用于电动机驱动的4轮驱动车辆的控制设备及其相关方法

摘要

一种用于控制电动机驱动4WD车辆的控制设备，其中利用发动机驱动前轮和后轮之一，而利用交流电动机驱动前轮和后轮之另一，对该控制设备设置：发电机，由发动机驱动，以产生第一三相交流电；整流器，用于将发电机产生的第一三相交流电整流为第二直流电，然后，将该第二直流电送到交流电动机的中性点；以及第一升压与降压逆变器，用于使通过中性点提供的第二直流电升压，并将它变换为第三三相交流电。通过施加第一升压与降压逆变器输出的第三三相交流电，旋转驱动交流电动机。

说明书

技术领域

本发明涉及用于电动机驱动的4WD(4轮驱动)车辆的控制设备及其相关方法，更具体地说，本发明涉及一种用于电动机驱动的4WD车辆的控制设备和控制方法，其中利用发动机驱动前轮和后轮之一，而根据需要利用交流电动机驱动前轮和后轮之另一。

背景技术

第2002-152911号和第2002-200932号日本未决专利申请公开描述了4WD车辆，其中利用发动机产生的驱动力驱动前轮，利用发动机产生的驱动力，驱动发电机，以产生电力，该电力又旋转驱动电动机，以提供利用其驱动后轮的驱动力。

发明内容

然而，根据本发明人所做的研究，利用这种结构，由于将发电机产生的电压施加到后轮电动机，而且用于驱动该电动机的电压是发电机产生的电压，所以用于驱动后轮的电动机的尺寸取决于发电机的电功率产生能力。即，可以设想，在发电机产生的电功率较少的情况下，为了使电动机提供要求的功率输出，就需要增加电动机线圈，导致电动机的尺寸大。

鉴于上述问题，完成本发明，而且本发明的目的是提供一种用于电动机驱动4WD车辆的控制设备和控制方法，即使利用发电机产生的电功率较少，该控制设备和控制方法仍可以可靠驱动电动机。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种用于控制电动机驱动4WD车辆的控制设备，其中利用发动机驱动前轮和后轮之一，而利用交流电动机驱动前轮和后轮之另一，该控制设备包括：发电机，由发动机驱动，以产生第一三相交流电；整流器，用于将发电机产生的第一三相交流电整流为第二直流电，然后，将该第二直流电送到交流电动机的中性点；以及第一升压与降压逆变器，用于使通过中性点提供的第二直流电升压，并将它变换为第三三相交流电，通过施加第一升压与降压逆变器输出的第三三相交流电，旋转驱动交流电动机。

另一方面，根据本发明的另一个方面，提供了一种用于控制电动机驱动4WD车辆的控制方法，其中利用发动机驱动前轮和后轮之一，而利用交流电动机驱动前轮和后轮之另一，该控制方法包括：利用发动机的转动运动，产生第一三相交流电；将第一三相交流电整流为第二直流电；使通过直流电动机的中性点提供的第二直流电升压，然后将它变换为第三三相交流电；以及对交流电动机施加通过升压和变换获得的第三三相交流电，以使该交流电动机转动。

根据下面结合附图所做的说明，本发明的其它以及进一步的特征、优点和好处将变得更加明显。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施例的电动机驱动4WD车辆的控制设备的结构的方框图；

图2是示出在发动机起动期间，当前提交的实施例的电动机驱动4WD车辆的控制设备的基本操作顺序的流程图；

图3是示出在4WD驱动期间，电动机驱动4WD车辆的控制设备的基本操作顺序的流程图；

图4是示出在对14V电池充电期间，当前提交的实施例的电动机驱动4WD车辆的控制设备的基本操作顺序的流程图；

图5是概括示出形成当前提交的实施例的电动机驱动4WD车辆的控制设备的各部件的工作条件的示意图；

图6是示出根据本发明第二实施例的电动机驱动4WD车辆的控制设备的结构的方框图；以及

图7是概括示出形成当前提交的实施例的电动机驱动4WD车辆的控制设备的各部件的工作条件的示意图

具体实施方式

下面将适当参考附图说明根据本发明的各实施例的电动机驱动4WD车辆的控制设备和控制方法。顺便提一句，为了适当简化或省略说明，在所有各种实施例中，同样的参考编号表示同样的部件。

