JP5355273B2 - 電動駆動装置および電池パック - Google Patents

Description

本発明は、バッテリを電源とするモータによって車両を駆動する電動駆動装置および電池パックに関する。

従来、２次電池を電源としてモータにより車両を駆動あるいは駆動力を補助するする電動バイクや電動アシスト自転車が知られている。このような電動バイクや電動アシスト自転車では、回生制動を行うことによりエネルギーの有効活用が図られている。この回生制動時においては、モータからの回生電圧は、モータの回転数に比例するため、低速での回生制動時には、回生電圧がバッテリの電圧より低くなって２次電池に蓄電することができない。

このような問題を解消するために、特許文献１は、インバータのスイッチング素子とモータの巻線により昇圧チョッパ回路を構成し、モータからの回生電圧を昇圧してバッテリを充電する技術を開示している。

より詳しくは、特許文献１は、従来よりも高い回生効率を得るように電動モータの回生制動を制御できるモータ制御装置を開示している。このモータ制御装置は、電動モータから発生された電力を該電動モータの電源となるバッテリに供給するインバータと、インバータをＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）制御する制御回路と、電動モータの回転数を検出する回転数／回転位置検出回路とを備えている。制御回路は、回転数／回転位置検出回路の出力値に基づいて、ＰＷＭデューティをバッテリに供給される回生電力がピークとなる点での値またはその近傍値以下に制限する。

この昇圧チョッパ回路による回生制動では、モータの回転数が小さくなり昇圧比が大きくなるとバッテリへの充電時間が減少し、バッテリへの充電電流およびモータ電流が減少する（特許文献１の図５、非特許文献１の図１６参照）。モータの制動トルクは、モータ電流に比例するため、減速するに従って制動トルクが小さくなる。

特開２００４−１７３４４４号公報

SANYO TECHNICAL REVIEW Vol.35 No.1 pp106-123

上述したように、昇圧チョッパ回路による回生制動においては、低速時の回生制動力が小さいという問題がある。

本発明の課題は、低速での回生制動量を増加できる電動駆動装置および電池パックを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の電動駆動装置は、二次電池を電源としてインバータによりモータを駆動する電動駆動装置において、インバータと二次電池の一方の端子との間に設けられた第１スイッチング素子と、一次巻線および二次巻線の各々の一端が第１スイッチング素子とインバータとを結ぶ配線に接続されたトランスと、トランスの一次巻線の他端と二次電池の他方の端子との間に接続された第２スイッチング素子と、トランスの二次巻線の他端から第１スイッチング素子と二次電池とを結ぶ配線に二次電池を充電する方向の電流が流れるように接続されたダイオードと、インバータからの回生電圧を昇圧させるように第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を制御する制御回路とを備えることを特徴とする。

また、本発明の電池パックは、二次電池と、インバータに接続するための接続端子と二次電池の一方の端子との間に設けられた第１スイッチング素子と、一次巻線および二次巻線の各々の一端が第１スイッチング素子と接続端子とを結ぶ配線に接続されたトランスと、トランスの一次巻線の他端と二次電池の他方の端子との間に接続された第２スイッチング素子と、トランスの二次巻線の他端から第１スイッチング素子と二次電池とを結ぶ配線に二次電池を充電する方向の電流が流れるように接続されたダイオードと、インバータからの回生電圧を昇圧させるように第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を制御する制御回路を備えることを特徴とする。

本発明によれば、回生電流が予め定めた電流以上の場合に、第２スイッチング素子をオン／オフ動作させることにより、第２スイッチング素子、トランス、第１スイッチング素子ＦＥＴ１およびダイオードをフォワード型昇圧回路として機能させるので、低速での回生制動量を増加できる電動駆動装置および電池パックを提供できる。

本発明の実施例１に係る電動駆動装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施例１に係る電動駆動装置の動作を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る電動駆動装置の構成を示す回路図である。なお、以下においては、この電動駆動装置が電動アシスト自転車に適用された場合を例に挙げて説明する。

