JP2016063597A

JP2016063597A - 駆動制御装置

Info

Publication number: JP2016063597A
Application number: JP2014188920A
Authority: JP
Inventors: 秀章上原; Hideaki Uehara
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-09-17
Filing date: 2014-09-17
Publication date: 2016-04-25

Abstract

【課題】インバータの三相短絡による車両の走行性能への影響を最小限に抑えることができる駆動制御装置を提供する。【解決手段】駆動制御装置は、電力供給回路（１３）の高電圧回路を遮断した後、車両速度（Ｖ）が所定の第１閾値（Ｖ１）以下である場合、インバータ（１０）の三相短絡を実行する三相短絡実行手段（１４、２０）と、三相短絡の実行中、車両速度（Ｖ）が第１閾値よりも大の所定の第２閾値（Ｖ２）以上となった場合、三相短絡を解除する三相短絡解除手段（１４、２０）とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、駆動制御装置に関し、特に電動車両用の駆動制御装置に関する。

近年、環境問題等を考慮して、モータ（電動機）のみで走行可能な電気自動車や、エンジンとモータとを駆動源とするハイブリッド電気自動車等の電動車両の開発が進んでいる。モータには主として三相モータが用いられ、モータを駆動するための電力が蓄電可能なバッテリから、電力の直流及び交流の変換を行うインバータを介してモータに電力が供給される。

そして、モータやインバータを含む駆動系に異常が生じた場合に、バッテリに過大な電力が入力されるのを抑制すること、エンジン駆動力によりモータが発電して不用意な充電を防止すること等を目的とし、インバータを三相短絡状態とする三相短絡制御が知られている（例えば特許文献１参照）。
また、インバータの三相短絡状態においては、モータに負荷トルク（ドラッグトルクとも称する）が発生することも知られている（例えば特許文献２参照）。

特開２０１１−１７２３４３号公報特開２００６−２９６０６８号公報

しかしながら、変速機の入力側にモータが直接連結された駆動系を備える車両においては、インバータの三相短絡時にモータに発生するドラッグトルクが車両の走行性能、特に変速制御に多大な影響を及ぼす。この三相短絡によるドラッグトルクの影響を軽減するためには、変速機を２速等の低速ギヤに固定し、変速を行わないで車両を走行する必要があり、車両の走行性能が大幅に制限されるおそれがある。

本発明はこのような問題の少なくとも一部を解決するためになされたもので、その目的とするところは、インバータの三相短絡による車両の走行性能への影響を最小限に抑えることができる電動車両用の駆動制御装置を提供することにある。

本発明は前述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。

（１）本適用例に係る駆動制御装置は、車両の駆動源である電動機と、前記電動機を駆動するための電力を蓄電可能なバッテリと、前記バッテリと前記電動機との間で前記電力の直流及び交流の変換を行うインバータと、前記電動機、前記インバータ、及び前記バッテリを含む電力供給回路における異常を検出する異常検出手段と、前記異常検出手段により検出された異常が、漏電及び／又は絶縁抵抗の低下に関する異常か否かを判定する異常判定手段と、前記異常判定手段において漏電及び／又は絶縁抵抗の低下に関する異常と判定された場合、前記電力供給回路の高電圧回路を遮断する高電圧遮断手段と、車両速度を検出する速度検出手段と、前記高電圧回路を遮断した後、前記車両速度が所定の第１閾値以下である場合、前記インバータの三相短絡を実行する三相短絡実行手段と、前記三相短絡の実行中、前記車両速度が前記第１閾値よりも大の所定の第２閾値以上となった場合、前記三相短絡を解除する三相短絡解除手段と、を備える。

