JP2023184288A - 車両の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】メインバッテリを走行用モータから切り離した状態で走行する際に、リレーとインバータとの間の電力線に接続されたコンデンサの電圧を維持すること。
【解決手段】昇圧後の直流電力をインバータに出力する昇圧コンバータと、リレーと昇圧コンバータとを結ぶ第１電力線に接続された第１コンデンサと、昇圧コンバータとインバータとを結ぶ第２電力線に接続された第２コンデンサと、補機バッテリからの電力を昇圧して第１電力線に出力する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える車両の制御装置であって、リレーを開放状態にしてメインバッテリを走行用モータから切り離した状態で走行するバッテリレス走行時に、第１コンデンサの電圧および第２コンデンサの電圧が閾値以下である場合には、補機バッテリからの電力を昇圧して第１電力線に出力するように双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の制御装置に関する。

特許文献１には、メインバッテリの電力を走行用モータに供給して走行する車両において、補機バッテリでメインバッテリを充電する場合にメインバッテリとインバータとの間の電流経路に補機バッテリからの電力を昇圧して出力する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを備えることが開示されている。

特開２０１６－２０１８７１号公報

特許文献１に記載の構成では、リレーを開放状態にしてメインバッテリを走行用モータから切り離した状態で走行する際（バッテリレス走行時）に、リレーとインバータとの間の電力線に接続されたコンデンサの電圧を維持する必要がある。そこで、コンデンサの電圧を維持するための制御として、発電用モータのトルクを増加させ、かつ走行用モータのトルクを減少させることが考えられるが、その際にモータ回転数が高い場合にはコンデンサの電圧を維持することが困難となる虞がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、メインバッテリを走行用モータから切り離した状態で走行する際に、リレーとインバータとの間の電力線に接続されたコンデンサの電圧を維持することができる車両の制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、走行用モータと、前記走行用モータを駆動するインバータと、前記走行用モータに電力を供給するメインバッテリと、前記メインバッテリから供給される電力を昇圧して前記インバータに出力する昇圧コンバータと、前記メインバッテリと前記昇圧コンバータとの電気的な接続および遮断を切り替えるリレーと、前記リレーと前記昇圧コンバータとを接続する第１電力線と、前記昇圧コンバータと前記インバータとを接続する第２電力線と、前記第１電力線に接続された第１コンデンサと、前記第２電力線に接続された第２コンデンサと、補機バッテリと、前記補機バッテリからの電力を昇圧して前記第１電力線に出力する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、を備える車両の制御装置であって、前記リレーを開放状態にして前記メインバッテリを前記走行用モータから切り離した状態で走行するバッテリレス走行時に、前記第１コンデンサの電圧および前記第２コンデンサの電圧が閾値以下である場合には、前記補機バッテリからの電力を昇圧して前記第１電力線に出力するように前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御することを特徴とする。

本発明では、メインバッテリを走行用モータから切り離した状態で走行する際に、リレーとインバータとの間の電力線に接続されたコンデンサの電圧を維持することができる。

図１は、実施形態における車両を説明するための図である。 図２は、車両の制御装置を説明するための図である。 図３は、バッテリレス走行時の制御を示すフローチャート図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における車両の制御装置について具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

図１は、実施形態における車両を説明するための図である。車両１は、第１モータ（ＭＧ１）２と、第２モータ（ＭＧ２）３と、第１インバータ４と、第２インバータ５と、昇圧コンバータ６と、メインバッテリ７と、制御装置８と、を備えている。

第１モータ２および第２モータ３は、走行用の動力源として機能するモータであり、電動機および発電機の機能を有するモータジェネレータである。車両１では、第１モータ２から出力された動力と第２モータ３から出力された動力とのうち少なくとも一方によって車輪を駆動することができる。例えば、第１モータ２と第２モータ３とは、遊星歯車装置の三つ回転要素のうちの異なる回転要素に連結され、第１モータ２が主に発電機として機能し、第２モータ３が主に電動機として機能する。車両１は、第１モータ２から出力された動力および第２モータ３から出力された動力を車輪に伝達する動力伝達装置を備えている。例えば、車両１は、エンジンの動力を第１モータ２側と車輪側とに分割する動力分割装置を備え、エンジンが出力したトルクに第２モータ３が出力したトルクを付加して走行することが可能なハイブリッド車両である。

