JP2013038912A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】トルク重視の走行モードと経済性重視の走行モードを切り換えることのできる電気自動車を提供する。
【解決手段】モータを制御するコントローラは、モータのトルク指令に相当する電流指令値をｄｑ座標系におけるｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑに分解し、それら成分ＩｄとＩｑを３相ＵＶＷの指令値に変換してインバータへ出力する。コントローラは、電流指令値に対して最大トルクを出力するＩｄとＩｑの組を与えるトルク優先マップと、電流指令値に対してモータ損失が最小となるＩｄとＩｑの組を与える効率優先マップを切り換えて用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、走行用モータを有する電気自動車に関する。本明細書における電気自動車には、ハイブリッド車、燃料電池車も含まれる。

自動車は、トルク重視の走行モード、経済性重視の走行モード、あるいは、静粛性重視の走行モードなど、時と場合によって異なる性能を発揮できることが好ましい。モータで走行する電気自動車の場合、モータの制御方式を工夫することによって、特定の一つの性能（出力トルク、経済性、あるいは、静粛性）を向上させることができる。

例えば、特許文献１に、インバータのキャリア周波数を変えることによって、インバータの損失を抑えるモード（経済性重視の走行モード）と、インバータの騒音を抑えるモード（静粛性重視の走行モード）を選択的に実現する技術が開示されている。特許文献２には、モータの動作領域を、インバータの過熱を保護すべき領域、モータ騒音を低減すべき領域、及び、それ以外の領域に分け、それぞれの領域でインバータのキャリア周波数を変えるという技術が開示されている。特許文献３には、電圧指令値を制限することによって、経済性重視の走行モードを実現する技術が開示されている。特許文献４には、インバータとモータの損失の総和が最小となるようにモータの動作点を決定する技術が開示されている。

特開２００８−２２６７１号公報 特開２０１０−５７２４３号公報 特開２００９−２２５６１４号公報 特開２００７−１０４７７８号公報

本明細書は、上記特許文献が開示する技術とは異なる技術によって、トルク重視の走行モードと経済性重視の走行モードを切り換えることのできる電気自動車を提供する。

本明細書が開示する技術では、電気自動車が有するモータのコントローラは、モータのトルク指令に相当する電流指令値Ｉａをｄｑ座標系におけるｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑに分解し、それら成分Ｉｄ、Ｉｑを３相ＵＶＷの指令値に変換してインバータへ出力する。さらに、コントローラは、電流指令値Ｉａに対して最大トルクを出力するＩｄとＩｑの組を与えるトルク優先マップと、電流指令値Ｉａに対してモータの損失が最小となるＩｄとＩｑの組を与える効率優先マップを切り換えて用いる。交流３相ＵＶＷから２軸の固定座標系（ｄｑ座標系）への変換はｄｑ変換と呼ばれており、ｄｑ座標系で考えるモータの制御ループは、いわゆるベクトル制御としてよく知られているので詳しい説明を省略する。ｄｑ座標系では、トルク指令値に相当する電流指令値Ｉａに対して最大トルクを与えるＩｄとＩｑの組と、モータ損失が最小となるＩｄとＩｑの組を予め定めることができる。なお、ここで、成分ＩｄとＩｑは、Ｉａ^２＝Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２を満たすように定められる。コントローラは、前者の組を記したマップと、後者の組を記したマップの２種類のマップを記憶しており、状況に応じてそれらを切り換えて用いる。マップの切り換えは、例えば運転者が操作する走行モード切り換えスイッチによってなされてよく、あるいは、アクセルペダルの開度変化が一定時間の間の所定の範囲内に収まっている場合に効率優先のマップ（モータ損失が最小となるＩｄとＩｑの組を与えるマップ）に切り換えることでもよい。以下、電流指令値Ｉａに対して最大トルクを与えるＩｄとＩｑの組を定めたマップをトルク優先マップと称し、モータ損失が最小となるＩｄとＩｑの組を与えるマップを効率優先マップと称する。

トルク優先マップはモータ回数数に依存しないが、効率優先マップは、モータ回転数に依存する。即ち、コントローラは、電流指令のｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑとモータ回転数の３つを軸とする３次元の効率優先マップを記憶している。あるいは、コントローラは、モータ回転数に依存した複数枚の効率優先マップ（それぞれのマップはｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑを軸とする２次元マップ）を記憶している。

本明細書が開示する技術は、電流指令値Ｉａに対してｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑを定めるのに、トルク優先マップと効率優先マップを切り換えて使うことによって、状況に応じてトルク重視の走行モードと経済性優先の走行モードを切り換えることができる。

車両制御系のシステムブロック図である。 ｄｑ線図の一例である。 モータのＴＮ線図の一例である。

図１に、実施例に係る自動車１００のシステムブロック図を示す。なお、図１には、本発明を説明するのに必要なユニットのみを示しており、自動車１００が本来備えるべきユニットの幾つかは図示を省略している。

