JP2011200066A

JP2011200066A - 車両用電流制限装置

Info

Publication number: JP2011200066A
Application number: JP2010065905A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Fujie; 賢一藤江; Shogo Matsuoka; 尚吾松岡; Katsuya Tsujimoto; 勝也辻本; Takakimi Asai; 孝公浅井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-23
Filing date: 2010-03-23
Publication date: 2011-10-06
Anticipated expiration: 2030-03-23
Also published as: US8901865B2; FR2958089B1; US20110234127A1; FR2958089A1; JP5270602B2

Abstract

【課題】高電圧源と低インピーダンスなコイル巻線を有するモータジェネレータを組み合わせてモータ駆動する際、過電流がモータジェネレータに流れないように制限する車両用電流制限装置を提供する。
【解決手段】入力端Tinから出力端Toutへの電流を通電／遮断するスイッチング手段４と
、スイッチング手段と出力端との接続点に接続され、スイッチング手段が電流を遮断しているときにモータジェネレータ２に電流を供給する還流手段と、出力端からモータジェネレータへ流れる電流を測定する電流測定手段６と、電流測定手段で測定した電流値に基づき、スイッチング手段４をＯＮ／ＯＦＦ制御する電流制御手段７とを備え、電流制御手段は、蓄電手段１の電力を利用してモータジェネレータを回転駆動する際、所定の電流値以上の場合は、スイッチング手段をＯＮ／ＯＦＦ制御し、モータジェネレータへの電流を制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、大容量の平滑コンデンサ、および電流センサを搭載しないモータジェネレータを備える車両に適した車両用電流制限装置に関するものである。
ものである。

特許文献１では、モータジェネレータにおいて回転電機のコイル巻線の線径が太く巻数が少ない、すなわち低インピーダンスなコイル巻線のほうが、実用回転域での駆動トルク、発電電力が良いことが示されている。また、モータの駆動電源を高電圧化することで電流をたくさん流し、駆動トルクが増えることによって、エンジンの迅速始動が可能、かつ高回転域の駆動トルクも向上するという利点がある。そして高電圧源と、低インピーダンスなコイル巻線を使用したモータジェネレータとを組み合わせれば、互いの利点を損なうことなく有効に利用することが可能となる。

一方、特許文献２では、モータジェネレータのインバータにおいて、スイッチング素子を矩形波駆動方式でＯＮ／ＯＦＦさせることで、大容量の平滑コンデンサや、電流センサを不要とすると共に、インバータと回転電機を一体化させ、構成の簡素化、小型化を図る方法が示されている。高電圧源と、低インピーダンスなコイル巻線に加え、モータジェネレータの構成を簡素化することで、インバータと回転電機の間の配線抵抗による損失を低減させ、より効率の良いシステムを構成することが可能となる。

特開２００６−２５４８８号公報特開２００７−１５９３５３号公報

しかし、高電圧源を利用してモータジェネレータをモータ駆動する際、ごく低回転域において、コイル巻線の定格電流、あるいはモータジェネレータのインバータのスイッチング素子の定格電流以上に電流が流れ、モータジェネレータが破壊するという課題がある。

また前述したように、構成を簡素化したモータジェネレータには電流センサが無い。加えて、インバータと回転電機を一体化することでエンジンに直結される形となり、搭載スペースの制約が厳しいため、モータジェネレータ上に新たに電流センサを追加することができず、母線電流の検出、および電流制限を行うことができないという課題がある。

さらに、電流制限装置の設置場所を高電圧源の近く、たとえばトランクルームにすれば配線が長くなり、配線インダクタンスによるサージエネルギーも増えるためモータジェネレータのサージ吸収用のコンデンサ容量を大きくする必要があり、サイズも大きくなるという課題がある。

本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、高電圧源と低インピーダンスなコイル巻線を有するモータジェネレータを組み合わせてモータ駆動する際、過電流がモータジェネレータに流れないように制限する車両用電流制限装置を提供することを目的とする。

