JP7206722B2 - motor generator controller - Google Patents

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Description

開示する技術は、ハイブリッド車に好適で、電動機および発電機のいずれにも利用できる電動発電機の制御装置に関する。 The disclosed technology relates to a motor-generator control device that is suitable for hybrid vehicles and that can be used for both electric motors and generators.

特許文献1には、昇降圧コンバータの問題点を解消する技術が開示されている。具体的には、昇降圧コンバータは、コストが高く、適用するシステムが大型化するという問題がある。また、スイッチング損失や抵抗損失により、効率が低下するという問題もある。 Patent Literature 1 discloses a technique for solving the problem of the buck-boost converter. Specifically, the buck-boost converter has a problem that the cost is high and the system to which it is applied is enlarged. In addition, there is also a problem that efficiency is lowered due to switching loss and resistance loss.

そこで、特許文献1の発明では、直流電源を複数設け、スイッチに負担を掛けることなく、これらの接続を切り替えることにより、段階的に直流電圧を切り替えるようにしている。そうすることで、システムの大型化や高コストといった、昇降圧コンバータの問題点を解消している。 Therefore, in the invention of Patent Document 1, a plurality of DC power sources are provided, and the DC voltage is switched stepwise by switching the connection of these power sources without burdening the switches. By doing so, the problems of buck-boost converters, such as system size increase and high cost, are resolved.

特開2017-17825号公報JP 2017-17825 A

ハイブリッド車など、自動車の駆動源に電動機を用いる場合、トルクおよび回転数の双方において、幅広い駆動力が要求される。例えば、始動時などの低速時には、エンジンの始動や発進に用いるため、高トルクが必要になる。一方、平地や下りでの高速走行時などには、高トルクは必要ないが、高回転が必要になる。 When an electric motor is used as a drive source for a vehicle such as a hybrid vehicle, a wide range of driving force is required in terms of both torque and rotation speed. For example, at low speed such as starting, high torque is required because it is used for starting and starting the engine. On the other hand, when driving at high speed on level ground or downhill, high torque is not required, but high rotation is required.

通常、ハイブリッド車では、電動機は、駆動源としてだけでなく、発電機としても利用される。すなわち、電動機は、制動時に回生することにより、運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する(電動発電機)。 Generally, in a hybrid vehicle, an electric motor is used not only as a drive source but also as a generator. That is, the electric motor recovers kinetic energy as electric energy by regenerating during braking (motor generator).

このような電動発電機のモータ(通常は永久磁石同期モータ)では、高トルクを確保するために、一般に、巻線(ステータコイル)の巻き数を相対的に多くして、強い磁力が発生できるように設計されている。 In order to secure high torque in such motor-generator motors (usually permanent magnet synchronous motors), the number of windings (stator coils) is generally relatively increased to generate strong magnetic force. is designed to

巻線の巻き数が多くなると、モータの回転を妨げる逆起電力も大きくなる。高電圧な電源であれば、逆起電力が大きくなっても、モータに対して十分な電力を供給できる。しかし、近年では、低電圧な電源(例えば、60V以下)を用いて駆動するハイブリッド車が増加する傾向にある。 As the number of turns of the winding increases, the back electromotive force that hinders the rotation of the motor also increases. A high-voltage power supply can supply sufficient power to the motor even if the back electromotive force increases. However, in recent years, there has been a trend toward an increase in the number of hybrid vehicles that are driven using a low-voltage power source (for example, 60 V or less).

このような低電圧電源では、逆起電力が大きくなると、電力が不足して高回転での駆動が困難になる。そのため、低電圧電源を用いた場合には、モータを高回転で駆動するために、逆起電力を弱める制御、いわゆる弱め磁束制御(弱め界磁制御ともいう)が、広い回転数の範囲で行われている。ところが、弱め磁束制御を行う場合、逆起電力を弱めるために、所定の制御電流をモータに供給する必要がある。それにより、モータの駆動効率や発電効率が低下するという問題がある。 With such a low-voltage power supply, if the back electromotive force becomes large, the power becomes insufficient and it becomes difficult to drive at high rotation. Therefore, when a low-voltage power supply is used, control to weaken the back electromotive force, so-called flux-weakening control (also called field-weakening control), is performed over a wide range of rotation speeds in order to drive the motor at high speed. there is However, when performing flux-weakening control, it is necessary to supply a predetermined control current to the motor in order to weaken the back electromotive force. As a result, there is a problem that the drive efficiency and power generation efficiency of the motor are lowered.

弱め磁束制御を行うことなく、上述したモータを高回転で駆動する方法として、昇降圧コンバータを用いることが考えられる。昇降圧コンバータを用いれば、低電圧電源であっても、その電圧を昇圧してモータを高回転で駆動できる。また、高回転のモータで発生する高い発電電圧を降圧して低電圧電源に回収、すなわち回生することができる。 A step-up/step-down converter may be used as a method of driving the motor at high speed without performing flux-weakening control. If a buck-boost converter is used, even a low-voltage power supply can be boosted to drive a motor at high speed. Also, the high voltage generated by the high-speed motor can be stepped down and recovered to the low-voltage power supply, that is, regenerated.

