JP2000125411A

JP2000125411A - モータ駆動装置

Info

Publication number: JP2000125411A
Application number: JP10290184A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Suzui; 康介鈴井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-10-13
Filing date: 1998-10-13
Publication date: 2000-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池と２次電池の電力混合を適切に行
う。【解決手段】燃料電池１０は第１インバータ１６を介
して、モータ２０の巻線の一端に接続されている。２次
電池１２は第２インバータ１８を介して、モータ２０の
巻線の他端に接続されている。すなわち、モータ２０の
巻線を挟んで反対側に２つの電源が配置されている。そ
して、燃料電池１０と２次電池１２の中性点電位が等し
くなるように第１インバータ１６と第２インバータ１８
が制御される。従ってモータ２０に不適当な直流電流を
流さずに、２つの電源の電力を混合してモータ２０を駆
動できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はモータ駆動装置に関
し、特に、特性が異なる２種類の直流電源からの電力で
モータを駆動する装置に関する。２種類の電源は、例え
ば、燃料電池および２次電池である。

【０００２】

【従来の技術】電気自動車の電力源として燃料電池が注
目されている。燃料電池は水素などの燃料から電気を発
生し、推進用のモータへ供給する。ただし、燃料電池の
出力は比較的緩やかに増減する。従って、車両の走行に
必要なモータ側の電力の要求に対する燃料電池出力の応
答性が十分でないので、これを補うバッファ用の２次電
池を搭載することが好適である。

【０００３】ところが、燃料電池と２次電池では図６に
例示するように出力特性（電流電圧特性）が異なるの
で、この特性の相違を考慮したシステム構成を採用する
必要がある。従来周知のエネルギ混合方法の一つは、２
つの電力源の間にＤＣ−ＤＣコンバータ回路を介在さ
せ、ＤＣレベルでエネルギを混合する方法である。ま
た、各電力源にそれぞれ対応する２つのモータを使用
し、モータ出力側で機械的にエネルギを混合する方法が
知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＤＣ−ＤＣコ
ンバータを使用する構成の場合、電気自動車を駆動する
レベルの電力を取り扱うＤＣ−ＤＣコンバータは体格・
重量が大きく、また高価であり、従って車載が難しいと
いう問題がある。

【０００５】また、モータを２つ使用する構成の場合、
比較的安価にシステムを構成できるものの、同レベルの
駆動モータを２台も自動車に搭載することは、搭載スペ
ースの観点から不利である。

【０００６】さらに、特開平８−３３１７０５号公報を
参照すると、その図１に示されるように、燃料電池と２
次電池から独立に出力を取り出してモータを駆動する技
術が開示されている。燃料電池の第１インバータを介し
て第１モータコイルが接続され、２次電池に第２インバ
ータを介して第２モータコイルが接続されている。そし
て、両コイルが一つのモータステータに組み付けられて
いる。しかし、同公報の装置は、原理的には２つのモー
タを使用する従来技術に属する。各モータのコイルが小
さくなるので容量の範囲が制限されるという不利もあ
る。

【０００７】本発明は上記課題に鑑みてなされたもので
あり、その目的は、一つのモータを駆動するために２種
類の電力源の電力を適切に混合できるモータ駆動装置を
提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明に係るモータ駆動装置は、直流電圧を発生す
る第１直流電圧発生手段と、前記第１直流電圧発生手段
により発生した直流電圧を交流電圧に変換する第１変換
手段と、前記第１直流電圧発生手段と異なる特性をもち
直流電圧を発生する第２直流電圧発生手段と、前記第２
直流電圧発生手段により発生した直流電圧を交流電圧に
変換する第２変換手段と、各相の巻線の両端がそれぞれ
前記第１変換手段および前記第２変換手段に接続された
モータと、前記第１直流電圧発生手段と前記第２直流電
圧発生手段の中性点電位が等しくなるように前記第１変
換手段および前記第２変換手段を制御する制御手段と、
を含む。

