JP4211806B2 - 車両駆動システムおよびそれを備える車両 - Google Patents

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Description

この発明は、車両駆動システムおよびそれを備える車両に関し、特に、乗物の内部に動力供給源をもつ電気的推進装置に関する。

近年、環境にやさしい電気自動車やハイブリッド自動車等のように、車両推進の動力源として電動機を搭載する車両が見られるようになってきている。

このような車両の例として、たとえば、特開2002−10670号公報(特許文献1)には、複数の電動機を低電圧の直流電圧を用いて独立に駆動して動力を出力すると共に装置の高効率化を図った車両が開示されている。
特開2002−10670号公報 特開平10−304688号公報 特開平5−207664号公報 特開2000−324857号公報 特開平8−126121号公報

ハイブリッド車両としては、バッテリ容量を大きくして外部から充電を可能とする構成を採用し、エンジン稼動率を下げ燃料補給をあまりしなくても済むような車両も検討されている。このような車両を外部充電可能型ハイブリッド車両と称することとする。

外部充電可能型ハイブリッド車両では、燃料のみを補給する通常のハイブリッド車両と比べてバッテリを高出力高容量なものとし、EV走行領域を拡大することで、バッテリの蓄電量が残存するうちは積極的にEV走行し、燃費の向上および二酸化炭素の排出量低減を狙うものである。

たとえば、比較的近距離の通勤に外部充電可能型ハイブリッド車両を使用する場合には、夜間家庭で毎日充電を行なっておれば、エンジンが始動するのは、週末の長距離ドライブ時のようにバッテリの蓄電量がゼロに近くなったときや、アクセルペダルを踏込んで車両の負荷が軽負荷でなくなったときに限られる。

外部充電可能型ハイブリッド車両において、二酸化炭素の排出量低減の効果を高めるには、通常のハイブリッド車両に比べさらにバッテリ電力を燃料に優先して使用する必要がある。しかし、パラレル型ハイブリッドシステムや、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の場合、エンジンのトルクも急加速時や高速時の駆動トルクとして使用することが前提である。したがって、外部充電可能型ハイブリッド車両において、エンジントルクを使用せずに最大駆動トルクを同等に確保し、かつEV走行領域を拡大するには、モータおよびその駆動回路のサイズを大きくして性能を向上させる必要がある。

しかし、エネルギ効率や製造コストの点からすると、駆動回路等の大型化や部品点数の増加はなるべく避けるほうが好ましい。

この発明の目的は、部品点数の増加を避けつつ性能が向上した車両の駆動システムおよびそれを備える車両を提供することである。

この発明は、要約すると、車両駆動システムであって、蓄電装置と、蓄電装置の正極および負極と正極電源線および負極電源線との間で電圧変換を行なう電圧変換部と、各々がY結線の三相ステータコイルを含む第1、第2の回転電機と、正極電源線および負極電源線にともに電気的に接続され、第1、第2の回転電機の各ステータコイルに流れる電流をそれぞれ制御する第1、第2のインバータ回路と、第1の回転電機のステータコイルの中性点と蓄電装置との接続および切離しを行なう接続部と、第1、第2のインバータ回路および接続部を制御する制御部とを備える。制御部は、第1の回転電機を使用せず、第2の回転電機を使用する場合に、電圧変換部の電圧変換動作と並行して接続部を接続状態にし第1のインバータ回路に第1の回転電機のステータコイルをリアクトルとして使用した電圧変換動作を行なわせる。

好ましくは、制御部は、電圧変換部に蓄電装置の電圧を昇圧させて正極電源線と負極電源線との間に供給させるとともに、接続部を接続状態にし第1のインバータ回路にも蓄電装置の電圧を昇圧させて正極電源線と負極電源線との間に供給させる。

好ましくは、制御部は、電圧変換部に正極電源線と負極電源線との間の電圧を降圧させて蓄電装置に供給させるとともに、接続部を接続状態にし第1のインバータ回路にも正極電源線と負極電源線との間の電圧を降圧させて蓄電装置に供給させる。

好ましくは、第1のインバータ回路は、Y結線の三相ステータコイルの第1〜第3相コイルの端部をそれぞれ正極電源線に接続する第1〜第3の電力スイッチング素子と、第1〜第3相コイルの端部をそれぞれ負極電源線に接続する第4〜第6の電力スイッチング素子とを含む。

好ましくは、第1の回転電機は、内燃機関から機械的動力を受けて発電し、または内燃機関に機械的動力を与えて始動させ、制御部は、少なくとも内燃機関の運転中は接続部を切離し状態に制御する。

好ましくは、車両駆動システムは、内燃機関と第2の回転電機とを機械的動力源として併用する車両に搭載される。制御部は、車両が内燃機関を使用せずに走行する場合に、接続部を接続状態に制御する。

より好ましくは、車両は、第1、第2の回転電機と内燃機関との間で機械的動力を分割する動力分割機構と、内燃機関と動力分割機構との間に設けられ機械的動力の伝達を切断するクラッチ機構とをさらに搭載する。制御部は、車両が内燃機関を使用せずに走行する場合に、クラッチ機構を切断状態に制御する。

