JP2011151966A

JP2011151966A - 電気自動車

Info

Publication number: JP2011151966A
Application number: JP2010011352A
Authority: JP
Inventors: Hiroki Kato; 弘樹加藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2011-08-04

Abstract

【課題】電動機の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域において電動機の鉄損を低減する。
【解決手段】モータ２２の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域で当該モータ２２をＰＷＭ電圧により駆動するようインバータ２４を正弦波ＰＷＭ制御または過変調ＰＷＭ制御しているときには、インバータ２４の出力電流の電流リプルを増加させる。モータ２２の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域は、モータ２２の目標回転数が予め定められた回転数以上となり、かつ目標トルクが予め定められたトルク（例えば、モータ２２の最大出力トルクの１割程度）以下となる領域として定められ、オートクルーズの実行が指示されていると共にモータ２２をＰＷＭ電圧により駆動するようインバータ２４をＰＷＭ制御するときにも、インバータ２４の出力電流の電流リプルが増加される。
【選択図】図２

Description

本発明は、駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、電動機を駆動するインバータと、インバータを介して電動機と電力のやり取りが可能な直流電源と、インバータを制御する制御手段とを備えた電気自動車に関する。

従来、この種の電気自動車としては、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に対して巻回された第１のコイルおよびＵ，Ｖ，Ｗ各相に対して巻回された第２のコイルを有する三相交流モータと、第１のコイルに交流電流を供給する第１のインバータと、第２のコイルに交流電流を供給する第２のインバータと、第１および第２のインバータをそれぞれＰＷＭ制御する制御部とを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電気自動車では、三相交流モータのＵ，Ｖ，Ｗ各相ごとに第１のコイルに供給する交流電流と第２のコイルに供給する交流電流との位相をずらすよう第１および第２のインバータを制御することにより、各相ごとに第１のコイルに流れる電流と第２のコイルに流れる電流とを共振させて三相交流モータの鉄心中に生じる合成磁束のリプル幅を小さくし、鉄心を交流で磁化したときに失われる電気エネルギーである鉄損を低減している。また、この主の電気自動車として、モータと、モータを駆動するインバータと、インバータをＰＷＭ制御する制御部とを備え、ＰＷＭ制御におけるキャリア周波数を低下させることによりインバータの出力電流の電流リプルを大きくし、コアおよび永久磁石内に発生する渦電流を増大化させることで、モータの発熱量を増大させて磁石温度を積極的に上昇させるものが知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開平６−１９７５９３号公報特開２００９−１１０２８号公報

ところで、上述のような三相交流モータの損失には、上述した鉄損以外にもコイルの抵抗によって電気エネルギーが熱エネルギーに変わる銅損や、軸受部分の摩擦抵抗によって失われるエネルギー等である機械損といったエネルギー損失が含まれるが、これらのエネルギー損失のうち、三相交流モータを回転数が比較的高くかつ出力トルクが比較的低い領域で駆動するときには鉄損の割合が最も大きくなる。そのため、特にモータを高回転低トルク領域で駆動するときに鉄損を低減することが求められるが、特許文献１に記載の電気自動車のように、鉄損を低減するために複数のインバータを用いると、装置の大型化やコストアップにつながってしまい好ましくない。

本発明の電気自動車は、電動機の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域において、電動機の鉄損を低減することを主目的とする。

本発明の電気自動車は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電気自動車は、駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、該電動機を駆動するインバータと、該インバータを介して前記電動機と電力のやり取りが可能な直流電源と、前記インバータを制御する制御手段とを備えた電気自動車において、
前記制御手段は、前記電動機の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域で該電動機をＰＷＭ電圧により駆動するよう前記インバータをＰＷＭ制御するときには、前記インバータの出力電流の電流リプルを増加させることを特徴とする。

