JP2009219225A - 車両駆動システム - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ回路に備えられるスイッチング素子が短絡故障した場合であっても、システム寿命が短くなることのない車両駆動システムを提供する。
【解決手段】インバータ回路に接続される複数のモータジェネレータ端子から入力された多相交流電力によって車両を駆動し、車両の回生制動によって発生した多相交流電力を当該複数のモータジェネレータ端子から出力するモータジェネレータと、複数のモータジェネレータ端子の相互間に接続される相間スイッチと、相間スイッチを制御するスイッチ制御部とを備える。スイッチ制御部は、インバータ回路の相間短絡故障が検出されたときに相間スイッチをオンにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータジェネレータによって車両を駆動し回生制動する車両駆動システムに関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等の電動自動車が広く用いられている。電動自動車は、駆動用および回生制動用のモータジェネレータ、モータジェネレータとの間で電力を授受する電池、電池が出力する直流電力を多相交流電力に変換してモータジェネレータに供給し、モータジェネレータが回生制動によって発生した多相交流電力を直流電力に変換し電池に供給するインバータ回路等を備える。

インバータ回路は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のスイッチング素子を備える。インバータ回路は、スイッチング素子のスイッチングにより、直流交流変換または交流直流変換を行う。

特開２００６−８７１７５号公報 特開２００６−２９６１２１号公報 特開２００４−２１２２０１号公報 実開昭６１−１８５２８４号公報

スイッチング素子は、インバータ回路の急激な負荷変動、車両に与えられた衝撃等によって短絡故障する場合がある。この場合、インバータ回路の多相交流電力入出力用の複数の端子のうち少なくとも２つの間がインバータ回路内で短絡する。

車両が走行しているときに短絡故障が生ずると、モータジェネレータとインバータ回路とを接続する電力ケーブル、インバータ回路、モータジェネレータの界磁巻線等にモータジェネレータの発電による過大電流が流れることがある。これによって、車両駆動システムの寿命が短くなるおそれがある。

本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、インバータ回路に備えられるスイッチング素子が短絡故障した場合であっても、システム寿命が短くなることのない車両駆動システムを提供することを目的とする。

本発明は、入力された直流電力を多相交流電力に変換して複数の単相端子から出力し、当該複数の単相端子から入力された多相交流電力を直流電力に変換して出力するインバータ回路と、対応する単相端子にそれぞれが接続される複数のモータジェネレータ端子を備え、当該複数のモータジェネレータ端子から入力された多相交流電力によって車両を駆動し、車両の回生制動によって発生した多相交流電力を当該複数のモータジェネレータ端子から出力するモータジェネレータと、を備える車両駆動システムにおいて、前記インバータ回路に含まれるデバイスの短絡により複数の単相端子同士が短絡する相間短絡故障を検出する相間短絡故障検出部と、前記複数のモータジェネレータ端子の相互間に接続される相間スイッチと、前記相間スイッチを制御するスイッチ制御部と、を備え、前記スイッチ制御部は、前記相間短絡故障が検出されたときに、前記相間スイッチをオンにすることを特徴とする。

また、本発明は、入力された直流電力を多相交流電力に変換して複数の単相端子から出力し、当該複数の単相端子から入力された多相交流電力を直流電力に変換して出力するインバータ回路と、対応する単相端子にそれぞれが接続される複数のモータジェネレータ端子を備え、当該複数のモータジェネレータ端子から入力された多相交流電力によって車両を駆動し、車両の回生制動によって発生した多相交流電力を当該複数のモータジェネレータ端子から出力するモータジェネレータと、を備え、前記モータジェネレータは、各モータジェネレータ端子に対応して備えられ、対応するモータジェネレータ端子に一端が接続され複数の単位巻線が縦続接続された界磁巻線を備える、車両駆動システムにおいて、複数の単相端子同士が前記インバータ回路に含まれる経路で短絡する相間短絡故障を検出する相間短絡故障検出部と、前記界磁巻線に含まれる単位巻線接続点間に接続される巻線短絡スイッチと、前記相間スイッチを制御するスイッチ制御部と、を備え、前記スイッチ制御部は、前記相間短絡故障が検出されたときに、前記巻線短絡スイッチをオンにすることを特徴とする。

