JP2004336844A

JP2004336844A - Electric power equipment for automobile

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Publication number: JP2004336844A
Application number: JP2003126104A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Kikunaga; 敏之菊永; Masaya Inoue; 正哉井上; Takahiro Urakabe; 隆浩浦壁
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-05-01
Filing date: 2003-05-01
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-05-01
Also published as: JP4282365B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve fuel consumption by dispensing with weak field operation even at high revolution, for continuously charging a battery regardless of the revolution number of a synchronous motor, with loss from a weak field current suppressed. <P>SOLUTION: The DC power source on the input side of an inverter 1 that drives an M/G 20 comprises a series connection of a battery 30 and a capacitor 31, and a DC/DC converter 10 for delivery of electric power between the battery 30 and the capacitor 31. By this power supply configuration, generated power is supplied to the capacitor 31 and the battery 30 while a three-phase short is released, and energy accumulated in the capacitor 31 is transported to the battery 30 by the DC/DC converter 10 during the three-phase short for charging the battery 30, by repeating, at an appropriate time interval, the three-phase shorting and its releasing by turning on all switching elements of an upper side arm or a lower side arm of the inverter 1 while the revolution number of the M/G20 is high more than specified numbers. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は自動車用電力装置に関し、特に、自動車のエンジンの始動・加速及び発電を行う自動車用電力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車の駆動システムとして、エンジンのクランクシャフトに電動機を直結するタイプのものが知られている。この種の駆動システムにおいては、電動機を駆動するインバータの入力電源としてバッテリが接続されており、電動機の軸はトランスミッションを介して車輪と連結され、これを駆動する。
【０００３】
従来の自動車用電力装置では、電動機に永久磁石型同期電動機を使用した場合、一定回転数以上の高速域では弱め界磁運転の方法が利用され、車両走行中にバッテリからインバータに至る直流回路が開放されるような異常発生時には、車両駆動用の永久磁石型同期電動機を駆動するインバータの上側アームまたは下側アームのスイッチング素子を一括してオンさせて零電圧ベクトルを出力させる、または、インバータの直流入力側に設けられた開閉手段により、平滑コンデンサとインバータ部とを切り離した後、第２の開閉手段によりインバータ入力側の直流端子間を短絡させる等により、上記同期電動機からの電力供給を停止し、平滑コンデンサに必要以上の電圧が印加されるのを防止する例が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平９−４７０５５号公報
【０００５】
上記の特許文献１の図２には前者の例が示されており、上側アームのスイッチング素子を一括してオンさせた場合であり、永久磁石型同期電動機の入力端子に流れる各相電流の方向を矢印で示している。この場合にはトランジスタ及びダイオードによって短絡回路が構成されている。このように上側アームのスイッチング素子を全てオンすることにより、三相電流の方向に無関係に短絡回路を構成することができる。なお、下側アームのスイッチング素子を全てオンさせても同様の効果を得ることができる。
【０００６】
また、上記の特許文献１の図３には後者の例が示されており、インバータのスイッチング部と平滑コンデンサとを切り離すための開閉手段とインバータの入力側を短絡するための開閉手段が付加されている。平滑コンデンサを開閉手段によりインバータから切り離し、その後、開閉手段によりインバータの入力側を短絡することによって、永久磁石同期電動機の電流をインバータのダイオードを介して短絡することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献１に記載されているような永久磁石型同期電動機を使用した自動車用電力装置にあっては、一定回転数以上の高速域において弱め界磁運転が必要となり、制御が複雑となる上に、弱め界磁電流による損失が大きく、また、平滑コンデンサに許容電圧以上の電圧が印加されるのを防止するため、零電圧ベクトルを出力中やインバータ入力側の直流端子間を短絡中は、トランジスタ及びダイオードによって短絡回路が構成され、永久磁石型同期電動機による発電電力が全て損失となるうえに、短絡回路構成中はバッテリを充電できないという問題点があった。
【０００８】
この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、高回転時でも弱め界磁運転を必要とせず、永久磁石型同期電動機の回転数によらず連続的にバッテリを充電することができ、弱め界磁電流による損失を抑え、燃費の向上を図る自動車用電力装置を得ることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、自動車のエンジンの始動・加速及び発電を行う自動車用電力装置であって、上記エンジンの始動時および加速時に該エンジンを駆動するとともに、定常走行時および減速時に該エンジンの動力を受けて発電を行う同期電動機と、上記同期電動機の上記エンジンの駆動時には上記同期電動機を駆動するとともに、上記同期電動機の発電時には整流動作を行うインバータと、上記インバータの入力端子に接続され、上記同期電動機の上記エンジンの駆動時には上記インバータに直流電力を供給し、上記同期電動機の上記発電時には上記同期電動機の発電電力により充電される電源とを備え、上記電源は、第一のエネルギ蓄積源と第二のエネルギ蓄積源を互いに直列接続した直列接続電源と、上記第一のエネルギ蓄積源および上記第二のエネルギ蓄積源の間でエネルギの輸送を行うＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、上記同期電動機の発電時に上記同期電動機の回転数が所定の回転数を超えた期間では、上記同期電動機の入力端子またはその入力端子に接続された上記インバータの入力側の短絡とその解除とを所定の時間間隔で繰り返し行うことにより、上記同期電動機から上記インバータを介する上記直列接続電源への電力供給の停止と供給とを当該所定の時間間隔で繰り返し行い、電力供給の停止時には、上記ＤＣ／ＤＣコンバータにより、上記第二のエネルギ蓄積源から、上記第一のエネルギ蓄積源もしくは上記第一のエネルギ蓄積源に接続された負荷へ、エネルギを輸送する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態に係る自動車用電力装置の構成を示す回路図である。