JP5438328B2 - 車両のモータ制御システム - Google Patents

Description

この発明は、車両のモータ制御システムに関し、特に、矩形波電圧方式でモータを駆動する車両のモータ制御システムに関する。

直流電源を用いて交流電動機を駆動するにはインバータが用いられる。インバータはインバータ駆動回路によってスイッチング制御されており、これにより一般にはパルス幅変調（ＰＷＭ）波形電圧が交流電動機に印加される。

ＰＷＭ波形電圧を交流電動機に印加するＰＷＭ電流制御では、低回転域であっても滑らかな回転が得られるものの、直流電源の電圧利用率に限界があるという問題がある。これに対しては、弱め界磁電流を交流電動機に与えることにより高回転を得る方法もあるが、銅損が増加してしまうため妥当でない。

一方、交流電動機の駆動制御には、交流電動機に矩形波電圧を印加するという方法もある。この制御方法では、直流電源の電圧利用率を向上させることができ、その結果、高回転域での出力を向上させることができる。また、弱め界磁電流を減少させることができるため、銅損の発生を抑えてエネルギー効率を向上させることができる。さらに、インバータでのスイッチング回数を少なくすることができるため、スイッチング損失も抑えることができるという利点もある。

特開２００５−２１８２９９号公報（特許文献１）は、ＰＷＭ波形電圧と矩形波電圧の双方を交流電動機に対して印加可能な構成とし、それらを状況に応じて使い分ける技術において、効率のよい駆動をすることができる駆動制御装置を開示している。

特開２００５−２１８２９９号公報 特開２００２−１７１７８３号公報 特開２００７−３１８９８１号公報

図９は、従来の矩形波制御において電圧コンバータによって昇圧を開始した際の動作を説明するための動作波形図である。

従来、バッテリの電圧を電圧コンバータで昇圧してインバータに供給し、そのインバータでモータを駆動する車両のモータ制御システムが知られている。このような車両のモータ制御システムでは、電圧コンバータが昇圧を開始するポイントを各回転速度ごとにトルクしきい値が定められており、モータトルクがそのトルクしきい値に到達したら電圧コンバータに昇圧を行なわせていた。

しかし、昇圧開始ポイントは、モータの損失が小さくなるように設定してあるため、矩形波制御を実行している際に、位相の深い領域（矩形波電圧の電圧ベクトルがｑ軸となす角θが大きい領域）から昇圧を開始する場合がある。そのときは、図９に示すように、時刻ｔ１０〜ｔ１１において位相θを増加させてトルクも増加しているときに、時刻ｔ１１で昇圧を開始すると、トルクが急激に変化してしまうトルク外れが起こる。

これは、モータの損失で昇圧開始ポイントを決めているため、トルク外れが小さくなる領域（位相の浅い領域）だけで昇圧開始をすることになるとは限らないからである。

この発明の目的は、矩形波電圧制御を実行する車両のモータ制御システムにおいて、トルクの急激な変動が抑制された車両のモータ制御システムを提供することである。

この発明は、要約すると、車両のモータ制御システムであって、蓄電装置と、矩形波電圧制御方式でモータの駆動制御を行なうインバータと、インバータに対して蓄電装置の電圧を変換して供給する電圧コンバータと、インバータおよび電圧コンバータを制御する制御装置とを備える。制御装置は、インバータからモータに与える矩形波電圧の位相に基づいて電圧コンバータに電圧変換動作を行なわせるか否かを決定する。制御装置は、矩形波電圧の位相がしきい値に到達するまでは電圧コンバータに電圧変換動作を行なわせずに蓄電装置の電圧をそのままインバータに供給させる。制御装置は、矩形波電圧の位相がしきい値に一旦到達した後は電圧コンバータに電圧変換動作を行なわせて蓄電装置の電圧を昇圧してインバータに供給させる。

