JP2005033901A

JP2005033901A - Controller of electric vehicle, and its controlling method

Info

Publication number: JP2005033901A
Application number: JP2003195238A
Authority: JP
Inventors: Kenji Fujiwara; 謙二藤原; Takatoshi Kogure; 孝敏小暮; Masayuki Morimoto; 雅之森本; Takao Sakurai; 貴夫桜井; Isao Baba; 功馬場
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-07-10
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2005-02-03
Anticipated expiration: 2023-07-10
Also published as: JP3854591B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a controller of an electric vehicle proper to field-weakening control for lowering the cost of a short circuit switch which protects a battery upon breakdown of a control element during field-weakening control. <P>SOLUTION: The control method of an electric vehicle comprises a step for distributing power from a battery 7 to a polyphase motor 4 through a plurality of reverse flow permitting power distribution control elements 12-j in an inverter, a step for detecting an abnormality in the inverter 6, a step for disconnecting the inverter 6 and the battery 7 in response to the abnormality, and a step for short-circuiting the neutral 51 of the motor 4 and the negative electrode side of a capacitor 18 interposed between the inverter 6 and the battery by means of a short circuit switch 53. Induction voltage is lowered through short circuit of the neutral and the capacitor 18 is protected effectively when the inverter 6 and the battery 7 are disconnected. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法に関し、特に、電気自動車のインバータ切り離し時に電気制御回路を保護するための電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車は、排出炭酸ガス削減の技術として有望視されている。電車、工作機械に用いられる電気モータ（以下、モータといわれる）と異なり激しいトルク変化を受ける自動車用モータは、システム効率の一層の向上と電気機器系統の一層の安全性が求められる。電池からインバータを介して交流３相電力の供給を受けるモータは、常態的に発電電力を電池の側に送り返す。図１は、バッテリー１０１から電力を受けて駆動されるモータ１０２を示している。モータ１０２のＵ相Ｖ相線間の回生電流Ｉｒ（ｔ）は、下記の式で表される。
Ｉｒ（ｔ）＝（Ｅｕｖ−Ｅｏ）／（Ｚｕｖ＋Ｒｏ）・・・（１）
Ｅｕｖ：誘起電圧
Ｅｏ：充電時バッテリー電圧
Ｒｏ：充電時バッテリー入力インピーダンス
Ｚｕｖ：線間インピーダンス
Ｚｕｖ＝（Ｒｕｖ^２＋ω^２・Ｌｕｖ^２）^１／２
Ｌｕｖ＝線間インダクタンス
Ｒｕｖ：線間電気子抵抗
【０００３】
回転数がある回転数より大きくなればＥｕｖがＥｏより大きくなって、インバータからモータに電力を供給することができなくなる高速域の運転の制御ができなくなることを防止するために、インバータの制御によりｄ軸電流を強制的に流すことにより、回転子に固定されている磁石の高速回転に起因して誘起される誘起電圧Ｅｕｖの上昇を抑える制御技術が知られている。そのような制御技術は、弱め界磁制御といわれる。後掲特許文献１は、そのような弱め界磁制御の問題点を指摘している。高速域の運転中にインバータと電池との間の直流接続線を切ることが必要である場合がある。そのような場合として、電気機器系統の局所的部分の異常高温化が知られている。
【０００４】
弱め界磁制御運転中にスイッチ１０３が開かれると、弱め界磁制御が実行されず、スロットの界磁巻線と回転子側の磁石の相対的高速度に起因する誘起電圧Ｅｕｖが平滑コンデンサ１０４に印加される。誘起電圧Ｅｕｖは、平滑コンデンサ１０４の許容電圧を越えることがある。特許文献１は、そのような場合に平滑コンデンサ１０４を保護する技術を開示している。この技術は、モータの入力端子を短絡することにより平滑コンデンサを保護していて、高速域の弱め界磁制御（零トルク制御又は低トルク制御ともいわれる）を断念している。インバータをバッテリーから切断することは、インバータを保護するための決定的な解決にはならない。スロットの巻線に供給する電流の電流量は少ないが電圧が高いモータでは、誘起電圧が高い誘起電流Ｉｒ（ｔ）の一部がインバータを形成するトランジスタ又はサイリスタのような制御素子を破壊することが観測されている。モータ制御不能状態を招くインバータ破壊を検出するために、制御素子には素子破壊検出回路が付随している。素子破壊検出信号を受けるインバータ制御回路は、インバータとバッテリーを接続する接続線を切断し、インバータとモータを接続する接続線を切断し、又は、誘起電圧が過度にバッテリーにかかることがないようにモータの３相線間を短絡することにより、バッテリーを保護している。将来的に望まれる小型高性能のモータでは、より高い誘起電圧による不具合の発生がより強く懸念される。弱め界磁制御が実行されている状態で、制御素子に異常が発生する際に高い誘起電圧がバッテリーに作用することを回避するための接続線の切断又は短絡は、切断又は短絡による二次障害が発生し、二次障害の障害度を抑制するために切断用リレー又は短絡用リレーは高価であるという副次的問題を孕んでいる。
【０００５】
弱め界磁制御中の制御素子の破壊に際してバッテリーを保護する短絡スイッチが低廉であるような制御方法の提供が求められる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平９−４７０５５号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、弱め界磁制御中の制御素子の破壊に際してバッテリーを保護する短絡スイッチを低廉化する電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、弱め界磁制御中の制御素子の破壊に際してバッテリーを保護する短絡スイッチの低廉化が採用される弱め界磁制御に対して適正である電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法を提供することにある。
本発明の別な課題は、パワーモジュールのメインテナンスを簡素化することによりサービスを向上させる電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による電気車輌の制御装置は、車体（１）に支持される回路形成体と、車体（１）に支持されるバッテリー（７）と、車体に支持されるモータ（４）とから構成されている。その回路形成体は、バッテリー（７）からモータ（４）の複数相に電気的パワーを分配するパワー分配器（１２）と、その電気的パワーの分配を制御する制御器（１４）と、パワー分配器（１２）とバッテリー（７）の間でパワー分配器（１２）に対して並列に接続されるコンデンサ（１８）と、コンデンサ（１８）とバッテリー（７）の間に介設される開閉スイッチ（３４）とから形成されている。パワー分配器（１２）は、電気的パワーを複数相に時系列的に分配し逆流を許容する複数相対応の逆流許容パワー分配制御素子（１２−ｊ）を含んでいる。コンデンサ（１８）の負極側とモータ（４）の中性点（５１）を開閉自在に短絡する短絡スイッチ（５１）が更に追加される。開閉スイッチ（３４）開かれる際に、短絡スイッチ（５１）が閉じられる。短絡スイッチ（５１）は、コンデンサ（１８）の負極側とモータ（４）の中性点（５１）との間が短絡する。
【０００９】
コンデンサ（１８）の負極側とモータ（４）の中性点（５１）との間の短絡は、中性点電圧を降下させ、特定相の誘起電圧を低下させる。このように低下する誘起電圧は、コンデンサ（１８）の耐圧電圧より十分に低い電圧に降下する。このような降下は、コンデンサ（１８）を有効に保護する。交流電圧がかかる短絡スイッチ（５１）は、直流電圧がかかるスイッチよりその製造コストが低く、インバータ特にコンデンサの保護のためのコスト上昇を有効に抑制することができる。
【００１０】
回路形成体には、複数相対応の逆流許容パワー分配制御素子の異常を検出して異常検出信号（５５−ｊ）を出力する異常検出回路（５４−ｊ）が更に付加される。制御器（１４）は、異常検出信号（５５−ｊ）に対応して開閉スイッチ（３４）を開き、且つ、異常検出信号（５５−ｊ）に対応して短絡スイッチ（５３）を閉じる。
【００１１】
回路形成体は単一の基板（１１）に形成されることが特に有利である。パワー分配器（１２）と制御器（１４）とコンデンサ（１８）と異常検出回路（５４−ｊ）は基板（１１）に形成されることが特に有利である。集積的に形成されるパワー分配器（１２）と制御器（１４）とコンデンサ（１８）と異常検出回路（５４−ｊ）は、その組立の容易さが全体のコストを低減し、耐振動性を有する。パワー分配器（１２）と制御器（１４）とコンデンサ（１８）のいずれかが故障し又は異常を示す場合には、特に、パワー分配器（１２）に含まれる電流制御素子であるサイリスタ又はトランジスタが故障した場合には、その故障基板を他の正常基板（１１）と取り換える作業が顕著に簡素である。その集積は、立体的な実装を部分的に含むことができる。
【００１２】
冷却構造を基板（１１）に同体化することは、冷却効率の上昇と冷却構造の簡素化の両面で、製造コストを更に低減する。バッテリー（７）とパワー分配器（１２）を接続する配線（１５−２）が基板（１１）に形成されることは、製造コストを更に低減することができる。
【００１３】
開閉スイッチは、第１種開閉スイッチ（３４）と、コンデンサ（１８）とバッテリー（７）の間で第１種開閉スイッチ（３４）に並列に接続される第２種開閉スイッチ（３５）を形成する。コンデンサ（１８）とバッテリー（７）の間で第２種開閉スイッチ（３５）に直列に接続される電流制限抵抗（３６）が挿入される。コンデンサ（１８）とバッテリー（７）とを接続し第１種開閉スイッチ（３４）が介設される線の抵抗の抵抗値は電流制限抵抗（３６）の抵抗値に比べて実質的に零である。第１種開閉スイッチ（３４）が開かれた後の近傍期間で第２種開閉スイッチ（３５）が開かれ、電圧・電流の急変が緩和され、回路の保護を強化することができる。
【００１４】
本発明による電気車輌の制御方法は、バッテリー（７）からインバータの複数の逆流許容パワー分配制御素子（１２−ｊ）を介して電力を多相のモータ（４）に分配するステップと、インバータ（６）の異常を検出するステップと、その異常に対応してインバータ（６）とバッテリー（７）の間を切断するステップと、その異常に対応して、インバータ（６）とバッテリーの間に介設されているコンデンサ（１８）の負極側とモータ（４）の中性点（５１）とを短絡スイッチ（５３）により短絡するステップとから構成されている。中性点の短絡は、既述の通り、誘起電圧の降下を導いて、インバータ（６）とバッテリー（７）の間の切断の際に、コンデンサを有効に保護する。
【００１５】
その短絡するステップは、モータ（４）の特定相で生成される誘起電流（Ｉｒ（ｔ））をインバータ（６）の特定相に対応する対応相逆流用ダイオードを介してコンデンサ（１８）に充電するステップを形成している。その充電電圧は低く抑えられていて、コンデンサを保護している。逆流許容パワー分配制御素子（１２−ｊ）が異常であるが故障でない場合には、その充電はモータの推進又は弱め界磁制御のために用いられ得る。
【００１６】
その短絡するステップは、中性点（５１）を短絡スイッチ（５３）に接続し、短絡スイッチ（５３）をその特定相とは異なる異相の逆流許容パワー分配制御素子（１２−Ｖｏｕｔ）に接続し、その異相の逆流許容パワー分配制御素子（１２−Ｖｏｕｔ）を中性点（５１）に接続する循環回路を形成するステップを含む。このような循環回路の形成は、既述の電圧降下を確実に有効化する。
【００１７】
異常に対応しないで、インバータ（６）とバッテリー（７）の間を切断するステップと、その特定相に対応する逆流許容パワー分配制御素子（１２−Ｕｉｎ）を導通させてモータ（４）の特定相にコンデンサ（１８）のパワーを分配するステップの追加は、弱め界磁制御のために充電電力を利用することができる点で好ましい。
【００１８】
本発明による電気車輌の制御方法は、下記のステップにより効果的に実施され得る。そのステップは、基板（１１）に回路を形成するステップと、基板（１１）を電気車輌の車体）（１）に着脱可能に取り付けるステップとを構成している。その回路は、パワーモジュール（１２）と、パワーモジュール（１２）をモータ（４）に接続する配線（１５−２）と、パワーモジュール（１２）と基板（１１）の外側に配置されるバッテリー（７）との間に介設される平滑コンデンサ（１８）の負極側を車体（１）に支持されているモータ（４）の中性点（５１）に短絡可能に接続する短絡スイッチ（５３）を形成している。パワーモジュール（１２）の故障が検出される場合に、その故障の基板（１１）を正常な基板（１１）に取り替えることは、メインテナンス・サービスを向上させることができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明による電気車輌の制御方法は、短絡スイッチを交流中性点を短絡する短絡線に介設していて、短絡スイッチを低廉化することができる。弱め界磁制御中の制御素子の破壊に際してバッテリーを保護する短絡スイッチの追加は、切断時の弱め界磁制御に融合する。パワーモジュールのメインテナンスを簡素化することによりサービスを向上させることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明による具現化される電気車輌の制御装置は、図の対応により詳しく具体的に記述される。図２は、電気車輌として、ハイブリッド自動車を例示している。そのハイブリッド自動車の車体１は、前２輪２と後２輪３とにより地面に対して支持される。車体１には、モータ４と、エンジン５と、インバータ６と、バッテリー７とが搭載されている。後２輪３は、車軸を構成する差動ギア８と減速機９とを介して、モータ４に機械的に連結している。エンジン５は、モータ４に直列に軸連結している。インバータ６は、バッテリー７の電気的パワーを制御的にモータ４に供給する。
【００２１】
図３は、モータ４とバッテリー７との間に介設されるインバータ６の基板内集積構造を示している。インバータ６は、基板１１に集積的に形成される。インバータ６は、パワーモジュール１２と、パワーモジュール１２に入力電力を入力する電源回路１３と、パワーモジュール１２の出力電力を制御する制御回路１４とから構成されている。基板１１には、バッテリー７を電源回路１３に接続する第１配線構造１５−１と、バッテリー７をパワーモジュール１２に接続する第２配線構造１５−２が形成されている。第１配線構造１５−１と第２配線構造１５−２は、並列にバッテリー７に接続している。第１配線構造１５−１と第２配線構造１５−２は、基板１１の縁に配置される共通の接続端子１６を介してバッテリー７に接続している。第１配線構造１５−１と第２配線構造１５−２の共通部分には第１平滑コンデンサ１７が挿入されている。第２配線構造１５−２には、第２平滑コンデンサ１８が挿入されている。第１配線構造１５−１には、放電抵抗１９が挿入されている。制御回路１４は、国際規格通信線２１を介して上位コントローラ２２に接続している。国際規格としてＣＡＮが採択されている。ＣＡＮに準拠して上位コントローラ２２から送信される来る制御信号は、インタフェース２０を介して制御回路１４に入力される。インタフェース２０は、基板１１に形成され、基板１１と上位コントローラ２２の電気的接続が容易である。
【００２２】
