JP2012005245A - 電気推進装置およびこれを備えた電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】構成の簡素化による小型化、軽量化および低コスト化を図ることが可能な電気推進装置を提供する。
【解決手段】電気推進装置１０は、充放電可能な二次電池１２と、二次電池１２から供給される電力を変換して出力する電力変換器１４と、電力変換器１４から出力された電力により駆動されるモータ１６と、電力変換器１４を作動制御する制御回路１８とを筐体２０内に収容して一体のユニットとして構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気推進装置およびこれを備えた電動車両に関し、特に、二次電池、電力変換器、モータおよび制御回路を含む電気推進装置ならびにこれを備えた電動車両に関する。

従来、走行用動力源として内燃機関であるエンジンと電気駆動のモータとを併用したハイブリッド車両が知られている。また、モータのみを走行用動力源として搭載した電気自動車も注目されている。これらのハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両は、温室効果ガスである二酸化炭素の排出を抑制するうえで普及が加速しつつある。

上記電動車両では、モータへの電力供給源として例えばリチウムイオン電池等の二次電池が用いられている。二次電池は充放電可能な蓄電装置またはバッテリであるが、車両の燃費や動力性能を向上させるために高電圧で大容量のバッテリが搭載されることが多い。

このような高電圧大容量のバッテリは、体格および重量が大きくて高価であるのが現状である。そのため、これを搭載したハイブリッド車両では、車載スペースの制約からバッテリが車両後部（例えば後部座席の下）に搭載される一方でエンジンおよびモータが車両前部のエンジンコンパートメント内に搭載され、バッテリに接続された高圧ケーブルが車両前方へと配線されて１つ又は複数の電力制御機器に接続され、さらに電力制御機器から高圧ケーブルを介してモータに接続されることがある。この場合、ケーブル長が長くなるとともにコネクタやねじ留め端子等による接続箇所が多くなることから、電力損失が大きくなって燃費向上を妨げる要因になるとともに組付け作業が複雑で時間がかかるものになる。

また、ハイブリッド車両では、燃費を最適化するためにエンジンとモータとを好適に使い分ける又は併用することが求められる。そのために車両駆動システムが複雑なものになることから、製造、組立、検査、メンテナンス等の種々の場面において作業時間およびそれに伴うコストを押し上げることにつながる。

一方、モータのみを動力源として搭載した電気自動車は、ハイブリッド車両と比べると車両駆動システムが簡易になるというメリットがある。ただし、電気自動車においても、体格および重量が大きくて高価なバッテリを車両後部または車両下部に搭載し、モータおよび電力制御機器を車両前部に搭載する場合には、上述したハイブリッド車両と同様の問題がある。

また、電気自動車では、エンジンを有しないためにバッテリ電力が尽きると走行不能になることから、バッテリ容量によって航続距離が大きく制限される（例えば百数十ｋｍ）という不利な面がある。したがって、電気自動車において航続距離を通常のガソリン車並み（例えば数百ｋｍ）に近づけようとするとバッテリの更なる大容量化が必要になり、それに伴って車両に占めるバッテリの搭載スペース、重量および価格の割合がより一層大きくなって車両の小型化、低コスト化、低電費化を図ることが困難になるという状況がある。

ここで、例えば特開２００８−２８２６３３号公報（特許文献１）には、コスト低減と軽量化を図ることを課題として、負極集電体と正極集電体をそれぞれ積層端に有する積層型電池と、前記積層型電池の正極集電体または負極集電体のいずれか一方の集電体上に、異なる電導型を有する有機半導体の積層により回路が形成された有機半導体層と、を有する電池一体化回路装置が開示されている。

また、特開２００７−１１６８４０号公報（特許文献２）には、インバータモジュールを交流モータと一体に構成することが記載されている。

特開２００８−２８２６３３号公報 特開２００７−１１６８４０号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、電池と有機半導体回路とを一体化して小型化および軽量化することはできても、高電圧で大容量のバッテリ自体が大型であって動力源であるモータがバッテリから離れて搭載されている場合にはモータを含む車載駆動システム全体として見れば、小型化および軽量化の効果は限定的であるといえる。このことは上記特許文献２に記載されるようにインバータをモータと一体に構成した場合も同じである。

本発明の目的は、電気的に安全で、かつ、構成の簡素化による小型化、軽量化および低コスト化を図ることが可能な電気推進装置を提供することにある。

本発明に係る電気推進装置は、充放電可能な二次電池と、前記二次電池から供給される電力を変換して出力する電力変換器と、前記電力変換器から出力された電力により駆動されるモータと、前記電力変換器を作動制御する制御回路とを筐体内に収容して一体のユニットとして構成される。

本発明に係る電気推進装置において、前記二次電池は最高直流電圧が６０ボルト未満の安全電圧であることが好ましい。

この場合、前記モータは複数相交流モータであり、前記二次電池は前記モータの相数に応じた複数の電池モジュールに分割されて構成されており、前記各電池モジュールの端子間電圧がそれぞれ前記安全電圧であることが好ましい。

そして、この場合、前記モータは、前記各電池モジュールの直流電圧が前記電力変換器によって交流電圧に変換されて各相コイルにそれぞれ印加されることにより駆動可能な最大出力を有することが好ましい。

また、本発明に係る電気推進装置において、前記二次電池、前記電力変換器および前記モータにより構成される電気推進系統を２系統含み、前記各系統の２つのモータの各ロータはロータシャフトを共通にして連設されていてもよい。

また、本発明に係る電気推進装置において、前記二次電池の最高直流電圧が６０ボルト未満の安全電圧であり、前記二次電池の最高直流電圧を前記筐体外部の負荷に給電するための給電端子が前記筐体の壁部の外部に設けられていてもよい。

また、本発明に係る電気推進装置において、前記筐体内には前記二次電池と前記電力変換器とが近接して配置されるとともに前記電力変換器と前記モータとが近接して配置されており、前記二次電池と前記電力変換器との間および前記電力変換器と前記モータとの間はコネクタやねじ止め端子を介さずに連結される導電線によってそれぞれ電気接続されていてもよい。

また、本発明に係る電気推進装置において、前記モータは複数相交流モータであり、前記電力変換器は双方向の昇降圧機能および直流交流変換機能を有するとともにソフトスイッチングが実行される多相多重インバータであってもよい。

この場合、前記多相多重インバータは、前記モータの相数に応じた複数のインバータ回路を含み、前記各インバータ回路は複数重の昇降圧型チョッパ回路によりそれぞれ構成されてもよい。

そして、この場合、前記昇降圧型チョッパ回路は、複数のユニポーラ系半導体スイッチング素子を用いて構成されてもよい。

また、本発明に係る電気推進装置において、前記モータは、永久磁石を用いない磁石レスモータであってもよい。

また、本発明に係る電気推進装置において、前記筐体には、前記二次電池、前記電力変換器、前記モータおよび前記制御回路を冷却するための冷却手段が設けられていてもよい。

この場合、前記冷却手段は、前記モータにより駆動されて前記筐体内にある冷却媒体を循環させる冷媒循環部材を含んでもよい。

そして、この場合、前記冷却手段は筐体外部から導入された冷却媒体を筐体の壁部内を通して流す冷媒流路を含んで構成され、前記冷媒流路は上流側から前記二次電池、前記電力変換器、前記モータの順に冷却するように形成されていてもよい。

また、本発明に係る電気推進装置において、前記モータは複数相交流モータであり、前記モータの中性点に接続される二次電池充電用の充電端子が前記筐体の壁部の外部に設けられていることが好ましい。

この場合、前記充電端子には前記筐体外に設けられた非接触式給電手段が電気接続されてもよい。

また、本発明に係る電気推進装置において、前記筐体外に設けられた接触式給電手段が前記給電端子に電気接続されてもよい。

本発明に係る電動車両は、上記いずれかの構成を本発明に係る電気推進装置を走行用動力源として備えているものである。

本発明に係る電動車両において、前記電気推進装置が車室外に搭載されていることが好ましい。

また、本発明に係る電動車両において、前記電気推進装置が駆動輪の数に応じて複数搭載されていてもよい。

本発明に係る電気推進装置によれば、二次電池と電力変換器とモータと制御回路とが筐体内に収容されて一体のユニットとして構成されているので、例えば車載駆動システムとしての構成が簡素なものになり、装置の小型化、軽量化および低コスト化を効果的に図れるとともに、装置の組付性と搭載性を向上させることができる。
また、二次電池の最高直流電圧が６０ボルト未満の安全電圧であるものとすれば、筐体外部に安全電圧を上回る電圧が露出していないので、電気的安全性を確実なものとすることができる。

