JP6119475B2 - 車載用モータ制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、車載用モータ制御装置に関するものである。
従来、二次電池やキャパシタなどの蓄電装置を搭載し、この蓄電装置に蓄えられた電力から生じる駆動力を用いて走行用モータの電動モータを駆動することにより走行する、例えば、ハイブリッド車や電気自動車といった電動車両がある。この電動車両には、指令値に基づいて電動モータの回転状態が適正であるか否かを判別し、電動モータを駆動するモータ制御装置が用いられている。このモータ制御装置は、車両の衝突時にフェールセーフ処理を実行するために、車両衝突を検知する手段として、例えば、電動モータの各相電流または相電圧に基づいて、電動モータに衝突による異常が発生したか否かを判別し、異常が発生したと判別する場合に電動モータの駆動を停止する処理を実行するように構成されている（特許文献１参照）。また、加速度センサで大きな加速度を検出したことにより車両の衝突が検知されたときに、エンジンコンピュータおよび発電機コントローラへの電力供給を遮断して、エンジンの駆動および発電機への界磁電流の供給を停止させることが開示されている（特許文献２参照）。
特開２００９−２５４１１９号公報 特開平６−２４５３２３号公報
上記のようなモータ制御装置を搭載した電動車両において、大容量の蓄電機構である高電圧の走行用バッテリを用いてモータ制御装置に電力を直接供給する場合がある。ところが、車両走行中に衝突が発生した場合に、運転者に通電するような高電圧による感電の危険、あるいは、電動モータの発熱による火災などの発生を回避するため、モータ制御装置への電力供給を直ちに遮断して電動モータの駆動を停止し、また、エンジンの駆動および発電機への界磁電流の供給を停止する必要がある。しかしながら、電流センサなどのモータ制御系内の情報に基づいて制御モードを高回転速度での駆動領域を拡大するために用いられる矩形波駆動（１パルス制御）による電圧位相制御から低回転速度領域での正弦波ＰＷＭに基づいた電流ベクトル制御に切り替える場合には、切り替え時間はモータ定数に依存して長くなり、電流センサの応答や検出電流の判定に時間がかかるため、衝突時に短時間でフェールセーフ処理に移行することができない可能性がある。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、車両の衝突時に、フェールセーフ処理を実行するまでの時間短縮ができる車載用モータ制御装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、電動モータを駆動源として走行駆動する車両に搭載され、複数のスイッチング素子を含み、指令値に基づいて前記電動モータに駆動電流を供給するモータ駆動回路と、前記電動モータを駆動する高電圧の直流電源に接続され前記モータ駆動回路に電力を供給する電源回路と、前記モータ駆動回路を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記電動モータを駆動制御する複数の制御モードを有するとともに、前記車両に設けられた加速度センサの値により前記車両の衝突を検知する衝突検知手段と、前記制御モードを切り替える制御モード切替手段と、備え、前記制御モード切替手段は、前記車両の衝突検知により、直ちに前記制御モードを電圧位相制御から電流ベクトル制御に移行させ、前記制御モードを移行させた後に前記電動モータの各相電流および電源電流検出により過電流を検出したとき、前記モータ駆動回路内の前記スイッチング素子の動作を停止させた後、前記直流電源と前記モータ駆動回路との間の接続を開閉する電源リレーを遮断し電力供給を停止させることを要旨とする。
上記構成によれば、高圧電源を用いて電動モータを駆動源として走行駆動する電動車両において、車両に設置された加速度センサの値により車両の衝突を検知したときにモータ制御装置の制御モードを直ちに切り替えるようにしたので、電流センサの応答に依存せず短時間で過電流検出時のフェールセーフ処理を実行することが可能になる。これにより、車両の衝突検知から電動モータの停止までの制御時間を短縮することができる。
上記構成によれば、前もって制御モードを切り替えた後、電動モータおよびモータ制御装置での過電流検出に即座に対応して電動モータの駆動を停止できるようにしたので、車両の衝突検知から電動モータの停止までの制御時間を短縮することが可能になる。