パワーモジュール１２は、Ｕ相電力供給線２３とＶ相電力供給線２４とＷ相電力供給線２５とを介してモータ４に接続している。Ｕ相電力供給線２３は、パワーモジュール１２と基板１１の縁に配置されるＵ相端子２６との間で基板１１に形成される基板内Ｕ相電力供給線２３−１と、Ｕ相端子２６とモータ４との間で配線される基板外Ｕ相電力供給線２３−２とから形成されている。Ｖ相電力供給線２４は、パワーモジュール１２と基板１１の縁に配置されるＶ相端子２７との間で基板１１に形成される基板内Ｖ相電力供給線２４−１と、Ｖ相端子２７とモータ４との間で配線される基板外Ｖ相電力供給線２４−２とから形成されている。Ｗ相電力供給線２５は、パワーモジュール１２と基板１１の縁に配置されるＵ相端子２８との間で基板１１に形成される基板内Ｗ相電力供給線２５−１と、Ｕ相端子２８とモータ４との間で配線される基板外Ｗ相電力供給線２５−２とから形成されている。
【００２３】
基板内Ｕ相電力供給線２３−１と基板内Ｖ相電力供給線２４−１と基板内Ｗ相電力供給線２５−１には、それぞれにＵ相電流検出器２９とＶ相電流検出器３１とＷ相電流検出器３２が介設されている。Ｕ相電流検出器２９とＶ相電流検出器３１とＷ相電流検出器３２がそれぞれに検出する３相電流値信号３３は、電源回路１３にフィードバックされる。３相電流値信号３３は、パワーモジュール１２を構成する電力供給制御素子の開閉動作のタイミング制御に用いられる。電力供給制御素子としては、トランジスタ群が用いられ、特に好適にはサイリスタ群の位相制御のために用いられる。
【００２４】
バッテリー７の正極側と第２平滑コンデンサ１８の間に２種の開閉スイッチが挿入されている。２種の開閉スイッチは、第１種開閉スイッチ３４と第２種開閉スイッチ３５とで形成されている。第１種開閉スイッチ３４と第２種開閉スイッチ３５は、並列に配置されている。電圧急変緩和抵抗３６は、バッテリー７の正極側と第２平滑コンデンサ１８の間で第２種開閉スイッチ３５に対して直列に配置されている。
【００２５】
図４は、バッテリー７とパワーモジュール１２と第２平滑コンデンサ１８とモータ４との電気的接続関係を示している。パワーモジュール１２は、基本的には、電力の供給量を時系列的に制御する６個の逆流許容電力供給制御素子により構成されている。６個の逆流許容電力供給制御素子の接続関係は、公知の接続関係がそのままに利用されている。２個の逆流許容電力供給制御素子はモータ４にＵ相電力を供給し、他の２個の逆流許容電力供給制御素子はモータ４にＶ相電力を供給し、更に他の２個の逆流許容電力供給制御素子はモータ４にＷ相電力を供給する。
【００２６】
３相間の中性点５１は、図４に示されるように、第２平滑コンデンサ１８の負極側に短絡可能に接続されている。中性点５１を第２平滑コンデンサ１８の負極側に短絡する短絡線５２には、中性点短絡スイッチ５３が介設されている。
【００２７】
図５は、中性点短絡回路を示している。基板１１の上には、逆流許容電力供給制御素子１２−Ｕｉｎ，Ｕｏｕｔ，Ｖｉｎ，Ｖｏｕｔ，Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔ（以下、１２−ｊ）の近傍に故障（異常）検出回路５４−ｊが集積的に配置されている。１つの逆流許容電力供給制御素子１２−ｊと１つの故障検出回路５４−ｊは１つの対を形成している。逆流許容電力供給制御素子１２−ｊが故障し又は異常化すれば、故障検出回路５４−ｊは、故障（異常）検出信号５５−ｊを出力する。故障検出信号５５−ｊは、制御回路１４に含まれるＣＰＵ５６に入力される。制御回路１４は、故障検出信号５５−ｊを受信する時刻と概ね同時刻に第１種開閉スイッチ３４を開く第１種開閉スイッチオフ信号５７を第１種開閉スイッチ３４に対して出力し、その時刻から数ｍｓｅｃ遅延して、又は、遅延しないで、第２種開閉スイッチ３５を開く第２種開閉スイッチオフ信号５８を第２種開閉スイッチ３５に対して出力し、その時刻と概ね同時刻に中性点短絡スイッチ５３を閉じる中性点短絡信号５９を中性点短絡スイッチ５３に対して出力する。制御回路１４は、故障検出信号５５−ｊを受信せずに弱め界磁制御を実行する場合には、故障検出信号５５−ｊ又は高温信号を受信する時刻と概ね同時刻に第１種開閉スイッチオフ信号５７を出力し、その時刻から数ｍｓｅｃ遅延して、第２種開閉スイッチオフ信号５８を出力し、弱め界磁制御信号６１を対応相の逆流許容電力供給制御素子１２−ｊに対して出力する。
【００２８】
各相の線間電圧のうちＵ相Ｖ相間電圧はＥｕｖで表され、バッテリー電圧はＥｏで表され、電圧急変緩和抵抗３６が閉じている間の電圧急変緩和抵抗３６の両端電圧はＶｂで表され、モータ投入電圧はＶｉｎで表され、回生電流はＩｒ（ｔ）で表され、バッテリー両端電圧はＥｏ（ｔ）で表されて、次式が成立する。
Ｖｉｎ＝Ｉｒ（ｔ）・Ｚｕｖ・・・（２−１）
Ｖｂ：Ｖｉｎ＝Ｒｏ：Ｚｕｖ・・・（２−２）
Ｖｂ＋Ｖｉｎ＝Ｅｕｖ−Ｅｏ・・・（２−３）
ここで、Ｒｏ、Ｚｕｖは既出の式（１）で定義されている。式（２−１，２，３）から式（１）が導かれている。図６は、相電圧Ｕ，Ｖ，Ｗと、線間電圧（誘起電圧）Ｅｕｖ，Ｅｖｗ，Ｅｗｕと、太い線で描かれている回生電圧Ｅｒ（ｔ）とを示している。
【００２９】
第１種開閉スイッチ３４が閉じられいる正常運転状態では、パワーモジュール１２により弱め界磁制御が実行される。零トルク制御又は低トルク制御と別称される弱め界磁制御は業界で普通に用いられる慣用的表現であるが、本明細書では、文字通りの意味で、誘起電圧押さえ込み制御といわれる。今、Ｕ相Ｖ相間の印加電圧が零である期間では、図７に示されるように、ロータ側固定磁石３７は、ステータ側スロットの磁束形成誘導部分３８に対して真正面位置であるｄ軸位置にある。磁束変化が最大になるｄ軸位置で、ロータ側固定磁石３７の運動に起因して磁束形成誘導部分３８に巻かれているコイル（電気子巻線）に発生する誘起電圧Ｅｕｖは最大になる。誘起電圧Ｅｕｖが最大になる期間の誘起電流は、図４に矢印３９で示されるように、Ｕ相サイリスタ１２−Ｕに並列に接続されている逆流整流器（ダイオード）を通り、第２平滑コンデンサ１８に向かう。
【００３０】
第１種開閉スイッチ３４が開かれ、又は、第１種開閉スイッチ３４と第２種開閉スイッチ３５とが開かれた場合には、回生電圧の発生に起因する回生電流Ｉｒ（ｔ）は、第２平滑コンデンサ１８に対して負担をかけ、更には、誘起電流Ｉｒ（ｔ）が押し寄せるパワーモジュール１２の構成部品のうち対応相の逆流許容電力供給制御素子に負担をかける。逆流許容電力供給制御素子のうち逆流を許容するダイオードには問題となるような負担はかからないが、制御信号により動作状態が遷移するサイリスタ又はトランジスタには問題になる負担がかかる。
【００３１】
このように回生電圧の発生に起因する回生電流Ｉｒ（ｔ）は、第１種開閉スイッチ３４が開かれ、又は、第１種開閉スイッチ３４と第２種開閉スイッチ３５とが開かれた場合には、第２平滑コンデンサ１８に対して多様な負担をかける。このような期間で、Ｕ相サイリスタ１２−Ｕがオンに点弧され、誘起電流Ｉｒ（ｔ）を１２−Ｕを通じて再逆流させ、誘起電流Ｉｒ（ｔ）の逆流を押さえ込む。このような開閉制御が、３相電流値信号３３又は制御回路１４に電子化されているプログラムの制御によりパワーモジュール１２のＵ相サイリスタ１２−Ｕに対して実行される。
【００３２】
第１種開閉スイッチ３４の開動作直後には、回生電流Ｉｒ（ｔ）はＵ相サイリスタ１２−Ｕを通り電圧急変緩和抵抗３６を介してバッテリー７に逆流し得るが、電圧急変緩和抵抗３６の抵抗値の適正化により、その逆流の程度を抑制することができる。第１種開閉スイッチ３４の開動作の直後には、回生電流Ｉｒ（ｔ）は回生されて第２平滑コンデンサ１８に充電が可能である。その充電期間（以下、第１充電期間といわれる）は、第２平滑コンデンサ１８に過大な負担がかからない程度に短く設定される。第２平滑コンデンサ１８の耐圧がＫボルトであれば、その充電期間は、０．７Ｋの程度を越えない期間の長さ以下に抑えられる。次に、第１種開閉スイッチ３４が開放され、バッテリー７は完全にパワーモジュール１２とモータ４とから遮断（開放）される。回生電流Ｉｒ（ｔ）の全ては、モータ４から矢印３９を介して第２平滑コンデンサ１８に向かう。この場合の充電期間（以下、第２充電期間といわれる）は、第１充電期間と同じ充電条件が課され、第２平滑コンデンサ１８に過大な負担がかからない程度に短く設定される。第２平滑コンデンサ１８の耐圧がＫボルトであれば、その充電期間は、０．７Ｋの程度を越えない期間の長さ以下に抑えられる。第１種開閉スイッチ３４の開放の直後に第３充電期間が設定されることは好ましい。第３充電期間には、既述の第１充電期間と既述の第２充電期間の充電条件が課される。第３充電期間は、第２平滑コンデンサ１８に過大な負担がかからない程度に短く設定され、第２平滑コンデンサ１８の耐圧がＫボルトであれば、その充電期間は０．７Ｋの程度を越えない期間の長さ以下に抑えられる。このような充電期間は、μｓｅｃのオーダーで制御回路１４のプログラムにより制御される。
【００３３】
第１充電期間、第１充電期間に第２充電期間が加算された第１加算充電期間、又は、更にこの期間に第３充電期間が加算された第２加算充電期間で蓄積された電圧に対応して第２平滑コンデンサ１８からＵ相サイリスタ１２−Ｕに向かう電流（弱め界磁電流）は、これらの期間が経過した時点でＵ相サイリスタ１２−Ｕがオンされて（導通化されて）、回生電流Ｉｒ（ｔ）に加算され、第２平滑コンデンサ１８からＵ相サイリスタ１２−Ｕを介してモータ４に向かう電流は零電流化され、モータ４からＵ相サイリスタ１２−Ｕを介して第２平滑コンデンサ１８に向かう電流は零電流化される。ここで零電流は、文字通りに電流が零になることを意味せず、第２平滑コンデンサ１８に対する負担が十分に小さくなるように第２平滑コンデンサ１８に向かう電流の値が十分に小さくなることを意味する。このように、バッテリー７が第２平滑コンデンサ１８、パワーモジュール１２、又は、モータ４から開放される時点の直後の回生電力が瞬時的に第２平滑コンデンサ１８で充電的に蓄積され、バッテリー７が開放されている安全条件保持状態で、その蓄積電力が誘起電圧押さえ込み制御のための電力として回生的に利用される。
【００３４】
図８は、第２平滑コンデンサ１８の電圧と損失の関係を示している。銅損は、第２平滑コンデンサ１８の電圧が零であるときに最大であり、第２平滑コンデンサ１８の電圧に対してエキスポーネンシャルに減少する。鉄損は、第２平滑コンデンサ１８の電圧が零であるときに最小であり、第２平滑コンデンサ１８の電圧に対してエキスポーネンシャルに増大する。総合損失は、銅損と鉄損の加算として示される。銅損と鉄損は線対称的であるから、総合損失が最小になる損失最小化コンデンサ電圧Ｃｋが存在する。損失最小化コンデンサ電圧Ｃｋを中心とする一定範囲は、総合損失が実用的に十分に小さい損失低減化範囲Ａである。既述の第１充電期間、第２充電期間、第３充電期間は、第２平滑コンデンサ１８の充放電電圧（コンデンサ両端電圧）が損失低減化範囲Ａで変動するように、制御回路１４のプログラムにより制御される。第２種開閉スイッチ３５が開放される時点、次に第１種開閉スイッチ３４が開放される時点、更に次にＵ相サイリスタ１２−Ｕが開かれる時点は、第２平滑コンデンサ１８の充放電電圧が損失低減化範囲Ａで変動するように、制御回路１４のプログラムにより制御される。このような損失低減化制御は、他の相であるＶ相、Ｗ相に関して実行される。パワーモジュール１２の開放（オフ）は第１種開閉スイッチ３４の開放と同時的に実行され、又は、パワーモジュール１２の開放（オフ）は第１種開閉スイッチ３４の開放の直後に実行される。損失低減化は、第１種開閉スイッチ３４の開時刻と第２種開閉スイッチ３５の開時刻の制御により実行的に可能である。損失低減化は、対応相のサイリスタの開時刻（オン時刻）の制御により更に高効率化され得る。このような損失最小化制御が第１種開閉スイッチと第２種開閉スイッチの開閉とは独立に行われることは有効である。
【００３５】
このような損失低減化制御の期間中に電圧急変緩和抵抗３６とパワーモジュール１２に流れる電流のパワーは、熱化する。このような熱化エネルギーは、基板１１の温度を上昇させる。このような熱は、基板１１の表面から放散し、又は、内部に薄く形成される冷却媒体還流層の冷却媒体に吸収される。基板１１に熱放散用フィンを形成することは特に有効である。冷却媒体として、水の使用が適正である。冷却水は、基板１１の外側表面又は基板１１の内部に形成される内側表面に接して循環的に流される。
【００３６】
このような誘起電圧押さえ込み制御が実行されている正常運転は、６個の逆流許容電力供給制御素子のうちの１つの故障（異常）により異常化する。そのような１つとして、サイリスタ１２−Ｕが例示されて以下が記述される。サイリスタ１２−Ｕに付随する故障検出（異常検出）回路が出力する故障（異常）検出信号は、制御回路１４に含まれるＣＰＵ（図示されず）に送信される。その故障検出信号を受ける制御回路１４は、第１種開閉スイッチオフ信号５７、第２種開閉スイッチオフ信号５８、中性点短絡信号５９、誘起電圧押さえ込み制御信号６１を既述の適正遅延関係で出力する。
【００３７】
サイリスタと付属素子の結合である逆流許容電力供給制御素子１２−Ｕが故障すれば、第１種開閉スイッチ３４と第２種開閉スイッチ３５とが同時的に開動作してパワーモジュール１２はバッテリー７から電気的に遮断され、更に同時的に、中性点短絡スイッチ５３が開動作する。この場合には、Ｕ相Ｖ相間の誘起電圧Ｅｕｖに対応する回生電流はＩｒ（ｔ）がモータ４で生起し、その回生電流はＩｒ（ｔ）はＵ相入力線を逆流し、逆流許容電力供給制御素子１２−Ｕのダイオードを通り、第２平滑コンデンサ１８の正極側に流れ込んで第２平滑コンデンサ１８に充電される。この充電期間には、中性点５１は第２平滑コンデンサ１８の負極側に短絡されているが、中性点５１の電圧は、短絡されていない時のＵ相Ｖ相間電圧の√（１／３）であり、第２平滑コンデンサ１８にかかる充電電圧は短絡前より低くなっている。このような充電電圧の低下は、第２平滑コンデンサ１８の保護の点で効果的な低減である。中性点５１にかかるＶ相誘起電圧は、中性点短絡スイッチ５３を介して逆流許容電力供給制御素子１２−Ｖｏｕｔのダイオードを通って逆流して、モータ４のＶ相コイルに還流する。このような還流は、Ｕ相Ｖ相間電圧を下げる効果がある。
【００３８】
図９〜図１２は、モータ４とインバータ６とバッテリー７と他の付加機構との配置接続関係を多様に示している。インバータ６としては、共通に図３に示される基板１１が用いられている。図９は、非ハイブリッド型電気自動車を示している。図１０〜図１２は、ハイブリッド自動車を示している。図９は、モータ４とインバータ６とバッテリー７の配置接続関係を示し、バッテリー７は外部充電型又は燃料電池である。図１０に示されるシリーズ型自動車は、付加機構として、エンジン５と発電機４１とが付加されている。発電機４１はエンジン５に直結し、発電機４１が発電する電力はインバータ６を介してバッテリー７に蓄積される。図１１に示されるパラレル型自動車は、付加機構として、エンジン５が付加されている。モータ４’は、発電機として用いられ得る。エンジン駆動中は、モータ４’は車輪に動力を伝達する動力伝達機能と発電機能とを有している。図１２に示されるシリーズ・パラレル型自動車は、付加機構として、エンジン５と発電機４１とが付加され、更に、動力分割機構４２が付加されている。エンジン５の回転的に出力は、その一部がモータ４に分配され他の一部が発電機４１に分配される。発電機４１が発電する電力はインバータ６を介してバッテリー７に蓄積される。エンジン駆動中は、動力分割機構４２により分配される出力の一部は、モータ４を介して車輪に伝達される。本発明による電気車輌の制御装置は、このような４つのタイプの任意のタイプに使用されて有効である。
【００３９】
本発明による電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法は、電気自動車に限られず、電車に好適に用いられ、最大トルクが大きくトルク変動が激しいモータに利用されて有用性が高い。モータとしては、ロータ側磁石が鉄製ロータ表層に埋め込まれ誘起電圧がより大きくトルクがより大きく、ＳＰＭタイプのモータより回転数がより大きい領域でトルクがより大きいＩＰＭタイプのモータに利用されて特に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、電気自動車の公知のインバータ回路を示す回路図である。
【図２】図２は、ハイブリッド自動車の一般的な駆動機構を示す底面図である。
【図３】図３は、本発明による電気車輌の制御装置の具現体を示す回路ブロック図である。
【図４】図４は、本発明による電気車輌の制御装置の他の具現体を示す回路図である。
【図５】図５は、中性点短絡回路を示す回路図である。
【図６】図６は、インバータ回路による一般的な３相電圧比を示すグラフである。
【図７】図７は、ｄ軸位置を示す断面図である。
【図８】図８は、損失を示すグラフである。
【図９】図９は、電気自動車のタイプを示す底面図である。
【図１０】図１０は、電気自動車の他のタイプを示す底面図である。
【図１１】図１１は、電気自動車の更に他のタイプを示す底面図である。
【図１２】図１２は、電気自動車の更に他のタイプを示す底面図である。
【符号の説明】
参照番号は、発明の開示の欄で用いられている技術的構成要素に原則的に対応している。
１…車体
４…モータ
６…インバータ
７…バッテリー
１１…回路形成体（基板）
１２…パワー分配器（パワーモジュール）
１２−ｊ…逆流許容パワー分配制御素子
１２−Ｕｉｎ…特定相対応逆流許容パワー分配制御素子
１２−Ｖｏｕｔ…異相対応逆流許容パワー分配制御素子
１４…制御器
