JP2006223074A - 電気制動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】車軸に連動する発電機により、制動エネルギを電池に回生する装置で、発電機（交流回転機）の回転子に永久磁石が装着されている構造であるとき、発電機の界磁巻線に供給する電流を遮断してもなお発電状態が継続する現象がある。そしてその発電出力電圧がエネルギを回生すべき電池の端子電圧を大きく上回り適正な回生が実行されないことがある。
【解決手段】インバータの直流側端子の電圧が所定値をこえて上昇するとき、自動的にインバータをオフ状態に制御するとともに、発電機の界磁巻線を低い値の抵抗器で短絡する手段を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は車両の電気制動装置に関する。本発明は、多相（三相を含む）の交流回転機を利用する車両の回生制動装置に関する。本発明は、ハイブリッド自動車の一つの動作モードである制動モードとして利用するために発明されたものであるが、ハイブリッド自動車以外の自動車の電気制動装置として、あるいは自動車以外の車両の電気制動装置としても利用することができる。本発明は、交流回転機の回転子に永久磁石を含む形態の装置に実施する制動制御に関する。

本願出願人は先願として下記特許文献１に公開された発明（以下「先願発明」という）を特許出願した。この先願発明には、ハイブリッド自動車の一つの動作モードとして、車軸とともに回転する交流回転機を電気的なブレーキ装置として利用する場合に、これを運転者がペダル操作による従来のブレーキ装置と連動させるとともに、他のブレーキ装置との調和を図るための改良が開示されている。

この特許文献１および特許文献２に開示された発明については、燃料費の高騰によりその経済効果が見直され、用途を限定した車両について設計開発が試みられている。本願発明者は、この先願発明についてさらなる高性能化をめざして改良および試験を繰り返した。

その検討および試験の過程で、交流回転機の回転子に永久磁石を装着する形態（Internal
Permanent Magnetic Synchronous Mortor, 略称ＩＰモータ）を試みることになった。すなわち、旧くから交流回転機の回転子が発生する直流磁界を強力にするために、回転子の回転軸に同軸構造のスリップ・リングを設け、このスリップ・リングに接触するブラシを介して直流電流を供給する装置が利用されている。しかしスリップ・リングおよびブラシは磨耗部品であり、接触部分に経年変化が生じるから、車両用の装置の部品として利用することは望ましくない。これに代わる構造として、交流回転機の回転子に永久磁石を装着することを試みた。

交流発電機の電機子に永久磁石を装着する装置は旧くから知られ、それ自体は新しい技術ではない。この技術は自転車用発電機などに広く採用されている。また永久磁石については近年材料の進歩により、相応の温度にさらされても保磁力を損なうことのない材料が開発され、本発明の目的に適合する装置を造ることができる可能性がある。
特開平５−２２８０４号公報（日野） 特開平７−１９３９８９号公報（日野）

交流回転機の回転子に永久磁石を装着すると、回転子が発生する磁束密度を大きくすることができる。しかしこれを試験すると、界磁巻線に供給する電流を遮断しても、それに応じて電機子の回転が意図するように停止しない場合がある。これを詳しく調べると、界磁巻線に供給する電流を単純にその接続を開放することにより遮断しても、電機子が慣性により回転を続けている間に、電機子に装着された永久磁石が発生する磁力線により界磁巻線に起電力が発生し、これにより界磁巻線各相の相間接続点を介して電流が巻線を循環することがわかった。これは電機子の回転を停止させるときに限らず、電機子の回転速度を低下させるように制御する、いわゆる電気制動時にも発生して、制御を混乱させる原因になっていることがわかった。

さらに電機子に永久磁石を装着した回転機では、回転制動時に発生する発電エネルギを電池に回生させるように制御する状態で、交流回転機の出力電圧が異常に上昇し、その整流出力（直流出力）の回生対象である電池の端子電圧を上昇させることが観測された。電池の充電状態によっては、その端子電圧は電池としての許容値を越える場合も観測された。これは電流が適正に回生されず、運転操作としてはブレーキの効き方が悪いことになる。このような現象は電池の状態（充電量、温度など）によりその発生の条件が一様にならない。またこのような現象は電池の寿命を短くすることになるとともに、装置の安定な動作のために望ましいことではない。

本発明は、このような背景に行われたものであって、回転子に永久磁石を装着した交流回転機について、その制御を安定に実行することができる装置を提供することを目的とする。本発明は、永久磁石を装着した交流回転機について、装置を発電機として動作させ電池を充電させる回生制動の状態で、その制御を安定に実行することができる装置を提供することを目的とする。本発明は、永久磁石を装着した交流回転機の出力により、化学的な作用を利用した電池を充電させる装置であって、充電時にその端子電圧が異常に高くなることを回避するための装置を提供することを目的とする。本発明は、回生制動が動作中であるがエネルギの回生が適正に行われていないときに、運転者の操作によらずに自動的に回生制動を中断させ、制動力を強力に発生させることができる装置を提供することを目的とする。本発明は、回生制動が作動中であっても運転者がブレーキ・ペダルを強く踏み込むときには、回生制動を中断して電気制動を強力に作用させることができる装置を提供することを目的とする。

