JP2006166684A

JP2006166684A - 車両電気駆動装置，車両電気制御装置及び車両電気駆動方法

Info

Publication number: JP2006166684A
Application number: JP2004358752A
Authority: JP
Inventors: Keizo Shimada; 恵三嶋田; Yasuhiro Kiyofuji; 康弘清藤; Naoshi Sugawara; 直志菅原; Kazuhiro Imaie; 和宏今家; Shintaro Oku; 慎太郎奥; Takashi Yagyu; 隆柳生
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 2004-12-10
Filing date: 2004-12-10
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2024-12-10
Also published as: US7841434B2; JP4585842B2; DE102005058922A1; US20090218966A1; US20060086547A1; DE102005058922B4; AU2005242120B2; AU2005242120A1

Abstract

【課題】
エンジンで発電機を駆動して、その発電出力で電動機を駆動して推進力を得て、また、ブレーキ時には電動機を発電機として運転させて運動エネルギーを電気エネルギーに変換してブレーキをかける車両電気駆動システムにおいて、小型・低コスト化が可能なブレーキシステムを実現する。
【解決手段】
ブレーキ時に発生する電気エネルギーを吸収するために強制空冷のブレーキ抵抗器を設け、また、主発電機とは電気的に独立した補助発電機を同軸上に設け、その補助発電機の出力電圧はエンジンの回転数によらず一定に制御する。その補助発電機の出力で、送風機用インバータを駆動して、交流送風機を運転し、ブレーキ抵抗器を冷却する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両電気駆動装置，車両電気制御装置及び車両電気駆動方法に関する。

車両を電気駆動するためには、従来から、エンジンを動力源として、発電機を駆動し、その発電電力を用いてモータで推進力を得ている。すなわち、エンジンで発電機を駆動し、発電機の出力を整流器で直流に変換し、インバータに直流電力を供給する。さらに、インバータで直流入力を交流出力に変換し、その交流出力で交流電動機を駆動し、ギヤを介して車輪を回転させて車両を推進させる。

車両を電機駆動している際に、ブレーキをかけるには、交流電動機を発電機として動かし、インバータを順変換器として動作させて交流電力を直流に変換する。このような技術は、例えば、特開２０００−２２４７０９号公報に記載されている。

特開２０００−２２４７０９号公報

しかしながら、上記の従来技術では、ブレーキ時の発電エネルギーについて、長い下り坂を連続して下る場合や、車両が大型化した場合などで、ブレーキ時の発生エネルギーが大きくなると、そのエネルギーを吸収することが困難であった。

本発明の目的は、例えば、長い下り坂を連続して下る場合や、車両が大型化した場合など、ブレーキ時の発生エネルギーが大きくなっても、効率良くそのエネルギーを吸収して、駆動効率の向上が可能な車両電気駆動装置，車両電気制御装置、或いは、車両電気駆動方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、車輪の回転に対する機械的な負荷となるように電動機を発電させ、電動機で発電された電力を抵抗で熱エネルギーに変換すると共に、抵抗を冷却するように構成した。

より具体的には、ブレーキ電力を吸収できる強制空冷のブレーキ抵抗器を設ける。また、主発電機の同軸上に補助発電機を設け、その出力で送風機用インバータを動作させ、ブレーキ抵抗器冷却用の送風機を駆動するように構成した。

本発明によると、ブレーキ時に発生するエネルギーは熱エネルギーに変換され、冷却により外部に吐き出されるので、特に、ブレーキを連続して使用する場合などに有効であり、駆動効率の向上が可能となる。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

実施例１についての構成を簡単に説明すると、実施例では、ブレーキ抵抗器を冷却する送風機を有するが、この送風機を駆動する送風機用インバータの電源を、主発電機と同軸上の補助発電機から取り、また、補助発電機の出力電圧はエンジン回転数によらず一定に制御することで、エンジンの回転数や主発電機の発電状態によらず、最適な冷却条件でブレーキ抵抗器を冷却できるようにした。

図１を用いて具体的に説明すると、エンジン１によって、主発電機２と補助発電機３が駆動される。主発電機２の出力は、整流器４で直流に変換され、インバータ６の入力になる。インバータ６は、直流を交流に変換し、交流電動機７を駆動する。交流電動機７の出力はギア１０を介して車輪１１に伝えられ、車両の推進力となる。一方、ブレーキ時には、交流電動機７を発電機として働かせる。インバータ６を順変換器として動作させて交流電力を直流に変換し、スイッチ８をオンして、その直流電力をブレーキ抵抗器９で消費する。即ち、運動エネルギーを熱エネルギーに変換して、ブレーキをかける。また、補助発電機３の出力を用いて、送風機用インバータ１２を運転し、その出力で交流送風機１３を運転する。交流送風機１３によって、前述のブレーキ抵抗器９を冷却する。

