特開 2022-2430 車両用駆動システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2022-2430(P2022-2430A)

(43)【公開日】2022年1月6日

(54)【発明の名称】車両用駆動システム

(51)【国際特許分類】

   B60L 3/00 20190101AFI20211210BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20211210BHJP

   H02J 7/10 20060101ALI20211210BHJP

   H02J 7/02 20160101ALI20211210BHJP

   B60L 58/21 20190101ALI20211210BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20211210BHJP

   B60L 50/16 20190101ALN20211210BHJP

   B60L 50/61 20190101ALN20211210BHJP

【ＦＩ】

   B60L3/00 J

   H02J7/00 P

   H02J7/10 P

   H02J7/02 H

   B60L58/21

   H01M10/44 P

   B60L50/16

   B60L50/61

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2020-106232(P2020-106232)

(22)【出願日】2020年6月19日

(71)【出願人】

【識別番号】000003137

【氏名又は名称】マツダ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】古川 晶博

(72)【発明者】

【氏名】宇佐美 郁央

(72)【発明者】

【氏名】平野 晴洋

【テーマコード（参考）】

5G503

5H030

5H125

【Ｆターム（参考）】

5G503BA03

5G503BA04

5G503BB01

5G503BB03

5G503FA06

5G503GB06

5G503HA01

5H030AA01

5H030AA09

5H030AS06

5H030AS08

5H030BB00

5H125AA01

5H125AC08

5H125AC12

5H125BB00

5H125BC28

5H125EE23

5H125FF06

(57)【要約】

【課題】走行用モータを利用する車両用駆動システムにおいて、車両重量やコストの増大を抑制しつつ、モータを高出力化し、かつ、当該システムが持つポテンシャルを十分に発揮させる。
【解決手段】直列に接続されたバッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２は、接続ノードが、インバータ１５ａが有するコンデンサＡ，Ｂの接続ノードと接続されている。インバータ１５ａは、モータ駆動電圧が各バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の出力電圧よりも高くなるように、動作が制御される。バランス回路３０は、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２間の充放電制御を行うことによって、コンデンサＡ，Ｂの電圧をバランスさせる。
【選択図】図８

【特許請求の範囲】

【請求項1】

車両用駆動システムであって、
駆動輪に駆動力を発生させるモータと、
前記モータと電気的に接続されており、かつ、正側電圧を供給する第１コンデンサと、負側電圧を供給する第２コンデンサとを有するインバータと、
前記インバータに電力を供給するバッテリ部と、
前記インバータの動作を制御する制御装置とを備え、
前記バッテリ部は、直列に接続された第１および第２バッテリを有し、かつ、互いに接続された前記第１バッテリの負極および前記第２バッテリの正極が、前記インバータが有する前記第１および第２コンデンサの接続ノードと接続されており、
前記制御装置は、前記インバータから前記モータに出力される電圧が、前記第１バッテリの出力電圧および前記第２バッテリの出力電圧よりも高くなるように、前記インバータの動作を制御するものであり、
前記車両用駆動システムは、
前記第１および第２バッテリ間の充放電制御を行うことによって、前記第１および第２コンデンサの電圧をバランスさせるバランス回路を備えた
ことを特徴とする車両用駆動システム。

【請求項2】

請求項１記載の車両用駆動システムにおいて、
前記バランス回路は、
前記第１バッテリの正極と負極との間に直列に接続された第１および第２スイッチと、
前記第２バッテリの正極と負極との間に直列に接続された第３および第４スイッチと、
一端が、前記第１スイッチと前記第２スイッチとの間のノードに接続されており、他端が、前記第３スイッチと前記第４スイッチとの間のノードに接続された、キャパシタとを備える
ことを特徴とする車両用駆動システム。

【請求項3】

請求項２記載の車両用駆動システムにおいて、
前記バランス回路が有する前記第１〜第４スイッチのオン／オフを制御する制御部を備え、
前記制御部は、
前記第２コンデンサの電圧が前記第１コンデンサの電圧より高いとき、前記第１および第３スイッチをオフにし、前記第２および第４スイッチをオンする第１動作を行い、その後、前記第１および第３スイッチをオンにし、前記第２および第４スイッチをオフにする第２動作を行い、
前記第１コンデンサの電圧が前記第２コンデンサの電圧より高いとき、前記第２動作を行い、その後、前記第１動作を行う
ことを特徴とする車両用駆動システム。

【請求項4】

請求項２記載の車両用駆動システムにおいて、
前記バランス回路は、
前記第２および第３スイッチ間のノードと、前記第１および第２コンデンサ間のノードとの間に設けられた、インダクタを備える
ことを特徴とする車両用駆動システム。

