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JP4282365B2 - Automotive power equipment - Google Patents

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JP4282365B2
JP4282365B2 JP2003126104A JP2003126104A JP4282365B2 JP 4282365 B2 JP4282365 B2 JP 4282365B2 JP 2003126104 A JP2003126104 A JP 2003126104A JP 2003126104 A JP2003126104 A JP 2003126104A JP 4282365 B2 JP4282365 B2 JP 4282365B2
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正哉 井上
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve fuel consumption by dispensing with weak field operation even at high revolution, for continuously charging a battery regardless of the revolution number of a synchronous motor, with loss from a weak field current suppressed. <P>SOLUTION: The DC power source on the input side of an inverter 1 that drives an M/G 20 comprises a series connection of a battery 30 and a capacitor 31, and a DC/DC converter 10 for delivery of electric power between the battery 30 and the capacitor 31. By this power supply configuration, generated power is supplied to the capacitor 31 and the battery 30 while a three-phase short is released, and energy accumulated in the capacitor 31 is transported to the battery 30 by the DC/DC converter 10 during the three-phase short for charging the battery 30, by repeating, at an appropriate time interval, the three-phase shorting and its releasing by turning on all switching elements of an upper side arm or a lower side arm of the inverter 1 while the revolution number of the M/G20 is high more than specified numbers. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&amp;NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は自動車用電力装置に関し、特に、自動車のエンジンの始動・加速及び発電を行う自動車用電力装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気自動車の駆動システムとして、エンジンのクランクシャフトに電動機を直結するタイプのものが知られている。この種の駆動システムにおいては、電動機を駆動するインバータの入力電源としてバッテリが接続されており、電動機の軸はトランスミッションを介して車輪と連結され、これを駆動する。
【0003】
従来の自動車用電力装置では、電動機に永久磁石型同期電動機を使用した場合、一定回転数以上の高速域では弱め界磁運転の方法が利用され、車両走行中にバッテリからインバータに至る直流回路が開放されるような異常発生時には、車両駆動用の永久磁石型同期電動機を駆動するインバータの上側アームまたは下側アームのスイッチング素子を一括してオンさせて零電圧ベクトルを出力させる、または、インバータの直流入力側に設けられた開閉手段により、平滑コンデンサとインバータ部とを切り離した後、第2の開閉手段によりインバータ入力側の直流端子間を短絡させる等により、上記同期電動機からの電力供給を停止し、平滑コンデンサに必要以上の電圧が印加されるのを防止する例が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。
【0004】
【特許文献1】
特開平9−47055号公報
【0005】
上記の特許文献1の図2には前者の例が示されており、上側アームのスイッチング素子を一括してオンさせた場合であり、永久磁石型同期電動機の入力端子に流れる各相電流の方向を矢印で示している。この場合にはトランジスタ及びダイオードによって短絡回路が構成されている。このように上側アームのスイッチング素子を全てオンすることにより、三相電流の方向に無関係に短絡回路を構成することができる。なお、下側アームのスイッチング素子を全てオンさせても同様の効果を得ることができる。
【0006】
また、上記の特許文献1の図3には後者の例が示されており、インバータのスイッチング部と平滑コンデンサとを切り離すための開閉手段とインバータの入力側を短絡するための開閉手段が付加されている。平滑コンデンサを開閉手段によりインバータから切り離し、その後、開閉手段によりインバータの入力側を短絡することによって、永久磁石同期電動機の電流をインバータのダイオードを介して短絡することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特許文献1に記載されているような永久磁石型同期電動機を使用した自動車用電力装置にあっては、一定回転数以上の高速域において弱め界磁運転が必要となり、制御が複雑となる上に、弱め界磁電流による損失が大きく、また、平滑コンデンサに許容電圧以上の電圧が印加されるのを防止するため、零電圧ベクトルを出力中やインバータ入力側の直流端子間を短絡中は、トランジスタ及びダイオードによって短絡回路が構成され、永久磁石型同期電動機による発電電力が全て損失となるうえに、短絡回路構成中はバッテリを充電できないという問題点があった。
【0008】
この発明はかかる問題点を解決するためになされたものであり、高回転時でも弱め界磁運転を必要とせず、永久磁石型同期電動機の回転数によらず連続的にバッテリを充電することができ、弱め界磁電流による損失を抑え、燃費の向上を図る自動車用電力装置を得ることを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この発明は、自動車のエンジンの始動・加速及び発電を行う自動車用電力装置であって、上記エンジンの始動時および加速時に該エンジンを駆動するとともに、定常走行時および減速時に該エンジンの動力を受けて発電を行う同期電動機と、上記同期電動機の上記エンジンの駆動時には上記同期電動機を駆動するとともに、上記同期電動機の発電時には整流動作を行うインバータと、上記インバータの入力端子に接続され、上記同期電動機の上記エンジンの駆動時には上記インバータに直流電力を供給し、上記同期電動機の上記発電時には上記同期電動機の発電電力により充電される電源とを備え、上記電源は、第一のエネルギ蓄積源と第二のエネルギ蓄積源を互いに直列接続した直列接続電源と、上記第一のエネルギ蓄積源および上記第二のエネルギ蓄積源の間でエネルギの輸送を行うDC/DCコンバータとを備え、上記同期電動機の発電時に上記同期電動機の回転数が所定の回転数を超えた期間では、上記同期電動機の入力端子またはその入力端子に接続された上記インバータの入力側の短絡とその解除とを所定の時間間隔で繰り返し行うことにより、上記同期電動機から上記インバータを介する上記直列接続電源への電力供給の停止と供給とを当該所定の時間間隔で繰り返し行い、電力供給の停止時には、上記DC/DCコンバータにより、上記第二のエネルギ蓄積源から、上記第一のエネルギ蓄積源もしくは上記第一のエネルギ蓄積源に接続された負荷へ、エネルギを輸送する。
