JP2004500795A

JP2004500795A - Electric golf car with low-speed regenerative braking

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Publication number: JP2004500795A
Application number: JP2001550858A
Authority: JP
Inventors: コーホイ　ジョン; ハーン　カールトン　ダブリュ
Original assignee: Textron Inc
Current assignee: Textron Inc
Priority date: 1999-12-30
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2004-01-08
Also published as: PL355293A1; AU2741201A; KR20020077350A; CA2392605A1; EP1245075A4; MXPA02005575A; EP1245075A1

Abstract

アーマチャコイル（２２）および界磁コイル（２４）を備えた分巻モータを有する電動車両（ゴルフカー）用制御システム（１０）。本発明の制御システム（１０）は、アーマチャコイルを横切って並列に接続された１つのＭＯＳＦＥＴ（３４）と、アーマチャコイルに直列に接続された他のＭＯＳＦＥＴ（３６）とを有している。モータがその基本速度以下の速度で作動するときには、直列ＭＯＳＦＥＴを瞬間的にオンにしてアーマチャコイルを短絡することにより電流が誘起される。これにより、電流が反時計回り方向に流れ始め、この時点で直列ＭＯＳＦＥＴがオフに切り換えられる。この結果、モータに大きい電圧スパイクが生じ、電流がバッテリパックに戻される。直列ＭＯＳＦＥＴのオン／オフを迅速に切り換えることにより、電流が維持され、低速での回生制動が行なわれる。
【選択図】図１A control system (10) for an electric vehicle (golf car) having a shunt motor including an armature coil (22) and a field coil (24). The control system (10) of the present invention has one MOSFET (34) connected in parallel across the armature coil and another MOSFET (36) connected in series with the armature coil. When the motor operates at or below its base speed, current is induced by momentarily turning on the series MOSFET and shorting the armature coil. This causes current to begin flowing counterclockwise, at which point the series MOSFET is turned off. This results in a large voltage spike in the motor and current is returned to the battery pack. By rapidly switching the series MOSFET on / off, current is maintained and regenerative braking is performed at a low speed.
[Selection diagram] Fig. 1

