JPH0795701A - 回転電機制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、回生電力を回収効率を改善し、力行
運転時における走行性の改善を図ることを目的とする。 【構成】この装置は、大容量コンデンサ１１と直流電源
１０とからなる直列電源回路の両端間に可逆チョッパを
介して回転電機制御部１２を接続する。可逆チョッパ
は、第１のスイッチング素子１３が直流電源１０の一方
の電極と当該電極に接続されている回転電機制御部１２
の一方の電極との間に導通方向を順方向に介して接続さ
れ、第２のスイッチング素子１６が回転電機制御部１２
の電極間に並列接続され、第３のスイッチング素子１７
が直流電源１０，コンデンサ１１間と第１のスイッチン
グ素子１３，第２のスイッチング素子１６間に第１のス
イッチング素子１３の導通方向とは逆向きの導通方向で
介挿され、各スイッチング素子に対してダイオード１８
〜２０が逆並列接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、バッテリーを電源とし
て駆動する電気自動車，ハイブリッド電気自動車，その
他の電動機に適用することができ、電源側と負荷側との
間における電力の授受を制御する回転電機制御装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】バッテリーを電源として走行する電気自
動車，ハイブリッド電気自動車が実用化されている。一
般的な電気自動車は、バッテリーを電源として回転電動
発電機を駆動して自動車を走行させると共に、回転電動
発電機を減速した際の減速トルクによる回生電力をバッ
テリーへ充電する回転電機制御装置を搭載している。

【０００３】従来より在る回転電機制御装置は、図５に
示すように、直流電圧源であるバッテリー１から回転電
動発電機制御部２を介して回転電動発電機３へ駆動電力
を供給し、その電力供給量を回転電動発電機制御部２が
アクセルまたはブレーキペダルの踏み込み量に応じて制
御している。

【０００４】一方、回転電動発電機３が高速回転中に減
速を開始すると回転電動発電機３から回生エネルギーが
発生する。その回生電力は回転電動発電機制御部２が吸
収してバッテリー１へ充電電流を流す。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た回転電機制御装置では、回転電動発電機３の減速時に
発生する回生電力を効率よく回収できないという問題が
あった。すなわち、バッテリー１が満充電に達すると、
回転電動発電機制御部２の電極間に接続されたコンデン
サ４の電圧が上昇する。そのため、従来はコンデンサ４
に放電抵抗を接続して熱エネルギーとして消費するか、
又は回生制御を行わないようにしていたからである。

【０００６】また、バッテリー１が満充電に達っしない
場合であっても、回転電動発電機３が急速に減速した場
合には短時間に大きな回生電力が発生する。このような
場合には、発生した回生電力をバッテリー１の許容充電
電流では吸収しきれないため、上記同様に熱エネルギー
として消費するか、回生制御を行わない等の処置を取ら
なければならない。

【０００７】また、力行運転時においては、長時間の力
行運転が必要な場合にバッテリー１の電圧垂下にともな
い力感不足を生じる不具合があった。本発明は、以上の
ような実情に鑑みてなされたもので、回生電力を効率よ
く回収しエネルギー収支の向上を図ることができると共
に、力行運転時における走行性の改善を図ることのでき
る回転電機制御装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、次のような手段を講じた。請求項１に対
応する回転電機制御装置は、直流電源の電極間に回転電
機への供給電力を制御する回転電機制御部を接続し、前
記直流電源からの駆動電力を前記回転電機制御部を介し
て回転電機へ供給し、かつ前記回転電機を減速する際に
生じる減速トルクによる回生電力で前記直流電源を充電
するものにおいて、前記直流電源の一方の電極と当該電
極に接続されている前記回転電機制御部の一方の電極と
の間に導通方向を順方向に介して接続した第１のスイッ
チング素子と、前記直流電源の他方の電極と当該電極に
接続されている前記回転電機制御部の他方の電極との間
に直列接続した大容量コンデンサと、前記回転電機制御
部の電極間に導通方向を順方向に介して接続した第２の
スイッチング素子と、前記直流電源と前記大容量コンデ
ンサとの接続点と前記第１のスイッチング素子と前記第
２のスイッチング素子との接続点との間に、前記第１の
スイッチング素子の導通方向とは逆向きの導通方向で介
挿した第３のスイッチング素子と、前記第１，第２，第
３のスイッチング素子に対してそれぞれ逆並列に接続し
た第１，第２，第３のダイオードと、前記第２のスイッ
チング素子をオン，オフ制御して、前記大容量コンデン
サ，又は前記大容量コンデンサと前記直流電源との直列
回路に流がす充電電流を制御する電流制御手段とを具備
する構成とした。

