JP5924367B2 - 電動車両 - Google Patents

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Description

本発明は、電動車両に関し、特にバッテリを昇温させる際の制御に関する。
電動車両、例えばモータによって車両を駆動する電気自動車、またはモータとエンジンの出力によって車両を駆動するハイブリッド車両では、電源であるバッテリの直流電圧を、昇圧装置を介して、または昇圧装置を介さずにインバータに供給し、インバータで交流電力に変換して車両駆動用のモータに供給する場合がある。
特許文献1には、車両駆動用のモータとして、バッテリに共通に接続される同期モータ及び誘導モータを搭載する電動車両が記載されている。この電動車両では、前輪が複数の同期モータによって駆動され、後輪が誘導モータによって駆動される。
特開平7−15804号公報
電動車両でバッテリの低温時には充放電電力制限を行って、バッテリ保護を図る場合がある。充電電力の制限が行われると、モータの回生トルクが低下することによる運転性の変化、または回生電力の低下による燃費性能の悪化につながる恐れがある。一方、放電電力の制限が行われると、モータ出力の低下による車両の加速性能の悪化、またはハイブリッド車両の場合にエンジンの駆動領域の拡大によって燃費性能の悪化につながる恐れがある。このような事情から、バッテリの低温時にバッテリの昇温を促進することが求められる。
本発明は、電動車両において、バッテリの低温時にバッテリの昇温を促進することを目的とする。
本発明の電動車両は、バッテリと、前記バッテリに共通に接続される誘導モータ及び同期モータと、前記バッテリの低温時に、バッテリ電流の電流変動の所定周波数に基づいて前記電流変動の振幅を大きくするように前記誘導モータのすべり周波数指令を変化させる制御装置と、を含む。
本発明の電動車両によれば、バッテリの低温時にバッテリ電流の電流変動の振幅を大きくできるので、バッテリの昇温を促進できる。
本発明の実施形態の電動車両の構成図である。 本発明の実施形態の電動車両に用いられる誘導モータジェネレータのトルク、すべり周波数、及び電流の関係を表す特性曲線を示す図である。 本発明の実施形態の電動車両のバッテリ昇温制御方法を説明するためのフローチャートである。 図3に示したバッテリ昇温制御を実行する場合において、本発明の実施形態の電動車両におけるバッテリ温度TB、バッテリ電流IB、誘導モータトルク指令Tr*、すべり周波数指令S*、及び誘導モータ電流指令I*の時間変化と、バッテリ電流IBの周波数分析とを示す図である。 本発明の実施形態の電動車両のバッテリ電流IBと誘導モータ電流リップルのインバータの直流側(コンバータ側)換算値との時間変化を示す図である。 本発明の実施形態の電動車両のバッテリ昇温制御方法の別例の第1例を説明するためのフローチャートである。 図6に示したバッテリ昇温制御を実行する場合において、本発明の実施形態の電動車両におけるバッテリ電流IB、誘導モータトルク指令Tr*、すべり周波数指令S*、及び誘導モータ電流指令I*、及び誘導モータ消費電力Pwの時間変化を示す図である。 本発明の実施形態の電動車両のバッテリ昇温制御方法の別例の第2例を説明するためのフローチャートである。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。以下において、複数の実施形態、または変形例は適宜、それらを組み合わせて実施することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。また、以下では車両駆動用の同期モータ及び誘導モータとして、それぞれ発電機としての機能も有する同期モータジェネレータ及び誘導モータジェネレータを説明するが、それぞれ単に電動モータの機能を持つものとしてもよい。また、以下では、電動車両として、前輪及び後輪を2つのモータジェネレータで駆動する車両を説明するが、電動車両は、エンジン及びモータジェネレータを走行駆動源として有するハイブリッド車両であってもよい。電動車両は電気自動車または燃料電池車であってもよい。
図1に示すように、本実施形態の電動車両10は、バッテリ11と、バッテリ11に共通に接続される同期モータジェネレータ12及び誘導モータジェネレータ14と、前側駆動機構15及び前輪16と、後側駆動機構17及び後輪18と、PCU30と、制御装置50とを含んで構成される。
同期モータジェネレータ12は、バッテリ11に接続され、バッテリ11から後述するPCU30を介して供給される電力によって駆動される。同期モータジェネレータ12は、永久磁石が組み込まれたロータとステータとを備える3相同期電動発電機とすることができる。以下では、「同期モータジェネレータ」は「同期MG」と記載し、「誘導モータジェネレータ」は「誘導MG」と記載する。
同期MG12の駆動力は、前側駆動機構15を介して前側の車軸21に伝達され、車軸21に連結された前輪16が駆動される。同期MG12は、車両減速時に回生制動を行う場合に電力回生用の発電機としての機能も有する。同期MG12で発生した電力は、PCU30を介してバッテリ11に供給され、バッテリ11が充電される。同期MG12には、同期MG12の回転軸の回転角度を検出する第1回転センサ22が取り付けられる。
