電気自動車の駆動システム

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【発明の名称】	電気自動車の駆動システム
【発明者】	【氏名】木下繁則【氏名】渡邉慶人【氏名】山田良昭【氏名】山田淳
【要約】	【課題】パラレルハイブリッド電気自動車並みの走行信頼性を有するシリーズハイブリッド電気自動車を実現する。【解決手段】エンジン１に連結された交流発電機２の電力によりコンバータ３、インバータ５を介し車両駆動用交流電動機６を駆動して車輪９を駆動するとともに、交流発電機２と交流電動機６との間に蓄電装置４を備えた電気自動車の駆動システムに関する。交流発電機２の極数を交流電動機６の極数よりも少なくし、コンバータ３、インバータ５の故障時には、これらを交流発電機２及び交流電動機６から切り離して両回転機２，６を直接接続し、車両始動時にエンジンスタータ２００によりエンジン１を始動して交流発電機２の発生電力を交流電動機６に供給し、この交流電動機６を直接駆動する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】エンジンに連結された交流発電機の電力により半導体電力変換装置を介して車両駆動用交流電動機を駆動し、この交流電動機の動力により車輪を駆動するとともに、前記交流発電機と前記交流電動機との間に蓄電装置を備えてなる電気自動車の駆動システムにおいて、前記交流発電機の極数を前記交流電動機の極数よりも少なくし、前記電力変換装置の故障時には、この電力変換装置を前記交流発電機及び交流電動機から切り離して前記交流発電機と前記交流電動機とを直接接続し、車両始動時にエンジンスタータによりエンジンを始動して前記交流発電機の発生電力を前記交流電動機に供給し、この交流電動機を直接駆動することを特徴とする電気自動車の駆動システム。
【請求項２】請求項１記載の電気自動車の駆動システムにおいて、前記電力変換装置の故障時に、前記交流発電機と前記交流電動機とを回路開閉器を介して接続することを特徴とする電気自動車の駆動システム。
【請求項３】請求項１または２記載の電気自動車の駆動システムにおいて、前記電力変換装置の故障時に、前記交流発電機を相順切替器を介して前記交流電動機に接続し、この相順切替器により前記交流電動機への印加電圧の相順を切り替えて前記交流電動機を正逆転可能に構成したことを特徴とする電気自動車の駆動システム。
【請求項４】請求項１，２または３記載の電気自動車の駆動システムにおいて、前記交流発電機及び交流電動機が、界磁に永久磁石を用いた同期機であることを特徴とする電気自動車の駆動システム。
【請求項５】請求項１，２，３または４記載の電気自動車の駆動システムにおいて、前記エンジンスタータの電力を補助蓄電装置から供給することを特徴とする電気自動車の駆動システム。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、シリーズハイブリッド電気自動車の駆動システムに関し、特に、主蓄電装置充電用のコンバータや交流電動機駆動用のインバータが故障した場合のシステム構成に特徴を有する電気自動車の駆動システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図４は、代表的なシリーズハイブリッド電気自動車の駆動システムを示す図である。同図において、１はエンジン、２は交流発電機、３はコンバータ、４は主蓄電装置、５はインバータ、６は車両駆動用交流電動機、７は減速機、８はデフギア、９は車輪、１０は補助蓄電装置、１１は補助蓄電装置１０を電源とする照明具、ラジオ等の補機、１２は主蓄電装置４から補助蓄電装置１０を充電する充電器である。
【０００３】図４のシステムでは、エンジン１が発生する機械エネルギーを発電機２により電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを電動機６により再び機械エネルギーに変換して車両を駆動する。エネルギーの流れが直列であることから、この方式はシリーズ方式と呼ばれている。
【０００４】図４のシステムにおいて、エンジン１によって駆動される交流発電機２は一般にほぼ一定の電力を発生する。電動機６が必要とする電力と発電機２の発生電力との差は、主蓄電装置４からの充放電によって賄う。また、図４のシステムでは、発電機２を電動機として作動させることによりエンジン１を始動させるのが一般的である。
【０００５】図４に示したシリーズハイブリッド方式の駆動システムの他に、図示しないが、パラレルハイブリッド方式の駆動システムがある。この駆動システムでは、エンジン単独駆動、電動機単独駆動（この場合、前述のシリーズハイブリッド方式と同じシステムになる）、エンジン及び電動機併用駆動の３種類の駆動システムを構成することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】パラレル方式の特徴の一つに、シリーズ方式と比較して作動信頼性が高い点が挙げられる。すなわち、電動機駆動で走行中にその駆動系が使用できなくなった場合でも、エンジンにより駆動することができるので、作動信頼性は従来のエンジン車並みとなる。
