JP4639916B2

JP4639916B2 - 移動体の制御装置

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Publication number: JP4639916B2
Application number: JP2005108729A
Authority: JP
Inventors: 克成松本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-04-05
Filing date: 2005-04-05
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-04-05
Also published as: JP2006288170A

Description

本発明は、移動体の制御装置に関し、特に、大気圧に応じて、移動体に搭載された電動機および電気機器を制御する制御装置に関する。

近年、環境問題対策の１つとして、電動機からの駆動力により走行するハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などが注目されている。このような車両には、電動機に電力を供給するインバータ回路等の電気機器が搭載され、高電圧で電動機を駆動しており、絶縁を確保する必要がある。このような電気機器および電動機が搭載される車両として、たとえば、特開２００４−２０８４０９号公報（特許文献１）は、走行用回転電機の種々が必要とする種々の動作モードに良好に対応しつつ損失低減が可能な車両用動力制御装置が搭載される車両を開示する。
特開２００４−２０８４０９号公報

ところで、電動機が搭載される車両は、高地で走行する場合がある。高地においては、特に、大気圧が低く、このような環境下では、電気機器および電動機においては、絶縁体内への部分放電量が増加するという問題がある。部分放電量が増加すると、絶縁体の絶縁性能が劣化し、さらには、耐久寿命が劣化するという問題がある。

特許文献１に開示された車両用動力制御装置においては、大気圧の変化について考慮されていないため、上述のような問題が起こる可能性がある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、大気圧の変化に応じて、絶縁性能を確保する移動体の制御装置を提供することである。

第１の発明に係る移動体の制御装置は、電動機が搭載された移動体の制御装置である。移動体には、電動機に電力を供給する電気機器が搭載される。制御装置は、大気圧を検知するための手段と、電動機を制御するための制御手段とを含む。制御手段は、検知された大気圧に応じて、電動機および電気機器に供給される電圧値を設定するための手段と、設定された電圧値に基づいて、電動機を制御するための手段とを含む。

第１の発明によると、制御手段は、検知された大気圧に応じて、電動機および電気機器に供給される電圧値を設定する。制御手段は、設定された電圧値に基づいて、電動機を制御する。たとえば、検知された大気圧において、部分放電量が、絶縁体の絶縁性能の劣化の促進が抑制できる許容範囲内になるように、電動機および電気機器に供給される電圧値を設定する。すなわち、高地などの比較的大気圧の低い環境下において、部分放電量が許容範囲内になる電圧値を設定することにより（たとえば、通常大気圧における電圧値よりも低い電圧値を設定することにより）、部分放電量の増加を抑制することができる。そのため、電動機および電気機器の内部の絶縁体の絶縁性能の悪化を抑制することができる。したがって、大気圧の変化に応じて、絶縁性能を確保する移動体の制御装置を提供することができる。

第２の発明に係る移動体の制御装置は、電動機が搭載された移動体の制御装置である。制御装置は、大気圧を検知するための手段と、電動機を制御するための制御手段とを含む。制御手段は、検知された大気圧に応じて、電動機の制御に関連した制御値を設定するための設定手段と、設定された制御値に基づいて、電動機を制御するための手段とを含む。

第２の発明によると、制御手段は、検知された大気圧に応じて、電動機の制御に関連した制御値（たとえば、インバータにおけるスイッチング素子と駆動回路との間に設けられるゲート抵抗の抵抗値）を設定する。制御手段は、設定された制御値に基づいて、電動機を制御する。たとえば、検知された大気圧において、部分放電量が、絶縁体の絶縁性能の劣化の促進が抑制できる許容範囲内になるように、電動機の制御に関連した制御値を設定する。すなわち、高地などの比較的大気圧の低い環境下において、部分放電量が許容範囲内になる制御値を設定することにより（たとえば、通常大気圧におけるゲート抵抗の抵抗値よりも大きい抵抗値を設定することにより）、部分放電量の増加を抑制することができる。そのため、電動機および電気機器の内部の絶縁体の絶縁性能の悪化を抑制することができる。したがって、大気圧の変化に応じて、絶縁性能を確保する移動体の制御装置を提供することができる。

第３の発明に係る移動体の制御装置においては、第２の発明の構成に加えて、移動体には、電動機に電力を供給するインバータが搭載される。インバータは、スイッチング素子とスイッチング素子を開閉する駆動回路とを含む。制御値は、スイッチング素子と駆動回路との間に設けられるゲート抵抗の抵抗値である。

