JP2007295720A - 車両用モータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車両用モータ装置の運転信頼性を高めること。
【解決手段】車載モータ１は、第１インバータ２１により駆動される第１巻線１１と、第２インバータ２２により駆動される第２巻線１２とをもつ。第１インバータ２１は高電圧バッテリ３から給電され、第２インバータ２２は低電圧バッテリ４から給電される。これにより、一方の電源系又は一方のインバータが不調でも車載モータ１の運転を継続することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両用モータ装置に関し、特に２つの電源系から受電した電力により駆動される２電源駆動型の車両用モータ装置に関する。

従来より車両は多くのモータを装備しているが、近年においてますます車載モータ数は増加している。この傾向は、ハイブリッド車や将来予想される燃料電池車では更に顕著となる。これに伴う車両の電力消費の増大に対応するため、車両電源系を、大電力消費負荷（たとえばモータ）に給電するための高電圧電原系（４２Ｖ系）と、主として制御装置などの小電力消費負荷に給電するための低電圧電源系（１４Ｖ系）からなる２電源系とすることが提案されている。この車両用２電源系では、各電源系ごとにバッテリが配置され、発電機は高電圧発電系と低電圧発電系とを装備する。このような車両用２電圧電源系は、既にハイブリッド車などでは実用化されている。

また、本出願人の出願になる下記の特許文献１、２は、互いに独立する複数（好適には２つ）の三相巻線を互いに独立する複数の三相インバータで個別に駆動するモータを提案している。２つの三相巻線間の位相差はπ／６ないしはπ／３とされる。上記特許文献１、２の車両用同期モータは、一つの三相巻線の一つの相巻線が故障しても、他方の三相巻線側の三相インバータだけを正常駆動することにより、トルクリップルおよび騒音を低減し、効率低下を抑止する。また、下記の特許文献３も上記と同様の複数三相巻線型モータ装置を提案している。
特開２０００−４１３９２号公報 特開２００３−１７４７９０号公報 特開２００６−３３８９７号公報

上記した多数の車載モータは、故障してもそれほど支障が無い低重要度モータと、故障ができる限り避ける必要がある高重要度モータとに分類できる。後者においては、給電線の断線やバッテリの電圧低下など車載モータへの給電系（電源系）の不良の低減が重要となる。このための良い案は、上記した車両用２電源系の両方から車載モータに給電できるようにすることである。これにより、給電系統不調によるモータ動作不良の発生を大幅に抑止することができる。

このためには、高電圧電源系と低電圧電源系との一方を選択して目的とする車載モータに給電する給電切り替えスイッチ回路を設ける必要がある。しかしながら、上記した２つの電源系を切り替えて車載モータへ給電する案は、これら２つの電源系の電圧が大幅に異なるため、車載モータが良好に動作しないという本質的な問題がある。たとえば２つの電源系の電圧が３倍異なるとすれば、電気負荷の消費電力はほぼ９倍異なってしまう。この問題を解決するためには、高電圧電源系の電圧が常時給電される高電圧負荷に低電圧電源系から給電する場合には昇圧ＤＣＤＣコンバータを更に設ける必要があり、低電圧電源系の電圧が常時給電される低電圧負荷に高電圧電源系から給電する場合には降圧ＤＣＤＣコンバータを更に設ける必要がある。このような電源系切り替え回路やＤＣＤＣコンバータなどの電力回路装置の追加は、回路構成の複雑化と高コスト化を招き、車両製造費用を増大させるという問題が残る。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、回路構成の複雑化と高費用化を抑止しつつ車載モータを車載２電源系から給電可能な車両用モータ装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決する各発明の車両用モータ装置は、回転電流ベクトルを形成する電機子巻線をもつ交流モータと、外部の直流電源から受電した直流電力を交流電力に変換して前記電機子巻線に通電するインバータ装置とを備える車両用モータ装置に適用される。

このようなインバータ駆動形式の交流モータは高効率で回転数制御やトルク制御を高精度に行えるため、車載モータのうち、重要度が高いモータや電力消費が大きいモータに用いられている。

第１発明の車両用モータ装置は特に、前記インバータ装置が、互いに異なる電源電圧が個別に印加されて互いに独立制御可能な２つの交流電力を形成して前記交流モータの電機子巻線に給電する第１インバータと第２インバータとを有することを特徴としている。

すなわち、この発明では、異なる電源から給電される少なくとも２つのインバータにより車両用の交流モータを駆動する。このようにすれば、一方の電源が不調となっても問題なく、車両用の交流モータを駆動することができる。

