JP5692018B2 - 電気自動車 - Google Patents

Description

本発明は、車輪駆動用の電動機（モータ）を備える電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、燃料電池車、及び、車輪駆動用のモータとエンジンを共に備えるハイブリッド車も含まれる。

電気自動車は、バッテリの直流電力をモータ駆動に適した交流電力に変換するインバータを備える。インバータには、インバータのスイッチング動作に伴う電流の脈動を抑制するためにコンデンサが備えられる。以下ではそのようなコンデンサを平滑化コンデンサと称する。車輪駆動用のモータは消費電力が大きく、インバータが扱う電流も大電流となる。そのため、平滑化コンデンサにも大容量のものが備えられる。従って、車両が障害物に衝突した際には、安全のためにも平滑化コンデンサに残っている電荷を速やかに放出することが好ましい。

平滑化コンデンサを放電する技術の例として、特許文献１や特許文献２には、インバータのスイッチングロスを活用してコンデンサに蓄えられた電気エネルギを放出する技術が提案されている。また、その他に平滑化コンデンサを放電する手法として、放電抵抗（電気抵抗が大きく、電流を流すと発熱して電気エネルギを散逸させることができるデバイス）を利用することが考えられている。放電抵抗に代えて、既存の電気デバイス、例えばヘッドライトやクラクションを放電デバイスとして用いることも提案されている。特許文献１や特許文献２の技術は、インバータそのものを放電デバイスとして活用するというものである。

特開２０１０−１３０８４５号公報 特開２００５−２０９５２号公報

衝突の衝撃が大きいと、駆動輪が浮き、モータが回転したままとなる事態が起こり得る。モータが回転したままであると、モータの逆起電力により生じた電流がインバータへ流れ込む。放電デバイスにより平滑化コンデンサに蓄積された電気エネルギを放出している間にも逆起電力によって生成される電流まで放電デバイスに流れ込んでしまうと、放電に要する時間が長くなってしまう。本明細書は、衝突時、モータの逆起電力により発生する電流によって平滑化コンデンサの放電時間が長くなってしまうことを防止する技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、車両が衝突した際（正確には、車両が衝突したことを示す信号が何らかのデバイスから発信された際）、インバータとモータ（３相交流モータ）を切り離す。本明細書が開示する技術は、モータをインバータから単に切り離すだけでなく、モータから出ているＵＶＷ３相のモータ線（モータの巻き線に繋がる電力供給線）を相互に短絡させる。モータ線を相互に短絡させることによって、モータの巻き線が閉じた回路を構成する。そうすると、モータの逆起電力によって誘導電流（交流電流）が発生するが、その誘導電流が電磁気作用によって力（ローレンツ力）を発生する。ローレンツ力はモータの回転を止める向きに作用する。即ち、複数のモータ線をインバータから切り離して相互に短絡することによって、誘導電流のインバータへの流入を防ぐと同時に、ローレンツ力による制動をモータに加えることができる。

本明細書が開示する技術は、電気自動車に具現化することができる。その電気自動車は、車輪駆動用モータ（３相交流モータ）に電力を供給するインバータと、コンデンサ（平滑化コンデンサ）と、放電デバイスと、リレーと、コントローラを備える。コンデンサはインバータの入力端に並列に接続されている。放電デバイスは、コンデンサに並列に接続されており、コンデンサを放電する。リレーは、モータから出ているＵＶＷ３相のモータ線の接続先を、インバータから相互に短絡するように切り換える。なお、以下では、そのようなリレーを「短絡リレー」と称して他のリレーと区別する。コントローラは、車両が衝突したことを示す信号が入力された場合に、モータ線の接続先をインバータから相互の短絡に切り換えるように短絡リレーを制御するとともに、放電デバイスを作動させる。放電デバイスは、例えば放電抵抗でよい。この場合、放電デバイスを作動させることは、放電抵抗を平滑化コンデンサに接続することに相当する。

