JP2013051781A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車が備えるリアクトルの温度を推定する。
【解決手段】ハイブリッド車１００は、走行用のモータＭＧと、モータへ供給する電力を蓄えるバッテリＢＴと、バッテリＢＴの出力電圧をモータ駆動に適した電圧に変換する電圧コンバータを含むパワーコントローラ１０を備える。電圧コンバータの電圧変換回路にはリアクトルが用いられている。ハイブリッド車１００はさらに、リアクトルの振動を検出する振動センサ２とＨＶコントローラ８を備えている。ＨＶコントローラ８には、振動センサ２のセンサデータとリアクトルの温度との関係を記したマップが予め記憶されている。ＨＶコントローラ８は、振動センサ２のセンサデータとマップからリアクトルの温度を推定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、走行用のモータを備え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、燃料電池車や、走行用のモータとともにエンジンを備えるハイブリッド車を含む。

電気自動車の走行用モータは大出力であるから相当の電力を消費する。そのため、バッテリの出力電力をモータ駆動に適した電力に変換するためのデバイス（電圧コンバータやインバータ）には大電流が流れ、発熱する。デバイス内の素子が過熱することを防ぐため、デバイス内の素子の温度を知る必要がある。各素子に温度センサを備えればよいが、それではコストが嵩む。そこで、温度センサによらずにデバイス内の素子の温度を推定する技術がいくつか提案されている。特許文献１と２には、デバイス内の素子のうち、電圧の変換に用いられるリアクトルの温度を推定する技術が開示されている。特許文献１の技術は、リアクトルを冷却する冷媒の温度に基づいてリアクトルの温度を推定する。特許文献２の技術は、電圧コンバータを冷却する冷媒の温度と、電圧コンバータの入力電圧と出力電圧の比（昇圧比又は降圧比）に基づいてリアクトルの温度を推定する。

特開２００９−１７１７０２号公報 特開２００９−３０３３２９号公報

本明細書は、特許文献１や特許文献２に開示された方法とは異なる方法でリアクトルの温度を推定する技術を提供する。その方法は、リアクトル特有の特性を利用してリアクトルの温度を推定する。

電圧コンバータの回路に使われるリアクトルは、電線をコイル状に巻いたものである。リアクトルの多くは鉄心に電線をコイル状に巻いてある。電圧コンバータは、チョッパ回路によってコイルに断続的に電流を流し、電流の変化に応じてコイルに発生する誘導起電力を利用して電圧の大きさを変換する。コイルに流れる電流の変化に応じて磁場が発生し、磁場の変化に応じて電流が発生する。このとき、電磁場の変化によってコイルには力が作用する。電磁場の変化は周期的であるので、コイルに作用する力も周期的となる。この力により、リアクトルは振動する。発明者の検討によると、このリアクトルの振動はリアクトルの温度に依存することが判明した。本明細書が開示する技術は、リアクトルの振動と温度の関係に基づき、リアクトルの振動からリアクトルの温度を推定する。

本明細書が開示する技術の一態様は、走行用のモータと、モータへ供給する電力を蓄えるバッテリと、バッテリの出力電圧をモータ駆動に適した電圧に変換する電圧コンバータを備える電気自動車に具現化することができる。電圧コンバータの電圧変換回路にはリアクトルが用いられている。また、この電気自動車は、リアクトルの振動を検出する振動センサとコントローラを備えている。コントローラには、リアクトルの振動とリアクトルの温度との関係を記したマップが予め記憶されている。そしてコントローラは、振動センサのセンサデータとマップからリアクトルの温度を推定する。なお、リアクトルの振動は音（ノイズ）を発生するので、振動センサの代わりにリアクトル振動に起因して発生する音を検出するマイクを備えてもよい。その場合は、コントローラには、リアクトル振動に起因して発生する音（マイクが拾う音）とリアクトルの温度との関係を記したマップが予め記憶され、マイクのセンサデータとマップからリアクトルの温度を推定する。

なお、温度推定は、高精度でなくともよい。リアクトルの温度が、概ね、所定の温度（過熱防止のための何らかの措置を講じる必要があると判定できる温度）を超えたか否かが判別できる程度でよい。

本明細書が開示する技術は、振動（又は音）を介してリアクトルの温度を推定するという全く新規な発想に基づく。

実施例のハイブリッド車の模式的システム図である。 電圧コントローラの模式的分解斜視図である。 電圧変換回路の一例である。 リアクトルの振動と温度の関係の一例を示すグラフである。 リアクトルの音と温度の関係の一例を示すグラフである。

図１に、実施例に係る電気自動車の模式的システム図を示す。なお、図１のシステム図は、本発明に関係する要素のみ示しており、車両が備える全ての要素を示してはいないことに留意されたい。本実施例の電気自動車は、走行駆動用のモータとエンジンを共に備えるハイブリッド車１００である。エンジンＥＧとモータＭＧは、それらの出力を分配／融合する動力分配器（不図示）とともにドライブトレイン４を構成し、フロントコンパートメント内に搭載されている。構造の詳しい説明は省略するが、動力分配器は、３本の入出力軸を有し、夫々がエンジンＥＧの出力軸、モータＭＧの出力軸、及び、車軸に繋がっており、それらの間の動力伝達経路／動力分配率を変更することができる。この動力分配器を適宜に制御することによって、ハイブリッド車１００は、エンジンＥＧのみで走行すること、モータＭＧのみで走行すること、及び、エンジンＥＧとモータＭＧの出力の合力により走行することができる。また、ハイブリッド車１００は、制動時に運動エネルギを利用してモータＭＧを出力側から駆動し、これによって発電し、バッテリＢＴを充電することもできる。

