JP2006042575A - 車両用電動機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インバータの平滑コンデンサの電荷を放電させるとき、車両に騒音や振動を発生させない車両用電動機制御装置を提供すること。
【解決手段】
ハイブリッド車において、車両の駆動軸に複数の電動機ＭＧ１、ＭＧ２が接続される。この複数の電動機ＭＧ１、ＭＧ２は、複数のインバータ回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２により制御される。イグニッションオフのとき、バッテリ５との直流回路を遮断し、インバータ６内部の平滑コンデンサ３２の電荷を電動機ＭＧ１、ＭＧ２の巻線で放電させる。このとき、電動機ＭＧ１、ＭＧ２で発生するトルクが、車両駆動軸３上で相殺するようにインバータ回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、車両用電動機制御装置に関する。

ハイブリッド車や電気自動車において、直流電源からの電力をインバータによって交流に変換し、この交流電流によって交流モータを駆動することが知られている。このようなインバータにおいて、通常、直流電流を平滑するコンデンサが設けられている。インバータやモータの保守点検時には、直流電源とインバータとを接続する電源ラインに設けられたリレー等のスイッチをオフした後に、このコンデンサの電荷を放電する。

コンデンサの放電は、モータの巻線にコンデンサから電流を流して放電することが可能である。しかし、コンデンサ放電時の発生トルクによって車両に振動等が発生しないように、小さな電流でしか放電できない。その結果、放電に時間がかかるという問題が生じる。

そこで、トルクを発生するｑ軸電流を０としトルクを発生しないｄ軸電流のみを流すことによって、モータにトルクを発生させずにコンデンサの電荷を放電する技術が提案されている（特許文献１参照）。

特開平９−７０１９６号

しかし、ｑ軸電流を０としてｄ軸電流のみを流そうとしても、モータの回転位置を検出する回転センサの精度や電流ベクトル制御の精度誤差により、発生するトルクを完全に０とすることができない。車両にモータが一つしか備えられていない場合には上述のような回転センサや制御誤差による発生トルクも小さいためあまり問題にならない。しかし、例えば車両の駆動力向上等を目的として車両の駆動軸に接続した複数のモータを備えた場合、コンデンサの放電時に各モータにトルクが発生し、車両に振動が発生する等の問題があった。

車両の駆動軸に複数の電動機が接続される。この複数の電動機を直流電源からの電力を使用して複数のインバータ手段で制御し、複数のインバータ手段をインバータ制御手段で制御する。直流電源と複数のインバータ手段との間に、直流電源と複数のインバータとの間を電気的に切断する切断手段を備え、この切断手段と複数のインバータ手段との間に蓄電手段を備える。この蓄電手段の電荷を放電させるとき、切断手段が直流電源と複数のインバータとの間を電気的に切断した後、インバータ制御手段は、蓄電手段の電荷に基づく複数の電動機に発生するトルクが車両の駆動軸上でお互いに打ち消しあうように複数のインバータ手段を制御する。

本発明は、以上説明したように構成しているので、複数の電動機のトルクが車両駆動軸上で相殺され、車両に騒音や振動が発生しにくい効果を奏する。

図１は、本発明の一実施の形態の車両用電動機制御装置が使用されるハイブリッド車のシステム構成図である。ハイブリッド車は、電動機（モータ）とエンジンにより駆動される車である。エンジン１の駆動力は、電動機とギアセット等から構成されるハイブリッド変速機２を介して、変速されたり電動機によるトルクが重畳され、車両駆動軸３を経由して駆動輪４に伝達される。

ハイブリッド変速機２内部の電動機は、バッテリ５の直流電力を交流に変換するインバータ６により駆動され、インバータ６による駆動は電動機の回転数に応じたトルク制御を行うモータコントローラ７で制御される。また、エンジン１はエンジンコントローラ８により制御される。エンジンコントローラ８とモータコントローラ７は、統合コントローラ９により制御される。統合コントローラ９は、強電系の状態や、車速ＶＳＰ、リングギア回転速度ω、アクセル開度ＡＰなどの条件に応じて、エンジンコントローラ８へ目標エンジントルク信号を出力し、モータコントローラ７へ目標ＭＧトルク信号を出力する。