本発明によれば、矩形波制御と昇圧制御を組合せて用いる場合に、大きなトルク外れが発生しないようにすることができ、車両の快適性が向上する。

本発明の実施の形態に係る車両の構成を示す回路図である。 本実施の形態の車両のモータ制御システムが行なう制御を説明するための図である。 電圧位相について説明するための図である。 電圧位相θとトルクＴの関係を示した図である。 図２におけるラインＷ２についてより詳細に説明するための図である。 図１の制御装置３０が行なう電圧コンバータ１２に対する制御を説明するためのフローチャートである。 図２および図６に基づいて制御が行なわれた場合の動作を説明するための動作波形図である。 図７の時刻ｔ１以降の位相θの変化について説明するための図である。 従来の矩形波制御において電圧コンバータによって昇圧を開始した際の動作を説明するための動作波形図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に係る車両の構成を示す回路図である。
図１を参照して、車両１００は、バッテリユニット４０と、エンジン４と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、動力分配機構３と、車輪２と、制御装置３０とを含む。

動力分配機構３は、エンジン４とモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に結合されて、これらの間で動力を分配する機構である。たとえば動力分配機構としてはサンギヤ、プラネタリキャリヤ、リングギヤの３つの回転軸を有する遊星歯車機構を用いることができる。この３つの回転軸がエンジン４、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各回転軸にそれぞれ接続される。たとえば、モータジェネレータＭＧ１の回転シャフトを中空にし、その中をエンジン４の動力シャフトを貫通させることでモータジェネレータＭＧ２、動力分配機構３、モータジェネレータＭＧ１、エンジン４を直線上に配置することができる。

なおモータジェネレータＭＧ２の回転軸は車輪２に図示しない減速ギヤや差動ギヤによって結合されている。また動力分配機構３の内部にモータジェネレータＭＧ２の回転軸に対する減速機をさらに組み込んでもよい。

バッテリユニット４０は、高圧バッテリＢ１と、高圧バッテリＢ１の負極に接続されるシステムメインリレーＳＭＲＧと、高圧バッテリＢ１の正極に接続されるシステムメインリレーＳＭＲＢとを含む。システムメインリレーＳＭＲＧ，ＳＭＲＢは、制御装置３０から与えられる制御信号ＳＥに応じて導通／非導通状態が制御される。

高圧バッテリＢ１としては、ニッケル水素、リチウムイオン等の二次電池や燃料電池などを用いることができる。

バッテリユニット４０は、さらに、サービスカバーを開くと高電圧を遮断するサービスプラグＳＰと、サービスプラグＳＰと直列に高圧バッテリＢ１に接続されるフューズＦと、高圧バッテリＢ１の端子間の電圧ＶＢを測定する電圧センサ１０と、高圧バッテリＢ１に流れる電流ＩＢを検知する電流センサ１１とを含む。

車両１００は、さらに、電源ラインＰＬ１と接地ラインＳＬ間に接続される平滑コンデンサＣ１と、平滑コンデンサＣ１の両端間の電圧ＶＬを検知して制御装置３０に対して出力する電圧センサ２１と、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧を昇圧する電圧コンバータ１２と、電圧コンバータ１２によって昇圧された電圧を平滑化する平滑コンデンサＣ２と、平滑コンデンサＣ２の端子間電圧ＶＨを検知して制御装置３０に出力する電圧センサ１３と、電圧コンバータ１２から与えられる直流電圧を三相交流に変換してモータジェネレータＭＧ１に出力するインバータ１４とを含む。

電圧コンバータ１２は、一方端が電源ラインＰＬ１に接続されるリアクトルＬ１と、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬ間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。

リアクトルＬ１の他方端はＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタおよびＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタに接続される。ダイオードＤ１のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタと接続される。ダイオードＤ２のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタと接続される。

インバータ１４は、電圧コンバータ１２から昇圧された電圧を受けてたとえばエンジン４を始動させるためにモータジェネレータＭＧ１を駆動する。また、インバータ１４は、エンジン４から伝達される機械的動力によってモータジェネレータＭＧ１で発電された電力を電圧コンバータ１２に戻す。このとき電圧コンバータ１２は、降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。

インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とを含む。Ｕ相アーム１５，Ｖ相アーム１６，およびＷ相アーム１７は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に並列に接続される。

Ｕ相アーム１５は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ３，Ｄ４とを含む。ダイオードＤ３のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続される。ダイオードＤ４のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続される。

Ｖ相アーム１６は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ５，Ｄ６とを含む。ダイオードＤ５のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続される。ダイオードＤ６のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続される。

