JP2005312109A - 電動車両の回生制動システム - Google Patents

Abstract

【課題】 常に安定した性能を保持し且つ車両の走行状況に応じて的確な回生制動を行うことができる分巻きモータを用いた電動車両の回生制動システムを提供する。
【解決手段】 直流分巻きモータ５を駆動源として、そのモータ５の電機子側コイル５１および界磁側コイル５２にそれぞれ電流を流してモータトルクを制御する電動車両において、走行中にコイル５１，５２の電流量を計測し、その電流量に基づいてモータ５の回生電流を制御することとした。
【選択図】 図２

Description

本発明は、分巻きモータを駆動源とする電動車両の回生制動システムに関するものである。

従来より、特許文献１に示すように、ゴルフカー等の電動車両の駆動装置として、共通の電源に電機子側コイルと界磁側コイルとが並列に接続された直流分巻き式のモータが用いられている。

分巻きモータは、電機子側コイルと界磁側コイルとをそれぞれ独立して作動させることが可能であり、アクセルペダルの踏み込み量や車速等に基づいて電機子側コイルへ供給される電流量が制御される。そして、この電機子側の電流値に対して、一定のまたはモータ毎に予め設計された界磁マップに従って界磁側コイルへ所定の電流が供給される。これにより、モータに所定のトルクが発生し、電動車両のさまざまな運転状態に合わせて動作を制御することができる。

従来より、ゴルフカー等として用いられる電動車両においては、走行状況に応じて、以下のような制御を回生制動機能によって行っている。即ち、アクセルをオフにしたときに空走せずに所定の車速まで減速させる制御、降坂時等にアクセルをオンにしたままで所定速度を超えずに任意の車速に保つ制御、下り坂等に無人状態で車両が動いたことを感知して車両を制動する制御、そして、走行中にアクセルをオンにしたままでブレーキを操作せずに走行方向の前後進の切替動作を行う制御であり、従来は、通常、電機子側および界磁側へ印加する電圧によって、これらの制御を行っていた。

ところが、バッテリは使用状態によって電圧や容量が変化するため、バッテリの電圧や容量によって回生制動のトルクが変化し、安定した回生機能を発揮することができない。即ち、モータの回転数（Ｎ）−トルク（Ｔ）−電流（Ｉ）特性が、バッテリ電圧によって変化するため、バッテリ電圧ごとにＮ−Ｔ−Ｉ特性をマップ化する必要があり、制御プログラムが複雑になるとともに大きなメモリ容量を必要とし、回路が大型化する。

また、特許文献２においては、車速に対応して各種回生制御を行う方法が提案されているが、アクセルからの信号には連動していないため、例えば上り坂で車速が減速したときに、アクセルを強く踏んでいなくても電機子電流が過電流になるというように、運転者の意図とは異なる制御が行われるおそれがある。
特開平１０−３０９００５号公報 米国特許第６，６８６，７１２号明細書

本発明が解決しようとする問題点は、従来の回生制動方法のうち、電圧制御の場合には、バッテリの使用状態によって電圧や容量が変化して安定した回生制御ができないことであり、車速のみに対応した制御の場合では、運転状態に応じた最適な回生電流が得られないという点であり、本発明は、バッテリの電圧や容量変化にかかわらず常に安定したモータトルク性能を保持し、且つ走行状況に応じて的確な回生制動を行うことができる分巻きモータを用いた電動車両の回生制動システムを提供することを目的とする。

そこで、請求項１の発明は、直流分巻きモータを駆動源として、そのモータの電機子側コイルおよび界磁側コイルにそれぞれ電流を流してモータトルクを制御する電動車両において、走行中にコイルの電流量を計測し、その電流量に基づいてモータの回生電流を制御することとした。

また、請求項２の発明は、電機子側コイルの電流量に対する界磁側コイルの電流マップを有し、電機子側コイルの電流量に基づいて、電動車両の回生制御を行うこととした。

請求項３の発明は、電動車両の走行中にアクセルがオフになると、所定の車速まで減速されるように回生電流を制御することとした。

請求項４の発明は、電動車両の車速が所定の制限速度を超えたときに、アクセルがオンのままで制限速度まで減速されるように回生電流を制御することとした。

請求項５の発明は、電動車両のアクセル入力が無い状態で走行し始めたときに、走行方向に対して反対方向にモータトルクを付与して電動車両を停止させるように回生電流を制御することとした。