主発電機２と補助発電機３は、図５に示すように一つの軸２１上に主発電機の回転子
２４と、補助発電機の回転子２７を設け、また一つのケース２３内に主発電機の固定子
２６と補助発電機の固定子２９を設け、２つの発電機を一体化することで小型化が可能である。また、２つの発電機は電気的に独立しているので、大容量の主発電機２は高圧で、小容量の補助発電機３は低圧とすることができる。これによって、送風機用インバータ
１２と交流送風機１３は、低圧絶縁の汎用製品が使用できる。

エンジン１と主発電機２の制御を説明すると、アクセル（図示せず）の位置及びインバータ６の回転速度（或いは、交流電動機７）に応じてエンジン１の目標回転速度と主発電機２の目標電圧を演算する。エンジン１が目標回転数となるように、エンジン１に燃料を供給して、エンジン回転数を制御する。また、主発電機２が目標電圧を出力するように主発電機２の励磁電流を制御する。すなわち、エンジン１と主発電機２は、駆動条件に最適な状態になるよう回転数と発電機出力電圧を制御する。たとえば、車両の最大駆動力が必要なときには、エンジンを最高回転にまで上げて、発電機の励磁電流を制御して発電機出力は最大電圧まで上げる。また、駆動力が不要になれば、エンジンを最低回転数まで下げて、発電機の励磁電流を制御して発電機出力を最低電圧まで下げる。

一方、補助発電機３はエンジン１の回転数が変化しても、補助発電機３の出力電圧が一定になるように励磁電流を制御する。これによって、駆動系の状態に制約を受けずに、ブレーキ系のシステムを動かすことができる。例えば、最大加速で運転中に、最大ブレーキをかけてエンジン回転数が最高回転から最低回転まで変化しても、補助発電機３の出力電圧は一定に保たれ、送風機用インバータ１２の出力周波数を一定に保つことで安定した冷却状態を保つことができる。また、本発明では、補助発電機３の出力からシステムの状態によらず低圧で一定の交流電圧が得られる。盤内ヒータ用電源など補助電源が必要な場合に活用できる。補助電源として有効な電源が得られることも本実施例の利点である。また、ブレーキ抵抗器冷却用の送風機の電動機は交流電動機を使用できるので、送風機の保守が容易になることも本実施例の利点である。一方、目標トルクとなるように、交流電動機７の電動機電流と回転数に基づいて、トルク電流指令値，励磁電流指令値及び回転数指令値を演算して、インバータ６を制御する。

本発明の別の実施例を図２に示す。図１に示された実施例に対して異なる部分を説明し、他の部分は原則的に図１に示された実施例と同じであるので、その部分については説明を省略する。補助発電機３，送風機用インバータ１２を削除して、交流送風機１３を直流送風機１４に変更したものである。直流送風機の電源は、ブレーキ抵抗器９の中間タップからとるものとする。図１の実施例に対して補助発電機と送風機用インバータを省略できるので、回路を簡素化することができる。また、スイッチ８をオンさせてブレーキ抵抗器に電圧が印加されると自動的に直流送風機１４は回転し、スイッチ８がオフしてブレーキ抵抗器に電圧が加わらなくなると自動的に直流送風機１４は停止する。したがって、スイッチ８の制御に呼応して送風機が制御され、制御の簡素化も図れることになる。

本発明の別の実施例を図３に示す。前記の実施例と異なる部分を説明する。他の部分は同じである。図１の実施例に対して送風機用インバータ１２の電源を補助発電機３でなく、主発電機２の出力から変圧器１５を介して供給する。図１の実施例に対して補助発電機３が省略できるので低コスト化が可能である。主発電機の出力電圧が変わってしまうと、送風機用インバータ１２の入力電圧が変化してしまうので、主発電機２の出力電圧を変動させない用途に適している。

本発明の別の実施例を図４に示す。前記の実施例と異なる部分を説明する。他の部分は同じである。図３の実施例に対して送風機用インバータ１２の代わりの接触器１６を設けたものである。送風機用インバータ１２を接触器１６に変えることで低コスト化が可能である。ただし、交流送風機１３には、主発電機２の出力電圧に比例した電圧で、主発電機２の出力周波数と同じ周波数が印加されるので、主発電機２の出力電圧・出力周波数を共に変動させない用途に適している。

