JP2014045587A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、スイッチング素子を含む電力変換器を備える電気自動車に対して、スイッチング素子に加わる熱負荷サイクルの増加を抑制する技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する電気自動車は、バッテリの電力を変換して走行用のモータに供給する電力変換器を備えている。電気自動車は、他の車両を牽引する状態である場合、他の車両を牽引していない場合よりも、電力変換器のスイッチング素子に流れる単位時間当たりの電力の制限値を低くする。他の車両を牽引する状態であることは、例えば、被牽引車両と電気コネクタが接続されていることを検知して判断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車に関する。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ハイブリッド車や燃料電池車を含む。

電気自動車は、バッテリの直流電力をモータ駆動に適した周波数の交流電力に変換するインバータを備える。また、ある種の電気自動車は、バッテリの電圧を昇圧するコンバータも備える。本明細書では、インバータとコンバータを「電力変換器」と総称する。電力変換器は多くのスイッチング素子を備える。走行用のモータは消費電力が大きく、それゆえ、電力変換器のスイッチング素子には大電流が流れるので発熱し易い。

スイッチング素子の発熱を抑制する技術が例えば特許文献１〜５に開示されている。特許文献１の技術は、スイッチング素子に過剰な熱ストレスが加わることを抑制する。具体的には、負荷が高い場合にスイッチング素子に流れる電流を制限する。負荷が高い場合とは、例えば、アクセル開度が大きい場合やエンジン始動時などである。特許文献２、３の技術は、モータの温度が負荷制限開始温度を超えた場合に、モータに加わる負荷を制限する負荷制限制御を行うハイブリッド駆動装置において、車両の積載状態もしくは牽引状態に応じて負荷制限開始温度を決定する。特許文献４の技術は、インバータ（電力変換器）の入力電圧が閾値を上回っている場合にはインバータを停止する。閾値は、スイッチング素子の耐圧の温度依存性とインバータの温度に基づいて決定される。特許文献５の技術は、スイッチング素子の発熱を抑制すべく、スリップしているときにインバータのキャリア周波数を下げる。

特開２０１２−０１９５８７号公報 特開２００８−１６２３６７号公報 特開２００９−２５５９１６号公報 特開２００８−１６７６１６号公報 特開２０１０−１５８０８８号公報

特許文献１〜４の技術は、スイッチング素子が所定値まで発熱してから制限を設ける。すなわち、フィードバック的に制限を設ける。しかしながら、負荷が大きくなりやすい状況、典型的には、他の車両を牽引している場合には、長時間に渡って通常よりも単位時間当たりの発熱量が増加する。従って、フィードバック的な発熱抑制では、ある程度の発熱が生じてから制限が加わり、制限上限で長時間推移するという状況が生じ得る。他方、スイッチング素子などの半導体素子はハンダで基板と接合されているが、熱負荷の繰り返しサイクルが所定回数以上となると接合部のハンダの疲労が顕著に進行する傾向がある。スイッチング素子の駆動において流れる電力の制限上限の付近で長時間推移するという状況は、ハンダの劣化の観点から、熱負荷サイクルの頻度を高めることになり好ましくない。本明細書は、スイッチング素子に加わる熱負荷サイクルの増加を抑制する技術を提供する。

本明細書が開示する電気自動車は、他の車両を牽引する状態である場合、他の車両を牽引していない場合よりも、電力変換器のスイッチング素子に流れる単位時間当たりの電力の制限値を低くする。本明細書が開示する技術は、スイッチング素子が発熱し易い状態となった場合（他車両を牽引する状態となった場合）、フィードバック的にではなく、スイッチング素子が発熱する前にフィードフォワード的にスイッチング素子に流れる電力を制限する。そうすることで、スイッチング素子の温度が低いうちから温度上昇を抑制し、スイッチング素子加わる熱負荷サイクルが増大しないようにする。

なお、「他の車両を牽引する状態である場合、他の車両を牽引していない場合よりも、電力変換器のスイッチング素子に流れる単位時間当たりの電力の制限値を低くする」ことは、他の車両を牽引していない場合の制限値よりも低くすることと、他の車両を牽引していない場合は制限値を設けず、他の車両を牽引する状態である場合に初めて制限値を設ける場合のいずれであってもよい。

また、本明細書が開示する技術は、電力変換器が備える全てのスイッチング素子に対して適用してもよいし、電力変換器が備える一部のスイッチング素子に適用してもよい。例えば、電力変換器が電圧コンバータ回路とインバータ回路を含む場合、いずれか一方の回路のスイッチング素子の熱負荷サイクルを抑制する態様があってもよいし、両方の回路のスイッチング素子の熱負荷サイクルを抑制する態様があってもよい。

