JP5545035B2 - モータ駆動装置及び電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、第１，第２の電源及び電力変換器を備えたモータ駆動装置、並びに、このモータ駆動装置が搭載された電動車両に関するものである。

モータ駆動装置において、回生時のエネルギーを効率よく回収するため、電源として充放電特性に優れた電気二重層キャパシタ等の電圧可変形エネルギー貯蔵素子と、充放電における効率は劣るが安定的に電源電圧を供給する鉛蓄電池等の二次電池とを組み合わせた従来技術として、特許文献１に係るハイブリッド電源システムが知られている。
また、この特許文献１の図３には、電圧可変形エネルギー貯蔵素子の貯蔵エネルギー量を調整するため、前記エネルギー貯蔵素子の端子電圧を制御し、エネルギー貯蔵素子と二次電池との間でエネルギーの授受を自由に制御する回路が開示されている。

更に、特許文献１の図３に示す回路と同様な作用効果を奏する従来技術として、特許文献２の図９に記載された回路がある。この回路は、インバータにより駆動されるモータの中性点と直流母線との間に電圧可変形エネルギー貯蔵素子を接続し、インバータの直流回路と前記エネルギー貯蔵素子との間でエネルギーを授受するものである。
この従来技術によれば、電圧可変形エネルギー貯蔵素子の端子電圧を制御するために別途、ＤＣ−ＤＣコンバータを構成するハードウェアを付加する必要がなくなる等の利点が得られる。
一方、この従来技術では、電圧可変形エネルギー貯蔵素子の端子電圧として、エネルギーを授受するために予め所定の電圧設定範囲を持たせており、この範囲に起因してインバータの交流出力電圧が干渉を受けてしまい、出力電圧波形が歪むという問題が生じている。

これに対し、特許文献３には、モータの中性点と直流母線との間に接続された直流電源の電圧とインバータの直流入力電圧とを読み込み、これらを比較してインバータの出力電圧指令値を制限するようにした動力出力装置が開示されている。
この従来技術によれば、特許文献２の問題点を解消し、出力電圧波形の歪みを低減することが可能である。

ここで、特許文献２の図９に記載された回路の問題点を更に説明する。
図５は、特許文献４に開示された多相出力電力変換回路であり、１は二次電池、２は電圧可変形エネルギー貯蔵素子、Ｔ_１１〜Ｔ_１６は三相インバータＩＮＶを構成するＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子、Ｍ_１はインバータＩＮＶにより駆動されるモータである。

特許文献４によれば、図５における全ての上アーム（または下アーム）をオンまたはオフさせて零相電圧を制御することで、その零相分等価回路は図６に示すようになり、図６のスイッチング素子Ｔ_１は図５のスイッチング素子Ｔ_１１，Ｔ_１２，Ｔ_１３に、スイッチング素子Ｔ_２は同Ｔ_１４，Ｔ_１５，Ｔ_１６に、リアクトルＬはモータＭ_１の漏れインダクタンスにそれぞれ等価となる。このため、図５の上アームまたは下アームのオン時間比率を調整することにより、エネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃを調整することが可能である。
ここで、図５における二次電池１の電圧Ｖ_ｄｃとエネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃとの間には、数式１の関係がある。なお、数式１のただし書きにおいて、Ｄ_１は上アームのオン時間比率であり、Ｔ_１，Ｔ_２は同じ符号のスイッチング素子の各オン時間に等しいものとする。

上アームのオン時間比率Ｄ_１を調整するには、特許文献４に示されているように、数式２に示すオン時間比率Ｄ_１と零相電圧指令値λ_０との関係を用い、所望のＤ_１を発生させるように、インバータＩＮＶの交流電圧指令値に零相電圧指令値λ_０を加算すればよい。

いま、ＰＷＭ搬送波である三角波の振幅を１．０とすると、波形歪みを避けるために交流電圧指令の振幅λ_ａｃと零相電圧指令値λ_０との和を１．０以下にする必要があるので、交流電圧指令の振幅最大値λ_ａｃ ^ｍａｘは数式３によって決まり、正弦波変調方式を用いると、数式３から、インバータが出力可能な交流電圧最大値（正相分）は数式４となる。

