JP2014072955A

JP2014072955A - 電気自動車におけるバッテリ昇温制御装置

Info

Publication number: JP2014072955A
Application number: JP2012216029A
Authority: JP
Inventors: Shoichi Ieoka; 昇一家岡
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2012-09-28
Filing date: 2012-09-28
Publication date: 2014-04-21
Anticipated expiration: 2032-09-28
Also published as: JP5849917B2

Abstract

【課題】車載バッテリからのエネルギー消費を抑えながら車載バッテリを昇温することができる電気自動車におけるバッテリ昇温制御装置を提供する。
【解決手段】コントローラ５０は、車載バッテリ７０の温度が規定温度よりも低く、かつ、電動機８０が停止している時において、インバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御してｄ軸電圧を印加してｄ軸電流を電動機８０に流す放電制御と、放電制御に続いて実施されるｄ軸電圧を下げて電動機８０の巻線に溜まったエネルギーを車載バッテリ７０に戻す充電制御とを交互に繰り返し行って車載バッテリ７０を昇温する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車におけるバッテリ昇温制御装置に関するものである。

特許文献１には、二次電池に接続された回転電機を少なくとも１つの動力源とする車両において、回転電機での発電ができない状態が解除された場合に、二次電池の充電状態を早期に所定の制御範囲内に復帰させることができる制御装置が開示されている。具体的には、車両のシフト位置がニュートラル位置で回転電機による発電が停止されているときに、二次電池の温度が基準温度よりも低くなると、昇圧コンバータを作動させて二次電池の温度を上昇させる昇温制御を実施している。

特開２０１０−１１９１７１号公報

ところで、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド車（ＨＶ）ではバッテリに充電された電力により駆動されるモータを動力源として備えているが、バッテリは低温下においてその電池性能が低下するため、ＥＶのような他の動力源を持たない車両においてはバッテリの性能低下が車両の性能低下に直結する。

ＨＶにおいては、エンジンによりモータ（発電機）を駆動させて電池への充電を行う充電制御と、電池に充電された電力でモータ（電動機）を駆動させて電池から放電を行う放電制御を繰り返すことで電池の内部抵抗による発熱で電池の昇温を図ることが可能だが、この手法はＥＶに対しては適用することができない。また、特許文献１のように、バッテリとメインコンデンサの間に設けられた昇圧コンバータにより、バッテリとメインコンデンサ間で昇圧動作と降圧動作を繰り返してバッテリを昇温する手法は、昇圧コンバータを備えない方式の車両には適用することができない。さらに、バッテリを外部から加熱して昇温させる手法は、熱効率が悪く、エネルギー消費が大きいという問題を有している。

本発明の目的は、車載バッテリからのエネルギー消費を抑えながら車載バッテリを昇温することができる電気自動車におけるバッテリ昇温制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を有し、入力側に車載バッテリが接続され、出力側に電動機の各相の巻線が接続されたインバータ回路と、前記車載バッテリの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段により検出された前記車載バッテリの温度が規定温度よりも低く、かつ、前記電動機が停止している時において、前記インバータ回路のスイッチング素子を制御してｄ軸電圧を印加してｄ軸電流を前記電動機に流す放電制御と、前記放電制御に続いて実施される前記ｄ軸電圧を下げて前記電動機の巻線に溜まったエネルギーを前記車載バッテリに戻す充電制御とを交互に繰り返し行って前記車載バッテリを昇温する制御手段と、を備えたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、電動機が停止、即ち、回転していない時に、車載バッテリの温度が規定温度よりも低い低温状態にあると判定されると、インバータ回路と電動機の巻線を利用した車載バッテリの昇温制御が行われる。具体的には、ｄ軸電流を電動機に流す放電制御により、車載バッテリから電流を持ち出し、その後、ｄ軸電圧を下げて電動機の巻線に溜まったエネルギーを車載バッテリに戻す充電制御によりバッテリに電流を戻す。これらの放電制御と充電制御を交互に繰り返すことで、車載バッテリがその内部抵抗により発熱する。これにより、車載バッテリからのエネルギー消費を抑えながら車載バッテリを昇温することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の電気自動車におけるバッテリ昇温制御装置において、前記制御手段は、前記放電制御から前記充電制御へ切り換えた際に、ｄ軸電圧を徐々に低下させるとよい。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の電気自動車におけるバッテリ昇温制御装置において、前記制御手段は、前記放電制御で前記電動機の巻線に蓄積されるエネルギーが減磁限界を超えないタイミングで前記充電制御への切り換えを実施するとよい。

