JP4682766B2 - 車両用電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両用電源装置に関し、特に、二次電池とキャパシタとを電源として備えた車両用電源装置に関する。

最近、環境に配慮した自動車として、ハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）および電気自動車（Electric Vehicle）が注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、インバータを介して直流電源により駆動されるモータとを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力源を得るものである。

また、電気自動車は、インバータを介して直流電源によって駆動されるモータを動力源とする自動車である。

このようなハイブリッド自動車または電気自動車においては、車両を適切に走行させつつエネルギー効率を向上させるためには、そのモータに対する負荷に応じた電力を供給し、回生時には効率良くエネルギーを回収することが求められる。

たとえば特許文献１は、モータへの電力供給源として、バッテリと大容量コンデンサとを備え、走行状態に応じてこれらの電力供給源とモータとの接続状態を切換える切換手段を有することを特徴とする電気自動車用電源装置が開示される。

具体的には、当該電源装置において、バッテリからの直流電圧を電圧変換して出力するチョッパと、チョッパの出力側に並列接続された大容量コンデンサとは、スイッチ装置を介してモータ制御手段であるインバータに接続される。そして、通常走行モードにおいては、切換手段により、チョッパと大容量コンデンサとの並列接続回路を電力供給源としてモータ制御手段によってモータが制御される。また、大きな駆動力が要求されるパワーモード時や連続登坂時には、バッテリと大容量コンデンサとの並列接続回路が電力供給源とされる。これによれば、バッテリに対する一回の充電による走行可能距離が従来に対して大幅に増加される。
特開平７−２３１５１１号公報 特開２００２−１３６１６９号公報

ここで、上記の電気自動車用電源装置によれば、通常走行モードで走行中（すなわち、チョッパと大容量コンデンサとの並列接続時）にパワーモードに切換えられた場合、大容量コンデンサの端子間電圧が基準電圧以下のときには、大容量コンデンサを充電してから、バッテリと大容量コンデンサとの並列接続に切換えられる。この大容量コンデンサの充電は、チョッパのトランジスタがオンされ、バッテリから大容量コンデンサに充電電流が供給されることにより行なわれる。

そのため、パワーモード時には大きな駆動力の迅速な供給が求められるところ、モータ制御コンピュータが車両の走行状態に応じて切換手段を作動してから、モータを駆動させるのに十分な電力がモータに供給されるまでには、大容量コンデンサの充電期間が新たに発生し、モータの応答性に不具合が生じることになる。この結果、車両の走行性能を低下させてしまう。

そこで、モータの応答性を高めるためには、常時、大容量コンデンサにモータ駆動に十分な電力が蓄えられるように、チョッパを動作させて、大容量コンデンサの端子間電圧を一定電圧に保つように構成することが必要となる。

しかしながら、このような構成では、バッテリの電力はモータ駆動時以外にも、大容量コンデンサを充電するために逐次持ち出されることとなり、却って車両のエネルギー効率を低下させ、燃費を悪化させる可能性がある。

それゆえ、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、車両の走行性能を低下させることなく、燃費の向上が可能な車両用電源装置を提供することである。

この発明によれば、車両駆動用のモータを備えた自動車に搭載される車両用電源装置は、第１の直流電源と、直流電圧を受けてモータを駆動制御するための電力変換を行なう駆動回路と、第１の直流電源と駆動回路との間に接続され、両者の間で直流電圧変換を行なうための電圧変換器と、電圧変換器に対して、開閉手段を介して駆動回路と並列に接続された第２の直流電源と、電圧変換器が駆動回路と第２の直流電源との接続点に出力する出力電圧の目標値を設定するとともに、設定した目標値と出力電圧とが一致するように電圧変換器の動作を制御する制御手段とを備える。制御手段は、モータの要求出力に応じた電圧を目標値に設定する第１の目標値設定手段と、モータの要求出力に応じた電圧よりも高く、第２の直流電源を充電可能な電圧を目標値に設定する第２の目標値設定手段と、車両の運転者の要求に応じて、第１および第２の目標値設定手段の一方を選択する選択手段とを含む。

上記の車両用電源装置によれば、電圧変換器の出力電圧の目標値を、モータの要求出力に応じた電圧および、第２の直流電源の充電を考慮したより高い電圧に適宜切換えて設定できる。このため、第２の目標値設定手段の選択時には、電圧変換器からの充電により第２の直流電源に蓄えられた電力を用いた高出力運転が可能とする一方で、そのような運転が求められない場合には、第２の直流電源を充電するための動作を電圧変換器に強いることがないので、電圧変換器での損失を軽減できる。これにより、車両の走行性能を重視した走行モードを可能とするとともに、燃費を向上させることができる。

