JP2009027870A - ハイブリッド車用電機システム制御装置 - Google Patents

ハイブリッド車用電機システム制御装置 Download PDF

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Abstract

【課題】ある交流モータが回生動作となった場合でも所要のトルクを発生させるようにし、これにより高効率化を図ったハイブリッド車用電機システム制御装置の提供。
【解決手段】複数の交流モータと、これら各交流モータにそれぞれ交流電力を供給する複数のインバータと、これら各インバータの入力電圧を昇圧するDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバータに直流電力を供給するバッテリと、前記各インバータと前記DC/DCコンバータを制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、各インバータの必要入力電圧の決定の際に、制動動作となる交流モータが回生電力を発生しないとの判定によって、前記DC/DCコンバータの出力電圧を低減させるように制御する。
【選択図】図1

Description

本発明はハイブリッド車用電機システム制御装置に係り、特に、バッテリの電圧をDC/DCコンバータによって昇圧させ、この昇圧された電圧が供給される各インバータを介して複数の交流モータを駆動制御させるハイブリッド車用電機システム制御装置に関する。
この種のハイブリッド車用電機システム制御装置は、たとえば下記特許文献1に示すように、交流モータの回転数および目標出力トルクに応じ、インバータへの入力電圧目標値を算出し、この入力電圧目標値になるように、DC/DCコンバータを構成する各スイッチング素子をPWM(Pulse Width Modulation)制御するようになっている。これにより、前記交流モータの効率運転が図れるようになる。
そして、該交流モータおよびこの交流モータに接続されるインバータが複数ある場合、各インバータのそれぞれの入力電圧目標値を算出し、それらを比較し、最も高い電圧値をDC/DCコンバータの出力値とし、ハイブリッド車のシステム全体の効率を上昇させるようになっている。
W02003/015254号公報
しかし、上述した構成からなるハイブリッド車用電機システム制御装置は、交流モータおよびこの交流モータに接続されるインバータが複数ある場合において、その一つが回生動作となった場合に、その動作が充分に行われないという不都合が生じる。
すなわち、DC/DCコンバータの出力電圧が、それぞれカ行状態となる交流モータの各インバータにおいて必要入力電圧が設定された場合、その電圧は回生動作となる交流モータのインバータに対して大きな電圧となって回生不能となる現象が生じるからである。
本発明の目的は、ある交流モータが回生動作となった場合でも所要のトルクを発生させるようにし、これにより高効率化を図ったハイブリッド車用電機システム制御装置を提供することにある。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、以下のとおりである。
(1)本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置は、たとえば、複数の交流モータと、これら各交流モータにそれぞれ交流電力を供給する複数のインバータと、これら各インバータの入力電圧を昇圧するDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバータに直流電力を供給するバッテリと、前記各インバータと前記DC/DCコンバータを制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、各インバータの必要入力電圧の決定の際に、制動動作となる交流モータが回生電力を発生しないとの判定によって、前記DC/DCコンバータの出力電圧を低減させるように制御することを特徴とする。
(2)本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置は、たとえば、(1)の構成を前提とし、前記制動動作となる交流モータが回生電力を発生しないとの判定は、当該交流モータのインバータの出力電圧指令が飽和したことの判定によってなされることを特徴とする。
(3)本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置は、たとえば、(1)の構成を前提とし、前記制動動作となる交流モータが回生電力を発生しないとの判定は、当該交流モータの電流制御系の積分器が飽和したことの判定によってなされることを特徴とする。
(4)本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置は、たとえば、複数の交流モータと、これら各交流モータにそれぞれ交流電力を供給する複数のインバータと、これら各インバータの入力電圧を昇圧するDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバータに直流電力を供給するバッテリと、前記各インバータと前記DC/DCコンバータを制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、各インバータの必要入力電圧の決定の際に、制動動作となる交流モータが回生電力を発生しない場合に、前記DC/DCコンバータの出力電圧を現在の出力電圧から次に大きい前記交流モータのインバータの必要入力電圧に設定する制御を行うことを特徴とする。
