JP2007237782A - 電動車両の制御装置および電動車両の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発電機を駆動する内燃機関の回転数が上昇した場合でも安定してモータからトルクを出力できる電動車両の制御装置および駆動装置を提供することにある。
【解決手段】モータ制御部２０は、電圧電流指令部Ｆ１０を有する。電圧電流指令部Ｆ１０は、発電機の出力電圧のベース指令値と、交流モータを駆動するｄ軸電流及びｑ軸電流のベース指令値を決定するベース指令決定部Ｆ１０Ａと、このベース指令決定部が出力する指令値を変更する発電動作点変更手段Ｆ１０Ｂとを備える。発電動作点変更手段Ｆ１０Ｂは、発電機の動作点が発電機の動作が不安定になる不安定領域に近づくと、安定領域になるように動作点を変更する。
【選択図】図８

Description

本発明は、電動車両の制御装置および電動車両の駆動装置に係り、特に、内燃機関（エンジン）による回転力で発電機を駆動し、この発電機により発電された電力によりモータを駆動する電動車両の制御装置および駆動装置に関する。

近年、モータを動力源として走行する電動車両が増加している。電気自動車やハイブリッド車に代表される環境対応自動車である。これら環境対応自動車の主な特徴として、バッテリを搭載し、バッテリに蓄積された電力を利用してモータからトルクを発生させ、タイヤを駆動し走行することが挙げられる。最近はこのモータには永久磁石同期モータに代表される交流モータが用いられ、小型化（高パワー密度化）が進められている。さらにバッテリの直流電力を交流モータに供給するためにはインバータ（電力変換器）が用いられ、バッテリからの直流電力を交流電力に変換する。このインバータの制御により交流モータは可変速制御が可能となる。

以上の環境対応自動車では、モータへの電力供給源としてバッテリを搭載しているため、インバータには常に安定した電力供給が行われる。このとき、インバータの受電電圧はそのときのバッテリの充放電状態により変動するが、概ね変動幅が少ない直流電圧である。このように電力源にバッテリを用いたモータ駆動システムの制御技術としては、予めバッテリ電圧の最大値と最小値を含む複数のモータ電流指令テーブルを備えており、そのときのバッテリ電圧に応じて最適なモータ電流指令を出力するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これによりモータの全回転域において、常に安定してトルクを出力することができるようになっている。

また、最近ではハイブリッド車と並んで、前輪をエンジンで駆動し、後輪をモータで駆動する電動４輪駆動車が普及し始めている。このような４輪駆動車に搭載されるシステムでは、コストを従来の機械式４輪駆動車以下に抑え、さらにコンポーネントの搭載性を向上させるため、バッテリを搭載せずにエンジンに接続された発電機の発電電力のみによって後輪のモータを駆動する構成となっている。すなわち、バッテリレスの電動４輪駆動車では、発電機の出力電力により交流モータを直接駆動するシステムとなる。さらに電動４輪駆動システムでは、更なる低コストを追及して、発電機は変換器部分がダイオード整流器となっている「オルタネータ」を採用している。なお、電動４輪駆動車としては、後輪をエンジンで駆動し、前輪をモータで駆動するものでもよい。さらに、４輪に限らず、６輪以上の電動車両でもよい。

特許第３３９６４４０号明細書

例えば、特許文献１記載のものでは、バッテリ電圧に応じてモータ電流指令をテーブルデータにより変更していくため、各バッテリ電圧に対して最適な弱め界磁制御を行うことができ、モータから常に安定したトルクを出すことが可能である。

それに対し、上述のバッテリを搭載しない電動車両では、エンジンに接続されたオルタネータからの発電電力により、後輪駆動用として搭載されたインバータ／モータからトルクを発生し、車両を駆動する。このようにバッテリを搭載しない電動車両は電力発生源にオルタネータを用いているため、発電状態はエンジン回転数によって変動を受けることになる。すなわち、同じ界磁状態であってもエンジン回転数によって大きく出力電圧が異なることになる。

一方、モータとして交流モータを用いた場合、トルク指令通りのトルクを発生するには、モータ／インバータで要求される等パワー曲線に従って、交流モータがパワー制御される。また、オルタネータの発電特性を見た場合、パワー制御を安定に行える安定領域と、パワー制御が不安定になる不安定領域がある。安定領域と不安定領域の境目である境界線は、エンジン回転数によって変動するため、仮にモータ／インバータの動作点があるエンジン回転において境界線以上にあって安定にパワー制御が行われていた場合においても、エンジン回転が上昇してモータ／インバータの動作点が境界線を下回ると、オルタネータの発電動作点は電圧の低下が発生し、最終的には非常に低い電圧域に落ち込んでしまい、結果モータからは所要のトルクは発生されないことになる。よって、特許文献１記載のように、電動４輪駆動システムを動作させた場合、エンジン回転数に応じてモータの動作点を変更することができないため、上述の電圧落ち込み現象が発生し、必要とするトルクが得られないという問題が生じる。

また、バッテリを搭載した場合でも、バッテリの状態に応じて、発電機の出力エネルギーとインバータの入力エネルギーを等しくしなければならない場合には、上記問題が生じる場合がある。

本発明の目的は、発電機を駆動する内燃機関の回転数が上昇した場合でも安定してモータからトルクを出力できる電動車両の制御装置および駆動装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、第１の車輪を内燃機関により、第２の車輪を交流モータによりそれぞれ駆動すると共に、前記内燃機関により駆動される発電機が出力する直流電力を、インバータにより交流電力に変換した後、前記交流モータに供給して、前記交流モータを駆動する電動車両に用いられる制御装置であって、前記発電機の界磁電流を制御して前記発電機の出力電力を制御すると共に、前記交流モータの出力トルクを制御する制御手段を有し、前記制御手段は、前記発電機の動作点が前記発電機の動作が不安定になる不安定領域に近づくと、安定領域になるように、前記発電機の動作点を変更するものである。
また、上記目的を達成するために、本発明は、第１の車輪を内燃機関により、第２の車輪を交流モータによりそれぞれ駆動すると共に、前記内燃機関により駆動される発電機が出力する直流電力を、インバータにより交流電力に変換した後、前記交流モータに供給して、前記交流モータを駆動する電動車両に用いられる制御装置であって、前記発電機の界磁電流を制御して前記発電機の出力電力を制御すると共に、前記交流モータの出力トルクを制御する制御手段を有し、
前記制御手段は、前記交流モータの出力パワーが一定で、前記内燃機関の回転数が上がると、前記発電機の出力電圧が増加するように、前記発電機の動作点を変更するものである。
かかる特徴により、バッテリを搭載せずに発電機のみの電力により交流モータを駆動する電動車両において、エンジン回転数が上昇した場合でも安定にトルクを出力できるものとなる。

