专利名称：电动车辆的控制装置以及电动车辆的驱动装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电动车辆的控制装置以及电动车辆的驱动装置，尤其涉及以内燃机(发动机，engine)所产生的旋转力驱动发电机，且通过该发电机所发电产生的电力来驱动电动机(motor)的电动车辆的控制装置以及驱动装置。
背景技术：
近年来，将电动机作为动力源而行驶的电动车辆正在增加。是一种以电动汽车或混合车(hybrid car)为代表的环境适应汽车。这些环境适应汽车的主要特征可举出搭载电池而利用蓄积在电池中的电力通过电动机产生转矩(torque)来驱动轮胎进行行驶。最近该电动机使用以永磁同步电动机为代表的交流电动机，实现小型化(高功率密度化)。还有为了将电池的直流电力供给交流电动机，采用逆变器(inverter)(电力变换器)，将来自电池的直流电力转换为交流电力。通过该逆变器的控制而使交流电动机可变速控制。
以上的环境适应汽车中，由于搭载有电池作为向电动机的电力供给源，因此始终对逆变器进行稳定的电力供给。此时，逆变器的受电电压随着此时的电池的充放电状态而变动，但一般地为变动幅度小的直流电压。由此，作为在电力源中采用电池的电动机驱动系统的控制技术公知有，预先具备包括电池电压的最大值和最小值的多个电动机电流指令列表，按照此时的电池电压输出最佳的电动机电流指令的技术(例如参照专利文献1)。由此，在电动机的整个旋转域中，能够始终稳定地输出转矩。
此外，最近与混合车一起，用发动机驱动前轮，用电动机驱动后轮的电动四轮驱动车开始普及。在搭载于这种四轮驱动车的系统中，将成本控制在现有的机械式四轮驱动车以下，并且为了提高组件的搭载性，具有不搭载电池而只通过与发动机连接的发电机的发电电力驱动后轮的电动机的结构。即在无电池的电动四轮驱动车中，具有通过发电机的输出电力直接驱动交流电动机的系统。还有在电动四轮驱动系统中，为了达到更低的成本，发电机采用变换器部分为二极管整流器的“交流发电机”。另外，作为电动四轮驱动车，也可采用由发动机驱动后轮，由电动机驱动前轮的结构。还有，并不限于四轮，也可为六轮以上的电动车辆。
例如，在专利文献1记载的内容中，由于按照电池电压根据列表数据改变电动机电流指令，因此能够对各电池电压进行最佳的减弱励磁控制，从而可由电动机始终供给稳定的转矩。
与此相对，在不搭载上述电池的电动车辆中，通过来自与发动机连接的交流发电机的发电电力，由作为后轮驱动用所搭载的逆变器/电动机产生转矩，来驱动车辆。由此，由于不搭载电池的电动车辆采用交流发电机作为电力发生源，因此发电状态根据发动机转数而变动。也就是，即使相同励磁状态，通过发动机转数而输出电压差异较大。
另一方面，在采用交流电动机作为电动机的情况下，为了产生转矩指令的转矩，按照由电动机/逆变器要求的等功率曲线，对交流电动机进行功率控制。此外，在观察交流发电机的发电特性时，具有可稳定地进行功率控制的稳定区域和功率控制变得不稳定的不稳定区域。由于作为稳定区域和不稳定区域的界限的边界线根据发动机转数而变动，因此即使在假设电动机/逆变器的工作点在某发动机旋转中位于边界线以上而稳定地进行功率控制的情况下，如果电动机旋转数上升且电动机/逆变器的工作点低于边界线，则交流发电机的发电工作点产生电压降低，最终落入到非常低的电压区域。结果通过电动机不会产生需要的转矩。由此，如专利文献1所示，在使电动四轮驱动系统工作的情况下，不能按照发动机转数改变电动机的工作点，因此产生上述的电压降低现象，产生不能得到需要的转矩的问题。
此外，即使在搭载有电池的情况下，按照电池的状态，使发电机的输出能量和逆变器的输入能量必须相等的情况下，有时会产生上述问题。
专利文献1日本特许第3396440号说明书
发明内容
本发明的目的在于提供一种即使在驱动发电机的内燃机的转数上升的情况下，也能够稳定地从电动机输出转矩的电动车辆的控制装置以及驱动装置。
为了实现上述目的，本发明的控制装置用于电动车辆中，该电动车辆通过内燃机驱动第一车轮，通过交流电动机驱动第二车轮，并且将由上述内燃机驱动的发电机输出的直流电力通过逆变器变换为交流电力后，供给上述交流电动机从而驱动上述交流电动机，上述控制装置具有控制机构，该控制机构不仅控制上述发电机的励磁电流并控制上述发电机的输出电力，并且控制上述交流电动机的输出转矩，如果上述发电机的工作点趋近上述发电机的工作处于不稳定的不稳定区域，则上述控制机构变更上述发电机的工作点以使其处于稳定区域。
此外，为了实现上述目的，本发明的控制装置用于电动车辆中，该电动车辆通过内燃机驱动第一车轮，通过交流电动机驱动第二车轮，并且将由上述内燃机驱动的发电机输出的直流电力通过逆变器变换为交流电力后，供给上述交流电动机从而驱动上述交流电动机，上述控制装置具有控制机构，该控制机构控制上述发电机的励磁电流并控制上述发电机的输出电力，并且控制上述交流电动机的输出转矩，如果上述交流电动机的输出功率恒定且上述内燃机的转数增大，则上述控制机构变更上述发电机的工作点以使上述发电机的输出电压增加。
