(57)【要約】【課題】モータジェネレータにおけるスラスト方向のロータの変動を抑制可能な電動車両の制御装置を提供すること。【解決手段】モータジェネレータからの動力によって走行する電動車両の制御装置は、モータジェネレータのロータに対してスラスト方向に荷重がかかるとき、モータジェネレータの強め界磁制御を行い、モータジェネレータの運転可能範囲内の非効率的な動作点でモータジェネレータが駆動するよう制御する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モータジェネレータからの動力によって走行する電動車両の制御装置であって、
前記モータジェネレータのロータに対してスラスト方向に荷重がかかるとき、前記モータジェネレータの強め界磁制御を行い、前記モータジェネレータの運転可能範囲内の非効率的な動作点で前記モータジェネレータが駆動するよう制御する、電動車両の制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電動車両の制御装置であって、
前記モータジェネレータに印加される電圧は、前記モータジェネレータに供給可能な最大電流による制約及び前記モータジェネレータに印加される電圧による制約の範囲内で取り得る最大の電圧である、電動車両の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動車両の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１６は、ヘリカルギアＨＧを介して内燃機関ＥＮＧに接続された電動機ＭＯＴに加わるスラスト荷重を示す説明図である。ハイブリッド車両等に搭載された電動機ＭＯＴと内燃機関ＥＮＧとが機械的に結合された構成には、高速又は高荷重での静粛性が求められる。この静粛性を実現するために、電動機ＭＯＴのロータＲＯＴに接続されたシャフトＳｈｍと、内燃機関ＥＮＧのシャフトＳｈｅとを、ヘリカルギア（はすば歯車）ＨＧを介して結合した図１６に示す構成が採用される場合が多い。しかし、ヘリカルギアＨＧは、回転時の静粛性が高いといった利点がある反面、歯の接触面が回転軸に平行ではないために、そのねじれ角度と伝達動力とに応じた軸方向（スラスト方向）の荷重が発生する。なお、図１６に示した例では、内燃機関ＥＮＧのシャフトＳｈｅの回転増速時には、電動機ＭＯＴのシャフトＳｈｍに対して図１６を符号の向きに見て右側にスラスト荷重が加わり、内燃機関ＥＮＧのシャフトＳｈｅの回転減速時には、電動機ＭＯＴのシャフトＳｈｍに対して左側にスラスト荷重が加わる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−０４８３８０号公報
【特許文献２】特許第４０１３９０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１７（ａ），（ｂ）は、図１６に示した電動機ＭＯＴのシャフトＳｈｍに対して左側にスラスト荷重がかかった状態で生じ得るロータＲＯＴの変位を示す説明図である。図１７（ａ）に示した例では、ロータＲＯＴに含まれる磁石ＭＧＮの磁気による実線の矢印で示される斥力成分のために、シャフトＳｈｍにスラスト荷重がかかるとロータＲＯＴはスラスト方向に変位して構造中心から外れようとする。また、図１７（ｂ）に示した例では、ロータＲＯＴに含まれる磁石ＭＧＮの磁気による実線の矢印で示される斥力成分のために、シャフトＳｈｍにスラスト荷重がかかるとロータＲＯＴは構造中心から傾こうとする。その結果、ロータＲＯＴとハウジングＨＳ等との干渉が発生すると、ハウジングＨＳがカバー等の肉薄な構造体である場合には特に、カバー振動に起因した放射音が発生する場合があった。
【０００５】
