TW201545922A - 輪內馬達系統 - Google Patents

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居村岳広
山本岳
郡司大輔
佐藤基
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國立大學法人東京大學
日本精工股份有限公司
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Abstract

本發明提供一種輪內馬達系統，即便產生收發線圈的位置偏移仍可穩定地驅動輪內馬達，亦可自路面進行供電。一種輪內馬達系統1，包括電力輸送部100，所述電力輸送部100利用使用磁場的共振現象，且電力輸送部100自車體向內置於車輪的輪內馬達10無線發送電力P。而且，亦可包括通信部110，所述通信部110在車體與車輪之間進行通信，且通信部110通信是就對輪內馬達進行驅動的控制信號CTL進行通信。

Description

輪內馬達系統
本發明是有關於一種輪內馬達系統(In Wheel Motor System)，對在電動汽車等的輪內部配置驅動源的輪內馬達進行控制。
在電動汽車等中，包括在輪內部配置驅動源的輪內馬達由於可將驅動力直接傳遞至輪胎(tyre)，故而理想。以往，輪內馬達通常自車體側利用導線(wire)(有線)供給電力。
藉由使電力的供給無線(wireless)化，可期待提高針對導線的切斷風險(risk)的可靠性或應用於自路面進行的供電。例如，專利文獻1揭示包括利用電磁感應現象的非接觸式電磁供電部的車輪供電裝置的技術。
[現有技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2013-5544號公報
然而，輪內馬達因懸架(suspension)的移動而會與車體發生相對移位，因此，會產生位置偏移(具體而言為收發線圈(coil)的偏移)。在利用電磁感應現象的非接觸式電磁供電部，因位置偏移而導致供電的效率下降，無法執行充分向輪內馬達供電的可能性高。而且，因同樣的理由，亦難以實現自路面進行的供電。
鑒於所述問題點而完成的本發明的目的在於提供一種輪內馬達系統，即便產生收發線圈的位置偏移仍可穩定地驅動輪內馬達，亦可自路面進行供電。
為了解決所述問題，本發明的輪內馬達系統包括電力輸送部，所述電力輸送部利用使用磁場的共振現象，且所述電力輸送部將電力自車體無線發送至內置於車輪的輪內馬達。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為包括通信部，所述通信部在所述車體與所述車輪之間進行通信，且所述通信部是就對輪內馬達進行驅動的控制信號進行通信。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為包括：所述輪內馬達；馬達用轉換部，運行時將第1直流電壓轉換成對所述輪內馬達進行驅動的馬達用交流電壓；車輪側電容器(condenser)，運行時使所述第1直流電壓平滑化；以及車輪側轉換部，運行時將來自車輪側線圈的第1交流電壓轉換成所述第1 直流電壓；且所述電力輸送部包括：所述車輪側線圈，運行時在車輪側接收無線發送的電力；以及車輪側共振電容器，串聯插入至所述車輪側轉換部與所述車輪側線圈之間。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為包括車輪側控制部，所述車輪側控制部利用第1控制信號對所述車輪側轉換部所包括的開關(switch)的切換進行控制，且所述車輪側控制部以將所述第1直流電壓控制為固定的方式生成所述第1控制信號。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為所述車輪側控制部以所述第1交流電壓與所述車輪側線圈的電流的位移因數(displacement factor)成為1的方式生成所述第1控制信號。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為所述車輪側控制部利用所述第1控制信號對所述第1交流電壓為零的期間進行調整。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為包括車輪側電流檢測器，所述車輪側電流檢測器對所述車輪側轉換部的電流進行檢測，且所述車輪側控制部利用所述車輪側電流檢測器對所述車輪側轉換部的電流的符號反轉進行檢測，根據檢測出的符號反轉的資訊而生成所述第1控制信號。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為包括電壓檢測器，所述電壓檢測器對所述第1直流電壓進行檢測，且所述車輪側控制部根據所述電壓檢測器的檢測值與所述第1直流電壓的目標值的差分而生成所述第1控制信號。