また、第１および第２モータ２，３は、永久磁石が埋め込まれたロータと、三相コイルが巻き回されたステータと、を有する同期発電電動機により構成されている。第１モータ２のステータに巻き回された三相のコイル（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）は、第１インバータ４と電気的に接続されている。第２モータ３のステータに巻き回された三相のコイル（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）は、第２インバータ５と電気的に接続されている。

第１インバータ４および第２インバータ５は、メインバッテリ７からの直流電力を交流電力に変換してモータに供給する電力変換装置である。第１インバータ４および第２インバータ５は、高電圧側電力線に接続されている。第１インバータ４は、第１モータ２と昇圧コンバータ６との間に設けられている。第２インバータ５は、第２モータ３と昇圧コンバータ６との間に設けられている。

第１インバータ４は、第１モータ２の三相コイルに三相の電流を通電できるように、６つのスイッチング素子Ｔ４１～Ｔ４６と、６つのダイオードＤ４１～Ｄ４６とを有する。スイッチング素子Ｔ４１～Ｔ４６は、それぞれ高電圧側電力線の正極母線ＰＬ２と負極母線ＮＬ２とに対してソース側とシンク側になるよう２個ずつペアで配置されている。ダイオードＤ４１～Ｄ４６は、それぞれに対応するスイッチング素子Ｔ４１～Ｔ４６に逆方向に並列接続されている。第１インバータ４では、対となるスイッチング素子同士の接続点の各々に第１モータ２の三相コイルの各々が接続されている。

第２インバータ５は、第２モータ３の三相コイルに三相の電流を通電できるように、６つのスイッチング素子Ｔ５１～Ｔ５６と、６つのダイオードＤ５１～Ｄ５６とを有する。第２インバータ５は昇圧コンバータ６を介してメインバッテリ７と電気的に接続されるため、第２モータ３はメインバッテリ７から供給される電力によって駆動する。

昇圧コンバータ６は、メインバッテリ７の電力を昇圧して第１インバータ４および第２インバータ５に供給する昇圧装置である。この昇圧コンバータ６は、第１インバータ４および第２インバータ５が接続された高電圧側電力線と、メインバッテリ７が接続された低電圧側電力線とに接続されている。低電圧側電力線は第１電力線である。高電圧側電力線は第２電力線である。昇圧コンバータ６は、２つのスイッチング素子Ｔ６１，Ｔ６２と、スイッチング素子Ｔ６１，Ｔ６２に逆方向に並列接続された２つのダイオードＤ６１，Ｄ６２と、リアクトルＬと、を有する。昇圧コンバータ６では、上アームの第１スイッチング素子Ｔ６１と、下アームの第２スイッチング素子Ｔ６２とが直列に接続されている。第１スイッチング素子Ｔ６１は、高電圧側電力線の正極母線ＰＬ２に接続されている。第２スイッチング素子Ｔ６２は、第１スイッチング素子Ｔ６１と、高電圧側電力線の負極母線ＮＬ２および低電圧側電力線の負極母線ＮＬ１とに接続されている。リアクトルＬは、スイッチング素子Ｔ６１，Ｔ６２同士の接続点と、低電圧側電力線の正極母線ＰＬ１とに接続されている。

また、昇圧コンバータ６は、制御装置８の制御により第１および第２スイッチング素子Ｔ６１，Ｔ６２のオンとオフとが切り替られる。つまり、制御装置８は、昇圧コンバータ６のスイッチング制御を実行する。このスイッチング制御が実行されることにより、メインバッテリ７の電力（低電圧側電力線の電力）を昇圧して高電圧側電力線に供給し、あるいは高電圧側電力線の電力を降圧して低電圧側電力線（メインバッテリ７）に供給することができる。さらに、低電圧側電力線の正極母線ＰＬ１と負極母線ＮＬ１とには、平滑用の第１コンデンサＣ１が接続されている。第１コンデンサＣ１と並列に抵抗Ｒが接続されている。高電圧側電力線の正極母線ＰＬ２と負極母線ＮＬ２とには、平滑用の第２コンデンサＣ２が接続されている。

第１コンデンサＣ１は、メインバッテリ７の電圧（以下、バッテリ電圧という）ＶＢを平滑化して昇圧コンバータ６に供給する。車両１は、第１コンデンサＣ１の電圧ＶＬを検出する電圧センサを備える。この電圧センサは、第１コンデンサＣ１の両端の電圧ＶＬ、すなわちメインバッテリ７と昇圧コンバータ６をと結ぶ低電圧側電力線の正極母線ＰＬ１と負極母線ＮＬ１との間の電圧（以下、直流電圧という場合がある）ＶＬを検出する。

