(57)【要約】      （修正有）【課題】二次電池と、電気二重層キャパシタ等の電圧可変形エネルギー貯蔵素子とを併用したモータ駆動システムにおいて、電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電力授受が無いとき、または、その量が少ないときに電力変換器（DC/DCコンバータ）を停止させることで損失を低減し、運転効率の向上を図る。【解決手段】エネルギー貯蔵素子の電流を検出する手段と、エネルギー貯蔵素子の電流指令値を生成する手段と、あらかじめ設定したエネルギー貯蔵素子の電流指令値範囲を記憶する手段と、前記エネルギー貯蔵素子の電流指令値が前記電流指令値範囲にある場合に前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧を昇降圧する装置を停止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の電源として二次電池と第二の電源として電圧可変形エネルギー貯蔵素子とし、一方を前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子出力と、他方を前記モータ駆動用インバータの直流母線に接続した前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧を昇降圧する装置を有したモータ駆動システムにおいて、
エネルギー貯蔵素子の電流を検出する手段と、エネルギー貯蔵素子の電流指令値を生成する手段と、あらかじめ設定したエネルギー貯蔵素子の電流指令値範囲を記憶する手段と、前記エネルギー貯蔵素子の電流指令値が前記電流指令値範囲にある場合に前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧を昇降圧する装置を停止する手段と、
を有するモータ駆動システム。
【請求項２】
請求項１に記載のモータ駆動システムにおいて、
モータ速度とその変化率を検出する手段と、前記モータ速度とその変化率からエネルギー貯蔵素子の電流指令値を演算する手段と、あらかじめ設定したエネルギー貯蔵素子の電流指令値範囲を記憶する手段と、前記電流指令値が前記電流指令値範囲にある場合に前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧を昇降圧する装置を停止する手段と、
を有するモータ駆動システム。
【請求項３】
請求項１に記載のモータ駆動システムにおいて、
モータの出力を演算する手段と、あらかじめ設定したモータ出力範囲を記憶する手段と、モータの出力が前記モータ出力範囲にある場合に前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧を昇降圧する装置を停止する手段と、を有するモータ駆動システム。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れかに記載のモータ駆動システムにおいて、電圧可変形エネルギー貯蔵素子が電気二重層キャパシタまたは電気化学キャパシタであることを特徴とするモータ駆動システム。
【請求項５】
請求項１ないし４に記載したモータ駆動システムを搭載したことを特徴とする電動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源として二次電池と電圧可変形エネルギー貯蔵素子、例えば、電気二重層キャパシタ）を併用したモータ駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
モータ駆動装置において、回生時のエネルギーを効率よく回収するため、電源として充放電特性に優れた電圧可変形エネルギー貯蔵素子と、充放電における効率は劣るが安定的に電源を供給する鉛蓄電池等を組み合わせたモータ駆動装置が知られている。
【０００３】
この狙いを下記に示す。
一般的に、鉛蓄電池のような二次電池より電気二重層キャパシタのような電圧可変形エネルギー貯蔵素子の方が内部抵抗が小さく、特に、鉛蓄電池は充電時の内部抵抗が比較的大きいことが知られている。数１に示すように電源のエネルギー損失は電流の２乗、内部抵抗と充放電時間の積で決まる。したがって、モータ駆動装置の電源として二次電池と電圧可変形エネルギー貯蔵素子を併用したシステムとし、大電流を必要とする加速時、あるいは減速時に、内部抵抗が小さい電圧可変形エネルギー貯蔵素子からも授受させることにより、電源効率を高めることができる。また、二次電池の充放電量が減少するので、二次電池の寿命向上も期待できる。
【０００４】
【数１】
2011066972.tif 000003
