| 【発明の名称】 |
内燃機関付車両の制御方式 |
| 【発明者】 |
【氏名】堀江 竜郎
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| 【要約】 |
【課題】コンバータ，インバータの切換時のトランジエントおよびエンジンガバナと発電機をモータに切換時の協調の問題に関する。
【解決手段】同期電動機を運転し走行時には、逆変換器として使用し、ブレーキ時には、逆変換（インバータ）動作でない制御可能な順変換器としてインバータ動作でない回生制動を行わしめることにある。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】内燃機関を有し、それを動力として交流発電機により電力を得て、その出力を、順逆変換器にて直流に変換し、その直流をもって逆順変換器により同期電動機を運転し走行時には、逆変換器として使用し、ブレーキ時には、逆変換（インバータ）動作でない制御可能な順変換器としてインバータ動作でない回生制動を行わしめることを特徴とする内燃機関付車両の制御方式。
【請求項２】請求項１の装置を有する車両において、走行中に左右の電動機によって駆動される駆動輪のトルク差を発生させて行う操向操作であって、発電機出力を直流に変換する場合に、昇圧する手段を有する順変換器の動作を行わせ、同時に左右駆動用のモータを制御する逆変換器の制御を併用し、車両速度を落さない様に操向することを特徴とする内燃機関付車両の制御方式。
【請求項３】請求項１の装置を有する車両において、ブレーキ時に電動機を発電機として使用するとき逆順変換器をインバータとして動作させることなく、出力電圧を制御可能な順変換器として動作させ、左右電動機の制動トルクを制御して操向を行うことを特徴とする内燃機関付車両の制御方式。
【請求項４】請求項１の装置を有する車両において、ブレーキ時に左右の電動機の回生する車両の慣性エネルギを制御可能な順変換器で直流電力とし、発電機につながる順逆変換器を逆変換器として作動させることにより、その直流電力で発電機を電動機として内燃機関を回転させ、車両の慣性エネルギを内燃機関の冷却系より放出するブレーキ方式であることを特徴とする内燃機関付車両の制御方式。
【請求項５】同期発電機および同期電動機に制御界磁を設け、上記の制御に界磁制御を併用する請求項１の装置を有することを特徴とする内燃機関付車両の制御方式。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】車両一般、即ち内燃機関を有する車両で電気的トルクコンバータの作用を要する、産業車両，土木作業車，特殊車両やディーゼル電気機関車，電動自動車、などの分野のみならず、一部回路の応用として架線より給電される鉄道車両で、インバータ駆動車両への適用など電動機とインバータを有する回路は広く適用される。
【０００２】
【従来の技術】本発明の発端は、防衛庁向の戦車の開発に対し、戦車の要求性能を満足するために、従来の電気自動車や、ディーゼル電気機関車とは全く異なった特性が要求されるステアリング方式については公知例資料「II電気自動車の駆動機構」図２のｂ又はｃに示されているものに近いが、戦車においてはメカニカルステアリングを有せず、ｃの駆動モータの速度差をかえてステアリングを行い、この速度差の発生に種々の特徴がある。
【０００３】資料IV電気自動車用電動機の特徴と実用例−同期機を使用した例およびハイブリッド車や、HYBRID ELECTRIC TRANSIT BUS，PERSPECTIVE ON ULTRACAPACITORSFOR ELECTRIC VEHICLES などに示される様に、車両制動時に、インバータを逆変換器と励磁機を兼ねた使い方をするが、本発明の最大ポイントは、インバータを出力電圧制御可能な順変換器としてのみ使用すること、およびインバータの入力電圧を、順変換器例えばダイオードブリッジや、サイリスタブリッジと異なり、直流出力電圧をそれらの２倍まで高め得る順変換器を使用して、電動機の速度制御範囲を高めること、更にその順変換器を制御時にインバータとして作動させ内燃機関に結合される発電機を電動機化してエンジンブレーキを作動させることに大きな違いがある。
