JP2017112726A - 交流電動機の制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】二次電池の充放電を伴う直流電力変換によってインバータの直流側電圧を可変制御するコンバータを含む交流電動機の制御システムにおいて、二次電池の充電電力が充電上限電圧を超過することを防止する。
【解決手段】コンバータ１５は、電力線７およびメインバッテリＢの間で、直流電圧ＶＨを電圧指令値に従って制御するように双方向の直流電力変換を実行する。インバータ２０，３０は、直流電圧ＶＨを変換した交流電力をモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に供給することによって、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の出力を制御する。メインバッテリＢの充電時において、メインバッテリＢの状態に応じて設定された充電電力上限値に対する現在の充電電力のマージンが所定の基準値よりも小さいときには、マージンが基準値よりも大きいときと比較して、電圧指令値の変化レートが制限される。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流電動機の制御システムに関し、より特定的には、二次電池の充放電を伴って、交流電動機を駆動制御するインバータの直流側電圧を制御するコンバータを含む交流電動機の制御システムに関する。

交流電動機を駆動する電動機制御システムの一形式として、コンバータによって可変制御された直流電圧を、インバータによって交流電動機を駆動制御する交流電圧に変換する構成が知られている。たとえば、特許第５２２３９２０号（特許文献１）および特開２０１４−３８２６号公報（特許文献２）等に、このようなシステム構成が記載されている。

さらに、特許文献１には、二次放電の充電履歴に基づき、リチウムイオン二次電池の負極電位がリチウム基準電位まで低下しないように二次電池の入力許可電力（充電電力上限値）を調整する制御が記載されている。

同様に、特許文献２には、ハイレートの充放電による電解液中の塩濃度（イオン濃度）のムラ（偏り）によって内部抵抗が増加する現象（ハイレート劣化）を抑制するために、二次電池の充電電力上限値を制限することが記載されている。

特許第５２２３９２０号公報 特開２０１４−３８２６号公報

特許文献１，２のように、コンバータによって二次電池の出力電圧の昇圧を伴って、交流電動機を駆動制御するインバータの直流側電圧を可変制御する制御システムでは、コンバータ出力電圧の電圧指令値は、システムを高効率化するように設定されることがある。この場合、電圧指令値は交流電動機の動作状態（回転速度およびトルク）に応じて変化するように設定されるので、コンバータは、電圧指令値の変化に追従して、出力電圧を逐次制御することになる。

一方で、コンバータによる出力電圧制御は、二次電池の充放電を伴った直流電力変換によって実行される。したがって、コンバータの出力電圧を急激に変化させる際には、電圧制御の乱れによって二次電池の充電電力または放電電力が急変する虞がある。

したがって、特許文献１，２のように、二次電池の充電電力が充電電力上限値を超えないように制御することによって金属リチウムの析出やハイレート劣化を抑制している場合に、上記のような二次電池の充電電力の急変が生じると、二次電池に劣化が生じてしまうことが懸念される。

この発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、二次電池の充放電を伴う直流電力変換によってインバータの直流側電圧を可変制御するコンバータを含む交流電動機の制御システムにおいて、二次電池の充電電力が充電上限電圧を超過することを防止することである。

この発明のある局面では、交流電動機の制御システムは、二次電池と、コンバータと、インバータと、制御装置とを備える。コンバータは、直流電源配線と二次電池との間で、直流電源配線の直流電圧を電圧指令値に制御するように双方向の直流電力変換を実行する。インバータは、交流電動機が動作指令値に従って作動するように、複数のスイッチング素子により直流電源配線上の直流電力と交流電動機を駆動する交流電力との間で電力変換を行なう。制御装置は、二次電池の状態に従って充電電力上限値を設定するとともに、交流電動機の動作状態に応じてコンバータの電圧指令値を変化させる。さらに、制御装置は、二次電池の充電時において、充電電力上限値に対する二次電池の現在の充電電力のマージンが所定の基準値よりも小さいときには、マージンが基準値よりも大きいときと比較して、電圧指令値の変化レートを制限する。

上記交流電動機の制御システムによれば、二次電池の充電時に、充電電力上限値に対する現在の充電電力のマージンが小さい場合には、コンバータの電圧指令値の変化レートを制限することができる。したがって、二次電池と直流電源配線との間の直流電力変換を伴って制御される直流電圧（ＶＨ）の急変によって、二次電池の充電電力が充電電力上限値を超過することを防止するように、コンバータによる電圧制御動作を制限することができる。

この発明によれば、二次電池の充放電を伴う直流電力変換によってインバータの直流側電圧を可変制御するコンバータを含む交流電動機の制御システムにおいて、二次電池の充電電力が充電上限電圧を超過することを防止することができる。

本発明の実施の形態による交流電動機の制御システムの適用例として示されるハイブリッド車の全体構成図である。 システム電圧とモータジェネレータの動作可能領域との関係を示す概念図である。 システム電圧に対する交流電動機の制御システムでの損失の特性を説明する概念図である。 システム電圧に対するモータ損失の特性を説明する概念図である。 本実施の形態に従う交流電動機の制御システムにおいてシステム電圧の目標値を求めるための制御処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に従う交流電動機の制御システムにおけるメインバッテリＢの充電電力上限値の設定のための制御処理を説明するフローチャートである。 本発明の実施の形態に従う交流電動機の制御システムにおけるコンバータの電圧指令値の変化レートを制限するための制御処理を説明するフローチャートである。 図７により設定された変化レート制限に従う電圧指令値の変化の一例を説明する概念的な波形図である。

