JP6693446B2

JP6693446B2 - 駆動装置

Info

Publication number: JP6693446B2
Application number: JP2017046261A
Authority: JP
Inventors: 尚弘安藤; 洋輔田川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-10
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2020-05-13
Anticipated expiration: 2037-03-10
Also published as: US10668817B2; CN108569159B; US20180257496A1; JP2018152954A; CN108569159A

Description

本発明は、駆動装置に関し、詳しくは、モータと蓄電装置と２つの昇圧コンバータとを備える駆動装置に関する。

従来、この種の駆動装置としては、モータと、２つの蓄電装置と、２つの蓄電装置のそれぞれに接続されて２つの蓄電装置とモータとの間で電圧の変換を伴って電力のやりとりを行なう２つの昇圧コンバータと、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、２つの昇圧コンバータの損失が最小となるように電力分配率を決定している。

特開２０１６−１１１８８６号公報

しかしながら、上述の駆動装置では、蓄電装置の蓄電割合が大きくなると、蓄電装置への入力電力が過大にならないように蓄電装置に入力してもよい電力（入力制限）を小さくするため、モータからの回生電力が蓄電装置の入力制限を超える場合が生じる。この場合、蓄電装置の過充電を抑制するためにモータの回生トルクを小さくすることも考えられるが、必要な回生トルクを作用させることができなくなってしまう。

本発明の駆動装置は、蓄電装置の過充電を抑制すると共にモータから必要な回生トルクを出力することを主目的とする。

本発明の駆動装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の駆動装置は、
モータと、
蓄電装置と、
前記蓄電装置側と前記モータ側との間で電圧の変換を伴って電力をやりとりする第１昇圧コンバータと、
前記第１昇圧コンバータに対して並列に接続され、前記蓄電装置側と前記モータ側との間で電圧の変換を伴って電力をやりとりする第２昇圧コンバータと、
前記第１昇圧コンバータと前記第２昇圧コンバータとを制御する制御装置と、
を備える駆動装置であって、
前記制御装置は、前記蓄電装置に入力しようとする前記モータ側からの電力が前記蓄電装置の入力制限より大きい過大入力電力時には、前記第１昇圧コンバータおよび前記第２昇圧コンバータにおける損失が最小とはならないように前記第１昇圧コンバータと前記第２昇圧コンバータとを制御する、
ことを要旨とする。

この本発明の駆動装置では、蓄電装置に入力しようとするモータ側からの電力が蓄電装置の入力制限より大きい過大入力電力時には、第１昇圧コンバータおよび第２昇圧コンバータにおける損失が最小とはならないように第１昇圧コンバータと第２昇圧コンバータとを制御する。即ち、第１昇圧コンバータおよび第２昇圧コンバータにおける損失が大きくなるように第１昇圧コンバータと第２昇圧コンバータとを制御するのである。これにより、モータ側からの電力の一部を消費し、蓄電装置に入力する電力を入力制限の範囲内にすることができる。したがって、蓄電装置に入力する電力を入力制限の範囲内とするためにモータの回生トルクを抑制する必要がない。この結果、蓄電装置の過充電を抑制すると共にモータから必要な回生トルクを出力することができる。

こうした本発明の駆動装置において、前記制御装置は、前記過大電力入力時には、前記第１昇圧コンバータと前記第２昇圧コンバータとのうちの一方の昇圧コンバータについては前記モータ側から前記蓄電装置側に電力を供給するように制御し、前記第１昇圧コンバータと前記第２昇圧コンバータとのうちの他方の昇圧コンバータについては前記蓄電装置側から前記モータ側に電力を供給するように制御するものとしてよい。即ち、モータ側の電力を一方の昇圧コンバータにより蓄電装置側に供給し、蓄電装置側の電力を他方の昇圧コンバータによりモータ側に供給することにより、一方の昇圧コンバータと他方の昇圧コンバータとを通る電力のループを形成するのである。こうした電力のループの形成により、第１昇圧コンバータおよび第２昇圧コンバータにおける損失は大きくなる。この場合、前記制御装置は、前記過大電力入力時には、前記第１昇圧コンバータおよび前記第２昇圧コンバータにおける損失が最大となるように制御するものとしてもよい。また、前記制御装置は、前記過大電力入力時には、前記蓄電装置に入力される電力が前記入力制限以下となるように制御するものとしてもよい。こうすれば、蓄電装置の過充電を抑止することができる。

