JP2003111202A - 電動車両の制御方法と装置 - Google Patents

電動車両の制御方法と装置

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JP2003111202A JP2001295229A JP2001295229A JP2003111202A JP 2003111202 A JP2003111202 A JP 2003111202A JP 2001295229 A JP2001295229 A JP 2001295229A JP 2001295229 A JP2001295229 A JP 2001295229A JP 2003111202 A JP2003111202 A JP 2003111202A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電磁ブレーキを有する電動車両は、走行時に
は電磁ブレーキへの励磁電流を流し続ける必要があり、
そのための電力消費量は平地走行時モータ電流の３０％
程度にも達し、エネルギー効率が悪くなっている。 【解決手段】 電動車両の駆動用モータとして、アウタ
ロータータイプの永久磁石式同期電動機を使用したダイ
レクトドライブ方式とし、制動力を得るときには、アク
セル信号０で、電動車両の実走行が定格速度の数％以下
となったときに同期電動機の固定相巻線に電流を供給す
るようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電動車両に係わ
り、特に電動車両の制御方法とその装置に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】図７は市販されている電動車両の構成図
を示したもので、バッテリー１にマグネットスイッチ２
を介してチョッパー３を接続し、バッテリー電圧をこの
チョッパー３にてＤＣ／ＤＣ変換した後、直流電動機４
に供給してこの電動機を制御する。直流電動機４の回転
軸には減速機５を介してタイヤ６が連結されている。７
は電磁ブレーキである。この電動車両の走行時には、先
ず、マグネットスイッチ２をオンし、図示省略されてい
るアクセルの踏み込み角度に応じてチョッパー３の導通
率が可変され、直流電動機４に印加される電圧がチョッ
パーの導通率に基づいて可変されることにより直流電動
機４は走行制御される。したがって、走行中におけるマ
グネットスイッチ２はオン状態のままである。
【０００３】停止時には、運転者によるアクセルによる
停止操作によって直流電動機４が減速し、略０速度にな
ったときに電磁ブレーキ７の励磁コイルを解放し、ブレ
ーキに制動力を発生させて電動車両を完全停止させると
共に、チョッパー３も停止するようになっている。すな
わち、停止中の制動力は電磁ブレーキ７の励磁コイルを
解放することによって励磁電流を０とし、付設されてい
る電磁ブレーキのばね圧により制動力を得る構成となっ
ている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図７で示すような従来
の構成では、走行時には電磁ブレーキ７の励磁コイルに
通電することによってばね圧による制動力を解放するこ
とが必要である。このことは、電磁ブレーキや制御回路
の万一の故障に対するブレーキへの制動力を確保するこ
とからフェールセイフ上必要となっている。このため、
バッテリー１を駆動電源とする電動車両では、電磁ブレ
ーキ７の励磁電流は走行中に渡って供給し続けなければ
ならず、この消費電力は平地走行時モータ電流の３０％
程度にも達することから、エネルギー効率上、無視でき
ないものとなっている。また、直流電動機４としては、
出来る限り小形なモータが要求され、小形モータで大き
なトルクを得るためにギヤーによる減速機５を設けてい
る。この減速機５の設置も効率面，省エネルギーの観点
から見るとバッテリー容量を大きくする要因となってい
る。
【０００５】さらに、ギヤーを小形にするとギヤーの歯
