JP2009247052A - 回転電機制御システム及び車両駆動システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流電源、回転電機、周波数変換部、電圧変換部、トルク制限部を備えた回転電機制御システムにおいて、電圧変換部の停止を必要とする異常を検出する異常検出部を備え、当該異常検出部が異常を検出した場合に、トルク制限部が前記回転電機の回転速度が0未満の回転速度下限閾値未満の領域で正トルクの発生を制限し、正トルクを発生する領域を回転速度下限閾値以上の領域に設定する。
【選択図】図7
Description
上り坂での発進に際しては、いわゆる、ずり下がり(後進)が発生する場合がある。この状態では、モータとして働く回転電機(上記の特許文献1に記載の場合は交流モータM1)が負回転する状態で正トルク(前進トルク)を発生する必要があるが、上記の判定手法に従うと、モータ回転が負であることから、回生モードと判定され、前進方向にトルクを発生することができなくなり発進できない。
下り坂での発進に際しては、いわゆる、ずり下がり(前進)が発生する場合がある。この状態では、モータとして働く回転電機が正回転する状態で負トルクである制動トルクを発生する必要があるが、上記の判定手法に従うと、制動方向にトルクを発生することができなくなり、発進初期に制動をかけながら発進するというスムーズな発進ができない。更には、下り坂で後進状態で発進する必要がある場合も同様に発進ができない。
車両を駆動するための回転電機と、
直流電源と前記回転電機との間に介在され、前記回転電機が力行する際に前記直流電源の出力を交流に変換し、前記回転電機が回生する際に前記回転電機からの出力を直流に変換する周波数変換部と、
前記直流電源と前記周波数変換部との間に介在され、前記回転電機に要求される要求トルクに応じて設定される昇圧指令値に基づいて前記直流電源の出力を昇圧する電圧変換部と、
前記回転電機のトルクを制限するトルク制限部と、を備えた回転電機制御システムの特徴構成は、
前記電圧変換部の停止を必要とする異常を検出する異常検出部を備え、当該異常検出部が異常を検出した場合に、
前記トルク制限部が前記回転電機の回転速度が0未満の回転速度下限閾値未満の領域で正トルクの発生を制限し、正トルクを発生する領域が前記回転速度下限閾値以上の領域に設定され、
前記トルク制限部が前記回転電機の回転速度が0より大きい回転速度上限閾値より大きい領域で負トルクの発生を制限し、負トルクを発生する領域が前記回転速度上限閾値以下の領域に設定されていることにある。
この構成にあっては、回転電機が回生して、発生された電力の全部が平滑コンデンサに蓄電されたとしても、平滑コンデンサの電圧が耐圧電圧以下となるため、良好にこのコンデンサを守ることができる。
このように構成しておくと、回転電機の回生で発生された電力が全て損失として消費されるため、平滑コンデンサに蓄電されることはなく、良好にこのコンデンサを守ることができる。
閾値を固定値とすることで、これら閾値を予め求めて定めておくと、トルク制限を行う領域と、車両側からの要求に基づいて決定される回転電機の動作点で、回転電機をその動作点のまま動作させる非制限領域との判別を容易に実行することができる。
先にも説明したように、本願に係る回生を許容する領域範囲は、回生により発生する電力の全てが損失として消費されれば問題は発生しない。一方、回転電機に要求される要求トルクは、坂道の傾斜度、アクセルの踏み込み量等によって変化する。そこで、これら閾値を要求トルクの値に依存して可変設定することで、平滑コンデンサを守りながら、適切なトルクを発生することが可能となる。
回転電機が正トルクを発生し、回転電機の回転速度が回転速度下限閾値以上の状態で、回転電機に0から正側最大トルクまでの出力が許容され、
回転電機が負トルクを発生し、回転電機の回転速度が回転速度上限閾値以下の状態で、回転電機に0から負側最大トルクまでの出力が許容される構成とすることが好ましい。このようにすることで、トルク制限を施さない領域では、電圧変換部が停止されていない状態での走行状態を、そのまま実現できる。