ここで、電源の内部抵抗をR，充放電電流をi，充放電時間をT，充放電時の二次電池発生損失をElossとする。
電圧可変形エネルギー貯蔵素子（以下，キャパシタと呼ぶ）と鉛蓄電池等を組み合わせたモータ駆動装置の構成として、特許文献１の図１に示すような構成がある。構成は単純であるが、キャパシタの電圧が二次電池の端子電圧で決まってしまうため、静電蓄積エネルギーの利用率が悪く必要な静電容量が大きくなり、コストが上昇する。
【０００５】
一方、特許文献２の図３のような構成とした場合、キャパシタ電圧を電力変換器（DC/DCコンバータ）により可変できるので、静電蓄積エネルギーの利用率が良く、必要とする静電容量が少なくてよいので、高価であるキャパシタのコストを低減でき、体積も小さくなる利点がある。
しかしながら、この電力変換器（DC/DCコンバータ）にて発生する損失により、駆動システムのエネルギー効率が低下する問題がある。
キャパシタの電力授受が無いときまたは、その量が少ないときにキャパシタが接続された電力変換器（以下，コンバータと呼ぶ）を停止させることができればよいのであるが、ここで、電力の授受に関与しないコンバータを停止するシステムとして特許文献３がある。
二次電池と併用し、加速時や減速時（大電流要求時）のみキャパシタ電力を充放電することで二次電池をアシストする場合において、特許文献３で適用されているように、キャパシタの電圧値があらかじめ設定した範囲でコンバータの運転停止を行うようにすると、コンバータの運転停止のタイミングを適切に判断できないという問題がある。この問題点を以下にて説明する。
図１０に電源として二次電池とキャパシタを併用した駆動システムを搭載した電気車両を示す。このシステムの概略動作波形を図１１に示す。すなわち、大電流が必要な加速時には二次電池とキャパシタの両方から電流を供給する。大電流を必要としない一定速時には二次電池のみから電流を供給する。回生電流が生じる減速時はキャパシタのみで回生電流を吸収する。
このような動作をさせた場合、キャパシタ電圧に着目すると、キャパシタとインバータとの間に電力の授受がある加速、減速時に電圧が変わり、電力の授受の無い一定速時は変化が無い。この電力の授受の無い一定速時のキャパシタ電圧をVcsとおく。このVcsは、モータ運転速度が高速なほど加速エネルギーとしてキャパシタが放電するエネルギー量が大きくなるので大きく低下し、モータ運転速度が低速なほど同エネルギー量が小さくなるので低下が少ない。すなわち、キャパシタ電圧範囲とキャパシタの電力授受が行われているかどうかは、無関係であることがわかる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３５９２４４号公報
【特許文献２】特許第３８７４３４４号公報
【特許文献３】特許第４１９２６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、キャパシタ電圧を可変する電力変換器（コンバータ）の損失を低減させ、エネルギー利用効率の優れたモータ駆動装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明では、
第一の電源として二次電池と第二の電源として電圧可変形エネルギー貯蔵素子とし、一方を前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子出力と、他方を前記モータ駆動用インバータの直流母線に接続した前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧を昇降圧する装置を有したモータ駆動システムにおいて、
エネルギー貯蔵素子の電流を検出する手段と、エネルギー貯蔵素子の電流指令値を生成する手段と、あらかじめ設定したエネルギー貯蔵素子の電流指令値範囲を記憶する手段と、前記エネルギー貯蔵素子の電流指令値が前記電流指令値範囲にある場合に前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧を昇降圧する装置を停止する手段と、
を有する。
【０００９】
また、請求項２に係る発明では、
請求項１に記載のモータ駆動システムにおいて、
モータ速度とその変化率を検出する手段と、前記モータ速度とその変化率からエネルギー貯蔵素子の電流指令値を演算する手段と、あらかじめ設定したエネルギー貯蔵素子の電流指令値範囲を記憶する手段と、前記電流指令値が前記電流指令値範囲にある場合に前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧を昇降圧する装置を停止する手段と、を有する。
また、請求項３に係る発明では、
請求項１に記載のモータ駆動システムにおいて、
