(57)【要約】【課題】走行用モータを利用する車両用駆動システムにおいて、車両重量やコストの増大を抑制しつつ、モータを高出力化し、かつ、当該システムが持つポテンシャルを十分に発揮させる。【解決手段】直列に接続されたバッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２は、接続ノードが接地されている。インバータ１５ａは、モータ駆動電圧が各バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の出力電圧よりも高くなるように、動作が制御される。車両用駆動システム１０は、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２のそれぞれから、インバータ１５ａ以外の、車両１に搭載された電気機器への電力供給が可能なように、構成されている。【選択図】図８
2022002427.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両用駆動システムであって、
駆動輪に駆動力を発生させるモータと、
前記モータと電気的に接続されたインバータと、
前記インバータに電力を供給するバッテリ部と、
前記インバータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記バッテリ部は、第１および第２バッテリを有し、かつ、互いに接続された前記第１バッテリの負極および前記第２バッテリの正極が、接地されており、
前記制御装置は、前記インバータから前記モータに出力される電圧が、前記第１バッテリの出力電圧および前記第２バッテリの出力電圧よりも高くなるように、前記インバータの動作を制御するものであり、
前記車両用駆動システムは、
前記第１および第２バッテリのそれぞれから、前記インバータ以外の、前記車両に搭載された電気機器への電力供給が可能なように、構成されている
ことを特徴とする車両用駆動システム。
【請求項２】
請求項１記載の車両用駆動システムにおいて、
所定の電気機器への電力供給元を、前記第１バッテリまたは前記第２バッテリに切り換え可能に構成されたバッテリ切換回路を備える
ことを特徴とする車両用駆動システム。
【請求項３】
請求項２記載の車両用駆動システムにおいて、
前記バッテリ切換回路は、
前記所定の電気機器に電力供給を行うための一対の配線である、第１および第２配線の間に設けられたキャパシタと、
前記第１バッテリの正極と前記第１配線との間に設けられた第１スイッチと、
前記第２バッテリの正極と前記第１配線との間に設けられた第２スイッチと、
前記第１バッテリの負極と前記第２配線との間に設けられた第３スイッチと、
前記第２バッテリの負極と前記第２配線との間に設けられた第４スイッチとを備える
ことを特徴とする車両用駆動システム。
【請求項４】
請求項３記載の車両用駆動システムにおいて、
前記バッテリ切換回路が有する前記第１〜第４スイッチのオン／オフを制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記第１および第２バッテリが有するエネルギーの大小を判定し、
前記第１バッテリのエネルギーが前記第２バッテリのエネルギーよりも大きいときは、前記第１および第３スイッチをオンにし、前記第２および第４スイッチをオフにする動作を行い、
前記第２バッテリのエネルギーが前記第１バッテリのエネルギーよりも大きいときは、前記第１および第３スイッチをオフにし、前記第２および第４スイッチをオンにする動作を行う
ことを特徴とする車両用駆動システム。
【請求項５】
請求項３記載の車両用駆動システムにおいて、
前記第１および第２配線の間に設けられ、前記第１および第２配線の間の電圧を変換して、前記所定の電気機器と異なる電源電圧で動作する電気機器に出力するＤＣ／ＤＣコンバータを備える
ことを特徴とする車両用駆動システム。
【請求項６】
請求項２記載の車両用駆動システムにおいて、
前記バッテリ切換回路は、当該車両が前記モータによって走行しているとき、前記第１バッテリまたは前記第２バッテリから前記所定の電気機器への電力供給を行わない
ことを特徴とする車両用駆動システム。
【請求項７】
請求項１記載の車両用駆動システムにおいて、
前記第１バッテリは、直列に接続された複数のバッテリセルを有しており、
前記車両用駆動システムは、
前記第１バッテリに対して設けられており、前記複数のバッテリセル間の充放電制御を行うことによって、前記複数のバッテリセルの充電量をバランスさせるセルバランス回路を備える
ことを特徴とする車両用駆動システム。
【請求項８】
請求項７記載の車両用駆動システムにおいて、
前記第１バッテリは、前記複数のバッテリセルの１つから、前記第１バッテリの出力電圧と異なる電圧の電力を出力する
ことを特徴とする車両用駆動システム。
【請求項９】
請求項１記載の車両用駆動システムにおいて、
前記バッテリ部は、カートリッジ化された第３および第４バッテリが着脱可能に構成されており、装着された前記第３バッテリは前記第１バッテリと並列に接続され、装着された前記第４バッテリは前記第２バッテリと並列に接続される
ことを特徴とする車両用駆動システム。
【請求項１０】
請求項１記載の車両用駆動システムにおいて、
前記インバータは、マルチレベルインバータである
ことを特徴とする車両用駆動システム。
【請求項１１】
請求項１記載の車両用駆動システムにおいて、
前記第１および第２バッテリの出力電圧は、６０Ｖ以下である
