JP3175895B2 - 電気自動車の駆動システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気自動車の駆動システ
ム及び駆動方法に係り、特に走行性能と安全性を向上さ
せることのできる電気自動車の駆動システム及び駆動方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の電気自動車の駆動システムは、日
本の特開平2−133005 号公報に記載されているように、
前輪或いは後輪の一方を複数の電動機で駆動するか、
前，後輪に各１台の電動機を配置して４輪駆動にする
か、全輪各々駆動するシステムが知られている。この場
合いずれも同一種類、或いは同一容量の１台乃至複数の
電動機を組み合わせた駆動システムで、複数の電動機を
全て同じ出力となるように常にバランスさせて制御して
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は複数台
の電動機を使用していても、使用している電動機のそれ
自体の特性によって駆動効率が左右されることになる。
例えば低速域でトルク発生効率のよい電動機をした場
合、複数台の電動機を組み合わせても高速域で効率の良
い駆動性能は得られない。逆に高速域でトルク発生効率
の良い電動機を用いた場合は低速域での効率は悪くな
る。即ち、全速度範囲にわたって駆動性能を上げること
はできない。

【０００４】更に、同一種類の複数の電動機で駆動シス
テムを構成した場合、１台の電動機で駆動システムを構
成した場合に比べて電動機の占有面積や車重が増え、電
気自動車の実装上必ずしもよくない。

【０００５】また、同一系統のバッテリーから電力を供
給するように複数の電動機で駆動システムを構成した場
合、該システム内の電力変換器の何れかのパワー素子が
破損すると、短絡の状態でこわれる。これによって電力
変換器に短絡回路が形成され、該短絡ループから供給さ
れる直流電流によって電動機のコイルが励磁されるた
め、故障したパワー素子が焼損するか、回路内のフュー
ズが溶断してオープンになるまでブレーキトルクが生じ
る。

【０００６】本発明の目的は、複数の電動機の組み合わ
せによって、始動から最高速度に至るまで効率よくトル
クを発生して、航続距離と走行性能を向上させることが
できる電気自動車の駆動システムを提供することにあ
る。

【０００７】

【０００８】

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、車載バッテリーの直流電力を増幅して複
数の電動機に供給し、該複数の電動機の回転出力により
車輪を駆動することにより車両を推進する電気自動車の
駆動システムにおいて、前記バッテリーは、複数のバッ
テリーからなり、前記複数の電動機は少なくとも２種類
の異なる電動機からなり、前記各電動機が分担する前記
車両の推進力を該車両の走行状態に応じて調整する制御
手段を備え、該制御手段は、前記各バッテリーの残存容
量を検出する手段と、前記電気自動車に必要とされる駆
動トルクを前記複数の電動機が分担する割合を前記各バ
ッテリーの残存容量に応じて決定するトルク分配制御手
段とを有することを特徴とする。

【００１０】

【００１１】

【００１２】なお、電動機は、電磁気的な方式、容量及
び体格の異同によって種類の異なる複数の電動機に分類
できる。例えば、電磁気的な方式の相違するものとし
て、永久磁石形同期電動機，誘導電動機，リラクタンス
形同期電動機，直券形直流電動機，分券形直流電動機に
分類できる。また、容量や体格の相違するものとして、
相数や極数の異なる電動機、電気子や固定子の直径の異
なる電動機等が挙げられる。

【００１３】本発明の好ましい実施例になる、種類の異
なる電動機の組合せとして、低速用に永久磁石形同期電
動機，高速用に誘導電動機の組合せが用いられる。この
他、複数種類の電動機の組合せとしては、相数の異なる
誘導電動機，極数の異なる誘導電動機，永久磁石形同期
電動機，リラクタンス形同期電動機，直券形直流電動
機，分券形直流電動機のうち、何れか２種類以上の電動
機の組み合わせ等が用いられる。

【００１４】

【作用】本発明の好ましい実施例によれば、電動機で発
生するトルクは電気自動車のコントローラ内で制御され
る。すなわち、それぞれ運転者から操作されるアクセル
ペダル，ブレーキペダル，運転モードシフトレバーによ
って得られるアクセル踏み込み量，ブレーキ踏み込み
量，前進，発進及び後進等の指令の信号と、前記電動機
の回転角速度信号とに基づいてトルク指令を演算し、前
記電動機のトルク制御部に入力する。制御部で、電気自
動車に要求される駆動力のうち、両電動機で分担すべき
トルクが求められ、該トルクは車両制御部からトルク指
令として出力される。該トルク指令は電動機制御部に取
り込まれ、該トルク指令に一致するように電動機のトル
ク制御が行われる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。図１は前
輪と後輪にそれぞれ種類の異なる電動機を配置した場合
の電気自動車の駆動システムの一例を示す。この実施例
における電気自動車は、車体１に対して、前輪２ａ，２
ｂ、後輪２ｃ，２ｄが取り付けられ、前輪に永久磁石形
同期電動機（ＳＭ）５，後輪に誘導電動機（ＩＭ）６が
配置されている。これらの前輪と後輪の車軸２Ａ，２Ｂ
にはそれぞれデファレンシャルギア３，４が配置され、
該ギアを介して電動機５，６から発生する回転トルクが
車輪に伝達されている。電動機５，６はバッテリー７か
ら供給される直流電力を交流の電力に変換する電力増幅
器８，２０によって駆動される。なお、電力増幅器８や
２０に相当するものとして、電力変換器，インバータ等
の総称もあるが、ここでは直流電力から直流電力への変
換も含む呼称として、電力増幅器を使う。

【００１６】永久磁石形同期電動機５で発生するトルク
は、電気自動車のコントローラ９内の車両制御部１０及
び同期電動機トルク制御部１１によって制御される。ま
た、誘導電動機５で発生するトルクは、車両制御部１０
及び誘導電動機トルク制御部１９によって制御される。
車両制御部１０は、モード判定手段１０Ａ、トルク指令
演算手段１０Ｂを具備しており、後述するような手法に
よって、前輪の電動機５及び後輪の電動機６でそれぞれ
発生すべきトルク指令τ₁、τ₂を決定する。