モータの出力を演算する手段と、あらかじめ設定したモータ出力範囲を記憶する手段と、モータの出力が前記モータ出力範囲にある場合に前記電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電圧を昇降圧する装置を停止する手段と、を有する。
また、請求項４に係る発明では、
請求項１ないし３の何れかに記載のモータ駆動システムにおいて、電圧可変形エネルギー貯蔵素子が電気二重層キャパシタまたは電気化学キャパシタであることを特徴とする。
また、請求項５に係る発明では、
請求項１ないし４に記載したモータ駆動システムを電動車両に搭載したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、電源として二次電池と電圧可変形エネルギー貯蔵素子を併用した駆動システムにおいて、電圧可変形エネルギー貯蔵素子の電力授受が無いとき、または、その量が少ないときに電力変換器（DC/DCコンバータ）を停止させることで損失が低減でき、運転効率の向上が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明による実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明による実施形態を示す構成図である。
【図３】本発明による実施形態を示す構成図である。
【図４】本発明による実施形態を示す構成図である。
【図５】本発明による実施形態を示す構成図である。
【図６】本発明による実施形態を示す構成図である。
【図７】本発明による実施形態を示す構成図である。
【図８】本発明による実施形態を示す構成図である。
【図９】本発明による実施形態を示す構成図である。
【図１０】従来技術を示す構成図である。
【図１１】従来技術を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１に請求項１、４、５に該当する第１の実施形態を示す。
本実施形態は、当該モータ駆動システムが搭載された車両駆動装置を想定している。外部より加速指令値、制動指令値を入力し、これら指令値をもとにモータの発生するトルクを制御する。モータ電流を制御する電力変換回路は第一の電源と，第二の電源を入力とする電流可逆型コンバータ（以下コンバータと呼ぶ）の出力がそれぞれ直流母線に接続された三相インバータから成る。永久磁石モータは減速ギアを介しデファレンシャルギアに接続され、左右の車輪に動力を与える車両駆動装置を構成する。三相インバータは図２に示すようなダイオードが逆並列接続された自己消弧形半導体素子から構成され、後述の制御回路によりゲート信号が与えられる。電流可逆型コンバータは、図３に示すようなダイオードが逆並列接続された自己消弧形半導体素子とリアクトルから構成され、三相インバータと同様に、後述の制御回路によりゲート信号が与えられる。電源は本実施例において、第一の電源として鉛蓄電池、第二の電源として電気二重層キャパシタ（以下単にキャパシタと呼ぶ）を使用する。制御回路は記憶機能を有したマイクロプロセッサと外部と信号を入出力するためのインターフェース回路から構成されている。
【００１３】
図４に制御回路内部ブロック図を示す。この制御回路は大きく分けて２つの制御を行う。
１つ目は、図４のインバータ（モータ制御）制御部に示したように、入力された加速指令値および制動指令値にもとづき、三相インバータにゲート信号を与え、モータ電流を制御し、永久磁石モータのトルク制御を行う。その手法は広く一般に用いられており説明を省略する。また、磁極位置検出値θを時間微分することでモータ速度を演算し、この結果を次に示すコンバータ制御部１、コンバータ制御部２へ送る。
２つ目は、コンバータの制御である。この制御はさらに２つに分かれる。
一方は、キャパシタが接続されているコンバータとインバータの直流母線との電力を授受する制御（コンバータ制御部１）と、他方は本請求項１に該当するこのコンバータの運転停止制御（コンバータ制御部２）である。
まず、コンバータ制御部１の説明を行う。
この制御ブロックは、入力されたモータ回転数をもとに目標とするキャパシタ電圧を演算し，その結果を指令値としPI制御を行い，コンバータを制御しキャパシタ電圧を制御し，キャパシタと直流母線との間で電力の授受を調整する。以下，これらを詳細に説明する。
【００１４】
まず、モータ回転数をもとに目標とするキャパシタ電圧を演算する方法を説明する。
あらかじめ設定したキャパシタの最大電圧（充電終止電圧）をVcMAX、最小電圧（放電終止電圧）をVcMINとし、想定するモータの最大速度(nmax)において、減速時車両運動エネルギーを回生エネルギーとして全てキャパシタで吸収する前提とすると、キャパシタ蓄積エネルギーと車両運動エネルギーの間には数２が成立する。この数２の左辺がキャパシタ蓄積エネルギー、同式右辺が車両の運動エネルギーである。