本発明によれば、発電機を駆動する内燃機関の回転数が上昇した場合でも安定してモータからトルクを出力できるものとなる。

以下、図１〜図１３を用いて、本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置の構成及び動作について説明する。ここでは、前輪をエンジンで駆動し、後輪を交流モータで駆動する電動４輪駆動車を例にして説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による電動車両の制御装置を適用する電動４輪駆動車のシステム構成について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置を適用する電動４輪駆動車のシステム構成図である。

電動４輪駆動車１は、前輪２を駆動するエンジン３に専用の発電機４を接続しており、この発電機４で発電される発電電力をもとにして交流モータ６から動力を発生させる。発電機４は、発生した交流電力を直流電力に変換する変換器部分がダイオードブリッジによる整流器となっているオルタネータである。交流モータ６により発生された動力により後輪５は駆動されることになるが、この動力はデフ７で左右に分配され、後輪５に伝達される。このように、電動４輪駆動車システムではバッテリを搭載していないため、後輪を駆動するモータから指令値通りのトルクを発生させるには、モータおよびインバータが要求するパワー（電力）を正確に発電機４（オルタネータ）で発電し、供給する必要がある。

また、モータ６とデフ７の間には、動力伝達経路を開閉する４ＷＤクラッチ１０が設けられている。また、交流モータ６のトルクを所要の値に制御できるようにインバータ８が設けられており、発電機４から出力された直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を交流モータ６に供給する。ここで、インバータ８の入力部分は、パワー素子のスイッチング動作によりかなり脈動を持った電力となる。これを平滑するのがコンデンサ９である。

インバータ８，交流モータ６及び発電機４は、コントローラ１５によって制御される。

以上が交流モータを用いた電動４輪駆動車の構成である。この電動４輪駆動車においては、低コストを意識したシステムとなっており、バッテリを搭載しておらず、発電機４による発電電力のみによってモータを駆動する。なお、電動４輪駆動車としては、後輪をエンジンで駆動し、前輪をモータで駆動するものでもよい。さらに、本実施形態の電動車両としては、４輪に限らず、６輪以上の電動車両でもよい。

次に、図２を用いて、本実施形態による電動車両の制御装置を適用する電動４輪駆動車における電力フローについて説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置を適用する電動４輪駆動車の電力フロー図である。なお、図２において、図１と同一符号は、同一部分を示している。

図２は、電動４輪駆動車における発電機４と交流モータ６との間の電力フローを示している。通常のハイブリッド車などでは、コンデンサ９と並列に、電力発生源および電力回収元としてバッテリが接続される。しかしながら、電動４輪駆動車では、従来のメカ４輪駆動車以下にコストを低く抑えるといった課題があり、この低コスト化の面からバッテリは搭載しないことが多いものである。

このように、交流モータを用いた電動４輪駆動システムでは、電力を吸収するバッテリを持たないため、エンジン３により駆動される発電機４により出力される発電エネルギーＰｇと、インバータ８・交流モータ６に入力される駆動エネルギーＰｍとが等しくなるように、電力の協調制御を行う必要がある。

しかし、発電エネルギーＰｇと駆動エネルギーＰｍのバランスが崩れた場合、例えば、発電エネルギーＰｇが駆動エネルギーＰｍよりも大きかった場合は余剰の電力が平滑用のコンデンサ９に流れ込み、ＤＣバス部の電圧が上昇することになる。ＤＣバス部の電圧が許容値を超えた場合には、コンデンサ９やインバータ８のパワー素子を破壊する恐れがある。また、発電エネルギーＰｇが駆動エネルギーＰｍよりも小さかった場合には、コンデンサ９に蓄えられた電力がインバータ８・交流モータ６に消費されるために電圧が低下し、所要のトルクが出力できなくなる。

ここで、モータ６は回転座標系（ｄ−ｑ座標）での電流制御、すなわちベクトル電流制御を行うことにより、高応答かつ高精度なトルク制御を行うことができる。それに対して、発電機４に対して行う発電制御は、応答が遅い界磁電流を操作することで行われる。したがって、発電機４の発電制御は、インバータ８およびモータ６の挙動に合わせて高精度に行う必要がある。

次に、図３及び図４を用いて、本実施形態による電動車両の制御装置による発電機４とモータ６／インバータ８間の電力協調制御方式について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置による発電機とモータ／インバータ間の電力協調制御方式のハード構成図である。図４は、本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置による発電機とモータ／インバータ間の電力協調制御方式の制御ブロック図である。なお、図３，図４において、図１及び図２と同一符号は、同一部分を示している。

ここでは、ＤＣバス部電圧（平滑コンデンサ電圧）をフィードバックする「ＤＣ電圧フィードバック制御方式」について述べる。図４に示すコンデンサ電圧指令Ｖｄｃ*が、ＤＣバス電圧の指令値に相当する。協調制御では、電圧指令Ｖｄｃ*に対してコンデンサ電圧Ｖｄｃをフィードバック制御する。このように電圧指令Ｖｄｃ*に対してコンデンサ電圧Ｖｄｃが安定に制御できれば、発電機とモータ・インバータ間で電力の協調制御が行えることになる。