回生は、自動車が減速する制動時に行われる。減速は、通常、自動車が高速走行しているときに行われるため、モータが低回転で運転しているときよりも高回転で運転しているときの方が、時間的な頻度は大きい。従って、高い発電効率を確保するためには、モータの回転数が高いときに、昇降圧コンバータで効率的な降圧動作を行うことが必要になる。 Regeneration occurs during braking when the vehicle slows down. Since the deceleration is normally performed when the automobile is traveling at high speed, the frequency of time is higher when the motor is running at high speed than when the motor is running at low speed. Therefore, in order to ensure high power generation efficiency, it is necessary to perform efficient step-down operation with the step-up/step-down converter when the number of revolutions of the motor is high.

ところが、昇降圧コンバータでは、詳細は後述するが、昇圧動作との関係で、降圧動作の効率を妨げる様々な問題がある。そのため、電動発電機に用いた場合、昇降圧コンバータには、高コストや大型化といった問題だけでなく、降圧動作に関しても改善の余地があった。 However, the buck-boost converter has various problems that hinder the efficiency of the buck operation in relation to the buck operation, details of which will be described later. Therefore, when used in a motor-generator, the buck-boost converter not only has problems such as high cost and large size, but also has room for improvement in terms of buck operation.

そこで開示する技術の目的は、主に、発電時に効率的な降圧動作が行えるコンパクトな構造の電動発電機の制御装置を、安価で実現することにある。 Accordingly, an object of the disclosed technique is to realize, at a low cost, a motor-generator control device that has a compact structure and is capable of performing efficient step-down operation at the time of power generation.

開示する技術は、永久磁石が設けられたロータ、および複数の異なる巻線群が設けられたステータを有するモータと、前記モータを駆動制御するインバータと、前記インバータと低電圧電源との間に介在して昇圧動作および降圧動作を行うコンバータとを含む電動発電機の制御装置に関する。
The disclosed technology includes a motor having a rotor provided with permanent magnets and a stator provided with a plurality of different winding groups, an inverter driving and controlling the motor, and intervening between the inverter and a low-voltage power supply. The present invention relates to a motor-generator control device including a converter that performs step-up operation and step-down operation .

前記電動発電機の制御装置は、前記モータの駆動による走行とエンジンの駆動による走行とが可能な車両に搭載されている。そして、前記モータの運転状態を検出する計測部と、記計測部から入力される信号に基づいて、前記インバータおよび前記コンバータに信号を出力して制御する制御部と、を備える。 The motor-generator control device is mounted on a vehicle capable of traveling by being driven by the motor and traveling by being driven by the engine. A measuring unit that detects the operating state of the motor, and a control unit that outputs a signal to the inverter and the converter based on a signal input from the measuring unit to control the inverter and the converter.

前記コンバータは、前記インバータの高電圧側および低電圧側の各々に入出力する上側配線および下側配線に接続されたアームと、前記アームの高電圧側から順に直列に接続された第1スイッチング素子および第2スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子の各々と逆並列に接続された第1ダイオードおよび第2ダイオードと、前記アームにおける前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の間に接続されて前記低電圧電源の高電圧側に入出力する中間配線に設置されたコイルと、を有している。そして、前記第2スイッチング素子に、前記第1スイッチング素子よりも電流容量が小さいスイッチング素子が用いられ、かつ、前記第1ダイオードに、前記第2ダイオードよりも電流容量が小さいダイオードが用いられている。 The converter includes an arm connected to an upper wiring and a lower wiring for inputting and outputting to the high voltage side and the low voltage side of the inverter, respectively, and a first switching element connected in series from the high voltage side of the arm. and a second switching element, a first diode and a second diode connected in anti-parallel with each of the first switching element and the second switching element, and the first switching element and the second switching element in the arm and a coil installed in an intermediate wiring connected between and inputting and outputting to the high voltage side of the low voltage power supply. A switching element having a current capacity smaller than that of the first switching element is used as the second switching element, and a diode having a current capacity smaller than that of the second diode is used as the first diode. .

すなわち、この電動発電機の制御装置では、いわゆる永久磁石型モータを駆動制御するインバータと低電圧電源との間に、双方に入出力する電圧を変換するコンバータが備えられている。コンバータは、従来の昇降圧コンバータと同様に、第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第1ダイオード、第2ダイオード、コイルなどを有している。 That is, in this motor-generator control device, a converter is provided between an inverter that drives and controls a so-called permanent magnet type motor and a low-voltage power supply for converting voltages input to and output from both. The converter has a first switching element, a second switching element, a first diode, a second diode, a coil, etc., like a conventional buck-boost converter.