【0010】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態に係る自動車用電力装置の構成を示す回路図である。図1において、インバータ1は、M/G(モータ/発電機)20を駆動、または、M/G20の発電機動作時の出力を整流するための3相インバータ装置で、Sx1〜Sx6の6つのスイッチ(スイッチには一般にパワー半導体素子を用いる。図1においてはMOSFETとして記載しているが、IGBTなど他のパワー半導体素子でもよい。以下同様。)から構成され、Sx1、Sx3、Sx5が上側アームのスイッチ、Sx2、Sx4、Sx6が下側アームのスイッチである。M/G20は、ハイブリッド自動車や燃料電池自動車などの電気自動車において、始動時や加速時に際してエンジンをトルクアシストする場合にはモータとして動作してエンジンを駆動し、定常走行時や減速時にはエンジンの動力を受けて発電を行う発電機として動作するモータ/発電機で、エンジンのクランクシャフトに直結されるか、または、ベルトやギアを介してエンジンのクランクシャフトと結合されている。M/G20としては、永久磁石付きクローポール型や永久磁石型の同期電動機または誘導電動機が考えられる。
【0011】
また、バッテリ30およびコンデンサ31は、それぞれ、第一および第二のエネルギ蓄積源であり、バッテリ30とコンデンサ31は互いに直列接続された直列接続電源を構成している。バッテリ30には、図に示すように、電力供給対象の車載負荷33が接続されている。また、バッテリ30とコンデンサ31の間でエネルギをやり取りするDC/DCコンバータ10は、上側スイッチのQx1、下側スイッチのQx2、リアクトルLxから構成されており、図1におけるDx1,Dx2はフリーホイールダイオードである。バッテリ30とコンデンサ31とDC/DCコンバータ10とは、インバータ10の入力端子に接続されて、M/G20のエンジンの駆動動作時にはインバータ1に直流電力を供給し、M/G20の発電動作時には同期電動機の発電電力により充電される“電源”を構成している。
【0012】
コンデンサ31は大容量のコンデンサで、電気二重層キャパシタやアルミ電解コンデンサなどが用いられる。また、インバータ1とDC/DCコンバータ10の間には平滑コンデンサ15が並列接続されている。制御回路32は、M/G20のモータの回転数やコンデンサ31の電圧を検出し、それに基づいてインバータ1やDC/DCコンバータ10を構成するパワー半導体素子に動作制御信号を送る装置である。
【0013】
図1に示す回路の電気自動車の始動時や発電時における従来の動作についてまず説明する。アイドルストップ後のエンジン再始動時(モータに十分な始動トルクがあり、トルク伝達上も十分な機械的能力があればエンジン温度の低い初期始動時も含む)や加速時のトルクアシストには、大きな電流をモータに供給する必要があり、そのためにはインバータ入力にバッテリから大電流を供給する必要がある。このため、電気自動車においては、必要な始動トルクに合わせて大容量のバッテリを搭載する必要があるため、バッテリが高コストとなっている。一方、インバータにおいては、その定常損失は出力電流にほぼ比例(スイッチング素子にIGBTを用いた場合)するか、または、その2乗(スイッチング素子にMOSFETを用いた場合)にほぼ比例すると考えてよく、インバータを構成するスイッチング素子(パワー半導体素子)の大容量化や多並列化が必要になるため、インバータの小型・低コスト化にはインバータ出力電流の低電流化、入力電圧の高電圧化が求められている。
【0014】
これらの課題を解決する従来の方法が、特開2002−218667号公報に提案されている。当該公報においては、アイドルストップ後の再始動に要する時間は1秒以内程度の短時間であり、その後の加速時のモータによるトルクアシストを含めても10秒程度であるため、大容量バッテリの代わりに、図1の回路に示すように、既存の12Vバッテリなど低電圧のバッテリと大容量コンデンサを直列接続し、上記のアイドルストップ後の再始動やトルクアシスト時の短時間大電流出力領域では、コンデンサからもエネルギをインバータに供給することによって、バッテリから供給する電流を低減でき、バッテリの低電圧化・低容量化による小型・低コスト化、あるいは、瞬時引き出し電流の低電流化による長寿命化を期待している。また、コンデンサ電圧を上げることによって、インバータの入力電圧の高電圧化ができるため、同一の出力電力では、出力電流を低減できる。
【0015】
一方、M/G20を発電機として動作させる場合にはインバータ1は、整流装置として働く。M/G20として誘導電動機を用いた場合、回転磁束を供給するための励磁電流が必要で、力率が悪く、始動電流が大きくなってしまうという問題がある。そこで、以下の記述では、本発明の特徴であるM/G20として永久磁石型の同期電動機、または、永久磁石付きクローポール型同期電動機を用いた場合の発電機の動作について説明する。
【0016】
図2はM/G20が発電機として動作している時のコンデンサ31の充電・放電状況を示している。ここで、縦軸のVcはコンデンサ31の端子間電圧、Vcmaxはコンデンサ31の最大定格電圧である。M/G20が発電機として動作しており、その回転数がある値以下でバッテリ30を充電するに適当な出力電圧に制御されている場合には、モータ回転数を検知している制御回路32から、上側スイッチQx1をオン、下側スイッチQx2をオフする信号が出力され、上側スイッチQx1を通してバッテリ30が充電される。この期間では、スイッチング動作をしないため、上側スイッチQx1の損失は最小限に抑制できるという効果が得られる。この動作状態では、コンデンサ31には電荷は蓄積されておらず、その両端電圧は零である。回転数が上がり、ある一定の回転数に達すると、制御回路32がそれを検知して、DC/DCコンバータ10を降圧コンバータとして作動させる信号を上側スイッチQx1および下側スイッチQx2に出力し、バッテリ30を充電するに適当な電圧まで降圧する。DC/DCコンバータ10を許容温度以下に維持するためには、上側スイッチQx1や下側スイッチQx2の発熱を抑制する必要があり、そのために制御回路32はDC/DCコンバータ10の動作時間やデュティーを制限したり、停止したりする制御を行う。このとき、コンデンサ31はM/G20によって充電される(図2の(a)の期間)。この場合、コンデンサ31の充電電流はバッテリ30にも流れるので、コンデンサ31の充電と同時にバッテリ30も充電されることになる。
【0017】
M/G20の回転数がさらに上がると、コンデンサ31への充電がさらに続き((a)の期間をさらに伸ばす)、図中の点線で示すようにコンデンサ31の最大定格電圧Vcmaxを越えることになるが、ここで、コンデンサ31の電圧VcがVcmaxより低い、予め定められた、ある所定の電圧に達した時(図中の(A)点)、制御回路32がこれを検知して、図1におけるインバータ1の上側アームのパワー半導体素子Sx1、Sx3、Sx5の全てのスイッチをオン、または下側アームのパワー半導体素子Sx2、Sx4、Sx6の全てのスイッチをオンする信号を出力することにより、3相短絡回路を構成すればコンデンサ31はそれ以上充電されず電圧VcはVcmaxを超えることはない。
【0018】
この3相短絡回路を構成するアイデアは、上記特許文献1にも記述されている。同公報によると、永久磁石型同期電動機がある一定以上の高速回転では、平滑コンデンサの充電電圧がその定格電圧を超えないように永久磁石型同期電動機を弱め界磁運転するが、その弱め界磁運転中に異常が発生した場合、平滑コンデンサに必要以上の電圧が印加されるのを防止する手段として3相短絡回路を構成するアイデアを提案している。同公報ではバッテリ側回路が、本実施の形態に係る図1のような構成ではなく、インバータの入力側に直接バッテリが接続されており、3相短絡回路の構成中はバッテリ充電ができない回路構成である。
【0019】
しかるに、本実施の形態においては、図1の回路では、上記の図2の(a)の期間の後、3相短絡回路を構成し、その構成中にDC/DCコンバータ10によりコンデンサ31に蓄えられたエネルギで、車載負荷33へ電力を供給することによって放電したバッテリ30を充電したり、バッテリ30に直接接続された車載負荷33に電力を供給することが可能(図2の(c)の期間)であり、バッテリ30への充電や車載負荷33への電力供給によってコンデンサ31の電圧が下がったことを制御回路32が検知して、3相短絡回路の構成を解除すれば、再びM/G20による発電エネルギをコンデンサ31に蓄える動作モード(図2の(a)の期間)に入ることができる。すなわち、M/G20の回転数が一定値以上でも、弱め界磁運転を行うことなく、上記動作を適当な時間間隔で繰り返し行うことにより、バッテリを充電し続けることが可能である。したがって、高速回転域における弱め界磁電流による制御が不要となり、制御が容易になるとともに、弱め界磁電流による損失を発生させず、インバータ側の発熱も低減することができる。