また、数式２，数式３を数式４に代入すると、数式５が得られる。

更に、数式１の関係を用いて数式５を変形すると、数式６となる。

数式６によれば、Ｖ_ｃ＝Ｖ_ｄｃであるときにＶ_ａｃ ^ｍａｘが最大になる（零相電圧指令値λ_０が交流電圧に与える影響が最小となる）ことがわかる。また、Ｖ_ｃ＝Ｖ_ｄｃであるポイントを境にして、エネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃを増加または減少させると、インバータが出力可能な交流電圧最大値Ｖ_ａｃ ^ｍａｘは低下することがわかる。すなわち、Ｖ_ｃとＶ_ａｃ ^ｍａｘとの間には、図７のような関係がある。

そこで、図８に示すようにモータ速度が最高になる動作点でエネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃが直流母線の電圧（二次電池１の電圧）Ｖ_ｄｃの１／２となるように電圧Ｖ_ｃを設定し、モータ速度が低下するにつれてエネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃを増加させて回生エネルギーを吸収させることが望ましい。これは、交流電圧指令値が干渉を受けることによってインバータが出力可能な交流電圧最大値Ｖ_ａｃ ^ｍａｘが低下したとしても、モータ速度が低下するとエネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃが増加する代わりにモータ電圧が低下するので、問題とならないためである。
これをモータ速度ｎとエネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃとの関係でみると、図９のようになる。

図９のようにモータ速度ｎとエネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃとを設定した場合、モータ加速時のエネルギーの流れは図１０に示すようになる。
図９に示した如く、モータ速度ｎが上昇するにつれてエネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃを低下させるので、図１０から明らかなように、エネルギー貯蔵素子２のエネルギーが放出されてモータＭ_１の駆動エネルギーとして消費される。また、エネルギー貯蔵素子２のエネルギーだけでは不足する場合には、二次電池１からもモータＭ_１の駆動エネルギーが供給されることになる。

特許第３８７４３４４号公報（段落［０００８］，［００１６］〜［００３０］、図３，図４等） 特許第３２１９０３９号公報（段落［００２５］、図９等） 特開２００２−２９１２５６号公報（段落［００４０］〜［００４５］、図６等） 特許第３２２３８４２号公報（段落［００２９］，［００３０］、図１０，図１１等）

しかしながら、このようにモータ速度ｎに応じてエネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃを調整した場合、モータ加速時にインバータＩＮＶの交流出力電圧を上昇させる必要があるため、モータＭ_１のエネルギー消費量の大きさにかかわらずエネルギー貯蔵素子２のエネルギーを一定量放出しなければならない。従って、図１１に示すように負荷が軽くモータＭ_１の消費エネルギーが少ない場合には、モータＭ_１により消費しきれない余剰のエネルギーを二次電池１によって吸収させる必要が生じる。

ところで、二次電池１として鉛蓄電池等を利用した場合、この種の蓄電池は一般的に充電受け入れ性が悪い特性を持っており、蓄電池に吸収させても蓄積されるエネルギーは少ない。従って、エネルギー貯蔵素子２に蓄積されたエネルギーを浪費することになる。
また、二次電池１に代えて燃料電池を用いた場合には、エネルギーを吸収できないので、モータＭ_１によって消費しきれない余剰のエネルギーは、別途、エネルギー消費装置を設けて消費（放電）させる必要があり、いずれにしても省エネルギー化に逆行するという問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、電圧可変形エネルギー貯蔵素子に蓄積されたエネルギーを浪費することなく、省エネルギー化に寄与することができるモータ駆動装置、及び、このモータ駆動装置を搭載した電動車両を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、モータに交流電力を供給する電力変換器と、この電力変換器の正負直流母線間に接続された第１の電源と、前記モータの中性点と前記直流母線の正極または負極との間に接続された第２の電源としての電圧可変形エネルギー貯蔵素子と、前記電力変換器の半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路と、を備え、
前記制御回路により前記半導体スイッチング素子をオンオフ制御して第２の電源と正負直流母線との間でエネルギーを授受可能としたモータ駆動装置において、
前記制御回路は、
加速時における前記モータのトルクの大きさを判断する判断手段と、
前記判断手段による判断結果に基づき、前記モータの速度領域における弱め界磁範囲と弱め磁束量とを調整する手段と、
前記判断手段による判断結果に基づき、電圧可変形エネルギー貯蔵素子の放電終止電圧を増減させる手段と、を備えたものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載したモータ駆動装置において、前記判断手段により、前記モータのトルクが予め設定した閾値未満であると判断された場合に、前記弱め界磁範囲を広げる機能を備えたものである。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載したモータ駆動装置において、前記判断手段により、前記モータのトルクが予め設定した閾値未満であると判断された場合に、前記弱め磁束量を増加させる機能を備えたものである。