本発明の電気自動車では、電動機の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域で当該電動機をＰＷＭ電圧により駆動するようインバータをＰＷＭ制御するときには、インバータの出力電流の電流リプルを増加させる。このように、インバータの出力電流すなわち電動機に印加される電流の電流リプルを大きくすることで、コアおよび永久磁石内に発生する渦電流が増大化し、電動機の発熱量が増大化するため、永久磁石の温度が上昇して磁石磁束が弱くなる。これにより、電動機の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域において、電動機の鉄損を良好に低減することができる。ここで、電動機の損失に対する鉄損の割合は、基本的に電動機の回転数が比較的高い領域で大きくなり、更に電動機の出力トルクが低いほど大きくなる。従って、電動機の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域は、電動機の目標回転数が予め定められた回転数以上となり、かつ目標トルクが予め定められたトルク以下となる領域として定められてもよいし、電気自動車の車速が予め定められた範囲内となる領域として定められてもよい。また、車速を自動的に一定に保つ定速走行といった運転者によるアクセル操作を必要としないオートクルーズが実行されているときには、電動機の回転数が比較的高くなると共に電動機の出力トルクも比較的低くなる。従って、オートクルーズの実行が指示されていると共に電動機をＰＷＭ電圧により駆動するようインバータをＰＷＭ制御するときにインバータの出力電流の電流リプルを増加させてもよい。

本発明の実施例に係る電気自動車１０の概略構成図である。電圧リプルを加えたＰＷＭ制御における正弦波状の電圧指令値の一例を示す説明図である。モータ２２のロータに埋め込まれた永久磁石の磁石温度と磁石磁束との関係を例示する説明図である。モータ２２のロータに埋め込まれた永久磁石の磁石磁束とモータ２２の鉄損との関係を例示する説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例に係る電気自動車１０の概略構成図である。実施例の電気自動車１０は、図示するように、駆動輪３０ａ，３０ｂにデファレンシャルギヤ３１を介して連結された駆動軸３２に動力を入出力可能なモータ２２と、モータ２２を駆動するインバータ２４を介してモータ２２と電力のやりとりを行なうバッテリ２６と、車両全体をコントロールする電子制御ユニット４０とを備える。

モータ２２は、例えば、電動機として機能すると共に発電機としても機能する周知の同期発電電動機として構成されており、鉄などの磁性材である電磁鋼板を打ち抜き加工することにより形成された板体を複数積層してなる図示しないロータコアに複数の永久磁石を埋め込んだ図示しないロータと、複数の略円環状に形成された電磁鋼板を積層することにより構成された図示しないステータコアに巻回される巻線より構成される図示しないコイルを有して中央にロータを収容する中空部分を有する図示しないステータとからなる。インバータ２４は、複数のスイッチング素子により構成されており、リチウムイオン二次電池あるいはニッケル水素二次電池として構成されたバッテリ２６から供給される直流電力を擬似的な三相交流電力に変換してモータ２２に供給する。

電子制御ユニット４０は、ＣＰＵ４２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ４２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ４４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ４６と、図示しない入出力ポートとを備える。電子制御ユニット４０には、モータ２２の回転角を検出する回転角検出センサ２３からの回転角や、アクセルペダル５３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ５４からのアクセル開度Ａｃｃ、車速センサ５８からの車速Ｖなどが入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット４０からは、モータ２２を駆動制御するためのインバータ２４のスイッチング素子へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。また、電子制御ユニット４０は、回転角検出センサ２３からの回転角に基づいてモータ２２の回転数を算出している。更に、実施例の電気自動車１０の例えば図示しないステアリングコラム近傍等には、車速Ｖを自動的に一定に保つ定速走行といった運転者によるアクセル操作を必要としないオートクルーズの実行の指示や解除、オートクルーズ時の車速等の設定に際して操作されるクルーズコントロールスイッチ５９が配置されており、このクルーズコントロールスイッチ５９も電子制御ユニット４０に接続されている。運転者がクルーズコントロールスイッチ５９を介して所望のオートクルーズの実行を指示すると、電子制御ユニット４０により予め定められたオートクルーズ用の各種制御手順に従って電気自動車１０が制御されることになる。

