JP2013063020A - 車載用回転電機の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧変換装置の短絡といった故障モードにおいても、直流電源のバッテリ等の過電流を防止することができ、バッテリの損傷を回避できる車載用回転電機の駆動装置を提供することを目的としている。
【解決手段】駆動装置１は、インバータ４を介してモータ５を駆動制御する回転電機の駆動装置であって、充放電可能なバッテリ２と、バッテリ２の電圧を変換してインバータ４に電力供給する昇圧コンバータ３と、昇圧コンバータ３を迂回するバイパス回路１０と、バッテリ２からの電力を昇圧コンバータ３とバイパス回路１０とを切り替える切替スイッチ９ａおよび９ｂと、切替スイッチ９ａ、９ｂを操作する制御回路７と、バッテリ２から昇圧コンバータ３への電力供給を制御する制御装置８と、を備えている。昇圧コンバータ３の短絡時に昇圧コンバータ３への電力供給を遮断し、バッテリ２の損傷を回避することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、車両に搭載される回転電機（モータ）を駆動する車載用回転電機の駆動装置に関するものである。

モータを駆動するインバータと、電力を供給するバッテリと、バッテリとインバータの間にあってバッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧コンバータとを備える車載用の駆動装置およびその制御方法については従来から数多く提案されている。

しかしながら、昇圧コンバータの電圧センサ等の故障により、バッテリからの電力を昇圧コンバータで昇圧せずにインバータに供給してモータを駆動させる動作において、昇圧コンバータとインバータを結ぶ電力ラインに過大な電圧が印加されるとバッテリが損傷することがある。したがって、昇圧コンバータの動作状態により過大な電圧が印加されることがあるインバータやバッテリを保護する必要がある。

この対策として、例えば、特許文献１に示される電源装置およびその制御方法並びに車両では、走行用のモータを駆動するインバータと、バッテリと、直列接続された二つのスイッチング素子とスイッチング素子の間に接続されたインダクタンスと、バッテリからの電圧を昇圧してインバータに供給する昇圧コンバータとにより構成され、昇圧コンバータ故障時には、昇圧コンバータのスイッチング素子のうちインバータの正極側とバッテリの正極側に接続されたスイッチング素子をオン固定にすると共に、バッテリの正極側と負極側に接続されたスイッチング素子をオフ固定にしてバッテリとインバータが直結されるが、昇圧前電圧がバッテリの許容電圧を超えたときには、昇圧コンバータ、インバータをゲート遮断する。これにより、バッテリに過大な電圧が印加されるのを抑制している。

特開２００８−２８９２５８号公報

しかしながら、特許文献１に示される電源装置およびその制御方法においては、昇圧コンバータの短絡といった故障モードへの対策が考慮されておらず、走行中に何らかの原因で昇圧コンバータが短絡した場合、バッテリから過大な電流が流れ、これが原因でバッテリに損傷を与える可能性があるという問題があった。

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、電圧変換装置である昇圧コンバータの短絡といった故障モードにおいても、直流電源のバッテリ等の過電流を防止することができ、バッテリの損傷を回避できる車載用回転電機の駆動装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の車載用回転電機の駆動装置は、充放電可能な直流電源と、回転電機を駆動するインバータと、前記直流電源の電圧を変換して前記インバータに電力供給する電圧変換装置と、前記直流電源から前記電圧変換装置への電力供給を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記電圧変換装置を迂回するバイパス回路と、前記直流電源を前記バイパス回路又は前記電圧変換装置を通して前記インバータに電
力供給を行う切替装置と、を備えたものである。

本発明によれば、電圧変換装置が短絡した場合には、制御装置により直流電源から電圧変換装置への電力供給を遮断することにより、直流電源に過電流が流れることを阻止し、直流電源の損傷を回避することができるといった顕著な効果を奏するものである。

実施の形態１における車載用回転電機の駆動装置の概略全体構成を示す図である。 実施の形態２における車載用回転電機の駆動装置の概略全体構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態に係る車載用回転電機の駆動装置について図１〜図２に基づいて説明する。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１における車載用回転電機の駆動装置の概略全体構成を示す図である。

