JP2012110147A - 車両用コンバータ装置および車両用コンバータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過電圧回避制御実施後に昇圧コンバータが再び過電圧状態になるのを確実に防止する。
【解決手段】車両用コンバータ装置１０は、昇圧コンバータ１４と、昇圧コンバータ１４を制御する制御装置２０とを備える。制御装置２０は、昇圧コンバータ１４について過電圧回避制御が実行されているときに通常昇圧制御への復帰に際し昇圧コンバータ１４をシャットダウンするシャットダウン実行部（Ｓ３６）と、通常昇圧制御への復帰時にモータ１８の誘起電圧によって昇圧コンバータ１４が過電圧状態とならないようにするためにシャットダウン中に検出されるシステム電圧ＶＨの時間変化率ΔＶＨに基づいて通常昇圧制御への復帰の可否を判定する第１判定部（Ｓ３８）と、モータ回転数に基づいて通常昇圧制御への復帰を再度試行する第２判定部（Ｓ４６）とを含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両用コンバータ装置および車両用コンバータの制御方法に係り、特に、車載電源から入力される電力を昇圧してモータへ出力することができる昇圧コンバータとこの昇圧コンバータの動作を制御する制御装置とを備えた車両用コンバータ装置、および車両用コンバータの制御方法に関する。

従来、モータを走行用動力源として搭載した電動車両において、車載バッテリから供給される直流電圧を昇圧コンバータにより昇圧してモータの駆動電力として用いることが行われている。このような昇圧コンバータは、一般に、リアクトルと上下アームにそれぞれ設けられる２つのスイッチング素子とを含んでいる。そして、これらのスイッチング素子をオンオフ制御することにより昇圧チョッパ回路として機能させ、昇圧された電力でモータを駆動することにより車両の動力性能を高めている。

上記のような昇圧コンバータから出力された電力は、キャパシタ等の蓄電装置を介してモータに供給される。あるいは、モータが交流モータである場合には、昇圧コンバータから出力された直流電力は、インバータにより交流変換されてモータに供給される。

昇圧コンバータに含まれるスイッチング素子は、制御装置によってオンオフ制御される。制御装置は、アクセル開度やブレーキ操作等の運転情報に基づきモータ必要電圧または目標電圧を算出し、その目標電圧が出力されるように昇圧コンバータのスイッチング素子を制御する。しかし、車両の急な運転操作により目標電圧が急激に変化し、それに応じて昇圧コンバータの出力電圧を急激に変化させた場合、上記キャパシタの端子間電位が上記スイッチング素子の許容電圧を超える過電圧状態になることがあり、スイッチング素子の寿命を短くするおそれがあった。

これに関連して特開２００９−５５６９９号公報（特許文献１）に開示される車両用インバータ回路では、測定される昇圧コンバータの出力電圧が目標出力電圧よりも大きいときには、昇圧コンバータに含まれる上アームスイッチング素子をオンオフ制御してキャパシタに蓄えられた電力を放電させて端子間電圧を低下させ、これにより昇圧コンバータのスイッチング素子に過大な電流が流れるのを防ぎつつ昇圧コンバータの過電圧状態を迅速に解消することが記載されている。

特開２００９−５５６９９号公報

上記特許文献１に記載されるように昇圧コンバータの出力電圧を低下させる制御を行って過電圧状態が解消された後に昇圧コンバータを通常の昇圧制御に戻すときに、上下アームの２つのスイッチング素子が同時にオンする短絡状態が発生するのを防止するため、上記２つのスイッチング素子を一時オフ状態に固定して昇圧コンバータをシャットダウン状態にすることが考えられる。その場合、シャットダウンを解除して昇圧コンバータを通常昇圧制御に移行させるときにモータが回転していると、モータによる誘起電圧または逆起電力によって昇圧コンバータが再び過電圧状態になるおそれがある。

本発明の目的は、昇圧コンバータの出力電圧を低下させる制御を行った後にシャットダウンを経て昇圧コンバータの動作を通常昇圧制御に戻すときに昇圧コンバータが過電圧状態となるのを確実に防止することができる、車両用コンバータ装置および車両コンバータの制御方法を提供することにある。

本発明の一態様である車両用コンバータ装置は、車載電源から入力される電力を昇圧してモータへ出力することができる昇圧コンバータと、昇圧コンバータに含まれるスイッチング素子を制御して前記昇圧コンバータの出力電圧を前記モータの運転状態に応じて調整する制御装置とを備える車両用コンバータ装置であって、
前記制御装置は、前記昇圧コンバータの出力電圧が所定閾値を超えたときに出力電圧を下げるよう前記スイッチング素子をオンオフ制御する過電圧回避制御部と、前記出力電圧が目標電圧に低下した後に前記昇圧コンバータの動作状態を通常昇圧制御に戻す通常昇圧制御復帰部とを有し、
前記通常昇圧制御復帰部は、前記通常昇圧制御への復帰に際し前記スイッチング素子をオフして前記昇圧コンバータをシャットダウンするシャットダウン実行部と、前記通常昇圧制御への復帰時に前記モータの誘起電圧によって前記昇圧コンバータが過電圧状態とならないようにするために、前記シャットダウン中に検出される前記出力電圧の時間変化率および電圧値の少なくとも一方に基づいて前記通常昇圧制御への復帰の可否を判定する判定部とを含み、
前記通常昇圧制御復帰部は、さらに、前記判定部により否定判定されて前記通常昇圧制御への復帰が失敗したときのモータ回転数および失敗履歴を記憶する記憶部と、前記記憶部に前記失敗履歴が記憶されている場合に前記モータの現状の回転数が前記モータ回転数から求められる閾値よりも低くなったときに前記通常昇圧制御への復帰を再度試行することを許可する第２判定部とを含む。

