JP5452466B2 - ハイブリッド車両システム及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ハイブリッド自動車等の電動車両に搭載されたモータの制御方法に関する。
ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、モータを走行駆動源とする自動車であり、モータのみで走行したり、モータを駆動してエンジンの始動やアシストをしたり、回生（発電）を行いバッテリの充電をしたり、するものである。
モータには、モータ自身の回転角と回転数を検出するため、レゾルバなどの回転角センサが取り付けられており、モータ制御装置（インバータ）は、レゾルバからの回転角や回転数の情報を元に、最も効率のよい状態でモータ制御を行っている。
しかし、レゾルバやその周辺回路が故障した際には、モータ制御装置（インバータ）はモータの回転角や回転数を正確に検出できないため、正常にモータ制御を行うことが困難である。よって、フェールセーフのために、モータ制御を停止して、エンジンのみで走行を継続することが考えられるが、その場合、モータによってバッテリを充電することができないので、次第にバッテリ容量が減少し、やがてエンジンのみでの走行が不可能になり、車両が停止してしまう。
そこで、特許文献１では、レゾルバが異常と判定されたとき、レゾルバで検出されるモータ回転角の代わりに、モータと同期して回転するエンジンのクランク軸に搭載されたクランク角センサで検出した回転角を用いて、モータ制御を継続している。また、クランク角センサで回転角を検出してから、モータ制御装置（インバータ）へ回転角情報が転送されるまでの通信時間の遅れを考慮することで、モータ回転角の信頼性を向上している。
特開２００６−０５０８７８号公報
しかしながら、上記の従来技術では、クランク角センサの回転角情報を使用するので、レゾルバに比べて非常に検出角度の精度（分解能）が粗いため、モータ制御に不可欠な弱め界磁制御が適切に実施できない。そのため、モータの誘起電圧を抑制できず、インバータ内部のスイッチング半導体素子や、コンデンサなどに過電圧が誘発され、インバータが過電圧により故障する恐れがある。
図７は、モータが４極対のときの、クランク角センサとレゾルバの角度情報を比較したものである。クランク角センサはエンジン１回転あたり６０個のパルスを出力するので、モータ電気角１周期あたり１５パルスの精度でしか回転角を検出できないが、レゾルバはモータ電気角１周期あたり５１２〜１０２４ビットの精度で回転角を検出することができる。１パルス（１ビット）あたりの電気角は、クランク角センサでは２４度であるが、レゾルバは０.７〜０.３５度と非常に精度がよい。
従って、クランク角センサの回転角情報を用いてモータをベクトル制御した場合、誘起電圧に対して適切な方向に電流を制御できない（ｄ軸電流とｑ軸電流を適切に制御できない）。本来は、モータの誘起電圧を抑制するために、負方向のｄ軸電流を流して弱め界磁制御を行うが、回転角情報が非常に粗いためｄ軸電流を正方向に流してしまい、強め界磁の状態に陥ってしまうことがある。モータの誘起電圧が低い低回転の状態であったとしても、強め界磁が発生すると、過電圧となる恐れがある。
また、検出角度の精度（分解能）が粗いことは、弱め界磁制御以外に、次のような課題がある。
（１）出力トルクの変動（リップル）が大きいため、必要なトルクを出力できない。
（２）電流・電圧の変動（リップル）が大きい。
上記（１）に対しては、十分なトルクを出力できないため、アイドルストップなどでエンジン停止後に、モータを駆動させてエンジンを再始動できない。また、走行中に回生（発電）を行いバッテリの充電する際に、バッテリへの適切な電流・電圧を供給できず、バッテリが過充電や充電不足状態になり、バッテリの寿命低下や故障を招く恐れがある。上記（２）に対しては、インバータ内部のコンデンサやバッテリの寿命低下や故障を招く恐れがある。
