(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電動機と、第二の電動機と、その二つの電動機の出力を結合して一つの負荷に供給する結合手段とを備えた駆動装置において、
前記二つの電動機はいずれも多相誘導電動機であり、この二つの電動機に共通に設けられた電池と、この電池と前記二つの電動機との間をそれぞれ結合する二つのインバータとを備え、
前記二つのインバータは、それぞれ前記電池と前記二つの電動機との間を電気エネルギが双方向に伝達される双方向形であり、
前記第一の電動機は短時間定格高出力用であり、前記第二の電動機は長時間定格小出力用であり、出力負荷の状態にしたがって前記二つの電動機の給電配分を制御する制御手段を備え、
前記制御手段は、前記結合手段出力の回転情報、前記二つの電動機のそれぞれの回転情報および前記二つの電動機の電流情報を入力とし、高速回転速度域では、前記第二の電動機のみを駆動させ、低速回転速度域では、前記第一の電動機を駆動させ、高速回転速度域から低速回転速度域および低速回転速度域から高速回転速度域へ移行したときに前記二つの電動機への電源供給を切替え、回転速度が低速回転域の所定の閾値を下回ったときには前記二つの電動機を同時に駆動させる制御を行うとともに、制動時に、前記高速回転速度域では、第二の電動機の磁界の回転速度を機械的回転速度より小さく制御し、低速回転速度域では、前記第一の電動機の磁界の回転速度を機械的回転速度より小さく制御して前記結合手段の出力側の機械エネルギを電気エネルギとして前記電池に回生するように制御する手段を含む
ことを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記二つの電動機と前記結合手段との間にそれぞれクラッチを備え、前記制御手段に前記給電配分に連動してこのクラッチを制御する手段を含む請求項１記載の駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、電気自動車用に開発された装置であるが、電動機出力を負荷とする装置に広く利用することができる。本発明は、出力負荷変動の大きい装置の駆動装置として利用する。本発明は、二つの電動機を組み合わせて、出力負荷の変動に合わせて多様な制御を行う駆動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用の動力機関は、自動車の発進時あるいは登坂時に大きい出力が必要である。このため、必要な最大負荷に合わせて機関の最大出力が決定される。電気自動車でもこれは同様である。最大出力を必要とする時間はきわめて限られた時間であるにもかかわらず、最大出力に合わせて大型の機関を搭載しなければならない。これは電気自動車でも同様である。電動機は内燃機関に比べて構造が簡単であることから、一つの自動車に二つの電動機を搭載することが可能である。
【０００３】
電気自動車に、特性の異なる二つの電動機を組み合わせて使用する技術は特開平６−１８９４１５号公報に開示されたものが知られている。この従来技術は、二つの電動機の機械出力を一つに結合して負荷に供給するとともに、負荷の状態に応じて二つの電動機の分担を変更する技術である。この公報には、二つの電動機の機械出力を結合して一つの負荷に供給する機械回路、二つの電動機の軸を直列に結合する機械回路、クラッチにより連結を断続する機構、自動車の駆動軸毎に複数電動機の駆動装置を設ける機構などが開示されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来例技術には、特性の異なる二つの電動機をどのように選択するか、二つの電動機に対する負荷分担をどのように制御するか、特に、二つの電動機が自動車に搭載されたときに、自動車の走行に応じてどのように制御するかなどの開示がない。また、二つの電動機が自動車に搭載されたときに、この電動機を一時的に発電機として利用し、制動により発生する電気エネルギを回生するための技術については開示がない。
【０００５】
一方、本願出願人は、ＨＩＭＲの名称で内燃機関および電動機を組み合わせたハイブリッド自動車を製造販売し、内燃機関と電動機との負荷分担の制御、電動機を一時的に発電機として制御し、制動により生じたエネルギを電気エネルギとして回生する高い技術を有する。
【０００６】
