JP2008206388A - 電気駆動システム技術を制御するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ電圧および電力範囲内で駆動システムの動作を調整するための方法、装置およびシステムを提供すること。
【解決手段】本装置は、ＤＣ電圧源の限界および／または電力限界に基づいて駆動システムのトルク出力を調整する信号を発生するＰＩレギュレータと、新しいトルク限界を生成するためにＰＩレギュレータからの信号を規準化するコンバータと、駆動システムの新しいトルク限界または使用可能なトルク限界のどちらかを選択するスイッチとを含む。ＰＩレギュレータは、駆動システムのトルク出力および銅損項に基づく初期値を有する積分器を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に車両制御システム、より詳しくは電気駆動システムを制御するためのシステムおよび方法に関する。

電気車両（ＥＶ）／燃料電池電気車両（ＦＣＥＶ）／ハイブリッド電気車両（ＨＥＶ）推進用途では、１つの関心事は、事前設定された範囲内の動作電圧および電力に車両バッテリを維持することにある。バッテリが事前設定された範囲を超えて動作する場合、バッテリの寿命を縮めるか、そうでければバッテリの性能に否定的影響を招くおそれがある。いくつかの異なる車両システムおよび機能が、バッテリから電流と電力を引き出す。例えば、モータリングの間、推進システムは一般的にバッテリから電流と電力を引き出す。推進システムが余り多くの電流を引き出すと、バッテリ電圧が、バッテリの最小動作電圧未満に下がることがある。

事前設定された動作範囲内にバッテリを維持する一つの方法は、推進システムのトルクを制限することである。例えば、モータリングの間、バッテリ電圧を最小動作電圧より上に保つように、モータトルクが制限されることがある。他の例では、バッテリの回生動作の間、回生トルクが制限されて、バッテリ電圧を最大値未満に保つことができる。バッテリのモデル化に基づいて、トルクを制限するためにオープンループトルク限界表が用いられる。バッテリモデルは、温度、充電状態、バッテリの寿命などに関して著しく変化することがあるので、これらのトルク限界表は、一般的に最適な動作を低下させる可能性のある大きな変動を十分に考慮する許容範囲を含む。

したがって、電気推進駆動システムをもっと最適に制御するシステムを提供することが望ましい。さらに、電気推進駆動システムをもっと最適に制御する方法を提供することが望ましい。本発明のさらなる他の望ましい特徴および特性が、添付の図面および前述の技術分野および背景と併せてなされる次の詳細な説明と添付の特許請求範囲から明らかになるであろう。

方法、装置およびシステムでは、駆動システムによって生成されるトルク出力を調整することにより車両の駆動システムを制御するステップが提供される。駆動システムは第２のトルク限界を有し、電圧限界および電力限界を有する直流（ＤＣ）電圧源によって少なくとも部分的に駆動される。例示の実施形態では、制御装置は、少なくとも１つの電圧限界および電力限界に基づいてトルク出力を調整するための信号を発生するよう構成された比例積分（ＰＩ）レギュレータと、出力およびＰＩレギュレータに結合した入力を有するコンバータと、ＰＩ電流レギュレータに結合し、第１および第２トルク限界の中からトルク限界を選択するよう構成されたスイッチとを含んで提供される。ＰＩレギュレータは、トルク出力および損失項に基づく初期値を有する積分器を備える。コンバータは、第２トルク限界を生成するためにＰＩレギュレータからの信号を規準化するよう構成される。

他の例示の実施形態では、駆動システムのトルク出力を調整する方法が提供される。駆動システムはリンク電圧を有し、電圧範囲、電源電力、および電力範囲を有するＤＣ電圧源によって少なくとも部分的に駆動される。その方法は、トルク指令に応答してトルク出力を発生するステップと、リンク電圧が電圧範囲を超えているかどうかを決定し、リンク電圧が電圧範囲を超える場合、第１トルク限界を選択するステップと、電源電力が電力範囲を超えるかどうかを決定し、電源電力が電力範囲を超える場合、第２トルク限界を選択するステップとを含む。第１トルク限界はトルク出力および第１損失項に基づき、第２トルク限界はトルク出力および第２損失項に基づく。

駆動システムによって生成されたトルク出力を調整するための制御システムが提供される。駆動システムはリンク電圧を有し、電圧範囲、電源電力、および電力範囲を有するＤＣ電圧源によって少なくとも部分的に駆動される。制御システムはトルク指令を発生するよう構成された第１制御器と、第１制御器に結合された第２制御器とを含む。トルク出力および第１損失項に基づいて電圧範囲内にリンク電圧を維持するためにトルク指令を調整し、トルク出力および第２損失項に基づいて電力範囲内に電源電力を維持するためにトルク指令を調整するリンク電圧および電源電力をモニタするよう第２制御器は構成される。

以降に、同様の参照番号が同様の要素を表す以下に描かれた図と共に、本発明が説明されるであろう。
以下の詳細な説明は、実際、単に例示であり、本発明または本発明の応用および使用を制限するものではない。さらに、先行の技術分野、背景技術、概要または以下の詳細な説明において提示された、記述され、また明示されてない理論によって拘束されるべきであるという意図は少しもない。

本発明は、閉ループを介して電気駆動システムのトルク出力（例えば、推進駆動システム）を調整する制御システム、制御器および方法を提供する。ＤＣ電圧源の寿命維持および性能を規定できるように、トルク出力が、事前設定された動作電圧および電力範囲内でＤＣ電圧源（例えばバッテリ）の電圧および／または電力を維持するように調整される。電圧および電力範囲は、いろいろな他の駆動システムの考慮にしたがって規定されてもよい。

一例示の実施形態では、電気駆動システムは、必ずしも限定されないが、ＤＣ電圧源によって全体的または部分的に駆動されるモータ（例えば、永久磁界モータ）を含む。モータは、駆動モードつまりモータ駆動モードおよび回生動作モードで動作するが、モータは他のモードで動作することもできる。ＤＣ電圧源の電圧範囲は、モータ駆動動作の最小電圧とモータ回生動作の最大電圧の間に規定できる。電力範囲は、モータ駆動動作の最大電力とモータ回生動作の最小電力の間に規定できる。