好ましくは、第２の目標値設定手段は、モータの要求出力によらない所定の電圧を目標値に設定する。

上記の車両用電源装置によれば、第２の目標値設定手段において、目標値を一定電圧（たとえば車両用電源装置の最大電圧とする）とすることで、第２の直流電源には一定電力が蓄えられるため、任意のタイミングにおいて高出力運転に対応することができる。

好ましくは、制御手段は、第１の目標値設定手段が選択されたことに応じて、開閉手段を開状態とする。

上記の車両用電源装置によれば、第１の目標値設定手段の選択時においては、第２の直流電源の充放電が確実に防止されるため、第１の直流電源の電力を効率的に利用でき、燃費を向上することができる。また、第２の直流電源の放電が防止されるため、電力を保持でき、第２の目標値設定手段への移行をスムーズに行なうことができる。

好ましくは、選択手段は、運転者が第２の直流電源を使用しない車両の走行を要求したことに応じて、第１の目標値設定手段を選択し、運転者が第２の直流電源を使用した車両の走行を要求したことに応じて、第２の目標値設定手段を選択する。

上記の車両用電源装置によれば、車両の運転者の要求に適応させた電圧変換器の制御が行なわれるため、モータの応答性を高めて走行性能を確保できるとともに、燃費の向上を図ることができる。

好ましくは、選択手段は、運転者の操作により、運転者の要求する車両の走行を指定するための操作部をさらに含む。

上記の車両用電源装置によれば、車両の運転者は、要求する走行状態を簡易に指定することができる。また、その指定した走行モードを、迅速に車両の走行状態に反映させることができる。

この発明によれば、電圧変換器からの充電により第２の直流電源に蓄えられた電力を用いた高出力運転が可能とする一方で、そのような運転が求められない場合には、第２の直流電源を充電するための動作を電圧変換器に強いることがないので、電圧変換器での損失を軽減できる。これにより、車両の走行性能を重視した運転モードを可能とするとともに、燃費を向上させることができる。

以下、この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、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

図１は、この発明の実施の形態に従う車両用電源装置の概略ブロック図である。
図１を参照して、車両用電源装置１００は、バッテリＢと、昇圧コンバータ１２と、蓄電用のキャパシタＣ０と、平滑用のコンデンサＣ１，Ｃ２と、インバータ１４，３１と、電圧センサ１０，２０，２２と、電流センサ２４，２８と、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲＣ１，ＳＲＣ２と、要求モード検出回路４０と、モード選択スイッチ４２と、制御装置３０とを備える。

エンジンＥＮＧは、ガソリンなどの燃料の燃焼エネルギーを源として駆動力を発生する。エンジンＥＮＧの発生する駆動力は、図１の太斜線で示すように、動力分割機構５０により、２つの経路に分割される。一方は、図示しない減速機を介して車輪を駆動する駆動軸に伝達する経路である。もう一方は、モータジェネレータＭＧ１へ伝達する経路である。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、発電機としても電動機としても機能し得るが、以下に示すように、モータジェネレータＭＧ１は、主として発電機として動作し、モータジェネレータＭＧ２は、主として電動機として動作する。

詳細には、モータジェネレータＭＧ１は、三相交流回転機であり、加速時において、図示しないエンジンを始動する始動機として用いられる。このとき、モータジェネレータＭＧ１は、バッテリＢからの電力の供給を受けて電動機として駆動し、エンジンＥＮＧをクランキングして始動する。

さらに、エンジンＥＮＧの始動後において、モータジェネレータＭＧ１は、動力分割機構５０を介して伝達されたエンジンＥＮＧの駆動力によって回転されて発電する。

モータジェネレータＭＧ１の発電した電力は、車両の運転状態やキャパシタＣ０の蓄電エネルギーおよびバッテリＢの充電量によって使い分けられる。たとえば、通常走行時や急加速時においては、モータジェネレータＭＧ１の発電した電力は、そのままモータジェネレータＭＧ２を駆動させる電力となる。一方、キャパシタＣ０の蓄電エネルギーまたはバッテリＢの充電量が所定の値よりも低いときには、モータジェネレータＭＧ１の発電した電力は、インバータ１４によって交流電力から直流電力に変換されて、キャパシタＣ０またはバッテリＢに蓄えられる。

