JP2016131477A - 電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】平滑コンデンサのディスチャージに伴うインバータの劣化を良好に抑制する。【解決手段】電動車両が停車する際には、ブレーキユニットを制御することによりモータの停止位置が調整され、停車状態でシステム停止されると、インバータは、平滑コンデンサに蓄えられた電荷がディスチャージされるように制御され（Ｓ１６０）、電動車両が停車する際、ブレーキユニットは、平滑コンデンサのディスチャージに伴って最大の電流が流れるインバータのトランジスタが停車のたびに入れ替わるようにモータを停止させる（Ｓ１００〜Ｓ１４０）。【選択図】図２

Description

本発明は、車輪に連結された電動機と、複数のスイッチング素子を有するインバータと、インバータとバッテリとの間の電圧を平滑化する平滑コンデンサとを含む電動車両に関する。

従来、この種の車両として、停車状態でイグニッションスイッチがオフにされると、平滑コンデンサに蓄えられている残留電荷をモータジェネレータＭＧ１および／またはＭＧ２によって放電させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この車両では、平滑コンデンサのディスチャージに際して、３相／２相変換後の電流指令のｄ軸電流成分のみが流れるようにインバータへの制御信号が生成される。これにより、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が駆動力を出力しないようにしながら、平滑コンデンサに蓄えられている残留電荷を当該モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に短時間で消費させることができる。

特開２０１１−０７２１７１号公報

上述のように、車輪によりモータの回転が規制される停車状態で平滑コンデンサをディスチャージすると、モータ（ロータ）の回転停止位置に応じて定まる何れか一つ（一相）のスイッチング素子に他のスイッチング素子に比べて大きい電流が流れることになる。従って、停車状態で平滑コンデンサがディスチャージされる車両では、当該ディスチャージの実行に伴ってインバータが劣化しないように何らかの対策を施す必要がある。

そこで、本発明は、平滑コンデンサのディスチャージに伴うインバータの劣化を良好に抑制することを主目的とする。

本発明による電動車両は、車輪に連結された電動機と、複数のスイッチング素子を有するインバータと、前記インバータを介して前記電動機と電力をやり取り可能なバッテリと、前記インバータと前記バッテリとの間の電圧を平滑化する平滑コンデンサと、前記車輪に制動力を付与する制動装置とを備えた電動車両において、前記電動車両が停車する際に、前記制動装置を制御して前記電動機の停止位置を調整する停車制御手段と、停車状態でシステム停止された際に、前記平滑コンデンサに蓄えられた電荷がディスチャージされるように前記インバータを制御するディスチャージ制御手段とを備え、前記停車制御手段は、前記平滑コンデンサのディスチャージに伴って最大の電流が流れる前記スイッチング素子が前記電動車両の停車のたびに入れ替わるように前記制動装置を制御して前記電動機を停止させることを特徴とする。

この電動車両が停車する際には、制動装置を制御することにより電動機の停止位置が調整される。また、停車状態でシステム停止されると、インバータは、平滑コンデンサに蓄えられた電荷がディスチャージされるように制御される。そして、電動車両が停車する際、制動装置は、平滑コンデンサのディスチャージに伴って最大の電流が流れるスイッチング素子が電動車両の停車のたびに入れ替わるように電動機を停止させる。これにより、平滑コンデンサのディスチャージに際して、特定のスイッチング素子に集中して比較的大きな電流が流れてしまうのを抑制し、各スイッチング素子に均等に電流を流すことができる。この結果、この電動車両では、平滑コンデンサのディスチャージに伴うインバータの劣化を良好に抑制することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る電動車両の概略構成図である。 ブレーキペダルの踏み込みに応じて図１の電動車両が停車する際に実行される処理を説明するためのフローチャートである。 平滑コンデンサのディスチャージに伴って図１の電動車両に搭載された電動機の各相を流れる電流の時間変化を例示するグラフである。 図１の電動車両に搭載された電動機の目標停止範囲として設定される第１から第６停止範囲を説明するための図表である。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動車両１の概略構成図である。同図に示す電動車両１は、デファレンシャルギヤ等を介して左右の駆動輪ＤＷに連結されたモータＭＧと、バッテリ２と、システムメインリレー３を介してバッテリ２に接続されると共にモータＭＧを駆動する電力制御装置（以下、「ＰＣＵ」という）４と、駆動輪ＤＷを含む車輪に制動力を付与可能なブレーキユニット（制動装置）５と、電動車両１の全体を制御する電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」という）１０とを含む。

