JP6315622B2 - 車両 - Google Patents

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嘉啓 伊藤
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Description

この発明は、回転電機(モータ、ジェネレータ、及び/又はモータジェネレータ)を備える車両に関し、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車等の電動車両に適用して好適な回転電機を備える車両に関する。
特許文献1には、エンジンと、このエンジンにより駆動される発電用発電機と、駆動用電動機と、電気エネルギの蓄積手段であるバッテリと、を備えるハイブリッド車両が開示されている(特許文献1の図1)。
この特許文献1に開示されたハイブリッド車両では、ブレーキペダルの操作量及び車両速度制御手段からの減速要求指令に基づいて制動装置を制御して車両を減速させる制動制御に加え、前記駆動用電動機の回生トルクを制動力として付加して回生協調制動を行う。
特許文献1に開示されたハイブリッド車両では、また、前記駆動用電動機の回生運転時には、前記駆動用電動機の回生運転によって発生した回生エネルギを電気エネルギとして前記バッテリに蓄積する。但し、前記バッテリの充電状態により前記駆動用電動機の回生エネルギを前記バッテリが吸収できないことによって所望の減速度が得られない場合には、前記発電用電動機をq軸電流=0、d軸電流<0と制御して、前記バッテリが吸収しきれない前記駆動用電動機の回生エネルギを前記発電用電動機の熱損失とし、余剰の電気エネルギを吸収することにより所望の減速度を得るように制御するようにすることが開示されている{特許文献1の[0019]、図3(a)、図3(b)}。
特開2003−134602号公報
特許文献1では、発電用電動機のd軸電流(d軸電流<0)を制御することで、余分な電力消費を大きくすることができるが、その分発電用電動機及び該発電用電動機を駆動する駆動装置(電力変換装置)での温度が上昇してしまい、例えば非常に長い下り坂を降坂する場合には、発電用電動機又は駆動装置の温度が制限温度に達してしまう場合がある。
特許文献1には、発電用電動機の温度が制限温度に達した場合の制御については何も記載されておらず、改良の余地がある。
また、特許文献1では、d軸電流<0となるように制御しているので、電機子磁束が減磁方向の磁束となり、永久磁石が減磁してしまうという課題がある。さらに、電機子磁束が減磁方向の磁束となると、ロータのラジアル方向及びロータのスラスト方向の磁気拘束力が低下するので、発電用電動機のNV(ノイズと振動)特性が悪化する。
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、NV特性を悪化させることなく、当該車両で発生する余分な電力を前記回転電機により消費可能とする。その一方、前記余分な電力を消費中に、前記回転電機の温度又は駆動装置の温度がそれらの閾値温度を上回った場合には、車両挙動に影響を与えることを抑制しながら、前記回転電機又は前記駆動装置の過熱を防止することを可能とする車両を提供することを目的とする。
この発明に係る回転電機を備える車両は、蓄電装置と、直流と交流の両方向に変換可能な駆動装置と、前記駆動装置の交流側に接続されるとともに、出力軸が負荷に接続される回転電機と、低圧側が前記蓄電装置に接続され高圧側が前記駆動装置の直流側に接続され、前記蓄電装置の電圧を昇圧し、該昇圧電圧を、前記駆動装置を通じて前記回転電機に印加する電圧変換器と、前記駆動装置、前記回転電機及び前記電圧変換器を制御する制御装置と、を備える車両において、前記制御装置は、前記回転電機が所定の駆動力を発生させるための最も小さな電流値とは異なる第1の電流値で該回転電機を駆動することで、余分な電力を前記回転電機により消費させながら、前記回転電機の温度又は前記駆動装置の温度が閾値温度を上回ったとき、前記第1の電流値よりも小さな第2の電流値で前記回転電機を駆動し、前記回転電機が消費する電力を小さくするように構成している。
この発明によれば、車両内で余分な電力(余剰電力)が発生したとき、回転電機の温度及び駆動装置の温度が閾値以下の温度で高くない状況下では、非効率領域(回転電機が所定の駆動力を発生させるための最も小さな電流値とは異なる電流値となる領域)下で前記回転電機の運転範囲を拡大することで、当該車両で発生する余分な電力を前記回転電機により消費可能とする。その一方、前記余分な電力を前記回転電機で消費中に、前記回転電機の温度又は前記駆動装置の温度がそれらの閾値温度を上回った場合には、前記回転電機が消費する電力を減らすことで、前記回転電機又は前記駆動装置の過熱を防止することができる。
この場合において、前記制御装置は、回転電機に供給する相電流を、前記第1の電流値から前記第2の電流値に変更する際には、等トルクライン上で相電流を小さくするようにしてもよい。前記等トルクライン上で相電流を小さくするようにしたので、回転電機の軸端トルク(出力軸に生じるトルク)を一定に保持しながら、回転電機での消費電力を可変することができる。
また、前記制御装置は、前記電圧変換器によって前記蓄電装置の電圧を昇圧することで、前記回転電機の運転範囲を拡大し、拡大された前記運転範囲で、前記回転電機に供給する電流が前記第1の電流値となるように前記回転電機を駆動するとともに、前記回転電機の温度又は前記駆動装置の温度が閾値温度を上回ったとき、前記昇圧電圧を低くして前記運転範囲を縮小し、縮小された前記運転範囲で、前記回転電機に供給する電流が前記第1の電流値となるように前記回転電機を駆動するようにしてもよい。
昇圧電圧を制御することによって、運転範囲の拡大・縮小を制御することができるため、回転電機の温度又は駆動装置の温度が閾値温度を上回ったときには、昇圧電圧を低下させることで、回転電機に供給する相電流を小さくすることができる(すなわち、電流が小さくなるように運転点を移行させることができる)ため、運転点を移行させる際の制御の複雑化を抑制することができる。
なお、前記制御装置は、前記車両で発生する余分な電力が制動用の回生電力である場合であって、該回生電力が前記回転電機で全て消費できない場合には、消費できない分の回生電力による制動力を、機械ブレーキにより分担させることが好ましい。このようにすれば、自車両が発生する余分な電力が制動用の回生電力である場合に、回生電力による制動力を前記回転電機の力行による電力消費で担保し、それでも足りない分を機械ブレーキで補うようにしているので、制動力が確保される。また、前記回転電機を等トルクライン上で制御しているので、車両挙動への影響が抑制される。