上記構成によれば、車両の衝突検知時に制御回路が矩形波駆動（1パルス制御）による電圧位相制御を実行中であった場合に、正弦波ＰＷＭに基づいた電流ベクトル制御に切り替えるようにしたので、高回転速度領域での電動モータ駆動時において車両の衝突検知から電動モータの停止までの制御時間を短縮することが可能になる。
本発明によれば、車両の衝突時に前もって制御モードを移行させ、フェールセーフ処理を実行するまでの時間短縮ができる車載用モータ制御装置を提供できる。
本発明の実施形態に係る車載用モータ制御装置を搭載した車両の主要部分のブロック構成を示す図。 図１の車載用モータ制御装置の回路構成を示す図。 図２の制御回路の構成を示すブロック図。 制御回路で実行される車両衝突時の処理手順を示す制御フローチャート。
次に、本発明の実施形態に係る車両に搭載されるモータ制御装置について、図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る車載用モータ制御装置を搭載した車両の主要部分のブロック構成を示す図である。図１に示す車載用モータ制御装置（以下、モータ制御装置という）１は、インバータ（モータ駆動回路）１３、電源回路１７、および制御回路１５を備えた装置である。この車両は、走行用駆動源としてガソリンエンジン（以下、エンジンという）５と電動モータ１０とを有し、これらと発電機であるジェネレータ３とを動力分割機構１６により接続し、この動力分割機構１６の出力軸は、減速機２を介して駆動輪４へと接続されている。これによりエンジン５と電動モータ１０とによる駆動輪４へと伝達する駆動力の比率を可変としたシリーズ・パラレルハイブリッド方式を採用している。
走行用の電動モータ１０として、例えば、３相のブラシレスモータが使用されている。この電動モータ１０は、ロータコアに永久磁石を埋め込み固着させた埋込磁石型のロータを備えるＩＰＭモータや、ロータコアの表面に永久磁石を固着させた表面磁石型のロータを備えるＳＰＭモータなどの永久磁石式同期モータが使用される。ＩＰＭモータは、とくに高トルクが求められる車両用の主機モータとして用いられる。
ジェネレータ３と電動モータ１０とは、インバータ１３および電源回路１７を介して主バッテリとして設けられた高電圧（例えば、３００Ｖなど）の高圧バッテリ（直流電源）６に電気的に接続されている。ここで、高圧バッテリ６は、ハイブリッド車や電気自動車の走行用モータの電動モータ１０に電力を供給する高電圧の走行用バッテリとして接続されている。電源回路１７には、また、補機バッテリとして低電圧（例えば、１２Ｖ）の低圧バッテリ７が同じく電気的に接続されている。この低圧バッテリ７には、電動パワーステアリング装置のアクチュエータをはじめとする各種の補機類（各種ライトや電子機器類など）が電気的に接続され、それらの電力供給源として用いられている。モータ制御装置１は、高圧バッテリ６から受ける直流電圧をモータ駆動回路であるインバータ１３の仕様に応じて、電源回路１７内のＤＣ／ＤＣコンバータ１８（図２参照）でさらに高電圧（例えば、５００Ｖなど）に昇圧し（あるいは、非昇圧のままで）、インバータ１３に供給する。
エンジン５の作動は、エンジン制御装置（エンジンＥＣＵ）９によって制御され、インバータ１３の状態をモータ制御装置１（制御回路１５）によって制御することで、ジェネレータ３と電動モータ１０との発電量、消費電力を調整する。モータ制御装置１には、モータ制御装置１の外部の車両（例えば、車体など）に設けられ車両にかかる横方向の加速度Ｇを検出する加速度センサ（例えば、静電型、圧電型、抵抗型など）８が接続されている。そして、制御回路１５は、加速度センサ８の出力信号に基づいて、短時間（例えば、数ｍｓｅｃ程度）で加速度Ｇを検出する。
また、モータ制御装置１は、高圧バッテリ６から電力の供給を受け電動モータ１０を駆動制御する。制御回路１５は、検出されたモータ回転角およびモータ相電流に基づき電流指令値を算出し、生成した各制御信号をインバータ１３へ出力する。電動モータ１０は、モータ制御装置１によって回転駆動されると、モータトルクを発生させる。
次に、図２は、図１のモータ制御装置１の回路構成を示す図である。図２に示すモータ制御回路は、電源回路１７、制御回路１５、およびインバータ１３を備え、このモータ制御回路は、モータ制御装置１の内部に設けられ、高圧電源である高圧バッテリ６および電動モータ１０に接続されている。なお、制御回路１５の電源となる制御電圧（例えば、１２Ｖ）は、低圧電源である低圧バッテリ（例えば、１２Ｖ）７より供給される。低圧バッテリ７として、補助バッテリを搭載している。あるいは、高圧バッテリ６からＤＣ／ＤＣコンバータなどを介して充電されていてもよい。
