JP4635726B2

JP4635726B2 - 電動自動車

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Publication number: JP4635726B2
Application number: JP2005160932A
Authority: JP
Inventors: 豊田島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-06-01
Filing date: 2005-06-01
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-06-01
Also published as: JP2006340470A

Description

本発明は、エンジンと電動機とを共用するハイブリッド型の電動自動車に関するものである。

従来、エンジンと電動機とを共用するハイブリッド型の電動自動車は種々の構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなハイブリッド電動自動車において、エンジンで駆動され、主に発電機として機能する電動機と、自動車の走行駆動力を出力する電動機との間にインバータ回路を設ける。このインバータ回路は、交流電力を直流電力に変換するコンバータとして主に動作する第１のインバータと、直流電力を交流電力に変化する第２のインバータの直列回路から成る。そして第１のインバータと第２のインバータの接続部にバッテリーも接続する。発電機の出力で、電動機を駆動すると共にバッテリーも充電する。またバッテリー電力を第２のインバータで交流電力に変換することによっても、電動機を駆動できる。
特開２０００−２７８８０８号公報

しかしながら、この従来の構成には、以下のような問題点があった。

第１の問題として、従来の構成では、発電機の交流電力を第１のインバータで一旦直流電力に変換し、その後第２のインバータで交流電力に変換する。電力変換を２回行なうことになり、損失が大きい。
第２の問題として、第１のインバータ、第２のインバータ共に、電動機の最大定格の電流を流せるだけの容量が必要であるため、サイズが大きくなる。
第３の問題として、第１のインバータと第２のインバータの接続点には一般に電源コンデンサが必要になる。この電源コンデンサは高耐圧でかつ大容量が必要なこともあり、サイズが大きい。

第４の問題として、前記電源コンデンサの存在により、直流電位を上げ難い。即ち電動機は一般に高回転になるにつれ、誘起電圧が高くなる。その高回転時に大きなパワーを出力させるには、電動機に印加する電圧も上げる必要がある。しかし電源コンデンサの耐圧を高くすると、サイズ増大が著しくなる弊害がある。よって直流電圧を上げ難く、電動機の弱め界磁制御などで対応することになる。しかしこの方法は電動機の損失増大も招くし、また高回転時の出力も充分に上がらない。
第５の問題として、バッテリーの電圧も、前述の第１のインバータと第２のインバータの接続点電位と等しくする為、高くなる。このバッテリーの高電圧化はサイズ大型化に繋がる。さらにコストアップを招く。

また、第６の問題として、前述の第５の問題に対処して、第１のインバータと第２のインバータの接続点と、バッテリーの間にＤＣ／ＤＣコンバータを介しても、次の問題が新たに生じる。先ずＤＣ／ＤＣを設けることによる、損失の増大である。次いでサイズ増大とコストアップである。なお一般にＤＣ／ＤＣの電流容量は、インバータ同様に電動機の最大定格と同程度にする場合が一般的である。ここでＤＣ／ＤＣを設けても、前述第３の問題で述べた電源コンデンサは要る。よって第４の問題は解決できない。

さらに、発電機と電動機の間に、前述のインバータ回路でなく、交流電力と交流電力の間での電力変換を行なう回路、例えばマトリックスコンバータを用いたとしても、下記問題が生じる。
第１に、発電機から電動機の間に直流電位部分が無いので、バッテリーを接続し難い。
第２に、マトリックスコンバータはインバータのような電源コンデンサを有しない為、電動機の負荷変動に起因して交流電力波形が乱れた場合、つまり電源擾乱が生じた時に、この交流電力波形を抑える能力が弱い。よって電動機に供給する交流電力の乱れを抑止しきれず、車両挙動の不安定を生じる。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、損失の増大やサイズの大型化を防止でき、交流電力の乱れによる車両挙動の不安定さもなくすことのできる電動自動車を提供しようとするものである。

本発明の電動自動車は、第１の電動機と；第２の電動機と；交流電力を、異なる周波数や位相や電圧の交流電力に変換する第１の電力変換回路と；交流電力と直流電力との間の電力変換を行なう第２の電力変換回路及び第３の電力変換回路と；第１の電動機、第２の電動機及び第１〜第３の電力変換回路の動作を制御する制御回路と；電荷蓄積手段と；を有し、第１の電動機の交流端子と、第１の電力変換回路の一方の交流端子とを接続し、第２の電動機の交流端子と、第１の電力変換回路の他方の交流端子とを接続し、前記第１の電動機の前記交流端子と第３の電力変換回路の交流端子とを接続し、前記第２の電動機の前記交流端子と第２の電力変換回路の交流端子とを接続し、第２の電力変換回路の直流端子と第３の電力変換回路の直流端子とを共に電荷蓄積手段に接続すると共に、制御回路を、電力要求のある第１の電動機に対して、電力出力ができる第２の電動機から電力を第１の電力変換回路を介して、および／または、電力出力ができる電荷蓄積手段から電力を第３の電力変換回路を介して、供給させ、電力要求のある第２の電動機に対して、電力出力ができる第１の電動機から電力を第１の電力変換回路を介して、および／または、電力出力ができる電荷蓄積手段から電力を第２の電力変換回路を介して、供給させ、電力要求のある電荷蓄積手段に対して、電力出力ができる第１の電動機から電力を第３の電力変換回路を介して、および／または、電力出力ができる第２の電動機からの電力を第２の電力変換回路を介して、供給させる構成として成ることを特徴とするものである。