【０００９】請求項２に対応する回転電機制御装置は、
直流電源の電極間に回転電機への供給電力を制御する回
転電機制御部を接続し、前記直流電源からの駆動電力を
前記回転電機制御部を介して前記回転電機へ供給し、か
つ前記回転電機を減速する際に生じる減速トルクによる
回生電力で前記直流電源を充電するものにおいて、前記
直流電源の一方の電極と当該電極に接続されている前記
回転電機制御部の一方の電極との間に導通方向を順方向
に介して接続した第１のスイッチング素子と、前記直流
電源の他方の電極と当該電極に接続されている前記回転
電機制御部の他方の電極との間に直列接続した大容量コ
ンデンサと、前記回転電機制御部の電極間に導通方向を
順方向に介して接続した第２のスイッチング素子と、前
記直流電源と前記大容量コンデンサとの接続点と前記第
１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子と
の接続点との間に、前記第１のスイッチング素子の導通
方向とは逆向きの導通方向で介挿した第３のスイッチン
グ素子と、前記第１，第２，第３のスイッチング素子に
対してそれぞれ逆並列に接続した第１，第２，第３のダ
イオードと、大きな出力による力行運転を行う場合は、
前記第１のスイッチング素子をオン，オフ制御すると共
に前記第２，第３のスイッチング素子をオフし、小さな
出力による力行運転を行う場合は、前記第３のスイッチ
ング素子をオン，オフ制御すると共に前記第１，第２の
スイッチング素子をオフする出力制御手段とを具備する
構成とした。

【００１０】

【作用】本発明は、以上のような手段を講じたことによ
り、次のような作用を奏することができる。請求項１に
対応する回転電機制御装置では、回転電機の減速により
回生電力が発生すると、電流制御手段により第２のスイ
ッチング素子のオン，オフのタイミングが制御される。
第２のスイッチング素子のオン，オフ制御により回生電
力による充電電流が第３のダイオードを通って大容量コ
ンデンサに流れ大容量コンデンサが充電される。大容量
コンデンサの充電電圧が直流電源の充電電圧に達する
と、回路電流は第３のダイオードを流れなくなり代わっ
て第１のダイオードを流れ、直流電源と大容量コンデン
サとからなる直列電源回路を充電する。

【００１１】従って、大容量コンデンサの充電電圧が直
流電源の充電電圧よりも低ければ自動的に大容量コンデ
ンサが充電され、しかも、大容量コンデンサの充電電圧
が直流電源の充電電圧に達してからは直列電源回路に対
して充電が行われるように自動的に切り替わるので、直
流電源が満充電となるのを抑制する効果がある。また充
電電流は第２のスイッチング素子のオン，オフのタイミ
ングで自在に調整することができるので、短時間に大き
な回生電力が発生した場合であっても、充電電流を許容
充電電流以内に容易に抑えることができる。

【００１２】請求項２に対応する回転電機制御装置で
は、大きな出力による力行運転を行う場合は、出力制御
手段により第１のスイッチング素子がオン，オフ制御さ
れると共に第２，第３のスイッチング素子がオフされ
る。これにより直流電源とそれに直列接続された大容量
コンデンサとからなる直列電源回路から回転電機に対し
て駆動電力が供給される。

