JP2003164002A - 電気自動車の回生制動装置 - Google Patents

電気自動車の回生制動装置

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JP2003164002A JP2001362066A JP2001362066A JP2003164002A JP 2003164002 A JP2003164002 A JP 2003164002A JP 2001362066 A JP2001362066 A JP 2001362066A JP 2001362066 A JP2001362066 A JP 2001362066A JP 2003164002 A JP2003164002 A JP 2003164002A
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braking
braking force
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Takeshi Yamanaka
剛 山中
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Nissan Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 制動時の回生電力を有効に活用する。 【解決手段】 バッテリーが充電不可と判定されたとき
は、制動時に、交流モーターの回生電力をバッテリーへ
供給せず、交流モーターを短絡する。これにより、バッ
テリーの状態に拘わらずモーターに回生制動力を発生さ
せることができ、安定な制動力を確保できる。また、従
来のように設置場所に制約がある発熱体(抵抗器)を自
動車に設置する必要がなく、回生電力を抵抗器で熱とし
て消費せずにモーター自体で制動力に変換するので、制
動時の回生電力を有効に活用できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、モーターにより走
行駆動力と回生制動力を発生させる電気自動車の制動装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】走行時にはモーターを電動運転して駆動
力を発生させ、制動時にはモーターを回生運転して回生
制動力を発生させる電気自動車が知られている(例えば
特開平08−051701号公報参照)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の電気自動車では、バッテリーが満充電状態に近
い場合には、制動時の回生電力をバッテリーへ供給する
とバッテリーが過充電になり、バッテリーの寿命が短く
なってしまうので、このような場合には回生電流を抵抗
器へ流し、回生電力を熱にして消費している。したがっ
て、制動時の回生電力が有効に活用されていないという
問題がある。
【0004】本発明の目的は、制動時の回生電力を有効
に活用することにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】一実施の形態の構成を示
す図1および図2に対応づけて本発明を説明すると、 (1) 請求項1の発明は、自動車の走行駆動力と回生
制動力を発生する交流モーター2と、走行駆動時にはバ
ッテリー8の電力をモーター2へ供給し、回生制動時に
はモーター2の回生電力をバッテリー8へ供給する電力
変換手段7と、バッテリー8のSOCを検出するSOC
検出手段18と、SOC検出値に基づいてバッテリー8
の充電可否を判定する充電可否判定手段14と、交流モ
ーターの端子を短絡する短絡手段7(TR7、TR8)
と、回生制動を制御する制御手段14とを備え、制御手
段14は、バッテリー8が充電不可と判定されたとき
は、制動時に、電力変換手段7によりモーター2の回生
電力をバッテリー8へ供給せず、短絡手段7(TR7、
TR8)により交流モーター2を短絡させる。 (2) 請求項2の電気自動車の回生制動装置は、短絡
手段7(TR7、TR8)は短絡相数の切り換えが可能
であり、制御手段14によって、要求される制動力に応
じて短絡手段7(TR7、TR8)の短絡相数を切り換
えるようにしたものである。 (3) 請求項3の電気自動車の回生制動装置は、モー
ター2は3相交流モーターであり、制御手段14によっ
て、要求される制動力に応じて短絡手段7(TR7、T
R8)により2相短絡と3相短絡とを切り換えるように
したものである。 (4) 請求項4の電気自動車の回生制動装置は、機械
式制動力を発生する機械式制動手段19、(6a〜6
d)を備え、制御手段14によって、要求される制動力
を3相短絡によりモーター2から発生させることができ
ない場合には、機械式制動手段19、(6a〜6d)に
より不足分の制動力を発生させるようにしたものであ
