专利名称：电动机驱动的四轮驱动车辆的控制系统和控制方法
技术领域：
本发明涉及一种控制4轮驱动(4WD)车辆的控制装置和控制方法，其中一对前轮或一对后轮由发动机驱动，而另一对车轮则由电动机驱动。
背景技术：
日本专利申请公开文本No.2002-152911或2002-200932公开了一种4轮驱动车辆，其前轮由一个发动机驱动，而车后轮由一个电动机驱动。供给电动机的电力是由被发动机驱动的发电机所产生的。
发明内容
在上述车辆中，用于电动机的发电机和用于车辆的电气部件的发电机是分开的。因此，增加了部件的数量且浪费了空间，而且车辆的重量和造价也提高了。
本发明的目的在于提供一种控制电动机驱动的4轮驱动车辆的控制系统和控制方法，其提供了一种简单车辆的结构。
本发明的一个方面是一种控制车辆的控制系统，该车辆具有一个发动机来驱动至少一个车轮，还有一个电动机来驱动其余车轮中的至少一个，控制系统包括一个电动发电机被配置成由发动机驱动，用以产生具有第一电压的第一交流电；一个逆变器，用以将第一交流电转换为具有第二电压的第二电力或具有第三电压的第三直流电，其中第二电压低于第一电压；和一个蓄电池，由来自逆变器的第二电力对其进行充电，其中电动机是由从第一交流电获得的、具有第三电压的第三直流电进行供电的。
本发明将参照下列附图进行说明，其中图1是一个结构框图，表示了根据本发明第一实施例的电动机驱动的4WD车辆的控制系统的结构。
图2是一个工作流程图，表示根据本发明第一实施例的电动机驱动的4WD车辆的控制系统在发动机启动时的操作过程。
图3是一个工作流程图，表示根据本发明第一实施例的电动机驱动的4WD车辆的控制系统在蓄电池被充电时的操作过程。
图4是一个工作流程图，表示根据本发明第一实施例的电动机驱动的4WD车辆的控制系统在驱动电动机时的操作过程。
图5是一个列表，表示根据本发明第一实施例的电动机驱动的4WD车辆的控制系统中每个装置的工作状态。
图6是一个结构框图，表示了根据本发明第二实施例的电动机驱动的4WD车辆的控制系统的结构。
图7是一个列表，表示根据本发明第二实施例的电动机驱动的4WD车辆的控制系统中每个装置的工作状态。
具体实施例方式
下面参照
本发明的实施例，其中类似部件用类似的附图标记来表示。
根据本发明第一实施例的控制系统CS1用来控制车辆，一对前轮或一对后轮由发动机驱动，而另一对车轮则由电动机驱动。如图1所示，该系统CS1包括一个发动机1；一个42V的交流发电机(电动发电机，motor generator)2，该交流发电机通过皮带连接在发动机1上，并利用发动机1的扭矩产生42V的三相交流电；还包括一个14V的蓄电池E1，该蓄电池E1向安装在车辆上的不同电气部件供应电流。
该系统CS1还包括一个升降电压的逆变器3，和一个电动机M1，该电动机由从升降电压的逆变器3输出的直流电来驱动。该升压降压逆变器3用以将42V交流发电机2输出的三相交流电变换成直流电。同时，该升压降压逆变器3将三相交流电的电压从42V降至14V(第二额定电压)，然后对电流进行整流，并将整流后的电力供给14V的蓄电池E1来给蓄电池充电。而且，该升压降压逆变器3将从14V的蓄电池E1输出的直流电变换成三相交流电，增大电压，并将三相交流电供给42V交流发电机2。
此外，该系统CS1还包括一个发动机控制器12、一个用来控制电动机M1驱动的电动机控制器9和一个用来控制升压降压逆变器3和42V交流发电机2驱动的驱动电路6。发动机控制器12根据安装在发动机1上的转数传感器10的检测信号和一个加速器传感器(未示出)的检测信号输出一个点火信号给发动机1，并且控制喷油器。