Description

関連出願の相互参照
本願は、「低速回生ブレーキを備えた電気ゴルフカー（ＥｌｅｃｔｒｉｃＧｏｌｆＣａｒｗｉｔｈＬｏｗ−ＳｐｅｅｄＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅＢｒａｋｉｎｇ）」の名称に係る２０００年１２月１４日付米国特許出願第０９／７３６，６５７号および「ゼロ速度への回生ブレーキを備えた電気ゴルフカート（ＥｌｅｃｔｒｉｃＧｏｌｆＣａｒｔｉｎｃｌｕｄｉｎｇＲｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅＢｒａｋｉｎｇＴｏＺｅｒｏ）」の名称に係る１９９９年１２月３０日付米国仮特許出願第６０／１７３，６３８号に基く優先権を主張する。
【０００１】
（技術分野）
本発明は、広くは電気ゴルフカーの制御システムに関し、より詳しくは、基本速度以下の速度への回生制動を行なう半ブリッジ整流器を用いた回生ブレーキシステムを有する電気ゴルフカーの制御システムに関する。
【０００２】
（背景技術）
全ての電気モータは、近接した２つの磁界が互いに整合する傾向を有するという原理に基いて作動する。磁界を発生させる１つの方法は、ワイヤでコイルを作り、これに電流を流すことである。電流が流れる２つのコイルが互いに近接している場合には、それぞれの磁界は互いに整合する傾向を有する。２つのコイルが０〜１８０°の間の角度で整合からずれている場合には、この傾向によって両コイル間にトルクが発生する。これらのコイルの１つが軸に機械的に固定されておりかつ他方のコイルが外側ハウジングに固定されているならば、電気モータが形成される。これらのコイル間に発生するトルクは、コイルを流れる電流に従って変化する。
【０００３】
残念ながら、このモータは、磁界が整合するまでに１／２回転するに過ぎない。かくして、モータ軸が１８０°より大きい角度で回転するときにトルクを連続的にに発生させるには、両コイル間に常に或る角度が存在するように確保しなければならない。この機能を発揮する装置は整流子と呼ばれている。整流子は、アーマチャコイルと呼ばれる能動コイルからの電流を遮断し、かつアーマチャコイルとハウジングに連結された界磁コイルとの間の角度がゼロになる前に、電流を第２アーマチャコイルに再接続する。各アーマチャコイルの端部は、整流子バーとして知られている接点面を有している。モータハウジングには、カーボンで作られたブラシと呼ばれる接点が固定されている。モータ軸が回転すると、ブラシは１組のバーとの接触を離れて、次の組のバーに接触する。このプロセスは、能動アーマチャコイルと界磁コイルとの間の角度を比較的一定に維持する。磁界間のこの一定の角度は、モータが回転する間、一定のトルクを維持する。
【０００４】
コイルが磁界内で移動すると、コイル内に電圧および電流が誘起される。界磁コイルに電流が流れかつアーマチャコイルが回転されると、アーマチャコイルに電圧および電流が誘起され、モータが発電機に有効に変換される。このことは、２つの重要な効果を有している。モータを使用して、モータリングと呼ばれている電気ゴルフカーのような電動車両を駆動するとき、モータの回転により、逆ＥＭＦ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｏｔｉｖｅｆｏｒｃｅ；起電力）と呼ばれている、アーマチャコイルを横切る電圧が誘起される。この電圧は、モータ速度および界磁電流に従って増大する。逆ＥＭＦがモータのターミナル間電圧に等しくなると、最高速度に到達する。他の効果は、アーマチャコイルに電気的負荷がかけられている状態でアーマチャコイルが回転されると、モータがブレーキとして作用し、電力を発生することである。この効果は回生制動として知られている。これは、発生トルクがアーマチャコイルおよび界磁コイルの電流に従って変化しかつ速度が印加アーマチャ電圧に従って変化する電気モータの特徴である。
【０００５】
電気ゴルフカー用のこの回生型ブレーキの例が、Ｂａｌｌ等の米国特許第５，５６５，７６０号、Ｊｏｕｒｎｅｙの米国特許第５，８１４，９５８号、Ｌａｎｋｉｎの米国特許第５，３３２，９５４号およびＰｏｓｔの米国特許第４，６２６，７５０号に開示されている。
【０００６】
電動車両の速度は、モータへの印加電圧を変えることにより変化できる。低電圧では、モータの逆ＥＭＦは、低速で印加電圧に到達する。この電圧を変えるには２つの異なる方法がある。第１の方法は、モータに対して直列に抵抗器を挿入して、モータへの実効電圧を低下させることである。これは、モータ速度を制御すべく産業界で使用されている方法である。残念なことに、この方法は、低速では極めて非効率的である。
【０００７】
この非効率性は、オームの法則およびキルヒホフの電流および電圧法則により説明できる。オームの法則によれば、
Ｖ（電圧）＝Ｉ（電流）×Ｒ（抵抗）
これから、
Ｐ（電力）＝Ｉ（電流）×Ｖ（電圧）
となる。キルヒホフの法則を簡単に云えば、或る回路において、全ての電圧を加算するとゼロになりかつ全ての電流は所与のループにおいて等しくなくてはならないということである。
【０００８】
キルヒホフの電流法則によれば、バッテリ、抵抗器、アーマチャコイル、および電動車両のモータ回路の界磁コイルを通る電流は全て等しくなくてはならない。またキルヒホフの電圧法則によれば、抵抗器、アーマチャコイル、および界磁コイルを横切る電圧を全て加算するとバッテリ電圧（一例では３６Ｖ）にならなくてはならず、従って、回路内の全ての電圧の和はゼロに等しくなる。
【０００９】
或る駆動条件（グレード、表面、タイヤ圧力、車両に作用する負荷、および所望速度）は、１８Ｖで１００Ａの電流がモータ（アーマチャコイルおよび界磁コイル）を通って流れることを必要とすると仮定する。トルクは電流に従って変化し、速度は電圧に従って変化する。回路は、どれほど多くの電力が抵抗器で損失されるかを決定すべく分析される。キルヒホフの法則によれば、抵抗器を横切る電圧は、Ｖ_ＢＡＴＴ＝Ｖ_ＡＲＭ＋Ｖ_{ＦＩＥＬＤ}＋Ｖ_ＲＥＳとして求められる。すなわち、
３６＝１８＋Ｖ_ＲＥＳ
Ｖ_ＲＥＳ＝１８Ｖ
電流は１００Ａであり、従ってオームの法則により、抵抗器内の損失電力は次のようにして求められる。
Ｐ_ＲＥＳ＝Ｉ_ＲＥＳ×Ｖ_ＲＥＳ
Ｐ_ＲＥＳ＝１００×１８＝１８００Ｗ
また、オームの法則により、モータにより使用される電力は、
Ｐ＝（Ｖ_ＡＲＭ＋Ｖ_{ＦＩＥＬＤ}）×Ｉ
Ｐ＝１８×１００＝１８００Ｗ
【００１０】
これは、バッテリから供給される電力の１／２は抵抗器内で熱として損失されることを意味する。これらの条件下で、速度コントローラシステムは、同性能の抵抗器システムのエネルギの１／２を使用する。
【００１１】
抵抗器システムでは、抵抗は、ペダル位置の増大につれて減少する。速度コントローラシステムでは、デューティサイクルはペダル位置の増大につれて増大する。両方法とも、モータへの電圧、従って車両の速度を有効に制御する。効率の差は、フルスロットルに近付くほど目立たなくなる。
【００１２】
慣用の電動車両は上記原理で作動するが、電動車両を制御するには種々の方法がある。標準の電気ゴルフカーは、直巻モータを使用している。直巻モータは、非常に太いワイヤが数回巻回された界磁コイルを有している。最大トルクを得るため、アーマチャコイルと界磁コイルとは直列に接続されている。他の電動車両は分巻モータを使用しており、界磁コイルは細いワイヤが多数巻回されている。最大トルクを得るため、アーマチャコイルおよび界磁コイルは並列すなわち「分巻」形態に接続されている。コイルにより発生される磁界の強度は、コイルを流れる電流およびコイルの巻き数に従って変化する。従って、分巻界磁巻線に小さい電流を流すことによって、同じ磁界強度が得られる。例えば、直巻モータで３００Ａでの磁界強度と同じ磁界強度が、分巻モータでは１５〜２０Ａで達成される。同様に、コントローラには２〜３の顕著な相違がある。分巻モータでは小さい電流で同じ磁界強度が得られるので、より小型の別の組の電力部品で界磁コイルを制御する機会が得られる。これは、モータの他励制御と呼ばれている。
【００１３】
前述のように、逆ＥＭＦは磁界強度に従って変化し、磁界強度は界磁電流に従って変化する。直巻モータではアーマチャ電流と界磁電流とは同じであり、従って、磁界強度とアーマチャ電流との間の関係は直線になる。他励システムでは、所与のアーマチャ電流に対して任意の界磁電流を選択できる。界磁電流が減少すると、磁界強度も低下する。かくして逆ＥＭＦが低下され、これにより、所与のアーマチャ電流に対してモータ速度が増大される。これは、弱め磁界（ｆｉｅｌｄｗｅａｋｅｎｉｎｇ）と呼ばれている。
【００１４】
界磁電流が前進方向に作用している間に、車両が坂道を後ろ向きに転がり落ち始めると、磁界は、一方向ダイオード（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌｄｉｏｄｅ）に直接逆向きの電流を発生する。ダイオードは当該方向では短絡回路であるとみなすことができるので、ダイオードは、モータをブレーキのように作動させ、非常に低速に制動する。この制動形式は、プラグ制動（ｐｌｕｇｂｒａｋｉｎｇ）と呼ばれている。
【００１５】
加速ペダルが所定時間以上の時間解放されて、車両が停止されている場合には、コントローラは界磁コイルを除勢し、速度センサをモニタし続ける。加速ペダルが踏み込まれることなく車両が移動し始める場合には、コントローラは、車両の移動方向とは逆方向に界磁コイルを再付勢して、プラグ制動を開始する。
【００１６】
（発明の開示）
本発明の教示によれば、複数の電力用金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｆｉｅｌｄｅｆｆｅｃｔｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を備えたゴルフカー等の電動車両用制御システムが開示される。４つのＭＯＳＦＥＴが全Ｈブリッジ（ｆｕｌｌＨ−ｂｒｉｄｇｅ）を形成し、２つのＭＯＳＦＥＴが半Ｈブリッジ（ｈａｌｆＨ−ｂｒｉｄｇｅ）を形成する。半ブリッジの１つのＭＯＳＦＥＴはアーマチャコイルを横切って並列に接続され、半ブリッジの他のＭＯＳＦＥＴはアーマチャコイルに直列に接続されている。アーマチャコイルを横切る並列ＭＯＳＦＥＴは、一方向ダイオードを有している。
【００１７】
モータがその基本速度以下の速度で作動するとき、すなわち逆ＥＭＦが電源電圧以下であるときには、並列ＭＯＳＦＥＴを瞬間的にアーマチャコイルに短絡させることにより電流が誘起される。モータアーマチャのインダクタンスにより反時計回り方向の電流が流れ始め、この時点で直列ＭＯＳＦＥＴがオフに切り換えられる。従って、モータを横切る大きい電圧スパイクが生じ、これにより、電流がバッテリパックに逆流する。パルス幅変調（ＰＷＭ）と呼ばれている技術を用いて並列ＭＯＳＦＥＴのオン／オフ切換えを迅速に行なうことにより電流が維持され、低速でも回生制動を行なうことができる。
【００１８】
また、アーマチャ電流がモニタされるという事実から、界磁マップ（ｆｉｅｌｄｍａｐ）の負の象限の制御が可能になる。界磁電流（Ｉ_ｆ）を、基準電流（Ｉ_ｒｅｆ）に一致するように変化させることにより、界磁マップ曲線が維持される。また、モータ速度はアーマチャ電圧（Ｖ_ＡＲＭ）に従って変化するので、従来技術のコントローラでの界磁電流を変化させる速度制御方法とは異なり、アーマチャＰＷＭ信号を使用して車両速度を制御することができる。また、速度基準値（この値はペダル位置により決定される）が、閉制御ループを介して、速度センサにより戻された実速度値と比較される。スロットル位置入力信号に従って車両速度を変化させるため、アーマチャＰＷＭ信号の調節が行なわれる。また、低速操縦時のぎくしゃくした回生制動を防止するため、速度がモニタされかつ低速での回生制動アーマチャ電流限度（Ｉ_ｍａｘ）が低下される。
【００１９】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明の他の目的、長所および特徴は、添付図面を参照して述べる以下の説明および特許請求の範囲の記載から明らかになるであろう。
【００２０】
電気ゴルフカー用回生ブレーキシステムに関する好ましい実施形態についての以下の説明は、事実上単なる例示であり、いかなる意味においても本発明またはその用途または使用を限定するものではない。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態による回生制動システムを有する電気ゴルフカー等の電動車両用電気システムを示す概略図１０である。この概略図１０は、バッテリシステム１２と、モータ１４と、制御システム１６とを有している。一般的なバッテリシステム１２は、個別バッテリ２０を含むバッテリパック１８を有している。一実施形態では、バッテリパック１８は６個の６Ｖバッテリ（全部で３６Ｖ）を有し、バッテリ２０は大容量（ｄｅｅｐｄｉｓｃｈａｒｇｅ）鉛蓄電池である。モータ１４は、モータアーマチャコイル２２および界磁コイル２４を有している。モータ１４の両コイル２２、２４はインダクタとして機能する。このことは、電流がひとたび両コイル２２、２４を通って流れると、流れ続けようとすることを意味している。
【００２２】
制御システム１６には、アーマチャコイル２２を通る電流を測定するための電流センサ４４が設けられている。電流センサ４４は、ホール効果集積回路の回りに巻かれるワイヤのコイルで形成できる。これにより、ホール効果回路が磁気コイルループ内に配置され、ホール効果回路が検出する磁界はアーマチャ電流Ｉ_ＡＲＭに比例する。
【００２３】
制御システム１６は、６個の電力駆動用ＭＯＳＦＥＴ２６〜３６およびコンデンサ４０を有している。事実上、ＭＯＳＦＥＴ２６〜３６は、一秒間に１５，０００回のオン／オフ作動を行なう。本願明細書の全体を通して、用語「ＭＯＳＦＥＴ」についての全ての言及は、並列に接続されかつ単一信号により制御されるいずれか１つのＭＯＳＦＥＴまたは複数のＭＯＳＦＥＴを意味するものと解釈されたい。ＭＯＳＦＥＴ３４は、モータアーマチャコイル２２を横切って接続されかつ一方向ダイオード４２を有している。ダイオード４２は電気の一方向弁のように機能し、矢印で示す方向にのみ電気を通すことができる。既知の１／４ブリッジアーマチャ回路では、一方向ダイオード４２は別個のデバイスである。しかしながら、電力用ＭＯＳＦＥＴ３４の構造では、一方向ダイオード４２はシリコンの内在的部分として形成されている。
【００２４】
ＭＯＳＦＥＴ２６〜３２の組合せはＨブリッジすなわち全ブリッジを形成し、ＭＯＳＦＥＴ３４および３６は半ブリッジを形成する。半ブリッジコントローラは、界磁コイル２４に使用する全ブリッジについてのものではなく、モータアーマチャコイル２２に使用する半ブリッジ構造についてのものである。電力駆動用ＭＯＳＦＥＴ２６〜３２およびＨブリッジ構造は、慣用的なものである。本発明のシステム１０の１つのユニークな特徴は、モータアーマチャコイル２２に関連する２つの電力用ＭＯＳＦＥＴ３４および３６、より詳しくは、モータアーマチャコイル２２を横切って並列に接続された電力用ＭＯＳＦＥＴ３４およびダイオード４２を使用していることおよびこれらが駆動される方法にある。慣用の電動車両に使用されている慣用ＤＣモータ駆動システムでは、モータアーマチャコイル２２の下の直列ＭＯＳＦＥＴ３６および一方向ダイオード４２が使用されているに過ぎない。
【００２５】
アーマチャコイル２２および界磁コイル２４は２つの主バッテリターミナルを横切って並列に接続されているため、モータ１４は分巻モータである。この作動は、例えばモータアーマチャコイル２２の直列電力用ＭＯＳＦＥＴ３６がオンにされかつ界磁コイル２４の２つの反対側の電力用ＭＯＳＦＥＴ２６および３２がオンになるときに生じる。別々に励起される慣用システムでは、一般にモータ１４の速度は、界磁電流を変えることにより変えられる。本発明では、アーマチャ電流（Ｉ_ＡＲＭ）のパルス幅変調（ＰＷＭ）は、車両速度の制御に使用される。
【００２６】
このシステムでは、制御システム１６の論理回路は、ＭＯＳＦＥＴ２６〜３６がオンまたはオフであるかについての制御を行なう。モータ１４への実効電圧を制御するため、ＭＯＳＦＥＴ２６〜３６がオンである時間の長さと、オフである時間の長さとの比が制御される。この比は、デューティサイクル（使用率）と呼ばれている。ＭＯＳＦＥＴ３６がオンであるとき、バッテリ２０はアーマチャ２２を横切って直接接続される。キルヒホフの法則により、これは、バッテリ２０を横切る電圧およびアーマチャ２２を横切る電圧は共に３６Ｖであることを意味する。また、キルヒホフの法則により、アーマチャ２２およびバッテリ２０を通る電流は等しい。回路内の電流は、一方向ダイオード４２の矢印とは逆方向に流れ、ダイオード４２はこの条件下では無視される。
【００２７】
ＭＯＳＦＥＴ３６がオフであるとき、バッテリ２０を備えた回路は断絶される。アーマチャ２２を通って流れる電流があるので、モータは停止しない。一方向ダイオード４２は、残された回路の一部に過ぎない。電流が以前と同じ量で同方向に流れ続ける場合には、一方向ダイオード４２を通って流れるであろう。ダイオード４２およびアーマチャ２２の両者を横切る電圧はほぼゼロとなるが、電流は不変に維持される。バッテリ回路では、該回路が不完全であるので電流は全く流れないが、バッテリ電圧は３６Ｖに維持される。
【００２８】
ＭＯＳＦＥＴ３６がオンであるときは、アーマチャ２２を横切る電圧は３６Ｖであり、オフであるときはゼロである。モータ１４を横切る平均電圧は次のようにして求められる。
Ｖ_ＡＲＭ＝（３６Ｖ×デューティサイクル）＋（０Ｖ×（１−デューティサイクル））
Ｖ_ＡＲＭ＝３６Ｖ×デューティサイクル
【００２９】
車両を移動させるのに要するトルクは、モータ電流を決定する。ＭＯＳＦＥＴ３６がオンであるときバッテリ電流はモータ電流に等しく、かつオフであるときはバッテリ電流はゼロであるので、バッテリ電流Ｉ_ＢＡＴＴは、
Ｉ_ＢＡＴＴ＝（Ｉ_ＡＲＭ×デューティサイクル）＋（０Ａ×（１−デューティサイクル））
Ｉ_ＢＡＴＴ＝Ｉ_ＡＲＭ×デューティサイクル
ソリッドステート速度コントローラに例えば上記１００Ａおよび１８Ｖを使用すると、相違は次の通りである。
Ｖ_ＡＲＭ＝３６Ｖ×デューティサイクル
１８＝３６×デューティサイクル
デューティサイクル＝５０％
Ｉ_ＢＡＴＴ＝Ｉ_ＡＲＭ×デューティサイクル
Ｉ_ＢＡＴＴ＝１００Ａ×５０％
Ｉ_ＢＡＴＴ＝５０Ａ
【００３０】
この時点で、前述の電力についての公式により、バッテリ２０からの電力およびアーマチャ２２への電力を計算できる。上記例から、これらの条件下でのモータ電力は１８００Ｗであることが分る。
Ｐ_ＢＡＴＴ＝Ｉ_ＢＡＴＴ×Ｖ_ＢＡＴＴ
Ｐ_ＢＡＴＴ＝５０Ａ×３６Ｖ＝１８００Ｗ
【００３１】
下記表１には、２つのシステムの各々についてのこれらの条件下での相違が要約されている。
【表１】

