JP2019034655A - 電源システム - Google Patents

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Abstract

【課題】電動モータの運転状態が回生状態となったときに電源装置の出力電圧が過大となるのを抑制できる電源システムを提供する。
【解決手段】電源装置３０は、主電源３１のみによって電動モータ１８の駆動回路４２に電力を供給する第１電力供給モードと、主電源３１および補助電源５４の両方を利用して駆動回路４２に電力を供給する第２電力供給モードとの間で、電力供給モードを切り替えるための切替回路５３を含み、制御装置３３は、電動モータ１８の運転状態が回生状態であるか力行状態であるかを判定する判定手段と、前記電力供給モードが前記第２電力供給モードであり、かつ、判定手段によって電動モータ１８の運転状態が回生状態であると判定されたときに、駆動回路４２に供給される電力を制限する手段とを含む。
【選択図】図２

Description

この発明は、電動モータを備えた車両に用いられる電源システムに関する。
下記特許文献１には、電動パワーステアリング装置（EPS : Electric Power Steering）用の電動モータの駆動回路に電力を供給するための電源装置（電力供給装置）が開示されている。特許文献１に記載の電源装置は、主電源と、主電源に接続された単一の補助電源と、主電源に基づいて補助電源を充電するための充電回路と、主電源のみによって駆動回路に電力を供給する通常出力電圧モードと、補助電源の放電によって主電源および補助電源の両方を利用して駆動回路に電力を供給する高出力電圧モードとを切り替える切替回路（放電回路）とを備えている。
電動パワーステアリング装置の高負荷時には、切替回路は電力供給モードを高出力電圧モードに設定する。この場合、補助電源は放電状態となる。一方、電動パワーステアリング装置の低負荷時には、切替回路は電力供給モードを通常出力電圧モードに設定するとともに、補助電源を充電する。
特開２０１４−１５０６７２号公報
電動パワーステアリング装置の正常動作を阻害する可能性のある原因として、電動モータへの逆入力による逆起電力の発生がある。これは、例えば、岩石路走行時や縁石への車両乗り上げ等により、電動モータが外部から回転され、電動モータの運転状態が回生状態となることにより発生する。
電力供給モードが高出力電圧モードである場合に、逆入力による逆起電力が発生した場合、電源装置の出力電圧に逆起電力が上乗せされるため、過電圧によって電動パワーステアリング装置に故障が発生するおそれがある。
この発明の目的は、電動モータの運転状態が回生状態となったときに電源装置の出力電圧が過大となるのを抑制できる電源システムを提供することである。
請求項１に記載の発明は、電動モータ（１８）を備えた車両に用いられる電源システムであって、電源装置（３０）と、前記電源装置を制御する制御装置（３３）とを含み、前記電源装置は、主電源（３１）および補助電源（５４）と、前記主電源のみによって前記電動モータの駆動回路（４２）に電力を供給する第１電力供給モードと、前記主電源および前記補助電源の両方を利用して前記駆動回路に電力を供給する第２電力供給モードとの間で、電力供給モードを切り替えるための切替回路（５３）とを含み、前記制御装置は、前記駆動回路の消費電力に応じた値に基づいて前記切替回路を制御する切替回路制御手段と、前記電動モータの運転状態が回生状態であるか力行状態であるかを判定する判定手段と、前記電力供給モードが前記第２電力供給モードであり、かつ、前記判定手段によって前記電動モータの運転状態が回生状態であると判定されたときに、前記駆動回路に供給される電力を制限する制限手段とを含む、電源システムである。なお、括弧内の英数字は、後述の実施形態における対応構成要素等を表すが、むろん、この発明の範囲は当該実施形態に限定されない。以下、この項において同じ。
この構成では、電力供給モードが第２電力供給モードである場合に、電動モータの運転状態が回生状態となったときに電源装置の出力電圧が過大となるのを抑制できる。
請求項２に記載の発明は、前記制限手段は、前記電力供給モードが前記第２電力供給モードであり、かつ、前記判定手段によって前記電動モータの運転状態が回生状態であると判定されたときに、前記切替回路を制御して、前記電力供給モードを前記第１電力供給モードに切り替えるように構成されている、請求項１に記載の電源システムである。
請求項３に記載の発明は、前記切替回路制御手段は、前記第２電力供給モード時には、前記主電源と前記補助電源との直列回路から前記駆動回路に電力を供給する第１状態と、前記主電源のみから前記駆動回路に電力を供給する第２状態とを、前記駆動回路の消費電力に応じた値に基づくＰＷＭ制御によって交互に切り替えるように構成されており、前記制限手段は、前記電力供給モードが前記第２電力供給モードであり、かつ、前記判定手段によって前記電動モータの運転状態が回生状態であると判定されたときに、ＰＷＭ周期内の前記第１状態に対するデューティ比を制限するように構成されている、請求項１に記載の電源システムである。
請求項４に記載の発明は、前記制御装置は、前記電動モータに発生する逆起電力を演算する逆起電力演算手段を含み、前記制限手段は、前記逆起電力演算手段によって演算される逆起電力に基づいて、制限値を演算する制限値演算手段と、ＰＷＭ周期内の前記第１状態に対するデューティ比を、前記制限値演算手段によって演算された前記制限値以下に制限する手段とを含む、請求項３に記載の電源システムである。
請求項５に記載の発明は、前記制御装置は、前記電動モータに発生する逆起電力を演算する逆起電力演算手段を含み、前記判定手段は、前記電源回路から前記駆動回路に流れる電流の方向と、前記逆起電力演算手段によって演算される逆起電力の大きさとに基づいて、前記電動モータの運転状態が回生状態であるか力行状態であるかを判定するように構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電源システムである。
