JP4935211B2

JP4935211B2 - 車両の駆動装置

Info

Publication number: JP4935211B2
Application number: JP2006189012A
Authority: JP
Inventors: 賢志宇佐美
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2026-07-10
Also published as: JP2008013138A

Description

本発明は、内燃機関（エンジン）などの主動力源により駆動される発電機と、該発電機から電力を供給されて駆動輪を駆動する電動モータを備えた車両の駆動装置に関するものである。

主動力源に結合された発電機の発電電力に応動する電動モータからの動力により駆動される電動モータ駆動車輪を具えた車両としては従来、例えば特許文献１に記載されたごときものがある。

この車両は、４輪のうちの２輪をエンジン駆動し、他の２輪を電動モータにより駆動可能とし、エンジンに駆動結合した発電機からの電力により電動モータを直接駆動する。そして、上記した他の２輪のトルクを、電動モータのモータトルク制御によって決定する。
特開２００４−２２２４４３号公報

しかし、特許文献１に記載された電動モータ式4輪駆動車両にあっては、以下に説明するような問題を生ずる。電動モータの電機子電流に関しては、発電機から電力が供給され、モータ界磁電流は、補機用のバッテリから供給されている。
このように、界磁電流の電源を補機用のバッテリに依存すると、当然にバッテリは放電により電力を消耗するため、バッテリには適宜、発電機から電力を充電する必要がある。したがってバッテリは充放電を繰り返し実行しなければならず、バッテリの劣化という点では望ましいものではない。

本発明は、バッテリから供給される駆動用のモータの界磁電流を抑制し、バッテリの劣化を低減することを目的とする。

この目的のため、本発明による車両用駆動モータは、請求項１に記載のごとく、
主動力源によって駆動される発電機と、該発電機から電力を供給されて駆動輪を駆動するモータとを具えた車両の駆動装置において、
補機用のバッテリと、前記発電機と前記バッテリの間を電気的に接続し或いは切断する切替スイッチと、を有し、
前記切替スイッチが接続状態であって、前記発電機の発電電圧が前記バッテリの出力電圧よりも高く制御されている場合、一旦、前記発電電圧を前記バッテリの出力電圧よりも低くしてから前記切替スイッチを接続状態から切断状態に切り替えて、前記発電機が発電する電力の一部を前記モータに供給するよう構成したことを特徴とするものである。

かかる本発明の車両によれば、切替スイッチが接続状態であって、発電機の発電電圧がバッテリの出力電圧よりも高く制御されている場合、一旦、発電電圧をバッテリの出力電圧よりも低くしてから切替スイッチを接続状態から切断状態に切り替えて、発電機が発電する電力の一部をモータに供給するため、モータの界磁制御を可能としつつ補機用のバッテリの負荷を低減することができ、また、一般車両負荷の変化が運転者に認識できないようにすることができる。
したがって、バッテリの充放電回数を軽減することができ、バッテリの劣化を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面に示す実施例に基づき詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施例になる駆動装置を具えた電動モータ式４輪駆動車両を略示し、
本実施例においてはこの車両を、左右前輪1L,1Rを主動力源としてのエンジン（内燃機関）２によって駆動されるフロントエンジン・フロントホイールドライブ車（F／F車）をベース車両とし、左右後輪3L,3Rを必要に応じ電動モータである後輪駆動モータ４によって駆動可能とした、所謂電動モータ式４輪駆動車両とする。

エンジン２は通常通り、運転者が主動力源要求負荷指令手段としてのアクセルペダル（図示せず）を踏み込む程度に応じて出力が抑制されるものとする。
そしてこのエンジン２は、自動変速機５およびディファレンシャルギヤ装置６を一体ユニットに構成したトランスアクスルを介し左右前輪（主駆動輪）1L,1Rに連結され、エンジン２の出力トルクが自動変速機５およびディファレンシャルギヤ装置６を経て左右前輪1L,1Rに伝達されて車両の走行に供されるものとする。

次に後輪駆動モータ４による後輪駆動系を説明するに、これは、エンジン２の出力トルクの一部により無端ベルト７を介して駆動される発電機８を具え、この発電機８は、エンジン２の回転数にベルトプーリ比を乗じた回転数で駆動されており、４輪駆動コントローラ９によって調整される界磁電流Ikに応じた発電負荷をエンジン２にかけて負荷トルクに応じた電力を発電する。なお、上述した発電機８の界磁電流Ikは、エンジン回転数が低い場合には後述するバッテリ１６を電力源（他励）とし、エンジン回転数が高くなると、発電機８が電力源（自励）となる。

