JP2003209969A - 電動モータ電源管理システム - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高電圧インバータ・モータ・セットを低電圧
電池モジュールで使用するための方法と装置を提供する
こと。 【解決手段】 車両の電動牽引モータの電源制御システ
ムは、電動牽引モータに調整済みの電力を提供する少な
くとも１つのインバータと、それぞれが電池とブースト
／バック直流・直流コンバータを有し、並列に配線さ
れ、前記少なくとも１つのインバータに直流電力を提供
する複数の電源ステージとを備える。電源ステージは前
記少なくとも１つのインバータへの出力電圧を維持する
よう制御される。
電池モジュールで使用するための方法と装置を提供する
こと。 【解決手段】 車両の電動牽引モータの電源制御システ
ムは、電動牽引モータに調整済みの電力を提供する少な
くとも１つのインバータと、それぞれが電池とブースト
／バック直流・直流コンバータを有し、並列に配線さ
れ、前記少なくとも１つのインバータに直流電力を提供
する複数の電源ステージとを備える。電源ステージは前
記少なくとも１つのインバータへの出力電圧を維持する
よう制御される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電動モータに電力を
提供する方法と装置に関し、より詳細には、低電圧電池
を使用し適宜インバータにより調整を行って、車両の電
動牽引モータを駆動するための調整直流電圧を提供する
多段式電源システムに関する。
提供する方法と装置に関し、より詳細には、低電圧電池
を使用し適宜インバータにより調整を行って、車両の電
動牽引モータを駆動するための調整直流電圧を提供する
多段式電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】今日の自動車市場では、車両を動かすた
めにさまざまな推進技術または駆動技術が用いられてい
る。このような技術として、内燃機関や、電池および／
または燃料電池をエネルギー源とする電気駆動システ
ム、また内燃機関と電気駆動システムを組み合わせて用
いるハイブリッド・システムがある。これらの推進シス
テムには、エネルギー価格事情、エネルギーのインフラ
整備状況、環境法令、および政府の奨励政策に応じて、
それぞれ特有の技術的、経済的および性能上のメリット
やデメリットがある。
めにさまざまな推進技術または駆動技術が用いられてい
る。このような技術として、内燃機関や、電池および／
または燃料電池をエネルギー源とする電気駆動システ
ム、また内燃機関と電気駆動システムを組み合わせて用
いるハイブリッド・システムがある。これらの推進シス
テムには、エネルギー価格事情、エネルギーのインフラ
整備状況、環境法令、および政府の奨励政策に応じて、
それぞれ特有の技術的、経済的および性能上のメリット
やデメリットがある。
【０００３】今日、車両における燃料節約や排気ガス削
減の要望が増加していることから、より高度なハイブリ
ッド車両の開発が進められている。ハイブリッド車両と
は、一般的には内燃機関と電気牽引モータというよう
に、少なくとも２種類の異なる動力源を有する車両と分
類されている。従来の内燃機関で駆動される車両と比
べ、ハイブリッド車両は燃料の経済効率を改善し、排気
ガスの削減をもたらす。運転条件の変化に伴い、ハイブ
リッド車両は、各動力源の最も効率的な動作形態に応じ
てこれら異なる動力源を交互に切り替える。例えば、内
燃機関と電動モータを装備したハイブリッド車両の場
合、停止状態やアイドリング状態では内燃機関を停止さ
せておき、電動モータでまず車両を推進させてから後で
内燃機関を再始動することで、燃料節約や排気ガス削減
の改善を図っている。
減の要望が増加していることから、より高度なハイブリ
ッド車両の開発が進められている。ハイブリッド車両と
は、一般的には内燃機関と電気牽引モータというよう
に、少なくとも２種類の異なる動力源を有する車両と分
類されている。従来の内燃機関で駆動される車両と比
べ、ハイブリッド車両は燃料の経済効率を改善し、排気
ガスの削減をもたらす。運転条件の変化に伴い、ハイブ
リッド車両は、各動力源の最も効率的な動作形態に応じ
てこれら異なる動力源を交互に切り替える。例えば、内
燃機関と電動モータを装備したハイブリッド車両の場
合、停止状態やアイドリング状態では内燃機関を停止さ
せておき、電動モータでまず車両を推進させてから後で
内燃機関を再始動することで、燃料節約や排気ガス削減
の改善を図っている。
【０００４】ハイブリッド車両は動力伝達系の構成によ
って直列動力伝達系と並列動力伝達系とに大別される。
内燃機関と電動牽引モータを利用した直列動力伝達系で
は、電動モータだけで車両の車輪を駆動する。内燃機関
は燃料源を機械的エネルギーに変換し、その機械的エネ
ルギーを電気エネルギーに変換する発電機を回転させる
ことで電動モータを駆動する。並列ハイブリッド動力伝
達システムでは、内燃機関や電動牽引モータといった２
つの動力源が同時に動作して車両を推進させる。一般
に、並列動力伝達系を有するハイブリッド車両では、従
来の内燃機関のパワーおよび走行距離（ｒａｎｇｅ）上
についての利点と電動モータの効率性および電気回生機
能を組み合わせると、従来の内燃機関車両よりも燃料を
