(57)【要約】【課題】補機バッテリおよびその周辺の構成変更を小さく抑えられる電動アシストターボシステムを提供する。【解決手段】電動アシストターボシステム１０は、過給器５０および電動過給器６０を備える。高電圧の蓄電手段７４が設けられ、インバータ７５を介して電動過給器６０に電力を供給する。オルタネータ７０は低電圧で発電を行い、ＤＣＤＣコンバータ７３がこれを高電圧に変換して蓄電手段７４に蓄電する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に用いられる電動アシストターボシステムであって、
内燃機関と、
コンプレッサホイールと、タービンホイールと、前記コンプレッサホイールおよび前記タービンホイールを連結するタービンシャフトとを備える過給器であって、前記過給器は、吸気配管と排気配管との間に配置され、かつ、吸気配管側に前記コンプレッサホイールが配置され、排気配管側に前記タービンホイールが配置される、過給器と、
電動機と、前記電動機により駆動されて前記内燃機関の吸気を過給する圧縮機とを備える電動過給器であって、前記吸気経路に設けられる、電動過給器と、
車両の運動エネルギーを利用して発電するオルタネータと、
前記オルタネータに接続される補機バッテリと、
前記電動過給器に電力を供給するインバータと、
前記オルタネータおよび前記補機バッテリに接続されるＤＣＤＣコンバータと、
前記電動過給器の動作に必要な電力を蓄える蓄電手段であって、前記蓄電手段は、前記オルタネータ又は前記補機バッテリから、前記ＤＣＤＣコンバータを介して蓄電可能であり、前記蓄電手段は、前記電動過給器の前記電動機に対し、前記インバータを介して電力を供給する、蓄電手段と、
前記電動過給器および前記蓄電手段への電力供給を制御する、制御装置と
を備える、電動アシストターボシステム。
【請求項２】
前記オルタネータは、前記車両が減速動作中である場合に、前記車両の運動エネルギーを利用して発電する、請求項１に記載の電動アシストターボシステム。
【請求項３】
前記電動アシストターボシステムは、開閉器を備え、
前記開閉器は、前記オルタネータおよび前記補機バッテリと、前記ＤＣＤＣコンバータとを断接可能に接続し、
前記開閉器は、前記蓄電手段に蓄電される場合にクローズされ、
前記開閉器は、前記車両が駐車された状態にある場合にオープンされる、請求項１または２に記載の電動アシストターボシステム。
【請求項４】
前記電動アシストターボシステムは、ＤＣＤＣコンバータ故障判定手段を備え、
前記ＤＣＤＣコンバータ故障判定手段が、前記ＤＣＤＣコンバータが故障していると判定した場合に、前記開閉器はオープンされる、請求項３に記載の電動アシストターボシステム。
【請求項５】
前記ＤＣＤＣコンバータは双方向型である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電動アシストターボシステム。
【請求項６】
前記蓄電手段は、前記インバータおよび前記電動過給器以外の負荷に対して電力を供給する、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電動アシストターボシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電動アシストターボシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電動アシストターボシステムを備える車両において、高圧用および低圧用の２つのバッテリを備える構成が知られている。たとえば特許文献１の構成は、高電圧（４２Ｖ）の発電を行うオルタネータを備える。通常の回生発電では高圧電力を直接高圧バッテリに蓄電し、余剰発電を行う際には、オルタネータで発電された高圧電力をＤＣＤＣコンバータで低電圧（１４Ｖ）に変換し、これを低圧バッテリに蓄電する。または、オルタネータで発電された高圧電力を高圧補機に供給する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２９４６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の構成において電動アシストターボシステムを搭載する場合には、補機バッテリおよびその周辺の構成を変更しなければならないという問題があった。