JP5808923B2 - モータ駆動装置及び電気自動車 - Google Patents

Description

この発明は、バッテリを電源とする電気自動車の走行用のモータの駆動を制御するモータ駆動装置に関する。

電気自動車のモータ等のように、バッテリを電源とするモータでは、制動時に回生制動を用い、運動エネルギを回収することが行われる。特許文献１には、永久磁石モータを駆動源とする電気自動車において、永久磁石モータで課題となる回生制動トルクを一定に保つことを可能とする技術が開示されている。これは、回生制動時に、永久磁石モータから出力される出力を消費する可変抵抗と、回生制動トルクが要求回生制動トルクとなるように、可変抵抗値を調整する抵抗可変装置とを備えるものである。

特開平５−１６１２０８号公報

バッテリが満充電状態では、モータによる回生制動を行うことができず、機械ブレーキのみで制動を行わなければならない。このため、電気自動車では、長い下り坂で機械式ブレーキの発熱が懸念されたり、ブレーキが大型化することになる。

特許文献１では、回生制動トルクを一定に保つ課題で、モータの発電電力を消費する抵抗が設けられている。この課題とは異なるが、上記のような抵抗を設けることで、モータの発電電力をバッテリで回生する代わりに抵抗で消費し、モータによる制動を可能とすることが考えた。しかし抵抗での発熱量や、その熱の逃がし手段を考えると、モータで十分な制動トルクが得られるだけの抵抗を設けて制動することの実用化は難しい。

この発明の目的は、バッテリが満充電状態でもモータによる制動を行うことができて、機械式ブレーキの小型化や省略が可能となり、また発電電力の消費用に大きな抵抗や放熱手段を設けることが不要なモータ駆動装置を提供することである。

この発明のモータ駆動装置２０は、バッテリ１９の電力でモータ６を駆動する駆動用接続形態と、回生制動時のモータ６の発電電力をバッテリ１９に充電させる回生用接続形態とに切換可能な接続形態切換回路（例えばインバータ）３１を備え、電気自動車の走行用のモータである前記モータ６を制御するモータ駆動装置２０において、
前記接続形態切換回路３１を、モータコイルを短絡させて制動力を発生させる短絡接続形態に切換可能な構成とし、かつこの短絡接続形態で流れる短絡電流を制御する短絡電流制御手段２６を設け、前記接続形態切換回路３１を、前記回生用接続形態と短絡接続形態とに切り換える制御を行う回生制動・短絡制動切換制御手段２５を設けた。

この構成によると、回生制動・短絡制動切換制御手段２５により、前記接続形態切換回路３１を、モータコイルを短絡させる短絡接続形態に切換えることで、モータ６に制動力を発生させることができる。モータ６は、コイルが短絡すると大きな制動力を発生する。単に短絡させただけでは、制動トルクが大きくなり過ぎ、急制動となるが、短絡接続形態で流れる短絡電流を短絡電流制御手段２６により制御することで、モータ６に必要なだけのトルクを発生させ、急制動だけでなく、所望の制動トルクを生じさせることができる。また、回生制動・短絡制動切換制御手段２５により、前記接続形態切換回路３１を回生用接続形態に切り換えると、通常の回生制動が行える。
このように、回生制動と短絡制動とに、回生制動・短絡制動切換制御手段２５によって切換可能とし、かつ短絡電流制御手段２６を設けて短絡制動の制御を可能としたため、バッテリが満充電状態でもモータ６による制動を行うことができて、多くの場合にモータ６の制動力で電気自動車やモータ使用機器を制動することができる。そのため、機械式ブレーキ９は、例えば、制動時の最後の確実な停止時の使用や、モータ６による制動との併用など、補助的に使用されるもので済み、小型化や省略が可能となる。電気自動車に適用したが、長い下り坂であって、また満充電であっても、モータ６による短絡制動とすることで、機械式ブレーキ９の制動負担が小さくなり、摩擦式制動による機械式ブレーキ９の発熱や摩耗の問題が回避できる。なお、短絡制動では、モータ６が発熱して発電エネルギを消費することになるが、過熱となるまでに十分に余裕がある場合が多く、短絡制動の実用化が可能である。

この発明において、前記バッテリ１９の充電状態が設定充電量以上の充電状態である満充電であるか否かを検出する充電状態検出手段２７を設け、前記回生制動・短絡制動切換手段２５は、前記充電状態検出手段２７が満充電を検出した状態では、前記接続形態切換回路３１を、前記短絡接続形態に切り換えるようにしても良い。
このようにバッテリ１９が満充電で回生制動が不能な場合に、その満充電の検出により、短絡接続形態に切り換えることで、モータ６の短絡による制動を行うことができる。また短絡制動への自動切換により、満充電による不測の制動力不足が回避される。

この発明において、前記モータ６が同期モータであり、前記接続形態切換回路３１がインバータであっても良い。埋込磁石型等の同期モータは、電気自動車等に多く使用されており、バッテリ１９の直流電力をインバータ３１で交流電力に変換して駆動される。インバータ３１は複数のスイッチング素子３１ａ，３１ｂやこの素子と並列接続されたフリーホイールダイオード３１ｄの組み合わせ等で構成されており、各スイッチング素子３１ａ，３１ｂの開閉状態の組み合わせにより、前記接続形態切換回路としての使用が可能である。インバータ３１を利用することで、専用の接続形態切換回路を設けることが不要となる。

前記短絡電流制御手段２６は、ＰＷＭ（パルス幅変調）駆動により電流制御するものである。ＰＷＭ駆動によると、電流制御が簡単な回路構成で精度良く行える。

短絡電流制御手段２６は、そのＰＷＭ駆動による電流制御を、ベクトル制御法を用いてトルク電流と界磁電流として制御する。トルク電流と界磁電流とを制御するベクトル制御法によると、電流制御が精度良く行え、所望の制動動作となる短絡制動が精度良く行える。
より具体的には、前記モータ６が３相のモータであり、前記接続形態切換回路が、それぞれ半導体スイッチング素子である駆動素子３１ａ，３１ｂを、各相毎に正電圧側と負電圧側との２個ずつ直列に接続した合計６個の駆動素子３１ａ，３１ｂを持つインバータ３１であって、前記短絡接続形態は前記正電圧側の３つの駆動素子３１ａをオフ、前記負電圧側の３つの駆動素子３１ｂをオンとする接続形態であり、前記短絡電流制御手段２６は前記ＰＷＭ駆動による電流制御を、ベクトル制御法を用いて、制動指令に応じて定められた大きさのトルク電流の指令値および界磁電流の指令値を出力することで行う。