モータジェネレータＭＧ２は、三相交流回転機であり、キャパシタＣ０およびバッテリＢに蓄えられた電力およびモータジェネレータＭＧ１が発電した電力の少なくともいずれか一方によって駆動される。モータジェネレータＭＧ２の駆動力は、減速機を介して車輪の駆動軸に伝達される。これにより、モータジェネレータＭＧ２は、エンジンＥＮＧをアシストして車両を走行させたり、自己の駆動力のみによって車両を走行させたりする。

また、車両の回生制動時には、モータジェネレータＭＧ２は、減速機を介して車輪により回転されて発電機として動作する。このとき、モータジェネレータＭＧ２により発電された回生電力は、インバータ３１を介してキャパシタＣ０またはバッテリＢに充電される。

システムリレーＳＲ１は、バッテリＢの正極と昇圧コンバータ１２との間に接続される。システムリレーＳＲ２は、バッテリＢの負極と昇圧コンバータ１２との間に接続される。システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置３０からの信号ＳＥＢによりオン／オフされる。より具体的には、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置３０からのＨ（論理ハイ）レベルの信号ＳＥＢによりオンされ、制御装置３０からのＬ（論理ロー）レベルの信号ＳＥＢによりオフされる。

昇圧コンバータ１２は、リアクトルＬ１と、ＮＰＮ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Ｌ１の一方端はバッテリＢの電源ラインに接続され、他方端はＮＰＮトランジスタＱ１とＮＰＮトランジスタＱ２との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ２のコレクタとの間に接続される。ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインとアースラインとの間に直列に接続される。そして、ＮＰＮトランジスタＱ１のコレクタは電源ラインに接続され、ＮＰＮトランジスタＱ２のエミッタはアースラインに接続される。また、各ＮＰＮ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ダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続されている。

インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とから成る。Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、およびＷ相アーム１７は、電源ラインとアースラインとの間に並列に設けられる。

Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４から成り、Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６から成り、Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８から成る。また、各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８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Ｄ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。

各相アームの中間点は、モータジェネレータＭＧ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ１は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端がＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４の中間点に、Ｖ相コイルの他端がＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６の中間点に、Ｗ相コイルの他端がＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８の中間点にそれぞれ接続されている。

インバータ３１は、インバータ１４と同様の構成から成る。
バッテリＢは、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池から成る。他にも、バッテリＢは、燃料電池であっても良い。電圧センサ１０は、バッテリＢから出力される直流電圧Ｖｂを検出し、その検出した直流電圧Ｖｂを制御装置３０へ出力する。

コンデンサＣ１は、バッテリＢから供給された直流電圧Ｖｂを平滑化し、その平滑化した直流電圧Ｖｂを昇圧コンバータ１２へ供給する。

昇圧コンバータ１２は、コンデンサＣ１から供給された直流電圧Ｖｂを昇圧してコンデンサＣ２へ供給する。より具体的には、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０から信号ＰＷＭＣを受けると、信号ＰＷＭＣによってＮＰＮトランジスタＱ２がオンされた期間に応じて直流電圧Ｖｂを昇圧してコンデンサＣ２に供給する。

また、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０から信号ＰＷＭＣを受けると、コンデンサＣ２を介してインバータ１４および／またはインバータ３１から供給された直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。

キャパシタＣ０は、たとえば直列接続される複数の電気二重層キャパシタを含む。キャパシタＣ０は、昇圧コンバータ１２に対してインバータ１４，３１と並列に接続される。昇圧コンバータ１２とキャパシタＣ０との間は、システムリレーＳＲＣ１，ＳＲＣ２によって電気的に結合／分離される。

なお、キャパシタＣ０には、限流装置として、電気二重層キャパシタと直列に、ヒューズ素子を内蔵するセーフティプラグＳＰが設置される。セーフティプラグＳＰは、キャパシタＣ０に過電流が流れ込むとヒューズ素子が溶断する構成からなる。これにより、キャパシタＣ０を、加熱等による損傷から保護することができる。

システムリレーＳＲＣ１は、昇圧コンバータ１２とキャパシタＣ０の正電極との間に接続される。システムリレーＳＲＣ２は、昇圧コンバータ１２とキャパシタＣ０の負電極との間に接続される。