図１において、インバータ１は、Ｍ／Ｇ（モータ／発電機）２０を駆動、または、Ｍ／Ｇ２０の発電機動作時の出力を整流するための３相インバータ装置で、Ｓｘ１〜Ｓｘ６の６つのスイッチ（スイッチには一般にパワー半導体素子を用いる。図１においてはＭＯＳＦＥＴとして記載しているが、ＩＧＢＴなど他のパワー半導体素子でもよい。以下同様。）から構成され、Ｓｘ１、Ｓｘ３、Ｓｘ５が上側アームのスイッチ、Ｓｘ２、Ｓｘ４、Ｓｘ６が下側アームのスイッチである。Ｍ／Ｇ２０は、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車などの電気自動車において、始動時や加速時に際してエンジンをトルクアシストする場合にはモータとして動作してエンジンを駆動し、定常走行時や減速時にはエンジンの動力を受けて発電を行う発電機として動作するモータ／発電機で、エンジンのクランクシャフトに直結されるか、または、ベルトやギアを介してエンジンのクランクシャフトと結合されている。Ｍ／Ｇ２０としては、永久磁石付きクローポール型や永久磁石型の同期電動機または誘導電動機が考えられる。
【００１１】
また、バッテリ３０およびコンデンサ３１は、それぞれ、第一および第二のエネルギ蓄積源であり、バッテリ３０とコンデンサ３１は互いに直列接続された直列接続電源を構成している。バッテリ３０には、図に示すように、電力供給対象の車載負荷３３が接続されている。また、バッテリ３０とコンデンサ３１の間でエネルギをやり取りするＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、上側スイッチのＱｘ１、下側スイッチのＱｘ２、リアクトルＬｘから構成されており、図１におけるＤｘ１，Ｄｘ２はフリーホイールダイオードである。バッテリ３０とコンデンサ３１とＤＣ／ＤＣコンバータ１０とは、インバータ１０の入力端子に接続されて、Ｍ／Ｇ２０のエンジンの駆動動作時にはインバータ１に直流電力を供給し、Ｍ／Ｇ２０の発電動作時には同期電動機の発電電力により充電される“電源”を構成している。
【００１２】
コンデンサ３１は大容量のコンデンサで、電気二重層キャパシタやアルミ電解コンデンサなどが用いられる。また、インバータ１とＤＣ／ＤＣコンバータ１０の間には平滑コンデンサ１５が並列接続されている。制御回路３２は、Ｍ／Ｇ２０のモータの回転数やコンデンサ３１の電圧を検出し、それに基づいてインバータ１やＤＣ／ＤＣコンバータ１０を構成するパワー半導体素子に動作制御信号を送る装置である。
【００１３】
図１に示す回路の電気自動車の始動時や発電時における従来の動作についてまず説明する。アイドルストップ後のエンジン再始動時（モータに十分な始動トルクがあり、トルク伝達上も十分な機械的能力があればエンジン温度の低い初期始動時も含む）や加速時のトルクアシストには、大きな電流をモータに供給する必要があり、そのためにはインバータ入力にバッテリから大電流を供給する必要がある。このため、電気自動車においては、必要な始動トルクに合わせて大容量のバッテリを搭載する必要があるため、バッテリが高コストとなっている。一方、インバータにおいては、その定常損失は出力電流にほぼ比例（スイッチング素子にＩＧＢＴを用いた場合）するか、または、その２乗（スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴを用いた場合）にほぼ比例すると考えてよく、インバータを構成するスイッチング素子（パワー半導体素子）の大容量化や多並列化が必要になるため、インバータの小型・低コスト化にはインバータ出力電流の低電流化、入力電圧の高電圧化が求められている。
【００１４】
これらの課題を解決する従来の方法が、特開２００２−２１８６６７号公報に提案されている。当該公報においては、アイドルストップ後の再始動に要する時間は１秒以内程度の短時間であり、その後の加速時のモータによるトルクアシストを含めても１０秒程度であるため、大容量バッテリの代わりに、図１の回路に示すように、既存の１２Ｖバッテリなど低電圧のバッテリと大容量コンデンサを直列接続し、上記のアイドルストップ後の再始動やトルクアシスト時の短時間大電流出力領域では、コンデンサからもエネルギをインバータに供給することによって、バッテリから供給する電流を低減でき、バッテリの低電圧化・低容量化による小型・低コスト化、あるいは、瞬時引き出し電流の低電流化による長寿命化を期待している。また、コンデンサ電圧を上げることによって、インバータの入力電圧の高電圧化ができるため、同一の出力電力では、出力電流を低減できる。
【００１５】
一方、Ｍ／Ｇ２０を発電機として動作させる場合にはインバータ１は、整流装置として働く。Ｍ／Ｇ２０として誘導電動機を用いた場合、回転磁束を供給するための励磁電流が必要で、力率が悪く、始動電流が大きくなってしまうという問題がある。そこで、以下の記述では、本発明の特徴であるＭ／Ｇ２０として永久磁石型の同期電動機、または、永久磁石付きクローポール型同期電動機を用いた場合の発電機の動作について説明する。
【００１６】
図２はＭ／Ｇ２０が発電機として動作している時のコンデンサ３１の充電・放電状況を示している。ここで、縦軸のＶｃはコンデンサ３１の端子間電圧、Ｖｃｍａｘはコンデンサ３１の最大定格電圧である。Ｍ／Ｇ２０が発電機として動作しており、その回転数がある値以下でバッテリ３０を充電するに適当な出力電圧に制御されている場合には、モータ回転数を検知している制御回路３２から、上側スイッチＱｘ１をオン、下側スイッチＱｘ２をオフする信号が出力され、上側スイッチＱｘ１を通してバッテリ３０が充電される。この期間では、スイッチング動作をしないため、上側スイッチＱｘ１の損失は最小限に抑制できるという効果が得られる。この動作状態では、コンデンサ３１には電荷は蓄積されておらず、その両端電圧は零である。回転数が上がり、ある一定の回転数に達すると、制御回路３２がそれを検知して、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を降圧コンバータとして作動させる信号を上側スイッチＱｘ１および下側スイッチＱｘ２に出力し、バッテリ３０を充電するに適当な電圧まで降圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を許容温度以下に維持するためには、上側スイッチＱｘ１や下側スイッチＱｘ２の発熱を抑制する必要があり、そのために制御回路３２はＤＣ／ＤＣコンバータ１０の動作時間やデュティーを制限したり、停止したりする制御を行う。このとき、コンデンサ３１はＭ／Ｇ２０によって充電される（図２の（ａ）の期間）。この場合、コンデンサ３１の充電電流はバッテリ３０にも流れるので、コンデンサ３１の充電と同時にバッテリ３０も充電されることになる。
【００１７】
Ｍ／Ｇ２０の回転数がさらに上がると、コンデンサ３１への充電がさらに続き（（ａ）の期間をさらに伸ばす）、図中の点線で示すようにコンデンサ３１の最大定格電圧Ｖｃｍａｘを越えることになるが、ここで、コンデンサ３１の電圧ＶｃがＶｃｍａｘより低い、予め定められた、ある所定の電圧に達した時（図中の（Ａ）点）、制御回路３２がこれを検知して、図１におけるインバータ１の上側アームのパワー半導体素子Ｓｘ１、Ｓｘ３、Ｓｘ５の全てのスイッチをオン、または下側アームのパワー半導体素子Ｓｘ２、Ｓｘ４、Ｓｘ６の全てのスイッチをオンする信号を出力することにより、３相短絡回路を構成すればコンデンサ３１はそれ以上充電されず電圧ＶｃはＶｃｍａｘを超えることはない。
【００１８】
この３相短絡回路を構成するアイデアは、上記特許文献１にも記述されている。同公報によると、永久磁石型同期電動機がある一定以上の高速回転では、平滑コンデンサの充電電圧がその定格電圧を超えないように永久磁石型同期電動機を弱め界磁運転するが、その弱め界磁運転中に異常が発生した場合、平滑コンデンサに必要以上の電圧が印加されるのを防止する手段として３相短絡回路を構成するアイデアを提案している。同公報ではバッテリ側回路が、本実施の形態に係る図１のような構成ではなく、インバータの入力側に直接バッテリが接続されており、３相短絡回路の構成中はバッテリ充電ができない回路構成である。