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、レゾルバやその周辺回路に異常が発生したとき、代替センサであるクランク角センサの検出角度の精度（分解能）に影響しないモータ回転角の推定方法を提供し、インバータやその周辺機器の故障を招くことなく、モータ制御（弱め界磁制御）を行うことを目的とする。
上記目的を達成するために本発明に係るハイブリッド車両システムは、直流電流を交流電流に変換するスイッチング素子を有するインバータ回路と、前記交流電流を受けて駆動する車両駆動用モータと、前記モータのロータ回転角を検出するレゾルバと、前記ロータ回転角情報、及びトルク指令値に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、クランク軸を介して前記モータと接続されるエンジンと、前記クランク軸の回転数を検出するクランク軸センサと、を有し、前記制御回路は、前記レゾルバの異常が検知された場合、前記クランク軸の回転数の変化率に基づいてロータ回転角を推定し、当該推定されたロータ回転角に基づいて弱め界磁制御をすることを特徴とする。
上記目的を達成するために本発明に係るハイブリッド車両システムの制御方法は、直流電流を交流電流に変換するスイッチング素子を有するインバータ回路と、前記交流電流を受けて駆動する車両駆動用モータと、前記モータのロータ回転角を検出するレゾルバと、前記ロータ回転角情報、及びトルク指令値に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、クランク軸を介して前記モータと接続されるエンジンと、前記クランク軸の回転数を検出するクランク軸センサと、を有するハイブリッド車両システムの制御方法であって、前記レゾルバの異常が検知された場合、前記クランク軸の回転数の変化率に基づいてロータ回転角を推定し、当該推定されたロータ回転角に基づいて弱め界磁制御をすることを特徴とする。
レゾルバやその周辺回路に異常が発生したとしても、モータの制御性の大幅な低下を抑制することができる。
本発明の実施形態の例であるハイブリッド車両のシステムの構成図である。 本発明の実施形態の例であるクランク角センサからの角度情報（パルス）の信号波形である。 本発明の実施形態によるレゾルバとその周辺回路を示した図である。 ベクトル制御に用いるｄ−ｑ軸座標系のベクトル図の例である。 本発明の実施形態の例であるレゾルバもしくはその周辺回路が正常なときと、異常を検知したときの、制御方法を示したフローチャートである。 本発明の実施形態によるクランク角センサからのエンジン回転数と、推定したモータの回転角との関係図である。 本発明の実施形態によるモータが４極対のときのクランク角センサとレゾルバの角度情報を比較した図である。
図１は、実施形態の例であるハイブリッド車両のシステムの構成図である。図１に示すように、ハイブリッド車両のシステムは、車両駆動用のモータ１と、モータ１の回転数と回転角を検出するレゾルバ２と、クランク軸を介してモータ１と接続されるエンジン４と、エンジン４のクランク軸の回転数と回転角を検出するクランク角センサ５と、クランク軸の回転力を車軸に伝達するトランスミッション６と、車両全体を制御するハイブリッド制御装置１４と、モータ制御回路８と、３相電流センサ１６と、メインバッテリ１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１と、補機用バッテリ１２を含む。
メインバッテリ１０は、モータ１を駆動するための高圧バッテリであり、リチウムイオン、又はニッケル水素等からなる２次電池である。
補機用バッテリ１２は、車両内のコントローラやベッドライトなどの電装品等のいわゆる補機を駆動させるための低圧バッテリである。
ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、メインバッテリ１０の高電圧を補機用バッテリ１２の低電圧に降圧して、補機用バッテリ１２を充電している。
