JP2010213406A

JP2010213406A - 電圧変換装置

Info

Publication number: JP2010213406A
Application number: JP2009054791A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Yaguchi; 英明矢口
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2010-09-24

Abstract

【課題】電動機へ電流を流すことなく、車両衝突時に電圧変換装置に含まれる電気部品の電圧を低下させる。
【解決手段】コンバータ２２と、コンバータ２２の低圧側に接続されるフィルタコンデンサＣｆと、コンバータ２２の高圧側に接続される平滑用コンデンサＣｍとを備えた車両に搭載される電圧変換装置において、車両の衝突を事前又は事後に検知した衝突検知信号を受けた場合、最大の昇圧制御となるようにフィルタコンデンサＣｆから平滑用コンデンサＣｍへと電力を移送させるよう制御する、又は、フィルタコンデンサＣｆの端子電圧値が過電圧にならないようにデューティ制御しつつ、フィルタコンデンサＣｆと平滑用コンデンサＣｍとの間で電力を移送させるよう制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＶ）等に用いられる電圧変換装置に関する。

電動機を車両の駆動力として利用する電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車等の車両が開発されている。このような車両では、二次電池や燃料電池等のバッテリに蓄えられた電力により電動機を駆動し、その駆動力を利用する。通常、電動機は誘導電動機であり、二次電池や燃料電池のような直流電源により駆動するためにはインバータを含む電圧変換装置を搭載する必要がある。

そこで、車両の衝突時においても電圧変換装置が安全に動作するように制御する必要がある。特に、電圧変換装置に含まれる平滑用コンデンサの容量は大きく、数千μＦにもなる場合があり、これに蓄えられている電力を安全に放電する必要がある。

例えば、車両の衝突時において高圧コンデンサを放電させる技術が開示されている。すなわち、車両が衝突したことを示す信号が入力されると、電圧変換装置に含まれているインバータのＩＧＢＴをスイッチングさせて高圧コンデンサに蓄えられている電力を放電させる（特許文献１）。

また、バッテリとインバータとの間に放電回路を設け、車両の衝突時には平滑用コンデンサと抵抗器とを直列に接続することによって平滑用コンデンサに蓄えられている電力を放電させる回路が開示されている（特許文献２）。

特開２００５−２０９５２号公報特開２００６−２２４７７２号公報

電気自動車の電解液の流出および感電防止の基準であるＦＭＶＳＳ−３０５が改定予定であり、車両衝突時には６秒以内に高圧部位を６０Ｖ以下とする必要がある。改定前にはバッテリのみが対象であったが、改定後はインバータ等を含む電圧変換装置に含まれる総ての部品が対象となる。

例えば、電動機のｄ軸のみに電流を流し、電動機における損失でコンデンサ等に蓄えられた電力を放電させる方法を採用した場合、車両衝突により電動機に備えられたレゾルバが故障している場合に電動機にトルクが発生してしまう可能性がある。また、車両衝突により電圧変換装置に含まれるケーブルが破損している場合、放電時に他部位に短絡してしまう可能性がある。

本発明は、電動機へ電流を流すことなく、車両衝突時に電圧変換装置に含まれる電気部品の電圧を低下させることが可能な電圧変換装置を提供することを目的とする。

本発明の１つの態様は、直流電源の電圧を昇降圧するコンバータと、前記コンバータの低圧側に接続されるフィルタコンデンサと、前記コンバータの高圧側に接続される平滑用コンデンサと、前記コンバータに含まれるスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、を備えた車両に搭載される電圧変換装置であって、前記制御部は、車両の衝突を事前又は事後に検知した衝突検知信号を受けた場合、最大の昇圧制御となるように前記フィルタコンデンサから前記平滑用コンデンサへと電力を移送させるよう前記スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする。

