JP2013240239A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車において、走行中でも電流センサの補正値を取得することができる技術を提供する。
【解決手段】電気自動車は、モータとインバータと電流センサとコントローラを備える。インバータは、バッテリの直流電力をモータ駆動に適した交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換の機能と、モータが発生した交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換の機能を兼ね備える。電流センサは、インバータとモータの間を流れる電流を計測する。コントローラは、制動時、インバータにＡＣ／ＤＣ変換させてモータが発電した電力でバッテリを充電する第１制動モードと、インバータを停止するとともにメカニカルブレーキを動作させておき、電流センサが計測した値を電流センサの補正値として取得する第２制動モードのいずれかを実行する。
【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、電気自動車に関する。特に、本明細書は、インバータの出力電流を計測する電流センサの補正値（オフセット値）を取得する技術に関する。本明細書における電気自動車には、モータとエンジンの双方を備えるいわゆるハイブリッド車や燃料電池車が含まれる。

電気自動車手は、バッテリの直流電力をモータの駆動に適した交流に変換するインバータを備える。インバータの出力は、車速やアクセル開度に応じて調整される。一般には、電気自動車のモータ制御には、車速やアクセル開度からモータの目標出力を算出し、モータの実際の出力が目標出力に一致するようにフィードバック制御が組み込まれる。モータの出力はインバータの出力電流で定まるため、このフィードバック制御には、インバータの出力電流がフィードバック量に用いられる。それゆえ、電気自動車はインバータの出力電流を計測する電流センサを搭載している。

一般に、電流センサには、計測対象のケーブルに電流が流れていないにもかかわらずに計測値がゼロにならない、いわゆるオフセット値が存在する。そのオフセット値を相殺するために、オフセット値を推定し、電流センサの計測値からその推定値を差し引くことで正確な計測値を得ることが行われる。オフセット値を相殺するための値は補正値と呼ばれる。あるいは、「オフセット値」が、補正値と同義で用いられることがある。

補正値を取得する技術が例えば特許文献１や２に開示されている。特許文献１の技術では、イグニッションスイッチがＯＮからＯＦＦに切り換わった場合、あるいはＯＦＦからＯＮに切り換わったときであって、モータが回転していないときに電流センサの計測値を取得し、その取得値に基づいて電流センサの補正値（いわゆるオフセット）を得る。特許文献２の技術では、電流センサ自体を計測対象のケーブルから物理的に切り離しておいてセンサの出力を取得し、電流センサの補正値を得る。

特開２００５−０２０８７７号公報 特開２００８−０７２８７５号公報

特許文献１の技術は車両が停止しているときに限られる。長時間走行していると電流センサの温度が変化し、温度変化に伴ってオフセット値も変化することが予想される。そこで、電流センサの補正値は車両が走行中であっても取得できることが好ましい。特許文献２の技術は、走行中でも補正値を取得することができるが、電流センサをケーブルから物理的に切り離すスイッチを備える必要がありコストが嵩む。本明細書は、特許文献２におけるスイッチなど特別のデバイスを追加することなく、走行中でも電流センサの補正値を取得することができる技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、インバータがモータに電流を供給しない減速時に着目する。ただし、多くの電気自動車では、減速エネルギを利用してモータで発電し、バッテリを充電する。減速エネルギで発電した電力は一般に回生電力と呼ばれている。回生電力を発生している間はインバータの交流出力側に電流が流れるため補正値を求めることはできない。そこで、本明細書が開示する電気自動車では、回生電力を発生する制動モード（後述する第１制動モード）に加え、インバータを停止し、代わりにメカニカルブレーキを動作させる第２制動モードを備える。第２制動モードではインバータに電流が流れないので、このときの電流センサの値（センサ出力）をオフセット値（補正値）として取得する。この技術は、特別なデバイスを追加することなく、走行中に電流センサの補正値を取得することができる。