る。 (5) 請求項5の電気自動車の回生制動装置は、モー
ター2の回転速度を検出する回転速度検出手段11と、
モーター2の温度を検出する温度検出手段12とを備
え、制御手段14によって、短絡相数ごとにモーター2
の回転速度と温度に対する短絡制動力のテーブルを記憶
しており、モーター2の回転速度検出値と温度検出値に
対応する短絡制動力を表引き演算し、要求される制動力
と比較して短絡相数を決定するようにしたものである。
【0006】なお、上述した課題を解決するための手段
では、発明を解りやすくするために一実施の形態の構成
図に対応づけて説明したが、本発明は一実施の形態に限
定されるものではない。
【0007】
【発明の効果】(1) 請求項1の発明によれば、バッ
テリーが充電不可と判定されたときは、制動時に、交流
モーターの回生電力をバッテリーへ供給せず、交流モー
ターを短絡するようにしたので、バッテリーの状態に拘
わらずモーターに回生制動力を発生させることができ、
安定な制動力を確保できる。また、従来のように設置場
所に制約がある発熱体(抵抗器)を自動車に設置する必
要がなく、回生電力を抵抗器で熱として消費せずにモー
ター自体で制動力に変換するので、制動時の回生電力を
有効に活用できる。 (2) 請求項2および3の発明によれば、要求される
制動力に応じてモーターの短絡相数を切り換えるように
したので、モーター短絡による回生制動力を段階的に調
節することができ、制動時の回生電力を有効に活用でき
る。 (3) 請求項4の発明によれば、要求される制動力を
3相短絡によりモーターから発生させることができない
場合には、機械式制動手段により不足分の制動力を発生
させるようにしたので、要求制動力を安定に確保するこ
とができる。 (4) 請求項5の発明によれば、短絡相数ごとにモー
ターの回転速度と温度に対する短絡制動力のテーブルを
記憶しており、モーターの回転速度検出値と温度検出値
に対応する短絡制動力を表引き演算し、要求される制動
力と比較して短絡相数を決定するようにしたので、モー
ター短絡による短絡相数ごとの回生制動力を正確に検出
でき、その結果、制動時の回生電力をさらに有効に活用
できる。
【0008】
【発明の実施の形態】本願発明を、車両の走行駆動源と
してエンジンとモーターを搭載し、エンジンとモーター
の両方またはいずれか一方により走行するハイブリッド
電気自動車に適用した一実施の形態を説明する。
【0009】一般に、電動機(モーター)は、電力を駆
動力に変換して電動運転するものであるが、そのままの
構造で駆動力を電力に逆変換して回生運転することが可
能である。また、発電機(ジェネレーター)は、駆動力
を電力に変換して発電運転(回生運転と同等)するもの
であるが、そのままの構造で電力を駆動力に逆変換して
電動運転することが可能である。つまり、電動機(モー
ター)と発電機(ジェネレーター)とは基本的に同一構
造であり、どちらも電動運転と回生運転とが可能であ
る。したがって、この明細書では、電気エネルギー(電
力)を回転エネルギー(駆動力)に変換する電動機(モ
ーター)の機能と、回転エネルギーを電気エネルギーに
変換する発電機(ジェネレーター)の機能を合わせ持つ
回転電機を単にモーターと呼ぶ。一方、内燃機関は、ガ
ソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃料を燃や
したときに発生する燃焼エネルギーを回転エネルギー
(駆動力)に変換するものであり、この明細書ではこれ
らの内燃機関を単にエンジンと呼ぶ。
【0010】図1は一実施の形態の構成を示す。エンジ
ン1とモーター2の駆動力は動力伝達機構3、変減速機
4およびドライブシャフト5a、5bを介して駆動輪6
a、6bに伝達され、自動車を走行させる。なお、動力
伝達機構3にはクラッチや遊星ギアなどが含まれる。モ
ーター2はY結線の3相交流モーターであり、自動車を
走行させる駆動力を発生するとともに、自動車を減速さ
せる回生制動力を発生する。なお、モーター2には同期
機や誘導機を用いることができる。
【0011】インバーター7は、バッテリー8の直流電
力を交流電力に変換してモーター2へ印加し、モーター
2から駆動力を発生させるとともに、回生制動力を発生
しているモーター2の回生電力を直流電力に変換してバ
ッテリー8を充電する。
【0012】図2はインバーター7の主回路部分を示
す。インバーター7は、トランジスターTR1〜TR6
とダイオードD1〜D6により3相電力変換回路を構成
し、バッテリー8の直流電力を交流電力に変換してモー
ター2の3相U、V、W端子へ印加する。インバーター
7はまた、モーター2のU相端子とV相端子を短絡する
ためのトランジスターTR7と、V相端子とW相端子を
短絡するためのトランジスターTR8を備えている。
【0013】トランジスターTR7を導通(オン)する