根据上述特征，在不搭载电池而只通过发电机的电力驱动交流电动机的电动车辆中，即使在发动机转数上升的情况下也能稳定地输出转矩。
发明效果通过本发明，即使在驱动发电机的内燃机的转数上升的情况下，也能由电动机输出转矩。
图1是适用本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电动四轮驱动车的系统结构图。
图2是适用本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电动四轮驱动车的电力流程图。
图3是本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置所产生的发电机和电动机/逆变器间的电力协调控制方式的硬件结构图。
图4是本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置所产生的发电机和电动机/逆变器间的电力协调控制方式的控制流程图。
图5是表示用于本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电动机控制部的结构的框图。
图6是用于本发明的第一实施方式的电动车辆的发电机的发电特性的说明图。
图7是用于本发明的第一实施方式的电动车辆的发电机的发电特性的说明图。
图8是表示本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电压电流指令发生部的结构的框图。
图9是本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电压电流指令发生部的动作说明图。
图10是本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电压电流指令发生部的动作说明图。
图11是本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电压电流指令发生部的动作说明图。
图12是本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电压电流指令发生部的动作说明图。
图13是本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电压电流指令发生部的动作说明图。
图中1-电动四轮驱动车；2-前轮；3-发动机；4-发电机(交流发电机)；5-后轮；6-交流电动机；7-差速齿轮；8-逆变器；9-平滑用电容器；10-离合器；15-控制器；20-电动机控制部；21-发电控制部；F10-电压电流指令发生部；F10A-基值指令决定部；F10A1-交流发电机电压底图(base map，ベ一スマツプ)；F10A2-d轴电流底图；F10A3-q轴电流底图；F10B-发电工作点变更机构；F10B1-电压指令补正部；F10B2-电流指令调整部。
具体实施例方式
以下，参照图1～图13对本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的结构以及动作进行说明。在此，以由发动机驱动前轮而由交流电动机驱动后轮的电动四轮驱动车为例进行说明。
最初采用图1，对适用本实施方式的电动车辆的控制装置的电动四轮驱动车的系统结构进行说明。
图1是适用本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电动四轮驱动车的系统结构图。
电动四轮驱动车1，将专用的发电机4与驱动前轮2的发动机3连接，基于由该发电机4发电产生的发电电力使交流电动机6产生动力。发电机4为将所产生的交流电力变换为直流电力的变换器部分成为由二极管电桥组成的整流器的交流发电机。通过由交流电动机6产生的动力驱动后轮，但该动力由差速齿轮(differential gear)7分配到左右侧，传输给后轮5。由此，由于电动四轮驱动车系统中没有搭载有电池，因此为了由驱动后轮的电动机产生按照指令值的转矩，需要由发电机4(交流发电机)正确地发电产生电动机以及逆变器要求的功率(电力)，并进行供给。
此外，在电动机6和差速齿轮7之间，设置有开闭动力传送路径的4WD离合器(clutch)10。此外，设置有逆变器8以能够将交流电动机6的转矩控制为需要的值，将从发电机4输出的直流电力转换为交流电力，将该交流电力供给到交流电动机6。在此，逆变器8的输入部分通过功率元件的开关动作得到具有相当大的脉动的电力。电容器9用来平滑该电力。
逆变器8、交流电动机6以及发电机4由控制器15控制。
