JP6900878B2 - 駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置に関し、詳しくは、蓄電装置からの電力を昇圧して電動機に供給するリアクトルを有する昇圧コンバータと、昇圧コンバータからの出力電力の電圧を平滑するコンデンサと、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、エンジンと第１モータとがプラネタリギヤを介して駆動軸に接続されると共に第２モータが駆動軸に接続された自動車に搭載され、バッテリからの電力を昇圧して第１，第２モータに供給する昇圧コンバータと、昇圧コンバータからの出力電力の電圧を平滑するコンデンサと、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、第２モータの回転数が昇圧コンバータのリアクトルと平滑用のコンデンサとによるＬＣ共振が生じる共振領域内であるときには、第２モータの出力トルクをできるだけ小さくし、エンジンや第１モータからの動力を大きくすることにより、ＬＣ共振を抑制しつつ駆動軸に必要なトルクを出力している。

特開２０１３−９９０４２号公報

しかしながら、上述の駆動装置では、共振領域に係る第２モータのトルクを小さくして共振を抑制しているが、モータのトルクを小さくすることができない構成の駆動装置では適用することができない。この場合、モータの回転数に基づく振動成分の周波数が共振領域となるときにはモータの回転数を変更することも考えられるが、モータの回転数を変える構成（例えば、変速機）が必要となり、装置が大型化してしまう。

本発明の駆動装置は、電動機の回転数に基づく振動成分とリアクトルと平滑用のコンデンサによるＬＣ回路とによる共振が生じるのを抑制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、
電動機と、
蓄電装置と、
リアクトルと、
前記電動機に供給する電力の電圧を平滑する第１コンデンサと、
前記電動機を制御する制御装置と、
を備える駆動装置であって、
直列に接続されたスイッチ素子と第２コンデンサとを有し、前記第１コンデンサと並列に接続されたコンデンサ装置を備え、
前記制御装置は、前記電動機の回転数に基づく振動成分の周波数が前記リアクトルと前記第１コンデンサと前記コンデンサ装置によるＬＣ共振の共振領域外となるように前記コンデンサ装置のスイッチ素子をスイッチング制御する、
ことを特徴とする。

この本発明の駆動装置は、電動機と、蓄電装置と、リアクトルと、蓄電装置からの出力電力の電圧を平滑する第１コンデンサと、を備えると共に、更に、第１コンデンサと並列に接続されたコンデンサ装置を備える。このコンデンサ装置は、スイッチ素子と第２コンデンサが直列接続されている。そして、電動機の回転数に基づく振動成分の周波数がリアクトルと第１コンデンサとコンデンサ装置によるＬＣ共振の共振領域外となるようにコンデンサ装置のスイッチ素子をスイッチング制御する。第１コンデンサの静電容量をＣ１とし、第２コンデンサの静電容量をＣ２とすると、コンデンサ装置のスイッチ素子をオフとしているにはＬＣ共振周波数は次式（１）により表わされ、コンデンサ装置のスイッチ素子をオンとしているときにはＬＣ共振周波数は式（２）により表わされる。従って、電動機の回転数に基づく振動成分の周波数が式(１)によるＬＣ共振周波数を含む第１共振領域に属さないように、且つ、式（２）によるＬＣ共振周波数を含む第２共振領域に属さないようにコンデンサ装置のスイッチ素子をスイッチング制御すればよい。これにより、電動機の回転数に基づく振動成分とリアクトルと平滑用のコンデンサによるＬＣ回路とによる共振が生じるのを抑制することができる。ここで、スイッチ素子としては、ＲＢ−ＩＧＢＴ（Reverse-Blockomg Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いることができる。また、リアクトルとしては、蓄電装置におけるリアクトル成分や、蓄電装置からの電力を昇圧して電動機に供給する昇圧コンバータが有するリアクトルなどを意味している。

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。 ４極対モータを矩形波制御した場合のモータ回転数Ｎｍに対する電気６次変動トルクの一例を示す説明図である。 電子制御ユニット５０により実行されるコンデンサ切替処理ルーチンである。 モータ３２の回転数Ｎｍと電気６次変動周波数と第１共振領域との関係の一例を示す説明図である

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。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、蓄電装置としてのバッテリ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、三相の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の駆動に用いられる。このインバータ３４は、高電圧側電力ライン４２を介して昇圧コンバータ４０に接続されており、６つのスイッチング素子としてのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６と、６つのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のそれぞれに並列に接続された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、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ライン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。また、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相のコイル）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。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が取り付けられており、このコンデンサ４６に並列接続するようにコンデンサスイッチＴｒｂを有するコンデンサ４７が取り付けられている。コンデンサスイッチＴｒｂは、逆阻止絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＲＢ−ＩＧＢＴ：Reverse-Blockomg Insulated Gate Bipolar Transistor）として構成されており、コンデンサ４７のコンデンサ４６への並列接続とその解除とを切り替える。

