JP2017028961A - 電動自動車の登坂発進モータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、スイッチング素子の許容温度の上限値を障害に発進が困難とされる登坂路の勾配でも、登坂路発進を可能な電動自動車の登坂発進モータ制御装置を提供する。
【解決手段】本発明は、スイッチング素子１１ａを有するインバータ１１と、インバータに接続された走行用モータ７と、走行用モータの出力を駆動輪５に伝えるドライブシャフト１５と、アクセルペダル操作によりスイッチング素子から交流を出力し走行用モータにトルクを印加させる制御部１３とを備え、登坂路発進時、スイッチング素子の温度が許容温度の上限値に上昇すると、走行用モータのトルクを抑える登坂発進モータ制御装置で、制御部が、登坂路発進時でのトルクの抑制直後、ドライブシャフトに発生する減衰振動Ｓの周期を検出する振動周期検出部１３と、検出したドライブシャフトの減衰振動の周期に合わせて、走行用モータにトルクを印加させる再トルク印加部１３とを有する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動自動車の登坂発進モータ制御装置に関する。

電気自動車（電動自動車）の多くは、車載バッテリの直流電力をインバータで交流電力に変換して走行用モータ（例えば同期型交流三相モータ）を駆動し、走行用モータの出力をドライブシャフトを介して駆動輪へ伝えている。具体的にはインバータには、スイッチング素子としてＵ相、Ｖ相、Ｗ相といった三相のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。そして、ＥＣＵ（制御部）にて、ＩＧＢＴを走行用モータの状態に応じ制御（スイッチング）し、アクセルペダル操作にしたがい、生成される三相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）を走行用モータに出力して、走行用モータにトルクを印加させている。

ところで、電気自動車に搭載されるインバータのＩＧＢＴは、発熱しやすい部品である。すなわち、図７（ａ）に示されるようにＩＧＢＴは、走行用モータが高速回転する場合、スイッチングされる周期は短いうえ周波数は高いので、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のＩＧＢＴに流れる電流は早い周期で増減され、ＩＧＢＴの温度上昇は小さいものの、図７（ｂ）に示されるように走行用モータの回転が低速になるにしたがい、スイッチングされる周期は長く周波数は低下するため、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相のＩＧＢＴに流れる電流が遅い周期で増減され、ＩＧＢＴは温度上昇する傾向が高まる。さらに図７（ｃ）に示されるように走行用モータがロックする状態になる場合、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に流れるはずの電流が、１相のＩＧＢＴに集中して大電流で流れ続けるため、当該１相のＩＧＢＴが急激に発熱し、急激なる温度上昇をきたす。

このＩＧＢＴの特性が電気自動車の登坂路発進時に影響を与える。
すなわち、通常、電気自動車が登坂路を発進する場合、アクセルペダルを踏み込むと、走行用モータの状態に応じた周期の三相交流が走行用モータに出力され、走行用モータにトルクを印加させるが、このとき図８に示されるように平坦路の場合、走行用モータは即、動き始め加速するため、ＩＧＢＴの温度は上昇しない。また登坂路の場合、図８に示されるように登坂路の勾配が次第に急になるしたがい、走行用モータの回転は上昇しにくくなるため、アクセルペダルの踏込み時は、ＩＧＢＴの温度が上昇するものの、その後は走行用モータの動き始めにより、ＩＧＢＴを流れる電流が早い周期で増減されるため、ＩＧＢＴの温度は下降する。

ところが、通常、ＩＧＢＴは、過度な温度上昇から保護されるよう（過度な温度なると、ＩＧＢＴは破損）、保護用の許容温度が設定されている。すなわち、例えば図８中のａ１のようなＩＧＢＴの温度がＩＧＢＴの許容範囲の上限値ｔを越えるような登坂路の勾配を発進する場合、上限値にまで過熱されるＩＧＢＴを護るため、通電を停止させるという、走行用モータに印加されるトルクを抑制させる制御が働く（トルク抑制）。

ＩＧＢＴは、「ｍｓ」という時間単位で温度が変化する部品なので、上記のようにトルク抑制（通電停止）が行われると、即、ＩＧＢＴの温度が上限値を下回る。
しかし、ＩＧＢＴは、上限値を下回ると、再びスイッチングが行われ、三相交流が走行用モータに出力されて、トルクを走行用モータに印加するが、登坂路の勾配は変わらないので、再びＩＧＢＴの温度が許容範囲の上限値を越えるまで上昇する。つまり、電気自動車は、ＩＧＢＴの過度な温度上昇を生じさせるような急勾配の登坂路の場合、ＩＧＢＴの保護機能により、走行用モータにトルクを印加したり、同トルクを抑制したりすることが繰り返されるだけで、電気自動車は、登坂路上を止まり、発進できなくなる。