本発明の第１実施形態の電気推進装置を示す概略構成図である。 図１における矢印Ａ方向から見た電気推進装置の側面図である。 図２中のＢ−Ｂ線に沿った壁部断面を展開して示す図である。 第１実施形態の電気推進装置に含まれる二次電池、電力変換器、モータおよび非接触式給電手段を概略的に示す図である。 接触式給電手段を更に含む図４と同様の図である。 電力変換器である昇降圧型多相多重インバータを示す図である。 ２つの電気推進系統を含む第２実施形態の電気推進装置を示す概略構成図である。 第２実施形態の電気推進装置に含まれる二次電池、電力変換器、モータおよび非接触式給電手段を概略的に示す図である。 第２実施形態の電気推進装置を２基搭載したＦＦ式電動車両を概略的に示す図である。 図９に示す電動車両において２つの駆動輪に対応して２基の電気推進装置を設けた例を示す図である。 第２実施形態の電気推進装置を２基搭載したＲＲ式電動車両を概略的に示す図である。 第２実施形態の電気推進装置を１基搭載したＲＲ式電動車両を概略的に示す図である。 図１２における電気推進装置が２つの駆動輪に連結されている様子を示す図である。 第２実施形態の電気推進装置を１基搭載したＦＦ式電動車両を概略的に示す図である。 第２実施形態の電気推進装置を１基搭載するとともに、発電機およびこれを駆動するエンジンを搭載したＲＲ式電動車両を概略的に示す図である。 ４つの駆動輪に対応して第２実施形態の電気推進装置を４基搭載した電動車両を示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

下記の説明においては電気推進装置が電気自動車やハイブリッド車両を含む電動車両の走行用動力源として用いられる例について説明するが、本発明に係る電気推進装置の用途は電動車両に限定されるものではなく、電動二輪車、電動三輪車、船舶、飛行機、ロボット等の他の移動体の動力源として用いられてもよい。

図１は本発明の第１実施形態である電気推進装置１０の構成を概略的に示し、図２は図１における矢印Ａ方向から見た電気推進装置の側面を示し、図３は図２中のＢ−Ｂ線に沿った壁部断面を展開して示す。

図１に示すように、電気推進装置１０は、充放電可能な二次電池１２と、二次電池１２から供給される電力を変換して出力する電力変換器１４と、電力変換器１４から出力された電力により駆動されるモータ１６と、電力変換器１４を作動制御する制御回路１８とを筐体２０内に収容して一体のユニットとして構成されている。

筐体２０は、例えばアルミニウムやアルミ合金等からなる金属製のケースまたはハウジングが好適に用いられる。また筐体２０は、鋳物により構成されてもよいし、板金によって形成されてもよい。

さらに筐体２０は、主として二次電池１２を収容する矩形状の電池収容部分２０ａと、主としてモータ１６を収容するモータ収容部分２０ｂとを有する。モータ収容部分２０ｂは、電池収容部分２０ａに比べて幅が狭く形成されているとともに、図２に示すように外側へ向かって凸状に湾曲した外側面を有するように形成されている。ただし、筐体２０は、このような形状のものに限定されず、二次電池１２、電力変換器１４、モータ１６等を収容して一体のユニットとして取り扱うことができる形状であればどのような形状であってもよい。

さらにまた図２に示すように、筐体２０の壁部２１ａには、二次電池１２、電力変換器１４、モータ１６および制御回路１８を冷却するための冷却手段が設けられている。具体的には、この冷却手段は、図３に示すように、筐体２０の外部から冷媒導入口２２を通って導入された冷却媒体を筐体２０の壁部２１ａ内を通して流す冷媒流路２４を含んで構成される。

冷媒流路２４は、冷媒導入口２２を始端として電池収容部分２０ａからモータ収容部分２０ｂにかけてジグザグ状に形成されており、最終的にはモータ収容部分２０ｂの略先端位置から冷媒導出口２６へと略直線状に形成されている。上記冷却媒体には、例えば冷却水が好適に用いられる。

冷媒流路２４は、種々の方法により形成されることができる。例えば、筐体２０の壁部２１ａを構成する壁面に連続して溝加工を施し、この溝を閉じるように金属平板で覆うことによって形成されてもよい。または、金属製のパイプを冷媒流路２４の形状に曲げ加工して、筐体２０の壁部２１ａを構成する壁面の外側に接触固定してもよい。あるいは、筐体２０の壁部２１ａを構成する壁面の外側に冷媒流路となる空間を形成し、その空間を流路仕切壁によって仕切ることによって上記のようなジグザグ状の冷媒流路が形成されてもよい。

冷媒導入口２２には図示しない冷媒配管を介して冷媒ポンプによって冷却水が送り込まれる。そして、筐体２０の壁部２１ａ内の冷媒流路２４を通過して昇温した冷却水は、冷媒導出口２６から排出されて図示しない冷媒配管を介してラジエータに送られ、ラジエータを通過する間に放熱して降温した後に上記冷媒ポンプへと戻って再び筐体２０へと循環供給される。

筐体２０内において二次電池１２、電力変換器１４およびモータ１６は、筐体２０の壁部２１ａの内側に接触または近接して配置されている。これにより、壁部２１ａ内を流れる冷却水によって上流側から二次電池１２、電力変換器１４、モータ１６の順に冷却することができる。二次電池１２は、放熱面積および熱容量が大きいために発熱による温度変化は比較的小さく、冷却の必要性は大きくない。これに対し、電力変換器１４は、内蔵する電力スイッチング素子のオン損失やスイッチング損失による発熱によって昇温するため、冷却して動作性能を維持する必要がある。また、モータ１６は駆動されることによって銅損や鉄損によって発熱して昇温し、その発熱量および温度上昇が電力変換器１４よりも大きいことから、冷却の必要性が最も大きいといえる。したがって、壁部２１ａ内の冷媒流路２４を流れる冷却水によって上流側から二次電池１２、電力変換器１４、モータ１６の順に冷却する構成とすることで、二次電池１２、電力変換器１４およびモータ１６を効率よく冷却することができる。

なお、低温環境時には電気推進装置１０の起動時に二次電池１２の温度をできるだけ早く昇温させることが必要になることがある。この場合、ラジエータを介さずにバイパスさせて冷却水を冷媒流路２４に流すことにより、電力変換器１４およびモータ１６の発熱によって昇温した冷却水によって二次電池１２を加温するのが好ましい。

図１を再び参照すると、筐体２０内に収容された二次電池１２は、例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛電池等の二次電池またはバッテリにより好適に構成されることができる。また、二次電池１２から出力される最高直流電圧は６０ボルト未満の安全電圧としてある。具体的には、二次電池１２は、例えば約４２ボルトの標準直流電圧となるように設計されている。このように電気推進装置１０の電力源である二次電池１２の直流電圧を安全電圧とすることで、電気推進装置１０が車両に搭載された場合における衝突時などに二次電池１２から筐体２０や車体に電流が流れたとしてもタッチカレント（接触電流）を低く抑えることができ、高電圧で大容量の二次電池を搭載した電動車両に比べて電気的安全性を向上させることができる。

また、標準直流電圧が安全電圧である二次電池１２は、複数の電池セルを直列接続したスタックとして構成されることができるが、出力電圧が安全電圧と低いために正極端子および負極端子間等に必要とされる絶縁距離が小さくてよく、かつ、電池セル数も少なくてよい。これにより、高電圧の二次電池スタックと比べると二次電池１２は小型で軽量で組立てが容易となり、二次電池１２の製造コストも大幅に抑えられ量産性も向上し、電気推進装置１０の小型化、軽量化、低コスト化、組立性および搭載性の向上等に寄与することができる。

筐体２０の壁部２１ｂの外部には２つの給電端子２８，３０が設けられおり、一方の給電端子２８が二次電池１２の正極側に、他方の給電端子３０が二次電池１２の負極側にそれぞれ電気接続されている。これにより、筐体２０の外部にある負荷、例えばパワーステアリング用電動油圧ポンプ等の電動車両の補機類に対して給電端子２８，３０から二次電池１２の安全電圧、例えば４２ボルトの直流電圧を給電することが可能になる。また、例えば４２ボルトの標準直流電圧を４２ボルト駆動の補機類（オーディオ、照明、エアコン等）にそのまま大容量給電することができる。そのため、高電圧で大容量の二次電池を搭載した電動車両のように二次電池から供給される高圧の直流電圧を降圧して補機類に給電するためのＤＣＤＣコンバータを搭載する必要がなく、また、補機類用の低電圧バッテリを搭載する必要もなくなる。したがって、これらＤＣＤＣコンバータや低電圧バッテリを省略できることで、車載駆動システム全体としての小型化、軽量化、および低コスト化を図れる。