これら第1回転電機および第2回転電機以外の駆動源から発生される駆動力を分配する動力分配機構を備え、動力分配機構により分配された一方の駆動力が車輪に、他方の駆動力が前記第1回転電機に伝達されるとともに、第2回転電機により発生される駆動力が前記車輪に伝達される車両駆動システムに採用できる。
所謂、スプリット形態のハイブリッド車両に本願の回転電機制御システムを採用することで、このハイブリッド車両で良好に坂道発進等を行うことができる。
第1回転電機が第1回転要素に接続され、回転電機以外の駆動源が第2回転要素に接続され、第2回転電機及び第3回転要素が車輪に接続されている構造を採用することが好ましい。
この構成の車両駆動システムとすることで、最も、シンプルな遊星歯車機構を使用して、ハイブリッド車両を実現できる。
1.ハイブリッド駆動装置
図1は、ハイブリッド駆動装置Hの機械的構成を示すスケルトン図である。図2は、ハイブリッド車用駆動装置Hのシステム構成を示すブロック図である。なお、図2において、破線は電力の伝達経路を示し、実線矢印は各種情報の伝達経路を示している。図3は、当該ハイブリッド駆動装置Hの回転電機制御電気系の構成を示す説明図である。
まず、ハイブリッド駆動装置Hの機械的構成について説明する。図1に示すように、このハイブリッド駆動装置Hでは、エンジンEに接続された入力軸I、第一モータ・ジェネレータMG1、及び動力分配用の遊星歯車装置PGが同軸上に配置されている。そして、第二モータ・ジェネレータMG2、カウンタギヤ機構C、及びディファレンシャル装置Dが、それぞれ入力軸Iと平行な軸上に配置されている。ここで、エンジンEとしては、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の公知の各種の内燃機関を用いることができる。カウンタギヤ機構Cの軸(カウンタ軸)には、第一モータ・ジェネレータMG1及び第二モータ・ジェネレータMG2側から順に、第一カウンタドリブンギヤc1、第二カウンタドリブンギヤc2、及びデフピニオンギヤc3が固定されている。ここで、デフピニオンギヤc3は、ディファレンシャル装置Dのデフリングギヤdrに噛み合っており、カウンタギヤ機構Cの回転がディファレンシャル装置Dを介して車輪Wに伝達される構成となっている。ディファレンシャル装置Dは、一般的に用いられるものであり、例えば互いに噛み合う複数の傘歯車を用いた差動歯車機構を有して構成されている。
本願が問題とする発進時には、この第二モータ・ジェネレータMG2がモータとして働く。従って、この第二モータ・ジェネレータMG2のトルク制御、引いては、回生許可が問題となる。
次に、本実施形態に係るハイブリッド駆動装置Hの基本的な動作について説明する。図4、図5は、動力分配用の遊星歯車装置PGの動作状態を表す速度線図である。これらの速度線図において、並列配置された複数本の縦線のそれぞれが、遊星歯車装置PGの各回転要素に対応しており、各縦線の上側に記載されている「s」、「ca」、「r」はそれぞれサンギヤs、キャリアca、リングギヤrに対応している。そして、これらの縦軸上の位置は、各回転要素の回転速度に対応している。ここでは、横軸上は回転速度がゼロであり、上側が正、下側が負である。また、各回転要素に対応する縦線の間隔は、遊星歯車装置PGのギヤ比λ(サンギヤとリングギヤとの歯数比=〔サンギヤの歯数〕/〔リングギヤの歯数〕)に対応している。ここで、遊星歯車装置PGでは、キャリアcaがエンジンE及び入力軸Iと一体回転するように接続され、サンギヤsが第一モータ・ジェネレータMG1のロータRo1と一体回転するように接続され、リングギヤrが出力部材としてのカウンタドライブギヤOと一体回転するように接続されている。したがって、キャリアcaの回転速度はエンジンE及び入力軸Iの回転速度であるエンジン回転速度NEと一致し、サンギヤsの回転速度は第一モータ・ジェネレータMG1の回転速度であるMG1回転速度N1と一致し、リングギヤrの回転速度はカウンタドライブギヤOの回転速度である出力回転速度Noと一致する。よって、この遊星歯車装置PGのギヤ比λを用いると、エンジン回転速度NEと、MG1回転速度N1と、出力回転速度Noとの間には、次の回転速度関係式(式1)が成立する。