電気駆動システムのトルク出力を調整するために制御器はＤＣリンク電圧をモニタし、駆動動作の間に最大トルク限界を調整し、また回生動作の間にＤＣ電圧源の電圧を電圧範囲内に維持するために最小トルク限界を調整する。制御器はＤＣ電圧源の電力もモニタし、駆動動作の間に最大トルク限界を調整し、また回生動作の間にＤＣ電圧源の電力を電力範囲内に維持するために最小トルク限界を調整する。実質的に制御器（例えば、トルクジャークを防ぐために）をシームレスに起動／停止するために、制御器は事前設定された値に初期化される積分器を含む。さらに、調整されたトルク限界は、電圧低下および銅損が著しい場合、電圧低下およびステータの銅損で説明できる。閉ループ制御を用いると電気駆動システムの動作が最適化できる。

図１を参照すると、本発明の一例示の実施形態による電気駆動システムが図示されている。電気駆動システム１０は、トルク指令（Ｔｅ^＊）を発生する高レベル制御器１２（例えば、速度制御器、電圧制御器、トルク基準発生器など）と、動作モードを選択し、選択された動作モードに基づいて高レベル制御器１２からのトルク指令を受け取るスイッチ１６と、スイッチ１６の出力に結合された入力を有する電圧／電力リミッタ２０と、電圧／電力リミッタ２０の出力に結合された入力を有する弱め界磁制御２２と、弱め界磁制御２２の出力に結合された入力を有する電流レギュレータ２４と、電流レギュレータ２４の出力に結合された入力を有するパルス幅変調（ＰＷＭ）変調器２６と、ＲＷＭ変調器２６の出力に結合された入力を有するインバータ２８と、インバータ２８の出力に結合されたモータ（例えばＰＭＭ）３０とを含む。モータ３０は、ＤＣ電圧源（図示されてない）によって少なくとも部分的に駆動される。電圧制御器構成において、高レベル制御器１２は、ＤＣリンク電圧レギュレータ１４を含んでよい。

制御器１８および電圧／電力リミッタ２０は、それぞれ一ユニットとして説明されるが、制御器１８が複数の制御ユニットを含んでもよいし、電圧／電力リミッタ２０が対応する制御ユニットにそれぞれ結合された複数のリミッタユニットを含んでもよい。例えば、制御器１８は下限電圧制御器と、上限電圧制御器と、最大放電電力制御器と、最大充電電力制御器とを含んでよく、電圧／電力リミッタ２０は、それぞれ対応する制御器に結合された最小電圧リミッタと、最大電圧リミッタと、最大放電電力リミッタと、最大充電電力リミッタを含んでよい。さらに、電気駆動システム１０は、いろいろ異なる構成を有してよい。例えば、弱め界磁制御２２は、省くことも、またはモータ３０の動作の間に発生することがある起電力（ＥＭＦ）を元にもどす異なる制御方法に置き換えることもできる。制御システム１０の１つまたは複数の構成要素が、ソフトウェアまたはファームウェア中に、１つまたは複数のソフトウェアもしくはファームウェア・プログラム、組合せ論理回路および／または他の適切な構成要素、もしくはこれらの組合せを実行する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、電子回路、プロセッサ（共有、専用、またはグループの）およびメモリなどのハードウェア中に組み入れられてもよい。

例示の一実施形態では、制御器１８および電圧／電力リミッタ２０は、必要ならば、高レベル制御器１２によって発生されるトルク指令を制限するよう一緒に動作する。制御器１８はＤＣ電圧源に付随したＤＣリンク電圧（例えばＤＣバス電圧）をモニタし、ＤＣ電圧源の事前設定された動作電圧範囲内にＤＣリンク電圧を維持するようにトルク限界を調節する。制御器１８はＤＣ電圧源に付随した電力もモニタし、ＤＣ電圧源の事前設定された動作電力範囲内にＤＣ電圧源の電力を維持するようにトルク限界を調節する。調節されたトルク限界は電圧／電力リミッタ２０に供給される。

駆動システム１０の動作（例えば、駆動動作または回生動作）およびモニタされたＤＣリンク電圧および／またはＤＣ電圧源の電力に基づいて、制御器１８によって供給され調節されたトルク限界と、モータ３０の使用できるトルク（例えば使用できるモータリングトルクおよび使用できる回生トルク）から、トルク限界が電圧／電力リミッタ２０に対して選択される。選択されたトルク限界を用いて、電圧／電力リミッタ２０は高レベル制御器１２によって発生されたトルク指令から制限されたトルク指令を発生する。

弱め界磁制御２２は、制限されたトルク指令から同期基準系電流指令（例えば、ｉ^ｒ＊ｄｓ、ｉ^ｒ＊ｑｓ）を発生する。電流レギュレータ２４は、同期基準系電流指令から電圧出力を発生し、ＰＷＭ変調器２６は、これらの電圧出力からデューティサイクル指令（例えば、３相のそれぞれに対し）を発生する。インバータ２８は、デューティサイクル指令を受け取り、デューティサイクル指令を用いて供給電位（例えば、バッテリ電位またはＤＣバス電圧（Ｖｄｃ））から３相電圧（例えばＶａ、Ｖｂ、Ｖｃ）を発生させ、３相電圧でモータ３０を駆動する。

図２は、本発明の一例示の実施形態による最小電圧制御器４０のブロック図である。ＤＣリンク電圧が最小電圧（Ｖ_{ＦＬＯＯＲ}）未満に低下するのを防ぐために、モータリングトルク指令（Ｔｅ^＊）は、制御器４０によって最大トルク（Ｔ_ｍａｘ）までに制限される。制御器４０は、比例積分（ＰＩ）レギュレータ４２と、ＰＩレギュレータ４２の出力に結合された入力を有し、また出力を有するコンバータ４４と、コンバータ４４の出力または使用可能なモータリングトルク（Ｔ_{ＭｏｔｏｒＡｖａｉｌａｂｌｅ}）からトルク限界を選択するスイッチ４６と、スイッチ４６の出力に結合された入力を有するリミッタ４８とを含む。リミッタ４８は、トルク指令（Ｔｅ^＊）（例えば高レベル制御器１２から）を受け取り、最大トルク（Ｔ_ｍａｘ）を用いて制限されたトルク指令（Ｔｅ^＊ _{Ｌｉｍｉｔｅｄ}）を発生する。プラント（例えば、インバータ２８、モータ３０およびＤＣ電圧源）５０は、リミッタ４８の出力に結合され、制限されたトルク指令を受け取り、制限されたトルク指令に応答してＤＣリンク電圧（Ｖ_ＤＣ）を発生する。