この発明の他の局面に従うと、車両駆動システムであって、蓄電装置と、各々がY結線の三相ステータコイルを含む第1、第2の回転電機と、正極電源線および負極電源線にともに電気的に接続され、第1、第2の回転電機の各ステータコイルに流れる電流をそれぞれ制御する第1、第2のインバータ回路と、蓄電装置の正電極および負電極のいずれか一方の電極を、第1の回転電機のステータコイルの中性点と、正極電源線および負極電源線のうち一方の電極に対応する電源線とのいずれかに接続する接続部と、第1、第2のインバータ回路および接続部を制御する制御部とを備える。制御部は、第1の回転電機を使用せず、第2の回転電機を使用する場合に、接続部を接続状態にし第1のインバータ回路に第1の回転電機のステータコイルをリアクトルとして使用した電圧変換動作を行なわせる。

好ましくは、制御部は、接続部を接続状態にし第1のインバータ回路に蓄電装置の電圧を昇圧させて正極電源線と負極電源線との間に供給させる。

好ましくは、制御部は、接続部を接続状態にし第1のインバータ回路に正極電源線と負極電源線との間の電圧を降圧させて蓄電装置に供給させる。

好ましくは、第1の回転電機は、内燃機関から機械的動力を受けて発電し、または内燃機関に機械的動力を与えて始動させる。制御部は、少なくとも内燃機関の運転中は接続部を切離し状態に制御する。

好ましくは、車両駆動システムは、内燃機関と第2の回転電機とを機械的動力源として併用する車両に搭載される。制御部は、車両が内燃機関を使用せずに走行する場合に、接続部を接続状態に制御する。

この発明のさらに他の局面に従うと、車両であって、第2の回転電機で発生される機械的動力が伝達される車輪と、上記いずれかに記載の車両駆動システムとを備える。

本発明によれば、部品点数をあまり増加させずに車両の力行時または回生時の性能を上げることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一の符号を付してそれらについての説明は繰返さない。

図1は、本発明の実施の形態に係る車両1の構成を示すブロック図である。この車両1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。

図1を参照して、車両1は、前輪2FR,2FLと、後輪2RR,2RLと、エンジン4と、プラネタリギヤPGと、デファレンシャルギヤDGと、ギヤ5,6とを含む。

車両1は、さらに、バッテリB1と、バッテリB1の出力する直流電力を昇圧する昇圧ユニット10と、昇圧ユニット10との間で直流電力を授受するインバータ20,30とを含む。

車両1は、さらに、プラネタリギヤPGを介してエンジン4の機械的動力を受けて発電を行なうモータジェネレータMG1と、回転軸がプラネタリギヤPGに接続されるモータジェネレータMG2とを含む。インバータ20,30はモータジェネレータMG1,MG2に接続され交流電力と昇圧ユニット10からの直流電力との変換を行なう。

プラネタリギヤPG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動力分割機構として動作する。

プラネタリギヤPGは、サンギヤと、リングギヤと、サンギヤおよびリングギヤの両方に噛み合うピニオンギヤと、ピニオンギヤをサンギヤの周りに回転可能に支持するプラネタリキャリヤとを含む。プラネタリギヤPGは第1〜第3の回転軸を有する。第1の回転軸はエンジン4に接続されるプラネタリキャリヤの回転軸である。第2の回転軸はモータジェネレータMG1に接続されるサンギヤの回転軸である。第3の回転軸はモータジェネレータMG2に接続されるリングギヤの回転軸である。

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。

この第3の回転軸にはギヤ5が取付けられ、このギヤ5はギヤ6を駆動することによりデファレンシャルギヤDGに機械的動力を伝達する。デファレンシャルギヤDGはギヤ6から受ける機械的動力を前輪2FR,2FLに伝達するとともに、ギヤ6,5を介して前輪2FR,2FLの回転力をプラネタリギヤPGの第3の回転軸に伝達する。

プラネタリギヤPGは、3つの回転軸のうち2つの回転軸の回転に応じて、残る1つの回転軸の回転を決定する。したがって、エンジン4を最も効率のよい領域で動作させつつ、モータジェネレータMG1の発電量を制御してモータジェネレータMG2を駆動させることにより車速の制御を行ない、全体としてエネルギ効率のよい自動車を実現している。

なお、プラネタリギヤPG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。

昇圧ユニット10はバッテリB1から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧された直流電圧をインバータ20,30に供給する。インバータ20は、供給された直流電圧を交流電圧に変換してエンジン始動時にはモータジェネレータMG1を駆動制御する。また、エンジン始動後にはモータジェネレータMG1が発電した交流電力は、インバータ20によって直流に変換されて、昇圧ユニット10によってバッテリB1の充電に適切な電圧に変換されバッテリB1が充電される。

また、インバータ30はモータジェネレータMG2を駆動する。モータジェネレータMG2は単独で、またはエンジン4を補助して、前輪2FR,2FLを駆動する。制動時には、モータジェネレータMG2は回生運転を行ない、車輪の回転エネルギを電気エネルギに変換する。得られた電気エネルギは、インバータ30および昇圧ユニット10を経由してバッテリB1に戻される。

