特許 7537140 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-13

(45)【発行日】2024-08-21

(54)【発明の名称】車両用駆動システム

(51)【国際特許分類】

   B60L 58/22 20190101AFI20240814BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20240814BHJP

   H02J 7/10 20060101ALI20240814BHJP

   H02J 7/02 20160101ALI20240814BHJP

   B60L 50/16 20190101ALI20240814BHJP

   B60L 15/20 20060101ALI20240814BHJP

   B60L 9/18 20060101ALI20240814BHJP

   B60L 58/21 20190101ALI20240814BHJP

   B60L 1/00 20060101ALI20240814BHJP

   H01M 10/44 20060101ALI20240814BHJP

   H01M 10/48 20060101ALI20240814BHJP

【ＦＩ】

B60L58/22

H02J7/00 P

H02J7/10 P

H02J7/02 H

B60L50/16

B60L15/20 J

B60L9/18 J

B60L58/21

B60L1/00 L

H01M10/44 P

H01M10/48 P

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2020106229

(22)【出願日】2020-06-19

(65)【公開番号】P2022002428

(43)【公開日】2022-01-06

【審査請求日】2023-03-14

(73)【特許権者】

【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】弁理士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

【審査官】井古田 裕昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２２－００２４２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０２５０２７９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－０３７３３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－１０３５３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０５５０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－００４６６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５８－１１２４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１７－５３８３８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許第０６９３０４０４（ＵＳ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｌ ５８／２２

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０２Ｊ ７／１０

Ｈ０２Ｊ ７／０２

Ｂ６０Ｌ ５０／１６

Ｂ６０Ｌ ５０／６１

Ｂ６０Ｌ １５／２０

Ｂ６０Ｌ ９／１８

Ｂ６０Ｌ ５８／２１

Ｂ６０Ｌ １／００

Ｈ０１Ｍ １０／４４

Ｈ０１Ｍ １０／４８

(57)【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たインバータと、
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、接地されており、
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バッテリの充電量をバランスさせるバランス回路を備え、
前記バッテリ部と前記インバータとは、第１、第２および第３ワイヤによって電気的に接続されており、
前記バッテリ部において、前記第１ワイヤは、前記第１バッテリの正極に接続されており、前記第２ワイヤは、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バッテリの正極に接続されており、前記第３ワイヤは、前記第２バッテリの負極に接続されており、
前記インバータにおいて、直列に接続された第１および第２キャパシタが設けられており、互いに接続された前記第１キャパシタの一端および前記第２キャパシタの一端に、前記第２ワイヤが接続されており、前記第１キャパシタの他端が前記第１ワイヤに接続されており、前記第２キャパシタの他端が前記第３ワイヤに接続されている
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１および第２バッテリが有するエネルギーの大小を判定し、
前記第１バッテリのエネルギーが前記第２バッテリのエネルギーよりも大きいときは、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１動作を行い、その後、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スイッチをオンにする第２動作を行い、
前記第２バッテリのエネルギーが前記第１バッテリのエネルギーよりも大きいときは、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、当該車両が前記モータによって走行しているとき、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、
前記第１バッテリは、直列に接続された複数のバッテリセルを有しており、
前記車両用駆動システムは、
前記第１バッテリに対して設けられており、前記複数のバッテリセル間の充放電制御を行うことによって、前記複数のバッテリセルの充電量をバランスさせるセルバランス回路を備える
ことを特徴とする車両用駆動システム。

【請求項6】

請求項５記載の車両用駆動システムにおいて、
前記第１バッテリは、当該車両内の前記インバータ以外の電装品に向けて、第１電圧の電力を出力するとともに、前記複数のバッテリセルの１つから、前記第１電圧と異なる第２電圧の電力を出力する
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8】

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9】

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】

【文献】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。検討の結果、その原因は、バッテリの充電量（ＳＯＣ）／電圧のばらつきにあることが分かった。

【0011】

すなわち、インバータに電源を供給する各バッテリの充電量／電圧にばらつきがあると、モータ駆動電圧の振幅にばらつきが生じ、これがモータのトルク変動を引き起こす。車両駆動において、モータのトルク変動は、運転の快適さを大きく損なう要因になるため、できるだけ抑制する必要がある。ところが、トルク変動を抑制するためには、充電量／電圧が低い方のバッテリに合わせてインバータ出力を制限せざるを得ない。このことは、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、という問題を生じさせる。

