JP2007098981A - 車両用電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＥＶ走行時の航続距離を増加でき、燃費向上が可能な車両用電源装置を提供する。
【解決手段】車両がＨＶ走行時には、制御装置３０はバッテリＢを直列接続状態とする。これにより、高いモータ駆動電圧によって高いモータ出力が得られるため、大きな車両駆動力が求められる走行状態においても、エンジンＥＮＧをアシストして十分な動力性能が実現される。一方、制御装置３０は、車両がＥＶ走行時には、バッテリＢを並列接続状態とする。これにより、電源容量が増えることから、バッテリＢの一充電あたりの航続距離を伸ばすことができる。また、バッテリＢが直列接続状態での走行時と比較して、インバータ３１の入力電圧が相対的に低くなることから、インバータ３１のスイッチング損失が低減する。さらに、バッテリＢの電流制限を受けてバッテリＢから電力の持ち出しが制限されるため、航続距離は一層増加される。
【選択図】図１

Description

この発明は、車両用電源装置に関し、特に、ハイブリッド自動車に搭載される車両用電源装置に関する。

最近、環境に配慮した自動車として、ハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）および電気自動車（Electric Vehicle）が注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、インバータを介して直流電源により駆動されるモータを動力源とする自動車である。つまり、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換した交流電圧によりモータを回転することによって動力源を得るものである。

また、電気自動車は、インバータを介して直流電源によって駆動されるモータを動力源とする自動車である。

このようなハイブリッド自動車または電気自動車においては、車両を適切に走行させつつエネルギー効率を向上させるためには、そのモータに対する負荷に応じた電力を供給し、回生時には効率良くエネルギーを回収することが求められる。

そして、最近では、車両の燃費（電気自動車においてはシステム効率）向上に向けて、エネルギー効率を最適化させるための検討が多数なされている（たとえば特許文献１および２参照）。

たとえば特許文献１は、電気自動車の低出力運転時にインバータの入力電圧を下げ、スイッチング損失を低下させることにより、システム効率を向上させる電気自動車の主回路システムを開示する。

これによれば、車両駆動用交流電動機の電源となる電池は、複数個の単位電池を直列接続したものを二分割して構成された２個の電池ブロックからなる。そして、２個の電池ブロックは、切替スイッチの操作によって直列接続と並列接続とが切替えられる。具体的には、アクセルペダル踏込量、電動機出力またはブレーキペダル踏込量が大きいときには、切替スイッチにより２個の電池ブロックは直列に接続される。一方、アクセルペダル踏込量、電動機出力またはブレーキペダル踏込量が小さいときには、切替スイッチにより２個の電池ブロックは並列に接続される。

これにより、電気自動車の低出力運転時には、電池電圧が低くなるため、インバータの入力電圧も低くなる。この結果、インバータのスイッチング損失を低減して、電気自動車のシステム効率を向上させることができる。
特開平５−２３６６０８号公報 特開２０００−５９９０３号公報 特開２００４−２８２８００号公報 特開２０００−９２６０３号公報 特開平８−２３７８１１号公報

しかしながら、上記の電気自動車の主回路システムによれば、アクセルペダル踏込量、電動機出力またはブレーキペダル踏込量が所定の閾値を越えて大きくなると、電池ブロックは、直ちに並列接続から直列接続に切替えられる。これにより、インバータの入力電圧が倍増するため、スイッチング損失が増加することになる。結果として、電動機出力を向上させて電気自動車の動力性能を高めようとすれば、システム効率の向上が困難となる。そして、システム効率は、電気自動車の一充電あたりに走行可能な距離（航続距離）に大きく影響することから、結果的に、航続距離の増加にも限界が生じてしまう。

ところで、ハイブリッド自動車においては、燃費向上の一手段として、停車中やエンジン効率の低い低速走行時には、エンジンの運転を停止してモータの駆動力のみにより車両を走行させる（以下、「ＥＶ走行」とも称する）機能を装備したものがある。したがって、上記の電気自動車と同様の理由から、ＥＶ走行における航続距離を伸ばすことができれば、車両の燃費をさらなる向上が実現される。

それゆえ、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、ＥＶ走行時の航続距離を増加でき、燃費向上が可能な車両用電源装置を提供することである。

この発明によれば、車両用電源装置は、エンジンおよび車両駆動用のモータを動力源とした第１の走行モードと、エンジンを停止状態とし、モータのみを動力源とした第２の走行モードとを有する車両に搭載される。車両用電源装置は、ｎ（ｎは２以上の自然数）個の単位電源から構成される直流電源と、直流電源から直流電圧の供給を受けてモータを駆動する駆動回路と、モータに車両の走行に必要な駆動力を発生するように駆動回路を制御する制御装置とを備える。制御装置は、ｎ個の単位電源を直列接続して直流電源を構成する第１の電力供給手段と、ｎ個のうちの少なくとも２個の単位電源を並列接続して直流電源を構成する第２の電力供給手段と、車両の走行モードに応じて、第１および第２の電力供給手段の一方を選択する選択手段とを含む。

上記の車両用電源装置によれば、並列接続された単位電源で構成された直流電源を用いた車両の走行時には、電源容量が増えることから、直流電源の一充電あたりの航続距離を伸ばすことができる。また、直列接続された単位電源で構成された直流電源を用いた走行時と比較して、駆動回路に供給される直流電圧が相対的に低くなることから、駆動回路で発生するスイッチング損失が低減される。さらに、単位電源を流れる直流電流の制限を受けて直流電源からの電力の持ち出しが制限される。これにより、車両の航続距離はさらに増加される。結果として、車両の燃費を向上させることができる。

