| 【発明の名称】 |
電気自動車の回生制動装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】山中 剛
【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地 日産自動車株式会社内
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| 【要約】 |
【課題】制動時の回生電力を有効に活用する。
【解決手段】バッテリーが充電不可と判定されたときは、制動時に、交流モーターの回生電力をバッテリーへ供給せず、交流モーターを短絡する。これにより、バッテリーの状態に拘わらずモーターに回生制動力を発生させることができ、安定な制動力を確保できる。また、従来のように設置場所に制約がある発熱体（抵抗器）を自動車に設置する必要がなく、回生電力を抵抗器で熱として消費せずにモーター自体で制動力に変換するので、制動時の回生電力を有効に活用できる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】自動車の走行駆動力と回生制動力を発生する交流モーターと、走行駆動時にはバッテリーの電力を前記モーターへ供給し、回生制動時には前記モーターの回生電力を前記バッテリーへ供給する電力変換手段と、前記バッテリーのＳＯＣを検出するＳＯＣ検出手段と、前記ＳＯＣ検出値に基づいて前記バッテリーの充電可否を判定する充電可否判定手段と、前記交流モーターの端子を短絡する短絡手段と、回生制動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記バッテリーが充電不可と判定されたときは、制動時に、前記電力変換手段により前記モーターの回生電力を前記バッテリーへ供給せず、前記短絡手段により前記モーターを短絡させることを特徴とする電気自動車の回生制動装置。
【請求項２】請求項１に記載の電気自動車の回生制動装置において、前記短絡手段は短絡相数の切り換えが可能であり、前記制御手段は、要求される制動力に応じて前記短絡手段の短絡相数を切り換えることを特徴とする電気自動車の回生制動装置。
【請求項３】請求項２に記載の電気自動車の回生制動装置において、前記モーターは３相交流モーターであり、前記制御手段は、要求される制動力に応じて前記短絡手段により２相短絡と３相短絡とを切り換えることを特徴とする電気自動車の回生制動装置。
【請求項４】請求項３に記載の電気自動車の回生制動装置において、機械式制動力を発生する機械式制動手段を備え、前記制御手段は、要求される制動力を３相短絡により前記モーターから発生させることができない場合には、前記機械式制動手段により不足分の制動力を発生させることを特徴とする電気自動車の回生制動装置。
【請求項５】請求項２〜４のいずれかの項に記載の電気自動車の回生制動装置において、前記モーターの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記モーターの温度を検出する温度検出手段とを備え、前記制御手段は、短絡相数ごとに前記モーターの回転速度と温度に対する短絡制動力のテーブルを記憶しており、前記モーターの前記回転速度検出値と前記温度検出値に対応する短絡制動力を表引き演算し、要求される制動力と比較して短絡相数を決定することを特徴とする電気自動車の回生制動装置。
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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、モーターにより走行駆動力と回生制動力を発生させる電気自動車の制動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】走行時にはモーターを電動運転して駆動力を発生させ、制動時にはモーターを回生運転して回生制動力を発生させる電気自動車が知られている（例えば特開平０８−０５１７０１号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した従来の電気自動車では、バッテリーが満充電状態に近い場合には、制動時の回生電力をバッテリーへ供給するとバッテリーが過充電になり、バッテリーの寿命が短くなってしまうので、このような場合には回生電流を抵抗器へ流し、回生電力を熱にして消費している。したがって、制動時の回生電力が有効に活用されていないという問題がある。