昇圧ユニット10とバッテリB1との間にはシステムメインリレーSR1,SR2が設けられ車両非運転時には高電圧が遮断される。

車両1は、さらに、車速を検知する車速センサ8と、運転者からの加速要求指示を受ける入力部でありアクセルペダルの位置を検知するアクセルセンサ9と、バッテリB1に取付けられる電圧センサ70と、アクセルセンサ9からのアクセル開度Accおよび電圧センサ70からの電圧VBに応じてエンジン4、インバータ20,30および昇圧ユニット10を制御する制御装置60とを含む。電圧センサ70は、バッテリB1の電圧VBを検知して制御装置60に送信する。

車両1は、さらに、外部充電装置100から延びる充電ケーブル102の先に設けられたプラグ104を接続するためのソケット16と、ソケット16を経由して外部充電装置100から交流電力を受ける充電用インバータ12とをさらに含む。充電用インバータ12は、バッテリB1に接続されており、充電用の直流電力をバッテリB1に対して供給する。

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、車外から与えられる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図1の充電用インバータ12を制御する。

すなわち、制御装置60は、車両が駐車状態で信号IGがオフでありかつソケット16に外部から電圧が与えられているときは、バッテリB1の充電状態SOCに基づいて充電可能かを判断し、充電可能と判断したときは、充電用インバータ12を駆動する。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、ソケット16に外部から電圧が与えられていても充電用インバータ12を停止させる。

図2は、図1のブロック図を詳細に示した回路図である。
図2を参照して、この車両1は、バッテリユニットBUと、昇圧ユニット10と、インバータ20,30と、電源ラインPL1,PL2と、接地ラインSL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、中性ラインML1と、スイッチ40と、エンジン4と、車輪2とを含む。

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Y結線された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Y結線された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の電圧を測定する電圧センサ70と、バッテリB1の電流を測定する電流センサ84とを含む。

直流電源であるバッテリB1は、直流電力を昇圧ユニット10に供給するとともに、回生時に降圧ユニットとしても動作する昇圧ユニット10からの直流電力によって充電される。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。また、バッテリB1に代えて大容量の電気二重層コンデンサを用いることもできる。

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ユニット10へ出力する。また、昇圧ユニット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。

昇圧ユニット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を制御電極に受ける。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側と異なる側のコイル端に、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1は、さらに、コンデンサC1,C2と、制御装置60と、電圧センサ72〜74と、電流センサ80,82とを含む。

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および昇圧ユニット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および昇圧ユニット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。

昇圧ユニット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、昇圧ユニット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によりリアクトルLに磁場エネルギを蓄積する。そして昇圧ユニット10は、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。この動作の繰り返しによって昇圧動作が行なわれる。

また、昇圧ユニット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する。これにより、バッテリユニットBU内部のバッテリの充電が行なわれる。

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1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ー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緩め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。

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、昇圧ユニット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、昇圧ユニット10の出力電圧VH(インバータ20,30の入力電圧に相当する。)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、図示しない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と、電圧センサ73からの電圧VLと、電圧センサ72からの電圧VHとに基づいて、昇圧ユニット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を昇圧ユニット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。

さらに、制御装置60は、スイッチ40の導通/非導通の切換制御を行なう。制御装置60は、バッテリB1の蓄電量がある程度減った場合には、スイッチ40を非導通にするとともに、エンジン4を起動してモータジェネレータMG1で発電を行なうことを許可する。この動作モードを通常HVモードと呼ぶこととする。

一方、制御装置60は、バッテリB1の蓄電量があまり減っていない場合には、スイッチ40を導通させるとともに、エンジン4を停止状態におきモータジェネレータMG1で発電を行なうことを禁止する。そしてモータジェネレータMG1のステータコイルはリアクトルとしてエネルギを蓄えるために使用され、制御装置60は、信号PWM1を制御してインバータ20とこのリアクトルとでバッテリB1の電圧を昇圧してインバータ30に供給する。この動作モードをEV優先モードと呼ぶこととする。

EV優先モードでは、インバータ20とモータジェネレータMG1のステータコイルで構成される昇圧ユニットが、昇圧ユニット10に加えて動作するので、電圧VHをより高い電圧まで昇圧させたり、モータジェネレータMG2により大きな電力を供給したりすることが可能となる。したがって、EV走行であってもエンジンからのトルク無しでも力強い走りが実現できる。

次に、スイッチ40のいろいろなバリエーションについて説明する。
図3は、スイッチの第1の構成例スイッチ40Aを示した回路図である。

図3を参照して、スイッチ40Aは、アノードが電源ラインPL1に接続されるダイオード152と、ダイオード152のカソードにコレクタが接続されエミッタが中性ラインML1に接続されるIGBT素子154とを含む。スイッチ40Aは、電源ラインPL1から中性ラインML1に向けて電流を流すことができるスイッチである。