欠による損傷が発生する。この場合、ブレーキは小さな
制動力で大きな制動力が得られるよう直流電動機４の回
転軸にブレーキを付加しているので、ギヤー損傷時には
ブレーキによる制動力が確保できなくなり、特に身体的
弱者に適用される電動車両では致命的な欠陥となる。
【０００６】本発明が目的とするところは、上記した問
題点を除去した電動車両，特に身体的弱者向けに有利な
電動車両の制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明の第１は、バッテ
リーを駆動電源とし、スイッチ及びインバータ回路を介
してアウタロータータイプの永久磁石式同期電動機を駆
動するよう構成された電動車両において、前記電動車両
のアクセル信号がなく、且つ電動車両の実速度が定格速
度の数％以下となったときに、前記同期電動機の固定相
の巻線にインバータ回路を介して電流を供給して制動力
を得るようにしたことを特徴としたものである。
【０００８】本発明の第２は、前記固定相の巻線への電
流供給は、インバータ回路の特定された固定相のスイッ
チング素子のオンオフ制御によって電流制御することを
特徴としたものである。
【０００９】本発明の第３は、前記駆動電源遮断時の電
動車両が、外力による走行開始時に前記同期電動機の端
子を短絡し、同期電動機の誘起電圧による固定子巻線に
流れる電流で制動トルクを得るようにしたことを特徴と
したものである。
【００１０】本発明の第４は、前記同期電動機の端子短
絡は、前記インバータ回路の負極側アームのスイッチン
グ素子のオンにより短絡することを特徴としたものであ
る。
【００１１】本発明の第５は、前記同期電動機の端子短
絡は、前記スイッチの開路時に投入されるリレー接点で
あることを特徴としたものである。
【００１２】本発明の第６は、前記同期電動機の回転位
置を検出する位置検出器の電源端子間にコンデンサを設
け、このコンデンサと並列に前記スイッチが開路された
ときに付勢されるリレーを配設し、このリレー接点を介
して前記インバータ回路の制御部にバッテリーより制御
電源を供給することを特徴としたものである。
【００１３】本発明の第７は、駆動電源としてのバッテ
リーを搭載し、このバッテリーとはスイッチ及びインバ
ータ回路を介して位置検出器を有するアウタロータータ
イプの永久磁石式同期電動機を接続し、インバータ回路
の制御部より制御信号によって同期電動機を制御する電
動車両において、前記電動車両の速度信号とアクセル信
号とを入力し、アクセル信号が０で、且つ電動車両の実
速度が定格速度の数％以内となったことを検出するブレ
ーキ速度検出部を前記制御部に設け、この検出を制御部
における最適電流指令演算部とＰＷＭ信号発生器に出力
し、最適電流指令演算部ではブレーキトルク発生の電流
値を設定し、ＰＷＭ信号発生器ではインバータ回路の固
定相のスイッチング素子を選択制御するよう構成したも
のである。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態を示す
構成図である。同図において、１０は電源であるバッテ
リーで、このバッテリーにはヒューズ１１，ブレーカ又
はキースイッチ等のスイッチ１２を通してインバータ回
路１３が接続されている。インバータ回路１３は、ここ
ではスイッチング素子TRU〜TRZよりなる３相のインバー
タ構成となっている。インバータ回路を構成する各アー
ムのスイッチング素子の橋絡点には、同期電動機１４の
Ｕ，Ｖ，Ｗの相端子が接続されている。同期電動機１４
は、アウタロータータイプの三相永久磁石式同期電動機
が使用されており、その回転子は車輪に埋め込まれたダ
イレクトドライブ方式が採用される。永久磁石として
は、高性能な希土類のものが使用されて、電動機は小
形，高トルク化されている。
【００１５】１６はＵ相とＷ相に設置された電流検出
器、１７はインバータ用平滑コンデンサで、インバータ
回路１３とは電源に対して並列に接続されている。１８
