JPH09163505A - ハイブリッド自動車 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ターボ過給で使用した排ガスのエネルギの余剰
分をさらに有効に活用し、且つ連続走行時の燃費改善の
不十分さを解消することにある。 【解決手段】内燃機関１、三相交流機２、インバータ４
及び二次電池５から構成され、発進加速時は二次電池５
の蓄電エネルギで内燃機関１をトルクアシストするよう
にインバータ４で三相交流機２を制御して内燃機関の排
ガス低減を行い、制動時は三相交流機２をインバータの
制御により回生運転させ、車両の慣性エネルギを二次電
池５に蓄電するハイブリッド自動車において、内燃機関
１の排気エネルギによりタービンを回転させてコンプレ
ッサを駆動することで内燃機関の吸気過給を行うターボ
過給装置６と、このターボ過給装置６に直結した交流発
電機７の出力電圧を整流する整流器８と、この整流器８
より出力される直流電圧を二次電池５を充電するための
充電電圧を制御するチョッパ９とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関と二次電
池をエネルギ源とした電気駆動の併用により、内燃機関
駆動の自動車よりも排ガスの低減、燃費の改善を図った
ハイブリッド自動車に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在の自動車は、殆どがガソリンエンジ
ン、ディーゼルエンジン等の内燃機関によって駆動され
ているが、これは何ずれも排気ガスによる大気汚染が問
題になっている。これら自動車による大気汚染の改善策
としては、内燃機関の替りに二次電池をエネルギ源とし
た電動機により自動車を駆動するいわゆる電気自動車の
普及が世界的に呼びかけられている。

【０００３】しかしながら、電気自動車は従来の内燃機
関駆動の自動車と比べて一回の燃料充填での走行距離が
短く、また燃料供給設備の普及が必要である等の諸問題
を抱えており、実用化への課題が大きい。

【０００４】そこで、最近では内燃機関駆動の自動車よ
りも排ガスが著しく改善され、走行距離も損なわず、し
かも現有の燃料供給設備で使用できる現実的な低公害車
として、内燃機関と電気駆動を併用したいわゆるハイブ
リッド自動車が注目されている。

【０００５】図３はかかるハイブリッド自動車の駆動方
式を説明するための一例を示すものである。図３におい
て、１は内燃機関、２はこの内燃機関１に直結された三
相交流機で、これらはハイブリッド自動車の駆動部を構
成し、トランスミッション３を介して車輪を駆動する。

【０００６】上記三相交流機２は、インバータ４により
制御され、トルクアシスト、エネルギの回生、内燃機関
の始動、電気制動機能を行い、電源及びエネルギ源とし
て二次電池５を使用している。

【０００７】このような構成のハイブリッド自動車にお
いて、発進加速時は二次電池５の蓄電エネルギで内燃機
関１をトルクアシストするようにインバータ４で三相交
流機２を制御して内燃機関１の排ガス低減を行い、制動
時は三相交流機２をインバータ４の制御により回生運転
させ、車両の慣性エネルギを二次電池５に蓄電すること
により省エネルギ化を図ると共に、エネルギ収支を保
ち、排ガスの低公害化と燃費改善を実現している。

【０００８】一方、近年では内燃機関にターボ過給を付
加したハイブリッド自動車が実用化されている。図４は
その構成例を示すもので、これは図３に示すハイブリッ
ド自動車に内燃機関の排気エネルギを吸収して回転する
タービン６ａと、このタービン６ａに直結してタービン
の駆動力で回転し、空気を圧縮した吸気供給を行うコン
プレッサ６ｂからなるターボ過給装置６を付加したもの
である。

【０００９】このターボ過給装置６は排ガスのエネルギ
を有効利用し、内燃機関１の燃焼効率を向上させ、燃費
を改善する効果があることが良く知られている。この燃
費の改善は、燃焼によって発生する二酸化炭素を低減す
ることになり、低公害化の効果がある。