「他の車両を牽引する状態である場合」とは、実際に牽引している状態のほかに、牽引するための準備が整った状態も含む。そのような状態は、典型的には、被牽引車両と電気コネクタが接続されたことで検知することができる。車両を牽引する場合、牽引車両のブレーキ操作に応じて被牽引車両のブレーキランプを点灯させる必要があるため、牽引車と被牽引車は電気ケーブルを接続するからである。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電気自動車の電力系のブロック図である。 熱負荷の温度差とサイクル数と、ハンダ劣化の関係を示す模式的グラフである。 モータのＴＮ線図である。

図面を参照して実施例の電気自動車を説明する。図１に、電気自動車２の電気系のブロック図を示す。実施例の電気自動車２は、主な部品として、メインバッテリ４とパワーコントロールユニット３と走行用のモータ８を備える。以下では、説明を簡単にするため、パワーコントロールユニット３をＰＣＵ３と表記する。

メインバッテリ４は、モータ８を駆動するための電力を蓄積するデバイスであり、その出力は例えば３００ボルトである。なお、電気自動車２は、メインバッテリ４のほかに、カーナビやルームランプなど、駆動電圧がモータ８よりも低いデバイスに電力を供給するサブバッテリ（不図示）を備える。駆動電圧がモータ８よりも低いデバイスは「補機」と呼ばれることがあり、「補機」に電力を供給するサブバッテリは「補機バッテリ」と呼ばれることがある。

メインバッテリ４の出力電圧はＰＣＵ３に供給される。ＰＣＵ３は、メインバッテリ４の出力電圧を昇圧するコンバータ回路２０と、昇圧後の直流電力をモータ駆動に適した周波数の交流電力に変換するインバータ回路３０を含む。なお、インバータ回路３０は、モータ８が発電した交流電力を直流電力に変換する機能を兼ね備えており、コンバータ回路２０は、インバータ回路３０から供給される直流電力をメインバッテリ４の充電に適した電圧まで降圧する機能を兼ね備えている。図１に示すように、コンバータ回路２０は、主として、リアクトル、スイッチング素子、及び、ダイオードで構成され、インバータ回路３０は、主として６個のスイッチング素子と６個のダイオードで構成される。コントローラ１０が、コンバータ回路２０とインバータ回路３０を制御する。具体的には、コントローラ１０は、車速やアクセル開度の情報からモータ８の目標出力を決定し、その目標出力に対応したＰＷＭ信号をコンバータ回路２０とインバータ回路３０に供給する。図１に示すコンバータ回路２０やインバータ回路３０の構成は良く知られているので詳しい説明は省略する。

コンバータ回路２０の低電圧側、即ちメインバッテリ側の正極端子と負極端子の間にはコンデンサ５が接続されており、コンバータ回路２０とインバータ回路３０の間にはコンデンサ７が並列に接続されている。コンデンサ５、７は、流れる電流を平滑化するために備えられている。

メインバッテリ４とＰＣＵ３の間に、メインバッテリ４の出力電圧ＶＬを計測する電圧センサ１４と、メインバッテリ４の出力電流Ｉｂを計測する電流センサ１３が備えられている。また、コンバータ回路２０とインバータ回路３０の間には、インバータ回路３０への入力電圧ＶＨを計測する電圧センサ６が備えられている。さらに、インバータ回路３０とモータ８の間には、インバータ回路３０とモータ８の間に流れる電流Ｉｍを計測する電流センサ１６が備えられている。なお、「インバータ回路３０とモータ８の間に流れる電流」とは、メインバッテリ４の電力をインバータ回路３０が交流に変換してモータ８に供給する場合と、モータ８が発電した電力をインバータ回路３０に供給する場合の双方があり得る。また、ＰＣＵ３は、冷却器（不図示）によって冷却されるが、その冷却器の冷媒の温度Ｔｗを計測する温度センサ１５が備えられている。それらのセンサのデータはコントローラ１０に送られる。なお、コントローラ１０は、メインバッテリ４とＰＣＵ１０の間に備えられている電流センサ１３と電圧センサ１４の出力から、メインバッテリ４の出力電力Ｗｏｕｔ、あるいは、充電時にはメインバッテリ４に充電される電力（入力電力Ｗｉｎ）を得る。具体的には、Ｗｏｕｔ及びＷｉｎは、電流Ｉｂ×電圧ＶＬで求まる。さらに、電気自動車２は、メインバッテリ４の出力電流（充電時は入力電流）を制限する電流制限器１２を備える。

