JP2010041751A - 回転電機制御システム及び車両駆動システム - Google Patents

回転電機制御システム及び車両駆動システム Download PDF

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Abstract

【課題】直流電源の出力を昇圧する機能を有した回転電機制御システムにおいて、昇圧の開始時に生じる過渡的な電圧上昇に伴って直流電源に過電流が発生することを抑制する。
【解決手段】直流電源と回転電機との間に介在されて直流電源の出力を交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て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、周波数変換部及び電圧変換部を制御する制御部とを備え、前記回転電機の前記目標トルク及び前記回転速度がそれらの相関関係に基づいて設定された所定の移行境界を越えたことを条件として、制御部が非昇圧制御から昇圧制御へ移行させる制御を行うに際して、移行の際に過渡的に生じる上昇電力を直流電源が出力可能な許容電力から差し引いた電力である昇圧可能電力KSを基準とし、回転電機の消費電力が昇圧可能電力KS以下となる領域に移行境界K3が設定される。
【選択図】図8

Description

本発明は、直流電源の出力を昇圧する電源変換部を有し、車両を駆動するための回転電機を制御する回転電機制御システムに関する。また、当該回転電機制御システムを備える車両駆動システムに関する。
近年、化石燃料を燃焼させる内燃機関により駆動される自動車と比べて環境負荷が小さい自動車が提案されている。回転電機であるモータにより駆動される電気自動車や、内燃機関及びモータにより駆動されるハイブリッド自動車は、その一例である。電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されるモータには、広い速度範囲(回転速度範囲)に亘って、乗用駆動に適した良好なトルクを発揮することが期待されている。
回転電機(モータやジェネレータ)としてのモータは、磁界と電流とによって力(トルク)を発生させる原理に基づいて動作する。しかし、モータが回転中には、磁界の中で力が作用することにもなり、いわゆる逆起電力が生じることになる。逆起電力は、トルクを発生させる電流の流れを妨げる方向に生じるため、モータを回転させるために磁界の中を流れる電流が減少し、力(トルク)が低下する。モータの回転速度が上がるに従って逆起電力も増加するため、回転速度がある値に達すると逆起電力により生じる電流が駆動電流に達してしまい、モータが制御できなくなる。そこで、磁界を発生させている界磁の力を弱め、逆起電力の発生を抑制する「弱め界磁制御」が行われる。但し、弱め界磁制御を行うと、界磁の力を弱めるために磁界の強さも低下し、得られる最大トルクは低下することになる。また、損失の増加による効率の低下も指摘されている。
この課題に対し、特開平10−66383号公報(特許文献1)において、モータに駆動電力を供給するバッテリの電圧を昇圧して、弱め界磁制御に移行する回転速度をより高い回転速度へと移行させる技術が提案されている。この技術によれば、トルクと回転速度とにより設定されるモータの目標動作点の位置に応じて、昇圧回路(コンバータ)によりバッテリの電圧を昇圧させる。これによって、弱め界磁制御を行う領域を高出力側(高トルク側及び高回転速度側)へと移行させることが可能となる。特許文献1に記載された例では、複数段階の昇圧電圧値を設定することによって、段階的に、弱め界磁制御を行わない通常界磁制御(一般的には最大トルク制御)の領域が拡大されている。
昇圧が開始されると、特開2005−210779号公報(特許文献2)や国際公開第WO2003/015254号パンフレット(特許文献3)に記載されているように、回転電機の回転速度及び目標トルクに応じて算出されるインバータの入力電圧目標値、つまり昇圧回路(コンバータ)の出力電圧がPWM(パルス幅変調)などにより制御される。そして、昇圧後の電圧は、良好に必要とされる電圧に追従する。
特開平10−66383号公報(第3〜12段落、図1、2等) 特開2005−210779号公報(第55〜59段落等) 国際公開第WO2003/015254号パンフレット(請求の範囲第1項等)
一方、非昇圧時、つまりバッテリの電圧がモータを駆動するインバータへの入力電圧である状態から、昇圧を開始する場合には、非昇圧時において固定的に制御されていたコンバータのスイッチング素子に対して、PWM制御によるスイッチング制御が開始される。この際、コンバータの短絡を確実に阻止する目的で、コンバータを構成するハイサイド及びローサイドのスイッチング素子を共にオフ状態とするデッドタイムが設定される。デッドタイムの影響により、昇圧目標値が上昇している状況においてバッテリの電圧から所定の電圧範囲に亘って昇圧できない領域が存在する。このため、昇圧は、この所定電圧を超えて初めて開始できることとなり、昇圧電圧は急速に上昇する。このような昇圧電圧が急激に変化するような状況においては、昇圧後の電圧の測定値を制御装置が取得するまでの伝達時間や制御装置における演算時間などによる応答遅延が生じる。この影響で、回転電機は実際の電圧よりも低い電圧が印加されるものとして駆動制御される。このように、実際に印加される電圧が制御装置により認識されている電圧の測定値よりも高いことにより、回転電機は目標トルクよりも大きなトルクを出力することとなる。その結果、回転電機の消費電流が不必要に増大し、増大した分も含めて多くの消費電流がバッテリから引き出されることになる。つまり、回転電機が高いトルクで運転されておりバッテリの消費電力が大きい状態で、コンバータによる昇圧電圧が急激に上昇すると、必要以上の電流がバッテリから引き出され、過電流となる可能性がある。特許文献2の技術を利用して、トルク制限を実施したとしても、昇圧後の電圧の測定値の伝達時間などの遅延時間が考慮されていないため、充分とはいえない。