この発明において、前記モータ６の外部に、このモータ６の発電電力を消費してモータに制動力を発生させる電力消費用抵抗１０２、およびこの電力消費用抵抗１０２と直列接続されたスイッチング手段１０３，１０４を有する抵抗消費制動用回路１０１を設け、前記回生制動・短絡制動切換制御手段２５は、前記接続形態切換回路３１および前記スイッチング手段１０３，１０４を制御して、前記抵抗消費制動用回路１０１にモータ６の発電電流を流す抵抗消費形態と、前記回生用接続形態と、前記短絡接続形態とに切換可能とし、または短絡接続形態と前記抵抗消費形態とこれら短絡接続形態および抵抗消費形態の併用形態とに切換可能としても良い。

短絡制動では、モータ６が発熱して発電エネルギを消費することになるため、モータ温度の上昇により短絡制動が行えなくなることがある。しかし、モータ６外に電力消費用抵抗１０２を設けることで、満充電で回生制動が行えず、また短絡制動も十分に行えない場合に、短絡制動と電力消費用抵抗による制動との併用で、あるいは電力消費用抵抗１０２による制動のみで、モータ６による制動を行うことができる。電力消費用抵抗１０２による制動は、前記スイッチング手段１０３，１０４で自由にオンオフできる。電力消費用抵抗１０２は、短絡制動の補助として用いることができるため、短絡制動の機能を設けずに電力消費用抵抗１０２だけで、回生制動不能時のモータ６による制動を行わせる場合と異なり、電力消費用抵抗１０２の発熱は比較的に少なくて済み、その放熱手段も簡素にでき、電力消費用抵抗１０２を設けることによるモータ駆動装置の大型化が回避できる。

電力消費用抵抗１０２を設けた場合に、前記バッテリ１９の充電状態が設定充電量以上の充電状態である満充電であるか否かを検出する充電状態検出手段２７と、前記モータ６の温度を検出するモータ温度検出手段１０６とを設け、前記回生制動・短絡制動切換手段１０５は、前記充電状態検出手段２７が満充電を検出した状態では、前記モータ温度検出手段１０６によるモータ温度の温度区分によって、前記短絡接続形態と前記抵抗消費形態とに切換可能とし、または短絡接続形態と前記抵抗消費形態とこれら短絡接続形態および抵抗消費形態の併用形態とに切換可能としても良い。
このように、バッテリ１９の充電状態検出手段２７とモータ温度検出手段１０６とを設け、その検出結果によって、回生制動、短絡制動、抵抗消費制動の使い分けや組み合わせを行うことで、モータ６等に過剰な負担がかからない適切な制動が行える。

この発明のモータ駆動装置において、前記モータ６が、電気自動車の走行用のモータであっても良い。電気自動車では、航続距離を長くする目的で車両の軽量化が強く望まれる。そのため、限られた容量のバッテリ１９が用いられ、満充電とされて回生制動が行えない場合が多い。また、ブレーキ９が小型化できると、軽量化につながる。そのため、回生制動と短絡制動とを切り換えて行えることによるこの発明の効果が、より一層効果的となる。特に、長い坂道で、かつ満充電で回生制動が行えない場合に、機械式ブレーキ９の負担を少なくできて、機械式ブレーキ９の小型化が図れることによる利点が効果的である。

この発明の電気自動車は、この発明の上記いずれかの構成のモータ駆動装置２０を備えた電気自動車である。そのため、この発明のモータ駆動装置２０による、バッテリ１９が満充電状態でもモータによる制動を行うことができて、機械式ブレーキ９の小型化や省略が可能となり、また発電電力の消費用に大きな抵抗や放熱手段を設けることが不要となる効果が、効果的に得られる。

この発明の電気自動車は、前記モータ６が、一部または全体が車輪内に配置されて前記モータ６と車輪用軸受４と減速機７とを含むインホイールモータ装置８を構成するものであっても良い。また、前記減速機７はサイクロイド減速機であっても良い。
インホイールモータ装置８の場合、車輪個別にモータ６が設置されるため、個々のモータ６で分散して上記短絡制動が行える。また、サイクロイド減速機は、大きな減速比が得られるため、上記短絡制動を行う場合のモータ６の制動力で効果的に車両を制動することができる。

この発明のモータ駆動装置は、バッテリの電力でモータを駆動する駆動用接続形態と、回生制動時のモータの発電電力をバッテリに充電させる回生用接続形態とに切換可能な接続形態切換回路を備えたモータ駆動装置において、前記接続形態切換回路を、モータコイルを短絡させて制動力を発生させる短絡接続形態に切換可能な構成とし、かつこの短絡接続形態で流れる短絡電流を制御する短絡電流制御手段を設け、前記接続形態切換回路を、前記回生用接続形態と短絡接続形態とに切り換える制御を行う回生制動・短絡制動切換制御手段を設けたため、バッテリが満充電状態でもモータによる制動を行うことができて、機械式ブレーキの小型化や省略が可能となり、また発電電力の消費用に大きな抵抗や放熱手段を設けることが不要となる。
特に、電気自動車のモータ駆動装置に適用したため、バッテリの満充電時に長い下り坂を走行するときにも、モータによる短絡制動が行え、あるいはモータによる短絡制動と機械式ブレーキと併用することができ、機械式ブレーキの小型化が可能となる。
また、前記短絡電流制御手段はＰＷＭ駆動により電流制御するものであるため、電流制御が簡単な回路構成で精度良く行える。また、そのＰＷＭ駆動による電流制御を、ベクトル制御法を用いてトルク電流と界磁電流として制御するものとしたため、電流制御が精度良く行え、所望の程度の制動動作となる短絡制動が精度良く行える。

