JP5413565B2

JP5413565B2 - モータ駆動装置及び電動車両

Info

Publication number: JP5413565B2
Application number: JP2009011811A
Authority: JP
Inventors: 政樹平形
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-01-22
Filing date: 2009-01-22
Publication date: 2014-02-12
Anticipated expiration: 2029-01-22
Also published as: JP2010172102A

Description

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とを併用したモータ駆動装置、及び、このモータ駆動装置が搭載された電動車両に関するものである。

特許文献１には、回生時のエネルギーを効率よく回収するために、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してのキャパシタと、充放電における効率は劣るが安定的に電源を供給可能な鉛蓄電池等の二次電池とを組み合わせたアシスト回路が記載されている。
この従来技術は、所定パターンの過渡的充放電動作を伴う二次電池と並列にキャパシタを接続し、二次電池の過渡的充放電動作による電圧変動を所定の許容範囲内に収めるために、二次電池の許容電圧変動に相当する電圧変動が存在した場合に発生するキャパシタの充電または放電容量が、前記所定パターンの過渡的充電または放電電力エネルギー以上となるようにキャパシタの静電容量を設定するものである。

また、特許文献２には、電圧可変形エネルギー貯蔵素子としてのキャパシタの貯蔵エネルギー量を調整するため、キャパシタの端子電圧を制御し、このキャパシタと二次電池との間でエネルギーの授受を自由に制御可能とした蓄電装置が記載されている。
この従来技術は、発電装置と走行用のモータとを有する車両の蓄電装置であって、主回路に接続されるキャパシタと、二次電池と、前記キャパシタと二次電池との間で蓄積電力を相互に移動可能な双方向昇降圧コンバータと、を備えたものである。

特開２００１−３５９２４４号公報（段落［０００９］〜［００１９］、図１等）特開２００５−１６０１５４号公報（段落［００１７］，［００１８］、図１等）

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等の電圧可変形エネルギー貯蔵素子の方が、内部抵抗が小さい。ここで、二次電池やエネルギー貯蔵素子等の電源のエネルギー損失は、数式１に示すように、充放電時間における電流の二乗と電源の内部抵抗との積で決まる。

なお、数式１において、電源のエネルギー損失をＥ_ｌｏｓｓとし、電源の内部抵抗をＲ、充放電時間をＴ、充放電電流をｉとする。

このため、特許文献１，２に記載されているようにモータ駆動装置の電源として二次電池及び電圧可変形エネルギー貯蔵素子を併用する場合、大電流を必要とする加速時や減速時には、内部抵抗が小さい電圧可変形エネルギー貯蔵素子を優先的に使用して電力を授受させることにより、電源効率を高めることができる。
しかしながら、例えば電動車両が上り坂を走行する場合に加速時のエネルギー消費量が多いことを見込み、電圧可変形エネルギー貯蔵素子のエネルギーが不足しないように同エネルギーを常に最大限貯蔵しておくと、下り坂を走行する場合のように加速時の消費エネルギーが少ない場合には、電圧可変形エネルギー貯蔵素子のエネルギーを十分に放電することができず、車両の減速時に回生されるエネルギーが電圧可変形エネルギー貯蔵素子の貯蔵容量の許容値を超えてしまって貯蔵素子が破損することがある。

しかるに、前述した特許文献１，２にはこれらの場合の対策が何ら開示されていない。
一方、車両の減速時に回生されるエネルギーの余裕をみて、貯蔵容量の大きな電圧可変形エネルギー貯蔵素子を使用することが考えられるが、これによるとコストの増加を招くという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、電動車両の走行状況に応じて電圧可変形エネルギー貯蔵素子のエネルギー貯蔵量が適切になるように制御可能として電圧可変形エネルギー貯蔵素子の破損を防止すると共に、コストの増加を抑制し得るモータ駆動装置と、このモータ駆動装置を備えた電動車両を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係るモータ駆動装置は、第１の電源としての二次電池と、第２の電源としての電圧可変形エネルギー貯蔵素子と、第１，第２の電源の一方または双方により給電されてモータを駆動する駆動用電力変換器と、を有するモータ駆動装置において、
第１の電源と第２の電源との間、及び、第２の電源と前記駆動用電力変換器との間で電力を授受するための昇降圧コンバータと、
第２の電源の電圧、及び前記モータの速度相当値を用いて、第２の電源のエネルギー貯蔵量が目標値に一致するように前記昇降圧コンバータを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記モータの速度が零近傍のときに、第２の電源のエネルギー貯蔵量が最大値になるように前記昇降圧コンバータを制御して第１の電源から第２の電源を充電し、
前記モータの速度が上昇するにつれて、前記エネルギー貯蔵量を減少させるように前記昇降圧コンバータを制御して第２の電源から第１の電源を充電するものである。

