JP2005160249A - モータ駆動4wd車両の制御装置及び制御方法 - Google Patents

モータ駆動4wd車両の制御装置及び制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】42Vオルタネータによる発電電力が小さい場合であっても、確実に後輪駆動用の交流モータを駆動させることのできるモータ駆動4WD車両の制御装置及び制御方法を提供する。
【解決手段】エンジン1によって駆動されることで3相交流電力を発電する42Vオルタネータ2と、この42Vオルタネータ2で発電された3相交流電力を整流し、整流して得られる直流電力を交流モータM1の中性点に供給する前側昇降圧インバータ3と、前側昇降圧インバータ3で整流された直流電力を、所望する電圧の3相交流電力に変換する後側昇降圧インバータ13とを有する。そして、後側昇降圧インバータ13によって昇圧された3相交流電力を交流モータM1に印加することにより、交流モータM1を回転駆動させる。
【選択図】 図1


Description

本発明は、車両の前輪または後輪のうちの、一方をエンジンにより駆動し、他方をモータにより駆動するようにしたモータ駆動4WD車両を制御する制御装置及び制御方法に関する。
従来、エンジンが発生する駆動力で前輪を駆動し、エンジンによって回転させられる発電機により発電された電力によって、モータを回転駆動させ、この駆動力で後輪を駆動させるようにした4WD車両が知られている。(例えば、特開2002−152911号公報、特開2002−200932号参照)
特開2002−152911号公報 特開2002−200932号公報
しかしながら、上述した特許文献1に開示された従来例は、発電機で発電された電圧が後輪モータへと印加されていたので、モータを駆動する電圧は発電機で発電された電圧であるため、後輪を駆動するモータの大きさは、発電機の発電能力に依存してしまう。即ち、発電機による発電電力が小さい場合には、所望する出力をモータが発生するためにはモータが大型化するという問題が発生する。
この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、発電機による発電電力が小さい場合であっても、装置規模を大型化することなく確実にモータを駆動させることのできるモータ駆動4WD車両の制御装置及び制御方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、車両の前輪または後輪のうちの、一方の車輪をエンジンにより駆動し、他方の車輪を必要に応じて交流モータにより駆動するようにしたモータ駆動4WD車両を制御する4WD車両の制御装置において、エンジンによって駆動されることで3相交流電力を発電する発電機を備える。また、前記発電機により発電された3相交流電力を整流し、整流して得られる直流電力を前記交流モータの中性点に供給する整流手段と、前記整流手段で整流された直流電力を3相交流電力に変換する第1の昇降圧インバータとを有する。そして、前記第1の昇降圧インバータによって昇圧された3相交流電力を前記交流モータに印加することにより、前記交流モータを回転駆動させることを特徴とする。
本発明に係るモータ駆動4WD車両の制御装置及び方法では、発電機にて得られた3相交流電力を整流手段で直流電力に変換し、この直流電力を第1の昇降圧インバータにて昇圧して、交流モータ駆動用の電力を生成しているので、発電機で発電される電力が小さい場合であっても、この電力を増幅して交流モータに供給することができるので、交流モータを小型、軽量化することができる。
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、本発明の一実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る制御装置は、前輪、または後輪のいずれか一方をエンジンにより駆動し、他方をモータにより駆動する構成をなす車両を制御するものであり、図1に示すように、エンジン1と、該エンジン1にベルトで連結され、エンジン1の回転動力を用いて42ボルトの3相交流電力を発電する42Vオルタネータ(発電機)2と、車両に搭載される各種の計装機器に電力を供給する14VバッテリE1と、後輪駆動用の3相交流モータM1と、第1の駆動回路6と、第2の駆動回路14と、4WDコントローラ9、及びエンジン制御コントローラ12を備えている。
