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【発明の名称】 負荷駆動装置、負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御方法および充電制御をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体
【発明者】 【氏名】石川 哲浩
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動車株式会社内

【氏名】杉浦 浩
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動車株式会社内
【要約】 【課題】システム起動時に主電源の充電状態が低下しているときに、補機バッテリから主電源に電力を供給する機能を低コストで実現することができる負荷駆動装置を提供する。

【解決手段】システム起動時に主電源１の充電状態が低下しているとき、リレー９，１０が閉じられ、補機バッテリ８が補機モータ６の中性点およびノードＮ２に接続される。そして、補機系インバータ５は、制御回路１１からの指令に基づいて下アームのスイッチングトランジスタ５１ａ〜５１ｃが動作し、補機モータ６の巻線をリアクトルとして用いて、補機バッテリ８から出力される電圧を昇圧して主電源１へ出力し、主電源１を充電する。このとき、駆動系インバータ３およびＤＣ／ＤＣコンバータ７は停止される。主電源１の充電状態が十分になると、リレー９，１０は開にされ、各負荷が駆動される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 交流モータと、直流電圧である第１の電圧を出力する第１の電源と、直流電圧である第２の電圧を出力する第２の電源と、前記第１の電圧を入力して交流電圧に変換し、前記交流電圧を前記交流モータへ出力して前記交流モータを駆動するインバータと、前記第１の電圧を降圧して前記第２の電源へ出力し、前記第２の電源を充電するコンバータと、制御回路とを備え、前記第１の電圧が所定の電圧よりも低いとき、前記第２の電圧が前記交流モータの巻線に入力され、前記制御回路は、前記交流モータの巻線および前記インバータにより前記第２の電圧が昇圧されて前記第１の電源へ出力され、前記第１の電源が充電されるように前記インバータを制御し、前記コンバータを停止する、負荷駆動装置。
【請求項２】 前記第２の電圧は、前記交流モータの全ての巻線の一端が一括に接続されて構成される中性点に入力される、請求項１に記載の負荷駆動装置。
【請求項３】 前記第２の電圧は、前記交流モータのいずれかの巻線における、前記交流モータの全ての巻線の一端が一括に接続されて構成される中性点と反対側の一端に入力される、請求項１に記載の負荷駆動装置。
【請求項４】 前記第１の電圧を入力してもう１つの交流電圧に変換し、前記もう１つの交流電圧を走行用の車両駆動用モータへ出力して前記車両駆動用モータを駆動するもう１つのインバータをさらに備え、前記交流モータは、補機用モータであり、前記第１の電圧が前記所定の電圧よりも低いとき、前記制御回路は、前記もう１つのインバータをさらに停止する、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の負荷駆動装置。
【請求項５】 前記交流モータは、第１の交流モータと、第２の交流モータとからなり、前記インバータは、前記第１の電圧を入力して第１の交流電圧に変換し、前記第１の交流電圧を前記第１の交流モータへ出力して前記第１の交流モータを駆動する第１のインバータと、前記第１の電圧を入力して第２の交流電圧に変換し、前記第２の交流電圧を前記第２の交流モータへ出力して前記第２の交流モータを駆動する第２のインバータとからなり、前記第１の電圧が前記所定の電圧よりも低いとき、前記第２の電源の正極が、前記第１の交流モータの全ての巻線の一端が一括に接続されて構成される第１の中性点に、かつ、負極が前記第２の交流モータの全ての巻線の一端が一括に接続されて構成される第２の中性点に接続され、前記制御回路は、前記第１の交流モータの巻線および前記第１のインバータにより前記第２の電圧が昇圧されて前記第１の電源へ出力され、前記第１の電源が充電されるように前記第１のインバータを制御する、請求項１に記載の負荷駆動装置。
【請求項６】 前記第１の電源は、パワーキャパシタおよび２次電池のいずれかである、請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の負荷駆動装置。
【請求項７】 システム起動時に前記第１の電源の充電が必要であるとき、前記制御回路は、前記交流モータの巻線および前記インバータにより前記第２の電圧が昇圧されて前記第１の電源へ出力され、前記第１の電源が充電されるように前記インバータを制御し、前記コンバータを停止する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の負荷駆動装置。
【請求項８】 第１の直流電源から出力される第１の電圧により負荷を駆動する負荷駆動装置において、前記第１の電圧を降圧して充電された第２の直流電源から出力される第２の電圧により前記第１の直流電源を充電する、負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御方法であって、前記第１の直流電源の充電が必要であるとき、前記第１の電圧を降圧して前記第２の直流電源を充電する電源ルートから、前記第２の電圧を昇圧して前記第１の直流電源を充電するもう１つの電源ルートに切替える第１のステップと、前記第２の電圧を入力して昇圧する第２のステップと、前記昇圧された第２の電圧を前記第１の直流電源へ出力して前記第１の直流電源を充電する第３のステップとを備える、負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御方法。
