JP3969385B2 - モータ駆動４ｗｄ車両の制御装置及び制御方法 - Google Patents

モータ駆動４ｗｄ車両の制御装置及び制御方法 Download PDF

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Description

本発明は、車両の前輪または後輪のうちの、一方をエンジンにより駆動し、他方をモータにより駆動するようにしたモータ駆動４ＷＤ車両を制御する制御装置及び制御方法に関する。
従来、エンジンが発生する駆動力で前輪を駆動し、エンジンによって回転させられる発電機により発電された電力によって、モータを回転駆動させ、この駆動力で後輪を駆動させるようにした４ＷＤ車両が知られている。（例えば、特開２００２−１５２９１１号公報、特開２００２−２００９３２号参照）
特開２００２−１５２９１１号公報 特開２００２−２００９３２号公報
しかしながら、上述した特許文献１に開示された従来例は、発電機で発電された電圧が後輪モータへと印加されていたので、モータを駆動する電圧は発電機で発電された電圧であるため、後輪を駆動するモータの大きさは、発電機の発電能力に依存してしまう。即ち、発電機による発電電力が小さい場合には、所望する出力をモータが発生するためにはモータが大型化するという問題が発生する。
この発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、発電機による発電電力が小さい場合であっても、装置規模を大型化することなく確実にモータを駆動させることのできるモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置及び制御方法を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明は、車両の前輪または後輪のうちの、一方の車輪をエンジンにより駆動し、他方の車輪を必要に応じて交流モータにより駆動するようにしたモータ駆動４ＷＤ車両を制御する４ＷＤ車両の制御装置において、エンジンによって駆動されることで３相交流電力を発電する発電機を備える。また、前記発電機により発電された３相交流電力を整流し、整流して得られる直流電力を前記交流モータの中性点に供給する整流手段と、前記整流手段で整流された直流電力を３相交流電力に変換する第１の昇降圧インバータとを有する。そして、前記第１の昇降圧インバータによって昇圧された３相交流電力を前記交流モータに印加することにより、前記交流モータを回転駆動させることを特徴とする。
本発明に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置及び方法では、発電機にて得られた３相交流電力を整流手段で直流電力に変換し、この直流電力を第１の昇降圧インバータにて昇圧して、交流モータ駆動用の電力を生成しているので、発電機で発電される電力が小さい場合であっても、この電力を増幅して交流モータに供給することができるので、交流モータを小型、軽量化することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係る制御装置は、前輪、または後輪のいずれか一方をエンジンにより駆動し、他方をモータにより駆動する構成をなす車両を制御するものであり、図１に示すように、エンジン１と、該エンジン１にベルトで連結され、エンジン１の回転動力を用いて４２ボルトの３相交流電力を発電する４２Ｖオルタネータ（発電機）２と、車両に搭載される各種の計装機器に電力を供給する１４ＶバッテリＥ１と、後輪駆動用の３相交流モータＭ１と、第１の駆動回路６と、第２の駆動回路１４と、４ＷＤコントローラ９、及びエンジン制御コントローラ１２を備えている。
また、４２Ｖオルタネータ２にて発電された３相交流電力を直流電力に整流して、３相交流モータＭ１駆動用の電力を生成し、且つ、４２Ｖオルタネータ２で発電された３相交流電力整流、且つ降圧して、１４ＶバッテリＥ１に充電用の電力を供給し、更に、１４ＶバッテリＥ１に充電されている直流電力を３相交流電力に変換し且つ昇圧して、この３相交流電力を４２Ｖオルタネータ２に供給する前側昇降圧インバータ（第２の昇降圧インバータ）３を備えている。