本発明は、上記課題に鑑みて創案されたもので、直流電源の出力を昇圧する電源変換部を有した回転電機制御システムにおいて、昇圧の開始時に生じる過渡的な電圧上昇に伴って直流電源に過電流が発生することを抑制する技術を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明に係る回転電機制御システムの特徴構成は、
車両を駆動するための回転電機に電力を供給する直流電源と前記回転電機との間に介在され、少なくとも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、前記回転電機の目標トルク及び回転速度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、
前記周波数変換部及び前記電圧変換部を制御する制御部と、を備えた回転電機制御システムであって、
前記制御部が、前記回転電機の前記目標トルク及び前記回転速度がそれらの相関関係に基づいて設定された所定の移行境界を越えたことを条件として、前記直流電源の出力が昇圧されることなく前記電圧変換部を介して前記周波数変換部に供給される非昇圧制御から、前記電圧変換部により昇圧されて前記周波数変換部に供給される昇圧制御へ移行させる制御を行うに際して、
当該移行の際に過渡的に生じる上昇電力を前記直流電源が出力可能な許容電力から差し引いた電力である昇圧可能電力を基準とし、前記回転電機の消費電力が前記昇圧可能電力以下となる領域に前記移行境界が設定された点にある。
この特徴構成によれば、非昇圧制御から昇圧制御への移行時に過渡的に生じる上昇電力を許容電力から差し引いた電力である昇圧可能電力を基準として、回転電機の消費電力がこの昇圧可能電力を超えない領域に、移行境界が設定される。従って、非昇圧制御から昇圧制御への移行時に過渡的に上昇電力が生じても、回転電機の消費電力が許容電力を超えることがなく、直流電源の過電流を良好に抑制することができる。
また、本発明に係る回転電機制御システムの前記移行境界は、前記目標トルクの最大値に応じて設定されると好適である。
回転電機は目標トルクが大きいほど、その消費電力が大きくなる。従って、許容電力と消費電力との差は、目標トルクが高くなるに従って小さくなる。また、目標トルクが大きいほど、過渡的に生じる上昇電力も大きくなる。目標トルクが最大の時の上昇電力は、発生する上昇電力の内で最大の値となる。つまり、消費電力に上昇電力を加えた総消費電力は、目標トルクが最大の時に最大の値となる。本特徴によれば、総消費電力が最大の場合においても許容電圧を超えないように移行境界が設定されることになる。従って、目標トルクに拘わらず、昇圧の開始時に生じる過渡的な電圧上昇に伴う直流電源の過電流の発生を確実に抑制することが可能となる。
また、本発明に係る回転電機制御システムの前記昇圧可能電力は、前記目標トルクが最大の時に生じる前記上昇電力を前記許容電力から差し引いた電力として設定されると好適である。
上述したように、目標トルクが最大の時の上昇電力は、発生する上昇電力の内で最大の値となる。従って、許容電力から上昇電力を差し引いた昇圧可能電力は、目標トルクが最大の時が最も小さくなる。この昇圧可能電力を基準として移行境界が設定されるので、目標トルクの大きさに拘わらず、昇圧の開始時に生じる過渡的な電圧上昇に伴う直流電源の過電流の発生を確実に抑制することが可能となる。
ここで、前記移行境界が、前記目標トルクが高くなるに従って低電力側に設定されると好適である。
上述したように、回転電機は目標トルクが大きいほど、その消費電力が大きくなる。従って、許容電力と消費電力との差は、目標トルクが高くなるに従って小さくなる。また、目標トルクが大きいほど、過渡的に生じる上昇電力も大きくなる。つまり、消費電力に上昇電力を加えた総消費電力は、目標トルクが大きくなるに従って大きくなる。目標トルクが大きくなるに従って移行境界が低電力側に設定されることによって、上昇電力が加算される際の消費電力の値を小さくすることができ、総消費電力を抑制することができる。その結果、昇圧の開始時に生じる過渡的な電圧上昇に伴う直流電源の過電流の発生を良好に抑制することが可能となる。
また、本発明に係る回転電機制御システムの前記昇圧可能電力は、前記目標トルクが最大の時に生じる前記上昇電力を前記許容電力から差し引いた電力を最低値として、前記目標トルクが低くなるに従って高い値に設定されると好適である。
上述したように、回転電機は目標トルクが大きいほど、その消費電力が大きくなり、過渡的に生じる上昇電力も大きくなる。目標トルクが最大の時の上昇電力は、発生する上昇電力の内で最大の値となる。従って、許容電力から上昇電力を差し引いた昇圧可能電力は、目標トルクが最大の時が最も小さくなる。一方、目標トルクが最大値から低くなるに従って上昇電力は小さくなるので、それに応じて昇圧可能電力は高い値を採ることができる。昇圧可能電力が、目標トルクが最大の時に生じる上昇電力を許容電力から差し引いた電力を最低値として、目標トルクが低くなるに従って高い値に設定されると、目標トルクが低い状態で不必要な昇圧を実施することなく、目標トルクに応じた移行境界が設定される。従って、不必要な昇圧に伴うスイッチング損失等を抑制すると共に、昇圧の開始時に生じる過渡的な電圧上昇に伴う直流電源の過電流の発生を良好に抑制することが可能となる。