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為所述車輪側控制部根據所述輪內馬達的轉數及扭矩(torque)指令值而生成所述第1控制信號。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為包括：車體側轉換部，運行時將來自電池(battery)的第2直流電壓轉換成第2交流電壓，並輸出至車體側線圈；以及所述電池；且所述電力輸送部包括：所述車體側線圈，運行時自所述車體無線發送電力；以及車體側共振電容器，串聯插入至所述車體側轉換部與所述車體側線圈之間。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為包括車體側控制部，所述車體側控制部根據來自所述通信部的控制信號，利用第2控制信號對所述車體側轉換部所包括的開關的切換進行控制，且所述車體側控制部以將所述第1直流電壓控制為固定的方式生成所述第2控制信號。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為所述車體側控制部根據所述輪內馬達的轉數及扭矩指令值而生成所述第2控制信號。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為包括車體側電流檢測器，所述車體側電流檢測器對所述車體側轉換部的電流進行檢測，且所述車體側控制部根據所述車體側電流檢測器的檢測值與電流目標值的差分而生成所述第2控制信號，所述電流目標值是根據所述輪內馬達的轉數及扭矩指令值而得。
而且，在本發明的輪內馬達系統中，較佳為在所述輪內馬達再生時，所述車輪側轉換部作為逆變器(inverter)發揮功能，所述車體側轉換部作為轉換器(converter)發揮功能。
根據本發明的輪內馬達系統，提供一種輪內馬達系統，即便產生收發線圈的位置偏移仍可穩定地驅動輪內馬達，亦可自路面進行供電。
1‧‧‧輪內馬達系統
2‧‧‧電池
3‧‧‧車體側轉換部
4‧‧‧車體側共振電容器
5‧‧‧車體側線圈
6‧‧‧車輪側線圈
7‧‧‧車輪側共振電容器
8‧‧‧車輪側轉換部
9‧‧‧馬達用轉換部
10‧‧‧輪內馬達
11‧‧‧車輪側電容器
12‧‧‧電容器
13‧‧‧車輪側控制部
14‧‧‧車體側控制部
15‧‧‧車輪側電流檢測器
16‧‧‧電壓檢測器
17‧‧‧車輪側通信部
18‧‧‧車體側通信部
19‧‧‧車體側電流檢測器
20‧‧‧線圈
21‧‧‧電源
100‧‧‧電力輸送部
110‧‧‧通信部
BD‧‧‧虛擬交界線
C1、C2‧‧‧電容值
Cs‧‧‧平滑電容器
CT1‧‧‧第1控制信號
CT2‧‧‧第2控制信號
CTL‧‧‧控制信號
d* inv‧‧‧佔空比的指令值
d* conv‧‧‧佔空比的指令值
dconvn‧‧‧佔空比的標稱值
E‧‧‧電壓
G1~G4、G11~G14‧‧‧開關
Gioa‧‧‧傳遞函數
Ia1、Ia2、iconv、iinv、icin、Idc‧‧‧電流
ICave、I* Cave‧‧‧平均電流
Lm、L1-Lm、L2-Lm‧‧‧電感值
MRT‧‧‧信號
P‧‧‧電力
P1~P4‧‧‧單元
P*m‧‧‧機械輸出功率
R1、R2‧‧‧電阻值
R* L‧‧‧等效負載電阻
Tp‧‧‧脈寬
vconv、vinv‧‧‧電壓
Va1‧‧‧第1交流電壓
Va2‧‧‧第2交流電壓
Vd1‧‧‧第1直流電壓
Vd2‧‧‧第2直流電壓
Vdc‧‧‧DC鏈電壓
V* dc‧‧‧DC鏈電壓的目標值
圖1是本實施方式的輪內馬達系統的構成圖。
圖2是表示本實施方式的輪內馬達系統可執行的電力發送的圖。
圖3是表示本實施方式的輪內馬達系統的安裝例的圖。
圖4是使用等效電路的輪內馬達系統的部分構成圖。
圖5(A)及圖5(B)是對脈寬調變(Pulse Width Modulation，PWM)逆變器及PWM轉換器的開關(switching)狀態進行說明的圖。
圖6(A)及圖6(B)是用以對PWM轉換器的平均通過電流進行說明的圖。
圖7(A)及圖7(B)是直流鏈(DC-link)電壓穩定化控制的方塊圖。
(整體構成)
參照圖式對本發明的輪內馬達系統1的實施方式進行說明。輪內馬達系統1可用於包括車輪的各種移動體，在本實施方式中設為用於車輛而在以下進行說明。圖1是表示本實施方式的輪內馬達系統1的構成的圖。首先，參照圖1，作為輪內馬達系統1的概略，對電力輸送部100與通信部110進行說明。
輪內馬達系統1包括內置於車輪的馬達即輪內馬達10，藉由使輪內馬達10旋轉而使車輛移動。輪內馬達系統1裝備於車輛的車體側及車輪側。而且，輪內馬達系統1包括電力輸送部100，該電力輸送部100在車體側與車輪側之間以無線收發電力P。
電力輸送部100使用如下方式以無線送電，所述方式是利用使用磁場的共振現象。電力輸送部100在輪內馬達10運行時，可將所需的電力P自車體側向車輪側無線發送。而且，電力輸送部100在輪內馬達10再生時(例如車輛減速時等)，可將再生電力自車輪側向車體側無線發送。輪內馬達系統1不使用導線(有線)而以無線進行車輛的車體側與車輪側的電力P的收發，因此，可提高針對導線的切斷風險的可靠性。