請求項６の発明は、電動車両のアクセル入力が無い状態で走行し始めたときに、界磁側コイルの正方向または負方向にサーチ電流を流し、そのサーチ電流に応じた電機子電流を検出し、その検出電流の方向によって、電動車両の走行方向を判別することとした。

請求項７の発明は、前進または後進の方向切替スイッチを有し、電動車両の走行中にアクセルがオンのままで方向切替スイッチを切り替えたときに、走行方向に対して反対側にモータトルクを付与して車速を一旦ゼロにするように回生電流を制御することとした。

請求項１の発明によると、モータに流される電流の量によって回生制動を行うため、バッテリの状態に影響を受けることなく、また、降坂や登坂あるいは加減速等のモータ負荷の変化に応じて、実際の電流量に基づいて常に最適な回生電流制御ができ、安定した性能を発揮することができる。また、回生制動のための電流量を、アクセル入力と車速の両方に基づいて演算すれば、走行状況に応じて更に適切な回生制動が行われる。

また、請求項２の発明によると、電機子側コイルの電流に対応してモータを最大効率で駆動する界磁側コイルの電流マップを予め作成し、電機子側コイルにアクセルペダルに応じた駆動電流を流すととともに、この電流マップに基づいて界磁側コイルに電流を流すことにより、最大効率のトルク特性で車両を駆動することができる。このとき、電機子側コイルの電流を検出して、これに基づいて回生電流を制御することができ、簡単な構成で安定し且つ的確な回生制動制御を行うことができる。

請求項３の発明によると、所定の車速以上で走行中にアクセルペダルの踏み込みが解除されると、回生電流によって、所謂エンジンブレーキに類似した回生制動を作用させて、速やかに車両を減速させることができる。

請求項４の発明によると、制限速度を超えて走行すると、アクセルペダルが踏み込まれた状態であっても、回生電流による制動動作を作用させて速やかに制限速度まで減速させることができる。

請求項５の発明によると、車両が無人状態で例えば坂道等で走行し始めたときに、走行方向と反対方向にモータを駆動するように回生電流を制御することにより、車両を停止させることができる。

請求項６の発明によると、車両が無人状態で例えば坂道等で走行し始めたときに、界磁側コイルにサーチ電流を流し、そのときの電機子電流の方向によって回生電流の向きが判別でき、これによって、坂の下り方向が前進側または後進側のどちらの方向であるかを判別できる。

請求項７の発明によると、走行中にアクセルペダルを踏み込んだ状態で前後進の切替スイッチを切り替えたときに、回生電流の制御により円滑に車速をゼロにして走行方向を切り替えることができる。

図１は、本発明に係る電動車両の一例としてのゴルフカー１の内部構成を示すものである。

このゴルフカー１は、左右一対の前輪３及び後輪４を有し、座席（図示省略）への着座姿勢で操作可能な位置に、アクセルペダル７、ブレーキペダル８、ステアリング９、メインスイッチ１１、方向切替スイッチ１３が取り付けられている。ブレーキペダル８およびステアリング９の操作は前輪３へ伝えられ、メインスイッチ１１および方向切替スイッチ１３は、コントローラ２に接続されている。また、アクセルペダル７の操作は、コントローラ２に接続されたペダルスイッチ１２およびアクセル開度センサ１４へ伝えられて、アクセルのオンオフおよびその開度がコントローラ２へ送られる。

更に、電源として複数個のバッテリ１０が搭載され、リレー１５を介してコントローラ２に接続されている。そして、後輪のシャフト４ａには、コントローラ２によって駆動制御される分巻き式のモータ５に連結されたギヤボックス６が取り付けられている。

図２は、本発明を実現するための分巻きモータを用いた電動車両の回路ブロック図である。

バッテリ１０から送られた電力は、リレー１５を介して、メモリや制御回路を有するＭＰＵ２１に供給され、そこから各駆動回路に必要な電力が供給される。

また、メインスイッチ１１、ペダルスイッチ１２、方向切替スイッチ１３、およびアクセル開度センサ１４等からの信号はＭＰＵ２１に入力され、ＭＰＵ２１からは、モータ５を駆動制御する指令信号が出力される。