モータＭＧは、三相同期電動機として構成されており、ＰＣＵ４を介してバッテリ２と電力をやり取りする。モータＭＧは、バッテリ２からの電力により駆動されて駆動輪ＤＷに走行用のトルクを出力すると共に、電動車両１の制動に際して駆動輪ＤＷに回生制動トルクを出力する。また、モータＭＧには、回転角θ（回転位置）を検出する回転角センサ（レゾルバ）６が設けられている。バッテリ２は、リチウムイオン二次電池またはニッケル水素二次電池である。システムメインリレー３は、図示するように、正極側電力ラインＰＬに接続される正極側リレーと、負極側電力ラインＮＬに接続される負極側リレーとを有する。

ＰＣＵ４は、モータＭＧを駆動するインバータ４０や、バッテリ２からの電力を昇圧する電圧変換モジュール（昇降圧コンバータ）４５、平滑コンデンサ４６および４７を含む。インバータ４０は、６つのトランジスタ（スイッチング素子）Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ５およびＴｒ６と、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に逆方向に並列接続された６つのダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５およびＤ６とにより構成される。６つのトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６は、正極側電力ラインＰＬと負極側電力ラインＮＬとに対してソース側とシンク側とになるよう２個ずつ対をなす。また、対となる２つのトランジスタ同士の接続点の各々には、電動機ＭＧの三相コイル（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の各々が電気的に接続される。また、本実施形態において、インバータ４０は、モータＭＧのＵ相に対応した図中上側のトランジスタＴｒ１の温度を検出する温度センサ４１を有する。

以下、適宜、Ｕ相に対応した図中上側のトランジスタＴｒ１を「Ｕ相上アームＴｒ１」といい、Ｕ相に対応した図中下側のトランジスタＴｒ２を「Ｕ相下アームＴｒ２」といい、Ｖ相に対応した図中上側のトランジスタＴｒ３を「Ｖ相上アームＴｒ３」といい、Ｖ相に対応した図中下側のトランジスタＴｒ４を「Ｖ相下アームＴｒ４」といい、Ｗ相に対応した図中上側のトランジスタＴｒ５を「Ｗ相上アームＴｒ５」といい、Ｗ相に対応した図中下側のトランジスタＴｒ６を「Ｗ相下アームＴｒ６」という。

電圧変換モジュール４５は、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である２つのトランジスタと、各トランジスタに対して逆方向に並列接続された２つのダイオードと、リアクトルとを含む（何れも図示省略）。リアクトルの一端は、システムメインリレー３を介してバッテリ２の正極端子に電気的に接続され、リアクトルの他端には、一方のトランジスタ（上アーム）のエミッタと他方のトランジスタ（下アーム）のコレクタとが電気的に接続される。また、上記一方のトランジスタ（上アーム）のコレクタは、正極側電力ラインＰＬに電気的に接続され、上記他方のトランジスタのエミッタは、負極側電力ラインＮＬに電気的に接続される。平滑コンデンサ４６は、システムメインリレー３と電圧変換モジュール４５との間に設置され、電圧変換モジュール４５のバッテリ２側の電圧すなわち昇圧前電圧ＶＬを平滑化する。また、平滑コンデンサ４７は、電圧変換モジュール４５とインバータ４０との間に設置され、電圧変換モジュール４５により昇圧された昇圧後電圧ＶＨを平滑化する。

ブレーキユニット５は、マスタシリンダや、各車輪に取り付けられたブレーキディスクを挟持して対応する車輪に摩擦制動力を付与する複数のブレーキパッド、それぞれ対応するブレーキパッドを駆動する複数のホイールシリンダ、各ホイールシリンダに油圧を供給する油圧式のブレーキアクチュエータ等を含む（何れも図示省略）。本実施形態において、ブレーキユニット５のブレーキアクチュエータは、ＥＣＵ１０により制御される。

ＥＣＵ１０は、図示しないＣＰＵ等を含むマイクロコンピュータとして構成されており、スタートスイッチ（イグニッションスイッチ）１１からのシステム起動指令やシステム停止指令、回転角センサ６により検出されるモータＭＧの回転角θ、図示しない電圧センサにより検出される昇圧前電圧ＶＬや昇圧後電圧ＶＨ、図示しない電流センサにより検出されるモータＭＧの各相を流れる電流（相電流）の値、温度センサ４１により検出されるＵ相上アームＴｒ１の温度等を入力する。ＥＣＵ１０は、これらの入力信号に基づいて、インバータ４０や電圧変換モジュール４５の各トランジスタへのスイッチング制御信号を生成し、インバータ４０および電圧変換モジュール４５をスイッチング制御する。更に、ＥＣＵ１０は、システムメインリレー３を開閉制御する。