ことを特徴とする車両用駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示された技術は、走行用モータとバッテリを利用する車両用駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、高電圧バッテリで走行用モータを駆動する車両用駆動システムが知られている。モータの出力は電流と電圧に依存するため（Ｐ＝Ｉ・Ｖ・ｃｏｓθ）、モータを高出力化するためには、バッテリの高電圧化が有効である。一般的には、走行用モータを駆動するために、６０Ｖ以上の高電圧バッテリが利用されている。
【０００３】
ここで、高電圧バッテリを利用する装置では、部品や配線に関して高電圧対策が必要になり、このことがコストや重量の増加につながってしまう。例えば、インバータとバッテリを接続する配線が大型になり、重量が重くなる。また、インバータやバッテリのコネクタとして、高電圧に耐え得る高価な部品を使わざるを得ない。その一方で、高電圧化することによって、所定のモータ出力を得るための電流値が小さくなるため（Ｐ＝Ｉ・Ｖ・ｃｏｓθより）、モータ損失を低減することができる（Ｐloss＝Ｒ・Ｉ２）。これにより、車両の電費を向上させることができる。近年では、車両重量およびコストの増加のデメリットよりも、電費向上のメリットを優先して、バッテリを高電圧化する構成が主流になっている。
【０００４】
特許文献１では、モータの駆動力を主体とするハイブリッド駆動装置の構成が開示されている。この構成では、低電圧バッテリとキャパシタとを直列接続して、モータを駆動するための高電圧電源を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１９−１６２９６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
キャパシタは一般に、通常のバッテリよりも瞬間的に大電流を供給することができる。特許文献１の構成では、この応答性の良いキャパシタを、例えば車両発進時の加速に利用している。ところが、キャパシタはエネルギー密度が小さいため、モータへの長時間の電力供給は困難である。したがって、航続距離を確保するという面では、キャパシタを利用しないで、バッテリを利用する方が好ましい。
【０００７】
ここに開示された技術は、走行用モータを利用する車両用駆動システムにおいて、車両重量やコストの増大を抑制しつつ、モータを高出力化し、モータへの長時間の電力供給を可能にし、かつ、当該車両用駆動システムが持つポテンシャルを十分に発揮させることを可能にする、ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ここで、発明者らは、上述した構成の車両用駆動システムについて、実験および検討等により、次のような知見を得ることができた。
【０００９】
すなわち、上述した構成の車両用駆動システムでは、直列に接続した第１および第２バッテリについて、その接続ノードをグランドに接続し、バッテリ部から出力される電圧を低電圧化している。そして、インバータとして３レベルインバータを採用し、インバータから、バッテリ電圧よりも高いモータ駆動電圧が生成されるようにしている。これにより、重量が小さく、コストが低く、かつ、モータ出力が高い車両用駆動システムを実現することができる。
【００１０】
しかしながら、発明者らによる実験の結果、上述した構成の車両用駆動システムでは、期待されるほどの出力性能が確保できないことが判明した。検討の結果、その原因は、バッテリの充電量（ＳＯＣ）／電圧のばらつきにあることが分かった。
【００１１】
すなわち、インバータに電源を供給する各バッテリの充電量／電圧にばらつきがあると、モータ駆動電圧の振幅にばらつきが生じ、これがモータのトルク変動を引き起こす。車両駆動において、モータのトルク変動は、運転の快適さを大きく損なう要因になるため、できるだけ抑制する必要がある。ところが、トルク変動を抑制するためには、充電量／電圧が低い方のバッテリに合わせてインバータ出力を制限せざるを得ない。このことは、車両用駆動システムが持つポテンシャルを十分に発揮させることができない、という問題を生じさせる。
【００１２】
すなわち、上述した構成の車両用駆動システムにおいて、モータ出力性能を十分に確保するためには、インバータに電源を供給する各バッテリについて、充電量／電圧のバランスをとることが重要である、との知見を得ることができた。この知見に基づいて、本願発明者らは、以下に説明するような構成を考案した。
【００１３】
すなわち、ここに開示された技術では、車両用駆動システムは、駆動輪に駆動力を発生させるモータと、前記モータと電気的に接続されたインバータと、前記インバータに電力を供給するバッテリ部と、前記インバータの動作を制御する制御装置とを備え、前記バッテリ部は、第１および第２バッテリを有し、かつ、互いに接続された前記第１バッテリの負極および前記第２バッテリの正極が、接地されており、前記制御装置は、前記インバータから前記モータに出力される電圧が、前記第１バッテリの出力電圧および前記第２バッテリの出力電圧よりも高くなるように、前記インバータの動作を制御するものであり、前記車両用駆動システムは、前記第１および第２バッテリのそれぞれから、前記インバータ以外の、前記車両に搭載された電気機器への電力供給が可能なように、構成されている。
【００１４】