更に、パソコン３１または外部端末機器３２とＭＰＵ２１とを有線または赤外線等の手段による無線で通信することによって、ＭＰＵ２１に制御プログラムを入力したり、ＭＰＵ２１に記録された内容をパソコン３１や外部端末機器３２で読み出すことができる。

モータ５は直流分巻き式であり、モータ５の電機子側コイル５１および界磁側コイル５２と、これらに対応する電機子駆動回路２２および界磁駆動回路２３とが接続される。電機子駆動回路２２は、図２に示すように上下に８個ずつのＦＥＴが設けられたバイポーラ回路によって形成され、上下のＦＥＴを交互にオンまたはオフに切り替えて電機子側コイル５１に駆動電流を供給する。また、界磁駆動回路２３は、４個のＦＥＴからなるＨブリッジ回路によって形成され、斜め方向に相対するＦＥＴ同士を同時にオンまたはオフとし、このオンオフを切り替えることによって電流の向きを変えることができる。そして、電機子駆動回路２２および界磁駆動回路２３とモータ５の電機子側コイル５１および界磁側コイル５２との間に、それぞれ電流センサ２４，２５が設けられ、実際にコイルに流れる電流を検出し、この検出電流を用いて、ＭＰＵ２１からのモータ駆動用指令信号をフィードバック制御する。これにより、電機子側および界磁側に流れる電流が的確に制御され、アクセルペダルの踏み込み量に応じたトルクをモータ５に発生させる。また、モータ５にはエンコーダ等からなる速度センサ４１が備えられる。

尚、電機子駆動回路２２および界磁駆動回路２３に用いられるＦＥＴの数は、前述に限ることはなく、モータ５が要する電流量によって適宜決定される。

図３は、図２の回路のコントローラ２内における制御方法を示すブロック図である。

運転者が操作するアクセルペダルからの入力信号は増幅器４２で増幅され、速度センサ４１による車速信号とともに、車速判定回路４３へ送られる。車速判定回路４３は、車速が所定の基準値（例えばゴルフコース内の制限速度２２ｋｍ／ｈ）を超えたかどうかを判別する。この車速判定回路４３による判別結果、即ち車速が制限速度を超えたか或いは超えていないかの二値信号は、アクセルペダルからの信号とともに電機子指令電流演算回路５３に入力される。

アクセルペダルからは、ペダルスイッチ１２によるペダルのオンオフ信号、およびアクセル開度センサ１４によるアクセル開度（踏み込み量）信号が、車速判定回路４３を介して、または直接に、電機子指令電流演算回路５３に入力される。

電機子指令電流演算回路５３は、図２のＭＰＵ２１内に組み込まれた回路であり、アクセルペダルの踏み込み量に応じてモータ５を駆動するための指令電流値を算出する。この演算は、例えばアクセルペダルの踏み込み量に応じて予め設定したマップにより行う。そして、算出した指令電流値に基づいて、バッテリ１０からの電源電圧をコイル駆動電圧に変換し、ＰＷＭ制御方式により、電機子側コイル５１に、演算されたパルス幅の指令電流（Ｉａ）を印加する。

ＭＰＵ２１は、電機子コイル電流（Ｉａ）に対応して、モータ５を最大効率で駆動する界磁コイル電流（Ｉｆ）のマップ（Ｉａ−Ｉｆマップ）４４を備えている。そして、電機子側コイル５１の指令電流Ｉａに応じて、このＩａ−Ｉｆマップ４４から界磁コイル電流Ｉｆを求め、界磁指令電流演算回路５４に入力する。界磁指令電流演算回路５４は、マップ４４で求めたＩｆに基づいて、バッテリ１０からの電源電圧をコイル駆動電圧に変換し、ＰＷＭ制御方式により、界磁側コイル５２に、演算されたパルス幅の指令電流（Ｉｆ）を印加する。

このようにして演算されたＩａおよびＩｆによってモータ５を駆動することにより、アクセルペダルの踏み込み量に応じたトルクが得られる。

本発明では、電機子側コイル５１に実際に流れる電流Ｉａを電流センサ２４（図２）で検出し、検出したＩａをアクセルペダルからの入力信号にフィードバックして、指令電流のフィードバック制御を行う。