より効率的に節約し排気ガスを削減するようにしてい
る。
って直列動力伝達系と並列動力伝達系とに大別される。
内燃機関と電動牽引モータを利用した直列動力伝達系で
は、電動モータだけで車両の車輪を駆動する。内燃機関
は燃料源を機械的エネルギーに変換し、その機械的エネ
ルギーを電気エネルギーに変換する発電機を回転させる
ことで電動モータを駆動する。並列ハイブリッド動力伝
達システムでは、内燃機関や電動牽引モータといった２
つの動力源が同時に動作して車両を推進させる。一般
に、並列動力伝達系を有するハイブリッド車両では、従
来の内燃機関のパワーおよび走行距離（ｒａｎｇｅ）上
についての利点と電動モータの効率性および電気回生機
能を組み合わせると、従来の内燃機関車両よりも燃料を
より効率的に節約し排気ガスを削減するようにしてい
る。
【０００５】二次／蓄電池はハイブリッド車両システム
の重要な構成部品の１つである。二次電池はエネルギー
を蓄え、そのエネルギーを必要に応じて車両の車輪に伝
達できるようになっている。さらに、二次電池により、
電動モータ／発電機（以下、モータ／発電機）が、ブレ
ーキ時に回収したエネルギーを蓄えることが可能にな
る。したがってこの電池は、負荷バランスを取り、内燃
機関の生成したエネルギーと運転条件の必要とするエネ
ルギーとの瞬間的な差異についてそれを吸収または伝達
する手段となっている。
の重要な構成部品の１つである。二次電池はエネルギー
を蓄え、そのエネルギーを必要に応じて車両の車輪に伝
達できるようになっている。さらに、二次電池により、
電動モータ／発電機（以下、モータ／発電機）が、ブレ
ーキ時に回収したエネルギーを蓄えることが可能にな
る。したがってこの電池は、負荷バランスを取り、内燃
機関の生成したエネルギーと運転条件の必要とするエネ
ルギーとの瞬間的な差異についてそれを吸収または伝達
する手段となっている。
【０００６】電池モジュールは直列接続した数個の電気
化学セルから構成される。通常、電気化学セルの電圧は
１〜２Ｖとなっている。また、今日の電池モジュールの
出力電圧は１２〜４２Ｖとなっている。従来の車両牽引
システムは、約３００〜４００Ｖという高範囲の直流バ
ス電圧で動作する。従来の電気自動車やハイブリッド車
両用には、電池モジュールを直列に重ねることによっ
て、この高電圧車両牽引システムが必要とする所望の直
流高電圧レベルを提供できるようになっている。一般的
に言って、高電圧車両牽引システムは低電圧車両牽引シ
ステムと比べて、コスト、性能、重量の点で優れてい
る。
化学セルから構成される。通常、電気化学セルの電圧は
１〜２Ｖとなっている。また、今日の電池モジュールの
出力電圧は１２〜４２Ｖとなっている。従来の車両牽引
システムは、約３００〜４００Ｖという高範囲の直流バ
ス電圧で動作する。従来の電気自動車やハイブリッド車
両用には、電池モジュールを直列に重ねることによっ
て、この高電圧車両牽引システムが必要とする所望の直
流高電圧レベルを提供できるようになっている。一般的
に言って、高電圧車両牽引システムは低電圧車両牽引シ
ステムと比べて、コスト、性能、重量の点で優れてい
る。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】電池パックを直列接続
すると、車両牽引システムの構造が複雑になり、その牽
引システムの信頼性に悪影響を及ぼす。電池モジュール
を直列接続した場合の最大の難点は、電池モジュールを
構成する個々のセルの充電バランスを取ることである。
直列接続した多数のセルの全部を共通の電流で充電した
り放電したりすると、主に各セル間の動作温度の差によ
って充電バランスが悪くなり、老化が早まる。
すると、車両牽引システムの構造が複雑になり、その牽
引システムの信頼性に悪影響を及ぼす。電池モジュール
を直列接続した場合の最大の難点は、電池モジュールを
構成する個々のセルの充電バランスを取ることである。
直列接続した多数のセルの全部を共通の電流で充電した
り放電したりすると、主に各セル間の動作温度の差によ
って充電バランスが悪くなり、老化が早まる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、高電圧インバ
ータ・モータ・セットを低電圧電池モジュールで使用す
るための方法と装置を含んでいる。本発明は数段の電源
ステージを利用して、車両牽引システムに高電圧（約３
００〜４００Ｖ）を提供する。各電源ステージは低電圧
電池モジュールと双方向ブースト／バック直流・直流コ
ンバータを有する。電源ステージの高電圧側は並列に配
線され、少なくとも１つの電圧インバータ／モータ・セ
ットに接続されており、総電源負荷が個々の電源ステー
ジに能動的に分配されるようになっている。各電源ステ
ージは個別に電流制御され、かつ１つの総電圧調整ルー
プで出力電圧が制御される。これら低電圧電池モジュー
ルは、ダイオード論理和接続（ｄｉｏｄｅ−ｏｒｅｄ）
されることで、諸々の低電圧付属電源負荷に対応するよ
うにしてもよい。本発明の別の実施形態では、電池モジ
ュールを燃料電池電源モジュールとしてもよい。
ータ・モータ・セットを低電圧電池モジュールで使用す
るための方法と装置を含んでいる。本発明は数段の電源
ステージを利用して、車両牽引システムに高電圧（約３
００〜４００Ｖ）を提供する。各電源ステージは低電圧
