JP2014050174A

JP2014050174A - 電動車両

Info

Publication number: JP2014050174A
Application number: JP2012189971A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Tamura; 康田村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-08-30
Filing date: 2012-08-30
Publication date: 2014-03-17

Abstract

【課題】高地における動力性能を最大限発揮することができる電動車両を提供する。
【解決手段】ハイブリッド車両１０は、大気圧センサ２２で検出された大気圧をもとに標高算出プログラム３５で算出されるハイブリッド車両１０が位置する標高が所定の標高よりも高くなった場合にモータジェネレータ１５への印加電圧の制限を開始する電圧制限プログラム３６を有する。また、湿度センサ２１によって検出されたモータジェネレータ１５周辺の湿度が基準湿度よりも低い場合、印加電圧の制限を弱める電圧制限特性変更プログラム３４を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動車両に関し、特に、標高に応じて電動機に印加される印加電圧を制御する電動車両に関する。

近年、環境問題対策の１つとして、電動機によって駆動されるハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などの電動車両が注目されている。このような電動車両は、高電圧で電動機を駆動しており、電動機の絶縁性能を確保する必要がある。

電動車両は高地で走行する場合がある。一般的に高地では平地よりも気圧が下がり、気圧が下がるほど空気の絶縁抵抗が下がる。そこで、電動車両が位置する標高が高いほど、電動機に印加される印加電圧が低くなるように制御する方法が用いられている（例えば、特許文献１）。

一方、電動車両が高湿度環境下で用いられる場合、湿度が高くなると空気中の電荷がコイル表面に付着しやすくなるので交流電圧の極性反転の際に電動機のコイル巻線の空隙で部分放電が生じる可能性が高くなる。そこで、湿度が高い場合には極性反転時のコイル電圧の変化割合を低減し、部分放電を抑制する方法が用いられている（特許文献２）。

特開２００８−１９９７６９号公報特開２００８−２２６２４号公報

ところで、一般的に空気の絶縁抵抗は湿度が高くなるほど低下することが知られている。このため、特許文献１のように印加電圧を制御する場合には、印加電圧は安全のため低い値、すなわち湿度が高い場合の値に制御されることが多い。このため、高地において湿度が低い場合には印加電圧を過剰に低くして電動車両の動力性能を必要以上に低下させてしまうという問題があった。

本発明は、高地における電動車両の動力性能を最大限発揮することを目的とする。

本発明の電動車両は、電動機によって駆動される電動車両であって、電動車両が位置する標高を検出する標高検出器と、電動車両の電動機周辺の湿度を検出する湿度検出器と、電動機に印加される印加電圧を変化させる制御部と、を有し、制御部は、電動車両が位置する標高に応じて印加電圧を制限する電圧制限手段と、電動機周辺の湿度に応じて電圧制限特性を変更する電圧制限特性変更手段と、を有することを特徴とする。

本発明は、標高及び湿度の両方を検出して電動車両の動力性能を最大限発揮することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態のハイブリッド車両の構成を示す概略構成図である。本発明の実施形態の標高と印加電圧との関係を示す基本特性図である。本発明の実施形態のハイブリッド車両の印加電圧制御を示すフローチャートである。本発明の実施形態の湿度変化に伴う標高と印加電圧との関係を示す特性図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。なお、本発明において電動車両は、電動機が搭載された車両であれば特に限定されるものではなく、たとえば、ハイブリッド車両、電気自動車、あるいは燃料電池自動車であってもよい。本実施形態において電動車両はエンジンと電動機の２種類の動力源を組み合わせて走行するハイブリッド車両として説明する。

図１を参照しながら、本発明の実施形態のハイブリッド車両１０の構成を説明する。図１に示すように、ハイブリッド車両１０は、ハイブリッド車両１０を駆動するエンジン１１と、エンジン１１の出力軸１２とモータジェネレータ１５の出力軸１４とが接続され、エンジン１１の出力を電動機であるモータジェネレータ１５への出力と駆動軸１９への出力とに分割するプラネタリギヤ１３を備えている。また、ハイブリッド車両１０は、二次電池１８と、昇降圧コンバータ１７と、インバータ１６と、を備えている。二次電池１８は、モータジェネレータ１５に電力を供給すると共にモータジェネレータ１５の回生時及びエンジン１１により駆動される時の発電電力を蓄電する。昇降圧コンバータ１７は、二次電池１８の電圧をモータジェネレータ１５に印加される印加電圧（システム電圧）に昇圧すると共にモータジェネレータ１５の発電した電力を二次電池１８に蓄電する電圧へ降圧する。インバータ１６は、昇降圧コンバータ１７の直流出力をモータジェネレータ１５への三相交流電力に変換すると共にモータジェネレータ１５の発電した交流電力を二次電池１８に蓄電する直流電力に変換し、昇降圧コンバータ１７へ送出する。さらに、ハイブリッド車両１０は、ハイブリッド車両１０のモータジェネレータ１５近傍の空気の湿度を検出する湿度検出器である湿度センサ２１と、ハイブリッド車両１０の位置する地点の大気圧を検出する大気圧センサ２２と、を備えている。