IGBT素子154の制御電極は、図2の制御装置60によって制御され、スイッチ40Aは、EV優先モードにおいてモータジェネレータMG2の力行時に導通される。スイッチ40Aを導通させてインバータ20およびモータジェネレータMG1のリアクトルで構成される昇圧回路と昇圧ユニット10とを並列駆動させることで、力強い走行が可能となる。

図4は、スイッチの第2の構成例スイッチ40Bを示した回路図である。
図4を参照して、スイッチ40Bは、アノードが中性ラインML1に接続されるダイオード156と、ダイオード156のカソードにコレクタが接続されエミッタが電源ラインPL1に接続されるIGBT素子158とを含む。スイッチ40Bは、中性ラインML1から電源ラインPL1に向けて電流を流すことができるスイッチである。

IGBT素子158の制御電極は、図2の制御装置60によって制御され、スイッチ40Bは、EV優先モードにおいてモータジェネレータMG2の回生時に導通される。スイッチ40Aを導通させてインバータ20およびモータジェネレータMG1のリアクトルで構成される降圧回路と、降圧回路として動作する昇圧ユニット10とを並列駆動させることで、回生電力が大きい場合の回収率があがる。

図5は、スイッチの第3の構成例スイッチ40Cを示した回路図である。
図5を参照して、スイッチ40Cは、アノードが電源ラインPL1に接続されるダイオード152と、ダイオード152のカソードにコレクタが接続されエミッタが中性ラインML1に接続されるIGBT素子154とを含む。

スイッチ40Cは、さらに、アノードが中性ラインML1に接続されるダイオード156と、ダイオード156のカソードにコレクタが接続されエミッタが電源ラインPL1に接続されるIGBT素子158とを含む。スイッチ40Cは、電源ラインPL1から中性ラインML1に向けて電流を流すことができ、かつ中性ラインML1から電源ラインPL1に向けて電流を流すことができるスイッチである。

スイッチ40Cを用いれば、EV走行時の力行時および回生時のいずれにおいてもモータジェネレータで大電力を扱うことができるようになる。

図6は、スイッチの第4の構成例スイッチ40Dを示した回路図である。
図6を参照して、スイッチ40Dは、電源ラインPL1と中性ラインML1とを機械的接点で接続するリレーを含む。このリレーは、図2の制御装置60によって導通/非導通が制御される。スイッチ40Dは、電源ラインPL1から中性ラインML1に向けて電流を流すことができ、かつ中性ラインML1から電源ラインPL1に向けて電流を流すことができるスイッチである。

スイッチ40Dを用いれば、EV走行時の力行時および回生時のいずれにおいてもモータジェネレータで大電力を扱うことができるようになる。

図7は、EV優先モードにおける昇降圧動作を行なう部分の等価回路図である。
図7を参照して、図2のインバータ20および30のうちのU相アームが代表として示されている。またモータジェネレータの3相コイルのうちU相コイルU1が代表として示されている。U相に代えて他の相を用いてもよい。また、U相だけを用いても良いし、必要電力に応じて他のV相およびW相をさらに用いてもよい。

図7を見ればわかるように、U相コイルU1とU相アーム22からなる組は昇圧ユニット10と同様な構成となっている。したがって、たとえば200Vの程度のバッテリ電圧を昇圧してたとえば650V程度の電圧VHに変換することが可能である。

昇圧時(力行時)には、トランジスタQ2およびQ12がスイッチング制御される。トランジスタQ2のオン時に電源ラインPL1から接地ラインSLに向けて電流が流れ、このときリアクトルLにエネルギが蓄えられる。そして、トランジスタQ2がオフ状態となると、リアクトルLに蓄えられていたエネルギがダイオードD1を介して電源ラインPL2に放出される。同様に、トランジスタQ12のオン時に中性ラインML1から接地ラインSLに向けて電流が流れ、このときU相コイルU1にエネルギが蓄えられる。そして、トランジスタQ12がオフ状態となると、U相コイルU1に蓄えられていたエネルギがダイオードD11を介して電源ラインPL2に放出される。

なお、ダイオードD1,D11による損失を低減させるためにダイオードD1,D11の導通期間に同期させてトランジスタQ1,Q11をそれぞれ導通させても良い。

降圧時(回生時)には、トランジスタQ1およびQ11がスイッチング制御される。トランジスタQ1のオン時に電源ラインPL2から電源ラインPL1に向けて電流が流れ、このときリアクトルLにエネルギが蓄えられる。そして、トランジスタQ1がオフ状態となると、リアクトルLに蓄えられていたエネルギがダイオードD2を介して流れる転流電流によって放出されバッテリユニットBUに充電が行なわれる。同様に、トランジスタQ11のオン時に電源ラインPL2から中性ラインML1に向けて電流が流れ、このときU相コイルU1にエネルギが蓄えられる。そして、トランジスタQ11がオフ状態となると、U相コイルU1に蓄えられていたエネルギがダイオードD12を介して流れる転流電流によって放出されバッテリユニットBUに充電が行なわれる。