【0012】

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、インバータに電源を供給する各バッテリについて、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。

【0013】

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たインバータと、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、接地されており、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バッテリの充電量をバランスさせるバランス回路を備える。

【0014】

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接地されているので、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バッテリの充電量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。

【0015】

さらに、前記バッテリ部と前記インバータとは、第１、第２および第３ワイヤによって電気的に接続されており、前記バッテリ部において、前記第１ワイヤは、前記第１バッテリの正極に接続されており、前記第２ワイヤは、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バッテリの正極に接続されており、前記第３ワイヤは、前記第２バッテリの負極に接続されており、前記インバータにおいて、直列に接続された第１および第２キャパシタが設けられており、互いに接続された前記第１キャパシタの一端および前記第２キャパシタの一端に、前記第２ワイヤが接続されており、前記第１キャパシタの他端が前記第１ワイヤに接続されており、前記第２キャパシタの他端が前記第３ワイヤに接続されている。

【0016】

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スイッチとの間に接続された、キャパシタとを備える、としてもよい。

【0017】

これにより、第１および第２バッテリ間の充放電制御を行うバランス回路を、簡易な構成によって実現することができる。

【0018】

さらに、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１および第２バッテリが有するエネルギーの大小を判定し、前記第１バッテリのエネルギーが前記第２バッテリのエネルギーよりも大きいときは、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１動作を行い、その後、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スイッチをオンにする第２動作を行い、前記第２バッテリのエネルギーが前記第１バッテリのエネルギーよりも大きいときは、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。

【0019】

これにより、第１バッテリのエネルギーが第２バッテリのエネルギーよりも大きいときは、第１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２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。また、第２バッテリのエネルギーが第１バッテリのエネルギーよりも大きいときは、第２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１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。

【0020】

また、前記バランス回路は、当該車両が前記モータによって走行しているとき、前記第１および第２バッテリ間の充放電制御を行う、としてもよい。

【0021】

これにより、車両がモータによって走行しているとき、第１および第２バッテリの充電量をバランスさせて、モータ出力性能を十分に確保することができる。

【0022】

また、前記第１バッテリは、直列に接続された複数のバッテリセルを有しており、前記車両用駆動システムは、前記第１バッテリに対して設けられており、前記複数のバッテリセル間の充放電制御を行うことによって、前記複数のバッテリセルの充電量をバランスさせるセルバランス回路を備える、としてもよい。

【0023】

これにより、セルバランス回路によって、第１バッテリ内部の各バッテリセルについて、充電量のバランスをとることができるので、第１バッテリの出力を十分に確保することができる。

【0024】

さらに、前記第１バッテリは、前記複数のバッテリセルの１つから、前記第１バッテリの出力電圧と異なる電圧の電力を出力する、としてもよい。

【0025】

これにより、第１バッテリから、バッテリセルの電圧例えば１２Ｖの電力を出力することができる。これにより、１２Ｖの電力を供給するバッテリを、別途設ける必要がなくなる。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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】

【0031】

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】

【0032】

【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、バッテリ制御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例

【図10】図８におけるセルバランス回路の回路構成

【図11】バランス回路の動作を示すフローチャート

【図12】（ａ），（ｂ）はバッテリ１からバッテリ２へエネルギーを移動させる動作を示す図

【図13】（ａ），（ｂ）はバッテリ２からバッテリ１へエネルギーを移動させる動作を示す図

【発明を実施するための形態】

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

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。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

図８は実施形態に係る車両用駆動システムにおける、バッテリ制御に係る回路構成の一例である。図８の構成において、Ｂａｔｔ１，Ｂａｔｔ２，Ｂａｔｔ３，Ｂａｔｔ４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，１８ｃ，１８ｄ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、その接続ノードが接地されている（中性点）。バッテリＢａｔｔ３はバッテリＢａｔｔ１と並列に接続されており、バッテリＢａｔｔ４はバッテリＢａｔｔ２と並列に接続されている。なお、バッテリＢａｔｔ３，Ｂａｔｔ４は省いてもかまわない。