本発明の第１発明では、第１の電動機で発生させた交流電力を、第１の電力変換回路を介して第２の電動機に供給できる。また電荷蓄積手段の直流電力を、第２の電力変換回路を介して第２の電動機に供給できる。さらに第１の電動機で発生させた交流電力を、第１の電力変換回路と第２の電力変換回路を介して、電荷蓄積手段に供給できる。またその逆もできる。よって以下のような効果を得ることができる。

（１）第１の電動機で第２の電動機を駆動する場合も、電荷蓄積手段で第２の電動機を駆動する場合も、夫々電力変換１回でよい。この為損失を大幅に低減できる。
（２）電動自動車の運転者がアクセルを踏み込んだ時や、第２の電動機の負荷が急に大きくなった時など、電荷蓄積手段からの電力供給を加えることで、第２の電動機に必要電力を供給できる。つまり原動機で駆動される第１の電動機は急に出力電力を増やすことは難しい。よって第１の電動機の出力電力が増えるまでの過渡状態時は、この第１の電動機の出力電力と共に、電荷蓄積手段からの電力を足すことにより第２の電動機を駆動できる。またこの間、第１の電動機は、第２の電動機の要求電流急増による悪影響を受けずに速やかに出力電流の増大を行なうことができる。
（３）前述のマトリックスコンバータの問題として記した電源擾乱が生じそうになった際、第２の電力変換回路によって第２の電動機への電力を安定化できる。よって電動自動車の駆動と共に、第１の電力変換回路動作、ひいては原動機の駆動に不安定を及ぼすことは無い。
（４）一般にマトリックスコンバータは入力側と出力側、つまり第１の電動機と第２の電動機の、交流電力の周波数と位相と大きさの全てを制御することは難しい。本構成では、第２の電動機の制御は、第１の電力変換回路のみならず、第２の電力変換回路もできる。よって損失低減の為にマトリックスコンバータを用いても、入力側と出力側の電動機を良好に制御できる。

なお電荷蓄積手段の充電を行なう為に、第１の電動機とこの電荷蓄積手段の間に、整流回路とＤＣ／ＤＣの直列回路を接続しても良い。この直列回路は、第２の電力変換回路と比べて電流容量は小さくて良い。

本発明の第２発明では、第１の電動機で発生させた交流電力を、第１の電力変換回路を介して第２の電動機に供給できる。また電荷蓄積手段の直流電力を、第２の電力変換回路を介して第２の電動機に供給できる。さらに第２の電動機で発生させた、例えば回生動作による交流電力を、第１の電力変換回路を介して第１の電動機に供給できる。また電荷蓄積手段の直流電力を、第３の電力変換回路を介して第１の電動機に供給できる。さらにまた第１の電動機で発生させた交流電力を、第３の電力変換回路を介して電荷蓄積手段に供給できる。かつ第２の電動機で発生させた交流電力を、第２の電力変換回路を介して電荷蓄積手段に供給できる。また以上述べた電力供給を、複数同時に組み合わせて行なうこともできる。よって以下のような効果を得ることができる。

（１）第１の電動機で第２の電動機を駆動する場合も、またその逆の場合も、さらに電荷蓄積手段で第１の電動機あるいは第２の電動機を駆動する場合も、夫々電力変換１回でよい。この為損失を大幅に低減できる。
（２）電動自動車の運転者がアクセルを踏み込んだ時や、電動機の負荷が急に大きくなった時など、電荷蓄積手段からの電力供給を加えることで、電動機に必要電力を供給できる。例えば原動機で駆動される第１の電動機は急に出力電力を増やすことは難しい。よって電動機の出力電力が増えるまでの過渡状態時は、この交流電力発生側の電動機の出力と共に、電荷蓄積手段からの電力を足すことにより、駆動される側の電動機に必要電力を供給できる。そしてこの間、交流電力発生側の電動機は、駆動される側の電動機の要求値急増による悪影響を受けずに速やかに出力電流の増大を行なうことができる。
（３）前述のマトリックスコンバータの問題として記した電源擾乱が生じそうになった際、第２または第３の電力変換回路によって電動機への電力を安定化できる。よって電動自動車の駆動と共に、第１の電力変換回路動作、ひいては原動機の駆動に不安定を及ぼすことは無い。
（４）一般にマトリックスコンバータは入力側と出力側、つまり第１の電動機と第２の電動機の、交流電力の周波数と位相と大きさの全てを制御することは難しい。本構成では、電動機の制御は、第１の電力変換回路のみならず、第２または第３の電力変換回路によってもできる。この為損失低減の為にマトリックスコンバータを用いても、入力側と出力側の電動機を良好に制御できる。
（５）電動機間で電力変換を行なう回路と、電動機と電荷蓄積手段との間で電力変換を行なう回路を分けている。よって夫々の回路は、各々の最適動作を行なうことが容易である。即ち、電動機への電力供給と、電荷蓄積手段の充電または電圧調整を同じ回路で同時に行なうことによって、損失が増えるような事態を防止できる。
（６）原動機の停止状態から、原動機を始動させると同時に電動自動車も発進させる場合も、先ず電荷蓄積手段によって第１の電動機と第２の電動機を駆動し、そして原動機始動後は第１の電動機の電力も合わせて加速できる。この際も、電動自動車の動作を円滑にできると共に、損失も小さくできる。