また、本発明の別の態様は、直流電源の電圧を昇降圧するコンバータと、前記コンバータの低圧側に接続されるフィルタコンデンサと、前記コンバータの高圧側に接続される平滑用コンデンサと、前記コンバータに含まれるスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、を備えた車両に搭載される電圧変換装置であって、前記制御部は、車両の衝突を事前又は事後に検知した衝突検知信号を受けた場合、前記フィルタコンデンサの端子電圧値が過電圧にならないようにデューティ制御しつつ、前記フィルタコンデンサと前記平滑用コンデンサとの間で電力を移送させるよう前記スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする。

ここで、前記制御部は、前記フィルタコンデンサの端子電圧値の最終的な目標値となるように設定し、前記フィルタコンデンサの端子電圧値が過電圧にならないようにデューティ制御しつつ、前記フィルタコンデンサと前記平滑用コンデンサとの間で電力を移送させるよう前記スイッチング素子のスイッチングを制御することが好適である。

本発明によれば、電動機へ電流を流すことなく、車両衝突時に電圧変換装置に含まれる電気部品の電圧を低下させることができる。

本発明の実施の形態における電圧変換装置の構成を示す図である。

本発明の実施の形態における電圧変換装置１００は、図１に示すように、直流電源（バッテリ）２０、コンバータ２２、インバータ２４ａ，２４ｂ及び制御部２６を含んで構成される。インバータ２４ａはモータ・ジェネレータ（ＭＧ）２００ａに接続され、インバータ２４ｂはモータ・ジェネレータ（ＭＧ）２００ｂに接続される。また、制御部２６は、衝突センサ３０に接続される。

直流電源２０としては、ニッケル水素、リチウムイオン等の二次電池や燃料電池を適用することができる。

直流電源２０の正極は、リレーＳＭＲを介してインダクタＬの一端及びフィルタコンデンサＣｆの一端に接続される。フィルタコンデンサＣｆは、コンバータ２２の低圧側に接続され、一般的に数１００μＦ程度の容量とする。インダクタＬの他端はコンバータ２２の入力端ＣＴ１に接続される。直流電源２０の負極は、リレーＳＭＲを介してフィルタコンデンサＣｆの他端接続されると共に、コンバータ２２の入力端ＣＴ２に接続される。

コンバータ２２は、スイッチング素子Ｔｒａとスイッチング素子Ｔｒａと並列に逆接続されたダイオードＤａとからなる上アーム２２ａと、スイッチング素子Ｔｒｂとスイッチング素子Ｔｒｂと並列に逆接続されたダイオードＤｂとからなる下アーム２２ｂと、を直列接続して構成される。上アーム２２ａの一端が出力端ＣＴ３となり、上アーム２２ａと下アーム２２ｂとの接続点が入力端ＣＴ１となり、下アーム２２ｂの他端が入力端ＣＴ２及び出力端ＣＴ４となる。

出力端ＣＴ３，ＣＴ４間にインバータ２４ａ，２４ｂが接続される。また、出力電圧を安定化させるために、出力端ＣＴ３，ＣＴ４間には平滑用コンデンサＣｍが負荷と並列に接続される。平滑用コンデンサＣｍは、コンバータ２２の高圧側に接続され、一般的に１０００μＦ程度の容量とする。

また、本実施の形態における電圧変換装置１００には、制御を行うための電流センサＡ１、電圧センサＶ０，Ｖ１が設けられている。電流センサＡ１は直流電源２０の出力電流ＩＢをモニタする。電圧センサＶ０は負荷電圧ＶＨ（平滑用コンデンサＣｍの端子電圧）をモニタし、電圧センサＶ１はフィルタコンデンサＣｆの端子間電圧ＶＬをモニタする。電流センサＡ１及び電圧センサＶ０，Ｖ１はそれぞれの測定値を制御部２６へ出力する。

制御部２６は、マイコン及びメモリ等を内蔵した電子制御装置（ＥＣＵ）であり、電流センサＡ１、電圧センサＶ０，Ｖ１からの信号を受けて、それらの信号に応じてコンバータ２２及びインバータ２４ａ，２４ｂを制御する。