【0060】

バッテリＢａｔｔ１の正極とインバータ１５ａとの間にスイッチＳ１が挿入されており、バッテリＢａｔｔ２の負極とインバータ１５ａとの間にスイッチＳ２が挿入されている。また、バッテリＢａｔｔ１から、車両１内の電装品等に向けて、４８Ｖと１２Ｖの電力が供給可能になっている。バッテリＢａｔｔ１の正極と４８Ｖの電力線との間に、スイッチＳ３が挿入されている。バッテリＢａｔｔ１内の１個のバッテリセルの正極と１２Ｖの電力線との間に、スイッチＳ０が挿入されている。スイッチＳ０～Ｓ３は、例えばＭＯＳＦＥＴによって構成される。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、バッテリＢａｔｔ１から供給される４８Ｖの電力を１２Ｖの電力に変換して出力する。

【0061】

バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２に対して、バランス回路３０（図では、バランス０と表記）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、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の充電量をバランスさせる機能を有する。また、各バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２，Ｂａｔｔ３，Ｂａｔｔ４に対して、セルバランス回路３１，３２，３３，３４がそれぞれ設けられている（図では、バランス１～４と表記）。セルバランス回路３１～３４は、対応するバッテリ内部のバッテリセルについて、その充電量のバランスをとる機能を有する。

【0062】

制御部４２は、スイッチＳ０～Ｓ３のオンオフ制御、並びに、バランス回路３０およびセルバランス回路３１～３４の制御を行う。制御部４２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等によって構成することができる。なお、制御部４２は、図２に示す制御装置２４と一体に構成されてもよいし、個別に構成されていてもよい。

【0063】

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Ｓ４，Ｓ５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Ｓ６，Ｓ７と、スイッチＳ４，Ｓ５間のノードとスイッチＳ６，Ｓ７間のノードとの間に設けられたキャパシタＣ３０とを備える。スイッチＳ４～Ｓ７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。

【0064】

図１０はセルバランス回路３１の回路構成例である。なお、セルバランス回路３２～３４も図１０と同様の回路構成としてよい。バッテリＢａｔｔ１は、直列に接続された４個のバッテリセル１８１～１８４を備える。図１０のセルバランス回路３１は、まず、バッテリセル１８１，１８２の充電量のバランスを整えるための構成として、スイッチＳ１１～Ｓ１４およびキャパシタＣ３１ａを備える。セルバランス回路３１は、また、バッテリセル１８３，１８４の充電量のバランスを整えるための構成として、スイッチＳ１５～Ｓ１８およびキャパシタＣ３１ｂを備える。さらに、セルバランス回路３１は、バッテリセル１８１，１８２とバッテリセル１８３，１８４との充電量のバランスを整えるための構成として、スイッチＳ２１～Ｓ２４およびキャパシタＣ３１ｃを備える。なお、セルバランス回路３１の動作については、以下に説明するバランス回路３０の動作から容易に類推することができるため、詳細な説明は省略する。

【0065】

以下、バランス回路３０の動作について説明する。図１１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１２（ａ），（ｂ）はバッテリＢａｔｔ１からバッテリＢａｔｔ２へエネルギーを移動させる動作を示し、図１３（ａ），（ｂ）はバッテリＢａｔｔ２からバッテリＢａｔｔ１へエネルギーを移動させる動作を示す。なお、図１２および図１３では、図の簡略化のために、バッテリＢａｔｔ３，Ｂａｔｔ４とこれらに関わる構成要素については図示を省略している。

【0066】

バランス回路３０の動作を開始するとき、制御部４２は、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の電圧値および電流値を取得する（ステップＳ１１）。そして、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２が有するエネルギーの大小を判定する。