此處，電力輸送部100所使用的利用使用磁場的共振現象的方式是選擇如下方式：即便車輪因懸架的移動而與車體發生 相對移位，仍可執行充分向輪內馬達10供電。例如，通常可選擇被稱作電磁共振方式或磁場共振耦合方式的方式。磁場共振耦合與電磁感應不同，是使一次側(即，車體側)與二次側(即，車輪側)的共振頻率相同的電路拓撲(topology)。磁場共振耦合方式與電磁感應方式相比，可抗位置偏移(圖1的例中為車體側線圈5與車輪側線圈6的偏移)。在電磁感應方式的情況下，即便稍微位置偏移，亦無法發送充分的電力P。另一方面，已知磁場共振耦合方式若線圈的Q(圖1的例中為車體側線圈5及車輪側線圈6的Q)高，即便耦合係數下降，亦能夠以高輸送效率發送電力P。
藉由電力輸送部100採用利用使用磁場的共振現象的方式，本發明的輪內馬達系統1如圖2所示，不僅可在車體與車輪之間無線供給電力P，亦可自路面向車輪側無線發送電力P(自路面進行供電)。圖2的電源21與線圈20埋設於路面。另外，電源21、線圈20的構成亦可分別與後述的電池2、車體側線圈5相同。此外，對於圖2的其他要素標註與圖1相同的符號，並參照圖1在後文進行敍述，因此，此處不予以提及。
再次參照圖1。輪內馬達系統1包括通信部110，該通信部110是在車體側與車輪側之間就對輪內馬達10進行驅動的控制信號CTL進行無線通信。通信部110例如包括車輪側通信部17與車體側通信部18，分別具有無線天線(wireless antenna)且可收發控制信號CTL。車輪側通信部17、車體側通信部18分別與後述的車輪側控制部13、車體側控制部14連接。因此，車體側控制 部14亦可利用控制信號CTL，例如根據車輪側的輪內馬達10的轉數及扭矩指令值執行控制。另外，作為通信部110的無線通信的方式，例如亦可使用藍牙(Bluetooth(註冊商標))或無線區域網路(Local Area Network，LAN)的標準等。
此處，對輪內馬達系統1的整體構成的詳情進行說明，以下，若無明確記載為再生狀態，則以輪內馬達10運行時為前提進行說明。如圖1所示，輪內馬達系統1包括：輪內馬達10；馬達用轉換部9，將第1直流電壓Vd1轉換成對輪內馬達10進行驅動的馬達用交流電壓；車輪側電容器11，使第1直流電壓Vd1平滑化；車輪側轉換部8，將來自車輪側線圈6的第1交流電壓Va1轉換成第1直流電壓Vd1；車體側轉換部3，將來自電池2的第2直流電壓Vd2轉換成第2交流電壓Va2，並輸出至車體側線圈5；以及電池2。而且，亦可在車體側，與電池2並聯包括電容器12。電容器12對應於車輪側電容器11，是為了使第2直流電壓Vd2穩定化而設置。而且，輪內馬達10的電力輸送部100包括：車輪側線圈6，在車輪側接收無線發送的電力P；車輪側共振電容器7，串聯插入至車輪側轉換部8與車輪側線圈6之間；車體側線圈5，自車體無線發送電力P；以及車體側共振電容器4，串聯插入至車體側轉換部3與車體側線圈5之間。另外，車體側線圈5、車輪側線圈6亦被稱作天線。而且，圖1的例中，馬達用轉換部9是包含絕緣閘雙極電晶體(IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor)的三相電壓型逆變器，但並不限定於此種構成。
在本實施方式中，輪內馬達系統1的車輪側轉換部8包含全橋式(full bridge)的4個開關G1、開關G2、開關G3、開關G4(以下，記作開關G1~開關G4)。而且，車體側轉換部3亦與車輪側轉換部8同樣地包含全橋式的4個開關G11、開關G12、開關G13、開關G14(以下，記作開關G11~開關G14)。輪內馬達系統1包括車輪側控制部13，該車輪側控制部13利用第1控制信號CT1，對車輪側轉換部8所包括的開關G1~開關G4的切換進行控制。而且，輪內馬達系統1包括車體側控制部14，該車體側控制部14利用第2控制信號CT2，對車體側轉換部3所包括的開關G11~開關G14的切換進行控制。開關G1~開關G4、開關G11~開關G14例如可為絕緣閘雙極電晶體，但並不限定於此。
如圖1所示，輪內馬達系統1的所述構成要素被區分為車體側或車輪側。具體而言，電池2、電容器12、車體側轉換部3、車體側共振電容器4、車體側線圈5、車體側控制部14、及車體側通信部18配置於車體側。而且，輪內馬達10、馬達用轉換部9、車輪側電容器11、車輪側轉換部8、車輪側共振電容器7、車輪側線圈6、車輪側控制部13、及車輪側通信部17配置於車輪側。在收發電力P的車體側線圈5與車輪側線圈6之間無導線(有線)的連接，而且，在收發控制信號CTL的車輪側通信部17與車體側通信部18之間亦無導線(有線)的連接。藉此如上所述可提高針對導線的切斷風險的可靠性，亦可自路面進行供電(參照圖2)。
車輪側控制部13、車體側控制部14以將第1直流電壓 Vd1控制為固定的方式分別生成第1控制信號CT1、第2控制信號CT2。關於第1控制信號CT1、第2控制信號CT2的詳情，在後文進行敍述。