また、ＥＣＵ１０は、ブレーキペダルが踏み込まれた際にオンするブレーキスイッチ１５からのブレーキ信号を入力し、ブレーキペダルが踏み込まれている際、図示しないブレーキペダルの踏み込み量（ブレーキペダルストローク）に基づいて運転者により要求されている要求制動力を設定する。そして、ＥＣＵ１０は、要求制動力と予め定められた回生分配比設定マップとを用いて、モータＭＧに対する要求回生制動トルクと、ブレーキユニット５に対する要求摩擦制動力とを設定し、要求回生制動トルクに基づいてインバータ４０（モータＭＧ）を制御すると共に、要求摩擦制動力に基づいてブレーキユニット５のブレーキアクチュエータを制御する。なお、本実施形態において、運転者によるブレーキペダルの踏み込みに応じて電動車両１が減速し、車速が予め定められた回生禁止車速（例えば、数ｋｍ／ｈ程度）になると、モータＭＧからの回生制動トルクの出力が停止され、電動車両１への制動力は、専らブレーキユニット５により出力されることになる。

加えて、ＥＣＵ１０は、電動車両１が停車した状態でスタートスイッチ１１がオフされることによりシステム停止指令（ＲｅａｄｙＯｆｆ指令）が発せられると、システムメインリレー３を開成させると共に、ＰＣＵ４の平滑コンデンサ４６，４７に蓄えられた電荷がディスチャージされるようにインバータ４０を制御するディスチャージ制御を実行する。ディスチャージ制御は、モータＭＧに対してロータに形成される磁束の方向の電流、すなわちｄ軸電流を流すことで、モータＭＧがトルクを出力することなく平滑コンデンサ４６，４７に蓄えられた電力を消費するようにインバータ４０をスイッチング制御するものである。なお、ＥＣＵ１０の機能は、複数の電子制御装置に分散させてもよい。

次に、図２および図３を参照しながら、ブレーキペダルの踏み込みに応じて電動車両１が停車する際に実行される処理について説明する。

電動車両１のＥＣＵ１０は、運転者によりブレーキペダルが踏み込まれると、モータＭＧおよびブレーキユニット５の回生協調制御と並行して、図２のルーチンの実行を開始する。図２のルーチンの開始に際して、ＥＣＵ１０は、ブレーキスイッチ１５からのブレーキ信号や図示しない車速センサにより検出される車速Ｖを入力し（ステップＳ１００）、ブレーキ信号に基づいてブレーキペダルが踏み込まれているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。

ステップＳ１１０にてブレーキペダルの踏み込みが解除されたと判断した場合、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１１０以降の処理を実行することなく図２のルーチンを終了させる。また、ステップＳ１１０にてブレーキペダルが踏み込まれていると判断した場合、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１００にて入力した車速Ｖが予め定められた判定車速Ｖｒｅｆ（例えば、１ｋｍ／ｈ程度）以下であるか否かを判定する（ステップＳ１２０）。ステップＳ１２０にて車速Ｖが判定車速Ｖｒｅｆを上回っていると判断した場合、ＥＣＵ１０は、再度ステップＳ１００およびＳ１１０の処理を実行する。また、ステップＳ１２０にて車速Ｖが判定車速Ｖｒｅｆ以下であると判断した場合、ＥＣＵ１０は、モータＭＧの目標停止範囲、すなわち回転停止時の回転角範囲（位相範囲）を設定する（ステップＳ１３０）。

ここで、電動車両１の停車後にスタートスイッチ１１がオフされると、上述のように、駆動輪ＤＷによりモータＭＧの回転が規制（ロック）された状態でＰＣＵ４の平滑コンデンサ４６，４７に蓄えられた電荷をディスチャージするためのディスチャージ制御が実行される。ただし、平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージに際してインバータ４０の特定のトランジスタに集中して比較的大きな電流が流れてしまうと、当該トランジスタの劣化が進行してしまうおそれがある。このため、電動車両１では、ステップＳ１３０において、平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージに伴って最大の電流（絶対値）が流れるインバータ４０のトランジスタが電動車両１の停車のたびに入れ替わるようにモータＭＧの目標停止範囲が設定される。