更に説明すると、この発明は、インバータが出力電圧調整機能及び電源系切り替え機能をもつことを利用している。たとえば低電圧電源系から給電される第１のインバータが交流モータを駆動しているとする。この時、低電圧電源系が不調となったら、第１インバータを停止して第２インバータを運転する。第２インバータに給電される高電圧電源系の電圧は交流モータにとって高いため、第２インバータは低デューティ比で運転され、交流モータにとって好適な低電圧が交流モータに出力される。もちろん、逆のケースも可能である。ただし、この場合には、交流モータの出力が制限されることもあるが、最低限の出力を確保すればよい場合には問題が生じない場合もある。また、高電圧電源系から給電される第２インバータが低電圧を出力する期間であれば、低電圧電源系から給電される第１インバータが交流モータに給電することができる。また、交流モータに低電圧を給電する期間には第１インバータにより低電圧電源系から給電し、交流モータに高電圧を給電する期間には第２インバータにより高電圧電源系から給電することもできる。

好適な態様において、前記両インバータは、共通の前記電機子巻線に給電する。これにより、交流モータの構造を複雑化する必要がない。 好適な態様において、前記両インバータのうち低電圧側の前記インバータから外部直流電源側への逆流を禁止するダイオードを有する。このようにすれば、高電圧電源系から両インバータを通じて低電圧電源系に電流が逆流することがない。

好適な態様において、前記電機子巻線は、実質的に互いに電気絶縁されて前記両インバータから個別に給電される第１電機子巻線と第２電機子巻線を有する。このようにすれば、二つの電源系の任意の一方又は両方により交流モータを駆動することができるため、交流モータ駆動系の信頼性を格段に向上することができる。

第２発明の車両用モータ装置は特に、前記電機子巻線は、前記インバータ装置からの交流電力の受電に加えて、エンジンにより駆動される外部の交流発電機が発電した交流電力を直接受電することを特徴としている。

すなわち、この発明では、交流モータをインバータ駆動する他に車載の交流発電機が出力する交流電圧により駆動する。このようにすれば、インバータ及び交流モータを複雑化することなく、モータ駆動系を冗長化することができる。なお、この場合、交流発電機の発電電圧はエンジン回転数に応じて変化し、交流モータに給電する交流電圧の周波数は交流モータの回転数に対応して変化することができないが、たとえば誘導モータなどは問題なく駆動することができ、精密な回転数制御が不要な交流モータには適用することができる。

好適な態様において、前記交流発電機及び前記インバータ装置は、共通の前記電機子巻線に給電する。これにより、交流モータの構成を複雑化する必要がない。

好適な態様において、前記電機子巻線は、実質的に互いに電気絶縁されて前記インバータ装置及び前記交流発電機から個別に給電される第１電機子巻線と第２電機子巻線を有する。このようにすれば、インバータからの出力電圧と交流発電機の出力電圧の一方又は両方により交流モータを駆動することができるため、交流モータ駆動系の信頼性を格段に向上することができる。

好適な態様において、前記交流発電機は、発電した前記交流電力を整流して外部に出力する整流器を有する。このようにすれば、交流モータ給電用の交流発電機として直流電力発生用の通常の車載交流発電機を使用できるため、システムが複雑化することがない。

第３発明の車両用モータ装置では特に、前記インバータ装置が、車載の第１の電源系から第１の逆流防止ダイオードを通じて第１の電源電力を受電するとともに、車載の第２の電源系から第２の逆流防止ダイオードを通じて前記第１の電源電力とは異なる電圧の第２の電源電力を受電することを特徴としている。

すなわち、この発明では、両電源系は、それぞれ逆流防止ダイオードを通じて共通のインバータに給電し、この共通のインバータで共通の電機子巻線へ交流電圧を印加する。このようにすれば、一方の電源系が不調となっても問題なく、車両用の交流モータを駆動することができる。また、インバータも交流モータも構成の変更が不要であるため、回路構成の複雑化をほとんど生じない。