本発明は、このうような背景に行われたものであって、二つの電動機を一つの負荷に結合するとき、特に二つの電動機を一つの自動車に搭載して負荷を分担させるときの合理的な電動機の仕様を提供することを目的とする。本発明は、二つの電動機の出力が一つの負荷に結合されているときに、運転中に円滑かつ合理的に負荷分担を変更する制御装置を提供することを目的とする。本発明は、二つの電動機が一つの自動車に搭載されているとき、その電動機を一時的に発電機として利用し、制動を行うとともに、制動により生じた電気エネルギを電池に回生するための装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、二つの電動機が一つの自動車に搭載された電気自動車の加速、制動および制動により生じた電気エネルギの回生を含む多様な制御を出力負荷の変動に応じて適切に行うことを特徴とする。
【０００８】
すなわち、本発明は、第一の電動機と、第二の電動機と、その二つの電動機の出力を結合して一つの負荷に供給する結合手段とを備えた駆動装置において、前記第一の電動機は短時間定格高出力用であり、前記第二の電動機は長時間定格小出力用であり、出力負荷の状態にしたがって前記二つの電動機の給電配分を制御する制御手段を備えたことを特徴とする。
【０００９】
前記二つの電動機はいずれも多相誘導電動機であり、この二つの電動機に共通に設けられた電池と、この電池と前記二つの電動機との間をそれぞれ結合する二つのインバータとを備え、前記制御手段は、前記結合手段出力の回転情報、前記二つの電動機のそれぞれの回転情報および前記二つの電動機の電流情報を入力として、前記二つの電動機に供給する交流の周波数を制御する手段を含むことが望ましい。
【００１０】
さらに、前記二つのインバータは、それぞれ前記電池と前記二つの電動機との間を電気エネルギが双方向に伝達される双方向形であり、前記制御手段は、前記二つの電動機の少なくとも一方について磁界の回転速度を機械的回転速度より小さく制御することにより前記結合手段の出力側の機械エネルギを電気エネルギとして前記電池に回生するように制御する手段と、前記二つの電動機の温度を入力する手段とを含み、前記二つの電動機と前記結合手段との間にそれぞれクラッチを備え、前記制御手段に前記給電配分に連動してこのクラッチを制御する手段を含むことが望ましい。
【００１１】
本発明では、第一の電動機を短時間定格高出力用とし、第二の電動機を長時間定格小出力用とすることにより、電動機全体を小型化することができる。特に、一つの自動車にこのような短時間定格高出力用電動機、および長時間定格小出力用電動機を搭載することにより、電動機全体の重量を小さくすることができる。すなわち、通常の自動車の走行状態では、大部分の時間は定常走行状態にあり、このときに必要な出力は最大定格の５〜２０％程度である。一方、発進および加速を必要とする時間は、一般にきわめて短い時間であり、全体の機関運転時間の１０％以下とすることができる。したがって、二つの電動機を組み合わせて利用するならば、長時間定格の電動機はきわめて小さい出力のもので十分である。また高出力の電動機は短時間定格のもので十分である。
【００１２】
一方、電気自動車用の電動機は回転速度のレンジが広いことが必要である。一般に交流電動機は有効なエネルギを取り出すことができる回転速度のレンジが狭い。しかし、三相誘導電動機を利用し、電池から得られる直流エネルギをインバータにより三相交流に変換して、これを三相誘導電動機に供給することにより、広い回転速度のレンジで高い能率で電動機を動作させることができる。すなわち、インバータの変換周波数をコンピュータ制御してその三相交流周波数を電動機の回転速度の近辺に合わせて、スリップ率を制御することにより効率的な制御を行うことができる。
【００１３】
すなわち、電機子の機械的な回転速度をω０  、電動機の電磁的な回転速度をω１  とするとき、スリップ率ｓは、
ｓ＝（ω１  −ω０  ）／ω１  
であり、スリップ率ｓを正とするとき三相誘導機は電動機として作用し、負とするとき三相誘導機は発電機として作用する。一般にスリップ率ｓの値は数％であるときに出力を高い能率で利用することができる。
【００１４】