また、前記回転電機の温度は、該回転電機を構成する界磁コイルの温度又は前記回転電機を冷却する冷却媒体の温度であり、前記駆動装置の温度は、該駆動装置を構成する半導体スイッチング素子の温度であるとしてもよい。回転電機の温度又は駆動装置の温度を簡易且つ正確に反映することができる。
より具体的に、前記回転電機の運転範囲の拡大は、強め界磁制御による動作により行うようにする。d軸電流が正値となる強め界磁制御(非効率制御)なので、回転電機の温度上昇に伴う永久磁石の減磁を防止することができる。強め界磁制御(非効率制御)であるので磁石が高温となっても、磁石に反磁界を与えることがなく、着磁する方向の磁界を与えるため、磁石減磁の耐性が向上する。また、強め界磁制御では、ロータの磁石と電機子のコイルとの間の磁気による吸引力が高まるのでロータの回転方向及び軸方向の両方向の移動を抑制することができ、回転電機のNV特性、ひいては車両のNV特性が向上する。
この発明は、前記駆動装置を第1駆動装置とし、前記負荷を内燃機関とし、前記回転電機を第1回転電機とし、さらに、負荷が車輪とされる第2回転電機と、交流側が前記第2回転電機に接続されるとともに、直流側が前記電圧変換器の高圧側に接続される第2駆動装置と、を備え、前記車両で発生される余分な電力が、前記第2回転電機が発生する回生電力の一部又は全部とされた車両に適用して好ましい。
すなわち、この発明は、ハイブリッド車両に好適に適用することができる。この発明によれば、機械ブレーキの介入を最小限に抑制することができ、機械ブレーキの摩擦材を長期間使用できるようになる。使用期間が通常と同じでよいならば、機械ブレーキの摩擦材を小さくすることができる。
この発明によれば、車両内で余分な電力(余剰電力)が発生したとき、回転電機の温度及び駆動装置の温度が閾値以下の温度で高くない状況下では、非効率領域下で前記回転電機の運転範囲を拡大する。これにより、当該車両で発生する余分な電力を前記回転電機により消費できる。
この場合、ロータ側の磁石とステータ側の電機子との磁気吸引力が増加するので、ロータの軸の軸方向への移動が抑制され、NV特性をその分向上できる。
その一方、前記余分な電力を前記回転電機で消費中に、前記回転電機の温度又は前記駆動装置の温度がそれらの閾値温度を上回った場合には、非効率領域下で前記昇圧電圧を小さくして前記回転電機の運転範囲を縮小し、前記回転電機が消費する電力を減らすことで、前記回転電機又は前記駆動装置の過熱を防止できる。
この実施形態に係る車両の概略構成を示すブロック図である。 図1例の車両の理解の便宜のために一部省略した車両の概略構成を示すブロック図である。 図1及び図2中、VCU部分、及び第1及び第2インバータ部分の構成例を示す概略電気回路図である。 実施形態に係る車両における基本的な非効率制御の説明図である。 従来効率制御と非効率制御を説明するId−Iq平面図である。 この実施形態に係る車両の非効率制御の具体例の動作説明に供されるフローチャートである。 バッテリ受け入れ電力を示す特性図である。 図6のフローチャート中、ステップS7の処理の詳細を示すフローチャートである。 要求相電流と昇圧後最大相電流が等しい場合の電圧制限楕円の拡大の説明に供されるId−Iq平面図である。 要求相電流が昇圧後最大相電流より大きい場合の電圧制限楕円の拡大の説明に供されるId−Iq平面図である。 図8のフローチャート中、ステップS17の処理の詳細を示すフローチャートである。 図11のフローチャート中、ステップS18の処理の詳細を示すフローチャートである。 全体動作の説明に供されるId−Iq平面図である。 実施形態の作用説明図である。 変形例の車両(電気自動車)の概略構成を示すブロック図である。
以下、この発明に係る車両について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。
[構成]
図1は、この実施形態に係る車両(自車両ともいう。)10の概略構成を示すブロック図である。
車両10は、基本的には、エンジンENGと、駆動システム11と、高圧バッテリBAThと、低圧バッテリBATlと、電圧変換器としてのVCU(Voltage Controll Unit)12と、第1インバータINV1と、第2インバータINV2と、電動サーボブレーキESB(Electronic Servo Brake)と、制御装置14と、を備える。
駆動システム11は、それぞれベクトル制御される3相の埋込磁石構造の永久磁石同期モータ(回転電機)である第1モータジェネレータMG1及び第2モータジェネレータMG2と、エンジンENGと、駆動力伝達状態切替部15と、減速機Dと、を備える。
駆動力伝達状態切替部15は、エンジンENGと減速機Dとを直結させるクラッチ(不図示)と、前記クラッチと減速機Dとの間に介装される変速機又は固定ギヤ段と、を備える。
図1中、太い実線は機械連結を示し、二重実線は電力配線を示し、細い実線は制御線(信号線を含む。)を示す。
この車両10において、駆動力伝達状態切替部15と、該駆動力伝達状態切替部15から両側に延びる機械連結は、エンジンENGを動力源として駆動力伝達状態切替部15を介し減速機Dを通じて車輪(駆動輪)Wを駆動するときのみ使用される。なお、加速時には、エンジンENGと第2モータジェネレータMG2を利用するようにすることもできる。
なお、この発明は、駆動力伝達状態切替部15によって、エンジンENGの動力が車輪(駆動輪)W側とは切離されるとともに、第2モータジェネレータMG2が車輪(駆動輪)Wを駆動する状態で、主として適用される。
そこで、図2に示すように、煩雑さの回避及び理解の便宜のために、以下、駆動力伝達状態切替部15を描いていない車両10の概略構成を示すブロック図に基づいて構成及び動作を説明する。
エンジンENGは、第1モータジェネレータMG1を発電機として駆動する。この場合、第1モータジェネレータMG1は、エンジンENGの回転動力により駆動され電力を発生する。
また、エンジンENGは、車両10の制動時に電動機として動作する第1モータジェネレータMG1により駆動され空回り状態でクランク軸が回転する機械的負荷としても機能する場合がある。