従って、低電圧電源の定格電圧が低くても、コンバータで電圧を変換することにより、低電圧電源の電圧を昇圧して、高い電圧でモータを駆動したり、回生時にモータで得られる高い電圧を降圧して適切な電圧に調整し、低電圧電源に回収したりできる。 Therefore, even if the rated voltage of the low-voltage power supply is low, by converting the voltage with a converter, the voltage of the low-voltage power supply can be boosted to drive the motor at a high voltage, or the high voltage obtained by the motor during regeneration can be used. It can be stepped down, adjusted to an appropriate voltage, and recovered to a low voltage power supply.

そして、このコンバータの場合、従来の昇降圧コンバータとは異なり、第2スイッチング素子に、第1スイッチング素子よりも電流容量が小さいスイッチング素子が用いられ、かつ、第1ダイオードに、第2ダイオードよりも電流容量が小さいダイオードが用いられている。 In the case of this converter, unlike the conventional buck-boost converter, a switching element having a smaller current capacity than the first switching element is used as the second switching element, and a switching element having a smaller current capacity than the first switching element is used as the first diode. A diode with a small current capacity is used.

従来の昇降圧コンバータの場合、1つの電気回路で昇圧および降圧の双方の動作が行われる。そのため、電気回路に設置されているコイルなどの所定の素子は、より高性能が求められる昇圧動作に合わせて設計する必要がある。そのため、降圧動作からすると、仕様が過剰になり、高コストや大型化を招くなどのデメリットだけでなく、降圧動作の効率が低下する問題がある。 In the case of a conventional buck-boost converter, one electric circuit performs both step-up and step-down operations. Therefore, a predetermined element such as a coil installed in an electric circuit must be designed according to the boosting operation that requires higher performance. As a result, from the viewpoint of step-down operation, the specifications become excessive, and not only are there disadvantages such as high cost and increased size, but there is also the problem of reduced efficiency in step-down operation.

それに対し、この電動発電機の制御装置では、上述したように、所定のスイッチング素子の電流容量が低減され、電気回路が降圧動作に特化した構造になっている。それにより、電気回路を簡素化しながら降圧動作の効率を向上できる。コンバータがコンパクトになり、部材コストも低減するので、高性能で小型の制御装置を安価で実現できる。 In contrast, in this motor-generator control device, as described above, the current capacity of a predetermined switching element is reduced, and the electric circuit has a structure specialized for step-down operation. As a result, the efficiency of the step-down operation can be improved while simplifying the electric circuit. Since the converter can be made compact and the material cost can be reduced, a high-performance, small-sized control device can be realized at low cost.

前記制御部は、前記モータが所定の回転数以上で駆動するときに、前記インバータに信号を出力することにより、前記モータに弱め磁束電流を供給する弱め磁束制御を実行する、としてもよい。 The control unit may output a signal to the inverter when the motor is driven at a predetermined number of revolutions or higher, thereby executing flux-weakening control for supplying a flux-weakening current to the motor.

コンバータを降圧動作に特化させると、それに伴って、コンバータの昇圧性能が低下する。そのため、モータで発生する逆起電力が増加する高回転になると、モータを駆動することは難しくなる。それに対し、この制御装置では、モータが所定の回転数以上で駆動するときは、弱め磁束制御が行われる。弱め磁束制御を行えば、モータの逆起電力を弱めることができるので、コンバータの昇圧性能が低下しても、それを補完することができる。従って、コンバータを降圧動作に特化させても、高回転でモータを駆動することができる。 If the converter is specialized for step-down operation, the step-up performance of the converter is accordingly degraded. Therefore, it becomes difficult to drive the motor at high rotation speeds at which the back electromotive force generated by the motor increases. On the other hand, in this control device, flux-weakening control is performed when the motor is driven at a predetermined number of revolutions or more. If the flux-weakening control is performed, the back electromotive force of the motor can be weakened, so even if the boosting performance of the converter is degraded, it can be compensated for. Therefore, even if the converter is specialized for step-down operation, the motor can be driven at high speed.

前記制御部は、前記モータの回転数が高くなるほど、前記弱め磁束電流が大きくなるように制御する、としてもよい。 The controller may control the flux-weakening current to increase as the rotation speed of the motor increases.

モータの回転数が高くなるほど、逆起電力は大きくなる。一方、弱め磁束電流を大きくすれば、それに応じて逆起電力を弱めることができる。従って、モータの回転数の増加に合わせて弱め磁束電流を大きくすれば、モータを高回転で効率よく駆動することができる。 The higher the rotation speed of the motor, the greater the back electromotive force. On the other hand, if the flux-weakening current is increased, the back electromotive force can be weakened accordingly. Therefore, if the flux-weakening current is increased in accordance with an increase in the number of rotations of the motor, the motor can be efficiently driven at a high rotation speed.