【００３２】
例えば、車両が下り坂を移動するとき、回生制動モードでのモータアーマチャコイル２２の通常の作動は、モータ１４の速度がその基本速度より大きいときにのみ存在する。基本速度は、逆ＥＭＦがバッテリ電圧に等しくなる速度である。逆ＥＭＦがバッテリ電圧に等しいかこれ以下であるときには、バッテリ電圧が高過ぎるため、通常、モータ１４により発生されるエネルギがバッテリパック１８に逆流することはできない。この制限に打ち勝つため、一方向ダイオード４２と組み合せた電力用ＭＯＳＦＥＴ３４が付加された。車両の速度が基本速度より低い場合には、前述の理由からバッテリパック１８を充電すべく作動せず、従って回生制動は行なわれない。この制限をなくすため、ＭＯＳＦＥＴ３４は短時間オンにされる。ＭＯＳＦＥＴ３４が完全にオンになると、該ＭＯＳＦＥＴ３４を横切る電圧降下はほぼゼロであるので、モータ１４は大きい電流を発生し、この電流は非常に短時間だけＭＯＳＦＥＴ３４を通って流れる。この短時間の電流は瞬間的には停止できないので、通常の逆ＥＭＦを越える大きい電圧が発生し、これはバッテリ電圧より高い。次に、モータアーマチャコイル２２は、モータ１４の高電圧がそのピーク電圧からバッテリ電圧に低下するのに要する時間に等しい短い時間だけ、エネルギをバッテリパック１８に送り出す。次に、このプロセスが一秒間に数百回または数千回反復されて、モータ１４のエネルギにより充分な高電圧を発生させ、バッテリパック１８を横切る回生制動効果を生じさせてモータ１４を減速させる。
【００３３】
ＭＯＳＦＥＴ３４をオンにすることにより、ＭＯＳＦＥＴ３４はモータ１４に急ブレーキをかける効果を有することに留意することが重要である。これはＤＣモータを制動する通常の方法であるが、これを長時間続けるには問題がある。従って、１つ以上の方法でこの制動作用を緩和することが重要である。しかしながら、電力用ＭＯＳＦＥＴ３４の性質は、これをオンまたはオフにすることを必要とする。かくして、緩和効果を達成するには、アーマチャＰＷＭデューティサイクルを変化させる必要がある。下記表２には、異なるＰＷＭデューティサイクルについてのＶ_ＢＡＴＴ、Ｉ_ＢＡＴＴ、Ｉ_ＡＲＭおよびＶ_ＡＲＭの値が示されている。
【表２】