【００１９】
しかるに、本実施の形態においては、図１の回路では、上記の図２の（ａ）の期間の後、３相短絡回路を構成し、その構成中にＤＣ／ＤＣコンバータ１０によりコンデンサ３１に蓄えられたエネルギで、車載負荷３３へ電力を供給することによって放電したバッテリ３０を充電したり、バッテリ３０に直接接続された車載負荷３３に電力を供給することが可能（図２の（ｃ）の期間）であり、バッテリ３０への充電や車載負荷３３への電力供給によってコンデンサ３１の電圧が下がったことを制御回路３２が検知して、３相短絡回路の構成を解除すれば、再びＭ／Ｇ２０による発電エネルギをコンデンサ３１に蓄える動作モード（図２の（ａ）の期間）に入ることができる。すなわち、Ｍ／Ｇ２０の回転数が一定値以上でも、弱め界磁運転を行うことなく、上記動作を適当な時間間隔で繰り返し行うことにより、バッテリを充電し続けることが可能である。したがって、高速回転域における弱め界磁電流による制御が不要となり、制御が容易になるとともに、弱め界磁電流による損失を発生させず、インバータ側の発熱も低減することができる。
【００２０】
なお、Ｍ／Ｇ２０の高速回転域での弱め界磁電流は、回転数の増加とともに大きくしなければならないが、比較的小さい電流でよい領域では、弱め界磁電流制御によりＭ／Ｇ２０の端子電圧を制御してバッテリを充電する方が、制御は複雑になるが、３相短絡とその解除を繰り返すよりもシステム全体の損失を低減できる場合がある。そのような回転域においては、最初弱め界磁運転を行い、それ以上の高速回転域では、３相短絡とその解除を繰り返す方式に移行する運転形態としてもよい。
【００２１】
また、図１に示すようにバッテリ３０にコンデンサ３１を直列接続した電源では、バッテリ単体の電源の場合より、コンデンサ３１の定格電圧分だけ、永久磁石型同期電動機の端子電圧が高くても問題なくバッテリ３０を充電できる。これは弱め界磁電流が低く抑えられること、あるいは同一界磁電流で、より高速回転までバッテリ３０を充電できることを意味し、その分だけ損失を低減できる。したがって、図１に示す回路を用いて、高速回転領域での弱め界磁運転と３相短絡の繰り返しという運転モードでシステム全体をさらに高効率化することも考えられる。
【００２２】
さらに、インバータ１の定格電流制限等で弱め界磁運転が不可能になり、３相短絡を連続して構成しなければならない走行状態でも、本実施の形態を用いれば、３相短絡とその解除を繰り返し行うことが可能であり、連続してバッテリ３０の充電が可能である。
【００２３】
なお、図２では短絡回路を構成するタイミングとＤＣ／ＤＣコンバータ１０に降圧コンバータ動作を行わせるタイミングの間に適当な時間（図２の（ｂ）の期間）をとっている。これは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を構成するパワー半導体素子Ｑｘ１、Ｑｘ２、Ｄｘ１、Ｄｘ２が動作するにおいて十分低い温度にまで下げるためにとっている時間であり、動作上問題が無ければ、図３の動作パターンにあるように（ｂ）の期間を無くして、上記の短絡回路の構成とほぼ同時にＤＣ／ＤＣコンバータ１０に降圧コンバータ動作を行わせてもよい。
【００２４】
また、図２の（ａ）の期間はコンデンサ３１にエネルギを蓄える期間であるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０のパワー半導体素子などの部品が熱的に動作可能な状態であれば、降圧動作を行わせながら、同時にコンデンサ３１にもエネルギを蓄えるということも可能である。
【００２５】
さらに、図１のようにバッテリ３０の上にコンデンサ３１を積上げた構成では、万一インバータ１を構成するパワー半導体素子が破壊し短絡状態となった場合でも、コンデンサ３１は放電するが、バッテリ３０の端子間は短絡状態とはならないので信頼性の高いシステムとなる。
【００２６】
また、ここまでの記述では、平滑コンデンサに必要以上の電圧が印加されるのを防止する手段として３相短絡回路を構成する方法を例に上げて述べてきたが、上記特許文献１の図３に示されているようなインバータの入力側を短絡する方法でもよい。
【００２７】
以上のように、本実施の形態に係る自動車用電力装置は、永久磁石型同期電動機（Ｍ／Ｇ２０）を駆動するインバータ１の入力側の直流電源を、バッテリ３０（第一のエネルギ蓄積源）とコンデンサ３１（第二のエネルギ蓄積源）との直列接続で構成し、且つ、バッテリ３０とコンデンサ３１の間で電力のやり取りを行うＤＣ／ＤＣコンバータ１０とで構成した。この電源構成を用いると、永久磁石形同期電動機の回転数が一定以上の高回転時において、インバータ１の上側アームまたは下側アームのスイッチング素子の全オンによる３相短絡とその解除を適当な時間間隔で繰り返し行うことにより、３相短絡解除中には発電電力をコンデンサ３１とバッテリ３０に供給し、全オン中はコンデンサ３１に蓄積されたエネルギをＤＣ／ＤＣコンバータ１０によりバッテリ３０に輸送することにより、バッテリ３０を充電することができる（なお、全オン中において、バッテリ３０のみならず、バッテリ３０に接続された車載負荷３３にもエネルギを輸送するようにしてもよい。）。エネルギがバッテリ３０に輸送されるとコンデンサ３１両端の電圧が下がり、再びインバータ１の上側アームまたは下側アームでの３相短絡状態を解除することにより、コンデンサ３１とバッテリ３０を充電する動作モードに入る。この方式では、高回転時でも弱め界磁運転を必要とせず、この動作を繰り返すことにより、永久磁石型同期電動機の回転数によらず連続的にバッテリ３０を充電することができ、弱め界磁電流を流さないため損失も減少し、燃費が向上するという効果が得られる。さらに、エンジンブレーキなどを使って高速回転領域を使いながら減速するときなどは、自動車の運動エネルギを有効に回生できるという効果がある。さらに、充放電を繰り返すエネルギ蓄積源の一方にコンデンサ３１を使うことは、放電深度を大きくすると極端に経年劣化しやすいバッテリに比べてシステムの寿命を長くすることができるという効果もある。さらに、３相短絡を、インバータ１の上側アームのパワー半導体素子Ｓｘ１、Ｓｘ３、Ｓｘ５の全てのスイッチをオン、または下側アームのパワー半導体素子Ｓｘ２、Ｓｘ４、Ｓｘ６の全てのスイッチをオンすることにより行うようにしたので、安価に３相短絡回路を構成することができるとともに、オン／オフのタイミングの制御を容易に行うことができる。
【００２８】
実施の形態２．
本実施の形態においては、図１の回路におけるＤＣ／ＤＣコンバータ１０の各部品の耐電圧が以下の不等式を満足するように選択することによって、より信頼性の高いシステムとすることができる。
【００２９】
Ｖｃｍａｘ＞Ｖｅｍｆｍａｘ−Ｖｂ（１）
ＶＱｘ１＞Ｖｅｍｆｍａｘ（２）
ＶＱｘ２＞Ｖｅｍｆｍａｘ（３）
【００３０】
ここで、Ｖｅｍｆｍａｘは永久磁石型同期電動機の最大回転速度における無負荷誘起電圧、Ｖｃｍａｘはコンデンサ３１の最大定格電圧、ＶＱｘ１、ＶＱｘ２はパワー半導体素子（ここではＭＯＳＦＥＴとして描いているがＩＧＢＴなど他のパワー半導体素子であってもよい。）であるＱｘ１、Ｑｘ２のドレイン・ソース間最大定格電圧である。図４は走行時のコンデンサ３１の充電・放電状況を示している。実施の形態１と同様に、Ｍ／Ｇ２０が発電モードに入り、回転数がある一定値以上になるとコンデンサ３１の充電が開始され（図４の（ａ）の期間）、ＭＧの回転数が一定になれば、コンデンサ３１の両端電圧Ｖｃは
【００３１】
Ｖｃ＝Ｖｅｍｆ−Ｖｂ（４）
【００３２】
となる（図４の（ｂ）の期間）。ここで、Ｖｂはバッテリ３０の端子間電圧、Ｖｅｍｆはその回転数においてＭ／Ｇ２０の誘起電圧により整流回路として動作しているインバータ１の端子間に発生する出力電圧である。コンデンサ３１の最大定格電圧Ｖｃｍａｘが（１）の関係を満たしているので、Ｍ／Ｇ２０が最大回転速度で回転し続けてもコンデンサ３１の電圧ＶｃはＶｃｍａｘを超えることはなく、絶縁破壊することはないので信頼性の高い装置となる。
【００３３】