(第一实施例)

首先，说明根据本发明的第一实施例。

图1是示出当前提交的实施例的电动机驱动4WD车辆的控制设备S的结构的方框图。

当前提交的实施例的控制设备S足以用作控制车辆V的类型，从理论上说，在该车辆V的结构中，利用发动机驱动前轮50和后轮5之任一，而利用电动机驱动前轮50和后轮5之另一。

通常，如图1所示，车辆V包括：发动机1；交流发电机2(42V交流发电机：发电机)，被发动机1的旋转动力驱动，以产生三相交流电(第一三相交流电：接近4kW的最高功率和在11至42Vrms范围内的电压)；电池E1(14V电池)，用于对安装在车辆上的各种测量装置提供电力；以及三相交流电动机M1，用于驱动与差动齿轮相连的后轮5。

此外，控制设备S包括：前升压与降压逆变器3、第一驱动器电路6、后升压与降压逆变器13、第二驱动器电路14、4WD控制器9以及发动机控制器12，此外，该控制设备S还包括：发动机转速传感器10，用于检测发动机1的转速；位置传感器11，用于检测42V交流发电机2的转动位置；电压传感器7，与14V电池E1并联，用于检测14V电池E1的充电电压；以及励磁控制器8，用于控制流过42V交流发电机2的励磁线圈的电流。

更特别是，控制设备S包括：前升压与降压逆变器3，它对42V交流发电机产生的三相交流电(第一三相交流电)进行整流，并将它变换为直流电(第二直流电：接近4kW的最高功率和在16至60V范围内的电压)，以与下面说明的后升压与降压逆变器13配合产生三相交流电(第三交流电：接近4kW的最大功率和22至42Vrms内的电压)，用于驱动三相交流电动机M1。此外，前升压与降压逆变器3将14V电池E1输出的直流电(第四直流电：接近1kW的最大功率和14V的电压)变换为三相交流电，而在升压该三相交流电的同时将该三相交流电施加到42V交流发电机2(所获得的三相交流电对应于第五交流电：接近1kW的最大功率和20Vrms的电压)，此外，对42V交流发电机产生的三相交流电进行整流，并将它变换为直流电，在进行整流的同时，使直流电降压，以提供对14V电池E1进行充电的电力(所获得的直流电对应于第六直流电：接近1kW的最大功率和14V的电压)。

前升压与降压逆变器3包括6个诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)或MOS-FET(金属硅氧化物场效应晶体管)的开关元件Tr1至Tr6。各开关元件Tr1至Tr6具有控制输入端，以可以接通或者断开开关元件Tr1至Tr6的方式，对该控制输入端施加NO/OFF(通/断)信号SI1，以实现整流操作，从而将交流电变换为直流电，反之亦然。前升压与降压逆变器3的负输出端与14V电池E1的负端相连，通过开关SW1，14V电池E1的正端与42V交流发电机的中性点n2相连。

4WD控制器9响应加速度传感器(未示出)输出的加速踏板的致动信号SA和车轮速度传感器(未示出)获得的车轮速度信号SV，识别是否执行4WD驱动。如果识别要进行4WD驱动，则4WD控制器9将转矩命令信号ST送到第二驱动器电路14，而将发电命令信号SG送到第一驱动器电路16。

发动机控制器12响应由安装在发动机1上的发动机转速传感器10产生的检测信号SS和加速度传感器(未示出)的检测信号SA，将点火信号SI送到发动机1的点火器(未示出)，而将喷油阀信号SE送到喷油阀(未示出)。

响应电压传感器7检测的14V电池E1的充电电压、位置传感器11检测的42V交流发电机2的转动位置检测信号SP2、从加速度开关SW2获得的接通或断开信号S2以及来自4WD控制器9的发电命令信号SG，第一驱动器电路6产生ON/OFF信号SI1，ON/OFF信号SI1被送到开关晶体管Tr1至Tr6的控制输入端，开关晶体管Tr1至Tr6被控制，以接通或者断开，而将励磁控制信号SF送到励磁控制器8，将ON/OFF信号S1送到开关SW1。顺便提一句，加速度开关SW2用作使发动机起动的开关，而且加速度开关SW2可以仅包括点火开关。