実施例の電気自動車１０は、基本的には、電子制御ユニット４０によって実行される次のような駆動制御によって走行する。すなわち、電子制御ユニット４０は、まず、アクセルペダルポジションセンサ５４からのアクセル開度Ａｃｃと車速センサ５８からの車速Ｖとに応じて走行のために駆動軸３２に要求される要求トルクを設定し、バッテリ２６を充放電することができる最大電力としての入出力制限の範囲内で要求トルクに応じたモータ２２のトルク指令を設定し、モータ２２がトルク指令で駆動されるようインバータ２４をスイッチング制御する。実施例の電気自動車２０は、こうした制御により、バッテリ２６の入出力制限の範囲内でアクセル開度Ａｃｃに応じた要求トルクを駆動軸３２に出力して走行する。

実施例の電子制御ユニット４０は、モータ２２のトルク指令と回転数とに応じて、正弦波ＰＷＭ電圧を用いる正弦波ＰＷＭ制御方式、過変調ＰＷＭ電圧を用いる過変調ＰＷＭ制御方式および矩形波電圧を用いる矩形波制御方式という３つの制御方式の何れかによりインバータ２４をスイッチング制御する。正弦波ＰＷＭ制御方式は、一般に「ＰＷＭ制御」と称されるものであり、正弦波状の電圧指令値と三角波等の搬送波との電圧差に応じてインバータ２４の図示しないトランジスタをオン／オフ制御することにより、正弦波状の基本波成分をもった出力電圧（ＰＷＭ電圧）を得る方式である。正弦波ＰＷＭ制御方式を用いた場合、インバータ２４に印加される印加電圧に対する出力電圧（基本波成分の振幅）の割合である変調率をおおよそ値０〜値０．６１の範囲内に設定することができる。また、過変調ＰＷＭ制御方式は、搬送波の振幅を縮小するようにを歪ませた上で上述の正弦波ＰＷＭ制御方式と同様の制御を行なうものであり、変調率をおおよそ値０．６１〜０．７８の範囲内に設定可能とするものである。更に、矩形波制御方式は、理論上、最大の振幅をもった基本波成分を発生させることができるものであって、振幅一定の矩形電圧の位相をトルク指令に応じて変化させることでモータトルクを制御可能とするものである。この矩形波制御方式を用いた場合、変調率は一定値（おおよそ値０．７８）となる。

ここで、実施例の電気自動車１０に搭載されたモータ２２の損失には、コイルの抵抗によって電気エネルギーが熱エネルギーに変わる銅損や、図示しない軸受部分の摩擦抵抗によって失われるエネルギー等である機械損や、ステータコアを交流で磁化したときに失われる電気エネルギーである鉄損といったエネルギー損失が含まれるが、これらのエネルギー損失のうち、モータ２２を回転数が比較的高くかつ出力トルクが比較的低い領域で駆動するときには鉄損の割合が最も大きくなる。そのため、実施例の電気自動車１０では、そのようなモータ２２の損失のうち鉄損の割合が最も大きくなる駆動領域を予め定めた上で、当該駆動領域においてモータ２２を駆動するときには、以下の手法によりモータ２２の鉄損の低減を図っている。

すなわち、実施例の電子制御ユニット４０は、モータ２２の損失のうち鉄損の割合が最も大きい領域として予め定められた駆動領域で当該モータ２２をＰＷＭ電圧により駆動するようインバータ２４を正弦波ＰＷＭ制御または過変調ＰＷＭ制御するときには、図２中に実線で示すように、ＰＷＭ制御における正弦波状の電圧指令値に所定の電圧リプルを加える。なお、図２中の点線は、ＰＷＭ制御における三角搬送波を示す。ここで、モータ２２の損失に対する鉄損の割合は、基本的にモータ２２の回転数が比較的高い領域で大きくなり、更にモータの出力トルクが低いほど大きくなる。従って、実施例では、モータ２２の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域は、モータ２２の目標回転数が予め定められた回転数以上となり、かつ目標トルクが予め定められたトルク（例えば、モータ２２の最大出力トルクの１割程度）以下となる領域として定められる。また、運転者によりクルーズコントロールスイッチ５９が操作されて車速Ｖを自動的に一定に保つ定速走行といったアクセル操作を必要としないオートクルーズが実行されているときには、モータ２２の回転数が比較的高くなると共にモータ２２の出力トルクも比較的低くなる。従って、このため、当該オートクルーズの実行が指示されていると共にモータ２２をＰＷＭ電圧により駆動するようインバータ２４をＰＷＭ制御するときにも、インバータ２４の出力電流の電流リプルを増加させている。

