JP6198979B1 - 駆動システムおよび駆動制御方法 - Google Patents

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Abstract

バッテリ、エンジンのシャフトにジェネレータを取り付けてなる発電装置、被駆動部を駆動するモータを有する駆動装置を備えた駆動システムにおいて、駆動制御部が前記発電装置および駆動装置の駆動制御と共に切替装置の切り替え制御を行い、並列接続時には、前記駆動装置の高電圧側端子に前記発電装置およびバッテリのそれぞれの高電圧側端子を接続し、前記駆動装置の低電圧側端子に前記発電装置およびバッテリのそれぞれの低電圧側端子を接続し、直列接続時には、前記駆動装置の高電圧側端子に前記発電装置および前記バッテリの一方の高電圧側端子を接続し、前記駆動装置の低電圧側端子に前記発電装置および前記バッテリの他方の低電圧側端子を接続し、前記発電装置と前記バッテリの前記駆動装置に接続されていない端子同士を接続する。

Description

この発明は、例えば電動車両およびハイブリッド車両の駆動機構等に適用される、駆動装置と発電装置の駆動制御を行う駆動システムおよび駆動制御方法に関するものである。
例えば下記特許文献１の従来の車両駆動システムでは、バッテリとモータの間に昇圧コンバータを配置することで、バッテリの直列セル数を増やすことなく小型のモータで必要な駆動領域をまかなうシステムが提案されている。
また例えば下記特許文献２では、複数のバッテリの直並列を切り替えることで、低速時のバッテリへの充電性と高速時の大きな充電電流によるバッテリの劣化を防ぐ制御方法が提案されている。
国際公開第２００８／０６２５９０号パンフレット 特開平３−２０３５０１号公報
上記のような従来の車両駆動システムにおいて、特許文献１のように昇圧コンバータを用いる場合には、昇圧コンバータという新たな部品が必要となる。昇圧コンバータはモータ、インバータと同等の出力が要求される。このため、モータが小型化された効果が昇圧コンバータを追加したことで相殺され、システムとしての小型化効果が低くなる。また、昇圧コンバータはパワー半導体スイッチのスイッチング動作と昇圧リアクトルとを必要とし、それぞれにおいて損失を生じるためモータ、インバータと同等の冷却が必要であり、例えば水冷を行う場合には昇圧コンバータに水冷配管のつなぎこみが必要となる。
一方、特許文献２には、複数のバッテリの直並列切替によりモータの動作範囲を拡大する方法が記載されているが、部品点数が増加するため装置が大型化するという課題があった。また、バッテリを直列に接続する状態は１つの高電圧のバッテリを使用するのと同じに過ぎない。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡単な構造で小型化が可能な駆動システムおよび駆動制御方法を得ることを目的とする。
この発明は、バッテリと、エンジン、前記エンジンのシャフトに取り付けられ前記エンジンのパワーを電力に変換するジェネレータ、および前記ジェネレータに接続され直流電力と交流電力を相互に変換するインバータを有する発電装置と、被駆動部を駆動するモータを有する駆動装置と、前記駆動装置の両端間に前記バッテリと前記発電装置の接続関係を直列と並列に切り替えて接続する切替装置と、前記発電装置および駆動装置の駆動制御と共に前記切替装置の切り替え制御を行う駆動制御部と、を備え、前記駆動制御部が前記切替装置により、並列接続時には、前記駆動装置の高電圧側端子に前記発電装置および前記バッテリのそれぞれの高電圧側端子を接続し、前記駆動装置の低電圧側端子に前記発電装置および前記バッテリのそれぞれの低電圧側端子を接続し、直列接続時には、前記駆動装置の高電圧側端子に前記発電装置および前記バッテリの一方の高電圧側端子を接続し、前記駆動装置の低電圧側端子に前記発電装置および前記バッテリの他方の低電圧側端子を接続し、前記発電装置と前記バッテリの前記駆動装置に接続されていない端子同士を接続させ、前記バッテリと前記発電装置とが並列接続されている時に、前記駆動制御部は、前記ジェネレータの回転数、および前記ジェネレータのトルクに対する、前記エンジンの効率、前記ジェネレータの効率、および前記インバータの効率が掛け算され前記バッテリの電圧で補正された合計効率が予め定められた効率マップを用いて、前記ジェネレータに要求される出力の等出力ライン上で前記合計効率が最大となるように、前記モータに要求される回転数およびトルクと前記バッテリの電圧とに応じて前記ジェネレータの回転数に対応する前記エンジンの回転数を変更させる、駆動システム等にある。