以上为采用交流电动机的电动四轮驱动车的结构。在该电动四轮驱动车中，具有实现低成本的系统，不搭载电池而只由发电机4所产生的发电电力驱动电动机。另外，作为电动四轮驱动车也可由发动机驱动后轮，由电动机驱动前轮。还有，作为本实施方式的电动车辆不限于四轮，也可以是六轮以上的电动车辆。
接下来，采用图2，对适用本实施方式的电动车辆的控制装置的电动四轮驱动车的电力流程进行说明。
图2为适用本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电动四轮驱动车的电力流程图。另外，在图2中，与图1相同的符号表示相同部分。
图2表示电动四轮驱动车的发电机4和交流电动机6之间的电力流程。在通常的混合车等中，与电容器9并联连接有电池作为电力发生源以及电力回收源。但是，电动四轮驱动车中，存在将成本降低到现有的机械四轮驱动车以下的课题，从该低成本化的角度来看不搭载电池的情况较多。
由此，在采用交流电动机的电动四轮驱动系统中，不具有吸收电力的电池，因此需要进行电力的协调控制以使由发动机3驱动的电动机4所输出的发电能量Pg和输入到逆变器8/交流电动机6的驱动能量Pm相等。
但是，在发电能量Pg和驱动能量Pm的平衡被打破的情况下，例如在发电能量Pg比驱动能量Pm大的情况下，剩余的电力流入到平滑用的电容器9，DC总线(bus)部的电压上升。在DC总线部的电压超过允许值的情况下，存在破坏电容器9或逆变器9的功率元件之虞。此外，在发电能量Pg小于驱动能量Pm的情况下，蓄积在电容器9中的电力被逆变器8/交流电动机6消耗，因此电压降低，不能输出需要的转矩。
在此，电动机6通过进行旋转坐标系(d-q坐标)的电流控制、即进行矢量电流控制，能够进行高响应且高精度的转矩控制。与此相对，对发电机4进行的发电控制通过操作响应延迟的励磁电流而进行。因此，发电机4的发电控制，需要配合逆变器8以及电动机6性能的而高精度地进行。
接下来，采用图3以及图4，对本实施方式的电动车辆的控制装置的发电机4和电动机6/逆变器8之间的电力协调控制方式进行说明。
图3是本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的发电机和电动机/逆变器之间的电力协调控制方式的硬件构成图。图4是本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的发电机和电动机/逆变器间的电力协调控制方式的控制框图。另外，在图3、图4中，与图1及图2相同的符号表示相同的部分。
在此，对反馈DC总线部电压(平滑电容器电压)的“DC电压反馈控制方式”进行描述。图4所示的电容器电压指令Vdc*相当于DC总线电压的指令值。在协调控制中，相对电压指令Vdc*反馈控制电容器电压Vdc。由此，如果相对电压指令Vdc*能够稳定地控制电容器电压Vdc，则可在发电机和电动机/逆变器间进行电力的协调控制。
在此，电容器电压指令Vdc*根据发电机的工作状态以及电动机的工作点(电动机转数、电动机转矩)而被决定。由此，基于DC总线部的电压Vdc，控制器15的电动机控制部20进行电动机控制，对逆变器8输出PWM指令，对电动机6输出励磁电压指令。与此相对，控制器15的发电控制部21进行发电机(专用的交流发电机)4的发电控制，以使电容器电压Vdc成为指令值Vdc*。发电机4的发电电力由转数和励磁决定。其中转数由发动机转数决定，由发电控制部21进行操作的量称作励磁电压。在电容器电压Vdc与指令值Vdc*一致(或者认为一致)时，处于电动机控制和发电控制协调地进行的协调状态，从后轮驱动用的交流电动机6输出指令值的转矩。此时，驱动侧的交流电动机6可由逆变器8进行正确的功率控制。即、逆变器8在某电动机转数中，按照所要求的转矩指令，将电流流过交流电动机6以使产生按照指令值的转矩。
接下来，采用图5，对本实施方式的电动车辆的控制装置的构成进行说明。
图5为表示在本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置中采用的电动机控制部的结构的框图。另外，在图5中，与图1以及图2相同的符号表示相同部分。
如图5所示，电动机控制部20输入由上位控制器的系统控制运算的转矩指令Tr*和发动机转数Ne，对PWM逆变器8输出PWM信号以使交流电动机6产生按照指令的转矩。此外，电动机控制部20运算电容器电压指令值Vdc*并输出。另外，发动机转数Ne用于指令值的补正，关于这点采用图8后述。
电动机控制部20包括电压电流指令发生部F10、电动机电流控制部F20、三相变换部F30、PWM变换部F40、电容器电压指令运算部F50、电动机电流检测部F60、d-q变换部F70、励磁电流控制部F80、磁极位置转速检测部F90。
电压电流指令产生部F10输入转矩指令Tr*和电动机角速度ωm，决定成为现在工作点的最高效率的电动机电流指令Iq*、Id*、励磁电流指令If*以及电容器电压指令值Vdc*并输出。在此，电动机电流指令Id*为电动机转子的磁通量方向(d轴)的电流指令，电动机电流指令Iq*为与电动机转子的磁通量方向正交的方向(q轴)的电流指令。