(5)本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置は、たとえば、(4)の構成を前提とし、前記制動動作となる交流モータが回生電力を発生しないとの判定は、当該交流モータのインバータの出力電圧指令が飽和したことの判定によってなされることを特徴とする。
(6)本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置は、たとえば、(4)の構成を前提とし、前記制動動作となる交流モータが回生電力を発生しないとの判定は、当該交流モータの電流制御系の積分器が飽和したことの判定によってなされることを特徴とする。
なお、本発明は以上の構成に限定されず、本発明の技術思想を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
このように構成したハイブリッド車用電機システム制御装置によれば、ある交流モータが回生動作となった場合でも所要のトルクを発生させるようにし、これにより高効率化を図ることができるようになる。
以下、本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置の実施例について図面を用いて説明をする。
図2は、本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置の一実施例を示す概略構成図である。
まず、バッテリ1があり、このバッテリ1の出力端子はDC/DCコンバータ2の入力端子に接続され、該DC/DCコンバータ2によって前記バッテリ1の直流電圧が昇圧されるようになっている。なお、該DC/DCコンバータ2には図示しない制御回路が内蔵され、該DC/DCコンバータ2の昇圧値はコントローラ6から前記制御回路へ入力される指令値によって制御されるようになっている。
該DC/DCコンバータ2によって昇圧された電圧は平滑コンデンサ3に印加され、この平滑コンデンサ3はそれに蓄積された電圧が後述するたとえば3個の各インバータ4a、4b、4cへの入力電圧(インバータ入力電圧)として機能するようになっている。
前記インバータ4aは交流モータ5aに、インバータ4bは交流モータ5bに、インバータ4cは交流モータ5cにそれぞれ接続されている。
前記各インバータ4a、4b、4cには図示しない制御回路が内蔵され、該インバータ4a、4b、4cにそれぞれ入力された直流電力が、前記コントローラ6から前記制御回路へ入力される指令値によって、任意の周波数の交流電力に変換され、後段の前記交流モータ5a、5b、5cに出力されるようになっている。これにより、各交流モータ5a、5b、5cは、それぞれ所定のトルクが得られる回転がなされるようになっている。
ハイブリッド車において、たとえば、前記各交流モータ5a、5b、5cのうち1つの交流モータによって前輪を駆動させ、他の残りの各交流モータによって後輪の各車輪を駆動させるようになっている。また、他の態様とし、前記各交流モータ5a、5b、5cのうち2つの交流モータによって前輪を駆動させるとともに、その1つを発電機として駆動させ、残りの交流モータによって後輪を駆動させるようにしてもよい。
なお、前記バッテリ1においては、図示しないバッテリコントロラーが備えられ、このバッテリコントロラーによって該バッテリ1の電圧、電流、充電度合い、あるいは劣化度合いをモニターし、このモニターの情報を前記コントローラ6へ出力するようになっている。
図3は、前記インバータ4a、4b、4cのうちの一つのインバータ(符号4で示す)の一実施例を示す構成図であるり、該インバータ4に接続される平滑コンデンサ3および交流モータ5とともに示している。
図3において、安定したインバータ入力電圧として機能する平滑コンデンサ3があり、この平滑コンデンサ3の電源ラインとアースの間には、NPNトランジスタQ1、Q2の直列接続からなるU相アームと、NPNトランジスタQ3、Q4の直列接続からなるW相アームと、NPNトランジスタQ5、Q6の直列接続からなるV相アームが接続されている。
また、各トランジスタQ1〜Q6のコレクタ・エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードD1〜D6が接続されている。
これらトランジスタQ1〜Q6およびダイオードD1〜D6によりインバータ4が構成されている。
そして、各相アームの中間接続点には、交流モータ5の各相コイルの一端が接続されている。すなわち、交流モータ5は、3相の永久磁石モータからなり、U、V、W相の3つのコイルの他端が中点で共通接続されて構成され、U相コイルの一端がトランジスタQ1、Q2の中間接続点に、W相コイルの一端がトランジスタQ3、Q4の中間接続点に、V相コイルの一端がトランジスタQ5、Q6の中間接続点に接続されている。