利用磁場共振耦合方式進行電力P的無線發送時，已知相對於負載(馬達用轉換部9及輪內馬達10)的變動或送受電線圈(車體側線圈5及車輪側線圈6)的相對移位，二次側、即車輪側的電壓及電流會發生變動。相對於此，對輪內馬達10進行驅動的電壓型逆變器即馬達用轉換部9中通常需要將DC鏈電壓、即第1直流電壓Vd1保持為固定。因此，車輪側控制部13、車體側控制部14生成適當的第1控制信號CT1、第2控制信號CT2，以使第1直流電壓Vd1固定。另外，車輪側控制部13、車體側控制部14的至少一控制部執行使第1直流電壓Vd1固定的控制即可。
例如，車輪側控制部13為了使第1直流電壓Vd1固定，亦能夠以第1交流電壓Va1與車輪側線圈6的電流Ia1的位移因數成為1的方式生成第1控制信號CT1。此時，車輪側控制部13亦可調整第1交流電壓Va1為零的期間，以使所述位移因數成為1。
另外，輪內馬達系統1亦可僅使車輪側發揮功能而進行控制。如後所述，車輪側控制部13利用第1控制信號CT1對車輪側轉換部8所包括的開關G1~開關G4的切換進行控制，藉此可獨立於車體側而僅在車輪側對電力P的變動進行調整。
而且，為了用於車輪側控制部13、車體側控制部14的所述控制，輪內馬達系統1亦可如圖1般包括車輪側電流檢測器 15、電壓檢測器16、車體側電流檢測器19。車輪側電流檢測器15例如為電流感測器(sensor)，對車輪側線圈6的電流Ia1進行檢測，並將檢測值輸出至車輪側控制部13。車輪側控制部13亦可對車輪側線圈6的電流Ia1的符號反轉進行檢測，根據檢測出的符號反轉的資訊而生成第1控制信號CT1。
而且，電壓檢測器16例如為電壓感測器，對第1直流電壓Vd1進行檢測，並將檢測值輸出至車輪側控制部13。車輪側控制部13亦可根據第1直流電壓Vd1的檢測值與第1直流電壓Vd1的目標值的差分，而生成第1控制信號CT1。此處，車輪側控制部13亦可根據表示車輛的實際行駛狀態等的輪內馬達10的轉數及扭矩指令值，而生成第1控制信號CT1。此時，車輪側控制部13亦可接收輪內馬達10的轉數作為信號MRT，且接收來自車體側的扭矩指令值作為控制信號CTL。另外，信號MRT是自對馬達用轉換部9及輪內馬達10的狀態進行檢測的負載狀態檢測部(未圖示)輸出至車輪側控制部13。
此處，如上所述，車體側控制部14亦可代替車輪側控制部13、或與車輪側控制部13一起進行使第1直流電壓Vd1固定的控制。例如，車體側控制部14亦可自車體側通信部18接收信號MRT，根據輪內馬達10的轉數及扭矩指令值而生成第2控制信號CT2。此時，車輪側控制部13將控制信號CTL包含信號MRT在內，自車輪側通信部17無線發送至車體側通信部18。
而且，車體側電流檢測器19例如為電流感測器，對車 體側線圈5的電流Ia2進行檢測，並將檢測值輸出至車體側控制部14。車體側控制部14亦可根據車體側電流檢測器19的檢測值(車體側線圈5的電流Ia2)與電流目標值的差分而生成第2控制信號CT2，所述電流目標值是根據輪內馬達10的轉數及扭矩指令值而得。
此處，本實施方式的輪內馬達系統1在車體側與車輪側包含對稱的構成。例如，車體側轉換部3與車輪側轉換部8的構成相同。即，開關G11~開關G14分別對應於開關G1~開關G4。而且，在電力輸送部100中，車體側線圈5與車輪側線圈6的構成相同，車體側共振電容器4與車輪側共振電容器7的構成相同。即，在圖1的電路構成例中，有相對於車體側與車輪側的虛擬交界線BD成為鏡對稱(mirror symmetrical)的部分。根據此種構成，輪內馬達系統1不僅可在輪內馬達10運行時，亦可在再生時以高效率發送電力P。此處，在輪內馬達10再生時，與運行時相反地，車輪側轉換部8作為逆變器發揮功能，車體側轉換部3作為轉換器發揮功能。
另外，在輪內馬達系統1中，車體側轉換部3與車輪側轉換部8的構成相同意味著可使第1控制信號CT1與第2控制信號CT2的基本波形相同。即，意味著車輪側控制部13與車體側控制部14可使控制的主要部分共通化。
以上所說明的輪內馬達系統1的構成要素例如以圖3所示的方式安裝於車輛。圖3是將車輛的內部的一部分放大的圖， 表示有被金屬框覆蓋的車體部分(紙面左側)與1個車輪(紙面右側)。在車體部分，在大致中央部分配置有單元(unit)P1，在較單元P1靠車輪側配置有單元P2。而且，在車輪側，在靠近車體的部分配置有單元P3，在靠近車輪的部分配置有單元P4。另外，在圖3中省略了電池2的圖示。
此處，圖3的單元P2為車體側線圈5，單元P1包含除車體側線圈5與電池2以外的車體側的構成要素(電容器12、車體側轉換部3、車體側共振電容器4、車體側控制部14、車體側通信部18及車體側電流檢測器19)。而且，圖3的單元P3為車輪側線圈6，單元P4包含除車輪側線圈6以外的車輪側的構成要素(輪內馬達10、馬達用轉換部9、車輪側電容器11、車輪側轉換部8、車輪側共振電容器7、車輪側控制部13、車輪側通信部17、車輪側電流檢測器15及電壓檢測器16)。另外，單元P1、單元P4並非必須包含所例示的所有構成要素，只要包含至少一部分即可。