さらに、二次電池１２は、複数相交流モータにより好適に構成されるモータ１６の相数に応じた複数の電池モジュールが並列接続されて構成されており、各電池モジュールの端子間電圧がそれぞれ上記安全電圧としてある。これについては後に詳述する。

なお、上記負極側の給電端子３０はアースに接続されて金属製筐体２０を接地電位とするアース端子としても用いられる。また、上記給電端子２８，３０は、筐体２０の外部にある電源、例えば後述する接触式給電手段に接続されて、二次電池１２を充電するための電力を受け取る充電用端子として用いられてもよい。

筐体２０内に収容されている電力変換器１４は、二次電池１２と近接して配置されている。そして、二次電池１２と電力変換器１４との間が複数（本実施形態では３本）の導電線３２によって電気接続されている。この場合、二次電池１２と電力変換器１４とが近接配置されているため、導電線３２の長さも短くて足り、導電線３２の電気抵抗を低く抑えることができ、装置の小型化と、電力損失およびコストの低減を図れる。また、二次電池１２および電力変換器１４はいずれも筐体２０内のそれぞれ決まった位置に固定されることから、両者間の配置誤差を吸収させるための柔軟性を導電線３２に持たせる必要もない。したがって、導電線３２は、例えば帯状銅板等の剛直な導電部材によって構成されることもできる。さらに、二次電池１２等を収容した筐体２０が一体のユニットとして電動車両に搭載されるときに蓋部材等によって閉じられると外部から接触不能となるため導電線３２は絶縁被覆されなくてもよく、これによっても低コスト化が図れる。

さらにまた、電気推進装置１０が一体のユニットとして組み立てられた後は車両に対して筐体２０ごとの組付けおよび取り外しをすれば良いので、導電線３２が二次電池１２および電力変換器１４に対して大電力高圧用コネクタやねじ止め端子等を用いて着脱可能に連結されていなくてもよい。したがって、導電線３２の両端を二次電池１２および電力変換器１４の各端子に溶接、ロウ付け、カシメ部材による圧着等の方法で連結固定されてもよい。この場合、高価で熱に弱く経時劣化しやすい樹脂製の高圧絶縁用コネクタやねじ止め端子を省略でき、部品数の削減、低コスト化、長寿命化を図れる。また、コネクタ等を差し込んで接続したり又は電気ケーブルの端部に圧着されたねじ止め端子をねじによって二次電池１２等の端子に工具で締め付けて接続する場合には組付け作業者による作業スペースを考慮して両者の間隔を設定しなければならないが、上記のように導電線３２の端部を溶接等で固定することとすれば細長い溶接工具の先端が差し込める狭いスペースがあれば足りるので両者をより接近して配置することができ、これにより装置の小型化が図れるとともに自動生産による組立も容易になる。

ただし、このように導電線３２の両端を溶接等で固定する場合には、搭載された電動車両の走行時の振動によって導電線３２の固定された端部が外れないように留意する必要があり、これに対処するために導電線３２に上記振動を吸収できるだけの若干の柔軟性を持たせてもよい。

また、電力変換器１４は、双方向の昇降圧機能および直流交流変換機能を有するとともにソフトスイッチングが可能な多相多重インバータによって好適に構成されることができる。ここで双方向の昇降圧機能および直流交流変換機能とは、二次電池１２から受け取った直流電力を昇圧または降圧すると共に交流電力に変換してモータ１６へと出力する機能と、モータ１６から受け取った交流電力を直流電力に変換すると共に降圧または昇圧して二次電池１２に出力して充電する機能とを意味する。ただし、電力変換器１４は、二次電池１２から受け取った直流電力を昇降圧することなく交流変換してモータ１６へと出力することもできるし、あるいは、モータ１６から受け取った直流電力を二次電池１２の充電に適した電圧値まで降圧または昇圧して二次電池１２へと出力することもできる。

上記のような機能を有する電力変換器１４は、制御回路１８によって作動制御される。すなわち、電力変換器１４は複数の電力用半導体スイッチング素子を含んで構成されており、制御回路１８から入力されるスイッチング信号に応じて上記各半導体スイッチング素子がオンオフ制御されることによって、昇降圧機能および交流直流変換機能を奏することができる。電力変換器１４の詳細な構成については後に詳述する。

筐体２０のモータ収容部分２０ｂ内に収容されたモータ１６は、電力変換器１４に近接して配置されており、両者は複数の導電線３４によって電気接続されている。本実施形態におけるモータ１６には三相交流モータが好適に用いられることから、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相に対応して３本の導電線３４が用いられる。これらの導電線３４の両端の接続とそれによる作用効果については、上述した導電線３２の場合と同様である。

また、モータ１６には、永久磁石を用いていない所謂磁石レスモータを用いるのが好ましい。このように磁石レスモータを用いることで、低コスト化を図れるとともに、永久磁石型モータのような減磁といった問題もなく堅牢な構成で信頼性が向上する。磁石レスモータとしては、誘導モータ、スイッチドリラクタンスモータ、同期リラクタンスモータ、同期誘導励磁型モータ等が例示される。さらに、磁石レスモータによれば、ロータ３６が空回りしてもステータ３８の内周部にあるコイルに逆起電力が発生しないため二次電池１２が高電圧で逆充電されることもなく、電気推進装置１０が搭載された電動車両が何らかのトラブルで牽引される場合でもモータ１６のロータシャフト４０に直結する駆動輪４２を路面から浮かせて牽引しなくてもよい。

なお、本実施形態の電気推進装置１０ではモータ１６として磁石レスの交流モータを用いるものとして説明するが、本発明に係る電気推進装置はこれに限定されるものではなく、永久磁石を用いた交流モータまたは直流モータが用いられてもよい。

モータ１６は、電力変換器１４から導電線３４を介して三相交流電圧が印加されることによって回転駆動される。モータ１６は、二次電池１２を構成する各電池モジュール１３（図４参照）の標準直流電圧Ｖｂｔｙｐが電力変換器１４によって必要に応じて昇圧されると共に交流電圧に変換されて印加されることにより駆動可能な定格出力を有するように選定される。具体例として、モータ１６には、最大出力が約１０〜１５ｋＷ（最大トルク約５０〜７５Ｎｍ）の三相交流モータを用いることができる。これくらいの定格出力のモータ１６を用いた電気推進装置１０を車重量約１トン未満（例えば軽自動車クラス）の電動車両に１基搭載すれば、市街地を普通に走行するのに十分な動力性能を得ることができる。

また、本実施形態の電気推進装置１０では、後述するように、モータ１６の相数の応じて分割された３つの電池モジュール１３によって二次電池１２が構成されている。１つの電池モジュール１３について最大直流電圧５０ボルト（標準直流電圧４２ボルト）で最大出力電流１００アンペアとすると、１つの電池モジュール１３の最大出力電力が５ｋＷとなり、３つの電池モジュール１３からなる二次電池１２では最大出力電力が１５ｋＷとなる。したがって、このような電力供給能力を有する二次電池１２によって駆動されるモータ１６の最大電力を上記のように約１０〜１５ｋＷとするのが相当である。このように本実施形態の電気推進装置１０では、複数の電池モジュール１３によって１つの電池スタックである二次電池１２を構成したことにより、モータ１６の最大出力を、近時の実用化されている電動車両のものに比べて低く抑えることができ、これによりモータ自体ひいてはこれを用いた電気推進装置１０の小型化、軽量化、低コスト化および低電費化と、量産性の向上を図ることができる。

モータ１６は、円筒状をなして内周部に複数のコイルを有するステータ３８と、ステータ３８の内側に回転可能に支持されているロータ３６とを含む。モータ１６のステータ３８は、筐体２０のモータ収容部分２０ｂの内壁に固定されている。モータ１６のロータ３６の中心部を貫通して固定されるロータシャフト４０は、モータ収容部分２０ｂの壁部に組み付けられた軸受け部材４４によって回転可能に支持されている。筐体２０外に延出するロータシャフト４０の一端部は、ジョイント部材４６を介して駆動輪４２に接続する車軸４８に連結されている。

なお、駆動輪４２には、図示しないブレーキペダルの踏み込みによって作動する油圧式の機械式ブレーキ４３が組み込まれている。このような機械式ブレーキ４３と併せて、モータ１６によっても制動力を生じさせてもよい。これは、ロータ３６に負方向または逆転方向のトルクを作用させるように電力変換器１４の制御を通じてモータ１６をトルク制御することにより実現される。