たとえば、特許文献１の構成では、オルタネータが発電した高圧電力をそのまま低圧の補機バッテリに蓄電できず、ＤＣＤＣコンバータ経由で行う必要があり、補機バッテリ充電システムを大幅に変更する必要がある。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、補機バッテリおよびその周辺の構成変更をより小さく抑えられる電動アシストターボシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の問題を解決するため、この発明に係る電動アシストターボシステムは、車両に用いられる電動アシストターボシステムであって、内燃機関と、コンプレッサホイールと、タービンホイールと、コンプレッサホイールおよびタービンホイールを連結するタービンシャフトとを備える過給器であって、過給器は、吸気配管と排気配管との間に配置され、かつ、吸気配管側にコンプレッサホイールが配置され、排気配管側にタービンホイールが配置される、過給器と、電動機と、電動機により駆動されて内燃機関の吸気を過給する圧縮機とを備える電動過給器であって、吸気経路に設けられる、電動過給器と、車両の運動エネルギーを利用して発電するオルタネータと、オルタネータに接続される補機バッテリと、電動過給器に電力を供給するインバータと、オルタネータおよび補機バッテリに接続されるＤＣＤＣコンバータと、電動過給器の動作に必要な電力を蓄える蓄電手段であって、蓄電手段は、オルタネータ又は補機バッテリから、ＤＣＤＣコンバータを介して蓄電可能であり、蓄電手段は、電動過給器の電動機に対し、インバータを介して電力を供給する、蓄電手段と、電動過給器および蓄電手段への電力供給を制御する、制御装置とを備える。
【０００７】
このような構成によれば、オルタネータと、電動過給器に電力を供給する蓄電手段との間にＤＣＤＣコンバータを備えるので、オルタネータは低電圧のものを用いることができる。
【０００８】
オルタネータは、車両が減速動作中である場合に、車両の運動エネルギーを利用して発電してもよい。
電動アシストターボシステムは、開閉器を備え、開閉器は、オルタネータおよび補機バッテリと、ＤＣＤＣコンバータとを断接可能に接続し、開閉器は、蓄電手段に蓄電される場合にクローズされ、開閉器は、車両が駐車された状態にある場合にオープンされてもよい。
電動アシストターボシステムは、ＤＣＤＣコンバータ故障判定手段を備え、ＤＣＤＣコンバータ故障判定手段が、ＤＣＤＣコンバータが故障していると判定した場合に、開閉器はオープンされてもよい。
ＤＣＤＣコンバータは双方向型であってもよい。
蓄電手段は、インバータおよび電動過給器以外の負荷に対して電力を供給してもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の電動アシストターボシステムによれば、低電圧のオルタネータを用いることができるので、補機バッテリへの充電にはＤＣＤＣコンバータを経由せずに済み、補機バッテリおよびその周辺の構成変更をより小さく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電動アシストターボシステムの構成の例を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態２に係る電動アシストターボシステムの構成の例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態３に係る電動アシストターボシステムの構成の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、本発明の実施の形態１に係る電動アシストターボシステム１０を含む構成の例を示す。電動アシストターボシステム１０は、車両に用いられるものであり、エンジン２０（内燃機関）、吸気配管３０、排気配管４０、過給器５０（ターボチャージャ）および電動過給器６０（電動アシストターボ）を備える。エンジン２０の出力軸は、オルタネータ７０に連結されるとともに、トランスミッション２１を介して駆動輪２２に連結される。
【００１２】
吸気配管３０は、逆止弁３１を経由する分岐経路と、電動過給器６０を経由する分岐経路とを並列に備え、これらの分岐経路の上流および下流にそれぞれインタークーラー３２を備える。なお、吸気配管３０および排気配管４０に示された白抜きの矢印は空気が流れる向きを表す。
