JP2018098826A - 車両用電源装置および車両用電源装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ回路が直流電源から切り離された場合であっても、放電回路を付設することなく、コンデンサ端子間電圧の上昇を抑制し、インバータ回路や電動機の破壊を防止する。
【解決手段】インバータ回路と、ＤＣ／ＤＣコンバータと、スイッチング制御部と、電源側異常判定部と、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部とを備えた車両用電源装置であって、電源側異常判定部により電源側異常状態であると判定された場合には、スイッチング制御部において、電力変換回路のすべてのスイッチング素子をオフするとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部において、目標出力電圧を大きな値に設定変更してＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換動作を制御し、車両負荷に供給する電力を増加させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、直流電力を所定電圧の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータを制御し、交流電動機を駆動制御する車両用電源装置および車両用電源装置の制御方法に関するものである。

従来から、交流電動機を駆動力源とする電気自動車が知られている。この電気自動車では、走行時に交流電動機を力行運転して走行駆動トルクを発生させ、制動時に交流電動機を回生運転して回生制動トルクを発生させている。

ここで、電気自動車の駆動システムは、リチウムイオンバッテリ等の二次電池からなる直流電源と、電圧の変動を平滑化するコンデンサおよび複数の半導体スイッチを有し、直流電源に接続されるインバータ回路と、インバータ回路に負荷として接続された交流電動機と、を含んで構成される。

インバータ回路は、複数の半導体スイッチを所定のスイッチング周波数でオンオフすることにより、直流電源の直流電力を所定の交流電力に変換して、負荷である交流電動機のトルクや回転数を調節する。

また、交流電動機は、動作状況によっては発電機として動作し、発電によって生じる回生電力を直流電源に充電する。なお、電気自動車に適用される交流電動機としては、効率がよい永久磁石３相同期電動機がよく用いられる。

３相同期電動機を用いた駆動システムにおいて、インバータ回路は、上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子とが直列に接続された３組の直列回路が、それぞれ直流電源と並列に接続されて構成される。さらに、３組の直列回路のそれぞれの中点と３相同期電動機のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの入力と、が接続される。

また、インバータ回路の各相に設けられるスイッチング素子を順次オンあるいはオフさせることにより、３相同期電動機の各相に互いに位相が１２０度ずつ異なる交流電力を供給して、３相同期電動機を駆動させる。以下、特に断らない限り、電動機は、３相同期電動機を指すものとする。なお、インバータ回路の動作原理については、広く一般的であるので、ここでは、説明を省略する。

さらに、電気自動車の車用負荷への給電システムは、直流電源と、ＤＣ／ＤＣコンバータとを備えて構成されている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源から供給される直流電力を所定電圧の直流電力に変換し、補機バッテリや車両負荷に電力を供給するものである。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作原理については、広く一般的であるので、ここでは、説明を省略する。

ここで、電気自動車の駆動システムには、直流電源である高電圧バッテリを過電圧や過電流から保護するために、高電圧バッテリとインバータ回路とを必要に応じて切り離す開閉手段が設けられる。

この開閉手段の開放条件としては、電動機の回生運転時に高電圧バッテリの電圧が所定値以上になった場合、高電圧バッテリの消耗により高電圧バッテリ電圧が所定値以下になった場合、あるいは、高電圧バッテリに流れる電流が所定値以上になった場合、等がある。また、車両の故障や衝突等によって、開閉手段が開放されることもある。

しかしながら、このような駆動システムでは、電動機の回生運転中に開閉手段が開放され、インバータ回路が高電圧バッテリから切り離されることがある。また、開閉手段を有しない駆動システムであっても、高電圧バッテリとインバータ回路との間の電力線が断線することにより、インバータ回路が高電圧バッテリから切り離されることがある。

このような場合には、電動機からインバータ回路に流入する回生電力を高電圧バッテリに充電することができず、インバータ回路のコンデンサに充電することとなる。この結果、コンデンサに過電圧がかかって、コンデンサが破損するおそれがある。

