JP4613883B2 - ハイブリッド自動車 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド自動車に関する。

従来より、ハイブリッド自動車の電力系統の構成として、エンジンに連結された発電機と、駆動輪に連結された電動機と、発電機と電動機との間に介設されて交流−交流電力変換を直接行うマトリクスコンバータと、を備えた構成が知られており（例えば特許文献１参照）、この構成では、バッテリを、マトリクスコンバータと電動機との間に、インバータを介して分岐接続している。
特開２００５−３１８７３１号公報

ところで、ハイブリッド自動車の作動モードによっては、前記発電機とバッテリとの双方から電動機に電力を供給して、この電動機を駆動する場合がある。その場合、前記構成のハイブリッド自動車では、マトリクスコンバータ及びインバータのそれぞれから交流電力が電動機に出力されるが、バッテリの電圧が発電機の発電電圧よりも低いときには、インバータ側から電動機に電力を供給することができない。そこで、前記公報に記載のハイブリッド自動車においては、バッテリとインバータとの間に昇圧回路を設け、バッテリからの電力を昇圧した上で電動機に供給している。

しかしながら、昇圧回路を備えることは、コストを大幅に増大させることになると共に、昇圧回路の損失により、効率が低下するという不都合がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、電動機に対して発電機側と蓄電装置側との２系統から交流電力が供給される構成を含むハイブリッド自動車において、コストの低減と効率の向上とを図ることにある。

本発明のハイブリッド自動車は、エンジンの出力軸に連結されて該エンジンによって駆動される発電機と、駆動輪に連結されて該駆動輪に駆動力を出力する電動機と、前記発電機と電動機との間に介在して、当該発電機側から入力された交流電力の電圧、位相及び周波数の少なくとも一つを調整して、前記電動機側に出力する電力変換器と、前記電力変換器と前記電動機との間に分岐接続された蓄電装置と、前記蓄電装置と電力変換器及び電動機と、の間に介設されて、交流−直流電力変換を行うインバータと、前記発電機及び蓄電装置の少なくとも一方の側から前記電動機に交流電力を供給することによって、当該電動機を駆動する駆動手段と、前記駆動手段が前記発電機及び蓄電装置の双方から前記電動機に交流電力を供給するときに前記電力変換器及びインバータを制御することによって、前記電動機に供給される交流電圧波形における高電圧領域を前記電力変換器から出力すると共に、その電圧波形における低電圧領域を前記インバータから出力して、前記交流電圧波形の合成を行う電圧波形合成手段と、を備える。

この構成によると、発電機側から電力変換器を介して電動機に交流電力が供給される系統と、蓄電装置からインバータを介して電動機に交流電力が供給される系統と、の２系統が存在し、駆動手段は、前記２系統の少なくとも一方の系統から電動機に交流電力を供給して、その電動機を駆動する。

そして、駆動手段が発電機及び蓄電装置の双方から電動機に交流電力を供給するとき（電動機の要求電力が比較的高いとき）には、電圧波形合成手段が電力変換器及びインバータを制御し、それによって、電動機に供給される電圧波形における高電圧領域を電力変換器から出力すると共に、その電圧波形における低電圧領域をインバータから出力する。

すなわち、正弦波である交流電圧波形を時間に対して分割し、その分割した各波形の内、蓄電装置の電圧以下の低電圧領域に対応する波形はインバータの出力によって構成し、蓄電装置の電圧よりも高い高電圧領域に対応する波形は電力変換器の出力によって構成する。

そうすることによって、蓄電装置の電圧が発電機の発電電圧よりも低いときでも、蓄電装置側から電動機に電力を供給することが可能になり、電動機の要求電力を満たすことが可能になる。

ここで、前記電圧波形合成手段は、前記発電機の発電電圧が前記蓄電装置の電圧よりも高いときに、前記交流電圧波形の合成を行う、としてもよい。

すなわち、蓄電装置の電圧が発電電圧と同じかそれよりも高く、蓄電装置側から電力を供給することが可能なときには、電圧波形の合成を行わない。この場合、例えば電力変換器からの出力電力とインバータからの出力電力とを足し合わせて電動機に供給することによって、効率を向上させる。

