JP5076530B2 - 電力供給装置及び車両の駆動力制御装置 - Google Patents
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Description
この特許文献1では、電源として燃料電池とバッテリを備え、バッテリの残存容量が高い場合にはバッテリを電源とし、上記残存容量が低くなった場合には燃料電池を電源としてモータを駆動する。
本発明は、このような点に着目してなされたもので、発電機とバッテリの2種類の電源を持った電力供給装置について、発電機だけによる電力に切り替えても、安定した電力を負荷装置に供給可能とすることを課題としている。
少なくとも蓄電部を負荷装置に電気的に接続している状態から、上記負荷装置の要求電力が蓄電部の出力可能電力を越える若しくは越えるおそれがあると判定すると、発電機の出力電力を、上記要求電力を供給可能な状態に制御すると共に、蓄電部に流れる電流がゼロになったことを検出すると当該蓄電部を非接続状態に切り替えることを特徴としている。
例えば、車両の駆動力制御装置の電力供給装置として使用した場合には、電源切替の際にモータで駆動される車輪のトルク変動が無いか小さなものにすることが可能となる。
図1は、本発明の電力供給装置を備えた四輪駆動車両の概略構成図である。また図2は、そのモータ駆動制御に関するパワーエレクトロニクス部の構成図である。
(構成)
図1に示すように、本実施形態の車両は、左右前輪1L、1Rが、内燃機関であるエンジン2によって駆動される主駆動輪であり、左右後輪3L、3Rが、モータ4によって駆動可能な従駆動輪である。
上記発電機7は、4WD制御部20によって調整される界磁電流Ifgに応じてエンジン2に対し負荷となり、その負荷トルクに応じた発電をする。この発電機7の発電電力の大きさは、回転数Ngと界磁電流Ifgとの大きさにより決定される。図10に発電機7の界磁電流を変数とした出力特性を示す。図10は横軸が発電機7の電流を、縦軸が発電機電圧を示す。この図のように、発電機電流が増加すると発電機7の内部インピーダンス及び電気子反作用により発電機電圧が減少する。なお、発電機7の回転数Ngは、エンジン2の回転数Neからプーリ比に基づき演算することができる。
また、インバータ9には、発電機7と並列にバッテリ16が接続され、バッテリ16の電力が電源切替スイッチ17を介してインバータ9に供給可能となっている。バッテリ16とインバータ9との電気的な接続/非接続は、電源切替スイッチ17によって切り替えられる。電源切替スイッチ17は、4WD制御部20からの指令によって切替動作を行う。ここで、バッテリ16は、充放電可能な蓄電部を構成する。符号22は、バッテリ16を制御するバッテリ制御部を示す。
モータ4は、界磁巻線型同期モータであり、界磁巻線を有したロ一タと回転磁界を発生するための3相巻線が巻かれたステータを備える。モータ4はロータの界磁巻線に電流を流すことで発生する磁界とステータの3相巻線より発生する磁界との相互作用により回転運動する。また、ロータが外力により回転させられる場合には、これらの磁界の相互作用により3相巻線の両端に起電力を発生し発電動作する。すなわち、発電動作による回生電力をバッテリ16に供給することが可能である。本実施例では、モータ4として界磁巻線型同期モータを適用したが、ロ一タに永久磁石を有する永久磁石型同期モータや誘導モータを適用することも可能である。モータ4は、モータ制御部21によって指令値に制御される。
ジャンクションボックス10内には、インバータ9と発電機7とを接続・遮断するリレーが設けられている。そして、このリレーが接続されている状態では、発電機7から整流器12を介して供給された直流の電力は、インバータ9内で三相交流に変換されてモータ4に供給される。
また、上記バッテリ16の電圧を検出するバッテリ電圧Vbセンサ18及びバッテリ16の電流を検出するバッテリ電流Ibセンサ19を備え、そのセンサ18,19は、検出した信号を4WD制御部20に出力する。
また、各車輪1L、1R、3L、3Rには、車輪速センサが設けられている。各車輪速センサは、対応する車輪1L、1R、3L、3Rの回転速度に応じたパルス信号を車輪速検出値として4WD制御部20に出力する。
