JP4063193B2 - 電動車両の駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、電動車両の駆動システムに係り、特に、車両の駆動力及び回生電力を発生する走行用電動機を備えた電動車両の駆動システムに関する。

現在、車両の駆動力を発生する一方で、減速及び制動時に回生電力をも発生する電動機を備えた電動車両が知られている（例えば、特許文献１等参照）。特許文献１では、車輪に摩擦力を与えて制動を行なう機械式制動装置と回生制動装置とを協調させるシステムが開示されている。

また、内燃機関の出力を発電機により電力に変換し、この電力で電動機を運転して車両を走行させるシリーズ型ハイブリッド電気自動車が知られている（例えば、特許文献２等参照）。特許文献２でも、自動車の制動時に走行用電動機が車輪の回転エネルギを電気エネルギに変換してバッテリやコンデンサに充電する回生ブレーキと機械式ブレーキとを併用し、バッテリやコンデンサに充電できない場合には、発電機を電動機として用いて内燃機関を回転させることで走行用電動機の回生電力を消費している。また、回生電力を抵抗器で消費する手法も記載されている。
特開２００２−１５２９０４号公報 特開平１１−３３２００７号公報

しかし、特許文献１における機械式制動装置は摩擦体の温度や濡れているのか乾いているのか等の使用状況により発生できる制動力が変動するため、機械式制動と回生制動とを協調させても所望の制動力を発生させることは困難である。

また、特許文献２では、バッテリやコンデンサの充電量が上限近傍である場合、回生電力を消費（充電）できないため、回生により発生する電力が低下してしまう。なお、機械式ブレーキの制動力の配分を大きくし、回生ブレーキの配分を小さくすることで回生電力を減らす方法も考えられるが、この方法では制動力のばらつきが大きくなってしまうものと思われる。

本発明の特徴は、電動車両の駆動力の少なくとも一部を発生する走行用電動機と、この走行用電動機に接続された電力蓄積手段と、走行用電動機が回生制動を行う時に発生する回生電力を消費する非走行用電動機と、この非走行用電動機の出力軸に接続された回転体と、この回転体を制動する制動手段と、この制動手段の制動力を制御する制動力制御手段とを有し、電力蓄積手段の電力蓄積量が上限値近傍である場合において、走行用電動機で回生制動を行う時に、非走行用電動機は回生電力を用いて回転体を駆動するとともに、制動手段は回転体の回転速度を抑制する電動車両の駆動システムであることを要旨とする。

本発明によれば、走行用電動機が発生する回生電力を一定に保持する電動車両の駆動システムを提供することができる。

以下図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図面の記載において同一あるいは類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る電動車両の駆動システムは、電動車両１０の駆動力の少なくとも一部を発生する走行用電動機（以後、「走行用モータ」という）１と、走行用モータ１を駆動する走行用インバータ２と、走行用モータ１が回生制動を行なう時に発生する回生電力を消費する非走行用電動機（以後、「非走行用モータ」という）５と、非走行用モータ５を駆動する非走行用インバータ４と、非走行用モータ５の出力軸に接続された回転体（例えば、ディスク）６と、ディスク６を制動する制動手段（例えば、キャリパ）７と、キャリパ７の制動力を制御する制動力制御手段（以後、「ブレーキ制御手段」という）８と、走行用モータ１及び非走行用モータ２に接続された電力蓄積手段（例えば、バッテリ）３ａと、電動車両の駆動システム全体を制御する車両制御装置９とを有する。

走行用モータ１の出力軸は車軸１３に接続され、車軸１３の先端には車輪１２が接続されている。走行用モータ１の駆動力が車軸１３を介して車輪１２に伝わることにより、電動車両１０は走行する。

バッテリ３ａは、走行用インバータ２へ直流電力を供給し、また、走行用モータ１が回生制動を行なう時に発生する回生電力を蓄える。非走行用モータ５は、回生電力を機械出力に変換することにより回生電力を消費する。ディスク６は、非走行用モータ５の出力軸と一体となって回転する。キャリパ７はディスク６に対して摩擦力を与えて制動する。ディスク６及びキャリパ７は、摩擦力を用いるディスクブレーキ装置を構成する。

