JP3879735B2

JP3879735B2 - ４輪駆動車両の駆動制御装置

Info

Publication number: JP3879735B2
Application number: JP2003422981A
Authority: JP
Inventors: 英樹川島
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-19
Filing date: 2003-12-19
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2023-12-19
Also published as: JP2005185004A

Description

本発明は、主駆動輪をエンジンで従動輪をモータでそれぞれ駆動する構成であって、エンジンで駆動される発電機の電力によってモータを駆動する４輪駆動車両の駆動制御装置に関するものである。

従来、主駆動輪をエンジンで従動輪をモータでそれぞれ駆動する構成であって、エンジンで駆動される発電機の電力によってモータを駆動する４輪駆動車両は、種々の構成のものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この種の４輪駆動車両では、例えば発進時に主駆動輪がスリップした場合モータにより従動輪を駆動して、４輪を駆動することにより車両の発進を可能としている。そして、従動輪の駆動をモータで行っているため、機械式の４輪駆動車両と比較して、簡単な構成でスムーズな運転および広い室内空間と低燃費を実現した４輪駆動車両を達成している。
特開２００２−２１８６０５号公報

上述した従来の４輪駆動車両では、発電機はエンジンで駆動されているため、エンジン回転数が低いと発電不足となり４輪駆動性能が低下する。そのため、発電機の電力量を増加させる必要がある。発電機の電力量を増加するには、界磁コイルの供給電圧を上昇させ磁束を上げる必要があるが、従来の４輪駆動車両では以下のような問題があった。

（１）発電機の界磁コイルの電源として、モータ供給用の出力電源もしくは車両搭載のバッテリ電源を使用していたが、モータ供給用の出力電源は負荷が大きいときに大電流を流し、それにより発電機の内部抵抗により出力電圧も落ち込み、界磁コイルの電圧も落ち込んでしまう。一方バッテリ電圧は１２Ｖなので、これ以上の電圧を界磁コイルに供給できない。
（２）発電機内部の磁石量を増加させることで磁束量を増加させることができるが、磁石は高価なためコストアップになってしまう。

本発明の目的は上述した問題点を解消して、簡単な構成かつ低コストで、発電機の磁束を上げることができ、発電機の発電不足をなくすことのできる４輪駆動車両の駆動制御装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成する本発明の４輪駆動車両の駆動制御装置は、（１）主駆動輪をエンジンで従動輪をモータでそれぞれ駆動する構成であって、エンジンで駆動される発電機の電力によってモータを駆動する４輪駆動車両の駆動制御装置において、発電機は、モータに電力を供給するための第１の電機子コイルの他に、発電機の界磁コイルへ電力を供給するための専用の第２の電機子コイルを設け、該第２の電機子コイルと発電機の界磁コイルとの間に、第２の電機子コイルから発電機の界磁コイルへ電力を供給する回路のオンとオフを切り換えるスイッチを設けた構成を有することを特徴とするもの、あるいは、（２）主駆動輪をエンジンで従動輪をモータでそれぞれ駆動する構成であって、エンジンで駆動される発電機の電力によってモータを駆動する４輪駆動車両の駆動制御装置において、発電機は、モータに電力を供給するための第１の電機子コイルの他に、発電機の界磁コイルへ電力を供給するための専用の第２の電機子コイルを設けた構成を有し、第２の電機子コイルから発電機の界磁コイルへ電力を供給する回路は通常オフで、車両の発進時にバッテリから発電機の界磁コイルへ電力を供給し、フル発電を実行して最大のモータトルクを発生させても、ドライバー要求加速度まで車両が加速しない場合に、第２の電機子コイルより発電機の界磁コイルへ電力を供給するよう構成したことを特徴とするものである。

