| 【発明の名称】 |
モータ駆動装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】鈴井 康介
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| 【要約】 |
【課題】燃料電池と２次電池の電力混合を適切に行う。
【解決手段】燃料電池１０は第１インバータ１６を介して、モータ２０の巻線の一端に接続されている。２次電池１２は第２インバータ１８を介して、モータ２０の巻線の他端に接続されている。すなわち、モータ２０の巻線を挟んで反対側に２つの電源が配置されている。そして、燃料電池１０と２次電池１２の中性点電位が等しくなるように第１インバータ１６と第２インバータ１８が制御される。従ってモータ２０に不適当な直流電流を流さずに、２つの電源の電力を混合してモータ２０を駆動できる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 直流電圧を発生する第１直流電圧発生手段と、前記第１直流電圧発生手段により発生した直流電圧を交流電圧に変換する第１変換手段と、前記第１直流電圧発生手段と異なる特性をもち直流電圧を発生する第２直流電圧発生手段と、前記第２直流電圧発生手段により発生した直流電圧を交流電圧に変換する第２変換手段と、各相の巻線の両端がそれぞれ前記第１変換手段および前記第２変換手段に接続されたモータと、前記第１直流電圧発生手段と前記第２直流電圧発生手段の中性点電位が等しくなるように前記第１変換手段および前記第２変換手段を制御する制御手段と、を含むことを特徴とするモータ駆動装置。
【請求項２】 請求項１に記載のモータ駆動装置において、前記第１直流電圧発生手段は燃料電池であり、前記第２直流電圧発生手段は２次電池であり、前記第１変換手段および前記第２変換手段はインバータであることを特徴とするモータ駆動装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はモータ駆動装置に関し、特に、特性が異なる２種類の直流電源からの電力でモータを駆動する装置に関する。２種類の電源は、例えば、燃料電池および２次電池である。
【０００２】
【従来の技術】電気自動車の電力源として燃料電池が注目されている。燃料電池は水素などの燃料から電気を発生し、推進用のモータへ供給する。ただし、燃料電池の出力は比較的緩やかに増減する。従って、車両の走行に必要なモータ側の電力の要求に対する燃料電池出力の応答性が十分でないので、これを補うバッファ用の２次電池を搭載することが好適である。
【０００３】ところが、燃料電池と２次電池では図６に例示するように出力特性（電流電圧特性）が異なるので、この特性の相違を考慮したシステム構成を採用する必要がある。従来周知のエネルギ混合方法の一つは、２つの電力源の間にＤＣ−ＤＣコンバータ回路を介在させ、ＤＣレベルでエネルギを混合する方法である。また、各電力源にそれぞれ対応する２つのモータを使用し、モータ出力側で機械的にエネルギを混合する方法が知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用する構成の場合、電気自動車を駆動するレベルの電力を取り扱うＤＣ−ＤＣコンバータは体格・重量が大きく、また高価であり、従って車載が難しいという問題がある。
【０００５】また、モータを２つ使用する構成の場合、比較的安価にシステムを構成できるものの、同レベルの駆動モータを２台も自動車に搭載することは、搭載スペースの観点から不利である。
【０００６】さらに、特開平８−３３１７０５号公報を参照すると、その図１に示されるように、燃料電池と２次電池から独立に出力を取り出してモータを駆動する技術が開示されている。燃料電池の第１インバータを介して第１モータコイルが接続され、２次電池に第２インバータを介して第２モータコイルが接続されている。そして、両コイルが一つのモータステータに組み付けられている。しかし、同公報の装置は、原理的には２つのモータを使用する従来技術に属する。各モータのコイルが小さくなるので容量の範囲が制限されるという不利もある。
【０００７】本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、一つのモータを駆動するために２種類の電力源の電力を適切に混合できるモータ駆動装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明に係るモータ駆動装置は、直流電圧を発生する第１直流電圧発生手段と、前記第１直流電圧発生手段により発生した直流電圧を交流電圧に変換する第１変換手段と、前記第１直流電圧発生手段と異なる特性をもち直流電圧を発生する第２直流電圧発生手段と、前記第２直流電圧発生手段により発生した直流電圧を交流電圧に変換する第２変換手段と、各相の巻線の両端がそれぞれ前記第１変換手段および前記第２変換手段に接続されたモータと、前記第１直流電圧発生手段と前記第２直流電圧発生手段の中性点電位が等しくなるように前記第１変換手段および前記第２変換手段を制御する制御手段と、を含む。