一方、蓄電装置の電圧が発電電圧よりも低く、そのままでは蓄電装置側から電力を供給することができないときに限って、交流電圧波形の合成を行う。このことによって、前述したように、昇圧を行わなくても、蓄電装置側から電力を供給することが可能になる。

前記電力変換器は、交流−交流電力変換を直接行うマトリクスコンバータである、としてもよい。

こうすることで、発電機及び電動機の間にマトリクスコンバータが介在して、交流−交流電力変換を直接行うため、発電機の発電電力を電動機への供給電力に直接変換することができ、効率が向上する。

以上説明したように、本発明のハイブリッド自動車によると、発電機及び蓄電装置の双方から電動機に交流電力を供給するときには、電動機に供給される交流電圧波形における高電圧領域を電力変換器から出力しかつ、その交流電圧波形における低電圧領域をインバータから出力して、交流電圧波形の合成を行うことにより、蓄電装置の電圧が発電機の発電電圧よりも低いときでも蓄電装置側から電動機に電力を供給することができる。その結果、昇圧回路等が不要になってコストの低減と効率の向上とを図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態に係るハイブリッド自動車ＨＥＶの概略構成を示す図であり、同図において符号１は、内燃機関であるエンジン、２は発電機、３は電動機、４はマトリクスコンバータ（電力変換器）、５は蓄電装置、６はインバータである。

このハイブリッド自動車ＨＥＶでは、エンジン１の出力がトランスミッション１１及びデファレンシャルギヤ１２を介して駆動輪１３，１３に伝達される。また、トランスミッション１１の出力側には電動機３が接続されており、電動機３の出力も駆動輪１３に伝達される。そうして、前記駆動輪１３は、電動機３のみ、エンジン１のみ、又は、電動機３及びエンジン１の双方で駆動される。尚、前記トランスミッション１１の形式には特に限定はなく、適宜選択することができる。また、トランスミッション１１の代わりに、例えばプラネタリギヤからなる動力分割機構をエンジン１と駆動輪１３との間に配置し、その動力分割機構に電動機３を連結してもよい。さらに、後述する電力系統の構成を有するのであれば、ハイブリッド自動車ＨＥＶの駆動系統の構成は、前記に限定されるものではない。

前記発電機２は、本実施形態では、三相交流同期発電機とされている。発電機２は、エンジン１の出力軸に連結されていて、エンジン１により駆動されて発電を行う。また発電機２は、蓄電装置５からの電力供給を受けて電動機として機能し、エンジン１のスタータとしての役割を担う。

前記電動機３は、本実施形態では、三相交流同期電動機とされている。電動機３は、マトリクスコンバータ４を介して発電機２に接続されていて、発電機２によって発電された電力の供給及び／又は蓄電装置５からの電力供給を受けて駆動する。また電動機３は、ハイブリッド自動車ＨＥＶの減速時や制動時には、駆動輪１３からの動力を受けて発電機として機能し（回生発電）、その回生電力は蓄電装置５に蓄電される。

尚、発電機２及び電動機３としては、誘導機を採用することも可能である。

前記蓄電装置５は、例えばニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池、又はキャパシタからなる直流電源であり、前記マトリクスコンバータ４と電動機３との間に、インバータ６を介して分岐接続されている。

図２は、前記ハイブリッド自動車ＨＥＶの電力系統の構成を示している。尚、本回路には電圧センサ及び電流センサ等の検出センサが適宜取り付けられるが、図２ではその図示を省略している。

前記マトリクスコンバータ４は、交流電力を任意の周波数、位相及び電圧の交流電力に直接変換する電力変換装置であり、図２に示すように、マトリクスコンバータ４は、合計９個の双方向スイッチＳＷＡａ〜ＳＷＡｃ，ＳＷＢａ〜ＳＷＢｃ，ＳＷＣａ〜ＳＷＣｃと、ラインＬＡ〜ＬＣ，Ｌａ〜Ｌｃとを備える。

ラインＬＡ〜ＬＣはそれぞれ、発電機２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続され、ラインＬａ〜Ｌｃはそれぞれ、電動機３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続される。