したがって、電動機の機械的な回転速度ω０  を回転センサにより検出し、この回転センサの出力を基準に、電磁的な回転速度ω１  の制御を行うことにより、回転速度の広いレンジで電動機出力を高い能率で取り出すことができる。また、機械的な回転速度ω０  の情報にしたがってスリップ率を制御することにより、加速、減速あるいは巡行速度の制御を行うことができる。さらに、スリップ率の符号を制御することにより発電機として作用させ、回生制動を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
【００１６】
【実施例】
次に、本発明実施例を図面に基づいて説明する。図１は本発明実施例の要部の構成を示す図である。
【００１７】
本発明実施例は、第一の電動機１と、第二の電動機２と、この第一の電動機１および第二の電動機２の出力を結合して一つの負荷に供給する結合手段３とが備えられ、第一の電動機１は短時間定格高出力用であり、第二の電動機２は長時間定格小出力用であり、さらに、出力負荷の状態にしたがって第一の電動機１および第二の電動機２の給電配分を制御する制御手段４が備えられる。
【００１８】
第一の電動機１および第二の電動機２にはいずれも多相（三相）誘導電動機が用いられ、この第一の電動機１および第二の電動機２に共通に設けられた直流の高圧電池（３００Ｖ）５と、この高圧電池５と第一の電動機１および第二の電動機２との間をそれぞれ結合する第一のインバータ１１および第二のインバータ１２とが備えられる。制御手段４には、結合手段３の出力の回転情報、第一の電動機１および第二の電動機２のそれぞれの回転情報および第一の電動機１と第二の電動機２との電流情報を入力として、第一の電動機１および第二の電動機２に供給する交流の周波数（電動機の電磁的な回転速度）を制御する手段が含まれる。
【００１９】
ここで、第一の電動機１および第二の電動機２は三相誘導電動機を用いる例を示すが、これらは誘導電動機にかぎらず、広く交流電動機を用いて本発明を実施することができる。
【００２０】
第一のインバータ１１および第二のインバータ１２は、それぞれ高圧電池５と第一の電動機１および第二の電動機２との間を電気エネルギが双方向に伝達される双方向形であり、制御手段４には、第一の電動機１および第二の電動機２の少なくとも一方について磁界の回転速度を機械的回転速度より小さく制御することにより結合手段３の出力側の機械エネルギを電気エネルギとして高圧電池５に回生するように制御する手段と、第一の電動機１および第二の電動機２それぞれに備えられた温度センサ６および７からの出力を入力する手段とが含まれる。
【００２１】
さらに、第一の電動機１および第二の電動機２と結合手段３との間にそれぞれ第一のクラッチ２１および第二のクラッチ２２が備えられ、第一のクラッチ２１と結合手段３とは第一の動力軸２３により結合され、第二のクラッチ２２と結合手段３とは第二の動力軸２４により結合される。制御手段４には、第一の電動機１および第二の電動機２への給電配分に連動してこの第一のクラッチ２１および第二のクラッチ２２を制御する手段が含まれる。
【００２２】
結合手段３には、差動装置３０を介して駆動輪３１に第一の電動機１および第二の電動機２の出力を供給する出力軸３２が直結され、駆動輪３１にはそれぞれ車輪回転速度センサ１３が備えられる。
【００２３】
第一の電動機１および第二の電動機２には回転速度センサ８および９が備えられ、第一のクラッチ２１および第二のクラッチ２２にはクラッチの接断動作を行うクラッチ・アクチュエータ１４および１５が備えられる。また、出力軸３２には車速センサ１６が備えられる。
【００２４】
高圧電池５には、充放電電流を検出する電流センサ１７と、第一のインバータ１１および第二のインバータ１２の出力電圧を検出する電圧検出回路１８とが備えられる。
【００２５】
図２は本発明実施例における結合手段の内部構造の一例を示す図である。結合手段３には、第一のクラッチ２１を介して第一の電動機１の動力を伝達する第一の動力軸２３に直結された第一の動力軸側かさ歯車３３と、この第一の動力軸側かさ歯車３３に歯合された第一の動力軸側中間かさ歯車３４と、この第一の動力軸側中間かさ歯車３４に直結された第一の出力軸側中間かさ歯車３５と、出力軸３２に直結されこの第一の出力軸側中間かさ歯車３５に歯合された主かさ歯車３６と、第二のクラッチ２２を介して第二の電動機２の動力を伝達する第二の動力軸２４に直結された第二の動力軸側かさ歯車３７と、この第二の動力軸側かさ歯車３７に歯合された第二の動力軸側中間かさ歯車３８と、この第二の動力軸側中間かさ歯車３８に直結され主かさ歯車３６に歯合された第二の出力軸側中間かさ歯車３９とが備えられる。