前記適用例を用いる本発明によれば、インバータの三相短絡による車両の走行性能への影響を最小限に抑えることができる。

本発明の一実施形態に係る駆動制御装置を備えた電動車両の概略構成図である。図１のインバータの概略構成図である。図１のインバータＥＣＵが実行する三相短絡制御を示したフローチャートである。図３の三相短絡制御にて実行される三相短絡の実行及び解除を車速変化に応じて時系列的に示した図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。図１は本発明の一実施形態に係る駆動制御装置を備えた電動車両の概略構成を示し、図２は図１の駆動制御装置を構成するインバータの概略を示す。
図１に示すように、電動車両１（以下、単に車両とも称する）は、エンジン２及びモータ３（電動機）を走行駆動源とする、例えばパラレル型ハイブリッドのトラックである。

エンジン２の出力軸にはクラッチ４が連結され、クラッチ４にはモータ３の回転軸を介して変速機５の入力軸が連結されている。すなわち、車両１は、モータ３がクラッチ４を介してエンジン２の出力側に連結され、変速機５の入力側にモータ３がクラッチを介さずに直接連結された駆動系を形成している。したがって、モータ３と変速機５は機械的に連結されていれば良く、その連結形態は特に限定されない。具体的には、モータ３は、エンジン２および変速機５と同軸上において連結されていても良い。あるいは、モータ３は、エンジン２と変速機５とが連結される軸とは別の軸で変速機５と機械的に連結されていても良い。

変速機５の出力側にはプロペラシャフト６を介して差動装置７が連結され、差動装置７には駆動軸８を介して左右の駆動輪９が連結されている。
変速機５は、一般的な手動変速機をベースとしてクラッチ４の断接操作及び変速段の切換操作を自動化したものである。本実施形態では、変速機５は、前進１２速後退１速の変速段を有している。変速機５の構成はこれに限るものではなく、任意に変更可能である。例えば手動式変速機として具体化しても良いし、２系統の動力伝達系を備えた、いわゆるデュアルクラッチ式自動変速機として具体化しても良い。

モータ３はいわゆる三相モータであり、永久磁石が貼り付けられたロータと三相コイルが巻回されたステータとを備えた同期発電電動機である。モータ３は、インバータ１０を介してモータ３を駆動するための電力を蓄電可能なバッテリ１１と接続されている。
インバータ１０は、電力変換器であって、バッテリ１１とモータ３との間に配置され、バッテリ１１に蓄電された電力の直流及び交流の変換を行う。

詳しくは、図２に示すように、インバータ１０はモータ３の三相コイルと接続された一相につき一対のスイッチング素子（半導体素子）１２ａ〜１２ｆ（例えばＩＧＢＴ：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を備えている。これらスイッチング素子１２ａ〜１２ｆは三相ブリッジ回路を形成し、この三相ブリッジ回路は直流電流と三相交流電流との変換、あるいは、バッテリ１１からモータ３に供給する電力の電圧変換を行う。

インバータ１０は、バッテリ１１からの直流電力を三相交流電力に変換してモータ３に供給可能であるとともに、モータ３からの三相交流電力を整流してバッテリ１１へ供給可能である。こうして、モータ３、インバータ１０、及びバッテリ１１により、モータ３に電力供給し、バッテリ１１に電力供給するための電力供給回路１３が構成されている。

このように構成された車両１は、走行に際し、エンジン２又はモータ３で発生させた駆動力を変速機５で変速した後、駆動輪９に伝達する。
詳しくは、モータ３が発生する駆動力は、クラッチ４の断接状態に拘わらず駆動輪９側に伝達される。一方、エンジン２が発生する駆動力は、クラッチ４の接続時に限って駆動輪９側に伝達される。したがって、クラッチ４の切断時には、モータ３が発生する正側又は負側の駆動力が駆動輪９側に伝達されることにより車両１が走行する。一方、クラッチ４の接続時には、エンジン２及びモータ３の駆動力が駆動輪９側に伝達されたり、あるいはエンジン２の駆動力のみが駆動輪９側に伝達されたりすることにより車両１が走行する。