また、電気自動車２は、他の車両を牽引する場合に、自車のブレーキ操作に連動して他の車両のブレーキランプが点灯するように、被牽引車と電気系を接続するコネクタ（不図示）を備える。そして、電気自動車２は、そのコネクタが他の車両の側のコネクタと接続されているか否かを検知するセンサ（コネクタセンサ１７）を備える。

上述したように、ＰＣＵ３は、多数のスイッチング素子を含む。スイッチング素子は、相当数の熱負荷サイクルが繰り返し加わると、素子とリード線、素子とエミッタ電極、素子とコレクタ電極等を接合しているハンダが劣化する。熱負荷サイクルとは、所定の温度差の変化を１回と数えるサイクルである。劣化は、所定の温度差の熱負荷サイクルが所定の回数を超えると急激に進む。図２に温度差と熱負荷サイクル数と劣化の進行度合いが急変する境界を模式的に示す。図２は模式図であるが、温度差が大きいほど、少ない熱負荷サイクル数で劣化が急激に進む傾向にある。なお、図２の境界を定める温度差と繰り返し数の具体的な値は、ＰＣＵ１０の具体的な構成と性能に依存する。

電気自動車２は、スイッチング素子に加わる熱負荷サイクルの増加を抑制すべく、他の車両を牽引する状態となった場合、スイッチング素子に流れる単位時間当たりの電力を制限する。電力制限の仕方には幾つかの方法がある。以下、その方法を具体的に説明する。

コントローラ１０はコネクタセンサ１７により他の車両の電気ケーブルのコネクタが接続されたことを検知すると、他の車両を牽引する状態であると判断し、電力制限を実施する。電力制限の一つとして、インバータ回路３０の入力電圧ＶＨを制限する方法がある。そのような制限方法を採用する場合は、コントローラ１０は、電圧センサ６のセンサデータをモニタし、入力電圧ＶＨが所定の制限値を超えないように、コンバータ回路２０に与えるＰＷＭ信号のデューティ比を調整する。入力電圧ＶＨに制限を加える処理を制限方法（１）と称する。入力電圧ＶＨの制限値は、ＰＣＵ１０やモータ８の性能に依存する。入力電圧ＶＨの制限値は、実験やシミュレーションなどで予め定められており、コントローラ１０に記憶される。

電力制限の別の一つとして、コンバータ回路２０やインバータ回路３０に与えるＰＷＭ信号を生成する際のキャリア信号の周波数を下げる方法がある。キャリア周波数を下げる方法の詳しい説明は、例えば、先に言及した特許文献５（特開２０１０−１５８０８８号公報）を参照されたい。キャリア周波数を下げる処理を制限方法（２）と称する。

また、電力制限のさらに別の一つとして、メインバッテリ４の出力電力Ｗｏｕｔあるいは充電時の入力電力Ｗｉｎを制限する方法がある。そのような方法を採用する場合、コントローラ１０は、電圧センサ１４と電流センサ１３のセンサデータに基づいて出力電力Ｗｏｕｔ（充電時は入力電力Ｗｉｎ）が所定の制限値を超えないように電流制限器１２を調整する。メインバッテリ４の出力電力（入力電力）を制限する処理を制限方法（３）と称する。

さらに別の電力制限として、コントローラ１０は、モータ８に供給する電流を所定の電流制限値に制限する。具体的には、コントローラ１０は、電流センサ１６のセンサデータをモニタし、電流センサ１６が計測する電流（即ち、インバータ回路３０からモータ８に供給される電流、あるいは、発電時にモータ８からインバータ回路３０へ流れる電流）の大きさが電流制限値を超えないように、コンバータ回路２０とインバータ回路３０に与えるＰＷＭ信号のデューティ比を調整する。モータ８へ供給する電力の制限を、図３を参照して説明する。図３は、モータの回転数に対する出力トルクの関係を示したいわゆるＴＮ線図である。モータ８は、グラフの下側の領域のいずれかの動作点で動作する。例えば、電流制限が無い場合、コントローラ１０は、回転数Ｒｎのときに出力トルクＴｑ１を出すように、すなわち、動作点Ｐ１で動作するように、コンバータ回路２０とインバータ回路３０に与えるＰＷＭ信号のデューティ比を決定する。モータの出力トルクは概ねモータに供給する電流に比例するので、電流制限を実施する場合、コントローラ１０は、モータ回転数Ｒｎのときのモータ出力を制限前のＴｑ１からＴｑ２に下げる。すなわち、コントローラ１０は、回転数Ｒｎのときの動作点をＰ１からＰ２に下げる。モータに供給する電流に制限を加える処理を制限方法（４）と称する。