本発明の４輪駆動車両の駆動制御装置では、第２の電機子コイルはモータ電源用の第１の電機子コイルとは別に設置されているため、通常モータ負荷が大きく大電流を要する時に第１の電機子コイルが大電流を流しても第２の電機子コイルには大電流が流れず、内部抵抗による電圧降下は起こらない。第１の電機子コイルの出力電圧と第２の電機子コイルの出力電圧とを比較すると、第２の電機子コイルの出力電圧の方が高い電圧出力が可能となる。このように、コイルが発生する磁束が増加することで、磁石を増量したのと同様に発電能力を高めることが可能となる。また、第２の電機子コイルを設置するだけなので、簡単な構成かつ低コストで本発明を達成することができる。

以下に、この発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。
図１は本発明の駆動制御装置の対象となる４輪駆動車両の一例の構成を示す図である。また、図２は図１に示す４輪駆動車両におけるシステム構成の一例を示す図である。以下、図１および図２に沿って、本発明の駆動制御装置の対象となる一般的な４輪駆動車両について説明する。

本実施の形態は、図１に示すように、左右前輪１Ｌ、１Ｒを主駆動輪として内燃機関であるエンジン２によって駆動し、左右後輪３Ｌ、３Ｒは従駆動輪として電動機であるモータ４によって選択的に駆動する４輪駆動可能な車両の駆動を制御するものである。

図１および図２において、エンジン２の出力トルクＴｅは、トランスミッションおよびディファレンスギア５を通じて左右前輪１Ｌ、１Ｒに伝達されると共に、その一部は無端ベルト６を介して発電機７に伝達されるようになっている。発電機７は、エンジン２の回転数Ｎｅにプーリ比を乗じた回転数Ｎｈで回転し、駆動制御手段である４ＷＤコントローラ８によって調整される界磁電流Ｉｆｈに応じて、エンジン２に対し負荷となり、その負荷トルクに応じた電圧を発電するようになっている。この発電機７で発電された電力は、ハーネス９を介してモータ４に供給可能となっており、このハーネス９の途中にはジャンクションボックス１０が設けられている。モータ４の駆動軸は、減速機１１およびクラッチ１２を介して後輪３Ｌ、３Ｒに接続可能となっている。なお、符号１３はデフを表す。

エンジン２の吸気管路１４（例えばインテークマニホールド）には、メインスロットルバルブ１５とサブスロットルバルブ１６とが介装されている。メインスロットルバルブ１５は、アクセルペダル１７の踏み込み量を検出するアクセルセンサ３１の出力に基づいて４ＷＤコントローラ８およびエンジンコントローラ１８を介してスロットル開度が電気的に調整制御される。

また、サブスロットルバルブ１６は、ステップモータ１９をアクチュエータとして、４ＷＤコントローラ８によりモータコントローラ２０を介してスロットル開度が調整制御されると共に、そのスロットル開度はスロットルセンサ３２で検出され、その検出値が４ＷＤコントローラ８に供給されてフィードバック制御される。このサブスロットルバルブ１６のスロットル開度を、メインスロットルバルブ１５の開度以下等に調整することにより、運転者によるアクセルペダル１７の操作とは独立して、エンジン２の出力トルクを減少させることができる。

また、エンジン２の回転数は、エンジン回転数検出センサ２１で検出されて４ＷＤコントローラ８に出力される。また、発電機７は、その出力電圧を調整するための電圧調整器２２を備えており、その界磁電流Ｉｆｈを４ＷＤコントローラ８により調整することで、エンジン２に対する発電負荷トルクＴｈおよび発電電圧Ｖが制御されるようになっている。電圧調整器２２は、４ＷＤコントローラ８からの発電機制御指令（界磁電流値）に基づいて発電機７の界磁電流Ｉｆｈを調整すると共に、発電機７の出力電圧Ｖを検出して４ＷＤコントローラ８に出力可能となっている。なお、発電機７の回転数Ｎｈは、４ＷＤコントローラ８においてエンジン２の回転数Ｎｅからプーリ比に基づいて演算される。

また、ジャンクションボックス１０内には、発電機７からモータ４に供給される電力の電流値Ｉａを検出する電流センサ２３、および４ＷＤコントローラ８からの指令に応じて発電機７からモータ４への発電電力の供給をオン・オフ制御するリレー２４が設けられており、電流センサ２３で検出される電機子電流信号は４ＷＤコントローラ８に出力される。なお、ハーネス９を流れる電圧値（モータ４の電圧）は４ＷＤコントローラ８で検出される。