誘導MG14は、同期MG12と同様にバッテリ11に接続され、バッテリ11からPCU30を介して供給される電力によって駆動される3相誘導電動発電機である。誘導MG14は、ロータ及びステータを含み、ロータは電磁鋼板の積層体と、積層体を貫通する複数の導体バーと、積層体の軸方向両側に設けられ、複数の導体バーの端部に接続される導体リングとを含んで形成されるかご型ロータとしてもよい。誘導MG14のロータは、複数の誘導コイルが設けられるコイル付ロータとしてもよい。
誘導MG14の駆動力は、後側駆動機構17を介して後側の車軸23に伝達され、車軸23に連結された後輪18が駆動される。誘導MG14も、車両減速時に回生制動を行う場合に電力回生用の発電機としての機能を有し、誘導MG14で発生した電力は、PCU30を介してバッテリ11に供給され、バッテリ11が充電される。誘導MG14には、誘導MG14の回転軸の回転角度を検出する第2回転センサ24が取り付けられる。第1回転センサ22及び第2回転センサ24の検出値を表す信号は制御装置50に送信される。
前側駆動機構15または後側駆動機構17は、電動車両10がハイブリッド車両である場合に、エンジンからの動力とモータジェネレータからの動力とのうち、少なくとも一部を車軸21または車軸23に出力するように構成される動力分割機構であってもよい。動力分割機構は、遊星歯車機構により形成される。
PCU30は、同期MG12及び誘導MG14とバッテリ11との間に接続される。PCU30は、第1インバータ32及び第2インバータ34と、昇圧コンバータ36とを含んで構成される。昇圧コンバータ36は、制御装置50からの制御信号により制御され、各インバータ32,34は、制御装置50からの制御信号により制御される。昇圧コンバータ36は、2個直列に接続されたスイッチング素子と、各スイッチング素子に対し逆方向電流を流すように並列に接続された2個のダイオードと、各スイッチング素子の間に一端が接続されたリアクトルとを含む。スイッチング素子として、IGBTなどのトランジスタが用いられる。昇圧コンバータ36は、バッテリ11と各インバータ32,34との間に接続され、制御装置50により昇圧指令で制御されることにより、バッテリ11から入力された電圧VL側の直流電圧を昇圧して、各インバータ32,34に昇圧電圧を出力する機能を有する。
昇圧コンバータ36は、制御装置50によって降圧指令で制御される場合に、出力側(電圧VH側)の直流電圧を降圧して、バッテリ11に直流電圧を出力する機能も有する。これによって、バッテリ11が充電される。昇圧コンバータ36の入力側の直流電圧VL及び出力側の直流電圧VHを検出するために、図示しない電圧センサがそれぞれ設けられ、各電圧センサの検出値を表す信号が制御装置50に送信される。
第1インバータ32は、昇圧コンバータ36から入力された直流電圧を交流電圧に変換して同期MG12に出力し、同期MG12を駆動する。第1インバータ32は、同期MG12が回生発電した場合に、その発電により得られた交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を昇圧コンバータ36に出力する機能も有する。
第2インバータ34は、昇圧コンバータ36から入力された直流電圧を交流電圧に変換して誘導MG14に供給し、誘導MG14を駆動する。第2インバータ34は、誘導MG14が回生発電した場合に、その発電により得られた交流電圧を直流電圧に変換し、その直流電圧を昇圧コンバータ36に出力する機能も有する。
第1インバータ32及び第2インバータ34は、それぞれU,V,Wの3相の上アーム、下アームのそれぞれに設けられるスイッチング素子を含み、各スイッチング素子のスイッチングが制御装置50からの制御信号により制御される。第1インバータ32のU,V,Wの各相の上アームと下アームとの間と同期MG12の各相の入力端子は動力線で接続されており、各相の動力線のうち、U相、V相の動力線に、モータ電流を検出する電流センサ26u、26vが取り付けられている。W相の動力線には電流センサは取り付けられていないが、3相交流では各相の電流の合計はゼロとなるので、W相の電流値はU相、V相の電流値から計算で求められる。第2インバータ34と誘導MG14とを接続するU相、V相の動力線にも、同様に電流センサ28u、28vが取り付けられる。各電流センサ26u、26v、28u、28vの検出値を表す信号は制御装置50に送信される。
バッテリ11は、ニッケル水素電池またはリチウムイオン電池または他の形式の二次電池である。バッテリ11と昇圧コンバータ36との間に図示しないシステムリレーが設けられ、システムリレーは、制御装置50によりオンオフ動作が制御される。昇圧コンバータ36とバッテリ11との間、及び、昇圧コンバータ36と各インバータ32,34との間に、平滑化用のコンデンサ37,38がそれぞれ接続される。
バッテリ11にはバッテリ電流であって、図1の矢印A1方向の電流を正とするバッテリ電流IBを検出するバッテリ電流センサ11aが接続され、バッテリ電流センサ11aの検出値IBを表す信号が制御装置50に送信される。バッテリ11にはバッテリ11の温度TBを検出するバッテリ温度センサ11bも取り付けられ、バッテリ温度センサ11bの検出値TBを表す信号が制御装置50に送信される。バッテリ電流センサ11aの代わりに、またはバッテリ電流センサ11aとともに、昇圧コンバータ36を構成するリアクトルを流れる電流であって、バッテリ関係電流であるリアクトル電流ILを検出し、その検出値ILを表す信号を制御装置50に送信するリアクトル電流センサを設けてもよい。