【０００９】好ましくは、前記第１直流電圧発生手段は燃料電池であり、前記第２直流電圧発生手段は２次電池であり、前記第１変換手段および前記第２変換手段はインバータである。
【００１０】本発明によれば、モータの各相の巻線の一端には第１変換手段を介して第１直流電圧発生手段が接続され、巻線の他端には第２変換手段を介して第２直流電圧発生手段が接続されている。そして、両直流電圧発生手段の中性点電位が等しくなるように両変換手段を制御し、中性点電位の相違に起因する不適当な電流成分の発生を防ぐ。これによりモータ両側の電源の電力をモータに供給し、すなわち２つの電力源の出力を混合して、モータを駆動することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態（以下、実施形態という）について、図面を参照し説明する。図１は、電気自動車のモータ駆動装置の全体構成を示すブロック図である。
【００１２】燃料電池１０は、本発明の第１直流電圧発生手段の一形態であり、車両走行の主電力源である。燃料電池１０は、水素ガスと酸素ガスを燃料として電気化学反応により電気エネルギを生成する。２次電池１２は、本発明の第２直流電圧発生手段の一形態であり、鉛バッテリなどからなる。２次電池１２は高い出力応答性を有しており、燃料電池１０の応答性を補う。
【００１３】電力変換部１４は第１インバータ１６および第２インバータ１８を有し、これらは本発明の第１変換手段および第２変換手段に対応する。燃料電池１０は第１インバータ１６に、２次電池１２は第２インバータ１８に接続されている。各インバータ１６、１８は、該当する電源の直流電圧を交流電圧に変換し、駆動モータ２０に供給する。
【００１４】駆動モータ２０は３相交流式である。通常のモータでは３相のコイルの端部が一つに束ねられているのと異なり、モータ２０の３相のコイル、すなわちＵ相巻線２０ａ、Ｖ相巻線２０ｂおよびＷ相巻線２０ｃは切り離されている。図では簡略化されているが、各相のコイルの一端は第１インバータ１６に接続され、他端は第２インバータ１８に接続されている。
【００１５】また、電力変換部１４において、第１インバータ１６の入力側には、容量が等しい２つのコンデンサ２４、２６が並列に接続されている。また、第２インバータ１８の入力側にも、容量が等しい２つのコンデンサ２８、３０が並列に接続されている。そして、コンデンサ２４、２６の中間点Ａが、コンデンサ２８、３０の中間点Ｂと接続されている。
【００１６】図２を参照すると、燃料電池１０側には２つの電圧センサ３２、３４が設けられている。電圧センサ３２は燃料電池１０の端子間の電圧を検出する。電圧センサ３４は燃料電池１０の一方端子と中間点Ａの電圧を検出する。同様に、２次電池１２側でも、電圧センサ３６が端子間電圧を検出し、電圧センサ３８が一方端子と中間点Ｂの電圧を検出する。これらの電圧検出信号から、各電源における現状の中性点電圧の偏差を知ることができる。
【００１７】図１に戻り、制御装置４０は、「モータ２０の出力トルク要求と燃料電池１０の出力要求の双方を満たし」、かつ、「燃料電池１０と２次電池１２の中性点電位が等しくなるように」、２つのインバータ１６、１８を制御する。
【００１８】モータ２０の出力トルクは、アクセル、ブレーキなどの操作系情報および車速などの車両情報から決まる。制御装置４０は、主として燃料電池１０の電力を使い、補足的に２次電池１２の電力を使って所望のモータ出力を得る。
【００１９】しかし実際には、燃料電池１０は、モータ側の要求に応えるような高い応答性はもっていない。そして、燃料電池１０は、各時点で自分の出力要求を持っており、この出力要求の電力を放出しようとする。そこで、制御装置４０は、燃料電池１０には出力要求の電力を放出させるとともに（第１インバータ１６の制御）、バッファとしての２次電池１２を使ってモータ側の要求に応える（第２インバータ１８の制御）。
【００２０】燃料電池１０の出力がモータ側の要求を下回るとき、２次電池１２が第２インバータ１８を介して電力を放出し、トルクの不足分を補う。逆に燃料電池１０の出力がモータ側の要求を上回るとき、余った電力を２次電池１２が吸収するように第２インバータ１８が制御される。これにより２次電池１２が充電される。