なお、請求項４または請求項５に記載するように、第１の電源には鉛蓄電池や燃料電池を用いることができる。
また、請求項６または請求項７に記載するように、第２の電源としての電圧可変形エネルギー貯蔵素子には、電気二重層キャパシタを含む電気化学キャパシタやリチウムイオンキャパシタを用いることができる。

更に、請求項８に係る電動車両は、請求項１〜７のいずれか１項に記載したモータ駆動装置を搭載したものである。

本発明に係るモータ駆動装置の基本原理は以下のとおりである。
まず、前記加速モータトルク判断手段により、加速時のモータトルクが小さい条件、つまり、加速時の消費エネルギーが少ない条件では弱め界磁範囲と弱め界磁量とを増やし、インバータ等の電力変換器の出力電圧、すなわちモータへの印加電圧を低下させる。
これにより、電力変換器の出力電圧との干渉を避けるために行っていた電圧可変形エネルギー貯蔵素子の蓄積エネルギーの放出を抑えることができる。この作用を、以下に詳述する。

図１２は、モータ速度ｎとモータ電圧Ｖ_Ｍとの関係（モータ速度−電圧特性）を示す図である。本発明では、前記加速モータトルク判断手段からの出力信号（後述する信号Ｌ_ｄｅｔ）により、モータ速度ｎ及びモータ電圧Ｖ_Ｍが大と判断された場合には弱め界磁範囲（１）を選択する。また、モータ速度ｎ及びモータ電圧Ｖ_Ｍが小と判断された場合には弱め界磁範囲（２）を選択する。
この結果、図１２に示すように、モータ最高速度におけるモータ電圧Ｖ_Ｍは、弱め界磁範囲（１）を選択した場合にはＶ_Ｍｍａｘ（１）、弱め界磁範囲（２）を選択した場合にはＶ_Ｍｍａｘ（２）となる（Ｖ_Ｍｍａｘ（１）＞Ｖ_Ｍｍａｘ（２））。
また、モータ速度ｎと出力トルクとの関係（モータ速度−トルク特性）は図１３に示すようになり、弱め界磁範囲（２）を選択すると弱め界磁範囲（１）を選択した場合よりも低速域からトルクが減少する。

次いで、上記Ｖ_Ｍｍａｘ（１），Ｖ_Ｍｍａｘ（２）とエネルギー貯蔵素子２の蓄積エネルギーＵ_ｃとの関係を説明する。
図７によって説明したように、エネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃとインバータＩＮＶの出力可能な交流電圧最大値Ｖ_ａｃ ^ｍａｘとの関係は、図１４における左軸の関係となる。また、エネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃと蓄積エネルギーＵ_ｃとの関係は数式７に示すとおりであるから、図１４における右軸の関係となる。

図１４からわかるように、弱め界磁範囲（１）を選択した場合、モータの電圧最大値はＶ_Ｍｍａｘ（１）であるので、モータの最高速度時にエネルギー貯蔵素子２の蓄積エネルギーＵ_ｃはＵ_ｃ（１）となる。一方、弱め界磁範囲（２）を選択した場合、モータの電圧最大値はＶ_Ｍｍａｘ（２）であるので、モータの最高速度時に同蓄積エネルギーＵ_ｃはＵ_ｃ（２）となる（Ｕ_ｃ（２）＞Ｕ_ｃ（１））。
このように、弱め界磁範囲（２）を選択することにより、モータ加速時におけるエネルギー貯蔵素子２の蓄積エネルギーＵ_ｃを大きくしてその放出量を低減することができ、これによってエネルギーの浪費を防止することが可能である。

