JP4116292B2

JP4116292B2 - ハイブリッド車用電動発電システム

Info

Publication number: JP4116292B2
Application number: JP2001524826A
Authority: JP
Inventors: 和雄田原; 金　　弘中; 常博遠藤; 良三正木; 安嶋　　耕; 敏之印南; 敬一増野; 芳美櫻井
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Car Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Automotive Systems Engineering Co Ltd
Priority date: 1999-09-20
Filing date: 1999-09-20
Publication date: 2008-07-09
Anticipated expiration: 2019-09-20
Also published as: EP1219493A1; DE69936796D1; DE69936796T2; WO2001021431A1; US6938713B1; EP1219493B1; EP1219493A4

Description

技術分野
本発明は、駆動源としてのエンジンに連結された電動発電機を備えたハイブリッド車における、電動発電機およびその制御方法に係り、特に電機子電流の電流位相を制御して界磁電流成分を調整できる制御を行う電動発電機およびその制御方法に関するものである。
背景技術
従来、ハイブリッド車としては、（１）内燃機関であるエンジンの回転力で発電機を駆動し電力を得、この電力で車軸に連結されているモータを駆動し、モータが発生する駆動力で走行するシリースハイブリッド方式（例えば特開平８−２９８６９６号公報、特開平６−２４５３２２号公報、ＵＳＰ５２１４３５８号公報）と、（２）内燃機関の回転力の１部は電力に変換されるが、その他の回転力は車軸に駆動力として伝えられ、発電された電力を用いたモータ駆動力と内燃機関の車軸駆動力の両方で走行するパラレルハイブリッド方式（例えばＵＳＰ５０８１３６５号公報）がある。
しかしながら従来の技術では、モータおよび前記モータを駆動するインバータ回路が２つ必要なことと、遊星歯車機構を新たに配置しなくてはならず、車両の大幅な改良が必要であり、それに伴う大幅なコストアップは避けられない。
そこで、特開平７−２９８６９６号公報にあるように内燃機関のクランク軸に回転電機を直結させ、１つの回転電機で駆動、発電を運転モードによって切り分ける１モータ方式が提案されている。この方式は、コストおよび現在の車両にアドオンできる点で前述した２モータ方式と比較して有利である。
一方、１モータ方式および２モータ方式両方とも、回転電機の形式としては、回転子に永久磁石を配置した同期磁石形電動発電機、もしくは自動車用発電機であるオルタネータと同様な原理構成の爪形磁極の同期電動発電機、もしくは回転子に２次導体をかご形に設けたかご形誘導電動発電機が用いられている。内燃機関の始動時は４２Ｖ系バッテリの出力電圧をインバータで電圧、電流及び周波数を制御して電動発電機を電動機運転し、内燃機関始動後は電動発電機を発電運転して発電電圧がバッテリ充電電圧になるようにインバータで制御する構成となっている。
一方、バッテリとインバータの間に、昇降圧チョッパを配置し、インバータ等の直流入力電圧がほぼ一定になるようにしたものが、特開平１１−２２０８１２号公報に記載されている。
【発明が解決しようとする課題】
ハイブリッド車における電動発電機として用いられる１モータ方式の電動発電機には、次のような課題が存在する。
（１）内燃機関始動時等の低回転領域における高トルク特性と、アイドリング回転速度から高回転領域までにおいて高い発電電流が得られる高出力発電特性とを両立させなければならない。
（２）上記（１）の内燃機関始動時に必要なトルク（モータが発生する最大トルク）を発生する回転速度（７００ｒｐｍ前後）と、内燃機関の最大許容回転速度時のモータ回転速度（６０００ｒｐｍ以上）とは、１：１０以上の関係にある。
（３）内燃機関始動回転速度以上の回転速度における内燃機関のトルクを助成するアシストトルクが十分得られない。
（４）車両に搭載する電動発電機で始動時に電動運転するとともに、発電時には発電するものであり、電源としてはある一定電圧を中心とした電圧変化幅内で充放電を行うバッテリが用いられている。そのため内燃機関の高速回転時のようにバッテリの充電電圧を大きく超える電圧で充電した場合には、最悪バッテリを破損する危険性がある。
前記いずれの電動発電機を用いたとしても上記の課題を解決する必要がある。一般に電動発電機の電動機運転時の回転速度Ｎは印加電圧Ｖに比例して、界磁磁束成分量φに反比例する。またトルクτは電動機電流Ｉｍと界磁磁束成分量φの積に比例し、電動機運転時の逆起電力と発電機運転時の発電電圧は回転速度Ｎと界磁磁束成分量φの積に比例する。従って、いずれの電動発電機も、回転速度範囲が広くても所定のトルク、所定の発電電力が得られるようにシステムを構築する必要がある。
一般に、低回転速度でトルクが必要とするときは強め界磁電流成分が得られるように制御し、高回転速度では逆起電力を小さくするために弱め界磁電流成分が得られるように電流位相を制御する。
しかし電動発電機を発電機運転時する場合は、内燃機関のアイドリング回転速度（７００ｒｐｍ前後）から内燃機関の最大回転速度（６０００ｒｐｍ以上）の範囲で発電動作を行うので、高回転速度時には固定子巻線の電流位相を調整する方式では発電電圧が大きすぎるので弱め界磁電流成分量が十分得られずバッテリ充電電圧に一致させることは困難である。また、電動機動作で内燃機関を始動する場合には電動機の始動電流が大きく、インバータ主回路のスイッチング素子の電流容量が大きく成りすぎる問題もある。