本発明によれば、インバータ回路に備えられるスイッチング素子が短絡故障した場合において、システム寿命が短縮することを回避することができる。

図１に本発明の第１の実施形態に係る車両駆動システム１０の構成を示す。車両駆動システム１０は、直流電圧源１２、直流電圧源１２とモータジェネレータ４０との間で直流交流変換または交流直流変換を行うインバータ回路１４、ならびに、直流電圧源１２、インバータ回路１４、およびモータジェネレータ４０を制御するコントロールユニット３６を備える。

直流電圧源１２は、電池、電池電圧を昇圧する昇圧コンバータ回路等によって構成することができる。直流電圧源１２の出力電圧は、コントロールユニット３６によって制御される。直流電圧源１２は、車両をモータジェネレータ４０で駆動するために十分な直流電力を出力する。また、モータジェネレータ４０の発電電力を回収し充電する。

インバータ回路１４は、直流電圧源１２の正極端子に接続される直流正極端子１６、および直流電圧源１２の負極端子に接続される直流負極端子１８を備える。

インバータ回路１４が備える各トランジスタには、ＩＧＢＴを用いることができる。各トランジスタのベース端子とエミッタ端子との間の電圧はコントロールユニット３６によって制御される。コントロールユニット３６は、各トランジスタのベース端子とエミッタ端子との間の電圧を制御することにより、各トランジスタのコレクタ端子とエミッタ端子との間の断続制御を行う。

トランジスタ２０，２２、および２４の各コレクタ端子は直流正極端子１６に接続される。また、トランジスタ２６，２８、および３０の各エミッタ端子は直流負極端子１８に接続される。トランジスタ２０，２２、および２４のエミッタ端子は、それぞれ、トランジスタ２６，２８、および３０のコレクタ端子に接続される。トランジスタ２０および２６の接続点に設けられたインバータ交流端子３４ｕ、トランジスタ２２および２８のトランジスタ接続点に設けられたインバータ交流端子３４ｖ、ならびにトランジスタ２４および３０の接続点に設けられたインバータ交流端子３４ｗには、それぞれ、電力ケーブル３８ｕ，３８ｖ、および３８ｗの一端が接続される。電力ケーブル３８ｕ，３８ｖ、および３８ｗの各他端は、モータジェネレータ端子４２ｕ，４２ｖ、および４２ｗにそれぞれ接続される。

各トランジスタのコレクタ端子とエミッタ端子との間には、エミッタ端子側がアノード端子となるよう、ダイオード３２が接続される。

次に、車両駆動システム１０の動作について説明する。コントロールユニット３６は、直流電圧源１２の出力電圧を制御する。直流電圧源１２の出力電圧の大きさとモータジェネレータ４０の誘導起電力の大きさに応じて、モータジェネレータ４０は加速し、または減速する。