車両10の駆動用の第2モータジェネレータMG2は、高圧バッテリBATh及び第1モータジェネレータMG1の少なくとも一方からの電力供給によって電動機として動作(力行)し、車両10が走行するためのトルクを発生する。第2モータジェネレータMG2で発生したトルクは、減速機Dを介して車輪Wに駆動力として伝達される。また、第2モータジェネレータMG2は、車両10の制動時には発電機として動作する。
高圧バッテリBAThは、直列に接続された複数の蓄電セルを有し、例えば、100−300[V]の高電圧を供給する。前記蓄電セルは、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池のセルである。高圧バッテリBAThは、キャパシタとしてもよい。
コンバータCONVは、高圧バッテリBAThの直流出力電圧を直流のまま降圧するDC/DCコンバータである。低圧バッテリBATlは、コンバータCONVによって降圧された電圧を蓄電し、例えば12[V]の定電圧を補機16に含まれるライト等の電装品18に供給するとともに、制御装置14等の直流電源とされる。
VCU12は、高圧バッテリBAThの出力電圧であるV1電圧を、第2モータジェネレータMG2が電動機として動作する際の第2モータジェネレータMG2用の入力電圧であるV2電圧に昇圧する。
また、VCU12は、車両10の制動時に第2モータジェネレータMG2が発電機として動作する際の第2モータジェネレータMG2の出力電圧であるV2電圧を降圧し、V1電圧にする。
さらに、VCU12は、車両10の制動時に第2モータジェネレータMG2が発電機として動作し、その発電電力により第1インバータINV1を通じて第1モータジェネレータMG1を駆動する際のV2電圧の昇降圧を行う。
さらに、VCU12は、エンジンENGの駆動によって第1モータジェネレータMG1が発電し直流に変換されたV2電圧を降圧し、V1電圧にする。
つまり、VCU12は、高圧バッテリBathと第1モータジェネレータMG1、及び第2モータジェネレータMG2との間での昇降圧コンバータ(双方向電圧変換器)として機能する。
VCU12によって降圧されたV1電圧での電力は、補機16に含まれる電動エアコンプレッサ20の駆動用電力及び/又は高圧バッテリBAThの充電用電力として供給される。
図3は、高圧バッテリBATh、VCU12、第1インバータINV1、第2インバータINV2、第1モータジェネレータMG1及び第2モータジェネレータMG2の接続関係を示す概略電気回路図である。
図3に示すように、VCU12は、平滑コンデンサ、インダクタ及び上下アームの2つのスイッチング素子を備える。VCU12は、高圧バッテリBAThが出力するV1電圧を入力電圧として上下アームの2つのスイッチング素子をオンオフ切り替え動作することによって出力側のV2電圧をV1電圧よりも高い電圧に昇圧する。また、第1インバータINV1又は第2インバータINV2が出力するV2電圧を入力電圧として上下アームの2つのスイッチング素子をオンオフ切り替え動作することによって出力側のV1電圧をV2電圧よりも低い電圧に降圧する。
なお、VCU12の2つのスイッチング素子がオンオフ切り替え動作しないで、上側スイッチング素子がオン状態、下側スイッチング素子がオフ状態とされたときのV2電圧はV1電圧に等しい。
さらに、図3において、第1インバータINV1は、エンジンENGの駆動によって第1モータジェネレータMG1が発電した交流電圧を直流電圧であるV2電圧に変換する。また、第1インバータINV1は、車両10の制動時に第2モータジェネレータMG2で発電され第2インバータINV2によって変換されたV2電圧を交流電圧に変換し3相電流を第1モータジェネレータMG1に供給する場合もある。第2インバータINV2は、V2電圧を交流電圧に変換して3相電流を第2モータジェネレータMG2に供給する(力行)。さらに、第2インバータINV2は、車両10の制動時に第2モータジェネレータMG2が発電した交流電圧をV2電圧に変換する(回生)。
図1及び図2に示した電動サーボブレーキESBは、車両10の運転者によるブレーキペダル30の操作量である踏込量Bpに応じて図示しない電動機によって制御される油圧システムによって車両10を制動する。
制御装置14は、第1インバータINV1、第1モータジェネレータMG1、第2インバータINV2、及び第2モータジェネレータMG2、及びVCU12を含むベクトル制御を行う他、エンジンENG、電動サーボブレーキESB及び補機16の制御を行う。
制御装置14による制御の詳細については後述するが、制御装置14は、センサの出力として、ブレーキペダル30の操作量を表す踏込量センサからのブレーキ踏込量Bpの他、アクセルペダル32の操作量を表すアクセル開度センサからのアクセル開度Ap、車速センサ34からの車速Vs、加速度センサ58からの加速度aを取り込む。
また、制御装置14は、センサの出力として、SOC(State Of Charge)センサ35からの高圧バッテリBAThの残容量SOC、スイッチング素子近傍に取り付けられた温度センサ36からの第1インバータINV1の温度Ti1、スイッチング素子近傍に取り付けられた温度センサ37からの第2インバータINV2の温度Ti2、ステータのコイル近傍に取り付けられた温度センサ38からの第1モータジェネレータMG1の温度Tcoil、ステータのコイル近傍に取り付けられた温度センサ39からの第2モータジェネレータMG2の温度Tcoi2、駆動システム11内を循環する冷却用オイル(冷却媒体)の流路に取り付けられた温度センサ40からの冷却媒体の温度Tatfを取り込む。なお、冷却用オイルは、第1及び第2モータジェネレータMG1、MG2を含んで駆動システム11内を冷却する。
さらに、制御装置14は、センサの出力として、第1及び第2モータジェネレータMG1、MG2のレゾルバ等のセンサ(不図示)からの回転数・電流・回転角度位置等を取り込む。また、制御装置14は、シフトレバー42の位置を表すシフト位置センサからのシフト位置Ps(例えば、ドライブD位置、ドライブB位置等)を取り込む。
[基本的な非効率制御の説明]
ここで、基本的には以上のように構成される車両10の第1モータジェネレータMG1に係わる非効率制御(後述するように、主に正のd軸電流Idをモータジェネレータに印加する制御であって、強め界磁制御ともいう。)の基本的な動作について図4を参照して説明する。