【０００４】本発明の目的は、制動時の回生電力を有効に活用することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】一実施の形態の構成を示す図１および図２に対応づけて本発明を説明すると、（１） 請求項１の発明は、自動車の走行駆動力と回生制動力を発生する交流モーター２と、走行駆動時にはバッテリー８の電力をモーター２へ供給し、回生制動時にはモーター２の回生電力をバッテリー８へ供給する電力変換手段７と、バッテリー８のＳＯＣを検出するＳＯＣ検出手段１８と、ＳＯＣ検出値に基づいてバッテリー８の充電可否を判定する充電可否判定手段１４と、交流モーターの端子を短絡する短絡手段７（ＴＲ７、ＴＲ８）と、回生制動を制御する制御手段１４とを備え、制御手段１４は、バッテリー８が充電不可と判定されたときは、制動時に、電力変換手段７によりモーター２の回生電力をバッテリー８へ供給せず、短絡手段７（ＴＲ７、ＴＲ８）により交流モーター２を短絡させる。
（２） 請求項２の電気自動車の回生制動装置は、短絡手段７（ＴＲ７、ＴＲ８）は短絡相数の切り換えが可能であり、制御手段１４によって、要求される制動力に応じて短絡手段７（ＴＲ７、ＴＲ８）の短絡相数を切り換えるようにしたものである。
（３） 請求項３の電気自動車の回生制動装置は、モーター２は３相交流モーターであり、制御手段１４によって、要求される制動力に応じて短絡手段７（ＴＲ７、ＴＲ８）により２相短絡と３相短絡とを切り換えるようにしたものである。
（４） 請求項４の電気自動車の回生制動装置は、機械式制動力を発生する機械式制動手段１９、（６ａ〜６ｄ）を備え、制御手段１４によって、要求される制動力を３相短絡によりモーター２から発生させることができない場合には、機械式制動手段１９、（６ａ〜６ｄ）により不足分の制動力を発生させるようにしたものである。
（５） 請求項５の電気自動車の回生制動装置は、モーター２の回転速度を検出する回転速度検出手段１１と、モーター２の温度を検出する温度検出手段１２とを備え、制御手段１４によって、短絡相数ごとにモーター２の回転速度と温度に対する短絡制動力のテーブルを記憶しており、モーター２の回転速度検出値と温度検出値に対応する短絡制動力を表引き演算し、要求される制動力と比較して短絡相数を決定するようにしたものである。
【０００６】なお、上述した課題を解決するための手段では、発明を解りやすくするために一実施の形態の構成図に対応づけて説明したが、本発明は一実施の形態に限定されるものではない。
【０００７】
【発明の効果】（１） 請求項１の発明によれば、バッテリーが充電不可と判定されたときは、制動時に、交流モーターの回生電力をバッテリーへ供給せず、交流モーターを短絡するようにしたので、バッテリーの状態に拘わらずモーターに回生制動力を発生させることができ、安定な制動力を確保できる。また、従来のように設置場所に制約がある発熱体（抵抗器）を自動車に設置する必要がなく、回生電力を抵抗器で熱として消費せずにモーター自体で制動力に変換するので、制動時の回生電力を有効に活用できる。
（２） 請求項２および３の発明によれば、要求される制動力に応じてモーターの短絡相数を切り換えるようにしたので、モーター短絡による回生制動力を段階的に調節することができ、制動時の回生電力を有効に活用できる。
（３） 請求項４の発明によれば、要求される制動力を３相短絡によりモーターから発生させることができない場合には、機械式制動手段により不足分の制動力を発生させるようにしたので、要求制動力を安定に確保することができる。
（４） 請求項５の発明によれば、短絡相数ごとにモーターの回転速度と温度に対する短絡制動力のテーブルを記憶しており、モーターの回転速度検出値と温度検出値に対応する短絡制動力を表引き演算し、要求される制動力と比較して短絡相数を決定するようにしたので、モーター短絡による短絡相数ごとの回生制動力を正確に検出でき、その結果、制動時の回生電力をさらに有効に活用できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】本願発明を、車両の走行駆動源としてエンジンとモーターを搭載し、エンジンとモーターの両方またはいずれか一方により走行するハイブリッド電気自動車に適用した一実施の形態を説明する。
