JP2018042308A - 電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】電気自動車の衝突時に、できるだけパーキングロックを使わずにモータを停止させて平滑化コンデンサを放電させる。【解決手段】ハイブリッド車２のコントローラ１５は、インバータ７ａ、７ｂの上アームトランジスタ３ａ−３ｃと３個の下アームトランジスタ３ｄ−３ｆの一方のトランジスタの全てをオンするとともに他方のトランジスタの全てをオフさせる三相オン制御を実行することができる。コントローラ１５は、衝突を検出した場合に、三相オン制御を実行し、モータ８ａ、８ｂの回転数が所定回転数以下になったときに放電回路３０を用いて平滑化コンデンサ５を放電させる。コントローラ１５は、三相オン制御を実行したときに、モータ８ａ、８ｂが減速しない場合、パーキングロック２９を作動させ、モータ８ａ、８ｂの回転数が所定回転数以下になったときに、放電回路３０を用いて平滑化コンデンサ５を放電させる。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、走行用にモータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車、走行用のモータのための直流電源として燃料電池その他の電源を備える自動車が含まれる。

走行用の駆動力を発生する機能と、車輪側から逆駆動されて電力を発生する機能を備えたモータ兼ジェネレータ（以下、単に「モータ」とも呼ぶ）を搭載した電気自動車が知られている。電気自動車は、直流電源の電力を、モータの駆動に適した交流電力に変換するインバータを備えているとともに、直流電源とインバータの間に平滑化コンデンサを備えている。平滑化コンデンサには大電力が蓄積されるので、衝突時には平滑化コンデンサを速やかに放電することが望ましい。例えば特許文献１には、衝突時に、モータのコイルを利用して平滑化コンデンサを放電する技術が開示されている。

平滑化コンデンサの放電前にモータが空転していると、モータの逆起電力が平滑化コンデンサに流れ、放電できない。特許文献１には、放電に先立って、インバータの上下アームトランジスタを使って、モータを制動する技術も開示されている。その技術とは、インバータの３個の上アームトランジスタと３個の下アームトランジスタの一方の全てをオンして他方の全てをオフする。そのような制御により、モータの逆起電力に起因する制動トルクが発生し、モータが減速する。本明細書では、そのような制御を三相オン制御と称する。

一方、特許文献２には、車両の衝突時に、車両の駆動輪をロックするパーキングロック機構を作動させることで、モータの回転を止める技術が開示されている。

特開２０１３−５５８２２号公報 特開２００６−１４１１５８号公報

特許文献１に記載された技術では、車両の衝突時に、上下アームトランジスタの一部が故障している場合、あるいは、トランジスタを駆動するドライバが故障している場合など、コントローラ側で三相オン制御を実施しても逆起電力による制動トルクが発生せず、モータを減速できない可能性がある。そこで、特許文献１の技術と特許文献２の技術を組み合わせ、三相オン制御の実施とともにパーキングロックを作動させる態様が考えられる。しかし、パーキングロックは、駆動輪が停止している状態で作動させることが前提となっているため、駆動輪が空転しているときに作動させるとパーキングロックがダメージを被る虞がある。パーキングロックを使わずに三相オン制御のみでモータを止めることができたにも関わらずパーキングロックを作動させた結果ダメージを受けると、衝突のダメージの修理に加え、パーキングロックも修理しなければならなくなる。特許文献１の技術と特許文献２の技術を組み合わせるにしても、パーキングロックのダメージを回避すべく改善の余地がある。

本明細書が開示する電気自動車の一形態は、駆動輪を駆動可能な三相モータと、三相モータに電力を供給可能な直流電源と、インバータを備える。インバータは、三相モータと直流電源との間に接続される、インバータは、直流電源の正極に接続される３個の上アームトランジスタと、３個の上アームトランジスタのそれぞれに対応して直列に接続される３個の下アームトランジスタを有する。平滑化コンデンサは、インバータと直流電源の間に並列に接続されている。電気自動車は、さらに、制御器と、制動検知手段と、放電手段と、衝突検知手段と、パーキングロックを備えている。制御器は、３個の上アームトランジスタと３個の下アームトランジスタの一方のトランジスタの全てをオンするとともに他方のトランジスタの全てをオフさせる三相オン制御を実行可能である。制動検知手段は、三相モータの回転が減速しているか否かを検知することができる。放電手段は、平滑化コンデンサに蓄えられた電力を放電させる。衝突検知手段は、電気自動車の衝突を検出することができる。パーキングロックは、駆動輪を停止させるブレーキである。