モータコントローラ７、エンジンコントローラ８、統合コントローラ９は、それぞれマイクロプロセッサおよび周辺回路より構成され、所定のプログラムを実行することにより、各種の機能を実行する。統合コントローラ９は、目標エンジントルクおよび目標ＭＧトルク信号を計算し、モータコントローラ７およびエンジンコントローラ８を介して電動機およびエンジンの制御を行なう。統合コントローラ９、モータコントローラ７、インバータ６などにより、本発明の車両用電動機制御装置が構成される。

図２は、ハイブリッド変速機４の内部構成を示す図である。ハイブリッド変速機４は、２つの電動機ＭＧ１、ＭＧ２と、クラッチ２１と、変速機２２と、ギアセット２３とから構成される。電動機ＭＧ１は、エンジン１に接続されて、発電およびエンジン始動を行う発電電動機であり、電動機ＭＧ２は、車両駆動軸３に接続されて、主に車両の駆動力源として使用されるとともに回生発電を行う駆動用電動機である。

本実施の形態では、エンジン１の駆動力は、クラッチ２１を接続することにより、電動機ＭＧ１を経由して機械的に変速機２２に伝達され、電動機ＭＧ２の駆動力が重畳されて車両駆動軸３に伝達される。いわゆるパラレルハイブリッドモードが採用される。また、電動機ＭＧ１は、車両起動時にエンジン起動用の電動機としても働き、電動機ＭＧ２は、車両の制動時には回生発電を行う。

図３は、バッテリ５、インバータ６、電動機ＭＧ１、電動機ＭＧ２に関する強電部分の電気回路図である。インバータ６は、電動機ＭＧ１を駆動するインバータ回路ＩＮＶ１、電動機ＭＧ２を駆動するインバータ回路ＩＮＶ２、イグニッションオフ時にバッテリ５を回路から切断する強電リレー３１、バッテリ５の出力を平滑する平滑コンデンサ３２、平滑コンデンサ３２の端子電圧を測定する電圧センサ３３から構成される。また、電動機ＭＧ１、電動機ＭＧ２には、それぞれの回転位置を検出する位置検出器（回転位置センサ）４１、４２が設けられている。電圧センサ３３の電圧値信号は、統合コントローラ９に入力され、位置検出器４１、４２の回転位置信号は、モータコントローラ７に入力される。

インバータ回路ＩＮＶ１、インバータ回路ＩＮＶ２は、図３に示すように、６つのスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）と６つのダイオードから構成される。電動機ＭＧ２を駆動用モータとして働かせる場合は、インバータ回路ＩＮＶ２は、モータコントローラ７からの制御信号に基づき、バッテリ５からの直流電力を交流電力に変換して、電動機ＭＧ２にその交流電力を提供する。また、電動機ＭＧ２が発電を行う場合は、電動機ＭＧ２からの交流電力を直流電力に変換し、バッテリ５に戻す。なお、電動機ＭＧ１の駆動時には、電動機ＭＧ２によって発電された電力をインバータ回路ＩＮＶ２からインバータ回路ＩＮＶ１へ供給して、電動機ＭＧ１の駆動電力として使用してもよい。インバータ回路ＩＮＶ１および電動機ＭＧ１についても同様である。このようなインバータ回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を使用して、電動機ＭＧ１、ＭＧ２の回転数およびトルクの制御、また発電制御などを行なうのは公知な内容である。

インバータ６や電動機ＭＧ１、ＭＧ２の保守点検を行なうときには、強電リレー３１によりバッテリ５を回路から切断する必要がある。しかし、強電リレー３１によりバッテリ５からの直流電力を切断しても、平滑コンデンサ３２には蓄電された電荷が残留している。従って、平滑コンデンサ３２に蓄電された電荷を効率よく放電させる必要がある。

本実施の形態では、この平滑コンデンサ３２に蓄電された電荷を、インバータ回路ＩＮＶ１、ＩＮＶ２を駆動することにより、電動機ＭＧ１、電動機ＭＧ２に電流を流して放出するものである。すなわち、コンデンサの静電エネルギーを電動機の巻線でのジュール熱に変換する。この平滑コンデンサ３２の蓄電された電荷を放電するにあたり、従来技術の問題点を以下詳しく説明する。