更に、エンジン１の回転数を検出する回転センサ１０と、４２Ｖオルタネータ２の回転位置を検出する位置センサ１１と、１４ＶバッテリＥ１の充電電圧を検出するための電圧センサ７と、４２Ｖオルタネータ２の界磁巻線に流れる電流を制御する界磁制御部８を有している。
前側昇降圧インバータ３は、６個のＩＧＢＴ或いはＭＯＳ−ＦＥＴ等のスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を有しており、各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６をオン、オフ動作させることにより、上記の整流動作、及び直流電力を交流電力に変換する動作を行う。
また、前側昇降圧インバータ３のマイナス側出力端子は、１４ＶバッテリＥ１のマイナス側端子と接続され、該１４ＶバッテリＥ１のプラス側端子はスイッチＳＷ１（スイッチ手段）を介して、４２Ｖオルタネータ２の中性点に接続されている。電圧センサ７は、１４ＶバッテリＥ１に対して並列的に接続されている。
４ＷＤコントローラ９は、アクセルセンサ（図示省略）より出力されるアクセルペダルの操作信号、及び車輪速センサ（図示省略）より得られる車輪速信号に基づいて、４ＷＤ駆動とするかどうかの判定を行い、４ＷＤ駆動とする場合には、第２の駆動回路１４へトルク指令信号を出力すると共に、第１の駆動回路６へ発電指令信号を出力する。
エンジン制御コントローラ１２は、エンジン１に取り付けられた回転センサ１０の検出信号、及びアクセルセンサ（図示省略）の検出信号に基づいて、エンジン１に点火信号を出力し、且つ噴射弁の制御を行う。
第１の駆動回路６は、電圧センサ７で検出される１４ＶバッテリＥ１の充電電圧と、位置センサ１１で検出される４２Ｖオルタネータ２の回転位置検出信号と、アクセルスイッチＳＷ２のオン、オフ信号、及び４ＷＤコントローラ９より出力される発電指令信号に基づいて、前側昇降圧インバータ３が有する各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６をオン、オフ制御するための制御信号を出力し、また、界磁制御部８へ界磁制御信号を出力し、更に、スイッチＳＷ１へオン、オフ信号を出力する。
前側昇降圧インバータ３の後段側には、後側昇降圧インバータ（第１の昇降圧インバータ）１３が設けられており、前側昇降圧インバータ３の直流出力のマイナス側は、後側昇降圧インバータ１３の直流入力のマイナス側に接続されている。後側昇降圧インバータ１３は、前述した前側昇降圧インバータ３と同様に、６個のＩＧＢＴ或いはＭＯＳ−ＦＥＴ等のスイッチング素子Ｔｒ１１〜Ｔｒ１６を有しており、各スイッチング素子Ｔｒ１１〜Ｔｒ１６をオン、オフ動作させることにより、前側昇降圧インバータ３より出力される直流電力を、３相交流電力に変換する。
また、第２の駆動回路１４は、３相交流モータＭ１の出力軸に設けられた位置センサ１５の検出信号、及び４ＷＤコントローラ９より出力されるトルク指令信号に基づいて、後側昇降圧インバータ１３が有する各スイッチング素子Ｔｒ１１〜Ｔｒ１６の制御入力端子へオン、オフ信号を出力する。
３相交流モータＭ１の中性点ｐ１は、前側昇降圧インバータ３の直流出力のプラス側に接続されており、また、３相交流モータＭ１の出力軸は、ディファレンスギヤ４を介して後輪５と連結されることにより、３相交流モータＭ１の回転動力が後輪５に伝達されるようになされている。
次に、本実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置の動作を、（イ）エンジン始動時、（ロ）４ＷＤ駆動時、及び（ハ）１４Ｖバッテリ充電時のそれぞれについて説明する。なお、各動作時における４２Ｖオルタネータ２、前側昇降圧インバータ３、１４ＶバッテリＥ１、後側昇降圧インバータ１３、及び３相交流モータＭ１の動作は、図５に示す通りである。
（イ）エンジン始動時の動作