コントロールユニット３６は、インバータ回路１４の各トランジスタのスイッチング制御を行う。インバータ回路１４のスイッチング状態としては次の６状態をとることができる。（１）コントロールユニット３６がトランジスタ２０および２８をオンとすることにより、インバータ交流端子３４ｕとインバータ交流端子３４ｖとの間にインバータ交流端子３４ｕ側を正として直流電圧源１２が接続される状態、（２）コントロールユニット３６がトランジスタ２２および２６をオンとすることにより、インバータ交流端子３４ｕとインバータ交流端子３４ｖとの間にインバータ交流端子３４ｖ側を正として直流電圧源１２が接続される状態、（３）コントロールユニット３６がトランジスタ２２および３０をオンとすることにより、インバータ交流端子３４ｖとインバータ交流端子３４ｗとの間にインバータ交流端子３４ｖ側を正として直流電圧源１２が接続される状態、（４）コントロールユニット３６がトランジスタ２４および２８をオンとすることにより、インバータ交流端子３４ｖとインバータ交流端子３４ｗとの間にインバータ交流端子３４ｗ側を正として直流電圧源１２が接続される状態、（５）コントロールユニット３６がトランジスタ２４および２６をオンとすることにより、インバータ交流端子３４ｗとインバータ交流端子３４ｕとの間にインバータ交流端子３４ｗ側を正として直流電圧源１２が接続される状態、（６）コントロールユニット３６がトランジスタ２０および３０をオンとすることにより、インバータ交流端子３４ｗとインバータ交流端子３４ｕとの間にインバータ交流端子３４ｕ側を正として直流電圧源１２が接続される状態。

コントロールユニット３６は、上記（１）〜（６）のうちのいずれかのスイッチング状態を組み合わせ、時間経過と共にスイッチング状態の組み合わせを変化させる。このようなスイッチング制御により、インバータ回路１４は直流交流変換または交流直流変換を行う。

モータジェネレータ加速時にインバータ回路１４は、直流正極端子１６と直流負極端子１８との間に印加された直流電圧を３相交流電圧に変換し、インバータ交流端子３４ｕ，３４ｖ、および３４ｗに出力する。モータジェネレータ４０は、モータジェネレータ端子４２ｕ，４２ｖおよび４２ｗに一端がそれぞれ接続され、各他端が共通に接続された界磁巻線４６ｕ，４６ｖ、および４６ｗを備える。モータジェネレータ４０は、電力ケーブル３８ｕ，３８ｖ、および３８ｗを介してモータジェネレータ端子４２ｕ，４２ｖ、および４２ｗに印加された３相交流電圧に基づいて界磁巻線４６ｕ，４６ｖ、および４６ｗから回転磁界を発生し、その回転磁界によって回転子を回転させることで車両を駆動する。

また、モータジェネレータ制動時にインバータ回路１４は、モータジェネレータ端子４２ｕ，４２ｖおよび４２ｗから出力され、電力ケーブル３８ｕ，３８ｖ、および３８ｗを介してインバータ交流端子３４ｕ，３４ｖ、および３４ｗに印加された３相交流電圧を直流電圧に変換し、直流正極端子１６と直流負極端子１８との間に出力する。直流電圧源１２は、インバータ回路１４によって印加される直流電圧によって電力を回収し充電する。

なお、各トランジスタのコレクタ端子とエミッタ端子との間に接続されたダイオード３２は、各トランジスタがオフになったときにエミッタ端子側からコレクタ端子側へと電流を流すためのものである。ダイオード３２が設けられることによって、各トランジスタがオフになったときにコレクタ端子とエミッタ端子との間に発生する誘導起電力の大きさを低減し、各トランジスタに過大な電圧が印加されることを回避することができる。また、モータジェネレータ４０に流れる電流が不連続となることを回避することができる。