また、例えば車両１の減速時や降坂路での走行時には、駆動輪９側からの逆駆動によりモータ３が発電機として作動する。そして、モータ３が発生した負側の駆動力は、制動力として駆動輪９側に伝達されるとともに、モータ３が発電した交流電力がインバータ１０で直流電力に変換されてバッテリ１１に充電される。

ここで、インバータ１０はインバータＥＣＵ１４と接続されている。インバータＥＣＵ１４は、インバータ１０からモータ３に流す電流の目標値等を演算し、インバータ１０に指令を送る。さらに、インバータＥＣＵ１４は、インバータ１０を流れる電流及び電圧や、図示しない温度センサにより検出されるインバータ１０の温度等を含むインバータ１０の状態を監視している。

一方、バッテリ１１はバッテリＥＣＵ１６と接続されている。バッテリＥＣＵ１６は、インバータＥＣＵ１４に、バッテリ１１から出力可能な電流電圧値を送る。インバータＥＣＵ１４は、バッテリＥＣＵ１６から送られた電流電圧値等や、モータ３に関する情報、例えばモータ回転数やコイルの温度等から、モータ３により出力可能なトルクを算出し、後述するＨＣＵ２０に送る。

さらに、バッテリＥＣＵ１６は、図示しない温度センサ、電圧センサ、及び電流センサによりそれぞれ検出されるバッテリ１１の温度、電圧、及び電流等を含むバッテリ１１の状態を監視している。また、バッテリＥＣＵ１６は、バッテリ１１に設けられた非常停止ボタン、及びクラッシュセンサ（何れも図示しない）等の作動の有無も監視している。作業員等が異常時にバッテリ１１の非常停止ボタンを押したり、あるいはクラッシュセンサがバッテリ１１への衝撃を検知したりすると、電力供給回路１３にて高電圧が印加される高電圧回路を直接に遮断可能である。

また、バッテリＥＣＵ１６はインバータＥＣＵ１４と接続されている。インバータＥＣＵ１４が取得した各種情報はバッテリＥＣＵ１６が取得した各種情報と相互に共有可能である。
一方、プロペラシャフト６に接続される変速機５の出力軸には車速センサ（速度検出手段）１５が設けられている。車速センサ１５により検出された車両速度の信号は変速機ＥＣＵ１８に送られる。

そして、前述したインバータＥＣＵ１４、バッテリＥＣＵ１６、及び変速機ＥＣＵ１８は、ＨＣＵ（ハイブリッドコントロールユニット）２０に接続されている。
ＨＣＵ２０は、ＣＡＮ信号等により車両１のハイブリッドシステムを制御するＥＣＵであって、車両１のハイブリッドシステムを統括している。ＨＣＵ２０は、図示しないメモリ、ＣＰＵ、タイマカウンタなどから構成された制御回路であり、様々な制御量の演算を行うとともに、その制御量に基づき各種デバイスの制御を行う。

また、ＨＣＵ２０は、各種センサ・スイッチ類が接続され、車両１の各種情報を取得することができる。例えば、ＨＣＵ２０には、変速機ＥＣＵ１８を介して車速センサ１５により検出された車両速度等の信号が送られる。

こうして、本実施形態の電動車両１の駆動制御装置では、ＨＣＵ２０は、インバータＥＣＵ１４から送られた出力可能なトルク、運転者によるアクセル操作や車両１の状態等から、モータ３に要求するトルクを算出し、インバータＥＣＵ１４に要求するトルク値を指令することにより、モータ３及び車両１の駆動が制御される。

ここで、ＨＣＵ２０は、電力供給回路１３における異常を検出するインバータＥＣＵ１４、及びバッテリＥＣＵ１６と接続されることにより、モータ３、インバータ１０、及びバッテリ１１を含む電力供給回路１３における異常（以下、回路異常とも称する）全般を検知することが可能である（異常検出手段）。