図４は、電動機のベクトル制御で一般的に知られる電流ベクトル図である。電動機回転子の磁極方向をｄ軸，これに垂直方向をｑ軸と称し、電流の作る磁界の方向に従って、ｄ軸−ｑ軸２次元平面上に電流ベクトルを定義する。電流ベクトルのｄ軸成分は励磁電流成分であり、ｑ軸成分はトルク電流成分である。

そこで、従来技術で提案されているように、トルクを発生するトルク電流成分であるｑ軸電流を０とし、トルクを発生しない励磁電流成分であるｄ軸電流のみを流せば、理論的には、電動機ＭＧ１、電動機ＭＧ２にトルクを発生させない。従って、平滑コンデンサ３２の放電時に騒音や振動が発生することがない。

しかし、電動機ＭＧ１、電動機ＭＧ２のそれぞれの位置検出器４１、４２の誤差により、ｄ軸−ｑ軸ベクトル平面は、回転子磁極の真の位置で決まるベクトル平面（ｄ’軸，ｑ’軸で表記）と異なってくる。この角度差をΔθとする。図４は、位置検出器に基づくベクトル空間と真の位置で決まるベクトル空間とが、Δθずれている様子を示している。このような誤差を含むベクトル空間で、電動機のトルクをゼロとするために励磁電流成分であるｄ軸電流のみを流したとしても（Ｉｄ：非ゼロ，Ｉｑ：ゼロ）、図４に示すように、真のｑ軸電流Ｉｑ’が非ゼロとなり、トルク電流成分が電動機に流れ込み電動機にはトルクが発生する。

電流ベクトルがｑ軸となす角度をβで表記すると、β＝９０°のときＩｑ＝０である。しかし、真のベクトル空間でみると、角度はβ’＝β−Δθである。図５は、突極型電動機（車両駆動用電動機で一般的に使われる埋込磁石型電動機がこれに相当）の特徴的なβ角とトルクの特性グラフである。β＝９０°ではトルクがゼロであるものの、位置検出器誤差角度Δθ分だけβが変化するとトルクΔＴが発生し、Δθに対するトルクの変化率が大きいため、わずかな誤差でも騒音や振動の要因となる。

従って、本実施の形態では、次のような制御を行なう。電動機ＭＧ１、電動機ＭＧ２に平滑コンデンサ３２の電荷に基づく電流を流すことにより、電動機ＭＧ１、電動機ＭＧ２はトルクを発生させる。このとき、電動機ＭＧ１と電動機ＭＧ２の合計トルクがゼロとなるようにインバータ回路ＩＮＶ１およびインバータ回路ＩＮＶ２を制御する。これにより、車両駆動軸全体としてのトルクが相殺され、騒音の発生を抑制することができる。

なお、各電動機は一般的に異なるギア比で車両駆動軸に接続されているので、このギア比を考慮して電動機のトルク配分をする必要がある。また、クラッチ２１を接続状態にし、電動機ＭＧ１と電動機ＭＧ２を機械的に接続した状態で行なう。なお、クラッチ２１には引きずり抵抗があるため、必ずしもクラッチ２１を接続状態にしなくても、電動機ＭＧ１と電動機ＭＧ２のトルクが相殺されるように働く。しかし、クラッチ２１を接続状態にした方がより効率的である。

図６、図７は、イグニッションオフ後の平滑コンデンサ３２の電荷放電の処理（制御）のフローチャートを示す図である。図６は、統合コントローラ９での処理のフローチャートを示す図であり、図７は、モータコントローラ７での処理のフローチャートを示す図である。統合コントローラ９およびモータコントローラ７では、内部のマイクロプロセッサ（不図示）が所定のプログラムを実行することにより図６および図７の処理を行なう。