請求項２に係るモータ駆動装置は、請求項１に記載したモータ駆動装置において、第１の電源の電圧を昇圧する昇圧コンバータを更に備えたものである。

請求項３に係るモータ駆動装置は、請求項１または２に記載したモータ駆動装置において、前記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コンデンサであることを特徴とする。

請求項４に係る電動車両は、請求項１〜３の何れか１項に記載したモータ駆動装置と、このモータ駆動装置により駆動されるモータと、前記モータ駆動装置及びモータが搭載された車体と、を備えたものである。

請求項５に係る電動車両は、請求項４に記載した電動車両において、前記車体の傾斜を検出する傾斜検出手段を備え、前記制御手段は、第２の電源のエネルギー貯蔵量の目標値を複数有し、前記傾斜検出手段により検出した傾斜量に応じて選択した前記目標値に従って前記昇降圧コンバータを制御するものである。

請求項６に係る電動車両は、請求項５に記載した電動車両において、前記制御手段は、前記傾斜検出手段により検出した傾斜量により、前記車両が上り傾斜の走行路を走行していると判断した場合には、前記モータの速度零近傍における前記エネルギー貯蔵量の目標値を最大値とし、前記車両が下り傾斜の走行路を走行していると判断した場合には、前記モータの速度零近傍における前記エネルギー貯蔵量の目標値を前記最大値よりも小さくするものである。

本発明によれば、車両の加減速時における大電流の授受を、充放電効率の高い電圧可変形エネルギー貯蔵素子を優先させて行うことができる。これにより、電圧可変形エネルギー貯蔵素子の小容量化、電源効率の向上及びコストの低減が可能になる。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。第１実施形態におけるモータ速度と電気二重層キャパシタのエネルギー貯蔵量との関係を示す図である。本発明の第２実施形態を示す構成図である。本発明の第３実施形態を示す構成図である。第３実施形態におけるモータ速度と電気二重層キャパシタのエネルギー貯蔵量との関係を示す図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態を示す構成図である。図１は、本発明のモータ駆動装置１００Ａが搭載された電動車両を想定している。
モータ駆動装置１００Ａの主回路において、二次電池としての鉛蓄電池１の両端は、昇降圧比が可変である電流可逆型昇降圧コンバータ１０と駆動用電力変換器としての三相インバータ２０の直流母線の正極Ｐ及び負極Ｎに接続されている。また、電流可逆型昇降圧コンバータ１０には、電圧可変形エネルギー貯蔵素子としての電気二重層キャパシタ２が接続されている。更に、三相インバータ２０の交流出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗには、三相の交流モータＭが接続される。
なお、上記構成において、便宜的に鉛蓄電池１を第１の電源、電気二重層キャパシタ２を第２の電源というものとする。

また、電流可逆型昇降圧コンバータ１０は、鉛蓄電池１と電気二重層キャパシタ２との間で電力を授受させ（充放電させ）、更に、電気二重層キャパシタ２と三相インバータ２０との間で電力を授受させるためのものであり、鉛蓄電池１に接続された一対の端子と電気二重層キャパシタ２に接続された一対の端子とは、可逆的に入力端子、出力端子となるものである。

モータＭの出力軸には、速度検出手段３が取り付けられていると共に、前記出力軸は減速ギア及び差動ギアを内蔵したギアボックス４に連結されている。また、５は車輪を示す。
更に、６は鉛蓄電池１を流れる充放電電流を検出する電流検出手段、７はキャパシタ２の電圧を検出する電圧検出手段である。

更に、５０は、上記主回路の制御回路であり、記憶機能を有するマイクロプロセッサと、外部との間で信号を入出力するためのインターフェース回路とを備えている。
制御回路５０には、モータＭの加速指令及び制動指令が外部から入力されると共に、前記速度検出手段３による速度検出値、電流検出手段６による電流検出値、電圧検出手段７による電圧検出値が入力されており、後述する制御動作により、電流可逆型昇降圧コンバータ１０及び三相インバータ２０の半導体スイッチング素子に対する制御信号（ゲート信号）を出力するように構成されている。