車両駆動システム１０では、インバータ回路１４の負荷が極度に大きくなると、トランジスタが故障することがある。また、車両に与えられる衝撃によって、トランジスタが故障することがある。トランジスタが故障した場合、そのコレクタ端子とエミッタ端子との間が短絡状態となることがある。このとき、モータジェネレータ４０の発電電圧によって、故障したトランジスタのエミッタ端子に接続される電力ケーブルに過大電流が流れるおそれがある。例えば、トランジスタ２０のコレクタ端子とエミッタ端子との間が短絡した場合、インバータ交流端子３４ｕから流出し、電力ケーブル３８ｕを流れてモータジェネレータ端子４２ｕからモータジェネレータ４０に流入し、界磁巻線４６ｕおよび４６ｖを流れてモータジェネレータ端子４２ｖから流出し、電力ケーブル３８ｖを流れてインバータ交流端子３４ｖに流入し、トランジスタ２２に接続されたダイオード３２のアノード端子からカソード端子を流れ、トランジスタ２０のコレクタ端子からエミッタ端子に流れる短絡電流、および、インバータ交流端子３４ｕから流出し、電力ケーブル３８ｕを流れてモータジェネレータ端子４２ｕからモータジェネレータ４０に流入し、界磁巻線４６ｕおよび４６ｗを流れてモータジェネレータ端子４２ｗから流出し、電力ケーブル３８ｗを流れてインバータ交流端子３４ｗに流入し、トランジスタ２４に接続されたダイオード３２のアノード端子からカソード端子を流れ、トランジスタ２０のコレクタ端子からエミッタ端子に流れる短絡電流が流れる。これらの短絡電流は、電力ケーブルに熱を発生させ電力ケーブルの寿命を短くするおそれがある。また、インバータ回路１４の二次的故障を引き起こすおそれがある。本実施形態に係る車両駆動システム１０は、短絡故障が車両駆動システムに与えるこのような影響を回避するものである。

短絡故障が生じた場合の制御を実行するには、短絡故障を検出する手段が必要である。短絡故障を検出する構成としては、各トランジスタの温度を測定し、測定温度が所定の閾値を超えたときに短絡故障であると判定する構成、各トランジスタのコレクタ電流またはエミッタ電流を測定し、測定電流が所定の閾値を超えたときに短絡故障であると判定する構成、モータジェネレータの温度を測定し、測定温度が所定の閾値を超えたときに短絡故障であると判定する構成、電力ケーブルに流れる電流を測定し、測定電流が所定の閾値を超えたときに短絡故障であると判定する構成等が考えられる。本実施形態は、電力ケーブルに流れる電流を測定する構成を採用したものである。

次に、短絡故障が生じたときの車両駆動システム１０の動作について説明する。電力ケーブル３８ｕ，３８ｖ、および３８ｗには電流センサ４８が設けられている。電流センサ４８は、電力ケーブル３８ｕ，３８ｖ、および３８ｗのそれぞれに流れる電流を測定し、測定結果をコントロールユニット３６に出力する。

モータジェネレータ４０は、モータジェネレータ端子４２ｕとモータジェネレータ端子４２ｖとの間に接続された相間スイッチ４４ｕｖ、および、モータジェネレータ端子４２ｖとモータジェネレータ端子４２ｗとの間に接続された相間スイッチ４４ｖｗを備える。

コントロールユニット３６は、電力ケーブル３８ｕ，３８ｖまたは３８ｗのうち、測定電流値が所定の閾値を超えた電力ケーブルがあるときは、相間スイッチ４４ｕｖおよび４４ｖｗをオンにする。

このような制御によれば、トランジスタが短絡故障し、電力ケーブル３８ｕ，３８ｖまたは３８ｗのうちいずれかの電流が増加したときは、相間スイッチ４４ｕｖおよび４４ｖｗがオンになる。これによって、界磁巻線４６ｕ，４６ｖ、および４６ｗのモータジェネレータ端子側の一端は共通に接続され、モータジェネレータ端子４２ｕ，４２ｖ、および４２ｗもまた共通に接続される。ここで、界磁巻線４６ｕ，４６ｖ、および４６ｗの各他端は共通に接続されている。したがって、車両の走行によりモータジェネレータ４０の回転子が回転し、界磁巻線４６ｕ，４６ｖ、および４６ｗに誘導起電力が発生していたとしても、誘導起電力によって各界磁巻線に流れる電流が電力ケーブルを介してインバータ回路１４に流れることを回避することができる。これによって、電力ケーブル寿命の短縮を回避し、インバータ回路１４の二次的故障を回避することができる。