【００２１】上記の制御を行うため、制御装置４０には操作系情報および車両情報が入力され、これらの情報からモータの出力トルク要求が決定される。また、燃料電池１０からは発電電力（出力要求）が入力される。さらに、電力変換部１４からは、各インバータ１６、１８の出力電圧および入力電圧、中性点電圧偏差が入力される。さらに、モータ２０に取り付けられた回転センサ（図示せず）から、ロータの回転位置・速度情報が入力される。
【００２２】これらの情報に基づいて、制御装置４０は、第１インバータ１６および第２インバータ１８のＰＷＭパターン信号を個別に生成し、電力変換部１４へ出力する。第１インバータ１６および第２インバータ１８は、入力信号に従ってスイッチング動作を行う。
【００２３】図３は、上記の制御方法を示すブロック図である。制御装置４０は、運転者の操作情報および車両情報（１００）から、駆動モータ２０が出力すべきトルク（モータトルク指令）を演算する（１０２）。そして、例えばベクトル制御等の周知の制御手法を用いてモータ電流ベクトル（電流指令）が演算される（１０４）。ここまでは、従来の一般的な電気自動車と同じ制御が行われる。
【００２４】前述のように、本システムの主電源である燃料電池１０は、車両の要求する駆動力の変化に対して十分な応答性をもたない。そこで、まず、燃料電池１０が出力すべき電力の要求値が、燃料電池１０の内部情報から算出される（２００）。
【００２５】燃料電池１０の出力電力を駆動モータ２０が吸収できるように、燃料電池側の電圧ベクトル（電圧指令）が算出される（２０２）。ここで、吸収電力の大きさに応じて必要ならば、駆動モータの出力トルクに影響が無いように、モータ電流ベクトルが再演算される（２０４）。再演算ではトルク電流と直交する電流ベクトルが加減される。そして、再演算された電流ベクトルとモータ２０に流れる電流とが一致するように、２次電池側の電圧ベクトルが演算される（２０６）。ここでは、電流センサ（図示せず）で検出したモータ電流がフィードバックされ（２０８）、フィードバック制御が行われる。
【００２６】ここまでの処理により、各インバータ１６、１８についての電圧ベクトルが決まる。上記の処理では、要するに、モータトルク指令と燃料電池出力要求が先に決まる。そして、燃料電池の出力要求を達成するように燃料電池側の電圧ベクトルを決める。さらに、モータトルク指令を達成するように、燃料電池と２次電池についての電圧ベクトルを適当に設定する。このとき、２次電池側の電圧ベクトル演算にはモータ電流のフィードバックを適用するが、燃料電池側の演算にはモータ電流はフィードバックしていない。
【００２７】そして、燃料電池１０の出力要求がトルク指令を下回るときは、不足分のトルクを補うため、２次電池１２に電力を放出させるような電圧ベクトル演算結果が得られる。逆に、燃料電池１０の出力要求がトルク指令を上回るときは、２次電池１２が充電されるような電圧ベクトル演算結果が得られる。
【００２８】図４および図５は、上記の制御処理の電流ベクトルおよび電圧ベクトルの例を示している。第１インバータ１６および第２インバータ１８についての電圧ベクトルＶｉｎｖ１、Ｖｉｎｖ２を合成したものが、モータの電圧ベクトルＶｍｏｔである。電圧ベクトルＶｍｏｔおよび電流ベクトルＩｍｏｔからモータトルクが決まる。
【００２９】図４は定常状態、すなわち、モータ２０が一定の出力を出し続けている状態を示す。定常状態では、燃料電池１０の発生電力のみでモータ２０が駆動される。この例では、モータ出力Ｐｍｏｔは１０ｋＷ、第１インバータ１６側の出力Ｐｉｎｖ１は１０ｋＷ、第２インバータ１８側の出力Ｐｉｎｖ２は０ｋＷである。ＶｍｏｔがＶｉｎｖ１と一致し、Ｖｉｎｖ２は０である。
【００３０】図５は過渡状態を示している。定常状態からモータ出力Ｐｍｏｔが５ｋＷに低下している。このとき、燃料電池１０は、応答性が低いために、直ぐには出力を５ｋＷまで落とすことができない。その間、モータ駆動力の減少が必要な分（５ｋＷ）が第２インバータ１８の制御で吸収される。第１インバータ１６側の出力Ｐｉｎｖ１は定常状態と同様に１０ｋＷであるが、第２インバータ１８側の出力Ｐｉｎｖ２は−５ｋＷである。これを実現するために、一時的にモータの力率が下げられる。両インバータの電圧ベクトルＶｉｎｖ１、Ｖｉｎｖ２の合成ベクトルがモータ電圧ベクトルＶｍｏｔである。
【００３１】上記の処理でインバータ１６、１８の電圧ベクトルが個別に決まったので、それぞれの電圧ベクトルをＰＷＭパターンに変換し、インバータ１６、１８への指令を作成する。
【００３２】ただし、実際にインバータが動作するとき、燃料電池１０の中性点電位と２次電池１２の中性点電位がずれていると、モータ２０の各コイル２０ａ〜２０ｃに不適当な直流電流が流れる。これを避けるため、両電源１０、１２の中性点電位を揃える制御が行われる。