本発明の好適な態様を図面を参照して具体的に説明する。

（実施形態１）
（回路構成）
実施形態１の車両用モータ装置を図１を参照して説明する。

図１において、１は三相交流モータである車載モータ、２はインバータ装置、３は高電圧バッテリ（高電圧電源系）、４は低電圧バッテリ（低電圧電源系）、５は逆流防止ダイオードである。車載モータ１はモータ形式を限定されないが、この実施形態ではかご形誘導モータとしている。インバータ装置２は、それぞれ三相インバータである第１インバータ２１及び第２インバータ２２を有している。高電圧バッテリ３は、第１インバータ２１に高電圧の直流電源電圧を印加し、低電圧バッテリ４は逆流防止ダイオード５を通じて第２インバータ２２に低電圧の直流電源電圧を印加している。第１インバータ２１及び第２インバータ２２の三相交流出力端子は、車載モータ１の各相端子に共通接続され、車載モータ１の１セットの三相電機子巻線を構成する３つの相巻線に給電している。

（第１の補償制御）
通常において低電圧バッテリ４から給電される第２インバータ２２が車載モータ１を駆動しているケースでは低電圧バッテリ４又は第２インバータ２２が不調の場合に第２インバータ２２の運転を停止し、第１インバータ２１を運転する。これにより、高電圧バッテリ３は第１インバータ２１を通じて車載モータ１を駆動する。ただし、高電圧バッテリ３の電圧は低電圧バッテリ４の約３倍とされているので、第１インバータ２１のデューティ比は第２インバータ２２のそれよりも約１／３とされる。この時、電流が第１インバータ２１から第２インバータ２２のフライホイルダイオードを通じて低電圧バッテリ４に流れる回路が形成されるが、この電流は逆流防止ダイオード５により阻止される。

通常において高電圧バッテリ３から給電される第１インバータ２１が車載モータ１を駆動しているケースでは高電圧バッテリ３又は第１インバータ２１が不調の場合に第１インバータ２１の運転を停止し、第２インバータ２２を運転する。これにより、低電圧バッテリ４は第２インバータ２２及び逆流防止ダイオード５を通じて車載モータ１を駆動する。ただし、高電圧バッテリ３の電圧は低電圧バッテリ４の約３倍とされているので、車載モータ１の正常な動作のために第２インバータ２２のデューティ比は第１インバータ２１のそれよりも約３倍とされる。したがって、車載モータ１のトルク要求が大きい場合にはそれに応えることができないが、車載モータ１を低回転数で駆動してその最小限の性能を発揮することは可能である。

すなわち、この第１の補償制御は、第１インバータ２１と第２インバータ２２とのうちのどちらかが不調な場合、又は、高電圧バッテリ３と低電圧バッテリ４とのうちのどちらかが不調な場合でも、車載モータ１を駆動することができる。

（第２の補償制御）
第１インバータ２１及び第２インバータ２２を両方とも駆動して、高電圧バッテリ３及び低電圧バッテリ４の両方により車載モータ１を駆動することもできる。たとえば第１インバータ２１及び第２インバータ２２を同期して並列駆動する場合、高電圧バッテリ３から給電される第１インバータ２１が車載モータ１に出力する三相交流電圧は、低電圧バッテリ４から給電される第２インバータ２２のそれより大きいため、低電圧バッテリ４は車載モータ１に電力を供給することは無い。

ただし、車載モータ１のトルク要求が大きい場合と、小さい場合とがある。前者の場合には車載モータ１へ平均して大きな振幅の三相交流電圧を出力する必要があるが、後者の場合にはその必要はない。そこで、前者の場合には第１インバータ２１を駆動して高電圧バッテリ３から給電し、後者の場合には第２インバータ２２を駆動して低電圧バッテリ４から給電することができる。

（第３の補償制御）
第１インバータ２１及び第２インバータ２２を両方とも駆動して、高電圧バッテリ３及び低電圧バッテリ４の両方により車載モータ１を駆動することもできる。

すなわち、車載モータ１にたとえば正弦波の三相交流電圧を出力する場合に、各相電圧は低電圧位相期間と高電圧位相期間とをもつ。そこで、低電圧位相期間には低電圧バッテリ４から給電し、高電圧位相期間には高電圧バッテリ３から給電することができる。

（変形態様）
上記実施形態では、高電圧バッテリ３及び低電圧バッテリ４の電圧が大幅に異なる場合を説明した。両バッテリの電圧が等しいか近似する場合には両バッテリの切り替え及び強調運転の利便性は更に向上することは言うまでもない。

（実施形態２）
実施形態２の車両用モータ装置を図２を参照して説明する。

この実施形態は、図１に示す実施形態１において、それぞれ三相電機子巻線である第１巻線１１と第２巻線１２とに車載モータ１の三相電機子巻線を分割し、第１インバータ２１から第１巻線１１に三相交流電圧を印加し、第２インバータ２２から第２巻線１２に三相交流電圧を印加するようにしたものである。