ドライブトレイン４の上にはパワーコントローラ１０が搭載されている。パワーコントローラ１０は、バッテリＢＴの電圧をモータ駆動に適した電圧に昇圧する電圧コンバータ（ＤＣＤＣコンバータ）と、直流電力を交流電力に変換するインバータの機能を有する。パワーコントローラ１０が出力するモータへの供給電力の大きさ、及び出力交流電流の周波数は、上位のコントローラであるＨＶコントローラ８から指令される。ＨＶコントローラ８は、パワーコントローラ１０のほか、ドライブトレイン４内の動力分配器とエンジンＥＧを総合的に制御する。ＨＶコントローラ８は、バッテリの残量、アクセル開度、車速、その他の車両状態から、パワーコントローラ１０の出力（即ちモータへの指令）、エンジンＥＧへの燃料噴射量、及び、動力分配器の状態（動力分配比率）を決定し、夫々に指令を出す。

パワーコントローラ１０には振動センサ２が据え付けられている。振動センサ２は、パワーコントローラ１０の筐体の振動を検出する。その振動、即ち、振動センサ２が検出する振動には、リアクトル（後述）の振動成分が含まれている。振動センサ２のセンサデータはＨＶコントローラ８へ送られる。ＨＶコントローラ８は、振動センサ２のセンサデータに基づいてパワーコントローラ１０内のリアクトル（後述）の温度を推定し、推定温度が所定の閾値温度を超えた場合、パワーコントローラ１０の出力を制限する。

図２にパワーコントローラ１０の模式的分解斜視図を示す。図２では、筐体１２のカバーは図示を省略してある。パワーコントローラ１０は、その筐体１２内に、制御回路基板１３、平滑化コンデンサ１４、リアクトル１５、及び、パワー素子モジュール１６を収納している。パワーコントローラ１０は機能的には電圧コンバータとインバータの機能を有する。電圧コンバータとインバータはいずれもＩＧＢＴとダイオード（還流ダイオード）からなるスイッチング回路が多数必要であり、それらのスイッチング回路は、複数のパワー素子カード１７に分散して内蔵されている。スイッチング回路以外の回路は制御回路基板１３上に実装されている。パワー素子モジュール１６は、複数のパワー素子カード１７と複数のヒートシンク１８が交互に積層した構造を有している。夫々のパワー素子カード１７内のパワー素子（ＩＧＢＴやダイオード）の電極は、パワー素子モジュール１６の上部に配したバスバー１９に接続されている。バスバー１９は、スイッチング回路以外の制御回路を搭載した制御回路基板１３と接続される。パワー素子モジュール１６に隣接してリアクトル１５が配置され、パワー素子モジュール１６とリアクトル１５に隣接して平滑化コンデンサ１４が配置される。リアクトル１５は、鉄心１５ｂに電線をコイル状に巻いたものである。図２では、２個のコイル１５ａが描かれているが、それらは１本のケーブルで構成されており、また、いずれのコイルも１本の鉄心１５ｂに巻かれているので、機能的には一つのコイルを形成する。リアクトル１５も平滑化コンデンサ１４もいずれも電気的には制御回路基板１３と接続している。

リアクトル１５は、バッテリＢＴの出力電圧をモータ駆動に適した電圧に変換するための電圧コンバータの回路の一部である。なお、電圧コンバータの出力はインバータに入力されるが、電圧コンバータとインバータの間には平滑化コンデンサ１４が挿入されており、電圧コンバータの出力の脈動を抑制する。図３に、パワーコントローラ１０の回路図の一例を示す。上述したように、パワーコントローラ１０は、機能的には電圧コンバータ２０とインバータ２９を有する。電圧コンバータ２０は、２個のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２が直列に接続されており、その中間点と電圧コンバータの入力端子２０ａとの間にリアクトル１５が接続された回路構成を有している。夫々のトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２には、ダイオードＤ１、Ｄ２が逆向きに並列に接続されている。図３の電圧コンバータ２０の回路構成は、昇降圧チョッパ回路として良く知られている構造であり、詳しい説明は省略するが、トランジスタＴｒ１あるいはＴｒ２のスイッチング動作に伴いリアクトル１５には断続的に電流が流れ、そのために電磁場が周期的に変動し、振動を生じる。図２に示すように、リアクトル１５は、パワーコントローラ１０の筐体１２の容量の１／４以上を占める。大電流を扱うリアクトル１５は比較的にサイズが大きく、リアクトル１５の振動は、筐体１２を介して振動センサ２に良く伝わる。