なお、本発明の第１発明及び第２発明に係る電動自動車の好適例として、第２の電動機の要求電流に対して、第１の電力変換回路で供給しない差分の電流を、第２の電力変換回路で供給する。また、第１の電動機の要求電流に対して、第１の電力変換回路で供給しない差分の電流を、第３の電力変換回路で供給する構成とすることができる。

このような構成とすることにより、以下の効果が生じる。
（１）第１の電力変換回路、そして第２の電力変換回路及び第３の電力変換回路の出力電流の計算が容易になる。即ち第１の電力変換回路は、電力を出力する側の第１の電動機あるいは第２の電動機の運転状態に応じた電力を出力すれば良い。そして第２の電力変換回路及び第３の電力変換回路は、駆動される側の電動機の要求電流の内、第１の電力変換回路で出力しきれなかった電力を出力するように動作すればよい。なおこれら電力の演算や各電力変換回路への制御は、制御回路が行なう。この為、負荷変動が生じた過渡状態時においても、速やかに、かつ滑らかに必要電力の出力を継続でき、電動自動車をさらに安定して運転せしめることができる。
（２）上記（１）の結果、急激な負荷変動が生じても、速やかに出力電流を変化させることができ、応答性が向上する。
（３）第２、第３の電力変換回路は、主に過渡状態時に動作するので、電力変換に伴う損失が低減する。よってこれら電力変換回路の放熱器も含めたサイズが小さくなり、かつコストも下がる。

また、本発明の第１発明及び第２発明に係る電動自動車の好適例として、第１の電力変換回路、第２の電力変換回路及び第３の電力変換回路の夫々の電流定格が、第１の電動機及び該第２の電動機の電流定格より小さい。かつ第１の電力変換回路と第２の電力変換回路の電流定格の和が、第１の電動機及び第２の電動機の電流定格と同じか大きい。また、第１の電力変換回路と第３の電力変換回路の電流定格の和が、第１の電動機及び第２の電動機の電流定格と同じか大きい構成とすることができる。このような構成とすることにより、第２の電動機への電力供給を、第１乃至第３の電力変換回路で配分できる。よって第１乃至第３の電力変換回路の電流定格は、電動機電流定格と同じにする必要がない。かつ各電力変換回路の電流も少なくできる。よって損失を低減でき、放熱器も含めた大幅な小型化ができると共に、大幅な低コスト化もできる。

さらに、本発明の第１発明及び第２発明に係る電動自動車の好適例として、第２の電力変換回路と第３の電力変換回路が電圧形インバータであるか、電流形インバータである構成とする。このような構成とすることにより、以下の効果が生じる。

先ず、第２の電力変換回路と第３の電力変換回路を電圧形インバータとした場合は以下の通りである。一般的に直流と交流との間での電力変換回路としては、電圧形インバータが用いられている。よって電力変換回路の構造などに大きな変更をせずに、本構成を実現できる。次いで、第２の電力変換回路と第３の電力変換回路を電流形インバータとした場合は以下の通りである。第１に、第１の電力変換回路の出力との電流合成が容易にできる。即ち電流形インバータは出力インピーダンスが高いことにより、第１の電力変換回路の出力変動に影響されずに、所定の電流を出力できる。第２に、電圧形インバータのような大型の電源コンデンサが不要である。この為サイズを小型にできる。第３に、電動機の交流電圧が高くなっても、ＤＣ／ＤＣコンバータも介さずに、前述の電流合成ができる。即ち電流形インバータを構成するリアクトルの効果によって、電流合成をすべく電動機の端子電圧が高くなっていても、所定の電流を出力できる。この為、電動機の高回転時にも出力を大きくできるうえに、従来の弱め界磁制御などによって生じる電動機の損失も低減できる。さらにＤＣ／ＤＣコンバータも不要であることによるコスト低減も図れる。第４に、インバータを電動機部分に形成する所謂機電一体構造も構成し易くなる。つまり特に高温耐熱性を確保しにくい電源コンデンサが不要になる為である。

さらにまた、本発明の第１発明及び第２発明に係る電動自動車の好適例として、第２の電力変換回路が電流形インバータであり、かつ第３の電力変換回路が電圧形インバータか、もしくは整流回路とＤＣ／ＤＣの直列回路の何れかである構成とする。このような構成とすることにより、第２の電流形インバータの出力電流を、第１の電力変換回路の出力電流と合成するので、前述の電流形インバータの効果として記した内容が等しく生じる。そして電荷蓄積手段としてバッテリーもしくはコンデンサを用いている場合の充電も、第３の電力変換回路を用いて容易に行なうことができる。

また、本発明の第１発明及び第２発明に係る電動自動車の好適例として、電荷蓄積手段が、バッテリーであるか、キャパシタであるか、あるいは燃料電池である構成とする。このように構成することにより、何れの場合でも電動自動車を駆動できる。またバッテリー及びコンデンサに対する充電もできる。