また、本発明に係る回転電機制御システムは、
前記電圧変換部が、一端が前記直流電源に接続されるリアクトルと、当該リアクトルの他端と前記周波数変換部のプラス側とを接続する上段のスイッチング素子と、当該リアクトルの他端と前記周波数変換部のマイナス側とを接続する下段のスイッチング素子とを有して構成され、
前記上昇電力が、前記非昇圧制御から前記昇圧制御への移行に際して、前記上段のスイッチング素子と前記下段のスイッチング素子とが共にオフ状態に制御されるデッドタイムに起因して過渡的に生じるものである場合に好適に適用できる。
電圧変換部が上記のように構成されると簡単な構成により昇圧回路を実現することができる。また、デットタイムは、電圧変換部が上記の如く構成される場合、非昇圧制御から昇圧制御への移行時には、電圧変換部の上段及び下段のスイッチング素子が共にオン状態となって、プラス側とマイナス側とが短絡することを確実に防止するために設けられる。従って、デッドタイムを設けることによって、回転電気制御システムの故障などを良好に抑制することができる。但し、デッドタイムには昇圧を行うことができないため、個々のシステムに応じた所定の電圧範囲は昇圧できないことになる。つまり、非昇圧制御から昇圧制御への移行時には、電圧変換部の出力は、この電圧範囲を超えて急激に大きく上昇することとなる。そして、この急激な電圧上昇に対する周波数変換部などの追従遅れにより、過渡的に上昇電力が発生し、直流電源から大きな電流を引き出して過電流を招く場合がある。しかし、デッドタイムに起因して生じる上昇電力に鑑みて移行境界が設定されるので、過電流の発生を良好に抑制することができる。
また、発明に係る車両駆動システムは、上述した本発明に係る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構成を採ることができる。
この構成の車両駆動システムは、一対の回転電機と、当該一対の回転電機以外の駆動源(例えばエンジン)とを備えた、いわゆるスプリット形態の動力分配を行うハイブリッド車両を実現することができる。そして、当該ハイブリッド車両は、一対の回転電機の運転を、それら回転電機に要求される回転速度及びトルクを満たす形態で実現し、さらに、単一の電圧変換部により、一対の回転電機のそれぞれで必要となる電圧を得る形態のシステムを容易に実現できる。
さらに、本発明の車両駆動システムは、
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構成であると好適である。
この構造を採用することで、単一の遊星歯車機構を使用して、スプリット形態の動力分配を行うハイブリッド車両を容易に実現できる。
以下、本発明に係る回転電機制御システムの一実施形態について図面を参照しながら説明する。当該回転電機制御システムは、車両駆動システムに組み込まれて、当該車両駆動システムに備えられる回転電機の運転制御の用を果すものである。図1は、車両駆動システム200の駆動系の構成を模式的に示すブロック図であり、図2は、回転電機MG1、MG2を制御するために設けられる回転電機駆動装置Inを主とする回転電機制御系の構成を模式的に示すブロック図である。回転電機駆動装置Inは、本発明の回転電機制御システムに相当する。
図1に示すように、車両には内燃機関であるエンジンEと、一対の回転電機MG1、MG2とが備えられている。この車両駆動システム200は、いわゆるハイブリッドシステムであり、エンジンEと車輪Wとの間に、ハイブリッド駆動装置1を備えて構成されている。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。後述するように、回転電機MG1、MG2は、それぞれモータ(電動機)又はジェネレータ(発電機)として作動する。従って、以下の説明において、特に何れかの回転電機を特定する必要がない場合、符号MG1、MG2を省略することがある。車両は、モータとして働く回転電機若しくはエンジンEから駆動力を得て走行可能である。また、エンジンEにより発生される駆動力の少なくとも一部は、ジェネレータとして働く回転電機において電力に変換され、バッテリBの充電、あるいはモータとして働く回転電機の駆動の用に供される。さらに、制動時には、制動力を利用して回転電機により発電し、バッテリBに電力を回生することも可能である。
ハイブリッド駆動装置1の入力軸Iは、エンジンEのクランクシャフト等の出力回転軸に接続されている。なお、入力軸IがエンジンEの出力回転軸との間にダンパやクラッチ等を介して接続された構成としても好適である。ハイブリッド駆動装置1の出力は、ディファレンシャル装置D等を介して車輪Wに伝達される。さらに、入力軸Iは動力分配機構P1のキャリアcaに連結されており、車輪Wにディファレンシャル装置Dを介して接続される中間軸Mはリングギヤrに連結されている。
第1回転電機MG1は、ステータSt1と、このステータSt1の径方向内側に回転自在に支持されたロータRo1と、を有している。この第1回転電機MG1のロータRo1は、動力分配機構P1のサンギヤsと一体回転するように連結されている。また、第2回転電機MG2は、ステータSt2と、このステータSt2の径方向内側に回転自在に支持されたロータRo2とを有している。この第2回転電機MG2のロータRo2は、出力ギヤOと一体回転するように連結され、ディファレンシャル装置Dの入力側に接続されている。