Ｗ相アーム１７は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８と、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ７，Ｄ８とを含む。ダイオードＤ７のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ７のコレクタと接続され、ダイオードＤ７のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ７のエミッタと接続される。ダイオードＤ８のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ８のコレクタと接続され、ダイオードＤ８のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ８のエミッタと接続される。

モータジェネレータＭＧ１は、三相の永久磁石同期モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々一方端が中点に共に接続されている。そして、Ｕ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の接続ノードに接続される。またＶ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の接続ノードに接続される。またＷ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の接続ノードに接続される。

電流センサ２４は、モータジェネレータＭＧ１に流れる電流をモータ電流値ＭＣＲＴ１として検出し、モータ電流値ＭＣＲＴ１を制御装置３０へ出力する。

車両１００は、さらに、電圧コンバータ１２に対してインバータ１４と並列的に接続されるインバータ２２を含む。

インバータ２２は車輪２を駆動するモータジェネレータＭＧ２に対して電圧コンバータ１２の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。またインバータ２２は、回生制動に伴い、モータジェネレータＭＧ２において発電された電力を電圧コンバータ１２に戻す。このとき電圧コンバータ１２は降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。インバータ２２の内部の構成は、図示しないがインバータ１４と同様であり、詳細な説明は繰返さない。

車両１００は、さらに、ヘッドランプ等の補機類５２と、１２Ｖの補機バッテリＢ２と、電源ラインＰＬ１と補機バッテリＢ２および補機類５２との間に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータ５０とを含む。

ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、制御装置３０から与えられる降圧指示ＰＷＤ２に応じて、電源ラインＰＬ２の電圧を降圧して補機バッテリＢ２への充電や補機類５２への電力供給を行なうことが可能である。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０は、制御装置３０から与えられる昇圧指示ＰＷＵ２に応じて、補機バッテリＢ２の電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２に対して供給することも可能である。

制御装置３０は、トルク指令値ＴＲ１，ＴＲ２、モータ回転数ＭＲＮ１，ＭＲＮ２、電圧ＶＢ，ＶＬ，ＶＨ、電流ＩＢの各値、モータ電流値ＭＣＲＴ１，ＭＣＲＴ２および起動信号ＩＧＯＮを受ける。

そして制御装置３０は、電圧コンバータ１２に対して昇圧指示を行なう制御信号ＰＷＵ１，降圧指示を行なう制御信号ＰＷＤ１および動作禁止を指示する信号ＣＳＤＮを出力する。

また制御装置３０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ５０に対して昇圧指示を行なう制御信号ＰＷＵ２，降圧指示を行なう制御信号ＰＷＤ２を出力する。

さらに、制御装置３０は、インバータ１４に対して、電圧コンバータ１２の出力である直流電圧をモータジェネレータＭＧ１を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ１と、モータジェネレータＭＧ１で発電された交流電圧を直流電圧に変換して電圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ１とを出力する。

同様に制御装置３０は、インバータ２２に対して直流電圧をモータジェネレータＭＧ２を駆動するための交流電圧に変換する駆動指示ＰＷＭＩ２と、モータジェネレータＭＧ２で発電された交流電圧を直流電圧に変換して電圧コンバータ１２側に戻す回生指示ＰＷＭＣ２とを出力する。

図２は、本実施の形態の車両のモータ制御システムが行なう制御を説明するための図である。

図２において、縦軸にはモータのトルクＴが示され、横軸にはモータの回転速度Ｎが示されている。ラインＷ１は、本実施の形態においてＰＷＭ制御と矩形波電圧制御とを切換える境界を示すラインである。ラインＷ１よりも回転速度Ｎが小さい領域はＰＷＭ制御が実行され、ラインＷ１よりも回転速度Ｎが大きい領域では、矩形波電圧制御が実行される。

ラインＷ２は、本実施の形態における昇圧を実施しない領域と実施する領域との境界線を示すラインである。このラインよりも回転速度Ｎが小さい領域では昇圧しないバッテリ電圧でモータが駆動される。一方ラインＷ２よりも回転速度が大きい領域では、電圧コンバータによってバッテリ電圧が昇圧されてモータに供給される。