そのため、インバータ回路が高電圧バッテリから切り離された場合には、電動機の回生動作が継続してしまうことを防止するために、インバータ回路のすべての半導体スイッチをオフしてインバータ動作を停止させる６スイッチ開放処理が実行されることがある。

ところが、この６スイッチ開放処理が実行された場合には、電動機のステータコイルに蓄積された電力が、スイッチング素子に逆並列接続された還流ダイオードを介してコンデンサを充電することになる。この結果、コンデンサの端子間電圧が、急峻に上昇することがある。

このとき、コンデンサ端子間電圧の上昇に備えてコンデンサを大容量化、高耐圧化すると、コンデンサ体格の増大につながる。また、コンデンサの高耐圧化に伴って、インバータ回路の各構成部品の高耐圧化も必要となり、インバータ回路の小型化、低コスト化の障害となる。限られた車両スペースに配置する必要がある電気自動車用のインバータ回路にとって、このような小型化への障害は、大きな課題である。

そこで、上述した課題を解決するために、電動機からインバータ回路に流入する回生電力を発熱させて消費する放電回路を付設し、コンデンサに過大に流入する回生電力を放電回路で消費する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−１１００９９号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
上述したように、インバータ回路が直流電源から切り離された場合に、インバータ回路のすべての半導体スイッチをオフしてインバータ動作を停止させると、コンデンサの端子間電圧が急峻に上昇することがある。したがって、これに備えて、コンデンサを大容量化、高耐圧化する必要があった。その結果、コンデンサ体格の増大につながり、インバータ回路の小型化・低コスト化の障害となっていた。

この課題に対して、特許文献１に開示された方法によれば、コンデンサ端子間電圧の上昇は抑制できる。しかしながら、放電回路を付設する分、インバータ回路のサイズが大きくなってしまう。特に、放電回路で消費すべき回生電力が大きいと、耐電力の大きい素子を使用して放電回路を構成する必要がある。その結果、インバータ回路の回路規模の大型化や、価格の上昇につながるという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、インバータ回路が直流電源から切り離された場合であっても、放電回路を付設することなく、コンデンサ端子間電圧の上昇を抑制し、インバータ回路や電動機の破壊を低コストで防止することができる小型の車両用電源装置および車両用電源装置の制御方法を得ることを目的とする。

この発明に係る車両用電源装置は、直流電源と交流電動機との間に接続され、交流１相分のアームが上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との直列回路により構成された電力変換回路を有し、直流母線を介して供給された直流電源の直流電力を交流電力に変換して交流電動機に供給するインバータ回路と、車両負荷と直流電源との間に接続され、直流母線を介して供給された直流電源の直流電力を電圧の異なる直流電力に変換して車両負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、交流電動機の制御指令値に応じて、電力変換回路のスイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、直流母線の電圧検出値に基づいて、交流電動機からの回生電力を直流電源に回生させることが不可である電源側異常状態であるか否かを判定する電源側異常判定部と、外部から取得した目標出力電圧に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換動作を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御部とを備えた車両用電源装置であって、スイッチング制御部は、電源側異常判定部により電源側異常状態であると判定された場合には、電力変換回路のすべてのスイッチング素子をオフする６スイッチ開放処理を実行し、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部は、電源側異常判定部により電源側異常状態であると判定された場合には、目標出力電圧を外部より取得した値よりも大きな値に設定変更してＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換動作を制御し、車両負荷に供給する電力を増加させるものである。