车轮速度传感器(未示出)的检测信号、加速器传感器的检测信号和用来检测42V交流发电机2旋转角度的旋转位置传感器11的检测信号被输入到电动机控制器9。根据不同的检测信号，电动机控制器9断开和闭合位于升压降压逆变器3和电动机M1之间的一个开关SW2(第二开关)，并将一个控制信号输出给一个励磁控制单元13，以便来控制电动机M1的励磁电流(流经励磁线圈的电流)。
电动机M1的输出轴通过一个差动齿轮4连接在后轮5上。这里，将介绍一个电动机M1驱动后轮5的例子。但是，当后轮5由发动机动力驱动时，电动机M1也可以驱动前轮。
42V交流发电机2带有一个励磁控制器8来控制42V交流发电机的励磁电流。这个励磁控制器8在驱动电路6和电动机控制器9的控制下来工作。
升压降压逆变器3包括六个开关元件Tr1至Tr6，其为绝缘栅栏场效应晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOS-FET)或类似物。升压降压逆变器3的接地终端通过一个开关SW1(第一开关)连接在14V蓄电池E1的负端上，并被接地。
14V蓄电池E1的正端连接在42V交流发电机2三相磁场绕组的中性点上。一个电压传感器7用以测定14V蓄电池E1的充电电压。
一个加速器开关SW3的工作信号和一个电压传感器7的检测信号被输入到驱动电路6。根据所接收的检测信号，驱动电路6将驱动信号输出给在升压降压逆变器3中的六个开关元件Tr1至Tr6的控制输入端。而且，驱动电路6还输出一个控制信号来断开和闭合开关SW1。
在系统CS1中，在驱动电路6和电动机控制器9的控制下开关SW1为ON(闭合)而开关SW2为OFF(打开)的同时，通过使逆变器3执行动力操作，可以将14V电池E1放出的直流电变换成三相交流电，以将交流发电机2用作一个电动机，将该三相交流电供给发动机1并由此启动发动机1。同时，通过用42V交流发电机2作为发电机来使逆变器3执行再生操作，就可以对42V交流发电机2产生的三相交流电进行整流，并降低其电压，由此给14V蓄电池E1充电。此外，在断开开关SW1而闭合开关SW2的同时，通过升压降压逆变器3进行再生操作，就可以给电动机M1供电，并使车辆实现四轮驱动。
接着，将以下列情况介绍控制系统CS1的操作过程，即(A)发动机被启动时，(B)14V蓄电池充电时，(C)四轮驱动模式。这里，在图5中示出42V交流发电机2、升压降压逆变器3、14V蓄电池E1、开关SW1和SW2、以及电动机M1的操作。
(A)发动机被启动时的操作图2示出发动机被启动时的处理过程的流程图。首先当加速器开关SW3在步骤S1被接通的时候，在驱动电路6的控制下将一个指令信号被输出给励磁控制器8来施加励磁电流。这样，42V交流发电机2的励磁电流在步骤S2就是可控的。
接着在步骤S3，开关SW1被接通。这样，14V电池E1的输出电压(最大为14V)就施加到42V交流发电机的中性点上。之后在步骤S4，驱动电路6控制输出到在升压降压逆变器3中的开关元件Tr1到Tr6的控制输入端的输出信号，并进而控制这些开关元件Tr1到Tr6的开关状态。在步骤S5中，驱动电路6可以使得升压降压逆变器3从电池E1所提供的电力(最大为大约1kW)中产生三相交流电(最大为大约1kW(千瓦))，同时将其电压增加到大约20Vrms(均方根电压)。
所产生的三相交流电被供给到42V交流发电机2上。因此，42V交流发电机2的轴作为电动机旋转，并且驱动发动机1旋转。同时，发动机控制器12输出点火信号到发动机1，并且输出一个燃油喷射信号给喷油器。因此，在步骤S6就可以启动发动机1。
(B)给蓄电池充电时的操作接着，参照附图3中的流程图介绍14V蓄电池充电时的操作。
在步骤S11，驱动电路6确定发动机1是否启动。当发动机1启动的时候，在步骤S12，电动机控制器9确定车辆是否处于4WD模式，或者换句话说，电动机M1是否工作并且开关SW2是否被接通。