さらに、本発明の第１発明及び第２発明に係る電動自動車の好適例として、制御回路が、第１の電動機または第２の電動機を駆動する原動機をも制御するか、あるいは、制御回路が、原動機を制御する第２の制御回路をも制御する構成とする。このように構成することにより、下記効果が生じる。なお説明は、第１の電動機が原動機で駆動され、第２の電動機が電動自動車の駆動を司る構成を例として行なう。

電動自動車の駆動力が必要になった場合など第２の電動機の要求電力が増加した過渡状態時、先ず電荷蓄積手段から第２の電力変換回路を介して、第１の電力変換回路で供給しきれない電力を補給するような形態で供給する。それと同時に制御回路が、第１の電動機の出力電力を上げる為に原動機の出力あるいは回転数を上げるように制御する。この為速やかに第１の電動機の出力を増加でき、第１の電力変換回路から必要電力を供給できる。よって必要電力を低損失な電力変換で、第２の電動機に供給し続けることができる。

特に第１の電力変換回路としてマトリックスコンバータを用いる場合、同回路は入力側交流電圧より出力側交流電圧を高くしての電力変換が出来ない。よって第２の電動機の出力が大きくなる、あるいは回転数が上がる等の理由によって、第２の電動機に印加する、もしくは必要な交流電力が増加することにより交流電圧が高くなると、同回路からの電力供給がし難くなる。この場合、上記過渡状態時はマトリックスコンバータからの電力供給に支障が生じ兼ねないが、第２の電力変換回路で電力を供給すると共に、第１の電力変換回路としてのマトリックスコンバータの出力も継続できるように速やかに原動機出力、即ち第１の電力変換回路への入力交流電圧を上げられる。よって、マトリックスコンバータからの電力供給に支障が生じることも防止できる。この結果、車両の円滑な走行も継続でき、かつ低損失で必要な電力を供給し続けることもできる。さらに、第１の電力変換回路の出力を一層速やかに増加できる、即ち第１の電力変換回路の応答性を上げることができるので、電動自動車の必要電力変化に対する応答性も向上できる。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
先ず第１実施例について説明する。図１は本発明の電動自動車における第１実施例の構成を示す模式図である。また、図２〜図６は、それぞれ第１実施例の動作を示す模式図である。本実施例は、大きく分けて下記第１の構成と第２の構成及び第３の構成が合わさって成る。

第１の構成は、図１に示す例において、第１の電動機１１０と、第２の電動機１１１を有する。また交流電力を、異なる周波数や位相や電圧の交流電力に変換する第１の電力変換回路１０１を有する。さらに交流電力と直流電力との間の電力変換を行なう第２の電力変換回路１０２と第３の電力変換回路１０３を有し、かつ、第１の電動機１１０と第２の電動機１１１、及び、第１〜第３の電力変換回路１０１〜１０３の動作を制御する制御回路１０５を有する。なお、１０４はバッテリー、１２１、１２２は結合リアクトルである。また、図１に示す例においては、第１の電力変換回路１０１をマトリックスコンバータとする。そして第２の電力変換回路１０２と第３の電力変換回路を夫々電圧形インバータにしている。

上述した各部材からなる第１実施例において、第１の電動機１１０の交流端子と、第１の電力変換回路１０１の一方の交流端子とを接続すると共に、第２の電動機１１１の交流端子と、第１の電力変換回路１０１の他方の交流端子とを接続する。さらに第１の電動機１１０の交流端子と第３の電力変換回路１０３の交流端子とを結合リアクトル１２２を介して接続すると共に、第２の電動機１１１の交流端子と第２の電力変換回路１０２の交流端子とを結合リアクトル１２１を介して接続する。また第２の電力変換回路１０２の直流端子と、第３の電力変換回路１０３の直流端子とを共にバッテリー１０４に接続する。そして制御回路１０５が、電力要求のある第１の電動機１１０、第２の電動機１１１、あるいはバッテリー１０４に対して、電力出力ができる第１の電動機１１０、第２の電動機１１１、あるいはバッテリー１０４から、電力を第１の電力変換回路１０１または第２の電力変換回路１０２あるいは第３の電力変換回路１０３を介して供給させる構成する。

ここで、第１の電動機１１０はエンジン等の原動機で駆動され発電機として主に機能し、かつ第２の電動機１１１は電動自動車の駆動力を発生させるとする。さらに第１の電力変換回路１０１は例えばマトリックスコンバータとし、また第２の電力変換回路１０２と第３の電力変換回路１０３は例えばインバータとする。

第２の構成において、制御回路１０５は、第２の電動機１１１の要求電流に対して、第１の電力変換回路１０１で供給しない差分の電流を、第２の電力変換回路１０２で供給する。また第１の電動機の要求電流１１０に対して、第１の電力変換回路１０１で供給しない差分の電流を、第３の電力変換回路１０３で供給するように制御する。

第３の構成において、第１の電力変換回路１０１、第２の電力変換回路１０２及び第３の電力変換回路１０３の夫々の電流定格が、第１の電動機１１０及び第２の電動機１１１の電流定格より小さい。かつ第１の電力変換回路１０１と第２の電力変換回路１０２の電流定格の和が、第１の電動機１１０及び第２の電動機１１１の電流定格と同じか大きい。また第１の電力変換回路１０１と第３の電力変換回路１０３の電流定格の和が、第１の電動機１１０及び第２の電動機１１１の電流定格と同じか大きい構成とする。