【００３３】すなわち、燃料電池側の中性点電圧偏差が検出され（３００）、偏差をなくすためのオフセット電圧が演算される（３０２）。図２を参照すると、点Ａの電位が端子間電圧の半分（センサ３４の検出電圧がセンサ３２の検出電圧の半分）であれば中性点電圧偏差が０であるが、それ以外の場合には中性点電圧偏差が生じている。
【００３４】そこで、中性点電圧偏差が生じている場合、これを修正して０にする制御を行う。中性点電位は、第１インバータ１６の３相出力電圧に応じて変化する。そこで、マイナスの偏差が生じている場合には、インバータ出力電圧を高くするオフセット電圧が演算され、電圧ベクトルに加えられる。逆にプラスの偏差が生じている場合には、インバータ出力電圧を低くするオフセット電圧が演算され、電圧ベクトルに加えられる。オフセットは、中性点電圧偏差が０になるまで与えられる。
【００３５】２次電池側についても同様の処理が行われる。中性点電圧偏差が検出され（３０４）、偏差をなくすためのオフセット電圧が演算される（３０６）。図２を参照すると、点Ｂの電位（センサ３８の検出信号）と電池両端電圧（センサ３６の検出信号）から中性点電圧偏差が求められる。そして、この偏差を修正するようなオフセットを第２インバータ１８の三相出力電圧に与える処理が行われる。
【００３６】両電源に関し、オフセット演算後に最終的なＰＷＭパターンが生成、出力される（４００、４０２）。オフセットを与えた電圧ベクトルがＰＷＭパターンに変換される。この処理は、燃料電池１０と２次電池１２に関して個別に行われる。第１インバータ１６および第２インバータ１８は、入力されたＰＷＭパターンに従ってスイッチング動作を行う。これにより、２つの電源からの電流を合成した電流がモータ２０のコイル２０ａ〜２０ｃに流れる。その結果、モータ２０の出力トルクは、制御装置４０が決めたトルク指令値に等しくなる。
【００３７】ここで、燃料電池１０の中性点電圧偏差と２次電池１２の中性点電圧偏差がそれぞれ修正されているので、両電源の中性点電位は等しくなる。従って、モータ２０に不要な直流電流成分が流れるのを回避できる。
【００３８】以上のように、本実施形態によれば、燃料電池と２次電池がモータ（各相コイル）の反対側に配置されており、かつ、両電源の中性点電位が等しくなるように制御されている。このような構成を採用したので、両電源の電力をモータに供給してモータを駆動でき、燃料電池と２次電池の適切な電力混合が実現されている。
【００３９】なお、本実施形態では、燃料電池と２次電池の組合せが採用された。しかし、本発明はこの組合せには限定されない。例えば、バッテリとキャパシタ、高容量バッテリと高出力バッテリ、高電圧バッテリと低電圧バッテリの組合せにも本発明を適用可能である。
【００４０】また、本発明は電気自動車に限られず、他のモータ利用システムにも同様に適用可能である。
【００４１】
【発明の効果】以上に説明したように、本発明によれば、モータの各相の巻線の両端のそれぞれに変換手段を介して直流電圧発生手段を接続し、かつ、２つの電圧発生手段の中性点電位が等しくなるように制御するので、２種類の異なる特性の電源の出力を適当に混合して１つのモータを駆動することができる。
【００４２】従って、２つの直流電源の電力混合を、１つのモータと２つの直流／交流変換手段という比較的簡素・安価な構成で実現できる。しかも、特性の異なる２つの直流電源の動作点を独立に制御できる。上記の例では燃料電池および２次電池の動作点を個別のインバータを使って独立に制御している。従って、各電源を効率よく使用でき、エネルギ効率の高いシステムを構築可能である。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３２０７
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
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| 【出願日】 |
平成１０年１０月１３日（１９９８．１０．１３） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７５２５８
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 研二 （外２名）
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| 【公開番号】 |
特開２０００−１２５４１１（Ｐ２０００−１２５４１１Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１２年４月２８日（２０００．４．２８） |
| 【出願番号】 |
特願平１０−２９０１８４ |
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