モータの回転が低い場合には、逆起電力による誘導電流も小さく、これを考慮する必要もない。そこで、コントローラは、モータの回転数が予め定められた回転数閾値以下の場合は、モータ線の接続先をインバータから相互の短絡に切り換えることなく放電デバイスを作動させても良い。ただし、コントローラは、モータの回転数が回転数閾値を超えている場合は、モータ線の接続先をインバータから相互の短絡に切り換えるとともに放電デバイスを作動させる。

あるいは、モータの逆起電力による誘導電流を考慮する必要がなければ、モータ自体を放電デバイスとして用いることも可能である。即ち、コントローラは、モータの回転数が予め定められた回転数閾値以下の場合は、モータ線の接続先をインバータから相互の短絡に切り換えることなく、コンデンサに蓄積された電力をモータへ放出しても良い。ただし、コントローラは、モータの回転数が回転数閾値を超えている場合は、モータ線の接続先をインバータから相互の短絡に切り換えるとともに放電デバイスを作動させる。

短絡リレーの確実な動作を考えると、短絡リレーは、電力無供給時はモータ線を相互に短絡させ、電力が供給されるとモータ線をインバータに接続するように結線されていることが好ましい。

さらに、放電デバイスを作動させる際、バッテリから電流が放電デバイスに流れ込むことも好ましくない。そこで、本明細書が開示する電気自動車のさらなる改良では、コンデンサと放電デバイスとインバータとが並列に接続された回路にバッテリを接続したり遮断する入力遮断リレーをさらに備え、コントローラは、車両が衝突したことを示す信号が入力された場合に、上記回路とバッテリとの接続を遮断するように入力遮断リレーを制御することが好ましい。その場合、入力遮断リレーは、電力無供給時は上記回路とバッテリとの接続を切断し、電力が供給されるとバッテリを上記回路に接続するノーマルオープンタイプであるとよい。

実施例の電気自動車の駆動系の回路図である。 放電処理のフローチャート図である（第１実施例）。 放電処理のフローチャート図である（第２実施例）。 放電処理のフローチャート図である（第３実施例）。 放電処理のフローチャート図である（第４実施例）。

（第１実施例）図１に、実施例に係る電気自動車１００の駆動系の回路図を示す。電気自動車１００は車輪駆動用のモータ６を有する１モータの車両である。モータ６は、３相交流モータである。なお、図１は、本発明を説明するのに必要なユニットだけを示しており、電気自動車が備えるべき全てのユニットを図示してはいないことに留意されたい。

電気自動車１００の駆動系は、主として、バッテリ９、入力遮断リレー３、放電デバイス２０、平滑化コンデンサ１２、インバータ４、短絡リレー回路５、モータ６、及び、コントローラ２で構成される。バッテリ９は、典型的には、出力電圧が３００［Ｖ］の高電圧高出力のリチウムイオンバッテリである。なお、電気自動車１００は、バッテリ９の他に、オーディオやナビゲーションシステム、及び、コントローラ２などの小電力デバイスを駆動するためのサブバッテリ（不図示）も有する。サブバッテリの出力電圧は典型的には１２［Ｖ］あるいは２４［Ｖ］である。

電気自動車１００は、その他、センサとして、モータ６に電力を供給するＵＶＷ３相のモータ線１４の各線に流れる電流を計測する電流センサ１３、及び、モータ６の回転数を計測する回転数センサ１５を備える。他にもインバータ４の入力電圧を計測する電圧センサやインバータ４の出力電圧を計測する電圧センサ等も有するがそれらの図示は省略している。

まずインバータ４について説明する。インバータ４は、６個のスイッチング回路Ｓｗ１〜Ｓｗ６で構成される。即ち、ここでは、バッテリ９の直流電力から３相の交流電力を発生する６個のスイッチング回路群をインバータ４と称している。各スイッチング回路Ｓｗ１〜Ｓｗ６は、ＩＧＢＴとダイオード（還流ダイオード）が逆並列に接続された回路構成を有している。なお、電流許容値の小さいＩＧＢＴで大電流を許容するスイッチング回路を構成するために、複数のＩＧＢＴを並列につないで一つのスイッチング回路を構成することもある。各スイッチング回路（ＩＧＢＴ）をＯＮ（導通）／ＯＦＦ（開放）するＰＷＭ信号は、コントローラ２が供給する。

