電動式走行車輌

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【発明の名称】	電動式走行車輌
【発明者】	【氏名】上符敏昭
【要約】	【課題】電動式走行車輌を構成する変換装置および駆動モータの損失を低減し、小型化や重量低減を図る事によって、高効率で省エネ化した安価な電動式走行車輌を提供する事を課題とする。【解決手段】バッテリを駆動源とする電動式走行車輌のバッテリとインバータ回路の中間に昇圧回路を設け，インバータへ供給する電圧をバッテリ電圧より高い電圧で供給出来るように構成し、電動式走行車輌の始動、加速、および登坂走行時に必用な大トルク要求時には昇圧回路を動作させ、インバータ回路の入力直流電圧をバッテリ電圧以上に昇圧してインバータを構成する主制御素子電流の低減を図る。また，平地の定常走行時のように低トルクでよい場合はインバータの直流入力電圧をバッテリ電圧とするため，昇圧回路の動作をとめ，走行モータの鉄損を低減するようにし，電動式走行車輌の運転状況に応じて、最適な直流電圧をインバータに供給出来るようにしたことを特徴とする電動式走行車輌。

【特許請求の範囲】
【請求項１】バッテリとインバータの中間に、昇圧回路を設けた電動式走行車輌において、始動加速時や登坂走行時のように、大トルクを必要とする走行状態で前述の昇圧回路を動作させ、インバータ直流入力電圧をバッテリ電圧以上に昇圧する事によってインバータ出力電圧を高くし、また平地走行時のように低トルク走行状態ではインバータ直流入力電圧を昇圧することなく、バッテリ電圧で運転し、インバータおよびモータの電流の増加を抑制し、鉄損および銅損失を低減し省エネ運転を図ることを特徴とする電動式走行車輌。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電動式走行車輌に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在の電動式走行車輌は駆動エネルギ源であるバッテリから、図１に示されるようにチョッパ回路や図２のインバータ回路をとうして駆動モータを動作させ，走行させている。したがって、モータの運転電圧はバッテリ電圧以上には出来ない。このため、大トルク要求時には大電流を供給する必要がある。したがって、チョッパやインバータを構成するスイッチング素子，電解コンデンサなども大電流耐量のものが必要になるほか、これらの損失による発生熱を放熱する冷却器も大きくなる。この結果、駆動装置が大型化し、重量も増加する。
【０００３】電動式走行車輌にとって積載重量の増加は、エネルギ源であるバッテリの容量を促、増大させる事につながり、省エネ、環境破壊の観点より見ても好ましくない。また、チョッパ回路やインバータの主制御素子である半導体素子も低電圧大電流のものは市場要求が少なく市販されていない。したがって、大電流を制御するには多数の素子を並列使用する事によってなされるか、新たに大電流素子を開発する必要がある。これらは、コスト面からも、コスト高となり問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】電動式走行車輌を構成する変換装置および駆動モータの損失を低減し、小型化や重量低減を図ることによって、高効率で省エネ化した安価な電動式走行車輌を提供することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する本発明の電動式走行車輌は請求範囲のものである。バッテリとインバータ回路の中間に昇圧回路を設け、インバータへ供給する電圧をバッテリ電圧より高い電圧を供給出来るように構成し、電動式走行車輌の始動、加速および登坂走行時の走行車輌に必要な大トルク要求時に昇圧回路を動作させ、インバータ回路の入力直流電圧をバッテリ電圧以上に昇圧してインバータを構成する主制御素子電流の低減を図ると共に、走行用モータへの供給電圧をあげ，電流の低減を図る。また、平地の定常走行時のように低トルクでよい場合はインバータの直流入力電圧をバッテリー電圧とするため、昇圧回路の動作をとめ、インバータ出力電圧を低くし走行モータの鉄損の低減を図り、電動式走行車輌の運転状況に応じて、最適な直流電圧をインバータに供給出来るようにする。
【０００６】
【発明の実施の形態】以下，本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【０００７】図３は本発明の実施の形態に係る電動走行車輌の駆動状態におけるモータの必要トルクを示したものである。図４は本発明の走行システムの電気制御回路と昇圧部の制御部の構成図、図５はインバータ部の制御構成図である。
【０００８】図３に於いてτ０は電動走行車輌の平地定常走行時に必用なトルクで、Ｔｍａｘは登坂走行時に必要トルクである。走行車輌の場合、τ０／τｍａｘ＝１／５～１／２０のように車輌の許容登坂勾配による差が大きい。したがって、始動および登坂走行の低速走行領域ではトルクτｍａｘを保証でき、登坂走行速度以上の走行速度領域ではトルクτ０を保証する。このトルクに加速トルクを加えたものが、電動式走行車輌の要求トルクとなる。図３ではτｍａｘ、τ０に斜線部分の加速トルクを加えたτの包絡線で示される。図３では登坂走行速度直後の加速トルクを大きく取っているが、この加速トルクが大きいほど余力があり、加速性能に優れた走行車輌となる。しかし、モータの供給電圧を一定にし、速度を上昇すると、発生トルクは二乗低減トルクで示され、登坂最大速度のとき最大供給電圧とする一般的な電動式走行車輌の場合、図３のような特性になる。