アクセル位置センサ(図示せず)は、アクセルペダルのアクセル位置APを検出し、アクセル位置APを表す信号が制御装置50に送信される。前側及び後側の車軸21,23には、車軸21,23の回転速度から車速を検出する前側車速センサ及び後側車速センサ(図示せず)がそれぞれ取り付けられ、前側、後側の各車速センサの検出値を表す信号が制御装置50に送信される。前側、後側の車速センサの両方の検出値に基づく平均値が車速検出値として用いられる。前側、後側の車速センサの一方のみの検出値を用いることもでき、その場合、他方の車速センサは省略されてもよい。
制御装置50は、CPU、メモリを有するマイクロコンピュータを含む。図示の例では、制御装置50として1つの制御装置50のみを図示しているが、制御装置50は適宜複数の構成要素に分割して、互いに信号ケーブルで接続する構成としてもよい。制御装置50は、CPUを含む演算部52と、メモリを含む記憶部54と、図示しない機器・センサインターフェースとを含む。記憶部54の内部には、電動車両の制御データ及び制御プログラムと、後述するバッテリ昇温制御プログラム56を含む。バッテリ昇温制御プログラム56は、IB変動増大プログラム58を有する。制御データは、図2に示す誘導MG14の最適効率ラインE及び特性曲線a〜eを含む。昇圧コンバータ36及びインバータ32,34の各スイッチング素子は、機器・センサインターフェースを通して制御装置50に接続され、制御装置50の指令によって動作される。電流センサ26u、26v、28u、28v、電圧センサ、回転センサ22,24、及び車速センサの出力は機器・センサインターフェースを通して制御装置50に入力される。
上記の電動車両10の動作を説明する前に、図2を参照しながら、誘導MG14のすべり周波数Sに対する出力トルク特性及び制御を説明する。
図2の実線a、破線b、点線c,一点鎖線d、二点鎖線eは、それぞれ誘導MG14に供給された電流I1、I2、I3,I4,I5(I1>I2>I3>I4>I5)における出力トルクとすべり周波数Sの関係を示す特性曲線である。図2の実線aはステータコイルに流れる電流I1が最大電流の場合の特性曲線である。図2の線a〜eに示すように、誘導MG14は、すべり周波数Sがゼロ、すなわち、ロータの回転によるロータの電気周波数とステータコイルに流れる電流の電気周波数との差がゼロの場合には、出力トルクがゼロであり、すべり周波数Sが増加、すなわち、ロータの回転によるロータの電気周波数とステータコイルに流れる電流の電気周波数との差が大きくなるにしたがって、出力トルクが大きくなる。すべり周波数Sを増大させていくと、あるすべり周波数Sで出力トルクは最大となり、それ以上にすべり周波数Sを増大させていくと、すべり周波数Sが増加するにしたがって、出力トルクは減少する。また、出力トルクは、ステータのコイルに流れる電流Iが大きいほど大きくなり、電流Iが小さいほど小さくなる。
図2の太い実線Eは、上記のような特性を有する誘導MG14を駆動する際に、ある出力トルクが得られる最も効率の良い電流Iとすべり周波数Sの点をつないだ最適効率ラインEである。したがって、誘導MG14の運転点が最適効率ラインEの上から外れると誘導MG14の効率が低下し、同一の出力に対する消費電力量が増加する。通常の制御では、制御装置50は、要求トルクに対してこの最適効率ラインEに沿ってステータコイルに供給する電流値I(A)とすべり周波数S(Hz)とを決定する。そして、制御装置50は、第2回転センサ24で検出された誘導MG14のロータの回転数から、ロータの電気周波数fr(Hz)を計算し、計算された電気周波数fr(Hz)に先に求めたすべり周波数S(Hz)を加えた電気周波数FA(Hz)を計算する。
制御装置50は、第2インバータ34を動作させ、電気周波数FA(Hz)で、電流I(A)の交流電流を誘導MG14のステータコイルに供給し、走行状態に応じたトルク及び駆動力を発生させる。図2に示すように、トルク指令TrがTr1の場合、図2に示す最適効率ラインEによりすべり周波数SはS1であり、電流は破線bの特性曲線の電流I2である。これによって、制御装置50は、ロータの電気周波数fr(Hz)にすべり周波数S1(Hz)を加えて電気周波数FA(Hz)を計算し、インバータ40を動作させて、電気周波数FA(Hz)で、電流I2(A)の交流電流を誘導MG14のステータコイルに供給する。
制御装置50は、電動車両10の走行データに基づいて同期MG12及び誘導MG14のトルク指令Trを算出し、算出されたトルク指令Trに基づいて、制御マップから同期MG12及び誘導MG14のステータコイルに供給される三相交流電力の波形及び電圧を取得してもよい。制御装置50は、インバータ32,34及び昇圧コンバータ36を動作させて、上記の波形及び電圧の三相交流電力を同期MG12及び誘導MG14に供給し、走行状態に応じてトルク及び駆動力を発生させる。
この場合、制御装置50は、アクセル位置AP、または車速及びアクセル位置APに基づいて、車軸21,23に出力すべき要求トルクを算出することができる。この場合、制御装置50は、この要求トルクに対応する要求動力が各車軸21,23に出力されるように、同期MG12及び誘導MG14の要求トルクを求めて、要求トルクに応じて同期MG12及び誘導MG14の駆動を制御する。各車軸21,23に対して要求トルクを分配する比率は、走行状態または図示しないスイッチの操作により予め定められる。
