JP3655277B2 - 電動モータ電源管理システム - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動モータに電力を提供する方法と装置に関し、より詳細には、低電圧電池を使用し適宜インバータにより調整を行って、車両の電動牽引モータを駆動するための調整直流電圧を提供する多段式電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日の自動車市場では、車両を動かすためにさまざまな推進技術または駆動技術が用いられている。このような技術として、内燃機関や、電池および／または燃料電池をエネルギー源とする電気駆動システム、また内燃機関と電気駆動システムを組み合わせて用いるハイブリッド・システムがある。これらの推進システムには、エネルギー価格事情、エネルギーのインフラ整備状況、環境法令、および政府の奨励政策に応じて、それぞれ特有の技術的、経済的および性能上のメリットやデメリットがある。
【０００３】
今日、車両における燃料節約や排気ガス削減の要望が増加していることから、より高度なハイブリッド車両の開発が進められている。ハイブリッド車両とは、一般的には内燃機関と電気牽引モータというように、少なくとも２種類の異なる動力源を有する車両と分類されている。従来の内燃機関で駆動される車両と比べ、ハイブリッド車両は燃料の経済効率を改善し、排気ガスの削減をもたらす。運転条件の変化に伴い、ハイブリッド車両は、各動力源の最も効率的な動作形態に応じてこれら異なる動力源を交互に切り替える。例えば、内燃機関と電動モータを装備したハイブリッド車両の場合、停止状態やアイドリング状態では内燃機関を停止させておき、電動モータでまず車両を推進させてから後で内燃機関を再始動することで、燃料節約や排気ガス削減の改善を図っている。
【０００４】
ハイブリッド車両は動力伝達系の構成によって直列動力伝達系と並列動力伝達系とに大別される。内燃機関と電動牽引モータを利用した直列動力伝達系では、電動モータだけで車両の車輪を駆動する。内燃機関は燃料源を機械的エネルギーに変換し、その機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機を回転させることで電動モータを駆動する。並列ハイブリッド動力伝達システムでは、内燃機関や電動牽引モータといった２つの動力源が同時に動作して車両を推進させる。一般に、並列動力伝達系を有するハイブリッド車両では、従来の内燃機関のパワーおよび走行距離（ｒａｎｇｅ）上についての利点と電動モータの効率性および電気回生機能を組み合わせると、従来の内燃機関車両よりも燃料をより効率的に節約し排気ガスを削減するようにしている。
【０００５】
二次／蓄電池はハイブリッド車両システムの重要な構成部品の１つである。二次電池はエネルギーを蓄え、そのエネルギーを必要に応じて車両の車輪に伝達できるようになっている。さらに、二次電池により、電動モータ／発電機（以下、モータ／発電機）が、ブレーキ時に回収したエネルギーを蓄えることが可能になる。したがってこの電池は、負荷バランスを取り、内燃機関の生成したエネルギーと運転条件の必要とするエネルギーとの瞬間的な差異についてそれを吸収または伝達する手段となっている。
【０００６】
電池モジュールは直列接続した数個の電気化学セルから構成される。通常、電気化学セルの電圧は１〜２Ｖとなっている。また、今日の電池モジュールの出力電圧は１２〜４２Ｖとなっている。従来の車両牽引システムは、約３００〜４００Ｖという高範囲の直流バス電圧で動作する。従来の電気自動車やハイブリッド車両用には、電池モジュールを直列に重ねることによって、この高電圧車両牽引システムが必要とする所望の直流高電圧レベルを提供できるようになっている。一般的に言って、高電圧車両牽引システムは低電圧車両牽引システムと比べて、コスト、性能、重量の点で優れている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