【０００９】一般に、電動機（モーター）は、電力を駆動力に変換して電動運転するものであるが、そのままの構造で駆動力を電力に逆変換して回生運転することが可能である。また、発電機（ジェネレーター）は、駆動力を電力に変換して発電運転（回生運転と同等）するものであるが、そのままの構造で電力を駆動力に逆変換して電動運転することが可能である。つまり、電動機（モーター）と発電機（ジェネレーター）とは基本的に同一構造であり、どちらも電動運転と回生運転とが可能である。したがって、この明細書では、電気エネルギー（電力）を回転エネルギー（駆動力）に変換する電動機（モーター）の機能と、回転エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機（ジェネレーター）の機能を合わせ持つ回転電機を単にモーターと呼ぶ。一方、内燃機関は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンなどの燃料を燃やしたときに発生する燃焼エネルギーを回転エネルギー（駆動力）に変換するものであり、この明細書ではこれらの内燃機関を単にエンジンと呼ぶ。
【００１０】図１は一実施の形態の構成を示す。エンジン１とモーター２の駆動力は動力伝達機構３、変減速機４およびドライブシャフト５ａ、５ｂを介して駆動輪６ａ、６ｂに伝達され、自動車を走行させる。なお、動力伝達機構３にはクラッチや遊星ギアなどが含まれる。モーター２はＹ結線の３相交流モーターであり、自動車を走行させる駆動力を発生するとともに、自動車を減速させる回生制動力を発生する。なお、モーター２には同期機や誘導機を用いることができる。
【００１１】インバーター７は、バッテリー８の直流電力を交流電力に変換してモーター２へ印加し、モーター２から駆動力を発生させるとともに、回生制動力を発生しているモーター２の回生電力を直流電力に変換してバッテリー８を充電する。
【００１２】図２はインバーター７の主回路部分を示す。インバーター７は、トランジスターＴＲ１〜ＴＲ６とダイオードＤ１〜Ｄ６により３相電力変換回路を構成し、バッテリー８の直流電力を交流電力に変換してモーター２の３相Ｕ、Ｖ、Ｗ端子へ印加する。インバーター７はまた、モーター２のＵ相端子とＶ相端子を短絡するためのトランジスターＴＲ７と、Ｖ相端子とＷ相端子を短絡するためのトランジスターＴＲ８を備えている。
【００１３】トランジスターＴＲ７を導通（オン）することによってモーター２のＵ相巻線２ｕとＶ相巻線２ｖとが短絡され、モーター２が回転しているときはＵ相巻線２ｕとＶ相巻線２ｖに誘起される起電力により端子Ｕ→トランジスターＴＲ７→端子Ｖ→巻線２ｖ→巻線２ｕ→端子Ｕの回路で短絡電流が流れ、モーター２に制動力が発生する。この明細書では、３相Ｙ結線モーター２の端子Ｕと端子Ｖを短絡、すなわちＵ相巻線２ｕとＶ相巻線２ｖとを短絡して制動をかける方法を２相短絡制動と呼ぶ。
【００１４】同様に、トランジスターＴＲ８を導通（オン）することによってモーター２のＶ相巻線２ｖとＷ相巻線２ｗとが短絡され、モーター２が回転しているときはＶ相巻線２ｖとＷ相巻線２ｗに誘起される起電力により端子Ｖ→トランジスターＴＲ８→端子Ｗ→巻線２ｗ→巻線２ｖ→端子Ｖの回路で短絡電流が流れ、モーター２に制動力が発生する。
【００１５】通常、上述したＵ相とＶ相の２相短絡制動をかけても制動力が不足する場合には、トランジスターＴＲ７とＴＲ８を同時にオンし、３相Ｙ結線モーター２の端子Ｕ、Ｖ、Ｗを同時に短絡、すなわちＵ相巻線２ｕ、Ｖ相巻線２ｖ、Ｗ相巻線２ｗを短絡する。この明細書では、３相Ｙ結線モーター２の端子Ｕ、Ｖ、Ｗを短絡、すなわちＵ相巻線２ｕ、Ｖ相巻線２ｖ、Ｗ相巻線２ｗを短絡して制動をかける方法を３相短絡制動と呼ぶ。
【００１６】ふたたび図１において、モーター回転センサー１１はモーター２の回転速度Ｎを検出し、モーター温度センサー１２はモーター２の温度Ｔｍを検出する。モーターコントローラー１３は、車両コントローラー１４からの指令信号、モーター回転センサー１１からのモーター回転速度Ｎ、モーター温度センサー１２からのモーター温度Ｔｍなどに基づいてインバーター２を制御し、モーター２の駆動と回生を行う。
【００１７】電圧センサー１５はバッテリー８の端子電圧、すなわちインバーター７へ供給される直流電圧Ｖｂを検出する。バッテリー温度センサー１６はバッテリー８の温度Ｔｂを検出し、バッテリー内部抵抗センサー１７はバッテリー８の内部抵抗Ｒｂを検出する。バッテリーコントローラー１８は、車両コントローラー１４からの指令信号、電圧センサー１５からのバッテリー電圧Ｖｂ、バッテリー温度センサー１６からのバッテリー温度Ｔｂ、バッテリー内部抵抗センサー１７からのバッテリー内部抵抗Ｒｂなどに基づいてバッテリー８の充電状態（以下、ＳＯＣ（State Of Charge）という）を演算する。なお、ＳＯＣは現在のバッテリー温度Ｔｂから２０℃の値に換算する。