インバータ４では、２個のスイッチング回路が直列に接続された組が３組並列に接続されており、直列の２個のスイッチング回路の接続点からモータ６へインバータ出力線が伸びている。インバータ４の出力は、ＵＶＷの３本であり、その３本の出力線は、短絡リレー回路５を通じてモータのＵＶＷ各線（モータ線１４）に接続されている。３本の出力線の夫々と、その出力線に対応するスイッチング回路の組は「アーム」と呼ばれる。

短絡リレー回路５は、モータから出ているＵＶＷ３相のモータ線１４の各線の接続先を、インバータの対応する出力端から、相互に短絡するように切り換えるためのスイッチである。短絡リレー回路５は、３個のリレー５ａ、５ｂ、及び、５ｃで構成され、モータ線１４の各線の接続先を、インバータ出力から、共通の導通線５ｄへ切り換えることができる。３個のリレー５ａ〜５ｃは、コントローラ２からの指令により一斉に切り換わる。短絡リレー回路５は、３個のリレー５ａ〜５ｃの総称である。なお、各リレー５ａ〜５ｃは、接点を駆動するコイルに電圧が供給されているときにはモータ線１４をインバータ４に接続し、電力無供給時は複数のモータ線１４を相互に短絡するように結線されている。なお、以下では、表現上の便宜のため、複数のモータ線１４を相互に短絡させることを、単純に相互短絡と称する場合がある。

インバータ４の入力端４ａ、４ｂは、入力遮断リレー３を介してバッテリ９に接続されている。入力遮断リレー３は、バッテリ９の正極に繋がる正極線１０ａとバッテリ９の負極に繋がる負極線１０ｂの双方に組み込まれており、両方のリレーともコントローラ２からの指令により同時に開閉する。正極線１０ａに組み込まれたリレーと負極線１０ｂに組み込まれたリレーを、入力遮断リレー３と総称する。入力遮断リレー３は、接点を駆動するコイルに電圧が供給されている間は閉じ（即ちバッテリ９とインバータ４を接続し）、電力無供給時には開放となる（即ちバッテリ９とインバータ４を遮断する）。即ち入力遮断リレー３は、いわゆるノーマルオープンタイプである。

インバータ４の入力側（直流側）において正極線１０ａと負極線１０ｂの間に平滑化コンデンサ１２が接続されている。即ち、平滑化コンデンサ１２は、インバータの入力端（直流電力の入力端）に並列に接続されている。さらに別言すれば、インバータ４の２個の入力端４ａ、４ｂの間に平滑化コンデンサ１２が接続されている。平滑化コンデンサ１２は、インバータ４のスイッチング動作の影響による入力電流の脈動を抑制するために挿入されている。バッテリ９からインバータ４へ流れる大電流を平滑化するため、平滑化コンデンサ１２は大容量である。衝突した際、平滑化コンデンサ１２に蓄積された電気エネルギが不用意に他のデバイスに流れ込むことは好ましくない。そのため、車両が衝突した際には平滑化コンデンサ１２に蓄積された電気エネルギは速やかに放出されることが好ましい。電気自動車１００はそのために放電デバイス２０を備えている。

放電デバイス２０は、放電抵抗２２とスイッチリレー２１の組み合わせであり、平滑化コンデンサ１２と並列に接続されている。放電抵抗２２は、高抵抗でありかつ耐熱性の高い金属であり、電流が流れると発熱する。放電抵抗２２は電気エネルギを熱エネルギに変換して散逸させるデバイスである。スイッチリレー２１は、コントローラ２からの指令により開閉する。コントローラ２がスイッチリレー２１を駆動し、放電抵抗２２を平滑化コンデンサ１２と接続することが「放電デバイスを作動させる」ことの一例に相当する。スイッチリレー２１は、接点を駆動するコイルに電圧が供給されている間は接点を閉じ（即ち放電抵抗２２を平滑化コンデンサ１２に接続し）、電力無供給時は開放となる（即ち、放電抵抗２２を平滑化コンデンサ１２から切り離す）。スイッチリレー２１もいわゆるノーマルオープンタイプである。