請求項６に記載の発明は、前記補助電源がキャパシタからなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電源システムである。
図１は、本発明の一実施形態に係る電源システムが適用された電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。 図２は、図１の電動パワーステアリング装置の電気的構成を示す回路図である。 図３は、電源制御用ＥＣＵの動作を説明するためのフローチャートである。 図４Ａは、電源制御用ＥＣＵの動作の変形例を説明するためのフローチャートの一部である。 図４Ｂは、電源制御用ＥＣＵの動作の変形例を説明するためのフローチャートの一部である。
以下では、この発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る電源システムが適用された電動パワーステアリング装置の概略構成を示す模式図である。
電動パワーステアリング装置(ＥＰＳ:electric power steering）１は、車両を操向するための操舵部材としてのステアリングホイール２と、このステアリングホイール２の回転に連動して転舵輪３を転舵する転舵機構４と、運転者の操舵を補助するための操舵補助機構５とを備えている。ステアリングホイール２と転舵機構４とは、ステアリングシャフト６および中間軸７を介して機械的に連結されている。
ステアリングシャフト６は、ステアリングホイール２に連結された入力軸８と、中間軸７に連結された出力軸９とを含む。入力軸８と出力軸９とは、トーションバー１０を介して相対回転可能に連結されている。
トーションバー１０の近傍には、トルクセンサ１１が配置されている。トルクセンサ１１は、入力軸８および出力軸９の相対回転変位量に基づいて、ステアリングホイール２に与えられた操舵トルクＴを検出する。この実施形態では、トルクセンサ１１によって検出される操舵トルクＴは、たとえば、右方向への操舵のためのトルクが正の値として検出され、左方向への操舵のためのトルクが負の値として検出され、その絶対値が大きいほど操舵トルクの大きさが大きくなるものとする。
転舵機構４は、ピニオン軸１３と、転舵軸としてのラック軸１４とを含むラックアンドピニオン機構からなる。ラック軸１４の各端部には、タイロッド１５およびナックルアーム（図示略）を介して転舵輪３が連結されている。ピニオン軸１３は、中間軸７に連結されている。ピニオン軸１３の先端には、ピニオン１６が連結されている。
ラック軸１４は、自動車の左右方向に沿って直線状に延びている。ラック軸１４の軸方向の中間部には、ピニオン１６に噛み合うラック１７が形成されている。このピニオン１６およびラック１７によって、ピニオン軸１３の回転がラック軸１４の軸方向移動に変換される。ラック軸１４を軸方向に移動させることによって、転舵輪３を転舵することができる。
ステアリングホイール２が操舵（回転）されると、この回転が、ステアリングシャフト６および中間軸７を介して、ピニオン軸１３に伝達される。そして、ピニオン軸１３の回転は、ピニオン１６およびラック１７によって、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。
操舵補助機構５は、操舵補助用の電動モータ１８と、電動モータ１８の出力トルクを転舵機構４に伝達するための減速機１９とを含む。減速機１９は、ウォームギヤ２０と、このウォームギヤ２０と噛み合うウォームホイール２１とを含むウォームギヤ機構からなる。
ウォームギヤ２０は、電動モータ１８によって回転駆動される。また、ウォームホイール２１は、ステアリングシャフト６とは一体的に回転可能に連結されている。ウォームホイール２１は、ウォームギヤ２０によって回転駆動される。
電動モータ１８によってウォームギヤ２０が回転駆動されると、ウォームホイール２１が回転駆動され、ステアリングシャフト６が回転する。そして、ステアリングシャフト６の回転は、中間軸７を介してピニオン軸１３に伝達される。ピニオン軸１３の回転は、ピニオン１６およびラック１７によって、ラック軸１４の軸方向移動に変換される。これにより、転舵輪３が転舵される。すなわち、電動モータ１８によってウォームギヤ２０を回転駆動することによって、電動モータ１８による操舵補助が可能となっている。
車両には、車速Ｖを検出するための車速センサ２４が設けられている。トルクセンサ１１によって検出される操舵トルクＴ、車速センサ２４によって検出される車速Ｖ等は、ＥＰＳ用ＥＣＵ（ECU：Electronic Control Unit）１２に入力される。ＥＰＳ用ＥＣＵ１２は、これらの入力等に基づいて、電動モータ１８を制御することにより、いわゆるアシスト制御を行う。
ＥＰＳ用ＥＣＵ１２内のモータ駆動回路４２および電源ＩＣ４３（図２参照）には、主電源３１および補助電源装置３２内のキャパシタ（補助電源）５４（図２参照）のいずれか一方または両方によって電力が供給される。補助電源装置３２は、電源制御用ＥＣＵ３３によって制御される。ＥＰＳ用ＥＣＵ１２と電源制御用ＥＣＵ３３とは通信線を介して接続されている。
主電源３１と補助電源装置３２とによって電源装置３０が構成される。電源制御用ＥＣＵ３３は、電源装置３０を制御する制御装置の一例である。
図２は、電動パワーステアリング装置１の電気的構成を示す回路図である。
ＥＰＳ用ＥＣＵ１２は、マイクロコンピュータからなるモータ制御回路４１と、モータ制御回路４１によって制御され、電動モータ１８に電力を供給するモータ駆動回路（インバータ回路）４２と、モータ制御回路４１用の電源を生成するための電源ＩＣ４３とを含んでいる。ＥＰＳ用ＥＣＵ１２には、電動モータ１８に流れるモータ電流を検出するための電流センサ４４の出力信号が入力される。