本発明によれば、電圧可変形エネルギー貯蔵素子の蓄積エネルギーの放出を抑制することができ、蓄積エネルギーの浪費を防いで省エネルギー化を図り、エネルギー効率に優れたモータ駆動装置及び電動車両を提供することができる。

本発明の実施形態を示す構成図である。 図１における制御回路の構成を示すブロック図である。 図２におけるモータ制御ブロックの構成図である。 図２におけるキャパシタエネルギー制御ブロックの構成図である。 特許文献４に記載された従来技術を示す回路図である。 図５の零相等価回路図である。 エネルギー貯蔵素子の電圧とインバータの出力可能交流電圧最大値との関係を示す図である。 エネルギー貯蔵素子の電圧とインバータの出力可能交流電圧最大値との関係を示す図である。 モータ速度とエネルギー貯蔵素子の電圧との関係を示す図である。 図５におけるモータ加速時のエネルギーの流れを示す図である。 図５におけるモータ加速時のエネルギーの流れを示す図である。 モータ速度とモータ電圧との関係（モータ速度−電圧特性）を示す図である。 モータ速度と出力トルクとの関係（モータ速度−トルク特性）を示す図である。 エネルギー貯蔵素子の電圧とインバータの出力可能交流電圧最大値、及び、エネルギー貯蔵素子の蓄積エネルギーとの関係を示す図である。 エネルギー貯蔵素子の電圧とインバータの出力可能交流電圧最大値との関係を示す図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の実施形態を示す構成図である。この実施形態は、本発明に係るモータ駆動装置が搭載された電動車両を想定しており、外部から加速指令、制動指令が入力される制御回路１００により三相インバータＩＮＶの半導体スイッチング素子Ｔ_１１〜Ｔ_１６をオンオフさせ、前記各指令に基づいてモータＭ_１の電流、発生トルクを制御するように構成されている。

インバータＩＮＶは、図５と同様に半導体スイッチング素子Ｔ_１１〜Ｔ_１６をブリッジ接続して構成されており、その直流母線の正極Ｐと負極Ｎとの間には、第１の電源としての二次電池１が接続されている。なお、二次電池１には例えば鉛蓄電池が用いられるが、第１の電源としては、二次電池１に代えて燃料電池を用いても良い。

インバータＩＮＶの出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗには、例えば永久磁石同期モータ等のモータＭ_１が接続され、その固定子巻線の中性点と直流母線の負極Ｎとの間には、第２の電源として電気二重層キャパシタ（以下、単にキャパシタともいう）等の電圧可変形エネルギー貯蔵素子２が接続されている。ここで、エネルギー貯蔵素子２は、車両の減速時にモータＭ_１から回生されるエネルギーを貯蔵し、車両の加速時にこの貯蔵エネルギーを動力発生に利用するものであり、例えば、電気二重層キャパシタを含む電気化学キャパシタやリチウムイオンキャパシタが用いられるが、キャパシタ以外のエネルギー貯蔵素子を用いても良いことは勿論である。
モータＭ_１の出力軸は減速ギアを介してデファレンシャルギア６に連結されており、左右の車輪７に動力を伝達するようになっている。

制御回路１００は、マイコン（マイクロプロセッサ）１０１と、プログラム及びデータが記憶される記憶装置１０２とを備え、外部との間で信号を入出力するためのインターフェース回路（図示せず）を備えている。
また、制御回路１００には、主回路の電流検出手段３ｕ，３ｖ，３ｗにより検出したインバータＩＮＶの各相電流（モータ電流）Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗと、電圧検出手段４により検出したエネルギー貯蔵素子２の端子電圧Ｖ_ｃと、磁極位置検出手段５により検出したモータＭ_１の磁極位置θとが入力されている。

図２は、制御回路１００の構成を示すブロック図である。この制御回路１００は、大別すると、一つの判断手段（加速モータトルク判断手段１１０）と、二つの制御手段（インバータ制御手段１２０及び零相制御手段１３０）とから構成されており、前記マイコン１０１のハードウェア及びプログラム等によって実現される。