モータ制御回路８は、メインバッテリ１０から直流電力線１３を通して供給された直流電圧をＵ，Ｖ，Ｗの３相交流電圧に変換しモータ電力線９を通してモータ１のモータコイルに出力したり、モータ１で発電された３相交流電圧を直流電圧に変換し直流電圧をメインバッテリ１０へ供給（充電）したりする。
なお、モータ制御回路８は、メインバッテリ１０からの直流電流を交流電流に変換するスイッチング素子を有するインバータ回路と、レゾルバ２から出力される情報及びトルク指令値１５に基づいてスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路とから構成される。また、モータ制御回路８は、メインバッテリ１０からの直流電流を平滑化するための平滑コンデンサ回路も備える。
モータ１は永久磁石式回転子を備えた３相交流モータである。
エンジン４は、例えば、直列４気筒タイプのエンジンであり、始動時又はアシスト時はモータ１からの正トルクをクランク軸に受けてエンジン４はモータ１によって回され、走行中はモータ１からの負トルクを受けて、モータ１はエンジン４から回され回生する。
クランク角センサ５は、エンジン４の回転数とクランク軸の回転角度を検出し、そのエンジン回転数／クランク角情報７は、ハイブリッド制御装置１４にて、エンジン４の燃料噴射タイミングや点火タイミングなどの計算に用いられる。
クランク角センサ５からのエンジン回転数／クランク角情報７は、例えば図２に示すようなパルス波形であり、クランク軸が６度回転するごとに１パルスが出力される。また、基準点を示すため、３５４度（５９パルス目）と３６０度（６０パルス目）のパルスは生成されない。すなわちエンジン１回転（３６０度）あたり（６０−２）個のパルスが出力される。ハイブリッド制御装置１４は、現在の歯が何番目のパルスであるかを検出し、回転角を算出する。また、一定時間内に何パルス発生したかを検出し、回転数を算出する。クランク角センサ５からのエンジン回転数／クランク角情報７の精度（分解能）は、エンジン１回転あたり６０パルス（１パルスあたり６度）であるが、図７に示すように、例えばモータの４極対の場合は、モータ電気角１周期あたり１５パルス（１パルスあたり電気角２４度）となる。
レゾルバ２は、モータ１に装着され、検出したモータ回転数／角度情報３は、ハーネスを通してモータ制御回路８へ入力される。
レゾルバ２からのモータ回転数／角度情報３は、図３に示すようなアナログ波形でありモータ制御回路８内に搭載されたレゾルバＩＣ２１によって、回転数と回転角のデジタル値２３に変換される。デジタル値２３に変換された回転角の精度（分解能）は、レゾルバＩＣ２１の性能に依存するが、通常はモータ電気角１周期あたり５１２〜１０２４ビット（１ビットあたり電気角０.７〜０.３５度）の精度である。
レゾルバ２及びその周辺回路の故障例として、レゾルバハーネス２２の断線や短絡が考えられる。その場合は、レゾルバＩＣ２１が診断を行い、エラー信号２４をマイクロプロセッサ２５へ出力することで、マイクロプロセッサ２５は異常を検知する。なお、マイクロプロセッサ２５は、モータ制御を実現するために必要な演算器である。
また、レゾルバＩＣ２１は以下の診断機能を持っており、異常時にはエラー信号２４をマイクロプロセッサ２５へ出力することで、異常状態であることを報告する。
（１）モータ回転数／角度情報３（アナログ信号）（正弦／余弦波形）の振幅が正常値よ
り小さい。（レゾルバハーネス２２の断線，レゾルバ２本体の故障）
（２）モータ回転数／角度情報３（アナログ信号）（正弦／余弦波形）の振幅が正常値よ
り大きい。（レゾルバハーネス２２の短絡，レゾルバ２本体の故障）
（３）レゾルバＩＣ２１の故障
モータ制御回路８は、レゾルバ２で検出したモータ１の回転数／角度情報３と、３相電流センサ１６で検出した３相電流情報１７と、ハイブリッド制御装置１４からのトルク指令値１５に基づいて、最も効率のよい位相角へ３相電流を流すように、３相ベクトル制御を行っている。