図２に示すように、車両制御装置９は、ドライバーのアクセルやブレーキなどの操作からアクセル信号及びブレーキ信号を受信し、バッテリ３ａからバッテリ状態を示す信号を受信する。車両制御装置９は、これらの信号に基いて、走行用モータ１、非走行用モータ５に出力させるトルクの指令値Ｔｅ１、Ｔｅ２を走行用インバータ（ベクトル制御インバータ）２及び非走行用インバータ（ベクトル制御インバータ）４に与えるとともに、ブレーキ制御手段８にディスク６の回転速度の目標値Ｎを与える。走行用インバータ２は、トルク指令Ｔｅ１に一致するトルクを走行用モータ１に出力させる。非走行用インバータ４は、トルク指令Ｔｅ２に一致するトルクを非走行用モータ５に出力させる。ブレーキ制御手段８は、ディスク６の実回転速度が回転速度目標値Ｎに一致するようにキャリパ７を駆動する。このようにして、走行用モータ１の出力トルク、非走行用モータ５の出力トルク及びディスク６の回転速度は制御される。

また、車両制御装置９は、走行用モータ１からモータ回転速度ω１の信号を受信し、バッテリ３ａからバッテリの状態を示す信号を受信し、非走行用モータ４からモータ回転速度ω２の信号を受信する。

図３に示すように、車両制御装置９は、第１のトルク指令演算部２１と、受け入れ可能電力演算部２２と、電力演算部２３と、余剰電力演算部２４と、第２のトルク指令演算部２５と、回転速度指令演算部２６とを有する。

第１のトルク指令演算部２１は、アクセル信号、ブレーキ信号及び走行用モータ１の回転速度ω１から走行用モータ１のトルク指令Ｔe１を演算する。受け入れ可能電力演算部２２は、バッテリ３ａの状態からバッテリ３ａが受け入れることが可能な電力Ｐｐを演算する。電力Ｐｐは例えば、バッテリ３ａのＳＯＣ（State Of Charge）から計算される。電力演算部２３は、走行用モータ１のトルク指令Ｔｅ１と走行用モータ１の回転速度ω１とから、走行用モータ１が回生する電力（回生電力）Ｐｄを演算する。余剰電力演算部２４は、バッテリ受け入れ可能電力Ｐｐと走行用モータ１で回生する電力Ｐｄとから、回生電力消費手段を構成する非走行用モータ５、ディスク６及びキャリパ７で消費すべき電力の目標値Ｐｃを演算する。第２のトルク指令演算部２５は、消費すべき電力の目標値Ｐｃと非走行用モータ５の回転速度ω２とから、非走行用モータ５のトルク指令Ｔｅ２を演算する。回転速度指令演算部２６は、バッテリ状態からディスク６の回転速度の指令値Ｎを演算する。以上の構成により、走行用モータ１のトルク指令Ｔｅ１、非走行用モータ４のトルク指令Ｔｅ２、ディスク６の回転速度目標値Ｎが演算される。

次に、図１乃至図３に示した電動車両の駆動システムの動作を説明する。先ず、バッテリ３ａが満充電状態である場合の基本的動作を説明する。電動車両の走行中にドライバーがブレーキを踏んだ場合、図２の走行用インバータ２は走行用モータ１に回生動作をさせることでブレーキをかける。すると、走行用モータ１は回生電力を発生し、走行用インバータ２を介して回生電力がバッテリ３ａに戻ることになる。しかし、バッテリ３ａが満充電状態であるため、バッテリ３ａは回生電力を充電できない。そこで、非走行用インバータ４は非走行用モータ５を力行させ、回生電力と同じ電力が消費されるように非走行用モータ５の出力を設定する。こうすることで、バッテリ３ａに戻る電力と同じ電力が消費されることになるので、実際にはバッテリ３ａに電力は戻らないことになる。

