JP6162062B2 - 回転電機の制御装置及び回転電機制御システム - Google Patents

回転電機の制御装置及び回転電機制御システム Download PDF

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Description

本発明は、可変界磁型の回転電機の制御装置及び回転電機制御システムに関する。
下記の特許文献1には、永久磁石を有する内周側回転子と、永久磁石を有し内周側回転子の外側に相対回転可能に配置された外周側回転子とでモータジェネレータの回転子を構成し、両回転子の回転位相を操作して誘起電圧定数を変更し得る構成が記載されている。誘起電圧定数の変更に応じてエンジン駆動目標トルクを変更して発電トルクと出力トルクをバランスさせるとしている。
特開2008−94182号公報
しかしながら、従来技術では発電機において生じる損失について十分考慮されておらず、発電効率が必ずしも高くない問題がある。例えば、一般的なシリーズハイブリッドの構成のようにエンジンと発電機が直結している場合、エンジン停止時には必ず発電機も停止するためエンジン停止時の引きずり損を考慮する必要がないが、後述する図1に示すような構成のハイブリッド自動車等ではエンジンが停止した状態で走行する場合に発電機が連れ回される。このため、エンジン停止状態では発電機の引きずり損を抑制し、発電機でエンジンをクランキングして始動する時には発電機をモータとして機能させてそのトルクを増大させ、エンジン運転中にはエンジンの運転状況に応じて発電機のトルクを時々刻々制御するために誘起電圧定数を動的に変更する必要があるところ、従来技術ではこれら種々の状況において発電効率向上の観点からの誘起電圧定数変更については考慮されていない。
本発明の目的は、回転電機の発電効率を一層向上させることができる回転電機の制御装置及び回転電機制御システムを提供することにある。
本発明は、可変界磁型の回転電機を制御する制御装置であって、前記回転電機はエンジンのクランク軸に連結され、前記エンジンの動力により発電するものであり、かつ、前記回転電機は、ステータと、前記ステータと対向配置され、かつ、回転軸方向に互いに対向配置された第1ロータ要素及び第2ロータ要素を含み、前記第2ロータ要素は前記第1ロータ要素に対して相対回転可能なロータとを備えて構成され、少なくとも前記エンジンの運転状況としてエンジンの停止状態、クランキング状態、運転状態を入力する入力手段と、前記運転状況に基づき、前記回転電機の目標界磁磁束を最大界磁磁束あるいは最小界磁磁束のいずれかに切り換える切換手段であり、前記エンジンの停止状態では最小界磁磁束を前記目標界磁磁束とし、前記エンジンの運転状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とする切換手段と、前記目標界磁磁束に基づき、前記第1ロータ要素に対する前記第2ロータ要素の位相角を制御するための制御指令を出力する制御手段とを備えることを特徴とする。
本発明の他の実施形態では、前記演算手段は、前記エンジンのクランキング状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とすることを特徴とする。
本発明のさらに他の実施形態では、前記制御手段は前記エンジンのクランキングの開始に先立って前記回転電機の界磁磁束を前記目標界磁磁束に制御することを特徴とする。
また、本発明の回転電機制御システムは、可変界磁型の回転電機と、前記回転電機を制御する制御装置とを備え、前記回転電機は、エンジンのクランク軸に連結され、前記エンジンの動力により発電するものであり、ステータと、前記ステータと対向配置され、かつ、回転軸方向に互いに対向配置された第1ロータ要素及び第2ロータ要素を含み、前記第2ロータ要素は前記第1ロータ要素に対して相対回転可能なロータとを備え、前記制御装置は、少なくとも前記エンジンの運転状況としてエンジンの停止状態、クランキング状態、運転状態を入力する入力手段と、前記運転状況に基づき、前記回転電機の目標界磁磁束を最大界磁磁束あるいは最小界磁磁束のいずれかに切り換える切換手段であり、前記エンジンの停止状態では最小界磁磁束を前記目標界磁磁束とし、前記エンジンの運転状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とする切換手段と、前記目標界磁磁束に基づき、前記第1ロータ要素に対する前記第2ロータ要素の位相角を制御するための制御指令を出力する制御手段とを備えることを特徴とする。