また、モータ４は、４ＷＤコントローラ８からの指令により界磁電流Ｉｆｍが制御され、これにより駆動トルクＴｍが調整されるようになっている。なお、符号２５はモータ４の温度を測定するサーミスタで、その検出温度は４ＷＤコントローラ８に出力される。また、モータ４には、その駆動軸の回転数Ｎｍを検出するモータ用回転数センサ２６が設けられており、このモータ用回転数センサ２６で検出されたモータ４の回転数信号は４ＷＤコントローラ８に出力される。

また、クラッチ１２は、電磁式のクラッチからなり、４ＷＤコントローラ８からのクラッチ制御指令に応じたトルク伝達率でトルクを伝達するようになっている。また、各車輪１Ｌ、１Ｒ、３Ｌ、３Ｒには、車輪速センサ２７ＦＬ、２７ＦＲ、２７ＲＬ、２７ＲＲが設けられており、対応する車輪１Ｌ、１Ｒ、３Ｌ、３Ｒの回転速度に応じたパルス信号を車輪速検出値として４ＷＤコントローラ８に出力するようになっている。

なお、４ＷＤコントローラ８は、イグニッションスイッチ３３のオンにより付勢されるリレースイッチ３４を介してバッテリ３５に接続される。また、発電機７の界磁コイル、リレー２４のリレーコイル、およびクラッチ１２の電磁ソレノイドは、リレースイッチ３４のオンにより付勢されるリレースイッチ３６を介してバッテリ３５に接続される。

図２に示すシステム構成の発電機７と電圧調整器２２において、発電機７の界磁コイル（ＦＣ）には、車両電源からダイオード（Ｄ２）を介して接続されるライン（他励）、あるいは、モータ電源用コイル（電機子：ＡＣ）から発電された電圧が他励電圧より高い電圧になった場合、ダイオード（Ｄ１）を介して接続される（自励）を通じて、電力が供給されている。本発明の４輪駆動車両の駆動制御装置の特徴は、これらの発電機７と電圧調整器２２における発電機７の界磁コイル（ＦＣ）への電力の供給方法にある。以下、本発明の特徴を詳細に説明する。

図３は本発明の４輪駆動車両の駆動制御装置の一例を説明するための図である。図３に示す例において、図１及び図２に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図３に示す例では、発電機７内において、モータ４に電力を供給するためのモータ電源用コイル（ＡＣ）（第１の電機子コイル）の他に、モータ電源用コイル（ＡＣ）に対し、界磁コイル（ＦＣ）に電力を供給するための専用の界磁電源用コイル（ＡＣ２）（第２の電機子コイル）を、ダイオードＤ３及びスイッチ４１を介して、電圧調整器２２のバッテリ及び発電機７のモータ電源用コイル（ＡＣ）と共通のラインに接続して設けている。図３に示す例では、４ＷＤコントローラ８の制御により、界磁電源用コイル（ＡＣ２）の回路をオフにすると、モータ電源用コイル（ＡＣ）もしくは車両のバッテリから界磁コイル（ＦＣ）に電力を供給し通常の発電動作となる。

図３に示す例では以下のような効果を得ることができる。すなわち、通常、モータ４の負荷が大きく大電流を要する時に、モータ電源用コイル（ＡＣ）は大電流を流す。このとき、モータ電源用コイル（ＡＣ）の内部抵抗による著しい電圧降下が発生する。図３に示す例では、界磁電源用コイル（ＡＣ２）は、モータ電源用コイル（ＡＣ）とは別に配置されているため大電流を流す必要はなく、内部抵抗による電圧降下は起こらない。ここで、モータ電源用コイル（ＡＣ）の出力電圧と界磁電源用コイル（ＡＣ２）の出力とを比較すると、界磁電源用コイル（ＡＣ２）の出力電圧の方が高くなる。その結果、コイルが発生する磁束が増加することで、磁石を増量したのと同様に発電能力を高めることが可能となる。