なお、ダイオードD2,D12による損失を低減させるためにダイオードD2,D12の導通期間に同期させてトランジスタQ2,Q12をそれぞれ導通させても良い。

好ましくは、体感振動を減少させるために、車両にクラッチを設けても良い。
図8は、体感振動を減少させるために設けるクラッチを説明するための図である。

図8を参照して、車両は、モータジェネレータMG1,MG2とエンジン4との間で機械的動力を分割するプラネタリギヤPGと、エンジン4とプラネタリギヤPGとの間に設けられ機械的動力の伝達を切断するクラッチ機構170とを搭載する。制御装置60は、EV優先モードにおいて車両がエンジン4を使用せずに走行する場合に、クラッチ機構170を切断状態にする。

モータジェネレータMG1,MG2は、磁石埋め込み型同期モータが使用されている。EV優先モードでモータジェネレータMG1のステータコイルを用いた昇圧動作または降圧動作が行なわれると、モータジェネレータMG1のロータの永久磁石が磁束の変動に応じて好ましくない力を受ける恐れがある。この力がエンジン4に伝達されると、エンジン4が振動して乗員に体感される振動となる可能性も考えられる。

クラッチ機構170を切断することによって、EV優先モードでモータジェネレータMG1のステータコイルを用いた昇圧動作または降圧動作が行なわれ、モータジェネレータMG1のロータに好ましくないトルクが発生したとしても、このトルク変動が伝わってエンジン4に振動が発生するのを防ぐことができる。なお、クラッチを設ける位置はMG1とプラネタリギヤPGとの間であっても同様な効果が得られる。

図9は、制御装置60で実行されるプログラムの構造を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、一定時間毎または所定の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2、図9を参照して、まずステップS1において制御装置60は、信号IGがON状態であるか否かを判断する。ステップS1で信号IGがON状態でなければ、ステップS14に処理が進み、制御はメインルーチンに移される。

ステップS1で信号IGがON状態であれば、ステップS2に処理が進む。ステップS2では、制御装置60は、バッテリB1の残容量Bが所定のしきい値X1(Ah)より大きいか否かを判断する。残容量Bが所定のしきい値X1よりも大きいということは、バッテリB1が満充電に近いことを示す。たとえば、夜間家庭で車両外部の商用電源から充電しておいた電力がバッテリB1にまだまだ残っており、これを積極的に消費するほうが良い状態である。したがって、残容量Bが所定のしきい値X1よりも大きい場合には、ステップS3に処理が進み、制御装置60は車両の動作モードをEV優先モードに設定する。EV優先モードでは、エンジン4の起動とモータジェネレータMG1の発電が禁止される。

そして、図8で説明したようなクラッチ機構170が設けられている場合には、ステップS4において制御装置60は、クラッチ機構170をOFF状態(切断状態)に設定する。そしてステップS5に処理が進む。なお、クラッチ機構170が設けられていない車両の場合は、ステップS3から直接ステップS5に処理が進む。

ステップS5では、図2のスイッチ40がON状態(導通状態)に制御される。これにより、モータジェネレータMG1のステータコイルおよびインバータ20で昇圧回路または降圧回路が構成される。

続いてステップS6において、EV走行において昇圧コンバータ並列駆動制御が行なわれる。すなわち、力行時にはインバータ20およびモータジェネレータMG1のリアクトルで構成される昇圧回路と昇圧ユニット10とを並列駆動させ、回生時にはインバータ20およびモータジェネレータMG1のリアクトルで構成される降圧回路と、降圧回路として動作する昇圧ユニット10とを並列駆動させる。

一方、ステップS2においてバッテリ残容量Bがしきい値X1よりも大きくなかった場合には、処理はステップS7に進む。ステップS7では、制御装置60は、車両の動作モードを通常HVモードに設定する。通常HVモードでは、必要に応じてエンジン4が起動されモータジェネレータMG1で発電することが許可される。

そして、図8で説明したようなクラッチ機構170が設けられている場合には、ステップS8において制御装置60は、クラッチ機構170をON状態(接続状態)に設定する。そしてステップS9に処理が進む。なお、クラッチ機構170が設けられていない車両の場合は、ステップS7から直接ステップS9に処理が進む。

ステップS9では、図2のスイッチ40がOFF状態(非導通状態)に制御される。これにより、モータジェネレータMG1は発電機として動作可能となる。

ステップS9に続いてステップS10では、制御装置60は、バッテリB1の残容量Bが所定のしきい値X2(Ah)より大きいか否かを判断する。ここで、しきい値X2はステップS2のしきい値X1よりも小さな値である。

残容量Bが所定のしきい値X2よりも大きいということは、バッテリB1がまだ充電を必要としないことを示す。この場合は直ちにエンジン4を起動してモータジェネレータMG1に発電を行なわせる必要はない。そこでステップS11に処理が進み、制御装置60は車両負荷が軽負荷か否かを判断する。車両負荷は、アクセル開度と車速とに基づいて決定される。アクセル開度が大きいほど車両負荷は大きく、車速が高いほど車両負荷は大きい。