【０００９】好ましくは、前記第１直流電圧発生手段は
燃料電池であり、前記第２直流電圧発生手段は２次電池
であり、前記第１変換手段および前記第２変換手段はイ
ンバータである。

【００１０】本発明によれば、モータの各相の巻線の一
端には第１変換手段を介して第１直流電圧発生手段が接
続され、巻線の他端には第２変換手段を介して第２直流
電圧発生手段が接続されている。そして、両直流電圧発
生手段の中性点電位が等しくなるように両変換手段を制
御し、中性点電位の相違に起因する不適当な電流成分の
発生を防ぐ。これによりモータ両側の電源の電力をモー
タに供給し、すなわち２つの電力源の出力を混合して、
モータを駆動することができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
（以下、実施形態という）について、図面を参照し説明
する。図１は、電気自動車のモータ駆動装置の全体構成
を示すブロック図である。

【００１２】燃料電池１０は、本発明の第１直流電圧発
生手段の一形態であり、車両走行の主電力源である。燃
料電池１０は、水素ガスと酸素ガスを燃料として電気化
学反応により電気エネルギを生成する。２次電池１２
は、本発明の第２直流電圧発生手段の一形態であり、鉛
バッテリなどからなる。２次電池１２は高い出力応答性
を有しており、燃料電池１０の応答性を補う。

【００１３】電力変換部１４は第１インバータ１６およ
び第２インバータ１８を有し、これらは本発明の第１変
換手段および第２変換手段に対応する。燃料電池１０は
第１インバータ１６に、２次電池１２は第２インバータ
１８に接続されている。各インバータ１６、１８は、該
当する電源の直流電圧を交流電圧に変換し、駆動モータ
２０に供給する。

【００１４】駆動モータ２０は３相交流式である。通常
のモータでは３相のコイルの端部が一つに束ねられてい
るのと異なり、モータ２０の３相のコイル、すなわちＵ
相巻線２０ａ、Ｖ相巻線２０ｂおよびＷ相巻線２０ｃは
切り離されている。図では簡略化されているが、各相の
コイルの一端は第１インバータ１６に接続され、他端は
第２インバータ１８に接続されている。

【００１５】また、電力変換部１４において、第１イン
バータ１６の入力側には、容量が等しい２つのコンデン
サ２４、２６が並列に接続されている。また、第２イン
バータ１８の入力側にも、容量が等しい２つのコンデン
サ２８、３０が並列に接続されている。そして、コンデ
ンサ２４、２６の中間点Ａが、コンデンサ２８、３０の
中間点Ｂと接続されている。

【００１６】図２を参照すると、燃料電池１０側には２
つの電圧センサ３２、３４が設けられている。電圧セン
サ３２は燃料電池１０の端子間の電圧を検出する。電圧
センサ３４は燃料電池１０の一方端子と中間点Ａの電圧
を検出する。同様に、２次電池１２側でも、電圧センサ
３６が端子間電圧を検出し、電圧センサ３８が一方端子
と中間点Ｂの電圧を検出する。これらの電圧検出信号か
ら、各電源における現状の中性点電圧の偏差を知ること
ができる。

【００１７】図１に戻り、制御装置４０は、「モータ２
０の出力トルク要求と燃料電池１０の出力要求の双方を
満たし」、かつ、「燃料電池１０と２次電池１２の中性
点電位が等しくなるように」、２つのインバータ１６、
１８を制御する。

【００１８】モータ２０の出力トルクは、アクセル、ブ
レーキなどの操作系情報および車速などの車両情報から
決まる。制御装置４０は、主として燃料電池１０の電力
を使い、補足的に２次電池１２の電力を使って所望のモ
ータ出力を得る。

【００１９】しかし実際には、燃料電池１０は、モータ
側の要求に応えるような高い応答性はもっていない。そ
して、燃料電池１０は、各時点で自分の出力要求を持っ
ており、この出力要求の電力を放出しようとする。そこ
で、制御装置４０は、燃料電池１０には出力要求の電力
を放出させるとともに（第１インバータ１６の制御）、
バッファとしての２次電池１２を使ってモータ側の要求
に応える（第２インバータ１８の制御）。