図２は、エンジン始動時の動作を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１にて、車両の乗員がアクセルを操作すると、アクセルスイッチＳＷ２がオンとなる。次いで、ステップＳ２にて、第１の駆動回路６は、アクセルスイッチＳＷ２のオン信号を受けて、４２Ｖオルタネータ２の界磁巻線を励磁するための指令信号を界磁制御部８に出力する。
その後、ステップＳ３では、スイッチＳＷ１をオンとし、４２Ｖオルタネータ２の中性点と１４ＶバッテリＥ１のプラス側端子とを電気的に接続する。
これにより、１４ＶバッテリＥ１に充電されている直流電力が前側昇降圧インバータ３に印加されるので、第１の駆動回路６の制御下で各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のオン、オフを制御することにより、ステップＳ４にて、１４ボルトの直流電力が４２ボルトに昇圧され、且つ、ステップＳ５にて、３相交流電力に変換される。
更に、ステップＳ６では、位置センサ１１より与えられる４２Ｖオルタネータ２の回転位置信号に基づいて、４２ボルトの３相交流電力を４２Ｖオルタネータ２に供給し、該４２Ｖオルタネータ２を回転駆動させる。
これにより、エンジン１に回転動力が与えられ、ステップＳ７にて、エンジン１の回転数が上昇し、エンジン１の始動が確認された場合には、ステップＳ８にて、前側昇降圧インバータ３を停止させ、４２Ｖオルタネータ２の回転を停止させる。その後、ステップＳ９で、スイッチＳＷ１をオフとする。
こうして、１４ＶバッテリＥ１に充電されている直流電力を昇圧し、且つ３相交流電力に変換して４２Ｖオルタネータ２を回転駆動させ、エンジン１を始動させることができるのである。
（ロ）４ＷＤ駆動時の動作
次に、図３に示すフローチャートを参照しながら、４ＷＤ駆動時の動作について説明する。ステップＳ１１にて、４ＷＤコントローラ９は、車輪速センサより得られる車輪速度信号、及びアクセルセンサより得られるアクセル操作信号に基づき、４ＷＤ駆動を行うかどうかを判断する。そして、４ＷＤ駆動を行うと判断した場合には、第１の駆動回路６に発電指令信号を出力すると共に、第２の駆動回路１４にトルク指令信号を出力する。
次いで、ステップＳ１２にて、第１の駆動回路６は、界磁制御部８に４２Ｖオルタネータ２の界磁巻線を励磁するための指令信号を出力する。これにより、４２Ｖオルタネータ２は発電機として動作し、エンジン１より与えられる回転動力から３相交流電力を生成する。
その後、生成された３相交流電力は前側昇降圧インバータ３に供給され、ステップＳ１３では、前側昇降圧インバータ３にて３相交流電力を整流し、直流電力を生成する。
次いで、ステップＳ１４では、第２の駆動回路１４の制御下で後側昇降圧インバータ１３が有する各スイッチング素子Ｔｒ１１〜Ｔｒ１６のオン、オフを制御し、前側昇降圧インバータ３より与えられる直流電力を昇圧し、且つ３相交流電力に変換する。そして、この３相交流電力は、３相交流モータＭ１に印加されるので、ステップＳ１５にて、位置センサ１５の検出信号に応じて３相交流モータＭ１を回転駆動させる。
これにより、前側昇降圧インバータ３より出力される直流電圧のレベルが低い場合であっても、これを所望のレベルまで昇圧して３相交流モータＭ１に供給することができる。そして、３相交流モータＭ１の回転動力がディファレンスギヤ４を介して後輪５に伝達され、４ＷＤ駆動が達成される。
（ハ）１４Ｖバッテリ充電時の動作
次に、１４ＶバッテリＥ１を充電する際の動作について、図４に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、ステップＳ２１では、車両が４ＷＤ駆動中であるかどうか、即ち、３相交流モータＭ１が回転駆動しているかどうかが判断される。その結果、４ＷＤ駆動していないと判断された場合には、ステップＳ２２にて、エンジン１が始動中であるかどうかが判断される。
そして、エンジン始動中でない場合には、ステップＳ２３にて、第１の駆動回路６は、４２Ｖオルタネータ２の界磁巻線を励磁するための指令信号を出力し、４２Ｖオルタネータ２の出力電圧が１４ボルト程度となるように界磁制御する。その後、第１の駆動回路６は、ステップＳ２４にて、スイッチＳＷ１をオンとし、更に、ステップＳ２５で、電圧センサ７の検出信号に応じて、界磁電流を制御し、且つ前側昇降圧インバータ３を回生運転して１４ＶバッテリＥ１に印加される電圧が１４ボルトとなるように調整する。