【請求項5】

請求項１記載の車両用駆動システムにおいて、
前記バッテリ部は、カートリッジ化された第３および第４バッテリが着脱可能に構成されており、装着された前記第３バッテリは前記第１バッテリと並列に接続され、装着された前記第４バッテリは前記第２バッテリと並列に接続される
ことを特徴とする車両用駆動システム。

【請求項6】

請求項１記載の車両用駆動システムにおいて、
前記インバータは、マルチレベルインバータである
ことを特徴とする車両用駆動システム。

【請求項7】

請求項１記載の車両用駆動システムにおいて、
前記第１および第２バッテリの出力電圧は、６０Ｖ以下である
ことを特徴とする車両用駆動システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

ここに開示された技術は、走行用モータとバッテリを利用する車両用駆動システムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、高電圧バッテリで走行用モータを駆動する車両用駆動システムが知られている。モータの出力は電流と電圧に依存するため（Ｐ＝Ｉ・Ｖ・ｃｏｓθ）、モータを高出力化するためには、バッテリの高電圧化が有効である。一般的には、走行用モータを駆動するために、６０Ｖ以上の高電圧バッテリが利用されている。

【0003】

ここで、高電圧バッテリを利用する装置では、部品や配線に関して高電圧対策が必要になり、このことがコストや重量の増加につながってしまう。例えば、インバータとバッテリを接続する配線が大型になり、重量が重くなる。また、インバータやバッテリのコネクタとして、高電圧に耐え得る高価な部品を使わざるを得ない。その一方で、高電圧化することによって、所定のモータ出力を得るための電流値が小さくなるため（Ｐ＝Ｉ・Ｖ・ｃｏｓθより）、モータ損失を低減することができる（Ｐloss＝Ｒ・Ｉ^２）。これにより、車両の電費を向上させることができる。近年では、車両重量およびコストの増加のデメリットよりも、電費向上のメリットを優先して、バッテリを高電圧化する構成が主流になっている。

【0004】

特許文献１では、モータの駆動力を主体とするハイブリッド駆動装置の構成が開示されている。この構成では、低電圧バッテリとキャパシタとを直列接続して、モータを駆動するための高電圧電源を形成している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１９−１６２９６４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

キャパシタは一般に、通常のバッテリよりも瞬間的に大電流を供給することができる。特許文献１の構成では、この応答性の良いキャパシタを、例えば車両発進時の加速に利用している。ところが、キャパシタはエネルギー密度が小さいため、モータへの長時間の電力供給は困難である。したがって、航続距離を確保するという面では、キャパシタを利用しないで、バッテリを利用する方が好ましい。

【0007】

ここに開示された技術は、走行用モータを利用する車両用駆動システムにおいて、車両重量やコストの増大を抑制しつつ、モータを高出力化し、モータへの長時間の電力供給を可能にし、かつ、当該車両用駆動システムが持つポテンシャルを十分に発揮させることを可能にする、ことを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

ここで、発明者らは、上述した構成の車両用駆動システムについて、実験および検討等により、次のような知見を得ることができた。

【0009】

すなわち、上述した構成の車両用駆動システムでは、直列に接続した第１および第２バッテリについて、その接続ノードをグランドに接続し、バッテリ部から出力される電圧を低電圧化している。そして、インバータとして３レベルインバータを採用し、インバータから、バッテリ電圧よりも高いモータ駆動電圧が生成されるようにしている。これにより、重量が小さく、コストが低く、かつ、モータ出力が高い車両用駆動システムを実現することができる。

【0010】

しかしながら、発明者らによる実験の結果、上述した構成の車両用駆動システムでは、期待されるほどの出力性能が確保できないことが判明した。すなわち、インバータが有する、正側電圧を供給するコンデンサと負側電圧を供給するコンデンサとにおいて、消費エネルギーに偏りが生じてしまう。消費エネルギーの大きいコンデンサの電圧は低下し、消費エネルギーの小さいコンデンサの電圧は上昇する。この結果、電圧が上昇するコンデンサに接続されるＭＯＳＦＥＴ等の電気部品に対して過電圧が印加され、当該電気部品にダメージを与える可能性がある。この問題を回避するためには、インバータ出力を制限せざるを得ない。したがって、車両用駆動システムが持つポテンシャルを十分に発揮させることができない。

【0011】

すなわち、上述した構成の車両用駆動システムにおいて、モータ出力性能を十分に確保するためには、インバータが有する、正側電圧を供給するコンデンサと負側電圧を供給するコンデンサとにおいて、充電量／電圧のバランスをとることが重要である、との知見を得ることができた。この知見に基づいて、本願発明者らは、以下に説明するような構成を考案した。