図４は、３相座標系を２相座標系（ｄ−ｑ軸座標系）に変換したベクトル図である。通常、正トルクを出力させる場合は、図４のように、（Ｉq＞０，Ｉd＜０）の領域に電流Ｉaを流すように制御する。また、負トルクを出力させる場合は、（Ｉq＜０，Ｉd＜０）の領域に電流Ｉaを流すように制御する。どちらも（Ｉd＜０）となっているのは、モータの磁石により発生する磁束を打ち消すように電流を流し、弱め界磁を行うことで、モータの誘起電圧を抑制するためである。
なお、出力トルクＴの値は、次の式で表される。
Figure 0005452466
 ここで、Ｐ：モータ極対数、φa：永久磁石による鎖交磁束、Ｉa：モータ電流
Ｌq：ｑ軸インダクタンス、Ｌd：ｄ軸インダクタンス
β：位相角
図５は、レゾルバ２もしくはその周辺回路が正常なときと、異常を検知したときの、制御方法を示したフローチャートである。以下図５を用いて説明する。
まず、規定時間（ｄｔ）の周期ごとに実行命令Ｓ１がくると、判断処理Ｓ２でレゾルバが正常であるかどうかの判断を行う。
レゾルバが正常であった場合は、処理Ｓ３でレゾルバからのモータ回転数（Ｎ）と角度（θ）の情報を取得する。そして、処理Ｓ４でクランク角センサからの角度情報（パルス番号）を取得し、そのパルス番号と処理Ｓ３で取得したレゾルバからのモータ角度（θ）をメモリに保存する。
そして、処理Ｓ５にて回転数（Ｎ）と角度（θ）を用いてモータ制御を実行し、処理Ｓ６にて現在の回転数（Ｎ）と角度（θ）を、それぞれの前回値変数（Ｎ１）と（θ１）に入力し、処理を終える。なお、処理Ｓ５のモータ制御には、図４にて説示した弱め界磁制御が含まれる。
判断処理Ｓ２でレゾルバが異常であることを判断した場合は、処理Ｓ７でクランク角センサからの現在のエンジン回転数（Ｎ）の情報を取得する。そして、処理Ｓ８にて処理Ｓ７で取得したエンジン回転数（Ｎ）と、処理Ｓ６で設定した前回値（Ｎ１）との変化量を基に、現在のモータ角度（θ）を推定する。
そして、処理Ｓ５にて回転数（Ｎ）と角度（θ）を用いてモータ制御を実行し、処理Ｓ６にて現在の回転数（Ｎ）と角度（θ）を、それぞれの前回値変数（Ｎ１）と（θ１）に入力し、処理を終える。
また、判断処理Ｓ２でレゾルバが異常であることを判断した場合は、クランク角センサからの角度情報（パルス番号）が予め設定した特定の値になったとき、割り込みＳ９が発生する。割り込みＳ９が発生すると、処理Ｓ１０において、レゾルバが正常なときに処理Ｓ３でメモリに保存したパルス番号とモータ角度（θ）の情報から、割り込み要因であるパルス番号に対するモータ角度（θ′）を検索する。そして、処理Ｓ１１で、現在のモータ角度（θ）を、検索したモータ角度（θ′）へと補正する。この補正処理を行うことで、処理Ｓ８で推定したモータ角度（θ）の精度を上げることができ、モータ制御の信頼性を向上させることができる。
処理Ｓ８の推定方法については、以下図６を用いて説明する。
図６は、クランク角センサからのエンジン回転数（Ｎ）と、処理Ｓ８で推定したモータの回転角（θ）との関係を示す。規定時間（ｄｔ）のエンジン回転数（Ｎ）の変化量が、モータの回転角（電気角）の変化量（ｄθ）に相当する。すなわち、現在のエンジン回転数（Ｎ）と、規定時間（ｄｔ）前のエンジン回転数（Ｎ１）とに囲まれた領域（Ｄ）の面積がモータの回転角（電気角）の変化量（ｄθ）に相当する。なお、規定時間（ｄｔ）前のエンジン回転数（Ｎ１）とモータ推定回転角（θ１）の初期値は、それぞれ異常検知直前のモータ１の回転数（Ｎｉ）と、モータ１の回転角（θｉ）である。
規定時間（ｄｔ）が非常に小さいとすると、モータ１及びエンジン４はイナーシャがあるので、規定時間（ｄｔ）の回転数の変化量（Ｎ−Ｎ１）は微小と考えられる。よって、規定時間（ｄｔ）のモータ１の回転角（電気角）の変化量（ｄθ）は以下の式で算出される。
Figure 0005452466
 ここで、Ｋ：変換係数
さらに、現在のモータ推定回転角（θ）は、規定時間（ｄｔ）前のモータ推定回転角（θ１）と、モータ１の回転角（電気角）の変化量（ｄθ）とから、次の式で算出される。
Figure 0005452466
また、クランク角センサ５からのクランク角情報が、予め特定したパルス番号になったとき、メモリに保存した異常検知前のモータ１の角度情報（θ′）を、現在のモータ推定回転角（θ）に補正する。