この例示の実施形態では、ＰＩレギュレータ４２は、ＤＣリンク電圧（Ｖ_ＤＣ）と最小電圧（Ｖ_{ＦＬＯＯＲ}）の間の差（例えば、加算器５２を介して）に基づいて誤差を受け取り、したがって制御器４０は閉ループである。ＰＩレギュレータ４２は、第１処理モジュール５４と、第２処理モジュール５６と、第２処理モジュール５６の出力に結合された積分器５８とを含む。第１処理モジュール５４は、誤差に対して比例利得（Ｋ_Ｐ）を適用して比例項を生じる。第２処理モジュール５６および積分器５８は、誤差に対し積分利得（Ｋ_Ｉ）および積分関数をそれぞれ適用して積分項を生じる。

比例利得（Ｋ_Ｐ）および積分利得（Ｋ_Ｉ）は、ＤＣリンク電圧に基づいて導き出すことも、選択することもできる。 図１および２を参照すると、閉ループ制御器４０はリンク電圧レギュレータ１４に基づいているので、比例利得（Ｋ_Ｐ）および積分利得（Ｋ_Ｉ）は、ＤＣリンク電圧レギュレータ１４から導くことができる。解析を容易にするために、電流レギュレータ２４の動特性は実質的にＤＣリンク電圧レギュレータ１４のそれより速いので、実際の出力トルクは、基準トルクと同じであると仮定する。さらに、インバータ２８およびモータ３０での損失は無視できると仮定し、したがって全ての電力が機械的パワーを発生させるのに消費される。解析を簡単にするために、直列ＲＣモデルとしてモデル化されるＤＣ電圧源を用いると、
Ｋ_Ｉ＝ω_ｂｗ／Ｒ_ｅおよび
Ｋ_Ｉ／Ｋ_Ｐ＞＞ω_ｂｗである。
ここで、Ｒ_ｅはＤＣ電圧源の等価抵抗を表し、ω_ｂｗは電圧調整の帯域幅を表す。

ＤＣリンク電圧が最小電圧（Ｖ_{ＦＬＯＯＲ}）未満に低下すると、積分器５８が、トルク出力（例えば、プラント５０によって生成される）および任意にステータに付随した損失項から導かれる初期値に初期化（例えばフラグを介して）される。トルク出力は、ω_ｒｍ／Ｖ_ＤＣを掛け、損失項（Ｐ_Ｒ／Ｖ_ＤＣ）を加えることによってＤＣ電流に変換される。ここでＰ_Ｒはモータ３０のステータ銅損を表し、ω_ｒｍはモータ３０のステータのロータ速度を表す。比例および積分項は加算器６０を介して加算されＤＣ電流を生成する。一例示の実施形態において、加算器６０は、比例および積分項の和から損失項（Ｐ_Ｒ／Ｖ_ＤＣ）も除去する。コンバータ４４は、加算器６０からのＤＣ電流にＶ_ＤＣ／ω_ｒｍを掛けることによってＤＣ電流をトルクに変換する。

ＤＣリンク電圧が最小電圧（Ｖ_{ＦＬＯＯＲ}）未満に低下する場合、スイッチ４６はコンバータ４４の出力につながれ、コンバータ４４によって生成されるトルクが、リミッタ４８の最大トルク（Ｔ_ｍａｘ）として選択される。ＤＣリンク電圧が最小電圧（Ｖ_{ＦＬＯＯＲ}）より大きく、トルク指令が最大トルク（Ｔ_ｍａｘ）より小さい場合、使用可能なモータリングトルク（Ｔ_{ＭｏｔｏｒＡｖａｉｌａｂｌｅ}）が、リミッタ４８のトルク限界として選択される。

図３は、図２に示した制御器４０の動作を説明するのに有用な論理ラッチ６６のブロック図である。ラッチ６６は、フラグ信号を積分器５８およびスイッチ４６に提供するセット／リセット論理ラッチである。ＤＣリンク電圧が最小電圧（Ｖ_{ＦＬＯＯＲ}）未満に低下する場合、ラッチ６６はフラグを論理「１」にセットする。フラグが論理「１」である場合、スイッチ４６はコンバータ４４の出力につながれ、コンバータ４４によって生成されるトルクが、リミッタ４８のトルク限界として選択される。ＤＣリンク電圧が最小電圧（Ｖ_{ＦＬＯＯＲ}）より大きく、トルク指令が最大トルク（Ｔ_ｍａｘ）より小さい場合、フラグは論理「０」にリセットされる。フラグが論理「０」である場合、使用可能なモータリングトルク（Ｔ_{ＭｏｔｏｒＡｖａｉｌａｂｌｅ}）がリミッタ４８のトルク限界として選択される。

図４は、本発明の一例示の実施形態による最大電圧制御器７０のブロック図である。ＤＣリンク電圧が最大電圧（Ｖ_ＬＩＤ）より上昇するのを防ぐために、回生トルク指令（Ｔｅ^＊）は、制御器７０によって最小トルク（Ｔ_ｍｉｎ）に制限される。制御器７０は、最小電圧リミッタ４８（図２に示した）を最大電圧リミッタ７２と置き換えたほかは制御器４０（図２に示した）と同様の構成要素を含む。この例示の実施形態において、スイッチ４６はコンバータ４４の出力または使用可能な回生トルク（Ｔ_{ＲｅｇｅｎＡｖａｉｌａｂｌｅ}）からトルク限界を選択するように構成される。リミッタ７２は、トルク指令（Ｔｅ^＊）（例えば高レベル制御器１２から）を受け取り、最小トルク（Ｔ_ｍｉｎ）を用いて制限されたトルク指令（Ｔｅ^＊ _{Ｌｉｍｉｔｅｄ}）を発生する。