第２コンデンサＣ２は、昇圧コンバータ６から供給された直流電圧を平滑化して第１および第２インバータ４，５に供給する。車両１は、第２コンデンサＣ２の電圧ＶＨを検出する電圧センサを備える。この電圧センサは、第２コンデンサＣ２の両端の電圧ＶＨ、すなわち昇圧コンバータ６と各インバータ４，５とを結ぶ高電圧側電力線の正極母線ＰＬ２と負極母線ＮＬ２との間の電圧（以下、システム電圧という場合がある）ＶＨを検出する。

メインバッテリ７は、充放電が可能な直流電源であり、例えばニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池により構成されている。メインバッテリ７は、昇圧コンバータ６を介して第１および第２インバータ４，５側に電力を放電し、あるいは第１および第２インバータ４，５側から供給される電力を充電する。力行時には、メインバッテリ７に蓄えられた電力を第２モータ３に供給することができる。回生時には、第２モータ３が発電機として機能するため、第２モータ３で発電された電力をメインバッテリ７に充電することができる。車両１は、メインバッテリ７の電圧ＶＢを検出する電圧センサや、メインバッテリ７の入出力電流を検出する電流センサを備える。

さらに、車両１は、システムメインリレー（以下、ＳＭＲという）９と、空調装置（Ａ／Ｃ）１０と、補機バッテリ１１と、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（双方向ＤＤＣ）１２と、を備える。

ＳＭＲ９は、メインバッテリ７と昇圧コンバータ６との電気的な接続および遮断を切り替える。メインバッテリ７はＳＭＲ９を介して低電圧側電力線に接続されている。ＳＭＲ９が閉成状態である場合、メインバッテリ７と昇圧コンバータ６とは低電力側電力線によって電気的に接続されている。ＳＭＲ９が開放状態である場合、メインバッテリ７が昇圧コンバータ６から切り離された状態となる。ＳＭＲ９は制御装置８からの制御信号に応じて閉成状態と開放状態とを切り替える。このＳＭＲ９は、メインバッテリ７の正極端子と昇圧コンバータ６との間の電力線（低電圧側電力線の正極母線ＰＬ１）に設けられたリレーと、メインバッテリ７の負極端子と昇圧コンバータ６との間の電力線（低電圧側電力線の負極母線ＮＬ１）に設けられたリレーとを含む。

空調装置１０は、ＳＭＲ９と昇圧コンバータ６との間における低電力側電力線に接続されている。この空調装置１０はコンプレッサを含み、制御装置８からの制御信号に従ってコンプレッサを作動させて車室内の空調を行う。

補機バッテリ１１は、低電圧線ＥＬに電気的に接続されている。この補機バッテリ１１は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２により充放電可能に構成されている。補機バッテリ１１の出力電圧は、メインバッテリ７の出力電圧よりも低い。車両１は、補機バッテリ１１の電圧を検出する電圧センサを備える。

双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、低電圧側電力線の正極母線ＰＬ１および負極母線ＮＬ１と低電圧線ＥＬとの間に電気的に接続されている。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、ＳＭＲ９と昇圧コンバータ６とを結ぶ低電圧側電力線と低電圧戦ＥＬとの間で双方向に直流電力を変換可能に構成されている。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、低電圧側電力線から供給される電力を降圧して低電圧線ＥＬに供給する。双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、低電圧線ＥＬから供給される電力を昇圧して低電圧側電力線に供給する。

このように構成された電気回路を備える車両１では、メインバッテリ７からの直流電力を昇圧コンバータ６で昇圧し、昇圧後の電力が第１インバータ４および第２インバータ５に供給される。第１インバータ４は、昇圧コンバータ６から供給された直流電力を交流電力に変換して第１モータ２に供給する。第１モータ２は第１インバータ４から供給された交流電力によって駆動する。同様に、第２インバータ５は、昇圧コンバータ６から供給された直流電力を交流電力に変換して第２モータ３に供給する。第２モータ３は第２インバータ５から供給された交流電力によって駆動する。第１モータ２と第２モータ３と第１インバータ４と第２インバータ５と昇圧コンバータ６とＳＭＲ９と双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２とはいずれも制御装置８によって制御される。

制御装置８は、車両１を制御する電子制御装置である。この電子制御装置はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェースを備えたマイクロコントローラを含んで構成されている。制御装置８はＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従って信号処理を行う。制御装置８には各種センサからの信号が入力される。制御装置８に入力される信号として、メインバッテリ７の電圧ＶＢを検出する電圧センサからの電圧値、低電圧側電力線における第１コンデンサＣ１の電圧ＶＬを検出する電圧センサからの電圧値、高電圧側電力線における第２コンデンサＣ２の電圧ＶＨを検出する電圧センサからの電圧値などが挙げられる。そして、制御装置８は各種センサから入力された信号に基づいて各種の制御を実行する。