１５−２…配線
１８…コンデンサ
３４…開閉スイッチ
３６…電流制限抵抗
５１…中性点
５３…短絡スイッチ
５４−ｊ…異常検出回路
５５−ｊ…異常検出信号[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric vehicle control device and a control method therefor, and more particularly, to an electric vehicle control device for protecting an electric control circuit when an electric vehicle inverter is disconnected, and a control method therefor.
[0002]
[Prior art]
Electric vehicles are considered promising as a technology for reducing carbon dioxide emissions. Unlike electric motors (hereinafter referred to as motors) used in trains and machine tools, automobile motors that undergo severe torque changes are required to have further improved system efficiency and greater safety of electrical equipment systems. A motor that receives supply of AC three-phase power from a battery via an inverter normally sends the generated power back to the battery side. FIG. 1 shows a motor 102 that is driven by receiving electric power from a battery 101. The regenerative current Ir (t) between the U-phase and V-phase lines of the motor 102 is expressed by the following equation.
Ir (t) = (Euv−Eo) / (Zuv + Ro) (1)
Euv: induced voltage Eo: battery voltage during charging Ro: battery input impedance during charging Zuv: line impedance Zuv = (Ruv ² + ω ² · Luv ² ) ^1/2
Luv = Line inductance Ruv: Line-to-line electric resistance
In order to prevent the Euv from becoming larger than Eo if the rotational speed is greater than a certain rotational speed, it becomes impossible to control the operation in the high speed range where power cannot be supplied from the inverter to the motor. A control technique is known in which a d-axis current is forced to flow to suppress an increase in induced voltage Euv induced due to high-speed rotation of a magnet fixed to a rotor. Such a control technique is called field weakening control. Patent Document 1 mentioned later points out the problem of such field weakening control. It may be necessary to disconnect the DC connection line between the inverter and the battery during high speed operation. As such a case, an abnormally high temperature in a local part of an electric equipment system is known.
[0004]
If the switch 103 is opened during the field weakening control operation, the field weakening control is not executed, and the induced voltage Euv resulting from the relative high speed of the field winding of the slot and the magnet on the rotor side is applied to the smoothing capacitor 104. . The induced voltage Euv may exceed the allowable voltage of the smoothing capacitor 104. Patent Document 1 discloses a technique for protecting the smoothing capacitor 104 in such a case. This technique protects the smoothing capacitor by short-circuiting the input terminal of the motor, and abandons the field-weakening control (also referred to as zero torque control or low torque control) in the high speed range. Disconnecting the inverter from the battery is not a definitive solution for protecting the inverter. In a motor with a small amount of current supplied to the slot winding but a high voltage, a part of the induced current Ir (t) having a high induced voltage may destroy a control element such as a transistor or thyristor forming an inverter. Has been observed. In order to detect inverter breakdown that causes motor control failure, an element breakdown detection circuit is attached to the control element. The inverter control circuit that receives the element destruction detection signal cuts the connection line connecting the inverter and the battery, cuts the connection line connecting the inverter and the motor, or prevents the induced voltage from being excessively applied to the battery. The battery is protected by short-circuiting the three-phase wires of the motor. In a small high-performance motor desired in the future, there is a greater concern about the occurrence of defects due to higher induced voltages. Disconnection or short-circuiting of connection lines to prevent high induced voltage from acting on the battery when an abnormality occurs in the control element while field-weakening control is being performed will cause secondary failure due to disconnection or short-circuiting However, in order to suppress the failure degree of the secondary failure, there is a secondary problem that the disconnecting relay or the shorting relay is expensive.
[0005]
There is a need to provide a control method in which a short-circuit switch that protects a battery when a control element is broken during field-weakening control is inexpensive.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-47055
[Problems to be solved by the invention]
An object of the present invention is to provide a control device for an electric vehicle and a control method therefor, which can reduce the cost of a short-circuit switch that protects a battery when a control element is broken during field-weakening control.
Another object of the present invention is to provide a control device for an electric vehicle that is suitable for field weakening control, which employs a low-cost short circuit switch that protects the battery when the control element is broken during field weakening control, and a control method therefor Is to provide.
Another object of the present invention is to provide an electric vehicle control device that improves service by simplifying maintenance of a power module, and a control method therefor.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
An electric vehicle control apparatus according to the present invention includes a circuit forming body supported by a vehicle body (1), a battery (7) supported by the vehicle body (1), and a motor (4) supported by the vehicle body. ing. The circuit former includes a power distributor (12) that distributes electrical power from the battery (7) to a plurality of phases of the motor (4), a controller (14) that controls the distribution of the electrical power, A capacitor (18) connected in parallel to the power distributor (12) between the distributor (12) and the battery (7), and an open / close interposed between the capacitor (18) and the battery (7). Switch (34). The power distributor (12) includes a backflow allowable power distribution control element (12-j) corresponding to a plurality of phases that distributes electrical power to a plurality of phases in a time series and allows backflow. A short-circuit switch (51) is further added for short-circuiting the negative side of the capacitor (18) and the neutral point (51) of the motor (4) so as to be freely opened and closed. When the open / close switch (34) is opened, the short-circuit switch (51) is closed. The short-circuit switch (51) is short-circuited between the negative electrode side of the capacitor (18) and the neutral point (51) of the motor (4).
[0009]
A short circuit between the negative side of the capacitor (18) and the neutral point (51) of the motor (4) lowers the neutral point voltage and lowers the induced voltage of the specific phase. The induced voltage thus lowered falls to a voltage sufficiently lower than the withstand voltage of the capacitor (18). Such a drop effectively protects the capacitor (18). The short-circuit switch (51) to which the AC voltage is applied has a lower manufacturing cost than the switch to which the DC voltage is applied, and can effectively suppress an increase in cost for protecting the inverter, particularly the capacitor.
[0010]