ここで、コンデンサ電圧指令Ｖｄｃ*は、発電機の動作状態、およびモータの動作点（モータ回転数、モータトルク）に応じて決定される。このようにＤＣバス部の電圧Ｖｄｃをもとにして、コントローラ１５のモータ制御部２０はモータ制御を行い、インバータ８に対してＰＷＭ指令、モータ６に対して界磁電圧指令を出力する。それに対し、コントローラ１５の発電制御部２１は、コンデンサ電圧Ｖｄｃが指令値Ｖｄｃ*となるように、発電機（専用のオルタネータ）４の発電制御を行う。発電機４の発電電力は回転数と界磁により決定される。このうち回転数はエンジン回転数で決まるため、発電制御部２１で操作する量は界磁電圧ということになる。コンデンサ電圧Ｖｄｃが指令値Ｖｄｃ*に一致している（または一致しているとみなされる）ときは、モータ制御と発電制御がバランスよく行われている協調状態であり、後輪駆動用の交流モータ６からは指令値通りのトルクが出力される。このとき、駆動側の交流モータ６はインバータ８によって、正確なパワー制御を行うことが可能である。すなわち、インバータ８はあるモータ回転数において、要求されるトルク指令に応じて、指令値通りのトルクを発生するように交流モータ６に電流を流す。

次に、図５を用いて、本実施形態による電動車両の制御装置の構成について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置に用いるモータ制御部の構成を示すブロック図である。なお、図５において、図１及び図２と同一符号は、同一部分を示している。

図５に示すように、モータ制御部２０は、上位コントローラでのシステム制御により演算されたトルク指令Ｔｒ*と、エンジン回転数Ｎｅを入力して、交流モータ６が指令通りのトルクを発生するように、ＰＷＭ信号をＰＷＭインバータ８に対し出力する。また、モータ制御部２０は、コンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ*を演算し、出力する。なお、エンジン回転数Ｎｅは、指令値の補正に用いるものであり、この点については、図８を用いて後述する。

モータ制御部２０は、電圧電流指令発生部Ｆ１０と、モータ電流制御部Ｆ２０と、３相変換部Ｆ３０と、ＰＷＭ変換部Ｆ４０と、コンデンサ電圧指令演算部Ｆ５０と、モータ電流検出部Ｆ６０と、ｄ−ｑ変換部Ｆ７０と、界磁電流制御部Ｆ８０と、磁極位置回転速度検出部Ｆ９０とを備えている。

電圧電流指令発生部Ｆ１０は、トルク指令Ｔｒ*とモータ角速度ωｍとを入力し、現在の動作点での最高効率となるようなモータ電流指令Ｉｑ*，Ｉｄ*，界磁電流指令Ｉｆ*およびコンデンサ電圧指令値Ｖｄｃ*を決定し、出力する。ここで、モータ電流指令Ｉｄ*はモータ回転子の磁束方向（ｄ軸）の電流指令であり、モータ電流指令Ｉｑ*はモータ回転子の磁束方向に直交する方向（ｑ軸）の電流指令である。

モータ電流制御部Ｆ２０は、回転座標ｄ−ｑ軸上での電流制御演算を行い、ｄ−ｑ軸での電圧指令Ｖｄ*，Ｖｑ*を決定する。このようにｄ−ｑ座標での電流制御を行うことにより、磁束方向の電流とそれに直交する（トルクに作用する）電流をそれぞれ高精度に制御することができる。その結果、モータのトルク、ならびに磁束が高精度に制御可能となる。

３相変換部Ｆ３０は、ｄ−ｑ軸からＵ−Ｖ−Ｗ相への座標変換を行い、３相の交流電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*を出力する。ＰＷＭ変換部Ｆ４０は、交流電圧指令Ｖｕ*，Ｖｖ*，Ｖｗ*をＰＷＭ信号に変換し、このＰＷＭ信号をドライバを介して、インバータ８に対し出力する。

また、モータ電流制御部Ｆ２０で電流制御に使用されるフィードバック値Ｉｄ＾，Ｉｑ＾は、次のようにして検出する。まず、３相のモータ電流センサＩＤｍから検出されたモータ電流Ｉｕ，Ｉｖ，ＩｗをＡＤ変換器等で構成されるモータ電流検出部Ｆ６０で取り込み、ｄ−ｑ変換部Ｆ７０においてｄ−ｑ軸の検出電流Ｉｄ＾，Ｉｑ＾を演算し、モータ電流制御部Ｆ２０にフィードバックする。

この制御系では、上述のように、ｄ−ｑ座標電圧指令からＵ−Ｖ−Ｗ相電圧指令、またはＵ−Ｖ−Ｗ相電流からｄ−ｑ座標電流を得るための座標変換演算に磁極位置θが必要となる。このため、モータ６に位置検出器ＰＳを設けてモータ制御部２０内の磁極位置回転速度検出部Ｆ９０とともに交流モータ６の回転子磁極位置検出値θｃを検出する。また、電圧電流指令発生部Ｆ１０およびモータ電流制御部Ｆ２０において必要なモータ角速度ωｍは、磁極位置回転速度検出部Ｆ９０において回転子磁極位置検出値θｃの時間変化量として求められる。（界磁電流制御部Ｆ８０においては、位置センサＰＳからの回転パルスをコントローラのカウンタで計測し、その計測値によりモータ速度を演算する方法もある。）
また、界磁電流制御部Ｆ８０は、電流指令決定部Ｆ１０が出力した界磁電流指令Ｉｆ*と、界磁電流検出器ＩＤｆによって検出されたモータ６の界磁巻線ＦＣを流れる界磁電流Ｉｆ＾に基づいて、界磁電圧指令Ｖｆを出力し、この界磁電圧指令Ｖｆをデューティ信号に変換した上で、スイッチング素子ＳＷをオンオフ駆動することで、界磁電流を制御する。

以上のように、バッテリを搭載しない電動４輪駆動システムでは、発電機（オルタネータ）から必要な電力が供給されることにより、駆動側のモータ／インバータから指令値通りのトルクを発生することができる。このとき、発電機（オルタネータ）はエンジンの回転力により発電が行われる。エンジン回転は常に運転者のアクセルワークとそのときの走行条件によって常に変動するため、発電機（オルタネータ）の発電状態も常に変化しているといえる。そのような状況の中で、発電機（オルタネータ）がモータ／インバータが必要とする電力を精度良く発電することは本システムにとって非常に重要な点である。そこで、以下、発電機（オルタネータ）の発電特性について述べる。