なお、ヘリカルギアを介した機械的な結合は、図１６に示した電動機と内燃機関との結合に限らず、電動機と足軸との結合等にも採用され得る。さらに、ヘリカルギアを介した構造でなくとも、インホイールモータと車輪とが結合された構造では、路面からの振動又は車輪のアライメントやアンバランス等によっても、また、旋回時や加減速時にも電動機にスラスト荷重がかかる。
【０００６】
こういったスラスト荷重によるノイズや振動を抑制するには、図１６に示す軸受ＢＲＧとしてアンギュラ玉軸受や円錐ころ軸受を用いるか、別途スラスト軸受を用いる必要がある。但し、この場合は、スラスト方向の組み付け性の悪化やメンテナンス性の悪化、サイズ又は重量の増加等といった問題が生じる。しかし、電動機に加わるスラスト荷重を低減できれば、簡易な軸受構造で十分であるため、こういった問題は生じない。
【０００７】
本発明の目的は、モータジェネレータにおけるスラスト方向のロータの変動を抑制可能な電動車両の制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、
モータジェネレータ（例えば、後述の実施形態でのモータジェネレータＭＧ）からの動力によって走行する電動車両の制御装置（例えば、後述の実施形態でのコントローラ部１０３）であって、
前記モータジェネレータのロータに対してスラスト方向に荷重がかかるとき、前記モータジェネレータの強め界磁制御を行い、前記モータジェネレータの運転可能範囲内の非効率的な動作点で前記モータジェネレータが駆動するよう制御する。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記モータジェネレータに印加される電圧は、前記モータジェネレータに供給可能な最大電流による制約及び前記モータジェネレータに印加される電圧による制約の範囲内で取り得る最大の電圧である。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の発明によれば、モータジェネレータの強め界磁制御を行うと、電機子による磁束が磁石界磁を強める方向に働き、ロータに含まれる磁石の引力成分のために、モータジェネレータのロータにスラスト荷重がかかっても、スラスト方向のロータの変動を抑制することができる。その結果、モータジェネレータに隣接するハウジング等の構造体との干渉が発生しない。また、モータジェネレータにスラスト軸受等の複雑な軸受構造を設ける必要がないため、簡易な構造とすることができる。
【００１１】
請求項２の発明によれば、モータジェネレータに印加する電圧が大きいほどモータジェネレータにおける磁石の引力成分は大きくなるため、スラスト方向のロータの変動を最大限に抑制することができる。当該電圧は取り得る最大の電圧が望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】１ＭＯＴ型の電動車両の内部構成を示すブロック図である。
【図２】高圧バッテリ、ＶＣＵ、インバータ及びモータジェネレータの関係を示す電気回路図である。
【図３】強め界磁制御を行ったモータジェネレータにおけるスラスト荷重と磁石の磁束方向との関係を示す図である。
【図４】ｄｑ軸電流ベクトル空間におけるモータジェネレータの動作点の電流による制約と電圧による制約を示す図である。
【図５】強め界磁制御を行う前後のモータジェネレータの動作点の遷移を示す図である。
【図６】ＦＣＶの内部構成を示すブロック図である。
【図７】ＩＭＡ型のＨＥＶの内部構成を示すブロック図である。
【図８】ＡＩＭＡ型のＨＥＶの内部構成を示すブロック図である。
【図９】シリーズ方式とパラレル方式とを切り換え可能なＨＥＶの内部構成を示すブロック図である。
【図１０】パラレル方式のＨＥＶの内部構成を示すブロック図である。
【図１１】２ＭＯＴ型Ｅ４ＷＤのＨＥＶの内部構成を示すブロック図である。
【図１２】２ＭＯＴ型左右駆動ＥＶの内部構成を示すブロック図である。