図１，図３，図４に示した実施例について交流送風機１３の制御方法の一実施例を図６に示す。ステップ６０１でブレーキ中かどうか判断する。ブレーキ中であれば、ステップ６０３で、例えば、図１における送風機用インバータ１２を作動させて送風機を運転する。一方、ブレーキ中でなければ、ステップ６０２で、例えば、図１における送風機用インバータ１２を停止させて送風機を停止する。図１における送風機用インバータ１２を用いて説明したが、図３及び図４の構成で同様の動作ができることはもちろんである。この実施例では、ブレーキ中のみ交流送風機１３を運転する。交流送風機１３の運転を必要最低限の時だけにすることができるので効率アップが可能である。

図１，図３，図４に示した実施例について交流送風機１３の制御方法のもう一つの実施例を図７に示す。ステップ７０１でブレーキ中かどうか判断する。ブレーキ中であれば、ステップ７０６で、例えば、図１における送風機用インバータ１２を作動させて送風機を運転する。一方、ブレーキ中でなければ、ステップ７０２で、送風機運転中かどうか判断する。送風機運転中でなければ、ステップ７０１に戻る。一方、送風機運転中であれば、ステップ７０３で、時間ｔａ秒間待機する。さらに、ステップ７０４で、ブレーキ中かどうか判断する。ブレーキ中であれば、ステップ７０６で、例えば、図１における送風機用インバータ１２を作動させて送風機を運転する。ブレーキ中でなければ、ステップ７０５で、例えば、図１における送風機用インバータ１２を停止させて送風機を停止する。図１における送風機用インバータ１２を用いて説明したが、図３及び図４の構成で同様の動作ができることはもちろんである。この実施例では、ブレーキ中だけでなく、ブレーキが終了した後の一定時間（図中のｔａ）も交流送風機１３を運転する。ブレーキ動作が終了し、ブレーキ抵抗器９の発熱が終了した後も送風機を運転することによって、ブレーキ抵抗器内に残った熱気を除去し、ブレーキ終了後の異常加熱を防止できる。これによって、ブレーキ抵抗器の寿命アップが期待できる。

図１，図３，図４に示した実施例について交流送風機１３の制御方法のもう一つの実施例を図８に示す。ステップ８０１で加速中かどうか判断する。加速中であれば、ステップ８０３で、車体速度がほぼ零であるか判断する。車体速度がほぼ零でなければ、ステップ８０８では、例えば、図１における送風機用インバータ１２を作動させて送風機を運転する。

ステップ８０１で加速中でないと判断された場合、また、ステップ８０３で、車体速度がほぼ零であると判断された場合、ステップ８０２に進む。ステップ８０２で、送風機運転中かどうか判断する。送風機運転中でなければ、ステップ８０１に戻る。一方、送風機運転中であれば、ステップ８０４で、時間ｔａ秒間待機する。さらに、ステップ８０５で、加速中かどうか判断する。加速中であれば、ステップ８０７で、車体速度がほぼ零であるか判断する。車体速度がほぼ零でなければ、ステップ８０８で、例えば、図１における送風機用インバータ１２を作動させて送風機を運転する。一方、車体速度がほぼ零であれば、ステップ８０６で、例えば、図１における送風機用インバータ１２を停止させて送風機を停止する。また、ステップ８０５で、加速中でないと判断されると、同様に、ステップ８０６で、送風機を停止する。

図１における送風機用インバータ１２を用いて説明したが、図３及び図４の構成で同様の動作ができることはもちろんである。

この実施例では、加速中で無く、かつ、車体速度がほぼ０でない場合に、交流送風機
１３を運転する。また、（加速中で無く、かつ、車体速度がほぼ０でない）状態でなくなった後も一定時間（図中のｔａ）だけ交流送風機１３を運転した後に、停止する。本実施例では、加速が終了した時点で交流送風機１３が運転を始める。したがって、ブレーキ動作が開始する時点では交流送風機１３は回転をはじめている。これによって、ブレーキ動作開始時の送風機の回転の立ち上がり遅れによる風量不足を改善することができる。また、ブレーキ動作が終了し、ブレーキ抵抗器９が発熱が終了した後も送風機を運転することによって、ブレーキ抵抗器内に残った熱気を除去し、ブレーキ終了後の異常加熱を防止できる。以上によって、ブレーキ抵抗器の寿命アップが期待できる。