ここで、図６及び図７を用いて、本実施形態による電動車両に用いる発電機の発電特性について説明する。
図６及び図７は、本発明の第１の実施形態による電動車両に用いる発電機の発電特性の説明図である。

図６において、縦軸は発電機（オルタネータ）の出力電圧Ｖを示し、横軸は発電機（オルタネータ）の出力電流Ｉを示している。ここで、実線は、エンジン３の回転数Ｎｅが所定の回転数Ｎｅ１の場合で、発電機（オルタネータ）の界磁電流Ｉｆ−ｇを、界磁電流Ｉｆ−ｇ１，Ｉｆ−ｇ２，Ｉｆ−ｇ３，Ｉｆ−ｇ４，Ｉｆ−ｇ５と変化させたときの、それぞれの界磁電流における発電機（オルタネータ）の出力電圧Ｖ−出力電流Ｉ特性を示している。界磁電流Ｉｆ−ｇ１，Ｉｆ−ｇ２，Ｉｆ−ｇ３，Ｉｆ−ｇ４，Ｉｆ−ｇ５は、Ｉｆ−ｇ１＜Ｉｆ−ｇ２＜Ｉｆ−ｇ３＜Ｉｆ−ｇ４＜Ｉｆ−ｇ５の関係にあるものとする。すなわち、オルタネータの発電特性は、界磁電流Ｉｆ−ｇが増加すると、発電機（オルタネータ）の出力電力が増加する特性である。

なお、エンジン３と発電機（オルタネータ）４との間は、所定の増速比を有する増速機構により結合されているため、増速比を例えば２．５とすると、エンジン３の回転数が６００ｒｐｍのとき、発電機（オルタネータ）４の回転数は１５００ｒｐｍとなる。

また、図６において、破線ＥＰは、後輪駆動用の交流モータ６／インバータで要求される等しいパワー（例えば、３ｋＷ）を示す等パワー曲線を示している。後輪を駆動する交流モータ６／インバータ８は、あるモータ回転数に対し、指令値通りのトルクを発生しようとするために、破線で示すような等パワー曲線ＥＰを辿る。

ここで、破線で示す等パワー曲線ＥＰと、実線で示す各界磁電流Ｉｆ−ｇ３，Ｉｆ−ｇ４，Ｉｆ−ｇ５毎の発電機（オルタネータ）の出力電圧Ｖ−出力電流Ｉ特性との交点の電圧電流を、それぞれ、交点（Ｉｆ−ｇ３，Ｖ３，Ｉ３），（Ｉｆ−ｇ４，Ｖ４，Ｉ４），（Ｉｆ−ｇ１，Ｖ５，Ｉ５），（Ｉｆ−ｇ３，Ｖ３’，Ｉ３’），（Ｉｆ−ｇ４，Ｖ４’，Ｉ４’），（Ｉｆ−ｇ１，Ｖ５’，Ｉ５’）とする。図中、オルタネータの発電領域のうち、高電圧側では界磁電流が減少するに連れて等パワー曲線上の電圧が減少していくのに対し、低電圧側では界磁電流が増加するに連れて等パワー曲線の電圧値が減少する。すなわち、等パワー曲線ＥＰの上において、交点（Ｉｆ−ｇ３，Ｖ３，Ｉ３），（Ｉｆ−ｇ４，Ｖ４，Ｉ４），（Ｉｆ−ｇ１，Ｖ５，Ｉ５）の電圧値は、界磁電流Ｉｆ−ｇが増加すると、電圧Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５と増加するのに対して、交点（Ｉｆ−ｇ３，Ｖ３’，Ｉ３’），（Ｉｆ−ｇ４，Ｖ４’，Ｉ４’），（Ｉｆ−ｇ１，Ｖ５’，Ｉ５’）の電圧値は、界磁電流Ｉｆ−ｇが増加すると、電圧Ｖ３’，Ｖ４’，Ｖ５’と減少する。すなわち、オルタネータの負荷（すなわち、交流モータ６）が等パワー線上で移動するとき、高電圧側と低電圧側で界磁電流の増減方向が異なる。したがって、低電圧側ではモータ／インバータのパワー制御を行う際、仮に何らかの原因により電圧が低下し、それを補償するためにオルタネータの界磁電流を増加させた場合には、電圧が低下し続けることになる。このことは、オルタネータの低電圧域ではモータ／インバータによるパワー制御が安定に行うことができないことを意味する。

ここで、図中、一点鎖線で示す電圧線ＥＬが、パワー制御安定限界の境界線である。境界線ＥＬよりも高電圧側は安定領域であり、モータ／インバータによるパワー制御が安定に行うことができる。一方、境界線ＥＬよりも低電圧側は不安定領域であり、モータ／インバータによるパワー制御が不安定となる。

次に、図７を用いて、前述のパワー制御安定限界の境界線ＥＬのエンジン回転数依存性について説明する。

図７において、縦軸及び横軸は、図６と同様に、発電機（オルタネータ）の出力電圧Ｖ及び、発電機（オルタネータ）の出力電流Ｉを示している。

実線（Ｉｆ−ｇ−ｍａｘ，Ｎｅ１），（Ｉｆ−ｇ−ｍａｘ，Ｎｅ２）は、それぞれ、発電機（オルタネータ）の出力電力が増加する特性を示しているが、ここでは、界磁電流Ｉｆ−ｇは、それぞれ最大値Ｉｆ−ｇ−ｍａｘとし、オルタネータの出力が最大出力となる時のオルタネータの発電特性を示している。また、実線（Ｉｆ−ｇ−ｍａｘ，Ｎｅ１）は、エンジン回転数がＮｅ１のときのオルタネータの最大出力の発電特性を示し、実線（Ｉｆ−ｇ−ｍａｘ，Ｎｅ２）は、エンジン回転数がＮｅ２のときのオルタネータの最大出力の発電特性を示している。ここで、エンジン回転数Ｎｅ１＜エンジン回転数Ｎｅ２である。すなわち、エンジン回転数が増加すると、オルタネータの回転数の増加するので、オルタネータの最大出力も増加する。