また、この発明に係る車両用電源装置の制御方法は、直流電源と交流電動機との間に接続され、交流１相分のアームが上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との直列回路により構成された電力変換回路を有し、直流母線を介して供給された直流電源の直流電力を交流電力に変換して交流電動機に供給するインバータ回路と、車両負荷と直流電源との間に接続され、直流母線を介して供給された直流電源の直流電力を電圧の異なる直流電力に変換して車両負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、交流電動機の制御指令値に応じて、電力変換回路のスイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、直流母線の電圧検出値に基づいて、交流電動機からの回生電力を直流電源に回生させることが不可である電源側異常状態であるか否かを判定する電源側異常判定部と、外部から取得した目標出力電圧に応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換動作を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御部とを備えた車両用電源装置において実行される車両用電源装置の制御方法であって、電源側異常判定部において、直流母線の電圧検出値があらかじめ定められた判定値以上となった場合に、電源側異常状態であると判定する第１ステップと、スイッチング制御部において、第１ステップにより電源側異常状態であると判定された場合には、電力変換回路のすべてのスイッチング素子をオフする６スイッチ開放処理を実行する第２ステップと、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部において、第１ステップにより電源側異常状態であると判定された場合には、目標出力電圧を外部より取得した値よりも大きな値に設定変更してＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換動作を制御し、車両負荷に供給する電力を増加させる第３ステップとを有するものである。

この発明に係る車両用電源装置によれば、電源側異常判定部により電源側異常状態であると判定された場合には、スイッチング制御部において、電力変換回路のすべてのスイッチング素子をオフするとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部において、目標出力電圧を大きな値に設定変更してＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換動作を制御し、車両負荷に供給する電力を増加させる構成を備えている。

そのため、インバータ回路が直流電源から切り離された場合であっても、電動機のステータコイルに蓄積された電力を補機バッテリや車両負荷で消費することができる。この結果、放電回路を付設することなく、コンデンサ端子間電圧の上昇を抑制し、インバータ回路や電動機の破壊を低コストで防止することができる小型の車両用電源装置および車両用電源装置の制御方法を得ることができる。

この発明の実施の形態１に係る車両用電源装置が搭載された駆動システムと車用負荷への給電システムを示すブロック構成図である。

以下、この発明に係る車両用電源装置および電動機制御方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。

一般に、モータとも称される電動機は、電力を駆動力に変換して力行運転するものであるが、そのままの構造で、駆動力を電力に逆変換して回生運転することが可能である。また、ジェネレータとも称される発電機は、駆動力を電力に変換して回生運転するものであるが、そのままの構造で、電力を駆動力に逆変換して力行運転することが可能である。

すなわち、電動機と発電機とは、基本的に同一構造であり、どちらも力行運転および回生運転が可能である。そこで、本実施の形態１では、電動機および発電機の双方の機能を持つ回転電機のことを、単に電動機と称する。

また、ガソリン車などの従来車では、エンジンの動力で発電するオルタネータにより車両負荷に電力を供給している。一方、電気自動車は、エンジンが停止するモードが存在する。このため、電気自動車には、直流電源から供給される直流電力を異なる電圧の直流電力に変換するＤＣ／ＤＣコンバータが搭載され、このＤＣ／ＤＣコンバータにより補機バッテリを充電したり、車両負荷に供給したりすることが行われる。このような前提を踏まえ、以下に、本発明の具体的な実施の形態について、図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る車両用電源装置が搭載された駆動システムを示すブロック構成図である。図１では、インバータ回路２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０に直流電力を供給するとともに電動機１０の回生電力で充電される高電圧バッテリ等の直流電源９０、補機バッテリ５０、および車両負荷６０を含んだ構成が示されている。

図１において、車両用電源装置８０は、電力開閉器７０を介して直流母線１ａ、１ｂにより直流電源９０と接続され、駆動電力や回生電力を直流電源９０との間で授受する。また、車両用電源装置８０は、交流母線２ａにより電動機１０と接続され、駆動電力や回生電力を電動機１０との間で授受する。さらに、車両用電源装置８０は、直流母線３ａ、３ｂにより補機バッテリ５０や車両負荷６０と接続され、直流電力を補機バッテリ５０や車両負荷６０との間で授受する。

また、電動機１０には、電動機１０の回転角を検出する回転角センサ３０が設けられている。なお、電動機１０は、負荷を回転駆動するとともに、負荷の回転エネルギーを電気エネルギーとして回生可能な電動機であり、例えば、永久磁石３相交流同期モータや３相ブラシレスモータが使用される。

また、車両用電源装置８０は、インバータ回路２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０、スイッチング制御部１２０、およびＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１４０を含んで構成されている。

