JP2008240635A

JP2008240635A - 電動機付ターボチャージャ

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Publication number: JP2008240635A
Application number: JP2007082168A
Authority: JP
Inventors: Narifumi Tojima; 成文遠嶋; Takahiko Murayama; 隆彦村山; Takashi Majima; 隆司真島
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】安全性、汎用性、実用性、コスト性、そしてエネルギー効率を追究し、多様な用途、例えば１２Ｖ仕様車と２４Ｖ仕様車というように異なる仕向けにも共通して適用可能な電動機付ターボチャージャを実現する。
【解決手段】ターボチャージャ１，２，３と、ターボチャージャ１，２，３をパワーアシストする電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３と、直流電源の供給を受ける昇降圧回路２１，２２と、昇降圧回路２１，２２の出力を入力するインバータ回路３０と、を備え、インバータ回路３０の出力を電動機駆動電流として電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の各相に供給して駆動する電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３において、直流電源から少なくとも何れかの電圧値で入力された昇降圧回路２１，２２は所定の基準電圧値を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機付ターボチャージャに関する。

下記特許文献１には、ターボチャージャとして必要な回転範囲に亘って駆動可能で、しかも安価で実用的な電動機付ターボチャージャ装置を提供する技術が開示されている。すなわち、電力制御装置は、誘導電動機に駆動波形を与えるインバータ、インバータの出力電圧を制御するインバータ電圧制御手段、インバータへ供給する電圧を昇降圧させるコンバータ、コンバータの出力電圧を制御するコンバータ電圧制御手段、制御信号発生手段を有するものである。

この制御信号発生手段は、低速回転側でインバータ電圧制御手段を制御し、高速回転側でコンバータ電圧制御手段を制御する。ターボチャージャは、アイドリング時、１万ないし２万ｒｐｍで回転していることに着目し、回転全域に亘って波形制御に負荷のかからない簡素な矩形波を用いて誘導電動機を駆動する。

また、この電動機付ターボチャージャの電力制御装置は、誘導電動機の低速回転側において目標回転速度の上昇に伴いインバータの出力電圧を高めるインバータ昇降圧制御を実施し、誘導電動機の高速回転側において目標回転速度の上昇に伴いコンバータの出力電圧を高めるコンバータ昇降圧制御を実施するように設定されている。このことにより、電力制御装置における電力制御の柔軟性が高まる。

例えば、停車から加速する場合、電動機は１万ないし２万ｒｐｍ〜超高速回転まで作動する。この時、始めインバータで電力制御の可変制御を行い、次にコンバータで電力制御の可変制御を行うことで回転が滑らかに上昇する。中間加速を行う場合、コンバータで電力制御の可変制御を行うだけで回転が滑らかに上昇するというものである。

また、下記非特許文献１には、自動車用電源として２８８Ｖ，４２Ｖ，１４Ｖ系を基本とする組み合わせによって、燃費向上、パワーアップ、信頼性向上の目的を達成できる旨が記載されている。
特開２００５−４２６８４号公報電気学会技術報告第１０４９号（2006年3月）第９頁第３.４図

