JP5365227B2

JP5365227B2 - 車両用モータ制御装置

Info

Publication number: JP5365227B2
Application number: JP2009023503A
Authority: JP
Inventors: 和仁林; 篤史粥川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2029-02-04
Also published as: JP2010183690A

Description

本発明は、車両用モータ制御装置に係り、特に、モータについて矩形波制御が不能になった場合に正弦波ＰＷＭ制御によるモータの動力性能をできるだけ確保することができるモータ制御装置に関する。

従来、電気自動車、ハイブリッド自動車等の電動車両において、走行用動力出力源として三相交流モータ（以下、単に「モータ」という）が用いられている。このような電動車両は、バッテリから供給される直流電圧を昇圧して出力する昇圧コンバータと、昇圧コンバータから出力される昇圧後の直流電力を周知の手法で交流電圧に変換してモータに印加するインバータと、上記昇圧コンバータインバータの作動を制御する制御部とを含むモータ制御装置を備えていることがある。

また、上記電動車両に用いられるモータの駆動を制御する方式として、正弦波ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御、過変調制御、および、矩形波制御が知られており、車両の運転状態やバッテリ状態等の各種条件に応じて上記各制御方式の切り替えが行われることも知られている。

例えば、特許文献１には、モータについて矩形波制御実行中に所定の緊急切替条件が成立した場合に、モータの制御を過変調制御に切り替えるとともに、昇圧コンバータに対して目標出力電圧の低下させる指示を行うことが記載されている。

特開２００７−２０３８３号公報

ところで、上記のように昇圧コンバータ、インバータおよび制御部を含むモータ制御装置を備える電動車両において、燃費またはエネルギー効率の向上を図るために、正弦波ＰＷＭ制御が可能な運転領域についても昇圧コンバータによる昇圧電圧を低くして矩形波制御を実行することがある。

このような場合に、何らかのシステム異常や故障等が発生してモータについて矩形波制御を実行できない状態に陥ったとき、上記３つの制御方式のうち最も安定かつ良好な制御性を有する正弦波ＰＷＭ制御によってモータを駆動して、車両を修理工場やディーラまで走行させることが好ましく、その場合にも正弦波ＰＷＭ制御による動力性能をできるだけ広く確保しておくことが望ましい。

本発明の目的は、モータについて矩形波制御が不能な状態になった場合に、正弦波ＰＷＭ制御によるモータの動力性能をできるだけ確保することができるモータ制御装置を提供することにある。

蓄電装置から供給される直流電圧を昇圧可能なコンバータと、コンバータから供給される昇圧後の直流電圧を三相交流電圧に変換して動力出力源であるモータに印加するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータの動作を制御して、少なくとも正弦波ＰＷＭ制御および矩形波制御を含む複数の制御方式のうちで前記モータの駆動制御方式を切替可能な制御部と、を備える車両用モータ制御装置であって、前記制御部は、前記モータについて矩形波制御を実行するうえで必要な情報が得られないために前記矩形波制御が不能な状態になった場合、前記モータの駆動制御方式として正弦波ＰＷＭ制御のみを用いる正弦波ＰＷＭ制御固定モードを選択するとともに、前記コンバータにおける最大昇圧電圧を可能な限り大きい値に設定することを特徴とする。
この場合、前記制御部は、前記コンバータにおける最大昇圧電圧を可能な限り大きい値に設定するとき、前記コンバータの耐圧性能に基づいて設定される解除不能な昇圧制限値が設定されている場合は前記昇圧制限値を前記最大昇圧電圧として設定し、燃費またはエネルギー効率の向上のために前記コンバータが昇圧制限されている場合には当該昇圧制限を解除して前記コンバータが昇圧可能な昇圧上限値を前記最大昇圧電圧として設定するのが好ましい。

本発明に係る車両用モータ制御装置によれば、モータについて矩形波制御が不能な状態になった場合、モータの駆動制御方式として正弦波ＰＷＭ制御のみを用いる正弦波ＰＷＭ制御固定モードを選択するとともに、コンバータにおける最大昇圧電圧を可能な限り大きい値に設定することで、車両を修理工場やディーラまで走行させる際の走行用動力を、最も安定かつ良好な制御性を有する正弦波ＰＷＭ制御によってモータから出力させることができ、かつ、その際にモータの動力性能をできるだけ広く確保することができる。