【0020】
なお、M/G20の高速回転域での弱め界磁電流は、回転数の増加とともに大きくしなければならないが、比較的小さい電流でよい領域では、弱め界磁電流制御によりM/G20の端子電圧を制御してバッテリを充電する方が、制御は複雑になるが、3相短絡とその解除を繰り返すよりもシステム全体の損失を低減できる場合がある。そのような回転域においては、最初弱め界磁運転を行い、それ以上の高速回転域では、3相短絡とその解除を繰り返す方式に移行する運転形態としてもよい。
【0021】
また、図1に示すようにバッテリ30にコンデンサ31を直列接続した電源では、バッテリ単体の電源の場合より、コンデンサ31の定格電圧分だけ、永久磁石型同期電動機の端子電圧が高くても問題なくバッテリ30を充電できる。これは弱め界磁電流が低く抑えられること、あるいは同一界磁電流で、より高速回転までバッテリ30を充電できることを意味し、その分だけ損失を低減できる。したがって、図1に示す回路を用いて、高速回転領域での弱め界磁運転と3相短絡の繰り返しという運転モードでシステム全体をさらに高効率化することも考えられる。
【0022】
さらに、インバータ1の定格電流制限等で弱め界磁運転が不可能になり、3相短絡を連続して構成しなければならない走行状態でも、本実施の形態を用いれば、3相短絡とその解除を繰り返し行うことが可能であり、連続してバッテリ30の充電が可能である。
【0023】
なお、図2では短絡回路を構成するタイミングとDC/DCコンバータ10に降圧コンバータ動作を行わせるタイミングの間に適当な時間(図2の(b)の期間)をとっている。これは、DC/DCコンバータ10を構成するパワー半導体素子Qx1、Qx2、Dx1、Dx2が動作するにおいて十分低い温度にまで下げるためにとっている時間であり、動作上問題が無ければ、図3の動作パターンにあるように(b)の期間を無くして、上記の短絡回路の構成とほぼ同時にDC/DCコンバータ10に降圧コンバータ動作を行わせてもよい。
【0024】
また、図2の(a)の期間はコンデンサ31にエネルギを蓄える期間であるが、DC/DCコンバータ10のパワー半導体素子などの部品が熱的に動作可能な状態であれば、降圧動作を行わせながら、同時にコンデンサ31にもエネルギを蓄えるということも可能である。
【0025】
さらに、図1のようにバッテリ30の上にコンデンサ31を積上げた構成では、万一インバータ1を構成するパワー半導体素子が破壊し短絡状態となった場合でも、コンデンサ31は放電するが、バッテリ30の端子間は短絡状態とはならないので信頼性の高いシステムとなる。
【0026】
また、ここまでの記述では、平滑コンデンサに必要以上の電圧が印加されるのを防止する手段として3相短絡回路を構成する方法を例に上げて述べてきたが、上記特許文献1の図3に示されているようなインバータの入力側を短絡する方法でもよい。
【0027】
以上のように、本実施の形態に係る自動車用電力装置は、永久磁石型同期電動機(M/G20)を駆動するインバータ1の入力側の直流電源を、バッテリ30(第一のエネルギ蓄積源)とコンデンサ31(第二のエネルギ蓄積源)との直列接続で構成し、且つ、バッテリ30とコンデンサ31の間で電力のやり取りを行うDC/DCコンバータ10とで構成した。この電源構成を用いると、永久磁石形同期電動機の回転数が一定以上の高回転時において、インバータ1の上側アームまたは下側アームのスイッチング素子の全オンによる3相短絡とその解除を適当な時間間隔で繰り返し行うことにより、3相短絡解除中には発電電力をコンデンサ31とバッテリ30に供給し、全オン中はコンデンサ31に蓄積されたエネルギをDC/DCコンバータ10によりバッテリ30に輸送することにより、バッテリ30を充電することができる(なお、全オン中において、バッテリ30のみならず、バッテリ30に接続された車載負荷33にもエネルギを輸送するようにしてもよい。)。エネルギがバッテリ30に輸送されるとコンデンサ31両端の電圧が下がり、再びインバータ1の上側アームまたは下側アームでの3相短絡状態を解除することにより、コンデンサ31とバッテリ30を充電する動作モードに入る。この方式では、高回転時でも弱め界磁運転を必要とせず、この動作を繰り返すことにより、永久磁石型同期電動機の回転数によらず連続的にバッテリ30を充電することができ、弱め界磁電流を流さないため損失も減少し、燃費が向上するという効果が得られる。さらに、エンジンブレーキなどを使って高速回転領域を使いながら減速するときなどは、自動車の運動エネルギを有効に回生できるという効果がある。さらに、充放電を繰り返すエネルギ蓄積源の一方にコンデンサ31を使うことは、放電深度を大きくすると極端に経年劣化しやすいバッテリに比べてシステムの寿命を長くすることができるという効果もある。さらに、3相短絡を、インバータ1の上側アームのパワー半導体素子Sx1、Sx3、Sx5の全てのスイッチをオン、または下側アームのパワー半導体素子Sx2、Sx4、Sx6の全てのスイッチをオンすることにより行うようにしたので、安価に3相短絡回路を構成することができるとともに、オン/オフのタイミングの制御を容易に行うことができる。
【0028】
実施の形態2.
本実施の形態においては、図1の回路におけるDC/DCコンバータ10の各部品の耐電圧が以下の不等式を満足するように選択することによって、より信頼性の高いシステムとすることができる。
【0029】
Vcmax > Vemfmax−Vb (1)
VQx1 > Vemfmax (2)
VQx2 > Vemfmax (3)
【0030】
ここで、Vemfmaxは永久磁石型同期電動機の最大回転速度における無負荷誘起電圧、Vcmaxはコンデンサ31の最大定格電圧、VQx1、VQx2はパワー半導体素子(ここではMOSFETとして描いているがIGBTなど他のパワー半導体素子であってもよい。)であるQx1、Qx2のドレイン・ソース間最大定格電圧である。図4は走行時のコンデンサ31の充電・放電状況を示している。実施の形態1と同様に、M/G20が発電モードに入り、回転数がある一定値以上になるとコンデンサ31の充電が開始され(図4の(a)の期間)、MGの回転数が一定になれば、コンデンサ31の両端電圧Vcは
【0031】
Vc=Vemf−Vb (4)
【0032】
となる(図4の(b)の期間)。ここで、Vbはバッテリ30の端子間電圧、Vemfはその回転数においてM/G20の誘起電圧により整流回路として動作しているインバータ1の端子間に発生する出力電圧である。コンデンサ31の最大定格電圧Vcmaxが(1)の関係を満たしているので、M/G20が最大回転速度で回転し続けてもコンデンサ31の電圧VcはVcmaxを超えることはなく、絶縁破壊することはないので信頼性の高い装置となる。
【0033】
このようにM/G20に永久磁石型同期電動機、あるいは、永久磁石付きのクローポール型同期電動機を用いた駆動、発電システムにおいて、(1)式の関係を満たすコンデンサ31をバッテリ30に直列接続し、さらに(2)式、(3)式の関係を満たしていれば、M/G20の回転数によらず、バッテリ30の充電状態やDC/DCコンバータ10を構成する部品の温度に応じて、DC/DCコンバータ10の動作制限や一時停止を行うことができる。これにより、DC/DCコンバータ10に必要以上の冷却性能や低発熱化を求める必要はなくなり、DC/DCコンバータ10を小型化、低コスト化することができる。
【0034】
さらに、インバータ1を構成するパワー半導体素子の耐圧が十分であれば、実施の形態1で述べたインバータ1の上側アームのパワー半導体素子、または、下側アームのパワー半導体素子を全てオン状態にする3相短絡、あるいは、インバータ部の直流入力側を短絡することは必ずしも必要ではなくなり、制御が容易になる。この場合にはバッテリ充電が必要な時にDC/DCコンバータ10を動作させればよい。一方、(1)式、(2)式、(3)式の関係がある場合でも、インバータ1の部品コスト低減や損失低減のため、インバータ1に最大定格電圧の低いパワー半導体素子を使う場合には、上記の短絡回路を構成してこれらの素子に最大定格電圧以上の電圧がかからないようにすればよい。
【0035】
以上のように、本実施の形態によれば、バッテリ30(第一のエネルギ蓄積源)とコンデンサ31(第二のエネルギ蓄積源)を互いに直列接続した直列接続電源の両端に印加可能な電圧が、M/G20の最大回転数における無負荷誘起電圧より大きいようにしたので、M/G20の回転数によらず、バッテリ30の充電状態やDC/DCコンバータ10を構成する部品の温度に応じて、DC/DCコンバータ10の動作制限や一時停止を行うことができる。これにより、DC/DCコンバータ10に必要以上の冷却性能や低発熱化を求める必要はなくなり、DC/DCコンバータ10を小型化、低コスト化することができる。さらに、M/G20の入力端子を短絡させる手段が不要になるという効果が得られる。
【0036】
実施の形態3.
