JP5293373B2 - Power control device and vehicle drive system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転駆動物に対して電磁気力を作用させる巻線回路との間で電力授受を行う電力制御装置および車両駆動システムに関する。 The present invention relates to a power control apparatus and a vehicle drive system that exchange power with a winding circuit that applies an electromagnetic force to a rotationally driven object.
エンジンおよびモータジェネレータを搭載するハイブリッド車両が広く用いられている。ハイブリッド車両は、走行状態に応じてエンジンの駆動力およびモータジェネレータの駆動力の少なくともいずれかによって走行する。 Hybrid vehicles equipped with an engine and a motor generator are widely used. The hybrid vehicle travels by at least one of the driving force of the engine and the driving force of the motor generator according to the traveling state.
ハイブリッド車両の駆動装置には、電磁気力に基づくトルクをエンジンシャフトに作用させる複数系統の巻線を備えるものがある。図10はそのようなハイブリッド車両駆動装置の駆動部をエンジンシャフト16に平行な断面を以て示したものである。図11は、この駆動部をエンジンシャフト16に垂直な断面を以て示した詳細図である。このハイブリッド車両駆動装置は、円柱形状の入力側ロータ10、入力側ロータ10の円柱形状と中心軸位置を共通にして入力側ロータ10を取り囲む円筒形状の出力側ロータ12、および入力側ロータ10および出力側ロータ12と中心軸位置を共通とした筒状筐体14を備える。
Some drive devices for hybrid vehicles include a plurality of windings for applying torque based on electromagnetic force to an engine shaft. FIG. 10 shows a drive section of such a hybrid vehicle drive apparatus with a cross section parallel to the
入力側ロータ10は、その中心軸位置がエンジンシャフト16と一致するようエンジンシャフト16に取り付けられる。また、入力側ロータ10と出力側ロータ12は異なる回転速度で回転可能とする。
The input-
入力側ロータ10には、入力側ロータ10の周方向に回転磁界を発生させるロータ巻線18が取り付けられる。出力側ロータ12には、出力側ロータ12の外側および内側に磁界を発生させる複数の永久磁石20が取り付けられる。筒状筐体14には、内部に回転磁界を発生させるステータ巻線22が取り付けられる。
A rotor winding 18 that generates a rotating magnetic field in the circumferential direction of the
ステータ巻線22に交流電圧が印加されることで、筒状筐体14内には回転磁界が発生する。これによって永久磁石20に電磁気力が作用し、出力側ロータ12はトルクを発生する。また、入力側ロータ10は、ロータ巻線18に電流が流れることで出力側ロータ12の永久磁石20との間に作用する電磁気力によって、出力側ロータ10との間でトルクを作用させる。入力側ロータ10と出力側ロータ12との間に作用するトルクは、入力側ロータ10と出力側ロータ12との回転速度差、ロータ巻線18に印加される交流電圧の大きさ、出力側ロータ12の永久磁石20から発せられる磁界の大きさ等によって定まる。
When an AC voltage is applied to the stator winding 22, a rotating magnetic field is generated in the
このような構成によれば、エンジントルクが伝達された入力側ロータ10との間の電磁気力の作用、およびステータ巻線22との間の電磁気力の作用によるトルクを出力側ロータ12に発生させることができる。これによって、ステータ巻線22から発生した回転磁界によるトルクとエンジントルクとを出力側ロータ12において合成することができる。出力側ロータ12に発生したトルクは、トルク伝達機構によってハイブリッド車両の車輪に伝達される。
According to such a configuration, the
出力側ロータ12に発生するトルクは、ロータ巻線18およびステータ巻線22のそれぞれに与える電力を調整することで制御することができる。図12に巻線電力を制御する電力制御装置を示す。ここでは、ロータ巻線18およびステータ巻線22がそれぞれ3相巻線を有する例を示す。入力側インバータ回路24は、蓄電器26の出力電圧とロータ巻線18の相間端子電圧との間で直流交流変換を行う。入力側インバータ回路24は、蓄電器26側の電圧とロータ巻線18の相間端子電圧との大小関係を調整することで、蓄電器26からロータ巻線18に電力を供給し、またはロータ巻線18から蓄電器26に電力を供給する。
The torque generated in the
出力側インバータ回路28は、蓄電器26の出力電圧とステータ巻線22の相間端子電圧との間で直流交流変換を行う。出力側インバータ回路28は、蓄電器26側の電圧とステータ巻線22の相間端子電圧との大小関係を調整することで、蓄電器26からステータ巻線22に電力を供給し、またはステータ巻線22から蓄電器26に電力を供給する。ロータ巻線18から入力側インバータ回路24を介して蓄電器26側に供給される電力のうち、蓄電器26に充電されない電力は出力側インバータ回路28に供給され、ステータ巻線22から出力側インバータ回路28を介して蓄電器26側に供給される電力のうち、蓄電器26に充電されない電力は入力側インバータ回路24に供給される。入力側インバータ回路24および出力側インバータ回路28の電力変換制御によって、入力側ロータ10および出力側ロータ12に発生するトルクを調整することができる。
The output-
なお、以下の特許文献1には、図10〜図12に例示したハイブリッド車両駆動装置と同様の装置について記載されている。また、特許文献2および3には電力制御装置について記載されている。
The following
図12の装置の入力側インバータ回路24は、ロータ巻線18をなす3相巻線との間で授受される電力を調整する。多相巻線に接続されるインバータ回路としては、複数のスイッチング素子を用いる構成を採用することができる。入力側インバータ回路24に複数のスイッチング素子を用いる場合、各スイッチング素子の許容電力容量は、ロータ巻線18の最大発電電力量で定められる。そのため、入力側ロータ10および出力側ロータ12において想定される回転状態に応じて、許容電力容量に余裕のあるスイッチング素子を採用する必要がある。これによって、従来、ハイブリッド車両駆動装置の規模が大きくなるという問題があった。
The input-
また、一般に、スイッチング素子を採用する回路においては、スイッチング制御に伴う損失が発生する。この損失は、スイッチング制御の周波数を一定とすれば、入出力電力に拘わらずほぼ一定の値となる。したがって、例えば、ロータ巻線18の発電電力が小さいときには、入力側インバータ回路24の回路構成によっては、その発電電力から損失として奪われる割合が高くなり、電力制御の際のエネルギー効率が低下するという問題が生じる。
In general, in a circuit employing a switching element, a loss associated with switching control occurs. This loss has a substantially constant value regardless of the input / output power if the switching control frequency is constant. Therefore, for example, when the generated power of the rotor winding 18 is small, depending on the circuit configuration of the input-
本発明はこのような課題に対してなされたものである。すなわち、ハイブリッド車両等に搭載され、回転駆動物に対して電磁気力を作用させる巻線回路との間で電力授受を行う電力制御装置において、電力制御の際のエネルギー効率が低下することを回避しつつ装置規模を小さくすることを目的とする。 The present invention has been made for such a problem. In other words, in a power control device that is mounted on a hybrid vehicle or the like and transmits and receives power to and from a winding circuit that applies an electromagnetic force to a rotationally driven object, a reduction in energy efficiency during power control is avoided. The object is to reduce the scale of the apparatus.
本発明は、回転駆動物に対して電磁気力を作用させる第1巻線回路および第2巻線回路との間で電力授受を行う電力制御装置において、与えられた直流電力を交流電力に変換して前記第1巻線回路に与え、または前記第1巻線回路が発生する交流電力を直流電力に変換して出力する双方向電力変換部と、前記第1巻線回路が発生する交流電力を直流電力に変換して出力する単方向電力変換部と、前記双方向電力変換部および前記単方向電力変換部を制御する制御部と、与えられた直流電力を充電し、または与えられた直流電力を交流電力に変換して前記第2巻線回路に与える第2巻線電力交換部と、を備え、前記制御部は、前記双方向電力変換部が出力する直流電力を前記第2巻線電力交換部に与える状態、または前記単方向電力変換部が出力する直流電力を前記第2巻線電力交換部に与える状態のいずれかの状態となるよう、前記第1巻線回路が発生する電力に応じて前記双方向電力変換部および前記単方向電力変換部を制御することを特徴とする。 The present invention relates to a power control apparatus that performs power transfer between a first winding circuit and a second winding circuit that cause an electromagnetic force to act on a rotationally driven object, and converts given DC power into AC power. A bi-directional power conversion unit for supplying the first winding circuit with the AC power generated by the first winding circuit or converting the AC power generated by the first winding circuit into DC power, and the AC power generated by the first winding circuit. A unidirectional power conversion unit that converts and outputs DC power; a control unit that controls the bidirectional power conversion unit and the unidirectional power conversion unit; and charging the supplied DC power or the supplied DC power A second winding power exchanging unit that converts the power into AC power and supplies the second winding circuit with the second winding power exchange unit, and the control unit converts the DC power output from the bidirectional power conversion unit into the second winding power. The state given to the exchange unit or the unidirectional power conversion unit The bidirectional power conversion unit and the unidirectional power conversion unit according to the power generated by the first winding circuit so as to be in any one of states in which direct current power to be supplied to the second winding power exchange unit It is characterized by controlling.