また、42Vオルタネータ2にて発電された3相交流電力を直流電力に整流して、3相交流モータM1駆動用の電力を生成し、且つ、42Vオルタネータ2で発電された3相交流電力整流、且つ降圧して、14VバッテリE1に充電用の電力を供給し、更に、14VバッテリE1に充電されている直流電力を3相交流電力に変換し且つ昇圧して、この3相交流電力を42Vオルタネータ2に供給する前側昇降圧インバータ(第2の昇降圧インバータ)3を備えている。
更に、エンジン1の回転数を検出する回転センサ10と、42Vオルタネータ2の回転位置を検出する位置センサ11と、14VバッテリE1の充電電圧を検出するための電圧センサ7と、42Vオルタネータ2の界磁巻線に流れる電流を制御する界磁制御部8を有している。
前側昇降圧インバータ3は、6個のIGBT或いはMOS−FET等のスイッチング素子Tr1〜Tr6を有しており、各スイッチング素子Tr1〜Tr6をオン、オフ動作させることにより、上記の整流動作、及び直流電力を交流電力に変換する動作を行う。
また、前側昇降圧インバータ3のマイナス側出力端子は、14VバッテリE1のマイナス側端子と接続され、該14VバッテリE1のプラス側端子はスイッチSW1(スイッチ手段)を介して、42Vオルタネータ2の中性点に接続されている。電圧センサ7は、14VバッテリE1に対して並列的に接続されている。
4WDコントローラ9は、アクセルセンサ(図示省略)より出力されるアクセルペダルの操作信号、及び車輪速センサ(図示省略)より得られる車輪速信号に基づいて、4WD駆動とするかどうかの判定を行い、4WD駆動とする場合には、第2の駆動回路14へトルク指令信号を出力すると共に、第1の駆動回路6へ発電指令信号を出力する。
エンジン制御コントローラ12は、エンジン1に取り付けられた回転センサ10の検出信号、及びアクセルセンサ(図示省略)の検出信号に基づいて、エンジン1に点火信号を出力し、且つ噴射弁の制御を行う。
第1の駆動回路6は、電圧センサ7で検出される14VバッテリE1の充電電圧と、位置センサ11で検出される42Vオルタネータ2の回転位置検出信号と、アクセルスイッチSW2のオン、オフ信号、及び4WDコントローラ9より出力される発電指令信号に基づいて、前側昇降圧インバータ3が有する各スイッチング素子Tr1〜Tr6をオン、オフ制御するための制御信号を出力し、また、界磁制御部8へ界磁制御信号を出力し、更に、スイッチSW1へオン、オフ信号を出力する。
前側昇降圧インバータ3の後段側には、後側昇降圧インバータ(第1の昇降圧インバータ)13が設けられており、前側昇降圧インバータ3の直流出力のマイナス側は、後側昇降圧インバータ13の直流入力のマイナス側に接続されている。後側昇降圧インバータ13は、前述した前側昇降圧インバータ3と同様に、6個のIGBT或いはMOS−FET等のスイッチング素子Tr11〜Tr16を有しており、各スイッチング素子Tr11〜Tr16をオン、オフ動作させることにより、前側昇降圧インバータ3より出力される直流電力を、3相交流電力に変換する。
また、第2の駆動回路14は、3相交流モータM1の出力軸に設けられた位置センサ15の検出信号、及び4WDコントローラ9より出力されるトルク指令信号に基づいて、後側昇降圧インバータ13が有する各スイッチング素子Tr11〜Tr16の制御入力端子へオン、オフ信号を出力する。
3相交流モータM1の中性点p1は、前側昇降圧インバータ3の直流出力のプラス側に接続されており、また、3相交流モータM1の出力軸は、ディファレンスギヤ4を介して後輪5と連結されることにより、3相交流モータM1の回転動力が後輪5に伝達されるようになされている。
次に、本実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置の動作を、(イ)エンジン始動時、(ロ)4WD駆動時、及び(ハ)14Vバッテリ充電時のそれぞれについて説明する。なお、各動作時における42Vオルタネータ2、前側昇降圧インバータ3、14VバッテリE1、後側昇降圧インバータ13、及び3相交流モータM1の動作は、図5に示す通りである。