【０００９】ここで、誘導電動機の発生トルクは電圧の二乗に比例することから、定常走行時のように必要トルクの小さな状態での走行速度－モータ電圧の関係を図３のＶＬで示される低電圧で制御し、始動，加速および登坂走行時のように，大きなトルクを必用とする場合の走行速度－モータ電圧の関係をＶｈで示すように高電圧で制御する事によりモータ電流を低減し、且つ，必要なトルクを効率よく得る事が出来る。このようにモータ電圧を制御する為には、インバータ直流入力電圧をバッテリー電圧以上に昇圧する事が、電動走行車輌のようにバッテリ電圧（９６Ｖ以下）が低い場合効果的である。
【００１０】図４はインバータ直流電圧をバッテリ電圧以上に昇圧する為の昇圧回路を設けている。半導体スイッチ４３がオンするとバッテリー４１、リアクトル４２、半導体スイッチ４３および電流検出器５０の閉ループの電流ｉはバッデリー電圧をＶｂとするとｉ＝Ｖｂ／Ｌ×ｔで上昇する。電流ｉが目標値にたっし、半導体スイッチ４３がオフするとリアクトルＬに蓄えられた１／２Ｌｉ×ｉのエネルギーはダイオード４４を経て、電解コンデンサ４５に放出される。この結果、電解コンデンサ４５の電圧は上昇する。
【００１１】図４に於いてＶｒｅｆはインバータ直流入力電圧目標値で、電解コンデンサ４５の電圧検出値Ｖｄｅｔとの差電圧をリミッター付き誤差増幅器５３で誤差増幅し、誤差増幅器５３の出力を電流目標値として電流検出値１ｄｅｔとリミッター付き誤差増幅器５５にて誤差増幅する。誤差増幅器５５の出力は鋸歯状波発生器５６の出力とコンパレータ５８で比較される。誤差増幅器５５の出力が大きい時，半導体スイッチ４３をオンさせ、鋸歯状波が大きいと半導体スイッチ４３をオフさせるようにコンパレータ５８は動作する。尚，ドライブ回路６０は半導体スイッチ４３のドライブ回路でコンパレータ５８の出力をパワー増幅する。以上の動作の繰り返しによって、インバータ直流入力電圧は目標電圧に昇圧されるように制御され、電動式走行車両の走行速度－モータ電圧の関係は図３の電圧Ｖｈ線で示される電圧で運転される。
【００１２】次に半導体スイッチ４８の動作について述べる。走行車輌が加速を終了し定常走行状態に入ると、モータ発生トルクは小さくてよいから、インバータ直流入力電圧はバッテリー電圧で運転することが効率面から要求される。しかし、電解コンデンサＣの電圧は昇圧されているので、バッテリ電圧より高い電圧になっている。この状態では誤差増幅器５３、５５の出力は昇圧動作時と逆極性になるので鋸歯状波発生器５７の出力とコンパレータ５９で比較される。誤差増幅器５５の出力が高電位にある時、コンパレータ５９の出力は半導体スイッチ４８をオンするように動作する。反対に低電位にある時はオフする動作をする。また、インバータが回生運転状態の時には電解コンデンサ４５の電圧が上昇するが、この場合も半導体スイッチ４８の制御によって、回生エネルギーはバッテリー４１に回生され、インバータ直流入力電圧は目標電圧値に保たれる。
【００１３】次に、電動走行車輌の要求トルクによって、昇圧回路の動作、不動作をどのようにするか、について図５に従って述べる。図５は本発明のインバータ部の制御ブロック図で、ベクトル制御を示している。図５のアクセル速度指令７１と速度推定部７５の出力の偏差をＰＩ増幅器７２で誤差増幅する。誤差増幅器７２の出力がリミット値にあり、且つ、速度指令値ω^＊と速度推定部７５または速度演算部７４の出力ωの差が、モータの許容すべり速度差以上であれば、加速状態にあると判断し、昇圧回路を動作させるべく図４のインバータ入力直流電圧目標値Ｖｒｅｆの値をバッテリ電圧以上に昇圧すべく値に設定される。しかし，速度指令値ω^＊と速度検出値ωの差が、許容すべり速度以内であれば定常走行中であると判断して、インバータ入力直流電圧目標値Ｖｒｅｆの値は図３でＶＬの線の電圧特性が得られるようにする。すなわち、昇圧回路の昇圧動作をやめるべく、バッテリ電圧値に設定される。
【００１４】次に，電動走行車輌の走行状態に応じて、ベクトル制御ブロック図の速度－トルクパターン設定部７６、磁束設定パターン部７７、トルクリミット設定パターン部８３もインバータ入力直流電圧目標値に合わせて切り替える必要がある。これらの選択は図５において、インバータ直流入力電圧がバッテリ電圧より高電圧の値にある時は各パターンのｈを、バッテリ電圧の値にある時はＬのパターンを選択される。このようにする事によって、インバータでモータを安定に、且つ省エネ運転することが出来る。
【００１５】
【発明の効果】以上，発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、本発明の電動走行車輌の駆動走行装置を、高トルク必要時には、搭載しているバッテリ電圧以上の高電圧で運転する，また、低トルク運転時ではバッテリ電圧運転する事によって、インバータおよび、モータの電流を低減し損失の低減を図ることが出来る。
【００１６】低電流化によってインバータ構成素子および電解コンデンサの小型化が出来ると同時に走行駆動装置の小型化と積載重量を低減できる。したがって、バッテリの小容量化、もしくは、走行距離の延長が可能となる。
【００１７】インバータ素子の低電流化により市販されている量産品が適用できる。この結果、コスト的に安価な電動式走行車輌を提供できる。

【出願人】	【識別番号】５０００８８３７９【氏名又は名称】上符敏昭
【出願日】	平成１２年１月２５日（２０００．１．２５）
【代理人】
【公開番号】	特開２００１－２１１５１１（Ｐ２００１－２１１５１１Ａ）
【公開日】	平成１３年８月３日（２００１．８．３）
【出願番号】	特願２０００－５６５１５（Ｐ２０００－５６５１５）