JP3200901B2 - 電気自動車の駆動装置 - Google Patents
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Description
構成する駆動装置の構成と制御に関する。
公害車として、ガソリン自動車に変わる有用な交通手段
として提供されている。
遜色無いものになってきているが、しかし、一充電走行
距離が短いという大きな課題を持っている。そのために
は、エネルギーを供給するバッテリーのエネルギー密度
の向上もさることながら、車輪駆動装置の各要素の効率
向上が不可欠である。
ンバータ,電動機,変速機そして車輪で構成される。イ
ンバータは高速スイッチング素子(パワー・トランジス
タ、IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor な
ど)で構成したブリッジ形PWM(Pulse Width Modula
tion)インバータ,電動機はインバータによるベクトル
制御される誘導電動機あるいは永久磁石を用いた同期電
動機,変速機は3段程度の有段の手段あるいは固定の変
速機を使用している。
を実施例とする特開平3−128789 号は変速機の変速手段
として自動遠心クラッチを用い、実開平3−91001号は電
動機の負荷電流が限界値もしくは基準値をもとに無段変
速機を可変している。前後はメカ・クラッチ、後者は電
動機回転数の偏差をもとに変速比を可変していることか
ら、車両の速応性は得られない。また、後者は高効率運
転について考慮されていない。
自動車の駆動装置において高効率でかつ速応性に富み、
さらに収納効率のいい電気自動車の駆動装置を提供する
ことを目的とするものである。
ータ駆動される電動機と、自動変速が可能であると共に
電動機の出力を可変して車輪に伝える有段或いは無段の
変速機と、変速機の変速比を算出する演算手段と、算出
された変速比に基づいて変速機の変速比を制御する手段
と、アクセルの踏込み量から得られた目標車輪回転数と
車輪の回転数に基づいて車輪の回転数を制御する手段
と、車輪回転数制御手段の出力、及びインバータと電動
機の組み合わせた効率特性の高効率点から得られたパタ
ーンに基づいて目標電動機回転数を発生するパターン発
生手段と、パターン発生手段の出力と電動機の回転数に
基づいて電動機の回転数を制御する手段とを備え、目標
車輪回転数と目標電動機回転数に基づいて変速機の変速
比を算出することにある。
変速比が1個の変速機の可変変速比外の場合は、固定変
速機と有段あるいは無段変速機、もしくは有段あるいは
無段変速機を多段に接続を特徴とするものである。
近くに設置して電動機の冷却媒体を共通に使用すること
を特徴にするものである。
の踏み込み量からの目標車輪回転数と検出した車輪回転
数をもとに車輪回転数制御手段により車輪の制御を行
い、その出力信号を入力としてインバータと電動機の最
大効率をパターンとするパターン発生手段から目標電動
機回転数を得て、電動機回転数制御手段で検出された電
動機回転数からインバータにより電動機のトルクを調整
して電動機を制御して、変速機を介して車輪を駆動す
る。一方、変速機は上述の目標車輪回転数と目標電動機
回転数をもとに演算手段により変速比を算出し、変速比
制御手段で無段変速機の制御して、電動機の出力を変速
機を介して車輪に伝達して電気自動車を駆動するので、
アクセルの変動にたいして前向きに変速比を可変するの
で、高効率でかつ速応性に富んだ運転が可能で、一充電
距離を延長させることができる。また、上述の駆動装置
において、車輪回転数制御手段の回転数制御定数を調整
することにより、高効率状態で加速,減速特性を調整す
ることができるので、運転者に合った加減速特性を持っ
た電気自動車が実現できる。
変変速比外の場合、固定と有段あるいは無段変速機、も
しくは有段あるいは無段変速機を多段に接触することに
より、高効率でかつ速応性に富んだ運転が可能で、一充