本発明の目的は、上記各課題を解決し、バッテリを搭載したハイブリッド車であって、内燃機関に連結された電動発電機を低速から高速までの範囲にわたり電動機運転あるいは発電機運転するものにおいて、特性が安定した電動トルク特性と発電特性が得られ、かつ高効率で制御ができるハイブリッド車における電動発電機及びその制御方法を提供することにある。
発明の開示
本発明の特徴は、車両を駆動する内燃機関のクランク軸と機械的に連結され、バッテリーから供給される電力によって前記内燃機関を始動すると共に前記内燃機関からの回転によって発電を行い前記バッテリーを充電する電動発電機と、前記電動発電機の駆動又は発電を制御するインバータと、前記インバータを制御する制御回路を備えたハイブリッド車であって、前記バッテリの電力で前記電動発電機を駆動して前記内燃機関を始動し、前記内燃機関の始動後には該内燃機関の動力を利用して前記電動発電機の発電動作で前記バッテリを充電するものにおいて、前記バッテリーと前記前記インバータの間に設けられた降圧チョッパ回路を備え、該降圧チョッパ回路を介して前記発電電圧が前記バッテリの充電電圧になるように降圧制御を行うようにしたことにある。
本発明の他の特徴は、車両を駆動する内燃機関のクランク軸と機械的に連結され、バッテリーから供給される電力によって前記内燃機関を始動すると共に前記内燃機関からの回転によって発電を行い前記バッテリーを充電する電動発電機と、前記電動発電機の駆動又は発電を制御するインバータと、前記インバータを制御する制御回路を備えたハイブリッド車であって、前記バッテリの電力で前記電動発電機を駆動して前記内燃機関を始動し、前記内燃機関の始動後には該内燃機関の動力を利用して前記電動発電機の発電動作で前記バッテリを充電するものにおいて、前記バッテリの出力側に昇圧チョッパ回路を備えており、前記バッテリの電力で前記電動発電機を始動する場合に前記バッテリ電圧を昇圧して、前記電動発電機を駆動して前記内燃機関を始動するようにしたことにある。
本発明の他の特徴は、車両を駆動する内燃機関のクランク軸と機械的に連結され、バッテリーから供給される電力によって前記内燃機関を始動すると共に前記内燃機関からの回転によって発電を行い前記バッテリーを充電する電動発電機と、前記電動発電機の駆動又は発電を制御するインバータと、前記インバータを制御する制御回路を備えたハイブリッド車における電動発電機の制御方法であって、前記バッテリの電力で前記電動発電機を駆動して前記内燃機関を始動し、前記内燃機関の始動後には該内燃機関の動力を利用して前記電動発電機の発電動作で前記バッテリを充電するものにおいて、前記電動発電機の発電電圧が前記バッテリの充電電圧より高いい場合、降圧チョッパ回路を介して、前記発電電圧が前記バッテリの充電電圧になるように降圧制御を行うようにしたことにある。
本発明によれば、電動発電機を電動機として機能させ内燃機関の始動あるいはトルクアシストを行う場合には、バッテリ電圧を前記昇圧回路にてバッテリ電圧を昇圧してインバータの入力に印加すると共に、インバータは指令による所定の回転速度に制御する。すなわち、固定子巻線の電流位相を調整して界磁磁束成分量を調整することにより所定の回転数で所定の電機子電流で所定のトルクとなるように制御される。これにより、昇圧チョッパ回路で高電圧にできるので、界磁電流成分を大きくすることができ、始動トルクを大きくできる。
また、発電動作時には、バッテリ充電電圧より発電電圧が大きい場合にバッテリとインバータ入力端子間に設けた降圧チョッパにより、高い発電電圧を降圧してバッテリ充電電圧に一致させることができる。
このように、本発明によれば、バッテリを搭載したハイブリッド車であって内燃機関に連結された電動発電機を低速から高速までの範囲にわたり電動機運転あるいは発電機運転するものにおいて、特性が安定した電動トルク特性と発電特性が得られ、かつ高効率で制御ができるハイブリッド車における電動発電機及びその制御方法を提供することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施例について説明する。図１は、永久磁石界磁形同期電動発電機を採用したハイブリッド車における電動発電機システムの基本構成を示すブロック図である。
図１の電動発電機システムにおいて、電動発電機３は内燃機関１を駆動すると同時に、内燃機関１の始動後は発電運転を行い、発電電力を高圧用（例えば４２Ｖ系）の主バッテリ１０に充電する。本構成では、内燃機関１とトランスミッション２の間に扁平構造の電動発電機３を設ける。電動発電機３は、ここでは永久磁石界磁形同期電動発電機とする。電動発電機３の出力はインバータ主回路５を介して降圧チョッパ回路９に導かれ、降圧チョッパ回路９で所定のバッテリ充電電圧になるように発電電圧が降圧されて主バッテリ１０に供給される。また、降圧チョッパ回路９に対して、低圧用（例えば１４Ｖ系）の補助バッテリ８が主バッテリ１０と並列に接続されている。補助バッテリ８には、図示してないがランプ負荷、オーディオなどが接続される。
ハイブリッド車の全体的な制御は主コントローラ４で行われ、この主コントローラ４からの運転指令信号７０等に基づいてＭ／Ｇ制御回路６がインバータ主回路５や降圧チョッパ回路９を制御する。主コントローラ４からの指令等に基づき、エンジンコントロールユニット４０が内燃機関１を制御する。同様に、主コントローラ４からの指令等に基づき、バッテリコントローラ４１がＤＣ／ＤＣコンバータ７を制御し、電動発電機３からの出力を１４Ｖの充電電圧に制御し、低電圧バッテリ８を充電する。