【００１０】しかしながら、排気エネルギにより過給す
るので過渡時の遅れが生じ、空燃比のバランスのくずれ
により内燃機関１内の不完全燃焼による黒煙の発生や、
運転性能の悪化が考えられる。

【００１１】そこで、ターボ過給装置付き内燃機関と電
気駆動を組合わせたハイブリッド自動車は、応答性の良
い電気駆動によりターボ過給の欠点を補完し、且つ低公
害化を図り得るシステムとなる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、現在の
ターボ過給装置６は、まだ排ガスエネルギに余剰分があ
り、さらにエネルギの有効利用に余地がある。一方、ハ
イブリッド自動車もトルクアシストとエネルギ回生のサ
イクルでエネルギのバランスを取っているため、発進、
停止を繰返す都市内の走行では効力を発揮するが、高速
道路のような連続走行の場合、トルクアシストは行うが
エネルギ回生の機会が少なく、二次電池５は放電方向と
なる。

【００１３】ここで、二次電池５の充放電のバランスを
取るためには、走行中に内燃機関１の動力を使用し、三
相交流機２が発電機として働くようにインバータ４を制
御し、二次電池５を充電する走行発電を行う必要があ
る。

【００１４】この走行発電は、従来捨てていた自動車の
慣性エネルギを使用するエネルギ回生とは異なり、内燃
機関内の燃焼エネルギを使用するので、燃費の改善につ
ながらない。従って、連続走行時は燃費改善が不十分で
あるという欠点がある。

【００１５】本発明は、ターボ過給で使用した排ガスの
エネルギの余剰分をさらに有効に活用し、且つ連続走行
時の燃費改善の不十分さを解消して、燃費向上と低公害
化を図ることができるハイブリッド自動車を提供するこ
とを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するため、次のような手段によりハイブリッド自動車
を構成する。請求項１に対応する発明は、内燃機関と、
この内燃機関に直結した三相交流機と、この三相交流機
を制御してトルクアシスト、エネルギ回生、内燃機関の
始動及び電気制動機能を行うインバータと、電源及びエ
ネルギ源となる二次電池から構成され、発進加速時は前
記二次電池の蓄電エネルギで前記内燃機関をトルクアシ
ストするように前記インバータで前記三相交流機を制御
して前記内燃機関の排ガス低減を行い、制動時は前記三
相交流機を前記インバータの制御により回生運転させ、
車両の慣性エネルギを前記二次電池に蓄電するようにし
たハイブリッド自動車において、前記内燃機関の排気エ
ネルギをタービンで吸収して回転し、該タービンに直結
して駆動されるコンプレッサにより前記内燃機関の吸気
過給を行うターボ過給装置と、このターボ過給装置に直
結した交流発電機と、この交流発電機の出力電圧を整流
する整流器と、この整流器より出力される直流電圧を前
記二次電池を充電するための充電電圧に制御するチョッ
パとを備える。

【００１７】請求項２に対応する発明は、内燃機関と、
この内燃機関に直結した三相交流機と、この三相交流機
を制御してトルクアシスト、エネルギ回生、内燃機関の
始動及び電気制動機能を行うインバータと、電源及びエ
ネルギ源となる二次電池から構成され、発進加速時は前
記二次電池の蓄電エネルギで前記内燃機関をトルクアシ
ストするように前記インバータで前記三相交流機を制御
して前記内燃機関の排ガス低減を行い、制動時は前記三
相交流機を前記インバータの制御により回生運転させ、
車両の慣性エネルギを前記二次電池に蓄電するようにし
たハイブリッド自動車において、前記内燃機関の排気エ
ネルギをタービンで吸収して回転し、該タービンに直結
して駆動されるコンプレッサにより前記内燃機関の吸気
過給を行うターボ過給装置と、このターボ過給装置の排
気からさらにエネルギ吸収して回転する二次ターボ装置
と、この二次ターボ装置に直結した交流発電機と、この
交流発電機の出力電圧を整流する整流器と、この整流器
より出力される直流電圧を前記二次電池を充電するため
の充電電圧に制御するチョッパとを備える。

