JP3594100B2 - 電気自動車の電気システム - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池を電源とし、電圧形インバータを介して駆動される永久磁石形同期電動機を備えた電気自動車の電気システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の電気システムにおいて、永久磁石形同期電動機により高速域における弱め界磁制御を可能にする方法が従来から提案されている。
図６は、公知の制御方法による弱め界磁領域での電圧、電流のフェーザ図を示したものである。
【０００３】
図において、Ｅｍはインバータ出力電圧すなわち永久磁石形同期電動機の端子電圧、Ｅ０は永久磁石の磁束によって発生する電動機誘起電圧であり、その大きさはＥｍより大である。
Ｉは電動機電流であり、Ｉｄ，Ｉｑの成分から構成される。ＩｑはＥ０と同相のｑ軸電流であり、トルクはこの電流に比例する。Ｉｄはｑ軸と直交する成分のｄ軸電流であり、永久磁石の磁束を等価的に減少させる電流である。
【０００４】
また、Ｘｑはｑ軸で作用するｑ軸リアクタンス、Ｘｄはｄ軸で作用するｄ軸リアクタンスであり、これらの合成リアクタンスがＸである。
ここで、電動機誘起電圧Ｅ０がインバータ出力電圧Ｅｍより大であっても、Ｉｄを流すことによってフェーザ図のように電動機の運転が可能になる。
このような弱め界磁制御技術の向上により、弱め界磁運転の範囲が広くなる傾向にある。つまり、より大きなＥ０のもとで永久磁石形同期電動機を運転するようになってきている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図５は永久磁石形同期電動機駆動装置の構成例を示しており、主電池１、直流側開閉スイッチ２、直流側開閉スイッチ２のコイル２１、ヒューズ３、電圧形インバータ４、交流側開閉スイッチ６、交流側開閉スイッチ６のコイル６１、制御装置７’から構成される駆動装置により永久磁石形同期電動機５が駆動される。
電圧形インバータ４は、図７に示すごとく、スイッチング素子４１及びダイオード４２によりスイッチングアームを構成し、直流入力側に平滑コンデンサ４３が接続されている。
【０００６】
いま、Ｅ０＞Ｅｍとなる高速運転中に、インバータ４や電動機５、制御装置７’、主電池１等の構成機器の異常を検出して直流側開閉スイッチ２及び交流側開閉スイッチ６の開動作指令やインバータ４のパルスオフ指令を同時に発した場合、開閉スイッチ２，６の開動作は接点を機械的に切り離すため、インバータ４のパルスオフ動作よりも通常、遅れてしまう。
また、開閉スイッチ２，６の間にも動作時間に差が生じるため、例えば、直流側開閉スイッチ２が先に開状態となり、遅れて交流側開閉スイッチ６が開状態となる可能性がある。
【０００７】
主電池１とインバータ４間の直流側開閉スイッチ２が閉状態であれば、インバータ４の平滑コンデンサ４３の電圧は主電池１の電圧に等しくなる。しかし、開閉スイッチ２が先に開状態になると、平滑コンデンサ４３はインバータ４のダイオード４２を介して電動機誘起電圧Ｅ０の尖頭値の大きさに充電され、この充電電圧が平滑コンデンサ４３の許容電圧を超える電圧となって平滑コンデンサ４３を故障させるおそれがある。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、高速運転時に異常を検出して開閉スイッチにより保護動作を行った際にインバータの平滑コンデンサに必要以上の電圧が印加されるのを防止する、実用的な電気自動車の電気システムを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載した発明は、電池を電源とし、電圧形インバータを介して車両駆動用の永久磁石形同期電動機を駆動する電気自動車の電気システムであって、前記電池とインバータとの間に直流側開閉スイッチが接続され、かつ、前記インバータと電動機との間に交流側開閉スイッチが接続された電気自動車の電気システムにおいて、電気システムを構成する機器の異常を検出した時に、または該電気システムを構成する機器の電源が切られた時に、前記交流側開閉スイッチを開動作させ、このスイッチの補助接点の状態から前記交流側開閉スイッチの開状態を確認した後に、前記直流側開閉スイッチを開動作させる開閉スイッチ制御器を備えたものである。
本発明では、直流側開閉スイッチが開状態となる前に交流側開閉スイッチが開状態となるため、平滑コンデンサの電圧は主電池と同じ値を維持し、必要以上の電圧になる恐れがない。
【００１０】
請求項２に記載した発明は、請求項１記載の発明において、開閉スイッチ制御器は、交流側開閉スイッチの開動作指令と同時に、インバータに対するパルスオフ指令を出力するものである。
本発明では、直流側開閉スイッチが開状態となる前に交流側開閉スイッチが開状態となり、かつインバータの運転が停止されるため、平滑コンデンサの電圧は主電池と同じ値を維持し、必要以上の電圧になる恐れがない。
【００１１】
請求項３に記載した発明は、請求項１記載の発明において、インバータから出力される交流電流の過電流検出時に前記交流電流を減少させる電圧ベクトルをインバータにより出力させた後に、開閉スイッチ制御器が、交流側開閉スイッチを開動作させるものである。