以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

図１は、本発明の実施の形態による交流電動機の制御システムの適用例として示されるをハイブリッド車の全体構成図である。

図１を参照して、ハイブリッド車１００は、エンジン１１０と、動力分割機構１２０と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、減速機１３０と、駆動軸１４０および車輪（駆動輪）１５０を備える。ハイブリッド車１００は、さらに、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御するための、直流電圧発生部１０♯と、平滑コンデンサＣ０と、インバータ２０，３０と、制御装置５０とを備える。

エンジン１１０は、たとえば、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関により構成される。エンジン１１０には、冷却水の温度を検知する冷却水温センサ１１２が設けられる。冷却水温センサ１１２の出力は、制御装置５０へ送出される。

動力分割機構１２０は、エンジン１１０の発生する動力を、駆動軸１４０への経路とモータジェネレータＭＧ１への経路とに分割可能に構成される。動力分割機構１２０としては、サンギヤ、プラネタリギヤおよびリングギヤの３つの回転軸を有する遊星歯車機構を用いることができる。たとえば、モータジェネレータＭＧ１のロータをサンギヤに接続し、エンジン１１０の出力軸をプラネタリギヤに接続し、かつ、出力軸１２５をリングギヤに接続する。モータジェネレータＭＧ２の回転軸とも接続された出力軸１２５は、減速機１３０を介して駆動輪１５０を回転駆動するための駆動軸１４０に接続される。なお、モータジェネレータＭＧ２の回転軸に対する減速機をさらに組込んでもよい。

モータジェネレータＭＧ１は、エンジン１１０によって駆動される発電機として動作し、かつ、エンジン１１０の始動を行なう電動機として動作するものとして、電動機および発電機の機能を併せ持つように構成される。

同様に、モータジェネレータＭＧ２は、出力軸１２５および減速機１３０を介して、駆動軸１４０へ出力が伝達される車両駆動力発生用としてハイブリッド車１００に組込まれる。さらに、モータジェネレータＭＧ２は、駆動輪１５０の回転方向と反対方向の出力トルクを発生することによって回生発電を行なうように電動機および発電機への機能を併せ持つように構成される。

図１の構成から、エンジン１１０、動力分割機構１２０、減速機１３０、駆動軸１４０および車輪（駆動輪）１５０を除いた部分によって、ハイブリッド車１００における交流電動機の制御システムが構成される。次に、交流電動機の制御システムの構成について説明する。

直流電圧発生部１０♯は、メインバッテリＢと、平滑コンデンサＣ１と、コンバータ１５とを含む。メインバッテリＢとしては、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池を適用可能である。特に、特許文献１で指摘されたリチウム金属の析出が生じるリチウムイオン二次電池、または、特許文献２で指摘されたハイレート劣化が生じる非水系二次電池（たとえば、リチウムイオン二次電池）によって、メインバッテリＢが構成される場合に、本実施の形態は好適である。

メインバッテリＢが出力するバッテリ電圧Ｖｂは電圧センサ１０によって検知され、メインバッテリＢに入出力されるバッテリ電流Ｉｂは電流センサ１１によって検知される。さらに、メインバッテリＢには、温度センサ１２が設けられる。なお、メインバッテリＢの温度が局所的に異なる可能性があるため、温度センサ１２は、メインバッテリＢの複数箇所に設けてもよい。電圧センサ１０、電流センサ１１および温度センサ１２によって検出された、バッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂおよびバッテリ温度Ｔｂは、制御装置５０へ出力される。

なお、以下では、バッテリ電流Ｉｂについて、メインバッテリＢの放電時には正値（Ｉｂ＞０）で示す一方で、充電時には負値（Ｉｂ＜０）で示すものとする。したがって、メインバッテリＢの電力（バッテリ電力）Ｐｂ（Ｐｂ＝Ｖｂ×Ｉｂ）についても、放電時には正値（Ｐｂ＞０）で示される一方で、充電時には負値（Ｐｂ＜０）で示される。

平滑コンデンサＣ１は、接地線５および電力線６の間に接続される。なお、メインバッテリＢの正極端子および電力線６の間、ならびに、メインバッテリＢの負極端子および接地線５の間には、車両運転時にオンされ、車両運転停止時にオフされるリレー（図示せず）が設けられる。

コンバータ１５は、リアクトルＬ１と、スイッチング制御される電力用半導体素子（以下、「スイッチング素子」と称する）Ｑ１，Ｑ２とを含む。リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続ノードと電力線６の間に接続される。また、平滑コンデンサＣ０は、電力線７および接地線５の間に接続される。

電力用半導体スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、電力線７および接地線５の間に直列に接続される。電力用半導体スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のオンオフは、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１およびＳ２によって制御される。

この発明の実施の形態において、スイッチング素子としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対しては、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２が配置されている。

インバータ２０および３０の直流電圧側は、共通の接地線５および電力線７を介して、コンバータ１５と接続される。すなわち、電力線７は、本発明での「直流電源配線」に対応する。また、モータジェネレータＭＧ１およびＭＧ２は「交流電動機」に対応する。以下では、インバータ２０，３０の直流側電圧に相当する、電力線７の直流電圧ＶＨをシステム電圧ＶＨとも称する。

