(57)【要約】【課題】インバータなどの交直変換器とモータなどのエネルギー変換機構との接続に伴う損失を低減することができる車載電源機構を提供する。【解決手段】直流を充放電する電源（バッテリ６）と、電気エネルギーと機械エネルギーとの変換を行なうエネルギー変換機構（モータ４）と、前記電源とエネルギー変換機構との間において、交流と直流との変換を行なう交直変換器（インバータ５）とを有する。そして、エネルギー変換機構と前記交直変換器に含まれる回路構成部材を一体に構成する。【選択図】  図１
2004254486.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流を充放電する電源と、
電気エネルギーと機械エネルギーとの変換を行なうエネルギー変換機構と、
前記電源とエネルギー変換機構との間において、交流と直流との変換を行なう交直変換器とを有し、
前記エネルギー変換機構と前記交直変換器に含まれる回路構成部材を一体に構成することを特徴とする車載電源機構。
【請求項２】
さらに車両駆動用の内燃機関を具えることを特徴とする請求項１に記載の車載電源機構。
【請求項３】
エネルギー変換機構が車両駆動用モータで、交直変換器がインバータであることを特徴とする請求項１または２に記載の車載電源機構。
【請求項４】
エネルギー変換機構と交直変換器の回路構成部材のうち、耐熱性の高い部材を内燃機関と近い側に配置し、耐熱性の低い部材を内燃機関と遠い側に配置することを特徴とする請求項１に記載の車載電源機構。
【請求項５】
エネルギー変換機構と交直変換器とで両者に共通の冷却機構を有することを特徴とする請求項１に記載の車載電源機構。
【請求項６】
冷却機構は冷媒をエネルギー変換機構と交直変換器とに循環させ、
エネルギー変換機構と交直変換器のうち、耐熱性の高い方を冷媒の下流に配置することを特徴とする請求項５に記載の車載電源機構。
【請求項７】
交直変換器の回路構成部材にＳｉＣ素子を用いたことを特徴とする請求項１に記載の車載電源機構。
【請求項８】
交直変換器の回路構成部材には、トランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサ、電流センサおよび制御回路から選択される少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の車載電源機構。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載モータの駆動機構に関するものである。特に、モータとインバータとをつなぐハーネスを省略することができる車載モータの駆動機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電気自動車や、バッテリとエンジンとを併用したハイブリッドカーの開発が進んでいる（例えば非特許文献１）。ハイブリッドカーの概略構成の一例を図５に示す。この図に示すように、ハイブリッドカーはエンジン１とモータ４とを有し、これらを選択的にあるいは複合して車両の駆動に用いている。エンジン１は、その動力を車軸に伝達すると共に、ジェネレータ２に接続されている。エンジンの駆動力で動作されたジェネレータ２は交流を発電し、発電電力をコンバータ３で直流に変換した後、必要に応じてバッテリ６に充電される。一方、バッテリ６の電力は、直流として出力され、インバータ５を介して交流に変換されてモータ４に供給される。ここでは交流モータ４を用いており、モータ４の駆動力も車軸に伝達される。そして、ジェネレータ２とコンバータ３の間、コンバータ３とバッテリ６の間、モータ４とインバータ５の間およびインバータ５とバッテリ６の間は、それぞれハーネスを介して接続されている。
【非特許文献１】
９７年１０月  トヨタ自動車：プリウスの「新型車解説書」０−６ページ
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のハイブリッドカーの構成では、ジェネレータ、コンバータ、モータ、インバータおよびバッテリが各々独立して配置されているため、これらの間をつなぐハーネスが必要である。そのため、これら各部材間の接続損失が大きく、効率的なエネルギーの利用が難しいと言う問題がある。
【０００４】
また、通常、インバータやモータは冷却されるが、これらの冷却機構もインバータとモータとで各々独立しており、モータ、インバータおよび冷却機構を含む駆動機構の小型化の障害となっていた。