なお、ここでは、モータジェネレータ端子４２ｕと４２ｖとの間、およびモータジェネレータ端子４２ｖと４２ｗとの間に相間スイッチを設けた構成について説明した。このような構成の他、モータジェネレータ端子４２ｖと４２ｗとの間、およびモータジェネレータ端子４２ｗと４２ｖとの間に相間スイッチを設けた構成、または、モータジェネレータ端子４２ｗと４２ｖとの間、およびモータジェネレータ端子４２ｖと４２ｕとの間に相間スイッチを設けた構成も可能である。

次に、本発明の第２の実施形態につき説明する。図２に第２の実施形態に係る車両駆動システム５０の構成を示す。第１の実施形態に係る車両駆動システム１０と同一の構成部については同一の符号を付してその説明を省略する。

車両駆動システム５０は、モータジェネレータ４０の各界磁巻線に巻線短絡スイッチ５２を設けたものである。巻線短絡スイッチ５２は、界磁巻線を構成する直列接続された複数の単位巻線のうちいずれかの単位巻線、または、複数の単位巻線がなす単位巻線直列接続部分に並列接続される。巻線短絡スイッチ５２がオンのときには、巻線短絡スイッチ５２に並列接続された単位巻線または単位巻線直列接続部分をバイパスする電流経路が形成され、並列接続された巻線経路が短絡される。このような構成によれば、短絡故障時に巻線短絡スイッチ５２をオンにすることにより、各界磁巻線で発生する誘導起電力を低減し、短絡電流を低減することができる。

図２の車両駆動システム５０では、界磁巻線４６ｕは３つの単位巻線４６ｕ１、４６ｕ２、および４６ｕ３の直列接続により構成され、界磁巻線４６ｖは３つの単位巻線４６ｖ１、４６ｖ２、および４６ｕ３の直列接続により構成され、界磁巻線４６ｗは３つの単位巻線４６ｗ１、４６ｗ２、および４６ｗ３の直列接続により構成される。各界磁巻線が備える単位巻線の数は、モータジェネレータ４０の駆動性能および発電性能に応じて必要とされる巻数に基づいて決定される。

図２は、巻線短絡スイッチ５２が、単位巻線４６ｕ２、４６ｖ２、および４６ｗ２のそれぞれに並列に接続される例を示す。巻線短絡スイッチ５２は、１つの単位巻線に並列接続してもよいし、複数の単位巻線がなす単位巻線直列接続部分に並列接続してもよい。また、一相分に対応する総ての単位巻線、すなわち、界磁巻線に並列接続してもよい。

コントロールユニット３６は、電力ケーブル３８ｕ，３８ｖまたは３８ｗのうち、測定電流値が所定の閾値を超えた電力ケーブルがあるときは、巻線短絡スイッチ５２をオンにする。

このような制御によれば、トランジスタが短絡故障し、電力ケーブル３８ｕ，３８ｖまたは３８ｗのうちいずれかの電流が増加したときは、巻線短絡スイッチ５２がオンになる。これによって、各界磁巻線のインダクタンス値は小さくなる。そのため、モータジェネレータ４０の回転子の回転により各界磁巻線に発生する誘導起電力の大きさが低減される。したがって、各界磁巻線から電力ケーブルを介してインバータ回路１４に流れる短絡電流を低減することができ、電力ケーブル寿命の短縮を回避し、インバータ回路１４の二次的故障を回避することができる。

