JP2016127788A

JP2016127788A - 電気自動車の回生ブレーキの制御システム及びその方法

Info

Publication number: JP2016127788A
Application number: JP2015054446A
Authority: JP
Inventors: 頴哲石; Ying-Che Shih; 憲▲キ▼ 阮; Hsien-Hsi Juan
Original assignee: Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Current assignee: Hon Hai Precision Industry Co Ltd
Priority date: 2014-12-31
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2016-07-11
Also published as: TW201624873A; US20160190959A1; US9742317B2

Abstract

【課題】優れた制御効果を有する電気自動車の回生ブレーキの制御システム及びその方法を提供する。
【解決手段】電気自動車の回生ブレーキ制御システム１００は、電機子電流採取ユニット１１０、計算ユニット１３０及び回生モード調節ユニット１５０を備える。電機子電流採取ユニット１１０は、電気自動車モータの三相電機子電流を採取し、計算ユニット１３０は、モータ回生効率と電機子電流の位相角との関係を確認し、同じ電機子電流下での最善位相角及び同じ電機子電圧下での第一制限電流及び第二制限電流を計算し、位相回生経路を描画する。位相回生経路は、最善回生経路、次善回生経路及び消耗回生経路を備える。回生モード調節ユニット１５０は、電機子電流の大きさを第一制限電流及び第二制限電流の大きさと対比し、回生電流を最善回生経路、次善回生経路及び消耗回生経路に調節する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車の制御領域に関し、特に電気自動車の回生ブレーキの制御システム及びその方法に関するものである。

現在、電気自動車の駆動モータは、駆動及び回生ブレーキの機能を同時に備える。回生ブレーキ技術とは、運転者がアクセルを離した或いはブレーキを踏んだ際に、車体の慣性によってモータが駆動し、モータ駆動器の変換ストラテジを介して、車体の運動エネルギーを電池の回生エネルギーとして電気エネルギーに変換する技術である。現在、該技術は、異なる駆動器によって変換ストラテジを複数の異なる種類に分けることができるが、通常、６ステップ制御とベクトル制御とに分けられる。６ステップ制御は、１つのモータの周期を６ステップの駆動に分ける。この際の電流波形は矩形波である。ベクトル制御は、異なるモータの角度によって、電圧の大きさを調節する。この際の電流波形は弦波形である。従ってベクトル制御は、高効率、低振動等の特性を有する。また、永久磁石界磁モータの磁石は、設置位置によって二種類に分けられる。その内の１つは表面貼り付け式磁石である。該表面貼り付け式磁石は、モータ回転子の磁石を回転子の表面に貼り付ける。もう１つは内蔵式磁石である。該内蔵式磁石は、磁石をモータ回転子のケイ素鋼板内に内蔵する。内蔵式磁石のモータ回転子は突出極効果を有し、モータインダクタが同期して回転する２つの座標軸に投影した際に、２つの軸のインダクタの差異が発生するため、弱界磁制御等の制御方法を使用するように誘導する。また、内蔵式磁石の構造は、モータの高速下での構造強度に有利であるため、表面貼り付け式磁石を有するモータより電気自動車の応用に有利である。

現在、ベクトル制御の電気自動車の回生ブレーキの制御に対する主な用途は２つである。その１つは、表面貼り付け式磁石を有するモータの最大電流を制限する回生制御に使用され、制限された最大電流を超えた場合、ブレーキによって発生した機械エネルギーはモータの抵抗として消耗されるため、ブレーキの効率は低下する。該制御方法は、内蔵式磁石を有するモータに適用できない。もう１つは、内蔵式磁石を有するモータによって単位電流の最大トルクをベクトルする回生制御に使用され、該制御方法は、内蔵式磁石を有するモータのベクトル回生制御の効率を向上させるが、最大回生電流を確定せず、回生、消耗等の状態は考慮されていない。