制御器は、衝突検出手段が電気自動車の衝突を検出した場合、三相オン制御を実行し、三相モータの回転数が所定回転数以下になったときに、放電手段を用いて平滑化コンデンサを放電させる。制御器は、また、三相オン制御を実行したときに制動検知手段によって三相モータが減速していないことが検知されると、パーキングロックを作動させ、三相モータの回転数が所定回転数以下になったときに、放電手段を用いて平滑化コンデンサを放電させる。

本明細書が開示する電気自動車では、三相オン制御が有効に機能して三相モータが減速する場合には、パーキングロックを用いない。何等かの原因で三相オン制御では三相モータを減速できない場合にのみ、パーキングロックを用いて三相モータを減速させる。三相オン制御が有効なときにはパーキングロックを用いないため、その場合にはパーキングロックが不必要にダメージを受けることが回避される。

本明細書が開示する技術の詳細およびさらなる改良は発明を実施するための形態の欄において詳細に説明する。

電気自動車の駆動系および制御系を示すブロック図である。 コントローラが実行する衝突時放電処理のフローチャートである。

図面を参照して実施例の電気自動車を説明する。実施例の電気自動車は、走行用に２個のモータと１個のエンジンを備えるハイブリッド車である。図１に、ハイブリッド車２の駆動系および制御系のブロック図を示す。図１において、点線は信号の流れを示す。ハイブリッド車２は、走行用に、モータ８ａ、８ｂと、エンジン２０を備える。なお、モータ８ａ、８ｂは、先に述べたように、バッテリ６の電力を使って駆動力を生成する機能と、車両の慣性エネルギ、あるいは、エンジンの駆動力を利用して発電する機能の双方を有するモータ兼ジェネレータである。

２個のモータ８ａ、８ｂの出力軸と、エンジン２０の出力軸は、動力分配機構２１に連結されている。動力分配機構２１は、２個のモータ８ａ、８ｂの駆動力と、エンジン２０の駆動力を適宜に合成あるいは分配し、変速機２２を介して車軸２３へ伝達する。車軸２３は、デファレンシャルギア２４を介して駆動輪２５に連結されている。例えば、動力分配機構２１は、２個のモータ８ａ、８ｂの駆動トルクとエンジン２０の駆動トルクを合成し、変速機２２を介して車軸２３へ伝達する。あるいは、動力分配機構２１は、エンジン２０の駆動トルクの一部を、変速機２２を介して車軸２３へ伝達し、残りをモータ８ａへ伝達する。この場合、ハイブリッド車２は、モータ８ａで発電しながら走行する。モータ８ａは、エンジン２０を始動するスタータの役割も果たす。ドライバがブレーキを踏むと、車両の慣性力でモータ８ａ、８ｂを回転させ、発電する。

変速機２２は、コントローラ１５からの指令により、所定の変速比で動力分配機構２１から送られた駆動力の回転を減速する。変速機２２には、パーキングロック２９が内蔵されている。パーキングロック２９は、変速機２２の中の所定のギアに係合し、車軸２３が回転しないようにすることができる。パーキングロック２９も、コントローラ１５からの指令により作動する。パーキングロック２９の構造はよく知られているので詳しい説明は省略する。