电动机电流控制部F20进行旋转坐标d-q轴上的电流控制运算，决定d-q轴的电压指令Vd*、Vq*。由此，通过进行d-q坐标的电流控制，能够分别高精度地控制磁通量方向的电流和与其正交的(作用在转矩上的)电流。其结果，可高精度地控制电动机的转矩以及磁通量。
三相变换部F30进行从d-q轴到U-V-W相的坐标变换，输出三相的交流电压指令Vu*、Vv*、Vw*。PWM变换部F40将Vu*、Vv*、Vw*变换为PWM信号，介由驱动器对逆变器8输出该PWM信号。
此外，按照下述方式检测出在电动机电流控制部F20中使用于电流控制中的反馈值Id^、Iq^。首先，由电动机电流检测部F60取入由三相电动机电流传感器IDm检测出的电动机电流Iu、Iv、Iw，该电动机电流检测部F60由AD变换器等构成，在d-q变换部F70中运算d-q轴的检测电流Id^、Iq^，向电动机电流控制部F20反馈。
在该控制系统中，如上所述，在坐标变换运算中需要磁极位置θ，该坐标变换运算用于从d-q坐标电压指令得到U-V-W相电压指令，或者从U-V-W相电流得到d-q坐标电流。因此，在电动机6中设置有位置检测器PS并与电动机控制部20内的磁极位置转速检测部F90一起检测出交流电动机6的转子磁极位置检测值θc。此外，在电压电流指令发生部F10以及电动机电流控制部F20中必要的电动机角速度ωm，作为在磁极位置转速检测部F90中转子磁极位置检测值θc的时间变化量求出。(还有在励磁电流控制部F80中，由控制器的计数器计测来自位置传感器PS的旋转脉冲，通过该计测值运算电动机速度的方法。)此外，励磁电流控制部F80基于电流指令决定部F10输出的励磁电流指令If*和由励磁电流检测器IDf检测出的流过电动机6的励磁线圈FC的励磁电流If*，输出励磁电压指令Vf，在将该励磁电压指令变换为占空比信号If*的基础上，通过对开关元件SW进行打开闭合(ON/OFF)驱动，控制励磁电流。
如上所述，在不搭载电池的电动四轮驱动系统中，通过从发电机(交流发电机)供给必要的电力，能够由驱动侧的电动机/逆变器产生按照指令值的转矩。此时，发电机(交流发电机)通过发动机的旋转力进行发电。发电机旋转总是根据驾驶者的加速器工作(accelerator)和此时的行驶条件而经常变动，因此发电机(交流发电机)的发电状态也总是变化。在这种状况中，发电机(交流发电机)高精度地产生电动机/逆变器必需的电力，这一点是本系统非常重要的一点。在此，以下对发电机(交流发电机)的发电特性进行描述。
在此，采用图6以及图7，对本实施方式的电动车辆中采用的发电机的发电特性进行说明。
图6以及图7，为本发明的第一实施方式的电动车辆中采用的发电机的发电特性的说明图。
在图6中，纵轴表示发电机(交流发电机)的输出电压V，横轴表示发电机(交流发电机)的输出电流I。在此，实线表示，在发动机3的转数Ne为规定的转数Ne1的情况下，使发电机(交流发电机)的励磁电流If-g变化为励磁电流If-g1、If-g2、If-g3、If-g4、If-g5时的各个励磁电流中的发电机(交流发电机)的输出电压V-输出电流I特性。励磁电流If-g1、If-g2、If-g3、If-g4、If-g5具有If-g1＜If-g2＜If-g3＜If-g4＜If-g5的关系。也就是，交流发电机的发电特性为如果励磁电流If-g增加，则发电机(交流发电机)的输出电力增加的特性。
另外，发动机3和发电机(交流发电机)4之间，通过具有规定的增速比的增速机构而结合，因此如果增速比例如为2.5，则发动机3的转数为600rpm时，发电机(交流发电机)4的转数为1500rpm。
此外，在图6中，虚线EP表示等功率曲线，该等功率曲线表示后轮驱动用的交流电动机6/逆变器所要求的相等的功率(例如3kW)。驱动后轮的交流电动机6/逆变器8，为了相对某电动机转数产生按照指令值的转矩，遵循虚线所示的等功率曲线EP。
在此，将虚线所示的等功率曲线EP和实线所示的各励磁电流If-g3、If-g4、If-g5每一个的发电机(交流发电机)的输出电压V-输出电流I特性之间的交点的电压电流分别设为交点(If-g3，V3，I3)、(If-g4，V4，I4)、(If-g1，V5，I5)、(If-g3，V3’，I3’)、(If-g4，V4’，I4’)、(If-g1，V5’，I5’)。图中，交流发电机的发电区域中、在高电压侧随着励磁电流减少而等功率曲线上的电压减少，相对与此，在低电压侧随着励磁电流增加而等功率区域的电压值减少。即在等功率区域EP上，交点(If-g3，V3，I3)、(If-g4，V4，I4)、(If-g1，V5，I5)的电压值，如果励磁电流If-g增加，则增加电压V3、V4、V5，相对与此，交点(If-g3，V3’，I3’)、(If-g4，V4’，I4’)、(If-g1，V5’，I5’)的电压值，如果励磁电流If-g增加，则减少电压V3’、V4’、V5’。也就是，在交流发电机的负载(即交流电动机6)在等功率线上移动时，在高电压侧和低电压侧励磁电流的增减方向不同。从而，在低电压侧进行电动机/逆变器的功率控制时，假设由于某种原因电压降低，为了补偿该电压而使交流发电机的励磁电流增加的情况下，电压持续降低。这种情况意味着在交流发电机的低电压域中不能稳定地进行电动机/逆变器的功率控制。