(イ)エンジン始動時の動作
図2は、エンジン始動時の動作を示すフローチャートである。まず、ステップS1にて、車両の乗員がアクセルを操作すると、アクセルスイッチSW2がオンとなる。次いで、ステップS2にて、第1の駆動回路6は、アクセルスイッチSW2のオン信号を受けて、42Vオルタネータ2の界磁巻線を励磁するための指令信号を界磁制御部8に出力する。
その後、ステップS3では、スイッチSW1をオンとし、42Vオルタネータ2の中性点と14VバッテリE1のプラス側端子とを電気的に接続する。
これにより、14VバッテリE1に充電されている直流電力が前側昇降圧インバータ3に印加されるので、第1の駆動回路6の制御下で各スイッチング素子Tr1〜Tr6のオン、オフを制御することにより、ステップS4にて、14ボルトの直流電力が42ボルトに昇圧され、且つ、ステップS5にて、3相交流電力に変換される。
更に、ステップS6では、位置センサ11より与えられる42Vオルタネータ2の回転位置信号に基づいて、42ボルトの3相交流電力を42Vオルタネータ2に供給し、該42Vオルタネータ2を回転駆動させる。
これにより、エンジン1に回転動力が与えられ、ステップS7にて、エンジン1の回転数が上昇し、エンジン1の始動が確認された場合には、ステップS8にて、前側昇降圧インバータ3を停止させ、42Vオルタネータ2の回転を停止させる。その後、ステップS9で、スイッチSW1をオフとする。
こうして、14VバッテリE1に充電されている直流電力を昇圧し、且つ3相交流電力に変換して42Vオルタネータ2を回転駆動させ、エンジン1を始動させることができるのである。
(ロ)4WD駆動時の動作
次に、図3に示すフローチャートを参照しながら、4WD駆動時の動作について説明する。ステップS11にて、4WDコントローラ9は、車輪速センサより得られる車輪速度信号、及びアクセルセンサより得られるアクセル操作信号に基づき、4WD駆動を行うかどうかを判断する。そして、4WD駆動を行うと判断した場合には、第1の駆動回路6に発電指令信号を出力すると共に、第2の駆動回路14にトルク指令信号を出力する。
次いで、ステップS12にて、第1の駆動回路6は、界磁制御部8に42Vオルタネータ2の界磁巻線を励磁するための指令信号を出力する。これにより、42Vオルタネータ2は発電機として動作し、エンジン1より与えられる回転動力から3相交流電力を生成する。
その後、生成された3相交流電力は前側昇降圧インバータ3に供給され、ステップS13では、前側昇降圧インバータ3にて3相交流電力を整流し、直流電力を生成する。
次いで、ステップS14では、第2の駆動回路14の制御下で後側昇降圧インバータ13が有する各スイッチング素子Tr11〜Tr16のオン、オフを制御し、前側昇降圧インバータ3より与えられる直流電力を昇圧し、且つ3相交流電力に変換する。そして、この3相交流電力は、3相交流モータM1に印加されるので、ステップS15にて、位置センサ15の検出信号に応じて3相交流モータM1を回転駆動させる。
これにより、前側昇降圧インバータ3より出力される直流電圧のレベルが低い場合であっても、これを所望のレベルまで昇圧して3相交流モータM1に供給することができる。そして、3相交流モータM1の回転動力がディファレンスギヤ4を介して後輪5に伝達され、4WD駆動が達成される。
(ハ)14Vバッテリ充電時の動作
次に、14VバッテリE1を充電する際の動作について、図4に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、ステップS21では、車両が4WD駆動中であるかどうか、即ち、3相交流モータM1が回転駆動しているかどうかが判断される。その結果、4WD駆動していないと判断された場合には、ステップS22にて、エンジン1が始動中であるかどうかが判断される。
そして、エンジン始動中でない場合には、ステップS23にて、第1の駆動回路6は、42Vオルタネータ2の界磁巻線を励磁するための指令信号を出力し、42Vオルタネータ2の出力電圧が14ボルト程度となるように界磁制御する。その後、第1の駆動回路6は、ステップS24にて、スイッチSW1をオンとし、更に、ステップS25で、電圧センサ7の検出信号に応じて、界磁電流を制御し、且つ前側昇降圧インバータ3を回生運転して14VバッテリE1に印加される電圧が14ボルトとなるように調整する。
