JP2013051762A

JP2013051762A - 車両制御装置

Info

Publication number: JP2013051762A
Application number: JP2011187068A
Authority: JP
Inventors: Yuki Kuwano; 友樹桑野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-03-14

Abstract

【課題】ＥＶ−ＥＣＵ及び車両の各部を制御する他の制御部のうち１つに異常が発生した場合も、主回路コンタクタ開放による急な車両の停止を防止して運転者の安全を確保する。
【解決手段】モータを駆動するインバータと、インバータに電力を供給する高圧バッテリ７と、インバータとバッテリの間に設けられるコンタクタ２２〜２４と、車両を総合的に制御すると共にイグニッションオン信号に応答してコンタクタのオン信号を出力する第１制御部ＥＶと、バッテリの充電制御を行うと共にイグニッションオン信号に応答してコンタクタのオン信号を出力する第２制御部ＨＶと、高圧バッテリの出力電圧を降圧して低圧の補機系バッテリに電力を供給すると共にイグニッションオン信号に応答してコンタクタのオン信号を出力する第３制御部ＤＣと、第１〜第３制御部から出力されるコンタクタのオン信号の多数決結果に応じてコンタクタをオンする多数決回路２８とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気自動車を制御する車両制御装置に関する。

近年になって、従来のガソリンエンジン車やディーゼルエンジン車に代わり、環境面やユーザのランニングコストで有利なモータを動力源とする電気自動車などの車両開発が活発となっている。

モータを動力源とする車両において、駆動系の主回路、すなわちモータ、インバータ、駆動用高電圧バッテリ及びその制御部の一部が故障した場合、フェールセーフの観点から、主回路コンタクタをオフさせ、車両を停止させるというのが一般的な思想となっている。主回路コンタクタとは、モータを駆動するインバータと駆動用バッテリ間に設けられるスイッチである。

主回路コンタクタがオフすると、車両は惰性で走行して停止する。しかし、車両の流れを断ち切るように車両を停止させた場合、あるいは交差点又は踏切上で車両が停止した場合、故障した車両の運転者のみならず、他の人にも危険を及ぼすことになる。

このような状況を回避する従来例として、前輪と後輪をそれぞれ独立して駆動するモータを配置し、片方の駆動系が故障しても走行し続け、運転者の安全を確保するものがある。

特開２００８−２２８３６１号公報

しかしながら上記従来例では、モータやインバータおよびインバータを制御するＤＳＰに関しては２重化されているが、車両の走行全体を制御するコントローラ（本明細書ではＥＶ−ＥＣＵと記載）に関しては開示されておらず、このＥＶ−ＥＣＵが故障した場合、車両が走行できなくなる。

本発明の実施形態は、ＥＶ−ＥＣＵ及び車両の各部を制御する他の制御部のうち１つに異常が発生した場合も、主回路コンタクタ開放による急な車両の停止を防止して運転者の安全を確保するものである。

実施形態に係る車両制御装置は、モータを駆動するインバータと、前記インバータに電力を供給する高圧バッテリと、前記インバータと前記バッテリの間に設けられるコンタクタと、車両を総合的に制御すると共に、イグニッションオン信号に応答して前記コンタクタのオン信号を出力する第１制御部と、前記バッテリの充電制御を行うと共に、前記イグニッションオン信号に応答して前記コンタクタのオン信号を出力する第２制御部と、前記高圧バッテリの出力電圧を降圧して低圧の補機系バッテリに電力を供給すると共に、前記イグニッションオン信号に応答して前記コンタクタのオン信号を出力する第３制御部と、前記第１〜第３制御部から出力される前記コンタクタのオン信号の多数決をとり、多数決結果に応じて前記コンタクタをオンする多数決回路とを具備する。

実施形態にかかわる車両制御装置を適用した電気自動車の構成図である。実施形態にかかわる高圧電源部６の構成及び動作を示す図である。

以下、車両制御装置の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は、実施形態にかかわる車両制御装置が搭載された電気自動車の構成を示す図である。

