JP6719588B2 - 電動機の制御装置 - Google Patents
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Description
この発明は電動機の制御装置に関し、主に車両に搭載され、エンジンの始動やトルクアシスト時には電動機として動作し、エンジンの始動後には発電機としても動作する発電電動機の制御装置に適用できるものである。
近年、燃費の向上や、環境基準への適合を目的とし、発電電動機を搭載し、車両の停止時にエンジンを停止させ発進時に発電電動機によりエンジンの再始動を行ういわゆるアイドルストップを行う車両が開発されている。このような車両用に用いられる発電電動機は小型、低コスト、高トルクが求められるため、巻線界磁式発電電動機を用いて、矩形波通電による駆動を行うことが多い。
バッテリからの供給電力でこのような電動機を動作させる場合、頻繁に過大な電力供給を要するためバッテリ電圧が低下する。さらに、低温時やバッテリの劣化が進んだ場合などは特に電圧低下が大きくなる。この電圧低下に対する抑制手段として、車両システムに電源制御装置を設け、バッテリ状態と電気負荷の作動状態に基づいて電源電圧の変化を予測し、電気負荷の電流を負荷コントローラによって制限する手法が提案されている。（特許文献１を参照）
バッテリからの供給電力でこのような電動機を動作させる場合、頻繁に過大な電力供給を要するためバッテリ電圧が低下する。さらに、低温時やバッテリの劣化が進んだ場合などは特に電圧低下が大きくなる。この電圧低下に対する抑制手段として、車両システムに電源制御装置を設け、バッテリ状態と電気負荷の作動状態に基づいて電源電圧の変化を予測し、電気負荷の電流を負荷コントローラによって制限する手法が提案されている。（特許文献１を参照）
ところが、特許文献１では、従来の車両システムに対し電源制御装置と負荷コントローラの設置が必要であるため、開発工数の増大、コストアップ、スペース圧迫などの課題があった。
この発明は、先述した課題を解決するためになされたもので、バッテリ電圧に基づいて自律的に電動機出力を低減する電動機の制御装置を提供することを目的とするものである。
この発明に係る電動機の制御装置は、バッテリの電力を電力変換する界磁電力変換部および電機子電力変換部の出力で駆動され内燃機関を回転させる電動機の制御装置であって、
前記界磁電力変換部および前記電機子電力変換部はいずれも前記制御装置によって通電制御され、
前記制御装置は、前記電動機の消費電流を検出する消費電流検出手段、および前記電動機の駆動時のバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出手段を備え、
前記バッテリ電圧検出手段により検出された前記電動機の駆動時のバッテリ電圧は、前記消費電流と、前記バッテリと前記電動機とを接続する配線の抵抗と、前記電動機の前記配線との接続端の電圧とから推定された電圧であり、
前記制御装置は、前記電動機の駆動中に前記バッテリ電圧検出手段により検出されたバッテリ電圧が所定の電圧を下回った場合に、前記界磁電力変換部および前記電機子電力変換部へのゲート信号を制御して前記消費電流を低減し前記バッテリ電圧を所定の電圧以上に保つ最低電圧保持手段を備えているものである。
前記界磁電力変換部および前記電機子電力変換部はいずれも前記制御装置によって通電制御され、
前記制御装置は、前記電動機の消費電流を検出する消費電流検出手段、および前記電動機の駆動時のバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出手段を備え、
前記バッテリ電圧検出手段により検出された前記電動機の駆動時のバッテリ電圧は、前記消費電流と、前記バッテリと前記電動機とを接続する配線の抵抗と、前記電動機の前記配線との接続端の電圧とから推定された電圧であり、