【００３４】
直列電力用ＭＯＳＦＥＴ３６がオフになっているとき、アーマチャ電圧が反転するその瞬間は通常走行モードにある。その短時間の間、電流は流れ続けようとし、アーマチャ電圧は反転して、一方向ダイオード４２を通して電流を押し流す。
【００３５】
慣用の電気ゴルフカーでは、モータ１４の基本速度は、１６ｋｍ／ｈ（１０マイル／ｈ）以上の車両速度で回生制動を生じさせることができる。１６ｋｍ／ｈより低速では回生制動は生じない。また、回生制動は、加速ペダルが完全に踏み込まれている場合でも、下り坂車両速度を２０．８ｋｍ／ｈ（１３マイル／ｈ）に制限して、より確実な運転フィーリングを得るべく使用される。
本発明の１つの重要な長所は、加速ペダルを使用して、車両速度を２マイル／ｈほどの低速に減速できることである。これまでに知られているコントローラは、ペダルが完全に解放されているときに車両速度を制限できるに過ぎない。換言すれば、加速ペダルが僅かでも踏み込まれるならば、車両速度をモータ１４の最高速度に到達させることができ、前記最高速度を越えたときにのみ自動的に回生制動が行なわれる。これは、特に、急勾配の坂道で好ましくない。本発明では、加速ペダルは、該加速ペダルを使用して車両の低速を直接調節し、ペダル位置と速度との間に比較的リニアなフィーリングを生じさせることに関し、手動変速機をもつ内燃機関を備えた車両と同じフィーリングで有効に作用する。換言すれば、本発明の加速ペダルを使用することにより、速度を、１２．８ｋｍ／ｈ（８マイル／ｈ）、９．６ｋｍ／ｈ（６マイル／ｈ）、８ｋｍ／ｈ（５マイル／ｈ）、またはオペレータが選択するペダル踏込み量に対応する任意の速度に調節できる。
【００３６】
慣用コントローラでは、車両の最高速度は設定可能なパラメータである。これは、水平路面で車両が達成できる速度である。車両が坂道の頂上を昇りきって、これから下ろうとするとき、重力によって車両がこれから一層加速される場合でも、一般的な慣用コントローラは当該最高速度を保持すべく設定される。
【００３７】
要約すれば、慣用駆動システムでは、ペダルを単に踏み込むだけで、車両を基本速度から最高速度まで加速できるが、モータの基本速度以下ではいかなる制御も行なうことはできない。しかしながら、本発明のシステムでは、ペダル位置により、車両の速度を、ほぼゼロ速度より僅かに高い速度から、モータ１４の制御システム１６により設定された最高速度までの任意の速度に制御できる。ペダル位置と車両速度との間にはリニアな関係を付与できる。しかしながら、この関係は、所望に応じて非リニアなものとすることができ、例えば、低速で大きい感度が得られるように構成することもできる。
【００３８】
モータ１４の逆ＥＭＦは、モータ速度に従って増大しかつ界磁コイル電流の増大によっても増大する。直巻モータでは、モータアーマチャコイルと界磁コイル２４とが直列に接続されているので、モータアーマチャ電流と界磁コイル電流（これらの電流は常に同一でなくてはならない）とが独立制御されないことを確保できる。分巻モータでは、モータアーマチャコイル２２と界磁コイル２４とが完全に分離されているので、これらの２つの回路の電流を別々に調節できる。従って、モータの逆ＥＭＦを低下させるのに必要なことは、単に界磁コイル電流を減少させることだけである。このため、モータコントローラの設計者は、より多くのフレキシビリティをもって所望のモータ特性を達成することができる。
【００３９】
図２は、一般的な界磁マップである。界磁マップとは、分巻電気モータのアーマチャ電流と界磁電流との関係を説明するのに当業界で広く使用されている用語である。各モータは、その性能が最適になる特定領域をその界磁マップ上に有している。この領域から大きく外れた領域での作動は、モータに永久的な損傷を与えることになる。
【００４０】
界磁マップの上・右象限内の線４６は、界磁電流が、独立制御されるアーマチャ電流に関連している直巻モータの一般的性能を示している。分巻モータシステムでは、界磁電流およびアーマチャ電流を独立して制御できるので、図２の上・右象限に示すような非リニア曲線５６となる。かくして、この特定界磁マップは、慣用コントローラにプログラムできる条件下で優れた性能が得られる。しかしながら、一方向ダイオード４２を備えた１／４ブリッジアーマチャ回路を用いた慣用コントローラは、界磁マップの上・左象限内のいかなる制御をも行なわない。しかしながら、本発明は、界磁マップの上・左象限内の線５８上で作動する技術を提供する。
【００４１】
１／４ブリッジコントローラを備えた既知の分巻モータシステムでは、アーマチャ電流は、電力用ＭＯＳＦＥＴ３４の既知の抵抗値により実際に測定される。換言すれば、アーマチャ電流は、電力用ＭＯＳＦＥＴ３４を横切る電圧を測定することにより測定される。本発明のシステムでは、電流センサ４４が、界磁マップの負の象限内のアーマチャ電流Ｉ_ＡＲＭを測定できる。次に、この検出したＩ_ＡＲＭ値から、コントローラはグラフから正しいＩ_ｆを選択する。従来は、このアーマチャ電流情報を簡単には利用できず、従ってこの情報に基いて他の変数を調節することは不可能である。
【００４２】
図３は加算ジャンクション５０を有するフィードバックループ図４８であり、加算ジャンクション５０は、界磁電流基準入力Ｉ_ｒｅｆを有しかつ界磁ＰＷＭブロック５２への入力信号を発生する。界磁ＰＷＭブロック５２は、次に、パルス幅変調（ＰＷＭ）界磁電流を発生する。次に、パルス幅変調界磁電流が、界磁電流Ｉ_ｆを発生する電流源５４に供給される。次に、界磁電流Ｉ_ｆが加算ジャンクション５０にフィードバックされる。ＰＷＭ界磁電流は、実際には平均電圧を制御することで終了し、これにより所望の界磁電流が達成されるか否かは問わない。界磁コイルに付随する問題は、界磁コイルが、抵抗の変化を引き起こす温度変化を受けることである。かくして、所与の電圧に対して異なる界磁電流が生じる。図３のフィードバックループを使用することにより、温度考察とは独立して所望の界磁電流を得ることができる。また、界磁コイル２４は、アーマチャまたは他の何かにより誘起された磁界が存在する実環境内で作動する。図３のフィードバックシステムはまた、さもなくば所望のＩ_ｆ信号の安定性を損なう虞れのあるこれらの種類の補助ファクタを処理するようにも構成できる。
【００４３】
モータ１４の界磁マップの負の象限の作動を調節できることの１つの長所は、モータ１４を、全ての条件下でより高い信頼性をもって作動できることである。一般に、分巻ＤＣモータは、或るＩ_ｆ対Ｉ_ＡＲＭ条件下すなわち範囲内で作動する。この範囲外では、もしも当該条件での作動が長時間行なわれると、モータ１４に損傷を与える可能性がある。従って、下り坂回生条件またはモータ１４が通常のＩ_ｆ／Ｉ_ＡＲＭ所望作動範囲外の他の非常環境にある場合を含む全ての場合において、Ｉ_ｆ／Ｉ_ＡＲＭ推奨比が観察されるようにすることにより、モータ１４の信頼性およびサービス容易性を高めることができる。
【００４４】
安全回生作動領域のこの論点は、実際には５人乗りゴルフカーのような大型車両のみに関係することに留意されたい。これは、一般に、より小さい２人乗りゴルフカーならば、モータ１４に何らかの悪影響を与えるのに充分な長さの好ましくないＩ_ｆ／Ｉ_ＡＲＭ領域内では作動しないためである。これは、大型車両が大きい度合いでモータに負荷を与える急な山コースについていえることである。
【００４５】
図４は、アーマチャＰＷＭ信号を用いる車両速度制御を示すブロック図である。加速ペダル位置信号６２は、加算ジャンクション６４に供給される速度基準信号である。車両の実速度６６も検出されて、加算ジャンクション６４に供給される。これらの２つの信号を比較してフィードバック信号が得られ、該フィードバック信号は、次に、入力信号としてアーマチャＰＷＭブロック６８に入力される。これにより、モータアーマチャコイル２２の直列ＭＯＳＦＥＴ３６に供給される適当な出力ＰＷＭ信号が得られ、該出力ＰＷＭ信号は次に車両の速度を調節する。より一般的には、アーマチャＰＷＭブロック６８は、アーマチャコイル２２に直列のＭＯＳＦＥＴ３６および並列のＭＯＳＦＥＴ３４の両者を作動する。
【００４６】
所望のモータ速度を達成するためには、モータアーマチャコイル２２を横切って印加される電圧を調節しなければならない。モータアーマチャターミナルを横切るこの電圧制御は、アーマチャコイル２２の電力用ＭＯＳＦＥＴ３４、３６の両者の作動により決定される。これらのＭＯＳＦＥＴ３４、３６は、所望のモータ電圧を達成するのに望ましい任意の方法で作動される。モータ１４の速度を決定する車両の現在速度、従って逆ＥＭＦの電圧が与えられれば、モータターミナルを横切って印加すべき所望電圧を計算でき、かつ電力用ＭＯＳＦＥＴ３４，３６を適当に作動させて、モータ速度を増大させる付加電圧を得ることができる。モータアーマチャターミナル電圧を逆ＥＭＦ以下にすることにより、回生制動が誘起される。かくして、モータアーマチャコイル２２に印加される電圧は、界磁マップの右側または左側の界磁象限の全体を通して望ましい任意の方法で調節できる。
【００４７】
慣用の分巻モータ制御システムに関して、「ペダルアップ制動」という用語が使用されている。基本的に、車両の加速ペダルが解放されると、制御システム１６は、モータ１４の基本速度（一般に１６ｋｍ／ｈ）まで減速される間中、回生制動状況を能動的に実行する。これを越えると能動制御は行なわれなくなる。なぜならば、モータ１４の回生制動特性により、バッテリ電圧を超える充分な逆ＥＭＦが得られないからである。かくして、回生制動は全く行なわれない。本発明は、モータ１４の基本速度以下の回生制動を行なうので、モータ１４の基本速度より遥かに低い速度についても、用語「ペダルアップ制動」を使用できる。
【００４８】
制御システムにより、最大アーマチャ電流Ｉ_ＡＲＭと低速回生制動時の速度との間にリニア関係が許容されるならば、車両速度は、ペダルが解放されると非常に急激に低下する。基本的には、これは、駐車ブレーキがオンであるときの駆動フィーリングと同じである。基本的に、車両速度が、ペダル位置により示される速度より高速である限り、車両は通常惰走するであろう。改善されたシステムにおいて、能動回生制動がオンのままであると、車両は、実際に、回生制動により不快感を感じるほど非常に急激に減速されるであろう。この特別な特徴により、車両が単に惰走することを可能にする安全な或る低速設定点以下への低速回生制動が禁じられる。この設定点は、３．２〜１２．８ｋｍ／ｈ（２〜８マイル／ｈ）の任意の速度に定めることができるが、起伏に富んだ地形ではおそらく８ｋｍ／ｈ（５マイル／ｈ）が好ましいであろう。
【００４９】
図５および図６には、アーマチャ電流Ｉ_ＡＲＭを、速度に関連していかにして或る最小値と或る最大値との間に制御できるかの一例が示されている。最大アーマチャ電流は一般に回生制動モード時に発生され、この場合、電流制限は、制御システム１６および整流子を過熱から保護するように設計されている。速度センサ７２は加算ジャンクション７４を有しており、該加算ジャンクションは、入力としての速度センサ信号および電流センサ４４を表す電流検出回路７６からの電流信号を受け入れる。最小アーマチャ電流はゼロにするか、低速での過大制動を生じさせない或る値に定めることができる。
【００５０】
以上から、本発明の電動車両用制御システムは、当業界で知られている制御システムに比べて幾つかの長所を有している。これらの長所として、基本速度以下の速度に回生制動できることがある。モータ１４がその基本速度以下の速度で作動するとき、すなわち逆ＥＭＦが電源電圧以下であるときには、ＭＯＳＦＥＴ３４を瞬間的にオンにしてアーマチャコイル２２を短絡させることにより、電流が誘起される。モータ１４の残留インダクタンスのため、ＭＯＳＦＥＴ３４がオフにされる時点で反時計回り方向の電流が流れ始める。従って、モータ１４を横切る大きい電圧スパイクが生じ、これにより、バッテリパック１８に電流が逆流する。ＭＯＳＦＥＴ３４のオン／オフを迅速に切り換えることにより、電流が維持され、かつ低速でも回生制動を行なうことができる。
【００５１】
また、アーマチャ電流がモニタされるため、界磁マップの負の象限の制御が可能である。更に、モータ速度はアーマチャ電圧（Ｖ_ＡＲＭ）に従って変化するので、従来技術のコントローラでの界磁電流変化速度を制御する方法とは異なり、アーマチャＰＷＭを使用して車両速度を制御することができる。また、速度基準値（該基準値はペダル位置により決定される）が、閉制御ループを介して、速度センサにより戻された実速度値と比較される。スロットル位置入力信号に従って車両速度を変えるため、アーマチャＰＷＭの調節が行なわれる。低速操縦時のぎくしゃくした回生制動特性を防止するため、速度がモニタされかつ低速時には回生制動アーマチャ電流限度（Ｉ_ＭＡＸ）が低下される。
【００５２】
上記説明は、本発明の単なる例示実施形態を開示するに過ぎない。上記説明、添付図面および特許請求の範囲の記載から、当業者ならば、特許請求の範囲に記載の本発明の精神および範囲から逸脱することなく種々の変更を行ない得ることは容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による半ブリッジ構造を使用する電動車両用電気システムを示す概略図である。
【図２】
モニタリング／回生界磁マップを示す図面である。
【図３】
図１の電気システムにおけるアーマチャ電流の制御を示す概略ブロック図である。
【図４】
加速ペダル位置に基いて速度基準値を決定するための閉制御ループを示す概略ブロック図である。
【図５】
車両速度がモニタされかつ該速度に関連してアーマチャ電流が調節されるところを示す概略ブロック図である。
【図６】
最大アーマチャ電流Ｉ_ＡＲＭと車両速度との関係を示すグラフである。Cross-reference of related applications
This application discloses U.S. patent application Ser. No. 09 / 736,657, filed Dec. 14, 2000, and entitled "Electric Golf With Low-Speed Regenerative Braking" with "Low Speed Regenerative Braking." Claims are based on U.S. Provisional Patent Application No. 60 / 173,638, filed December 30, 1999, entitled "Electric Golf Cart Included Regenerating Breaking To Zero".
[0001]
(Technical field)
The present invention relates generally to control systems for electric golf cars, and more particularly, to control systems for electric golf cars having a regenerative braking system using a half-bridge rectifier that provides regenerative braking to a base speed or less.
[0002]
(Background technology)
All electric motors operate on the principle that two magnetic fields in close proximity have a tendency to match each other. One way to generate a magnetic field is to make a coil of wire and pass a current through it. If the two coils carrying current are close to each other, their magnetic fields will tend to match each other. If the two coils are out of alignment at an angle between 0 and 180 °, this tendency will create a torque between the two coils. An electric motor is formed if one of these coils is mechanically fixed to the shaft and the other coil is fixed to the outer housing. The torque generated between these coils changes according to the current flowing through the coils.
[0003]
Unfortunately, this motor only rotates one half turn before the magnetic fields match. Thus, in order to continuously generate torque when the motor shaft rotates at an angle greater than 180 °, it must be ensured that an angle always exists between both coils. Devices that perform this function are called commutators. The commutator blocks the current from the active coil, called the armature coil, and reconnects the current to the second armature coil before the angle between the armature coil and the field coil connected to the housing goes to zero. I do. The end of each armature coil has a contact surface known as a commutator bar. A contact called a brush made of carbon is fixed to the motor housing. As the motor shaft rotates, the brush leaves contact with one set of bars and contacts the next set of bars. This process keeps the angle between the active armature coil and the field coil relatively constant. This constant angle between the magnetic fields maintains a constant torque while the motor rotates.
[0004]
As the coil moves in the magnetic field, voltages and currents are induced in the coil. When current flows through the field coil and the armature coil is rotated, voltage and current are induced in the armature coil, effectively converting the motor into a generator. This has two important effects. BACKGROUND ART When an electric vehicle such as an electric golf car called a motoring is driven using a motor, an armature coil called an electro-motive force (EMF) is generated by rotation of the motor. Is induced across the voltage. This voltage increases with motor speed and field current. Maximum speed is reached when the back EMF equals the motor terminal voltage. Another effect is that when the armature coil is rotated while an electric load is being applied to the armature coil, the motor acts as a brake and generates electric power. This effect is known as regenerative braking. This is a feature of electric motors in which the generated torque varies according to the currents in the armature and field coils and the speed varies according to the applied armature voltage.
[0005]
Examples of this regenerative brake for an electric golf car are U.S. Patent No. 5,565,760 to Ball et al., U.S. Patent No. 5,814,958 to Journey, U.S. Patent No. 5,332,954 to Lankin and Post is disclosed in U.S. Pat. No. 4,626,750.
[0006]
The speed of the electric vehicle can be changed by changing the voltage applied to the motor. At low voltages, the back EMF of the motor reaches the applied voltage at low speed. There are two different ways to change this voltage. The first is to insert a resistor in series with the motor to reduce the effective voltage to the motor. This is the method used in the industry to control motor speed. Unfortunately, this method is very inefficient at low speeds.
[0007]
This inefficiency can be explained by Ohm's law and Kirchhoff's current and voltage law. According to Ohm's law,
V (voltage) = I (current) × R (resistance)
from now on,
P (power) = I (current) x V (voltage)
Becomes Simply put, Kirchhoff's law is that in some circuits, all voltages add to zero and all currents must be equal in a given loop.
[0008]
According to Kirchhoff's current law, the current through the battery, the resistor, the armature coil, and the field coil of the motor circuit of the electric vehicle must all be equal. Also, according to Kirchhoff's voltage law, the sum of the voltages across the resistor, armature coil, and field coil must add up to the battery voltage (36V in one example), and therefore all voltages in the circuit The sum is equal to zero.
[0009]
Assume that certain driving conditions (grade, surface, tire pressure, load acting on the vehicle, and desired speed) require 100 A of current at 18 V to flow through the motor (armature and field coils). . Torque changes according to the current and speed changes according to the voltage. The circuit is analyzed to determine how much power is lost in the resistor. According to Kirchhoff's law, the voltage across a resistor is V_BATT= V_ARM+ V_FIELD+ V_RESIs required. That is,
36 = 18 + V_RES
V_RES= 18V
The current is 100 A, so according to Ohm's law, the power loss in the resistor is determined as follows:
P_RES= I_RES× V_RES
P_RES= 100 × 18 = 1800W