ハイブリッド車両１０は、ハイブリッド車両１０を制御するための制御部３０を備えている。制御部３０は内部に信号の処理、演算を行うＣＰＵ３１と、記憶装置であるメモリ３２と、各機器、センサと接続するインターフェース３３と、を含む構成のコンピュータである。メモリ３２は、標高算出プログラム３５と、電圧制限手段である電圧制限プログラム３６と、電圧制限特性変更手段であって、電圧制限プログラム３６の特性を変更する電圧制限特性変更プログラム３４と、記憶部３７とを備えている。標高算出プログラム３５は、一般的に標高が高くなると大気圧が低くなるという関係を用いて大気圧センサ２２が検出した大気圧からハイブリッド車両１０の位置する標高を算出する。電圧制限プログラム３６は、ハイブリッド車両１０が位置する標高に応じて印加電圧を制限する。具体的には、電圧制限プログラム３６は、ハイブリッド車両１０が位置する標高が所定の標高よりも高くなった場合にモータジェネレータ１５に印加される印加電圧の制限を開始する。印加電圧の基本的な制限特性は後述する。電圧制限特性変更プログラム３４は、モータジェネレータ１５周辺の湿度に応じて電圧制限特性を変更する。具体的には、電圧制限特性変更プログラム３４は、湿度センサ２１によって検出された湿度が基準湿度よりも低い場合、印加電圧の制限を開始する標高を基準標高よりも高くする。電圧制限特性の変更、基準湿度、基準標高についても後述する。記憶部３７は、ハイブリッド車両１０における各種の制御用データを格納する。

図２は、本実施形態のハイブリッド車両１０が位置する標高に基づくモータジェネレータ１５に印加される印加電圧の基本的な制限特性を示している。図２に示すように、高地の方が平地よりも空気の絶縁抵抗が低下するので、本実施形態では、ハイブリッド車両１０の位置する標高が所定の標高ｈ０までは印加電圧が所定のＶ１にされ、標高が所定の標高ｈ０よりも高くなると印加電圧の制限が開始され、標高が高くなるにつれて印加電圧が標高に応じて低く制限される。図２においてハイブリッド車両１０の位置する標高がｈ２に上昇すると印加電圧がＶ２に低く制限される。

上記印加電圧の制限により、高地でのモータジェネレータ１５の異常放電を効果的に抑制することができる。すなわち、モータジェネレータ１５のコイル巻線には、二次電池１８の直流電圧を昇降圧コンバータ１７で昇圧し、昇圧された直流電圧をインバータ１６によって交流に変換した電圧が供給されている。モータジェネレータ１５のコイル巻線に供給されるピーク電圧が部分放電開始電圧より低ければ、コイル巻線間での放電を効果的に抑制することができる。このピーク電圧を抑制するには、昇降圧コンバータ１７で昇圧される直流電圧、つまりモータジェネレータ１５に印加される印加電圧を抑制すればよい。

次に、湿度と印加電圧との関係について説明する。印加電圧を決定する条件として、空気の絶縁抵抗が所定値以上であること、換言するとモータジェネレータ１５のコイル巻線間で放電が発生しないことが挙げられる。コイル巻線間で放電が開始される際のコイル巻線内電圧を部分放電開始電圧といい、部分放電開始電圧ＰＤＩＶ（Ｖ）は、次の式（１）を用いて、コイル皮膜の誘電率εとコイル皮膜厚さｔ（μｍ）から求めることができる。
ＰＤＩＶ＝１６２×（ｔ／ε）^０．４６×√２・・・（１）

上式（１）より、モータジェネレータ１５のコイル皮膜の誘電率が大きくなると部分放電開始電圧が小さくなることがわかる。モータジェネレータ１５のコイル皮膜の誘電率は、コイル皮膜の吸湿量が大きくなるほど、すなわち湿度が高くなるほど、大きくなる。つまり、湿度が高いほどモータジェネレータ１５のコイル巻線間の部分放電開始電圧が小さくなる。したがって、モータジェネレータ１５に印加する電圧である印加電圧は、湿度が低い場合の方が、湿度が高い場合に比べて高くすることができる。

