JP2005143157A - 車両用モータ制御装置および車両用モータ制御方法 - Google Patents

車両用モータ制御装置および車両用モータ制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】車両の走行に関与するモータが、起動条件が成立してから応答遅れなく所定の駆動トルクを発生できるようにする。
【解決手段】車両の走行に関与する動力を発生する界磁巻線モータと、前記界磁巻線モータを駆動する電源としてのバッテリと、前記界磁巻線モータと前記バッテリとの間に設けた昇降圧インバータと、前記昇降圧インバータの作動・停止を制御するコントローラと、を備え、前記界磁巻線モータ起動時には、前記コントローラが前記界磁巻線モータにかかる電圧を、所定時間だけ通常電圧から所定電圧まで昇圧するように前記昇降圧インバータを制御することを特徴とする
【選択図】 図１

Description

本発明は、運転条件に応じて起動・停止される車両用のモータ制御に関する。
燃費性能や排気性能向上を目的として、信号待ち等にエンジンを自動停止・始動させるアイドルストップ車両がハイブリッド車両を中心として実用化されている。
特許文献１には車両停止中に所定条件を満たしたときにアイドルストップを実行し、アイドルストップ解除条件の成立とともにモータによりエンジンを自動始動させるハイブリッド車両が開示されている。
特開２００１−３５５４８０号
しかしながら、特許文献１に記載の技術では、エンジン始動用に界磁巻線を持つモータを使用しているので、まず界磁電流を与えることによって界磁磁束を立ち上げ、界磁磁束が十分に立ち上がったところで電機子電流を流すことにより、モータからトルクを出力してエンジンを始動していた。
したがって、アイドルストップ解除条件が成立しても、界磁電流が与えられてから界磁磁束が十分に立上るまでの間は、所望のモータトルクが出力されないので、エンジンを始動できないという問題があった。
また、上記の始動時間の遅れを解消するために、モータ停止中にも界磁巻線に常時電流を与えておくことが考えられるが、この場合には消費電力が増加してしまうという問題があった。
そこで、本発明では、消費電力を増加させることなく、起動条件が成立してから応答遅れなく所望の駆動トルクを発生できるようにした車両用モータ制御装置を提供することを目的とする。
本発明の車両用モータ制御装置は、界磁巻線モータの起動指令時に、バッテリの蓄電した第１の電圧の電力を、第１の電圧よりも高い第２の電圧に所定時間昇圧させて、界磁巻線モータへと供給するようにした。
本発明によれば、起動指令時に昇降圧インバータにより電圧が昇圧されるので、モータの界磁磁束の立ち上がりが早くなり、これにより所定の駆動トルクを出力するまでの時間を短縮できる。また、モータ停止中に常時電流を与えることがないので、消費電力の増加を防止できる。
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は本実施形態を適用したアイドルストップ車両の概略構成を示す。本車両は、前輪はエンジン出力、後輪はモータ出力によって駆動するハイブリッド車両であり、信号停止時等に所定の条件を満たした場合にはエンジンを自動停止するアイドルストップ機能を備える。また、後輪は主に発進加速時や、前輪がスリップした場合等に駆動する。