本発明は、発電機の界磁巻線相互間を適応的に低いインピーダンスで短絡する短絡回路を設けることを最大の特徴とする。適応的にとは、必ずしも運転者の操作によらずに、状態を検出する出力により制御して自動的に、との意味である。すなわち電機子に装着した永久磁石が界磁巻線の内側で回転することにより、界磁巻線に起電力が発生するとき、これを短絡回路により短絡することにより回転磁界の発生を抑制する。

すなわち本発明は、電池（８）と、動力伝達系を介してその回転軸が車軸に連結される多相交流回転機（１）と、交流端子が前記多相交流回転機の界磁巻線に接続され直流端子が前記電池に接続されたインバータ（５）と、このインバータを制御する制御回路（１２）と、この制御回路（１２）を制御するプログラム制御回路（４）とを備え、前記プログラム制御回路（４）は、前記多相交流回転機（１）を発電機として作用させその発生する電気エネルギを前記電池（８）を充電するように前記インバータ（５）を制御する手段を含み、前記多相交流回転機（１）はその電機子に永久磁石が装着された形態である電気制動装置において、前記プログラム制御回路（４）の制御にしたがって、前記多相交流回転機（１）の交流端子を低い抵抗値で短絡する抵抗器（１５）を備えたことを特徴とする。

上記括弧内の数字はあとから説明する実施例装置図面の参照数字に対応する。これは本発明の構成を理解しやすいように付記するものであって、本発明の範囲を実施例に限定するものではない。以下の説明においても同様である。

さらに本発明は、前記プログラム制御回路（４）には、前記インバータ（５）の直流側端子の電圧を監視する手段（１３）と、この直流側端子の電圧が設定値を越えたときに前記抵抗器（１５）を前記交流端子に接続する短絡スイッチ（１４）とを備えた構成とすることができる。また、前記プログラム制御回路（４）には、車両のブレーキ・ペダルの操作に連動して前記短絡スイッチ（１４）を閉状態に制御する手段を含む構成とすることができる。

本発明を実施することにより、界磁巻線の内側で永久磁石が機械的に回転することにより界磁巻線に余分な回転起電力が発生しても、これが不都合な程度に増大する前に短絡される。短絡されることにより回転は制動させるから、予期しない回転動力が発生することを回避することができる。本発明により、運転の操作性を改善することができる。本発明により急に回生制動がきかなくなる状態を回避することができる。

図１は本発明実施例電気制動装置の回路構成図である。この装置は三相交流回転機１を備える。この三相交流回転機１の回転軸は、この車両の走行用駆動装置であるエンジン２の回転軸に連結されている。この三相交流回転機１はその回転子に永久磁石が装着された装置である。この三相交流回転機１の界磁巻線に供給される電流の位相回転速度が、回転子の機械的回転速度より大きいときに発電機として、すなわち車両の制動装置として作用する。この三相交流回転機１の回転軸には回転センサ３が設けられ、その回転速度情報はプログラム制御回路４に取り込まれる。

上記三相交流回転機１の三相端子はインバータ５の三相交流端子６に接続されている。このインバータ５の直流端子７は電池８の両端に接続される。インバータ５の直流端子７と電池８の間には、メインリレー９およびブレーカ１０が設けられている。インバータ５は図示するように、３対のトランジスタ・スイッチング素子および３対のダイオードの組み合わせ回路を含む。３対のトランジスタ・スイッチング素子の各ゲート電極は、制御回路１２が発生する制御信号により開閉制御される。制御回路１２は上記プログラム制御回路４により制御される。インバータ５の直流端子７の対間には平滑コンデンサ１１が接続されている。

この装置は三相交流回転機１の機械的な回転速度が、その界磁巻線に生じる位相の回転速度より進んだときに、この三相交流回転機１は発電機として作用しその回転軸を制動状態にする。界磁巻線に供給する三相交流の位相回転速度は、プログラム制御回路４から発生する制御信号に基づいて制御回路１２によりスイッチング制御される。この界磁巻線に供給する位相回転速度を回転センサ３の出力に対して適応的に制御することにより、三相交流回転機１から発生する電力をインバータ５を介して電池８に回生することができる。この構成および動作、この出力制御信号によるインバータ５を構成する各素子の開閉動作については、すでに広く知られている技術であり、ここではその詳しい動作の説明は省略する。