次に、電動車両10の動作を説明する。電動車両10は、バッテリ11に誘導MG14と共通に接続された同期MG12を有する。この場合、同期MG12におけるロータの回転によってトルクリップルが発生し、これにより、バッテリ電流IBに電流変動である電流リップルが発生する。バッテリ11と同期MG12との間にはコンデンサ37,38が接続されるが、コンデンサ37,38ではとりきれない電流リップルがバッテリ電流IBに発生する。電流リップルの周波数は、同期MG12に供給される交流電流の電気周波数とロータ及びステータの極数とによって決まり、同期MG12に供給される交流電流の電気周波数の整数倍の周波数となる。例えば、同期MG12に供給される交流電流の電気周波数がFA1の場合、同期MG12に発生する電流リップルの電気N次成分の周波数は、N×FA1となる。ここで、N=6の電気6次成分の周波数は6×FA1となる。
同期MG12に3相の第1インバータ32が接続されているので、同期MG12の回転時にはバッテリ電流IBの電流リップルのうち、電気6次成分の振幅が最大となることが分かっている。また、同期MG12の回転停止時においても、第1インバータ32がスイッチングしている場合、スイッチング制御に用いるキャリア周波数に基づいてバッテリ電流IBに電流リップルが発生する。
そこで、制御装置50は、誘導MG14に供給される交流電力のすべり周波数指令S*を変化させ、誘導MG14に供給される交流電流の電気周波数FA2の6倍の周波数(6×FA2)が、電流リップルの周波数成分のうち、振幅が最大となる成分の周波数である所定周波数faと一致する(6×FA2=fa)ように、誘導MG14のすべり周波数指令S*を変化させる。これによって、後述するように、出力トルクを一定にしつつ、バッテリ電流IBの変動を大きくしてバッテリ11の昇温を促進できる。
より具体的には、制御装置50は、図1に示すように、IB変動増大プログラム58を有するバッテリ昇温制御プログラム56を実行する。バッテリ昇温制御プログラム56は、以下で説明するステップS10〜S12,S14〜S20の処理を規定し、IB変動増大プログラム58は、ステップS14〜S18の処理を規定する。これによって、制御装置50は、図3のステップS10に示すように、電動車両10の図示しない始動スイッチまたはイグニッションスイッチがオンされることを含む所定の条件が成立した場合に、バッテリ温度センサ11bによって検出されたバッテリ温度TBの監視を開始する。以下、「ステップS」は単に「S」と記載する。
S11ではバッテリ11が低温時であるか否か、すなわちバッテリ温度TBが予め設定された所定温度TA(℃)未満か否かを判定し、所定温度TA(℃)未満の場合にS12でバッテリ昇温制御を開始する。一方、S11でバッテリ温度TBが所定温度TA(℃)以上である場合、バッテリ11の昇温の必要がないと判断してS13の通常制御を行う。
S12でバッテリ昇温制御が開始されると、制御装置50は、バッテリ電流IBの電流リップルの所定周波数に基づいて、電流リップルの振幅を大きくするように誘導MG14のすべり周波数指令S*を変化させる。
より具体的には、S14でバッテリ電流センサ11aによってバッテリ電流IBを検出し、バッテリ電流IBの変動周波数解析を行う。この場合、図4(f)に示すように各変動周波数f1、f2、fa、f3、f4とその変動周波数f1、f2、fa、f3、f4(Hz)における振幅WB(A)の分布とを得る。周波数解析は例えば、FFTを含む一般的手法によって行ってもよい。そして、制御装置50は、図3のS15で、各変動周波数f1、f2、fa、f3、f4のうち、振幅WBが最大となっている所定周波数の成分を特定し、S16で誘導MG14のすべり周波数指令S*を決定する。
例えば、図4(f)の場合、振幅WBが最大となっている所定周波数はfa(Hz)であり、その振幅は予め設定された第1閾値B1未満である。制御装置50は、図3のS17で、バッテリ電流リップルの所定周波数faに基づいて誘導MG14のすべり周波数指令S*を変化させる。以下、バッテリ電流リップルの所定周波数における成分は「最大振幅成分」と記載する場合がある。
誘導MG14では、同期MG12と同様にロータの回転によってトルクリップルが発生し、これによって電流リップルが発生する。電流リップルの周波数は誘導MG14に供給される交流電流の電気周波数とロータ及びステータの極数によって決まってくるが、誘導MG14に供給される交流電流の電気周波数の整数倍の周波数となる。ここで、電流リップルでは、電気6次成分の周波数が最大の振幅を有することが分かっている。この場合、誘導MG14に供給される交流電流の電気周波数がFA2の場合、誘導MG14に発生する電流リップルの電気6次成分の周波数は、6×FA2となる。
図4(f)に示すように、第1閾値B1未満で最大振幅を持つ成分の周波数がfaの場合、誘導MG14の電流リップルの6次成分の周波数が、6×FA2=faとなるようにすれば誘導MG14で発生する最大振幅の電流リップルの周波数(6×FA2)と、バッテリ電流リップルの最大振幅を持つ周波数faとを一致させることができる。誘導MG14のロータの回転数(電気周波数)frと、誘導MG14のステータに供給される交流電力の電気周波数FA2との差がすべり周波数Sであるので、
S=FA2−fr ・・・(1)
である。
したがって、FA2=fa/6を(1)式に代入して、
S=fa/6−fr ・・・(2)
となる。
したがって、第2回転センサ24で検出された誘導MG14のロータの電気周波数がfrの場合に、誘導MG14のステータに供給される交流電力のすべり周波数指令S*を、上記の(2)式で計算されるすべり周波数Sのように変化させる。