本明細書が開示する電気自動車は、インバータと電流センサとコントローラを備える。インバータは、バッテリの直流電力をモータ駆動に適した交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換の機能と、モータが発生した交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換の機能を兼ね備えている。電流センサは、モータのフィードバック制御に用いる電流を計測するために備えられており、インバータとモータの間を流れる電流を計測する。コントローラは、インバータを制御する。コントローラは、制動時に、次の第１制動モードと第２制動モードのいずれかを選択して車両の制動を実施する。第１制動モードは、インバータにＡＣ／ＤＣ変換させてモータが発電した電力でバッテリを充電する。第２制動モードは、インバータを停止するとともにメカニカルブレーキを動作させておき、電流センサが計測した値を電流センサの補正値として取得する。第１制動モードの場合、回生だけでは所望の減速トルクが得られない場合、メカニカルブレーキを併用してもよい。また、本明細書が開示する技術は、上記した第１制動モードと第２制動モードのほかに別の制動モードを有することを妨げない。

上記における制動時とは、具体的にはアクセル開度がゼロの場合、あるいは、ブレーキペダルが踏まれたときでよい。アクセル開度がゼロの場合、電気自動車は通常のエンジン車のエンジンブレーキに相当する減速を実現する。その減速の際に、状況に応じて第１制動モードと第２制動モードのいずれかを実施する。

コントローラは、アクセル開度がゼロあるいはブレーキペダルが踏まれたときに必要に応じて電流センサの出力を補正値として取得すればよい。なお、コントローラは、アクセル開度がゼロの場合だけ、あるいは、ブレーキペダルが踏まれている間だけ、電流センサの補正値を取得するようにプログラムされていてもよい。

コントローラは、電流センサの補正値を取得する処理を、典型的には、電流センサの温度が予め定められた温度差分閾値以上変化した場合に実行するのがよい。だたし、温度差分閾値以上変化した場合に必ず補正値を取得する処理を実行する必要はない。例えば目標減速度が大きい場合は、モータの発電量も大きくなり、インバータを停止してもインバータを超えて電流が流れる可能性がある。即ち、インバータの出力ケーブルに電流が流れる可能性がある。そのような可能性がある場合には、補正値取得処理をキャンセルするのがよい。本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態にて説明する。

ハイブリッド車の駆動系のブロック図を示す。 制動モード選択処理のフローチャート図を示す。 制動制御のフローチャート図を示す。

図面を参照して実施例の電気自動車を説明する。実施例の電気自動車は、走行用のモータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車である。図１に、ハイブリッド車２の駆動系の概略ブロック図を示す。図１は、本明細書が開示する技術の特徴を説明するのに必要な部品だけを示しており、ハイブリッド車（電気自動車）が本来備える部品のいくつかは図示を省略していることに留意されたい。なお、ハイブリッド車は、機能に応じて複数のコントローラを備えており、コントローラ同士が連携して動作する。しかし、以下では説明を簡単にするため、ハイブリッド車２は、一つのコントローラ（コントローラ６）が全て制御を行うものとする。

ハイブリッド車２は、走行用のモータ２１とエンジン２２を備える。モータ２１とエンジン２２の出力は動力分配機構２３で適宜に合成／分配され、デフ２４を介して車軸２５に伝達される。目標出力が小さい場合には、動力分配機構２３はエンジン２２の出力の一部をモータ２１へ伝達する。即ち、エンジン２２でモータ２１を駆動し発電する。発電電力はインバータ５を通じて直流電力に変換され、さらに昇降圧コンバータ４によってバッテリ３の充電に適した電圧まで降圧される。こうして、ハイブリッド車２は、エンジン２２の駆動力でバッテリ３を充電することができる。あるいは、ハイブリッド車２は、ブレーキペダルが踏まれた場合に、減速エネルギをモータ２１で受け、発電する場合もある。車両の運動エネルギの一部がモータ２１によって電気エネルギに変換され、その分車速が低下する。即ちハイブリッド車２に制動が加わる。減速エネルギによる発電電力は一般に回生電力と呼ばれる。なお、ハイブリッド車２には、メカニカルブレーキ２７も備えられており、回生だけでは減速力が足りない場合、あるいは、後述するように回生を行なわない場合、メカニカルブレーキ２７によって必要な制動力を得る。