同时，当车辆处于4WD模式的时候，在步骤S13，电动机控制器9将控制信号输出给励磁控制器8，并因此控制42V交流发电机2的励磁电流。
然后，开关SW1在步骤S14被接通。这样，42V交流发电机2就可以作为一个发电机，并且升压降压逆变器3就可以进行再生操作。因此，42V交流发电机2所产生的交流电(最大值约为4kW)就被整流，并且通过控制各自开关元件Tr1到Tr6的开关状态来将交流电的电压(11到42Vrms)降低。在步骤S15中，14V电池E1被具有适当电压(14V)的直流电(最大约为1kW)，直流电的电压根据电压传感器7的检测信号进行调整。
在该实施例中，14V电池E1连接在升压降压逆变器3的负极总线和42V交流发电机2的中性点之间。这样，零相位电压就被加到逆变器3输出电压上，这样就可以增加逆变器所提供的直流电的电压。
(C)四个车轮被驱动时操作接下来参照附图4的流程图说明4WD时的操作。首先，在步骤S21，电动机控制器9基于车轮速度传感器和加速器传感器的检测信号确定是否提供四轮驱动。当四个车轮被驱动时候，在步骤S22，驱动电路6给励磁控制器8输出一个指令信号以便施加励磁电流。这样，42V交流发电机2的励磁电流就变为可控的。
而且，在步骤S23，电动机控制器9给励磁控制器13输出另一个指令信号以便施加励磁电流。这样，电动机M1的励磁电流就变为可控的。然后，在步骤S24，42V交流发电机2的轴由于发动机1的扭矩而旋转，因此可以作为发电机。在步骤S25，42V交流发电机2所产生的三相交流电(最大为大约4kW)被升压降压逆变器3进行整流。
同时，在步骤S26，开关SW2在电动机控制器9的控制下被接通。因此，升压降压逆变器3整流所获得的具有16到60V电压的直流电(最大为大约4kW)被供给到电动机M1上，电动机M1的轴0因此被驱动旋转。这样就获得了4WD驱动，前轮被电动机1驱动，后轮被电动机M1驱动。
如上所述，在控制系统CS1中，当发动机1运转的时候，就可以对42V交流发电机2产生的电力进行整流、降低其电压并给14V电池E1充电。而且，在4WD模式中，就可以对42V交流发电机2产生的三相交流电进行整流，并给电动机M1供电。因此，单个的逆变器可以作为给14V电池E1充电的逆变器，还可以作为给电动机M1供电的逆变器。因此就可以简化系统结构。
换句话说，单个的电动发电机(42V交流发电机2)可以给具有不同额定电压的电动机和电池供电。因此，就可以提供灵活布局，并且降低了重量和造价。
同时，当启动发动机1时，通过将14V蓄电池E1提供的电力经过升压降压逆变器3转化成三相直流电、将三相交流电供给到42V交流发电机2来启动发动机1就可以驱动42V交流发电机2。因此，就不再需要其它启动发动机1的动力源。这样就可以简化结构。
也就是，当启动发动机时，可以使用升压降压逆变器将电池释放出的电力变换成具有第一额定电压的三相交流电，通过供给三相交流电来驱动电动发电机的轴旋转，并因此启动发动机。因此就不再需要其它启动发动机的动力源。这样，就可以简化结构。
另外，当加速器开关SW3被接通的时候，42V交流发电机2的轴旋转，并且启动发动机1。因此，就可以实现怠速停止操作，只有在车辆没有运动的同时，发动机暂时停止，因此就提高燃油经济性。
换句话说，当用来检测加速操作的加速器开关被接通的时候，发动机启动。因此就可以实现怠速停止操作，因此就提高了燃油经济性。
同时，发动机1的启动、14V电池E1的充电和电动机M1的驱动可以通过改变开关SW1和开关SW2的通(闭合)和断(断开)状态来进行切换。因此，当启动发动机1或给14V电池E1充电的时候，就可以通过切断开关SW2来确保切断电动机M1和升压降压逆变器3之间的连接。当驱动电动机M1的时候，就可以保证断开14V电池E1和升压降压逆变器3之间的连接。因此，就可以防止故障和提高可操作性。