内燃機関１の始動時には、電動発電機３の電動運転で内燃機関１を始動する。すなわち、主バッテリ１０からの電流がダイオードを介してバッテリ電力がインバータ主回路５に入り、Ｍ／Ｇ制御回路６の制御ソフトによりインバータ主回路５の出力が所定の電力量に制御され、電動発電機３が電動機としての動作を行って内燃機関１を始動する。
一方、電動発電機３の発電動作は、内燃機関１が始動した後にバッテリを充電する動作である。この動作は内燃機関１からの動力で電動発電機３が発電動作となり、少なくともバッテリ充電電圧電圧Ｖｂ１より、インバータ５の入力側電圧もしくは電動発電機３側の発電電圧ＶｇがＶｂ１≦Ｖｇの関係にあるときに成り立つ。車両の如何なる運転状態でもバッテリへの充電時はＶｇがバッテリ充電電圧に制御される。もし、発電電圧Ｖｇがバッテリ充電電圧Ｖｂ１より大きい場合には、インバータの主回路５を構成するＭ／Ｇ制御回路６で制御され、電機子電流の電流位相制御により、界磁磁束成分量を弱め界磁になるように制御して発電電圧がバッテリ充電電圧になるようにする。
図２は、図１の詳細回路の一例で内燃機関１とトランスミッション２の間に電動発電機３を設けた構成を示す。インバータ５と主バッテリ１０及び補助バッテリ８の間に、降圧チョッパ回路９が設けられている。Ｍ／Ｇ制御回路６は、制御用マイコン６１とドライバ信号回路６２を有する。制御用マイコン６１は、ＣＰＵ、メモリ、及びメモリに保持された各種の制御ソフトを含み、主コントローラ４からの運転指令信号７０やインバータ入力電圧信号６３、充電電圧信号６４、電動発電機３の電流、位置検出信号（及び回転速度信号）６５を取り込んで、ドライバ信号回路６２の制御信号や降圧チョッパ回路９の制御信号を生成し出力する。
永久磁石界磁形同期電動発電機３は、回転子鉄心３１と磁極を構成する永久磁石界磁３２とで回転子が構成される。なお、電動発電機として爪形磁極形電動発電機を採用しても良く、その場合には、励磁コイルを囲むようにしたＳ，Ｎ極の爪磁極で回転子が構成される。また、電動発電機として誘導電動機を採用しても良く、その場合には、回転子鉄心内に設けたスロット内に二次導体をかご形に配置して回転子が構成される。
一方固定子は、固定子鉄心３３に設けたスロット内に三相固定子巻線３４を巻装した構成とし、外周側にはハウジング３５を焼バメして設け、冷却用の水冷通路（図示せず）も設ける。なお、三相固定子巻線３４としては、通常の分布巻と集中巻のいずれも巻装することができる。
電動発電機３の回転子（３１、３２）は、内燃機関１のクランク軸と直結されている。もし、電動発電機３をトランスミッション２の中に設ける場合は、電動発電機３の回転子がトランスミッションの軸に直結されている。
内燃機関１に機械的に連結されている永久磁石形誘導同期電動発電機３の三相固定子巻線の端子は、三相配線４によりインバータ主回路５と電気的に接続されている。インバータ主回路５は、３相各アームのスイッチング素子５１ａ〜５１ｆと帰還ダイオード５２ａ〜５２ｆからなり、スイッチング素子５１ａ〜５１ｆのスイッチング動作はＭ／Ｇ制御回路６のドライバ信号発生器６２で動作する。ドライバ信号回路６２は、制御用マイコン６１の制御信号で制御される。
また、インバータ主回路５の入力側には、平滑用コンデンサ１１が設けられており、さらに、主バッテリ１０とコンデンサ１２と平滑用コンデンサ１１の間に降圧チョッパ９が設けられている。降圧チョッパ９は、スイッチング素子９１とダイオード９２の逆並列回路とリアクトル９３及びダイオード９４で構成されている。
図２において、内燃機関１を始動する場合、主バッテリ１０の電力は、コンデンサ１２を充電するとともリアクトル９３、ダイオード９２を介して平滑用コンデンサ１１を充電し、その電圧がインバータ主回路５に印加される。
インバータ主回路５を動作させるＭ／Ｇ制御回路６は、電動発電機３の位置センサ（ホールＩＣ，レゾルバ等）３６の検出信号で位置検出回路３７からの位置信号（及び回転速度信号）６５をマイコン６１に取り込む。また、平滑コンデンサ１１と主バッテリ１０の出力あるいは充電電圧（インバータ入力電圧）信号６４を検出して制御用マイコン６１に取り込んでいる。マイコン６１は、電動機運転時に運転指令信号７０と、位置検出信号（及び回転速度信号）６５、バッテリ出力電圧信号６４及びインバータ入力電圧信号６３等の検出信号で、ドライバ信号発生器６２に送る信号を作り、スイッチング素子５１ａ〜５１ｆのゲートにドライバ信号を与えて、電動機を始動もしくはトルクアシストを行う。
図３に、本発明における運転モードと電動機等の制御及びバッテリ電圧Ｖｂ等の関係を示す。内燃機関の始動時には強め界磁制御を行う。すなわち、制御用マイコン６１は、始動時にインバータ主回路５に対して運転指令信号７０に基づくＰＷＭ制御（ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を行うが、始動トルクを大きくするために、電動機運転時には固定子巻線に流れる電流位相を界磁電流成分Ｉｆが＋Ｉｆ１に増加するように（強め界磁制御）ドライバ信号を制御する。
内燃機関の始動後、トルクアシストが必要な場合、強め界磁制御や昇圧動作を行い、さらに回転速度が上昇すると界磁電流成分が−Ｉｆ２まで減少するように（弱め界磁制御）ドライバ信号を制御して電流位相を調整する。
内燃機関の回転速度がさらに上昇した場合、発電モードとなる。すなわち、電動発電機３の発電電圧が主バッテリ１０の充電電圧Ｖｂ０より高くなるため、弱め界磁を行いながらもしくは降圧チョッパの通流率を小さくして、発電電圧が主バッテリ１０の充電電圧に一致するように降圧チョッパの電圧制御を行う。
図１、図２に示した実施例は、上記始動及び発電の運転モードを行うものであり、後で述べる他の実施例は、上記トルクアシストの運転モードも行うものである。