電動発電機の制御装置は、上述した構造から更に簡略化することが可能である。 The motor-generator controller can be further simplified from the structure described above.

例えば、その電動発電機の制御装置は、永久磁石が設けられたロータ、および複数の異なる巻線群が設けられたステータを有するモータと、前記モータの運転状態を検出する計測部と、前記モータを駆動制御するインバータと、前記インバータに接続されている低電圧電源と、前記インバータと前記低電圧電源との間に介在して、双方に入出力される電圧を変換するコンバータと、前記計測部から入力される信号に基づいて、前記インバータおよび前記コンバータに信号を出力して制御する制御部と、を備える。 For example, the motor-generator control device includes a motor having a rotor provided with permanent magnets and a stator provided with a plurality of different winding groups, a measuring unit for detecting the operating state of the motor, a low-voltage power supply connected to the inverter; a converter interposed between the inverter and the low-voltage power supply to convert voltages input to and output from both; and the measuring unit and a control unit that outputs a signal to the inverter and the converter based on a signal input from the inverter and the converter.

前記コンバータは、前記インバータの高電圧側に入出力する上側配線に接続された上側アームと、前記上側アームと直列に接続されて、前記インバータの低電圧側に入出力する下側配線に接続された下側アームと、前記上側アームと前記下側アームの間に接続されて前記低電圧電源の高電圧側に入出力する中間配線に設置されたコイルと、を有している。前記上側アームには、1つのスイッチング素子および当該スイッチング素子と逆並列に接続された第1ダイオードが設置され、前記下側アームには、カソード側を高電圧側に向けた第2ダイオードのみが設置されている。 The converter is connected in series with an upper arm connected to an upper wiring for inputting/outputting to a high voltage side of the inverter, and connected to a lower wiring for inputting/outputting to a low voltage side of the inverter, connected in series with the upper arm. and a coil installed in an intermediate wiring connected between the upper arm and the lower arm and inputting/outputting to/from the high voltage side of the low voltage power supply. The upper arm is provided with one switching element and a first diode connected in anti-parallel with the switching element, and the lower arm is provided with only a second diode whose cathode side faces the high voltage side. It is

そして、前記制御部が、前記コンバータに信号を出力することにより、電動機として前記モータが所定の回転数以上で運転するときには、前記インバータに信号を出力することにより、前記モータに弱め磁束電流を供給する弱め磁束制御を実行し、発電機として前記モータが運転する時には、前記スイッチング素子および前記コイルを通じて降圧しながら前記低電圧電源に電流を供給する。 Then, the control unit outputs a signal to the converter to supply a flux-weakening current to the motor by outputting a signal to the inverter when the motor as an electric motor operates at a predetermined number of revolutions or more. When the motor operates as a generator, current is supplied to the low-voltage power supply while stepping down the voltage through the switching element and the coil.

すなわち、この電動発電機の制御装置の場合、コンバータは、降圧専用とされ、昇圧動作は行わない。その代わりに、その電気回路は更に簡略化されており、更に降圧動作の効率を向上できる。従って、よりいっそう高性能で小型の制御装置を安価で実現できる。 That is, in the case of this motor-generator control device, the converter is dedicated to stepping down the voltage and does not perform the stepping up operation. Instead, the electrical circuit is more simplified, and the efficiency of step-down operation can be improved. Therefore, a more efficient and compact control device can be realized at a low cost.

簡略化した電動発電機の制御装置は、異なる構造で実現することも可能である。 The simplified motor-generator controller can also be realized in different constructions.

例えば、その電動発電機の制御装置は、永久磁石が設けられたロータ、および複数の異なる巻線群が設けられたステータを有するモータと、前記モータの運転状態を検出する計測部と、前記モータを駆動制御するインバータと、前記インバータに接続されている低電圧電源と、前記インバータと前記低電圧電源との間に介在して、双方に入出力される電圧を変換するコンバータと、前記計測部から入力される信号に基づいて、前記インバータおよび前記コンバータに信号を出力して制御する制御部と、を備える。 For example, the motor-generator control device includes a motor having a rotor provided with permanent magnets and a stator provided with a plurality of different winding groups, a measuring unit for detecting the operating state of the motor, a low-voltage power supply connected to the inverter; a converter interposed between the inverter and the low-voltage power supply to convert voltages input to and output from both; and the measuring unit and a control unit that outputs a signal to the inverter and the converter based on a signal input from the inverter and the converter.