この発明では、簡単な構造で小型化が可能な駆動システムおよび駆動制御方法を得ることができる。
この発明の実施の形態１の駆動システムの構成を示す図である。 図１の駆動装置の構成の一例を示す図である。 図１の切替装置の各切替スイッチのＯＮ(オン)／ＯＦＦ(オフ)状態とその時のバッテリと発電装置の接続関係を示す図である。 この発明の実施の形態１の駆動システムの並列動作時の回路状態を示す図である。 この発明の実施の形態１の駆動システムの直列動作時の回路状態を示す図である。 この発明の実施の形態２の駆動システムの構成を示す図である。 図１の切替装置の各切替スイッチのＯＮ(オン)／ＯＦＦ(オフ)状態とその時のバッテリと発電装置の接続関係を示す図である。 この発明の実施の形態２の駆動システムの並列動作時の回路状態を示す図である。 この発明の実施の形態２の駆動システムの直列動作時の回路状態を示す図である。 この発明の実施の形態３の駆動システムの構成を示す図である。 この発明による駆動システムの駆動制御部周辺の機能ブロック図である。 この発明による駆動システムの駆動制御部の構成の一例を示す概略図である。 この発明による駆動システムの駆動制御部の制御を説明するための動作フローチャートである。 この発明の実施の形態４の駆動システムの構成を示す図である。
この発明では、駆動装置から見て、バッテリと発電装置の直並列を切り替える切替装置を設けたことにより、バッテリの容量や直列セル数を増やすことなくモータを小型化することができる。
この発明に係る駆動システムおよび駆動制御方法の適用範囲は自動車に限られることはなく、例えば電車や、さらにはより広義には、バッテリと発電装置が接続された駆動装置により被駆動部を駆動させる駆動−発電機構を有する装置に適用することができる。
以下、この発明による駆動システムおよび動制御方法を、身近なものとして電動車両およびハイブリッド車両に適用した場合を例に挙げて、各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。
実施の形態１．(エンジンが駆動輪に接続なし、バッテリが接地側)
図１はこの発明の実施の形態１の自動車駆動システムの構成を示す図である。図１において、自動車駆動システム１は、直流のバッテリ２と、駆動装置１００と、発電装置１０１と、切替装置６と、駆動制御部２００からなる。
駆動装置１００は、バッテリ２に接続され直流電力と交流電力を相互に変換するインバータ１０３と、インバータ１０３に接続されて交流電力を機械エネルギーに変換して車両の駆動輪８を回転駆動させる回転電機であるモータ(Ｍ)３と、を有する。駆動輪８は自動車の駆動システムの場合の被駆動部となる。また自動車以外のその他の一般的な被駆動部を破線で象徴的に被駆動部８０で示した。
発電装置１０１は、エンジン４と、エンジン４のシャフトに取付けられパワーを電力に変換する回転電機であるジェネレータ(Ｇ)５と、バッテリ２とジェネレータ５に接続され直流電力と交流電力を相互に変換するインバータ１０５と、を有する。
モータ３およびジェネレータ５は、ロータに永久磁石を内蔵した埋込み磁石型三相同期モータであるが、誘導モータやシンクロナスリラクタンスモータなどを用いてもよい。
エンジン４はジェネレータ５に接続されるが、自動車の駆動輪８には接続されない。したがって、この実施の形態１の自動車はエンジン４により直接に駆動されることはない電動車両の場合を示している。
図２は図１の駆動装置１００の構成の一例を示す図である。図２に示すように、インバータ１０３は、パワー半導体スイッチＳと還流ダイオードＤが並列接続されてなる切替スイッチが配置されたアームが直列に２つ接続された直列回路が、相数分、ここでは３つ並列に接続されている。
直列に接続されたアームの高電圧側の上アーム５１と低電圧側の下アーム５２の接続点には、モータ３の３相のうち１相のコイルが接続されている。並列接続された他の２組の上アームと下アームの接続点にはそれぞれモータ３の他の２相のコイルがそれぞれ接続されている。