【００１７】車両制御部１０のモード判定手段１０Ａに
は、アクセル踏み込み量Ｘ_a ，ブレーキ踏み込み量
Ｘ_b 、前進，発進及び後進等の指令の信号Ｓ_DRが、それ
ぞれ運転者から操作されるアクセルペダル１２，ブレー
キペダル１３，運転モードシフトレバー１４によって取
り込まれる。そして、これらの諸量の信号と電動機５の
回転角速度を検出する速度検出器１５の出力信号とに基
づいて、モードが判定される。そして、この判定結果に
基づき、トルク指令演算手段１０Ｂにおいてトルク指令
τ_SMが演算され、その結果が前記同期電動機のトルク制
御部１１に入力される。同期電動機トルク制御部１１で
はトルク指令 τ_SMと回転角の位置を検出する回転角検
出装置１６の出力信号に基づいて、次式（１）のように
同期電動機の１次電流の振幅値Ｉ_t を決定する。

【００１８】 Ｉ_t ＝Ｋ_SM・τ₁ …（１） 但し、Ｋ_SM：電動機に関係する常数 ｉ_u*＝Ｉ_t・cos（∫ω_1*・ｄｔ） ｉ_v*＝Ｉ_t・cos（∫ω_1*・ｄｔ−２π／３） … （２） ｉ_w*＝Ｉ_t・cos（∫ω_1*・ｄｔ＋２π／３） ω₁*＝ω_SM（：電動機５の回転角速度） … （３） ここで、（２）式のなかの積分を開始するタイミング
は、回転角検出装置１６から検出される永久磁石形同期
電動機５の回転子の回転角度（これは磁極位置に対応す
る）に基づいて決定される。即ち、回転子の回転角度に
同期して変化する瞬時位相θ_1*（＝∫ω_1*・ｄｔ)が得ら
れる。

【００１９】（２）式で表わされる１次電流指令ｉ_u*，
ｉ_v*，ｉ_w*に、永久磁石形同期電動機５の１次巻線に流
れる電流センサ１７ａ，１７ｂ，１７ｃから検出された
１次電流ｉ_u ，ｉ_v ，ｉ_w が一致するように、電力増幅
器８のパワー素子（図示せず）のゲートに印加するため
の基準信号 Ｐ_u ，Ｐ_v ，Ｐ_w を同期電動機のトルク制
御部１１で発生する。この操作によって、トルク指令τ
₁に常に一致したトルクが永久磁石形同期電動機５から
発生する。

【００２０】一方、車両制御部１０のトルク指令演算手
段１０Ｂにおいて、電気自動車に要求される駆動力のう
ち、後輪で分担すべきトルクが求められ、トルク指令τ
₂として出力される。このトルク指令τ₂は、誘導電動機
制御部１９に取り込まれ、このトルク指令τ₂に一致す
るようにトルク制御が行われる。すなわち、トルク指令
τ₂及び、速度検出器１８から得られた誘導電動機６の
回転角速度ω_IMが誘導電動機トルク制御部１９に取り込
まれ、後輪側の誘導電動機６で発生するトルクを次のよ
うにして制御する。

【００２１】まず、電流センサ２１ａ，２１ｂ，２１ｃ
から誘導電動機６の１次巻線に流れている電流ｉ_u′ ，
ｉ_v′ ，ｉ_w′ を検出し、該電流をｄ−ｑ軸座標変換
し、励磁電流Ｉ_m とトルク電流Ｉ_t′ を次式から求め
る。

【００２２】 Ｉ_m＝（２／３）^1/2・｛ｉ_u′・cos（θ_1*）＋ｉ_v′・cos（θ_1*−２π／３） ＋ｉ_w′・cos（θ_1*＋２π／３）｝ …（４） Ｉ_t′＝（２／３）^1/2・｛ｉ_u′・sin（θ_1*）＋ｉ_v′・sin（θ_1*−２π／３ ）＋ｉ_w′・sin（θ_1*＋２π／３）｝ …（５） τ＝ｍ・ｐ・｛ｌ_m′²／（ｌ_m′＋ｌ₂)｝・Ｉ_m・Ｉ_t …（６） 但し、ｍ：相数、ｐ：誘導電動機の極数、ｌ_m′，ｌ₂：
励磁及び２次漏れインダクタンス次に、誘導電動機６で
発生したトルクτが、トルク指令τ₂に一致するように
トルク指令の操作量τ_*が決定される。該操作量τ_*に基
づいて１次電流指令ｉ_u*′，ｉ_v*′，ｉ_w*′を演算す
る。

【００２３】先ず、２次磁束φ₂ を（７）式で求める。

【００２４】 φ₂＝ｌ_m′・Ｉ_m／（１＋Ｔ₂・ｓ） … （７） 但し、Ｔ₂ ：２次時定数、ｓ：ラプラス演算子 Ｉ_t*′＝τ／ｍ・ｐ・φ₂ … （８） ωｓ＝｛ｒ₂／（ｌ_m′＋ｌ₂）｝・Ｉ_t*′／Ｉ_m* … （９） 但し、ｒ₂ ：２次抵抗 Ｉ_m*：２次磁束設定値φ_2*に２次磁束φ₂ が一致するよ
うに決定される励磁電流指令 ψ＝ａｒｃtan（Ｉ_t*′／Ｉ_m*） … （１０） Ｉ_1*・Ｉ_1*＝Ｉ_t*′・Ｉ_t*′＋Ｉ_m*・Ｉ_m* … (１１） １次電流指令を、１次電流の振幅Ｉ_1*，位相ψ，角周波
数ω_1*を用いて表すと、（１２）式になる。