例えば、車両10の降坂走行時に、アクセルペダル32が開放されると、第2モータジェネレータMG2は力行状態から回生状態に切り替えられる。この場合、第2モータジェネレータMG2は発電機として作動し車両10に制動力(回生制動)を与え、且つ回生電力を発生する。この回生電力は、第2モータジェネレータMG2から第2インバータINV2、及びVCU12を通じて、充電制約のない場合、高圧バッテリBAThに充電され、車両10には、回生ブレーキとしての制動力がかかる。
しかし、高圧バッテリBAThが満充電状態等である充電制約がある場合等には、該高圧バッテリBAThへの回生電力の受け入れが制限される。
そこで、この実施形態では、第2モータジェネレータMG2の回生電力の高圧バッテリBATへの受け入れ(充電)が制限される場合、換言すれば、車両10で余分な電力が発生した場合には、V2電圧により第1インバータINV1を介して第1モータジェネレータMG1を電動機として駆動し、負荷としてのエンジンENGを空回りさせる(エンジンENGは、逆駆動されるという。)。つまり、第1モータジェネレータMG1を通じてエンジンENGを空回りさせるエネルギとして第2モータジェネレータMG2の回生電力が利用される。
図4は、車両10の制動時に、第2モータジェネレータMG2が発生した回生電力によって第1モータジェネレータMG1を電動機として駆動しエンジンENGが空回りされる場合のエネルギの流れを示す説明図である。
図4に示すように、第1モータジェネレータMG1を力行運転してエンジンENGを逆駆動する際、第1モータジェネレータMG1に印加するV2電圧をVCU12がV1電圧を昇圧して得、第1モータジェネレータMG1のd軸電流Idが概ね正の値(Id>0)に大きくなるように強め界磁制御を行うことによって、第1モータジェネレータMG1を非効率な動作点で駆動する。
なお、通常の界磁制御(図5中、従来効率制御・代表的制御)では、トルクの発生に寄与しないd軸電流Idを負の値(Id<0)とし、電流に対して発生トルクが最大となるようにベクトル制御する最大トルク/電流(Maximum Torque Per Ampere、MTPA)制御としているが、この実施形態では、この最小の電流とは異なる電流値となるように昇圧して第1モータジェネレータMG1を、d軸電流Idが概ね正値{より正確には、図5中、動作点P0でのd軸電流Id0を上回る電流値、Id0<Id(Idは、負値も正値もとる。)}となるように駆動している。
この場合、第1モータジェネレータMG1に印加するV2電圧を昇圧することによって、第1モータジェネレータMG1の運転可能範囲は拡大する。また、強め界磁制御が行われた第1モータジェネレータMG1では、出力効率が低下して、主に固定子(電機子)コイルの銅損による発熱量が増加する。この発熱量によって、第2モータジェネレータMG2の回生電力の余剰分(余分な電力)を消費する。
なお、以下の説明では、力行運転{第1モータジェネレータMG1の回転方向にトルク(駆動トルク・力行トルク)を発生}する又は回生運転{第1モータジェネレータMG1の回転方向の反対方向にトルク(制動トルク・回生トルク)を発生}する第1モータジェネレータMG1に印加するV2電圧の昇圧と第1モータジェネレータMG1の強め界磁制御をまとめて「非効率制御」という。
次に、非効率制御を行う場合のdq軸座標(Id−Iq平面ともいう。)上の第1モータジェネレータMG1を代表とするモータジェネレータの動作点及び該モータジェネレータに印加される電圧について図5のId−Iq平面図をも参照して説明する。
モータジェネレータの動作点の範囲は、このモータジェネレータに供給可能な最大相電流Iaとモータジェネレータに印加されるV2電圧(インバータの直流端電圧)によって制約される。
モータジェネレータの電流(Id,Iq)の振幅は、最大相電流Iaによって制約されるため、次の(1)式(電流制限円)を満たす必要がある。
Id2+Iq2≦Ia2 …(1)
但し、Id:d軸電流、Iq:q軸電流、Ia:最大相電流。なお、Iaは、電流ベクトルIdと電流ベクトルIqとをベクトル合成した電流であるので電流ベクトルIaともいう。
また、モータジェネレータの誘起電圧(Vd,Vq)は、次の(2)式で表される。なお、通常(2)式は、マトリクス形式で表される。
Vd=0×Id+(−ωLq)×Iq+0
Vq=(ωLd)×Id+0×Iq+ωψa …(2)
但し、ω:モータジェネレータの角速度、Lq:q軸インダクタンス、Ld:d軸インダクタンス、ψa:鎖交磁束(磁石磁束)。
(2)式より、dq誘起電圧(d軸電機子に生じる誘起電圧Vdとq軸電機子に生じる誘起電圧Vqのベクトル和の大きさ)Voは、次の(3)式で表される。
Vo=(Vd2+Vq21/2
=ω{(LdId+ψa)2+(LqIq)21/2 …(3)
ここで、図2に示したV2電圧の制限電圧をVomとする。制限電圧Vomは、V2電圧によって決まり、関係式は、VCU12のスイッチング制御の変調方式によって決まる定数をkとして、次の(4)式で表される。
Vom=kV2 …(4)
次の(5)式に示すように、dq誘起電圧Voは、制限電圧Vom以下になっている必要がある。
Vo≦Vom …(5)
すなわち、(3)式と(5)式とにより、モータジェネレータの動作点の範囲には電圧による制約があるため、次の(6)式(電圧制限楕円)を満たす必要がある。
(LdId+ψa)2+(LqIq)2≦(Vom/ω)2 …(6)
上述したように、モータジェネレータの動作の電流による制約は(1)式で表される。
図5は、Id−Iq平面(dq座標)を示している。この場合、(1)式は、図5に示すdq座標上の電流制限円(Ia2=Id2+Iq2)の内部領域によって表される。
また、モータジェネレータの動作の電圧による制約は(6)式で表され、(6)式は、図5に示すdq座標上の電圧制限楕円{(LdId+ψa)2+(LqIq)2=(Vom/ω)2}の内部領域によって表される。モータジェネレータに供給可能な電流の範囲は、(1)式及び(6)式を満たす範囲であり、この範囲は図5にハッチングした範囲で示される。
一方、モータジェネレータのトルクTは、次の(7)式で表される。
T=Pn{ψaIq+(Ld−Lq)IdIq} …(7)
但し、Pn:モータジェネレータの極対数。右辺第1項は永久磁石によるトルク、右辺第2項はリラクタンストルクである。
この(7)式をIqについて解いた等トルクライン(等トルク曲線、定トルクライン、又は定トルク曲線ともいう。)を表す式は、次の(8)式で表される。
