JP2010268574A - 電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータのオープン故障時に発生し得る二次故障を防止可能な電動車両を提供する。
【解決手段】モータジェネレータＭＧ１は、エンジン４の動力を用いて発電機として動作可能であり、モータジェネレータＭＧ２は、車両の駆動力を発生する。制御装置３０は、インバータ１６のいずれかのアームにおいてスイッチング素子が常時オフ状態となるオープン故障の発生を検知する。そして、オープン故障が検知されると、制御装置３０は、蓄電装置Ｂの入出力の変動と逆位相のパワー変動をモータジェネレータＭＧ１が発生するようにインバータ１４を制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は、電動車両に関し、特に、車両の駆動力を発生する交流電動機を駆動するインバータにおいて、いずれかのアームにてスイッチング素子が常時オフ状態となるオープン故障が発生したときのフェールセーフ技術に関する。

特開２００８−６７４２９号公報（特許文献１）は、モータ駆動装置としてインバータを用いた装置において、モータ欠相時に継続運転可能なモータ制御装置を開示する。このモータ制御装置は、三相のうち一相に欠相が生じたとき、回転子の回転方向および正常な他の二相の電流値に基づいて、回転を継続するための正常な二相へのスイッチング信号を演算して出力する。

このモータ制御装置によれば、スイッチング素子の追加なしにモータ欠相時に継続運転が可能になり、これを用いた電動ブレーキ装置においては、より高い安全性を得ることが可能となる（特許文献１参照）。

特開２００８−６７４２９号公報

インバータにおいていずれかのアームにてスイッチング素子が常時オフ状態となるオープン故障が発生すると、相電流が変動することによりインバータ入力電圧が変動し、その変動に応じて蓄電装置の入出力が変動する。そして、この状態でインバータによるモータ駆動を継続すると、蓄電装置に過大な負荷がかかり、蓄電装置が壊れるなどの二次故障が発生する可能性がある。

上記公報に開示されるモータ制御装置は、モータ欠相時にモータを継続運転可能とする点で有用であるが、モータ欠相時にモータを継続運転することにより発生し得る上記二次故障の問題については特に検討されていない。

そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、インバータのオープン故障時に発生し得る二次故障を防止可能な電動車両を提供することである。

この発明によれば、電動車両は、第１および第２の交流電動機と、第１および第２のインバータと、蓄電装置と、制御装置とを備える。第１の交流電動機は、発電機として動作可能であり、第２の交流電動機は、車両の駆動力を発生する。第１および第２のインバータは、第１および第２の交流電動機をそれぞれ駆動する。蓄電装置は、第１の交流電動機によって発電された電力を蓄え、その蓄えられた電力を第２のインバータへ供給する。第２のインバータは、第２の交流電動機の各相にそれぞれ対応する複数のアームを含む。そして、制御装置は、複数のアームのいずれかにおいてスイッチング素子が常時オフ状態となるオープン故障の発生を検知し、オープン故障が検知されたとき、蓄電装置の入出力の変動と逆位相のパワー変動を第１の交流電動機が発生するように第１のインバータを制御する。

この発明においては、車両の駆動力を発生する第２の交流電動機を駆動する第２のインバータにおいてオープン故障が発生すると、蓄電装置の入出力の変動と逆位相のパワー変動を第１の交流電動機が発生するように第１のインバータが制御されるので、蓄電装置の入出力の過大な変動が回避される。

したがって、この発明によれば、第２のインバータにおいてオープン故障が発生しても、蓄電装置が壊れるなどの二次故障が発生するのを防止することができる。そして、第２のインバータを用いて第２の交流電動機を継続して駆動させ、第２の交流電動機により継続的に車両を走行させることができる。