図２において、電動モータ１０は、図示しない３相の巻線（Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線）を有する３相ブラシレスモータである。電源回路１７は、電源リレー１１、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８、および平滑コンデンサ１２から構成される。電源リレー１１は、モータ制御装置１の入力部に配置され、平滑コンデンサ１２およびインバータ１３を高圧バッテリ６に接続するか否かを切り替える電源スイッチである。電源リレー１１は、電動モータ１０の動作時にはオン状態（導通状態）、停止時にはオフ状態（非導通状態）となる。
平滑コンデンサ１２は、電源線１９とアース線２０との間に設けられている。平滑コンデンサ１２は電荷を蓄積し、高圧バッテリ６からインバータ１３に流れる電流が不足するときには蓄積した電荷を放電する。このように、平滑コンデンサ１２は、電流リップルを吸収し電動モータ１０を駆動するための電源電圧を平滑するコンデンサとして機能している。また、本実施形態のモータ制御装置１では、電源リレー１１がオフ状態となった後、平滑コンデンサ１２に蓄積された電荷は、図示しないスイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴなど）をオンさせることにより放電抵抗を通って放電される。
また、図示しないＭＯＳＦＥＴと制限抵抗とからなる突入防止回路が設けられており、電源リレー１１がオンした直後に突入電流が流れることを防止し、ＭＯＳＦＥＴがオフ状態のときに制限抵抗を介して平滑コンデンサ１２を充電する。さらに、電源回路１７には、電流センサとして、電源電流検出器１４ｂおよび平滑コンデンサ電流検出器１４ｃが設けられており、部品の劣化や装置の異常を検知する手段として用いられる。
インバータ１３は、スイッチング素子として、６個のＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を含んでいる。これら６個のＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を２個ずつ直列に接続して形成された３つの回路は、電源線１９とアース線２０との間に並列に設けられている。２個のＭＯＳＦＥＴのそれぞれの接続点は、Ｕ相巻線、Ｖ相巻線、およびＷ相巻線の一端に直接接続されている。そして、電動モータ１０の３相の巻線の他端は、共通の接続点（中性点）に接続されている。
制御回路１５は、インバータ１３に含まれる６個のＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６を制御する。より具体的には、制御回路１５には、モータ相電流およびモータ回転角が入力され、制御回路１５はこれらのデータに基づき、電動モータ１０に供給すべき３相の駆動電流（Ｕ相電流、Ｖ相電流、およびＷ相電流）の目標値（目標電流）を決定し、相電流検出器１４ａにより検出した電流（各相電流値）を目標電流に一致させるためのＰＷＭ信号を出力する。制御回路１５から出力された各相のＰＷＭ信号は、インバータ１３に含まれる６個のＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６のゲート端子にそれぞれ供給されている。
また、制御回路１５には、車両に設置された加速度センサ８（図１参照）から検出された加速度Ｇ信号が入力され、この加速度Ｇの値から車両の衝突が検知される。高圧バッテリ６は、ハイブリッド車や電気自動車の走行用モータを駆動するための高電圧（例えば、３００Ｖなど）の走行用バッテリ（例えば、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池など）が接続されている。
以上の構成において、平常時は、高圧バッテリ６から高電圧がインバータ１３に接続されているが、車両の衝突が発生した場合、加速度センサ８から出力される加速度Ｇの値により制御回路１５が衝突と認識すると、電源リレー１１の遮断により電力供給が停止され電動モータ１０の回転を停止する。なお、衝突時の加速度Ｇは、通常の急発進、急加速に比べはるかに大きいため、加速度センサ８からの信号により容易に区別が可能となっている。
図３は、図２の制御回路１５の構成を示すブロック図である。図３に示すように、制御回路１５は、モータ制御装置１（図２参照）の外部の車両に設置された加速度センサ８から入力される加速度Ｇを判別する加速度判別部（衝突検知手段）２１と、加速度Ｇの値に基づいて、矩形波駆動（１パルス制御）を用いる電圧位相制御部２２、および正弦波ＰＷＭに基づいた電流ベクトル制御部２３の２つの制御モードを切り替える制御モード切替手段２４とにより構成されている。また、制御回路１５には、加速度Ｇと、相電流検出器１４ａ、電源電流検出器１４ｂ、および平滑コンデンサ電流検出器１４ｃからの各検出電流値とが入力され、電源リレー１１のオン・オフ信号が出力される。ここで、低、中回転速度領域では正弦波ＰＷＭ、高回転速度領域では矩形波駆動を用いることで、駆動領域を拡大している。矩形波駆動では電圧が一定であるため、その位相を制御することでトルクを制御する。
