(57)【要約】【課題】モータへの電力供給を高効率で可能にする電動自動車の駆動システムを提供する。【解決手段】バッテリ10と、バッテリ10から供給される直流を所定の交流に変換するインバータ20と、インバータ20からの交流により駆動されるモータ30と、バッテリ10とインバータ20との間に接続される昇圧DC/DCコンバータ40とを具える。そして、バッテリ10から直接インバータ20に電力を供給する第１電力系統と、バッテリ10の電圧を昇圧DC/DCコンバータ40で昇圧してからインバータ20に電力供給する第２電力系統とをモータ30の出力に応じて切り替える切替手段50を有する。【選択図】図１
2004364485.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリと、
バッテリから供給される直流を所定の交流に変換するインバータと、
インバータからの交流により駆動されるモータと、
バッテリとインバータとの間に接続される昇圧DC/DCコンバータと、
バッテリから直接インバータに電力を供給する第１電力系統と、バッテリの電圧を昇圧DC/DCコンバータで昇圧してからインバータに電力を供給する第２電力系統とをモータの出力に応じて切り替える切替手段とを有することを特徴とする電動自動車の駆動システム。
【請求項２】
前記昇圧DC/DCコンバータは複数の電圧を選択可能に構成されていることを特教とする請求項１に記載の電動自動車の駆動システム。
【請求項３】
モータの回転状態の検知手段と、
この検知手段の検知結果に対応した電圧を選択して昇圧DC/DCコンバータに指令出力するフィードバック手段とを具えることを特徴とする請求項２に記載の電動自動車の駆動システム。
【請求項４】
インバータを構成するスイッチ素子にワイドバンドギャップ半導体を用いたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電動自動車の駆動システム。
【請求項５】
インバータを構成するスイッチ素子にSiCが用いられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の電動自動車の駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動自動車の駆動システムに関するものである。特に、走行条件に応じたモータヘの電力供給を高効率で可能にする電動自動車の駆動システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やハイブリッドカーなど、モータを車両の走行に用いる電動自動車の開発が進んでいる。このような電動自動車では、バッテリからの直流電力をインバータを介して交流に変換し、所定の電力をモータに供給してモータの駆動制御を行なっている。
【０００３】
このインバータは、一般にFET（電界効果トランジスタ）などのスイッチ素子でブリッジ回路を構成したものが利用されている。今後のモータの小型高出力化を考えると、高速回転での駆動が必要になる。高速回転域においてはモータから発生する逆起電力により、バッテリの電圧だけでは逆起電力以上の電圧を発生することが不可能である。そのため、ハイブリッドカーにおいては、図３に示すように、バッテリ10とインバータ20の間に昇圧コンバータ40を搭載し、このコンバータ40で昇圧してからインバータ20に電力供給を行っている（例えば、特許文献１）。
【０００４】
その際、バッテリからの電力は必ず昇圧コンバータを介してインバータに出力されている。しかも、昇圧コンバータの出力電圧は一つであった。
【０００５】
【特許文献１】特開平10-309003号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の駆動システムでは、次のような問題があった。
【０００７】
(1)昇圧コンバータでの変換ロスが発生し、システム効率が低下する。
【０００８】
昇圧コンバータを用いているのは、単にバッテリを高電圧化すると、スペース面・コスト面で不利となるためである。しかし、昇圧コンバータを常に用いる必要上、変換ロスが発生し、駆動システムの効率が低下する。
【０００９】
(2)モータコイルやモータ端子間の絶縁に高耐電圧性が要求され、コストアップにつながる。
【００１０】
常に昇圧コンバータで昇圧された高電圧がモータの巻き線・端子に印加されると、インバータの出力電圧には、その流転動作によってサージ電圧が発生する。このサージ電圧がモータの運転電圧に重畳されてモータの端子に加わる。そのため、繰り返し昇圧コンバータの最大電圧がモータに印加されることによる絶縁劣化や、コロナ発生による絶縁劣化などの対策が必要となり、モータコイルやモータ端子間の絶縁材料は高耐電圧性の材料が要求されてコストアップを招く。