通常時にはリレーＳＭＲが閉状態とされ、スイッチング素子Ｔｒａ，Ｔｒｂをスイッチング制御することによって、直流電源２０からモータ・ジェネレータ２００ａ，２００ｂへ電力を供給し、又は、モータ・ジェネレータ２００ａ，２００ｂから直流電源２０へ電力を回生させることができる。また、制御部２６はイグニションスイッチ（図示しない）、アクセルペダル（図示しない）、ブレーキペダル（図示しない）等の操作状況を受けて、内蔵されたメモリに格納された制御プログラムを実行することによって、モータのトルク指令値、モータ回転数、必要電力等に応じてコンバータ２２に対して昇圧制御信号や降圧制御信号を出力したり、インバータ２４ａ，２４ｂに対して回転数制御信号やトルク制御信号を出力したりする。これにより、モータ・ジェネレータ２００ａ，２００ｂの回転が制御される。

また、電圧変換装置１００の制御部２６には衝突センサ３０からの信号が入力される。衝突センサ３０は、電圧変換装置１００が搭載される車両の衝突を検知し、衝突検知信号を制御部２６へ出力する。衝突センサ３０は、例えば、加速度センサ等としてもよい。また、衝突センサ３０は、レーダ等の衝突予知を行うものであってもよい。この場合、車両の衝突を事前に予知して以下の処理を行うことができる。

制御部２６は、衝突検知信号を受けると、リレーＳＭＲを開状態にして直流電源２０を切り離し、直流電源２０からの電力供給を停止させる。その後、以下のフィルタコンデンサＣｆと平滑用コンデンサＣｍとの過電圧防止処理を行う。

本実施の形態では、コンバータ２２のスイッチング素子Ｔｒａとスイッチング素子Ｔｒａのスイッチング制御を行うことによってフィルタコンデンサＣｆと平滑用コンデンサＣｍとの間で電力をやり取りさせ、コンバータ２２での電力消費によってフィルタコンデンサＣｆの端子電圧値ＶＬ及び平滑用コンデンサＣｍの端子電圧ＶＨを目標時間ｔ以内に目標電圧値ＶＡ以下となるように調整する。なお、改正後の基準ＦＭＶＳＳ−３０５では、目標時間ｔ＝６秒以内に目標電圧値ＶＡ＝６０Ｖ以下に端子電圧値ＶＬ及び端子電圧ＶＨをさせる必要がある。

制御部２６は、フィルタコンデンサＣｆに蓄積されている電力を平滑用コンデンサＣｍへと移送する昇圧制御（フィードフォワード制御）と、平滑用コンデンサＣｍに蓄積されている電力をフィルタコンデンサＣｆへと移送する降圧制御（フィードバック制御）とを行い電力を消費させる。

例えば、フィルタコンデンサＣｆが３００μＦ及び平滑用コンデンサＣｍが１０００μＦであり、過電圧防止処理開始時においてフィルタコンデンサＣｆの端子電圧値ＶＬ＝２００Ｖと平滑用コンデンサＣｍの端子電圧値ＶＨ＝６５０Ｖである場合、フィルタコンデンサＣｆに蓄積されている電力は６Ｊ、平滑用コンデンサＣｍに蓄積されている電力は２１１Ｊとなる。したがって、改正後の基準ＦＭＶＳＳ−３０５に対応するためには、２１７Ｊ／６秒＝３６Ｗの損失があればよく、コンバータ２２の消費電力で十分賄える。

フィルタコンデンサＣｆから平滑用コンデンサＣｍへと電力を移送させる昇圧制御（フィードフォワード制御）では、例えば、制御部２６は、コンバータ２２のスイッチング素子Ｔｒａ，Ｔｒｂを最大の昇圧制御となるようにスイッチング制御してもよい。これにより、フィルタコンデンサＣｆに蓄積されている電力を平滑用コンデンサＣｍへと移送される。

