JP2013038845A - 車両の駆動装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】スイッチング電力素子を保護しながらトルク出力を可能な限り実現する車両の駆動装置を提供する。
【解決手段】車両の駆動装置は、バッテリMBと、モータジェネレータMG1を駆動するインバータ14と、モータジェネレータMG2を駆動するインバータ22と、インバータ14およびインバータ22に共通する電源ラインとバッテリMBとの間に設けられ電源ラインの電圧とバッテリMBの電圧との間で電圧変換を行なう電圧コンバータ12と、インバータ14、インバータ22および電圧コンバータ12を制御する制御装置30とを備える。制御装置30は、電圧コンバータ12に故障が発生している場合にインバータ22において回生電力が発生する条件が成立したときには、インバータ14を用いて電源ラインのディスチャージ処理を実行して電源ラインの電圧の上昇を緩和させる。
【選択図】図1

Description

この発明は、車両の駆動装置に関し、特に、蓄電装置と電圧コンバータとインバータとを備える車両の駆動装置に関する。
ハイブリッド車両は、車両の減速時(エンジンブレーキ時)に回生電力発生させ、バッテリに回収することによって燃費を向上させている。
しかし、バッテリが回収できる電力にも限りがあるので、バッテリが満充電状態に近づいた場合にバッテリに回生電力を充電し続けるわけにはいかない。
特開2003−65107号公報(特許文献1)には、バッテリが回生電力を受け入れられない状態でのロールバック時においても回生電力を吸収し常に所望の駆動トルクを出力できるようにした技術が開示されている。
この文献に記載されたハイブリッド車両は、発電用モータと駆動用モータを有するハイブリッド車両であり、車両の進行方向に対して逆向きに車両が転がるロールバック発生時の駆動用モータの回生電力を、発電用モータでエンジンをモータリングして、回生電力を消費させる。
特開2003−65107号公報 特開2009−220665号公報 特開2006−262645号公報
ハイブリッド車両や電気自動車には、蓄電装置の電圧を電圧コンバータで昇圧してモータ駆動用のインバータに供給する構成を有するものがある。このような構成において電圧コンバータが故障した場合の処理については、特開2003−65107号公報には開示されていない。
また、インバータは使用中に温度が上昇するので冷却装置が設けられる場合が多いが、冷却装置の冷却性能が低下している状態では、特開2003−65107号公報に示すように発電用モータで電力を消費させたとしても、インバータには電流が流れることになるためインバータ素子過熱による素子故障を防止することはできない。
本発明の目的は、スイッチング電力素子を保護しながらトルク出力を可能な限り実現する車両の駆動装置を提供することである。
この発明は、要約すると、車両の駆動装置であって、蓄電装置と、第1回転電機を駆動する第1インバータと、第2回転電機を駆動する第2インバータと、第1インバータおよび第2インバータに共通する電源ラインと蓄電装置との間に設けられ電源ラインの電圧と蓄電装置の電圧との間で電圧変換を行なう電圧コンバータと、第1インバータ、第2インバータおよび電圧コンバータを制御する制御装置とを備える。制御装置は、電圧コンバータに故障が発生している場合に第2インバータにおいて回生電力が発生する条件が成立したときには、第1インバータを用いて電源ラインのディスチャージ処理を実行して電源ラインの電圧の上昇を緩和させる。
好ましくは、車両の駆動装置は、第1インバータおよび第2インバータを冷却媒体で冷却する冷却装置をさらに備える。制御装置は、ディスチャージ処理における第1インバータに流す電流の上限値を冷却媒体の温度に基づいて決定する。
より好ましくは、制御装置は、冷却媒体の温度が第1しきい値以下であった場合にはディスチャージ処理を禁止する。
より好ましくは、制御装置は、ディスチャージ処理において第1インバータに第1回転電機に回転トルクを発生させない電流を流す。