図1〜3においてインバータ1の上側アーム、または、下側アームのパワー半導体素子が全てオン、オフを繰り返しているか、あるいは、インバータ1の入力端子間が短絡、開放を繰り返し、その間、DC/DCコンバータ10が動作して、コンデンサ31の充放電の繰り返しが行われている期間の両側では、Qx1がオン状態でコンデンサ31は充電されていない(すなわち、図2および図3における両端の「Qx1オン」と記載されていて、Vcが0の期間)。この期間は永久磁石型同期電動機、または、永久磁石付きのクローポール型同期電動機の比較的回転数が低く、インバータ1のダイオードで整流した出力でバッテリ30を充電できるか、あるいは、インバータ1による弱め界磁運転を行い、インバータ入力側に現れる電圧でバッテリ30を充電できる状況を示している。このように、永久磁石型同期電動機の比較的回転数が低い場合には、DC/DCコンバータ10を構成するスイッチング素子Qx1は常時オンとしておく。このようにすれば、スイッチングによる損失が発生せず、DC/DCコンバータ10の発熱を低減することができる。
【0037】
以上のように、本実施の形態によれば、DC/DCコンバータ10は、バッテリ30(第一のエネルギ蓄積源)とコンデンサ31(第二のエネルギ蓄積源)の間でエネルギを相互に輸送し合うため、少なくとも2つのスイッチング素子Qx1,Qx2で構成され、これらのスイッチング素子Qx1,Qx2のうち、インバータ1の直流電圧入出力端子の高電圧側端子とバッテリ30とをリアクトルLxを介して接続するスイッチング素子Qx1は、M/G20による発電動作時において、M/G20がある一定の回転数以下では、常時オン状態としたので、発電時のDC/DCコンバータ10部分の発熱を低く抑えることができる。
【0038】
【発明の効果】
この発明は、自動車のエンジンの始動・加速及び発電を行う自動車用電力装置であって、上記エンジンの始動時および加速時に該エンジンを駆動するとともに、定常走行時および減速時に該エンジンの動力を受けて発電を行う同期電動機と、上記同期電動機の上記エンジンの駆動時には上記同期電動機を駆動するとともに、上記同期電動機の発電時には整流動作を行うインバータと、上記インバータの入力端子に接続され、上記同期電動機の上記エンジンの駆動時には上記インバータに直流電力を供給し、上記同期電動機の上記発電時には上記同期電動機の発電電力により充電される電源とを備え、上記電源は、第一のエネルギ蓄積源と第二のエネルギ蓄積源を互いに直列接続した直列接続電源と、上記第一のエネルギ蓄積源および上記第二のエネルギ蓄積源の間でエネルギの輸送を行うDC/DCコンバータとを備え、上記同期電動機の発電時に上記同期電動機の回転数が所定の回転数を超えた期間では、上記同期電動機の入力端子またはその入力端子に接続された上記インバータの入力側の短絡とその解除とを所定の時間間隔で繰り返し行うことにより、上記同期電動機から上記インバータを介する上記直列接続電源への電力供給の停止と供給とを当該所定の時間間隔で繰り返し行い、電力供給の停止時には、上記DC/DCコンバータにより、上記第二のエネルギ蓄積源から、上記第一のエネルギ蓄積源もしくは上記第一のエネルギ蓄積源に接続された負荷へ、エネルギを輸送するようにしたので、高回転時でも弱め界磁運転を必要とせず、永久磁石型同期電動機の回転数によらず連続的にバッテリを充電することができ、弱め界磁電流による損失を抑え、燃費の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態に係る自動車用電力装置の構成を示す回路図である。
【図2】 本発明の実施の形態に係る自動車用電力装置に設けられたコンデンサの充電・放電動作パターンの実施の形態1に係る一例を示す説明図である。
【図3】 本発明の実施の形態に係る自動車用電力装置に設けられたコンデンサの充電・放電動作パターンの実施の形態1に係る他の例を示す説明図である。
【図4】 本発明の実施の形態に係る自動車用電力装置に設けられたコンデンサの充電・放電動作パターンの実施の形態2に係る一例を示す説明図である。
【符号の説明】
1 インバータ、10 DC/DCコンバータ、15 平滑コンデンサ、20M/G(モータ/発電機)、30 バッテリ、31 コンデンサ、32 制御回路、33 負荷、Sx1〜Sx6 パワー半導体素子、Qx1 上側スイッチ、Qx2 下側スイッチ、Dx1,Dx2 フリーホイールダイオード、Lx リアクトル。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an automobile power device, and more particularly, to an automobile power device that starts and accelerates an automobile engine and generates electric power.
[0002]
[Prior art]
As a drive system for an electric vehicle, a type in which an electric motor is directly connected to an engine crankshaft is known. In this type of drive system, a battery is connected as an input power source of an inverter that drives an electric motor, and the shaft of the electric motor is connected to a wheel via a transmission to drive it.
[0003]
In a conventional automobile power device, when a permanent magnet type synchronous motor is used as an electric motor, a field-weakening operation method is used in a high-speed range of a predetermined number of revolutions or more, and a DC circuit from a battery to an inverter is generated during vehicle travel. When an abnormality such as opening occurs, the switching elements of the upper arm or lower arm of the inverter that drives the permanent magnet type synchronous motor for driving the vehicle are collectively turned on to output a zero voltage vector, or the inverter After the smoothing capacitor and the inverter unit are separated by the switching means provided on the DC input side, the power supply from the synchronous motor is stopped by short-circuiting the DC terminals on the inverter input side by the second switching means. An example of preventing a voltage more than necessary from being applied to the smoothing capacitor has been proposed (see, for example, Patent Document 1). .