ことによってモーター2のU相巻線2uとV相巻線2v
とが短絡され、モーター2が回転しているときはU相巻
線2uとV相巻線2vに誘起される起電力により端子U
→トランジスターTR7→端子V→巻線2v→巻線2u
→端子Uの回路で短絡電流が流れ、モーター2に制動力
が発生する。この明細書では、3相Y結線モーター2の
端子Uと端子Vを短絡、すなわちU相巻線2uとV相巻
線2vとを短絡して制動をかける方法を2相短絡制動と
呼ぶ。
【0014】同様に、トランジスターTR8を導通(オ
ン)することによってモーター2のV相巻線2vとW相
巻線2wとが短絡され、モーター2が回転しているとき
はV相巻線2vとW相巻線2wに誘起される起電力によ
り端子V→トランジスターTR8→端子W→巻線2w→
巻線2v→端子Vの回路で短絡電流が流れ、モーター2
に制動力が発生する。
【0015】通常、上述したU相とV相の2相短絡制動
をかけても制動力が不足する場合には、トランジスター
TR7とTR8を同時にオンし、3相Y結線モーター2
の端子U、V、Wを同時に短絡、すなわちU相巻線2
u、V相巻線2v、W相巻線2wを短絡する。この明細
書では、3相Y結線モーター2の端子U、V、Wを短
絡、すなわちU相巻線2u、V相巻線2v、W相巻線2
wを短絡して制動をかける方法を3相短絡制動と呼ぶ。
【0016】ふたたび図1において、モーター回転セン
サー11はモーター2の回転速度Nを検出し、モーター
温度センサー12はモーター2の温度Tmを検出する。
モーターコントローラー13は、車両コントローラー1
4からの指令信号、モーター回転センサー11からのモ
ーター回転速度N、モーター温度センサー12からのモ
ーター温度Tmなどに基づいてインバーター2を制御
し、モーター2の駆動と回生を行う。
【0017】電圧センサー15はバッテリー8の端子電
圧、すなわちインバーター7へ供給される直流電圧Vb
を検出する。バッテリー温度センサー16はバッテリー
8の温度Tbを検出し、バッテリー内部抵抗センサー1
7はバッテリー8の内部抵抗Rbを検出する。バッテリ
ーコントローラー18は、車両コントローラー14から
の指令信号、電圧センサー15からのバッテリー電圧V
b、バッテリー温度センサー16からのバッテリー温度
Tb、バッテリー内部抵抗センサー17からのバッテリ
ー内部抵抗Rbなどに基づいてバッテリー8の充電状態
(以下、SOC(State Of Charge)という)を演算す
る。なお、SOCは現在のバッテリー温度Tbから20
℃の値に換算する。
【0018】ブレーキコントローラー19は、車両コン
トローラー14からの指令信号に基づいて各車輪6a〜
6dに内蔵される機械式ブレーキ(不図示)に供給され
るブレーキ液圧を制御し、機械式制動力を調節する。
【0019】アクセルセンサー20はアクセルペダル
(不図示)の踏み込み量Accを検出し、ブレーキセンサ
ー21はブレーキペダル(不図示)の踏み込み量Brを
検出する。また、車速センサー22は自動車の走行速度
(車速)Vspを検出する。車両コントローラー14は、
アクセルセンサー20からのアクセルペダル踏み込み量
Acc、ブレーキセンサー21からのブレーキペダル踏み
込み量Br、車速センサー22からの車速Vspなどに基
づいてモーターコントローラー13、バッテリーコント
ローラー18およびブレーキコントローラー19を制御
し、自動車の駆動力と制動力を制御する。
【0020】ここで、この一実施の形態の回生制動方法
を整理して説明する。自動車を制動するときに、バッテ
リー8が充電可能な状態にあって通常の回生制動が可能
なときは、回生制動を行って回生電力をバッテリー8へ
供給し、バッテリー8の充電を行う。このとき、回生制
動のみでは制動力が不足する場合は不足分を機械式制動
により発生させる。
【0021】一方、バッテリー8が満充電状態またはそ
れに近い状態にあって充電不可能な状態にあり、回生制
動ができないときには、機械式制動をかける。ただし、
機械式制動のみでは制動力が不足する場合は、上述した
2相短絡制動または3相短絡制動を優先的にかける。つ
まり、機械式制動力のみでは制動力が不足する場合に
は、2相短絡制動をかけ、それでも制動力が不足する場
合は3相短絡制動をかけ、なお制動力が不足する場合に
は不足分を機械式制動力により補う。
【0022】ここで、機械式制動のみでは制動力が不足
する場合に短絡制動を優先的にかけ、不足分を機械式制
動により補うのは、2相短絡制動および3相短絡制動に
よる制動力がモーター2の回転速度、温度、定数などに
依存し、短絡制動力を任意に制御できないからである。
【0023】図3〜図4は、一実施の形態の回生制動制
御プログラムを示すフローチャートである。このフロー
チャートにより、一実施の形態の動作を説明する。車両
コントローラー14は、自動車のメインスイッチ(不図
示)が投入されるとこの回生制動制御プログラムを繰り