以上の説明は、交流電動機７と車輪１１の間にギア１０がある場合の実施例として説明したが、ギア１０を省略したダイレクトドライブシステムの場合にも適用可能である。

本発明の一実施例による車両電気駆動システム。本発明における、直流送風機を用いたもう一つの実施例。本発明における、補助発電機の代わりに変圧器を使用したもう一つの実施例。本発明における、図３に示す実施例に対し送風機用インバータを接触器に変更したもう一つの実施例。図１に示した実施例における主発電機と補助発電機の構造例。交流送風機の制御方法の一実施例。ブレーキ後も運転することを示した交流送風機の制御方法のもう一つの実施例。ブレーキ前も運転することを示した交流送風機の制御方法のもう一つの実施例。

符号の説明

１…エンジン、２…主発電機、３…補助発電機、４…整流器、５…蓄電池、６…インバータ、７…交流電動機、８…スイッチ、９…ブレーキ抵抗器、１０…ギア、１１…車輪、１２…送風機用インバータ、１３…交流送風機、１４…直流送風機、１５…変圧器、１６…接触器、２１…軸、２２…軸受け、２３…ケース、２４…主発電機の回転子、２５…主発電機のスリップリングとブラシ、２６…主発電機の固定子、２７…補助発電機の回転子、２８…補助発電機のスリップリングとブラシ、２９…補助発電機の固定子。

Claims

エンジンと、前記エンジンの動力で発電する発電機と、前記発電機の発電出力を整流する整流器と、前記整流器の出力を交流に変換する変換器と、前記変換器の出力で駆動される電動機と、前記電動機に機械的に接続された車輪を有し、前記車輪の回転に対する機械的な負荷となるように前記電動機を発電させるものであって、前記電動機で発電された電力を熱エネルギーに変換する抵抗と、前記抵抗を冷却するための送風機を有することを特徴とする車両電気駆動装置。
請求項１において、前記エンジンの動力で発電する第２の発電機を有し、前記第２の発電機で発電する電力により前記送風機を駆動することを特徴とする車両電機駆動装置。
請求項２において、前記第２の発電機の出力を変換する第２の変換器を有し、前記変換器の出力を前記送風機に接続することを特徴とする車両電機駆動装置。
請求項２において、前記第２の発電機は、エンジン回転数によらず一定電圧になるように制御することを特徴とする車両電機駆動装置。
請求項２において、前記エンジンの出力軸の同軸上に、前記発電機と前記第２の発電機は接続されることを特徴とする車両電機駆動装置。
請求項１において、前記発電機の出力を変圧する変圧器を有し、前記変圧器の出力により前記送風機を駆動することを特徴とする車両電機駆動装置。
請求項６において、前記トランスの出力を変換する第２の変換器を有し、前記第２の変換器の出力を前記送風機に接続することを特徴とする車両電機駆動装置。
請求項６において、前記トランスの出力と前記送風機を接続するスイッチを有することを特徴とする車両電機駆動装置。
請求項１において、前記電動機の回転力をギア経由で前記車輪に接続するか、または直接車輪に接続することで車輪の推進力を得ることを特徴とする車両電機駆動装置。
請求項１において、前記車輪の回転に対する機械的な負荷となるように前記電動機を発電させるときには、前記電動機と前記抵抗をスイッチを介して接続することを特徴とする車両電機駆動装置。
請求項１において、前記電動機で発電する電力で、前記抵抗を冷却する第２の電動機を駆動することを特徴とする車両電機駆動装置。
請求項１において、制動が掛かっているかを判断し、制動が掛かっているときに、前記冷却をなすことを特徴とする車両電機駆動装置。
請求項１２において、前記冷却がなされているかを判断し、冷却がなされているときに、所定時間待機した後に、前記制動の判断をなすことを特徴とする車両電機駆動装置。
請求項１３において、加速中であるかを判断し、加速中であれば、前記制動の判断をなすことを特徴とする車両電機駆動装置。
エンジン動力による発電を制御し、前記発電出力を整流した電力の変換を制御するものにおいて、前記電力の変換を制御することで前記変換された電力で電動機駆動される車輪のトルクを制御し、前記車輪の回転に対する機械的な負荷とするために前記電動機が発電するように制御し、前記電動機の発電による電力で生じた熱エネルギーを冷却するように制御する車両電気制御装置。
エンジン駆動により発電された電力を整流器で整流し、前記整流された出力を交流に変換器で変換し、前記変換された出力で電動機を駆動することで車輪を回転し、前記車輪の回転に対する機械的な負荷となるように前記電動機を発電させ、前記電動機で発電した電力を熱エネルギーに変換し、前記熱を放散させる車両電気駆動方法。