システムリレーＳＲＣ１，ＳＲＣ２は、制御装置３０からの信号ＳＥＣによりオン／オフされる。より具体的には、システムリレーＳＲＣ１，ＳＲＣ２は、制御装置３０からのＨレベルの信号ＳＥＣによりオンされ、制御装置３０からのＬレベルの信号ＳＥＣによりオフされる。

電圧センサ２２は、キャパシタＣ０の両端の電圧（以下、端子間電圧と称する）Ｖｃを検出し、その検出した端子間電圧Ｖｃを制御装置３０へ出力する。

コンデンサＣ２は、昇圧コンバータ１２からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１４，３１へ供給する。電圧センサ２０は、コンデンサＣ２の両端の電圧、すなわち、昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍ（インバータ１４，３１への入力電圧に相当する。以下同じ。）を検出し、その検出した出力電圧Ｖｍを制御装置３０へ出力する。

インバータ１４は、コンデンサＣ２を介してバッテリＢまたはキャパシタＣ０から直流電圧が供給されると制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ１に基づいて直流電圧を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に従ったトルクを発生するように駆動される。

また、インバータ１４は、車両用電源装置１００が搭載されたハイブリッド自動車の回生制動時、モータジェネレータＭＧ１が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ１に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサＣ２を介してキャパシタＣ０および昇圧コンバータ１２へ供給する。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オフす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。

インバータ３１は、コンデンサＣ２を介してバッテリＢまたはキャパシタＣ０から直流電圧が供給されると制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ２に基づいて直流電圧を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に従ったトルクを発生するように駆動される。

また、インバータ３１は、車両用電源装置１００が搭載されたハイブリッド自動車の回生制動時、モータジェネレータＭＧ２が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ２に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサＣ２を介してキャパシタＣ０および昇圧コンバータ１２へ供給する。

電流センサ２４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３０へ出力する。電流センサ２８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３０へ出力する。

要求モード検出回路４０は、運転者の要求する車両の走行モードを検出する。具体的には、要求モード検出回路４０は、走行モードを選択するためのモード選択スイッチ４２に接続される。モード選択スイッチ４２は、例えば車両室内の運転席の近傍に設置された押しボタン式スイッチからなる。運転者は、モード選択スイッチ４２を操作（プッシュ）して、予め設定された走行モードの中から所望の走行モードを選択する。要求モード検出回路４０は、運転者の選択した走行モード（以下、要求走行モードＲＭと称する）を検出し、その検出した要求走行モードＲＭを制御装置３０へ出力する。車両の走行モードについては、後に詳述する。

制御装置３０は、図示しない外部ＥＣＵ（Electrical Control Unit）からトルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２を受け、電圧センサ１０から直流電圧Ｖｂを受け、電圧センサ２０から昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍ（すなわち、インバータ１４，３１への入力電圧）を受け、電圧センサ２０からキャパシタＣ０の端子間電圧Ｖｃを受け、電流センサ２４からモータ電流ＭＣＲＴ１を受け、電流センサ２８からモータ電流ＭＣＲＴ２を受け、要求モード検出回路４０から要求走行モードＲＭを受ける。

制御装置３０は、出力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ１およびモータ電流ＭＣＲＴ１に基づいて、後述する方法によりインバータ１４がモータジェネレータＭＧ１を駆動するときにインバータ１４のＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭ１をインバータ１４へ出力する。

また、制御装置３０は、出力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ２およびモータ電流ＭＣＲＴ２に基づいて、後述する方法によりインバータ３１がモータジェネレータＭＧ２を駆動するときにインバータ３１のＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ２をインバータ３１へ出力する。

さらに、制御装置３０は、インバータ１４（または３１）がモータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）を駆動するとき、直流電圧Ｖｂ、出力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）、モータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）および要求走行モードＲＭに基づいて、後述する方法により昇圧コンバータ１２のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＣを生成して昇圧コンバータ１２へ出力する。

さらに、制御装置３０は、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２をオン／オフするための信号ＳＥＢを生成してシステムリレーＳＲ１，ＳＲ２へ出力する。また、制御装置３０は、システムリレーＳＲＣ１，ＳＲＣ２をオン／オフするための信号ＳＥＣを生成してシステムリレーＳＲＣ１，ＳＲＣ２へ出力する。

図２は、制御装置３０の機能ブロック図である。
図２を参照して、制御装置３０は、インバータ制御回路３０１と、コンバータ制御回路３０２とを含む。

インバータ制御回路３０１は、トルク指令値ＴＲ１、モータ電流ＭＣＲＴ１および入力電圧Ｖｍに基づいて信号ＰＷＭＩ１を生成してインバータ１４のＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。