【0012】

すなわち、ここに開示された技術では、車両用駆動システムは、駆動輪に駆動力を発生させるモータと、前記モータと電気的に接続されており、かつ、正側電圧を供給する第１コンデンサと、負側電圧を供給する第２コンデンサとを有するインバータと、前記インバータに電力を供給するバッテリ部と、前記インバータの動作を制御する制御装置とを備え、前記バッテリ部は、直列に接続された第１および第２バッテリを有し、かつ、互いに接続された前記第１バッテリの負極および前記第２バッテリの正極が、前記インバータが有する前記第１および第２コンデンサの接続ノードと接続されており、前記制御装置は、前記インバータから前記モータに出力される電圧が、前記第１バッテリの出力電圧および前記第２バッテリの出力電圧よりも高くなるように、前記インバータの動作を制御するものであり、前記車両用駆動システムは、前記第１および第２バッテリ間の充放電制御を行うことによって、前記第１および第２コンデンサの電圧をバランスさせるバランス回路を備える。

【0013】

この構成によると、バッテリ部において、直列に接続された第１および第２バッテリの接続ノードが、インバータが有する、正側電圧を供給する第１コンデンサおよび負側電圧を供給する第２コンデンサの接続ノードと接続されているので、グランドを基準にして、第１バッテリの出力電圧と同じ値の正の電圧と、第２バッテリの出力電圧と絶対値が同じである負の電圧とが、バッテリ部から出力される。そして、インバータから出力されるモータ駆動電圧が、第１バッテリの出力電圧や第２バッテリの出力電圧よりも高くなるように、インバータの動作が制御される。これにより、バッテリ部の出力を低電圧化して車両重量やコストを抑制しつつ、モータを高出力化することができる。さらに、バランス回路によって、第１および第２バッテリ間の充放電制御を行うことによって、第１および第２コンデンサの電圧をバランスさせることができる。これにより、モータのトルク変動を抑えつつ、車両用駆動システムが持つポテンシャルを十分に発揮させることができ、モータ出力性能を十分に確保することができる。

【0014】

また、前記バランス回路は、前記第１バッテリの正極と負極との間に直列に接続された第１および第２スイッチと、前記第２バッテリの正極と負極との間に直列に接続された第３および第４スイッチと、一端が、前記第１スイッチと前記第２スイッチとの間のノードに接続されており、他端が、前記第３スイッチと前記第４スイッチとの間のノードに接続された、キャパシタとを備える、としてもよい。

【0015】

これにより、第１および第２コンデンサの電圧をバランスさせるバランス回路を、簡易な構成によって実現することができる。

【0016】

さらに、上述した車両用駆動システムは、前記バランス回路が有する前記第１〜第４スイッチのオン／オフを制御する制御部を備え、前記制御部は、前記第２コンデンサの電圧が前記第１コンデンサの電圧より高いとき、前記第１および第３スイッチをオフにし、前記第２および第４スイッチをオンする第１動作を行い、その後、前記第１および第３スイッチをオンにし、前記第２および第４スイッチをオフにする第２動作を行い、前記第１コンデンサの電圧が前記第２コンデンサの電圧より高いとき、前記第２動作を行い、その後、前記第１動作を行う、としてもよい。

【0017】

これにより、第２コンデンサの電圧が第１コンデンサの電圧より高いときは、第１動作によって、第２バッテリのエネルギーの一部をキャパシタに蓄積し、第２動作によって、キャパシタに蓄積したエネルギーを第１バッテリに移動させることができる。また、第１コンデンサの電圧が第２コンデンサの電圧より高いときは、第２動作によって、第１バッテリのエネルギーの一部をキャパシタに蓄積し、第１動作によって、キャパシタに蓄積したエネルギーを第２バッテリに移動させることができる。

【0018】

また、前記バランス回路は、前記第２および第３スイッチ間のノードと、前記第１および第２コンデンサ間のノードとの間に設けられた、インダクタを備える、としてもよい。

【0019】

これにより、第１および第２バッテリ間の電圧差が小さいときでも、ＬＣ共振を利用して、キャパシタへエネルギーを移動させることができる。

【0020】

また、前記バッテリ部は、カートリッジ化された第３および第４バッテリが着脱可能に構成されており、装着された前記第３バッテリは前記第１バッテリと並列に接続され、装着された前記第４バッテリは前記第２バッテリと並列に接続される、としてもよい。

【0021】

これにより、着脱可能な第３および第４バッテリを、第１および第２バッテリの補助として利用することができる。

【0022】

また、前記インバータは、マルチレベルインバータである、としてもよい。

【0023】

これにより、インバータからモータに出力される電圧が、第１バッテリの出力電圧および第２バッテリの出力電圧よりも高くなるように、インバータの動作を容易に制御することができる。