電池モジュールと双方向ブースト／バック直流・直流コ
ンバータを有する。電源ステージの高電圧側は並列に配
線され、少なくとも１つの電圧インバータ／モータ・セ
ットに接続されており、総電源負荷が個々の電源ステー
ジに能動的に分配されるようになっている。各電源ステ
ージは個別に電流制御され、かつ１つの総電圧調整ルー
プで出力電圧が制御される。これら低電圧電池モジュー
ルは、ダイオード論理和接続（ｄｉｏｄｅ−ｏｒｅｄ）
されることで、諸々の低電圧付属電源負荷に対応するよ
うにしてもよい。本発明の別の実施形態では、電池モジ
ュールを燃料電池電源モジュールとしてもよい。
【０００９】本発明は、好ましい実施形態では、本発明
の方法を実行するハイブリッド・システム・コントロー
ラと、内燃機関を組み込んだ、並列ハイブリッド駆動シ
ステムを有する車両をさらに含んでいるが、電動牽引モ
ータやモータ／発電機を利用するいかなる車両も本発明
の範囲内とみなす。本発明のモータ／発電機は所定の車
両動作条件下で車両を推進するだけではなく、オルタネ
ータに代わって車両の電池パックを充電し、ひいては内
燃機関を始動する際に使われる従来のスタータ・モータ
に代わるものである。本発明のハイブリッド・システム
・コントローラは、内燃機関とモータ／発電機を利用し
て、必要な性能面での制約を満たしつつ、全体のシステ
ム効率を最適化して車両を推進し動かす。
の方法を実行するハイブリッド・システム・コントロー
ラと、内燃機関を組み込んだ、並列ハイブリッド駆動シ
ステムを有する車両をさらに含んでいるが、電動牽引モ
ータやモータ／発電機を利用するいかなる車両も本発明
の範囲内とみなす。本発明のモータ／発電機は所定の車
両動作条件下で車両を推進するだけではなく、オルタネ
ータに代わって車両の電池パックを充電し、ひいては内
燃機関を始動する際に使われる従来のスタータ・モータ
に代わるものである。本発明のハイブリッド・システム
・コントローラは、内燃機関とモータ／発電機を利用し
て、必要な性能面での制約を満たしつつ、全体のシステ
ム効率を最適化して車両を推進し動かす。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１はハイブリッド車両１０に含
まれる本発明の電源管理システムの概略図である。ハイ
ブリッド車両１０は、並列に配線され約３００〜４００
Ｖの高出力電圧Ｖ＋を生じる複数の電源ステージ１２を
備える。電圧Ｖ＋はモータ・インバータ１４に供給され
る。モータ・インバータ１４は与えられた直流電圧Ｖ＋
をチョッピングしまたは切り替え、好ましくはモータ／
発電機１８用の三相電力を生成する。モータ／発電機１
８は交流誘導機であることが好ましいが、例えば直流
機、同期機、スイッチド・リラクタンス機等（これらに
限定しない）、いかなる公知の電気モータ／発電機技術
により構成してもよい。また、電圧を高電圧直流バス上
で安定させるためにフィルタ・コンデンサ１６が設けら
れている。
まれる本発明の電源管理システムの概略図である。ハイ
ブリッド車両１０は、並列に配線され約３００〜４００
Ｖの高出力電圧Ｖ＋を生じる複数の電源ステージ１２を
備える。電圧Ｖ＋はモータ・インバータ１４に供給され
る。モータ・インバータ１４は与えられた直流電圧Ｖ＋
をチョッピングしまたは切り替え、好ましくはモータ／
発電機１８用の三相電力を生成する。モータ／発電機１
８は交流誘導機であることが好ましいが、例えば直流
機、同期機、スイッチド・リラクタンス機等（これらに
限定しない）、いかなる公知の電気モータ／発電機技術
により構成してもよい。また、電圧を高電圧直流バス上
で安定させるためにフィルタ・コンデンサ１６が設けら
れている。
【００１１】モータ／発電機１８は、直列または並列結
合器２４を通じて内燃機関２２に動的に連結しており、
車両１０の動作状態（すなわち、ブレーキ時、停止時、
または高速道路を一定速度で走行中）に応じて、車両１
０を推進させるためのモータあるいは電源ステージ１２
内で電池モジュール２６を充電するための発電機として
機能する。
合器２４を通じて内燃機関２２に動的に連結しており、
車両１０の動作状態（すなわち、ブレーキ時、停止時、
または高速道路を一定速度で走行中）に応じて、車両１
０を推進させるためのモータあるいは電源ステージ１２
内で電池モジュール２６を充電するための発電機として
機能する。
【００１２】双方向ブースト／バック・コンバータ１３
は、低電圧電池モジュール２６と高電圧直流バス４８間
の制御可能インターフェースである。図１を参照する
と、モータ／発電機１８がモータとして動作する時には
電力は図１の左側から右側に流れており、双方向ブース
ト／バック・コンバータ１３はブースト・モードで動作
していることになる。逆に、モータ／発電機１８が発電
機モードで動作する時には電力は図１の右側から左側に
流れており、双方向ブースト／バック・コンバータ１３
はバック・モードで動作していることになる。
は、低電圧電池モジュール２６と高電圧直流バス４８間
の制御可能インターフェースである。図１を参照する
と、モータ／発電機１８がモータとして動作する時には
電力は図１の左側から右側に流れており、双方向ブース
ト／バック・コンバータ１３はブースト・モードで動作
していることになる。逆に、モータ／発電機１８が発電