図１において、駆動装置１は、電力を供給する直流電源であるバッテリ２と、バッテリ２の電圧を昇圧する電圧変換装置である昇圧コンバータ３と、昇圧コンバータ３から供給される直流電流を三相交流電流に変換するインバータ４と、インバータ４の交流電流により駆動される回転電機である交流同期モータ（以下モータと称する）５と、昇圧コンバータ３の入力部３ａでの電圧を測定する電圧センサＶ１とバッテリ２と昇圧コンバータ３との回路の開閉を行う開閉装置である開閉スイッチ６と電圧センサＶ１からの電圧情報に基づき開閉スイッチ６を操作する制御回路７とを備え昇圧コンバータ３への電力供給を制御する制御装置８と、で構成されている。

次に、実施の形態１における車載用回転電機の駆動装置の動作について、図１を参照して説明する。なお、本発明の主体は駆動装置にあるので、車両の動作の説明は省略する。

まず、モータ５の通常駆動時の動作について説明する。バッテリ２から開閉スイッチ６を介して、昇圧コンバータ３に電力が供給され、昇圧コンバータ３にて所定の電圧に昇圧される。昇圧された電力は、インバータ４に供給され、直流から三相交流に変換されて、モータ５を駆動させる。昇圧コンバータ３にてバッテリ２の電圧を必要に応じて昇圧することで、モータ５の効率を向上させるとともに出力を増大させることができる。

また、モータ５の回生時には、モータ５により発電された電力は、インバータ４により三相交流から直流に変換され、昇圧コンバータ３にて電圧が降圧されて、開閉スイッチ６を介して、バッテリ２に充電される。この際、インバータ４から出力される電圧がバッテリ２の電圧を超えることがあるが、昇圧コンバータ３によりバッテリ２を充電するのに適した電圧に降圧調整される。

続いて、昇圧コンバータ３に異常が発生したした場合の動作について説明する。昇圧コンバータ３の入力部３ａの電圧は電圧センサＶ１により監視され、測定された電圧が接地電位と等しい場合には、制御回路７にて昇圧コンバータ３の入力部３aが短絡しているものと判定され、制御回路７から開閉スイッチ６を開にするよう指示が出され、昇圧コンバータ３への電力供給が遮断される。これにより、昇圧コンバータ３の入力部３ａが短絡し
た場合にバッテリ２に過電流が流れることを阻止し、バッテリ２の損傷を回避する。

このように、実施の形態１における車載用回転電機の駆動装置では、昇圧コンバータのバッテリ側に、電力供給を遮断する開閉装置を有する制御装置を設置することにより、昇圧コンバータの入力部が短絡した場合に、バッテリが短絡状態になることを回避し、過電流によるバッテリの損傷を回避することができるという顕著な効果がある。

なお、実施の形態１で使用される開閉装置としては、図１で示すリレータイプの開閉スイッチ６を利用する場合について説明したが、半導体スイッチなどの他のタイプものであっても構わない。また、バッテリのメンテナンス用などの目的に予めバッテリ内に装着されたブレーカを利用してもよい。また、このブレーカと併用しても構わない。

実施の形態２．
図２は、実施の形態２における車載用回転電機の駆動装置の概略全体構成を示す図である。
図２に示すように、実施の形態２における駆動装置１は、昇圧コンバータ３を迂回するバイパス回路１０と、バッテリ２からの電力を昇圧コンバータ３とバイパス回路１０とを切り替える切替スイッチ９ａおよび９ｂと、昇圧コンバータ３の入力部３ａの電圧を測定する電圧センサＶ１と、昇圧コンバータ３の出力部３ｂの電圧を測定する電圧センサＶ２と、インバータ４の入力部４ａの電圧を測定する電圧センサＶ４と、バッテリ２の出力部２ｂの電圧を測定する電圧センサＶ３と、電圧センサＶ１から電圧センサＶ４の電圧情報に基づき切替スイッチ９ａ、９ｂを操作する制御回路７とを備え、昇圧コンバータ３への電力供給を制御する制御装置８と、バッテリ２の出力側に接続されている補機用電源１１と補機１２で構成されている点を除き、電力を供給する直流電源であるバッテリ２と、バッテリ２の電圧を昇圧する電圧変換装置である昇圧コンバータ３と、昇圧コンバータ３から供給される直流電流を三相交流電流に変換するインバータ４と、インバータ４の交流電流により駆動されるモータ５については、実施の形態１と同様である。