この電動駆動装置は、電動アシスト自転車の本体に組み込まれて該電動アシスト自転車を駆動するための駆動部１と、電動アシスト自転車に着脱可能に取り付けられて駆動部１に電源を供給する電池パック２とを備えている。駆動部１と電池パック２との間は、接続端子３ａおよび３ｂによって接続されている。

駆動部１は、インバータＩ、モータＭ、トルクセンサ１１、ブレーキレバー１２、検出回路１３および駆動部制御回路１４を備えている。

トルクセンサ１１は、人がペダルを踏むことにより発生するトルクを検出し、トルク信号として駆動部制御回路１４に送る。ブレーキレバー１２は、電動アシスト自転車にブレーキをかけるために使用され、このブレーキレバーが操作されたことを示すブレーキ信号は、駆動部制御回路１４に送られる。検出回路１３は、モータＭの回転数および回転位置を検出し、検出信号として駆動部制御回路１４に送る。

駆動部制御回路１４は、トルクセンサ１１からのトルク信号、ブレーキレバー１２からのブレーキ信号および検出回路１３からの検出信号に基づき制御信号を生成し、インバータＩを構成する複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に送る。また、駆動部制御回路１４は、電池パック２の制御回路２２との間で制御に必要な信号を送受する。

インバータＩは、駆動部制御回路１４からの制御信号に応じて動作する。すなわち、駆動部制御回路１４は、トルクセンサ１１からのトルク信号に基づき、電動アシスト自転車の走行を補助するアシスト走行モードであるかどうかを判断し、アシスト走行モードであれば、インバータ動作を行わせるための制御信号を生成してインバータＩに送る。これにより、インバータＩは、電池パック２から接続端子３ａおよび３ｂを経由して供給される直流電力を、例えば３相の交流電力に変換し、モータＭに送る。モータＭは、インバータＩからの交流電力によって回転駆動される。

一方、駆動部制御回路１４は、ブレーキレバー１２からのブレーキ信号に基づき、回生制動を行う回生走行モードであるかどうかを判断し、回生走行モードであれば、昇圧チョッパ動作を行わせるための制御信号を生成してインバータＩに送る。モータＭは、回生走行モードでは、発電機として動作する。

この場合、駆動部制御回路１４からの制御信号によって、インバータＩのスイッチング素子とモータＭの巻線により昇圧チョッパ回路が構成され、モータＭからの回生電圧が昇圧されて、接続端子３ａおよび３ｂを経由して電池パック２に供給される。

電池パック２は、二次電池Ｅ、第１スイッチング素子ＦＥＴ１、第２スイッチング素子ＦＥＴ２、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２、トランスＴ、電流計測器２１および制御回路２２を備えている。第１スイッチング素子ＦＥＴ１および第２スイッチング素子ＦＥＴ２は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）から構成されている。なお、第１ダイオードＤ１は、本発明の「ダイオード」に対応する。

二次電池Ｅの正極（一方の端子）は、この二次電池Ｅの過放電を保護するための第１スイッチング素子ＦＥＴ１および接続端子３ａを介して、モータＭを駆動するインバータＩの一方の端子に接続されている。

二次電池Ｅの負極（他方の端子）は、電流計測器２１および接続端子３ｂを介して、インバータＩの他方の端子に接続されている。第１スイッチング素子ＦＥＴ１と、インバータＩが接続される接続端子３ａとを結ぶ配線に、トランスＴの一次巻線ｎ１の一端および二次巻線ｎ２の一端が接続されている。なお、トランスＴの一次巻線ｎ１と二次巻線ｎ２の極性は逆になるように、配線に接続されている。

トランスＴの一次巻線ｎ１の他端は、第１スイッチング素子ＦＥＴ２を介して、二次電池Ｅの負極に接続されている。また、トランスＴの二次巻線ｎ２の他端は第１ダイオードＤ１を介して二次電池Ｅの正極に接続されている。また、トランスＴの励磁電流を二次電池Ｅに回収するための巻線ｎ３の一端は、第２ダイオードＤ２を介して二次電池Ｅの正極に接続され、他端は二次電池Ｅの負極に接続されている。