こうして、車両が4WD駆動していないこと、及びエンジン1が始動中でないことを条件として、14VバッテリE1の充電が行われるのである。
このようにして、本実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置では、42ボルトの3相交流電力で駆動する3相交流モータM1と、14ボルトの直流電力により充電される14VバッテリE1に対して、共通の42Vオルタネータ2で発電された電力を用いることができるので、それぞれ別個に発電機を設ける必要が無くなり、装置構成を簡素化することができる。また、装置の設置スペースを省スペース化することができ、且つ、重量減、コストダウンを図ることができる。
即ち、所定の定格電圧となる交流電力が供給されて駆動する交流モータと、この所定の定格電圧よりも低い定格電圧となる直流電力が供給されて充電されるバッテリに対して、共通の電動発電機で発電された電力を用いることができるので、レイアウト上の自由度が向上すると共に、重量減、コストダウンを図ることができる。
また、42Vオルタネータ2で発電された電力を、一旦直流電力に変換し、その後、後側昇降圧インバータ13により昇圧して後輪5駆動用の3相交流モータM1を回転駆動させるので、3相交流モータM1に供給する電圧を42Vオルタネータ2で発電される電圧よりも高くすることができ、3相交流モータM1を小型、軽量化することができる。
即ち、発電機にて得られた3相交流電力を整流手段で直流電力に変換し、この直流電力を第1の昇降圧インバータにて昇圧して、交流モータ駆動用の電力を生成しているので、発電機で発電される電力が小さい場合であっても、この電力を増幅して交流モータに供給することができるので、交流モータを小型、軽量化することができる。
また、42Vオルタネータ2の後段に前側昇降圧インバータ3を設け、該前側昇降圧インバータ3により、42Vオルタネータ2で発電された3相交流電力を整流し、更に、この前側インバータ3を用いて14VバッテリE1に充電されている直流電力を3相交流電力に変換し、この3相交流電力を42Vオルタネータ2に出力することにより、42Vオルタネータ2を電動機として動作させ、エンジン1を始動させるので、エンジン1を始動させるための装置を別途設ける必要がなく、装置構成を簡素化することができる。
即ち、発電機の後段に第2の昇降圧インバータを設置し、該第2の昇降圧インバータにより、3相交流電力を直流電力に変換すると共に、エンジン始動時には、バッテリに充電されている直流電力を第2の昇降圧インバータにより3相交流電力に変換して、発電機に供給し、該発電機を電動機として回転させて、エンジンを始動させるので、エンジンを始動させるための装置を別途設ける必要がなく、装置構成を簡素化することができる。
また、42Vオルタネータ2で発電された3相交流電力を、前側昇降圧インバータ3により降圧、整流した後、得られた直流電力を14VバッテリE1に供給し、該14VバッテリE1を充電するので、14VバッテリE1充電用の電力を容易に得ることができ、14VバッテリE1を常に適正な充電電圧に保持することができる。
即ち、発電機で発電された交流電力を、第2の昇降圧インバータにより降圧、整流された電力により、バッテリを充電することができるので、バッテリの充電を容易に行うことができ、バッテリの充電電圧を適正な値に保持することができる。
次に、本発明第2の実施形態について説明する。図6は、第2の実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置の構成を示すブロック図である。同図に示すように、この制御装置は、前述した第1の実施形態と同様に、エンジン1と、42Vオルタネータ2と、3相交流モータM1と、回転センサ10と、後側昇降圧インバータ(第1の昇降圧インバータ)13と、4WDコントローラ9を有している。
