(57)【要約】アーマチャコイル（２２）および界磁コイル（２４）を備えた分巻モータを有する電動車両（ゴルフカー）用制御システム（１０）。本発明の制御システム（１０）は、アーマチャコイルを横切って並列に接続された１つのＭＯＳＦＥＴ（３４）と、アーマチャコイルに直列に接続された他のＭＯＳＦＥＴ（３６）とを有している。モータがその基本速度以下の速度で作動するときには、直列ＭＯＳＦＥＴを瞬間的にオンにしてアーマチャコイルを短絡することにより電流が誘起される。これにより、電流が反時計回り方向に流れ始め、この時点で直列ＭＯＳＦＥＴがオフに切り換えられる。この結果、モータに大きい電圧スパイクが生じ、電流がバッテリパックに戻される。直列ＭＯＳＦＥＴのオン／オフを迅速に切り換えることにより、電流が維持され、低速での回生制動が行なわれる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーマチャコイルおよび界磁コイルを備えた、電動車両に関連する分巻電気モータの電流および電圧を制御する制御システムにおいて、
Ｈブリッジ回路内で電気的に接続されかつ界磁コイルに電気的に接続された複数のスイッチングデバイスと、
半Ｈブリッジ回路内で電気的に接続された複数のスイッチングデバイスとを有し、第１スイッチングデバイスがアーマチャコイルに並列に電気的に接続され、第２スイッチングデバイスがアーマチャコイルに直列に電気的に接続されていることを特徴とする制御システム。
【請求項２】
前記アーマチャコイルに並列に電気的に接続された一方向ダイオードを更に有することを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項３】
前記一方向ダイオードがＭＯＳＦＥＴデバイスの一部として形成され、該ＭＯＳＦＥＴデバイスが第１スイッチングデバイスであることを特徴とする請求項２記載の制御システム。
【請求項４】
前記Ｈブリッジ回路および半Ｈブリッジ回路の複数のスイッチングデバイスがＭＯＳＦＥＴデバイスであることを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項５】
前記アーマチャコイルを通って流れるアーマチャ電流を制御して電動車両の速度を基本速度からゼロ速度に回生制動すべく、第１スイッチングデバイスのオン／オフ切換えを行なう手段を更に有することを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項６】
前記切換え手段は、電動車両の速度をその基本速度以下の速度に制御すべくアーマチャパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を制御する手段を有することを特徴とする請求項５記載の制御システム。
【請求項７】
前記制御手段は、加速ペダル位置を決定するペダル位置デバイスと、車両の速度を決定する速度検出デバイスと、アーマチャＰＷＭ信号を発生するアーマチャＰＷＭ制御回路とを有し、前記ペダル位置デバイスは速度基準信号を発生し、前記速度検出デバイスは速度センサ信号を発生し、該速度センサ信号および前記速度基準信号は加算ジャンクションに入力され、該加算ジャンクションはアーマチャ制御回路に入力される速度信号を発生することを特徴とする請求項６記載の制御システム。
【請求項８】
前記ＰＷＭ信号は第２スイッチングデバイスに入力されることを特徴とする請求項６記載の制御システム。
【請求項９】
前記モータのアーマチャ電流を、速度に関連して最小値と最大値との間で制御する手段を更に有することを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項１０】
前記制御手段は、速度センサ信号に応答しかつ電流検出回路からの電流センサ信号に応答する加算ジャンクションを備えた速度センサ回路を有し、前記加算ジャンクションは車両の速度を制御するための制御された速度センサ信号を発生することを特徴とする請求項９記載の制御システム。
【請求項１１】
界磁コイルマップの負の象限内のアーマチャ電流を測定する手段を更に有し、測定したアーマチャ電流に基いて界磁コイルを制御すべく界磁コイル電流を選択することを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項１２】
界磁電流を発生させる手段を更に有し、該界磁電流発生手段は、界磁電流および界磁電流基準信号に応答しかつこれらを加算する加算ジャンクションと、加算された信号からＰＷＭ信号を発生する界磁パルス幅変調（ＰＷＭ）回路とを有することを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項１３】
前記電動車両は電気ゴルフカーであることを特徴とする請求項１記載の制御システム。
【請求項１４】
ブレーキシステムと、バッテリシステムと、アーマチャコイルおよび界磁コイルを備えた分巻モータとを有する電気ゴルフカーにおいて、
Ｈブリッジ回路内で電気的に接続されかつ界磁コイルに電気的に接続された複数のＭＯＳＦＥＴデバイスと、
半Ｈブリッジ回路内で電気的に接続された複数のＭＯＳＦＥＴデバイスとを有し、第１ＭＯＳＦＥＴデバイスがアーマチャコイルに並列に電気的に接続され、第２ＭＯＳＦＥＴデバイスがアーマチャコイルに直列に電気的に接続されており、
アーマチャコイルに並列に電気的に接続された一方向ダイオードと、
アーマチャコイルを通るアーマチャ電流を測定する電流センサと、
ゴルフカーの加速ペダルの位置を決定する速度ペダル位置スイッチとを有し、該ペダル位置スイッチは速度基準信号を発生し、