非走行用モータ５は力行することでディスク６の回転速度を上昇させることになるが、キャリパ７でディスク６に制動をかけることで所望の回転速度となるように保たれる。

以上の動作により、バッテリ３ａが満充電時には、回生電力が消費されることになる。ディスクブレーキ装置１１は、車のブレーキとして広く使われているが、小さなサイズでありながら非常に大きなエネルギを熱に変えて放熱することができる。従って、図１に示す駆動システムを搭載する電動車両では、大きな回生エネルギを小さなディスクブレーキ装置１１で熱エネルギとして消費させることが可能である。

次に、図３の車両制御装置９の動作について説明する。バッテリ受け入れ可能電力Ｐpが、回生電力Ｐdより小さい場合、すなわち回生電力を消費することが必要な場合には、消費電力目標値Ｐｃは、（１）式に示すようになる。但し、バッテリ受け入れ可能電力Ｐpが、回生電力Ｐdより小さい場合には、Ｐｃ＝０として、回生電力Ｐdを消費せずにバッテリ３ａに蓄える。

Ｐｃ＝Ｐｄ−Ｐｐ ・・・（１）
そして、第２のトルク指令演算部２５は、モータ回転数ω２を用いて、消費電力目標値Ｐｃに等しい電力を消費するためのトルク指令値Ｔｅ２を計算する。図２の非走行用インバータ４は、トルク指令値Ｔｅ２に一致するトルクを出力する。以上により、非走行用モータ５は電力Ｐｃに一致する電力を消費する。

また、ディスク６のディスク回転速度目標値Ｎは、図４に示すような関係に基づいて演算される。つまり、非走行用モータ５は、バッテリ３ａのＳＯＣが小さい場合には高い回転に維持し、ＳＯＣが高くなると低い回転に維持する。これは、ＳＯＣが低い場合には高い回転に維持することで大きな運動エネルギを蓄えておき、ＳＯＣが高い場合には低い回転に維持しておくことでより大きな回生電力を使用することができるようにするためである。

以上説明したように、第１の実施の形態によれば、走行用モータ１を動力源とした電動車両１０において、走行用モータ１が回生制動により発生した電力を消費するための非走行用モータ５と、非走行用モータ５の出力軸に接続されたディスクブレーキ装置１１とを設け、ブレーキ制御手段８がキャリパ７の制動力を制御することにより、非走行用モータ５の消費電力を制御して、走行用モータ１の回生電力を一定に保つことができる。

また、バッテリ３ａの充電状態に依存せず回生ブレーキで制動を行なうことにより、制動力を機械式ブレーキと回生ブレーキで分配した場合と比べ、制動力のばらつきが小さくなる。

ディスクブレーキ装置１１がその使用状態により発生する制動力に変動があっても、制動力の変動は直接的に非走行用モータ５の消費電力の変動に現れず、走行用モータ１が発生する回生電力の変動に大きな影響を与えない。

更に、モータで内燃機関を回す方法及び抵抗器で回生電力を消費する方法に比べて、バッテリ３ａの充電量が大きい場合にも大きな回生電力を消費することが出来る。

更に、機械式ブレーキと回生ブレーキの両方を備えて、バッテリ３ａの充電量が大きい場合には機械式ブレーキの制動力の配分を大きく回生ブレーキの配分を小さくすることで回生電力を減らす必要が無くなるため、制動力のばらつきが小さくなる。

なお、非走行用モータ５はどのような種類のモータでも良いが、ＳＲ（Switched Reluctance）モータを用いることにより以下の特長が得られる。すなわち、ＳＲモータはその構造上熱に強く、ディスクブレーキ装置１１から伝わる熱によって温度条件が厳しくなる場合でも安定して動作させることができる。また、高回転動作を得意としているため、高回転化により回生電力を機械エネルギとして多く蓄えることが可能となる。