なお、ラインＷ３は従来の制御における昇圧を行なう領域と行なわない領域との境界を示すラインである。このラインＷ３は、モータ損失が小さくなるようにモータ損失のみに基づいて設定されていた。

図３は、電圧位相について説明するための図である。
図３を参照して、矩形波電圧制御の電圧ベクトルをモータ制御で一般に用いられるｄ−ｑ平面上に考えたときに、ｑ軸と電圧ベクトルＶとがなす位相角θが電圧位相である。そして、この位相θが大きいことを位相が深いと呼び、位相θが小さいことを位相が浅いとも呼ぶ。

図４は、電圧位相θとトルクＴの関係を示した図である。
図４を参照して、電圧位相θが大きく（深く）なるほどトルクＴは大きくなる。このため、電圧位相θが大きいときはトルクＴも大きく、この状態で電圧コンバータによって昇圧動作を行なうとトルクＴの変動も大きくなる。

図５は、図２におけるラインＷ２についてより詳細に説明するための図である。
図２、図５を参照して、ラインＷ３は、位相の深さとは無関係にトルクＴ−回転速度Ｎマップ上に固定されたラインが引かれている。これは、モータの損失などを考慮して引かれたラインであった。これに対して、本実施の形態で用いるラインＷ２はＴ−Ｎマップ上に固定されたラインがあるわけではなく、電圧位相が、あるしきい値に到達するポイントを指している。したがって、システム電圧（バッテリ電圧）が高いときなどは、図５のラインＷ２Ｈに示すように、図２のラインＷ２が設定され、システム電圧（バッテリ電圧）が低下しているときには、図５のラインＷ２Ｌに示すようにラインＷ２が設定される。

図６は、図１の制御装置３０が行なう電圧コンバータ１２に対する制御を説明するためのフローチャートである。

図６を参照して、ステップＳ１では、昇圧未実施の状態に電圧コンバータ１２が制御されている。そしてステップＳ２において矩形波制御が実施中において電圧位相θがしきい値以上であるか否かが判断される。

矩形制御では、電圧位相が深い領域では昇圧を行なうと大きなトルク外れが起きてしまうが、位相の浅い領域ではトルク外れは小さくなる。したがって、昇圧を行なわない領域を、トルク外れが小さい領域またはトルク外れによる加速度Ｇの変化が許容できる範囲に限定するようにしきい値を定める。この昇圧を行なわない領域では、電圧コンバータ１２は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１がオン状態に設定され、ＩＧＢＴ素子Ｑ２がオフ状態に設定された上アームオン状態に制御される。この場合は、バッテリＢ１の電圧は、リアクトルＬ１およびダイオードＤ１またはＩＧＢＴ素子Ｑ１を介してインバータ１４および２２に供給される。

そしてこのようにすれば、電圧コンバータ１２によって昇圧を開始する領域をトルク外れの小さい領域に限定することができる。そのように制御するために、電圧位相θにしきい値を設けてこのしきい値を超えたら昇圧を開始するように制御を行なう。このため図６のステップＳ２においてこのしきい値以上に電圧位相θが到達するまではステップＳ１に処理が戻り昇圧を行なわない状態に電圧コンバータ１２を制御する。

一方ステップＳ２において電圧位相θがしきい値以上になった場合にはステップＳ２からステップＳ３に処理が進み、電圧コンバータ１２に対して昇圧を実行開始させる。

図７は、図２および図６に基づいて制御が行なわれた場合の動作を説明するための動作波形図である。

図７を参照して、横軸には経過時間が示され、縦軸には上から順に電圧コンバータ１２の出力側電圧ＶＨ、トルクＴおよび電圧位相θが示されている。時刻ｔ０〜ｔ１の領域においては、電圧位相θがしきい値に到達していないので、電圧コンバータ１２は上アームオン状態に制御されており、昇圧動作は行なわれていない。したがって電圧ＶＨはバッテリ電圧ＶＢに等しい。

時刻ｔ１においては、電圧位相θがしきい値に到達したため、電圧コンバータ１２による昇圧動作が開始される。これにより電圧ＶＨは次第にバッテリ電圧ＶＢよりも上昇し、昇圧が行なわれる。このとき、トルクＴはトルク外れの小さい領域またはトルク外れによる加速度Ｇの変化が許容できる範囲のトルクであるので、トルクの急激な変化は発生せずトルク外れはない。