换句话说，通过改变第一和第二开关的断开和闭合状态，就可以在启动发动机和给电池充电的时候，保证电动机和升压降压逆变器之间断开。同时，就可以在驱动电动机的时候，保证断开电池和升压降压逆变器之间的连接。因此就可以防止故障并提高可操作性。
图6是一个结构框图，表示了根据本发明第二实施例的电动机驱动的4WD车辆的控制系统CS2。如图所示，控制系统CS2包括发动机1、42V交流发电机(电动发电机)2、14V电池E1、电动机控制器9、励磁控制器8、发动机控制器12、转数传感器10、旋转位置传感器11和电压传感器7，与上述第一实施例类似。控制系统CS2还包括一个逆变器3。
在系统CS2中，在逆变器3’的后级安装了一个DC-DC变换器21，该变换器具有两个开关元件Tr11和Tr12。DC-DC变换器21的输出端连接到14V电池E1上。系统CS2包括一个第一驱动电路6a，该驱动电路根据电压传感器7的检测信号和加速器开关SW3的检测信号来控制逆变器3’和DC-DC变换器21。
逆变器3’不能降低或升高电压。但是，DC-DC变换器21能降低从逆变器3’输出的直流电的电压，为14V电池E1供电。也就是说，逆变器3’和DC-DC变换器21一起构成了升压降压逆变器。而且，DC-DC变换器21增加从14V电池E1释放的电力的电压，并将其供给到逆变器3’上。
而且，在逆变器3’的后级安装了一个H桥接电路22和一个用来控制该H桥接电路22的第二驱动电路6b。H桥接电路22包括四个开关元件Tr21和Tr24。通过开关这些开关元件Tr21至Tr24，就可以控制一个永磁体直流电动机M2的驱动和停止，以及其旋转方向，该电动机位于H桥接电路22的后级。
在这里，电动机M2通过差速器4连接到后轮5上，与上述第一实施例类似。
下面将介绍控制系统CS2的操作。在这里，当启动发动机、给电池充电和处于4WD模式时候，42V交流发电机2、逆变器3’、14V电池E1、H桥接电路22和电动机M2的动作将如图7所示。
首先，当检测到加速器开关SW3被接通时，第一驱动电路6a可以启动发动机1。当启动发动机1的时候，14V电池E1的电力可以供给到逆变器3’。然后，电力就被逆变器3’变换成三相交流电，并被供给到42V交流发电机2。这样，42V交流发电机2’的轴就旋转，发动机1就启动了。
同时，当发动机1在运行的时候，42V交流发电机2所产生的电力就被逆变器3’整流，被DC-DC变换器21变换成具有预定电压的电力，并且提供给14V电池E1以便给其充电。
另外，当驱动电动机M2的时候，42V交流发电机2所产生的三相交流电被提供给逆变器3’。逆变器3’执行再生操作，由此电力被供给到H桥接电路22。然后H桥接电路22中的每个开关元件Tr21至Tr24就在第二驱动电路6b的作用下被开关。因此，驱动电流就被供给到电动机M2，电动机M2因此被驱动。
如上所述，在根据第二实施例的用于电动机驱动的4WD车辆的控制系统CS2中，与第一实施例类似，当发动机1启动的时候，就可以对42V交流发电机2所产生的电力进行整流，并且降低其电压，并给14V电池E1充电。而且，在4WD模式中，可以对由42V交流发电机2所产生的三相交流电进行整流，并且将电供给到电动机M2中。因此，单个的逆变器可以作为给14V电池E1充电的逆变器，还可以作为驱动电动机M2的逆变器。因此就可以简化系统结构。
同时，当启动发动机1时，通过用DC-DC变换器21和逆变器3’将14V蓄电池E1提供的电力转化成三相直流电、将三相交流电供给到42V交流发电机2，就可以驱动42V交流发电机2，从而启动发动机1。因此，就不再需要其它启动发动机1的动力源。这样就可以简化系统结构。