電池パックを直列接続すると、車両牽引システムの構造が複雑になり、その牽引システムの信頼性に悪影響を及ぼす。電池モジュールを直列接続した場合の最大の難点は、電池モジュールを構成する個々のセルの充電バランスを取ることである。直列接続した多数のセルの全部を共通の電流で充電したり放電したりすると、主に各セル間の動作温度の差によって充電バランスが悪くなり、老化が早まる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高電圧インバータ・モータ・セットを低電圧電池モジュールで使用するための方法と装置を含んでいる。本発明は数段の電源ステージを利用して、車両牽引システムに高電圧（約３００〜４００Ｖ）を提供する。各電源ステージは低電圧電池モジュールと双方向ブースト／バック直流・直流コンバータを有する。電源ステージの高電圧側は並列に配線され、少なくとも１つの電圧インバータ／モータ・セットに接続されており、総電源負荷が個々の電源ステージに能動的に分配されるようになっている。各電源ステージは個別に電流制御され、かつ１つの総電圧調整ループで出力電圧が制御される。これら低電圧電池モジュールは、ダイオード論理和接続（ｄｉｏｄｅ−ｏｒｅｄ）されることで、諸々の低電圧付属電源負荷に対応するようにしてもよい。本発明の別の実施形態では、電池モジュールを燃料電池電源モジュールとしてもよい。
【０００９】
本発明は、好ましい実施形態では、本発明の方法を実行するハイブリッド・システム・コントローラと、内燃機関を組み込んだ、並列ハイブリッド駆動システムを有する車両をさらに含んでいるが、電動牽引モータやモータ／発電機を利用するいかなる車両も本発明の範囲内とみなす。本発明のモータ／発電機は所定の車両動作条件下で車両を推進するだけではなく、オルタネータに代わって車両の電池パックを充電し、ひいては内燃機関を始動する際に使われる従来のスタータ・モータに代わるものである。本発明のハイブリッド・システム・コントローラは、内燃機関とモータ／発電機を利用して、必要な性能面での制約を満たしつつ、全体のシステム効率を最適化して車両を推進し動かす。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はハイブリッド車両１０に含まれる本発明の電源管理システムの概略図である。ハイブリッド車両１０は、並列に配線され約３００〜４００Ｖの高出力電圧Ｖ＋を生じる複数の電源ステージ１２を備える。電圧Ｖ＋はモータ・インバータ１４に供給される。モータ・インバータ１４は与えられた直流電圧Ｖ＋をチョッピングしまたは切り替え、好ましくはモータ／発電機１８用の三相電力を生成する。モータ／発電機１８は交流誘導機であることが好ましいが、例えば直流機、同期機、スイッチド・リラクタンス機等（これらに限定しない）、いかなる公知の電気モータ／発電機技術により構成してもよい。また、電圧を高電圧直流バス上で安定させるためにフィルタ・コンデンサ１６が設けられている。
【００１１】
モータ／発電機１８は、直列または並列結合器２４を通じて内燃機関２２に動的に連結しており、車両１０の動作状態（すなわち、ブレーキ時、停止時、または高速道路を一定速度で走行中）に応じて、車両１０を推進させるためのモータあるいは電源ステージ１２内で電池モジュール２６を充電するための発電機として機能する。
【００１２】
双方向ブースト／バック・コンバータ１３は、低電圧電池モジュール２６と高電圧直流バス４８間の制御可能インターフェースである。図１を参照すると、モータ／発電機１８がモータとして動作する時には電力は図１の左側から右側に流れており、双方向ブースト／バック・コンバータ１３はブースト・モードで動作していることになる。逆に、モータ／発電機１８が発電機モードで動作する時には電力は図１の右側から左側に流れており、双方向ブースト／バック・コンバータ１３はバック・モードで動作していることになる。
【００１３】