また、一点鎖線で示す境界線ＢＬ１，ＢＬ２は、それぞれ、エンジン回転数がＮｅ１と、エンジン回転数がＮｅ２の場合の不安定領域と安定領域の間の境界線を示している。境界線ＢＬ１は、エンジン回転数Ｎｅ１に対する境界線であり、境界線ＢＬ２は、エンジン回転数Ｎｅ２に対する境界線である。すなわち、エンジン回転数が上昇するとオルタネータの発電電力範囲は大きくなるが、それにつれて境界線もより高電圧側に移動する。仮にモータ／インバータの動作点があるエンジン回転において境界線以上にあって安定にパワー制御が行われていた場合においても、エンジン回転が上昇してモータ／インバータの動作点が境界線を下回った時点でオルタネータの発電動作点は電圧の低下が発生し、最終的には非常に低い電圧域に落ち込んでしまい、モータからは所要のトルクは発生されないことになる。

次に、図８〜図１３を用いて、本実施形態による電動車両の制御装置における電圧電流指令発生部Ｆ１０の構成及び動作について説明する。
図８は、本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置における電圧電流指令発生部の構成を示すブロック図である。図９〜図１３は、本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置における電圧電流指令発生部の動作説明図である。なお、図８において、図５と同一符号は、同一部分を示している。

図８に示すように、電圧電流指令発生部Ｆ１０は、ベース指令決定部Ｆ１０Ａと、発電動作点変更手段Ｆ１０Ｂとから構成されている。ベース指令決定部Ｆ１０Ａは、オルタネータ電圧ベースマップＦ１０Ａ１と、ｄ軸電流ベースマップＦ１０Ａ２と、ｑ軸電流ベースマップＦ１０Ａ３とを有している。発電動作点変更手段Ｆ１０Ｂは、電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１と、電流指令調整部Ｆ１０Ｂ２とを有している。

本発明は、バッテリを搭載せずに発電機のみの電力により交流モータを駆動する電動４輪駆動システムにおいて、エンジン回転数が上昇した場合においても常に安定にトルクを出し続けることを目的としている。そのために、本発明では、発電動作点変更手段Ｆ１０Ｂを設けている。

ベース指令決定部Ｆ１０Ａは、上位のコントローラからのトルク指令Ｔｒ*と、位置検出器２７により検出されるモータ回転数ωｍを入力として、オルタネータの電圧ベース指令値Ｖｄｃ’，ｄ軸電流ベース指令値Ｉｄ’，ｑ軸電流ベース指令値Ｉｑ’を決定し、出力する。ベース指令決定部Ｆ１０Ａは、演算装置の演算負荷を考慮して、オルタネータ電圧ベースマップＦ１０Ａ１と、ｄ軸電流ベースマップＦ１０Ａ２と、ｑ軸電流ベースマップＦ１０Ａ３からなる３個のデータテーブル（マップ）を使用して決定するが、それに限定されるものではない。通常、バッテリを搭載したハイブリッドシステムなどでは、各ベース指令値を直接、モータ制御部２０内に構成される電流制御系の指令値として入力して差し支えない。

発電動作点変更手段Ｆ１０Ｂは、ベース指令決定部Ｆ１０Ａからの出力信号であるオルタネータの電圧ベース指令値Ｖｄｃ’，ｄ軸電流ベース指令値Ｉｄ’，ｑ軸電流ベース指令値Ｉｑ’と、エンジン回転数Ｎｅを入力して、現在のエンジン動作点に応じて変更したオルタネータの電圧指令値Ｖｄｃ*，ｄ軸電流指令値Ｉｄ*，ｑ軸電流指令値Ｉｑ*を出力する。このうち、オルタネータの電圧指令値Ｖｄｃ*は、発電制御部２１に出力され、オルタネータ４の発電制御の指令値として使用される。また、ｄ軸電流指令値Ｉｄ*，ｑ軸電流指令値Ｉｑ*は、モータ制御部２０内で行われるモータ電流制御の指令値となる。

電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１は、オルタネータの電圧ベース指令値Ｖｄｃ’と、エンジン回転数Ｎｅを入力して、オルタネータの電力制御不安定領域を回避するように発電動作点を補正する。すなわち、電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１は、オルタネータの出力電圧Ｖｄｃの指令値を現在のエンジン動作点において電力制御が不安定とならない領域内に移動させる。電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１は、各エンジン回転数（例えば１０００ｒｐｍ毎）のオルタネータの最大発電範囲と電力制御の境界線のデータを有しており、このデータに基づいて現在のエンジン回転数におけるオルタネータの電圧指令を演算する。

ここで、図９を用いて、電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１が保持しているデータについて説明する。図９は、図６同様に、オルタネータの発電特性を示している。縦軸はオルタネータの出力電圧Ｖを示し、横軸はオルタネータの出力電流Ｉを示している。
境界線ＢＬは、所定のエンジン回転数がＮｅ１における不安定領域と安定領域の間の境界線である。境界線ＢＬよりも低電圧側が不安定領域である。境界線ＢＬよりも高電圧側が安定領域である。さらに、本実施形態では、安定領域を、絶対安定領域と、中間安定領域との分けている。両者の境界線が、第２の境界線ＢＬ’である。中間安定領域は、境界線ＢＬに隣接する領域，すなわち、不安定領域に隣接する領域である。中間安定領域は、エンジンの回転変動やモータ／インバータによる負荷変動等の外乱によって、不安定領域に入る危険性がある領域である。一方、絶対安定領域は、外乱が生じても、不安定領域に入るおそれのない領域である。等パワー曲線ＥＰと第１の境界線ＢＬの交点の電圧をＶｃとするとき、等パワー曲線ＥＰの上の電圧Ｖｃ’＝Ｖｃ＋ΔＶを通るのが、第２の境界線ＢＬ’である。ΔＶの値は、オルタネータの特性や、エンジンの特性や、モータ／インバータの特性などによって適宜決定するものである。所定電圧値ΔＶは、発電制御の制御特性と外乱（エンジン回転数変動やモータ／インバータによる負荷変動）を考慮して、前記外乱変動を受けた場合でも不安定領域に入らないような電圧余裕値である。例えば、オルタネータの最大出力を３ｋＷとし、最大出力電圧が６０Ｖで、最大出力電流が５０Ａとすると、ΔＶは、５Ｖ程度に設定される。もちろん、オルタネータの特性や、エンジンの特性や、モータ／インバータの特性などによってΔＶを２Ｖとできる場合もあり、また、ΔＶを９Ｖとする必要がある場合もある。