第３の発明によると、制御値は、スイッチング素子と駆動回路との間に設けられるゲート抵抗の抵抗値である。たとえば、高地などの比較的大気圧の低い環境下においては、通常大気圧におけるゲート抵抗の抵抗値よりも大きい抵抗値を設定すると、スイッチング電圧の立ち上がりが緩やかになるため、サージ電圧のピーク値を低減させることができる。そのため、サージ電圧のピーク値を低減させることにより、部分放電量の増加を抑制することができる。そのため、電動機および電気機器の内部の絶縁体の絶縁性能の悪化を抑制することができる。

第４の発明に係る移動体の制御装置においては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加えて、設定手段は、電動機の状態に応じて、電圧値と抵抗値とのうちのいずれか一方を設定するための手段を含む。

第４の発明によると、設定手段は、電動機の状態に応じて、電圧値と抵抗値とのうちのいずれか一方を設定する。たとえば、電動機において要求される負荷が低負荷である場合には、電動機および電気機器に供給されるシステム電圧の電圧値を低く設定することにより、インバータの効率の悪化を抑制しつつ、絶縁性能を確保することができる。一方、電動機において要求される負荷が高負荷である場合には、インバータのゲート抵抗の抵抗値を大きく設定することにより、モータ性能および効率の悪化を抑制しつつ、絶縁性能を確保することができる。したがって、電圧値と抵抗値とのうちのいずれか一方を設定することにより、絶縁性能の悪化を抑制しつつ、要求される負荷に応じて電動機を制御することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態に係る移動体の制御装置について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。なお、本発明において移動体は、電動機が搭載された移動体であれば特に限定されるものではなく、たとえば、ハイブリッド車両、電気自動車あるいは燃料電池自動車であってもよい。本実施の形態において移動体はハイブリッド車両として説明する。

＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、本実施の形態に係る移動体の制御装置が搭載される車両には、ＨＶ−ＥＣＵ（Hybrid Vehicle-Electronic Control Unit）１００と、エンジンＥＣＵ２００と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４００と、電池５００と、インバータ６００と、モータ７００とが搭載される。なお、本実施の形態に係る車両の制御装置は、ＨＶ−ＥＣＵ１００で実行されるプログラムにより実現される。

電池５００は、充電可能な二次電池であれば、特に限定されるものではないが、たとえば、ニッケル水素電池であってもよいし、リチウムイオン電池であってもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４００は、電池５００の直流電圧を昇圧する。ＤＣ／ＤＣコンバータ４００は、ＨＶ−ＥＣＵ１００から受信した制御信号に応じて、昇圧電圧を制御する。

インバータ６００は、ＤＣ／ＤＣコンバータ４００において昇圧された直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ６００は、ＨＶ−ＥＣＵ１００から受信した制御信号に応じて、モータ７００に供給する交流電圧を制御する。

モータ７００は、電動機であって、インバータ６００から供給される交流電圧に基づいて駆動する。モータ７００は、たとえば、３相交流同期電動機である。モータ７００は、車両の駆動輪（図示せず）に連結され、供給される交流電圧に応じた駆動力を駆動輪に発生させる。

エンジンＥＣＵ２００は、各種センサにより検知される各種情報（たとえば、アクセル開度、吸入空気量等）に基づいて、エンジン（図示せず）の出力を制御する。エンジンＥＣＵ２００は、ＨＶ−ＥＣＵ１００と通信可能に接続される。また、エンジンＥＣＵ２００には、大気圧センサ３００が接続される。大気圧センサ３００は、車両の周囲の大気圧を検知するセンサである。大気圧センサ３００は、検知された大気圧に対応する検知信号をエンジンＥＣＵ２００に送信する。なお、大気圧センサ３００は、周知の技術を用いればよいため、その詳細な説明は行なわない。

ここで、車両が走行する際には、ＤＣ／ＤＣコンバータ４００、インバータ６００およびモータ７００の作動に応じて、内部の絶縁体に部分放電が発生する。この部分放電量は、大気圧の変化に対応して増減する。すなわち、図２に示すように、大気圧と部分放電量との関係は、大気圧が低下すると、部分放電量は増加する傾向にある。また、インバータ６００に供給される直流電圧が上昇すると、部分放電量は増加する傾向にある。特に、部分放電量がＣ（１）以上となる領域は、内部の絶縁体の絶縁性能の劣化が促進する領域である。すなわち、高地等の大気圧の低い環境下において、車両が走行する場合においては、このような部分放電量の増加によりＤＣ／ＤＣコンバータ４００、インバータ６００およびモータ７００の内部の絶縁体の絶縁性能が劣化する可能性がある。