電距離を延長させることができる。
くは近くに設置して、冷却媒体を共通に使用することに
より装置の収納効率を向上することができる。
る。
能ブロック図である。図1において、10は運転者が操
作するアクセル、20は加算、21は演算手段で20,
21で車輪回転数制御手段を構成し、30はパターン発
生手段、40は加算、41は演算手段で、40,41は
電動機回転数制御手段を構成し、50は電動機の電源と
なるバッテリー、60は50の直流電圧をPWM(Puls
e Width Modulaion )制御して正弦波の交流電圧を変換
するインバータ、70は電動機、71は70に直結して
70の回転数を検出する回転数センサ(例えば、パルス
エンコーダ)、80は無段変速機、81は80に直結し
て車輪の回転数を検出する回転センサ、90は80の変
速比を算出する演算手段、91は80を調整する変速比
制御手段そして100は70,80により駆動される電
気自動車の車輪である。
機(誘導機と同期機)であり、交流電動機が多く使われ
ている。また、インバータ70は電動機によって主回路
構成が異なり、直流電動機ではチョッパ制御,交流電動
機では上述したインバータが多く使われている。電動機
の制御は直流電動機のようにトルク成分と磁束成分が別
個に制御できる交流電動機によるベクトル制御が多く使
われている。本発明では誘導電動機を用いて説明する。
きる変速機として、遊星歯車などの有段変速機、図2に
示すCVT(Continuously Variable Transmission)と
も呼ばれる無段変速機がある。本発明では変速機とし
て、無段変速機を例に説明する。
機70に接続された入力側のドライブプーリ81,車輪
100に接続する出力側のドライブプーリ83,81と
83間にかけられたベルト85(Vベルトなど)、81
や83の可動側プーリを駆動するプーリ駆動部82,8
4で構成されている。プーリ駆動部82,84は両方と
も油圧駆動もしくは油圧とバネ駆動でベルト85を一定
のテンションに制御して伝達効率を上げている。
電動機回転数…(1) 変速比が大あるいは小の場合のベルトの様子も図示し
た。したがって、変速比制御手段91により、プーリ駆
動部82,84を調整することで電動機70と車輪10
0の変速比を連続的に制御することができる。
などを含めて本発明の動作を説明する。図3にインバー
タ60と電動機70を組み合わせた電動機トルクと回転
数の特性を示す。点線は等効率曲線である。60,70
の組合わせ効率(以下単に効率と呼ぶ)は電動機回転数
M4からM8付近でトルクが大きくなるにつれて最大効
率点を通過するという特性を示す。この特性は図4に示
す電動機単体のトルク、効率特性における(a),
(b),(c)が図3のそれに対応し、停動トルクを発
生するすべりST以降トルクが単調減少する間に効率が
変曲点をもつためである。そのほかに、インバータ60
のパワー素子のスイッチング損失などが効率に係る。こ
の等効率曲線から、太線のような各電動機回転数におけ
る最大効率曲線が得られる。
0,車輪100で構成される駆動装置を電動機トルクあ
るいは車輪軸トルクではなく、図1に示すように変速比
などで左右されない各パワーPM,PVを用いて説明す
る。
90%以上と考え無視して説明する。(2)から(4)
式におけるωmは電動機70の角速度(2πM/60,
Mは回転数)、ωvは車輪100の角速度(2πV/6
0,Vは回転数)、TM,TVは電動機70,車輪10
0の各トルクである。
を最大パワーPM10として(2)式をもとに、効率を
パラメータとして得た電動機70のパワーPM(以下、
単にPMと呼ぶ)の特性から、図5の太線ような電動機
パワーに対する電動機回転数の最大効率曲線が得られ
る。パターン発生手段30にこの最大効率曲線を予め持
たせ、目標とする電動機パワーPMが車輪回転数制御2
1より出力されると最大効率曲線から目標とする電動機
回転数Mを出力する。
