JP6458762B2 - 自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車に関し、詳しくは、モータとインバータとバッテリとを備える自動車に関する。
従来、この種の自動車としては、電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングによって電動機を駆動するインバータ回路を有する電力変換装置と、を備えるものにおいて、電動機の電気1周期のパルス数と、電動機のトルク指令に基づく電圧の変調率および電圧位相と、に基づいて複数のスイッチング素子のパルス信号を生成して複数のスイッチング素子のスイッチングを行なうものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この自動車では、パルス数と変調率と電圧位相とに基づいて電力変換装置および電動機の電力損失が最小となるようにパルス信号を生成することにより、電力変換装置および電動機を有する駆動システム全体の損失の低減を図っている。
特開2013−162660号公報
しかしながら、上述の自動車におけるパルス信号を生成して電力変換装置に出力する手法は、電動機の各相の電圧指令と搬送波電圧との比較によってパルス信号を生成して電力変換装置に出力する手法に比して、パルス信号を生成する周期が長くなり、電動機の応答性(目標動作点が変化したときの動作点の追従性)が低くなる。このため、電圧センサや電流センサに異常が生じたときには、インバータに過電流や過電圧が生じやすくなってしまう。
本発明の自動車は、インバータに過電流や過電圧が生じるのを抑制することを主目的とする。
本発明の自動車は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の自動車は、
走行用のモータと、
複数のスイッチング素子のスイッチングによって前記モータを駆動するインバータと、
前記インバータを介して前記モータと電力をやりとりするバッテリと、
前記モータに印加される電流を検出する電流センサと、
前記インバータに供給される電力の電圧を検出する電圧センサと、
前記インバータの制御として、前記モータのトルク指令に基づく各相の電圧指令と、搬送波電圧と、の比較によって前記複数のスイッチング素子の第1PWM信号を生成して前記複数のスイッチング素子のスイッチングを行なう第1PWM制御と、前記トルク指令に基づく電圧の変調率および電圧位相と、前記モータの電気角の所定周期のパルス数と、に基づいて前記複数のスイッチング素子の第2PWM信号を生成して前記複数のスイッチング素子のスイッチングを行なう第2PWM制御と、を含む複数の制御を切り替えて実行する制御装置と、
を備える自動車であって、
前記制御装置は、前記電流センサおよび/または前記電圧センサに異常が生じているときには前記第2PWM制御の実行を制限する、
ことを特徴とする。
この本発明の自動車では、インバータの制御として、第1PWM制御と第2PWM制御とを含む複数の制御を切り替えて実行する。第1PWM制御は、モータのトルク指令に基づく各相の電圧指令と、搬送波電圧と、の比較によって第1PWM信号を生成し、インバータの複数のスイッチング素子のスイッチングを行なう制御である。第2PWM制御は、モータのトルク指令に基づく電圧の変調率および電圧位相と、モータの電気角の所定周期のパルス数と、に基づいて第2PWM信号を生成し、インバータの複数のスイッチング素子のスイッチングを行なう制御である。そして、モータに印加される電流を検出する電流センサやインバータに供給される電力の電圧を検出する電圧センサに異常が生じているときには第2PWM制御の実行を制限する。第2PWM制御は、第1PWM制御に比して、パルス信号を生成する周期が長くなり、電動機の応答性が低くなるため、電圧センサや電流センサに異常が生じたときにはインバータに過電流や過電圧が生じやすくなる。したがって、電圧センサや電流センサに異常が生じたときに第2PWM制御の実行を制限することにより、インバータに過電流や過電圧が生じるのを抑制することができる。ここで、「第2PWM制御の実行の制限」としては、第2PWM制御の実行範囲の縮小や、第2PWM制御の禁止などが含まれる。
こうした本発明の自動車において、前記バッテリからの電力を昇圧して前記インバータに供給する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータに流れる電流を検出する第2電流センサと、前記昇圧コンバータに供給される電力の電圧を検出する第2電圧センサと、を備え、前記制御装置は、前記第2電流センサおよび/または前記第2電圧センサに異常が生じているときには前記第2PWM制御の実行を制限するものとしてもよい。こうすれば、昇圧コンバータを備える態様の自動車において、インバータに過電流や過電圧が生じるのを抑制することができる。ここで、「第2PWM制御の実行の制限」としては、昇圧コンバータの作動停止も含まれる。