【０００５】
従って、本発明の主目的は、インバータなどの交直変換器とモータなどのエネルギー変換機構との接続に伴う損失を低減することができる車載電源機構を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、インバータなどの交直変換器をモータなどのエネルギー変換機構とを一体化することで上記の目的を達成する。
【０００７】
本発明車載電源機構は、直流を充放電する電源と、電気エネルギーと機械エネルギーとの変換を行なうエネルギー変換機構と、前記電源とエネルギー変換機構との間において、交流と直流との変換を行なう交直変換器とを有する。そして、前記エネルギー変換機構と前記交直変換器に含まれる回路構成部材を一体に構成することを特徴とする。
【０００８】
インバータなどの交直変換器とモータなどのエネルギー変換機構とを一体化することで、交直変換器とエネルギー変換機構との間をつないでいたハーネスを省略でき、軽量化と低損失化が実現できる。
【０００９】
ここで、電源には直流を充放電するバッテリが好適である。充放電が可能なものであれば、電池反応の種類は特に問わない。
【００１０】
エネルギー変換機構の代表例としてはモータが挙げられる。特に、電気自動車に用いられる車両駆動用のモータが好適である。その他、電気自動車だけでなく、さらに車両駆動用の内燃機関をも具えるハイブリッドカーにも適用できる。また、ガソリンエンジンなどの内燃機関とモータによる駆動とを組み合わせたハイブリッドカーにおいては、エンジンの動力で発電を行なうジェネレータもエネルギー変換機構に含まれる。
【００１１】
交直変換器には、直流を交流に変換するインバータと、交流を直流に変換するコンバータの双方が含まれる。バッテリの直流出力を交流の車両駆動用モータで用いる場合、インバータが必要になるが、このインバータの回路構成部材をモータと一体化すれば良い。また、ジェネレータの交流出力を用いてバッテリの充電を行なう場合、コンバータが必要になるが、このコンバータの回路構成部材をジェネレータと一体化すれば良い。
【００１２】
ハイブリッドカーの場合、内燃機関はエネルギー変換機構と同軸の回転軸を有するように配置されることがある。その場合、交直変換器をエネルギー変換機構における内燃機構とは反対側に配置することが好ましい。エンジンなどの内燃機関は、動作時に高温となるため、冷却が必要なエネルギー変換機構や交直変換器は、耐熱性の低いものほど内燃機関から遠ざけることで、エンジンの熱的影響を抑制することができる。
【００１３】
エンジンのクランク軸をモータの回転軸と同軸に配置したハイブリッドカーでは、エンジンにモータが直列に配置されることになる。一般に、モータは動作時に巻線が発熱すると抵抗が大きくなり損失が増える。また、通常、インバータもトランジスタなどの半導体素子を用いており、適切に冷却しないと性能が低下したり、場合によっては動作しないことも考えられる。モータの許容温度は１８０℃程度であり、Ｓｉを用いた半導体素子では接合温度を１５０℃以下で動作させたいため、インバータをモータにおけるエンジンとは反対側に配置すれば、耐熱性の低いインバータをエンジンから遠ざけることができる。
【００１４】
さらに、交直変換器の半導体素子にＳｉＣを用いた場合、接合温度で６５０℃程度まで許容できるため、よりエンジンに近い位置に交直変換器を配置しても良い。例えば、モータの外周に交直変換器を配置することが考えられる。特に、エネルギー変換機構と交直変換器とでは、耐熱性の高い方を上方に配置することが好適である。例えば、インバータの許容温度の方がモータのそれよりも高い場合、モータはインバータの下方に配置する。逆に、モータの許容温度の方がインバータのそれよりも高い場合、インバータはモータの下方に配置する。一般に、熱は上方に移動し易いため、耐熱性の高い部材を高所に配置し、耐熱性の低い部材を低所に配置することで効率的な冷却を可能にする。
【００１５】
また、エネルギー変換機構と交直変換器とで各々に共通の冷却機構を有することが望ましい。前述したように、モータなどのエネルギー変換機構やインバータなどの交直変換器は冷却が必要になる。その場合、モータとインバータで独立した冷却機構を用いるのではなく、両者に共通した冷却機構を設けることで、冷却機構を簡略化することができる。
【００１６】
