JP6513393B2 - 車両用インバータの電圧利用率向上制御装置及び方法 - Google Patents

車両用インバータの電圧利用率向上制御装置及び方法 Download PDF

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Description

本発明は、車両用インバータの電圧利用率向上制御装置及び方法に関するもので、より詳細には、環境に優しい車両の駆動モータの制御のためのインバータの電圧利用率を高めてモータシステムの出力及び効率を向上させ、車両燃費を改善するための車両用インバータの電圧利用率向上制御装置及び方法に関する。
周知の通り、純粋な電気自動車(EV)、ハイブリッド自動車(HEV)、燃料電池自動車(FCEV)などを含む環境に優しい自動車は車両走行のための駆動源として電気モータを利用する。
具体的には、車両のメインバッテリーに貯蔵されている直流電源をインバータを用いて3相交流電源に変換させてモータを駆動し、モータの駆動力を駆動輪に伝達して車両が走行されるようにする。
環境に優しい自動車の駆動源となるモータとインバータを含むモータシステムにおいて、前記インバータは、通常、複数のIGBT(Insulated Gate bipolar Transistor)スイッチ素子からなり、PWM(Pulse Width Modulation)信号によるスイッチングによってバッテリーから供給されるDC電圧を変換してモータの駆動のための相電圧を供給する。
前記インバータは、モータ制御器の役割を行い、HCU(Hybrid Control Unit)から印加されるトルク指令信号とバッテリーから印加されるバッテリー電圧状態、モータから印加されるモータ速度情報を用いて最終PWM信号を出力してモータの動作を制御する。
しかし、従来、インバータに入力されるインバータの入力直流電圧(Vdc)を線形的な区間しか使用できないため、モータシステムの効率及び出力の向上が制限されるという問題がある。
すなわち、インバータの入力直流電圧に対して線形的に出力できない電圧(インバータの出力交流電圧)が発生する場合、インバータの出力を制限して線形的な出力しか発生できなくなるため、モータシステムの効率及び出力が制限されることになる。
このような従来方式では、インバータの出力を制御する状況下でインバータの電圧利用率を高めてモータ入力電流を制御する場合、一部領域のモータ制御安定性に問題が生じることがある。
韓国公開特許第2010−28968号(2010年3月15日) 韓国登録特許第1272955号(2013年6月3日)
本発明は、上述した点を考慮して考案したもので、線形的に出力できないインバータの出力交流電圧が発生する場合、線形的に出力可能に変更してインバータの入力直流電圧をインバータの出力交流電圧に最大限変調することで、同一出力条件では入力電流の減少によってモータシステムの効率を向上させ、同一電流条件ではモータシステムの出力を向上させる車両用インバータの電圧利用率向上制御装置及び方法を提供することにその目的がある。
本発明では、第1電圧指令と第2電圧指令の2相を有する2相電圧指令(Vdqref)を生成する電流制御器と、前記電流制御器から2相電圧指令(Vdqref)の入力を受けて3相極電圧指令(Vabcn_ref)を生成する指令変換部と、前記指令変換部から入力を受けた3相極電圧指令(Vabcn_ref)を線形的に出力可能な電圧に変調して出力する第1過変調器と、前記電流制御器の2相電圧指令(Vdqref)とインバータの入力直流電圧(VdcLPF)の入力を受け、電圧利得値を演算して出力する高利得演算器と、前記第1過変調器の出力値に前記高利得演算器の出力値を乗算して出力するマルチプリケーターと、前記マルチプリケーターの出力値の入力を受けて線形的に出力可能な電圧に変調して出力する第2過変調器と、を含むことを特徴とする車両用インバータの電圧利用率向上制御装置を提供する。