この第１の構成により、以下の効果が生じる。第１の電動機１１０で発生させた交流電力を、第１の電力変換回路１０１を介して第２の電動機１１１に供給できる。またバッテリー１０４の直流電力を、第２の電力変換回路１０２を介して第２の電動機１１１に供給できる。第２の電動機１１１で発生させた、例えば回生動作による交流電力を、第１の電力変換回路１０１を介して第１の電動機１１０に供給できる。またバッテリー１０４の直流電力を、第３の電力変換回路１０３を介して第１の電動機１１０に供給できる。さらに第１の電動機１１０で発生させた交流電力を、第３の電力変換回路１０３を介してバッテリー１０４に供給できる。かつ第２の電動機１１１で発生させた交流電力を、第２の電力変換回路１０２を介してバッテリー１０４に供給できる。また以上述べた電力供給を、複数同時に組み合わせて行なうこともできる。

よって、
（１）第１の電動機１１０で第２の電動機１１１を駆動する場合も、またその逆の場合も、さらにバッテリー１０４で第１の電動機１１０あるいは第２の電動機１１１を駆動する場合も、夫々電力変換１回でよい。この為損失を大幅に低減できる。
（２）電動自動車の運転者がアクセルを踏み込んだ時や、電動機の負荷が急に大きくなった時など、バッテリー１０４からの電力供給を加えることで、電動機に必要電力を供給できる。例えば原動機で駆動される第１の電動機１１０は急に出力電力を増やすことは難しい。よって電動機１１０の出力電力が増えるまでの過渡状態時は、この交流電力発生側の電動機１１０の出力と共に、バッテリー１０４からの電力を足すことにより、駆動される側の電動機１１１に必要電力を供給できる。そしてこの間、交流電力発生側の電動機１１０は、駆動される側の電動機１１１の要求値急増による悪影響を受けずに速やかに出力電流の増大を行なうことができる。
（３）前述のマトリックスコンバータの問題として記した電源擾乱が生じそうになった際、第２の電力変換回路１０２または第３の電力変換回路１０３によって電動機１１１または１１０への電力を安定化できる。よって電動自動車の駆動と共に、第１の電力変換回路１０１の動作、ひいては原動機の駆動に不安定を及ぼすことは無い。
（４）一般にマトリックスコンバータは入力側と出力側、つまり第１の電動機１１０と第２の電動機１１１の、交流電力の周波数と位相と大きさの全てを制御することは難しい。本構成では、電動機の制御は、第１の電力変換回路１０１のみならず、第２の電力変換回路１０２または第３の電力変換回路１０３によってもできる。この為損失低減の為にマトリックスコンバータを用いても、入力側と出力側の電動機を良好に制御できる。
（５）電動機間で電力変換を行なう回路と、電動機と電荷蓄積手段との間で電力変換を行なう回路を分けている。よって夫々の回路は、各々の最適動作を行なうことが容易である。即ち、電動機への電力供給と、バッテリー１０４の充電または電圧調整を同じ回路で同時に行なうことによって、損失が増えるような事態を防止できる。
（６）原動機の停止状態から、原動機を始動させると同時に電動自動車も発進させる場合も、先ずバッテリー１０４によって第１の電動機１１０と第２の電動機１１１を駆動し、そして原動機始動後は第１の電動機１１０の電力も合わせて加速できる。この際も、電動自動車の動作を円滑にできると共に、損失も小さくできる。

次に、第２の構成に係る効果を、その動作を説明する模式図である図２を参照して説明する。
（１）第１の電力変換回路１０１、そして第２の電力変換回路１０２及び第３の電力変換回路１０３の出力電流の計算が容易になる。即ち第１の電力変換回路１０１は、電力を出力する側の第１の電動機１１０あるいは第２の電動機１１１の運転状態に応じた電力を出力すれば良い。そして第２の電力変換回路１０２及び第３の電力変換回路１０３は、駆動される側の電動機１１０または１１１の要求電流の内、第１の電力変換回路１０１で出力しきれなかった電力を出力するように動作すればよい。なおこれら電力の演算や各電力変換回路への制御は、制御回路１０５が行なう。
この為、負荷変動が生じた過渡状態時においても、速やかに、かつ滑らかに必要電力の出力を継続でき、電動自動車をさらに安定して運転せしめることができる。即ち図２に示すように、電動自動車が定速走行中（同図(a)と(c)）の場合などは、原動機で駆動される第１の電動機１１０の出力によって、ほぼ電力を賄い得る。そして加速時（同図(b)）などは、電動自動車の駆動パワーが急増し、かつ原動機側の出力で足りない分をバッテリー１０４から出力せしめることとする。
（２）上記（１）の結果、急激な負荷変動が生じても、速やかに出力電流を変化させることができ、応答性が向上する。
（３）第２、第３の電力変換回路１０２、１０３は、主に過渡状態時に動作するので、電力変換に伴う損失が低減する。よってこれら電力変換回路の放熱器も含めたサイズが小さくなり、かつコストも下がる。

