JP4010085B2

JP4010085B2 - 電気自動車およびハイブリッド自動車

Info

Publication number: JP4010085B2
Application number: JP34379899A
Authority: JP
Inventors: 栄次佐藤; 正一佐々木; 武史小谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1999-12-02
Publication date: 2007-11-21
Anticipated expiration: 2019-12-02
Also published as: JP2000253512A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の駆動輪を別個の原動機により駆動する車両であって、少なくとも一つの原動機が電動機である電気自動車およびハイブリッド自動車の前記電動機の制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
前輪と後輪を別個の原動機で駆動する車両が公知である。例えば、特開平９−１７５２０３号公報においては、前輪を内燃機関と電動機のハイブリッド原動機により駆動し、後輪を永久磁石を用いた電動機で駆動する車両が開示されている。この車両は、通常の走行時には、前輪のみの駆動力により走行し、より大きな駆動力が必要な場合や、路面の摩擦係数が低い場合などに後輪を併せて駆動して走行する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報に記載された車両などにおいて、前輪のみによる走行中は、後輪と共に回転する永久磁石電動機が発電機となり、前輪側の原動機の駆動力の一部を消費してしまい効率が悪くなるという問題があった。また、後輪の電動機が発電機として作用しないようにするためには、電動機のコイルに電流を流す制御が必要であり、このため効率が悪くなるという問題があった。
【０００４】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、使用しない電動機に消費される電力が低減される電気自動車およびハイブリッド自動車を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明にかかる電気自動車またはハイブリッド自動車は、駆動輪の少なくとも一つを原動機により駆動し、他の駆動輪を電動機により駆動する電気自動車またはハイブリッド自動車であって、前記電動機により駆動される駆動輪を非駆動状態に制御する際に、電動機と、これに電力を供給する電源とを電気的に遮断する。電源と電動機を電気的に遮断することにより、回路が遮断され、電動機が発電機として作用することがなくなり、効率が改善される。
【０００６】
さらに、前記電動機は、電源からの直流電力をインバータにより変換された交流電力により駆動される交流電動機とすることができ、前記インバータと並列に配置された第１のコンデンサと、前記インバータと並列に、かつ前記第１のコンデンサより電源側に配置された第２のコンデンサと、前記第１および第２のコンデンサの間に設けられ、前記電動機と電源を遮断可能な遮断手段と、を有するものとすることができる。このとき、前記第１のコンデンサは前記第２のコンデンサより高い耐電圧性を有し、前記第２のコンデンサは前記第１のコンデンサより大きな容量を有する。
【０００７】
さらに、前記第１のコンデンサをセラミック製コンデンサとし、前記第２のコンデンサを電解コンデンサとすることができる。
【０００８】
遮断手段よりインバータ側に配置される第１のコンデンサは、インバータの制御トランジスタのオンオフに伴い発生するリップル電流の補給、吸収を行う。また、インバータに近接配置されるために小型で高い耐電圧が要求されるため、セラミック製コンデンサが使用される。遮断手段より電源側に配置される第２のコンデンサは、電源電圧の平滑化を行う。また、電圧平滑用として使用されるために容量の大きな電解コンデンサが使用される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。図１には、本実施形態のハイブリッド自動車の駆動機構の概略図が示されている。前輪側原動機１０は、内燃機関１２と前輪側電動機１４が組み合わせられたハイブリッド原動機である。原動機１０の出力は、変速機または減速機１６およびドライブシャフト１８を介して前輪２０に伝達される。後輪側原動機２２は、電動機である。以下、これを後輪側電動機２２と記す。後輪側電動機２２の出力は減速機２４およびドライブシャフト２６を介して後輪２８に伝達される。前輪側および後輪側電動機１４，２２は、電動機の回転子に永久磁石が用いられた、いわゆる永久磁石電動機であり、バッテリ３０からの直流電力をインバータ（図２参照）により交流に変換して電動機１４，２２に供給している。