図１において、２はエンジン、１はエンジン２始動時にエンジンをクランキングさせるとともに、エンジン２に駆動されて発電を行う発電機能を備えるエンジン始動用界磁巻線モータ（以下、始動用モータという）、３はインバータ部３ａ、昇降圧部３ｂ、コンデンサ３ｃで構成される昇降圧インバータ、４は始動用モータ１に電力を供給し、また始動用モータ１が発電した電力を充電する１２Ｖバッテリ、６は始動用モータ１により発電された電力により駆動され、ディファレンシャルギヤ１０を介して後輪を駆動する後輪駆動用界磁巻線モータ（以下、後輪駆動用モータという）、５は始動用モータ１の発電電力を後輪駆動用モータ６に供給するダイオード、７は前記後輪駆動用モータ６への電力の供給・遮断を切換えるスイッチ、８は始動用モータ１、駆動用モータ６、昇降圧インバータ３、スイッチ７等の動作を制御するコントローラである。
始動用モータ１とエンジン２とは、始動用モータ１のモータシャフトに設けられたプーリ１ａとエンジン２のクランクシャフトに設けられたプーリ２ａとに掛けまわされたベルト９を介して連結されている。
コントローラ８には、運転者のアクセル操作、ブレーキ操作、１２Ｖバッテリ４の状態、車速等の検出信号が入力され、これに基づいてアイドルストップ、自動始動、４ＷＤ走行、１２Ｖバッテリ４の充電等の動作モード指令を決定し、界磁制御、昇降圧制御、スイッチ７の制御を行う。また、上記のほかにも界磁巻線１０１、６０１に流れる界磁電流値、コンデンサ３ｃの電圧等も入力される。
後輪駆動用モータ６は４ＷＤ走行モード時に駆動される。４ＷＤ走行モードとは、例えば車両発進時や、雪道等の滑り易い路面での走行時に実行するものであり、発進から所定速度に達するまでの間や、前輪のスリップを検出した場合に実行する。なお、前輪のスリップ検出は、コントロールユニット８でスリップ率を逐次演算して、このスリップ率が予め定めた所定値を超えたときにスリップしていると判定する。
昇降圧インバータ３は、上述したようにインバータ部３ａ、昇降圧部３ｂ、コンデンサ３ｃで構成され、１２Ｖバッテリ４から始動用モータ１への電力の供給、始動用モータ１から１２Ｖバッテリ４への発電エネルギーの供給、昇降圧部３ｂから始動用モータ１及び後輪駆動用モータ６の界磁巻線１０１、６０１への電力の供給を行う。
昇降圧部３ｂは、後述する昇圧モードでは素子Ｔ１を作動させてＯＮ・ＯＦＦデューティーを変化させることによってコンデンサ３ｃの電圧を１２Ｖ以上とし、始動用モータ１の界磁巻線１０１、電機子巻線、および後輪駆動用モータ６の界磁巻線６０１に電力供給する。一方、１２Ｖバッテリ４の充電量が不足する場合等には降圧モードとなり、素子Ｔ２を作動させてＯＮ・ＯＦＦデューティーを変化させることによって、始動用モータ１の発電電圧を降圧させ、１２Ｖバッテリ４に電力を供給する。
上記始動用モータ１および後輪駆動用モータ６の界磁巻線１０１、６０１への電力供給の制御は、コントローラ８が界磁制御回路１０２、６０２をＯＮ・ＯＦＦすることによって行う。
上記のように界磁巻線をもつ始動用モータ１、後輪駆動用モータ６のモータトルクは、界磁磁束と、磁束と直交する電機子電流の積で定まる。したがって、界磁電流を流していないモータ停止状態からトルクを発生させるためには、まず界磁電流を与えて界磁磁束を立ち上げる必要がある。
このとき、界磁電流Ｉｆは下式（１）のように界磁電源の電圧Ｖに対して１次遅れの特性を持って流れる。また、界磁磁束φも同様に下式（２）のような特性を持つ。
Ｉｆ＝Ｖ／（Ｒ＋ｓＬ） ・・・（１）
Ｒ：界磁巻線抵抗、 Ｌ：界磁巻線インダクタンス（ｓＬ：ラプラス変換後のＬ）
φ∝Ｉｆ ・・・（２）