本発明によれば、車載バッテリからのエネルギー消費を抑えながら車載バッテリを昇温することができる。

実施形態の電気自動車におけるバッテリ暖機制御装置の回路図。電圧および電流の波形図。電圧および電流の波形図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面にしたがって説明する。電気自動車（ＥＶ）には電動機として走行モータが搭載され、車載バッテリによって駆動され走行することができるようになっている。

図１に示すように、インバータ（三相インバータ）１０は、インバータ回路２０と、システムメインリレー回路３０と、駆動回路４０を備えている。インバータ回路２０の入力側には、システムメインリレー回路３０を介して直流電源としての車載バッテリ７０が接続されている。また、インバータ回路２０の出力側には走行用の電動機８０が接続されている。電動機８０には３相交流モータが使用されている。電動機８０は巻線８１，８２，８３を有し、電動機８０の各相の巻線８１，８２，８３がインバータ回路２０の出力側に接続されている。

インバータ回路２０には、６個のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が設けられている。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、パワーＭＯＳＦＥＴが使用されている。なお、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ）を使用してもよい。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、それぞれ帰還ダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。

インバータ回路２０において、第１および第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、第３および第４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４、第５および第６のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６がそれぞれ直列に接続されている。そして、第１、第３および第５のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５が、直流電源としての車載バッテリ７０のプラス端子側に接続され、第２、第４および第６のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６が、車載バッテリ７０のマイナス端子側に接続されている。

Ｕ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の間の接続点は電動機８０のＵ相端子に、Ｖ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の間の接続点は電動機８０のＶ相端子に、Ｗ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の間の接続点は電動機８０のＷ相端子に、それぞれ接続されている。このように、インバータ回路２０は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を有する。

図示しない電流センサにより、電動機８０に供給される３相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうちの２相（例えばＵ相およびＷ相）の電流Ｉｕ，Ｉｗの電流値が検出される。この検出結果はコントローラ５０に送られる。

インバータ回路２０において平滑コンデンサ２１が備えられている。平滑コンデンサ２１には、例えばアルミ電解コンデンサが用いられる。第１、第３および第５のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５が平滑コンデンサ２１のプラス端子側に接続され、第２、第４および第６のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６が平滑コンデンサ２１のマイナス端子側に接続されている。

コンデンサ電圧センサ６１により平滑コンデンサ２１の電圧Ｖｃが検出され、当該電圧値はコントローラ５０を経由して車両ＥＣＵ５５に送られ、車両ＥＣＵ５５は平滑コンデンサ２１の電圧Ｖｃを検知する。

システムメインリレー回路３０は、車載バッテリ７０とインバータ回路２０との間に接続されている。システムメインリレー回路３０は、スイッチ３１，３２，３３と抵抗３４を有する。車載バッテリ７０のプラス端子とインバータ回路２０との接続ラインにスイッチ３１が挿入されている。車載バッテリ７０のマイナス端子とインバータ回路２０との接続ラインにスイッチ３３が挿入されている。スイッチ３２と抵抗３４が直列に接続され、この直列回路がスイッチ３３と並列に接続されている。スイッチ３１，３２，３３は車両ＥＣＵ５５により開閉駆動される。

詳しくは、キーオンの操作に伴い平滑コンデンサ２１のプリチャージ動作が次のように行われる。まず、車両ＥＣＵ５５はキーオン信号の入力に伴いスイッチ３１をオン、スイッチ３２をオン、スイッチ３３をオフする。これにより、平滑コンデンサ２１の充電（プリチャージ）が行われる。そして、平滑コンデンサ２１の電圧が所定の電圧に達すると、車両ＥＣＵ５５は、スイッチ３１をオン、スイッチ３２をオン、スイッチ３３をオンにした後、スイッチ３１をオン、スイッチ３２をオフ、スイッチ３３をオンにする。このプリチャージにより、スイッチ３３が平滑コンデンサ２１への突入電流により固着されるのを防止することができる。