【００１８】上記請求項１に対応する発明のハイブリッ
ド自動車にあたっては、ターボ過給装置に直結した交流
発電機により、排ガスのエネルギのうちターボ過給装置
で必要としない余剰分を吸収して電気エネルギに変換
し、これを整流器により直流に変換すると共に、チョッ
パにより必要な充電電圧に制御して二次電池を充電して
いる。この場合、内燃機関の排気エネルギは、高速走行
時ほど大きく、例えば高速道路等での連続走行時にはタ
ーボ過給装置で使用する以外の余剰エネルギが大きく、
このエネルギを交流発電機、整流器、チョッパを介して
二次電池に蓄えることができ、そのエネルギをハイブリ
ッド車の電気駆動に使用することが可能となる。

【００１９】従って、従来連続走行時はエネルギ回生が
できないため、二次電池の充放電バランスを取るために
走行発電を併用していたハイブリッド自動車は、走行発
電が不要となり、燃費がさらに改善される。この場合、
内燃機関の排気エネルギとターボ過給装置の必要過給量
に応じて発電機の発電出力をチョッパにより調整する必
要がある。また、発電出力を取り過ぎるとターボ過給装
置の内燃機関への過給量が不足し、内燃機関の空燃比が
最適な値とならないことになる。

【００２０】また、上記請求項２に対応する発明のハイ
ブリッド自動車にあたっては、ターボ過給装置は従来通
りの内燃機関への吸気過給を行い、その余剰エネルギは
排ガスとして二次ターボ装置に送られる。二次ターボ装
置ではこのエネルギを吸収し、二次ターボ装置に直結し
た交流発電機により電気エネルギに変換し、これを整流
器により直流に変換し、チョッパにより必要な充電電圧
に制御して二次電池を充電している。この場合も上記同
様に内燃機関の排気エネルギは、高速走行時ほど大き
く、例えば高速道路等での連続走行時にはターボ過給装
置で使用する以外の余剰エネルギが大きく、このエネル
ギを交流発電機、整流器、チョッパを介して二次電池に
蓄えることができ、そのエネルギをハイブリッド車の電
気駆動に使用することが可能となる。

【００２１】従って、従来連続走行時はエネルギ回生が
できないため、二次電池の充放電バランスを取るために
走行発電を併用していたハイブリッド自動車は、走行発
電が不要となり、燃費がさらに改善される。この場合、
上記請求項１に対応する発明と比べて二次ターボ装置が
設けられているが、この二次ターボ装置と交流発電機に
よるエネルギ回収はターボ過給装置の内燃機関への過給
した後の排気エネルギの回収のため、いくら発電しても
ターボ過給装置の過給出力に影響しないので、二次電池
に回収可能なだけ目一杯発電すればよく、制御が容易で
ある。

【００２２】上記請求項３に対応する発明のハイブリッ
ド自動車にあたっては、請求項１又は請求項２に対応す
る発明において、交流発電機としてクローポール型同期
機又は永久磁石型発電機を使用しているので、ターボ過
給装置が一般に数万ＲＰＭの超高速で回転するものであ
っても、その回転数に十耐え得る機種として使用でき、
実現性の高いものとなる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。図１は本発明によるハイブリッド自
動車の第１の実施の形態を示す回路構成図で、図４と同
一部分には同一符号を付して示す。

【００２４】図１において、１は内燃機関、２はこの内
燃機関１に直結された三相交流機、３は内燃機関１と三
相交流機２の駆動力を車輪に伝達するトランスミッショ
ンである。