一方、電気自動車の登坂路を発進させる制御には、特許文献１に示される予め登坂可能な最大勾配において登坂開始可能なトルク値を設定して、登坂路を発進させるような制御が開示されているだけで、過度なＩＧＢＴの温度上昇をもたらす勾配からの発進をうながすような技術は見られない。

特開２００３−１９９２０５号

このため、電気自動車は、ＩＧＢＴの過度な温度上昇を抑制する保護機能が障害となって、登坂性能の限界を越える登坂路発進性能を確保することは難しい。
そこで、本発明の目的は、スイッチング素子の許容温度の上限値を障害に発進が困難とされる登坂路の勾配でも、登坂路発進を可能にした電動自動車の登坂発進モータ制御装置を提供する。

本発明の態様は、直流電力を交流電力に変換する複数のスイッチング素子を有するインバータと、インバータに接続された走行用モータと、走行用モータの出力を駆動輪に伝えるドライブシャフトと、アクセルペダル操作によりスイッチング素子から交流を出力し走行用モータにトルクを印加させる制御部とを備え、電気自動車の登坂路の発進時、スイッチング素子の温度が許容温度の上限値に上昇したとき、走行用モータに印加されたトルクを抑える電気自動車の登坂発進モータ制御装置であって、制御部は、電動自動車の登坂路発進時でのトルクの抑制直後、ドライブシャフトに発生するドライブシャフトの反駆動方向および正駆動回転方向へ交互に振動する減衰振動の周期を検出する振動周期検出部と、検出したドライブシャフトの減衰振動の周期に合わせて、走行用モータにトルクを印加させる再トルク印加部とを有するものとした。

本発明によれば、電動自動車の登坂路発進時、急勾配により、スイッチング素子の温度が許容温度の上限値に達し、スイッチング素子の保護のため走行用モータに印加されるトルクが抑えられたとき、その直後に発生するドライブシャフトの反駆動方向、駆動方向に振動する減衰振動の周期に合わせて、走行用モータにトルクが印加されるから、走行用モータは、ドライブシャフトの減衰振動がもたらすねじりトルクの支援を受けて動き始める。

したがって、電動自動車は、減衰振動がもたらすドライブシャフトのねじりトルクの助けにより、今まで許容温度の上限値を障害に発進が困難とされる勾配からの登坂路発進が可能となり、電動自動車に、限界を越える登坂路の発進性能を与えることができる。

本発明の第１の実施形態の登坂発進モータ制御装置の各部を、電気自動車（電動自動車）の主要部と共に示すブロック図。 登坂発進モータ制御装置で行われる制御のフローチャート。 電気自動車がＩＧＢＴ上限値の制限を受けトルク抑制されたとき、ドライブシャフトに発生する減衰振動を説明するためのタイムチャート。 減衰振動の周期に合わせて走行用モータにトルクを印加するときを説明するためのタイムチャート。 走行用モータのトルクに、減衰振動がもたらすドライブシャフトのねじりトルクが合わさり駆動輪へ伝わるのを説明する斜視図。 本発明の第２の実施形態の要部となる異なる減衰振動周期に合わせたトルクの印加制御を示すフローチャート。 走行用モータの回転速度に応じ変化するＩＧＢＴの温度上昇特性を説明するタイムチャート。 同走行用モータの回転速度に基づく登坂路を発進するときにおけるＩＧＢＴの温度上昇の変化を説明するための線図。

以下、本発明を図１から図５に示す第１の実施形態にもとづいて説明する。
図１は電気自動車（電動自動車）の概略構成を示している。この電気自動車の主要部を説明すると、図１中１は電気自動車の車体、３は同車体１の前部に配置された前輪、５は車体１の後部に配置された後輪（駆動輪に相当）、７は走行用モータ（例えば同期型交流三相モータで構成される）、９はバッテリ、１１は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相といった複数相のＩＧＢＴ１１ａ（スイッチング素子に相当）を有して構成されるインバータ、１３はＥＣＵ（マイクロコンピュータで構成：制御部に相当））を示している。走行用モータ７の出力部は、ドライブシャフト１５（鋼製のシャフト部材でなる）を介して後輪５に接続される。