まず、イグニッションオフにより、統合コントローラ９は図６の処理を開始する。ステップＳ１では、インバータ６の強電リレー３１をオフすべく、インバータ６へリレーオフ信号を出力する。ステップＳ２では、クラッチ２１をオンすべく、ハイブリッド変速機２へクラッチオン信号を出力する。ステップＳ３では、電圧センサ３３により検出された平滑コンデンサ３２の電圧値を入力する。

ステップＳ４では、検出された平滑コンデンサ３２の電圧値が保守点検時の作業者にとって安全なレベル（所定値以下）であるかどうかを判定する。ステップＳ４で安全な（危険でない）レベルであると判定すると処理を終了する。その後、作業者は保守点検などの作業を行なうことが可能となる。

ステップＳ４で平滑コンデンサ３２の電圧値が安全なレベルでないと判定すると、ステップＳ５へ進む。ステップＳ５では、電動機ＭＧ１および電動機ＭＧ２の車両駆動軸３上での合計トルクがゼロとなるような、それぞれの目標トルクを計算する。このとき、車両駆動軸３上で電動機ＭＧ１および電動機ＭＧ２のトルクが相殺されるようにするため、ギア比なども考慮して計算する。

このときの目標トルクは、平滑コンデンサ３２の容量およびどれくらいの時間をかけて放電を完了させるかの設計値に基づき決定される。ステップＳ６では、ステップＳ５で計算された電動機ＭＧ１および電動機ＭＧ２のそれぞれの目標トルク値をモータコントローラ７へ出力する。その後、ステップＳ３に戻り処理を繰り返す。

なお、電動機ＭＧ１および電動機ＭＧ２のトルクを、各々の電動機の回転慣性に応じて配分するようにしてもよい。電動機のトルクが車両駆動軸に伝達される際に、電動機の回転慣性による伝達トルクの低減があり、これを考慮してトルク配分を行うことにより、車両駆動軸の合計トルクがよりゼロに近くなり、より一層騒音を低減することが可能になる。この各電動機の回転慣性は、統合コントローラ９のメモリ（不図示）などに格納しておくようにすればよい。

図７の処理は、モータコントローラ７において、所定のタイミングで常時実行される処理である。ステップＳ１１では、統合コントローラ９からの電動機ＭＧ１および電動機ＭＧ２それぞれの目標トルクを入力する。ステップＳ１２では、位置検出器４１、４２により検出された電動機ＭＧ１および電動機ＭＧ２の回転位置に関する信号を入力する。

ステップＳ１３では、ステップＳ１１で取得した電動機ＭＧ１の目標トルクと、ステップＳ１２で検出した電動機ＭＧ１の回転位置に基づき、電動機ＭＧ１の目標トルクを発生させるべく、電動機ＭＧ１の励磁電流成分Ｉｄ、トルク電流成分Ｉｑを設定する。同様に、電動機ＭＧ２の目標トルクを発生させるべく、電動機ＭＧ２の励磁電流成分Ｉｄ、トルク電流成分Ｉｑを設定する。

ステップＳ１４では、ステップＳ１３で設定した電動機ＭＧ１の励磁電流成分Ｉｄ、トルク電流成分Ｉｑ、および、電動機ＭＧ２の励磁電流成分Ｉｄ、トルク電流成分Ｉｑに基づき、インバータ６のインバータ回路ＩＮＶ１およびインバータ回路ＩＮＶ２を制御する。具体的には、インバータ回路ＩＮＶ１およびインバータ回路ＩＮＶ２の各スイッチング素子のオンオフが制御される。

なお、ステップＳ１３で、電動機ＭＧ１および電動機ＭＧ２の励磁電流成分Ｉｄ、トルク電流成分Ｉｑを設定するとき、図５に示すトルク−βの特性曲線で、トルクが極大となる付近のβで各電動機を制御する。すなわち、電流ベクトルが、ｑ軸からβの角度の位置で各電動機を制御する。このようにトルクが極大となる付近のβで電動機を制御すると、図５が示すとおり、位置検出器４１、４２の検出誤差Δθに対して、トルク値の変動が少ない。トルク自体は極大値となるが、本発明では複数の電動機の合計トルクがゼロとなるように制御されているので、車両駆動軸のトルクはゼロとなる。

