JP4674722B2 - 電動車両の電源供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド車や電気自動車に設けられる走行用の電動モータに高電圧電源を供給する電源供給装置に関する。

従来から、地球環境の保全策として、バッテリ電力により電動モータを駆動して走行する電気自動車や、ガソリンエンジンと電動モータとを組み合わせて走行するハイブリッド車等が開発されている。こうした電動車両においては、例えば、特許文献１に示されるように、通常の低電圧バッテリ（１２Ｖ）とは別に高電圧バッテリ（３６Ｖ）を備え、この高電圧バッテリにより電動モータを駆動するようにしている。
最近においては、電動モータを高出力で効率よく駆動するために電源バッテリ装置の高電圧化がさらに進み、複数のバッテリを直列に接続して、例えば、３００Ｖとか５００Ｖといった高電圧電源を供給する車両電源供給装置が採用されている。
特開２００５−９８２５１号

しかしながら、このように電源電圧の高電圧化を図ると、それに伴って、電源供給システム内の制御装置や制御素子類に高い耐電圧性能が要求される。このため、電源供給システムの構成が大掛かりなものになってしまう。つまり、大型化、重量増大、コストアップを招いてしまう。また、設計自由度が狭くなってしまう。

本発明の目的は、上記問題に対処するためになされたもので、小型、軽量、低コストで高電圧電源を供給する電源供給装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の特徴は、複数のバッテリを直列接続し、その直列接続して得られる高電圧を電源として車両走行用の電動モータに供給する電動車両の電源供給装置において、上記直列接続したバッテリの中間接続位置を中性点とし、この中性点に接続される中性ラインと、上記直列接続したバッテリ列のプラス側端に接続される正電位ラインと、上記直列接続したバッテリ列のマイナス側端に接続される負電位ラインとにより直流電源供給ラインを構成する３レベル電源ラインと、上記３レベル電源ラインから電源供給される直流電源を交流電源に変換して上記電動モータに供給する３レベルインバータと、上記３レベル電源ラインに電源供給する上記バッテリとは異なる低電圧補助バッテリと、上記３レベル電源ラインに供給される電源電圧を、上記低電圧補助バッテリの定格電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、上記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を上記低電圧補助バッテリの電源供給ラインに接続するとともに、上記低電圧補助バッテリの電源供給ラインにおける負側ラインと上記３レベル電源ラインの中性ラインとを接続したことにある。

上記構成を有する本発明によれば、直列接続したバッテリ列の中間接続位置に接続される中性ラインを備え、この中性ラインに対して高電位となる正電位ラインと、負電位となる負電位ラインとをあわせて電源ラインとし３レベルインバータに電源供給するため、電動モータの駆動に必要とされる必要電圧に対して、中性ラインと正電圧ラインとの間に印加する電圧、および中性ラインと負電圧ラインとの間に印加する電圧を半分にすることができる。
従って、電源ラインに接続される制御装置や制御素子の耐電圧を従来のものに比べて半分にすることが可能となり、小型、軽量、低コスト化を図ることができる。また、設計自由度を広げることができる。
また、ＤＣ−ＤＣコンバータにより、高圧バッテリ電源電圧を低電圧補助バッテリの定格電圧（例えば、１２Ｖ）に降圧して低電圧補助バッテリの電源供給ラインに供給するため、低電圧補助バッテリの容量が低下してきた場合でも、それを高圧バッテリ（直列に接続したバッテリ）にてバックアップすることができる。
しかも、低電圧補助バッテリの電源供給ラインにおける負側ラインと３レベル電源ラインの中性ラインとを接続して同電位に保っているため、ＤＣ−ＤＣコンバータの作動が安定する。

本発明の他の特徴は、上記電動車両は、内燃機関により駆動されて発電する発電機を備えたハイブリッド式車両であって、上記発電機の交流出力を３レベル電位の直流電圧に変換して上記３レベル電源ラインに供給する３レベルコンバータを備えたことにある。

本発明によれば、３レベル電源ラインを兼用して発電機からの発電電力をバッテリに充電することができる。

以下、本発明の一実施形態としての電動車両の電源供給装置について図面を用いて説明する。本実施形態は、ハイブリッド式自動二輪車に適用したものである。
図３は、同実施形態に係るハイブリッド式自動二輪車１を示す。このハイブリッド式自動二輪車１は、前輪ＷＨＦと後輪ＷＨＲとを備えており、前輪ＷＨＦと後輪ＷＨＲとの間に形成された車体本体２中央下部に駆動ユニットＤＹが配置され、後輪ＷＨＲの上方の車体本体２後部に高圧電源装置１０が配置される。また、車体本体２前側上部にはアクセルグリップとブレーキ（図示せず）を備えたハンドル３が設けられ、車体本体２の上部中央から後部にかけてシート４が設けられている。