この発明の実施の形態による電動車両の一例として示されるハイブリッド車両の全体ブロック図である。 インバータにおいてオープン故障が発生したときの蓄電装置の電流変動およびモータジェネレータのトルク指令値を示した図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態による電動車両の一例として示されるハイブリッド車両の全体ブロック図である。図１を参照して、ハイブリッド車両１００は、エンジン４と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、動力分割装置３と、駆動輪２とを備える。また、ハイブリッド車両１００は、蓄電装置Ｂと、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２と、昇圧コンバータ１２と、インバータ１４，１６と、正極線ＰＬ１，ＰＬ２と、負極線ＮＬとをさらに備える。さらに、ハイブリッド車両１００は、制御装置３０と、電圧センサ１０と、電流センサ１１，２０，２２とをさらに備える。

エンジン４は、燃料の燃焼による熱エネルギーをピストンやロータなどの運動子の運動エネルギーに変換して動力分割装置３へ出力可能に構成される。動力分割装置３は、エンジン４が発生する運動エネルギーを分割してモータジェネレータＭＧ１と駆動輪２とに分配可能に構成される。たとえば、サンギヤ、プラネタリキャリヤおよびリングギヤの３つの回転軸を有する遊星歯車を動力分割装置３として用いることができ、この３つの回転軸がモータジェネレータＭＧ１の回転軸、エンジン４のクランクシャフトおよび車両の駆動軸（駆動輪２）にそれぞれ連結される。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、交流電動機であり、たとえばロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機である。モータジェネレータＭＧ１は、動力分割装置３に回転軸が連結され、インバータ１４によって駆動される。そして、モータジェネレータＭＧ１は、エンジン４により生成された運動エネルギーを動力分割装置３から受け、その受けた運動エネルギーを電気エネルギーに変換してインバータ１４へ出力する。また、モータジェネレータＭＧ１は、インバータ１４から受ける三相交流電力によって駆動力を発生し、エンジン４の始動も行なう。

モータジェネレータＭＧ２は、車両の駆動軸（駆動輪２）に回転軸が連結される。そして、モータジェネレータＭＧ２は、インバータ１６によって駆動され、インバータ１６から受ける三相交流電力によって車両の駆動トルクを発生する。また、モータジェネレータＭＧ２は、車両の制動時や下り斜面での加速度低減時、運動エネルギーや位置エネルギーとして車両に蓄えられた力学的エネルギーを駆動輪２から受け、その受けた力学的エネルギーを電気エネルギーに変換して（回生発電）インバータ１６へ出力する。

エンジン４は、駆動輪２を駆動するとともにモータジェネレータＭＧ１を駆動する動力源としてハイブリッド車両１００に組込まれる。モータジェネレータＭＧ１は、エンジン４によって駆動される発電機として動作し、かつ、エンジン４の始動を行ない得る電動機として動作するものとしてハイブリッド車両１００に組込まれる。また、モータジェネレータＭＧ２は、駆動輪２を駆動する電動機として動作し、かつ、車両に蓄えられた力学的エネルギーを用いて回生発電可能な発電機として動作するものとしてハイブリッド車両１００に組込まれる。

インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とを含む。Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６およびＷ相アーム１７は、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に並列に接続される。Ｕ相アーム１５は、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に直列に接続される電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」と称する。）Ｑ１１，Ｑ１２と、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２にそれぞれ逆並列に接続されるダイオードＤ１１，Ｄ１２とを含む。Ｖ相アーム１６は、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に直列に接続されるスイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４と、スイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４にそれぞれ逆並列に接続されるダイオードＤ１３，Ｄ１４とを含む。Ｗ相アーム１７は、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に直列に接続されるスイッチング素子Ｑ１５，Ｑ１６と、スイッチング素子Ｑ１５，Ｑ１６にそれぞれ逆並列に接続されるダイオードＤ１５，Ｄ１６とを含む。

なお、スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ等を用いることができる。

そして、Ｕ相アーム１５の中間点は、モータジェネレータＭＧ１のＵ相コイルに接続され、Ｖ相アーム１６の中間点は、モータジェネレータＭＧ１のＶ相コイルに接続され、Ｗ相アーム１７の中間点は、モータジェネレータＭＧ１のＷ相コイルに接続される。そして、各相コイルの他端は、互いに接続されて中性点を形成する。