本発明の一実施例としての駆動装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。モータ３２を含む電機駆動系の構成の概略を示す構成図である。電子制御ユニット７０により実行される昇圧制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。駆動装置における電力の流れの一例を示す説明図である。電子制御ユニット７０により実行される損失大制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

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駆動装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、モータ３２を含む電機駆動系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１に示すように、モータ３２と、インバータ３４と、蓄電装置としてのバッテリ３６と、第１，第２昇圧コンバータ４０，４１と、電子制御ユニット７０と、を備える。ここで、実施例の駆動装置としては、モータ３２とバッテリ３６と第１，第２昇圧コンバータ４０，４１と電子制御ユニット７０とが相当する。

モータ３２は、例えば同期発電電動機として構成されており、回転子が駆動輪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側電力ライン４２に接続されている。モータ３２は、電子制御ユニット７０によって、インバータ３４の図示しない複数のスイッチング素子がスイッチング制御されることにより、回転駆動される。高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとには、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、第２電力ラインとしての低電圧側電力ライン４４に接続されている。低電圧側電力ライン４４の正極側ラインと負極側ラインとには、平滑用のコンデンサ４８が取り付けられている。

図２に示すように、第１昇圧コンバータ４０は、高電圧側電力ライン４２と低電圧側電力ライン４４とに接続されており、２つのトランジスタＴ１１，Ｔ１２と、２つのダイオードＤ１１，Ｄ１２と、リアクトルＬ１と、を有する周知の昇降圧コンバータとして構成されている。トランジスタＴ１１は、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインに接続されている。トランジスタＴ１２は、トランジスタＴ１１と、高電圧側電力ライン４２および低電圧側電力ライン４４の負極側ラインと、に接続されている。リアクトルＬ１は、トランジスタＴ１１，Ｔ１２同士の接続点と、低電圧側電力ライン４４の正極側ラインと、に接続されている。第１昇圧コンバータ４０は、電子制御ユニット７０によって、トランジスタＴ１１，Ｔ１２のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧側電力ライン４４の電力を電圧の昇圧を伴って高電圧側電力ライン４２に供給したり、高電圧側電力ライン４２の電力を電圧の降圧を伴って低電圧側電力ライン４４に供給したりする。第２昇圧コンバータ４１は、第１昇圧コンバータ４０と同様に、高電圧側電力ライン４２と低電圧側電力ライン４４とに接続されており、２つのトランジスタＴ２１，Ｔ２２と、２つのダイオードＤ２１，Ｄ２２と、リアクトルＬ２と、を有する周知の昇降圧コンバータとして構成されている。この第２昇圧コンバータ４１は、電子制御ユニット７０によって、トランジスタＴ２１，Ｔ２２のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧側電力ライン４４の電力を電圧の昇圧を伴って高電圧側電力ライン４２に供給したり、高電圧側電力ライン４２の電力を電圧の降圧を伴って低電圧側電力ライン４４に供給したりする。