另外，当加速器开关SW3被接通的时候，42V交流发电机2’的轴旋转，并且启动发动机1。因此，就可以实现怠速停止操作，因此提高燃油经济性。
而且，从逆变器3’输出的直流电的电压被DC-DC变换器21降低到适合给14V电池E1充电的电压(第二额定电压)；同时，从14V电池E1释放出的电力的电压被DC-DC变换器21增加，启动发动机1的电力就被输出到逆变器3’。因此，传统的逆变器被用作逆变器3′。结果，就可以减少不同部件/装置的数量。当设置电路的时候，这种减少非常有利。
这里介绍的优选实施例是示例性而非限制性的，在不脱离发明的精神或特定特征的情况下，本发明也可以以其他的方式实现或体现。本发明的范围由权利要求表示，根据权利要求的装置范围内的所有变化都包含在其中。
这里公开的内容涉及包括在日本专利申请No.2003-363191中的主题，其申请日为2003年10月23日，其公开的整个内容被包含在这里作为参考。
权利要求
1.一种控制车辆的控制系统，所述车辆具有一个发动机来驱动至少一个车轮，还有一个电动机来驱动其余车轮中的至少一个，该控制系统包括一个电动发电机被配置成由发动机驱动，用以产生具有第一电压的第一交流电；一个逆变器，用以将第一交流电变换为具有第二电压的第二电力或具有第三电压的第三直流电，其中第二电压低于第一电压；和一个蓄电池，由来自逆变器的第二电力对其进行充电，其中电动机是由从第一交流电获得的、具有第三电压的第三直流电进行供电的。
2.如权利要求1所述的控制系统，其中从电池释放出来的、具有第四电压的电力被供给逆变器，逆变器将第四电力变换成具有第五电压的第五电力，并且第五电力被供给到电动发电机，电动发电机产生驱动力，以便启动发动机。
3.如权利要求1所述的控制系统，其中当检测到加速器工作的时候，发动机被启动。
4.如权利要求1所述的控制系统，其中第二电力是直流电。
5.如权利要求1所述的控制系统，其中还包括一个第一开关，用于改变逆变器和蓄电池之间的电连接；和一个第二开关，用以改变逆变器和电动机之间的电连接，其中当启动发动机时，第一开关闭合而第二开关断开，从而将电力从电池供给逆变器；当给蓄电池充电时，第一开关闭合而第二开关断开，从而将电力从逆变器供给蓄电池；以及当驱动电动机时，第一开关断开而第二开关闭合，从而将电力从逆变器供给电动机。
6.一种控制车辆的方法，其中车辆具有一个发动机来驱动至少一个车轮，还有一个电动机来驱动其余车轮中的至少一个，该方法包括将由电动发电机所产生的具有第一电压的第一交流电变换成具有第二电压的第二直流电，第二电压低于第一电压，并将第二直流电供给到电池，以便给电池充电；对电动发电机所产生的第一交流电进行整流，以便获得具有第三电压的第三直流电，并将第三直流电供给到电动机以便驱动电动机；将从电池释放出的具有第四电压的第四电力变换成具有第五电压的第五交流电，将第五交流电供给到电动发电机，通过电动发电机的驱动力来启动发动机。
全文摘要
一种控制车辆的控制系统，该车辆具有一个发动机来驱动至少一个车轮，还有一个电动机来驱动其余车轮中的至少一个。控制系统包括一个电动发电机被配置成由发动机驱动，用以产生具有第一电压的第一交流电；一个逆变器，用以将第一交流电变换为具有第二电压的第二电力或具有第三电压的第三直流电，其中第二电压低于第一电压；和一个蓄电池，由来自逆变器的第二电力对其进行充电。电动机是由从第一交流电获得的、具有第三电压的第三直流电进行供电的。
文档编号H02P9/04GK1636788SQ200410095430
公开日2005年7月13日 申请日期2004年10月22日 优先权日2003年10月23日
发明者石川泰毅 申请人:日产自动车株式会社