以上の問題点に鑑みて、本発明は、優れた制御効果を有する電気自動車の回生ブレーキの制御システム及びその方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の電気自動車の回生ブレーキの制御システムは、電気自動車の回生ブレーキ電流を制御し、電気自動車の回生ブレーキの制御システムは、電機子電流採取ユニット、計算ユニット及び回生モード調節ユニットを備え、電機子電流採取ユニットは、電気自動車モータの三相電機子電流を採取し、計算ユニットは、三相電機子電流に基づいて、モータ回生効率と電機子電流の位相角との関係を確認し、同じ電機子電流下での最善位相角及び同じ電機子電圧下での第一制限電流と第二制限電流を計算し、最善位相角に基づいて位相回生経路が描画され、位相回生経路は、最善回生経路、次善回生経路及び消耗回生経路を備え、回生モード調節ユニットは、電機子電流の大きさを第一制限電流及び第二制限電流の大きさと対比し、且つ対比結果に基づいて、電機自動車モータの回生電流を最善回生経路、次善回生経路及び消耗回生経路に調節する。

上記の課題を解決するために、本発明の電気自動車の回生ブレーキの制御方法は、電気自動車の回生ブレーキの制御システムに応用され、モータの三相電機子巻線の各電流を採取するステップと、三相電機子電流に基づいて、モータ回生効率と電機子電流の位相角との関係を確認し、同じ電機子電流下での最善位相角及び同じ電機子電圧下での第一制限電流及び第二制限電流を計算し、最善位相角に基づいて位相回生経路が描画され、位相回生経路は、最善回生経路、次善回生経路及び消耗回生経路を備えるステップと、電機子電流の大きさを第一制限電流及び第二制限電流の大きさと対比し、且つ対比結果に基づいて、電機自動車モータの回生電流を最善回生経路、次善回生経路及び消耗回生経路に調節するステップと、を備える。

本発明の本発明の電気自動車の回生ブレーキの制御システム及びその方法は、電機子電流の位相角を調節して、回生電流を位相回生経路に制限させて第一制限電流及び第二制限電流を取得し、第一制限電流及び第二制限電流は、位相回生経路を最善回生経路、次善回生経路及び消耗回生経路に分割して、最善回生モード、次善回生モード及び消耗回生モード等３つの回生モードが形成される。以上により、電気自動車の回生ブレーキの制御システム及びその方法は、電気自動車の回生ブレーキの効率を向上させることができる。

本発明に係る電気自動車の回生ブレーキの制御システムの原理を示す図であるである。図１に示した電気自動車の回生ブレーキの制御システムの座標系の定義を示す図である。図１に示した電気自動車の回生ブレーキの制御システムのモータの電機子電流とｄ−ｑ軸の電流との間の関係を示す図である。図１に示した電気自動車の回生ブレーキの制御システムの回生電流のベクトル図である。本発明に係る電気自動車の回生ブレーキの制御方法のフローチャートである。

図１に示したように、電気自動車の回生ブレーキの制御システム１００は、電気自動車のブレーキの回生電流の位相角を調節し、単位電流の最大トルクを制御して、電気自動車のモータの電流回生効率を向上させる。本実施形態において、内蔵式磁石を有する永久磁石界磁モータは、固定子及びロータを備える。固定子は、三相電機子巻線であり、空間位置で相互差が１２０度であるＡ相巻線、Ｂ相巻線及びＣ相巻線を備える。ロータは、内蔵された永久磁石であり、三相電機子巻線に対向して回転する。