そこで、本実施の形態において、ＨＶ−ＥＣＵ１００が、大気圧センサ３００により検知された大気圧に応じて、インバータ６００およびモータ７００に供給される電圧値を設定して、設定された電圧値に基づいて、モータ７００を制御する点に特徴を有する。

具体的には、ＨＶ−ＥＣＵ１００は、図２に示す大気圧と部分放電量との関係に基づいて作成される、図３に示すような大気圧と許容される最大電圧値との関係を示すマップを予めメモリ等に記憶しておく。ＨＶ−ＥＣＵ１００は、たとえば、大気圧と、その大気圧において部分放電量がＣ（１）を越えない範囲内の電圧値との関係を示すマップを予めメモリ等に記憶しておく。ＨＶ−ＥＣＵ１００は、大気圧センサ３００により検知された大気圧に対応する最大電圧値をＤＣ／ＤＣコンバータ４００において出力される昇圧電圧の最大値、すなわち、システム電圧値として設定する。そして、ＨＶーＥＣＵ１００は、設定されたシステム電圧値になるようにＤＣ／ＤＣコンバータ４００に対して、制御信号を送信する。

以下、図４を参照して、本実施の形態に係る車両の制御装置であるＨＶ−ＥＣＵ１００で実行されるプログラムの制御構造について説明する。

ステップ（以下、ステップをＳと記載する。）１０００にて、ＨＶ−ＥＣＵ１００は、大気圧を検知する。ＨＶ−ＥＣＵ１００は、大気圧センサ３００から受信する検知信号に基づいて、大気圧を検知する。

Ｓ１１００にて、ＨＶ−ＥＣＵ１００は、検知された大気圧と、マップとから最大電圧値を算出する。Ｓ１２００にて、ＨＶ−ＥＣＵ１００は、算出された最大電圧値を昇圧電圧の最大値として、ＤＣ／ＤＣコンバータ４００を制御する。

以上のような構造およびフローチャートに基づく、本実施の形態に係る車両の制御装置であるＨＶ−ＥＣＵ１００の動作について説明する。

車両が山間部等の高地を走行している場合において、大気圧を検知して（Ｓ１０００）、図３に示すようなマップに基づいて、検知された大気圧Ｐ（１）に対応する昇圧電圧の最大値Ｖ（１）が算出される（Ｓ１１００）。高地においては、検知される大気圧は低いため、昇圧電圧の最大値Ｖ（１）は通常大気圧における昇圧電圧の最大値よりも低い値に設定される。

算出された昇圧電圧の最大値Ｖ（１）が設定され、ＤＣ／ＤＣコンバータ４００からインバータ６００へと供給される電圧が制御される（Ｓ１２００）。このとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ４００は、設定された昇圧電圧の最大値Ｖ（１）を越えないように制御される。

以上のようにして、本実施の形態に係る移動体の制御装置によると、ＨＶ−ＥＣＵは、検知された大気圧に応じて、モータおよびインバータに供給される電圧値を設定する。ＨＶ−ＥＣＵは、設定された電圧値に基づいて、モータを制御する。たとえば、検知された大気圧において、部分放電量が、絶縁体の絶縁性能の劣化の促進が抑制できる許容範囲内になるように、モータおよびインバータに供給される電圧値を設定する。すなわち、高地などの比較的大気圧の低い環境下において、部分放電量が許容範囲内になる電圧値を設定することによりすなわち、通常大気圧における電圧値よりも低い電圧値を設定することにより、部分放電量の増加を抑制することができる。そのため、モータおよびインバータの内部の絶縁体の絶縁性能の悪化を抑制することができる。したがって、大気圧の変化に応じて、絶縁性能を確保する移動体の制御装置を提供することができる。

＜第２の実施の形態＞
以下、第２の実施の形態に係る車両の制御装置について説明する。本実施の形態に係る車両の制御装置が搭載される車両は、上述した第１の実施の形態に係る車両の制御装置を搭載する車両の構成と比較して、インバータ６００の構成が異なる。それ以外の構成は、上述の第１の実施の形態に係る車両の制御装置を搭載する車両の構成と同じ構成である。それらについては同じ参照符号が付してある。それらの機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明はここでは繰り返さない。

本実施の形態においては、ＨＶ−ＥＣＵ１００が、大気圧センサ３００により検知された大気圧に応じて、モータ７００の制御に関連した制御値を設定して、設定された制御値に基づいて、モータ７００を制御する点に特徴を有する。