自動車１００は、モータ１２で走行する電気自動車である。エンジン自動車と同様に、自動車１００は、ドライバが踏むアクセルペダルの踏み込み量の変化に応じて駆動系が出力するトルク（即ちモータの出力トルク）を変化させる。以下、駆動制御系について説明する。アクセルペダルの踏み込み量は、ペダルセンサ２によって計測される。計測されたペダル踏み込み量は、システムコントローラ３に送られる。システムコントローラ３は、車速やバッテリ残量などを考慮し、モータが出力すべきトルク（トルク指令Ｔｒｑｃｏｍ）を決定する。決定したトルク指令Ｔｒｑｃｏｍは、モータコントローラ５に送られる。モータコントローラ５は、トルク指令に応じた３相ＵＶＷの指令（スイッチング指令）をインバータ６に出力する。

モータコントローラ５について詳しく説明する。トルク指令Ｔｒｑｃｏｍは指令変換部５１に入力される。指令変換部５１では、トルク指令Ｔｒｑｃｏｍにトルク定数（単位は［Ａ／Ｎ］）を乗じて、トルク指令に相当する電流指令値Ｉａを算出する。トルク定数は、モータの固有の定数であり、１アンペア当たりモータが出力できるトルクの大きさを規定する。指令変換部５１には、２種類のＩｄＩｑマップが記憶されている。いずれも、電流指令値Ｉａに対応するｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑを与える。なお、Ｉａ＝√（Ｉｄ^２＋Ｉｑ^２）である。一つのマップは、トルク優先マップであり、電流指令値Ｉａに対してトルクが最大となるｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑの組を与える。もうひとつは、効率優先マップであり、電流指令値Ｉａに対してモータ損失が最小となるｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑを与える。マップについては後に詳しく説明する。

指令変換部５１は、マップに基づいて電流指令値Ｉａをｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑに分解する。トルク優先のマップと効率優先のマップのいずれを用いるかは、モード切換スイッチ４からの信号に基づく。モード切換スイッチ４は、運転席に備えられており、通常モード（トルク優先モード）と、ＥＣＯモード（効率優先モード）をドライバが選択できるようになっている。指令変換部５１は、分解したｄ軸成分Ｉｄｃｏｍとｑ軸成分Ｉｑｃｏｍを出力する。

他方、インバータ６からモータ１２への３相ＵＶＷのうち２相のケーブル（例えばＶ相とＷ相のケーブル）には電流センサ７が設置されている。電流センサ７は、Ｖ相を流れる電流ｉｖと、Ｗ相を流れる電流ｉｗを計測する。また、モータ１２にはレゾルバ１３が取り付けられている。レゾルバ１３は、モータのロータの回転角θ（ステータに対するロータの回転位置）を検出する。電流センサ７のセンサデータ、及び、レゾルバ１３のセンサデータは、センサデータ変換部５５に送られる、センサデータ変換部５５は、Ｖ相とＷ相の電流ｉｖ、ｉｗと、ロータの回転角θから、インバータが出力している３相ＵＶＷの電流値をｄｑ変換し、インバータ出力のｄｑ変換値ｉｄ、ｉｑを出力する。

指令変換部５１が出力する指令値のｄ軸成分Ｉｄｃｏｍとセンサデータ変換部５５が出力したインバータ出力値のｉｄ成分との差分ΔＩｄがＰＩ制御器５２ｄに入力される。同様に、指令変換部５１が出力する指令値のｑ軸成分Ｉｑｃｏｍとセンサデータ変換部５５が出力したインバータ出力値のｉｑ成分との差分ΔＩｑがＰＩ制御器５２ｑに入力される。ＰＩ制御器５２ｄ、５２ｑは、電流指令値（Ｉｄｃｏｍ、Ｉｑｃｏｍ）と計測された電流値（ｉｄ、ｉｑ）との差分ΔＩｑ、ΔＩｄを、対応する電圧値（電圧指令Ｖｄ、Ｖｑ）に変換する。ＰＩ制御器５２ｄと５２ｑは基本的に同じものであり、比例制御と積分制御を含む制御器である。ＰＩ制御器５２ｄの出力は、ｄｑ座標系における電圧指令のｄ軸成分Ｖｄとなる。ＰＩ制御器５２ｑの出力は、ｄｑ座標系における電圧指令のｑ軸成分Ｖｑとなる。