本発明の別態様である車両用コンバータの制御方法は、車載電源から入力される電力を昇圧してモータへ出力することができる昇圧コンバータに含まれるスイッチング素子を制御して前記昇圧コンバータの出力電圧を前記モータの運転状態に応じて調整する車両用コンバータの制御方法であって、
前記昇圧コンバータの出力電圧が所定閾値を超えたときに出力電圧を下げるよう前記スイッチング素子をオンオフ制御して過電圧回避制御を実行し、
前記過電圧回避制御実行中に、前記昇圧コンバータの通常昇圧制御への復帰に際し前記スイッチング素子をオフして前記昇圧コンバータをシャットダウンさせ、
前記通常昇圧制御への復帰時に前記モータの誘起電圧によって前記昇圧コンバータが過電圧状態とならないようにするために、前記シャットダウン中に検出される前記出力電圧の時間変化率および電圧値の少なくとも一方に基づいて前記通常昇圧制御への復帰の可否を判定し、
前記通常昇圧制御への復帰が失敗したときのモータ回転数および失敗履歴を記憶し、前記失敗履歴が記憶されている場合に前記モータの現状の回転数が前記モータ回転数から求められる閾値よりも低くなったときに前記通常昇圧制御への復帰を再度試行する。

本発明に係る車両用コンバータ装置および車両用コンバータの制御方法によれば、昇圧コンバータによる通常昇圧制御への復帰が失敗したことを記憶または学習して、その後、モータ回転数に基づいて通常昇圧制御への復帰を再度試行するので、昇圧コンバータが再び過電圧状態となるのをより確実に防止しながら通常昇圧制御への復帰を速やかに行うことができる。これにより、昇圧コンバータを構成するスイッチング素子の耐久性の向上を図れるとともに、車両動力性能の低下期間をできるだけ短縮することができる。

本発明の一実施形態である車両用コンバータ装置が組み込まれたモータ駆動システムの概略構成図である。 図１の車両用コンバータ装置の制御装置において実行される過電圧回避制御ルーチンの処理手順を示すフローチャートである。 図２の過電圧回避制御ルーチンにおいて用いられるデューティ比を差分電圧との関係で規定したテーブルをグラフ形式で示す図である。 図２の過電圧回避制御ルーチンにおいて用いられるデューティ比を制御開始からの経過時間との関係で規定したテーブルをグラフ形式で示す図である。 制御装置において過電圧回避制御ルーチンおよび通常昇圧制御復帰ルーチンが実行されたときの様子を示すタイミングチャートである。 制御装置において実行される通常昇圧制御復帰ルーチンの処理手順の一例を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

本実施形態の車両用コンバータ装置は、車載電源から供給される電力を昇圧してモータに印加することにより駆動して走行用動力を出力させるモータ駆動システムを搭載した車両であれば、電気自動車、燃料電池自動車、ハイブリッド自動車等の各種の電動車両に用いることができる。

図１は、本実施形態の車両用コンバータ装置１０を組み込んだモータ駆動システム１００の概略構成を示す。モータ駆動システム１００は、バッテリ（車載電源）１２と、昇圧コンバータ１４と、インバータ１６と、モータ１８と、制御装置２０とを備える。

バッテリ１２には、リチウムイオン電池等の二次電池が好適に用いられる。ただし、バッテリに代えてキャパシタ等の他の蓄電装置が用いられてもよいし、あるいは、バッテリに加えて燃料電池が車載電源として併用されてもよい。バッテリ１２には、電圧センサ２２が設けられている。電圧センサ２２により検出されたバッテリ電圧Ｖｂは制御装置２０へ送信されるようになっている。

バッテリ１２の正極および負極の各端子には、正極母線２４および負極母線２６が接続されている。そして、正極母線２４にはシステムメインリレーＳＭＲ１が配置され、負極母線２６にはシステムメインリレーＳＭＲ２が配置されている。これらのシステムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２は、制御装置２０からの信号に応じてオンオフ制御され、これによりバッテリ１２と昇圧コンバータ１４との間の電気経路が接続または遮断されるようになっている。

また、正極母線２４および負極母線２６間には平滑コンデンサ２８が接続されている。平滑コンデンサ２８は、バッテリ１２から放電される直流電力のリップルを除去して後段の昇圧コンバータ１４へ供給する機能を果たす。

昇圧コンバータ１４は、バッテリ１２から入力される電力を昇圧して後段のインバータ１６へと出力する機能を有する。昇圧コンバータ１４は、リアクトルＬと、上アームに設けられたスイッチング素子Ｅ１およびダイオードＤ１と、下アームに設けられたスイッチング素子Ｅ２およびダイオードＤ２とを含む。リアクトルＬは、一端がスイッチング素子Ｅ１，Ｅ２間の接続線３０に接続され、他端が正極母線２４およびシステムメインリレーＳＭＲ１を介してバッテリ１２の正極に接続されている。

スイッチング素子Ｅ１，Ｅ２には、たとえばＩＧＢＴ等の電力用トランジスタが好適に用いられる。上アームスイッチング素子Ｅ１と下アームスイッチング素子Ｅ２とは後段の正極母線２４と負極母線２６との間に直列に接続されている。また、上アームスイッチング素子Ｅ１のエミッタと下アームスイッチング素子のコレクタとが接続線３０によって接続されている。さらに、各ダイオードＤ１，Ｄ２は、各スイッチング素子Ｅ１，Ｅ２に対してエミッタ側からコレクタ側へ電流を流す方向にそれぞれ逆並列接続されている。そして、各スイッチング素子Ｅ１，Ｅ２は、制御装置２０からのスイッチング信号Ｓ１，Ｓ２を受けてオンオフ制御され、これによりバッテリ電圧Ｖｂを目標出力電圧へと昇圧することができるようになっている。