この構成によると、バッテリ部において、直列に接続された第１および第２バッテリの接続ノードが接地されているので、グランドを基準にして、第１バッテリの出力電圧と同じ値の正の電圧と、第２バッテリの出力電圧と絶対値が同じである負の電圧とが、バッテリ部から出力される。そして、インバータから出力されるモータ駆動電圧が、第１バッテリの出力電圧や第２バッテリの出力電圧よりも高くなるように、インバータの動作が制御される。これにより、バッテリ部の出力を低電圧化して車両重量やコストを抑制しつつ、モータを高出力化することができる。さらに、第１および第２バッテリのそれぞれから、インバータ以外の、車両に搭載された電気機器への電力供給が可能なように構成されているので、第１および第２バッテリの充電量に差が生じることを抑制できる。したがって、モータのトルク変動を抑えつつ、車両用駆動システムが持つポテンシャルを十分に発揮させることができ、モータ出力性能を十分に確保することができる。
【００１５】
また、上述の車両用駆動システムは、所定の電気機器への電力供給元を、前記第１バッテリまたは前記第２バッテリに切り換え可能に構成されたバッテリ切換回路を備える、としてもよい。
【００１６】
これにより、バッテリ切換回路によって、所定の電気機器への電力供給元を第１バッテリまたは第２バッテリに切り換えることができるので、第１および第２バッテリの充電量を、容易にバランスさせることできる。
【００１７】
また、前記バッテリ切換回路は、前記所定の電気機器に電力供給を行うための一対の配線である、第１および第２配線の間に設けられたキャパシタと、前記第１バッテリの正極と前記第１配線との間に設けられた第１スイッチと、前記第２バッテリの正極と前記第１配線との間に設けられた第２スイッチと、前記第１バッテリの負極と前記第２配線との間に設けられた第３スイッチと、前記第２バッテリの負極と前記第２配線との間に設けられた第４スイッチとを備える、としてもよい。
【００１８】
これにより、所定の電気機器への電力供給元となるバッテリを切り換えるバッテリ切換回路を、簡易な構成によって実現することができる。
【００１９】
さらに、上述の車両用駆動システムは、前記バッテリ切換回路が有する前記第１〜第４スイッチのオン／オフを制御する制御部を備え、前記制御部は、前記第１および第２バッテリが有するエネルギーの大小を判定し、前記第１バッテリのエネルギーが前記第２バッテリのエネルギーよりも大きいときは、前記第１および第３スイッチをオンにし、前記第２および第４スイッチをオフにする動作を行い、前記第２バッテリのエネルギーが前記第１バッテリのエネルギーよりも大きいときは、前記第１および第３スイッチをオフにし、前記第２および第４スイッチをオンにする動作を行う、としてもよい。
【００２０】
これにより、第１バッテリのエネルギーが第２バッテリのエネルギーよりも大きいときは、電力線間に設けたキャパシタに、第１バッテリのエネルギーの一部を蓄積することができる。また、第２バッテリのエネルギーが第１バッテリのエネルギーよりも大きいときは、第２バッテリのエネルギーの一部を当該キャパシタに蓄積することができる。
【００２１】
また、上述の車両用駆動システムは、前記第１および第２配線の間に設けられ、前記第１および第２配線の間の電圧を変換して、前記所定の電気機器と異なる電源電圧で動作する電気機器に出力するＤＣ／ＤＣコンバータを備える、としてもよい。
【００２２】
これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータによって、キャパシタが設けられた電力線間の電圧とは異なる電圧の電力を生成し、供給することができる。
【００２３】
また、前記バッテリ切換回路は、当該車両が前記モータによって走行しているとき、前記第１バッテリまたは前記第２バッテリから前記所定の電気機器への電力供給を行わない、としてもよい。
【００２４】
これにより、モータ走行の安定性を損なうことなく、第１および第２バッテリの充電量をバランスさせることできる。
【００２５】
また、前記第１バッテリは、直列に接続された複数のバッテリセルを有しており、前記車両用駆動システムは、前記第１バッテリに対して設けられており、前記複数のバッテリセル間の充放電制御を行うことによって、前記複数のバッテリセルの充電量をバランスさせるセルバランス回路を備える、としてもよい。
【００２６】
これにより、セルバランス回路によって、第１バッテリ内部の各バッテリセルについて、充電量のバランスをとることができるので、第１バッテリの出力を十分に確保することができる。
【００２７】
さらに、前記第１バッテリは、前記複数のバッテリセルの１つから、前記第１バッテリの出力電圧と異なる電圧の電力を出力する、としてもよい。
【００２８】
これにより、第１バッテリから、バッテリセルの電圧例えば１２Ｖの電力を出力することができる。これにより、１２Ｖの電力を供給するバッテリを、別途設ける必要がなくなる。
【００２９】
また、前記バッテリ部は、カートリッジ化された第３および第４バッテリが着脱可能に構成されており、装着された前記第３バッテリは前記第１バッテリと並列に接続され、装着された前記第４バッテリは前記第２バッテリと並列に接続される、としてもよい。
【００３０】
これにより、着脱可能な第３および第４バッテリを、第１および第２バッテリの補助として利用することができる。
【００３１】
また、前記インバータは、マルチレベルインバータである、としてもよい。
【００３２】
これにより、インバータからモータに出力される電圧が、第１バッテリの出力電圧および第２バッテリの出力電圧よりも高くなるように、インバータの動作を容易に制御することができる。
【００３３】