電気自動車におけるバッテリ暖機制御装置を構成するコントローラ５０は電動機８０に供給される３相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうちの２相（例えばＵ相およびＷ相）の電流Ｉｕ，Ｉｗの電流値をモニタしており、電流値が設定値（許容値）より大きくなるとインバータ回路２０の駆動を止めるようになっている。

また、温度検出手段としてのバッテリ温度センサ６２が設けられ、バッテリ温度センサ６２により車載バッテリ７０の温度が検出される。この検出結果はコントローラ５０に送られる。

さらに、回転速度センサ６３が設けられ、回転速度センサ６３により電動機８０の回転速度が検出される。この検出結果はコントローラ５０に送られ、コントローラ５０において電動機８０の回転が停止されているか否か検知される。

また、車載バッテリ７０への充放電電流Ｉｂを検出する電流センサ６４が設けられ、電流センサ６４がコントローラ５０に接続されている。そして、コントローラ５０は電流センサ６４により車載バッテリ７０への充放電電流Ｉｂをモニタできるようになっている。

コントローラ５０は、マイコンを中心に構成されている。コントローラ５０はメモリを備えている。メモリには電動機８０を駆動するのに必要な各種制御プログラムおよびその実行に必要な各種データやマップが記憶されている。制御プログラムには、通常の電動機８０を回転駆動させるための制御プログラムや、低温時に暖機のため電動機８０を通電するための制御プログラム等が含まれる。

コントローラ５０は、駆動回路４０を介して各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のゲートに接続されている。コントローラ５０は、検出した２相の電流（例えば、電流Ｉｕ，Ｉｗ）の電流値に基づいて電動機８０を目標出力となるように制御する制御信号を、駆動回路４０を介して各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に出力する。そして、インバータ回路２０は車載バッテリ７０（平滑コンデンサ２１）から供給される直流電圧を適宜の周波数の３相交流電圧に変換して電動機８０に出力する。

本実施形態では、電動機８０として同期モータを使用している。また、本実施形態ではモータ制御としてベクトル制御を用いている。ベクトル制御では、トルク軸（ｑ軸）と励磁軸（ｄ軸）に分けてモータ制御が行われる。このベクトル制御において、ｑ軸に電流を流すと電動機はトルクを発生するが、ｄ軸に流してもトルクは発生しない（電動機を回転させることはない）。

次に、電気自動車におけるバッテリ暖機制御装置の作用について説明する。
図２において、インバータ回路２０における電動機８０に対するｄ軸電圧Ｖｄ、電動機８０に流すｄ軸電流Ｉｄ、車載バッテリ７０への充放電電流Ｉｂの波形を示す。

キーオン操作が行われると、車両ＥＣＵ５５はシステムメインリレー回路３０のスイッチ３１，３２，３３を制御して平滑コンデンサ２１をプリチャージする。
プリチャージ終了後に、コントローラ５０は、バッテリ温度センサ６２により検出された車載バッテリ７０の温度が規定温度（例えば０℃）よりも低く、かつ、回転速度センサ６３により検出された電動機８０の回転速度が０であり電動機８０が停止している時に次のようにする。

コントローラ５０は、インバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御して放電制御と、放電制御に続いて実施される充電制御とを交互に繰り返し行って車載バッテリ７０を昇温する。

詳しくは、図２において、コントローラ５０は、インバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御してｔ１のタイミングでＨレベルのｄ軸電圧Ｖｄを印加する。即ち、Ｈレベルのｄ軸電圧Ｖｄを発生すべく所定のデューティ（例えば、上アームが６０％、下アームが４０％）でスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。このＨレベルのｄ軸電圧Ｖｄの印加に伴いｄ軸電流Ｉｄが電動機８０の巻線に流され、電流値は時間と共に徐々に大きくなる。このとき、車載バッテリ７０においては放電され、この放電電流は時間と共に徐々に大きくなる。