界磁電流Ｉｆを上昇させる場合、界磁電流ＩｆはインダクタンスＬと界磁巻線抵抗Ｒの時定数で定まる傾斜で上昇する。したがって、界磁電源として１２Ｖバッテリ４（電圧Ｖｂ）を用いて界磁電流ＩｆがＩｆ＝Ｖｂ／Ｒとなるまで上昇させようとすると、界磁電流ＩｆがゼロからＶｂ／Ｒとなるまでの時間（立ち上がり時間）は一意的に定まる。界磁巻線のインダクタンスＬの値によっては界磁立ち上がり時間が長くなり、モータがトルクを発生するまでの時間が長くなるので、運転者にとって違和感を与えることになる。
上記の立ち上がり時間を短縮するための方法として、モータ停止中にも界磁電流Ｉｆを流し続ける方法もあるが、常時損失が発生することになり、効率が低下するという問題がある。
そこで、本実施形態では界磁電流の立ち上げ時間を短縮し、モータトルクを速やかに発生させるように制御を行う。
まず、始動用モータ１の制御について図２を参照して説明する。
図２はエンジン始動モード時の制御フローチャートである。
このフローチャートは、例えば信号待ち等でエンジンを自動停止させる所定条件が成立し、エンジン２が停止しているアイドルストップの状態から、アイドルストップ解除の所定条件が成立してエンジン２を自動始動させる際に行われる制御のフローチャートである。
なお、エンジン２を自動停止させる所定条件（アイドルストップ条件）は、車速センサ等で検出される車速が所定車速未満、アクセル操作量センサ等により検出されるアクセルペダルの踏み込み量が所定踏み込み量未満、ブレーキ操作量センサ等により検出されるブレーキペダルの踏み込み量が所定踏み込み量以上、電圧センサおよび電流センサにより検出されるバッテリ４の電圧および電流に基づいて算出されるバッテリ４の充電量が所定充電量以上である、というすべての条件が成立することである。
また、このアイドルストップ状態からエンジン２を自動始動させるための所定条件（アイドルストップ解除条件）は、前記車速が諸低車速以上、前記アクセル踏み込み量が所定踏み込み量以上、前記ブレーキ踏み込み量が所定踏み込み量未満、前記バッテリ４の充電量が所定充電量未満、のいずれかの条件が成立することである。
ステップＳ１０では始動用モータ１への界磁電流指令値Ｉｆｍｇ＊をＩｆｍｇ＊＝Ｖｂ／Ｒｆｍｇと設定する。ここで、Ｖｂはバッテリ電圧の最大値、Ｒｆｍｇは始動用モータ１の界磁巻線抵抗とする。
ステップＳ２０では、界磁制御回路１０２をＯＮにすると同時に、昇降圧インバータ３の昇降圧部３ｂを昇圧作動させ、コンデンサ３ｃの端子電圧Ｖｃが所望の界磁電流立ち上がり時間に基づいて設定した電圧Ｅ１（ただし、Ｅ１＞Ｖｂ）となるように素子Ｔ１のＯＮ・ＯＦＦを下式（３）が成立するように制御する。
Ｅ１＝Ｖｂ×（ｔ_ｓｗ１／ｔ_ｏｆｆ１） ・・・（３）
ｔ_ｓｗ１：Ｔ１のスイッチング周期
ｔ_ｏｆｆ１：Ｔ１のｏｆｆ時間
ステップＳ３０では、実界磁電流Ｉｆｍｇが界磁電流指令値Ｉｆｍｇ＊まで立上ったか否かの判定を行う。界磁電流指令値Ｉｆｍｇ＊の方が大きい場合にはステップＳ２０にリターンし、小さい場合にはステップＳ４０に進む。なお、実界磁電流Ｉｆｍｇは不図示のモータに設けられた電流センサによって検出する。
ステップＳ４０では昇圧制御を停止し、界磁電源を１２Ｖバッテリ４とする。このとき界磁制御回路１０２はＯＮであるから、界磁電流ＩｆｍｇはＶｂ／Ｒｆｍｇとなる。
ステップＳ５０ではエンジン始動トルクに基づいて昇降圧インバータ３を動作させ、始動用モータ１の電機子巻線に交流電流を供給することで始動用モータ１にトルクを発生させて、エンジン２を始動する。
ステップＳ６０ではエンジン回転数Ｎｅｎｇが目標回転数Ｎ＊まで到達したか否かの判定を行い、到達していない場合はステップＳ５０にリターンし、到達している場合はエンジン始動モードを終了する。