はブレーカ１２と並列に接続されたダイオードである。
２０は位置検出部で、ホール素子よりなって同期電動機
の回転子磁石の位置を検出し、その検出信号Ｈｕ，Ｈ
ｖ，Ｈｗをもとに制御部３０及びインバータ回路１３を
介して電動機電流の極性を切り替える。すなわち、位置
検出器２０のホール素子は、回転子磁石の位置に対応し
たモータ電流極性を切り替えるための検出素子である。
【００１６】Ｐ，Ｎは電源端子、２１はダイオート、２
２はリレーで、このリレー２２は接点２４が直列に構成
されて制御電源端子Ｐ，Ｎ間に接続され、リレー２２が
付勢されたことによりその接点Ｒｙをオンして、バッテ
リー１０より制御部３０に対して制御用の電圧を供給す
る。なお、接点２４は、スイッチ１２がオフしたことを
条件にオンされるスイッチ要素であり、したがって、ス
イッチ１２が投入されて電動車両が走行中においてはリ
レー２２は消勢されている。２３は電気二重層コンデン
サで、このコンデンサは通常の電解コンデンサでもよい
が、電気二重層コンデンサは静電容量が大きく、低イン
ピーダンスで大電流が流せ、小形，軽量で寿命が長く、
且つ、短時間にて充電が可能となる利点を有している。
【００１７】制御部３０は、マイクロコンピュータより
なっており、この制御部３０は図２で示すように、位置
検出器２０よりの検出信号を導入する速度検出部３１
と、アクセルＡｃｃの踏み込み角に応じた信号を導入す
るＰＩ制御部３２と、アクセル信号と速度検出部３１の
信号を導入し、アクセル信号が０となった後に電動車両
の実速度が定格速度の数％となり、その速度で急停止し
ても運転者に対して影響を与えない速度となったことを
検出するブレーキ速度検出部３３と、速度信号ωと電流
検出部１６の検出信号ｉｕ,ｉｗを入力して３／２相の
座標に変換する３／２相座標変換部３４と、速度信号ω
とブレーキ検出信号及びＰＩ制御部３２よりトルク指令
を入力して電流指令を演算する最適電流指令演算部３５
と、この演算部３５よりのｉｑ＊，ｉｄ＊と速度信号ω
及び３／２相変換部よりの信号ｉｑ＊，ｉｄ＊を導入し
てｄ／ｑ軸電流制御を演算するｄ／ｑ軸電流制御部３６
と、デットタイム補償部３７、２／３相座標変換部３８
およびＰＷＭ信号発生部３９を備えている。なお、制御
部３０には、制御電源としてバッテリー１０よりスイッ
チ１２の反バッテリー側端子より供給されると共に、ス
イッチ１２が開路状態となったときにリレー２２の接点
Ｒｙを通しても供給されるよう構成されている。
【００１８】図３は同期電動機を含む駆動部の断面を示
したものである。４０は電動車両の車軸で、この車軸４
０には支持部４１が固着されている。支持部４１には固
定子鉄心４２が固着され、この固定子鉄心４２の外周面
にはスロットが穿設されており、そのスロットには固定
子巻線４３が巻装されている。４４は軸受、４５はホイ
ールで、固定子等の固定側を包被するようにして軸受４
４に取り付けられ、固定子鉄心４２とはギャップを介し
て永久磁石４６が円周に沿ってＮ，Ｓ極交互に配設され
て回転子となっている。この回転子と固定子とによって
アウタロータータイプの永久磁石式同期電動機が構成さ
れている。なお、タイヤ１５は永久磁石４６の外周側の
ホイールに嵌め込まれている。４８は取付板で、スロッ
トに配設された固定子巻線４３の端末が引き込まれて端
末処理が行われると共に、位置検出器２０のホール素子
４９もこの取付板４８に固定されている。また、ホール
素子４９と対向するホイール４５の内部には、磁石４７
が取り付けられている。
【００１９】以上のように構成された本発明において、
その動作を説明する。電動車両を駆動する場合には、ス
イッチ１２を投入することによって、ヒューズ１１，ス
イッチ１２および平滑用コンデンサ１７を介してインバ
ータ回路１３に電圧が印加されると共に、また、制御部
３０にはヒューズ１１，スイッチ１２を通して電源電圧
が印加される。この状態で、運転者がアクセルＡｃｃを
踏み込むことによって、アクセル信号はＰＩ制御部３２