発電機８が発電した電力は、電力線１０と、切替ボックス１１と、電力線１７を経てインバータ１５に供給される。インバータ１５は４輪駆動コントローラ９からの指令により、詳しくは後述するが後輪駆動モータ4に電機子電流を与える。
切替ボックス１１は電力線１０とインバータ１５とを2輪駆動時に接続するが、４輪駆動コントローラ９からの指令により、4輪駆動時等、必要に応じて、電力線１０およびインバータ１５間を遮断することができる。
このようにして切替ボックス１１は４輪駆動コントローラ９からの指令により、電力線１０を接続または遮断して、発電機８が発電した電力の一部を適宜、一般車両負荷（補機）や後述する電磁クラッチ１３、バッテリ１６にも供給する。

後輪駆動モータ４は、減速機１２と、電磁クラッチ１３と、左右後輪（電動モータ駆動車輪）3L,3Rのディファレンシャルギヤ装置１４とに順次結合し、後輪駆動モータ4の出力トルクが減速機１２によりギヤ比分で増大され、電磁クラッチ１３が締結状態であれば、この増大されたトルクがディファレンシャルギヤ装置１４により左右後輪3L,3Rに分配出力されるようになす。

電磁クラッチ１３の締結・解放操作は、４輪駆動コントローラ９がインバータ１５内に設けられたスイッチ素子S1に指令を与えることによって行う。電磁クラッチ１３は後述するクラッチコイル13kを具え、このクラッチコイル13kに電流が通電する間は電磁クラッチ１３が締結される。
後輪駆動モータ4の回転方向・駆動トルクは、４輪駆動コントローラ９がインバータ１５に指令を与えることによって制御する。

４輪駆動コントローラ９は、車両運転状態に応じて決まる左右後輪（電動モータ駆動車輪）3L,3Rの目標駆動力に対応した後輪駆動モータ４のモータトルク指令値を求め、後輪駆動モータ４への界磁電流および電機子電流の調整によってモータ駆動トルクをこの指令値に一致するよう制御する。具体的には４輪駆動コントローラ９の指令を受けたインバータ１５が電機子電流を制御し、インバータ１５内に設けられた後述するスイッチ素子S2がコントローラによって制御され、界磁電流が制御される。

インバータ１５、発電機８、切替ボックス１１、電磁クラッチ１３の上記した制御を行うために４輪駆動コントローラ９には、４輪駆動スイッチ２１からの信号が入力されるほかに、
左右前輪1L,1Rそれぞれの車輪速（前輪速）および左右後輪3L,3Rそれぞれの（後輪速）を検出する車輪速センサ群２２からの信号と、
エンジン2のエンジン回転数Neを検出するエンジン回転センサ２３からの信号などが入力される。

なお４輪駆動コントローラ9は、運転者が４輪駆動スイッチ２１をONにしている間、４輪駆動の必要を判断して自動的にモータ４輪駆動を行い、
運転者が４輪駆動スイッチ２１をOFFにしている間、前２輪のエンジン駆動のみによる２輪駆動を継続的に行わせるものとする。

次に、上述した実施例の電気回路の構成を、図２に沿って説明する。
発電機８は、電機子コイル８ｄと、半導体スイッチ８ｓと、界磁コイル８ｋと、複数の整流ダイオード8a,8bとを具える。また後輪駆動モータ４も、電機子コイル４ｄと、界磁コイル４ｋとを具える。発電機８の電機子コイル８ｄと、電機子コイル４ｄの間には、切替ボックス１１と、インバータ１５とが設けられている。

界磁コイル8kの一方の端部は、整流ダイオード8aを介してバッテリ16と電気的に接続すると共に、請求ダイオード8bを介して発電機8の電機子コイル8dと電気的に接続している。また、界磁コイル8kの他方の端部は、半導体スイッチ8sと接続している。半導体スイッチ8sが４輪駆動コントローラ9により制御され導通状態となると、バッテリ16または電機子コイル8dのいずれか電圧の高い側から供給される電流が界磁コイル8kを流れる。