また、例えば、前記第１および第２バッテリの出力電圧は、６０Ｖ以下である。
【発明の効果】
【００３４】
以上説明したように、ここに開示された技術によると、走行用モータを利用する車両用駆動システムにおいて、車両重量やコストの増大を抑制しつつ、モータを高出力化し、モータへの長時間の電力供給を可能にし、かつ、当該車両用駆動システムが持つポテンシャルを十分に発揮させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施形態に係る車両用駆動システムを車両に搭載したレイアウトの例
【図２】実施形態に係る車両用駆動システムの構成例
【図３】実施形態に係る車両用駆動システムにおけるモータ駆動の主要回路構成
【図４】比較例に係るモータ駆動の主要回路構成
【図５】（ａ）は３レベルインバータの概要構成、（ｂ）は３レベルインバータの動作
【図６】３レベルインバータの一相分のインバータ回路
【図７】３レベルインバータの詳細動作図
【図８】実施形態に係る車両用駆動システムにおける、バッテリ制御に係る回路構成の一例
【図９】図８におけるセルバランス回路の回路構成
【図１０】バッテリ切換回路の動作を示すフローチャート
【図１１】バッテリ１から電力を供給させる動作を示す図
【図１２】バッテリ２から電力を供給させる動作を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３６】
以下、例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３７】
図１は実施形態に係る車両用駆動システムを車両に搭載したレイアウトの例であり、車両を側面から見た透視図である。図２は実施形態に係る車両用駆動システムの構成例である。
【００３８】
図１および図２に示すように、車両１に、車両用駆動システム１０が搭載されている。車両用駆動システム１０は、後輪２ａを駆動するエンジン１２と、後輪２ａに駆動力を伝達する動力伝達機構１４と、後輪２ａを駆動する主駆動モータ１６と、前輪２ｂを駆動する副駆動モータ２０と、主駆動モータ１６に電気的に接続されたインバータ１５ａと、副駆動モータ２０に電気的に接続されたインバータ１５ｂと、インバータ１５ａ，１５ｂに電力を供給するバッテリ部１８と、制御装置２４と、エンジン１２に供給する燃料を格納する燃料タンク３０とを備える。すなわち、車両用駆動システム１０は、ハイブリッド駆動システムである。
【００３９】
エンジン１２は、車両１の主駆動輪である後輪２ａに対する駆動力を発生するための内燃機関であり、本実施形態では、ロータリーエンジンである。なお、エンジン１２は。ロータリーエンジン以外のエンジン、例えばレシプロエンジンであってもよい。エンジン１２は、車両１の前部に配置されており、動力伝達機構１４を介して後輪２ａを駆動する。
【００４０】
動力伝達機構１４は、エンジン１２が発生した駆動力を主駆動輪である後輪２ａに伝達するように構成されている。動力伝達機構１４は、エンジン１２に接続されたプロペラシャフト１４ａ、クラッチ１４ｂ、および、有段変速機であるトランスミッション１４ｃを備えている。プロペラシャフト１４ａは、車両１の前部に配置されたエンジン１２から、プロペラシャフトトンネル（図示せず）の中を車両１の後方へ向けて延びている。プロペラシャフト１４ａの後端は、クラッチ１４ｂを介してトランスミッション１４ｃに接続されている。トランスミッション１４ｃの出力軸は後輪２ａの車軸（図示せず）に接続され、後輪２ａを駆動する。
【００４１】
主駆動モータ１６は、車両１の主駆動輪である後輪２ａに対する駆動力を発生するための電動機であり、エンジン１２の後ろ側に、エンジン１２に隣接して配置されている。主駆動モータ１６はエンジン１２と直列に接続されており、主駆動モータ１６が発生した駆動力も動力伝達機構１４を介して後輪２ａに伝達される。本実施形態では、主駆動モータ１６として、４８Ｖで駆動される２５ｋＷの永久磁石同期電動機が採用されている。
【００４２】
インバータ１５ａは、主駆動モータ１６に隣接して配置されており、バッテリ部１８から供給される直流電力を交流電力に変換して、主駆動モータ１６に供給する。
【００４３】
副駆動モータ２０は、副駆動輪である前輪２ｂに対する駆動力を発生するための電動機であり、本実施形態では、各前輪２ｂのホイール内にそれぞれ収容されたインホイールモータである。本実施形態では、副駆動モータ２０として、１７ｋＷの誘導電動機がそれぞれ採用されている。
【００４４】
インバータ１５ｂは、バッテリ部１８から供給される直流電力を交流電力に変換して、副駆動モータ２０にそれぞれ供給する。
【００４５】
バッテリ部１８は、本実施形態では、シート３の後方であって、燃料タンク３０の前方に配置されている。本実施形態では、バッテリ部１８は、４個のバッテリ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ、１８ｄを備えている。なお、各バッテリ１８ａ〜１８ｄは例えば、出力電圧が４８Ｖであり、その内部に直列接続された４個の１２Ｖのバッテリセルをそれぞれ備えている。
【００４６】
バッテリ１８ａ，１８ｂは、電気的に直列に接続されており、バッテリ部１８に据え付けられている。また、後述するように、バッテリ１８ａ，１８ｂの接続ノード、すなわちバッテリ１８ａの負極およびバッテリ１８ｂの正極は、インバータ１５ａと共通に、グランドに接続されている。また、バッテリ１８ｃは、バッテリ１８ａと並列に接続され、バッテリ１８ｄは、バッテリ１８ｂと並列に接続されている。ここでは、バッテリ１８ｃ，１８ｄは、カートリッジ化されたバッテリカートリッジになっており、バッテリ部１８に着脱可能になっている。バッテリ部１８は、カートリッジ化されたバッテリ１８ｃ，１８ｄが装着されると、バッテリ１８ｃがバッテリ１８ａと並列に接続され、バッテリ１８ｄがバッテリ１８ｂと並列に接続されるように構成されている。