従って、位置検出器４１、４２に誤差がある場合でも、精度よく車両駆動軸のトルクをゼロに制御することが可能となり、平滑コンデンサの放電時に伴う騒音や振動を効果的に低減することが可能となる。なお、トルクの大きさは、電流ベクトルの大きさ、すなわち各励磁電流成分Ｉｄ、トルク電流成分Ｉｑを比例させて変化させればよい。

なお、トルクが極大となるβ付近で制御するとより効率的であるが、トルクが極大となるβ付近以外で制御するようにしても、位置検出器誤差の影響は低減される。

上記図６のステップＳ２では、クラッチ２１を接続した状態で、平滑コンデンサ３２の電荷を放電する処理を行なっている。このようにクラッチ２１を接続することにより、車両駆動軸の慣性が増大する。その結果、電荷放出の際に電動機ＭＧ１と電動機ＭＧ２のトルクが完全にバランスできないために駆動軸にトルクが発生した場合でも、角加速度を抑制することができることから、騒音が低減される。

図８は、モータ走行時のエンジン摩擦を取り除くために、電動機ＭＧ１とエンジン１との間にクラッチ２４を設けたハイブリッド変速機４の変形例の構成を示す図である。このような構成において、クラッチ２４を接続すると、エンジン１の分の慣性が車両駆動軸３に追加され、車両駆動軸３の慣性が増大する。その結果、電荷放出の際に電動機ＭＧ１と電動機ＭＧ２のトルクが完全にバランスできないために駆動軸にトルクが発生した場合でも、上記と同様に、角加速度を抑制することができ、騒音が低減される。なお、図８において、ギアセット２３と電動機ＭＧ２の間にクラッチが設けられる場合もあるが、同様にそのクラッチを接続して平滑コンデンサ３２の放電処理を行なえばよい。

以上のように構成された車両用電動機制御装置は、次のような効果を奏する。
（１）イグニッションオフにより平滑コンデンサ３２の電荷を放電させるとき、複数の電動機ＭＧ１、電動機ＭＧ２の巻線でその電荷を放電させるようにしている。このとき、この電荷に基づく複数の電動機ＭＧ１、電動機ＭＧ２に発生するトルクが、車両駆動軸３上でお互いに打ち消しあうように制御している。その結果、車両駆動軸３上で駆動トルクが相殺されるため、車両に騒音や振動が発生しにくい。
（２）電動機ＭＧ１、電動機ＭＧ２は、それぞれ所定のギア比で車両駆動軸３に接続される。このギア比も考慮して、電動機ＭＧ１、電動機ＭＧ２に発生させるべきトルクを計算するので、車両駆動軸３上で駆動トルクがより正確に相殺される。
（３）電動機のトルク−βの特性曲線で、トルクが極大となる付近のβで各電動機ＭＧ１、ＭＧ２を制御するので、トルク値の変動が少なく、位置検出器４１、４２の検出誤差Δθなどの影響を受けない制御ができる。
（４）クラッチを接続状態にすることにより、電動機を車両駆動軸へ機械的に接続した状態で、平滑コンデンサ３２の電荷によるトルクを各電動機に発生させている。これにより、電動機駆動軸の回転慣性が増加し、平滑コンデンサの電荷放出の際の電動機の回転数の変動が小さくなり、電動機の回転に伴う騒音や振動がさらに低減される。なお、クラッチを接続状態にしない場合であっても、引きずり抵抗などでトルクが伝達されるので、このような場合にも、車両駆動軸３上でのトルクの相殺は実現できる。
（５）電動機ＭＧ１および電動機ＭＧ２のトルクを、各々の電動機の回転慣性に応じて配分するので、車両駆動軸の合計トルクがよりゼロに近くなり、より一層騒音を低減することが可能になる。
（６）この各電動機の回転慣性は、統合コントローラ９のメモリ（不図示）などに格納しておくようにすればよい。

上記実施の形態では、電動機ＭＧ１と電動機ＭＧ２の２つの電動機が備えられている例で説明したが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。３つ以上の複数の電動機が備えられている場合であってもよい。これらの複数の電動機のトルクが、車両駆動軸３上で打ち消し合われるようなそれぞれの目標トルクを計算すればよい。