この電気自動車は、駆動輪１、動力伝達装置２、モータ３、モータ３をドライブするインバータ４、インバータ４に電力を供給する高圧バッテリ７、バッテリ７を監視するＢＭＳ(Battery Management system)１７、車両を総合的に制御するＥＶ−ＥＣＵ (Electric Vehicle Electronic Control Unit)、インバータ４とバッテリ７の間に設けられる主回路コンタクタ２２〜２４、コンタクタ２２〜２４を制御するＨＶ(High Voltage)−ＥＣＵ１８、バッテリ７の出力電圧を降圧するＤＣ／ＤＣコンバータ２８、車両走行に最低限必要な制御を行う補記系ＥＣＵ群Ａ２５、運転手をアシストする補記系ＥＣＵ群Ｂ２６、低圧（例えば１２Ｖ）の補機バッテリ８等を含む。高圧バッテリ７、コンタクタ２２〜２４、ＢＭＳ１７は高圧電源部６を構成する。モータ３、インバータ４、高圧電源部６は、前輪用及び後輪用にそれぞれ設けられる。動力伝達装置２は、モータ３のトルクを駆動輪１に伝える装置であり、トランスミッション、ドライブシャフト、デファレンシャルギア、プロペラシャフト等を含む。なお、本実施形態にかかわる制御装置が適用できる車両は、図１に示す構成を有する電気自動車に限定されない。

モータ３は永久磁石時電動機であり、インバータ４から出力される三相交流電力によりドライブする。インバータ４は、バッテリ７の直流電力を三相交流電力に変換する。

高圧バッテリ７は、主にリチウムイオン二次電池を想定し、電池セルを数百個程度直列接続したものである。ＢＭＳ１７は、高圧バッテリ７の電圧、温度、充放電電流等を検出し、電池の残容量や電池の保護を行い高圧バッテリ７を管理する。またＢＭＳ１７はＥＶ−ＥＣＵ１９に対して、バッテリ残容量などの状態を通知する。
ＥＶ−ＥＣＵ１９は車両全体を総合的に制御するＥＣＵである。ＥＶ−ＥＣＵ１９はメインＣＰＵを中心として、デジタル及びアナログのインターフェースを備える。ここでアナログ信号はアクセルポジションセンサ１０及びブレーキストロークセンサ１１から受信される信号等であって、デジタル信号は後述の車内通信用ネットワークのＣＡＮ(Controller Area Network)等に基づいて送受信されるデータ信号等である。ＥＶ−ＥＣＵ１９は車両走行時においては、アクセルポジションセンサ１０からの位置情報と補機系ＥＣＵ群Ａ２５からの車両速度（回転数）情報に基づきモータトルクを決定し、インバータ４へトルク指令を送る。

ＨＶ−ＥＣＵ１８は、高圧バッテリ７の充電制御と主回路コンタクタ２２〜２４の制御機能を有する。高圧バッテリ７の充電は急速充電と普通充電があり、急速充電時は外部の急速充電器１２とコネクタ１３を介して通信し、普通充電時は車両内部の普通充電器１５と通信し充電を制御する。この時の通信内容は、認証及び過充電を防止するための充電残容量等の情報が含まれる。普通充電器１５は充電時、ＡＣ１００ＶまたはＡＣ２００Ｖの商用交流電源１６にコネクタ１４を介して接続される。

またＨＶ−ＥＣＵ１８は、高圧バッテリ７が発火・発煙に至らないよう、適切に主回路コンタクタ２２〜２４のオン・オフ制御を行う。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５は、高圧バッテリ７の出力電圧を降圧し、補機バッテリ８を充電すると共に各種制御部に対して電力供給を行う。またＤＣ／ＤＣコンバータ５はＭＰＵ及び外部との通信インターフェースを有し、ＥＶ−ＥＣＵ１９、ＨＶ−ＥＣＵ１８との通信を行う。