在此，图中单点划线所示的电压线EL为功率控制稳定界限的边界线。比边界线EL高的高电压侧为稳定区域，能够稳定地进行电动机/逆变器的功率控制。另一方面，比边界线EL低的低电压侧为不稳定区域，电动机/逆变器所完成的功率控制不稳定。
接下来，采用图7对上述的功率控制稳定界限的边界线EL的发动机转数依赖型进行说明。
在图7中，纵轴以及横轴，与图6相同，表示发电机(交流发电机)的输出电压V以及发电机(交流发电机)的输出电流I。
实线(If-g-max，Ne1)，(If-g-max，Ne2)分别表示发电机(交流发电机)的输出电力增加的特性，但在此励磁电流If-g表示分别将最大值设为If-g-max、交流发电机的输出为最大输出时的交流发电机的发电特性。此外，实线(If-g-max，Ne1)表示发动机转数为Ne1时的交流发电机的最大输出的发电特性，实线(If-g-max，Ne2)表示发动机转数为Ne2时的交流发电机的最大输出的发电特性。在此，发动机转数Ne1＜发动机转数Ne2。即如果发动机转数增加，则由于交流发电机的转数的增加，而交流发电机的最大输出也增加。
此外，由单点划线所示的边界线BL1、BL2分别表示发动机转数为Ne1和发动机转数为Ne2时的不稳定区域和稳定区域之间的边界线。边界线BL1为相对于发动机转数Ne1的边界线，边界线BL2为相对于发动机转数Ne2的边界线。即如果发动机转数上升，则交流发电机的发电电力范围变大，但伴随于此边界线也向更高电压侧移动。假设在电动机/逆变器的工作点在某发动机旋转中位于边界线以上且稳定地进行功率控制的情况下，在发动机旋转上升且电动机/逆变器的工作点低于边界线的时刻，交流发电机的发电工作点产生电压降低，最终落入到非常低的电压域，从而通过发动机不能产生需要的转矩。
接下来，采用图8～图13，对本实施方式的电动车辆的控制装置的电压电流指令产生部F10的结构以及动作进行说明。
图8表示本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电压电流指令产生部的框图。图9～图13为本发明的第一实施方式的电动车辆的控制装置的电压电流指令发生部的动作说明图。另外，在图8中，与图5相同的符号，表示相同部分。
如图8所示，电压电流指令发生部F10由基值指令决定部F10A和发电工作点变更机构F10B构成。基值指令决定部F10A具有交流发电机电压底图(base map，ベ一スマツプ)F10A1、d轴电流底图F10A2、q轴电流底图F10A3。发电工作点变更机构F10B具有电压指令补正部F10B1和电流指令调整部F10B2。
本发明的目的在于，在不搭载电池而只由发电机的电力驱动交流电动机的电动四轮驱动系统中，在发动机转数上升的情况下也始终稳定地继续输出转矩。因此，在本发明中设置有发电工作点变更机构F10B。
基值指令决定部F10A输入来自上位的控制器的转矩指令Tr*和由位置检测器27检测的电动机转数ωm，决定交流发电机的电压基值指令值Vdc’、d轴电流基值指令值Id’、q轴电流基值指令值Iq’并进行输出。基值指令决定部F10A，考虑运算装置的运算负载，使用由交流发电机电压底图F10A1、d轴电流底图F10A2、q轴电流底图F10A3构成的三个数据列表(底图)来进行决定，但并不限于此。通常在搭载有电池的混合系统等中，可以直接输入各基值指令值作为在发动机控制部20内构成的电流控制系统的指令值。
发电工作点变更机构F10B输入作为来自基值指令决定部F10A的输出信号的交流发电机的电压基值指令值Vdc’、d轴电流基值指令值Id’、q轴电流基值指令值Iq’和发动机转数Ne，输出按照现在的发动机工作点变更的交流发电机的电压指令值Vdc*、d轴电流指令值Id*、q轴电流指令值Iq*。其中交流发电机的电压指令值Vdc*向发电控制部21输出，作为交流发电机4的发电控制的指令值使用。此外，d轴电流指令值Id*、q轴电流指令值Iq*成为在发动机控制部20内进行的电动机电流控制的指令值。
电压指令补正部F10B1，输入交流发电机的电压基值指令值Vdc’和发动机转数Ne，按照避开交流发电机的电力控制不稳定区域的方式补正发电工作点。即、电压指令补正部F10B1使交流发电机的输出电压Vdc的指令值移动到在现在的发动机工作点中电力控制稳定的区域内。电压指令补正部F10B1具有各发动机转数(例如每1000rpm)的交流发电机的最大发电范围和电力控制的边界线的数据，基于该数据对现在的电动机转数的交流发电机的电压指令进行运算。