【0024】

また、例えば、前記第１および第２バッテリの出力電圧は、６０Ｖ以下である。

【発明の効果】

【0025】

以上説明したように、ここに開示された技術によると、走行用モータを利用する車両用駆動システムにおいて、車両重量やコストの増大を抑制しつつ、モータを高出力化し、モータへの長時間の電力供給を可能にし、かつ、当該車両用駆動システムが持つポテンシャルを十分に発揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】実施形態に係る車両用駆動システムを車両に搭載したレイアウトの例

【図2】実施形態に係る車両用駆動システムの構成例

【図3】実施形態に係る車両用駆動システムにおけるモータ駆動の主要回路構成

【図4】比較例に係るモータ駆動の主要回路構成

【図5】（ａ）は３レベルインバータの概要構成、（ｂ）は３レベルインバータの動作

【図6】３レベルインバータの一相分のインバータ回路

【図7】３レベルインバータの詳細動作図

【図8】実施形態に係る車両用駆動システムにおける、バッテリおよびインバータに係る回路構成の一例

【図9】図８におけるバランス回路の回路構成

【図10】（ａ）（ｂ）はバランス回路の効果を説明するための図

【図11】（ａ）は第１比較例の回路構成、（ｂ）はコンデンサ電圧の変化

【図12】（ａ）は第２比較例の回路構成、（ｂ）はコンデンサ電圧の変化

【図13】バランス回路の動作を示すフローチャート

【図14】（ａ）〜（ｄ）はバランス回路がエネルギーを移動させる動作を示す図

【図15】図１４におけるスイッチのオンオフを示す図

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0028】

図１は実施形態に係る車両用駆動システムを車両に搭載したレイアウトの例であり、車両を側面から見た透視図である。図２は実施形態に係る車両用駆動システムの構成例である。

【0029】

図１および図２に示すように、車両１に、車両用駆動システム１０が搭載されている。車両用駆動システム１０は、後輪２ａを駆動するエンジン１２と、後輪２ａに駆動力を伝達する動力伝達機構１４と、後輪２ａを駆動する主駆動モータ１６と、前輪２ｂを駆動する副駆動モータ２０と、主駆動モータ１６に電気的に接続されたインバータ１５ａと、副駆動モータ２０に電気的に接続されたインバータ１５ｂと、インバータ１５ａ，１５ｂに電力を供給するバッテリ部１８と、制御装置２４と、エンジン１２に供給する燃料を格納する燃料タンク３０とを備える。すなわち、車両用駆動システム１０は、ハイブリッド駆動システムである。

【0030】

エンジン１２は、車両１の主駆動輪である後輪２ａに対する駆動力を発生するための内燃機関であり、本実施形態では、ロータリーエンジンである。なお、エンジン１２は。ロータリーエンジン以外のエンジン、例えばレシプロエンジンであってもよい。エンジン１２は、車両１の前部に配置されており、動力伝達機構１４を介して後輪２ａを駆動する。

【0031】

動力伝達機構１４は、エンジン１２が発生した駆動力を主駆動輪である後輪２ａに伝達するように構成されている。動力伝達機構１４は、エンジン１２に接続されたプロペラシャフト１４ａ、クラッチ１４ｂ、および、有段変速機であるトランスミッション１４ｃを備えている。プロペラシャフト１４ａは、車両１の前部に配置されたエンジン１２から、プロペラシャフトトンネル（図示せず）の中を車両１の後方へ向けて延びている。プロペラシャフト１４ａの後端は、クラッチ１４ｂを介してトランスミッション１４ｃに接続されている。トランスミッション１４ｃの出力軸は後輪２ａの車軸（図示せず）に接続され、後輪２ａを駆動する。

【0032】

主駆動モータ１６は、車両１の主駆動輪である後輪２ａに対する駆動力を発生するための電動機であり、エンジン１２の後ろ側に、エンジン１２に隣接して配置されている。主駆動モータ１６はエンジン１２と直列に接続されており、主駆動モータ１６が発生した駆動力も動力伝達機構１４を介して後輪２ａに伝達される。本実施形態では、主駆動モータ１６として、４８Ｖで駆動される２５ｋＷの永久磁石同期電動機が採用されている。

【0033】

インバータ１５ａは、主駆動モータ１６に隣接して配置されており、バッテリ部１８から供給される直流電力を交流電力に変換して、主駆動モータ１６に供給する。

【0034】

副駆動モータ２０は、副駆動輪である前輪２ｂに対する駆動力を発生するための電動機であり、本実施形態では、各前輪２ｂのホイール内にそれぞれ収容されたインホイールモータである。本実施形態では、副駆動モータ２０として、１７ｋＷの誘導電動機がそれぞれ採用されている。