オルタネータの出力は、最大出力範囲である最大の界磁電流Ｉｆ−ｇ−ｍａｘ時に最大となるので、最大の界磁電流Ｉｆ−ｇ−ｍａｘ時のオルタネータの出力範囲よりも低電圧側で、かつ、第２の境界線ＢＬ’よりも高電圧側の図中にハッチングを施した領域が、安定制御領域となる。

なお、等パワー曲線ＥＰの元となるパワーは、トルク指令値Ｔｒ*と、モータ回転数ωｍと、モータ効率ηとから、（Ｔｒ*×ωｍ×η）として求められる。モータ効率ηは、モータ回転数によって多少異なるが、ほぼ一定の値とすることもできる。

ここで、例えば、オルタネータ電圧ベースマップＦ１０Ａ１が出力するオルタネータの電圧ベース指令値が、図示の電圧Ｖｄｃ’とする。この場合は、オルタネータの電圧ベース指令値Ｖｄｃ’は、ハッチングを施した安定制御領域にあるので、電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１は、オルタネータの電圧ベース指令値Ｖｄｃ’に対して補正することなく、オルタネータの最終電圧指令値Ｖｄｃ*＝Ｖｄｃ’として出力する。

ここで、エンジン回転数が、回転数Ｎｅ１から回転数Ｎｅ２（Ｎｅ２＞Ｎｅ１）に増加した場合について説明する。図１０は、エンジン回転数Ｎｅ２に対して、電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１が保持しているデータである。図９と比べると、境界線ＢＬ２が高電圧側に移動している。その結果、第２境界線ＢＬ２’も高電圧側に移動している。このとき、オルタネータ電圧ベースマップＦ１０Ａ１が出力するオルタネータの電圧ベース指令値が、図９の場合と同じく、図示の電圧Ｖｄｃ’とすると、オルタネータの電圧ベース指令値Ｖｄｃ’は、第２境界線ＢＬ２’と境界線ＢＬの間の中間安定領域になる。このままでは、不安定領域に落ちる可能性があるため、電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１は、オルタネータの電圧ベース指令値Ｖｄｃ’に対して、等パワー曲線ＥＰの上を移動して、安定制御領域内の電圧Ｖｄｃ*を、オルタネータの最終電圧指令値Ｖｄｃ*として出力する。最終電圧指令値Ｖｄｃ*は、安定制御領域内であればどこでもよいものであるが、ここでは、第２境界線ＢＬ２’よりもわずかに高電圧側の電圧をしている。

エンジン回転数が上昇すると、境界線ＢＬが高電圧側に移動する結果、発電機の動作点，すなわち、オルタネータの電圧ベース指令値Ｖｄｃ’が不安定領域に近づくこととなる。この場合、電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１は、安定制御領域となるように動作点を変更する。換言すると、オルタネータの動作点が、境界線に対して電圧が大で電流が小さい中間安定領域になると、電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１は、安定制御領域となるように動作点を変更する。

なお、図１０に示した例では、最終電圧指令値Ｖｄｃ*は、安定制御領域内で、第２境界線ＢＬ２’よりもわずかに高電圧側の電圧としているが、図１１に示すようにすることもできる。すなわち、図１１に示すように、エンジン回転数Ｎｅ２において、等パワー曲線ＥＰと境界線ＢＬ２の交点の電圧をＶｃ１とし、等パワー曲線ＥＰと最大出力電圧Ｉｆ−ｇ−ｍａｘとの交点の電圧をＶｍａｘとすると、電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１は、最終電圧指令値Ｖｄｃ*として、制御安定限界電圧線と最大出力電圧の中間値，すなわち、（（Ｖｍａｘ＋Ｖｃ１）／２）を出力する。このように、制御安定限界電圧線と最大出力電圧の中間値とすることで、出力電圧の飽和と制御不安定の二つの状態を回避できる最も安定した電圧値を指令値とすることができる。

次に、図１２及び図１３を用いて、電流指令調整部Ｆ１０Ｂ２の動作について説明する。

電流指令調整部Ｆ１０Ｂ２は、ベース指令決定部Ｆ１０Ａが出力するｄ軸電流ベース指令値Ｉｄ’，ｑ軸電流ベース指令値Ｉｑ’を変更して、最終ｄ軸電流指令値Ｉｄ*，最終ｑ軸電流指令値Ｉｑ*を出力する。

ここで、電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１にてオルタネータの出力電圧を変更することにより制御系の不安定化は防ぐことができる。しかしながら、オルタネータの出力電圧を上昇させた場合でも、モータの電流指令を変更しなかった場合は、インバータの受電電圧を上昇させたにもかかわらず、変更前のベース電圧となるように、電圧を抑制するための弱め界磁電流が働くようになる。この弱め界磁電流はほとんどトルクには作用せず損失となる電流（無効分電流）であるため、電流指令を変更しなかった場合、電圧を上昇したにもかかわらず、モータの駆動効率はかわらないため、モータの最適動作点ではなくなることがある。そこで、エンジン回転数が上昇し、その際にオルタネータの制御の不安定化を防ぐためにオルタネータの出力電圧（インバータの受電電圧）を上昇させた場合には、電圧上昇分だけ弱め界磁電流を減少させて、モータの無効分電流を減少させて、モータを最適動作点で動作するようにする。この電流指令についての操作を行うことにより、モータの駆動効率を向上させることができる。すなわち、電圧指令補正部Ｆ１０Ｂ１により、オルタネータ４を最適動作点で動作させて、オルタネータの動作不安定を回避するとともに、電流指令補正部Ｆ１０Ｂ２により、モータ６を最適動作点で動作させることで、モータの駆動効率を向上することができる。