制御システムを更に有し、該制御システムは、前記アーマチャコイルを通って流れるアーマチャ電流を制御してゴルフカーの速度を基本速度からゼロ速度に回生制動すべく、第１ＭＯＳＦＥＴデバイスのオン／オフ切換えを行なうことを特徴とする電気ゴルフカー。
【請求項１５】
車両の速度を決定する速度センサ回路と、アーマチャパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を発生するアーマチャＰＷＭ制御回路とを有し、前記ペダル位置スイッチは車両の速度を決定し、前記速度センサ回路は速度センサ信号を発生し、該速度センサ信号および前記速度基準信号は加算ジャンクションに入力され、該加算ジャンクションはアーマチャ制御回路に入力される速度信号を発生することを特徴とする請求項１４記載の電気ゴルフカー。
【請求項１６】
前記ＰＷＭ信号は第２ＭＯＳＦＥＴデバイスに入力されることを特徴とする請求項１５記載の電気ゴルフカー。
【請求項１７】
前記制御システムは、モータのアーマチャ電流を、速度に関連して最小値と最大値との間で制御する手段を有することを特徴とする請求項１４記載の電気ゴルフカー。
【請求項１８】
前記制御システムは、界磁コイルマップの負の象限内のアーマチャ電流を測定する手段を有し、前記制御システムは、測定したアーマチャ電流に基いて界磁コイルを制御すべく界磁コイル電流を選択することを特徴とする請求項１４記載の電気ゴルフカー。
【請求項１９】
前記制御システムは、界磁電流を発生させる手段を有し、該界磁電流発生手段は、界磁電流および界磁電流基準信号に応答しかつこれらを加算する加算ジャンクションと、加算された信号からＰＷＭ信号を発生する界磁パルス幅変調（ＰＷＭ）回路とを有することを特徴とする請求項１４記載の電気ゴルフカー。
【請求項２０】
アーマチャコイルおよび界磁コイルを備えた分巻モータを有する電動車両の速度を制御する方法において、
第１スイッチングデバイスを、モータのアーマチャコイルを横切って並列に電気的に接続する段階と、
アーマチャコイルを通るアーマチャ電流を制御してモータの基本速度以下に回生制動すべく、スイッチングデバイスのオン／オフを切り換える段階とを有することを特徴とする制御方法。
【請求項２１】
前記第１スイッチングデバイスを電気的に接続する段階は、ＭＯＳＦＥＴデバイスをアーマチャコイルに並列に電気的に接続することを含むことを特徴とする請求項２０記載の制御方法。
【請求項２２】
第２スイッチングデバイスをアーマチャコイルに直列に接続する段階を更に有することを特徴とする請求項２０記載の制御方法。
【請求項２３】
前記車両速度をモータのゼロ速度と基本速度との間で制御する段階を更に有することを特徴とする請求項２０記載の制御方法。
【請求項２４】
前記車両速度を基本速度以下に制御する段階は、アーマチャコイルに入力されるパルス幅変調信号を制御しかつ加速ペダル位置および車両速度を検出することを含むことを特徴とする請求項２３記載の制御方法。
【請求項２５】
前記車両速度を制御する段階は、ＰＷＭ信号を、アーマチャコイルに電気的に直列のスイッチングデバイスに入力することを含むことを特徴とする請求項２３記載の制御方法。
【請求項２６】
前記モータアーマチャ電流を、速度に関連して最小値と最大値との間で制御する段階を更に有することを特徴とする請求項２０記載の制御方法。
【請求項２７】
前記アーマチャ電流を制御する段階は、アーマチャ電流を決定し、車両速度を決定し、かつ車両速度とアーマチャ電流とを組み合せて車両の速度を制御することを含むことを特徴とする請求項２６記載の制御方法。
【請求項２８】
界磁マップコイルの負の象限内のアーマチャ電流を速度し、かつ測定したアーマチャ電流に基いて界磁コイル電流を制御する段階を更に有することを特徴とする請求項２０記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
関連出願の相互参照
本願は、「低速回生ブレーキを備えた電気ゴルフカー（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｏｌｆ Ｃａｒ ｗｉｔｈ Ｌｏｗ−Ｓｐｅｅｄ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｂｒａｋｉｎｇ）」の名称に係る２０００年１２月１４日付米国特許出願第０９／７３６，６５７号および「ゼロ速度への回生ブレーキを備えた電気ゴルフカート（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｏｌｆ Ｃａｒｔ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｖｅ Ｂｒａｋｉｎｇ Ｔｏ Ｚｅｒｏ）」の名称に係る１９９９年１２月３０日付米国仮特許出願第６０／１７３，６３８号に基く優先権を主張する。
【０００１】
（技術分野）
本発明は、広くは電気ゴルフカーの制御システムに関し、より詳しくは、基本速度以下の速度への回生制動を行なう半ブリッジ整流器を用いた回生ブレーキシステムを有する電気ゴルフカーの制御システムに関する。
【０００２】
（背景技術）
全ての電気モータは、近接した２つの磁界が互いに整合する傾向を有するという原理に基いて作動する。磁界を発生させる１つの方法は、ワイヤでコイルを作り、これに電流を流すことである。電流が流れる２つのコイルが互いに近接している場合には、それぞれの磁界は互いに整合する傾向を有する。２つのコイルが０〜１８０°の間の角度で整合からずれている場合には、この傾向によって両コイル間にトルクが発生する。これらのコイルの１つが軸に機械的に固定されておりかつ他方のコイルが外側ハウジングに固定されているならば、電気モータが形成される。これらのコイル間に発生するトルクは、コイルを流れる電流に従って変化する。
