JP7026571B2

JP7026571B2 - 電動車両

Info

Publication number: JP7026571B2
Application number: JP2018094199A
Authority: JP
Inventors: 信昭小林
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2018-05-16
Filing date: 2018-05-16
Publication date: 2022-02-28
Anticipated expiration: 2038-05-16
Also published as: JP2019201477A

Description

本発明は、走行中に非接触充電が可能な電動車両に関する。

ＥＶ（Electric Vehicle）などの電動車両は、走行用の電力を蓄積する高電圧バッテリと、走行用のモータと、高電圧バッテリの電力を受けてモータに駆動電流を出力するインバータとを有する。

特許文献１には、高電圧バッテリの充電システムにおいて、車両の外部から２００Ｖの商用電源を入力して高電圧バッテリを充電する技術が開示されている。この技術は、商用電源と高電圧バッテリとの間に、走行モータのコイルを流用した絶縁トランスを介在させることで、充電電力の伝送経路の絶縁設計を簡素にしている。

以前より、地上設備の送電コイルから電動車両の受電コイルへ非接触に電力を伝送して電動車両の高電圧バッテリを充電する非接触充電システムが知られている。さらに近年では、自動車用の道路に沿って送電コイルを連続的に設けた非接触充電レーンについて提案及び試験が行われている。受電コイルを持った電動車両が、非接触充電レーンを走行することで、連続的に設けられた送電コイルから受電コイルへ次々に電力が伝送されて、電動車両の走行中に高電圧バッテリを充電できる。

特開２０１４－１６１１４２号公報

走行中に非接触充電を行う場合でも、受電コイルが受けた電力を、走行モータの巻線を流用した絶縁トランスを介して高電圧バッテリへ送られるようにすることで、特許文献１に示されるように充電電力の伝送経路の絶縁設計を簡素にできる。しかしながら、電動車両の走行中、走行モータは回転駆動されるため、走行モータのコイルを流用して絶縁トランスを設けることは不可能であると思われた。

本発明は、走行中の非接触充電を可能としかつ充電電力の伝送経路の絶縁設計を簡素化できる電動車両を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、電動車両であって、
各々単独の駆動で電動車両を走らせることが可能な第１駆動輪及び第２駆動輪と、
走行用の電力を蓄積するバッテリと、
前記第１駆動輪及び前記第２駆動輪のそれぞれの動力を発生する第１モータ及び第２モータと、
前記第１モータと前記バッテリとの間で電力を変換する第１インバータと、
前記第２モータと前記バッテリとの間で電力を変換する第２インバータと、
地上の送電コイルから非接触に受電可能な受電コイルと、
前記第２モータのモータコイルと磁気結合された充電用コイルと、
前記電動車両の走行中に前記送電コイルから電力が送られたとき、前記第１モータの駆動により前記電動車両の走行を継続し、かつ、前記送電コイルから前記受電コイル、前記充電用コイル及び前記モータコイルを介して伝送された電力を前記第２インバータにより直流の電力に変換して前記バッテリへ供給する制御部と、
を備えることを特徴としている。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の電動車両において、
前記第２モータのモータコイルは、互いに異なる位相の電流が流れる複数相のコイルを含み、
前記充電用コイルは、前記複数相のコイルにそれぞれ電磁結合された複数又は複数組のコイルを含み、
前記電動車両は、
前記受電コイルが受けた電力を前記複数又は複数組のコイルに分配する電力分配部を更に備え、
前記制御部は、前記複数又は複数組のコイルに互いに異なる位相の電流が流れるように前記電力分配部を制御することを特徴としている。

請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の電動車両において、
前記充電用コイルは、前記第２モータの固定子のコアの外周側に配置されていることを特徴としている。

本発明によれば、非接触充電レーンの走行中、制御部は、第１モータによる第１駆動輪の駆動により電動車両の走行を継続しつつ、第２インバータを制御して第２モータのモータコイルと充電用コイルとを介して伝送された電力によりバッテリを充電できる。充電電力の伝送経路には、互いに磁気結合した充電用コイル及びモータコイルが介在し、これが絶縁トランスとして機能するので、充電電力の伝送経路の絶縁設計を簡素にできる。