本発明は、蓄電手段を入力端に接続し、出力端にはモータジェネレータを接続する車両用電流制限装置において、前記入力端から前記出力端への電流を通電／遮断するスイッチング手段をと、前記スイッチング手段と前記出力端との接続点に接続され、前記スイッチング手段が電流を遮断しているときに前記モータジェネレータに電流を供給する還流手段と、前記出力端から前記モータジェネレータへ流れる電流を測定する電流測定手段と、前記電流測定手段で測定した電流値に基づき、前記スイッチング手段をＯＮ／ＯＦＦ制御する電流制御手段とを備え、前記電流制御手段は、前記蓄電手段の電力を利用して前記モータジェネレータを回転駆動する際、所定の電流値以上の場合は、前記スイッチング手段をＯＮ／ＯＦＦ制御し、前記モータジェネレータへの電流を制限するものである。

本発明によると、モータジェネレータへ流れる電流がモータジェネレータのコイル巻線の定格電流以上、あるいはモータジェネレータのインバータのスイッチング素子の定格以上となる前に、車両用電流制限装置で電流を制限できるのでモータジェネレータが破壊する恐れはない。
また、所定値以上の電流が流れない実用回転域でのモータ駆動、および発電時は、スイッチング手段をＯＮさせ続けることで車両用電流制限装置での損失を最小にし、モータジェネレータの駆動／発電動作を妨げない。

本発明の実施の形態１の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態２の構成を示すブロック図である。実施の形態１における電流制御手段７の動作を説明するフローチャートである。本発明の実施の形態１の構成の変形例を示すブロック図である。本発明の実施の形態１の構成の変形例を示すブロック図である。本発明の実施の形態１の構成の変形例を示すブロック図である。

実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態を図面とともに詳述する。なお、図における同一番号は同一部分を示すものとする。
図１は、本発明の実施の形態１における車両用電流制限装置の構成図を示している。
車両用電流制限装置３は、入力端Tinに蓄電手段１の高電位側を接続し、出力端Toutにモ
ータジェネレータ２の高電位側を接続する。そして車両用電流制限装置３の内部において、入力端Tin から出力端Tout への電流を通電／遮断するスイッチング手段４を有すると共に、スイッチング手段４が電流を遮断しているとき、モータジェネレータ２へ循環電流を供給する還流手段５を備える。さらに出力端Tout からモータジェネレータ２へ流れる電流を測定する電流測定手段６を有し、電流測定手段６で測定した電流値をもとに、スイッチング手段４をＯＮ／ＯＦＦ制御する電流制御手段７を備える。

なお、図１において、蓄電手段１は、一般に自動車用の電源として用いられている鉛蓄電池（バッテリ）や、リチウムイオン電池、電気二重層コンデンサなどが考えられる。スイッチング手段４はＩＧＢＴや、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴであってもよい。また還流手段５は、ダイオードや、N型MOSFETを用いても良く、N型MOSFETを使用する場合は、電流還流時に同期整流させることで還流時の損失を低減させる方法なども考えられる。電流測定手段６としては、たとえばDC-CTのような直流電流センサが考えられる。

次に、図１の電流制御手段７につき、図３に示すフローチャートを用いて動作詳細を説
明する。
まずステップＳ１００において、電流測定手段６で測定した電流値を取得する。なお、電流値には電流の流れる方向に応じて正負の符号が与えられるものとし、本実施例では、蓄電手段１の電力を利用してモータジェネレータ２を回転駆動する際に流れる方向を正とする。

ステップＳ１０１では、測定した電流値と、あらかじめ設定してある所定の電流値とを比較し、測定した電流値が所定の電流値以上である場合は電流制限が必要と判断し、ステップＳ１０２へ進み、スイッチング手段４をＯＮ／ＯＦＦ制御して電流制限処理を行う。一方、所定の電流値未満であれば、電流制限の必要なしと判断し、ステップＳ１０３にてスイッチング手段４をＯＮ、すなわち通電させ続ける。

所定の電流値としては、モータジェネレータ２のコイル巻線定格電流や、モータジェネレータ２のインバータに使われているスイッチング素子の定格電流に基づいて設定する方法が考えられ、たとえば、コイル巻線定格電流の８０％などとする方法が考えられる。また、ステップＳ１０２の電流制限処理としては、たとえばスイッチング手段のＯＮ／ＯＦＦ制御として、一定のキャリア周期においてＯＮ／ＯＦＦする時間の比率を変化させ、スイッチング素子の導通率を変化させるＰＷＭ制御が考えられる。