この発明の第１の実施形態に係るモータ駆動装置を搭載した電気自動車を平面図で示す概念構成のブロック図である。 同電気自動車のインバータ装置の概念構成を示すブロック図である。 同ブロック図においてインバータの電気回路を示した説明図である。 同インバータ装置のインバータの電気回路と出力波形の説明図である。 同インバータ装置のインバータの短絡接続形態の説明図である。 同インバータ装置におけるベクトル制御を行う基本駆動制御部のブロック図である。 この発明の他の実施形態に係るモータ駆動装置の概念構成を示すブロック図である。 この発明のモータ駆動装置を装備した電気自動車のインホイールモータ装置の一例を示す断面である。 図８のIX−IX線断面図である。 図８のＸ−Ｘ線断面図である。 図１０の部分拡大断面図である。 この発明の他の実施形態に係るモータ駆動装置の概念構成を示すブロック図である。 同モータ駆動装置の短絡接続形態の説明図である。

この発明の第１の実施形態を図１ないし図６と共に説明する。図１は、この実施形態のモータ駆動装置を装備した電気自動車の概念構成を示す平面図である。この電気自動車は、車体１の左右の後輪となる車輪２が駆動輪とされ、左右の前輪となる車輪３が従動輪とされた４輪の自動車である。前輪となる車輪３は操舵輪とされている。駆動輪となる左右の車輪２，２は、それぞれ独立の走行用のモータ６により駆動される。モータ６の回転は、減速機７および車輪用軸受４を介して車輪２に伝達される。これらモータ６、減速機７、および車輪用軸受４は、互いに一つの組立部品であるインホイールモータ装置８を構成している。インホイールモータ装置８は、モータ６が車輪２に近接して設置されており、一部または全体が車輪２内に配置される。各車輪２，３には、電動式等の機械式のブレーキ９がそれぞれ設けられている。なお、ここで言う「機械式」とは、回生ブレーキとの区別のための用語であり、油圧ブレーキも含まれる。

制御系を説明する。自動車全般の統括制御を行う電気制御ユニットであるメインのＥＣＵ２１と、このＥＣＵ２１の指令に従って各走行用のモータ６の制御をそれぞれ行うインバータ装置２２（図示の例では２つ）と、ブレーキコントローラ２３とが、車体１に搭載されている。ＥＣＵ２１とインバータ装置２２とで、モータ駆動装置２０が構成される。ＥＣＵ２１は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、並びに各種の電子回路等で構成される。なお、ＥＣＵ２１と各インバータ装置２２の弱電系とは、互いに共通のコンピュータや共通の基板上の電子回路で構成されていても良い。

ＥＣＵ２１は、トルク配分手段４８を有していて、トルク配分手段４８は、アクセル操作手段１６の出力するアクセル開度の信号と、ブレーキ操作手段１７の出力する減速指令と、操舵手段１５の出力する旋回指令とから、左右輪の走行用モータ６，６に与える加速・減速指令をトルク指令値として生成し、各インバータ装置２２へ出力する。また、トルク配分手段４８は、ブレーキ操作手段１７の出力する減速指令があったときに、モータ６を回生ブレーキとして機能させる制動トルク指令値と、機械式のブレーキ（図示せず）を動作させる制動トルク指令値とに配分する機能を持つ。回生ブレーキとして機能させる制動トルク指令値は、例えば、各走行用のモータ６，６に与える加速・減速指令のトルク指令値を負の指令値として与える。アクセル操作手段１６およびブレーキ操作手段１７は、それぞれアクセルぺダルおよびブレーキペダル等のペダルと、そのペダルを動作量を検出するセンサとでなる。操舵手段１５は、ステアリングホイールとその回転角度を検出するセンサとでなる。バッテリ１９は、二次電池であって、モータ６の駆動および車両全体の電気系統の電源として用いられる。

ブレーキコントローラ２３は、専用の電気制御ユニット（ＥＣＵ）からなり、トルク配分手段４８から与えられた機械式のブレーキへの制動トルク指令値を、各輪２，３の機械式ブレーキ９に分配する。

図２に示すように、インバータ装置２２は、各モータ６に対して設けられた電力変換回路部であるパワー回路部２８と、このパワー回路部２８を制御するモータコントロール部２９とで構成される。モータコントロール部２９は、このモータコントロール部２９が持つインホイールモータ装置８に関する各検出値や制御値等の情報をＥＣＵ２１に出力する機能を有する。
パワー回路部２８は、バッテリ１９の直流電力をモータ６の駆動に用いる３相の交流電力に変換するインバータ３１と、このインバータ３１を制御する手段であるＰＷＭドライバ３２とで構成される。

図３において、モータ６は、３相の同期モータ、例えばＩＰＭ型（埋込磁石型）同期モータ等からなる。インバータ３１は、半導体スイッチング素子である複数の駆動素子３１ａ，３１ｂで構成され、これら駆動素子３１ａ，３１ｂのオンオフの組み合わせにより、モータ６の３相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の各相の駆動電流をパルス波形で出力する。インバータ３１の各駆動素子３１ａ，３１ｂは、バッテリ１９に接続された正電圧側回路部と負電圧側回路部間に間に並列に接続された３本の各相回路部に、２個ずつ直列に接続されており、各相回路部における２個の駆動素子３１ａ，３１ｂ間の部分が、モータ６の各相のコイルに接続される。各駆動素子３１ａ，３１ｂにはフライホイールダイオードとなるダイオード３１ｄが並列に接続されている。なお、前記正電圧側回路部と負電圧側回路部間には、平滑用のコンデンサによる平滑回路３７が設けられている。