ハイブリッド車２は、コンバータ１１と２セットのインバータ７ａ、７ｂを含む電力制御ユニット１０を備えている。電力制御ユニット１０は、バッテリ６とモータ８ａ、８ｂの間に接続されている。コンバータ１１は、バッテリ６の出力電圧を昇圧してインバータ７ａ、７ｂに供給する。インバータ７ａ、７ｂは、夫々、昇圧後のバッテリ６の直流電力を交流電力に変換してモータ８ａ、８ｂへ供給する。モータ８ａ、８ｂは、三相交流モータであり、インバータ７ａ、７ｂは、三相交流を出力する。インバータ７ａは、バッテリ６の正極に接続されている３個のトランジスタ３ａ、３ｂ、３ｃと、トランジスタ３ａ、３ｂ、３ｃの夫々に対応して直列に接続されている３個のトランジスタ３ｄ、３ｅ、３ｆを備えている。トランジスタ３ｄ、３ｅ、３ｆは、バッテリ６の負極に接続されている。トランジスタ３ａ−３ｆの夫々には、還流ダイオード４が逆並列に接続されている。コントローラ１５が適宜にトランジスタ３ａ−３ｆをオン／オフさせると、トランジスタの３組の直列接続の中点から交流（三相交流）が出力される。電力制御ユニット１０には、３相交流の各相の電流を計測する電流センサ１３が備えられている。コントローラ１５は、電流センサ１３によって各相の電流をモニタしながら、各トランジスタ３ａ−３ｆを適宜にフィードバック制御する。６個のトランジスタ３ａ−３ｆのうち、直列接続の高電位側のトランジスタ３ａ−３ｃは上アームトランジスタと呼ばれ、低電位側のトランジスタ３ｄ−３ｆは下アームトランジスタと呼ばれる。インバータ７ｂの構造はインバータ７ａの構造と同じであるので、図１においてインバータ７ｂの内部回路の図示は省略し、説明も省略する。なお、インバータ７ｂの交流出力線にも電流センサが備えられているが、その図示も省略している。

モータ８ａ、８ｂが発電した場合、インバータ７ａ、７ｂは、モータ８ａ、８ｂが発電した交流電力を直流電力に変換する。コンバータ１１は、インバータ７ａ、７ｂが出力する直流電力を、その電圧を降圧してバッテリ６へ供給する。コンバータ１１は、バッテリ側からインバータ側へ電圧を昇圧する機能と、インバータ側からバッテリ側へ電圧を降圧する機能の双方を有する双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。

コンバータ１１とインバータ７ａ、７ｂの間には平滑化コンデンサ５が並列に接続されている。平滑化コンデンサ５は、コンバータ１１からインバータ７ａ、７ｂへと流れる電流、及び、インバータ７ａ、７ｂからコンバータ１１へと流れる電流の脈動を抑えるために挿入されている。走行中、平滑化コンデンサ５には、昇圧されたバッテリ６の電圧が印加されるので、大きな電力が蓄えられた状態となる。

バッテリ６と電力制御ユニット１０の間には、システムメインリレー１４が接続されている。コントローラ１５は、ハイブリッド車２のメインスイッチ（イグニッションスイッチ）が入れられると、システムメインリレー１４を閉じ、電力制御ユニット１０に電力が供給される状態にする。メインスイッチ（イグニッションスイッチ）が切られると、コントローラ１５は、システムメインリレー１４を開き、電力制御ユニット１０をバッテリ６から完全に遮断する。

コントローラ１５は、また、衝突を検知したときも、システムメインリレー１４を開く。衝突したときに電力制御ユニット１０への高電圧電力の供給を遮断し、漏電を防止するためである。先に述べたように、電力制御ユニット１０は、大電力が蓄えられている平滑化コンデンサ５を備えており、その平滑化コンデンサ５も、衝突時には速やかに放電されることが望ましい。それゆえ、電力制御ユニット１０には、平滑化コンデンサ５を放電するための放電回路３０が備えられている。放電回路３０は、放電用の抵抗３１と、抵抗３１を平滑化コンデンサ５に接続するスイッチ３２で構成される。コントローラ１５は、車両の衝突が検知されると、システムメインリレー１４を開くとともに、スイッチ３２を閉じ、放電回路３０を用いて平滑化コンデンサ５を放電する。車両の衝突は、エアバッグシステム１６が備える加速度センサ１６ａによって検知される。エアバッグシステム１６は、加速度センサ１６ａによって車両の衝突を検知すると、その旨をコントローラ１５に通知する。