Iq=T/[Pn{ψaIq+(Ld−Lq)Id}] …(8)
この(8)式は、Id=ψa/(Lq−Ld)、Iq=0を漸近線とする双曲線(図5中の等トルクラインTの力行側と回生側の曲線)を表す。
ところで、非効率制御を行わないモータジェネレータの動作点の制御では、例えば、電流に対するトルクが最大となる最大トルク/電流制御(動作点における定トルク曲線の接線と電流ベクトルが直交する制御)や、銅損だけでなく鉄損等を考慮した損失が最小となる最大効率制御(動作点は最大トルク制御よりも進み位相、すなわちd軸電流Idを負の方向へ移動させることが多い。)が行われる。
図5に示す例では、動作点(交点ともいう。)P0等、代表的な従来効率制御{最大トルク/電流(Maximum Torque Per Ampere、MTPA)制御}の曲線(動作点)上でモータジェネレータを駆動する。
これに対し、この実施形態に行う非効率制御では、その図5に示すように、モータジェネレータのd軸電流Idが、例えば動作点(交点)P4の値のように正の値に大きくなるように強め界磁制御を行う。この強め界磁制御を行うために、モータジェネレータに印加するV2電圧を上げる必要がある。モータジェネレータに印加するV2電圧を上げることによってモータジェネレータの電流Ia(Id,Iq)の振幅が増大し、モータジェネレータの動作点を移動させることができる。モータジェネレータの負荷であるエンジンENGの逆駆動に要するトルクは、エンジン回転数や温度等に伴って変化するオイル粘度等に応じたフリクションによって決まるが、定性的には、当該トルクが小さいときは定トルク曲線が漸近線に近づくため、d軸電流Idを正の方向に移動させ易い。
また、V2電圧の制限電圧Vomが大きく、モータジェネレータの角速度ωが小さいときには、(6)式の定電圧楕円の面積が大きくなるため、モータジェネレータの電流Ia(Id,Iq)の振幅を増大させ易い。
このため、V2電圧の制限電圧Vom及びモータジェネレータの角速度ωを適切に制御すれば、モータジェネレータの非効率制御を効率的に行うことができることが分かる。
図5において、モータジェネレータの力行側での非効率制御(Id>Id0、Iq>0)下でのV2電圧の昇圧前最大相電流Imaxは、電圧制限楕円と等トルクラインとの交点(動作点)P1で制限される。
なお、モータジェネレータの回生側での非効率制御(Id>Id0、Iq<0)におけるV2電圧の昇圧前最大相電流Imaxは、電圧制限楕円と等トルクラインとの交点P1´で制限される。
[非効率制御の詳細な動作説明]
次に車両10における要求回生電力Pregが高圧バッテリBAThの受け入れ可能電力より大きい場合における非効率制御(非効率運転)の具体例について図6のフローチャートを参照して詳細に説明する。
ステップS1にて、制御装置14は、第2モータジェネレータMG2の要求回生電力Pregを算出する。要求回生電力Pregは、公知のように、道路の勾配(勾配検知センサ又は推定可能)、シフトレバー42のシフト位置Ps(例えば、ドライブD位置、ドライブB位置等)、アクセルペダル32の開度Ap(ここでは、開度Ap=0(アクセルペダル32g開放状態))、車速センサ34の車速Vs、及びブレーキペダル30の踏込量Bpに基づき、目標減速Gが算出され、この目標減速Gに基づき要求回生電力Pregが算出される。
ここでは、車速Vsが概ね一定になるように、降坂勾配に応じて要求回生電力Pregが算出されるものとする。
次いで、ステップS2にて、高圧バッテリBAThの受け入れ可能電力(バッテリ受け入れ可能電力)Pbatinを算出する。
図7の特性(マップ)に示すように、バッテリ受け入れ可能電力Pbatinは、SOCセンサ35により検出される残容量SOCが100[%]であれば、Pbatin=0[kW]である。
残容量SOCが100[%]未満であれば、残容量SOCと、バッテリ温度Tbat(例えば、図示するように、−30[℃]程度から+50[℃]程度)とを入力値とした特性(マップ)を参照して取得する。この特性は、予め作成され、同一の残容量SOCにおいて、バッテリ温度Tbatが高い程、バッテリ受け入れ可能電力Pbatinが大きくなる特性になっている。同様に、例えば、同一のバッテリ温度Tbatにおいて、残容量SOCが低い程、バッテリ受け入れ可能電力Pbatinが大きくなる特性になっている。
次に、ステップS3にて、補機消費電力Pauxを算出する。補機消費電力Pauxは、電動エアコンプレッサ20の消費電力と、コンバータCONVの消費電力と、電装品18の消費電力との和により算出される。
次いで、ステップS4にて、非効率運転の実施が必要か否かを判断する。この場合、要求回生電力Pregが、バッテリ受け入れ可能電力Pbatinと補機消費電力Pauxとにより消費可能であれば(Preg≦Pbatin+Paux)、非効率運転を行わなくても車両10で消費(充電を含む。)できるので、非効率運転フラグFiをリセットにする(Fi←0)。その一方、要求回生電力Pregが、受け入れ可能電力Pbatinと補機消費電力Pauxとの合成消費電力より大きい(Preg>Pbatin+Paux)場合には、非効率運転を行う必要があると判断し、非効率運転フラグFiをセットにする(Fi←1)。
次に、ステップS5にて、非効率運転フラグFiがセットされている(Fi=1)か、否(Fi=0)かを判断する。
非効率運転フラグFiがセットされていない(Fi=0)場合(ステップS5:NO)には、第2モータジェネレータMG2の要求回生電力Pregを第1モータジェネレータMG1(ここでは、単に電動機ともいう。)の非効率領域で消費する必要はない。そのため、ステップS6にて、電動機非効率領域消費電力Pineをゼロ(Pine←0)として、ステップS1に戻る。
非効率運転フラグFiがセットされている(Fi=1)場合(ステップS5:YES)には、ステップS7にて、電動機非効率領域消費電力Pineを算出するとともに、電動サーボブレーキ分担電力Pesvを算出する。
図8は、ステップS7の詳細フローチャートである。
ステップS7aにて、要求回生電力Pregから算出した必要相電流値を要求相電流Ireqとする。
図5に示すように、要求相電流Ireqは、昇圧前最大相電流Imax(=Ia)より大きいので、ステップS7bにて、要求相電流Ireqを確保できるように、VCU12にてV2電圧に係る制限電圧Vomを制限電圧V´omへ昇圧し、電圧制限楕円を次の(6´)式に示すように拡大する。