【０００３】
残念ながら、このモータは、磁界が整合するまでに１／２回転するに過ぎない。かくして、モータ軸が１８０°より大きい角度で回転するときにトルクを連続的にに発生させるには、両コイル間に常に或る角度が存在するように確保しなければならない。この機能を発揮する装置は整流子と呼ばれている。整流子は、アーマチャコイルと呼ばれる能動コイルからの電流を遮断し、かつアーマチャコイルとハウジングに連結された界磁コイルとの間の角度がゼロになる前に、電流を第２アーマチャコイルに再接続する。各アーマチャコイルの端部は、整流子バーとして知られている接点面を有している。モータハウジングには、カーボンで作られたブラシと呼ばれる接点が固定されている。モータ軸が回転すると、ブラシは１組のバーとの接触を離れて、次の組のバーに接触する。このプロセスは、能動アーマチャコイルと界磁コイルとの間の角度を比較的一定に維持する。磁界間のこの一定の角度は、モータが回転する間、一定のトルクを維持する。
【０００４】
コイルが磁界内で移動すると、コイル内に電圧および電流が誘起される。界磁コイルに電流が流れかつアーマチャコイルが回転されると、アーマチャコイルに電圧および電流が誘起され、モータが発電機に有効に変換される。このことは、２つの重要な効果を有している。モータを使用して、モータリングと呼ばれている電気ゴルフカーのような電動車両を駆動するとき、モータの回転により、逆ＥＭＦ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ；起電力）と呼ばれている、アーマチャコイルを横切る電圧が誘起される。この電圧は、モータ速度および界磁電流に従って増大する。逆ＥＭＦがモータのターミナル間電圧に等しくなると、最高速度に到達する。他の効果は、アーマチャコイルに電気的負荷がかけられている状態でアーマチャコイルが回転されると、モータがブレーキとして作用し、電力を発生することである。この効果は回生制動として知られている。これは、発生トルクがアーマチャコイルおよび界磁コイルの電流に従って変化しかつ速度が印加アーマチャ電圧に従って変化する電気モータの特徴である。
【０００５】
電気ゴルフカー用のこの回生型ブレーキの例が、Ｂａｌｌ等の米国特許第５，５６５，７６０号、Ｊｏｕｒｎｅｙの米国特許第５，８１４，９５８号、Ｌａｎｋｉｎの米国特許第５，３３２，９５４号およびＰｏｓｔの米国特許第４，６２６，７５０号に開示されている。
【０００６】
電動車両の速度は、モータへの印加電圧を変えることにより変化できる。低電圧では、モータの逆ＥＭＦは、低速で印加電圧に到達する。この電圧を変えるには２つの異なる方法がある。第１の方法は、モータに対して直列に抵抗器を挿入して、モータへの実効電圧を低下させることである。これは、モータ速度を制御すべく産業界で使用されている方法である。残念なことに、この方法は、低速では極めて非効率的である。
【０００７】
この非効率性は、オームの法則およびキルヒホフの電流および電圧法則により説明できる。オームの法則によれば、
Ｖ（電圧）＝Ｉ（電流）×Ｒ（抵抗）
これから、
Ｐ（電力）＝Ｉ（電流）×Ｖ（電圧）
となる。キルヒホフの法則を簡単に云えば、或る回路において、全ての電圧を加算するとゼロになりかつ全ての電流は所与のループにおいて等しくなくてはならないということである。
【０００８】
キルヒホフの電流法則によれば、バッテリ、抵抗器、アーマチャコイル、および電動車両のモータ回路の界磁コイルを通る電流は全て等しくなくてはならない。またキルヒホフの電圧法則によれば、抵抗器、アーマチャコイル、および界磁コイルを横切る電圧を全て加算するとバッテリ電圧（一例では３６Ｖ）にならなくてはならず、従って、回路内の全ての電圧の和はゼロに等しくなる。
【０００９】
或る駆動条件（グレード、表面、タイヤ圧力、車両に作用する負荷、および所望速度）は、１８Ｖで１００Ａの電流がモータ（アーマチャコイルおよび界磁コイル）を通って流れることを必要とすると仮定する。トルクは電流に従って変化し、速度は電圧に従って変化する。回路は、どれほど多くの電力が抵抗器で損失されるかを決定すべく分析される。キルヒホフの法則によれば、抵抗器を横切る電圧は、ＶＢＡＴＴ＝ＶＡＲＭ＋ＶＦＩＥＬＤ＋ＶＲＥＳとして求められる。すなわち、
３６＝１８＋ＶＲＥＳ
ＶＲＥＳ＝１８Ｖ
電流は１００Ａであり、従ってオームの法則により、抵抗器内の損失電力は次のようにして求められる。
ＰＲＥＳ＝ＩＲＥＳ×ＶＲＥＳ
ＰＲＥＳ＝１００×１８＝１８００Ｗ
また、オームの法則により、モータにより使用される電力は、
Ｐ＝（ＶＡＲＭ＋ＶＦＩＥＬＤ）×Ｉ
Ｐ＝１８×１００＝１８００Ｗ
【００１０】
これは、バッテリから供給される電力の１／２は抵抗器内で熱として損失されることを意味する。これらの条件下で、速度コントローラシステムは、同性能の抵抗器システムのエネルギの１／２を使用する。
【００１１】
抵抗器システムでは、抵抗は、ペダル位置の増大につれて減少する。速度コントローラシステムでは、デューティサイクルはペダル位置の増大につれて増大する。両方法とも、モータへの電圧、従って車両の速度を有効に制御する。効率の差は、フルスロットルに近付くほど目立たなくなる。
【００１２】