９個の双方向スイッチＳＷＡａ〜ＳＷＡｃ，ＳＷＢａ〜ＳＷＢｃ，ＳＷＣａ〜ＳＷＣｃは、３行３列の行列状に配置される。双方向スイッチＳＷＡａは、ラインＬＡとラインＬａとの間に接続され、双方向スイッチＳＷＢａは、ラインＬＢとラインＬａとの間に接続され、双方向スイッチＳＷＣａはラインＬＣとラインＬａとの間に接続される。

また、双方向スイッチＳＷＡｂは、ラインＬＡとラインＬｂとの間に接続され、双方向スイッチＳＷＢｂは、ラインＬＢとラインＬｂとの間に接続され、双方向スイッチＳＷＣｂはラインＬＣとラインＬｂとの間に接続される。

さらに、双方向スイッチＳＷＡｃは、ラインＬＡとラインＬｃとの間に接続され、双方向スイッチＳＷＢｃは、ラインＬＢとラインＬｃとの間に接続され、双方向スイッチＳＷＣｃはラインＬＣとラインＬｃとの間に接続される。

そうして、３×３個のスイッチＳＷＡａ〜ＳＷＡｃ，ＳＷＢａ〜ＳＷＢｃ，ＳＷＣａ〜ＳＷＣｃは、発電機２の３相の出力であるラインＬＡ〜ＬＣのそれぞれと、電動機３の３相の入力であるラインＬａ〜Ｌｃのそれぞれと、の間に配置される。

図３（ａ）は、前記各双方向スイッチＳＷの構成の一例を示している。このスイッチＳＷは、端子Ｘにエミッタが接続され端子Ｙにコレクタが接続される逆阻止機能付の第１ＩＧＢＴ素子３１と、端子Ｙにエミッタが接続され端子Ｘにコレクタが接続される逆阻止機能付の第２ＩＧＢＴ素子３２とを含み、これら２つのＩＧＢＴ素子３１，３２が並列に接続されて構成される。

第１及び第２ＩＧＢＴ素子３１，３２は、制御部７によってそのゲートが活性化されることにより、導通状態になる。このときに、端子Ｘよりも端子Ｙの方が高電圧のときは第１ＩＧＢＴ素子３１によって電流が流れる。尚、第２ＩＧＢＴ素子３２には逆方向電圧が印加されるが、逆阻止型のＩＧＢＴであるため第２ＩＧＢＴ素子３２は電流を流さない。一方、端子Ｘの方が端子Ｙよりも高電圧のときは、第２ＩＧＢＴ素子３２に電流が流れる。こうして、スイッチＳＷは双方向のスイッチとして動作する。

尚、スイッチＳＷの構成は、図３（ａ）に示す構成に限らない。例えば図示は省略するが、逆阻止機能付きのＩＧＢＴ素子に代えて、ＩＧＢＴ素子とダイオードとを直列に接続した構成を採用してもよい。

前記構成のマトリクスコンバータ４は、前述したように交流−交流電力変換を行う装置であり、制御部７によって各スイッチＳＷＡａ〜ＳＷＡｃ，ＳＷＢａ〜ＳＷＢｃ，ＳＷＣａ〜ＳＷＣｃが制御されることにより、任意の周波数、位相及び電圧の正弦波交流電力を出力する。それによってマトリクスコンバータ４は、発電機２によって発電された三相交流電力を、電動機３を駆動するための三相交流電力に直接変換して出力する。その結果、例えば２つのインバータによって交流−直流−交流変換を行う場合よりも、電力損失が低減する。

前記インバータ６は、本実施形態では、図２に示すように、Ｕ相アーム６Ｕ，Ｖ相アーム６Ｖ，Ｗ相アーム６Ｗを含む三相ブリッジ回路により構成されていて、交流−直流電力変換を行う。

Ｕ相アーム６Ｕ、Ｖ相アーム６Ｖ及びＷ相アーム６Ｗはそれぞれ、直列に接続される２つのスイッチＳ１１，Ｓ１２，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ３１，Ｓ３２を含む。各スイッチＳは、図３（ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ素子３３と、ＩＧＢＴ素子３３に対してエミッタからコレクタに向かう向きが順方向となるように並列接続されるダイオード３４とを含む。