電子制御ユニット７０は、図示しないが、ＣＰＵ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、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭやデータを一時的に記憶するＲＡＭ，不揮発性のフラッシュメモリ，入出力ポートを備える。図１に示すように、電子制御ユニット７０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７０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３２ａからの回転位置θｍや、モータ３２の各相に流れる電流を検出する電流センサからの相電流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からの電圧Ｖｂや、バッテリ３６の出力端子に取り付けられた電流センサからの電流Ｉｂ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からの高電圧側電力ライン４２（コンデンサ４６）の電圧ＶＨや、コンデンサ４８の端子間に取り付けられた電圧センサ４８ａからの低電圧側電力ライン４４（コンデンサ４８）の電圧ＶＬを挙げることもできる。第１，第２昇圧コンバータ４０，４１のリアクトルＬ１，Ｌ２に流れる電流を検出する電流センサ４０ａ，４１ａからのリアクトルＬ１，Ｌ２の電流ＩＬ１，ＩＬ２や、第１，第２昇圧コンバータ４０，４１に取り付けられた温度センサ４０ｂ，４１ｂからの第１，第２昇圧コンバータ４０，４１の温度ｔｃ１，ｔｃ２も挙げることができる。イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号や、シフトレバー８１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰを挙げることができる。また、アクセルペダル８３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８４からのアクセル開度Ａｃｃや、ブレーキペダル８５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８６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ８８からの車速Ｖも挙げることができる。電子制御ユニット７０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７０から出力される信号としては、例えば、インバータ３４の複数のスイッチング素子へのスイッチング制御信号や、第１昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ１１，Ｔ１２へのスイッチング制御信号，第２昇圧コンバータ４１のトランジスタＴ２１，Ｔ２２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７０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７０は、電流センサからのバッテリ３６の電流Ｉｂの累積値に基づいてバッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣを演算したり、演算した蓄電割合ＳＯＣとバッテリ３６に取り付けられた図示しない温度センサにより検出された電池温度Ｔｂとに基づいてバッテリ３６を充放電してもよい最大許容電力である入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを演算したりしている。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７０は、まず、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて走行に要求される（駆動軸２６に要求される）要求トルクＴｐ＊を設定し、設定した要求トルクＴｐ＊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の複数のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。

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を回生制御しているときの第１，第２昇圧コンバータ４０，４１を制御する際の動作について説明する。図３は、電子制御ユニット７０により実行される回生時制御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。

回生時制御ルーチンが実行されると、ＨＶＥＣＵ７０は、まず、モータ３２をインバータ３４により回生制御することにより得られる回生電力Ｐｒｅｇや、バッテリ３６の入力制限Ｗｉｎを入力する処理を実行する（ステップＳ１００）。回生電力Ｐｒｅｇは、モータ３２のトルク指令Ｔｍ＊とモータ３２の回転数Ｎｍから演算したり、高電圧側電力ライン４２に流れる電流とコンデンサ４６の電圧ＶＨとに基づいて演算することができる。

続いて、入力した回生電力Ｐｒｅｇがバッテリ３６の入力制限Ｗｉｎより大きいか否かを判定し（ステップＳ１１０）、回生電力Ｐｒｅｇが入力制限Ｗｉｎ以下であると判定したときには、第１，第２昇圧コンバータ４０，４１の通常制御を実行して（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。通常制御では、第１，第２昇圧コンバータ４０，４１の損失が最小となるように第１，第２昇圧コンバータ４０，４１を制御する。