前記制御装置は、前記電動機の駆動中に前記バッテリ電圧検出手段により検出されたバッテリ電圧が所定の電圧を下回った場合に、前記界磁電力変換部および前記電機子電力変換部へのゲート信号を制御して前記消費電流を低減し前記バッテリ電圧を所定の電圧以上に保つ最低電圧保持手段を備えているものである。
この発明によれば、バッテリの電力を電力変換する界磁電力変換部および電機子電力変換部の出力で駆動され内燃機関を回転させる電動機の制御装置であって、前記界磁電力変換部および前記電機子電力変換部はいずれも前記制御装置によって通電制御され、前記制御装置は、前記電動機の消費電流を検出する消費電流検出手段、および前記電動機の駆動時のバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出手段を備え、前記バッテリ電圧検出手段により検出された前記電動機の駆動時のバッテリ電圧は、前記消費電流と、前記バッテリと前記電動機とを接続する配線の抵抗と、前記電動機の前記配線との接続端の電圧とから推定された電圧であり、前記制御装置は、前記電動機の駆動中に前記バッテリ電圧検出手段により検出されたバッテリ電圧が所定の電圧を下回った場合に、前記界磁電力変換部および前記電機子電力変換部へのゲート信号を制御して前記消費電流を低減し前記バッテリ電圧を所定の電圧以上に保つ最低電圧保持手段を備えているので、バッテリの電力を電力変換する界磁電力変換部および電機子電力変換部の出力で駆動され内燃機関を回転させる電動機の制御装置であっても、低コストで、駆動時のバッテリ電圧の低下を抑制し、バッテリ電圧を所定の電圧以上に保つことができる。
実施の形態１．
以下、本発明の実施例１について、図面を参照しながら説明する。
以下、本発明の実施例１について、図面を参照しながら説明する。
図１はこの発明にかかる制御装置を搭載した発電電動機を搭載する車両システムを示す説明図である。
図１において、発電電動機１は、電力変換装置１１と回転電機１２とから構成されている。回転電機１２は、ベルト等の動力伝達手段４を介して内燃機関３に連結されている。回転電機１２は、内燃機関３を始動させるときは、配線であるハーネス（以下、「ハーネス」と記す）５を介してバッテリもしくはキャパシタ等からなる電源２から発電電動機１へ電力が供給されて動作し、動力伝達手段４を介して内燃機関３を回転させてこれを始動させる。
図１において、発電電動機１は、電力変換装置１１と回転電機１２とから構成されている。回転電機１２は、ベルト等の動力伝達手段４を介して内燃機関３に連結されている。回転電機１２は、内燃機関３を始動させるときは、配線であるハーネス（以下、「ハーネス」と記す）５を介してバッテリもしくはキャパシタ等からなる電源２から発電電動機１へ電力が供給されて動作し、動力伝達手段４を介して内燃機関３を回転させてこれを始動させる。
図２は、発電電動機１の詳細を示す説明図である。回転電機１２は界磁巻線式の同期機であり、固定子に設けられた電機子巻線１２２と、回転子に設けられた界磁巻線１２１とを備えている。また、回転電機１２には、回転子の回転位置・回転速度を検出する位置センサ１２３が設けられている。
電力変換装置１１は、回転電機１２の界磁巻線１２１に接続された界磁電力変換部１１２と、回転電機１２の電機子巻線１２２に接続された電機子電力変換部１１３と、界磁電力変換部１１２と電機子電力変換部１１３に対して電力変換素子のオン・オフ指令(以下、ゲート信号という)生成を行う制御装置１１１と、界磁電流を検出するための電流センサ１１４とを備える。電力変換装置１１は、この発明の実施の形態１による発電電動機の制御装置を構成する。