上記制御回路５０は、大別すると次の二つの制御動作を行う。
第１の制御動作は、入力された加速指令及び制動指令に基づき、三相インバータ２０のスイッチング素子に制御信号を与えてモータＭの電流を制御し、モータＭのトルクを制御する。その具体的な方法は周知であるため、ここでは説明を割愛する。
第２の制御動作は、速度検出手段３による速度検出値、電圧検出手段７による電圧検出値に基づいて電流可逆型昇降圧コンバータ１０に対する昇降圧指令値を生成し、この指令値に従ってコンバータ１０のスイッチング素子を制御することにより、鉛蓄電池１との間で充放電するキャパシタ２の端子電圧、つまりエネルギー貯蔵量を制御する。

次に、上述したキャパシタ２におけるエネルギー貯蔵量の制御方法を説明する。
図２は、モータ速度とキャパシタ２のエネルギー貯蔵量（目標値）との関係を示している。モータ速度が零近傍では加速エネルギー源としてキャパシタ２を最大限に使用できるように、キャパシタ２が許容する最大のエネルギーを鉛蓄電池１から充電しておく。それ以外の速度の場合には、制動による回生エネルギーによりキャパシタ２を優先的に充電できるように、モータ速度に応じてキャパシタ２のエネルギー貯蔵量を調整する。

モータ速度が低い場合には、制動により電力が回生されてもその量は少ない。一方、モータ速度が高く、例えば速度の上限に近い場合には、それ以上加速するために消費するエネルギーは少なく、制動による電力回生量は多くなる。従って、キャパシタ２のエネルギー貯蔵量は速度に比例させて低減させることが望ましい。

具体的には、制御回路５０に加速指令または制動指令が入力された場合、電流可逆型昇降圧コンバータ１０の出力電圧を調節することで、キャパシタ２が三相インバータ２０との間で優先的にエネルギーを授受するように制御する。ただし、キャパシタ２のエネルギー貯蔵量に応じて下記の動作を行うことにより、キャパシタ２のエネルギー貯蔵量を調整する。

すなわち、あるモータ速度におけるキャパシタ２のエネルギー貯蔵量が図２の（Ａ）の領域にある場合には、モータ速度に対するキャパシタ２のエネルギー貯蔵量が目標値となるように、電流可逆型昇降圧コンバータ１０の出力電圧を上げ、キャパシタ２の電荷を鉛蓄電池１に漸次放電してキャパシタ２の電圧を低下させる。
一方、キャパシタ２のエネルギー貯蔵量が図２の（Ｂ）の領域にある場合には、電流可逆型昇降圧コンバータ１０の出力電圧を下げ、鉛蓄電池１からキャパシタ２を漸次充電してキャパシタ２の電圧を上昇させる。
このような動作により、モータ速度の全領域にわたりキャパシタ２のエネルギー貯蔵量は目標値に一致するようになる。

なお、上記実施形態では、キャパシタ２のエネルギー貯蔵量決定にモータＭの速度検出値を用いたが、車両速度や車軸回転数などのモータ速度に比例した検出量やモータ速度推定値（これらと速度検出値とを総称してモータＭの速度相当値という）を用いても、同様にエネルギー貯蔵量を制御することができる。

次に、図３は本発明の第２実施形態に係るモータ駆動装置１００Ｂを示している。
この実施形態は、三相インバータ２０の出力電圧を高める目的で、第一の電源である鉛蓄電池１の出力電圧を昇圧するための電流可逆型昇圧コンバータ（昇圧比固定）３０を介して鉛蓄電池１を直流母線に接続した例である。
この実施形態の動作は、鉛蓄電池１の出力電圧が昇圧される点以外は第１実施形態と同様であり、制御回路５０では、図示するようにモータ速度検出値を用いるか、あるいは、車両速度のようにモータ速度に比例した検出量、モータ速度推定値等を用いることで、キャパシタ２のエネルギー貯蔵量を調整可能である。

次いで、図４は本発明の第３実施形態に係るモータ駆動装置１００Ｃを示している。
この実施形態が第１実施形態と異なる点は、モータ駆動装置１００Ｃが電動車両に搭載されている場合において、車体の傾斜を検出する傾斜検出手段６０を設けると共に、その検出信号である傾斜量が制御回路５０に入力されている点である。

電動車両の走行路が下り傾斜の場合には、消費エネルギーより回生エネルギーが大きくなるので、回生エネルギーをキャパシタ２に漏れなく供給して充電するためには、キャパシタ２のエネルギー貯蔵量を予め少なくしておく必要がある。
一方、走行路が上り傾斜の場合には、回生エネルギーより消費エネルギーが大きくなるため、キャパシタ２のエネルギー貯蔵量をできるだけ多くしておく必要がある。

