電流である、ことを特徴としたものである。

更に、本願の請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、上記発電機とインバータ及びコンバータを順に介して接続されるバッテリと、上記発電機とバッテリとの間における電気的な接続状態を切り換える第１の切換手段と、上記発電機と電動機との間における電気的な接続状態を切り換える第２の切換手段と、上記バッテリから電動機への電力供給，上記発電機からバッテリへの充電を行えるように、上記第１及び第２の切換手段を制御する切換制御手段と、を有しており、上記切換制御手段は、上記発電機が低回転状態にあるとき、上記バッテリから電動機を駆動するように切換制御する、ことを特徴としたものである。

また、更に、本願の請求項４に係る発明は、請求項１〜３に係る発明のいずれかにおいて、上記変動電流値及び変動電流周期が、車両の路面勾配に応じて変更される、ことを特徴としたものである。

また、更に、本願の請求項５に係る発明は、請求項４に係る発明において、上記変動電流値及び変動電流周期が、車両の車速に応じて変更される、ことを特徴としたものである。

また、更に、本願の請求項６に係る発明は、請求項１〜５に係る発明のいずれかにおいて、上記界磁場調整手段が、上記界磁コイルに加えて、上記発電機にて形成される界磁場を調整する磁石を備えている、ことを特徴としたものである。

本願の請求項１に係る発明によれば、発電機と電動機との間にインバータやコンバータが介在することがなく、発電機により発電された電力が直接電動機に供給されるため、インバータやコンバータ電力損失を抑制することができる。また、発電機出力の周波数又は電圧をエンジン回転数に依存しない制御が可能となり、電動機のトルク及び回転数を任意に調整することができる。

また、本願の請求項２に係る発明によれば、界磁コイルに付加される変動交流電流として正弦波電流が用いられることで、界磁コイルでの高調破損発生を抑制し、また、スムーズな動作を実現することができる。

更に、本願の請求項３に係る発明によれば、発電機におけるロータの角度センサの性能限界から界磁電流の制御が難しい低回転状態では、通常のインバータ及びコンバータを介した電動機制御に切り換え、安定した制御性を確保する。

また、更に、本願の請求項４に係る発明によれば、路面勾配に応じて電動機特性を容易に変更することができる。

また、更に、本願の請求項５に係る発明によれば、車両の車速に応じて電動機特性を容易に変更することができる。

また、更に、本願の請求項６に係る発明によれば、磁石によってもたらされる一定の界磁を相殺するように界磁コイルに変動交流電流を流すことで、電力消費を抑制しつつ周波数成分を生成することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る車両のハイブリッドシステムの基本構成を示す図である。このハイブリッドシステム１は、所謂ダイレクトシリーズタイプのシステムであって、基本構成として、それぞれ相互に電気的に接続されたエンジン２と、エンジン２により駆動される発電機３と、該発電機３により発電された電力で駆動される電動機（モータ）８を有している。本実施形態では、発電機３とモータ８とがスイッチング素子７（特許請求の範囲中の「第２の切換手段」に該当）を介して直接的に接続されており、モータ８の駆動は、基本的に、スイッチング素子７がオンされることにより、発電機３から電力が直接に供給されつつ行われる。なお、スイッチング素子７としては、機械的なリレースイッチ若しくは半導体スイッチのいずれでも適用可能である。

発電機３は、エンジン２の出力に基づき三相交流電力を発生するもので、モータ８にスイッチング素子７を介して接続されるのに加え、インバータ４，コンバータ５を順に介してバッテリ６と接続されている。バッテリ６における蓄電状態では、インバータ４により発電機３からの交流電力が直流電力に変換され、また、コンバータ５により直流電力の電圧及び周波数が変更される。また、一方、バッテリ６における放電状態では、蓄電状態とは逆に、コンバータ５によりバッテリ６からの直流電力の電圧及び周波数が変更され、また、インバータ４により直流電力が交流電力に変換される。インバータ４は、半導体スイッチング素子からなる８個の内部スイッチ４ａ（特許請求の範囲中の「第１の切換手段」に該当）を備えており（図１では代表して一つのみ示している。）、発電機３とバッテリ６との間では、この内部スイッチ４ａの切換えによって、送電が制御されるようになっている。