本発明の一実施形態であるモータ制御装置が適用される電動車両の概略構成図である。制御部において実行される正弦波ＰＷＭ制御固定モード選択プログラムの処理手順を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の一実施の形態であるモータ制御装置１０を搭載した電動車両（以下、適宜に「車両」とだけいう）１の構成を概略的に示す。電動車両１は、電源装置としてのバッテリ１２、昇降圧コンバータ（以下、単に「コンバータ」という。）１４、インバータ１６、走行用動力出力源としてのモータ１８、および、コンバータ１４とインバータ１６とに制御信号をそれぞれ送信して作動制御する制御部２０を備える。

なお、本実施形態では、モータ１８のみを走行用動力源として有するものとして説明するが、本実施形態のモータ制御装置１０は、エンジンを走行用または発電機用の動力源として併せ持つハイブリッド車両にも適用可能である。

バッテリ１２は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池等の二次電池が好適に用いられる。ただし、これに代えて電源装置として、キャパシタや燃料電池等が用いられてもよい。バッテリ１２には、図示しない各種センサが設けられており、これらのセンサによって検出されるバッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ電流Ｉｂ、バッテリ温度Ｔｂ等のバッテリ情報が制御部２０へ送信されるようになっている。

バッテリ１２とコンバータ１４とを電気的に接続する電力ライン２２および接地ライン２４間には、平滑コンデンサ２６が接続されている。この平滑コンデンサ２６を介してバッテリ１２とコンバータ１４とは直流電力の授受を行う。

コンバータ１４は、バッテリ１２から平滑コンデンサ２６を介して供給される直流電圧をインバータ１６供給用に昇圧するか、または、インバータ１６側から供給される回生電力をバッテリ充電用に降圧する機能を有する。コンバータ１４は、例えば１つのリアクトルと２つの電力用スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ等）を含んで構成されることができるが、周知または公知のどのような構成のものが用いられてもよい。コンバータ１４は、制御部２０から送信される上記スイッチング素子のオンオフ制御信号Ｓ１，Ｓ２を受けて上記昇圧および降圧動作が制御されるようになっている。

コンバータ１４とインバータ１６とを電気的に接続する電力ライン２６および接地ライン２８間には平滑コンデンサ３０が接続されており、コンバータ１４とインバータ１６とは平滑コンデンサ３０を介して直流電力の授受を行う。

インバータ１６は、直流電圧と交流電圧との変換機能を有する電力変換器であり、周知または公知のどのような構成のものが用いられてもよい。一般に、入力された直流電圧を交流電圧に変換して三相交流モータ１８に印加するインバータ１６は、それぞれダイオードが逆並列に接続された２つの電力用スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ等）が電力ライン２６および接地ライン２８間に互いに並列接続されてなるＵ相アーム、Ｖ相アームおよびＷ相アームを含んで構成されることができ、各相アームの中間点がモータ１８のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相コイルの端子にそれぞれ接続されている。

インバータ１６は、制御部２０から送信される各相アーム合計で６つのスイッチング素子に対応するオンオフ制御信号Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５、Ｓ６，Ｓ７，Ｓ８を受けて作動制御される。これにより、モータ１８を駆動して走行用動力を出力させる力行時には、コンバータ１４から平滑コンデンサ３０を介して供給される直流電圧を三相交流電圧に変換してモータ１８に印加し、一方、モータ１８が発電機として機能する回生制動時には、モータ１８で発電される三相交流電圧を直流電圧に変換してコンバータ１４側に供給するよう動作する。

インバータ１６とモータ１８とを電気的に接続する各相ラインのうち、Ｕ相ライン３１とＶ相ライン３２には電流センサ３４がそれぞれ設けられている。電流センサ３４によって検出されるモータ電流であるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖは、制御部２０へ送信されるようになっている。なお、モータ電流のうちＷ相電流Ｉｗは、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０の関係にあることから、制御部２０は受信した検出電流Ｉｕ，ＩｗからＷ相電流Ｉｗを算出して求めることができる。