に出力される。車両のスタート時点では、速度信号ωは
０であるので、アクセル信号はそのままＰＩ制御部３２
に入力されてトルク指令値が演算されるが、車両の走行
時には位置検出器２０による位置信号は検出されるの
で、検出された位置信号Ｈｕ，Ｈｖ，Ｈｗは、制御部３
０の速度検出部３１に入力されて速度信号ωが求められ
る。この信号ωは突き合わせ部においてアクセルＡｃｃ
よりのアクセル信号と加算され、その偏差信号がＰＩ制
御部３２に送られてトルク指令が演算されて最適電流指
令演算部３５に出力される。最適電流指令演算部３５に
は速度信号ωも入力されており、トルク指令値と速度信
号ωをもとに最適な電流を演算し、磁束成分電流ｉｄ＊
とトルク成分電流ｉｑ＊の二軸変換してその信号をデッ
トタイム補償部３７とｄ／ｑ軸電流制御部３６に出力す
る。
【００２０】ｄ／ｑ軸電流制御部３６には、速度信号ω
と３／２相座標変換部３４よりの信号ｉｄ＊とｉｑ＊と
が入力されており、これら入力された各信号に基づきｖ
ｄ＊，ｖｑ＊の二軸電圧を演算する。演算結果は、２／
３相座標変換部３８に出力されて三相に変換され、ＰＷ
Ｍ信号発生部３９を介してインバータ回路１３の各スイ
ッチング素子をオンオフ制御して同期電動機１４に電流
を供給する。同期電動機１４はアウタローターの永久磁
石式のものが使用されており、このため、電動機の回動
によって永久磁石も回転し、回転する永久磁石と固定子
巻線との間で発生する吸引力と反発力を利用して回転子
位置によって固定子巻線に流れる電流方向を切り替える
ことにより回転を継続させる。電動機電流はＵ，Ｗ相に
挿入された電流検出部器１６に検出され、ｉｕ，ｉｗと
して３／２相座標変換部３４にフイードバックされる。
【００２１】以上が電動車両の制御動作の概要である
が、前述した電動車両の課題解決のために次の動作が行
われる。今、アクセル入力が０になったとすると、制御
部３０におけるインバータ回路１３の制御は減速トルク
指令とし、ブレーキングトルクを発生すべく制御する。
この結果、電動機１４は減速して回転数が低下し、電動
車両の実速度が定格電流の数％以下となったことをブレ
ーキ速度検出部３３が検出してその検出信号を最適電流
指令演算部３５に出力すると共に、固定相通流信号とし
てＰＷＭ信号発生器３９に出力する。最適電流指令演算
部３５では、ブレーキトルク電流にｉｑ＊を設定して最
適な制動トルク電流となるような制御をし、また、ＰＷ
Ｍ信号発生器３９は、インバータ回路１３の例えばスイ
ッチング素子TRUとYRY,TRZのみを選択してオンし、電動
機の固定相に電流を流して制動トルクを発生させる。こ
の制動トルクは、同期電動機１４の固定子鉄心の磁束と
回転子磁石との極性が逆極性で、相対位置になったとき
が最大となる。すなわち、固定子と回転子との間の吸引
力が最大となり、回転子は停止する。
【００２２】図４はこのときの制動力を示したものであ
る。なお、図４の縦軸は、発生トルク／定格トルクをと
ったものであり、横軸は、電動機固定相電流値／定格電
流値をとったものであり、同図で明らかなように固定相
通電時の発生制動トルクは電動機への供給電流に略比例
する。回転子の停止状態は、位置検出信号の変化の有無
によって検出することができるので、固定相通電電流を
路面状態に合わせてインバータ回路１３の通流相素子を
選択し、選択素子のスイッチングにより電流値を最少電
流とすることが可能となり、省エネルギーての制御がで
きる。ここでは電流供給側のスイッチング素子はTRUの
みとし（ただし負アーム側のYRY,TRZはオン）、この素
子TRUをスイッチングすることによって電流を制御し、
走行停止状態を保持している。電気的な停止状態後は、
ハンドブレーキ１９で車輪をロックし、スイッチ１２を
開路するとインバータ回路より電動機への電流は供給さ
れなくなって、固定子と回転子間の制動力はなくなる。
【００２３】ところで、何らかの外部の力、或いは坂道
におけるハンドブレーキの操作忘れによって電動車両が
走行する虞れが生じる。本発明においては、スイッチ１