また、モータ８は、発電機３及びバッテリ６から供給される三相交流電力により駆動されるもので、通常知られるように、デファレンシャルギヤからなる減速機９に接続され、車軸を介してタイヤ１０に取り付けられている。なお、例えば車両が下り坂で減速する場合には、モータ８により三相交流電力が発電され（すなわち発電が行われ）、その電力が発電機８，インバータ４，コンバータ５を順に介してバッテリ６へ供給され、蓄電される。

ハイブリッドシステム１では、前述したように、通常の走行状態において、発電機３により発電された電力がモータ８へ直接供給されるが、本実施形態においては、このハイブリッドシステム１が、エンジン出力と車両の要求出力とを精度良く連動させるように制御されるようになっている。以下、かかるダイレクトシリーズ制御について説明する。

基本的には、このハイブリッドシステム１では、車速，ドライバのアクセルペダル又はブレーキペダルの踏込み量に基づき決まる車両の要求出力に応じて、まず、モータ８の要求出力が設定され、その後、モータ８の要求出力に応じて、発電機３の要求出力が設定され、最後に、発電機３の要求出力に応じてエンジン出力が設定されるようになっている。図２は、エンジン出力と車両の要求出力とを精度良く連動させることを目的としたハイブリッドシステム１のダイレクトシリーズ制御処理についてのフローチャートであり、なお、参考までに、かかるダイレクトシリーズ制御処理についての様々なパラメータが具体的に示されたブロック図を、図３としてあらわす。

図２から分かるように、このハイブリッドシステム１では、ドライバによるアクセルペダルの踏込み量に対応したアクセルペダル開度（＃１１），現在車速（＃１２）がそれぞれ検出され、検出されたそれらの情報を入力値として、車速とモータトルクとの関係をあらわすべく予め設定された「速度⇔トルク」マップ（＃１３）に基づき、モータ６で発生されるべきトルク（モータ発生トルク）が決定される（＃１４）。

その後、＃１４で決定されたモータ発生トルク及び別に検出されたバッテリ電圧（＃１５）を入力値として、モータトルクとモータ電流との関係をあらわすべく予め設定された「トルク⇔電流」マップ（＃１６）に基づき、モータ要求電流が決定される（＃１７）。

一方、＃１４でモータ発生トルクが決定された後、モータ回転数が計測され（＃１８）、現在車速が判定される。この現在車速は、＃１２での現在車速に該当するもので、モータ発生トルクを導出する上で常に判定される。この現在車速を入力値として、「速度⇔電圧」マップ（＃１９）に基づき、モータ要求電圧が決定される（＃２０）。

その後、＃１７で決定されたモータ要求電流と＃２０で決定されたモータ要求電圧とに基づき決定されるモータ要求出力、及び、＃４０で計測されるエンジン回転数を入力値として、エンジン動作点マップ（＃２１）に基づき、発電機３の吸収トルクが決定される（＃２２）。なお、この吸収トルクとは、図４を参照しながら後述するエンジントルクと発電機トルクとが等しく釣り合うトルクに該当する。続いて、発電機回転数が決定される（＃２３）。そして、発電機３の吸収トルク及び回転数に基づき、必要に応じて、発電機３の発電が実行される（＃２４）

また、＃１７で決定されたモータ要求電流及び＃２０で決定されたモータ要求電圧に基づき決まるモータ要求出力（＃２５）が高い場合には、発電機３の効率マップ（＃２６）及びエンジン２の効率マップ（＃２７）並びにエンジン２の出力マップ（＃２８）に基づき、スロットルバルブ（不図示）の開度が調整され（＃２９）、エンジン２の出力が調整される（＃３０）。他方、モータ８の要求出力が低い場合には、結果的に、エンジン２が停止させられ（＃３７）、バッテリ６の供給電力のみでモータ８が駆動されるＥＶ走行（＃３８）とされる。

更に、＃１７で決定されたモータ要求電流及び＃２０で決定されたモータ要求電圧に基づき決まるモータ要求出力（＃２５）に基づき、必要に応じて、モータ充放電が実行される（＃３３）。