インバータ15は、三相交流電流を生成するスイッチ素子（図示せず）と、クラッチ13のクラッチコイル13kに流れる電流を制御するスイッチ素子S1と、後輪駆動モータ4の界磁コイル4kに流れる電流を制御するスイッチ素子S2と、発電機8から供給される電流がクラッチコイル13kに通流するのを許容する整流ダイオードd1と、バッテリ16から供給される電流がクラッチコイル13kに通流するのを許容する整流ダイオードd2と、発電機8から供給される電流が後輪駆動モータ4の界磁コイル4kに通流するのを許容する整流ダイオードd3と、バッテリ16から供給される電流が後輪駆動モータ4の界磁コイル4kに通流するのを許容する整流ダイオードd4とが設けられている。

切替ボックス11は、発電機8とインバータ15との間で、且つ、バッテリ16とインバータ15との間に設けられている。図１に示す電力線17は、図２に示すような３本の電力線17a,17b,17cからなる。切替ボックス11は、電力線17aを介して、インバータ15の三相交流電流を生成するスイッチ素子（図示せず）と電気的に接続し、電力線17bを介して、インバータ15内に設けられた整流ダイオードd1と電機的に接続し、電力線17cを介して、インバータ15内に設けられた整流ダイオードd3と電気的に接続している。また、切替ボックス11は、電力線17が接続される位置よりバッテリ16と接続する側に、切替スイッチ11sを有している。

バッテリ16は、ヘッドライトやエアーコンディショナーといった一般車両負荷（補機）18と接続され、適宜、電力をこれら一般車両負荷18に供給している。また、2輪駆動状態及び4輸駆動状態の一時期（ガタ詰め制御の時など、発電機の発電電圧を14V以下に制御している時期）は、切替ボックス11の切替スイッチ11sをON状態にして、発電機8とバッテリ16とを接続し、発電機8により発電された電力がバッテリ16に供給されるようになっている。逆に、4輸駆動状態で走行している時（発電機の発電電圧を14Vを超えて制御している時）は、切替ボックス11の切替スイッチ11sをOFF状態にして、発電機8とバッテリ16とを切り離し、発電機8により発電された高電圧の電力がバッテリ16や一般車両負荷18に供給されないようになっている。

次に、本実施例の駆動装置の動作を、図3のタイムチャートに基づき説明する。

車両が停止している状態で、瞬時t1において、運転者が4輪駆動スイッチ21をON状態にし、瞬時t2において、運転者がPレンジ（パーキングレンジ）からDレンジ（ドライブレンジ）にシフトチェンジを行ったとする。この場合、瞬時t1から瞬時t2では、切替スイッチ11sはON状態で、発電機8の発電電圧は14Vに制御され、発電機8からバッテリ16や一般車両負荷18に電力が供給可能な状態となっている。また、瞬時t2においては、インバータ15内に設けられたスイッチ素子S1、S2がON状態に制御される。これにより、クラッチコイル13k、後輪駆動モータ4の電機子コイル4d及び界磁コイル4kには、発電機8から電力が供給され、減速機12などのバックラッシュによるショックを低減するため、駆動輪3R,3Lに微小トルクをかけるガタ詰め制御が行われる。この時のクラッチコイル13k及び後輪駆動モータ4の界磁コイル4kの端子間電圧は、14Vとなる。バッテリ16の出力電圧は12V程度なので、クラッチコイル13k、後輪駆動モータ4の電機子コイル4d及び界磁コイル4kには電圧の高い発電機8から電力が供給されることとなり、バッテリ16からの電力の持ち出しを抑制することができる。

瞬時t3において、運転者がアクセルペダルを踏み込み、車両が発進すると、切替スイッチ11sをON状態からOFF状態にするための準備として、まず、発電機8の発電電圧をバッテリ16の出力電圧より低くなるように低下させる。続く瞬時t4において、発電機8の発電電圧がバッテリ16の出力電圧を下回る（発電機8の端子間電圧は、バッテリ16と連結しているため、バッテリ16の出力電圧と同電位となる）と、クラッチコイル13k及び後輪駆動モータ4の界磁コイル4kには、バッテリ16から電力が供給されるようになる。この結果、クラッチコイル13k及び後輪駆動モータ4の界磁コイル4kに、バッテリ16から電力が供給されるようになってから十分に時間が経過した後の瞬時t5において、切替スイッチ11sをONからOFFに切り替える。