界磁電力変換部１１２は、制御装置１１１からのゲート信号に基づいて動作し、ＰＷＭ制御によって界磁巻線１２１に流れる界磁電流を制御する。この界磁電力変換部１１２は、一般的にはＭＯＳＦＥＴによるハーフブリッジ回路により構成される。
電機子電力変換部１１３は、制御装置１１１からのゲート信号に基づいて、電機子コイル１２２へ三相交流電圧(Vu，Vv，Vw)を印加し電機子電流を通電させる。また、このとき同時に界磁電力変換部１１２から界磁巻線１２１に界磁電流を供給する。これにより、回転電機１２は、三相同期電動機として動作し、動力伝達手段４を介して内燃機関３を始動させる。
また、電機子電力変換部１１３は、一般的にはＭＯＳＦＥＴによる３相ブリッジ回路が用いられる。
また、電機子電力変換部１１３は、一般的にはＭＯＳＦＥＴによる３相ブリッジ回路が用いられる。
次に、このように構成されたこの発明の実施の形態１による発電電動機の制御部の動作について説明する。
図３は、バッテリ端子部の電圧を推定するための制御ブロックの関係を図示したものである。
図３は、バッテリ端子部の電圧を推定するための制御ブロックの関係を図示したものである。
発電電動機は、上位コントローラによって駆動を指令されると、指令処理部２０１からの駆動トルク指令値Ｔ＊と、回転速度検出部２０２が検出した回転速度ＮＭＧと、Ｂ端子電圧検出部２０３が検出した入力電圧ＶBと、界磁電流検出部２０４が検出した界磁電流Ｉfをもとに、消費電流推定部２０５にて運転状態に応じた消費電流ＩＢ^の瞬時値をリアルタイムで推定する。
なお、上記消費電流は、バッテリから発電電動機へ供給される直流電流である。
また、この消費電流推定処理は、あらかじめこれらの要素から消費電流を算出するマップを用意しておき、それを参照してもよい。
なお、上記消費電流は、バッテリから発電電動機へ供給される直流電流である。
また、この消費電流推定処理は、あらかじめこれらの要素から消費電流を算出するマップを用意しておき、それを参照してもよい。
次に、電源２と発電電動機を接続するハーネス５の配線抵抗Ｒhと、上記消費電流ＩB^と、Ｂ端子電圧ＶBをもとに、バッテリ電圧検出手段であるバッテリ電圧推定部２０６にてオームの法則に則してバッテリ電圧Ｖbat^を以下の式１により推定する。
Ｖbat^ = ＶB + Ｒh・ＩB^ …(式１)
Ｖbat^ = ＶB + Ｒh・ＩB^ …(式１)
また、配線抵抗Rhはあらかじめ制御装置内に固定値として保持しておき、計算時に参照する。
そして、最低電圧保持手段である消費電流低減部２０７にて、発電電動機の常時駆動中にバッテリ電圧推定値Vbat^の瞬時値が、発電電動機が内燃機関等の電動機負荷を駆動するにあたり、当該駆動に最低限必要な所定の電圧(以下、「電圧低下判定閾値」と記す)を下回った場合、制御装置１１１から界磁電力変換部、ならびに電機子電力変換部へのゲート信号を制御し、バッテリ電圧が電圧低下判定閾値以上を保つよう消費電流を低減する。
そして、最低電圧保持手段である消費電流低減部２０７にて、発電電動機の常時駆動中にバッテリ電圧推定値Vbat^の瞬時値が、発電電動機が内燃機関等の電動機負荷を駆動するにあたり、当該駆動に最低限必要な所定の電圧(以下、「電圧低下判定閾値」と記す)を下回った場合、制御装置１１１から界磁電力変換部、ならびに電機子電力変換部へのゲート信号を制御し、バッテリ電圧が電圧低下判定閾値以上を保つよう消費電流を低減する。
なお、電動機（実施の形態１における回転電機12）の消費電流の低減手段としては、電機子電力変換部にて正弦波の交流電圧を印加するように制御する、いわゆる正弦波PWM制御を行う場合であれば、ゲート信号のDUTY比を低減し、電機子コイル１２２の相電圧を小さくしてもよいし、バッテリ電圧が電圧低下判定閾値以上となるまで指令処理部２０１で処理されるトルク指令をPI制御で下方修正してもよいし、また、界磁電力変換部へのゲート信号のDUTY比を低減してもよい。