【0035】

インバータ１５ｂは、バッテリ部１８から供給される直流電力を交流電力に変換して、副駆動モータ２０にそれぞれ供給する。

【0036】

バッテリ部１８は、本実施形態では、シート３の後方であって、燃料タンク３０の前方に配置されている。本実施形態では、バッテリ部１８は、４個のバッテリ１８ａ，１８ｂ，１８ｃ、１８ｄを備えている。なお、各バッテリ１８ａ〜１８ｄは例えば、出力電圧が４８Ｖであり、その内部に直列接続された４個の１２Ｖのバッテリセルをそれぞれ備えている。

【0037】

バッテリ１８ａ，１８ｂは、電気的に直列に接続されており、バッテリ部１８に据え付けられている。また、後述するように、バッテリ１８ａ，１８ｂの接続ノード、すなわちバッテリ１８ａの負極およびバッテリ１８ｂの正極は、インバータ１５ａと共通に、グランドに接続されている。また、バッテリ１８ｃは、バッテリ１８ａと並列に接続され、バッテリ１８ｄは、バッテリ１８ｂと並列に接続されている。ここでは、バッテリ１８ｃ，１８ｄは、カートリッジ化されたバッテリカートリッジになっており、バッテリ部１８に着脱可能になっている。バッテリ部１８は、カートリッジ化されたバッテリ１８ｃ，１８ｄが装着されると、バッテリ１８ｃがバッテリ１８ａと並列に接続され、バッテリ１８ｄがバッテリ１８ｂと並列に接続されるように構成されている。

【0038】

制御装置２４は、エンジン１２、主駆動モータ１６と電気的に接続されたインバータ１５ａ、および、副駆動モータ２０と電気的に接続されたインバータ１５ｂを制御して、車両１が、エンジン走行モードおよびモータ走行モードを適宜実行するように構成されている。具体的には、制御装置２４は、マイクロプロセッサ、メモリ、インタフェイス回路、および、これらを作動させるプログラム（以上、図示せず）等によって構成することができる。

【0039】

エンジン走行モードとモータ走行モードの切り替え制御は、例えば次のように行われる。ここでは、車両１には、エンジン走行モードまたはモータ走行モードを選択するスイッチが設けられているものとする。

【0040】

市街地の中などで比較的低速で発進、停止が繰り返される間は、モータ走行モードに設定される。モータ走行モードでは、制御装置２４は、バッテリ部１８の電力をインバータ１５ａに供給し、主駆動モータ１６を駆動する。一方で、制御装置２４は、エンジン１２に燃料が供給されないように制御し、エンジン１２がトルクを発生しないようにする。この場合、車両１は、純粋に電気自動車（ＥＶ）として機能する。

【0041】

車両１が所定車速以上で走行している状態であっても、所定量以上の加速が行われていない状態では、モータ走行モードのままになり、主駆動モータ１６によって車両１が駆動される。

【0042】

ここで、運転者によって上述のスイッチが操作され、エンジン走行モードに切り替えられ、アクセルペダルが踏み込まれたとする。エンジン走行モードでは、制御装置２４は、エンジン１２への燃料の供給を開始し、これにより、エンジン１２がトルクを発生する。一方で、制御装置２４は、インバータ１５ａの制御を停止し、主駆動モータ１６による駆動を停止する。このため、運転者は、エンジン１２により駆動される車両１の運転フィーリングを楽しむことができる。

【0043】

図３は実施形態に係る車両用駆動システムにおけるモータ駆動に係る主要回路の構成である。また、図４は比較例に係るモータ駆動の主要回路の構成である。

【0044】

図３に示すように、本実施形態では、バッテリ部１８のコネクタ４ａとインバータ１５ａの４ｂとが、３本のワイヤ５（５ａ，５ｂ，５ｃ）によって電気的に接続されている。バッテリ部１８において、バッテリ１８ａ，１８ｂが直列に接続されており、その接続ノードすなわちバッテリ１８ａの負極およびバッテリ１８ｂの正極がグランドに接続されている。ワイヤ５ａはバッテリ１８ａの正極に接続され、ワイヤ５ｂはバッテリ１８ａの負極およびバッテリ１８ｂの正極に接続され、ワイヤ５ｃはバッテリ１８ｂの負極に接続される。すなわち、バッテリ部１８から、±４８Ｖの電圧が出力される。

【0045】

インバータ１５ａにおいて、キャパシタ１５ｃ，１５ｄが直列に接続されており、その接続ノードはワイヤ５ｂに接続されている。キャパシタ１５ｃの他端がワイヤ５ａに接続され、キャパシタ１５ｄの他端がワイヤ５ｃに接続されている。すなわち、キャパシタ１５ｃ，１５ｄには、９６Ｖの電圧が印加されている。