ラインＬＵは、Ｕ相アーム６Ｕの２つのスイッチＳ１１，Ｓ１２の接続点と電動機３のＵ相とを互いに接続し、ラインＬＶは、Ｖ相アーム６Ｖの２つのスイッチＳ２１，Ｓ２２の接続点と電動機３のＶ相とを互いに接続し、ラインＬＷは、Ｗ相アーム６Ｗの２つのスイッチＳ３１，Ｓ３２の接続点と電動機３のＷ相とを互いに接続する。

インバータ６は、その各スイッチＳが制御部７によって制御されることで、蓄電装置５から出力された直流電力を交流電力に変換し、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相のラインＬＵ，ＬＶ，ＬＷから出力すると共に、ラインＬＵ，ＬＶ，ＬＷから出力する入力された交流電力を直流電力に変換して、蓄電装置５に出力する。

尚、コンデンサＣ１は、電圧変動に起因する、インバータ６への影響を低減するためのものである。また、スイッチング素子Ｓ４は、図３（ｂ）に示すように、ＩＧＢＴ素子３３と、ダイオード３４とを含んで構成され、このスイッチング素子Ｓ４は、電動機３の電圧が蓄電装置５の電圧よりも高いときに、充電電流が要求値となるように、デューティー制御される。

以上の構成により、前記ハイブリッド自動車ＨＥＶでは、発進時や低速走行時は、蓄電装置５からの電力供給を受けて電動機３のみで走行する一方、通常走行時は、エンジン１を駆動させてその動力を駆動輪１３に伝達すると共に発電機２により発電を行う。そうして、その発電電力をマトリクスコンバータ４を介して前記電動機３に供給して、エンジン１及び電動機３の双方で走行する。また急加速時は、発電機２に加えて蓄電装置５からも電動機３に電力が供給されて、エンジン１及び電動機３の双方で走行する。

また、減速時や制動時は、駆動輪１３からの動力を電動機３（発電機）において電気エネルギに変換し、その回生電力を蓄電装置５に蓄電する。尚、前記の電力系統の構成では、電動機３と蓄電装置５との間には、一つのインバータ６のみが介在しているため、回生電力の蓄電効率が高い。

さらに、蓄電装置５の蓄電量に基づいて、蓄電量が少なくなるとエンジン１を始動させて発電機２を駆動することにより、蓄電装置５の蓄電を行う。

このようにハイブリッド自動車ＨＥＶでは、例えば急加速時に、電動機３に対して発電機２と蓄電装置５との双方から交流電力が供給されるが（図４の白抜きの矢印参照）、蓄電装置５の電圧が発電機２の発電電圧よりも低いときには、蓄電装置５側から電動機３に電力を供給することができない。

そこで、本ハイブリッド自動車ＨＥＶでは、前記制御部７が、マトリクスコンバータ４及びインバータ６を制御して交流電圧波形の合成を行うことにより、蓄電装置５からの電力供給を可能にしている。

具体的に制御部７は、発電機２による発電電力を蓄電装置５に蓄電するタイミングになったときに、電圧センサによって発電機２の発電電力と蓄電装置５の電圧とを比較する。蓄電装置５の電圧が発電機２の発電電力よりも低いときには、制御部７は、図４，５に示すように、マトリクスコンバータ４をＰＷＭ制御することによって、電動機３に供給される電圧波形における高電圧領域を出力させる（図５（ａ）参照）と共に、インバータ６をＰＷＭ制御することによって、その電圧波形における低電圧領域を出力させ（図５（ｂ）参照）る。それによって、マトリクスコンバータ４及びインバータ６のそれぞれから出力された電圧波形が合成されて、電動機３に対し正弦波交流電力が供給される（図５（ｃ）参照）。

そうすることによって、蓄電装置５の電圧が、発電機２の発電電圧よりも低いときでも、蓄電装置５側から電動機３に電力を供給することが可能になり、電動機３の要求電力を満たすことが可能になる。