なお、直列接続された単位電源で構成された直流電源を用いた車両の走行時には、高いモータ駆動電圧によりモータの高出力化が図られる。したがって、この発明によれば、車両の走行性能を低下させることなく、車両の燃費向上が可能となる。

好ましくは、選択手段は、車両が第１の走行モードのとき、第１の電力供給手段を選択し、車両が第２の走行モードのとき、第２の電力供給手段を選択する。

上記の車両用電源装置によれば、エンジン出力のアシストとして十分なモータ出力が得られるために車両の走行性能が確保される。併せて、直流電源の一充電あたりの航続距離を伸ばすことができ、車両の燃費向上が図られる。

好ましくは、制御装置は、直流電源から出力可能な電力について設けられた所定の基準値を有し、第２の電力供給手段の選択時において、直流電源から駆動回路に供給される電力を、所定の基準値を越えないように設定する。

上記の車両用電源装置によれば、並列接続された単位電源で構成された直流電源を用いた車両の走行時には、直流電源からの電力の持ち出しが制限される。これにより、車両の航続距離を伸ばすことができる。

好ましくは、制御装置は、第２の電力供給手段から第１の電力供給手段への移行時において、直流電源の充電量に基づいて、エンジンの停止状態からエンジンの始動を許可するエンジン始動制御手段をさらに含む。エンジン始動制御手段は、直流電源の充電量が所定のしきい値以下となるまでエンジンの始動を禁止する。

上記の車両用電源装置によれば、直流電源の充電量が所定のしきい値以下とならない限りにおいて、ＥＶ走行が継続される。その結果、車両の航続距離は、さらに増加される。

この発明によれば、並列接続された単位電源で構成された直流電源を用いた車両の走行を行なうことにより、直流電源の一充電あたりの航続距離を伸ばすことができる。一方、直列接続された単位電源で構成された直流電源を用いた車両の走行を行なうことにより、モータ駆動電圧を高めてモータの高出力化が図られる。その結果、車両の走行性能を低下させることなく、車両の燃費向上が可能となる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

図１は、この発明の実施の形態による車両用電源装置の概略ブロック図である。
図１を参照して、車両用電源装置１００は、ハイブリッド自動車に搭載される。車両用電源装置１００は、バッテリＢと、昇圧コンバータ１２と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、インバータ１４，３１と、電圧センサ１０，２０と、電流センサ２２，２４，２８と、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２と、走行モード選択部４０と、直並列切換回路４２と、制御装置３０とを備える。

エンジンＥＮＧは、ガソリンなどの燃料の燃焼エネルギーを源として駆動力を発生する。エンジンＥＮＧの発生する駆動力は、図１の太斜線で示すように、動力分割機構５０により、２つの経路に分割される。一方は、図示しない減速機を介して車輪を駆動する駆動軸に伝達する経路である。もう一方は、モータジェネレータＭＧ１へ伝達する経路である。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、発電機としても電動機としても機能し得るが、以下に示すように、モータジェネレータＭＧ１は、主として発電機として動作し、モータジェネレータＭＧ２は、主として電動機として動作する。

詳細には、モータジェネレータＭＧ１は、三相交流回転機であり、加速時において、エンジンＥＮＧを始動する始動機として用いられる。このとき、モータジェネレータＭＧ１は、バッテリＢからの電力の供給を受けて電動機として駆動し、エンジンＥＮＧをクランキングして始動する。

さらに、エンジンＥＮＧの始動後において、モータジェネレータＭＧ１は、動力分割機構５０を介して伝達されたエンジンＥＮＧの駆動力によって回転されて発電する。

モータジェネレータＭＧ１の発電した電力は、車両の運転状態やバッテリＢの充電量によって使い分けられる。たとえば、通常走行時や急加速時においては、モータジェネレータＭＧ１の発電した電力は、そのままモータジェネレータＭＧ２を駆動させる電力となる。一方、バッテリＢの充電量が所定の値よりも低いときには、モータジェネレータＭＧ１の発電した電力は、インバータ１４によって交流電力から直流電力に変換されて、バッテリＢに蓄えられる。

モータジェネレータＭＧ２は、三相交流回転機であり、バッテリＢに蓄えられた電力およびモータジェネレータＭＧ１が発電した電力の少なくともいずれか一方によって駆動される。モータジェネレータＭＧ２の駆動力は、減速機を介して車輪の駆動軸に伝達される。これにより、モータジェネレータＭＧ２は、エンジンＥＮＧをアシストして車両を走行させたり、自己の駆動力のみによって車両を走行させたりする。

また、車両の回生制動時には、モータジェネレータＭＧ２は、減速機を介して車輪により回転されて発電機として動作する。このとき、モータジェネレータＭＧ２により発電された回生電力は、インバータ３１を介してバッテリＢに充電される。

システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置３０からの信号ＳＥによりオン／オフされる。

昇圧コンバータ１２は、リアクトルＬ１と、ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。リアクトルＬ１の一方端はバッテリＢの電源ラインに接続され、他方端はＮＰＮトランジスタＱ１とＮＰＮトランジスタＱ２との中間点、すなわち、ＮＰＮトランジスタＱ１のエミッタとＮＰＮトランジスタＱ２のコレクタとの間に接続される。ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインとアースラインとの間に直列に接続される。そして、ＮＰＮトランジスタＱ１のコレクタは電源ラインに接続され、ＮＰＮトランジスタＱ２のエミッタはアースラインに接続される。また、各ＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続されている。

インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とから成る。Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、およびＷ相アーム１７は、電源ラインとアースラインとの間に並列に設けられる。

Ｕ相アーム１５は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４から成り、Ｖ相アーム１６は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６から成り、Ｗ相アーム１７は、直列接続されたＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８から成る。また、各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。