本発明の一実施例としての電気自動車20の構成の概略を示す構成図である。 モータ32の目標動作点と第1,第2PWM制御の領域との関係の一例を示す説明図である。 実施例の電子制御ユニット50によって実行される第2PWM制御許否ルーチンの一例を示すフローチャートである。 変形例のハイブリッド自動車120の構成の概略を示す構成図である。
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施例としての電気自動車20の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車20は、図示するように、モータ32と、インバータ34と、バッテリ36と、昇圧コンバータ40と、電子制御ユニット50と、を備える。
モータ32は、同期発電電動機として構成されており、永久磁石が埋め込まれた回転子と、三相コイルが巻回された固定子と、を備える。このモータ32の回転子は、駆動輪22a,22bにデファレンシャルギヤ24を介して連結された駆動軸26に接続されている。
インバータ34は、モータ32に接続されると共に高電圧系電力ライン42を介して昇圧コンバータ40に接続されている。このインバータ34は、6つのトランジスタT11〜T16と、6つのダイオードD11〜D16と、を有する。トランジスタT11〜T16は、それぞれ、高電圧系電力ライン42の正極母線と負極母線とに対して、ソース側とシンク側になるように、2個ずつペアで配置されている。6つのダイオードD11〜D16は、それぞれ、トランジスタT11〜T16に逆方向に並列接続されている。トランジスタT11〜T16の対となるトランジスタ同士の接続点の各々には、モータ32の三相コイル(U相,V相,W相)の各々が接続されている。したがって、インバータ34に電圧が作用しているときに、電子制御ユニット50によって、対となるトランジスタT11〜T16のオン時間の割合が調節されることにより、三相コイルに回転磁界が形成され、モータ32が回転駆動される。以下、トランジスタT11〜T13を「上アーム」,トランジスタT14〜T16を「下アーム」ということがある。高電圧系電力ライン42の正極母線と負極母線とには、平滑用のコンデンサ46が取り付けられている。
バッテリ36は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、低電圧系電力ライン44を介して昇圧コンバータ40に接続されている。低電圧系電力ライン44の正極母線と負極母線とには、平滑用のコンデンサ48が取り付けられている。
昇圧コンバータ40は、高電圧系電力ライン42と低電圧系電力ライン44とに接続されている。この昇圧コンバータ40は、2つのトランジスタT31,T32と、2つのダイオードD31,D32と、リアクトルLと、を有する。トランジスタT31は、高電圧系電力ライン42の正極母線に接続されている。トランジスタT32は、トランジスタT31と、高電圧系電力ライン42および低電圧系電力ライン44の負極母線と、に接続されている。2つのダイオードD31,D32は、それぞれ、トランジスタT31,T32に逆方向に並列接続されている。リアクトルLは、トランジスタT31,T32同士の接続点と、低電圧系電力ライン44の正極母線と、に接続されている。昇圧コンバータ40は、電子制御ユニット50によって、トランジスタT31,T32のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧系電力ライン44の電力を電圧の昇圧を伴って高電圧系電力ライン42に供給したり、高電圧系電力ライン42の電力を電圧の降圧を伴って低電圧系電力ライン44に供給したりする。
電子制御ユニット50は、CPU52を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPU52の他に、処理プログラムを記憶するROM54やデータを一時的に記憶するRAM56,入出力ポートを備える。
電子制御ユニット50には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット50に入力される信号としては、例えば、モータ32の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ(例えばレゾルバ)32aからの回転位置θm,モータ32の各相に流れる電流を検出する電流センサ32u,32vからの相電流Iu,Ivを挙げることができる。また、バッテリ36の端子間に取り付けられた電圧センサ36aからの電圧VB,バッテリ36の出力端子に取り付けられた電流センサ36bからの電流IB、リアクトルLに取り付けられた電流センサ37bからのリアクトル電流ILも挙げることができる。さらに、コンデンサ46の端子間に取り付けられた電圧センサ46aからのコンデンサ46(高電圧系電力ライン42)の電圧VH,コンデンサ48の端子間に取り付けられた電圧センサ48aからのコンデンサ48(低電圧系電力ライン44)の電圧VLも挙げることができる。加えて、イグニッションスイッチ60からのイグニッション信号,シフトレバー61の操作位置を検出するシフトポジションセンサ62からのシフトポジションSP,アクセルペダル63の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ64からのアクセル開度Acc,ブレーキペダル65の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ66からのブレーキペダルポジションBPも挙げることができる。また、車速センサ68からの車速VSも挙げることができる。