【００１３】
過給器５０は、コンプレッサホイール５１と、タービンホイール５２と、タービンシャフト５３とを備え、タービンシャフト５３がコンプレッサホイール５１およびタービンホイール５２を連結する。過給器５０は吸気配管３０と排気配管４０との間に配置され、とくに、吸気配管３０の側にコンプレッサホイール５１が配置され、また、排気配管４０の側にタービンホイール５２が配置される。
【００１４】
電動過給器６０は、上述のように吸気配管３０に設けられ、モータ６１（電動機）およびコンプレッサ６２（圧縮機）を備える。コンプレッサ６２は、モータ６１により駆動され、エンジン２０の吸気を過給する。本実施形態では、モータ６１の出力を例として１ｋＷとする。
【００１５】
また、電動アシストターボシステム１０は、オルタネータ７０、鉛バッテリ７１（補機バッテリ）、リレー７２（開閉器）、ＤＣＤＣコンバータ７３、蓄電手段７４およびインバータ７５を備える。
【００１６】
オルタネータ７０は、車両の運動エネルギーを利用して発電する。オルタネータ７０は、第１の電圧で発電を行う。以下、本実施形態では第１の電圧を例として１４Ｖとするが、これとは異なる電圧であってもよい。鉛バッテリ７１は１４Ｖの電力を充電可能であり、オルタネータ７０に接続されることにより、オルタネータ７０から直接（すなわちＤＣＤＣコンバータ等の電圧変換手段を介さずに）充電することができる。なお、オルタネータ７０は回生発電を行う機能を有し、その際の電流は例として２０Ａとする。
【００１７】
ＤＣＤＣコンバータ７３の入力側は、リレー７２を介してオルタネータ７０および鉛バッテリ７１に接続される。また、ＤＣＤＣコンバータ７３の出力側は蓄電手段７４に接続される。リレー７２は、オルタネータ７０および鉛バッテリ７１と、ＤＣＤＣコンバータ７３とを断接可能に接続する。ＤＣＤＣコンバータ７３は、第１の電圧（１４Ｖ）の電力を、それよりも高圧の第２の電圧の電力に変換する機能を有する。以下、本実施形態では第２の電圧を例として２００Ｖとするが、第１の電圧より高い電圧であれば異なる電圧であってもよい。また、ＤＣＤＣコンバータ７３には、ＤＣＤＣコンバータ７３が故障しているか否かに応じて異なる故障状態信号を出力するＤＣＤＣコンバータ故障判定手段７３ａが設けられる。
【００１８】
蓄電手段７４は蓄電素子を備え、電動過給器６０の動作に必要な電力を蓄える。蓄電素子としては、リチウムイオン電池、リチウムイオンキャパシタ、電気二重層キャパシタ等を用いることができるが、これらに限らない。蓄電手段７４は、２００Ｖの電力を蓄電可能であり、オルタネータ７０または鉛バッテリ７１からＤＣＤＣコンバータ７３を介して充電することができる。
【００１９】
インバータ７５は、電動過給器６０（とくにモータ６１）に電力を供給する。すなわち、蓄電手段７４は、電動過給器６０（とくにモータ６１）に対し、インバータ７５を介して電力を供給する。
【００２０】
また、電動アシストターボシステム１０は、電動アシストターボシステム１０の動作を制御する制御装置８０を備える。制御装置８０はたとえば演算手段（マイクロプロセッサ等）および記憶手段（半導体メモリ等）を備えるコンピュータとして構成することができる。また、制御装置８０はたとえば記憶手段に記憶されたプログラムを実行することにより本明細書に記載される機能を実現する。
【００２１】
制御装置８０は、少なくともオルタネータ７０、リレー７２およびインバータ７５に対して制御指令を送信することにより、これらの動作を制御する（さらにこれら以外の構成要素を制御してもよく、たとえばＤＣＤＣコンバータ７３を制御してもよい）。とくに、オルタネータ７０およびリレー７２を制御することにより蓄電手段７４への電力供給を制御し、インバータ７５を制御することにより電動過給器６０への電力供給を制御する。また、制御装置８０は、ＤＣＤＣコンバータ故障判定手段７３ａから出力される故障状態信号に基づき、ＤＣＤＣコンバータ７３に故障が発生しているか否かを判定する。
【００２２】
以下、制御装置８０の動作の具体例を説明する。
蓄電手段７４が完全に充電され、リレー７２がオープンしている状況を想定する。運転者の操作により高加速が要求されると、制御装置８０はインバータ７５を制御して電動過給器６０のモータ６１に電力を供給する。モータ６１はたとえば５秒間だけ動作する。なお、ここでは、いわゆるターボラグを解消するためにはモータ６１が５秒間動作すれば十分であるものとする。