該インバータ4は、図示しない制御回路によって前記トランジスタQ1〜Q6のゲート電極にPWMパルスを入力させて制御され、該PWMパルスは交流信号の振幅をインバータ入力電圧Vdcを振幅とするパルス幅に変調した波形信号となっている。このため、該インバータ4から出力される交流電圧の基本波振幅はインバータ入力電圧Vdcによって制限されるようになる。この場合、インバータ入力電圧Vdcは該インバータ4によって駆動される交流モータ5の動作点によって必要最低値が決定されるようになっている。そして、該必要最低値である直流電圧値(以下、必要最低値直流電圧値と称す)Vdc(min)は以下のようにして決定される。
まず、交流モータ5の回転子の磁束方向軸(d軸)とそれに直交する方向軸(q軸)の各電圧は、それぞれ次式(1)、(2)で表される。
数1 Vd=R×Id−ω×Lq×Iq …… (1)
数2 Vd=R×Id+ω×Lq×Iq+ω×φ …… (2)
ここで、Rは巻線抵抗、ωはモータ角速度、Ld、Lqはd−q軸上でのインダクタンス、Id、Iqはd−q上でのモータ電流、φは磁石磁束を示す。
そして、前記各インバータの必要最低直流電圧値Vdc(min)は、次式(3)で表される。
数3 Vdc(min)=√(Vd^2+Vq^2)/√(3)×√(2)×2 …… (3)
この場合、上式(3)は、通常の正弦波変調方式を用いた場合の算出式となる。しかし、この算出式に限定されることはなく、電圧の利用率向上分が加味されることになるが、たとえば、3次高調波重畳変調方式、2相変調方式、あるいは矩形波駆動方式を用いるようにしてもよい。
このように、インバータ4で交流モータ5を駆動する場合、該インバータ4に入力すべき必要最低直流電圧値が定まるが、図2に示す実施例の場合、バッテリ1とインバータ4の間にDC/DCコンバータ2が介在されていることから、該DC/DCコンバータ2の昇圧によって、インバータ4への入力電圧を前記バッテリ1の電圧よりも高く設定することができることになる。
ここで、図2に示す実施例のように、複数の交流モータ5を有する場合、それらを駆動する各インバータ4への入力電圧を、当該モータの動作点に基づいて、設定する必要が生じる。
このため、本実施例では、前記コントローラ6によって、図4のフロー図に示す動作がなされるようになっている。
すなわち、図4において、そのステップST1に示すように、各交流モータ5のそれぞれの必要最低直流電圧(V1、V2、V3)を演算し、ステップST2に示すように、演算された各必要最低直流電圧(V1、V2、V3)のうち最大値を算出し、ステップST3に示すように、該最大値を各DC/DCコンバータの出力電圧(インバータ入力電圧)として決定するようになっている。
このように複数の交流モータ5のうち最も高い電圧のインバータ4の入力電圧を各インバータ4のインバータ入力電圧とし、各交流モータ5を高効率に駆動させるようにしている。
この場合、上述した直流電圧決定方法が適用できるのは全ての各交流モータ5が全てにおいてカ行動作を行う場合に限られる。すなわち、複数の交流モータ5のうち、回生動作を行う交流モータ5が含まれている場合には、その交流モータ5のインバータ4はコンバータとして動作することになり、該交流モータ5等のインダクタンス成分を利用してスイッチングにより直流電圧部を昇圧して回生電力を直流部分に戻すようになる。
このようにインバータ4は交流モータの回生時に直流電圧を昇圧しながら電力を直流部分に戻すため、他の交流モータがカ行を行う際に高い直流電圧を設定した場合において、回生に必要な直流電圧に昇圧できないという不都合が生じることになる。
それ故、本実施例は、まず、前記DC/DCコンバータ2によって設定された直流電圧値が高いことによって、ある交流モータ5が回生動作を行えないといった現象が発生した場合、その現象は、前記回生動作を行っている交流モータ5が備える電流制御器の状態で判定し、それにより、適切なインバータ入力電圧に設定するようにしている。
図5は、本実施例に適用される前記電流制御器の一実施例を示す構成図である。図5において、まず、電流指令演算部10があり、この電流指令演算部10には、図示しない上位制御部からのモータトルク指令Tr*に相当する信号が入力されるようになっている。
電流指令演算部10は、モータ速度演算部15からモータ速度に相当する信号が入力され、モータ回転子の磁束方向のd軸電流指令id*に相当する信号、およびd軸に直交して主としてトルクに作用するq軸電流指令iq*に相当する信号を、演算により形成し、それぞれ、出力するようになっている。
前記d軸電流指令id*に相当する信号は差分器11に入力され、前記q軸電流指令qd*に相当する信号は差分器12に入力されるようになっている。
前記差分器11は、d軸電流検出値id^に相当する信号が入力されており、前記d軸電流指令id*と該d軸電流検出値id^の差分値Δidに相当する信号を出力するようになっている。前記差分値12は、q軸電流検出器iq^に相当する信号が入力されており、前記q軸電流指令iq*と該q軸電流検出器iq^の差分値Δiqに相当する信号を出力するようになっている。
前記差分器11からの差分値Δidに相当する信号は比例積分器13に入力され、この比例積分器13によって、d軸電流idが前記d軸電流指令id*による電流に追従するようにd軸電圧指令に相当する信号を出力するようになっている。前記差分器12からの差分値Δiqに相当する信号は比例積分器14に入力され、この比例積分器14によって、q軸電流iqが前記q軸電流指令iq*による電流に追従するようにq軸電圧指令に相当する信号を出力するようになっている。