Figure 0005452466
（式２），（式３）によって、エンジン回転数（Ｎ）の変化率、つまりクランク軸の回転数の変化率を用いて、モータ１の回転角（電気角）を推定することができる。これにより、クランク角センサからのクランク角情報の精度の粗さに影響されることなく、モータの回転角（電気角）を推定することができる。また、（式４）によってモータ１の推定回転角を補正することで、モータ推定回転角（θ）の信頼性を向上させることができる。
１ モータ
２ レゾルバ
３ モータ回転数／角度情報
４ エンジン
５ クランク角センサ
６ トランスミッション
７ エンジン回転数／クランク角情報
８ モータ制御回路
９ モータ電力線
１０ メインバッテリ
１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ 補機用バッテリ
１３ 直流電力線
１４ ハイブリッド制御装置
１５ トルク指令
１６ ３相電流センサ
１７ ３相電流情報

Claims (4)

  1. 直流電流を交流電流に変換するスイッチング素子を有するインバータ回路と、
    前記交流電流を受けて駆動する車両駆動用モータと、
    前記モータのロータ回転角を検出するレゾルバと、
    前記ロータ回転角情報、及びトルク指令値に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、
    クランク軸を介して前記モータと接続されるエンジンと、
    前記クランク軸の回転数を検出するクランク軸センサと、を有し、
    前記制御回路は、前記レゾルバの異常が検知された場合、現在の前記クランク軸の回転数と規定時間前に検出した前記クランク軸の回転数との変化量に基づいてロータ回転角を推定し、当該推定されたロータ回転角に基づいて弱め界磁制御を含むモータ制御を行い、
    前記規定時間は、前記クランク軸の回転数の変化量が微小となる短い期間であることを特徴とするハイブリッド車両システム。
  2. 請求項１に記載のハイブリッド車両システムであって、
    前記クランク角センサは、前記クランク軸の回転角を検出し、
    前記制御回路は、前記レゾルバが正常な場合に、前記クランク軸センサの特定の回転角情報毎にそのときのモータの回転角情報を記憶し、その記憶された情報に基づいて、前記推定されたロータ回転角を補正することを特徴とするハイブリッド車両システム。
  3. 直流電流を交流電流に変換するスイッチング素子を有するインバータ回路と、
    前記交流電流を受けて駆動する車両駆動用モータと、
    前記モータのロータ回転角を検出するレゾルバと、
    前記ロータ回転角情報、及びトルク指令値に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、
    クランク軸を介して前記モータと接続されるエンジンと、
    前記クランク軸の回転数を検出するクランク軸センサと、を有するハイブリッド車両システムの制御方法であって、
    前記レゾルバの異常が検知された場合、現在の前記クランク軸の回転数と規定時間前に検出した前記クランク軸の回転数との変化量に基づいてロータ回転角を推定し、当該推定されたロータ回転角に基づいて弱め界磁制御を含むモータ制御を行い、
    前記規定時間は、前記クランク軸の回転数の変化量が微小となる短い期間であることを特徴とするハイブリッド車両システムの制御方法。
  4. 請求項３に記載のハイブリッド車両システムの制御方法であって、
    前記クランク角センサは、前記クランク軸の回転角を検出し、
    前記レゾルバが正常な場合に、前記クランク軸センサの特定の回転角情報毎にそのときのモータの回転角情報を記憶し、その記憶された情報に基づいて、前記推定されたロータ回転角を補正することを特徴とするハイブリッド車両システムの制御方法。
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