電源ステージ１２とモータ・インバータ１４はハイブリッド・システム・コントローラ２８により制御される。本発明の他の実施形態において、コントローラ２８、電源ステージ１２、モータ・インバータ１４を単一システムとして構成してもよい。ハイブリッド・システム・コントローラ２８は、当技術分野で知られているいかなる種類の制御モジュールや車両コントローラをも備えることができ、また不揮発メモリ（ＮＶＭ）、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、個別アナログ入出力（Ｉ／Ｏ）、中央演算処理装置、自動車通信ネットワーク内の従来型および無線（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標））ネットワーキング用通信インターフェース等を装備している。ハイブリッド・システム・コントローラ２８は、個別信号、アナログ信号または自動車通信ネットワークを使って電源ステージ１２およびモータ・インバータ１４と通信するようにしてもよい。
【００１４】
コントローラ２８とインバータ・モジュール１４は、車両１０の動作状態によって、電力あるいはモータ／発電機１８に対する電流の向きを決定する。前述したように、電源ステージ１２内のブースト／バック直流・直流コンバータ１３は、パルス幅変調によって高電圧直流バス４８を電圧Ｖ＋に合わせて調節するように作用する。回生状態（ブレーキ時など）または充電状態では、電力はモータ／発電機１８からインバータ・モジュール１４を経由して流れ、電源ステージ１２内の電池２６を充電する。推進に際してモータ／発電機１８が必要な状態では、電力は電源ステージ１２からインバータ・モジュール１４を通ってモータ／発電機１８に流れる。
【００１５】
電源ステージ１２はそれぞれ第１の出力ダイオード２９、電池２６、電流検知部３２、コイル（インダクタ）３４、ブースト・スイッチ３６およびバック・スイッチ３８を備えている。出力ダイオード２９は電池２６に結合され、車両１０の付属負荷４０に電力を提供する。コイル３４は、ブースト・エネルギーまたはバック・エネルギーを蓄積し、また電池２６に流れるリップル電流を平滑化するのに使われる。電流検知部３２はコントローラ２８の電流を測定する。
【００１６】
本発明で使用する電池２６は、約１２〜４２Ｖの電圧を有する低電圧電池とすることが好ましい。好ましい実施形態において、これら電池はニッケル水素電池で構成される。本発明の他の実施形態では、電池２６は鉛蓄電池、リチウム・ポリマー電池等（これらに限定しない）、いかなる公知の電池技術を使って構成してもよい。
【００１７】
図１に示したブースト・スイッチ３６およびバック・スイッチ３８は一般的なＮＰＮ型トランジスタであるが、パワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＢＧＴ、バイポーラ・トランジスタ等（これらに限定しない）、いかなる公知の電気スイッチ装置を使用して実施してもよい。ＭＯＳＦＥＴ素子をバック・スイッチ３８を実現するために使用する場合は、ブースト・ダイオード３７をバック・スイッチのダイオードと一体としてもよい。同様に、ＭＯＳＦＥＴ素子をブースト・スイッチ３６を実現するために使用する場合は、バック・ダイオード３９はブースト・スイッチ３６の一体型ボディ・ダイオードとしてもよい。
【００１８】
図２は、コントローラ２８に搭載される本発明の制御システムの概略図である。この制御システムは、１つの電圧コントローラ５０と複数の電流コントローラ５４からなる。電圧コントローラ５０は、高電圧直流バス電圧を、モータ・インバータ１４が必要とする所望の設定値に調節する。電流コントローラ５４は、個々の電池２６との間で流れる電流を調節する。また、１つの電流コントローラ５４はシステム内の各電源ステージ１２を制御するのに使われる。
【００１９】
本発明の好ましい電源管理方法では、電源ステージ１２間の電流を能動的に操作して充電や熱的動作のバランスを取ることで、電池２６の老化特性を改善する。車両１０やモータ／発電機１８が推進または牽引モードの時は、各電池２６から電流が均等に放電されるように制御する。電源ステージ１２は並列に配線されているので、全体の負荷電源は能動的に分配される。回生モードでは、電池２６が均等に充電されるようにエネルギー蓄積ブロックごとの電流を制御する。回生された電流は、電源ステージ１２間で分割されて電池２６に充電される。電源ステージ内における電池２６間のエネルギー移動も、電池２６間のバランスを取るために用いられる。ハイブリッド・システム・コントローラ２８内の電池管理制御アルゴリズムは、各電池２６がシステム内の他の電池２６と同じ平均充電率（ＳＯＣ）となるよう能動的に維持するために、全体の負荷あるいは回生電流のうちどの程度をその電池に通せばよいかを決定する。充電率（ＳＯＣ）とは、電池の総容量に対する放電可能な電流の比率のことである。付属負荷４０はダイオード２９を介して電池２６につながっている。