本発明の実施例によれば、前記指令変換部は、前記電流制御器から2相電圧指令(Vdqref)の入力を受けて3相相電圧指令(Vabcs_ref)に変換する相変換器と、前記相変換器から入力を受けた3相相電圧指令(Vabcs_ref)を3相極電圧指令(Vabcn_ref)に変換する空間ベクトル変調器と、からなる。
また、本発明の実施例によれば、前記車両用インバータの電圧利用率向上制御装置は、モータのトルク指令と逆磁束値の入力を受けて2相電流指令(Idq_ref)を生成する電流指令マップ部を含んで構成される。
また、本発明の実施例によれば、前記第1過変調器は、空間ベクトル変調器から入力を受けた3相極電圧指令(Vabcn_ref)が線形的に出力できない電圧であることを認知すると、空間ベクトル変調器から入力を受けた3相極電圧指令(Vabcn_ref)の指令電圧ベクトルを所定のベクトルに変更して3相極電圧指令(Vabcn_ref)を線形的に出力可能な線形出力電圧に補正する。
また、本発明の実施例によれば、前記高利得演算器は、2相電圧指令(Vdqref)の大きさ値(|Vdqref|)を演算した後、2相電圧指令の大きさ値(|Vdqref|)とインバータの入力直流電圧(VdcLPF)の差分値(VmagErr)を
Figure 0006513393
を用いて演算し、前記差分値(VmagErr)を積分して電圧利得値を計算する。
また、本発明の実施例によれば、前記第2過変調器は、入力を受けたマルチプリケーターの出力値が線形的に出力できない電圧であることを認知すると、マルチプリケーターの出力値の指令電圧ベクトルを所定のベクトルに変更してマルチプリケーターの出力値を線形的に出力可能な最終線形出力電圧に補正する。
また、本発明では、第1電流指令と第2電流指令の2相を有する2相電流指令(Idq_ref)を生成する過程と、前記2相電流指令(Idq_ref)を用いて第1電圧指令と第2電圧指令の2相を有する2相電圧指令(Vdqref)を生成する過程と、前記2相電圧指令(Vdqref)を用いて3相極電圧指令(Vabcn_ref)を生成する過程と、前記3相極電圧指令(Vabcn_ref)を線形的に出力可能な線形出力電圧に変調して出力する過程と、前記2相電圧指令(Vdqref)とインバータの入力直流電圧(VdcLPF)を用いて電圧利得値を演算する過程と、前記線形出力電圧に前記電圧利得値を乗算して乗算値を出力する過程と、前記乗算値の入力を受けて線形的に出力可能な最終線形出力電圧に変調して出力する過程と、を含むことを特徴とする車両用インバータの電圧利用率向上制御方法を提供する。
具体的に、前記3相極電圧指令(Vabcn_ref)を生成する過程は、前記2相電圧指令(Vdqref)を3相相電圧指令(Vabcs_ref)に変換する過程と、前記3相相電圧指令(Vabcs_ref)を3相極電圧指令(Vabcn_ref)に変換する過程と、からなる。
また、具体的に、前記線形出力電圧に変調して出力する過程では、3相極電圧指令(Vabcn_ref)が線形的に出力できない電圧であることを認知すると、前記3相極電圧指令(Vabcn_ref)の指令電圧ベクトルを所定のベクトルに変更して3相極電圧指令(Vabcn_ref)を線形的に出力可能な線形出力電圧に補正する。
また、具体的に、前記電圧利得値を演算して出力する過程では、2相電圧指令(Vdqref)の大きさ値(|Vdqref|)を演算した後、2相電圧指令の大きさ値(|Vdqref|)とインバータの入力直流電圧(VdcLPF)の差分値(VmagErr)を
Figure 0006513393
を用いて演算し、前記差分値(VmagErr)を積分して電圧利得値を計算する。
また、具体的に、前記最終線形出力電圧に変調して出力する過程では、入力を受けた乗算値が線形的に出力できない電圧であることを認知すると、前記乗算値の指令電圧ベクトルを所定のベクトルに変更して前記乗算値を線形的に出力可能な最終線形出力電圧に補正する。