一方、モータ１６のロータ３６に固定されたロータシャフト４０の他端部には、冷媒循環部材５０が取り付けられている。この冷媒循環部材５０は、モータ１６が駆動されることによって回転することで、筐体２０内にある冷媒、例えば空気を送り出して循環させ、これにより筐体２０内に収容された二次電池１２、電力変換器１４、モータ１６および制御回路１８を風冷によって冷却するためのものである。具体的には、冷媒循環部材５０は、例えば水車、渦巻ポンプの羽根、扇風機の羽根、プロペラ、スクリュ等のような形状のものとすることができる。冷媒循環部材５０は、筐体２０の壁部２１ａに設けた冷媒流路２４とともに、本実施形態の電気推進装置１０における冷却手段を構成する。ただし、いずれか一方のみで十分な冷却性能を発揮できれば、冷媒流路２４または冷媒循環部材５０を省略してもよい。

なお、本実施形態では、冷媒循環部材５０によって筐体２０内の空気を循環させるものとして説明するが、本発明ではこれに限定されるものではない。例えば、筐体２０を液密状に構成して内部の隙間に絶縁性液体、例えば冷却オイルを充填または封入しておき、この冷却オイルを冷媒循環部材によって筐体２０内に循環させて各構成部材１２−１８を冷却するものとしてもよい。

さらに、三相交流モータであるモータ１６のステータ１６を構成するＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイルは、中性点においてＹ字状に結線されて互いに電気接続されており、この中性点に電気接続された充電端子５２が筐体２０のモータ収容部分２０ｂの壁部に露出して設けられている。この充電端子５２に、筐体２０外に設けられた非接触式充電手段等が電気接続されることにより、充電端子５２からモータ１６の中性点を介して供給された電力を必要に応じて電力変換器１４によって交流直流変換および降圧した後に、二次電池１２に充電することが可能になっている。

筐体２０内に収容された制御回路１８は、ＣＰＵ（またはＭＰＵ）、メモリ、入出力ポート等を含むマイクロコンピュータを含む回路基板として構成されることができる。制御回路１８は、電気推進装置１０が電動車両に搭載されたときに車載の電力制御ユニット（図１中「ＰＭ−ＥＣＵ(Power Management-Electronic Control Unit)」と表示）５４と電気接続されて、電力制御ユニット５４との間で信号の授受を行う。この信号の授受は、無線または有線のいずれよって行われてもよい。

制御回路１８を含む回路基板は、二次電池１２と筐体２０の壁部との間にそれぞれ隙間を空けた状態で配置されている。このように隙間を空けて回路基板を配置することで、冷媒循環部材５０によって筐体２０内を循環する冷媒によって回路基板が表裏両側から効果的に冷却されることができる。そのため、制御回路１８を構成する電気部品の寿命を延ばすことができる。

電力制御ユニット５４には、電動車両のアクセルペダルの踏み込み量を示すアクセル開度信号が入力されるようになっている。電力制御ユニット５４は、アクセル開度に応じたトルクをモータ１６から出力するようにトルク指令を生成して制御回路１８へ送信する。制御回路１８は、このトルク指令に応じてモータ１６が駆動されるように電力変換器１４の作動を制御する。これに加えて制御回路１８は、二次電池１２の充電状態を監視および管理する機能や、後述する充電手段との接続状態を制御する機能も有する。

続いて、図４〜６を参照して、二次電池１２、電力変換器１４およびモータ１６の詳細について説明する。図４は二次電池１２、電力変換器１４、モータ１６および非接触式給電手段を概略的に示す図である。また、図５は接触式給電手段を更に含む変形例を示す図であり、図６は電力変換器１４を構成する昇降圧型多相多重インバータを示す図である。

図４に示すように、二次電池１２は、モータ１６の相数に応じて分割された複数（本実施形態では３つ）の電池モジュール１３が並列接続されて構成されており、各電池モジュール１３の端子間電圧が上述した安全電圧となるように設計されている。具体例としては、各電池モジュール１３の標準直流電圧が約４２ボルトであるとすると、セル出力電圧が約３．５ボルトの電池セルを１２個直列に接続して上記電池モジュール１３をそれぞれ構成することができ、上記３つの電池モジュール１３を合わせて１つの二次電池１２として構成されている。このように端子間電圧が安全電圧である電池モジュール１３を３つ並列接続して１つの二次電池１２を構成することにより、１つの電池モジュール１３に不具合が生じても他の電池モジュール１３からの電力供給によってカバーされるため冗長動作が可能になって信頼性が向上するとともに、二次電池１２の出力電圧を安全電圧とするとこができるので感電安全性も向上する。

各電池モジュール１３には、電流センサ５６、電圧センサ５８、および、温度センサ６０がそれぞれ設けられている。また、３つの電池モジュール１３を含む１つの電池スタックである二次電池１２には、圧力センサ５５が設けられている。これらのセンサ５５，５６，５８，６０によって検出される電池圧力、電流値、電圧値および電池温度は、制御回路１８に送信されて、電池モジュール１３の充電状態または残容量（ＳＯＣ）や二次電池１２の異常等を監視および制御するために用いられる。また、並列接続されている３つの電池モジュール１３の正極側端子は上記給電端子２８に接続されており、同じく３つの電池モジュール１３の負極側端子は上記給電端子３０に接続されて接地されている。これにより、電池モジュール１３から供給される安全電圧が上記給電端子２８，３０に出力されるようになっている。

多相多重インバータである電力変換器１４は、モータ１６の相数に応じた複数のインバータ回路を含む。具体的には、モータ１６が、ステータ３８の内周部にＵ相、Ｖ相およびＷ相コイル３９Ｕ，３９Ｖ，３９Ｗが巻装されている三相交流モータである場合、電力変換器１４は３つのインバータ回路１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗにより構成されている。そして、インバータ回路１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗの各２つの入力側端子は、各電池モジュール１３の正極側端子および負極側端子にそれぞれ接続されている。一方、インバータ回路１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗの各出力側端子は、モータ１６のＵ相、Ｖ相およびＷ相コイル３９Ｕ，３９Ｖ，３９Ｗの入力側一方端にそれぞれ接続されている。Ｕ相、Ｖ相およびＷ相コイル３９Ｕ，３９Ｖ，３９Ｗの他方端は、中性点１７においてＹ字状に結線されている。これにより、各電池モジュール１３から出力された直流電圧が各インバータ回路１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗによって１２０°の位相差をもつ交流電圧に変換されて出力され、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相コイル３９Ｕ，３９Ｖ，３９Ｗにそれぞれ印加されてモータ１６が駆動されることになる。

図４および６を参照すると、インバータ回路１５は、複数重の昇降圧型チョッパ回路（以下、適宜にチョッパ回路とだけいう）６２が並列接続されて構成されている。具体的には、本実施形態の電気推進装置１０では、４つのチョッパ回路６２により１つのインバータ回路が構成されている。また、インバータ回路１５の２つの入力側ライン間にはリップル除去フィルタ６４が接続されている。リップル除去フィルタ６４は、電池モジュール１３およびインバータ回路１５Ｕ，１５Ｖ、１５Ｗ間でリップル電流を抑制して出力電圧を平滑化する機能を有する。さらに、インバータ回路１５と電池モジュール１３とを接続する正極ライン６５には、電流遮断機構、例えばパワーヒューズ６６が設けられている。パワーヒューズ６６は、インバータ回路１５または電池モジュール１３に過大電流が流れるのを防止するものである。

本実施形態の電気推進装置１０では、高電圧で大容量の二次電池を搭載した従来の電動車両の駆動システムとは異なり二次電池１２の出力電圧を安全電圧としているため、大容量で大型で高価な高電圧用フィルムコンデンサを用いる必要がなく、小容量の低ＥＳＲ（等価直列抵抗）で高周波特性のセラミックコンデンサやフィルムコンデンサ等を用いることで電力変換器１４ひいては電気推進装置１０の小型化、軽量化、低コスト化、低電費化に寄与することができる。また、高価で熱に弱く経時劣化しやすい電解コンデンサを用いずに済むため低コスト化だけでなく長寿命化も図ることができ、このことは制御回路１８を構成する電気部品についてもいえる。さらに、コンデンサの小容量化で充放電がより早く完了することができるので、電気推進装置１０の始動および停止の動作をより迅速に完了することができる。