すなわち、電動車両１では、図４に示すように、目標停止範囲として、第１〜第６停止範囲を設定することができる。第１停止範囲は、回転停止時の回転角θ（位相）が０°〜６０°の範囲に含まれるようにすると共に、平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージに伴ってＶ相下アームＴｒ４に最大の電流が流れるようにするものである。第２停止範囲は、回転停止時の回転角θが６０°〜１２０°の範囲に含まれるようにすると共に、平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージに伴ってＵ相上アームＴｒ１に最大の電流が流れるようにするものである。第３停止範囲は、回転停止時の回転角θが１２０°〜１８０°の範囲に含まれるようにすると共に、平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージに伴ってＷ相下アームＴｒ６に最大の電流が流れるようにするものである。

第４停止範囲は、回転停止時の回転角θが１８０°〜２４０°の範囲に含まれるようにすると共に、平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージに伴ってＶ相上アームＴｒ３に最大の電流が流れるようにするものである。第５停止範囲は、回転停止時の回転角θが２４０°〜３００°の範囲に含まれるようにすると共に、平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージに伴ってＵ相下アームＴｒ２に最大の電流が流れるようにするものである。第６停止範囲は、回転停止時の回転角θが３００°〜３６０°の範囲に含まれるようにすると共に、平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージに伴ってＷ相上アームＴｒ５に最大の電流が流れるようにするものである。そして、本実施形態のステップＳ１３０では、図２のルーチンが実行されるたびに、第１〜第６停止範囲がこの順番で目標停止範囲として設定される。

モータＭＧの目標停止範囲を設定した後、ＥＣＵ１０は、モータＭＧが目標停止範囲内で停止するようにブレーキユニット５のブレーキアクチュエータを制御する（ステップＳ１４０）。すなわち、ステップＳ１４０において、ＥＣＵ１０は、回転角センサ６の検出値に基づいて、モータＭＧの回転停止時における回転角θ（位相）がステップＳ１３０に設定した目標停止範囲、すなわち第１〜第６停止範囲の何れかに含まれるようにブレーキユニット５から各車輪に付与される摩擦制動力をフィードバック制御する。

上述のようにしてモータＭＧの回転を停止させた後、ＥＣＵ１０は、スタートスイッチ１１からの信号に基づいて、システム停止指令（ＲｅａｄｙＯｆｆ指令）が発せられたか否かを判定する（ステップＳ１５０）。モータＭＧの回転停止から所定時間が経過するまでにシステム停止指令を受信しなかった場合、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１５０以降の処理を実行することなく図２のルーチンを終了させる。これに対して、モータＭＧの回転停止から所定時間が経過するまでにシステム停止指令を受信した場合、ＥＣＵ１０は、システムメインリレー３を開成させた上で、ＰＣＵ４の平滑コンデンサ４６，４７に蓄えられた電荷がディスチャージされるように上述のディスチャージ制御を実行する（ステップＳ１６０）。なお、スタートスイッチ１１がオフされてシステム停止指令が発生されると、電動車両１の主要な電力機器への給電が断たれるが、ＥＣＵ１０を初めとする一部の補機類には、図示しない補機バッテリからの電力が継続して供給される。

ステップＳ１６０において、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１３０にて設定した目標停止範囲に対応するインバータ４０の３つのトランジスタを予め定められた周波数でスイッチング制御する。例えば、ステップＳ１３０にて第１停止範囲が目標停止範囲に設定された場合、ＥＣＵ１０は、図４に示すように、Ｕ相上アームＴｒ１、Ｖ相下アームＴｒ４およびＷ相上アームＴｒ５を予め定められた周波数でスイッチング制御する。また、例えば、ステップＳ１３０にて第３停止範囲が目標停止範囲に設定された場合、ＥＣＵ１０は、図４に示すように、Ｕ相上アームＴｒ１、Ｖ相上アームＴｒ３およびＷ相下アームＴｒ６を予め定められた周波数でスイッチング制御する。

これにより、平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージが行われる際には、最大の電流が流れるトランジスタが電動車両１の停車のたびに順番に入れ替わることから、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６のうちの特定の一つに集中して比較的大きな電流が流れてしまうのを抑制し、各トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６に均等に電流を流すことができる。この結果、電動車両１では、平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージに伴うインバータ４０の劣化を極めて良好に抑制することが可能となる。そして、ＥＣＵ１０は、ステップＳ１６０のディスチャージ制御の完了後、図２のルーチンを終了させる。