慣用の電動車両は上記原理で作動するが、電動車両を制御するには種々の方法がある。標準の電気ゴルフカーは、直巻モータを使用している。直巻モータは、非常に太いワイヤが数回巻回された界磁コイルを有している。最大トルクを得るため、アーマチャコイルと界磁コイルとは直列に接続されている。他の電動車両は分巻モータを使用しており、界磁コイルは細いワイヤが多数巻回されている。最大トルクを得るため、アーマチャコイルおよび界磁コイルは並列すなわち「分巻」形態に接続されている。コイルにより発生される磁界の強度は、コイルを流れる電流およびコイルの巻き数に従って変化する。従って、分巻界磁巻線に小さい電流を流すことによって、同じ磁界強度が得られる。例えば、直巻モータで３００Ａでの磁界強度と同じ磁界強度が、分巻モータでは１５〜２０Ａで達成される。同様に、コントローラには２〜３の顕著な相違がある。分巻モータでは小さい電流で同じ磁界強度が得られるので、より小型の別の組の電力部品で界磁コイルを制御する機会が得られる。これは、モータの他励制御と呼ばれている。
【００１３】
前述のように、逆ＥＭＦは磁界強度に従って変化し、磁界強度は界磁電流に従って変化する。直巻モータではアーマチャ電流と界磁電流とは同じであり、従って、磁界強度とアーマチャ電流との間の関係は直線になる。他励システムでは、所与のアーマチャ電流に対して任意の界磁電流を選択できる。界磁電流が減少すると、磁界強度も低下する。かくして逆ＥＭＦが低下され、これにより、所与のアーマチャ電流に対してモータ速度が増大される。これは、弱め磁界（ｆｉｅｌｄ ｗｅａｋｅｎｉｎｇ）と呼ばれている。
【００１４】
界磁電流が前進方向に作用している間に、車両が坂道を後ろ向きに転がり落ち始めると、磁界は、一方向ダイオード（ｆｒｅｅｗｈｅｅｌ ｄｉｏｄｅ）に直接逆向きの電流を発生する。ダイオードは当該方向では短絡回路であるとみなすことができるので、ダイオードは、モータをブレーキのように作動させ、非常に低速に制動する。この制動形式は、プラグ制動（ｐｌｕｇ ｂｒａｋｉｎｇ）と呼ばれている。
【００１５】
加速ペダルが所定時間以上の時間解放されて、車両が停止されている場合には、コントローラは界磁コイルを除勢し、速度センサをモニタし続ける。加速ペダルが踏み込まれることなく車両が移動し始める場合には、コントローラは、車両の移動方向とは逆方向に界磁コイルを再付勢して、プラグ制動を開始する。
【００１６】
（発明の開示）
本発明の教示によれば、複数の電力用金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ： ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄ ｅｆｆｅｃｔ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を備えたゴルフカー等の電動車両用制御システムが開示される。４つのＭＯＳＦＥＴが全Ｈブリッジ（ｆｕｌｌ Ｈ−ｂｒｉｄｇｅ）を形成し、２つのＭＯＳＦＥＴが半Ｈブリッジ（ｈａｌｆ Ｈ−ｂｒｉｄｇｅ）を形成する。半ブリッジの１つのＭＯＳＦＥＴはアーマチャコイルを横切って並列に接続され、半ブリッジの他のＭＯＳＦＥＴはアーマチャコイルに直列に接続されている。アーマチャコイルを横切る並列ＭＯＳＦＥＴは、一方向ダイオードを有している。
【００１７】
モータがその基本速度以下の速度で作動するとき、すなわち逆ＥＭＦが電源電圧以下であるときには、並列ＭＯＳＦＥＴを瞬間的にアーマチャコイルに短絡させることにより電流が誘起される。モータアーマチャのインダクタンスにより反時計回り方向の電流が流れ始め、この時点で直列ＭＯＳＦＥＴがオフに切り換えられる。従って、モータを横切る大きい電圧スパイクが生じ、これにより、電流がバッテリパックに逆流する。パルス幅変調（ＰＷＭ）と呼ばれている技術を用いて並列ＭＯＳＦＥＴのオン／オフ切換えを迅速に行なうことにより電流が維持され、低速でも回生制動を行なうことができる。
【００１８】
また、アーマチャ電流がモニタされるという事実から、界磁マップ（ｆｉｅｌｄ ｍａｐ）の負の象限の制御が可能になる。界磁電流（Ｉｆ）を、基準電流（Ｉｒｅｆ）に一致するように変化させることにより、界磁マップ曲線が維持される。また、モータ速度はアーマチャ電圧（ＶＡＲＭ）に従って変化するので、従来技術のコントローラでの界磁電流を変化させる速度制御方法とは異なり、アーマチャＰＷＭ信号を使用して車両速度を制御することができる。また、速度基準値（この値はペダル位置により決定される）が、閉制御ループを介して、速度センサにより戻された実速度値と比較される。スロットル位置入力信号に従って車両速度を変化させるため、アーマチャＰＷＭ信号の調節が行なわれる。また、低速操縦時のぎくしゃくした回生制動を防止するため、速度がモニタされかつ低速での回生制動アーマチャ電流限度（Ｉｍａｘ）が低下される。
【００１９】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明の他の目的、長所および特徴は、添付図面を参照して述べる以下の説明および特許請求の範囲の記載から明らかになるであろう。
【００２０】
電気ゴルフカー用回生ブレーキシステムに関する好ましい実施形態についての以下の説明は、事実上単なる例示であり、いかなる意味においても本発明またはその用途または使用を限定するものではない。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態による回生制動システムを有する電気ゴルフカー等の電動車両用電気システムを示す概略図１０である。この概略図１０は、バッテリシステム１２と、モータ１４と、制御システム１６とを有している。一般的なバッテリシステム１２は、個別バッテリ２０を含むバッテリパック１８を有している。一実施形態では、バッテリパック１８は６個の６Ｖバッテリ（全部で３６Ｖ）を有し、バッテリ２０は大容量（ｄｅｅｐ ｄｉｓｃｈａｒｇｅ）鉛蓄電池である。モータ１４は、モータアーマチャコイル２２および界磁コイル２４を有している。モータ１４の両コイル２２、２４はインダクタとして機能する。このことは、電流がひとたび両コイル２２、２４を通って流れると、流れ続けようとすることを意味している。
