JP5487675B2 - モータ駆動装置及び電動車両 - Google Patents
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Description
また、電圧可変形エネルギー貯蔵素子の貯蔵エネルギー量を調整するため、前記エネルギー貯蔵素子の端子電圧を制御し、エネルギー貯蔵素子と二次電池との間でエネルギーの授受を自由に制御可能としたモータ駆動装置として、特許文献2に記載された従来技術がある。
更に、特許文献3には、二次電池と電圧可変形エネルギー貯蔵素子との充放電エネルギーの分担に関し、前記エネルギー貯蔵素子によるエネルギーの授受を二次電池よりも優先させることで電源効率の向上、二次電池の寿命向上を図る技術が開示されている。
ここで、数式1に示すように、電源のエネルギー損失Elossは、電源の内部抵抗Rと、電流iの2乗を充放電時間Tにわたって積分した値との積によって決まる。
前述したように、二次電池と電圧可変形エネルギー貯蔵素子とを併用したシステムでは、前記エネルギー貯蔵素子により大電流の充放電を優先的に行わせることで、二次電池の内部抵抗に起因する損失は低減することができるが、これによって二次電池本体の温度上昇が少なくなるため、低温時に放電容量が減少することになる。従って、周囲温度が低い環境のもとでは二次電池が有するエネルギーを十分に利用できない事態が生じる。
第2の電力変換器と、第2の電力変換器の交流出力側に接続された第2のモータと、第2のモータの中性点と第2の電力変換器の直流母線の正極または負極との間に接続された第2の電源としての電圧可変形エネルギー貯蔵素子と、を有する第2モータ駆動ユニットと、
第1,第2の電力変換器を構成する半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路と、
を備え、かつ、
第1,第2モータ駆動ユニットの直流母線を共通接続してなるモータ駆動装置において、
前記制御回路は、
前記二次電池の温度に基づいて前記二次電池及び前記エネルギー貯蔵素子の充放電電流の分配率を設定し、この分配率に基づいて第1,第2の電力変換器を構成する半導体スイッチング素子の駆動信号を生成する手段を備えたものである。
前記制御回路は、前記二次電池の温度が予め設定した閾値以下であるときに、前記二次電池による充放電電流が前記エネルギー貯蔵素子による充放電電流よりも多くなるように前記分配率を設定するものである。
これにより、低温時において、二次電池を優先的に充放電させ、その損失により二次電池自体の温度を上昇させることができるため、二次電池の放電容量の減少を防いでエネルギーの利用効率を高めることができる。
図1は本発明の基本形態を示す構成図である。この基本形態は、本発明に係るモータ駆動装置が搭載された電動車両を想定したものである。
インバータ200の交流出力端子U,V,Wには車両駆動用の三相のモータ(例えば永久磁石モータ)Mが接続され、その出力軸は減速ギア及びデファレンシャルギアからなるギアユニット4を介して左右の車輪5に連結されている。
また、電流可逆型コンバータ100も、図3に示すごとくダイオードが逆並列接続されたIGBT等の自己消弧型半導体スイッチング素子T1,T2の直列回路とリアクトル101とから構成されており、前記制御回路300により各スイッチング素子T1,T2にゲート信号が与えられる。
第1の制御は、インバータ制御部320によりインバータ200のスイッチング素子Tu〜TzをオンオフさせてモータMに所定の電流を通流するモータ制御である。すなわち、外部から入力された加速指令及び制動指令に基づき、前記電流検出手段6cからの電流検出値iu,iw及び磁極位置検出手段9からの磁極位置検出値θを用いて三相電圧指令Vu *,Vv *,Vw *を生成すると共に、これらの三相電圧指令Vu *,Vv *,Vw *に従って、PWM演算部222がインバータ200のスイッチング素子Tu〜Tzに対するゲート信号Gu〜Gzを出力する。これにより、モータMの電流ひいてはトルクが所定値に制御される。
なお、この種のインバータによるモータの制御方法については周知であるため、ここでは詳述を省略する。
コンバータ制御部310は、充放電電流分配率演算部311、充放電制御部312及びPWM演算部313を備えている。