返し実行する。
【0024】ステップ1において、車速センサー22か
ら車速Vspを、アクセルセンサー20からアクセル操作
量(アクセルペダル踏み込み量)Accを、ブレーキセン
サー21からブレーキ操作量(ブレーキペダル踏み込み
量)Brをそれぞれ読み込む。続くステップ2で、車速
Vsp、アクセル操作量Accおよびブレーキ操作量Brに
基づいて運転者の制動要求があるかどうかを判定する。
制動要求がないと判定された場合はステップ1へ戻り、
制動要求があると判定された場合はステップ3へ進む。
【0025】ステップ3では車速Vspとブレーキ操作量
Brなどに基づいて運転者の要求制動力を演算する。次
に、ステップ4でバッテリーコントローラー18からバ
ッテリー8のSOCを読み込む。上述したように、バッ
テリー8のSOCはバッテリーコントローラー18で演
算される。
【0026】ステップ5において、バッテリーSOCに
基づいてバッテリー8が充電可能な状態にあるかどうか
を判定する。この判定は、最大の回生電力が発生したと
きに、その回生電力を回収可能なSOCの判定基準範囲
を予め設定しておき、現在のSOCが判定基準範囲内に
あれば充電可能と判定する。充電可能な場合はステップ
6へ進み、充電不可能な場合はステップ11へ進む。
【0027】バッテリー8が充電可能な状態にあるとき
は、ステップ6で回生制動のみで要求制動力を発生でき
るか否かを判定する。この判定は、モーター2の回転速
度Nと温度Tmなどに基づいて回生制動力を演算し、上
述した運転者の要求制動力と比較して行う。回生制動の
みで要求制動力を発生できる場合はステップ9へ進み、
モーターコントローラー13を制御して要求制動力分の
回生制動を行う。
【0028】一方、回生制動のみでは要求制動力を満た
せない場合はステップ7へ進み、要求制動力から現状で
の最大回生制動力を差し引いて不足分を求め、この不足
分を機械式制動力に割り当てる。ステップ8でブレーキ
コントローラー19を制御して不足分の機械式制動力を
発生させ、続くステップ9でモーターコントローラー1
3を制御して最大限の回生制動を行う。
【0029】次に、ステップ5でSOCが判定基準範囲
を超えてバッテリー8の充電が不可能であると判定され
たときは、ステップ11で、機械式制動のみで要求制動
力を発生できるか否かを判定する。この判定は、車速V
spなどに基づいて現状での最大機械式制動力を演算し、
上述した運転者の要求制動力と比較して行う。機械式制
動のみで要求制動力を発生できる場合はステップ12へ
進み、そうでなければステップ13へ進む。
【0030】機械式制動のみで要求制動力を満たせる場
合は、ステップ12でブレーキコントローラー19を制
御して要求制動力に等しい機械式制動力を発生させる。
【0031】一方、機械式制動のみでは要求制動力を発
生できない場合は、ステップ13で2相短絡制動で充分
かどうかを判定する。図5に、モーター温度Tmをパラ
メーターとする2相短絡制動時のモーター回転速度Nに
対する発生制動力(短絡制動力)の特性例を示す。ま
た、図6に、モーター温度Tmをパラメーターとする3
相短絡制動時のモーター回転速度Nに対する発生制動力
(短絡制動力)の特性例を示す。これらの特性からモー
ター2の回転速度Nと温度Tmに対応する2相短絡制動
力および3相短絡制動力を表引き演算し、要求制動力と
比較する。
【0032】要求制動力が2相短絡制動力よりもわずか
に大きいが、3相短絡制動をかけるほどの差がない場合
には、2相短絡制動のみで充分と判断し、ステップ14
へ進む。ステップ14では、モーターコントローラー1
3を制御して2相短絡制動を行う。モーターコントロー
ラー13はトランジスターTR7をオンし、U相巻線2
uとV相巻線2vを短絡する。ステップ16で要求制動
力から2相短絡制動力を差し引いて不足分を求め、続く
ステップ17でブレーキコントローラー19を制御して
不足分の機械式制動力を発生させる。
【0033】一方、要求制動力が2相短絡制動力よりも
かなり大きく、3相短絡制動をかける必要がある場合は
ステップ15へ進み、モーターコントローラー13を制
御して3相短絡制動を行う。モーターコントローラー1
3はトランジスターTR7およびTR8をオンし、U相
巻線2u、V相巻線2vおよびW相巻線2wを短絡す
る。ステップ16で要求制動力から3相短絡制動力を差
し引いて不足分を求め、続くステップ17でブレーキコ
ントローラー19を制御して不足分の機械式制動力を発
生させる。
【0034】この一実施の形態によれば、バッテリー8
の状態に拘わらずモーター2に回生制動力を発生させる
ことができ、安定な制動力を確保できる。また、従来の
ように設置場所に制約がある発熱体(抵抗器)を自動車
に設置する必要がなく、回生電力を抵抗器で熱として消
費せずにモーター自体で制動力に変換するので、制動時
の回生電力を有効に活用できる。