上記の観点から、モータ速度に対するキャパシタ２の貯蔵エネルギー目標値を、図５にａとして示すように、走行路の傾斜に応じて変えることが望ましい。
例えば、車両が上り傾斜の走行路を走行していると判断した場合には、モータＭの速度零近傍におけるエネルギー貯蔵量の目標値を最大値とし、車両が下り傾斜の走行路を走行していると判断した場合には、モータＭの速度零近傍におけるエネルギー貯蔵量の目標値を前記最大値よりも小さくする。
ここで、例えば車両が上り傾斜の走行路を走行していてキャパシタ２の貯蔵エネルギーだけではエネルギーが不足するような場合には、鉛蓄電池１を放電させてそのエネルギーも三相インバータ２０に供給する。

具体的には、図５に相当するデータを制御回路５０に予め記憶しておき、傾斜検出手段６０から入力された傾斜量に応じて図５の各種特性線のうち該当するものを選択し、モータ速度に対するキャパシタ２のエネルギー貯蔵量目標値を決定すれば良く、実際のエネルギー貯蔵量がこの目標値に一致するように制御回路５０が電流可逆型昇降圧コンバータ１０を制御すれば良い。
この実施形態においても、モータ速度検出値以外に、車両速度などのモータ速度に比例した検出量、モータ速度推定値等を用いることができる。

なお、上記各実施形態において、第二の電源である電圧可変形エネルギー貯蔵素子としては、電気化学コンデンサを使用しても良い。

本発明に係るモータ駆動装置は、電動車両に限らず、モータを動力源とする各種の装置、機器に利用することができる。
また、本発明に係る電動車両は、荷役機械等を始めとして各種の産業用車両に利用することができる。

１鉛蓄電池（第１の電源としての二次電池）
２電気二重層キャパシタ（第２の電源としての電圧可変形エネルギー貯蔵素子）
３速度検出手段
４ギアボックス
５車輪
６電流検出手段
７電圧検出手段
１０電流可逆型昇降圧コンバータ（昇降圧比可変）
２０三相インバータ
３０電流可逆型昇圧コンバータ（昇圧比固定）
５０制御回路
６０傾斜検出手段
１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃモータ駆動装置
Ｍモータ
Ｐ直流母線の正極
Ｎ直流母線の負極
Ｕ，Ｖ，Ｗ交流出力端子

Claims

第１の電源としての二次電池と、第２の電源としての電圧可変形エネルギー貯蔵素子と、第１，第２の電源の一方または双方により給電されてモータを駆動する駆動用電力変換器と、を有するモータ駆動装置において、
第１の電源と第２の電源との間、及び、第２の電源と前記駆動用電力変換器との間で電力を授受するための昇降圧コンバータと、
第２の電源の電圧、及び前記モータの速度相当値を用いて、第２の電源のエネルギー貯蔵量が目標値に一致するように前記昇降圧コンバータを制御する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記モータの速度が零近傍のときに、第２の電源のエネルギー貯蔵量が最大値になるように前記昇降圧コンバータを制御して第１の電源から第２の電源を充電し、
前記モータの速度が上昇するにつれて、前記エネルギー貯蔵量を減少させるように前記昇降圧コンバータを制御して第２の電源から第１の電源を充電することを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１に記載したモータ駆動装置において、
第１の電源の電圧を昇圧する昇圧コンバータを更に備えたことを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１または２に記載したモータ駆動装置において、
前記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コンデンサであることを特徴とするモータ駆動装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載したモータ駆動装置と、このモータ駆動装置により駆動されるモータと、前記モータ駆動装置及びモータが搭載された車体と、を備えたことを特徴とする電動車両。
請求項４に記載した電動車両において、
前記車体の傾斜を検出する傾斜検出手段を備え、
前記制御手段は、
第２の電源のエネルギー貯蔵量の目標値を複数有し、前記傾斜検出手段により検出した傾斜量に応じて選択した前記目標値に従って前記昇降圧コンバータを制御することを特徴とする電動車両。
請求項５に記載した電動車両において、
前記制御手段は、
前記傾斜検出手段により検出した傾斜量により、前記車両が上り傾斜の走行路を走行していると判断した場合には、前記モータの速度零近傍における前記エネルギー貯蔵量の目標値を最大値とし、前記車両が下り傾斜の走行路を走行していると判断した場合には、前記モータの速度零近傍における前記エネルギー貯蔵量の目標値を前記最大値よりも小さくすることを特徴とする電動車両。