充放電電流分配率演算部311は、温度検出手段7により得た鉛蓄電池1の温度検出値tmpから鉛蓄電池1とキャパシタ2との充放電電流の分配率を決定する。また、充放電制御部312は、充放電電流分配率演算部311による演算結果(充放電電流分配率)kと、電流検出手段6a,6bにより得た鉛蓄電池1及びコンバータ100の電流検出値Ib,Icと、電圧検出手段8により得たキャパシタ2の端子電圧検出値Vcとに基づいて、電圧指令値Vcon *を生成する。この電圧指令値Vcon *はPWM演算部313に入力され、コンバータ100のスイッチング素子T1,T2に対するゲート信号G1,G2が生成される。これにより、鉛蓄電池1及びキャパシタ2の充放電電流が充放電電流分配率kに従って分担されるような制御が実行される。
インバータ200から要求された電力をまかなう電流は鉛蓄電池1及びキャパシタ2の両方から供給されるが、前述した充放電電流分配率kとは、上記電流のうちキャパシタ2が分担する充放電電流の比率をいい、k=1で全電流をキャパシタ2が分担し、k=0で全電流を鉛蓄電池1が分担する。
前後するが、図5のフローチャートにおいて引用される図6について説明する。図6は、鉛蓄電池1の温度検出値tmpとそれに対応する充放電電流率分配率kとの関係を示しており、温度検出値tmpが低温であるほど充放電電流分配率kを小さくして鉛蓄電池1からの充放電量を増やし、温度検出値tmpが高温であるほど充放電電流分配率kを大きくしてキャパシタ2からの充放電量を増やすように温度検出値tmpと充放電電流分配率kとの関係を設定する。
ここで、キャパシタ2の充電終止電圧Vcmaxは、使用するキャパシタで規定されている最高電圧に基づいて予め設定しておく。また、キャパシタ2の放電終止電圧Vcminは、キャパシタ電圧が低い状態でキャパシタから電力を供給しようとすると電流が増大するので、コンバータ100を構成するスイッチング素子T1,T2の電流容量に基づいて予め設定しておくことが望ましい。
一方、モータMが制動状態で電圧検出値Vcが充電終止電圧Vcmax未満であれば充放電電流分配率kを図6によって決定し(S2No,S6Yes,S7)、また、モータMが制動状態で電圧検出値Vcが充電終止電圧Vcmax以上であれば、充放電電流分配率kを0として鉛蓄電池1のみを充電する(S2No,S6No,S8)。
このようにして決定された充放電電流分配率kが、図4の充放電制御部312に送られることになる。
充放電制御部312は、鉛蓄電池1及びキャパシタ2の充放電電流が充放電電流分配率kに従って分担されるように、PWM演算部313に対して電圧指令値Vcon *を送る。
ここで、図1における直流母線の正負極P,Nからインバータ200へ供給される電力PINVは、数式2によって表される。
また、鉛蓄電池1の電流検出値Ibとコンバータ100の出力電流検出値Icと上記電流IINVとの間には、数式3の関係がある。
コンバータ100の出力電流Icを制御するには、コンバータ100の出力電圧を制御すればよい。
すなわち、コンバータ100の出力電圧を鉛蓄電池1の電圧より高く設定すれば、両電圧の差に応じてキャパシタ2からエネルギーを放出(放電)することができ、逆にコンバータ100の出力電圧を鉛蓄電池1の電圧より低く設定すれば、両電圧の差に応じてキャパシタ2がエネルギーを吸収(充電)することができる。
鉛蓄電池1及びキャパシタ2の充放電電流が充放電電流分配率kに従って分担されるように自動制御するには、図7に示す如く充放電電流分配率kを指令値として、乗算手段312aにより駆動時と制動時とで指令値の極性を反転させると共に、上記指令値と、直流母線からインバータ200に流入する電流IINV(=Ib+Ic)のうちコンバータ100の出力電流Icの割合であるIc/(Ib+Ic)との偏差を減算手段312bにより求め、PI調節手段312cによって上記偏差をゼロとするように調節動作するフィードバック回路を構成すれば良い。そして、PI調節手段312cの出力信号をコンバータ100の電圧指令値Vcon *としてPWM演算部313に送れば良い。
この図8に基づき、駆動(力行)時と制動(回生)時の充放電動作は以下のようになる。
制動(回生)時は、電圧指令値Vcon *が正方向に増加すると、スイッチング素子T2のオン時比率が大きくなってコンバータ100の出力電圧を上昇させ、鉛蓄電池1への充電電流を増加させることができる。また、電圧指令値Vcon *が負方向に増加すると、スイッチング素子T2のオン時比率が小さくなってコンバータ100の出力電圧を低下させ、キャパシタ2への充電電流を増加させることができる。