二次電池Ｅの正極の電圧、電流計測器２１で計測された電流および接続端子３ａに現れる回生電圧は、制御回路２２に送られる。制御回路２２は、入力された二次電池Ｅの正極の電圧、電流計測器２１で計測された電流および接続端子３ａに現れる回生電圧に基づき制御信号を生成し、第１スイッチング素子ＦＥＴ１および第２スイッチング素子ＦＥＴ２に送る。制御回路２２は、駆動部１の駆動部制御回路１４との間で制御に必要な信号を送受する。

以上のように構成された実施例１に係る電動駆動装置において、モータＭを駆動する場合には、つまりアシスト走行モードの場合には、図２の「モータ駆動時」に示すように、制御回路２２は、第１スイッチング素子ＦＥＴ１をオンし、第２スイッチング素子ＦＥＴ２をオフする。これにより、二次電池ＥからインバータＩに直流電力が供給されてインバータＩはインバータ動作をするので、従来と同様に、インバータＩによってモータＭを駆動することができる。

次に、回生走行モードにおいて行われる回生制動について説明する。回生制動力は、回生電流に応じて変化するため、必要な回生制動量を得るための回生電流Ｉｒが演算される。回生電流Ｉｒが小さい場合には、従来のように、インバータＩを昇圧チョッパ動作させることによって回生制動を行い、第１スイッチング素子ＦＥＴ１の寄生ダイオードを介して二次電池Ｅが充電される。

しかし、回生電流Ｉｒが大きい場合には、インバータＩの昇圧チョッパ動作による回生制動では制動が困難になるので、第１スイッチング素子ＦＥＴ１をオフ動作させ、第２スイッチング素子ＦＥＴ２をオン／オフ動作させ、第１スイッチング素子ＦＥＴ１、トランスＴ、第２スイッチング素子ＦＥＴ２、第１ダイオードＤ１、第２ダイオードＤ２からなるフライバック型昇圧回路を機能させる。

このために、回生電流Ｉｒが予め定めておいた切替電流Ｉｓより小さい場合にはインバータＩに昇圧チョッパ動作を行わせ、回生電流Ｉｒが予め定めておいた切替電流Ｉｓより大きい場合には、フライバック型昇圧回路に昇圧動作を行わせて、エネルギーを二次電池Ｅに回生する。

なお、切替電流Ｉｓは、モータＭが発生するモータ電圧と電池電圧との比によって変わる。したがって、切替電流Ｉｓは、モータ電圧と電池電圧の比の関数として定めておく。電池電圧の変動は少ないので、切替電流Ｉｓを回生電圧の関数として定めておくように構成することもできる。また、モータ電圧は、モータＭの回転数によって変化するため、モータＭの回転数の関数として定めておくように構成することもできる。

Ｉｒ≧Ｉｓの場合は、制御回路２２は、第２スイッチング素子ＦＥＴ２を回生制動量に応じてオン／オフ動作させることにより、第２スイッチング素子ＦＥＴ２、トランスＴ、第１スイッチング素子ＦＥＴ１、第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ２をフォワード型昇圧回路として機能させる。

この時、回生電圧から電池電圧への昇圧比は、

で表される。

ここで、ｎ１はトランスＴの一次巻数、ｎ２は二次巻数、Ｔｏｎは、第２スイッチング素子ＦＥＴ２のオン時間、Ｔｏｆｆは、第２スイッチング素子ＦＥＴ２のオフ時間である。

第２スイッチング素子ＦＥＴ２がオンされ、第１スイッチング素子ＦＥＴ１はオフされているとき、インバータＩの一端→一次巻線ｎ１→第２スイッチング素子ＦＥＴ２→インバータＩの他端の経路に電流が流れるとともに、インバータＩの一端→一次巻線ｎ１の一端→二次巻線ｎ２の一端→二次巻線ｎ２→第１ダイオードＤ１→二次電池Ｅ→インバータＩの他端の経路に電流が流れて、二次電池Ｅが充電される。