【００２２】
制御システム１６には、アーマチャコイル２２を通る電流を測定するための電流センサ４４が設けられている。電流センサ４４は、ホール効果集積回路の回りに巻かれるワイヤのコイルで形成できる。これにより、ホール効果回路が磁気コイルループ内に配置され、ホール効果回路が検出する磁界はアーマチャ電流ＩＡＲＭに比例する。
【００２３】
制御システム１６は、６個の電力駆動用ＭＯＳＦＥＴ２６〜３６およびコンデンサ４０を有している。事実上、ＭＯＳＦＥＴ２６〜３６は、一秒間に１５，０００回のオン／オフ作動を行なう。本願明細書の全体を通して、用語「ＭＯＳＦＥＴ」についての全ての言及は、並列に接続されかつ単一信号により制御されるいずれか１つのＭＯＳＦＥＴまたは複数のＭＯＳＦＥＴを意味するものと解釈されたい。ＭＯＳＦＥＴ３４は、モータアーマチャコイル２２を横切って接続されかつ一方向ダイオード４２を有している。ダイオード４２は電気の一方向弁のように機能し、矢印で示す方向にのみ電気を通すことができる。既知の１／４ブリッジアーマチャ回路では、一方向ダイオード４２は別個のデバイスである。しかしながら、電力用ＭＯＳＦＥＴ３４の構造では、一方向ダイオード４２はシリコンの内在的部分として形成されている。
【００２４】
ＭＯＳＦＥＴ２６〜３２の組合せはＨブリッジすなわち全ブリッジを形成し、ＭＯＳＦＥＴ３４および３６は半ブリッジを形成する。半ブリッジコントローラは、界磁コイル２４に使用する全ブリッジについてのものではなく、モータアーマチャコイル２２に使用する半ブリッジ構造についてのものである。電力駆動用ＭＯＳＦＥＴ２６〜３２およびＨブリッジ構造は、慣用的なものである。本発明のシステム１０の１つのユニークな特徴は、モータアーマチャコイル２２に関連する２つの電力用ＭＯＳＦＥＴ３４および３６、より詳しくは、モータアーマチャコイル２２を横切って並列に接続された電力用ＭＯＳＦＥＴ３４およびダイオード４２を使用していることおよびこれらが駆動される方法にある。慣用の電動車両に使用されている慣用ＤＣモータ駆動システムでは、モータアーマチャコイル２２の下の直列ＭＯＳＦＥＴ３６および一方向ダイオード４２が使用されているに過ぎない。
【００２５】
アーマチャコイル２２および界磁コイル２４は２つの主バッテリターミナルを横切って並列に接続されているため、モータ１４は分巻モータである。この作動は、例えばモータアーマチャコイル２２の直列電力用ＭＯＳＦＥＴ３６がオンにされかつ界磁コイル２４の２つの反対側の電力用ＭＯＳＦＥＴ２６および３２がオンになるときに生じる。別々に励起される慣用システムでは、一般にモータ１４の速度は、界磁電流を変えることにより変えられる。本発明では、アーマチャ電流（ＩＡＲＭ）のパルス幅変調（ＰＷＭ）は、車両速度の制御に使用される。
【００２６】
このシステムでは、制御システム１６の論理回路は、ＭＯＳＦＥＴ２６〜３６がオンまたはオフであるかについての制御を行なう。モータ１４への実効電圧を制御するため、ＭＯＳＦＥＴ２６〜３６がオンである時間の長さと、オフである時間の長さとの比が制御される。この比は、デューティサイクル（使用率）と呼ばれている。ＭＯＳＦＥＴ３６がオンであるとき、バッテリ２０はアーマチャ２２を横切って直接接続される。キルヒホフの法則により、これは、バッテリ２０を横切る電圧およびアーマチャ２２を横切る電圧は共に３６Ｖであることを意味する。また、キルヒホフの法則により、アーマチャ２２およびバッテリ２０を通る電流は等しい。回路内の電流は、一方向ダイオード４２の矢印とは逆方向に流れ、ダイオード４２はこの条件下では無視される。
【００２７】
ＭＯＳＦＥＴ３６がオフであるとき、バッテリ２０を備えた回路は断絶される。アーマチャ２２を通って流れる電流があるので、モータは停止しない。一方向ダイオード４２は、残された回路の一部に過ぎない。電流が以前と同じ量で同方向に流れ続ける場合には、一方向ダイオード４２を通って流れるであろう。ダイオード４２およびアーマチャ２２の両者を横切る電圧はほぼゼロとなるが、電流は不変に維持される。バッテリ回路では、該回路が不完全であるので電流は全く流れないが、バッテリ電圧は３６Ｖに維持される。
【００２８】
ＭＯＳＦＥＴ３６がオンであるときは、アーマチャ２２を横切る電圧は３６Ｖであり、オフであるときはゼロである。モータ１４を横切る平均電圧は次のようにして求められる。
ＶＡＲＭ＝（３６Ｖ×デューティサイクル）＋（０Ｖ×（１−デューティサイクル））
ＶＡＲＭ＝３６Ｖ×デューティサイクル
【００２９】
車両を移動させるのに要するトルクは、モータ電流を決定する。ＭＯＳＦＥＴ３６がオンであるときバッテリ電流はモータ電流に等しく、かつオフであるときはバッテリ電流はゼロであるので、バッテリ電流ＩＢＡＴＴは、
ＩＢＡＴＴ＝（ＩＡＲＭ×デューティサイクル）＋（０Ａ×（１−デューティサイクル））
ＩＢＡＴＴ＝ＩＡＲＭ×デューティサイクル
ソリッドステート速度コントローラに例えば上記１００Ａおよび１８Ｖを使用すると、相違は次の通りである。
ＶＡＲＭ＝３６Ｖ×デューティサイクル
１８＝３６×デューティサイクル
デューティサイクル＝５０％
ＩＢＡＴＴ＝ＩＡＲＭ×デューティサイクル
ＩＢＡＴＴ＝１００Ａ×５０％
ＩＢＡＴＴ＝５０Ａ
【００３０】
この時点で、前述の電力についての公式により、バッテリ２０からの電力およびアーマチャ２２への電力を計算できる。上記例から、これらの条件下でのモータ電力は１８００Ｗであることが分る。