電力供給回路１３には、電力供給回路１３の高電圧回路の導通をハーネスにより監視し、導通異常が発生した場合、高電圧回路を遮断する高電圧インターロック機能が備えられている。この機能はバッテリＥＣＵ１６等に実装され、高電圧回路の電線のコネクタ外れ、バッテリ１１の前述した非常停止ボタン等のスイッチ固着、接触不良等に起因した導通異常、インバータ１０とモータ３との間の交流電線における短絡等の通電異常等が検知される。

前述した回路異常には、前述した、モータ３の回転数センサ、インバータ１０の温度センサ、及びバッテリ１１の温度センサ、電圧センサ、電流センサ等の各センサの異常や、バッテリ１１に蓄電される電力の電圧の異常低下、電力供給回路１３における漏電、絶縁抵抗低下（絶縁異常）、過電圧、高電圧インターロック機能の異常、及び前述したバッテリ１１の非常停止ボタン及びクラッシュセンサの作動等が該当する。

また、ＨＣＵ２０は、インバータＥＣＵ１４及びバッテリＥＣＵ１６を介して検出された回路異常が、電力供給回路１３における漏電及び／又は絶縁抵抗の低下に関する異常（以下、漏電等異常とも称する）であるか否かを判定する（異常判定手段）。具体的には、漏電等異常には、前述した回路異常の主にセンサ異常以外の異常、すなわち、電力供給回路１３における、漏電、絶縁抵抗低下（絶縁異常）、過電圧、高電圧インターロック機能の異常、及びバッテリ１１の非常停止ボタン及びクラッシュセンサの作動等が該当する。

さらに、ＨＣＵ２０は、漏電等異常を検出すると、前述した高電圧インターロック機能とは別に、バッテリＥＣＵ１６に電力供給回路１３内の高電圧回路を遮断する要求を送り、バッテリＥＣＵ１６が当該高電圧回路を遮断する（高電圧遮断手段）。
そして、ＨＣＵ２０は、漏電等異常を検出し、バッテリＥＣＵ１６を介して高電圧回路を遮断した後、変速機ＥＣＵ１８から送られる車速センサ１５で検出した車速に応じて、インバータ１０の三相短絡を実行及び解除する三相短絡制御を行う。

具体的には、図２に示すように、インバータ１０の三相短絡を実行する場合、インバータ１０の各相一対のスイッチング素子のうち一方のスイッチング素子１２ｄ〜１２ｆからなる素子群を全てＯＮ状態とし、他方のスイッチング素子１２ａ〜１２ｃからなる素子群を全てＯＦＦ状態とする。あるいは、一方のスイッチング素子１２ｄ〜１２ｆからなる素子群を全てＯＦＦ状態とし、他方のスイッチング素子１２ａ〜１２ｃからなる素子群を全てＯＮ状態とすることによりインバータ１０の三相短絡を実行しても良い。

以下、図３に示すフローチャートを参照し、ＨＣＵ２０が実行する三相短絡制御について詳しく説明する。
先ず、本制御ルーチンがスタートすると、Ｓ１（Ｓはステップを表し、以下同様とする）では、ＨＣＵ２０は、前述した漏電等異常が検出されたか否かを判定する。漏電等異常が検出されず、判定結果が偽（Ｎｏ）である場合には、本制御ルーチンを終了（エンド）する。一方、漏電等異常が検出され、判定結果が真（Ｙｅｓ）である場合には、Ｓ２に移行する。

Ｓ２では、ＨＣＵ２０は、バッテリＥＣＵ１６を介して電力供給回路１３内の高電圧回路を遮断した後、Ｓ３に移行する。
Ｓ３では、ＨＣＵ２０は、変速機ＥＣＵ１８から送られる車速センサ１５で検出した車速Ｖが第１閾値Ｖ１以下（Ｖ≦Ｖ１）であるか否かを判定する。第１閾値Ｖ１は例えば１０ｋｍ／ｈ程度の低車速域に設定される。Ｖ≦Ｖ１が不成立であって判定結果が偽（Ｎｏ）である場合には、再びＳ２に移行する。一方、Ｖ≦Ｖ１が成立し、判定結果が真（Ｙｅｓ）である場合には、Ｓ４に移行する。