本発明によれば、モータの制御のためのインバータの電圧利用率を高めることで、モータシステムの出力及び効率を向上し、結局、環境に優しい車両の燃費を改善することができる。
また、本発明は、ハードウェアの設計を変更しなくても得られるため、それによる原価上昇がないという利点がある。
環境に優しい車両の駆動モータを制御するインバータの電圧利用率を向上させる時に発生する効果を説明するための概念図である。 本発明の実施例による環境に優しい車両用インバータの電圧利用率向上制御装置を説明するための図面である。 本発明による環境に優しい車両用インバータの電圧利用率向上制御過程を部分的に示す図面である。 従来技術によって高利得演算器を使用せずにインバータ電圧を制御する場合のシミュレーション結果(左側図面)と、本発明によって高利得演算器を用いてインバータ電圧を制御する場合のシミュレーション結果(右側図面)を示すグラフである。
以下、本発明を該当技術分野で通常の知識を有する者であれば容易に実施するように説明する。
周知の通り、インバータの電圧利用率は、インバータに入力される入力直流電圧(すなわち、車両内のモータの駆動のための高電圧バッテリーの出力電圧)に対するインバータの出力交流電圧(すなわち、車両内のモータ端子の入力電圧)の比率であって、下式(1)で得られる。
Figure 0006513393
図1は、環境に優しい車両の駆動モータを制御するインバータの電圧利用率を向上させる時に発生する効果を説明するための概念図である。
図1に示すように、インバータの電圧利用率が第1電圧制限楕円(A1)から第2電圧制限楕円(A2)に移動して電圧利用率が向上(電圧利用率1→電圧利用率2)する場合、モータトルクを第1トルク曲線(T1)のトルク値として出力できるようになってモータシステムの出力が向上し、同一出力条件では第2トルク曲線(T2)に沿ってモータトルクが発生する時、第2トルク曲線(T2)のモータトルクがC2からB2に運転点が移動して入力電流の大きさが減少するようになり、このような電流減少によってモータシステムの効率が向上し、結果的に車両燃費が向上する。
図2は、本発明によるインバータの電圧利用率向上制御装置及び方法を説明するための図面である。
図2に示すように、本発明によるインバータの電圧利用率向上制御装置は、インバータの電圧利用率を向上させるために、電流指令マップ部1、電流制御器2、相変換器3と空間ベクトル変調器4からなる指令変換部9、第1過変調器5、高利得(High Gain)演算器6、マルチプリケーター7、第2過変調器8で構成することができる。
電流指令マップ部1は、モータのトルク指令と逆磁束値の入力を受けて第1電流指令(D軸電流指令)と第2電流指令(Q軸電流指令)の2相を有する2相電流指令(Idq_ref)を生成するもので、生成した2相電流指令(Idq_ref)は電流制御器2に出力する。
前記電流指令マップ部1は、既に電流指令マップをマッピング構成して格納した一種の格納ユニットであって、前記電流指令マップは、モータのトルク指令と逆磁束値に2相電流指令(Idq_ref)をマッチングして設定され、入力されるトルク指令と逆磁束値に同時に対応する2相電流指令(Idq_ref)を出力値として提供する。
前記電流制御器2は、電流指令マップ部1から2相電流指令(Idq_ref)の入力を受けて第1電圧指令(D軸電圧指令)と第2電圧指令(Q軸電圧指令)の2相を有する2相電圧指令(Vdqref)を生成するもので、生成した2相電圧指令(Vdqref)は相変換器3に出力する。
前記相変換器3は、電流制御器2から2相電圧指令(Vdqref)の入力を受けて3相相電圧指令(Vabcs_ref)に変換するもので、生成した3相相電圧指令(Vabcs_ref)は空間ベクトル変調器4に出力する。