しかしながら、特許文献１において、１２Ｖの車載バッテリから得られる電圧をチョッパ型昇降圧回路により適宜昇降圧してインバータへ供給することにより運転効率を高めることが示唆されているものの、インバータへの入力電圧に関する実用性の高い設定電圧の開示はなかった。そこで、インバータへの入力電圧に対するシステム全体の効率の関係を合理的かつ具体的に確立するという課題があった。より具体的には、以下の課題があった。
（１）電動機付ターボチャージャを取付ける自動車の車種（以下、「仕向け」ともいう）別のバッテリ電圧に応じたサブシステムの品種が増加する。サブシステムとは、ターボチャージャ本体、パワーアシスト用の電動機、電動機を駆動する駆動装置、および／または、それらを構成する部品。
（２）前記（１）と同様に、ターボチャージャの本体機種（以下、「ターボチャージャ機種」ともいう）別にサブシステムの品種が増加する。
（３）品種の増加はコストアップの原因になる。何故ならば、設計開発、部品調達、製造、品質管理、販売管理、在庫管理、補修部品供給を含めたアフターサービス体制その他全てに及んで経費が発生するからである。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、安全性、汎用性（標準化）、実用性、コスト性、そしてエネルギー効率（以下、「運転効率」ともいう）を追究し、多様な用途として、例えばバッテリ電圧に関して１２Ｖ仕様車と２４Ｖ仕様車という異なる仕向けにも共通して供給可能な電動機付ターボチャージャを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、第１の発明に係る電動機付ターボチャージャは、下記第１の手段を採用する。
ターボチャージャと、前記ターボチャージャをパワーアシストする電動機と、直流電源の供給を受ける昇降圧回路と、前記昇降圧回路の出力を入力するインバータ回路と、を備え、前記インバータ回路の出力を電動機駆動電流として前記電動機の各相に供給して駆動する電動機付ターボチャージャにおいて、前記直流電源から少なくとも何れかの電圧値で入力された前記昇降圧回路は所定の基準電圧値を出力する。

第１の発明に係る電動機付ターボチャージャによれば、昇降圧回路が直流電源から少なくとも何れかの電圧値で入力されたならば所定の基準電圧値を出力する。このため、直流電源とインバータ回路の間に介在する昇降圧回路は、直流電源の電圧値が何Ｖ仕様のものであっても所定の基準電圧値をインバータ回路へ入力する。そして、インバータ回路の出力を電動機駆動電流として電動機の各相に供給して駆動する。この電動機はターボチャージャをパワーアシストするようにトルク付与する。このような構成・作用の電動機付ターボチャージャによれば、直流電源の電圧値が何Ｖ仕様のものであっても、インバータ回路、電動機、およびターボチャージャ本体を共通化できる。例えばバッテリ電圧に関して１２Ｖ仕様車と２４Ｖ仕様車という異なる仕向けにも共通して供給可能な電動機付ターボチャージャを提供することが可能となる。

また、第２の発明に係る電動機付ターボチャージャは、前記第１の手段に加えて下記第２の手段を採用する。
前記インバータ回路は、前記ターボチャージャの本体機種および／または前記直流電源の定格出力電圧値が何れであっても同一構成とする。このようにしたので、標準化されて汎用性の高いインバータ回路を提供することが可能となる。

また、第３の発明に係る電動機付ターボチャージャは、前記第１の手段または前記第２の手段加えて下記第３の手段を採用する。
異なる機種ごとの前記ターボチャージャに同軸結合される前記電動機の機種別組み合わせは、実質上１対１に固定する。このようにしたので、電動機付ターボチャージャの機種数が減少すると共に、その機種に派生するサブシステムの品種も級数的に減少する。したがって、設計開発、部品調達、製造、品質管理、販売管理、在庫管理、補修部品供給を含めたアフターサービス体制その他全てに及んで経費が総合的に削減できる。

また、第４の発明に係る電動機付ターボチャージャは、前記第１の手段ないし前記第３の手段の何れかに加えて下記第４の手段を採用する。
前記基準電圧値を３１．５Ｖ以上４８．０Ｖ以下に設定する。このように標準化することにより、現存する全ての自動車に組み込み可能な汎用性を確保できるので、異なる仕向けにも共通して使用可能であって、しかも、安全性、実用性、コスト性、そしてエネルギー効率も含めて総合的に優れた電動機付ターボチャージャを提供することが可能である。