前記コンバータは、前記インバータの高電圧側に入出力する上側配線に接続されるとともに、コレクタ側を高電圧側に向けた1つのスイッチング素子のみが設置された上側アームと、前記上側アームと直列に接続されて、前記インバータの低電圧側に入出力する下側配線に接続されるとともに、カソード側を高電圧側に向けた1つのダイオードのみが設置された下側アームと、前記上側アームと前記下側アームの間に接続されて前記低電圧電源の高電圧側に入出力する中間配線に設置されたコイルと、前記スイッチング素子および前記コイルと並列になるように、前記上側配線と前記中間配線とに接続されるとともに、カソード側を前記インバータの高電圧側に向けた1つのダイオードのみが設置された迂回アームと、を有している。 The converter is connected to an upper wiring for inputting and outputting to the high voltage side of the inverter, and is connected in series with an upper arm having only one switching element with a collector side facing the high voltage side, and the upper arm. a lower arm connected to a lower wiring for inputting and outputting to the low voltage side of the inverter and having only one diode with the cathode side facing the high voltage side; the upper arm and the a coil installed in intermediate wiring connected between the lower arms and inputting/outputting to the high voltage side of the low voltage power supply; and a bypass arm having only one diode with the cathode side facing the high voltage side of the inverter.

そして、前記制御部が、前記コンバータに信号を出力することにより、電動機として前記モータが所定の回転数以上で運転するときには、前記迂回アームを通じて前記インバータに電流を供給し、発電機として前記モータが運転する時には、前記スイッチング素子および前記コイルを通じて降圧しながら前記低電圧電源に電流を供給する。 Then, the control unit outputs a signal to the converter to supply current to the inverter through the detour arm when the motor as an electric motor operates at a predetermined number of revolutions or higher, and the motor as a generator supplies current to the inverter. During operation, current is supplied to the low-voltage power supply while stepping down through the switching element and the coil.

この電動発電機の制御装置の場合も、コンバータは、降圧専用とされ、昇圧動作は行わない。モータを駆動する電流の流れる経路が、先の電動発電機の制御装置と異なる。すなわち、モータを駆動する電流は、迂回アームを通じて上側配線に流れる。コイルを迂回して流れるので、先の電動発電機の制御装置よりも損失を低減できる。 Also in the case of this motor-generator control device, the converter is dedicated to stepping down the voltage and does not perform the stepping up operation. The path through which the current for driving the motor flows is different from the motor-generator control device described above. That is, the current for driving the motor flows through the bypass arm to the upper wiring. Since the flow bypasses the coils, the loss can be reduced more than the motor-generator control device.

開示する技術によれば、コンバータの回路を大幅に簡素化できるうえに、発電時に効率的な降圧動作が行える。従って、コンパクトで安価な電動発電機の制御装置が実現できる。 According to the disclosed technology, the circuit of the converter can be greatly simplified, and efficient step-down operation can be performed during power generation. Therefore, a compact and inexpensive motor-generator control device can be realized.

開示する技術を適用した車両の要部を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing a main part of a vehicle to which disclosed technology is applied; FIG. 制御装置の主な構成を示すブロック図である。It is a block diagram showing the main composition of a control device. モータの主な構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the main structures of a motor. モータの巻線構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the winding structure of a motor. モータの運転領域を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the operating range of the motor; 一般的な昇降圧コンバータにおける昇圧動作を説明する概略図である。FIG. 4 is a schematic diagram illustrating boosting operation in a general buck-boost converter; 一般的な昇降圧コンバータにおける降圧動作を説明する概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram explaining step-down operation in a general step-up/step-down converter; 実施形態におけるコンバータの電気回路の要部構成を示す概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the main configuration of the electric circuit of the converter in the embodiment; 実施形態の制御装置における力行時の制御例である。It is an example of control at the time of power running in the control device of the embodiment. 実施形態の制御装置における回生時の制御例である。It is an example of control at the time of regeneration in the control device of the embodiment. 変形例1におけるコンバータの電気回路の要部構成を示す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram showing a main configuration of an electric circuit of a converter in modification 1; 変形例1の制御装置におけるモータの運転領域を示す図である。FIG. 10 is a diagram showing a motor operating region in the control device of Modification 1; 変形例1の制御装置における力行時の制御例である。FIG. 10 is an example of control during power running in the control device of Modification 1; FIG. 変形例2におけるコンバータの電気回路の要部構成を示す概略図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing a main configuration of an electric circuit of a converter in modification 2;

以下、開示する技術の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。 Embodiments of the disclosed technology will be described in detail below with reference to the drawings. However, the following description is essentially merely an example, and does not limit the present invention, its applications, or its uses.