より具体的には、インバータ制御回路３０１は、入力電圧Ｖｍ、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の各相コイルに印加する電圧を計算し、その計算した結果に基づいてインバータ１４の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフする信号ＰＷＭＩ１を生成する。そして、インバータ制御回路３０１は、生成した信号ＰＷＭＩ１をインバータの各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。

これにより、インバータ１４の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８は、スイッチング制御され、モータジェネレータＭＧ１が指定されたトルクを出力するようにモータジェネレータＭＧ１の各相に流す電流を制御する。このようにして、モータ駆動電流が制御され、トルク指令値ＴＲ１に応じたモータトルクが出力される。

また、インバータ制御回路３０１は、入力電圧Ｖｍ，モータ回転数ＭＲＮ２およびトルク指令値ＴＲ２に基づいて、上述した方法によって信号ＰＷＭＩ２を生成してインバータ３１のＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。

これにより、インバータ３１の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８は、スイッチング制御され、モータジェネレータＭＧ２が指定されたトルクを出力するようにモータジェネレータＭＧ２の各相に流す電流を制御する。このようにして、モータ駆動電流が制御され、トルク指令値ＴＲ２に応じたモータトルクが出力される。

コンバータ制御回路３０２は、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）、モータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）、直流電圧Ｖｂ、出力電圧Ｖｍおよび要求走行モードＲＭに基づいて、以下に述べる方法によって信号ＰＷＭＣを生成して昇圧コンバータ１２のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２へ出力する。

詳細には、この発明によるコンバータ制御回路３０２は、要求走行モードＲＭに適応した制御方法によって昇圧コンバータ１２を制御することを特徴とする。

最初に、要求され得る走行モードとしては、車両の操縦応答性を重視した走行モード（以下、応答性重視モードとも称する）と、燃費向上を重視した走行モード（以下、燃費重視モードとも称する）とが含まれる。

応答性重視モードは、車両の走行状態（要求トルク、アクセル開度、車速等）に応じて負荷が急激に変動した場合においても、車両を駆動するために十分な駆動力をモータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）に速やかに発生させることによって、車両の走行性能の確保を図るものである。

すなわち、応答性重視モードは、例えば車両を発進するときや坂路を走行するときのように、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）に高出力が要求される場合に好適であるといえる。

一方、燃費重視モードは、負荷変動が相対的に小さい場合において、車両のスムーズな走行を維持しながら燃費の向上を図るものである。

すなわち、燃費重視モードは、例えば車両が市街地を低速走行するときのように、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）に要求される出力が相対的に低い場合に好適であるといえる。

そして、応答性重視モードおよび燃費重視モードは、車両の走行状態に応じて、運転者により適宜選択される。その結果、車両の走行性能を低下させることなく、燃費の向上を図ることが可能となる。

次に、それぞれの走行モードに適応した昇圧コンバータ１２の制御方法について説明する。

まず、応答性重視モードにおいては、コンバータ制御回路３０２は、キャパシタＣ０の端子間電圧Ｖｃが、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の要求出力に応じた電圧とは異なる所定の電圧となるように昇圧コンバータ１２を制御する。このときの所定の電圧としては、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の要求出力に応じた電圧よりも高い電圧であって、かつ、キャパシタＣ０に充電可能な電圧に設定される。そして、コンバータ制御回路３０２は、図１におけるシステムリレーＳＲＣ１，ＳＲＣ２がオン状態のとき、キャパシタＣ０の端子間電圧Ｖｃは昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍに相当することから、昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍの目標電圧を上記所定の電圧となるように設定すれば良い。

ここで、応答性重視モードにおいて、昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍの目標電圧を上記所定の電圧とするのは以下の理由による。

通常動作において、昇圧コンバータ１２は、バッテリＢから供給された直流電圧Ｖｂを昇圧してキャパシタＣ０に供給する。キャパシタＣ０は、昇圧コンバータ１２から出力された直流電圧Ｖｍにより充電され、蓄積された電力をインバータ１４（または３１）へ供給する。

このとき、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０から受けた信号ＰＷＭＣによってＮＰＮトランジスタＱ２がオンされた期間に応じて直流電圧Ｖｂを昇圧する。