バッテリ９は、インバータ１１を介して走行用モータ７に接続され、バッテリ９の直流出力を交流出力に変換して走行用モータ７へ出力する。これにより、バッテリ９の電力で後輪５の駆動が行われる。
ＥＣＵ１３は、予め設定された制御情報に基づきＩＧＢＴ１１ａを、走行用モータ７の状態（モータ回転速度センサ２１やモータ回転位相センサ２３からの信号）に応じスイッチングしたり、アクセルセンサ１７からの信号、すなわちアクセルペダル１９のアクセル開度信号にしたがい、生成された交流を走行用モータ７に出力したりする。つまり、ＥＣＵ１３により、走行用モータ７が駆動、すなわち走行用モータ７にトルクが印加される。

この電気自動車に、登坂路発進に関わる制御を行う登坂発進モータ制御装置２９が設けられている。登坂発進モータ制御装置２９は、例えばＥＣＵ１３に、ＩＧＢＴ１１ａを過度な温度上昇から保護する機能と、同保護機能で生じる現象を利用して登坂発進性能を高める機能とを有している。
ＩＧＢＴ１１ａの保護機能(ＩＧＢＴ保護部)は、ＥＣＵ１３に、予めＩＧＢＴ１１ａを保護する許容温度を設定しておく。インバータ１１に、ＩＧＢＴ１１ａの温度を検出する温度センサ１４を設ける。さらにＥＣＵ１３に、電気自動車の急勾配の登坂路発進時、温度センサ１４で検出されるＩＧＢＴ１１ａの温度が許容温度の上限値ｔ（図３、図４）に上昇した場合（例えば１相のＩＧＢＴ１１ａに電流が集中し、ＩＧＢＴ１１ａが過熱されるとき）、一旦、ＩＧＢＴ１１ａの通電を停止する制御機能を設ける。つまり、ＩＧＢＴ１１ａの通電停止によって、走行用モータ７に印加されるトルクを抑制するものとしている。このトルク抑制により、ＩＧＢＴ１１ａの温度は低下し、ＩＧＢＴ１１ａにおける過大な温度上昇は抑えられる。ちなみにＩＧＢＴ１１ａの温度低下は、例えば数十ｍｓといった極めて短い時間単位で行われる。

電気自動車の発進性能の限界を高める機能は、トルク抑制が行われた直後に発生するドライブシャフト１５の減衰振動を利用して行うものである。
すなわち、走行用モータ７のトルク抑制制御の実行直後、ドライブシャフト１５は（走行用モータ７：非通電）、図３のモータ回転位相に見られるように当初の正駆動方向へねじれた状態から反駆動方向へねじれ、再び正駆動方向へねじれ、更に反駆動方向へねじれるという、周方向に交互にねじれ振動を繰り返しながら減衰することがわかっている（ｍｓ単位の短い周期で減衰）。この振動は減衰振動Ｓという。

発進性能の限界を高める機能は、この減衰振動の周期に合わせて、走行用モータ７にトルクを印加させる共振制御でなる。具体的には同制御は、トルク抑制直後、ドライブシャフト１５に発生する減衰振動Ｓの周期を検出する検出機能（振動周期検出部に相当）と、この検出した減衰振動Ｓの周期に合わせて、再度、走行用モータ７にトルクを印加されるようＩＧＢＴ１１ａをスイッチングする再トルク印加機能（再トルク印加部に相当）とを有してなる。

本実施形態の検出機能は、ドライブシャフト１５の固有振動数に基づき設定された周期時間に基づき、減衰振動Ｓの周期を検出する手法を用いている。例えばドライブシャフト１５の固有振動数が「１０Ｈｚ」であると、減衰振動Ｓの１周期は「およそ１００ｍｓ」であるから、トルク抑制後、同時間まで経過したことを検出することで、ドライブシャフト１５の減衰振動の周期検出が行える。

また再トルク印加機能は、ドライブシャフト１５のねじれが開放したときのねじりトルクが、最も有効に後輪５へ発進トルクとして伝わるよう、図４中のモータ回転位相、モータ回転速度に示される減衰振動Ｓが反駆動方向へ位相、その後、正駆動方向へ位相するときの戻るタイミング（ｙ）、ここでは「１００ｍｓ」の半分、例えばトルク抑制後、「５０ｍｓ」経過したときのタイミングで、再度、走行用モータ７の状態（停止状態）に応じ生成された交流が走行用モータ７に出力させる制御でなる。

つまり、許容温度で規制されるような急勾配の登坂路発進時には、走行用モータ７からのトルクと、ドライブシャフト１５に生じるねじりトルクとが後輪５に加わる。このねじりトルクによるアシストにより、本来、無理であった走行用モータ７が動き始められるようにしている。むろん、ＩＧＢＴ１１ａを過熱から護るため、再トルク印加は、ＩＧＢＴ１１ａの温度が許容温度の上限値を下回るときに実行されるものとしている。