本発明の実施形態に係る電動車両の要部を示すブロック図である。受電コイルから高電圧バッテリまでの電力伝送経路の詳細を示す図である。後輪モータの内部を軸方向に見た平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係る電動車両の要部を示すブロック図である。図２は、受電コイルから高電圧バッテリまでの電力伝送経路の詳細を示す図である。図３は、後輪モータの内部を軸方向に見た平面図である。なお、図３では、簡略化して、モータコイル３１１ａ～３１１ｃが巻回されるティース３１２ｈが３個の例を示したが、モータコイルが巻回されるティースは６個、９個、１６個又は２４個など、多く設けられていてもよい。

本実施形態の電動車両１は、ＥＶであり、地上設備である非接触充電レーンでの走行中に、非接触に電力を受けて高電圧バッテリ１１の充電が可能な車両である。非接触充電レーンとは、図１に示すように、走行レーンの表面部に複数の送電コイル１２０が道路に沿って連続的に設けられ、走行中の車両に送電コイル１２０から電磁作用を用いて電力か伝送される走行レーンである。

本実施形態の電動車両１は、図１に示すように、前輪２、後輪３、前輪モータ２１、後輪モータ３１、第１インバータ２２、第２インバータ３２、高電圧バッテリ１１、受電コイル１２、電力分配部１３、充電用コイル１４及び制御部１８を備える。これらのうち、前輪２及び後輪３はそれぞれ本発明に係る第１駆動輪及び第２駆動輪の一例に相当し、前輪モータ２１及び後輪モータ３１はそれぞれ本発明に係る第１モータ及び第２モータの一例に相当する。高電圧バッテリ１１は、本発明に係るバッテリの一例に相当する。

前輪２及び後輪３は、各々単独の駆動で電動車両を走らせることが可能な駆動輪である。

前輪モータ２１及び後輪モータ３１は、三相交流モータであり、それぞれモータ軸が変速機を介して前輪２及び後輪３に接続され、これらにトルクを伝達できる。

後輪モータ３１は、図２に示すように、例えばスター結線された三相のモータコイル３１１ａ～３１１ｃを有する。なお、モータコイル３１１ａ～３１１ｃはΔ結線されていてもよい。モータコイル３１１ａ～３１１ｃは、図３に示すように、固定子コア３１２の内周部のティース３１２ｈの周囲に巻回され、位相の異なる交流電流が流れることで回転磁界を発生し、回転子３１３にトルクを発生させる。図３の例では、回転子３１３は永久磁石３１３ａを有する同期モータを示しているが、誘導モータが適用されてもよい。

高電圧バッテリ１１は、例えばリチウムイオンバッテリ又はニッケル水素バッテリ等であり、走行用の電力を蓄積し、前輪モータ２１及び後輪モータ３１へ電力を供給する。

第１インバータ２２は、前輪モータ２１と高電圧バッテリ１１との間で電力を変換する。第１インバータ２２は、高電圧バッテリ１１の電力から三相の交流電流を生成して前輪モータ２１へ出力することで、前輪モータ２１からトルクを発生させる。また、回生時において、第１インバータ２２は、前輪モータ２１から戻される交流電流を直流電流に変換して高電圧バッテリ１１へ送ることができる。

第２インバータ３２は、後輪モータ３１と高電圧バッテリ１１との間で電力を変換する。第２インバータ３２は、図２にも示すように、高電圧バッテリ１１の電力からＵ相Ｖ相Ｗ相の交流電流を生成して後輪モータ３１へ出力することで、後輪モータ３１からトルクを発生させる。また、回生時あるいは非接触充電時において、第２インバータ３２は、後輪モータ３１のモータコイル３１１ａ～３１１ｃから戻される交流電流を直流電流に変換して高電圧バッテリ１１へ送ることができる。