【００２３】
モータ６１を５秒間動作させた時点で、制御装置８０はインバータ７５を制御して電力の供給を停止する。その後、制御装置８０は、オルタネータ７０およびリレー７２を制御し、蓄電手段７４への蓄電を行う。この蓄電は、たとえば車両が通常走行している場合（定速走行時を含む）に、オルタネータ７０を動作させ、かつリレー７２をクローズさせることにより実行可能である。または、たとえば車両が減速動作中である場合に、オルタネータ７０に回生発電を行わせ（この場合、オルタネータ７０は、車両の運動エネルギーを利用して発電する）、かつリレー７２をクローズさせることにより実行可能である。
【００２４】
回生発電により蓄電手段７４に蓄電する場合、リレー７２を介してＤＣＤＣコンバータ７３に１４Ｖの電力が入力され、ＤＣＤＣコンバータ７３から２００Ｖの電力が出力される。ここで、一般的に、ＤＣＤＣコンバータ７３から出力される電流値は、インバータ７５に入力される電流よりも小さい値に設計することが可能である。これは、モータ６１の動作時間に比べ、回生発電可能な状況（たとえば車両の減速）の持続時間の合計が長いという想定に基づく。
【００２５】
このため、蓄電手段７４への蓄電は、モータ６１の動作頻度および動作時間に比べ、頻繁に、かつ全体で長時間をかけて行うことができ、ＤＣＤＣコンバータ７３の容量を低減することができる。たとえば、蓄電手段７４を備えない構成の場合には、ＤＣＤＣコンバータに１４Ｖ／１００Ａ程度の容量が要求されるが、本実施形態のように蓄電手段７４を備え、モータ６１の動作時間よりも長い時間（たとえば５０秒）をかけて蓄電すればよい構成の場合には、ＤＣＤＣコンバータ７３の容量は１４Ｖ／２０Ａ程度とすることができる。
【００２６】
このように、制御装置８０は、蓄電手段７４に蓄電する場合にリレー７２をクローズさせるが、この他、リレー７２の開閉制御として様々な動作が可能である。たとえば、電動過給器６０が動作する場合にリレー７２をクローズさせてもよい。
【００２７】
なお、リレー７２がクローズした状態では、状況に応じて鉛バッテリ７１からＤＣＤＣコンバータ７３への電力供給が行われることになる。たとえば、オルタネータ７０が発電している場合には、鉛バッテリ７１が充電されるとともに、ＤＣＤＣコンバータ７３を介して蓄電手段７４も蓄電される。一方、オルタネータ７０が発電しておらず、かつ鉛バッテリ７１の端子間電圧が蓄電手段７４の端子間電圧よりも高い場合には、鉛バッテリ７１が放電し、これに応じて蓄電手段７４が蓄電されることになる。
【００２８】
制御装置８０は、蓄電手段７４の蓄電状態を検知する機能を有してもよく、蓄電手段７４が十分に蓄電されたことを検知するとリレー７２をオープンさせてもよい。また、駐車時（すなわち車両が駐車された状態にある場合）にリレー７２をオープンさせてもよい。駐車時にリレー７２をオープンさせておくと、暗電流を低減して鉛バッテリ７１（補機バッテリ）上がりを防止することができる。なお、車両が駐車された状態にあるか否かは、たとえばイグニッションがオフであるか否かに基づいて判定することが可能である。
【００２９】
また、制御装置８０は、ＤＣＤＣコンバータ故障判定手段７３ａから出力される故障状態信号に基づき、ＤＣＤＣコンバータ７３に故障が発生していると判定した場合に、リレー７２をオープンさせてもよい。この制御は、いわゆるフェールセーフシステムに相当する制御ということができ、リレー７２をクローズさせるいかなる制御よりも優先して行われるものであってもよい。たとえば、通常時には、電動過給器６０が動作する場合に必ずリレー７２をクローズさせるという制御を行っている場合であっても、ＤＣＤＣコンバータ７３に故障が発生していると判定した場合には、リレー７２をオープンさせるという制御とすることができる。
【００３０】
以上説明するように、本発明の実施の形態１に係る電動アシストターボシステム１０は、オルタネータ７０と、電動過給器６０に電力を供給する蓄電手段７４との間にＤＣＤＣコンバータ７３を備えるので、オルタネータ７０は低電圧のものを用いることができる。したがって、鉛バッテリ７１への充電にはＤＣＤＣコンバータが不要となり、鉛バッテリ７１およびその周辺の構成変更をより小さく抑えることができる。