以上説明したように、電動車両１が停車する際には、ブレーキユニット５を制御することによりモータＭＧの停止位置が調整される。また、停車状態でシステム停止されると、インバータ４０は、平滑コンデンサ４６，４７に蓄えられた電荷がディスチャージされるように制御される（ステップＳ１６０）。そして、電動車両１が停車する際、ブレーキユニット５は、平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージに伴って最大の電流が流れるトランジスタが停車のたびに入れ替わるようにモータＭＧを停止させる（ステップＳ１００〜Ｓ１４０）。これにより、電動車両１では、平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージに伴うインバータ４０の劣化を良好に抑制することが可能となる。

なお、図２のステップＳ１３０では、第１〜第６停止範囲が順番に目標停止範囲として設定されるが、これに限られるものではない。すなわち、図２のステップＳ１３０では、第１〜第６停止範囲の何れかが目標停止範囲としてランダムに設定されてもよい。また、図２のステップＳ１３０では、少なくとも同一のトランジスタが連続して最大の電流が流れるトランジスタとならないように、当該ステップＳ１３０の実行時におけるモータＭＧの回転角θと電動車両１の停車までの駆動輪ＤＷの回転量（残りの走行距離）とに基づいて目標停止範囲が設定されてもよい。

更に、図２のステップＳ１３０では、第１〜第６停止範囲の何れかを目標停止範囲として設定する代わりに、例えば第１〜第６停止範囲のそれぞれにおいて平滑コンデンサ４６，４７のディスチャージに伴ってトランジスタを流れる最大電流ができるだけ小さくなるように定められたモータＭＧの目標停止位置（回転停止時の回転角）が設定されてもよい。そして、上記電動車両１の構成が、２個以上のモータを含むハイブリッド車両（動力分配用のプラネタリギヤを含むものであってもよく、含まないものであってもよい）や、いわゆる１モータ式のハイブリッド車両、シリーズ式のハイブリッド車両等に適用され得ることはいうまでもない。

ここで、上記実施形態における主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。すなわち、上記実施形態において、駆動輪ＤＷに連結されたモータＭＧが「電動機」に相当し、トランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６を有するインバータ４０が「インバータ」に相当し、インバータ４０を介してモータＭＧと電力をやり取りするバッテリ２が「バッテリ」に相当し、インバータ４０とバッテリ２との間の電圧を平滑化する平滑コンデンサ４６，４７が「平滑コンデンサ」に相当し、駆動輪ＤＷを含む車輪に摩擦制動力を付与するブレーキユニット５が「制動装置」に相当し、図２のステップＳ１００〜Ｓ１４０の処理を実行するＥＣＵ１０が「停車制御手段」に相当し、図２のステップＳ１６０の処理を実行するＥＣＵ１０が「ディスチャージ制御手段」に相当する。

また、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の外延の範囲内において様々な変更をなし得ることはいうまでもない。更に、上記発明を実施するための形態は、あくまで課題を解決するための手段の欄に記載された発明の具体的な一形態に過ぎず、課題を解決するための手段の欄に記載された発明の要素を限定するものではない。

本発明は、電動車両の製造産業において利用可能である。

１ 電動車両、２ バッテリ、３ システムメインリレー、４ 電力制御装置（ＰＣＵ）、５ ブレーキユニット、６ 回転角センサ、１０ 電子制御装置（ＥＣＵ）、１１ スタートスイッチ、１５ ブレーキスイッチ、４０ インバータ、４１ 温度センサ、４５ 電圧変換モジュール、４６，４７ 平滑コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６ ダイオード、ＤＷ 駆動輪、ＭＧ モータ、ＮＬ 負極側電力ライン、ＰＬ 正極側電力ライン、Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３，Ｔｒ４，Ｔｒ５，Ｔｒ６ トランジスタ。

Claims (1)

1. 車輪に連結された電動機と、複数のスイッチング素子を有するインバータと、前記インバータを介して前記電動機と電力をやり取り可能なバッテリと、前記インバータと前記バッテリとの間の電圧を平滑化する平滑コンデンサと、前記車輪に制動力を付与する制動装置とを備えた電動車両において、
   前記電動車両が停車する際に、前記制動装置を制御して前記電動機の停止位置を調整する停車制御手段と、
   停車状態でシステム停止された際に、前記平滑コンデンサに蓄えられた電荷がディスチャージされるように前記インバータを制御するディスチャージ制御手段とを備え、
   前記停車制御手段は、前記平滑コンデンサのディスチャージに伴って最大の電流が流れる前記スイッチング素子が前記電動車両の停車のたびに入れ替わるように前記制動装置を制御して前記電動機を停止させることを特徴とする電動車両。

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