インバータ１４は、制御装置３０からの信号ＰＷＭ１に基づいて、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬから受ける直流電力を三相交流電力に変換してモータジェネレータＭＧ１へ出力し、モータジェネレータＭＧ１を駆動する。また、インバータ１４は、信号ＰＷＭ１に基づいて、モータジェネレータＭＧ１により発電された三相交流電力を直流電力に変換して正極線ＰＬ２および負極線ＮＬへ出力する。

インバータ１６は、Ｕ相アーム２５と、Ｖ相アーム２６と、Ｗ相アーム２７とを含む。Ｕ相アーム２５は、スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２と、ダイオードＤ２１，Ｄ２２とを含む。Ｖ相アーム２６は、スイッチング素子Ｑ２３，Ｑ２４と、ダイオードＤ２３，Ｄ２４とを含む。Ｗ相アーム２７は、スイッチング素子Ｑ２５，Ｑ２６と、ダイオードＤ２５，Ｄ２６とを含む。インバータ１６の構成は、インバータ１４と同様であるので、説明を繰返さない。

インバータ１６は、制御装置３０からの信号ＰＷＭ２に基づいて、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬから受ける直流電力を三相交流電力に変換してモータジェネレータＭＧ２へ出力し、モータジェネレータＭＧ２を駆動する。また、インバータ１６は、信号ＰＷＭ２に基づいて、モータジェネレータＭＧ２により発電された三相交流電力を直流電力に変換して正極線ＰＬ２および負極線ＮＬへ出力する。

蓄電装置Ｂは、再充電可能な直流電源であり、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池から成る。なお、蓄電装置Ｂとして、大容量のキャパシタも採用可能である。システムリレーＳＲ１は、蓄電装置Ｂの正極端子と正極線ＰＬ１との間に接続される。システムリレーＳＲ２は、蓄電装置Ｂの負極端子と負極線ＮＬとの間に接続される。システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置３０によってオン／オフされる。

昇圧コンバータ１２は、リアクトルＬと、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１１，Ｄ１２とを含む。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に直列に接続される。ダイオードＤ１１，Ｄ１２は、それぞれスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２に逆並列に接続される。リアクトルＬは、正極線ＰＬ１と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続ノードとの間に接続される。

昇圧コンバータ１２は、制御装置３０からの信号ＰＷＣに基づいて、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬ間の電圧（以下「システム電圧」とも称する。）を蓄電装置Ｂの出力電圧以上の電圧に昇圧する。システム電圧が目標電圧よりも低い場合、スイッチング素子Ｑ２のオンデューティーを大きくすることにより正極線ＰＬ１から正極線ＰＬ２へ電流を流すことができ、システム電圧を上昇させることができる。一方、システム電圧が目標電圧よりも高い場合、スイッチング素子Ｑ１のオンデューティーを大きくすることにより正極線ＰＬ２から正極線ＰＬ１へ電流を流すことができ、システム電圧を低下させることができる。

電圧センサ１０は、蓄電装置Ｂの電圧ＶＢを検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。電流センサ１１は、蓄電装置Ｂに対して入出力される電流ＩＢを検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。なお、電流センサ１１は、蓄電装置Ｂから出力される電流を正値として検出し、蓄電装置Ｂへ入力される電流を負値として検出する。電流センサ２０は、モータジェネレータＭＧ１に流れるモータ電流ＭＣＲＴ１を検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。電流センサ２２は、モータジェネレータＭＧ２に流れるモータ電流ＭＣＲＴ２を検出し、その検出値を制御装置３０へ出力する。

制御装置３０は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵した電子制御ユニットにより構成され、当該メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、各センサによる検出値を用いた演算処理を行なうように構成される。あるいは、制御装置３０の少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。