また、図３に示す例ではスイッチ４１を設けている。スイッチ４１をオン／オフすることで、界磁電源用コイル（ＡＣ２）は必要なときにだけ界磁コイル（ＦＣ）に電力を供給することが可能な構成とできる。そして、通常は、スイッチ４１をオフにすることで、モータ電源用コイル（ＡＣ）またはバッテリより界磁コイル（ＦＣ）に電力が供給され、必要な場合には、スイッチ４１をオンにすることで、界磁電源用コイル（ＡＣ２）で界磁コイル（ＦＣ）に電力を供給可能に構成している。スイッチ４１としては、リレーや半導体スイッチを利用することができる。

このように構成することで以下のような効果を得ることができる。すなわち、通常、車両の搭載性の関係から発電機７のサイズアップを最小限にとどめるため、界磁電源専用の界磁電源用コイル（ＡＣ２）も最小限の大きさにとどめる必要がある。このような最小限の大きさの界磁電源用コイル（ＡＣ２）に常時電流を流していると発熱が顕著になるため、発熱の対策を講じる必要があり、コストアップする。また、発熱を抑えるために、抵抗分を少なくするとコイルがサイズアップしてしまい、最小限に発電機７のサイズアップをとどめることができない。さらに、界磁電源用コイル（ＡＣ２）に常時電流を流すことで、界磁コイル（ＦＣ）及び発電機７が発熱し、コイルの抵抗上昇により、発電機７の出力増加が効率的にできない。これらの点を、スイッチ４１を設けることで必要なときのみ昇圧可能な構成として、必要のないときには効率の良い発電増加が可能となる。

さらに、図３に示す例では、スイッチ４１のオン／オフを制御して、界磁電源用コイル（ＡＣ２）から界磁コイル（ＦＣ）に電力を供給する回路は通常オフで、車両の発進時にバッテリから界磁コイル（ＦＣ）に電力を供給し、発電機７がフル発電を実行してモータ４に最大のモータトルクを発生させても、ドライバー要求加速度まで車両が加速しない場合に、界磁電源用コイル（ＡＣ２）より界磁コイル（ＦＣ）に電力を供給するよう構成している。

このように構成することで以下のような効果を得ることができる。すなわち、通常の４ＷＤ発進時は低いモータトルクでも加速可能なので、界磁電源用コイル（ＡＣ２）より電力を供給させなくても、ドライバーのアクセル開度に見合った加速が可能である。このとき界磁電源用コイル（ＡＣ２）から界磁コイル（ＦＣ）に電流を流さないので、界磁電源用コイル（ＡＣ２）の発熱を抑えることは可能である。一方、車両は、深い雪道や急な勾配の路面を発進するようなシーンでは、界磁電源用コイル（ＡＣ２）より界磁コイル（ＦＣ）に電力が供給されない場合、最悪発進困難となるおそれがある。このような場合には、界磁電源用コイル（ＡＣ２）を動作させることで、発電機７の発電量を増加させてモータ４に大きなトルクが発生できるので、車両を確実に発進させることが可能となる。発進してドライバーの要求通りの加速度が得られれば、界磁電源用コイル（ＡＣ２）の回路を停止させた状態での発電機７の能力で走行可能となる。またこれは稀なシーンのため、界磁電源用コイル（ＡＣ２）の発熱は抑えられる。さらに、界磁電源用コイル（ＡＣ２）の利用は必要な時に限定されているため、発電機７のコイルの温度上昇が抑制されており、急激な加速等が必要な時に大きな力を発生可能となる。

