JPS6260403A

JPS6260403A - 電気車の制御装置

Info

Publication number: JPS6260403A
Application number: JP60198173A
Authority: JP
Inventors: Masami Nagata; 永田　雅己; Kanji Takeuchi; 鑑二竹内
Original assignee: NipponDenso Co Ltd
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1985-09-06
Filing date: 1985-09-06
Publication date: 1987-03-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は例えば電気自動車に用いられる電気車の制御装
置に関する。

〔従来の技術〕

バッテリを電源とする電気自動車における走行用制御装
置の従来における構成を第７図に示す。

第７図において、バッテリ１は、電動機５の駆動用電源
である。パワートランジスタ１）のチョッピングにより
電動機電機子６の電圧制御を行ない、パワートランジス
タ２１のチョッピングにより電動機界磁７の電圧制御を
行ない、電動機５の出力トルクなどを制御する。１２．
２２はそれぞれ電機子６および界磁７に対するフリーホ
イールダイオードである。１７は各種センサであり例え
ば温度などの情報を検出するものであり、アクセルセン
サ１８、電動機の電機子６の回転数ピックアップ１９と
共に、マイクロコンピュータ１００に入力され、電流指
令器１０１により電動機５の要求出力トルクに相当する
指令電機子電流ｉａ”と指令界磁電流ｉｆ”を算出する
。１３および２３は電流センサであり、それぞれ電機子
６と界磁７の電流を検出し、増幅器１４．２４で増幅し
た後、マイクロコンピュータ１００に入力される。１０
２は、電流指令器１０１における前記指令電流ｉａ　＊
　、　　ｉｆ　＊に電流センサ１３．２３で得られた電
動機電流ｉａ、ｉｆが一致するように、例えばＰＩ制御
で、フィードバック制御を行なう。そして、この出力は
ベース駆動アンプ１０，２０．を通してパワートランジ
スタ１）と２１のそれぞれのベースを駆動する。又、２
は電源ヒユーズ、３は電源コンタクタ、４は入力フィル
タ用コンデンサである。３０はバッテリ電圧センサで、
バッテリ１の端子電圧■、を検出する。３１は、バッテ
リ１の容量インジケータランプ制御回路で、バッテリ電
圧センサ３０で検出したバッテリ端子電圧が低下した時
、インジケータランプ３２を点灯し、バッテリ１の充電
時期を運転席に知らせる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような、走行用制御装置の構成をとる電気自動車で
は、バッテリを電源とするためバッテリの一充電当りの
走行距離を確保するため、バ・７テリエネルギーの有効
利用が望まれている。また車両の要求動力性能からバッ
テリ及び電動機の限界出力も要求される。

第２図に電機子回路の等価回路を示す。そして、電動機
５への電機的最大出力は、バッテリｌの起電力Ｅｌｌと
、電機子回路の抵抗成分（バッテリ１の内部抵抗ｒＢ十
電機子抵抗ｒａ十配線の抵抗ｒＳ）およびパワートラン
ジスタ１）と電動ｍ５の整流子等の電圧降下分Ｅ０によ
り定まる。等価回路の電圧方程式は、Ｅｌ　＝Ｅｏ　＋Ｅｒ＋ｉ　ａＲａ　　　　　　（１）
ここで、Ｒａ＝ｒＢ＋ｒａ十ｒＳ、Ｅｒは電動機５の逆
起電力であり、電動機５の電気的出力Ｐ９は、　Ｐ、＝ｉａＥγ−（Ｅ
＋＋　　Ｅｏ　）ｉａ　　ｉ　ａ２Ｒａ　　　（２）と
なり、電気的出力Ｐ９を最大とする電機子電流ｉａは、
（２）式を微分してｄＰｘ　／ｄ　ｉ　ａ＝　（Ｅａ　−Ｅｏ　）　−２ｉ
　ａＲａ＝ＯＩ　ａ、Ａｘ　＝　（Ｅａ　　Ｅｏ　）　／　２　Ｒａ
　　　（３）となる。一般に制御装置を設計する上では
、（３）式で与えられるＩａ）ＩＩＡＸ以下の電機子電
流ｉａで、車両の動力性能が得られるように行なわれる
。