ＰＢＡＴＴ＝ＩＢＡＴＴ×ＶＢＡＴＴ
ＰＢＡＴＴ＝５０Ａ×３６Ｖ＝１８００Ｗ
【００３１】
下記表１には、２つのシステムの各々についてのこれらの条件下での相違が要約されている。
【表１】
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【００３２】
例えば、車両が下り坂を移動するとき、回生制動モードでのモータアーマチャコイル２２の通常の作動は、モータ１４の速度がその基本速度より大きいときにのみ存在する。基本速度は、逆ＥＭＦがバッテリ電圧に等しくなる速度である。逆ＥＭＦがバッテリ電圧に等しいかこれ以下であるときには、バッテリ電圧が高過ぎるため、通常、モータ１４により発生されるエネルギがバッテリパック１８に逆流することはできない。この制限に打ち勝つため、一方向ダイオード４２と組み合せた電力用ＭＯＳＦＥＴ３４が付加された。車両の速度が基本速度より低い場合には、前述の理由からバッテリパック１８を充電すべく作動せず、従って回生制動は行なわれない。この制限をなくすため、ＭＯＳＦＥＴ３４は短時間オンにされる。ＭＯＳＦＥＴ３４が完全にオンになると、該ＭＯＳＦＥＴ３４を横切る電圧降下はほぼゼロであるので、モータ１４は大きい電流を発生し、この電流は非常に短時間だけＭＯＳＦＥＴ３４を通って流れる。この短時間の電流は瞬間的には停止できないので、通常の逆ＥＭＦを越える大きい電圧が発生し、これはバッテリ電圧より高い。次に、モータアーマチャコイル２２は、モータ１４の高電圧がそのピーク電圧からバッテリ電圧に低下するのに要する時間に等しい短い時間だけ、エネルギをバッテリパック１８に送り出す。次に、このプロセスが一秒間に数百回または数千回反復されて、モータ１４のエネルギにより充分な高電圧を発生させ、バッテリパック１８を横切る回生制動効果を生じさせてモータ１４を減速させる。
【００３３】
ＭＯＳＦＥＴ３４をオンにすることにより、ＭＯＳＦＥＴ３４はモータ１４に急ブレーキをかける効果を有することに留意することが重要である。これはＤＣモータを制動する通常の方法であるが、これを長時間続けるには問題がある。従って、１つ以上の方法でこの制動作用を緩和することが重要である。しかしながら、電力用ＭＯＳＦＥＴ３４の性質は、これをオンまたはオフにすることを必要とする。かくして、緩和効果を達成するには、アーマチャＰＷＭデューティサイクルを変化させる必要がある。下記表２には、異なるＰＷＭデューティサイクルについてのＶＢＡＴＴ、ＩＢＡＴＴ、ＩＡＲＭおよびＶＡＲＭの値が示されている。
【表２】
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【００３４】
直列電力用ＭＯＳＦＥＴ３６がオフになっているとき、アーマチャ電圧が反転するその瞬間は通常走行モードにある。その短時間の間、電流は流れ続けようとし、アーマチャ電圧は反転して、一方向ダイオード４２を通して電流を押し流す。
【００３５】
慣用の電気ゴルフカーでは、モータ１４の基本速度は、１６ｋｍ／ｈ（１０マイル／ｈ）以上の車両速度で回生制動を生じさせることができる。１６ｋｍ／ｈより低速では回生制動は生じない。また、回生制動は、加速ペダルが完全に踏み込まれている場合でも、下り坂車両速度を２０．８ｋｍ／ｈ（１３マイル／ｈ）に制限して、より確実な運転フィーリングを得るべく使用される。
本発明の１つの重要な長所は、加速ペダルを使用して、車両速度を２マイル／ｈほどの低速に減速できることである。これまでに知られているコントローラは、ペダルが完全に解放されているときに車両速度を制限できるに過ぎない。換言すれば、加速ペダルが僅かでも踏み込まれるならば、車両速度をモータ１４の最高速度に到達させることができ、前記最高速度を越えたときにのみ自動的に回生制動が行なわれる。これは、特に、急勾配の坂道で好ましくない。本発明では、加速ペダルは、該加速ペダルを使用して車両の低速を直接調節し、ペダル位置と速度との間に比較的リニアなフィーリングを生じさせることに関し、手動変速機をもつ内燃機関を備えた車両と同じフィーリングで有効に作用する。換言すれば、本発明の加速ペダルを使用することにより、速度を、１２．８ｋｍ／ｈ（８マイル／ｈ）、９．６ｋｍ／ｈ（６マイル／ｈ）、８ｋｍ／ｈ（５マイル／ｈ）、またはオペレータが選択するペダル踏込み量に対応する任意の速度に調節できる。
【００３６】
慣用コントローラでは、車両の最高速度は設定可能なパラメータである。これは、水平路面で車両が達成できる速度である。車両が坂道の頂上を昇りきって、これから下ろうとするとき、重力によって車両がこれから一層加速される場合でも、一般的な慣用コントローラは当該最高速度を保持すべく設定される。
【００３７】
要約すれば、慣用駆動システムでは、ペダルを単に踏み込むだけで、車両を基本速度から最高速度まで加速できるが、モータの基本速度以下ではいかなる制御も行なうことはできない。しかしながら、本発明のシステムでは、ペダル位置により、車両の速度を、ほぼゼロ速度より僅かに高い速度から、モータ１４の制御システム１６により設定された最高速度までの任意の速度に制御できる。ペダル位置と車両速度との間にはリニアな関係を付与できる。しかしながら、この関係は、所望に応じて非リニアなものとすることができ、例えば、低速で大きい感度が得られるように構成することもできる。
【００３８】