（第１の実施の形態の変形例）
図５に示すように、第１の実施の形態の変形例では、電動車両１０の駆動システムを、バッテリ３ａなどの電力蓄積手段を持たない燃料電池車に対して適用した場合について説明する。

燃料電池車の駆動システムは、バッテリ３ａの替わりに、走行用インバータ２に直流電力を供給する燃料電池３ｂを有する。その他の構成は、図１に示した電動車両の駆動システムと同様であり、説明を省略する。

電力蓄積手段を持たない車両は、一般には回生制動を行なうことができない。しかし、第１の実施の形態の変形例では、電力蓄積手段を持たない車両に図２に示すような駆動システムを搭載することで、回生電力とほぼ等しい電力を消費することができるので、回生制動を行なうことが可能である。

（第２の実施の形態）
図６に示すように、第２の実施の形態に係る電動車両は、エンジン（内燃機関）１４と、エンジン１４の動力を用いて発電する発電機５とを備えるハイブリッド電気自動車（ＥＶ）であり、非走行用モータとして発電機５を用いる。

本発明の第２の実施の形態に係る電動車両の駆動システムは、電動車両１０の駆動力の少なくとも一部を発生する走行用モータ１と、走行用モータ１を駆動する走行用インバータ２と、走行用モータ１が回生制動を行なう時に発生する回生電力を消費する非走行用モータ（発電機）５と、非走行用モータ５を駆動する非走行用インバータ４と、非走行用モータ５の出力軸に接続されたディスク６と、ディスク６を制動するキャリパ７と、キャリパ７の制動力を制御するブレーキ制御手段８と、走行用モータ１及び非走行用モータ２に接続されたバッテリ３ａと、電動車両の駆動システム全体を制御する車両制御装置３９とを有する。

走行用モータ１の出力軸は車軸１３に接続され、車軸１３の先端には車輪１２が接続されている。走行用モータ１の駆動力が車軸１３を介して車輪１２に伝わることにより、電動車両１０は走行する。ディスク６及びキャリパ７は、摩擦力を用いるディスクブレーキ装置１１を構成する。

図７に示すように、車両制御装置３９は、第１のトルク指令演算部２１と、受け入れ可能電力演算部２２と、電力演算部２３と、余剰電力演算部２４と、第２のトルク指令演算部２５と、回転速度指令演算部２６と、回生／力行判断部３０と、回転速度指令演算部３１と、回転速度制御部３２と、ブレーキ動作停止信号生成部３３と、スイッチ３４とを有する。即ち、車両制御装置３９は、図３の車両制御装置９に対して、回生／力行判断部３０と、回転速度指令演算部３１と、回転速度制御部３２と、ブレーキ動作停止信号生成部３３と、スイッチ３４とを新たに付加したものである。

回生／力行判断部３０は、バッテリ状態から非走行用モータ５を力行させるか回生させるかを判断する。バッテリ３ａの蓄電量が所定値未満の場合には回生が選択され、ディスク６の回転エネルギが電気エネルギに変換され、この電気エネルギによりバッテリ３ａが充電される。また、回生を選択した場合には、スイッチ３４は回転速度制御部３２側に接続され、トルク指令Ｔｅ２としてＴｅ２ｐが選択される。トルク指令Ｔｅ２ｐは、以下のように演算される。非走行用モータ５の回転速度指令演算部３１で非走行用モータ５の回転速度ω２以下の速度である回転速度指令値ω２’を与える。回転速度制御部３２は、回転速度指令値ω２’に回転速度ω２を追従させるためのトルク指令Ｔｅ２ｐを計算する。トルク指令Ｔｅ２ｐは負となるので、非走行用モータである発電機５は回生を行うことになる。この回生電力によりバッテリ３ａが充電される。この際、ブレーキ動作停止信号生成部３３はブレーキディスク６をフリーの状態にしておく。