前記空間ベクトル変調器4は、空間ベクトルPWM(Pulse Width Modulation)方式を用いた変調器であって、相変換器3から入力を受けた3相相電圧指令(Vabcs_ref)を3相極電圧指令(Vabcn_ref)に変換し、生成した3相極電圧指令(Vabcn_ref)を第1過変調器5に出力する。
ここで、3相相電圧指令(Vabcs_ref)は3相負荷に印加される電圧指令であり、3相極電圧指令(Vabcn_ref)はそれぞれの相スイッチの状態を決める電圧指令である。
すなわち、前記相変換器3と空間ベクトル変調器4からなる指令変換部9は、電流制御器2から2相電圧指令(Vdqref)の入力を受けて3相極電圧指令(Vabcn_ref)を生成して出力する。
前記第1過変調器5は、最小距離変調技法を用いて線形的に出力できない電圧を線形的に出力可能な電圧に変更(変調)するもので、空間ベクトル変調器4から入力を受けた3相極電圧指令(Vabcn_ref)を線形的に出力可能な電圧に変更してマルチプリケーター7に出力する。
ここで、前記最小距離変調技法は、3相極電圧指令のベクトルと大きさの誤差が少なくなるように、新たに指令電圧ベクトルを設定する方式であって、すなわち3相極電圧指令のベクトルと大きさの誤差を減らすために指令電圧ベクトルを変更(変調)して3相極電圧指令を補正する方式である。
したがって、第1過変調器5は線形的に出力できない電圧が発生すると、言い換えれば、第1過変調器5は、空間ベクトル変調器4から入力を受けた3相極電圧指令(Vabcn_ref)が線形的に出力できない電圧であることを認知すると、空間ベクトル変調器4から入力を受けた3相極電圧指令(Vabcn_ref)の指令電圧ベクトルを所定のベクトルに変更して3相極電圧指令(Vabcn_ref)を線形的に出力可能な電圧(線形出力電圧)として補正する。
このように補正された3相極電圧指令(Vabcn_ref)(線形出力電圧)は前記マルチプリケーター7に出力される。
マルチプリケーター7は、前記第1過変調器5から出力される線形出力電圧に高利得演算器6の出力値を乗算する。
図3は、本発明によって高利得演算器の出力値を用いてPWM出力を発生する過程を概略的に示すもので、図3でVdqREF_LPFは下式(2)のVdqrefと同じ値である。
図2及び図3を参照すると、高利得演算器6は、電流制御器2の出力値の2相電圧指令(Vdqref)とインバータの入力直流電圧(VdcLPF)(すなわち、高電圧バッテリーの出力電圧)の入力を受けて下式(2)のように演算を行う。
Figure 0006513393
前記高利得演算器6は、先ず、2相電圧指令(Vdqref)の大きさ値(|Vdqref|)を演算した後、2相電圧指令の大きさ値(|Vdqref|)とインバータの入力直流電圧(VdcLPF)の差分値(VmagErr)を前記式(2)のように演算し、次の高利得演算器6内の積分器を用いて前記差分値(VmagErr)を積分して電圧利得値(積分器の出力値)を計算する。この積分器の出力値が高利得演算器6の最終出力値となる。
前記高利得演算器6の最終出力値(電圧利得値)と第1過変調器5の出力値を乗算したマルチプリケーター7は、その乗算値を第2過変調器8に出力する。
マルチプリケーター7の出力が線形的に出力できない電圧として発生する場合、マルチプリケーター7の出力を線形的に出力可能な電圧に変更するために、第2過変調器8を構成する。
前記第2過変調器8は、前述した第1過変調器5と同様に最小距離変調技法を用いて線形的に出力できない電圧を線形的に出力可能な電圧に変更するもので、マルチプリケーター7の出力値を線形的に出力可能な電圧に変更して出力する。
具体的に、第2過変調器8は、入力を受けたマルチプリケーター7の出力値が線形的に出力できない電圧であることを認知すると、マルチプリケーターの出力値の指令電圧ベクトルを所定のベクトルに変更してマルチプリケーターの出力値を線形的に出力可能な電圧(最終線形出力電圧)に変更及び補正する。