車両が衝突したときに駆動輪２５が空転していると、モータ８ａ、８ｂが回転して発電する。モータ８ａ、８ｂが発電した電力は、インバータ７ａ、７ｂを介して平滑化コンデンサ５に流れ込む。衝突後、発電による電力が平滑化コンデンサ５に流れ続けると放電できない。それゆえ、衝突を検知した場合、平滑化コンデンサ５を放電する前にモータ８ａ、８ｂの回転を止める必要がある。以下、モータ８ａの回転を止める方法を説明する。モータ８ｂについても同様である。

コントローラ１５は、衝突を検知したとき、インバータ７ａの３個の上アームトランジスタ３ａ−３ｃと３個の下アームトランジスタ３ｄ−３ｆの一方のトランジスタの全てをオンするとともに他方のトランジスタの全てをオフさせる。そのような制御を本明細書では、三相オン制御と称する。三相オン制御を実施すると、モータ８ａの逆起電力を発生させる力が制動力となってモータ８ａの回転を止めることができる。三相オン制御については、例えば、特開２０１３−５５８２２号公報を参照されたい。コントローラ１５は、三相オン制御を実行したのち、電流センサ１３によって、モータ８ａに制動力を発する電流が流れているかを確認する。制動力を発する電流が流れていれば、モータ８ａが減速することが判明する。別言すれば、コントローラ１５は、電流センサ１３の電流をモニタすることで、三相オン制御を実行したときに、モータ８ａが減速するか否かを検知することができる。あるいは、コントローラ１５は、電流センサ１３に流れる電流（モータ７ａの発電により流れる交流電流）の周波数を特定することで、モータ７ａの回転数を得ることができる。

また、コントローラ１５は、回転数センサ９によってモータ８ａの回転数をモニタし、モータ８ａの回転が減速しているか（即ち、制動力が加わっているか）を直接に検知することができる。図示を省略しているが、モータ８ｂにも回転数センサが備えられており、コントローラ１５は、その回転数センサによって、モータ８ｂが減速しているか否か、即ち、制動力が加えられているか否かを検知することができる。

コントローラ１５は、三相オン制御を実行し、モータ８ａ、８ｂの回転数が所定回転数以下となったときに、放電回路３０のスイッチ３２を閉じ、平滑化コンデンサ５を放電させる。

しかしながら、衝突時にトランジスタ３ａ−３ｆのうちのいくつかが故障すると、あるいはインバータ７ａ、７ｂの内部のいくつかの結線が断線すると、コントローラ１５が三相オン制御の指令をインバータ７ａ、７ｂへ出力しても、モータ８ａ、８ｂに制動力が加えられない可能性がある。そこで、コントローラ１５は、三相オン制御を実施した後、三相オン制御ではモータ８ａ、８ｂの少なくとも一方を減速できないことを検知すると、パーキングロック２９を作動させ、機械的にモータ８ａ、８ｂに制動力を加える。なお、制動力が加えられているかどうかは、先に述べたように、電流センサ１３あるいは、回転数センサ９のセンサデータを用いて検知することができる。

以下、図２を参照して、ハイブリッド車２の衝突時に、コントローラ１５が行う衝突時放電処理について説明する。

図２は、コントローラ１５が実行する衝突時放電処理のフローチャートである。図２の処理は、衝突が検知されると起動される。先に述べたように、衝突は、エアバッグシステム１６の加速度センサ１６ａによって検知される。衝突が検知されると、コントローラ１５は、まず、モータ８ａ、８ｂが停止しているか否かを確認する（Ｓ２）。モータ８ａ、８ｂが停止していたら（Ｓ２：ＹＥＳ）、コントローラ１５は、放電回路３０を使って平滑化コンデンサ５を放電する（Ｓ１０）。モータ８ａ、８ｂが停止していない場合（Ｓ２：ＮＯ）、コントローラ１５は、モータ８ａ、８ｂの回転を止めるために、三相オン制御を実行する（Ｓ３）。