【００２５】また、４は三相交流機２に三相主回路配線
を介して接続されるインバータ、５はこのインバータ４
と接続される二次電池である。さらに、６は内燃機関の
排気エネルギを吸収して回転するタービン６ａと、この
タービン６ａに直結してタービンの駆動力で回転し、空
気を圧縮した吸気供給を行うコンプレッサ６ｂからなる
ターボ過給装置、７はターボ過給装置６に直結した交流
発電機である。この交流発電機７の機種としては、クロ
ーポール型同期機又は永久磁石型同期機を使用してい
る。

【００２６】一方、８は交流発電機７の出力端に接続さ
れた整流器、９は入力部が整流器８の直流出力端に接続
され、且つ出力部を二次電池５に接続されたチョッパで
ある。

【００２７】次に上記のように構成された第１の実施の
形態のハイブリッド自動車の作用について説明する。ハ
イブリッド自動車の駆動力は、内燃機関１とこの内燃機
関１に直結した三相交流機２により得られ、トランスミ
ッション３を介して車輪を駆動する。

【００２８】上記三相交流機２は、インバータ４により
制御され、トルクアシスト、エネルギの回生、内燃機関
１の始動、電気制動機能を行い、電源およびエネルギ源
として、二次電池５を使用している。

【００２９】発進加速時には二次電池５の蓄電エネルギ
により内燃機関１をトルクアシストするようにインバー
タ４で三相交流機２を制御して内燃機関１の排ガス低減
を行い、制動時は三相交流機２をインバータ４の制御に
より回生運転させ、車両の慣性エネルギを二次電池５に
蓄電することにより、省エネルギ化を図ると共に、エネ
ルギの収支を保ち、排ガスの低公害化と燃費改善を実現
している。

【００３０】さらに、内燃機関１の排気エネルギをター
ボ過給装置６により吸収し、この吸収したエネルギによ
り内燃機関１の吸気過給をしている。この場合、ターボ
過給装置６は排ガスのエネルギを有効に利用し、内燃機
関１の燃焼効率を向上させ、燃費を改善する効果がある
ことは良く知られている。

【００３１】燃費を改善することは、燃焼によって発生
する二酸化炭素を低減することになり、低公害化の効果
がある。さらに、ターボ過給装置６に直結した交流発電
機７により、排ガスのエネルギのうちターボ過給装置６
で必要としない余剰分を吸収して電気エネルギに変換
し、これを整流器８により直流に変換してチョッパ９に
与えることにより、このチョッパ９では直流を必要な充
電電圧に制御して二次電池５を充電する。

【００３２】ここで、内燃機関１の排気エネルギは、高
速走行時ほど大きく、例えば高速道路等での連続走行時
にはターボ過給装置６で使用する以外の余剰エネルギが
大きく、このエネルギを交流発電機７、整流器８、チョ
ッパ９を介して二次電池５に蓄えることができ、そのエ
ネルギをハイブリッド車の電気駆動に使用することがで
きる。

【００３３】このように本実施の形態に示すハイブリッ
ド自動車とすれば、内燃機関１の排気エネルギは高速走
行時ほど大きく、例えば高速道路等での連続走行時には
ターボ過給装置６で使用する以外の余剰エネルギが大き
く、このエネルギを交流発電機７、整流器８およびチョ
ッパ９を介して二次電池５に蓄えることができ、そのエ
ネルギをハイブリッド車の電気駆動に使用することがで
きる。

【００３４】従って、従来連続走行時はエネルギ回生が
できないため、二次電池５の充放電のバランスを取るた
めに走行発電を併用していたイブリッド自動車は走行発
電が不要となり、燃費がさらに改善される。また、交流
発電機７として、クローポール型同期機、又は永久磁石
型同期機を使用することにより、ターボ過給装置６の超
高速回転に耐え得る発電機を実現することができる。