在其后面的级中与前升压与降压逆变器3相连的是后升压与降压逆变器13。前升压与降压逆变器3的直流输出端的负端与后升压与降压逆变器13的直流输入端的负端相连。后升压与降压逆变器13包括6个诸如IGBT和MOS-FET的开关元件Tr11至Tr16。各开关元件Tr11至Tr16具有控制输入端，以可以接通或断开开关元件Tr11至Tr16的方式，对该控制输入端施加NO/OFF信号S12，从而将直流电(第二直流电)变换为三相交流电(第三三相交流电)，同时使该电压升压。顺便提一句，可以将前升压与降压逆变器3称为第二升压与降压逆变器，而将后升压与降压逆变器13称为第一升压与降压逆变器。

第二驱动器电路14响应安装在三相交流电动机M1的输出轴上的位置传感器15的检测信号SP1以及4WD控制器9输出的转矩命令信号ST，对后升压与降压逆变器13的开关元件Tr11至Tr16的控制输入端施加ON/OFF信号S12，以控制相应开关元件Tr11至Tr16的ON/OFF状态。

三相电动机M1的中性点n1与前升压与降压逆变器3的直流电端的正端相连。此外，通过差动齿轮4，三相电动机M1的输出轴与后轮5相连，以将三相电动机M1的转动功率传递到后轮5。顺便提一句，发动机1的转动功率传递到前轮50。

下面将结合发动机起动、4WD驱动以及14V电池的充电，说明当前提交的实施例的电动机驱动4WD车辆的控制设备的基本操作顺序。顺便提一句，图5一起示出在相应工作模式下，42V交流发电机2、14V电池E1、后升压与降压逆变器13以及三相交流电动机M1的各操作。

发动机起动模式的操作

首先，说明发动机1起动模式下的操作过程。

图2是示出在起动时发动机的基本操作顺序的流程图。

如图2所示，首先，在步骤S1，当车辆的使用者致动加速器时，接通加速器开关SW2。

在下一个步骤S2，第一驱动器电路6响应ON信号S2将命令信号SF发送到励磁控制器8，以激励42V交流发电机2的励磁线圈。

在后面的步骤S3，第一驱动器电路6将信号S1送到开关SW1，以接通该开关SW1，从而在42V交流发电机2的中性点n2与14V电池E1的正端之间提供电连接。

这样可以使14V电池E1充入的直流电施加到前升压与降压逆变器3，然后，在步骤S4，在第一驱动器电路6的控制下，控制各开关元件Tr1至Tr6的ON/OFF状态以升压到42伏的电压，而在步骤S5，将直流电变换为三相交流电。

在后续步骤S6，响应位置传感器11发送的42V交流发电机2的转动位置信号SP2，对42V交流发电机2施加42伏的三相交流电机，从而旋转驱动该42V交流发电机2。在此，由于42V交流发电机2与发动机1相连，所以将42V交流发电机2的转动功率传送到发动机1，这样起动发动机1。

在后续步骤S7，发动机1的转速升高，而且在确认起动发动机1时，在后续步骤S8，中断前升压与降压逆变器3，以使42V交流发电机2停止转动。

然后，在步骤S9，断开开关SW1，中断当前的一系列操作。

如上所述，升压对14V电池E1供电的直流电，然后，将它变换为三相交流电，以旋转驱动42V交流发电机2，42V交流发电机2的驱动力能起动发动机1。即，在广泛的概括说明中，当工作模式(MODE)取决于发动机起动(ENG START)时，使42V交流发电机(ALT)用作电动机(MOT)，如图5所示。在发生这种情况时，前升压与降压逆变器(FR INV)在电源运行模式(power runningmode)(PWR)下工作，而14V电池(BAT)放电(DISCH)，后升压与降压逆变器(RR INV)和三相交流电动机(MOT)停止(STOP)，以进入其中利用14V电池和前升压与降压逆变器驱动42V交流发电机2，从而起动发动机(ACTUATE ALT AND START ENG)的操作(OPERATION)。