例えば、フィルタコンデンサＣｆが３００μＦ及び平滑用コンデンサＣｍが１０００μＦであり、過電圧防止処理開始時においてフィルタコンデンサＣｆの端子電圧値ＶＬ＝２００Ｖと平滑用コンデンサＣｍの端子電圧値ＶＨ＝６５０Ｖである場合、フィルタコンデンサＣｆに蓄積されている全電力を平滑用コンデンサＣｍへ移送したとしても平滑用コンデンサＣｍの端子電圧ＶＨは約９Ｖしか増加しない。一般的に、平滑用コンデンサＣｍの最大耐電圧は通常使用時の端子電圧値ＶＨ＝６５０Ｖに対して１００Ｖ程度高いので、平滑用コンデンサＣｍが過電圧となることはない。

また、平滑用コンデンサＣｍからフィルタコンデンサＣｆへと電力を移送させる降圧制御（フィードバック制御）においてフィルタコンデンサＣｆの端子電圧値ＶＬが過電圧にならないようにデューティ制御を行うことも好適である。

例えば、昇圧制御（フィードフォワード制御）におけるデューティＤｕｔｙ＿ｆｆをＤｕｔｙ＿ｆｆ＝目標電圧値ＶＡ／端子電圧値ＶＨ＋デューティ・デッドとし、降圧制御（フィードバック制御）におけるデューティＤｕｔｙ＿ｆｂを（目標電圧値ＶＡ−端子電圧値ＶＬ）×昇降圧比Ｋｐとして、Ｄｕｔｙ＿ｆｆ＋Ｄｕｔｙ＿ｆｂで制御を行う。なお、デューティ・デッドは、コンバータ２２のスイッチング素子Ｔｒａとスイッチング素子Ｔｒａの切り替え時間等のロスを考慮したものである。

以上のように、本実施の形態によれば、モータ・ジェネレータ２００ａ，２００ｂへ電流を流すことなく、車両衝突時に電圧変換装置１００に含まれるフィルタコンデンサＣｆ及び平滑用コンデンサＣｍの電圧を迅速に低下させることができる。

２０直流電源、２２コンバータ、２２ａ上アーム、２２ｂ下アーム、２４ａ，２４ｂインバータ、２６制御部、３０衝突センサ、１００電圧変換装置、２００ａ，２００ｂモータ・ジェネレータ。

Claims

直流電源の電圧を昇降圧するコンバータと、
前記コンバータの低圧側に接続されるフィルタコンデンサと、前記コンバータの高圧側に接続される平滑用コンデンサと、
前記コンバータに含まれるスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、
を備えた車両に搭載される電圧変換装置であって、
前記制御部は、車両の衝突を事前又は事後に検知した衝突検知信号を受けた場合、最大の昇圧制御となるように前記フィルタコンデンサから前記平滑用コンデンサへと電力を移送させるよう前記スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする電圧変換装置。
直流電源の電圧を昇降圧するコンバータと、
前記コンバータの低圧側に接続されるフィルタコンデンサと、前記コンバータの高圧側に接続される平滑用コンデンサと、
前記コンバータに含まれるスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、
を備えた車両に搭載される電圧変換装置であって、
前記制御部は、車両の衝突を事前又は事後に検知した衝突検知信号を受けた場合、前記フィルタコンデンサの端子電圧値が過電圧にならないようにデューティ制御しつつ、前記フィルタコンデンサと前記平滑用コンデンサとの間で電力を移送させるよう前記スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする電圧変換装置。
請求項１に記載の電圧変換装置であって、
前記制御部は、前記フィルタコンデンサの端子電圧値の最終的な目標値となるように設定し、前記フィルタコンデンサの端子電圧値が過電圧にならないようにデューティ制御しつつ、前記フィルタコンデンサと前記平滑用コンデンサとの間で電力を移送させるよう前記スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする電圧変換装置。