図４は本発明の４輪駆動車両の駆動制御装置の他の例を説明するための図である。図４に示す例において、図３に示す例と同一の部材には同一の符号を付し、その説明を省略する。図４に示す例において、図３に示す例と異なる点は、ダイオードＤ３とスイッチ４１との間に、界磁電源用コイル（ＡＣ２）の出力の大きさを変化させるための出力制御部４２を設けた点である。出力制御部４２を設けることで、ドライバー要求加速度まで車両が加速しない場合に界磁電源用コイル（ＡＣ２）より界磁コイル（ＦＣ）に電力を供給する際、界磁電源用コイル（ＡＣ２）の出力を変化させることができ、車両として発進可能な最低限の界磁電流を界磁電源用コイル（ＡＣ２）より供給することができる。なお、本例では出力制御部４２を設けたが、出力制御部４２の代わりにスイッチ４１を半導体スイッチより構成することで、同様の作用効果を得ることもできる。

このように構成することで、図３に示す例で得られる効果に加えて、以下のような効果を得ることができる。すなわち、車両の要求トルクに応じて界磁電源用コイル（ＡＣ２）の出力を抑えることで、バッテリの供給電圧だけでは発進できないシーンにおいて、モータ４が最高トルクを出さなくても車両が発進できる場合、界磁電源用コイル（ＡＣ２）の出力を常に最大とする必要がなくなる。その結果、界磁電源用コイル（ＡＣ２）のムダな発熱を抑えることができ、発電機７のムダな発熱を抑えるとともに効率を上昇させることができる。

図５はモータ電源用コイル（ＡＣ）及び界磁電源用コイル（ＡＣ２）のそれぞれの出力電圧特性を示すグラフである。また、図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来例及び本発明例の発電機７における出力電圧特性を示す図である。図６（ａ）に示す従来例では、モータ電源用コイル（ＡＣ）から界磁電圧を印加する自励領域とバッテリから界磁電圧を印加する他励領域とを切り替えて、発電機７を制御している。一方、図６（ｂ）に示す本発明例では、図５に示す界磁電源用コイル（ＡＣ２）の出力を利用うことで、モータ電源用コイル（ＡＣ）から界磁電圧を印加する自励領域と、自励領域で界磁電源用コイル（ＡＣ２）からの出力も利用する領域と、バッテリによる他励領域で界磁電源用コイル（ＡＣ２）からの出力も利用する領域とを切り替えて、発電機７を制御している。図６（ａ）に示す従来例では、発進の低電圧時に１８０Ａ程度しか流せないが、図６（ｂ）に示す本発明例では、２０Ｖまで昇圧すると２９０Ａ程度の電流が出力可能となることがわかる。モータのトルクは電流に比例するので、本発明例は従来例と比べて２９０Ａ／１８０Ａ＝１．６倍の発進トルクが得られることがわかる。

次に、上述した本発明の４輪駆動車両の駆動制御装置の種々のシーンにおける動作のタイムチャートについて説明する。図７は、通常発進で、界磁電源用コイルから界磁コイルへの電力供給が不要な場合の一例を示すタイムチャートである。本例では、界磁電源用コイル（ＡＣ２）の出力は利用されておらず、従来と同様の駆動制御となる。一方、図８は、深い雪や急登坂で、界磁電源用コイルから界磁コイルへの電力供給が必要な場合の一例を示すタイムチャートである。本例では、ドライバーの要求加速度を満たさなくなった時点で界磁電源用コイル（ＡＣ２）の出力を利用している。そのため、走行に必要なモータトルクを得ることができる。また、図９は、深い雪や急登坂で、界磁電源用コイルから界磁コイルへの電力供給が必要な場合の他の例を示すタイムチャートである。図９に示す例において、図８に示す例と異なる点は、界磁電源用コイル（ＡＣ２）から界磁コイル（ＦＣ）に出力を供給する際、界磁電源用コイル（ＡＣ２）の最大出力能力の出力を利用するのではなく、車両の要求トルクに応じた必要最低限の出力を利用している点である。本例でも、走行に必要なモータトルクを得ることができる。

本発明の４輪駆動車両の駆動制御装置は、主駆動輪をエンジンで従動輪をモータでそれぞれ駆動する構成であって、エンジンで駆動される発電機の電力によってモータを駆動する４輪駆動車両において、簡単な構成かつ低コストで、発電機の磁束を上げることができ、発電機の発電不足をなくす用途に好適に利用することができる。