【００１５】
【数２】
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任意の速度ｎのときのキャパシタ電圧Vcは，数２でVcminをVcに，nmaxをnに置き換えて数３とし、この数３をVcについて整理することにより、数４となる。
【００１６】
【数３】
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【００１７】
【数４】
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この数４を使い（左辺のVcをVc*とする）、モータ回転数をもとに目標とするキャパシタ指令電圧Vc*を演算する。この演算結果にもとづいてキャパシタ電圧を制御すると、加速中はVc*を減少させる方向すなわち放電が行われ、二次電池の放電電流を低減させることになる。一方、減速中はVc*を増加させる方向すなわち充電が行われ、回生エネルギーをキャパシタに貯蔵することになる。特に、速度ｎが一定の場合Vc*は一定に保たれ電力の授受は行われないことになる。上記のようにVcが制御されることにより図１１に示すように、加速、減速時のみキャパシタの充放電が起こり、キャパシタと直流母線との間で電力の授受が行われる。
ここで、数４右辺のｎを零とおけばモータ速度ｎが最小（零）のとき、キャパシタ電圧Vcは最大（Vcmax）となる。また、数４右辺のnをnmaxに変え、数２の右辺を消去するようにこの数４に代入すると、キャパシタ電圧Vcはモータ速度ｎが最大（ｎmax）のとき最小（Vcmin）となることがわかる。これは，モータ速度ｎが最小（零）のとき加速による電力消費に備えキャパシタ貯蔵エネルギーを最大にし、モータ速度ｎが最大（ｎmax）のとき減速による回生電力貯蔵に備え、キャパシタ貯蔵エネルギーを最小することを意味する。
このようにして得たキャパシタ指令電圧Vc*となるように、キャパシタ電圧を制御するブロックを図５に示す。
指令電圧Vc*に対しキャパシタ電圧検出手段によって得たキャパシタ電圧をフィードバック量とし、PI制御を構成することでその出力はキャパシタ電流指令値Ic*となる。次に、このキャパシタ電流指令値Ic*に対しキャパシタ電流検出手段によって得たキャパシタ電流をフィードバック量とし，PI制御を構成する。その出力量をPWM変調して得られたゲート信号でコンバータを構成する自己消弧形半導体素子を駆動させることにより、目標とするキャパシタ電流に制御できる。
以上により、入力されたモータ回転数をもとに目標とするキャパシタ電圧を演算し、その目標とするキャパシタ電圧に制御できる。
次に、本請求項１に該当するこのコンバータの運転停止制御（コンバータ制御部２）の説明を行う。
この制御ブロックは、上記コンバータ制御部１で演算されたキャパシタ電流指令値であるIc*の演算結果をもとに、このIc*があらかじめ設定した範囲内にあるときはコンバータのゲートを停止させ、コンバータを停止させる。一方、このIc*があらかじめ設定した範囲外であるときはコンバータのゲートを動作させ、コンバータを動作させ、コンバータ制御部１に従いキャパシタを充放電させる。このあらかじめ設定した範囲とは、図６に示すように零を中心とした範囲であり、この範囲は二次電池とキャパシタ併用効果とコンバータの損失を勘案し決定する。
このようにキャパシタ流出入電流が零または、二次電池とキャパシタの併用効果の薄いキャパシタ電流が低いときコンバータを停止させることができ、コンバータの損失を抑えることができる。
次に、請求項２、４、５に該当する第２の実施形態を説明する。先に示した第１の実施形態と異なる点は、コンバータを停止させる制御である図７に示したコンバータ制御部２のみであり、それ以外は同一の制御ブロックである。
第１の実施形態では、キャパシタ電流指令値Ic*を利用し、コンバータの停止条件を判断させていたが、第２の実施形態ではこれに替え、モータ速度を利用しコンバータの停止条件を判断させる。
以下、第２の実施形態におけるコンバータ制御部２で行う制御の詳細を説明する。
数４中の定数を数５のように置き換え、時間tで両辺微分すると数６となる。
【００１８】
【数５】
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【００１９】
【数６】
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キャパシタの静電容量C、電圧Vc、電流Ic**と時間の間には数７の関係がある。
【００２０】
【数７】