NE=(No+λ・N1)/(λ+1)・・・(式1)
TE:T1:(T2+To)=(1+λ):(−λ):(−1)・・・(式2)
次に、ハイブリッド駆動装置Hのシステム構成について説明する。図2、図3に示すように、このハイブリッド駆動装置Hでは、第一モータ・ジェネレータMG1を駆動制御するための第一インバータI1(さらに詳細には、電圧変換部4と周波数変換部51(5))が、第一モータ・ジェネレータMG1のステータSt1のコイルに電気的に接続されている。また、第二モータ・ジェネレータMG2を駆動制御するための第二インバータI2(さらに詳細には、電圧変換部4と周波数変換部52(5))が、第二モータ・ジェネレータMG2のステータSt2のコイルに電気的に接続されている。第一インバータI1と第二インバータI2とは、互いに電気的に接続されるとともに、バッテリBに電気的に接続されている。そして、第一インバータI1は、バッテリBから供給される直流電力、又は第二モータ・ジェネレータMG2で発電されて第二インバータI2で直流に変換されて供給される直流電力を、交流電力に変換して第一モータ・ジェネレータMG1に供給する。また、第一インバータI1は、第一モータ・ジェネレータMG1で発電された電力を交流から直流に変換してバッテリB又は第二インバータI2に供給する。同様に、第二インバータI2は、バッテリBから供給される直流電力、又は第一モータ・ジェネレータMG1で発電されて第一インバータI1で直流に変換されて供給される直流電力を、交流電力に変換して第二モータ・ジェネレータMG2に供給する。また、第二インバータI2は、第二モータ・ジェネレータMG2で発電された電力を交流から直流に変換してバッテリB又は第一インバータI1に供給する。ここで、図2に示すように、第一インバータI1及び第二インバータI2には、電圧変換部4(コンバータ)が設けられており、各モータ・ジェネレータMG1、MG2に求められる回転数、トルクとの関係で、電圧変換部4での昇圧が必要な場合は、バッテリBからの電圧を昇圧して周波数変換部5(インバータ)側に供給するように構成されている。モータ・ジェネレータMG1、MG2が回生を行って、バッテリBに蓄電する場合は、逆に降圧することとなる。
電圧変換部4もまた、制御ユニット10からの制御信号に従って、バッテリBから周波数変換部5へ与える電圧値を制御する。この電圧値は、第一モータ・ジェネレータMG1及び第二モータ・ジェネレータMG2のそれぞれの動作点に関して、これら動作点での各モータ・ジェネレータMG1、MG2の動作を確保できる高い側の電圧値に、周波数変換部5へ与える電圧値を設定・制御する。
この回転電機制御電気系は、図2でも説明したように、バッテリB側から、電圧変換部4、周波数変換部5を備えている。本実施形態では周波数変換部5として、一対のモータ・ジェネレータMG1,MG2に対して、それぞれ周波数変換部51と52が個別に設けられている。周波数変換部5と各モータ・ジェネレータMG1,MG2との間には、モータ・ジェネレータを流れる電流を計測するための電流センサSe5,Se6が備えられている。尚、バッテリBは、モータ・ジェネレータMG1,MG2へ電力の供給が可能なものであるとともに、モータ・ジェネレータMG1,MG2から電力の供給を受けて蓄電可能なものである。
符号8aは、U相の上段側スイッチング素子であり、
符号8bは、V相の上段側スイッチング素子であり、
符号8cは、W相の上段側スイッチング素子であり、
符号8dは、U相の下段側スイッチング素子であり、
符号8eは、V相の下段側スイッチング素子であり、
符号8fは、W相の下段側スイッチング素子である。尚、周波数変換部5のスイッチング素子8a〜8fについても、IGBTやMOSFETを適用すると好適である。本実施形態では、IGBTを用いる場合を例示している。
図2に戻って、制御ユニット10は、ハイブリッド駆動装置Hの各部の動作制御を行う。本実施形態においては、制御ユニット10は、エンジン動作点決定部11、第一モータ・ジェネレータ動作点決定部12(以下「MG1動作点決定部」という)、第二モータ・ジェネレータ動作点決定部13(以下「MG2動作点決定部」という)、記憶部14、異常検出部15、トルク制限部16を備えている。