【００２０】
図２中の本発明の基本的な制御ループは、電流式ブースト／バック制御システムとして示されている。電圧コントローラ５０には、電圧センサ４８（図１参照）で検知・増幅した電圧Ａｖ、電圧設定値Ｖｒｅｇ、電圧エラーを生成する加算接続部５２、および比例ゲインＫｐｖと積分ゲインＫｉｖを有しエラーに反応して加算接続部５３への出力を生成する比例積分制御コントローラが含まれる。各電流コントローラ５４は、電流センサ３０が検知した電流を、電圧ループ５０が必要とする値に調節する。
【００２１】
各電源ステージに流れる電流は、公称上はモータ・インバータ１４に流れる総電流の１／Ｎ（Ｎは並列接続されている電源ステージ１２の数）となる。各電流コントローラ５４は、ブロック５６によって、対応する電源ステージ１２を流れる電流の正負の最大値をＩｐ＋とＩｐ−の間のＩｐ変数領域内にとどめることができ、これによって各電源ステージ１２に対する個別の電流制限制御が可能になる。この個別電流制限により、安全動作限度を動的に設定することができる。また、この電流制限の制御は、いずれかの電源ステージ１２中の電池２６の短絡やその他の障害によって過電流が発生しないように行ってもよい。
【００２２】
この制御方法では、さらに加算接続部５８に加算変数Ｉａｄｊ（ｎ）を加える。Ｉａｄｊ（ｎ）の値はハイブリッド・コントローラ２８中の総電池充電率管理アルゴリズムによって導出される。Ｉａｄｊ（ｎ）はあらゆるモード（牽引時、ブレーキ回生時、およびアイドリング停止時）において継続的に調節が可能であるから、電源ステージ１２間を流れる電流のバランスは、各電池が所望の充電率を維持できるよう能動的に制御される。あとは駆動サイクルの最初と最後に必要となる残りの電池充電率のバランシングは、均等化のために電池２６間の電池充電を再配分するようにＩａｄｊ（ｎ）の値を設定すれば可能である。
【００２３】
電流制御ループ５４の動作時には、検知された電流（ゲインＡｉを伴う）と電流限度の設定値（電流限度内のＩａｄｊ（ｎ））が加算接続部６０で加算されてエラーを生成する。比例ゲインＫｐｉと積分ゲインＫｉｉがこのエラーに反応してデッドタイム・ブロック６４への出力を生成し、個々の出力Ｑ、Ｑ’を切り替える。Ｑはブースト・スイッチ３６への入力であり、Ｑ’はバック・スイッチ３８への入力である。したがって、ブースト・スイッチ３６とバック・スイッチ３８は電圧ループ５０と電流ループ５４に応じてパルス幅変調され、それによって出力電圧Ｖ＋を維持しつつ電池２６間の電荷のバランスを保つことができる。
【００２４】
以上、本発明を具体的な実施形態によって説明したが、当業者であれば容易に他の形状に応用することが可能であることを理解されよう。したがって、本発明の範囲は首記の特許請求の範囲によってのみ規定されるものと解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電源管理システムの概略図である。
【図２】本発明の電源管理システムにおけるプロセス制御の概略図である。
【符号の説明】
１０ 車両
１２ 電源ステージ
１３ ブースト／バック直流・直流コンバータ
１４ モータ・インバータ
１６ フィルタ・コンデンサ
１８ モータ／発電機
２２ 内燃機関
２４ 直列または並列結合器
２６ 電池モジュール（低電圧電池）
２８ ハイブリッド・システム・コントローラ
２９ 第１の出力ダイオード
３２ 電流検知部
３４ コイル
３６ ブースト・スイッチ
３７ ブースト・ダイオード
３８ バック・スイッチ
３９ バック・ダイオード
４０ 付属負荷
４８ 高電圧直流バス

Claims (20)

  1. 車両の電動牽引モータの電源制御システムであって、
    前記電動牽引モータに調整済みの電力を提供する少なくとも１つのインバータと、