より好ましくは、電源ラインは、正極母線と、負極母線とを含む。電圧コンバータは、正極母線と負極母線との間に直列に接続された第1および第2電力スイッチング素子と、第1および第2電力スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された第1および第2ダイオード素子と、第1および第2電力スイッチング素子の接続ノードと蓄電装置との間に接続されたリアクトルとを含む。制御装置は、電圧コンバータに故障が発生している場合には、第1および第2電力スイッチング素子を非導通状態に固定する。
本発明によれば、インバータのスイッチング電力素子を保護しながらトルク出力を可能な限り実現することができる。
本実施の形態のハイブリッド車両100の構成を示す回路図である。 図1のハイブリッド車両100の電圧コンバータ12およびインバータ14の構成の詳細を示した回路図である。 制御装置30が実行するディスチャージ処理について説明するためのフローチャートである。 回生電力の発生する状況の一例を説明するための図である。 図3のステップS4〜S6の処理を説明するための図である。
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、本実施の形態のハイブリッド車両100の構成を示す回路図である。
図1を参照して、車両100は、蓄電装置であるバッテリMBと、電圧センサ10と、パワーコントロールユニット(PCU)240と、駆動ユニット241と、エンジン4と、車輪2と、制御装置30とを含む。駆動ユニット241は、モータジェネレータMG1,MG2と動力分割機構3とを含む。
PCU40は、電圧コンバータ12と、平滑用コンデンサC1,CHと、電圧センサ13と、インバータ14,22とを含む。車両100は、モータジェネレータMGを駆動するインバータ14に給電を行なう正極母線PL2をさらに含む。駆動ユニット241は、モータジェネレータMG1,MG2と、動力分割機構3とを含む。
電圧コンバータ12は、バッテリMBと正極母線PL2との間に設けられ、電圧変換を行なう電圧変換器である。平滑用コンデンサC1は、正極母線PL1と負極母線SL2間に接続される。電圧コンバータ12は、平滑用コンデンサC1の端子間電圧を昇圧する。
平滑用コンデンサCHは、電圧コンバータ12によって昇圧された電圧を平滑化する。電圧センサ13は、平滑用コンデンサCHの端子間電圧VHを検知して制御装置30に出力する。
インバータ14は、電圧コンバータ12から与えられる直流電圧を三相交流電圧に変換してモータジェネレータMG1に出力する。インバータ22は、電圧コンバータ12から与えられる直流電圧を三相交流電圧に変換してモータジェネレータMG2に出力する。
動力分割機構3は、エンジン4とモータジェネレータMG1,MG2に結合されてこれらの間で動力を分配する機構である。たとえば動力分割機構3としてはサンギヤ、プラネタリキャリヤ、リングギヤの3つの回転軸を有する遊星歯車機構を用いることができる。遊星歯車機構は、3つの回転軸のうち2つの回転軸の回転が定まれば、他の1つの回転軸の回転は強制的に定まる。この3つの回転軸がエンジン4、モータジェネレータMG1,MG2の各回転軸にそれぞれ接続される。なおモータジェネレータMG2の回転軸は、図示しない減速ギヤや差動ギヤによって車輪2に結合されている。また動力分割機構3の内部にモータジェネレータMG2の回転軸に対する減速機をさらに組み込んでもよい。
車両100は、さらに、バッテリMBの正極と正極母線PL1との間に接続されるシステムメインリレーSMRBと、バッテリMBの負極(負極母線SL1)とノードN2との間に接続されるシステムメインリレーSMRGとを含む。
システムメインリレーSMRB,SMRGは、制御装置30から与えられる制御信号にそれぞれ応じて導通/非導通状態が制御される。
電圧センサ10は、バッテリMBの端子間の電圧VBを測定する。電圧センサ10とともにバッテリMBの充電状態を監視するために、バッテリMBに流れる電流IBを検出する電流センサ11が設けられている。バッテリMBとしては、たとえば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池や、電気二重層コンデンサ等の大容量キャパシタなどを用いることができる。