第2過変調器8では、このように補正されたマルチプリケーターの出力値(最終線形出力電圧)が出力されるが、この時の最終線形出力電圧はPWMの形態で出力される。
すなわち、第2過変調器8は、本発明による制御装置の最終出力としてPWM信号を出力することになる。
このように本発明では、インバータの入力直流電圧をインバータの出力交流電圧に最大限変調してインバータの電圧利用率を向上させることで、同一電流条件ではモータシステムの出力を向上させ、同一出力条件では入力電流の減少によってモータシステムの効率を向上させることができ、結局、車両燃費を向上させることになる。
また、本発明では、過変調演算を行う直前に過変調用高電圧を形成するため、モータ制御安定性を維持でき、また、モータ制御安定性を維持しながらインバータの電圧利用率を向上させることができる。
また、本発明では、電流制御を行いながらインバータ電圧利用率を向上させるため、環境に優しい車両用駆動モータの電流制御性に問題を引き起こすことがない。
一方、図4は、従来技術によって高利得演算器を使用せずにインバータ電圧を制御する場合のシミュレーション結果(左側図面)と、本発明によって高利得演算器を用いてインバータ電圧を制御する場合のシミュレーション結果(右側図面)を示すグラフであって、グラフの対角線が長いほど電圧利用率が大きいと判断する。
シミュレーションの結果、図4に示すように、本発明によって高利得演算器を用いてインバータの電圧利用率を制御する場合、従来に比べてインバータの電圧利用率が増大することを確認することができた。
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、本発明の権利範囲は上述した実施例に限定されることはなく、次の特許請求の範囲で定義する本発明の基本概念を用いた当業者の様々な変形及び改良形態も本発明の権利範囲に属する。
1 電流指令マップ部
2 電流制御器
3 相変換器
4 空間ベクトル変調器
5 第1過変調器
6 高利得演算器
7 マルチプリケーター
8 第2過変調器

Claims (11)

  1. 第1電圧指令と第2電圧指令の2相を有する2相電圧指令(Vdqref)を生成する電流制御器と、
    前記電流制御器から2相電圧指令(Vdqref)の入力を受けて3相極電圧指令(Vabcn_ref)を生成する指令変換部と、
    前記指令変換部から入力を受けた3相極電圧指令(Vabcn_ref)を線形的に出力可能な電圧に変調して出力する第1過変調器と、
    前記電流制御器の2相電圧指令(Vdqref)とインバータの入力直流電圧(VdcLPF)の入力を受け、電圧利得値を演算して出力する高利得演算器と、
    を含めて、
    前記第1過変調器の出力値に前記高利得演算器の出力値を乗算して出力するマルチプリケーターと、
    前記マルチプリケーターの出力値の入力を受けて線形的に出力可能な電圧に変調して出力する第2過変調器と、
    を含んで構成されることを特徴とする車両用インバータの電圧利用率向上制御装置。
  2. 前記指令変換部は、
    前記電流制御器から2相電圧指令(Vdqref)の入力を受けて3相相電圧指令(Vabcs_ref)に変換する相変換器と、
    前記相変換器から入力を受けた3相相電圧指令(Vabcs_ref)を3相極電圧指令(Vabcn_ref)に変換する空間ベクトル変調器と、
    からなることを特徴とする請求項1に記載の車両用インバータの電圧利用率向上制御装置。
  3. 第1電流指令と第2電流指令の2相を有する2相電流指令(Idq_ref)を生成して前記電流制御器に出力する電流指令マップ部を含んで構成されることを特徴とする請求項1に記載の車両用インバータの電圧利用率向上制御装置。