ステップS11において、車両負荷が軽負荷である場合、すなわちアクセル開度と車速とで決定される車両負荷が、あるしきい値未満である場合や、アクセル開度と車速のマップ上で、ある領域内である場合は、ステップS12に処理が進む。ステップS12では、エンジン4を停止させた状態でEV走行が行なわれる。この場合には、ステップS6の場合と異なり、昇圧ユニット10が単独で昇圧動作または降圧動作を実行する。

ステップS10においてバッテリ残容量Bがしきい値X2より小さい場合には、バッテリB1が空に近く、直ちに充電が必要である。またステップS11において、車両負荷が軽負荷で無い場合には、バッテリB1からのパワーのみでは必要なパワーをまかなうことができない。したがってステップS10でNOまたはステップS11でNOの場合にはステップS13に処理が進み、エンジンが始動される。すなわちステップS13では、モータとエンジンとを車両の駆動に併用するハイブリッド走行が行なわれる。

ステップS6、S12,S13のいずれかの処理が終了するとステップS14において制御はメインルーチンに移される。

以上の説明に基づいて本実施の形態について総括的に再度説明する。本実施の形態の車両駆動システムは、バッテリB1と、バッテリB1の正極および負極と電源ラインPL2および接地ラインSLとの間で電圧変換を行なう昇圧ユニット10と、各々がY結線の三相ステータコイルを含むモータジェネレータMG1,MG2と、電源ラインPL2および接地ラインSLにともに電気的に接続され、モータジェネレータMG1,MG2の各ステータコイルに流れる電流をそれぞれ制御するインバータ20,30と、モータジェネレータMG1のステータコイルの中性点N1とバッテリB1との接続および切離しを行なうスイッチ40と、インバータ20,30およびスイッチ40を制御する制御装置60とを備える。制御装置60は、モータジェネレータMG1を使用せず、モータジェネレータMG2を使用する場合に、昇圧ユニット10の電圧変換動作と並行してスイッチ40を接続状態にしインバータ20にモータジェネレータMG1のステータコイルをリアクトルとして使用した電圧変換動作を行なわせる。

好ましくは、制御装置60は、昇圧ユニット10にバッテリB1の電圧を昇圧させて電源ラインPL2と接地ラインSLとの間に供給させるとともに、スイッチ40を接続状態にしインバータ20にもバッテリB1の電圧を昇圧させて電源ラインPL2と接地ラインSLとの間に供給させる。

好ましくは、制御装置60は、昇圧ユニット10に電源ラインPL2と接地ラインSLとの間の電圧を降圧させてバッテリB1に供給させるとともに、スイッチ40を接続状態にしインバータ20にも電源ラインPL2と接地ラインSLとの間の電圧を降圧させてバッテリB1に供給させる。

好ましくは、インバータ20は、Y結線の三相ステータコイルの第1〜第3相コイルの端部をそれぞれ電源ラインPL2に接続するトランジスタQ11,Q13,Q15と、第1〜第3相コイルの端部をそれぞれ接地ラインSLに接続するトランジスタQ12,Q14,Q16とを含む。

好ましくは、モータジェネレータMG1は、エンジン4から機械的動力を受けて発電し、またはエンジン4に機械的動力を与えて始動させ、制御装置60は、少なくともエンジン4の運転中はスイッチ40を切離し状態に制御する。

好ましくは、車両駆動システムは、エンジン4とモータジェネレータMG2とを機械的動力源として併用する車両に搭載される。制御装置60は、車両がエンジン4を使用せずに走行する場合に、スイッチ40を接続状態に制御する。

この実施の形態の他の局面では、車両であって、モータジェネレータMG2で発生される機械的動力が伝達される車輪2と、上記いずれかに記載の車両駆動システムとを備える。

なお、以上説明した例では、昇圧ユニット10を備える車両駆動システムについて述べたが、本発明は昇圧ユニットが無い構成に対しても適用することができる。

図10は、本発明の実施の形態の変形例を説明するための図である。
図10を参照して、車両201は、バッテリB1と、インバータ20,30と、電源ラインPL1,PL2と、接地ラインSLと、モータジェネレータMG1,MG2と、中性ラインML1と、スイッチ240と、エンジン4と、車輪2とを含む。

図2に示した車両1の構成と図10に示した車両201の構成との違いは、車両201には昇圧ユニット10が無く、車両201にはスイッチ40に換えてスイッチ240が設けられている点である。他の部分については、車両1と車両201とは同様な構成を有するので説明は繰返さない。

スイッチ240は、電源ラインPL1を電源ラインPL2と中性ラインML1のいずれか一方に接続するスイッチである。

通常HVモードでは、スイッチ240は電源ラインPL1と電源ラインPL2とを接続する。すると、バッテリB1の電源電圧はそのままインバータ30に供給される。併せてエンジン4が起動するとモータジェネレータMG1では発電が行なわれこの発電電力もインバータ30に供給される。これによりモータジェネレータMG2が駆動される。また、エンジン4のトルクは、その一部が必要に応じて動力分割機構を介して車輪2の駆動に用いられる。