これにより、所定の電圧リプルが加えられた正弦波状の電圧指令値と三角搬送波との電圧差に応じてインバータ２４の図示しないトランジスタがオン／オフ制御されるため、インバータ２４の出力電流、すなわちモータ２２に印加される電流の電流リプルが増大化される。こうしてモータ２２に印加される電流の電流リプルが増大化されると、モータ２２のコアおよび永久磁石内に発生する渦電流が増大化し、モータ２２の図示しないロータに埋め込まれた永久磁石の温度が上昇する。ここで、永久磁石の磁石磁束は、図３に例示するように、一般に磁石温度が高くなるほど小さくなる傾向を有する。また、モータ２２の鉄損は、図４に例示するように、永久磁石の磁石磁束が小さいほど小さくなる。従って、モータ２２の永久磁石の磁石温度が上昇すると、モータ２２の鉄損が低減することになる。このような永久磁石の磁石温度とモータ２２の鉄損との関係から、モータ２２に印加される電流の電流リプルを増大化させて磁石温度を上昇させることにより、モータ２２の鉄損を低減することができる。

以上説明した実施例の電気自動車１０では、モータ２２の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域で当該モータ２２をＰＷＭ電圧により駆動するようインバータ２４を正弦波ＰＷＭ制御または過変調ＰＷＭ制御しているときには、インバータ２４の出力電流の電流リプルを増加させる。このように、インバータ２４の出力電流すなわちモータ２２に印加される電流の電流リプルを大きくすることで、モータ２２の図示しないコアおよび永久磁石内に発生する渦電流が増大し、モータ２２の発熱量が増大するため、モータ２２の永久磁石の温度が上昇して磁石磁束が弱くなる。これにより、モータ２２の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域において、モータ２２の鉄損を良好に低減することができる。

なお、モータ２２の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域は、電気自動車１０の車速Ｖが予め定められた範囲内（例えば、６０〜１２０ｋｍ程度）となる領域として定められてもよいし、電気自動車１０の車速Ｖが予め定められた範囲内となると共にアクセル開度Ａｃｃが所定開度以下となる領域として定められてもよい。また、上記実施例においては、ＰＷＭ制御における正弦波状の電圧指令値に所定の電圧リプルを加えることでインバータ２４の出力電流の電流リプルを増大させるものとしたが、インバータ２４の三角搬送波のキャリア周波数を低下させることでインバータ２４の出力電流の電流リプルを増大させるものとしてもよい。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電気自動車の製造産業等に利用可能である。

１０電気自動車、２２モータ、２３回転角検出センサ、３０ａ，３０ｂ駆動輪、３１デファレンシャルギヤ、３２駆動軸、４０電子制御ユニット、４２ＣＰＵ、４４ＲＯＭ、４６ＲＡＭ、５３アクセルペダル、５４アクセルペダルポジションセンサ、５８車速センサ、５９クルーズコントロールスイッチ。

Claims

駆動軸に動力を入出力可能な電動機と、該電動機を駆動するインバータと、該インバータを介して前記電動機と電力のやり取りが可能な直流電源と、前記インバータを制御する制御手段とを備えた電気自動車において、
前記制御手段は、前記電動機の損失のうち鉄損の割合が最も大きい駆動領域で該電動機をＰＷＭ電圧により駆動するよう前記インバータをＰＷＭ制御するときには、前記インバータの出力電流の電流リプルを増加させることを特徴とする電気自動車。