【００２６】
図３は本発明実施例における第一の電動機および第二の電動機の出力特性の一例を示す図である。横軸は電動機の回転速度（Ｎ）であり、縦軸はこの回転速度（Ｎ）に対する電動機のトルク（Ｔ）である。図中実線は短時間定格高出力用の第一の電動機１の出力特性であり、破線は長時間定格小出力用の第二の電動機２の出力特性である。回転速度の低速域および高速域を区分する境界値をＮ１  とし、この回転速度Ｎ１  を下回る領域が低回転速度域であり、回転速度Ｎ１  を越える領域が高回転速度域である。
【００２７】
ここで、本発明実施例の動作について説明する。制御手段４は図外の操作スイッチから発進操作を受けると、第一のインバータ１１を制御して高圧電池５に蓄積された直流エネルギを三相交流に変換し、この交流エネルギを第一の電動機１に供給する。第一の電動機１はこの交流エネルギの供給により電動機として回転駆動する。
【００２８】
電機子の機械的な回転速度をω０  、電動機の電磁的な回転速度をω１  とすると、スリップ率ｓは、
ｓ＝（ω１  −ω０  ）／ω１  
により求められる。制御手段４が回転速度センサ８の出力を取込み、ω１  ＞ω０  になるように制御し、スリップ率ｓを正にすることによって電動機として回転駆動することができる。
【００２９】
制御手段４は、この第一の電動機１の回転駆動にともなって、クラッチ・アクチュエータ１４に制御信号を送出し、第一のクラッチ２１を接状態にする。これにより、第一の電動機１の駆動力は第一の動力軸２３から結合手段３に伝達される。
【００３０】
結合手段３では、第一の動力軸２３からの駆動力を第一の動力軸側かさ歯車３３が第一の動力軸側中間かさ歯車３４に伝達する。この第一の動力軸側中間かさ歯車３４は第一の出力軸側中間かさ歯車３５に直結されているので、第一の出力軸側中間かさ歯車３５および第一の動力軸側中間かさ歯車３４に伝達された駆動力は主かさ歯車３６に伝達され出力軸３２が回転駆動される。出力軸３２に伝達された駆動力は差動装置３０を介して駆動輪３１に伝達される。
【００３１】
このとき、制御手段４は、第二のインバータ１２から第二の電動機２への電源供給を停止し、かつ第二のクラッチ２２を断状態にする。これにより、主かさ歯車３６の回転によって第二の出力軸側中間かさ歯車３９、第二の動力軸側中間かさ歯車３８および第二の動力軸側かさ歯車３７は空転状態となり出力軸３２には影響を与えない。
【００３２】
このようにして発進が行われ車両が走行状態にあるときに、図外の操作手段（例えばアクセル・ペダル）が操作され加速が指示されると、制御手段４は、第一の電動機１に備えられた回転速度センサ８の出力を取込み、その回転速度が図３に示すＮ１  を越えて高回転速度域に達していれば、第一のインバータ１１を制御して高圧電池５から第一の電動機１への電源供給を遮断するとともに、クラッチ・アクチュエータ１４に制御信号を送出して第一のクラッチ２１を断状態にする。
【００３３】
同時に、制御手段４は、第二のインバータ１２を制御して、高圧電池５に蓄積された直流エネルギを交流エネルギに変換し、この交流エネルギを第二の電動機２に供給する。これにより、第二の電動機２は電動機として回転駆動する。この第二の電動機２も第一の電動機１同様に電機子の機械的な回転速度ω０  と電動機の電磁的な回転速度ω１  とのスリップ率ｓが正に制御されることによって電動機として回転駆動する。
【００３４】
第二の電動機２の駆動力は第二のクラッチ２２を介して第二の動力軸２４に直結された第二の動力軸側かさ歯車３７に伝達され、次いで、この第二の動力軸側かさ歯車３７に歯合された第二の動力軸側中間かさ歯車３８に伝達される。第二の動力軸側中間かさ歯車３８と第二の出力軸側中間かさ歯車３９とは直結されているので、伝達された第二の電動機２の駆動力は第二の出力軸側中間かさ歯車３９に歯合された主かさ歯車３６に伝達され、出力軸３２が回転駆動される。出力軸３２に伝達された駆動力は差動装置３０を介して駆動輪３１に伝達される。
【００３５】
第二の電動機２による駆動力の伝達時には、第一の電動機１への電源供給が遮断され、かつ第一のクラッチ２１が断状態にあるので、主かさ歯車３６の回転によって第一の出力軸側中間かさ歯車３５、第一の動力軸側中間かさ歯車３４および第一の動力軸側かさ歯車３３は空転状態となり出力軸３２には影響を与えない。
【００３６】