この例示の実施形態では、ＰＩレギュレータ４２は、ＤＣリンク電圧（Ｖ_ＤＣ）と最大電圧（Ｖ_ＬＩＤ）の間の差（例えば、加算器５２を介して）に基づいて誤差を受け取り、したがって制御器７０は閉ループである。ＤＣリンク電圧が最大電圧（Ｖ_ＬＩＤ）より上昇すると、積分器５８が、トルク出力（例えば、プラント５０によって生成される）および任意にステータの銅損項（Ｐ_Ｒ／Ｖ_ＤＣ）から導かれる初期値に初期化（例えばフラグを介して）される。さらに、スイッチ４６はコンバータ４４の出力につながれ、コンバータ４４によって生成されるトルクがリミッタ７２の最小トルク限界として選択される。ＤＣリンク電圧が最大電圧（Ｖ_ＬＩＤ）未満であり、トルク指令が最小トルク（Ｔ_ｍｉｎ）より大きい場合、使用可能な回生トルク（Ｔ_{ＲｅｇｅｎＡｖａｉｌａｂｌｅ}）がリミッタ７２のトルク限界として選択される。

図５は、図４に示した制御器７０の動作を説明するのに有用な論理ラッチ７６のブロック図である。ラッチ７６は、ラッチ６６（図３に示した）と類似である。ＤＣリンク電圧が最大電圧（Ｖ_ＬＩＤ）より上昇する場合、ラッチ７６はフラグを論理「１」にセットする。フラグが論理「１」である場合、スイッチ４６はコンバータ４４の出力につながれ、コンバータ４４によって生成されるトルクが、リミッタ７２のトルク限界として選択される。ＤＣリンク電圧が最大電圧（Ｖ_ＬＩＤ）未満であり、トルク指令が最小トルク（Ｔ_ｍｉｎ）より大きい場合、フラグは論理「０」にリセットされる。フラグが論理「０」である場合、使用可能な回生トルク（Ｔ_{ＲｅｇｅｎＡｖａｉｌａｂｌｅ}）がリミッタ７２のトルク限界として選択される。

図６は、本発明の一例示の実施形態による最大放電電力制御器８０のブロック図である。ＤＣ電圧源の電力が最大放電電力（Ｐ_{ＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｘ}）より上昇するのを防ぐために、モータリングトルク指令（Ｔｅ^＊）は、制御器８０によって最大トルク（Ｔ_ｍａｘ）に制限される。場合によって、ＤＣ電圧源の電流が使用できないことがある。ＤＣ電圧源の電力は、インバータ損失が無視できると仮定すると、モータ３０（図１に示した）に供給される電力から推定できる。電力を確定する、ＤＣ電圧源の電流と電圧の測定のために、電流センサ（例えば、バッテリ電流センサ）が取り付けられてよい。

制御器８０は、最小電圧リミッタ４８（図２に示した）を最大電力リミッタ８２と置き換え、コンバータ４４（図２に示した）を除算器８４と置き換えたほかは制御器４０（図２に示した）と同様の構成要素を含む。この例示の実施形態において、スイッチ４６は、コンバータ４４の出力または使用可能なモータリングトルク（Ｔ_{ＭｏｔｏｒＡｖａｉｌａｂｌｅ}）からトルク限界を選択するように構成される。リミッタ８２は、トルク指令（Ｔｅ^＊）（例えば高レベル制御器１２から）を受け取り、最大トルク（Ｔ_ｍａｘ）を用いて制限されたトルク指令（Ｔｅ^＊ _{Ｌｉｍｉｔｅｄ}）を発生する。

この例示の実施形態において、ＰＩレギュレータ４２は、ＤＣ電圧源の電力（Ｐ_{Ｂａｔｔｅｒｙ}）と最大放電電力（Ｐ_{ＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｘ}）の間の差（例えば、加算器５２を介して）に基づいて誤差を受け取り、したがって制御器８０は閉ループである。図１および６を参照すると、ＤＣ電圧源の電力はモータ３０の機械的パワーとステータの銅損の和であると仮定される。比例利得（Ｋ_Ｐ）および積分利得（Ｋ_Ｉ）は、以下の式から導き出すことも、または選択することもできる。すなわち、
Ｋ_Ｉ＝ω_ｂｗ
Ｋ_Ｐ＜＜Ｋ_Ｉ／ω_ｂｗ、
ここで、ω_ｂｗは電力調整の帯域幅である。

ＤＣ電圧源の電力が最大放電電力（Ｐ_{ＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｘ}）より上昇すると、積分器５８が、トルク出力（例えば、プラント５０によって生成される）およびステータの銅損項（Ｐ_Ｒ）から導かれる初期値に初期化（例えばフラグを介して）される。この例示の実施形態では、ステータの銅損項（Ｐ_Ｒ）は、１．５Ｒ_Ｓ（Ｉ^ｒ＊２ _ｄｓ＋Ｉ^ｒ＊２ _ｑｓ）となることが確認される。ここで、Ｒ_Ｓはステータの抵抗を表す。トルク出力は、ω_ｒｍを掛け、損失項（Ｐ_Ｒ）を加えることによって電力に変換される。比例および積分項は加算器６０を介して加算され、損失項（Ｐ_Ｒ）は比例および積分項の和から除去される。加算器６０の出力をω_ｒｍで割ることによって、除算器８４は加算器６０の出力をトルクに変換する。

ＤＣ電圧源の電力が最大放電電力（Ｐ_{ＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｘ}）より上昇すると、スイッチ４６は、除算器８４の出力につながれ、除算器８４によって生成されるトルクがリミッタ８２の最大トルク（Ｔ_ｍａｘ）として選択される。ＤＣ電圧源の電力が最大放電電力（Ｐ_{ＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｘ}）未満であり、トルク指令が最大トルク（Ｔ_ｍａｘ）未満である場合、使用可能なモータリングトルク（Ｔ_{ＭｏｔｏｒＡｖａｉｌａｂｌｅ}）がリミッタ８２のトルク限界として選択される。