しかしながら、要求される出力（トルク）が急激に変動した場合には、昇圧コンバータ１２に高速なスイッチング制御が求められ、これに対応するためには、より高精度なコンバータ制御回路が必要となる。そのため、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の応答性に限界が生じてしまい、車両の走行性能に影響を及ぼすこととなる。

そこで、急激な要求出力の変動に対しては、バッテリＢよりもキャパシタＣ０から優先的に電力を供給する構成とすれば、いかなる出力要求に対しても迅速に電力を供給することが可能となり、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の応答性を向上できる。そのためには、キャパシタＣ０において、急激な要求出力の変動に備えて、所望の電力を予め蓄えておくことが必要となる。

したがって、本実施の形態では、応答性重視モードにおいては、キャパシタＣ０の蓄積エネルギーが急激な要求出力の変動に対しても電力を供給可能な電力レベルとなるように、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の要求出力に応じた電圧よりも高い電圧を目標電圧に設定し、キャパシタＣ０の端子間電圧Ｖｃが目標電圧に維持されるように、昇圧コンバータ１２を制御することとする。

特に、本実施の形態では、昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍの目標電圧を、上記の所定の電圧を満たす一定電圧に設定する構成とする。一定電圧は、たとえば車両用電源装置１００の最大電圧Ｖｍａｘに設定される。

これによれば、応答性重視モードにおいて、キャパシタＣ０には昇圧コンバータ１２により充電可能な最大電力が蓄えられることになる。また、目標電圧を一定値とすることにより、キャパシタＣ０の端子間電圧Ｖｃによらない昇圧コンバータ１２の制御が可能となり、制御が容易化されるという利点がもたらされる。なお、以下において、この目標電圧を一定電圧とする昇圧コンバータ１２の制御を、単に「一定電圧制御」とも称する。

しかしながら、かかる一定電圧制御は、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の応答性を高め、車両の走行性能を確保できる点で有効であるものの、以下に述べるように、キャパシタＣ０に一定電力を蓄えておく必要性から、燃費の悪化を招くという問題が起こり得る。

端子間電圧Ｖｃを所定の電圧に保つためには、常に電圧低下分をキャパシタＣ０の充電によって補償しなければならない。キャパシタＣ０の充電は、通常、バッテリＢからの電力供給と、エンジンＥＮＧの駆動力によりモータジェネレータＭＧ１の発電した電力の供給とにより行なわれるが、エンジンＥＮＧの停止時においては、モータジェネレータＭＧ１からの電力供給が途絶えるために、専らバッテリＢから電力を持ち出すことにより実行される。すなわち、バッテリＢとしては、本来、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の駆動用として電力を蓄えているところ、一定電圧制御の下では、キャパシタＣ０の充電用としても電力が持ち出されることになる。その結果、車両の燃費が悪化することとなる。

そこで、本実施の形態では、昇圧コンバータ１２に起因した燃費の悪化を改善する観点から、燃費重視モードが選択されたときには、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の駆動要求トルクに応じて昇圧（または降圧）動作を行なうように、昇圧コンバータ１２を制御することとする。なお、以下において、この駆動要求に応じた昇圧コンバータ１２の制御を、単に「駆動要求トルク制御」とも称する。

なお、駆動トルク制御において、キャパシタＣ０は、後述するように、システムリレーＳＲＣ１，ＳＲＣ２をオフさせることによって車両用電源装置１００から電気的に分離される。したがって、燃費重視モードにおいて、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）にはバッテリＢのみから電力が供給されることになる。

この駆動要求トルク制御によれば、バッテリＢからキャパシタＣ０への充電経路が遮断されて、昇圧コンバータ１２がモータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の駆動時のみに動作する。その結果、バッテリＢからの電力の持ち出しを必要最小限に抑えて車両の燃費を向上させることができる。さらに、キャパシタＣ０の放電が防止されるため、蓄積エネルギーを一定に保持でき、次回の一定電圧制御の選択時においてスムーズに移行することが可能となる。

一方、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）をバッテリＢからの電力のみで駆動するため、上述した一定電圧制御に対して、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）の応答性が劣ることになるが、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）に要求される出力が相対的に低い場合に用いることで、車両の走行性能には何ら影響が生じないといえる。

以上のように、この発明によれば、昇圧コンバータ１２は運転者の要求に適応した制御方法により制御される。そして、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）は、要求出力に応じた電力をキャパシタＣ０またはバッテリＢから供給されて駆動される。その結果、車両の走行性能を低下させることなく、燃費を向上させることができる。