また、本発明に係る電力制御装置においては、前記制御部は、前記第1巻線回路が発生する電力が所定の閾値より大きいときは、前記単方向電力変換部が出力する直流電力を前記第2巻線電力交換部に与える状態となるよう前記双方向電力変換部および前記単方向電力変換部を制御し、前記第1巻線回路が発生する電力が所定の閾値以下であるときは、前記双方向電力変換部が出力する直流電力を前記第2巻線電力交換部に与える状態 となるよう前記双方向電力変換部および前記単方向電力変換部を制御することが好適である。 Further, in the power control apparatus according to the present invention, the control unit receives the DC power output from the unidirectional power conversion unit when the power generated by the first winding circuit is greater than a predetermined threshold. The bidirectional power converter and the unidirectional power converter are controlled so as to be in a state to be given to a two-winding power exchange unit, and when the power generated by the first winding circuit is below a predetermined threshold, It is preferable that the bidirectional power conversion unit and the unidirectional power conversion unit are controlled so that direct current power output from the bidirectional power conversion unit is applied to the second winding power exchange unit.
また、本発明に係る電力制御装置においては、前記第2巻線電力交換部は、与えられた直流電力を交流電力に変換して前記第2巻線回路に与えるインバータ回路と、前記双方向電力変換部との間で直流電力の充放電を行い、前記単方向電力変換部から出力される直流電力を充電し、前記インバータ回路に直流電力を放電する蓄電器を備えることが好適である。 Moreover, in the power control apparatus according to the present invention, the second winding power exchange unit converts the supplied DC power into AC power and supplies the AC power to the second winding circuit, and the bidirectional power It is preferable to charge and discharge DC power to and from the conversion unit, charge DC power output from the unidirectional power conversion unit, and include a capacitor that discharges DC power in the inverter circuit.
また、本発明に係る電力制御装置においては、前記第1巻線回路は、与えられた多相交流電力に基づいて磁界を発生し、与えられた磁界の変化に基づいて多相交流電力を発生する複数の相巻線を備え、前記双方向電力変換部は、直流電力から多相交流電力への変換または多相交流電力から直流電力への変換を行う複数のスイッチング素子を備え、前記単方向電力変換部は、与えられた多相交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、スイッチング素子を備え前記整流回路から与えられた直流電圧を昇圧し出力する昇圧コンバータ回路と、を備えることが好適である。 In the power control apparatus according to the present invention, the first winding circuit generates a magnetic field based on the applied multiphase AC power, and generates the multiphase AC power based on a change in the applied magnetic field. A plurality of phase windings, wherein the bidirectional power conversion unit includes a plurality of switching elements that perform conversion from DC power to multiphase AC power or conversion from multiphase AC power to DC power, and the unidirectional The power converter preferably includes a rectifier circuit that converts a given multiphase AC voltage into a DC voltage, and a boost converter circuit that includes a switching element and boosts and outputs the DC voltage supplied from the rectifier circuit. It is.
また、本発明に係る車両駆動システムは、前記電力制御装置と、前記第1巻線回路を備え、エンジンシャフトに取り付けられた入力側ロータと、前記エンジンシャフトを中心として前記入力側ロータの周りに永久磁石が周回配置されるよう永久磁石を支持する出力側ロータと、前記第2巻線回路を備え、前記出力側ロータの回転軸を中心として前記出力側ロータの周りに磁界を発生するステータ巻線回路と、を備えることが好適である。 Further, the vehicle drive system according to the present invention includes the power control device, the first winding circuit, an input-side rotor attached to the engine shaft, and around the input-side rotor around the engine shaft. A stator winding that includes an output-side rotor that supports the permanent magnet so that the permanent magnet is arranged around the second winding circuit, and generates a magnetic field around the output-side rotor about the rotation axis of the output-side rotor. And a line circuit.
また、本発明に係る車両駆動システムにおいては、前記制御部は、前記双方向電力変換部から前記第1巻線回路に交流電力が与えられるよう前記双方向電力変換部を制御して前記入力側ロータを回転駆動し、前記エンジンシャフトを有するエンジンを始動することが好適である。 Moreover, in the vehicle drive system according to the present invention, the control unit controls the bidirectional power conversion unit so that AC power is supplied from the bidirectional power conversion unit to the first winding circuit. It is preferable to start the engine having the engine shaft by rotationally driving the rotor.
また、本発明は、モータと、エンジンと、モータジェネレータと、前記モータのシャフト、前記エンジンのシャフト、および前記モータジェネレータのシャフトが取り付けられ、これらのシャフトのトルクを合成するプラネタリギアユニットと、を備える車両駆動システムにおいて、前記電力制御装置を備え、前記モータジェネレータは、前記第1巻線回路を備え、前記モータは、前記第2巻線回路を備えることを特徴とする。 The present invention also includes a motor, an engine, a motor generator, a shaft of the motor, a shaft of the engine, and a planetary gear unit to which the shaft of the motor generator is attached and synthesizes torque of these shafts. The vehicle drive system includes the power control device, the motor generator includes the first winding circuit, and the motor includes the second winding circuit.
本発明によれば、回転駆動物に対して電磁気力を作用させる巻線回路との間で電力授受を行う電力制御装置において、電力制御の際のエネルギー効率が低下することを回避しつつ装置規模を小さくすることができる。 According to the present invention, in a power control apparatus that transfers power to and from a winding circuit that applies an electromagnetic force to a rotationally driven object, the scale of the apparatus avoids a decrease in energy efficiency during power control. Can be reduced.
図1に本発明の第1の実施形態に係るハイブリッド車両駆動装置100の構成を示す。図10〜図12に示した構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を簡略化する。
FIG. 1 shows a configuration of a hybrid
ハイブリッド車両駆動装置100は、エンジン48、円柱形状の入力側ロータ10、入力側ロータ10と中心軸位置を共通にして入力側ロータ10を取り囲む円筒形状の出力側ロータ12、および入力側ロータ10および出力側ロータ12と中心軸位置を共通とする筒状筐体14を備える。
The hybrid
入力側ロータ10に取り付けられたロータ巻線18は3相の巻線を備える。エンジンシャフト16には、互いに絶縁されるようエンジンシャフト16の外周に配置された3つの導電性リング44が取り付けられる。ロータ巻線18からは3相の巻線導線が引き出され、エンジンシャフト16の内部を通り、それぞれ対応する導電性リング44に接続される。各導電性リング44には導電性のコレクタバネ46が接触する。各コレクタバネ46は整流昇圧/インバータ回路42および整流回路38に接続される。これによって、ロータ巻線18は導電性リング44およびコレクタバネ46を介して整流昇圧/インバータ回路42および整流回路38に接続される。
The rotor winding 18 attached to the
筒状筐体14に取り付けられたステータ巻線22は3相の巻線を備える。ステータ巻線22からは3相の巻線導線が引き出され、出力側インバータ回路28に接続される。
The stator winding 22 attached to the
ステータ巻線22に3相交流電圧が印加されることで、筒状筐体14内に回転磁界が発生する。これによって出力側ロータ12はトルクを発生する。また、入力側ロータ10は、出力側ロータ12との間に作用する電磁気力によってトルクを発生する。
When a three-phase AC voltage is applied to the stator winding 22, a rotating magnetic field is generated in the