まず、加速モータトルク判断手段１１０について説明すると、この判断手段１１０は、インバータ制御手段１２０内のモータ制御ブロック１２１により算出したモータＭ_ｌの出力トルクτ_ｃａｌに基づいて、後述する信号Ｌ_ｄｅｔを出力する。
ここで、モータＭ_ｌの出力トルクτ_ｃａｌは、数式８によって求めることができる。なお、数式８において、ｐは極対数、Ψは鎖交磁束、はｉ_ｑ ^＊はｑ軸電流指令値である。

加速モータトルク判断手段１１０では、数式８の出力トルクτ_ｃａｌと別途求めた閾値τ_ｔｈとを比較し、両者の大小関係がτ_ｃａｌ≧τ_ｔｈならば加速モータトルク大、逆にτ_ｃａｌ＜τ_ｔｈならば加速モータトルク小と判断し、この結果を信号Ｌ_ｄｅｔとして出力する。
この信号Ｌ_ｄｅｔは、インバータ制御手段１２０内のモータ制御ブロック１２１と、零相制御手段１３０内のキャパシタエネルギー制御ブロック１３１とに入力される。

インバータ制御手段１２０は、モータ電流を制御してトルクを制御するためのものである。
すなわち、図２において、インバータ制御手段１２０内のモータ制御ブロック１２１は、加速指令、制動指令、電流検出値Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗ、磁極位置θ、及び、前記加速モータトルク判断手段１１０の出力信号Ｌ_ｄｅｔに基づき、モータＭ_ｌのトルク発生に関与する正相分の電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊を生成する。ＰＷＭ回路１２３は、指令値Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊通りの電圧をインバータＩＮＶから出力させるように、ＰＷＭ演算によってスイッチング素子Ｔ_１１〜Ｔ_１６に対するゲート信号Ｇ_１１〜Ｇ_１６を生成する。
なお、加算手段１２２ｕ，１２２ｖ，１２２ｗによる電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊の補正動作については、後述する。

このモータ制御ブロック１２１の構成及び動作を、図３を参照しつつ説明する。
図３において、トルク指令切り替え器１２１ａに入力された信号が加速指令のときは符号をプラス、制動指令のときは符号をマイナスとして、トルク制限器１２１ｂに入力する。トルク制限器１２１ｂは、図２の加速モータトルク判断手段１１０の出力信号Ｌ_ｄｅｔとモータ速度ｎとから、図１３に示したように弱め界磁範囲が異なる実線または破線のモータ速度−トルク特性を選択し、選択した特性となるようにｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を生成する。このｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊は、前記数式８の演算を行うトルク演算器１２１ｆと、電流制御器１２１ｇ及び磁束指令器１２１ｄに入力される。

磁束指令器１２１ｄには、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊、モータ速度ｎ及び前記信号Ｌ_ｄｅｔが入力されており、前記信号Ｌ_ｄｅｔに応じて、図１２に示したように弱め界磁範囲が異なる実線または破線のモータ速度−電圧特性を選択してその特性が得られるようにｄ軸電流指令値（弱め界磁電流指令値）ｉ_ｄ ^＊を演算する。そして、このｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊は前記ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊とともに電流制御器１２１ｇに入力される。なお、永久磁石モータ等の弱め界磁電流演算方法は一般に知られているので、詳細な説明は省略する。

ここで、図１２に示したモータ速度−電圧特性は、以下のようにして設計する。
インバータが出力可能な交流電圧最大値Ｖ_ａｃ ^ｍａｘは、数式６に示したようにＶ_ｄｃを一定とすればＶ_ｃによって決まる。この数式６に後述の数式１５または数式１８を代入してＶ_ｃを消去すれば、速度対交流電圧最大値の特性式が得られる。こうして得られた特性式に基づき、各モータ速度ｎにおいて交流電圧最大値Ｖ_ａｃ ^ｍａｘを超えないようモータ速度−電圧特性を設計すればよい。
すなわち、図１２に示したモータ速度−電圧特性は、数式９を満たすように設計する。ただし、数式９におけるＶ_ｃとしては、信号Ｌ_ｄｅｔにより加速モータトルク大と判断された場合には後述の数式１５を用い、加速モータトルク小と判断された場合には後述の数式１８を用いる。