本発明の回転電機制御システムは、エンジンと回転電機で走行するハイブリッド自動車等の車両に搭載され得る。
本発明によれば、エンジンの運転状況に応じ、回転電機の発電効率を一層向上させることができる。これにより、車両の燃費を向上し得る。
ハイブリッド自動車のシステム構成図である。 実施形態の発電機の基本構成図である。 図2のA−A断面図である。 主ロータと副ロータの位相関係を示す斜視図である。 実施形態のECUの機能ブロック図である。 エンジン回転数、エンジントルク、発電機トルク及び界磁磁束のタイミングチャートである。 エンジン回転数、エンジントルク、発電機トルク及び界磁磁束のタイミングチャートである。
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図1は、可変界磁型の回転電機を搭載したハイブリッド自動車の構成を示す。回転電機として発電機200及びモータ300が搭載される。発電機200は、エンジン100のクランク軸にプラネタリギヤを介して連結される。モータ300もプラネタリギヤに連結される。プラネタリギヤの出力軸は、ディファレンシャルギヤを介してタイヤ(駆動輪)400に連結される。発電機200及びモータ300は、それぞれ図示しないバッテリに電気的に接続され、電力送受が行われる。発電機200は、エンジン100の動力により発電するとともに、発電された電力をモータ300及びバッテリに供給する。モータ300は、バッテリからの電力と発電機からの電力を用いて走行用駆動力を発生してタイヤ400を駆動する。
エンジン100、発電機200、モータ300及びタイヤ400は、動力分配機構により接続され、車両の走行状態に応じてアクセル操作量に対する走行用駆動力の出力特性を変更して、モータ300のみで駆動力を発生するモード(EV走行モード)と、モータ300とエンジン100の両方で駆動力を発生するモードを選択的に切り替える。
発電機200及びモータ300のうち少なくとも発電機200は、可変界磁型の回転電機であり、界磁磁束(ステータの鎖交磁束)が可変の回転電機である。発電機200の具体的構成については後述する。
電子制御装置(ECU)500は、CPU及びメモリを備えるマイクロコンピュータで構成され、各種検出信号を入力して発電機200及びモータ300を制御する。特に、ECU500は、ハイブリッド自動車の運転状況、具体的にはエンジン100の停止、クランキング、運転の各状態に応じて発電機200での発電効率が増大するように界磁磁束(ステータの鎖交磁束)を切換制御する。ECU500は、ハイブリッド自動車全体を制御するハイブリッド用ECUと協働で動作する。
図2及び図3は、本実施形態における回転電機としての発電機200の基本構成を示す。図2は、発電機200の回転軸方向と直交する方向から見た断面図を示し、図3は、図2のA−A断面に相当する図を示す。
発電機200は、ケーシングに固定されたステータ24と、径方向においてステータ24と所定のギャップを空けて対向し、ステータ24に対して相対回転可能なロータ28を備える。図2の例では、ロータ28がステータ24の内周側の位置でステータ24と対向配置される。
ステータ24は、ステータコア36と、ステータコア36にその周方向に沿って配設された複数相であるU相、V相、W相の3相のステータコイル38u,38v,38wを含む。3相のステータコイル38u,38v,38wに3相の交流電流が流れることでステータ周方向に回転する回転磁界が生じる。
ロータ28は、回転軸方向に隣接した状態でステータ24と径方向に対向配置された主ロータ(第1ロータ要素)40と副ロータ(第2ロータ要素)42を含む。主ロータ40と副ロータ42は、回転軸方向にギャップを空けて対向配置される。図2では、主ロータ40が副ロータ42よりも回転軸方向一方側(図の左側)に配置され、主ロータ40がステータコア36の回転軸方向一方側と径方向に対向し、副ロータ42がステータコア36の回転軸方向他方側(図の右側)と径方向に対向する。