機モードで動作する時には電力は図１の右側から左側に
流れており、双方向ブースト／バック・コンバータ１３
はバック・モードで動作していることになる。
【００１３】電源ステージ１２とモータ・インバータ１
４はハイブリッド・システム・コントローラ２８により
制御される。本発明の他の実施形態において、コントロ
ーラ２８、電源ステージ１２、モータ・インバータ１４
を単一システムとして構成してもよい。ハイブリッド・
システム・コントローラ２８は、当技術分野で知られて
いるいかなる種類の制御モジュールや車両コントローラ
をも備えることができ、また不揮発メモリ（ＮＶＭ）、
ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、個別アナログ
入出力（Ｉ／Ｏ）、中央演算処理装置、自動車通信ネッ
トワーク内の従来型および無線（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
（登録商標））ネットワーキング用通信インターフェー
ス等を装備している。ハイブリッド・システム・コント
ローラ２８は、個別信号、アナログ信号または自動車通
信ネットワークを使って電源ステージ１２およびモータ
・インバータ１４と通信するようにしてもよい。
４はハイブリッド・システム・コントローラ２８により
制御される。本発明の他の実施形態において、コントロ
ーラ２８、電源ステージ１２、モータ・インバータ１４
を単一システムとして構成してもよい。ハイブリッド・
システム・コントローラ２８は、当技術分野で知られて
いるいかなる種類の制御モジュールや車両コントローラ
をも備えることができ、また不揮発メモリ（ＮＶＭ）、
ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、個別アナログ
入出力（Ｉ／Ｏ）、中央演算処理装置、自動車通信ネッ
トワーク内の従来型および無線（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ
（登録商標））ネットワーキング用通信インターフェー
ス等を装備している。ハイブリッド・システム・コント
ローラ２８は、個別信号、アナログ信号または自動車通
信ネットワークを使って電源ステージ１２およびモータ
・インバータ１４と通信するようにしてもよい。
【００１４】コントローラ２８とインバータ・モジュー
ル１４は、車両１０の動作状態によって、電力あるいは
モータ／発電機１８に対する電流の向きを決定する。前
述したように、電源ステージ１２内のブースト／バック
直流・直流コンバータ１３は、パルス幅変調によって高
電圧直流バス４８を電圧Ｖ＋に合わせて調節するように
作用する。回生状態（ブレーキ時など）または充電状態
では、電力はモータ／発電機１８からインバータ・モジ
ュール１４を経由して流れ、電源ステージ１２内の電池
２６を充電する。推進に際してモータ／発電機１８が必
要な状態では、電力は電源ステージ１２からインバータ
・モジュール１４を通ってモータ／発電機１８に流れ
る。
ル１４は、車両１０の動作状態によって、電力あるいは
モータ／発電機１８に対する電流の向きを決定する。前
述したように、電源ステージ１２内のブースト／バック
直流・直流コンバータ１３は、パルス幅変調によって高
電圧直流バス４８を電圧Ｖ＋に合わせて調節するように
作用する。回生状態（ブレーキ時など）または充電状態
では、電力はモータ／発電機１８からインバータ・モジ
ュール１４を経由して流れ、電源ステージ１２内の電池
２６を充電する。推進に際してモータ／発電機１８が必
要な状態では、電力は電源ステージ１２からインバータ
・モジュール１４を通ってモータ／発電機１８に流れ
る。
【００１５】電源ステージ１２はそれぞれ第１の出力ダ
イオード２９、電池２６、電流検知部３２、コイル（イ
ンダクタ）３４、ブースト・スイッチ３６およびバック
・スイッチ３８を備えている。出力ダイオード２９は電
池２６に結合され、車両１０の付属負荷４０に電力を提
供する。コイル３４は、ブースト・エネルギーまたはバ
ック・エネルギーを蓄積し、また電池２６に流れるリッ
プル電流を平滑化するのに使われる。電流検知部３２は
コントローラ２８の電流を測定する。
イオード２９、電池２６、電流検知部３２、コイル（イ
ンダクタ）３４、ブースト・スイッチ３６およびバック
・スイッチ３８を備えている。出力ダイオード２９は電
池２６に結合され、車両１０の付属負荷４０に電力を提
供する。コイル３４は、ブースト・エネルギーまたはバ
ック・エネルギーを蓄積し、また電池２６に流れるリッ
プル電流を平滑化するのに使われる。電流検知部３２は
コントローラ２８の電流を測定する。
【００１６】本発明で使用する電池２６は、約１２〜４
２Ｖの電圧を有する低電圧電池とすることが好ましい。
好ましい実施形態において、これら電池はニッケル水素
電池で構成される。本発明の他の実施形態では、電池２
６は鉛蓄電池、リチウム・ポリマー電池等（これらに限
定しない）、いかなる公知の電池技術を使って構成して
もよい。
２Ｖの電圧を有する低電圧電池とすることが好ましい。
好ましい実施形態において、これら電池はニッケル水素
電池で構成される。本発明の他の実施形態では、電池２
６は鉛蓄電池、リチウム・ポリマー電池等（これらに限
定しない）、いかなる公知の電池技術を使って構成して