インバータ回路２０は、電源入力側の直流母線１ａ、１ｂ間に接続されたコンデンサ２１と、インバータ回路２０の直流母線電圧を検出する電圧検出部２４と、複数のスイッチング素子３１〜３６で構成され、直流／交流の電力変換をする電力変換回路２５と、交流母線２ａに流れる電動機１０の電流を検出する電動機電流検出部２６と、を備えている。

また、車両用電源装置８０は、直流入力側の直流母線１ａ、１ｂ間に接続された、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０を備えている。

コンデンサ２１は、直流母線電圧のリップルを抑制する機能、インバータ回路２０の電源インピーダンスを低下させてインバータ回路２０の交流電流駆動能力を向上させる機能、サージ電圧を吸収する機能等を有している。

また、電圧検出部２４は、直流母線電圧を分圧抵抗等によりスイッチング制御部１２０で読み込める電圧に分圧し、スイッチング制御部１２０に対して直流母線電圧情報を出力する。

電力変換回路２５は、一般的によく知られている６つのスイッチング素子をフルブリッジ接続したインバータである。すなわち、図１に示すように、スイッチング素子３１、３２、スイッチング素子３３、３４、スイッチング素子３５、３６は、それぞれ互いに直列に接続され、直流電源９０に並列に接続されている。

また、スイッチング素子３１、３２の中点は、電動機１０のＵ相の入力と接続され、スイッチング素子３３、３４の中点は、電動機１０のＶ相の入力と接続され、スイッチング素子３５、３６の中点は、電動機１０のＷ相の入力と接続されている。

ここで、直流電源９０の正極側、すなわち、直流母線１ａに接続されるスイッチング素子３１、３３、３５を上段側スイッチング素子と称し、直流電源の負極側、すなわち、直流母線１ｂに接続されるスイッチング素子３２、３４、３６を下段側スイッチング素子と称する。

スイッチング素子は、例えば、図１に示すようなＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）や、ＭＯＳＦＥＴ以外にもＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等が用いられる。

なお、スイッチング素子の各ＭＯＳＦＥＴには、直流電源９０の負極側から正極側へ向かう方向、すなわち、下段側から上段側へ向かう方向を順方向として、並列に、還流ダイオードが設けられている。

電動機電流検出部２６は、交流母線２ａを流れる電動機電流を検出するものであり、電流を電圧に変換して、電動機電流情報としてスイッチング制御部１２０に出力する。図１では、シャント抵抗により電流を検出する構成を示している。なお、電動機電流検出部２６は、ホール素子等を用いた電流センサとしてもよい。

電力開閉器７０は、直流電源９０と車両用電源装置８０との電力授受を制御する際に開閉制御されるものである。具体的には、電力開閉器７０は、電動機１０の回生運転時に直流電源９０の電圧が設定値以上になった場合、直流電源９０の消耗等により直流電源９０の電圧が設定値以下になった場合、直流電源９０に流れる電流が設定値以上になった場合、車両の故障や衝突が検出された場合等に、図示しない上位のシステムにより開放状態に制御される。

なお、電力開閉器７０は、スイッチング制御部１２０、電源側異常判定部１３０、あるいはＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１４０により制御される構成としてもよい。

また、回転角センサ３０は、レゾルバやエンコーダ等により電動機１０のロータ回転角を検出するものである。回転角センサ３０で検出されたロータ回転角は、スイッチング制御部１２０に出力される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４０は、直流入力側の直流母線１ａ、１ｂ間に接続され、直流電源９０から供給される直流電力を異なる電圧の直流電力に変換し、補機バッテリ５０や車両負荷６０に電力を供給する。

スイッチング制御部１２０、電源側異常判定部１３０、およびＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１４０は、車両用電源装置全体の制御を司るもので、マイクロコントローラや駆動回路等から構成される。

スイッチング制御部１２０は、スイッチング制御信号生成部１２１を有している。そして、このスイッチング制御信号生成部１２１は、電力変換回路２５を構成する複数のスイッチング素子をオンオフ制御するためのオンオフ制御信号を生成する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１を有している。このＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１は、車両負荷６０を制御するための信号を生成する。