Ｓ４では、ＨＣＵ２０は、インバータ１０の三相短絡を実行し（三相短絡実行手段）、その後Ｓ５に移行する。
Ｓ５では、ＨＣＵ２０は、車速センサ１５で検出された車速Ｖが第２閾値Ｖ２以上（Ｖ≧Ｖ２）であるか否かを判定する。第２閾値Ｖ１は例えば１５ｋｍ／ｈ程度の第１閾値Ｖ１よりも大となる中車速域又は高車速域に設定される。Ｖ≧Ｖ２が不成立であって判定結果が偽（Ｎｏ）である場合には、インバータ１０の三相短絡状態を維持したままＳ６に移行する。一方、Ｖ≧Ｖ２が成立し、判定結果が真（Ｙｅｓ）である場合には、Ｓ７に移行する。

Ｓ６では、ＨＣＵ２０内でエラーキーがＯＦＦ（エラー復帰）したか否か、すなわち漏電等異常が解消したか否かを判定する。キーＯＦＦ（エラー復帰）し、判定結果が真（Ｙｅｓ）である場合には、本制御ルーチンを終了（エンド）する。一方、キーＯＦＦ（エラー復帰）せず、判定結果が偽（Ｎｏ）である場合には、インバータ１０の三相短絡状態を維持したまま、再びＳ５を実行する。

Ｓ７では、ＨＣＵ２０は、インバータ１０の三相短絡を解除し（三相短絡解除手段）、再びＳ２に移行する。
図４は、前述した三相短絡制御にて実行される三相短絡の実行及び解除を車速変化に応じて時系列的に示した図である。三相短絡制御の実行中に前述したＳ１、Ｓ２を順次経てＳ３に移行したと仮定する。この場合、車両１の車速Ｖが徐々に小さくなり、時間ｔ１にて第１閾値Ｖ１以下となったとき、この時間ｔ１にインバータ１０の三相短絡の実行が開始される（Ｓ４）。

その後、三相短絡制御のＳ５に移行したと仮定する。この場合、インバータ１０の三相短絡状態を維持したまま、車両１の車速Ｖが徐々に大きくなり、時間ｔ２にて第１閾値Ｖ１よりも大きな第１閾値Ｖ２以上となったとき、この時間ｔ２にインバータ１０の三相短絡の実行が終了し、三相短絡が解除される（Ｓ７）。

以上のように本実施形態では、ＨＣＵ２０が漏電等異常を検出し、バッテリＥＣＵ１６により高電圧回路を遮断した後、インバータ１０の三相短絡制御を実行する。
具体的には、車両１が例えば１０ｋｍ／ｈ程度以下の低車速域で走行したり、停車していたりする場合には、インバータ１０の三相短絡を実行する。一方、例えば１５ｋｍ／ｈ程度以上の中車速域及び高車速域で車両１が走行する場合には、インバータ１０の三相短絡を実行しない。また、インバータ１０の三相短絡実行中でも、車速が中車速域及び高車速域に大きくなった場合には、三相短絡を解除する。

インバータ１０の三相短絡を常時実行すると、モータ３に発生するドラッグトルクが車両１の走行性能に多大な影響を及ぼす。したがって、低車速域走行時や停車時のみにインバータ１０の三相短絡を実行し、車速が中車速域及び高車速域に大きくなったときには三相短絡を解除することにより、インバータ１０の三相短絡を常時実行する場合に比して、インバータ１０の三相短絡による車両１の走行性能への影響を最小限に抑えることができる。