【００２５】 ｉ_u*′＝Ｉ_1*・cos（∫ω_1*・ｄｔ＋ψ) ｉ_v*′＝Ｉ_1*・cos（∫ω_1*・ｄｔ＋ψ−２π／３） … （１２） ｉ_w*′＝Ｉ_1*・cos（∫ω_1*・ｄｔ＋ψ＋２π／３） 次に、該１次電流指令ｉ_u*′，ｉ_v*′，ｉ_w*′に１次電
流ｉ_u′，ｉ_v′，ｉ_w′が一致するように１次電圧の基
準信号（図示なし）が求められ、該１次電圧の基準信号
と三角波（搬送波）比較によってＰＷＭ信号Ｐ_u′，
Ｐ_v′，Ｐ_w′を形成し、該信号を基に電力増幅器２０の
パワー素子のゲートに印加すべきゲート信号を作り、該
ゲート信号により該電力増幅器２０を制御する。

【００２６】２２，２３はヒューズ等の遮断機であり、
なんらかの異常で前輪駆動電動機に対する給電系統と後
輪駆動電動機に対する各給電系統のいずれか電力増幅器
８，２０のパワー素子が導通状態になって短絡ループが
形成されたとき、この短絡ループを遮断する。

【００２７】車両制御部１０によって、前輪２ａ，２
ｂ、後輪２ｃ，２ｄに必要とされるトルクτ₁，τ₂が求
められる。この前，後輪に配分されるトルクは、電気自
動車の走行状態によって決定される。以下その具体的な
手法について図に従って説明する。

【００２８】図２は駆動トルク分担の原理を説明したも
のである。前輪，後輪の車輪速及び車輪速差，加速度，
車体の傾斜角度、更に、駆動システムの内部状態特にバ
ッテリーの電圧，電流，電力増幅器（この場合、インバ
ータ動作）及び電動機の冷却状態（温度）から走行の状
態を把握する。ここで走行状態とは、登坂，降坂，加
速，減速（ブレーキ操作中），路面の状態（雪道，降
雨，悪路），前輪又は後輪が脱輪の状態，渋滞走行，高
速走行等の状態を云う。

【００２９】走行状態を上記の諸量から判定しこれに基
づいて、アクセルから発せられる駆動トルク指令を前輪
駆動電動機と後輪駆動電動機の各電動機で発生すべきト
ルク指令に分ける。

【００３０】異種の電動機の組み合わせをする基準とし
ては、異種の電動機を組み合わせることによって、広い
範囲に渡って電動機の相互の特性が補償され、従って、
駆動システム全体として性能，機能が向上するような観
点が望ましい。

【００３１】表１は、電動機の種類と特性の評価を示し
たものである。電気自動車の駆動システムに要求される
特性のうちで重要な項目としては，機械的強度，電動機
の効率、特にトルク発生効率，生産性と保守性等が挙げ
られる。ここで、機械的強度は、衝突及び高速駆動にお
ける安全性を評価する上で重要な項目であり，電動機の
トルク発生効率は、一充電当たりの走行距離を評価する
上で重要な項目である。

【００３２】

【表１】

【００３３】先ず、機械的強度について評価すると、回
転子の構造によって差異が生じる。打ち抜き鋼板で回転
子を実現できるリラクタンス形電動機（ＲＭ）は最も強
度があり、次いでロータバーを回転子に埋め込む誘導電
動機（ＩＭ），回転子の磁石を遠心力によって分解され
ることから保護するための回転子構造をもつ永久磁石形
同期電動機(ＳＭ)，整流子によって構造上の制約を受け
る直流電動機(ＤＣＭ)の順で機械的強度は下がる。

【００３４】効率の点で比較すると、磁束を形成する手
段（永久磁石）を持っているか否かによって効率に差が
でる。同期電動機，直流電動機等で永久磁石を有して磁
束を形成するものは、磁束を形成するのに励磁電流を流
す必要のある誘導電動機やリラクタンス形電動機に比べ
て効率はよい。同じ永久磁石をもつ電動機でも、ブラシ
の摺動損がない分、永久磁石形同期電動機のほうが効率
が良くなる。また、同じ誘導電動機でも極数が多い電動
機のほうが磁束密度が大きくなるため、トルク発生効率
が良くなる。リラクタンス形電動機は回転子の構造上、
誘導電動機より力率はよくなく、効率は悪い。

【００３５】生産性の点から比較すると、ロータの構造
が最も簡単なリラクタンス形電動機が最も良い。次い
で、誘導電動機，永久磁石形同期電動機，直流電動機の
順に生産性は下がる。

【００３６】ここでは、誘導電動機でも、かご形及び巻
線形の構造があり、これらは異種の電動機として扱うこ
とにする。また、同じ電動機でも１次巻線を多重にして
これらを端子に取り出せるようにした多重巻線構造の電
動機も異種の電動機とする。これらの構造上の特徴によ
って、走行時は、これらの１次巻線の端子から電源を取
り出すことができ、停止時は、該端子を通してバッテリ
ーに電力を供給すること等の新たな機能を駆動システム
に付加することができる。

【００３７】更に、同一車輪（前輪又は後輪）を駆動す
るのに、二つ以上の容量の違う電動機を組み合わせた場
合も異種の電動機の組み合わせとする。このような組み
合わせによって、駆動システムとして欲しいトルク特性
が自在に得られ、しかも、１台の電動機でトルク特性を
得る場合よりも、電動機の出力容量を下げることがで
き、駆動システムの車重を低減できる等の効果がでてく
る。

【００３８】以上の説明から分かるように、電動機の種
類によってその特性が変わる。そこで、これら電動機の
特性を相互補完できるように組み合わせると、所望の性
能を持った電気自動車に適した駆動システムが得られ
る。

【００３９】図３にトルク分担を求める一手法を示す。
この例では、前輪には効率の良い、容量の小さい電動
機、例えば永久磁石形同期電動機を配置し、後輪には前
輪の電動機よりも容量が大きく、基底速度が大きい（定
トルク領域が広い）電動機、例えば誘導電動機を配置す
る。永久磁石形同期電動機のトルク−回転数特性を図３
の(ａ)に示し、誘導電動機のトルク−回転数特性を
（ｂ）に示す。前輪の車輪速が同期電動機の基底速度よ
り低いときは、駆動トルクτを同期電動機にその電動機
の最大トルクτ_1maxまで負担させ、残りトルクτ₂ を後
輪の誘導電動機に負担させる。即ち、 τ＝τ₁＋τ₂ …（１３） ０≦τ₁≦τ_1max この思想は、効率の良い電動機に、最大限トルクを発生
させ、残りを他の電動機に負担させて、常に、駆動シス
テムを構成する電動機を効率の良いようにトルクを発生
させようとするものである。