上記のように、エンジン始動時にコンデンサ３ｃを用いて界磁電圧を昇圧させるので、界磁磁束の立ち上がり時間が短縮され、始動用モータ１のトルク発生までの時間を短縮することができる。これにより始動遅れ時間として運転者に与える違和感を抑制することができる。
上記のように昇降圧インバータ３を用いた場合と、昇降圧インバータ３を用いない場合の違いについて図４、図５を参照して説明する。
図４、図５は界磁電流、モータトルク、エンジン回転のタイムチャートであり、図４はインバータ３を用いない場合、図５はインバータ３を用いる場合を示している。
まず、昇降圧インバータ３を用いない場合について説明する。図４において、ｔ１０でアイドルストップが解除されると、始動用モータ１を駆動するために界磁電流Ｉｆ（図４中の実線Ｉｆ１２ｖ）を立ち上げる。このとき、電圧はバッテリ電圧Ｖｂで一定（図４中の実線Ｖ１２ｖ）であるので、界磁電流Ｉｆは前述したように時定数Ｌ／Ｒ（Ｌ：インダクタンス Ｒ：界磁巻線抵抗）で定まる傾斜で上昇する。
ｔ１１で界磁電流ＩｆがＶｂ／Ｒと略等しくなると始動用モータ１はトルクを発生することが可能となり、始動用モータ１により駆動されるエンジン２はｔ１２で目標回転数Ｎ＊に達する。
次に昇降圧インバータ３を上記のように制御した場合について説明する。図５において、ｔ２０でアイドルストップが解除されると、昇降圧インバータ３の昇降圧部３ｂを昇圧制御してコンデンサ３ｃの端子間電圧Ｖｃをバッテリ電圧ＶｂからＥ１まで昇圧する（図５中の実線Ｖｉｎ）。これにより界磁電流Ｉｆは電圧Ｖｂ（バッテリの最大電圧）のままの場合に比べて急激に上昇して、ｔ２１で界磁電流指令値Ｉｆｍｇ＊に達する（図５中の実線Ｉｆｉｎ）。したがって始動用モータ１はｔ２１からトルクを発生してエンジン２を駆動し、エンジン回転はｔ２２で目標エンジン回転Ｎ＊に達する（図５中の実線ＥＲＥＶｉｎ）。
図４におけるエンジン始動時間ｔ１０〜ｔ１２と、図５におけるエンジン始動時間ｔ２０〜ｔ２２とを比較すると明らかなように、図５の方がエンジン始動時間が短い。つまり、本実施形態のように、アイドルストップを解除してエンジン始動する場合にインバータ３を用いて電圧を高めることにより、エンジン２が始動するまでの時間を短縮することができ、運転者に違和感を与えることを抑制することができる。
次に後輪駆動用モータ６の制御について図３を参照して説明する。図３は４ＷＤ走行モード開始時の制御のフローチャートである。
後輪駆動用モータ６は前述したように４ＷＤ走行モード時に駆動される。２ＷＤ走行モードから４ＷＤ走行モードへの切換え時に、後輪駆動用モータ６のトルクが速やかに立ち上がらないと、前輪がスリップしてから後輪が駆動するまでにタイムラグが生じて、走行ラインが大きく乱れてしまう等といった問題が生じる。
そこで、２ＷＤ走行から４ＷＤに走行に切換えるときに、速やかに後輪がトルクを発生するように、図３のフローチャートに示すような制御を行う。
ステップＳ１１０では、駆動用モータ６への界磁電流指令値Ｉｆｍ＊をＶｂ／Ｒｆｍ（Ｖｂ：バッテリ電圧、Ｒｆｍ：後輪駆動用モータ６の界磁巻線抵抗）に設定する。なお、Ｖｂ／Ｒｆｍは界磁電源をバッテリ電圧としたときの最大電流である。
ステップＳ１２０では始動用モータ１の発電機出力電圧により、コンデンサ３ｃの端子電圧Ｖｃが、所望の界磁電流立ち上がり時間に基づいて設定した電圧Ｅ２（ただし、Ｅ２＞Ｖｂ）以上か否かを判定する。端子電圧Ｖｃ≧電圧Ｅ２の場合はステップ１３０へ進み、