An abnormality detection circuit (54-j) that detects an abnormality of the backflow allowable power distribution control element corresponding to the plurality of phases and outputs an abnormality detection signal (55-j) is further added to the circuit formation body. The controller (14) opens the open / close switch (34) in response to the abnormality detection signal (55-j), and closes the short-circuit switch (53) in response to the abnormality detection signal (55-j).
[0011]
It is particularly advantageous that the circuit formation is formed on a single substrate (11). It is particularly advantageous that the power distributor (12), the controller (14), the capacitor (18) and the abnormality detection circuit (54-j) are formed on the substrate (11). The power distributor (12), the controller (14), the capacitor (18), and the abnormality detection circuit (54-j) formed in an integrated manner are easy to assemble, reducing the overall cost, and are resistant to vibration. Have When any of the power distributor (12), the controller (14), and the capacitor (18) fails or exhibits an abnormality, a thyristor or a transistor that is a current control element included in the power distributor (12) In the event of failure, the operation of replacing the failed substrate with another normal substrate (11) is remarkably simple. The integration can partially include a three-dimensional implementation.
[0012]
The integration of the cooling structure with the substrate (11) further reduces the manufacturing cost in terms of both increasing the cooling efficiency and simplifying the cooling structure. The formation of the wiring (15-2) connecting the battery (7) and the power distributor (12) on the substrate (11) can further reduce the manufacturing cost.
[0013]
The open / close switch forms a first type on / off switch (34) and a second type on / off switch (35) connected in parallel to the first type on / off switch (34) between the capacitor (18) and the battery (7). To do. A current limiting resistor (36) connected in series to the second type on / off switch (35) is inserted between the capacitor (18) and the battery (7). The resistance value of the line connecting the capacitor (18) and the battery (7) and interposing the first type on / off switch (34) is substantially zero compared to the resistance value of the current limiting resistor (36). is there. The second type on / off switch (35) is opened in the near period after the first type on / off switch (34) is opened, so that sudden changes in voltage and current are alleviated, and circuit protection can be enhanced.
[0014]
An electric vehicle control method according to the present invention includes a step of distributing electric power from a battery (7) to a multiphase motor (4) via a plurality of backflow allowable power distribution control elements (12-j) of the inverter, 6) detecting an abnormality, a step of disconnecting between the inverter (6) and the battery (7) corresponding to the abnormality, and an intervening between the inverter (6) and the battery corresponding to the abnormality. This comprises a step of short-circuiting the negative side of the capacitor (18) and the neutral point (51) of the motor (4) by a short-circuit switch (53). The short circuit at the neutral point introduces a drop in the induced voltage, as described above, and effectively protects the capacitor when the inverter (6) is disconnected from the battery (7).
[0015]
In the short-circuiting step, the induced current (Ir (t)) generated in a specific phase of the motor (4) is charged to the capacitor (18) via the corresponding phase reverse-flow diode corresponding to the specific phase of the inverter (6). Forming a step. The charging voltage is kept low to protect the capacitor. If the backflow allowable power distribution control element (12-j) is abnormal but not faulty, its charging can be used for motor propulsion or field weakening control.
[0016]
In the short-circuiting step, the neutral point (51) is connected to the short-circuit switch (53), and the short-circuit switch (53) is connected to the reverse-flow allowable power distribution control element (12-Vout) that is different from the specific phase. Forming a circulation circuit for connecting the heterophase backflow allowable power distribution control element (12-Vout) to the neutral point (51). The formation of such a circulating circuit ensures that the voltage drop already described is valid.
[0017]
The step of disconnecting between the inverter (6) and the battery (7) without dealing with the abnormality, and the backflow allowable power distribution control element (12-Uin) corresponding to the specific phase are conducted to identify the motor (4) The addition of the step of distributing the power of the capacitor (18) to the phase is preferable in that the charging power can be used for field-weakening control.
[0018]
The electric vehicle control method according to the present invention can be effectively implemented by the following steps. The steps comprise a step of forming a circuit on the substrate (11) and a step of detachably attaching the substrate (11) to the body (1) of the electric vehicle. The circuit includes a power module (12), wiring (15-2) for connecting the power module (12) to the motor (4), and a battery (12) disposed outside the power module (12) and the substrate (11). 7) A short-circuit switch (53) for connecting the negative side of the smoothing capacitor (18) interposed between the motor and the neutral point (51) of the motor (4) supported by the vehicle body (1) so as to be short-circuited. Is forming. If a failure of the power module (12) is detected, replacing the failed substrate (11) with a normal substrate (11) can improve maintenance service.
[0019]
【The invention's effect】
In the method for controlling an electric vehicle according to the present invention, the short-circuit switch is interposed in a short-circuit line that short-circuits the AC neutral point, and the short-circuit switch can be made inexpensive. The addition of a short-circuit switch that protects the battery in the event of destruction of the control element during field-weakening control fuses with field-weakening control during disconnection. Service can be improved by simplifying the maintenance of the power module.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The electric vehicle control apparatus embodied according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 2 illustrates a hybrid vehicle as an electric vehicle. The vehicle body 1 of the hybrid vehicle is supported on the ground by the front two wheels 2 and the rear two wheels 3. The vehicle body 1 is equipped with a motor 4, an engine 5, an inverter 6, and a battery 7. The rear two wheels 3 are mechanically connected to the motor 4 via a differential gear 8 and a speed reducer 9 constituting an axle. The engine 5 is axially connected to the motor 4 in series. The inverter 6 supplies the electric power of the battery 7 to the motor 4 in a controlled manner.
[0021]