しかしながら、バッテリ１老朽化および低温時における
バッテリ内部抵抗ｒ、Ｂの増加等の原因で、（３）式に
おける抵抗Ｒａが増加し、出力を最大とするＩａＭＡＸ
が低下することがある。　　　　・また、バッテリの放
電末期では、バッテリ端子電圧が低下するため、従来は
第６図に示すバッテリの充電を表示するインジケータラ
ンプ３２が点　、灯するが、バッテリ１の放電が進み、
９０％程度の放電状態になると、第８図に示すようにバ
ッテリ内部抵抗γＢは急激に増加するため、抵抗Ｒａが
急激に増加して、最大電機子電流１２ＭＡＸが低下して
しまう。従って、アクセルセンサ１８等から、電機子電
流ｉａを増加させようとすると、電機子電流ｉａが最大
電機子電流１３ＭＡＸよりも大きくなってしまうことが
あり、このような状態では、電機子電流ｉａの増加に伴
い、逆に電動機出力が低下してしまう。その結果、さら
に電機子電流ｉａを増加させるという状態におちいり、
第６図（ａ）に示すように、バッテリ１は急激に放電し
、電気自動車は走行不能になるという致命的な現象が発
生する。

このように、従来技術による装置では、電機子電流ｉａ
を最大電機子電流ＩａＭＡＸよりも大きい所で使用する
ことがあり、バッテリエネルギー効率の悪い状態で電気
自動車が運転されるという問題があった。

そこで、本発明は上記問題点を解決するため、バッテリ
の状態によってバッテリ内部抵抗が変わることに着目し
て、電機子回路の抵抗を求め、電動機の最大出力が得ら
れる最大電流以下に電機子電流を制限し、いかなるバッ
テリ状態においても、限られたバッテリエネルギーを効
率よく利用する制御装置を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

直流電源と、電気車を駆動するための電動機と、アクセ
ルの踏み込み等により前記電動機の電機子電流値を設定
する電流値指令手段と、この指令手段による電流値に前
記電動機の電機子電流を制御するチョッパとを備え、前
記直流電源、前記電動機、前記チョッパを閉回路に接続
した電気車の制御装置において、前記閉回路の抵抗を検出する抵抗検出手段と、この抵抗
検出手段により得られた抵抗と直流電源の内部起電力と
により、前記電動機の出力を最大に発生させる最大電機
子電流を演算する演算手段と、　前記電動機の電機子電
流を、前記演算手段により得られた最大電機子電流以下
に制御するように前記チョッパを制限する制限手段と、
を備えた電気車の制御装置とすることである。

〔実施例〕

第１図に、本発明の第１実施例を示す。

直流電源をなすバッテリ１は、電動機５の駆動用電源で
ｒ、はバッテリ１の内部抵抗を示す。パワートランジス
タ１）のチョッピングにより、電動機電機子６に印加さ
れる電圧を制御し、パワートランジスタ２１のチョッピ
ングにより、電動機界磁７に印加される電圧を制御して
、電動機５の出力トルクを制御する。１２．２２はそれ
ぞれ電機子および界磁７に対するフリーホイールダイオ
ードであり、トランジスタ１）．２１のＯＦＦ時に、電
機子６および界磁７に電流を流し続けるようにするもの
である。１７は各種センサであり、例えば電動機温度、
パワートランジスタ温度などの情報を検出するもので、
アクセルセンサ１８、電動機回転数ピックアップ１９と
共に、電流指令器１０１に入力され、電動機５の要求出
力トルクに相当する指令電機子電流ｉａ”と指令界磁電
流ｉｆ“を算出する。

１３および２３は電流センサであり、それぞれ電機子６
と界［７に流れる電流を検出し、増幅器１４．２４で増
幅した後、電流制御器１０２に人力される。

そして、電流制御器１０２は、指令電流ｉａゝｒおよび
ｉｆ”に、電流センサ１３，２３で計測した電機子およ
び界磁電流が一致するように、例えばＰＩ制御の様な制
御回路で構成され、フィードバック制御を行なう。そし
て、この出力は、ベース駆動アンプ１０．２０を通して
、パワートランジスタ１）．２１のそれぞれのベースを
所定の通流率でチタッパ駆動する。又、２は電源ヒユー
ズ、３は電ａ！ｌをＯＮ、ＯＦＦするコンタクタ、４は
入力フィルタ用コンデンサである。