電力系について説明する。バッテリ３は、システムメインリレー１２を介して昇降圧コンバータ４に接続している。昇降圧コンバータ４は、バッテリ３の出力電圧をモータ駆動に適した電圧へ昇圧する昇圧機能と、インバータ５を通じて直流電力に変換された回生電力をバッテリ３の充電に最適な電圧に降圧する降圧機能の双方を備える。昇降圧コンバータ４で昇圧されたバッテリ電力（直流）はインバータ５で交流電力に変換されてモータ２１に供給される。昇降圧コンバータ４とインバータ５は良く知られているように多数のスイッチング素子（例えば、スイッチングトランジスタ５１と還流ダイオード５２）を備え、そのスイッチング素子はＰＷＭ信号で制御される。コントローラ６が、昇降圧コンバータ４とインバータ５へ指令するＰＷＭ信号を生成する。コントローラ６は、車速センサ１７、アクセル開度を計測するアクセルペダルセンサ３１などのセンサデータに基づいてモータ２１が出力すべき目標出力を算出する。そしてコントローラ６は、モータ２１の実際の出力が目標出力に一致するように昇降圧コンバータ４とインバータ５を制御する。また、コントローラ６は、ブレーキの踏み込み量を計測するブレーキペダルセンサ３２のセンサデータに基づいて必要な目標減速度を算出し、その目標減速度を達成するように、回生とメカニカルブレーキ２７を制御する。なお、回生を制御するとは、減速エネルギによってモータ２１が得た回転に応じてインバータ５と昇降圧コンバータ４を制御し、モータ２１に発生する誘導起電力を適宜に直流電力に変換することを意味する。

前述したように、コントローラ６は、車速センサ１７によって計測される車速やアクセルペダルセンサ３１によって計測されるアクセル開度に基づいてモータ２１が出力すべき目標出力を決定し、モータ２１の出力が目標出力に一致するように昇降圧コンバータ４とインバータ５へ与える夫々のＰＷＭ信号を決定する。なお、実際にはコントローラ６は、エンジン２２が出力すべき目標出力も決定し、その目標出力に応じてエンジンへの燃料噴射量を制御する。

モータ２１のフィードバック制御に必要なセンサとして、ハイブリッド車２は、インバータ５のＵＶＷ３相出力のうち２相（実施例ではＶ相とＷ相）の電流を計測する電流センサ１５と、モータ２１の回転数を計測する回転数センサ（不図示）を備える。２相を流れる電流と回転数から残りの相の電流を決定することができる。ハイブリッド車２は、他に、インバータ５への入力電圧を計測する電圧センサ１４、及び、電流センサ１５の温度を計測する温度センサ１６を備える。電流センサ１５は、インバータ５とモータ２１を繋ぐ交流側出力ケーブルに備えられている。コントローラ６は、それらセンサのデータを参照し、インバータ５などを制御するとともに、電流センサ１５が有するオフセット値を相殺するための補正値を取得する。

電流センサ１５のオフセット値と補正値を説明する。電流センサ１５には、非接触で電流を計測することができるホール素子などが用いられる。ただし、ホール素子などを使った電流センサ１５には、計測対象のケーブルに実際に電流が流れていなくともなんらかの値が出力されることがよくある。そのような出力値がオフセットと呼ばれる。オフセット値は計測誤差となるので、オフセット値を特定し、その値をセンサ出力から差し引くことによって正確な計測値が得られる。オフセット値を相殺する定数を補正値と称する。ケーブルに電流が流れていないことが確かである状況下におけるセンサ出力が補正値（オフセット値）として採用される。典型的には、イグニッションスイッチがＯＦＦからＯＮに切り換えられたときであって車速がゼロのときに電流センサ１５の出力値が補正値として保持される。保持された補正値は不揮発性メモリ３３に格納され、電流センサ１５の計測値に対して適用される。

電流センサ１５のオフセット値（補正値）は、温度によって変化する。そこで、ハイブリッド車２は、電流センサ１５の温度を計測する温度センサ１６を備え、その計測値Ｔｓが前回の計測値から大きく変化したときに、補正値の更新（取得）を行う。補正値の取得は、減速時に行われる。コントローラ６は、通常の制動時は、可能な限り回生を活用し、できるだけバッテリ３を充電する。他方、コントローラ６は、補正値を更新する場合は、インバータ５を停止し回生は行わず、メカニカルブレーキ２７だけで制動力を確保し、その間に補正値を取得する。前者の制動制御を第１制動モードと称し、後者の制動制御を第２制動モードと称する。