インバータ２０は、電力線７および接地線５の間に並列に設けられる、Ｕ相アーム２２と、Ｖ相アーム２４と、Ｗ相アーム２６とから成る。各相アームは、電力線７および接地線５の間に直列接続されたスイッチング素子から構成される。たとえば、Ｕ相アーム２２は、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２から成り、Ｖ相アーム２４は、スイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４から成り、Ｗ相アーム２６は、スイッチング素子Ｑ１５，Ｑ１６から成る。また、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６に対して、逆並列ダイオードＤ１１〜Ｄ１６がそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のオンオフは、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６によって制御される。

モータジェネレータＭＧ１は、固定子に設けられたＵ相コイル巻線Ｕ１、Ｖ相コイル巻線Ｖ１およびＷ相コイル巻線Ｗ１と、図示しない回転子とを含む。Ｕ相コイル巻線Ｕ１、Ｖ相コイル巻線Ｖ１およびＷ相コイル巻線Ｗ１の一端は、中性点Ｎ１で互いに接続され、その他端は、インバータ２０のＵ相アーム２２、Ｖ相アーム２４およびＷ相アーム２６とそれぞれ接続される。インバータ２０は、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６に応答したスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のオンオフ制御（スイッチング制御）により、直流電圧発生部１０♯およびモータジェネレータＭＧ１の間での双方向の電力変換を行なう。

具体的には、インバータ２０は、制御装置５０によるスイッチング制御に従って、システム電圧ＶＨを３相交流電圧に変換し、その変換した３相交流電圧をモータジェネレータＭＧ１へ出力することができる。これにより、モータジェネレータＭＧ１は、指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ２０は、エンジン１１０の出力を受けてモータジェネレータＭＧ１が発電した３相交流電圧を制御装置５０によるスイッチング制御に従って直流電圧（システム電圧ＶＨ）に変換し、その変換した直流電圧を電力線７へ出力することもできる。

インバータ３０は、インバータ２０と同様に構成されて、スイッチング制御信号Ｓ２１〜Ｓ２６によってオンオフ制御されるスイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６および、逆並列ダイオードＤ２１〜Ｄ２６を含んで構成される。

モータジェネレータＭＧ２は、モータジェネレータＭＧ１と同様に構成されて、固定子に設けられたＵ相コイル巻線Ｕ２、Ｖ相コイル巻線Ｖ２およびＷ相コイル巻線Ｗ２と、図示しない回転子とを含む。モータジェネレータＭＧ１と同様に、Ｕ相コイル巻線Ｕ２、Ｖ相コイル巻線Ｖ２およびＷ相コイル巻線Ｗ２の一端は、中性点Ｎ２で互いに接続され、その他端は、インバータ３０のＵ相アーム３２、Ｖ相アーム３４およびＷ相アーム３６とそれぞれ接続される。

インバータ３０は、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ２１〜Ｓ２６に応答したスイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６のオンオフ制御（スイッチング制御）により、直流電圧発生部１０♯およびモータジェネレータＭＧ２の間での双方向の電力変換を行なう。

具体的には、インバータ３０は、制御装置５０によるスイッチング制御に従って、システム電圧ＶＨを３相交流電圧に変換し、その変換した３相交流電圧をモータジェネレータＭＧ２へ出力することができる。これにより、モータジェネレータＭＧ２は、指定されたトルクを発生するように駆動される。また、インバータ３０は、車両の回生制動時、車輪１５０からの回転力を受けてモータジェネレータＭＧ２が発電した３相交流電圧を制御装置５０によるスイッチング制御に従って直流電圧（システム電圧ＶＨ）に変換し、その変換した直流電圧を電力線７へ出力することができる。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各々には電流センサ２７、回転角センサ（レゾルバ）２８および温度センサ２９が設けられる。三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの瞬時値の和は零であるので、図１に示すように電流センサ２７は２相分のモータ電流（たとえば、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗ）を検出するように配置すれば足りる。回転角センサ２８は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の図示しない回転子の回転角θを検出し、その検出した回転角θを制御装置５０へ送出する。制御装置５０では、回転角θに基づきモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転速度（回転角速度ω）を算出することができる。

これらのセンサによって検出された、モータジェネレータＭＧ１のモータ電流ＭＣＲＴ（１）、ロータ回転角θ（１）および、モータ温度Ｔｍｇ１ならびに、モータジェネレータＭＧ２のモータ電流ＭＣＲＴ（２）、ロータ回転角θ（２）およびモータ温度Ｔｍｇ２は、制御装置５０へ入力される。さらに、制御装置５０は、モータ指令としての、モータジェネレータＭＧ１のトルク指令値Ｔｑｃｏｍ（１）およびモータジェネレータＭＧ２のトルク指令値Ｔｑｃｏｍ（２）の入力を受ける。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）で構成される制御装置５０は、マイクロコンピュータ（図示せず）、ＲＡＭ（Random Access Memory)５１およびＲＯＭ（Read Only Memory）５２を含んで構成される。制御装置５０は、所定のプログラム処理に従って、上位の電子制御ユニット（ＥＣＵ）から入力されたモータ指令に従ってモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が動作するように、コンバータ１５およびインバータ２０，３０のスイッチング制御のためのスイッチング制御信号Ｓ１，Ｓ２（コンバータ１５）、Ｓ１１〜Ｓ１６（インバータ２０）、およびＳ２１〜Ｓ２６（インバータ３０）を生成する。