具体的には、本実施の形態において、インバータ６００は、モータ７００の各相にそれぞれ対応するスイッチング素子１１００とゲート駆動回路９００とを含む。インバータ６００においては、ＨＶ−ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて、各相対応するゲート駆動回路９００によりスイッチング素子１１００の開閉が制御されて、直流電圧が交流電圧に変換される。スイッチング素子１１００は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

図５に示すように、スイッチング素子１１００は、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すように逆並列ダイオード１０００が接続される。スイッチング素子１１００のゲート側とゲート駆動回路９００との間には、ゲート抵抗８００が設けられる。ＨＶ−ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて、ゲート駆動回路９００からスイッチング素子１０００に対して駆動信号が出力され、スイッチング素子１１００は、駆動信号に応じて開閉する。各相に対応するスイッチング素子１１００の開閉が制御されることにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ６００の直流電圧が交流電圧に変換されて、変換された交流電圧がモータ７００に供給される。

本実施の形態において、ゲート抵抗８００は、可変抵抗器であって、ＨＶ−ＥＣＵ１００の制御信号に応じて、抵抗値を可変とする。本実施の形態において、制御値は、ゲート抵抗８００の抵抗値であって、ＨＶ−ＥＣＵ１００は、大気圧センサ３００により検知された大気圧に応じて、ゲート抵抗８００の抵抗値を設定して、設定された抵抗値になるように、ゲート抵抗８００を制御する。すなわち、ＨＶ−ＥＣＵ１００は、図２に示す大気圧と部分放電量との関係に基づいて作成される、図６に示すような大気圧と許容される抵抗値との関係を示すマップを予めメモリ等に記憶しておく。ＨＶ−ＥＣＵ１００は、大気圧センサ３００により検知された大気圧Ｐ（１）に対応する抵抗値Ｒ（１）を設定する。そして、ＨＶ−ＥＣＵ１００は、設定された抵抗値Ｒ（１）になるように、ゲート抵抗８００に対して、制御信号を送信する。

以下、図７を参照して、本実施の形態に係る車両の制御装置であるＨＶ−ＥＣＵ１００で実行されるプログラムの制御構造について説明する。

Ｓ２０００にて、ＨＶ−ＥＣＵ１００は、大気圧を検知する。ＨＶ−ＥＣＵ１００は、大気圧センサ３００から受信する検知信号に基づいて、大気圧を検知する。

Ｓ２１００にて、ＨＶ−ＥＣＵ１００は、検知された大気圧と、マップとから抵抗値を算出する。Ｓ２２００にて、ＨＶ−ＥＣＵ１００は、算出された抵抗値になるようにゲート抵抗８００を制御する。

車両が山間部等の高地を走行している場合において、大気圧を検知して（Ｓ２０００）、図６に示すようなマップに基づいて、検知された大気圧Ｐ（１）に対応する抵抗値Ｒ（１）が算出される（Ｓ２１００）。高地においては、検知される大気圧Ｐ（１）は低いため、抵抗値Ｒ（１）は通常大気圧における抵抗値よりも大きい値に設定される。

算出された抵抗値Ｒ（１）になるように、ゲート抵抗８００の抵抗値が制御される。このとき、図８（Ａ）に示すように、ゲート抵抗８００が小さくなるように設定されると、サージ電圧が大きくなり、エミッタ−コレクタ間のスイッチング電圧の最大値が高くなる。一方、図８（Ｂ）に示すように、ゲート抵抗８００が大きくなるように設定されると、エミッタ−コレクタ間のスイッチング電圧の立ち上がりが緩やかになるため、サージ電圧が小さくなる。サージ電圧が小さくなると、スイッチング電圧の最大値が低減されるため、インバータ６００およびモータ７００における発生する部分放電量が抑制される。

以上のようにして、本実施の形態に係る移動体の制御装置によると、ＨＶ−ＥＣＵは、検知された大気圧において許容される範囲内になるように、インバータにおけるスイッチング素子と駆動回路との間に設けられるゲート抵抗の抵抗値を設定する。ＨＶ−ＥＣＵは、設定された抵抗値に基づいて、モータを制御する。検知された大気圧において、部分放電量が、絶縁体の絶縁性能の劣化の促進が抑制できる許容範囲内になるように、抵抗値を設定する。すなわち、高地などの比較的大気圧の低い環境下において、部分放電量が許容範囲内になるように、通常大気圧におけるゲート抵抗の抵抗値よりも大きい抵抗値を設定することにより、部分放電量の増加を抑制することができる。そのため、モータおよびインバータの内部の絶縁体の絶縁性能の悪化を抑制することができる。したがって、大気圧の変化に応じて、絶縁性能を確保する移動体の制御装置を提供することができる。