こうして、車両が４ＷＤ駆動していないこと、及びエンジン１が始動中でないことを条件として、１４ＶバッテリＥ１の充電が行われるのである。
このようにして、本実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置では、４２ボルトの３相交流電力で駆動する３相交流モータＭ１と、１４ボルトの直流電力により充電される１４ＶバッテリＥ１に対して、共通の４２Ｖオルタネータ２で発電された電力を用いることができるので、それぞれ別個に発電機を設ける必要が無くなり、装置構成を簡素化することができる。また、装置の設置スペースを省スペース化することができ、且つ、重量減、コストダウンを図ることができる。
即ち、所定の定格電圧となる交流電力が供給されて駆動する交流モータと、この所定の定格電圧よりも低い定格電圧となる直流電力が供給されて充電されるバッテリに対して、共通の電動発電機で発電された電力を用いることができるので、レイアウト上の自由度が向上すると共に、重量減、コストダウンを図ることができる。
また、４２Ｖオルタネータ２で発電された電力を、一旦直流電力に変換し、その後、後側昇降圧インバータ１３により昇圧して後輪５駆動用の３相交流モータＭ１を回転駆動させるので、３相交流モータＭ１に供給する電圧を４２Ｖオルタネータ２で発電される電圧よりも高くすることができ、３相交流モータＭ１を小型、軽量化することができる。
即ち、発電機にて得られた３相交流電力を整流手段で直流電力に変換し、この直流電力を第１の昇降圧インバータにて昇圧して、交流モータ駆動用の電力を生成しているので、発電機で発電される電力が小さい場合であっても、この電力を増幅して交流モータに供給することができるので、交流モータを小型、軽量化することができる。
また、４２Ｖオルタネータ２の後段に前側昇降圧インバータ３を設け、該前側昇降圧インバータ３により、４２Ｖオルタネータ２で発電された３相交流電力を整流し、更に、この前側インバータ３を用いて１４ＶバッテリＥ１に充電されている直流電力を３相交流電力に変換し、この３相交流電力を４２Ｖオルタネータ２に出力することにより、４２Ｖオルタネータ２を電動機として動作させ、エンジン１を始動させるので、エンジン１を始動させるための装置を別途設ける必要がなく、装置構成を簡素化することができる。
即ち、発電機の後段に第２の昇降圧インバータを設置し、該第２の昇降圧インバータにより、３相交流電力を直流電力に変換すると共に、エンジン始動時には、バッテリに充電されている直流電力を第２の昇降圧インバータにより３相交流電力に変換して、発電機に供給し、該発電機を電動機として回転させて、エンジンを始動させるので、エンジンを始動させるための装置を別途設ける必要がなく、装置構成を簡素化することができる。
また、４２Ｖオルタネータ２で発電された３相交流電力を、前側昇降圧インバータ３により降圧、整流した後、得られた直流電力を１４ＶバッテリＥ１に供給し、該１４ＶバッテリＥ１を充電するので、１４ＶバッテリＥ１充電用の電力を容易に得ることができ、１４ＶバッテリＥ１を常に適正な充電電圧に保持することができる。
即ち、発電機で発電された交流電力を、第２の昇降圧インバータにより降圧、整流された電力により、バッテリを充電することができるので、バッテリの充電を容易に行うことができ、バッテリの充電電圧を適正な値に保持することができる。
次に、本発明第２の実施形態について説明する。図６は、第２の実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置の構成を示すブロック図である。同図に示すように、この制御装置は、前述した第１の実施形態と同様に、エンジン１と、４２Ｖオルタネータ２と、３相交流モータＭ１と、回転センサ１０と、後側昇降圧インバータ（第１の昇降圧インバータ）１３と、４ＷＤコントローラ９を有している。