【００３１】
また、蓄電手段７４を備え、電動過給器６０の動作時間より長い時間をかけて蓄電することができるので、ＤＣＤＣコンバータ７３の容量を低減することができる。
【００３２】
また、排気の圧力によって駆動される過給器５０と、電力によって駆動される電動過給器６０とが別体として構成され、離れた位置に配置されるので、冷却が不要または容易である。とくに、単一の過給器が排気の圧力でも電力でも駆動可能であるような構成では、過給器が高温になるため熱対策が必要になるが、実施の形態１の構成ではこれを回避または容易にすることができる。
【００３３】
実施の形態２．
実施の形態２は、実施の形態１において、ＤＣＤＣコンバータを双方向型とするものである。以下、実施の形態１との相違点を説明する。
図２に、実施の形態２に係る電動アシストターボシステム１１０の構成の例を示す。ＤＣＤＣコンバータ１７３は双方向型のＤＣＤＣコンバータであり、制御装置１８０の制御に応じて入出力を入れ替えることができる。すなわち、実施の形態１と同様に、オルタネータ７０または鉛バッテリ７１から低電圧で入力電力の供給を受け、これを高圧の出力電圧に変換して蓄電手段７４に供給する動作と、実施の形態１とは異なり、蓄電手段７４から高電圧の入力電圧の供給を受け、これを低圧の出力電圧に変換して図示しない低圧負荷等に供給する動作とを、切り替えて実行することができる。
【００３４】
実施の形態２の構成によれば、上述の実施の形態１において得られる効果を同様に得ることができる。さらに、蓄電手段７４に蓄えた電力を、インバータ７５および電動過給器６０以外の装置（とくに低圧負荷）に対して供給することができる。なお、ＤＣＤＣコンバータ１７３のリレー７２側には、鉛バッテリ７１以外の低圧負荷が接続されてもよい。
【００３５】
実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態１において、蓄電手段７４にインバータ７５および電動過給器６０以外の負荷を接続するものである。
図３に、実施の形態３に係る電動アシストターボシステム２１０の構成の例を示す。蓄電手段７４には、インバータ７５と並列に、他の負荷が接続される。他の負荷としては、高電圧が必要な補機を接続することができ、たとえば図示のようにパワーステアリング用モータ２３を接続してもよい。また、制御装置２８０は、蓄電手段７４からパワーステアリング用モータ２３への電力の供給を制御可能であってもよい。
【００３６】
実施の形態３の構成によれば、上述の実施の形態１において得られる効果を同様に得ることができる。さらに、蓄電手段７４に蓄えた電力を、インバータ７５および電動過給器６０以外の装置（とくに高圧負荷）に対して供給することができる。
【００３７】
実施の形態２および３の構成を組み合わせてもよい。たとえば、実施の形態２の構成において、蓄電手段７４に対し、インバータ７５および電動過給器６０と並列に、パワーステアリング用モータ２３が接続されてもよい。
【００３８】
ＤＣＤＣコンバータ故障判定手段７３ａの機能の一部または全部は、制御装置８０，１８０，２８０によって実現されてもよい。たとえば、ＤＣＤＣコンバータ７３またはＤＣＤＣコンバータ故障判定手段７３ａから電流や電圧に関する信号が出力され、制御装置８０，１８０，２８０はこの信号に基づいてＤＣＤＣコンバータ７３が故障しているか否かを判定してもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０，１１０，２１０  電動アシストターボシステム、２０  エンジン（内燃機関）、２３  パワーステアリング用モータ（インバータおよび電動過給器以外の負荷）、３０  吸気配管、４０  排気配管、５０  過給器、５１  コンプレッサホイール、５２  タービンホイール、５３  タービンシャフト、６０  電動過給器、６１  モータ（電動機）、６２  コンプレッサ、７０  オルタネータ、７１  鉛バッテリ（補機バッテリ）、７２  リレー（開閉器）、７３，１７３  ＤＣＤＣコンバータ、７３ａ  コンバータ故障判定手段、７４  蓄電手段、７５  インバータ、８０，１８０，２８０  制御装置。
【図１】
2014202135.tif 000003
【図２】
2014202135.tif 000004
【図３】
2014202135.tif 000005