図１及び図２を併せて参照すると、電気自動車の回生ブレーキの制御システム１００は、電機子電流採取ユニット１１０、計算ユニット１３０及び回生モード調節ユニット１５０を備える。計算ユニット１３０は、座標系変換ユニット１３１、回生効率計算ユニット１３３、最善位相角の計算ユニット１３５、最善回生電流の計算ユニット１３７及び次善回生電流の計算ユニット１３９を備える。電機子電流採取ユニット１１０は、モータの三相電機子巻線の各電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃを採取する。座標系変換ユニット１３１は、予め設置された三軸二次元座標系Ａ−Ｂ−Ｃ中の特徴を示す三相電機子巻線の各電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃを、予め設定された第一座標系の変換規則を介して、固定軸座標系の特徴を示すα−βと対応する２つの固定軸電流ｉ_α、ｉ_βに変換させる。次に、予め設定された第二座標系の変換規則を介して、２つの固定軸の電流ｉ_α、ｉ_βを回転軸座標系の特徴を示すｄ−ｑに対応する２つの回転軸の電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑに変換させる。本実施形態において、第一座標系変換規則は、Ｃｌａｒｋｅ変換であり、第二座標系変換規則は、Ｐａｒｋ変換である。回生効率計算ユニット１３３は、座標系変換ユニット１３１を介して取得した２つの回転軸の各電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑに基づいて、モータの回生効率Ｐ_ｇを計算し、電機子電流の位相角θと２つの回転軸の電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑとの関係によって、回生効率Ｐ_ｇと、電機子電流の位相角θとの関係を確定する。最善位相角の計算ユニット１３５は、同じ電機子電流ｉ_ｓ下での最善位相角を計算し、且つ該最善位相角によって、位相回生経路を描画する。最善回生電流の計算ユニット１３７は、同じ電機子電圧下での最善回生電流の制限点を計算する。次善回生電流の計算ユニット１３９は、同じ電機子電圧下での次善回生電流の制限点を計算する。回生モード調節ユニット１５０は、最善回生電流の制限点及び次善回生電流の制限点に基づいて、モータの回生電流を調節する。

図２を併せて参照すると、座標系におけるγは、モータロータの位置角度であり、Ｓは、モータロータ磁石の南極であり、Ｎは、モータロータ磁石の北極である。電機子電流採取ユニット１１０が採取した三相電機子巻線の各電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃは、座標系変換ユニット１３１によって、回転軸座標系ｄ−ｑに対応する２つの回転軸の各電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑに変換される。回生効率計算ユニット１３３は、２つの回転軸の各電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑに基づいて、モータの回生効率Ｐ_ｇを計算する。その計算式１は以下の通りである。

Ｖ_ｄｃは、モータ電機子の直流端の電圧であり、Ｉ_ｄｃは、モータ電機子の直流端の電流であり、ｒは、モータ電機子の相抵抗であり、Ｔは、モータの電磁トルクであり、Ｌ_ｄ、Ｌ_ｑは、それぞれ２つのｄ軸及びｑ軸に対応するインダクタであり、ωは、モータロータの回転角の速度であり、λ_ｍは、ロータ磁石の磁束であり、Ｐは、モータの極数である。

図３に示したように、電機子電流ｉ_ｓと２つの回転軸の電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑとの関係は、計算式２を満たす。該計算式２は以下の通りである。

θは、電機子電流の位相角である。回生効率計算ユニット１３３は、ｉ_ｓと２つの回転軸の電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑとの関係、即ち計算式２を計算式１に代入して、回生効率Ｐ_ｇと電機子電流の位相角θとの関係を計算する。つまり計算式３を介して、回生効率Ｐ_ｇと電機子電流の位相角θとの関係を計算する。モータの回生効率を計算するための計算式３は、以下の通りである。

Ｖ_ｄｃＩ_ｄｃは、モータの回生効率Ｐ_ｇである。本実施形態において、回生ブレーキの過程における、モータ電機子の直流端の電流Ｉ_ｄｃ及びモータの電磁トルクＴは、それぞれ負値である。

最善位相角の計算ユニット１３５は、モータの回生効率Ｐ_ｇを電機子電流の位相角θに対して偏微分する。二回目の偏微分が０（ゼロ）より大きいため、同じ電機子電流下での最善位相角を取得できる。この際の計算式４は以下の通りである。

最善回生電流の計算ユニット１３７は、回生効率Ｐ_ｇを電機子電流ｉ_ｓに対して偏微分する。該偏微分の結果は０（ゼロ）であるため、同じ電機子電圧下でのＩ_１を取得できる。この際の計算式５は以下の通りである。