インバータ14は、正極母線PL2と負極母線SL2に接続されている。インバータ14は、電圧コンバータ12から昇圧された電圧を受けて、たとえばエンジン4を始動させるために、モータジェネレータMG1を駆動する。また、インバータ14は、エンジン4から伝達される動力によってモータジェネレータMG1で発電された電力を電圧コンバータ12に戻す。このとき電圧コンバータ12は、降圧回路として動作するように制御装置30によって制御される。
電流センサ24は、モータジェネレータMG1に流れる電流をモータ電流値MCRT1として検出し、モータ電流値MCRT1を制御装置30へ出力する。
インバータ22は、インバータ14と並列的に、正極母線PL2と負極母線SL2に接続されている。インバータ22は車輪2を駆動するモータジェネレータMG2に対して電圧コンバータ12の出力する直流電圧を三相交流電圧に変換して出力する。またインバータ22は、回生制動に伴い、モータジェネレータMG2において発電された電力を電圧コンバータ12に戻す。このとき電圧コンバータ12は、降圧回路として動作するように制御装置30によって制御される。
電流センサ25は、モータジェネレータMG2に流れる電流をモータ電流値MCRT2として検出し、モータ電流値MCRT2を制御装置30へ出力する。
制御装置30は、モータジェネレータMG1,MG2の各トルク指令値および回転速度と、電流IBおよび電圧VB,VHの各値と、モータ電流値MCRT1,MCRT2と、起動信号IGONとを受ける。そして制御装置30は、電圧コンバータ12に対して昇圧指示を行なう制御信号PWU,降圧指示を行なう制御信号PWDおよび動作禁止を指示するシャットダウン信号CSDNを出力する。
さらに、制御装置30は、インバータ14に対して電圧コンバータ12の出力である直流電圧を、モータジェネレータMG1を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示を行なう制御信号PWMI1と、モータジェネレータMG1で発電された交流電圧を直流電圧に変換して電圧コンバータ12側に戻す回生指示を行なう制御信号PWMC1とを出力する。
同様に制御装置30は、インバータ22に対してモータジェネレータMG2を駆動するための交流電圧に直流電圧を変換する駆動指示を行なう制御信号PWMI2と、モータジェネレータMG2で発電された交流電圧を直流電圧に変換して電圧コンバータ12側に戻す回生指示を行なう制御信号PWMC2とを出力する。
ハイブリッド車両100は、PCU240および駆動ユニット241を冷却する冷却装置として、ラジエータ102と、リザーバータンク106と、ウォータポンプ104とを含む。
ラジエータ102とPCU240とリザーバータンク106とウォータポンプ104と駆動ユニット241とは、通水路116によって直列に環状に接続されている。
ウォータポンプ104は、不凍液などの冷却水(冷却媒体)を循環させるためのポンプであって、図示される矢印の方向に冷却水を循環させる。ラジエータ102は、PCU240内部の電圧コンバータ12およびインバータ14を冷却した後の冷却水を通水路から受け、その受けた冷却水を冷却する。
ハイブリッド車両100は、さらに、冷却水温を測定する温度センサ108、電圧コンバータ12の温度TCを検出する温度センサ110とインバータ14の温度TIを検出する温度センサ112とを含む。
制御装置30は、温度センサ108,110,112の出力に基づいて、ウォータポンプ104を駆動するための信号SPを生成し、その生成した信号SPをウォータポンプ104へ出力する。
図2は、図1のハイブリッド車両100の電圧コンバータ12およびインバータ14の構成の詳細を示した回路図である。なお、図示の便宜のため、インバータ22は記載を省略している。
図2を参照して、電圧コンバータ12は、バッテリMBと正極母線PL2との間に設けられ、電圧変換を行なう電圧変換器である。電圧コンバータ12は、一方端が正極母線PL1に接続されるリアクトルL1と、正極母線PL2と負極母線SL2との間に直列に接続されるIGBT素子Q1,Q2と、IGBT素子Q1,Q2にそれぞれ並列に接続されるダイオードD1,D2とを含む。
リアクトルL1の他方端はIGBT素子Q1のエミッタおよびIGBT素子Q2のコレクタに接続される。ダイオードD1のカソードはIGBT素子Q1のコレクタと接続され、ダイオードD1のアノードはIGBT素子Q1のエミッタと接続される。ダイオードD2のカソードはIGBT素子Q2のコレクタと接続され、ダイオードD2のアノードはIGBT素子Q2のエミッタと接続される。