上記実施の形態では、図５において、突極型電動機の例を説明した。しかし、非突極型電動機であっても、複数の電動機に発生するトルクを車両の駆動軸上でお互いに打ち消しあうように制御することができる。

上記実施の形態では、ハイブリッド車の例で説明したが、必ずしもこの内容に限定する必要はない。電気自動車であってもよい。また、複数の電動機で駆動することが可能な他の車両であってもよい。さらには、インバータにより複数の電動機で駆動され、インバータの平滑コンデンサの放電を効率よく行なう必要性が生じるような車両以外の装置にも本発明を適用することは可能である。

上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

本発明の一実施の形態の車両用電動機制御装置が使用されるハイブリッド車のシステム構成図である。 ハイブリッド変速機の内部構成を示す図である。 バッテリ、インバータ、電動機に関する強電部分の電気回路図である。 電動機のベクトル制御で一般的に知られる電流ベクトル図である。 突極型電動機の特徴的なβ角とトルクの特性グラフである。 統合コントローラでの処理のフローチャートを示す図である。 モータコントローラでの処理のフローチャートを示す図である。 ハイブリッド変速機の変形例の構成を示す図である。

符号の説明

１ エンジン
２ ハイブリッド変速機
３ 車両駆動軸
４ 駆動輪
５ バッテリ
６ インバータ
７ モータコントローラ
８ エンジンコントローラ
９ 統合コントローラ
２１、２４ クラッチ
２２ 変速機
２３ ギアセット
３１ 強電リレー
３２ 平滑コンデンサ
３３ 電圧センサ
４１、４２ 位置検出器
ＭＧ１、ＭＧ２ 電動機
ＩＮＶ１、ＩＮＶ２ インバータ回路

Claims (5)

1. 車両の駆動軸に接続される複数の電動機を制御する車両用電動機制御装置であって、
   直流電源からの電力を交流に変換して前記複数の電動機にそれぞれ供給する複数のインバータ手段と、
   前記複数のインバータ手段を制御するインバータ制御手段と、
   前記直流電源と前記複数のインバータ手段との間に設けられ、前記直流電源と前記複数のインバータとの間を電気的に切断する切断手段と、
   前記切断手段と前記複数のインバータ手段との間に設けられた蓄電手段とを備え、
   前記蓄電手段の電荷を放電させるとき、前記切断手段が前記直流電源と前記複数のインバータとの間を電気的に切断した後、前記インバータ制御手段は、前記蓄電手段の電荷に基づく前記複数の電動機に発生するトルクが前記車両の駆動軸上でお互いに打ち消しあうように前記複数のインバータ手段を制御することを特徴とする車両用電動機制御装置。
2. 請求項１に記載の車両用電動機制御装置において、
   前記インバータ制御手段は、前記蓄電手段の電荷を放電させるとき、前記複数の電動機が前記車両の駆動軸へ接続される際のギア比を考慮して、前記複数のインバータ手段を制御することを特徴とする車両用電動機制御装置。
3. 請求項１から２のいずれかに記載の車両用電動機制御装置において、
   前記インバータ制御手段は、前記蓄電手段の電荷を放電させるとき、前記複数の電動機において発生するトルクがそれぞれ実質的に極大となる電流ベクトルの位置で前記複数のインバータ手段を制御することを特徴とする車両用電動機制御装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の車両用電動機制御装置において、
   前記複数の電動機を前記車両の駆動軸へ接続および切断する断続手段を制御する断続制御手段をさらに備え、
   前記インバータ制御手段が、前記蓄電手段の電荷を放電させるために前記複数のインバータ手段を制御するとき、前記断続制御手段は、前記複数の電動機を前記車両の駆動軸へ接続するように前記断続手段を制御することを特徴とする車両用電動機制御装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の車両用電動機制御装置において、
   前記インバータ制御手段は、前記複数の電動機に関する回転慣性をそれぞれ求め、前記蓄電手段の電荷を放電させるとき、前記求めたそれぞれの回転慣性を考慮して、前記複数のインバータ手段を制御することを特徴とする車両用電動機制御装置。

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