つぎに、この登坂発進モータ制御装置２９の作用を。図２に示されるフローチャート、図および図４に示されるタイムチャート、図５に示される登坂路上を停止した電気自動車（車両）を模式した斜視図を参照して説明する。
例えば図５に示されるような登坂路を停止している電気自動車が発進するときを例に挙げて説明すると、運転者がサイドブレーキ（図示しない）を解除し、アクセルペダル１９を踏み込む。これにより、インバータ１１の複数のＩＧＢＴ１１ａは、走行用モータ７の状態（停止）に応じスイッチングされ、走行用モータ７に応じた周期の三相交流が生成される。そして、図２のステップＳ１に示されるようにアクセルペダル１９の踏込みにしたがい走行用モータ７に、生成されたトルクが印加される。この印加されたトルクは、図５に示されるようにドライブシャフト１５へ伝わり、まずドライブシャフト１５を正駆動回転方向へねじる。ドライブシャフト１５がねじり終えると、図５中の矢印Ａのように後輪５へトルクが伝わり、電気自動車を発進（前進）へさせようとする。

このとき、図５に示される登坂路の勾配θが急勾配なため、モータロックが生じるとする。すると、ＩＧＢＴ１１ａの１相に電流が集中して流れ、当該一相のＩＧＢＴ１１ａが過大に発熱し、温度センサ１４で検出されるＩＧＢＴ１１ａの温度が、図３に示されるように許容温度の上限値ｔに達する。
続く図２のステップＳ３は、ＩＧＢＴ１１ａの温度が上限値ｔか否かの判定を行っている。ＩＧＢＴ温度が上限値ｔに達すると、ステップＳ５へ進み、走行用モータ７を過熱から護るＩＧＢＴ保護制御、すなわち走行用モータ７に印加されるトルクを抑制するトルク抑制制御が行われる。

具体的にはＩＧＢＴ１１ａの通電を停止する制御が行われる。これにより、図３に示されるようにＩＧＢＴ１１ａの温度は低下する。
さらに走行用モータ７はフリーな状態となり、ドライブシャフト１５のねじれが開放されるため、ドライブシャフト１５には、図３のモータ回転位相（モータ回転位相センサ２３の検出信号）、モータ回転速度（モータ回転速度センサ２１の信号）に示されるような減衰振動Ｓが発生する。すなわち、減衰振動Ｓは、ドライブシャフト１５の正駆動方向へねじれた状態から、反駆動方向へねじれ、再び正駆動方向へねじれ、更に反駆動方向へねじれるという、周方向に交互にねじれる周期を繰り返しながら減衰していく振動である（ｍｓ単位の短い周期）。

つぎのステップＳ７は、この減衰振動Ｓの周期を検出するために、図４に示されるようにトルク抑制後からの経過時間が、所定時間である、ドライブシャフト１５の固有振動数（例えば１０Ｈｚ）に基づき設定された１周期時間、ここでは「５０ｍｓ」を経過したか否かを判定している。
「５０ｍｓ」のタイミングは、図４のモータ回転位相に示されるように反駆動方向へねじれたドライブシャフト１５が正駆動方向へ位相するという戻るタイミングである。同タイミング（ｙ）になると、ステップＳ９へ進み、このタイミングに合わせて、図４のモータトルクに示されるようにＩＧＢＴ１１ａで生成された三相交流の出力を、再度、走行用モータ７に加え、走行用モータ７にトルクを印加させる（共振）。

これにより、図５に示されるように後輪５に加わるトルクＡは、走行用モータ７からのトルクＡ１に、減衰振動Ｓがもたらすドライブシャフト１５の正駆動方向のねじりトルクＡ２が加わった過大なトルクが印加されるので、ＩＧＢＴ１１ａの過熱が要因に発進できない、すなわち登坂路上を停止し続けることが与儀なくされる状況であっても、走行用モータ７は動き始められる。

続くステップＳ１１は、走行用モータ７が動き始めたか否かを判定していて、走行用モータ７が動き始めると、ＩＧＢＴ１１ａの過度な温度上昇は生じないと判定され、ステップＳ１３へ進む。これにより、走行用モータ７は、通常のモータ状態に応じたＩＧＢＴ１１ａのスイッチングで制御され、電気自動車は、登坂路上を加速しながら発進する。
以上説明したように電動自動車の登坂路発進時、たとえＩＧＢＴ１１ａの保護のため走行用モータ７のトルクが抑制されたとしても、走行用モータ７は、ドライブシャフト１５の減衰振動Ｓがもたらすねじりトルクの支援を受けて動き始める。