代表的な機能として、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧ１のトルク指令値、モータ電流ＭＣＲＴ１およびロータ回転角、ならびにシステム電圧に基づいて、モータジェネレータＭＧ１を駆動するための信号ＰＷＭ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭ１をインバータ１４へ出力する。また、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧ２のトルク指令値、モータ電流ＭＣＲＴ２およびロータ回転角、ならびにシステム電圧に基づいて、モータジェネレータＭＧ２を駆動するための信号ＰＷＭ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭ２をインバータ１６へ出力する。さらに、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の要求パワー、システム電圧、ならびに正極線ＰＬ１および負極線ＮＬ間の電圧に基づいて、昇圧コンバータ１２を駆動するための信号ＰＷＣを生成し、その生成した信号ＰＷＣを昇圧コンバータ１２へ出力する。

また、さらに、制御装置３０は、インバータ１６のいずれかのアームにおけるオープン故障の発生を検知する。具体的な検知方法としては、たとえば、オープン故障が発生すると三相電流の平均値が零にならずにオフセットが発生するので、制御装置３０は、電流センサ２２からのモータ電流ＭＣＲＴ２の検出値に基づいて三相電流の平均値を算出し、その平均値がオフセットを有するか否かによってオープン故障の発生を検知することができる。あるいは、オープン故障が発生すると、システム電圧が変動し、昇圧コンバータ１２がその変動に応じて動作することにより、昇圧コンバータ１２に流れる電流すなわち電流ＩＢが変動するので、制御装置３０は、電流センサ１１により検出される電流ＩＢの変動に基づいてオープン故障の発生を検知することも可能である。

そして、インバータ１６におけるオープン故障の発生が検知されると、制御装置３０は、蓄電装置Ｂの入出力の変動と逆位相のパワー変動をモータジェネレータＭＧ１が発生するようにモータジェネレータＭＧ１を駆動するための信号ＰＷＭ１を生成する。すなわち、制御装置３０は、電流センサ１１により検出される電流ＩＢに基づいて、電流ＩＢの変動と逆位相（電流ＩＢの変動を打消す方向）のパワー変動をモータジェネレータＭＧ１が発生するように信号ＰＷＭ１を生成する。

図２は、インバータ１６においてオープン故障が発生したときの蓄電装置Ｂの電流変動およびモータジェネレータＭＧ１のトルク指令値を示した図である。なお、この図２では、一例として、インバータ１６のＵ相アーム２５のスイッチング素子Ｑ２１においてオープン故障が発生（図１）した場合の様子が示される。

図２を参照して、横軸は時間を示し、Ｕ相電流は、モータジェネレータＭＧ２のＵ相コイルに流れる電流を示す。なお、Ｕ相電流は、Ｕ相アーム２５からモータジェネレータＭＧ２のＵ相コイルへ電流が流れるときを正値とし、モータジェネレータＭＧ２のＵ相コイルからＵ相アーム２５へ電流が流れるときを負値とする。

時刻ｔ１において、インバータ１６のスイッチング素子Ｑ２１においてオープン故障が発生すると、スイッチング素子Ｑ２１により正極線ＰＬ２からモータジェネレータＭＧ２のＵ相コイルへ電流を流せなくなるので、Ｕ相電流の波形に歪みが発生する。このＵ相電流の歪みに応じてシステム電圧も変動し、システム電圧の変動に応じて昇圧コンバータ１２が動作することにより電流ＩＢが変動する。そして、時刻ｔ２において、共振により電流ＩＢが大きく変動する。

このような電流ＩＢの変動は、蓄電装置Ｂに悪影響を与え、蓄電装置Ｂが壊れる等の二次故障が発生し得るところ、この実施の形態では、時刻ｔ３において、制御装置３０によりオープン故障の発生が検知され、蓄電装置Ｂの入出力変動と逆位相（電流ＩＢの変動を打消す方向）のパワー変動をモータジェネレータＭＧ１が発生するようにモータジェネレータＭＧ１が制御される。たとえば、電流ＩＢが正方向に変動（放電量増大方向または充電量減少方向）すると、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧ１のトルク指令値を正方向（発電中であれば発電量増大方向、力行動作中であれば電力消費量減少方向）に変化させる。また、電流ＩＢが負方向に変動（放電量減少方向または充電量増大方向）すると、制御装置３０は、モータジェネレータＭＧ１のトルク指令値を負方向（発電中であれば発電量減少方向、力行動作中であれば電力消費量増大方向）に変化させる。