さらに、制御装置５０は、バッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂおよびバッテリ温度Ｔｂを用いて、メインバッテリＢのＳＯＣ（State of Charge）、ならびに、充放電制限のための充電電力上限値Ｗｉｎおよび放電電力上限値Ｗｏｕｔを算出する。

ＳＯＣは、メインバッテリＢの満充電容量に対する、現在の充電容量の割合（百分率）で定義される。放電電力上限値Ｗｏｕｔは、Ｗｏｕｔ≧０の範囲内に設定され、Ｗｏｕｔ＝０のときには、メインバッテリＢからの放電が検知される。充電電力上限値Ｗｉｎは、Ｗｉｎ≦０の範囲内に設定され、Ｗｉｎ＝０のときはメインバッテリＢへの充電が禁止される。

後述するように、制御装置５０は、メインバッテリＢの過充電あるいは過放電が発生しないように、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２での消費電力および発電電力（回生電力）を必要に応じて制限する機能を有する。

次に、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の駆動制御におけるコンバータ１５およびインバータ２０，３０の概略的な動作について説明する。

コンバータ１５は、基本的には、各スイッチング周期内でスイッチング素子Ｑ１およびＱ２が相補的かつ交互にオンオフするように制御される。スイッチング周期に対するスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン期間比（デューティ比）は、電力線７の直流電圧ＶＨが、コンバータ１５に対する電圧指令値ＶＨ＊と一致するように制御される。コンバータ１５は、昇圧動作時（メインバッテリＢの放電時）には、スイッチング素子Ｑ２のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ１および逆並列ダイオードＤ１を介して、電力線７へ供給することにより、電力線６の直流電圧ＶＬを昇圧して電力線７へ出力する。

コンバータ１５は、降圧動作時（メインバッテリＢの充電時）には、スイッチング素子Ｑ１のオン期間にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ２および逆並列ダイオードＤ２を介して、電力線６へ供給することによって、電力線７の直流電圧ＶＨを降圧して電力線６に出力する。これらの昇圧動作または降圧動作における電圧変換比（ＶＨ／ＶＬ比）は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のデューティ比により制御される。なお、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２をオンおよびオフにそれぞれ固定すれば、ＶＨ＝ＶＬ（電圧変換比＝１．０）とすることもできる。

平滑コンデンサＣ０は、コンバータ１５からの直流電圧（システム電圧ＶＨ）を平滑化する。電圧センサ１３は、平滑コンデンサＣ０の両端の電圧、すなわち、システム電圧ＶＨを検出し、その検出値を制御装置５０へ出力する。

インバータ３０は、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ２１〜Ｓ２６に応答したスイッチング素子Ｑ２１〜Ｑ２６のオンオフ動作（スイッチング動作）により、トルク指令値Ｔｑｃｏｍ（２）に従ったトルクが出力されるように、モータジェネレータＭＧ２を駆動する。トルク指令値Ｔｑｃｏｍ（２）は、運転状況に応じたモータジェネレータＭＧ２への出力（トルク×回転数）要求に従って、正値（Ｔｑｃｏｍ（２）＞０）、零（Ｔｑｃｏｍ（２）＝０）、または負値（Ｔｑｃｏｍ（２）＜０）に適宜設定される。

特にハイブリッド車１００の回生制動時には、モータジェネレータＭＧ２のトルク指令値は負に設定される（Ｔｑｃｏｍ（２）＜０）。この場合には、インバータ３０は、スイッチング制御信号Ｓ２１〜Ｓ２６に応答したスイッチング動作により、モータジェネレータＭＧ２が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧（システム電圧）を、平滑コンデンサＣ０を介してコンバータ１５へ供給する。

また、インバータ２０は、上記のインバータ３０の動作と同様に、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６に従ったスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のオンオフ制御により、モータジェネレータＭＧ１が指令値に従って動作するように電力変換を行なう。

このように、制御装置５０がトルク指令値Ｔｑｃｏｍ（１），Ｔｑｃｏｍ（２）に従ってモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御することにより、ハイブリッド車１００では、モータジェネレータＭＧ２での電力消費による車両駆動力の発生、モータジェネレータＭＧ１での発電によるメインバッテリＢの充電電力またはモータジェネレータＭＧ２の消費電力の発生、および、モータジェネレータＭＧ２での回生制動動作（発電）によるメインバッテリＢの充電電力の発生を、車両の運転状態に応じて適宜に実行できる。

図２は、システム電圧とモータジェネレータの動作可能領域との関係を示す概念図である。

図２を参照して、各モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作領域および動作点は、回転速度およびトルクの組み合わせによって示される。最大出力線２００は、システム電圧ＶＨ＝Ｖｍａｘ（最大値）であるときの動作可能領域の限界を示すものである。最大出力線２００は、トルクＴ＜Ｔｍａｘかつ回転速度Ｎ＜Ｎｍａｘであっても、出力電力に相当するＴ×Ｎによって制限される部分を有する。システム電圧ＶＨが低下すると、動作可能領域は狭くなっていく。

たとえば、動作点２１０は、システム電圧ＶＨ＝Ｖａで実現可能である。しかしながら、動作点２１０からトルクが増加した動作点２２０には、システム電圧ＶＨをＶｂ（Ｖｂ＞Ｖａ）へ上昇させなければ対応することができない。