また、一方、発電機３の充放電（＃２４）及びモータ８の充放電（＃３３）に基づき、バッテリ６の蓄電量（ＳＯＣ）の変動が検出される（＃３２）とともに、現在車速（＃１２）及び加減速（＃３３）に基づき、ＳＯＣ変動の将来予測が行われ（＃３４）、その後、＃３２及び＃３４の結果に基づき、エンジン２のオンオフが判断される（＃３５）。具体的には、ＳＯＣが所定の閾値より小さくなると判断されれば、ＳＯＣが不足として、エンジン２がオンされ、発電機３が力行させられる（＃３９）。＃３９の後には、エンジン回転数が計測され（＃４０）、続いて、計測されたエンジン回転数がＯＫ又はＮＧであるかが判定される（＃４１）。その結果、ＮＧであれば、＃３９へ戻り、ＯＫであれば、続いて、エンジン２での燃料噴射が行われ、着火が開始される（＃４２）。その後、発電機３の力行が停止させられる（＃４３）。

他方、＃３５において、ＳＯＣが所定の閾値より大きければ、ＳＯＣが過剰であるとして、エンジン２がオフされる必要がありと判断され、燃料供給がカットされ（＃３６）、エンジン２が停止させられる（＃３７）。その結果として、車両のＥＶ走行（＃３８）が実現される。

以上のように、このハイブリッドシステム１では、バッテリ６による電力の補完を要することないように、動力源であるエンジン２の出力が車両の要求出力に精度良く連動させられ、その結果、要求駆動力に応じて安定した走行が実現可能である。

次に、図４には、エンジン２又は発電機３の回転数を横軸、エンジントルクと発電機トルクとが等しく釣り合うトルク（以下、釣合いトルクという）を縦軸としたグラフを示す。このグラフにおいて、符号Ｐは、モータ８の負荷をパラメータとして互いに異なる複数のモータ要求出力線（以下、等出力ラインという）をあらわし、また、符号Ｑは、最大トルクラインをあらわし、更に、略楕円形の領域及びそれを取り囲む複数の帯状領域からなる領域を指示する符号Ｓは、エンジン２と発電機３との組合せ効率が良い領域、より厳密には、エンジン２の熱効率と発電機３の効率との積が所定以上となるエンジン高効率領域をあらわしている。なお、これらの領域については、内側の領域であるほど、効率の良い領域である。制御ラインＬは、等出力ラインＰと高効率領域Ｓとの交点の一部が、モータ要求出力の上昇に応じて釣合いトルク及びエンジン回転数が増加するように繋がれてなるライン、本実施形態では、特に、等出力線Ｐ上における最大効率点（すなわち燃費効率が最も良いとされる点）が繋がれてなる包絡線として設定されるラインである。そして、発電機３の目標トルク及び目標回転数は、発電機３の要求出力と制御ラインＬとに基づいて設定される。

また、本実施形態では、制御ラインＬが、エンジン高効率領域Ｓよりも低回転領域において、エンジン回転数の低下に伴い発電機３の目標トルクが急激に０になるよう設定されている（図中の符号Ｌ１を付した箇所）。更に、本実施形態では、制御ラインＬが、エンジン高効率領域Ｓの最大トルクよりも高トルク領域（すなわち、最大トルクラインＱよりも上方の領域）において、エンジン回転数の増加に伴い発電機３の目標トルクが急激に増加するよう設定されている（図中の符号Ｌ２を付した箇所）。

このように、モータの負荷に応じて釣合いトルク及びエンジン回転数が増加するような制御ラインＬに基づいて、発電機３やエンジン２のトルク及び回転数が設定されるため、発電機３及びエンジン２の出力をモータ要求出力に対して精度良く連動させることができる。また、制御ラインＬは、等出力線Ｐ上における最大効率点が繋がれてなる包絡線として設定されるため、最高燃費効率での走行が可能となり、燃費向上が実現され得る。更に、エンジン２の燃焼が不安定な低回転領域では、発電機３の目標トルクが０に設定されることでエンジン２の作動が停止され、燃費悪化を抑制することができる。また、この場合には、エンジン２の始動時に、エンジン２の発生トルクが全て発電機３の回転上昇に費やされるため迅速な起動が可能となる。また、更に、エンジン高効率領域Ｓの最大トルクよりも高トルク領域（すなわち、最大トルクラインＱよりも上方の領域）において、エンジン回転数の増加に伴い発電機３の目標トルクが急激に増加するため、エンジン２及び発電機３の高回転で使用されることが抑制され、信頼性が確保され得る。