主ロータ40は、複数の電磁鋼板が回転軸方向に積層された主ロータコア46と、主ロータコア46にその周方向に沿って互いに等間隔で配設された複数の主永久磁石48n,48sを含む。図3では、主ロータ40の主永久磁石48n,48sを透視して示している。図3では、主永久磁石48n,48sは、主ロータコア46の周方向の複数位置に2つを1組としてV字型に埋設されるが、これに限定されない。主永久磁石48nは、外周側がN極であり、主永久磁石48sは外周側がS極である。主永久磁石48n,48sが周方向に交互に配置されることで、主永久磁石48n,48sの極性が周方向に交互に異なる。
副ロータ42は、複数の電磁鋼板が回転軸方向に積層された副ロータコア54と、副ロータコア54にその周方向に沿って互いに等間隔で配設された複数の副永久磁石56n,56sを含む。副永久磁石56n,56sは、副ロータコア54の周方向の複数位置に2つを1組としてV字型に埋設されるが、これに限定されない。副永久磁石56nは、外周側がN極であり、副永久磁石56sは外周側がS極である。副永久磁石56n,56sが周方向に交互に配置されることで、副永久磁石56n,56sの極性が周方向に交互に異なる。副永久磁石56n,56sの周方向間隔は主永久磁石48n,48sの周方向間隔に等しい。
主ロータシャフト26には、拘束板61,62が溶接等により固定される。拘束板61,62は、回転軸方向に互いに間隔をおいて配置され、拘束板62が拘束板61より回転軸方向一方側に配置され、主ロータ40が回転軸方向に拘束板61,62の間に挟持される。主ロータ40は、主ロータシャフト26とキー溝やスプライン等により係合し、主ロータシャフト26及び拘束板61,62と一体回転する。
副ロータシャフト52には、拘束板63,64が溶接等により固定される。拘束板63,64は、回転軸方向に互いに間隔をおいて配置され、拘束板63が拘束板64より回転軸方向一方側に配置され、副ロータ42が回転軸方向において拘束板63,64の間に挟持される。副ロータ42は、副ロータシャフト52とキー溝やスプライン等により係合し、副ロータシャフト52及び拘束板62,63と一体回転する。副ロータシャフト52はベアリング50により主ロータシャフト26に対して相対回転可能に支持され、副ロータ42が主ロータ40に対して相対回転可能である。
本実施形態の回転電機では、主ロータ40と副ロータ42の位相関係が変化することで、ステータ24に作用するロータ28の界磁磁束が変化する。主ロータ40と副ロータ42で同一極性の主永久磁石48nと副永久磁石56n(あるいは主永久磁石48sと副永久磁石56s)が周方向の同位相に配置される同極対向状態の場合、界磁磁束は最大となる。他方、副ロータ42が主ロータ40に対して相対回転し、主永久磁石48nと副永久磁石56n(あるいは主永久磁石48sと副永久磁石56s)が180度ずれる逆極対向状態の場合、界磁磁束は最小あるいはゼロとなる。
図4は主ロータ40及び副ロータ42のみを取り出した斜視図を示す。図4(a)は主ロータ40と副ロータ42が同極対向状態であり、位相角をγとすると、γ=0度(deg)の状態である。このとき、ステータ24に作用するロータ28の界磁磁束は最大となる。図4(b)は、主ロータ40と副ロータ42が逆極対向状態であり、γ=180度(deg)の状態である。このとき、ステータ24に作用するロータ28の界磁磁束は最小となる。このように、本実施形態の発電機200は主ロータ40と副ロータ42の位相関係を変化させる、つまり主ロータ40と副ロータ42を相対回転させて位相角γを変化させることでステータ24に作用するロータ28の界磁磁束を変化させる可変界磁型の回転電機として機能する。本実施形態では、位相角としてγ=0度、あるいはγ=180度のいずれかに制御して、界磁磁束を最大あるいは最小のいずれかに切換制御する。
図5は、ECU500の機能ブロック図を示す。発電機200を制御する機能ブロック図である。
ECU500は、機能ブロックとして、発電機の目標界磁特性切換部502、発電機トルク制御部506、及び位相角制御部510を備える。