【００４７】
制御装置２４は、エンジン１２、主駆動モータ１６と電気的に接続されたインバータ１５ａ、および、副駆動モータ２０と電気的に接続されたインバータ１５ｂを制御して、車両１が、エンジン走行モードおよびモータ走行モードを適宜実行するように構成されている。具体的には、制御装置２４は、マイクロプロセッサ、メモリ、インタフェイス回路、および、これらを作動させるプログラム（以上、図示せず）等によって構成することができる。
【００４８】
エンジン走行モードとモータ走行モードの切り換え制御は、例えば次のように行われる。ここでは、車両１には、エンジン走行モードまたはモータ走行モードを選択するスイッチが設けられているものとする。
【００４９】
市街地の中などで比較的低速で発進、停止が繰り返される間は、モータ走行モードに設定される。モータ走行モードでは、制御装置２４は、バッテリ部１８の電力をインバータ１５ａに供給し、主駆動モータ１６を駆動する。一方で、制御装置２４は、エンジン１２に燃料が供給されないように制御し、エンジン１２がトルクを発生しないようにする。この場合、車両１は、純粋に電気自動車（ＥＶ）として機能する。
【００５０】
車両１が所定車速以上で走行している状態であっても、所定量以上の加速が行われていない状態では、モータ走行モードのままになり、主駆動モータ１６によって車両１が駆動される。
【００５１】
ここで、運転者によって上述のスイッチが操作され、エンジン走行モードに切り換えられ、アクセルペダルが踏み込まれたとする。エンジン走行モードでは、制御装置２４は、エンジン１２への燃料の供給を開始し、これにより、エンジン１２がトルクを発生する。一方で、制御装置２４は、インバータ１５ａの制御を停止し、主駆動モータ１６による駆動を停止する。このため、運転者は、エンジン１２により駆動される車両１の運転フィーリングを楽しむことができる。
【００５２】
図３は実施形態に係る車両用駆動システムにおけるモータ駆動に係る主要回路の構成である。また、図４は比較例に係るモータ駆動の主要回路の構成である。
【００５３】
図３に示すように、本実施形態では、バッテリ部１８のコネクタ４ａとインバータ１５ａの４ｂとが、３本のワイヤ５（５ａ，５ｂ，５ｃ）によって電気的に接続されている。バッテリ部１８において、バッテリ１８ａ，１８ｂが直列に接続されており、その接続ノードすなわちバッテリ１８ａの負極およびバッテリ１８ｂの正極がグランドに接続されている。ワイヤ５ａはバッテリ１８ａの正極に接続され、ワイヤ５ｂはバッテリ１８ａの負極およびバッテリ１８ｂの正極に接続され、ワイヤ５ｃはバッテリ１８ｂの負極に接続される。すなわち、バッテリ部１８から、±４８Ｖの電圧が出力される。
【００５４】
インバータ１５ａにおいて、キャパシタ１５ｃ，１５ｄが直列に接続されており、その接続ノードはワイヤ５ｂに接続されている。キャパシタ１５ｃの他端がワイヤ５ａに接続され、キャパシタ１５ｄの他端がワイヤ５ｃに接続されている。すなわち、キャパシタ１５ｃ，１５ｄには、９６Ｖの電圧が印加されている。
【００５５】
ここで、６０Ｖ以下の低電圧では、高電圧安全対策が基本的に不要となり、低コストの素子や部品を用いることができる。具体的には、図３の構成において、コネクタ４ａ，４ｂおよびワイヤ５について、低電圧用の安価な部品を利用することができる。また、ハーネス等の重量も大幅に低減することができる。
【００５６】
一方、図４の構成では、バッテリ部１１８において、バッテリ１１８ａ，１１８ｂが直列に接続されており、その両端の電圧である９６Ｖがバッテリ部１１８から出力される。このため、バッテリ部１１８のコネクタ１０４ａ、インバータ１１５ａのコネクタ１０４ｂには、高電圧対応の部品を用いなければならない。また、コネクタ１０４ａ，１０４ｂを接続するワイヤ１０５に関して、高電圧用の高価で重い配線を用いなければならない。
【００５７】
すなわち、本実施形態の構成では、バッテリ部１８において、直列に接続されたバッテリ１８ａ，１８ｂの接続ノードが接地されているので、グランドを基準にして、バッテリ１８ａの出力電圧と同じ値の正の電圧と、バッテリ１８ｂの出力電圧と絶対値が同じである負の電圧とが、バッテリ部１８から出力される。したがって、バッテリ部１８の出力が低電圧化されるので、これにより、車両重量やコストを抑制することができる。
【００５８】
そして、本実施形態では、バッテリ電圧４８Ｖよりも高いモータ駆動電圧を得るために、インバータ１５ａとして、３レベルインバータを採用している。
【００５９】
図５は３レベルインバータの概要を示す図であり、（ａ）は回路構成、（ｂ）は出力電圧の波形を示す。図５（ａ）に示すように、３レベルインバータでは、正側と負側にそれぞれ、直列接続した２個のスイッチング素子が配置されている。三相モータの制御のためには、計１２（２×２×３）個のスイッチング素子が必要となる。バッテリ電圧として±４８Ｖが与えられたとき、図５（ｂ）に示すように、スイッチング素子の制御によって、９６Ｖのモータ駆動電圧を生成することができる。また、スイッチング素子として、ＩＧＢＴと比べて耐圧が低いＭＯＳ−ＦＥＴを用いることができる。
【００６０】