【請求項９】 前記第２の電圧は、前記第１の電圧により駆動される交流モータの巻線に入力され、前記交流モータを駆動するインバータの少なくとも１つのスイッチングトランジスタのスイッチングを制御して、前記交流モータの巻線および前記インバータにより、前記第２のステップにおいて前記第２の電圧を昇圧する、請求項８に記載の負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御方法。
【請求項１０】 第１の直流電源から出力される第１の電圧により負荷を駆動する負荷駆動装置において、前記第１の電圧を降圧して充電された第２の直流電源から出力される第２の電圧により前記第１の直流電源を充電する、負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体であって、前記第１の直流電源の充電が必要であるとき、前記第１の電圧を降圧して前記第２の直流電源を充電する電源ルートから、前記第２の電圧を昇圧して前記第１の直流電源を充電するもう１つの電源ルートに切替える第１のステップと、前記第２の電圧を入力して昇圧する第２のステップと、前記昇圧された第２の電圧を前記第１の直流電源へ出力して前記第１の直流電源を充電する第３のステップとをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体。
【請求項１１】 前記第２の電圧は、前記第１の電圧により駆動される交流モータの巻線に入力され、前記交流モータを駆動するインバータの少なくとも１つのスイッチングトランジスタのスイッチングを制御して、前記交流モータの巻線および前記インバータにより、前記第２のステップにおいて前記第２の電圧を昇圧する、請求項１０に記載の記録媒体。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、負荷駆動装置並びに負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御方法および充電制御をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体に関し、特に、ハイブリッド自動車や電気自動車において、システムの起動の際に、主電源として用いられる電力貯蔵装置の充電状態が低下しているときに前記電力貯蔵装置を充電する機構を備えた負荷駆動装置並びに負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御方法および充電制御をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年ますます高まりつつある省エネ・環境問題を背景に、ハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle、以下ＨＶと称する。）や電気自動車（Electric Vehicle、以下ＥＶと称する。）が大きく注目されている。これらの車両は、車両に搭載されたパワーキャパシタや二次電池などの電力貯蔵装置を備えており、これを動力源としてモータを駆動して走行する。
【０００３】これらの車両においては、この動力源としての電力貯蔵装置（以下、主電源と称する。）からの放電が顕著に進み、主電源の残存容量が減少した場合には、何らかの手段で主電源を充電する必要がある。また、特に、主電源にパワーキャパシタを使用している場合には、その自己放電量が大きいことから、長期間の不使用後にシステムを起動する際に、主電源の出力電圧不足によりシステムが起動できないという事態が起こりやすい。
【０００４】従来より、長期間の車両の不使用などにより主電源の充電状態が低下し、システムを起動することができなくなったときは、主電源を充電する一手段として、外部の商用交流電源の交流電圧を外部充電器により直流電圧に変換して充電することが行なわれている。
【０００５】一方、上述した車両には、主電源の他、ランプや小型モータ、制御回路などの補機負荷に電力を供給する補機バッテリが備えられている。この補機バッテリは、従来のエンジン駆動の車両におけるオルタネータに相当するものであるが、ＥＶにおいては機械エネルギー源としてのエンジンがなく、また、ＨＶにおいても燃費向上や車両停止時のアイドルストップシステムなどにより常時エンジンが動作しているわけではないため、ＥＶやＨＶにおいては、補機バッテリは、主電源から電力が供給される（車両の制動時には、回生発電により駆動モータからも電力が供給される。）。
【０００６】上述した補機負荷は、いずれも１０数Ｖの低電圧で動作するものであり、補機バッテリもそれに対応した電圧を出力する。一方、主電源は、車両の動力源として使用されるものであるため、通常数１００Ｖの電圧を出力する。そこで、高圧の主電源から出力される電圧を補機系の電圧まで降圧して補機バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータが通常備えられる。
【０００７】特許第３１４１７７９号公報には、そのようなＤＣ／ＤＣコンバータを備えたシリーズＨＶ車のモータ駆動システムが開示されている。すなわち、補機バッテリがＤＣ／ＤＣコンバータを介して主バッテリに接続され、ＤＣ／ＤＣコンバータは、主バッテリから出力される電源電圧を補機系の電圧まで降圧して補機バッテリの正負端子間に印加する。