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-47055
[0005]
FIG. 2 of the above-mentioned Patent Document 1 shows the former example, which is a case where the switching elements of the upper arm are collectively turned on, and the direction of each phase current flowing through the input terminal of the permanent magnet type synchronous motor Is indicated by an arrow. In this case, a short circuit is constituted by the transistor and the diode. Thus, by turning on all the switching elements of the upper arm, a short circuit can be configured regardless of the direction of the three-phase current. The same effect can be obtained even if all the switching elements of the lower arm are turned on.
[0006]
FIG. 3 of the above-mentioned patent document 1 shows the latter example, and an opening / closing means for separating the switching unit and the smoothing capacitor of the inverter and an opening / closing means for short-circuiting the input side of the inverter are added. ing. By disconnecting the smoothing capacitor from the inverter by the switching means and then short-circuiting the input side of the inverter by the switching means, the current of the permanent magnet synchronous motor can be short-circuited via the diode of the inverter.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In an automobile power device using a permanent magnet type synchronous motor as described in Patent Document 1 described above, field-weakening operation is required in a high-speed range of a certain number of revolutions or more, and control is complicated. In addition, in order to prevent loss due to field weakening current and to apply a voltage exceeding the allowable voltage to the smoothing capacitor, while outputting the zero voltage vector or shorting between the DC terminals on the inverter input side In addition, a short circuit is constituted by the transistor and the diode, and all the power generated by the permanent magnet type synchronous motor is lost, and the battery cannot be charged during the short circuit configuration.
[0008]
The present invention has been made to solve such a problem, and does not require field-weakening operation even at a high speed, and can continuously charge a battery regardless of the rotational speed of the permanent magnet type synchronous motor. An object of the present invention is to obtain an automobile power device that can reduce the loss caused by the field weakening current and improve the fuel consumption.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention is an automotive power device for starting, accelerating and generating electric power of an automobile engine, which drives the engine when starting and accelerating the engine and receives the power of the engine during steady running and deceleration. A synchronous motor that generates electric power, an inverter that drives the synchronous motor when the engine of the synchronous motor is driven, and that performs a rectifying operation when the synchronous motor generates power; and an input terminal of the inverter that is connected to the synchronous motor. A power source that supplies DC power to the inverter when the engine is driven, and is charged by the generated power of the synchronous motor when the synchronous motor generates power. The power source includes a first energy storage source and a second power source. A series-connected power supply in which the energy storage sources are connected in series with each other, the first energy storage source and the second energy storage source. A DC / DC converter that transports energy between energy storage sources, and during the period when the rotational speed of the synchronous motor exceeds a predetermined rotational speed during power generation of the synchronous motor, the input terminal of the synchronous motor or its By repeatedly performing a short circuit on the input side of the inverter connected to the input terminal and releasing it at a predetermined time interval, the power supply is stopped and supplied from the synchronous motor to the series-connected power source via the inverter. It is repeated at the predetermined time interval, and when the power supply is stopped, the DC / DC converter is connected from the second energy storage source to the first energy storage source or the first energy storage source. Transport energy to the load.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an automotive power device according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, an inverter 1 is a three-phase inverter device for driving an M / G (motor / generator) 20 or rectifying an output when the generator of the M / G 20 is operated. A power semiconductor element is generally used for the switch. Although it is described as a MOSFET in FIG. 1, it may be another power semiconductor element such as an IGBT. The same applies hereinafter. Sx1, Sx3, Sx5 are upper arms. The switches Sx2, Sx4, and Sx6 are switches for the lower arm. In an electric vehicle such as a hybrid vehicle or a fuel cell vehicle, the M / G 20 operates as a motor to drive the engine when assisting the engine at the time of starting or accelerating, and drives the engine during steady running or deceleration. The motor / generator that operates as a generator for receiving power and is directly connected to the crankshaft of the engine or is connected to the crankshaft of the engine via a belt or gear. As the M / G 20, a claw pole type permanent magnet or a permanent magnet type synchronous motor or induction motor can be considered.
[0011]
The battery 30 and the capacitor 31 are first and second energy storage sources, respectively. The battery 30 and the capacitor 31 constitute a series-connected power source connected in series with each other. As shown in the figure, an in-vehicle load 33 to be supplied with power is connected to the battery 30. The DC / DC converter 10 that exchanges energy between the battery 30 and the capacitor 31 includes an upper switch Qx1, a lower switch Qx2, and a reactor Lx. Dx1 and Dx2 in FIG. It is. The battery 30, the capacitor 31, and the DC / DC converter 10 are connected to the input terminal of the inverter 10, and supply DC power to the inverter 1 when the engine of the M / G 20 is driven, and are synchronized when the M / G 20 generates power. It constitutes a “power source” that is charged by the electric power generated by the motor.
[0012]
The capacitor 31 is a large-capacity capacitor, and an electric double layer capacitor, an aluminum electrolytic capacitor, or the like is used. A smoothing capacitor 15 is connected in parallel between the inverter 1 and the DC / DC converter 10. The control circuit 32 is a device that detects the rotational speed of the motor of the M / G 20 and the voltage of the capacitor 31 and sends an operation control signal to the power semiconductor elements constituting the inverter 1 and the DC / DC converter 10 based on the detected number.
[0013]
First, a description will be given first of the conventional operation at the start of the electric vehicle or at the time of power generation of the circuit shown in FIG. Great for torque assist during engine restart after idling stop (including initial start-up when engine temperature is low and engine temperature is sufficient if torque is sufficient) It is necessary to supply current to the motor, and for this purpose, it is necessary to supply a large current from the battery to the inverter input. For this reason, in an electric vehicle, since it is necessary to mount a large capacity battery according to the required starting torque, the battery is expensive. On the other hand, in an inverter, it may be considered that the steady-state loss is almost proportional to the output current (when IGBT is used as a switching element) or is almost proportional to its square (when MOSFET is used as a switching element). Because switching devices (power semiconductor devices) that make up inverters need to be large in capacity and multi-parallel, the inverter output current can be reduced and the input voltage can be increased to reduce the size and cost of the inverter. It has been demanded.
[0014]
A conventional method for solving these problems is proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-218667. In this publication, the time required for restart after an idle stop is a short time of about 1 second or less, and is about 10 seconds including the torque assist by the motor during subsequent acceleration. In addition, as shown in the circuit of FIG. 1, a low-voltage battery such as an existing 12V battery and a large-capacitance capacitor are connected in series, and in the short-time high-current output region at the time of restart or torque assist after the above-described idle stop, By supplying energy from the capacitor to the inverter as well, the current supplied from the battery can be reduced, and the battery can be reduced in size and cost by lowering the voltage and capacity, or the life can be extended by reducing the instantaneous current draw. Expecting. Further, since the input voltage of the inverter can be increased by increasing the capacitor voltage, the output current can be reduced with the same output power.