図２に示した、システム電圧ＶＨと動作領域の限界線との関係に基づいて、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に共通の特性として、各動作点（回転速度，トルク）を実現するためのシステム電圧ＶＨの下限値（下限電圧ＶＨｍｉｎ）を求めることができる。したがって、各モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作点に対応させて、当該動作点に従った出力を確保するための下限電圧ＶＨｍｉｎを算出するためのマップ（以下、下限電圧マップとも称する）を予め作成して、ＲＯＭ５２に記憶させておくことができる。

図３は、システム電圧に対する交流電動機の制御システムでの損失の特性を説明する概念図である。図３には、各モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の同一の動作点における、システム電圧ＶＨに対する、インバータ２０，３０でのインバータ損失Ｐｉｎｖと、モータジェネレータＭＧでの銅損Ｐｍｃおよび鉄損Ｐｍｉとの変化が示される。

銅損Ｐｍｃは、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を流れる電流の二乗に比例する。したがって、同一動作点では、システム電圧ＶＨが低電圧であるほど銅損Ｐｍｃは大きくなる。

鉄損Ｐｍｉは、モータジェネレータＭＧ１、ＭＧ２を流れる電流のリップル成分（高周波成分）が大きくなると渦電流が大きくなるため増大する。システム電圧ＶＨが高くなると、１回のスイッチング動作に伴う電流変化が大きくなるため電流リップルも増大する。したがって、同一動作点では、システム電圧ＶＨが低電圧であるほど、鉄損Ｐｍｉは大きくなる。モータジェネレータＭＧでの損失（以下、モータ損失とも称する）は、銅損Ｐｍｃおよび鉄損Ｐｍｉの和である。ＶＨ＝Ｖ４で、モータ損失は最小となっている。

図４を参照して、動作点ごとに、モータ損失（銅損Ｐｍｃおよび鉄損Ｐｍｉ）を測定することによって、システム電圧ＶＨに対するモータ損失Ｐｍｔの変化を示す特性線２５０を予め求めることができる。そして、動作点毎の特性線２５０から、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に共通の特性として、各動作点（回転速度，トルク）に対応させて、モータ損失Ｐｍｔを最小にするための候補電圧ＶＨｍｌを算出するマップ（以下、モータ損失最小マップとも称する）を予め作成して、ＲＯＭ５２に記憶させておくことができる。

再び図３を参照して、インバータ損失Ｐｉｎｖは、主に、インバータ２０，３０のスイッチング素子のオンオフによるスイッチング損失である。したがって、インバータ損失Ｐｉｎｖは、単位時間当たりのスイッチング回数に依存する。たとえば、矩形波電圧制御とＰＷＭ制御とを選択的に適用する場合には、矩形波電圧制御の適用時に、ＰＷＭ制御の適用時と比較して、インバータ損失Ｐｉｎｖは小さくなる。一般に、ＰＷＭ制御の適用には、変調率が０．６１以下であることが必要であるため、変調率が大きい場合には、矩形波電圧制御が適用される。すなわち、システム電圧ＶＨによって、矩形波電圧制御およびＰＷＭ制御のいずれが適用されるかについても影響を受ける。

システム電圧ＶＨが低くなると、ＰＷＭ制御では変調率が不足するため、矩形波電圧制御が適用される。したがって、同一動作点では、システム電圧ＶＨが低電圧である方がインバータ損失Ｐｉｎｖは小さくなる傾向にある。また、同一動作点では、ＰＷＭ制御時のスイッチング回数は大きく変わらないので、スイッチングされる電圧および電流の積に応じて、スイッチング損失が決まる。したがって、ＰＷＭ制御が適用される電圧領域では、システム電圧ＶＨが高電圧であるほど、インバータ損失Ｐｉｎｖは大きくなる。制御システムのトータル損失として、銅損Ｐｍｃ、鉄損Ｐｍｉおよびインバータ損失Ｐｉｎｖの和を考えると、トータル損失は、ＶＨ＝Ｖ３で最小となっている。

このように、システム電圧ＶＨをトータル損失が最小となる効率最大電圧に制御することによって、ハイブリッド車１００の全体効率、すなわち燃費を優先してシステム電圧ＶＨを決定することができる。ただし、効率最大電圧は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作状態（トルク、回転速度）に応じて変化する。

図５は、本実施の形態に従う交流電動機の制御システムにおいてシステム電圧指令値の目標値を求めるための制御処理を示すフローチャートである。

なお、図５に示す処理は、制御装置５０によって所定周期で実行される。なお、図５を始めとするフローチャートに記載される各ステップの処理は、制御装置５０によるハードウェアまたはソフトウェア処理によって実行することができる。

図５を参照して、制御装置５０は、ステップＳ１００により、車両状態（車速、ペダル操作等）に応じて、ハイブリッド車１００のトータル駆動力を算出する。さらに、制御装置５０は、ステップＳ１１０では、ステップＳ１００で算出したトータル駆動力を出力するためのパワー配分を決定する。このパワー配分によって、エンジン１１０およびモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の出力パワーが決定される。

エンジン１１０の回転速度およびトルク（動作点）は、燃費等を考慮して予め定められた動作ライン上で、決定されたエンジン出力パワーを実現できる動作点に対応して決定される。さらに、このように、走行制御によって決定されたパワー配分が実現されるように、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令値Ｔｑｃｏｍ（１），Ｔｑｃｏｍ（２）が決定される。これにより、トータル駆動力を確保するための、走行制御に基づくモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作点（回転速度、トルク）が決定される。