受電コイル１２は、車体下部に設けられ、地上設備の送電コイル１２０から電磁作用により非接触に受電できる。

充電用コイル１４は、図２に示すように、後輪モータ３１のモータコイル３１１ａ～３１１ｃと電磁結合され、モータコイル３１１ａ～３１１ｃと組み合わさって絶縁トランスとして機能する。詳細には、充電用コイル１４は、３相のモータコイル３１１ａ～３１１ｃとそれぞれ電磁結合される３個のコイル１４ａ～１４ｃを含む。図２及び図３では、３相のモータコイル３１１ａ～３１１ｃが各相に１個のコイルを含む構成を示したが、各相に複数個のコイルを有し、それに対応して充電用コイル１４も三相分×複数個（すなわち３組）のコイルを有する構成としてもよい。

コイル１４ａ～１４ｃは、図３に示すように、それぞれ対応するモータコイル３１１ａ～３１１ｃとモータ軸の径方向に並ぶ配置で、固定子コア３１２の外周部のティース３１２ｉの周囲に巻回されている。内周部のティース３１２ｈの内側端部と外周部のティース３１２ｉの外側端部とはブリッジ３１２ｊにより接続され、ティース３１２ｈ、３１２ｉ及びブリッジ３１２ｊとにより固定子コア３１２のモータ軸方向における端部にループが構成されている。コイル１４ａ及びモータコイル３１１ａの各コイルエンドの部分は上記のループ内に通されている。ブリッジ３１２ｊは、ティース３１２ｈ、３１２ｉと一体的に形成され、固定子コア３１２の一部を構成している。モータコイル３１１ａ～３１１ｃ及びコイル１４ａ～１４ｃに電流が流れたとき、この電流によって発生する磁束が、ティース３１２ｈ、３１２ｉ、ブリッジ３１２ｊにループ状に通り、これにより両方のコイルの強い磁気結合が得られる。

電力分配部１３は、受電コイル１２が非接触で受けた電力を充電用コイル１４に分配する。電力分配部１３は、図２に示すように、３組のコイル１４ａ～１４ｃに対応する３組のスイッチＳＷａ１～ＳＷｃ１、ＳＷａ２～ＳＷｃ２を備え、これらの切替えにより、受電コイル１２が受けた電力に基づき３組のコイル１４ａ～１４ｃに異なる位相の交流電流を分配することができる。スイッチＳＷａ１～ＳＷｃ１、ＳＷａ２～ＳＷｃ２は、例えばパワー半導体のスイッチング素子である。

制御部１８は、１つのＥＣＵ（Electronic Control Unit）あるいは互いに連係して動作する複数のＥＣＵから構成される。ＥＣＵは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラム及び制御データを記憶した記憶装置、外部との間で信号を入出力するＩ／Ｏポートを有するマイクロコンピュータである。

先ず、非接触充電を行っていない場合の制御動作を説明する。この場合、制御部１８は、図示略の運転操作部（アクセルペダル等）からドライバーの操作に応じた信号を受け、この信号に基づいて第１インバータ２２及び第２インバータ３２を駆動する。これにより、前輪モータ２１及び後輪モータ３１は運転操作に応じたトルクを出力する。前輪モータ２１及び後輪モータ３１の駆動により、前輪２及び後輪３を合わせた全輪駆動の安定した走行が実現される。また、制御部１８は、電動車両１の制動時、目標の回生電力を計算し、計算された回生電力が前輪モータ２１及び後輪モータ３１から得られるように、第１インバータ２２及び第２インバータ３２を駆動する。第１インバータ２２及び第２インバータ３２は、回生電力を直流に変換して高電圧バッテリ１１に供給し、これにより高電圧バッテリ１１が充電される。後輪モータ３１の力行時及び回生時には、制御部１８の制御に基づき電力分配部１３が、充電用コイル１４の各コイル１４ａ～１４ｃの配線端を開放する。これにより、各コイル１４ａ～１４ｃに電流は流れず、後輪モータ３１は充電用コイル１４から何らの作用を受けずに力行又は回生の運転を行える。