【０００８】このような主電源と補機バッテリとを接続するＤＣ／ＤＣコンバータを備えたシステムの場合、上述したように、長期間の不使用などにより主電源の電力供給能力が低下し、システムを起動することができなくなったときは、補機バッテリからＤＣ／ＤＣコンバータを介して主電源を充電するということが考えられる。しかしながら、上述したシステムにおいてＤＣ／ＤＣコンバータを備えた目的は、補機バッテリの電力供給元として、主電源から出力される電力または駆動モータから回生発電により発生される電力を使用し、これらは高圧であるから補機バッテリに供給する際に補機負荷の電圧に対応して降圧する必要があるからであり、一般にはこのようなＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧機能を有していない。そこで、補機バッテリを用いて主電源を充電する場合には、従来より、別体の昇圧コンバータを用いて充電する方法がとられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、主電源を充電する一手段として、外部商用電源の交流電圧を外部充電器により直流電圧に変換して充電する手段は、ＡＣ／ＤＣコンバータ機能を備える外部充電器が別途必要であり、トータルとしてのコストの低減が図れない。
【００１０】また、主電源と補機バッテリとの間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータを備えたシステムにおいても、別体の昇圧コンバータが必要であり、上記外部充電器の場合と同様に、トータルとしてのコストの低減が図れない。
【００１１】さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータに昇降圧型のものを使用して、主電源の充電状態が低下したときには、昇圧制御して補機バッテリから主電源を充電することが考えられるが、昇降圧機能を兼ね備えた高機能型のＤＣ／ＤＣコンバータの採用は、コストが上昇する要因となる。
【００１２】そこで、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、システム起動時において主電源の充電状態が低下しているときに、補機バッテリから主電源に電力を供給する機能を低コストで実現することができる負荷駆動装置を提供することである。
【００１３】また、この発明の別の目的は、システム起動時において主電源の充電状態が低下しているときに、補機バッテリから主電源に電力を供給する機能を低コストで実現することができる、負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御方法を提供することである。
【００１４】さらに、この発明の別の目的は、システム起動時において主電源の充電状態が低下しているときに、補機バッテリから主電源に電力を供給する機能を低コストで実現することができる、負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体を提供するものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】この発明によれば、負荷駆動装置は、交流モータと、直流電圧である第１の電圧を出力する第１の電源と、直流電圧である第２の電圧を出力する第２の電源と、第１の電圧を入力して交流電圧に変換し、交流電圧を交流モータへ出力して交流モータを駆動するインバータと、第１の電圧を降圧して第２の電源へ出力し、第２の電源を充電するコンバータと、制御回路とを備え、第１の電圧が所定の電圧よりも低いとき、第２の電圧が交流モータの巻線に入力され、制御回路は、交流モータの巻線およびインバータにより第２の電圧が昇圧されて第１の電源へ出力され、第１の電源が充電されるようにインバータを制御し、コンバータを停止する。
【００１６】好ましくは、第２の電圧は、交流モータの全ての巻線の一端が一括に接続されて構成される中性点に入力される。
【００１７】好ましくは、第２の電圧は、交流モータのいずれかの巻線における、交流モータの全ての巻線の一端が一括に接続されて構成される中性点と反対側の一端に入力される。
【００１８】好ましくは、負荷駆動装置は、第１の電圧を入力してもう１つの交流電圧に変換し、もう１つの交流電圧を走行用の車両駆動用モータへ出力して車両駆動用モータを駆動するもう１つのインバータをさらに備え、交流モータは、補機用モータであり、第１の電圧が所定の電圧よりも低いとき、制御回路は、もう１つのインバータをさらに停止する。
【００１９】好ましくは、交流モータは、第１の交流モータと、第２の交流モータとからなり、インバータは、第１の電圧を入力して第１の交流電圧に変換し、第１の交流電圧を第１の交流モータへ出力して第１の交流モータを駆動する第１のインバータと、第１の電圧を入力して第２の交流電圧に変換し、第２の交流電圧を第２の交流モータへ出力して第２の交流モータを駆動する第２のインバータとからなり、第１の電圧が所定の電圧よりも低いとき、第２の電源の正極が、第１の交流モータの全ての巻線の一端が一括に接続されて構成される第１の中性点に、かつ、負極が第２の交流モータの全ての巻線の一端が一括に接続されて構成される第２の中性点に接続され、制御回路は、第１の交流モータの巻線および第１のインバータにより第２の電圧が昇圧されて第１の電源へ出力され、第１の電源が充電されるように第１のインバータを制御する。
【００２０】好ましくは、第１の電源は、パワーキャパシタおよび２次電池のいずれかである。
【００２１】好ましくは、システム起動時に第１の電源の充電が必要であるとき、制御回路は、交流モータの巻線およびインバータにより第２の電圧が昇圧されて第１の電源へ出力され、第１の電源が充電されるようにインバータを制御し、コンバータを停止する。