【０００７】一方、シリーズ方式の特徴の一つとして低燃費であることが挙げられ、エンジンを最も効率が高い点で運転することにより、エンジンの燃費を大きく向上させることができる。しかし、シリーズ方式では、エネルギーはエンジンから種々の機器を通って車輪に供給される仕組みであるので、機器に不具合が発生すると走行不具合に至ってしまう。特に、図４における主蓄電装置充電用のコンバータ３や電動機駆動用のインバータ５は半導体電力変換装置からなり、電磁機械である発電機２や電動機６と比較して部品点数が格段に多い。このため、作動信頼性が発電機２や電動機６と比較して低くなってしまうことは否めない。このことはシリーズ方式の方が、パラレル方式と比較して相対的に車両の駆動信頼性が低くなることを示している。
【０００８】しかしながら、シリーズ方式の場合でも、パラレル方式と同程度の作動信頼性が求められており、シリーズ方式の普及拡大にあたっては車両の駆動信頼性、走行信頼性の向上が課題の一つになっている。そこで本発明は、パラレルハイブリッド方式と同等の駆動信頼性、走行信頼性を得ることができるシリーズハイブリッド電気自動車の駆動システムを提供しようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、シリーズハイブリッド電気自動車では、エンジンと交流発電機とによって、可変電圧、可変周波数の交流電圧を発生していること、また、車両駆動用電動機は可変電圧、可変周波数の交流電圧で駆動される交流電動機であることから、発電機が発生する交流電力を用いて車両駆動用電動機を直接駆動できること、交流電動機の回転数はその極数に比例することに着目してなされたものである。
【００１０】すなわち、本発明においては、半導体電力変換装置が故障した時、この電力変換装置を回路から切り離し、交流発電機の発生電力を車両駆動用交流電動機に直接供給して交流電動機を直接駆動する。また、交流発電機の極数を交流電動機の極数よりも少なくし、電動機回転数を発電機回転数よりも低くする。そして、車両始動時は、交流発電機と交流電動機とを直接接続すると共に、補助蓄電装置により駆動されるエンジンスタータによってエンジンを始動し、交流発電機の発生電力で交流電動機を駆動することにより、車両を始動する。
【００１１】また、交流発電機と交流電動機との間に回路開閉器を接続し、車両停止時はこの開閉器で交流発電機と交流電動機との接続を切り離す。更に、交流発電機と交流電動機との間に相順切替器を接続し、交流電動機への印加電圧の相順を切り替えることで電動機の回転方向を正逆に切り替え、前進または後退運転を可能にする。
【００１２】
【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、請求項１，２，４及び５に記載した発明の第１実施形態を示すものである。図４と同一の構成要素には同一番号を付してある。なお、図１では、便宜上、図４における補機１１の図示を省略してある。
【００１３】図１において、２００は補助電池１０を電源とするエンジンスタータ、２０１，２０２は回路切替器、２０３は回路開閉器である。ここで、回路切替器２０１，２０２は、エンジン２、コンバータ３、インバータ５、電動機６からなる直列回路と、エンジン２、接続線２０４ａ、回路開閉器２０３、接続線２０４ｂ、電動機６からなる直列回路とを切り替えるための切替器であり、何れも共通接点ｏ、切替接点ａ，ｂを備えている。
【００１４】通常時は、回路切替器２０１，２０２の共通接点ｏは何れも切替接点ａ側に接続されており、実質的に図４に示す主回路構成になっている。コンバータ３やインバータ５等の半導体電力変換装置が故障した場合、回路切替器２０1，２０２の共通接点ｏは何れも切替接点ｂ側すなわち回路開閉器２０３側に接続される。
【００１５】次に、コンバータ３やインバータ５の故障時における図１の動作について説明する。先ず、エンジン１及び車両が停止している状態で、回路切替器２０1，２０２を切替接点ｂ側に切り替え、コンバータ３及びインバータ５を主回路から切り離す。次いで回路開閉器２０３を“閉”にすることにより、交流発電機２と交流電動機６とを接続線２０４ａ、回路開閉器２０３、接続線２０４ｂを介して直接接続する。
【００１６】次に、補助蓄電装置１０の電力でエンジンスタータ２００によりエンジン１をアイドリング始動し、交流発電機２を回転させて交流電圧を発生させる。交流発電機２から出力された交流電圧は、交流電動機６に直接印加される。交流発電機２と交流電動機６とを界磁に永久磁石を使用した同期機にすると、交流電動機６は交流発電機２に同期して回転する。すなわち、エンジン１の始動と同時に交流電動機６も回転し、この電動機６に連結されている車輪９が回転するので、車両も始動する。