【０００４】添付資料 FUZZY LOGIC BASED INTELLIGENT CONTROL OF A UARIABLE SPEEDCAGE MACNINE WIND GENERATION SYSTEM のＦig１に示される風力発電機出力の電圧調整は本発明と同じ２倍電圧制御整流回路(IGBT PWM RECTIFIER とインバータのみに使用するIGBT PWM INVERTERが直流を交流に変換している。
【０００５】本システムは可逆変換はないが、本発明は、INVERTORとRECTIFERを交換して使用しかつ、UTILITY BUS は駆動モータのため回生ブレーキや２倍電圧制御を用いている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】１．車両の回生ブレーキ時には従来のインバータ回生では、モータの電圧はインバータ回路の電圧より高めることはできず、ブレーキ力の発揮が不十分である。本発明は走行時のインバータ動作をブレーキ時には出力電圧制御可能な順変換器として使用するため、連続直流回生電力を得るブレーキ速度レンジを拡大できる。
【０００７】２．車両旋回時に両輪独立駆動方式では旋回外側の電動機の速度を２倍にし同一トルクとして旋回する。このとき発電機の出力電圧の最大時には、電動機電圧を２倍にして同一電流で旋回する必要があるため、順変換器を制御して出力電圧を高めることが本発明である。
【０００８】３．ブレーキ時のステアリング方式は、それぞれの電動機に対応するインバータを制御可能な倍電圧整流器として使用することにより旋回内側の電動機のブレーキ力を高めて旋回する方式。
【０００９】４．発電機の変換器とそれぞれの電動機の変換器の使用方式を逆にし、電動機の回生ブレーキ力をエンジンにて消費するブレーキ方式インバータ回生を電動機側で行われないため、広い速度範囲で連続直流電流を得ることができ、エンジンにトルク脈動を最小にできる。
【００１０】５．発電機や電動機に制御可能な界磁を有するものを使用し、その界磁率を制御すると制御速度域が固定界磁の機器よりも制御速度範囲と制御トルク範囲が拡大し、特にブレーキの有効性が大きい。
【００１１】
【課題を解決するための手段】１．車両のブレーキエネルギの回収に、走行時にインバータとして動作させていた回路を、出力電圧制御可能な順変換器として作動させる。このため広い速度範囲において電動機より連続直流電圧として回生エネルギが得られ、この出力は、走行時に順変換器として使用した回路をインバータとして動作させ、その電力は回生エネルギより得て発電機を電動機としてエンジンを回し、エンジンブレーキを作動させる。
【００１２】２．エンジンで駆動される発電機の出力を制御可能な倍電圧順変換器を用い、エンジン最大回転数においても、整流後の出力電圧を２倍まで高め、モータの電圧を２倍まで高めることにより、速度範囲の拡大又は、トルク制御範囲の拡大を計ることができる。
【００１３】この操作を電動機に接続されるインバータ毎の制御を併用するとステアリング操作を行い得る。
【００１４】３．ブレート時に走行時にインバータとして動作させた変換器を、回生ブレーキ時に制御可能な順変換器として使用することにより、ブレーキ力を制御できるので、制動時のステアリングに適用できる。
【００１５】４．同上の各制御方式において、電動機や発電機の界磁量を外部より制御する手段を設けると、発電機と電動機の速度範囲やトルク範囲，速度に対する電圧，電流の範囲をより拡大できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】図１に内燃機関付車両の電気的トルクコンバータとブレーキ装置を示すブロック図である。これを簡単に説明すると、内燃機関１に発電機２Ａが結合され、内燃機関の回転数による電圧，トルクによる電流を発電機が発生する。発電機の交流電力は順変換器３Ａによって直流電力に変換されフィルタ４Ａを通って逆変換器７Ａ，８Ａおよびそれぞれの電動機９Ａ，１０Ａを駆動し、直流又は適当な減速機を介して車輪１１Ａ，１２Ａ又は装軌車においてはスプロケットを介してキャタピラを駆動する。
【００１７】ブレーキ時には９Ａ，１０Ａを逆トルクの発生する回生モードで７Ａ，８Ａを運転し、回生エネルギはスイッチ６Ａを閉じて、負荷吸収装置５Ａで吸収される。５Ａは小容量の車両の場合はバッテリであったり、大容量のコンデンサであったりして電気エネルギを貯蔵し、加速走行時にそのエネルギを利用することもある。車両が大型の場合はブレーキエネルギは抵抗器により熱として消費される場合が多い。