【００２２】また、この発明によれば、負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御方法は、第１の直流電源から出力される第１の電圧により負荷を駆動する負荷駆動装置において、第１の電圧を降圧して充電された第２の直流電源から出力される第２の電圧により第１の直流電源を充電する、負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御方法であって、第１の直流電源の充電が必要であるとき、第１の電圧を降圧して第２の直流電源を充電する電源ルートから、第２の電圧を昇圧して第１の直流電源を充電するもう１つの電源ルートに切替える第１のステップと、第２の電圧を入力して昇圧する第２のステップと、昇圧された第２の電圧を第１の直流電源へ出力して第１の直流電源を充電する第３のステップとを備える。
【００２３】好ましくは、第２の電圧は、第１の電圧により駆動される交流モータの巻線に入力され、交流モータを駆動するインバータの少なくとも１つのスイッチングトランジスタのスイッチングを制御して、交流モータの巻線およびインバータにより、第２のステップにおいて第２の電圧を昇圧する。
【００２４】また、この発明によれば、記録媒体は、第１の直流電源から出力される第１の電圧により負荷を駆動する負荷駆動装置において、第１の電圧を降圧して充電された第２の直流電源から出力される第２の電圧により第１の直流電源を充電する、負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体であって、第１の直流電源の充電が必要であるとき、第１の電圧を降圧して第２の直流電源を充電する電源ルートから、第２の電圧を昇圧して第１の直流電源を充電するもう１つの電源ルートに切替える第１のステップと、第２の電圧を入力して昇圧する第２のステップと、昇圧された第２の電圧を第１の直流電源へ出力して第１の直流電源を充電する第３のステップとをコンピュータに実行させるためのプログラムを記録する。
【００２５】好ましくは、第２の電圧は、第１の電圧により駆動される交流モータの巻線に入力され、交流モータを駆動するインバータの少なくとも１つのスイッチングトランジスタのスイッチングを制御して、交流モータの巻線およびインバータにより、第２のステップにおいて第２の電圧を昇圧する。
【００２６】以上のように、この発明による負荷駆動装置および負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御方法によれば、ＨＶやＥＶにおいて、システム起動時に主電源の出力電圧が十分でないときは、補機バッテリが補機モータの中性点と主電源の負極とに接続され、補機系インバータは、補機モータの巻線を用いて補機バッテリの出力電圧を昇圧して主電源を充電することができるようにしたので、別体の昇圧装置や高機能の昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータを備える必要がなく、低コストで主電源を充電できる。
【００２７】また、この発明による負荷駆動装置および負荷駆動装置における電力貯蔵装置の充電制御方法によれば、２セットの補機系インバータおよび補機モータにより、外部商用電源から入力される単相交流電圧を直流電圧に変換し、かつ、昇圧して主電源を充電することができるので、別体のコンバータを備える必要がなく、低コストで主電源を充電できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００２９】［実施の形態１］図１は、実施の形態１による、ＨＶに搭載された負荷駆動装置の回路構成を示す回路図である。
【００３０】図１を参照して、負荷駆動装置１００は、主電源１と、システム・メイン・リレー２（System Main Relay、以下ＳＭＲ２と称する。）と、駆動系インバータ３と、コンデンサ４と、補機系インバータ５と、補機モータ６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７と、補機バッテリ８と、リレー９，１０と、制御回路１１とを備える。また、ＳＭＲ２は、リレー２１〜２３と、抵抗２４とを含む。さらに、補機系インバータ５は、スイッチングトランジスタ５１ａ〜５１ｆと、ダイオード５２ａ〜５２ｆとを含む。
【００３１】主電源１は、走行用の駆動モータ１４、補機負荷である補機モータ６および補機モータ６を除く補機の電源である補機バッテリ８に電力を供給する大容量のパワーキャパシタである。
【００３２】発電機１２は、図示しないエンジンと接続され、エンジンから出力される機械エネルギーを電気エネルギーに変換してインバータ１３へ出力し、主電源１、駆動モータ１４、補機モータ６および補機バッテリ８に電力を供給する。
【００３３】インバータ１３は、発電機１２から出力される３相交流電圧を直流電圧に変換して主電源１や駆動モータ１４などへ出力する。
【００３４】ＳＭＲ２は、各負荷に電源電圧を供給する電源ラインであるノードＮ１，Ｎ２と主電源１とを接続／遮断するためのシステムのメインリレーである。ＳＭＲ２は、制御回路１１からの指令に基づいて主電源１をノードＮ１，Ｎ２に接続するとき、最初にリレー２３および抵抗が接続されたリレー２２を閉じ、その後リレー２１を閉じることによって、駆動系インバータ３の前段に並列に接続された平滑コンデンサ４への突入電流を防止する。
【００３５】駆動系インバータ３は、主電源１から供給される直流電圧を３相交流電圧に変換して駆動モータ１４へ出力する変換回路である。