本発明によれば、安全性、汎用性、実用性、コスト性、そしてエネルギー効率を追究し、多様な用途、例えば１２Ｖ仕様車と２４Ｖ仕様車のように異なる仕向けにも共通して使用可能な電動機付ターボチャージャを提供することが可能である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態（以下、「本実施形態」という）について、構成と動作を適宜織り交ぜて説明する。なお、各図において、同一機能は同一符号を付して説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３の仕様説明図である。図１の右方に示すように、電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３は大中小の容量別にタイプ分けされている。電動機付ターボチャージャ４１は小容量タイプであり、小型のモータＭ１および、そのモータＭ１が同軸結合された小型のターボチャージャ１により構成されている。同様に、電動機付ターボチャージャ４２は中容量タイプであり、中型のモータＭ２および、そのモータＭ２が同軸結合された中型のターボチャージャ２により構成されている。同様に、電動機付ターボチャージャ４３は大容量タイプであり、大型のモータＭ３および、そのモータＭ３が同軸結合された大型のターボチャージャ３により構成されている。

一方、電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３は、車載されたバッテリ１１〜１４から直流電源を得る。この直流電源を昇圧回路２１または降圧回路２２（以下、両者をまとめて「昇降圧回路２１，２２」ともいう）へ入力して４２Ｖ系の入力仕様電圧（以下、「基準電圧」ともいう）まで昇降圧する。この昇降圧回路２１，２２の昇降圧出力である基準電圧４２Ｖをインバータ回路３０へ入力して所望の回転速度に比例した周波数の電動機駆動電流を出力する。このインバータ回路３０の出力端に電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３が接続されて構成されている。

電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３は、永久磁石同期電動機（以下、「永久磁石同期モータ」または「モータ」ともいう）Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３およびターボチャージャ１，２，３により形成され、図示せぬエンジン制御装置（以下、「ＥＣＵ」という）から受けた制御信号に基づいてＰＷＭ制御されるインバータ回路３０から適切な周波数の三相交流を出力し、モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３の各相に電動機駆動電流を供給してモータＭ１，Ｍ２，Ｍ３を駆動する。なお、電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３のモータＭ１，Ｍ２，Ｍ３とバッテリ１１〜１４の間で直流／交流変換、低圧／高圧変換しながら電源供給または回生動作によってエネルギー変換する。

昇降圧回路２１，２２の回路構成は、図示せぬパワー半導体部、リアクトルおよびコンデンサが含まれてなるチョッパ型昇降圧方式その他の方式が周知であるので詳細な説明を省略する。これらの回路定数は、昇降圧回路２１，２２の昇降圧比、すなわちバッテリ１１〜１４の電圧を何倍（何分の１）に昇降圧してインバータ回路３０へ入力するかで決定するほか、許容リップル等も考慮して決定される。

図１の左方に示すバッテリ１１〜１４は、現存する自動車に車載されて充電可能なバッテリを定格電圧の別に網羅している。
（１）バッテリ１１は、定格１２Ｖであるが、通称「１４Ｖ系」とも呼ばれている。
中心電圧１３．２５Ｖ±２０．７５％＝１０．５〜１６．０Ｖの許容範囲で実用される。
（２）バッテリ１２は、定格２４Ｖであるが、通称「２８Ｖ系」とも呼ばれている。
中心電圧２６．５Ｖ±２０．７５％＝２１．０〜３２．０Ｖの許容範囲で実用される。
（３）バッテリ１３は、定格３６Ｖであるが、通称「４２Ｖ系」とも呼ばれている。
中心電圧３９．７５Ｖ±２０．７５％＝３１．５〜４８．０Ｖの許容範囲で実用される。
（４）バッテリ１４は、定格４８Ｖ以上（定格２４７Ｖ以下）であり、通称「５６Ｖ系」〜「２８８Ｖ系」の何れかで呼ばれている。
５６Ｖ系の場合、中心電圧５３Ｖ±２１％＝４２〜６４Ｖの許容範囲で実用される。
２８８Ｖ系の場合、中心電圧２７３Ｖ±２１％＝２１６〜３２９Ｖの許容範囲である。