本発明では、インバータの交流電流の過電流状態を解消しながら平滑コンデンサに必要以上の電圧が印加されるのを防ぐことができる。
【００１２】
請求項４に記載した発明は、請求項１記載の発明において、開閉スイッチ制御器は、インバータの直流電圧の過電圧検出時に交流側開閉スイッチを開動作させ、その後、インバータをパルスオフするものである。
この種の電気システムでは、回生制動時の主電池充電時に主電池電圧が上昇する特性がある。直流側開閉スイッチ及び交流側開閉スイッチが閉状態で高速運転時にインバータをパルスオフすると、インバータがダイオード整流回路として動作し、この整流回路を介してエネルギーが電動機から主電池に充電されるため、主電池の電圧が上昇する。このため、請求項４に記載したごとく、交流側開閉スイッチ及び直流側開閉スイッチの開動作後にパルスオフを行うようにすれば、主電池や平滑コンデンサの電圧上昇を防止することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、請求項１の発明の実施形態を述べる。
図１は、この実施形態の全体的な構成を示すもので、図５と同一の構成要素には同一番号を付して詳述を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
【００１４】
図１において、６２は交流側開閉スイッチ６の補助接点、７１はインバータ４、電動機５、制御装置７及び主電池１などの電源（以下、必要に応じてこれらを構成機器という）の異常を検出する異常検出器、７２は異常検出器７１からの異常検出信号及び上記補助接点６２の状態に基づき直流側開閉スイッチ２及び交流側開閉スイッチ６の開閉動作を制御する開閉スイッチ制御器である。
【００１５】
次に、この実施形態の動作を説明する。まず、異常検出器７１により構成機器の異常を検出すると、開閉スイッチ制御器７２に異常検出信号が送られる。開閉スイッチ制御器７２では、交流側開閉スイッチ６を開動作させ、補助接点６２の状態から開閉スイッチ６の開状態を確認した後に、直流側開閉スイッチ２を開動作させる。
これにより、直流側開閉スイッチ２が開状態の時には常に交流側開閉スイッチ６が開状態であるため、インバータ４の平滑コンデンサ４３が電動機誘起電圧により充電される恐れはなく、高速運転中に平滑コンデンサ４３に必要以上の電圧が印加される心配がない。
【００１６】
なお、この実施形態では、補助接点６２の状態を監視して交流側開閉スイッチ６の開状態を確認した後に直流側開閉スイッチ２を開動作させているが、交流側開閉スイッチ６の開動作指令を出力し、その後、この指令出力から実際に開状態となるまでの遅れ時間以上を経過してから直流側開閉スイッチ２の開動作指令を出力しても良い。
【００１７】
図２は、請求項２に記載した発明の実施形態を示している。この実施形態は、補助電源の電圧が低下するような異常発生時を想定したものである。
図２において、８は制御装置７Ａの電源として用いられる補助電源、７３はインバータ４のスイッチングパルスを生成するパルス生成器であり、他の構成要素は図１と同一である。
【００１８】
この動作を説明すると、異常検出器７１は補助電源８の電圧を常時監視しており、電圧低下異常を検出すると異常検出信号を開閉スイッチ制御器７２及びパルス生成器７３に送る。
開閉スイッチ制御器７２は交流側開閉スイッチ６に対して開動作指令を出力し、これと同時にパルス生成器７３に対してインバータ４のパルスオフ指令を出力する。更に、開閉スイッチ制御器７２は補助接点６２の状態から交流側開閉スイッチ６の開状態を確認した後に、直流側開閉スイッチ２を開動作させる。
【００１９】
この実施形態において、仮りにインバータ４のパルスオフ動作より交流側開閉スイッチ６の実際の開動作が若干遅れたとしても、交流側開閉スイッチ６が開動作した時点では直流側開閉スイッチ２が常に閉状態にあるので、平滑コンデンサ４３は主電池１の電圧に維持されており、必要以上の電圧になる心配はない。
なお、図示されている電気システムの電源が切られるような場合にも、同様の手順で開閉スイッチを開動作してもよい。
【００２０】
図３は、請求項３記載の発明の実施形態を示している。図において、９はインバータ４の交流側に接続された変流器等の交流電流検出器、７Ｂは制御装置であり、他の構成要素には図１、図２と同一番号を付してある。なお、交流電流検出器９の出力側は異常検出器７１及びパルス生成器７３に接続されている。
【００２１】
この実施形態において、交流電流検出器９により検出されたインバータ４の交流電流が過電流状態になると、これが異常検出器７１により検出され、異常検出信号が開閉スイッチ制御器７２及びパルス生成器７３に送られる。
するとパルス生成器７３では、交流電流検出器９の検出信号に基づいて交流電流の極性を判断し、交流電流を減少させるため、交流電流と逆極性の電圧ベクトルを発生するようなパルスをインバータ４に出力する。
【００２２】