【0046】

ここで、６０Ｖ以下の低電圧では、高電圧安全対策が基本的に不要となり、低コストの素子や部品を用いることができる。具体的には、図３の構成において、コネクタ４ａ，４ｂおよびワイヤ５について、低電圧用の安価な部品を利用することができる。また、ハーネス等の重量も大幅に低減することができる。

【0047】

一方、図４の構成では、バッテリ部１１８において、バッテリ１１８ａ，１１８ｂが直列に接続されており、その両端の電圧である９６Ｖがバッテリ部１１８から出力される。このため、バッテリ部１１８のコネクタ１０４ａ、インバータ１１５ａのコネクタ１０４ｂには、高電圧対応の部品を用いなければならない。また、コネクタ１０４ａ，１０４ｂを接続するワイヤ１０５に関して、高電圧用の高価で重い配線を用いなければならない。

【0048】

すなわち、本実施形態の構成では、バッテリ部１８において、直列に接続されたバッテリ１８ａ，１８ｂの接続ノードが接地されているので、グランドを基準にして、バッテリ１８ａの出力電圧と同じ値の正の電圧と、バッテリ１８ｂの出力電圧と絶対値が同じである負の電圧とが、バッテリ部１８から出力される。したがって、バッテリ部１８の出力が低電圧化されるので、これにより、車両重量やコストを抑制することができる。

【0049】

そして、本実施形態では、バッテリ電圧４８Ｖよりも高いモータ駆動電圧を得るために、インバータ１５ａとして、３レベルインバータを採用している。

【0050】

図５は３レベルインバータの概要を示す図であり、（ａ）は回路構成、（ｂ）は出力電圧の波形を示す。図５（ａ）に示すように、３レベルインバータでは、正側と負側にそれぞれ、直列接続した２個のスイッチング素子が配置されている。三相モータの制御のためには、計１２（２×２×３）個のスイッチング素子が必要となる。バッテリ電圧として±４８Ｖが与えられたとき、図５（ｂ）に示すように、スイッチング素子の制御によって、９６Ｖのモータ駆動電圧を生成することができる。また、スイッチング素子として、ＩＧＢＴと比べて耐圧が低いＭＯＳ−ＦＥＴを用いることができる。

【0051】

図６は１相分のインバータ回路の構成例である。図６において、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の間の接続ノードがグランドと接続されている。スイッチング素子Ｑ５にはスイッチング素子Ｑ３と共通の駆動信号が与えられ、スイッチング素子Ｑ６にはスイッチング素子Ｑ２と共通の駆動信号が与えられる。

【0052】

図７は各相におけるスイッチング素子の駆動波形と、相間電圧の例である。図７に示すように、駆動波形によって駆動された各相の電圧の差分が、その相間電圧になる。例えば、駆動波形Ｑ１ｕ〜Ｑ４ｕによって駆動されたｕ相の電圧と、駆動波形Ｑ１ｖ〜Ｑ４ｖによって駆動されたｖ相の電圧との差分が、相間電圧Ｖｕ−ｖになる。図７に示すようなインバータ制御によって、例えば、±４８Ｖのバッテリ電圧から、９６Ｖのモータ駆動電圧を生成することができる。

【0053】

図８は実施形態に係る車両用駆動システムにおける、バッテリおよびインバータに係る回路構成の一例である。図８の構成において、Ｂａｔｔ１，Ｂａｔｔ２は４８Ｖのバッテリであり、図２の構成におけるバッテリ１８ａ，１８ｂにそれぞれ対応している。バッテリＢａｔｔ１の負極とバッテリＢａｔｔ２の正極とが接続されており、その接続ノードが、インバータ１５ａのグランドと接続されている（中性点）。インバータ１５ａは、正側電圧を供給するコンデンサＡと、負側電圧を供給するコンデンサＢとを備える。バッテリＢａｔｔ１とコンデンサＡとは並列に接続されており、バッテリＢａｔｔ２とコンデンサＢとは並列に接続されている。すなわち、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の接続ノードが、コンデンサＡ，Ｂの接続ノードと接続されている。

【0054】

図８の構成では、バランス回路３０が設けられている。バランス回路３０は、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２間の充放電制御を行うことによって、インバータ１５ａが有するコンデンサＡ，Ｂの電圧をバランスさせる機能を有する。制御部４１は、バランス回路３０の動作を制御する。