FIG. 3 shows an in-substrate integrated structure of the inverter 6 interposed between the motor 4 and the battery 7. The inverter 6 is formed on the substrate 11 in an integrated manner. The inverter 6 includes a power module 12, a power supply circuit 13 that inputs input power to the power module 12, and a control circuit 14 that controls output power of the power module 12. A first wiring structure 15-1 for connecting the battery 7 to the power supply circuit 13 and a second wiring structure 15-2 for connecting the battery 7 to the power module 12 are formed on the substrate 11. The first wiring structure 15-1 and the second wiring structure 15-2 are connected to the battery 7 in parallel. The first wiring structure 15-1 and the second wiring structure 15-2 are connected to the battery 7 through a common connection terminal 16 disposed on the edge of the substrate 11. A first smoothing capacitor 17 is inserted in a common part of the first wiring structure 15-1 and the second wiring structure 15-2. A second smoothing capacitor 18 is inserted in the second wiring structure 15-2. A discharge resistor 19 is inserted in the first wiring structure 15-1. The control circuit 14 is connected to the host controller 22 via the international standard communication line 21. CAN has been adopted as an international standard. A control signal transmitted from the host controller 22 in conformity with CAN is input to the control circuit 14 via the interface 20. The interface 20 is formed on the substrate 11, and electrical connection between the substrate 11 and the host controller 22 is easy.
[0022]
The power module 12 is connected to the motor 4 via a U-phase power supply line 23, a V-phase power supply line 24, and a W-phase power supply line 25. The U-phase power supply line 23 includes an in-substrate U-phase power supply line 23-1 formed on the substrate 11 and the U-phase terminal 26 between the power module 12 and the U-phase terminal 26 disposed on the edge of the substrate 11. And an off-substrate U-phase power supply line 23-2 wired between the motor 4 and the motor 4. The V-phase power supply line 24 includes an in-substrate V-phase power supply line 24-1 formed on the substrate 11 and the V-phase terminal 27 between the power module 12 and the V-phase terminal 27 disposed on the edge of the substrate 11. And an off-substrate V-phase power supply line 24-2 wired between the motor 4 and the motor 4. The W-phase power supply line 25 includes an in-substrate W-phase power supply line 25-1 formed on the substrate 11 and the U-phase terminal 28 between the power module 12 and the U-phase terminal 28 disposed on the edge of the substrate 11. And an off-substrate W-phase power supply line 25-2 wired between the motor 4 and the motor 4.
[0023]
The in-substrate U-phase power supply line 23-1, the in-substrate V-phase power supply line 24-1, and the in-substrate W-phase power supply line 25-1 have a U-phase current detector 29 and a V-phase current detector 31 respectively. And a W-phase current detector 32 are interposed. A three-phase current value signal 33 detected by the U-phase current detector 29, the V-phase current detector 31, and the W-phase current detector 32 is fed back to the power supply circuit 13. The three-phase current value signal 33 is used for timing control of the opening / closing operation of the power supply control element constituting the power module 12. A transistor group is used as the power supply control element, and particularly preferably used for phase control of the thyristor group.
[0024]
Two types of opening / closing switches are inserted between the positive electrode side of the battery 7 and the second smoothing capacitor 18. The two types of opening / closing switches are formed of a first type opening / closing switch 34 and a second type opening / closing switch 35. The first type on / off switch 34 and the second type on / off switch 35 are arranged in parallel. The sudden voltage change mitigation resistor 36 is disposed in series with the second type opening / closing switch 35 between the positive electrode side of the battery 7 and the second smoothing capacitor 18.
[0025]
FIG. 4 shows an electrical connection relationship among the battery 7, the power module 12, the second smoothing capacitor 18, and the motor 4. The power module 12 is basically composed of six backflow allowable power supply control elements that control the supply amount of power in time series. As for the connection relation of the six backflow allowable power supply control elements, a known connection relation is used as it is. Two backflow permissible power supply control elements supply U-phase power to the motor 4, the other two backflow permissible power supply control elements supply V-phase power to the motor 4, and two other backflow permissible control elements. The power supply control element supplies W-phase power to the motor 4.
[0026]
As shown in FIG. 4, the neutral point 51 between the three phases is connected to the negative electrode side of the second smoothing capacitor 18 so as to be short-circuited. A neutral point short-circuit switch 53 is interposed in a short-circuit line 52 that short-circuits the neutral point 51 to the negative electrode side of the second smoothing capacitor 18.
[0027]
FIG. 5 shows a neutral point short circuit. On the substrate 11, fault (abnormality) detection circuits 54-j are arranged in the vicinity of the backflow allowable power supply control elements 12-Uin, Uout, Vin, Vout, Win, Wout (hereinafter 12-j). Has been. One backflow allowable power supply control element 12-j and one failure detection circuit 54-j form one pair. If the backflow allowable power supply control element 12-j fails or becomes abnormal, the failure detection circuit 54-j outputs a failure (abnormality) detection signal 55-j. The failure detection signal 55-j is input to the CPU 56 included in the control circuit 14. The control circuit 14 outputs a first-type opening / closing switch-off signal 57 for opening the first-type opening / closing switch 34 to the first-type opening / closing switch 34 at approximately the same time as the time when the failure detection signal 55-j is received. A second type on / off switch-off signal 58 that opens the second type on / off switch 35 is output to the second type on / off switch 35 with or without a delay of several milliseconds from the time, and at approximately the same time as that time. A neutral point short circuit signal 59 for closing the neutral point short circuit switch 53 is output to the neutral point short circuit switch 53. When the field weakening control is executed without receiving the failure detection signal 55-j, the control circuit 14 receives the first type opening / closing switch-off signal at approximately the same time as the time when the failure detection signal 55-j or the high temperature signal is received. 57, with a delay of several msec from that time, the second type opening / closing switch-off signal 58 is output, and the field weakening control signal 61 is output to the corresponding backflow allowable power supply control element 12-j.
[0028]
Of the line voltages of each phase, the U-phase V-phase voltage is represented by Euv, the battery voltage is represented by Eo, and the voltage across the voltage sudden change relaxation resistor 36 is represented by Vb while the voltage sudden change relaxation resistor 36 is closed. The motor input voltage is expressed by Vin, the regenerative current is expressed by Ir (t), the voltage across the battery is expressed by Eo (t), and the following equation is established.
Vin = Ir (t) · Zuv (2-1)
Vb: Vin = Ro: Zuv (2-2)
Vb + Vin = Euv−Eo (2-3)
Here, Ro and Zuv are defined by the above formula (1). Expression (1) is derived from Expression (2-1, 2, 3). FIG. 6 shows phase voltages U, V, and W, line voltages (induced voltages) Euv, Evw, and Ewu, and regenerative voltage Er (t) drawn by a thick line.
[0029]