各相アームの中間点は、モータジェネレータＭＧ１の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ１は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通接続されて構成され、Ｕ相コイルの他端がＮＰＮトランジスタＱ３，Ｑ４の中間点に、Ｖ相コイルの他端がＮＰＮトランジスタＱ５，Ｑ６の中間点に、Ｗ相コイルの他端がＮＰＮトランジスタＱ７，Ｑ８の中間点にそれぞれ接続されている。

インバータ３１は、インバータ１４と同様の構成から成る。
バッテリＢは、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池から成る。他にも、バッテリＢは、燃料電池またはキャパシタであっても良い。バッテリＢは、電池モジュールであり、図１に示すように、直列に接続されたｎ個（ｎは２以上の自然数）の電池ユニットを含む。

直並列切換回路４２は、バッテリＢを構成する複数の電池ユニットの接続を、直列または並列に切換える。直列・並列の接続切換は、後述する方法により、制御装置３０からの信号Ｓ／Ｐに応じて行なわれる。そして、複数の電池ユニットの接続が切換えられることにより、バッテリＢから出力される直流電圧Ｖｂは、電池ユニット１個当たりの電源電圧をＶｂｉとすると、Ｖｂｉ≦Ｖｂ≦ｎ×Ｖｂｉの電圧範囲内で、電源電圧Ｖｂｉの整数倍に設定可能な可変値となる。

電圧センサ１０は、バッテリＢから出力される直流電圧Ｖｂを検出し、その検出した直流電圧Ｖｂを制御装置３０へ出力する。電流センサ２２は、バッテリＢに流れる直流電流Ｉｂを検出し、その検出した直流電流Ｉｂを制御装置３０へ出力する。

コンデンサＣ１は、バッテリＢから供給された直流電圧Ｖｂを平滑化し、その平滑化した直流電圧Ｖｂを昇圧コンバータ１２へ供給する。

昇圧コンバータ１２は、コンデンサＣ１から供給された直流電圧Ｖｂを昇圧してコンデンサＣ２へ供給する。より具体的には、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０から信号ＰＷＭＣを受けると、信号ＰＷＭＣによってＮＰＮトランジスタＱ２がオンされた期間に応じて直流電圧Ｖｂを昇圧してコンデンサＣ２に供給する。

また、昇圧コンバータ１２は、制御装置３０から信号ＰＷＭＣを受けると、コンデンサＣ２を介してインバータ１４および／またはインバータ３１から供給された直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。

コンデンサＣ２は、昇圧コンバータ１２からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ１４，３１へ供給する。電圧センサ２０は、コンデンサＣ２の両端の電圧、すなわち、昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍ（インバータ１４，３１への入力電圧に相当する。以下同じ。）を検出し、その検出した出力電圧Ｖｍを制御装置３０へ出力する。

インバータ１４は、コンデンサＣ２を介してバッテリＢから直流電圧が供給されると制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ１に基づいて直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１を駆動する。これにより、モータジェネレータＭＧ１は、トルク指令値ＴＲ１に従ったトルクを発生するように駆動される。

また、インバータ１４は、車両用電源装置１００が搭載されたハイブリッド自動車の回生制動時、モータジェネレータＭＧ１が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ１に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサＣ２を介して昇圧コンバータ１２へ供給する。なお、ここで言う回生制動とは、ハイブリッド自動車を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。

インバータ３１は、コンデンサＣ２を介してバッテリＢから直流電圧が供給されると制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ２に基づいて直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ２を駆動する。これにより、モータジェネレータＭＧ２は、トルク指令値ＴＲ２に従ったトルクを発生するように駆動される。

また、インバータ３１は、車両用電源装置１００が搭載されたハイブリッド自動車の回生制動時、モータジェネレータＭＧ２が発電した交流電圧を制御装置３０からの信号ＰＷＭＩ２に基づいて直流電圧に変換し、その変換した直流電圧をコンデンサＣ２を介して昇圧コンバータ１２へ供給する。

電流センサ２４は、モータジェネレータＭＧ１に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１を検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴ１を制御装置３０へ出力する。電流センサ２８は、モータジェネレータＭＧ２に流れるモータ電流ＭＣＲＴ２を検出し、その検出したモータ電流ＭＣＲＴ２を制御装置３０へ出力する。

走行モード選択部４０は、ハイブリッド自動車の走行モードＤＭを選択し、その選択した走行モードＤＭを制御装置３０へ出力する。

走行モードＤＭとしては、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の駆動力でエンジンＥＮＧをアシストして車両を走行させるモード（以下、単に「ＨＶ走行モード」とも称する））と、エンジンＥＮＧを停止させ、モータジェネレータＭＧ２の駆動力のみで車両を走行させるモード（以下、単に「ＥＶ走行モード」とも称する）とが設定される。

そして、走行モード選択部４０は、車速またはアクセル開度などに基づいて、ＨＶ走行モードおよびＥＶ走行モードのいずれか一方を選択する。たとえば、走行モード選択部４０は、車速が所定の車速しきい値以下のとき、ＥＶ走行モードを選択する。そして、車速が車速しきい値を越えたことに応じて、走行モード選択部４０は、走行モードＤＭをＥＶ走行モードからＨＶ走行モードへと切換える。これにより、車両が停車中や低速走行時においては、ＥＶ走行モードが選択される一方、高速走行の加速など大きな駆動力が必要とされる走行時においては、ＨＶ走行モードが選択される。