次に第３の構成に係る効果を、その動作を説明する模式図である図３〜図６を参照して説明する。第３の構成では、後述するように第２の電動機１１１への電力供給を、電力変換回路１０１と１０２及び１０３で配分できる。よって夫々の電力変換回路１０１と１０２及び１０３の電流定格は、電動機電流定格と同じにする必要がない。かつ各電力変換回路の電流も少なくできる。よって損失を低減でき、放熱器も含めた大幅な小型化ができると共に、大幅な低コスト化もできる。

即ち、図３から図６に示した車両走行状態毎のパワーの流れを示す模式図のように、電動自動車の各走行状態(a)〜(e)に応じて、制御回路により電力は以下のように配分すればよい。

(a)車両の停止時から、原動機を始動させつつ、車両を発進させる時（図４）。
バッテリー１０４から第３の電力変換回路１０３を経て第１の電動機１１０を力行させると共に、第２の電力変換回路１０２を経て第２の電動機１１１を力行させる。ここで、第２の電力変換回路１０２だけでは第２の電動機１１１を力行させる電力を全て供給できない場合は、併せて第３の電力変換回路１０３から第１の電力変換回路１０１を介して電力を供給すればよい。

(b)車両を加速させている時(図４)。
第１の電動機１１０から第１の電力変換回路１０１を介して第２の電動機１１１を力行させると共に、バッテリー１０４から第２の電力変換回路１０２、または第３の電力変換回路１０３と第１の電力変換回路１０１を介して第２の電動機１１１に電力を供給する。ここで電力の供給経路は、電流の大きさと各電力変換回路の電流定格を鑑みて制御回路１０５が決めればよい。第１の電動機１１０の出力電力が大きくなり、第１の電力変換回路１０１だけでは第２の電動機１１１に電力を全て供給できない場合は、併せて第３の電力変換回路１０３と第２の電力変換回路１０２を介しても電力を供給できる。

(c)車両を定常状態で走行させている時(図５)。
第１の電動機１１０の出力にて、第１の電力変換回路１０１を介して第２の電動機１１１を力行させる。第１の電力変換回路１０１の電流定格を超える場合は、前述同様併せて第３の電力変換回路１０３と第２の電力変換回路１０２を介しても電力を供給できる。なおバッテリー１０４の充電も、第１の電動機１１０の電力を第３の電力変換回路１０３を介して行なえば良い。

(d)車両を加速させる時(図５)。
第１の電動機１１０の出力に加えて、バッテリー１０４の電力を主に第２の電力変換回路１０２を介して、第２の電動機１１１に供給する。第１の電動機１１０の出力が増加したら、主にこの出力で車両を加速させればよい。

(e)車両を減速させる時(図６)。
第２の電動機１１１の回生電力を以って、第１の電力変換回路１０１を介して第１の電動機１１０を駆動できる。併せて第２の電力変換回路１０２、または第１の電力変換回路１０１と第３の電力変換回路１０３を経て、バッテリー１０４に充電もできる。

以上記したように、主に定常状態時は第１の電力変換回路１０１を介して電力を供給できる。そして過渡状態時は、第１の出力変換回路１０１で供給できない電力分を、第２の電力変換回路１０２または第３の電力変換回路１０３で電力を補う形態で供給できる。この為、夫々の電力変換回路が電動機と同じ電流定格を有する必要も無く、かつ電力変換回路の損失も低減できる。そして各電力変換回路の電流定格低減により、低コスト化も図れる。

なお以上の説明は、第３の電力変換回路１０３を設ける構成に関して説明した。第３の電力変換回路１０３を設けない場合でも、本発明に係る効果は生じる。つまり下記構成を採れば、後述する効果が生じる。

本例では、第１の電動機１１０と第２の電動機１１１を有し、交流電力を、異なる周波数や位相や電圧の交流電力に変換する第１の電力変換回路１０１を有する。さらに交流電力と直流電力との間の電力変換を行なう第２の電力変換回路１０２を有し、かつ第１の電動機１１０と第２の電動機１１１、及び第１〜第２の電力変換回路１０１、１０２の動作を制御する制御回路１０５を有する。かつ第１の電動機１１０の交流端子と、第１の電力変換回路１０１の一方の交流端子とを接続すると共に、第２の電動機１１１の交流端子と、第１の電力変換回路１０１の他方の交流端子とを接続する。さらに第２の電動機１１１の交流端子と第２の電力変換回路１０２の交流端子とを結合リアクトル１２１を介して接続し、第２の電力変換回路１０２の直流端子をバッテリー１０４に接続する。

そして前述の制御回路１０５が、電力要求のある第１の電動機１１０、第２の電動機１１１、あるいはバッテリー１０４に対して、電力出力ができる第１の電動機１１０、第２の電動機１１１、あるいはバッテリー１０４から、電力を第１の電力変換回路１０１または第２の電力変換回路１０２を介して供給させる構成とする。ここで第１の電動機１１０はエンジン等の原動機で駆動され発電機として主に機能し、かつ第２の電動機１１１は電動自動車の駆動力を発生させるとする。また第１の電力変換回路１０１は例えばマトリックスコンバータとし、また第２の電力変換回路１０２は例えばインバータとする。

この構成とすることにより、以下の効果が生じる。第１の電動機１１０で発生させた交流電力を、第１の電力変換回路１０１を介して第２の電動機１１１に供給できる。またバッテリー１０４の直流電力を、第２の電力変換回路１０２を介して第２の電動機１１１に供給できる。さらに第１の電動機１１０で発生させた交流電力を、第１の電力変換回路１０１と第２の電力変換回路１０２を介して、バッテリー１０４に供給できる。またその逆もできる。