電気自動車１００には他に、加速度センサ２４が備えられている。加速度センサ２４は、エアバッグシステム（不図示）の一部であり、検知した加速度が所定の大きさ以上であると、信号を出力する。「検知した加速度が所定の大きさ以上である場合」は、車両が衝突したことを意味する。従って、コントローラ２が加速度センサ２４から受ける信号が、「車両が衝突したことを示す信号」に相当する。以下、加速度センサ２４が出力する「車両が衝突したことを示す信号」を単純に「衝突信号」と称する。なお、加速度センサ２４からの信号とは別に、他のデバイスから「車両が衝突したことを示す信号」が送られることもあり得る。例えば、電子デバイス間の通信が途絶えたことを示す信号も、「車両が衝突したことを示す信号」の一つになり得る。「車両が衝突したことを示す信号」とは厳密には、「車両設計段階において、車両が衝突した際に起こり得ると想定した事象を通知する信号」である。

コントローラ２は、衝突信号を受信すると、平滑化コンデンサ１２に蓄積された電気エネルギ（電荷）を放出する処理を実行する。衝突信号を受信した際にコントローラ２が実行する処理（放電処理）のフローチャートを図２に示す。図２に示すように、コントローラ２は、衝突信号を受信すると、まずインバータ４を停止する（Ｓ２）。次いでコントローラ２は、短絡リレー回路５を切り換えて、モータ線１４を相互短絡する（Ｓ４）。そしてコントローラ２は、放電デバイス２０を作動させる（Ｓ６）。前述したように、「放電デバイスを駆作動させる」とは、スイッチリレー２１を閉じ、放電抵抗２２を平滑化コンデンサ１２に接続することの一例である。

上記の動作は、以下の利点を有する。第一に、複数のモータ線１４を相互に短絡し、モータ６をインバータ４から切り離すことによって、逆起電力に起因する誘導電流がインバータ４へ逆流することを阻止する。インバータ側では放電デバイス２０（放電抵抗２２）が平滑化コンデンサ１２の電気エネルギを散逸させているが、そこに誘導電流が加わることが阻止される。誘導電流が加わることによって平滑化コンデンサ１２の放電完了が遅延することが防止される。第二に、衝突後に慣性によってモータ６が回転し続けたとしても、モータ線１４を相互短絡させることによってモータ６に制動力を加えることができる。これは、相互短絡によってモータの巻き線が閉じた回路となり、逆起電力に起因する誘導電流がローレンツ力を誘起し、そのローレンツ力が制動力となってモータに作用するからである。

コントローラ２が実行する放電処理にはいくつかの改良パターンがある。以下、他の放電処理を説明する。なお、ハードウエア構成は図１のものと同じでよいので、以下では図１の構成を参照しながら改良した放電処理を説明する。

（第２実施例）図３に、第２実施例の放電処理のフローチャートを示す。第２実施例の放電処理では、モータの回転数に応じて、短絡リレーを切り換えるか否かを決定する。コントローラ２は、衝突信号を受信すると、まずインバータ４を停止する（Ｓ１２）。次にコントローラ２は、回転数センサ１５のセンサデータに基づき、モータ６の回転数が予め定められた回転数閾値Ｎｔｈ以下であるか否かを判断する（Ｓ１４）。モータ６の回転数が閾値Ｎｔｈ以下である場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、コントローラ２は、短絡リレー５回路を切り換えることなく（モータ線１４を相互短絡させることなく）、直ちに放電デバイス２０を作動させる（Ｓ１８）。他方、コントローラ２は、モータ回転数が閾値Ｎｔｈを超えている場合、短絡リレー回路５を切り換えてモータ線１４を相互短絡した後に放電デバイス２０を作動させる（Ｓ１４：ＮＯ、Ｓ１６、Ｓ１８）。

モータの回転数閾値Ｎｔｈは、逆起電力による誘導電流が平滑化コンデンサ１２の放電に大きな影響を与えない値に設定される。例えば、回転数閾値Ｎｔｈは１０００［ｒｐｍ］に定められる。その程度の低回転であれば、逆起電力が平滑化コンデンサ１２の放電に与える影響は小さい。第２実施例の放電処理では、モータの回転数が低い場合には直ちに放電デバイス２０が駆動されるので、平滑化コンデンサ１２の放電が速やかに実施される。