昇圧コンバータ１４とインバータ１６とは正極母線２５および負極母線２６によって接続されている。正極母線２５および負極母線２６間には、コンデンサまたはキャパシタ３２が接続されている。このコンデンサ３２は、昇圧コンバータ１４から出力される電力を蓄電して放電することによりリプルを除去してインバータ１６へ供給する機能を果たす。コンデンサ３２の端子間電圧、すなわち昇圧コンバータ１４の出力電圧は電圧センサ３４によって検出され、制御装置２０に送信されるようになっている。以下において、昇圧コンバータ１４の出力電圧およびインバータ１６の入力電圧を適宜にシステム電圧ＶＨという。

インバータ１６は、正極母線２５および負極母線２６との間に互いに並列に設けられる、Ｕ相アーム３６、Ｖ相アーム３８およびＷ相アーム４０を含む。各相アーム３６，３８，４０は、正極母線２５および負極母線２６間に直列接続された２つのスイッチング素子と、各スイッチング素子に対して逆並列にそれぞれ接続された２つのダイオードとから構成される。詳細には、Ｕ相アーム３６はスイッチング素子Ｅ３，Ｅ４およびダイオードＤ３，Ｄ４からなり、Ｖ相アーム３８はスイッチング素子Ｅ５，Ｅ６およびダイオードＤ５，Ｄ６からなり、Ｗ相アーム４０はスイッチング素子Ｅ７，Ｅ８およびダイオードＤ７，Ｄ８からなっている。各スイッチング素子Ｅ３〜Ｅ８には、例えばＩＧＢＴ等を好適に用いることができる。スイッチング素子Ｅ３〜Ｅ８は、制御装置２０からのスイッチング信号Ｓ３〜Ｓ８を受けてオンオフ制御され、これにより昇圧コンバータ１４から供給された直流電圧を交流電圧に変換して出力することができる。

モータ１８は、たとえば三相交流モータジェネレータにより好適に構成される。インバータ１６の各相アーム３６，３８，４０の中間点は、モータ１８のＵ相、Ｖ相およびＷ相（以下、適宜に「三相」という）の各相コイルの各一端にそれぞれ接続されている。各相コイルの他端は、モータ１８内の中性点Ｎに共通接続されている。また、Ｕ相およびＶ相の各コイルに流れる電流は、電流センサ４２によってそれぞれ検出されて制御装置２０へ送信されるようになっている。なお、Ｗ相コイルに流れる電流は、三相電流の総和がゼロになる関係から算出可能である。

また、モータ１８には、ロータ回転角を検出するための回転角センサ４４が設けられている。回転角センサ４４、例えばレゾルバ等によって好適に構成される。回転角センサ４４による検出値θは、制御装置２０に入力されてモータ１８の回転数Ｎｍの算出等に用いられる。

制御装置２０は、ＣＰＵまたはＭＰＵを中心としたマイクロコンピュータにより好適に構成され、後述する制御プログラム等を予め記憶するＲＯＭおよび検出データ等を一時記憶するＲＡＭを含むメモリ（記憶部）と、入出力ポートとを含む。

制御装置２０の入力ポートには、バッテリ電圧Ｖｂ、システム電圧ＶＨ、モータ電流Ｉｕ，Ｉｖ、モータ回転角θなどの各種検出値が入力され、制御装置２０の出力ポートからシステムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２のオンオフ信号、昇圧コンバータ１４のスイッチング素子Ｅ１，Ｅ２のスイッチング信号、インバータ１６のスイッチング素子Ｅ３〜Ｅ８のスイッチング信号などが出力されるようになっている

また、制御装置２０の入力ポートには、図示しないアクセルペダルの操作状況を示すアクセル開度信号Ａｃｃと、図示しないブレーキペダルの操作状況を示すブレーキ操作信号Ｂｒｋとが入力されるようになっている。これにより制御装置２０は車両の運転操作状態に応じてモータ駆動システム１００を制御することができる。

ただし、動力源としてエンジンとモータとを搭載したハイブリッド自動車の場合、エンジン動作とモータ動作とを統括制御する上位制御ユニットからモータ１８に対するトルク指令が制御装置２０に入力され、このトルク指令に基づきモータ１８の作動を制御するものであってもよい。

なお、本実施形態における昇圧コンバータ１４および制御装置２０が、本発明における昇圧コンバータおよび制御装置にそれぞれ対応する。

次に、上記構成からなるモータ駆動システムの動作について説明する。

制御装置２０は、入力されるアクセル開度信号Ａｃｃ、ブレーキ操作信号Ｂｒｋ等の運転関連情報に基づいてモータ１８の制御モードを適したものに設定するとともに、その制御モードによる運転に必要な電圧、すなわちモータ必要電圧を供給するように昇圧コンバータ１４およびインバータ１６を制御する。

具体的には、制御装置２０は、モータ必要電圧がバッテリ電圧Ｖｂよりも高い場合、そのモータ必要電圧を目標出力電圧（すなわちシステム電圧ＶＨ）としてバッテリ電圧Ｖｂを昇圧するように昇圧コンバータ１４のスイッチング素子Ｅ１，Ｅ２をオンオフ制御する。このような昇圧制御を以下において通常昇圧制御ということとする。