以上、モータ要求出力とエンジン出力との連動精度を確保する工夫について説明したが、発電機３とモータ８とが直結されたハイブリッドシステム１においては、通常の走行状態にて車両の要求出力とエンジン２の出力との間の良好な連動精度を確保し得るものの、例えば停車状態からの発進時，急な速度変動，坂道でのトルクをかけた状態での停止等の走行状態に対応して良好な連動精度を確保することができず、かかる場合に、エンジン出力変化の応答遅れにより発電機３においてオーバシュートやアンダシュートが発生するが、その影響を回避すべく、バッテリ６での充放電を利用した補完が行われるようになっている。バッテリ６での充放電は、基本的には、発電機３とバッテリ６との間に設けられたインバータ４の内部スイッチ４ａと、発電機３とモータ８との間に設けられたスイッチング素子７とが切り換えられることで行われる。以下、各種条件に基づき、車両状況が判断されつつ、内部スイッチ４ａ及びスイッチング素子７の切換制御が実施される手順を、図５を参照しながら説明する。

まず、モータ８による要求出力の電流波形（＃７１）と発電機３により発生された電流波形（＃７２）とが比較されて（＃７３）、発電機３におけるオーバシュート又はアンダシュートが生じているかが判断される（＃７４）。その後、かかる判断結果とバッテリ６における蓄電量の状態「ＳＯＣ：state of charge」（＃７５）とに基づき、充放電方向及び補完されるべき電力量が判断される（＃７６）。充放電方向とは、バッテリ６における充放電に伴う電流の向きであり、具体的には、バッテリ６の蓄電量が不足している場合には、バッテリ６への充電が行われる方向に電流が流され、他方、バッテリ６の蓄電量が十分にある場合には、バッテリ６からの充電が行われる方向に電流が流される。

充放電方向及び補完されるべき電力量が判断された結果、第１に、発電機３の発電量が不足し、かつ、バッテリ６の蓄電量が不足している場合には、エンジン出力が増加されるのみで、内部スイッチ４ａ及びスイッチング素子７の切換制御が現状のままで行われない（＃７７）。

第２に、発電機３の発電量が過剰であり、かつ、バッテリ６の蓄電量が不足している場合には、バッテリ６への充電が行われる（＃７８）。この充電に際しては、まず、発電過剰量の閾値判定が行われ、すなわち、発電過剰量が所定の閾値より過大又は過小であるかを判定し（＃８１）、過小である場合には、インバータ４の内部スイッチ４ａがオンされるとともに、発電機３とモータ９との間におけるスイッチング素子７がオンされ（＃８２）、他方、過大である場合には、スイッチング素子７がオフされる（＃８３）。

第３に、発電機３の発電量が過剰であり、かつ、バッテリ６の蓄電量が過剰である場合には、バッテリ６からの放電が行われ、発電機３により発生された電流を打ち消すように電流が流される（＃７９）。その後、エンジン２のオンオフが判断される（＃８４）。

第４に、発電機３の発電量が不足しており、かつ、バッテリ６の蓄電量が過剰である場合には、バッテリ６からの放電が行われ、発電機３により発生された電流を補助するように電流が流される（＃８０）。

＃７８，＃８０及び＃８４の後、バッテリ６における充放電電力量の閾値が判定され、すなわち、充放電電力量が所定の閾値より過大又は過小であるかが判定される（＃８５）。その結果、過大である場合には、インバータ４の内部スイッチ４ａがオフされ（＃８６）、他方、過小である場合には、インバータ４の内部スイッチ４ａがオンされる（＃８７）。

以上のように、本実施形態では、発電機３の発電量やバッテリ６の蓄電量についての各種状況に応じて、内部スイッチ４ａ及びスイッチング素子７が適宜切り換えられることで、エンジン出力変化の応答遅れにより過渡的に生じる発電機３のオーバシュート，アンダシュートをバッテリ６で補完することができる。

なお、特にステップとして含めないが、高速走行時など、大電力が必要とされる場合には、インバータ４の内部スイッチ４ａ及びスイッチング素子７の切換えが停止させられ、それらの接点寿命の低下を抑制することができる。

更に、本実施形態では、発電機３が、エンジン２の回転数に依存しない電圧及び出力周波数の制御が可能である構成とされている。図６及び７は、それぞれ、発電機３の主要部を示す平面図及び図６中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。ここでは、発電機３として、スイッチドリラクタンスモータが採用されている。発電機３は、互いに同軸に配置されたステータ３１及びロータ３２からなる発電機本体３０と、発電時において発電機本体３０と共に発電用の界磁場を形成する界磁場形成部材４０と、を備えている。