入力側ロータ10および出力側ロータ12の各トルクは、ロータ巻線18およびステータ巻線22のそれぞれに与える電力を調整することで制御することができる。このトルク制御は、後述するように、蓄電器26、整流昇圧/インバータ回路42、整流回路38、昇圧コンバータ回路40、出力側インバータ回路28等を用いて行う。
The torques of the
出力側ロータ12の一端の開口にはクラッチ筐体30が取り付けられる。クラッチ筐体30は、出力側ロータ12側を臨む開口の形状を出力側ロータ12の開口形状と同一とし、出力側ロータ12とは反対側を臨む開口が終端板で塞がれた蓋付き筒形状を有する。クラッチ筐体30の内側壁面には、筒形状中心軸に垂直な板面を有し、エンジンシャフト貫通穴が開けられた出力側クラッチ板32が取り付けられる。クラッチ筐体30の終端板の中心には、板面に垂直に出力軸34が取り付けられる。
A
エンジンシャフト16は入力側ロータ10の中心軸を貫通すると共に、出力側クラッチ板32に開けられたエンジンシャフト貫通穴を貫通する。エンジンシャフト16には、エンジンシャフト16に垂直な板面を有し、エンジンシャフト16に貫かれると共に、出力側クラッチ板32を挟む2枚のエンジンシャフトクラッチ板36が取り付けられる。
The
エンジンシャフトクラッチ板36は、出力側クラッチ板32との間で接触/解放制御がされる。エンジンシャフトクラッチ板36を出力側クラッチ板32から解放した場合、入力側ロータ10と出力側ロータ12との回転速度差を許容することができる。したがって、入力側ロータ10と出力側ロータ12との間に電磁気力を作用させることができ、入力側ロータ10との間の電磁気力の作用によるトルクを出力側ロータ12に発生させることができる。これに加えて、出力側ロータ12には、ステータ巻線22との間の電磁気力の作用によるトルクを発生させることができる。これによって、ステータ巻線22から発生した回転磁界によるトルクとエンジントルクとを出力側ロータ12において合成することができる。
The engine shaft
一方、エンジンシャフトクラッチ板36を出力側クラッチ板32に接触させた場合、入力側ロータ10と出力側ロータ12は、同一の回転速度で回転する。したがって、入力側ロータ10と出力側ロータ12との間の電磁気力の作用はなく、エンジンシャフト16のトルクを出力側ロータ12に直接伝達することができる。また、出力側ロータ12には、ステータ巻線22との間の電磁気力の作用によるトルクを合成することができる。出力側ロータ12のトルクは出力軸34を介してハイブリッド車両の車輪に伝達される。
On the other hand, when the engine shaft
このような構成によれば、発進時にはエンジンシャフトクラッチ板36を出力側クラッチ板32から解放しエンジン48を停止させた状態で、出力側ロータ12とステータ巻線22との間の電磁気力の作用によるトルクによってハイブリッド車両を加速させることができる。ハイブリッド車両が発進し、所定速度に達したときには、入力側ロータ10と出力側ロータ12との間の電磁気力の作用によるトルクによってエンジン48を始動し、ステータ巻線22から発生した回転磁界によるトルクとエンジントルクとを出力側ロータ12において合成し、合成トルクによってハイブリッド車両を走行させることができる。さらに、エンジンシャフトクラッチ板36を出力側クラッチ板32に接触させ、エンジン48単独の駆動力、またはエンジン48の駆動力および出力側ロータ12による電磁気力に基づく合成トルクによって、ハイブリッド車両を走行させることができる。エンジンは低速回転時のエネルギー効率が低い。したがって、低速走行時にエンジン駆動を行わないことで、低速走行時のエネルギー効率を向上させることができる。このような走行制御は、次に説明する回路構成によって行うことができる。
According to such a configuration, the electromagnetic shaft acts between the output-
図2にハイブリッド車両駆動装置100の回路構成を示す。図12の電力制御装置の構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を簡略に行う。
FIG. 2 shows a circuit configuration of the hybrid
上記のように、出力側インバータ回路28は、蓄電器26と共にステータ巻線22との間で電力を授受する電力交換部として機能する。出力側インバータ回路28の3相交流電力端子T9はステータ巻線22に接続される。出力側インバータ回路28は、直流正極端子T7および直流負極端子T8からステータ巻線22に供給される電力、またはステータ巻線22から直流正極端子T7および直流負極端子T8に出力される電力を、制御部50の制御に基づいて調整する。
As described above, the output-
整流回路38および昇圧コンバータ回路40は、ロータ巻線18が発生した交流電力を直流電力に変換し、蓄電器26および出力側インバータ回路28へと供給する単方向電力変換部として機能する。
The
ロータ巻線18を構成する各相巻線は、インダクタ18Lと発電電圧源18eが直列接続された等価回路によって表される。インダクタ18Lは、相巻線が有するインダクタンスに対応し、発電電圧源18eの出力電圧は、出力側ロータ12との間の電磁誘導作用よる発電電圧に対応する。
Each phase winding constituting the rotor winding 18 is represented by an equivalent circuit in which an
整流回路38はロータ巻線18の発電電圧を整流し、整流によって得られた直流電圧を昇圧コンバータ回路40に出力する。整流回路38は、整流ダイオードD11〜D16を備える。整流ダイオードD11のアノード端子は、整流ダイオードD2のカソード端子に接続される。整流ダイオードD13のアノード端子は、整流ダイオードD14のカソード端子に接続される。整流ダイオードD15のアノード端子は、整流ダイオードD16のカソード端子に接続される。
The
ロータ巻線18から引き出された3相の巻線導線U,V,およびWは、それぞれ、整流ダイオードD11とD12との接続節点、整流ダイオードD12とD13との接続節点、および整流ダイオードD12とD13との接続節点に接続される。整流ダイオードD11,D13,およびD15のカソード端子は、正極出力端子T1に接続される。整流ダイオードD12,D14,およびD16のアノード端子は、負極出力端子T2に接続される。正極出力端子T1および負極出力端子T2は、それぞれ、昇圧コンバータ回路40の正極端子T3および負極端子T4に接続される。
Three-phase winding conductors U, V, and W drawn from the rotor winding 18 are respectively connected to a connection node between the rectification diodes D11 and D12, a connection node between the rectification diodes D12 and D13, and the rectification diodes D12 and D13. Connected to the connection node. The cathode terminals of the rectifier diodes D11, D13, and D15 are connected to the positive electrode output terminal T1. The anode terminals of the rectifier diodes D12, D14, and D16 are connected to the negative output terminal T2. The positive output terminal T1 and the negative output terminal T2 are connected to the positive terminal T3 and the negative terminal T4 of the
巻線導線Uと巻線導線Vとの間の電圧の大きさが、整流回路38の正極出力端子T1と負極出力端子T2との間の直流電圧よりも大きく、この相間電圧が巻線導線U側を正とする場合、整流ダイオードD11およびD14が導通する。巻線導線Uと巻線導線Vとの間の電圧の大きさが正極出力端子T1と負極出力端子T2との間の直流電圧よりも大きく、この相間電圧が巻線導線V側を正とする場合、整流ダイオードD13およびD12が導通する。
The magnitude of the voltage between the winding conductor U and the winding conductor V is larger than the DC voltage between the positive electrode output terminal T1 and the negative electrode output terminal T2 of the
巻線導線Vと巻線導線Wとの間の電圧の大きさが正極出力端子T1と負極出力端子T2との間の直流電圧よりも大きく、この相間電圧が巻線導線V側を正とする場合、整流ダイオードD13およびD16が導通する。巻線導線Vと巻線導線Wとの間の電圧の大きさが正極出力端子T1と負極出力端子T2との間の直流電圧よりも大きく、この相間電圧が巻線導線W側を正とする場合、整流ダイオードD15およびD14が導通する。 The magnitude of the voltage between the winding conductor V and the winding conductor W is larger than the DC voltage between the positive electrode output terminal T1 and the negative electrode output terminal T2, and this interphase voltage is positive on the winding conductor V side. In this case, the rectifier diodes D13 and D16 are conducted. The magnitude of the voltage between the winding conductor V and the winding conductor W is larger than the DC voltage between the positive electrode output terminal T1 and the negative electrode output terminal T2, and this interphase voltage is positive on the winding conductor W side. In this case, the rectifier diodes D15 and D14 are conducted.
巻線導線Wと巻線導線Uとの間の電圧の大きさが正極出力端子T1と負極出力端子T2との間の直流電圧よりも大きく、この相間電圧が巻線導線W側を正とする場合、整流ダイオードD15およびD12が導通する。巻線導線Wと巻線導線Uとの間の電圧の大きさが正極出力端子T1と負極出力端子T2との間の直流電圧よりも大きく、この相間電圧が巻線導線U側を正とする場合、整流ダイオードD11およびD16が導通する。 The magnitude of the voltage between the winding conductor W and the winding conductor U is larger than the DC voltage between the positive electrode output terminal T1 and the negative electrode output terminal T2, and this interphase voltage is positive on the winding conductor W side. In this case, the rectifier diodes D15 and D12 are turned on. The magnitude of the voltage between the winding conductor W and the winding conductor U is larger than the DC voltage between the positive electrode output terminal T1 and the negative electrode output terminal T2, and this interphase voltage is positive on the winding conductor U side. In this case, the rectifier diodes D11 and D16 become conductive.