もよい。
【００１７】図１に示したブースト・スイッチ３６およ
びバック・スイッチ３８は一般的なＮＰＮ型トランジス
タであるが、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＢＧＴ、バイポー
ラ・トランジスタ等（これらに限定しない）、いかなる
公知の電気スイッチ装置を使用して実施してもよい。Ｍ
ＯＳＦＥＴ素子をバック・スイッチ３８を実現するため
に使用する場合は、ブースト・ダイオード３７をバック
・スイッチのダイオードと一体としてもよい。同様に、
ＭＯＳＦＥＴ素子をブースト・スイッチ３６を実現する
ために使用する場合は、バック・ダイオード３９はブー
スト・スイッチ３６の一体型ボディ・ダイオードとして
もよい。
びバック・スイッチ３８は一般的なＮＰＮ型トランジス
タであるが、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＢＧＴ、バイポー
ラ・トランジスタ等（これらに限定しない）、いかなる
公知の電気スイッチ装置を使用して実施してもよい。Ｍ
ＯＳＦＥＴ素子をバック・スイッチ３８を実現するため
に使用する場合は、ブースト・ダイオード３７をバック
・スイッチのダイオードと一体としてもよい。同様に、
ＭＯＳＦＥＴ素子をブースト・スイッチ３６を実現する
ために使用する場合は、バック・ダイオード３９はブー
スト・スイッチ３６の一体型ボディ・ダイオードとして
もよい。
【００１８】図２は、コントローラ２８に搭載される本
発明の制御システムの概略図である。この制御システム
は、１つの電圧コントローラ５０と複数の電流コントロ
ーラ５４からなる。電圧コントローラ５０は、高電圧直
流バス電圧を、モータ・インバータ１４が必要とする所
望の設定値に調節する。電流コントローラ５４は、個々
の電池２６との間で流れる電流を調節する。また、１つ
の電流コントローラ５４はシステム内の各電源ステージ
１２を制御するのに使われる。
発明の制御システムの概略図である。この制御システム
は、１つの電圧コントローラ５０と複数の電流コントロ
ーラ５４からなる。電圧コントローラ５０は、高電圧直
流バス電圧を、モータ・インバータ１４が必要とする所
望の設定値に調節する。電流コントローラ５４は、個々
の電池２６との間で流れる電流を調節する。また、１つ
の電流コントローラ５４はシステム内の各電源ステージ
１２を制御するのに使われる。
【００１９】本発明の好ましい電源管理方法では、電源
ステージ１２間の電流を能動的に操作して充電や熱的動
作のバランスを取ることで、電池２６の老化特性を改善
する。車両１０やモータ／発電機１８が推進または牽引
モードの時は、各電池２６から電流が均等に放電される
ように制御する。電源ステージ１２は並列に配線されて
いるので、全体の負荷電源は能動的に分配される。回生
モードでは、電池２６が均等に充電されるようにエネル
ギー蓄積ブロックごとの電流を制御する。回生された電
流は、電源ステージ１２間で分割されて電池２６に充電
される。電源ステージ内における電池２６間のエネルギ
ー移動も、電池２６間のバランスを取るために用いられ
る。ハイブリッド・システム・コントローラ２８内の電
池管理制御アルゴリズムは、各電池２６がシステム内の
他の電池２６と同じ平均充電率（ＳＯＣ）となるよう能
動的に維持するために、全体の負荷あるいは回生電流の
うちどの程度をその電池に通せばよいかを決定する。充
電率（ＳＯＣ）とは、電池の総容量に対する放電可能な
電流の比率のことである。付属負荷４０はダイオード２
９を介して電池２６につながっている。
ステージ１２間の電流を能動的に操作して充電や熱的動
作のバランスを取ることで、電池２６の老化特性を改善
する。車両１０やモータ／発電機１８が推進または牽引
モードの時は、各電池２６から電流が均等に放電される
ように制御する。電源ステージ１２は並列に配線されて
いるので、全体の負荷電源は能動的に分配される。回生
モードでは、電池２６が均等に充電されるようにエネル
ギー蓄積ブロックごとの電流を制御する。回生された電
流は、電源ステージ１２間で分割されて電池２６に充電
される。電源ステージ内における電池２６間のエネルギ
ー移動も、電池２６間のバランスを取るために用いられ
る。ハイブリッド・システム・コントローラ２８内の電
池管理制御アルゴリズムは、各電池２６がシステム内の
他の電池２６と同じ平均充電率（ＳＯＣ）となるよう能
動的に維持するために、全体の負荷あるいは回生電流の
うちどの程度をその電池に通せばよいかを決定する。充
電率（ＳＯＣ）とは、電池の総容量に対する放電可能な
電流の比率のことである。付属負荷４０はダイオード２
９を介して電池２６につながっている。
【００２０】図２中の本発明の基本的な制御ループは、
電流式ブースト／バック制御システムとして示されてい
る。電圧コントローラ５０には、電圧センサ４８（図１
参照）で検知・増幅した電圧Ａｖ、電圧設定値Ｖｒｅ
ｇ、電圧エラーを生成する加算接続部５２、および比例
ゲインＫｐｖと積分ゲインＫｉｖを有しエラーに反応し
て加算接続部５３への出力を生成する比例積分制御コン
トローラが含まれる。各電流コントローラ５４は、電流
センサ３０が検知した電流を、電圧ループ５０が必要と
する値に調節する。
電流式ブースト／バック制御システムとして示されてい
