JP2015016830A - 車両用駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、車両用駆動装置に係り、インバータ短絡故障時に三相交流の回転電機の継続駆動を許容しつつ短期間での部品破損を防止することにある。【解決手段】車両用駆動装置は、車軸に常時接続される三相交流の回転電機と、相ごとに上アーム素子と下アーム素子とを有し、直流電源と回転電機との間で電力変換を行うインバータと、インバータの短絡故障が生じた場合に、回転電機の回転数を低下させる処理を実行する制御部と、を備える。尚、上記の処理は、回転電機に常時接続されるエンジンの回転数を低下させることであり、又は、回転電機と車軸との間に介在するトランスミッションのギア段を高ギアとすることである。【選択図】図３

Description

本発明は、車両用駆動装置に係り、特に、車軸と三相交流の回転電機とが常時接続される車両用駆動装置に関する。

従来、車軸と三相交流の回転電機とが接続される車両用駆動装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この車両用駆動装置は、直流電源と三相交流の回転電機との間で電力変換を行うインバータを備えている。インバータは、相ごとに上アームと下アームとを有している。

上記した特許文献１記載の車両用駆動装置は、インバータの短絡故障を検出することができる。この車両用駆動装置は、インバータを構成する何れかの相のアームのスイッチング素子に短絡故障が生じたことを検出すると、その相とは異なる相のアームをスイッチング動作させることにより、モータの各相コイルに流れる電流を制御する。かかる構成においては、短絡が生じたアームに流れる電流を低減しつつ三相交流の回転電機を継続して駆動させることができる。従って、かかる車両用駆動装置によれば、インバータ短絡故障時に部品の保護を図りつつ三相交流の回転電機の継続駆動により車両の退避走行を実現することができる。

特開２００８−０１１６８３号公報

ところで、上記した特許文献１記載の車両用駆動装置において、エンジン及び回転電機が動力分割機構を介して車軸に接続されており、エンジン回転により生じた駆動力が、動力分割機構を介して回転電機へ伝達される経路と車軸へ伝達される経路とに分割可能である。この点、かかる車両用駆動装置によれば、インバータ短絡故障時にエンジン回転により生じた駆動力の一部だけを回転電機へ伝達することができるので、過電流の発生を抑制して、回転電機やワイヤハーネスなどの部品が短期間のうちに破損するのを防止することが可能である。

これに対して、車両用駆動装置としては、エンジンと回転電機と車軸とが直列に接続されるものがある。すなわち、回転電機が、エンジンに常時接続されると共に、車軸に常時接続されるものがある。かかる構造を有する車両用駆動装置では、エンジン回転により生じた駆動力の全部が回転電機を経由して車軸に伝達される。このため、インバータ短絡故障時、駆動力伝達が通常どおりに行われるものとすると、エンジンが高速回転しているときに回転電機が高速回転するので、過電流が発生し易くなり、その結果として、回転電機やワイヤハーネスなどの部品が短期間のうちに破損するおそれがある。一方、インバータ短絡故障時、回転電機などの部品の破損を防止させるうえでは、エンジンと回転電機との接続を遮断することが考えられるが、かかる構成では、インバータ短絡故障時に回転電機の継続駆動が困難となるので、車両の退避走行が不可能となる。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、インバータ短絡故障時に三相交流の回転電機の継続駆動を許容しつつ短期間での部品破損を防止することが可能な車両用駆動装置を提供することを目的とする。

上記の目的は、車軸に常時接続される三相交流の回転電機と、相ごとに上アーム素子と下アーム素子とを有し、直流電源と前記回転電機との間で電力変換を行うインバータと、前記インバータの短絡故障が生じた場合に、前記回転電機の回転数を低下させる処理を実行する制御部と、を備える車両用駆動装置により達成される。

本発明によれば、インバータ短絡故障時に三相交流の回転電機の継続駆動を許容しつつ短期間での部品破損を防止することができる。

本発明の一実施例である車両用駆動装置の構成図である。 本実施例の車両用駆動装置においてインバータに短絡故障が発生したときの電流の流れ、及び、その短絡故障発生後の制御装置による指令の流れを表した図である。 本実施例の車両用駆動装置において実行される制御ルーチンの一例のフローチャートである。

以下、図面を用いて、本発明に係る車両用駆動装置の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施例である車両用駆動装置１０の構成図を示す。本実施例の車両用駆動装置１０は、ハイブリッド自動車の車軸１２すなわち駆動輪１４，１６を駆動するための駆動装置である。