制動制御は、図２と図３に示したフローチャートの処理で構成される。図２は、制動モードを選択する処理のフローチャート図である。図２の処理は、制動中であるか否かに関わらずに、所定の周期毎に実行される。なお、コントローラ６は、走行に先立って、車両のイグニッションスイッチがＯＦＦからＯＮに切り換えられたときに、補正値の初期値として電流センサ１５のセンサデータを取得し、保持する。補正値は、コントローラ６内の不揮発性メモリ３３に格納される。また、このとき、コントローラ６は、電流センサ１５の温度も初期値として取得しておく。電流センサ１５の温度は温度センサ１６によって計測される。

図２のフローチャートに沿って、制動モードの選択処理を説明する。コントローラ６はまず、電流センサ１５の温度を取得する（Ｓ２）。次にコントローラ６は、電流センサ１５の温度の前回計測値と今回の計測値の差が閾値（温度差分閾値）よりも大きいか否かを判断する（Ｓ３）。なお、温度差分閾値は、予め決定されており、コントローラ６内の不揮発性メモリ３３に記憶されている。温度差分閾値の値は、例えば２０度である。温度差が閾値以内である場合（Ｓ３：ＮＯ）、コントローラ６は、第１制動モードを選択する（Ｓ５）。他方、温度差が閾値を超えている場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、コントローラ６は、第２制動モードを選択する（Ｓ４）。なお、ステップＳ４、Ｓ５の処理は、プログラム内でいわゆるフラグを立てる処理であり、実際の制動は、ブレーキペダルが踏まれている間に実行される。

図３が、ブレーキペダルが踏まれている間に実行される制動制御のフローチャート図である。即ち図３の処理は、ブレーキペダルが踏み込まれていることを検知すると起動される。制動制御では、コントローラ６はまず、ブレーキペダルの踏み込み量と車速から必要な制動トルクを決定する（Ｓ１２）。以降の処理は、制動モードによって分かれる（Ｓ１３）。第１制動モードの場合は、コントローラ６は、回生によりモータが発電した交流電力を直流に変換するようにインバータ５を駆動する（Ｓ２４）。回生では制動トルクが不足する場合は、コントローラ６は、不足分を補うようにメカニカルブレーキ２７を作動させる（Ｓ２５）。

他方、第２制動モードが選択されている場合は、コントローラ６は、車速から推定されるモータ２１の逆起電力を算出し（Ｓ１４）、推定される逆起電力がシステム電圧ＶＨよりも小さいか否かを判断する（Ｓ１５）。ここで、システム電圧ＶＨとは、インバータ５の直流側の電圧を意味する。図１の電圧センサ１４が、システム電圧ＶＨを計測する。

逆起電力がシステム電圧ＶＨよりも小さくなることが予想される場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、インバータ５を停止すれば逆起電力によってはインバータ５に電流が流れ込まないので、即ち、電流センサ１５の対象となるケーブルには電流が流れないので、コントローラ６は、補正値を取得する処理（ステップＳ１６〜Ｓ１９）を実行する。他方、逆起電力がシステム電圧ＶＨよりも大きくなることが予想される場合（Ｓ１５：ＮＯ）、図１のインバータ５の回路図から明らかなように、還流ダイオード５２を通じて電流がインバータ５の交流側（図１におけるインバータ５の右側）から直流側（図１におけるインバータ５の左側）へと電流が流れる。このときは補正値を取得することができないので、第２制動モードをキャンセルし、第１制動モードに切り換える（Ｓ１５：ＮＯ、Ｓ２４）。

逆起電力がシステム電圧ＶＨよりも小さいことが予想される場合（Ｓ１５：ＹＥＳ）、コントローラ６は、ステップＳ１２で決定した制動トルクの全てをメカニカルブレーキ２７で達成するようにメカニカルブレーキ２７を制御する（Ｓ１６）。次いでコントローラ６は、インバータ５を停止する（Ｓ１７）。インバータ５を停止すると、推定される逆起電力がシステム電圧ＶＨよりも小さいのでモータ２１からインバータ５へ電流が流れることがない。そこでコントローラ６は、このときの電流センサ１５の値（センサデータ）を新たな補正値として保持する（Ｓ１８）。また、コントローラ６は、このときの電流センサの温度も取得し、保持しておく（Ｓ１９）。このときの電流センサの温度は、次回に図２の処理が実行される場合のステップＳ３における「前回の温度」として利用される。