モータ制御回路４１は、トルクセンサ１１によって検出される操舵トルクＴと、車速センサ２４によって検出される車速Ｖと、電流センサ４４によって検出されるモータ電流とに基づいて、モータ駆動回路４２を駆動制御する。具体的には、モータ制御回路４１は、操舵トルクＴと車速Ｖとに基づいて目標電流値を設定し、電動モータ１８に流れるモータ電流が目標電流値と等しくなるように、モータ駆動回路４２を駆動制御する。
補助電源装置３２は、主電源３１に直列に接続されている。補助電源装置３２は、リレー５１と、充電回路５２と、放電回路５３と、補助電源としてのキャパシタ５４とを含む。
リレー５１は、主電源３１の正極側端子と充電回路５２との間に配置されている。リレー５１と充電回路５２との接続点をＰ１で示す。充電回路５２は、キャパシタ５４を充電するための回路である。充電回路５２は、直列接続された一対のスイッチング素子５２Ａ，５２Ｂと、これらのスイッチング素子５２Ａ，５２Ｂの接続点Ｐ２と接続点Ｐ１との間に接続された昇圧コイル５２Ｃとを含む。スイッチング素子５２Ａ，５２Ｂは、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴからなる。
上段側のスイッチング素子５２Ａのソースが下段側のスイッチング素子５２Ｂのドレインに接続されている。下段側のスイッチング素子５２Ｂのソースは接地されている。上段側のスイッチング素子５２Ａのドレインは、キャパシタ５４の正極側端子に接続されている。上段側のスイッチング素子５２Ａとキャパシタ５４の正極側端子との接続点をＰ３で示す。接続点Ｐ１は、キャパシタ５４の負極側端子に接続されている。接続点Ｐ１とキャパシタ５４の負極側端子との接続点をＰ４で示す。
接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間に、放電回路５３が接続されている。放電回路５３は、直列接続された一対のスイッチング素子５３Ａ，５３Ｂからなる。スイッチング素子５３Ａ，５３Ｂは、ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴからなる。上段側のスイッチング素子５３Ａのソースが下段側のスイッチング素子５３Ｂのドレインに接続されている。上段側のスイッチング素子５３Ａのドレインは、接続点Ｐ３に接続されている。下段側のスイッチング素子５３Ｂのソースは、接続点Ｐ４に接続されている。一対のスイッチング素子５３Ａ，５３Ｂの接続点Ｐ５は、ＥＰＳ用ＥＣＵ１２内のモータ駆動回路４２および電源ＩＣ４３に接続されている。
主電源３１の端子間電圧（バッテリー電圧Ｖｂ）は、第１電圧センサ６１によって検出される。キャパシタ５４の端子間電圧（キャパシタ電圧Ｖｃ）は、第２電圧センサ６２によって検出される。電源装置３０（放電回路５３）からＥＰＳ用ＥＣＵ１２に供給される電圧（出力電圧Ｖｄ）は、第３電圧センサ６３によって検出される。
主電源３１の出力電流（バッテリー電流ｉｂ）は、第１電流センサ６４によって検出される。電源装置３０（放電回路５３）からＥＰＳ用ＥＣＵ１２に流れる電流（電源装置３０の出力電流ｉｄ）は、第２電流センサ６５によって検出される。第２電流センサ６４は、電流の方向および大きさを検出する。この実施形態では、電流の方向は、放電回路５３からＥＰＳ用ＥＣＵ１２に向う方向が正方向とされ、ＥＰＳ用ＥＣＵ１２から放電回路５３に向かう方向が負方向とされる。
各電圧センサ６１〜６３の検出値および各電流センサ６４，６５の検出値は、電源制御用ＥＣＵ３３に入力される。電源制御用ＥＣＵ３３には、イグニッションキーの状態を表すイグニッション状態検知信号（図示略）が入力される。
電源制御用ＥＣＵ３３は、イグニッション状態検知信号に基づいてリレー５１をオンオフ制御する。イグニッションキーがオン操作されたときには、そのことを示すイグニッション状態検知信号（以下、「イグニッションオン状態信号」という。）が電源制御用ＥＣＵ３３に入力される。電源制御用ＥＣＵ３３は、イグニッションオン状態信号が入力されると、リレー５１をオンにする。一方、イグニッションキーがオフ操作されたときには、そのことを示すイグニッション状態検知信号（以下、「イグニッションオフ状態信号」という。）が電源制御用ＥＣＵ３３に入力される。電源制御用ＥＣＵ３３は、イグニッションオフ状態信号が入力されると、リレー５１をオフにする。
電源制御用ＥＣＵ３３は、電圧センサ６１〜６３、電流センサ６４，６５等の検出値に基いて、補助電源装置３２内の４つのスイッチング素子５２Ａ，５２Ｂ，５３Ａ，５３Ｂをオンオフ制御する。
電源制御用ＥＣＵ３３は、モータ駆動回路４２の消費電力ＰＳに基づいて、４つのスイッチング素子５２Ａ，５２Ｂ，５３Ａ，５３Ｂを制御する。消費電力ＰＳは、例えば、第３電圧センサ６３によって検出される出力電圧Ｖｄと、第２電流センサ６５によって検出される出力電流ｉｄとの積を演算することにより求められる。消費電力ＰＳは、「駆動回路の消費電力に応じた値」の一例である。
具体的には、消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜が予め定められた出力電圧切替用閾値ＫＥ未満であるときには、電源制御用ＥＣＵ３３は、例えば、放電回路５３内の上段側のスイッチング素子５３Ａをオフに設定し、下段側のスイッチング素子５３Ｂをオンに設定する。これにより、主電源３１のみによってモータ駆動回路４２に電力が供給される。このように、主電源３１のみによってＥＰＳ用ＥＣＵ１２に電力が供給される電力供給モード（電力供給状態）を「通常出力電圧モード（通常出力電圧状態）」という場合がある。
また、消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜が出力電圧切替用閾値ＫＥ未満であるときには、電源制御用ＥＣＵ３３は、必要に応じて、充電回路５２内の一対のスイッチング素子５２Ａ，５２Ｂを交互にオンさせる。これにより、接続点Ｐ１における出力電圧（バッテリー電圧）が昇圧されて、キャパシタ５４に印加される。これにより、キャパシタ５４が充電される。