<車載例>
図1に、開示する技術を適用した車両1を示す。例示の車両1は、いわゆるハイブリッド車である。車両1には、エンジン2、電動発電機3、低電圧電源4、PCM5(制御部の一例)などが搭載されている。電動発電機3は、インバータ10、コンバータ20、モータ30などで構成されている。そして、電動発電機3を制御する制御装置は、これら装置10,20,30とともに、PCM5や、後述するセンサ9a~9eなどを含んで構成されている。
<In-vehicle example>
FIG. 1 shows a vehicle 1 to which the technology disclosed is applied. The illustrated vehicle 1 is a so-called hybrid vehicle. A vehicle 1 is equipped with an engine 2, a motor generator 3, a low-voltage power supply 4, a PCM 5 (an example of a control unit), and the like. The motor generator 3 includes an inverter 10, a converter 20, a motor 30, and the like. A control device for controlling the motor generator 3 includes these devices 10, 20, and 30, the PCM 5, sensors 9a to 9e, etc., which will be described later.

エンジン2は、燃料を燃焼することによって車両1の動力を発生させる周知の内燃機関である。エンジン2には、燃料タンクや吸排気システムなどが付設されている(これらは公知であるため、図示は省略)。エンジン2のクランクシャフト2aは、クラッチ6を介してモータ30の回転軸30aに直列した状態で連結されている。モータ30の回転軸30aは、トランスミッション7、デファレンシャルギア8等を介して、車両1の駆動輪1aに接続されている。トランスミッション7は、クラッチとしても機能する。 The engine 2 is a known internal combustion engine that generates power for the vehicle 1 by burning fuel. The engine 2 is provided with a fuel tank, an intake/exhaust system, and the like (not shown since these are known). A crankshaft 2a of the engine 2 is connected in series with a rotary shaft 30a of a motor 30 via a clutch 6. As shown in FIG. A rotating shaft 30a of the motor 30 is connected to the driving wheels 1a of the vehicle 1 via the transmission 7, the differential gear 8, and the like. Transmission 7 also functions as a clutch.

クラッチ6を連結した状態で、エンジン2を駆動することにより、車両1は、通常の車両1と同様に、燃料の燃焼によって走行することができる。また、クラッチ6を切り離した状態で、モータ30を駆動することにより、電動で走行することもできる。更に、クラッチ6を連結した状態で、エンジン2およびモータ30を駆動することにより、車両1は、燃料の燃焼と電動の双方で走行することができる。 By driving the engine 2 while the clutch 6 is engaged, the vehicle 1 can run by burning fuel, like a normal vehicle 1 . Further, by driving the motor 30 with the clutch 6 disengaged, the vehicle can be driven electrically. Furthermore, by driving the engine 2 and the motor 30 with the clutch 6 engaged, the vehicle 1 can run on both fuel combustion and electric power.

例えば、エンジン2が停止または一時停止しているときには、トランスミッション7を遮断かつクラッチ6を連結した状態で、モータ30を駆動する。それにより、エンジン2を始動させることができる。その状態から、トランスミッション7を連結することで、車両1の発進時に、モータ30でエンジン2の出力トルクをアシストすることができる。 For example, when the engine 2 is stopped or temporarily stopped, the motor 30 is driven with the transmission 7 disengaged and the clutch 6 engaged. Thereby, the engine 2 can be started. By connecting the transmission 7 in this state, the output torque of the engine 2 can be assisted by the motor 30 when the vehicle 1 starts moving.

また、車両1の制動時に、例えばクラッチ6を切り離した状態にすることで、駆動輪1aの回転力でモータ30を回転させることができる。それにより、モータ30を発電機として機能させ、運動エネルギーを電気エネルギーとして低電圧電源4に回収することもできる。この車両1は、いわゆるパラレル式のハイブリッド車である。 In addition, when the vehicle 1 is braked, the motor 30 can be rotated by the rotational force of the drive wheels 1a by disengaging the clutch 6, for example. Thereby, the motor 30 can be made to function as a generator, and the kinetic energy can be recovered to the low-voltage power supply 4 as electrical energy. This vehicle 1 is a so-called parallel hybrid vehicle.

低電圧電源4は、直流電源である。低電圧電源4の具体例は、例えば、充放電が可能な二次電池である。低電圧電源4には、ハイブリッド車や電気自動車で一般的な直流60Vを超える高電圧な電源とは異なり、例えば48Vの、比較的低い電圧(定格電圧)が用いられている。 The low voltage power supply 4 is a DC power supply. A specific example of the low-voltage power supply 4 is, for example, a rechargeable secondary battery. The low-voltage power supply 4 uses a relatively low voltage (rated voltage) of, for example, 48V, unlike a high-voltage power supply exceeding DC 60V that is common in hybrid vehicles and electric vehicles.

低電圧電源4は、インバータ10およびコンバータ20を介して、モータ30と電気的に接続(以下、単に接続ともいう)されている。インバータ10は、直流電力を交流電力に変換して出力する装置である。インバータ10は、モータ30を駆動制御する。 Low-voltage power supply 4 is electrically connected (hereinafter also simply referred to as connection) to motor 30 via inverter 10 and converter 20 . The inverter 10 is a device that converts DC power into AC power and outputs the AC power. The inverter 10 drives and controls the motor 30 .