発電機の目標界磁特性切換部502は、エンジン状態(エンジンの動作/停止)に応じ、発電機200の目標界磁特性(目標界磁磁束)を設定する。すなわち、発電機の目標界磁特性切換部502は、ハイブリッドECUから供給されたエンジン状態に基づき、界磁特性を設定する。発電機200の発電量をW、発電機200の要求トルクをT、発電機200の角速度(回転数)をω、界磁磁束(ステータの鎖交磁束)をφとすると、トルクTは界磁磁束φ及び角速度ωの関数であり、発電機200の損失Qは要求トルクT,界磁磁束φ、角速度ωに依存するから、発電モデルは一般に
W=T(φ,ω)ω−Q(T(φ,ω),φ,ω)
と表すことができる。界磁磁束φを最小値φmin及びφmaxの2値として、発電量Wが増大するようにφmaxとφminのいずれかに切り換える。要求トルクTはバッテリの残容量(SOC)等に応じて設定される。上記の式において、エンジンが停止状態にあり要求トルクがゼロである場合には損失Qを最小とすべく界磁磁束φを最小値φminとする。また、エンジンが運転状態にあり要求トルクが増大した場合には界磁磁束φを最大値φmaxとする。発電機の目標界磁特性切換部502は、設定した目標界磁特性(目標界磁磁束)を位相角制御部510及び発電機トルク制御部506に出力する。
位相角制御部510は、目標位相角、主ロータ40の角度、副ロータ42の角度に基づき、現在の主ロータ40及び副ロータ42の位相角から目標位相角に移行するために必要な電流値を演算して駆動回路に出力する。駆動回路が副ロータ42を主ロータ40に対して機械的に回転させるアクチュエータの場合、当該アクチュエータに対して電流指令を出力する。駆動回路としてアクチュエータを用いることなく、ステータ電流により副ロータ42を主ロータ40に対して相対回転させることもできる。この場合、位相角制御部510は主ロータ40及び副ロータ42に対して互いに逆方向に回転させる方向にトルクを発生させ、ロータ28全体に対しては回転に寄与しないトルクを発生させるようにステータ電流をベクトル演算する。
発電機トルク制御部506は、要求トルク、角速度(回転数)、ステータ電流及び目標界磁特性に基づき、目標界磁特性を満たしつつ要求トルクを満たす電圧を演算し、発電機200のU相、V相、W相の3相ステータコイルに3相交流電流を供給するインバータに供給する。目標界磁特性が固定的であれば、発電機トルク制御部506は単に要求トルクを満たす電圧を演算してインバータに出力するが、本実施形態では目標界磁特性が最大値φmaxと最小値φminのいずれかに変化するため、これに応じてインバータに出力する電圧値も変化する。すなわち、発電効率を増大させるための目標界磁特性に依存して発電機200で発電するための制御パラメータも適応的に変化する。
図6は、本実施形態のエンジン100の回転数、エンジン100のトルク、発電機200のトルク、発電機200の界磁磁束のタイミングチャートである。
図6(a)は、エンジン100の回転数であり、時間の経過とともにエンジン停止、エンジンクランキング、エンジン運転、及びエンジン停止の各状態に順次遷移する。エンジンクランキング状態ではエンジン回転数が増大し、エンジン運転状態では運転者のアクセル操作やバッテリの残容量(SOC)に応じてエンジン回転数が増減する。エンジン停止状態ではエンジン回転数が減少しやがてゼロとなる。
図6(b)は、エンジン100のトルクであり、エンジン停止及びエンジンクランキングの各状態ではトルクはゼロであり、エンジン運転中は運転者のアクセル操作やバッテリのSOCに応じてエンジントルクが変動する。エンジン停止状態ではトルクは再びゼロとなる。エンジン100に対する要求トルクはハイブリッド自動車全体を制御するハイブリッド用ECUで演算される。ハイブリッドECUはバッテリのSOC等に基づいて発電が必要と判定すると発電指令をECU500に出力する。
図6(c)は、発電機200のトルクであり、図6(d)は、発電機200の界磁磁束である。図6(c)の縦軸上方向(正方向)は電動トルクを示し、下方向(負方向)は発電トルクを示す。また、図6(d)の縦軸は界磁磁束の最大値φmaxを100%、最小値φminを0%としている。エンジン停止状態ではエンジン回転数及びエンジントルクはゼロであり、発電機200のトルクもゼロである。このとき、発電機200の界磁磁束は最小値の0%に設定される。これは、ハイブリッド自動車がモータ300のみで走行する際(EV走行モード)に発電機200の界磁磁束を最小として発電機200での引きずり損失(鉄損)を最小化するためである。