他方、各相間電圧の大きさが正極出力端子T1と負極出力端子T2との間の直流電圧以下であるときは、整流ダイオードD11〜D16は導通しない。 On the other hand, when the magnitude of each interphase voltage is equal to or less than the DC voltage between the positive electrode output terminal T1 and the negative electrode output terminal T2, the rectifier diodes D11 to D16 do not conduct.
このような動作によって、ロータ巻線18が出力する3相交流電圧は直流電圧に変換され、昇圧コンバータ回路40に出力される。
By such an operation, the three-phase AC voltage output from the rotor winding 18 is converted into a DC voltage and output to the
昇圧コンバータ回路40は、整流回路38から出力された電圧を昇圧する。昇圧コンバータ回路40は、半導体スイッチS1、フリーホイールダイオードD1、および整流ダイオードD2を備える。半導体スイッチS1としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、その他のバイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ等を用いることができる。以下に説明するその他の半導体スイッチについても同様である。ここでは、半導体スイッチとしてIGBTを採用した例を取り上げる。
The
半導体スイッチS1のコレクタ端子は正極端子T3に接続される。半導体スイッチS1のエミッタ端子は、負極端子T4および昇圧負極端子T6に接続される。半導体スイッチS1のゲート端子は制御部50に接続される。また、半導体スイッチS1のエミッタ端子には、フリーホイールダイオードD1のアノード端子が接続され、半導体スイッチS1のコレクタ端子には、フリーホイールダイオードD1のカソード端子が接続される。
The collector terminal of the semiconductor switch S1 is connected to the positive terminal T3. The emitter terminal of the semiconductor switch S1 is connected to the negative terminal T4 and the boost negative terminal T6. The gate terminal of the semiconductor switch S1 is connected to the
整流ダイオードD2のアノード端子は半導体スイッチS1のコレクタ端子に接続され、整流ダイオードD2のカソード端子は、昇圧正極端子T5に接続される。昇圧正極端子T5は、蓄電器26の正極および出力側インバータ回路28の直流正極端子T7に接続され、昇圧負極端子T6は、蓄電器26の負極および出力側インバータ回路28の直流負極端子T8に接続される。
The anode terminal of the rectifier diode D2 is connected to the collector terminal of the semiconductor switch S1, and the cathode terminal of the rectifier diode D2 is connected to the boosting positive terminal T5. The boosting positive terminal T5 is connected to the positive electrode of the
制御部50は、半導体スイッチS1のゲート端子の電圧を制御することにより、コレクタ端子とエミッタ端子との間のオンオフ制御を行う。整流回路38から正極端子T3と負極端子T4との間に直流電圧が印加されているときに、半導体スイッチS1をオンにすると、整流ダイオードD11〜D16のうち導通状態にあるものに接続されている相巻線(以下、導通相巻線とする。)に電流が流れる。その後、半導体スイッチS1をオフにすると、電流変化に基づく誘導起電力が導通相巻線に発生する。
The
導通相巻線に接続された発電電圧源18eの出力電圧に誘導起電力が加算された電圧が、昇圧正極端子T5と昇圧負極端子T6との間の電圧より大きいときは、整流ダイオードD2が導通し、昇圧正極端子T5と昇圧負極端子T6との間に発電電圧源18eの出力電圧に誘導起電力が加算された電圧が出力される。これによって、ロータ巻線18において生じた3相交流電圧を整流し、整流電圧を昇圧した電圧によって、蓄電器26および出力側ロータインバータ回路28に直流電力を供給することができる。
When the voltage obtained by adding the induced electromotive force to the output voltage of the power
一方、導通相巻線に接続された発電電圧源18eの出力電圧に誘導起電力が加算された電圧が、昇圧正極端子T5と昇圧負極端子T6との間の電圧以下であるときは、整流ダイオードD2が遮断され、蓄電器26および出力側ロータインバータ回路28から昇圧コンバータ回路40への電力流入を回避することができる。
On the other hand, when the voltage obtained by adding the induced electromotive force to the output voltage of the power
昇圧正極端子T5と昇圧負極端子T6との間の電圧は、半導体スイッチS1のスイッチング周期に対するオン時間の比率を示すデューティ比を変化させることによって調整することができる。制御部50が、昇圧正極端子T5と昇圧負極端子T6との間の電圧を、蓄電器26の出力電圧を超える電圧に調整した場合には、昇圧正極端子T5および昇圧負極端子T6から蓄電器26および出力側インバータ回路28に電力を供給することができる。
The voltage between the boosting positive terminal T5 and the boosting negative terminal T6 can be adjusted by changing the duty ratio indicating the ratio of the on-time to the switching period of the semiconductor switch S1. When the
なお、フリーホイルダイオードD1は、半導体スイッチS1のコレクタ端子とエミッタ端子との間に逆方向バイアスの誘導起電力が発生することで導通する。これによって、出力電圧のリップル成分を低減することができる。 The freewheel diode D1 becomes conductive when an induced electromotive force having a reverse bias is generated between the collector terminal and the emitter terminal of the semiconductor switch S1. As a result, the ripple component of the output voltage can be reduced.
蓄電器26には、繰り返し充放電が可能なリチウムイオン電池等の二次電池を用いることができる。蓄電器26は、自らの出力電圧と、蓄電器26に接続された回路の出力電圧との関係に応じて、充電または放電を行う。
As the
出力側インバータ回路28、蓄電器26、整流回路38、および昇圧コンバータ回路40によれば、次のような制御を行うことができる。
According to the output
まず、エンジンシャフトクラッチ板36を出力側クラッチ板32から解放した場合について説明する。制御部50は、走行制御に応じて、出力側インバータ回路28からステータ巻線22に出力される3相交流電圧の大きさおよび周波数を調整し、筒状筐体14の内側に発生させる回転磁界の大きさおよび回転速度を調整する。これによって走行制御に応じた回転磁界を発生させ、それに応じたトルクを出力側ロータ12に作用させてハイブリッド車両を駆動することができる。
First, the case where the engine shaft
エンジン回転時には、入力側ロータ10はエンジンシャフト16と共に回転する。入力側ロータ10と出力側ロータ12との回転速度差がある場合、ロータ巻線18に交流発電電圧が発生する。制御部50は、ロータ巻線18に発生する交流発電電圧を整流および昇圧し、蓄電器26および出力側インバータ回路28に出力するよう昇圧コンバータ回路40を制御する。これによって、蓄電器26および出力側インバータ回路28に発電電力を供給することができる。さらに、蓄電器26に供給する電力によって蓄電器26を充電することができる。
When the engine rotates, the
次に、エンジンシャフトクラッチ板36を出力側クラッチ板32に接触させた場合には、エンジンシャフト16のトルクは出力側ロータ12に直接伝達される。さらに、出力側ロータ12には、ステータ巻線22との間の電磁気力の作用によるトルクが合成される。これによって、エンジン48の駆動力およびステータ巻線22による電磁気力による合成トルクによってハイブリッド車両を駆動することができる。
Next, when the engine shaft
エンジン48を始動するための回路構成につき説明する。ハイブリッド車両駆動装置100においては、出力側ロータ12が回転し、エンジンシャフトクラッチ板36を出力側クラッチ板32から解放しエンジン48を停止させている状態において、エンジン48を始動することができる。この場合、整流昇圧/インバータ回路42からロータ巻線18に電力を供給し、入力側ロータ10にトルクを発生させることでエンジン48を始動する。
A circuit configuration for starting the
整流昇圧/インバータ回路42は、蓄電器26若しくは出力側インバータ回路28からロータ巻線18に電力を供給し、または、ロータ巻線18から蓄電器26若しくは出力側インバータ回路28に電力を供給することができる。すなわち、整流昇圧/インバータ回路42は、ロータ巻線18と蓄電器26および出力側インバータ回路28との間において、双方向電力変換部として機能する。エンジン始動時には、整流昇圧/インバータ回路42は、蓄電器26若しくは出力側インバータ回路28からロータ巻線18に電力を供給するよう機能する。
The rectifying booster /
整流昇圧/インバータ回路42は、半導体スイッチS21〜S26を備える。半導体スイッチS21のエミッタ端子は、半導体スイッチS22のコレクタ端子に接続される。半導体スイッチS23のエミッタ端子は、半導体スイッチS24のコレクタ端子に接続される。半導体スイッチS25のエミッタ端子は、半導体スイッチS26のコレクタ端子に接続される。各半導体スイッチのゲート端子は制御部50に接続される。
The rectification booster /
半導体スイッチS21とS22との接続節点、半導体スイッチS22とS23との接続節点、および半導体スイッチS22とS23との接続節点は、それぞれ、ロータ巻線18から引き出された3相の巻線導線U,V,およびWに接続される。 The connection node between the semiconductor switches S21 and S22, the connection node between the semiconductor switches S22 and S23, and the connection node between the semiconductor switches S22 and S23 are respectively three-phase winding conductors U, drawn from the rotor winding 18, Connected to V and W.