発電装置１０１のインバータ１０５も図２に示された構成と同様な構成を有し、ジェネレータ５の３相のコイルと接続されている。
インバータ１０３およびインバータ１０５を構成するパワー半導体スイッチＳはシリコン半導体を用いたＩＧＢＴが用いられるが、ＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。また、パワー半導体スイッチＳの材料として、シリコンカーバイド(ＳｉＣ)や窒化ガリウム(ＧａＮ)などのワイドバンドギャップ半導体などを用いてもよい。
バッテリ２はリチウムイオンバッテリであるが、ニッケル水素電池等の他の二次電池でもよい。
図１において、切替装置６は３つの切替スイッチ６０１、切替スイッチ６０２、切替スイッチ６０３が直列に接続されてなる。各切替スイッチ６０１−６０３はそれぞれ、半導体スイッチＳと還流ダイオードＤが並列接続されて構成される。切替装置６は、切替スイッチ６０１の一端側に第１の接続端子６１１、切替スイッチ６０１の他端側と切替スイッチ６０２の一端側の接続点に第２の接続端子６１２、切替スイッチ６０２の他端側と切替スイッチ６０３の一端側の接続点に第３の接続端子６１３、切替スイッチ６０３の他端側に第４の接続端子６１４の４つの接続端子を持つ。この４つの接続端子６１１−６１４のうち、第１の接続端子６１１はインバータ１０５すなわち発電装置１０１の直流の高電圧側端子Ｈ５およびモータ３すなわち駆動装置１００の直流の高電圧側端子Ｈ３と接続され、第２の接続端子６１２はバッテリ２の高電圧側端子Ｈ２と接続され、第３の接続端子６１３はインバータ１０５すなわち発電装置１０１の直流の低電圧側端子Ｌ５と接続され、第４の接続端子６１４はバッテリ２の低電圧側端子Ｌ２およびモータ３すなわち駆動装置１００の直流の低電圧側端子Ｌ３と接続される。
そして駆動制御部２００は車両状態情報ＶＣＩによる車両における諸条件に従って、駆動装置１００、発電装置１０１、エンジン４の制御を行うと共に、切替装置６の各切替スイッチ６０１−６０３の開閉を制御して、駆動装置１００の両端間でバッテリ２と発電装置１０１を直列接続と並列接続に切り替える。駆動制御部２００周辺の機能ブロック図を図１１に示す。駆動制御部２００は例えば概略、図１２に示すように、ＣＰＵ２２とメモリ２３と入出力インタフェース２１からなるプロセッサ２０で構成される。メモリ２３には図１１にブロック図、図１３に動作フローチャートで示された各処理機能のためのプログラムが、処理で使用される後述する各種マップおよび設定値を含むデータと共に格納されており、ＣＰＵ２２により各プログラムに従って処理が実行される。
図１１において、駆動制御部２００は駆動装置制御部２０１、発電装置制御部２０２、切替装置制御部２０３、エンジン制御部２０４を含む。そして詳細な図示は省略されているが車両の各所に設けられた検出器および他の制御部で構成される他の制御部及び各種検出器群３００からの車両状態情報ＶＣＩに従って、駆動装置１００、発電装置１０１、エンジン４、切替装置６を制御する。
他の制御部及び各種検出器群３００からの車両状態情報ＶＣＩとしては、各種検出器からのバッテリ２発電装置１０１、駆動装置１００の電圧ＤＶ２，ＤＶ５，ＤＶ３、他の制御部等からの、車速ＶＳ、モータ３に必要なモータ３の電力ＰＲ３，回転数ＲＰＭＲ３，トルクＴＲ３，電流ＩＲ３等がある。実際にはこれらは各値を示す信号として送られてくる。
図３は図１の切替装置６の各切替スイッチ６０１−６０３のＯＮ(オン)／ＯＦＦ(オフ)状態とその時のバッテリ２と発電装置１０１の接続関係を示す図である。また図１の回路の、バッテリ２と発電装置１０１が並列接続された時の回路状態を図４に、直列接続された時の回路状態を図５に示す。なお図４，５は回路の切り替え接続を説明するための図である。
次にこの実施の形態の自動車駆動システムにおける駆動装置１００から見たバッテリ２と発電装置１０１の直並列切替えの動作、すなわち駆動装置１００の両端間におけるバッテリ２と発電装置１０１の直並列切替えの動作、を説明する。また以下では駆動装置１００をモータ３またはインバータ１０３、発電装置１０１をジェネレータ５またはインバータ１０５と記載する場合がある。
図１３には駆動制御部２００の制御で行われる動作の動作フローチャートを示し、この発明による制御動作を説明する。