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これを数６に代入し整理すると、数８となる。
【００２１】
【数８】
2011066972.tif 000010
数８で示した演算をコンバータ制御部２のコンバータ運転停止制御ブロックで行う。
こうして得られたIc**があらかじめ設定した範囲内にあるときは、コンバータのゲートを停止させ、コンバータを停止させる。一方、このIc**があらかじめ設定した範囲外であるときはコンバータのゲートを動作させ、コンバータを動作させ、キャパシタを充放電させる。
【００２２】
このあらかじめ設定した範囲とは請求項１と同様に、図６に示すように零を中心とした範囲であり、この範囲は二次電池とキャパシタ併用効果とコンバータの損失を勘案し決定する。
このようにキャパシタ流出入電流が零または、二次電池とキャパシタ併用効果の薄いキャパシタ電流が低いときコンバータを停止させることができ、コンバータの損失を抑えることができる。
請求項３、４、５に該当する第３の実施形態を説明する。以下、第１の実施形態と異なる点のみ説明する。
第３の実施形態の制御を行うため制御回路内部ブロック図は第１の実施形態の図４に対して、図８となる。この図８について説明する。
インバータ（モータ制御）制御部の図４に対する相違点は，モータ出力を演算する機能が追加されたことである。モータをIPMとする場合、モータのトルクは数９で求められる。
【００２３】
【数９】
2011066972.tif 000011
速度ｎは機械角を時間微分すれば得られるので、これを利用しモータ出力PMOは数１０となる。
【００２４】
【数１０】
2011066972.tif 000012
以上のように、インバータ（モータ制御）制御部で演算されたモータ出力PMOは同図のコンバータ運転停止制御ブロックへ入力される。
次に、図８のコンバータ運転停止制御ブロックについて説明する。
この制御ブロックは、モータ出力演算値であるPMOをもとに、このPMOがあらかじめ設定した範囲内にあるときはコンバータのゲートを停止させ、コンバータを停止させる。一方、このPMOがあらかじめ設定した範囲外であるときはコンバータのゲートを動作させ、コンバータを動作させ、キャパシタを充放電させる。このあらかじめ設定した範囲とは、図９に示すように零を中心とした範囲であり、この範囲は二次電池とキャパシタ併用効果とコンバータの損失を勘案し決定する。
このようにしてモータ出力が零または、二次電池とキャパシタ併用効果の薄いモータ出力が低いときコンバータを停止させることができる。
【符号の説明】
【００２５】
１…鉛蓄電池、２…電気二重層キャパシタ、３…磁極位置検出手段、４…減速ギアとデファレンシャルギア、５…車輪、６…電流検出手段、７…電圧検出手段、８…リアクトル、９…PI調節器、１０…加算器、１２…AND素子、Ｐ…直流母線正極側、Ｎ…直流母線負極側、UVW三相インバータ出力、Vc…キャパシタ電圧、Vc*…キャパシタ電圧指令値、Vcmax…あらかじめ設定したキャパシタの充電終止電圧、Vcmin…あらかじめ設定したキャパシタの放電終止電圧、ｎ…モータ速度、ｎmax…想定するモータの最大速度、k…車両エネルギーが回生エネルギーに変換される割合（1.0〜0.0）、Ic*…キャパシタ出力電流指令値、Ic…キャパシタ出力電流、Ic**…速度検出値から演算したキャパシタ電流、vb…二次電池出力電圧、Gu,Gx,Gv,Gy,Gw,Gz…三相インバータゲート信号、G1,G2…コンバータゲート信号、Iu…モータ電流検出値（U相）、Iw…モータ電流検出値（W相）、θ…磁極位置検出値、Tu,Tx,Tv,Ty,Tw,Tz,T1,T2…自己消弧形半導体素子、iu…三相インバータのU相出力電流検出値、iw…三相インバータのW相出力電流検出値、τ…モータ出力トルク、Ldq…永久磁石モータのｄ軸インダクタンス、Lq…永久磁石モータのｑ軸インダクタンス、Ψa…永久磁石による電気子鎖交磁束、Pn…極対数、id…ｄ軸電流、iq…ｑ軸電流、IcSTOP …キャパシタ電流のコンバータ停止閾値、PMSTOP…モータ出力のコンバータ停止閾値、Vcs  …モータ速度一定速時のキャパシタ電圧，J…車両慣性，C…キャパシタ静電容量。
【図１】
2011066972.tif 000013
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2011066972.tif 000021
【図１０】
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【図１１】
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