次に、上記図１、図２に示した実施例における電動発電機３の発電動作を、図４〜図６により述べる。
図４は、電動発電機３の発電動作のフローを示すものである。キースイッチがオンになると（ステップ４０２）、電動発電機３で内燃機関が駆動され（ステップ４０４）、内燃機関が始動する（ステップ４０６）。始動後、主バッテリ１０の充電電圧Ｖｂが所定の充電電圧Ｖｂに達していなければ（ステップ４０８）充電電圧Ｖｂになるまで待ち（ステップ４１０）、次に、アイドリング回転数に達しているかチェックし（ステップ４１２）、アイドリング回転数に達している場合発電動作となる。発電動作時は内燃機関１の回転動力が発電機の入力となり電圧Ｖｇの発電電力を得るが、発電機も３相交流でインバータ主回路５のダイオード５２ａ〜５２ｆを介して平滑用コンデンサ１１を充電する（ステップ４１６〜４１８）。平滑用コンデンサ１１の電圧Ｖｇが主バッテリ１０の充電電圧Ｖｂになっていれば降圧チョッパ９のスイッチング素子９１の通流率を１００（％）にして（ステップ４２０）、リアクトル９３を介して主バッテリ１０を充電する（ステップ４２２）。
すなわち、内燃機関の回転速度が上昇すると、電動発電機３の発電電圧が主バッテリ１０の充電電圧より高くなる。このためインバータ主回路５の電流位相を制御して発電電圧が下がるように弱め界磁制御を行う。これにより、ある程度の回転数まで発電電圧を制御するが、それ以上の回転速度では巻線の温度上昇で限界があるので若干の弱め界磁を行いながらもしくは降圧チョッパの通流率を小さくして、主バッテリ１０の充電電圧に一致するように降圧チョッパの電圧制御を行う。
図５はその動作を示しており、横軸が内燃機関１の回転速度（電動発電機３の回転速度）で縦軸は電動発電機３の発電電圧値Ｖｇにより決まる平滑用コンデンサ１１のコンデンサ電圧Ｖｃ１となり、電機子電流の位相を調整して強め界磁制御にした場合と弱め界磁制御にする場合の回転速度に対する変化を示す。
図５で、内燃機関１を始動してアイドリング時の回転速度Ｎ１とすると、この時、発電電圧による平滑用コンデンサ電圧がＶｃ１で最小限の充電電流を維持している状態とする。このとき発電電動機３の界磁成分は強め界磁制御が行われているとした場合は、界磁電流成分Ｉｆ１が強め界磁側にあり、内燃機関１の回転速度が上昇してＮ２になると、発電電圧Ｖｇ２となり平滑用コンデンサの電圧がＶｃ２と大きくなる。そこで、平滑用コンデンサの電圧Ｖｃ２をバッテリ充電電圧Ｖｂ１に一致させるべく、電動機の電流位相を制御して弱め界磁電流制御を行う。この場合、弱め界磁電流成分のみでバッテリ充電電圧に制御できれば降圧チョッパ回路は動作しなくとも良いが、回転速度がＮ２以上になると弱め界磁制御による銅損増加が大きくなる。そこで、回転速度がＮ２以上では、降圧チョッパ回路９を動作させ、平滑用コンデンサ１１の電圧Ｖｃ２がバッテリ充電電圧Ｖｂ１と一致するように電圧変換比の設定を大きくすることにより主バッテリ１０を充電する。
さらに内燃機関１の回転速度が上昇して最大回転速度Ｎ３となった場合、弱め界磁電流成分が大きくできないので、さらに降圧チョッパ６の電圧変換比（Ｖｃ３／Ｖｂ１）を大きくすることにより、最大回転速度でも主バッテリ１０への充電がを能にする。ここでは、弱め界磁電流制御量と降圧チョッパの電圧変換比の設定は、発電効率として最大効率が得られるように設定することができる。
図６は、上記実施例における内燃機関１の回転速度Ｎと平滑用コンデンサの電圧Ｖｃ２との関係を示すものであり、回転速度Ｎ＝７００ｒｒｐｍ以上では、回転速度Ｎの増加に応じて降圧チョッパによる電圧降圧量が増大し、平滑用コンデンサの電圧Ｖｃ２は、一定値Ｖｂ１に維持される。
再び、図４の電動発電機３の発電動作のフローに戻って、ステップ４０８で、主バッテリ１０の充電電圧Ｖｂが所定の充電電圧Ｖｂに達している場合、あるいは始動後の発電により充電電圧Ｖｂに達した場合、次に、アイドルストップモードか否かの判定を行い（ステップ４２４）、アイドルストップモードでなければバッテリーの電圧制御を継続する（ステップ４２６）。一時停止のためのアイドルストップの場合（ステップ４３０）、エンジンを停止し（ステップ４３２）、アクセルが再びオンになるのを待って（ステップ４０４）に戻り、電動発電機３でエンジンを再始動する。キースイッチがオフの場合は、エンジン停止処理を行って、ステップ４０４２に戻る。
次に、図７〜図１１に本発明の他の実施例を示す。この実施例は、先に述べたように、内燃機関の始動後、トルクアシストが必要な場合、強め界磁制御や昇圧動作を行い、さらに回転速度が上昇すると界磁電流成分が−Ｉｆ２まで減少するように（弱め界磁制御）ドライバ信号を制御して電流位相を調整するものである。
まず、図７は図１と同様な電動発電機駆動システムの主なる構成を示す。この実施例では、降圧と昇圧の機能を有する昇降圧チョッパ回路１００を主バッテリ１０とインバータ主回路５の間に設け、電動機運転時はインバータ主回路５と制御回路６とで固定子巻線の電流位相制御と昇圧チョッパ回路１００を動作させ、発電動作時は図１と同様に固定子巻線の電流位相制御と降圧チョッパ回路９を動作させて、常に発電電圧がバッテリ充電電圧になるように電圧制御を行う構成としている。なお、主コントローラ等、図１と同じ構成のものは図示を省略する。
次に、図８の回路図で図２と異なる点を重点に説明する。
図８において、昇圧チョッパ回路１００はスイッチング素子１０１と帰還ダイオード１０２で構成される。リアクトル９３は昇圧チョッパ回路１００が動作するときにも必要であり、降圧チョッパ回路９が動作するときと共用することになる。低電圧系のバッテリ８とＤＣ／ＤＣコンバータ７は、図１、２と同様に、主バッテリ１０と昇降圧チョッパ回路１００との間に接続している。