Also, according to Ohm's law, the power used by the motor is
P = (V_ARM+ V_FIELD) × I
P = 18 × 100 = 1800W
[0010]
This means that half of the power provided by the battery is lost as heat in the resistor. Under these conditions, the speed controller system uses half of the energy of a comparable resistor system.
[0011]
In a resistor system, the resistance decreases with increasing pedal position. In a speed controller system, the duty cycle increases as the pedal position increases. Both methods effectively control the voltage to the motor and thus the speed of the vehicle. The difference in efficiency becomes less noticeable as you approach full throttle.
[0012]
Conventional electric vehicles operate on the above principle, but there are various methods for controlling electric vehicles. Standard electric golf cars use a series-wound motor. The series motor has a field coil in which a very thick wire is wound several times. To obtain the maximum torque, the armature coil and the field coil are connected in series. Other electric vehicles use a shunt motor, and the field coil is wound with many thin wires. To obtain maximum torque, the armature and field coils are connected in a parallel or "shunt" configuration. The strength of the magnetic field generated by the coil varies according to the current flowing through the coil and the number of turns of the coil. Therefore, the same magnetic field strength can be obtained by passing a small current through the shunt field winding. For example, the same magnetic field strength at 300 A with a series motor is achieved at 15 to 20 A with a shunt motor. Similarly, there are a few notable differences in controllers. Since the same magnetic field strength can be obtained with a small current in the shunt motor, there is an opportunity to control the field coil with another smaller set of power components. This is called separate excitation control of the motor.
[0013]
As described above, the back EMF changes according to the magnetic field strength, and the magnetic field strength changes according to the field current. In a series motor, the armature current and the field current are the same, so the relationship between the magnetic field strength and the armature current is linear. In a separately excited system, any field current can be selected for a given armature current. As the field current decreases, the magnetic field strength also decreases. Thus, the back EMF is reduced, thereby increasing the motor speed for a given armature current. This is called field weakening.
[0014]
If the vehicle begins to roll backwards on a hill while the field current is acting in the forward direction, the magnetic field will generate a current in the opposite direction directly to the freewheel diode. Since the diode can be considered as a short circuit in that direction, the diode operates the motor like a brake and brakes very slowly. This type of braking is called plug braking.
[0015]
When the accelerator pedal is released for a predetermined time or more and the vehicle is stopped, the controller deenergizes the field coil and continues to monitor the speed sensor. When the vehicle starts to move without the accelerator pedal being depressed, the controller re-energizes the field coil in a direction opposite to the moving direction of the vehicle to start plug braking.
[0016]
(Disclosure of the Invention)
In accordance with the teachings of the present invention, a control system for an electric vehicle, such as a golf car, including a plurality of metal-oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) is disclosed. Four MOSFETs form a full H-bridge, and two MOSFETs form a half H-bridge. One MOSFET of the half-bridge is connected in parallel across the armature coil and the other MOSFET of the half-bridge is connected in series with the armature coil. Parallel MOSFETs that cross the armature coil have one-way diodes.
[0017]
When the motor operates at or below its base speed, i.e., when the back EMF is below the supply voltage, current is induced by momentarily shorting the parallel MOSFET to the armature coil. A counterclockwise current starts to flow due to the inductance of the motor armature, at which point the series MOSFET is switched off. Thus, there is a large voltage spike across the motor, which causes current to flow back into the battery pack. By rapidly switching on / off the parallel MOSFETs using a technique called pulse width modulation (PWM), the current is maintained and regenerative braking can be performed even at low speed.
[0018]
Also, the fact that armature current is monitored allows for control of the negative quadrant of the field map. Field current (I_f) With the reference current (I_ref), The field map curve is maintained. Also, the motor speed depends on the armature voltage (V_ARM), The vehicle speed can be controlled using the armature PWM signal, unlike the speed control method of changing the field current in the prior art controller. Also, the speed reference value (which is determined by the pedal position) is compared with the actual speed value returned by the speed sensor via a closed control loop. Adjustment of the armature PWM signal is performed to change the vehicle speed according to the throttle position input signal. Also, to prevent jerky regenerative braking during low speed maneuvering, the speed is monitored and the regenerative braking armature current limit (I_max) Is reduced.
[0019]
(Best Mode for Carrying Out the Invention)
Other objects, advantages and features of the present invention will become apparent from the following description and appended claims, taken in conjunction with the accompanying drawings.
[0020]
The following description of a preferred embodiment of the regenerative braking system for an electric golf car is merely exemplary in nature and is not intended to limit the invention or its use or use in any way.
[0021]
FIG. 1 is a schematic diagram 10 showing an electric system for an electric vehicle such as an electric golf car having a regenerative braking system according to an embodiment of the present invention. The schematic diagram 10 includes a battery system 12, a motor 14, and a control system 16. The general battery system 12 has a battery pack 18 including individual batteries 20. In one embodiment, the battery pack 18 has six 6V batteries (36V total) and the battery 20 is a deep discharge lead-acid battery. The motor 14 has a motor armature coil 22 and a field coil 24. Both coils 22, 24 of the motor 14 function as inductors. This means that once current flows through both coils 22, 24, it will continue to flow.
[0022]
The control system 16 is provided with a current sensor 44 for measuring the current passing through the armature coil 22. The current sensor 44 can be formed of a coil of wire wound around a Hall effect integrated circuit. As a result, the Hall effect circuit is disposed in the magnetic coil loop, and the magnetic field detected by the Hall effect circuit is equal to the armature current I._ARMIs proportional to
[0023]
The control system 16 includes six power driving MOSFETs 26 to 36 and a capacitor 40. In effect, MOSFETs 26-36 perform 15,000 on / off operations per second. Throughout this specification, all references to the term "MOSFET" should be construed to mean any one or more MOSFETs connected in parallel and controlled by a single signal. MOSFET 34 is connected across motor armature coil 22 and has a one-way diode 42. The diode 42 functions like an electric one-way valve and can conduct electricity only in the direction indicated by the arrow. In known quarter-bridge armature circuits, the one-way diode 42 is a separate device. However, in the structure of the power MOSFET 34, the one-way diode 42 is formed as an intrinsic part of silicon.
[0024]
The combination of MOSFETs 26-32 forms an H-bridge, or full bridge, and MOSFETs 34 and 36 form a half-bridge. The half-bridge controller is not for the full bridge used for the field coil 24, but for the half-bridge structure used for the motor armature coil 22. The power drive MOSFETs 26-32 and the H-bridge structure are conventional. One unique feature of the system 10 of the present invention is that two power MOSFETs 34 and 36 associated with the motor armature coil 22, and more particularly, a power MOSFET 34 and a diode 42 connected in parallel across the motor armature coil 22. And the way they are driven. In conventional DC motor drive systems used in conventional electric vehicles, only a series MOSFET 36 and a one-way diode 42 below the motor armature coil 22 are used.
[0025]
Since the armature coil 22 and the field coil 24 are connected in parallel across the two main battery terminals, the motor 14 is a shunt motor. This actuation occurs, for example, when the series power MOSFET 36 of the motor armature coil 22 is turned on and the two opposite power MOSFETs 26 and 32 of the field coil 24 are turned on. In a separately excited conventional system, the speed of the motor 14 is typically changed by changing the field current. In the present invention, the armature current (I_ARM) Is used to control vehicle speed.
[0026]
In this system, the logic circuit of the control system 16 controls whether the MOSFETs 26 to 36 are on or off. In order to control the effective voltage to the motor 14, the ratio between the length of time that the MOSFETs 26 to 36 are on and the length of time that the MOSFETs 26 to 36 are off is controlled. This ratio is called the duty cycle (usage rate). When MOSFET 36 is on, battery 20 is connected directly across armature 22. According to Kirchhoff's law, this means that the voltage across the battery 20 and the voltage across the armature 22 are both 36V. Also, according to Kirchhoff's law, the currents through the armature 22 and the battery 20 are equal. The current in the circuit flows in the opposite direction to the one-way diode 42 arrow, which is ignored under this condition.
[0027]
When the MOSFET 36 is off, the circuit with the battery 20 is disconnected. The motor does not stop because there is current flowing through the armature 22. One-way diode 42 is only part of the circuit that is left. If the current continues to flow in the same direction with the same amount as before, it will flow through the one-way diode 42. The voltage across both diode 42 and armature 22 will be near zero, but the current will remain unchanged. In the battery circuit, no current flows because the circuit is imperfect, but the battery voltage is maintained at 36V.
[0028]
When MOSFET 36 is on, the voltage across armature 22 is 36V, and when it is off, it is zero. The average voltage across motor 14 is determined as follows.
V_ARM= (36V x duty cycle) + (0V x (1-duty cycle))
V_ARM= 36V × duty cycle
[0029]
The torque required to move the vehicle determines the motor current. When the MOSFET 36 is on, the battery current is equal to the motor current, and when the MOSFET 36 is off, the battery current is zero._BATTIs
I_BATT= (I_ARMX duty cycle) + (0A x (1-duty cycle))
I_BATT= I_ARMX duty cycle
Using the above 100A and 18V for a solid state speed controller, for example, the differences are as follows.
V_ARM= 36V × duty cycle
18 = 36 × duty cycle
Duty cycle = 50%
I_BATT= I_ARMX duty cycle
I_BATT= 100A × 50%
I_BATT= 50A
[0030]
At this point, the power from the battery 20 and the power to the armature 22 can be calculated according to the power formula described above. From the above example, it can be seen that the motor power under these conditions is 1800W.
P_BATT= I_BATT× V_BATT
P_BATT= 50A × 36V = 1800W
[0031]
Table 1 below summarizes the differences under these conditions for each of the two systems.
[Table 1]