  4. 前記第1過変調器は、空間ベクトル変調器から入力を受けた3相極電圧指令(Vabcn_ref)が線形的に出力できない電圧であることを認知すると、空間ベクトル変調器から入力を受けた3相極電圧指令(Vabcn_ref)の指令電圧ベクトルを所定のベクトルに変更して3相極電圧指令(Vabcn_ref)を線形的に出力可能な線形出力電圧に補正することを特徴とする請求項1に記載の車両用インバータの電圧利用率向上制御装置。
  5. 前記高利得演算器は、2相電圧指令(Vdqref)の大きさ値(|Vdqref|)を演算した後、2相電圧指令の大きさ値(|Vdqref|)とインバータの入力直流電圧(VdcLPF)の差分値(VmagErr)を
    Figure 0006513393
    を用いて演算し、前記差分値(VmagErr)を積分して電圧利得値を計算することを特徴とする請求項1に記載の車両用インバータの電圧利用率向上制御装置。
  6. 前記第2過変調器は、入力を受けたマルチプリケーターの出力値が線形的に出力できない電圧であることを認知すると、マルチプリケーターの出力値の指令電圧ベクトルを所定のベクトルに変更してマルチプリケーターの出力値を線形的に出力可能な最終線形出力電圧に補正することを特徴とする請求項に記載の車両用インバータの電圧利用率向上制御装置。
  7. 第1電流指令と第2電流指令の2相を有する2相電流指令(Idq_ref)を生成する過程と、
    前記2相電流指令(Idq_ref)を用いて第1電圧指令と第2電圧指令の2相を有する2相電圧指令(Vdqref)を生成する過程と、
    前記2相電圧指令(Vdqref)を用いて3相極電圧指令(Vabcn_ref)を生成する過程と、
    前記3相極電圧指令(Vabcn_ref)を線形的に出力可能な線形出力電圧に変調して出力する過程と、
    前記2相電圧指令(Vdqref)とインバータの入力直流電圧(VdcLPF)を用いて電圧利得値を演算する過程と、
    を含めて、
    前記線形出力電圧に前記電圧利得値を乗算して乗算値を出力する過程と、
    前記乗算値の入力を受けて線形的に出力可能な最終線形出力電圧に変調して出力する過程と、
    を含むことを特徴とする車両用インバータの電圧利用率向上制御方法。
  8. 前記3相極電圧指令(Vabcn_ref)を生成する過程は、
    前記2相電圧指令(Vdqref)を3相相電圧指令(Vabcs_ref)に変換する過程と、
    前記3相相電圧指令(Vabcs_ref)を3相極電圧指令(Vabcn_ref)に変換する過程と、
    からなることを特徴とする請求項に記載の車両用インバータの電圧利用率向上制御方法。
  9. 前記線形出力電圧に変調して出力する過程では、3相極電圧指令(Vabcn_ref)が線形的に出力できない電圧であることを認知すると、前記3相極電圧指令(Vabcn_ref)の指令電圧ベクトルを所定のベクトルに変更して3相極電圧指令(Vabcn_ref)を線形的に出力可能な線形出力電圧に補正することを特徴とする請求項に記載の車両用インバータの電圧利用率向上制御方法。
  10. 前記電圧利得値を演算して出力する過程では、2相電圧指令(Vdqref)の大きさ値(|Vdqref|)を演算した後、2相電圧指令の大きさ値(|Vdqref|)とインバータの入力直流電圧(VdcLPF)の差分値(VmagErr)を
    Figure 0006513393
    を用いて演算し、前記差分値(VmagErr)を積分して電圧利得値を計算することを特徴とする請求項に記載の車両用インバータの電圧利用率向上制御方法。
  11. 前記最終線形出力電圧に変調して出力する過程では、入力を受けた乗算値が線形的に出力できない電圧であることを認知すると、前記乗算値の指令電圧ベクトルを所定のベクトルに変更して前記乗算値を線形的に出力可能な最終線形出力電圧に補正することを特徴とする請求項に記載の車両用インバータの電圧利用率向上制御方法。
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