電子制御ユニット50からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット50から出力される信号としては、例えば、インバータ34のトランジスタT11〜T16へのスイッチング制御信号,昇圧コンバータ40のトランジスタT31,T32へのスイッチング制御信号を挙げることができる。
電子制御ユニット50は、回転位置検出センサ32aからのモータ32の回転子の回転位置θmに基づいてモータ32の電気角θeや回転数Nmを演算している。また、電子制御ユニット50は、電流センサ36bからのバッテリ36の電流IBの積算値に基づいてバッテリ36の蓄電割合SOCを演算している。ここで、蓄電割合SOCは、バッテリ36の全容量に対するバッテリ36から放電可能な電力の容量の割合である。
こうして構成された実施例の電気自動車20では、電子制御ユニット50は、以下の走行制御を行なう。走行制御では、アクセル開度Accと車速VSとに基づいて駆動軸26に要求される要求トルクTd*を設定し、設定した要求トルクTd*をモータ32のトルク指令Tm*に設定し、モータ32がトルク指令Tm*で駆動されるようにインバータ34のトランジスタT11〜T16のスイッチング制御を行なう。また、モータ32をトルク指令Tm*で駆動できるように高電圧系電力ライン42の目標電圧VH*を設定し、高電圧系電力ライン42の電圧VHが目標電圧VH*となるように昇圧コンバータ40のトランジスタT31,T32のスイッチング制御を行なう。
ここで、インバータ34の制御について説明する。実施例では、インバータ34の制御として、正弦波PWM(パルス幅変調)制御,過変調PWM制御,矩形波制御の何れかを実行する。正弦波PWM制御は、擬似的な三相交流電圧がモータ32に印加(供給)されるようにインバータ34を制御する制御であり、過変調制御は、過変調電圧がモータ32に印加されるようにインバータ34を制御する制御であり、矩形波制御は、矩形波電圧がモータ32に印加されるようにインバータ34を制御する制御である。正弦波PWM制御を実行する場合、正弦波電圧に基づくパルス幅変調電圧を擬似的な三相交流電圧とするときには、変調率Rmは値0〜略0.61となり、正弦波電圧に3n次(例えば3次)高調波電圧を重畳して得られる重畳後電圧に基づくパルス幅変調電圧を擬似的な三相交流電圧とするときには、変調率Rmは値0〜略0.71となる。変調率Rmは、インバータ34の入力電圧(高電圧系電力ライン42の電圧VH)に対する出力電圧(モータ32の印加電圧)の実効値の割合である。実施例では、正弦波PWM制御を実行できる変調率Rmの領域を大きくするために、重畳後電圧に基づくパルス幅変調電圧を擬似的な三相交流電圧とするものとした。また、矩形波制御を実行する場合、変調率Rmは略0.78となる。実施例では、これらを踏まえて、変調率Rmに基づいて、正弦波PWM制御,過変調PWM制御,矩形波制御の何れかを実行するものとした。以下、正弦波PWM制御について説明する。過変調制御や矩形波制御については本発明の中核をなさないことから、詳細な説明は省略する。
正弦波PWM制御として、実施例では、第1PWM制御または第2PWM制御を実行する。第1PWM制御は、モータ32の各相の電圧指令Vu*,Vv*,Vw*と搬送波電圧(三角波電圧)との比較によってトランジスタT11〜T16の第1PWM信号を生成してトランジスタT11〜T16のスイッチングを行なう制御である。第2PWM制御は、電圧の変調率Rmおよび電圧位相θpと所定周期(例えば、モータ32の電気角θeの半周期や1周期など)のパルス数Npとに基づいてトランジスタT11〜T16の第2PWM信号を生成してトランジスタT11〜T16のスイッチングを行なう制御である。なお、第1PWM制御を実行する場合には、搬送波電圧(周波数が3kHz〜5kHz程度の三角波電圧)の半周期や1周期などに相当する間隔Δt1で第1PWM信号を生成し、第2PWM制御を実行する場合には、間隔Δt1よりも長い間隔Δt2で第2PWM信号を生成するものとした。
第1PWM制御を実行する場合、第2PWM制御を実行する場合に比して、PWM信号の生成周期を短くすることができるから、モータ32の応答性(目標動作点が変化したときの動作点の追従性)を高くすることができる。また、第2PWM制御を実行する場合、モータ32の鉄損を低減する(例えば最小にする)ように第2PWM信号を生成したり電圧や電流の高調波成分(特に、モータ32の回転6次や回転12次などの低次高調波成分)を低減する(例えば最小にする)ように第2PWM信号を生成したりすることにより、第1PWM制御を実行する場合に比して、モータ32の鉄損を低減したり高調波成分を低減したりすることができる。