三相オン制御を実行した後、コントローラ１５は、三相オン制御が有効に機能しているか否か、別言すれば、モータ８ａ、８ｂが減速しているか否かを確認する（Ｓ４）。ステップＳ４では、モータ８ａ、８ｂが回転摩擦で減速する以上に減速しているか否かを確認する。従って厳密には、ステップＳ４では、コントローラ１５は、モータ８ａ、８ｂが所定の減速角加速度以上で減速しているか否かを確認する。モータ８ａ、８ｂが減速していれば（Ｓ４：ＹＥＳ）、コントローラ１５は、タイマをスタートさせた後（Ｓ６）、モータ８ａ、８ｂの回転数が所定の回転数（閾値回転数）以下まで低下するのを待つ（Ｓ７：ＮＯ、Ｓ８）。ステップＳ６のタイマは、モータ８ａ、８ｂの回転数低下を待つ待ち時間を計測するのに用いられる。

モータ８ａ、８ｂが減速していなければ（Ｓ４：ＮＯ）、コントローラ１５は、パーキングロック２９を作動させる（Ｓ５）。即ち、パーキングロック２９を使って機械的にモータ８ａ、８ｂに制動力を加える。モータ８ａ、８ｂが減速しているか否かの判断は、前述したように、電流センサ１３、あるいは、回転数センサ９のセンサデータに基づいて行われる。なお、パーキングロック２９も故障している場合については後述する。

モータ８ａ、８ｂが減速している場合（ステップＳ４：ＹＥＳ）、あるいは、パーキングロック２９を作動させた後（Ｓ５）、コントローラ１５は、タイマをスタートさせる（Ｓ６）。先に述べたように、このタイマは、待ち時間の計測に使われる。

タイマをスタートさせた後、コントローラ１５は、モータ８ａ、８ｂの夫々が閾値回転数を下回るか否かを確認する（Ｓ７）。回転数が閾値回転数よりも高ければ（Ｓ７：ＮＯ）、コントローラ１５は、タイマをチェックし、所定時間が経過するまで待つ（Ｓ８：ＮＯ、Ｓ７）。なお、所定時間が経過してもモータ８ａ、８ｂ夫々の回転数が閾値回転数よりも大きい場合は、特別なエラー時処理を実行する（Ｓ８：ＹＥＳ、Ｓ９）。エラー時処理とは、例えば、やむを得ず、モータ８ａ、８ｂの停止を待たずに放電回路３０を作動させるなどである。

モータ８ａ、８ｂの夫々の回転数が閾値回転数を下回ると（Ｓ７：ＹＥＳ）、コントローラ１５は、放電回路３０のスイッチ３２を閉じ、平滑化コンデンサ５を放電する（Ｓ１０）。

ハイブリッド車２の放電処理の利点を説明する。ハイブリッド車２は、衝突を検知すると、電力制御ユニット１０の平滑化コンデンサ５を放電する。モータ８ａ、８ｂが回転している場合には、放電に先立ってモータ８ａ、８ｂの回転を止める。モータ８ａ、８ｂの回転を止めるに際して、ハイブリッド車２は、まず、三相オン制御を使ってモータ８ａ、８ｂを停止させることを試みる。別言すれば、ハイブリッド車２はまず、電磁気的な力を使ってモータ８ａ、８ｂを停止させることを試みる。インバータ７ａ、７ｂのトランジスタが故障するなどして、電磁気的な力ではモータ８ａ、８ｂを停止させることができない場合、コントローラ１５は、パーキングロック２９を使って、別言すれば、機械的な力でモータ８ａ、８ｂを停止させる。モータ８ａ、８ｂが停止したら（モータの回転数が所定の回転数を下回ったら）、コントローラ１５は平滑化コンデンサ５を放電する。ハイブリッド車２は、電磁気的な力でモータ８ａ、８ｂを止めることができる場合は、パーキングロック２９を使わない。パーキングロック２９は、本来、モータ８ａ、８ｂ（駆動輪２５）が停止している場合に使うものであるから、モータ８ａ、８ｂ（駆動輪２５）が回転しているときに作動させるとダメージを受ける可能性がある。ハイブリッド車２は、電磁気的な力でモータ８ａ、８ｂの回転を止めることができる場合には、パーキングロック２９を使わないので、衝突時にパーキングロック２９までダメージを受ける可能性を低減する。衝突の修理の際、パーキングロックの修理コストがかからずに済む。