【００４０】また、一般には、動作速度全範囲に渡っ
て、効率の良い電動機を得るのは難しいので、低い速度
で効率の良い電動機，高い速度で効率の良い電動機の組
み合わせによって、システム全体の効率を上げる。

【００４１】図３の（ｃ）は、図１の駆動システム、す
なわち、前輪には低速用電動機としての同期電動機、後
輪には高速用電動機として誘導電動機を具備した駆動シ
ステムに適した運転モードの一例を示す。この運転モー
ドは、三つのモード即ち、モード１、モード２、モード
３からなり、これらのモードに基づいて前輪の電動機と
後輪の電動機のトルクの発生分担を切り替える。

【００４２】モード１は前輪の電動機でトルクを全て分
担する場合、モード２は前輪の電動機と後輪の電動機の
双方の電動機によってトルクを発生する場合、モード３
は後輪の電動機でトルクを発生する場合をそれぞれ示
す。これらモードの切り替えの条件は、トルク指令τＲ
と電動機の速度によって行われ、次のようになる。

【００４３】1）モード１ ０≦ ωＭ ≦ ω0 かつ ０≦ τＲ ≦ τ1ｍ
ａｘ ω0 ：低速駆動用電動機の発生トルクが所定の値以下に
なる電動機の速度、通常は零になる速度 トルク指令τＲ= τ1 この場合、効率の良い前輪の電動機（これは、効率の良
い電動機を前輪に配置した場合であるが、後輪に配置す
ることも可能で、この場合、後輪の電動機になる）によ
って、必要なトルクを発生させる場合で、市街地での渋
滞時の走行に有効である。

【００４４】２）モード２は、 ０≦ ωＭ ≦ ω0 かつ τ1ｍａｘ ≦ τＲ
≦ τ2ｍａｘ トルク指令τＲ= τ1ｍａｘ +τ2 この場合、前輪の電動機が最大のトルクτ1ｍａｘを常
時発生させ、トルク指令にたいして不足分のトルクを後
輪が補うように発生する。この結果、効率のよい前輪の
電動機で最大限のトルクを発生させることがことができ
るので、このモードでもシステム全体の効率を向上させ
ることができる。

【００４５】３）モード３ ωＭ ＞ ω0 トルク指令τＲ= τ2 これは、後輪の電動機によってのみ、必要なトルクを発
生させる場合である。この場合、後輪の電動機は高速用
電動機として設計できるため、電動機の重量を低減で
き、車重が減少する結果システム全体の効率を向上させ
ることができる。

【００４６】図４は車輌制御部１０において、上述した
モード選択によるトルク指令τＲを得る方法をフローチ
ャートで示している。まず、車速を検出し（４０２）、
次に、アクセル開度を基にトルク指令τＲを演算する
（４０４）。そして、車速が所定の値ω0以上か否かを
判定する（４０６）。もし、車速がω0未満のときは、
トルク指令τＲと低速用電動機の最大トルクτ1ｍａｘ
との大小関係を比較する（４０８）。比較の結果もし、
小ならばモード１、大ならばモード２と判定し、それぞ
れの判定結果に基づいたトルクを発生する（４１０〜４
１４）。

【００４７】また、図５は、上述したモード選択を適用
した２種類の走行パターンを示している。走行パターン
Ａは、Ａ1までモード１、即ち、前輪の低速用電動機で
駆動し、その後、Ａ２まではモード２、即ち前輪と後輪
の電動機で駆動する。Ａ２以上の高速域では、モード３
に移行し、高速用電動機によってのみ駆動し、Ａ３から
は後輪の電動機で発生できる最大トルク（τ2ｍａｘ）
曲線に沿ってトルクを発生させて走行する。走行パター
ンＢは走行パターンＡよりも加速度が大きい場合であ
り、Ｂ１までモード１、Ｂ２までモード２で走行する。
Ｂ２で二つの電動機の最大トルク（τ1ｍａｘ +τ2ｍａ
ｘ）までトルク指令は増加し、Ｂ３からはモード３にな
り、後輪の高速用電動機で駆動される。

【００４８】図１の例は、誘導電動機と永久磁石形同期
電動機の組み合わせであり、全速度範囲に渡って効率よ
く、高速域まで駆動できる組み合わせである。即ち、永
久磁石形電動機を、低速で大きな一定トルク（定トルク
特性）、高速域で定出力特性をもつようにする。一方、
誘導電動機のトルク特性は、該同期電動機の定トルク特
性のトルクの値よりも大きく、該定トルクの範囲はより
高速域まで広がっているものとする。このようにするこ
とによって、二つの電動機の容量を小さくでき、しかも
低速では大きなトルクが得られる。同期電動機のトルク
が減少する領域（中速域）では、同期電動機のトルクが
減少した分が誘導電動機によって補償されるので、ほぼ
一定加速感が得られる。高速域では、誘導電動機の定出
力特性に従った加速性能が得られる。また、この駆動シ
ステムでは、永久磁石形同期電動機によって渋滞時や登
坂時等は励磁電流を流さずに走行できるのでバッテリー
の一充電走行距離を延ばすことができる。更に、降坂時
や減速時も該永久磁石形同期電動機によって回生制動を
行うようにすることによって、励磁電流を流さずに電気
ブレーキをかけることができ、しかも回生エネルギーは
バッテリーに戻すことができるため、全速度範囲にわた
って効率の良い駆動特性が得られる。

【００４９】この他の電動機の組み合わせとしては、表
１の電動機の特性を参考にすると、各種の組み合わせが
考えられる。例えば、極数の小さい誘導電動機と極数の
大きい誘導電動機，直流電動機と誘導電動機等の代表的
組み合わせが挙げられる。