このようにＭ／Ｇ２０に永久磁石型同期電動機、あるいは、永久磁石付きのクローポール型同期電動機を用いた駆動、発電システムにおいて、（１）式の関係を満たすコンデンサ３１をバッテリ３０に直列接続し、さらに（２）式、（３）式の関係を満たしていれば、Ｍ／Ｇ２０の回転数によらず、バッテリ３０の充電状態やＤＣ／ＤＣコンバータ１０を構成する部品の温度に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の動作制限や一時停止を行うことができる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０に必要以上の冷却性能や低発熱化を求める必要はなくなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を小型化、低コスト化することができる。
【００３４】
さらに、インバータ１を構成するパワー半導体素子の耐圧が十分であれば、実施の形態１で述べたインバータ１の上側アームのパワー半導体素子、または、下側アームのパワー半導体素子を全てオン状態にする３相短絡、あるいは、インバータ部の直流入力側を短絡することは必ずしも必要ではなくなり、制御が容易になる。この場合にはバッテリ充電が必要な時にＤＣ／ＤＣコンバータ１０を動作させればよい。一方、（１）式、（２）式、（３）式の関係がある場合でも、インバータ１の部品コスト低減や損失低減のため、インバータ１に最大定格電圧の低いパワー半導体素子を使う場合には、上記の短絡回路を構成してこれらの素子に最大定格電圧以上の電圧がかからないようにすればよい。
【００３５】
以上のように、本実施の形態によれば、バッテリ３０（第一のエネルギ蓄積源）とコンデンサ３１（第二のエネルギ蓄積源）を互いに直列接続した直列接続電源の両端に印加可能な電圧が、Ｍ／Ｇ２０の最大回転数における無負荷誘起電圧より大きいようにしたので、Ｍ／Ｇ２０の回転数によらず、バッテリ３０の充電状態やＤＣ／ＤＣコンバータ１０を構成する部品の温度に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の動作制限や一時停止を行うことができる。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０に必要以上の冷却性能や低発熱化を求める必要はなくなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を小型化、低コスト化することができる。さらに、Ｍ／Ｇ２０の入力端子を短絡させる手段が不要になるという効果が得られる。
【００３６】
実施の形態３．
図１〜３においてインバータ１の上側アーム、または、下側アームのパワー半導体素子が全てオン、オフを繰り返しているか、あるいは、インバータ１の入力端子間が短絡、開放を繰り返し、その間、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０が動作して、コンデンサ３１の充放電の繰り返しが行われている期間の両側では、Ｑｘ１がオン状態でコンデンサ３１は充電されていない（すなわち、図２および図３における両端の「Ｑｘ１オン」と記載されていて、Ｖｃが０の期間）。この期間は永久磁石型同期電動機、または、永久磁石付きのクローポール型同期電動機の比較的回転数が低く、インバータ１のダイオードで整流した出力でバッテリ３０を充電できるか、あるいは、インバータ１による弱め界磁運転を行い、インバータ入力側に現れる電圧でバッテリ３０を充電できる状況を示している。このように、永久磁石型同期電動機の比較的回転数が低い場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０を構成するスイッチング素子Ｑｘ１は常時オンとしておく。このようにすれば、スイッチングによる損失が発生せず、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０の発熱を低減することができる。
【００３７】
以上のように、本実施の形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、バッテリ３０（第一のエネルギ蓄積源）とコンデンサ３１（第二のエネルギ蓄積源）の間でエネルギを相互に輸送し合うため、少なくとも２つのスイッチング素子Ｑｘ１，Ｑｘ２で構成され、これらのスイッチング素子Ｑｘ１，Ｑｘ２のうち、インバータ１の直流電圧入出力端子の高電圧側端子とバッテリ３０とをリアクトルＬｘを介して接続するスイッチング素子Ｑｘ１は、Ｍ／Ｇ２０による発電動作時において、Ｍ／Ｇ２０がある一定の回転数以下では、常時オン状態としたので、発電時のＤＣ／ＤＣコンバータ１０部分の発熱を低く抑えることができる。
【００３８】
【発明の効果】
この発明は、自動車のエンジンの始動・加速及び発電を行う自動車用電力装置であって、上記エンジンの始動時および加速時に該エンジンを駆動するとともに、定常走行時および減速時に該エンジンの動力を受けて発電を行う同期電動機と、上記同期電動機の上記エンジンの駆動時には上記同期電動機を駆動するとともに、上記同期電動機の発電時には整流動作を行うインバータと、上記インバータの入力端子に接続され、上記同期電動機の上記エンジンの駆動時には上記インバータに直流電力を供給し、上記同期電動機の上記発電時には上記同期電動機の発電電力により充電される電源とを備え、上記電源は、第一のエネルギ蓄積源と第二のエネルギ蓄積源を互いに直列接続した直列接続電源と、上記第一のエネルギ蓄積源および上記第二のエネルギ蓄積源の間でエネルギの輸送を行うＤＣ／ＤＣコンバータとを備え、上記同期電動機の発電時に上記同期電動機の回転数が所定の回転数を超えた期間では、上記同期電動機の入力端子またはその入力端子に接続された上記インバータの入力側の短絡とその解除とを所定の時間間隔で繰り返し行うことにより、上記同期電動機から上記インバータを介する上記直列接続電源への電力供給の停止と供給とを当該所定の時間間隔で繰り返し行い、電力供給の停止時には、上記ＤＣ／ＤＣコンバータにより、上記第二のエネルギ蓄積源から、上記第一のエネルギ蓄積源もしくは上記第一のエネルギ蓄積源に接続された負荷へ、エネルギを輸送するようにしたので、高回転時でも弱め界磁運転を必要とせず、永久磁石型同期電動機の回転数によらず連続的にバッテリを充電することができ、弱め界磁電流による損失を抑え、燃費の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る自動車用電力装置の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る自動車用電力装置に設けられたコンデンサの充電・放電動作パターンの実施の形態１に係る一例を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る自動車用電力装置に設けられたコンデンサの充電・放電動作パターンの実施の形態１に係る他の例を示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る自動車用電力装置に設けられたコンデンサの充電・放電動作パターンの実施の形態２に係る一例を示す説明図である。
【符号の説明】
１インバータ、１０ＤＣ／ＤＣコンバータ、１５平滑コンデンサ、２０Ｍ／Ｇ（モータ／発電機）、３０バッテリ、３１コンデンサ、３２制御回路、３３負荷、Ｓｘ１〜Ｓｘ６パワー半導体素子、Ｑｘ１上側スイッチ、Ｑｘ２下側スイッチ、Ｄｘ１，Ｄｘ２フリーホイールダイオード、Ｌｘリアクトル。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power device for a vehicle, and more particularly to a power device for a vehicle that starts and accelerates an engine of a vehicle and generates power.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art As a drive system of an electric vehicle, a type in which an electric motor is directly connected to a crankshaft of an engine is known. In this type of drive system, a battery is connected as input power to an inverter that drives the motor, and the shaft of the motor is connected to wheels via a transmission to drive the wheels.