駆動ユニットＤＹは、電動モータ２０、エンジン３０、動力分配装置２５、発電機４０を備えており、ハイブリッド式自動二輪車１は、動力源としてエンジン３０および電動モータ２０を個々に、あるいは組み合わせて駆動輪である後輪ＷＨＲを駆動させるシリーズ・パラレルハイブリッド式の二輪車で構成される。
尚、電動モータ２０、動力分配装置２５、発電機４０は、エンジン３０の後方で車幅方向に並んでいるため、図３中においては、電動モータ２０のみが示されている。

次に、ハイブリッド式自動二輪車１（以下、単に自動二輪車１と呼ぶ）の電源供給装置について図１を用いて説明する。図１は、自動二輪車の電源供給装置を備えた車両全体の電源供給制御システムを表す構成図である。
自動二輪車１は、電動モータ２０の電源としての高圧電源装置１０と、高圧電源装置１０を電源として作動し駆動輪ＷＨＲを駆動する電動モータ２０と、内燃機関を備え駆動輪ＷＨＲを駆動するエンジン３０と、エンジン３０により回転駆動されて発電する発電機４０と、電動モータ２０と発電機４０とエンジン３０との作動を制御するハイブリッドコントローラ５０と、ハイブリッドコントローラ５０からの制御信号により直流高圧電源を交流電源に変換して電動モータ２０に３相電源を供給する３レベルインバータ６０と、ハイブリッドコントローラ５０からの制御信号により発電機４０で発生した電力を交流から直流に変換する３レベルコンバータ７０と、車両システム全体を制御する協調コントローラ８０と、低電圧系（１２Ｖ系）の電気負荷（補機類と呼ぶ）に電源供給するための定格電圧１２Ｖの低電圧補助バッテリ１００（以下、単に低圧バッテリ１００と呼ぶ）と、高圧電源装置１０から供給される高圧電源を１２Ｖの低電圧電源に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ９０とを備える。
ハイブリッドコントローラ５０、インバータ６０、コンバータ７０，ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は電装ボックス１１０内に収められる。

また、動力分配装置２５は、エンジン３０で発生する駆動力を後輪ＷＨＲ駆動分と発電機４０駆動分とに分配するとともに、エンジン３０による駆動力と電動モータ２０による駆動力とをあわせて後輪ＷＨＲの駆動力とするもので、例えば、遊星歯車機構により構成される。

高圧電源装置１０は、６台のバッテリモジュールＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６を備える。各バッテリモジュールＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６は、１４個のリチウムバッテリのセル（単セル電圧＝３．４Ｖ）を直列に接続してパッケージ内に収めたもので、それぞれ出力電圧は４８Ｖに設定されている。
以下、バッテリモジュールＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６を個々に特定しない場合は、単にバッテリモジュールＢと総称する。このバッテリモジュールＢが本発明のバッテリに相当する。

この高圧電源装置１０は、電源供給用の配線ケーブルを接続する電源出力端子台１７を備える。この電源出力端子台１７は、正電源出力端子ＴＰと負電源出力端子ＴＮと中性端子ＴＣとの３つ接続端子を備える。６台のバッテリモジュールＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６は、直列に接続され、その直列接続したバッテリ列のプラス側端（バッテリモジュールＢＩのプラス電極）が正電源出力端子ＴＰに接続され、直列接続したバッテリ列のマイナス側端（バッテリモジュールＢ６のマイナス電極）が負電源出力端子ＴＮに接続される。更に、直列接続された６台のバッテリモジュールＢ１〜Ｂ６の中間点、つまり、バッテリモジュールＢ３のマイナス電極とバッテリモジュールＢ４のプラス電極との接続点が中性点Ｃとして中性端子ＴＣに接続される。

電源出力端子台１７の正電源出力端子ＴＰには中性点Ｃに対して＋１５０Ｖの電圧が、負電源出力端子ＴＮには中性点Ｃに対して−１５０Ｖの電圧が出力される。
尚、各バッテリモジュールＢ１〜Ｂ６を構成する単セル電圧は、８０％充電時において３．４Ｖであり、満充電時においては３．６Ｖくらいまであがるため、ここでは３台のバッテリモジュールＢの直列電圧を１５０Ｖ（３．６×１４×３）として説明する。