【００１１】
内燃機関１２と前輪側および後輪側電動機１４，２２の出力分担は、車両の走行状態等に基づきあらかじめ定められたプログラムによって決定され、運転者の要求に応じた出力を発生する。後輪側電動機２２は、特に高出力を得たいときや、路面の摩擦係数が低く前輪のみでは効率よく駆動力を路面に伝えられないときに駆動制御される。これ以外の状況では、後輪側電動機２２は、ほとんど駆動制御されない。したがって、前輪のみで走行しているときに、後輪側電動機２２は、後輪から回転子が回転駆動されることによって逆起電圧を発生する。これに対し何ら対策を行わなければ、逆起電圧がバッテリ３０の端子電圧を超えると、後輪側電動機２２は、バッテリ３０へ充電を行う発電機として機能する。すなわち、前輪側原動機１０にとって後輪側電動機２２は負荷となる。発電された電力をバッテリ３０に充電するにしても、発電効率、充電効率が１ではないので、車両全体としての効率が悪化する。また、逆起電圧を低下させるために、後輪側電動機２２の固定子に逆起電圧を打ち消す界磁を発生させると、この界磁を発生させるための電力が必要となり、やはり車両全体の効率が低下する。この効率低下を回避するために、本実施形態では、以下に説明する構成を有している。
【００１２】
図２には、本実施形態の前輪側および後輪側電動機１４，２２へ電力を供給する回路が示されている。前輪側電動機１４には、バッテリ３０から前輪側インバータ３２を介して電力が供給される。一方、後輪側電動機２２には、バッテリ３０から後輪側インバータ３４を介して電力が供給される。前述のように、後輪側電動機２２は、前輪側原動機１０を補助するかたちで制御され、発生トルクがゼロに制御される期間がかなり存在する。発生トルクをゼロにするために本実施形態の回路においては、電源であるバッテリ３０と後輪側電動機２２を電気的に遮断する遮断手段として、リレー３６が設けられている。リレー３６を開放することにより、後輪側電動機２２が発電機として作用することがなくなり、車両全体の効率が向上する。言い換えれば、後輪側電動機２２を発電機として作用しないように制御するための電力消費を抑えることができ、車両全体の効率が向上する。
【００１３】
さらに、リレー３６を挟んで二つのコンデンサ３８，４０が、後輪側インバータ３４および電源３０（バッテリ３０）に並列に配置されている。リレー３６より後輪側インバータ３４側に配置された第１のコンデンサ３８は、後輪側インバータ３４のトランジスタがオンオフするときに生じるリップル電流を補償している。すなわち、トランジスタがオンとなったときに電流を補給し、電流の速やかな立ち上がりを確保し、オフとなったときには余剰の電流を吸収する。第１のコンデンサ３８には、リレー３６を開放したときにも、後輪側電動機２２の逆起電圧が作用するため、この逆起電圧に耐える必要がある。そのため、本実施形態においては、小型でも高い耐電圧を有するセラミック製コンデンサが用いられている。
【００１４】
リレー３６よりバッテリ３０側に配置された第２のコンデンサ４０は、電源より供給される電圧を平滑化している。第２のコンデンサ４０は、十分な容量を確保するために、本実施形態においては電解コンデンサが用いられている。また、リレー３６を開放すれば後輪側電動機２２の逆起電圧は作用しないので耐電圧性はさほど要求されず電解コンデンサを用いることができる。
【００１５】
なお、リップル電流用の第１のコンデンサ３８は、後輪側インバータ３４の直近に配置する必要があり、リレー３６を介して配置される第２のコンデンサ４０により代用することはできない。また、セラミック製コンデンサである第１のコンデンサ３８の容量を大きくするためには、体格が大型となり、後輪側インバータ３４の近傍に配置することが困難となる。そこで、本実施形態においては、入力側のコンデンサを機能ごとに二つに分離し、それぞれの機能を達成するのに適した仕様として、入力側のコンデンサの体格を総合的に小型化している。
【００１６】
また、リレー３６を遮断する条件は、後輪の駆動が不要と判断されている場合の他に、車両の走行速度が所定速度以上となったときとすることも可能である。例えば、ある車両速度以上では４輪駆動走行を行わない車両においては、逆起電圧がバッテリ端子電圧を超える車両速度のときに、リレー３６の遮断を行うようにすることができる。
【００１７】
図３には、電動機に電力を供給する回路の概略構成の一例が示されている。バッテリ５０からの電力は、インバータ５２を介して後輪側電動機５４に供給される。インバータ５２は、電動機５４の三相に、一相当たり２個ずつ設けられたトランジスタと、これらの各々に並列に配置される計６個のダイオードを含む。各トランジスタは、ＥＣＵ（電子制御装置）５６の指令により動作するゲート制御回路５８によりオンオフの制御が行われる。