(LdId+ψa)2+(LqIq)2≦(V´om/ω)2 …(6´)
次いで、ステップS7cにて、昇圧後電動機非効率領域での限界消費電力を電動機非効率領域消費電力Pineとする。
次に、ステップS7dにて、要求相電流Ireqと電流制限円の昇圧後相電流(電流制限円相電流ともいう。)I´maxとの大きさ(絶対値)を比較し、|Ireq|>|I´max|であるか否かを判断する。
要求相電流Ireqの大きさが電流制限円相電流I´maxの大きさよりも小さい(ステップS7d:NO)場合(等しい場合までを含む)には、電動サーボブレーキESBでの分担電力は不要であるので、ステップS7eにて、電動サーボブレーキ分担電力1←0に設定する。
この場合、図9に示すように、(6)式で示される電圧制限楕円を、要求相電流Ireq=I´maxが確保できるようVCU12を昇圧(制限電圧Vomが制限電圧V´omとなるようにV2電圧を昇圧)することで、(6´)式で示されるVCU昇圧後電圧制限楕円に拡大する。
このとき、要求回生電力Pregを第1モータジェネレータMG1の非効率制御により熱として消費できるよう、昇圧前最大相電流Imaxの交点P1を等トルクライン上で昇圧後最大相電流I´maxの交点P2(=P4)まで、さらなる強め界磁方向(正のd軸電流の値をさらに大きくする方向)に変更する。
その一方、ステップS7dの判断にて、要求相電流Ireqの大きさが電流制限円相電流I´maxの大きさよりも大きい(ステップS7d:YES)場合には、電動サーボブレーキESBでの分担電力が必要となる。そのため、ステップS7fにて、電動サーボブレーキ分担電力1を、Ra(Ireq2−I´max2)に設定する。
この場合、図10に示すように、(6´)式で示されるVCU昇圧後電圧制限楕円が、VCU12の能力限界である電流制限円と交差する範囲まで拡大される。このとき、要求回生電力Pregを第1モータジェネレータMG1の非効率制御により熱として消費できるよう、昇圧前最大相電流Imaxの交点P1を等トルクライン上で昇圧後最大相電流I´maxの交点P2(=P4)までさらなる強め界磁方向(正のd軸電流の値をさらに大きくする方向)に変更する。ここで、交点P2から点P4までの要求電力分Ra(Ireq2−I´max2)を電動サーボブレーキ分担電力1とし、電動サーボブレーキESBで消費させる。この結果、第2モータジェネレータMG2の回生制動力に対し、電動サーボブレーキESBによる制動力が加算される。
次に、ステップS17にて、電圧制限楕円を拡大した電動機非効率運転を行う際、又は行った結果として、第1モータジェネレータMG1の制限温度に達しているか否かを熱害条件として処理判断する。
図11は、ステップS17の詳細フローチャートである。
ステップS17aにて第1モータジェネレータMG1の電機子コイルに具備されたサーミスタ等の温度センサ38(図2)により電動機コイル温度Tcoilを取得する。
さらに、ステップS17bにて第1モータジェネレータMG1を冷却するオイルの温度である冷却媒体温度Tatfを温度センサ40から取得する。
次いで、ステップS17cにて、電動機コイル温度Tcoilが管理温度である閾値温度Th1より小さく(Tcoil<Tth1)、且つ冷却媒体温度Tatfが管理温度である閾値温度Th2より小さいか(Tatf<Th2)否かを判断する。
ステップS17cの判断が肯定的(Tcoil<Th1、且つTatf<Th2)である(ステップS17c:YES)場合には、第1モータジェネレータMG1は熱害にさらされないものと判断し、ステップS17dにて、熱害フラグFheatをリセット(Fheat←0)してステップS1にもどる。
その一方、ステップS17cでの温度の判断中、少なくとも一方の温度の判断が否定的になって、ステップS17cの判断が否定的となった(ステップS17c:NO)場合には、第1モータジェネレータMG1を熱害から守る必要があるので、まず、ステップS17eにて、熱害フラグFheatをセット(Fheat←1)する。
次いで、ステップS17fにて、電圧制限楕円に係る熱害条件Vomの条件変更を行い、ステップS18にて、さらに、電動サーボブレーキESBの総分担電力を算出する。
図13を参照してステップS17f及びステップS18の処理を説明する。
Fheat=1である熱害条件が成立した場合、次の(5´´)式に示すように、V´omをVheatomまで戻して、すなわち、V2電圧を低下させて、電動機非効率領域を、高温時においても運転可能な電圧制限楕円まで縮小する。この場合、電動機軸端要求トルク特性上の等トルクラインをトレースしながら相電流Imaxを交点P5まで小さくする。
(LdId+ψa)2+(LqIq)2≦(Vheatom/ω)2 …(5´´)
この場合、ステップS18にて電動サーボブレーキESBの総分担電力Pesballを算出する。
図12は、ステップS18の詳細フローチャートである。
ステップS18aにて、熱害フラグFheatがFheat=1であるか否(Fheat=0)かをステップS17cで説明した内容で再判断し、熱害フラグFheatがFheat=0であるときには、熱害条件がクリアされたので、相電流Iheatmaxを等トルクライン上で相電流Iaを相電流I´maxまで戻し、動作点(交点)P5を動作点(交点)P3にする。これにより、ステップS18bに示すように、電動サーボブレーキESBの総分担電力Pesball(電動サーボフレーキ分担電力ALLという。)を、ステップS7fで算出した電動サーボブレーキESBの分担電力1までもどすことができる。
その一方、ステップS18aの判断にて、熱害フラグFheatがFheat=1であるときには、熱害条件がクリアされていないので、相電流Iheatmaxの動作点(交点)P5にて、電動サーボブレーキESBの総分担電力Pesballを、動作点(交点)P3から動作点(交点)P4間の分であるステップS7fで算出した電動サーボブレーキ分担電力1=Ra(Ireqmax2−I´max2)と、動作点(交点)P3から動作点(交点)P5までの電動サーボブレーキ分担電力=Ra(I´max2−Iheatmax2)との合成電力を電動サーボブレーキESBで分担し消費させる。
このようにして、第1モータジェネレータMG1を熱害から守ることができる。
なお、上述したステップ17では、熱害条件が成立した場合に電圧制限楕円を縮小することで、電動機の運転点をP3からP5まで移行させたが、電圧制限楕円は縮小させずに、すなわち、V2電圧(昇圧電圧)を低下させずに、電動機の運転点をP3からP5まで移行させることも可能である。