電源出力端子台１７には、３芯の電力供給ケーブルＨＬが出力カプラＣＰ（図３参照）を介して接続される。この電力供給ケーブルが本発明の３レベル電源ラインに相当する。
以下、この３芯の電力供給ケーブルＨＬを高圧電源供給ラインＨＬと呼び、そのうちの正電源出力端子ＴＰに接続される配線を高圧正電位ラインＨＰＬ、負電源出力端子ＴＮに接続される配線を高圧負電位ラインＨＮＬ、中性端子ＴＣに接続される配線を中性ラインＨＣＬと呼ぶ。

バッテリモジュールＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５には、それぞれ副バッテリマネージメントコントローラ１１，１２，１３，１４，１５が接続され、バッテリモジュールＢ６には、主バッテリマネージメントコントローラ１６が接続される。各副バッテリマネージメントコントローラ１１，１２，１３，１４，１５は、各バッテリモジュールＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５における充放電量や温度等から充電状況を検知し、その充電状況データを主バッテリマネージメントコントローラ１６に送信する。主バッテリマネージメントコントローラ１６は、バッテリモジュールＢ６における充電状況を検出するとともに、その充電状況データと副バッテリマネージメントコントローラ１１，１２，１３，１４，１５から送信された充電状況データとあわせて協調コントローラ８０に送信する。

このように構成される高圧電源装置１０は、図３に示すように、後輪ＷＨＲの上方の車体本体２後部に設置される。この高圧電源装置１０では、各バッテリモジュールＢを車両の前後方向に沿って１列に並べて配置し、後方に安全プラグ装置１９および電源出力端子台１７が設けられる。

安全プラグ装置１９は、図１には省略しているが、６台のバッテリモジュールＢの直列接続を一箇所で一括して行うもので、各バッテリモジュールＢのプラス電極端子とマイナス電極端子とに電気的に接続される雌電極（図示略）を有する雌電極台１９ａを備え、この雌電極台１９ａに雄電極プラグ１９ｂを挿入することで６台のバッテリモジュールＢを直列に接続し、雄電極プラグ１９ｂを取り外すことでその全ての直列接続を遮断する。
電源出力端子台１７には、この安全プラグ装置１９を経由して、バッテリモジュールＢ１のプラス電極端子、バッテリモジュールＢ６のマイナス電極端子、バッテリモジュールＢ３とバッテリモジュールＢ４の接続点（中性点Ｃ）が接続される。

高圧電源供給ラインＨＬには、システムメインリレー１８が設けられる。このシステムメインリレー１８は、図示しないイグニッションスイッチがオンされたときに協調コントローラ８０が車両制御システム内を診断し、その診断により高圧電源装置１０の使用が許可されたときに、その接点がオンする。このシステムメインリレー１８の接点は、高圧電源供給ラインＨＬにおける高圧正電位ラインＨＰＬと高圧負電位ラインＨＮＬとに設けられる。

高圧電源供給ラインＨＬには、高圧電源装置１０とインバータ６０との間において３つの平滑コンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３が設けられる。つまり、高圧正電位ラインＨＰＬと高圧負電位ラインＨＮＬとの間に平滑コンデンサＣ１が、高圧正電位ラインＨＰＬと中性ラインＰＣＬとの間に平滑コンデンサＣ２が、高圧負電位ラインＨＮＬと中性ラインＨＣＬとの間に平滑コンデンサＣ３が設けられる。

低圧バッテリ１００は、ランプ等の補機類および協調コントローラ８０やハイブリッドコントローラ５０等の制御装置への電源となるもので、そのプラス電源端子１０１およびマイナス電源端子１０２に２線の低圧電源供給ラインＬＬが接続される。以下、この低圧電源供給ラインＬＬのうち、低圧バッテリ１００のプラス電源端子１０１に接続される配線を低圧正ラインＬＰＬ、マイナス電源端子１０２に接続される配線を低圧負ラインＬＮＬと呼ぶ。
尚、この低圧バッテリ１００のマイナス電源端子１０２は、車体ボディに接地しない。

ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、高圧電源供給ラインＨＬから分岐接続される３つの入力端子９１，９２，９３を備える。入力端子９１には高圧正電位ラインＨＰＬが、入力端子９２には中性ラインＨＣＬが、入力端子９３には高圧負電位ラインＨＮＬがそれぞれ接続される。
このＤＣ−ＤＣコンバータ９０においては、中性ラインＨＣＬと高圧正電位ラインＨＰＬとの間の＋１５０Ｖ直流電圧、および中性ラインＨＣＬと高圧負電位ラインＨＮＬとの間の−１５０Ｖ直流電圧をそれぞれ＋１２Ｖの直流電圧に変換する。例えば、トランジスタブリッジ回路で直流を交流にしたのちトランスにて低電圧に降圧し、さらに整流回路および平滑回路を通すことにより安定した直流電源を得ることができる（これら回路は図示略）。

このＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、降圧した直流電源を出力する出力端子９４，９５を備える。出力端子９４と出力端子９５との間の電圧は１２Ｖであり、高い電位となる出力端子９４を低圧電源供給ラインＬＬの低圧正ラインＬＰＬに接続し、低い電位となる出力端子９５を低圧電源供給ラインＬＬの低圧負ラインＬＮＬに接続する。
また、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０内においては、高圧電源供給ラインＨＬの中性ラインＨＣＬと低圧電源供給ラインＬＬの低圧負ラインＬＮＬとが接続される。このため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の作動が安定し高い効率が得られる。
更に、中性ラインＨＣＬおよび低圧負ラインＬＮＬは、安全を考慮して車体ボディに接地しない。その理由は、これらを車体ボディに接地すると、万が一漏電が生じた場合には車体に接触すると感電してしまうからである。

ＤＣ−ＤＣコンバータ９０では、直流１２Ｖの電源電圧を出力するため、低圧バッテリ１００の残容量の低下に伴ってそのバッテリ電圧が下がっている場合には、このＤＣ−ＤＣコンバータ９０の出力により低圧バッテリ１００が充電される。このとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０は、低圧系の電気負荷にも電源供給する。

低圧電源供給ラインＬＬには、ランプ等の補機類に加えて協調コントローラ８０およびハイブリッドコントローラ５０が接続される。
協調コントローラ８０は、車両全体の協調制御を司るものでマイクロコンピュータを主要部として構成され、各種のセンサ（図示略）から入手される運転情報や車両状態情報を入手して電動モータ２０，発電機４０，エンジン３０の駆動指令値を算出しハイブリッドコントローラ５０にその制御指令を出力するとともに、他のアクチュエータの作動も制御する。

協調コントローラ８０に入力される情報としては、アクセル開度情報、イグニッションスイッチ情報、車速情報、冷却水温情報、高圧バッテリ電圧情報、低圧バッテリ電圧情報、燃料噴射量情報、燃料残量情報など挙げられる。
また、協調コントローラ８０は、こうした種々の情報に基づいて、図示しない冷却水ポンプ、冷却ファン等のアクチュエータを駆動制御するとともに、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の降圧作動の開始／停止指令、バッテリマネージメントコントローラ１１〜１６の起動指令等を出力する。

協調コントローラ８０とハイブリッドコントローラ５０と主バッテリマネージメントコントローラ１６とは、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）通信により相互に通信可能となっている。
協調コントローラ８０は、アクセル開度情報等の運転情報や車両状態情報から電動モータ２０のトルク指令値、発電機４０の速度指令値とトルク指令値、エンジン３０のスロットルバルブの開度指令値を算出して、ハイブリッドコントローラ５０に出力する。

ハイブリッドコントローラ５０は、マイクロコンピュータを主要部として構成され、その機能に着目するとモータ制御部５１、発電制御部５２、エンジン制御部５３に大別される。
モータ制御部５１は、協調コントローラ８０から入力したモータトルク指令値に基づいて、そのトルク指令値に応じた電流が電動モータ２０に流れるようにゲート回路６１を介してインバータ６０を制御する。

電動モータ２０は、ロータに永久磁石が埋め込まれ、ステータに１２０°ピッチでＵ，Ｖ，Ｗ相コイルを設けた永久磁石式同期モータが使用される。この電動モータ２０には、その回転角度を検出するレゾルバ２１が設けられる。また、電動モータ２０への電源供給ラインには、電流値を検出する電流センサ２２，２３が設けられる。
モータ制御部５１は、このレゾルバ２１からの回転角度情報と電流センサ２２，２３からの電流値情報とに基づいて、トルク指令値に応じたデューティ比でゲート回路６１の各スイッチング素子（後述する）をＰＷＭ制御する。