消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜が出力電圧切替用閾値ＫＥ以上であるときには、電源制御用ＥＣＵ３３は、充電回路５２内の一対のスイッチング素子５２Ａ，５２Ｂをオフ状態とする。また、電源制御用ＥＣＵ３３は、放電回路５３内の上段側のスイッチング素子５３Ａをオンに設定し、下段側のスイッチング素子５３Ｂをオフに設定する。これにより、主電源３１およびキャパシタ５４の両方によってモータ駆動回路４２に電力が供給される。この場合、主電源３１の電圧にキャパシタ５４の電圧が上乗せされた電圧が駆動回路４２に印加される。このように主電源３１およびキャパシタ５４の両方を利用してＥＰＳ用ＥＣＵ１２に電力が供給される電力供給モード（電力供給状態）を「高出力電圧モード（高出力電圧状態）」という場合がある。
この実施形態では、電源制御用ＥＣＵ３３は、電力供給モードが高出力電圧モードであるときに電動モータ１８の運転状態が回生状態になったときには、ＥＰＳ用ＥＣＵ１２に供給される電力を制限する。
図３は、電源制御用ＥＣＵ３３の動作を説明するためのフローチャートである。
電源制御用ＥＣＵ３３は、イグニッションオン状態信号が入力されると(ステップＳ１：ＹＥＳ)、初期設定を行う(ステップＳ２)。この初期設定では、電源制御用ＥＣＵ３３は、スイッチング素子５２Ａ、５２Ｂおよび５３Ａをオフとし、スイッチング素子５３Ｂをオンとし、リレー５１をオンとし、モードフラグＦをリセット（Ｆ＝０）する。
モードフラグＦは、電力供給モードが通常出力電圧モードであるか高出力電圧モードであるかを記憶するためのフラグである。電力供給モードが通常出力電圧モードである場合には、モードフラグＦはリセット（Ｆ＝０）され、電力供給モードが高出力電圧モードである場合には、モードフラグＦはセット（Ｆ＝１）される。初期設定では、電力供給モードが通常出力電圧モードに設定されるため、モードフラグＦはリセットされる。
次に、電源制御用ＥＣＵ３３は、第１電圧センサ６１によって検出されるバッテリー電圧Ｖｂ、第２電圧センサ６２によって検出されるキャパシタ電圧Ｖｃ、第３電圧センサ６３によって検出される出力電圧Ｖｄおよび第２電流センサ６５によって検出される出力電流ｉｄを取得する(ステップＳ３)。
次に、電源制御用ＥＣＵ３３は、モードフラグＦがセット（Ｆ＝１）されているか否かを判別する(ステップＳ４)。モードフラグＦがリセットされている場合には(ステップＳ４：ＮＯ)、つまり、電力供給モードが通常出力電圧モードである場合には、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ５に移行する。
ステップＳ５では、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ３で取得された出力電圧Ｖｄと出力電流ｉｄとを乗算することにより消費電力ＰＳを演算する。そして、電源制御用ＥＣＵ３３は、消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜が出力電圧切替用閾値ＫＥ以上であるか否かを判別する(ステップＳ６)。
消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜が出力電圧切替用閾値ＫＥ未満である場合には(ステップＳ６：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、放電回路５３内の上段側のスイッチング素子５３Ａをオフに設定し、下段側のスイッチング素子５３Ｂをオンに設定し、モードフラグＦをリセット（Ｆ＝０）する(ステップＳ７)。これにより、キャパシタ５４の放電が実行されている場合には、その放電が停止される。また、これにより、電力供給モードが通常出力電圧モードとなる。
この後、電源制御用ＥＣＵ３３は、キャパシタ電圧Ｖｃが所定の充電判別用閾値Ａ（Ａ＞０）未満であるか否かを判別する(ステップＳ８)。この判別は、キャパシタ５４の過充電を防止するために行われている。充電判別用閾値Ａは、キャパシタの上限電圧と等しい値またはそれよりも若干小さい値に設定される。キャパシタ電圧Ｖｃが充電判別用閾値Ａ以上であれば(ステップＳ８：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、充電回路５２内の２つのスイッチング素子５２Ａ，５２Ｂをともにオフに設定する（ステップＳ９)。そして、電源制御用ＥＣＵ３３は、イグニッションオフ状態信号が入力されたか否かを判別する（ステップＳ１３)。イグニッションオフ状態信号が入力されていなければ(ステップＳ１３：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３はステップＳ３に戻る。
前記ステップＳ８において、キャパシタ電圧Ｖｃが充電判別用閾値Ａ未満であると判別された場合には(ステップＳ８：ＹＥＳ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、キャパシタ５４の充電処理を開始する(ステップＳ１０)。具体的には、電源制御用ＥＣＵ３３は、充電回路５２内の一対のスイッチング素子５２Ａ，５２Ｂを交互にオンさせる。これにより、キャパシタ５４が充電される。なお、ステップＳ８からステップＳ１０に移行した場合に、既に充電処理が開始されている場合には、電源制御用ＥＣＵ３３は充電処理を継続して行う。
この後、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ１３に移行し、イグニッションオフ状態信号が入力されたか否かを判別する。イグニッションオフ状態信号が入力されていなければ(ステップＳ１３：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３はステップＳ３に戻る。