バッテリ２と発電装置１０１の直並列切替えの動作は、駆動制御部２００の制御により行われる。図１１の他の制御部及び各種検出器群３００からの車速ＶＳが、例えば最高車速の半分である設定速度ＶＳｔｈ未満のとき(ステップＳ１)、バッテリ２とジェネレータ５は駆動制御部２００の制御により切替装置６によってモータ３から見て並列に接続される。このとき図３および図４に示すように、切替装置６の３つの切替スイッチ６０１−６０３はそれぞれ、
切替スイッチ６０１：ＯＮ状態
切替スイッチ６０２：ＯＦＦ状態
切替スイッチ６０３：ＯＮ状態
にされる(ステップＳ２)。
バッテリ２の電圧は充電状態によって異なるが、駆動制御部２００は、他の制御部及び各種検出器群３００からのバッテリ２および発電装置１０１の電圧ＤＶ２、ＤＶ５をモニタし、ジェネレータ５が発電した電力の電圧がバッテリ２の電圧と等しくまたは略等しくなるようにインバータ１０５を制御する(ステップＳ３)。
この時、モータ３に要求される電力ＰＲ３、回転数ＲＰＭＲ３、トルクＴＲ３は車両の車速ＶＳおよび車両状態情報ＶＣＩに基づく運転状態によってきまる。この時の電力のやり取りの関係はモータ３が要求する電力ＰＲ３とバッテリ２の充電状態すなわち電圧ＤＶ２によって以下の３通りに場合分けされる。
１）まず、モータ３が要求する電力ＰＲ３が設定電力値ＰＲ３ｔｈより大きい場合、すなわちバッテリ２およびジェネレータ５のどちらか一方だけでは要求する電力ＰＲ３がまかなえない場合である(ステップＳ４)。
次に、モータ３が要求する電力ＰＲ３が中程度以下であり、設定電力値ＰＲ３ｔｈ以下の場合、すなわちバッテリ２およびジェネレータ５のどちらか一方だけでモータ３が要求する電力ＰＲ３がまかなえる場合であって(ステップＳ４)、そして、バッテリ２の充電状態すなわち電圧ＤＶ２が第２の設定電圧値ＤＶ２ｔｈ２以下の場合である(ステップＳ８)。ステップＳ７では後述するようにＤＶ２ｔｈ１＜ＤＶ２ｔｈ２であり「Ｎｏ」判定となる。
上記２つの状態の場合には、バッテリ２とジェネレータ５の両方からモータ３に向けて電力が供給される(ステップＳ５)。
この時、エンジン４、ジェネレータ５およびインバータ１０５の発電効率が最大になるように、例えばプロセッサ２０のメモリ２３に予め格納しておいた、予め定められたマップに従い、バッテリ２とジェネレータ５の負荷分担を決定する(ステップＳ６)。この時、インバータ１０５の直流電圧ＤＶ５はバッテリ２の直流電圧ＤＶ２と等しくなる。予め定められたマップはこの時のバッテリ２の直流電圧ＤＶ２で補正されて用いられる。また、このマップは、回転数とトルクに対して、エンジン４の効率とジェネレータ５の効率、インバータ１０５の効率が掛け算された効率マップが用いられ、要求される出力の等出力ライン上で効率が最大となるように決定される。
すなわちここでは、モータ３に要求される回転数ＰＲ３とトルクＴＲ３と、バッテリ２の電圧ＤＶ２に応じてエンジン４の回転数ＲＰＭ４が調整される。
２）次に、モータ３が要求する電力ＰＲ３が中程度以下であり、設定電力値ＰＲ３ｔｈ以下の場合、すなわちバッテリ２およびジェネレータ５のどちらか一方だけで要求する電力がまかなえる場合で(ステップＳ４)、バッテリ２の充電状態が満充電に近い、電圧ＤＶ２が第２の設定電圧値ＤＶ２ｔｈ２よりも高い場合には(ステップS８，Ｓ９)、バッテリ２のみからモータ３へ電力が供給される(ステップＳ１０)。
３）最後に、モータ３が要求する電力ＰＲ３が中程度以下であり、設定電力値ＰＲ３ｔｈ以下の場合、すなわちバッテリ２およびジェネレータ５のどちらか一方だけで要求する電力がまかなえる場合で、バッテリ２の充電状態が予め定められた値よりも低く、空に近い、電圧ＤＶ２が第１の設定電圧値ＤＶ２ｔｈ１(ＤＶ２ｔｈ１＜ＤＶ２ｔｈ２)以下の場合には(ステップＳ７)、ジェネレータ５のみからモータ３へ電力が供給される(ステップＳ１１)。このとき、ジェネレータ５の出力に余裕があり、ジェネレータ５の電圧ＤＶ５が設定電圧値ＤＶ５ｔｈ以上の場合、ジェネレータ５からバッテリ２にむけても電力を供給して充電動作を行う(ステップＳ１２)。この際、ジェネレータ５の効率を改善するように効率マップを用いてバッテリ２に供給する電力が調整される。