第1回転電機MG1及び第2回転電機MG2は、図1に示すように、回転電機駆動装置(インバータ装置)Inを介してバッテリ(直流電源)Bに電気的に接続されている。第1回転電機MG1及び第2回転電機MG2は、それぞれ電力の供給を受けて動力を発生するモータ(電動機)としての機能と、動力の供給を受けて電力を発生するジェネレータ(発電機)としての機能とを果すことが可能に構成されている。
本実施形態における構成例では、第1回転電機MG1は、主に動力分配機構P1のサンギヤsを介して入力された駆動力により発電を行うジェネレータとして機能し、バッテリBを充電し、或いは第2回転電機MG2を駆動するための電力を供給する。ただし、車両の高速走行時等には第1回転電機MG1がモータとして機能する場合もある。一方、第2回転電機MG2は、主に車両の走行用の駆動力を補助するモータとして機能する。また、車両の減速時等には、第2回転電機MG2は、車両の慣性力を電気エネルギーとして回生するジェネレータとして機能する。このような第1回転電機MG1及び第2回転電機MG2の運転は、TCU(trans-axle control unit)10(図2参照)により制御される。TCU10は、本発明の制御部として機能し、後述するように電圧変換部4及び周波数変換部5を介して、回転電機MG1及びMG2を制御する。
図1に示すように、動力分配機構P1は、入力軸Iと同軸状に配置されたシングルピニオン型の遊星歯車機構により構成されている。すなわち、動力分配機構P1は、複数のピニオンギヤを支持するキャリアcaと、前記ピニオンギヤにそれぞれ噛み合うサンギヤs及びリングギヤrとを回転要素として有している。第1回転要素としてのサンギヤsは、第1回転電機MG1のロータRo1と一体回転するように接続される。第2回転要素としてのキャリアcaは、エンジンEの出力回転軸に接続された入力軸Iと一体回転するように接続されている。第3回転要素としてのリングギヤrは、中間軸Mと一体回転するように接続されており、リングギヤrは、中間軸Mを介してディファレンシャル装置Dに接続される。
図1に示す構成においては、第1回転電機MG1が第1回転要素としてのサンギヤsに接続され、回転電機MG1及びMG2以外の駆動源であるエンジンEが第2回転要素としてのキャリアcaに接続されている。そして、第2回転電機MG2及び第3回転要素としてのリングギヤrは、ディファレンシャル装置Dを経て車輪Wに接続されている。しかし、駆動系の構成は、この構成に限定されるものではない。第2回転電機MG2は、ディファレンシャル装置Dに直接接続される形態でもよいし、第3回転要素又はその他の駆動伝達要素に接続され、それらの回転要素や駆動伝達要素を介してディファレンシャル装置Dに接続される形態でもよい。
図2は、回転電機駆動装置Inを中核とする回転電機制御系の構成を模式的に示すブロック図である。この回転電機制御系は、バッテリBと各回転電機MG1,MG2と、両者の間に介装される回転電機駆動装置Inとを備えて構成されている。また、回転電機駆動装置Inは、バッテリB側から、電圧変換部(コンバータ)4、周波数変換部(インバータ)5を備えている。図2に示すように、本実施形態では周波数変換部5として、一対の回転電機MG1,MG2に対して、それぞれ周波数変換部51と52とが個別に設けられている。周波数変換部5と各回転電機MG1,MG2との間には、回転電機を流れる電流を計測するための電流センサ13が備えられている。尚、本例では、3相全ての電流を計測する構成を示しているが、3相は平衡状態にあり瞬時値の総和は零であるので2相のみの電流を計測して、TCU10において残りの一相の電流を演算により求めてもよい。尚、バッテリBは、回転電機MG1,MG2へ電力の供給が可能なものであるとともに、回転電機MG1,MG2から電力の供給を受けて蓄電可能なものである。
電圧変換部4は、リアクトル4a、フィルタコンデンサ4b、上下一対のスイッチング素子4c,4d、放電用抵抗器4e、平滑コンデンサ4fを有して構成されている。スイッチング素子4c、4dとしては、IGBT(insulated gate bipolar transistor)や、MOSFET(metal oxide semiconductor field effect transistor)を適用すると好適である。本実施形態では、IGBTを用いて構成される場合を例示している。
電圧変換部4の上段のスイッチング素子4cのエミッタは下段のスイッチング素子4dのコレクタに接続されるとともに、リアクトル4aを介してバッテリBのプラス側に接続されている。上段のスイッチング素子4cのコレクタは、周波数変換部5の入力プラス側に接続される。下段のスイッチング素子4dのエミッタはバッテリBのマイナス側(グラウンド)に接続される。周波数変換部5の入力マイナス側もグラウンドであるので、下段のスイッチング素子4dのエミッタは周波数変換部5の入力マイナス側と接続される。
上段のスイッチング素子4c及び下段のスイッチチング素子4dのゲートは、ドライバ回路7(7C)を介してTCU10に接続される。スイッチング素子4c、4dは、TCU10により制御され、バッテリBからの電圧を昇圧して周波数変換部5に供給する。TCU10は、回転電機の目標トルクに応じて設定される昇圧指令値に基づいて、スイッチング素子4c、4dを制御する。具体的には、TCU10は、上段のスイッチング素子4cをオフ状態にし、下段のスイッチング素子4dを例えばPWM制御することによってオン/オフを切り替えて、バッテリBの電圧を昇圧して出力する。一方、回転電機が回生運転する場合には、電圧変換部4は、回転電機により発電された電力をバッテリBへ回生する。例えば、TCU10は、下段のスイッチング素子4dをオフ状態にし、上段のスイッチング素子4cをオン状態に制御することによって、電圧変換部4を介して電力を回生させる。尚、回転電機により発電された電力を降圧してバッテリBに回生させる場合には、上段のスイッチング素子4cがPWM制御されてもよい。
