JP2008042973A - モータ制御装置を備えた電動車両 - Google Patents

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Abstract

【課題】バッテリの充放電電力制限値に対して、制限値を超えることなく、電力制限を行い、制限指令値が変化した時にも応答よく制御する電動車両を提供する。
【解決手段】バッテリと、モータと、バッテリの電圧値を検出する電圧検出器と、バッテリの電流値を検出する電流検出器と、バッテリの直流電圧から交流電圧に変換してモータに電圧を印加する電力変換器と、モータの駆動を制御するモータ制御装置とを備えた電動車両であって、モータ制御装置は、電力制限指令に基づき、バッテリの入出力電力をバッテリ電圧とバッテリ電流の乗算から求め、ＰＩ制御器と、マップまたはテーブルとを用いて、バッテリの入出力電力の上下限を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、バッテリを利用しモータを駆動させるためのモータ制御装置を用いた電動車両に関する。特に、モータで車両を駆動し、エンジンをアシストし、または、エンジンを始動するシステム、さらには、バッテリを充電（発電）するシステムにて用いられ、トルク指令または界磁電流指令に従い電動機を制御するモータ制御装置を備えた電動車両に関する。
従来、バッテリを電源としたモータを動力源とする電気自動車や、エンジンと、バッテリを電源としたモータを動力源とするハイブリッド自動車などが知られている。このような動力源を持つ、電気自動車やハイブリッド自動車では、モータと電力を授受するバッテリの電力が過充放電電力状態となった場合、バッテリ過充放電電力を補償するように、モータのトルクを制限する方法が知られている（例えば、特開２００６−５０７４９号公報：特許文献１）。
特開２００６−５０７４９号公報
しかしながら、バッテリ電力が過充放電電力状態となった場合にトルクを制限する方法では、制限する際に、一度バッテリの過充放電電力状態となる問題があった。また、バッテリの充放電状態から決まる過充放電電力制限値が変化した場合などに対する応答も遅くなるといった問題があった。
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、バッテリの過充放電状態になるのを防止すると共に、バッテリの過充放電電力制限値の変化に対する応答性を上げることができる、バッテリ電力制限制御手段を備えた電動車両を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の電動車両のうち代表的な一つは、バッテリと、モータと、バッテリの電圧値を検出する電圧検出器と、バッテリの電流値を検出する電流検出器と、バッテリの直流電圧から交流電圧に変換してモータに電圧を印加する電力変換器と、モータの駆動を制御するモータ制御装置とを備え、モータ制御装置は、電力制限指令に基づき、バッテリの入出力電力をバッテリ電圧とバッテリ電流の乗算から求め、ＰＩ制御器と、マップまたはテーブルとを用いて、バッテリの入出力電力の上下限を制御する電力制限制御手段を備えたものである。
好ましくは、電動車両は、さらに、エンジンを制御するための車両制御装置を有し、車両制御装置は、電力制限指令演算部を有し、電力制限指令は、電力制限指令演算部からモータ制御装置へ出力されるものである。
また、本発明の電動車両のうち他の代表的な一つは、バッテリと、モータと、バッテリの電圧値を検出する電圧検出器と、バッテリの電流値を検出する電流検出器と、バッテリの直流電圧から交流電圧に変換してモータに電圧を印加する電力変換器と、モータの駆動を制御するモータ制御装置と、モータの電流値を検出するモータ電流検出器とを備え、モータ制御装置は、バッテリの入出力電力をモータの電流値及びモータに印加する電圧から演算し、ＰＩ制御器と、マップまたはテーブルとを用いて、バッテリの入出力電力の上下限を制御する電力制限制御手段を備えたものである。