In the normal operation state where the first type on / off switch 34 is closed, the field weakening control is executed by the power module 12. Field-weakening control, otherwise called zero-torque control or low-torque control, is a common expression commonly used in the industry, but in this specification, in a literal sense, referred to as induced voltage suppression control. Now, in the period in which the applied voltage between the U phase and the V phase is zero, as shown in FIG. 7, the rotor side fixed magnet 37 is positioned in the d-axis position, which is the position in front of the magnetic flux formation inducing portion 38 of the stator side slot. It is in. At the d-axis position where the change in magnetic flux is maximized, the induced voltage Euv generated in the coil (electron winding) wound around the magnetic flux formation inducing portion 38 due to the movement of the rotor-side fixed magnet 37 is maximized. The induced current during the period in which the induced voltage Euv is maximum passes through a backflow rectifier (diode) connected in parallel to the U-phase thyristor 12-U as shown by an arrow 39 in FIG. Head for.
[0030]
When the first type on / off switch 34 is opened, or when the first type on / off switch 34 and the second type on / off switch 35 are opened, the regenerative current Ir (t) resulting from the generation of the regenerative voltage is 2 A load is applied to the smoothing capacitor 18, and further, a load is applied to the backflow allowable power supply control element of the corresponding phase among the components of the power module 12 to which the induced current Ir (t) is pushed. Of the allowable backflow power supply control elements, a diode that allows backflow is not burdened, but a thyristor or transistor whose operation state is changed by a control signal is burdened.
[0031]
Thus, the regenerative current Ir (t) resulting from the generation of the regenerative voltage is generated when the first type on / off switch 34 is opened, or when the first type on / off switch 34 and the second type on / off switch 35 are opened. Imposes various burdens on the second smoothing capacitor 18. In such a period, the U-phase thyristor 12-U is turned on, and the induced current Ir (t) is caused to reflow back through 12-U, thereby suppressing the backflow of the induced current Ir (t). Such opening / closing control is executed for the U-phase thyristor 12-U of the power module 12 by the control of the three-phase current value signal 33 or a program digitized in the control circuit 14.
[0032]
Immediately after the opening operation of the first-type opening / closing switch 34, the regenerative current Ir (t) can flow back through the U-phase thyristor 12-U to the battery 7 via the voltage sudden change relaxation resistor 36. The degree of the backflow can be suppressed by optimizing the resistance value. Immediately after the opening operation of the first type on / off switch 34, the regenerative current Ir (t) is regenerated and the second smoothing capacitor 18 can be charged. The charging period (hereinafter referred to as the first charging period) is set to be short so that an excessive burden is not imposed on the second smoothing capacitor 18. If the withstand voltage of the second smoothing capacitor 18 is K volts, the charging period can be suppressed to a length not exceeding 0.7K. Next, the first type on / off switch 34 is opened, and the battery 7 is completely disconnected (opened) from the power module 12 and the motor 4. All of the regenerative current Ir (t) travels from the motor 4 to the second smoothing capacitor 18 via the arrow 39. In this case, the charging period (hereinafter referred to as the second charging period) is set to be short enough that the same charging conditions as the first charging period are imposed and an excessive burden is not imposed on the second smoothing capacitor 18. If the withstand voltage of the second smoothing capacitor 18 is K volts, the charging period can be suppressed to a length not exceeding 0.7K. It is preferable that the third charging period is set immediately after the first-type opening / closing switch 34 is opened. In the third charging period, charging conditions for the first charging period and the second charging period described above are imposed. The third charging period is set to be short so that an excessive load is not applied to the second smoothing capacitor 18, and if the withstand voltage of the second smoothing capacitor 18 is K volts, the charging period is a period not exceeding about 0.7K. It can be suppressed below the length of. Such a charging period is controlled by the program of the control circuit 14 on the order of μsec.
[0033]
Corresponds to the voltage accumulated in the first charging period, the first additional charging period in which the second charging period is added to the first charging period, or the second additional charging period in which the third charging period is added to this period. The current (weakening field current) from the second smoothing capacitor 18 to the U-phase thyristor 12-U is turned on (conducted) when the U-phase thyristor 12-U is turned on when these periods have elapsed. The current which is added to the regenerative current Ir (t) and travels from the second smoothing capacitor 18 to the motor 4 via the U-phase thyristor 12-U is made zero current, and the second current from the motor 4 via the U-phase thyristor 12-U The current toward the smoothing capacitor 18 is reduced to zero current. Here, zero current literally does not mean that the current becomes zero, and the value of the current toward the second smoothing capacitor 18 is sufficiently small so that the burden on the second smoothing capacitor 18 is sufficiently small. means. In this way, the regenerative power immediately after the battery 7 is released from the second smoothing capacitor 18, the power module 12, or the motor 4 is instantaneously stored in the second smoothing capacitor 18 in a chargeable manner. The stored electric power is regeneratively used as electric power for induced voltage hold-down control in an open safety condition holding state.
[0034]
FIG. 8 shows the relationship between the voltage of the second smoothing capacitor 18 and the loss. The copper loss is maximum when the voltage of the second smoothing capacitor 18 is zero, and decreases exponentially with respect to the voltage of the second smoothing capacitor 18. The iron loss is minimum when the voltage of the second smoothing capacitor 18 is zero, and increases exponentially with respect to the voltage of the second smoothing capacitor 18. Total loss is shown as the sum of copper loss and iron loss. Since the copper loss and the iron loss are axisymmetric, there is a loss minimizing capacitor voltage Ck that minimizes the total loss. The fixed range centered on the loss minimizing capacitor voltage Ck is the loss reduction range A in which the total loss is practically sufficiently small. In the first charging period, the second charging period, and the third charging period described above, the program of the control circuit 14 is performed so that the charging / discharging voltage (the voltage across the capacitor) of the second smoothing capacitor 18 varies in the loss reduction range A. Controlled by The charging / discharging voltage of the second smoothing capacitor 18 is when the second-type opening / closing switch 35 is opened, when the first-type opening / closing switch 34 is opened next, and when the U-phase thyristor 12-U is opened next. Is controlled by the program of the control circuit 14 so as to fluctuate in the loss reduction range A. Such loss reduction control is executed for the other phases, the V phase and the W phase. The opening (off) of the power module 12 is executed simultaneously with the opening of the first type opening / closing switch 34, or the opening (off) of the power module 12 is executed immediately after the opening of the first type opening / closing switch 34. The loss can be reduced by controlling the opening time of the first type opening / closing switch 34 and the opening time of the second type opening / closing switch 35. Loss reduction can be further improved in efficiency by controlling the opening time (ON time) of the corresponding phase thyristor. It is effective that such loss minimization control is performed independently of the opening and closing of the first type on / off switch and the second type on / off switch.