補機系ＥＣＵ群Ａ２５は、車両が走行する上で最低限必要なＥＣＵであり、ブレーキストロークセンサからの情報をうけてブレーキ油圧をコントロールするブレーキＥＣＵ、車両速度表示や車のヘッドライト等をコントロールするボディＥＣＵを含む。補機系ＥＣＵ群Ｂは、運転者をサポートする機能をもつＥＣＵであり、エアコンＥＣＵやカーナビゲーションシステムを含む。

ＢＭＳ１７は、高圧バッテリ７の電圧、電流及び温度、バッテリの残容量等を検出し上位システムにあたるＥＶ−ＥＣＵに通知する。また、ＢＭＳ１７は前輪及び後輪用の高圧バッテリ毎に配置されており、ＢＭＳが管理するバッテリの主回路コンタクタを制御するドライバ回路（後述）を有する。

次に通信ラインについて説明する。車両内の通信は主にＣＡＮにより行われる。

ＥＶ−ＣＡＮ１は、ＢＭＳ１７とＥＶ−ＥＣＵ１９間の通信ラインであり、数十〜数百ｍｓの周期で各高圧バッテリの最大セル電圧、最小セル電圧、ＳＯＣ(State of Charge)、ＳＯＨ(State of Health)情報を通知するために用いられる。

ＥＶ−ＣＡＮ２は、インバータ４、ＥＶ−ＥＣＵ１９とＤＣ／ＤＣコンバータ５間の通信ラインである。ＥＶ−ＥＣＵ１９はアクセルポジションセンサ１０の信号と現在の車両速度を元にモータトルクを決定し、インバータ４に対してトルク指令を出す。インバータ４はＥＶ−ＥＣＵ１９に対して、モータ回転数や冷却要求信号を通知する。ＤＣ／ＤＣコンバータ５はＥＶ−ＥＣＵ１９に対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の入出力電圧、入出力電流、ＩＧＢＴなどパワー素子の温度情報等を通知する。

ＥＶ−ＣＡＮ３は、ＥＶ−ＥＣＵ１９がブレーキＥＣＵなどの補機系ＥＣＵ群Ａ２５及びエアコンＥＣＵなどの補機系ＥＣＵ群Ｂ２６と通信するために用いられる。ＥＶ−ＥＣＵ１９は、通信で得られた信号を車両の協調回生ブレーキ制御や車両全体のエネルギーマネージメント制御等に用いる。

ＨＶ−ＣＡＮ１は、ＨＶ−ＥＣＵ１８と車両外部の急速充電器１２、及び車両内部の普通充電器１５間の通信に使用し、充電器側と車両側の状態を通知し合い、安全に高圧バッテリを充電する。

ＨＶ−ＣＡＮ２は、ＨＶ−ＥＣＵ１８、ＢＭＳ１７及びインバータ４間の通信ラインである。ＥＶ−ＥＣＵ１９はＢＭＳ１７より各高圧バッテリの最大、最小セル電圧及び温度の情報を受け取り、この情報に基づいて高圧バッテリ内のあるセルが異常状態となった場合の主回路コンタクタ制御を行う。また、ＨＶ−ＥＣＵ１８とインバータ４間の通信は、ＥＶ−ＥＣＵ１９が異常状態となった場合のバックアップ通信であり、モータ回転数やトルク指令値の情報をやり取りする。尚、ライン２７は補機バッテリ８の電源供給ラインである。

ここで、ＥＶ−ＥＣＵ１９が故障した場合を考える。

ＥＶ−ＥＣＵ１９の故障は、ＨＶ−ＥＣＵ１８及びＤＣ／ＤＣコンバータ５との相互監視により検出する。相互監視に用いる通信ラインは専用回線が好ましい。また、データレートはＣＡＮより低速だが、消費電力やＭＰＵへの負荷、ノイズ耐性を考慮するとＬＩＮ(Local Interconnect Network)が望ましい。