次に、非接触充電レーンを走行する場合の制御動作を説明する。この場合、制御部１８は、ドライバー又は上位の制御部からの非接触充電の要求に基づき、第１インバータ２２の駆動により前輪モータ２１から走行用のトルクを発生させ、かつ、電力分配部１３と第２インバータ３２とを充電の用途で制御する。前輪モータ２１の力行又は制動の駆動により、電動車両１は走行を継続できる。電力分配部１３は、充電用途の制御により、受電コイル１２から受けた電力を３組のコイル１４ａ～１４ｃに分配する。電力の分配は、後輪モータ３１の回転に合わせて、コイル１４ａ～１４ｃに異なる位相の電流が流れるように制御される。さらに、第２インバータ３２は、充電用途の制御により、コイル１４ａ～１４ｃからモータコイル３１１ａ～３１１ｃを介して受けた電力を直流の電力に変換する。これにより、高電圧バッテリ１１に充電電流が送られて、高電圧バッテリ１１が充電される。あるいは、このときに変換された直流の電力の一部又は全部が、第１インバータ２２に送られて前輪モータ２１を駆動するために使用されてもよい。

以上のように、本実施形態の電動車両１によれば、非接触充電を行っていないとき、制御部１８は、第１インバータ２２及び第２インバータ３２を制御して、前輪モータ２１及び後輪モータ３１を力行駆動又は回生駆動する。これにより、前輪２と後輪３との全輪駆動により安定した走行が実現される。

また、本実施形態の電動車両１によれば、停車して非接触充電を行う場合、停止中の後輪モータ３１のモータコイル３１１ａ～３１１ｃと第２インバータ３２とを利用して直流の電力を高電圧バッテリ１１へ供給し、高電圧バッテリ１１を充電できる。

さらに、本実施形態の電動車両１によれば、非接触充電レーンの走行中、制御部１８は、第１インバータ２２を制御して前輪モータ２１を駆動することで、電動車両１の走行を継続できる。加えて、制御部１８は、第２インバータ３２を制御して、受電コイル１２で非接触に受けて後輪モータ３１のモータコイル３１１ａ～３１１ｃを介して伝送された電力を充電電流に変換して高電圧バッテリ１１に供給できる。これにより高電圧バッテリ１１の走行中の充電が可能となる。非接触充電の電力伝送経路には、互いに磁気結合された充電用コイル１４及びモータコイル３１１ａ～３１１ｃが存在し、これが絶縁トランスとして機能する。このため、受電コイル１２に流れる電流が、直接に第２インバータ３２又は高電圧バッテリ１１に流れることがなく、高電圧バッテリ１１の電力伝送経路を保護できる。非接触充電レーンの走行中、走行状態の変化により、送電コイル１２０から受電コイル１２へ伝送される電力が急激に変化し、受電コイル１２に瞬間的に大きな電流が流れるような事態を完全に無くすことは困難である。このような場合でも、上記の絶縁トランスの機能により、高電圧バッテリ１１の電力伝送経路に特別な絶縁設計を施す必要なく、これを保護できる。また、絶縁トランスを別途設けたのでは、電動車両１の部品点数の増加、及び電動車両１の重量の増加を招くが、本実施形態では、後輪モータ３１のモータコイル３１１ａ～３１１ｃ及び固定子コア３１２を流用して絶縁トランスの機能を実現している。このため、電動車両１の部品点数の増加及び重量の増加を抑制できる。

また、本実施形態の電動車両１によれば、後輪モータ３１は、３相のモータコイル３１１ａ～３１１ｃを有する三相交流モータであり、充電用コイル１４は、三相のモータコイル３１１ａ～３１１ｃにそれぞれ磁気結合された３個のコイル１４ａ～１４ｃを有する。さらに、電動車両１は、３個のコイル１４ａ～１４ｃに受電コイル１２で受けた電力を分配する電力分配部１３を備え、制御部１８は、３組のコイル１４ａ～１４ｃに異なる位相の電流が流れるように電力分配部１３を制御する。具体的には、後輪モータ３１の回転子３１３の回転に合わせて効率的に３組のコイル１４ａ～１４ｃから３相のモータコイル３１１ａ～３１１ｃへ電力が伝送されるように、３組のコイル１４ａ～１４ｃに位相の異なる電流が流される。これにより、電動車両１の走行中、後輪モータ３１の回転子３１３が回転していても効率的にコイル１４ａ～１４ｃからモータコイル３１１ａ～３１１ｃへ電力が伝送され、高電圧バッテリ１１を効率的に充電することができる。さらに、電力分配部１３を用いた電力分配の位相制御により、３組のコイル１４ａ～１４ｃを介してモータコイル３１１ａ～３１１ｃにも位相の異なる電流を流すことができる。これにより、三相モータの位相制御と同様の原理で、電力分配部１３からの電力の一部又は全部を後輪モータ３１の駆動電力として使用することができる。非接触充電の電力を高電圧バッテリ１１に蓄積せずに、直接に後輪モータ３１の駆動に使用することで、電動車両１の電費を向上できる。