半導体スイッチS21,S23,およびS25のコレクタ端子は、直流正極端子T10に接続される。半導体スイッチS22,S24,およびS26のエミッタ端子は、直流負極端子T11に接続される。半導体スイッチS21〜S26のコレクタ端子とエミッタ端子との間には、それぞれ、エミッタ端子側をアノード端子側にしてフリーホイールダイオードD21〜D26が接続される。 The collector terminals of the semiconductor switches S21, S23, and S25 are connected to the DC positive terminal T10. The emitter terminals of the semiconductor switches S22, S24, and S26 are connected to the DC negative terminal T11. Free wheel diodes D21 to D26 are connected between the collector terminals and the emitter terminals of the semiconductor switches S21 to S26, respectively, with the emitter terminal side being the anode terminal side.
直流正極端子T10は、半導体スイッチS3および整流ダイオードD3を介して蓄電器26の正極に接続され、直流負極端子T11は蓄電器26の負極に接続される。半導体スイッチS3のコレクタ端子は直流負極端子T10に接続され、半導体スイッチS3のエミッタ端子は蓄電器26の正極に接続される。半導体スイッチS3のコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子側をアノード端子として整流ダイオードD3が接続される。半導体スイッチS3のゲート端子は制御部50に接続され、制御部50は、ゲート端子の電圧を制御することで半導体スイッチS3をオンまたはオフに制御する。
The DC positive terminal T10 is connected to the positive electrode of the
半導体スイッチS21およびS24をオンにすることで、巻線導線UとVとの間には巻線導線U側を正として電圧が出力される。半導体スイッチS23およびS22をオンにすることで、巻線導線UとVとの間には巻線導線V側を正として電圧が出力される。半導体スイッチS23およびS26をオンにすることで、巻線導線VとWとの間には巻線導線V側を正として電圧が出力される。半導体スイッチS25およびS24をオンにすることで巻線導線VとWとの間には巻線導線W側を正として電圧が出力される。半導体スイッチS25およびS22をオンにすることで、巻線導線WとUとの間には巻線導線W側を正として電圧が出力される。半導体スイッチS26およびS21をオンにすることで、巻線導線WとUとの間には巻線導線U側を正として電圧が出力される。 By turning on the semiconductor switches S21 and S24, a voltage is output between the winding conductors U and V with the winding conductor U side being positive. By turning on the semiconductor switches S23 and S22, a voltage is output between the winding conductors U and V with the winding conductor V side being positive. By turning on the semiconductor switches S23 and S26, a voltage is output between the winding conductors V and W with the winding conductor V side being positive. By turning on the semiconductor switches S25 and S24, a voltage is output between the winding conductors V and W with the winding conductor W side being positive. By turning on the semiconductor switches S25 and S22, a voltage is output between the winding conductors W and U with the winding conductor W side being positive. By turning on the semiconductor switches S26 and S21, a voltage is output between the winding conductors W and U with the winding conductor U side being positive.
制御部50は、このようなスイッチング状態の組み合わせを時間と共に変化させる。これによって、整流昇圧/インバータ42は、巻線導線U,V,およびWに3相交流電圧を出力することができる。
The
フリーホイールダイオードD21〜D26は、それぞれ、半導体スイッチS21〜S26のコレクタ端子とエミッタ端子との間に逆方向バイアスの誘導起電力が発生することで導通する。これによって、出力電圧のリップル成分を低減することができる。 The freewheel diodes D21 to D26 are brought into conduction when an induced electromotive force of reverse bias is generated between the collector terminal and the emitter terminal of the semiconductor switches S21 to S26, respectively. As a result, the ripple component of the output voltage can be reduced.
エンジンシャフトクラッチ板36を出力側クラッチ板32から解放しエンジン48を停止させている状態において、エンジン48を始動する場合、制御部50は、整流昇圧/インバータ回路42からロータ巻線18に電力を供給するよう整流昇圧/インバータ回路42を制御する。これによって、ロータ巻線18に電流が流れ、入力側ロータ10は、出力側ロータ12との間の電磁気力の作用によりトルクを発生する。発生したトルクはエンジンシャフト16によってエンジン48に伝達される。これによって、エンジン48を始動することができる。
When starting the
昇圧コンバータ回路40が備える半導体スイッチS1の許容電力容量は、ロータ巻線18から蓄電器26および出力側インバータ回路28に供給する発電電力に基づいて定める。また、整流昇圧/インバータ42が備える半導体スイッチS21〜S26の許容電力容量は、蓄電器26および出力側インバータ回路28からロータ巻線18に供給するエンジン始動電力に基づいて定める。
The allowable power capacity of the semiconductor switch S1 included in the
ハイブリッド車両では、エンジン始動電力の最大値は発電電力の最大値よりも小さい。したがって、整流昇圧/インバータ回路42の半導体スイッチS21〜S26には、昇圧コンバータ回路40の半導体スイッチS1の許容電力容量よりも小さい許容電力容量を有するものを採用することができる。
In a hybrid vehicle, the maximum value of engine starting power is smaller than the maximum value of generated power. Therefore, as the semiconductor switches S21 to S26 of the rectifying booster /
図12に示す従来の入力側インバータ回路24に6個の半導体スイッチを採用した場合、発電電力に基づいて許容電力容量が決定された大型の半導体スイッチが6個必要となる。本実施形態によれば、許容電力容量の大きい1個の半導体スイッチS1と、許容電力容量の小さい6個の半導体スイッチS21〜S26を採用する。そのため、入力側インバータ回路24に許容電力容量の大きい6個の半導体スイッチを採用した従来のハイブリッド車両駆動装置に比べて規模を小型化することができる。
When six semiconductor switches are employed in the conventional input
次に、エネルギー効率を向上させる制御について図3のフローチャートを参照して説明する。一般に、スイッチング素子を採用する回路では、スイッチング制御に伴う損失が発生する。この損失は、スイッチング制御の周波数を一定とすれば、入出力電力に拘わらずほぼ一定の値となる。したがって、昇圧コンバータ回路40の入力電力が小さいときには、入力電力から損失として奪われる割合が高くなり、昇圧動作におけるエネルギー効率が低下するという問題が生じる。そこで、本実施形態に係るハイブリッド車両駆動装置100では、ロータ巻線18の発電電力に応じた制御を行う。なお、ここでは、エンジンシャフトクラッチ板36が出力側クラッチ板32から解放され、入力側ロータ10と出力側ロータ12とに回転速度差がある場合を想定する。
Next, control for improving energy efficiency will be described with reference to the flowchart of FIG. Generally, in a circuit that employs a switching element, a loss associated with switching control occurs. This loss has a substantially constant value regardless of the input / output power if the switching control frequency is constant. Therefore, when the input power of the
発電電力センサ52は、ロータ巻線18の発電電力を検出し、発電電力検出値Pを制御部50に出力する。制御部50は、発電電力検出値Pを読み込み(S101)、発電電力検出値Pと所定の閾値αとを比較する(S102)。制御部50は、発電電力検出値Pが閾値αよりも大きいときは、半導体スイッチS3をオフにし(S103)、整流昇圧/インバータ回路42の半導体スイッチS21〜S26をオフにする(S104)。そして、ロータ巻線18に発生する交流発電電圧を整流および昇圧し、蓄電器26および出力側インバータ回路28に出力するよう、昇圧コンバータ回路40を制御する(S105)。これによって、蓄電器26および出力側インバータ回路28に発電電力が供給される。
The generated
一方、制御部50は、発電電力検出値Pが閾値α以下であるときは、半導体スイッチをS3オンにし(S106)、昇圧コンバータ回路40の半導体スイッチS1をオフにする(S107)。そして、次に説明するように、整流昇圧/インバータ回路42の部分的PWM(Pulse Width Modulation)制御を行う(S108)。
On the other hand, when the generated power detection value P is less than or equal to the threshold value α, the
相電圧センサVu,Vv,およびVwは、それぞれ、中性点Nの電圧を基準とした巻線導線U,V,およびWの相電圧を検出する。そして、U相電圧検出値eu、V相電圧検出値ev、および、W相電圧検出値ewを制御部50に出力する。
Phase voltage sensors Vu, Vv, and Vw detect the phase voltages of winding conductors U, V, and W, respectively, with reference to the voltage at neutral point N. Then, U-phase voltage detection value eu, V-phase voltage detection value ev, and W-phase voltage detection value ew are output to control
制御部50は、U相電圧検出値euが正から負に変化する負方向ゼロクロスタイミングから所定時間t1経過後に半導体スイッチD21をオンにし、所定時間t2だけオンを維持した後、オフにする。そして、U相電圧検出値euが負から正に変化する正方向ゼロクロスタイミングから所定時間t1経過後に半導体スイッチS22をオンにし、所定時間t2だけオンを維持した後、オフにする。制御部50は、同様に、V相電圧検出値evの負方向ゼロクロスタイミングおよび正方向ゼロクロスタイミングに従うタイミングで、それぞれ、半導体スイッチS23およびS24を制御し、W相電圧検出値ewの負方向ゼロクロスタイミングおよび正方向ゼロクロスタイミングに従うタイミングで、それぞれ、半導体スイッチS25およびS26を制御する。
The
図4は、半導体スイッチS21および半導体スイッチS22の制御タイミングをU相電圧検出値と共に示したものである。図4の横軸は時間を示し縦軸は電圧を示す。時間波形euはU相電圧検出値を示し、時間波形g21およびg22は、それぞれ、半導体スイッチS21およびS22のゲート端子電圧を示す。ゲート端子電圧は、高電圧側が半導体スイッチのオン電圧であり、低電圧側が半導体スイッチのオフ電圧である。半導体スイッチS23および半導体スイッチS24の制御タイミングおよび半導体スイッチS25および半導体スイッチS26の制御タイミングについては、図4の時間波形を3分の1周期間隔で右方向に移動させた時間波形を以て示すことができる。 FIG. 4 shows the control timing of the semiconductor switch S21 and the semiconductor switch S22 together with the U-phase voltage detection value. The horizontal axis in FIG. 4 indicates time, and the vertical axis indicates voltage. The time waveform eu shows the U-phase voltage detection value, and the time waveforms g21 and g22 show the gate terminal voltages of the semiconductor switches S21 and S22, respectively. As for the gate terminal voltage, the high voltage side is the ON voltage of the semiconductor switch, and the low voltage side is the OFF voltage of the semiconductor switch. With respect to the control timing of the semiconductor switch S23 and the semiconductor switch S24 and the control timing of the semiconductor switch S25 and the semiconductor switch S26, the time waveform shown in FIG. 4 can be shown as a time waveform moved to the right at one-third cycle intervals. .