エンジン停止状態からエンジンクランキング状態に遷移する場合、エンジン100のクランク軸に連結された発電機200をモータとして機能させてエンジン100をクランキングする。すなわち、ハイブリッドECUからトルク指令がECU500に出力され、ECU500は発電機200をモータとして機能させる。このため発電機200のトルクも電動トルクが増大する。このとき、発電機200の界磁磁束を最大値φmaxに切換制御する。これは、界磁磁束を増大させて発電機200でのトルク電流を抑制し効率的にモータとして駆動させるためである。エンジンクランキングが終了すると、発電機200のトルクは再びゼロとなり、発電に備える。
エンジンクランキング状態からエンジン運転状態に遷移する場合、エンジン100の動力により発電すべく、ECU500は発電機200のトルクを制御する。具体的には、ハイブリッドECUはバッテリのSOCに基づきバッテリが充電すべきパワーとしてバッテリ要求パワーを算出し、バッテリ要求パワーに基づきエンジン100から出力すべきエンジン要求パワーを設定する。そして、このエンジン要求パワーに基づきエンジン100の目標回転数と目標トルクを設定し、エンジン100の目標回転数に基づき発電機200の目標回転数を設定する。さらに、発電機200の目標回転数と現在の回転数に基づき発電機200の要求トルクを設定する。エンジントルク及び発電機トルクが増大すると、これに応じて界磁磁束を100%とする。これにより、発電機200での発電効率が増大する。なお、エンジンクランキング状態では界磁磁束は既に100%に設定されているから、エンジン始動後のエンジン運転中でもこの界磁磁束をそのまま維持するといえる。
エンジン運転状態から再びエンジン停止状態に遷移する場合、エンジン回転数及びエンジントルクはゼロとなり、発電機200のトルクもゼロとなる。このとき、発電機200の界磁磁束を最小値φmin(=0%)として引きずり損を最小化する。
このように、エンジン100の状態に応じ、発電機200の界磁磁束を適応的に切換制御して発電効率を増大させることで発電機200の効率的な運用が可能となり、結果として燃費が向上する。
なお、図6のタイミングチャートでは、図6(d)に示すようにエンジンクランキングの開始と同時に発電機200の界磁磁束を最小値φmin(=0%)から最大値φmax(=100%)に増大させているため、エンジン100の始動に時間を要することになる。このためエンジン100の始動を早くすべく、発電機200の界磁磁束をより早めに切り換えても良い。
図7は、他のタイミングチャートを示す。図6と異なるのは、エンジンクランキング時の界磁電流の時間変化である。すなわち、図6(d)ではエンジンクランキングの開始と同時に界磁磁束を100%に増大しているが、図7(d)ではクランキングの開始タイミングより前に界磁磁束を100%とした後で発電機トルクを出力してクランキングを行う。要するに、エンジンクランキングの開始と同時に界磁磁束を変化させるのではなく、界磁磁束が最大値φmaxに達した後にエンジンクランキングを行う。これにより、エンジン100を迅速に始動できる。
以上説明したように、発電機200での発電効率が増大するように発電機200の界磁磁束を最大値φmaxと最小値φminの間で切換制御する、すなわち主ロータ40と副ロータ42の位相角を0度と180度の間で切換制御するので、エンジン100の動力により高効率で発電してバッテリを充電し、あるいはモータ300に電力を供給できる。特に、エンジン停止状態では界磁磁束を最小値φminとして発電機200での損失を最小化できるとともに、エンジン運転状態では界磁磁束を最大値φmaxとして発電機200での発電効率を増大できる。
本実施形態では、発電機200の界磁磁束を最大値φmaxとφminのいずれかに制御するため、制御が簡易化される利点がある。本実施形態において、主ロータ40と副ロータ42の位相角をγ=0度あるいはγ=180度のいずれかでロックするロック機構を設けてもよい。