昇降圧部３ｂは非作動とし、界磁制御回路６０２のＯＮ／ＯＦＦを式（４）となるように制御してステップＳ１５０に進む。
ｔ_ｏｎ２＝（Ｅ２／Ｖｃ）×ｔ_ｓｗ２
ｔ_ｏｎ２：界磁制御回路６０２のＯＮ時間
ｔ_ｓｗ２：界磁制御回路６０２のスイッチング周期
一方、端子電圧Ｖｃ＜電圧Ｅ２の場合はステップＳ１４０に進み、界磁制御回路６０２をＯＮにすると同時に、昇降圧部３０１を昇圧作動させ、コンデンサ３０２の端子電圧をＥ２となるように、素子Ｔ１のＯＮ／ＯＦＦを式（５）が成立するように制御してステップＳ１５０に進む。
ｔ_ｏｎ１＝ｔ_ｓｗ１×（Ｅ２−Ｖｃ）／Ｅ２ （Ｅ２≠０） ・・・（５）
ステップＳ１５０では、実界磁電流Ｉｆｍが界磁電流指令値Ｉｆｍ＊まで立上ったか否かの判定を行う。Ｉｆｍ＊＞Ｉｆｍの場合はステップＳ１２０にリターンし、Ｉｆｍ＊≦Ｉｆｍの場合はステップＳ１６０に進む。
ステップＳ１６０では、昇降圧部３ｂを昇圧作動している場合は作動を停止し、界磁制御回路６０２を式（６）にしたがって作動させて界磁電流がｆｍ＊で一定となるようにしてステップＳ１７０に進む。
ｔ_ｏｎ２＝（Ｖｂ／Ｖｃ）×ｔ_ｓｗ２ ・・・（６）
ステップＳ１７０ではスイッチ７をＯＮにし、始動用モータ１の発電電力を後輪駆動用モータ６の電機子巻線に供給してモータトルクを発生させ、後輪を駆動する。
ステップＳ１８０では、４ＷＤ走行モードを終了するか否かの判定を行う。例えば、発進加速時に所定速度まで達した場合や、スリップ率が所定値以下になった場合に４ＷＤ走行を終了するものとする。
ステップＳ１８０で４ＷＤ走行モードを終了すると判定しなかった場合はステップＳ１７０にリターンし、終了すると判定した場合にはステップＳ１９０に進み、スイッチ７および開示制御回路６０２をＯＦＦにして、４ＷＤ走行モードを終了する。
上記のように、昇降圧部３ｂおよび界磁制御回路６０２の作動を制御することによって、コンデンサ３ｃの端子電圧Ｖｃが所望の界磁電流立ち上がり時間に基づいて設定した電圧Ｅ２以上にして、後輪駆動用モータ６に与える界磁電流を制御するので、後輪駆動用モータ６が駆動トルクを発生するまでの時間が短縮できる。
以上により本実施形態では、以下に示す効果が得られる。
前輪を駆動するエンジン２の始動用モータ１として界磁巻線モータを適用し、所定の運転条件を満たしたときにエンジン２を停止するアイドルストップ車両において、昇降圧インバータ３を備え、エンジン２始動時にはコントローラ８が昇降圧インバータ３の昇降圧部３ｂを昇圧作動させて始動用モータ１にかかる電圧を昇圧させるよう制御するので、界磁磁束が速やかに立ち上がり、これにより始動用モータ１がトルク出力可能になるまでの時間が短縮される。これによりアイドルストップ状態から始動までの時間が短縮されるので運転者に違和感を与えることを防止できる。
後輪をモータ出力により駆動する前記アイドルストップ車両において、後輪駆動用モータ６として界磁巻線モータを適用し、後輪駆動用モータ６起動時に、コントローラ８がコンデンサ３ｃの端子電圧Ｖｃが所定電圧以上になるように昇降圧部３ｂおよび駆動用モータ６の界磁制御回路６０２の作動を制御するので、界磁磁束が速やかに立ち上がり、これにより駆動用モータ６がトルク出力可能になるまでの時間が短縮される。これにより後輪が駆動開始するまでの時間が短縮されるので発進時や滑り易い路面での走行時に運転者に違和感を与えることを防止できる。
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
本発明は、所定の運転条件においてエンジンを停止する、いわゆるアイドルストップ機能を備える車両に適用することができる。