4WD驱动模式下的运行过程

接着，对4WD驱动模式下的基本操作顺序进行说明。

图3是示出4WD驱动模式下的基本操作顺序的流程图。

如图3所示，在步骤S11，4WD控制器9响应从车轮速度传感器获得的车轮速度SV以及从加速度传感器获得的加速度致动信号SA，识别是否执行4WD驱动。如果识别到要进行4WD驱动，则将发电命令信号SG送到第一驱动器电路6，而将转矩命令信号ST送到第二驱动器电路14。

在后续步骤S12，第一驱动器电路6将命令信号SF送到励磁控制器8，用于激励42V交流发电机2的励磁线圈。这样可以使42V交流发电机2作为发电机工作，而且将发动机1的转动功率送到与发动机1相连的42V交流发电机2，以产生三相交流电。

然后，将该三相交流电送到前升压与降压逆变器3，然后，在步骤S13，前升压与降压逆变器3将三相交流电动机整流为直流电。

在后续步骤S14，在第二驱动器电路14的控制下，控制后升压与降压逆变器13的各开关元件Tr11至Tr16，以被接通或者断开，从而升压前升压与降压逆变器3输出的直流电，而将直流电变换为三相交流电。

接着，将该三相交流电送到三相交流电动机M1，然后，在步骤S15，响应位置传感器15的检测信号SP1，旋转驱动三相交流电动机M1。

如上所述，即使前升压与降压逆变器3输出的直流电具有低电平，仍可以使直流电压升压到要求的电平，以提供到三相交流电动机M1。通过差动齿轮4，该三相交流电动机M1的转动功率传递到后轮5，实现4WD驱动。即，在广泛概括说明中，当工作模式(MODE)为4WD驱动时，使42V交流发电机(ALT)用作发电机(ALT)，如图5所示。在发生这种情况时，前升压与降压逆变器(FR INV)在再生模式(RGEN)(regenerative mode)下工作，14V电池(BAT)放电(DISCH)，后升压与降压逆变器(RR INV)在电源运行模式(powerrunning mode)(PWR)下工作，以在其中使42V交流发电机2产生电力(GENERATE WITH ALT)的工作过程(OPERATION)中，驱动(DR)三相交流电动机(MOT)，而前升压与降压逆变器在再生模式(regenerative mode)下工作，其中将电力送到后升压与降压逆变器(REGENERATE WITH FR AND SUPPLY PWR TO FRINV)，使后升压与降压逆变器驱动三相交流电动机(DRIVE MOTWITH RR INV)。

14V电池充电模式下的运行过程

接着将说明对14V电池E1进行充电的基本操作顺序。

图4是输出对14V电池E1进行充电的基本操作顺序的流程图。

如图4所示，首先，在步骤S21，第一驱动器电路6进行识别，以确定车辆是否保持4WD驱动模式，即，是否使三相交流电动机M1转动。特别是，根据是否将发电命令信号SG送到第一驱动器电路6，进行该识别过程。

因此，如果识别到不存在4WD驱动，则在后续步骤S22，进行识别以发现发动机1是否保持起动操作。特别是，在上述发动机起动操作过程中，识别发动机1是否保持起动操作，直到在步骤S7，起动发动机1，而在确认起动了发动机1后，在不存在发动机1的起动操作的情况下，终止发动机1的起动操作。

接着，如果识别未出现发动机的起动操作，则在后续步骤S23，第一驱动器电路6输出命令信号SF，以激励42V交流发电机2的励磁线圈，并控制励磁使42V交流发电机2的输出电压接近14伏的值。

接着，在步骤S24，第一驱动器电路6使开关SW1接通，在后续步骤S25，响应电压传感器7的检测信号SV，控制流入42V交流发电机2、用于激励的电流，同时使前升压与降压逆变器3在再生模式下工作以将施加到14V电池E1的电压调节到14伏，对14V电池E1进行充电。