る。電圧コントローラ５０には、電圧センサ４８（図１
参照）で検知・増幅した電圧Ａｖ、電圧設定値Ｖｒｅ
ｇ、電圧エラーを生成する加算接続部５２、および比例
ゲインＫｐｖと積分ゲインＫｉｖを有しエラーに反応し
て加算接続部５３への出力を生成する比例積分制御コン
トローラが含まれる。各電流コントローラ５４は、電流
センサ３０が検知した電流を、電圧ループ５０が必要と
する値に調節する。
【００２１】各電源ステージに流れる電流は、公称上は
モータ・インバータ１４に流れる総電流の１／Ｎ（Ｎは
並列接続されている電源ステージ１２の数）となる。各
電流コントローラ５４は、ブロック５６によって、対応
する電源ステージ１２を流れる電流の正負の最大値をＩ
ｐ＋とＩｐ−の間のＩｐ変数領域内にとどめることがで
き、これによって各電源ステージ１２に対する個別の電
流制限制御が可能になる。この個別電流制限により、安
全動作限度を動的に設定することができる。また、この
電流制限の制御は、いずれかの電源ステージ１２中の電
池２６の短絡やその他の障害によって過電流が発生しな
いように行ってもよい。
モータ・インバータ１４に流れる総電流の１／Ｎ（Ｎは
並列接続されている電源ステージ１２の数）となる。各
電流コントローラ５４は、ブロック５６によって、対応
する電源ステージ１２を流れる電流の正負の最大値をＩ
ｐ＋とＩｐ−の間のＩｐ変数領域内にとどめることがで
き、これによって各電源ステージ１２に対する個別の電
流制限制御が可能になる。この個別電流制限により、安
全動作限度を動的に設定することができる。また、この
電流制限の制御は、いずれかの電源ステージ１２中の電
池２６の短絡やその他の障害によって過電流が発生しな
いように行ってもよい。
【００２２】この制御方法では、さらに加算接続部５８
に加算変数Ｉａｄｊ（ｎ）を加える。Ｉａｄｊ（ｎ）の
値はハイブリッド・コントローラ２８中の総電池充電率
管理アルゴリズムによって導出される。Ｉａｄｊ（ｎ）
はあらゆるモード（牽引時、ブレーキ回生時、およびア
イドリング停止時）において継続的に調節が可能である
から、電源ステージ１２間を流れる電流のバランスは、
各電池が所望の充電率を維持できるよう能動的に制御さ
れる。あとは駆動サイクルの最初と最後に必要となる残
りの電池充電率のバランシングは、均等化のために電池
２６間の電池充電を再配分するようにＩａｄｊ（ｎ）の
値を設定すれば可能である。
に加算変数Ｉａｄｊ（ｎ）を加える。Ｉａｄｊ（ｎ）の
値はハイブリッド・コントローラ２８中の総電池充電率
管理アルゴリズムによって導出される。Ｉａｄｊ（ｎ）
はあらゆるモード（牽引時、ブレーキ回生時、およびア
イドリング停止時）において継続的に調節が可能である
から、電源ステージ１２間を流れる電流のバランスは、
各電池が所望の充電率を維持できるよう能動的に制御さ
れる。あとは駆動サイクルの最初と最後に必要となる残
りの電池充電率のバランシングは、均等化のために電池
２６間の電池充電を再配分するようにＩａｄｊ（ｎ）の
値を設定すれば可能である。
【００２３】電流制御ループ５４の動作時には、検知さ
れた電流（ゲインＡｉを伴う）と電流限度の設定値（電
流限度内のＩａｄｊ（ｎ））が加算接続部６０で加算さ
れてエラーを生成する。比例ゲインＫｐｉと積分ゲイン
Ｋｉｉがこのエラーに反応してデッドタイム・ブロック
６４への出力を生成し、個々の出力Ｑ、Ｑ’を切り替え
る。Ｑはブースト・スイッチ３６への入力であり、Ｑ’
はバック・スイッチ３８への入力である。したがって、
ブースト・スイッチ３６とバック・スイッチ３８は電圧
ループ５０と電流ループ５４に応じてパルス幅変調さ
れ、それによって出力電圧Ｖ＋を維持しつつ電池２６間
の電荷のバランスを保つことができる。
れた電流（ゲインＡｉを伴う）と電流限度の設定値（電
流限度内のＩａｄｊ（ｎ））が加算接続部６０で加算さ
れてエラーを生成する。比例ゲインＫｐｉと積分ゲイン
Ｋｉｉがこのエラーに反応してデッドタイム・ブロック
６４への出力を生成し、個々の出力Ｑ、Ｑ’を切り替え
る。Ｑはブースト・スイッチ３６への入力であり、Ｑ’
はバック・スイッチ３８への入力である。したがって、
ブースト・スイッチ３６とバック・スイッチ３８は電圧
ループ５０と電流ループ５４に応じてパルス幅変調さ
れ、それによって出力電圧Ｖ＋を維持しつつ電池２６間
の電荷のバランスを保つことができる。
【００２４】以上、本発明を具体的な実施形態によって
説明したが、当業者であれば容易に他の形状に応用する
ことが可能であることを理解されよう。したがって、本
発明の範囲は首記の特許請求の範囲によってのみ規定さ
れるものと解釈される。
説明したが、当業者であれば容易に他の形状に応用する
ことが可能であることを理解されよう。したがって、本
発明の範囲は首記の特許請求の範囲によってのみ規定さ
れるものと解釈される。
【図１】本発明の電源管理システムの概略図である。
【図２】本発明の電源管理システムにおけるプロセス制
御の概略図である。
御の概略図である。
１０ 車両
１２ 電源ステージ
１３ ブースト／バック直流・直流コンバータ
１４ モータ・インバータ
１６ フィルタ・コンデンサ
１８ モータ／発電機
２２ 内燃機関
２４ 直列または並列結合器
２６ 電池モジュール（低電圧電池）
２８ ハイブリッド・システム・コントローラ