２が開路されたとき、この開路を条件として接点２４が
閉路される。接点２４が閉じられたことによって、リレ
ー２２には電気二重相コンデンサ２３に充電されていた
電圧を電源として電流が流れ、リレー２２を付勢する。
リレー２２が動作したことによってその接点Ｒｙも閉
じ、制御部３０には接点Ｒｙを通して再度制御電源が供
給され、制御部３０と位置検出器２０の制御電源は確保
される。したがって、電動車両が下り坂等で動き出した
場合、走行検出によりインバータ回路１３の負側素子TR
X,TRY,TRZをオンして同期電動機１４の端子を短絡す
る。
【００２４】すなわち、インバータ回路１３の負側アー
ムを短絡することにより、図５で示すように走行によっ
て電動機の固定子巻線に発生した誘起電圧により短絡電
流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗが流れて制動力が発生する。ただ
し、車両が停止すると誘起電圧はなくなって制動力がな
くなり、この時点で更に外力が加わっていると再び走行
し、同時に制動力が発生する。以上のことは、下り坂で
ハンドブレーキ１９の操作忘れが生じても、電動車両は
加速することなく緩やかに走行→停止を繰り返すことに
よって安全性が確保出来るものである。
【００２５】なお、図５はインバータ回路のスイッチン
グ素子をオンすることによって同期電動機の端子Ｕ，
Ｖ，Ｗを短絡したものであるが、図６で示すように、リ
レー２２の接点Ｒｙを同期電動機の端子に接続し、スイ
ッチ１２がオフしたときに接点を閉じて端子Ｕ，Ｖ，Ｗ
を短絡するように構成してもよい。
【００２６】
【発明の効果】以上のとおり、本発明によれば、以下の
ような効果を有するものである。 （１）電動車両の駆動モータとして永久磁石式同期電動
機を採用し、この電動機の固定相に通電することによっ
て、電動車両の停止時にも大きな制動力を得ることがで
きるので、従来のような電磁ブレーキを設ける必要がな
いため小形化が可能になる。 （２）同期電動機の固定相通電に得られる制動トルク
は、図４で示されるように小さな電流で大きな制動力が
得れ、しかも、従来のような電磁ブレーキ方式では走行
中常時励磁電流を流していたものと比較すると、走行停
止後にハンドブレーキ等による機械的ブレーキ操作が完
了するまでの短時間の通電でよいので省エネ効果が大き
いものである。 （３）従来のような電磁ブレーキを設ける必要がなくな
ったことにより、電動車両の走行駆動装置の構造が簡単
となり、コスト的にも有利な電動車両の提供が可能とな
るものである。 （４）スイッチの開路（ブレーカの遮断又はキースイッ
チのオフ等）による電動車両の停止保持状態の場合に
は、永久磁石式同期電動機の巻線端子を短絡することに
よって固定相通電と同様な制動力が得られる。 なお、この場合には、電動車両が外力によって走行を開
始すると、電動機に誘起電圧が発生し、巻線に電流が流
れて制動力を発生することから、下り坂等での停止中に
ハンドブレーキ操作忘れや、ブレーキ故障時の暴走防止
対策として安全性の高い電動車両の提供が可能となる。 （５）電動車両の駆動部分は、アウタロータータイプの
永久磁石式同期電動機の回転子に直接タイヤを取り付け
たダイレクトドライブ方式の駆動部構成であることか
ら、その同期電動機の端子短絡によって制動力が確保で
きるため、駆動方式がモータ＋電磁ブレーキ＋減速機＋
タイヤ構成とした従来のように、ブレーキや減速機の損
傷による制動機能の消失がなくなり、暴走の心配がなく
極めて安全性の電動車両が得られるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す構成図。
【図２】本発明のインバータ制御部の構成図。
【図３】駆動部の断面部分図。
【図４】固定相通電時の発生制動トルク図。
【図５】インバータ負極アーム短絡時の電動機電流状態
図。
【図６】本発明の他の実施形態を示す構成図。
【図７】従来の電動車両の構成図。
【符号の説明】