[0032]
For example, when the vehicle travels downhill, normal operation of motor armature coil 22 in regenerative braking mode exists only when the speed of motor 14 is greater than its base speed. The base speed is the speed at which the back EMF equals the battery voltage. When the back EMF is less than or equal to the battery voltage, the battery voltage is too high and the energy generated by the motor 14 cannot normally flow back to the battery pack 18. To overcome this limitation, a power MOSFET 34 in combination with a one-way diode 42 has been added. When the speed of the vehicle is lower than the basic speed, the battery pack 18 is not operated for charging for the above-described reason, and thus the regenerative braking is not performed. To remove this limitation, MOSFET 34 is turned on for a short time. When the MOSFET 34 is fully turned on, the motor 14 generates a large current, which flows through the MOSFET 34 for a very short time, since the voltage drop across the MOSFET 34 is almost zero. Since this short-term current cannot be stopped momentarily, a large voltage is generated that exceeds the normal back EMF, which is higher than the battery voltage. Next, the motor armature coil 22 delivers energy to the battery pack 18 for a short period of time equal to the time required for the high voltage of the motor 14 to decrease from its peak voltage to the battery voltage. This process is then repeated hundreds or thousands of times per second to generate a sufficiently high voltage with the energy of the motor 14 to cause a regenerative braking effect across the battery pack 18 to slow down the motor 14. .
[0033]
It is important to note that by turning MOSFET 34 on, MOSFET 34 has the effect of braking motor 14 sharply. This is the usual method of braking a DC motor, but there is a problem with continuing this for a long time. It is therefore important to mitigate this braking effect in one or more ways. However, the nature of the power MOSFET 34 requires that it be turned on or off. Thus, achieving the mitigation effect requires varying the armature PWM duty cycle. Table 2 below shows the V for different PWM duty cycles._BATT, I_BATT, I_ARMAnd V_ARMAre shown.
[Table 2]