また、４２Ｖオルタネータ２で発電された３相交流電力を整流するダイオードブリッジ回路回路（整流手段）２３を有しており、該ダイオードブリッジ回路２３の出力側プラス端子は、３相交流モータＭ１の中性点に接続されている。また、４ＷＤコントローラ９より出力されるトルク指令信号に応じて、界磁制御部８に指令信号を出力し、且つ、３相交流モータＭ１の界磁電流を制御するための界磁制御部２２に指令信号を出力し、更に、後側昇降圧インバータ１３が有する各スイッチング素子Ｔｒ１１〜Ｔｒ１６の制御入力端子にオン、オフ信号を出力する駆動回路２１を備えている。
以下、第２の実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置における、４ＷＤ駆動時の動作について説明する。なお、４ＷＤ駆動時における４２Ｖオルタネータ２、後側昇降圧インバータ１３、及び３相交流モータＭ１の動作は、図７に示す通りである。
４ＷＤコントローラ９が、車輪速センサの出力信号、及びアクセルセンサの出力信号に基づいて、４ＷＤ駆動を行うと判断した場合には、該４ＷＤコントローラ９は、駆動回路２１へトルク指令信号を出力する。
これにより、駆動回路２１は、界磁制御部８に指令信号を出力し、４２Ｖオルタネータ２の界磁巻線を励磁させる。その結果、エンジン１の回転動力により回転する４２Ｖオルタネータ２は発電機として動作し、この出力電力は、ダイオードブリッジ回路２３にて整流され、３相交流モータＭ１の中性点に供給される。
この状態で、駆動回路２１は、界磁制御部２２に指令信号を出力して、３相交流モータＭ１の界磁巻線を励磁状態とし、更に、後側昇降圧インバータ１３が有する各スイッチング素子Ｔｒ１１〜Ｔｒ１６の制御入力端子に、オン、オフ制御信号を出力することにより、ダイオードブリッジ回路２３より出力された直流電力を、所望の電圧レベルとなる３相交流電力に変換し、この３相交流電力を３相交流モータＭ１に供給する。
その結果、３相交流モータＭ１が回転駆動し、この回転動力は、ディファレンスギヤ４を介して後輪５に伝達されるので、該後輪５が回転駆動することになり、４ＷＤ駆動が達成される。
このようにして、第２の実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置では、４２ボルトの３相交流電力で駆動する３相交流モータＭ１と、１４ボルトの直流電力により充電される１４ＶバッテリＥ１に対して、共通の４２Ｖオルタネータ２で発電された電力を用いることができるので、それぞれ別個に発電機を設ける必要が無くなり、装置構成を簡素化することができる。また、装置の設置スペースを省スペース化することができ、且つ、重量減、コストダウンを図ることができる。
また、４２Ｖオルタネータ２で発電された電力を、一旦直流電力に変換し、その後、後側昇降圧インバータ１３により昇圧して後輪５駆動用の３相交流モータＭ１を回転駆動させるので、３相交流モータＭ１に供給する電圧を４２Ｖオルタネータ２で発電される電圧よりも高くすることができ、３相交流モータＭ１を小型、軽量化することができる。
また、４２Ｖオルタネータ２で発電された３相交流電力を、整流する整流手段としてダイオードブリッジ回路２３を用いているので、整流手段の構成を簡素化することができ、装置規模を小型軽量化することができ、コストダウンを図ることができる。
即ち、発電機で発電された交流電力を整流するための整流手段として、ダイオードブリッジ回路を用いるので、装置規模の小型化、軽量化、及びコストダウンを図ることができる。
モータを用いた４ＷＤ車両の構成を簡素化する上で、極めて有用である。
本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置の、エンジン始動時の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置の、４ＷＤ駆動時の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置の、１４Ｖバッテリ充電時の動作を示すフローチャートである。 本発明の第１の実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置の、各機器の動作状態を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置の、各機器の動作状態を示す説明図である。