この場合、制御器に相当する前記比例積分器13、14のそれぞれの積分値は
モータのd−q軸上の電圧指令値に相当する。
上述したように、DC/DCコンバータ2によって設定された直流電圧が高く、ある交流モータ5が回生動作を行えないといった現象が発生している場合、インバータ4が所要の電圧を出力できない状態であるため、前記比例積分器13、14は飽和した状態にあるということができる。
このことは、前記比例積分器13、14の状態を監視しておき、該比例積分器13、14が飽和した時点で回生動作が困難となっていると判定できることを意味する。
なお、図5では、d−q軸上の電圧指令値を出力する各比例積分器13、14の積分状態を監視することによって該比例積分器13、14の飽和状態を判定したものである。しかし、これに限定されることなく、たとえば、図6に示すように、d−q軸上の電圧指令を2相/3相の座標変換して求められる3相交流電圧指令値を監視することによって、インバータの出力電圧の飽和状態を判定するようにしてもよい。図6は、このような実施例を示す図であり、図5に対応して描いた図となっている。図6において、比例積分演算器13および比例積分演算器14からの各出力を、2相/3相変換器20に入力させ、該2相/3相変換器20から前記3相交流電圧指令値を出力させるように構成している。
図1は、前記コントロラー6が、インバータの出力電圧の飽和状態を判定し、これにより適切なインバータ入力電圧指令値を決定するための動作の一実施例を示したフロー図である。
まず、ステップST1にて、全ての各交流モータ1、2、3の当該インバータへの必要入力電圧値を演算する。次に、ステップST2にて、前記必要入力電圧値のうち最大値を判断する。
次に、ステップST3にて、回生動作にある交流モータの電流制御積分器の飽和状態を監視する。次に、ステップST4にて、該電流制御積分器が飽和状態であるか否かを判断する。
そして、ステップST5にて、該電流制御積分器が飽和状態にないと判断した場合に、前記必要入力電圧の最大値をインバータ入力電圧指令値(DC/DCコンバータの電圧指令値)として採用する。
次に、ステップST6にて、該インバータ入力電圧指令値(DC/DCコンバータの電圧指令値)によってDC/DCコンバタータを駆動させる。次に、ステップST7にて、該電流制御積分器が飽和状態にあると判断した場合に、前記必要入力電圧の最大値から所定の電圧値ΔVdcを減算し、その減算結果をインバータ入力電圧指令値(DC/DCコンバータの電圧指令値)として採用する。さらに、ステップST8にて、回生動作にある交流モータの電流制御積分器の飽和状態を監視する。
そして、ステップST9にて、前記電流制御積分器が飽和状態か否かを判定する。前記電流制御積分器が飽和状態にある場合には、ステップST7に戻り、前記インバータ入力電圧指令値(DC/DCコンバータの電圧指令値)から所定の電圧値ΔVdcを減算する。なお、これに続く前記ステップST8、ステップST9、さらにはステップST7に至るループの繰り返しの動作は、前記電流制御積分器が飽和状態でなくなるまで行われる。
そして、前記電流制御積分器が飽和状態にない場合には、ステップST6にて、該インバータ入力電圧指令値(DC/DCコンバータの電圧指令値)によってDC/DCコンバタータを駆動させる。
このように構成することによって、カ行動作を行うモータと回生動作を行うモータとが存在している場合であっても、それぞれのモータの各インバータに最適な入力電圧を供給することができ、各モータは指令値どおりのトルクを効率よく発生させることができる。
図7は、前記コントロラー6が、インバータの出力電圧の飽和状態を判定し、これにより適切なインバータ入力電圧指令値を決定するための動作の他の実施例を示したフロー図で、図1と対応した図となっている。
図7において、図1の場合と比較して異なる構成は、ステップST4にて、電流制御積分器が飽和状態にあると判断した場合に、ステップST7’、ステップST8’、ステップST9’、およびステップST10’を経ることによってインバータ入力電圧指令決定(ステップST6)を行っていることにある。
すなわち、ステップST7’にて、各モータ1、2、3の各インバータのうち2番目に大きな値であったインバータ入力電圧を設定し、ステップST8’にて、該各モータ1、2、3のうち回生動作にある制御系の積分器の飽和状態を監視する。
そして、ステップST9’にて、該積分器が飽和状態にあるか否かを判定する。該積分器が飽和状態になかった場合には、ステップST6にて、前記2番目に大きな値であったインバータ入力電圧をインバータ入力電圧指令値として決定する。
該積分器が飽和状態にある場合には、ステップST10’にて、各モータ1、2、3の各インバータのうち2番目に大きな値であったインバータ入力電圧を設定し、ステップST6にて、該インバータ入力電圧をインバータ入力電圧指令値として決定する。
このようにした場合でも、制動動作となる交流モータが回生電力を発生しないとの判定によって、前記DC/DCコンバータ2の出力電圧を低減させるように制御するもので、図1に示した実施例の場合と同様の効果を得ることができる。