以上のように、制御回路１５は、加速度センサ８からの加速度Ｇに対応して電圧位相制御、あるいは電流ベクトル制御の制御モードを設定し、算出した電流指令値に基づいてインバータ１３へ各制御信号を出力する。ここで、低回転速度領域から中回転速度・大トルク領域までは正弦波ＰＷＭ制御をおこない、高回転速度・小トルク領域では矩形波制御をおこなう。そして、電動モータ１０の出力トルクは、低、中回転速度領域側においてほぼ一定に推移し、高回転速度領域側において矩形波駆動することにより高回転速度まで漸減させ出力することができる。矩形波駆動と正弦波ＰＷＭとの領域の境界は、要求する出力トルクが大きいほど低回転速度側となる。
次に、図４は、制御回路１５で実行される車両衝突時の処理手順を示すフローチャートである。本実施形態おいて、制御回路１５は、図４のフローチャートに示すステップＳ４０１〜ステップＳ４０７の各処理を実行する。なお、以下に示すフローチャートにおける処理は、所定の時間間隔毎に実行される。
図４に示すように、モータ制御装置１の制御回路１５内のＣＰＵ（図示せず）は、まず、加速度センサ８により検出された加速度Ｇを読み込む（ステップＳ４０１）。
次に、検出された加速度Ｇが所定値以上か否か（ステップＳ４０２）を判定する。加速度Ｇが所定値以上（ステップＳ４０２：ＹＥＳ）の場合、車両の衝突が発生したと判断し、ステップＳ４０３へ移行し車両衝突時の切り替え処理を実行する。加速度Ｇが所定値より小さい（ステップＳ４０２：ＮＯ）場合、処理を終了しフローを抜ける。
続いて、ＣＰＵは、制御モードが矩形波駆動（1パルス制御）か否か（ステップＳ４０３）を判別し、矩形波駆動であった（ステップＳ４０３：ＹＥＳ）場合に、電圧位相制御から正弦波ＰＷＭに基づいた電流ベクトル制御へ制御モードを切り替える（ステップＳ４０４）。矩形波駆動でない（ステップＳ４０３：ＮＯ）場合、ステップＳ４０５へ移行する。そして、ＣＰＵは、相電流検出器１４ａ、電源電流検出器１４ｂ、および平滑コンデンサ電流検出器１４ｃから各電流値を読み込み、過電流が検出されたか否か（ステップＳ４０５）を判定する。
過電流が検出された（ステップＳ４０５：ＹＥＳ）場合、ＣＰＵは、フェールセーフ処理（本実施形態では、ＭＯＳＦＥＴターンオフ）を実行する（ステップＳ４０６）。ここで、インバータ１３のＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６をターンオフする。過電流が検出されない（ステップＳ４０５：ＮＯ）場合、処理を終了しフローを抜ける。このときには、フェールセーフ処理が実行されないので、衝突検知後の電動モータ１０の駆動による車両の退避走行が可能になる。
続いて、ＣＰＵは、電源リレー１１をオフし、インバータ１３への電力供給を停止し（ステップＳ４０７）、この処理を終了する。これにより、電動モータ１０の回転を停止させる。
次に、上記のように構成された本実施形態に係るモータ制御装置１の作用および効果について説明する。
上記構成によれば、高電圧の高圧バッテリ(直流電源)６を用いて電動モータ１０を駆動源として走行駆動する電動車両において、車両に設置された加速度センサ８の値（加速度Ｇ）により車両の衝突を検知したときに、モータ制御装置１の制御モードが切り替えられる。このとき、車両の衝突検知時に実行中の制御モードが高回転速度（小トルク）領域での矩形波駆動（1パルス制御）による電圧位相制御であった場合に、モータ制御装置１の制御回路１５は、前もって低、中回転速度（大トルク）領域での正弦波ＰＷＭに基づいた電流ベクトル制御に切り替え、算出した電流指令値に基づいて生成された各制御信号をインバータ１３へ出力する。
また、正弦波ＰＷＭに切り替えた後に各相電流検出器１４ａ、電源電流検出器１４ｂ、および平滑コンデンサ電流検出器１４ｃのいずれかにおいて過電流が検出された場合に、インバータ１３内のＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６の動作を直ちに停止させ、さらに、高圧バッテリ６とインバータ１３との間の接続を開閉する電源リレー１１を遮断し電力供給を停止させて、電動モータ１０の回転を停止させる。