モータ１８の動力入出力軸である回転軸３６は、ディファレンシャルギヤ３８を介して車軸４０および車輪４２に動力伝達可能に接続されている。これにより、力行時にはモータ１８の回転軸３６から出力される走行用動力がディファレンシャルギヤ３８および車軸４０を介して車輪４２に伝達され、モータ動力による走行が可能になる。一方、車両の回生制動時には、車輪４２から車軸４０およびディファレンシャルギヤ３８を介して回転軸３６に動力が入力されることによってモータ１８は発電を行うことができる。

また、モータ１８には例えばレゾルバ等からなる回転角センサ４４が設けてある。この回転角センサ４４により検出されるモータ１８のロータの回転角ωが制御部２０へ送信され、これを受けて制御部２０はモータ回転数Ｎｍを算出して得ることができる。

制御部２０は、受信するバッテリ情報に基づいてバッテリ１２の残容量（ＳＯＣ）を適正範囲内に維持するよう管理する機能を有する。また、制御部２０は、ドライバーによるアクセル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ４６から入力されるアクセル開度信号Ａｃ等に基づいて、コンバータ１４およびインバータ１６へ車両の走行状態に応じた制御信号Ｓ１〜Ｓ８を送信し、モータ１８の力行作動または回生作動を制御する。

また、制御部２０は、ＣＰＵ，ＲＡＭ，ＲＯＭ等からなるマイクロコンピュータにより構成されることができ、ＲＯＭに予め格納されたソフトウエアまたはプログラムを随時に呼び出して実行することができる。ＲＯＭには、モータ出力トルクとモータ回転数との関連においてモータ駆動制御方式として正弦波ＰＷＭ制御、過変調制御、および矩形波制御のうちのいずれの制御方式を選択するかを規定するモータ制御方式マップと、コンバータによる昇圧電圧を決定するための昇圧電圧マップとが予め格納されており、制御部２０は、これらのマップを参照することで、アクセル開度信号Ａｃに基づいて生成されるモータ１８に対する要求トルクに応じたモータ制御方式を選択するとともに、その際に必要となるインバータ１６への入力電圧、すなわちコンバータ１４による昇圧電圧を求める。そして、制御部２０は、選択された制御方式でモータ１８が駆動され、かつ、求められた昇圧電圧となるよう制御信号Ｓ１〜Ｓ８を生成して、インバータ１６およびコンバータ１４にそれぞれ送信する。

続いて、図２のフローチャートを参照して、制御部２０において実行される正弦波ＰＷＭ制御固定モード選択プログラムの処理手順について説明する。このプログラムは、例えば数ｍｓｅｃ毎に実行され、これにより矩形波制御に関する異常の有無が監視されている。

まず、矩形波制御が可能な状態にあるか否かを判定する（ステップＳ１０）。この判定は、モータ１８について矩形波制御を実行するうえで必要な情報が得られているか否か基づいて行われる。上記必要は情報としては、例えば、回転角センサ４４からのロータ回転角ωの情報等が挙げられ、回転角センサ４４の故障や信号線の断線等によりロータ回転角情報が得られない状況が発生した場合が想定される。

上記において矩形波制御が可能な状態であると判定されると（ステップＳ１０でＹＥＳ）、そのままエンド処理する。一方、矩形波制御が不能な状態であると判定されると（ステップＳ１０でＮＯ）、モータ制御方式として正弦波ＰＷＭ制御だけを用いる正弦波ＰＷＭ制御固定モードを選択する（ステップＳ１２）。

次いで、コンバータ１４の昇圧余地があるか否かが判定される（ステップＳ１４）。ここで、コンバータ１４については、内包する電力用スイッチング素子の耐圧性能等によって規定される昇圧上限値、例えば６５０Ｖが決められており、コンバータ１４は、例えば２００Ｖであるバッテリ電圧Ｖｂを最大６５０Ｖの昇圧上限値まで昇圧することができる機能を有する。ただし、環境温度や燃費重視走行モード等によってコンバータ１４による昇圧電圧に制限値が設定される場合がある。