上述した各実施例では、交流モータおよびこの交流モータに接続されるインバータを3個備えるものとして説明したものである。しかし、これに限定されることはなく、2個、あるいは4個以上であってもよいことはもちろんである。
なお、交流モータの回生動作ができているか否かの判断には、交流モータに直接印加される交流の電圧指令値を監視してもよいことは図6で示した通りである。この場合、交流の電圧指令値は通常交流モータの線間に印加されるところでは正弦波となっているが、積分器が飽和した状態では正弦波の電圧指令の山、谷の各部分がつぶれた波形となり、この波形を利用して回生動作ができているか否かの監視および判断を行うことができる。
上述した各実施例はそれぞれ単独に、あるいは組み合わせて用いても良い。それぞれの実施例での効果を単独であるいは相乗して奏することができるからである。
本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置の各インバータへの入力電圧指令の決定方法の一実施例を示すフロー図である。 本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置の一実施例を示す概略構成図である。 本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置のインバータの一実施例を示す構成図である。 本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置において各交流モータがカ行動作する場合のDC/DCコンバータの出力電圧の決定方法の一実施例を示すフロー図である。 本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置の交流モータの電流制御部分の一実施例を示す構成図である。 本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置の交流モータの電流制御部分の他の実施例を示す構成図である。 本発明によるハイブリッド車用電機システム制御装置の各インバータへの入力電圧指令の決定方法の他の実施例を示すフロー図である。
符号の説明
1……バッテリ、2……Dc/DCコンバータ、3……平滑コンデンサ、4、4a、4b、4c……インバータ、5、5a、5b、5c……交流モータ、6……コントローラ、Q1〜Q6……トランジスタ、D1〜D6……ダイオード、10……電流指令演算部、11、12……差分器、13、14……比例積分器、15……モータ速度演算部、20……2相/3相変換器。

Claims (6)

  1. 複数の交流モータと、これら各交流モータにそれぞれ交流電力を供給する複数のインバータと、これら各インバータの入力電圧を昇圧するDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバータに直流電力を供給するバッテリと、前記各インバータと前記DC/DCコンバータを制御するコントローラを備え、
    前記コントローラは、各インバータの必要入力電圧の決定の際に、制動動作となる交流モータが回生電力を発生しないとの判定によって、前記DC/DCコンバータの出力電圧を低減させるように制御することを特徴とするハイブリッド車用電機システム制御装置。
  2. 前記制動動作となる交流モータが回生電力を発生しないとの判定は、当該交流モータのインバータの出力電圧指令が飽和したことの判定によってなされることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド車用電機システム制御装置。
  3. 前記制動動作となる交流モータが回生電力を発生しないとの判定は、当該交流モータの電流制御系の積分器が飽和したことの判定によってなされることを特徴とする請求項1に記載のハイブリッド車用電機システム制御装置。
  4. 複数の交流モータと、これら各交流モータにそれぞれ交流電力を供給する複数のインバータと、これら各インバータの入力電圧を昇圧するDC/DCコンバータと、このDC/DCコンバータに直流電力を供給するバッテリと、前記各インバータと前記DC/DCコンバータを制御するコントローラを備え、
    前記コントローラは、各インバータの必要入力電圧の決定の際に、制動動作となる交流モータが回生電力を発生しない場合に、前記DC/DCコンバータの出力電圧を現在の出力電圧から次に大きい前記交流モータのインバータの必要入力電圧に設定する制御を行うことを特徴とするハイブリッド車用電機システム制御装置。
  5. 前記制動動作となる交流モータが回生電力を発生しないとの判定は、当該交流モータのインバータの出力電圧指令が飽和したことの判定によってなされることを特徴とする請求項4に記載のハイブリッド車用電機システム制御装置。
  6. 前記制動動作となる交流モータが回生電力を発生しないとの判定は、当該交流モータの電流制御系の積分器が飽和したことの判定によってなされることを特徴とする請求項4に記載のハイブリッド車用電機システム制御装置。
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