一方、バッテリ３の蓄電量が所定値以上の場合には力行が選択される。すると、スイッチ３４は第２のトルク指令演算部２５側に接続され、トルク指令Ｔｅ２としてＴｅ２ｒが選択される。また、ブレーキ動作停止信号生成部３３がブレーキ停止信号をディスエーブルにするので第１の実施の形態の動作と同じになる。

以上説明したように、第２の実施の形態によれば、回生電力を消費するために新たにモータを追加することなしに大きな回生電力を消費することができる。

また、回生電力を消費するだけではなく、バッテリ３ａの充電量が少ない場合には、ディスク６の回転エネルギを発電機５により電気エネルギに変換し、バッテリ３ａに充電することができる。

更に、走行用モータ１を動力源とした電動車両１０において、走行用モータ１が回生制動により発生した電力を消費するための非走行用モータ５と、非走行用モータ５の出力軸に接続されたディスクブレーキ装置１１とを設け、ブレーキ制御手段８がキャリパ７の制動力を制御することにより、非走行用モータ５の消費電力を制御して、走行用モータ１の回生電力を一定に保つことができる。

更に、バッテリ３ａの充電状態に依存せず回生ブレーキで制動を行なうことにより、制動力を機械式ブレーキと回生ブレーキで分配した場合と比べ、制動力のばらつきが小さくなる。

ディスクブレーキ装置１１がその使用状態により発生する制動力に変動があっても、制動力の変動は直接的に非走行用モータ５の消費電力の変動に現れず、走行用モータ１が発生する回生電力の変動に大きな影響を与えない。

更に、モータで内燃機関を回す方法及び抵抗器で回生電力を消費する方法に比べて、バッテリ３ａの充電量が大きい場合にも大きな回生電力を消費することが出来る。

更に、機械式ブレーキと回生ブレーキの両方を備えて、バッテリ３ａの充電量が大きい場合には機械式ブレーキの制動力の配分を大きく回生ブレーキの配分を小さくすることで回生電力を減らす必要が無くなるため、制動力のばらつきが小さくなる。

上記のように、本発明は、第１及び第２の実施の形態及びその変形例によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ限定されるものである。

駆動力の少なくとも一部を電動モータの出力から得ている電動車両１０の駆動システムにおいて、車両の駆動力を発生させる走行用モータ１と、走行以外の目的で備えられている非走行用モータ５と、非走行用モータ５で回転可能に接続された回転体（ディスク）６と、ディスク６を制動する制動手段（キャリパ）７とを備える。これにより、大きな回生電力を非走行用モータで機械出力に変換し、この機械出力を制動手段で熱に変換するので、バッテリ３ａの充電状態に依存せずに安定して大きな回生電力を消費することが可能である。

上記の電動車両１０は、電力蓄積手段（バッテリ）３ａを更に備え、電力蓄積手段３ａの電力蓄積量が上限近傍である場合に走行用モータ１で回生を行なう際には、非走行用モータ５でディスク６を駆動するとともに、キャリパ７でディスク６の回転速度を抑制する。これにより、電力蓄積手段３ａの電力蓄積量が上限近傍である場合にも大きな回生ブレーキをかけることが可能である。また、電力蓄積手段３ａの電力蓄積量に関わらず回生ブレーキを使用することが可能であるので、電力蓄積手段３ａの蓄積量により機械式ブレーキ（メカブレーキ）による制動力と回生ブレーキによる制動力の分配を変える必要がない。従って、ばらつきのない安定した制動力が得られる。

電動車両１０は電力蓄積手段３ａを備えない電動車両であって、走行用モータ１で回生を行なう際には、非走行用モータ５でディスク６を駆動するとともに、キャリパ７でディスク６の回転速度を抑制する。これにより、電力蓄積手段３ａを備えない電動車両において、回生ブレーキを使用することが可能となる。

電動車両１０は、内燃機関（エンジン）１４と内燃機関１４の動力を用いて発電する発電機とを備えるハイブリッド電気自動車であって、非走行用モータ５として上記発電機を用いる。これにより、発電機を有するハイブリッド自動車では、非走行用モータ５として既に備わっている発電機を流用できるので、付加物が最小限で済む。