ステップＳ１０４では、電流を制限している場合につき、電流を制限している期間があらかじめ設定している時間以上の場合は、モータジェネレータ２において電源とＧＮＤ間の短絡など、何らかの異常が発生していると判断し、ステップＳ１０５へと進みスイッチング手段４をＯＦＦ、すなわち電流を遮断する。所定時間未満の場合は何もせずに処理を終了する。

所定の時間としては、たとえば、あらかじめ電流制限時のスイッチング手段４の温度上昇と時間の関係を調べておき、スイッチング手段４の使用温度範囲上限となるまでの時間に基づき設定する方法や、あるいは図４のように、車両用電流制限装置３内にスイッチング手段４の温度をモニタする温度測定手段１１を設け、温度測定手段１１が測定した温度を電流制御手段７へ入力し、電流制御手段７において、温度がスイッチング手段４の使用温度範囲上限に基づいて設定した所定値以上となる場合は、スイッチング手段４をＯＦＦさせる方法も考えられる。
なお、温度測定手段１１としては、たとえばサーミスタや、熱電対、およびそれらの素子を用いた測定回路が考えられる。

この他、モータジェネレータ２で異常が発生した場合にスイッチング手段４をＯＦＦさせる方法も考えられ、たとえば図５のように、車両用電流制限装置３内にモータジェネレータ２から信号を取得する通信手段１２を設け、通信手段１２が取得した信号を電流制御手段７へ入力し、電流制御手段７において、取得したモータジェネレータの信号が所定の条件を満たす場合は、スイッチング手段４をＯＦＦさせる。
モータジェネレータから取得する信号としては、たとえば、モータジェネレータ２のコイル巻線の温度や、インバータのスイッチング素子の温度、あるいは、インバータのスイッチング素子の短絡故障、オープン故障などを示す信号が考えられる。そして、所定の条件としては、モータジェネレータ２のコイル巻線、あるいはインバータのスイッチング素子の温度が、モータジェネレータ２のコイル巻線、あるいはインバータのスイッチング素子の使用温度上限に基づき設定する所定値以上となった場合に、スイッチング手段４をＯＦＦさせる方法であってもよいし、インバータのスイッチング素子の短絡故障、オープン故障などを示す信号を取得した場合は、スイッチング手段４をＯＦＦさせる方法でもかまわない。
なお、使用温度上限に基づき設定する所定値としては、たとえば、スイッチング素子の
使用温度上限の８０％とする方法などが考えられる。また、通信手段１２としては、たとえば、ＣＡＮやＬＩＮ、あるいシリアル通信などの通信プロトコルを用いた手法や、Ｈｉ／Ｌｏの２値信号、あるいは温度に比例したアナログ電圧信号であってもよい。

以上、主に蓄電手段１の電力を利用してモータジェネレータ２を回転駆動する際の電流制御手段７の動作について説明したが、逆にモータジェネレータ２の発電時は、電流の符号が負となり、図３のフローチャートによると電流実測値が所定の電流値未満であるため、スイッチング手段４はＯＮ、すなわち通電させ続け、モータジェネレータの発電動作を妨げない。

このように、実施の形態１の構成によれば、あらかじめ、モータジェネレータのコイル巻線の定格電流や、モータジェネレータのインバータのスイッチング素子の定格電流に基づいて電流制限を実施するしきい値を設定しておくので、高電圧源を利用してモータジェネレータをモータ駆動する際、コイル巻線への電流が定格以上、あるいはインバータの定格電流以上となる前に電流が制限され、モータジェネレータが焼損するなど破壊する心配がない。
また、本実施の形態１では、スイッチング方式で電流制限を行うため、抵抗体による電流制限に比べ発熱が少ない利点を有する。
さらに、しきい値以上の電流が流れない実用回転域でのモータ駆動、および発電時は、スイッチング手段をＯＮさせ続けることで車両用電流制限装置での損失を最小にし、モータジェネレータの駆動／発電動作を妨げない。