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、低電圧側電力ライン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。

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Ｔ３１，Ｔ３２と、２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２のそれぞれに並列に接続された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Ｔ３２は、トランジスタＴ３１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Ｌは、トランジスタＴ３１，Ｔ３２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。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、低電圧側電力ライン４４の電力を昇圧し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の電力を降圧し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５０は、ＣＰＵ５０ａ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、ＣＰＵ５０ａの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭ５０ｂやデータを一時的に記憶するＲＡＭ５０ｃ、図示しない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や、モータ３２の各相の相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や、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も挙げることができる。さらに、高電圧側電力ライン４２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からのコンデンサ４８（低電圧側電力ライン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や、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も挙げることができる。また、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や、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，車速センサ６８からの車速Ｖ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や、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。

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、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖ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の制御用上限トルクＴｍｍａｘ＊で制限（上限ガード）してモータ３２のトルク指令Ｔｍ＊に設定する。そして、モータ３２のトルク指令Ｔｍ＊を用いてインバータ３４のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６をパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）や過変調制御、矩形波制御により制御する。また、電子制御ユニット５０は、モータ３２をトルク指令Ｔｍ＊で駆動できるように高電圧側電力ライン４２の目標電圧ＶＨ＊を設定し、高電圧側電力ライン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。

次に、実施例の電気自動車２０の動作、特に、電子制御ユニット５０によってモータ３２の負荷変動周波数ｆｍに基づく共振を抑制する制御について説明する。モータ３２の負荷変動周波数ｆｍは、モータに依存するが、モータ３２が４極対モータである場合には電気６次変動周波数となる。２０００ｒｐｍ以上で矩形波制御が可能な４極対モータを矩形波制御した場合のモータ回転数Ｎｍに対する電気６次変動トルクを図２に示す。図示するように、この例では、電気６次変動トルクは３１００ｒｐｍ程度で極大となる。共振は、電気６次変動周波数が昇圧コンバータ４０のリアクトルＬと高電圧側電力ライン４２のコンデンサ４６，４７によるＬＣ回路の共振領域に属すときに生じる。ＬＣ回路の共振周波数は、コンデンサスイッチＴｒｂがオフとされてコンデンサ４７が切り離されているときと、コンデンサＴｒｂがオンとされてコンデンサ４７が接続されているときとにより異なる。コンデンサ４７が切り離されているときの共振周波数ｆｃ１は、リアクトルＬ１のインダクタンスＬと高電圧側電力ライン４２のコンデンサ４６の静電容量Ｃ１とを用いれば、上述の式（１）により計算することができる。コンデンサ４７が接続されているときの共振周波数ｆｃ２は、コンデンサ４７の静電容量Ｃ２を用いれば、上述の式（２）により計算することができる。実施例の電気自動車２０では、共振が生じないようにコンデンサ４７を切り離したり接続したりする制御を行なう。

図３は、電子制御ユニット５０により実行されるコンデンサ切替処理ルーチンである。このルーチンは、所定時間毎（例えば、数十ｍｓｅｃ毎）に繰り返し実行される。コンデンサ切替処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０は、モータ３２の回転数Ｎｍを入力し（ステップＳ１００）、モータ３２の回転数Ｎｍがコンデンサ４７が切り離されているときの第１共振領域に属しているか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、第１共振領域は、コンデンサ４７が切り離されているときの共振周波数ｆｃ１を含む共振領域をモータ３２の回転数Ｎｍに換算した領域である。図４にモータ３２の回転数Ｎｍと電気６次変動周波数と第１共振領域との関係の一例を示す。４極対モータの場合、モータ３２の負荷変動周波数ｆｍは電気６次変動周波数となり、電気６次変動周波数はモータ３２の回転数Ｎｍに対してリニアに変化する。コンデンサ４７が切り離されているときの共振周波数ｆｃ１を含む共振領域（周波数ｆ１から周波数ｆ２の領域）は、図示するように、モータ３２の回転数Ｎｍに換算すると回転数Ｎ１から回転数Ｎ２の領域（第１共振領域）となる。実施例では、この第１共振領域を予め定め、ステップＳ１１０ではモータ３２の回転数Ｎｍがこの第１共振領域に属するか否かを判定するのである。なお、本処理には用いていないが、実施例では、コンデンサ４７が接続されているときの共振周波数ｆｃ２を含む共振領域をモータ３２の回転数Ｎｍに換算した領域を第２共振領域と称している。