ここで昇圧コンバータ１４における通常昇圧制御について詳しく説明する。通常昇圧制御は、上アームスイッチング素子Ｅ１をオフに維持しつつ、下アームスイッチング素子Ｅ２をオンオフ制御することによって行う。下アームスイッチング素子Ｅ２がオンしたとき、バッテリ１２からリアクトルＬを介して下アームスイッチング素子Ｅ２のコレクタからエミッタに電流が流れる。その後、下アームスイッチング素子Ｅ２をオフにすると、リアクトルＬには下アームスイッチング素子Ｅ２側を正とする誘起電力が発生する。

そのため、バッテリ電圧Ｖｂにリアクトル誘起電力を加えた電圧が、コンデンサ３２の端子間電圧よも大きい場合、ダイオードＤ１は順方向電圧が与えられることにより通電する。これにより、バッテリ電圧Ｖｂにリアクトル誘起電力を加えた電圧でコンデンサ３２を充電し、出力電圧を昇圧することができる。

リアクトルＬに発生する誘起電力は、電流が遮断される直前にリアクトルＬに流れていた電流の大きさに依存する。そして、リアクトルＬに流れる電流は、下アームスイッチング素子Ｅ２がオンされた後、時間の経過と共に増加する。したがって、バッテリ電圧Ｖｂにリアクトル誘起電力を加えた電圧が目標出力電圧となるように、下アームスイッチング素子Ｅ２のオン時間を設定することで、コンデンサ３２を目標出力電圧と同一値の電圧で充電し、昇圧コンバータ１４の出力電圧を目標出力電圧まで昇圧することができる。

なお、下アームスイッチング素子Ｅ２をオンしたときは、コンデンサ３２の充電電圧はダイオードＤ１に対して逆方向電圧となり、ダイオードＤ１は遮断状態となる。これにより、コンデンサ３２がダイオードＤ１を介して放電することが回避される。

上記のように制御装置２０は、アクセル開度やブレーキ操作等の運転情報に基づきモータ必要電圧または目標電圧を算出し、その目標電圧が出力されるように昇圧コンバータ１４のスイッチング素子Ｅ１，Ｅ２を制御する通常昇圧制御を実行する。しかし、車両の急な運転操作により目標電圧が急激に変化し、それに応じて昇圧コンバータ１４の出力電圧を急激に変化させた場合、コンデンサ３２の端子間電位が上記スイッチング素子Ｅ１，Ｅ２の許容電圧を超える過電圧状態になることがあり、スイッチング素子の寿命を短くするおそれがある。そこで本実施形態の車両用コンバータ装置１０では、制御装置２０において次のような過電圧回避制御を実行する。

図２に、制御装置２０において実行される過電圧回避制御ルーチンの処理手順を示す。この過電圧回避制御は、電圧センサ３４から読み込んだ検出電圧が所定閾値ＶＨｌｉｍを超えたときに制御装置２０によって実行される。この制御は、下アームスイッチング素子Ｅ２をオフに維持し、上アームスイッチング素子Ｅ１をオンオフ制御することによって行う。

コンデンサ３２に電池電圧より高い電圧が充電されている状態において、上アームスイッチング素子Ｅ１をオンとし、下アームスイッチング素子Ｅ２をオフとすると、コンデンサ３２から上アームスイッチング素子Ｅ１を介してリアクトルＬに放電電流が流れる。これによって、コンデンサ３２の端子間電圧を下げ、出力電圧を下げることができる。放電電流は、リアクトルＬに含まれる抵抗成分によるジュール熱を発生させると共に、バッテリ１２に流入してバッテリ１２を充電する。

放電電流は、コンデンサ３２の端子間電圧と電池電圧との差異が大きい程大きい。したがって、差分電圧が大きい場合には、上アームスイッチング素子Ｅ１、リアクトルＬ、およびバッテリ１２に過大電流が流れるおそれがある。これを解消するために制御装置２０は、システム電圧ＶＨとバッテリ電圧Ｖｂとの差異に応じて定められたデューティ比で上アームスイッチング素子Ｅ１をオンオフ制御する。

上アームスイッチング素子Ｅ１に対しオンオフ制御を行った場合、放電電流は上アームスイッチング素子Ｅ１がオフとなるごとに遮断される。放電電流は一度遮断されると、再び上アームスイッチング素子Ｅ１がオンにされたときに電流値０から増加する。これによって、放電電流が増加し続けることを回避し、上アームスイッチング素子Ｅ１およびリアクトルＬに過大な電流が流れることを防ぐことができる。

オンオフ制御による放電電流値の振れ幅は、デューティ比を大きくする程大きくなるが、コンデンサ３２の放電が進むにつれて小さくなる。そこで、制御装置２０は、放電によってコンデンサ３２の端子間電圧が低下すると共にデューティ比を増加させる制御を行う。これによって、過大電流とならないできる限り大きな電流によってコンデンサ３２を放電することができ、迅速にシステム電圧ＶＨを下げることができる。

制御装置２０は、このような原理に基づいて、図２のフローチャートに示す制御を行う。制御装置２０はまずステップＳ１０において、下アームスイッチング素子Ｅ２をオフとする。そして、ステップＳ１２において、電圧センサ２２によって検出されるバッテリ電圧Ｖｂを読み込み、電圧センサ３４によって検出されるコンデンサ３２の端子間電圧であるシステム電圧ＶＨを読み込む。

次いで、制御装置２０は、ステップＳ１４において、システム電圧ＶＨからバッテリ電圧Ｖｂを減じた差分電圧（ＶＨ−Ｖｂ）を求める。そして、ステップＳ１６において、ＲＯＭに記憶されているデューティ比テーブルを参照し、差分電圧に対応するデューティ比を取得する。