【0035】上述した一実施の形態ではY結線の3相交
流モーターを用い、2相短絡制動と3相短絡制動を行う
例を示したが、3相以外の交流モーターを用いて短絡す
る相数を変えて短絡制動を行うようにしてもよい。
【0036】また、本願発明は、モーターの駆動力によ
り走行する純粋な電気自動車はもちろんのこと、エンジ
ンとモーターの駆動力により走行する種々の形式のハイ
ブリッド自動車に対しても適用することができる。
【0037】上述した一実施の形態では、インバーター
7のスイッチング素子としてトランジスターTR1〜T
R8を用いる例を示したが、インバーター7のスイッチ
ング素子はトランジスターに限定されず、例えばパワー
FET、IGBT、サイリスター、GTOなどを用いる
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 一実施の形態の構成を示す図である。
【図2】 一実施の形態のインバーターの主回路構成を
示す図である。
【図3】 一実施の形態の回生制動制御プログラムを示
すフローチャートである。
【図4】 図3に続く、一実施の形態の回生制動制御プ
ログラムを示すフローチャートである。
【図5】 2相短絡制動時のモーター回転速度に対する
発生制動力の特性例を示す図である。
【図6】 3相短絡制動時のモーター回転速度に対する
発生制動力の特性例を示す図である。
【符号の説明】
1 エンジン 2 モーター 2u U相巻線 2v V相巻線 2w W相巻線 3 動力伝達機構 4 変減速機 5a、5b ドライブシャフト 6a、6b 駆動輪 6c、6d 車輪 7 インバーター 8 バッテリー 11 モーター回転センサー 12 モーター温度センサー 13 モーターコントローラー 14 車両コントローラー 15 電圧センサー 16 バッテリー温度センサー 17 バッテリー内部抵抗センサー 18 バッテリーコントローラー 19 ブレーキコントローラー 20 アクセルセンサー 21 ブレーキセンサー 22 車速センサー TR1〜TR8 トランジスター D1〜D6 ダイオード

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】自動車の走行駆動力と回生制動力を発生す
    る交流モーターと、 走行駆動時にはバッテリーの電力を前記モーターへ供給
    し、回生制動時には前記モーターの回生電力を前記バッ
    テリーへ供給する電力変換手段と、 前記バッテリーのSOCを検出するSOC検出手段と、 前記SOC検出値に基づいて前記バッテリーの充電可否
    を判定する充電可否判定手段と、 前記交流モーターの端子を短絡する短絡手段と、 回生制動を制御する制御手段とを備え、 前記制御手段は、前記バッテリーが充電不可と判定され
    たときは、制動時に、前記電力変換手段により前記モー
    ターの回生電力を前記バッテリーへ供給せず、前記短絡
    手段により前記モーターを短絡させることを特徴とする
    電気自動車の回生制動装置。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の電気自動車の回生制動装
    置において、 前記短絡手段は短絡相数の切り換えが可能であり、 前記制御手段は、要求される制動力に応じて前記短絡手
    段の短絡相数を切り換えることを特徴とする電気自動車
    の回生制動装置。
  3. 【請求項3】請求項2に記載の電気自動車の回生制動装
    置において、 前記モーターは3相交流モーターであり、 前記制御手段は、要求される制動力に応じて前記短絡手
    段により2相短絡と3相短絡とを切り換えることを特徴
    とする電気自動車の回生制動装置。
  4. 【請求項4】請求項3に記載の電気自動車の回生制動装
    置において、 機械式制動力を発生する機械式制動手段を備え、 前記制御手段は、要求される制動力を3相短絡により前
    記モーターから発生させることができない場合には、前
    記機械式制動手段により不足分の制動力を発生させるこ
    とを特徴とする電気自動車の回生制動装置。
  5. 【請求項5】請求項2〜4のいずれかの項に記載の電気
    自動車の回生制動装置において、 前記モーターの回転速度を検出する回転速度検出手段
    と、 前記モーターの温度を検出する温度検出手段とを備え、 前記制御手段は、短絡相数ごとに前記モーターの回転速
    度と温度に対する短絡制動力のテーブルを記憶してお
    り、前記モーターの前記回転速度検出値と前記温度検出
    値に対応する短絡制動力を表引き演算し、要求される制
    動力と比較して短絡相数を決定することを特徴とする電
    気自動車の回生制動装置。
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