このように、蓄電装置Ｂの入出力の変動と逆位相（電流ＩＢの変動を打消す方向）のパワー変動をモータジェネレータＭＧ１が発生するようにインバータ１４を制御することによって、電流ＩＢの変動が抑制される。なお、この図２において、時刻ｔ３以降の点線は、このような制御が行なわれない従来例に相当し、オープン故障の発生に伴ない電流ＩＢが継続的に大きく変動している。

再び図１を参照して、制御装置３０は、インバータ１６におけるオープン故障の発生が検知されると、上述のように電流ＩＢの変動に応じたトルク変化を発生するようにモータジェネレータＭＧ１を駆動するための信号ＰＷＭ１を生成し、その生成した信号ＰＷＭ１をインバータ１４へ出力する。そして、制御装置３０は、インバータ１６においてオープン故障が発生しているけれども、インバータ１６を停止することなく、モータジェネレータＭＧ２を通常通りに駆動するための信号ＰＷＭ２を生成し、その生成した信号ＰＷＭ２をインバータ１６へ出力する。

以上のように、この実施の形態においては、ハイブリッド車両１００の駆動力を発生するモータジェネレータＭＧ２を駆動するインバータ１６においてスイッチング素子のオープン故障が発生すると、蓄電装置Ｂの入出力の変動と逆位相のパワー変動をモータジェネレータＭＧ１が発生するようにインバータ１４が制御されるので、蓄電装置Ｂの入出力の過大な変動が回避される。したがって、この実施の形態によれば、インバータ１６においてオープン故障が発生しても、蓄電装置Ｂが壊れるなどの二次故障が発生するのを防止することができる。そして、インバータ１６を用いてモータジェネレータＭＧ２を継続して駆動させ、モータジェネレータＭＧ２により継続的に車両を走行させることができる。

なお、上記において、モータジェネレータＭＧ１は、この発明における「第１の交流電動機」に対応し、モータジェネレータＭＧ２は、この発明における「第２の交流電動機」に対応する。また、インバータ１４は、この発明における「第１のインバータ」に対応し、インバータ１６は、この発明における「第２のインバータ」に対応する。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２ 駆動輪、３ 動力分割装置、４ エンジン、１０ 電圧センサ、１１，２０，２２ 電流センサ、１２ 昇圧コンバータ、１４，１６ インバータ、１５，２５ Ｕ相アーム、１６，２６ Ｖ相アーム、１７，２７ Ｗ相アーム、３０ 制御装置、１００ ハイブリッド車両、Ｂ 蓄電装置、ＳＲ１，ＳＲ２ システムリレー、ＰＬ１，ＰＬ２ 正極線、ＮＬ 負極線、Ｌ リアクトル、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１〜Ｑ１６，Ｑ２１〜Ｑ２６ スイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６ ダイオード、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ。

Claims (1)

1. 発電機として動作可能な第１の交流電動機と、
   車両の駆動力を発生する第２の交流電動機と、
   前記第１および第２の交流電動機をそれぞれ駆動する第１および第２のインバータと、
   前記第１の交流電動機によって発電された電力を蓄え、その蓄えられた電力を前記第２のインバータへ供給する蓄電装置とを備え、
   前記第２のインバータは、前記第２の交流電動機の各相にそれぞれ対応する複数のアームを含み、さらに
   前記複数のアームのいずれかにおいてスイッチング素子が常時オフ状態となるオープン故障の発生を検知し、前記オープン故障が検知されたとき、前記蓄電装置の入出力の変動と逆位相のパワー変動を前記第１の交流電動機が発生するように前記第１のインバータを制御する制御装置を備える、電動車両。

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