実施例では、モータ32の各目標動作点に対して第1PWM制御や第2PWM制御を実行した実験結果や解析結果に基づいて、第2PWM制御を実行することによる効果がある程度見込める領域については第2PWM制御の領域として定め、その効果があまり見込めない領域についてはモータ32の応答性を向上させるために第1PWM制御の領域として定めるものとした。図2は、モータ32の目標動作点と第1PWM制御の領域と第2PWM制御の領域との関係の一例を示す説明図である。図2の例では、第2PWM制御の領域として、モータ32の回転数Nmが1000rpm〜3500rpmでトルク指令Tm*が10Nm以上の領域およびトルク指令が−100Nm〜−10Nmの領域(エリア1)、モータ32の回転数Nmが3500rpm〜6000rpmでトルク指令Tm*が10Nm〜150Nmの領域およびトルク指令Tm*が−100Nm〜−10Nmの領域(エリア2)、モータ32の回転数Nmが3500rpm〜6000rpmでトルク指令Tm*が150Nm以上の領域(エリア3)、モータ32の回転数Nmが6000rpm〜9000rpmでトルク指令Tm*が10Nm〜100Nmの領域およびトルク指令Tm*が−50Nm〜−10Nmの領域(エリア4)、モータ32の回転数Nmが6000rpm〜9000rpmでトルク指令Tm*が100Nm〜150Nmの領域およびトルク指令Tm*が−100Nm〜−50Nmの領域(エリア5)が設定されており、第2PWM制御の領域以外の領域が第1PWM制御の領域として設定されている。ここで、エリアは、第2PWM制御の領域のうちパルス数等が異なる領域である。
次に、こうして構成された実施例の電気自動車20の動作、特に、モータ32に流れる相電流Iu,Ivを検出する電流センサ32u,32vや高電圧系電力ライン42の電圧VHを検出する電圧センサ46aに異常が生じたときの動作について説明する。図3は、実施例の電子制御ユニット50によって実行される第2PWM制御許否ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、繰り返し実行される。
第2PWM制御許否ルーチンが実行されると、電子制御ユニット50は、まず、モータ32に流れる相電流Iu,Ivを検出する電流センサ32u,32vや高電圧系電力ライン42の電圧VHを検出する電圧センサ46aのいずれかに異常が生じているか否かを判定する(ステップS100)。この判定は、例えば、図示しない異常判定ルーチンによるセンサ異常(故障)の有無をRAM56の所定領域にセンサ毎に記憶するものとし、RAM56の所定領域の各センサの異常の有無を確認することにより行なうことができる。
電流センサ32u,32vや電圧センサ46aのいずれにも異常が生じていないときには、第2PWM制御を許可して(ステップS110)、本ルーチンを終了する。この場合、図2に示した領域に基づいて第1PWM制御と第2PWM制御とを切り替えて実行する。
一方、電流センサ32u,32vや電圧センサ46aのいずれかに異常が生じているときには、第2PWM制御の実行を禁止して(ステップS120)、本ルーチンを終了する。この場合、第2PWM制御を実行しているときには、第1PWM制御の実行に切り替えられる。上述したように、第2PWM制御は、パルス信号を生成する周期が長くなり、モータ32の応答性が低くなるため、電流センサ32u,32vや電圧センサ46aのいずれかに異常が生じたときには、インバータ34に過電流や過電圧が生じやすくなってしまうが、第2PWM制御を禁止して第1PWM制御を実行することにより、モータ32の応答性を高くし、インバータ34に過電流や過電圧が生じるのを抑制することができる。
以上説明した実施例の電気自動車20では、モータ32に流れる相電流Iu,Ivを検出する電流センサ32u,32vや高電圧系電力ライン42の電圧VHを検出する電圧センサ46aのいずれかに異常が生じているときには、第2PWM制御の実行を禁止する。これにより、インバータ34に過電流や過電圧が生じるのを抑制することができる。
実施例の電気自動車20では、モータ32に流れる相電流Iu,Ivを検出する電流センサ32u,32vや高電圧系電力ライン42の電圧VHを検出する電圧センサ46aのいずれかに異常が生じているときには第2PWM制御の実行を禁止するものとしたが、第2PWM制御の実行を制限するものとしてもよい。例えば、図2に示す第2PWM制御の領域のうちのエリア1以外の第2PWM制御の実行を禁止するものとしたり、第2PWM制御の領域で巡航走行している場合以外の第2PWM制御の実行を禁止するものとしたりしてもよい。この場合、電流センサ32u,32vの一方に異常が生じているときに第2PWM制御を実行するときには、異常が生じていない電流センサの検出値から相電流を推定するものとしたり、電圧センサ46aに異常が生じているときには、昇圧コンバータ40を作動停止してインバータ34に供給される電力の電圧として低電圧系電力ライン44の電圧VLを用いればよい。後者の場合、昇圧コンバータ40を作動禁止が第2PWM制御の実行の制限となる。