部分的PWM制御によれば、ロータ巻線18の各相巻線を昇圧用のインダクタとして用い、上下に接続された2つの半導体スイッチの組を昇圧用のスイッチング素子として用いることができる。これによって、各相巻線の発電電圧に誘導起電力を加えた直流電圧を直流正極端子T10および直流負極端子T11から出力することができる。 According to the partial PWM control, each phase winding of the rotor winding 18 can be used as a boosting inductor, and a set of two semiconductor switches connected up and down can be used as a boosting switching element. As a result, a DC voltage obtained by adding an induced electromotive force to the generated voltage of each phase winding can be output from the DC positive terminal T10 and the DC negative terminal T11.
目標昇圧電圧は、発電電力検出値Pに応じて上記時間t1およびt2を調整することで制御することができる。制御部50は、発電電力検出値Pと時間t1およびt2との関係を示すテーブルを記憶するものとする。そして、部分的PWM制御に際しては、発電電力センサ52から取得した発電電力検出値Pに対応する時間t1およびt2をそのテーブルを参照して求め、求められた時間t1およびt2に従う昇圧/インバータ回路42の制御を行う。
The target boost voltage can be controlled by adjusting the times t1 and t2 according to the generated power detection value P. The
このような制御によれば、ロータ巻線18の発電電力が閾値αより大きいときは、発電電力は、整流回路38および昇圧コンバータ回路40を介して蓄電器26および出力側インバータ回路28に供給される。一方、ロータ巻線18の発電電力が閾値α以下であるときは、発電電力は、部分的PWM制御により、整流昇圧/インバータ回路42を介して蓄電器26および出力側インバータ回路28に供給される。
According to such control, when the generated power of the rotor winding 18 is larger than the threshold value α, the generated power is supplied to the
昇圧コンバータ回路40が、1個の半導体スイッチS1を用いるのに対し、整流昇圧/インバータ回路42は、上下に接続される半導体スイッチを3組用いる。そのため、昇圧後の電圧が両回路で同一であり、昇圧電圧に含まれるリップル成分を両回路で同程度とする場合、整流昇圧/インバータ回路42の方が昇圧コンバータ回路40に比べて、一つの半導体スイッチにおけるスイッチング周波数を低くすることができる。
While the
半導体スイッチは、スイッチング周波数が低い程、スイッチング制御に伴う損失が少ない。そのため、許容電力容量が許す限り、整流昇圧/インバータ回路42を用いる方が昇圧コンバータ回路40を用いる場合に比べて、スイッチング制御に伴う損失を少なくすることができる。
In semiconductor switches, the lower the switching frequency, the less loss associated with switching control. Therefore, as long as the allowable power capacity permits, the loss associated with the switching control can be reduced by using the rectifying booster /
したがって、ロータ巻線18の発電電力が小さいときに、ロータ巻線18から整流昇圧/インバータ回路42を介して、蓄電器26および出力側インバータ回路28に電力を供給することで、発電電力から損失として奪われる電力の割合を低減することができる。これによってエネルギー効率を向上することができる。
Therefore, when the generated power of the rotor winding 18 is small, power is supplied from the rotor winding 18 to the
なお、閾値αは、ロータ巻線18から整流昇圧/インバータ回路42に供給することのできる最大電力に基づいて決定することが好ましい。この最大電力は、整流昇圧/インバータ回路42の各半導体スイッチの許容電力容量に基づいて定めることができる。
The threshold value α is preferably determined based on the maximum power that can be supplied from the rotor winding 18 to the rectifying booster /
また、上記では、時間t2の間、半導体スイッチのオン状態を維持する制御について採り上げた。このような制御の他、時間t2の間、所定の周期およびデューティ比を以て半導体スイッチのオンオフ制御を行う制御を採用してもよい。 In the above description, the control for maintaining the on state of the semiconductor switch for the time t2 is described. In addition to such control, control for performing on / off control of the semiconductor switch with a predetermined period and duty ratio during time t2 may be employed.