メータに車輪回転数に対する必要な車輪100軸トルク
(点線)の特性から、図7のような車輪軸パワーPV
(実線、以下単にPVと呼ぶ)の特性が得られる。
らのCVT80の変速特性を示す。なお、車輪100の
回転数は車速に相当する。
面状況と希望車速からアクセル10を駆動して、図7の
(n)時点すなわち車輪回転数V(n),PV(n)で運転
されていると仮定する。その時点の電動機70とCVT
80は図5,図6の(n)時点で運転される。すなわちパ
ターン発生手段30は、図5の電動機パワーPM(n)と
車輪軸パワーPV(n)が等しい時点の目標回転数M
(n)を出力し、電動機70はその回転数で駆動する。
また、CVT80は図6のようにアクセル10の目標車
輪回転数V(n)とパターン発生手段30の目標電動機回
転数M(n)から、演算手段90,制御手段91を介して
得た変速比i(n)で動作する。
ータ60,電動機70そして回転数センサ71で構成さ
れる電動機回転数制御系は、車輪の回転数センサ81を
帰還信号とする車輪回転数制御系より速応性がある。そ
こで、パターン発生手段30と電動機回転数制御系すな
わちパターン発生手段30からCVT80の入力まで
は、一種の電動機のパワー発生制御手段として動作す
る。
段21が図8に示す比例積分補償(PI補償)制御演算
を行う場合を例に説明する。211は比例補償演算手段
で、Kpは比例補償定数、212は積分補償演算手段
で、sは演算子、Tvは積分時定数、213は加算手段
である。
運転中に、同一路面条件および勾配の(n+m)時点す
なわち目標車輪回転数がV(n+m)(=V8)、必要
な車輪軸パワーがPv(n+m)に加速運転するため
に、運転者がアクセル10を踏み込んだ場合を考える。
図1の(n)時点では比例補償演算手段211の出力は
零である。なぜなら、積分補償演算手段213の効果に
より、目標車輪回転数と実車輪回転数が等しく制御され
るからである。
1)時点の演算手段21の出力は PM(n+1)=Kp(Vref(n+1)−V(n))+PM(n)=PM10 …(5) (5)式の演算により、PM(n)から比例補償定数K
pの効果でPM(n+1)(=PM10)となる。
30は図5に示すように目標とする電動機回転数をM
(n+1)を出力し、電動機70は速応性良くこの回転
数で動作するように制御される。CVT80は Vref(n+1)=V(n+m)=V8 …(6) (6)式の目標車輪回転数Vref と目標電動機回転数M
(n+1)をもとに演算手段90で得た図6のような変
速比i(n+1)に設定される。このような状態で、図
7に示すようにV(n)時点でPV(n+1)とPV
(n)の差の余裕車輪軸パワーで加速する。
目標値Vref(n+m)(=V8)になるように、図5から
図7に示す矢印の方向に各値は動作する。その場合の電
動機は図5に示す最大効率曲線に沿った回転数で運転さ
れる。そして、車輪回転数が目標値に達したとき、車輪
回転数制御手段の演算手段21は積分演算手段212の
動作により、図5に示す電動機パワーPM(n+m)(=
PM6)を出力し、パターン発生手段30は目標とする
電動機回転数M(n+m)を出力する。その結果、車輪
100は図6の変速比i(n+m)、図7の目標とする
車輪軸回転数V(n+m)(=V8)で駆動される。図5
の特性では、(n+m)時点が最高効率時点である。
回転数と目標電動機回転数から、前向きにCVT80の
変速比を可変しているので、速応性に富んだ車輪回転数
制御が実現できる。
ら(n+1)時点への移行量は演算手段21の比例補償
定数Kpに依存するなど、目標とする車輪回転数への過
渡特性はこれら比例補償定数Kp,積分時定数Tvの制
御定数を可変することにより調整できる。たとえば、図
5において(5)式のKpよりも小さくした場合、(n
+1)時点の電動機パワーはPM10よりも小さく、図
7の車輪軸パワーPV(n+1)とPV(n)の差の余
裕車輪軸パワーが小さい状態で加速することになる。