また、本発明では、電流センサ２４で検出した電機子コイル電流Ｉａに基づいて、以下の実施例に示すように、運転状態に応じた回生電流により回生制動を行う。

図４乃至図６は、第１実施例の説明図である。

図４は、電動車両の運転者がアクセルペダルをオフにしたときの回生制動処理を示すチャートであり、横軸は時間経過を示す。

運転者が、電動車両走行中のｔ_１時にアクセルペダルを離すと同時に、プラス方向に流れていた電機子電流Ｉａをゼロにする。その後、電気的安定のために数ミリ秒程度の間隔をおいて、ｔ_２時から、マイナス方向、即ち走行方向と反対方向の回生方向に電機子電流Ｉａを流す。尚、ｔ_１時にアクセルペダルがオフになったことは、ペダルスイッチ１２（図２）によって検出される。ｔ_１時以降、車両は惰性走行する。

電機子電流Ｉａは、ＰＷＭによりパルス幅を変えることによって制御される。ｔ_１時までは、それまでのアクセルペダルの開度に応じて演算されたパルス幅の指令電流が印加されていて、ｔ_１時から、パルス幅をゼロとする実質上パルス信号が無い状態の指令電流を印加する。続いてｔ_２時から、ＰＷＭ制御により、パルス幅を少しずつ広げながら指令電流を印加する。このパルス幅の変化により、回生電流が徐々に大きくなる。この回生電流の増加率（グラフのマイナス側への傾き）は、固定ゲイン定数によって予め定められる。これにより、パルス幅内で回生電流が得られ、惰性走行が徐々に減速される。

電機子電流Ｉａの量は、図５に示す車速ｖと電機子電流Ｉａとの関数を表すｖ−Ｉａマップによって決定される。例えば、運転者がアクセルペダルを離したときの車速が、ゴルフコース内での制限速度２２ｋｍ／ｈ以上の場合には、電機子電流Ｉａは最大値の２５０アンペアとなり、制動によって車速が２２ｋｍ／ｈ以下に減速し始めると、その車速に応じた電流量となって、１０ｋｍ／ｈ以下になったときには、電機子電流Ｉａをゼロにして回生制動を終了させるようにプログラムされる。これらの車速の数値は、プログラムによって任意に設定することができる。

そして、図６に示す電機子電流Ｉａと界磁電流Ｉｆとの関数を表すＩａ−Ｉｆマップ（図３のＩａ−Ｉｆマップ４４に相当）に従って、電機子電流Ｉａに対応する界磁電流量が決定される。

上記のようにして決定された電機子電流Ｉａおよび界磁電流Ｉｆによって、回生制動が行われる。この回生制動は、ｔ_２時よりも幾分遅れたｔ_３時に、界磁側コイル５２に電流Ｉｆを流すことにより始まる。

この界磁電流Ｉｆは、ｔ_２時までは、ｔ_１時までの電機子電流Ｉａに対応した電流が流れ、ｔ_２時から減少する。この減少率（グラフの傾き）は、固定ゲイン定数によって予め定められる。そして、ｔ_３時から、Ｉａ−Ｉｆマップに従って界磁電流Ｉｆが印加され、Ｉａに応じた回生電流が得られる。このｔ_３時（Ａ点）は、Ｉａ−ＩｆマップによるＩｆの値がそれまでのＩｆの値よりも大きくなった時点である。Ａ点以降は、Ｉａ−Ｉｆマップに従って、Ｉｆが印加される。

ｔ_４時（Ｂ点）は、電機子電流Ｉａについて、図５のｖ−Ｉａマップで求めた値の方が大きくなった時点である。このｔ_４時以降は、電機子電流Ｉａはｖ−Ｉａマップに従って算出され、界磁電流ＩｆはＩａ−Ｉｆマップに従って算出される。

ｔ_５時で図５のｖ−Ｉａマップで設定された１０ｋｍ／ｈまで減速すると、電機子電流Ｉａがゼロになり、界磁電流Ｉｆが少し遅れてｔ_６時から下がり始めてｔ_７時に最小値となり、回生制動処理が終了する。

その後、運転者が車両を停止させる場合にはブレーキペダルを操作し、車速を上げる場合にはアクセルペダルを操作する。尚、車速がゼロになるまで回生制動を行うようにｖ−Ｉａマップを設計することも可能である。