以上のようにして、本発明の実施の形態１では、従来の車両システムに新たな装置を設けることなく、駆動時のバッテリ電圧の低下を抑制し、駆動するにあたり最低限必要な電圧以上に保つことができる。また、駆動時のバッテリ電圧の低下に対し、一定以上の電圧を保持することができるため、バッテリを動作源とする他ＥＣＵの不定動作を回避することができる。また、制御装置１１１内に演算プログラムとデータエリアを追加するのみで実現可能であるため、新たに車両システムに電圧センサ等の検出部を設ける必要がなく、低コスト化が図れる。
実施の形態２．
発明の実施の形態２では、実施の形態１において行っていた消費電流の推定に代えて、図４に示すような内臓電流センサ１１５を設け、内臓電流センサ１１５で消費電流を直接検出する。バッテリから発電電動機へ供給される消費電流(実値)IBを直接検出する。その後、電源２と発電電動機を接続するハーネス５の配線抵抗Rhと、上記消費電流IBと、Ｂ端子電圧VBをもとに、バッテリ電圧推定部２０６にてオームの法則に則してバッテリ電圧Vbat^を、以下の式２により推定する。
Vbat^ = VB + Rh・IB …(式２)
消費電流低減部２０７にて、発電電動機の駆動時にバッテリ電圧推定値Vbat^が電圧低下判定閾値を下回った場合、制御装置１１１から界磁電力変換部、ならびに電機子電力変換部へのゲート信号を制御し、バッテリ電圧が電圧低下判定閾値以上を保つよう消費電流を低減する。
発明の実施の形態２では、実施の形態１において行っていた消費電流の推定に代えて、図４に示すような内臓電流センサ１１５を設け、内臓電流センサ１１５で消費電流を直接検出する。バッテリから発電電動機へ供給される消費電流(実値)IBを直接検出する。その後、電源２と発電電動機を接続するハーネス５の配線抵抗Rhと、上記消費電流IBと、Ｂ端子電圧VBをもとに、バッテリ電圧推定部２０６にてオームの法則に則してバッテリ電圧Vbat^を、以下の式２により推定する。
Vbat^ = VB + Rh・IB …(式２)
消費電流低減部２０７にて、発電電動機の駆動時にバッテリ電圧推定値Vbat^が電圧低下判定閾値を下回った場合、制御装置１１１から界磁電力変換部、ならびに電機子電力変換部へのゲート信号を制御し、バッテリ電圧が電圧低下判定閾値以上を保つよう消費電流を低減する。
以上のように実施の形態２では、直接センサで検出した消費電流をもとにバッテリ電圧を推定するため、より精度の高いバッテリ電圧が推定できる。
実施の形態３．
発明の実施の形態３では、実施の形態１において行っていた消費電流の推定およびバッテリ電圧の推定に代えて、図５に示すような一般的に車両に搭載されているバッテリ管理装置２１内の通信インタフェース７と制御装置の通信インタフェース１１６間で通信線６を介しバッテリ電圧Vbat_commを取得、検出する。消費電流低減部２０７にて、発電電動機の駆動時にバッテリ電圧推定値Vbat_commが電圧低下判定閾値を下回った場合、制御装置１１１から界磁電力変換部、ならびに電機子電力変換部へのゲート信号を制御し、バッテリ電圧が電圧低下判定閾値以上を保つよう消費電流を低減する。
発明の実施の形態３では、実施の形態１において行っていた消費電流の推定およびバッテリ電圧の推定に代えて、図５に示すような一般的に車両に搭載されているバッテリ管理装置２１内の通信インタフェース７と制御装置の通信インタフェース１１６間で通信線６を介しバッテリ電圧Vbat_commを取得、検出する。消費電流低減部２０７にて、発電電動機の駆動時にバッテリ電圧推定値Vbat_commが電圧低下判定閾値を下回った場合、制御装置１１１から界磁電力変換部、ならびに電機子電力変換部へのゲート信号を制御し、バッテリ電圧が電圧低下判定閾値以上を保つよう消費電流を低減する。