インバータ14は、正極母線PL2と負極母線SL2に接続されている。インバータ14は、電圧コンバータ12から昇圧された電圧を受けて、たとえばエンジン4を始動させるために、モータジェネレータMG1を駆動する。また、インバータ14は、エンジン4から伝達される動力によってモータジェネレータMG1で発電された電力を電圧コンバータ12に戻す。このとき電圧コンバータ12は、降圧回路として動作するように制御装置30によって制御される。
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、正極母線PL2と負極母線SL2との間に並列に接続される。
U相アーム15は、正極母線PL2と負極母線SL2との間に直列接続されたIGBT素子Q3,Q4と、IGBT素子Q3,Q4とそれぞれ並列に接続されるダイオードD3,D4とを含む。ダイオードD3のカソードはIGBT素子Q3のコレクタと接続され、ダイオードD3のアノードはIGBT素子Q3のエミッタと接続される。ダイオードD4のカソードはIGBT素子Q4のコレクタと接続され、ダイオードD4のアノードはIGBT素子Q4のエミッタと接続される。
V相アーム16は、正極母線PL2と負極母線SL2との間に直列接続されたIGBT素子Q5,Q6と、IGBT素子Q5,Q6とそれぞれ並列に接続されるダイオードD5,D6とを含む。ダイオードD5のカソードはIGBT素子Q5のコレクタと接続され、ダイオードD5のアノードはIGBT素子Q5のエミッタと接続される。ダイオードD6のカソードはIGBT素子Q6のコレクタと接続され、ダイオードD6のアノードはIGBT素子Q6のエミッタと接続される。
W相アーム17は、正極母線PL2と負極母線SL2との間に直列接続されたIGBT素子Q7,Q8と、IGBT素子Q7,Q8とそれぞれ並列に接続されるダイオードD7,D8とを含む。ダイオードD7のカソードはIGBT素子Q7のコレクタと接続され、ダイオードD7のアノードはIGBT素子Q7のエミッタと接続される。ダイオードD8のカソードはIGBT素子Q8のコレクタと接続され、ダイオードD8のアノードはIGBT素子Q8のエミッタと接続される。
ところで、電圧コンバータ12等に故障が発生した場合には、制御装置30は、動作禁止を指示するシャットダウン信号CSDNを電圧コンバータ12に出力する。すると電圧コンバータ12のIGBT素子Q1およびQ2はいずれもオフ状態に固定される。この状態で車両は退避走行を行なう。退避走行では、図1のモータジェネレータMG2を使用するEV走行が行なわれる。この退避走行によって故障を修理するための場所(修理工場、ガソリンスタンドなど)まで車両を移動させることができる。
しかし、電圧コンバータ12にシャットダウン信号CSDNが与えられた場合には、IGBT素子Q1がオフ状態であるので、矢印AR1に示すようにダイオードD1の順方向にしか電流が流れない。すなわち、バッテリMBからの放電は可能であるが充電はできない状態となる。このような場合には、モータジェネレータMG2で回生電力が発生すると電圧VHが上昇して過電圧となる恐れがある。そこで、本実施の形態ではモータジェネレータMG1を用いたディスチャージ処理を実行することにより、電圧VHが過電圧となるのを防止する。
図3は、制御装置30が実行するディスチャージ処理について説明するためのフローチャートである。このフローチャートの処理は所定のメインルーチンから一定時間ごとまたは所定の条件が成立するごとに呼び出されて実行される。
図1、図3を参照して、処理が開始されるとまず、ステップS1において電圧コンバータ12の異常が発生しているか否かが判断される。電圧コンバータ12の異常は、たとえば制御信号PWU,PWDの異常や、温度TCの上昇などで検出することができる。
ステップS1において、異常が検出されていない場合にはステップS7に処理が進み制御はメインルーチンに戻される。一方で、ステップS1において、異常が検出されている場合にはステップS2に処理が進む。
ステップS2では、電圧コンバータ12が動作禁止される。具体的には、制御装置30は、電圧コンバータ12に対してシャットダウン信号CSDNを出力する。すると電圧コンバータ12は、2つのIGBT素子Q1,Q2がともにオフ状態に設定される。すると図2で説明したように、矢印AR1の方向にしか電流が流れなくなる。