前記ステップＳ６において、消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜が出力電圧切替用閾値ＫＥ以上であると判別された場合には(ステップＳ６：ＹＥＳ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、充電回路５２内の２つのスイッチング素子５２Ａ，５２Ｂをともにオフに設定する(ステップＳ１１)。これにより、充電処理が実行中である場合には、充電処理が停止される。
次に、電源制御用ＥＣＵ３３は、放電回路５３内の上段側のスイッチング素子５３Ａをオンに設定し、下段側のスイッチング素子５３Ｂをオフに設定し、モードフラグＦをセット（Ｆ＝１）する(ステップＳ１２)。これにより、電力供給モードが高出力電圧モードとなる。
この後、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ１３に移行し、イグニッションオフ状態信号が入力されたか否かを判別する。イグニッションオフ状態信号が入力されていなければ(ステップＳ１３：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３はステップＳ３に戻る。
前記ステップＳ４において、モードフラグＦがセットされている場合には(ステップＳ４：ＹＥＳ)、つまり、電力供給モードが高出力電圧モードである場合には、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ１４に移行する。
ステップＳ１４では、電源制御用ＥＣＵ３３は、次式（１）に基づいて、逆起電圧Ｖｇを演算する。
Ｖｇ＝Ｖｄ−（Ｖｂ＋Ｖｃ）…（１）
Ｖｄ、ＶｂおよびＶｃは、それぞれ、ステップＳ３で取得された出力電圧、バッテリー電圧およびキャパシタ電圧である。
次に、電源制御用ＥＣＵ３３は、電動モータ１８の運転状態が回生状態であるか否かを判別する(ステップＳ１５)。具体的には、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ３で取得した出力電流ｉｄの符号が負でかつ、ステップＳ１４で演算された逆起電圧Ｖｇが所定の閾値Ｂ（Ｂ＞０）よりも大きいという条件を満たしているか否かを判別する。この条件を満たしている場合には、電源制御用ＥＣＵ３３は、電動モータ１８の運転状態が回生状態であると判別し、この条件を満たしていない場合には、電動モータ１８が力行状態であると判別する。
電動モータ１８の運転状態が力行状態であると判別された場合には(ステップＳ１５：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ５に移行する。この場合には、前述したステップＳ５以降の処理が実行される。
一方、ステップＳ１５において、電動モータ１８の運転状態が回生状態であると判別された場合には、電源制御用ＥＣＵ３３は、放電回路５３内の上段側のスイッチング素子５３Ａをオフに設定し、下段側のスイッチング素子５３Ｂをオンに設定し、モードフラグＦをリセット（Ｆ＝０）する(ステップＳ１６)。これにより、キャパシタ５４の放電が実行されている場合には、その放電が停止される。これにより、電力供給モードが通常出力電圧モードとなる。
この後、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ１３に移行し、イグニッションオフ状態信号が入力されたか否かを判別する。イグニッションオフ状態信号が入力されていなければ(ステップＳ１３：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３はステップＳ３に戻る。
ステップＳ１３において、イグニッションオフ状態信号が入力されていると判別された場合には(ステップＳ１３：ＹＥＳ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、リレー５１をオフする(ステップＳ１７)。そして、電源制御用ＥＣＵ３３は、今回の処理を終了する。
この実施形態では、電力供給モードが高出力電圧モードである場合に、電動モータ１８の運転状態が回生状態になったときには、電力供給モードが通常出力電圧モードに切り替えられる（ステップＳ１５，Ｓ１６参照）。これにより、電動モータ１８の運転状態が回生状態となったときに、電源装置３０の出力電圧が過大となるのを抑制できるので、ＥＰＳ用ＥＣＵ１２に故障が発生するのを抑制できる。
前述の実施形態では、電力供給モードが高出力電圧モードであるときには、電源制御用ＥＣＵ３３は、放電回路５３内の上段側のスイッチング素子５３Ａをオンに設定し、下段側のスイッチング素子５３Ｂをオフに設定している。
しかし、電力供給モードが高出力電圧モードであるときに、電源制御用ＥＣＵ３３は、モータ駆動回路４２の消費電力ＰＳに基づくＰＷＭ制御によって、放電回路５３内の一対のスイッチング素子５３Ａ，５３Ｂを交互にオンさせてもよい。この場合の実施形態（以下、変形例という）について説明する。
電力供給モードが高出力電圧モードであるときのスイッチング素子５３Ａ，５３Ｂの制御方法について、より具体的に説明する。ＰＷＭ周期内のスイッチング素子５３Ａのオン期間の比率であるデューティ比をＤ１［％］とし、ＰＷＭ周期内のスイッチング素子５３Ｂのオン期間の比率であるデューティ比をＤ２［％］とする。ＰＷＭ周期において、スイッチング素子５３Ａがオフの期間に、スイッチング素子５３Ｂがオンとされるので、Ｄ２は、Ｄ２＝（１００−Ｄ１）となる。ただし、スイッチング素子５３Ａのオン期間とスイッチング素子５３Ｂのオン期間との間にはデットタイムが設定される。Ｄ１が大きくなるほど、電源装置３０の出力電圧は大きくなる。