図６は１相分のインバータ回路の構成例である。図６において、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間の接続ノードがグランドと接続されている。スイッチング素子Ｑ５にはスイッチング素子Ｑ３と共通の駆動信号が与えられ、スイッチング素子Ｑ６にはスイッチング素子Ｑ２と共通の駆動信号が与えられる。
【００６１】
図７は各相におけるスイッチング素子の駆動波形と、相間電圧の例である。図７に示すように、駆動波形によって駆動された各相の電圧の差分が、その相間電圧になる。例えば、駆動波形Ｑ１ｕ〜Ｑ４ｕによって駆動されたｕ相の電圧と、駆動波形Ｑ１ｖ〜Ｑ４ｖによって駆動されたｖ相の電圧との差分が、相間電圧Ｖｕ−ｖになる。図７に示すようなインバータ制御によって、例えば、±４８Ｖのバッテリ電圧から、９６Ｖのモータ駆動電圧を生成することができる。
【００６２】
図８は実施形態に係る車両用駆動システムにおける、バッテリ制御に係る回路構成の一例である。図８の構成において、Ｂａｔｔ１，Ｂａｔｔ２，Ｂａｔｔ３，Ｂａｔｔ４は４８Ｖのバッテリであり、図２の構成におけるバッテリ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄにそれぞれ対応している。バッテリＢａｔｔ１の負極とバッテリＢａｔｔ２の正極とが接続されており、その接続ノードが接地されている（中性点）。バッテリＢａｔｔ３はバッテリＢａｔｔ１と並列に接続されており、バッテリＢａｔｔ４はバッテリＢａｔｔ２と並列に接続されている。なお、バッテリＢａｔｔ３，Ｂａｔｔ４は省いてもかまわない。
【００６３】
バッテリＢａｔｔ１の正極とインバータ１５ａとの間にスイッチＳ１が挿入されており、バッテリＢａｔｔ２の負極とインバータ１５ａとの間にスイッチＳ２が挿入されている。
【００６４】
また、図８の構成では、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２からそれぞれ、車両１内の電装品等に向けて、４８Ｖの電力が供給可能になっている。また、バッテリＢａｔｔ１から、車両１内の電装品等に向けて、１２Ｖの電力が供給可能になっている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１およびキャパシタ４２が、４８Ｖの電力線と接地線との間に設けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２からキャパシタ４２に充電された４８Ｖの電力を１２Ｖの電力に変換して出力する。
【００６５】
バッテリＢａｔｔ１の正極と４８Ｖの電力線との間に、スイッチＳ３が挿入されている。バッテリＢａｔｔ２の正極と４８Ｖの電力線との間に、スイッチＳ４が挿入されている。バッテリＢａｔｔ１の負極と４８Ｖ電力の接地線との間に、スイッチＳ５が挿入されている。バッテリＢａｔｔ２の負極と４８Ｖ電力の接地線との間に、スイッチＳ６が挿入されている。また、バッテリＢａｔｔ１内の１個のバッテリセルの正極と１２Ｖの電力線との間に、スイッチＳ０が挿入されている。なお、スイッチＳ０〜Ｓ６は、例えばＭＯＳＦＥＴによって構成される。
【００６６】
スイッチＳ３〜Ｓ６およびキャパシタ４２によって、所定の電気機器に対して４８Ｖ電力の供給元となるバッテリを切り換え可能に構成されたバッテリ切換回路５０が構成されている。バッテリ切換回路５０の動作については後述する。
【００６７】
各バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２，Ｂａｔｔ３，Ｂａｔｔ４に対して、セルバランス回路３１，３２，３３，３４がそれぞれ設けられている（図では、バランス１〜４と表記）。セルバランス回路３１〜３４は、対応するバッテリ内部のバッテリセルについて、その充電量のバランスをとる機能を有する。
【００６８】
制御部４３は、スイッチＳ０〜Ｓ６のオンオフ制御、および、セルバランス回路３１〜３４の制御を行う。制御部４３は、マイクロプロセッサ、メモリ、インタフェイス回路、および、これらを作動させるプログラム等によって構成することができる。なお、制御部４３は、図２に示す制御装置２４と一体に構成されてもよいし、個別に構成されていてもよい。
【００６９】
図９はセルバランス回路３１の回路構成例である。なお、セルバランス回路３２〜３４も図９と同様の回路構成としてよい。バッテリＢａｔｔ１は、直列に接続された４個のバッテリセル１８１〜１８４を備える。図９のセルバランス回路３１は、まず、バッテリセル１８１，１８２の充電量のバランスを整えるための構成として、スイッチＳ１１〜Ｓ１４およびキャパシタＣ３１ａを備える。セルバランス回路３１は、また、バッテリセル１８３，１８４の充電量のバランスを整えるための構成として、スイッチＳ１５〜Ｓ１８およびキャパシタＣ３１ｂを備える。さらに、セルバランス回路３１は、バッテリセル１８１，１８２とバッテリセル１８３，１８４との充電量のバランスを整えるための構成として、スイッチＳ２１〜Ｓ２４およびキャパシタＣ３１ｃを備える。
【００７０】