１０…バッテリー １２…スイッチ １３…インバータ回路 １４…永久磁石式同期電動機 １５…タイヤ １６…電流検出器 ２０…位置検出器 ２２…リレー ２３…電気二重層コンデンサ ３０…制御部 ３１…速度検出部 ３２…ＰＩ制御部 ３３…ブレーキ速度検出部 ３４…３／２相座標変換部 ３５…最適電流指令演算部 ３６…ｄ／ｑ軸電流制御部 ３７…デットタイム補償部 ３８…２／３相座標変換部 ３９…ＰＷＭ信号発生部 ４０…車体軸 ４１…支持部 ４２…固定子鉄心 ４３…固定子巻線 ４６…永久磁石
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5H115 PA08 PA15 PC06 PG06 PU10 PU11 PV24 QE10 QI03 SE03 5H560 AA08 BB04 BB07 DA01 EB01 HB01 UA05 XB05

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 バッテリーを駆動電源とし、スイッチ及
    びインバータ回路を介してアウタロータータイプの永久
    磁石式同期電動機を駆動するよう構成された電動車両に
    おいて、前記電動車両のアクセル信号がなく、電動車両
    の実速度が定格速度の数％以内となったときに、前記同
    期電動機の固定相の巻線にインバータ回路を介して電流
    を供給して制動力を得るようにしたことを特徴とした電
    動車両の制御方法。
  2. 【請求項２】 前記固定相の巻線への電流供給は、イン
    バータ回路の特定された固定相のスイッチング素子のオ
    ンオフ制御によって電流制御することを特徴とした請求
    項１記載の電動車両の制御方法。
  3. 【請求項３】 前記駆動電源遮断時の電動車両が、外力
    による走行開始時に前記同期電動機の端子を短絡し、同
    期電動機の誘起電圧による固定子巻線に流れる電流で制
    動トルクを得るようにしたことを特徴とした請求項１又
    は２記載の電動車両の制御方法。
  4. 【請求項４】 前記同期電動機の端子短絡は、前記イン
    バータ回路の負極側アームのスイッチング素子のオンに
    より短絡することを特徴とした請求項３記載の電動車両
    の制御方法。
  5. 【請求項５】 前記同期電動機の端子短絡は、前記スイ
    ッチの開路時に投入されるリレー接点であることを特徴
    とした請求項３記載の電動車両の制御方法。
  6. 【請求項６】 前記同期電動機の回転位置を検出する位
    置検出器の電源端子間にコンデンサを設け、このコンデ
    ンサと並列に前記スイッチが開路されたときに付勢され
    るリレーを配設し、このリレー接点を介して前記インバ
    ータ回路の制御部にバッテリーより制御電源を供給する
    ことを特徴とした請求項１乃至４記載の電動車両の制御
    方法。
  7. 【請求項７】 駆動電源としてのバッテリーを搭載し、
    このバッテリーとはスイッチ及びインバータ回路を介し
    て位置検出器を有するアウタロータータイプの永久磁石
    式同期電動機を接続し、インバータ回路の制御部より制
    御信号によって同期電動機を制御する電動車両におい
    て、前記電動車両の速度信号とアクセル信号とを入力
    し、アクセル信号が０で、且つ電動車両の実速度が定格
    速度の数％以内となったことを検出するブレーキ速度検
    出部を前記制御部に設け、この検出を制御部における最
    適電流指令演算部とＰＷＭ信号発生器に出力し、最適電
    流指令演算部ではブレーキトルク発生の電流値を設定
    し、ＰＷＭ信号発生器ではインバータ回路の固定相のス
    イッチング素子を選択制御するよう構成したことを特徴
    とした電動車両の制御装置。
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