【００１１】
従って、本発明の主日的は、モータヘの電力供給を高効率で可能にする電動自動車の駆動システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明電動自動車の駆動システムは、バッテリと、バッテリから供給される直流を所定の交流に変換するインバータと、インバータからの交流により駆動されるモータと、バッテリとインバータとの間に接続される昇圧DC/DCコンバータとを具える。そして、バッテリから直接インバータに電力を供給する第１電力系統と、バッテリの電圧を昇圧DC/DCコンバータで昇圧してからインバータに電力を供給する第２電力系統とをモータの出力に応じて切り替える切替手段を有することを特徴とする。
【００１３】
このように、切替手段を設けることで、車両の走行条件に応じて、バッテリから直接インバータに電力供給する場合と、昇圧DC/DCコンバータを介してからインバータに電力供給する場合とを切り替えることができ、常時昇圧DC/DCコンバータを用いる必要がなく、駆動システムの効率を改善することができる。
【００１４】
例えば、車両始動時など、モータが低速回転する際は大トルクが必要なため、モータには大電流が必要になる。その際、バッテリからの電力は極力低損失でモータに供給されることが重要である。また、モータが低速で回転している場合は逆起電力も小さい。そのため、この場合はバッテリより直接インバータに電力供給を行うことで、昇圧DC/DCコンバータを介する場合の変換ロスの発生を回避する。
【００１５】
一方、高速走行時は、モータが高速に回転され、モータに発生する逆起電力以上の電力が必要になる。このときは昇圧コンバータを通してインバータに電力供給することで、逆起電力以上の電圧を常に発生できるようにする。
【００１６】
昇圧DC/DCコンバータの出力電圧は複数の電圧が選択できるように構成することが好ましい。コンバータで複数の電圧が選択できれば、走行状態などに応じて適切な出力電圧を選択すればよく、常にコンバータの最高電圧をモータに印加する必要がないため、モータの巻き線などの絶縁劣化を緩和することができる。
【００１７】
コンバータの出力電圧を複数の電圧から選択可能にした場合、モータの回転状態をフィードバックして出力電圧を選択することが好ましい。つまり、モータの回転状態の検知手段と、この検知手段の検知結果に対応した電圧を選択して昇圧DC/DCコンバータに指令出力するフィードバック手段とを具えることが好適である。
【００１８】
フィードバック手段を設けることで、モータの回転状態、例えば回転数に応じて要求される適切な電圧を選択し、コンバータからの出力電圧を指令する。そのため、モータの回転状態に応じて適切な電圧でコンバータから電力供給を行うことができ、モータの巻き線などの絶縁劣化を一層緩和することができる。
【００１９】
また、インバータを構成するスイッチ素子には、ワイドバンドギャップ半導体を用いることが好ましい。特に、スイッチ素子にはSiCを用いることが好適である。これらの半導体で構成されるスイッチ素子は、高温動作が可能で低損失であるため、インバータでの変換ロスも極小化し、一層駆動システムの高効率化に寄与することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明モータ駆動システムによれば、切替手段を設けることで、車両の走行条件に応じて、バッテリから直接インバータに電力供給する場合と、昇圧DC/DCコンバータを介してからインバータに電力供給する場合とを切り替えることができる。そのため、常時昇圧DC/DCコンバータを用いる必要がなく、駆動システムの効率を改善することができる。
【００２１】
また、フィードバック手段を設けることで、走行状態に応じて要求される適切な電圧を選択し、コンバータからの出力電圧を指令できる。そのため、モータの回転状態に応じて適切な電圧でコンバータから電力供給を行うことができ、モータの巻き線などの絶縁劣化を一層緩和することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
図１は本発明駆動システムの機能ブロック図である。
【００２４】
この駆動システムは、バッテリ10、インバータ20、モータ30、昇圧DC/DCコンバータ40、切替手段50およびフィードバック手段60とを具えている。
【００２５】
バッテリ10はモータ30や車載電気機器に電力を供給する電源となるもので、充電可能な２次電池を用いている。
【００２６】