図９のセルバランス回路３１は、次のように動作する。バッテリセル１８１，１８２の充電量のバランスを整える場合は、まず、バッテリセル１８１，１８２の電圧値および電流値を取得し、バッテリセル１８１，１８２が有するエネルギーの大小を判定する。そして、バッテリセル１８１の方が、エネルギーが大きいときは、スイッチＳ１１，Ｓ１３をオンにするとともに、スイッチＳ１２，Ｓ１４をオフにして、バッテリセル１８１のエネルギーをキャパシタＣ３１ａに移動させる。所定時間が経過した後、スイッチＳ１１，Ｓ１３をオフにするとともに、スイッチＳ１２，Ｓ１４をオンにして、キャパシタＣ３１ａのエネルギーをバッテリセル１８２に移動させる。一方、バッテリセル１８２の方が、エネルギーが大きいときは、スイッチＳ１１，Ｓ１３をオフにするとともに、スイッチＳ１２，Ｓ１４をオンにして、バッテリセル１８２のエネルギーをキャパシタＣ３１ａに移動させる。所定時間が経過した後、スイッチＳ１１，Ｓ１３をオンにするとともに、スイッチＳ１２，Ｓ１４をオフにして、キャパシタＣ３１ａのエネルギーをバッテリセル１８１に移動させる。
【００７１】
バッテリセル１８３，１８４の充電量のバランスを整える場合は、上述した動作と同様に、キャパシタＣ３１ｂを介して、バッテリセル１８３，１８４間のエネルギーの移動を行えばよい。バッテリセル１８１，１８２とバッテリセル１８３，１８４との充電量のバランスを整える場合は、上述した動作と同様に、キャパシタＣ３１ｃを介して、バッテリセル１８１，１８２とバッテリセル１８３，１８４との間のエネルギーの移動を行えばよい。
【００７２】
以下、バッテリ切換回路５０の動作について説明する。図１０はバッテリ切換回路５０の動作を示すフローチャートである。また、図１１はバッテリＢａｔｔ１から４８Ｖ電力を供給させる動作を示し、図１２はバッテリＢａｔｔ２から４８Ｖ電力を供給させる動作を示す。なお、図１１および図１２では、図の簡略化のために、バッテリＢａｔｔ３，Ｂａｔｔ４とこれらに関わる構成要素については図示を省略している。
【００７３】
バッテリ切換回路５０の動作を開始するとき、制御部４３は、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の電圧値および電流値を取得する（ステップＳ１１）。そして、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２が有するエネルギーの大小を判定する。
【００７４】
バッテリＢａｔｔ１のエネルギーがバッテリＢａｔｔ２のエネルギーよりも大きいときは（ステップＳ１２でＹＥＳ）、バッテリ切換回路５０は、バッテリＢａｔｔ１から４８Ｖ電力を供給させる。すなわち、制御部４３は、バッテリ切換回路５０において、スイッチＳ３，Ｓ５をオンにし、スイッチＳ４，Ｓ６をオフにする（ステップＳ１３）。これにより、図１１に示すように、バッテリＢａｔｔ１のエネルギーがキャパシタ４２に移動し始める。所定時間が経過した後（ステップＳ１４）、制御部４３は、スイッチＳ３〜Ｓ６をオフにする（ステップＳ１５）。これにより、バッテリＢａｔｔ１のエネルギーの一部がキャパシタ４２に蓄積される。
【００７５】
一方、バッテリＢａｔｔ２のエネルギーがバッテリＢａｔｔ１のエネルギーよりも大きいときは（ステップＳ２１でＹＥＳ）、バッテリ切換回路５０は、バッテリＢａｔｔ２から４８Ｖ電力を供給させる。すなわち、制御部４３は、バッテリ切換回路５０において、スイッチＳ３，Ｓ５をオフにし、スイッチＳ４，Ｓ６をオンにする（ステップＳ２２）。これにより、図１２に示すように、バッテリＢａｔｔ２のエネルギーがキャパシタ４２に移動し始める。所定時間が経過した後（ステップＳ１４）、制御部４３は、スイッチＳ３〜Ｓ６をオフにする（ステップＳ１５）。これにより、バッテリＢａｔｔ２のエネルギーの一部がキャパシタ４２に蓄積される。
【００７６】
キャパシタ４２に蓄積されたエネルギーは、４８Ｖ電力として、あるいは、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１によって１２Ｖ電力に変換されて、車両１内に供給される。
【００７７】
なお、キャパシタ４２にバッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２からのエネルギーを蓄積する所定時間は、キャパシタ４２の容量や、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の容量等を基にして、予め定めておけばよい。
【００７８】
また、バッテリ切換回路５０は、車両１がエンジン走行モードのときに動作させるのが好ましい。すなわち、車両１がモータ１６によって走行しているときは、バッテリ切換回路５０は、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２から車両１の電装品等への電力供給を行わないことが好ましい。
【００７９】
また、図８の構成において、セルバランス回路３１〜３４は省いてもかまわない。ただし、バッテリＢａｔｔ１に関しては、１個のバッテリセルから１２Ｖの電力が出力されているため、バッテリセル間で充電量のバランスがくずれる可能性が高い。このため、バッテリＢａｔｔ１に対するセルバランス回路３１は設けることが好ましい。
【００８０】
以上のように本実施形態によると、車両用駆動システム１０は、駆動輪２ａに駆動力を発生させるモータ１６と、モータ１６と電気的に接続されたインバータ１５ａと、インバータ１５ａに電力を供給するバッテリ部１８と、インバータ１５ａの動作を制御する制御装置２４とを備える。バッテリ部１８において、直列に接続されたバッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の接続ノードが接地されているので、グランドを基準にして、バッテリＢａｔｔ１の出力電圧と同じ値の正の電圧と、バッテリＢａｔｔ２の出力電圧と絶対値が同じである負の電圧とが、バッテリ部１８から出力される。そして、インバータ１５ａは３レベルインバータであり、インバータ１５ａから出力されるモータ駆動電圧が、バッテリＢａｔｔ１の出力電圧やバッテリＢａｔｔ２の出力電圧よりも高くなるように、インバータ１５ａの動作が制御される。これにより、バッテリ部１８の出力を低電圧化して車両重量やコストを抑制しつつ、モータ１６を高出力化することができる。