なお、ステップS1で検出される異常は、必ずしも電圧コンバータ12それ自身の異常でなくてもよく、シャットダウン信号CSDNを出力しなければいけないような異常であれば良い。
つづいて、ステップS3では、回生電力が発生しているか否かが判断される。
図4は、回生電力の発生する状況の一例を説明するための図である。図4を参照して、ハイブリッド車両100が登坂中において、モータジェネレータMG2が正のトルクTRを出力しているにもかかわらず、矢印MDにしめすように車体がずり下がってしまう場合がある。このような場合には、トルク出力方向とモータ回転方向が異なるので、図1のモータジェネレータMG2に回生電力が発生する。この状況が電圧コンバータ12の動作禁止中に発生した場合には、回生電力を消費しないと電圧VHが上昇して過電圧になる。
再び図3を参照して、ステップS3では、図4で説明したような回生電力の発生の有無が判断される。回生電力の発生の有無は、電圧VHの上昇を見ても良いし、モータトルク指令とモータ回転方向とを見ても良いし、種々の方法で判断することができる。
ステップS3において、回生電力が発生していない場合にはステップS7に処理が進み制御はメインルーチンに戻される。一方でステップS3において、回生電力が発生していた場合にはステップS4に処理が進む。
ステップS4では、冷却水の温度Twがしきい値T1であるか否かが判断される。これは、冷却水Twの温度によって決まる冷却装置の冷却性能を示す熱量Q2(Tw)と、ディスチャージ処理を実行した場合の電流Id(モータジェネレータMG1にトルクを発生しないd軸電流)の最大値に対応する発生熱量Q1(Id)との間に、Q1(Id)≧Q2(Tw)の関係が成立するか否かに相当する。
すなわち、ディスチャージ処理時に所定値の電流Idを流すとインバータのIGBT素子温度が上昇して過熱する恐れがあるか否かをステップS4では判断している。
ステップS4において、Tw≧T1が成立した場合には、ステップS5に処理が進み、成立しなかった場合にはステップS6に処理が進む。
ステップS6では、制限無しの電流Idの通常値によってディスチャージ処理が行なわれる。一方ステップS5では、温度Twに応じて制限された電流Idによってディスチャージ処理が実行される。または温度Twが高すぎる時にはディスチャージ処理は禁止される。ステップS5またはステップS6の処理が行なわれた後には、ステップS7に処理が進み制御はメインルーチンに戻される。
図5は、図3のステップS4〜S6の処理を説明するための図である。図5を参照して、冷却水の温度TwがT0〜T1の間は、モータジェネレータMG1に流すことができる最大値の電流Idmaxでディスチャージ処理が行なわれる。なお、ディスチャージの時間は、モータジェネレータMG2で発生した回生電力の大きさによって増減される。
冷却水の温度TwがT1〜T2の間は、冷却水の温度Twが上昇すると電流Idは減少する。冷却水の温度Twが上昇すると冷却装置の冷却性能が低下するので、発熱量を抑えるためである。
そして冷却水の温度TwがT2を超えるとディスチャージ処理を禁止する。このような場合には、トルクが制限され回生電力が発生しないように制御される。または、放電抵抗などを設けておきそれによって回生電力を消費する。
なお、図3のステップS4〜S6の処理に代えて、図5に示したような電流値Idと温度Twとの関係をマップにしておき、温度Twに基づいて電流値Idを決める処理を設けても良い。
最後に、再び図1等を参照して本実施の形態について総括する。車両の駆動装置は、バッテリMBと、モータジェネレータMG1を駆動するインバータ14と、モータジェネレータMG2を駆動するインバータ22と、インバータ14およびインバータ22に共通する電源ラインとバッテリMBとの間に設けられ電源ラインの電圧とバッテリMBの電圧との間で電圧変換を行なう電圧コンバータ12と、インバータ14、インバータ22および電圧コンバータ12を制御する制御装置30とを備える。制御装置30は、電圧コンバータ12に故障が発生している場合にインバータ22において回生電力が発生する条件が成立したときには、インバータ14を用いて電源ラインのディスチャージ処理を実行して電源ラインの電圧の上昇を緩和させる。