[0034]
When the series power MOSFET 36 is off, the moment the armature voltage is inverted is in the normal running mode. During that short time, the current will continue to flow, and the armature voltage will reverse, forcing the current through the one-way diode 42.
[0035]
In a conventional electric golf car, the basic speed of the motor 14 can cause regenerative braking at a vehicle speed of 16 km / h (10 miles / h) or more. At a speed lower than 16 km / h, regenerative braking does not occur. Also, regenerative braking is used to limit downhill vehicle speed to 20.8 km / h (13 miles / h) to obtain a more reliable driving feeling even when the accelerator pedal is fully depressed. You.
One important advantage of the present invention is that the vehicle speed can be reduced to as low as 2 miles / h using an accelerator pedal. Previously known controllers can only limit vehicle speed when the pedal is fully released. In other words, if the accelerator pedal is depressed even slightly, the vehicle speed can reach the maximum speed of the motor 14, and the regenerative braking is automatically performed only when the maximum speed is exceeded. This is particularly undesirable on steep hills. In the present invention, the accelerator pedal relates to using the accelerator pedal to directly adjust the low speed of the vehicle to produce a relatively linear feel between the pedal position and the speed. It works effectively with the same feeling as a vehicle with. In other words, by using the accelerator pedal of the present invention, the speed can be increased to 12.8 km / h (8 miles / h), 9.6 km / h (6 miles / h), 8 km / h (5 miles / h). ) Or any speed corresponding to the pedal depression amount selected by the operator.
[0036]
In conventional controllers, the maximum speed of the vehicle is a configurable parameter. This is the speed that the vehicle can achieve on a horizontal surface. As the vehicle climbs up the top of the slope and is about to descend, even if gravity causes the vehicle to accelerate further, a common conventional controller is set to maintain the maximum speed.
[0037]
In summary, in a conventional drive system, the vehicle can be accelerated from a basic speed to a maximum speed by simply depressing a pedal, but no control can be performed below the basic speed of the motor. However, in the system of the present invention, the pedal position can control the speed of the vehicle to any speed from slightly above zero speed to a maximum speed set by the control system 16 of the motor 14. A linear relationship can be provided between pedal position and vehicle speed. However, this relationship can be non-linear as desired, and can be configured, for example, to provide high sensitivity at low speeds.
[0038]
The back EMF of motor 14 increases with motor speed and also increases with increasing field coil current. In the series-wound motor, the motor armature coil and the field coil 24 are connected in series, so that the motor armature current and the field coil current (these currents must always be the same) are not independently controlled. Can be secured. In the shunt motor, the motor armature coil 22 and the field coil 24 are completely separated, so that the currents of these two circuits can be adjusted separately. Thus, all that is required to reduce the back EMF of the motor is to simply reduce the field coil current. Therefore, the designer of the motor controller can achieve the desired motor characteristics with more flexibility.
[0039]
FIG. 2 is a general field map. The field map is a term widely used in the art to describe the relationship between the armature current and the field current of a shunt electric motor. Each motor has a specific area on its field map where its performance is optimal. Operation outside of this range will cause permanent damage to the motor.
[0040]
The line 46 in the upper right quadrant of the field map shows the general performance of a series motor where the field current is related to the independently controlled armature current. In the shunt motor system, since the field current and the armature current can be controlled independently, a non-linear curve 56 as shown in the upper and right quadrants of FIG. 2 is obtained. Thus, this particular field map provides excellent performance under conditions that can be programmed into a conventional controller. However, conventional controllers using quarter-bridge armature circuits with one-way diodes 42 do not perform any control in the upper and left quadrants of the field map. However, the present invention provides a technique that operates on line 58 in the upper left quadrant of the field map.
[0041]
In known shunt motor systems with quarter-bridge controllers, the armature current is actually measured by the known resistance of the power MOSFET 34. In other words, the armature current is measured by measuring the voltage across the power MOSFET 34. In the system of the present invention, the current sensor 44 detects the armature current I in the negative quadrant of the field map._ARMCan be measured. Next, the detected I_ARMFrom the value, the controller can determine from the graph that the correct I_fSelect Conventionally, this armature current information is not readily available, and it is not possible to adjust other variables based on this information.
[0042]
FIG. 3 is a feedback loop diagram 48 having a summing junction 50, wherein the summing junction 50 has a field current reference input I_refAnd generates an input signal to the field PWM block 52. The field PWM block 52 then generates a pulse width modulation (PWM) field current. Next, the pulse width modulation field current is changed to the field current I_fIs generated. Next, the field current I_fIs fed back to the addition junction 50. The PWM field current is actually terminated by controlling the average voltage, regardless of whether the desired field current is achieved. A problem associated with field coils is that they undergo temperature changes that cause a change in resistance. Thus, different field currents result for a given voltage. By using the feedback loop of FIG. 3, a desired field current can be obtained independent of temperature considerations. Also, the field coil 24 operates in a real environment where there is a magnetic field induced by an armature or something else. The feedback system of FIG. 3 also provides the desired I_fIt can also be configured to handle these types of auxiliary factors, which can compromise signal stability.
[0043]
One advantage of being able to adjust the operation of the negative quadrant of the field map of the motor 14 is that the motor 14 can operate more reliably under all conditions. Generally, a shunt DC motor has a certain I_fVs. I_ARMOperates under conditions, ie within range. Outside this range, the motor 14 may be damaged if the operation under the conditions is performed for a long time. Therefore, the downhill regeneration condition or the motor 14_f/ I_ARMIn all cases, including in other emergency environments outside the desired operating range, I_f/ I_ARMBy ensuring that the recommended ratio is observed, the reliability and serviceability of the motor 14 can be increased.
[0044]
It should be noted that this issue of the safe regenerative operating area actually pertains only to heavy vehicles such as five-seater golf cars. This is generally the case for a smaller two-seater golf car, where the unwanted I length is long enough to have some adverse effect on the motor 14._f/ I_ARMThis is because it does not operate in the area. This is true for steep mountain courses where large vehicles load the motor to a large degree.
[0045]
FIG. 4 is a block diagram showing vehicle speed control using an armature PWM signal. Accelerator pedal position signal 62 is a speed reference signal supplied to summing junction 64. The actual speed 66 of the vehicle is also detected and supplied to the addition junction 64. The two signals are compared to obtain a feedback signal, which is then input to the armature PWM block 68 as an input signal. This results in a suitable output PWM signal being provided to the series MOSFET 36 of the motor armature coil 22, which in turn adjusts the speed of the vehicle. More generally, the armature PWM block 68 operates both the MOSFET 36 in series with the armature coil 22 and the MOSFET 34 in parallel.
[0046]
To achieve the desired motor speed, the voltage applied across the motor armature coil 22 must be adjusted. This voltage control across the motor armature terminal is determined by the operation of both power MOSFETs 34, 36 of armature coil 22. These MOSFETs 34, 36 are operated in any manner desired to achieve the desired motor voltage. Given the current speed of the vehicle, which determines the speed of the motor 14, and thus the voltage of the back EMF, the desired voltage to be applied across the motor terminals can be calculated, and the power MOSFETs 34, 36 can be appropriately activated to provide the motor An additional voltage can be obtained which increases the speed. By making the motor armature terminal voltage equal to or lower than the back EMF, regenerative braking is induced. Thus, the voltage applied to the motor armature coil 22 can be adjusted in any manner desired throughout the right or left field quadrant of the field map.
[0047]
With respect to conventional shunt motor control systems, the term "pedal up braking" is used. Basically, when the vehicle's accelerator pedal is released, the control system 16 actively performs a regenerative braking situation while the motor 14 is decelerated to the base speed (typically 16 km / h). Beyond this, no active control is performed. This is because a sufficient back EMF exceeding the battery voltage cannot be obtained due to the regenerative braking characteristics of the motor 14. Thus, no regenerative braking is performed. Since the present invention performs regenerative braking at a speed equal to or lower than the basic speed of the motor 14, the term "pedal-up braking" can be used at a speed much lower than the basic speed of the motor 14.
[0048]
The control system allows the maximum armature current I_ARMIf a linear relationship is allowed between the vehicle speed and the speed during low-speed regenerative braking, the vehicle speed drops very sharply when the pedal is released. Basically, this is the same as the driving feeling when the parking brake is on. Basically, as long as the vehicle speed is faster than the speed indicated by the pedal position, the vehicle will normally coast. In the improved system, if active regenerative braking is left on, the vehicle will actually be decelerated very rapidly enough to be uncomfortable by regenerative braking. This particular feature prohibits low speed regenerative braking below a safe low speed set point that allows the vehicle to simply coast. This set point can be set at any speed from 3.2 to 12.8 km / h (2 to 8 miles / h), but on rough terrain, perhaps 8 km / h (5 miles / h) Would be preferable.
[0049]
5 and 6 show the armature current I_ARMAn example is shown of how can be controlled between a certain minimum and a certain maximum in relation to speed. The maximum armature current is typically generated during a regenerative braking mode, where the current limit is designed to protect the control system 16 and the commutator from overheating. The speed sensor 72 has a summing junction 74 that accepts a speed sensor signal as an input and a current signal from a current detection circuit 76 representing the current sensor 44. The minimum armature current can be zero or some value that does not cause excessive braking at low speeds.
[0050]
As described above, the control system for an electric vehicle according to the present invention has several advantages as compared with control systems known in the art. One of the advantages is that regenerative braking can be performed at a speed lower than the basic speed. When the motor 14 operates at or below its base speed, i.e., when the back EMF is below the supply voltage, a current is induced by momentarily turning on the MOSFET 34 to short circuit the armature coil 22. Due to the residual inductance of the motor 14, a counterclockwise current starts to flow when the MOSFET 34 is turned off. Thus, a large voltage spike across the motor 14 occurs, which causes current to flow back into the battery pack 18. By rapidly switching on / off of the MOSFET 34, the current is maintained and the regenerative braking can be performed even at a low speed.
[0051]
Further, since the armature current is monitored, it is possible to control the negative quadrant of the field map. Further, the motor speed is dependent on the armature voltage (V_ARM), It is possible to control the vehicle speed using the armature PWM, unlike the method of controlling the field current changing speed in the prior art controller. Also, the speed reference value (which is determined by the pedal position) is compared via a closed control loop with the actual speed value returned by the speed sensor. Adjustment of the armature PWM is performed to change the vehicle speed according to the throttle position input signal. To prevent jerky regenerative braking characteristics during low speed maneuvers, the speed is monitored and at low speeds the regenerative braking armature current limit (I_MAX) Is reduced.
[0052]
The above description discloses only exemplary embodiments of the present invention. From the above description, the accompanying drawings and the description of the appended claims, those skilled in the art will easily understand that various modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention described in the appended claims. .
[Brief description of the drawings]
FIG.
1 is a schematic diagram illustrating an electric system for an electric vehicle using a half-bridge structure according to the present invention.
FIG. 2
It is a drawing which shows a monitoring / regeneration field map.
FIG. 3
FIG. 2 is a schematic block diagram illustrating control of an armature current in the electric system of FIG. 1.
FIG. 4
FIG. 4 is a schematic block diagram illustrating a closed control loop for determining a speed reference value based on an accelerator pedal position.
FIG. 5
FIG. 3 is a schematic block diagram illustrating that vehicle speed is monitored and armature current is adjusted in relation to the speed.
FIG. 6
Maximum armature current I_ARM5 is a graph showing a relationship between the vehicle speed and the vehicle speed.