電源制御用ＥＣＵ３３は、消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜が電圧切替用閾値ＫＥ以上である場合に、消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜と電圧切替用閾値ＫＥとの偏差｜ＰＳ−ＫＥ｜が大きくなるほどデューティ比Ｄ１が大きくなるように、偏差｜ＰＳ−ＫＥ｜に応じてデューティ比Ｄ１を演算する。そして、電源制御用ＥＣＵ３３は、演算されたデューティ比Ｄ１が制限値Ｌ以内であれば、演算されたデューティ比Ｄ１を最終的なデューティ比Ｄ１として用いて、スイッチング素子５３Ａ，５３ＢをＰＷＭ制御する。一方、演算されたデューティ比Ｄ１が制限値Ｌよりも大きい場合には、電源制御用ＥＣＵ３３は、制限値Ｌを最終的なデューティ比Ｄ１として用いて、スイッチング素子５３Ａ，５３ＢをＰＷＭ制御する。
この変形例では、常時は、制限値Ｌとして通常の制限値である第１制限値Ｌ１が用いられ、電力供給モードが高出力電圧モードである場合に電動モータ１８が回生状態になったときには、過電圧防止用の第２制限値Ｌ２が制限値Ｌとして用いられる。この変形例では、第１制限値Ｌ１は、デューティ比Ｄ１の最大値である１００に設定されている。第２制限値Ｌ２の演算方法については、後述する。
図４は、電源制御用ＥＣＵ３３の変形例を説明するためのフローチャートである。
電源制御用ＥＣＵ３３は、イグニッションオン状態信号が入力されると(ステップＳ２１：ＹＥＳ)、初期設定を行う(ステップＳ２２)。この初期設定では、電源制御用ＥＣＵ３３は、スイッチング素子５２Ａ、５２Ｂおよび５３Ａをオフとし、スイッチング素子５３Ｂをオンとし、リレー５１をオンとし、モードフラグＦをリセット（Ｆ＝０）する。
次に、電源制御用ＥＣＵ３３は、第１電圧センサ６１によって検出されるバッテリー電圧Ｖｂ、第２電圧センサ６２によって検出されるキャパシタ電圧Ｖｃ、第３電圧センサ６３によって検出される出力電圧Ｖｄおよび第２電流センサ６５によって検出される出力電流ｉｄを取得する(ステップＳ２３)。
次に、電源制御用ＥＣＵ３３は、モードフラグＦがセットされているか否かを判別する(ステップＳ２４)。モードフラグＦがリセット（Ｆ＝０）されている場合には(ステップＳ２４：ＮＯ)、つまり、電力供給モードが通常出力電圧モードである場合には、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ２５に移行する。
ステップＳ２５では、電源制御用ＥＣＵ３３は、高出力電圧モード時のスイッチング素子５３Ａに対するデューティ比Ｄ１の制限値Ｌを、通常の制限値である第１制限値Ｌ１に設定する。そして、ステップＳ２９に移行する。
前記ステップＳ２４において、モードフラグＦがセット（Ｆ＝１）されている場合には(ステップＳ２４：ＹＥＳ)、つまり、電力供給モードが高出力電圧モードである場合には、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ２６に移行する。
ステップＳ２６では、電源制御用ＥＣＵ３３は、次式（２）に基づいて、逆起電圧Ｖｇを演算する。
Ｖｇ＝Ｖｄ−｛Ｖｂ＋（Ｖｃ・Ｄ１／１００）｝…（２）
Ｖｄ、ＶｂおよびＶｃは、それぞれ、ステップＳ２３で取得された出力電圧、バッテリー電圧およびキャパシタ電圧である。Ｄ１は、現在設定されているスイッチング素子５３Ａに対するデューティ比である。
次に、電源制御用ＥＣＵ３３は、電動モータ１８の運転状態が回生状態であるか否かを判別する(ステップＳ２７)。具体的には、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ２３で取得した出力電流ｉｄの符号が負でかつ、ステップＳ２６で演算された逆起電圧Ｖｇが所定の閾値Ｂ（Ｂ＞０）よりも大きいという条件を満たしているか否かを判別する。この条件を満たしている場合には、電源制御用ＥＣＵ３３は、電動モータ１８の運転状態が回生状態であると判別し、この条件を満たしていない場合には、電動モータ１８の運転状態が力行状態であると判別する。
電動モータ１８の運転状態が力行状態であると判別された場合には(ステップＳ２７：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ２５に移行する。この場合には、デューティ比Ｄ１の制限値Ｌが、第１制限値Ｌ１に設定される。
一方、ステップＳ２７において、電動モータ１８の運転状態が回生状態であると判別された場合には（ステップＳ２７：ＹＥＳ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、デューティ比Ｄ１の制限値Ｌとして、第２制限値Ｌ２を演算して設定する(ステップＳ２８)。
第２制限値Ｌ２の演算方法について説明する。逆起電圧が発生した場合に電源装置３０（放電回路５３）から出力される出力電圧が過電圧となる電圧をＶｔｈとすると、電源装置３０から出力される出力電圧をＶｔｈ以下に制限する必要がある。したがって、デューティ比Ｄ１に対する第２制限値Ｌ２は、次式（３）を満たす必要がある。
Ｖｂ＋（Ｖｃ・Ｌ２／１００）＋Ｖｇ≦Ｖｔｈ …（３）
ＶｂおよびＶｃは、それぞれステップＳ２３で取得された電源電圧およびキャパシタ電圧である。Ｖｇは、ステップＳ２６で演算された逆起電力である。
前記式（３）から第２制限値Ｌ２は、次式（４）で表される。
Ｌ２≦｛（Ｖｔｈ−Ｖｂ−Ｖｇ）／Ｖｃ｝×１００ …（４）
この後、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ２９に移行する。
ステップＳ２９では、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ２３で取得された出力電圧Ｖｄと出力電流ｉｄとを乗算することにより消費電力ＰＳを演算する。そして、電源制御用ＥＣＵ３３は、消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜が所定の出力電圧切替用閾値ＫＥ以上であるか否かを判別する(ステップＳ３０)。