（第３実施例）図４に、第３実施例の放電処理のフローチャートを示す。第３実施例の放電処理では、モータの回転数が低い場合には、放電デバイス２０の代わりにモータ６を使って平滑化コンデンサ１２を放電する。コントローラ２は、衝突信号を受信すると、まずインバータ４を停止する（Ｓ２２）。次にコントローラ２は、回転数センサ１５のセンサデータに基づき、モータ６の回転数が予め定められた回転数閾値Ｎｔｈ以下であるか否かを判断する（Ｓ２４）。モータ６の回転数が閾値Ｎｔｈ以下である場合（Ｓ２４：ＹＥＳ）、コントローラ２は、短絡リレー５回路を切り換えることなく（モータ線１４を相互短絡させることなく）、モータ６を使って平滑化コンデンサ１２を放電する（Ｓ２９）。具体的には、コントローラ２は、インバータ４のスイッチング回路に適宜のスイッチング指令（ＰＷＭ信号）を与える。そうすると、平滑化コンデンサ１２に蓄えられた電気エネルギがインバータ４を通じてモータ６へと流れ、インバータ４のスイッチングロスとモータ６の動きによって電気エネルギが消費される。他方、コントローラ２は、モータ回転数が閾値Ｎｔｈを超えている場合、短絡リレー回路５を切り換えてモータ線１４を相互短絡した後に放電デバイス２０を作動させる（Ｓ２４：ＮＯ、Ｓ２６、Ｓ２８）。モータの回転数閾値Ｎｔｈの大きさは、第２実施例の場合と同様にして定められる。

第３実施例の場合、衝突信号受信時にモータの回転数が低い場合は、モータ６とインバータ４を放電デバイスとして活用する。放電抵抗２２は発熱により電気エネルギを散逸させるので、消耗が激しい。第３実施例は、放電抵抗以外で平滑化コンデンサ１２を放電できる場合には放電抵抗を使わずに済む。従って放電抵抗２２の消耗が少なく済む。

（第４実施例）図５に、第４実施例の放電処理のフローチャートを示す。第４実施例の放電処理では、放電デバイス２０を作動させる際にバッテリ９を切り離す。放電デバイス２０にバッテリ９からの電流が流れ込むことを阻止し、平滑化コンデンサ１２の放電を速やかに行わせる。コントローラ２は、衝突信号を受信すると、インバータ４を停止する（Ｓ３２）。次にコントローラ２は、短絡リレー回路５を切り換えてモータ線１４を相互短絡する（Ｓ３４）。次いでコントローラ２は、入力遮断リレー３を開放し、バッテリ９を放電デバイス２０と平滑化コンデンサ１２の回路から切り離す（Ｓ３６）。その後、コントローラ２は、放電デバイス２０を作動させる（Ｓ３８）。

第４実施例の場合、平滑化コンデンサ１２の放電の間にバッテリ９から電流が放電デバイス２０に流れ込まないので、平滑化コンデンサ１２の放電が速やかに完了する。

実施例に関する留意点を述べる。入力遮断リレー３を開放する処理（図５のステップＳ３６）を、第２実施例あるいは第３実施例における放電処理に組み込むことも好適である。例えば、ステップＳ１２（図３参照）の処理において、コントローラ２は、インバータ４を停止するとともに入力遮断リレー３を開放することも好適である。あるいは、ステップＳ２２（図４参照）の処理においても、コントローラ２は、インバータ４を停止するとともに入力遮断リレー３を開放してもよい。いずれの場合も、バッテリ９を放電デバイス２０と平滑化コンデンサ１２の回路から切り離すことによって、平滑化コンデンサ１２の放電を速やかに完了することができる。