周波数変換部5は、ブリッジ回路により構成されている。周波数変換部5の入力プラス側と入力マイナス側との間に2つのスイッチング素子が直列に接続され、この直列回路が3回線並列接続される。つまり、回転電機MG1、MG2のステータコイルU相、V相、W相のそれぞれに一組の直列回路が対応したブリッジ回路が構成される。図2において、
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に示すように、各相の上段側スイッチング素子8a、8b、8cのコレクタは電圧変換部4の出力プラス側(周波数変換部5の入力プラス側)に接続され、エミッタは各相の下段側スイッチング素子8d、8e、8fのコレクタに接続されている。また、各相の下段側スイッチング素子8d、8e、8fのエミッタは、電圧変換部4の出力マイナス側(周波数変換部5の入力マイナス側)、即ち、バッテリBのマイナス側(グラウンド)に接続されている。各スイッチング素子8a〜8fのゲートは、ドライバ回路7(7A、7B)を介してTCU10に接続されており、それぞれ個別にスイッチング制御される。
対となる各相のスイッチング素子(8a,8d),(8b,8e),(8c,8f)による直列回路の中間点(スイッチング素子の接続点)9u、9v、9wは、回転電機MG1及びMG2のU相、V相、W相のステータ巻線にそれぞれ接続されている。各巻線へ供給される駆動電流は、電流センサ13によって検出される。電流センサ13による検出値は、TCU10が受け取り、フィードバック制御に用いられる。
また、回転電機MG1、MG2には、回転検出部の一部として機能するレゾルバなどの回転検出センサ11、12が備えられており、ロータRo1、Ro2の回転角(機械角)を検出する。回転検出センサ11、12は、ロータRo1、Ro2の極数(極対数)に応じて設定されており、ロータRo1、Ro2の回転角を電気角θに変換し、電気角θに応じた信号を出力することも可能である。TCU10は、この回転角に基づいて回転電機MG1及びMG2の回転速度(角速度ω)や、周波数変換部5の各スイッチング素子8a〜8fの制御タイミングを演算する。
TCU10は、これらスイッチング素子8a〜8fを、回転電機MG1及びMG2に対する目標トルク及び回転速度(回転数)に基づいてPWM制御することで、各回転電機MG1、MG2に三相の交流駆動電流を供給する。これにより、各回転電機MG1,MG2は、目標トルクに応じて力行する。回転電機MG1及びMG2が発電機として働き、回転電機側から電力を受ける場合は、TCU10は、所定周波数の交流を直流に変換するように周波数変換部5を制御する。
図3は、第2回転電機MG2の速度とトルクとの相関図である。上述したように、回転電機駆動装置Inは、電圧変換部4を備えており、バッテリBの直流電圧を昇圧可能である。即ち、回転電機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速度やトルクをより高い回転速度やトルクへと移行させる。図中の符号K2(K)は、電圧変換部4による昇圧が開始される移行境界を示している。図3から明らかなように、移行境界K2(K)は、回転電機の目標トルク及び回転速度の相関関係に基づいて設定されるものである。
回転電機の回転速度及び目標トルクの絶対値の少なくとも一方が、移行境界K2よりも大きい場合には、電圧変換部4によりバッテリBの出力が昇圧される。昇圧の目標値である昇圧指令値は、昇圧後の電圧値として、段階的に設定されても良いし、無段階に設定されてもよい。図中の符号K1は、最大の昇圧指令値が設定される境界を示し、符号TK1は、この昇圧指令値に基づいて昇圧された場合に、回転電機が出力可能なトルク領域を示している。
TCU10は、回転電機の目標トルク及び回転速度が、移行境界K2を越えたことを条件として、電圧変換部4の制御状態を移行させる。具体的には、バッテリBの出力が昇圧されることなく電圧変換部4を介して周波数変換部5に供給される非昇圧制御から、電圧変換部4により昇圧されて周波数変換部5に供給される昇圧制御へ移行させる制御を行う。この昇圧が開始される際、つまり、移行境界K2を超える際には、電圧変換部4のデッドタイム、及びTCU10を含むフィードバック制御の応答遅延の影響で過渡的な消費電力の上昇が起こる。上述したように、電圧変換部4は、一端がバッテリBに接続されるリアクトル4aと、リアクトル4aの他端と周波数変換部5のプラス側とを接続する上段のスイッチング素子4cと、リアクトル4aの他端と周波数変換部5のマイナス側とを接続する下段のスイッチング素子4dとを有して構成される。非昇圧制御から昇圧制御への移行に際して、上段のスイッチング素子4cと下段のスイッチング素子4dとが共にオフ状態に制御されるデッドタイムが設けられ、これに起因して過渡的に消費電力の上昇が生じる。
ここで、昇圧が開始される際、つまり、移行境界K2を超える際に生じる過渡的な消費電力の上昇について説明する。図4及び図5は、昇圧開始時の過渡的な現象を示す説明図である。図4の上段に模式的に示す波形は、電圧変換部4による昇圧後の電圧VCを示すものである。図4の中段に模式的に示す波形は、周波数変換部5の変調率を示すものである。図4の下段に模式的に示す波形は、回転電機の電流(IMG1やIMG2)を示す。