また、42Vオルタネータ2で発電された3相交流電力を整流するダイオードブリッジ回路回路(整流手段)23を有しており、該ダイオードブリッジ回路23の出力側プラス端子は、3相交流モータM1の中性点に接続されている。また、4WDコントローラ9より出力されるトルク指令信号に応じて、界磁制御部8に指令信号を出力し、且つ、3相交流モータM1の界磁電流を制御するための界磁制御部22に指令信号を出力し、更に、後側昇降圧インバータ13が有する各スイッチング素子Tr11〜Tr16の制御入力端子にオン、オフ信号を出力する駆動回路21を備えている。
以下、第2の実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置における、4WD駆動時の動作について説明する。なお、4WD駆動時における42Vオルタネータ2、後側昇降圧インバータ13、及び3相交流モータM1の動作は、図7に示す通りである。
4WDコントローラ9が、車輪速センサの出力信号、及びアクセルセンサの出力信号に基づいて、4WD駆動を行うと判断した場合には、該4WDコントローラ9は、駆動回路21へトルク指令信号を出力する。
これにより、駆動回路21は、界磁制御部8に指令信号を出力し、42Vオルタネータ2の界磁巻線を励磁させる。その結果、エンジン1の回転動力により回転する42Vオルタネータ2は発電機として動作し、この出力電力は、ダイオードブリッジ回路23にて整流され、3相交流モータM1の中性点に供給される。
この状態で、駆動回路21は、界磁制御部22に指令信号を出力して、3相交流モータM1の界磁巻線を励磁状態とし、更に、後側昇降圧インバータ13が有する各スイッチング素子Tr11〜Tr16の制御入力端子に、オン、オフ制御信号を出力することにより、ダイオードブリッジ回路23より出力された直流電力を、所望の電圧レベルとなる3相交流電力に変換し、この3相交流電力を3相交流モータM1に供給する。
その結果、3相交流モータM1が回転駆動し、この回転動力は、ディファレンスギヤ4を介して後輪5に伝達されるので、該後輪5が回転駆動することになり、4WD駆動が達成される。
このようにして、第2の実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置では、42ボルトの3相交流電力で駆動する3相交流モータM1と、14ボルトの直流電力により充電される14VバッテリE1に対して、共通の42Vオルタネータ2で発電された電力を用いることができるので、それぞれ別個に発電機を設ける必要が無くなり、装置構成を簡素化することができる。また、装置の設置スペースを省スペース化することができ、且つ、重量減、コストダウンを図ることができる。
また、42Vオルタネータ2で発電された電力を、一旦直流電力に変換し、その後、後側昇降圧インバータ13により昇圧して後輪5駆動用の3相交流モータM1を回転駆動させるので、3相交流モータM1に供給する電圧を42Vオルタネータ2で発電される電圧よりも高くすることができ、3相交流モータM1を小型、軽量化することができる。
また、42Vオルタネータ2で発電された3相交流電力を、整流する整流手段としてダイオードブリッジ回路23を用いているので、整流手段の構成を簡素化することができ、装置規模を小型軽量化することができ、コストダウンを図ることができる。
即ち、発電機で発電された交流電力を整流するための整流手段として、ダイオードブリッジ回路を用いるので、装置規模の小型化、軽量化、及びコストダウンを図ることができる。
モータを用いた4WD車両の構成を簡素化する上で、極めて有用である。
本発明の第1の実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第1の実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置の、エンジン始動時の動作を示すフローチャートである。 本発明の第1の実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置の、4WD駆動時の動作を示すフローチャートである。 本発明の第1の実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置の、14Vバッテリ充電時の動作を示すフローチャートである。 本発明の第1の実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置の、各機器の動作状態を示す説明図である。 本発明の第2の実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第2の実施形態に係るモータ駆動4WD車両の制御装置の、各機器の動作状態を示す説明図である。