在此，采用图9，对电压指令补正部F10B1所保存的数据进行说明。图9，与图6相同表示交流发电机的发电特性。纵轴表示交流发电机的输出电压V，横轴表示交流发电机的输出电流I。
边界线BL为规定的发动机转数为Ne1的不稳定区域和稳定区域之间的边界线。比边界线BL低的低电压侧为不稳定区域。比边界线BL高的高电压侧为稳定区域。还有，在本实施方式中，将稳定区域分为绝对稳定区域和中间稳定区域。两者的边界线为第二边界线BL’。中间稳定区域为与边界线BL邻接的区域，即与不稳定区域邻接的区域。中间稳定区域为通过发动机的旋转变动和电动机/逆变器所产生的负载变动等的干扰、而存在进入不稳定区域的危险性的区域。另一方面，绝对稳定区域为即使干扰产生也不会存在进入不稳定区域之虞的区域。在将等功率曲线EP和第一边界线BL的交点的电压设为Vc时，通过等功率区域EP上的电压Vc’＝Vc+ΔV的线为第二边界线BL’。ΔV的值根据交流发电机的特性、发动机的特性和电动机/逆变器的特性等而适当地决定。考虑发电控制的控制特性和干扰(发动机转数变动变动和电动机/逆变器的负载变动)时，规定电压值ΔV为即使在上述干扰变动的情况下也不会进入不稳定区域的电压容限值。例如假设交流发电机的最大输出为3kW，最大输出电压为60V，最大输出电流为50A时，ΔV被设为大致5V。当然也有根据交流发电机的特性、发动机的特性和电动机/逆变器的特性等将ΔV设为2V的情况，此外也有需要将ΔV设为9V的情况。
在作为最大输出范围的最大励磁电流If-g-max时交流发电机的输出最大，因此在比最大励磁电流If-g-max时的交流发电机的输出范围低的低电压侧且比第二边界线BL’高的高电压侧的在图中施架了阴影线的区域，成为稳定控制区域。
另外，作为等功率区域EP的基础的功率根据转矩指令值Tr*、电动机转数ωm和电动机效率η求出，为(Tr*×ωm×η)。电动机效率η根据电动机转数而多少会不同，但也能为大致恒定的值。
在此，例如交流发电机电压底图F10A1输出的交流发电机的电压基值指令值为图示的电压Vdc’。此时，交流发电机的电压基值指令值Vdc’位于施加阴影线的稳定控制区域，因此电压指令补正部F10B1不对交流发电机的电压基值指令值Vdc’进行补正，而作为交流发电机的最终电压指令值Vdc*＝Vdc’输出。
在此，对发动机转数从转数Ne1增加到转数Ne2(Ne2＞Ne1)的情况进行说明。图10为相对发动机转数Ne2电压指令补正部F10B1所保存的数据。与图9相比，边界线BL2向高电压侧移动。其结果第二边界线BL2’也向高电压侧移动。此时，交流发电机电压底图F10A1输出的交流发电机的电压基值指令值与图9的情况相同，当为图示的电压Vdc’时，交流发电机的电压基值指令值Vdc’位于第二边界线BL2’和边界线BL之间的中间稳定区域。在这种状态下，有落入不稳定区域的可能性，因此电压指令补正部F10B1针对交流发电机的电压基值指令值Vdc’在等功率曲线EP之上移动，由此将稳定控制区域内的电压Vdc*作为交流发电机的最终电压指令值Vdc*输出。最终电压指令值Vdc*如果在稳定控制区域内则位于何处都可以，但在此设为比第二边界线BL2’稍微高一些的高电压侧的电压。
当发动机转数上升时边界线BL移动到高电位侧，其结果，发电机的工作点、即交流发电机的电压基值指令值Vdc’靠近不稳定区域。此时，电压指令补正部F10B1变更工作点以使位于稳定控制区域。换句话说，当交流发电机的工作点位于相对边界线电压大且电流小的中间稳定区域时，电压指令补正部F10B1变更工作点以使位于稳定控制区域。
另外，在图10所示的例子中，最终电压指令值Vdc*在稳定控制区域内为比第二边界线BL2’稍微高一些的高电压侧的电压，但也可为图11所示那样。即如图11所示，在发动机转数Ne2中，设等功率曲线EP和边界线BL2的交点的电压为Vc1，设等功率曲线EP和最大输出电压If-g-max之间的交点的电压为Vmax，则电压指令补正部F10B1输出控制稳定界限电压线和最大输出电压的中间值即((Vmax+Vc1)/2)作为最终电压指令值Vdc*。由此，通过成为控制稳定界限电压线和最大输出电压的中间值，能够将最稳定的电压值设为指令值，该最稳定的电压值可避免输出电压的饱和控制不稳定的两种状态。
接下来，采用图12以及图13，对电流指令调整部F10B2的动作进行说明。
电流指令调整部F10B2对基值指令决定部F10A输出的d轴电流基值指令值Id’、q轴电流基值指令值Iq’进行变更，输出最终d轴电流指令值Id*、最终q轴电流指令值Iq*。