なお、上記では、電力ケーブルに流れる電流の測定に基づいて短絡故障を検出する構成について説明した。各トランジスタの温度を測定し、測定温度に基づいて短絡故障であると判定する構成とする場合には、各トランジスタに温度センサを設ける。温度センサは、測定結果をコントロールユニット３６に出力する。各トランジスタのコレクタ電流またはエミッタ電流を測定し、測定電流が所定の閾値を超えたときに短絡故障であると判定する構成とする場合には、各トランジスタのコレクタ端子またはエミッタ端子に電流センサを設ける。電流センサは、測定結果をコントロールユニット３６に出力する。また、モータジェネレータ４０の温度を測定し、測定温度が所定の閾値を超えたときに短絡故障であると判定する構成とする場合には、モータジェネレータ４０に温度センサを設ける。温度センサは、測定結果をコントロールユニット３６に出力する。これらのいずれの場合にも、コントロールユニット３６は、センサの測定結果が所定の閾値を超えたときに、相間スイッチまたは巻線短絡スイッチをオンにする。これによって、電力ケーブルに流れる電流の測定に基づいて短絡故障を検出する構成と同様、電力ケーブル寿命の短縮を回避しインバータ回路１４の二次的故障を回避するための制御を行うことができる。

第１の実施形態に係る車両駆動システムの構成を示す図である。 第２の実施形態に係る車両駆動システムの構成を示す図である。

符号の説明

１０，５０ 車両駆動システム、１２ 直流電圧源、１４ インバータ回路、１６ 直流正極端子、１８ 直流負極端子、２０，２２，２４，２６，２８，３０ トランジスタ、３２ ダイオード、３４ｕ，３４ｖ，３４ｗ インバータ交流端子、３６ コントロールユニット、３８ｕ，３８ｖ，３８ｗ 電力ケーブル、４０ モータジェネレータ、４２ｕ，４２ｖ，４２ｗ モータジェネレータ端子、４４ｕｖ，４４ｖｗ 相間スイッチ、４６ｕ，４６ｖ，４６ｗ 界磁巻線、４６ｕ１〜４６ｕ３，４６ｖ１〜４６ｖ３，４６ｗ１〜４６ｗ３ 単位巻線、４８ 電流センサ、５２ 巻線短絡スイッチ。

Claims (2)

1. 入力された直流電力を多相交流電力に変換して複数の単相端子から出力し、当該複数の単相端子から入力された多相交流電力を直流電力に変換して出力するインバータ回路と、
   対応する単相端子にそれぞれが接続される複数のモータジェネレータ端子を備え、当該複数のモータジェネレータ端子から入力された多相交流電力によって車両を駆動し、車両の回生制動によって発生した多相交流電力を当該複数のモータジェネレータ端子から出力するモータジェネレータと、
   を備える車両駆動システムにおいて、
   前記インバータ回路に含まれるデバイスの短絡により複数の単相端子同士が短絡する相間短絡故障を検出する相間短絡故障検出部と、
   前記複数のモータジェネレータ端子の相互間に接続される相間スイッチと、
   前記相間スイッチを制御するスイッチ制御部と、
   を備え、
   前記スイッチ制御部は、
   前記相間短絡故障が検出されたときに、前記相間スイッチをオンにすることを特徴とする車両駆動システム。
2. 入力された直流電力を多相交流電力に変換して複数の単相端子から出力し、当該複数の単相端子から入力された多相交流電力を直流電力に変換して出力するインバータ回路と、
   対応する単相端子にそれぞれが接続される複数のモータジェネレータ端子を備え、当該複数のモータジェネレータ端子から入力された多相交流電力によって車両を駆動し、車両の回生制動によって発生した多相交流電力を当該複数のモータジェネレータ端子から出力するモータジェネレータと、
   を備え、
   前記モータジェネレータは、
   各モータジェネレータ端子に対応して備えられ、対応するモータジェネレータ端子に一端が接続され複数の単位巻線が縦続接続された界磁巻線を備える、
   車両駆動システムにおいて、
   複数の単相端子同士が前記インバータ回路に含まれる経路で短絡する相間短絡故障を検出する相間短絡故障検出部と、
   前記界磁巻線に含まれる単位巻線接続点間に接続される巻線短絡スイッチと、
   前記相間スイッチを制御するスイッチ制御部と、
   を備え、
   前記スイッチ制御部は、
   前記相間短絡故障が検出されたときに、前記巻線短絡スイッチをオンにすることを特徴とする車両駆動システム。

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