図３は、図２におけるコンバータ制御回路３０２の機能ブロック図である。
図３を参照して、コンバータ制御回路３０２は、電圧指令演算部６０と、コンバータ用デューティ比演算部６２と、コンバータ用ＰＷＭ信号変換部６４と、制御部６６とを含む。

制御部６６は、要求モード検出回路４０から要求走行モードＲＭを受けると、その要求走行モードＲＭに応じて、一定電圧制御および駆動要求トルク制御のいずれか一方を指示する信号ＲＣを生成して電圧指令演算部６０へ出力する。具体的には、要求走行モードＲＭが応答性重視モードであるとき、制御部６６は、一定電圧制御を指示する信号ＲＣを電圧指令演算部６０へ出力する。また、要求走行モードＲＭが燃費重視モードであるとき、制御部６６は、駆動要求トルク制御を指示する信号ＲＣを電圧指令演算部６０へ出力する。

制御部６６は、さらに、要求走行モードＲＭが燃費重視モードであるとき、Ｌレベルの信号ＳＥＣを生成してシステムリレーＳＥＣ１，ＳＥＣ２へ出力する。これにより、燃費重視モードが選択された期間において、システムリレーＳＥＣ１，ＳＥＣ２がオフされ、キャパシタＣ０と昇圧コンバータ１２とは電気的に分離される。

電圧指令演算部６０は、外部ＥＣＵからのトルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）およびモータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）と、制御部６６からの信号ＲＣとに基づいて、インバータ入力電圧の最適値（目標値）、すなわち昇圧コンバータ１２の電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍを決定し、その決定した電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍをコンバータ用デューティ比演算部６２へ出力する。

このとき、電圧指令演算部６０は、要求走行モードＲＭごとに異なる方法によって電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍを決定する。

詳細には、要求走行モードＲＭが応答性重視モードのとき、すなわち、昇圧コンバータ１２の一定電圧制御が指示されたときには、電圧指令演算部６０は、電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍを、上記の所定の電圧（例えば車両用電源装置１００の最大電圧Ｖｍａｘ）に決定する。

一方、要求走行モードＲＭが燃費重視モードのとき、すなわち、昇圧コンバータ１２の駆動要求トルク制御が指示されたときには、電圧指令演算部６０は、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）およびモータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）に基づいて電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍを演算する。

次に、コンバータ用デューティ比演算部６２は、電圧指令演算部６０から電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍを受け、電圧センサ１０から直流電圧Ｖｂを受けると、直流電圧Ｖｂに基づいて、インバータ１４（または３１）の入力電圧Ｖｍを電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍに設定するためのデューティ比ＤＲを演算する。そして、コンバータ用デューティ比演算部６２は、その演算したデューティ比ＤＲを、コンバータ用ＰＷＭ信号変換部６４へ出力する。

コンバータ用ＰＷＭ信号変換部６４は、コンバータ用デューティ比演算部６２からのデューティ比ＤＲに基づいて昇圧コンバータ１２のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするための信号ＰＷＭＣを生成し、その生成した信号ＰＷＭＣを昇圧コンバータ１２へ出力する。

図４は、昇圧コンバータ１２における電圧変換をコンバータ制御回路３０２が制御する動作を説明するためのフローチャートである。

図４を参照して、最初に、外部ＥＣＵにより、運転者の要求に基づいてモータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）への駆動要求トルク（トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２））が演算される。具体的には、外部ＥＣＵは、アクセル操作およびブレーキ操作の状態を検出する（ステップＳ０１）。そして、外部ＥＣＵは、検出したアクセル操作およびブレーキ操作の状態に基づいて、モータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）のトルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）を算出する（ステップＳ０２）。算出されたトルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）は、制御装置３０へ出力される。

制御装置３０では、コンバータ制御回路３０２が、外部ＥＣＵからトルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）およびモータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）を受け、要求モード検出回路４０から要求走行モードＲＭを受けると、要求された走行モードに適応した制御方法により昇圧コンバータ１２を制御する。

より具体的には、制御部６６は、要求走行モードＲＭが燃費重視モードであるか否かを判定する（ステップＳ０３）。要求走行モードＲＭが燃費重視モードであると判定されると、制御部６６は、駆動要求トルク制御を指示する信号ＲＣを電圧指令演算部６０へ出力する。これにより、電圧指令演算部６０は、外部ＥＣＵからのトルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）およびモータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）に基づいて電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍを算出する。