例えば、低温時には電力用スイッチング素子の耐圧電圧値が低下することから、低温時には例えば５００Ｖが制限値として設定されて電力用スイッチング素子の損傷を防止する場合がある。また、通常は正弦波ＰＷＭ制御領域である運転ポイントにおいて、正弦波ＰＷＭ制御に比べて電力利用率または変調率が高いことで燃費またはエネルギー効率の向上が見込める矩形波制御を選択して実行する場合に、コンバータ１４による昇圧電圧を正弦波ＰＷＭ制御に比べて低くする制限がかけられている場合もある。これらの昇圧制限のうち、前者の電力用スイッチング素子の損傷防止のための制限は、矩形波制御が不能になった異常時にも維持すべきであるが、後者の燃費向上のための昇圧制限はこのような異常時には解除しても何ら問題ない。

そこで、上記ステップＳ１４の判定では、前者のような解除不能な昇圧制限がかかっている場合には昇圧余地なしと判定して（ステップＳでＮＯ）、その昇圧制限値を最大昇圧設定として設定する（ステップＳ１６）。一方、後者のような解除可能な昇圧制限がかかっている場合には昇圧余地ありと判定して（ステップＳ１６でＹＥＳ）、コンバータ１４の昇圧上限値を最大昇圧上限値として設定する（ステップＳ１８）。

そして、このように設定されたコンバータ１４の最大昇圧上限値の下で、モータ１８について正弦波ＰＷＭ制御が実行される（ステップＳ２０）。

上述したように、本実施形態のモータ制御装置１０によれば、モータ１８について矩形波制御が不能な状態になった異常時に、モータ１８の駆動制御方式として正弦波ＰＷＭ制御のみを用いる正弦波ＰＷＭ制御固定モードを選択するとともに、コンバータ１４における最大昇圧電圧を可能な限り大きい値に設定することで、車両１を修理工場やディーラまで走行させる際の走行用動力を、最も安定かつ良好な制御性を有する正弦波ＰＷＭ制御によってモータ１８から出力させることができ、かつ、その際にモータ１８の動力性能をできるだけ広く確保することができる。

１電動車両、１０モータ制御装置、１２バッテリ、１４コンバータ、１６インバータ、１８三相交流モータ、２０制御部、２２，２６電力ライン、２４，８接地ライン、２６，３０平滑コンデンサ、３１Ｕ相ライン、３２Ｖ相ライン、３４電流センサ、３６回転軸、３８ディファレンシャルギヤ、４０車軸、４２車輪、４４回転角センサ、４６アクセル開度センサ。

Claims

蓄電装置から供給される直流電圧を昇圧可能なコンバータと、コンバータから供給される昇圧後の直流電圧を交流電圧に変換して動力出力源であるモータに印加するインバータと、前記コンバータおよび前記インバータの動作を制御して、少なくとも正弦波ＰＷＭ制御および矩形波制御を含む複数の制御方式のうちで前記モータの駆動制御方式を切替可能な制御部と、を備える車両用モータ制御装置であって、
前記制御部は、前記モータについて矩形波制御を実行するうえで必要な情報が前記モータから得られないために前記矩形波制御が不能な状態になった場合、前記モータの駆動制御方式として正弦波ＰＷＭ制御のみを用いる正弦波ＰＷＭ制御固定モードを選択するとともに、前記コンバータにおける最大昇圧電圧を可能な限り大きい値に設定することを特徴とする、車両用モータ制御装置。
請求項１に記載のモータ制御装置において、
前記制御部は、前記コンバータにおける最大昇圧電圧を可能な限り大きい値に設定するとき、前記コンバータの耐圧性能に基づいて設定される解除不能な昇圧制限値が設定されている場合は前記昇圧制限値を前記最大昇圧電圧として設定し、燃費またはエネルギー効率の向上のために前記コンバータが昇圧制限されている場合には当該昇圧制限を解除して前記コンバータが昇圧可能な昇圧上限値を前記最大昇圧電圧として設定することを特徴とする、車両用モータ制御装置。