[0035]
During such loss reduction control, the power of the current that flows through the voltage sudden change relaxation resistor 36 and the power module 12 is heated. Such thermal energy increases the temperature of the substrate 11. Such heat is dissipated from the surface of the substrate 11 or absorbed by the cooling medium in the cooling medium reflux layer formed thinly inside. It is particularly effective to form heat dissipation fins on the substrate 11. Use of water is appropriate as a cooling medium. The cooling water is circulated in contact with the outer surface of the substrate 11 or the inner surface formed inside the substrate 11.
[0036]
The normal operation in which such induced voltage hold-down control is executed becomes abnormal due to a failure (abnormality) of one of the six backflow allowable power supply control elements. As one such example, thyristor 12-U is illustrated and described below. A failure (abnormality) detection signal output from a failure detection (abnormality detection) circuit associated with the thyristor 12-U is transmitted to a CPU (not shown) included in the control circuit 14. The control circuit 14 that receives the failure detection signal sends the first type on / off switch off signal 57, the second type on / off switch off signal 58, the neutral point short-circuit signal 59, and the induced voltage hold-down control signal 61 in the above-described proper delay relationship. Output.
[0037]
If the backflow allowable power supply control element 12-U, which is a combination of a thyristor and an attached element, fails, the first type on / off switch 34 and the second type on / off switch 35 are opened simultaneously, and the power module 12 is connected to the battery 7 The neutral point short-circuit switch 53 is opened simultaneously. In this case, Ir (t) is generated in the motor 4 as the regenerative current corresponding to the induced voltage Euv between the U phase and the V phase, and the regenerative current Ir (t) flows back through the U-phase input line, and the backflow allowable power The second smoothing capacitor 18 is charged by passing through the diode of the supply control element 12 -U and flowing into the positive electrode side of the second smoothing capacitor 18. During this charging period, the neutral point 51 is short-circuited to the negative electrode side of the second smoothing capacitor 18, but the voltage at the neutral point 51 is √ (1 / (1) of the U-phase V-phase voltage when not short-circuited. 3), and the charging voltage applied to the second smoothing capacitor 18 is lower than before the short circuit. Such a decrease in the charging voltage is an effective reduction in terms of protection of the second smoothing capacitor 18. The V-phase induced voltage applied to the neutral point 51 flows back through the diode of the backflow allowable power supply control element 12 -Vout via the neutral point short-circuit switch 53 and returns to the V-phase coil of the motor 4. Such reflux has an effect of lowering the voltage between the U phase and the V phase.
[0038]
9 to 12 show various arrangement and connection relationships among the motor 4, the inverter 6, the battery 7, and other additional mechanisms. As the inverter 6, a substrate 11 shown in FIG. 3 is commonly used. FIG. 9 shows a non-hybrid electric vehicle. 10 to 12 show a hybrid vehicle. FIG. 9 shows an arrangement connection relationship of the motor 4, the inverter 6, and the battery 7, and the battery 7 is an external charging type or a fuel cell. The series-type automobile shown in FIG. 10 has an engine 5 and a generator 41 added as an additional mechanism. The generator 41 is directly connected to the engine 5, and the electric power generated by the generator 41 is stored in the battery 7 via the inverter 6. The parallel type vehicle shown in FIG. 11 has an engine 5 added as an additional mechanism. The motor 4 ′ can be used as a generator. While the engine is driven, the motor 4 'has a power transmission function and a power generation function for transmitting power to the wheels. The series / parallel vehicle shown in FIG. 12 includes an engine 5 and a generator 41 as an additional mechanism, and further includes a power split mechanism 42. A part of the rotational output of the engine 5 is distributed to the motor 4 and the other part is distributed to the generator 41. The electric power generated by the generator 41 is stored in the battery 7 via the inverter 6. While the engine is being driven, a part of the output distributed by the power split mechanism 42 is transmitted to the wheels via the motor 4. The electric vehicle control apparatus according to the present invention is effective when used in any of these four types.
[0039]
The electric vehicle control device and the control method therefor according to the present invention are not limited to electric vehicles, but are preferably used for trains, and are highly useful because they are used for motors having a large maximum torque and a large torque fluctuation. As a motor, the rotor side magnet is embedded in the iron rotor surface layer, the induced voltage is larger, the torque is larger, and the motor is particularly effective when used in an IPM type motor having a larger torque in a region where the rotational speed is larger than that of an SPM type motor. Is.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a known inverter circuit of an electric vehicle.
FIG. 2 is a bottom view showing a general drive mechanism of a hybrid vehicle.
FIG. 3 is a circuit block diagram showing an embodiment of a control device for an electric vehicle according to the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram showing another embodiment of the control apparatus for an electric vehicle according to the present invention.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a neutral point short circuit.
FIG. 6 is a graph showing a general three-phase voltage ratio by an inverter circuit.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a d-axis position.
FIG. 8 is a graph showing loss.
FIG. 9 is a bottom view showing the type of electric vehicle.
FIG. 10 is a bottom view showing another type of electric vehicle.
FIG. 11 is a bottom view showing still another type of electric vehicle.
FIG. 12 is a bottom view showing still another type of electric vehicle.
[Explanation of symbols]
The reference numbers correspond in principle to the technical components used in the disclosure section of the invention.
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Car body 4 ... Motor 6 ... Inverter 7 ... Battery 11 ... Circuit formation body (board | substrate)
12 ... Power distributor (power module)
12-j ... Reverse flow allowable power distribution control element 12-Uin ... Specific phase compatible reverse flow allowable power distribution control element 12-Vout ... Different phase compatible reverse flow allowable power distribution control element 14 ... Controller 15-2 ... Wiring 18 ... Capacitor 34 ... Open / close Switch 36 ... Current limiting resistor 51 ... Neutral point 53 ... Short-circuit switch 54-j ... Abnormality detection circuit 55-j ... Abnormality detection signal