２９ 第１の出力ダイオード
３２ 電流検知部
３４ コイル
３６ ブースト・スイッチ
３７ ブースト・ダイオード
３８ バック・スイッチ
３９ バック・ダイオード
４０ 付属負荷
４８ 高電圧直流バス
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考）
Ｈ０２Ｍ 7/48 Ｈ０２Ｍ 7/48 Ｌ
Ｔ
(72)発明者 スコット・ディー・ダウナー
アメリカ合衆国カリフォルニア州90505,
トーランス，グリーン・メドウズ・ストリ
ート 5528
(72)発明者 ジェームズ・エフ・ラザー
アメリカ合衆国カリフォルニア州93021,
ムーアパーク，マヤ・サークル 14160
(72)発明者 ジェームズ・エム・ナガシマ
アメリカ合衆国カリフォルニア州90703,
セリトス，ムーアブルック・アベニュー
16608
Ｆターム(参考） 5H007 AA05 BB01 BB06 CA01 CC05
CC12 DA05 DA06 DB03 DB12
DC02 DC05 FA09 FA12
5H115 PA15 PC06 PG04 PI16 PI24
PI29 PO01 PU08 PU24 PU25
PU26 PV10 PV24 QI04 QN03
QN08 QN22 QN23 RB11 RB22
SE01 SJ11 SL08 TO12 TO13
TO23
5H730 AA12 AS01 AS04 AS08 AS13
AS17 BB14 BB57 BB84 BB86
BB88 DD02 DD17 FD01 FD31
FF09 FG01 FG12
Claims (20)
- 【請求項１】 車両の電動牽引モータの電源制御システ
ムであって、 電動牽引モータに調整済みの電力を提供する少なくとも
１つのインバータと、 それぞれが電池とブースト／バック直流・直流コンバー
タを有し、並列に配線され、前記少なくとも１つのイン
バータに直流電力を提供する複数の電源ステージとを備
え、 電源ステージは前記少なくとも１つのインバータへの出
力電圧を維持するよう制御される電源制御システム。 - 【請求項２】 前記電池に対する充電状態がバランスす
るように、各ステージにおける電流が個別に制御され
る、請求項１に記載の電源制御システム。 - 【請求項３】 前記インバータが前記電動モータに切替
型三相電力を提供する、請求項１に記載の電源制御シス
テム。 - 【請求項４】 前記電池が低電圧電池を備える、請求項
１に記載の電源制御システム。 - 【請求項５】 前記電池が電圧約１２ボルトの電池を備
える、請求項４に記載の電源制御システム。 - 【請求項６】 前記電池が電圧約４２ボルトの電池を備
える、請求項４に記載の電源制御システム。 - 【請求項７】 各電源ステージが電源ステージの電流を
検知するための電流センサをさらに有する、請求項１に
記載の電源制御システム。 - 【請求項８】 前記各電源ステージがブースト・スイッ
チを有する、請求項１に記載の電源制御システム。 - 【請求項９】 前記各電源ステージがバック・スイッチ
を有する、請求項１に記載の電源制御システム。 - 【請求項１０】 それぞれが電池およびブースト／バッ
ク直流・直流コンバータを有する複数の電源ステージ
と、 前記複数の電源ステージに電気的に結合され、調整済み
の電力を提供する少なくとも１つのモータ・インバータ
と、 前記少なくとも１つのモータ・インバータに電気的に結
合される少なくとも１つの電動モータを備え、 前記複数の電源ステージの電流が個別に制御され、前記
複数の電源ステージの出力電圧を調整するよう共同で制
御される車両駆動システム。 - 【請求項１１】 並列型ハイブリッド配置により前記電
動モータと連結される内燃機関をさらに備える、請求項
１０に記載の車両駆動システム。 - 【請求項１２】 直列型ハイブリッド配置により前記電
動モータと連結される内燃機関をさらに備える、請求項
１０に記載の車両駆動システム。 - 【請求項１３】 前記電池が動作電圧約１２ボルトの電
池を備える、請求項１０に記載の車両駆動システム。 - 【請求項１４】 前記モータが誘導モータである、請求
項１０に記載の車両駆動システム。 - 【請求項１５】 前記電池が約４２ボルトの電圧で動作
する、請求項１０に記載の車両駆動システム。 - 【請求項１６】 前記モータ・インバータが前記電動モ
ータに三相電力を提供する、請求項１０に記載の車両駆
動システム。 - 【請求項１７】 前記直流・直流コンバータごとに電流
センサをさらに有する、請求項１０に記載の車両駆動シ
ステム。 - 【請求項１８】 車両の電動モータを運転するための電
圧の生成方法であって、 それぞれがブースト／バック直流・直流コンバータと低
電圧電池を有し、並列に接続される複数の電源ステージ
を用意する段階と、 電動モータ用に調整済みの電力を生成して電動モータを
動かすための、少なくとも１つのモータ・インバータを
用意する段階と、 各電源ステージにおける電流を検知する段階と、 電源ステージごとに個別に電流を制御する段階と、 並列に配線された複数の電源ステージの総出力電圧を制
御する段階を備える方法。 - 【請求項１９】 各電源ステージへの回生電流を制御し
て、各低電圧電池を均等に充電する段階をさらに備え
る、請求項１８に記載の方法。 - 【請求項２０】 各電源ステージからの電流を制御し