インバータ３１は、上記のようにスイッチングからなる駆動素子３１ａ，３１ｂとフライホイールダイオード３１ｄとで構成されており、バッテリ１９の電力でモータ６を駆動する駆動用接続形態と、回生制動時のモータ６の発電電力をバッテリ１９に充電させる回生用接続形態とに切換可能な接続形態切換回路となる。すなわち、全ての駆動素子３１ａ，３１ｂをオフとすると、インバータ３１はフライホイールダイオード３１ｄによるダイオードブリッジを構成し、モータ６の交流電力を整流する回生用接続形態となる。

ＰＷＭドライバ３２は、入力された電流指令をパルス幅変調し、前記各駆動素子３１ａにオンオフ指令を与える。上記パルス幅変調は、例えば図４（Ｂ）に示すように正弦波駆動する電流出力が得られるように行う。図３において、パワー回路部２８の弱電回路部であるＰＷＭドライバ３２と前記モータコントロール部２９とで、インバータ装置２２における弱電回路部分である演算部３３が構成される。演算部３３は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、および電子回路により構成される。

モータ６には、モータロータの角度を検出するモータ角度検出器３６が設けられている。モータ角度検出器３６は、レゾルバ等の高精度の検出器が用いられる。また、図２に示すように、車輪用軸受４またはこの車輪用軸受４を支持するナックル（図示せず）等の支持部材に、車輪２の回転速度を検出する車輪回転数検出器２４が設けられている。

図２，図３において、インバータ装置２２のモータコントロール部２９は、モータ６に設けられたモータ角度検出器３６の角度検出値に従い、磁極位置に応じた制御を行う基本駆動制御部３８を有しており、モータコントロール部２９はベクトル制御を行う。ベクトル制御は、トルク電流と界磁電流（磁束電流とも言う）とに分け、各々を独立に制御することで、高速応答および高精度制御を実現する制御方式である。図６は、基本駆動制御部３８を示す。

図６において、基本駆動制御部３８は、電流指令演算部３９、トルク電流制御部４０、界磁電流制御部４１、αβ座標変換部４２、２相／３相座標変換部４３、検出側の３相／２相座標変換部４４、および回転座標変換部４５を有する。

電流指令演算部３９は、同図中に内部構成をブロックで示すように、トルク電流指令部３９ａおよび界磁電流設定部３９ｂを有する。トルク電流指令部３９ａは、上位制御手段から与えられたトルク指令値に従い、モータ角度検出器３６の検出角度に応じて、定められた位相および交流波形のトルク電流の指令値Ｉqrefを出力する手段である。上位制御手段は、ＥＣＵ２１であり、図１のようにＥＣＵ２１がトルク配分手段４８を有する場合は、トルク配分手段４８である。この上位制御手段から与えられるトルク指令は、アクセル開度およびブレーキの制動指令等により演算されるトルク指令値である。界磁電流設定部３９ｂは、界磁電流の定められた指令値Ｉdrefを出力する手段である。界磁電流の指令値Ｉdrefは、モータ６の特性等に応じて適宜設定されるが、例えば「０」としても良い。トルク電流は、以下「ｑ軸電流」と称す。また、界磁電流は、以下「ｄ軸電流」と称す。電圧についても、トルク電圧は「ｑ軸電圧」と、界磁電圧は「ｄ軸電圧」と称す。なお、ｑ軸とはモータ回転方向の軸であり、ｄ軸はｑ軸に直交する方向の軸である。

トルク電流制御部４０は、電流指令演算部３９から与えられるｑ軸電流指令値Ｉqrefに対して、モータ６の駆動電流を検出する電流検出手段３５の検出値から、３相／２相座標変換部４４および回転座標変換部４５を介して得られるｑ軸電流検出値Ｉｑが追随するように制御する手段であり、出力としてｑ軸電圧指令値Ｖｑを出力する。
トルク電流制御部４０は、ｑ軸電流検出値Ｉｑを減算する減算部４０ｂと、減算部４０ｂの出力に対して定められた演算処理を行う演算処理部４０ａとでなる。演算処理部４０ａは、この例では積分処理を行う。

界磁電流制御部４１は、電流指令演算部３９から与えられるｄ軸電流指令値Ｉｄref に対して、モータ６の駆動電流を検出する電流検出手段３５の検出値から、３相／２相座標変換部４４および回転座標変換部４５を介して得られるｄ軸電流検出値Ｉｄが追随するように制御する手段であり、出力としてｄ軸電圧指令値Ｖｄを出力する。
界磁電流制御部４１ａは、ｄ軸電流検出値Ｉｄを減算する減算部４１ｂと、減算部４１ｂの出力に対して定められた演算処理を行う演算処理部４１ａとなる。演算処理部４１ａは、この例では積分処理を行う。

前記３相／２相座標変換部４４は、モータ６のＵ相，Ｖ相，Ｗ相を流れる電流のうち、２つ、または３つの相の電流、例えばＵ相の電流Ｉｕと、Ｖ相の電流Ｉｖの検出値を、静止直交２相座標成分の実電流（α軸上の実電流、およびβ軸上の実電流）の検出値Ｉα，Ｉβに変換する手段である。
回転座標変換部４５は、モータ角度検出器３６で検出されたモータロータ角度θに基づき、前記静止直交２相座標成分の実電流の検出値Ｉα，Ｉβを、ｑ ，ｄ軸上の検出値Ｉq ，Ｉd に変換する手段である。

αβ座標変換部４２は、ｑ軸電圧指令値Ｖq およびｄ軸電圧指令値Ｖd を、モータ角度検出器３６で検出されたモータロータ角度θ、つまりモータロータ位相に基づき、固定２層座標成分の実電圧の指令値Ｖα，Ｖβに変換する手段である。
２相／３相変換部４３は、αβ座標変換部４２の出力する実電圧の指令値Ｖα，Ｖβを、モータ６のＵ相，Ｖ相，Ｗ相を制御する３相交流の電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する手段である。

パワー回路部２８は、上記のようにして基本駆動制御部３８の２相／３相変換部４３から出力される電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを電力変換してモータ駆動電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを出力する。