インバータ20は、FETなどのスイッチ素子とダイオードとを組み合わせて３相ブリッジ回路を構成したもので、バッテリ10側から供給される直流を所定の交流に変換し、モータ30を駆動する正弦波に対応したパルス信号を出力してモータ30の駆動制御を行う。
【００２７】
モータ30は、ここでは３相交流モータを用いている。モータ30の駆動力を利用して車輪を回転し、車両を走行させる。このモータ30は回転数を検知する回転数検知手段を有しており、検知した回転数を信号としてフィードバック手段60に出力する。
【００２８】
ここで、バッテリ10とインバータ20との間に昇圧DC/DCコンバータ40を設け、さらに切替手段50を設けている。昇圧DC/DCコンバータ40は必要に応じてインバータ20から供給される直流電圧を所定の電圧に昇圧するものである。また、切替手段50は、フィードバック手段60からの指令に基づいて、電力を直接インバータ20に供給するか、昇圧DC/DCコンバータ40を介して供給するかを切り替える。
【００２９】
一方、フィードバック手段60は、検知手段で検知されたモータの回転数ωを閾値と比較する。ここでは、例えば、閾値として下記のようにモータの回転数ωを４種類の範囲に分類し、各回転数範囲に対応した最適な昇圧DC/DCコンバータ40の出力電圧V1〜V3を記憶しておく。この出力電圧V1〜V3は、対応するモータの回転数範囲において、逆起電力以上の電圧を確保できるような値を選択しておく。
【００３０】
0＜ω≦ω1    →コンバータを通さず直接インバータへ
ω1＜ω≦ω2    →V1
ω2＜ω≦ω3    →V2
ω3＜ω         →V3
まず、回転数がω1以下の場合、低速回転時と判断して昇圧DC/DCコンバータ40は通さず、バッテリ10から直接インバータ20に電力供給を行うように切替手段50を介して指令を出力する。次に、回転数がω1超の場合、高速回転時と判断して、さらに回転数範囲に応じた出力電圧（V1〜V3のいずれか）を選択し、その電圧で変換出力するように切替手段50を介して昇圧DC/DCコンバータ40に指令を出力する。ここでは、モータ30の回転数範囲を４種類としているが、この分類数は特に限定されない。
【００３１】
このように、常時昇圧DC/DCコンバータ40で昇圧してからインバータ20に給電するのではなく、モータ30の回転数が低くて逆起電力が小さい場合はバッテリ10からインバータ20に直接電力供給を行うことで、昇圧DC/DCコンバータ40の変換ロスを回避するごとができる。
【００３２】
逆起電力が大きくなるモータ30の高速回転時においては、その逆起電力を常に上回る電圧をモータに供給できるよう、モータ30の回転数に応じた適切な電圧にコンバータ40で昇圧してからインバータ20に電力供給する。そのため、走行状態に応じた最適な電圧を常にモータ30に供給することができ、より一層変換ロスの少ないモータ30の駆動を実現することができる。
【００３３】
また、走行状態に応じた最適な電圧をモータ30に供給できることで、常時昇圧DC/DCコンバータ40の最高電圧をモータ30に印加することがなく、モータ30のコイル巻き線やモータ端子の絶縁劣化も緩和することができる。
【００３４】
なお、インバータ20は、図２に示すように、スイッチ素子21とダイオード22を用いてブリッジ回路を構成しているが、このスイッチ素子21にSiC等を用いたワイドバンドギャップ半導体からなる素子を用いることで、一層低損失化を実現できる。SiCを用いたスイッチ素子21は、高温動作が可能で低損失であるため、駆動システムの低損失化に寄与する。
【００３５】
次に、上述のフィードバック手段60によって行われる昇圧DC/DCコンバータ40の出力電圧の調節方法の具体例について説明する。
【００３６】
具体的には、図３に示すように、フィードバック手段60に具えられる制御回路61が、モータ30の回転数ωに応じて昇圧DC/DCコンバータ40のチョッパー用のスイッチング素子S1のduty比を調節することにより昇圧DC/DCコンバータ40の出力電圧の制御を行っている。
【００３７】
より詳細に説明すると、昇圧DC/DCコンバータ40には、昇圧用コイルL1と、バッテリ10から昇圧用コイルL1に与えられる電流をチョップするチョッパー用のスイッチング素子S1と、平滑化用のコンデンサC1とが具えられており、スイッチング素子S1をオン、オフさせて昇圧用コイルL1に対してエネルギーの蓄積、放出を繰り返すことにより、昇圧用コイルL1によって発生する高電圧が、ダイオードD1を介して、コンデンサC1によって平滑化されつつインバータ20に供給されるようになっている。スイッチング素子S1は、周期的にハイ、ローに変化するゲート信号によってオン、オフ駆動される。そのゲート信号は制御回路61によって与えられる。