これにより、車両の衝突時にモータ制御系内の情報（例えば、モータ時定数に起因する電流センサの応答など）に依存せず、加速度センサ８の加速度Ｇにより衝突を検知して前もって電流ベクトル制御に移行できるとともに、衝突検知後の過電流検出時においても即座に対応してフェールセーフ処理（ＭＯＳＦＥＴターンオフ）を実行開始するまでの時間を短縮することが可能になる。その結果、車両の衝突検知から電動モータ１０の停止までの制御時間を短縮することができる。なお、過電流が検出されなかった場合には衝突検知後の電動モータ１０による車両の退避走行が可能になる。
以上のように、本発明の実施形態によれば、車両の衝突時に前もって制御モードを移行させ、フェールセーフ処理を実行するまでの時間短縮ができる車載用モータ制御装置を提供できる。
以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はさらに他の形態で実施することも可能である。
上記実施形態では、車両に設置された加速度センサ８により衝突を検知するようにしたが、これに限らず、エアバッグの作動などにより衝突を検知してもよいし、他の衝突検出信号による方法を用いてもよい。また、衝突検知と並行して、高圧バッテリ６の電源電圧の供給停止を検知したことにより、制御モードを切り替えるようにしてもよい。
上記実施形態では、衝突検知時に直ちに電流ベクトル制御に切り替え、過電流検出のフェールセーフ処理を実行する場合について説明したが、これに限らず、過電流検出以外のフェール時（例えば、制御回路の故障など）にも事前に制御モードを移行しておくことで衝突検知からフェールセーフ処理を実行するまでの時間を短縮することができる。
上記実施形態では、電源リレー１１に通常の機械式リレーを用いてオン・オフ制御するようにしたが、これに限らず、双方向遮断可能な半導体スイッチ（例えば、ＭＯＳＦＥＴの複数使用など）を用いてオン・オフ動作させるようにしてもよい。
上記実施形態では、ハイブリッド車などの電動車両に用いられる走行用の電動モータ１０を駆動するモータ制御装置１において、車両衝突時に制御モードを前もって矩形波駆動の電圧位相制御（１パルス制御）から正弦波ＰＷＭの電流ベクトル制御へ切り替え、衝突検知からフェールセーフ処理までの時間を短縮する場合について示したが、これに限らず、電動モータを使用する他の装置（例えば、車両用後輪駆動装置や電動オイルポンプ装置など）に適用してもよい。
１：モータ制御装置（ＥＣＵ）、２：減速機、３：ジェネレータ（発電機）、４：駆動輪、５：エンジン、６：高圧バッテリ（直流電源）、７：低圧バッテリ、８：加速度センサ、９：エンジンＥＣＵ、１０：電動モータ、１１：電源リレー、１２：平滑コンデンサ、
１３：インバータ（モータ駆動回路）、１４ａ：相電流検出器、１４ｂ：電源電流検出器、１４ｃ：平滑コンデンサ電流検出器、１５：制御回路、１６：動力分割機構、
１７：電源回路、１８：ＤＣ／ＤＣコンバータ、１９：電源線、２０：アース線、
２１：加速度判別部（衝突検知手段）、２２：電圧位相制御部、
２３：電流ベクトル制御部、２４：制御モード切替手段、
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６：ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）、Ｇ：加速度

Claims (1)

  1. 電動モータを駆動源として走行駆動する車両に搭載され、
    複数のスイッチング素子を含み、指令値に基づいて前記電動モータに駆動電流を供給するモータ駆動回路と、
    前記電動モータを駆動する高電圧の直流電源に接続され前記モータ駆動回路に電力を供給する電源回路と、
    前記モータ駆動回路を制御する制御回路と、を備え、
    前記制御回路は、
    前記電動モータを駆動制御する複数の制御モードを有するとともに、
    前記車両に設けられた加速度センサの値により前記車両の衝突を検知する衝突検知手段と、
    前記制御モードを切り替える制御モード切替手段と、備え、
    前記制御モード切替手段は、前記車両の衝突検知により、直ちに前記制御モードを電圧位相制御から電流ベクトル制御に移行させ、
    前記制御モードを移行させた後に前記電動モータの各相電流および電源電流検出により過電流を検出したとき、前記モータ駆動回路内の前記スイッチング素子の動作を停止させた後、前記直流電源と前記モータ駆動回路との間の接続を開閉する電源リレーを遮断し電力供給を停止させることを特徴とする車載用モータ制御装置。
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