図７は、図６に示した制御器８０の動作を説明するのに有用な論理ラッチ８６のブロック図である。ラッチ８６は、ラッチ６６（図３に示した）と類似である。ＤＣ電圧源の電力が最大放電電力（Ｐ_{ＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｘ}）より上昇すると、ラッチ８６はフラグを論理「１」にセットする。フラグが論理「１」である場合、スイッチ４６は除算器８４の出力につながれ、除算器８４によって生成されるトルクが、リミッタ８２のトルク限界として選択される。ＤＣ電圧源の電力が最大放電電力（Ｐ_{ＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｘ}）未満であり、トルク指令が最大トルク（Ｔ_ｍａｘ）未満である場合、フラグは論理「０」にリセットされる。フラグが論理「０」である場合、使用可能なモータリングトルク（Ｔ_{ＭｏｔｏｒＡｖａｉｌａｂｌｅ}）がリミッタ８２のトルク限界として選択される。

図８は、本発明の一例示の実施形態による最大充電電力制御器９０のブロック図である。ＤＣ電圧源の電力が最大充電電力（Ｐ_{ＣｈａｒｇｅＭａｘ}）未満に低下するのを防ぐために、回生トルク指令（Ｔｅ^＊）は、制御器９０によって最小トルク（Ｔ_ｍｉｎ）に制限される。制御器９０は、最大電力リミッタ８２（図６に示した）を最小電力リミッタ９２と置き換えたほかは制御器８０（図６に示した）と同様の構成要素を含む。この例示の実施形態において、スイッチ４６はコンバータ４４の出力または使用可能な回生トルク（Ｔ_{ＲｅｇｅｎＡｖａｉｌａｂｌｅ}）からトルク限界を選択するように構成される。リミッタ９２は、トルク指令（Ｔｅ^＊）（例えば高レベル制御器１２から）を受け取り、最小トルク（Ｔ_ｍｉｎ）を用いて制限されたトルク指令（Ｔｅ^＊ _{Ｌｉｍｉｔｅｄ}）を発生する。

この例示の実施形態では、ＰＩレギュレータ４２は、ＤＣ電圧源の電力（Ｐ_{Ｂａｔｔｅｒｙ}）と最大充電電力（Ｐ_{ＣｈａｒｇｅＭａｘ}）の間の差（例えば、加算器５２を介して）に基づいて誤差を受け取り、したがって制御器９０は閉ループである。 ＤＣ電圧源の電力が最大充電電力（Ｐ_{ＣｈａｒｇｅＭａｘ}）未満に低下すると、積分器５８が、トルク出力（例えば、プラント５０によって生成される）およびステータの銅損項（Ｐ_Ｒ）から導かれる初期値に初期化（例えばフラグを介して）される。 ＤＣ電圧源の電力が最大充電電力（Ｐ_{ＣｈａｒｇｅＭａｘ}）未満に低下すると、スイッチ４６は、除算器８４の出力につながれ、除算器８４によって生成されるトルクがリミッタ９２の最小トルク（Ｔ_ｍｉｎ）として選択される。ＤＣ電圧源の電力が最大充電電力（Ｐ_{ＣｈａｒｇｅＭａｘ}）より大きく、トルク指令が最小トルク（Ｔ_ｍｉｎ）より大きい場合、使用可能な回生トルク（Ｔ_{ＲｅｇｅｎＡｖａｉｌａｂｌｅ}）がリミッタ９２のトルク限界として選択される。

図９は、図８に示した制御器９０の動作を説明するのに有用な論理ラッチ９６のブロック図である。ラッチ９６は、ラッチ８６（図３に示した）と類似である。ＤＣ電圧源の電力が最大充電電力（Ｐ_{ＣｈａｒｇｅＭａｘ}）未満に低下すると、ラッチ８６はフラグを論理「１」にセットする。フラグが論理「１」である場合、スイッチ４６は除算器８４の出力につながれ、除算器８４によって生成されるトルクが、リミッタ９２のトルク限界として選択される。ＤＣ電圧源の電力が最大充電電力（Ｐ_{ＣｈａｒｇｅＭａｘ}）より大きく、トルク指令が最小トルク（Ｔ_ｍｉｎ）より大きい場合、フラグは論理「０」にリセットされる。フラグが論理「０」である場合、使用可能な回生トルク（Ｔ_{ＲｅｇｅｎＡｖａｉｌａｂｌｅ}）がリミッタ９２のトルク限界として選択される。

図１０は本発明の一例示の実施形態による駆動システムのトルク出力を調整するための方法１００の流れ図である。駆動システムはリンク電圧（例えば、ＤＣリンク電圧）を有し、電圧範囲、電源電力および電力範囲を有するＤＣ電圧源（例えばバッテリ）によって少なくとも部分的に駆動される。トルク出力は、ステップ１０５に示したようにトルク指令に応答して発生させる。ステップ１１０に示したように、電圧範囲を超えるリンク電圧に関して判定が為される。ステップ１１５に示したように、リンク電圧が電圧範囲を超える場合、第１トルク限界が選択される。第１トルク限界は、トルク出力および第１損失項（例えばＰ_Ｒ／Ｖ_ＤＣ）に基づく。

一例示の実施形態では、リンク電圧が最小電圧（例えばＶ_{ＦＬＯＯＲ}）より低いかどうかの判定が為される。さらなる判定が、リンク電圧と最小電圧の間の誤差（例えば、差）に対して為される。比例利得が誤差に適用され比例項を生じ、積分利得と積分関数が誤差に適用され積分項を生じる。積分関数は、駆動システムのトルク出力および第１損失項に基づく初期値を有する。比例項は、積分項と合計され第１電流を生じ、第１損失項がこの第１電流から除かれ第２電流を生じ、さらに第２電流はトルクに変換され、第１トルク限界（例えばＴ_ｍａｘ）を生成する。

他の例示の実施形態では、最大電圧（例えばＶ_ＬＩＤ）より大きいリンク電圧に関して判定が為される。さらなる判定が、リンク電圧と最大電圧の間の誤差に関して為されてよい。比例利得が誤差に適用され比例項を生じ、積分利得と積分関数が誤差に適用され積分項を生じる。積分関数は、駆動システムのトルク出力および第１損失項に基づく初期値を有する。比例項は、積分項と合計され第１電流を生じ、第１損失項がこの第１電流から除かれ第２電流を生じ、さらに第２電流はトルクに変換され、第１トルク限界を生成する（例えばＴ_ｍｉｎ）。