[実施形態のまとめ及び変形例]
この実施形態に係る車両10は、蓄電装置としての高圧バッテリBAThと、直流と交流の両方向に変換可能な駆動装置としての第1及び第2インバータINV1、INV2と、前記駆動装置としての第1及び第2インバータINV1、INV2の交流側に接続されるとともに、出力軸が負荷(第1インバータINV1の負荷としてのエンジンENG及び/又は第2インバータINVの負荷としての車輪W)に接続される回転電機としての第1モータジェネレータMG1及び/又は第2モータジェネレータMG2)と、低圧側(V1電圧側)が高圧バッテリBAThに接続され高圧(V2電圧)側が第1及び第2インバータINV1、INV2の直流側に接続され、高圧バッテリBAThのV1電圧を昇圧してV2電圧とし、該昇圧電圧であるV2電圧を、前記第1及び第2インバータINV1、INV2を通じてそれぞれ第1及び第2モータジェネレータMG1、MG2に印加する電圧変換器としてのVCU12と、前記第1及び第2インバータINV1、INV2、前記第1及び第2モータジェネレータMG1、MG2及び前記VCU12を制御する制御装置14と、を備える。
上述した図13は、全体動作の説明に供されるId−Iq平面図である。
制御装置14は、該車両10で余分な電力が発生した場合、例えば、第2モータジェネレータMG2の回生電力Pregの一部又は全部が余剰になって補機16での消費を行っても、さらに残容量SOCが100[%]の高圧バッテリBAThへの充電ができない場合、VCU12による前記昇圧電圧であるV2電圧(制限電圧Vom)を、第1モータジェネレータMG1が所定の駆動力を発生させるための最も小さな電流値(図13の「従来効率制御」での動作点P0での電流値)とは異なる電流値{図13中、動作点P0におけるd軸電流値(d軸閾値電流値という。)Id0より大きな電流値(Id>Id0)}となるように昇圧(例えば、制限電圧V´om、図13中、交点P3)することで第1モータジェネレータMG1の運転範囲を拡大する。
そして、拡大した前記運転範囲で該第1モータジェネレータMG1を駆動することで、前記余分な電力、例として第2モータジェネレータMG2の回生電力Pregの一部又は全部を第1モータジェネレータMG1により消費させることができる。
この消費中に、第1モータジェネレータMG1の温度、ここでは、銅損で温度上昇するコイル温度Tcoil又は第1インバータINV1の温度Ti1あるいは冷却媒体の温度Tatfがそれぞれに対応して予め定められている閾値温度Tthを上回ったとき、前記昇圧電圧であるV2電圧を小さくして第1モータジェネレータMG1の運転範囲を縮小し、第1モータジェネレータMG1が消費する電力を小さくする{例えば、制限電圧Vheatom、図13中、動作点(交点)P5}。
このように制御することで、車両10内で発生し、補機16や高圧バッテリBAThで消費乃至充電できない余分な電力を消費することができ、第1モータジェネレータMG1又は第1インバータINV1の過熱を防止することができる。
なお、V2電圧を昇圧することで第1モータジェネレータMG1の運転範囲を拡大する際には、等トルクライン上でd軸電流Idを大きくし、前記昇圧電圧であるV2電圧を小さくする際には、前記等トルクライン上でd軸電流Idを小さくするようにしたので、第1モータジェネレータMG1の軸端トルク(出力軸に生じるトルク)を一定に保持しながら、第1モータジェネレータMG1での消費電力を可変することができる。
特に、d軸電流Idが正値となる強め界磁制御(非効率制御)の場合には、第1モータジェネレータMG1の温度上昇に伴う永久磁石の減磁を防止することができるという派生的な効果も達成される。つまり、強め界磁制御(非効率制御)であるので永久磁石が高温となっても、永久磁石に反磁界を与えることがなく、着磁する方向の磁界を与えるため、磁石減磁の耐性が向上する。
その上、強め界磁制御(非効率制御)であるので、図示しないロータの永久磁石とステータの電機子との吸引力(磁気拘束力)が高まる結果、ロータの回転方向及びロータの軸方向の磁気拘束力が高まり、第1モータジェネレータMG1のNV特性が向上するという派生的な効果も奏される。
この場合において、自車両10が発生する余分な電力が制動用の回生電力Pregである場合に、回生電力Pregによる制動力を第1モータジェネレータMG1の力行による電力消費で担保し、それでも足りない分を機械ブレーキ、この実施形態では、電動サーボブレーキESBで補うようにしているので、制動力は確保される。また、等トルクライン上で制御しているので、車両挙動の変化が抑制される。
車両10は、ハイブリッド車両であり、この実施形態によれば、機械ブレーキの介入を最小限に抑制することができ、機械ブレーキの摩擦材を長期間使用できるようになる。使用期間が通常と同じでよいならば、機械ブレーキの摩擦材を小さくすることができる。
図14を参照して、この実施形態の作用を分かり易く説明する。
高圧バッテリBAThの充電が可能である場合、車輪Wへの制動力は、第2モータジェネレータMG2の回生電力及び電動サーボブレーキESBの熱発生(電動サーボブレーキ分担電力1)により担保され、回生電力は高圧バッテリBAThに充電される。エンジンENGにより回転される第1モータジェネレータMG1の発電電力も高圧バッテリBAThに充電される(図14中、最上段の図)。
高圧バッテリBAThの充電が制約されるとき(高圧バッテリBAThが満充電)、第1モータジェネレータMG1等の非熱害時には、第2モータジェネレータMG2の回生電力Pregにより、第1モータジェネレータMG1を非効率領域の等トルクライン上で力行運転することでエンジンENGを空回しするとともに、回生電力Pregを第1モータジェネレータMG1の非効率領域で熱に変換する(図13の交点P2=P3)。この場合、電動サーボブレーキESBの熱発生は変化しない(図14中、中段の図)。
その一方、高圧バッテリBAThの充電が制約されるとき(高圧バッテリBAThが満充電)であって、第1モータジェネレータMG1等の熱害時には、上記実施形態で説明したように、回生電力Pregにより、第1モータジェネレータMG1を非効率領域の等トルクライン上で力行運転することでエンジンENGを空回しするとともに、回生電力Pregを第1モータジェネレータMG1の非効率領域で熱に変換するが、ハッチング領域で示すように非効率領域での消費電力を減少させる(図13の交点P5)。その分、電動サーボブレーキESBの分担分を大きくするので、電動サーボブレーキESBでの熱発生は大きくなる(図14中、下段の図)。