【００３５】次に本発明の第２の実施の形態について図
２により説明するに、図１と同一部分には同一符号を付
して示す。図１において、１は内燃機関、２はこの内燃
機関１に直結された三相交流機、３は内燃機関１と三相
交流機２の駆動力を車輪に伝達するトランスミッション
である。

【００３６】また、４は三相交流機２に三相主回路配線
を介して接続されるインバータ、５はこのインバータ４
と接続される二次電池である。さらに、６は内燃機関の
排気エネルギを吸収して回転するタービン６ａと、この
タービン６ａに直結してタービンの駆動力で回転し、空
気を圧縮した吸気供給を行うコンプレッサ６ｂからなる
ターボ過給装置、１０はターボ過給装置６の排気により
駆動される二次ターボ装置、７はこの二次ターボ過給装
置１０に直結した交流発電機である。この交流発電機７
の機種としては、クローポール型同期機又は永久磁石型
同期機を使用している。

【００３７】一方、８は交流発電機７の出力端に接続さ
れた整流器、９は入力部が整流器８の直流出力端に接続
され、且つ出力部を二次電池５に接続されたチョッパで
ある。 次に上記のように構成された第２の実施の形態
のハイブリッド自動車の作用について説明する。

【００３８】ハイブリッド自動車の駆動力は、内燃機関
１とこの内燃機関１に直結した三相交流機２により得ら
れ、トランスミッション３を介して車輪を駆動する。上
記三相交流機２は、インバータ４により制御され、トル
クアシスト、エネルギの回生、内燃機関１の始動、電気
制動機能を行い、電源およびエネルギ源として、二次電
池５を使用している。

【００３９】発進加速時には二次電池５の蓄電エネルギ
により内燃機関１をトルクアシストするようにインバー
タ４で三相交流機２を制御して内燃機関１の排ガス低減
を行い、制動時は三相交流機２をインバータ４の制御に
より回生運転させ、車両の慣性エネルギを二次電池５に
蓄電することにより、省エネルギ化を図ると共に、エネ
ルギの収支を保ち、排ガスの低公害化と燃費改善を実現
している。

【００４０】さらに、内燃機関１の排気エネルギをター
ボ過給装置６により吸収し、この吸収したエネルギによ
り内燃機関１の吸気過給をしている。この場合、ターボ
過給装置６は排ガスのエネルギを有効に利用し、内燃機
関１の燃焼効率を向上させ、燃費を改善する効果がある
ことは良く知られている。

【００４１】燃費を改善することは、燃焼によって発生
する二酸化炭素を低減することになり、低公害化の効果
がある。さらに、二次ターボ装置１０によりターボ過給
装置６の排気エネルギを吸収し、二次ターボ装置１０に
直結した交流発電機７により、二次ターボ装置１０で吸
収したエネルギを電気エネルギに変換し、これを整流器
８により直流に変換してチョッパ９に与えることによ
り、このチョッパ９では直流を必要な充電電圧に制御し
て二次電池５を充電する。

【００４２】このように本実施の形態に示すハイブリッ
ド自動車とすれば、内燃機関１の排気エネルギは高速走
行時ほど大きく、例えば高速道路等での連続走行時には
ターボ過給装置６で使用する以外の余剰エネルギが大き
く、このエネルギを二次ターボ装置１０，交流発電機
７、整流器８およびチョッパ９を介して二次電池５に蓄
えることができ、そのエネルギをハイブリッド車の電気
駆動に使用することができる。

【００４３】従って、従来連続走行時はエネルギ回生が
できないため、二次電池５の充放電のバランスを取るた
めに走行発電を併用していたハイブリッド自動車は走行
発電が不要となり、燃費がさらに改善される。

【００４４】また、本実施の形態では、二次ターボ装置
１０の出力はターボ過給装置６の内燃機関１への過給出
力に影響しないので、交流発電機７の出力は二次電池５
が吸収し得る限り目一杯とることができ、制御を容易に
行うことができる。