【００３８】
このような昇圧DC/DCコンバータ40では、その入力電圧Vin及び出力電圧Voutと、スイッチング素子S1の１動作周期T中のオン期間Ton及びオフ期間Toffとの間には、次のような関係がある。
【００３９】
【数１】
2004364485.tif 000003
【００４０】
このため、本実施の形態の形態では、モータ30の回転数ωに応じて、スイッチング素子S1の１動作周期T中におけるオフ期間Toffの割合（duty比）を段階的又は連続的に変化させることによって、昇圧DC/DCコンバータ40の出力電圧Voutを段階的又は連続的に変化させるようになっている。これによって、例えば、上述の例のように、昇圧DC/DCコンバータ40の出力電圧Voutをモータ30の回転数ωに応じて複数段階（例えば、４段階）に制御することができる。
【００４１】
このような昇圧DC/DCコンバータ40の出力電圧の制御方法によれば、スイッチング素子S1のduty比を変化させるという簡単な方法により、昇圧DC/DCコンバータ40の出力電圧をモータ30の回転数ωに応じて段階的又は連続的に容易に制御することができる。
【００４２】
次に、昇圧DC/DCコンバータ40のスイッチング素子S1の具体例について説明する。
【００４３】
本実施の形態では、チョッパー用のスイッチング素子S1として、SiC等のワイドバンドギャップ半導体を用いて構成されたIGBTやMOSFET等の半導体スイッチング素子が用いられている。これによって、次のような効果が得られる。
【００４４】
すなわち、第１の効果として、昇圧用コイルL1やコンデンサC1等の周辺部品の小型化が図れ、昇圧DC/DCコンバータ40の小型化が図れる。より詳細には、現在、スイッチング素子S1として多く用いられるSi-IGBTは、大電流を通電することには適しているが、高速化という観点からは、動作周波数が10〜20kHz程度となっているため、必要なレベルの昇圧を行うためには、大型の昇圧用コイルL1等が必要となる。これに対し、本実施の形態では、スイッチング素子S1として、ワイドバンドギャップ半導体を用いた高速動作に有利な素子が用いられているため、その高速動作性能を生かし、昇圧DC/DCコンバータ40の小型化が図れる。
【００４５】
第２の効果として、スイッチング素子S1の動作周波数の高速化及び昇圧比の増大が図れ、バッテリ10の小型化が図れる。より詳細には、ハイブリッド電気自動車に搭載されるバッテリ10は200V〜300V程度と非常に高電圧であり、車載部品として大型でかつ重量も大きい。よって、バッテリ10の出力電圧を下げ、小型化したいという要望がある。このためには、昇圧DC/DCコンバータ40の昇圧比を上げることが考えられるが、従来のSi-IGBT等では、素子S1のオン、オフ時の立ち上がり時間dt1，dt2（図４参照）の関係上、動作周波数を高くするとduty比を上げることができず、モータ30を高速駆動するための所望の電圧まで昇圧DC/DCコンバータ40の出力電圧を上げることができない。これに対し、本実施の形態に係るワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子S1では、図５に示すように、素子S1のオン、オフ時の立ち上がり時間dt3，dt4を短縮することができ、その結果、スイッチング素子S1の動作周波数の高速化を図りつつ、昇圧比も上げることができ、これによってバッテリ10の小型化が図れる。
【００４６】
第３の効果として、本実施の形態に係るワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子S1はオン抵抗が小さいため、電力損失の小さい高効率の駆動システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明駆動システムの機能ブロック図である。
【図２】インバータの回路図である。
【図３】昇圧DC/DCコンバータ及びインバータの回路図である。
【図４】チョッパー用のスイッチング素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図５】チョッパー用のスイッチング素子の動作を示すタイミングチャートである。
【図６】従来の駆動システムの機能ブロック図である。
【符号の説明】
【００４８】
10  バッテリ
20  インバータ
21  スイッチ素子
22  ダイオード
30  モータ
40  昇圧DC/DCコンバータ
50  切替手段
60  フィードバック手段
61  制御回路