次に、実施の形態２の車載用回転電機の駆動装置の動作について、図２を用いて説明する。
まず、モータ５の通常駆動時の動作について説明する。バッテリ２から切替スイッチ９ａを介して、昇圧コンバータ３に電力が供給され、昇圧コンバータ３にて所定の電圧に昇圧される。昇圧された電力は、切替スイッチ９ｂを介して、インバータ４に供給され、直流から三相交流に変換されて、モータ５を駆動させる。実施の形態１と同様、昇圧コンバータ３にてバッテリ２の電圧を必要に応じて昇圧することで、モータ５の効率を向上させるとともに出力を増大させることができる。また、モータ５の回生時には、モータ５により発電された電力は、インバータ４により三相交流から直流に変換され、切替スイッチ９ｂを介して、昇圧コンバータ３にて電圧が降圧されて、切替スイッチ９ａを介して、バッテリ２に充電される。この際、インバータ４から出力される電圧がバッテリ２の電圧を超えることがあるが、昇圧コンバータ３によりバッテリ２を充電するのに適した電圧に降圧調整される。

続いて、昇圧コンバータ３に異常が発生したした場合の動作について説明する。昇圧コンバータ３の入力部３ａの電圧は電圧センサＶ１により監視され、測定された電圧が接地電位と等しい場合には、制御回路７にて昇圧コンバータ３の入力部３ａが短絡しているものと判定される。また、昇圧コンバータ３の出力部３ｂの電圧は電圧センサＶ２により監視され、測定された電圧が接地電位と等しい場合には、制御回路７にて昇圧コンバータ３の出力部３ｂが短絡しているものと判定される。これらいずれかの短絡により昇圧コンバータ３に不具合が発生した場合には、制御回路７から切替スイッチ９ａ、９ｂをバイパス回路１０側に切り替えるよう指示が出され、昇圧コンバータ３への電力供給が遮断される
。これにより、昇圧コンバータ３の入力部３ａが短絡した場合にバッテリ２に過電流が流れることを阻止し、バッテリ２の損傷を回避するとともに、切替スイッチ９ａ、９ｂの切り替えによりバイパス回路１０を経由してインバータ４への電力供給が継続され、モータ５の駆動が可能になる。これにより、昇圧コンバータ３の短絡した場合においても、バイパス回路１０を経由してインバータ４に電力供給を続けることができ、車両の走行を継続することができる。

昇圧コンバータ３の短絡時に、バイパス回路１０を経由して直接、インバータ４にバッテリ２の電力を供給してモータ５を駆動する場合には、バッテリ２の出力電圧を昇圧することができないためモータ５の効率が低下する。そこで、この対策として、モータ５の回転速度及びトルクの両方もしくは一方に上限値を設けることによりモータの効率の低下を抑えることが可能となる。これは、モータ固有の回転数とトルク特性の関係から、必要な出力トルクを得るためには回転数を上限値以下で動作させる必要があり、また、逆に必要な回転数を得るためには出力トルクを上限値以内で動作させる必要がある。上限値の制御方法については、上限値を超える値がインバータ４、モータ５に入力された場合にインバータ４の制御装置８が上限値でクリップすることにより行う。

また、バッテリ２の出力電圧を昇圧することができないためモータ５の出力の低下を抑える対策として、インバータ４の変調率を変化させ、インバータ４からの出力電圧の基本波成分を増大させることによりモータ５の出力の低下を最小限に抑えることが可能である。これは、モータの出力に寄与する電圧成分は基本波成分により決まることによる。この基本波成分を大きくするには、インバータ４の変調率を変化させ、電圧の基本波成分を増大させて、モータ５の出力を向上させることができる。ここで、変調率とはインバータの電源電圧に対する出力電圧波形の基本波成分の割合を表す。一般的に用いられるＰＷＭ（パルス幅変調）で最大の基本波成分を発生させることができる電圧波形で、変調率は０．７８（理論値）である。この基本波成分を大きくするには、インバータ４の出力電圧波形を歪ませ、電圧の基本波成分を増大させて、モータ５の出力を向上させることができる。ここで、変調率とはインバータの電源電圧に対する出力電圧波形の基本波成分の割合を表す。一般的に用いられるＰＷＭ（パルス幅変調）で最大の基本波成分を発生させることができる電圧波形で、変調率は０．７８（理論値）である。

また、昇圧コンバータ３が故障した場合において、補機用電源１１が昇圧コンバータ３の出力側ではなく、バッテリ２の出力側に接続されているため、補機１２への電源供給が問題なく行うことができる。

昇圧コンバータ３の短絡時に、バイパス回路１０を経由してモータ５の回生電力によるバッテリ２への充電を行う場合、回生量が大きい場合の対策として、インバータ４の変調率を変化させ、インバータ４から出力される直流電圧を低下させることによりバッテリ２に過大な電圧が印加されるのを防ぎ、バッテリ２が損傷を受けることを回避するとともに充電することが可能になる。