モータ１４の逆ＥＭＦは、モータ速度に従って増大しかつ界磁コイル電流の増大によっても増大する。直巻モータでは、モータアーマチャコイルと界磁コイル２４とが直列に接続されているので、モータアーマチャ電流と界磁コイル電流（これらの電流は常に同一でなくてはならない）とが独立制御されないことを確保できる。分巻モータでは、モータアーマチャコイル２２と界磁コイル２４とが完全に分離されているので、これらの２つの回路の電流を別々に調節できる。従って、モータの逆ＥＭＦを低下させるのに必要なことは、単に界磁コイル電流を減少させることだけである。このため、モータコントローラの設計者は、より多くのフレキシビリティをもって所望のモータ特性を達成することができる。
【００３９】
図２は、一般的な界磁マップである。界磁マップとは、分巻電気モータのアーマチャ電流と界磁電流との関係を説明するのに当業界で広く使用されている用語である。各モータは、その性能が最適になる特定領域をその界磁マップ上に有している。この領域から大きく外れた領域での作動は、モータに永久的な損傷を与えることになる。
【００４０】
界磁マップの上・右象限内の線４６は、界磁電流が、独立制御されるアーマチャ電流に関連している直巻モータの一般的性能を示している。分巻モータシステムでは、界磁電流およびアーマチャ電流を独立して制御できるので、図２の上・右象限に示すような非リニア曲線５６となる。かくして、この特定界磁マップは、慣用コントローラにプログラムできる条件下で優れた性能が得られる。しかしながら、一方向ダイオード４２を備えた１／４ブリッジアーマチャ回路を用いた慣用コントローラは、界磁マップの上・左象限内のいかなる制御をも行なわない。しかしながら、本発明は、界磁マップの上・左象限内の線５８上で作動する技術を提供する。
【００４１】
１／４ブリッジコントローラを備えた既知の分巻モータシステムでは、アーマチャ電流は、電力用ＭＯＳＦＥＴ３４の既知の抵抗値により実際に測定される。換言すれば、アーマチャ電流は、電力用ＭＯＳＦＥＴ３４を横切る電圧を測定することにより測定される。本発明のシステムでは、電流センサ４４が、界磁マップの負の象限内のアーマチャ電流ＩＡＲＭを測定できる。次に、この検出したＩＡＲＭ値から、コントローラはグラフから正しいＩｆを選択する。従来は、このアーマチャ電流情報を簡単には利用できず、従ってこの情報に基いて他の変数を調節することは不可能である。
【００４２】
図３は加算ジャンクション５０を有するフィードバックループ図４８であり、加算ジャンクション５０は、界磁電流基準入力Ｉｒｅｆを有しかつ界磁ＰＷＭブロック５２への入力信号を発生する。界磁ＰＷＭブロック５２は、次に、パルス幅変調（ＰＷＭ）界磁電流を発生する。次に、パルス幅変調界磁電流が、界磁電流Ｉｆを発生する電流源５４に供給される。次に、界磁電流Ｉｆが加算ジャンクション５０にフィードバックされる。ＰＷＭ界磁電流は、実際には平均電圧を制御することで終了し、これにより所望の界磁電流が達成されるか否かは問わない。界磁コイルに付随する問題は、界磁コイルが、抵抗の変化を引き起こす温度変化を受けることである。かくして、所与の電圧に対して異なる界磁電流が生じる。図３のフィードバックループを使用することにより、温度考察とは独立して所望の界磁電流を得ることができる。また、界磁コイル２４は、アーマチャまたは他の何かにより誘起された磁界が存在する実環境内で作動する。図３のフィードバックシステムはまた、さもなくば所望のＩｆ信号の安定性を損なう虞れのあるこれらの種類の補助ファクタを処理するようにも構成できる。
【００４３】
モータ１４の界磁マップの負の象限の作動を調節できることの１つの長所は、モータ１４を、全ての条件下でより高い信頼性をもって作動できることである。一般に、分巻ＤＣモータは、或るＩｆ対ＩＡＲＭ条件下すなわち範囲内で作動する。この範囲外では、もしも当該条件での作動が長時間行なわれると、モータ１４に損傷を与える可能性がある。従って、下り坂回生条件またはモータ１４が通常のＩｆ／ＩＡＲＭ所望作動範囲外の他の非常環境にある場合を含む全ての場合において、Ｉｆ／ＩＡＲＭ推奨比が観察されるようにすることにより、モータ１４の信頼性およびサービス容易性を高めることができる。
【００４４】
安全回生作動領域のこの論点は、実際には５人乗りゴルフカーのような大型車両のみに関係することに留意されたい。これは、一般に、より小さい２人乗りゴルフカーならば、モータ１４に何らかの悪影響を与えるのに充分な長さの好ましくないＩｆ／ＩＡＲＭ領域内では作動しないためである。これは、大型車両が大きい度合いでモータに負荷を与える急な山コースについていえることである。
【００４５】
図４は、アーマチャＰＷＭ信号を用いる車両速度制御を示すブロック図である。加速ペダル位置信号６２は、加算ジャンクション６４に供給される速度基準信号である。車両の実速度６６も検出されて、加算ジャンクション６４に供給される。これらの２つの信号を比較してフィードバック信号が得られ、該フィードバック信号は、次に、入力信号としてアーマチャＰＷＭブロック６８に入力される。これにより、モータアーマチャコイル２２の直列ＭＯＳＦＥＴ３６に供給される適当な出力ＰＷＭ信号が得られ、該出力ＰＷＭ信号は次に車両の速度を調節する。より一般的には、アーマチャＰＷＭブロック６８は、アーマチャコイル２２に直列のＭＯＳＦＥＴ３６および並列のＭＯＳＦＥＴ３４の両者を作動する。
【００４６】
所望のモータ速度を達成するためには、モータアーマチャコイル２２を横切って印加される電圧を調節しなければならない。モータアーマチャターミナルを横切るこの電圧制御は、アーマチャコイル２２の電力用ＭＯＳＦＥＴ３４、３６の両者の作動により決定される。これらのＭＯＳＦＥＴ３４、３６は、所望のモータ電圧を達成するのに望ましい任意の方法で作動される。モータ１４の速度を決定する車両の現在速度、従って逆ＥＭＦの電圧が与えられれば、モータターミナルを横切って印加すべき所望電圧を計算でき、かつ電力用ＭＯＳＦＥＴ３４，３６を適当に作動させて、モータ速度を増大させる付加電圧を得ることができる。モータアーマチャターミナル電圧を逆ＥＭＦ以下にすることにより、回生制動が誘起される。かくして、モータアーマチャコイル２２に印加される電圧は、界磁マップの右側または左側の界磁象限の全体を通して望ましい任意の方法で調節できる。