ＥＶ−ＥＣＵ１９が故障した場合、車両は最低限の走行のみを確保するセーフモード走行に入る。セーフモード走行とは、ＥＶ−ＥＣＵ１９に代わって車両の走行制御を行うＨＶ−ＥＣＵ１８の処理負荷を少しでも軽くするための措置で、具体的には前輪・後輪モータの一方の制御を停止してワンモータ（例えば前輪用モータ）のみの走行、回生ブレーキ制御の停止、セーフモードのトルクマップを移行（変更）して車両の速度及び加速度の制限、補機系ＥＣＵ群Ｂ２６の電源遮断の処置を行う。車両の速度及び加速度を制限した場合、高圧バッテリ７の電流量を制限することができる。結果、ＢＭＳ１７の監視周期を通常時より長くすることができ、ＢＭＳ１７とＨＶ−ＥＣＵ１８間の通信量を少なくできるため、ＨＶ−ＥＣＵ１８の処理負荷を抑えることができる。

なお、ＥＶ−ＥＣＵ１９の異常発生は、インストルメントパネルに警告灯を表示し、運転者に対してすみやかに安全な場所に退避するよう促す。

次にＨＶ−ＥＣＵ１８が故障した場合を考える。

ＨＶ−ＥＣＵ１８は、車両走行時において主回路のコンタクタ制御を行っている。ＨＶ−ＥＣＵ１８が単独でコンタクタ制御を行う場合、走行中にＨＶ−ＥＣＵ１８が異常状態となるとコンタクタが開いてしまい、車両が走行不能となり運転者や周囲の車が危険である。そこで、ＨＶ−ＥＣＵ１８が出力する例えばコンタクタオン信号を、適切にホールドする信号をＥＶ−ＥＣＵ１９及びＤＣ／ＤＣコンバータ５より出力し、ＨＶ−ＥＣＵ１８が故障してもコンタクタが開かないようにする。

図２は本実施形態にかかわる高圧電源部６の構成及び動作を示す図である。

図２（ａ）のように、ＨＶ−ＥＣＵ１８、ＥＶ−ＥＣＵ１９、ＤＣ／ＤＣコンバータ５からのコンタクタ制御信号ＨＶ、ＥＶ、ＤＣを、高圧バッテリ７を監視するＢＭＳ１７内の多数決回路２８で受け、コンタクタドライブ回路２９に出力する。コンタクタ制御信号「０」はコンタクタオフを指令する信号であり、「１」はコンタクタオンを指令する信号である。多数決回路２９の出力が０であれば、コンタクタドライブ回路２９はオフし、出力が１であればコンタクタドライブ回路２９はオンする。コンタクタドライブ回路２９がオンすると、補機バッテリ８からの１２Ｖ電圧がコンタクタ２２〜２４のコイル（電磁石）に印加し、コンタクタ２２〜２４は全てオンする。

図２（ｂ）はコンタクタ制御信号入力に対する多数決回路出力の真理値表を示す。

行（１）は図２のイグニッションスイッチ９からイグニッションオフ信号がＨＶ−ＥＣＵ１８、ＥＶ−ＥＣＵ１９、ＤＣ／ＤＣコンバータ５に出力され、ＨＶ−ＥＣＵ１８、ＥＶ−ＥＣＵ１９、ＤＣ／ＤＣコンバータ５が、全てコンタクタオフ信号を出力し、多数決回路２８がコンタクタ２２〜２４をオフする正常動作を示す。

また行（８）は、図２のイグニッションスイッチ９からイグニッションオン信号がＨＶ−ＥＣＵ１８、ＥＶ−ＥＣＵ１９、ＤＣ／ＤＣコンバータ５に出力され、ＨＶ−ＥＣＵ１８、ＥＶ−ＥＣＵ１９、ＤＣ／ＤＣコンバータ５が、全てコンタクタオン信号を出力し、多数決回路２８がコンタクタ２２〜２４をオンする正常動作を示す。