また、昇圧コンバータ３の短絡時に、バイパス回路１０を経由してモータ５の回生電力によるバッテリ２への充電を行う場合、回生量が大きい場合にはインバータ４から出力される電圧がバッテリ２に許容される電圧を超える可能性がある。そこで、この対策として、車両に備えられた機械式ブレーキ（図示せず）を使用し、その割合を増加させることで、回生量を抑制し、過大な電圧がバッテリ２に印加されるのを防ぎ、バッテリ２が損傷を受けることを回避するとともに充電することが可能になる。

このように、実施の形態２における車載用回転電機の駆動装置では、昇圧コンバータを迂回するバイパス回路と、昇圧コンバータの前後にバイパス回路に切り替える切替スイッ
チを有する制御装置を設置することにより、昇圧コンバータの入力部および出力部が短絡した場合に、バッテリが短絡状態になることを回避し、過電流によるバッテリの損傷を回避することができるという顕著な効果がある。さらに、昇圧コンバータが短絡した場合に、バイパス回路を経由してインバータへの電力の供給を継続することができ、安全な位置まで車両を走行させることができるという顕著な効果がある。

なお、実施の形態２では、図２に示すように切替スイッチ９ａおよび９ｂは、それぞれ１つの三端子型のリレーを使用する場合について説明したが、２つの二端子型リレーで構成してもよい。また、切替スイッチはリレータイプではなく、半導体スイッチなどを用いてもよく、これに限定されるものではない。また、２つの切替スイッチ９ａ、９ｂを組み合わせて構成する場合について説明したが、切替スイッチ９ａあるいは９ｂのいずれかを単独で搭載し、昇圧コンバータ３の入力短絡もしくは出力短絡のみに対応する構成とすることも可能である。

なお、本発明で使用される直流電源としては、リチウムイオン電池の他、ニッケル水素電池などのバッテリもしくはキャパシタ等充電可能なものであれば種類は構わない。また、車載用回転電機の駆動装置としては、車載用のモータを駆動する場合について説明したが、車載用に限らず直流電源にて駆動するモータであれば適用することが可能である。

また、本発明は上記実施の形態のみに限られるものではなく、これらの可能な組み合わせを含むことは云うまでもない。

また、図において、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１ 駆動装置、２ バッテリ、３ 昇圧コンバータ、４ インバータ、
５ モータ、６ 開閉スイッチ、７ 制御回路、８ 制御装置、
９ａ，９ｂ 切替スイッチ、１０ バイパス回路、１１ 補機用電源

Claims (6)

1. 充放電可能な直流電源と、
   回転電機を駆動するインバータと、
   前記直流電源の電圧を変換して前記インバータに電力供給する電圧変換装置と、
   前記直流電源から前記電圧変換装置への電力供給を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記電圧変換装置を迂回するバイパス回路と、前記直流電源を前記バイパス回路又は前記電圧変換装置を通して前記インバータに電力供給を行う切替装置と、を備えたことを特徴とする車載用回転電機の駆動装置。
2. 前記直流電源から前記バイパス回路を経由して、前記インバータに電力供給を行う場合に、前記インバータの変調率を制御し、前記インバータから前記回転電機に入力される電圧の基本波成分を増大させることを特徴とする請求項１に記載の車載用回転電機の駆動装置。
3. 前記直流電源から前記バイパス回路を経由して、前記インバータに電力供給を行う場合に、前記回転電機の回転速度及びトルクの両方もしくはいずれか一方に上限値を設け、前記インバータにより、前記上限値内で前記回転電機を動作させることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の車載用回転電機の駆動装置。
4. 前記回転電機の回生時に前記バイパス回路を経由して、前記直流電源に電力供給を行う場合に、前記インバータの変調率を制御し、前記インバータから出力される直流電圧を低下させて前記直流電源を充電することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の車載用回転電機の駆動装置。
5. 機械式ブレーキを備え、前記回転電機の回生時に前記バイパス回路を経由して、前記直流電源に電力供給を行う場合に、前記機械式ブレーキの割合を制御し、前記インバータから出力される直流電圧を制御して前記直流電源を充電することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の車載用回転電機の駆動装置。
6. 補機用電源を備え、前記補機用電源が前記直流電源の出力側に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の車載用回転電機の駆動装置。
   

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