なお、自動車用の鉛バッテリは２Ｖの単位セルを６層直列接続して「定格１２Ｖ」と公称されるが、通常使用においては経験上の許容範囲１０．５〜１６．０Ｖで実用されるため、そのバッテリに接続される機器の電圧も許容範囲１０．５〜１６．０Ｖで保証されている。したがって、許容範囲１０．５〜１６．０Ｖの中心電圧１３．２５Ｖに近くてなじみ易い１４Ｖにちなんで「１４Ｖ系」と通称されている。そして、「１４Ｖ系」をほぼ整数倍した「２８Ｖ系」、「４２Ｖ系」、「５６Ｖ系」〜「２８８Ｖ系」と系統立てて実用化されている。当然に「１４Ｖ系」バッテリを整数倍だけ直列接続すれば、所望の高電圧が得られる。

また、現存する大多数の普通乗用車は前記「１４Ｖ系」であり、同じく大型自動車は前記「２８Ｖ系」である。一方、「４２Ｖ系」や「５６Ｖ系以上」は特殊仕様車に用いられる。以下に、本実施形態に係る電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３との関係を説明する。まず、「１４Ｖ系」の普通乗用車には小容量の電動機付ターボチャージャ４１を用いる。また、「２８Ｖ系」の大型自動車には中容量の電動機付ターボチャージャ４２を用いる。そして、「４２Ｖ系または５６Ｖ系以上」の特殊仕様車には大容量の電動機付ターボチャージャ４３を用いるものとする。なお、これらの関連付けは図１に基づいて説明する便宜上のことであり、例外もあり得るし、電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３に関して大・中・小容量の厳格な定義は特にない。

一般的には前述したように以下に示す関係であることが多い。
普通乗用車→バッテリ１１→「１４Ｖ系」→小容量電動機付ターボチャージャ４１
大型自動車→バッテリ１２→「２８Ｖ系」→中容量電動機付ターボチャージャ４２
特殊仕様車→バッテリ１３→「４２Ｖ系」→大容量電動機付ターボチャージャ４３
特殊仕様車→バッテリ１４→「５６Ｖ系〜」→大容量電動機付ターボチャージャ４３
特殊仕様車→バッテリ１４→「〜２８８Ｖ系」→大容量電動機付ターボチャージャ４３

つぎに、昇降圧回路２１，２２とバッテリ１１〜１４との関係を説明する。バッテリ１１〜１４から少なくとも何れかの電圧値で入力された昇降圧回路２１，２２は所定の３１．５Ｖ以上４８．０Ｖ以下に設定された基準電圧値を出力する。つまり、ここでいう基準電圧値は中心電圧３９．７５Ｖ±２０．７５％＝３１．５〜４８．０Ｖの許容範囲内であれば適正値であるものとする。以下、基準電圧値＝４２Ｖとして簡略に説明する。

昇降圧回路２１，２２にバッテリ１１，１２が接続された場合、基準電圧値４２Ｖ以下で入力された直流電源が昇圧回路２１により基準電圧値４２Ｖまで昇圧されてインバータ回路３０へ入力される。そして、インバータ回路３０の出力端子に電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３の何れが接続されている場合にも、適切な電動機駆動電流を出力する。すなわち、インバータ回路３０は、ターボチャージャの本体１，２，３の機種および／または直流電源の定格出力電圧値が何れであっても同一構成である。

また昇降圧回路２１，２２にバッテリ１３が接続された場合、基準電圧値４２Ｖで入力された直流電源が昇降圧回路２１，２２により基準電圧値４２Ｖを維持されてインバータ回路３０へ入力される。そして、インバータ回路３０の出力端子に電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３の何れが接続されている場合にも、適切な電動機駆動電流を出力する。このことは以下に示す関係である。

バッテリ１１→「１４Ｖ系」→昇圧回路２１→「４２Ｖ系」→電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３
バッテリ１２→「２８Ｖ系」→昇圧回路２１→「４２Ｖ系」→電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３
バッテリ１３→「４２Ｖ系〜」→昇降圧回路２１，２２→「４２Ｖ系」→電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３
バッテリ１４→「５６Ｖ系〜」→降圧回路２２→「４２Ｖ系」→電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３
バッテリ１４→「〜２８８Ｖ系」→降圧回路２２→「４２Ｖ系」→電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３