加えて、電流の流れる方向に応じて正負の符号を付与することで、モータジェネレータの駆動／発電に応じて制御プログラムを変更する必要が無く、プログラムの簡素化とＲＯＭ容量の低減が可能である。

さらに、電流を制限している時間が所定値以上の場合にスイッチング手段をＯＦＦさせる方法、スイッチング手段、あるいは、モータジェネレータのコイル巻線温度や、インバータのスイッチング素子の温度を取得し、温度が所定値以上の場合はスイッチング手段をＯＦＦさせる方法、モータジェネレータの異常に伴う信号を取得した場合はスイッチング手段をＯＦＦさせる方法など、種々の異常検出によって電流を遮断するので、パワーラインの短絡保護としても役立てることができる。
なお、前記の所定時間による方法では、温度センサなどが不要のため構成を簡素にできる。一方、前記の温度による方法では、時間で検出するよりも高精度に検出できる利点を有する。

また、本発明では、スイッチング手段４のＯＮ／ＯＦＦ制御によって電流を制限することに主眼を置き実施の形態１を説明したが、実施の形態１の構成によれば、スイッチング手段４のＯＮ／ＯＦＦ制御によって出力端Tout の電圧が大きく変動する。異常検出に電
圧を利用するモータジェネレータにとっては好ましくないため、図６のように、車両用電流制限装置の出力段に出力電圧平滑手段１３を設けて、電圧変動を低減する構成としても良い。出力電圧平滑手段１３としては、たとえばチョークコイルとコンデンサで構成されるローパスフィルタなどが考えられる。このように、出力電圧平滑手段１３を追加することで出力端Toutの電圧が安定すると共に、図１の構成と同様の効果も得られる。

実施の形態２．
図２は、本発明の第２の実施形態における車両用電流制限装置の構成図を示している。実施の形態１と比較して入力電圧平滑手段１０が追加されている。以下にその詳細を説明する。
図２において、車両用電流制限装置３は、入力端Tinに配線８（インダクタンスL1）を
介して蓄電手段１の高電位側を接続し、出力端Toutに配線９（インダクタンスL2）を介してモータジェネレータ２の高電位側を接続する。そして車両用電流制限装置３の内部において、入力電圧平滑手段１０は一端を入力端Tin に接続し、他端は蓄電手段の低電位側端子、または車両のボディアースに接続する。入力電圧平滑手段１０としては、たとえばコンデンサなどが考えられる。

入力電圧平滑手段１０は、電流制限時、特にスイッチング手段４がＯＮからＯＦＦに切替るタイミングにおいて、配線８のインダクタンスL1によって生じる入力端Tin のサージエネルギーを吸収し、スイッチング手段４のサージ保護回路として機能する。また電流制限をしない場合でも、モータジェネレータ２のインバータのスイッチング素子がＯＮからＯＦＦに切替るタイミングにおいて、配線８のインダクタンスL1によるサージエネルギーを入力電圧平滑手段１０で吸収するので、モータジェネレータ２では配線９のインダクタンスL2によって発生するサージエネルギーのみを吸収するようにサージ保護回路を設計すればよい。

また、車両用電流制限装置３の設置場所をモータジェネレータの近傍とすることで配線９のインダクタンスL2を小さくすることができ、インダクタンスL2によって発生するサージエネルギーを低減することができる。設置場所を決める方法としては、たとえば高電圧源とモータジェネレータの設置場所を決定した後、配線８、９のインダクタンスの大きさがL1>>L2 となるように車両用電流制限装置３を設置する方法が考えられる。

このように、実施の形態２の構成によれば、モータジェネレータの近傍に配置することで、高電圧源とモータジェネレータの間の配線インダクタンスによるサージエネルギーを低減させることができ、モータジェネレータに大容量の平滑コンを追加する必要が無く、モータジェネレータのサイズを大きくしなくて済むという効果がある。
タジェネレータに大容量の平滑コンを追加する必要が無く、モータジェネレータのサイズを大きくしなくて済むという効果がある。