このように上記した実施形態によれば、第2モータジェネレータMG2又は第2インバータINV2を構成する要素(コンポーネント)の温度が管理温度以上になったと判断された場合には、VCU12の昇圧電圧であるV2電圧を下げ、モータジェネレータMG2の非効率領域の運転領域上限を小さくするようにしている。
このように構成することで、新規なデバイスを追加することなく(構成の変更なく)、制御の変更のみで(コストの増加なく)、過昇温による第2モータジェネレータMG2及び第2インバータINV2の故障を未然に防止することができる。しかも車両10の挙動に与える影響を抑制することができる。
[変形例]
図15は、変形例の車両10Aの概略構成を示すブロック図である。
この変形例の車両10Aは、いわゆる電気自動車である。この車両10Aにおいて、例えば、長い下り坂を走行中(降坂中)に、第2モータジェネレータMG2の回生電力Pregが、余剰となり余分な電力が発生した場合に、図5に示した回生側(Id>0、Iq<0)の等トルクライン(回生)上の非効率領域(Id>Id0、特にId>0)で第2モータジェネレータMG2を動作させることで、実施形態で説明したのと同様に、前記余分な電力を消費させることができる。
なお、回生側においてもV2電圧を昇圧し、拡大した運転範囲で第2モータジェネレータMG2の回生時の非効率制御を行ってもよい。
なお、この発明は、上述の実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
10、10A…車両(自車両) 11…駆動システム
12…VCU 14…制御装置
ENG…エンジン ESB…電動サーボブレーキ
INV1…第1インバータ INV2…第2インバータ
MG1…第1モータジェネレータ MG2…第2モータジェネレータ

Claims (8)

  1. 蓄電装置と、
    直流と交流の両方向に変換可能な駆動装置と、
    前記駆動装置の交流側に接続されるとともに、出力軸が負荷に接続される回転電機と、
    低圧側が前記蓄電装置に接続され高圧側が前記駆動装置の直流側に接続されて、前記蓄電装置の電圧を昇圧し、該昇圧電圧を、前記駆動装置を通じて前記回転電機に印加する電圧変換器と、
    前記駆動装置及び前記回転電機を制御する制御装置と、
    を備える車両において、
    前記制御装置は、
    前記回転電機が所定の駆動力または回生電力を発生させるための最も小さな電流値とは異なる第1の電流値で該回転電機を駆動することで、当該車両で発生する余分な電力を前記回転電機により消費させながら、前記回転電機の温度又は前記駆動装置の温度が閾値温度を上回ったとき、前記第1の電流値よりも小さな第2の電流値で前記回転電機を駆動するものであり、
    前記第1の電流値は、
    前記電圧変換器によって前記蓄電装置の電圧を昇圧することで、前記回転電機の運転範囲を強め界磁制御が行われる能力限界まで拡大し、該能力限界まで拡大された前記運転範囲で前記回転電機に供給される昇圧後最大相電流値とされている
    ことを特徴とする車両。
  2. 請求項1に記載の車両において、
    前記制御装置は、前記回転電機に供給する相電流を、前記第1の電流値から前記第2の電流値に変更する際には、等トルクライン上で小さくする
    ことを特徴とする車両。
  3. 請求項1又は2に記載の車両において、
    前記第2の電流値は、
    前記能力限界まで拡大された前記運転範囲での動作中に、前記回転電機の温度又は前記駆動装置の温度が前記閾値温度を上回ったとき、前記昇圧電圧を低くして前記運転範囲を縮小し、縮小された前記運転範囲で、前記回転電機に供給される相電流値とされている
    ことを特徴とする車両。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の車両において、
    前記回転電機が所定の前記駆動力または前記回生電力を発生させるための最も小さな前記電流値は
    相電流のd軸電流値が負値の電流値とされ、前記第1及び前記第2の電流値は前記d軸電流値が正値の電流値とされている
    ことを特徴とする車両。
  5. 請求項1〜のいずれか1項に記載の車両において、
    前記制御装置は、
    前記車両で発生する余分な電力が制動用の回生電力である場合であって、
    前記能力限界まで拡大された前記運転範囲での前記回転電機の動作中に、前記回生電力が前記回転電機で全て消費できない場合には、消費できない分の回生電力による制動力を、機械ブレーキにより分担させる
    ことを特徴とする車両。
  6. 請求項1〜のいずれか1項に記載の車両において、
    前記回転電機の温度は、該回転電機を構成する界磁コイルの温度又は前記回転電機を冷却する冷却媒体の温度であり、前記駆動装置の温度は、該駆動装置を構成する半導体スイッチング素子の温度である
    ことを特徴とする車両。
  7. 請求項に記載の車両において、
    前記駆動装置を第1駆動装置とし、
    該第1駆動装置の交流側に接続される前記回転電機を第1回転電機とし、該第1回転電機の前記出力軸に接続される前記負荷を内燃機関とし、
    さらに、前記負荷とは異なる負荷であって該負荷が車輪とされる第2回転電機と、
    交流側が前記第2回転電機に接続されるとともに、直流側が前記電圧変換器の高圧側に接続される第2駆動装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    記第2回転電機が発生する回生電力の前記蓄電装置への充電が制約されるとき、前記第2回転電機が発生する前記回生電力を、前記能力限界まで拡大された前記運転範囲で運転されている前記第1回転電機で消費させる
    ことを特徴とする車両。
  8. 請求項7に記載の車両において、
    前記能力限界まで拡大された前記運転範囲で運転されている前記第1回転電機で前記回生電力が全て消費できない場合には、消費できない分の回生電力による制動力を、機械ブレーキにより分担させる
    ことを特徴とする車両。
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