一方、回生電力Ｐｒｅｇが入力制限Ｗｉｎより大きいと判定したときには、第１，第２昇圧コンバータ４０，４１の損失が大きくなるように第１，第２昇圧コンバータ４０，４１を制御する損失大制御を実行して（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。損失大制御では、実施例では図４に示すように、第１昇圧コンバータ４０によりインバータ３４側（モータ３２側）の電力をバッテリ３６側に出力するように制御（回生制御）し、第２昇圧コンバータ４１によりバッテリ３６側の電力をインバータ３４側（モータ３２側）に出力するように制御（力行制御）する。このとき、第１昇圧コンバータ４０に入力される電力Ｐ１ｉｎは、インバータ３４により得られる回生電力Ｐｒｅｇと第２昇圧コンバータ４１によりインバータ３４側（モータ３２側）に出力される電力Ｐ２ｏｕｔの和として計算される。第１昇圧コンバータ４０は、インバータ３４側（モータ３２側）から電力Ｐ１ｉｎを入力し、電力Ｐ１ｉｎから第１昇圧コンバータ４０による損失Ｌ１を減じた電力Ｐ１ｏｕｔをバッテリ３６側に出力する。第２昇圧コンバータ４１は、バッテリ３６側から電力Ｐ２ｉｎを入力し、電力Ｐ２１ｉｎから第２昇圧コンバータ４１による損失Ｌ２を減じた電力Ｐ２ｏｕｔをインバータ３４側（モータ３２側）に出力する。したがって、バッテリ３６には第１昇圧コンバータ４０から出力する電圧Ｐ１ｏｕｔから第２昇圧コンバータ４１に入力する電力Ｐ２ｉｎを減じた電力Ｐｉｎが入力される。図４の白抜き矢印は、それぞれの電力を示す。図示するように、インバータ３４側（モータ３２側）の電力を第１昇圧コンバータ４０によりバッテリ３６側に出力し、バッテリ３６側の電力を第２昇圧コンバータ４０によりインバータ３４側（モータ３２側）に出力することにより、第１昇圧コンバータ４０と第２昇圧コンバータ４１とを通る電力のループが形成される。この場合、ループする電力の大きさが大きいほど第１昇圧コンバータ４０の損失Ｌ１および第２昇圧コンバータ４０の損失Ｌ２は大きくなる。なお、損失Ｌ１と損失Ｌ２の和が回生電力Ｐｒｅｇとバッテリ３６の入力制限Ｗｉｎとの差（Ｐｒｅｇ−Ｗｉｎ）に等しくなるようにすれば、バッテリ３６に入力される電力Ｐｉｎは入力制限Ｗｉｎに等しくなる。

回生電力Ｐｒｅｇが入力制限Ｗｉｎより大きいと判定される多くの場合は、バッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣが比較的大きいことから入力制限Ｗｉｎが小さくなっているときである。この場合、できる限りバッテリ３６に入力される電力Ｐｉｎを小さくすることが望まれる。実施例では、こうした事情を考慮し、損失大制御として図５に例示する損失大制御ルーチンを実行する。損失大制御ルーチンでは、第１昇圧コンバータ４０を回生側に最大駆動するように制御し（ステップＳ２００）、第１昇圧コンバータ４０を回生側に最大駆動したときに第１昇圧コンバータ４０から出力する最大出力電力Ｐ１ｏｕｔｍａｘから回生電力Ｐｒｅｇを減じた値として第２昇圧コンバータ４１に入力する電力Ｐ２ｉｎを計算する（ステップＳ２１０）。そして、第２昇圧コンバータ４１に電力Ｐ２ｉｎが入力されてインバータ３４側（モータ３２側）に電力が出力されるように第２昇圧コンバータ４１を力行側に駆動するように制御し（ステップＳ２２０）、本ルーチンを終了する。この場合、損失Ｌ１と損失Ｌ２の和は回生電力Ｐｒｅｇとバッテリ３６の入力制限Ｗｉｎとの差（Ｐｒｅｇ−Ｗｉｎ）より大きくなるから、バッテリ３６に入力される電力Ｐｉｎは入力制限Ｗｉｎより小さくなる。なお、損失Ｌ１と損失Ｌ２の和は回生電力Ｐｒｅｇとバッテリ３６の入力制限Ｗｉｎとの差（Ｐｒｅｇ−Ｗｉｎ）に一致するか僅かに大きくなるように調整すれば、バッテリ３６に入力される電力Ｐｉｎは入力制限Ｗｉｎか僅かにそれより小さくなる。