この実施形態は、上記構成のモータ駆動装置２０において、接続形態切換回路であるインバータ３１を、モータ６のモータコイルを短絡させて制動力を発生させる短絡接続形態に切換可能な構成とし、かつモータコントロール部２９に、次の回生制動・短絡制動切換制御手段２５および短絡電流制御手段２６を設けたものである。

接続形態切換回路であるインバータ３１が、上記のような６つの駆動素子３１ａ，３１ｂで構成されたものである場合、図５のように、正電圧側（図の上側）の３つの駆動素子３１ａを全てオフとし、負電圧側（図の下側）の３つの駆動素子３１ｂを全てオンとすることで、モータ６のモータコイルが短絡した状態となる。
インバータ３１は、上記のように駆動素子３１ａ，３１ｂのオンオフの組み合わせを回転方向に対して正のトルクを発生するように順次変えて交流電力でモータ駆動する駆動用接続形態と、回転方向に対して負のトルクを発生するように順次変える回生接続形態と、図５の短絡接続形態とに切換可能であり、パワー回路部２８は、ＰＷＭドライバ３２またはパワー回路部２８内における他の電子回路部（図示せず）により、パワー回路部２８の外部からの切換信号に応答として、上記３つの接続形態の切換が可能とされる。なお、回生接続形態は、駆動用接続形態において出力電力を負とする場合の接続形態となる。
なお、駆動時はバッテリー１９からモータ６に電力を供給する正の出力、回生時はモータ６（発電機として動作）からバッテリー１９に電力を供給する負の出力、短絡時はモータ６（発電機として動作）からの電力をモータ６（発電機の自己損失）とインバータで消費する。全ての駆動素子３１ａ，３１ｂをＯＦＦした場合は、電力の入出は無く、モータ６はフリーの状態である。

回生制動・短絡制動切換制御手段２５は、インバータ３１を含むパワー回路部２８に対して、前記回生接続形態と短絡接続形態との切換の指令を与える手段である。回生制動・短絡制動切換制御手段２５は、この実施形態では、インバータ装置３１に回生制動指令、例えば負のトルク指令が与えられたときに、バッテリ１９の充電状態を検出する充電状態検出手段２７が満充電ではないと判定している場合は回生接続形態に、満充電であると判定している場合は、短絡接続形態にする指令を、パワー回路部３８に与える。充電状態検出手段２７は、例えばバッテリ１９の電圧を測定する電圧計からなり、設定電圧以上であると、満充電と判定する。
なお、回生制動・短絡制動切換制御手段２５は、上位制御手段となるＥＣＵ２１や、人による入力を行う入力手段（図示せず）からの切換指令の信号によって上記接続形態の切換を行うようにしても良い。

短絡電流制御手段２６は、接続形態切換回路であるインバータ３１が短絡接続形態になっている場合の、モータ６の短絡電流を制御する手段である。短絡電流制御手段２６は、例えば、ＥＣＵ２１のトルク配分手段４８から与えられる制動指令である負のトルク指令の指令値に応じた短絡電流となるように、定められた電流値に制御する。短絡電流制御手段２６は、実施形態では、ＰＷＭ駆動により電流制御し、またそのＰＷＭ駆動による電流制御を、ベクトル制御法を用いてトルク電流と界磁電流として制御するものとしており、具体的には、図６のベクトル制御を行う基本駆動制御部３８を用いて上記短絡電流の制御を行う。

この短絡電流のＰＷＭ駆動による電流制御は、インバータ３１の接続形態を、図５の短絡接続形態とし、オン状態とする負電圧側の３つの駆動素子３１ｂを同時にオンオフするようにし、そのオン時間を与えるパルス幅を制御することで行う。
また、この短絡電流のベクトル制御は、インバータ３１の接続形態を図５の短絡接続形態とした上で、電流指令演算部３９から、制動指令に応じて定められた大きさのトルク電流の指令値Ｉqrefおよび界磁電流の定められた指令値Ｉdrefを出力することで行う。例えば、界磁電流の指令値Ｉdrefは零とし、トルク電流の指令値Ｉqrefを、制動指令に応じて定められた大きさの指令値とする。このようなトルク電流の指令値Ｉqref，界磁電流の指令値Ｉdrefを、図２，３の短絡電流制御手段２６によって求める。

上記構成のモータ駆動装置２０によると、回生制動・短絡制動切換制御手段２５により、接続形態切換回路であるインバータ３１を、モータコイルを短絡させる短絡接続形態に切換えることで、モータ６に制動力を発生させることができる。モータ６は、コイルが短絡すると大きな制動力を発生する。単に短絡させただけでは、制動トルクが大きくなり過ぎ、急制動となるが、短絡接続形態で流れる短絡電流を短絡電流制御手段２６により制御することで、モータ６に必要なだけのトルクを発生させ、急制動だけでなく、所望の制動トルクを生じさせることができる。また、回生制動・短絡制動切換制御手段２５により、前記インバータ３１を回生用接続形態に切り換えると、通常の回生制動が行える。

このように、回生制動と短絡制動とに、回生制動・短絡制動切換制御手段２５によって切換可能とし、かつ短絡電流制御手段２６を設けて短絡制動の制御を可能としたため、バッテリ１９が満充電状態でもモータ６による制動を行うことができて、多くの場合にモータ６の制動力で電気自動車やモータ使用機器を制動することができる。そのため、機械式ブレーキ９は、例えば、制動時の最後の確実な停止時の使用や、モータ６による制動との併用など、補助的に使用されるもので済み、小型化や省略が可能となる。電気自動車に適用した場合に、長い下り坂であって、また満充電であっても、モータ６による短絡制動とすることで、機械式ブレーキ９の制動負担が小さくなり、摩擦式制動による機械式ブレーキ９の発熱の問題が回避できる。なお、短絡制動では、モータ６が発熱して発電エネルギを消費することになるが、過熱となるまでに十分に余裕がある場合が多く、短絡制動の実用化が可能である。