【００１８】ブレーキコントローラー１９は、車両コントローラー１４からの指令信号に基づいて各車輪６ａ〜６ｄに内蔵される機械式ブレーキ（不図示）に供給されるブレーキ液圧を制御し、機械式制動力を調節する。
【００１９】アクセルセンサー２０はアクセルペダル（不図示）の踏み込み量Ａccを検出し、ブレーキセンサー２１はブレーキペダル（不図示）の踏み込み量Ｂｒを検出する。また、車速センサー２２は自動車の走行速度（車速）Ｖspを検出する。車両コントローラー１４は、アクセルセンサー２０からのアクセルペダル踏み込み量Ａcc、ブレーキセンサー２１からのブレーキペダル踏み込み量Ｂｒ、車速センサー２２からの車速Ｖspなどに基づいてモーターコントローラー１３、バッテリーコントローラー１８およびブレーキコントローラー１９を制御し、自動車の駆動力と制動力を制御する。
【００２０】ここで、この一実施の形態の回生制動方法を整理して説明する。自動車を制動するときに、バッテリー８が充電可能な状態にあって通常の回生制動が可能なときは、回生制動を行って回生電力をバッテリー８へ供給し、バッテリー８の充電を行う。このとき、回生制動のみでは制動力が不足する場合は不足分を機械式制動により発生させる。
【００２１】一方、バッテリー８が満充電状態またはそれに近い状態にあって充電不可能な状態にあり、回生制動ができないときには、機械式制動をかける。ただし、機械式制動のみでは制動力が不足する場合は、上述した２相短絡制動または３相短絡制動を優先的にかける。つまり、機械式制動力のみでは制動力が不足する場合には、２相短絡制動をかけ、それでも制動力が不足する場合は３相短絡制動をかけ、なお制動力が不足する場合には不足分を機械式制動力により補う。
【００２２】ここで、機械式制動のみでは制動力が不足する場合に短絡制動を優先的にかけ、不足分を機械式制動により補うのは、２相短絡制動および３相短絡制動による制動力がモーター２の回転速度、温度、定数などに依存し、短絡制動力を任意に制御できないからである。
【００２３】図３〜図４は、一実施の形態の回生制動制御プログラムを示すフローチャートである。このフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。車両コントローラー１４は、自動車のメインスイッチ（不図示）が投入されるとこの回生制動制御プログラムを繰り返し実行する。
【００２４】ステップ１において、車速センサー２２から車速Ｖspを、アクセルセンサー２０からアクセル操作量（アクセルペダル踏み込み量）Ａccを、ブレーキセンサー２１からブレーキ操作量（ブレーキペダル踏み込み量）Ｂｒをそれぞれ読み込む。続くステップ２で、車速Ｖsp、アクセル操作量Ａccおよびブレーキ操作量Ｂｒに基づいて運転者の制動要求があるかどうかを判定する。制動要求がないと判定された場合はステップ１へ戻り、制動要求があると判定された場合はステップ３へ進む。
【００２５】ステップ３では車速Ｖspとブレーキ操作量Ｂｒなどに基づいて運転者の要求制動力を演算する。次に、ステップ４でバッテリーコントローラー１８からバッテリー８のＳＯＣを読み込む。上述したように、バッテリー８のＳＯＣはバッテリーコントローラー１８で演算される。
【００２６】ステップ５において、バッテリーＳＯＣに基づいてバッテリー８が充電可能な状態にあるかどうかを判定する。この判定は、最大の回生電力が発生したときに、その回生電力を回収可能なＳＯＣの判定基準範囲を予め設定しておき、現在のＳＯＣが判定基準範囲内にあれば充電可能と判定する。充電可能な場合はステップ６へ進み、充電不可能な場合はステップ１１へ進む。
【００２７】バッテリー８が充電可能な状態にあるときは、ステップ６で回生制動のみで要求制動力を発生できるか否かを判定する。この判定は、モーター２の回転速度Ｎと温度Ｔｍなどに基づいて回生制動力を演算し、上述した運転者の要求制動力と比較して行う。回生制動のみで要求制動力を発生できる場合はステップ９へ進み、モーターコントローラー１３を制御して要求制動力分の回生制動を行う。
【００２８】一方、回生制動のみでは要求制動力を満たせない場合はステップ７へ進み、要求制動力から現状での最大回生制動力を差し引いて不足分を求め、この不足分を機械式制動力に割り当てる。ステップ８でブレーキコントローラー１９を制御して不足分の機械式制動力を発生させ、続くステップ９でモーターコントローラー１３を制御して最大限の回生制動を行う。