冷却機構は冷媒をエネルギー変換機構と交直変換器とに循環させる構成が好適である。例えば、ラジエータなどの放熱部と、配管などの冷媒循環路と、ポンプなど、冷媒を循環させる冷媒供給機構を有する構成が挙げられる。冷媒には、油の他、エチレングリコールなどを用いた不凍液が挙げられる。
【００１７】
その際、エネルギー変換機構と交直変換器のうち、耐熱性の高い方を冷媒の下流に配置することが好適である。
【００１８】
耐熱性の低いものを低温が保持された上流の冷媒で効果的に冷却し、若干温度が上昇した下流の冷媒で耐熱性の高いものを冷却することで、エネルギー変換機構と交直変換器とに共通する冷却機構を効率的に利用することができる。
【００１９】
例えば、インバータにＳｉ素子を用いた場合、インバータを冷媒の上流に、モータを冷媒の下流に配置する。また、インバータにＳｉＣ素子を用いた場合、モータを冷媒の上流に、インバータを冷媒の下流に配置する。
【００２０】
交直変換器の回路構成部材には、トランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサ、電流センサおよび制御回路から選択される少なくとも一つが含まれることが好ましい。通常、インバータは、これらの素子を組み合わせて構成されており、少なくともこれらの素子の一部をエネルギー変換機構と一体化することで、交直変換器とエネルギー変換機構との間をつないでいたハーネスを省略あるいは簡略化できる。エネルギー変換機構と一体化する具体的組み合わせとしては、次のものが挙げられる。
【００２１】
▲１▼エネルギー変換機構とトランジスタ
▲２▼エネルギー変換機構とトランジスタおよび電流センサ
▲３▼エネルギー変換機構とトランジスタ、抵抗、コンデンサ、電流センサおよび制御回路
【００２２】
上記のトランジスタには、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などが挙げられる。また、電流センサはインバータからモータなどのエネルギー変換機構に供給される電流を検知する。さらに、制御回路はＦＥＴなどのトランジスタを組み合わせたブリッジ回路の制御を行なう。
【００２３】
中でも、交直変換器の回路構成部材にＳｉＣ素子を用いることが好適である。ＳｉＣ素子を交直変換機に用いることで、多極化モータの利用が一層容易になる。一般に、モータのトルクはモータの巻き線のターン数Ｎ、巻き線に流れる電流Ｉ、極数Ｋの積に比例する。そのため、ターン数Ｎと極数Ｋを稼ぐことで高トルク化することが考えられるが、ターン数Ｎを増やすには巻き線構造が複雑になる。そこで、一極当たりのターン数Ｎを少なくして多極化することが考えられる。ところが、インバータの制御周波数は、モータの回転数Ｍと極数の半分（Ｋ／２）の積で得られるため、耐熱性に劣り高周波での動作が難しいＳｉを用いたインバータでは多極化したモータを制御することに不向きであった。その点、ＳｉＣ素子は低損失で耐熱性に優れる上、高周波での動作が可能であり、多極化モータの利用を容易にすることができる。特に、８極以上の多極化モータ、より好ましくは１６極以上の多極化モータの採用が可能となる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
（実施例１）
図１は本発明車載電源機構の概略構成図、図２はその回路図である。ここでは、モータとガソリンエンジンとを車両の駆動に用いるハイブリッドカーに本発明を適用した場合を例として説明する。
【００２５】
この電源機構は、ガソリンエンジン１と、ジェネレータ２と、コンバータ３と、モータ４と、インバータ５と、バッテリ６とを具えている。
【００２６】
ガソリンエンジン１は、車両の前部（ボンネット内）に配置されて、その駆動力を車軸に伝達すると共に、ジェネレータ２を作動して交流を発電する。この交流はコンバータ３で直流に変換されて、必要に応じてバッテリ６に充電される。
【００２７】
一方、バッテリ６から出力される直流は、インバータ５を介して交流に変換され、交流モータ４を駆動する。モータ４の駆動力は車軸に伝達されて車両の走行に供される。さらに、回生制動時、モータ４を発電機として動作して交流を発電し、この交流をジェネレータにつながるコンバータ３とは別のコンバータ（図示せず）で直流に変換してバッテリ６に充電する。バッテリ６は車両の後部に配置されている。
【００２８】