【００３６】コンデンサ４は、駆動系インバータ３の前段に並列に接続され、電圧変動に起因する駆動系インバータ３に対しての影響を低減するための平滑コンデンサである。
【００３７】補機系インバータ５は、制御回路１１によりスイッチングトランジスタ５１ａ〜５１ｆのスイッチング動作が制御され、主電源１から供給される直流電圧を３相交流電圧に変換して補機モータ６へ出力する変換回路である。また、補機系インバータ５は、システム起動時に主電源１の出力電圧が低下しているときは、スイッチングトランジスタ５１ａ〜５１ｃのスイッチング動作が制御され、後述するように、補機モータ６の巻線をリアクトルとして用いて、補機バッテリ８から出力される電圧を昇圧して主電源１を充電する。
【００３８】補機モータ６は、主電源１を直接電源とする補機用の３相交流モータであって、たとえば、電動式のＡ／Ｃ（エアコン）用コンプレッサなどである。補機モータ６は、補機系インバータ５から３相交流電圧が供給されて駆動する。また、補機モータ６においては、各相の巻線の一端を一括に接続して構成される中性点がリレー９を介して補機バッテリ８の正極と接続される。そして、補機モータ６は、リレー９がＯＮされたときは、その巻線がリアクトルとして用いられ、補機系インバータ５とともに補機バッテリ８から出力される電圧を昇圧して主電源１を充電する。
【００３９】ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、電源ラインのノードＮ１，Ｎ２に駆動系インバータ３および補機系インバータ５と並列に接続され、主電源１から供給される直流電圧を所定の電圧に降圧して補機バッテリ８へ出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、主電源１から供給される直流電圧だけでなく、減速時の駆動モータ１４による回生発電により発生する電圧も降圧して補機バッテリ８へ出力する。さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、リレー９，１０が閉じられ、補機バッテリ８から補機モータ６および補機系インバータ５を介して主電源１に電力が供給されているときは、制御回路１１からの指令に基づいて停止する。
【００４０】補機バッテリ８は、ランプ、小型モータその他補機用のバッテリであって、低電圧出力の二次電池である。補機バッテリ８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７と接続され、主電源１から電力が供給されて充電されるほか、減速時に駆動モータ１４から回生発電により発生する電力によっても充電される。また、補機バッテリ８は、正極がリレー９を介して補機モータ６の中性点に接続され、負極がリレー１０を介してノードＮ２に接続される。そして、リレー９，１０が閉じられたときは、補機バッテリ８の正極から、補機モータ６、補機系インバータ５、ノードＮ１、主電源１、ノードＮ２および補機バッテリ８の負極まで、一連の回路が構成され、補機バッテリ８から主電源１に電力が供給される。
【００４１】リレー９，１０は、負荷駆動装置１００の通常動作時は開状態であり、補機バッテリ８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ７を介してノードＮ１，Ｎ２から電力が供給される。一方、システム起動時に主電源１の出力電圧が低下しているときは、リレー９，１０は、制御回路１１からの指令に基づいて閉じられ、補機バッテリ８は、補機モータ６の中性点およびノードＮ２に接続される。
【００４２】制御回路１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）および入出力装置（以上、いずれも図示せず）などを含むマイクロコンピュータである。制御回路１１は、車両のシステムを起動するイグニッション・キーがＯＮされると、ＳＭＲ２をＯＮにして主電源１および後述するインバータ１３をノードＮ１，Ｎ２に接続する。これにより、主電源１およびインバータ１３から各負荷への電力の供給が可能となる。そして、制御回路１１は、通常動作時は、主電源１およびインバータ１３から供給される電力に基づいて駆動モータ１４にモータトルク指令に応じたトルクを発生させるため、駆動系インバータ３をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する。モータトルクの制御については後述する。また、制御回路１１は、補機系インバータ５を制御し、これにより補機モータ６が駆動される。
【００４３】一方、制御回路１１は、システムが起動され、ＳＭＲ２がＯＮされると、電圧センサ（図示せず）により検出される主電源１の出力電圧ＶＣを入力し、電圧ＶＣが所定の電圧Ｖ０よりも低く、負荷を駆動することができないと判断したときは、駆動系インバータ３およびＤＣ／ＤＣコンバータ７を停止し、リレー９，１０を閉じる。そして、制御回路１１は、補機バッテリ８から出力される電圧が所定の電圧に昇圧されて主電源１に供給されるように、補機系インバータ５のスイッチングトランジスタ５１ｄ〜５１ｆをＯＦＦにし、スイッチングトランジスタ５１ａ〜５１ｃのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を制御する。これにより、補機系インバータ５および補機モータ６の巻線によって昇圧チョッパが構成され、補機バッテリ８から出力された電圧は昇圧されて主電源１へ出力される。
【００４４】なお、スイッチングトランジスタ５１ａ〜５１ｃは、全て同時にＯＮ／ＯＦＦ動作しても、各トランジスタが別々にサイクリックにＯＮ／ＯＦＦ動作しても、あるいは、いずれかのトランジスタのみが動作するようにしてもよく、電力を供給する補機バッテリ８の容量や昇圧の程度に応じて、適切に制御される。