以上、スイッチング素子に流れる電流を制限する方法として、制限方法（１）から（４）を説明した。コントローラ１０は、被牽引車両の電気コネクタが接続された場合、制限方法（１）から（４）のいずれか一つを実行する。なお、コントローラ１０は、ＰＣＵ１０を冷却する冷媒温度Ｔｗが所定の閾値温度よりも高い場合は、制限方法（１）から（４）のうちの幾つかを同時に実行する。電気自動車２は、他の車両を牽引する状態となると、スイッチング素子の温度が高くなくとも、スイッチング素子に流れる単位時間当たりの電力を制限する。他の車両を牽引して走行すると長時間に亘ってモータ出力が増大するのでスイッチング素子に熱負荷が加わり易い。電気自動車２は、他の車両を牽引する状態となった場合には、スイッチング素子の温度が上がる前に、スイッチング素子に流れる電力を制限し、牽引中のスイッチング素子の熱負荷サイクルの増加を抑制する。

実施例で説明した技術の留意点を述べる。コントローラ１０は、他の車両を牽引する状態であることを検知した場合、まず、上記（１）から（４）のいずれか一つを実行し、牽引走行中にＰＣＵ１０を冷却する冷媒温度Ｔｗが所定の温度閾値を超えたら、先に実行している制限方法の一つに加えて、上記（１）から（４）のうちの別の一つの方法を実行するように構成されていることも好適である。

実施例では、スイッチング素子に流れる電力の制限方法として（１）から（４）を例示した。（１）から（３）は、コンバータ回路２０が備えるスイッチング素子の熱負荷サイクルの増加を抑制するのに好適であり、（１）、（２）、及び、（４）は、インバータ回路３０が備えるスイッチング素子の熱負荷サイクルの増加を抑制するのに好適である。

コントローラ１０は、コネクタセンサ１７により、他の車両の電気コネクタが接続されたこと検知したときに上記の電力制限を実行するだけなく、モータの目標出力に対するモータ回転数が予め定められた閾値回転数よりも低い場合に上記の電力制限を実行してもよい。あるいは、コントローラ１０は、アクセル開度がゼロのときの車速（クリープトルクによる車速）が予め定められた車速閾値よりも小さい場合に上記の電力制限を実行してもよい。モータの目標出力に対するモータ回転数は、車両の走行抵抗が増加するにつれて低くなる。同様に、クリープトルクによる車速は、車両の走行抵抗が増加するにつれて低くなる。例えば、急こう配の登り坂を走行しているときには目標出力に対するモータ回転数、及び、クリープトルクによる車速が平地走行時よりも低くなる。そのような状況も、長時間に亘ってモータに高負荷が加わる状況であり、スイッチング素子に対する熱負荷サイクルの回数が増加し易い。そのような状況においても上記した電力制限を加えることが好ましい。

実施例のＰＣＵ１０が、電力変換器の一例に相当する。本明細書が開示する技術は、コンバータ回路とインバータ回路の双方を含むＰＣＵ１０を有する電気自動車に限られず、コンバータ回路のみの電力変換器、あるいは、インバータ回路のみの電力変換器を有する電気自動車にも適用することができる。また、本明細書が開示する技術は、走行用にモータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車に適用することも好適である。また、本明細書が開示する技術は、燃料電池車に適用することも可能である。

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：電気自動車
３：パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
４：メインバッテリ
５、７：コンデンサ
６、１４：電圧センサ
８：モータ
１０：コントローラ
１２：電流制限器
１３、１６：電流センサ
１５：温度センサ
１７：コネクタセンサ
２０：コンバータ回路
３０：インバータ回路

Claims (2)

1. バッテリの電力を変換して走行用のモータに供給する電力変換器を備えており、他の車両を牽引する状態である場合、他の車両を牽引していない場合よりも、電力変換器のスイッチング素子に流れる単位時間当たりの電力の制限値を低くすることを特徴とする電気自動車。
2. 被牽引車両と電気コネクタが接続されていることを検知して他の車両を牽引する状態であることを判断する請求項１に記載の電気自動車。

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