【００５０】図６は、各異種モータの組み合わせにおけ
る各モードで発生すべきトルクを分担させる電動機を示
している。組み合わせの基準としては、低速用電動機は
二つの組み合わせの中で、より効率のよい電動機が選ば
れ、高速用電動機としては、より堅牢な電動機が選ばれ
る。異種電動機の組み合わせとして、二つの誘導電動機
が選ばれた場合は互いに極数の異なる電動機で構成され
る。極数の大きい電動機を低速用電動機として、極数の
より小さい電動機を高速用電動機として選ぶ。これは、
極数の大きい電動機はより効率のよい電動機が造れる
が、体格が大きくなって車重が増加するという問題を回
避するためである。つまり、一般に電動機の体格は基底
速度で発生させるトルクによって決まるため、その体格
を小さくするには基底速度を下げ、その速度におけるト
ルクもさげるようにする必要がある。このため、極数の
より大きい電動機を低速用電動機とした方がをシステム
全体の効率を上げるのに得策である。

【００５１】なお、この図６における低速用電動機とし
ての出力容量は、車重を低減するという観点から実用的
には高速用の電動機出力容量の１／２以下が望ましい。

【００５２】このような駆動システムで電動機の巻線を
多重構造にすると、各巻線の端子に発生する電圧を取り
出せるようにもできる。

【００５３】異種の電動機を組み合わせた駆動システム
の特長として、走行状態に応じて駆動トルクを異種の電
動機に分配できるため、これによって乗り心地，安全
性，効率の良い走行（航続距離）できる。そこで、次に
駆動トルクの分担法について説明する。

【００５４】低い速度で効率の良い電動機，高い速度で
効率の良い電動機の組み合わせによって、システム全体
の効率を上げるために、車輪速度によってトルク分担さ
せる電動機を切り替えるのも簡便な方法としては良い。

【００５５】しかし、実際には速度によって電動機の効
率が変わってくるし、例えば同期電動機の基底速度より
も前輪の車輪速度が越えた場合、界磁弱め制御によって
電動機の力率が悪くなるので、このように一義的にトル
ク分配を行うことが必ずシステム全体が最高効率になる
とは限らない。そこで、図８に示すように前輪駆動用電
動機と後輪駆動用電動機の速度とトルクに対応した効率
マップを予め用意して、図７に示す手順によって該マッ
プから駆動系全体が最高効率になるようにトルク配分を
決定することも考えられる。

【００５６】図１の実施例では、種類の異なるの電動機
を前輪と後輪のそれぞれに配置する構成を示したが、異
種の電動機を前輪或いは後輪の何れか一方に寄せて配置
することも考えられる。この場合も、異種の電動機の組
み合わせは上述したように互いに特性を補償するように
決めればよい。

【００５７】効率だけを問題にする場合には、常に効率
のよい電動機を使って走行する上述の手法でトルクを発
生させればよい。しかし、走行状態や駆動系の状態によ
っては、安全走行や乗り心地等優先する場合もある。こ
のような場合、前輪や後輪のみで駆動するのは得策でな
い。

【００５８】図４，図５の例において、モード１では、
低速用電動機のみで必要とされるトルクを発生する。こ
れに代わる方法として図９に示すように、トルク指令τ
Ｒに対応したトルク発生分担率αを求め、トルクτ₁、
τ₂を前輪と後輪それぞれ分けて発生させることも可能
である。前述のモード２と同様に、前輪と後輪の電動機
によって、トルク指令τＲに対応したトルクを発生す
る。この場合前輪と後輪の電動機で発生させるトルクの
分担する割合を如何にするかが重要になる。

【００５９】図１０は上記トルク発生分担率αを決め、
前輪と後輪にトルクを分担させ、乗り心地、ぬかるみや
雪道等での安全走行等確保する方法を示したものであ
る。最初に、車速、アクセル開度を検出し、それから走
行状態、駆動系の状態を検出する。ここでの走行状態
は、減速度、加速度、路面の摩擦、登坂及び降坂傾斜
角、操舵角、ブレーキ踏み込み量を考慮して検出する。
また、駆動系の状態は、バッテリーの残存量、過電圧値
及び過放電量、モータ及びインバータの温度、過電流の
状況をもとに判断される。

【００６０】以下、図１０に従って具体的に説明する。
先ず、アクセル開度を求め（１０２）、これを基に現在
必要とされるトルク指令τＲを求める（１０４）。次
に、車速が所定の値以上（一般に、低速用電動機での発
生トルクが零となる速度）であるか否かを決定する（１
０６）。所定の値未満の場合は修正モード２に移り、低
速用電動機でのトルク発生分担率αを、予め速度の関数
としてテーブル化されているメモリーから読み込んで決
定する（１０８）。

【００６１】ここで、トルク発生分担率αは、走行状
態、駆動系の状態が標準の状態にある時の値で、走行状
態を表す指標である走行状態係数λ1、駆動状態を表す
指標である駆動状態の係数λ2をもとに補正される。こ
こで、λ1、λ2は各状態の変動量に対応して予め決定し
ておくようにする。この量は各状態量に対して非線形に
なり、乗り心地にも影響するため、容易に補正できるよ
うに、テーブル化しておくのがよい。

【００６２】さらに、次式より、トルク発生分担率αの
補正量βを求め、低速用電動機及び高速用電動機のトル
ク指令τ1、τ2を求める（１１０）。

【００６３】 β=λ1・λ1・α τ1 =β・τ1ｍａｘ τ2 =τＲ - τ1 ステップ１０６で、所定の値以上の場合は修正モード３
と判定し、高速用電動機のみでトルクを発生させる（１
１２）。

【００６４】図１１は、永久磁石形同期電動機５と誘導
電動機６の二つの電動機を前輪に配置し、該電動機の回
転子を同軸に直結して、駆動力を得るようにしたもので
ある。各電動機を制御する方式は図１の実施例で示した
方法と同様である。尚、この組み合わせの電動機を後輪
側に配置してもその駆動源としては同様である。