【0067】

バッテリＢａｔｔ１のエネルギーがバッテリＢａｔｔ２のエネルギーよりも大きいときは（ステップＳ１２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。すなわち、制御部４２は、バランス回路３０において、スイッチＳ４，Ｓ６をオンにし、スイッチＳ５，Ｓ７をオフにする（ステップＳ１３）。これにより、図１２（ａ）に示すように、バッテリＢａｔｔ１のエネルギーがキャパシタＣ３０に移動し始める。所定時間が経過した後（ステップＳ１４）、制御部４２は、バランス回路３０において、スイッチＳ４，Ｓ６をオフにし、スイッチＳ５，Ｓ７をオンにする（ステップＳ１５）。これにより、図１２（ｂ）に示すように、キャパシタＣ３０に蓄積されたエネルギーがバッテリＢａｔｔ２に移動し始める。所定時間が経過した後（ステップＳ１６）、制御部４２は、スイッチＳ４～Ｓ７をオフにする（ステップＳ１７）。このようなバランス回路３０の動作によって、バッテリＢａｔｔ１のエネルギーの一部を、バッテリＢａｔｔ２に移動させることができる。

【0068】

一方、バッテリＢａｔｔ２のエネルギーがバッテリＢａｔｔ１のエネルギーよりも大きいときは（ステップＳ２１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。すなわち、制御部４２は、バランス回路３０において、スイッチＳ４，Ｓ６をオフにし、スイッチＳ５，Ｓ７をオンにする（ステップＳ２２）。これにより、図１３（ａ）に示すように、バッテリＢａｔｔ２のエネルギーがキャパシタＣ３０に移動し始める。所定時間が経過した後（ステップＳ２３）、制御部４２は、バランス回路３０において、スイッチＳ４，Ｓ６をオンにし、スイッチＳ５，Ｓ７をオフにする（ステップＳ２４）。これにより、図１３（ｂ）に示すように、キャパシタＣ３０に蓄積されたエネルギーがバッテリＢａｔｔ１に移動し始める。所定時間が経過した後（ステップＳ２５）、制御部４２は、スイッチＳ４～Ｓ７をオフにする（ステップＳ１７）。このようなバランス回路３０の動作によって、バッテリＢａｔｔ２のエネルギーの一部を、バッテリＢａｔｔ１に移動させることができる。

【0069】

なお、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２が有するエネルギーに大小がある場合であっても、その差が所定値以下である場合は、バランス回路３０を動作させずに、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２間のエネルギーの移動を行わないようにしてもよい。すなわち、バッテリＢａｔｔ１のエネルギーがバッテリＢａｔｔ２のエネルギーよりも所定値以上大きいときに、バッテリＢａｔｔ１のエネルギーがバッテリＢａｔｔ２のエネルギーよりも大きいと判定してもよい。また、バッテリＢａｔｔ２のエネルギーがバッテリＢａｔｔ１のエネルギーよりも所定値以上大きいときに、バッテリＢａｔｔ２のエネルギーがバッテリＢａｔｔ１のエネルギーよりも大きいと判定してもよい。

【0070】

また、キャパシタＣ３０にバッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２からのエネルギーを蓄積する所定時間は、キャパシタＣ３０の容量や、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の容量等を基にして、予め定めておけばよい。

【0071】

また、バランス回路３０は、車両１がモータによって走行しているモータ走行モードのときに動作してもかまわないし、また車両１がエンジン走行モードのときに動作してもかまわない。

【0072】

また、図９のバランス回路３０の構成において、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の接続ノードとスイッチＳ５，Ｓ６の接続ノードとの間の電気経路に、インダクタＬを挿入してもよい。これにより、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。

【0073】

また、図８の構成において、セルバランス回路３１～３４は省いてもかまわない。ただし、バッテリＢａｔｔ１に関しては、１個のバッテリセルから１２Ｖの電力が出力されているため、バッテリセル間で充電量のバランスがくずれる可能性が高い。このため、バッテリＢａｔｔ１に対するセルバランス回路３１は設けることが好ましい。

【0074】

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の接続ノードが接地されているので、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。

【0075】

さらに、車両用駆動システム１０は、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２に対してバランス回路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、バッテリＢａｔｔ１，Ｂａｔｔ２の充電量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。

【0076】

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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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。

【0080】

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】

【0081】

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
３１，３２，３３，３４ セルバランス回路
４２ 制御部
１８１，１８２，１８３，１８４ バッテリセル
Ｂａｔｔ１，Ｂａｔｔ２，Ｂａｔｔ３，Ｂａｔｔ４ バッテリ
Ｃ３０ キャパシタ
Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７ 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】