ステータ３１は、円筒状のヨーク３１ａの内側に径方向の内方に突出しつつ周方向において等角度間隔に配置される複数のステータ突極３１ｂを備えている。各ステータ突極３１ｂには、コイル３３が設けられている。尚、このコイル３３は、回転軸Ｘを挟んで径方向に相対するコイル３３同士が接続されて組（同じ相）とされている。

ロータ３２は、円板状のコア３２ａの外側に径方向の外方に突出する複数のロータ突極３２ｂを備えている。複数のロータ突極３２ｂは、周方向において等角度間隔に配置されている。このロータ３２は、発電機３の出力軸であるシャフト（不図示）に外嵌されていて、シャフトと一体的に回転軸Ｘまわりに回転する。

ステータ３１及びロータ３２はモータハウジング（不図示）に収容されており、ステータ３１はモータハウジング内で固定されている一方、ロータ３２は、シャフト（不図示）がベアリング（不図示）を介してモータハウジングに支持されることによって、ステータの中心軸と同軸である回転軸Ｘまわりに回転可能にされている。なお、ステータ３１及びロータ３２は、共に、磁性材料によって形成される。また、特に図示しないが、シャフトの回転軸を検出するための回転角センサが設けられている。

また、界磁場形成部材４０は、シャフトが貫通した状態で、ステータ３１及びロータ３２からなる発電機本体３０に対して回転軸Ｘ方向の一側に配置されるとともに、シャフトに対して回転軸Ｘ方向に往復移動可能に支持されている。

この界磁場形成部材４０は、磁性材料によって形成されるヨーク４１と、磁力発生部である界磁コイル４２と、を有している。ヨーク４１は、円板状の本体部４１ａと、この本体部４１ａの中心位置からロータ３２側に突出して設けられ、かつ、その中心にシャフトが貫通する貫通孔が形成された円筒状の中央部４１ｂと、本体部４１ａの周縁からステータ３１側に突出して設けられる環状の周縁部４１ｃと、を有している。つまり、環状の周縁部４１ｃは、上記回転軸Ｘ上に配置される中央部４１ａに対して軸対称に配置されることになる。なお、界磁場形成部材４０は、回転軸方向に往復移動しないようになっていて、発電機本体３０に対して近接した位置に配置されている。

界磁場形成部材４０の界磁コイル４２への通電制御は、ＥＣＵ（不図示）によりインバータを介して行われる。従来のモータと同様に、回転角センサが検出した回転角に基づいて各ステータ突極３１ｂのコイル３３の通電が制御され、それにより、ロータ３２を回転軸Ｘまわりに回転させる。つまり、実施形態のスイッチドリラクタンスモータにおいても、その駆動時には、ステータ突極３１ｂのコイル３３を界磁コイルとして機能させる。ロータは外部動力によって回され、機械的な入力は発電コイルからの電力へ変換され、発電力として出力される。

発電機３の発電時には、界磁場形成部材４０の界磁コイル４２に通電され、それにより、発電機本体３０と界磁場形成部材４０とによって、回転軸Ｘを中心として放射状で、かつ、回転軸Ｘ方向に閉ループとなった界磁場が形成される。そうして、上述したように、各ステータ突極３１ｂのコイル３３を発電コイルとして機能させる。

また、発電機３の発電時においては、設定された要求発電量に基づき、界磁コイル４２への通電量を変化させる。本実施形態では、界磁コイル４２に変動交流電流を流し、その変動交流電流の大きさを変化させることで、発生電圧を変化させる。電圧は界磁の大きさ（絶対値）と回転数で制御され、例えば、回転数一定で界磁が大きくなると、電圧が大きくなる。また、この場合、発電機３における界磁が正負に反転しつつ大きくなったり小さくなったりして、発電機３によりもたらされる電力に周波数成分が付加され、周波数を細かくすると、電圧のピッチが細かくなる。これにより、発電機３の電圧及び周波数の両方が可変である。その結果、モータ８の回転数及びトルクのバランスも可変とすることができ、車両の高低速時のいずれにも適用可能である。

このように、界磁コイル４２に変動交流電流を流し、界磁コイル４２の交流成分の周波数を変調して、発電電流に調整可能な周波数成分をもたせることで、発電電流の周波数が調整可能となり、可変電圧可変周波数を仮想的に実現することができる。これにより、モータ８の回転数及びトルクを任意に調整可能となり、電気駆動範囲が広がるため、その結果として、車両の燃費効率を向上させることができる。