図３の電流制御器１２１ｇは、回転座標上の電流指令値であるｉ_ｄ ^＊，ｉ_ｑ ^＊を入力とし、固定座標上の三相電圧指令値であるＶ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊を生成する機能を備えているが、この機能については一般に知られているので説明を省略する。
なお、図１の電流検出手段３ｕ，３ｖ，３ｗからの相電流検出値Ｉ_ｕ，Ｉ_ｖ，Ｉ_ｗには零相分が含まれているので、図３に示すように、演算ブロック１２１ｅにより数式１０〜数式１２の演算を行なって零相分を除去し、その結果の正相分電流検出値Ｉ_ｕ’，Ｉ_ｖ’，Ｉ_ｗ’を電流制御器１２１ｇに入力してモータ制御に適用する。

また、図３において、磁極位置検出信号θは微分器１２１ｃにより時間微分されてモータ速度ｎが求められ、このモータ速度ｎがトルク制限器１２１ｂ、磁束指令器１２１ｄ、及び、図２に示した零相制御手段１３０内のキャパシタエネルギー制御ブロック１３１に送られる。

次に、零相制御手段１３０について説明する。図４は、この零相制御手段１３０を構成するキャパシタエネルギー制御ブロック１３１の構成を示している。
この制御ブロック１３１は、前記モータ制御ブロック１２１から入力されたモータ速度ｎと加速モータトルク判断手段１１０から入力された信号Ｌ_ｄｅｔに基づいて、エネルギー貯蔵素子２の目標とする電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊を演算してＰＩ制御を行い、エネルギー貯蔵素子２の実際の電圧Ｖ_ｃを上記指令値Ｖ_ｃ ^＊に一致させるように制御するものである。

以下、モータ速度ｎに基づいて電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊を演算する方法につき説明する。
まず、加速モータトルク判断手段１１０により加速モータトルク大と判断された場合を想定して説明する。
エネルギー貯蔵素子２の最大電圧をＶ_ｃｍａｘ、最小電圧（放電終止電圧）をＶ_ｃｍｉｎと設定し、モータＭ_１からの回生エネルギーをエネルギー貯蔵素子２により吸収すると想定すると、エネルギー貯蔵素子２の蓄積エネルギーと車両運動エネルギーとの間には数式１３が成立する。

数式１３において、Ｃはエネルギー貯蔵素子２の静電容量、ｋは減速エネルギー回生率、Ｊは車両の慣性モーメント、ｎ_ｍａｘはモータ最高速度である。
いま、モータ速度ｎのときのエネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃを求めるには、数式１３のＶ_ｃｍｉｎをＶ_ｃに、ｎ_ｍａｘをｎにそれぞれ置き換えて数式１４とし、この数式１４をＶ_ｃについて整理することにより、数式１５が得られる。

図４の演算ブロック１３１ａでは、数式１５を用い（左辺のＶ_ｃをＶ_ｃ ^＊とする）、モータ速度ｎに基づいてエネルギー貯蔵素子２の電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊を演算する。
数式１５によれば、モータ速度ｎが最小（零）のとき、エネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃは最大値Ｖ_ｃｍａｘとなり、モータ速度ｎが最大（ｎ_ｍａｘ）のとき最小値Ｖ_ｃｍｉｎとなることがわかる。これは、モータ速度ｎが最小（零）のとき、加速による電力消費に備えてエネルギー貯蔵素子２の貯蔵エネルギーを最大にし、モータ速度ｎが最大（ｎ_ｍａｘ）のとき、減速による回生電力貯蔵に備えてエネルギー貯蔵素子２の貯蔵エネルギーを最小にすることを意味する。
このことから、エネルギー貯蔵素子２の最小電圧（放電終止電圧）Ｖ_ｃｍｉｎをＶ_ｄｃ／２に設定すると、図１５における最高速度時の動作点（１）をとり、インバータ出力可能交流電圧最大値Ｖ_ａｃ ^ｍａｘは、モータ速度が高いほど大きくなることがわかる。