次に、自動車の車速が最高車速の半分である設定速度ＶＳｔｈ以上のとき(ステップＳ１)、バッテリ２とジェネレータ５は切替装置６によってモータ３から見て直列に接続される。このとき図３、図５に示すように切替装置６の３つの切替スイッチ６０１−６０３はそれぞれ、
切替スイッチ６０１：ＯＦＦ状態
切替スイッチ６０２：ＯＮ状態
切替スイッチ６０３：ＯＦＦ状態
にされる(ステップＳ１３)。
この時、インバータ１０３およびモータ３の直流電圧ＤＶ３は、バッテリ２の電圧ＤＶ２とインバータ１０５の直流電圧ＤＶ５の合計値となる。インバータ１０５の直流電圧ＤＶ５はバッテリ２の直流電圧ＤＶ２を参照し、ＤＶ５＋ＤＶ２となる直流電源電圧に対してインバータ１０３およびモータ３の合計効率を記した効率マップと、直流電源電圧に対してエンジン４とジェネレータ５とインバータ１０５の合計効率を記した効率マップの掛け算から効率が最も良くなるように直流電圧ＤＶ５が選択される(ステップＳ１４)。
またこの際、バッテリ２の電圧ＤＶ２が低下すると、発電装置１０１の電圧であるインバータ１０５、ジェネレータ５の電圧ＤＶ５を上がるために、例えばエンジン４およびジェネレータ５の回転数ＲＰＭ４、ＲＰＭ５が上げられる。
このような構成によれば、切替装置６によりモータ３から見たバッテリ２とジェネレータ５の直並列関係が切り替えられ、インバータ１０３およびモータ３に印加される直流電圧ＤＶ３を切り替えることができるため、モータ３を小型化することができる。また、切替装置６は自動車駆動システム１の高電圧動作時にパワー半導体スイッチのスイッチング動作なしに動作できるためパワー半導体スイッチのスイッチング損失が発生せず、自動車駆動システム１を高効率化することができる。さらに、切替装置６は昇圧リアクトルのようなパワーを蓄えるリアクトルを必要としないため、自動車駆動システム１を小型化することができる。
実施の形態１に係るエンジン４は自動車の駆動輪８に接続されておらず、モータ３に要求される回転数ＲＰＭＲ３、トルクＴＲ３とバッテリ２の直流電圧ＤＶ２に応じてエンジン４およびジェネレータ５の回転数ＲＰＭ４、ＲＰＭ５を、自動車の車速ＶＳによらず回転数を任意に選ぶことができるため、自動車駆動システムの駆動効率を向上させることができる。
上記実施の形態１では、自動車の車速ＶＳが最高速の約半分未満の際に、バッテリ２とジェネレータ５がモータ３からみて並列に接続されるよう切替装置６により接続され、モータ３に要求される回転数、トルクとバッテリ２の直流電圧に応じて自動車駆動システム１の効率が最大となるようにエンジン４の回転数を変化させているが、ジェネレータ５の温度ＴＭＰ５が一定値以上にならないようにジェネレータ５の効率を最大にするように効率マップを用いて制御してもよい。このようにすれば、ジェネレータ５の熱的制限が緩和でき、ジェネレータ５を小型化することができる。
また、上記実施の形態１では、自動車の車速が最高車速の半分である設定速度ＶＳｔｈ以上のとき、バッテリ２とジェネレータ５は切替装置６によってモータ３から見て直列に接続され、インバータ１０５の直流電圧ＤＶ５は自動車駆動システム１の効率が最大となるようにマップから逆算されるが、インバータ１０３の要求直流電圧ＤＶＲ３を下回らないように設定される。このような構成によれば、バッテリ２の充電状態によって直流電源電圧が低下した場合にもインバータ１０５すなわち発電装置１０１の直流電圧を高くすることによってインバータ１０３に印加される直流電圧を補償することができる。一般に、バッテリ２のみを直接的な電源としてモータ３およびインバータ１０３が動作するシステムにおいてはバッテリ２の電源電圧ＤＶ２が低下した場合でも要求される動作領域で動作できるように設計するため、電源電圧に余裕がある条件ではモータ３がオーバースペックに設計されている。これに対して、このように直流電圧を補償することでモータ３に要求されるスペックが緩和され、モータ３を小型化することができる。
実施の形態２．(エンジンが駆動輪に接続なし、発電機が接地側)
図６はこの発明の実施の形態２の自動車駆動システムの構成を示す図である。また図７は図６の切替装置６の各切替スイッチ６０１−６０３のＯＮ(オン)／ＯＦＦ(オフ)状態とその時のバッテリ２と発電装置１０１の接続関係を示す図である。また図６の回路の、バッテリ２と発電装置１０１が並列接続された時の回路状態を図８に、直列接続された時の回路状態を図９に示す。なお図８．９は回路の切り替え接続を説明するための図である。