【００２０】燃料電池１０の出力がモータ側の要求を下
回るとき、２次電池１２が第２インバータ１８を介して
電力を放出し、トルクの不足分を補う。逆に燃料電池１
０の出力がモータ側の要求を上回るとき、余った電力を
２次電池１２が吸収するように第２インバータ１８が制
御される。これにより２次電池１２が充電される。

【００２１】上記の制御を行うため、制御装置４０には
操作系情報および車両情報が入力され、これらの情報か
らモータの出力トルク要求が決定される。また、燃料電
池１０からは発電電力（出力要求）が入力される。さら
に、電力変換部１４からは、各インバータ１６、１８の
出力電圧および入力電圧、中性点電圧偏差が入力され
る。さらに、モータ２０に取り付けられた回転センサ
（図示せず）から、ロータの回転位置・速度情報が入力
される。

【００２２】これらの情報に基づいて、制御装置４０
は、第１インバータ１６および第２インバータ１８のＰ
ＷＭパターン信号を個別に生成し、電力変換部１４へ出
力する。第１インバータ１６および第２インバータ１８
は、入力信号に従ってスイッチング動作を行う。

【００２３】図３は、上記の制御方法を示すブロック図
である。制御装置４０は、運転者の操作情報および車両
情報（１００）から、駆動モータ２０が出力すべきトル
ク（モータトルク指令）を演算する（１０２）。そし
て、例えばベクトル制御等の周知の制御手法を用いてモ
ータ電流ベクトル（電流指令）が演算される（１０
４）。ここまでは、従来の一般的な電気自動車と同じ制
御が行われる。

【００２４】前述のように、本システムの主電源である
燃料電池１０は、車両の要求する駆動力の変化に対して
十分な応答性をもたない。そこで、まず、燃料電池１０
が出力すべき電力の要求値が、燃料電池１０の内部情報
から算出される（２００）。

【００２５】燃料電池１０の出力電力を駆動モータ２０
が吸収できるように、燃料電池側の電圧ベクトル（電圧
指令）が算出される（２０２）。ここで、吸収電力の大
きさに応じて必要ならば、駆動モータの出力トルクに影
響が無いように、モータ電流ベクトルが再演算される
（２０４）。再演算ではトルク電流と直交する電流ベク
トルが加減される。そして、再演算された電流ベクトル
とモータ２０に流れる電流とが一致するように、２次電
池側の電圧ベクトルが演算される（２０６）。ここで
は、電流センサ（図示せず）で検出したモータ電流がフ
ィードバックされ（２０８）、フィードバック制御が行
われる。

【００２６】ここまでの処理により、各インバータ１
６、１８についての電圧ベクトルが決まる。上記の処理
では、要するに、モータトルク指令と燃料電池出力要求
が先に決まる。そして、燃料電池の出力要求を達成する
ように燃料電池側の電圧ベクトルを決める。さらに、モ
ータトルク指令を達成するように、燃料電池と２次電池
についての電圧ベクトルを適当に設定する。このとき、
２次電池側の電圧ベクトル演算にはモータ電流のフィー
ドバックを適用するが、燃料電池側の演算にはモータ電
流はフィードバックしていない。

【００２７】そして、燃料電池１０の出力要求がトルク
指令を下回るときは、不足分のトルクを補うため、２次
電池１２に電力を放出させるような電圧ベクトル演算結
果が得られる。逆に、燃料電池１０の出力要求がトルク
指令を上回るときは、２次電池１２が充電されるような
電圧ベクトル演算結果が得られる。

【００２８】図４および図５は、上記の制御処理の電流
ベクトルおよび電圧ベクトルの例を示している。第１イ
ンバータ１６および第２インバータ１８についての電圧
ベクトルＶｉｎｖ１、Ｖｉｎｖ２を合成したものが、モ
ータの電圧ベクトルＶｍｏｔである。電圧ベクトルＶｍ
ｏｔおよび電流ベクトルＩｍｏｔからモータトルクが決
まる。