Claims

A circuit forming body supported by the vehicle body;
A battery supported by the vehicle body;
A motor supported by the vehicle body;
The circuit former is
A power distributor that distributes electrical power from the battery to a plurality of phases of the motor;
A controller for controlling the distribution of the electrical power;
A capacitor connected in parallel to the power distributor between the power distributor and the battery;
Forming an open / close switch interposed between the capacitor and the battery;
The power distributor constitutes a backflow allowable power distribution control element corresponding to a plurality of phases that distributes the electrical power to the plurality of phases in a time series and allows backflow,
Further comprising a shorting switch for short-circuiting the negative side of the capacitor and the neutral point of the motor so as to be freely opened and closed
A control device for an electric vehicle, wherein when the open / close switch is opened, the short-circuit switch is closed to short-circuit between a negative electrode side of the capacitor and a neutral point of the motor.

The circuit formation body further forms an abnormality detection circuit that detects an abnormality of the backflow allowable power distribution control element corresponding to a plurality of phases and outputs an abnormality detection signal,
2. The electric vehicle control device according to claim 1, wherein the controller opens the open / close switch in response to the abnormality detection signal and closes the short-circuit switch in response to the abnormality detection signal.

3. The electric vehicle control device according to claim 2, wherein the circuit forming body is formed on a single substrate, and the power distributor, the controller, the capacitor, and the abnormality detection circuit are formed on the substrate.

2. The electric vehicle control device according to claim 1, wherein the circuit forming body is formed on a single board, and the power distributor, the controller, and the capacitor are mounted on the board.

2. The control device for an electric vehicle according to claim 1, wherein the circuit forming body is formed on a single substrate, and the power distributor, the controller, and the capacitor are integrally formed on the substrate.

6. The electric vehicle control device according to claim 1, further comprising a cooling structure, wherein the cooling structure is formed on the substrate.

The electric vehicle control device according to claim 1, further comprising a wiring connecting the battery and the power distributor, wherein the wiring is formed on the substrate.

The control device for an electric vehicle according to claim 1, wherein the power distributor forms an inverter formed by a thyristor and a diode.

The control apparatus for an electric vehicle according to claim 1, wherein the capacitor is charged with an induced current of a motor in a vicinity period near a time when the on-off switch is disconnected.

The opening / closing switch is
A first type on / off switch;
Forming a second type on / off switch connected in parallel to the first type on / off switch between the capacitor and the battery;
Further comprising a current limiting resistor connected in series with the second type on / off switch between the capacitor and the battery;
The resistance value of the line connecting the capacitor and the battery and interposing the first type on / off switch is substantially zero compared to the resistance value of the current limiting resistor, and the first type on / off switch 10. The electric vehicle control device according to claim 9, wherein the second type on / off switch is opened in the vicinity period after the door is opened.

Distributing power from the battery to the multi-phase motor via a plurality of reverse flow allowable power distribution control elements of the inverter;
Detecting an abnormality of the inverter;
Disconnecting the inverter and the battery in response to the abnormality;
A control method for an electric vehicle, comprising a step of short-circuiting a negative electrode side of a capacitor interposed between the inverter and the battery and a neutral point of the motor by a short-circuit switch in response to the abnormality.

12. The electric vehicle according to claim 11, wherein the short-circuiting step forms a step of charging the capacitor with an induced current generated in a specific phase of the motor via a corresponding phase reverse flow diode corresponding to the specific phase of the inverter. Control method.

In the short-circuiting step, the neutral point is connected to the short-circuit switch, the short-circuit switch is connected to the reverse flow allowable power distribution control element of a different phase from the specific phase, and the reverse flow allowable power distribution control of the different phase 13. The method of controlling an electric vehicle according to claim 12, further comprising the step of forming a circulation circuit that connects an element to the neutral point.

Disconnecting the inverter and the battery without dealing with the abnormality;
14. The method of controlling an electric vehicle according to claim 12, further comprising the step of distributing the power of the capacitor to the specific phase of the motor by turning on the backflow allowable power distribution control element corresponding to the specific phase.

Forming a circuit on a substrate;
And removably attaching the board to the body of the electric vehicle,
The circuit is
A power module;
Wiring for connecting the power module to the motor;
Forming a short-circuit switch for connecting the negative side of the smoothing capacitor interposed between the power module 12 and the battery disposed outside the substrate to the neutral point of the motor supported by the vehicle body so as to be short-circuited;
A method for controlling an electric vehicle, further comprising the step of replacing a faulty board with a normal board when a fault of the power module is detected.