車両用駆動装置１０は、燃料噴射により車軸１２を回転させる駆動力を発生するエンジン２０と、電力供給により車軸１２を回転させる駆動力を発生するモータジェネレータ２２と、エンジン２０及び／又はモータジェネレータ２２で発生した駆動力を車軸１２に伝達するときのギア段を可変するトランスミッション２４と、を備えている。

エンジン２０とモータジェネレータ２２とトランスミッション２４と車軸１２とは、その順で直列に接続されている。すなわち、エンジン２０とモータジェネレータ２２とは常時接続されていると共に、モータジェネレータ２２と車軸１２とはトランスミッション２４を介して常時接続されている。このため、エンジン２０の回転は、モータジェネレータ２２を回転させた後、トランスミッション２４で変速されて車軸１２に伝達される。

モータジェネレータ２２は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通接続された三相交流のモータジェネレータである。モータジェネレータ２２は、電力供給により車軸１２を回転させる駆動力を発生する電動機の機能を有すると共に、車軸１２及び／又はエンジン２０からの駆動力により発電する発電機の機能を有する。

車両用駆動装置１０は、また、インバータ２６を備えている。インバータ２６は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの充放電可能なバッテリ２８とモータジェネレータ２２との間に介在する三相インバータである。インバータ２６は、バッテリ２８から供給された直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ２２へ出力すると共に、モータジェネレータ２２から供給された交流電力を直流電力に変換してバッテリ２８へ出力する装置である。尚、バッテリ２８とインバータ２６との間に、リアクトルのエネルギ蓄積作用を利用して直流電源の直流電圧を一対のスイッチング素子のオン／オフにより昇圧する昇圧コンバータを設けることとしてもよい。

インバータ２６は、モータジェネレータ２２の三相それぞれに対応した上下アーム３０，３２，３４と、平滑コンデンサ３６と、を有している。Ｕ相の上下アーム３０とＶ相の上下アーム３２とＷ相の上下アーム３４と平滑コンデンサ３６とは、バッテリ２８の正極と負極との間に並列に接続されている。各相の上下アーム３０，３２，３４は、上アーム素子３０ａ，３２ａ，３４ａと、下アーム素子３０ｂ，３２ｂ，３４ｂと、からなる。

各相の上下アーム３０，３２，３４の上アーム素子３０ａ，３２ａ，３４ａと下アーム素子３０ｂ，３２ｂ，３４ｂとは、バッテリ２８の正極と負極との間に直列に接続されている。各相の上下アーム３０，３２，３４の上アーム素子３０ａ，３２ａ，３４ａと下アーム素子３０ｂ，３２ｂ，３４ｂとの間の中間点は、三相交流モータ１２の当該相のコイルの他端に接続されている。

各相の上アーム素子３０ａ，３２ａ，３４ａは、スイッチング動作するスイッチング素子Ｑと、ダイオードＤと、からなる。スイッチング素子ＱとダイオードＤとは、並列接続されている。各スイッチング素子Ｑは、例えばＩＧＢＴなどのパワートランジスタである。ダイオードＤは、スイッチング素子Ｑでの電流の流れとは逆向きの電流の流れ、すなわち、スイッチング素子ＱであるＩＢＧＴのエミッタ側からコレクタ側への電流の流通を許容する逆並列ダイオードである。尚、スイッチング素子Ｑは、ＩＧＢＴ以外のＭＯＳＦＥＴなどのパワー素子であればよい。
インバータ２６は、三相の上下アーム３０，３２，３４の位相が１２０°ずつズレながら各相の上アーム素子３０ａ，３２ａ，３４ａのスイッチング素子Ｑと下アーム素子３０ｂ，３２ｂ，３４ｂのスイッチング素子Ｑとが交互にオン／オフされることにより、直流と交流との間での電力変換を行う。

車両用駆動装置１０は、マイクロコンピュータを主体に構成された制御装置４０を備えている。制御装置４０は、予め格納されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理及び／又は電子回路によるハードウェア処理により、各種制御を行う。制御装置４０は、各相のスイッチング素子Ｑのオン／オフを制御する機能を有する。また、制御装置４０は、エンジン２０の回転数を制御する機能を有すると共に、トランスミッション２４のギア段を制御する機能を有する。

例えば、制御装置４０は、モータジェネレータ２２に要求される要求トルク値に基づいて、インバータ２６のスイッチング素子Ｑをスイッチング動作させるための信号を生成し、その生成した信号をインバータ２６の各スイッチング素子Ｑへ出力する。この場合、インバータ２６は、制御装置４０からの信号に従ってスイッチング動作を行うことで、バッテリ２８の直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ２２へ出力する。これにより、モータジェネレータ２２は、要求トルクが発生するように駆動される。