【図１３】２ＭＯＴ型のインホイールＥＶの内部構成を示すブロック図である。
【図１４】３ＭＯＴ型Ｅ４ＷＤ型のＨＥＶの内部構成を示すブロック図である。
【図１５】４ＭＯＴ型のインホイールＥＶの内部構成を示すブロック図である。
【図１６】ヘリカルギアを介して内燃機関に接続された電動機に加わるスラスト荷重を示す説明図である。
【図１７】（ａ），（ｂ）は、図１６に示した電動機のシャフトに対して左側にスラスト荷重がかかった状態で生じ得るロータの変位を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
（構成）
図１は、電動車両の内部構成を示すブロック図である。図１に示す１ＭＯＴ型の電動車両は、モータジェネレータＭＧと、高圧バッテリＢＡＴｈと、コンバータＣＯＮＶと、低圧バッテリＢＡＴｌと、ＶＣＵ（Voltage Control Unit）１０１と、インバータＩＮＶと、電動サーボブレーキＥＳＢと、コントローラ部１０３とを備える。なお、図１中の太い実線は機械連結を示し、二重点線は電力配線を示し、細い実線は制御信号を示す。
【００１５】
モータジェネレータＭＧは、電動車両が走行するための動力を発生する。モータジェネレータＭＧで発生したトルクは、変速段又は固定段を含むギヤボックスＧＢ及び減速機Ｄを介して駆動輪Ｗに伝達される。また、モータジェネレータＭＧは、電動車両の制動時には発電機として動作する。
【００１６】
高圧バッテリＢＡＴｈは、直列又は並列に接続された複数の蓄電セルを有し、例えば１００〜２００Ｖの高電圧を供給する。蓄電セルは、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池である。コンバータＣＯＮＶは、高圧バッテリＢＡＴｈの直流出力電圧を直流のまま降圧する。低圧バッテリＢＡＴｌは、コンバータＣＯＮＶによって降圧された電圧を蓄電し、例えば１２Ｖの定電圧を補機１０５に含まれる電装品１０７に供給する。
【００１７】
ＶＣＵ１０１は、高圧バッテリＢＡＴｈの出力電圧を直流のまま昇圧する。また、ＶＣＵ１０１は、電動車両の制動時にモータジェネレータＭＧが発電して直流に変換された電力を降圧する。ＶＣＵ１０１によって降圧された電力は、補機１０５に含まれる電動エアコンコンプレッサー１０９に供給されるか、高圧バッテリＢＡＴｈに充電される。図２は、高圧バッテリＢＡＴｈ、ＶＣＵ１０１、インバータＩＮＶ及びモータジェネレータＭＧの関係を示す電気回路図である。図２に示すように、ＶＣＵ１０１は、高圧バッテリＢＡＴｈが出力するＶ１電圧を入力電圧として２つのスイッチング素子をオンオフ切換動作することによって、出力側のＶ２電圧をＶ１電圧よりも高い電圧に昇圧する。なお、ＶＣＵ１０１の２つのスイッチング素子がオンオフ切換動作しないときのＶ２電圧はＶ１電圧に等しい。
【００１８】
インバータＩＮＶは、直流電圧を交流電圧に変換して３相電流をモータジェネレータＭＧに供給する。また、インバータＩＮＶは、電動車両の制動時にモータジェネレータＭＧが発電した交流電圧を直流電圧に変換する。
【００１９】
電動サーボブレーキＥＳＢは、電動車両の制動時に、高圧バッテリＢＡＴｈが満充電であって、モータジェネレータＭＧによる回生電力を補機１０５によって消費しきれない分の電力によって駆動したモータで電動車両の油圧ブレーキを駆動する。
【００２０】
コントローラ部１０３は、インバータＩＮＶ、ＶＣＵ１０１、電動サーボブレーキＥＳＢ及び補機１０５の制御を行う。コントローラ部１０３の詳細については後述する。
【００２１】
（作用）