次に、第2の実施形態に係るハイブリッド車両駆動装置について説明する。図5に第2の実施形態に係るハイブリッド車両駆動装置102の構成を示す。図1に示す構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
Next, a hybrid vehicle drive device according to a second embodiment will be described. FIG. 5 shows the configuration of the hybrid
ハイブリッド車両駆動装置102は、ハイブリッド車両駆動装置100の導電性リング44およびコレクタバネ46を、副入力側ロータ54および副筒状筐体58に置き換えたものである。ロータ巻線18と整流昇圧/インバータ回路42および整流回路38との間の電気的接続は、副入力側ロータ54に設けられた副ロータ巻線56と副筒状筐体58に設けられた副ステータ巻線60との間の電磁誘導作用によって行う。
The hybrid
円柱形状の副入力側ロータ54は、中心軸位置がエンジンシャフト16と一致するようエンジンシャフト16に取り付けられる。副入力側ロータ54にはその周方向に回転磁界を発生させる副ロータ巻線56が取り付けられる。副ロータ巻線56は3相の巻線を備え、各相巻線はロータ巻線18から引き出された対応する巻線導線に接続される。
The columnar sub-input-
副筒状筐体58は、副入力側ロータ54と中心軸位置が一致するよう配置される。副筒状筐体58には、内部に回転磁界を発生させる副ステータ巻線60が取り付けられる。副ステータ巻線60は3相の巻線を備える。副ステータ巻線60からは3相の巻線導線が引き出され、整流回路38および整流昇圧/インバータ回路42に接続される。
The
入力側ロータ10と出力側ロータ12との間の電磁気力の作用によって、ロータ巻線18および副ロータ巻線56には電磁誘導作用による電流が流れる。これによって、副入力側ロータ54の外周には回転磁界が発生する。この回転磁界によって、副ステータ巻線60に3相交流誘導起電力が発生する。
Due to the action of electromagnetic force between the input-
また、副ステータ巻線60に3相交流電圧が印加されることによって、副筒状筐体58の内部に回転磁界が発生する。これによって、副ロータ巻線56に電磁気力を作用させることができ、副入力側ロータ54およびエンジンシャフト16にトルクを発生させることができる。さらに、副ロータ巻線56およびロータ巻線18に流れる電流により、入力側ロータ10と出力側ロータ12との間に電磁気力によるトルクを作用させることができる。
In addition, when a three-phase AC voltage is applied to the auxiliary stator winding 60, a rotating magnetic field is generated inside the auxiliary
第3の実施形態に係るハイブリッド車両駆動装置について説明する。図6に第3の実施形態に係るハイブリッド車両駆動装置104の回路構成を示す。図2に示す構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
A hybrid vehicle drive device according to a third embodiment will be described. FIG. 6 shows a circuit configuration of the hybrid
整流昇圧/インバータ回路42の直流正極端子T10および直流負極端子T11は、それぞれ、昇圧コンバータ回路40の正極端子T3および負極端子T4に接続される。昇圧コンバータ回路40は、図2の昇圧コンバータ回路40に半導体スイッチS4を追加した構成を有する。半導体スイッチS4のコレクタ端子は整流ダイオードD2のカソード端子に接続され、半導体スイッチS4のエミッタ端子は整流ダイオードD2のアノード端子に接続される。半導体スイッチD4のゲート端子は制御部50に接続される。半導体スイッチS4は制御部50によってオンまたはオフに制御される。
DC positive terminal T10 and DC negative terminal T11 of rectifying boost /
エンジンシャフトクラッチ板36を出力側クラッチ板32から解放しエンジン48を停止させている状態において、エンジン48を始動する場合、制御部50は昇圧コンバータ回路40の半導体スイッチS4をオンにし、昇圧コンバータ回路40の半導体スイッチS1をオフにする。そして、整流昇圧/インバータ回路42からロータ巻線18に電力が供給されるよう整流昇圧/インバータ回路42を制御する。これによって、ロータ巻線18に電流が流れ、入力側ロータ10は、出力側ロータ12との間の電磁気力の作用によりトルクを発生する。発生したトルクはエンジンシャフト16からエンジン48に伝達される。これによって、エンジン48を始動することができる。
When the
エンジンシャフトクラッチ板36が出力側クラッチ板32から解放され、入力側ロータ10と出力側ロータ12に回転速度差があり、ロータ巻線18から整流昇圧/インバータ回路42に発電電力が供給される場合の制御について図7を参照して説明する。
When the engine shaft
制御部50は、半導体スイッチS4をオフにする(S201)。制御部50は、発電電力検出値Pを読み込み(S202)、発電電力検出値Pと所定の閾値αとを比較する(S203)。制御部50は、発電電力検出値Pが閾値αよりも大きいときは、整流昇圧/インバータ回路42の半導体スイッチS21〜S26をオフにする(S204)。これによって、整流昇圧/インバータ回路42のフリーホイールダイオードD21〜D26は、図2のハイブリッド車両駆動装置100における整流回路38と同一の回路を構成する。フリーホイールダイオードD21〜D26は、ロータ巻線18から出力される3相交流電圧を整流し、昇圧コンバータ回路40に出力する。
The
制御部50は、整流昇圧/インバータ回路42から出力された直流電圧を昇圧し、蓄電器26および出力側インバータ回路28に出力するよう、昇圧コンバータ回路40を制御する(S205)。これによって、蓄電器26および出力側インバータ回路28に発電電力が供給される。
The
一方、制御部50は、発電電力検出値Pが閾値α以下であるときは、昇圧コンバータ回路40の半導体スイッチS1をオフにする(S206)。これによって、半導体スイッチS1のコレクタ端子およびエミッタ端子の間は解放状態となる。制御部50は、上記のように、整流昇圧/インバータ回路42の半導体スイッチS21〜S26につき部分的PWM制御を行う(S207)。
On the other hand, when the generated power detection value P is equal to or smaller than the threshold value α, the
このような構成および動作によれば、第1の実施形態で用いられる整流回路38を省略することができる。これによって、ハイブリッド車両駆動装置を小型化することができる。また、第1の実施形態と同様、部分的PWM制御によってエネルギー効率を向上させることができる。
According to such a configuration and operation, the
なお、ここでは、整流昇圧/インバータ回路42にロータ巻線18を接続した構成について説明した。このような構成の他、本実施形態を図5の構成に応用し、整流昇圧/インバータ回路42に副ステータ巻線60を接続する構成としてもよい。
Here, the configuration in which the rotor winding 18 is connected to the rectifying booster /
図8に第3の実施形態に係る整流昇圧/インバータ回路42についてのシミュレーション結果を示す。横軸は時間を示し縦軸は電圧を示す。時間波形Euは、中性点Nの電圧を基準とした巻線導線Uの電圧を示す。時間波形G21およびG22は、それぞれ、部分的PWM制御を行った場合の半導体スイッチS21およびS22のゲート端子電圧を示す。時間波形Iuは、部分的PWM制御を行った場合の巻線導線Uに流れる電流を示す。時間波形V1は、部分的PWM制御を行った場合における直流正極端子T10と直流負極端子T11との間の電圧を示し、時間波形V2は、半導体スイッチS21〜S26をオフとし、整流昇圧/インバータ回路42を整流回路として動作させた場合における直流正極端子T10と直流負極端子T11との間の電圧を示す。
FIG. 8 shows a simulation result of the rectification booster /
次に、第4の実施形態について説明する。図9に第4の実施形態に係るハイブリッド車両駆動装置106の構成を示す。この実施形態は、第1の実施形態をいわゆるパラレルハイブリッドシステムに応用したものである。図2に示した構成部と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。
Next, a fourth embodiment will be described. FIG. 9 shows the configuration of the hybrid
ハイブリッド車両駆動装置106を搭載するハイブリッド車両は、発進時にはエンジン48を停止させた状態でモータ64のトルクによって加速する。ハイブリッド車両が発進し、所定速度に達したときにはエンジン48を始動し、エンジン48およびモータ64の合成トルクによって走行する。また、走行制御によりハイブリッド車両の速度が所定速度よりも低下したときは、エンジン48を停止し、モータ64のトルクによって走行する。走行中のエンジン48の始動は、モータ64とは別に備えられたモータジェネレータ62によって行われる。
A hybrid vehicle equipped with the hybrid
エンジン48、モータ64、およびモータジェネレータ62の各シャフトはプラネタリギアユニット66に取り付けられる。プラネタリギアユニット66は、エンジン48、モータ64およびモータジェネレータ62の相互間でトルクを伝達する。
The shafts of the
モータ64のシャフトには動力伝達機構68が取り付けられる。動力伝達機構68は、エンジン48、モータ64、およびモータジェネレータ62の相互間でトルクを作用した結果モータ64のシャフトに発生したトルクを、車輪74に伝達する。
A
モータジェネレータ62は、そのシャフトと共に回転するロータと、ロータとの間で電磁気力を作用させる3相ステータ巻線70を備える。モータジェネレータ62の3相ステータ巻線70から引き出された巻線導線U,V,およびWは、それぞれ、整流ダイオードD11とD12との接続節点、整流ダイオードD13とD14との接続節点、および整流ダイオードD15とD16との接続節点に接続される。また、整流昇圧/インバータ回路42の半導体スイッチS21とS22との接続節点、半導体スイッチS23とS24との接続節点、および半導体スイッチS25とS26との接続節点は、それぞれ、3相ステータ巻線70から引き出された巻線導線U,V,およびWに接続される。
The
モータ64は、そのシャフトと共に回転するロータと、ロータとの間で電磁気力を作用させる3相ステータ巻線72を備える。3相ステータ巻線72から引き出された巻線導線は出力側インバータ回路28に接続される。
The
モータジェネレータ62は、整流回路38または整流昇圧/インバータ回路42との間で授受される電力を調整することで制御することができる。モータ64は、出力側インバータ回路28との間で授受される電力を調整することで制御することができる。
The
ハイブリッド車両駆動装置106による駆動制御について説明する。エンジン48を停止し、モータジェネレータ62を空回り状態とすることにより、プラネタリギアユニット66はモータ64に対して無負荷状態となる。これによって、モータ64のトルクのみによる走行およびモータ64による回生発電制動が可能となる。
The drive control by the hybrid
また、モータ64の回転速度を一定に制御することにより、プラネタリギアユニット66はモータジェネレータ62からエンジン48にトルクを伝達することができる。これによって、モータジェネレータ62によるエンジン48の始動が可能となる。
Further, the
さらに、モータジェネレータ62の回転速度を一定に制御することで、プラネタリギアユニット66はエンジン48からモータ64にトルクを伝達することができる。これによって、エンジン48のトルクがモータ64のシャフトに加えられる。モータ64のシャフトのトルクは動力伝達機構68を介して車輪74に伝達される。これによって、エンジン48およびモータ64の合成トルクによる走行が可能となる。
Further, the
このような制御によって、ハイブリッド車両は、速度が所定速度より低いときにはエンジン48を停止した状態で、モータ64のトルクによって走行する。エンジン48は低速回転時のエネルギー効率が低い。したがって、低速走行時にエンジン駆動を行わないことで、低速走行時のエネルギー効率を向上させることができる。
By such control, the hybrid vehicle travels by the torque of the
ここでは、第1の実施形態をパラレルハイブリッドシステムに応用した実施形態について説明した。同様にして、第3の実施形態をパラレルハイブリッドシステムに応用することも可能である。この場合、図2の整流昇圧/インバータ回路42にモータジェネレータ62を接続し、出力側インバータ回路28にモータ64を接続した構成とすればよい。
Here, an embodiment in which the first embodiment is applied to a parallel hybrid system has been described. Similarly, the third embodiment can be applied to a parallel hybrid system. In this case, the