発電制御部５２は、協調コントローラ８０から入力した速度指令値および発電機トルク指令値に基づいて、ゲート回路７１を介してコンバータ７０を制御することにより、エンジン３０にて駆動される発電機４０の発電量を調整する。
発電機４０は、電動モータ２０と同様の永久磁石式同期モータが使用され、発電だけでなく回転駆動源（電動モータ）としても使用される。
発電機４０には、その回転角度を検出するレゾルバ４１が設けられる。また、発電機４０の電力出力ラインには、電流値を検出する電流センサ４２，４３が設けられる。発電制御部５２は、このレゾルバ４１の回転角情報と電流センサ４２，４３からの電流値情報とに基づいて、トルク指令値および速度指令値に応じたデューティ比でゲート回路７１の各スイッチング素子（後述する）をＰＷＭ制御する。

エンジン制御部５３は、スロットル開度センサ１１１、クランク角センサ１１２、前輪速センサ１１３、後輪速センサ１１４、吸入圧力センサ１１５、吸入温度センサ１１６、冷却水温度センサ１１７といったセンサ類から検出情報を取得するとともに、協調コントローラ８０から入力したスロットル開度指令に基づいて、スロットル開度調整モータ３１、インジェクタ３２、点火コイル３３、燃料ポンプ３４といったアクチュエータを駆動制御する。

インバータ６０は、高圧電源供給ラインＨＬから供給される３レベル電位の直流電源を３相交流電源に変換する３レベルインバータであり、ハイブリッドコントローラ５０からの駆動指令値に応じた３相交流電圧が電動モータ２０に出力されるように制御される。
このインバータ６０は、図２に示すように、高圧正電位ラインＨＰＬと高圧負電位ラインＨＮＬとの間に３組のスイッチング列（Ｕ相スイッチング列ＳＭＵ，Ｖ相スイッチング列ＳＭＶ，Ｗ相スイッチング列ＳＭＷ）を並列に備える。

Ｕ相スイッチング列ＳＭＵは、スイッチング素子Ｓ１Ｕ，Ｓ２Ｕ，Ｓ３Ｕ，Ｓ４Ｕを直列に接続するとともに、各スイッチング素子Ｓ１Ｕ，Ｓ２Ｕ，Ｓ３Ｕ，Ｓ４Ｕに対して逆並列にダイオードＤ１Ｕ，Ｄ２Ｕ，Ｄ３Ｕ，Ｄ４Ｕを接続したもので、スイッチング素子Ｓ２Ｕのエミッタとスイッチング素子Ｓ３Ｕのコレクタとの接続点を電動モータ２０のＵ相に接続する。また、スイッチング素子Ｓ１Ｕのエミッタとスイッチング素子Ｓ２Ｕのコレクタとの接続点には、中性ラインＨＣＬが接続される。この中性ラインＨＣＬからスイッチング素子Ｓ１Ｕのエミッタへの接続ラインには、ダイオードＤ１２Ｕがカソードをスイッチング素子Ｓ１Ｕ側に向けて設けられる。
更に、スイッチング素子Ｓ３Ｕのエミッタとスイッチング素子Ｓ４Ｕのコレクタとの接続点には、高圧負電位ラインＨＮＬが接続される。この高圧負電位ラインＨＮＬからスイッチング素子Ｓ３Ｕのエミッタへの接続ラインには、ダイオードＤ３４Ｕがカソードをスイッチング素子Ｓ３Ｕ側に向けて設けられる。

Ｖ相スイッチング列ＳＭＶおよびＷ相スイッチング列ＳＭＷについても、Ｕ相スイッチング例ＳＭＵと同様な回路構成であり、図２中において各素子に同一符号（末尾を除く：末尾符号はスイッチング列の種類を表す）を付けて説明を省略する。
尚、Ｖ相スイッチング列ＳＭＶにおいては、スイッチング素子Ｓ２Ｖのエミッタとスイッチング素子Ｓ３Ｖのコレクタとの接続点を電動モータ２０のＶ相に接続し、Ｗ相スイッチング列ＳＭＷにおいては、スイッチング素子Ｓ２Ｗのエミッタとスイッチング素子Ｓ３Ｗのコレクタとの接続点を電動モータ２０のＷ相に接続する。
また、スイッチング素子Ｓ１Ｕ〜Ｓ４Ｕ、Ｓ１Ｖ〜Ｓ４Ｖ、Ｓ１Ｗ〜Ｓ４Ｗとしては、例えば、ＦＥＴあるいはＩＧＢＴが使用される。