次に、その動作について８により述べる。内燃機関１を始動するために、前述と同様に電動発電機３を電動機として駆動する場合、昇圧チョッパ回路１００を動作させてバッテリ電圧より高く設定する。
この時、インバータ主回路５と制御回路６で制御する固定子巻線３４の電流位相制御は、図１１に示すように内燃機関の回転速度がＮ１では強め界磁となるような界磁電流成分が得られるようにする。このときの昇圧電圧値は固定子巻線電流が所定の加速電流値の範囲に流れるように電流リミッタ（図示せず）が入っている。内燃機関１が始動するまでは電動機電流が所定の加速電流値となるように昇圧電圧値を増加して回転速度を上昇させる。
内燃機関１が始動してアイドリング状態になり、内燃機関の発生トルクに電動機の発生トルクを加えるトルクアシストを行う場合は、昇圧チョッパ回路１００を動作させ、バッテリ電圧より大きい電圧に昇圧して電圧を電動機端子に印加することにより、内燃機関１のトルクアシストが可能になる。
図１０は、内燃機関１の回転数とモータートルクτの関係を示すものであり、例えば内燃機関１の回転数Ｎ＝４００ｒｐｍ間での範囲で最大のモータートルクτが得られるよう昇圧チョッパ回路９を動作させる。このとき電動機の電流位相は回転速度とアシストトルクの大きさで左右されるが、図１１の界磁電流成分の制御は回転速度の上昇とともに弱め界磁電流成分となるように弱め界磁制御も行う。
昇圧チョッパ回路１００の動作は、主バッテリ１０と並列に設けているスイッチング素子１０１をオンすると瞬間的にリアクトル９３を介して主バッテリ１０を短絡することになり、リアクトルには大きい短絡電流が流れている状態で、スイッチング素子１０１をオフするとリアクトルに蓄えられたエネルギーがダイオード９２を介して平滑用コンデンサ１１を充電し、インバータ５の入力側の電圧を上昇することができる。すなわち電圧の大きさを制御できるのでＰＡＭ制御（Ｐｕｌｓｅａｍｐｌｉｔｕｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）ができる。
このときインバータ主回路５は、制御回路６のドライバ信号で通流率を大きめもしくは１００（％）に設定できる。この結果、電動発電機３の入力電圧が大きくなり、内燃機関１の始動後でも電動発電機３の逆起電力より昇圧することにより、電動機端子電圧を大きくできるので、電動機の固定子巻線内に加速電流を流すことができ、内燃機関１のトルクをアシストするトルクを発生することができることになる。
なお、内燃機関１の始動時に昇圧チョッパ回路１００を動作させると、同一の入力の場合はインバータ制御による電流位相制御と電動発電機３の電動機端子電圧を大きくすることができるので、電動機の始動電流が小さくでき、インバータ主回路５のスイッチング素子５１ａ〜５１ｆの電流容量を小さくできる。
次に、発電動作を行う場合は、昇圧チョッパ回路１００を動作させないで、図２に示した場合と同様に降圧チョッパ回路９を動作させる。この場合も、弱め界磁のためにインバータ主回路５と制御回路６の動作によるの固定子巻線３４の電流位相制御と降圧チョッパ回路９との併用で、発電効率の高い運転ができる。
なお、この場合でも低電圧系統への電力の供給は、高電圧系統からＤＣ−ＤＣコンバータ１０を介して降圧してバッテリ８の充電電圧に制御する。
なお、弱め界磁電流成分があまりにも大きい場合には、界磁巻線の銅損が大きくなるので、永久磁石型モーターよりも、誘導電動機の方が良い。
なお、車両の運転モードによって、永久磁石形誘導同期電動発電機３は電動機、発電機としての動作に切替えるが、モード切替および永久磁石形誘導同期電動発電機３への指令値は自動車としての主コントローラ４で判断、計算を行い、インバータ５の制御回路６のマイコン６１に指令値を入力することで、永久磁石形誘導同期電動発電機３を制御する。
図９に、この実施例における動作フローを示す。内燃機関の始動直後、アクセルの踏み込み量が大きいすなわちトルクアシストが必要な場合（ステップ４４０）、強め界磁制御を行い、さらに回転速度が上昇すると界磁電流成分が減少（弱め界磁制御）するようにドライバ信号を制御して電流位相を調整するとともに、昇圧チョッパ制御も行う（ステップ４４０）。
本発明では、電動発電機として誘導電動機を採用することもできる。図１２（ａ），（ｂ）に、バッテリ電圧を一定にした状態で電動機運転時の電動機運転時のモータトルクと固定子巻線の電流位相の制御による弱め界磁電流成分の回転速度に対する変化を示している。一般に、低回転速度でトルクが必要とするときは強め界磁電流成分が得られるように制御し、高回転速度では逆起電力を小さくするために弱め界磁電流成分が得られるように電流位相を制御する。図７（ｂ）で界磁電流成分が正の場合は強め界磁で、負の場合は弱め界磁制御となる。
電動発電機Ｂ（特性Ｂ）は最大トルクにおける回転速度が２０００ｒｐｍで、最大回転速度が６０００ｒｐｍの場合を示している。電動発電機Ｂの弱め界磁率は２０００：６０００なので１：３となる。一方、電動発電機Ａ（特性Ａ）は、最大トルクにおける回転速度を５００ｒｐｍとして、最大回転速度を６０００ｒｐｍとした場合で、これより電動発電機Ａの弱め界磁率は５００：６０００で１：１２となる。
電動発電機を発電機運転時する場合は、内燃機関のアイドリング回転速度（７００ｒｐｍ前後）から内燃機関の最大回転速度（６０００ｒｐｍ）範囲で発電動作を行うので、高回転速度時には固定子巻線の電流位相を調整する方式では発電電圧が大きすぎるので弱め界磁電流成分量が十分得られずバッテリ充電電圧に一致させることは困難である。本発明の方法により、電動発電機として特性Ｂのような誘導電動機を用いることも可能になる。