図７および図８は、第２実施例の説明図である。

図７は、運転者がアクセルペダルを踏み続けているときに、車速が制限速度を超えないように制御する回生制動処理を示すチャートである。尚、上段の点線は車速の推移を示す。

車両の運転中に、制限速度を超えたにもかかわらず、運転者がアクセルペダルを踏み続けている場合、以下のようにして制限速度を維持するように制御される。

ｔ_１時に車速が制限速度ｖ_１を超えると、ＰＷＭ制御によりパルス幅を小さくして、プラス方向の電機子電流Ｉａをｔ_２時までにゼロに下げる。そして、タイマによる所定の数ミリ秒経過後のｔ_３時から、マイナス方向に電機子電流Ｉａが流されて回生制動が開始される。この場合、図３に示す車速判定回路４３によって、車速が制限速度ｖ_１を超えているかどうかを検知し、超えている場合に回生制動が開始されるように制御される。界磁電流Ｉｆは、図８のＩａ−Ｉｆマップに従って制御され、回生制動時の電機子電流Ｉａは、車速が制限値を超えた分に比例して増加する。

マイナス方向の電機子電流Ｉａが流れて回生制動が開始された後、しばらくは慣性によって車速が上昇するが、次第に減速し、ｔ_４時に制限速度まで下がると、予め定めたゲイン定数に応じてＩａを減少させ、ｔ_５時に電機子電流Ｉａをゼロにして、回生制動処理が終了する。

運転者はアクセルペダルを踏み続けているので、回生制動処理が終了したｔ_５時以降は、電機子電流Ｉａがプラス方向に増加して走行状態が継続される。その後、車速が再度制限速度ｖ_１を超えることがあれば、同様の回生制御が繰り返される。

図９および図１０は、第３実施例の説明図である。

この実施例は、坂などにおいて、無人の車両が降坂し始めたときの回生制動処理である。

アクセル入力が検出されず、且つ、規定速度、例えば１ｋｍ／ｈ以上の車速を検出したときには、ＭＰＵ２１によって無人走行状態であると判定され、その場合には、先ず、車両が前後どちらの方向に走行しているかが検出される。

図９は、車両の走行方向を探知するサーチ電流処理を示すチャートであり、界磁側のプラス方向およびマイナス方向にサーチ電流を流して、正負いずれのサーチ電流を流したときに、点線で示した電機子側の電流が検出されるかによって、電動車両の走行方向を探知する。尚、このときに電機子側に流れる電流は、回生電流である。そして、例えば界磁側にプラス方向のサーチ電流を流したときに電機子側に電流が検出されると、電動車両は前方向に走行していると判別される。この場合、マイナス方向にサーチ電流を流しても、電機子側の電流（回生電流）は検出されない。逆にサーチ電流をマイナス方向に流したときに電機子側に電流が検出されると、後方向に走行していると判別される。

図９のサーチ電流処理によって走行方向が探知されると、回生制動が開始される。図１０のｔ_１時からｔ_２時までの間は、図９に示すサーチ電流処理時間を示し、例えば前方向に走行していると判定された場合には、走行方向と逆の後方へ向けてトルクが発生するように、電機子電流Ｉａが流される。そして、ｔ_４時に車速がゼロになると、電機子電流Ｉａもゼロに戻す。尚、界磁側に流したサーチ電流と回生制動時の界磁電流Ｉｆとが正負逆方向になる場合には、電気的安定を得るために、ｔ_２時からｔ_３時までに数ミリ秒の時間間隔を要する。また、固定ゲイン定数により界磁電流Ｉｆを下降させる時間（ｔ_５時とｔ_６時との間）の前後は、タイマによって、数ミリ秒の間界磁電流を一定に保持する。

回生制動処理が終了して車両が停止した後は、電機子側、界磁側ともに電流がゼロになる。

図１１および図１２は、第４実施例の説明図である。

図１１は、アクセルペダルを踏んで走行しているときに、アクセルペダルおよびブレーキペダルの操作を行わずに、方向切り替えスイッチを切り替えて前後進を逆転させるいわゆるプラギングを行う場合の回生制動処理を示すチャートである。

前進走行中のｔ_１時に方向切り替えスイッチを切り替えると同時に、電機子電流Ｉａがゼロになり、ｔ_２時からマイナス方向の電機子電流Ｉａが流れる。この場合には、前進方向の走行を早急に制動して後進方向へ切り替えるために、界磁電流Ｉｆは、図１２に示すように、車速にかかわらず、最大値の２５アンペアとされる。