また、制御装置４０は、バッテリ２８の両端電圧や蓄電量に基づいて、車両を回生制動させるうえで必要な、インバータ２６のスイッチング素子Ｑをスイッチング動作させるための信号を生成し、その生成した信号をインバータ２６の各スイッチング素子Ｑへ出力する。この場合、インバータ２６は、制御装置４０からの信号に従ってスイッチング動作を行うことで、モータジェネレータ２２からの交流電力を直流電力に変換してバッテリ２８へ出力する。これにより、バッテリ２８は、車両の回生制動により充電される。

制御装置４０は、短絡検出部４２を有している。短絡検出部４２は、インバータ２６の有するスイッチング素子Ｑに生ずる短絡故障を検出する。この短絡検出部４２による短絡故障の検出は、例えば、インバータ２６の各スイッチング素子Ｑごとにオフ指令中におけるそのスイッチング素子Ｑに流れる電流値に基づいて行われるものとしてもよい。尚、この場合は、例えば図１に示す如く、インバータ２６の各相出力に電流センサ４４を設け、その電流センサ４４の出力信号に基づいて短絡故障の検出を行うものとしてもよい。

図２は、本実施例の車両用駆動装置１０においてインバータ２６に短絡故障が発生したときの電流の流れ（具体的には、矢印で示す経路）、及び、その短絡故障発生後の制御装置４０による指令の流れを表した図を示す。また、図３は、本実施例の車両用駆動装置１０において制御装置４０が実行する制御ルーチンの一例のフローチャートを示す。

本実施例の車両用駆動装置１０において、エンジン２０の発生した駆動力（動力）は、モータジェネレータ２２を介して車軸１２側に伝達される。この際、モータジェネレータ２２は、エンジン２０の回転に従動して回転する。このモータジェネレータ２２のエンジン回転に伴う回転は、インバータ２６の何れかの相のスイッチング素子Ｑに短絡故障が発生したときにも起こる。

インバータ２６におけるスイッチング素子Ｑの短絡故障時にモータジェネレータ２２が回転すると、インバータ２６に短絡故障が生じたスイッチング素子Ｑを含む経路の閉回路が形成された状態で、モータジェネレータ２２で逆起電力が発生するので、例えば図２において太線矢印で示す如き経路で電流が流れる。かかる電流量は、モータジェネレータ２２の回転数が多いほど大きくなる。このため、インバータ２６の短絡故障時、エンジン２０の回転に伴うモータジェネレータ２２の回転が通常どおり行われるものとすると、エンジン２０が高速回転しているときにモータジェネレータ２２も高速回転するので、過電流が発生し易くなると共に、インバータ２６に短絡故障が発生してからその過電流継続によりインバータ２６やモータジェネレータ２２などの部品が発熱して破損するまでの期間が短くなるおそれがある。

そこで、本実施例の車両用駆動装置１０は、インバータ２６に短絡故障が生じたことを検出した場合に、エンジン２０の回転に伴うモータジェネレータ２２の回転を継続させたまま、モータジェネレータ２２の回転数を低下させることで、過電流の発生を抑えることとしている。以下、本実施例の特徴部について説明する。

本実施例の車両用駆動装置１０において、制御装置４０は、短絡検出部４２において、電流センサ４４などを用いて、インバータ２６の有するスイッチング素子Ｑに生ずる短絡故障の有無を検出する。尚、制御装置４０は、インバータ２６に短絡故障が生じたことを検出した場合は、更に、その短絡故障が生じたスイッチング素子Ｑを特定することとしてもよい。

制御装置４０は、インバータ２６の何れか一のスイッチング素子Ｑに短絡故障が発生していることを検出すると（ステップ１００での肯定判定時）、次に、モータジェネレータ２２の回転数を低減させる処理を実行する（ステップ１０２）。

尚、このモータジェネレータ２２の回転数を低減させる処理は、具体的には、エンジン２０の回転数を低下させること、又は、トランスミッション２４のギア段を高ギアへ移行させることである。また、上記のモータジェネレータ２２の回転数を低減させる処理は、インバータ２６の短絡故障の検出前後でモータジェネレータ２２の回転数を低減させるもの（すなわち、エンジン回転数を低下させるもの或いはトランスミッションを高ギアへ移行させるもの）であってもよく、また、予め部品保護の観点から定められている閾値以下までモータジェネレータ２２の回転数を低減させるもの（すなわち、エンジン回転数を所定回転数まで低下させるもの或いはトランスミッションを所定ギア（例えば、最高ギア）へ移行させるもの）であってもよい。