ステップＳ１１０でモータ３２の回転数Ｎｍが第１共振領域に属していると判定したときには、コンデンサスイッチＴｒｂをオンとし（ステップＳ１２０）、コンデンサ４７が接続されている状態として本ルーチンを終了する。コンデンサ４７を接続すると、共振領域が第１共振領域から第２共振領域に変更されるから、モータ３２の負荷変動周波数ｆｍに基づく共振を抑制することができる。

一方、ステップＳ１１０でモータ３２の回転数Ｎｍが第１共振領域に属していないと判定したときには、コンデンサスイッチＴｒｂをオフとし（ステップＳ１３０）、コンデンサ４７が切り離されている状態として本ルーチンを終了する。これにより、モータ３２の負荷変動周波数ｆｍに基づく共振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が搭載する駆動装置では、高電圧側電力ライン４２に取り付けられた平滑用のコンデンサ４６に並列接続されるようにコンデンサスイッチＴｒｂにより切り離しと接続とを行なうことができるコンデンサ４７を備える。そして、モータ３２の回転数Ｎｍが第１共振領域に属しているか否か、即ちモータ３２の負荷変動周波数ｆｍがコンデンサ４７が切り離されているときのＬＣ回路の共振周波数ｆｃ１を含む共振領域に属しているか否かを判定する。モータ３２の回転数Ｎｍが第１共振領域に属していると判定したときにはコンデンサ４７が接続されている状態とし、モータ３２の回転数Ｎｍが第１共振領域に属していないと判定したときにはコンデンサ４７が切り離されている状態とする。これにより、モータ３２の負荷変動周波数ｆｍに基づく共振を抑制する。これらの結果、モータ３２の回転数Ｎｍに基づく振動成分と昇圧コンバータ４０のリアクトルＬに基づくＬＣ回路とによる共振が生じるのを抑制することができる。

実施例の駆動装置では、モータ３２の回転数Ｎｍが第１共振領域に属しているか否かを判定し、回転数Ｎｍが第１共振領域に属しているときにコンデンサ４７が接続されている状態とし、回転数Ｎｍが第１共振領域に属していないと判定したときにはコンデンサ４７が切り離されている状態とした。しかし、モータ３２の回転数Ｎｍが第１共振領域に属しているか否かを判定し、回転数Ｎｍが第２共振領域に属しているときにコンデンサ４７が切り離されている状態とし、モータ３２の回転数Ｎｍが第２共振領域に属していないと判定したときにはコンデンサ４７が接続されている状態としてもよい。また、モータ３２の回転数Ｎｍが第１共振領域に属しているときにはコンデンサ４７が接続されている状態とし、モータ３２の回転数Ｎｍが第２共振領域に属しているときにはコンデンサ４７が切り離されている状態とし、モータ３２の回転数Ｎｍが第１共振領域にも第２共振領域にも属していないときには、コンデンサ４７が接続されている状態とコンデンサ４７が切り離されている状態のうちエネルギ効率が高い方を選択するものとしてもよい。

実施例の駆動装置では、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とを備えるものとしたが、昇圧コンバータ４０を備えないものとしてもよい。この場合、バッテリ３６のリアクトル成分とコンデンサ４６によるＬＣ回路の共振領域を第１共振領域とし、バッテリ３６のリアクトル成分とコンデンサ４６とコンデンサ４７によるＬＣ回路の共振領域を第２共振領域とすればよい。

実施例の電気自動車２０に搭載される駆動装置では、蓄電装置として、バッテリ３６を用いるものとしたが、蓄電可能な装置であればよく、キャパシタなどを用いるものとしてもよい。

実施例では、モータ３２を備える電気自動車２０に搭載される駆動装置の形態とした。しかし、モータ３２に加えてエンジンも備え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、自動車以外の車両や船舶、航空機などの移動体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搭載される駆動装置の形態としてもよい。

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、３２ｕ，３２ｖ，３６ｂ 電流センサ、３４ 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 高電圧側電力ライン、４４ 低電圧側電力ライン、４６，４７，４８ コンデンサ、５０ 電子制御ユニット、５０ａ ＣＰＵ、５０ｂ ＲＯＭ、５０ｃ 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、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,Ｔｒｂ コンデンサスイッチ。

Claims (1)

1. 電動機と、
   蓄電装置と、
   リアクトルと、
   前記電動機に供給する電力の電圧を平滑する第１コンデンサと、
   前記電動機を制御する制御装置と、
   を備える駆動装置であって、
   直列に接続されたスイッチ素子と第２コンデンサのみから構成され、前記第１コンデンサと並列に接続されたコンデンサ装置を備え、
   前記制御装置は、前記電動機の回転数に基づく振動成分の周波数が前記リアクトルと前記第１コンデンサと前記コンデンサ装置によるＬＣ共振の共振領域外となるように前記コンデンサ装置のスイッチ素子をスイッチング制御する、
   駆動装置。
   

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