ステップ１２０に示したように、電源電力が電力範囲を超えるかどうかの判定が為される。ステップ１２５に示したように、電源電力が電力範囲を超える場合、第２トルク限界が選択される。第２トルク限界は、トルク出力および第２損失項（例えば、Ｐ_Ｒ＝１．５Ｒ_Ｓ（Ｉ^ｒ＊２ _ｄｓ＋Ｉ^ｒ＊２ _ｑｓ））に基づく。一例示の実施形態では、電源電力が最大放電電力（例えば、Ｐ_{ＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｘ}）より大きいかどうかに関し判定が為される。電源電力と最大放電電力の間の誤差に対し、さらなる判定が為される。比例利得が誤差に適用され比例項を生じ、積分利得と積分関数が誤差に適用され積分項を生じる。積分関数は、駆動システムのトルク出力および第２損失項に基づく初期値を有する。比例項は、積分項と合計され第１電流を生じ、第２損失項がこの第１電流から除かれ第２電流を生じ、さらに第２電流はトルクに変換され、第２トルク限界（例えばＴ_ｍａｘ）を生成する。

他の例示の実施形態では、電源電力が最大充電電力（例えば、Ｐ_{ＣｈａｒｇｅＭａｘ}）未満かどうかに関し判定が為される。さらなる判定が、電源電力と最大充電電力の間の誤差に対して為されてよい。比例利得が誤差に適用され比例項を生じ、積分利得と積分関数が誤差に適用され積分項を生じる。積分関数は、駆動システムのトルク出力および第２損失項に基づく初期値を有する。比例項は、積分項と合計され第１電流を生じ、第２損失項がこの第１電流から除かれ第２電流を生じ、さらに第２電流はトルクに変換され、第２トルク限界（例えばＴ_ｍｉｎ）を生成する。

この駆動システムは、駆動モードの間ずっと、対応する使用可能なモータリングトルクを伴う駆動モードまたはモータリングモードを有する。さらに駆動システムは、回生モードの間に、対応する使用可能な回生トルクを伴う回生モードを有する。リンク電圧が最小電圧（例えば、Ｖ_{ＦＬＯＯＤ}）より大きく、トルク指令が第１トルク限界（例えば、Ｔ_ｍａｘ）未満である場合、駆動システムの使用可能なモータリングトルク（例えば、Ｔ_{ＭｏｔｏｒＡｖａｉｌａｂｌｅ}）は第１トルク限界（例えば、Ｔ_ｍａｘ）が選択され、したがって駆動システムは駆動モードで動作する。リンク電圧が最大電圧（例えば、Ｖ_ＬＩＤ）未満であり、トルク指令が第１トルク限界（例えば、Ｔ_ｍｉｎ）内である場合、駆動システムの使用可能な回生トルク（例えば、Ｔ_{ＲｅｇｅｎＡｖａｉｌａｂｌｅ}）は第１トルク限界が選択され、したがって駆動システムは回生モードで動作する。電源電力が最大電力（例えば、Ｐ_{ＤｉｓｃｈａｒｇｅＭａｘ}）未満であり、トルク指令が第２トルク限界未満である場合、駆動システムの使用可能なモータリングトルクは第２トルク限界（例えば、Ｔ_ｍａｘ）が選択され、したがって駆動システムは駆動モードで動作する。電源電力が最小電力（例えば、Ｐ_{ＣｈａｒｇｅＭａｘ}）より大きく、トルク指令が第２トルク限界内である場合、駆動システムの使用可能な回生トルクは第２トルク限界（例えば、Ｔ_ｍｉｎ）が選択され、したがって駆動システムは回生モードで動作する。

少なくとも１つの例示的実施形態が前述の詳細な説明の中で提示されてきたが、膨大な数の変形形態が存在することを理解されたい。１つまたは複数の例示的実施形態は、単なる例であり、本発明の範囲、適用性または構成を何ら限定するものでないことも理解されたい。むしろ、前述の詳細な説明は、１つまたは複数の例示的実施形態を実行する便利なロードマップを当業者に提供するであろう。添付の特許請求の範囲およびその法的な等価物において詳述する本発明の範囲を逸脱せずに、構成要素の機能および配置に様々な変更が為され得ることも理解されたい。

本発明の一例示の実施形態による電気駆動システムのブロック図である。 本発明の一例示の実施形態による最小電圧制御器のブロック図である。 図２に示した制御器の動作を説明するのに有用な論理ラッチのブロック図である。 本発明の他の例示の実施形態による最大電圧制御器のブロック図である。 図４に示した制御器の動作を説明するのに有用な論理ラッチのブロック図である。 本発明の別の例示の実施形態による最大放電電力制御器のブロック図である。 図６に示した制御器の動作を説明するのに有用な論理ラッチのブロック図である。 本発明の別の例示の実施形態による最大充電電力制御器のブロック図である。 図８に示した制御器の動作を説明するのに有用な論理ラッチのブロック図である。 本発明の一例示の実施形態による電気駆動システムのトルク出力を調整する方法の流れ図である。

符号の説明

１０ 電気駆動システム
１２ 高レベル制御器
１６ スイッチ
４０ 制御器
４２ ＰＩレギュレータ
４４ コンバータ
４６ スイッチ
４８ リミッタ
５２ 加算器
５４ 第１処理モジュール
５６ 第２処理モジュール
５８ 積分器
６０ 加算器
６６ 論理ラッチ
７０ 最大電圧制御器
７２ 最大電圧リミッタ
８０ 最大放電電力制御器
８２ リミッタ
８４ 除算器
８６ ラッチ
９０ 最大充電電力制御器
９２ 最小電力リミッタ
９６ ラッチ

Claims (20)