【0055】

図９はバランス回路３０の回路構成例である。図９のバランス回路３０は、バッテリＢａｔｔ１の正極と負極との間に直列配置されたスイッチＳ１，Ｓ２と、バッテリＢａｔｔ２の正極と負極との間に直列配置されたスイッチＳ３，Ｓ４と、スイッチＳ１，Ｓ２間のノードとスイッチＳ３，Ｓ４間のノードとの間に設けられたキャパシタＣ３０と、スイッチＳ２，Ｓ３間のノードと、バッテリＢａｔｔ１の負極およびバッテリＢａｔｔ２の正極との間に設けられたインダクタＬ３０とを備える。制御部４１がスイッチＳ１〜Ｓ４のオンオフを制御することによって、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の一方から、キャパシタＣ３０を介して、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の他方へ、エネルギーを移動させることができる。バランス回路３０の動作の詳細については後述する。

【0056】

図１０はバランス回路３０を設けることによる効果を示す図である。図１０（ａ）に示すように、インバータ１５ａにおいて、コンデンサＡから消費されるエネルギーと、コンデンサＢから消費されるとは、必ずしも等しくならない。この消費エネルギーの差は、コンデンサＡ，Ｂの電圧に偏りを引き起こしてしまう。バランス回路３０は、このコンデンサＡ，Ｂによる消費エネルギーの差を解消する。これにより、図１０（ｂ）に示すように、コンデンサＡ，Ｂの電圧に偏りが生じない。

【0057】

図１１（ａ）は第１比較例に係る回路構成である。この第１比較例では、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の接続ノードとインバータのグランドとは接続されておらず、かつ、バランス回路３０が設けられていない。図１１（ａ）の回路構成では、例えば、コンデンサＡから消費されるエネルギーと比べてコンデンサＢから消費されるエネルギーが大きいとき、図１１（ｂ）に示すように、短時間のうちに、コンデンサＢの電圧が低下し、コンデンサＡの電圧が上昇する。この結果、インバータのＭＯＳＦＥＴやコンデンサ等の電気部品に、最大定格電圧を超える過電圧が印加されることになり、電気部品にダメージを与える可能性が生じる。

【0058】

図１２（ａ）は第２比較例に係る回路構成である。この第２比較例では、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の接続ノードとインバータのグランドとは接続されているが、バランス回路３０が設けられていない。図１２（ａ）の回路構成では、コンデンサＡ，Ｂからの消費エネルギーに差があるとき、短時間でのコンデンサ電圧の偏りは回避できるものの、図１２（ｂ）に示すように、時間の経過とともにコンデンサ電圧の偏りは大きくなっていく。この結果、いずれは、インバータのＭＯＳＦＥＴやコンデンサ等の電気部品に、最大定格電圧を超える過電圧が印加されることになり、電気部品にダメージを与える可能性が生じる。

【0059】

これに対して本実施形態では、バランス回路３０を設けたことによって、コンデンサ電圧の偏りを抑制することができる。したがって、インバータの電気部品がダメージを受ける可能性を回避することができる。また、インバータの制御自体に変更を加える必要がないため、モータトルクを安定して出力することができる。

【0060】

以下、バランス回路３０の動作について説明する。図１３はバランス回路３０の動作を示すフローチャートである。また、図１４はバッテリＢａｔｔ２のエネルギーをバッテリＢａｔｔ１に移す際の動作（Ｓｔａｇｅ１−４）を示し、図１５はＳｔａｇｅ１−４におけるスイッチＳ１−Ｓ４のオンオフ動作を示す。

【0061】

バランス回路３０の動作を開始するとき、制御部４１は、コンデンサＡ，Ｂの電圧値を取得する（Ｓ１１）。そして、コンデンサＡの電圧よりもコンデンサＢの電圧の方が高いときは（ステップＳ１２でＹＥＳ）、バランス回路３０は、バッテリＢａｔｔ２のエネルギーをバッテリＢａｔｔ１に移動させる動作を行う。具体的には、図１４に示すようなＳｔａｇｅ１−４を実行する。

【0062】

まず、制御部４１は、スイッチＳ１，Ｓ３をオフにし、スイッチＳ２，Ｓ４をオンにする。これにより、バッテリＢａｔｔ２のエネルギーがキャパシタＣ３０に移動しはじめる（図１４（ａ）Ｓｔａｇｅ１）。次に、制御部４１は、スイッチＳ１をオンにする。これにより、インダクタＬ３０のエネルギーが放出（還流）される（図１４（ｂ）Ｓｔａｇｅ２）。次に、制御部４１は、スイッチＳ１，Ｓ３をオンにし、スイッチＳ２，Ｓ４をオフにする。これにより、キャパシタＣ３０のエネルギーがバッテリＢａｔｔ１に移動しはじめる（図１４（ｃ）Ｓｔａｇｅ３）。次に、制御部４１は、スイッチＳ２をオンにする。これにより、インダクタＬ３０のエネルギーが放出（還流）される（図１４（ｄ）Ｓｔａｇｅ４）。以上のような動作によって、バランス回路３０は、バッテリＢａｔｔ２のエネルギーをバッテリＢａｔｔ１に移動させる。