【００６５】同様に効率のよい駆動システムが得られる
ようにするために、図１の永久磁石形同期電動機を極数
の大きな誘導電動機，後輪駆動用の誘導電動機は極数の
小さな誘導電動機にそれぞれ置き換えても良い。車重を
できるだけ下げるようにするために、極数の大きな誘導
電動機の容量は後輪駆動用の誘導電動機の容量よりも小
さくし、前輪側の誘導電動機の基底速度は誘導電動機の
基底速度より下げる。これにより、低速域側において後
輪駆動用の誘導電動機から定トルク特性が得られるよう
になり、渋滞時などの低速走行、換言すると駆動力が余
り必要ないとき、は前輪側の誘導電動機から発生するト
ルクによって駆動力を賄うことができる。仮に、前輪側
の誘導電動機で発生するトルク以上の駆動トルクが必要
とされる場合は、後輪駆動用の誘導電動機から必要とさ
れるトルクを補給することになる。

【００６６】図１の駆動システムは省エネルギー走行が
可能なシステムを提供できるのに対して、この例の駆動
システムは全て誘導電動機で構成されているため、高速
駆動が可能で堅牢かつ経済的な駆動システムが実現でき
ると云う特徴がある。

【００６７】次に、図１２の例は、図１の実施例と同じ
種類の電動機を用いて駆動系を構成したものである。こ
の実施例は、電力を供給するバッテリーの構成を２系統
とした点が図１の実施例と異なる。トルク発生効率の良
い電動機、例えば永久磁石形同期電動機を駆動するため
のバッテリーとしては高エネルギー密度のバッテリーが
配置され、出力の大きな電動機を駆動するためのバッテ
リーとして高出力密度のバッテリーを配置する。鉛バッ
テリーに対してニッケル−カドミニューム，ニッケル−
水素，ニッケル−亜鉛はエネルギー密度が高い。更に、
エネルギー密度が高いバッテリーとしてはナトリウム−
硫黄，リチウムの各バッテリーがある。この中から、実
用的に利用可能な範囲で、高出力密度バッテリー，高エ
ネルギー密度バッテリーの組み合わせを決定すればよ
い。

【００６８】前輪と後輪或いは何れか一方に複数の異な
る種類の電動機を配置する方法としては他にも考えられ
る。例えば、直流電動機を前輪の駆動用電動機とし、後
輪を誘導電動機で駆動する方法が考えられる。この場
合、直流電動機のトルクτ_DCは次の（１４）式に基づい
て制御される。

【００６９】 τ_DC＝Ｋ_t・φ・Ｉ_a …（１４） 但し、Ｋ ：トルク常数、φ：磁束、Ｉ_a ：電機子電流 この直流電動機は磁束φを形成する界磁巻線の方法によ
って、直巻形，分巻形，複巻形直流電動機に分けられ
る。何れにしても、チョッパー方式やブリッジ方式の電
力増幅器を使って、電動機の磁束或いは電機子電流を制
御することによって電動機で発生するトルクを制御する
ことになるが、その手法は従来から知られているので省
略する。

【００７０】また、図１２の例のように電気的に絶縁し
て、バッテリーから電力を供給するようにすると、図１
で示した駆動システムの特長に加えて、故障時も走行で
きる駆動システムが得られる。すなわち、図１２の例で
は、バッテリーは７ａ，７ｂに示すように、互いに電気
的に絶縁するように配置される。このように互いに絶縁
しないと、各バッテリーから電力増幅器８，２０にエネ
ルギーを供給するシステムで該電力変換器に故障が発生
すると、該電力増幅器を構成しているパワー素子が導通
状態になって短絡ループが形成される。この結果、短絡
ループにのみバッテリーのパワーが流れ込むことになる
ため、正常な駆動系（電力増幅器と電動機）にはパワー
は入力されなくなり電動機を駆動できなくなる。この場
合も図１の場合と同様バッテリ−７ａと電力増幅器８と
の間或いはバッテリ−７ｂと電力増幅器２０との間でパ
ワ−素子の故障によって短絡ル−プが形成される可能性
がある。そこで、バッテリ−７ａと電力増幅器８との間
或いはバッテリ−７ｂと電力増幅器２０との間でも遮断
器２２ａ、２３ａを設ける必要がある。

【００７１】更に、電力増幅器８及び２０と電動機５及
び６との間で短絡ループによって生じた過渡的ブレーキ
トルクが駆動輪２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ側に伝わらない
ように、電動機５及び６との駆動力を伝達するデファレ
ンシャルギア３及び４に、前記ブレーキトルクが発生し
たら、ニュートラルにする、すなわち駆動力が伝わらな
い機構を付加することも必要である。

【００７２】以上述べた機構を付加することによって駆
動系に異常（故障）が発生しても、正常な駆動系に影響
を及ぼすことはなくなるので、正常な駆動系を使って継
続して運転をすることができる。

【００７３】この他、バッテリーが２系統有る場合に
は、両者の残存容量によってもトルク分配を変えると、
航続距離を延ばすことができる。図１３は、その手法を
示したものである。ここで、残存容量は満充電の電気エ
ネルギー（Ｗｈ）から放電した電気エネルギー（Ｗｈ）
を差し引いた値と満充電の電気エネルギー（Ｗｈ）との
比で表している。ここでは、バッテリー１とバッテリー
２の残存容量が均等に減少していくように、残存容量に
比例させて駆動トルクを前輪駆動用電動機及び後輪駆動
用電動機に分配するようにしたものである。これによっ
て、二つのバッテリーのエネルギーが常に均等に消費さ
れることになるため、航続距離を延ばすことができる。

【００７４】図１４は、誘導電動機６と多重巻線構造の
永久磁石形同期電動機５の実施例を示したものである。
バッテリー７ａには電力増幅器２０ａ及び８ａが接続さ
れ、該電力増幅器２０ａ，８ａにはそれぞれに誘導電動
機６，多重巻線構造の永久磁石形同期電動機５の複数の
１次巻線のうち各相に接続され、バッテリー７ａの直流
電源を交流電源に変換して該電動機６及び５を駆動す
る。なお、この電動機の制御回路は、図１に示したもの
でよいので説明は省略する。同期電動機５の残りの１次
巻線には電気自動車の補助装置、例えば車内用のファン
駆動用電動機５０や空調器（図示ぜず）等の駆動用源
に、或いは照明や制御回路を動作させる補助バッテリー
６０に接続して、付加電源として利用する。なお、駆動
用源として、可変周波数の電源が必要なときは、整流器
−インバータの構成を付加する。また、補助バッテリー
６０を直流電源として利用する場合には、整流器，コン
バータで構成される電力増幅器６０ａを付加する。