例えば、車両１では、フェールセーフでメインバッテリ７を切り離した状態で走行するバッテリレス走行時、第１モータ２のトルクと第２モータ３のトルクとによってシステム電圧ＶＨを維持するように構成されている。バッテリレス走行時は、発電量と消費量（補機負荷と駆動用電力）をモータのトルク制御で合わせてシステム電圧ＶＨを維持しなければならない。その際、制御装置８は、モータ回転数が高い場合であっても、システム電圧ＶＨが上がるように構成されている。

ここで、図２を参照して、バッテリレス走行時と通常時とを比較説明する。バッテリレス走行時、ＳＭＲ９が開放状態となりメインバッテリ７が第２モータ３から電気的に切り離された状態であるため、例えばモータ回転数が急変した際、電力収支を合わせるためのトルクのフィードバック制御（Ｆ／Ｂ制御）が上手く追従できず、直流電圧ＶＬおよびシステム電圧ＶＨが低下することが起こりえる。通常時、直流電圧ＶＬは昇圧コンバータ６によってシステム電圧ＶＨから維持されている。言い換えれば、フェールセーフでバッテリレス走行をしている際は、直流電圧ＶＬが低下するほどシステム電圧ＶＨが低下していることになる。そこで、制御装置８は、直流電圧ＶＬの低下時、第１モータ２と第２モータ３との回転数影響を受けない双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２から第１コンデンサＣ１に電力を供給する。すなわち、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２で補機バッテリ１１から低電圧側電力線における第１コンデンサＣ１に電力を供給する。そして、この回路構成では、低電圧側電力線の第１コンデンサＣ１の直流電圧ＶＬが上がると、昇圧コンバータ６のダイオードＤ６１を介して高電圧側電力線のシステム電圧ＶＨが上がる。このように、制御装置８の制御によれば、外乱の影響を受けずに直流電圧ＶＬを上昇させ、昇圧コンバータ６のダイオードＤ６１を介して第２コンデンサＣ２のシステム電圧ＶＨを上昇させることができる。

システム電圧ＶＨが目標値よりも低下した場合、第１モータ２の発電量を増やして第２モータ３の消費電力を減らす制御を実行するものの、Ｐ＝ωＴであるため、モータトルク（Ｔ）を変えてもモータ回転数（ω）が変動すると期待通りの電力（Ｐ）にはならない場合がある。これはコンデンサ容量が小さいシステムでより顕著となる。そのため、制御装置８は、バッテリレス走行時、補機バッテリ１１の電力を用いてシステム電圧ＶＨを維持するように双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を制御する。

図３は、バッテリレス走行時の制御を示すフローチャート図である。なお、図３に示す制御は制御装置８により実施される。

制御装置８は、バッテリレス走行中であるか否かを判定する（ステップＳ１）。ステップＳ１では、フェールセーフによりＳＭＲ９が開放状態となり第２モータ３のトルクを用いて走行中であるか否かが判定される。

バッテリレス走行中ではないと判定された場合（ステップＳ１：Ｎｏ）、この制御ルーチンは終了する。

バッテリレス走行中であると判定された場合（ステップＳ１：Ｙｅｓ）、高電圧側電力線におけるシステム電圧ＶＨと低電圧側電力線における直流電圧ＶＬとが低下しているか否かを判定する（ステップＳ２）。ステップＳ２では、電圧センサからの信号に基づいて、システム電圧ＶＨが第１閾値よりも低いか否か、および直流電圧ＶＬが第２閾値よりも低いか否かが判定される。これは、直流電圧ＶＬが低下するほど、システム電圧ＶＨが低下していることを表すためである。そのため、第２コンデンサＣ２の電圧ＶＨと第１コンデンサＣ１の電圧ＶＬとが閾値以下まで低下しているか否かが判定される。なお、第１閾値はシステム電圧ＶＨとの比較に用いる閾値であり、予め設定された値である。この第１閾値は第２閾値よりも大きな値である。第２閾値は直流電圧ＶＬとの比較に用いる閾値であり、予め設定された値である。

高電圧側電力線におけるシステム電圧ＶＨと低電圧側電力線における直流電圧ＶＬとが低下していないと判定された場合（ステップＳ２：Ｎｏ）、この制御ルーチンはステップＳ２の処理を繰り返す。