この際に、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令値Ｔｑｃｏｍ（１），Ｔｑｃｏｍ（２）は、当該トルク指令値に従った、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の入出力電力Ｐｍ１，Ｐｍ２の和が、メインバッテリＢの充電電力上限値Ｗｉｎおよび放電電力上限値Ｗｏｕｔを超えない範囲内で設定される。すなわち、Ｗｉｎ≦Ｐｍ１＋Ｐｍ２≦Ｗｏｕｔとなる範囲内に、トルク指令値Ｔｑｃｏｍ（１），Ｔｑｃｏｍ（２）の設定は制限される。

制御装置５０は、ステップＳ１２０では、モータジェネレータＭＧ１のトルクおよび回転速度（指令動作点）から、上述の下限電圧マップの参照によって、下限電圧ＶＨ１ｍｉｎを算出する。下限電圧ＶＨ１ｍｉｎは、走行制御に基づくモータジェネレータＭＧ１の動作点に従った出力を確保するために必要なシステム電圧ＶＨの下限値に相当する。

さらに、制御装置５０は、ステップＳ１３０により、モータジェネレータＭＧ１のトルクおよび回転速度（指令動作点）から、上述のモータ損失最小マップの参照によって、候補電圧ＶＨ１ｍｌを算出する。候補電圧ＶＨ１ｍｌは、モータジェネレータＭＧ１のモータ損失が最小となるシステム電圧ＶＨに相当する。

一方、制御装置５０は、ステップＳ１２５により、モータジェネレータＭＧ２のトルクおよび回転速度（指令動作点）から、上述の下限電圧マップの参照によって、下限電圧ＶＨ２ｍｉｎを算出する。下限電圧ＶＨ２ｍｉｎは、走行制御に基づくモータジェネレータＭＧ２の動作点に従った出力を確保するために必要なシステム電圧ＶＨの下限値に相当する。

制御装置５０は、ステップＳ１３５により、モータジェネレータＭＧ２のトルクおよび回転速度（指令動作点）から、上述のモータ損失最小マップの参照によって、候補電圧ＶＨ２ｍｌを算出する。候補電圧ＶＨ２ｍｌは、モータジェネレータＭＧ２のモータ損失が最小となるシステム電圧ＶＨに相当する。

制御装置５０は、ステップＳ１４０により、下限電圧ＶＨ１ｍｉｎおよび候補電圧ＶＨ１ｍｌの最大値を、モータジェネレータＭＧ１に対応する目標電圧Ｖｍｇ１として設定する。同様に、制御装置５０はステップＳ１４５により、下限電圧ＶＨ２ｍｉｎおよび候補電圧ＶＨ２ｍｌの最大値を、モータジェネレータＭＧ２に対応する目標電圧Ｖｍｇ２として設定する。

さらに、制御装置５０は、ステップＳ１５０により、ステップＳ１４０で求めたＶｍｇ１およびステップＳ１４５で求めたＶｍｇ２の最大値を、システム電圧ＶＨの目標電圧ＶＨｒに設定する。このように、ステップＳ１４０〜Ｓ１５０により、下限電圧ＶＨ１ｍｉｎ，ＶＨ２ｍｉｎおよび候補電圧ＶＨ１ｍｌ，ＶＨ２ｍｌのうちの最大値が、目標電圧ＶＨｒに設定される。

目標電圧ＶＨｒに従って、コンバータ１５の電圧指令値ＶＨ＊を設定することによって、メインバッテリＢの充電電力上限値Ｗｉｎおよび放電電力上限値Ｗｏｕｔを超過せず、かつ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作点に従った出力を確保可能な範囲内において、制御システムのトータル損失が抑制されるように、システム電圧ＶＨを制御することができる。

しかしながら、本実施の形態に従う交流電動機の制御システムでは、交流電動機の動作状態（トルクおよび回転速度）の変化に応じて、目標電圧ＶＨｒは逐次変化する。そして、コンバータ１５は、逐次変化する目標電圧ＶＨｒに沿って設定された電圧指令値ＶＨ＊に従って、システム電圧ＶＨを制御するように動作する。図１で説明したように、システム電圧ＶＨは、コンバータ１５による、メインバッテリＢの充放電を伴った直流電力変換によって制御される。したがって、コンバータ１５の動作によって、メインバッテリＢの充放電電力が充電電力上限値および放電電力上限値を超過しないように制御される必要がある。

図６は、本発明の実施の形態に従う交流電動機の制御システムにおけるメインバッテリＢの充電電力上限値の設定のための制御処理を説明するフローチャートである。

図６を参照して、制御装置５０は、ステップＳ２００により、メインバッテリＢの電流Ｉｂ、電圧Ｖｂおよび温度Ｔｂを読込む。さらに制御装置５０は、ステップＳ２１０により、Ｓ２００で読込まれたメインバッテリＢの状態量に基づいて、メインバッテリＢのＳＯＣを算出（推定）する。なお、ＳＯＣの算出手法は、電流値積算（クーロンカウント）による手法や、開放電圧（ＯＣＶ：Open Circuit Voltage）の推定による手法等、公知の手法を適宜選択的に採用することができる。