こうして所定の電圧ベクトルをインバータ４により出力させた後に、開閉スイッチ制御器７２は交流側開閉スイッチ６を開動作させると共に、補助接点６２の状態を検出して開閉スイッチ６が開状態になったことを確認してから、直流側開閉スイッチ２を開動作させる。
これにより、交流電流の増加を抑制しながら平滑コンデンサ４３に必要以上の電圧が印加されるのを防止することができる。
また、この実施形態において、請求項２記載の発明のように交流側開閉スイッチ６の開動作指令と同時にインバータ４に対するパルスオフ指令を出力しても良い。
【００２３】
次いで、図４は請求項４記載の発明の実施形態を示している。図において、１０はインバータ４の平滑コンデンサ４３の両端に接続された直流電圧検出器であり、その出力は制御装置７Ｃ内の異常検出器７１に接続されている。また、開閉スイッチ制御器７２にはパルス生成器７３が接続されており、開閉スイッチ制御器７２からパルスオフ指令が送られるようになっている。
【００２４】
その動作を説明すると、直流電圧検出器１０により検出されるインバータ４の直流電圧が過電圧異常となった場合、これが異常検出器７１により検出され、異常検出信号が開閉スイッチ制御器７２及びパルス生成器７３に送られる。
開閉スイッチ制御器７２では、交流側開閉スイッチ６の開動作指令を出力し、補助接点６２の状態から開閉スイッチ６が開状態であることを確認し、その後、インバータ４のパルスオフ指令を出力する。
【００２５】
この実施形態においては、直流電圧の過電圧異常時に、交流側開閉スイッチ６を開動作させ、しかる後にインバータ４をパルスオフすることにより、主電池１及び平滑コンデンサ４３に必要以上の電圧が印加されるのを解消することが可能である。
【００２６】
上記各実施形態ではインバータ及び同期電動機が三相の電気システムについて説明したが、本発明は、これらが単相である電気システムにも適用可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように請求項１〜請求項４記載の発明によれば、交流側開閉スイッチを開動作させ、その後、直流側開閉スイッチを開動作させるようにしたため、同期電動機の誘起電圧によりインバータの平滑コンデンサに必要以上の電圧が印加されるのを未然に防止することができる。
特に、請求項３記載の発明ではインバータの交流電流の過電流状態を解消しながら平滑コンデンサに必要以上の電圧が印加されるのを防ぎ、また、請求項４記載の発明では平滑コンデンサ及び主電池を保護することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明の実施形態を示す全体構成図である。
【図２】請求項２記載の発明の実施形態を示す全体構成図である。
【図３】請求項３記載の発明の実施形態を示す全体構成図である。
【図４】請求項４記載の発明の実施形態を示す全体構成図である。
【図５】永久磁石形同期電動機駆動装置の構成図である。
【図６】公知の制御方法による弱め界磁領域での電圧、電流のフェーザ図である。
【図７】電圧形インバータの主回路構成図である。
【符号の説明】
１ 主電池
２ 直流側開閉スイッチ
２１ コイル
３ ヒューズ
４ 電圧形インバータ
４３ 平滑コンデンサ
５ 永久磁石形同期電動機
６ 交流側開閉スイッチ
６１ コイル
６２ 補助接点
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ 制御装置
７１ 異常検出器
７２ 開閉スイッチ制御器
７３ パルス生成器
８ 補助電源
９ 交流電流検出器
１０ 直流電圧検出器

Claims (4)

  1. 電池を電源とし、電圧形インバータを介して車両駆動用の永久磁石形同期電動機を駆動する電気自動車の電気システムであって、前記電池とインバータとの間に直流側開閉スイッチが接続され、かつ、前記インバータと電動機との間に交流側開閉スイッチが接続された電気自動車の電気システムにおいて、
    電気システムを構成する機器の異常を検出した時に、または該電気システムを構成する機器の電源が切られた時に、前記交流側開閉スイッチを開動作させ、このスイッチの補助接点の状態から前記交流側開閉スイッチの開状態を確認した後に、前記直流側開閉スイッチを開動作させる開閉スイッチ制御器を備えたことを特徴とする電気自動車の電気システム。
  2. 請求項１記載の電気自動車の電気システムにおいて、
    開閉スイッチ制御器は、交流側開閉スイッチの開動作指令と同時に、インバータに対するパルスオフ指令を出力することを特徴とする電気自動車の電気システム。
  3. 請求項１記載の電気自動車の電気システムにおいて、
    インバータから出力される交流電流の過電流検出時に前記交流電流を減少させる電圧ベクトルをインバータにより出力させた後に、開閉スイッチ制御器が、交流側開閉スイッチを開動作させることを特徴とする電気自動車の電気システム。
  4. 請求項１記載の電気自動車の電気システムにおいて、
    開閉スイッチ制御器は、インバータの直流電圧の過電圧検出時に交流側開閉スイッチを開動作させ、その後、インバータをパルスオフすることを特徴とする電気自動車の電気システム。
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