なお、本実施形態では、二次電池１２の出力電圧が低くタッチカレントも低減されるために電気的安全性が確保されることから、パワーヒューズ６６を用いて二次電池１２および電力変換器１４間を常時接続するものとして説明するが、本発明に係る電気推進装置はこれに限定されず、電力制御ユニッ５４または制御回路１８による制御に応じてオフ動作するシステムメインリレーを設けて、二次電池１２と電力変換器１４とを切り離し可能にしてもよい。この場合でも、二次電池１２の出力電圧が低いためにアーク発生によるリレー溶着の可能性が低減される。

上記チョッパ回路６２は、上アームの電池側スイッチング素子７０および下アームの電池側スイッチング素子７２を含む電池側ハーフブリッジ回路と、上アームのモータ側スイッチング素子７４および下アームのモータ側スイッチング素子７６を含むモータ側ハーフブリッジ回路と、これら２つのハーフブリッジ回路の出力端子を接続するリアクトル７８とを有する。各スイッチング素子７０，７２，７４，７６には、負極側主電極端子側から正極側主電極端子側へと電流を流すようにフライホイールダイオード（以下、適宜にダイオードとだけいう）がそれぞれ逆並列に接続されている。上記各スイッチング素子７０−７６には、半導体スイッチング素子、特に、ユニポーラ系の半導体スイッチング素子を好適に用いることができ、具体例としてはノーマリーオフ型でユニポーラ系電力用半導体デバイスであるＳｉ系スーパージャンクションＭＯＳＦＥＴやＳｉＣ系またはＧａＮ等を材料とするＭＯＳＦＥＴを用いて構成される。

上記の構成からなるチョッパ回路６２では、制御回路１８から受信する制御信号に応じて各スイッチング素子７０−７６がオンオフ制御されることによって双方向の昇降圧機能および直流交流変換機能を果たすことができる。次に、電力変換器１４に含まれる１つのチョッパ回路６２の動作について説明するが、この動作は電力変換器１４に含まれるすべてのチョッパ回路６２に適合する。

まず、二次電池１２から供給される電池電圧Ｖｂを昇圧するとともに交流電圧に変換してモータ１６へ印加する昇圧および交流変換動作について説明する。スイッチング素子７０を常時オンした状態（このときスイッチング素子７２は常時オフした状態）で、スイッチング素子７６を所定のスイッチング周期（スイッチング周波数の逆数）および所定のデューティ比で断続する。

各スイッチング周期中のスイッチング素子７６をオンする蓄勢期間において、二次電池１２からスイッチング素子７０、リアクトル７８、スイッチング素子７６の順に電流が流れて、リアクトル７８に磁気エネルギーが蓄勢される。

そして、各スイッチング周期中のスイッチング素子７６をオフする消勢期間において、二次電池１２からスイッチング素子７０、リアクトル７８、スイッチング素子７４の寄生ダイオード８０（またはオン動作したスイッチング素子７４）の順に電流が流れてモータ１６に昇圧された電圧Ｖｍが印加される。このときモータ印加電圧Ｖｍは電池電圧Ｖｂに
、リアクトル７８に磁気エネルギーとして蓄積されるリアクトル電圧ΔＶを加えたものに
なる。しかし、リアクトル電圧ΔＶは消勢期間中に電流が流れることで減少していく。

このようにスイッチング素子７６のデューティ比を調節してリアクトル電圧ΔＶを変更することによって、チョッパ回路６２（すなわちインバータ回路１５Ｕ、１５Ｖ、１５Ｗ）の出力電圧を所定電圧範囲において昇圧することができる。なお、チョッパ回路６２による昇圧後の電圧も直流６０ボルト未満の安全電圧に制限して電気的安全性を確保するのが好ましい。

また、この昇圧動作と同時にスイッチング素子７６等のオン期間をＰＷＭ制御することによって、昇圧された直流電圧を略正弦波状の交流電圧に変換することができ、これによりモータ１６を正弦波ＰＷＭ制御または過変調ＰＷＭ制御で駆動することができる。あるいは、上記昇圧動作と同時にスイッチング素子７６等のオン期間を上記スイッチング周期の５０％に相当する矩形波となるように制御することによって、昇圧された直流電圧を矩形パルス状の交流電圧に変換することができ、その矩形パルス状の交流電圧の位相制御を実行することによりモータ１６を矩形波制御で駆動することができる。

続いて、後述する給電手段からモータ１６の中性点１７を介して供給される交流電圧を直流変換および降圧して二次電池１２に充電する際の降圧および直流変換動作について説明する。この場合、上述した昇圧および交流変換動作と逆の動作となる。すなわち、スイッチング素子７０を常時オンした状態（このときスイッチング素子７２は常時オフした状態）で、スイッチング素子７４を所定のスイッチング周期（スイッチング周波数の逆数）および所定のデューティ比で断続する。

各スイッチング周期中のスイッチング素子７４をオンする蓄勢期間において、モータ１６からスイッチング素子７４、リアクトル７８、スイッチング素子７０の順に電流が流れて、リアクトル７８にリアクトル電圧ΔＶが磁気エネルギーとして蓄勢されるとともに、二次電池１２にはリアクトル電圧ΔＶを差し引いた残りの電圧が印加される。

そして、各スイッチング周期中のスイッチング素子７４をオフする消勢期間において、スイッチング素子７６、リアクトル７８、スイッチング素子７０、二次電池１２（電池モジュール１３）、スイッチング素子７６をフライホイール電流が循環して、二次電池１２にリアクトル電圧ΔＶが印加される。しかし、このリアクトル電圧ΔＶはリアクトル７８の消勢とともに減少していく。

したがって、スイッチング素子７４のデューティ比を調節してリアクトル電圧ΔＶを変更することによって、チョッパ回路６２（すなわちインバータ回路１５Ｕ、１５Ｖ、１５Ｗ）の二次電池１２（電池モジュール１３）側への出力電圧を電池モジュール１３の充電に適した電圧値まで降圧することができる。この降圧動作と同時に、スイッチング素子７４等のオン期間をＰＷＭ制御することによって、モータ１６の中性点１７を介して供給された正弦波状の交流電圧を直流電圧に変換して二次電池１２（電池モジュール１３）に充電することができる。

本実施形態の電気推進装置１０では、電力変換効率が９８％以上の昇降圧型多相多重インバータを用いるのが好ましい。このように高い電力変換効率は、電力変換器１４に供給される電池電圧Ｖｂを直流６０ボルト未満の安全電圧にすること、各インバータ回路１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗが４つのチョッパ回路６２を並列接続して構成されることにより各スイッチング素子７０−７６を流れる電流が小さくなってオン損失を低減できること、および、スイッチング素子７０−７６をＺＶＳ方式またはＺＣＳ方式でソフトスイッチングすることによってサージ電圧またはサージ電流が抑制されてスイッチング損失を低減すること等により実現することができる。また、スイッチング素子７０−７６に例えばＩＧＢＴ等のバイポーラ系の電力用半導体スイッチング素子ではなく例えばＳｉ系ＭＯＳＦＥＴ等の比較的安価なユニポーラ系の半導体スイッチング素子を用いることで、低コスト化を図れるとともに可聴域を超える高周波でのスイッチングが可能になって可聴騒音の発生も抑制することができる。さらに、電力変換器１４として昇降圧型多相多重インバータを用いることで、昇圧コンバータ回路およびインバータ回路を別々に設ける場合よりも、製造が容易になって量産による低コスト化を図ることができる。

なお、本実施形態の電力変換器１４では、位相が相互にずれた出力電流を合流させることによりリップル電流を抑制することができるように４つのチョッパ回路６２を並列接続して各インバータ回路１５Ｕ，１５Ｕ，１５Ｗを構成したが、本発明に係る電気推進装置はこれに限定されるものではない。例えば、各インバータ回路が３つ以下のチョッパ回路によって構成されてもよいし、あるいは、５つ以上のチョッパ回路によって構成されてもよい。また、本実施形態では電力変換器１４として電力変換率９８％以上の昇降圧型多相多重インバータを用いるものとして説明したが、同等の機能および電力変換効率を有するどのような構成の電力変換器が用いられてもよい。

図４を再び参照すると、モータ１６の中性点１７には、充電端子５２を介して非接触式給電手段８２が電気接続されている。非接触式給電手段８２は、いずれも車載された受電コイル８４とこれに接続される共振用コンデンサを含む共振回路８６と、受電コイル８４によって地上側から受電したときにオン作動して共振回路８６とモータ１６の中性点１７とを接続する受電スイッチ８８とを含む。