【００４５】さらに、交流発電機７として、クローポー
ル型同期機、又は永久磁石型同期機を使用することによ
り、二次ターボ装置１０の超高速回転に耐え得る発電機
を実現することができる。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、従来
捨てていたターボ過給装置の余剰エネルギを有効活用で
き、またハイブリッド車の欠点であった連続走行時の燃
費改善が不十分であった点が大幅に改善でき、著しく性
能の向上を図ることができるハイブリッド自動車を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるハイブリッド自動車の第１の実施
の形態を示す回路構成図。

【図２】本発明によるハイブリッド自動車の第２の実施
の形態を示す回路構成図。

【図３】従来のハイブリッド自動車の一例を示す構成
図。

【図４】従来のハイブリッド自動車で、ターボ過給装置
を併用した一例を示す構成図。

【符号の説明】

１……内燃機関、２……三相交流機、３……トランスミ
ッション、４……インバータ、５……二次電池、６……
ターボ過給装置、７……交流発電機、８……整流器、９
……チョッパ、１０……二次ターボ装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｆ０２Ｄ 29/06 Ｆ０２Ｄ 29/06 Ｄ (72)発明者 根岸 宣之 兵庫県姫路市網干区浜田1000番地 西芝電 機株式会社内 (72)発明者 田島 敏伸 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関と、この内燃機関に直結した三
   相交流機と、この三相交流機を制御してトルクアシス
   ト、エネルギ回生、内燃機関の始動及び電気制動機能を
   行うインバータと、電源及びエネルギ源となる二次電池
   から構成され、発進加速時は前記二次電池の蓄電エネル
   ギで前記内燃機関をトルクアシストするように前記イン
   バータで前記三相交流機を制御して前記内燃機関の排ガ
   ス低減を行い、制動時は前記三相交流機を前記インバー
   タの制御により回生運転させ、車両の慣性エネルギを前
   記二次電池に蓄電するようにしたハイブリッド自動車に
   おいて、 前記内燃機関の排気エネルギをタービンで吸収して回転
   し、該タービンに直結して駆動されるコンプレッサによ
   り前記内燃機関の吸気過給を行うターボ過給装置と、こ
   のターボ過給装置に直結した交流発電機と、この交流発
   電機の出力電圧を整流する整流器と、この整流器より出
   力される直流電圧を前記二次電池を充電するための充電
   電圧に制御するチョッパとを備えたことを特徴とするハ
   イブリッド自動車。
2. 【請求項２】 内燃機関と、この内燃機関に直結した三
   相交流機と、この三相交流機を制御してトルクアシス
   ト、エネルギ回生、内燃機関の始動及び電気制動機能を
   行うインバータと、電源及びエネルギ源となる二次電池
   から構成され、発進加速時は前記二次電池の蓄電エネル
   ギで前記内燃機関をトルクアシストするように前記イン
   バータで前記三相交流機を制御して前記内燃機関の排ガ
   ス低減を行い、制動時は前記三相交流機を前記インバー
   タの制御により回生運転させ、車両の慣性エネルギを前
   記二次電池に蓄電するようにしたハイブリッド自動車に
   おいて、 前記内燃機関の排気エネルギをタービンで吸収して回転
   し、該タービンに直結して駆動されるコンプレッサによ
   り前記内燃機関の吸気過給を行うターボ過給装置と、こ
   のターボ過給装置の排気からさらにエネルギ吸収して回
   転する二次ターボ装置と、この二次ターボ装置に直結し
   た交流発電機と、この交流発電機の出力電圧を整流する
   整流器と、この整流器より出力される直流電圧を前記二
   次電池を充電するための充電電圧に制御するチョッパと
   を備えたことを特徴とするハイブリッド自動車。
3. 【請求項３】 前記交流発電機として、クローポール型
   同期機又は永久磁石型発電機を使用することを特徴とす
   る請求項１又は請求項２記載のハイブリッド自動車。