次に、図３、図４を参照して、本実施形態の電動車両であるハイブリッド車両１０の印加電圧制御について説明する。図３のステップＳ１０１に示すように、図１に示す湿度センサ２１は、検出したハイブリッド車両１０のモータジェネレータ１５近傍の湿度をインターフェース３３を介して記憶部３７へ出力する。図３のステップＳ１０２に示すように、図１に示すＣＰＵ３１は、記憶部３７に入力された湿度が基準湿度以上か判断する。ここで、基準湿度は、空気の絶縁抵抗は湿度が高くなるほど低下することを踏まえて決定された湿度であり、基準湿度によって決定される印加電圧によれば、たとえば湿度センサ２１が故障して湿度を検出することが困難になっても、モータジェネレータ１５のコイル間での部分放電の発生を抑制できるような高い湿度にされている。図３のステップＳ１０２でＹＥＳと判断された場合、つまり湿度センサ２１で検出された湿度が基準湿度以上の場合は、図３のステップＳ１０３に示すように、ＣＰＵ３１は電圧制限特性変更プログラム３４を実行し、電圧制限特性変更プログラム３４は電圧制限特性を基準湿度用に設定する。図４は、電圧制限特性として、湿度変化に伴う標高と印加電圧との関係を示している。図４の実線ｐで示す特性が基準湿度用の電圧制限特性であり、ハイブリッド車両１０の位置する標高が基準標高である標高ｈ１までは印加電圧がＶ１にされ、標高がｈ１よりも高くなると印加電圧の制限が開始され、標高が高くなるにつれて印加電圧が標高に応じて低く制限される。そして、ハイブリッド車両１０の位置する標高がｈ２に上昇すると印加電圧がＶ２に低く制限される。ここで、基準標高は、モータジェネレータ１５に印加する印加電圧を平地と同じにしても、モータジェネレータ１５のコイル間での部分放電の発生を抑制でき、モータジェネレータ１５に悪影響が生じないハイブリッド車両１０が位置する標高をいう。また、本実施形態では湿度を基準湿度以上の高湿度として基準標高を決定している。

図３のステップＳ１０４に示すように、ＣＰＵ３１は、ハイブリッド車両１０が位置する標高を取得するため、大気圧センサ２２が検出したハイブリッド車両１０の位置する地点の大気圧をインターフェース３３を介して取得し、標高算出プログラム３５を実行する。標高算出プログラム３５は大気圧センサ２２が検出した大気圧からハイブリッド車両１０の位置する標高を取得する。図３のステップＳ１０５に示すように、電圧制限プログラム３６は、図４の実線ｐと、標高算出プログラム３５によって取得されたハイブリッド車両１０の位置する標高と、に基づいてハイブリッド車両１０のモータジェネレータ１５に印加する印加電圧を決定する。図３のステップＳ１０６に示すように、ＣＰＵ３１は、インターフェース３３を介して昇降圧コンバータ１７に対し、電圧制限プログラム３６によって決定された印加電圧まで二次電池からの電圧を昇圧する指令を出力する。図３のステップＳ１０７に示すように、ＣＰＵ３１は、ハイブリッド車両１０が停止しているか、換言するとハイブリッド車両が運転状態ではないか判断する。ハイブリッド車両１０が停止している場合は印加電圧制御を終了し、ハイブリッド車両１０が運転状態にある場合は印加電圧制御を継続する。

次に、図３のステップＳ１０２でＮＯと判断、つまり湿度センサ２１で検出された湿度が基準湿度よりも低い場合は、図３のステップＳ１０８に示すように、ＣＰＵ３１は、ステップＳ１０１で記憶部３７に入力された湿度が下限湿度以上であるか判断する。下限湿度については後述する。図３のステップＳ１０８でＹＥＳと判断された場合、つまり湿度センサ２１で検出された湿度が下限湿度以上かつ基準湿度未満の場合は、図３のステップＳ１０９に示すように、ＣＰＵ３１は電圧制限特性変更プログラム３４を実行し、電圧制限特性変更プログラム３４は電圧制限特性を中間湿度用に設定する。図４の破線ｑで示す特性が中間湿度用の電圧制限特性であり、ハイブリッド車両１０の位置する標高がｈ３までは印加電圧がＶ１にされ、標高がｈ３よりも高くなると印加電圧の制限が開始され、標高が高くなるにつれて印加電圧が標高に応じて低く制限される。ハイブリッド車両１０の位置する標高がｈ２に上昇すると印加電圧がＶ２に低く制限される。

次に、図３のステップＳ１０８でＮＯと判断、つまり湿度センサ２１で検出された湿度が下限湿度よりも低い場合は、図３のステップＳ１１０に示すように、ＣＰＵ３１は電圧制限特性変更プログラム３４を実行し、電圧制限特性変更プログラム３４は電圧制限特性を下限湿度用に設定する。図４の一点鎖線ｒで示す特性が下限湿度用の電圧制限特性であり、ハイブリッド車両１０の位置する標高がｈ４までは印加電圧がＶ１にされ、標高がｈ４よりも高くなると印加電圧の制限が開始され、標高が高くなるにつれて印加電圧が標高に応じて低く制限される。ハイブリッド車両１０の位置する標高がｈ２に上昇すると印加電圧がＶ２に低く制限される。