また、本実施形態では、図5に示すように、エンジンの運転状況に基づき目標界磁特性を設定し、エンジン停止状態では目標界磁磁束を最小値φminとし、エンジンクランキング状態及びエンジン運転中は目標界磁磁束を最大値φmaxとしているが、より高精度に要求トルク、角速度、電圧、運転状況、発電機の温度に基づき目標界磁特性を設定してもよい。この場合、電圧や温度のパラメータはテーブル(あるいはマップ)に反映させてECU500のメモリに記憶しておけばよい。例えば、エンジン運転中であっても、発電機200で発電する必要がなく、要求トルクがゼロであれば界磁磁束を最小値φminに切換制御する等である。なお、電圧や温度に応じ、界磁磁束の最小値φminを別の最小値φmin’に変更し、あるいは最大値φmaxを別の最大値φmax’に変更して、エンジン100の運転状況に応じて発電機200の界磁磁束を最小値φmin’と最大値φmax’の間で切換制御してもよい。界磁磁束の変更に伴い、主ロータ40と副ロータ42の位相角も変更することは言うまでもない。
100 エンジン、200 回転電機(発電機)、300 回転電機(モータ)、400 タイヤ、500 電子制御装置(ECU)。

Claims (5)

  1. 可変界磁型の回転電機を制御する制御装置であって、
    前記回転電機はエンジンのクランク軸に連結され、前記エンジンの動力により発電するものであり、かつ、前記回転電機は、
    ステータと、前記ステータと対向配置され、かつ、回転軸方向に互いに対向配置された第1ロータ要素及び第2ロータ要素を含み、前記第2ロータ要素は前記第1ロータ要素に対して相対回転可能なロータと、
    を備えて構成され、
    少なくとも前記エンジンの運転状況としてエンジンの停止状態、クランキング状態、運転状態を入力する入力手段と、
    前記運転状況に基づき、前記回転電機の目標界磁磁束を最大界磁磁束あるいは最小界磁磁束のいずれかに切り換える切換手段であり、前記エンジンの停止状態では最小界磁磁束を前記目標界磁磁束とし、前記エンジンの運転状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とする切換手段と、
    前記目標界磁磁束に基づき、前記第1ロータ要素に対する前記第2ロータ要素の位相角を制御するための制御指令を出力する制御手段と、
    を備えることを特徴とする回転電機の制御装置。
  2. 請求項記載の回転電機の制御装置において、
    前記切換手段は、前記エンジンのクランキング状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とすることを特徴とする回転電機の制御装置。
  3. 請求項記載の回転電機の制御装置において、
    前記制御手段は前記エンジンのクランキングの開始に先立って前記回転電機の界磁磁束を前記目標界磁磁束に制御する
    ことを特徴とする回転電機の制御装置。
  4. 可変界磁型の回転電機と、
    前記回転電機を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記回転電機は、エンジンのクランク軸に連結され、前記エンジンの動力により発電するものであり、ステータと、前記ステータと対向配置され、かつ、回転軸方向に互いに対向配置された第1ロータ要素及び第2ロータ要素を含み、前記第2ロータ要素は前記第1ロータ要素に対して相対回転可能なロータと、
    を備え、
    前記制御装置は、
    少なくとも前記エンジンの運転状況としてエンジンの停止状態、クランキング状態、運転状態を入力する入力手段と、
    前記運転状況に基づき、前記回転電機の目標界磁磁束を最大界磁磁束あるいは最小界磁磁束のいずれかに切り換える切換手段であり、前記エンジンの停止状態では最小界磁磁束を前記目標界磁磁束とし、前記エンジンの運転状態では最大界磁磁束を前記目標界磁磁束とする切換手段と、
    前記目標界磁磁束に基づき、前記第1ロータ要素に対する前記第2ロータ要素の位相角を制御するための制御指令を出力する制御手段と、
    を備えることを特徴とする回転電機制御システム。
  5. 請求項記載の回転電機制御システムを備えた車両。
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