取得した補正値は、モータ２１のフィードバック制御時、電流センサ１５のセンサデータからオフセット値を相殺するために用いられる。具体的にはコントローラ６は、電流センサ１５のセンサデータから補正値を差し引いた後にフィードバック制御に用いる。そうすることで、電流センサ１５の計測値に含まれるオフセット値を相殺することができ、正確な電流フィードバック制御を達成することができる。

実施例のハイブリッド車２の利点を説明する。実施例のハイブリッド車２は、電流センサ１５の温度が前回の測定値から温度差分閾値以上変化した場合、制動時にインバータ５を停止してインバータ／モータ間に電流が流れないようにして電流センサ１５のオフセット値（補正値）を取得する。上記の処理は、走行しながら行うことができる。また、上記の処理は、ハイブリッド車（電気自動車）が本来備えているデバイスだけで実現できる。

図３のフローチャートの処理の改良を説明する。ステップＳ１５の処理は、逆起電力がシステム電圧ＶＨよりも大きいとインバータ５の交流側から直流側へ電流が流れてしまうので、推定される逆起電力がシステム電圧ＶＨよりも小さい場合に補正値を取得する処理を実行するために用意されている。そこで、コントローラ６は、第２制動モードを実行する際、昇降圧コンバータ４を駆動し、システム電圧ＶＨを高めておくことも好適である。具体的には第２制動モードを実行する際、コントローラ６は、システム電圧ＶＨ（インバータの直流側電圧）を、バッテリの電力によってモータを駆動する場合よりも高い電圧に変更する。そうすることで、推定値を取得することができる逆起電力の範囲を拡げることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例では、図３の処理は、ブレーキペダルが踏み込まれた場合に起動される。コントローラ６は、ブレーキペダルが踏み込まれた場合だけでなく、アクセル開度がゼロの場合に図３の処理を実行するようにプログラムされていることも好適である。あるいは、コントローラ６は、アクセル開度が所定の閾値開度（例えば開度５％）よりも小さい場合に図３の処理を実行するようにプログラムされていてもよい。さらに、コントローラ６は、アクセル開度が所定の開度閾値よりも小さく、かつ、車速が所定の車速閾値よりも小さい場合に、図３の処理を実行するようにプログラムされていてもよい。

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：ハイブリッド車
３：バッテリ
４：昇降圧コンバータ
５：インバータ
６：コントローラ
１２：システムメインリレー
１４：電圧センサ
１５：電流センサ
１６：温度センサ
１７：車速センサ
２１：モータ
２２：エンジン
２７：メカニカルブレーキ
３１：アクセルペダルセンサ
３２：ブレーキペダルセンサ
３３：不揮発性メモリ
５１：スイッチングトランジスタ
５２：還流ダイオード

Claims (3)

1. 制動時の減速エネルギによってモータを回転させ、発電した電力でバッテリを充電することができる電気自動車であって、
   バッテリの直流電力をモータ駆動に適した交流電力に変換するＤＣ／ＡＣ変換の機能と、モータが発生した交流電力を直流電力に変換するＡＣ／ＤＣ変換の機能を兼ね備えたインバータと、
   インバータとモータの間を流れる電流を計測する電流センサと、
   インバータを制御するコントローラと、
   を備えており、コントローラは、制動時、
   インバータにＡＣ／ＤＣ変換させてモータが発電した電力でバッテリを充電する第１制動モードと、
   インバータを停止するとともにメカニカルブレーキを動作させておき、電流センサが計測した値を電流センサの補正値として取得する第２制動モードと、
   のいずれかを実行することを特徴とする電気自動車。
2. 電流センサの温度を計測する温度センサをさらに備えており、
   コントローラは、電流センサの温度が前回の測定値から予め定められた温度差分閾値以上変化したら前記第２制動モードを実行することを特徴とする請求項１に記載の電気自動車。
3. コントローラは、第２制動モードを実行する際にインバータの直流側の電圧を高めることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気自動車。

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