    それぞれが電池とブースト／バック直流・直流コンバータとを有し且つ並列に配線され、前記少なくとも１つのインバータに直流電力を提供する複数の電源ステージと、
    前記複数の電源ステージの前記電池を均等に充放電させて前記複数の電源ステージが前記少なくとも１つのインバータへの出力電圧を維持するよう前記複数の電源ステージを制御するコントローラと、
    を備える電源制御システム。
  2. それぞれの前記電池の充電状態がバランスするように、それぞれの前記電源ステージが個別に電流制御される、請求項１に記載の電源制御システム。
  3. 前記インバータが前記電動モータに切替型三相電力を提供する、請求項１に記載の電源制御システム。
  4. 前記電池が低電圧電池を備える、請求項１に記載の電源制御システム。
  5. 前記電池が電圧約１２ボルトの電池を備える、請求項４に記載の電源制御システム。
  6. 前記電池が電圧約４２ボルトの電池を備える、請求項４に記載の電源制御システム。
  7. それぞれの前記電源ステージが、該電源ステージの電流を検知するための電流センサをさらに有する、請求項１に記載の電源制御システム。
  8. それぞれの前記電源ステージがブースト・スイッチを有する、請求項１に記載の電源制御システム。
  9. それぞれの前記電源ステージがバック・スイッチを有する、請求項１に記載の電源制御システム。
  10. それぞれが電池とブースト／バック直流・直流コンバータとを有し且つ並列に接続された複数の電源ステージと、
    前記複数の電源ステージに電気的に結合され、調整済みの電力を提供する少なくとも１つのモータ・インバータと、
    前記少なくとも１つのモータ・インバータに電気的に結合された少なくとも１つの電動モータと、
    前記複数の電源ステージを個別に電流制御して前記複数の電源ステージの前記電池を均等に充放電させ、前記複数の電源ステージが前記少なくとも１つのインバータへの出力電圧を維持するよう前記複数の電源ステージを制御するコントローラと、
    を具備する車両駆動システム。
  11. 前記電動モータと並列型ハイブリッド配置で連結される内燃機関をさらに備える、請求項１０に記載の車両駆動システム。
  12. 前記電動モータと直列型ハイブリッド配置で連結される内燃機関をさらに備える、請求項１０に記載の車両駆動システム。
  13. 前記電池が動作電圧約１２ボルトの電池を備える、請求項１０に記載の車両駆動システム。
  14. 前記モータが誘導モータである、請求項１０に記載の車両駆動システム。
  15. 前記電池が約４２ボルトの電圧で動作する、請求項１０に記載の車両駆動システム。
  16. 前記モータ・インバータが前記電動モータに三相電力を提供する、請求項１０に記載の車両駆動システム。
  17. 前記直流・直流コンバータごとに電流センサをさらに有する、請求項１０に記載の車両駆動システム。
  18. 車両の電動モータの動作電圧を生成する方法であって、
    それぞれがブースト／バック直流・直流コンバータと低電圧電池とを有し且つ並列に接続された複数の電源ステージを設ける段階と、
    調整済みの電力を前記電動モータに対して生成して前記電動モータを作動させるための少なくとも１つのモータ・インバータを設ける段階と、
    それぞれの前記電源ステージにおける電流を検知する段階と、
    それぞれの前記電源ステージにおいて個別に電流を制御する段階と、
    前記複数の電源ステージの前記低電圧電池を均等に充放電させて前記複数の電源ステージが前記少なくとも１つのインバータへの出力電圧を維持するよう前記複数の電源ステージを制御する段階と、
    を備える方法。
  19. 前記複数の電源ステージを制御する前記段階が、それぞれの前記電源ステージへの回生電流を制御して、それぞれの前記低電圧電池を均等に充電する段階を備える、請求項１８に記載の方法。
  20. 前記複数の電源ステージを制御する前記段階が、それぞれの前記電源ステージからの電流を制御して、それぞれの前記低電圧電池から均等に放電させる段階を備える、請求項１８に記載の方法。
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