なお、走行モード選択部４０は、運転者によるＥＶ走行選択スイッチ（図示せず）の操作に基づいて、走行モードＤＭを選択するようにしても良い。

制御装置３０は、図示しない外部ＥＣＵ（Electrical Control Unit）からトルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２を受け、電圧センサ１０から直流電圧Ｖｂを受け、電圧センサ２０から昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍ（すなわち、インバータ１４，３１への入力電圧）を受け、電流センサ２２から直流電流Ｉｂを受け、電流センサ２４からモータ電流ＭＣＲＴ１を受け、電流センサ２８からモータ電流ＭＣＲＴ２を受け、走行モード選択部４０から走行モードＤＭを受ける。

制御装置３０は、出力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ１およびモータ電流ＭＣＲＴ１に基づいて、後述する方法によりインバータ１４がモータジェネレータＭＧ１を駆動するときにインバータ１４のＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭ１をインバータ１４へ出力する。

また、制御装置３０は、出力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ２およびモータ電流ＭＣＲＴ２に基づいて、後述する方法によりインバータ３１がモータジェネレータＭＧ２を駆動するときにインバータ３１のＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＩ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ２をインバータ３１へ出力する。

さらに、制御装置３０は、インバータ１４（または３１）がモータジェネレータＭＧ１（またはＭＧ２）を駆動するとき、直流電圧Ｖｂ、出力電圧Ｖｍ、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）、モータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）および走行モードＤＭに基づいて、後述する方法により昇圧コンバータ１２のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をスイッチング制御するための信号ＰＷＭＣを生成して昇圧コンバータ１２へ出力する。

さらに、制御装置３０は、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２をオン／オフするための信号ＳＥを生成してシステムリレーＳＲ１，ＳＲ２へ出力する。

図２は、図１における制御装置３０の機能ブロック図である。
図２を参照して、制御装置３０は、インバータ制御手段３０１，３０２と、コンバータ制御回路３０３と、バッテリ制御手段３０４とを含む。

インバータ制御手段３０１は、トルク指令値ＴＲ１、モータ電流ＭＣＲＴ１および入力電圧Ｖｍに基づいて信号ＰＷＭＩ１を生成してインバータ１４のＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。

より具体的には、インバータ制御手段３０１は、入力電圧Ｖｍ、モータ電流ＭＣＲＴ１およびトルク指令値ＴＲ１に基づいて、モータジェネレータＭＧ１の各相コイルに印加する電圧を計算し、その計算した結果に基づいてインバータ１４の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフする信号ＰＷＭＩ１を生成する。そして、インバータ制御回路３０１は、その生成した信号ＰＷＭＩ１をインバータの各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。

これにより、インバータ１４の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８は、スイッチング制御され、モータジェネレータＭＧ１が指定されたトルクを出力するようにモータジェネレータＭＧ１の各相に流す電流を制御する。このようにして、モータ駆動電流が制御され、トルク指令値ＴＲ１に応じたモータトルクが出力される。

さらに、インバータ制御手段３０１は、図１の走行モード選択部４０からの走行モードＤＭがＥＶ走行モードのときには、後述する方法により、バッテリＢの充電量ＳＯＣに基づいて、エンジンＥＮＧを停止状態から始動させるタイミングを制御する。すなわち、この発明によれば、ハイブリッド自動車の走行状態は、インバータ制御手段３０１により制御されたタイミングにおいて、ＥＶ走行からＨＶ走行に移行することとなる。

インバータ制御手段３０２は、入力電圧Ｖｍ，モータ回転数ＭＲＮ２およびトルク指令値ＴＲ２に基づいて、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルに印加する電圧を計算し、その計算した結果に基づいてインバータ３１の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフする信号ＰＷＭＩ１を生成する。そして、インバータ制御回路３０２は、その生成した信号ＰＷＭＩ２をインバータ３１のＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。

これにより、インバータ３１の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８は、スイッチング制御され、モータジェネレータＭＧ２が指定されたトルクを出力するようにモータジェネレータＭＧ２の各相に流す電流を制御する。このようにして、モータ駆動電流が制御され、トルク指令値ＴＲ２に応じたモータトルクが出力される。

コンバータ制御手段３０３は、トルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）、モータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）、直流電圧Ｖｂ、直流電流Ｉｂ、出力電圧Ｖｍおよび走行モードＤＭに基づいて、後述する方法によって信号ＰＷＭＣを生成し、その生成した信号ＰＷＭＣを昇圧コンバータ１２のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２へ出力する。

バッテリ制御手段３０４は、走行モード選択部４０からの走行モードＤＭに基づいて、バッテリＢにおけるｎ個の電池ユニットの接続を切換えるための信号Ｓ／Ｐを生成し、その生成した信号Ｓ／Ｐを直並列切換回路４２へ出力する。直並列切換回路４２は、信号Ｓ／Ｐを受けると、以下に示す方法によってｎ個の電池ユニットの接続を切換える。その結果、バッテリＢから出力される直流電圧Ｖｂは、走行モードＤＭに応じて変化する可変値となる。

図３は、バッテリＢを構成するｎ個の電池ユニットの接続切換を説明するための図である。

詳細には、図３（ａ）は、ｎ個の電池ユニットが並列接続されたときのバッテリＢの一構成例を示す図である。図３（ａ）を参照して、ｎ個の電池ユニットＢｕ１〜Ｂｕｎは、並列接続された２個の電池ユニット（たとえばＢｕ１，Ｂｕ２）を一組として、合計ｎ／２組の電池ユニットが直列に接続された構成からなる。なお、この発明では、図３（ａ）に示すように並列接続された２個以上の電池ユニットからなる組が少なくとも１以上形成されるように構成されたバッテリＢの接続状態を、「並列接続状態」と称する。