【００１８】図２は従来多く用いられている大型車の電気回路図の具体例の１つで、小容量車の場合はブレーキ抵抗器７が、バッテリであったりコンデンサであったりし、回生ブレーキ力をエンジンに戻すことはほとんどない。
【００１９】図３は内燃機関が数百馬力から千数百馬力で、走行抵抗がかなり大きい車両に適用するとメリットのある本発明の回路方式の一例である。逆並列ダイオードを有するＩＧＢＴの６アームブリッジ回路は、ゲート制御によりインバータとしても、出力電圧制御の可能な２倍電圧制御整流器として使用可能なることは、すでに公知であるので動作説明は省略する。
【００２０】図３に走行制御とブレーキ制御方法について分けて説明する。走行は、内燃機関１をガバナ２が制御し、エンジン回転数とトルクが制御される。発電機３の出力は、普通には直流電圧を得るため、ＩＧＢＴブリッジ４は単なる順変換器として作動し、左右の駆動輪１３，１４を駆動する電動機１１，１２につながるIGBTインバータブリッジ（１)，(２）の９，１０の入力となる。９，１０にて電圧と周波数が制御されて、１１，１２の速度，トルクが制御される。直進時は１１，１２の回転数とが同一となる様に制御される。他方車両右旋回時には、左側駆動輪の回転速度を増し、右側駆動輪は制動状態にする。
【００２１】即ち理想的には１３と９で回生ブレーキを実施し、回生電力で１０の回路電圧の高くなったことで１２の速度とトルクを増加させて旋回を行うが、種々の損失のため、走行速度を維持して旋回するためには、ガバナを制御することにより、エンジン回転数を増し（エンジン出力を増し）て旋回を行うことが必要である。特に装軌車両では旋回抵抗が大きいため、機関出力増は、大幅に行う必要がある。
【００２２】従来の方法では機関が最大出力で運転時には旋回時に、旋回外側の電動機を速度そのままで電流をほぼ２倍に上げることができない。即ち機関出力を２台の電動機に分散していたものを１台の電動機に供給を集中する必要がある。このとき電動機も定格電圧一杯の電圧がかかっているために、発電機出力を整流した電圧を２倍にし、回転数を少し増加したまま電流を２倍にする手段が必要である。
【００２３】このため発電機の順変換器の出力電圧を２倍にするため、ＩＧＢＴブリッジが用いられる。このとき旋回内側の電動機は回生ブレーキモードで運転される。回生電力と発電機出力の和の電力が旋回外側の電動機に集中されるため、機関が過負荷になることはない。
【００２４】図４に示す特性Ａは、機関出力最大値における駆動電動機２台ののち１台分の速度−トルク性能を示している。車両牽引力（又はブレーキ力）はモータ２台分の特性を示し、それはほぼ特性（Ｂ）に示す通りである。車両が速度を維持したまま旋回するためには次の様になる必要がある。
【００２５】今速度ｖで走行していて、両駆動輪の電動機の出力は（Ａ）の特性でそのときのトルクはＴ1 であった。その速度ｖを維持して旋回するためには、旋回外側の電動機は、トルクを約２倍のＴ2 の値にし、速度をｖ＋Δｖに高め、一方旋回内側の電動機は、トルクをほぼ零とするため、回生ブレーキをかけてマイナスＴ1のトルクを発生して速度をｖ−Δｖまで低下させる必要がある。
【００２６】電気的には回転数が若干ましたｖ＋Δｖの速度とトルクＴ2 を発生させるためには、電圧をほぼ２倍にし、電流を２倍にする必要がある。旋回内側のモータは回生ブレーキにより発生電力を旋回外側の電動機に供給せねばならぬため、電圧を２倍になる様な回生ブレーキ制御を行って旋回外側の電動機に電力を供給してゆる必要がある。
【００２７】実際には回生ブレーキ時の回路損失のため、外側の電動機には速度を維持する電圧の供給はむずかしいので、速度維持の旋回は困難であるが、それに近い旋回は実現できる。
【００２８】また車両の走行抵抗の小さい平坦地や、下り勾配では、ＩＧＢＴブリッジ出力を２倍の電圧にまで制御すると、電動機電流が少ないために速度を高上させることができることも大きな特徴である。
【００２９】一方ブレーキ時において従来方式は負荷吸収装置（図１の５Ａ）の方式によって大きな差がある。第１のケースは小形車両でバッテリを用いる場合、インバータ回生ではインバータの直流電圧はモータ電圧より高い値としないとインバータが動作できず、したがって高速走行時はモータの逆起電圧が高くなるので、十分なブレーキ電流、即ちブレーキ力の確保がむずかしくなる。