[0003]
In a conventional automotive power device, when a permanent magnet type synchronous motor is used as the motor, a field weakening operation method is used in a high speed region above a certain number of rotations, and a DC circuit from a battery to an inverter during vehicle running is provided. When an abnormality such as opening occurs, the switching element of the upper arm or the lower arm of the inverter that drives the permanent magnet type synchronous motor for driving the vehicle is turned on collectively to output a zero voltage vector, or After the smoothing capacitor and the inverter section are separated by the switching means provided on the DC input side, the power supply from the synchronous motor is stopped by, for example, shorting the DC terminals on the inverter input side by the second switching means. However, an example has been proposed in which excessive voltage is prevented from being applied to the smoothing capacitor (for example, see Patent Document 1). .
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-9-47055
[0005]
FIG. 2 of Patent Document 1 shows the former example, in which the switching elements of the upper arm are turned on collectively, and the direction of each phase current flowing to the input terminal of the permanent magnet type synchronous motor. Are indicated by arrows. In this case, a short circuit is formed by the transistor and the diode. By turning on all the switching elements of the upper arm in this way, a short circuit can be formed regardless of the direction of the three-phase current. The same effect can be obtained even if all the switching elements of the lower arm are turned on.
[0006]
FIG. 3 of Patent Document 1 shows the latter example, in which switching means for disconnecting the switching unit of the inverter and the smoothing capacitor and switching means for short-circuiting the input side of the inverter are added. ing. The current of the permanent magnet synchronous motor can be short-circuited through the diode of the inverter by disconnecting the smoothing capacitor from the inverter by the opening and closing means and then short-circuiting the input side of the inverter by the opening and closing means.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In an automotive power device using a permanent magnet type synchronous motor as described in Patent Document 1, field weakening operation is required in a high speed region above a certain number of revolutions, which complicates control. Above, the loss due to the field weakening current is large, and in order to prevent the voltage exceeding the allowable voltage from being applied to the smoothing capacitor, the zero voltage vector is being output and the DC terminal on the inverter input side is short-circuited. In addition, there is a problem that a short circuit is formed by the transistor and the diode, all the power generated by the permanent magnet type synchronous motor is lost, and the battery cannot be charged during the short circuit structure.
[0008]
The present invention has been made to solve such a problem, and does not require field-weakening operation even at a high rotation speed, and can continuously charge a battery regardless of the rotation speed of a permanent magnet type synchronous motor. It is an object of the present invention to provide an electric power device for an automobile which can reduce the loss due to the weak field current and improve the fuel efficiency.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to an electric power device for an automobile for starting, accelerating, and generating electric power of an engine of an automobile. The electric power device drives the engine at the time of starting and accelerating the engine, and receives the power of the engine at the time of steady running and deceleration. A synchronous motor for generating electric power by the synchronous motor; an inverter for driving the synchronous motor when the engine of the synchronous motor is driven, and performing a rectifying operation when the synchronous motor generates electric power; and an synchronous motor connected to an input terminal of the inverter, A DC power supply to the inverter when the engine is driven, and a power supply that is charged by the power generated by the synchronous motor when the synchronous motor generates power. The power supply includes a first energy storage source and a second power storage. A series-connected power supply in which energy storage sources are connected in series with each other; the first energy storage source and the second energy storage source; A DC / DC converter for transporting energy between energy storage sources, and during a period in which the synchronous motor's rotation speed exceeds a predetermined rotation speed during power generation of the synchronous motor, an input terminal of the synchronous motor or its input terminal. By repeatedly performing a short circuit on the input side of the inverter connected to the input terminal and releasing the short circuit at a predetermined time interval, stopping and supplying power from the synchronous motor to the series connected power supply via the inverter is performed. The operation is repeatedly performed at the predetermined time interval. When the power supply is stopped, the DC / DC converter connects the second energy storage source to the first energy storage source or the first energy storage source. Transfer energy to the load.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a vehicle power device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, an inverter 1 is a three-phase inverter device for driving an M / G (motor / generator) 20 or rectifying an output of the M / G 20 during operation of the generator, and includes six Sx1 to Sx6. A switch (a power semiconductor element is generally used for the switch. Although FIG. 1 shows a MOSFET, it may be another power semiconductor element such as an IGBT. The same applies to the following.), And Sx1, Sx3, and Sx5 are upper arms. , Sx2, Sx4, and Sx6 are switches of the lower arm. In an electric vehicle such as a hybrid vehicle or a fuel cell vehicle, the M / G 20 operates as a motor to drive the engine when torque assisting the engine at the time of starting or acceleration, and drives the engine during steady running or deceleration. This is a motor / generator that operates as a generator that generates electric power upon receipt of the electric power. The motor / generator is directly connected to the engine crankshaft or is connected to the engine crankshaft via a belt or gear. As the M / G 20, a claw-pole type with permanent magnet or a permanent magnet type synchronous motor or induction motor can be considered.
[0011]
The battery 30 and the capacitor 31 are first and second energy storage sources, respectively, and the battery 30 and the capacitor 31 constitute a series-connected power supply connected in series with each other. As shown in the drawing, an on-vehicle load 33 to be supplied with power is connected to the battery 30. The DC / DC converter 10 that exchanges energy between the battery 30 and the capacitor 31 includes an upper switch Qx1, a lower switch Qx2, and a reactor Lx. Dx1 and Dx2 in FIG. It is. The battery 30, the capacitor 31, and the DC / DC converter 10 are connected to the input terminal of the inverter 10 to supply DC power to the inverter 1 when the engine of the M / G 20 is driven, and to synchronize when the M / G 20 is generating power. This constitutes a "power supply" that is charged by the electric power generated by the motor.
[0012]
The capacitor 31 is a large-capacity capacitor, such as an electric double layer capacitor or an aluminum electrolytic capacitor. A smoothing capacitor 15 is connected in parallel between the inverter 1 and the DC / DC converter 10. The control circuit 32 is a device that detects the number of rotations of the motor of the M / G 20 and the voltage of the capacitor 31 and sends an operation control signal to the power semiconductor element included in the inverter 1 or the DC / DC converter 10 based on the detection.
[0013]
First, a conventional operation of the circuit shown in FIG. 1 when starting or generating an electric vehicle will be described. When restarting the engine after an idle stop (including when the motor has sufficient starting torque and sufficient mechanical capacity for torque transmission, including initial startup with low engine temperature) and torque assist during acceleration, large It is necessary to supply current to the motor, and for this purpose, it is necessary to supply a large current from the battery to the inverter input. For this reason, in an electric vehicle, it is necessary to mount a large-capacity battery in accordance with a required starting torque, and the battery is expensive. On the other hand, in the inverter, the steady loss can be considered to be approximately proportional to the output current (when an IGBT is used for the switching element) or approximately squared (when a MOSFET is used for the switching element). In order to reduce the size and cost of inverters, it is necessary to reduce the output current of the inverter and increase the input voltage, because the switching elements (power semiconductor elements) constituting the inverter need to be increased in capacity and multi-parallel. It has been demanded.
[0014]
A conventional method for solving these problems is proposed in JP-A-2002-218667. In this publication, the time required for restarting after an idle stop is as short as about 1 second or less, and about 10 seconds including the torque assist by the motor during acceleration. As shown in the circuit of FIG. 1, a low-voltage battery such as an existing 12V battery and a large-capacity capacitor are connected in series. By supplying energy from the capacitor to the inverter, the current supplied from the battery can be reduced, and the battery can be reduced in size and cost by reducing the voltage and capacity of the battery, or the life can be extended by reducing the instantaneous draw current. I expect. In addition, since the input voltage of the inverter can be increased by increasing the capacitor voltage, the output current can be reduced with the same output power.