ここで、デューティ比テーブルは、入出力差分電圧に対応するデューティ比を定めたものである。図３はデューティ比テーブルの一例を、その内容をグラフ形式で示したものである。図３のデューティ比テーブルは、差分電圧（ＶＨ−Ｖｂ）がＶｔｈ未満のときはデューティ比を１とし、差分電圧（ＶＨ−Ｖｂ）が閾値電圧Ｖｔｈ以上であるときは差分電圧が大きい程デューティ比を小さくすることを示す。

制御装置２０は、ステップＳ１６で取得したデューティ比および所定のオンオフ周期に従って、ステップＳ１８において次のように上アームスイッチング素子Ｅ１のオンオフ制御を行う。

制御装置２０は、上アームスイッチング素子Ｅ１をオンにする。そして、ステップＳ１６で取得したデューティ比にオンオフ周期を乗じた時間だけ下アームスイッチング素子Ｅ２をオンにした後、上アームスイッチング素子Ｅ１をオフとする。

制御装置２０は、１オンオフ周期の残りの時間だけ上アームスイッチング素子Ｅ１をオフとした後、再び上アームスイッチング素子Ｅ１をオンとし、以後同様にして、下アームスイッチング素子Ｅ２のオンオフ制御を行う。

制御装置２０は、ステップＳ２０において、電圧センサ３４により検出されるシステム電圧ＶＨを読み込み、続くステップＳ２２においてシステム電圧ＶＨと目標電圧とを比較する。ここで目標電圧は例えばバッテリ電圧Ｖｂとすることができる。そして、システム電圧ＶＨが目標電圧まで低下していない場合にはステップＳ１２に戻り、差分電圧（ＶＨ−Ｖｂ）に対応するデューティ比に基づくオンオフ制御を続ける。一方、システム電圧ＶＨが目標電圧になった場合には、昇圧コンバータ１４の出力電圧を下げる制御を終了する。

このような制御によって、制御装置２０は、デューティ比テーブルに基づくデューティ比で上アームスイッチング素子Ｅ１のオンオフ制御を行う。デューティ比テーブルは、差分電圧（ＶＨ−Ｖｂ）が閾値電圧Ｖｔｈ以上である場合には、差分電圧が小さい程大きいデューティ比を示す。したがって、差分電圧が閾値電圧Ｖｔｈ以上である場合には、放電によってコンデンサ３２の端子間電圧が低下し、差分電圧が小さくなると共にデューティ比を増加させる制御を行うことができる。これによって、過大電流を防ぎつつ迅速にシステム電圧ＶＨを下げることができる。

また、デューティ比テーブルは、差分電圧が閾値電圧Ｖｔｈ未満である場合には、デューティ比として１を示す。したがって、差分電圧が閾値電圧Ｖｔｈ未満である場合には、上アームスイッチング素子Ｅ１がオンに維持され、最も迅速にコンデンサ３２を放電することができる状態となる。これによって、迅速にシステム電圧ＶＨを下げることができる。

デューティ比テーブルは、バッテリ１２、リアクトルＬ、上アームスイッチング素子Ｅ１等に対して規定された許容電流に基づき、評価実験、シミュレーション等によって作成することができる。

なお、ここでは差分電圧に応じてデューティ比を決定する制御について説明した。このような制御の他、システム電圧ＶＨを下げる制御の開始時からの経過時間に応じてデューティ比を決定する制御を行ってもよい。

図４は制御開始時からの経過時間とデューティ比とを対応付けたデューティ比時間変化テーブルの例を、その内容をグラフ形式で示したものである。図４のデューティ比時間変化テーブルは、制御開始から時間ｔまでの間にデューティ比を０から１まで増加させ、時間ｔ以後はデューティ比を一定値１とすることを示す。

制御装置２０は、デューティ比時間変化テーブルを参照し、制御開始時からの経過時間に基づいてデューティ比を取得する。そして、下アームスイッチング素子Ｅ２をオフとし、取得したデューティ比に基づいて上アームスイッチング素子Ｅ１をオンオフ制御する。

このような制御によれば、システム電圧ＶＨを下げる制御の開始時から時間が経過すると共にデューティ比が増加する。また、コンデンサ３２の端子間電圧は、放電が進むと共に低下する。したがって、コンデンサ３２の端子間電圧が低下すると共にデューティ比を増加させる制御を行うことができる。これによって、過大電流とならないできる限り大きな電流によってコンデンサ３２を放電することができ、迅速にシステム電圧を下げることができる。

また、この制御では、バッテリ電圧Ｖｂおよびシステム電圧ＶＨを読み込む必要がない。そのため、制御装置２０の制御プログラムを簡単にすることができ、設計コストを下げることができる。

デューティ比時間変化テーブルは、バッテリ１２、リアクトルＬ、上アームスイッチング素子Ｅ１等に対して規定された許容電流、コンデンサ３２の放電特性シミュレーション結果等に基づいて作成することができる。

過電圧状態となった場合、従来のモータ駆動車両では、昇圧コンバータ回路に過大電流が流れることを回避するため、迅速に出力電圧を下げることが困難であった。また、過電圧状態でモータを回転させると、電気部品に過大電流が流れ、電気部品の寿命が短くなるおそれがある。そのため、従来のモータ駆動車両では、過電圧状態となった場合には強制的に停車制御を行うこととしていた。これに対して本実施形態に係るモータ駆動車両では、迅速に過電圧状態を解消することができる。したがって、スイッチング素子等の電気部品の寿命の短縮、車両の強制的な停止を回避することができる。

図５は、図２に示す過電圧回避制御ルーチンおよび図６を参照して後述する通常昇圧制御復帰ルーチンを実行したときのシステム電圧ＶＨの変化の様子を示すタイミングチャートである。上から１段目がシステム電圧ＶＨ、同２段目が過電圧回避制御実施フラグ、同３段目が昇圧コンバータシャットダウン実施フラグ、同４段目がシステム電圧変化率ΔＶＨ、同５段目がモータ回転数Ｎｍ、最下段が通常昇圧制御復帰トライの失敗履歴をそれぞれ示しており、横軸はいずれも時間軸としてある。