図5(a)は、バッテリ電流IBの電流リップルの最大振幅を持つ最大振幅成分の時間変化を示しており、図5(b)は、誘導MG14の電気6次成分の電流リップルの時間変化を示している。上記のようにすべり周波数Sを変化させることによって、図5(a)の線a1で示すバッテリ電流IBの最大振幅成分の周波数faまたは周期と、図5(b)の線bで示す誘導MG14に発生する電流リップルの電気6次成分の周波数(6×FA2)または周期とが一致する。
すべり周波数指令S*を変化させる際には、電動車両10に車両振動が発生しないよう、誘導MG14の出力トルクが一定に維持されるように電流指令を選択する。例えば、図2に示す特性曲線で、最適効率ラインE上でトルク指令がTr1である場合に、すべり周波数指令S*がS1からS2に変更される場合、トルク指令が一定に維持されるように電流指令をI2からI3に変更するように電流指令を選択する。
次に制御装置50は、図3のS18で、誘導MG14のステータに供給される交流電流の位相を調整する。この場合、制御装置50は、バッテリ電流リップルの振幅最大の周波数における振幅WBが予め設定された所定範囲である第1閾値B1以上で第2閾値B2以下に維持されるように、電流位相を調整する。例えば、図5(a)、図5(b)に示すように、時点t1の最大振幅成分のピークと誘導MG14に発生する電流リップルのピークとが一致するように、ステータに供給される交流電力の位相を変更する。最大振幅成分のピークと誘導MG14に発生する電流リップルのピークとが一致すると、図5(a)の線a2に示すように、誘導MG14に発生する電流リップルの振動によって、最大振幅成分の振動と同位相の電流振動が発生し、この同位相の電流振動によって、バッテリ電流変動の振幅が図5(a)の一点鎖線a3のように増大する。
制御装置50は、電流フィードバックとしてバッテリ電流変動を検出し周波数解析を行って、最大振幅成分を再度取得し、最大振幅の周波数における振幅WBが、図4(f)で示す振幅B1以上でB2以下の所定範囲にあるか否かを判定する。最大振幅の周波数における振幅が所定範囲にあれば、電流位相が適正に調節されたと判断してS19に移行する。第2閾値B2は、部品の故障を生じないように予め設定される上限値である。
最大振幅成分の振幅WBがB1未満の場合、最大振幅成分のピークと誘導MG14に発生する電流リップルのピークとの位相差が過大であるので、位相差を小さくするように交流電流の位相を変化させる。一方、最大振幅成分の振幅WBがB2を上回る場合、最大振幅成分のピークと誘導MG14に発生する電流リップルのピークとの位相差がゼロ、または過小であるので、位相差を大きくするように交流電流の位相を変化させる。この場合、同期MG12の回転時に、同期MG12及び誘導MG14の位相を監視することで、同期MG12の位相に対して誘導MG14の位相をずらせる量と最大振幅成分の振幅WBの変動量との関係が分かるので、この関係を用いて位相のずれを適切に調節してもよい。
図3のS19では、バッテリ温度TBが所定温度TA以上か否かを判定し、所定温度TA未満の場合にはS14に戻り、バッテリ温度TBが所定温度TA以上の場合にはS20に移行する。S19で、バッテリ温度TBが所定温度TA未満の場合にはS14に戻って、S14からS18の処理を繰り返す。S20では、制御装置50は、バッテリ11の所定温度TA以上への昇温が終了したと判断して、すべり周波数指令S*及び電流位相を、通常制御を行う場合の通常値にそれぞれ変更して、S10に戻る。この場合、S10に戻ることなくS13の通常制御に移行してもよい。
同期MG12では、ステータコイルに供給される交流電力の回転数(電気周波数)はロータの回転数(電気周波数)と同期している。これによって、ロータ及びステータの極数に応じてステータコイルに供給される交流電力の周波数の整数倍の周波数でトルク変動が発生し、このトルク変動による逆起電圧の変動でバッテリ電流IBの振動を誘発していることが多い。このことから、図3のS18では、誘導MG14に供給される交流電流の位相を同期MG12に供給される交流電流の位相に対して変更してもよい。例えば、同位相の方向に変更したり、逆位相の方向に変更して、最大振幅成分の振幅WBが所定範囲になるように、誘導MG14に供給される交流電流の位相を調整してもよい。
上記の電動車両の構成によれば、バッテリ11の低温時に出力トルクを一定にしつつ、バッテリ電流IBの変動を大きくできるので、バッテリ11の昇温を促進できる。また、バッテリ11の昇温のためにバッテリヒータのような昇温専用装置を設ける必要がないので、コスト低減を図れる。また、バッテリ11の低温時間を短くできるので、バッテリ11の低温で充放電電力制限が行われる場合でもその充放電電力制限を緩和して運転性及び燃費の向上を図れる。
次に、図6、図7を参照して本発明の実施形態の別例の第1例を説明する。図1から図5を参照して説明した部分と同様の部分についての説明は省略もしくは簡略化する。本実施形態では、制御装置50は、所定周波数で誘導MG14のすべり周波数指令を振動させるように、誘導MG14のすべり周波数指令を変化させる。「所定周波数」はバッテリ電流リップルの周波数成分のうち、振幅が最大となる周波数である。
より具体的には、図1を参照して、制御装置50が有するバッテリ昇温制御プログラム56は、以下で説明するS30〜S32,S34〜S40の処理を規定し、IB変動増大プログラム58は、S34〜S38の処理を規定する。図6のS30〜S35の処理は、図3のS10〜S15の処理と同様である。