受電コイル８４は、地上側に設けられる非接触給電用電源９０に接続された給電コイル９２から放射される磁束を受けて交流電圧を生成する。この交流電圧は、共振回路８６、受電スイッチ８８および充電端子５２を経てモータ１６の中性点１７に供給される。そして、モータ１６の中性点１７に供給された交流電圧は、各相コイル３９Ｕ，３９Ｖ，３９Ｗを介して各インバータ回路１５Ｕ，１５Ｖ，１５Ｗに送られ、そこで必要に応じて降圧および直流変換された後に各電池モジュール１３に充電される。

地上側の給電設備９０，９２は、電気推進装置１０が搭載された電動車両が駐車される例えば自宅、職場、商業施設等の駐車スペースに設置または埋設されてもよいし、上記電動車両が赤信号で停車することが想定される交差点の路面等にも埋設されていてもよい。このように非接触式給電手段８２を介してできるだけ頻繁に二次電池１２を充電することで、比較的小容量の二次電池１２の充填状態を維持することができる。また、非接触式給電手段８２を設けることで、一日のうち例えば数時間しか使用されない専用の車載充電器や重くて大きい充電コネクタおよびそれに連結される硬くて扱いにくい充電ケーブルを含む充電装備を常時車載しておく必要がなく、装備コストを低減できるとともに車重量の低減により低電費化を図ることができる。

ただし、図５に示すように、上記正極側給電端子２８を介して二次電池１２を充電するための接触式給電手段９４を設けてもよい。この接触式給電手段９４は、図示しない充填プラグを装着する充電口またはレセプタクル９６と、充電口９６から電力供給されるときにオン動作する充電口用受電スイッチ８９とを含む。このように接触式給電手段９４を併設することで、非接触式給電手段の地上側設備９０，９２よりも先に整備されると予想される電動車両用の充電インフラを利用して充電することが可能になる。

上述したように本実施形態の電気推進装置１０によれば、二次電池１２と電力変換器１４とモータ１６と制御回路１８とが金属製の筐体２０内に収容されて一体のユニットとして構成されているので、車載駆動システムとしての構成が簡素なものになり、装置の小型化、軽量化および低コスト化を効果的に図れるとともに、電動車両に組み込まれる際の組付性と搭載性を向上させることができる。また、構成が簡素であることから自動生産による量産性が向上し、これによっても製造コストを低減することが可能になる。

また、電気推進装置１０では、二次電池１２は最大直流電圧が６０ボルト未満以下の安全電圧とされていることで、従来の電動車両のように高電圧で大容量の二次電池を搭載した場合のような感電の問題もなくなり、感電安全性を確保するために電動車両に設けられる漏電検知手段を省略できる。また、出力電圧が安全電圧で且つ比較的小容量の二次電池１２とすることで、二次電池の製造、組立て、検査等が容易になり、二次電池の信頼性および量産性が向上するとともに製造コストを低減できる。

また、電気推進装置１０では、二次電池１２が三相交流モータであるモータ１６の相数に応じた複数の電池モジュール１３に分割されて構成されており、各電池モジュール１３の端子間電圧がそれぞれ安全電圧としてある。これにより、１つの電池モジュール１３に不具合が生じた場合にも、これに対応する電流遮断機構５６によってその電池モジュール１３が切り離されて、他の電池モジュール１３からの電力供給によって冗長動作が可能になり信頼性が向上するとともに、低い安全電圧であることからタッチカレントが小さくなって電気的に安全である。

また、電気推進装置１０では、モータ１６は、各電池モジュール１３の出力電圧が電力変換器１４によって交流電圧に変換されて各相コイル３９Ｕ，３９Ｖ，３９Ｗにそれぞれ印加されることにより駆動可能な最大出力、例えば約１０〜１５ｋＷ（最大トルク約５０〜７５Ｎｍ）の三相交流モータを用いている。このように従来の電動車両に比べて低出力で小型のモータを用いる基本構成とすることで、電気推進装置およびこれを搭載した電動車両の小型化、軽量化、低コスト化、低電費化等を図れる。また、出力を増加させる場合には上記基本構成を複数搭載して使用することで対応でき、標準化を促進できる。

また、電気推進装置１０では、二次電池１２の安全電圧である標準出力電圧を筐体２０外部の負荷、例えば車載補機類に給電するための給電端子２８，３０が筐体２０の壁部２１ｂの外部に設けられている。これにより、電動車両において走行用動力源であるモータ１６に電力供給する電源と、車載される補機類を駆動するための電源とを統一することが可能になる。したがって、従来の電動車両のように高圧バッテリから供給される高圧電圧を降圧するためのＤＣ−ＤＣコンバータや補機類用電源である低圧バッテリを省略することができ、車載駆動システム全体としての小型化、軽量化および低コスト化を図れる。また、現在のガソリン車等の自動車において路上故障の一番の原因となっている鉛バッテリ等の低圧バッテリを省略することで、従来の電動車両に設けられる高価な補機電源状態監視回路も不要になる。

また、電気推進装置１０において、筐体２０内には二次電池１２と電力変換器１４とが近接して配置されるとともに電力変換器１４とモータ１６とが近接して配置されており、二次電池１２と電力変換器１４との間および電力変換器１４とモータ１６との間は大電力用コネクタやねじ止め端子を介さずに溶接、ロウ付け等のより連結される導電線３２，３４によってそれぞれ電気接続されている。このように高価で経時劣化しやすい樹脂製の大電力用コネクタや、ボルトの逃げや大きな工具スペースが必要で締結に時間がかかると共に装置使用中に緩みが発生する可能があるねじ止め端子を省略することで、部品数の削減および低コスト化を図れる。また、溶接等で導電線３２，３４を連結することにより、ねじ留め端子接続部を設けないことで接続抵抗がなく、自動生産による組立性も向上する。また、二次電池１２、電力変換器１４およびモータ１６がそれぞれ近接して筐体２０内に配置されているため、導電線３２，３４の長さが短くて足り、抵抗損失も抑えられて低電費化に寄与することができる。また、送電する電力が比較的小さく且つ外部に露出していないため、導電線３２，３４に高耐圧で高価な電力ケーブルを用いなくてもよく低コスト化できる。さらにまた、上記導電線３２，３４は筐体２０内に収容されており、従来の電動車両のように二次電池と電力変換器間および電力変換器とモータ間を露出した状態でそれぞれ接続する長い電力ケーブルがないので、外部短絡、断線、放射電磁ノイズの発生等の問題も解消される。

また、電気推進装置１０では、電力変換器１４を双方向の昇降圧機能および直流変換機能を有するとともにソフトスイッチングが実行される多相多重インバータで構成している。これにより、電力変換器１４に含まれる各スイッチング素子で発生するスイッチング損失を低減して低電費化を図れる。さらに、多相多重インバータを構成するスイッチング素子７０−７６に例えばＩＧＢＴ等のバイポーラ系の電力用半導体スイッチング素子ではなく例えばＳｉ系ＭＯＳＦＥＴ等の比較的安価なユニポーラ系の半導体スイッチング素子を用いることで、最大負荷の１／３〜１／４程度で運転されることが支配的な常用運転域において作動電力損失を低減できるとともに、低コスト化を図ることができ、しかも、可聴域を超える高周波でのスイッチングが可能になって可聴騒音の発生も抑制することができる。さらに、電力変換器１４として昇降圧型多相多重インバータを用いることで、昇圧コンバータ回路およびインバータ回路を別々に設ける場合よりも、製造が容易になって量産による低コスト化を図ることができる。

また、電気推進装置１０においてモータ１６は、永久磁石を用いない磁石レスモータであるため、低コスト化を図れるとともに、永久磁石型モータのような逆起電圧の発生や減磁といった問題もなく堅牢な構成で信頼性、安全性および寿命が向上する。

また、電気推進装置１０では、筐体２０内に収容された二次電池１２、電力変換器１４、モータ１６および制御回路１８を冷却するための冷媒循環部材５０および／または冷媒流路２４が設けられていることで、駆動時に発熱する電力変換器１４やモータ１６等を効果的に冷却することができる。さらに、冷媒流路２４は冷却水の流れ方向に関して上流側から二次電池１２、電力変換器１４、モータ１６の順に冷却するように形成されていることにより、二次電池１２に比べて熱熱量が大きく冷却の必要性がある電力変換器１４およびモータ１６をこの順に効率よく冷却することができる。

また、電気推進装置１０では、三相交流モータで構成されるモータ１６の中性点１７に接続される二次電池充電用の充電端子５２が筐体２０のモータ収容部分２０ｂの壁部に設けられている。この充電端子５２に非接触式給電手段８２を接続することにより、二次電池１２を筐体外部から充電することが可能になる。また、給電端子２８に接触式給電手段９４を接続することにより、二次電池１２を筐体外部から充電することが可能になる。