[0015]
On the other hand, when operating the M / G 20 as a generator, the inverter 1 functions as a rectifier. When an induction motor is used as the M / G 20, there is a problem that an exciting current for supplying a rotating magnetic flux is required, a power factor is poor, and a starting current is increased. Therefore, in the following description, the operation of the generator when a permanent magnet type synchronous motor or a claw pole type synchronous motor with a permanent magnet is used as the M / G 20 which is a feature of the present invention will be described.
[0016]
FIG. 2 shows a charging / discharging state of the capacitor 31 when the M / G 20 operates as a generator. Here, Vc on the vertical axis is a voltage between terminals of the capacitor 31, and Vcmax is a maximum rated voltage of the capacitor 31. When the M / G 20 is operating as a generator and its rotation speed is controlled to an output voltage suitable for charging the battery 30 at a certain value or less, a control circuit 32 for detecting the motor rotation speed Outputs a signal to turn on the upper switch Qx1 and turn off the lower switch Qx2, and the battery 30 is charged through the upper switch Qx1. In this period, since the switching operation is not performed, the effect that the loss of the upper switch Qx1 can be minimized is obtained. In this operating state, no charge is stored in the capacitor 31 and the voltage across it is zero. When the rotation speed increases and reaches a certain rotation speed, the control circuit 32 detects the rotation speed and outputs a signal for operating the DC / DC converter 10 as a step-down converter to the upper switch Qx1 and the lower switch Qx2. Step down to the appropriate voltage to charge 30. In order to maintain the DC / DC converter 10 at or below the allowable temperature, it is necessary to suppress the heat generation of the upper switch Qx1 and the lower switch Qx2. Therefore, the control circuit 32 reduces the operating time and duty of the DC / DC converter 10. Control to limit or stop. At this time, the capacitor 31 is charged by the M / G 20 (period (a) in FIG. 2). In this case, the charging current of the capacitor 31 also flows to the battery 30, so that the battery 30 is charged simultaneously with the charging of the capacitor 31.
[0017]
When the rotation speed of the M / G 20 further increases, the charging of the capacitor 31 continues further (the period of (a) is further extended), and exceeds the maximum rated voltage Vcmax of the capacitor 31 as shown by a dotted line in the figure. Here, when the voltage Vc of the capacitor 31 reaches a predetermined predetermined voltage lower than Vcmax (point (A) in the figure), the control circuit 32 detects this and detects By turning on all the switches of the power semiconductor elements Sx1, Sx3, Sx5 of the upper arm of the inverter 1 or turning on all the switches of the power semiconductor elements Sx2, Sx4, Sx6 of the lower arm of the inverter 1 If a phase short circuit is formed, the capacitor 31 will not be charged any more and the voltage Vc will not exceed Vcmax.
[0018]
The idea of configuring this three-phase short circuit is also described in Patent Document 1 described above. According to the gazette, when the permanent magnet type synchronous motor rotates at a certain high speed or higher, the permanent magnet type synchronous motor performs weak field operation so that the charging voltage of the smoothing capacitor does not exceed its rated voltage. An idea to configure a three-phase short circuit as a means for preventing excessive voltage from being applied to the smoothing capacitor when an abnormality occurs during operation is proposed. In this publication, the battery side circuit is not configured as shown in FIG. 1 according to the present embodiment, but the battery is directly connected to the input side of the inverter, and the battery cannot be charged during the configuration of the three-phase short circuit. It is.
[0019]
However, in the present embodiment, in the circuit of FIG. 1, after the period of FIG. 2A, a three-phase short circuit is formed, and the DC / DC converter 10 stores the three-phase short circuit in the circuit. It is possible to charge the discharged battery 30 by supplying power to the vehicle-mounted load 33 with the supplied energy, or to supply power to the vehicle-mounted load 33 directly connected to the battery 30 ((c) of FIG. 2). The control circuit 32 detects that the voltage of the capacitor 31 has dropped due to the charging of the battery 30 or the supply of power to the vehicle-mounted load 33, and releases the configuration of the three-phase short circuit. It is possible to enter an operation mode in which the energy generated by G20 is stored in the capacitor 31 (period in FIG. 2A). That is, even when the rotational speed of the M / G 20 is equal to or higher than a certain value, the battery can be continuously charged by repeating the above operation at appropriate time intervals without performing the field-weakening operation. Therefore, the control by the field weakening current in the high-speed rotation region becomes unnecessary, the control becomes easy, and the loss due to the field weakening current does not occur, and the heat generation on the inverter side can be reduced.
[0020]
The field weakening current in the high-speed rotation range of the M / G 20 must be increased with an increase in the number of revolutions, but in a region where a relatively small current is sufficient, the terminal voltage of the M / G 20 is controlled by the field weakening current control. Is more complicated to control the battery, but the loss of the whole system can be reduced more than repeating the three-phase short-circuit and its release. In such a rotation range, the field weakening operation may be performed first, and in the higher rotation speed range, the operation may be shifted to a method in which a three-phase short circuit and its release are repeated.
[0021]
Also, as shown in FIG. 1, in the power supply in which the capacitor 31 is connected in series to the battery 30, there is no problem even if the terminal voltage of the permanent magnet type synchronous motor is higher by the rated voltage of the capacitor 31 than in the case of the power supply of the battery alone. The battery 30 can be charged. This means that the field weakening current can be kept low or that the battery 30 can be charged up to a higher rotation speed with the same field current, and the loss can be reduced accordingly. Therefore, it is conceivable to further improve the efficiency of the entire system by using the circuit shown in FIG. 1 in an operation mode in which the field weakening operation in the high-speed rotation region and the three-phase short circuit are repeated.
[0022]
Further, even in a driving state in which the weakening field operation becomes impossible due to the limitation of the rated current of the inverter 1 and the three-phase short circuit must be continuously formed, the three-phase short circuit and its release can be achieved by using the present embodiment. Can be repeatedly performed, and the battery 30 can be charged continuously.
[0023]
In FIG. 2, an appropriate time (period (b) in FIG. 2) is set between the timing of forming the short circuit and the timing of causing the DC / DC converter 10 to perform the step-down converter operation. This is the time taken to lower the temperature to a sufficiently low temperature when the power semiconductor elements Qx1, Qx2, Dx1, and Dx2 constituting the DC / DC converter 10 operate. If there is no operational problem, the operation pattern shown in FIG. As described in (2), the period of (b) may be eliminated, and the DC / DC converter 10 may perform the step-down converter operation almost simultaneously with the configuration of the short circuit.
[0024]
2A is a period in which energy is stored in the capacitor 31. If the components such as the power semiconductor element of the DC / DC converter 10 are in a thermally operable state, the step-down operation is performed. At the same time, it is also possible to store energy in the capacitor 31 at the same time.
[0025]
Further, in the configuration in which the capacitor 31 is stacked on the battery 30 as shown in FIG. 1, even if the power semiconductor element constituting the inverter 1 is broken and short-circuited, the capacitor 31 is discharged, but the battery 30 is discharged. Are not short-circuited, so that a highly reliable system is obtained.
[0026]
Further, in the description so far, a method of configuring a three-phase short circuit as a means for preventing application of an unnecessary voltage to the smoothing capacitor has been described as an example. The method of short-circuiting the input side of the inverter as shown in FIG.