制御装置５０は、さらに、ステップＳ２２０により、充電電力上限値がＷｉｎのベース値Ｗ０（Ｗ０≦０）を設定する。ベース値Ｗ０は、たとえば、メインバッテリＢの定格充電電力に対応して定められる。なお、ベース値Ｗ０は、バッテリ温度ＴｂやＳＯＣに応じて可変に設定されてもよい。たとえば、メインバッテリＢの高温時や高ＳＯＣには、常温時よりも｜Ｗ０｜が小さくなるようにベース値Ｗ０が設定される。

制御装置５０は、ステップＳ２３０により、メインバッテリＢの保護のための充電制限処理を実行する。ステップＳ２３０による処理は、たとえば特許文献１に記載された、リチウム金属析出を制限するための充電電力上限値Ｗｉｎの制限処理である。あるいは、ステップＳ２３０では、特許文献２に記載された、ハイレート劣化を抑制するための充電電力上限値Ｗｉｎの制限処理が実行されてもよい。

制御装置５０は、ステップＳ２４０により、ステップＳ２３０による充電制限処理によって、充電電力上限値Ｗｉｎの制限が必要である場合（Ｓ２４０のＹＥＳ判定時）には、ステップＳ２６０に処理を進める。一方で、ステップＳ２３０による充電制限処理によって充電電力上限値Ｗｉｎの制限が不要である場合（Ｓ２４０のＮＯ判定時）には、ステップＳ２５０に処理が進められる。

制御装置５０は、充電制限が不要な場合には、ステップＳ２５０により、充電電力上限値Ｗｉｎをベース値Ｗ０に設定する（Ｗｉｎ＝Ｗ０）する。一方で、制御装置５０は、メインバッテリＢの保護のために充電制限が必要な場合には、ステップＳ２６０においてり、ステップＳ２３０による充電制限処理に従って、充電電力上限値Ｗｉｎをベース値Ｗ０よりも大きく設定する（Ｗｉｎ＞Ｗ０）。これにより、｜Ｗｉｎ｜＜｜Ｗ０｜となるので、メインバッテリＢの充電電力が制限される。

このように設定された充電電力上限値Ｗｉｎを超過しないようにメインバッテリＢの充電電力が制御されることによって、メインバッテリＢが劣化から保護される。

しかしながら、上述のように、コンバータ１５の電圧指令値ＶＨ＊は、交流電動機の動作状態（トルクおよび回転速度）の変化に応じて逐次変化する目標電圧ＶＨｒに従って設定されることが好ましい。このため、電圧指令値ＶＨ＊の変化に追従してシステム電圧ＶＨを制御する際に、システム電圧ＶＨの偏差が大きくなると、メインバッテリＢの充電電力が急激に変化する虞がある。このような場合には、瞬間的にはメインバッテリＢの充電電力が電力上限値Ｗｉｎを超えることにより、メインバッテリＢが劣化することが懸念される。

したがって、本実施の形態に従う交流電動機の制御システムでは、変化レートの制限を伴って、目標電圧ＶＨｒに従った電圧指令値ＶＨ＊を設定する。

図７は、本発明の実施の形態に従う交流電動機の制御システムにおけるコンバータの電圧指令値の変化レートを制限するための制御処理を説明するフローチャートである。

図７を参照して、制御装置５０は、ステップＳ３００により、電圧センサ１０および電流センサ１１の検出値に基づいてメインバッテリＢのバッテリ電力Ｐｂを算出する。

制御装置５０は、ステップＳ３１０により、充電電力上限値Ｗｉｎに対するメインバッテリＢの充電電力のマージン値（以下、「充電電力マージン」とも称する）を所定の基準値Ｐｔと比較する。たとえば、Ｐｂ＜０である充電時に｜Ｐｂ−Ｗｉｎ｜と基準値Ｐｔとが比較される。なお、メインバッテリＢの放電時（Ｐｂ＞０）には、比較処理を行うことなく、ステップＳ３１０はＮＯ判定とすればよい。

制御装置５０は、｜Ｐｂ−Ｗｉｎ｜≧Ｐｔのとき（Ｓ３１０のＮＯ判定時）には、ステップＳ３２０により、電圧指令値ＶＨ＊の変化レート上限値Ｒｒ＝Ｒ１に設定する。一方で、制御装置５０は、｜Ｐｂ−Ｗｉｎ｜＜Ｐｔのとき（Ｓ３１０のＮＯ判定時）には、ステップＳ３３０により、電圧指令値ＶＨ＊の変化レート上限値Ｒｒ＝Ｒ２（Ｒ２＜Ｒ１）に設定する。

そして、制御装置５０は、ステップＳ３４０により、ステップＳ３２０またはＳ３３０で設定された変化レート上限値Ｒｒに従って、電圧指令値ＶＨ＊を設定する。

ステップＳ３４０では、今回の制御周期（第ｎ番目の制御周期、ｎ：自然数）における電圧指令値ＶＨ＊（ｎ）が、前回の制御周期における電圧指令値ＶＨ＊（ｎ−１）および今回の制御周期における目標電圧ＶＨｒ（ｎ）を用いた、下記（１），（２）式に従って設定される。式（２）において、｜ΔＶＨ｜≦Ｒｒに制限される。

ＶＨ＊（ｎ）＝ＶＨ＊（ｎ−１）＋ΔＶＨ＊ …（１）
ΔＶＨ＊＝ＶＨｒ（ｎ）−ＶＨ（ｎ−１） …（２）
図８は、図７により設定された変化レート上限値Ｒｒに従う電圧指令値ＶＨ＊の変化の一例を示す概念的な波形図である。