在此，通过由电压指令补正部F10B1变更交流发电机的输出电压，能够防止控制系统的不稳定性。然而，即使在交流发电机的输出电压上升的情况下，当不变更电动机的电流指令时，尽管逆变器的受电电压上升，但用于抑制电压的减弱励磁电流进行工作以使交流发电机的输出电压成为变更前的基值电压。由于该减弱励磁电流几乎对转矩不起作用而成为损耗的电流(无效部分电流)，因此在不变更电流指令的情况下，尽管电压上升，但为了电动机的驱动效率不变化，有时并非是电动机的最佳工作点。因而，在发动机转数上升，此时为了防止交流发电机的控制的不稳定性而使交流发电机的输出电压(逆变器的受电电压)上升的情况下，使减弱励磁电流减少电压上升量，并使电动机的无效量电流减少，由此使电动机在最佳工作点进行工作。通过进行关于该电流指令的操作，可提高电动机的驱动效率。也就是，通过电压指令补正部F10B1使交流发电机4在最佳工作点工作，能够避免交流发电机的工作不稳定，并且通过电流指令补正部F10B2使电动机6以最佳工作点工作，可提高电动机的驱动效率。
在此，对减弱励磁电流的减少方法的一例进行说明。图12表示根据基值指令流动电动机电流时的电动机电压矢量图。图12为以电动机转子的磁通量轴为基准的旋转坐标系，d轴为转子的磁通量方向，q轴表示与d轴正交的方向。q轴基本上与磁通量轴正交，因此在该方向上流过电流时，产生转矩。此外，在d轴流过电流时，由于该方向为磁通量方向，因此可调整电动机所产生的磁通量量。由此，为了调整磁通量量而使d轴电流流动，相当于减弱励磁控制。
在图12的q轴方向上产生感应电压ω·Φ，通过d轴电流Id在负方向流动而可使该感应电压减少(ω×Ld×Id)电压量。在此，ω为电动机角速度，Φ为励磁主磁通量，Ld为d轴电感。图12表示流过减弱励磁电流Id1的情况。
通过进行该减弱励磁控制，在电动机的感应电压高于逆变器的受电电压的高旋转域中也可进行电动机的驱动。
与此相对，发动机转数上升，如上所述在使交流发电机的输出电压上升而避开控制的不稳定区域的情况下，由于可提高逆变器的受电电压，因此可减小减弱励磁电流。由此，也提高电动机的驱动效率。此时的电动机电压矢量图如图13所示。
在图13中表示减少减弱励磁电流，并流过减弱励磁电流Id2的d轴电流。通过这样，降低的感应电压成为ω×Ld×Id2，实际的电压矢量的大小为V2，与图12的电压矢量V1相比大小增加。其结果能以比基值电压高的电压驱动电动机，由此也提高电动机的驱动效率。
在此，对发电机的输出电压上升时的d轴电流指令Id*的决定方法的一例进行说明。首先，当将交流发电机的输出电压上升后的电压设为Vdc*时，由逆变器可输出的电压矢量的大小V由下式(1)表示。
(式1)V＝Vdc*×/(2×) …(1)另外，在式(1)中，关于Vdc*的系数随着逆变器的调制或坐标变换方式而不同，并不限于上述的值。
此外，在采用减弱励磁控制的比较高的高旋转区域中，电动机阻抗中的电阻成分R比电抗成分ω×L小一位。因此，在这种区域中如果忽略电阻成分R，则d轴电压Vd以及q轴电压Vq分别为(式2)Vd＝-ω×Lq×Iq …(2)(式3)Vq＝ωφ+ω×Ld×Id …(3)以下的式(4)成立。
(式4)V=(Vd2+Vq2)---(4)]]>并且，通过对上述式(1)～式(4)进行求解，能够算出相对现在的Vdc*应流动的d轴电流Id。
另外，此时q轴电流Iq为基值指令的数据。此时，在电极具有凸极或反凸极性的状态下变更d轴电流的情况下，认为相对于基值指令的工作点接受磁阻转矩成分的变动，转矩精度劣化。如果该转矩变化没有收容在允许值内，则与基于d轴电流变更的磁阻转矩的增减一致地增减q轴电流以补偿该转矩。
以上是在交流发电机的输出电压上升时进行的减弱励磁电流的减少方法的一例，但该减少方法并不限于上述的方法。实际上也可为运算电动机转矩方程式并运算满足逆变器的受电电压和电动机的请求转矩的电流指令的方式，也可为考虑控制器的运算负载而从基值电流指令减去预先设定的值的方式。
此外，在本实施例中，以在没有搭载驱动用电池的车辆中适用本发明的情况为例进行了说明，但在具有驱动用电池的电动车辆中，也可适用本发明。即使在搭载有电池的车辆中，按照电池的状态而处于发电机的输出能量和逆变器的输入能量必须相等的状态时，会有上述的本实施例的控制有效的情况。
权利要求
1.一种电动车辆的控制装置，用于电动车辆中，该电动车辆通过内燃机驱动第一车轮，通过交流电动机驱动第二车轮，并且将由上述内燃机驱动的发电机所输出的直流电力通过逆变器变换为交流电力后，供给上述交流电动机来驱动上述交流电动机，上述控制装置具有控制机构，该控制机构控制上述发电机的励磁电流并控制上述发电机的输出电力，并且控制上述交流电动机的输出转矩，如果上述发电机的工作点趋近上述发电机的工作处于不稳定的不稳定区域，则上述控制机构变更上述发电机的工作点以使其处于稳定区域。
2.根据权利要求1所述的电动车辆的控制装置，其特征在于，上述稳定区域由中间稳定区域和绝对稳定区域构成，其中相对区划不稳定区域和稳定区域的边界线，上述发电机的输出电压大且输出电流小的区域为中间稳定区域，上述发电机的输出电压比该中间稳定区域大且输出电流比该中间稳定区域小的区域为绝对稳定区域，如果上述发电机的工作点处于中间稳定区域，则上述发电工作点变更机构变动工作点以使其处于绝对稳定区域。