消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜が出力電圧切替用閾値ＫＥ未満である場合には(ステップＳ３０：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、放電回路５３内の上段側のスイッチング素子５３Ａをオフに設定し、下段側のスイッチング素子５３Ｂをオンに設定し、モードフラグＦをリセット（Ｆ＝０）する(ステップＳ３１)。これにより、キャパシタ５４の放電が実行されている場合には、その放電が停止される。また、これにより、電力供給モードが通常出力電圧モードとなる。
この後、電源制御用ＥＣＵ３３は、電動モータ１８の運転状態が回生状態であるか否かを判別する(ステップＳ３２)。この判別方法は、前述したステップＳ２７と同様である。電動モータ１８の運転状態が回生状態ではない場合には(ステップＳ３２：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、キャパシタ電圧Ｖｃが所定の充電判別用閾値Ａ（Ａ＞０）未満であるか否かを判別する(ステップＳ３３)。この判別は、キャパシタ５４の過充電を防止するために行われている。充電判別用閾値Ａは、キャパシタの上限電圧と等しい値またはそれよりも若干小さい値に設定される。
前記ステップＳ３２において電動モータ１８の運転状態が回生状態であると判別された場合(ステップＳ３２：ＹＥＳ)または前記ステップＳ３３においてキャパシタ電圧Ｖｃが充電判別用閾値Ａ以上であると判別された場合(ステップＳ３３：ＮＯ)には、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ３４に移行する。ステップＳ３４では、電源制御用ＥＣＵ３３は、充電回路５２内の２つのスイッチング素子５２Ａ，５２Ｂをともにオフに設定する。そして、電源制御用ＥＣＵ３３は、イグニッションオフ状態信号が入力されたか否かを判別する（ステップＳ４２)。イグニッションオフ状態信号が入力されていなければ(ステップＳ４２：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３はステップＳ２３に戻る。
前記ステップＳ３３において、キャパシタ電圧Ｖｃが充電判別用閾値Ａ未満であると判別された場合には(ステップＳ３３：ＹＥＳ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、キャパシタ５４の充電処理を開始する(ステップＳ３５)。具体的には、電源制御用ＥＣＵ３３は、充電回路５２内の一対のスイッチング素子５２Ａ，５２Ｂを交互にオンさせる。これにより、キャパシタ５４が充電される。なお、ステップＳ３３からステップＳ３５に移行した場合に、既に充電処理が開始されている場合には、電源制御用ＥＣＵ３３は充電処理を継続して行う。
この後、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ４２に移行し、イグニッションオフ状態信号が入力されたか否かを判別する。イグニッションオフ状態信号が入力されていなければ(ステップＳ４２：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３はステップＳ２３に戻る。
前記ステップＳ３０で、消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜が出力電圧切替用閾値ＫＥ以上であると判別された場合には(ステップＳ３０：ＹＥＳ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、モードフラグＦをセット（Ｆ＝１）する(ステップＳ３６)。また、電源制御用ＥＣＵ３３は、充電回路５２内の２つのスイッチング素子５２Ａ，５２Ｂをともにオフに設定する(ステップＳ３７)。これにより、充電処理が実行中である場合には、充電処理が停止される。
次に、電源制御用ＥＣＵ３３は、消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜と出力電圧切替用閾値ＫＥとの偏差｜ＰＳ−ＫＥ｜に基づいて、スイッチング素子５３Ａに対するデューティ比Ｄ１を演算する(ステップＳ３８)。そして、電源制御用ＥＣＵ３３は、演算されたデューティ比Ｄ１が制限値Ｌ以下であるか否かを判別する(ステップＳ３９)。制限値Ｌは、高出力電圧モードでかつ回生状態であると判定されている場合にはステップＳ２８で演算された第２制限値Ｌ２であり、それ以外の場合にはステップＳ２５で設定された第１制限値Ｌ１となる。
演算されたデューティ比Ｄ１が制限値Ｌ以下であれば(ステップＳ３９：ＹＥＳ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、そのままステップＳ４１に進む。ステップＳ４１では、デューティ比Ｄ１に基づいて、スイッチング素子５３Ａ，５３ＢをＰＷＭ制御する。これにより、電力供給モードが高出力電圧モードとなる。そして、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ４２に移行する。
一方、ステップＳ３９において、演算されたデューティ比Ｄ１が制限値Ｌよりも大きいと判別された場合には(ステップＳ３９：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、制限値Ｌを最終的なスイッチング素子５３Ａに対するデューティ比Ｄ１として設定した後(ステップＳ４０)、ステップＳ４１に移行する。これにより、電力供給モードは高出力電圧モードとなるが、スイッチング素子５３Ａに対するデューティ比Ｄ１は制限値Ｌ以下に制限される。高出力電圧モードでかつ回生状態である場合には、制限値Ｌが第２制限値Ｌ２に設定されるので、回生状態において、電源装置３０の出力電圧が過電圧になるのを抑制できる。
この後、電源制御用ＥＣＵ３３は、ステップＳ４２に移行する。ステップＳ４２では、電源制御用ＥＣＵ３３は、イグニッションオフ状態信号が入力されたか否かを判別する。イグニッションオフ状態信号が入力されていなければ(ステップＳ４２：ＮＯ)、電源制御用ＥＣＵ３３はステップＳ２３に戻る。