10 入力側ロータ、12 出力側ロータ、14 筒状筐体、16 エンジンシャフト、18 ロータ巻線、18L インダクタ、18e 発電電圧源、20 永久磁石、22 ステータ巻線、24 入力側インバータ回路、26 蓄電器、28 出力側インバータ回路、30 クラッチ筐体、32 出力側クラッチ板、34 出力軸、36 エンジンシャフトクラッチ板、38 整流回路、40 昇圧コンバータ回路、42 整流昇圧/インバータ回路、44 導電性リング、46 コレクタバネ、48 エンジン、50 制御部、52 発電電力センサ、54 副入力側ロータ、56 副ロータ巻線、58 副筒状筐体、60 副ステータ巻線、62 モータジェネレータ、64 モータ、66 プラネタリギアユニット、68 動力伝達機構、70,72 3相ステータ巻線、74 車輪。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
与えられた直流電力を交流電力に変換して前記第1巻線回路に与え、または前記第1巻線回路が発生する交流電力を直流電力に変換して出力する双方向電力変換部と、
前記第1巻線回路が発生する交流電力を直流電力に変換して出力する単方向電力変換部と、
前記双方向電力変換部および前記単方向電力変換部を制御する制御部と、
与えられた直流電力を充電し、または与えられた直流電力を交流電力に変換して前記第2巻線回路に与える第2巻線電力交換部と、
を備え、
前記制御部は、
前記双方向電力変換部が出力する直流電力を前記第2巻線電力交換部に与える状態、または前記単方向電力変換部が出力する直流電力を前記第2巻線電力交換部に与える状態のいずれかの状態となるよう、前記第1巻線回路が発生する電力に応じて前記双方向電力変換部および前記単方向電力変換部を制御することを特徴とする電力制御装置。 In a power control apparatus that performs power transfer between a first winding circuit and a second winding circuit that apply an electromagnetic force to a rotationally driven object,
A bi-directional power converter that converts the supplied DC power into AC power and applies it to the first winding circuit, or converts the AC power generated by the first winding circuit into DC power and outputs it;
A unidirectional power converter that converts the AC power generated by the first winding circuit into DC power and outputs the DC power;
A controller that controls the bidirectional power converter and the unidirectional power converter;
A second winding power exchanging unit that charges the supplied DC power or converts the supplied DC power into AC power and supplies the AC power to the second winding circuit;
With
The controller is
Either the state in which the DC power output from the bidirectional power converter is supplied to the second winding power exchange unit or the state in which the DC power output from the unidirectional power converter is supplied to the second winding power exchange unit A power control apparatus that controls the bidirectional power converter and the unidirectional power converter according to the power generated by the first winding circuit so as to achieve such a state.
前記制御部は、
前記第1巻線回路が発生する電力が所定の閾値より大きいときは、前記単方向電力変換部が出力する直流電力を前記第2巻線電力交換部に与える状態となるよう前記双方向電力変換部および前記単方向電力変換部を制御し、前記第1巻線回路が発生する電力が所定の閾値以下であるときは、前記双方向電力変換部が出力する直流電力を前記第2巻線電力交換部に与える状態となるよう前記双方向電力変換部および前記単方向電力変換部を制御することを特徴とする電力制御装置。 The power control apparatus according to claim 1,
The controller is
When the power generated by the first winding circuit is greater than a predetermined threshold, the bidirectional power conversion is performed so that the DC power output from the unidirectional power conversion unit is provided to the second winding power exchange unit. And the unidirectional power converter, and when the power generated by the first winding circuit is equal to or less than a predetermined threshold value, the DC power output by the bidirectional power converter is used as the second winding power. A power control apparatus that controls the bidirectional power conversion unit and the unidirectional power conversion unit to be in a state to be given to an exchange unit.
前記第2巻線電力交換部は、
与えられた直流電力を交流電力に変換して前記第2巻線回路に与えるインバータ回路と、
前記双方向電力変換部との間で直流電力の充放電を行い、前記単方向電力変換部から出力される直流電力を充電し、前記インバータ回路に直流電力を放電する蓄電器を備えることを特徴とする電力制御装置。 The power control apparatus according to claim 1 or 2,
The second winding power exchange unit is
An inverter circuit that converts the supplied DC power into AC power and applies the AC power to the second winding circuit;
It comprises a battery that charges and discharges DC power to and from the bidirectional power converter, charges DC power output from the unidirectional power converter, and discharges DC power to the inverter circuit. Power control device.
前記第1巻線回路は、
与えられた多相交流電力に基づいて磁界を発生し、与えられた磁界の変化に基づいて多相交流電力を発生する複数の相巻線を備え、
前記双方向電力変換部は、
直流電力から多相交流電力への変換または多相交流電力から直流電力への変換を行う複数のスイッチング素子を備え、
前記単方向電力変換部は、
与えられた多相交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、
スイッチング素子を備え前記整流回路から与えられた直流電圧を昇圧し出力する昇圧コンバータ回路と、
を備えることを特徴とする電力制御装置。 In the electric power control apparatus according to any one of claims 1 to 3,
The first winding circuit includes:
A plurality of phase windings for generating a magnetic field based on a given multiphase AC power and generating a multiphase AC power based on a change in the given magnetic field;
The bidirectional power converter is
A plurality of switching elements that perform conversion from DC power to multi-phase AC power or conversion from multi-phase AC power to DC power,
The unidirectional power converter is
A rectifier circuit for converting a given multiphase AC voltage into a DC voltage;
A boost converter circuit that includes a switching element and boosts and outputs a DC voltage applied from the rectifier circuit;
A power control apparatus comprising:
前記第1巻線回路を備え、エンジンシャフトに取り付けられた入力側ロータと、
前記エンジンシャフトを中心として前記入力側ロータの周りに永久磁石が周回配置されるよう永久磁石を支持する出力側ロータと、
前記第2巻線回路を備え、前記出力側ロータの回転軸を中心として前記出力側ロータの周りに磁界を発生するステータ巻線回路と、
を備える車両駆動システム。 The power control apparatus according to any one of claims 1 to 4,
An input-side rotor comprising the first winding circuit and attached to the engine shaft;
An output-side rotor that supports the permanent magnet so that the permanent magnet is arranged around the input-side rotor around the engine shaft;
A stator winding circuit that includes the second winding circuit and generates a magnetic field around the output-side rotor around the rotation axis of the output-side rotor;
A vehicle drive system comprising:
前記制御部は、
前記双方向電力変換部から前記第1巻線回路に交流電力が与えられるよう前記双方向電力変換部を制御して前記入力側ロータを回転駆動し、前記エンジンシャフトを有するエンジンを始動することを特徴とする車両駆動システム。 The vehicle drive system according to claim 5, wherein
The controller is
Controlling the bidirectional power converter so that AC power is applied to the first winding circuit from the bidirectional power converter to rotationally drive the input-side rotor and start the engine having the engine shaft. A vehicle drive system that is characterized.
エンジンと、
モータジェネレータと、
前記モータのシャフト、前記エンジンのシャフト、および前記モータジェネレータのシャフトが取り付けられ、これらのシャフトのトルクを合成するプラネタリギアユニットと、
を備える車両駆動システムにおいて、
請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電力制御装置を備え、
前記モータジェネレータは、前記第1巻線回路を備え、
前記モータは、前記第2巻線回路を備えることを特徴とする車両駆動システム。 A motor,
Engine,
A motor generator;
A planetary gear unit to which the shaft of the motor, the shaft of the engine, and the shaft of the motor generator are attached and synthesize torque of these shafts;
In a vehicle drive system comprising:
A power control device according to any one of claims 1 to 4, comprising:
The motor generator includes the first winding circuit,
The vehicle drive system, wherein the motor includes the second winding circuit.
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