S36、S37では、誘導MG14のすべり周波数の振動振幅を決定し、誘導MG14の出力トルクを一定に維持するように電流指令を選択する。
ここで、誘導MG14のすべり周波数Sの振動は、誘導MG14の出力トルクを一定に維持した状態で、誘導MG14の運転点を図2に示す最適効率ラインEから周期的に離したり近づけたりすることによって行う。例えば、図2の上で運転点を点P1と点P4との間で水平方向に往復移動することによって行う。
例えば、図2に示すように、誘導MG14は、出力トルクTr1、すべり周波数S1、電流I2で最適効率ラインEの上の点P1で運転されている。周波数解析の結果からバッテリ電流リップルの最大振幅を有する所定周波数は、図4(f)の場合と同様、周波数fa(Hz)であるので、制御装置50は、誘導MG14のトルク指令Tr*が一定となるように、すべり周波数指令S*を周波数fa(Hz)または、周期1/fa[sec]でS1とS4との間(点P1と点P4との間)で増減させる。ここで、誘導MG14の出力トルクを一定にするのは、電動車両10に車両振動が発生することを抑制するためである。なお、誘導MG14は、最適効率ラインEの上の点P1で運転されているから、トルク指令Tr*を一定に維持し、すべり周波数指令S*を変化させて誘導MG14の消費電力を増加させることはできるが、誘導MG14の消費電力を点P1での消費電力よりも小さくすることは難しい。
図7(a)は、バッテリ電流IBの電流リップルの最大振幅成分の時間変化を示している。図7(a)の線aに示すように、バッテリ電流IBの電流リップルの最大振幅成分は周波数fa(Hz)で振動しているから、図7の時点t1から時点t5の間は周期1/fa[sec]となる。これによって、図7の時点t1から時点t5の間に誘導MG14の運転点を点P1と点P4との間で往復させるようにすべり周波数指令S*を振動させ、誘導MG14の消費電力を振動させれば、これによってバッテリ電流の下側のピークを負側に大きく変化させ、変動の振幅を増大することができる。一方、図7(a)の時点t2からt4の間のように、バッテリ電流が所定電流Icよりも高い時間帯では、誘導MG14の運転点をP1以外の点に移動させても誘導MG14の消費電力を減少する方向に移動させることはできない。これによって、この期間では、誘導MG14が図2に示す点P1で運転されるように、すべり周波数指令S*は、当初のS1に一定に維持する必要がある。
したがって、すべり周波数指令S*は、周期1/fa[sec]の1/2の時間でS1とS4との間を往復させ、残りの周期1/fa[sec]の1/2の時間では、S1で一定とし、ピークのS4の周期が周期1/fa[sec]となるような波形とする必要がある。例えば、図7(c)の線cに示すように、時点t0からt2の間、時点t4からt6の間、時点t8からt10の間でそれぞれすべり周波数指令S*をS1とS4との間で往復させ、時点t2から時点t4の間、時点t6からt8の間ですべり周波数指令S*をS1で一定とする波形とする。この波形は、すべり周波数指令S*がピークのS4から次のピークS4までの時間が、バッテリ電流変動の下側のピークからピークとなる時点である時点t1からt5、時点t5からt9となるような波形(図7(c)の線cのような波形)とする。
誘導MG14のトルク指令Tr*を一定にして、時点t0からt2の間のようにすべり周波数指令S*をS1からS4に増加させる場合、制御装置50は、誘導MG14の運転点を、まず、図2に示すP1からP2に移動させる。この際、電流は点P1でのI2から点P2のI3に低減する必要がある。次に、誘導MG14の運転点を、図2に示すP2からP3に移動させる際には、電流は点P2でのI3から点P3のI2に増加させる必要がある。そして、誘導MG14の運転点を、図2に示すP3からP4に移動させる際には、電流は点P3でのI2から点P1のI1の最大電流に増加させる必要がある。このため、図7(c)の線cのように時点t0からt2の間のようにすべり周波数指令S*をS1からS4に増加させる場合には、誘導MG14の電流指令I*は、図7(d)の線dに示すように、時点t0から時点t2の間に、I2からI3に一旦低下した後、上側のピークのI1まで上昇するような指令波形となる。すべり周波数指令S*をS4からS1に減少させる場合はこの逆で、図7(d)の線dに示すように、ピークのI1からI3まで低下した後、当初のI2に戻る指令波形となる。
以上説明したような波形で、誘導MG14のすべり周波数指令S*、電流指令I*を変動させると、図7(b)の線bに示すように、誘導MG14の出力トルクをTr1に一定に維持でき、図7(e)に示す線eのように、誘導MG14の消費電力Pwは、時点t0からt2の間で当初のP1よりも増加してバッテリ電流変動が負側に大きく変化する。また、時点t2からt4の間では当初のP1に保持され、消費電力のピーク間隔であるバッテリ電流変動の下側のピークの時間間隔は、時点t1からt5の間の周期1/fa(sec)となる。
そこで、制御装置50は、図6のS36で誘導MG14の出力トルクを一定に維持して、すべり周波数指令S*を周波数fa(Hz)(周期1/fa(sec))で振動させるように、すべり周波数指令S*の振動振幅(例えばS1とS4との差)を決定し、誘導MG14の電流指令I*を上記のように選択する。そして制御装置50は、図6のS37で誘導MG14のすべり周波数指令S*の振動を開始する。