【００１３】また、小さな出力による力行運転を行う場
合は、出力制御手段により第３のスイッチング素子がオ
ン，オフ制御されると共に第１，第２のスイッチング素
子がオフされる。これにより大容量コンデンサから回転
電機に対して駆動電力が供給される。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１には本発明の一実施例に係る回転電機制御装置の構成
が示されている。本実施例の回転電機制御装置は、バッ
テリー１０の負側電極に大容量コンデンサ１１の一端を
接続し、その大容量コンデンサ１１の他端を回転電動機
制御部１２の負側電極に接続している。バッテリー１０
の正側電極には第１のスイッチングトランジスタ（以
下、第１のスイッチング素子と呼ぶ）１３のコレクタを
接続し、その第１のスイッチング素子１３のエミッタを
直流リアクトル１４を介して回転電動機制御部１２の正
側電極に接続している。

【００１５】回転電動機制御部１２の電極間にはコンデ
ンサ１５が接続され、そのコンデンサ１５の両端間に第
２のスイッチングトランジスタ（以下、第２のスイッチ
ング素子と呼ぶ）１６をそのコレクタ，エミッタを順方
向に介して並列に接続している。また、バッテリー１０
と大容量コンテンサ１１との接続点に第３のスイッチン
グトランジスタ（以下、第３のスイッチング素子と呼
ぶ）１７のコレクタを接続し、その第３のスイッチング
素子１７のエミッタを第１のスイッチング素子１３のエ
ミッタと第２のスイッチング素子１６のコレクタとの接
続点に接続している。

【００１６】第１，第２，第３のスイッチング素子１
３，１６，１７の各コレクタ，エミッタ間に第１，第
２，第３のダイオード１８，１９，２０を夫々逆並列接
続している。また大容量コンデンサ１１にもダイオード
２１を並列に接続している。

【００１７】なお、直流主回路に直列接続した大容量コ
ンデンサ１１は、電気二重層コンデンサから構成されて
おり、従来形式のコンデンサであるコンデンサ１５の約
１０００倍以上の容量を持っている。

【００１８】回転電動機制御部１２は、直流主回路のほ
ぼ一定の電流電圧源から回転電動発電機２２へ電流を供
給すると共に、回転電動発電機２２で発生する回生電力
を吸収して直流主回路側へ戻すように機能する。回転電
動機制御部１２から回転電動発電機２２へ供給する電流
の極性及び大きさは電流制御部２３からの制御信号によ
り決定する。電流制御部２３は、図示していない電気自
動車のアクセルおよびブレーキペダルの踏み込み量に応
じて決定した電流基準値Ｉａによって電流の極性及び大
きさを定めている。

【００１９】大容量コンデンサ１１の電圧はコンデンサ
電圧制御部２４が制御する。コンデンサ電圧制御部２４
は、外部から大容量コンデンサ１１の電圧指令値Ｖａが
与えられ、この電圧指令値Ｖａと実際のコンデンサ電圧
とから電圧基準Ｖｂを生成する。

【００２０】バッテリー１０と大容量コンデンサ１１と
の直列回路からなる直列電源回路の電圧は直列電源電圧
制御部２５が制御する。この直列電源電圧制御部２５
は、コンデンサ電圧制御部２４からの電圧基準Ｖｂと実
際の直列電源回路の電圧とから前記大容量コンデンサ１
１または直列電源回路に流れる回路電流を許容充電電流
以内に抑制する電流基準Ｉｂを生成する。

【００２１】電流検出器３１で検出した実際の回路電流
を電流制御部２６，２７に入力している。電流制御部２
６は、直列電源電圧制御部２５からの電流基準Ｉｂと実
際の回路電流とを比較して第２のスイッチング素子１６
のゲートのオン，オフのタイミングを制御する。また電
流制御部２６は、外部から与えられる電流基準Ｉｃと実
際の回路電流とを比較しながら第１のスイッチング素子
１３のゲートをオン，オフ制御する。