因此，如果车辆保持不进行4WD驱动和起动操作，则完成对14V电池E1进行充电。即，在广泛的概括说明中，在如图5所示，工作模式(MODE)为14V电池的充电模式(BAT CHG)时，使42V交流发电机(ALT)作为发电机(ALT)工作。在发生这种情况时，前升压与降压逆变器(FR INV)在再生模式(RGEN)下工作，以对14V电池(BAT)充电(CHG)，并且使后升压与降压逆变器(RR INV)停止(STOP)，以使三相交流电动机(MOT)停止。在该运行过程(OPERATE)中，42V交流发电机2产生电力(GENERATE WITHALT)，而前升压与降压逆变器在再生模式下工作，以对14V电池E1充电(REGENERATE WITH FR INV AND CHARGE BAT)。

如上所述，利用当前提交的实施例的电动机驱动4WD车辆的控制设备，因为对于42伏电压的三相交流电驱动的三相交流电动机M1和以14伏的直流电充电的14V电池E1，能够共同使用42V交流发电机2产生的电力，所以不需要对各种用途提供单独的发电机，从而简化设备结构。此外，节省了该设备所需的安装空间，降低了重量和成本。

即，能够将公用电动机/发电机产生的电力用于：适于以要驱动的给定额定电压对其施加交流电的交流电动机；以及适于以比给定额定电压低的额定电压的直流电充电和供电的电池，使得可以提高布局的自由度，同时降低重量和成本。

此外，由于将42V交流发电机2产生的电变换为直流电，然后，利用后升压与降压逆变器13升压，以旋转驱动三相交流电动机M1用以驱动后轴50，可以将送到三相电动机M1的电压升高到42V交流发电机2产生的电力的电压，从而使AC电动机实现小型化而且重量轻。

即，利用整流装置，将发电机获得的三相交流电变换为直流电，同时利用第一升压与降压逆变器升压直流电以提供用于驱动交流电动机的电力，因此，即使发电机产生低电功率，可以放大该电功率，然后，将该电功率送到交流电动机，使交流电动机小型化而且重量轻。

此外，通过在42V交流发电机2的后级设置了前升压与降压逆变器3以使前升压与降压逆变器3对42V交流电动机2产生的三相交流电进行整流，此外，利用该前升压与降压逆变器3将14V电池E1充入的直流电变换为输出到42V交流发电机2的三相交流电，42V交流发电机2可以用作用于起动发动机1的电动机，而且不需要单独提供用于起动发动机1的特定设备，从而简化设备结构。

即，在发电机的后续级设置第二升压与降压逆变器，以使第二升压与降压逆变器将三相交流电变换为直流电，并在起动发动机期间，利用第二升压与降压逆变器，将电池充入的直流电变换为三相交流电，将该三相交流电送到发电机，以使该发电机用作用于起动发动机的电动机，因此，不需要单独设置用于起动发动机的设备，从而简化了设备结构。

此外，由于利用前升压与降压逆变器使42V交流电动机2产生的三相交流电降压和整流，以使获得的直流电送到14V电池E1，从而对该14V电池E1进行充电，所以容易获得对14V电池E1进行充电的电力，能使14V电池E1保持在适当充电电压。

即，由于利用第二升压与降压逆变器可以使发电机产生的交流电降压和整流，以使获得的直流电对电池进行充电，容易实现对电池进行充电，能使电池的充电电压保持适当值。

(第二实施例)

接着，将说明根据本发明的第二实施例。

图6是示出当前提交的实施例的电动机驱动4WD车辆的控制设备S’的结构的方框图。

如图6所示，与在第一实施例中相同，当前提交的实施例的控制设备S’包括：发动机1、42V交流发电机2、三相交流电动机M1、发动机转速传感器10、后升压与降压逆变器(第一升压与降压逆变器)13以及4WD控制器9，但是与第一实施例不同主要在于没有前升压与降压逆变器(第二升压与降压逆变器)3。