また、本発明の電動車両のうち他の代表的な一つは、バッテリと、界磁コイルを備えたモータと、バッテリの電圧値を検出する電圧検出器と、バッテリの電流値を検出する電流検出器と、バッテリの直流電圧から交流電圧に変換してモータに電圧を印加する電力変換器と、界磁電流を印加する界磁電流制御手段を有するモータ制御装置とを備え、モータ制御装置は、バッテリ電圧の電圧指令演算部からの電圧指令値に基づいて電圧制御を行い、電力制限指令に基づいて入出力電力を該バッテリ電圧とバッテリ電流の乗算から求め、界磁電流制御によりバッテリの入出力電力の上下限を制御する電力制限制御手段を備え、モータ制御装置は、ＰＷＭ制御と界磁電流制御とを切り換えてモータを制御することによりバッテリの電圧を制御し、ＰＷＭ制御と界磁電流制御の切換時に、電力制限制御手段に電圧指令とバッテリ電圧の差分から求まる初期値を設定する手段を備えたものである。
本発明の電動車両によれば、バッテリの充放電制限値を超えることなく、充放電電力を制限できるとともに、電力制限量の変化に対しても応答よく制御することが可能になる。
以下、本発明のバッテリ電力制限手段を備えた電動車両の実施例について、図を参照しながら詳細に説明する。
図１は、実施例１のバッテリ電力制限手段を備えた電動車両の概要図である。この車両では、バッテリ１の直流電力はインバータ２によって交流電力に変換され、モータ３に印加される。モータ３はエンジン６と駆動軸または、ベルトなどで接続される。エンジン６や車両を制御する車両コントローラ５は、電力制限指令演算部を有する。車両コントローラ５は、バッテリ１の充放電電力状態を監視し、バッテリ１の状態によって、その状態での最大充電・放電電力を決定し、モータコントローラ４に最大放電電力指令Ｐｒを指令する。
ここで、バッテリ１の状態を監視するために、バッテリコントローラを有する場合もある。また、同時に車両コントローラ５は、トルク指令値Ｔｃをモータコントローラ４に指令する。モータコントローラ４は、受け取った最大充電または最大放電電力指令Ｐｒに基づき、インバータ２を制御することで、モータ３のトルクを制御する。
図２は、実施例１におけるモータコントローラ４の制御ブロック図を示したものである。モータコントローラ４は、電力制限手段を有する。モータコントローラ４は、車両コントローラ５から受け取った最大放電電力指令Ｐｒと、回転センサ等からなるモータ速度検出器２０で検出したモータ速度Ｎを元に、トルクマップ１１から出力された値にゲインＫを掛けて、マップ制限トルクＴｍを算出する。前記トルクマップ１１は、バッテリの入出力電力とモータ速度に対し、その電力でどの程度のトルクが出力可能かを予めマップとして測定した値を記憶しておく。このマップはインバータの入力電力に対して、モータの出力を決めているマップともいえる。その意味ではモータの動作点における効率マップを記憶しておき、計算式から求める手法でも差し支えない。
また、最大放電電力指令Ｐｒに対し、直流電圧センサ８にて検出したバッテリ電圧Ｖｂと、直流電流センサ７にて検出したバッテリ電流Ｉｂとを乗算して実際のバッテリ電力
Ｐａを演算する。この演算値を用いて、電力制限ＰＩ制御器１０にてＰＩ制御を行い、
ＰＩ制御での制限トルクＴｐを演算する。求められたマップ制限トルクＴｍと、ＰＩ制御での制限トルクＴｐを加算し、トルク制限値Ｔｌとする。トルク指令制限値Ｔｌと、車両コントローラ５から受け取るトルク指令値Ｔｃとを比較し、絶対値の小さい方を選択してトルク指令値Ｔｒとする。前記トルク指令値Ｔｒとモータ速度Ｎとを用いて、電流制御器１２にて電流制御を行う。電流制御の方法は様々な方法が知られているが、どのような手法であっても差し支えない。電流制御器１２は、Ｖｄｒ，ＶｑｒをＰＷＭ信号発生器１３に出力する。ＰＷＭ信号発生器１３は、Ｖｄｒ，Ｖｑｒに基づいて、インバータ２をPWM駆動を行う。
このような方法により、最大充放電電力指令値に対し、マップにて予めそのトルク最大値を決定することで、トルク応答を上げることができる。また、トルクマップ１１から求まるマップトルク制限値に掛けるゲインＫを１より小さくすることで、実際の電力が最大値を超えてから制限が始まるのではなく、制限電力値よりも低い値で制限がかかり、制限値を超えないで制限することが可能となる。また、マップからの制限トルクで電力が不足した場合には電力制限ＰＩ制御器１０の効果で制限値どおりの電力制御も可能となる。