モータジェネレータＭＧは、電動車両の走行時には力行駆動され、電動車両の制動時には回生駆動される。本実施形態では、モータジェネレータＭＧの力行駆動時又は回生駆動時等といったモータジェネレータＭＧのロータにスラスト荷重がかかるとき、モータジェネレータＭＧのｄ軸電流が正の値に大きくなるようモータジェネレータＭＧの強め界磁制御を行うことによって、モータジェネレータＭＧを非効率的な動作点で駆動する。なお、モータジェネレータＭＧの強め界磁制御は、モータジェネレータＭＧのロータＲＯＴに加わるスラスト荷重を検出するセンサ（不図示）が所定値以上の荷重を検出した際に行っても良い。このセンサは、荷重センサ（フォースセンサ）や、モータジェネレータＭＧのロータの軸移動を感知する赤外線センサである。
【００２２】
強め界磁制御が行われたモータジェネレータＭＧでは、図３に示すように、電機子ＳＴＡによる磁束が磁石界磁を強める方向に働き、ロータＲＯＴに含まれる磁石ＭＧＮの実線の矢印で示される引力成分のために、シャフトＳｈｍを介してロータＲＯＴにスラスト荷重がかかってもロータＲＯＴはスラスト方向に変位しにくい。また、強め界磁制御されたモータジェネレータＭＧの出力効率は低下する。以下の説明では、モータジェネレータＭＧの強め界磁制御を「非効率制御」という。
【００２３】
次に、非効率制御を行う場合のｄｑ軸座標上のモータジェネレータＭＧの動作点について説明する。
【００２４】
モータジェネレータの動作点の範囲は、このモータジェネレータに供給可能な最大電流Ｉｍａｘとモータジェネレータに印加される電圧によって制限される。モータジェネレータＭＧの電流（Ｉｄ，Ｉｑ）の振幅は、最大電流Ｉｍａｘによって制限されるため、式（１）を満たす必要がある。
【数１】
2017034928.tif 000003
【００２５】
また、モータジェネレータＭＧの誘起電圧（Ｖｄｏ，Ｖｑｏ）は式（２）で表される。
【数２】
2017034928.tif 000004
但し、Ｌｄ，Ｌｑ：ｄｑ軸インダクタンス、ω：モータジェネレータＭＧの角速度、ψａ：鎖交磁束である。
式（２）よりｄｑ誘起電圧（ｄ軸電機子に生じる誘起電圧とｑ軸電機子に生じる誘起電圧のベクトル和の大きさ）Ｖｏは、式（３）で表せる。
【数３】
2017034928.tif 000005
このとき、図２に示したＶ２電圧の制限電圧をＶｏｍ（ＶｏｍはＶ２電圧によって決まり、関係式はＶＣＵ１０１の制御の変調方式によって変わる）とすると、式（４）に示すように、ｄｑ誘起電圧Ｖｏは制限電圧Ｖｏｍ以下である必要がある。
【数４】
2017034928.tif 000006
すなわち、式（３）と式（４）により、モータジェネレータＭＧの動作点の範囲には電圧による制限があるため、式（５）を満たす必要がある。
【数５】
2017034928.tif 000007
【００２６】
このように、モータジェネレータＭＧの動作の電流による制限は式（１）で表され、式（１）は、図４に示すｄｑ軸電流ベクトル空間上の定電流円の内部領域によって表される。また、モータジェネレータＭＧの動作の電圧による制限は式（５）で表され、式（５）は、図４に示すｄｑ軸電流ベクトル空間上の定電圧楕円の内部領域によって表される。モータジェネレータＭＧに供給可能な電流の範囲は、式（１）かつ式（５）を満たす範囲であり、この範囲は図４にハッチングした領域で示される。
一方、モータジェネレータＭＧのトルクＴは式（６）で表される。
【数６】
2017034928.tif 000008
但し、Ｐｎ：モータジェネレータＭＧの極対数である。
この式（６）を変形した定トルク曲線を表す式は、式（７）で表される。
【数７】
2017034928.tif 000009
この式（７）は、Ｉｄ＝ψａ／（Ｌｑ−Ｌｄ），Ｉｑ＝０を漸近線とする双曲線である。
【００２７】
ところで、非効率制御を行わないモータジェネレータＭＧの動作点の制御では、例えば、電流に対するトルクが最大となる最大トルク制御（動作点における定トルク曲線の接線と電流ベクトルが直交する制御）や、銅損だけでなく鉄損等を考慮した損失が最小となる最大効率制御（動作点は最大トルク制御よりも進み位相、すなわちｄ軸電流を負の方向へ移動させることが多い）が行われる。すなわち、図５に示した例では、点線の丸印で示した動作点でモータジェネレータＭＧは駆動する。