次に、本発明による最大制御電流演算回路１３０につい
て説明すると、この回路１３０では、電動機５の最大出
力を得るための最大電機子電流を得るためのものである
。

そこで、前述したように、第２図に示す電機子回路の等
価回路における電圧方程式は前記（１）式と同様に以下
の如くなる。

Ｅｓ　＝ＥＯ＋Ｅｒ＋１ａＲａここで、Ｒａ＝ｒ、＋ｒａ＋ｒ、である。

そして、電動機の電気的出力ＰＥを最大とする電機子電
流１ａ、Ａｘは前記（３）式と同様に、Ｔ　ａ、Ａｘ　
＝　（Ｅｘ　　Ｅｏ　）　／　２　Ｒａとなり、バッテ
リ起電力Ｅ、を予め定められた一定の値とし、Ｅ、を一
定の電圧降下と考えれば、電機子回路抵抗Ｒａにより、
最大制御電流１３ＭＡＸは算定できる。

電機子回路抵抗Ｒａは、（１）式より、Ｒａ　＝　（Ｅ
、、−Ｅ　ｒ）　／　ｉ　ａ　　　　　　　（４）ここ
で、Ｅ＊＋＝ＥＢ　Ｅｏである。

電動機逆起電力ＥｒはＥｒ＝に、ΦＮ、　　　　　　　　　　　　（５）ここ
で、Ｋ、：電動機により定まる定数Ｎ、４：電動機回転
数 Φ：界磁磁束　　　　　である。

界磁磁束Φは、 Φ＝ｆ　（ｉｆ）　　　　　　　　　　　　　（６）で
あり、界磁電流の関数となる。

以上（４ン式、（５ン式、（６）式より、Ｒａ＝　（Ｅ
ｓ　−に＋　ＮＭ　ｆ　　（ｉ　ｆ）　）　／ｉ　ａ（
７）゛となる。

つまり、上述した（３）式より、最大電機子電流ＩａＭ
ＡＸを求めるため、前記（４）式、（５）式、（６）式
によって、回路抵抗Ｒａ、電動機逆起電力Ｅｒ、界磁磁
束Φを算出する。

そこで、最大制御電流演算回路１３０は、上述した（６
）式に沿って、電流センサ２３で得られた界磁電流ｉｆ
から界磁磁束φを算出する関数回路で構成された界磁磁
束算出回路１３１、上述した（５）式に沿って、界磁磁
束算出回路１３１で得られた界磁磁束Φと電動機回転数
ピックアップ１９．より得られた電動機回転数Ｎ、４と
を乗算することにより、電動機逆起電力Ｅｒを演算する
乗算回路で構成される逆起電力算出回路１３２、上述し
た（４）式に沿って、予め定められたバッテリ起電力Ｅ
、から逆起電力算出回路１３２で得られた前記逆起電力
Ｅｒを減算する減算回路により回路抵抗分による電圧降
下分を算出し、この電圧降下分を電流センサ１３で得ら
れた電機予電ａｔ　ａで除算する除算回路から電機子回
路抵抗Ｒａを算出する抵抗算出回路１３３、上述した（
３）式に沿って、所定の電圧を抵抗算出回路１３３で得
られた電機子回路抵抗Ｒａで除算する除算回路により電
動機が最大出力となる最大電機子電流１ａＭＡＸを算出
する最大電機子電流算出回路１３４から構成される。ま
た、電機子回路抵抗Ｒａが、予め定められた抵抗Ｒａ“
以上になったとき、リンプホーム機能のための表示装置
１５０を点灯すべく出力を発注する比較器、１３５より
構成される。また、前記最大制御電流■ａ１．ｌＡＸは
、指令電流比較器１４０に送られる。

この指令電流比較器１４０は、電流指令器１０１からの
指令電機子電流ｉａ”と前記最大制御電流ＩａＭＡＸと
のうちの小さな電流を選択し、修正された指令電機子電
流ｉａ”ｒを電流制御器１０２に送る。そして、最大制
御電流１ａ’ＭＡＸに制限された状態では、表示装置１
５０に制限が行なわれている状態を運転者に知らせるた
めの情報を伝送し表示する。