また、充電状態検出手段２７を設け、バッテリ１９が満充電で回生制動が不能な場合に、その満充電の検出により、短絡接続形態に切り換えることで、モータ６の短絡による制動を行うようにしたため、その自動切換により、満充電による不測の制動力不足が回避される。

前記接続形態切換回路はインバータ３１からなるが、埋込磁石型等の同期モータは、バッテリ１９の直流電力をインバータ３１で交流電力に変換して駆動される。インバータ３１は、スイッチング素子である駆動素子３１ａ，３１ｂやこの素子と並列接続されたフリーホイールダイオード３１ｄの組み合わせ等で構成されており、各駆動素子３１ａ，３１ｂの開閉状態の組み合わせにより、前記接続形態切換回路としての使用が可能である。インバータ３１を利用することで、専用の接続形態切換回路を設けることが不要となる。

前記短絡電流制御手段２６は、ＰＷＭ（パルス幅変調）駆動により電流制御するものであるため、電流制御が簡単な回路構成で精度良く行える。また、そのＰＷＭ駆動による電流制御を、ベクトル制御法を用いてトルク電流と界磁電流として制御するものとしたため、電流制御が精度良く行え、所望の制動動作となる短絡制動が精度良く行える。

また、このモータ駆動装置２０を適用した電気自動車は、前記モータ６がインホイールモータ装置８を構成するものであり、車輪個別にモータ６が設置されるため、個々のモータ６で分散して上記短絡制動が行える。また、サイクロイド減速機は、大きな減速比が得られるため、上記短絡制動を行う場合のモータ６の制動力で効果的に車両を制動することができる。

図７は、この発明の他の実施形態を示す。この実施形態は、特に説明した事項の他は、図１〜図６と共に説明した実施形態と同様であり、重複する説明を省略する。この形態では、前記モータ６の外部に、このモータ６の発電電力を消費してモータに制動力を発生させる電力消費用抵抗１０２、およびこの電力消費用抵抗１０２と直列接続されたスイッチング手段１０３，１０４を有する抵抗消費制動用回路１０１を設けている。前記回生制動・短絡制動切換制御手段２５は、前記接続形態切換回路（インバータ３１）および前記スイッチング手段１０３，１０４を制御して、前記抵抗消費制動用回路１０１にモータ６の発電電流を流す抵抗消費形態と、前記回生用接続形態と、前記短絡接続形態とに切換可能とし、または短絡接続形態と前記抵抗消費形態とこれら短絡接続形態および抵抗消費形態の併用形態とに切換可能としてある。

短絡制動では、モータ６が発熱して発電エネルギを消費することになるため、モータ温度の上昇により短絡制動が行えなくなることがある。しかし、モータ６外に電力消費用抵抗１０２を設けることで、満充電で回生制動が行えず、また短絡制動も十分に行えない場合に、短絡制動と電力消費用抵抗による制動との併用で、あるいは電力消費用抵抗１０２による制動のみで、モータ６による制動を行うことができる。電力消費用抵抗１０２による制動は、前記スイッチング手段１０３，１０４で自由にオンオフできる。電力消費用抵抗１０２は、短絡制動の補助として用いることができるため、短絡制動の機能を設けずに電力消費用抵抗１０２だけで、回生制動不能時のモータ６による制動を行わせる場合と異なり、電力消費用抵抗１０２の発熱は比較的に少なくて済み、その放熱手段も簡素にでき、電力消費用抵抗１０２を設けることによるモータ駆動装置の大型化が回避できる。

電力消費用抵抗１０２を設けた場合に、前記バッテリ１９の充電状態が設定充電量以上の充電状態である満充電であるか否かを検出する充電状態検出手段２７と、前記モータ６の温度を検出するモータ温度検出手段１０６とを設け、前記回生制動・短絡制動切換手段１０５は、前記充電状態検出手段２７が満充電を検出した状態では、前記モータ温度検出手段１０６によるモータ温度の温度区分によって、前記短絡接続形態と前記抵抗消費形態とに切換可能とし、または短絡接続形態と前記抵抗消費形態とこれら短絡接続形態および抵抗消費形態の併用形態とに切換可能とするのが良い。
このように、バッテリ１９の充電状態検出手段２７とモータ温度検出手段１０６とを設け、その検出結果によって、回生制動、短絡制動、抵抗消費制動の使い分けや組み合わせを行うことで、モータ６等に過剰な負担がかからない適切な制動が行える。

次に、図８〜図１１と共に、前記各実施形態におけるインホイールモータ装置８の具体例を示す。このインホイールモータ装置８は、車輪用軸受４とモータ６との間に減速機７を介在させ、車輪用軸受４で支持される駆動輪２のハブとモータ６の回転出力軸７４とを同軸心上で連結してある。減速機７は、サイクロイド減速機であって、モータ６の回転出力軸７４に同軸に連結される回転入力軸８２に偏心部８２ａ，８２ｂを形成し、偏心部８２ａ，８２ｂにそれぞれ軸受８５を介して曲線板８４ａ，８４ｂを装着し、曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動を車輪用軸受４へ回転運動として伝達する構成である。なお、この明細書において、車両に取り付けた状態で車両の車幅方向の外側寄りとなる側をアウトボード側と呼び、車両の中央寄りとなる側をインボード側と呼ぶ。

車輪用軸受４は、内周に複列の転走面５３を形成した外方部材５１と、これら各転走面５３に対向する転走面５４を外周に形成した内方部材５２と、これら外方部材５１および内方部材５２の転走面５３，５４間に介在した複列の転動体５５とで構成される。内方部材５２は、駆動輪を取り付けるハブを兼用する。この車輪用軸受４は、複列のアンギュラ玉軸受とされていて、転動体５５はボールからなり、各列毎に保持器５６で保持されている。上記転走面５３，５４は断面円弧状であり、各転走面５３，５４は接触角が背面合わせとなるように形成されている。外方部材５１と内方部材５２との間の軸受空間のアウトボード側端は、シール部材５７でシールされている。