上述したデッドタイムには、電圧変換部4のスイッチング素子4c、4dが共にオフ状態に制御されるので、昇圧を行うことができない。このため、昇圧目標値が上昇している状況において個々のシステムに応じた所定の電圧範囲は昇圧できないことになる。デッドタイムが経過し、非昇圧制御から昇圧制御へ移行すると、電圧変換部4の出力は、この電圧範囲を超えて急激に大きく上昇することとなる。回転電機駆動装置Inには、不図示の電圧センサが備えられており、バッテリBの電圧VBや、電圧変換部4による昇圧後の電圧VCが計測され、その結果がTCU10に取得される。この際、ハードウェアによるフィルタやソフトウェアによるフィルタ、TCU10の動作クロックに応じたサンプリング間隔などの影響により、急激に上昇する電圧VCの値をTCU10が精度良く取得できない場合がある。つまり、図4の上段に実線により模式的に示すように、実際には電圧VCが急激に上昇しているにも拘わらず、TCU10は、電圧VCが破線で示すように緩やかに上昇していると検出する。
TCU10は、取得した電圧VC、つまり周波数変換部5の入力側の直流電圧の電圧値に応じて、交流に変換する際の変調率を演算する。具体的には、PWM制御のデューティーを演算する。この際、電圧VCを実際の値よりも低い値として認識しているために、必要な変調率よりも高い変調率を算出し、この変調率に応じて周波数変換部5をPWM制御する。図4の中段に実線により模式的に示すように、実際には急激に変調率を低下させなければならないにも拘わらず、破線で示すように緩やかに変調率を低下させる。
その結果、回転電機は目標トルクに対して過大な電力の供給を受けて駆動され、回転電機に流れるモータ電流(例えば第2回転電機MG2のモータ電流IMG2)が増加する。つまり、図4の下段に一点鎖線を用いて模式的に示すように、リップル状の過渡電流が生じる。回転電機を流れる電流は、電流センサ13により計測され、その計測結果はTCU10に入力される。そして、フィードバック制御により、図4の中段に一点鎖線を用いて模式的に示すように変調率が調整される。しかし、このような電圧及び電流の測定に掛かる遅延時間、及びTCU10によるフィードバック制御の応答遅れがあるため、過渡電流の発生は完全に抑制することができない。
この過渡電流は、バッテリBから引き出されることとなるので、回転電機が高負荷で回転している場合など、消費電力が大きい条件下では、バッテリBが出力できる許容電流を超えて過電流の状態を生じさせる可能性がある。
図5の上段は、バッテリBの電力WBを示し、中段はバッテリBの電流IBを示し、下段は昇圧後の電圧VCをそれぞれ模式的に示す波形図である。上述したように、リップル状の過渡電流は、バッテリBからの持ち出しとなるため、バッテリBの電流IBにもリップルが生じる。当然、バッテリBの電力WBにもリップルが生じることとなる。回転電機が高負荷で駆動され、回転電機の電流(IMG1やIMG2)が増加している場合、バッテリBの電流IBも増加する。バッテリBの電圧VBはバッテリBの電流IBの増加に伴って低下する。非昇圧制御時においては、電圧変換部4の出力の電圧VCは、バッテリ電圧VBであるから、電圧変換部4の出力の電圧VCも、図5の下段に示すように、バッテリBの電流IBの増加に伴って低下する。
一方、回転電機の回転速度及び目標トルクに応じて電圧変換部4の昇圧指令値が決定され、この電圧指令値が昇圧後の昇圧目標値Eであったとする。回転電機が高負荷で駆動されている場合には、昇圧目標値Eも上昇傾向にあるから、時刻tにおいて昇圧目標値Eが
電圧変換部4の出力の電圧VCを上回り、電圧変換部4は昇圧動作を開始する。
この時、上述したように、電圧変換部4の短絡を確実に防止するために、デッドタイムDTが設けられることから、電圧変換部4のスイッチング素子のオン時間がデッドタイムDTより小さい場合、実際にスイッチングすることができないため、電圧変換部4は昇圧を行うことができない。バッテリ電圧VBと昇圧目標値Eとの間に差が所定の昇圧不可電圧VDだけ大きくなると、スイッチング素子のオン時間がデッドタイムDTより大きくなることで実際にスイッチングを開始することになる。その結果、バッテリ電圧VBと昇圧目標値Eとの間の差が昇圧不可電圧VDより大きくなった後に、昇圧不可電圧VDを含めて一気に昇圧されるため、昇圧後の電圧VCは急激に上昇する。この急激な電圧の上昇により生じるリップル電流を含めたバッテリBの電流IBが、バッテリBの電流の上限値(許容電流IBMAX)を超えると、バッテリ過電流となる。
弱め界磁制御への移行を抑制するために、バッテリBの電圧VBを昇圧する移行境界K2における昇圧目標値Eや昇圧不可電圧VDの値は、回転電機駆動装置Inのシステム構成に応じた所定の値である。従って、非昇圧制御から昇圧制御に移行する際のバッテリBの電圧VBもおおむね決まった値となる。このため、上限値、即ち許容値はバッテリの電力WBで規定することもできる(許容電力WBMAX)。従って、電圧VCが急激に上昇する際のバッテリ電力WBが許容電力WBMAXを超えないようにすれば、許容電流IBMAXを超えることもなく、バッテリBの過電流を抑制することが可能となる。以下、バッテリBの過電流を抑制する技術について説明する。
はじめに、上昇電力(Δ)の最大値を測定する。回転電機のトルクによって上昇電力の値は変動するので、複数のトルクに対して上昇電力を測定する。図6は、この測定結果を示す回転電機のトルクと上昇電力との相関図である。図6から明らかなように、トルクが大きくなるに従って上昇電力が大きくなる。従って、回転電機のトルクが最大(TMAX)の時の上昇電力が上昇電力の最大値(ΔMAX)となる。