償制御演算を行うものについて説明したが、過渡特性の
調整にさらに微分補償も加えた比例積分微分補償(PI
D補償)制御演算を行うこともある。
過渡特性についても同様である。
最小と最大の比は現時点で5倍程度である。そこで、演
算手段90により得られた変速比が1個の無断変速機だ
けでは不足する場合は、図9に示す無段変速機801,
802を接続するような多段構成が必要である。また、
最小あるいは最大変速比が予め分かった場合は、図10
に示す801の代わりに固定変速機803を用いる。
どの侵入を防ぐために密閉構造が取られ、図11に示す
熱に対する冷却装置110とその配管111が設けられ
ている。CVT80も変速比を連続的にベルトルなどを
用いて摩擦などで可変する機構なので、プーリなどの冷
却が必要でなる。そこで、図11のように電動機70と
CVT80を一体構造もとくは近くに設置して冷却装置
110を共用する。
動装置によれば、アクセルの踏み込み量に関連する目標
車輪回転数と、インバータと電動機の最大効率曲線から
得た目標電動機回転数をもとに変速比を算出することに
より前向きに変速比を可変するので、高効率でかつ速応
性に富んだ運転が可能で、一充電距離を延長させること
ができる。
数制御手段の回転数制御演算における制御定数を調整す
ることにより、高効率状態で加速,減速特性を調整する
ことができるので、運転者に合った加減速特性の電気自
動車が実現できる。
変変速比外の場合、固定と無段変速機もしくは無段変速
機を多段に接続して用いることにより、高効率でかつ速
応性に富んだ運転が可能で、一充電距離を延長させるこ
とができる。
て、冷却媒体を共通に使用することにより装置の収納効
率を向上することができる。
ク図。
ータとするトルクと回転数の特性図。
電動機パワーの最大効率曲線図。
数)と出力側(車輪回転数)の変速比を示す図。
と回転数で示した図。
図。
を説明するためのCVTの構成図。
同様多段接続例を説明するためのCVTの構成図。
明するための図。
手段、40,41…電動機回転数制御手段、60…イン
バータ、70…電動機、80…無段変速機CVT、90,
91…変速比の演算手段とその制御手段、100…車
輪。
Claims (4)
- 【請求項1】インバータ駆動される電動機と、自動変速
が可能であると共に該電動機の出力を可変して車輪に伝
える有段或いは無段の変速機と、該変速機の変速比を算
出する演算手段と、算出された前記変速比に基づいて前
記変速機の変速比を制御する手段と、アクセルの踏込み
量から得られた目標車輪回転数と前記車輪の回転数に基
づいて前記車輪の回転数を制御する手段と、該車輪回転
数制御手段の出力、及び前記インバータと前記電動機の
組み合わせた効率特性の高効率点から得られたパターン
に基づいて目標電動機回転数を発生するパターン発生手
段と、該パターン発生手段の出力と前記電動機の回転数
に基づいて前記電動機の回転数を制御する手段とを備
え、前記目標車輪回転数と前記目標電動機回転数に基づ
いて前記変速機の変速比を算出することを特徴とする電
気自動車の駆動装置。 - 【請求項2】請求項1に記載された電気自動車の駆動装
置において、前記車輪回転数制御手段の制御定数を可変
することにより、加減速特性を調整することを特徴とす
る電気自動車の駆動装置。 - 【請求項3】請求項1に記載された電気自動車の駆動装
置において、前記演算手段から得られた変速比が1個の
変速機の可変変速比外の場合、固定変速機と有段或いは
無段変速機、若しくは有段或いは無段変速機を多段に接
続することを特徴とする電気自動車の駆動装置。 - 【請求項4】請求項1に記載された電気自動車の駆動装
置において、前記電動機と前記変速機を一体構造若しく
は近くに設置し、前記電動機と前記変速機の冷却媒体を
共通に使用することを特徴とする電気自動車の駆動装
置。
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