次に、制御装置50は、図6のS38で、すべり周波数指令S*の振動の位相を調整する。この場合、制御装置50は、バッテリ電流リップルの振幅最大の周波数における振幅WBが予め設定された所定範囲である第1閾値B1以上で第2閾値B2以下に維持されるように、すべり周波数指令S*の振動の位相を調整する。振幅WBを第2閾値B2以下とする理由は、図3のS18で電流位相を調整する場合と同様である。
このようなすべり周波数指令S*の振動の開始によって、バッテリ電流の変動が増大するので、バッテリ11の昇温が促進される。そして、S39でバッテリ温度が所定温度TA以上となったか否かを判定し、所定温度TA以上の場合には、S40で誘導MG14のすべり周波数指令S*の振動を停止し、S30に戻り、S31でバッテリ温度が所定温度TA以上であればS33の通常制御に移行する。一方、S39でバッテリ温度が所定温度TA未満の場合には、S34に戻ってS34からS38の処理を繰り返す。本例の構成の場合も、バッテリ11の低温時にバッテリ11の昇温を促進できる。
次に、図8を参照しながら本発明の実施形態の別例の第2例を説明する。図6、図7を用いて説明した、誘導MG14のすべり周波数指令S*を振動させてバッテリ電流の変動を大きくする方法では、電動車両10に振動が発生することを抑制するようにすべり周波数指令S*を振動させ、出力トルクを一定に維持するようにした。しかしながら、図6、図7の制御方法では、過渡時に出力トルクが一定とならない場合がある。特に低周波数ですべり周波数指令S*を振動させた場合には、過渡時の出力トルクの変動が電動車両10の車両振動に結びつく場合がある。一方、高周波ですべり周波数指令S*を振動させた場合には、回転駆動部分の慣性モーメント等のため、出力トルクが一定にならない場合であっても、車両振動を発生させるような実トルクの変動に結びつかない。これによって、図6、図7の制御方法では、バッテリ電流の最大振幅成分の所定周波数faが高周波領域で発生している場合に、より効果的に車両振動を抑制しつつバッテリ電流の変動を増大できる。
一方、図1から図5を用いて説明した、誘導MG14に供給される交流電流の電気周波数FAの6倍の周波数が所定周波数faと一致するように、すべり周波数指令を変化させる方法では、すべり周波数指令S*を先に説明した(2)式(以下に再度記載する)のすべり周波数Sとする必要がある。
S=fa/6−fr ・・・(2)
誘導MG14では、図2に示すように、すべり周波数SをS1からS4まで増加させ、誘導MG14の運転点を初期の点P1から点P4まで移動させる場合には、電流を変化させることによって出力トルクが一定となるように運転点を移動させる。この場合、図2で運転点を水平方向に移動させることができる。しかしながら、最大振幅成分の周波数faが高くなると、上記(2)式によって計算されるすべり周波数SをS4以上とする必要が生じる場合がある。すべり周波数SがS4以上となると誘導MG14の出力トルクは、最大電流I1の場合の特性を表す線aに沿って低下し、すべり周波数SがS5の場合には、出力トルクはTr1からTr4まで低下してしまう。このため、電動車両10の走行に必要な駆動力が不足する場合が発生する。これによって、図1から図5で説明した制御方法では、バッテリ電流の最大振幅成分の周波数faが低周波領域で発生している場合に、より効果的にバッテリ電流の変動を増大できる。
そこで、本例の制御方法では、バッテリ電流の最大振幅成分の周波数faが、予め設定された所定値D未満の場合に図1から図5で説明した制御である第1処理を実行し、周波数faが所定値D以上の場合に図6、図7で説明した制御である第2処理を実行するようにした。
より具体的には、図1を参照して、制御装置50が有するバッテリ昇温制御プログラム56は、以下で説明するS50〜S52,S54〜S60の処理を規定し、IB変動増大プログラム58は、S54〜S59、S61〜S63の処理を規定する。図8のS50〜S55の処理は、図3のS10〜S15の処理と同様である。
図8のS54,S55で制御装置50は、バッテリ電流の変動周波数解析を行った後、最大振幅成分を特定し、S56で最大振幅成分の所定周波数faが所定値D以上か否かを判定する。ここで、所定値Dは、上記の(2)式において、S=S4の出力トルク一定の最大すべり周波数とした際に、誘導MG14のロータの回転電気周波数frと極数から決まる整数Nとによって決定される値としてもよい。この場合、(3)式が成立する。
D=N×(fr+S4)・・・(3)
ここで、Nは、誘導MG14のロータの回転電気周波数frに対する誘導MG14に発生する電流リップルの周波数の倍数、または、電気周波数の次数である。例えばN=6とする。
そして、制御装置50は、所定周波数faが所定値D以上の場合に、図8のS57〜S59に示すように、第2処理を実行する。「第2処理」は、図6、図7で説明したバッテリ昇温制御と同様であり、制御装置50は、所定周波数faで誘導MG14のすべり周波数指令S*を振動させるように、誘導MG14のすべり周波数指令S*を変化させる。S57〜S59の処理は、図6のS36〜S38と同様である。
一方、制御装置50は、所定周波数faが所定値D未満である場合、図8のS61〜S63に示すように、第1処理を実行する。「第1処理」は、図1から図5で説明したバッテリ昇温制御と同様であり、制御装置50は、誘導MG14に供給される交流電流の電気周波数FAの6倍の周波数が所定周波数faと一致するように、誘導MGのすべり周波数指令S*を変化させる。S61〜S63の処理は、図3のS16〜S18と同様である。