電機子電流ｉ_ｓが次善回生電流の制限より大きい場合、２つの状態が発生する。１つは、ブレーキによる機械エネルギーが抵抗効率に変換されて消耗される。この際、回生電流はない。もう１つは、直流端が電流を出力して、必要なブレーキエネルギーを供給する。即ち、エネルギーを消耗するブレーキモードに入り、次善回生電流の制限は、モータ電機子の直流端の電流Ｉ_ｄｃが回生を変換して出力した分界点である。次善回生電流の計算ユニット１３９は、Ｐ_ｇ＝０を計算式３に代入して、次善回生電流Ｉ_２の制限を取得する。つまり、次善回生電流Ｉ_２の制限は、計算式６を介して取得する。該計算式６は以下の通りである。

図４を併せて参照すると、回生電流ベクトル３７は、ｄ軸方向への第一分量３７１とｑ軸方向への第二分量３７２とに分割し、第一分量３７１は、ｄ軸電流ｉ_ｄであり、第二分量３７２は、ｉ_ｑである。電機子電流ｉ_ｓ＝０〜ｉ_ｍａｘ（ｉ_ｍａｘは、最大電機子電流の制限）を計算式４に代入して最善位相角θ_１を計算して、計算式２によって、ｄ−ｑ軸電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑを計算し、ｄ−ｑ軸電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑが形成したベクトル経路を描画して、位相回生経路３０を取得する。該位相回生経路３０は、最大電機子電流の制限円３８と節点３６で交差している。最大電機子電流の制限円３８は、回転軸座標系ｄ−ｑ原点を円心としており、ｉ_ｓ＝ｉ_ｍａｘが半径である。計算式５は、モータの最善回生モード下での第一制限電流３４を計算し、第一制限電流３４は、位相回生経路３０に位置している。計算式６は、モータの次善回生モード下での第二制限電流３５を計算し、第二制限電流３５は、位相回生経路３０に位置しており、また、第二制限電流３５とｄ−ｑ座標系の原点との距離は、第一制限電流３４とｄ−ｑ座標系の原点との距離より大きい。第一制限電流３４及び第二制限電流３５は、位相回生経路３０を最善回生経路３１、次善回生経路３２及び消耗回生経路３３に分割する。最善回生経路３１は、ｄ−ｑ座標系の原点と第一制限電流３４との間に位置し、次善回生経路３２は、第一制限電流３４と第二制限電流３５との間に位置し、消耗回生経路３３は、第二制限電流３５と節点３６との間に位置している。従って、回生電流が最善回生経路３１によって制限された場合、最善回生モードとなり、回生電流が次善回生経路３２によって制限された場合、善回生モードとなり、回生電流が消耗回生経路３３によって制限された場合、消耗回生モードとなる。

図５に示したように、電気自動車の回生ブレーキの制御方法は、以下のステップ（Ｓ１〜Ｓ７）を備える。ステップＳ１において、電機子電流採取ユニット１１０は、モータの三相電機子巻線の各電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃを採取する。

ステップＳ２において、座標系変換ユニット１３１は、予め設置された三軸二次元座標系Ａ−Ｂ−Ｃ中の特徴を示す三相電機子巻線の各電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃを、予め設定された第一座標系の変換規則を介して、固定軸座標系の特徴を示すα−βと対応する２つの固定軸電流ｉ_α、ｉ_βに変換させる。次に、予め設定された第二座標系の変換規則を介して、２つの固定軸の電流ｉ_α、ｉ_βを回転軸座標系の特徴を示すｄ−ｑに対応する２つの回転軸の電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑに変換する。

ステップＳ３において、回生効率計算ユニット１３３は、座標系変換ユニット１３１を介して取得した２つの回転軸の各電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑに基づいて、モータの回生効率Ｐ_ｇを計算し、電機子電流の位相角θと２つの回転軸の電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑとの関係によって、回生効率Ｐ_ｇと電機子電流の位相角θとの関係を確定する。