以上から、鉛蓄電池1及びキャパシタ2の充放電電流が充放電電流分配率kに従って分担されるように制御することができる。
第1モータ駆動ユニット211は、半導体スイッチング素子T11〜T16からなる第1の電力変換器としての三相インバータ201と、その三相出力端子に固定子巻線が接続された第1のモータM1と、モータM1の中性点と直流母線の負極Nとの間に接続された第1の電源である二次電池としての鉛蓄電池1と、を備えている。なお、6c1,101は電流検出手段、7は前記同様に温度検出手段、91は磁極位置検出手段である。
また、直流中間コンデンサ11には、その電圧を検出する電圧検出手段12が設けられている。
図示しないが、鉛蓄電池1及びキャパシタ2は、モータM1,M2の中性点と直流母線の正極Pとの間にそれぞれ接続しても良い。
すなわち、図10におけるインバータINVの上アームまたは下アームのスイッチング素子を三相分すべてオン(反対側アームのスイッチング素子はすべてオフ)させることにより、零相分についてみると、インバータINVは図11のチョッパCHと等価になり、スイッチング素子T1a,T2aのオンオフにより2つの直流電源B1,B2の相互間で電力を授受することになる。
上記のデューティー比D1aを制御するには、以下のようにして零相電圧指令を正相電圧指令に加算して得た電圧指令をインバータINVに与えて制御すればよい。
図示するように、加算手段331において各相の正相電圧指令に零相電圧指令をそれぞれ加算することにより各相の電圧指令を生成し、これをPWM演算部332に入力して生成したゲート信号により図10のスイッチング素子Tu〜Tzをオンオフ制御する。
上記構成において、正相電圧指令に加算される零相電圧指令を制御することにより、デューティー比D1aを制御することができる。
この図13においても前述した数式4が成立し、更に、コンデンサ11の電圧V1とキャパシタ2の電圧V3に関して数式5が成立する。
更に、前述した特許第3223842号公報によれば、正相分に関して、図9の回路は図14となり、従来の三相インバータとして動作する。
図15において、341,342は、外部からの加速指令1,2及び制動指令1,2に基づいて、各モータ駆動ユニット211,212のモータM1,M2のトルクを制御するモータ制御部(正相分制御部)である。
また、381は、コンデンサ11の電圧指令値Edc *及び電圧検出値Edcの偏差がゼロになるようにPI調節演算を行って電流指令IN *を出力する電圧調節器(AVR)であり、383は、充放電電流分配率演算部382により鉛蓄電池1の温度検出値tmpから求めた充放電電流分配率kに従って前記電流指令IN *をインバータ201側の電流指令Ib *とインバータ202側の電流指令Ic *とに分配する電流指令分配部である。
なお、371,372は、電流検出値iu1,iw1,iu2,iw2から零相電流成分を除去するための零相電流除去演算部である。
前記電圧調節器381、充放電電流分配率演算部382、電流指令分配部383、電流調節器391,392は、正相分制御部であるモータ制御部341,342に対して、零相分制御部を構成しており、電流調節器391,392は、図9のインバータ201,202の各零相電流(それぞれ第1の電源電流、第2の電源電流といい、鉛蓄電池1からモータM1の中性点に流れる電流、キャパシタ2からモータM2の中性点に流れる電流に等しい)を制御する。
分配率kが0であるとき、電流指令分配部383に入力された電流指令IN *はすべて電流指令Ib *に振り分けられ、電流指令Ic *は零となる。この結果、インバータ201の零相電流、つまり、モータM1の駆動に必要な電源電流は、鉛蓄電池1のみがコンデンサ11との間で充放電することにより供給される。分配率kが0.5であるとき、電流指令分配部383に入力された電流指令IN *は50%ずつ電流指令Ib *,Ic *に分配され、鉛蓄電池1及びキャパシタ2によってモータ駆動に必要な電源電流を50%ずつ分担しながら充放電が行われる。分配率kが1.0であるときは、電流指令IN *がすべて電流指令Ic *に振り分けられ、電流指令Ib *は零となる。これにより、インバータ202の零相電流、つまり、モータM2の駆動に必要な電源電流は、キャパシタ2のみがコンデンサ11との間で充放電することにより供給される。