ここで、車両要求トルクTCは、運転者の操作に応じて適切に車両を走行させるために車輪Wに伝達することが要求されるトルクである。したがって、この車両要求トルクTCは、車両のアクセルペダル及びブレーキペダルの操作量と車速センサSe4により検出される車速に応じて、予め定められたマップ等に従って決定される。
また、車両要求出力PCは、バッテリBの充電状態をも考慮してエンジンEが発生することを要求される出力(仕事率)である。したがって、この車両要求出力PCは、車両要求トルクTCと、車速センサSe4により検出される車速と、バッテリ状態検出部30により検出されるバッテリBの充電量とに応じて、予め定められたマップ等に従って決定される。本実施形態においては、これらの車両要求トルクTC及び車両要求出力PCは、ハイブリッド駆動装置Hの出力部材としてのカウンタドライブギヤOに伝達されるべきトルク又は出力として決定される。
車両情報ICは、車両の状態を示す各種情報であり、例えば、自動変速機のセレクトレバーにより選択されているレンジ(「P」、「D」、「R」等の各レンジ)、駐車ブレーキの作動状態、常用ブレーキの作動状態等を示す情報が含まれる。
本例では、MG1動作点決定部12は、車速センサSe4により検出される車速と、カウンタドライブギヤOから車輪Wまでの間の回転部材のギヤ比とに基づいて、当該車速でのカウンタドライブギヤOの回転速度である出力回転速度Noを算出する。そして、MG1動作点決定部12は、エンジン動作点のエンジン回転速度指令値をエンジン回転速度NEとし、それと出力回転速度Noとを代入して、上記の回転速度関係式(式1)により算出されるMG1回転速度N1を、MG1回転速度指令値として決定する。また、MG1動作点決定部12は、決定されたMG1回転速度指令値と、MG1回転速度センサSe1により検出される第一モータ・ジェネレータMG1のMG1回転速度N1との回転速度の差に基づいて、比例積分制御(PI制御)等のフィードバック制御により、MG1トルク指令値とを決定する。このように決定されたMG1回転速度指令値及びMG1トルク指令値が、MG1動作点となる。図8、図11に示すフローでは、このようにMG1動作点決定部12で決まるMG1動作点を「決定動作点」と記載している。
T2=−To−TE/(1+λ)・・・(式3)
そこで、MG2動作点決定部13は、この(式3)に、車両要求トルクTCを走行トルクToと反対方向のトルク「−To」とし、エンジン動作点のエンジントルク指令値をエンジントルクTEとして代入することにより算出されるMG2トルクT2を、MG2トルク指令値として決定する。これにより、エンジンEからカウンタドライブギヤOに伝達されるトルクの車両要求トルクTCに対する過不足を補うトルクを、第二モータ・ジェネレータMG2に発生させることができる。また、第二モータ・ジェネレータMG2の回転速度であるMG2回転速度N2は車速に常に比例するので、MG2回転速度指令値は、車速センサSe4により検出される車速に応じて自動的に決定される。このように決定されたMG2回転速度指令値及びMG2トルク指令値により、MG2動作点が定まる。なお、上記のとおり、MG2回転速度指令値は車速に応じて自動的に決定されるため、第二モータ・ジェネレータMG2は、基本的にMG2動作点のMG2トルク指令値に従ってトルク制御される。図8、図11に示すフローでは、このようにMG2動作点決定部13で決まるMG2動作点を「決定動作点」と記載している。
ここで、図7(a)に示す回転電機制御マップMap1は、ハイブリッド駆動装置Hが正常に働いている状態で、モータ・ジェネレータMG1,MG2が動作可能な領域を示す制御マップである。図7(b)に示す回転電機制御マップMap2は、電圧変換部4に関して、何らかの異常が発生しており、この異常状態において、モータ・ジェネレータMG1,MG2が動作可能な領域を示す制御マップである。後者のマップMap2に関しては、後に詳述する。