ここで本発明の特徴とするところは、インバータ５の直流端子７の端子電圧を監視する直流電圧検出器１３を設け、この検出出力をプログラム制御回路４に取込み、この検出出力が所定値を越えて高くなったときに、短絡スイッチ１４により、三相交流回転機１の三相端子間を低い値の抵抗器１５を介して実質的に短絡する回路を設けたところにある。すなわち、この三相交流回転機１には上述したように永久磁石が装着されている構成であるから、インバータ５から三相交流回転機１の界磁巻線に供給される三相交流が実質的に零になった状態でも、電機子の回転により界磁巻線に電圧が発生する。この界磁巻線に発生した電圧はこの界磁巻線の相間接続点を介して電流として三相の界磁巻線を循環する。これがインバータ５の構成要素である６個のダイオードを介して、その直流端子７に直流出力として現れる。この直流端子７の直流電圧が電池８を充電するに適度な電圧であるときには、この直流出力は電池８に回生されて問題ないが、その電圧は制御された電圧ではないから、所定値より高くなり電池８への充電が適正に行われない電圧になると、プログラム制御回路４はこの状態を検出して短絡スイッチ１４を短絡状態に制御する。これによりインバータ５の三相交流端子６の電圧は実質的に零に保持され、三相交流回転機１は制動状態になる。

この現象は三相交流回転機１の電機子に永久磁石を装着するまでは発生しなかった現象である。上記のように短絡スイッチ１４および抵抗器１５を接続し、これを適正に制御する構成により、この不都合な現象は事実上解消することができる。この制動状態が継続してエンジン回転速度（ω）が所定値（ω₀ ）より小さくなったときには、短絡スイッチ１４を開放状態に復旧させるとともに回生制御モードを解除する。図２にこの制御の要部をフローチャートにより示す。

直流電圧検出器１３で検出される直流電圧のどの程度の値で短絡スイッチ１４を導通状態に制御するか、などはそれぞれ利用する電池８および三相交流回転機１の特性により設定すべきである。概略値を一例として示すと、電池８が鉛電池であるときには電池８の定格電圧の１２０％程度に設定することがよい。しかし、その最適点は電池８の温度特性にも依存するし、電池の充電量にも依存するし、電池の利用履歴にも依存する。また三相交流回転機の電機子に装着する永久磁石の特性にも依存する。これはそれぞれの特性に対応して適応的に設計値として設定すべきものである。

つぎに請求項３記載の発明について説明する。これは制御回路４に、車両のブレーキ・ペダルの操作に連動して前記短絡スイッチ１４を制御する手段を設ける場合の構成である。すなわち短絡スイッチ１４および抵抗器１５により、三相交流回転機１の三相端子を短絡してこの三相交流回転機１の回転を急速に減速させる構成は、上で説明したように電池８の端子電圧が異常に高くなったとき以外にも有用に利用することができる。たとえば通常の回生充電状態で走行中に、運転者が車両を急停車させる必要があるときに、運転者はブレーキ・ペダルを強く踏み込む。これはいわゆる非常停止の操作であり、このときには通常のブレーキ系統を有効に制御するに加えて、この三相交流回転機１を最大限に停止状態に制御することができる。

さらにこの装置は、三相交流回転機１の回転がその界磁巻線に供給される三相交流と同期できなくなったときにも有効に利用できる。すなわち、前記三相交流回転機１の回転軸の回転を検出する回転センサ３に検出される回転速度が前記制御回路１２が発生する位相回転速度とが、あらかじめ設定された割合で不一致になったときに、前記インバータ５の構成要素であるトランジスタ素子をすべてオフ状態に制御する。この構成により改めて位相同期を取り直すことができる。

本発明はハイブリッド自動車の駆動制動装置として、あるいは自動車の制動装置として利用することができる。

本発明実施例装置の回路構成図。 本発明実施例装置の要部制御フローチャート。

符号の説明

１ 三相交流回転機
２ エンジン
３ 回転センサ
４ プログラム制御回路
５ インバータ
６ 三相交流端子
７ 直流端子
８ 電池
９ メインリレー
１０ ブレーカ
１１ 平滑コンデンサ
１２ 制御回路
１３ 直流電圧検出器
１４ 短絡スイッチ
１５ 抵抗器

Claims (3)

1. 電池と、動力伝達系を介してその回転軸が車軸に連結される多相交流回転機と、交流端子が前記多相交流回転機の界磁巻線に接続され直流端子が前記電池に接続されたインバータと、このインバータを制御する制御回路と、この制御回路を制御するプログラム制御回路とを備え、
   前記プログラム制御回路は、前記多相交流回転機を発電機として作用させその発生する電気エネルギを前記電池に充電するように前記インバータを制御する手段を含み、
   前記多相交流回転機はその電機子に永久磁石が装着された形態である電気制動装置において、
   前記プログラム制御回路の制御にしたがって、前記多相交流回転機の交流端子を低い抵抗値で短絡する抵抗器を備えたことを特徴とする電気制動装置。
2. 前記プログラム制御回路（４）には、前記インバータ（５）の直流側端子の電圧を監視する手段（１３）と、この直流側端子の電圧が設定値を越えたときに前記抵抗器（１５）を前記交流端子に接続する短絡スイッチ（１４）とを備えた請求項１記載の電気制動装置。
3. 前記制御回路には、車両のブレーキ・ペダルの操作に連動して前記短絡スイッチ（１４）を閉状態に制御する手段を含む請求項２記載の電気制動装置。

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