C1  コンデンサ
D1  ダイオード
L1  昇圧用コイル
S1  スイッチング素子
【図１】
2004364485.tif 000004
【図２】
2004364485.tif 000005
【図３】
2004364485.tif 000006
【図４】
2004364485.tif 000007
【図５】
2004364485.tif 000008
【図６】
2004364485.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】平成16年5月12日(2004.5.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリと、
バッテリから供給される直流を所定の交流に変換するインバータと、
インバータからの交流により駆動されるモータと、
バッテリとインバータとの間に接続され、複数の電圧を選択可能に構成されるチョッパー型の昇圧DC/DCコンバータと、
バッテリから直接インバータに電力を供給する第１電力系統と、バッテリの電圧を昇圧DC/DCコンバータで昇圧してからインバータに電力を供給する第２電力系統とをモータの出力に応じて切り替える切替手段と、
モータの回転状態の検知手段と、
この検知手段の検知結果に対応した電圧を選択して昇圧DC/DCコンバータに指令出力するフィードバック手段と、
を備え、
フィードバック手段は、検知手段が検知したモータの回転数応じて昇圧DC/DCコンバータに備えられるチョッパー用のスイッチング素子のduty比を調節することにより昇圧DC/DCコンバータの出力電圧の制御を行うことを特徴とする電動自動車の駆動システム。
【請求項２】
インバータを構成するスイッチ素子にワイドバンドギャップ半導体を用いたことを特徴とする請求項１に記載の電動自動車の駆動システム。
【請求項３】
インバータを構成するスイッチ素子にSiCが用いられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電動自動車の駆動システム。
【請求項４】
昇圧DC/DCコンバータに備えられるチョッパー用のスイッチング素子にワイドバンドギャップ半導体を用いたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電動自動車の駆動システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
本発明電動自動車の駆動システムは、バッテリと、バッテリから供給される直流を所定の交流に変換するインバータと、インバータからの交流により駆動されるモータと、バッテリとインバータとの間に接続され、複数の電圧を選択可能に構成されるチョッパー型の昇圧DC/DCコンバータと、バッテリから直接インバータに電力を供給する第１電力系統と、バッテリの電圧を昇圧DC/DCコンバータで昇圧してからインバータに電力を供給する第２電力系統とをモータの出力に応じて切り替える切替手段と、モータの回転状態の検知手段と、この検知手段の検知結果に対応した電圧を選択して昇圧DC/DCコンバータに指令出力するフィードバック手段と、を備え、フィードバック手段は、検知手段が検知したモータの回転数応じて昇圧DC/DCコンバータに備えられるチョッパー用のスイッチング素子のduty比を調節することにより昇圧DC/DCコンバータの出力電圧の制御を行うことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
また、走行状態などに応じて適切な出力電圧を選択すればよく、常にコンバータの最高電圧をモータに印加する必要がないため、モータの巻き線などの絶縁劣化を緩和することができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】削除
【補正の内容】
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
また、インバータを構成するスイッチ素子には、ワイドバンドギャップ半導体を用いることが好ましい。特に、スイッチ素子にはSiCを用いることが好適である。これらの半導体で構成されるスイッチ素子は、高温動作が可能で低損失であるため、インバータでの変換ロスも極小化し、一層駆動システムの高効率化に寄与することができる。
また、昇圧DC/DCコンバータに備えられるチョッパー用のスイッチング素子には、ワイドバンドギャップ半導体を用いることが好ましい。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2004364485.tif 000010