次に上記構成における動作について詳細に説明する。

第１図に示す直流分巻電動機５の制御法は、電機子制御
用パワートランジスタ１）をチョッパ制御することによ
り、電機子６に印加される平均電圧を制御する（低回転
時の）電機子制御と、前記電機子制御用パワートランジ
スタ１）を全導通として界磁制御用パワートランジスタ
２１を断続して、電動機界磁７の磁束を弱めて制御する
（高回転時の界磁弱め制御がある。

バッテリ１のエネルギーが低下し、端子電圧が下がると
、制御上自動的に電機子制御領域から弱め界磁側ｉｎ　
６１域に移行してゆく。そごで、弱め界磁制御領域（電
機子制御用パワートランジスタ１）が全導通で電動機電
機子６にバッテリ１の全電圧が印加されている状態）に
ついて本発明を適用。

した実施例で述べる。

今、バッテリ１が充電されており、第８図においてバッ
テリ１の内部抵抗ｒ！ｌが小さい時には常に、電流指令
器１０１の指令電機子電流ｉａ”が、最大電機子電流Ｉ
ａＭＡＸよりも小さいので、指令電流比較器１４０から
は、指令電機子電流ｒａ”が出力されることとなる。

ところが、バッテリ１の放電が進んでしまうと、バッテ
リ１の内部抵抗ｒ８が急激に増大して、最大電機子電流
１３ＭＡＸが低下してしまう。そこで、本発明において
は、最大制御電流演算回路１３０によって、回路抵抗Ｒ
ａを計算して、最大電機子電流ＩａＭＡＸを演算してお
り、指令電機子電流ｉａ２が最大電機子電流ｒａＭＡＸ
よりも大きくなっても、電機子電流ｉａを最大電機子電
流１３ＭＡＸとしているので、電動機５の最大出力で活
用できる。このようにバッテリの状態に応じて、電気車
の最適な運転が実現できる。

また、本発明におけるバッテリ状態に応じた制御をする
際に、バッテリ内部抵抗ｒ３に着目して、電機子回路抵
抗Ｒａを用いて、この抵抗Ｒａの変化によって、バッテ
リ状態を見ているので、この抵抗Ｒａを算出するために
必要である（７）式における電動機の回転数Ｎ、４、電
機子電流ｉａ、界磁電流ｉｆは、通常電気自動車の制御
に使用されている制御パラメータであるため、新たなセ
ンサ入力を必要とせず、ソフトウェアアルゴリズムのみ
で実現できる。

次に、上記処理を含めたリンプホーム機能についてのフ
ローチャートを第４図に示す。

２００は従来の処理プログラムで２０５の電動機回転数
Ｎ、を入力した後本発明による処理プログラムが３００
からスタートする。３１０の電機子回路抵抗Ｒａの計算
を行なった後、３２０に行き、次に第３図に本発明の第
２実施例を示す。１００はマイクロコンピュータ・ユニ
ット（ＭＰＵ）であり、第４図にＭＰＵ１００のフロー
チャートを示す。ステップ２０１は各種センサ（アクセ
ルセンサ１８、各種センサ（電動機温度、パワートラン
ジスタ温度等）１７、電動機回転数ピックアップ１９）
を入力し、ステップ２０２で、ステップ２０１における
入力により電流の指令値を計算して、指令電機子電流ｉ
ａ“と指令界磁電流ｉｆ”を算出する。次に、ステップ
２０３で電流センサ１３からの電機子電流ｉａを入力し
、ステップ２０４で電流センサ２３からの界磁電流ｉｆ
を人力し、ステップ２０５で電動機回転数ピンクアップ
１９からの回転数Ｎ、を入力する。

さらに、ステップ３１０におけるステップ３１）では、
第１図における界磁磁束算出回路１３１と同様に（６）
式により界磁磁束Φを計算し、ステップ３１２では、第
１図における逆起電力算出回路１３２と同様に電動機５
の逆起電力を（５）式により算出し、ステップ３１３で
は、第１図における抵抗算出回路１３３と同様に（４）
式により回路抵抗Ｒａを算出する。