電源側異常判定部１３０は、電圧検出部２４から入力された直流母線電圧情報をもとに、電動機１０からの回生電力を直流電源９０に回生させることが不可である電源側異常状態であるか否かを判定する。さらに、電源側異常判定部１３０は、判定結果をスイッチング制御部１２０とＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１４０に出力する。

また、スイッチング制御部１２０は、電源側異常判定部１３０から入力された電源側異常状態判定結果から電源側異常状態であると判定した場合には、６スイッチ開放処理を実行するために、回生異常対応処理指令としてスイッチング制御信号生成部１２１に出力する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１４０は、電源側異常判定部１３０から入力された電源側異常状態判定結果から電源側異常状態であると判定した場合には、車両負荷６０を最大負荷に制御する処理を実行するために、回生異常対応処理指令としてＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１に出力する。

スイッチング制御信号生成部１２１には、電圧検出部２４から直流母線電圧情報、回転角センサ３０から電動機１０の回転角情報、電動機電流検出部２６から電動機電流情報、スイッチング制御部１２０から回生異常対応処理指令が、それぞれ入力される。

そして、スイッチング制御信号生成部１２１は、これらの入力情報と外部から入力される電動機１０のトルク指令値や電流指令値（制御指令値に相当）に従い、電力変換回路２５の各スイッチング素子へのオンオフ制御信号を演算し、電力変換回路２５へオンオフ制御信号を出力する。

スイッチング素子３１〜３６は、それぞれスイッチング制御信号生成部１２１からのオンオフ制御信号によりオンオフ動作し、直流電力を交流電力に変換して電動機１０に供給するとともに、電動機１０が回生状態において発生する回生電力を直流電源９０に充電する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１４０から回生異常処理指令が入力され、この入力情報に従い、車両負荷を制御するか否かを出力する。

ここで、本実施の形態１に係る電動制御装置の特徴とする点は、電源側異常判定部１３０により電源側異常状態であると判定された場合に、スイッチング制御部１２０が６スイッチ開放処理を指令するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１４０が車両負荷６０が最大となるよう制御する点である。

なお、スイッチング制御信号生成部１２１は、電源側異常判定部１３０から回生異常対応処理指令が入力されない場合には、広く一般的なインバータ回路駆動制御を実行する。

簡単には、このスイッチング制御信号生成部１２１には、図示しない車両ＥＣＵ等の他の制御装置からＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）等を介して電動機１０の目標トルクや目標電流が入力される。そして、スイッチング制御信号生成部１２１は、電圧検出部２４から入力される直流母線電圧情報、回転角センサ３０から入力される電動機１０の回転角情報、電動機電流検出部２６から入力される電動機電流情報を用いて、電流フィードバック制御を実行する。

そして、スイッチング制御信号生成部１２１は、電動機１０の目標トルクや目標電流が得られるように、電力変換回路２５の各スイッチング素子へのオンオフ制御信号を演算し、電力変換回路２５へオンオフ制御信号を出力する。なお、電流フィードバック制御については、公知であるので、ここでは、詳細な説明は、省略する。

また、スイッチング制御信号生成部１２１は、スイッチング制御部１２０から回生異常対応処理指令が入力された場合には、６スイッチ開放処理としてスイッチング素子３１〜３６のすべてをオフするように、電力変換回路２５へオンオフ制御信号を出力する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１は、電源側異常判定部１３０から回生異常対応処理指令が入力されない場合には、車両負荷を制御しない。ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１４０は、広く一般的なＤＣ／ＤＣコンバータ制御処理を実行する。

簡単には、ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１には、図示しない車両ＥＣＵ等の他の制御装置からＣＡＮ等を介してＤＣ／ＤＣコンバータ４０の目標出力電圧が入力される。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１は、直流母線３ａ、３ｂから入力される直流母線電圧情報を用いて、電圧フィードバック制御を実行し、目標出力電圧が得られるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０を制御する。なお、電圧フィードバック制御については、公知であるので、ここでは、詳細な説明は、省略する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１４０から回生異常対応処理指令が入力された場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０に流れる電流が最大となるように車両負荷６０を制御する信号を出力する。