次に２の実施例について図３を用いて説明する。この例では、実際の電力を求めるのに、交流電流と交流電圧から求める。交流の瞬時電力を各相の電圧と電流の積の和から求める。例えば、下記式のように求めることができる。
（数１）
Ｐ＝ｖｕ*×ｉｕ＾＋ｖｖ*×ｉｖ＾＋ｖｗ*×ｉｗ＾
ここで、ｖｕ* はｕ相の電圧指令値、ｉｕ＾はｕ相の検出電流値、ｖ，ｗ相についても同様である。数１により現在の瞬時電力が把握できる。また、ｕ，ｖ，ｗの実電圧が測定できるなら、電圧指令でなく実電圧でも差し支えない。
本実施例では、交流電流センサ９ｕ，９ｖにて検出した交流電流と、座標変換器１４から出力される交流電圧とを用いて、電力演算処理器１５において電力の演算を行う。
第１の実施例では直流側に電流センサと電圧センサを備えていたが、本実施例では、交流電流センサ９ｕ，９ｖを用いることで、電流センサを一つ減らすことができる。交流の電流センサは、電流制御を行う場合に、一般的に使われていることが多く、センサを増やすことなく、電力の演算を行うことができる。
次に第３の実施例について図４を用いて説明する。電圧指令Ｖｒと、バッテリ電圧Ｖｂは電圧制御を行う電圧ＰＩ制御器３３に入力される。ここでの出力はトルク指令Ｔｒとしている。トルク指令Ｔｒは実施例１，２と同様に電力制限を行い、制限後のトルク指令で電流制御を行い、ＰＷＭ信号発生器３２にてＰＷＭ信号をインバータに入力し、モータを駆動・発電制御する。
本実施例のモータ３は、界磁コイル２１を備えており、同時に界磁電流の制御も行うことにより、モータ３に発生する界磁電圧すなわち誘起電圧を制御する。ＰＷＭ信号発生器３２は、ＰＷＭ信号を界磁電流制御用スイッチ２２に出力し、このＰＷＭ信号に基づいて、界磁電流制御用スイッチ２２はＯＮ／ＯＦＦ制御される。界磁電流制御用スイッチ２２としては、通常ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子が用いられる。
このように、ＰＷＭ信号のデューティに基づいて界磁電流制御用スイッチ２２がＯＮ／ＯＦＦすることにより、界磁コイル２１に流れる界磁電流を制御することができる。なお、本実施例では、界磁電流指令に対してデューティをそのまま決定するオープンループ方式を用いているが、実際の界磁電流を検出してフィードバック制御する方式を用いることもできる。
モータ速度が高速になると、ＰＷＭ制御では電流制御演算周期と、制御を行うマイコンの処理能力の関係などから、ＰＷＭ制御での電流制御が厳しくなってくる。その場合、
ＰＷＭを停止し、界磁電流による制御が行われる。界磁電流制御では、一般的に、発電制御が行われる。界磁電流を流すことで、モータに起電圧が発生し、インバータを介してバッテリに発電する制御が行われる。
このような場合でも、バッテリの充放電電力を制限値内に制御することが、バッテリの寿命を延ばす上で求められる。実施例１，２の場合は、トルク指令を制限することで、電力の制限制御を行ったが、界磁電流制御の場合はトルク指令を用いないで制御を行うため、同じ処理は使えない。そこで、本実施例では界磁電流制御時の電力制限制御は電圧指令を減算することで、電力を制限するようにする。電力制限指令Ｐｒに対し、実際のバッテリ電力Ｐａを減算して電力制限ＰＩ制御器３０にて電圧指令減算量Ｖｄを演算する。その減算量を界磁電流制御の電圧ＩＦＰＩ制御器３１で、電圧指令Ｖｒから減算し、減算された電圧指令を基に電圧制御を行う。
ここで、電圧制御のロジックがＰＷＭ制御から界磁電流制御に切り換わる時、ＰＷＭ制御ではモータ電流を流して回生トルクを制御しているため、界磁電流の値は比較的小さくなっている。しかし、界磁電流制御での電圧制御では、界磁電流のみで制御を行うので，電流値はＰＷＭ制御時よりも高くなる。この場合、電力制限処理が効いた状態で制御が切り換わると、ＰＷＭ制御で制限された場合、電圧指令に対し、実電圧は下がっており、界磁電流制御に切り換わると、電圧指令と実電圧の差分が大きくなり、切換時に大きな界磁電流指令が流れ、バッテリ電圧が制御不安定になる。