【００２２】直流主回路側から回転電動発電機２２へ供
給する駆動電力を出力制御部１８が制御する。出力制御
部１８は、電気自動車のアクセルの踏み込み量に応じて
大きい出力の力行運転の場合と小さい出力の力行運転の
場合の２つのモードの出力指令値が与えられる。そして
大きい出力の力行運転の場合は、第１のスイッチング素
子１３のゲートをオン，オフ制御し、小さい出力の力行
運転の場合は、第３のスイッチング素子１７のゲートを
オン，オフ制御する。

【００２３】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。回転電動発電機２２の始動時は
大容量コンデンサ１１およびコンデンサ１５の容量は零
となっている。電流制御部２７が電流検出器３１により
検出した回路電流と外部から与えられる電流基準値Ｉｃ
とを比較しながら第１のスイッチング素子１３のゲート
をＰＷＭ制御する。これによりバッテリー１０の直流電
圧がコンデンサ１５の両端間に印加され、コンデンサ１
５がバッテリー１０により第１のスイッチング素子１
３，直流リアクトル１４を介して充電される。

【００２４】コンデンサ１５の充電が完了すると、バッ
テリー１０とコンデンサ１５が接続される。そしてコン
デンサ１５から回転電動機制御部１２へ一定の電流が供
給され、回転電動機制御部１２が回転電動発電機２２へ
供給する電流の極性及び大きさを電流制御部２３からの
制御信号により決定する。回転電動発電機２２の始動か
ら力行運転へ移行し大容量コンデンサ１１が所定の充電
電圧となるまでの間は、第１のスイッチング素子１３を
電流制御部２７からオン，オフ制御してバッテリー１０
から回転電動発電機２２へ駆動電力を供給する。駆動電
力の供給に伴いバッテリー１０の電圧は徐々に低下す
る。

【００２５】一方、力行運転開始後に、回転電動発電機
２２が高速回転中に減速を開始すると、回転電動発電機
２２に減速トルクによる回生電力が発生する。この発生
した回生電力は回転電動機制御部１２を介して直流主回
路側へ回生される。

【００２６】発生した回生電力は、電流制御部１６が第
２のスイッチング素子１６のゲートをオン，オフ制御す
ることにより、大容量コンテンサ１１、又は大容量コン
テンサ１１とバッテリー１０との直列回路からなる直列
電源回路の充電に供される。

【００２７】先ず、大容量コンデンサ１１の充電電圧が
バッテリー１０の電圧よりも低い場合は、図２に示すよ
うな昇圧チョッパにより大容量コンデンサ１１が充電さ
れる。この昇圧チョッパは、第２のスイッチング素子１
６をオン，オフするタイミングにより大容量コンデンサ
１１の充電電圧Ｅを、Ｅ＞Ｅ１まで制御することができ
る。また、大容量コンデンサ１１の充電電圧がバッテリ
ー１０の電圧よりも高くなると、図４に示す可逆チョッ
パにより直列電源回路が充電される。この可逆チョッパ
は、第２のスイッチング素子１６とダイオード１８とに
より図２に示す昇圧チョッパと同様に動作し直列電源回
路を充電する。

【００２８】大容量コンデンサ１１の充電電圧はコンデ
ンサ電圧制御部２４に入力する電圧指令値Ｖａで定めら
れる。電圧指令値Ｖａと実際のコンデンサ電圧とに応じ
た基準電圧Ｖｂを電圧制御部２５へ出力する。電圧制御
部２５は基準電圧Ｖｂに応じて充電電流（回路電流）を
定めた電流基準Ｉｂを生成して電流制御部２６へ出力す
る。そして電流制御部２６が電流基準Ｉｂと現在の回路
電流とを比較しながら第２のスイッチング素子１６のオ
ン，オフタイミングを制御する。これにより大容量コン
デンサ１１には許容充電電流以上の電流が流れることが
なくなる。