以上説明した実施例の駆動装置では、インバータ３４による回生電力Ｐｒｅｇがバッテリ３６の入力制限Ｗｉｎより大きいときには、第１，第２昇圧コンバータ４０，４１の損失が通常制御の最小より大きくなるように第１，第２昇圧コンバータ４０，４１を制御する。これにより、バッテリ３６に入力する電力Ｐｉｎを入力制限Ｗｉｎ以下にすることができ、バッテリ３６に入力する電力Ｐｉｎが入力制限Ｗｉｎを超えることによってモータ３２の回生トルクを制限するのを抑制することができる。即ち、バッテリ３６の過充電を抑制すると共にモータ３２から必要な回生トルクを出力することができる。

実施例の電気自動車２０が搭載する駆動装置では、第１昇圧コンバータ４０と第２昇圧コンバータ４１との２つの昇圧コンバータを備えるものとしたが、３つ以上の昇圧コンバータを備えるものとしてもよい。

実施例の電気自動車２０が搭載する駆動装置では、蓄電装置として１つのバッテリ３６を備えるものとしたが、バッテリ３６に代えてキャパシタを用いるものとしてもよい。

実施例では、モータ３２からの動力を用いて走行する電気自動車２０に搭載される駆動装置の形態とした。しかし、モータからの動力とエンジンからの動力とを用いて走行するハイブリッド自動車に搭載される駆動装置の形態としてもよいし、建設設備などの移動しない設備に組み込まれる駆動装置の形態としてもよい。

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、バッテリ３６が「蓄電装置」に相当し、第１，第２昇圧コンバータ４０，４１が「第１，第２昇圧コンバータ」に相当し、電子制御ユニット７０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、駆動装置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モータ、３２ａ回転位置検出センサ、３４インバータ、３６バッテリ、４０第１昇圧コンバータ、４０ａ，４１ａ電流センサ、４０ｂ，４１ｂ温度センサ、４１第２昇圧コンバータ、４２高電圧側電力ライン、４４低電圧側電力ライン、４６，４８コンデンサ、４６ａ，４８ａ電圧センサ、７０電子制御ユニット、８０イグニッションスイッチ、８１シフトレバー、８２シフトポジションセンサ、８３アクセルペダル、８４アクセルペダルポジションセンサ、８５ブレーキペダル、８６ブレーキペダルポジションセンサ、８８車速センサ、Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２ダイオード、Ｌ１，Ｌ２リアクトル、Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ２２トランジスタ。

Claims

モータと、
蓄電装置と、
前記蓄電装置側と前記モータ側との間で電圧の変換を伴って電力をやりとりする第１昇圧コンバータと、
前記第１昇圧コンバータに対して並列に接続され、前記蓄電装置側と前記モータ側との間で電圧の変換を伴って電力をやりとりする第２昇圧コンバータと、
前記第１昇圧コンバータと前記第２昇圧コンバータとを制御する制御装置と、
を備える駆動装置であって、
前記制御装置は、前記蓄電装置に入力しようとする前記モータ側からの電力が前記蓄電装置の入力制限より大きい過大電力入力時には、前記第１昇圧コンバータおよび前記第２昇圧コンバータにおける損失が最小とはならないように前記第１昇圧コンバータと前記第２昇圧コンバータとを制御し、
更に、前記制御装置は、前記過大電力入力時には、前記第１昇圧コンバータと前記第２昇圧コンバータとのうちの一方の昇圧コンバータについては前記モータ側から前記蓄電装置側に電力を供給するように制御し、前記第１昇圧コンバータと前記第２昇圧コンバータとのうちの他方の昇圧コンバータについては前記蓄電装置側から前記モータ側に電力を供給するように制御する、
駆動装置。
請求項１記載の駆動装置であって、
前記制御装置は、前記過大電力入力時には、前記第１昇圧コンバータおよび前記第２昇圧コンバータにおける損失が最大となるように制御する、
駆動装置。
請求項２記載の駆動装置であって、
前記制御装置は、前記過大電力入力時には、前記蓄電装置に入力される電力が前記入力制限以下となるように制御する、
駆動装置。