電圧コンバータ２０の出力端子２０ｂにはインバータ２９が接続されている。インバータ２９は、電圧コンバータ２０が出力した直流電力を交流電力に変換してモータＭＧへ出力する。電圧コンバータ２０とインバータ２９の間には（電圧コンバータ２０の２個の出力端子２０ｂの間には）、前述した平滑化コンデンサ１４が接続されている。

図１に示したように、パワーコントローラ１０の筐体には振動センサ２が備えられており、そのセンサデータはＨＶコントローラ８に送られる。ＨＶコントローラ８には、図４に示すマップ（グラフ）が記憶されている。図４のマップは、振動センサのセンサデータ（横軸）とリアクトル温度（縦軸）との関係を表すグラフである。前述したように、リアクトル１５は、断続的に流れる電流によって振動する。振動センサ２がその振動を検知し、ＨＶコントローラ８へ送る。図４のマップが示すように、リアクトル１５の温度は振動の大きさに依存する。図４のマップは、予め実験等により定められる。例えば、図４のマップによれば、振動の大きさがＶ１［ｄＢ］のとき、リアクトル１５の温度はＴ１［℃］であると推定される。なお、図４のグラフはリアクトルの振動（振動センサのセンサデータ）とリアクトルの温度との間に一意の関係があることを模式的に示しているだけであり、厳密な関係を示しているのではないことに留意されたい。

ＨＶコントローラ８は、センサデータからリアクトル１５の温度を推定し、推定温度が所定の閾値温度Ｔ１を超えたら、パワーコントローラ１０の出力上限を下げる。パワーコントローラ１０の出力上限を下げることで、リアクトル１５に流れる電流が抑制され、リアクトルの発熱が抑えられる。

振動は構造を伝って音（ノイズ）を誘発するから、振動センサの代わりにマイクを用いてもよい。マイクが検知する音の大きさ（音レベル）とリアクトル１５の温度との関係の一例（模式的な例）を図５に示す。例えば、音のレベルがＮ１［ｄＢ］のとき、リアクトル１５の温度はＴ１［℃］であると推定される。振動センサの代わりにマイクを採用する場合、ＨＶコントローラ８には図５に示すグラフ（マップ）が予め記憶されており、ＨＶコントローラ８はマイクが検知した音のデータ（センサデータ）と図５のマップからリアクトル１５の温度を推定する。なお、図５のグラフも音レベルとリアクトルの温度との間に一意の関係があることを模式的に示しているだけであり、厳密な関係を示しているのではないことに留意されたい。

実施例の技術に関する留意点を述べる。振動レベルや音のレベルは、例えば、ＪＩＳ規格に準拠して計測される。リアクトルの温度に依存するリアクトルの振動は、計測場所によっても異なる。そこで、リアクトル温度とリアクトルの振動の大きさの関係は、予め実験により計測し、マップを完成させておく。振動に代えて音のレベルを採用する場合も同様である。

リアクトルの振動周波数と温度にも一意の関係が見出せる場合、振動の大きさと温度との関係を表すマップに代えて、振動の周波数と温度との関係を表すマップを用いることも好適である。

また、振動センサは、リアクトルの振動以外の振動（例えば路面を走行することにより車両が受ける振動など）も計測してしまう。そこで、予め計測されたリアクトル振動の帯域を通すバンドパスフィルタを用いることも好適である。振動センサに代えてマイクを用いる場合も同様であり、予め計測されたリアクトル振動に起因する音の帯域を通すバンドパスフィルタを用いることも好適である。

振動センサやマイクの設置場所は、ドライブトレイン４の上でなくともよい。例えば、車室内に騒音計測用のマイクを備える場合、そのマイクを使ってリアクトル振動に起因する音を計測してもよい。前述したバンドパスフィルタを用いることによって、車室内の騒音からリアクトル振動に起因する音の成分を分離することができる。

実施例ではハイブリッド車を例として説明したが、本明細書が開示する技術は、エンジンを有さない電気自動車（ピュア電気自動車）に適用することもできる。

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：振動センサ
４：ドライブトレイン
８：ＨＶコントローラ
１０：パワーコントローラ
１２：筐体
１３：制御回路基板
１４：平滑化コンデンサ
１５：リアクトル
１６：パワー素子モジュール
１７：パワー素子カード
１８：ヒートシンク
１９：バスバー
２０：電圧コンバータ
２９：インバータ
１００：ハイブリッド車
ＢＴ：バッテリ
Ｄ１、Ｄ２：ダイオード
ＥＧ：エンジン
ＭＧ：モータ
Ｔｒ１、Ｔｒ２：トランジスタ

Claims (1)

1. 走行用のモータと、
   モータへ供給する電力を蓄えるためのバッテリと、
   リアクトルを有しており、バッテリの出力電圧をモータ駆動に適した電圧に変換する電圧コンバータと、
   リアクトルの振動を検出する振動センサ、又は、リアクトル振動に起因して発生する音を検出するマイクと、
   リアクトルの振動、又は、リアクトル振動に起因して発生する音とリアクトルの温度との関係を記したマップを記憶しているとともに、振動センサ又はマイクのセンサデータとマップからリアクトルの温度を推定するコントローラと、
   を備えることを特徴とする電気自動車。

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