次に、本実施の形態１に係る車両用電源装置の動作を説明する。まず、電源側異常判定部１３０は、電圧検出部２４から入力された直流母線電圧に基づいて、回生電力を直流電源９０に回生させることが不可である電源側異常状態であるか否かを判定する。

具体的には、電源側異常判定部１３０は、直流母線電圧があらかじめ定められた判定値以上である場合には、回生電力を直流電源９０に回生不可である電源側異常状態であると判定し、それ以外の場合には、電源側正常状態であると判定する。

これにより、電力開閉器７０の開放状態において電動機１０が回生動作することで、回生電力がコンデンサ２１に蓄電される。そして、電源側異常判定部１３０は、コンデンサ２１の両端電圧、すなわち、直流母線電圧が、通常動作では生じえない高電圧状態になっている場合には、回生電力を直流電源９０に回生できないとして、電源側異常状態であると判定することができる。

また、電源側異常判定部１３０は、電力開閉器７０が導通状態であった場合にも、直流電源９０が通常動作では生じえない高電圧状態になっている場合には、回生電力を直流電源９０に回生できないとして、電源側異常状態であると判定することができる。

電源側異常判定部１３０により電源側正常状態であると判定された場合には、何ら問題なく電動機１０を力行運転および回生運転できる状態である。従って、スイッチング制御部１２０は、スイッチング制御信号生成部１２１に対して、回生異常対応処理指令を出力しない。スイッチング制御信号生成部１２１は、回生異常対応処理指令が入力されない場合には、広く一般的なインバータ回路駆動制御を実行する。

簡単には、電源側異常判定部１３０には、図示しない車両ＥＣＵ等の他の制御装置からＣＡＮ等を介して電動機１０の目標トルクや目標電流が入力される。そして、電源側異常判定部１３０は、電圧検出部２４から入力される直流母線電圧情報、回転角センサ３０から入力される電動機１０の回転角情報、電動機電流検出部２６から入力される電動機電流情報を用いて、電流フィードバック制御を実行する。

そして、電源側異常判定部１３０は、電動機１０の目標トルクや目標電流が得られるよう電力変換回路２５の各スイッチング素子へのオンオフ制御信号を演算し、電力変換回路２５へオンオフ制御信号を出力する。なお、電流フィードバック制御については、公知であるので、ここでは、詳細な説明は、省略する。

また、電源側異常判定部１３０により電源側正常状態であると判定された場合には、何ら問題なくＤＣ／ＤＣコンバータ４０を運転できる状態である、従って、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１に対して、回生異常対応処理指令を出力しない。ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１は、回生異常対応処理指令が入力されない場合には、車両負荷６０を制御しない。

簡単には、ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１には、図示しない車両ＥＣＵ等の他の制御装置からＣＡＮ等を介してＤＣ／ＤＣコンバータ４０の目標出力電圧が入力される。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１は、直流母線３ａ、３ｂから入力される直流母線電圧情報を用いて、電圧フィードバック制御を実行し、目標出力電圧が得られるように、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０を制御する。なお、電圧フィードバック制御については、公知であるので、ここでは、詳細な説明は、省略する。

電源側異常判定部１３０により電源側異常状態であると判定された場合には、直流電源９０に回生電力を回生できない状態である。このため、スイッチング制御部１２０は、回生異常対応処理指令をスイッチング制御信号生成部１２１に対して回生異常対応処理指令を出力する。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部１４０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１に対して回生異常対応処理指令を出力する。

スイッチング制御信号生成部１２１は、回生異常対応処理指令が入力された場合には、６スイッチ開放処理を実行し、スイッチング素子３１〜３６のすべてをオフするよう電力変換回路２５へオンオフ制御信号を出力する。これにより、電動機１０の回生動作が継続して、コンデンサ端子間電圧の上昇を抑制する。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１は、回生異常対応処理指令が入力された場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０に流れる電流を最大化する処理を実行し、車両負荷６０が最大となるよう車両の電気機器を動作させる。

なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部１４１は、回生異常対応処理指令が入力された場合には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４０の目標出力電圧を、外部から供給されている目標出力電圧よりも大きな値に設定変更して、車両負荷６０に供給する電力を増加させてもよい。

以上のように、実施の形態１によれば、直流電源に回生電力を回生できない状態である場合に、６スイッチ開放処理を実行し、ＤＣ／ＤＣコンバータに流れる電流を最大化する処理を実行する。これにより、電動機のステータコイルに蓄積された電力を補機バッテリや車両負荷で消費することができる。

この結果、コンデンサ端子間電圧の上昇の抑制を、放電回路を付設することなく実行でき、回生運転中に直流電源と切り離されたときであっても、破損しない車両用電源装置を、小型、低コストで実現することができる。

なお、本実施の形態１では、電源側異常判定部１３０は、電圧検出部２４から入力された直流母線電圧情報をもとに電源側異常状態であるか否かを判定すると説明した。しかしながら、本発明は、その他の構成を採用することもできる。例えば、図示しない車両ＥＣＵ等の外部の制御装置から電力開閉器７０の開放状態が通信され、電力開閉器７０が開放状態である場合に電源側異常状態であると判定してもよい。

また、電力変換回路２５のスイッチング素子は、どのような素子を用いてもよいが、例えば、ワイドバンドギャップ半導体を用いることができる。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンド等により形成されたものがある。

このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子で構成されたインバータ回路は、従来のシリコンＳｉによって形成されたスイッチング素子で構成されたインバータ回路と比較して、高耐電圧、低損失であり、高周波駆動が可能である特徴がある。

以下、ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子で構成されたインバータ回路をワイドバンドギャップインバータ回路と称し、シリコンＳｉによって形成されたスイッチング素子で構成されたインバータ回路をＳｉインバータ回路と称する。

したがって、ワイドバンドギャップインバータ回路を用いた車両用電源装置では、Ｓｉインバータ回路を用いた車両用電源装置と比較して、スイッチング素子が高耐電圧である。このため、コンデンサ端子間電圧の上限電圧に対して、スイッチング素子からの制約は緩和され、６スイッチ開放処理実行時のコンデンサ端子間電圧の上昇は、比較的許容される。この結果、よりコンデンサ容量を小さなものとすることができ、コンデンサ体格を小さくすることができる。

なお、本実施の形態１は、あくまで一例であり、本発明が適用できるものであれば、上述した実施の形態に何ら限定されない。例えば、本実施の形態１において、交流電源の交流電力を直流電力に変換する整流器やＡＣ／ＤＣコンバータを介して交流電源と接続される構成を採用することも可能である。

また、本実施の形態１に追加で、直流母線電流により電動機の回生状態を判定し、直流母線電圧があらかじめ定められた設定値以上であり、かつ回生モード判定結果が回生状態である場合に、直流電源に回生電力を回生できない状態であると判定することで、回生異常対応処理が必要な状態を正確に判定してもよい。

また、本実施の形態１では、電動機は、３相同期電動機としたが、２相または４相以上の電動機を対象としてもよい。

また、本実施の形態１では、電気自動車を例に挙げて説明したが、エンジンと電動機とを併用するハイブリット車両に適用してもよいし、さらには、車両に限定されるものではない。

１ａ、１ｂ 直流母線、２ａ 交流母線、３ａ、３ｂ 直流母線、１０ 電動機、２０ インバータ回路、２１ コンデンサ、２４ 電圧検出部、２５ 電力変換回路、２６ 電動機電流検出部、３０ 回転角センサ（回転速度検出部）、３１〜３６ スイッチング素子、４０ ＤＣ／ＤＣコンバータ、５０ 補機バッテリ、６０ 車両負荷、７０ 電力開閉器、８０ 車両用電源装置、９０ 直流電源、１２０ スイッチング制御部、１２１ スイッチング制御信号生成部、１３０ 電源側異常判定部、１４０ ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部、１４１ ＤＣ／ＤＣコンバータ負荷制御部。