一方、図３（ｂ）は、ｎ個の電池ユニットが直列接続されたときのバッテリＢの構成例を示す図である。図３（ｂ）を参照して、ｎ個の電池ユニットＢｕ１〜Ｂｕｎは、電池ユニットの組ごとに、並列接続が切り離され、一方の電池ユニットの負極と他方の電池ユニットの正極とが接続されるように切換えられる。この発明では、図３（ｂ）に示すようにｎ個の電池ユニットの全てが直列接続されるように構成されたバッテリＢの接続状態を、「直列接続状態」と称する。

ここで、２つの接続状態を比較すると、図３（ａ），（ｂ）から明らかなように、バッテリＢの電源電圧（直流電圧Ｖｂに相当）については、並列接続状態が直列接続状態に対して略１／２に減少する。一方、電池容量については、並列接続状態が、直列接続状態の略２倍の容量を有することになる。

そして、これら２つの接続状態は、バッテリ制御手段３０４により、ハイブリッド自動車の走行モードＤＭに応じて適宜切換えられる。

詳細には、ハイブリッド自動車の走行モードＤＭがＨＶ走行モードに選択されたとき、バッテリ制御手段３０４は、バッテリＢの接続状態を直列接続状態とするための信号Ｓ／Ｐを生成して直並列切換回路４２へ出力する。直並列切換回路４２は、信号Ｓ／Ｐに応じて、ｎ個の電池ユニットＢｕ１〜Ｂｕｎの接続状態を、図３（ｂ）に示す構成となるように切換える。

一方、ハイブリッド自動車の走行モードＤＭがＥＶ走行モードに選択されたとき、バッテリ制御手段３０４は、バッテリＢの接続状態を並列接続状態とするための信号Ｓ／Ｐを生成して直並列切換回路４２へ出力する。直並列切換回路４２は、信号Ｓ／Ｐに応じて、ｎ個の電池ユニットＢｕ１〜Ｂｕｎの接続状態を、図３（ａ）に示す構成となるように切換える。

ここで、実際のバッテリＢにおいて、ｎ個の電池ユニットＢｕ１〜Ｂｕｎの接続切換は、たとえば図４に示すように、隣接する２個の電池ユニット（たとえば電池ユニットＢｕ１，Ｂｕ２）ごとに、正極同士を電気的に接続するための第１の開閉手段（たとえば半導体リレーＲｐ１）と、負極同士を電気的に接続するための第２の開閉手段（たとえば半導体リレーＲｐ４）と、一方の電池ユニットの正極と他方の電池ユニットの負極とを電気的に接続するための第３の開閉手段（たとえば半導体リレーＲｓ１）を設けることにより実現することができる。なお、電池ユニット間の配線および第１〜第３の開閉手段は、例えば、回路基板上に予め形成しておき、当該回路基板の上面にバッテリＢを設置することによってバッテリＢと一体化される。

図４において、第１〜第３の開閉手段（半導体リレーＲｐ１〜Ｒｐ６，Ｒｓ１〜Ｒｓ３に相当）は、直流電源Ｂとは別個に設けられた補機バッテリを電源とし、走行モードＤＭに基づいて生成された信号により開閉される。具体的には、走行モードＤＭがＥＶ走行モードに選択されたとき、第１および第２の開閉手段が閉状態とされ、かつ、第３の開閉手段が開状態とされる。これにより、隣接する２個の電池ユニットは並列に接続される。一方、走行モードＤＭがＨＶ走行モードに選択されたとき、第１〜第３の開閉手段が全て開状態とされる。これにより、隣接する２個の電池ユニットは直列に接続され、ｎ個の電池ユニットの全てが直列に接続されることとなる。

なお、バッテリＢが並列接続状態のときの電池ユニットＢｕ１〜Ｂｕｎの構成は、図３（ａ）の構成に限定されないことは明らかである。たとえば、図５に示すように、１組の電池ユニットを構成する電池ユニットの個数を増やす構成とすれば、バッテリＢの電源電圧（直流電圧Ｖｂ）がより低電圧となる一方で、電池容量をさらに増加させることができる。ただし、直流電圧Ｖｂが低電圧化された場合は、直流電圧Ｖｂは、昇圧コンバータ１２によりモータ要求出力に応じた所望の目標電圧まで昇圧されて、インバータ１４，３１に入力されることになる。

以上のように、この発明による車両用電源装置１００は、走行モードに応じてバッテリＢの接続状態を切換えることを特徴とする。これにより、バッテリＢから出力される直流電圧Ｖｂは、走行状態ごとに異なる電圧に設定される。以下に、かかる特徴が奏する効果について説明する。

車両がＨＶ走行を行なっているときには、バッテリＢの接続状態は直列接続状態とされる。すなわち、バッテリＢから出力される直流電圧Ｖｂは、バッテリＢが出力可能な直流電圧の最大値ｎ×Ｖｂｉ（以下、最大直流電圧とも称する。ただし、Ｖｂｉは電池ユニットあたりの電源電圧）に設定される。

したがって、ＨＶ走行時において、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、高い駆動電圧で駆動されるため、高い駆動力を出力可能となる。その結果、高速走行時の加速など大きな車両駆動力が求められる走行状態においても、エンジンＥＮＧをアシストして十分な動力性能が実現される。

これに対して、車両がＥＶ走行を行なっているときには、バッテリＢの接続状態は並列接続状態とされる。そのため、バッテリＢから出力される直流電圧Ｖｂは、上述した最大直流電圧ｎ×Ｖｂｉを下回る電圧となる。