続いて、図７，８を参照して、第２実施形態の電気推進装置１１について説明する。この電気推進装置１１の説明では、上記第１実施形態の電気推進装置１０と同一または類似の構成要素には同一または類似の参照符合を付して重複することとなる説明を援用により省略する。

図７は２つの電気推進系統１０ａ，１０ｂを含む第２実施形態の電気推進装置１１を示す概略構成図であり、図８は電気推進装置１１に含まれる二次電池１２ａ，１２ｂ、電力変換器１４ａ，１４ｂ、モータ１６ａ，１６ｂおよび非接触式給電手段８２を概略的に示す図である。

電気推進装置１１は、２つの電気推進系統１０ａ，１０ｂを筐体２０内に収容して一体のユニットとして構成されている。第１電気推進系統１０ａは、二次電池１２ａ、電力変換器１４ａ、モータ１６ａおよび制御回路１８により構成される。第２電気推進系統１０ｂは、二次電池１２ｂ、電力変換器１４ｂ、モータ１６ｂおよび制御回路１８により構成される。制御回路１８は、第１電気推進系統１０ａと第２電気推進系統１０ｂとで共通であるが、各電気推進系統１０ａ，１０ｂの電力変換器１４ａ，１４ｂに対してそれぞれ制御信号を出力するように構成されている。

また、第１電気推進系統１０ａのモータ１６ａはロータ３６ａおよびステータ３８ａで構成され、第２電気推進系統１０ｂのモータ１６ｂはロータ３６ｂおよびステータ３８ｂで構成されている。そして、各モータ１６ａ，１６ｂは、ロータ３６ａ，３６ｂに固定されるロータシャフト４０を共通にして連設されている。

各電気推進系統１０ａ，１０ｂの構成は、図１〜６を参照して上記で説明した電気推進装置１０と同様である。また、上記２つの二次電池１２ａ，１２ｂは一体の電池ユニットをなし、上記２つの電力変換器１４ａ，１４ｂも一体の電力変換ユニットをなしている。

本実施形態の電気推進装置１１では、各電気推進系統１０ａ，１０ｂのモータ１６ａ，１６ｂの最大出力が例えば約１５ｋＷであるとすると、２つのモータ１６ａ，１６ｂが協働することにより約３０ｋＷの出力が可能になる。

本実施形態の電気推進装置１１によれば、上記第１電気推進装置１０と同様の作用効果を奏することができる。また、２つの電気推進系統１０ａ，１０ｂのモータ１６ａ，１６ｂがロータシャフト４０を共通にして連設されていることで、出力電圧が安全電圧であって比較的小容量の二次電池１２ａ，１２ｂから供給される電力によってそれぞれ駆動されるモータ１６ａ，１６ｂの出力トルクを合算して駆動輪４２へ出力することができ、これにより電動車両の動力性能が向上する。さらに、２つの電気推進系統１０ａ，１０ｂを備えていることで、一方の電気推進系統が故障した場合にも他方の電気推進系統からの出力で走行を継続することが可能な冗長設計となり、電気推進装置およびこれを搭載した電動車両の信頼性が向上する。さらにまた、一方の電気推進系統を駆動して通常走行し、高出力走行が要求された場合にもう１つの電気推進系統も駆動するように制御すれば、より低電費化を図れる。

次に、図９〜１６を参照して、第２実施形態の電気推進装置１１を走行用動力源として搭載した電動車両について説明する。上述したように電気推進装置１１は、小型、軽量、低コスト、低電費等の利点があり、電動車両の走行用動力源として好適に用いることができる。また、車両への組付けおよび搭載を省スペースで容易に行うことができる。さらに、電気推進装置１１に不具合が生じたときにも一体のユニットとして交換すればよく、メンテナンス性も向上する。

図９は第２実施形態の電気推進装置を２基搭載したＦＦ式電動車両１００を概略的に示す図であり、図１０はこの電動車両１００において２つの駆動輪４２に対応して２基の電気推進装置１１を設けた例を示す図である。２基の電気推進装置１１は、車両前部のエンジンコンパートメント１０２内に搭載されている。すなわち、二次電池１２ａ，１２ｂを含む２基の電気推進装置１１は、電動車両１００の車室１０４の外部に設けられている。したがって、高電圧で大容量で大きなサイズの二次電池を車室内（例えば後部座席の下）に搭載した場合に必要となる電池排煙対策が不要となる利点がある。また、エンジンコンパートメント１０２には、電気推進装置１１を上方から吊り下げながら車体に対して容易に組付けおよび搭載することができ、また、電気推進装置１１の交換も容易かつ迅速に行える。

電気推進装置１１の充電端子５２ａ，５２ｂには、車両底部または車台下部に設けられた受電用アンテナ９８が電気接続されている。受電用アンテナ９８には、上述した非接触式給電手段８２が内蔵されている。これにより、電動車両１００が地上側の非接触給電設備９０，９２上に駐車されている間に、各電気推進装置１１の二次電池１２ａ，１２ｂに充電が行われる。

また、図１０に示すように、各電気推進装置１１は駆動輪である２つの前輪４２ごとに設けられている。これにより、１基の電気推進装置１１による出力を例えば約３０ｋＷ，１５０Ｎｍとした場合、２基の電気推進装置１１によって例えば約６０ｋＷ，３００Ｎｍの出力が可能であり、例えば普通乗用車クラスの電動車両について十分な動力性能を得ることができる。

さらに、各電気推進装置１１は、電力制御ユニット５４からの指令に応じて独立して制御されることができる。したがって、２つの前輪４２についてディファレンシャルギヤ機構を用いることなく差動回転駆動が可能である。なお、図９中、符合４５は従動輪を示し（以下に同じ）、この場合には後輪が従動輪となる。

図１１は、２基の電気推進装置１１を搭載したＲＲ式電動車両１０６を概略的に示す。この電動車両１０６では、２基の電気推進装置１１が図１０に示す連結状態で２つの後輪（駆動輪）４２に対応して設けられており、上記と同様に例えば約６０ｋＷ，３００Ｎｍの出力が可能になっている。この場合にも、電気推進装置１１が小型であるため車室１０４の外部、例えば車体に下方開口で形成された取り付け凹部１１０（図１２参照）内に搭載されることができる。また、電動車両１０６に対する電気推進装置１１の組付けや交換は車両の下部から容易に行うことができる。

図１２は、１基の電気推進装置１１を搭載したＲＲ式電動車両１０８を示す。この電動車両１０８では、例えば約３０ｋＷ，１５０Ｎｍ出力の電気推進装置１１が車両底部の取り付け凹部１１０内に搭載されている。また、図１３に示すように、電気推進装置１１のロータシャフト４０の一方端がジョイント部材４６を介して一方の後輪（駆動輪）４２に連結され、ロータシャフト４０の他方端は筐体２０の壁部から外側へ延伸してディファレンシャルギヤ機構１１２およびジョイント部材４６を介して他方の後輪（駆動輪）４２に連結されている。

また、図１４は、１基の電気推進装置１１を車両前部のエンジンコンパートメント１０２内に搭載したＦＦ式電動車両１１４を示す。この電動車両１１４についても、図１３に示すように、電気推進装置１１のロータシャフト４０の一方端がジョイント部材４６を介して一方の前輪（駆動輪）４２に連結され、ロータシャフト４０の他方端は筐体２０の壁部から外側へ延伸してディファレンシャルギヤ機構１１２およびジョイント部材４６を介して他方の前輪（駆動輪）４２に連結されている。

上記電動車両１０８，１１４は、例えば約３０ｋＷ，１５０Ｎｍ出力の電気推進装置１１を１基だけ搭載するが、主に市街地走行するシティコミュータとして利用される分には十分な動力性能を得ることができる。

図１５は、１基の電気推進装置１１を搭載するとともに、発電機１１６およびこれを駆動するエンジン１１８を車両前部のエンジンコンパートメント１０２内に搭載したＲＲ式電動車両１２０を概略的に示す。この電動車両１２０では、エンジン１１８を運転して発電機１１６を駆動し、それによる発電電力を電気推進装置１１へ給電して二次電池１２ａ，１２ｂに充電するか、または、モータ１６ａ，１６ｂを駆動することができる。すなわち、電動車両１２０はシリーズ式のハイブリッド車両であり、航続距離を大きく伸ばすことが可能になる。