実施例の技術に関する留意点を述べる。実施例のハイブリッド車２は、平滑化コンデンサ５を放電させる専用の放電回路３０を備えている。放電回路として、インバータ７ａ、７ｂ、あるいは、コンバータ１１を利用してもよい。具体的には、インバータ７ａ、７ｂ、あるいは、コンバータ１１のトランジスタを適宜にオン／オフすることで、平滑化コンデンサ５の電荷を消費し、平滑化コンデンサ５を放電する。コンバータ１１は、リアクトルを備えており、リアクトルを通じて平滑化コンデンサ５の電荷を放電することも好適である。また、インバータ７ａ、７ｂを通じ、平滑化コンデンサ５の電力をモータ８ａ、８ｂのコイルへ流して放電することも好適である。

本明細書が開示する技術は、ハイブリッド車のほか、エンジンを備えない電気自動車や、直流電力として燃料電池を搭載した自動車に適用することもできる。

実施例のモータ８ａ、８ｂが請求項の「三相モータ」の一例に相当する。実施例のコントローラ１５が請求項の「制御器」の一例に相当する。図１では、コントローラ１５は、一つの矩形で表したが、実施例で説明したコントローラ１５の機能は、複数のコントローラ（演算装置）が協働して実現するものであってもよい。実施例の回転数センサ９、あるいは、電流センサ１３が、請求項の「制動検知手段」の一例に相当する。電流センサ１３を用いる場合、モータ８ａ、８ｂの逆起電力の周波数からモータ８ａ、８ｂの回転数を推定することができ、モータ８ａ、８ｂの回転数をモニタすることによって、モータの減速を検知できる。

実施例のバッテリ６が、請求項の「直流電源」の一例に相当する。直流電源は、バッテリ６に限らず、燃料電池やキャパシタであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ハイブリッド車
３ａ−３ｃ：上アームトランジスタ
３ｄ−３ｆ：下アームトランジスタ
４：還流ダイオード
５：平滑化コンデンサ
６：バッテリ
７ａ、７ｂ：インバータ
８ａ、８ｂ：モータ
９：回転数センサ
１０：電力制御ユニット
１１：コンバータ
１３：電流センサ
１４：システムメインリレー
１５：コントローラ
１６：エアバッグシステム
１６ａ：加速度センサ
２０：エンジン
２１：動力分配機構
２２：変速機
２３：車軸
２４：デファレンシャルギア
２５：駆動輪
２９：パーキングロック
３０：放電回路
３１：抵抗
３２：スイッチ

Claims (1)

1. 電気自動車であって、
   駆動輪を駆動可能な三相モータと、
   前記三相モータに電力を供給可能な直流電源と、
   前記三相モータと前記直流電源との間に接続されているインバータであって、前記直流電源の正極に接続されている３個の上アームトランジスタと、３個の前記上アームトランジスタのそれぞれに対応して直列に接続されている３個の下アームトランジスタと、を有しているインバータと、
   前記インバータと前記直流電源との間に並列に接続されている平滑化コンデンサと、
   ３個の前記上アームトランジスタと３個の前記下アームトランジスタの一方のトランジスタの全てをオンするとともに他方のトランジスタの全てをオフさせる三相オン制御を実行可能な制御器と、
   前記三相モータの回転速度が減速しているか否かを検知する制動検知手段と、
   前記平滑化コンデンサに蓄えられた電力を放電させる放電手段と、
   前記電気自動車の衝突を検出する衝突検出手段と、
   前記駆動輪を停止させるパーキングロックと、
   を備えており、
   前記制御器は、
   前記衝突検出手段が前記電気自動車の衝突を検出した場合に、前記三相オン制御を実行し、前記三相モータの回転数が所定回転数以下になったときに前記放電手段を用いて前記平滑化コンデンサを放電させ、
   前記三相オン制御を実行したときに、前記制動検知手段によって前記三相モータが減速していないことが検知されると、前記パーキングロックを作動させ、前記三相モータの回転数が所定回転数以下になったときに前記放電手段を用いて前記平滑化コンデンサを放電させる、
   電気自動車。

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