1. 第１トルク限界、電圧限界および電力限界を有する電気駆動システムによって生成されるトルク出力を調整する制御器において、
   少なくとも１つの前記電圧限界および前記電力限界に基づいて前記トルク出力を調整する信号を生成するように構成され、前記トルク出力および損失項に基づく初期値を有する積分器を含む比例積分（ＰＩ）レギュレータと、
   前記ＰＩレギュレータに結合された入力を有し、かつ出力を有し、前記出力の所で第２トルク限界を生成するために前記ＰＩレギュレータからの前記信号を規準化するように構成されるコンバータと、
   前記ＰＩ電流レギュレータに結合され、前記第１および第２トルク限界から１つのトルク限界を選択するように構成されるスイッチとを含む制御器。
2. 前記電気駆動システムが、バッテリ電圧を有するバッテリを含み、前記ＰＩ電流レギュレータが、
   比例項を生成するために第１誤差に第１利得を適用するように構成され、前記第１誤差が前記電圧限界と前記バッテリ電圧の間の差に基づく、第１モジュールと、
   積分項を生成するために前記第１誤差に第２利得および積分関数を適用するように構成され、前記積分器を介して前記積分関数を適用するようにさらに構成される第２モジュールと、
   前記第１モジュールに結合された第１入力および前記第２モジュールに結合された第２入力を有し、前記比例項と前記積分項の和から第１電流を生成するように構成される加算器とをさらに含む請求項１に記載の制御器。
3. 前記加算器が前記コンバータの前記入力に結合された出力を有し、さらに第２電流を生成するために前記第１電流から前記損失項を減算するように構成され、
   前記コンバータがさらに前記第２電流から前記第２トルク限界を生成するように構成される請求項２に記載の制御器。
4. 前記電気駆動システムがそれに付随した銅損を有し、前記損失項が前記銅損に基づく請求項１に記載の制御器。
5. 前記電気駆動システムがトルク指令に応答して前記トルク出力を生成するように構成され、前記駆動システムがバッテリ電圧を有するバッテリを含み、
   前記電圧限界が最小バッテリ電圧であり、前記第１トルク限界が使用可能なモータトルクであり、前記第２トルク限界が最大トルクであり、
   前記スイッチが、
   前記バッテリ電圧が前記最小バッテリ電圧未満である場合に、前記コンバータから前記第２トルク限界を選択し、
   前記バッテリ電圧が前記最小バッテリ電圧より大きく、前記トルク指令が前記第２トルク限界未満である場合に、前記駆動システムの前記第１トルク限界を選択するようにさらに構成される請求項１に記載の制御器。
6. 前記電気駆動システムがトルク指令に応答して前記トルク出力を生成するように構成され、前記駆動システムがバッテリ電圧を有するバッテリを含み、
   前記電圧限界が最大バッテリ電圧であり、前記第１トルク限界が使用可能な回生トルクであり、前記第２トルク限界が最小トルクであり、
   前記スイッチが、
   前記バッテリ電圧が前記最大バッテリ電圧より大きい場合に、前記第２トルク限界を選択し、
   前記バッテリ電圧が前記最大バッテリ電圧未満であり、前記トルク指令が前記最小トルクより大きい場合に、前記第１トルク限界を選択するようにさらに構成される請求項１に記載の制御器。
7. 前記電気駆動システムがトルク指令に応答して前記トルク出力を生成するように構成され、前記駆動システムがバッテリ電力を有するバッテリを含み、
   前記電力限界が最大放電電力であり、前記第１トルク限界が使用可能なモータトルクであり、前記第２トルク限界が最大トルクであり、
   前記スイッチが、
   前記バッテリ電力が前記最大放電電力より大きい場合に、前記第２トルク限界を選択し、
   前記バッテリ電力が前記最大放電電力未満であり、前記トルク指令が前記最大トルク未満である場合に、前記第１トルク限界を選択するようにさらに構成される請求項１に記載の制御器。
8. 前記電気駆動システムがトルク指令に応答して前記トルク出力を生成するように構成され、前記駆動システムがバッテリ電力を有するバッテリを含み、
   前記電力限界が最大充電電力であり、前記第１トルク限界が使用可能な回生トルクであり、前記第２トルク限界が最小トルクであり、
   前記スイッチが、
   前記バッテリ電力が前記最大充電電力未満である場合に、前記第２トルク限界を選択し、
   前記バッテリ電力が前記最大充電電力より大きく、前記トルク指令が前記最小トルクより大きい場合に、前記第１トルク限界を選択するようにさらに構成される請求項１に記載の制御器。
9. リンク電圧を有する駆動システムならびに電圧範囲、電源電力および電力範囲を有するＤＣ電圧源によって少なくとも部分的に駆動される前記駆動システムのトルク出力を調整する方法において、
   トルク指令に応答して前記トルク出力を発生するステップと、
   前記リンク電圧が前記電圧範囲を超えるかどうかを判定するステップと、
   前記リンク電圧が前記電圧範囲を超える場合に、前記トルク出力かつ第１損失項に基づく第１トルク限界を選択するステップと、
   前記電源電力が電力範囲を超えるかどうかを判定するステップと、
   前記電源電力が前記電力範囲を超える場合に、前記トルク出力かつ第２損失項に基づく第２トルク限界を選択するステップとを含む方法。
10. 前記リンク電圧が前記電圧範囲を超えるかどうかを判定する前記ステップが、前記リンク電圧が最小電圧未満であるかどうかを判定するステップを含み、
    前記リンク電圧と前記最小電圧の間の誤差を判定するステップと、
    比例項を生成するために前記誤差に比例利得を適用するステップと、
    積分項を生成するために前記誤差に、積分利得ならびに前記駆動システムの前記トルク出力および前記第１損失項に基づく初期値を有する積分関数を適用するステップと、
    第１電流を生成するために前記積分項と前記比例項を加算するステップと、
    第２電流を生成するために前記第１電流から前記第１損失項を除去するステップと、
    前記第１トルク限界を生成するために前記第２電流をトルクに変換するステップとをさらに含む請求項９に記載の方法。
11. 前記リンク電圧が前記電圧範囲を超えるかどうかを判定する前記ステップが、前記リンク電圧が最大電圧より大きいかどうかを判定するステップを含み、
    前記リンク電圧と前記最大電圧の間の誤差を判定するステップと、
    比例項を生成するために前記誤差に比例利得を適用するステップと、
    積分項を生成するために前記誤差に、積分利得ならびに前記駆動システムの前記トルク出力および前記第１損失項に基づく初期値を有する積分関数を適用するステップと、