本発明は、高電圧源と、低インピーダンスなコイル巻線を使用したモータジェネレータを組み合わせて、駆動トルク、および発電効率の向上を図る高電圧システムに関し、特に構成の簡素化、小型化を図るため矩形波駆動方式を採用し、大容量の平滑コンデンサ、および電流センサを搭載しないモータジェネレータを備える車両において、モータジェネレータをモータ駆動する際、駆動電流を制限する車両用電流制限装置として好適である。

１蓄電手段
２モータジェネレータ
３車両用電流制限装置
４スイッチング手段
５還流手段
６電流測定手段
７電流制御手段
８配線（インダクタンスL１）
９配線（インダクタンスL２）
１０入力電圧平滑手段
１１温度測定手段
１２通信手段
１３出力電圧平滑手段

Claims

蓄電手段を入力端に接続し、出力端にはモータジェネレータを接続する車両用電流制限装置において、
前記入力端から前記出力端への電流を通電／遮断するスイッチング手段と、
前記スイッチング手段と前記出力端との接続点に接続され、前記スイッチング手段が電流を遮断しているときに前記モータジェネレータに電流を供給する還流手段と、
前記出力端から前記モータジェネレータへ流れる電流を測定する電流測定手段と、
前記電流測定手段で測定した電流値に基づき、前記スイッチング手段をＯＮ／ＯＦＦ制御する電流制御手段とを備え、
前記電流制御手段は、前記蓄電手段の電力を利用して前記モータジェネレータを回転駆動する際、所定の電流値以上の場合は、前記スイッチング手段をＯＮ／ＯＦＦ制御し、前記モータジェネレータへの電流を制限することを特徴とする車両用電流制限装置。
前記所定の電流値は、前記モータジェネレータのコイル巻線定格電流に基づいて設定される値であることを特徴とする請求項１に記載の車両用電流制限装置。
前記所定の電流値は、前記モータジェネレータのインバータに使われているスイッチング素子の定格電流に基づいて設定される値であることを特徴とする請求項１に記載の車両用電流制限装置。
前記電流制御手段は、前記スイッチング手段において電流を制限している時間が所定値以上の場合は、前記スイッチング手段をＯＦＦさせることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の車両用電流制限装置。
前記スイッチング手段の温度を測定する温度測定手段を備え、前記電流制御手段は、前記温度測定手段が出力する温度を取得し、前記スイッチング手段の温度が所定値以上の場合は、前記スイッチング手段をＯＦＦさせることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の車両用電流制限装置。
前記モータジェネレータと通信を行い、前記モータジェネレータの信号を取得する通信手段を備え、前記電流制御手段は、前記通信手段から前記モータジェネレータの異常に伴う信号を取得した場合は、前記スイッチング手段をＯＦＦさせることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の車両用電流制限装置。
前記電流制御手段は、前記通信手段から前記モータジェネレータのコイル巻線の温度を取得し、前記コイル巻線の温度が所定値以上の場合は、前記スイッチング手段をＯＦＦさせることを特徴とする請求項６に記載の車両用電流制限装置。
前記電流制御手段は、前記通信手段から前記モータジェネレータのインバータのスイッチング素子の温度を取得し、前記スイッチング素子の温度が所定値以上の場合は、前記スイッチング手段をＯＦＦさせることを特徴とする請求項６に記載の車両用電流制限装置。
前記電流測定手段において測定する電流値は、電流の流れる方向によって正負の符号を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一つに記載の車両用電流制限装置。
前記スイッチング手段の出力電圧を平滑する出力電圧平滑手段を備え、前記出力電圧平滑手段は前記スイッチング手段のＯＮ／ＯＦＦ制御時の出力電圧変動を低減することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一つに記載の車両用電流制限装置。
前記請求項１乃至９のいずれか一つに記載の車両用電流制限装置が搭載され、
前記車両用電流制限装置は、前記蓄電手段と配線インダクタンスL1を有する配線で接続されると共に、前記モータジェネレータと配線インダクタンスL2を有する配線で接続され、前記配線インダクタンスL1と前記スイッチング手段のスイッチングとによって発生する前記入力端の電圧を平滑する入力電圧平滑手段を備えると共に、前記配線インダクタンスがL1>>L2となるように自車両内に設置されていることを特徴とする車両用電流制限装置を搭載した車両。