基本的な補償動作は実施形態１と同じであるが、この実施形態では、高電圧バッテリ３の電圧と低電圧バッテリ４の電圧とが電気的に完全分離されているため、逆流防止ダイオード５が当然省略できるうえ、第１インバータ２１及び第２インバータ２２の両方を相手の動作状態を考慮することなく動作させることができる利点が生まれる。

したがって、高電圧バッテリ３及び低電圧バッテリ４の充電状況に応じて好適な方を動作させることができる。

ただし、たとえば第１インバータ２１が第１巻線１１に給電して車載モータ１のロータを駆動する場合、このロータの回転により第２巻線１２には三相交流起電力が発生し、逆の場合にも同様の作用が生じるので、上記同時給電では、この逆起電力を考慮して制御する必要がある。

ただし、このことを逆に利用して、たとえば第１インバータ２１が第１巻線１１に給電して車載モータ１を駆動させ、第２巻線１２の発電電圧を第２インバータ２２により整流して低電圧バッテリ４を充電することができ、逆に第２インバータ２２が第２巻線１２に給電して車載モータ１を駆動させ、第１巻線１１の発電電圧を第１インバータ２１により整流して高電圧バッテリ３を充電することもできる。

（実施形態３）
実施形態３の車両用モータ装置を図３を参照して説明する。

この実施形態は、図１に示す実施形態１において第２インバータ２２と逆流防止ダイオード５と低電圧バッテリ４との代わりにエンジン駆動の三相交流発電機６を採用した点をその特徴としている。

以下、三相交流発電機６の発電電圧は高電圧バッテリ３の電圧より低いと仮定して説明する。この回路では、第１インバータ２１を停止している場合、三相交流発電機６の発電電圧により車載モータ１を問題な駆動することができる。ただし、車載モータ１に印加されるこの発電電圧の電圧値及び周波数はエンジン回転数により変化するため、それが許容される用途に好適である。なお、逆に第１インバータ２１を駆動する場合には第１インバータ２１から三相交流発電機６への電流逆流が生じる。

（変形態様）
第１インバータ２１を駆動する場合における第１インバータ２１から三相交流発電機６への電流逆流問題を解決するために、図４に示すように三相交流発電機６の各相端子と車載モータ１の各相端子との間にそれぞれスイッチング素子７１〜７３を介在させることができる。図４において、第１インバータ２１又は高電圧バッテリ３が不調の場合には、スイッチング素子７１〜７３を作動させて、三相交流発電機６が出力する三相交流電圧により車載モータ１を駆動することができ、車載モータ１が不調の場合には、スイッチング素子７１〜７３をオフして、第１インバータ２１により車載モータ１を駆動することができる。

（実施形態４）
実施形態４の車両用モータ装置を図５を参照して説明する。

この実施形態は、図２に示す実施形態２において第２インバータ２２と低電圧バッテリ４との代わりにエンジン駆動の三相交流発電機６を採用し、更にそれぞれ三相電機子巻線である第１巻線１１と第２巻線１２とに車載モータ１の三相電機子巻線を分割し、第１インバータ２１から第１巻線１１に三相交流電圧を印加し、三相交流発電機６から第２巻線１２に三相交流電圧を印加するようにしたものである。

この態様によれば、車載モータ１の電機子巻線が第１巻線１１と第２巻線１２とに電気的に完全分離されているため、高電圧バッテリ３の電圧と三相交流発電機６の電圧との干渉を完全に防止することができる。

したがって、第１インバータ２１を停止すれば三相交流発電機６により車載モータ１を駆動できる。ただし、車載モータ１を停止することができないため、第１インバータ２１を駆動する場合には、車載モータ１は両方の電力により駆動されることになる。

したがって、この場合には、第１巻線１１と第２巻線１２との間でいわゆるトランス作用が生じ、相手側の電圧に対応する二次電圧が逆起電力に加わる。ただし、このトランス作用を通じて、高電圧バッテリ３と三相交流発電機６との間の電力授受も可能となる。

（実施形態５）
実施形態５の車両用モータ装置を図６を参照して説明する。

この実施形態は、図５に示す実施形態４においてエンジン駆動の三相交流発電機６が発電する三相交流電圧を三相全波整流する整流器８を追加したものである。実際には、三相交流発電機６は、整流器８、界磁コイル９及びレギュレータ１０をもつ通常の車載発電機（いわゆるオルタネータ）であり、図示しない低電圧バッテリ又は高電圧バッテリ３に給電している。このようにすれば、専用発電機を省略することができる。なお、同様の整流器８を図３又は図５の三相交流発電機６に設けてもよいことはもちろんである。