具体的に、界磁コイル４２に流す変動交流電流の電流値及び電流周期は、路面勾配や車速等の車両の走行環境に応じて変更される。本実施形態では、次表の通りに変動交流電流の電流値及び電流周期が制御される。

ここで、「登り」は、車両の走行状態が低速かつ高トルクの場合に判定され、他方、「下り」は、車両の走行状態が高速かつ低トルクの場合に判定される。なお、車両停止時には、界磁コイル４２に流す電流の周波数を０とし、直流電流相当の波形にする。この時、振幅が０であれば、無通電状態となる。

次に、具体例として、発電機３から出力される三相交流電流の波形のピッチが、発電機３の電力に加えられる周波数成分の違いによってピッチが異なる様子を図８に示す。図８の（ａ）は、発電機３により発電される、互いにπ／３の位相差をもつ３つの正弦波（Ｕ波，Ｖ波，Ｗ波）からなる三相交流電流の波形を示している。ここでは、Ｕ波，Ｖ波，Ｗ波が、それぞれ、実線，破線，一点鎖線で描かれている。また、図８の（ｂ）は、Ｕ波の正弦波形のみ示している。なお、ここでは、Ｕ波を取り上げて説明するが、Ｖ波及びＷ波にも同様の処理が施されるため、それらの説明を省略する。また、各図では、周波数が変更された４つのパターンが示されている。右側の波形ほど、発電機３の電力に付加された周波数成分が細かく、電流のピッチが細かい正弦波となっている。

更に、例えば車両停止時など、バッテリ６の蓄電量が不足した状態では、前述したように、発電機３からモータ８への通電が行われつつ、発電機３からインバータ４及びコンバータ５を介したバッテリ６へ蓄電が行われる。本実施形態では、かかる場合におけるバッテリ６側での電力損失を抑制するために、発電機３により発生された三相交流電力（正弦波）の波形が、同じ面積（つまり同じ総電力）であっても振幅の小さい部分（すなわち低電流の部分）が供給された場合にバッテリ６での損失が少ないという従来公知の特性に基づき、正弦波の振幅の小さい部分がバッテリ６に供給され、正弦波のピーク部分がモータ８へ供給されるように分割される。図８の（ｃ）は、かかるＵ波の分割例を示している。

この分割例では、Ｕ波が、振幅の小さい部分、すなわち、０を挟んだ正負の部分（以下、０クロス部分という）と、正負ピーク部分とに分割されており、前者がバッテリ６へ供給され、後者がモータ８へ供給される。かかる供給状態は、インバータ４の内部スイッチ４ａ及びスイッチング素子７が交互に接続状態にされる（オンされる）ことにより実現される。具体的には、内部スイッチ４ａがオンされ、スイッチング素子７がオフされることで、バッテリ６への送電状態となり、他方、内部スイッチ４ａがオフされ、スイッチング素子７がオンされることで、モータ８への送電状態となる。

図８の（ｃ）に示すように、交流１周期における正負のピーク部分を除く交流電流０クロス前後の所定期間内でのみ、つまり、低電流付近でのみ発電機３とバッテリ６とが接続されるように、内部スイッチ４ａ及びスイッチング素子７が切り換えられるため、各切換手段の接点寿命の低下が抑制されつつ、バッテリへの充電が可能である。

なお、特に図示しないが、内部スイッチ４ａ及びスイッチング素子７の切換えタイミングを異ならせて、ピーク部分及び０クロス部分の幅を変更することにより、バッテリ６側及びモータ８側に流れる電流量を制御することが可能である。また、前述したようにインバータ４の内部スイッチ４ａ及びスイッチング素子７の一方をオンし、他方のスイッチをオフするように切換え制御するのに対し、スイッチング素子７を常時オン状態に設定する一方、インバータ４の内部スイッチ４ａのオンオフ状態を切り換えることで、Ｕ波を分割することも可能である。

また、発電機３における界磁場の形成には、界磁コイル４２に加えて、永久磁石が用いられてもよい。図９は、本発明の他の実施例に係る発電機３を示す、図７に類似した断面説明図である。この界磁場形成部材４０では、図６及び７に示した発電機３の構成に加えて、磁性体（ここでは永久磁石）５０が、ヨーク４１における円筒状の中央部４１ｂの発電機本体３０側の端部に取り付けられている。