本発明の４輪駆動車両の駆動制御装置の要部構成図である。同じく、システム構成図である。本発明の４輪駆動車両の駆動制御装置の一例を説明するための図である。本発明の４輪駆動車両の駆動制御装置の他の例を説明するための図である。モータ電源用コイル（ＡＣ）及び界磁電源用コイル（ＡＣ２）のそれぞれの出力電圧特性を示すグラフである。（ａ）、（ｂ）はそれぞれ従来例及び本発明例の発電機における出力電圧特性を示す図である。通常発進で、界磁電源用コイルから界磁コイルへの電力供給が不要な場合の一例を示すタイムチャートである。深い雪や急登坂で、界磁電源用コイルから界磁コイルへの電力供給が必要な場合の一例を示すタイムチャートである。深い雪や急登坂で、界磁電源用コイルから界磁コイルへの電力供給が必要な場合の他の例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１Ｌ、１Ｒ前輪
２エンジン
３Ｌ、３Ｒ後輪
４モータ
６ベルト
７発電機
８４ＷＤコントローラ
９ハーネス
１０ジャンクションボックス
１１減速機
１２クラッチ
１４吸気管路
１５メインスロットルバルブ
１６サブスロットルバルブ
１８エンジンコントローラ
１９ステップモータ
２０モータコントローラ
２１エンジン回転数センサ
２２電圧調整器
２３電流センサ
２６モータ用回転数センサ
２７ＦＬ、２７ＦＲ、２７ＲＬ、２７ＲＲ車輪速センサ
３１アクセルセンサ
３２スロットルセンサ
３３イグニッションスイッチ
３４，３６リレースイッチ
３５バッテリ
４１スイッチ
４２出力制御部

Claims

主駆動輪をエンジンで従動輪をモータでそれぞれ駆動する構成であって、エンジンで駆動される発電機の電力によってモータを駆動する４輪駆動車両の駆動制御装置において、発電機は、モータに電力を供給するための第１の電機子コイルの他に、発電機の界磁コイルへ電力を供給するための専用の第２の電機子コイルを設け、該第２の電機子コイルと発電機の界磁コイルとの間に、第２の電機子コイルから発電機の界磁コイルへ電力を供給する回路のオンとオフを切り換えるスイッチを設けた構成を有することを特徴とする４輪駆動車両の駆動制御装置。
前記スイッチは、通常はオフ状態とし、第１の電機子コイルまたはバッテリより発電機の界磁コイルへ電力が供給され、必要な場合にはオン状態とし、第２の電機子コイルで発電機の界磁コイルへ電力を供給可能に構成したことを特徴とする請求項１に記載の４輪駆動車両の駆動制御装置。
主駆動輪をエンジンで従動輪をモータでそれぞれ駆動する構成であって、エンジンで駆動される発電機の電力によってモータを駆動する４輪駆動車両の駆動制御装置において、発電機は、モータに電力を供給するための第１の電機子コイルの他に、発電機の界磁コイルへ電力を供給するための専用の第２の電機子コイルを設けた構成を有し、第２の電機子コイルから発電機の界磁コイルへ電力を供給する回路は通常オフで、車両の発進時にバッテリから発電機の界磁コイルへ電力を供給し、フル発電を実行して最大のモータトルクを発生させても、ドライバー要求加速度まで車両が加速しない場合に、第２の電機子コイルより発電機の界磁コイルへ電力を供給するよう構成したことを特徴とする４輪駆動車両の駆動制御装置。
ドライバー要求加速度まで車両が加速しない場合に、第２の電機子コイルより発電機の界磁コイルへ電力を供給するに際し、第２の電機子コイルの出力を変化させることにより、車両として発進可能な最低限の界磁電力を第２の電機子コイルから発電機の界磁コイルへ供給可能に構成したことを特徴とする請求項３に記載の４輪駆動車両の駆動制御装置。