図５を参照すると、時間ｔ１のタイミングでシステム電圧ＶＨが所定閾値ＶＨｌｉｍを超えたときに、過電圧回避制御実施フラグ１が立って上述したような制御が実行される。これによりシステム電圧ＶＨは、時間ｔ２のタイミングで所定閾値ＶＨｌｉｍを下回ってバッテリ電圧Ｖｂまで迅速に低下する。

このようにシステム電圧ＶＨを低下させる制御を行って過電圧状態を解消した後に昇圧コンバータ１４を通常昇圧制御に戻すときに、上下アームスイッチング素子Ｅ１，Ｅ２が同時にオンする短絡状態が発生するのを防止するため、上記スイッチング素子Ｅ１，Ｅ２を一時オフ状態に固定して昇圧コンバータ１４をシャットダウンすることが好ましい。その場合、シャットダウンを解除して昇圧コンバータ１４を通常昇圧制御に移行させるときにモータ１８が回転していると、モータ１８による誘起電圧（または逆起電力）によって昇圧コンバータが再び過電圧状態になるおそれがある。

そこで本実施形態の車両用コンバータ装置１０では、制御装置２０において図６に示す通常昇圧制御復帰ルーチンを実行することによって、通常昇圧制御に戻すときに昇圧コンバータ１４が再び過電圧状態となるのを確実に防止することとしている。以下に、図５と共に図６を参照して制御装置２０において実行される通常昇圧制御復帰の処理手順について説明する。

制御装置２０は、まずステップＳ３０において、過電圧回避制御が実行中であるか否かを判定する。この判定は過電圧回避制御実施フラグに１が立っているかどうかによって判別できる。そして、過電圧回避制御が実施されていない場合には、そのまま処理を終了することになる。

一方、上記フラグ１が立っていて過電圧回避制御が実行中であると判定されると、制御装置２０は、続くステップＳ３２において、通常昇圧制御への移行が必要であるか否かを判定する。この判定では、たとえば、通常昇圧制御への復帰を試行するとき（図５中のタイミングｔ４）にモータ必要電圧であるシステム電圧指令値ＶＨ＊がバッテリ電圧Ｖｂよりも高いときに昇圧が必要であるため通常昇圧制御への復帰が必要であると判定する。

そして、通常昇圧制御への移行が必要であると判定されると、続くステップＳ３４において、通常昇圧制御への復帰失敗履歴の有無を判定する。このとき、過電圧回避制御が実行されて初めての通常昇圧制御への復帰試行時には上記復帰失敗履歴がないので、図５中の最下段に示すように通常昇圧制御復帰トライ失敗履歴のフラグが０になっている。したがって、最初のステップＳ３４の処理では肯定的判定（ステップＳ３４でＹＥＳ）がなされることになる。

次に、ステップＳ３６において、昇圧コンバータシャットダウン実施フラグに１を立てて（図５中３段目参照）、昇圧コンバータ１４を所定時間シャットダウンする。このシャットダウンにより、上アームスイッチング素子Ｅ１および下アームスイッチング素子Ｅ２はいずれも同時にオフとなる。昇圧コンバータ１４をシャットダウンする所定時間は、この間にコンデンサ３２の端子間電圧が過電圧状態まで上がっていないことを確認するのに十分な時間として予め設定してメモリに記憶させておくことができる。

続いて、制御装置２０は、ステップＳ３８において、システム電圧変化率ΔＶＨが所定の変化率閾値ΔＶＨｔｈｒよりも小さいか否かを判定する。ここで変化率閾値ΔＶＨｔｈｒは、昇圧コンバータ１４がシャットダウンされている所定時間内にモータ１８の回転により生じる誘起電圧によってコンデンサ３２の端子間電圧が上記システム電圧閾値ＶＨｌｉｍを超えないことを確認するための値として予め設定されてメモリに記憶されたものである。

ステップＳ３８において肯定的判定、すなわちシステム電圧変化率ΔＶＨが変化率閾値ΔＶＨｔｈｒよりも小さいとの判定がなされたとき、続くステップＳ４０において通常昇圧制御への移行を実行する。このとき、昇圧コンバータ１４のシャットダウン実施フラグがクリア（すなわち０にセット）して、この制御ルーチンを終了する。これにより昇圧コンバータ１４は、シャットダウンが解除されて作動を開始し、下アームスイッチング素子Ｅ２のオンオフ制御によりバッテリ電圧Ｖｂをシステム電圧指令値ＶＨ＊に昇圧して出力する。

他方、電圧センサ３４によって検出されるコンデンサ３２の端子間電圧の時間変化率が上記変化率閾値ΔＶＨｔｈｒ以上である場合、コンデンサ３２の端子間電圧がシステム電圧ＶＨｔｈｒよりも高くなって通常昇圧制御へ移行したときに昇圧コンバータ１４が再び過電圧状態になる可能性があることから、ステップＳ３８において否定的判定がなされる。このとき、ステップＳ４２において、昇圧コンバータ１４のシャットダウン状態を一時解除し（図５中の３段目参照）、続くステップＳ４４において、通常昇圧制御への復帰失敗を履歴としてメモリに記憶する。すなわち、図５中の最下段の時間ｔ５のタイミングで、復帰失敗履歴フラグを１にセットする。これと同時に、ステップＳ４４において、通常昇圧制御への復帰失敗時のモータ回転数（以下、復帰失敗時回転数という）Ｎｍを取得してメモリに記憶する。このモータ回転数Ｎｍは、回転角センサ４４による検出値θに基づき制御装置２０において算出されたものである。