次に、バッテリBの許容電力を測定する。図7は、バッテリBのV/I特性を測定した結果を示す散布図である。ここで、バッテリBの許容電流IBMAXに対応する曲線を散布図上に示すと、これがバッテリBの許容電力WBMAXとなる。この許容電力WBMAXから上記で求めた上昇電力の最大値(ΔMAX)を差し引いた電力を昇圧可能電力WSとすることができる。
上述したように、回転電機のトルクが最大(TMAX)の時の上昇電力(Δ)は、発生する上昇電力の内で最大の値(ΔMAX)となる。従って、許容電力WBMAXから上昇電力(Δ)を差し引いた昇圧可能電力WSは、目標トルクが最大(TMAX)の時が最も小さくなる。この昇圧可能電力WSを基準として移行境界Kを設定すれば、目標トルクの大きさに拘わらず、昇圧の開始時に生じる過渡的な電圧上昇に伴うバッテリBの過電流の発生を良好に抑制することが可能となる。
また、バッテリBのV/I特性と昇圧可能電力WSとから、昇圧開始電圧ESが求められる。尚、図5を利用して説明したように、非昇圧制御から昇圧制御に移行する際、つまり昇圧開始時にはデッドタイムDTの影響で昇圧不可電圧VDが生じる。従って、電圧変換部4への昇圧指令値として与えられるべき昇圧目標電圧ETは、上記昇圧開始電圧ESに昇圧不可電圧VDを加算した値となる。
図3に示したように、電圧変換部4は、回転電機の目標トルク及び回転速度が、それらの相関関係に基づいて設定された所定の移行境界K2(K)を越えたことを条件として、非昇圧制御から昇圧制御へと移行される。この移行境界K2(K)が、上昇電力が生じても回転電機の消費電力が許容電力WBMAXに達しない領域に設定されていれば、非昇圧制御から昇圧制御への移行に際してバッテリBが過電流となることがない。即ち、移行の際に過渡的に生じる上昇電力(例えば最大値のΔMAX)をバッテリBが出力可能な許容電力WBMAXから差し引いた電力である昇圧可能電力WSを基準とし、回転電機の消費電力が昇圧可能電力WS以下となる領域に移行境界Kが設定されるとよい。
図8は、回転電機の回転速度とトルクとの相関図において移行境界Kを設定する説明図である。図8は図3に対応するものであるが、簡略化のため、正方向のトルク領域のみを示している。図8において、移行境界K2は、上記のような上昇電力を考慮せず、弱め界磁制御へ移行させることなく回転電機を通常界磁制御するために昇圧を開始するために設けられた境界である。ここで、図8に昇圧可能電力WSに相当する境界線を書き加える。図中、昇圧可能電力WSに相当する境界線よりも右上側の領域、つまり、トルクが大きくなる方向及び回転速度が速くなる方向は、昇圧可能電力WSよりも消費電力が大きい領域である。
図8を参照すれば、移行境界K2は、昇圧可能電力WSよりも消費電力が大きい領域にも設定されている。従って、昇圧開始時の回転電機の回転速度や目標トルクによっては、バッテリBの許容電力WBMAXを超え、許容電流IBMAXを超える電流がバッテリBから引き出されて過電流となる可能性を有する。そこで、昇圧開始時の昇圧目標電圧ETに向けて昇圧を開始するための境界を、図中において昇圧可能電力WSに相当する境界線よりも左下側の領域にのみ設定される移行境界K3(K)として設定する。つまり、移行の際に過渡的に生じる上昇電力(例えば最大値のΔMAX)をバッテリBが出力可能な許容電力WBMAXから差し引いた電力である昇圧可能電力WSを基準とし、回転電機の消費電力が昇圧可能電力WS以下となる領域に移行境界K3(K)が設定される。
図9は、目標トルクごとの昇圧目標電圧ETを示したグラフである。複数の曲線が示されているが、右側に示されている曲線ほど目標トルクが小さく、左側へ行くに従って目標トルクが大きい場合の曲線である。図9(a)は、図8における移行境界K2を適用した場合を示し、図9(b)は、図8における移行境界K3を適用した場合を示している。図8に示すように、移行境界K2とK3とは、目標トルクが低い領域においては同一の曲線である。従って、図9(a)及び(b)の右側においては、同一の曲線となる。一方、図8に示すように、目標トルクが高い領域においては移行境界K2とK3とは、異なる曲線となっている。図9(a)及び(b)の左側、特に図9(b)の楕円で示す領域では、昇圧目標電圧ETが図9(a)よりも高い電圧値となっていることがわかる。
回転電機の負荷が増大し、回転電機の消費電力が増加していくと、バッテリBから引き出される電流IBが増加するので、バッテリBの電圧VBが低下していく。この際、昇圧目標電圧ETを高くすることによって、低下していくバッテリBの電圧VB(昇圧開始前の電圧変換部4の出力の電圧VC)が、昇圧目標電圧ETを下回る時期が早くなる。換言すれば、従来よりもバッテリ電圧Bの電圧VB(電圧変換部4の出力の電圧VC)が高い値の内に、昇圧が開始されることとなる。つまり、消費電力WBが、上昇電力(Δ)を含めても許容電力には達しないまだ低い電力である内に、昇圧が開始されることになる。従って、消費電力WBが大きい状況において、昇圧が開始されても、上昇電力によるバッテリBの過電流を招くことがない。
〔その他の実施形態〕
(1) 上記実施形態では、移行境界K3が、目標トルクの最大値TMAXに応じて設定される場合を例として説明した。つまり、昇圧可能電力WSが、目標トルクが最大(TMAX)の時に生じる上昇電力(最大値のΔMAX)を許容電力WBMAXから差し引いた電力として設定され、回転電機の消費電力が昇圧可能電力WS以下となる領域に移行境界K3が設定される場合を例として説明した。しかし、目標トルクに応じてそれぞれ異なる移行境界Kが設定されるようにしてもよい。