【００４７】
慣用の分巻モータ制御システムに関して、「ペダルアップ制動」という用語が使用されている。基本的に、車両の加速ペダルが解放されると、制御システム１６は、モータ１４の基本速度（一般に１６ｋｍ／ｈ）まで減速される間中、回生制動状況を能動的に実行する。これを越えると能動制御は行なわれなくなる。なぜならば、モータ１４の回生制動特性により、バッテリ電圧を超える充分な逆ＥＭＦが得られないからである。かくして、回生制動は全く行なわれない。本発明は、モータ１４の基本速度以下の回生制動を行なうので、モータ１４の基本速度より遥かに低い速度についても、用語「ペダルアップ制動」を使用できる。
【００４８】
制御システムにより、最大アーマチャ電流ＩＡＲＭと低速回生制動時の速度との間にリニア関係が許容されるならば、車両速度は、ペダルが解放されると非常に急激に低下する。基本的には、これは、駐車ブレーキがオンであるときの駆動フィーリングと同じである。基本的に、車両速度が、ペダル位置により示される速度より高速である限り、車両は通常惰走するであろう。改善されたシステムにおいて、能動回生制動がオンのままであると、車両は、実際に、回生制動により不快感を感じるほど非常に急激に減速されるであろう。この特別な特徴により、車両が単に惰走することを可能にする安全な或る低速設定点以下への低速回生制動が禁じられる。この設定点は、３．２〜１２．８ｋｍ／ｈ（２〜８マイル／ｈ）の任意の速度に定めることができるが、起伏に富んだ地形ではおそらく８ｋｍ／ｈ（５マイル／ｈ）が好ましいであろう。
【００４９】
図５および図６には、アーマチャ電流ＩＡＲＭを、速度に関連していかにして或る最小値と或る最大値との間に制御できるかの一例が示されている。最大アーマチャ電流は一般に回生制動モード時に発生され、この場合、電流制限は、制御システム１６および整流子を過熱から保護するように設計されている。速度センサ７２は加算ジャンクション７４を有しており、該加算ジャンクションは、入力としての速度センサ信号および電流センサ４４を表す電流検出回路７６からの電流信号を受け入れる。最小アーマチャ電流はゼロにするか、低速での過大制動を生じさせない或る値に定めることができる。
【００５０】
以上から、本発明の電動車両用制御システムは、当業界で知られている制御システムに比べて幾つかの長所を有している。これらの長所として、基本速度以下の速度に回生制動できることがある。モータ１４がその基本速度以下の速度で作動するとき、すなわち逆ＥＭＦが電源電圧以下であるときには、ＭＯＳＦＥＴ３４を瞬間的にオンにしてアーマチャコイル２２を短絡させることにより、電流が誘起される。モータ１４の残留インダクタンスのため、ＭＯＳＦＥＴ３４がオフにされる時点で反時計回り方向の電流が流れ始める。従って、モータ１４を横切る大きい電圧スパイクが生じ、これにより、バッテリパック１８に電流が逆流する。ＭＯＳＦＥＴ３４のオン／オフを迅速に切り換えることにより、電流が維持され、かつ低速でも回生制動を行なうことができる。
【００５１】
また、アーマチャ電流がモニタされるため、界磁マップの負の象限の制御が可能である。更に、モータ速度はアーマチャ電圧（ＶＡＲＭ）に従って変化するので、従来技術のコントローラでの界磁電流変化速度を制御する方法とは異なり、アーマチャＰＷＭを使用して車両速度を制御することができる。また、速度基準値（該基準値はペダル位置により決定される）が、閉制御ループを介して、速度センサにより戻された実速度値と比較される。スロットル位置入力信号に従って車両速度を変えるため、アーマチャＰＷＭの調節が行なわれる。低速操縦時のぎくしゃくした回生制動特性を防止するため、速度がモニタされかつ低速時には回生制動アーマチャ電流限度（ＩＭＡＸ）が低下される。
【００５２】
上記説明は、本発明の単なる例示実施形態を開示するに過ぎない。上記説明、添付図面および特許請求の範囲の記載から、当業者ならば、特許請求の範囲に記載の本発明の精神および範囲から逸脱することなく種々の変更を行ない得ることは容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明による半ブリッジ構造を使用する電動車両用電気システムを示す概略図である。
【図２】
モニタリング／回生界磁マップを示す図面である。
【図３】
図１の電気システムにおけるアーマチャ電流の制御を示す概略ブロック図である。
【図４】
加速ペダル位置に基いて速度基準値を決定するための閉制御ループを示す概略ブロック図である。
【図５】
車両速度がモニタされかつ該速度に関連してアーマチャ電流が調節されるところを示す概略ブロック図である。
【図６】
最大アーマチャ電流ＩＡＲＭと車両速度との関係を示すグラフである。
【図１】
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【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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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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