【００７５】この駆動システムは、高速域では誘導電動
機６から発生するトルクによって電気自動車を駆動し、
該電動機６が減速すると、余剰の回転エネルギーは電力
増幅器２０ａ，８ａを経由して、メインのバッテリー７
ａに戻すことができると共に、同期電動機５の多重巻線
に接続された補助装置，補助電源にもどすことができ
る。つまり、電動機６及び５で発生した回生時の余剰エ
ネルギーを分散できるため、メインバッテリーが満充電
の状態にあり、該バッテリーに該余剰エネルギーを戻せ
ないような場合でも、他の装置を負荷として処理する。
この場合は装置にとっては電源として利用することがで
き、これによって一定の電気ブレーキ性能を確保するこ
とができる。また、補助電源がダウンしそうな場合で
も、電動機３から取り出されるエネルギーを積極的に利
用して補充電することもできる。このため、駆動システ
ムの全体としてのエネルギーの利用効率が向上すると同
時に、安全性，信頼性もよくなる。

【００７６】この他、異種の電動機として多重巻線構造
の電動機例えば、誘導電動機や同期電動機、を利用した
場合のそのほかの機能として、メインバッテリー７ａの
車載用充電器としての機能も持たせることができる。図
１５はその原理を説明するための図を示したものであ
る。電力増幅器２０ａによって誘導電動機６の回転速度
を商用電源（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）で駆動した場合の
同期速度まであげ、同期電動機５を駆動する。

【００７７】この結果、該同期電動機５には該同期速度
に比例した誘起電圧が発生する。この場合、バッテリー
７ａのエネルギーはのルートを通って流れる。この状
態で、該誘起電圧の位相と商用電源の位相とが一致する
ように、誘導電動機の速度すなわち電力増幅器２０ａの
周波数指令を制御する。そして、該誘起電圧の位相が商
用電源の位相に一致した時点でスイッチ１０Ｓを投入し
て、同期電動機５の１次巻線に商用電源を印加する。同
期電動機５の磁極位置検出器５ａから得られた位置検出
信号を使って１次電流指令信号を形成し、該電流指令信
号により、整流器，インバータからなる電力増幅器８ｂ
を制御して、同期電動機５を駆動する。

【００７８】この結果、同期電動機５は電動機となり、
誘導電動機６は発電機となる。ここで、電力増幅器２０
ａをコンバータとして動作させる。即ち、該誘導電動機
６の１次巻線に発生した誘起電圧（交流）を直流電圧に
変換して、ルートの経路で誘導電動機６で発生した回
転エネルギーをバッテリー７ａに戻して該バッテリー７
ａを充電する。

【００７９】このシステムは商用電源と二つの電動機
（回転トランスとして働く）によって絶縁されることに
なり、安全の面でも効果がある。

【００８０】また、図１５の例とは反対に、商用電源
で、誘導電動機を駆動することも考えられる。この場
合、誘導電動機の１次巻線に商用電源に接続して、該誘
導電動機の回転子が直結されている同期電動機の回転子
を駆動して該同期電動機の１次巻線に発生する誘起電圧
を電力増幅器をコンバータ動作させてバッテリー７ａに
回転エネルギーを回生する方法も考えられる。また、誘
導電動機６を多重巻線構造にして、１次巻線の一組（三
相分）を商用電源に接続し、残りの巻線のうちの三相を
構成する１次巻線の一組を電力増幅器２０ａに接続し、
該１次巻線に発生した交流の誘起電圧を直流電圧に変換
し誘導電動機８の回転エネルギーをバッテリー７ａに戻
して充電する方法も考えられる。後者の二つの方法は、
何れも、誘導電動機を商用電源で駆動する構成のため、
始動時該商用電源の位相と回転子の回転角と同期させる
必要がないので、充電制御が簡単に行えると云う特徴が
ある。

【００８１】図１５の駆動システムでは、電動機を回転
させることによって、１次巻線に誘起電圧を発生させ
て、該誘起電圧を電力増幅器（この場合の電力変換器は
コンバータとして作動）によって直流電圧に変換してバ
ッテリー７ａを充電する構成をとっている。このため、
充電時には電動機が回転することになるため、充電モー
ドが選択されたら、電動機の回転が車輪に伝達されない
ように、車輪と電動機と切り離す機構４Ａを付加する必
要がある。

【００８２】また、回転させないで、商用電源との間の
絶縁をとって充電する方式としては、異種の電動機の組
み合わせの一つに、巻線形の誘導電動機或いはリラクタ
ンス形の同期電動機を利用する方法が考えられる。巻線
形の誘導電動機を用いる場合は、駆動時にあっては、２
次回路、即ち、回転子に発生する誘起電圧を他の補助装
置の電源として利用する。この誘起電圧の大きさは励磁
電流と１次周波数の積に比例するため、両者の何れか変
えれば良い。この場合、１次周波数は車両の速度に関係
するため、通常補助装置のためには変更できない。そこ
で、電力変換器の出力電圧を調整して励磁電流を制御す
る。充電時は、Ｕ相に商用電源(単相)を加えて、２次側
の対応する相から絶縁された商用電圧を取り出せば良
い。

【００８３】リラクタンス形電動機を利用した場合は、
駆動時には電源を取り出すことができない。停止してい
るときの充電時には、Ｕ，Ｖの各相に商用電源（単相）
を加えて、Ｗ相から絶縁された交流電流を取り出すこと
ができる。この場合、同期電動機のため、該商用電源を
加えても始動しない。この他、電動機フレームを磁気回
路になるトランスを構成してもよい。