そして、ステップＳ４４の処理後に、この制御ルーチンの処理を終了する。すなわち、通常昇圧制御への復帰が失敗したことにより、過電圧回避制御が継続され（図５中の２段目参照）、図２を参照して説明した制御によってシステム電圧ＶＨが再びバッテリ電圧Ｖｂへと低下する（図５中の１段目参照）。

図６に示す通常昇圧制御復帰ルーチンは、所定時間毎に繰り返し実行される。したがって、上記のように通常昇圧制御への復帰が失敗した後も、上記ステップＳ３０からの処理が繰り返し実行されることになる。

通常昇圧制御への復帰が失敗した後、上記ステップＳ３０およびＳ３２で肯定的判定がなされて、ステップＳ３４が処理されるとき、上記のように復帰失敗履歴フラグが１となっていることから否定的判定（ステップＳ３４でＮＯ）がなされる。

そして、続くステップＳ４６において、モータ１８の現在の回転数Ｎｍがモータ回転数閾値Ｎｍ＿ｔｈｒより小さいか否かが判定される。ここで、モータ回転数閾値Ｎｍ＿ｔｈｒは、上記復帰失敗時回転数よりも低い回転数に設定される。具体的にはモータ回転数閾値Ｎｍ＿ｔｈｒは、例えば、上記復帰失敗時回転数から所定回転数Ａを減じた値、または、上記復帰失敗回転数に１より小さい係数Ｂを乗じた値に設定される。上記所定回転数Ａまたは係数Ｂは、経験、実験、又はシュミレーション等から得られた値として予め記憶しておくことができる。

上記ステップＳ４６において否定的判定、すなわちモータ１８の現在の回転数Ｎｍがモータ回転数閾値Ｎｍ＿ｔｈｒ以上であると判定されると（ステップＳ４６でＮＯ）、そのまま制御ルーチンを終了する。すなわち、通常昇圧制御への復帰試行を行わない。

他方、上記ステップＳ４６において肯定的判定、すなわちモータ１８の現在の回転数Ｎｍがモータ回転数閾値Ｎｍ＿ｔｈｒよりも小さいと判定されると（ステップＳ４６でＹＥＳ）、上述したステップＳ３６およびＳ３８によって通常昇圧制御への復帰が再度試行される。このときの状態が図５中の時間ｔ６〜ｔ７のタイミングに相当する。つまり、ステップＳ３６で昇圧コンバータ１４が所定時間シャットダウンされ、その間にステップＳ３８によってシステム電圧変化率ΔＶＨが変化率閾値ΔＶＨｔｈｒよりも小さいか否かが判定される。そして、肯定的判定されると、続くステップＳ４０で通常昇圧制御へ移行する。このとき、復帰トライ失敗履歴フラグがクリア（０にリセット）される（図５中の最下段参照）。

上記ステップＳ３８で否定的判定、すなわちシステム電圧変化率ΔＶＨが変化率閾値ΔＶＨｔｈｒ以上であると判定されると（ステップＳ３８でＮＯ）、ステップＳ４２およびＳ４４において、昇圧コンバータ１４のシャットダウンを解除するとともに、通常昇圧制御への復帰の再失敗を履歴としてメモリに記憶する。この場合、復帰トライ失敗履歴フラグが１のまま保持されることになる。また、これと同時に、通常昇圧制御への復帰再失敗時のモータ回転数Ｎｍを取得してメモリに記憶する。この再失敗時モータ回転数Ｎｍに基づいてモータ回転数閾値Ｎｍ＿ｔｈｒが再度算出されて更新記憶され、次回の通常昇圧制御への復帰試行を行うかどうかのステップＳ４６の判定に用いられることになる。なお、更新後のモータ回転数閾値Ｎｍ＿ｔｈｒは、通常昇圧制御へ復帰した後もメモリに記憶しておき、過電圧回避制御ルーチンが実行される次の機会に通常昇圧制御への復帰を再度試行するときのステップＳ４６における閾値として用いてもよい。

このように本実施形態の車両用コンバータ装置１０によれば、昇圧コンバータ１４について過電圧回避制御の実行中にシャットダウンを経て通常昇圧制御に移行する際、モータ１８の誘起電圧によって昇圧コンバータ１４が過電圧状態とならないようにするためにシャットダウン中に検出される昇圧コンバータ１４の出力電圧の時間変化率ΔＶＨに基づいて通常昇圧制御への復帰の可否を判定するから、通常昇圧制御へ移行したときに昇圧コンバータ１４が再び過電圧状態となるのを確実に防止することができる。これにより、昇圧コンバータ１４を構成するスイッチング素子Ｅ１，Ｅ２等の電気部品の短寿命化を防止できるとともに、電気部品の損傷による車両の強制停止等の緊急措置を回避できる。

これに加えて、昇圧コンバータ１４による通常昇圧制御への復帰が失敗したことを記憶または学習して、その後、モータ回転数Ｎｍに基づいて通常昇圧制御への復帰を再度試行するので、昇圧コンバータ１４が再び過電圧状態となるのをより確実に防止しながら通常昇圧制御への復帰を速やかに行うことができる。これにより、昇圧コンバータ１４を構成するスイッチング素子Ｅ１，Ｅ２の耐久性の向上を図れるとともに、車両動力性能の低下期間をできるだけ短縮することができる。

なお、本実施形態において図２に示す過電圧回避制御ルーチンが本発明における過電圧回避制御部に相当し、本実施形態において図６に示す通常昇圧制御復帰ルーチンが本発明における通常昇圧制御復帰部に相当する。また、図６中のステップ３６が本発明におけるシャットダウン実行部に相当し、図６中のステップＳ３８が本発明における第１判定部に相当し、図６中のステップＳ４６が本発明における第２判定部に相当する。