外方部材５１は静止側軌道輪となるものであって、減速機７のアウトボード側のハウジング８３ｂに取り付けるフランジ５１ａを有し、全体が一体の部品とされている。フランジ５１ａには、周方向の複数箇所にボルト挿通孔６４が設けられている。また、ハウジング８３ｂには，ボルト挿通孔６４に対応する位置に、内周にねじが切られたボルト螺着孔９４が設けられている。ボルト挿通孔６４に挿通した取付ボルト６５をボルト螺着孔９４に螺着させることにより、外方部材５１がハウジング８３ｂに取り付けられる。

内方部材５２は回転側軌道輪となるものであって、車輪取付用のハブフランジ５９ａを有するアウトボード側材５９と、このアウトボード側材５９の内周にアウトボード側が嵌合して加締めによってアウトボード側材５９に一体化されたインボード側材６０とでなる。これらアウトボード側材５９およびインボード側材６０に、前記各列の転走面５４が形成されている。インボード側材６０の中心には貫通孔６１が設けられている。ハブフランジ５９ａには、周方向複数箇所にハブボルト６６の圧入孔６７が設けられている。アウトボード側材５９のハブフランジ５９ａの根元部付近には、駆動輪および制動部品（図示せず）を案内する円筒状のパイロット部６３がアウトボード側に突出している。このパイロット部６３の内周には、前記貫通孔６１のアウトボード側端を塞ぐキャップ６８が取り付けられている。

減速機７は、上記したようにサイクロイド減速機であり、図１０のように外形がなだらかな波状のトロコイド曲線で形成された２枚の曲線板８４ａ，８４ｂが、それぞれ軸受８５を介して回転入力軸８２の各偏心部８２ａ，８２ｂに装着してある。これら各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動を外周側で案内する複数の外ピン８６を、それぞれハウジング８３ｂに差し渡して設け、内方部材２のインボード側材６０に取り付けた複数の内ピン８８を、各曲線板８４ａ，８４ｂの内部に設けられた複数の円形の貫通孔８９に挿入状態に係合させてある。回転入力軸８２は、モータ６の回転出力軸７４とスプライン結合されて一体に回転する。なお、回転入力軸８２はインボード側のハウジング８３ａと内方部材５２のインボード側材６０の内径面とに２つの軸受９０で両持ち支持されている。

モータ６の回転出力軸７４が回転すると、これと一体回転する回転入力軸８２に取り付けられた各曲線板８４ａ，８４ｂが偏心運動を行う。この各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動が、内ピン８８と貫通孔８９との係合によって、内方部材５２に回転運動として伝達される。回転出力軸７４の回転に対して内方部材５２の回転は減速されたものとなる。例えば、１段のサイクロイド減速機で１／１０以上の減速比を得ることができる。

前記２枚の曲線板８４ａ，８４ｂは、互いに偏心運動が打ち消されるように１８０°位相をずらして回転入力軸８２の各偏心部８２ａ，８２ｂに装着され、各偏心部８２ａ，８２ｂの両側には、各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動による振動を打ち消すように、各偏心部８２ａ，８２ｂの偏心方向と逆方向へ偏心させたカウンターウエイト９１が装着されている。

図１１に拡大して示すように、前記各外ピン８６と内ピン８８には軸受９２，９３が装着され、これらの軸受９２，９３の外輪９２ａ，９３ａが、それぞれ各曲線板８４ａ，８４ｂの外周と各貫通孔８９の内周とに転接するようになっている。したがって、外ピン８６と各曲線板８４ａ，８４ｂの外周との接触抵抗、および内ピン８８と各貫通孔８９の内周との接触抵抗を低減し、各曲線板８４ａ，８４ｂの偏心運動をスムーズに内方部材５２に回転運動として伝達することができる。

図９において、モータ６は、円筒状のモータハウジング７２に固定したモータステータ７３と、回転出力軸７４に取り付けたモータロータ７５との間にラジアルギャップを設けたラジアルギャップ型のＩＰＭモータである。回転出力軸７４は、減速機７のインボード側のハウジング８３ａの筒部に２つの軸受７６で片持ち支持されている。

モータステータ７３は、軟質磁性体からなるステータコア部７７とコイル７８とでなる。ステータコア部７７は、その外周面がモータハウジング７２の内周面に嵌合して、モータハウジング７２に保持されている。モータロータ７５は、モータステータ７３と同心に回転出力軸７４に外嵌するロータコア部７９と、このロータコア部７９に内蔵される複数の永久磁石８０とでなる。永久磁石８０はＶ字状に配置されている。

モータ６には、モータステータ７３とモータロータ７５の間の相対回転角度を検出する角度センサ３６が設けられる。角度センサ３６は、モータステータ７３とモータロータ７５の間の相対回転角度を表す信号を検出して出力する角度センサ本体７０と、この角度センサ本体７０の出力する信号から角度を演算する角度演算回路７１とを有する。角度センサ本体７０は、回転出力軸７４の外周面に設けられる被検出部７０ａと、モータハウジング７２に設けられ前記被検出部７０ａに例えば径方向に対向して近接配置される検出部７０ｂとでなる。被検出部７０ａと検出部７０ｂは軸方向に対向して近接配置されるものであっても良い。ここでは、各角度センサ３６として、磁気エンコーダまたはレゾルバが用いられる。モータ６の回転制御は上記モータコントロール部２９（図２，５，７）により行われる。なお、インホイールモータ装置８のモータ電流の配線や各種センサ系，指令系の配線は、モータハウジング７２等に設けられたコネクタ９９により纏めて行われる。

図１２，図１３は、この発明のさらに他の実施形態を示す。この実施形態は、モータ６が直流モータである場合の例を示す。接続形態切換回路３１Ａは、それぞれスイッチング素子である４つの駆動素子３１Ａａ，３１Ａｂ，およびダイオード３１Ａｄにより構成される。この構成の場合、回生用接続形態では、全ての駆動素子３１Ａａ，３１Ａｂをオフとする。短絡制動用接続形態では、正電圧側の２つの駆動素子３１Ａａをオフとし、負電圧側の２つの駆動素子３１Ａｂをオンにする。この切換を回生制動・短絡制動切換制御手段２５により行う。短絡電流制御手段２６は、この負電圧側の２つの駆動素子３１Ａｂのデューティー比の調整で電流調整を行う。
その他の構成，効果は、第１の実施形態と同様である。