【００１７】この場合、交流発電機２の極数を交流電動機６よりも少なくすることにより、交流電動機６の回転数は交流発電機回転数より低くなる。例えば、交流発電機２の極数を交流電動機６の極数の１／３、車両速度が１００ｋｍ／ｈである時の交流電動機６の回転数を１０,０００ｒｐｍ、アイドリング回転数を５００ｒｐｍとすれば、エンジンのアイドリング運転時の車両速度は１．８ｋｍ／ｈとなる。エンジンスタータ２００での、この速度までの始動、運転は特に問題とならない。その後、アクセルを踏み込んでエンジン回転数を高めれば、車両速度も増大する。アクセルを戻せば、車両は減速する。
【００１８】次に、車両を停止させる時は、回路開閉器２０３を“ 開”にする。回路開閉器２０３を“ 開”にすれば交流発電機２と交流電動機６との接続が開放され、交流発電機２からの電力供給が無くなるため、通常の機械式ブレーキで車両を停止させればよい。
【００１９】次いで、図２は請求項１，２，４及び５に記載した発明の第２実施形態を示すもので、図１における回路開閉器２０３の機能を回路切替器２０１ａ，２０２ａに持たせたものである。図２は、図１の主要部に相当する構成のみを示してある。回路切替器２０１ａ，２０２ａは回路開放機能を持った切替器であり、図１に示した接点ａ，ｂの他に開放接点ｃを持っている。
【００２０】すなわち、両切替器２０１ａ，２０２ａの切替接点ｂ同士は接続線２０４によって常時接続されており、切替器２０１ａ，２０２ａの共通接点ｏを切替接点ｂ側に接続すれば、図１における切替器２０１，２０２を切替接点ｂ側に接続して回路開閉器２０３を“ 閉”にした状態、図２の共通接点ｏを開放接点ｃ側に接続すれば、図１における回路開閉器２０３を“ 開”にした状態と等価になる。車両を停止させる時は、共通接点ｏを開放接点ｃ側に接続して、交流発電機２から交流電動機６へのの電力供給を遮断し、通常のブレーキ操作によって停止する。本実施形態におけるコンバータ３やインバータ５の故障時の動作は、上述した回路切替器２０１ａ，２０２ａ等の動作が異なるだけで実質的に図１と同様であるため、説明を省略する。
【００２１】図３は、請求項２，４及び５に記載した発明の実施形態を示すものであり、図１，２と同一の構成要素には同一番号を付してある。図３において、２０４ｂ，２０４ｃ，２０４ｄは接続線である。このうち接続線２０４ｂ，２０４ｃの間には相順切替器２０５が接続されている。なお、図では三相の場合を示している。接続線２０４ｃと接続線２０４ｄとの間に接続される回路開閉器２０３の構成及び動作は、図１に示したものと同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００２２】相順切替器２０５において、Ｕ,Ｖ,Ｗは交流発電機２の各相、Ｕ',Ｖ',Ｗ'は交流電動機６の各相であり、交流発電機２のＵ,Ｖ相、交流電動機６のＵ',Ｖ'相は相切替器２０５Ｕ，２０５Ｖに各々接続されている。これらの相切替器２０５Ｕ，２０５Ｖの端子Ｆ，Ｒはそれぞれ前進、後退に対応する交流電動機６の回転方向を示す。
【００２３】同図において、コンバータ３やインバータ５が故障した場合には、前記同様に回路切替器２０１，２０２を切替接点ｂ側に切り替えてコンバータ３及びインバータ５を主回路から切り離す。そして、相切替器２０５Ｕ，２０５Ｖを端子Ｆ側に接続すると、交流電動機６のＵ'相は交流発電機２のＵ相、交流電動機６のＶ'相は交流発電機２のＶ相となり、交流電動機６と交流発電機２とは同相になって交流電動機６は前進方向に回転する。
【００２４】次に、相切替器２０５Ｕ，２０５Ｖを端子Ｒ側に接続すると、交流電動機６のＵ'相は交流発電機２のＶ相、交流電動機６のＶ'相は交流発電機２のＵ相となり、交流電動機６の相順が前進時とは反転するので、交流電動機６は後退方向に回転する。これにより、車両の走行方向を前進、後退に切り替えることができる。なお、この実施形態は、図１の実施形態にも適用できることは言うまでもない。
【００２５】
【発明の効果】以上のように本発明は、シリーズハイブリッド方式の電気自動車において、交流発電機の極数を車両駆動用交流電動機の極数よりも少なくし、コンバータやインバータ等の半導体変換装置故障時には交流発電機と交流電動機間の回路切替器で電力変換装置を切り離すと共に、交流発電機と交流電動機とを直接接続し、エンジンスタータによりエンジンを始動して車両を始動させ、その後、走行させるようにしたものである。このため、駆動信頼性、走行信頼性がパラレルハイブリッド電気自動車並みに高いシリーズハイブリッド電気自動車を実現することができる。

【出願人】	【識別番号】０００００５２３４【氏名又は名称】富士電機株式会社【識別番号】０００００３９０８【氏名又は名称】日産ディーゼル工業株式会社
【出願日】	平成１０年（１９９８）５月２２日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】森田雄一
【公開番号】	特開平１１－３４１６０７
【公開日】	平成１１年（１９９９）１２月１０日
【出願番号】	特願平１０－１４０６４０