実施例の電気自動車20では、モータ32に流れる相電流Iu,Ivを検出する電流センサ32u,32vや高電圧系電力ライン42の電圧VHを検出する電圧センサ46aのいずれかに異常が生じているときには第2PWM制御の実行を禁止するものとしたが、リアクトルLに流れるリアクトル電流ILを検出する電流センサ37bや低電圧系電力ライン44の電圧VLを検出する電圧センサ48aのいずれかに異常が生じているときには、第2PWM制御の実行を禁止したり第2PWM制御の実行を制限するものとしてもよい。
実施例の電気自動車20では、バッテリ36とインバータ34との間に昇圧コンバータ40を設けるものとしたが、昇圧コンバータ40を設けないものとしてもよい。
実施例の電気自動車20では、モータ32とインバータ34とバッテリ36とを備える構成とした。しかし、図4の変形例のハイブリッド自動車120に示すように、モータ32とインバータ34とに加えて、エンジン122とプラネタリギヤ124とモータ132とインバータ134とを備える構成としてもよい。ここで、プラネタリギヤ124のサンギヤにはモータ132が接続され、キャリヤにはエンジン122が接続され、リングギヤには駆動軸26およびモータ32が接続されている。インバータ134は、モータ132に接続されると共に高電圧系電力ライン42に接続されている。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータ32が「モータ」に相当し、インバータ34が「インバータ」に相当し、バッテリ36が「バッテリ」に相当し、電流センサ32u,32vが「電流センサ」に相当し、電圧センサ46aが「電圧センサ」に相当し、電子制御ユニット50が「制御装置」に相当する。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、自動車の製造産業などに利用可能である。
20 電気自動車、22a,22b 駆動輪、24 デファレンシャルギヤ、26 駆動軸、32,132 モータ、32a 回転位置検出センサ、32u,32v,36b,37b 電流センサ、34,134 インバータ、36 バッテリ、36a,46a,48a 電圧センサ、40 昇圧コンバータ、42 高電圧系電力ライン、44 低電圧系電力ライン、46,48 コンデンサ、50 電子制御ユニット、52 CPU、54 ROM、56 RAM、60 イグニッションスイッチ、61 シフトレバー、62 シフトポジションセンサ、63 アクセルペダル、64 アクセルペダルポジションセンサ、65 ブレーキペダル、66 ブレーキペダルポジションセンサ、68 車速センサ、120 ハイブリッド自動車、122 エンジン、124 プラネタリギヤ、D11〜D16,D31,D32 ダイオード、L リアクトル、T11〜T16,T31,T32 トランジスタ。

Claims (3)

  1. 走行用のモータと、
    複数のスイッチング素子のスイッチングによって前記モータを駆動するインバータと、
    前記インバータを介して前記モータと電力をやりとりするバッテリと、
    前記モータに印加される電流を検出する電流センサと、
    前記インバータに供給される電力の電圧を検出する電圧センサと、
    前記インバータの制御として、前記モータのトルク指令に基づく各相の電圧指令と、搬送波電圧と、の比較によって前記複数のスイッチング素子の第1PWM信号を生成して前記複数のスイッチング素子のスイッチングを行なう第1PWM制御と、前記トルク指令に基づく電圧の変調率および電圧位相と、前記モータの電気角の所定周期のパルス数と、に基づいて前記複数のスイッチング素子の第2PWM信号を生成して前記複数のスイッチング素子のスイッチングを行なう第2PWM制御と、を含む複数の制御を切り替えて実行する制御装置と、
    を備える自動車であって、
    前記第2PWM制御において前記第2PWM信号を生成する周期は、前記第1PWM制御が前記第1PWM信号を生成する周期に比して長く、
    前記制御装置は、前記電流センサおよび/または前記電圧センサに異常が生じているときには前記第2PWM制御の実行を制限する、
    ことを特徴とする自動車。
  2. 請求項1記載の自動車であって、
    前記バッテリからの電力を昇圧して前記インバータに供給する昇圧コンバータと、
    前記昇圧コンバータに流れる電流を検出する第2電流センサと、
    前記昇圧コンバータに供給される電力の電圧を検出する第2電圧センサと、
    を備え、
    前記制御装置は、前記第2電流センサおよび/または前記第2電圧センサに異常が生じているときには前記第2PWM制御の実行を制限する、
    自動車。
  3. 請求項1または2記載の自動車であって、
    前記制御装置は、前記第2PWM制御の実行の制限として、前記第2PWM制御の実行を禁止する、
    自動車。
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