各スイッチング素子Ｓ１Ｕ〜Ｓ４Ｕ、Ｓ１Ｖ〜Ｓ４Ｖ、Ｓ１Ｗ〜Ｓ４Ｗは、それぞれゲート回路６１から出力されるパルス信号により、各相ごとに位相を１２０°ずらしてオンオフ制御される。これにより、インバータ６０は、高圧電源供給ラインＨＬから供給される直流電源を３相交流電源に変換して電動モータ２０に出力する。
例えば、Ｕ相スイッチング列ＳＭＵについて説明すると、電動モータ２０のＵ相への出力電圧は、スイッチング素子Ｓ１Ｕ，Ｓ２Ｕをオン、スイッチング素子Ｓ３Ｕ，Ｓ４Ｕをオフにすることで＋１５０Ｖに、スイッチング素子Ｓ２Ｕ，Ｓ３Ｕをオン、スイッチング素子Ｓ１Ｕ，Ｓ４Ｕをオフにすることで０Ｖに、スイッチング素子Ｓ３Ｕ，Ｓ４Ｕをオン、スイッチング素子Ｓ１Ｕ，Ｓ２Ｕをオフにすることで−１５０Ｖにできる。他のスイッチング列ＳＭＶ，ＳＭＷについても同様である。従って、各スイッチング素子Ｓ１Ｕ〜Ｓ４Ｕ、Ｓ１Ｖ〜Ｓ４Ｖ、Ｓ１Ｗ〜Ｓ４Ｗのオンオフを切り替えることにより正、負、零の３レベルの電圧を電動モータ２０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に出力できる。

このとき、モータ制御部５１は、ＰＷＭ制御、つまり各スイッチング素子Ｓ１Ｕ〜Ｓ４Ｕ、Ｓ１Ｖ〜Ｓ４Ｖ、Ｓ１Ｗ〜Ｓ４Ｗのオンオフ時間比率（デューティ比）を制御することにより出力電圧を調整して３相交流電源を作り出している。
例えば、トルク指令値に応じた目標電圧正弦波波形と予め定めた搬送波波形（三角波）との比較（大小関係）に基づいてＰＷＭ制御のオン時間を設定するとともに、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の間で１２０°の位相差を設けることで３相交流電源を作り出すことができる。

また、モータ制御部５１は、電動モータ２０の制御にあたって、トルク指令値に応じたｄ−ｑ座標系における電流指令値（ｉｄ，ｉｑ）を演算するとともに、電流センサ２２，２３で検出した３相電流値をレゾルバ２１による検出回転角度に基づいて２相電流値（ｉｄｘ，ｉｑｘ）に座標変換する。そして、この２相電流値（ｉｄｘ，ｉｑｘ）と電流指令値（ｉｄ，ｉｑ）との偏差にもとづいて、電動モータ２０の３相の目標駆動電圧を算出し、その電圧に応じたデューティ比で各スイッチング素子Ｓ１Ｕ〜Ｓ４Ｕ、Ｓ１Ｖ〜Ｓ４Ｖ、Ｓ１Ｗ〜Ｓ４Ｗをオンオフ制御する。

このインバータ６０によれば、電動モータ２０に対して振幅値で３００Ｖという高い電圧の交流電源を供給する構成であっても、その直流入力電源としては、中性点Ｃに対して＋１５０Ｖおよび−１５０Ｖという半分の電圧ですむ。
このため、ハイブリッド車両における電源装置の高電圧化を図っても、制御素子や制御装置に高い耐電圧性能が要求されず、耐電圧１５０Ｖを満たせばよいことになる。従って、電源供給システムの小型、軽量、低コスト化を図ることができる。また、設計自由度を広げることができる。
これに対して、従来の高圧電源供給装置においては、同じ３００Ｖ（振幅値）の電圧で電動モータを駆動する場合、０Ｖ−３００Ｖの２線式電源供給ラインを用いているため、その電源供給ラインに接続される制御装置や制御素子に対して高い耐電圧性能（３００Ｖ）が要求されてしまう。

コンバータ７０は、発電機４０から発生する３相交流電力を３レベルの直流電力に変換する３レベルコンバータであり、ハイブリッドコントローラ５０からの速度（回転数）指令値およびトルク指令値に応じてその発電量を制御する。
このコンバータ７０は、図２に示すように、高圧電源供給ラインＨＬに対してインバータ６０と並列に設けられ、高圧正電位ラインＨＰＬと高圧負電位ラインＨＮＬとの間に３組のスイッチング列（Ｕ相スイッチング列ＳＧＵ，Ｖ相スイッチング列ＳＧＶ，Ｗ相スイッチング列ＳＧＷ）を並列に備える。