それ故、電気自動車は、今まで許容温度の上限値を障害に発進が困難とされる勾配からの発進が可能となり、電動自動車に、限界を越える登坂路の発進性能を与えることができる。特に減衰振動Ｓが正駆動方向へ位相するときのタイミングで、走行用モータ７へトルクを印加させたので、ドライブシャフト１５に生じる減衰振動Ｓのねじりトルクを、最も有効に走行用モータ７のアシストに利用できる。

しかも、減衰振動Ｓの周期の検出には、ドライブシャフト１５の固有振動数に基づく周期時間（ここでは５０ｍｓ）を用いたので、簡単な制御で、ドライブシャフト１５の減衰振動Ｓの振動の周期に合わせて、走行用モータ７にトルクを印加させることができる。
そのうえ、走行用モータ７の再トルク印加は、ＩＧＢＴ１１ａの温度が許容温度の上限値ｔを下回るときに実行するので、安定した再トルク印加の制御が約束できる。

図６は、本発明の第２の実施形態を示す。
第１の実施形態のように減衰振動の周期の検出を、ドライブシャフトの固有周波数に基づく周期時間の検出といった間接的な手法で行うのではなく、センサ、例えばモータ回転位相センサ２３（あるいはモータ速度センサ線２１）を用いて、図４に示されるモータ回転位相から、ドライブシャフト１５の減衰振動Ｓの周期を直接的に検出するようにしたものである。

具体的には、図６のフローチャートのように、図２のフローチャート中のステップＳ７の代わりに（第１の実施形態）、ステップＳ６として、モータ回転位相センサ２３の出力信号から、トルク抑制後に発生するドライブシャフト１５の減衰振動Ｓのうち、図４中の反駆動方向へ戻り始めるときの位相点（ｘ）から、反転して正駆動方向へ向かう位相点（ｙ）までの位相を検出する周期検出処理を設け、つぎのステップＳ９にて、ステップＳ６で検出した減衰振動Ｓの周期に合わせて、走行用モータ７にトルクを印加するようにしたものである。

走行用モータ７の再トルク印加は、トルク抑制後の第１回目の周期タイミングではなく、第２回目の周期タイミングで行うようにしてもよい。
但し、図６において図２（第１の実施形態）と同じ部分には、同一符号を付してその説明を省略した。
なお、上述した実施形態における各構成および組合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能であることはいうまでもない。また本発明は、上述した実施形態によって限定されることはなく、「特許請求の範囲」によってのみ限定されることはいうまでもない。

５ 後輪（駆動輪）
７ 走行用モータ
１１ インバータ
１１ａ ＩＧＢＴ（スイッチング素子）
１３ ＥＣＵ（制御部、振動周期検出部、再トルク印加部）
１５ ドライブシャフト
Ａ 減衰振動

Claims (5)

1. 直流電力を交流電力に変換する複数のスイッチング素子を有するインバータと、
   前記インバータに接続された走行用モータと、
   前記走行用モータの出力を駆動輪に伝えるドライブシャフトと、
   アクセルペダル操作により前記スイッチング素子から交流を出力し前記走行用モータにトルクを印加させる制御部とを備え、
   電動自動車の登坂路の発進時、前記スイッチング素子の温度が許容温度の上限値に上昇したとき、前記走行用モータに印加されたトルクを抑える電動自動車の登坂発進モータ制御装置であって、
   前記制御部は、
   前記電動自動車の登坂路発進時での前記トルクの抑制直後、前記ドライブシャフトに発生する前記ドライブシャフトの反駆動方向および正駆動回転方向へ交互に振動する減衰振動の周期を検出する振動周期検出部と、
   前記検出したドライブシャフトの減衰振動の周期に合わせて、前記走行用モータにトルクを印加させる再トルク印加部とを有する
   ことを特徴とする電動自動車の登坂発進モータ制御装置。
2. 前記再トルク印加部は、
   前記ドライブシャフトの減衰振動が正駆動方向へ位相するときのタイミングで、前記走行用モータへトルクを印加する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動自動車の登坂発進モータ制御装置。
3. 前記再トルク印加部での前記走行用モータのトルク印加は、
   前記スイッチング素子の温度が許容温度の上限値を下回るときに実行される
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電動自動車の登坂発進モータ制御装置。
4. 前記振動周期検出部での減衰振動の周期検出は、
   前記ドライブシャフトの固有振動数にしたがい設定された周期時間に基づくものである
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電動自動車の登坂発進モータ制御装置。
5. 前記振動周期検出部での減衰振動の周期検出は、
   センサによる位相の検出に基づくものである
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電動自動車の登坂発進モータ制御装置。

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