制御装置４０は、上記ステップ１０２においてモータジェネレータ２２の回転数を低減させる処理として、エンジン２０に対してエンジン回転数を低下させる指令を発すると共に、トランスミッション２４に対してトランスミッション２４のギア段を高ギアへ移行させる指令を発する。尚、インバータ２６の短絡故障検出時に既にトランスミッション２４のギア段が最高ギアに設定されているときは、更なる高ギアへの移行は不要である。

上記指令が発せられると、エンジン２０の回転数が低下されると共に、トランスミッション２４のギア段が高ギアへ移行される。エンジン２０の回転数が低下されると、そのエンジン２０の回転数低下に伴ってモータジェネレータ２２の回転数も低下する。また、トランスミッション２４のギア段が高ギアへ移行すると、車軸１２の回転数が同じであっても、モータジェネレータ２２及びエンジン２０の回転数が低下する。モータジェネレータ２２の回転数が低下すれば、インバータ２６の短絡故障時に閉回路に流れる電流量が減少する。

従って、本実施例の車両用駆動装置１０によれば、インバータ２６の短絡故障時に過電流が発生するのを抑えることができる。このため、本実施例によれば、インバータ２６に短絡故障が発生してからその過電流継続によりインバータ２６やモータジェネレータ２２などの部品が発熱して破損するまでの期間を長くすることができ、インバータ２６の短絡故障時に、モータジェネレータ２２や、インバータ２６とモータジェネレータ２２とを繋ぐワイヤハーネスなどの部品が短期間のうちに発熱して破損するのを防止することができる。これにより、インバータ２６の短絡故障に対して上記部品をできるだけ保護することができ、インバータ２６の短絡故障に起因した上記部品の共連れ交換を抑制し、インバータ２６の短絡故障に起因した修理費を低減することができる。

また、本実施例において、エンジン２０とモータジェネレータ２２とトランスミッション２４と車軸１２とは、その順で直列に接続されており、エンジン２０とモータジェネレータ２２とは常時接続されかつモータジェネレータ２２と車軸１２とはトランスミッション２４を介して常時接続されている。この点、エンジン２０の発生した駆動力は、モータジェネレータ２２を回転させた後、トランスミッション２４で変速されて車軸１２に伝達される。すなわち、エンジン２０の発生した駆動力をモータジェネレータ２２を介することなく車軸１２へ伝達することは不可能である。このため、本実施例によれば、インバータ２６の短絡故障時にも、エンジン動力により継続してモータジェネレータ２２を回転駆動させて車軸１２を回転駆動させることができるので、車両の退避走行を確保することができる。

尚、本実施例においては、上記の如く、インバータ２６の短絡故障時、エンジン２０の回転数が低下されることによりモータジェネレータ２２の回転数が低減されるが、この際、同時にトランスミッション２４のギア段が高ギアへ移行される。エンジン２０の回転数が低下されても、トランスミッション２４のギア段として高ギアが選択されれば、低ギアが選択される場合に比べて、車軸２４を高速で回転させることが可能となるので、車両の退避走行時の走行性能を向上させることができる。

このように、本実施例の車両用駆動装置１０によれば、インバータ２６の短絡故障時に、三相交流のモータジェネレータ２２の継続駆動を許容しつつ、短絡電流の流通に起因した短期間でのモータジェネレータ２２やワイヤハーネスなどの部品の破損を防止することができる。

また、本実施例の車両用駆動装置１０において、制御装置４０は、上記ステップ１０２においてモータジェネレータ２２の回転数を低減させる処理の実行を開始すると、まず、モータジェネレータ２２に最大限許容される回転数（許容回転数）を設定する（ステップ１０４）。

このモータジェネレータ２２の許容回転数の設定は、モータジェネレータ２２の回転数を低減させる処理の実行開始後、インバータ２６の各相出力に流れる電流（インバータ出力電流）、モータジェネレータ２２に生じている温度（モータ温度）、モータジェネレータ２２とインバータ２６とを繋ぐワイヤハーネスに生じている温度（Ｗ／Ｈ温度）、そのワイヤハーネスの接続部（コネクタ）に生じている温度（コネクタ温度）などに基づいて、行われるものとすればよい。尚、インバータ出力電流は、上記の電流センサ４４の出力信号に基づいて検出されるものとしてもよい。また、モータ温度は、図１に示す如くモータジェネレータ２２に設置された温度センサ４６の出力信号に基づいて検出されるものとしてもよい。