【００３０】別の方法として図２，図７の様にブレーキ抵抗器を使用する場合は、電動機の回生電流を一時図２６のコンデンサに蓄えてインバータ回路の電圧上昇に使用し、インバータの最大許容電圧に近い電圧値に６の電圧が高くなったとき、スイッチ８を閉じて放電させ、再度６に充電電流を送り、６の電圧を高いある範囲に維持する様に８は頻繁に開閉を繰り返して所要の制動力を維持する。
【００３１】この様にブレーキ抵抗器を使用すると、ブレーキ抵抗器も大型でかつ冷却装置が必要となるため、エンジンブレーキをブレーキ抵抗器に代え、機関冷却装置よりブレーキエネルギを放散させると機器の設備を下げて経済的となる。このままでは機関に加える力はスイッチ８の開閉周期と同じになって、機関に加わるトルクの変動は過大で、機関がディーゼルエンジンの様な連結棒とクランクシャフトを有する様なものの場合はそれらの金属疲労は大なものとなって寿命を著しく短くし、騒音も大きなものとなる。
【００３２】本発明では走行中インバータ動作を行わせた変換器を、ブレーキ時には倍電圧制御順変換器として動作させ、その連続直流出力電圧は、発電機につながるIGBTブリッジ、図３の４をインバータ動作となる様に運転し、発電機より機関を連続的に運転できる様になって、インバータ回生による障害は発生しない。
【００３３】電動機の速度が低下する車速低下時においても、電動機の回生電圧の２倍に比例する電圧が連続的に発生できるので、ブレーキ力を確保できる速度範囲も回生電力の蓄積と放出の繰り返しによらず拡大することができる。回生エネルギの処理はエンジンブレーキでなく、バッテリ充電でも、抵抗器による消費を行ってもよいことは勿論である。
【００３４】車両ブレーキ時のブレーキトルクの制御は、順変換器として使用する逆変換器（図３の９，１０）の出力電圧の制御を行っても、エンジンブレーキの場合は、逆変換器として使用する順変換器（図３の４）の制御を行ってもよい。ブレーキ中のステアリングはそれぞれの電動機につながる順変換器として動作中の逆変換器の出力制御を行うと、各電動機のブレーキ電流が制御されるので各輪の制動力がかわるので、操向制御が行い得る。
【００３５】以上の制御において、電動機の界磁制御を、順変換器として動作中にまた逆変換器として動作中に行うと、電動機の定格速度，定格電圧，定格トルクを変更できるので、界磁量の制御を併用すると、車両のトルク（牽引力，ブレーキ性能にかかわる）性能や速度範囲の拡大を図ることができる。
【００３６】
【発明の効果】１．車両走行性能の拡大，エンジンの回転数を上げずに出力電圧を２倍に上げられるため、車両速度を弱め界磁なしに２倍まで上げられる。電動機が永久磁石形界磁の場合でも速度レンジを２倍に拡大。
【００３７】２．エンジンブレーキの適用ができ、特に走行抵抗の大きい装軌車の場合は、エンジンブレーキがブレーキ力の大きな割合を占めるので、車両のブレーキ設備が小容量で済む。
【００３８】３．回生ブレーキエネルギの消費が連続的に行われるため、エネルギ消費側において、メカニカルショックが少ない。
【００３９】４．本方式はエンジンと発電機に代って電気鉄道の交流架線より電力の供給を受ける場合は、交流回生ブレーキも可能で、また交流電気車の動力装置として使用できる。
【００４０】５．図３において１，２，３，４を省き、４の出力を、電気鉄道の直流架線に接続されれば、直流電気車の動力装置として使用できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
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| 【出願日】 |
平成９年（１９９７）１０月３１日 |
| 【代理人】 |
【弁理士】
【氏名又は名称】小川 勝男
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| 【公開番号】 |
特開平１１−１３６８０７ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）５月２１日 |
| 【出願番号】 |
特願平９−２９９９０９ |
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