また、本実施形態の電動車両１によれば、充電用コイル１４の各コイル１４ａ～１４ｃが、後輪モータ３１の固定子コア３１２の外周側に配置されている。これにより、各コイル１４ａ～１４ｃの配線端が開放されているときには、充電用コイル１４から後輪モータ３１への影響が抑制され、充電用コイル１４により損失が増加することなく後輪モータ３１を駆動できる。一方、各コイル１４ａ～１４ｃに電流が流れたときには、コイル１４ａ～１４ｃとモータコイル３１１ａ～３１１ｃとの電磁結合により、これらの間で少ない損失で電力を伝送することができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限られるものでない。例えば、上記実施形態では、後輪モータ３１のモータコイル３１１ａ～３１１ｂを充電の用途に流用する構成を示したが、前輪モータ２１のモータコイルを充電の用途に流用してもよい。また、個別の駆動により電動車両を走らせることのできる第１駆動輪及び第２駆動輪は、前輪又は後輪以外に設けられていてもよい。また、モータコイル３１１ａ～３１１ｃ及び充電用コイル１４の各コイル１４ａ～１４ｃの配置、固定子コア３１２の構成など、実施形態に示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１電動車両
２前輪
３後輪
１１高電圧バッテリ
１２受電コイル
１３電力分配部
ＳＷａ１～ＳＷｃ１、ＳＷａ２～ＳＷｃ２スイッチ
１４充電用コイル
１４ａ～１４ｃ充電用コイルの各コイル
１８制御部
２１前輪モータ
２２第１インバータ
３１後輪モータ
３２第２インバータ
３１１ａ～３１１ｃモータコイル
３１２固定子コア
３１２ｈ、３１２ｉティース
３１２ｊブリッジ
３１３回転子

Claims

各々単独の駆動で電動車両を走らせることが可能な第１駆動輪及び第２駆動輪と、
走行用の電力を蓄積するバッテリと、
前記第１駆動輪及び前記第２駆動輪のそれぞれの動力を発生する第１モータ及び第２モータと、
前記第１モータと前記バッテリとの間で電力を変換する第１インバータと、
前記第２モータと前記バッテリとの間で電力を変換する第２インバータと、
地上の送電コイルから非接触に受電可能な受電コイルと、
前記第２モータのモータコイルと磁気結合された充電用コイルと、
前記電動車両の走行中に前記送電コイルから電力が送られたとき、前記第１モータの駆動により前記電動車両の走行を継続し、かつ、前記送電コイルから前記受電コイル、前記充電用コイル及び前記モータコイルを介して伝送された電力を前記第２インバータにより直流の電力に変換して前記バッテリへ供給する制御部と、
を備えることを特徴とする電動車両。
前記第２モータのモータコイルは、互いに異なる位相の電流が流れる複数相のコイルを含み、
前記充電用コイルは、前記複数相のコイルにそれぞれ電磁結合された複数又は複数組のコイルを含み、
前記電動車両は、
前記受電コイルが受けた電力を前記複数又は複数組のコイルに分配する電力分配部を更に備え、
前記制御部は、前記複数又は複数組のコイルに互いに異なる位相の電流が流れるように前記電力分配部を制御することを特徴とする請求項１記載の電動車両。
前記充電用コイルは、前記第２モータの固定子のコアの外周側に配置されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電動車両。