【００２９】また大容量コンデンサ１１とバッテリー１
０とは直列接続されているため、大容量コンデンサ１１
とバッテリー１０の充電電圧がバランスすると、それま
でダイオード２０を流れていた充電電流がダイオード１
８を流れるようになる。従って、充電電源が大容量コン
デンサ１１から直列電源回路へ自動的に切換えられる。
直列電源回路の許容充電電流は、大容量コンデンサ１１
とバッテリー１０の合成電圧で決まるので、基準電圧Ｖ
ｂと実際に直列電源回路を流れている充電電流とを取り
込んで、直列電源回路に流すべき充電電流の指令値であ
る基準電流Ｉｂを発生させている。電流制御部２６が、
この基準電流Ｉｂと実際の回路電流とを比較しながら第
２のスイッチング素子１６のオン，オフタイミングを制
御することにより直列電源回路の許容充電電流を越えな
いようになる。

【００３０】このようにして、大容量コンデンサ１１及
びバッテリー１０に十分な電力が蓄積されたならば、出
力制御部２８が力行運転に際して次のような２通りの制
御を実施する。

【００３１】小さな出力を必要とする力行運転の場合
は、出力制御部２８が第１，第２のスイッチング素子１
３をオフすると共にアクセルまたはプレーキペダルの踏
み込み量に応じて第３のスイッチング素子１７をオン，
オフ制御して、図３に示すような降圧チョッパにより電
力供給を行う。これにより大容量コンデンサ１１から第
３のスイッチング素子１７，直流リアクトル１４，回転
電動発電機制御部１２を介して回転電動発電機２２へ駆
動電力が供給される。この降圧チョッパでは、第３のス
イッチング素子１７のオン，オフタイミングにより、負
荷への電圧Ｅは、０＜Ｅ＜Ｅ１まで制御することができ
る。

【００３２】大きな出力を必要とする力行運転の場合
は、出力制御部２８が第２，第３のスイッチング素子１
６，１７をオフすると共に第１のスイッチング素子１３
をオン，オフ制御して、図４に示すような可逆チョッパ
により電力供給を行う。これによりバッテリー１０と大
容量コンデンサ１１とからなる直列電源回路から第１の
スイッチング素子１３，直流リアクトル１４，回転電動
発電機制御部１２を介して回転電動発電機２２へ駆動電
力が供給される。この可逆チョッパは、第１のスイッチ
ング素子１３とダイオード１９とが降圧チョッパとして
機能する。

【００３３】第１のスイッチング素子１３を降圧チョッ
パ制御するための指令は、出力制御部２８からの指令と
電流制御部２７からの指令とのＡＮＤ条件をとったもの
が用いられる。

【００３４】このように、本実施例によれば、バッテリ
ー１０の直流主回路に大容量コンデンサ１１を直列接続
し、その直流主回路と回転電動発電機制御部１２との間
に可逆チョッパを接続し、可逆チョッパの各スイッチン
グ素子を許容充電電流を考慮した電流基準ＩＩｂ，Ｉｃ
に基づいて制御するようにしたので、回生電力を効率良
く回収することができ、エネルギー収支の改善を図るこ
とができる。

【００３５】また、本実施例によれば、力行運転に際し
て、大きな出力の場合と小さな出力の場合とで、最適な
電源に切換えて制御することができ、大きな出力の電源
側を選択すれば長い坂道等での力感不足を解消すること
ができる。

【００３６】また、大容量コンデンサ１１からの駆動電
力の供給頻度を上げれば、エネルギー収支を上げること
ができる。本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変形実施可
能である。

【００３７】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、回
生電力を効率よく回収しエネルギー収支の向上を図るこ
とができると共に、力行運転時における走行性の改善を
図ることのできる回転電機制御装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る回転電機制御装置の構
成図である。