ここで、弱め界磁電流の減少方法の一例について説明する。図１２は、ベース指令によりモータ電流を流した場合のモータ電圧ベクトル図を示している。図１２は、モータ回転子の磁束軸を基準とした回転座標系であり、ｄ軸は回転子の磁束方向、ｑ軸はそれに直交する方向をあらわす。ｑ軸は基本的に磁束軸に直交しているため、その方向に電流を流した場合、トルクが発生する。また、ｄ軸に電流を流した場合、その方向は磁束方向であるためモータの発生する磁束量を調整することが可能である。このように磁束量を調整するためにｄ軸電流を流すことが弱め界磁制御に相当する。

図１２のｑ軸方向に誘起電圧ω・φが発生しており、これをｄ軸電流Ｉｄを負方向に流すことで電圧（ω×Ｌｄ×Ｉｄ）分だけ誘起電圧を低減することができる。ここで、ωはモータ角速度、φは界磁主磁束、Ｌｄはｄ軸インダクタンスである。図１２では、弱め界磁電流Ｉｄ１を流した場合を示している。

この弱め界磁制御を行うことで、インバータの受電電圧よりもモータの誘起電圧が高くなる高回転域においてもモータの駆動が可能となる。

これに対してエンジン回転数が上昇し、前述のように制御の不安定領域を避けるようにオルタネータの出力電圧を上昇させた場合には、インバータの受電電圧を高くできるため、弱め界磁電流を少なくすることができる。これによりモータの駆動効率も向上する。その場合のモータ電圧ベクトル図を、図１３に示す。

図１３では、、弱め界磁電流を減少して、弱め界磁電流Ｉｄ２のｄ軸電流を流すように示している。このようにすることで低減する誘起電圧がω×Ｌｄ×Ｉｄ２となり、実際の電圧ベクトルの大きさがＶ２となって、図１２の電圧ベクトルＶ１よりも大きさが増加する。この結果、ベース電圧よりも高い電圧でモータを駆動でき、モータの駆動効率も向上する。

ここで、オルタネータの出力電圧を上昇させた場合のｄ軸電流指令Ｉｄ*の決定方法の一例について説明する。まず、オルタネータの出力電圧を上昇させた後の電圧をＶｄｃ*とすると、インバータで出力できる電圧ベクトルの大きさＶは、以下の式（１）で示される。

なお、式（１）において、Ｖｄｃ*にかかる係数はインバータの変調や座標変換方式で異なるものであり、上記の値に限定されるものではない。

また、弱め界磁制御を用いるような比較的高回転領域では、モータインピーダンスのうち抵抗成分Ｒは、リアクタンス成分ω×Ｌよりも一桁ほど小さくなる。よってこのような領域にて抵抗成分Ｒを無視すると、ｄ軸電圧Ｖｄ及びｑ軸電圧Ｖｑは、それぞれ、

となり、以下の式（４）が成立する。

そして、上述の式（１）〜式（４）を解くことにより、現在のＶｄｃ*に対して流すべきｄ軸電流Ｉｄを算出することができる。

なお、このときｑ軸電流Ｉｑはベース指令のデータとする。この際、モータが突極、あるいは逆突極性を有するものでｄ軸電流を変更した場合、ベース指令に対する動作点に対してリラクタンストルク成分の変動を受け、トルク精度が劣化することが考えられる。もし、このトルク変化が許容値内に収まらない場合は、ｄ軸電流変更によるリラクタンストルクの増減に合わせて、それを補償するようにｑ軸電流を増減させるようにする。

以上がオルタネータの出力電圧を上昇させた場合に際して行う弱め界磁電流の減少方法の一例であるが、この減少方法は上記の方法に限定されるものではない。実際にモータトルク方程式を演算してインバータの受電電圧とモータの要求トルクを満たす電流指令を演算する方式でも良いし、コントローラの演算負荷を考慮して、予め設定した値をベース電流指令から減算する方式でも良い。

また、本実施例では、駆動用バッテリを搭載しない車両に本発明を適用する場合を例にして説明したが、駆動用バッテリを持つ電動車両に、本発明を適用してもよい。バッテリを搭載した車両でも、バッテリの状態に応じて、発電機の出力エネルギーとインバータの入力エネルギーを等しくなければならない状態にあつときには、前述した本実施例の制御が有効になる場合がある。

本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置を適用する電動４輪駆動車のシステム構成図である。 本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置を適用する電動４輪駆動車の電力フロー図である。 本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置による発電機とモータ／インバータ間の電力協調制御方式のハード構成図である。 本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置による発電機とモータ／インバータ間の電力協調制御方式の制御ブロック図である。 本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置に用いるモータ制御部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による電動車両に用いる発電機の発電特性の説明図である。 本発明の第１の実施形態による電動車両に用いる発電機の発電特性の説明図である。 本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置における電圧電流指令発生部の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置における電圧電流指令発生部の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置における電圧電流指令発生部の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置における電圧電流指令発生部の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置における電圧電流指令発生部の動作説明図である。 本発明の第１の実施形態による電動車両の制御装置における電圧電流指令発生部の動作説明図である。

符号の説明

１…電動４輪駆動車
２…前輪
３…エンジン
４…発電機（オルタネータ）
５…後輪
６…交流モータ
７…デファレンシャルギヤ
８…インバータ
９…平滑用コンデンサ
１０…クラッチ
１５…コントローラ
２０…モータ制御部
２１…発電制御部
Ｆ１０…電圧電流指令発生部
Ｆ１０Ａ…ベース指令決定部
Ｆ１０Ａ１…オルタネータ電圧ベースマップ
Ｆ１０Ａ２…ｄ軸電流ベースマップ
Ｆ１０Ａ３…ｑ軸電流ベースマップ
Ｆ１０Ｂ…発電動作点変更手段
Ｆ１０Ｂ１…電圧指令補正部
Ｆ１０Ｂ２…電流指令調整部