上記4WD制御部20は、図3に示すように、モータ指令演算部20A、要求電力演算部20B、モータ誘起電圧演算部20C、SW切替判断部20D、発電機制御部20E、及びクラッチ制御部20Fを備える。
ΔV=(Vfr+Vfl)/2−(Vrr−Vrl)/2
そして、前後回転差ΔVに基づいて、第1モータ駆動力演算部20Acで予め格納されたマップを参照し、第1モータ駆動力TΔVを算出して後述するセレクトハイ部20Aeに出力する。この第1モータ駆動力TΔVは、前後回転差ΔVが大きくなると共に比例的に大きく算出されるように設定されている。
第2モータ駆動力演算部20Adでは、第2モータ駆動力Tvを算出する。具体的には、車速演算部20Abから出力された車速Vとアクセル開度Accとに基づいて、予め格納されたマップを参照して、算出する。この第2モータ駆動力Tvは、アクセル開度Accが大きくなるほど大きく、車速Vが大きくなるほど小さく算出されるように設定されている。
そして、後輪速Vrl,Vrr、車速Vに基づいて、公知の方法により後輪トラクションコントロール制御を行って、モータ4のモータトルク指令値Ttを出力する。
Pm=Tt×Nm
さらに、モータ要求電力Pmに基づいて、次式をもとに発電機7が出力すべき発電機必要電力Pgを算出する。発電機必要電力Pgは、モータ・インバータの効率分だけ、モータ要求電力Pmより多く出力しなければならない。
Pg=Pm/Иm
ここで、Иmはモータ・インバータ効率である。モータ・インバータ効率Иmは、モータトルク指令値Ttとモータ回転数Nmに基づき、効率マップを使用して算出される。
ここで、バッテリ16は、図11に示すような特性を有している。図11は、横軸にバッテリ電流Ibを縦軸にバッテリ電圧Vbをとったものである。実線は、各SOCにおける等電力線であって、バッテリ電流Ibが増加するほどバッテリ16の内部インピーダンスによりバッテリ電圧Vbが減少する。また、SOCが大きいほど出力が大きくなる。そして、この図11に基づき上記バッテリSOCマップは設定される。
ステップS50では、モータ誘起電圧がバッテリ電圧Vbより大きいか否かを判定し、モータ誘起電圧の方が大きい場合にはステップS70に移行する。一方、バッテリ電圧Vbの方が大きい場合にはステップS60に移行する。
一方、ステップS70では、バッテリ電流Ibをモニタリングし、バッテリ電流Ibがゼロになったことを検出すると電源切替スイッチ17にオフ信号を出力する。すなわち、ステップS70にてバッテリ電流Ibがゼロか否か判定し、ゼロを検出するとステップS80にて電源切替スイッチ17にオフ信号を出力して処理を終了し、ゼロでない場合にはステップS70に戻ってステップS70の処理を繰り返す。
すなわち、要求電力演算部20Bで算出した要求電力Pmからバッテリ出力可能電力Pb(=バッテリ供給電力)を引いて発電機7で発電すべき電力を演算する。なお、要求電力Pmよりもバッテリ出力可能電力Pbの方が大きい場合には、発電機7で発電すべき電力をゼロとする。次に、発電機7で発電すべき電力を発電機電圧で除算することで発電機電流指令を算出する。このとき、発電機電圧が上限電圧(フェイル電圧)よりも大きい場合には、上限電圧に制限する。この上限電圧は、例えば60Vなどに設定され、インバータ素子の定格や、発電機7及びモータ4の設計から設定されている。
上記PI制御のゲインは、発電機7の回転数をパラメータとしたPゲインマップ及びIゲインマップを予め求めておき変化させる。また、FF(フィードフォワード)項は、発電機電流の上記電流差分と発電機7の回転数をパラメータとしたFFマップを予め求めておきPI出力値に加算する。
また、クラッチ制御部20Fは、図3のように、上記クラッチ12の状態を制御し、4輪駆動状態と判定している間はクラッチ12を接続状態に制御する。例えば、クラッチ制御部20Fは、下記のように制御する。
・4WDスイッチオン時に車両停止時はクラッチオン
・モータ目標トルクが0でない時はクラッチオン
・モータ目標トルクが0のときはクラッチオフ
・モータ4の回転数が許容回転数を越えた場合には保護の為、クラッチオフ
・4WDスイッチオフ時はクラッチオフ