次に、加速モータトルク判断手段１１０により加速モータトルク小と判断された場合の電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊の演算方法を説明する。
この場合には、エネルギー貯蔵素子２の放電終止電圧を数式１６とする。すなわち、加速モータトルク大と判断された場合に対して、モータ速度に対するエネルギー貯蔵素子２の電圧変化量を１／２にし、モータ速度零から最高速度に達するまでの間にエネルギー貯蔵素子２が放電するエネルギー量を減らすように設定する。

この結果、加速モータトルク大の場合（数式１３の左辺）に対して、エネルギー貯蔵素子２のエネルギー放電量は数式１７となり、エネルギー貯蔵素子２に蓄積されていたエネルギーの放電が抑制される。

次いで、モータ回転数ｎに基づいてエネルギー貯蔵素子２の電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊を演算する方法について説明する。
図４の演算ブロック１３１ａでは、前述した数式１５の右辺第二項に係数αを掛けることにより、加速モータトルク小と判断された場合の電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊を数式１８（左辺のＶ_ｃをＶ_ｃ ^＊とする）により求める。

以下、数式１８における係数αの算出方法を説明する。
エネルギー貯蔵素子２の最大電圧をＶ_ｃｍａｘ、最小電圧（放電終止電圧）をＶ_ｃｍｉｎ’とすると、エネルギー貯蔵素子２の蓄積エネルギーと車両運動エネルギーとの間には数式１９が成立する（数式１９は数式１３と実質的に同様であるが、数式１９では最小電圧をＶ_ｃｍｉｎ’としてある）。

数式１９を係数αについて整理すると、数式２０となる。

この数式２０を数式１８に代入し、Ｖ_ｃをＶ_ｃ ^＊に置き換えれば、加速モータトルク小と判断された場合の、モータ速度ｎに基づくエネルギー貯蔵素子２の電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊が求められる。
このことから、最小電圧（放電終止電圧）Ｖ_ｃｍｉｎ’を数式１６のように設定すると、図１５における最高速度時の動作点（２）をとり、動作点（１）の場合と比べてインバータ出力可能交流電圧最大値Ｖ_ａｃ ^ｍａｘは低下するが、エネルギー貯蔵素子２の電圧Ｖ_ｃが増加するので、エネルギー貯蔵素子２に蓄積されていたエネルギーの放電を抑制することができる。

次に、エネルギー貯蔵素子２の実際の電圧Ｖ_ｃを、上記のようにして得られたそれぞれの電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊に一致させるための制御方法を説明する。
図４において、演算ブロック１３１ａから出力される電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊と実際の電圧検出値Ｖ_ｃとの偏差を減算器１３１ｂにより求め、この偏差をＰＩ制御器１３１ｃに入力してその出力を零相電流（エネルギー貯蔵素子２の電流）の指令値Ｉ_ｃ ^＊とする。
更に、この零相電流指令値Ｉ_ｃ ^＊と実際の零相電流検出値Ｉ_ｃとの偏差を減算器１３１ｄにより求め、この偏差をＰＩ制御器１３１ｅに入力してその出力を零相電圧指令値Ｖ_０ ^＊とする。
この零相電圧指令値Ｖ_０ ^＊を、図２の加算器１２２ｕ，１２２ｖ，１２２ｗにより、モータトルクを制御するための電圧指令値（正相分）Ｖ_ｕ ^＊，Ｖ_ｖ ^＊，Ｖ_ｗ ^＊にそれぞれ加算して電圧指令値を補正し、これら補正後の電圧指令値をＰＷＭ回路１２３に入力してゲート信号Ｇ_１１〜Ｇ_１６を生成する。
以上の動作により、エネルギー貯蔵素子２の実際の電圧Ｖ_ｃを電圧指令値Ｖ_ｃ ^＊に一致させるような制御が実行されることとなる。

なお、上述した零相電流検出値Ｉ_ｃは、図２の演算ブロック１４０によって数式２１から算出可能である。

以上のように制御を行うと、加速時のモータ駆動エネルギーが大きい場合に、エネルギー貯蔵素子２の蓄積エネルギーを最大限放電するとともに、モータ駆動エネルギーが少ない場合は、上記蓄積エネルギーの放電量を抑制することができる。これにより、エネルギー貯蔵素子２の蓄積エネルギーの無駄な放電を抑制することが可能になる。