此處，如上所述，輪內馬達系統1在車體側與車輪側包含對稱的構成時，在以如圖3所示的方式安裝於車輛的情況下會削減零件數或使單元共通化。例如，可使作為車體側線圈5的單元P2與作為車輪側線圈6的單元P3共通化。此情況會削減單元的種類，提高安裝時的生產效率。
如上所述，一面參照圖1~圖3，一面對輪內馬達系統1的整體構成進行了說明，以下，一面表示出第1控制信號CT1、第2控制信號CT2的波形等，一面對車輪側控制部13、車體側控 制部14的控制方法進行詳細說明。而且，亦對適合於輪內馬達系統1的車體側線圈5、車輪側線圈6的形狀等進行說明。
(控制方法的詳情)
圖4是將電力輸送部100替換成等效電路的輪內馬達系統1的部分構成圖。以下，使用圖4對車輪側控制部13、車體側控制部14的控制方法進行詳細說明。另外，為了容易觀察，在圖4中省略車輪側控制部13、車體側控制部14及通信部110的圖示，該些構成要素與圖1相同。
此處，對輪內馬達10運行時的動作進行說明。車體側轉換部3、馬達用轉換部9為逆變器，車輪側轉換部8為轉換器。此處，在圖4的例中，如後述般使用PWM信號進行控制，且使用電壓型的逆變器、轉換器。藉此，為了易於理解說明，將車體側轉換部3表達為電壓型PWM逆變器，將車輪側轉換部8表達為電壓型PWM轉換器，將馬達用轉換部9表達為三相電壓型PWM逆變器。而且，將圖1的車體側、車輪側在圖4中分別表達為一次側、二次側。在輪內馬達10運行時，自一次側(即，車體側)無線發送電力P。然後，二次側(即，車輪側)接收電力P。另外，在輪內馬達10再生時，車輪側轉換部8作為逆變器發揮功能，車體側轉換部3作為轉換器發揮功能，且車輪側控制部13、車體側控制部14的控制方法相同，因此，省略說明。
在圖4中，電力輸送部100被替換成包含電阻、線圈、電容器的等效電路。在該等效電路中，電阻分別具有R1、R2的電 阻值，線圈分別具有Lm、L1-Lm、L2-Lm的電感(inductance)值，電容器分別具有C1、C2的電容值。
另外，為了易於理解說明，圖1中的車輪側線圈6的電流Ia1、第1交流電壓Va1、車體側線圈5的電流Ia2、第2交流電壓Va2分別換言之為電流iconv、電壓vconv、電流iinv、電壓vinv。而且，圖1中的車輪側電容器11、第1直流電壓Vd1亦於圖4中分別換言之為平滑電容器Cs、DC鏈電壓Vdc。
圖4的電流icin為流入至平滑電容器Cs的電流，電流Idc為DC鏈電流。另外，圖4中的電池2、電容器12、輪內馬達10與圖1相同，而省略說明。而且，圖4中將馬達用轉換部9與輪內馬達10包圍的虛線表示將它們作為負載來處理。
在圖4所示的輪內馬達系統1中，首先，電池2的電壓E利用一次側的電壓型PWM逆變器(車體側轉換部3)而被轉換成共振頻率的交流。利用磁場共振耦合而輸送的電力P藉由二次側的電壓型PWM轉換器(車輪側轉換部8)被轉換成直流。在輪內馬達系統1中，利用第1控制信號CT1、第2控制信號CT2，對電壓型PWM轉換器、電壓型PWM逆變器的佔空比(duty ratio)進行控制，藉此控制輸送電力。作為負載的輪內馬達10的驅動是使用三相電壓型PWM逆變器(馬達用轉換部9)。因此，需要將其輸入電壓即DC鏈電壓Vdc保持固定。此處，在輪內馬達系統1中，尤其是二次側的搭載空間(space)是有限的。因此，較佳為即便產生負載變動時，亦僅利用例如電壓型PWM轉換器的控制可 使DC鏈電壓Vdc固定。以下，使負載模型(model)化，對電力輸送部100的等效電路進行詳細研究後，對所述佔空比的控制進行說明。
首先，使負載模型化。通常已知若假定受電側整流電路的位移因數為1而無損失，可將包含整流電路的負載整體等效地視為純電阻(負載電阻)。將該負載定義為等效負載電阻RL。關於利用三相電壓型PWM逆變器進行驅動的輪內馬達10的負載，輪內馬達10的機械輸出功率Pm以如下式(1)表示。
[數1]P m =η m η inv V dc I dc …(1)
此處，ηm為馬達效率，ηinv為逆變器效率，Idc為DC鏈電流。
若在式(1)中使用等效負載電阻RL，便成為以下的式(2)。
當DC鏈電壓Vdc被保持固定時，等效負載電阻RL依存於輪內馬達10的機械輸出功率Pm。藉由導入等效負載電阻RL，可利用與純電阻負載相同的分析方法對負載(馬達用轉換部9、輪內馬 達10)進行處理。
接下來，對電力輸送部100的等效電路進行詳細研究。在該等效電路中，自一次側電壓向二次側電流的傳遞函數Gio藉由分別解開電壓方程式而以如下式(3)表示。此處，各係數為以下的式(4)~式(8)，其記號(例如L1-Lm、C1等)如上所述般表示電阻值、電感值、電容值。
與共振頻率下的增益(gain)相比，諧波成分的增益充分小，因此，以下僅著眼於作為基本波的共振頻率成分。此處，對平滑電容器Cs的動態(dynamics)進行研究。自流入至平滑電容器Cs(圖1的車輪側電容器11)的電流icin至等效負載電阻RL的端子電壓(DC鏈電壓Vdc)的傳遞函數如以下的式(9)般能夠以一次滯後系統表示。