電圧指令Ｖｄ、Ｖｑは、電圧指令変換部５３に入力される。電圧指令変換部５３では、インバータ入力電圧ＶＨを用いて、ｄｑ座標系で表された電圧指令Ｖｄ、Ｖｑを３相交流座標系ＵＶＷにおける電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、及び、Ｖｗに変換する。電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、及び、ＶｗはＰＷＭ発生部５４に入力される。ＰＷＭ発生部５４は、電圧指令Ｖｕ、Ｖｖ、及び、Ｖｗのそれぞれに応じたＰＷＭ指令値（パルス幅変調指令値）を出力する。ＰＷＭ指令値はインバータ６へと送られる。インバータ６は、ＰＷＭ指令に応じたスイッチング動作を行い、モータ１２へ３相交流電流を供給する。

トルク優先マップと効率優先マップについて説明する。図２は、ｄｑ線図の一例である。最大トルク曲線Ｔｍは、電流指令値Ｉａ一定の曲線（原点を中心とする円弧）と、等トルク線との接点を結んだ曲線である。トルク優先マップは、この最大トルク曲線Ｔｍのグラフ上の点（ｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑの組）の集合である。効率優先マップは、Ｉａ一定の曲線上において銅損と鉄損を合わせたモータ損失が最小となる点（ＩｄとＩｑの組）を、様々な電流指令値Ｉａ一定曲線について集めたものである。なお、銅損は、モータのコイルへ通電する際の電気抵抗に起因する損失であり、モータを流れる電流の二乗に比例するが、回転数には依存しない。鉄損は、ロータの回転による磁界の変化に起因する損失であり、回転数が大きくなるほど大きくなる。モータ損失に関する詳しい説明は省略するが、モータ損失はモータの特定で定まり、予め特定することができる。損失は回転数に依存する。例えば、図２の最小損失曲線Ｌｍ３は、回転数＝３００ｒｐｍにおいてモータ損失が最小となる点をプロットしたグラフである。このグラフ上の点の集合が、回転数３０００ｒｐｍにおける効率優先マップに相当する。また最小損失曲線Ｌｍ５は、回転数＝５０００ｒｐｍにおいてモータ損失が最小となる点をプロットしたグラフである。このグラフ上の点の集合が、回転数５０００ｒｐｍにおける効率優先マップに相当する。トルク優先マップ、及び、回転数別の効率優先マップは、予めコントローラに記憶されている。

指令変換部５１は、モード切換スイッチ４を使ったドライバの指定に基づき、図２を用いて説明したトルク優先マップ、効率優先マップのいずれかを使って電流指令値Ｉａ（トルク指令に相当）に対応するｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑを特定し、出力する。

なお、指令変換部５１は、基本的にはモード切換スイッチ４による指定に基づいてマップを選択するが、要求されるトルクが大きい領域では、強制的にトルク優先マップを採用する。この点について説明する。図３は、モータ１２のＴＮ線図（トルクＴ−回転数Ｎのグラフ）である。グラフＴ１は、トルク優先マップを用いた際のＴＮ曲線を示しており、グラフＴ２は効率優先マップを用いた際のＴＮ曲線を示している。当然ながら、効率優先マップを用いた場合、トルク優先マップを用いた場合には実現できる高トルクは出力することができない。システムコントローラ３からのトルク指令Ｔｒｑｃｏｍが、図３の領域Ｓ内である場合、指令変換部５１は、モード切換スイッチ４による指定に関わらず、トルク優先マップを用いて、電流指令値Ｉａに対応するｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑを特定する。

上記したとおり、実施例の自動車１００は、モード切換スイッチ４からの指定に基づいて、トルク優先マップと効率優先マップのいずれかを用いて電流指令値Ｉａをｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑに分解する。効率優先マップを用いた場合、車両走行時のエネルギ効率が向上する。具体的には、バッテリに蓄えられた電気エネルギをモータが出力する運動エネルギ（トルク）に変換する際の損失が、トルク優先マップを用いた場合よりも小さくなる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ペダルセンサ
３：システムコントローラ
４：モード切換スイッチ
５：モータコントローラ
６：インバータ
７：電流センサ
１２：モータ
１３：レゾルバ
５１：指令変換部
５２ｄ、５２ｑ：ＰＩ制御器
５３：電圧指令変換部
５４：ＰＷＭ発生部
５５：センサデータ変換部
１００：自動車
Ｉａ：電流指令値
Ｉｄ：電流指令値のｄ軸成分
Ｉｑ：電流指令値のｑ軸成分

Claims (1)

1. 走行用のモータを備える電気自動車であり、
   モータへのトルク指令に相当する電流指令値Ｉａをｄｑ座標系におけるｄ軸成分Ｉｄとｑ軸成分Ｉｑに分解し、それら成分ＩｄとＩｑを３相ＵＶＷの指令値に変換してインバータへ出力するコントローラを備えており、
   コントローラは、電流指令値Ｉａに対して最大トルクを出力するＩｄとＩｑの組を与えるトルク優先マップと、電流指令値Ｉａに対してモータ損失が最小となるＩｄとＩｑの組を与える効率優先マップを切り換えて用いることを特徴とする電気自動車。

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