そこで本実施例では、ＰＷＭ制御から界磁電流制御に切り換える時に、電圧指令と、実電圧の差分にあるゲインをかけた値Ｉｐを界磁電流制御の電圧ＰＩ制御器の積分器の初期値とする。このようにすることにより、制御切換時に界磁電流制御の電圧指令がある程度減算され、実電圧付近から電圧制御が始まるため、滑らかに制御が切り換えられる。
以上のとおり、上記実施例１乃至３によれば、バッテリの充放電制限値を超えることなく、充放電電力を制限できるとともに、電力制限量の変化に対しても応答よく制御できる電動車両を提供できる。
本実施例の充放電電力制限処理を行う車両の構成図である。 トルクマップと電力制限処理のＰＩ制御器を備えた本実施例の電力制限処理のブロック図である（実施例１）。 トルクマップと電力制限処理のＰＩ制御器を備え、交流電流から実電力を求める本実施例の電力制限処理のブロック図である（実施例２）。 界磁コイルを備えたモータＰＷＭ制御と界磁電流制御を切り換えて行う本実施例の電力制限処理の構成図である（実施例３）。
符号の説明
１…バッテリ、２…インバータ、３…モータ、４…モータコントローラ、５…車両コントローラ、６…エンジン、７…直流電流センサ、８…直流電圧センサ、９ｕ，９ｖ…交流電流センサ、１０，３０…電力制限ＰＩ制御器、１１…トルクマップ、１２…電流制御器、１３，３２…ＰＷＭ信号発生器、１４…座標変換器、１５…電力演算処理器、２０…モータ速度検出器、２１…界磁コイル、２２…界磁電流制御用スイッチ、３１…電圧IFPI制御器、３３…電圧ＰＩ制御器。

Claims (4)

  1. バッテリと、モータと、該バッテリの電圧値を検出する電圧検出器と、該バッテリの電流値を検出する電流検出器と、該バッテリの直流電圧から交流電圧に変換して該モータに電圧を印加する電力変換器と、該モータの駆動を制御するモータ制御装置とを備えた電動車両であって、
    前記モータ制御装置は、電力制限指令に基づき、前記バッテリの入出力電力を該バッテリ電圧と該バッテリ電流の乗算から求め、ＰＩ制御器と、マップまたはテーブルとを用いて、該バッテリの入出力電力の上下限を制御する電力制限制御手段を備えたことを特徴とする電動車両。
  2. 請求項１記載の電動車両において、
    前記電動車両は、さらに、エンジンを制御するための車両制御装置を有し、
    前記車両制御装置は、電力制限指令演算部を有し、
    前記電力制限指令は、前記電力制限指令演算部から前記モータ制御装置へ出力されることを特徴とする電動車両。
  3. バッテリと、モータと、該バッテリの電圧値を検出する電圧検出器と、該バッテリの電流値を検出する電流検出器と、該バッテリの直流電圧から交流電圧に変換して該モータに電圧を印加する電力変換器と、該モータの駆動を制御するモータ制御装置と、該モータの電流値を検出するモータ電流検出器とを備えた電動車両であって、
    前記モータ制御装置は、前記バッテリの入出力電力を前記モータの電流値及び該モータに印加する電圧から演算し、ＰＩ制御器と、マップまたはテーブルとを用いて、該バッテリの入出力電力の上下限を制御する電力制限制御手段を備えたことを特徴とする電動車両。
  4. バッテリと、界磁コイルを備えたモータと、該バッテリの電圧値を検出する電圧検出器と、該バッテリの電流値を検出する電流検出器と、該バッテリの直流電圧から交流電圧に変換して該モータに電圧を印加する電力変換器と、界磁電流を印加する界磁電流制御手段を有するモータ制御装置とを備えた電動車両であって、
    前記モータ制御装置は、バッテリ電圧の電圧指令演算部からの電圧指令値に基づいて電圧制御を行い、電力制限指令に基づいて入出力電力を該バッテリ電圧とバッテリ電流の乗算から求め、界磁電流制御により該バッテリの入出力電力の上下限を制御する電力制限制御手段を備え、
    前記モータ制御装置は、ＰＷＭ制御と界磁電流制御とを切り換えて前記モータを制御することにより該バッテリの電圧を制御し、ＰＷＭ制御と界磁電流制御の切換時に、前記電力制限制御手段に電圧指令とバッテリ電圧の差分から求まる初期値を設定する手段を備えたことを特徴とする電動車両。
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