本願に係るハイブリッド駆動装置Hには、電圧変換部4が備えられており、モータ・ジェネレータMG1,MG2に駆動電力を供給するバッテリBの電圧を昇圧して、弱め界磁制御に移行する回転数をより高い回転数へと移行させることができる。本実施形態では、バッテリBの電圧を低い方からV2、V1に昇圧する。図7(a)中、V2のラインは、電圧変換部4により昇圧後の電圧をV2にする必要が生じる境界を示している。即ち、昇圧指令値として、V2が設定される境界を示している。同様に、V1のラインは、電圧変換部4により昇圧後の電圧をそれぞれV1にする必要が生じる境界を示している。従って、電圧変換部4及び周波数変換部5が正常に働く状態では、実線の領域内に、各モータ・ジェネレータMG1,MG2の制御動作点(回転速度及びトルク)が設定されて動作される。この時、昇圧制御において必要となる電圧値は、このマップに基づいて定められる。
この実施形態では、回転速度下限閾値RSL1及び回転速度上限閾値RSH2は共に固定値とされている。従って、モータ・ジェネレータMG2が正トルクを発生する状態で、回転速度は、回転速度下限閾値RSL1から回転速度の最大値RSHまで変化可能であり、この状態で、トルクは、0から正側最大トルクPTmaxまで許容される。一方、モータ・ジェネレータMG2が負トルクを発生する状態で、回転速度では、回転速度の最小値RSLから回転速度上限閾値RSH2まで変化可能であり、この状態で、トルクは0から負側最大トルクNTmaxまで許容される。
以下、本実施形態に係るハイブリッド駆動装置Hの制御方法について、図8のフローチャートに基づいて説明する。
また、制御ユニット10は、MG1動作点決定部12によりMG1動作点を決定し(ステップ#04)、MG2動作点決定部13によりMG2動作点を決定する(ステップ#05)。ここで、先にも説明したEVモードでの発進を行う場合、MG2動作点が有意な値となる。
次に、本発明の第二の実施形態について説明する。本実施形態に係るハイブリッド駆動装置Hにあっても、一定の条件下で、モータ・ジェネレータMG2の回生動作を許容する。図9に、この第二実施形態のハイブリッド車用駆動装置Hのシステム構成を示した。さらに、図10に、この第二実施形態のモータ・ジェネレータの回転速度とトルクとの相関を示すマップを、図11に、このハイブリッド車用駆動装置Hの制御方法のフローチャートを、それぞれ示した、これらの図面は、第一実施形態の図2、図7(b)、図8にそれぞれ相当する。
第一実施形態にあっては、先に図7(b)等に基づいて説明したように、回転速度下限閾値RSL1と、回転速度上限閾値RSH2は、ともに、同一の固定値とされていた。即ち、モータ・ジェネレータMG2に要求されるトルクの大きさにかかわらず、所定の回転速度閾値として、正トルクを発生できる領域と、負トルクを発生する領域が決定されていた。
そこで、当該、第二の実施形態では、回生許容回転速度を、予め判明している合算損失と要求トルクから求めるものとしている。
(1)これまで説明してきた第一実施形態及び第二実施形態では、本願に係る回転電機制御システムの適用対象が、回転電機と他の駆動源(例えばエンジン)を備えたハイブリッド駆動装置である例を示した。
しかしながら、本願の構造は、直流電源と、車両を駆動するための回転電機と、直流電源と回転電機との間に介在され、回転電機が力行する際に直流電源の出力を交流に変換し、回転電機が回生する際に回転電機からの出力を直流に変換する周波数変換部と、直流電源と周波数変換部との間に介在され、回転電機に要求される要求トルクに応じて設定される昇圧指令値に基づいて直流電源の出力を昇圧する電圧変換部とを備えた装置に適用できる。代表的には電気自動車を挙げることができる。また、1モータパラレル方式や、シリーズ方式のハイブリッド車両にも採用することができる。
一方、回転速度上限閾値と回転速度下限閾値とを、その絶対値が同一の値としたが、先に示したように、固定値と要求トルクに従って可変設定される値とすることも可能なことから、両閾値を異なる設定手法で設定するものとしてもよい。
E:エンジン
I:入力軸(入力部材)
MG1:第一モータ・ジェネレータ(第1回転電機)
MG2:第二モータ・ジェネレータ(第2回転電機)
PG:遊星歯車装置(差動歯車装置)
s:サンギヤ(第1回転要素)
ca:キャリア(第2回転要素)
r:リングギヤ(第3回転要素)