    第１電流を生成するために前記積分項と前記比例項を加算するステップと、
    第２電流を生成するために前記第１電流から前記第１損失項を除去するステップと、
    前記第１トルク限界を生成するために前記第２電流をトルクに変換するステップとをさらに含む請求項９に記載の方法。
12. 前記電源電力が前記電力範囲を超えるかどうかを判定する前記ステップが、前記電源電力が最大放電電力より大きいかどうかを判定するステップを含み、
    前記電源電力と前記最大放電電力の間の誤差を判定するステップと、
    比例項を生成するために前記誤差に比例利得を適用するステップと、
    積分項を生成するために前記誤差に、積分利得ならびに前記駆動システムの前記トルク出力および前記第２損失項に基づく初期値を有する積分関数を適用するステップと、
    第１電流を生成するために前記積分項と前記比例項を加算するステップと、
    第２電流を生成するために前記第１電流から前記第２損失項を除去するステップと、
    前記第２トルク限界を生成するために前記第２電流をトルクに変換するステップとをさらに含む請求項９に記載の方法。
13. 前記電源電力が前記電力範囲を超えるかどうかを判定する前記ステップが、前記電源電力が最大充電電力未満であるどうかを判定するステップを含み、
    前記電源電力と前記最大充電電力の間の誤差を判定するステップと、
    比例項を生成するために前記誤差に比例利得を適用するステップと、
    積分項を生成するために前記誤差に、積分利得ならびに前記駆動システムの前記トルク出力および前記第２損失項に基づく初期値を有する積分関数を適用するステップと、
    第１電流を生成するために前記積分項と前記比例項を加算するステップと、
    第２電流を生成するために前記第１電流から前記第２損失項を除去するステップと、
    前記第２トルク限界を生成するために前記第２電流をトルクに変換するステップとをさらに含む請求項９に記載の方法。
14. 前記電圧範囲が最小および最大電圧を含み、
    前記駆動システムが、駆動モードと、前記駆動モードの間に使用可能なモータリングトルクとを有し、さらに回生モードと、前記回生モードの間に使用可能な回生トルクとを有し、
    前記リンク電圧が前記最小電圧より大きく、前記トルク指令が前記使用可能なモータリングトルク未満である場合に、前記第１トルク限界に対して前記使用可能なモータリングトルクを選択し、したがって前記駆動システムが前記駆動モードで動作しているステップと、
    前記リンク電圧が前記最大電圧未満であり、前記トルク指令が前記使用可能な回生トルクより大きい場合に、前記第１トルク限界に対して前記使用可能な回生トルクを選択し、したがって前記駆動システムが前記回生モードで動作しているステップとをさらに含む請求項９に記載の方法。
15. 前記電力範囲が最小および最大電力を含み、
    前記駆動システムが、駆動モードと、前記駆動モードの間に使用可能なモータリングトルクとを有し、さらに回生モードと、前記回生モードの間に使用可能な回生トルクとを有し、
    前記電源電力が前記最大電力未満であり、前記トルク指令が前記使用可能なモータリングトルク未満である場合に、前記第２トルク限界に対して前記使用可能なモータリングトルクを選択し、したがって前記駆動システムが前記駆動モードで動作しているステップと、
    前記電源電力が前記最小電力より大きく、前記トルク指令が前記使用可能な回生トルクより大きい場合に、前記第２トルク限界に対して前記使用可能な回生トルクを選択し、したがって前記駆動システムが前記回生モードで動作しているステップとをさらに含む請求項９に記載の方法。
16. リンク電圧を有する駆動システムならびに電圧範囲、電源電力および電力範囲を有する直流（ＤＣ）電圧源によって少なくとも部分的に駆動される前記駆動システムによって生成されるトルク出力を調整する制御システムにおいて、
    トルク指令を生成するように構成された第１制御器と、
    前記第１制御器に結合された第２制御器であって、
    前記リンク電圧および前記電源電力をモニタし、
    前記トルク出力および第１損失項に基づいて前記電圧範囲内に前記リンク電圧を維持するように前記トルク指令を調整し、
    前記トルク出力および第２損失項に基づいて前記電力範囲内に前記電源電力を維持するように前記トルク指令を調整する第２制御器と
    を含む制御システム。
17. 前記駆動システムが電圧調整の帯域幅を有し、
    前記ＤＣ電圧源が等価直列抵抗を有し、
    前記第２制御器が、前記リンク電圧が前記電圧を超える場合に誤差を受け取るようにさらに構成され、前記第２制御器が、
    第１利得を有し、比例項を生成するために前記誤差に対し前記第１利得を適用するように構成される第１モジュールと、
    第２利得を有し、積分項を生成するために前記誤差に対し前記第２利得および積分関数を適用するように構成される第２モジュールであって、前記第２利得が前記電圧調整の帯域幅と前記等価直列抵抗の比に基づき、前記第２利得と前記第１利得の比が実質的に前記電圧調整の帯域幅より大きい、第２モジュールと、
    前記比例利得モジュールおよび前記積分モジュールに結合され、前記積分項と前記比例項を加算するように構成される加算器とを含む請求項１６に記載の制御システム。
18. 前記第２モジュールが前記トルク出力と銅損項に基づく初期値を有する積分器を含む請求項１７に記載の制御システム。
19. 前記駆動システムが電力調整の帯域幅を有し、
    前記第２制御器が、前記電源電力が前記電力範囲を超える場合に誤差を受け取るようにさらに構成され、前記第２制御器が、
    第１利得を有し、前記誤差に対し前記第１利得を適用するように構成される第１モジュールと、
    第２利得を有し、前記誤差に対し前記第２利得および積分関数を適用するように構成される第２モジュールであって、前記第２利得が前記電力調整の帯域幅に基づき、前記第２利得と前記第１利得の比が実質的に前記電力調整の帯域幅より大きい、第２モジュールと
    前記比例利得モジュールおよび前記積分モジュールに結合され、前記積分項と前記比例項を加算するように構成される加算器とを含む請求項１６に記載の制御システム。
20. 前記第２モジュールが前記トルク出力と銅損項に基づく初期値を有する積分器を含む請求項１６に記載の制御システム。

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