このとき、制御部６６は、さらに、Ｌレベルの信号ＳＥＣを生成してシステムリレーＳＲＣ１，ＳＲＣ２へ出力する。これにより、システムリレーＳＲＣ１，ＳＲＣ２がオフされ、キャパシタＣ０は昇圧コンバータ１２から電気的に分離される。

一方、ステップＳ０３において、要求走行モードＲＭが燃費重視モードでない、すなわち、応答性重視モードであると判定されると、制御部６６は、一定電圧制御を指示する信号ＲＣを電圧指令演算部６０へ出力する。これにより、電圧指令演算部６０は、所定の電圧（車両用電源装置１００の最大電圧Ｖｍａｘ）を電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍに設定する（ステップＳ０６）。

そして、ステップＳ０４およびＳ０６のいずれかにより決定された電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍは、コンバータ用デューティ比演算部６２へ出力されると、インバータ入力電圧Ｖｍが電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍに一致するように、デューティ比ＤＲが算出される。

さらに、算出されたデューティ比ＤＲは、コンバータ用ＰＷＭ信号変換部６４へ出力されると、デューティ比に基づいて信号ＰＷＭＣが生成される。生成された信号ＰＷＭＣは、昇圧コンバータ１２のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２へ出力される。

以上のように、この発明の実施の形態によれば、昇圧コンバータ１２は、運転者の要求に適応した制御方法により制御される。その結果、車両の走行性能を低下させることなく、燃費の向上を図ることができる。

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、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。

この発明は、ハイブリッド自動車または電気自動車に搭載される車両用電源装置に適用することができる。

この発明の実施の形態に従う車両用電源装置の概略ブロック図である。 図１における制御装置の機能ブロック図である。 図２におけるコンバータ制御回路の機能ブロック図である。 昇圧コンバータにおける電圧変換をコンバータ制御回路が制御する動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１０，２０，２２ 電圧センサ、１２ 昇圧コンバータ、１４，３１ インバータ、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、２４，２８ 電流センサ、３０ 制御装置、４０ 要求モード検出回路、４２ モード選択スイッチ、６０ 電圧指令演算部、６２ コンバータ用デューティ比演算部、６４ コンバータ用ＰＷＭ信号変換部、１００ 車両用電源装置、Ｂ バッテリ、Ｑ１〜Ｑ８ ＮＰＮトランジスタ、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｃ０ キャパシタ、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｌ１ インダクタ、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲＣ１，ＳＲＣ２ システムリレー。

Claims (5)

1. 車両駆動用のモータを備えた自動車に搭載される車両用電源装置であって、
   第１の直流電源と、
   直流電圧を受けて前記モータを駆動制御するための電力変換を行なう駆動回路と、
   前記第１の直流電源と前記駆動回路との間に接続され、両者の間で直流電圧変換を行なうための電圧変換器と、
   前記電圧変換器に対して、前記駆動回路と並列に接続された第２の直流電源と、
   前記電圧変換器が前記駆動回路と前記第２の直流電源との接続点に出力する出力電圧の目標値を設定するとともに、設定した前記目標値と前記出力電圧とが一致するように前記電圧変換器の動作を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記モータの要求出力に応じた電圧を前記目標値に設定する第１の目標値設定手段と、
   前記モータの要求出力に応じた電圧よりも高く、前記第２の直流電源を充電可能な電圧を前記目標値に設定する第２の目標値設定手段と、
   車両の運転者の要求に応じて、前記第１および第２の目標値設定手段の一方を選択する選択手段とを含む、車両用電源装置。
2. 前記第２の目標値設定手段は、前記モータの要求出力によらない所定の電圧を前記目標値に設定する、請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記第２の直流電源は、開閉手段を介して前記駆動回路に接続され、
   前記制御手段は、前記第１の目標値設定手段が選択されたことに応じて、前記開閉手段を開状態とする、請求項１または２に記載の車両用電源装置。
4. 前記選択手段は、前記運転者が前記第２の直流電源を使用しない前記車両の走行を要求したことに応じて、前記第１の目標値設定手段を選択し、前記運転者が前記第２の直流電源を使用した前記車両の走行を要求したことに応じて、前記第２の目標値設定手段を選択する、請求項３に記載の車両用電源装置。
5. 前記選択手段は、前記運転者の操作により、前記運転者の要求する前記車両の走行を指定するための操作部をさらに含む、請求項４に記載の車両用電源装置。

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