O:カウンタドライブギヤ(出力部材)
D:ディファレンシャル装置
W:車輪
B:バッテリ(直流電源)
4:電圧変更部
5:周波数変更部
10:制御ユニット(制御手段)
15:異常検出部
16:トルク制限部
RSL1:回転速度下限閾値
RSH2:回転速度上限閾値
Claims (9)
- 車両を駆動するための回転電機と、
直流電源と前記回転電機との間に介在され、前記回転電機が力行する際に前記直流電源の出力を交流に変換し、前記回転電機が回生する際に前記回転電機からの出力を直流に変換する周波数変換部と、
前記直流電源と前記周波数変換部との間に介在され、前記回転電機に要求される要求トルクに応じて設定される昇圧指令値に基づいて前記直流電源の出力を昇圧する電圧変換部と、
前記回転電機のトルクを制限するトルク制限部と、を備えた回転電機制御システムであって、
前記電圧変換部の停止を必要とする異常を検出する異常検出部を備え、
当該異常検出部が異常を検出した場合に、
前記トルク制限部が前記回転電機の回転速度が0未満の回転速度下限閾値未満の領域で正トルクの発生を制限し、前記正トルクを発生する領域が前記回転速度下限閾値以上の領域に設定され、
前記トルク制限部が前記回転電機の回転速度が0より大きい回転速度上限閾値より大きい領域で負トルクの発生を制限し、前記負トルクを発生する領域が前記回転速度上限閾値以下の領域に設定されている回転電機制御システム。 - 前記電圧変換部と前記周波数変換部との間に備えられる平滑コンデンサに関し、
前記電圧変換部が停止した状態で、前記回転電機から前記直流電源側に戻るべき電力が前記平滑コンデンサに蓄電された場合に、前記平滑コンデンサの電圧を耐圧電圧以下に維持できる閾値として、前記回転速度下限閾値及び前記回転速度上限閾値が設定されている請求項1記載の回転電機制御システム。 - 前記回転電機の回転によって発生する回転電機損失と前記周波数変換部における周波数変換によって発生する周波数変換損失との合算損失に見合う電力を、回生により、前記回転電機が発生すべく、前記回転速度下限閾値及び前記回転速度上限閾値が設定されている請求項1又は2記載の回転電機制御システム。
- 前記回転速度下限閾値及び前記回転速度上限閾値が固定値である請求項1〜3のいずれか一項記載の回転電機制御システム。
- 前記回転電機の回転によって発生する回転電機損失と前記周波数変換部における周波数変換によって発生する周波数変換損失との合算損失と、前記要求トルクとの関係に基づいて、前記回転速度下限閾値及び前記回転速度上限閾値が可変設定される請求項1又は2記載の回転電機制御システム。
- 前記回転電機が正トルクを発生し、前記回転電機の回転速度が前記回転速度下限閾値以上の状態で、前記回転電機に0から正側最大トルクまでの出力が許容され、
前記回転電機が負トルクを発生し、前記回転電機の回転速度が前記回転速度上限閾値以下の状態で、前記回転電機に0から負側最大トルクまでの出力が許容される請求項1〜5のいずれか一項記載の回転電機制御システム。 - 請求項1〜6の何れか一項に記載の回転電機制御システムを備えるとともに、
前記回転電機として、第1回転電機と第2回転電機とを備え、
前記第1回転電機および前記第2回転電機以外の駆動源から発生される駆動力を分配する動力分配機構を備え、前記動力分配機構により分配された一方の駆動力が車輪に、他方の駆動力が前記第1回転電機に伝達されるとともに、前記第2回転電機により発生される駆動力が前記車輪に伝達される車両駆動システム。 - 前記動力分配機構が、回転速度の順に、第1回転要素、第2回転要素および第3回転要素を有する遊星歯車機構を含んで構成され、
前記第1回転電機が前記第1回転要素に接続され、前記回転電機以外の駆動源が前記第2回転要素に接続され、前記第2回転電機及び前記第3回転要素が車輪に接続されている請求項7に記載の車両駆動システム。 - 前記第2回転電機の出力トルクでのみ走行する電動走行モードにおいて、前記異常検出部による異常の検出に伴って、前記トルク制限部によるトルク制限が実行される請求項7又は8記載の車両駆動システム。
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