以上のように実施の形態３では、バッテリ電圧の実値をもとに消費電流の低減制御を行うため、高い制御精度でバッテリの電圧保持を行うことができる。ただし、本制御においてはリアルタイム性が重要であるため、高速通信が必要である。
なお、各図中、同一符合は同一または相当部分を示す。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略、組み合わせることができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を適宜、変形、省略、組み合わせることができる。
１ 発電電動機、 ２ バッテリまたはキャパシタ、
３ 内燃機関、 ４ 動力伝達手段、
５ ハーネス（配線）、 ６ 通信線、
７ バッテリ管理装置の通信インタフェース、
１１ 電力変換装置、 １２ 回転電機、
２１ バッテリ管理装置、 １１１ 制御装置、
１１２ 界磁電力変換部、 １１３ 電機子電力変換部、
１１４ 界磁電流センサ、 １１５ 内臓電流センサ、
１１６ 制御装置内蔵の通信インタフェース
１２１ 界磁コイル、 １２２ 電機子コイル、
１２３ 位置センサ、 ２０１ 指令処理部、
２０２ 回転速度検出部、 ２０３ 入力電圧検出部、
２０４ 界磁電流検出部、 ２０５ 消費電流推定部、
２０６ バッテリ電圧推定部（バッテリ電圧検出手段）、
２０７ 消費電流低減部（最低電圧保持手段）。
３ 内燃機関、 ４ 動力伝達手段、
５ ハーネス（配線）、 ６ 通信線、
７ バッテリ管理装置の通信インタフェース、
１１ 電力変換装置、 １２ 回転電機、
２１ バッテリ管理装置、 １１１ 制御装置、
１１２ 界磁電力変換部、 １１３ 電機子電力変換部、
１１４ 界磁電流センサ、 １１５ 内臓電流センサ、
１１６ 制御装置内蔵の通信インタフェース
１２１ 界磁コイル、 １２２ 電機子コイル、
１２３ 位置センサ、 ２０１ 指令処理部、
２０２ 回転速度検出部、 ２０３ 入力電圧検出部、
２０４ 界磁電流検出部、 ２０５ 消費電流推定部、
２０６ バッテリ電圧推定部（バッテリ電圧検出手段）、
２０７ 消費電流低減部（最低電圧保持手段）。
Claims (4)
- バッテリの電力を電力変換する界磁電力変換部および電機子電力変換部の出力で駆動され内燃機関を回転させる電動機の制御装置であって、
前記界磁電力変換部および前記電機子電力変換部はいずれも前記制御装置によって通電制御され、
前記制御装置は、前記電動機の消費電流を検出する消費電流検出手段、および前記電動機の駆動時のバッテリ電圧を検出するバッテリ電圧検出手段を備え、
前記バッテリ電圧検出手段により検出された前記電動機の駆動時のバッテリ電圧は、前記消費電流と、前記バッテリと前記電動機とを接続する配線の抵抗と、前記電動機の前記配線との接続端の電圧とから推定された電圧であり、
前記制御装置は、前記電動機の駆動中に前記バッテリ電圧検出手段により検出されたバッテリ電圧が所定の電圧を下回った場合に、前記界磁電力変換部および前記電機子電力変換部へのゲート信号を制御して前記消費電流を低減し前記バッテリ電圧を所定の電圧以上に保つ最低電圧保持手段を備えている
ことを特徴とする電動機の制御装置。 - 請求項１に記載の電動機の制御装置において、
前記消費電流検出手段が検出する消費電流は推定値である
ことを特徴とする電動機の制御装置。 - 請求項１に記載の電動機の制御装置において、
前記消費電流検出手段が検出する消費電流は、前記電動機に内蔵の内蔵電流センサで検出された電流である
ことを特徴とする電動機の制御装置。 - 請求項１から３のいずれか１項に記載の電動機の制御装置において、
前記バッテリは車載のバッテリであり、前記電動機は車載の発電電動機である
ことを特徴とする電動機の制御装置。
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