好ましくは、車両の駆動装置は、インバータ14およびインバータ22を冷却媒体で冷却する冷却装置をさらに備える。制御装置30は、ディスチャージ処理におけるインバータ14に流す電流の上限値を冷却媒体の温度に基づいて決定する。
より好ましくは、制御装置30は、冷却媒体の温度が第1しきい値以下であった場合にはディスチャージ処理を禁止する。
より好ましくは、制御装置30は、ディスチャージ処理においてインバータ14にモータジェネレータMG1に回転トルクを発生させない電流を流す。
より好ましくは、電源ラインは、正極母線PL2と、負極母線SL2とを含む。電圧コンバータ12は、正極母線PL2と負極母線SL2との間に直列に接続されたIGBT素子Q1およびQ2と、IGBT素子Q1およびQ2にそれぞれ逆並列に接続されたダイオードD1およびD2と、IGBT素子Q1およびQ2の接続ノードとバッテリMBとの間に接続されたリアクトルL1とを含む。制御装置30は、電圧コンバータ12に故障が発生している場合には、IGBT素子Q1およびQ2を非導通状態に固定する。
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説明ではなく、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 車輪、3 動力分割機構、4 エンジン、10,13 電圧センサ、11,24,25 電流センサ、12 電圧コンバータ、14,22 インバータ、30 制御装置、100 ハイブリッド車両、102 ラジエータ、104 ウォータポンプ、106 リザーバータンク、108,110,112 温度センサ、116 通水路、241 駆動ユニット、C1,CH 平滑用コンデンサ、D1〜D8 ダイオード、L1 リアクトル、PL1,PL2 正極母線、Q1〜Q8 IGBT素子、SL1,SL2 負極母線、SMRB,SMRG システムメインリレー。

Claims (5)

  1. 蓄電装置と、
    第1回転電機を駆動する第1インバータと、
    第2回転電機を駆動する第2インバータと、
    前記第1インバータおよび前記第2インバータに共通する電源ラインと前記蓄電装置との間に設けられ前記電源ラインの電圧と前記蓄電装置の電圧との間で電圧変換を行なう電圧コンバータと、
    前記第1インバータ、前記第2インバータおよび前記電圧コンバータを制御する制御装置とを備え、
    前記制御装置は、前記電圧コンバータに故障が発生している場合に前記第2インバータにおいて回生電力が発生する条件が成立したときには、前記第1インバータを用いて前記電源ラインのディスチャージ処理を実行して前記電源ラインの電圧の上昇を緩和させる、車両の駆動装置。
  2. 前記第1インバータおよび前記第2インバータを冷却媒体で冷却する冷却装置をさらに備え、
    前記制御装置は、前記ディスチャージ処理における前記第1インバータに流す電流の上限値を前記冷却媒体の温度に基づいて決定する、請求項1に記載の車両の駆動装置。
  3. 前記制御装置は、前記冷却媒体の温度が第1しきい値以下であった場合には前記ディスチャージ処理を禁止する、請求項2に記載の車両の駆動装置。
  4. 前記制御装置は、前記ディスチャージ処理において前記第1インバータに前記第1回転電機に回転トルクを発生させない電流を流す、請求項2に記載の車両の駆動装置。
  5. 前記電源ラインは、
    正極母線と、負極母線とを含み、
    前記電圧コンバータは、
    前記正極母線と前記負極母線との間に直列に接続された第1および第2電力スイッチング素子と、
    前記第1および第2電力スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続された第1および第2ダイオード素子と、
    前記第1および第2電力スイッチング素子の接続ノードと前記蓄電装置との間に接続されたリアクトルとを含み、
    前記制御装置は、前記電圧コンバータに故障が発生している場合には、前記第1および第2電力スイッチング素子を非導通状態に固定する、請求項2に記載の車両の駆動装置。
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