[0015]
On the other hand, when the M / G 20 is operated as a generator, the inverter 1 functions as a rectifier. When an induction motor is used as the M / G 20, there is a problem that an excitation current for supplying the rotating magnetic flux is necessary, the power factor is bad, and the starting current becomes large. Therefore, in the following description, the operation of the generator when a permanent magnet type synchronous motor or a claw pole type synchronous motor with a permanent magnet is used as the M / G 20 which is a feature of the present invention will be described.
[0016]
FIG. 2 shows a charging / discharging state of the capacitor 31 when the M / G 20 is operating as a generator. Here, Vc on the vertical axis is a voltage between terminals of the capacitor 31, and Vcmax is a maximum rated voltage of the capacitor 31. When the M / G 20 is operating as a generator and the rotation speed is controlled to an output voltage suitable for charging the battery 30 below a certain value, the control circuit 32 detects the motor rotation speed. Thus, a signal for turning on the upper switch Qx1 and turning off the lower switch Qx2 is output, and the battery 30 is charged through the upper switch Qx1. Since no switching operation is performed during this period, the loss of the upper switch Qx1 can be minimized. In this operating state, no charge is accumulated in the capacitor 31 and the voltage across it is zero. When the rotational speed increases and reaches a certain rotational speed, the control circuit 32 detects this and outputs a signal for operating the DC / DC converter 10 as a step-down converter to the upper switch Qx1 and the lower switch Qx2, and the battery Step down to a voltage suitable for charging 30. In order to keep the DC / DC converter 10 below the allowable temperature, it is necessary to suppress the heat generation of the upper switch Qx1 and the lower switch Qx2, and for this purpose, the control circuit 32 reduces the operating time and duty of the DC / DC converter 10. Control to limit or stop. At this time, the capacitor 31 is charged by the M / G 20 (period (a) in FIG. 2). In this case, since the charging current of the capacitor 31 also flows to the battery 30, the battery 30 is charged simultaneously with the charging of the capacitor 31.
[0017]
When the rotational speed of M / G 20 further increases, charging of capacitor 31 continues (the period of (a) is further extended), and exceeds the maximum rated voltage Vcmax of capacitor 31 as shown by the dotted line in the figure. Here, when the voltage Vc of the capacitor 31 reaches a certain predetermined voltage that is lower than Vcmax (point (A) in the figure), the control circuit 32 detects this, and FIG. By turning on all the switches of the power semiconductor elements Sx1, Sx3, Sx5 of the upper arm of the inverter 1 or turning on all the switches of the power semiconductor elements Sx2, Sx4, Sx6 of the lower arm in FIG. If the phase short circuit is configured, the capacitor 31 is not charged any more and the voltage Vc does not exceed Vcmax.
[0018]
The idea of configuring this three-phase short circuit is also described in Patent Document 1. According to the publication, when a permanent magnet type synchronous motor rotates at a certain speed or higher, the permanent magnet type synchronous motor is operated to weaken the field so that the charging voltage of the smoothing capacitor does not exceed the rated voltage. In the case where an abnormality occurs during operation, an idea of configuring a three-phase short circuit as a means for preventing an excessive voltage from being applied to the smoothing capacitor is proposed. In this publication, the battery side circuit is not configured as shown in FIG. 1 according to the present embodiment, but the battery is directly connected to the input side of the inverter, and the battery cannot be charged during the configuration of the three-phase short circuit. It is.
[0019]
However, in the present embodiment, the circuit of FIG. 1 forms a three-phase short circuit after the period of FIG. 2A, and is stored in the capacitor 31 by the DC / DC converter 10 during the configuration. It is possible to charge the discharged battery 30 by supplying power to the in-vehicle load 33 with the generated energy, or to supply power to the in-vehicle load 33 directly connected to the battery 30 ((c) in FIG. 2). If the control circuit 32 detects that the voltage of the capacitor 31 has dropped due to charging of the battery 30 or power supply to the in-vehicle load 33 and canceling the configuration of the three-phase short circuit, the M / An operation mode (period (a) in FIG. 2) in which the energy generated by G20 is stored in the capacitor 31 can be entered. That is, even when the rotational speed of the M / G 20 is equal to or greater than a certain value, it is possible to continue charging the battery by repeating the above operation at appropriate time intervals without performing field-weakening operation. Therefore, the control by the field weakening current in the high-speed rotation region becomes unnecessary, the control becomes easy, the loss due to the field weakening current does not occur, and the heat generation on the inverter side can be reduced.
[0020]
It should be noted that the field weakening current in the high speed rotation region of M / G20 must be increased as the number of rotations increases, but in a region where a relatively small current may be used, the terminal voltage of M / G20 is controlled by field weakening current control. Controlling the battery and charging the battery is more complicated, but there are cases where the loss of the entire system can be reduced rather than repeating the three-phase short circuit and its release. In such a rotation region, the field-weakening operation may be performed first, and in a higher rotation region, the operation may be switched to a method in which a three-phase short circuit and its release are repeated.
[0021]
Further, in the power source in which the capacitor 31 is connected in series to the battery 30 as shown in FIG. 1, there is no problem even if the terminal voltage of the permanent magnet type synchronous motor is higher by the rated voltage of the capacitor 31 than in the case of the power source of the battery alone. The battery 30 can be charged. This means that the field weakening current can be kept low, or that the battery 30 can be charged up to higher speed rotation with the same field current, and the loss can be reduced accordingly. Therefore, using the circuit shown in FIG. 1, it is conceivable to further increase the efficiency of the entire system in an operation mode of repeated field-weakening operation and three-phase short circuit in a high-speed rotation region.
[0022]
Further, even when the inverter 1 is in a running state in which field-weakening operation becomes impossible due to the rated current limitation of the inverter 1 and a three-phase short circuit must be continuously formed, the three-phase short circuit and the release thereof are used. The battery 30 can be continuously charged.
[0023]
In FIG. 2, an appropriate time (period (b) in FIG. 2) is taken between the timing of forming the short circuit and the timing of causing the DC / DC converter 10 to perform the step-down converter operation. This is the time taken to lower the temperature to a sufficiently low temperature when the power semiconductor elements Qx1, Qx2, Dx1, and Dx2 constituting the DC / DC converter 10 operate. If there is no problem in operation, the operation pattern of FIG. As shown in FIG. 5, the period of (b) may be eliminated, and the DC / DC converter 10 may be caused to perform the step-down converter operation almost simultaneously with the configuration of the short circuit.
[0024]
The period (a) in FIG. 2 is a period in which energy is stored in the capacitor 31. If components such as the power semiconductor element of the DC / DC converter 10 are in a thermally operable state, the step-down operation is performed. It is also possible to store energy in the capacitor 31 at the same time.
[0025]
Further, in the configuration in which the capacitor 31 is stacked on the battery 30 as shown in FIG. 1, even if the power semiconductor element constituting the inverter 1 is destroyed and short-circuited, the capacitor 31 is discharged, but the battery 30 Since the terminals are not short-circuited, the system is highly reliable.
[0026]
In the description so far, the method of constructing the three-phase short circuit as an example of preventing the application of an excessive voltage to the smoothing capacitor has been described as an example. The method of short-circuiting the input side of the inverter as shown in FIG.