一方、蓄電装置５の電圧が発電機２の発電電力と同じか又はそれよりも高いときには、制御部７は、マトリクスコンバータ４及びインバータ６のそれぞれから、正弦波交流電力を出力させる。それによって、電動機３には、マトリクスコンバータ４からの正弦波交流電力とインバータ６からの正弦波交流電力とが足し合わされて供給される。

このように、蓄電装置５側から電動機３に電力を供給することが可能なときには、前述の波形合成を行わないことによって、効率の向上が図られる。

このように、本実施形態のハイブリッド自動車ＨＥＶは、蓄電装置５の電圧が発電機２の発電電圧よりも低いときであっても、電動機３に電力を供給することができ、例えば蓄電装置５を高電圧の蓄電装置としたり、昇圧回路を設けたりする必要がなく、その分、コストを低減させることができる。また、昇圧回路等を加えた場合に生じる損失や、重量増加がないため、効率の向上及びハイブリッド自動車ＨＥＶの軽量化が図られる。

（他の実施形態）
尚、前記実施形態では、発電機２と電動機３との間にマトリクスコンバータ４を介在させていたが、例えば図６に示すように、発電機２と電動機３との間に、第１及び第２の２つのインバータ２１，２２を介在した構成においても、本発明は適用可能である。すなわち、電動機３に対して発電機２側と蓄電装置５側との２系統からそれぞれ交流電力が供給される構成であれば、本発明を適用することが可能である。尚、この構成においては、第１及び第２のインバータ２１，２２の組み合わせが、発電機２側から入力された交流電力の電圧、位相及び周波数の少なくとも一つを調整して、電動機３側に出力する電力変換器に相当する。

以上説明したように、本発明は、電動機に対して発電機側と蓄電装置側との２系統から交流電力が供給される構成を含むハイブリッド自動車について有用である。

ハイブリッド自動車の構成を示す概略図である。 ハイブリッド自動車の電力系統の構成を示す回路図である。 （ａ）はマトリクスコンバータのスイッチの構成の一例、（ｂ）はインバータのスイッチの構成の一例である。 発電機側と蓄電装置側との双方から電力が供給されるときの制御を示す説明図である。 電圧波形の合成制御を示す説明図である。 他の実施形態に係るハイブリッド自動車の電力系統の構成を示す概略図である。

符号の説明

１ エンジン
２ 発電機
３ 電動機
４ マトリクスコンバータ（電力変換器）
５ 蓄電装置
６ インバータ
７ 制御部（駆動手段、電圧波形合成手段）
１３ 駆動輪
２１，２２ インバータ（電力変換器）
ＨＥＶ ハイブリッド自動車

Claims (3)

1. エンジンの出力軸に連結されて該エンジンによって駆動される発電機と、
   駆動輪に連結されて該駆動輪に駆動力を出力する電動機と、
   前記発電機と電動機との間に介在して、当該発電機側から入力された交流電力の電圧、位相及び周波数の少なくとも一つを調整して、前記電動機側に出力する電力変換器と、
   前記電力変換器と前記電動機との間に分岐接続された蓄電装置と、
   前記蓄電装置と電力変換器及び電動機と、の間に介設されて、交流−直流電力変換を行うインバータと、
   前記発電機及び蓄電装置の少なくとも一方の側から前記電動機に交流電力を供給することによって、当該電動機を駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段が前記発電機及び蓄電装置の双方から前記電動機に交流電力を供給するときに前記電力変換器及びインバータを制御することによって、前記電動機に供給される交流電圧波形における高電圧領域を前記電力変換器から出力すると共に、その電圧波形における低電圧領域を前記インバータから出力して、前記交流電圧波形の合成を行う電圧波形合成手段と、を備えたハイブリッド自動車。
2. 請求項１に記載のハイブリッド自動車において、
   前記電圧波形合成手段は、前記発電機の発電電圧が前記蓄電装置の電圧よりも高いときに、前記交流電圧波形の合成を行うハイブリッド自動車。
3. 請求項１又は２に記載のハイブリッド自動車において、
   前記電力変換器は、交流−交流電力変換を直接行うマトリクスコンバータであるハイブリッド自動車。

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