つまり、一つの目標トルクにおいて生じる上昇電力を許容電力WBMAXから差し引いた電力が当該目標トルクに対応する昇圧可能電力WSとして設定され、当該目標トルクにおける回転電機の消費電力がこの昇圧可能電力WS以下となる領域に移行境界Kが設定されるようにしてもよい。図6に示すように、目標トルクが大きくなるに従って上昇電力も大きくなる。従って、移行境界Kは、目標トルクが高くなるに従って低電力側に設定されると好適である。より具体的には、目標トルクが最大(TMAX)の時に生じる最大の上昇電力(ΔMAX)を許容電力WBMAXから差し引いた電力を最低値として、目標トルクが低くなるに従って高い値となるように、昇圧可能電力WSが設定されるとよい。
(2) 上記の実施形態にあっては、車両が駆動源として回転電機と、この回転電機以外の駆動源(エンジン)を備えたハイブリッド車両である例を示した。しかし、本願の対象は、電圧変換部を有する回転電機駆動装置により駆動制御される回転電機を備えたシステムを対象とする。従って、駆動源が回転電機のみであってもよく、回転電機を駆動源とする電気車両にも本発明を適用することができる。
(3) 上記の実施形態にあっては、ハイブリッド車両に一対の回転電機を備え、一方の回転電機がモータとして、他方の回転電機がジェネレータとして働く例を示した。しかし、本発明は、単一の回転電機を備え、この回転電機がモータ及びジェネレータとして働くモードを備えた、任意のハイブリッド車両にも適用することができる。
本発明は、直流電源の出力を昇圧する電源変換部を有し、車両を駆動するための回転電機を制御する回転電機制御システムに適用することができる。また、当該回転電機制御システムを備える車両駆動システムに適用することができる。例えば、回転電機であるモータにより駆動される電気自動車や、内燃機関及びモータにより駆動されるハイブリッド自動車に適用することができる。
車両駆動システムの駆動系の構成を模式的に示すブロック図 回転電機制御系の構成を模式的に示すブロック図 回転電機の回転速度とトルクとの相関図 昇圧開始時の過渡的な現象を示す説明図 昇圧開始時の過渡的な現象を示す説明図 回転電機のトルクと上昇電力との相関図 直流電源のV/I特性を示す散布図 回転電機の速度とトルクとの相関図において移行境界を設定する説明図 目標トルクごとの昇圧目標電圧を示したグラフ
符号の説明
4:電圧変換部
4a:リアクトル
4c:上段のスイッチング素子
4d:下段のスイッチング素子
5:周波数変換部
10:TCU(制御部)
B:バッテリ(直流電源)
E:エンジン
DT:デッドタイム
In:回転電機制御装置(回転電機制御システム)
K、K2、K3:移行境界
MG1:第1回転電機(回転電機)
MG2:第2回転電機(回転電機)
P1:動力分配機構
BMAX:許容電力
S:昇圧可能電力
ΔMAX:目標トルクが最大の時の上昇電力
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)

Claims (8)

  1. 車両を駆動するための回転電機に電力を供給する直流電源と前記回転電機との間に介在され、少なくとも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、前記回転電機の目標トルク及び回転速度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、
    前記周波数変換部及び前記電圧変換部を制御する制御部と、を備えた回転電機制御システムであって、
    前記制御部が、前記回転電機の前記目標トルク及び前記回転速度がそれらの相関関係に基づいて設定された所定の移行境界を越えたことを条件として、前記直流電源の出力が昇圧されることなく前記電圧変換部を介して前記周波数変換部に供給される非昇圧制御から、前記電圧変換部により昇圧されて前記周波数変換部に供給される昇圧制御へ移行させる制御を行うに際して、
    当該移行の際に過渡的に生じる上昇電力を前記直流電源が出力可能な許容電力から差し引いた電力である昇圧可能電力を基準とし、前記回転電機の消費電力が前記昇圧可能電力以下となる領域に前記移行境界が設定された回転電機制御システム。
  2. 前記移行境界は、前記目標トルクの最大値に応じて設定される請求項1に記載の回転電機制御システム。
  3. 前記昇圧可能電力は、前記目標トルクが最大の時に生じる前記上昇電力を前記許容電力から差し引いた電力として設定される請求項1又は2に記載の回転電機制御システム。
  4. 前記移行境界は、前記目標トルクが高くなるに従って低電力側に設定される請求項1に記載の回転電機制御システム。
  5. 前記昇圧可能電力は、前記目標トルクが最大の時に生じる前記上昇電力を前記許容電力から差し引いた電力を最低値として、前記目標トルクが低くなるに従って高い値に設定される請求項1又は4に記載の回転電機制御システム。
  6. 前記電圧変換部は、一端が前記直流電源に接続されるリアクトルと、当該リアクトルの他端と前記周波数変換部のプラス側とを接続する上段のスイッチング素子と、当該リアクトルの他端と前記周波数変換部のマイナス側とを接続する下段のスイッチング素子とを有して構成され、
    前記上昇電力は、前記非昇圧制御から前記昇圧制御への移行に際して、前記上段のスイッチング素子と前記下段のスイッチング素子とが共にオフ状態に制御されるデッドタイムに起因して過渡的に生じる請求項1〜5の何れか一項に記載の回転電機制御システム。
  7. 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。
  8. 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。
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