ステップＳ４において、最善位相角の計算ユニット１３５は、同じ電機子電流ｉｓ下での最善位相角及び対応する位相回生経路を計算する。ステップＳ５において、最善回生電流の計算ユニット１３７は、同じ電機子電圧下での第一制限電流３４を計算する。ステップＳ６において、次善回生電流の計算ユニット１３９は、同じ電機子電圧下での第二制限電流３５を計算する。ステップＳ７において、回生モード調節ユニット１５０は、第一制限電流３４及び第二制限電流３５に基づいて、モータの回生電流を調節する。回生モード調節ユニット１５０が回生電流を最善回生経路３１によって制限させると、最善回生モード状態となり、回生電流を次善回生経路３２によって制限させると、次善回生モード状態となり、回生電流を消耗回生経路３３によって制限させると、消耗回生モード状態となる。

本発明の電気自動車の回生ブレーキの制御システム及びその方法は、電機子電流の位相角θを調節して、最善位相角θ_１下での単位電流の最大トルクを制御し、且つ最善位相角θ_１下でのｄ−ｑ軸電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑを計算して、ｄ−ｑ軸電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑが形成したベクトル経路を描画して、位相回生経路３０を取得する。同時に、回生電流の変化段階に対応じして分割し、異なる計算条件を設定することによって、位相回生経路３０に位置する最善回生電流を制限する第一制限電流３４及び次善回生電流を制限する第二制限電流３５を取得する。第一制限電流３４及び第二制限電流３５は、位相回生経路３０を最善回生経路３１、次善回生経路３２及び消耗回生経路３３に分割して、最善回生モード、次善回生モード及び消耗回生モードの３つの回生モードに形成される。以上により、電気自動車の回生ブレーキの制御システム及びその方法は、電気自動車の回生ブレーキの効率を向上させることができる。

３０位相回生経路
３１最善回生経路
３２次善回生経路
３３消耗回生経路
３４第一制限電流
３５第二制限電流
３６節点
３７回生電流ベクトル
３８最大電機子電流の制限円
１００電気自動車の回生ブレーキの制御システム
１１０電機子電流採取ユニット
１３０計算ユニット
１３１座標系変換ユニット
１３３回生効率計算ユニット
１３５最善位相角の計算ユニット
１３７最善回生電流の計算ユニット
１３９次善回生電流の計算ユニット
１５０回生モード調節ユニット
３７１第一分量
３７２第二分量

Claims

電気自動車の回生ブレーキ電流を制御する電気自動車の回生ブレーキの制御システムにおいて、
前記電気自動車の回生ブレーキの制御システムは、電機子電流採取ユニット、計算ユニット及び回生モード調節ユニットを備え、前記電機子電流採取ユニットは、電気自動車モータの三相電機子電流を採取し、前記計算ユニットは、前記三相電機子電流に基づいて、モータ回生効率と前記電機子電流の位相角との関係を確認し、同じ電機子電流下での最善位相角及び同じ電機子電圧下での第一制限電流及び第二制限電流を計算し、前記最善位相角に基づいて位相回生経路が描画され、前記位相回生経路は、最善回生経路、次善回生経路及び消耗回生経路を備え、前記回生モード調節ユニットは、前記電機子電流の大きさを前記第一制限電流及び前記第二制限電流の大きさと対比し、且つ対比結果に基づいて、電機自動車モータの回生電流を前記最善回生経路、前記次善回生経路及び前記消耗回生経路に調節することを特徴とする電気自動車の回生ブレーキの制御システム。
前記計算ユニットは、座標系変換ユニット、回生効率計算ユニット、最善位相角の計算ユニット、最善回生電流の計算ユニット及び次善回生電流の計算ユニットを備え、前記座標系変換ユニットは、前記三相電機子電流を２つの回転軸電流に変換し、前記回生効率計算ユニットは、回生効率と前記電機子電流の位相角との関係を確定し、前記最善位相角の計算ユニットは、最善位相角及び前記位相回生経路を計算し、前記最善回生電流の計算ユニットは、前記第一制限電流を計算し、前記次善回生電流の計算ユニットは、前記第二制限電流を計算することを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の回生ブレーキの制御システム。
前記２つの回転軸電流は、１つの回転軸座標系内の特徴を示し、前記回転軸座標系は、ｄ軸及びｑ軸を備え、前記２つの回転軸電流は、それぞれｉ_ｄ及びｉ_ｑであり、前記電機子電流はｉ_ｓであり、前記電機子電流ｉ_ｓと前記電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑ及び電機子電流の位相角θとの関係は、計算式２によって計算され、前記計算式２は、