切替スイッチ11sが、ON状態からOFF状態に変化すると、一般車両負荷18であるヘッドランプやワイパーの電源が、発電機8からバッテリ16に移行することとなる。この移行の際に、発電機8の発電電圧とバッテリ16の出力電圧の差が大きいと、電圧差により、ヘッドランプが暗くなったり、ワイパーの速度が遅くなったりして、運転者に違和感を与える恐れがある。つまり、バッテリ16を充電したり、クラッチコイル13k、界磁コイル4kに電力を供給するため、発電機8は、バッテリ16より高い電圧で発電しているが、この電圧差が切替スイッチ11sで電源を切り替えたときに運転者に違和感を生じさせる原因となる。そこで、切替スイッチ11sをOFF状態にして、一般車両負荷18の電源を発電機8からバッテリ16に移行する場合には、一般車両負荷18の変化（ヘッドランプのちらつきやワイパーの速度の変化）が運転者に認識できないように、発電機8の発電電圧をゆっくり下げてから、バッテリ16に移行するようにしている。

瞬時t5において、切替スイッチ11sをOFF状態にして、バッテリ16と一般車両負荷18が発電機8から切り離されると、発電機8の発電電圧を後輪駆動モータ4の駆動力要求に基づき、高くする。発電電圧が14Vを超える瞬時t6以降は、クラッチコイル13k及び後輪駆動モータ4の界磁コイル4kに、印加される電圧が14Vになるようにスイッチ素子S1、S2を制御する。これにより、クラッチコイル13k及び後輪駆動モータ4の界磁コイル4kの耐圧を大きくすることなく、従来のものを流用することができる。また、瞬時t5以降は、発電機8の発電電圧がバッテリ16の出力電圧を上回るので、クラッチコイル13k及び後輪駆動モータ4の界磁コイル4kに、バッテリ16から電力が供給されることはない。このため、バッテリ16からクラッチコイル13kや後輪駆動モータ4の界磁コイル4kに電力が供給されるのは、発電機8の発電電圧がバッテリ16の出力電圧を下回る瞬時t4から瞬時t5までの間だけとなり、バッテリ16からの電力の持ち出しを抑制することができ、バッテリ16の劣化を低減することができる。

その後の瞬時t7において車速がピークとなり、瞬時t7以降で車両が減速状態となると、4輸駆動モードから2輪駆動モードへの移行を開始する。このため、瞬時t7以降で発電機8の発電電圧が低下する。続く瞬時t8において、2輸駆動モードへ移行する条件が整うと2輸駆動モードに移行し、スイッチ素子S1、S2を制御（OFF状態）して、クラッチコイル13k及び後輪駆動モータ4の界磁コイル4kへの電力の供給を停止する。瞬時t7から瞬時t8の間は、4輪駆動モードから2輸駆動モードに移行するための移行モードとなる。

2輸駆動モードに移行した後も、発電機8の発電電力が、バッテリ16の出力電圧に近づくように、発電機8の発電電圧を低下させる。瞬時t9で発電機8の発電電圧がバッテリ16の出力電圧と同じになり、切替スイッチ11sをOFF状態からON状態に切り替えてもサージ電圧が発生しない（発生しても小さい）状態になった瞬時t10において、切替スイッチ11sをONにする。瞬時t10において、切替スイッチ11sをOFF状態からON状態に切り替えたら、発電機8の発電電圧を上昇させて、瞬時t11において、発電電圧を14Vになったら、発電電圧を14Vで一定となるように制御する。これにより、瞬時t11以降、発電機8の発電電圧がバッテリ16の出力電圧を上回り、発電機8からバッテリ16や一般車両負荷18に電力が供給できるようになる。

ところで、上記した本実施例によれば、発電機８が発電する電力の一部を後輪駆動モータ４の電機子（４ｄ）電流として供給し、発電機８が発電する電力の少なくとも他の一部を後輪駆動モータ４の界磁（４ｋ）電流として供給するよう構成したことから、
これら供給中は、従来のようにバッテリ１６の電力をクラッチコイル13kや界磁コイル4kに供給しないで済む。したがって頻繁にバッテリ１６を充放電しなくてもよい。この結果、バッテリの劣化を低減することができる。

また本実施例では、駆動輪3R,3Lおよび後輪駆動モータ４間に電磁クラッチ１３を介挿し、発電機８が発電する電力の一部を電磁クラッチ１３のクラッチコイル13kに供給可能としたことから、
従来のようにバッテリを用いて電磁クラッチを締結・解放する構成と比較して、バッテリ１６の充放電を一層減らすことができ、従って、バッテリの劣化を益々低減することができる。
なお、本実施例では１３を電磁クラッチとしたが、この他にも、駆動力の締結・解放を実行可能な電動アクチュエータであってもよいこと勿論である。