本実施形態のシステムの構成を表す図である。 エンジン始動時の制御のフローチャートである。 ４ＷＤモード時の制御のフローチャートである。 バッテリ電圧のみでエンジン始動用モータを駆動する場合のタイムチャートである。 インバータ３を用いてエンジン始動用モータを駆動する場合のタイムチャートである。
符号の説明
１ 始動用モータ
２ エンジン
３ 昇降圧インバータ
３ａ インバータ部
３ｂ 昇降圧部
３ｃ コンデンサ
４ １２Ｖバッテリ
５ ダイオード
６ 駆動用モータ
７ スイッチ
８ コントローラ
９ ベルト
１０ ディファレンシャルギヤ

Claims (10)

  1. 車両に設けられ、動力を発生する界磁巻線モータと、
    第１の電圧の電力を蓄電するバッテリと、
    前記バッテリと前記界磁巻線モータとの間に設けられるとともに、前記バッテリに蓄電された電力を前記界磁巻線モータへと供給するインバータと、
    前記界磁巻線モータの起動を指令する制御手段を備え、
    前記制御手段は、前記界磁巻線モータの起動を指令したときに、
    前記インバータを、前記バッテリに蓄電された第１の電圧の電力を第１の電圧より高い第２の電圧に所定時間昇圧させて前記界磁巻線モータへと供給するように制御することを特徴とする車両用モータ制御装置。
  2. 前記所定時間は、前記界磁巻線モータの実際の界磁電流が目標とする界磁電流指令値に達するまでの時間とする請求項１に記載の車両用モータ制御装置。
  3. 前記車両は、運転条件に応じてエンジンの自動停止・自動始動を行うアイドルストップ機能を備え、エンジン自動停止時に所定のアイドルストップ解除条件が成立すると、前記界磁巻線モータがエンジンの自動始動を行うエンジン始動・発電用モータである請求項1または２に記載の車両用モータ制御装置。
  4. 前記界磁巻線モータが、所定の運転条件が成立すると車両の前輪または後輪を駆動する駆動モータである請求項１または２に記載の車両用モータ制御装置。
  5. 前記車両は、前輪が前記エンジンにより駆動され、後輪が前記駆動モータにより駆動されるハイブリッド車両である請求項４に記載の車両用モータ制御装置。
  6. 前記駆動モータは、車両発進時から所定速度に達するまで駆動される請求項４または５に記載の車両用モータ制御装置。
  7. 前記駆動モータは、走行中、前記コントローラにより逐次演算される前輪のスリップ率が所定値を超えた場合に駆動される請求項４または５に記載される車両用モータ制御装置。
  8. 前記界磁巻線モータが複数備えられ、
    前記一の界磁巻線モータは、所定のアイドルストップ条件が成立し停止しているエンジンを、所定のアイドルストップ解除条件が成立した場合に自動始動するモータであり、
    前記他のモータは、所定の運転条件が成立した場合に、車両の前輪または後輪を駆動するモータである請求項１または２に記載の車両用モータ制御装置。
  9. 前記一の界磁巻線モータは、ぜんきえんじんによって回転させられることで電力を発電するモータであり、この発電力によって前記他の界磁巻線モータは駆動する請求項８に記載の車両用モータ制御装置。
  10. 界磁巻線モータの起動指令時に、バッテリの蓄電した前記第１の電圧の電力を、インバータによって前記第１の電圧よりも高い第２の電圧に所定時間昇圧させて、前記界磁巻線モータへと供給するようにしたことを特徴とする車両用モータ制御方法。
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