ステップＳ４２において、イグニッションオフ状態信号が入力されていると判別された場合には(ステップＳ４２：ＹＥＳ)、電源制御用ＥＣＵ３３は、リレー５１をオフする(ステップＳ４３)。そして、電源制御用ＥＣＵ３３は、今回の処理を終了する。
この実施形態では、電力供給モードが高出力電圧モードである場合に、電動モータ１８の運転状態が回生状態になったときには、スイッチング素子５３Ａに対するデューティ比Ｄ１が、第２制限値Ｌ２によって制限される（ステップＳ２８，Ｓ４０参照）。これにより、電動モータ１８の運転状態が回生状態になったときに、電源装置３０の出力電圧が過大となるのを抑制できるので、ＥＰＳ用ＥＣＵ１２に故障が発生するのを抑制できる。
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明はさらに他の形態で実施することもできる。前述の実施形態では、ＥＰＳ用ＥＣＵ１２の消費電力ＰＳの絶対値｜ＰＳ｜が出力電圧切替用閾値ＫＥ以上であるか否かに基づいて、通常出力電圧モードと高出力電圧モードとを切り替えている。しかし、主電源電力が出力電圧切替用閾値ＫＥ以上であるか否かに基づいて、通常出力電圧モードと高出力電圧モードとを切り替えてもよい。主電源電力は、ＥＰＳ用ＥＣＵ１２がアシスト制御によって消費する主電源３１の実電力である。主電源電力は、第１電流センサ６４によって検出されるバッテリー電流ｉｂと、第１電圧センサ６１によって検出されるバッテリー電圧Ｖｂとの積を演算することにより求められる。主電源電力は、「駆動回路の消費電力に応じた値」の一例である。
前述した実施形態では、補助電源は、１つのキャパシタから構成されているが、複数のキャパシタから構成されていてもよい。また、補助電源は、１または複数のキャパシタ以外の電源要素から構成されていてもよい。キャパシタ以外の電源要素としては、全固体電池、リチウムイオン電池等が挙げられる。
また、前述の実施形態では、この発明による電源システムを電動パワーステアリング装置に適用した場合について説明したが、この発明は電動モータを含む車両であれば、電動パワーステアリング装置以外の電動モータを使用する装置に適用することができる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
１…電動パワーステアリング装置、１２…ＥＰＳ用ＥＣＵ、３０…電源装置、３１…主電源、３２…補助電源装置、３３…電源制御用ＥＣＵ、５２…充電回路、５３…放電回路、５４…キャパシタ（補助電源）、６１〜６３…電圧センサ、６４，６５…電流センサ、４１…モータ制御回路、４２…モータ駆動回路、４３…電源ＩＣ

Claims (6)

  1. 電動モータを備えた車両に用いられる電源システムであって、
    電源装置と、前記電源装置を制御する制御装置とを含み、
    前記電源装置は、
    主電源および補助電源と、
    前記主電源のみによって前記電動モータの駆動回路に電力を供給する第１電力供給モードと、前記主電源および前記補助電源の両方を利用して前記駆動回路に電力を供給する第２電力供給モードとの間で、電力供給モードを切り替えるための切替回路とを含み、
    前記制御装置は、
    前記駆動回路の消費電力に応じた値に基づいて前記切替回路を制御する切替回路制御手段と、
    前記電動モータの運転状態が回生状態であるか力行状態であるかを判定する判定手段と、
    前記電力供給モードが前記第２電力供給モードであり、かつ、前記判定手段によって前記電動モータの運転状態が回生状態であると判定されたときに、前記駆動回路に供給される電力を制限する制限手段とを含む、電源システム。
  2. 前記制限手段は、前記電力供給モードが前記第２電力供給モードであり、かつ、前記判定手段によって前記電動モータの運転状態が回生状態であると判定されたときに、前記切替回路を制御して、前記電力供給モードを前記第１電力供給モードに切り替えるように構成されている、請求項１に記載の電源システム。
  3. 前記切替回路制御手段は、前記第２電力供給モード時には、前記主電源と前記補助電源との直列回路から前記駆動回路に電力を供給する第１状態と、前記主電源のみから前記駆動回路に電力を供給する第２状態とを、前記駆動回路の消費電力に応じた値に基づくＰＷＭ制御によって交互に切り替えるように構成されており、
    前記制限手段は、前記電力供給モードが前記第２電力供給モードであり、かつ、前記判定手段によって前記電動モータの運転状態が回生状態であると判定されたときに、ＰＷＭ周期内の前記第１状態に対するデューティ比を制限するように構成されている、請求項１に記載の電源システム。
  4. 前記制御装置は、前記電動モータに発生する逆起電力を演算する逆起電力演算手段を含み、
    前記制限手段は、
    前記逆起電力演算手段によって演算される逆起電力に基づいて、制限値を演算する制限値演算手段と、
    ＰＷＭ周期内の前記第１状態に対するデューティ比を、前記制限値演算手段によって演算された前記制限値以下に制限する手段とを含む、請求項３に記載の電源システム。
  5. 前記制御装置は、前記電動モータに発生する逆起電力を演算する逆起電力演算手段を含み、
    前記判定手段は、前記電源回路から前記駆動回路に流れる電流の方向と、前記逆起電力演算手段によって演算される逆起電力の大きさとに基づいて、前記電動モータの運転状態が回生状態であるか力行状態であるかを判定するように構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電源システム。
  6. 前記補助電源がキャパシタからなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電源システム。
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