以下，對一次側的電壓型PWM逆變器(車體側轉換部3)、二次側的電壓型PWM轉換器(車輪側轉換部8)的佔空比與DC鏈電壓Vdc的關係進行說明。電壓型PWM逆變器、電壓型PWM轉換器分別以圖5(A)、圖5(B)的開關狀態進行動作。即，電壓型PWM逆變器、電壓型PWM轉換器均進行3個位準(level)(在圖5(A)的例中為+E、0(零)、-E)的開關。此處，將佔空比定義為脈寬Tp相對於半週期0.5T的比即Tp/(0.5T)(參照圖5(A)、圖5(B))。例如，當在一次側的電壓型PWM逆變器中佔空比為1.0時，波形成為電壓為±E的矩形波，且不取0(零)的狀態。
關於電壓型PWM逆變器，若僅著眼於基本波，相對於 佔空比dinv的所述電壓型PWM逆變器的輸出電壓的基本波振幅Vinv1利用傅式級數展開(Fourier series expansion)而以如下式(10)求出。
此處，如圖5(B)所示，電壓型PWM轉換器(車輪側轉換部8)利用第1控制信號CT1(參照圖1)而以可切換的3個開關模式(switching mode)進行動作。在圖5(B)中，3個開關模式分別表示為模式1、模式2、模式3。另外，如上所述，電壓型PWM轉換器(車輪側轉換部8)與電壓型PWM逆變器(車體側轉換部3)為相同構成，因此，電壓型PWM逆變器亦可利用第2控制信號CT2(圖1參照)而以3個開關模式進行動作，但為了避免重複說明，此處僅對電壓型PWM轉換器進行詳細說明。
圖6(A)是將圖4的電壓型PWM轉換器(車輪側轉換部8)的部分放大且表示開關G1~開關G4的圖。參照圖6(A)對3個開關模式進行說明。第1控制信號CT1(參照圖1)將開關G1及開關G4設為接通(on)狀態，藉此使電壓型PWM轉換器以第1模式(模式1)動作。此外，第1控制信號CT1將開關G2及開關G3設為接通狀態，藉此使電壓型PWM轉換器以第2模式(模式2)動作。第1模式及第2模式是使電流自二次側的線圈流入至平滑電容器Cs的模式，且是連接於負載電阻的狀態。另一方 面，第1控制信號CT1將開關G2及開關G4設為接通狀態，藉此使電壓型PWM轉換器以第3模式(模式3)動作。第3模式是短路狀態，且是負載電阻為零的狀態。第1控制信號CT1藉由使電壓型PWM轉換器以第3模式動作，可對電壓為零的期間進行調整。
與第1模式及第2模式不同，在第3模式下負載電阻成為零。因此，根據第3模式的比率，表觀的負載電阻會發生變動。因此，導入下述式(11)所示的與電壓型PWM轉換器的佔空比dconv相應的表觀的負載電阻RLa。
[數6]R La =R L d conv …(11)
若將電壓型PWM逆變器的驅動角頻率設為ωin，則電壓型PWM轉換器的輸入電流的振幅Iconv以下述式(12)表示。
[數7]I conv =|G ioa (jω in )|V inv1…(12)
其中，傳遞函數Gioa是以表觀的負載電阻RLa替換等效負載電阻RL而成。此處，當平滑電容器Cs的一次滯後系統的時間常數相對於驅動頻率而充分滯後時，流入至平滑電容器Cs的電流icin可利用平均值進行處理。
此處，圖6(B)是將圖5(B)的半週期(0T~0.5T)放大且重疊表示流入至平滑電容器Cs的電流icin的平均值。僅在佔空比dconv的區間，即，僅在第1模式(或第2模式)下電流通過，因此流入至平滑電容器Cs的平均電流ICave以下述式(13)表示。
若使用式(10)及式(12)再次計算式(13)，便獲得下述式(14)。
因此，DC鏈電壓Vdc的恆定值成為下述式(15)。
此處，在式(15)的RL | Gioa(jωin)|一項中，因負載變動或線圈相對移位而動態變化的是等效負載電阻RL、電壓型 PWM轉換器的佔空比dconv及電力輸送部100的線圈的電感值Lm。因此，若將此項替換為K(RL，Lm，dconv)，便獲得下述式(16)。
在開關信號(第1控制信號CT1)的生成時，為了使電壓型PWM轉換器(車輪側轉換部8)的輸入中的位移因數為1，需要使載波信號(carrier signal)與轉換器輸入電流(電流iconv)同步。作為其方法，車輪側控制部13接收經車輪側電流檢測器15(參照圖1)檢測出的電流iconv。然後，如圖6(A)所示，只要車輪側控制部13以電流iconv為零交叉(zero cross)的時刻(timing)為基準而生成PWM載波(carrier)即可。另外，作為對電流iconv的零交叉點進行檢測的具體方法，車輪側控制部13對電流iconv的符號反轉進行檢測，將檢測出的符號反轉的時刻設為零交叉點即可。
接下來，以一次側與二次側的功能分擔為中心對DC鏈電壓Vdc的穩定化控制進行研究。如輪內馬達10般向電力變動的負載(電力變動負載)進行電力輸送時，需要瞬間供給負載所需的電力。此處，當作為負載包含電壓型逆變器時，藉由將DC鏈電壓Vdc保持固定，根據負載所需的電力，等效負載電阻RL會發生變化。因此，藉由以將DC鏈電壓Vdc保持固定的方式進行控制，可達成所需電力的供給。此處，在輪內馬達系統1中，如上所述， 既可控制電壓型PWM轉換器的佔空比，亦可控制電壓型PWM逆變器的佔空比。即，具有在一次側及二次側均可進行控制的2個控制自由度。然而，輪內馬達系統1是利用通信部110以無線通信進行一次側與二次側之間的資訊傳遞，故而會產生通信速度的限制、通信的延遲。因此，在輪內馬達系統1中，較佳為利用一次側的電壓型PWM逆變器進行前饋(feed-forward)控制，利用二次側的電壓型PWM轉換器對DC鏈電壓Vdc進行反饋(feedback)控制。