そして、ステップ３２０に行き、ステップ３１０で得ら
れた抵抗Ｒａが予め定められた抵抗値Ｒａ“より大きい
かどうかを判定する。ＹＥＳの場合、バッテリ１の内部
抵抗ｒ、が上昇し、エネルギー残量が低下していること
を示しているため、バッテリ１の充電を要求するランプ
等を表示装置１５０で表示し、リンプホーム機能をはた
す。そして、ステップ３４０に行く。ＮＯの場合はステ
ップ３４０に行き、第１図における最大電機子電流算出
回路１３４と同様に最大制御電流１２１）ＡＸを前記求
めた抵抗Ｒａより計算し、ステップ３５０の電流比較処
理を行なう。ステップ３５１では、アクセル、各部温度
など各種センサの情報をもとにステップ２０２で計算し
た指令電機子電流ｉａ“と最大電機子電流１２ＭＡＸを
比較する。ｉａ”＞ＩａＭＡＸの場合ＹＥＳとなり、バ
ッテリエネルギーを最適に利用するように電流制限を行
なうため、ステップ３５３にゆき、電流制限が実行され
たことを表示し、指令電流ｉａ”ｒを最大電機子電流Ｉ
ａＭＡＸより小さい場合は、ＮＯとなりステップ３５２
で指令電流ｉａ”ｒを指令電機子電流ｉａ”とし、ステ
ップ３６０に行く。

以上で本発明による処理を終了し、ステップ２０６にも
どる。

次に、ステップ２０６では、ステップ３５０で得られた
指令電流ｉａ”ｒとステップ２０３で得た電機子電流ｉ
ａと、および指令電流ｉｆとステップ２０４で得た界磁
電流ｉｆとが一敗するように電流制御を行ない、ステッ
プ２０７で、トランジスタ１）．２１のベース駆動する
ための所定のデユーティを出力する。

電動機の制御状態が、前記弱め界磁制御領域から電機子
制御領域に移った場合、電機子制御領域では、弱め界磁
制御領域では計算した最後の電機子回路抵抗Ｒａをホー
ルドしておけば実用上問題はない。また、最大制御電流
ＴａＨＡｘについては、電機子制御領域では電機子制御
用パワートランジスタ１）の通流率αの逆数だけ、バッ
テリ電流に対し、電機子電流が電流増幅されるため、前
記弱め界磁制御領域で計算した最後のＩａ１４ＡＸに電
機子制御領域の最大制御電流＝■ａ１．ｌＡＸ／α（９
）式に示す補正を行なえば良い。

第６図（ｂｌに本発明による制御装置を用いた実験結果
を示す。（司は、従来の制御装置による結果であり、図
中０点で、バッテリ１の内部抵抗ｒ、の増加により、電
動機電流ｉａの増加に対し、逆に電動機出力が低下する
状態となり、バッテリｊは急激に放電し、バッテリ１の
端子電圧も急激に低下し、電気自動車は走行不能となる
。本発明の適用により第６図（ｂ）に示すように、バッ
テリ１の内部抵抗ｒ＝　　（バッテリの残留エネルギー
量）により、０点から電流制限を行なうと共に、電流制
限を行なったという表示を行ない、バッテリエネルギー
を有効に利用し、電気自動車の走行時間が著しくのびて
いることが確認できる。なお、パンテリの充電を要求す
る表示は、０点で行なっている。