なお、上記実施形態では、加速モータトルクの判断ポイントを大，小の２段としたが、更に多段の判断ポイントを設定しても良い。
また、本実施形態では、第２の電源としての電圧可変形エネルギー素子２がモータＭ_１の中性点と直流母線の負極Ｎとの間に接続されているが、上記エネルギー素子２をモータＭ_１の中性点と直流母線の正極Ｐとの間に接続しても良い。
更に、上記実施形態では、第１の電源として鉛蓄電池等の二次電池を用い、第２の電源として電気二重層キャパシタ等の電圧可変形エネルギー貯蔵素子を用いた場合を説明したが、請求項４〜７に記載するように、第１の電源及び第２の電源（電圧可変形エネルギー貯蔵素子）の種類に依存することなく本発明は実現可能である。

本発明に係るモータ駆動装置は、電動車両を始めとして、モータ駆動用の電力変換器により第１，第２の電源間でエネルギーを授受可能とする各種のモータ駆動装置に利用可能である。

Ｍ_１：モータ
Ｔ_１１〜Ｔ_１６：半導体スイッチング素子
ＩＮＶ：三相インバータ
Ｐ：直流母線の正極
Ｎ：直流母線の負極
Ｕ，Ｖ，Ｗ：出力端子
１：二次電池（第１の電源）
２：電圧可変形エネルギー貯蔵素子（第２の電源）
３ｕ，３ｖ，３ｗ：電流検出手段
４：電圧検出手段
５：磁極位置検出手段
６：デファレンシャルギア
７：車輪
１００：制御回路
１０１：マイコン
１０２：記憶装置
１１０：加速モータトルク判断手段
１２０：インバータ制御手段
１２１：モータ制御ブロック
１２１ａ：トルク指令切り替え器
１２１ｂ：トルク制限器
１２１ｃ：微分器
１２１ｄ：磁束指令器
１２１ｅ：演算ブロック
１２１ｆ：トルク演算器
１２１ｇ：電流制御器
１２２ｕ，１２２ｖ，１２２ｗ：加算器
１２３：ＰＷＭ回路
１３０：零相制御手段
１３１：キャパシタエネルギー制御ブロック
１３１ａ：演算ブロック
１３１ｂ，１３１ｄ：減算器
１３１ｃ，１３１ｅ：ＰＩ制御器
１４０：演算ブロック

Claims (8)

1. モータに交流電力を供給する電力変換器と、この電力変換器の正負直流母線間に接続された第１の電源と、前記モータの中性点と前記直流母線の正極または負極との間に接続された第２の電源としての電圧可変形エネルギー貯蔵素子と、前記電力変換器の半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路と、を備え、
   前記制御回路により前記半導体スイッチング素子をオンオフ制御して第２の電源と正負直流母線との間でエネルギーを授受可能としたモータ駆動装置であって、
   前記制御回路は、
   加速時における前記モータのトルクの大きさを判断する判断手段と、
   前記判断手段による判断結果に基づき、前記モータの速度領域における弱め界磁範囲と弱め磁束量とを調整する手段と、
   前記判断手段による判断結果に基づき、電圧可変形エネルギー貯蔵素子の放電終止電圧を増減させる手段と、
   を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 請求項１に記載したモータ駆動装置において、
   前記判断手段により、前記モータのトルクが予め設定した閾値未満であると判断された場合に、前記弱め界磁範囲を広げる機能を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
3. 請求項１に記載したモータ駆動装置において、
   前記判断手段により、前記モータのトルクが予め設定した閾値未満であると判断された場合に、前記弱め磁束量を増加させる機能を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載したモータ駆動装置において、
   第１の電源が鉛蓄電池であることを特徴とするモータ駆動装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載したモータ駆動装置において、
   第１の電源が燃料電池であることを特徴とするモータ駆動装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載したモータ駆動装置において、
   前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子が、電気二重層キャパシタを含む電気化学キャパシタであることを特徴とするモータ駆動装置。
7. 請求項１〜５のいずれか１項に記載したモータ駆動装置において、
   前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子がリチウムイオンキャパシタであることを特徴とするモータ駆動装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載したモータ駆動装置を搭載したことを特徴とする電動車両。

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