行（２）〜（７）は、ＨＶ−ＥＣＵ１８、ＥＶ−ＥＣＵ１９、ＤＣ／ＤＣコンバータ５のうち１つに関する回路に不具合が生じ、オフ信号「０」を出力すべき時にオン信号「１」を出力しているか、オン信号「１」を出力すべき時にオフ信号「０」を出力している。このような不具合は、ＨＶ−ＥＣＵ１８またはＥＶ−ＥＣＵ１９またはＤＣ／ＤＣコンバータ５のインターフェース回路に故障が生じてるか、または配線のコネクタに接触不良が生じているか、あるいはＨＶ−ＥＣＵ１８またはＥＶ−ＥＣＵ１９またはＤＣ／ＤＣコンバータ５自体に異常が発生している等のことが想定される。

このように本実施形態によれば、ＨＶ−ＥＣＵ１８、ＥＶ−ＥＣＵ１９、ＤＣ／ＤＣコンバータ５のうち１つに関する回路に不具合が生じた場合でも、コンタクタ２２〜２４の適切な接触状態が維持される。

なお例えばＭＰＵ３０は、行（２）〜（７）のようにＢＭＳ１７にて異常が検知された場合、例えばＥＶ−ＣＡＮ１、ＥＶ−ＥＣＵを介してインストルメントパネルに警告信号を送信する。この結果、インストルメントパネルには警告が表示され、運転者に対してすみやかに安全な場所に退避するよう促す。

次にＤＣ／ＤＣコンバータ５が故障した場合を考える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５が故障した際は、補機系ＥＣＵやインバータ４の制御回路やＢＭＳ１７に対しては、補機バッテリより電力供給する。補機バッテリを少しでも長く持たせるため、エアコンやカーナビゲーションシステム等の補記系ＥＣＵ２は電源を遮断する。また、補機バッテリの残量によっては、前輪のみを駆動させるようにし、ＢＭＳ１７とインバータ制御回路の消費電力を半分にする。

なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ５の異常発生時は、インストルメントパネルに警告灯を表示し、運転者に対してすみやかに安全な場所に退避するよう促す。

上記実施形態に係る車両制御装置を用いることで、車両走行時において駆動系であるインバータ４、モータ３のみならず、車両の走行を制御するＥＶ−ＥＣＵ１９、高圧バッテリの充電制御及び主回路のコンタクタ制御を行うＨＶ−ＥＣＵ１８、高圧バッテリ電圧を降圧し補機バッテリへ電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータ５が異常状態となっても、車両として走行しつづけることを可能とし、運転者の安全を確保する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…駆動輪、２…動力伝達装置、３…永久磁石時電動機、４…インバータ、５…ＤＣ／ＤＣコンバータ、６…高圧電源部、７…高圧バッテリ、８…補機バッテリ、１８…ＨＶ−ＥＣＵ(High Voltage Electronic Control Unit)、１９…ＥＶ(Electric Vehicle)−ＥＣＵ。

Claims

モータを駆動するインバータと、
前記インバータに電力を供給する高圧バッテリと、
前記インバータと前記バッテリの間に設けられるコンタクタと、
車両を総合的に制御すると共に、イグニッションオン信号に応答して前記コンタクタのオン信号を出力する第１制御部と、
前記バッテリの充電制御を行うと共に、前記イグニッションオン信号に応答して前記コンタクタのオン信号を出力する第２制御部と、
前記高圧バッテリの出力電圧を降圧して低圧の補機系バッテリに電力を供給すると共に、前記イグニッションオン信号に応答して前記コンタクタのオン信号を出力する第３制御部と、
前記第１〜第３制御部から出力される前記コンタクタのオン信号の多数決をとり、多数決結果に応じて前記コンタクタをオンする多数決回路と、
を具備する車両制御装置。