首先，對利用一次側的電壓型PWM逆變器的前饋控制進行說明。當利用無線通信可獲取馬達的角速度且馬達的扭矩響應相對於指令值而充分快時，由式(2)根據輪內馬達10的機械輸出功率P*m與DC鏈電壓的目標值V* dc而確定等效負載電阻R* L。實際上，需要考慮輪內馬達10、三相電壓型逆變器的效率特性，因此，較佳為預先準備等效負載電阻R* L相對於輪內馬達10的機械輸出功率P*m的映射(map)(表格(table))。此時，所述電感值Lm(互感)亦可使用標稱值(nominal value)。
此處，自一次側發送的電力P具有在二次側進行反饋控制的餘地。將二次側的電壓型PWM轉換器中進行操作的佔空比的標稱值(一次側的電壓型PWM逆變器的前饋控制為理想的情況的值)設為dconvn。此時，相對於DC鏈電壓的目標值V* dc的電壓型PWM逆變器的佔空比的指令值d* inv由式(16)如以下的式(17)般求出。
另一方面，二次側的電壓型PWM轉換器將平滑電容器Cs的動態作為受控體(plant)而對DC鏈電壓Vdc進行雙自由度控制。即，二次側的電壓型PWM轉換器使用式(9)所示的自流入至平滑電容器Cs的電流向DC鏈電壓Vdc的傳遞函數，對DC鏈電壓Vac進行雙自由度控制。此處，由於等效電路的過渡特性與平滑電容器Cs的響應相比充分快，因此可忽視電力輸送部100。此外，作為等效負載電阻RL，使用所述等效負載電阻R* L，所述電感值Lm使用標稱值。例如，車輪側控制部13的反饋控制器(controller)設為比例積分(Proportional Integral，PI)控制，極點配置於-p[rad/s]的重根。
另外，車輪側控制部13的前饋控制器利用反受控體與截止(cutoff)頻率ωc[rad/s]的低通濾波器(lowpass filter)且依照下述的式(21)。
車輪側控制部13的操作量是流入至平滑電容器Cs的平均電流I* Cave，佔空比的指令值d* conv由式(16)而成為下述的式(22)。
圖7(A)、圖7(B)是對以上所說明的DC鏈電壓Vdc的穩定化控制進行總結。圖7(A)表示一次側的控制，圖7(B)表示二次側的控制。首先，如圖7(A)般，車體側控制部14獲取輪內馬達10的機械輸出功率P*m、DC鏈電壓的目標值V* dc，基於式(2)與所述映射(表格)的至少一者而決定等效負載電阻R* L。然後，車體側控制部14依照式(17)求出電壓型PWM逆變 器的佔空比的指令值d* inv，進行PWM控制。此時，生成電壓vinv，於二次側流動電流iconv。
而且，如圖7(B)般，車輪側控制部13獲取DC鏈電壓的目標值V* dc，依照式(21)進行前饋控制，並且依照式(18)進行PI控制。然後，車輪側控制部13依照式(22)求出電壓型PWM轉換器的佔空比的指令值d* conv，進行PWM控制。而且，生成DC鏈電壓Vdc，並反饋該值。
(線圈的形狀與材質)
輪內馬達系統1的車體側線圈5、車輪側線圈6的種類並無特別限定，較佳為如下的形狀、材質。另外，以下，設為車體側線圈5、車輪側線圈6為相同的形狀、材質，將它們統一簡稱為線圈。
首先，線圈的形狀考慮有例如螺旋(helical)型或扁平(flat)型，由於送受電線圈的搭載空間如圖3般是有限的，故而較佳為小型(compact)且不易受到周圍物體的影響的扁平型。
另外，就耐熱性或降低集膚效應(skin effect)的觀點而言，認為線圈的線材適宜為例如李茲線(Litz wire)。此處，為了降低漏磁通，線圈較佳為插入鐵氧體(ferrite)。作為鐵氧體的配置，主要考慮有配置於線圈的前面的情況與配置於線圈的背面的情況。根據若干實驗，藉由將鐵氧體配置於線圈的背面，可提高電力P的發送效率。認為原因在於，當鐵氧體配置於線圈的背面時，可獲得大的互感。
如上所述，本實施方式的輪內馬達系統1包括電力輸送 部100，該電力輸送部100利用使用磁場的共振現象。電力輸送部100由於使用例如磁場共振耦合方式，故而與電磁感應方式相比可抗位置偏移。因此，即便產生車體側線圈5與車輪側線圈6的偏移，仍可穩定地驅動輪內馬達10。而且，由於包括利用使用磁場的共振現象的電力輸送部100，故而亦可自路面向車輪側進行電力P的無線發送(自路面進行供電)。
已基於各圖式及實施例對本發明進行了說明，但希望注意本領域技術人員可容易地基於本揭示進行各種變形或修正。因此，希望留意該些變形或修正包含於本發明的範圍內。
1‧‧‧輪內馬達系統
2‧‧‧電池
3‧‧‧車體側轉換部
4‧‧‧車體側共振電容器
5‧‧‧車體側線圈
6‧‧‧車輪側線圈
7‧‧‧車輪側共振電容器