したがって、ＥＶ走行時において、車両駆動用のモータジェネレータＭＧ２は、ＨＶ走行状態よりも低い駆動電圧で駆動されることとなり、モータ出力がＨＶ走行時よりも相対的に低くなる。しかしながら、ＥＶ走行は、主として市街地を低速走行するときのように、要求される車両駆動力自体がＨＶ走行よりも相対的に低いときに適用されることを鑑みれば、モータジェネレータＭＧ２の出力低下が車両の走行性能に及ぼす影響は小さいといえる。

一方、バッテリＢに着目すると、ＥＶ走行時においては、複数個の電池ユニットが並列接続されることに応じて電池容量が増加することとなる。たとえば図３（ａ）の構成では、２個の電池ユニットが並列接続されることにより、電池容量が略２倍に増加される。その結果、バッテリＢの一充電あたりに走行可能な航続距離を伸ばすことが可能となる。

また、ＥＶ走行時においては、インバータ３１の入力電圧ＶｍがＨＶ走行時よりも低くなるために、インバータ３１における損失が低減される。これは、インバータ３１における損失（定常損失とスイッチング損失とを含む）が、電圧が低いほど小さくなることに起因する。そして、ＥＶ走行時においては、これらの損失が低減されることによって、航続距離を伸ばすことが可能となる。

ここで、ＥＶ走行時においては、バッテリＢから出力される直流電圧Ｖｂが低いために、モータジェネレータＭＧ２に要求される出力の大きさに応じて、直流電圧Ｖｂを要求出力に応じた所望のモータ駆動電圧（インバータ３１の入力電圧Ｖｍに相当）に昇圧させる必要が生じる。すなわち、昇圧コンバータ１２においては、出力電圧Ｖｍ（＝インバータ３１の入力電圧）の目標電圧Ｖｄｃ＿ｃｏｍを、モータジェネレータＭＧ２の要求トルク（トルク指令値ＴＲ２）とモータ回転数ＭＲＮ２とに基づいて算出し、出力電圧Ｖｍがその算出した目標電圧Ｖｄｃ＿ｃｏｍとなるように昇圧動作を実行させる必要が生じる。

そして、昇圧動作が実行されると、バッテリＢには、出力電圧Ｖｍを目標電圧Ｖｄｃ＿ｃｏｍとするために必要な直流電流Ｉｂ＿ｃｏｍが流れる。この直流電流Ｉｂ＿ｃｏｍは、昇圧比（Ｖｄｃ＿ｃｏｍ／Ｖｂ）が大きくなるにつれて、相対的に高い電流となる。すなわち、直流電圧Ｖｂが低いときには、バッテリＢには高電流が流れることになる。

ここで、バッテリＢに高電流が流れると、内部抵抗で発生する熱量が増加して電池温度が上昇し、バッテリＢを劣化させる要因となる。そのため、バッテリＢを高電流から保護する観点から、通常、バッテリＢの直流電流Ｉｂには所定の電流しきい値が設けられており、直流電流Ｉｂをこの電流しきい値を越えないように制御する電流制限が行なわれる。

したがって、かかるバッテリＢの電流制限が行なわれると、バッテリＢから持ち出される電力は、モータジェネレータＭＧ２の要求出力よりも低い電力に抑えられる。これによれば、ＥＶ走行時には、バッテリＢから出力される電力が制限されることによって、バッテリＢの一充電あたりの航続距離が増加することになる。

以上のように、この発明によれば、ハイブリッド自動車がＥＶ走行時においては、バッテリＢを並列接続状態にすることから、バッテリＢの一充電あたりの航続距離を伸ばすことができる。その結果、ハイブリッド自動車の燃費向上が実現される。

ここで、この発明の車両用電源装置１００は、ＥＶ走行時の航続距離を一層増加させるために、ＥＶ走行時にバッテリＢから出力される電力に制限を設けることを更なる特徴とする。このバッテリＢの出力制限は、以下に述べるように、図２におけるコンバータ制御手段３０３により実行される。

図６は、図２におけるコンバータ制御手段３０３の機能ブロック図である。
図６を参照して、コンバータ制御手段３０３は、電圧指令演算部６０と、コンバータ用デューティ比演算部６２と、コンバータ用ＰＷＭ信号変換部６４とを含む。

電圧指令演算部６０は、外部ＥＣＵからのトルク指令値ＴＲ１（またはＴＲ２）およびモータ回転数ＭＲＮ１（またはＭＲＮ２）と、走行モード選択部４０からの走行モードＤＭとに基づいて、インバータ入力電圧の最適値（目標値）、すなわち昇圧コンバータ１２の電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍを決定し、その決定した電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍをコンバータ用デューティ比演算部６２へ出力する。

詳細には、電圧指令演算部６０は、走行モードＤＭがＥＶ走行モードのときには、バッテリＢから出力可能な電力（以下、電池出力とも称する）Ｗｏｕｔに予め所定の基準値Ｗｏｕｔ＿ｓｔｄを設けておき、バッテリＢの出力電力Ｐｂがこの基準値Ｗｏｕｔ＿ｓｔｄを超えないように電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍを決定する。

なお、バッテリＢの出力電力Ｐｂは、バッテリＢから昇圧コンバータ１２を介してインバータ３１に供給される電力に相当する。また、電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍは、モータジェネレータＭＧ２のトルク指令値ＴＲ２およびモータ回転数ＭＲＮ２との積であるモータ要求出力Ｐｃｏｍに基づいて導出される。