図６において、切替装置６の４つの端子はそれぞれ、接続端子６１１はバッテリ２およびインバータ１０３の高電圧側端子に接続され、接続端子６１２はインバータ１０５の高電圧側端子に接続され、接続端子６１３はバッテリ２の低電圧側端子に接続され、接続端子６１４はインバータ１０５およびインバータ１０３の低電圧側端子に接続されている。
図６において、切替装置６は３つの切替スイッチ６０１、切替スイッチ６０２、切替スイッチ６０３が直列に接続されてなる。切替装置６は、切替スイッチ６０１の一端側に第１の接続端子６１１、切替スイッチ６０１の他端側と切替スイッチ６０２の一端側の接続点に第２の接続端子６１２、切替スイッチ６０２の他端側と切替スイッチ６０３の一端側の接続点に第３の接続端子６１３、切替スイッチ６０３の他端側に第４の接続端子６１４の４つの接続端子を持つ。この４つの接続端子６１１−６１４のうち、第１の接続端子６１１はバッテリ２の高電圧側端子Ｈ２およびモータ３すなわち駆動装置１００の直流の高電圧側端子Ｈ３と接続され、第２の接続端子６１２はインバータ１０５すなわち発電装置１０１の直流の高電圧側端子Ｈ５と接続され、第３の接続端子６１３はバッテリ２の低電圧側端子Ｌ２と接続され、第４の接続端子６１４はインバータ１０５すなわち発電装置１０１の直流の低電圧側端子Ｌ５およびモータ３すなわち駆動装置１００の直流の低電圧側端子Ｌ３と接続される。
この実施の形態の自動車駆動システム１のモータ３から見たバッテリ２とジェネレータ５の直並列切替えの動作を説明する。上記実施の形態と同様に、自動車の車速ＶＳが、例えば最高車速の半分である設定速度ＶＳｔｈ未満のとき、バッテリ２とジェネレータ５は切替装置６によってモータ３から見て並列に接続される。このとき、図７および図８に示すように、切替装置６の３つの切替スイッチ６０１−６０３はそれぞれ、
切替スイッチ６０１：ＯＮ状態
切替スイッチ６０２：ＯＦＦ状態
切替スイッチ６０３：ＯＮ状態
にされる。
次に、自動車の車速ＶＳが、例えば最高車速の半分である設定速度ＶＳｔｈ以上のとき、バッテリ２とジェネレータ５は切替装置６によってモータ３から見て直列に接続される。このとき、図７、図９に示すように、切替装置６の３つの切替スイッチ６０１−６０３はそれぞれ、
切替スイッチ６０１：ＯＦＦ状態
切替スイッチ６０２：ＯＮ状態
切替スイッチ６０３：ＯＦＦ状態
にされる。
その他の構成は実施の形態１と同様である。
このような構成においても、モータ３から見たバッテリ２とジェネレータ５の直並列関係を切り替えることができるため、実施の形態１と同様の効果を奏する。
また、インバータ１０５およびジェネレータ５は切替装置６を介してバッテリ２の低電圧側端子Ｌ２に接続されているため、インバータ１０５およびジェネレータ５のバッテリ２の低電圧側端子Ｌ２から見た電圧はバッテリ２の高電圧側端子Ｈ２に接続されるのに比べて小さい。このため、インバータ１０５およびジェネレータ５に要求される耐電圧性能を小さくすることができるため、インバータ１０５およびジェネレータ５を小型化することができる。
実施の形態３．(エンジンが駆動輪と接続あり、バッテリが接地側)
図１０はこの発明の実施の形態３の自動車駆動システムの構成を示す図である。図１０において、エンジン４の出力軸は自動車の駆動軸８ａを介して駆動輪８に接続されている。その他の構成は実施の形態１と同様である。なお上記各実施の形態においても、モータ３は実際には駆動軸８ａを介して駆動輪８に接続されている。駆動軸８ａは図示を省略した回転を伝達するデファレンシャルギアを介して駆動輪８に接続されており、駆動軸８ａは被駆動部として駆動輪８と同一視できる。この実施の形態３の自動車はエンジン４により直接に駆動されることがあるハイブリット車両の場合を示している。
この実施の形態において、エンジン４の負荷は駆動輪８を回転駆動させるパワーとジェネレータ５の負荷の合計となる。したがって、発電効率の算出においては、エンジン４の効率マップは駆動輪８を回転駆動させるパワーと、ジェネレータ５の負荷の合計値を用いた効率マップとして予め格納しておいて、この効率マップを使用して発電効率が算出される。