コンバータ20は、インバータ10と低電圧電源4との間に介在するように配置されている。コンバータ20は、インバータ10または低電圧電源4と一体的に配置してもよい。コンバータ20は、インバータ10および低電圧電源4の双方に入出力される直流電圧を変換する。コンバータ20は、いわゆるDC/DCコンバータである。 Converter 20 is arranged to be interposed between inverter 10 and low voltage power supply 4 . Converter 20 may be arranged integrally with inverter 10 or low voltage power supply 4 . Converter 20 converts a DC voltage input to and output from both inverter 10 and low voltage power supply 4 . Converter 20 is a so-called DC/DC converter.

PCM5(パワートレイン制御モジュール)は、例えば、エンジン2やモータ30の駆動を制御するなど、車両1の運転を総合的に制御する装置である。PCM5は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーであって、図2に示すように、プログラムを実行するCPU5aと、RAMやROMなどによって構成されていてプログラムおよびデータを格納するメモリ5bと、電気信号の入出力をする入出力バス5c(I/Oバス)と、を備えている。 The PCM 5 (powertrain control module) is a device that comprehensively controls the operation of the vehicle 1, such as controlling the driving of the engine 2 and the motor 30, for example. The PCM 5 is a well-known microcomputer-based controller, and as shown in FIG. and an input/output bus 5c (I/O bus) for inputting/outputting signals.

PCM5には、エンジン2やモータ30の運転状態を検出する各種のセンサ(計測部の一例)が接続されている。例えば、クランク角センサ9b(エンジン2に取り付けられかつ、クランクシャフト2aの回転角を計測するセンサ)、アクセル開度センサ9c(車両1のアクセルペダル機構に取り付けられかつ、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を計測するセンサ)などが接続されている。 The PCM 5 is connected with various sensors (an example of a measuring section) that detect the operating states of the engine 2 and the motor 30 . For example, a crank angle sensor 9b (a sensor attached to the engine 2 and measuring the rotation angle of the crankshaft 2a), an accelerator opening sensor 9c (attached to the accelerator pedal mechanism of the vehicle 1 and corresponding to the operation amount of the accelerator pedal). A sensor that measures the degree of opening of the accelerator), etc. are connected.

更に、モータセンサ9a(レゾルバ等、モータ30に取り付けられかつ、回転軸30aの回転角度を計測するセンサ)、電流センサ9d(インバータ10に取り付けられかつ、インバータ10を入出力する電流の大きさを計測するセンサ)、電圧センサ9e(インバータ10に取り付けられかつ、インバータ10から出力される電圧の大きさを計測するセンサ)なども、PCM5に接続されている。車両1の運転中は、これらセンサから出力される検出信号が、常時、PCM5に入力されるように構成されている。 Furthermore, a motor sensor 9a (a sensor such as a resolver attached to the motor 30 and measuring the rotation angle of the rotating shaft 30a), a current sensor 9d (attached to the inverter 10 and measuring the magnitude of the current input/output to/from the inverter 10). measuring sensor), a voltage sensor 9e (a sensor attached to the inverter 10 and measuring the magnitude of the voltage output from the inverter 10), etc. are also connected to the PCM 5 . Detection signals output from these sensors are always input to the PCM 5 during operation of the vehicle 1 .

PCM5は、また、インバータ10およびコンバータ20と接続されている。PCM5は、上述したセンサ9a~9eなどから入力される検出信号に基づいて、インバータ10およびコンバータ20に制御信号を出力し、インバータ10およびコンバータ20を制御する。それにより、モータ30は、車両1の運転状態に応じて駆動制御される。 PCM 5 is also connected to inverter 10 and converter 20 . PCM 5 outputs control signals to inverter 10 and converter 20 to control inverter 10 and converter 20 based on detection signals input from sensors 9a to 9e described above. Thereby, the motor 30 is driven and controlled according to the driving state of the vehicle 1 .

(モータ30、インバータ10、コンバータ20)
図3Aに、モータ30、インバータ10、およびコンバータ20を模式的に示す。本実施形態のモータ30は、いわゆる永久磁石同期モータである。モータ30は、ステータ30bおよびロータ30cを有している。ロータ30cは、回転軸30aと一体に設けられている。ロータ30cには、その全周にわたって複数の永久磁石30dが等間隔に配置されている。これら永久磁石30dは、N極とS極とが周方向および径方向の各々に交互に並ぶように配置されており、ロータ30cの磁極を構成している。
(Motor 30, inverter 10, converter 20)
Motor 30, inverter 10, and converter 20 are schematically shown in FIG. 3A. The motor 30 of this embodiment is a so-called permanent magnet synchronous motor. The motor 30 has a stator 30b and a rotor 30c. The rotor 30c is provided integrally with the rotating shaft 30a. A plurality of permanent magnets 30d are arranged at equal intervals along the entire circumference of the rotor 30c. These permanent magnets 30d are arranged such that the N poles and S poles are alternately arranged in the circumferential direction and the radial direction, and constitute the magnetic poles of the rotor 30c.