Ｕ相スイッチング列ＳＧＵは、スイッチング素子Ｓ５Ｕ，Ｓ６Ｕ，Ｓ７Ｕ，Ｓ８Ｕを直列に接続するとともに、各スイッチング素子Ｓ５Ｕ，Ｓ６Ｕ，Ｓ７Ｕ，Ｓ８Ｕに対して逆並列にダイオードＤ５Ｕ，Ｄ６Ｕ，Ｄ７Ｕ，Ｄ８Ｕを接続したもので、スイッチング素子Ｓ６Ｕのエミッタとスイッチング素子Ｓ７Ｕのコレクタとの接続点を発電機４０のＵ相に接続する。また、スイッチング素子Ｓ５Ｕのエミッタとスイッチング素子Ｓ６Ｕのコレクタとの接続点には、中性ラインＨＣＬが接続される。この中性ラインＨＣＬからスイッチング素子Ｓ５Ｕのエミッタへの接続ラインには、ダイオードＤ５６Ｕがカソードをスイッチング素子Ｓ５Ｕ側に向けて設けられる。
更に、スイッチング素子Ｓ７Ｕのエミッタとスイッチング素子Ｓ８Ｕのコレクタとの接続点には、高圧負電位ラインＨＮＬが接続される。この高圧負電位ラインＨＮＬからスイッチング素子Ｓ７Ｕのエミッタへの接続ラインには、ダイオードＤ７８Ｕがカソードをスイッチング素子Ｓ３Ｕ側に向けて設けられる。

Ｖ相スイッチング列ＳＧＶおよびＷ相スイッチング列ＳＧＷについても、Ｕ相スイッチング例ＳＧＵと同様な回路構成であり、図２中において各素子に同一符号（末尾を除く：末尾符号はスイッチング列の種類を表す）を付けて説明を省略する。
尚、Ｖ相スイッチング列ＳＧＶにおいては、スイッチング素子Ｓ６Ｖのエミッタとスイッチング素子Ｓ７Ｖのコレクタとの接続点を発電機４０のＶ相に接続し、Ｗ相スイッチング列ＳＧＷにおいては、スイッチング素子Ｓ６Ｗのエミッタとスイッチング素子Ｓ７Ｗのコレクタとの接続点を発電機４０のＷ相に接続する。

発電機４０は、動力分配装置２５によりエンジン３０から回転力が伝達されてロータが回転し、逆起電力により３相交流電力を発生する。そして、コンバータ７０においては、各スイッチング素子Ｓ５Ｕ〜Ｓ８Ｕ、Ｓ５Ｖ〜Ｓ８Ｖ、Ｓ５Ｗ〜Ｓ８Ｗが、それぞれゲート回路７１から出力されるパルス信号により発電機４０の回転角度に同期してオンオフ制御され、発電機４０から発生した３相交流電力を３レベル電位の直流電力に変換する。３レベル電位の変換は、インバータ６０と同様に各スイッチング素子Ｓ５Ｕ〜Ｓ８Ｕ、Ｓ５Ｖ〜Ｓ８Ｖ、Ｓ５Ｗ〜Ｓ８Ｗのオンオフ動作を行えばよい。

コンバータ７０の出力は、高圧電源供給ラインＨＬに接続される。この場合、コンバータ７０の出力と高圧電源供給ラインＨＬとの電位差により高圧電源装置１０のバッテリモジュールＢが充電される。従って、コンバータ７０の出力においては、中性点Ｃに対する高圧正電位ラインＨＰＬへの出力電圧が＋１５０Ｖより高く、高圧負電位ラインＨＮＬへの出力電圧が−１５０Ｖよりも低く設定される。

ハイブリッドコントローラ５０の発電制御部５２は、ＰＷＭ制御、つまり各スイッチング素子Ｓ５Ｕ〜Ｓ８Ｕ、Ｓ５Ｖ〜Ｓ８Ｖ、Ｓ５Ｗ〜Ｓ８Ｗのデューティ比を制御することにより直流出力電圧を調整する。このＰＷＭ制御については、モータ制御部５１と同様に行なわれ、電流センサ４２，４３の検出電流値とレゾルバ４１の検出回転角度とに基づいて、トルク指令値および速度指令値に応じた目標電圧に制御される。

このコンバータ７０によれば、発電機４０により発電した３相交流電力を３レベル電位の直流電力に変換するため、高圧電源供給ラインＨＬを介して高圧電源装置１０の各バッテリモジュールＢを充電することができる。また、電動モータ２０の電源としても使用することができる。更に、コンバータ７０をインバータとして機能させて発電機４０を電動モータ２０のように回転させて、エンジン３０の始動等を行うこともできる。