そして、コントローラ５０は、インバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御してｔ２のタイミングでＨレベルのｄ軸電圧Ｖｄの印加からＬレベルのｄ軸電圧Ｖｄの印加に切り換える。即ち、Ｌレベルのｄ軸電圧Ｖｄを発生すべく所定のデューティ（例えば、上アームが５０％、下アームが５０％）でスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。

このＬレベルのｄ軸電圧Ｖｄの印加に伴いｄ軸電流Ｉｄが時間と共に徐々に小さくなる。このとき、車載バッテリ７０においては充電され、この充電電流は時間と共に徐々に大きくなる。

コントローラ５０は、インバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御してｔ３のタイミングでＨレベルのｄ軸電圧Ｖｄを印加する。即ち、Ｈレベルのｄ軸電圧Ｖｄを発生すべく所定のデューティ（例えば、上アームが６０％、下アームが４０％）でスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。

このＨレベルのｄ軸電圧Ｖｄの印加に伴いｄ軸電流Ｉｄが電動機８０の巻線に流され、電流値は時間と共に徐々に大きくなる。このとき、車載バッテリ７０においては放電され、この放電電流は時間と共に徐々に大きくなる。

そして、コントローラ５０は、インバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御してｔ４のタイミングでＨレベルのｄ軸電圧Ｖｄの印加からＬレベルのｄ軸電圧Ｖｄの印加に切り換える。即ち、Ｌレベルのｄ軸電圧Ｖｄを発生すべく所定のデューティ（例えば、上アームが５０％、下アームが５０％）でスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。

このようにして、ｄ軸電圧Ｖｄを印加してｄ軸電流Ｉｄを電動機８０に流す放電制御と、ｄ軸電圧Ｖｄを下げて電動機８０の巻線に溜まったエネルギーを車載バッテリ７０に戻す充電制御とを交互に繰り返し行って車載バッテリ７０を昇温する。

つまり、電動機８０の巻線に電気エネルギーを蓄積させ、車載バッテリ７０と往復させることで車載バッテリ７０の内部抵抗のジュール熱で車載バッテリ７０を昇温させる。即ち、電気自動車（ＥＶ）は、車載バッテリ（電池）７０とインバータ回路２０がシステムメインリレー回路３０を介して接続されて電源が供給される。インバータ回路２０の出力は電動機８０に接続されており、ｑ軸に電流を流すと電動機８０はトルクを発生するが、ｄ軸に流してもトルクは発生しないので、車両停止時にｄ軸のみに電圧Ｖｄを印加することにより、電動機のｄ軸電流Ｉｄが
（Ｖｄ／Ｌｄ）×ｔ
で増加する。

このときの電流は電動機８０のｄ軸インダクタンスＬｄにエネルギー
Ｌｄ×（Ｉｄ＾２）／２
を蓄積する。

ｄ軸電流Ｉｄがインバータ回路２０の最大電流値、電動機の減磁限界を超えるか、車載バッテリ７０への充放電電流Ｉｂが車載バッテリ７０の入出力の上限を越える前に、
Ｖｄ＝０Ｖ
として、巻線（コイル）に溜まったエネルギーを車載バッテリ７０側に戻す。

よって、電動機８０の巻線（モータコイル）を用いて車載バッテリ７０から電流を出入りさせることで、エネルギー損失を最小にしつつ車載バッテリ７０の温度上昇を行うことができる。

この車載バッテリ７０の昇温動作は車載バッテリ７０の温度が１０℃程度になるまで行われる。コントローラ５０は、車載バッテリ７０の昇温制御において、車載バッテリ７０への充放電電流Ｉｂをモニタして閾値を超えないようにしている。