【００２９】図４は定常状態、すなわち、モータ２０が
一定の出力を出し続けている状態を示す。定常状態で
は、燃料電池１０の発生電力のみでモータ２０が駆動さ
れる。この例では、モータ出力Ｐｍｏｔは１０ｋＷ、第
１インバータ１６側の出力Ｐｉｎｖ１は１０ｋＷ、第２
インバータ１８側の出力Ｐｉｎｖ２は０ｋＷである。Ｖ
ｍｏｔがＶｉｎｖ１と一致し、Ｖｉｎｖ２は０である。

【００３０】図５は過渡状態を示している。定常状態か
らモータ出力Ｐｍｏｔが５ｋＷに低下している。このと
き、燃料電池１０は、応答性が低いために、直ぐには出
力を５ｋＷまで落とすことができない。その間、モータ
駆動力の減少が必要な分（５ｋＷ）が第２インバータ１
８の制御で吸収される。第１インバータ１６側の出力Ｐ
ｉｎｖ１は定常状態と同様に１０ｋＷであるが、第２イ
ンバータ１８側の出力Ｐｉｎｖ２は−５ｋＷである。こ
れを実現するために、一時的にモータの力率が下げられ
る。両インバータの電圧ベクトルＶｉｎｖ１、Ｖｉｎｖ
２の合成ベクトルがモータ電圧ベクトルＶｍｏｔであ
る。

【００３１】上記の処理でインバータ１６、１８の電圧
ベクトルが個別に決まったので、それぞれの電圧ベクト
ルをＰＷＭパターンに変換し、インバータ１６、１８へ
の指令を作成する。

【００３２】ただし、実際にインバータが動作すると
き、燃料電池１０の中性点電位と２次電池１２の中性点
電位がずれていると、モータ２０の各コイル２０ａ〜２
０ｃに不適当な直流電流が流れる。これを避けるため、
両電源１０、１２の中性点電位を揃える制御が行われ
る。

【００３３】すなわち、燃料電池側の中性点電圧偏差が
検出され（３００）、偏差をなくすためのオフセット電
圧が演算される（３０２）。図２を参照すると、点Ａの
電位が端子間電圧の半分（センサ３４の検出電圧がセン
サ３２の検出電圧の半分）であれば中性点電圧偏差が０
であるが、それ以外の場合には中性点電圧偏差が生じて
いる。

【００３４】そこで、中性点電圧偏差が生じている場
合、これを修正して０にする制御を行う。中性点電位
は、第１インバータ１６の３相出力電圧に応じて変化す
る。そこで、マイナスの偏差が生じている場合には、イ
ンバータ出力電圧を高くするオフセット電圧が演算さ
れ、電圧ベクトルに加えられる。逆にプラスの偏差が生
じている場合には、インバータ出力電圧を低くするオフ
セット電圧が演算され、電圧ベクトルに加えられる。オ
フセットは、中性点電圧偏差が０になるまで与えられ
る。

【００３５】２次電池側についても同様の処理が行われ
る。中性点電圧偏差が検出され（３０４）、偏差をなく
すためのオフセット電圧が演算される（３０６）。図２
を参照すると、点Ｂの電位（センサ３８の検出信号）と
電池両端電圧（センサ３６の検出信号）から中性点電圧
偏差が求められる。そして、この偏差を修正するような
オフセットを第２インバータ１８の三相出力電圧に与え
る処理が行われる。

【００３６】両電源に関し、オフセット演算後に最終的
なＰＷＭパターンが生成、出力される（４００、４０
２）。オフセットを与えた電圧ベクトルがＰＷＭパター
ンに変換される。この処理は、燃料電池１０と２次電池
１２に関して個別に行われる。第１インバータ１６およ
び第２インバータ１８は、入力されたＰＷＭパターンに
従ってスイッチング動作を行う。これにより、２つの電
源からの電流を合成した電流がモータ２０のコイル２０
ａ〜２０ｃに流れる。その結果、モータ２０の出力トル
クは、制御装置４０が決めたトルク指令値に等しくな
る。