Claims (14)

1. 第１の車輪を内燃機関により、第２の車輪を交流モータによりそれぞれ駆動すると共に、前記内燃機関により駆動される発電機が出力する直流電力を、インバータにより交流電力に変換した後、前記交流モータに供給して、前記交流モータを駆動する電動車両に用いられる制御装置であって、
   前記発電機の界磁電流を制御して前記発電機の出力電力を制御すると共に、前記交流モータの出力トルクを制御する制御手段を有し、
   前記制御手段は、前記発電機の動作点が前記発電機の動作が不安定になる不安定領域に近づくと、安定領域になるように、前記発電機の動作点を変更することを特徴とする電動車両の制御装置。
2. 請求項１記載の電動車両の制御装置において、
   前記安定領域は、不安定領域と安定領域を区切る境界線に対して、前記発電機の出力電圧が大で、出力電流が小さい中間安定領域と、この中間安定領域よりも前記発電機の出力電圧が大で、出力電流が小さい絶対安定領域とからなり、
   前記発電動作点変更手段は、前記発電機の動作点が、中間安定領域になると、絶対安定領域になるように動作点を変更することを特徴とする電動車両の制御装置。
3. 請求項１記載の電動車両の制御装置において、
   前記発電動作点変更手段は、前記発電機の発電動作点を変更し、前記インバータの制御を行う際に前記発電機の出力電圧の低下を防止することを特徴とする電動車両の制御装置。
4. 請求項３記載の電動車両の制御装置において、
   前記発電動作点変更手段は、前記内燃機関の回転数に応じて、前記発電機の発電動作点を変更し、前記インバータの制御を行う際に前記発電機の出力電圧の低下を防止することを特徴とする電動車両の制御装置。
5. 請求項１記載の電動車両の制御装置において、
   前記発電動作点変更手段は、前記内燃機関の回転数に応じて、前記発電機の出力電圧指令を変更する電圧指令補正部を備えることを特徴とする電動車両の制御装置。
6. 請求項５記載の電動車両の制御装置において、
   前記電圧指令補正部は、前記発電機の各回転毎の制御安定限界の境界線を有し、この境界線から所定値以上の電圧を前記発電機の出力電圧指令値とすることを特徴とする電動車両の制御装置。
7. 請求項５記載の電動車両の制御装置において、
   前記電圧指令補正部は、前記発電機の各回転毎の制御安定限界の境界線と最大出力電圧線を有し、前記境界線と前記最大出力電圧線の中間値を前記発電機の出力電圧指令値とすることを特徴とする電動車両の制御装置。
8. 請求項５記載の電動車両の制御装置において、
   前記発電動作点変更手段は、さらに、前記内燃機関の回転数および前記電圧指令補正部によって補正された前記発電機の出力電圧指令とに基づいて、前記交流モータに流れるモータ電流の指令値を変更する電流指令調整部を備えることを特徴とする電動車両の制御装置。
9. 請求項８記載の電動車両の制御装置において、
   前記交流モータに流れるモータ電流の指令値は、前記交流モータ回転子の磁束方向のｄ軸電流指令値であることを特徴とする電動車両の制御装置。
10. 請求項８記載の電動車両の制御装置において、
    前記電流指令調整部は、前記内燃機関の回転数に応じて設定した前記発電機の出力電圧指令と、予め設定された基準となる電圧指令との差を演算し、前記電圧指令の差に相当する弱め界磁電流の分だけ、モータ電流指令値を変更することを特徴とする電動車両の制御装置。
11. 請求項１記載の電動車両の制御装置において、
    前記発電動作点変更手段は、前記交流モータの出力パワーが一定で、前記内燃機関の回転数が上がると、前記発電機の出力電圧が増加するように、前記発電機の動作点を変更することを特徴とする電動車両の制御装置。
12. 第１の車輪を内燃機関により、第２の車輪を交流モータによりそれぞれ駆動すると共に、前記内燃機関により駆動される発電機が出力する直流電力を、インバータにより交流電力に変換した後、前記交流モータに供給して、前記交流モータを駆動する電動車両に用いられる制御装置であって、
    前記発電機の界磁電流を制御して前記発電機の出力電力を制御すると共に、前記交流モータの出力トルクを制御する制御手段を有し、
    前記制御手段は、前記交流モータの出力パワーが一定で、前記内燃機関の回転数が上がると、前記発電機の出力電圧が増加するように、前記発電機の動作点を変更することを特徴とする電動車両の制御装置。
13. 第１の車輪を内燃機関により、第２の車輪を交流モータによりそれぞれ駆動する電動車両に用いられる駆動装置であって、
    前記内燃機関により駆動される発電機と、
    この発電機が出力する直流電力を、交流電力に変換するインバータと、
    このインバータにより変換された交流電力の供給を受けて駆動される前記交流モータと、
    前記発電機の界磁電流を制御して前記発電機の出力電力を制御すると共に、また、前記交流モータの出力トルクを制御する制御手段とを有する電動車両の駆動装置において、
    前記制御手段は、前記発電機の動作点が前記発電機の動作が不安定になる不安定領域に近づくと、安定領域になるように、前記発電機の動作点を変更することを特徴とする電動車両の駆動装置。
    
14. 第１の車輪を内燃機関により、第２の車輪を交流モータによりそれぞれ駆動する電動車両に用いられる駆動装置であって、
    前記内燃機関により駆動される発電機と、
    この発電機が出力する直流電力を、交流電力に変換するインバータと、
    このインバータにより変換された交流電力の供給を受けて駆動される前記交流モータと、
    前記発電機の界磁電流を制御して前記発電機の出力電力を制御すると共に、また、前記交流モータの出力トルクを制御する制御手段とを有する電動車両の駆動装置において、
    前記制御手段は、前記交流モータの出力パワーが一定で、前記内燃機関の回転数が上がると、前記発電機の出力電圧が増加するように、前記発電機の動作点を変更することを特徴とする電動車両の駆動装置。

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