【0063】

また、コンデンサＢの電圧よりもコンデンサＡの電圧の方が高いときは（ステップＳ２１でＹＥＳ）、バランス回路３０は、バッテリＢａｔｔ１のエネルギーをバッテリＢａｔｔ２に移動させる。このときの動作は、バッテリＢａｔｔ２のエネルギーをバッテリＢａｔｔ１に移動させる動作と同様であり、図１４から容易に類推できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

【0064】

なお、図９のバランス回路３０の構成において、インダクタＬ３０は省いてもかまわない。ただし、インダクタＬ３０を設けることによって、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２間の電圧差が小さいときでも、ＬＣ共振を利用して、キャパシタＣ３０へエネルギーを移動させることができる。

【0065】

以上のように本実施形態によると、車両用駆動システム１０は、駆動輪２ａに駆動力を発生させるモータ１６と、モータ１６と電気的に接続されたインバータ１５ａと、インバータ１５ａに電力を供給するバッテリ部１８と、インバータ１５ａの動作を制御する制御装置２４とを備える。バッテリ部１８において、直列に接続されたバッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の接続ノードが、インバータ１５ａが有する、正側電圧を供給する第１コンデンサＡおよび負側電圧を供給する第２コンデンサＢの接続ノードと接続されているので、グランドを基準にして、バッテリＢａｔｔ１の出力電圧と同じ値の正の電圧と、バッテリＢａｔｔ２の出力電圧と絶対値が同じである負の電圧とが、バッテリ部１８から出力される。そして、インバータ１５ａは３レベルインバータであり、インバータ１５ａから出力されるモータ駆動電圧が、バッテリＢａｔｔ１の出力電圧やバッテリＢａｔｔ２の出力電圧よりも高くなるように、インバータ１５ａの動作が制御される。これにより、バッテリ部１８の出力を低電圧化して車両重量やコストを抑制しつつ、モータ１６を高出力化することができる。

【0066】

さらに、車両用駆動システム１０は、コンデンサＡ，Ｂの電圧のバランスをとるために、バランス回路３０を備える。バランス回路３０によって、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２間の充放電制御を行うことによって、コンデンサＡ，Ｂの電圧をバランスさせることができる。これにより、モータ１６のトルク変動を抑えつつ、車両用駆動システム１０が持つポテンシャルを十分に発揮させることができ、モータ出力性能を十分に確保することができる。

【0067】

なお、本実施形態では、インバータ１５ａは３レベルインバータであるものとしたが、本開示はこれに限られるものではなく、例えば、インバータ１５ａを、４レベルインバータ、５レベルインバータなどの他のレベルのマルチレベルインバータとしてもかまわない。また、インバータ１５ａをマルチインバータとはしないで、インバータ１５ａから出力されるモータ駆動電圧が、バッテリＢａｔｔ１の出力電圧やバッテリＢａｔｔ２の出力電圧よりも高くなるように、インバータの動作を制御するようにしてもかまわない。

【0068】

また、本実施形態では、バッテリ部１８は、車両１に据え付けられたバッテリ１８ａ，１８ｂを備えており、かつ、カートリッジ化されたバッテリ１８ｃ，１８ｄが着脱可能に構成されているものとしたが、バッテリの個数や形態はこれに限られるものではない。例えば、バッテリ部は、車両に据え付けられた２個のバッテリを備え、カートリッジ化されたバッテリは用いない構成としてもよい。あるいは、バッテリ１８ａ，１８ｂの一方または両方を、カートリッジ化されたバッテリとしてもかまわない。

【0069】

また、バッテリの電圧やバッテリを構成するバッテリセルの個数や電圧は、本実施形態で示したものに限られない。ただし、バッテリ部の出力を低電圧化して車両重量やコストを抑制する、という本開示の目的からすると、バッテリの出力電圧は、例えば６０Ｖ以下であることが好ましい。

【0070】

また、本実施形態では、車両用駆動システムは、ハイブリッド駆動システムであるものとして説明を行ったが、本開示は、モータ駆動システムに適用してもよい。

【0071】

前述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。

【符号の説明】

【0072】

１ 車両
２ａ 駆動輪
１０ 車両用駆動システム
１５ａ インバータ
１６ モータ
１８ バッテリ部
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ バッテリ
２４ 制御装置
３０ バランス回路
４１ 制御部
Ａ，Ｂ コンデンサ
Ｂａｔｔ１，Ｂａｔｔ２ バッテリ
Ｃ３０ キャパシタ
Ｌ３０ インダクタ
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】