Claims (6)

1. 直流電源と交流電動機との間に接続され、交流１相分のアームが上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との直列回路により構成された電力変換回路を有し、直流母線を介して供給された前記直流電源の直流電力を交流電力に変換して前記交流電動機に供給するインバータ回路と、
   車両負荷と前記直流電源との間に接続され、前記直流母線を介して供給された前記直流電源の直流電力を電圧の異なる直流電力に変換して前記車両負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記交流電動機の制御指令値に応じて、前記電力変換回路のスイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、
   前記直流母線の電圧検出値に基づいて、前記交流電動機からの回生電力を直流電源に回生させることが不可である電源側異常状態であるか否かを判定する電源側異常判定部と、
   外部から取得した目標出力電圧に応じて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換動作を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御部と
   を備えた車両用電源装置であって、
   前記スイッチング制御部は、前記電源側異常判定部により前記電源側異常状態であると判定された場合には、前記電力変換回路のすべてのスイッチング素子をオフする６スイッチ開放処理を実行し、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部は、前記電源側異常判定部により前記電源側異常状態であると判定された場合には、前記目標出力電圧を外部より取得した値よりも大きな値に設定変更して前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換動作を制御し、前記車両負荷に供給する電力を増加させる
   車両用電源装置。
2. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部は、前記電源側異常判定部により前記電源側異常状態であると判定された場合には、前記ＤＣ／ＤＣコンバータに流れる電流を最大化するように前記目標出力電圧を設定変更して前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換動作を制御し、前記車両負荷が最大となるように車両の電気機器を動作させる
   請求項１に記載の車両用電源装置。
3. 前記電源側異常判定部は、前記直流母線の電圧検出値があらかじめ定められた判定値以上となった場合に、前記電源側異常状態であると判定する
   請求項１または２に記載の車両用電源装置。
4. 前記電源側異常判定部は、
   前記直流母線の電流検出値に基づいて、前記交流電動機が回生状態であるか否かを判定し、
   前記直流母線の電圧検出値があらかじめ定められた判定値以上となり、かつ、前記前記回生状態であると判定した場合に、前記電源側異常状態であると判定する
   請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用電源装置。
5. 前記電力変換回路のスイッチング素子は、ワイドバンドギャップ半導体により形成されている
   請求項１から４のいずれか１項に記載の車両用電源装置。
6. 直流電源と交流電動機との間に接続され、交流１相分のアームが上段側スイッチング素子と下段側スイッチング素子との直列回路により構成された電力変換回路を有し、直流母線を介して供給された前記直流電源の直流電力を交流電力に変換して前記交流電動機に供給するインバータ回路と、
   車両負荷と前記直流電源との間に接続され、前記直流母線を介して供給された前記直流電源の直流電力を電圧の異なる直流電力に変換して前記車両負荷に供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記交流電動機の制御指令値に応じて、前記電力変換回路のスイッチング素子をオンオフ制御するスイッチング制御部と、
   前記直流母線の電圧検出値に基づいて、前記交流電動機からの回生電力を直流電源に回生させることが不可である電源側異常状態であるか否かを判定する電源側異常判定部と、
   外部から取得した目標出力電圧に応じて、前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換動作を制御するＤＣ／ＤＣコンバータ制御部と
   を備えた車両用電源装置において実行される車両用電源装置の制御方法であって、
   前記電源側異常判定部において、前記直流母線の電圧検出値があらかじめ定められた判定値以上となった場合に、前記電源側異常状態であると判定する第１ステップと、
   前記スイッチング制御部において、前記第１ステップにより前記電源側異常状態であると判定された場合には、前記電力変換回路のすべてのスイッチング素子をオフする６スイッチ開放処理を実行する第２ステップと、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ制御部において、前記第１ステップにより前記電源側異常状態であると判定された場合には、前記目標出力電圧を外部より取得した値よりも大きな値に設定変更して前記ＤＣ／ＤＣコンバータの電力変換動作を制御し、前記車両負荷に供給する電力を増加させる第３ステップと
   を有する車両用電源装置の制御方法。

Images