ここで、モータ４とインバータ５の回路構成部材を、ハーネスを介することなく一体化する。インバータ５は、図２に示すように、バッテリ６とモータ４との間において、ＳｉＣからなるＦＥＴ５１とダイオード５２を組み合わせた三相ブリッジ回路５０を有し、各ＦＥＴを制御する制御回路５３と接続されている。バッテリ６とブリッジ回路５０との間には、ブリッジ回路５０と並列にコンデンサ５４が、直列に抵抗５６が接続されている。さらに、ブリッジ回路５０とモータ４との間には、モータ４に供給される電流を検知する電流センサ５７が介在されている。
【００２９】
このようなインバータ５において、ブリッジ回路５０とモータ４とを一体に構成する。すなわち、「バッテリ６」、「ブリッジ回路５０とモータ４」、「制御回路５３と抵抗５６とコンデンサ５４と電流センサ５７」を構成単位として接続する。「バッテリ６」と「制御回路５３、抵抗５６、コンデンサ５４、電流センサ５７」との間ならびに「制御回路５３、抵抗５６、コンデンサ５４、電流センサ５７」と「ブリッジ回路５０とモータ４」との間はハーネスで接続されるが、ブリッジ回路５０とモータ４との間にはハーネスがなく、配線板などで接続される。
【００３０】
このブリッジ回路５０は、なるべくモータ４の近傍に設けるよう、モータ４の上方に配置した。モータ４は、ロータの外周にステータを有し、このステータをケース内に収納している。ブリッジ回路５０は、このケース外周に配置される。モータ４もエンジン１と共に車両の前部に収納され、エンジン１のクランク軸とモータ４の駆動軸とが同軸となるように配置されている。
【００３１】
このモータ４の許容温度は１８０℃程度であり、インバータのブリッジ回路５０の許容温度は接合温度６５０℃程度であるため、より耐熱性に優れるインバータ５をモータ４の上方に配置した。ブリッジ回路５０がＳｉ素子で構成される場合、逆にインバータ５の方がモータ４よりも耐熱性に劣るため、インバータ５をモータ４の下方で、かつエンジン１とは反対側に配置することが好ましい。
【００３２】
このように、モータ４とインバータ５の回路構成部材を一体化することで、両者の間をつなぐハーネスを省略し、軽量化と低損失化を実現することができる。
【００３３】
（実施例２）
次に、ブリッジ回路だけでなく、電流センサもモータに一体化する構成を説明する。図３は同構成を示す回路図である。
【００３４】
この回路図に示すように、ここでは「モータ４とブリッジ回路５０と電流センサ５７」、「制御回路５３と抵抗５６とコンデンサ５４」および「バッテリ６」を構成単位として接続する。この構成によれば、３つの構成単位をハーネスを介して接続するだけで良く、一層の低損失化を実現できる。
【００３５】
（実施例３）
次に、ブリッジ回路と電流センサだけでなく、コンデンサや抵抗もモータに一体化する構成を説明する。図４は同構成を示す回路図である。
【００３６】
この回路図に示すように、ここでは「モータ４、ブリッジ回路５０、電流センサ５７、制御回路５３、抵抗５６およびコンデンサ５４」と、「バッテリ６」とを構成単位として接続する。この構成によれば、２つの構成単位をハーネスを介して接続するだけで良く、一層の低損失化を実現できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明車載電源機構によれば、インバータなどの交直変換器とモータなどのエネルギー変換機構とを一体化することで、交直変換器とエネルギー変換機構との間をつないでいたハーネスを省略でき、軽量化と低損失化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明車載電源機構の概略構成図である。
【図２】図１の機構の回路図である。
【図３】ブリッジ回路と電流センサをモータに一体化した本発明電源機構の回路図である。
【図４】ブリッジ回路と電流センサだけでなく、コンデンサや抵抗もモータに一体化した本発明電源機構の回路図である。
【図５】従来の車載電源機構の概略構成図である。
【符号の説明】
１    ガソリンエンジン
２    ジェネレータ
３    コンバータ
４    交流モータ
５    インバータ
６    バッテリ
５０    三相ブリッジ回路
５１    ＦＥＴ
５２    ダイオード
５３    制御回路
５４    コンデンサ
５６    抵抗
５７    電流センサ
【図１】
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【図２】
2004254486.tif 000004
【図３】
2004254486.tif 000005
【図４】
2004254486.tif 000006
【図５】
2004254486.tif 000007