【００８４】以上は、異種の電動機を二つ使用した場合
であるが、三つ以上同様の電動機を使っても特長のある
駆動システムが構成できる。図１６は、三つの誘導電動
機で前輪２ａ，２ｂを駆動するようにしたものである。
実際には図１に示すようにデファレンシャルギアは必要
であるが、簡単にするため省略して記載してある。

【００８５】図１７に示すように、基底速度Ｎ_B1，
Ｎ_B2，Ｎ_B3の選び方によって電動機の出力容量を一定に
なるようにトルク特性を決めたり、変速ギアを用いなく
ても、目的に合わせて種々のトルク特性を決めることが
できる。このことにより、低速駆動に強い駆動システ
ム，高速駆動に強い駆動システムなど用途に合わせた駆
動システムを構成すことができる。

【００８６】また、図１６に示すように、電力増幅器１
０ｂ，１０ｃ，１０ｄ毎に、電動機１，２，３の容量に
合わせて異種のバッテリー（７ｂ，７ｃ，７ｄ）を選定
することも可能になる。この場合、電動機１，電動機２
及び電動機３のバッテリーとしてはそれぞれ低圧高出
力，中圧中出力，高圧低出力のバッテリーにすれば良
い。 本実施例によれば異種の電動機の組み合わせによ
り電動機相互でその特性を補償することができるため、
加速，減速，登坂，降坂等走行状態が各種変化しても、
常に、車両としての性能を最大限に引き出せるようにな
る。また、ある駆動系（電動機＋電力増幅器）に故障が
生じても、他の正常な駆動系に運転を継続することがで
きるため、走行時の安全性が確保される。前輪，後輪に
対する制動力も走行状態に応じて可変にできるため、常
に安定した電気ブレーキを実現でき、同時に、余剰エネ
ルギーも効率よく回収することができるため、バッテリ
ーの一充電走行距離をのばすことができる。更に、走行
時には、電動機で発生した交流の誘起電圧も取り出すこ
とも可能になり、当該交流電圧をエアコンや補助バッテ
リー等の付属装置の電源として利用することもできる。
そして、停止時には商用電源を絶縁した状態でバッテリ
ーを充電することもでき、多機能な駆動システムが実現
でき、使途に合わせた最適駆動システムが実現できる。

【００８７】

【発明の効果】本発明によれば、異種の電動機を複数種
類用いて前輪或いは後輪、或いは前輪と後輪に配置し
て、電気自動車に必要とされる駆動トルクを前記複数の
電動機が分担する割合を、複数のバッテリーの残存容量
に応じて決定し、この割合に基づいて各々電動機でトル
クを発生するようにすることにより始動から最高速度に
至るまで効率よくトルクを発生して、航続距離と走行性
能を向上させることができる電気自動車の駆動システム
が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における電気自動車の駆動シス
テムの駆動回路図。

【図２】同本発明の駆動シテムにおける、前輪と後輪と
の間のトルク分担法の原理図。

【図３】(ａ)，(ｂ)，(ｃ)はそれぞれ駆動トルクの分担
法を示す曲線図。

【図４】本発明による異種電動機を組み合わせたときの
トルク分担法の手法を示すフローチャート。

【図５】図４のトルク分担法を適用した走行パターンの
例を示す図。

【図６】異種電動機を組合せ、そのトルクを各電動機に
配分する例を示す図。

【図７】図６のトルク配分法の処理フローチャート。

【図８】本発明の他の実施例における駆動効率マツプを
示す図。

【図９】本発明の他の実施例になるトルク発生分担率に
よる前輪と後輪との間のトルク分担法の説明図。

【図１０】図９の実施例におけるトルク発生分担率処理
フローチャート。

【図１１】本発明の他の実施例における電気自動車の駆
動システムの駆動回路図。

【図１２】本発明の他のの実施例における電気自動車の
駆動システムの駆動回路図。

【図１３】そのトルク分担の原理を実現するための具体
的な手法を示す。

【図１４】本発明の実施例における駆動シテムの補助装
置の電源供給回路図。

【図１５】本発明の実施例における駆動システムのバッ
テリー充電回路図。

【図１６】さらに他の実施例における電動機配分図。

【図１７】２台以上の異種の電動機を用いた場合の駆動
システム及び各電動機の速度−トルク特性の１例を示す
図。

【符号の説明】

１…車体、２ａ、２ｂ…前輪、２ｃ、２ｄ…後輪、５…
永久磁石形同期電動機、６…誘導電動機、９…コントロ
−ラ、１０…車両制御部、１１…同期電動機トルク制御
部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田島 文男 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 大前 力 茨城県日立市大みか町七丁目１番１号 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (56)参考文献 特開 昭50−64911（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−76106（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−133007（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−152233（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−145810（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−83309（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B60L 1/00 - 3/12 B60L 7/00 - 13/00 B60L 15/00 - 15/42

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】車載バッテリーの直流電力を増幅して複数
   の電動機に供給し、該複数の電動機の回転出力により車
   輪を駆動することにより車両を推進する電気自動車の駆
   動システムにおいて、前記バッテリーは、複数のバッテリーからなり、 前記複数の電動機は少なくとも２種類の異なる電動機か
   らなり、 前記各電動機が分担する前記車両の推進力を該車両の走
   行状態に応じて調整する制御手段を備え、 該制御手段は、前記各バッテリーの残存容量を検出する
   手段と、前記電気自動車に必要とされる駆動トルクを前
   記複数の電動機が分担する割合を前記各バッテリーの残
   存容量に応じて決定するトルク分配制御手段とを有する
   ことを特徴とする電気自動車の駆動システム。
2. 【請求項２】請求項１に記載の電気自動車の駆動システ
   ムにおいて、前記複数の電動機は運転−トルク特性の異
   なる少なくとも２種類の電動機から構成されていること
   を特徴とする電気自動車の駆動システム。
3. 【請求項３】請求項１に記載の電気自動車の駆動システ
   ムにおいて、前記複数の電動機は電磁気的構成が同一で
   かつ容量の異なる少なくとも２種類の電動機から構成さ
   れていることを特徴とする電気自動車の駆動システム。