【００４５】一方、制御回路１１は、イグニッション・キーがＯＦＦされ、システムが停止されたと判断したときは、ＳＭＲ２をＯＦＦにして主電源１およびインバータ１３を各負荷と遮断する。
【００４６】負荷駆動装置１００により駆動される駆動モータ１４は、走行用の３相交流誘導モータもしくは同期モータであって、駆動モータ１４から発生されるモータトルクが駆動軸トルクとして車輪に伝達される。駆動モータ１４は、車両が減速する場合は発電機としても使用され、減速時の回生発電により発電された電圧を主電源１に供給したり、あるいは補機モータ６や補機バッテリ８などに供給する。
【００４７】図２は、制御回路１１による駆動モータ１４のトルク制御を機能的に説明するための機能ブロック図である。図２を参照して、制御回路１１は、モータ制御用相電圧演算部１１１と、ＰＷＭ信号変換部１１２とを含む。
【００４８】モータ制御用相電圧演算部１１１は、モータトルク指令値と、駆動モータ１４の各相の電流値と、駆動系インバータ３の入力電圧とを入力して駆動モータ１４の各相コイルの電圧を演算し、ＰＷＭ信号変換部１１２へ出力する。
【００４９】ここで、モータトルク指令値は、たとえば、アクセルペダルの開度から算出される要求パワーを達成するのに必要なモータトルク値として与えられる。本負荷駆動装置１００が搭載されたシリーズＨＶであれば、モータトルク指令値は、必要な駆動軸トルクが出力されるように与えられる。一方、パラレルＨＶであれば、モータトルク指令値は、エンジントルクとモータトルクとの合計が駆動軸トルクとして出力されるように与えられる。
【００５０】また、駆動モータ１４の各相の電流値は、図示しない電流センサにより検出され、駆動系インバータ３の入力電圧は、図示しない電圧センサにより検出される。
【００５１】ＰＷＭ信号変換部１１２は、モータ制御用相電圧演算部１１１による演算結果に基づいて、駆動系インバータ３内の各トランジスタ（図示せず）をＯＮ／ＯＦＦするＰＷＭ信号を生成し、駆動系インバータ３へ出力する。
【００５２】このＰＷＭ信号に基づいて前記各トランジスタがスイッチング制御され、駆動モータ１４の各相の駆動電流が制御され、モータトルク指令値に応じたモータトルク制御が行なわれる。
【００５３】再び図１を参照して、負荷駆動装置１００においては、システムが起動されると、制御回路１１からの指令によりＳＭＲ２がＯＮされ、主電源１からノードＮ１，Ｎ２に電力が供給される。そして、主電源１の出力電圧ＶＣが所定の電圧Ｖ０以上であるときは、駆動系インバータ３は、主電源１から出力された直流電圧を入力し、制御回路１１から受けるＰＷＭ信号に基づいて直流電圧を３相交流電圧に変換して駆動モータ１４へ出力する。これによって、駆動モータ１４は指令に応じたトルクを発生する。また、補機系インバータ５およびＤＣ／ＤＣコンバータ７も、主電源１から出力された直流電圧を入力し、制御回路１１から受ける指令に基づいて、補機系インバータ５は、入力された直流電圧を３相交流電圧に変換して補機モータ６を駆動し、ＤＣ／ＤＣコンバータ７は、入力された直流電圧を降圧して補機バッテリ８を充電する。
【００５４】一方、システムが起動され、ＳＭＲ２がＯＮされた後、主電源１からの出力電圧ＶＣが負荷を駆動できない程度に低下していると制御回路１１により判断されたときは、制御回路１１からの指令に基づいてリレー９，１０が閉じられ、補機バッテリ８が補機モータ６の中性点およびノードＮ２に接続される。そして、制御回路１１からの指令に基づいて、駆動系インバータ３およびＤＣ／ＤＣコンバータ７は停止し、補機系インバータ５は、制御回路１１によりスイッチングトランジスタ５１ａ〜５１ｃのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比が制御され、かつ、スイッチングトランジスタ５１ｄ〜５１ｆがＯＦＦされる。これによって、補機系インバータ５と、リアクトルとして用いられる補機モータ６の巻線とにより昇圧チョッパが構成され、補機系インバータ５は、補機バッテリ８から出力される電圧を昇圧して出力し、主電源１を充電する。
【００５５】そして、主電源１の端子間電圧ＶＣが負荷を駆動するのに十分な電圧Ｖ１まで達したと制御回路１１により判断されたときは、制御回路１１からの指令に基づいてリレー９，１０は開にされ、補機系インバータ５、駆動系インバータ３およびＤＣ／ＤＣコンバータ７は、制御回路１１からの指令に基づいて通常動作を行なう。
【００５６】図３は、負荷駆動装置１００において、システム起動時の制御回路１１の処理を説明するためのフローチャートである。図３を参照して、システムが起動されると、制御回路１１は、ＳＭＲ２を上述したシーケンスでＯＮする（ステップＳ１）。続いて、制御回路１１は、主電源１の出力電圧ＶＣを検出し、電圧ＶＣが負荷を駆動するのに十分な所定の電圧Ｖ０を下回っていないかどうかをチェックする（ステップＳ２）。制御回路１１は、電圧ＶＣが電圧Ｖ０を下回っていると判断したときは、駆動系インバータ３およびＤＣ／ＤＣコンバータ７への動作指令を出力せずに停止させておき（ステップＳ３）、リレー９，１０を閉じる（ステップＳ４）。そして、制御回路１１は、補機系インバータ５のスイッチングトランジスタ５１ｄ〜５１ｆをＯＦＦし、スイッチングトランジスタ５１ａ〜５１ｃのデューティ比を制御して、補機バッテリ８から出力された電圧を昇圧して主電源１を充電する（ステップＳ５）。
【００５７】制御回路１１は、主電源１の電圧ＶＣが、各負荷への十分な電力供給が可能な所定の電圧Ｖ１を超えたと判断したときは（ステップＳ６）、リレー９，１０を開にし（ステップＳ７）、主電源１から供給される電力により各負荷が駆動される通常動作に移行する（ステップＳ８）。一方、制御回路１１は、ステップＳ６において、電圧ＶＣがまだ電圧Ｖ１に達しておらず、主電源１の充電が十分でないと判断したときは、ステップＳ５へ戻る。