なお、上記実施形態では、後輪の２輪を個別にモータ駆動する駆動輪とした４輪の電気自動車に適用した場合につき説明したが、この発明を適用する電気自動車は、前輪の２輪をそれぞれ個別にモータ駆動するものや、４輪とも個別にモータ駆動するもの、あるいは１台のモータで駆動するものにも適用することができる。

１…車体
２，３…車輪
４…車輪用軸受
６…モータ
７…減速機
８…インホイールモータ装置
１９…バッテリ
２０…モータ駆動装置
２１…ＥＣＵ
２２…インバータ装置
２５…回生制動・短絡制動切換制御手段
２６…短絡電流制御手段
２７…充電状態検出手段
２８…パワータ回路部
２９…モータコントロール部
３１…インバータ（接続形態切換回路）
３２…ＰＷＭドライバ
３５…電流検出手段
３６…モータ角度検出器
１０２…電力消費用抵抗
１０３，１０４…スイッチング手段
１０１…抵抗消費制動用回路
１０６…モータ温度検出手段

Claims (9)

1. バッテリの電力で３相のモータを駆動する駆動用接続形態と、回生制動時のモータの発電電力をバッテリに充電させる回生用接続形態とに切換可能な接続形態切換回路を備え、電気自動車の走行用のモータである前記モータを制御するモータ駆動装置において、
   前記接続形態切換回路を、モータコイルを短絡させて制動力を発生させる短絡接続形態に切換可能な構成とし、かつこの短絡接続形態で流れる短絡電流を制御する短絡電流制御手段を設け、
   前記接続形態切換回路が、それぞれ半導体スイッチング素子である駆動素子を、各相毎に正電圧側と負電圧側との２個ずつ直列に接続した合計６個の駆動素子を持つインバータであって、前記短絡接続形態は前記正電圧側の３つの駆動素子をオフ、前記負電圧側の３つの駆動素子をオンとする接続形態であり、前記短絡電流制御手段はＰＷＭ駆動により電流制御するものであり、このＰＷＭ駆動による電流制御を、ベクトル制御法を用いて、制動指令に応じて定められた大きさのトルク電流の指令値および界磁電流の指令値を出力することで行い、前記接続形態切換回路を、前記回生用接続形態と短絡接続形態とに切り換える制御を行う回生制動・短絡制動切換制御手段を設けたことを特徴とするモータ駆動装置。
2. 請求項１において、前記バッテリの充電状態が設定充電量以上の充電状態である満充電であるか否かを検出する充電状態検出手段を設け、前記回生制動・短絡制動切換手段は、前記充電状態検出手段が満充電を検出した状態では、前記接続形態切換回路を、前記短絡接続形態に切り換えるモータ駆動装置。
3. 請求項１または請求項２において、前記モータが同期モータであり、前記接続形態切換回路がインバータであるモータ駆動装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記モータの外部に、このモータの発電電力を消費してモータに制動力を発生させる電力消費用抵抗、およびこの電力消費用抵抗と直列接続されたスイッチング手段を有する抵抗消費制動用回路を設け、前記回生制動・短絡制動切換制御手段は、前記接続形態切換回路および前記スイッチング手段を制御して、前記抵抗消費制動用回路にモータの発電電流を流す抵抗消費形態と、前記回生用接続形態と、前記短絡接続形態とに切換可能とし、または短絡接続形態と前記抵抗消費形態とこれら短絡接続形態および抵抗消費形態の併用形態とに切換可能としたモータ駆動装置。
5. バッテリの電力でモータを駆動する駆動用接続形態と、回生制動時のモータの発電電力をバッテリに充電させる回生用接続形態とに切換可能な接続形態切換回路を備えたモータ駆動装置において、
   前記接続形態切換回路を、モータコイルを短絡させて制動力を発生させる短絡接続形態に切換可能な構成とし、かつこの短絡接続形態で流れる短絡電流を制御する短絡電流制御手段を設け、前記接続形態切換回路を、前記回生用接続形態と短絡接続形態とに切り換える制御を行う回生制動・短絡制動切換制御手段を設け、
   前記モータの外部に、このモータの発電電力を消費してモータに制動力を発生させる電力消費用抵抗、およびこの電力消費用抵抗と直列接続されたスイッチング手段を有する抵抗消費制動用回路を設け、前記回生制動・短絡制動切換制御手段は、前記接続形態切換回路および前記スイッチング手段を制御して、前記抵抗消費制動用回路にモータの発電電流を流す抵抗消費形態と、前記回生用接続形態と、前記短絡接続形態とに切換可能とし、または短絡接続形態と前記抵抗消費形態とこれら短絡接続形態および抵抗消費形態の併用形態とに切換可能とし、
   前記バッテリの充電状態が設定充電量以上の充電状態である満充電であるか否かを検出する充電状態検出手段と、前記モータの温度を検出するモータ温度検出手段とを設け、前記回生制動・短絡制動切換手段は、前記充電状態検出手段が満充電を検出した状態では、前記モータ温度検出手段によるモータ温度の温度区分によって、前記短絡接続形態と前記抵抗消費形態とに切換可能とし、または短絡接続形態と前記抵抗消費形態とこれら短絡接続形態および抵抗消費形態の併用形態とに切換可能としたモータ駆動装置。
6. 請求項５において、前記モータが、電気自動車の走行用のモータであるモータ駆動装置。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のモータ駆動装置を備えた電気自動車。
   
8. 請求項７において、前記モータは、一部または全体が車輪内に配置されて前記モータと車輪用軸受と減速機とを含むインホイールモータ装置を構成する電気自動車。
9. 請求項８において、前記減速機はサイクロイド減速機である電気自動車。

Images