【００３７】ここで、燃料電池１０の中性点電圧偏差と
２次電池１２の中性点電圧偏差がそれぞれ修正されてい
るので、両電源の中性点電位は等しくなる。従って、モ
ータ２０に不要な直流電流成分が流れるのを回避でき
る。

【００３８】以上のように、本実施形態によれば、燃料
電池と２次電池がモータ（各相コイル）の反対側に配置
されており、かつ、両電源の中性点電位が等しくなるよ
うに制御されている。このような構成を採用したので、
両電源の電力をモータに供給してモータを駆動でき、燃
料電池と２次電池の適切な電力混合が実現されている。

【００３９】なお、本実施形態では、燃料電池と２次電
池の組合せが採用された。しかし、本発明はこの組合せ
には限定されない。例えば、バッテリとキャパシタ、高
容量バッテリと高出力バッテリ、高電圧バッテリと低電
圧バッテリの組合せにも本発明を適用可能である。

【００４０】また、本発明は電気自動車に限られず、他
のモータ利用システムにも同様に適用可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれ
ば、モータの各相の巻線の両端のそれぞれに変換手段を
介して直流電圧発生手段を接続し、かつ、２つの電圧発
生手段の中性点電位が等しくなるように制御するので、
２種類の異なる特性の電源の出力を適当に混合して１つ
のモータを駆動することができる。

【００４２】従って、２つの直流電源の電力混合を、１
つのモータと２つの直流／交流変換手段という比較的簡
素・安価な構成で実現できる。しかも、特性の異なる２
つの直流電源の動作点を独立に制御できる。上記の例で
は燃料電池および２次電池の動作点を個別のインバータ
を使って独立に制御している。従って、各電源を効率よ
く使用でき、エネルギ効率の高いシステムを構築可能で
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の全体構成を示すブロック
図である。

【図２】図１の電力変換部の構成を示す図である。

【図３】図１のモータ駆動装置の制御処理を示す図で
ある。

【図４】図３の制御による電流ベクトルおよび電圧ベ
クトルの例を定常状態について示す図である。

【図５】図３の制御による電流ベクトルおよび電圧ベ
クトルの例を過渡状態について示す図である。

【図６】燃料電池と２次電池の出力特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１０燃料電池、１２２次電池、１４電力変換部、
１６第１インバータ、１８第２インバータ、２０
駆動モータ、４０制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０２Ｍ 7/48 Ｈ０２Ｍ 7/48 ＤＨ０２Ｐ 7/63 ３０２Ｈ０２Ｐ 7/63 ３０２Ｂ３０２ＪＦターム(参考） 5G003 BA03 DA02 DA15 FA06 GB06 5H007 AA04 BB06 DA04 DB03 DC05 EA02 5H115 PA00 PC06 PG04 PI11 PI14 PI16 PI18 PI29 PO02 PU08 PV09 QN09 RB22 RB26 SE04 TB01 TO13 TO14 TO21 TO23 TO30 5H576 AA15 BB09 CC02 CC04 CC09 DD02 EE01 EE11 EE24 GG04 HB02 LL01 LL24 LL28 LL41 LL60

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電圧を発生する第１直流電圧発生手
段と、前記第１直流電圧発生手段により発生した直流電圧を交
流電圧に変換する第１変換手段と、前記第１直流電圧発生手段と異なる特性をもち直流電圧
を発生する第２直流電圧発生手段と、前記第２直流電圧発生手段により発生した直流電圧を交
流電圧に変換する第２変換手段と、各相の巻線の両端がそれぞれ前記第１変換手段および前
記第２変換手段に接続されたモータと、前記第１直流電圧発生手段と前記第２直流電圧発生手段
の中性点電位が等しくなるように前記第１変換手段およ
び前記第２変換手段を制御する制御手段と、を含むことを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】請求項１に記載のモータ駆動装置におい
て、前記第１直流電圧発生手段は燃料電池であり、前記第２
直流電圧発生手段は２次電池であり、前記第１変換手段
および前記第２変換手段はインバータであることを特徴
とするモータ駆動装置。