なお、図15の充放電電流分配率演算部382の構成は基本形態にて説明したものと同様であるため、説明を省略する。
図17は、第2実施形態の主要部である温度推定手段の構成図である。この実施形態は、基本形態及び第1実施形態における鉛蓄電池1の温度検出値tmpに代えて、温度上昇推定演算部13により、図1や図9における電流検出値Ibから鉛蓄電池1の温度上昇分Δtmpを推定し、この温度上昇分Δtmpを加算手段14により周囲温度検出値と加算して温度推定値tmp’を求めるようにした点である。この温度推定値tmp’が、図4や図15における温度検出値tmpに代えて用いられることになる。
2 電気二重層キャパシタ
4 ギアユニット
5 車輪
6a,6b,6c,6c1,6c2,101,102 電流検出手段
7 温度検出手段
8,12 電圧検出手段
9,91,92 磁極位置検出手段
11 直流中間コンデンサ
13 温度上昇推定演算部
14 加算手段
100 電流可逆型コンバータ
101 リアクトル
200,201,202 三相インバータ
211 第1モータ駆動ユニット
212 第2モータ駆動ユニット
300,300A 制御回路
301 マイコン
302 記憶装置
310 コンバータ制御部
311 充放電電流分配率演算部
312 充放電制御部
312a 乗算手段
312b 減算手段
312c PI調節手段
313 PWM演算部
320 インバータ制御部
321 モータ制御部
322 PWM演算部
331 加算手段
332 PWM演算部
341,342 モータ制御部
351,352 加算手段
361,362 PWM演算部
371,372 零相電流除去演算部
381 電圧調節器(AVR)
382 充放電電流分配率演算部
383 電流指令分配部
391,392 電流調節器(ACR)
M,M1,M2 モータ
P 直流母線の正極
N 直流母線の負極
U,V,W 交流出力端子
Tu〜Tz,T1,T2,T1a,T2a,T1b,T2b,T11〜T16,T21〜T26 半導体スイッチング素子
B1,B2 直流電源
INV インバータ
CH,CH1,CH2 チョッパ
ML,ML1,ML2 リアクトル
Claims (5)
- 第1の電力変換器と、第1の電力変換器の交流出力側に接続された第1のモータと、第1のモータの中性点と第1の電力変換器の直流母線の正極または負極との間に接続された第1の電源としての二次電池と、を有する第1モータ駆動ユニットと、
第2の電力変換器と、第2の電力変換器の交流出力側に接続された第2のモータと、第2のモータの中性点と第2の電力変換器の直流母線の正極または負極との間に接続された第2の電源としての電圧可変形エネルギー貯蔵素子と、を有する第2モータ駆動ユニットと、
第1,第2の電力変換器を構成する半導体スイッチング素子をオンオフ制御する制御回路と、
を備え、かつ、
第1,第2モータ駆動ユニットの直流母線を共通接続してなるモータ駆動装置において、
前記制御回路は、
前記二次電池の温度に基づいて前記二次電池及び前記エネルギー貯蔵素子の充放電電流の分配率を設定し、この分配率に基づいて第1,第2の電力変換器を構成する半導体スイッチング素子の駆動信号を生成する手段を備えたことを特徴とするモータ駆動装置。 - 請求項1に記載したモータ駆動装置において、
前記制御回路は、
前記分配率に従って第1,第2の電力変換器の零相分電圧指令を生成し、これらの零相分電圧指令を各電力変換器の正相分電圧指令にそれぞれ加算して最終的な出力電圧指令を生成することを特徴とするモータ駆動装置。 - 請求項1または2に記載したモータ駆動装置において、
前記制御回路は、
前記二次電池の温度が予め設定した閾値以下であるときに、前記二次電池による充放電電流が前記エネルギー貯蔵素子による充放電電流よりも多くなるように前記分配率を設定することを特徴とするモータ駆動装置。 - 請求項1〜3の何れか1項に記載したモータ駆動装置において、
前記制御回路に入力される前記二次電池の温度が、
前記二次電池の温度検出値、または、前記二次電池の充放電電流及び周囲温度から演算した温度推定値であることを特徴とするモータ駆動装置。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載したモータ駆動装置を搭載したことを特徴とする電動車両。
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