尚、こうしたインバータ６０およびコンバータ７０は、図示しない放熱器を備え、この放熱器内にラジエタ冷却水を循環させて冷却される。また、電動モータ２０、発電機４０も共通の循環路に流れる冷却水で冷却するようにしてもよい。

以上説明したように、本実施形態の電源供給装置によれば、直列接続したバッテリモジュールＢの中間接続点を電気中性点Ｃとし、この中性点Ｃを利用した３レベル電位の高圧電源供給ラインＨＬにより高圧電源を供給するため、その高圧電源供給ラインＨＬに接続される制御装置や制御素子（ＤＣ−ＤＣコンバータ９０、システムメインリレー１８、コンデンサＣ１〜Ｃ３、インバータ６０、コンバータ７０等）の耐電圧を半分にすることができる。
この結果、電源供給システムの小型、軽量、低コスト化を図ることができる。従って、特に、設置スペースの狭いハイブリッド式自動二輪車においては有効なものとなる。また、制御装置や制御素子の耐電圧性能制限が少なくなり、設計自由度も広がる。
更に、３レベルコンバータ７０により発電交流電力を直流電力に変換するため、高圧電源供給ラインＨＬを介して高圧電源装置１０のバッテリモジュールＢを充電することができる。

また、高圧電源供給ラインＨＬから供給される高圧電源電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ９０により降圧して低圧電源供給ラインＬＬに出力するようにしているため、低圧バッテリ１００を充電することができ、低圧バッテリ１００を良好な状態に維持することができる。
加えて、低圧電源供給ラインＬＬにおける低圧負ラインＬＮＬと高圧電源供給ラインＨＬにおける中性ラインＨＣＬとを接続しているため、ＤＣ−ＤＣコンバータ９０の作動が安定するとともに高い効率が得られる。

以上、本実施形態の電動車両の電源供給装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。

例えば、本実施形態は、ハイブリッド式自動二輪車に適用した電源供給装置について説明したが、自動二輪車に限らず四輪自動車等に適用してもよく、また、エンジンを備えない電気自動車に適用してもよい。

本発明の一実施形態のハイブリッド式自動二輪車の電源供給制御システムを表す構成図である。 実施形態としてのインバータおよびコンバータの電気回路図である。 実施形態としてのハイブリッド式自動二輪車を示した図である。

符号の説明

１０…高圧電源装置、２０…電動モータ、２５…動力分配装置、３０…エンジン、４０…発電機、５０…ハイブリッドコントローラ、６０…安全プラグ、８０…協調コントローラ、９０…ＤＣ−ＤＣコンバータ、１００…低圧バッテリ、ＨＬ…高圧電源供給ライン、ＨＰＬ…高圧正電位ライン、ＨＮＬ…高圧負電位ライン、ＨＣＬ…中性ライン、ＬＬ…低圧電源供給ライン、ＬＰＬ…低圧正ライン、ＬＰＮ…低圧負ライン。

Claims (2)

1. 複数のバッテリを直列接続し、その直列接続して得られる高電圧を電源として車両走行用の電動モータに供給する電動車両の電源供給装置において、
   上記直列接続したバッテリの中間接続位置を中性点とし、この中性点に接続される中性ラインと、上記直列接続したバッテリ列のプラス側端に接続される正電位ラインと、上記直列接続したバッテリ列のマイナス側端に接続される負電位ラインとにより直流電源供給ラインを構成する３レベル電源ラインと、
   上記３レベル電源ラインから電源供給される直流電源を交流電源に変換して上記電動モータに供給する３レベルインバータと、
   上記３レベル電源ラインに電源供給する上記バッテリとは異なる低電圧補助バッテリと、
   上記３レベル電源ラインに供給される電源電圧を、上記低電圧補助バッテリの定格電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、
   上記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力を上記低電圧補助バッテリの電源供給ラインに接続するとともに、上記低電圧補助バッテリの電源供給ラインにおける負側ラインと上記３レベル電源ラインの中性ラインとを接続したことを特徴とする電動車両の電源供給装置。
2. 上記電動車両は、内燃機関により駆動されて発電する発電機を備えたハイブリッド式車両であって、
   上記発電機の交流出力を３レベル電位の直流電圧に変換して上記３レベル電源ラインに供給する３レベルコンバータを備えたことを特徴とする請求項１記載の電動車両の電源供給装置。

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