以上に説明したように、本例の制御では、図1から図7で説明した2つの実施形態の各例の効果に加え、バッテリ電流変動の最大振幅の周波数faの大きさに応じてより効果的な制御を実施するので、周波数faの広い範囲に対応することが可能である。
以上説明した実施形態の各例の構成において、バッテリ電流センサ11aで検出されたバッテリ電流IBを用いてバッテリの昇温制御でバッテリ電流変動を増大するようにしたが、先に説明したリアクトル電流センサの検出値を用いて、バッテリ11の低温時にバッテリ電流に関係するバッテリ電流であるリアクトル電流の電流変動を増大するように、誘導MGのすべり周波数指令を変化させてもよい。これによって、間接的にバッテリ電流変動を増大できるので、バッテリ11の昇温を促進できる。リアクトル電流変動を増大するように誘導MGのすべり周波数指令を変化させる場合、上記の各例において、バッテリ電流IBの代わりにリアクトル電流の変動の周波数解析を行うなど、図3、図6、図8の制御でバッテリ電流の代わりにリアクトル電流を用いる。バッテリ関係電流はリアクトル電流に限定するものではなく、バッテリ電流に対し特定の関係を有する電流であればよい。
また、上記では、誘導MG14がバッテリ11に昇圧コンバータ36を介して接続される場合を説明したが、誘導MG14はバッテリ11に昇圧コンバータ36を介さずに接続されてもよい。また、昇圧コンバータを省略して同期MG12及び誘導MG14に昇圧コンバータを介さずにバッテリ11が接続されてもよい。
また、上記の実施形態では、同期MG12によって前輪16を駆動し、誘導MG14によって後輪18を駆動する電動車両10を説明したが、同期MG12によって後輪18を駆動し、誘導MG14によって前輪16を駆動する電動車両であっても本発明を適用できる。
また、上記の実施形態では、同期MG12及び誘導MG14をそれぞれ1つずつ備える場合を説明したが、電動車両10は複数の同期MG12と複数の誘導MG14とを備えてもよい。例えば、第1の同期MG及び第1の誘導MGによって前輪16を駆動し、第2の同期MG及び第2の誘導MGによって後輪18を駆動する電動車両10であっても本発明を適用できる。このように、複数の誘導MGを搭載した電動車両10では、バッテリの低温時に、複数の誘導MGのうちの1つ又は複数の誘導MGのすべり周波数指令S*を変化させる構成としてもよい。
本発明は以上に説明した実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲により規定されている本発明の技術的範囲または本質から逸脱することない全ての変更及び修正を包含するものである。
10 電動車両、11 バッテリ、11a バッテリ電流センサ、11b バッテリ温度センサ、12 同期モータジェネレータ(同期MG)、14 誘導モータジェネレータ(誘導MG)、15 前側駆動機構、16 前輪、17 後側駆動機構、18 後輪、21 車軸、22 第1回転センサ、23 車軸、24 第2回転センサ、26u、26v 電流センサ、28u、28v 電流センサ、30 PCU、32 第1インバータ、34 第2インバータ、36 昇圧コンバータ、37,38 コンデンサ、50 制御装置、52 演算部、54 記憶部、56 バッテリ昇温制御プログラム、58 IB変動増大プログラム。

Claims (6)

  1. バッテリと、
    前記バッテリに共通に接続される誘導モータ及び同期モータと、
    前記バッテリの低温時に、バッテリ電流、またはバッテリ電流に関係するバッテリ関係電流の電流変動の所定周波数に基づいて前記電流変動の振幅を大きくするように前記誘導モータのすべり周波数指令を変化させる制御装置と、を含む、電動車両。
  2. 請求項1に記載の電動車両において、
    前記所定周波数は、前記電流変動の周波数成分のうち振幅が最大となる周波数であり、
    前記制御装置は、
    前記誘導モータに供給される交流電流の電気周波数の6倍の周波数が、前記所定周波数と一致するように、前記誘導モータのすべり周波数指令を変化させる、電動車両。
  3. 請求項1に記載の電動車両において、
    前記制御装置は、前記所定周波数で前記誘導モータのすべり周波数指令を振動させるように、前記誘導モータのすべり周波数指令を変化させる、電動車両。
  4. 請求項1に記載の電動車両において、
    前記制御装置は、
    前記誘導モータに供給される交流電流の電気周波数の6倍の周波数が、前記所定周波数と一致するように、前記誘導モータのすべり周波数指令を変化させる第1処理を行うか、または、前記所定周波数で前記誘導モータのすべり周波数指令を振動させるように、前記誘導モータのすべり周波数指令を変化させる第2処理を行うかを、前記所定周波数の大きさに基づいて選択し、前記所定周波数が所定値未満の場合に前記第1処理を実行し、前記所定周波数が前記所定値以上の場合に前記第2処理を実行する、電動車両。
  5. 請求項1から請求項3のいずれか1に記載の電動車両において、
    前記制御装置は、前記誘導モータのすべり周波数指令を変化させる場合に前記誘導モータの出力トルクを一定に維持する、電動車両。
  6. 請求項1から請求項4のいずれか1に記載の電動車両において、
    前記制御装置は、前記誘導モータのすべり周波数指令を変化させる場合に、バッテリ電流の電流変動の振幅最大の周波数における振幅が予め設定された所定範囲に維持されるように、電流位相を調整する、電動車両。
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