つまり、モータＭの回生電圧に二次巻線ｎ２の昇圧電圧が加算された電圧が第１ダイオードＤ１を介して二次電池Ｅに印加され、モータ電流は、第２スイッチング素子ＦＥＴ２に流れるとともに第１ダイオードＤ１を流れて二次電池Ｅを充電する。

また、第２スイッチング素子ＦＥＴ２がオフされ、第１スイッチング素子ＦＥＴ１はオフされているとき、巻線ｎ３の一端→第２ダイオードＤ２→二次電池Ｅ→巻線ｎ３の他端の経路に電流が流れて、二次電池Ｅが充電される。

このように、実施例１に係る電動駆動装置によれば、モータＭの回転数が減少し、回生電圧から二次電池電圧への昇圧比が大きくなる時に、二次電池Ｅを充電するＴｏｎ時間が長くなるので、モータ電流が小さくなることがなく、また、モータ電流を有効に二次電池Ｅの充電電流とすることができる。

なお、モータＭの制動トルクは、モータ電流に略比例し、回転数による変化は大きくないため、制動量を一定とした場合は、モータ電流は略一定となり、減速により昇圧比が大きくなる分、二次電池Ｅの充電電流は小さくなる。これは、運動エネルギーが速度の二乗に比例することから、一定の加速度で減速した時に回生エネルギーが速度に比例し、二次電池電圧が略一定のため、回生電流が速度に応じて減少することに起因する。

実施例１に係る電動駆動装置は、フォワード型昇圧回路を機能させていない状態（第２スイッチング素子ＦＥＴ２のオフが継続されている状態）では、トランスＴ、第２スイッチング素子ＦＥＴ２、第２ダイオードＤ２および第１ダイオードＤ１には電流が流れず、インバータＩに対して、第１スイッチング素子ＦＥＴ１を介して二次電池Ｅの直流電力が供給され、または、インバータＩからの回生エネルギーにより二次電池Ｅが充電される構成となっている。

なお、モータＭの制御トルクは、モータ電流に略比例し、回転数による変化は大きくないため、制動量を一定とした場合は、モータ電流は略一定となり、減速により昇圧比が大きくなる分、二次電池Ｅの充電電流は小さくなる。これは、運動エネルギーが加速度の二乗に比例することから、一定の加速度で減速したときに回生エネルギーが速度に比例し、二次電池電圧が略一定のため、回生電流が速度に応じて減少することに起因する。

電動アシスト自転車の下り坂での制動においては、速度が上昇しないように回生制動を行えばよいので制動量は小さい。また、モータ回転数も高い状態、すなわち、モータ電圧が高い状態となるため、モータ電圧から電池電圧への昇圧比は小さい。そこで、一般にはＩｒ＜ＩｓとなりインバータＩによる昇圧チョッパで昇圧することができる。

一方、電動アシスト自転車を停止するような場合には、大きな制動量が要求され、Ｉｒ≧Ｉｓとなり、フォワード型昇圧回路による昇圧を行う必要があるが、一般に停止するときの制動時間は数秒であるので、フォワード型昇圧回路の動作時間は短時間である。

したがって、第２スイッチング素子ＦＥＴ２、トランスＴ、第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ２に通電を行うのは、低速時の回生制動に限られている。このような状態は、通常の使用では、短い時間であるため、第２スイッチング素子ＦＥＴ２、トランスＴ、第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ２は、短時間定格の素子を採用することができる。したがって、第１ダイオードＤ１としては、その定常電流容量が、第１スイッチング素子ＦＥＴ１の定常電流容量より小さいものを使用できるので、安価な電池パック２を実現できる。

また、フォワード型昇圧回路の一部を構成する第１スイッチング素子ＦＥＴ１を、過放電保護スイッチとして機能させているため、大容量のダイオード素子を削減することができる。