であることを特徴とする請求項２に記載の電気自動車の回生ブレーキの制御システム。
前記回生効率は、計算式３によって計算され、前記計算式３は、

であり、前記Ｖ_ｄｃは、モータ電機子直流端の電圧であり、前記Ｉ_ｄｃは、モータ電機子の直流端の電流であり、前記ｒは、モータ電機子の相抵抗であり、前記Ｌ_ｄ及びＬ_ｑは、それぞれ２つの前記ｄ軸及び前記ｑ軸と対応するインダクタであり、前記ωは、モータロータの回転角の速度であり、前記λ_ｍは、ロータ磁石の磁束であり、前記Ｐは、モータの極数であることを特徴とする請求項３に記載の電気自動車の回生ブレーキの制御システム。
前記最善位相角を計算する条件は、

であり、前記条件は、

によって、最善位相角θ_１を計算することを特徴とする請求項４に記載の電気自動車の回生ブレーキの制御システム。
前記第一制限電流の計算条件は、

であり、前記条件は、

によって、前記第一制限電流を計算することを特徴とする請求項４に記載の電気自動車の回生ブレーキの制御システム。
前記第二制限電流の計算条件は、

であり、前記条件は、

によって、前記第二制限電流を計算することを特徴とする請求項４に記載の電気自動車の回生ブレーキの制御システム。
電気自動車の回生ブレーキの制御システムに応用される電気自動車の回生ブレーキの制御方法について、
モータの三相電機子巻線の各電流を採取するステップと、
前記三相電機子電流に基づいて、モータ回生効率と前記電機子電流の位相角との関係を確認し、同じ電機子電流下での最善位相角及び同じ電機子電圧下での第一制限電流及び第二制限電流を計算し、前記最善位相角に基づいて位相回生経路が描画され、前記位相回生経路は、最善回生経路、次善回生経路及び消耗回生経路を備えるステップと、
前記電機子電流の大きさを前記第一制限電流及び前記第二制限電流の大きさと対比し、且つ対比結果に基づいて、電機自動車モータの回生電流を前記最善回生経路、前記次善回生経路及び前記消耗回生経路に調節するステップと、を備えることを特徴とする電気自動車の回生ブレーキの制御方法。
前記電気自動車の回生ブレーキの制御方法は、予め設置された三軸二次元座標系Ａ−Ｂ−Ｃ中の特徴を示す三相電機子巻線の各電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃを、予め設定された第一座標系の変換規則を介して、固定軸座標系の特徴を示すα−βと対応する２つの固定軸電流ｉ_α、ｉ_βに変換させ、予め設定された第二座標系の変換規則を介して、２つの固定軸の電流ｉ_α、ｉ_βを回転軸座標系の特徴を示すｄ−ｑに対応する２つの回転軸の電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑに変換するステップと、
モータの回生効率Ｐ_ｇを計算し、電機子電流の位相角θと２つの回転軸の電流ｉ_ｄ、ｉ_ｑとの関係によって、回生効率Ｐ_ｇと電機子電流の位相角θとの関係を確定するステップと、
同じ電機子電流ｉｓ下での最善位相角及び対応する位相回生経路を計算するステップと、
同じ電機子電圧下での第一制限電流を計算し、前記第一制限電流は前記位相回生経路に位置するステップと、
同じ電機子電圧下での第二制限電流を計算し、前記第二制限電流は前記位相回生経路に位置するステップと、
前記第一制限電流及び前記第二制限電流は、前記位相回生経路を最善回生経路、次善回生経路及び消耗回生経路に分割するステップと、を備えることを特徴とする請求項８に記載の電気自動車の回生ブレーキの制御方法。
前記最善位相角を計算する条件は、

であり、前記条件は、

によって、最善位相角θ_１を計算することを特徴とする請求項９に記載の電気自動車の回生ブレーキの制御方法。