よって、
（１）第１の電動機１１０で第２の電動機１１１を駆動する場合も、バッテリー１０４で第２の電動機１１１を駆動する場合も、夫々電力変換１回でよい。この為損失を大幅に低減できる。
（２）電動自動車の運転者がアクセルを踏み込んだ時や、第２の電動機１１１の負荷が急に大きくなった時など、バッテリー１０４からの電力供給を加えることで、第２の電動機１１１に必要電力を供給できる。つまり原動機で駆動される第１の電動機１１０は急に出力電力を増やすことは難しい。よって第１の電動機１１０の出力電力が増えるまでの過渡状態時は、この第１の電動機１１０の出力電力と共に、バッテリー１０４からの電力を足すことにより第２の電動機１１１を駆動できる。またこの間、第１の電動機１１０は、第２の電動機１１１の要求電流急増による悪影響を受けずに速やかに出力電流の増大を行なうことができる。
（３）前述のマトリックスコンバータの問題として記した電源擾乱が生じそうになった際、第２の電力変換回路１０２によって第２の電動機１１１への電力を安定化できる。よって電動自動車の駆動と共に、第１の電力変換回路１０１の動作、ひいては原動機の駆動に不安定を及ぼすことは無い。
（４）一般にマトリックスコンバータは入力側と出力側、つまり第１の電動機１１０と第２の電動機１１１の、交流電力の周波数と位相と大きさの全てを制御することは難しい。本構成では、第２の電動機の制御は、第１の電力変換回路のみならず、第２の電力変換回路もできる。よって損失低減の為にマトリックスコンバータを用いても、入力側と出力側の電動機を良好に制御できる。
さらに前述の第２の構成による効果も同様に生じる。

なおバッテリー１０４の充電を行なう為に、第１の電動機１１０とこのバッテリー１０４の間に、整流回路とDC/DCの直列回路を接続しても良い。この直列回路は、第２の電力変換回路１０２と比べて電流容量は小さくて良い。

次に、第２実施例について説明する。図７に第２実施例の構成を示す。本構成では、第１実施例と同様に第１の電力変換回路１０１をマトリックスコーンバータとし、第２の電力変換回路と第３の電力変換回路を夫々電流形インバータ２０２、２０３で構成している。電流形インバータからなる第２の電力変換回路２０２及び第３の電力変換回路２０３のそれぞれにおいて、直流端子の一方に結合リアクトル２２１、２２２を設けている。この構成とすることにより、以下の効果が生じる。

前述の第１実施例の項で述べた全ての効果が生じる。さらに下記効果も生じる。第１に、第１の電力変換回路２０３の出力との電流合成が容易にできる。即ち電流形インバータは出力インピーダンスが高いことにより、第１の電力変換回路２０３の出力変動に影響されずに、所定の電流を出力できる。第２に、電圧形インバータのような大型の電源コンデンサが不要である。この為サイズを小型にできる。第３に、電動機の交流電圧が高くなっても、ＤＣ／ＤＣコンバータも介さずに、前述の電流合成ができる。即ち電流形インバータを構成するリアクトルの効果によって、電流合成をすべく電動機の端子電圧が高くなっていても、所定の電流を出力できる。この為、電動機の高回転時にも出力を大きくできるうえに、従来の弱め界磁制御などによって生じる電動機の損失も低減できる。さらにＤＣ／ＤＣコンバータも不要であることによるコスト低減も図れる。第４に、インバータを電動機部分に形成する所謂機電一体構造も構成し易くなる。つまり特に高温耐熱性を確保しにくい電源コンデンサが不要になる為である。

次に、第３実施例について説明する。図８に第４実施例を示す。本構成では、第１実施例と同様に第１の電力変換回路１０３をマトリックスコンバータとし、第２の電力変換回路２０２を電流形インバータとし、第３の電力変換回路１０３を電圧形インバータで構成している。なお第３の電力変換回路１０３の交流端子と第１の電動機１１０の交流端子とを結合リアクトル１２２を介して接続している。さらに第３の電力変換回路１０３は、整流回路とＤＣ／ＤＣの直列回路でもよい。本構成とすることにより下記効果が生じる。

先ず第１実施例の項で述べた効果は等しく生じる。さらに第２の電力変換回路２０２自体とその動作、及び同回路２０２の交流電力と第１の電力変換回路１０１の交流電力とを合わせて第２の電動機１１１に供給する部分について、前述の第２実施例の項で述べた第１乃至第４の効果も同様に生じる。また第３の電力変換回路１０３自体とその動作につては、第１実施例の項で述べた効果が同様に生じる。

以上の説明は何れも、電荷蓄積手段がバッテリーである場合について行なった。バッテリーの代わりに、あるいはバッテリーと並列にキャパシタを接続しても、各実施例の効果は同様に生じる。また電荷蓄積手段として燃料電池を用いても、各電動機に必要な電力を供給する各実施例の効果は同様に生じる。