本例では、電気自動車の必要最小限の走行を確保するた
め、電流制限時の最小電機子電流値を予め定められた値
に設定している。

本実施例では、リンブホーム機能を°得るためにランプ
表示をしているが、バッテリエネルギ残量を示すメータ
を電機子回路抵抗の増加に対応して作動させてもよい。

また前記実施例では、電動機電機子にバッテリ全電圧が
印加される界磁制御領域のみに適用し、電機子制御領域
では、界磁制御領域で計算した値をホールドして補正を
行なったが、電機子制御領域において、電機子に印加さ
れる平均電圧Ｅｌｌ□を第５図に示すように、電機子制
御パワートランジスタ１）の通流率αから、ａＣ）式の
ように算定し、Ｅ、ｌ□−αＥｇ　　　　　　　　　　
　　　（１０）上述した（１）式、（２）式、（３）式
、（４）式におけるＥ、ＩをＥ。と書き換えて行なって
も良い。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明においては、抵抗検出手段に
より、閉回路の抵抗を検出し、この抵抗と直流電源の電
圧により電動機の出力を最大に発生させる最大電機子電
流を算出して、電機子電流を最大電機子電流以下に制御
するようにしたから、バッテリ状態により、閉回路の抵
抗が増大して、最大電機子電流が低下しても、常に電動
機の電機子電流を最大電機子電流以下に押さえて、電気
車を効率的に走行させることができるという優れた効果
がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明電気車の制御装置の第１実施例を示す電
気回路図、第２図は第１図における電機子回路を示す等
価回路図、第３図は本発明電気車の制御装置の第２実施
例を示す電気回路図、第４図は第３図におけるＭＰＵの
フローチャート、第５図はトランジスタの通流率に対す
る平均電圧を示す特性図、第６図（ａ）、　（ｂ）はそ
れぞれ従来、本発明の電気車の制御装置における性能を
示す電気回路図、第８図はバッテリ放を量に対するバッ
テリ内部抵抗を示す特性図である。１・・・直流電源をなすバッテリ、５・・・電動機、１
）．２Ｉ・・・トランジスタ、１・３，２３・・・電流
センサ、１８・・・アクセルセンサ、１９・・・電動機
回転数ピックアップ、１０１・・・電流指令器、１０２
・・・電流制御器、１３０・・・最大制御電流演算回路
、１３１・・・界磁磁束算出回路、１３２・・・逆起電
力算出回路、１３３・・・抵抗算出回路、１３４・・・
最大電機子電流算出回路、１４０・・・指令電流比較器
。代理人弁理士　　岡　部　　　隆ＹＢＹＳ第３図第５図第６図第７図芒ビトＳ（；−ラ＄手続補正書□ 昭和６０年／２月／日２発明の名称電気車の制御装置３補正をする者明牛との関係　　特許出願人愛欠凹ヒ１浴市昭和町１丁目１番地（４２６）日本電装株式会社代表者　戸田憲吾４代　理　人〒４４８　　愛知騨ｙ浴市昭和町１丁目１番地５　補正
指令の日付発送日　昭和６０年１）月２６日６、補正の対象明細書の図面の簡単な説明の欄。１正の内容一１］書第２２頁第７行目の「略図、」の後に、「第７
図は従来における電気車の制御装置を示す電気回路図、
」を追加します。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）直流電源と、電気車を駆動するための電動機と、
アクセルの踏み込み等により前記電動機の電機子電流値
を設定する電流値指令手段と、この指令手段による電流
値に前記電動機の電機子電流を制御するチョッパとを備
え、前記直流電源、前記電動機、前記チョッパを閉回路
に接続した電気車の制御装置において、前記閉回路の抵抗を検出する抵抗検出手段と、この抵抗
検出手段により得られた抵抗と直流電源の内部起電力と
により、前記電動機の出力を最大に発生させる最大電機
子電流を演算する演算手段と、前記電動機の電機子電流
を、前記演算手段により得られた最大電機子電流以下に
制御するように前記チョッパを制限する制限手段と、を
備えた電気車の制御装置。
（２）前記抵抗検出手段は、前記電動機の界磁電流を検出する界磁電流検出手段と、前記電動機の回転数を検出する回転数検出手段と、前記界磁電流検出手段と前記回転数積出手段とでそれぞ
れ得られた界磁電流と回転数から、前記電動機の逆起電
力を検出する逆起電力検出手段と、前記電動機の電機子
電流を検出する電機子電流検出手段と、前記逆起電力検出手段により得られた逆起電力と、前記
電機子電流検出手段により得られた電機子電流とを演算
し、抵抗を算出する抵抗演算手段と、を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
電気車の制御装置。
（３）前記抵抗検出手段で得られた抵抗が、所定値以上
に増加した時に、警告を行う特許請求の範囲第２項記載
の電気車の制御装置。