Claims

A control system for controlling the current and voltage of a shunt electric motor associated with an electric vehicle, comprising an armature coil and a field coil,
A plurality of switching devices electrically connected in the H-bridge circuit and electrically connected to the field coil;
A plurality of switching devices electrically connected in the half H-bridge circuit, wherein a first switching device is electrically connected in parallel with the armature coil, and a second switching device is electrically connected in series with the armature coil. A control system characterized by being connected.

The control system according to claim 1, further comprising a one-way diode electrically connected in parallel with the armature coil.

3. The control system according to claim 2, wherein said one-way diode is formed as part of a MOSFET device, said MOSFET device being a first switching device.

The control system according to claim 1, wherein the switching devices of the H-bridge circuit and the half-H-bridge circuit are MOSFET devices.

Means for controlling the on / off switching of the first switching device so as to control the armature current flowing through the armature coil to regeneratively brake the speed of the electric vehicle from a basic speed to zero speed. Item 2. The control system according to Item 1.

6. The control system according to claim 5, wherein said switching means includes means for controlling an armature pulse width modulation (PWM) signal to control the speed of the electric vehicle to a speed equal to or lower than the basic speed.

The control means includes a pedal position device for determining an accelerator pedal position, a speed detecting device for determining a speed of the vehicle, and an armature PWM control circuit for generating an armature PWM signal, wherein the pedal position device is a speed reference signal. Wherein the speed detection device generates a speed sensor signal, the speed sensor signal and the speed reference signal are input to a summing junction, and the summing junction generates a speed signal to be input to an armature control circuit. The control system according to claim 6, characterized in that:

The control system according to claim 6, wherein the PWM signal is input to a second switching device.

2. The control system according to claim 1, further comprising means for controlling an armature current of the motor between a minimum value and a maximum value in relation to speed.

The control means includes a speed sensor circuit having a summing junction responsive to a speed sensor signal and responsive to a current sensor signal from a current detection circuit, the summing junction being controlled for controlling the speed of the vehicle. 10. The control system according to claim 9, wherein the control system generates a speed sensor signal.

2. The apparatus of claim 1 further comprising means for measuring armature current in a negative quadrant of the field coil map, wherein the field coil current is selected to control the field coil based on the measured armature current. The control system as described.

Means for generating a field current, the field current generating means responding to and adding the field current and the field current reference signal, and generating a PWM signal from the added signal; The control system according to claim 1, further comprising: a field pulse width modulation (PWM) circuit that performs the control.

The control system according to claim 1, wherein the electric vehicle is an electric golf car.

In an electric golf car having a brake system, a battery system, and a shunt motor having an armature coil and a field coil,
A plurality of MOSFET devices electrically connected in the H-bridge circuit and electrically connected to the field coil;
A plurality of MOSFET devices electrically connected in a half H-bridge circuit, wherein a first MOSFET device is electrically connected in parallel with the armature coil, and a second MOSFET device is electrically connected in series with the armature coil. And
A one-way diode electrically connected in parallel with the armature coil,
A current sensor for measuring an armature current passing through the armature coil;
A speed pedal position switch for determining a position of an accelerator pedal of the golf car, wherein the pedal position switch generates a speed reference signal;
The control system further includes a control system for turning on / off the first MOSFET device to control armature current flowing through the armature coil to regeneratively brake the golf car speed from a base speed to zero speed. An electric golf car characterized by performing.

A speed sensor circuit for determining a speed of the vehicle; an armature PWM control circuit for generating an armature pulse width modulation (PWM) signal; wherein the pedal position switch determines the speed of the vehicle; 15. The electric golf car of claim 14, wherein a signal is generated and the speed sensor signal and the speed reference signal are input to a summing junction, the summing junction generating a speed signal input to an armature control circuit. .

The electric golf car according to claim 15, wherein the PWM signal is input to a second MOSFET device.

15. The electric golf car of claim 14, wherein the control system includes means for controlling an armature current of the motor between a minimum and a maximum in relation to speed.

The control system includes means for measuring an armature current in a negative quadrant of the field coil map, wherein the control system selects the field coil current to control the field coil based on the measured armature current. The electric golf car according to claim 14, wherein

The control system has a means for generating a field current, the field current generating means responding to the field current and the field current reference signal and adding an addition junction between them, and a signal from the added signal. The electric golf car according to claim 14, further comprising a field pulse width modulation (PWM) circuit that generates a PWM signal.

A method for controlling the speed of an electric vehicle having a shunt motor having an armature coil and a field coil, comprising:
Electrically connecting a first switching device in parallel across the armature coil of the motor;
Switching on / off a switching device to control the armature current passing through the armature coil to perform regenerative braking below the basic speed of the motor.

21. The control method of claim 20, wherein electrically connecting the first switching device comprises electrically connecting a MOSFET device to an armature coil in parallel.

21. The control method according to claim 20, further comprising connecting the second switching device to the armature coil in series.

21. The control method according to claim 20, further comprising controlling the vehicle speed between a zero speed and a basic speed of a motor.

24. The control according to claim 23, wherein the step of controlling the vehicle speed to be equal to or lower than the basic speed includes controlling a pulse width modulation signal input to an armature coil and detecting an accelerator pedal position and a vehicle speed. Method.

24. The method of claim 23, wherein controlling the vehicle speed comprises inputting a PWM signal to a switching device electrically in series with the armature coil.

21. The control method according to claim 20, further comprising the step of controlling the motor armature current between a minimum value and a maximum value in relation to speed.

27. The method of claim 26, wherein controlling the armature current includes determining armature current, determining vehicle speed, and controlling vehicle speed by combining vehicle speed and armature current. Control method.

21. The method of claim 20, further comprising the steps of: speeding up the armature current in the negative quadrant of the field map coil and controlling the field coil current based on the measured armature current.