以上のように、本実施形態に係るハイブリッド車両１０によれば、湿度センサ２１の検出結果を用いて印加電圧の制限特性を変更することができる。具体的には、図４に示すように、湿度センサ２１により検出された湿度が基準湿度の場合は実線ｐによって印加電圧制御が行われるが、基準湿度よりも低い場合は破線ｑや一点鎖線ｒによって印加電圧制御が行われ、印加電圧の制限を開始する標高を基準標高ｈ１よりも高い標高であるｈ３やｈ４にすることができる。また、基準湿度より湿度の低い方が基準湿度の場合よりも標高が高いところにおける印加電圧を高くすることができる。たとえば、図４に示すように、湿度が基準湿度以上の場合は実線ｐに沿って印加電圧は制御されるため、標高ｈ３における印加電圧はＶ３となる。一方、湿度が基準湿度よりも低い場合、たとえば図４の破線ｑに沿って印加電圧が制御される場合、標高ｈ３における印加電圧はＶ３よりも高いＶ１となる。このように、湿度が基準湿度よりも低い場合は、モータジェネレータ１５を駆動する電圧を基準湿度以上の場合よりも高くすることができるため、基準湿度より湿度の低い方が高地におけるハイブリッド車両１０の動力性能を向上することができる。

なお、本実施形態では、標高検出器として大気圧センサ２２と標高算出手段３２とを組み合わせたものを用いたが、ハイブリッド車両１０の標高が取得できれば特に限定されるものではなく、たとえば、ＧＰＳにより標高を直接に取得してもよく、カーナビゲーションシステムの地図情報から標高を取得してもよい。また、基準湿度は、ハイブリッド車両１０を適切に動作するための湿度と印加電圧との関係を導出できればよく、たとえば、８５％ＲＨ程度としてもよい。また、下限湿度もハイブリッド車両１０を適切に動作するための湿度と印加電圧との関係を導出できればよく、たとえば、２０％ＲＨ程度としてもよい。また、部分放電などはコイル皮膜の吸湿量によって変動するので、大気圧の湿度を測定した上でこれをコイル皮膜の吸湿量に変換し、コイル皮膜の吸湿量と印加電圧の制限を開始する標高との関係を示すマップにより、印加電圧の制限を開始する標高を決定するようにしてもよい。また、空気の湿度を測定することに代えて、コイル皮膜の吸湿量を測定するように構成してもよい。また、モータジェネレータ１５近傍の空気の湿度を直接検出しなくてもそこの湿度を推定できれば、湿度検出器はハイブリッド車両１０のどこに設置してもよい。また、図４の破線ｑや一点鎖線ｒは実線ｐと比較して印加電圧の制限開始以降の印加電圧制御の傾きが大きくされているが、これ以外の制御、たとえば実線ｐや一点鎖線ｒを平行移動した線に基づいて印加電圧制御を行ってもよい。また、中間湿度用の電圧制限特性は破線ｑのみを用いたが、複数の中間湿度用の電圧制限特性を用いてもよく、電圧制限開始標高と湿度との関係を示すマップを用いて中間湿度用の電圧制限特性を取得してもよい。また、電池は、リチウムイオンなどの二次電池だけでなく、燃料電池でもよい。また、エンジンと電動機とを駆動源として用いるハイブリッド車両としたが、電動機のみを駆動源とする電気自動車であってもよく、エンジンを主に発電源として用いるプラグインハイブリッド車両など、電動機を駆動源とする車両について適用することができる。

１０ハイブリッド車両、１１エンジン、１２出力軸、１３プラネタリギヤ、１４出力軸、１５モータジェネレータ、１６インバータ、１７昇降圧コンバータ、１８二次電池、１９駆動軸、２１湿度センサ、２２大気圧センサ、３０制御部、３１ＣＰＵ、３２メモリ、３３インターフェース、３４電圧制限特性変更プログラム、３５標高算出プログラム、３６電圧制限プログラム、３７記憶部。

Claims

電動機によって駆動される電動車両であって、
電動車両が位置する標高を検出する標高検出器と、
電動車両の電動機周辺の湿度を検出する湿度検出器と、
電動機に印加される印加電圧を変化させる制御部と、を有し、
制御部は、
電動車両が位置する標高に応じて印加電圧を制限する電圧制限手段と、
電動機周辺の湿度に応じて電圧制限特性を変更する電圧制限特性変更手段と、を有すること、
を特徴とする電動車両。