さらに、本構成では電荷蓄積手段からの電力供給は、主に電動機の駆動力が変わる過渡状態時を中心に行なう。よって電荷蓄積手段としてのバッテリーの容量を小さくする、及びバッテリーでなくキャパシタを用いることが可能になり、小型化低コスト化を図れる。なお以上述べた全ての実施例において、請求項３及び４に記した構成を採れば、それぞれの請求項に対応した効果が生じる。

さらに各実施例において、請求項８に記した構成を採れば、請求項８に対応した効果が生じる。特に電動自動車を走行させる電力を主に第１の電力変換回路で出力し続けることが更に出来るようになるので、より一層、電荷蓄積手段としてのバッテリーの容量を小さくする、及びバッテリーでなくキャパシタを用いることが可能になり、小型化低コスト化を図れる。なお請求項８で記した、第１の電力変換回路としてマトリックスコンバータを用い、同回路が電動自動車の過渡状態時にも出力を継続し続ける効果は、例え第２の電力変換回路が無い構成でも生じる。即ち、第２の電力変換回路や電荷蓄積手段が無い電動自動車でも、マトリックスコンバータによって円滑な交流電力の出力を維持できる。

本発明の電動自動車は、損失の増大やサイズの大型化を防止でき、交流電力の乱れによる車両挙動の不安定さもなくすことのできる電動自動車を得る用途に好適に使用することができる。

本発明の電動自動車における第１実施例の構成を示す模式図である。第１実施例の動作の一例を示す図である。第１実施例の動作の他の例を示す図である。第１実施例の動作のさらに他の例を示す図である。第１実施例の動作のさらに他の例を示す図である。第１実施例の動作のさらに他の例を示す図である。本発明の電動自動車における第２実施例の構成を示す模式図である。本発明の電動自動車における第３実施例の構成を示す模式図である。

符号の説明

１０１第１の電力変換回路（マトリックスコンバータ）
１０２第２の電力変換回路（電圧形インバータ）
１０３第３の電力変換回路（電圧形インバータ）
１０４バッテリー
１０５制御回路
１１０第１の電動機
１１１第２の電動機
１２１、１２２、２２１、２２２結合リアクトル
２０２第２の電力変換回路（電流形インバータ）
２０３第３の電力変換回路（電流形インバータ）

Claims

第１の電動機と；第２の電動機と；交流電力を、異なる周波数や位相や電圧の交流電力に変換する第１の電力変換回路と；交流電力と直流電力との間の電力変換を行なう第２の電力変換回路及び第３の電力変換回路と；第１の電動機、第２の電動機及び第１〜第３の電力変換回路の動作を制御する制御回路と；電荷蓄積手段と；を有し、
第１の電動機の交流端子と、第１の電力変換回路の一方の交流端子とを接続し、第２の電動機の交流端子と、第１の電力変換回路の他方の交流端子とを接続し、前記第１の電動機の前記交流端子と第３の電力変換回路の交流端子とを接続し、前記第２の電動機の前記交流端子と第２の電力変換回路の交流端子とを接続し、第２の電力変換回路の直流端子と第３の電力変換回路の直流端子とを共に電荷蓄積手段に接続すると共に、
制御回路を、電力要求のある第１の電動機に対して、電力出力ができる第２の電動機から電力を第１の電力変換回路を介して、および／または、電力出力ができる電荷蓄積手段から電力を第３の電力変換回路を介して、供給させ、電力要求のある第２の電動機に対して、電力出力ができる第１の電動機から電力を第１の電力変換回路を介して、および／または、電力出力ができる電荷蓄積手段から電力を第２の電力変換回路を介して、供給させ、電力要求のある電荷蓄積手段に対して、電力出力ができる第１の電動機から電力を第３の電力変換回路を介して、および／または、電力出力ができる第２の電動機からの電力を第２の電力変換回路を介して、供給させる構成として成ることを特徴とする電動自動車。
第２の電動機の要求電流の内、第１の電力変換回路で出力しきれなかった電力を、第２の電力変換回路で供給し、また、第１の電動機の要求電流の内、第１の電力変換回路で出力しきれなかった電力を、第３の電力変換回路で供給する構成として成ることを特徴とする請求項１に記載の電動自動車。
第１の電力変換回路、第２の電力変換回路及び第３の電力変換回路の夫々の電流定格が、第１の電動機及び第２の電動機の電流定格より小さく、かつ、第１の電力変換回路と第２の電力変換回路の電流定格の和が、第１の電動機及び第２の電動機の電流定格と同じか大きく、また、第１の電力変換回路と第３の電力変換回路の電流定格の和が、第１の電動機及び第２の電動機の電流定格と同じか大きい構成として成ることを特徴とする請求項１または２に記載の電動自動車。
第２の電力変換回路と第３の電力変換回路が、電圧形インバータであるか電流形インバータである構成として成ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電動自動車。
第２の電力変換回路が電流形インバータであり、かつ、第３の電力変換回路が電圧形インバータもしくは整流回路とＤＣ／ＤＣの直列回路の何れかである構成として成ることを特徴とする請求項４に記載の電動自動車。
電荷蓄積手段が、バッテリー、キャパシタあるいは燃料電池である構成を特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の電動自動車。
制御回路が、第１の電動機または第２の電動機を駆動する原動機をも制御するか、あるいは、制御回路が、原動機を制御する第２の制御回路をも制御する構成として成ることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に電動自動車。