【００２９】次に、ステップ５でＳＯＣが判定基準範囲を超えてバッテリー８の充電が不可能であると判定されたときは、ステップ１１で、機械式制動のみで要求制動力を発生できるか否かを判定する。この判定は、車速Ｖspなどに基づいて現状での最大機械式制動力を演算し、上述した運転者の要求制動力と比較して行う。機械式制動のみで要求制動力を発生できる場合はステップ１２へ進み、そうでなければステップ１３へ進む。
【００３０】機械式制動のみで要求制動力を満たせる場合は、ステップ１２でブレーキコントローラー１９を制御して要求制動力に等しい機械式制動力を発生させる。
【００３１】一方、機械式制動のみでは要求制動力を発生できない場合は、ステップ１３で２相短絡制動で充分かどうかを判定する。図５に、モーター温度Ｔｍをパラメーターとする２相短絡制動時のモーター回転速度Ｎに対する発生制動力（短絡制動力）の特性例を示す。また、図６に、モーター温度Ｔｍをパラメーターとする３相短絡制動時のモーター回転速度Ｎに対する発生制動力（短絡制動力）の特性例を示す。これらの特性からモーター２の回転速度Ｎと温度Ｔｍに対応する２相短絡制動力および３相短絡制動力を表引き演算し、要求制動力と比較する。
【００３２】要求制動力が２相短絡制動力よりもわずかに大きいが、３相短絡制動をかけるほどの差がない場合には、２相短絡制動のみで充分と判断し、ステップ１４へ進む。ステップ１４では、モーターコントローラー１３を制御して２相短絡制動を行う。モーターコントローラー１３はトランジスターＴＲ７をオンし、Ｕ相巻線２ｕとＶ相巻線２ｖを短絡する。ステップ１６で要求制動力から２相短絡制動力を差し引いて不足分を求め、続くステップ１７でブレーキコントローラー１９を制御して不足分の機械式制動力を発生させる。
【００３３】一方、要求制動力が２相短絡制動力よりもかなり大きく、３相短絡制動をかける必要がある場合はステップ１５へ進み、モーターコントローラー１３を制御して３相短絡制動を行う。モーターコントローラー１３はトランジスターＴＲ７およびＴＲ８をオンし、Ｕ相巻線２ｕ、Ｖ相巻線２ｖおよびＷ相巻線２ｗを短絡する。ステップ１６で要求制動力から３相短絡制動力を差し引いて不足分を求め、続くステップ１７でブレーキコントローラー１９を制御して不足分の機械式制動力を発生させる。
【００３４】この一実施の形態によれば、バッテリー８の状態に拘わらずモーター２に回生制動力を発生させることができ、安定な制動力を確保できる。また、従来のように設置場所に制約がある発熱体（抵抗器）を自動車に設置する必要がなく、回生電力を抵抗器で熱として消費せずにモーター自体で制動力に変換するので、制動時の回生電力を有効に活用できる。
【００３５】上述した一実施の形態ではＹ結線の３相交流モーターを用い、２相短絡制動と３相短絡制動を行う例を示したが、３相以外の交流モーターを用いて短絡する相数を変えて短絡制動を行うようにしてもよい。
【００３６】また、本願発明は、モーターの駆動力により走行する純粋な電気自動車はもちろんのこと、エンジンとモーターの駆動力により走行する種々の形式のハイブリッド自動車に対しても適用することができる。
【００３７】上述した一実施の形態では、インバーター７のスイッチング素子としてトランジスターＴＲ１〜ＴＲ８を用いる例を示したが、インバーター７のスイッチング素子はトランジスターに限定されず、例えばパワーＦＥＴ、ＩＧＢＴ、サイリスター、ＧＴＯなどを用いることができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００３９９７
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地
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| 【出願日】 |
平成１３年１１月２８日（２００１．１１．２８） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８４４１２
【弁理士】
【氏名又は名称】永井 冬紀
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| 【公開番号】 |
特開２００３−１６４００２（Ｐ２００３−１６４００２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１５年６月６日（２００３．６．６） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−３６２０６６（Ｐ２００１−３６２０６６） |
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