【００５８】制御回路１１は、システム起動後、ステップＳ２において、主電源１の出力電圧ＶＣが電圧Ｖ０以上であると判断したときは、主電源１には十分な電力が充電されているものと判断して、ステップＳ８へ進む。
【００５９】なお、上述した所定の電圧Ｖ０，Ｖ１は、同じであってもよいし、電圧変動により電圧Ｖ０の近傍でリレー９，１０がチャタリング動作することを防止するため、Ｖ０＜Ｖ１と定めてもよい。
【００６０】なお、上述した負荷駆動装置１００は、シリーズ方式、パラレル方式およびシリーズ・パラレル方式のいずれのＨＶにも適用できる。また、ＨＶに限定されるものではなく、ＥＶであっても同様に適用できる。
【００６１】また、上述した主電源１は、最終的に直流電圧を出力可能な電力貯蔵装置として機能するものであればよく、たとえば２次電池などであってもよい。
【００６２】また、上述した説明においては、負荷駆動装置１００がＨＶに搭載された場合について説明しているので、システムを起動するためのスイッチはイグニッション・キーとしているが、ＥＶに搭載された場合には、イグニッション・キーに代えて走行許可スイッチが用いられる。
【００６３】以上のように、この実施の形態１による負荷駆動装置１００によれば、ＨＶやＥＶにおいて、システム起動時に主電源１の出力電圧が十分でないときは、補機バッテリ８が補機モータ６の中性点と主電源１の負極とに接続され、補機系インバータ５は、補機モータ６の巻線を用いて補機バッテリ８の出力電圧を昇圧して主電源１を充電することができるようにしたので、別体の昇圧装置や高機能の昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータを備える必要がなく、低コストで主電源を充電できる。
【００６４】［実施の形態２］実施の形態１においては、補機バッテリ８の正極は、補機モータ６の中性点に接続されたが、実施の形態２においては、補機バッテリ８の正極は、補機モータ６のいずれかの巻線の中性点を構成しないもう一端に接続される。
【００６５】図４は、実施の形態２による、ＨＶに搭載された負荷駆動装置の回路構成を示す回路図である。
【００６６】図４を参照して、負荷駆動装置１０１は、補機バッテリ８の正極がリレー９を介して補機モータ６のＵ相の巻線の中性点を構成しない一端（ノードＮ３）に接続される。その他の構成は、実施の形態１において説明した負荷駆動装置１００と同じである。これにより、補機系インバータ５および補機モータ６を用いて、補機バッテリ８から主電源１へ電圧を昇圧して充電する際に、リアクトルとして作用する補機モータ６の巻線を２つ使用することができ、昇圧機能をより高めることができる。
【００６７】負荷駆動装置１０１においては、システムが起動され、ＳＭＲ２がＯＮされた後、主電源１からの出力電圧ＶＣが負荷を駆動できない程度に低下していると制御回路１１により判断されたときは、制御回路１１からの指令に基づいてリレー９，１０が閉じられ、補機バッテリ８の正極が補機モータ６のＵ相線のノードＮ３に接続され、負極がノードＮ２に接続される。そして、制御回路１１からの指令に基づいて駆動系インバータ３およびＤＣ／ＤＣコンバータ７は停止し、補機系インバータ５は、制御回路１１によりスイッチングトランジスタ５１ｂのみのデューティ比が制御され、その他のスイッチングトランジスタ５１ａ，５１ｃ〜５１ｆはＯＦＦされる。これによって、補機系インバータ５と、リアクトルとして用いられる補機モータ６のＵ相およびＶ相の２つの巻線とにより昇圧チョッパが構成され、補機系インバータ５は、補機バッテリ８から出力される電圧を昇圧して出力し、主電源１を充電する。
【００６８】なお、補機系インバータ５は、制御回路１１によりスイッチングトランジスタ５１ｃのみのデューティ比が制御され、その他のスイッチングトランジスタ５１ａ，５１ｂ，５１ｄ〜５１ｆがＯＦＦされるようにしてもよい。この場合は、補機系インバータ５は、補機モータ６のＵ相およびＷ相の２つの巻線をリアクトルとして用いることになる。
【００６９】そして、主電源１の端子間電圧ＶＣが負荷を駆動するのに十分な電圧Ｖ１まで充電されたと制御回路１１により判断されたときは、制御回路１１からの指令に基づいてリレー９，１０は開にされ、補機系インバータ５、駆動系インバータ３およびＤＣ／ＤＣコンバータ７は、制御回路１１からの指令に基づいて通常動作を行なう。
【００７０】なお、上述した説明では、補機バッテリ８の正極は、補機モータ６のＵ相線のノードＮ３に接続されるものとしたが、補機バッテリ８の正極は、補機モータ６のＶ相線のノードＮ４またはＷ相線のノードＮ５に接続されるようにしてもよい。補機バッテリ８の正極がノードＮ４に接続されるときは、補機系インバータ５は、制御回路１１によりスイッチングトランジスタ５１ａおよびスイッチングトランジスタ５１ｃのいずれかのデューティ比が制御され、その他のスイッチングトランジスタはＯＦＦされる。また、補機バッテリ８の正極がノードＮ５に接続されるときは、補機系インバータ５は、制御回路１１によりスイッチングトランジスタ５１ａおよびスイッチングトランジスタ５１ｂのいずれかのデューティ比が制御され、その他のスイッチングトランジスタはＯＦＦされる。
【００７１】以上のように、この実施の形態２による負荷駆動装置１０１によれば、実施の形態１と同様に、別体の昇圧装置や高機能の昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータを備える必要がなく、低コストで主電源を充電できるほか、昇圧する際に補機モータ６の巻線を２つ使用できる構成としたので、昇圧機能をより高めることができる。