高電圧側電力線におけるシステム電圧ＶＨと低電圧側電力線における直流電圧ＶＬとが低下していると判定された場合（ステップＳ２：Ｙｅｓ）、制御装置８は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２により補機バッテリ１１からの電力を第１コンデンサＣ１に供給する（ステップＳ３）。ステップＳ３では、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２により補機バッテリ１１からの電力が昇圧されて低電圧側電力線に出力される。このように、補機バッテリ１１の電力が昇圧されて第１コンデンサＣ１に供給されることにより、低電圧側電力線における直流電圧ＶＬを上昇させるような電力供給が行われる。

そして、制御装置８は、モータ回転数の変動が大きい、かつ直流電圧ＶＬが上昇しない状態であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４では、第１モータ２および第２モータ３の回転数が大きく変動している状態、かつ第１コンデンサＣ１の電圧ＶＬが上昇しない状態であるか否かが判定される。第１モータ２の回転数は、第１モータ２に設けられた回転角センサからの入力信号に基づいて制御装置８で算出することが可能である。第２モータ３の回転数は、第２モータ３に設けられた回転角センサからの入力信号に基づいて制御装置８で算出することが可能である。制御装置８は、ステップＳ３の処理を実施しているにも関わらず、直流電圧ＶＬが期待通りに上昇していない状態であるか否かを判定する。

モータ回転数の変動が大きい、かつ直流電圧ＶＬが上昇しない状態ではないと判定された場合（ステップＳ４：Ｎｏ）、この制御ルーチンはステップＳ２にリターンする。

モータ回転数の変動が大きい、かつ直流電圧ＶＬが上昇しない状態であると判定された場合（ステップＳ４：Ｙｅｓ）、制御装置８は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を制御して第１コンデンサＣ１の充電量をさらに上げる（ステップＳ５）。ステップＳ５では、補機バッテリ１１から第１コンデンサＣ１に供給される電力量がさらに多くなるように双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２が制御される。ステップＳ５において制御装置８は、ステップＳ３の処理における電力供給よりも多くの電力が双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２から低電圧側電力線に出力されるように制御する。ステップＳ５の処理を実施すると、この制御ルーチンは終了する。

以上説明した通り、実施形態によれば、バッテリレス走行時にモータ回転数の変動が大きい場合には、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２の制御量を切り替えることにより、制御破綻を防止することができる。その際、モータ回転数の影響を受けない双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ１２から第１コンデンサＣ１に電力を供給することで、直流電圧ＶＬを確実に上昇させ、昇圧コンバータ６のダイオードＤ６１を介してシステム電圧ＶＨを上昇させることができる。

なお、車両１はハイブリッド車（ＨＥＶ）に限られるものではなく、電気自動車（ＢＥＶ）や燃料電池車（ＦＣＥＶ）などに適用することも可能である。

１ 車両
２ 第１モータ（ＭＧ１）
３ 第２モータ（ＭＧ２）
４ 第１インバータ
５ 第２インバータ
６ 昇圧コンバータ
７ メインバッテリ
８ 制御装置
９ システムメインリレー
１１ 補機バッテリ
１２ 双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（双方向ＤＤＣ）
Ｃ１ 第１コンデンサ
Ｃ２ 第２コンデンサ
Ｄ６１ ダイオード

Claims (1)

1. 走行用モータと、
   前記走行用モータを駆動するインバータと、
   前記走行用モータに電力を供給するメインバッテリと、
   前記メインバッテリから供給される電力を昇圧して前記インバータに出力する昇圧コンバータと、
   前記メインバッテリと前記昇圧コンバータとの電気的な接続および遮断を切り替えるリレーと、
   前記リレーと前記昇圧コンバータとを接続する第１電力線と、
   前記昇圧コンバータと前記インバータとを接続する第２電力線と、
   前記第１電力線に接続された第１コンデンサと、
   前記第２電力線に接続された第２コンデンサと、
   補機バッテリと、
   前記補機バッテリからの電力を昇圧して前記第１電力線に出力する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、
   を備える車両の制御装置であって、
   前記リレーを開放状態にして前記メインバッテリを前記走行用モータから切り離した状態で走行するバッテリレス走行時に、前記第１コンデンサの電圧および前記第２コンデンサの電圧が閾値以下である場合には、前記補機バッテリからの電力を昇圧して前記第１電力線に出力するように前記双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを制御する
   ことを特徴とする車両の制御装置。

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