また本実施例にあっては、後輪駆動モータ４の電機子（４ｄ）に要求される電力と、後輪駆動モータ４の界磁コイル（４ｋ）に要求される電力と、クラッチ１３に要求される電力との合計が、発電機８の発電する電力を越える場合には後輪駆動モータ４の界磁コイル４ｋ及びクラッチ１３の少なくとも一方に、補機１８用のバッテリ１６から電力を供給するよう構成してもよい。

あるいは本実施例にあっては、後輪駆動モータ４の電機子（４ｄ）に要求される電力と、後輪駆動モータ４の界磁コイル（４ｋ）に要求される電力との合計が、発電機８の発電する電力を越える場合には、後輪駆動モータ４の界磁コイル（４ｋ）に、補機１８用のバッテリ１６から電力を供給するよう構成してもよい。

以上より、主動力源たるエンジン２のエンジン回転数が低いなどの理由で発電機８の発電電圧が十分に高くない場合であっても、後輪駆動モータ４および電磁クラッチ１３に必要な電力を供給することができる。

なお、上述したのはあくまでも本発明の一実施例であり、本発明はその主旨に逸脱しない範囲において種々変更が加えられうるものである。

本発明の一実施例になる電動モータ式４輪駆動車両の駆動制御系を示す略線図である。同モータ４輪駆動車両のモータ駆動制御系における回路構成を概略示すものである。同モータ４輪駆動車両の発電機の諸特性およびモータの諸特性の関係を示すタイムチャートである。

符号の説明

1L 左前輪（主駆動輪）
1R 右前輪（主駆動輪）
２エンジン（主動力源）
3L 左後輪（電動モータ駆動車輪）
3R 右後輪（電動モータ駆動車輪）
４後輪駆動モータ（電動モータ）
５自動変速機
６ディファレンシャルギヤ装置
７無端ベルト
８発電機
９４輪駆動コントローラ
10 電力線
11 切替ボックス
12 減速機
13 電磁クラッチ
14 ディファレンシャルギヤ装置
15 インバータ
16 バッテリ
18 一般車両負荷（補機）
21 ４輪駆動スイッチ
22 車輪速センサ群
23 エンジン回転センサ

Claims

主動力源によって駆動される発電機と、該発電機から電力を供給されて駆動輪を駆動するモータとを具えた車両の駆動装置において、
補機用のバッテリと、前記発電機と前記バッテリの間を電気的に接続し或いは切断する切替スイッチと、を有し、
前記切替スイッチが接続状態であって、前記発電機の発電電圧が前記バッテリの出力電圧よりも高く制御されている場合、一旦、前記発電電圧を前記バッテリの出力電圧よりも低くしてから前記切替スイッチを接続状態から切断状態に切り替えて、前記発電機が発電する電力の一部を前記モータに供給するよう構成したことを特徴とする車両の駆動装置。
請求項１に記載の、車両の駆動装置において、
前記駆動輪および前記モータ間にクラッチを介挿し、前記発電機が発電する電力の一部を前記クラッチに供給可能としたことを特徴とする車両の駆動装置。
請求項２に記載の、車両の駆動装置において、
前記発電機が発電する電力の一部を前記モータの電機子電流として供給し、前記発電機が発電する電力の少なくとも他の一部を前記モータの界磁電流として供給するようにし、
前記モータの電機子に要求される電力と、前記モータの界磁コイルに要求される電力と、前記クラッチに要求される電力との合計が、前記発電機の発電する電力を越える場合には前記モータの界磁コイル及び前記クラッチの少なくとも一方に、前記バッテリから電力を供給するよう構成したことを特徴とする車両の駆動装置。
請求項１に記載の、車両の駆動装置において、
前記発電機が発電する電力の一部を前記モータの電機子電流として供給し、前記発電機が発電する電力の少なくとも他の一部を前記モータの界磁電流として供給するようにし、
前記モータの電機子に要求される電力と、前記モータの界磁コイルに要求される電力との合計が、前記発電機の発電する電力を越える場合には、前記モータの界磁コイルに、前記バッテリから電力を供給するよう構成したことを特徴とする車両の駆動装置。