以上述べたように、本発明によれば、バッテリを搭載したハイブリッド車であって内燃機関に連結された電動発電機を低速から高速までの範囲にわたり電動機運転あるいは発電機運転するものにおいて、特性が安定した電動トルク特性と発電特性が得られ、かつ高効率で制御ができるハイブリッド車における電動発電機及びその制御方法を提供することができる。
すなわち、本発明によれば、内燃機関を始動するためと発電電力を得る電動発電機を、内燃機関とトランスミッションの間に直結して、バッテリの電力でインバータを介して内燃機関の始動及び発電動作を行うシステムにおいて、内燃機関始動時は主（４２Ｖ系）バッテリとインバータの間に昇圧チョッパ回路を挿入して、インバータ入力の直流電圧入力を昇圧チョッパ回路の動作で高電圧化して電動発電機の電動機動作時に印加するようにしたことにより、従来の固定子巻線の電流位相制御による強め、弱め界磁制御のみの場合に比して、電動機時、発電機時とも運転できる回転速度領域が広がり、かつ高効率で安定した動作が得られる効果がある。
また、一般的な永久磁石式同期発電機の問題点である（弱め界磁は出力を発生しない。）バッテリ充電電圧を上回る誘起電圧を抑制するために行う弱め界磁電流制御成分の大きさを、電圧昇圧機能及び電圧降圧機能のおかげで小さく設定できる効果もある。
さらに内燃機関始動時は、電動発電機の電動機運転時に高トルクが要求され、始動電流が大きくなるが、バッテリ電圧を昇圧して高電圧の状態でインバータに入力して電動機に印加できるので、高電圧で出力を確保し、始動電流を小さくすることができる。その結果、インバータの主回路のスイッチング素子の電流容量を小さくできるので、コスト的に安価なインバータとすることができる。
また、本発明は、電動発電機として、永久磁石形同期電動発電機、爪形磁極同期電動発電機及び誘導電動機のいずれを用いた場合でも内燃機関の運転回転速度範囲で良好な始動特性並びに高効率が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の一実施例を示す自動車用電動発電機のシステム構成ブロック図である。
図２は、本発明の一実施例を示す電動発電機とシステムの回路構成図である。
図３は、本発明の動作モードの説明図である。
図４は、本発明の一実施例の動作フローを示す図である。
図５は、本発明の一実施例の電動発電機の発電機動作時で降圧チョッパ動作時のシステム動作説明図である。
図６は、降圧チョッパの動作説明図である。
図７は、本発明の他の実施例になる自動車用電動発電機のシステム構成ブロック図である。
図８は、図７の実施例の電動発電機とシステムの回路構成図である。
図９は、本発明の他の実施例の動作フローを示す図である。
図１０は昇圧チョッパの動作説明図である。
図１１は、本発明の他の実施例の電動機発電機の電動機運転時の回転速度に対する昇圧チョッパ回路動作時のシステム動作説明図。トルク特性と弱め界磁電流の説明図である。
図１２は、回転速度範囲が異なる電動発電機の電動機運転時の始動トルクと固定子巻線電流の位相調整によって得られる界磁電流成分の回転速度に対する変化の説明図である。

Claims

車両の駆動源として内燃機関及び車載電源としてバッテリをそれぞれ備えるハイブリッド車に搭載された電動発電システムにおいて、内燃機関のクランク軸に機械的に連結された電動発電機と、該電動発電機を制御するためのインバータと、該インバータを制御するための制御回路と、バッテリと前記インバータとの間に設けられた電圧制御回路とを有し、前記電動発電機は、バッテリから供給された電力を、前記インバータを介して受けて駆動力を発生するものであって、内燃機関からの動力を受けて発電し、この電力をバッテリに前記インバータを介して供給するものであり、前記インバータは、前記制御回路からの指令を受けて前記電動発電機の駆動及び前記電動発電機の発電を制御しており、前記電動発電機が内燃機関からの動力を受けて発電し、この電力をバッテリに前記インバータを介して供給する場合、前記電圧制御回路による降圧制御と、前記電動発電機の固定子巻線の電流位相を、弱め界磁成分が得られるように前記インバータで制御する弱め界磁制御とを行い、前記電動発電機の発電電圧とバッテリの充電電圧とを一致するようにすることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項１に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、前記電動発電機は、永久磁石によって界磁極が構成された回転子或いは爪付磁極によって界磁極が構成された回転子を備えた同期式回転電機であり、前記電動発電機の最大トルクにおける回転速度と前記電動発電機の最大回転速度との比で表される前記電動発電機の弱め界磁率は、前記電動発電機の最大トルクにおける回転速度を１としたとき、前記電動発電機の最大回転速度が４未満となるように設定されていることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項１に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、前記電動発電機は、複数個の２次導体が鉄心に配置された回転子を備えた誘導式回転電機であり、前記電動発電機の最大トルクにおける回転速度と前記電動発電機の最大回転速度との比で表される前記電動発電機の弱め界磁率は、前記電動発電機の最大トルクにおける回転速度を１としたとき、前記電動発電機の最大回転速度が３以上となるように設定されていることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項１に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、バッテリが高圧バッテリと高圧バッテリよりも電圧の低