放電デバイス２０は放電抵抗２２に限られない。車両のオーディオやヘッドライト、あるいは、クラクションを放電デバイスとして活用してもよい。

実施例の電気自動車１００は１モータの車両であった。本明細書が開示する技術は、車輪駆動用のモータとエンジンの双方を有するハイブリッド車に適用することも好適である。

実施例では、いくつかのフローチャートを説明した。フローチャートにおける処理の順番は、本明細書が開示する技術的思想を超えない範囲で変更してもよい。例えば、図２のフローチャートでは、短絡リレーを切り換えた後に（Ｓ４）、放電デバイスを作動させる（Ｓ６）。そのような処理の順番に代えて、短絡リレーを切り換えると同時に放電デバイスを動作させてもよい。放電デバイスを動作させた後に短絡リレーを切り換えてもよい。ただし、放電デバイスを動作させた後に短絡リレーを切り換えるのは、モータの逆起電力による電流が、放電デバイスによる放電時間の許容時間を超えない時間内とする必要があることに留意されたい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：コントローラ
３：入力遮断リレー
４：インバータ
５：短絡リレー回路
５ａ、５ｂ、５ｃ：リレー
５ｄ：共通導通線
６：モータ
９：バッテリ
１０ａ：正極線
１０ｂ：負極線
１２：平滑化コンデンサ
１３：電流センサ
１４：モータ線
１５：回転数センサ
２０：放電デバイス
２１：スイッチリレー
２２：放電抵抗
２４：加速度センサ
１００：電気自動車
Ｓｗ：スイッチング回路

Claims (5)

1. 車輪駆動用モータに電力を供給するインバータと、
   インバータの入力端に並列に接続されているコンデンサと、
   コンデンサに並列に接続されており、コンデンサを放電する放電デバイスと、
   前記モータから出ているＵＶＷ３相のモータ線の接続先を、インバータから相互に短絡するように切り換える短絡リレーと、
   車両が衝突したことを示す信号が入力された場合に、モータ線の接続先をインバータから、相互の短絡に切り換えるように短絡リレーを制御するとともに、放電デバイスを作動させるコントローラと、
   を備えており、
   コントローラは、
   モータの回転数が予め定められた回転数閾値以下の場合は、モータ線の接続先をインバータから相互の短絡に切り換えることなく放電デバイスを作動させ、
   モータの回転数が前記回転数閾値を超えている場合は、モータ線の接続先をインバータから相互の短絡に切り換えるとともに放電デバイスを作動させる、
   ことを特徴とする電気自動車。
2. 車輪駆動用モータに電力を供給するインバータと、
   インバータの入力端に並列に接続されているコンデンサと、
   コンデンサに並列に接続されており、コンデンサを放電する放電デバイスと、
   前記モータから出ているＵＶＷ３相のモータ線の接続先を、インバータから相互に短絡するように切り換える短絡リレーと、
   車両が衝突したことを示す信号が入力された場合に、モータ線の接続先をインバータから、相互の短絡に切り換えるように短絡リレーを制御するとともに、放電デバイスを作動させるコントローラと、
   を備えており、
   コントローラは、
   モータの回転数が予め定められた回転数閾値以下の場合は、モータ線の接続先をインバータから相互の短絡に切り換えることなく、コンデンサに蓄積された電力をモータへ放出し、
   モータの回転数が前記回転数閾値を超えている場合は、モータ線の接続先をインバータから相互の短絡に切り換えるとともに放電デバイスを作動させる、
   ことを特徴とする電気自動車。
3. 前記短絡リレーは、電力無供給時はモータ線を相互に短絡させ、電力が供給されるとモータ線をインバータに接続することを特徴とする請求項１または２に記載の電気自動車。
4. バッテリの出力端に設けられており、コンデンサと放電デバイスとインバータとが並列に接続された回路にバッテリを接続したり遮断する入力遮断リレーをさらに備えており、
   コントローラは、車両が衝突したことを示す信号が入力された場合に、バッテリとインバータとの接続を遮断するように入力遮断リレーを制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電気自動車。
5. 前記入力遮断リレーは、電力無供給時は前記回路とバッテリとの接続を切断し、電力が供給されるとバッテリとインバータを接続するノーマルオープンタイプであることを特徴とする請求項４に記載の電気自動車。

Images