[0027]
As described above, the electric power device for a vehicle according to the present embodiment uses the DC power supply on the input side of the inverter 1 that drives the permanent magnet type synchronous motor (M / G20) with the battery 30 (first energy storage source). And a DC / DC converter 10 configured to connect a battery and a capacitor 31 (second energy storage source) in series, and to exchange power between the battery 30 and the capacitor 31. When this power supply configuration is used, when the rotation speed of the permanent magnet type synchronous motor is higher than a certain value, the three-phase short circuit due to the full ON of the switching element of the upper arm or the lower arm of the inverter 1 and the release thereof can be performed for an appropriate time. By repeating the process at intervals, the generated power is supplied to the capacitor 31 and the battery 30 during the release of the three-phase short circuit, and the energy stored in the capacitor 31 is transported to the battery 30 by the DC / DC converter 10 during the full ON state. Accordingly, the battery 30 can be charged (the energy may be transported not only to the battery 30 but also to the on-vehicle load 33 connected to the battery 30 during the full ON state). When the energy is transported to the battery 30, the voltage across the capacitor 31 decreases, and the three-phase short-circuit state in the upper arm or the lower arm of the inverter 1 is released again, thereby setting the operation mode in which the capacitor 31 and the battery 30 are charged. enter. In this method, the field weakening operation is not required even at the time of high rotation, and by repeating this operation, the battery 30 can be continuously charged regardless of the rotation speed of the permanent magnet type synchronous motor, and the field weakening operation can be performed. Since no current flows, the loss is reduced, and the fuel consumption is improved. Further, when the vehicle is decelerated while using the high-speed rotation region using an engine brake or the like, the kinetic energy of the vehicle can be effectively regenerated. Furthermore, using the capacitor 31 as one of the energy storage sources that repeat charging and discharging also has the effect of increasing the life of the system when the depth of discharge is increased, as compared with a battery that is apt to deteriorate extremely over time. Further, a three-phase short circuit is caused by turning on all switches of the power semiconductor elements Sx1, Sx3, Sx5 of the upper arm of the inverter 1 or turning on all switches of the power semiconductor elements Sx2, Sx4, Sx6 of the lower arm. Since this is performed, a three-phase short circuit can be configured at low cost, and the ON / OFF timing can be easily controlled.
[0028]
Embodiment 2 FIG.
In the present embodiment, a more reliable system can be obtained by selecting the withstand voltage of each component of the DC / DC converter 10 in the circuit of FIG. 1 so as to satisfy the following inequality.
[0029]
Vcmax> Vemfmax-Vb (1)
VQx1> Vemfmax (2)
VQx2> Vemfmax (3)
[0030]
Here, Vemfmax is the no-load induced voltage at the maximum rotation speed of the permanent magnet type synchronous motor, Vcmax is the maximum rated voltage of the capacitor 31, and VQx1 and VQx2 are the power semiconductor elements (here, drawn as MOSFETs but other power such as IGBTs. The maximum rated voltage between the drain and the source of Qx1 and Qx2 which may be semiconductor elements. FIG. 4 shows a state of charging and discharging of the capacitor 31 during traveling. As in the first embodiment, when the M / G 20 enters the power generation mode and the number of revolutions exceeds a certain value, charging of the capacitor 31 is started (period (a) in FIG. 4), and the number of revolutions of the MG is constant. , The voltage Vc across the capacitor 31 becomes
[0031]
Vc = Vemf-Vb (4)
[0032]
(Period (b) of FIG. 4). Here, Vb is a voltage between terminals of the battery 30, and Vemf is an output voltage generated between terminals of the inverter 1 operating as a rectifier circuit by an induced voltage of the M / G 20 at the rotation speed. Since the maximum rated voltage Vcmax of the capacitor 31 satisfies the relationship of (1), even if the M / G 20 continues to rotate at the maximum rotation speed, the voltage Vc of the capacitor 31 does not exceed Vcmax, and dielectric breakdown does not occur. Since it is not available, it is a highly reliable device.
[0033]
As described above, in the drive and power generation system using the permanent magnet type synchronous motor or the claw-pole type synchronous motor with the permanent magnet for the M / G 20, the capacitor 31 satisfying the relationship of the expression (1) is connected in series to the battery 30. Further, if the relations of Expressions (2) and (3) are satisfied, regardless of the rotation speed of the M / G 20, the charge state of the battery 30 and the temperature of the components constituting the DC / DC converter 10 The operation of the DC / DC converter 10 can be restricted or temporarily stopped. This eliminates the need for the DC / DC converter 10 to require more cooling performance and lower heat generation, and the DC / DC converter 10 can be reduced in size and cost.
[0034]
Further, if the withstand voltage of the power semiconductor elements constituting inverter 1 is sufficient, all of the power semiconductor elements of the upper arm or lower arm of inverter 1 described in the first embodiment are turned on. It is not always necessary to short-circuit the three-phase or short-circuit the DC input side of the inverter, and control becomes easy. In this case, the DC / DC converter 10 may be operated when the battery needs to be charged. On the other hand, even when the relations of the equations (1), (2), and (3) are satisfied, when a power semiconductor element having a low maximum rated voltage is used for the inverter 1 in order to reduce the component cost and the loss of the inverter 1. In this case, the above short circuit may be configured so that a voltage higher than the maximum rated voltage is not applied to these elements.
[0035]
As described above, according to the present embodiment, the voltage that can be applied to both ends of the series-connected power supply in which battery 30 (first energy storage source) and capacitor 31 (second energy storage source) are connected in series with each other. , The no-load induced voltage at the maximum rotation speed of the M / G 20, regardless of the rotation speed of the M / G 20, depending on the state of charge of the battery 30 and the temperature of the components constituting the DC / DC converter 10. , The operation of the DC / DC converter 10 can be limited or temporarily stopped. This eliminates the need for the DC / DC converter 10 to require more cooling performance and lower heat generation, and the DC / DC converter 10 can be reduced in size and cost. Further, an effect is obtained that means for short-circuiting the input terminal of the M / G 20 becomes unnecessary.
[0036]
Embodiment 3 FIG.
1 to 3, all the power semiconductor elements of the upper arm or the lower arm of the inverter 1 are repeatedly turned on and off, or the input terminals of the inverter 1 are repeatedly short-circuited and opened. On both sides of the period when the converter 10 is operating and the charging and discharging of the capacitor 31 is repeated, the capacitor 31 is not charged while the capacitor 31 is in the ON state (that is, “Qx1 ON” at both ends in FIGS. 2 and 3). And Vc is 0). During this period, the battery 30 can be charged with the output rectified by the diode of the inverter 1 or the power of the inverter 1 is weakened, because the rotation speed of the permanent magnet type synchronous motor or the claw pole type synchronous motor with the permanent magnet is relatively low. This shows a state where the field operation is performed and the battery 30 can be charged with the voltage appearing on the input side of the inverter. As described above, when the rotation speed of the permanent magnet type synchronous motor is relatively low, the switching element Qx1 included in the DC / DC converter 10 is always on. By doing so, loss due to switching does not occur, and heat generation of the DC / DC converter 10 can be reduced.
[0037]
As described above, according to the present embodiment, DC / DC converter 10 mutually transfers energy between battery 30 (first energy storage source) and capacitor 31 (second energy storage source). In order to match, the switching device is constituted by at least two switching devices Qx1 and Qx2, and among these switching devices Qx1 and Qx2, the switching for connecting the high voltage side terminal of the DC voltage input / output terminal of the inverter 1 and the battery 30 via the reactor Lx. The element Qx1 is always on when the M / G 20 is lower than a certain rotation speed during the power generation operation by the M / G 20, so that the heat generation of the DC / DC converter 10 during power generation can be suppressed to a low level.