また、図１の右方に示すように、異なる機種ごとのターボチャージャ１，２，３に同軸結合される電動機Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３の機種別組み合わせは、実質上１対１に固定されている。つまり、ターボチャージャ１には電動機Ｍ１のみが同軸結合されて製品化される。同様に、ターボチャージャ２には電動機Ｍ２のみが組み合わせられる。同様にターボチャージャ３には電動機Ｍ３のみが組み合わせられる。ここに説明した以外の組み合わせで製品化されることはないので、電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３は３種類で全車種に対応する。また、ここに示した３種類の電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３は単一仕様のインバータ回路３０で電動機駆動電流を供給される。

このようにしたので、電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３の機種数が減少すると共に、その機種に派生するサブシステムの品種も級数的に減少する。したがって、設計開発、部品調達、製造、品質管理、販売管理、在庫管理、補修部品供給を含めたアフターサービス体制その他全てに及んで経費が総合的に削減できる。

また、基準電圧値を４２Ｖ設定として標準化したことにより、現存する全ての自動車に組み込み可能な汎用性を確保できるので、異なる仕向けにも共通して使用可能である。しかも、安全性、実用性、コスト性、そしてエネルギー効率も含めて総合的に優れた電動機付ターボチャージャを提供することが可能である。

図２は本実施形態に係る電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３において、インバータ回路３０への入力電圧に対するシステム全体の効率の関係を確認した実験データである。図２の実験データが示すように、バッテリ１１〜１４が「１４Ｖ系」〜「２８８Ｖ系」の何れであっても、基準電圧値を４２Ｖに設定したインバータ回路３０による総合効率が優れていることが確認できた。

なお、上述した実施の形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。例えば、バッテリ１１〜１４として用いるバッテリの電圧、昇降圧回路２１，２２の倍数および出力電圧は前記許容範囲内で適宜に設定可能である。また、モータＭ１，Ｍ２，Ｍ３として誘導電動機と永久磁石同期電動機の何れを用いても構わない。さらに回生動作するか否かの限定もなく自由である。

そして、バッテリ１１〜１４の定格電圧の高低に拘わらずモータＭ１，Ｍ２，Ｍ３を駆動するインバータ回路３０の出力電圧値を所定の基準電圧に固定することにより運転効率を高め、しかも、大・中・小容量の電動機付ターボチャージャ４１，４２，４３の機種数を最小限に抑制した技術はすべて本発明に含まれる。特に、インバータ回路３０の出力電圧を４２Ｖ前後に固定することで総合効率を高めた技術思想は本発明に属するものと見なし得る。

本発明の一実施形態（本実施形態）に係る電動機付ターボチャージャの仕様説明図である。本実施形態に係る電動機付ターボチャージャにおいて、インバータへの入力電圧に対するシステム全体の効率の関係を確認した実験データである。

符号の説明

１，２，３ターボチャージャ
Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３電動機
２１昇圧回路（昇降圧回路）
２２降圧回路（昇降圧回路）
３０インバータ回路
４１，４２，４３電動機付ターボチャージャ

Claims

ターボチャージャと、
前記ターボチャージャをパワーアシストする電動機と、
直流電源の供給を受ける昇降圧回路と、
前記昇降圧回路の出力を入力するインバータ回路と、を備え、
前記インバータ回路の出力を電動機駆動電流として前記電動機の各相に供給して駆動する電動機付ターボチャージャにおいて、
前記直流電源から少なくとも何れかの電圧値で入力された前記昇降圧回路は所定の基準電圧値を出力することを特徴とする電動機付ターボチャージャ。
前記インバータ回路は、
前記ターボチャージャの本体機種および／または前記直流電源の定格出力電圧値が何れであっても同一構成であることを特徴とする請求項１に記載の電動機付ターボチャージャ。
異なる機種ごとの前記ターボチャージャに同軸結合される前記電動機の機種別組み合わせは、実質上１対１に固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動機付ターボチャージャ。
前記基準電圧値を３１．５Ｖ以上４８．０Ｖ以下に設定したことを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れか１項に記載の電動機付ターボチャージャ。