い低圧バッテリとを含む場合、前記発電電動機は、主バッテリから供給された電力を、前記インバータを介して受けて駆動力を発生すると共に、内燃機関からの動力を受けて発電し、この電力を主バッテリに前記インバータを介して供給するようになっており、前記電動発電機が内燃機関からの動力を受けて発電し、この電力を主バッテリに前記インバータを介して供給する場合であって、前記前記電動発電機の発電電圧が主バッテリの充電電圧よりも大きい場合、前記電圧制御回路は、前記インバータを介して主バッテリに供給される前記電動発電機の発電電圧が主バッテリの充電電圧になるように、前記電動発電機の発電電圧を降圧するようになっていることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項１に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、前記電動発電機が内燃機関からの動力を受けて発電し、この電力をバッテリに前記インバータを介して供給する場合、内燃機関のアイドリング回転速度付近では、前記電動発電機の固定子巻線の電流位相を、強め界磁成分が得られるように前記インバータで制御する強め界磁制御を行い、内燃機関の回転速度が増加するにしたがって、前記電動発電機の固定子巻線の電流位相を、強め界磁成分が得られるように前記インバータで制御する強め界磁制御を行いながら前記電動発電機の発電電圧をバッテリの充電電圧に維持するようにし、内燃機関の回転速度がさらに増加する領域では、前記電動発電機の固定子巻線の電流位相を、弱め界磁成分が得られるように前記インバータで制御する弱め界磁制御を行うと共に、前記弱め界磁成分を維持した状態で前記電圧制御回路による降圧制御を行い、前記電動発電機の発電電圧とバッテリの充電電圧とを一致させることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項１に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、前記電圧制御回路は降圧チョッパから構成されていることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
車両の駆動源である内燃機関及び車載電源であるバッテリをそれぞれ備えるハイブリッド車に搭載された電動発電システムにおいて、内燃機関のクランク軸に機械的に連結された電動発電機と、該電動発電機を制御するためのインバータと、該インバータを制御するための制御回路と、バッテリと前記インバータとの間に設けられた電圧制御回路とを有し、前記電動発電機は、バッテリから供給された電力を、前記インバータを介して受けて駆動力を発生するものであって、内燃機関からの動力を受けて発電し、この電力をバッテリに前記インバータを介して供給するものであり、前記インバータは、前記制御回路からの指令を受けて前記電動発電機の駆動及び前記電動発電機の発電を制御しており、バッテリからの電力の供給を前記電動発電機が前記インバータを介して受けて駆動力を発生し、この駆動力によって内燃機関を始動する場合、前記電動発電機の固定子巻線の電流位相を、強め界磁電流成分が得られるように前記インバータで制御する強め界磁制御を行うことを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項７に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、前記電動発電機は、永久磁石によって界磁極が構成された回転子或いは爪付磁極によって界磁極が構成された回転子を備えた同期式回転電機であり、前記電動発電機の最大トルクにおける回転速度と前記電動発電機の最大回転速度との比で表される前記電動発電機の弱め界磁率は、前記電動発電機の最大トルクにおける回転速度を１としたとき、前記電動発電機の最大回転速度が４未満となるように設定されていることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項７に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、前記電動発電機は、複数個の２次導体が鉄心に配置された回転子を備えた誘導式回転電機であり、前記電動発電機の最大トルクにおける回転速度と前記電動発電機の最大回転速度との比で表される前記電動発電機の弱め界磁率は、前記電動発電機の最大トルクにおける回転速度を１としたとき、前記電動発電機の最大回転速度が３以上となるように設定されていることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項７に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、バッテリが高圧バッテリと高圧バッテリよりも電圧の低い低圧バッテリとを含む場合、前記発電電動機は、主バッテリから供給された電力を、前記インバータを介して受けて駆動力を発生すると共に、内燃機関からの動力を受けて発電し、この電力を主バッテリに前記インバータを介して供給するようになっており、主バッテリからの電力の供給を前記電動発電機が前記インバータを介して受けて駆動力を発生し、この駆動力によって内燃機関を始動する場合、前記電圧制御回路は、主バッテリから出力された電力の電圧を昇圧するようになっていることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項７に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、バッテリからの電力の供給を前記電動発電機が前記インバータを介して受けて駆動力を発