3.根据权利要求1所述的电动车辆的控制装置，其特征在于，上述发电工作点变更机构变更上述发电机的发电工作点，在进行上述逆变器的控制时，防止上述发电机的输出电压的降低。
4.根据权利要求3所述的电动车辆的控制装置，其特征在于，上述发电机工作点变更机构，按照上述内燃机的转数变更上述发电机的发电工作点，在进行上述逆变器的控制时防止上述发电机的输出电压的降低。
5.根据权利要求1所述的电动车辆的控制装置，其特征在于，上述发电工作点变更机构，具备电压指令补正部，该电压指令补正部按照上述内燃机的转数变更上述发电机的输出电压指令。
6.根据权利要求5所述的电动车辆的控制装置，其特征在于，上述电压指令补正部具有按上述发电机的每个旋转的控制稳定界限的边界线，从该边界线将规定值以上的电压作为上述发电机的输出电压指令。
7.根据权利要求5所述的电动车辆的控制装置，其特征在于，上述电压指令补正部具有按上述发电机的每个旋转的控制稳定界限的边界线和最大输出电压线，将上述边界线和上述最大输出电压线的中间值设为上述发电机的输出电压指令值。
8.根据权利要求5所述的电动车辆的控制装置，其特征在于，上述发电工作点变更机构，还具备电流指令调整部，基于上述内燃机的转数以及由上述电压指令补正部补正的上述发电机的输出电压指令，变更流过上述交流电动机的电动机电流的指令值。
9.根据权利要求8所述的电动车辆的控制装置，其特征在于，流过上述交流电动机的电动机电流的指令值，为上述交流电动机转子的磁通量方向的d轴电流指令值。
10.根据权利要求8所述的电动车辆的控制装置，其特征在于，上述电流指令调整部，运算按照上述内燃机的转数设定的上述发电机的输出电压指令和预先设定的作为基准的电压指令之间的差值，将电动机电流指令值变更相当于上述电压指令的差值的减弱励磁电流的量。
11.根据权利要求1所述的电动车辆的控制装置，其特征在于，如果上述交流电动机的输出功率恒定且上述内燃机的转数增大，则上述发电工作点变更机构变更上述发电机的工作点以使上述发电机的输出电压增加。
12.一种电动车辆的控制装置，用于电动车辆中，该电动车辆通过内燃机驱动第一车轮，通过交流电动机驱动第二车轮，并且将由上述内燃机驱动的发电机所输出的直流电力通过逆变器变换为交流电力后，供给上述交流电动机来驱动上述交流电动机，上述控制装置具有控制机构，该控制机构控制上述发电机的励磁电流并控制上述发电机的输出电力，并且控制上述交流电动机的输出转矩，如果上述交流电动机的输出功率恒定且上述内燃机的转数增大，则上述控制机构变更上述发电机的工作点以使上述发电机的输出电压增加。
13.一种电动车辆的驱动装置，用于电动车辆中，该电动车辆通过内燃机驱动第一车轮，通过交流电动机驱动第二车轮，该电动车辆的驱动装置具有通过上述内燃机驱动的发电机；将该发电机输出的直流电力转换为交流电力的逆变器；接收由该逆变器变换的交流电力的供给而被驱动的上述交流电动机；和控制上述发电机的励磁电流并控制上述发电机的输出电力，并且控制上述交流电动机的输出转矩的控制机构，如果上述发电机的工作点趋近上述发电机的工作处于不稳定的不稳定区域，则上述控制机构变更上述发电机的工作点以使其处于稳定区域。
14.一种电动车辆的驱动装置，用于电动车辆中，该电动车辆通过内燃机驱动第一车轮，通过交流电动机驱动第二车轮，该电动车辆的驱动装置具有通过上述内燃机驱动的发电机；将该发电机输出的直流电力转换为交流电力的逆变器；接收由该逆变器变换的交流电力的供给而被驱动的上述交流电动机；和控制上述发电机的励磁电流并控制上述发电机的输出电力，并且还控制上述交流电动机的输出转矩的控制机构，如果上述交流电动机的输出功率恒定且上述内燃机的转数增大，则上述控制机构变更上述发电机的工作点以使上述发电机的输出电压增加。
全文摘要
本发明提供一种即使在驱动发电机的内燃机的转数上升的情况下，也能由电动机稳定地输出转矩的电动车辆的控制装置以及驱动装置。电动机控制部(20)具有电压电流指令部(F10)。电压电流指令部(F10)具备基值指令决定部(F10A)和发电工作点变更机构(F10B)，其中基值指令决定部(F10A)决定发电机的输出电压的基值指令值、决定驱动交流电动机的d轴电流以及q轴电流的基值指令值，发电工作点变更机构(F10B)变更该基值指令决定部输出的指令值。如果发电机的工作点趋近发电机的工作处于不稳定的不稳定区域，则发电工作点变更机构(F10B)变更工作点以使发电机的工作点处于稳定区域。
文档编号B60K6/52GK101034864SQ200610156759
公开日2007年9月12日 申请日期2006年12月28日 优先权日2006年3月6日
发明者金子悟, 山本立行, 胜滨健太, 赤石茂, 饭野尚郎 申请人:株式会社日立制作所