一方、EV優先モードでは、スイッチ240は電源ラインPL1と中性ラインML1とを接続する。これにより、モータジェネレータMG1のステータコイルとインバータ20によって昇圧回路が構成されバッテリB1の電源電圧を昇圧してインバータ30に供給してこれによりモータジェネレータMG2を駆動することが可能となる。この場合、モータジェネレータMG2は、通常HVモードよりも大きな出力を出すことが可能となる。

図10に示した変形例の車両駆動システムは、バッテリB1と、各々がY結線の三相ステータコイルを含むモータジェネレータMG1,MG2と、電源ラインPL2および接地ラインSLにともに電気的に接続され、モータジェネレータMG1,MG2の各ステータコイルに流れる電流をそれぞれ制御するインバータ20,30と、バッテリB1の正電極および負電極のいずれか一方の電極を、モータジェネレータMG1のステータコイルの中性点と、電源ラインPL2および接地ラインSLのうち一方の電極に対応する電源線とのいずれかに接続するスイッチ240と、インバータ20,30およびスイッチ240を制御する制御装置260とを備える。制御装置260は、モータジェネレータMG1を使用せず、モータジェネレータMG2を使用する場合に、スイッチ240を接続状態にしインバータ20にモータジェネレータMG1のステータコイルをリアクトルとして使用した電圧変換動作を行なわせる。

好ましくは、制御装置260は、スイッチ240を接続状態にしインバータ20にバッテリB1の電圧を昇圧させて電源ラインPL2と接地ラインSLとの間に供給させる。

好ましくは、制御装置260は、スイッチ240を接続状態にしインバータ20に電源ラインPL2と接地ラインSLとの間の電圧を降圧させてバッテリB1に供給させる。

好ましくは、モータジェネレータMG1は、エンジン4から機械的動力を受けて発電し、またはエンジン4に機械的動力を与えて始動させる。制御装置260は、少なくともエンジン4の運転中はスイッチ240を切離し状態に制御する。

好ましくは、車両駆動システムは、エンジン4とモータジェネレータMG2とを機械的動力源として併用する車両に搭載される。制御装置260は、車両がエンジン4を使用せずに走行する場合に、スイッチ240を接続状態に制御する。

この実施の形態の変形例は、他の局面では、車両であって、モータジェネレータMG2で発生される機械的動力が伝達される車輪と、上記いずれかに記載の車両駆動システムとを備える。

なお、本実施の形態では動力分割機構によりエンジンの機械的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、複数の回転電機を搭載するものであればパラレル型ハイブリッド自動車や電気自動車にも適用できる。

たとえば、電気自動車に適用する場合、図2や図10におけるエンジン4を必要に応じて駆動される駆動輪に置換え、四輪駆動モードのときはモータジェネレータMG1,MG2を両方車輪の駆動に用い、二輪駆動モードのときは、モータジェネレータMG2のみを使用して車輪を駆動してモータジェネレータMG1のステータコイルとインバータ20で昇圧または降圧動作を行なわせることができる。

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。

本発明の実施の形態に係る車両1の構成を示すブロック図である。 図1のブロック図を詳細に示した回路図である。 スイッチの第1の構成例スイッチ40Aを示した回路図である。 スイッチの第2の構成例スイッチ40Bを示した回路図である。 スイッチの第3の構成例スイッチ40Cを示した回路図である。 スイッチの第4の構成例スイッチ40Dを示した回路図である。 EV優先モードにおける昇降圧動作を行なう部分の等価回路図である。 体感振動を減少させるために設けるクラッチを説明するための図である。 制御装置60で実行されるプログラムの構造を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態の変形例を説明するための図である。

符号の説明

1,201 車両、2 車輪、2FR,2FL 前輪、2RR,2RL 後輪、4 エンジン、5,6 ギヤ、8 車速センサ、9 アクセルセンサ、10 昇圧ユニット、12 充電用インバータ、16 ソケット、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、40,40A〜40D,240 スイッチ、60,260 制御装置、70,72〜74 電圧センサ、80,82,84 電流センサ、100 外部充電装置、102 充電ケーブル、104 プラグ、154,158 IGBT素子、170 クラッチ機構、B1 バッテリ、BU バッテリユニット、C1,C2 コンデンサ、D1,D2,D11〜D16,D21〜D26,152,156 ダイオード、DG デファレンシャルギヤ、L リアクトル、MG1,MG2 モータジェネレータ、ML1 中性ライン、N1,N2 中性点、PG プラネタリギヤ、PL1,PL2 電源ライン、Q1,Q2,Q11〜Q16,Q21〜Q26 トランジスタ、SL 接地ライン、SR1,SR2 システムメインリレー、U1,U2 U相コイル、UL1,UL2 U相ライン、V1,V2 V相コイル、VL1,VL2 V相ライン、W1,W2 W相コイル、WL1,WL2 W相ライン。

Claims (13)