車載バッテリ７０の昇温後に、通常の制御（電動機の始動）が行われる。その後において、電動機８０の停止時に車載バッテリ７０の温度が規定値よりも低いと、車載バッテリ７０の昇温制御が行われる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）電気自動車におけるバッテリ暖機制御装置の構成として、インバータ回路２０と、温度検出手段としてのバッテリ温度センサ６２と、制御手段としてのコントローラ５０を備える。コントローラ５０は、車載バッテリ７０の温度が規定温度よりも低く、かつ、電動機８０が停止している時において、インバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御してｄ軸電圧を印加してｄ軸電流を電動機８０に流す放電制御と、放電制御に続いて実施されるｄ軸電圧を下げて電動機８０の巻線に溜まったエネルギーを車載バッテリ７０に戻す充電制御とを交互に繰り返し行って車載バッテリ７０を昇温する。つまり、電動機８０が停止している時に（回転していない時に）、車載バッテリ７０の温度が規定温度よりも低い低温状態にあると判定されると、インバータ回路２０と電動機８０の巻線を利用した車載バッテリ７０の昇温制御が行われる。具体的には、ｄ軸電流を電動機８０に流す放電制御により、電動機８０を回転させることなく車載バッテリ７０から電流を持ち出し、その後、ｄ軸電圧を下げて電動機８０の巻線に溜まったエネルギーを車載バッテリ７０に戻す充電制御により車載バッテリ７０に電流を戻す。これらの放電制御と充電制御を交互に繰り返すことで、車載バッテリ７０がその内部抵抗により発熱する。これにより、車載バッテリ７０からのエネルギー消費を抑えながら車載バッテリ７０を昇温することができる。

（２）コントローラ５０は、放電制御で電動機８０の巻線（インダクタンス）に蓄積されるエネルギーが減磁限界を超えないタイミングで充電制御への切り換えを実施するので、実用上好ましい。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・車載バッテリ（特にリチウムイオン電池）は低温になると放電よりも充電の上限が減少する。充電電流の限界を守るため、図２のｔ２のタイミングにおいてｄ軸電圧Ｖｄをいきなり０とせずに、図２に代わる図３に示すように、ゆっくりと低下させる。このように、ｄ軸電圧Ｖｄの立下りを緩やかにすることで、車載バッテリの放電、充電側の電流値を個別に制御することができ、車載バッテリの電流リミットを守ることができる。このようにして、制御手段としてのコントローラ５０は、放電制御から充電制御へ切り換えた際に、ｄ軸電圧を徐々に低下させると、車載バッテリの放電側と充電側の電流値を個々に制御することができる。詳しくは、徐々にｄ軸電圧を下げる際の傾きで充電側の電流値を制御できる。

・電動機の種類は問わない。
・電気自動車として産業車両、例えばバッテリフォークリフトに具体化してもよい。バッテリフォークリフトに具体化した場合、電動機は走行モータであっても、フォークを昇降させるための荷役モータであってもよい。

１０…インバータ、２０…インバータ回路、５０…コントローラ、６２…バッテリ温度センサ、７０…車載バッテリ、８０…電動機、Ｓ１…スイッチング素子、Ｓ２…スイッチング素子、Ｓ３…スイッチング素子、Ｓ４…スイッチング素子、Ｓ５…スイッチング素子、Ｓ６…スイッチング素子。

Claims

ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を有し、入力側に車載バッテリが接続され、出力側に電動機の各相の巻線が接続されたインバータ回路と、
前記車載バッテリの温度を検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段により検出された前記車載バッテリの温度が規定温度よりも低く、かつ、前記電動機が停止している時において、前記インバータ回路のスイッチング素子を制御してｄ軸電圧を印加してｄ軸電流を前記電動機に流す放電制御と、前記放電制御に続いて実施される前記ｄ軸電圧を下げて前記電動機の巻線に溜まったエネルギーを前記車載バッテリに戻す充電制御とを交互に繰り返し行って前記車載バッテリを昇温する制御手段と、
を備えたことを特徴とする電気自動車におけるバッテリ昇温制御装置。
前記制御手段は、前記放電制御から前記充電制御へ切り換えた際に、ｄ軸電圧を徐々に低下させることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車におけるバッテリ昇温制御装置。
前記制御手段は、前記放電制御で前記電動機の巻線に蓄積されるエネルギーが減磁限界を超えないタイミングで前記充電制御への切り換えを実施することを特徴とする請求項１または２に記載の電気自動車におけるバッテリ昇温制御装置。