[0038]
【The invention's effect】
The present invention relates to an electric power device for an automobile for starting, accelerating, and generating electric power of an engine of an automobile. The electric power device drives the engine at the time of starting and accelerating the engine, and receives the power of the engine at the time of steady running and deceleration. A synchronous motor for generating electric power by the synchronous motor; an inverter for driving the synchronous motor when the engine of the synchronous motor is driven, and performing a rectifying operation when the synchronous motor generates electric power; and an synchronous motor connected to an input terminal of the inverter, A power source that supplies DC power to the inverter when the engine is driven, and a power source that is charged by the generated power of the synchronous motor when the synchronous motor generates power, wherein the power source includes a first energy storage source and a second energy storage source. A series-connected power supply in which energy storage sources are connected in series with each other; the first energy storage source and the second energy storage source; A DC / DC converter for transporting energy between energy storage sources, wherein during the period when the synchronous motor generates power, when the rotational speed of the synchronous motor exceeds a predetermined rotational speed, the input terminal of the synchronous motor or its input terminal. By repeatedly performing a short circuit on the input side of the inverter connected to the input terminal and releasing the short circuit at predetermined time intervals, stopping and supplying power from the synchronous motor to the series-connected power supply via the inverter is performed. The operation is repeatedly performed at the predetermined time interval, and when the power supply is stopped, the DC / DC converter connects the second energy storage source to the first energy storage source or the first energy storage source. Since energy is transferred to the load, field-weakening operation is not required even at high rotations, and the rotation speed of the permanent magnet type synchronous motor is reduced. Razz can be continuously charge the battery, reducing the losses due to field weakening current, it is possible to improve the fuel economy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a vehicle power device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of a charge / discharge operation pattern of a capacitor provided in a power device for a vehicle according to an embodiment of the present invention, according to a first embodiment;
FIG. 3 is an explanatory diagram showing another example according to the first embodiment of the charge / discharge operation pattern of the capacitor provided in the vehicle power device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a charge / discharge operation pattern of a capacitor provided in a power device for a vehicle according to an embodiment of the present invention according to a second embodiment.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 inverter, 10 DC / DC converter, 15 smoothing capacitor, 20 M / G (motor / generator), 30 battery, 31 capacitor, 32 control circuit, 33 load, Sx1 to Sx6 power semiconductor element, Qx1 upper switch, Qx2 lower Switch, Dx1, Dx2 Freewheel diode, Lx reactor.

Claims

自動車のエンジンの始動・加速及び発電を行う自動車用電力装置であって、
上記エンジンの始動時および加速時に該エンジンを駆動するとともに、定常走行時および減速時に該エンジンの動力を受けて発電を行う同期電動機と、
上記同期電動機の上記エンジンの駆動時には上記同期電動機を駆動するとともに、上記同期電動機の発電時には整流動作を行うインバータと、
上記インバータの入力端子に接続され、上記同期電動機の上記エンジンの駆動時には上記インバータに直流電力を供給し、上記同期電動機の上記発電時には上記同期電動機の発電電力により充電される電源とを備え、
上記電源は、
第一のエネルギ蓄積源と第二のエネルギ蓄積源を互いに直列接続した直列接続電源と、
上記第一のエネルギ蓄積源および上記第二のエネルギ蓄積源の間でエネルギの輸送を行うＤＣ／ＤＣコンバータと
を備え、
上記同期電動機の発電時に上記同期電動機の回転数が所定の回転数を超えた期間では、上記同期電動機の入力端子またはその入力端子に接続された上記インバータの入力側の短絡とその解除とを所定の時間間隔で繰り返し行うことにより、上記同期電動機から上記インバータを介する上記直列接続電源への電力供給の停止と供給とを当該所定の時間間隔で繰り返し行い、電力供給の停止時には、上記ＤＣ／ＤＣコンバータにより、上記第二のエネルギ蓄積源から、上記第一のエネルギ蓄積源もしくは上記第一のエネルギ蓄積源に接続された負荷へ、エネルギを輸送する
ことを特徴とする自動車用電力装置。An automotive power device for starting / accelerating and generating electric power of an automobile engine,
A synchronous motor that drives the engine at the time of starting and accelerating the engine, and generates electric power by receiving the power of the engine at the time of steady running and deceleration;
An inverter that drives the synchronous motor when the engine of the synchronous motor is driven, and performs a rectifying operation when the synchronous motor generates power;
A power source connected to the input terminal of the inverter, supplying DC power to the inverter when the engine of the synchronous motor is driven, and being charged by the generated power of the synchronous motor when the synchronous motor is generating power;
The above power supply
A series-connected power supply in which the first energy storage source and the second energy storage source are connected in series with each other;
A DC / DC converter for transporting energy between the first energy storage source and the second energy storage source;
During the period when the number of rotations of the synchronous motor exceeds a predetermined number of rotations during the generation of the synchronous motor, a short circuit on the input terminal of the synchronous motor or the input side of the inverter connected to the input terminal and release of the short circuit are determined. The power supply from the synchronous motor to the series-connected power supply via the inverter is repeatedly stopped and supplied at the predetermined time interval. When the power supply is stopped, the DC / DC A power device for an automobile, wherein energy is transported from the second energy storage source to the first energy storage source or a load connected to the first energy storage source by a converter.

上記同期電動機の入力端子またはその入力端子に接続された上記インバータの入力側の短絡は、上記インバータに設けられている上側アームまたは下側アームのスイッチング素子を一括してオンすることにより行うことを特徴とする請求項１に記載の自動車用電力装置。The short circuit on the input terminal of the synchronous motor or the input side of the inverter connected to the input terminal is performed by turning on the switching elements of the upper arm or the lower arm provided in the inverter at a time. The power device for a vehicle according to claim 1, wherein

上記第一のエネルギ蓄積源はバッテリから構成され、上記第二のエネルギ蓄積源はコンデンサから構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の自動車用電力装置。The vehicle power device according to claim 1, wherein the first energy storage source includes a battery, and the second energy storage source includes a capacitor.

上記直列接続電源の両端に印加可能な電圧は、上記同期電動機の最大回転数における無負荷誘起電圧より大きいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の自動車用電力装置。The power device according to any one of claims 1 to 3, wherein a voltage that can be applied to both ends of the series-connected power supply is larger than a no-load induced voltage at a maximum rotation speed of the synchronous motor.

上記ＤＣ／ＤＣコンバータは、上記インバータの直流電圧入出力端子の高電圧側端子と上記第一のエネルギ蓄積源とをリアクトルを介して接続する第一のスイッチング素子を含む、少なくとも２つのスイッチング素子で構成され、
上記第一のスイッチング素子は、上記同期電動機による上記発電時において上記同期電動機の回転数が所定の回転数以下の期間では、常時オン状態である
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の自動車用電力装置。The DC / DC converter includes at least two switching elements including a first switching element that connects a high voltage side terminal of a DC voltage input / output terminal of the inverter and the first energy storage source via a reactor. And
5. The device according to claim 1, wherein the first switching element is always on during a period when the rotation speed of the synchronous motor is equal to or lower than a predetermined rotation speed during the power generation by the synchronous motor. 2. The power device for an automobile according to claim 1.