符号の説明
1 エンジン
2 42Vオルタネータ
3 前側昇降圧インバータ(整流手段;第2の昇降圧インバータ)
4 ディファレンスギヤ
5 後輪
6 第1の駆動回路
7 電圧センサ
8 界磁制御部
9 4WDコントローラ
10 回転センサ
11 位置センサ
12 エンジン制御コントローラ
13 後側昇降圧インバータ(第1の昇降圧インバータ)
14 第2の駆動回路
15 位置センサ
21 駆動回路
22 界磁制御部
23 ダイオードブリッジ回路(整流手段)
M1 3相交流モータ
E1 14Vバッテリ(バッテリ)
SW1 スイッチ(スイッチ手段)
SW2 アクセルスイッチ

Claims (7)

  1. 車両の前輪または後輪のうちの、一方の車輪をエンジンにより駆動し、他方の車輪を必要に応じて交流モータにより駆動するようにしたモータ駆動4WD車両を制御する4WD車両の制御装置において、
    前記エンジンによって駆動されることで3相交流電力を発電する発電機と、
    前記発電機により発電された3相交流電力を整流し、整流して得られる直流電力を前記交流モータの中性点に供給する整流手段と、
    前記整流手段で整流された直流電力を3相交流電力に変換する第1の昇降圧インバータと、を有し、
    前記第1の昇降圧インバータによって昇圧された3相交流電力を前記交流モータに印加することにより、前記交流モータを回転駆動させることを特徴とするモータ駆動4WD車両の制御装置。
  2. 前記整流手段は、ダイオードブリッジ回路であることを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動4WD車両の制御装置。
  3. 前記整流手段は、第2の昇降圧インバータであることを特徴とする請求項1に記載のモータ駆動4WD車両の制御装置。
  4. 前記発電機の中性点と、スイッチ手段を介して接続されると共に、前記発電機の定格電圧よりも低い定格電圧となるバッテリを有し、
    前記エンジンを始動させる際には、前記スイッチ手段を閉路し、且つ、前記バッテリに充電されている直流電力を前記第2の昇降圧インバータにて交流電力に変換し、更に昇圧して、前記発電機を電動機として駆動させ、前記エンジンを始動させることを特徴とする請求項3に記載のモータ駆動4WD車両の制御装置。
  5. 前記バッテリは、前記発電機で発電された交流電力を、前記第2の昇降圧インバータで降圧、且つ整流された直流電力が供給されて充電されることを特徴とする請求項4に記載のモータ駆動4WD車両の制御装置。
  6. 前記第2の昇降圧インバータは、前記発電機の後段に設けられ、且つ、該第2の昇降圧インバータのプラス側端子は、前記交流モータの中性点に接続され、マイナス側端子は、前記第1の昇降圧インバータのマイナス側端子に接続されることを特徴とする請求項3〜請求項5のいずれか1項に記載のモータ駆動4WD車両の制御装置。
  7. 車両の前輪または後輪のうちの、一方の車輪をエンジンにより駆動し、他方の車輪を必要に応じて交流モータにより駆動するようにしたモータ駆動4WD車両を制御する4WD車両の制御方法において、
    前記エンジンと連結して駆動する発電機により発電される3相交流電力を、整流手段で整流し、整流して得られる直流電力を、前記交流モータの中性点に供給し、且つ、
    前記整流手段と前記交流モータとの間に設けられた第1の昇降圧インバータにより、前記交流モータの中性点に供給される直流電力を、所望する電圧となる3相交流電力に変換することにより、前記交流モータを回転駆動させることを特徴とするモータ駆動4WD車両の制御方法。
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