  1. 蓄電装置と、
    前記蓄電装置の正極および負極と正極電源線および負極電源線との間で電圧変換を行なう電圧変換部と、
    各々がY結線の三相ステータコイルを含む第1、第2の回転電機と、
    前記正極電源線および前記負極電源線にともに電気的に接続され、前記第1、第2の回転電機の各ステータコイルに流れる電流をそれぞれ制御する第1、第2のインバータ回路と、
    前記第1の回転電機のステータコイルの中性点と前記蓄電装置との接続および切離しを行なう接続部と、
    前記第1、第2のインバータ回路および前記接続部を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記第1の回転電機を使用せず、前記第2の回転電機を使用する場合に、前記電圧変換部の電圧変換動作と並行して前記接続部を接続状態にし前記第1のインバータ回路に前記第1の回転電機のステータコイルをリアクトルとして使用した電圧変換動作を行なわせる、車両駆動システム。
  2. 前記制御部は、前記電圧変換部に前記蓄電装置の電圧を昇圧させて前記正極電源線と前記負極電源線との間に供給させるとともに、前記接続部を接続状態にし前記第1のインバータ回路にも前記蓄電装置の電圧を昇圧させて前記正極電源線と前記負極電源線との間に供給させる、請求項1に記載の車両駆動システム。
  3. 前記制御部は、前記電圧変換部に前記正極電源線と前記負極電源線との間の電圧を降圧させて前記蓄電装置に供給させるとともに、前記接続部を接続状態にし前記第1のインバータ回路にも前記正極電源線と前記負極電源線との間の電圧を降圧させて前記蓄電装置に供給させる、請求項1に記載の車両駆動システム。
  4. 前記第1のインバータ回路は、
    前記Y結線の三相ステータコイルの第1〜第3相コイルの端部をそれぞれ前記正極電源線に接続する第1〜第3の電力スイッチング素子と、
    前記第1〜第3相コイルの前記端部をそれぞれ前記負極電源線に接続する第4〜第6の電力スイッチング素子とを含む、請求項1に記載の車両駆動システム。
  5. 前記第1の回転電機は、内燃機関から機械的動力を受けて発電し、または前記内燃機関に機械的動力を与えて始動させ、
    前記制御部は、少なくとも前記内燃機関の運転中は前記接続部を切離し状態に制御する、請求項1に記載の車両駆動システム。
  6. 前記車両駆動システムは、内燃機関と前記第2の回転電機とを機械的動力源として併用する車両に搭載され、
    前記制御部は、前記車両が前記内燃機関を使用せずに走行する場合に、前記接続部を接続状態に制御する、請求項1に記載の車両駆動システム。
  7. 前記車両は、前記第1、第2の回転電機と前記内燃機関との間で機械的動力を分割する動力分割機構と、前記内燃機関と前記動力分割機構との間に設けられ機械的動力の伝達を切断するクラッチ機構とをさらに搭載し、
    前記制御部は、前記車両が前記内燃機関を使用せずに走行する場合に、前記クラッチ機構を切断状態に制御する、請求項6に記載の車両駆動システム。
  8. 蓄電装置と、
    各々がY結線の三相ステータコイルを含む第1、第2の回転電機と、
    正極電源線および負極電源線にともに電気的に接続され、前記第1、第2の回転電機の各ステータコイルに流れる電流をそれぞれ制御する第1、第2のインバータ回路と、
    前記蓄電装置の正電極および負電極のいずれか一方の電極を、前記第1の回転電機のステータコイルの中性点と、前記正極電源線および前記負極電源線のうち前記一方の電極に対応する電源線とのいずれかに接続する接続部と、
    前記第1、第2のインバータ回路および前記接続部を制御する制御部とを備え、
    前記制御部は、前記第1の回転電機を使用せず、前記第2の回転電機を使用する場合に、前記接続部を接続状態にし前記第1のインバータ回路に前記第1の回転電機のステータコイルをリアクトルとして使用した電圧変換動作を行なわせる、車両駆動システム。
  9. 前記制御部は、前記接続部を接続状態にし前記第1のインバータ回路に前記蓄電装置の電圧を昇圧させて前記正極電源線と前記負極電源線との間に供給させる、請求項8に記載の車両駆動システム。
  10. 前記制御部は、前記接続部を接続状態にし前記第1のインバータ回路に前記正極電源線と前記負極電源線との間の電圧を降圧させて前記蓄電装置に供給させる、請求項8に記載の車両駆動システム。
  11. 前記第1の回転電機は、内燃機関から機械的動力を受けて発電し、または前記内燃機関に機械的動力を与えて始動させ、
    前記制御部は、少なくとも前記内燃機関の運転中は前記接続部を切離し状態に制御する、請求項8に記載の車両駆動システム。
  12. 前記車両駆動システムは、内燃機関と前記第2の回転電機とを機械的動力源として併用する車両に搭載され、
    前記制御部は、前記車両が前記内燃機関を使用せずに走行する場合に、前記接続部を接続状態に制御する、請求項8に記載の車両駆動システム。
  13. 前記第2の回転電機で発生される機械的動力が伝達される車輪と、
    請求項1〜12のいずれか1項に記載の車両駆動システムとを備える、車両。
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