【００２８】
これに対し、本実施形態で行う非効率制御では、図５に示すように、コントローラ部１０３は、モータジェネレータＭＧのｄ軸電流が正の値に大きくなるようインバータＩＮＶを制御して、モータジェネレータＭＧの動作点を目標動作点（Ｉｄ_ｃ，Ｉｑ_ｃ）に移動させる。なお、目標動作点（Ｉｄ_ｃ，Ｉｑ_ｃ）での電流ベクトルを与えるためのＶ２電圧は、最大電流Ｉｍａｘの定電流円による制約及び目標定電圧楕円による制約の範囲内で取り得る最大の電圧であり、定トルクの条件下においてｄ軸電流が正の方向で最も大きくなる。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態では、モータジェネレータＭＧの力行駆動時又は回生駆動時等といったモータジェネレータＭＧのロータＲＯＴにスラスト荷重がかかるとき、モータジェネレータＭＧのｄ軸電流が正の値に大きくなるようモータジェネレータＭＧの強め界磁制御を行うことによって、モータジェネレータＭＧを非効率的な動作点で駆動する。モータジェネレータＭＧの強め界磁制御を行うと、図３に示したように、電機子ＳＴＡによる磁束が磁石界磁を強める方向に働き、ロータＲＯＴに含まれる磁石ＭＧＮの実線の矢印で示される引力成分のために、スラスト方向のロータＲＯＴの変動を抑制することができる。その結果、モータジェネレータＭＧに隣接するハウジング等の構造体との干渉が発生しない。また、モータジェネレータＭＧにスラスト軸受等の複雑な軸受構造を設ける必要がないため、簡易な構造とすることができる。
【００３０】
また、モータジェネレータＭＧに印加する電圧が大きいほどモータジェネレータＭＧにおける磁石ＭＧＮの引力成分は大きくなるため、当該電圧は取り得る最大の電圧が望ましい。この場合、スラスト方向のロータＲＯＴの変動を最大限に抑制することができる。なお、磁石の減磁耐力は高温時には低下するが、非効率制御を行えばモータジェネレータＭＧのコイルや磁石が高温となっても、磁石に反磁界を与えず、着磁する方向の磁界を与える。このため、非効率制御が行われるモータジェネレータＭＧでは、磁石減磁の耐性が向上する。
【００３１】
なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上記説明した電動車両は、１ＭＯＴ型のＥＶ（Electrical Vehicle）であるが、図６に示すＦＣＶ（Fuel Cell Vehicle）であっても、図７にＩＭＡ（Integrated Motor Assist）型のＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle）であっても、図８に示すＡＩＭＡ（Advanced Integrated Motor Assist）型のＨＥＶであっても、図９に示すシリーズ方式とパラレル方式とを切り換え可能なＨＥＶであっても、図１０に示すパラレル方式のＨＥＶであっても、図１１に示す２ＭＯＴ型Ｅ４ＷＤのＨＥＶであっても、図１２に示す２ＭＯＴ型左右駆動ＥＶであっても、図１３に示す２ＭＯＴ型のインホイールＥＶであっても、図１４に示す３ＭＯＴ型Ｅ４ＷＤ型のＨＥＶであっても、図１５に示す４ＭＯＴ型のインホイールＥＶであっても良い。
【符号の説明】
【００３２】
１０１  ＶＣＵ
１０３  コントローラ部
１０５  補機
ＢＡＴｈ  高圧バッテリ
ＢＡＴｌ  低圧バッテリ
ＣＯＮＶ  コンバータ
ＥＳＢ  電動サーボブレーキ
ＩＮＶ  インバータ
ＭＧ  モータジェネレータ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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