また、電動車両１２０では、エンジン１１８の出力軸を２つの前輪４２にそれぞれ連結して前輪４２も駆動輪とすることで、４輪駆動車とすることもできる。

図１６は、前後４つの駆動輪４２に対応して４基の電気推進装置１１を搭載した４輪駆動の電動車両１２２を概略的に示す。各電気推進装置１１は、非接触式給電手段８２を含む受電用アンテナ９８をそれぞれ有している。そして、４基の電気推進装置１１は、１つの電力制御ユニット５４によってそれぞれ制御されるようになっている。

各電気推進装置の出力が例えば約３０ｋＷ，１５０Ｎｍであるとすれば、４つの電気推進装置１１によって合計で例えば約１２０ｋＷ，６００Ｎｍの出力が可能になる。このような４輪駆動の電動車両１２２は、例えば低速で大トルクを必要とするトラックやバス等の大型車両、あるいは、高い加速性能が要求されるスポーツカー等に好適である。また、それぞれ非接触式給電手段を備える複数の電気推進装置１１が搭載されている電動車両では、いずれかの電気推進装置１１のモータ１６を駆動して走行する一方、残りの電気推進装置１１においてはモータを駆動させずに非接触給電により二次電池１２を充電するように、制御されてもよい。

なお、上記において各種実施形態について説明したが、本発明に係る電気推進装置およびこれを備えた電動車両は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変更や改良が可能である。

例えば、上述した電動車両１００，１０６，１０８，１１４，１２０，１２２では冗長動作が可能な第２実施形態の電気推進装置１１を搭載する例について説明したが、本発明に係る電動車両では第１実施形態の電気推進装置１０に対応する電気推進装置が走行用動力源として搭載されてもよいことは勿論である。

また、本発明に係る電動車両において、電気推進装置が連結される駆動輪の数は１つであってもよいし５つ以上であってもよい。

また、非接触給電手段等で受電した電力を整流回路等を用いて直流電流として、上記給電端子を介して二次電池に充電する構成としてもよい。

さらに、電気推進装置において、二次電池、電力変換器およびモータの配列方向にロータシャフトの軸方向が沿うようにモータを筐体内に配置してもよい。

１０，１１ 電気推進装置、１０ａ，１０ｂ 第１および第２電気推進系統、１２，１２ａ，１２ｂ 二次電池、１３ 電池モジュール、１４，１４ａ，１４ｂ 電力変換器、１５，１５Ｕ，１５Ｕ，１５Ｗ インバータ回路、１６，１６ａ，１６ｂ モータ、１７ 中性点、１８ 制御回路、２０ 筐体、２０ａ 電池収容部分、２０ｂ モータ収容部分、２１ａ，２１ｂ 壁部、２２ 冷媒導入口、２４ 冷媒流路、２６ 冷媒導出口、２８，３０ 給電端子、３２，３４ 導電線、３６，３６ａ，３６ｂ ロータ、３８，３８ａ，３８ｂ ステータ、３９Ｕ，３９Ｖ，３９Ｗ Ｕ相、Ｖ相およびＷ相コイル、４０ ロータシャフト、４２ 駆動輪、４３ 機械式ブレーキ、４４ 軸受け部材、４５ 従動輪、４６ ジョイント部材、４８ 車軸、５０ 冷媒循環部材、５２，５２ａ，５２ｂ 充電端子、５４ 電力制御ユニット、５５ 圧力センサ、５６ 電流センサ、５８ 電圧センサ、６０ 温度センサ、６２ チョッパ回路、６４ リップル除去フィルタ、６５ 正極ライン、６６ 電流遮断機構、７０，７２，７４，７６ スイッチング素子、７８ リアクトル、８０ 寄生ダイオード、８２ 非接触式給電手段、８４ 受電コイル、８６ 共振回路、８８ 受電スイッチ、８９ 充電口用受電スイッチ、９０ 非接触給電用電源、９２ 給電コイル、９４ 接触式給電手段、９６ 充電口またはレセプタクル、９８ 受電用アンテナ、１００，１０６，１０８，１１４，１２０，１２２ 電動車両、１０２ エンジンコンパートメント、１０４ 車室、１１０ 取り付け凹部、１１２ ディファレンシャルギヤ機構、１１６ 発電機、１１８ エンジン。

Claims (20)

1. 充放電可能な二次電池と、前記二次電池から供給される電力を変換して出力する電力変換器と、前記電力変換器から出力された電力により駆動されるモータと、前記電力変換器を作動制御する制御回路とを筐体内に収容して一体のユニットとして構成される電気推進装置。
2. 請求項１に記載の電気推進装置において、
   前記二次電池は最高直流電圧が６０ボルト未満の安全電圧であることを特徴とする電気推進装置。
3. 請求項２に記載の電気推進装置において、
   前記モータは複数相交流モータであり、前記二次電池は前記モータの相数に応じた複数の電池モジュールに分割されて構成されており、前記各電池モジュールの端子間電圧がそれぞれ前記安全電圧であることを特徴とする電気推進装置。
4. 請求項３に記載の電気推進装置において、
   前記モータは、前記各電池モジュールの出力電圧が前記電力変換器によって交流電圧に変換されて各相コイルにそれぞれ印加されることにより駆動可能な最大出力を有することを特徴とする電気推進装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電気推進装置において、
   前記二次電池、前記電力変換器および前記モータにより構成される電気推進系統を２系統含み、前記各系統の２つのモータの各ロータはロータシャフトを共通にして連設されていることを特徴とする電気推進装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の電気推進装置において、
   前記二次電池の最高直流電圧が６０ボルト未満の安全電圧であり、前記二次電池の最高直流電圧を前記筐体外部の負荷に給電するための給電端子が前記筐体の壁部の外部に設けられていることを特徴とする電気推進装置。
7. 請求項１に記載の電気推進装置において、
   前記筐体内には前記二次電池と前記電力変換器とが近接して配置されるとともに前記電力変換器と前記モータとが近接して配置されており、前記二次電池と前記電力変換器との間および前記電力変換器と前記モータとの間はコネクタやねじ止め端子を介さずに連結される導電線によってそれぞれ電気接続されることを特徴とする電気推進装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の電気推進装置において、
   前記モータは複数相交流モータであり、前記電力変換器は双方向の昇降圧機能および直流交流変換機能を有するとともにソフトスイッチングが実行される多相多重インバータであることを特徴と電気推進装置。
9. 請求項８に記載の電気推進装置において、
   前記多相多重インバータは、前記モータの相数に応じた複数のインバータ回路を含み、前記各インバータ回路は複数重の昇降圧型チョッパ回路によりそれぞれ構成されることを特徴とする電気推進装置。
10. 請求項９に記載の電気推進装置において、
    前記昇降圧型チョッパ回路は、複数のユニポーラ系半導体スイッチング素子を用いて構成されることを特徴とする電気推進装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気推進装置において、
    前記モータは、永久磁石を用いない磁石レスモータであることを特徴とする電気推進装置。
12. 請求項１に記載の電気推進装置において、
    前記筐体には、前記二次電池、前記電力変換器、前記モータおよび前記制御回路を冷却するための冷却手段が設けられていることを特徴とする電気推進装置。
13. 請求項１２に記載の電気推進装置において、
    前記冷却手段は、前記モータにより駆動されて前記筐体内にある冷却媒体を循環させる冷媒循環部材を含むことを特徴とする電気推進装置。
14. 請求項１２または１３に記載の電気推進装置において、
    前記冷却手段は筐体外部から導入された冷却媒体を筐体の壁部内を通して流す冷媒流路を含んで構成され、前記冷媒流路は上流側から前記二次電池、前記電力変換器、前記モータの順に冷却するように形成されていることを特徴とする電気推進装置。
15. 請求項１に記載の電気推進装置において、
    前記モータは複数相交流モータであり、前記モータの中性点に接続される二次電池充電用の充電端子が前記筐体の壁部の外部に設けられていることを特徴とする電気推進装置。
16. 請求項１５に記載の電気推進装置において、
    前記充電端子には前記筐体外に設けられた非接触式給電手段が電気接続されることを特徴とする電気推進装置。
17. 請求項６に記載の電気推進装置において、
    前記給電端子には前記筐体外に設けられた接触式給電手段が電気接続されることを特徴とする電気推進装置。
18. 請求項１から１７のいずれか一項に記載の電気推進装置を走行用動力源として備えた電動車両。
19. 請求項１８に記載の電動車両において、
    前記電気推進装置が車室外に搭載されていることを特徴とする電動車両。
20. 請求項１８または１９に記載の電動車両において、
    前記電気推進装置が駆動輪の数に応じて複数搭載されていることを特徴とする電動車両。

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