なお、エンジン４の出力軸が駆動輪８と接続されているため、エンジン４の回転数およびジェネレータ５の回転数ＲＰＭ４，ＲＰＭ５は車両の車速ＶＳで決められる。このため、出力が決まるとエンジン４およびジェネレータ５の動作点は一意に決まる。
このような構成においても実施の形態１と同様の効果を奏する。
実施の形態４．(ジェネレータが巻線界磁)
図１４はこの発明の実施の形態４の自動車駆動システムの構成を示す図である。図１４において、ジェネレータ５は巻線界磁式の回転電機であり、界磁制御装置９９９を介してバッテリ２に接続されている。その他の基本的構成は実施の形態１と同様である。
この実施の形態４の発電装置１０１において、ジェネレータ５は巻線界磁式のクローポール型回転電機で構成される。界磁電力はバッテリ２から供給され、界磁電流は界磁制御装置９９９によって制御される。その他の基本的構成は実施の形態１と同様である。なお、界磁制御装置９９９はインバータ１０５と共に駆動制御部２００の発電装置制御部２０２で制御される。
このような構成においては、ジェネレータ５の発電電圧はエンジン４の回転数とインバータ１０５のデューティに加えて象徴的に示した界磁巻線５ａの電流で制御することができるため、ジェネレータ５に要求される電圧を得る自由度が上がるため、より効率の良い制御ポイントを選択することができる。この際、ジェネレータ５の動作条件は、あらかじめ計算し例えばメモリ２３に格納された効率マップを使用して決定される。
実施の形態４においてジェネレータ５の界磁巻線５ａはバッテリ２を接続して電力を供給しているが、バッテリ２以外の破線で示した別のバッテリ２ａを接続して電力を供給してもよい。
また、上記実施の形態１から４において、ジェネレータ５はエンジン４の出力軸と直接または間接的に接続されていればよい。すなわちジェネレータ５は、エンジン４と符号Ｃ１で示すギアボックスとの間に配置されていてもよい。またジェネレータ５は、エンジン４の出力軸から符号Ｃ２で象徴的に示すようにベルト等を介して接続されたり、エンジン４の出力がギア等によって変速された出力軸に接続されていてもよい。いずれの場合においても同様の効果を奏する。
なおこの発明は、上記各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含む。
また上述のように、この発明の適用例が自動車や電車の場合、上記各実施の形態のように駆動輪８が被駆動部となるが、この発明の適用対象はこれに限定されることはなく、被駆動部を駆動装置により駆動する駆動システムであれば適用可能である。上述した図１に象徴的に破線で示した被駆動部８０は、例えばベルトコンベアの駆動ローラ、回転機器の駆動軸等の種々の機器の駆動伝達部等からなる。この場合、上記各実施の形態における車両の車速ＶＳは、被駆動部の動きにより移動する移動部の移動速度または被駆動部自身の回転速度になる。
産業上の利用の可能性
この発明による駆動システムおよび駆動制御方法は、自動車や電車のみならず、駆動装置により駆動される回転体や移動体を被駆動部とする駆動システムに広く適用可能である。

Claims (8)

  1. バッテリと、
    エンジン、前記エンジンのシャフトに取り付けられ前記エンジンのパワーを電力に変換するジェネレータ、および前記ジェネレータに接続され直流電力と交流電力を相互に変換するインバータを有する発電装置と、
    被駆動部を駆動するモータを有する駆動装置と、
    前記駆動装置の両端間に前記バッテリと前記発電装置の接続関係を直列と並列に切り替えて接続する切替装置と、
    前記発電装置および駆動装置の駆動制御と共に前記切替装置の切り替え制御を行う駆動制御部と、
    を備え、
    前記駆動制御部が前記切替装置により、
    並列接続時には、前記駆動装置の高電圧側端子に前記発電装置および前記バッテリのそれぞれの高電圧側端子を接続し、前記駆動装置の低電圧側端子に前記発電装置および前記バッテリのそれぞれの低電圧側端子を接続し、
    直列接続時には、前記駆動装置の高電圧側端子に前記発電装置および前記バッテリの一方の高電圧側端子を接続し、前記駆動装置の低電圧側端子に前記発電装置および前記バッテリの他方の低電圧側端子を接続し、前記発電装置と前記バッテリの前記駆動装置に接続されていない端子同士を接続させ、
    前記バッテリと前記発電装置とが並列接続されている時に、