生し、この駆動力によって内燃機関を始動する場合、前記電動発電機の最大トルクが必要な内燃機関の回転速度までは、前記電圧制御回路による昇圧制御と、前記電動発電機の固定子巻線の電流位相を、強め界磁電流成分が得られるように前記インバータで制御する強め界磁制御とを行い、内燃機関の始動時の回転速度よりも大きな回転速度領域まで前記電動発電機によるトルクアシストを行う場合には、前記電動発電機の固定子巻線の電流位相を、弱め界磁電流成分が得られるように前記インバータで制御する弱め界磁制御と、前記電圧制御回路による昇圧制御とを行うことを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項７に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、前記電圧制御回路におけるバッテリ電圧の変換電圧比を１．５倍以上に設定し、前記インバータスイッチング素子の電流容量を、前記電圧制御回路のスイッチング素子の電流容量よりも小さくしたことを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項７に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、前記電圧制御回路は昇圧チョッパから構成されていることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
車両の駆動源である内燃機関及び車載電源であるバッテリをそれぞれ備えるハイブリッド車に搭載された電動発電システムにおいて、内燃機関のクランク軸に機械的に連結された電動発電機と、該電動発電機を制御するためのインバータと、該インバータを制御するための制御回路と、バッテリと前記インバータとの間に設けられた電圧制御回路とを有し、前記電動発電機は、バッテリから供給された電力を、前記インバータを介して受けて駆動力を発生するものであって、内燃機関からの動力を受けて発電し、この電力をバッテリに前記インバータを介して供給するものであり、前記インバータは、前記制御回路からの指令を受けて前記電動発電機の駆動及び前記電動発電機の発電を制御しており、バッテリからの電力の供給を前記電動発電機が前記インバータを介して受けて駆動力を発生し、この駆動力によって内燃機関を始動する場合、前記電動発電機の固定子巻線の電流位相を、強め界磁電流成分が得られるように前記インバータで制御する強め界磁制御を行い、前記電動発電機が内燃機関からの動力を受けて発電し、この電力をバッテリに前記インバータを介して供給する場合、前記電圧制御回路による降圧制御と、前記電動発電機の固定子巻線の電流位相を、弱め界磁成分が得られるように前記インバータで制御する弱め界磁制御とを行い、前記電動発電機の発電電圧とバッテリの充電電圧とを一致するようにすることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項１４に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、前記電圧制御回路は降圧チョッパと昇圧チョッパから構成されていることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項１４に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、前記電動発電機は、永久磁石によって界磁極が構成された回転子或いは爪付磁極によって界磁極が構成された回転子を備えた同期式回転電機であり、前記電動発電機の最大トルクにおける回転速度と前記電動発電機の最大回転速度との比で表される前記電動発電機の弱め界磁率は、前記電動発電機の最大トルクにおける回転速度を１としたとき、前記電動発電機の最大回転速度が４未満となるように設定されていることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項１４に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、前記電動発電機は、複数個の２次導体が鉄心に配置された回転子を備えた誘導式回転電機であり、
前記電動発電機の最大トルクにおける回転速度と前記電動発電機の最大回転速度との比で表される前記電動発電機の弱め界磁率は、前記電動発電機の最大トルクにおける回転速度を１としたとき、前記電動発電機の最大回転速度が３以上となるように設定されていることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。
請求項１４に記載のハイブリッド車用電動発電システムにおいて、バッテリが高圧バッテリと高圧バッテリよりも電圧の低い低圧バッテリとを含む場合、前記発電電動機は、主バッテリから供給された電力を、前記インバータを介して受けて駆動力を発生すると共に、内燃機関からの動力を受けて発電し、この電力を主バッテリに前記インバータを介して供給するようになっており、前記電動発電機が内燃機関からの動力を受けて発電し、この電力を主バッテリに前記インバータを介して供給する場合であって、前記前記電動発電機の発電電圧が主バッテリの充電電圧よりも大きい場合、前記電圧制御回路は、前記インバータを介して主バッテリに供給される前記電動発電機の発電電圧が主バッテリの充電電圧になるように、前記電動発電機の発電電圧を降圧するようになっている主バッテリからの電力の供給を前記電動発電機が前記インバータを介して受けて駆動力を発生し、この駆動力によって内燃機関を始動する場合、前記電圧制御回路は、主バッテリから出力された電力の電圧を昇圧するようになっていることを特徴とするハイブリッド車用電動発電システム。