[0027]
As described above, in the automobile power device according to the present embodiment, the DC power source on the input side of the inverter 1 that drives the permanent magnet type synchronous motor (M / G 20) is used as the battery 30 (first energy storage source). And a capacitor 31 (second energy storage source) in series, and a DC / DC converter 10 that exchanges power between the battery 30 and the capacitor 31. When this power supply configuration is used, when the rotational speed of the permanent magnet type synchronous motor is high enough to be higher than a certain value, the three-phase short-circuit due to all the switching elements of the upper arm or the lower arm of the inverter 1 being turned on and the release thereof for an appropriate time. By repeating the operation at intervals, the generated power is supplied to the capacitor 31 and the battery 30 while the three-phase short circuit is released, and the energy stored in the capacitor 31 is transported to the battery 30 by the DC / DC converter 10 when all of the power is on. Thus, the battery 30 can be charged (in addition, the energy may be transported not only to the battery 30 but also to the in-vehicle load 33 connected to the battery 30 during all-on). When energy is transported to the battery 30, the voltage across the capacitor 31 decreases, and the operation mode for charging the capacitor 31 and the battery 30 is resumed by releasing the three-phase short-circuit state at the upper arm or the lower arm of the inverter 1 again. enter. In this method, field-weakening operation is not required even at high rotation, and by repeating this operation, the battery 30 can be continuously charged regardless of the rotation speed of the permanent magnet type synchronous motor. Since no current flows, the loss is reduced and the fuel efficiency is improved. Furthermore, when the vehicle is decelerated using an engine brake or the like while using a high-speed rotation region, the kinetic energy of the automobile can be effectively regenerated. Furthermore, the use of the capacitor 31 as one of the energy storage sources that repeatedly charge and discharge has the effect that the life of the system can be extended as compared with a battery that is extremely susceptible to aging when the discharge depth is increased. Further, a three-phase short circuit is caused by turning on all the power semiconductor elements Sx1, Sx3, Sx5 of the upper arm of the inverter 1 or turning on all the switches of the power semiconductor elements Sx2, Sx4, Sx6 of the lower arm. Since this is performed, a three-phase short circuit can be configured at low cost, and on / off timing can be easily controlled.
[0028]
Embodiment 2. FIG.
In the present embodiment, a more reliable system can be obtained by selecting the withstand voltage of each component of the DC / DC converter 10 in the circuit of FIG. 1 so as to satisfy the following inequality.
[0029]
Vcmax> Vemfmax−Vb (1)
VQx1> Vemfmax (2)
VQx2> Vemfmax (3)
[0030]
Here, Vemfmax is the no-load induced voltage at the maximum rotational speed of the permanent magnet type synchronous motor, Vcmax is the maximum rated voltage of the capacitor 31, VQx1 and VQx2 are power semiconductor elements (here, they are drawn as MOSFETs, but other power such as IGBTs) The maximum rated voltage between the drain and source of Qx1 and Qx2 may be a semiconductor element. FIG. 4 shows the charging / discharging status of the capacitor 31 during traveling. Similarly to the first embodiment, when the M / G 20 enters the power generation mode and the rotation speed becomes a certain value or more, charging of the capacitor 31 is started (period (a) in FIG. 4), and the rotation speed of the MG is constant. Then, the voltage Vc across the capacitor 31 is
[0031]
Vc = Vemf−Vb (4)
[0032]
(Period (b) in FIG. 4). Here, Vb is a voltage between the terminals of the battery 30, and Vemf is an output voltage generated between the terminals of the inverter 1 operating as a rectifier circuit by the induced voltage of the M / G 20 at the rotation speed. Since the maximum rated voltage Vcmax of the capacitor 31 satisfies the relationship (1), even if the M / G 20 continues to rotate at the maximum rotation speed, the voltage Vc of the capacitor 31 does not exceed Vcmax, and dielectric breakdown does not occur. Since it is not, it becomes a highly reliable device.
[0033]
In this way, in a drive / power generation system using a permanent magnet type synchronous motor or a claw pole type synchronous motor with a permanent magnet for the M / G 20, a capacitor 31 satisfying the relationship of formula (1) is connected in series to the battery 30. Furthermore, if the relations of the expressions (2) and (3) are satisfied, depending on the charge state of the battery 30 and the temperature of the components constituting the DC / DC converter 10 regardless of the rotational speed of the M / G 20, The operation limitation or temporary stop of the DC / DC converter 10 can be performed. Thereby, it is not necessary to require the DC / DC converter 10 to have an unnecessarily high cooling performance or low heat generation, and the DC / DC converter 10 can be reduced in size and cost.
[0034]
Further, if the withstand voltage of the power semiconductor elements constituting inverter 1 is sufficient, all the power semiconductor elements in the upper arm or the lower arm of inverter 1 described in the first embodiment are turned on. It is not always necessary to short-circuit the three-phase or the DC input side of the inverter unit, and control becomes easy. In this case, the DC / DC converter 10 may be operated when battery charging is required. On the other hand, even when there is a relationship of formulas (1), (2), and (3), when using a power semiconductor element having a low maximum rated voltage for the inverter 1 in order to reduce component costs and loss of the inverter 1 The above short circuit may be configured so that these elements are not subjected to a voltage exceeding the maximum rated voltage.
[0035]
As described above, according to the present embodiment, the voltage that can be applied to both ends of the series-connected power source in which the battery 30 (first energy storage source) and the capacitor 31 (second energy storage source) are connected in series with each other. Since it is set to be greater than the no-load induced voltage at the maximum rotational speed of the M / G 20, depending on the state of charge of the battery 30 and the temperature of the components constituting the DC / DC converter 10 regardless of the rotational speed of the M / G 20 In addition, the operation limitation or temporary stop of the DC / DC converter 10 can be performed. Thereby, it is not necessary to require the DC / DC converter 10 to have an unnecessarily high cooling performance or low heat generation, and the DC / DC converter 10 can be reduced in size and cost. Furthermore, the effect that the means for short-circuiting the input terminal of the M / G 20 becomes unnecessary is obtained.
[0036]
Embodiment 3 FIG.
1 to 3, all the power semiconductor elements of the upper arm or the lower arm of the inverter 1 are repeatedly turned on and off, or the input terminals of the inverter 1 are repeatedly short-circuited and opened. On both sides of the period in which the converter 10 operates and the capacitor 31 is repeatedly charged and discharged, Qx1 is on and the capacitor 31 is not charged (that is, “Qx1 on” at both ends in FIGS. 2 and 3). ”And a period in which Vc is 0). During this period, the permanent magnet type synchronous motor or the claw pole type synchronous motor with a permanent magnet has a relatively low rotational speed, and the battery 30 can be charged with the output rectified by the diode of the inverter 1, or weakened by the inverter 1. It shows a situation where the battery 30 can be charged with a voltage appearing on the inverter input side by performing field operation. Thus, when the rotational speed of the permanent magnet type synchronous motor is relatively low, the switching element Qx1 constituting the DC / DC converter 10 is always turned on. In this way, loss due to switching does not occur and heat generation of the DC / DC converter 10 can be reduced.