制御手段４は、回転速度センサ８および９の出力、車速センサ１６の出力を取込み、車両が低回転速度域で走行しているか、あるいは高回転速度域で走行しているかを監視する。登り坂にかかり負荷が増加し、高回転速度域から低回転速度域に移行したときには、第二のインバータ１２から第二の電動機２への電源供給を停止するとともに、第二のクラッチ２２を断状態にし、同時に、第一のインバータ１１から第一の電動機１への電源供給を開始するとともに、第一のクラッチ２１を接状態にする。
【００３７】
この切り替えにより、図３に示すように、低回転速度域で出力トルクの大きい第一の電動機１による駆動が行われて車両の走行が維持される。さらに大きな駆動力を必要とする場合には、第一のインバータ１１および第二のインバータ１２を制御して、第一の電動機１および第二の電動機２に電源を供給し出力軸３２に同時に駆動力を与える。この制御は、低回転速度域に閾値を設定し、この閾値を下回った場合に同時駆動するようにプログラムしておくことにより行うことができる。
【００３８】
制御手段４は、車両が高回転速度域で第二の電動機２により走行している状態で、図外の制動手段（例えば電気ブレーキスイッチ）が操作され減速のための制動が行われたときには、第二のインバータ１２を制御して第二の電動機２の電機子の機械的回転速度ω０  よりも電磁的な回転速度ω１  を大きくし、スリップ率を負にして発電機として作用させる。これにより、電気的制動が行われ車両は減速する。この電気的制動により発生した交流エネルギは第二のインバータ１２により直流エネルギに変換され高圧電池５に回生される。
【００３９】
車両が低回転速度域で第一の電動機１により走行している状態で制動操作が行われた場合も、制御手段４は、同様に、第一のインバータを制御して第一の電動機１の電機子の機械的回転速度ω０  よりも電磁的な回転速度ω１  を大きくし、スリップ率を負にして発電機として作用させ、電気的制動により車両を減速させる。この電気的制動により発生した交流エネルギは第一のインバータ１１により直流エネルギに変換され高圧電池５に回生される。
【００４０】
また、制御手段４は、第一の電動機１および第二の電動機２の温度センサ６および７の出力を取込み温度上昇を監視する。温度が所定値を越えて上昇したときには図外の警報手段から警報を発生し処置を促す。
【００４１】
このように、第一の電動機１および第二の電動機２に三相誘導電動機を用い、第一の電動機１を短時間定格高出力用とし、第二の電動機２を長時間定格小出力用とすることにより、回転速度のレンジが拡大され、車両を効率よくかつ経済的に運行することを実現することができる。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、二つの電動機の出力が一つの負荷に結合されているときに、運転中の負荷分担を円滑かつ合理的に変更することができ、かつ制動時に発生する電気エネルギを効率的に電池に回生することができる。さらに、電動機全体を小型化することができ、これにより、重量を小さくすることが可能となり、車両を経済的に運行することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施例の要部の構成を示す図。
【図２】本発明実施例における結合手段の内部構造の一例を示す図。
【図３】本発明実施例における第一の電動機および第二の電動機の出力特性の一例を示す図。
【符号の説明】
１  第一の電動機
２  第二の電動機
３  結合手段
４  制御手段
５  高圧電池
６、７  温度センサ
８、９  回転速度センサ
１１  第一のインバータ
１２  第二のインバータ
１３  車輪回転速度センサ
１４、１５  クラッチ・アクチュエータ
１６  車速センサ
１７  電流センサ
１８  電圧検出回路
２１  第一のクラッチ
２２  第二のクラッチ
２３  第一の動力軸
２４  第二の動力軸
３０  差動装置
３１  駆動輪
３２  出力軸
３３  第一の動力軸側かさ歯車
３４  第一の動力軸側中間かさ歯車
３５  第一の出力軸側中間かさ歯車
３６  主かさ歯車
３７  第二の動力軸側かさ歯車
３８  第二の動力軸側中間かさ歯車
３９  第二の出力軸側中間かさ歯車
【図１】
0003544116.tif 000002
【図２】
0003544116.tif 000003
【図３】
0003544116.tif 000004