【００７２】［実施の形態３］実施の形態３による負荷駆動装置は、補機系インバータおよび補機モータが２セット備えられており、両補機モータの中性点に補機バッテリを接続して主電源１を充電するものである。
【００７３】図５は、実施の形態３による、ＨＶに搭載された負荷駆動装置の回路構成を示す回路図である。
【００７４】図５を参照して、負荷駆動装置１０２は、主電源１と、ＳＭＲ２と、駆動系インバータ３と、コンデンサ４と、補機系インバータ５と、補機モータ６と、ＤＣ／ＤＣコンバータ７と、補機バッテリ８と、リレー９，１０とを備え、これらについては、実施の形態１において説明した各回路と同じである。
【００７５】また、負荷駆動装置１０２は、補機系インバータ５Ａと、補機モータ６Ａとをさらに備える。さらに、補機系インバータ５Ａは、スイッチングトランジスタ５３ａ〜５３ｆと、ダイオード５４ａ〜５４ｆとを含む。
【００７６】補機系インバータ５Ａは、制御回路１１によりスイッチングトランジスタ５３ａ〜５３ｆのスイッチング動作が制御され、主電源１から供給される直流電圧を３相交流電圧に変換して補機モータ６Ａへ出力する変換回路である。また、補機系インバータ５Ａは、システム起動時に主電源１の出力電圧が低下しているときは、リレー１０を介して補機バッテリ８の負極と接続され、かつ、全てのスイッチングトランジスタ５３ａ〜５３ｆがＯＦＦされ、ノードＮ２からダイオード５４ａ〜５４ｃを介して補機モータ６Ａへ電流を通流する。
【００７７】補機モータ６Ａは、補機モータ６と同様に、主電源１を直接電源とするもう１つの３相交流モータである。補機モータ６Ａは、補機系インバータ５Ａから３相交流電圧が供給されて駆動する。また、補機モータ６Ａにおいては、各相の巻線の一端を一括に接続して構成される中性点がリレー１０を介して補機バッテリ８の負極と接続される。そして、補機モータ６Ａは、リレー１０がＯＮされたときは、補機系インバータ５Ａから受ける電流を中性点から補機バッテリ８の負極へ出力する。
【００７８】制御回路１１は、主電源１が補機バッテリ８から充電されるときは、実施の形態１において説明したように、補機系インバータ５のスイッチングトランジスタ５１ｄ〜５１ｆをＯＦＦにし、スイッチングトランジスタ５１ａ〜５１ｃのＯＮ／ＯＦＦのデューティ比を制御するとともに、補機系インバータ５Ａのスイッチングトランジスタ５３ａ〜５３ｆを全てＯＦＦにする。
【００７９】負荷駆動装置１０２においては、システムが起動され、ＳＭＲ２がＯＮされた後、主電源１からの出力電圧ＶＣが負荷を駆動できない程度に低下していると制御回路１１により判断されたときは、制御回路１１からの指令に基づいてリレー９，１０が閉じられ、補機モータ６，６Ａの中性点がそれぞれ補機バッテリ８の正極および負極にそれぞれ接続される。そして、実施の形態１と同様に、補機系インバータ５のスイッチングトランジスタ５１ａ〜５１ｃのデューティ比が制御回路１１により制御され、補機系インバータ５および補機モータ６は、補機バッテリ８から出力される電圧を昇圧して主電源１を充電する。一方、補機系インバータ５Ａは、全てのスイッチングトランジスタ５３ａ〜５３ｆがＯＦＦされ、補機バッテリ８と主電源１との間で回路を構成する役割を担う。すなわち、実施の形態３においては、補機バッテリ８と主電源１との間には、補機バッテリ８の正極から、補機モータ６、補機系インバータ５、ノードＮ１、主電源１、ノードＮ２、補機系インバータ５Ａ（ダイオード５４ａ〜５４ｃ）、補機モータ６Ａおよび補機バッテリ８の負極まで、一連の回路が構成される。
【００８０】負荷駆動装置１０２におけるその他の動作については、実施の形態１による負荷駆動装置１００と同様であり、説明は省略する。
【００８１】なお、上述した説明においては、補機バッテリ８は、リレー９，１０を介して補機モータ６，６Ａの中性点に接続されたが、実施の形態１に対応する実施の形態２と同様に、補機バッテリ８は、補機モータ６，６Ａのそれぞれにおけるいずれかの巻線において、中性点を構成しない一端に接続されるようにしてもよい。その場合の補機系インバータ５におけるスイッチングトランジスタの動作は、実施の形態２において説明したとおりである。
【００８２】なお、図示しないが、この実施の形態３のように、補機系インバータが２つ備えられている負荷駆動装置においては、外部商用電源を補機系インバータ５，５Ａのそれぞれの中性点に接続し、入力される交流電圧の位相に同期して補機系インバータ５，５Ａのスイッチングを交互に適切に制御すれば、外部商用電源から入力される交流電圧を直流電圧に変換し、かつ、昇圧して主電源１を充電することもできる。
【００８３】以上のように、実施の形態３による負荷駆動装置１０２によっても、実施の形態１と同様に、別体の昇圧装置や高機能の昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータを備える必要がなく、低コストで主電源を充電できる。
【００８４】今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【出願人】 【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
【住所又は居所】愛知県豊田市トヨタ町１番地
【出願日】 平成１４年２月５日（２００２．２．５）
【代理人】 【識別番号】１０００６４７４６
【弁理士】
【氏名又は名称】深見 久郎 （外５名）
【公開番号】 特開２００３−２３５１０５（Ｐ２００３−２３５１０５Ａ）
【公開日】 平成１５年８月２２日（２００３．８．２２）
【出願番号】 特願２００２−２８２４２（Ｐ２００２−２８２４２）