電力蓄積手段３ａの電力蓄積量が上限値以下に設定された所定値未満である場合には、非走行用モータ５で回生を行う。これにより、電力蓄積手段３ａの電力蓄積量が少ない場合には、電力蓄積量を増加させることができる。

非走行用モータ５として、熱に強い構造で、且つ、高回転域での駆動を得意としているＳＲモータを使用することで、耐熱性が向上し、回生電力を機械エネルギとして効率良く蓄えることが可能となる。

制動手段として摩擦力を用いるディスクブレーキ装置１１を用いる。これにより、小型でありながら大きな熱を放出することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る電動車両の駆動システムを示すブロック図である。 図１に示した駆動システム及び駆動システムの各構成要素の間で送受信される信号を示すブロック図である。 図２に示した車両制御装置の構成を示すブロック図である。 ディスク回転速度目標値とバッテリのＳＯＣとの関係を示すグラフである。 第１の実施の形態の変形例に係る電動車両の駆動システムを示すブロック図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電動車両の駆動システムを示すブロック図である。 図６に示した車両制御装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 走行用電動機（走行用モータ）
２ 走行用インバータ
３ａ 電力蓄積手段（バッテリ）
３ｂ 燃料電池
４ 非走行用インバータ
５ 非走行用電動機（非走行用モータ）
６ ディスク（回転体）
７ キャリパ（制動手段）
８ 制動力制御手段（ブレーキ制御手段）
９、３９ 車両制御装置
１０ 電動車両
１１ ディスクブレーキ装置
１２ 車輪
１３ 車軸
１４ エンジン（内燃機関）
２１ 第１のトルク指令演算部
２２ 受け入れ可能電力演算部
２３ 電力演算部
２４ 余剰電力演算部
２５ 第２のトルク指令演算部
２６ 回転速度指令演算部
３０ 回生／力行判断部
３１ 回転速度指令演算部
３２ 回転速度制御部
３３ ブレーキ動作停止信号生成部
３４ スイッチ
ω１、ω２ モータ回転速度
Ｔｅ１、Ｔｅ２ トルク指令
Ｎ ディスク回転速度目標値

Claims (6)

1. 電動車両の駆動力の少なくとも一部を発生する走行用電動機と、
   前記走行用電動機に接続された電力蓄積手段と、
   前記走行用電動機が回生制動を行う時に発生する回生電力を消費する非走行用電動機と、
   前記非走行用電動機の出力軸に接続された回転体と、
   前記回転体を制動する制動手段と、
   前記制動手段の制動力を制御する制動力制御手段とを有し、
   前記電力蓄積手段の電力蓄積量が上限値近傍である場合において、前記走行用電動機で回生制動を行う時に、前記非走行用電動機は前記回生電力を用いて前記回転体を駆動するとともに、前記制動手段は前記回転体の回転速度を抑制することを特徴とする電動車両の駆動システム。
2. 前記電動車両は、
   内燃機関と、
   前記内燃機関の動力を用いて発電する発電機とを備え、
   前記非走行用電動機として前記発電機を用いることを特徴とする請求項１記載の電動車両の駆動システム。
3. 前記電力蓄積手段の電力蓄積量が上限値以下に設定された所定値を下回る場合には、前記非走行用電動機は回生電力を生成することを特徴とする請求項１又は２記載の電動車両の駆動システム。
4. 前記非走行用電動機はＳＲモータであることを特徴とする請求項１乃至３何れか１項記載の電動車両の駆動システム。
5. 前記回転体及び前記制動手段は、摩擦力を用いるディスクブレーキ装置であることを特徴とする請求項１乃至４何れか１項記載の電動車両の駆動システム。
6. 前記制動手段は前記回転体に対して摩擦力を与えて制動することを特徴とする請求項５記載の電動車両の駆動システム。

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