なお、好ましくは、ＨＶ−ＥＣＵは、モータの状態に応じて、上述した第１の実施の形態において説明した大気圧に応じた昇圧電圧の最大値の制御と、本実施の形態において説明した大気圧に応じたゲート抵抗の抵抗値の制御とのうちいずれか一方を行なうことが望ましい。

図９に示すように、上述した第１の実施の形態において説明した大気圧に応じた昇圧電圧の最大値の制御は、昇圧電圧の最大値を下げるため、モータ性能および効率は悪化する場合があるが、インバータの効率の悪化は抑制できる。また、昇圧電圧を制御するため、ＤＣ／ＤＣコンバータが必要となる。

一方、本実施の形態において説明した大気圧に応じたゲート抵抗の抵抗値の制御は、ゲート抵抗の抵抗値を高くするため、インバータの効率が悪化する場合があるが、モータ性能および効率の悪化を抑制できる。また、ゲート抵抗の抵抗値を制御するため、ＤＣ／ＤＣコンバータなどの昇圧システムは不要である。

したがって、大気圧の低い環境下において、モータに要求される負荷が低負荷である場合には、昇圧電圧の最大値を低く設定することにより、インバータの効率の悪化を抑制しつつ、絶縁性能を確保することができる。一方、モータにおいて要求される負荷が高負荷である場合には、インバータのゲート抵抗の抵抗値を大きく設定することにより、モータ性能および効率の悪化を抑制しつつ、絶縁性能を確保することができる。したがって、モータに要求される負荷に応じて、電圧値と抵抗値とのうちのいずれか一方を設定することにより、絶縁性能の悪化を抑制しつつ、要求される負荷に応じたモータの制御をすることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

第１の実施の形態に係る車両の制御装置が搭載された車両の構成を示す図である。大気圧と部分放電量との関係を示す図である。大気圧と許容される昇圧電圧の最大値との関係を示す図である。第１の実施の形態に係る車両の制御装置であるＨＶ−ＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。第２の実施の形態におけるインバータの構成の一部を示す図である。大気圧と許容されるゲート抵抗の抵抗値との関係を示す図である。第２の実施の形態に係る車両の制御装置であるＨＶ−ＥＣＵで実行されるプログラムの制御構造を示すフローチャートである。スイッチング素子のエミッタ−コレクタ間のスイッチング電圧の変化を示すタイミングチャートである。電圧値および抵抗値の変化とモータ効率、インバータ効率およびコストとの関係を示す図である。

符号の説明

１００ＨＶ−ＥＣＵ、２００エンジンＥＣＵ、３００大気圧センサ、４００ＤＣ／ＤＣコンバータ、５００電池、６００インバータ、７００モータ、８００ゲート抵抗、９００ゲート駆動回路、１０００ダイオード、１１００スイッチング素子。

Claims

電動機が搭載された移動体の制御装置であって、前記移動体には、前記電動機に電力を供給する電気機器が搭載され、
大気圧を検知するための手段と、
前記電動機を制御するための制御手段とを含み、
前記制御手段は、
前記検知された大気圧の低下に応じて、前記電動機および前記電気機器に供給される電圧の最大値を低下して設定するための設定手段と、
前記設定された最大値に基づいて、前記電動機を制御するための手段とを含み、
前記設定手段は、検知された前記大気圧における環境下で前記電動機の絶縁体における部分放電量が許容範囲内になるように前記最大値を設定する、移動体の制御装置。
電動機が搭載された移動体の制御装置であって、
大気圧を検知するための手段と、
前記電動機を制御するための制御手段とを含み、
前記制御手段は、
前記検知された大気圧に応じて、前記電動機の制御に関連した制御値を設定するための設定手段と、
前記設定された制御値に基づいて、前記電動機を制御するための手段とを含み、
前記移動体には、前記電動機に電力を供給するインバータが搭載され、前記インバータは、スイッチング素子と前記スイッチング素子を開閉する駆動回路とを含み、
前記制御値は、前記スイッチング素子と前記駆動回路との間に設けられるゲート抵抗の抵抗値である、移動体の制御装置。
前記移動体には、前記電動機に電力を供給する電気機器が搭載され、
前記設定手段は、前記電動機の状態に応じて、前記電動機および前記電気機器に供給される電圧値と前記抵抗値とのうちのいずれか一方を設定するための手段を含む、請求項２に記載の移動体の制御装置。