界磁コイル４２及び磁石５０が併用される発電機３では、磁石５０にもたらされる一定の界磁を相殺するように界磁コイル４２に変動交流電流を流すことで、電力消費を抑制しつつ周波数成分を生成することができる。これにより、例えば勾配が大きい路面を低速で走行する場合など、エネルギー損失が大きい状況では、電力消費を有効に抑制することができる。

なお、本発明は、例示された実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改良及び設計上の変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施形態に係る車両に搭載されたハイブリッドシステムの基本構成を示す図である。 上記ハイブリッドシステムのダイレクトシリーズ制御処理についてのフローチャートである。 ダイレクトシリーズ制御処理についての様々なパラメータが具体的に示されたブロック図である。 エンジン又は発電機の回転数を横軸、エンジントルクと発電機トルクとが等しく釣り合うトルク（以下、釣合いトルクという）を縦軸としたグラフである。 上記ハイブリッドシステムにおける発電機〜モータ間に設けられたスイッチング素子、及び、該発電機〜バッテリ間に設けられた内部スイッチの切換制御処理についてのフローチャートである。 発電機の主要部を示す平面図である。 図６中のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 （ａ） 上記発電機により発電される、互いにπ／３の位相差をもつ３つの正弦波（Ｕ波，Ｖ波，Ｗ波）からなる三相交流電流の波形について、互いに周波数の異なる４つの波形パターンを示す図である。 （ｂ） Ｕ波の正弦波形を示す図である。 （ｃ） 上記モータ側及びバッテリ側への分流のためのＵ波の分割例を示す図である。 本発明の他の実施形態に係る発電機の主要部を示す図である。

符号の説明

１…ハイブリッドシステム，２…エンジン，３…発電機，４…インバータ，４ａ…内部スイッチ，５…コンバータ，６…バッテリ，７…スイッチング素子，８…モータ，９…減速機，１０…タイヤ，３０…発電機本体，３１…ステータ，３２…ロータ，３３…コイル，４０…界磁場形成部材，４１…ヨーク，４２…界磁コイル。

Claims (6)

1. エンジンにより発電機が駆動され、該発電機により発電された電力が直接供給されて車輪駆動用の電動機が駆動される車両のハイブリッドシステムにおいて、
   車両の要求出力に応じて電動機の要求出力を設定する電動機要求出力設定手段と、
   上記電動機要求出力設定手段により設定された電動機の要求出力に応じて発電機の要求出力を設定する発電機要求出力設定手段と、
   上記発電機要求出力設定手段により設定された発電機の要求出力に応じてエンジン出力を設定するエンジン出力設定手段と、を有しており、
   上記発電機は、界磁コイルを備え該発電機にて形成される界磁場を調整する界磁場調整手段を備えており、該界磁調整手段は、該界磁コイルに変動交流電流を流すとともに、該変動交流電流の電流値又は電流周期を変更することで、上記発電機電圧又は周波数が調整可能である、ことを特徴とする車両のハイブリッドシステム。
2. 上記変動電流が正弦波電流である、ことを特徴とする請求項１記載の車両のハイブリッドシステム。
3. 更に、上記発電機とインバータ及びコンバータを順に介して接続されるバッテリと、
   上記発電機とバッテリとの間における電気的な接続状態を切り換える第１の切換手段と、
   上記発電機と電動機との間における電気的な接続状態を切り換える第２の切換手段と、
   上記バッテリから電動機への電力供給，上記発電機からバッテリへの充電を行えるように、上記第１及び第２の切換手段を制御する切換制御手段と、を有しており、
   上記切換制御手段は、上記発電機が低回転状態にあるとき、上記バッテリから電動機を駆動するように切換制御する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両のハイブリッドシステム。
4. 上記変動電流値及び変動電流周期が、車両の路面勾配に応じて変更される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の車両のハイブリッドシステム。
5. 上記変動電流値及び変動電流周期が、車両の車速に応じて変更される、ことを特徴とする請求項４記載の車両のハイブリッドシステム。
6. 上記界磁場調整手段が、上記界磁コイルに加えて、上記発電機にて形成される界磁場を調整する磁石を備えている、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載の車両のハイブリッドシステム。
   

Images