て、各低電圧電池から均等に放電させる段階をさらに備
える、請求項１８に記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US10/008921 | 2001-12-06 | ||
| US10/008,921 US6608396B2 (en) | 2001-12-06 | 2001-12-06 | Electrical motor power management system |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003209969A true JP2003209969A (ja) | 2003-07-25 |
| JP3655277B2 JP3655277B2 (ja) | 2005-06-02 |
Family
ID=21734486
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002346941A Expired - Fee Related JP3655277B2 (ja) | 2001-12-06 | 2002-11-29 | 電動モータ電源管理システム |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6608396B2 (ja) |
| JP (1) | JP3655277B2 (ja) |
| DE (1) | DE10254411A1 (ja) |
Cited By (57)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| WO2007125840A1 (ja) * | 2006-04-24 | 2007-11-08 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 電源システムおよび車両 |
| JP2007295782A (ja) * | 2006-03-31 | 2007-11-08 | Toyota Motor Corp | 電源システムおよびそれを備えた車両 |
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| WO2008004440A1 (fr) | 2006-07-07 | 2008-01-10 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Système d'alimentation électrique, véhicule l'utilisant, procédé de commande de système d'alimentation électrique, et support d'enregistrement apte à être lu par ordinateur contenant un programme pour amener un ordinateur a commander le système d'alimentation électrique |
| WO2008007627A1 (fr) * | 2006-07-10 | 2008-01-17 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Système d'alimentation électrique, véhicule l'utilisant et son procédé de commande |
| WO2008010382A1 (fr) | 2006-07-18 | 2008-01-24 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Système d'alimentation électrique, véhicule l'utilisant, procédé de commande d'augmentation de température d'accumulateur et support d'enregistrement lisible par ordinateur contenant un programme pour amener un ordinateur à exécuter la commande d'augmentation de la températur |
| WO2008015863A1 (fr) * | 2006-08-02 | 2008-02-07 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Appareil d'alimentation électrique et véhicule comportant celui-ci |
| JP2008060047A (ja) * | 2006-09-04 | 2008-03-13 | Toyota Motor Corp | 電源システムおよびそれを備えた車両、蓄電装置の昇温制御方法、ならびに蓄電装置の昇温制御をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録したコンピュータ読取可能な記録媒体 |
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