8‧‧‧車輪側轉換部
9‧‧‧馬達用轉換部
10‧‧‧輪內馬達
11‧‧‧車輪側電容器
12‧‧‧電容器
13‧‧‧車輪側控制部
14‧‧‧車體側控制部
15‧‧‧車輪側電流檢測器
16‧‧‧電壓檢測器
17‧‧‧車輪側通信部
18‧‧‧車體側通信部
19‧‧‧車體側電流檢測器
100‧‧‧電力輸送部
110‧‧‧通信部
BD‧‧‧虛擬交界線
CT1‧‧‧第1控制信號
CT2‧‧‧第2控制信號
CTL‧‧‧控制信號
G1~G4、G11~G14‧‧‧開關
Ia1、Ia2‧‧‧電流
MRT‧‧‧信號
P‧‧‧電力
Va1‧‧‧第1交流電壓
Va2‧‧‧第2交流電壓
Vd1‧‧‧第1直流電壓
Vd2‧‧‧第2直流電壓

Claims (14)

  1. 一種輪內馬達系統，包括電力輸送部，所述電力輸送部利用使用磁場的共振現象，且所述電力輸送部將電力自車體無線發送至內置於車輪的輪內馬達。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的輪內馬達系統，包括通信部，所述通信部在所述車體與所述車輪之間進行通信，且所述通信部是就對所述輪內馬達進行驅動的控制信號進行無線通信。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的輪內馬達系統，包括：所述輪內馬達；馬達用轉換部，運行時將第1直流電壓轉換成對所述輪內馬達進行驅動的馬達用交流電壓；車輪側電容器，運行時使所述第1直流電壓平滑化；以及車輪側轉換部，運行時將來自車輪側線圈的第1交流電壓轉換成所述第1直流電壓；且所述電力輸送部包括：所述車輪側線圈，運行時在車輪側接收無線發送的電力；以及車輪側共振電容器，串聯插入至所述車輪側轉換部與所述車輪側線圈之間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的輪內馬達系統，包括車輪側 控制部，所述車輪側控制部利用第1控制信號對所述車輪側轉換部所包括的開關的切換進行控制，且所述車輪側控制部是以將所述第1直流電壓控制為固定的方式生成所述第1控制信號。
  5. 如申請專利範圍第4項所述的輪內馬達系統，其中所述車輪側控制部是以所述第1交流電壓與所述車輪側線圈的電流的位移因數成為1的方式生成所述第1控制信號。
  6. 如申請專利範圍第4項或第5項所述的輪內馬達系統，其中所述車輪側控制部是利用所述第1控制信號對所述第1交流電壓為零的期間進行調整。
  7. 如申請專利範圍第4項或第5項所述的輪內馬達系統，包括車輪側電流檢測器，所述車輪側電流檢測器對所述車輪側轉換部的電流進行檢測，且所述車輪側控制部是利用所述車輪側電流檢測器對所述車輪側線圈的電流的符號反轉進行檢測，根據檢測出的符號反轉的資訊而生成所述第1控制信號。
  8. 如申請專利範圍第4項或第5項所述的輪內馬達系統，包括電壓檢測器，所述電壓檢測器對所述第1直流電壓進行檢測，且所述車輪側控制部是根據所述電壓檢測器的檢測值與所述第1直流電壓的目標值的差分而生成所述第1控制信號。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的輪內馬達系統，其中所述車 輪側控制部是根據所述輪內馬達的轉數及扭矩指令值而生成所述第1控制信號。
  10. 如申請專利範圍第3項至第5項中任一項所述的輪內馬達系統，包括：車體側轉換部，運行時將來自電池的第2直流電壓轉換成第2交流電壓，並輸出至車體側線圈；以及所述電池；且所述電力輸送部包括：所述車體側線圈，運行時自所述車體無線發送電力；以及車體側共振電容器，串聯插入至所述車體側轉換部與所述車體側線圈之間。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的輪內馬達系統，包括車體側控制部，所述車體側控制部根據來自所述通信部的控制信號，利用第2控制信號對所述車體側轉換部所包括的開關的切換進行控制，且所述車體側控制部是以將所述第1直流電壓控制為固定的方式生成所述第2控制信號。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的輪內馬達系統，其中所述車體側控制部是根據所述輪內馬達的轉數及扭矩指令值而生成所述第2控制信號。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的輪內馬達系統，包括車體 側電流檢測器，所述車體側電流檢測器對所述車體側轉換部的電流進行檢測，且所述車體側控制部是根據所述車體側電流檢測器的檢測值與電流目標值的差分而生成所述第2控制信號，所述電流目標值是根據所述輪內馬達的轉數及扭矩指令值而得。
  14. 如申請專利範圍第10項所述的輪內馬達系統，其中在所述輪內馬達再生時，所述車輪側轉換部作為逆變器發揮功能，所述車體側轉換部作為轉換器發揮功能。
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