【図２】図１に示す回転電機制御装置で昇圧チョッパを
形成した場合の回路構成図である。

【図３】図１に示す回転電機制御装置で降圧チョッパを
形成した場合の回路構成図である。

【図４】図１に示す回転電機制御装置で可逆チョッパを
形成した場合の回路構成図である。

【図５】従来の回転電機制御装置の構成図である。

【符号の説明】

１０…バッテリー、１１…大容量コンデンサ、１２…回
転電動機制御部、１３…第１のスイッチング素子、１４
…直流リアクトル、１５…コンデンサ、１６…第２のス
イッチング素子、１７…第３のスイッチング素子、１８
〜２０…第１，第２，第３のダイオード、２１…ダイオ
ード、２２…回転電動発電機、２３，２６，２７…電流
制御部、２４…コンデンサ電圧制御部、２５…直列電源
電圧制御部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源の電極間に回転電機への供給電
   力を制御する回転電機制御部を接続し、前記直流電源か
   らの駆動電力を前記回転電機制御部を介して回転電機へ
   供給し、かつ前記回転電機を減速する際に生じる減速ト
   ルクによる回生電力で前記直流電源を充電する回転電機
   制御装置において、 前記直流電源の一方の電極と当該電極に接続されている
   前記回転電機制御部の一方の電極との間に導通方向を順
   方向に介して接続した第１のスイッチング素子と、 前記直流電源の他方の電極と当該電極に接続されている
   前記回転電機制御部の他方の電極との間に直列接続した
   大容量コンデンサと、 前記回転電機制御部の電極間に導通方向を順方向に介し
   て接続した第２のスイッチング素子と、 前記直流電源と前記大容量コンデンサとの接続点と前記
   第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子
   との接続点との間に、前記第１のスイッチング素子の導
   通方向とは逆向きの導通方向で介挿した第３のスイッチ
   ング素子と、 前記第１，第２，第３のスイッチング素子に対してそれ
   ぞれ逆並列に接続した第１，第２，第３のダイオード
   と、 前記第２のスイッチング素子をオン，オフ制御して、前
   記大容量コンデンサ，又は前記大容量コンデンサと前記
   直流電源との直列回路に流がす充電電流を制御する電流
   制御手段とを具備したことを特徴とする回転電機制御装
   置。
2. 【請求項２】 直流電源の電極間に回転電機への供給電
   力を制御する回転電機制御部を接続し、前記直流電源か
   らの駆動電力を前記回転電機制御部を介して前記回転電
   機へ供給し、かつ前記回転電機を減速する際に生じる減
   速トルクによる回生電力で前記直流電源を充電する回転
   電機制御装置において、 前記直流電源の一方の電極と当該電極に接続されている
   前記回転電機制御部の一方の電極との間に導通方向を順
   方向に介して接続した第１のスイッチング素子と、 前記直流電源の他方の電極と当該電極に接続されている
   前記回転電機制御部の他方の電極との間に直列接続した
   大容量コンデンサと、 前記回転電機制御部の電極間に導通方向を順方向に介し
   て接続した第２のスイッチング素子と、 前記直流電源と前記大容量コンデンサとの接続点と前記
   第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子
   との接続点との間に、前記第１のスイッチング素子の導
   通方向とは逆向きの導通方向で介挿した第３のスイッチ
   ング素子と、 前記第１，第２，第３のスイッチング素子に対してそれ
   ぞれ逆並列に接続した第１，第２，第３のダイオード
   と、 大きな出力による力行運転を行う場合は、前記第１のス
   イッチング素子をオン，オフ制御すると共に前記第２，
   第３のスイッチング素子をオフし、小さな出力による力
   行運転を行う場合は、前記第３のスイッチング素子をオ
   ン，オフ制御すると共に前記第１，第２のスイッチング
   素子をオフする出力制御手段とを具備したことを特徴と
   する回転電機制御装置。