モータジェネレータ２２の許容回転数は、例えば、インバータ出力電流が大きいほど低く設定され、モータ温度、Ｗ／Ｈ温度、又はコネクタ温度が高いほど低く設定されるものとすればよく、或いは、インバータ出力電流が部品が破損し易くなると予想される所定閾値を超える場合は超えない場合に比して低く設定され、モータ温度、Ｗ／Ｈ温度、又はコネクタ温度が部品が破損し易くなると予想される所定閾値を超える場合は超えない場合に比して低く設定されるものとすればよい。

制御装置４０は、モータジェネレータ２２の回転数低減処理の開始後、上記ステップ１０４においてモータジェネレータ２２の許容回転数を設定すると、次に、モータジェネレータ２２の回転数を、その設定した許容回転数を超えない範囲に調整する（ステップ１０６）。このモータジェネレータ２２の回転数の調整は、エンジン２０の回転数及びトランスミッション２４のギア段が制御されることにより行われるものとすればよい。

制御装置４０は、上記ステップ１０６においてモータジェネレータ２２の回転数調整を開始した後、その調整後の回転数によればモータジェネレータ２２やワイヤハーネスなどの部品の保護が可能であるか否かを判別する（ステップ１０８）。この判別は、インバータ出力電流、モータ温度、Ｗ／Ｈ温度、又はコネクタ温度をモニタした結果に基づいて行われるものとすればよい。例えば、調整後の回転数でも、インバータ出力電流が高くなる傾向にあり、或いは、モータ温度、Ｗ／Ｈ温度、又はコネクタ温度が高くなる傾向にあるときは、部品の保護が困難であると判別し、一方、それらの傾向が生じないときは、部品の保護が可能であると判別することとすればよい。

制御装置４０は、上記ステップ１０８において部品の保護が可能であると判別した場合は、次に、上記ステップ１０４以降の処理を繰り返し行う。一方、部品の保護が困難であると判別した場合は、次に、エンジン２０での駆動力発生を停止させることで、車両の退避走行を中止させて車両を停止させる（ステップ１１０）。

かかる構成によれば、インバータ２６の短絡故障に起因してモータジェネレータ２２の回転数を低減させる処理が開始された後、そのモータジェネレータ２２の回転数を、構成部品を保護できる範囲に調整しながらできるだけ高い回転数まで許容することができる。従って、本実施例の車両用駆動装置１０によれば、インバータ２６の短絡故障時に、短絡電流の流通に起因した部品破損を確実に防止しつつ車両の退避走行時の走行性能を向上させることが可能である。

尚、上記の実施例においては、モータジェネレータ２２が特許請求の範囲に記載した「回転電機」に、制御装置４０が特許請求の範囲に記載した「制御部」に、それぞれ相当している。

ところで、上記の実施例においては、インバータ２６の短絡故障時におけるモータジェネレータ２２の回転数低減処理として、エンジン２０に対してエンジン２０の回転数を低下させると共に、トランスミッション２４に対してトランスミッション２４のギア段を高ギアへ移行させるが、何れか一方のみを行うものであってもよい。

１０ 車両用駆動装置
１２ 車軸
２０ エンジン
２２ モータジェネレータ
２４ トランスミッション
２６ インバータ
２８ バッテリ
３０，３２，３４ 上下アーム
４０ 制御装置
４２ 短絡検出部
４４ 電流センサ
４６ 温度センサ

Claims (5)

1. 車軸に常時接続される三相交流の回転電機と、
   相ごとに上アーム素子と下アーム素子とを有し、直流電源と前記回転電機との間で電力変換を行うインバータと、
   前記インバータの短絡故障が生じた場合に、前記回転電機の回転数を低下させる処理を実行する制御部と、
   を備えることを特徴とする車両用駆動装置。
2. 前記処理は、前記回転電機に常時接続されるエンジンの回転数を低下させることであることを特徴とする請求項１記載の車両用駆動装置。
3. 前記制御部は、前記処理の実行開始後、前記回転電機の回転数が前記短絡故障時に設定される前記回転電機に許容される許容回転数を超えないように、前記エンジンの回転数を調整することを特徴とする請求項２記載の車両用駆動装置。
4. 前記処理は、前記回転電機と前記車軸との間に介在するトランスミッションのギア段を高ギアとすることであることを特徴とする請求項１記載の車両用駆動装置。
5. 前記制御部は、前記処理の実行開始後、前記回転電機の回転数が前記短絡故障時に設定される前記回転電機に許容される許容回転数を超えないように、前記トランスミッションのギア段を調整することを特徴とする請求項４記載の車両用駆動装置。

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