[0037]
As described above, according to the present embodiment, DC / DC converter 10 mutually transports energy between battery 30 (first energy storage source) and capacitor 31 (second energy storage source). Therefore, at least two switching elements Qx1 and Qx2 are configured, and of these switching elements Qx1 and Qx2, the high voltage side terminal of the DC voltage input / output terminal of the inverter 1 and the battery 30 are connected via the reactor Lx. Since the element Qx1 is always in an ON state when the M / G 20 is below a certain rotational speed during the power generation operation by the M / G 20, it is possible to suppress the heat generation in the DC / DC converter 10 portion during power generation to a low level.
[0038]
【The invention's effect】
The present invention is an automotive power device for starting, accelerating and generating electric power of an automobile engine, which drives the engine when starting and accelerating the engine and receives the power of the engine during steady running and deceleration. A synchronous motor that generates electric power, an inverter that drives the synchronous motor when the engine of the synchronous motor is driven, and that performs a rectifying operation when the synchronous motor generates power; and an input terminal of the inverter that is connected to the synchronous motor. A power source that supplies DC power to the inverter when the engine is driven, and is charged by the generated power of the synchronous motor when the synchronous motor generates power. The power source includes a first energy storage source and a second power source. A series-connected power supply in which the energy storage sources are connected in series with each other, the first energy storage source and the second energy storage source. A DC / DC converter that transports energy between energy storage sources, and during the period when the rotational speed of the synchronous motor exceeds a predetermined rotational speed during power generation of the synchronous motor, the input terminal of the synchronous motor or its By repeatedly performing a short circuit on the input side of the inverter connected to the input terminal and releasing it at a predetermined time interval, the power supply is stopped and supplied from the synchronous motor to the series-connected power source via the inverter. It is repeated at the predetermined time interval, and when the power supply is stopped, the DC / DC converter is connected from the second energy storage source to the first energy storage source or the first energy storage source. Since energy is transported to the load, the field-weakening operation is not required even at high speeds, and the rotational speed of the permanent magnet type synchronous motor is reduced. Razz can be continuously charge the battery, reducing the losses due to field weakening current, it is possible to improve the fuel economy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of an automotive power device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example according to the first embodiment of a capacitor charging / discharging operation pattern provided in the automobile power device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 3 is an explanatory diagram showing another example according to the first embodiment of a capacitor charging / discharging operation pattern provided in the automobile power device according to the embodiment of the present invention;
FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example according to the second embodiment of a capacitor charging / discharging operation pattern provided in the automobile power device according to the embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 inverter, 10 DC / DC converter, 15 smoothing capacitor, 20 M / G (motor / generator), 30 battery, 31 capacitor, 32 control circuit, 33 load, Sx1 to Sx6 power semiconductor element, Qx1 upper switch, Qx2 lower side Switch, Dx1, Dx2 Freewheel diode, Lx reactor.

Claims (5)

自動車のエンジンの始動・加速及び発電を行う自動車用電力装置であって、
上記エンジンの始動時および加速時に該エンジンを駆動するとともに、定常走行時および減速時に該エンジンの動力を受けて発電を行う同期電動機と、
上記同期電動機の上記エンジンの駆動時には上記同期電動機を駆動するとともに、上記同期電動機の発電時には整流動作を行うインバータと、
上記インバータの入力端子に接続され、上記同期電動機の上記エンジンの駆動時には上記インバータに直流電力を供給し、上記同期電動機の上記発電時には上記同期電動機の発電電力により充電される電源とを備え、
上記電源は、
第一のエネルギ蓄積源と第二のエネルギ蓄積源を互いに直列接続した直列接続電源と、
上記第一のエネルギ蓄積源および上記第二のエネルギ蓄積源の間でエネルギの輸送を行うDC/DCコンバータと
を備え、
上記同期電動機の発電時に上記同期電動機の回転数が所定の回転数を超えた期間では、上記同期電動機の入力端子またはその入力端子に接続された上記インバータの入力側の短絡とその解除とを所定の時間間隔で繰り返し行うことにより、上記同期電動機から上記インバータを介する上記直列接続電源への電力供給の停止と供給とを当該所定の時間間隔で繰り返し行い、電力供給の停止時には、上記DC/DCコンバータにより、上記第二のエネルギ蓄積源から、上記第一のエネルギ蓄積源もしくは上記第一のエネルギ蓄積源に接続された負荷へ、エネルギを輸送する
ことを特徴とする自動車用電力装置。
An automotive power device for starting and accelerating and generating power for an automobile engine,
A synchronous motor that drives the engine at the time of starting and accelerating the engine and generates power by receiving the power of the engine during steady running and deceleration;
An inverter that drives the synchronous motor when driving the engine of the synchronous motor, and performs a rectifying operation when generating power of the synchronous motor;
A power source connected to an input terminal of the inverter, supplying DC power to the inverter when the engine of the synchronous motor is driven, and charged by the generated power of the synchronous motor when generating power of the synchronous motor;
The above power supply
A series-connected power source in which a first energy storage source and a second energy storage source are connected in series with each other;
A DC / DC converter for transporting energy between the first energy storage source and the second energy storage source;
In a period in which the rotational speed of the synchronous motor exceeds a predetermined rotational speed during power generation of the synchronous motor, a short circuit on the input side of the synchronous motor or the input side of the inverter connected to the input terminal and the release thereof are predetermined. By repeatedly performing the power supply from the synchronous motor to the series-connected power source via the inverter at the predetermined time interval. When the power supply is stopped, the DC / DC An automotive power device, wherein a converter transports energy from the second energy storage source to the first energy storage source or a load connected to the first energy storage source.
上記同期電動機の入力端子またはその入力端子に接続された上記インバータの入力側の短絡は、上記インバータに設けられている上側アームまたは下側アームのスイッチング素子を一括してオンすることにより行うことを特徴とする請求項1に記載の自動車用電力装置。The short circuit on the input side of the synchronous motor or the input side of the inverter connected to the input terminal is performed by collectively turning on the switching elements of the upper arm or the lower arm provided in the inverter. The automobile power device according to claim 1, wherein 上記第一のエネルギ蓄積源はバッテリから構成され、上記第二のエネルギ蓄積源はコンデンサから構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の自動車用電力装置。3. The automobile power device according to claim 1, wherein the first energy storage source includes a battery, and the second energy storage source includes a capacitor. 4. 上記直列接続電源の両端に印加可能な電圧は、上記同期電動機の最大回転数における無負荷誘起電圧より大きいことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の自動車用電力装置。4. The automobile power device according to claim 1, wherein a voltage that can be applied to both ends of the series-connected power source is greater than a no-load induced voltage at the maximum number of rotations of the synchronous motor. 5. 上記DC/DCコンバータは、上記インバータの直流電圧入出力端子の高電圧側端子と上記第一のエネルギ蓄積源とをリアクトルを介して接続する第一のスイッチング素子を含む、少なくとも2つのスイッチング素子で構成され、
上記第一のスイッチング素子は、上記同期電動機による上記発電時において上記同期電動機の回転数が所定の回転数以下の期間では、常時オン状態である
ことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の自動車用電力装置。
The DC / DC converter includes at least two switching elements including a first switching element that connects a high voltage side terminal of a DC voltage input / output terminal of the inverter and the first energy storage source via a reactor. And
5. The first switching element according to claim 1, wherein the first switching element is always in an on state during a period when the rotational speed of the synchronous motor is equal to or lower than a predetermined rotational speed during the power generation by the synchronous motor. The automobile power device according to Item 1.
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