そして時刻ｔ１以降は、電圧ＶＨが昇圧されることにより電圧位相θは低下を開始する。ただしこのしきい値は昇圧を開始するためのしきい値であり、昇圧の停止は別の条件に基づいて定められているので、電圧位相θがしきい値よりも低くなったからといって昇圧を直ちに停止するわけではない。

図８は、図７の時刻ｔ１以降の位相θの変化について説明するための図である。
図８を参照して、電圧ＶＨが上昇すると、同じトルクＴを出すために必要な位相θは小さくなる。たとえば電圧ＶＨが１００Ｖであった場合にはトルク指令を実現するための必要な位相は位相θ２であった。これに対し電圧ＶＨを２００Ｖに昇圧すると、同じトルク指令を実現するための位相は位相θ１まで小さくなる。したがって図７の時刻ｔ１以降では電圧位相θは下降している。

再び図１を参照して、本発明の実施の形態について総括する。本実施の形態の車両のモータ制御システムは、矩形波電圧制御方式でモータジェネレータＭＧ２の駆動制御を行なうインバータ２２と、インバータ２２に対してバッテリＢ１の電圧を変換して供給する電圧コンバータ１２と、インバータ２２および電圧コンバータ１２を制御する制御装置３０とを備える。

制御装置３０は、インバータ２２からモータジェネレータＭＧ２に与える矩形波電圧の位相θに基づいて電圧コンバータ１２に電圧変換動作を行なわせるか否かを決定する。そして制御装置３０は、矩形波電圧の位相θがしきい値に到達するまでは電圧コンバータ１２に電圧変換動作を行なわせずに（上アームオン状態で）バッテリＢ１の電圧をそのままインバータ２２に供給させる。制御装置３０は、矩形波電圧の位相θがしきい値に一旦到達した後は電圧コンバータ１２に電圧変換動作を行なわせてバッテリＢ１の電圧を昇圧してインバータ２２に供給させる。

このように、本実施の形態においては、モータの制御が矩形波電圧制御のときにはトルク外れの大きくなる位相の深い領域に入る前に昇圧を開始することでトルク外れを小さく抑えることができる。

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。

２ 車輪、３ 動力分配機構、４ エンジン、１０，１３，２１ 電圧センサ、１１，２４ 電流センサ、１２ 電圧コンバータ、１４，２２ インバータ、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、３０ 制御装置、４０ バッテリユニット、５０ コンバータ、５２ 補機類、１００ 車両、Ｂ１ 高圧バッテリ、Ｂ２ 補機バッテリ、Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８ ダイオード、Ｆ フューズ、Ｌ１ リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、ＰＬ１，ＰＬ２ 電源ライン、Ｑ１〜Ｑ８ ＩＧＢＴ素子、ＳＬ 接地ライン、ＳＭＲＧ，ＳＭＲＢ システムメインリレー、ＳＰ サービスプラグ。

Claims (1)

1. 蓄電装置と、
   矩形波電圧制御方式でモータの駆動制御を行なうインバータと、
   前記インバータに対して前記蓄電装置の電圧を変換して供給する電圧コンバータと、
   前記インバータおよび前記電圧コンバータを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記モータのトルクと回転速度で示される平面上において第１領域ではＰＷＭ制御を行ない、第２領域では矩形波制御を行ない、前記第２領域において、前記インバータから前記モータに与える矩形波電圧の位相に基づいて前記電圧コンバータに電圧変換動作を行なわせるか否かを決定し、
   前記制御装置は、前記矩形波電圧の位相がしきい値に到達するまでは前記電圧コンバータに電圧変換動作を行なわせずに前記蓄電装置の電圧をそのまま前記インバータに供給させ、前記制御装置は、前記矩形波電圧の位相がしきい値に一旦到達した後は前記電圧コンバータに電圧変換動作を行なわせて前記蓄電装置の電圧を昇圧して前記インバータに供給させるとともに、前記蓄電装置の電圧が高い時には低い時と比べて前記第２領域における昇圧開始の境界を前記モータの回転速度が高い領域にシフトさせる、車両のモータ制御システム。

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