一方、車両１のバッテリ１１は高出力であるため、電力供給回路１３にて漏電や絶縁抵抗低下が発生した場合、車両１に接触すると車両１の乗員、車両１をメンテナンスする作業員、及び歩行者等が感電する危険性がある。また、電力供給回路１３の高電圧回路を遮断するだけでは、モータ３が回転することにより、車両１が停車中であっても電流が発生するため、感電の危険性は排除できない。
しかし、車両１の乗員等が車両１に接触し易い低車速域走行時や停車時にインバータ１０の三相短絡を実行することにより、感電の危険性を大幅に低減することができる。一方、中車速域走行時及び高車速域走行時にインバータ１０の三相短絡を実行しなくとも、車両１がある程度の速度で走行していることから、前述した車両１の乗員等が車両１に接触する可能性は低い。したがって、インバータ１０の三相短絡による車両１の走行性能への影響を最小限に抑えながら、車両１の乗員等の安全性を効果的に向上することもできる。

しかも、ＨＣＵ２０が三相短絡制御を漏電等異常の有無に基づいて実行することにより、三相短絡制御を電力供給回路１３の異常全般に該当する回路異常の有無に基づいて実行する場合に比して、車両に接触すると感電する危険性が高い漏電や絶縁抵抗低下を含む漏電等異常がもたらす感電に特化した安全対策を実現することができる。したがって、車両１の乗員等の安全性をさらに効果的に向上することができる。

本発明は前述した実施形態に制約されるものではなく、種々の変形が可能である。
例えば、本実施形態では、電力供給回路１３の回路異常の検出（異常検出手段）、検出された回路異常が漏電等異常であるか否かの判定（異常判定手段）、検出された回路異常が漏電等異常である場合に電力供給回路１３の高電圧回路を遮断する指令（高電圧遮断手段）、及び三相短絡制御は、すべてＨＣＵ２０で行われる。しかし、これらの検出、判定、指令の実行はＨＣＵ２０以外の上位ＥＣＵやＢＣＵ等で実行しても良いし、ＣＡＮ通信等によりＨＣＵ２０に実行信号を送ることで実現しても良い。

また、本実施形態で列挙した電力供給回路１３の回路異常や漏電等異常の要因はこれらに限定されない。
また、本実施形態の電動車両１はエンジン２及びモータ３を駆動源とするハイブリッド自動車であるが、本発明はモータのみを駆動源とする電気自動車や燃料電池自動車にも同様に適用することができる。

１電動車両（車両）
２エンジン
３モータ（電動機）
１０インバータ
１１バッテリ
１３電力供給回路
１４インバータＥＣＵ（異常検出手段、
三相短絡実行手段、三相短絡解除手段）
１５車速センサ（速度検出手段）
１６バッテリＥＣＵ（異常検出手段、高電圧遮断手段）
２０ＨＣＵ（異常判定手段、三相短絡実行手段、三相短絡解除手段）

Claims

車両の駆動源である電動機と、
前記電動機を駆動するための電力を蓄電可能なバッテリと、
前記バッテリと前記電動機との間で前記電力の直流及び交流の変換を行うインバータと、
前記電動機、前記インバータ、及び前記バッテリを含む電力供給回路における異常を検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段により検出された異常が、漏電及び／又は絶縁抵抗の低下に関する異常か否かを判定する異常判定手段と、
前記異常判定手段において漏電及び／又は絶縁抵抗の低下に関する異常と判定された場合、前記電力供給回路の高電圧回路を遮断する高電圧遮断手段と、
車両速度を検出する速度検出手段と、
前記高電圧回路を遮断した後、前記車両速度が所定の第１閾値以下である場合、前記インバータの三相短絡を実行する三相短絡実行手段と、
前記三相短絡の実行中、前記車両速度が前記第１閾値よりも大の所定の第２閾値以上となった場合、前記三相短絡を解除する三相短絡解除手段と
を備える駆動制御装置。