【００８１】
さらに、車両用駆動システム１０は、所定の電気機器への電力供給元をバッテリＢａｔｔ１またはバッテリＢａｔｔ２に切り換え可能に構成されたバッテリ切換回路５０を備える。これにより、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の充電量を容易にバランスさせることができる。したがって、モータのトルク変動を抑えつつ、車両用駆動システム１０が持つポテンシャルを十分に発揮させることができ、モータ出力性能を十分に確保することができる。
【００８２】
なお、本実施形態では、バッテリ切換回路５０を設けて、所定の電気機器への電力供給の元になるバッテリを切り換え可能とした。ただし、本開示では、バッテリ切換回路５０を設けない構成としてもかまわない。例えば、バッテリＢａｔｔ１からオーディオ関連機器に電力供給を行い、バッテリＢａｔｔ２からヘッドライトに電力供給を行う、というように、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２から互いに別の電気機器に電力供給する構成としてもよい。このような構成でも、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の充電量に差が生じることを抑制できる。したがって、モータのトルク変動を抑えつつ、車両用駆動システム１０が持つポテンシャルを十分に発揮させることができ、モータ出力性能を十分に確保することができる。
【００８３】
なお、本実施形態では、インバータ１５ａは３レベルインバータであるものとしたが、本開示はこれに限られるものではなく、例えば、インバータ１５ａを、４レベルインバータ、５レベルインバータなどの他のレベルのマルチレベルインバータとしてもかまわない。また、インバータ１５ａをマルチインバータとはしないで、インバータ１５ａから出力されるモータ駆動電圧が、バッテリＢａｔｔ１の出力電圧やバッテリＢａｔｔ２の出力電圧よりも高くなるように、インバータの動作を制御するようにしてもかまわない。
【００８４】
また、本実施形態では、バッテリ部１８は、車両１に据え付けられたバッテリ１８ａ，１８ｂを備えており、かつ、カートリッジ化されたバッテリ１８ｃ，１８ｄが着脱可能に構成されているものとしたが、バッテリの個数や形態はこれに限られるものではない。例えば、バッテリ部は、車両に据え付けられた２個のバッテリを備え、カートリッジ化されたバッテリは用いない構成としてもよい。あるいは、バッテリ１８ａ，１８ｂの一方または両方を、カートリッジ化されたバッテリとしてもかまわない。
【００８５】
また、バッテリの電圧やバッテリを構成するバッテリセルの個数や電圧は、本実施形態で示したものに限られない。ただし、バッテリ部の出力を低電圧化して車両重量やコストを抑制する、という本開示の目的からすると、バッテリの出力電圧は、例えば６０Ｖ以下であることが好ましい。
【００８６】
また、本実施形態では、車両用駆動システムは、ハイブリッド駆動システムであるものとして説明を行ったが、本開示は、モータ駆動システムに適用してもよい。
【００８７】
前述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。
【符号の説明】
【００８８】
１  車両
２ａ  駆動輪
１０  車両用駆動システム
１５ａ  インバータ
１６  モータ
１８  バッテリ部
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ  バッテリ
２４  制御装置
３１，３２，３３，３４  セルバランス回路
４１  ＤＣ／ＤＣコンバータ
４２  キャパシタ
４３  制御部
５０  バッテリ切換回路
１８１，１８２，１８３，１８４  バッテリセル
Ｂａｔｔ１，Ｂａｔｔ２，Ｂａｔｔ３，Ｂａｔｔ４  バッテリ
Ｃ３０  キャパシタ
Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６  スイッチ
【図１】
2022002427.tif 000003
【図２】
2022002427.tif 000004
【図３】
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【図４】
2022002427.tif 000006
【図５】
2022002427.tif 000007
【図６】
2022002427.tif 000008
【図７】
2022002427.tif 000009
【図８】
2022002427.tif 000010
【図９】
2022002427.tif 000011
【図１０】
2022002427.tif 000012
【図１１】
2022002427.tif 000013
【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】令和3年6月10日(2021.6.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１０】
2022002427.tif 000015