実施例１に係る電動駆動装置においては、電池パック２の内部に第１スイッチング素子ＦＥＴ１、トランスＴおよび第２スイッチング素子ＦＥＴ２が内蔵されているので、二次電池Ｅを充電するために、電池パック２とインバータＩとの接続を外した場合、電池パック２の接続端子３ａと３ｂとが誤って短絡されても、第１スイッチング素子ＦＥＴ１により、短絡電流を遮断することができる。

このように、電池パック２の内部に第２スイッチング素子ＦＥＴ２を内蔵した場合は、一般に、その第２スイッチング素子ＦＥＴ２を制御するための制御回路２２も電池パック２に内蔵される。このとき、第２スイッチング素子ＦＥＴ２の制御によって回生電流量が変化し、モータＭの制動量が変わることから、制御回路２２に対して制動量を表す制動信号が送られる。

制御回路２２は、受け取った制動信号によって示される制動量に対応する入力電流値になるように制御を行う。この入力電流値は、電池パック２に入出力する電流が計測できる位置に設けられた電流計測器２１によって計測される。

以上説明したように、本発明の実施例１に係る電動駆動装置によれば、上述した制御方法を採用したので、要求される制動量に対応する回生制動を行うことができる。

本発明は、バッテリを電源とするモータにより駆動される電動バイクや電動アシスト自転車に利用することができる。

１‥駆動部、２‥電池パック、３ａ、３ｂ‥接続端子、１１‥トルクセンサ、１２‥ブレーキレバー、１３‥検出回路、１４‥駆動部制御回路、Ｍ‥モータ、Ｉ‥インバータ、２１‥電流計測器、２２‥制御回路、Ｔ‥トランス、ｎ１‥一次巻線、ｎ２‥二次巻線、ｎ３‥巻線、ＦＥＴ１‥第１スイッチング素子、ＦＥＴ２‥第２スイッチング素子、Ｄ１‥第１ダイオード、Ｄ２‥第２ダイオード、Ｅ‥二次電池。

Claims (5)

1. 二次電池を電源としてインバータによりモータを駆動する電動駆動装置において、
   前記インバータと前記二次電池の一方の端子との間に設けられた第１スイッチング素子と、
   一次巻線および二次巻線の各々の一端が前記第１スイッチング素子と前記インバータとを結ぶ配線に接続されたトランスと、
   前記トランスの一次巻線の他端と前記二次電池の他方の端子との間に接続された第２スイッチング素子と、
   前記トランスの二次巻線の他端から前記第１スイッチング素子と前記二次電池とを結ぶ配線に前記二次電池を充電する方向の電流が流れるように接続されたダイオードと、
   前記インバータからの回生電圧を昇圧させるように前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子を制御する制御回路と、
   を備えることを特徴とする電動駆動装置。
2. 前記制御回路は、前記モータの回生制動時に、前記第１スイッチング素子をオフさせることを特徴とする請求項１記載の電動駆動装置。
3. 前記制御回路は、回生制動量に応じて前記第２スイッチング素子をオン／オフ制御することを特徴とする請求項１または請求項２記載の電動駆動装置。
4. 前記ダイオードの定常電流容量は、前記第１スイッチング素子の定常電流容量より小さいことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電動駆動装置。
5. 二次電池と、
   インバータに接続するための接続端子と前記二次電池の一方の端子との間に設けられた第１スイッチング素子と、
   一次巻線および二次巻線の各々の一端が前記第１スイッチング素子と前記接続端子とを結ぶ配線に接続されたトランスと、
   前記トランスの一次巻線の他端と前記二次電池の他方の端子との間に接続された第２スイッチング素子と、
   前記トランスの二次巻線の他端から前記第１スイッチング素子と前記二次電池とを結ぶ配線に前記二次電池を充電する方向の電流が流れるように接続されたダイオードと、
   前記インバータからの回生電圧を昇圧させるように前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子を制御する制御回路と、
   を備えることを特徴とする電池パック。

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