（実施形態６）
実施形態６の車両用モータ装置を図７を参照して説明する。

この実施形態は、図１に示す実施形態１において第２インバータ２２を省略し、その代わりに高電圧バッテリ３と第１インバータ２１との間に第２の逆流防止ダイオード５ａを追加し、逆流防止ダイオード５のカソード端子を第１インバータ２１の高電位電源端２１ａに接続したものである。

このようにすれば、第１インバータ２１は、高電圧バッテリ３と低電圧バッテリ４とのうち電圧が高い方から給電されることができる。

この実施形態では、車載モータ１は正常状態では高電圧バッテリ３から給電される。もし高電圧バッテリ３の不良などの問題が生じてその電圧が低電圧バッテリ４の電圧より低下した場合でも第１インバータ２１のデューティ比を増大して低電圧バッテリ４からの電力を利用して車載モータ１の駆動を維持することができる。

実施形態１の車両用モータ装置を示す回路図である。 実施形態２の車両用モータ装置を示す回路図である。 実施形態３の車両用モータ装置を示す回路図である。 実施形態３の変形態様を示す回路図である。 実施形態４の車両用モータ装置を示す回路図である。 実施形態５の車両用モータ装置を示す回路図である。 実施形態６の車両用モータ装置を示す回路図である。

符号の説明

１ 車載モータ
２ インバータ装置
３ 高電圧バッテリ
４ 低電圧バッテリ
５ 逆流防止ダイオード
５ａ 逆流防止ダイオード
６ 三相交流発電機
８ 整流器
９ 界磁コイル
１０ レギュレータ
１１ 第１巻線
１２ 第２巻線
２１ 第１インバータ
２１ａ 高電位電源端
２２ 第２インバータ
７１〜７３ スイッチング素子

Claims (9)

1. 回転電流ベクトルを形成する電機子巻線をもつ交流モータと、外部の直流電源から受電した直流電力を交流電力に変換して前記電機子巻線に通電するインバータ装置とを備える車両用モータ装置において、
   前記インバータ装置は、
   互いに異なる電源電圧が個別に印加されて互いに独立制御可能な２つの交流電力を形成して前記交流モータの電機子巻線に給電する第１インバータと第２インバータとを有することを特徴とする車両用モータ装置。
2. 請求項１記載の車両用モータ装置において、
   前記両インバータは、共通の前記電機子巻線に給電する車両用モータ装置。
3. 請求項２記載の車両用モータ装置において、
   前記両インバータのうち低電圧側の前記インバータから外部直流電源側への逆流を禁止するダイオードを有する車両用モータ装置。
4. 請求項１記載の車両用モータ装置において、
   前記電機子巻線は、実質的に互いに電気絶縁されて前記両インバータから個別に給電される第１電機子巻線と第２電機子巻線を有する車両用モータ装置。
5. 回転電流ベクトルを形成する電機子巻線をもつ交流モータと、外部の直流電源から受電した直流電力を交流電力に変換して前記電機子巻線に通電するインバータ装置とを備える車両用モータ装置において、
   前記電機子巻線は、前記インバータ装置からの交流電力の受電に加えて、エンジンにより駆動される外部の交流発電機が発電した交流電力を直接受電することを特徴とする車両用モータ装置。
6. 請求項５記載の車両用モータ装置において、
   前記交流発電機及び前記インバータ装置は、共通の前記電機子巻線に給電する車両用モータ装置。
7. 請求項５記載の車両用モータ装置において、
   前記電機子巻線は、実質的に互いに電気絶縁されて前記インバータ装置及び前記交流発電機から個別に給電される第１電機子巻線と第２電機子巻線を有する車両用モータ装置。
8. 請求項５記載の車両用モータ装置において、
   前記交流発電機は、発電した前記交流電力を整流して外部に出力する整流器を有する車両用モータ装置。
9. 回転電流ベクトルを形成する電機子巻線をもつ交流モータと、外部の直流電源から受電した直流電力を交流電力に変換して前記電機子巻線に通電するインバータ装置とを備える車両用モータ装置において、
   前記インバータ装置は、
   車載の第１の電源系から第１の逆流防止ダイオードを通じて第１の電源電力を受電するとともに、車載の第２の電源系から第２の逆流防止ダイオードを通じて前記第１の電源電力とは異なる電圧の第２の電源電力を受電することを特徴とする車両用モータ装置。

Images