此外，当前提交的实施例的控制设备S’进一步包括：二极管电桥电路23，它对42V交流发电机2产生的三相交流电进行整流，其输出端具有与三相电动机M1的中性点n1相连的正端。此外，控制设备S’包括驱动器电路21，根据4WD控制器9输出的转矩命令信号ST，它将命令信号SF1输出到励磁控制器8，而将命令信号SF2输出到励磁控制器8，以控制用于对三相交流电动机M1进行励磁的电流，同时将ON/OFF信号输出到后升压与降压逆变器13的各开关元件Tr11至Tr16的控制输入端。

下面将说明在4WD驱动模式期间执行的、当前提交的实施例的电动机驱动4WD车辆的控制设备的基本操作顺序。顺便提一句，可以明白，概括说明42V交流发电机2、后升压与降压逆变器13以及三相交流电动机M1在4WD驱动模式下的操作过程，如图7所示。

4WD驱动模式下的操作过程

如果响应车轮传感器的输出信号SV和进行4WD控制的加速度传感器的输出信号SA，4WD控制器9识别4WD控制器9将转矩命令信号ST送到驱动器电路21。

这样可以使驱动器电路21将命令信号SF1发送到励磁控制器8，从而激励42V交流发电机2的励磁线圈。这样与第一实施例中相同，可以使42V交流发电机2用作发电机，42V交流发电机2利用发动机1的转动功率转动。由于42V交流发电机2发电产生的输出功率被二极管电桥电路23整流，然后，被送到三相交流电动机M1的中性点n1。

在这种状态下，驱动器电路21将命令信号SF2送到励磁控制器22，以使三相交流电动机M1的励磁线圈保持激励状态，此外，还将ON/OFF控制信号送到后升压与降压逆变器13的开关元件Tr11至Tr16的控制输入端，以控制开关元件Tr11至Tr16，从而将二极管电桥电路23输出的直流电变换为要求电平的三相交流电，然后，将该三相交流电送到三相交流电动机M1。

因此，旋转驱动三相交流电动机M1，转动功率被传递到后轮5，从而实现旋转驱动后轮5转动的4WD驱动。即，在广泛概括说明中，当工作模式(MODE)为4WD驱动模式(4WD)时，如图7所示，使42V交流电动机(ALT)用作发电机(ALT)。在发生这种情况时，后升压与降压逆变器(RR INV)在电源运行模式(power runningmode)(PWR)下工作，以驱动(DR)三相交流电动机(MOT)。在该操作过程(OPERATION)中，42V交流发电机2产生电功率(GENERATE WITH ALT)，而后升压与降压逆变器使三相交流电动机(DRIVE MOT WITH RR INV)工作。

如上所述，利用电动机驱动4WD车辆的控制设备，因为能够将42V交流发电机2产生的电功率用于42伏的三相交流电驱动的三相交流电动机M1和14伏的直流电充电的14V电池E1，所以不需要为了各种用途而设置单独发电机，因此能简化设备结构。此外，可以实现将该设备的安装空间降低到最小的空间，因此降低了重量和成本。

此外，由于可以将42V交流发电机2产生的交流电变换为直流电，根据该直流电，后升压与降压逆变器13升压该直流电，以旋转驱动三相交流电动机M1，从而驱动后轴5，可以使送到三相交流电动机M1的电压升高到比42V交流发电机2产生的电平高的电平，从而使三相交流电动机M1实现小型化，而且使其重量轻。

此外，因为将二极管电桥电路23用作用于整流42V交流发电机2产生的三相交流电的整流装置，所以可以简化整流装置的结构，将该设备结构降低到最小，而且使其重量轻，从而降低成本。

即，由于可以将二极管电桥电路用作用于整流发电机产生的交流电的整流装置，所以可以将设备规模降低到最小，而且可以使其重量轻，同时降低成本。

在此引用2003年11月27在日本提交的第TOKUGAN 2003-397304号专利申请的全部内容供参考。

尽管参考本发明的特定实施例对本发明进行了说明，但是本发明并不局限于上述实施例。根据上面讲述的内容，本技术领域内的技术人员可以设想对上述实施例进行修改和变化。所附权利要求确定本发明的范围。