上記においてはステップＳ３８においてシステム電圧変化率ΔＶＨを変化率閾値ΔＶＨｔｈｒと比較して通常昇圧制御への復帰の可否を判定するものとして説明したが、本発明に係る車両用コンバータ装置はこれに限定されるものではない。例えば、上記ステップＳ３８において、システム電圧変化率ΔＶＨが変化率閾値ΔＶＨｔｈｒよりも小さく、且つ、検出されるシステム電圧ＶＨの電圧値が第２閾値ＶＨｌｉｍ＿２よりも小さいか否かが判定されてもよい。ここでの第２閾値ＶＨｌｉｍ＿２は、上記の所定閾値ＶＨｌｉｍよりも小さい値として予め設定されてメモリに記憶されている。このようにシステム電圧変化率ΔＶＨに加えて、検出されるシステム電圧ＶＨの電圧値に基づいて通常昇圧制御への復帰の可否を判定することによって、昇圧コンバータ１４が再び過電圧状態になってしまうのをより確実に防止することができる。

あるいは、上記ステップＳ３８において、検出されるシステム電圧ＶＨの電圧値が第２閾値ＶＨｌｉｍ＿２よりも小さいか否かだけで通常昇圧制御への復帰の可否を判定してもよい。

１０ 車両用コンバータ装置、１２ バッテリ、１４ 昇圧コンバータ、１６ インバータ、１８ モータ、２０ 制御装置、２２，３４ 電圧センサ、２４，２５ 正極母線、２６ 負極母線、２８ 平滑コンデンサ、３０ 接続線、３２ コンデンサまたはキャパシタ、３４ 電圧センサ、３６ Ｕ相アーム、３８ Ｖ相アーム、４０ Ｗ相アーム、４２ 電流センサ、４４ 回転角センサ、１００ モータ駆動システム、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｅ１ 上アームスイッチング素子、Ｅ２ 下アームスイッチング素子、Ｅ３〜Ｅ８ インバータ用スイッチング素子、Ｉｕ，Ｉｖ モータ電流、Ｌ リアクトル、Ｎ 中性点、Ｎｍ 回転数、Ｎｍ＿ｔｈｒ モータ回転数閾値、ＳＭＲ１，ＳＭＲ２ システムメインリレー、Ｖｂ バッテリ電圧、ＶＨ システム電圧、ＶＨｌｉｍ 所定閾値、ＶＨｌｉｍ＿２ 第２閾値、ΔＶＨ システム電圧変化率、ΔＶＨｔｈｒ 変化率閾値、θ モータ回転角。

Claims (2)

1. 車載電源から入力される電力を昇圧してモータへ出力することができる昇圧コンバータと、昇圧コンバータに含まれるスイッチング素子を制御して前記昇圧コンバータの出力電圧を前記モータの運転状態に応じて調整する制御装置とを備える車両用コンバータ装置であって、
   前記制御装置は、前記昇圧コンバータの出力電圧が所定閾値を超えたときに出力電圧を下げるよう前記スイッチング素子をオンオフ制御する過電圧回避制御部と、前記出力電圧が目標電圧に低下した後に前記昇圧コンバータの動作状態を通常昇圧制御に戻す通常昇圧制御復帰部とを有し、
   前記通常昇圧制御復帰部は、前記通常昇圧制御への復帰に際し前記スイッチング素子をオフして前記昇圧コンバータをシャットダウンするシャットダウン実行部と、前記通常昇圧制御への復帰時に前記モータの誘起電圧によって前記昇圧コンバータが過電圧状態とならないようにするため、前記シャットダウン中に検出される前記出力電圧の時間変化率および電圧値の少なくとも一方に基づいて前記通常昇圧制御への復帰の可否を判定する第１判定部とを含み、
   前記通常昇圧制御復帰部は、さらに、前記判定部により否定判定されて前記通常昇圧制御への復帰が失敗したときのモータ回転数および失敗履歴を記憶する記憶部と、前記記憶部に前記失敗履歴が記憶されている場合に前記モータの現状の回転数が前記モータ回転数から求められる閾値よりも低くなったときに前記通常昇圧制御への復帰を再度試行することを許可する第２判定部とを含む、
   車両用コンバータ装置。
2. 車載電源から入力される電力を昇圧してモータへ出力することができる昇圧コンバータに含まれるスイッチング素子を制御して前記昇圧コンバータの出力電圧を前記モータの運転状態に応じて調整する車両用コンバータの制御方法であって、
   前記昇圧コンバータの出力電圧が所定閾値を超えたときに出力電圧を下げるよう前記スイッチング素子をオンオフ制御して過電圧回避制御を実行し、
   前記過電圧回避制御実行中に、前記昇圧コンバータの通常昇圧制御への復帰に際し前記スイッチング素子をオフして前記昇圧コンバータをシャットダウンさせ、
   前記通常昇圧制御への復帰時に前記モータの誘起電圧によって前記昇圧コンバータが過電圧状態とならないようにするために、前記シャットダウン中に検出される前記出力電圧の時間変化率および電圧値の少なくとも一方に基づいて前記通常昇圧制御への復帰の可否を判定し、
   前記通常昇圧制御への復帰が失敗したときのモータ回転数および失敗履歴を記憶し、前記失敗履歴が記憶されている場合に前記モータの現状の回転数が前記モータ回転数から求められる閾値よりも低くなったときに前記通常昇圧制御への復帰を再度試行する、
   車両用コンバータの制御方法。

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