車速が、停止直前の例えば１ｋｍ／ｈまで下がると（ｔ_３時）、電機子電流Ｉａをゼロにし、タイマにより数ミリ秒の間隔をあけた後、ｔ_４時からｔ_５時までの間に、界磁電流Ｉｆをゼロにする。その後、タイマにより数ミリ秒の間隔をあけた後、ｔ_６時に進行方向が切り替わって後方へ走行する。尚、この間、運転者はアクセルペダルを踏み続けているので、ｔ_６時以降は、後進方向に界磁側の電流が流れる。

尚、前述の各回生制動時に用いる電流制御用のマップは例として示したものであり、運転条件やモータ性能等によって適宜設計されたものが用いられる。そして、電動車両が、起伏に富んだコースを走行するゴルフカーとして用いられる場合や、それ以外の用途で用いられる場合等、それぞれの条件に応じて制限速度等を設定して車速監視を行い、回生制動を行うことができる。

本発明は、ゴルフカーの他、直流分巻きモータを駆動源とする各種車両に適用できる。

本発明に係るゴルフカーの構成を示す平面図。 本発明を実現する回路ブロック図。 本発明の制御部分を示すブロック図。 本発明の電流制御の例を示すグラフ。 図４の電流制御の電機子電流制御に用いられるグラフ。 図４の電流制御の界磁電流制御に用いられるグラフ。 本発明の電流制御の異なる例を示すグラフ。 図７の電流制御の界磁電流制御に用いられるグラフ。 電動車両の走行方向を探知するときの通電状態を示すグラフ。 本発明の電流制御の異なる例を示すグラフ。 本発明の電流制御の異なる例を示すグラフ。 図１１の電流制御の界磁電流制御に用いられるグラフ。

符号の説明

１：ゴルフカー、２：コントローラ、５：モータ、１０：バッテリ、
１１：メインスイッチ、１２：ペダルスイッチ、１３：方向切換スイッチ、
１４：アクセル開度センサ、１５：リレー、２１：ＭＰＵ、
２２：電機子駆動回路、２３：界磁駆動回路、２４，２５：電流センサ、
４１：速度センサ、４３：車速判定回路、４４：Ｉａ−Ｉｆマップ、
５１：電機子側コイル、５２：界磁側コイル、５３：電機子指令電流演算回路、
５４：界磁指令電流演算回路。

Claims (7)

1. 直流分巻きモータを駆動源として、そのモータの電機子側コイルおよび界磁側コイルにそれぞれ電流を流してモータトルクを制御する電動車両において、走行中に前記コイルの電流量を計測し、その電流量に基づいて前記モータの回生電流を制御することを特徴とする電動車両の回生制動システム。
2. 前記電機子側コイルの電流量に対する界磁側コイルの電流マップを有し、前記電機子側コイルの電流量に基づいて、前記電動車両の回生制御を行う請求項１記載の電動車両の回生制動システム。
3. 前記電動車両の走行中にアクセルがオフになると、所定の車速まで減速されるように回生電流を制御する請求項１または２記載の電動車両の回生制動システム。
4. 前記電動車両の車速が所定の制限速度を超えたときに、アクセルがオンのままで所定の制限速度まで減速されるように回生電流を制御する請求項１または２記載の電動車両の回生制動システム。
5. 前記電動車両のアクセル入力が無い状態で走行し始めたときに、走行方向に対して反対方向にモータトルクを付与して前記電動車両を停止させるように回生電流を制御する請求項１または２記載の電動車両の回生制動システム。
6. 前記電動車両のアクセル入力が無い状態で走行し始めたときに、前記界磁側コイルの正方向または負方向にサーチ電流を流し、そのサーチ電流に応じた電機子電流を検出し、その検出電流の方向によって、前記電動車両の走行方向を判別する請求項５記載の電動車両の回生制動システム。
7. 前進または後進の方向切替スイッチを有し、前記電動車両の走行中にアクセルがオンのままで前記方向切替スイッチを切り替えたときに、走行方向に対して反対側にモータトルクを付与して車速を一旦ゼロにするように回生電流を制御する請求項１または２記載の電動車両の回生制動システム。
   

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