したがって、電圧指令演算部６０は、バッテリＢの出力電力Ｐｂが次式の関係を満たすように電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍを決定する。
Ｐｂ≦Ｗｏｕｔ＿ｓｔｄ ・・・（１）
次に、コンバータ用デューティ比演算部６２は、電圧指令演算部６０から電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍを受け、電圧センサ１０から直流電圧Ｖｂを受けると、直流電圧Ｖｂに基づいて、インバータ１４（または３１）の入力電圧Ｖｍを電圧指令値Ｖｄｃ＿ｃｏｍに設定するためのデューティ比ＤＲを演算する。そして、コンバータ用デューティ比演算部６２は、その演算したデューティ比ＤＲを、コンバータ用ＰＷＭ信号変換部６４へ出力する。

コンバータ用ＰＷＭ信号変換部６４は、コンバータ用デューティ比演算部６２からのデューティ比ＤＲに基づいて昇圧コンバータ１２のＮＰＮトランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするための信号ＰＷＭＣを生成し、その生成した信号ＰＷＭＣを昇圧コンバータ１２へ出力する。

図７は、ＥＶ走行時におけるモータ要求出力ＰｃｏｍとバッテリＢの出力電力Ｐｂとの関係を示す図である。

図７から明らかなように、モータ要求出力Ｐｃｏｍが増加するに従って、バッテリＢから出力される電力Ｐｂは、直線ＬＮ１に沿って単調に増加する。これにより、ＥＶ走行時においては、モータジェネレータＭＧ２に車両走行に必要な駆動力が発生する。

ところが、バッテリＢの出力電力Ｐｂが電池出力の基準値Ｗｏｕｔ＿ｓｔｄを超えると、モータ要求出力Ｐｃｏｍが増加するにも関わらず、バッテリＢの出力電力Ｐｂは、直線ＬＮ２で示すように、基準値Ｗｏｕｔ＿ｓｔｄに固定される。これによれば、ＥＶ走行時には、モータ要求出力Ｐｃｏｍを常に満たすことが困難となる。そのため、車両には、高負荷の走行に制限が課されることとなる。しかしながら、バッテリＢからの電力持ち出しが制限されるために、航続距離を増加させることが可能となる。

なお、高負荷の走行時において、バッテリＢの出力電力Ｐｂがモータ要求出力Ｐｃｏｍを満たさないがために車両の走行特性（あるいは運転者の運転フィーリング）が著しく低下すると判断される場合には、かかる出力制限を解除する構成とすれば、車両の走行特性を損なうことなく、航続距離を伸ばすことができる。

そして、かかるバッテリＢからの出力電力Ｐｂの制限に加えて、この発明による車両用電源装置１００は、ＥＶ走行時には、バッテリＢの充電量（ＳＯＣ：State of Charge）が所定のしきい値以下となるまでは、エンジンＥＮＧの始動、すなわち、ＨＶ走行モードへの切換えを禁止することを特徴とする。なお、このエンジン始動禁止の制御は、図２におけるインバータ制御手段３０１により実行される。

図８は、図２におけるインバータ制御手段３０１の機能ブロック図である。
図８を参照して、インバータ制御手段３０１は、モータ制御用相電圧演算部７０と、インバータ用ＰＷＭ信号変換部７２と、ＳＯＣ検出手段７４とを含む。

モータ制御用相電圧演算部７０は、昇圧コンバータ１２の出力電圧Ｖｍ、すなわち、インバータ１４への入力電圧を電圧センサ２０から受け、モータジェネレータＭＧ１の各相に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１を電流センサ２４から受け、トルク指令値ＴＲ１を外部ＥＣＵから受ける。そして、モータ制御用相電圧演算部７０は、トルク指令値ＴＲ１、モータ電流ＭＣＲＴ１および電圧Ｖｍに基づいて、モータジェネレータＭＧ１の各相のコイルに印加する電圧を計算し、その計算した結果をインバータ用ＰＷＭ信号変換部７２へ出力する。

インバータ用ＰＷＭ信号変換部７２は、モータ制御用相電圧演算部７０から受けた計算結果に基づいて、実際にインバータ１４の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフする信号ＰＷＭＩ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭＩ４をインバータ１３の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８へ出力する。

これにより、インバータ１４の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８は、スイッチング制御され、モータジェネレータＭＧ１が指令されたトルクを出力するように、モータジェネレータＭＧ１の各相に流す電流を制御する。このようにして、モータ駆動電流が制御され、トルク指令値ＴＲ１に応じたモータトルクが出力される。

ＳＯＣ検出手段７４は、走行モード選択部４０から走行モードＤＭを受け、電圧センサ１０から直流電圧Ｖｂを受け、電流センサ２２から直流電流Ｉｂを受ける。そして、ＳＯＣ検出手段７４は、走行モードＤＭがＥＶ走行モードのとき、直流電圧Ｖｂおよび直流電流Ｉｂに基づいて、バッテリＢのＳＯＣを算出する。

そして、ＳＯＣ検出手段７４は、ＥＶ走行時において、算出したＳＯＣに基づいて、エンジンＥＮＧを停止状態から始動させるタイミングを制御する。詳細には、ＳＯＣ検出手段７４は、バッテリＢのＳＯＣが予め設定された所定のしきい値よりも大きいとき、エンジンＥＮＧが停止状態から始動するのを禁止するための信号ＳＴＰを生成して、インバータ用ＰＷＭ信号変換部７２へ出力する。インバータ用ＰＷＭ信号変換部７２は、信号ＳＴＰを受けると、インバータ１４の各ＮＰＮトランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフする信号ＰＷＭＩ１の生成を停止する。

これにより、インバータ１４によるモータジェネレータＭＧ１の駆動制御が行なわれないため、エンジンＥＮＧを始動させるのに必要なモータトルクが出力されず、エンジンＥＮＧの始動が禁止される。その結果、ハイブリッド自動車は、バッテリＢのＳＯＣが所定のしきい値以下となるまで、ＥＶ走行を継続する。