符号の説明
１ エンジン
２ ４２Ｖオルタネータ
３ 前側昇降圧インバータ（整流手段；第２の昇降圧インバータ）
４ ディファレンスギヤ
５ 後輪
６ 第１の駆動回路
７ 電圧センサ
８ 界磁制御部
９ ４ＷＤコントローラ
１０ 回転センサ
１１ 位置センサ
１２ エンジン制御コントローラ
１３ 後側昇降圧インバータ（第１の昇降圧インバータ）
１４ 第２の駆動回路
１５ 位置センサ
２１ 駆動回路
２２ 界磁制御部
２３ ダイオードブリッジ回路（整流手段）
Ｍ１ ３相交流モータ
Ｅ１ １４Ｖバッテリ（バッテリ）
ＳＷ１ スイッチ（スイッチ手段）
ＳＷ２ アクセルスイッチ

Claims (7)

  1. 車両の前輪または後輪のうちの、一方の車輪をエンジンにより駆動し、他方の車輪を必要に応じて交流モータにより駆動するようにしたモータ駆動４ＷＤ車両を制御する４ＷＤ車両の制御装置において、
    前記エンジンによって駆動されることで３相交流電力を発電する発電機と、
    前記発電機により発電された３相交流電力を整流し、整流して得られる直流電力を前記交流モータの中性点に供給する整流手段と、
    前記整流手段で整流された直流電力を３相交流電力に変換する第１の昇降圧インバータと、を有し、
    前記第１の昇降圧インバータによって昇圧された３相交流電力を前記交流モータに印加することにより、前記交流モータを回転駆動させることを特徴とするモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置。
  2. 前記整流手段は、ダイオードブリッジ回路であることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置。
  3. 前記整流手段は、第２の昇降圧インバータであることを特徴とする請求項１に記載のモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置。
  4. 前記発電機の中性点と、スイッチ手段を介して接続されると共に、前記発電機の定格電圧よりも低い定格電圧となるバッテリを有し、
    前記エンジンを始動させる際には、前記スイッチ手段を閉路し、且つ、前記バッテリに充電されている直流電力を前記第２の昇降圧インバータにて交流電力に変換し、更に昇圧して、前記発電機を電動機として駆動させ、前記エンジンを始動させることを特徴とする請求項３に記載のモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置。
  5. 前記バッテリは、前記発電機で発電された交流電力を、前記第２の昇降圧インバータで降圧、且つ整流された直流電力が供給されて充電されることを特徴とする請求項４に記載のモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置。
  6. 前記第２の昇降圧インバータは、前記発電機の後段に設けられ、且つ、該第２の昇降圧インバータのプラス側端子は、前記交流モータの中性点に接続され、マイナス側端子は、前記第１の昇降圧インバータのマイナス側端子に接続されることを特徴とする請求項３〜請求項５のいずれか１項に記載のモータ駆動４ＷＤ車両の制御装置。
  7. 車両の前輪または後輪のうちの、一方の車輪をエンジンにより駆動し、他方の車輪を必要に応じて交流モータにより駆動するようにしたモータ駆動４ＷＤ車両を制御する４ＷＤ車両の制御方法において、
    前記エンジンと連結して駆動する発電機により発電される３相交流電力を、整流手段で整流し、整流して得られる直流電力を、前記交流モータの中性点に供給し、且つ、
    前記整流手段と前記交流モータとの間に設けられた第１の昇降圧インバータにより、前記交流モータの中性点に供給される直流電力を、所望する電圧となる３相交流電力に変換することにより、前記交流モータを回転駆動させることを特徴とするモータ駆動４ＷＤ車両の制御方法。
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