上記構成の駆動力制御装置を備えた車両では、4WDスイッチがオフの状態では、エンジンで直接駆動される前輪(駆動輪)で車両は駆動される。この状態ではクラッチ12はオフの状態である。
次に、4WDスイッチがオン等によってクラッチ12が接続されている状態で、4輪駆動状態での作動について説明する。本発明は、この状態での処理である。
アクセル開度に応じてモータトルク指令値Ttが求められ、そのモータトルク指令値Ttと現在のモータ回転数Nmに基づき要求電力演算部20Bでモータ4の要求電力Pmが算出される。
このとき、モータ4の要求電力Pmよりもバッテリ16の出力可能電力Pbの方が大きく且つバッテリ電圧Vbがモータ誘起電圧よりも大きければバッテリ16の電力で要求電力Pmを供給可能であると判定されて、電源切替スイッチ17のオン状態が保持されて、バッテリ16のみからインバータ9に電力が供給される。
まず、時刻t1まで、要求電力Pmが小さく、バッテリ16だけで電力供給が可能な状態(要求電力Pmよりもバッテリ出力可能電力Pbの方が大きく、かつモータ誘起電圧よりもバッテリ電圧Vbが大きい状態)の動作点を図12におけるP1とする。このとき、発電機7は、発電していないため、電流及び電圧はゼロである。
更に、発電機7の界磁電流が上昇し、発電機7の電流及び電圧が上昇して、発電機7で要求電力Pmを発電した状態となる。
また、バッテリ16で不足する電力を発電機7で補完することで、要求電力Pmを確実に出力することが可能となる。
4 モータ(負荷装置)
7 発電機
9 インバータ
16 バッテリ
17 電源切替スイッチ
20 モータ指令演算部
20A モータ指令演算部
20B 要求電力演算部
20C モータ誘起電圧演算部
20D 切替判断部
20E 発電機制御部
20F クラッチ制御部
21 モータ制御部
Pb バッテリ出力可能電力
Pg 発電機必要電力
Pm モータ要求電力
Claims (5)
- 電力を供給する電力供給源として発電機と充放電可能な蓄電部とを有し、その電力供給源から負荷装置に電力を供給する電力供給装置であって、
負荷装置に対し発電機と並列に蓄電部が電気的に接続し、
負荷装置と蓄電部との電気的な接続及び非接続の切替を行う切替スイッチと、発電機の出力電力を制御する発電機制御部と、を備え、
負荷装置の要求電力が蓄電部の出力可能な電力以下の場合には、発電機および蓄電部のうち少なくとも蓄電部を負荷装置に対し電気的に接続して電力を供給し、上記要求電力が蓄電部の出力可能電力を越える若しくは越えるおそれがあると判定すると、発電機の出力電力を上記要求電力を供給可能な状態に制御し、蓄電部に流れる電流がゼロになったことを検出すると当該蓄電部を非接続状態に切り替えることを特徴とする電力供給装置。 - 上記負荷装置はモータを備え、
上記モータのモータ誘起電圧が、蓄電部の出力可能電力を越える若しくは越えるおそれがあると判定すると、発電機の出力電力を上記要求電力を供給可能な状態に制御し、蓄電部に流れる電流がゼロになったことを検出すると当該蓄電部を非接続状態に切り替えることを特徴とする請求項1に記載の電力供給装置。 - 上記発電機制御部は、負荷装置の要求電力と蓄電部の出力可能な電力とに基づき発電目標電力を設定し、その発電目標電力に発電機の出力を制御することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載した電力供給装置。
- 上記発電機制御部は、負荷装置の要求電力を蓄電部だけで供給できると判定すると発電機の発電を行わないことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載した電力供給装置。
- 主駆動輪を駆動する内燃機関と、従駆動輪を駆動可能なモータと、負荷装置としてのモータに電力を供給する電力供給装置と、を備える車両の駆動力制御装置であって、
上記電力供給装置を、上記請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載した電力供給装置で構成すると共に、発電機を内燃機関の駆動力で回転駆動することを特徴とする車両の駆動力制御装置。
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