図８を参照して、時刻ｔ１において、目標電圧ＶＨｒがＶ０からＶ１へ変化する。これに応じて、時刻ｔ１まではＶ０に設定されていた電圧指令値ＶＨ＊についても、時刻ｔ１以降では、Ｖ１（ＶＨｒ）に向かって変化する。

充電電力マージンが大きい場合には、変化レート上限値Ｒｒ＝Ｒ１（Ｓ３２０）に従って電圧指令値ＶＨ＊は変化する。この結果、電圧指令値ＶＨ＊がＶ０からＶ１に変化するまでの時間はΔＴ１となる。好ましくは、Ｒ１を十分大きく設定することで、目標電圧ＶＨｒと電圧指令値ＶＨ＊とを一致させることができる（ΔＴ１＝０）。

これに対して、充電電力マージンが小さい場合には、変化レート上限値Ｒｒ＝Ｒ２（Ｓ３３０）に従って電圧指令値ＶＨ＊は徐々に変化する。この結果、電圧指令値ＶＨ＊がＶ０からＶ１に変化するまでΔＴ２（ΔＴ２＞ΔＴ１）を要する。電圧指令値ＶＨ＊の変化を緩やかにすることにより、システム電圧ＶＨを制御するコンバータ１５の動作により、システム電圧ＶＨの変動によってメインバッテリＢの充電電力が急変することを防止できる。

このように本実施の形態に従う交流電動機の制御システムによれば、メインバッテリＢの充電時に、充電電力上限値Ｗｉｎに対するマージン電力が小さい場合には、電圧指令値ＶＨ＊の変化レートを制限することができる。したがって、システム電圧ＶＨの急変によってメインバッテリＢの充電電力が充電電力上限値Ｗｉｎを超過することを防止するように、コンバータ１５による電圧制御動作を制限することができる。

なお、本発明の実施の形態では、ハイブリッド車の電気システムについて代表的に例示したが、本発明の適用はこのようなケースに限定されるものではない。すなわち、本発明に従う交流電動機の制御システムは、電動車両の駆動用電動機を負荷とする構成に好適であるが、その他の用途の電動機を負荷とすることも可能である。また、交流電動機を駆動制御するインバータの直流側電圧を可変制御するためのコンバータを含む構成であれば、当該直流電圧を変換して駆動される交流電動機の個数についても任意とすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

５ 接地線、６，７ 電力線、１０，１３ 電圧センサ、１０♯ 直流電圧発生部、１１，２７ 電流センサ、１２，２９ 温度センサ、１５ コンバータ、２０，３０ インバータ、２８ 回転角センサ、５０ 制御装置、１００ ハイブリッド車、１１０ エンジン、１１２ 冷却水温センサ、１２０ 動力分割機構、１２５ 出力軸、１３０ 減速機、１４０ 駆動軸、１５０ 車輪（駆動輪）、２００ 最大出力線、２１０，２２０ 動作点、２５０ 特性線、Ｂ メインバッテリ、Ｃ０，Ｃ１ 平滑コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６ 逆並列ダイオード、Ｉｂ バッテリ電流、Ｌ１ リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｎ１，Ｎ２ 中性点、Ｐｂ バッテリ電力、Ｐｉｎｖ インバータ損失、Ｐｍｃ 銅損、Ｐｍｉ 鉄損、Ｐｍｔ モータ損失、Ｐｔ 基準値（充電電力マージン）、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１〜Ｑ１６〜 電力用半導体スイッチング素子、Ｒｒ 変化レート上限値、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ１１〜Ｓ１６，Ｓ２１〜Ｓ２６ スイッチング制御信号、Ｔｂ バッテリ温度、Ｔｍｇ１，Ｔｍｇ２ モータ温度、Ｔｑｃｏｍ（１），Ｔｑｃｏｍ（２） トルク指令値、Ｕ１，Ｕ２，Ｖ１，Ｖ２，Ｗ１，Ｗ２ コイル巻線、ＶＨ 直流電圧（システム電圧）、ＶＨ＊ 電圧指令値、ＶＬ 直流電圧（コンバータ入力側）、ＶＨｒ 目標電圧（システム電圧）、Ｖｂ バッテリ電圧、Ｖｍｇ１，Ｖｍｇ２ 目標電圧（ＭＧ１，ＭＧ２）、Ｗ０ ベース値（充電電力上限値）、Ｗｉｎ 充電電力上限値。

Claims (1)

1. 二次電池と、
   直流電源配線と前記二次電池との間で、前記直流電源配線の直流電圧を電圧指令値に制御するように双方向の直流電力変換を実行するためのコンバータと、
   交流電動機が動作指令値に従って作動するように、複数のスイッチング素子により前記直流電源配線上の直流電力と前記交流電動機を駆動する交流電力との間で電力変換を行なうインバータと、
   前記二次電池の状態に従って充電電力上限値を設定するとともに、前記交流電動機の動作状態に応じて前記コンバータの前記電圧指令値を変化させる制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記二次電池の充電時において、前記充電電力上限値に対する前記二次電池の現在の充電電力のマージンが所定の基準値よりも小さいときには、前記マージンが前記基準値よりも大きいときと比較して、前記電圧指令値の変化レートを制限する、交流電動機の制御システム。

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