通常、ハイブリッド自動車においては、車両がＥＶ走行を行なっている際に車速またはアクセル開度が所定のしきい値を越えると、エンジンＥＮＧを停止状態から始動させてＨＶ走行に切換えられる。これに対して、この発明によるハイブリッド自動車は、車速またはアクセル開度が所定のしきい値を越えた場合であっても、バッテリＢのＳＯＣが所定のしきい値以下とならない限りにおいて、エンジンＥＮＧの始動が禁止される。したがって、この発明によるハイブリッド自動車は、通常のハイブリッド自動車に対して、ＥＶ走行期間がより長くなる。これにより、ＥＶ走行時の航続距離を一層向上させることが可能となる。

以上のように、この発明の実施の形態によれば、ハイブリッド自動車がＥＶ走行を行なうときには、バッテリＢは直列接続から並列接続に切換えられる。これにより、バッテリＢの容量が増加し、かつ、インバータ３１の損失が低減されるため、ＥＶ走行時の航続距離を伸ばすことができ、車両の燃費が向上される。特に、バッテリＢからの出力電力に制限を設けること、およびＳＯＣに基づいてＨＶ走行への切換えタイミングを制御することによって、ＥＶ走行時の航続距離を一層伸ばすことができる。

また、ハイブリッド自動車がＨＶ走行を行なうときには、バッテリＢは直列接続とされるため、モータ駆動電圧を高めてモータの高出力化を図ることができる。これにより、車両の走行性能が確保される。

なお、本実施の形態では、航続距離を伸ばして燃費を向上する観点から、ＨＶ走行時にはバッテリＢを直列接続とし、かつ、ＥＶ走行時にはバッテリＢを並列接続する構成について説明したが、これらを逆転した構成とすることによって、走行性能を重視した車両の走行が新たに実現される。

すなわち、ＨＶ走行時にはバッテリＢが並列接続されるため、車両駆動力は専らエンジン出力に頼ることとなるが、ＥＶ走行時にはバッテリＢが直列接続されることから、モータ出力を高めることができる。その結果、環境性能だけでなく走行性能についても向上させることが可能となる。

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説明ではなく、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。

この発明は、ハイブリッド自動車に搭載される車両用電源装置に適用することができる。

この発明の実施の形態に従う車両用電源装置の概略ブロック図である。 図１における制御装置の機能ブロック図である。 バッテリＢを構成するｎ個の電池ユニットの接続切換を説明するための図である。 バッテリＢを構成するｎ個の電池ユニットの接続切換を説明するための回路図である。 ｎ個の電池ユニットが並列接続されたときのバッテリＢの他の構成例を示す図である。 図２におけるコンバータ制御手段の機能ブロック図である。 ＥＶ走行時におけるモータ要求出力ＰｃｏｍとバッテリＢの出力電力Ｐｂとの関係を示す図である。 図２におけるインバータ制御手段の機能ブロック図である。

符号の説明

１０，２０ 電圧センサ、１２ 昇圧コンバータ、１４，３１ インバータ、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、２２，２４，２８ 電流センサ、３０ 制御装置、４０ 走行モード選択部、４２ 直並列切換回路、５０ 動力分割機構、６０ 電圧指令演算部、６２ コンバータ用デューティ比演算部、６４ コンバータ用ＰＷＭ信号変換部、１００ 車両用電源装置、３０１，３０２ インバータ制御手段、３０３ コンバータ制御手段、３０４ バッテリ制御手段、Ｂ バッテリ、Ｂｕ１〜Ｂｕ６ 電池ユニット、Ｒｐ１〜Ｒｐ６，Ｒｓ１〜Ｒｓ３ 半導体リレー、Ｑ１〜Ｑ８ ＮＰＮトランジスタ、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、ＥＮＧ エンジン、Ｌ１ インダクタ、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、ＳＲ１，ＳＲ２ システムリレー。

Claims (4)

1. エンジンおよび車両駆動用のモータを動力源とした第１の走行モードと、前記エンジンを停止状態とし、前記モータのみを動力源とした第２の走行モードとを有する車両に搭載される車両用電源装置であって、
   ｎ（ｎは２以上の自然数）個の単位電源から構成される直流電源と、
   前記直流電源から直流電圧の供給を受けて前記モータを駆動する駆動回路と、
   前記モータに前記車両の走行に必要な駆動力を発生するように前記駆動回路を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記ｎ個の単位電源を直列接続して前記直流電源を構成する第１の電力供給手段と、
   前記ｎ個のうちの少なくとも２個の単位電源を並列接続して前記直流電源を構成する第２の電力供給手段と、
   前記車両の走行モードに応じて、前記第１および第２の電力供給手段の一方を選択する選択手段とを含む、車両用電源装置。
2. 前記選択手段は、前記車両が第１の走行モードのとき、第１の電力供給手段を選択し、前記車両が第２の走行モードのとき、前記第２の電力供給手段を選択する、請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記制御装置は、前記直流電源から出力可能な電力について設けられた所定の基準値を有し、前記第２の電力供給手段の選択時において、前記直流電源から前記駆動回路に供給される電力を、前記所定の基準値を越えないように設定する、請求項２に記載の車両用電源装置。
4. 前記制御装置は、前記第２の電力供給手段から前記第１の電力供給手段への移行時において、前記直流電源の充電量に基づいて、前記エンジンの停止状態から前記エンジンの始動を許可するエンジン始動制御手段をさらに含み、
   前記エンジン始動制御手段は、前記直流電源の充電量が所定のしきい値以下となるまで前記エンジンの始動を禁止する、請求項２に記載の車両用電源装置。

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