【００１８】
本回路においては、インバータ５２をシャットダウン制御した場合、すなわち６つのトランジスタの信号を全てオフした場合、バッテリ５０と電動機５４が電気的に遮断状態となる。シャットダウン制御は、前述のリレーを有する回路の場合と同様に電動機５４による駆動が不要と判断された場合に実行される。インバータ５２のシャットダウン制御により電気的遮断が実行されるので、前述の回路のようにリレーを設ける必要がない。
【００１９】
しかし、電動機５４の逆起電圧が高くなり、バッテリ５０の端子電圧を超えるようになると、インバータ５２のダイオードを通って電流が流れる、すなわち電動機５４が発電をしている状態となる。電動機５４の逆起電圧は回転速度に比例して増加するので、前記の発電状態となる回転速度が一つ存在し、それ以上の回転速度では常に発電状態となる。このように、電動機５４が発電を行うと、これが走行抵抗となり、効率を低下させることは前にも述べた。そこで、逆起電圧がバッテリの端子電圧を超える電動機回転速度以上では、インバータ５２のシャットダウン制御を行わず、逆起電圧を打ち消すような制御、すなわち弱め界磁制御を行う。
【００２０】
インバータのシャットダウン制御と弱め界磁制御の境界となる回転速度ω1は、
【数１】
ω1＝ＶB／（√２・Ｋe）
Ｋe：電動機の逆起定数
ＶB：バッテリ端子電圧
である。この回転速度以上であると、電動機５４の逆起電圧がバッテリ端子電圧を上回り、発電状態となるので、これを防止するために弱め界磁制御が実行される。
【００２１】
前述の実施形態においては、主の原動機を内燃機関と電動機からなるハイブリッド原動機としたが、他の組合せの原動機であっても、単一の種類の原動機であってもかまわない。また、主の原動機が前輪を、補助の原動機が後輪を駆動する場合について説明したが、これを逆とすることも可能であるし、左右一方の車輪を主、他方を補助とすることもできる。さらに、４輪車の総輪を駆動する場合について説明したが、さらに多数の車輪を有する車両に適用することもできる。例えば、大型車など後輪を２軸有する車両の場合、一方の軸の車輪を本実施形態の前輪に相当する主駆動輪とし、他方を本実施形態の後輪に相当する補助駆動輪とすることができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、電動機により駆動される駆動輪を非駆動状態に制御する際に、電動機とこれに電力を供給する電源とを電気的に遮断することにより、前記電動機が発電機として作用すること、または発電機として作用しないように制御電流を印加する必要がなくなり、効率の低下を防止することができる。
【００２３】
さらに、電動機と発電機の前記の遮断を行う遮断手段の電動機側、電源側にそれぞれコンデンサを配置し、その特性を別個のものとした。すなわち、電動機側の第１のコンデンサは、発電機の逆起電圧に耐えられるように、かつインバータのトランジスタの直近に配置できるように、小型であっても耐電圧の高い種類のものを採用した。一方、電源側の第２のコンデンサは、小型であっても容量の大きなものを採用した。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の車両の駆動機構の概略構成図である。
【図２】本実施形態の電動機に電力を供給する回路構成を示す図である。
【図３】電動機に電力を供給する回路の他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１０前輪側原動機、１２内燃機関、１４前輪側電動機、２２後輪側原動機（後輪側電動機）、３０バッテリ、３６リレー、３８第１のコンデンサ、４０第２のコンデンサ。

Claims

駆動輪の少なくとも一つを原動機により駆動し、他の駆動輪を電動機により駆動し、前記電動機により駆動される駆動輪を非駆動状態に制御する際に、電動機と、これに電力を供給する電源とを電気的に遮断する、電気自動車またはハイブリッド自動車であって、
前記電動機は、電源からの直流電力をインバータにより変換された交流電力により駆動される交流電動機であって、
前記インバータと並列に配置された第１のコンデンサと、
前記インバータと並列に、かつ前記第１のコンデンサより電源側に配置された第２のコンデンサと、
前記第１および第２のコンデンサの間に設けられ、前記電動機と電源を遮断可能な遮断手段と、
を有し、
前記第１のコンデンサは前記第２のコンデンサより高い耐電圧性を有し、前記第２のコンデンサは前記第１のコンデンサより大きな容量を有する、
電気自動車またはハイブリッド自動車。
請求項１に記載の電気自動車またはハイブリッド自動車であって、
前記第１のコンデンサはセラミック製コンデンサであって、リップル電流を補給、吸収し、
前記第２のコンデンサは電解コンデンサであって、電圧を平滑とする、
電気自動車またはハイブリッド自動車。