    前記駆動制御部は、前記ジェネレータの回転数、および前記ジェネレータのトルクに対する、前記エンジンの効率、前記ジェネレータの効率、および前記インバータの効率が掛け算され前記バッテリの電圧で補正された合計効率が予め定められた効率マップを用いて、前記ジェネレータに要求される出力の等出力ライン上で前記合計効率が最大となるように、前記モータに要求される回転数およびトルクと前記バッテリの電圧とに応じて前記ジェネレータの回転数に対応する前記エンジンの回転数を変更させる、駆動システム。
  2. 前記切替装置が、直列接続された３つの切替スイッチを有し、直列接続された３つの切替スイッチの両端および各切替スイッチ間の接続点を前記駆動装置、発電装置、バッテリとの接続端子とする、請求項１に記載の駆動システム。
  3. 前記エンジンが前記被駆動部に接続されず、
    前記バッテリと前記発電装置とが並列接続されている時に、
    前記モータに要求される回転数およびトルクから算出される要求電力が、設定電力値より大きい場合、または前記バッテリ電圧が第１設定電圧値よりも高く、第２設定電圧値以下の場合には、
    前記駆動制御部は、前記効率マップを用いて、前記モータに要求される回転数およびトルクと前記バッテリの電圧とに応じて、前記合計効率が最大となるように前記バッテリと前記ジェネレータとの負荷分担を決定して前記ジェネレータの回転数に対応する前記エンジンの回転数を変更させる、請求項１または２に記載の駆動システム。
  4. 前記エンジンが前記被駆動部に接続され、
    前記エンジンの効率は、前記被駆動部を駆動させるパワーと前記ジェネレータの負荷との合計値から算出される効率である、請求項１または２に記載の駆動システム。
  5. 前記バッテリと前記発電装置が直列接続されている時に、
    前記駆動制御部が、前記バッテリの電圧が低下した場合に、前記発電装置の電圧を上げる、請求項１から４のいずれか１項に記載の駆動システム。
  6. 前記バッテリと前記発電装置が直列接続される時に、
    前記駆動装置の低電圧側端子が前記発電装置の低電圧側端子に接続され、前記駆動装置の高電圧側端子が前記バッテリの高電圧側端子に接続される、請求項１から５までのいずれか１項に記載の駆動システム。
  7. 前記ジェネレータは、巻線界磁式のクローポール型回転電機であり、
    前記発電装置が、前記クローポール型回転電機の界磁電流を制御する界磁制御装置をさらに含む、請求項１から６までのいずれか１項に記載の駆動システム。
  8. バッテリと、エンジン、前記エンジンのシャフトに取り付けられ前記エンジンのパワーを電力に変換するジェネレータ、および前記ジェネレータに接続され直流電力と交流電力とを相互に変換するインバータを有する発電装置と、被駆動部を駆動するモータを有する駆動装置と、を備えた駆動システムにおいて、
    並列接続時には、前記駆動装置の高電圧側端子に前記発電装置およびバッテリのそれぞれの高電圧側端子を接続し、前記駆動装置の低電圧側端子に前記発電装置およびバッテリのそれぞれの低電圧側端子を接続し、
    直列接続時には、前記駆動装置の高電圧側端子に前記発電装置および前記バッテリの一方の高電圧側端子を接続し、前記駆動装置の低電圧側端子に前記発電装置および前記バッテリの他方の低電圧側端子を接続し、前記発電装置と前記バッテリの前記駆動装置に接続されていない端子同士を接続して、
    前記駆動装置の両端間に前記バッテリと前記発電装置とを直列接続と並列接続とに切り替えて制御を行い、
    前記バッテリと前記発電装置とが並列接続されている時に、
    前記ジェネレータの回転数、および前記ジェネレータのトルクに対する、前記エンジンの効率、前記ジェネレータの効率、および前記インバータの効率が掛け算され前記バッテリの電圧で補正された合計効率が予め定められた効率マップを用いて、前記ジェネレータに要求される出力の等出力ライン上で前記合計効率が最大となるように、前記モータに要求される回転数およびトルクと前記バッテリの電圧とに応じて前記ジェネレータの回転数に対応する前記エンジンの回転数を変更させる、駆動制御方法。
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