ステータ30bは、略円筒状に構成されており、その内周面が、ロータ30cの外周面と僅かな隙間を隔てて対向するように、ロータ30cの周囲に配置されている。ステータ30bは、磁性体からなるステータコア30eと、複数のコイル30fと、を有している。ステータコア30eは、その全周にわたって複数のスロットが等間隔に配置されている。コイル30fは、これらスロットを通じ、所定の順序で被覆電線を巻回することによって構成されている。 The stator 30b has a substantially cylindrical shape and is arranged around the rotor 30c such that its inner peripheral surface faces the outer peripheral surface of the rotor 30c with a small gap therebetween. The stator 30b has a stator core 30e made of a magnetic material and a plurality of coils 30f. The stator core 30e has a plurality of slots arranged at regular intervals along its entire circumference. The coil 30f is constructed by winding a covered electric wire in a predetermined order through these slots.

それにより、ステータ30bには、図3Bに示すように、U相群、V相群、およびW相群からなる、3つの異なる巻線群50が設けられている。これら巻線群50は、互いに中性点51で接続されている(いわゆるY結線またはスター結線)。 Stator 30b is thereby provided with three different winding groups 50, consisting of a U-phase group, a V-phase group and a W-phase group, as shown in FIG. 3B. These winding groups 50 are connected to each other at a neutral point 51 (so-called Y-connection or star-connection).

モータ30は、車両1の駆動源としても利用されるため、トルクおよび回転数の双方において、幅広い駆動力が要求される。そのため、これら巻線群50は、高トルクが出力できるように、巻き数を相対的に多く(インピーダンスを高く)して、強い磁力が発生できるように設計されている。各相の巻線群50には、各々の入力端子を通じて、インバータ10から異なる位相で交流が供給される。 Since the motor 30 is also used as a drive source for the vehicle 1, a wide range of driving force is required in terms of both torque and rotational speed. Therefore, the winding group 50 is designed to have a relatively large number of windings (high impedance) so as to generate a strong magnetic force so that a high torque can be output. Alternating currents in different phases are supplied from the inverter 10 to the winding groups 50 of each phase through respective input terminals.

(モータの運転領域)
図4に、このモータ30の運転領域を例示する。縦軸は、モータ出力によるトルクの高低を表し、横軸は、モータ出力による回転数の高低を表している。横軸の上側は、電動機としてのモータ30の運転領域、すなわち力行時の領域であり、横軸の下側は、発電機としてのモータ30の運転領域、すなわち回生時の領域である。
(Motor operating range)
FIG. 4 illustrates the operating range of the motor 30. As shown in FIG. The vertical axis represents the level of the torque due to the motor output, and the horizontal axis represents the level of the rotation speed due to the motor output. The upper side of the horizontal axis is the operating range of the motor 30 as an electric motor, that is, the range during power running, and the lower side of the horizontal axis is the operating range of the motor 30 as the generator, that is, the range during regeneration.

上述したように、このモータ30の場合、高トルクが出力できるように、巻線群50の巻き数は相対的多くなるように設計されている。従って、モータ30は、低回転の運転領域では、相対的に高いトルクT(T’)を出力することが可能である。それにより、モータ30の最大出力トルクは、低電圧電源4の電圧で、回転数R1までの低回転側の領域において、トルクTで略一定に保持されている。 As described above, in the case of this motor 30, the number of turns of the winding group 50 is designed to be relatively large so that high torque can be output. Therefore, the motor 30 can output a relatively high torque T (T') in the low rotation operating range. As a result, the maximum output torque of the motor 30 is kept substantially constant at the torque T in the low rotation region up to the rotation speed R1 at the voltage of the low voltage power supply 4 .

一方、モータ30の回転数が高くなると、それに伴って、モータ30で発生する逆起電力も大きくなる。それにより、モータ30と、低電圧電源4の電圧との間の電位差が小さくなっていく。その結果、高回転でのモータ30の駆動が困難になり、本来であれば、図4に仮想線L1で示すように、出力できるトルクは減少していく。そして、通常の電力供給による通常の制御では、ある回転数(図4に符号R0で示す回転数)を超えると、モータ30を駆動できなくなってしまう。 On the other hand, as the rotation speed of the motor 30 increases, the back electromotive force generated in the motor 30 also increases accordingly. As a result, the potential difference between the motor 30 and the voltage of the low-voltage power supply 4 becomes smaller. As a result, it becomes difficult to drive the motor 30 at high rotation, and the torque that can be output decreases as indicated by the virtual line L1 in FIG. In normal control with normal power supply, the motor 30 cannot be driven when the number of rotations exceeds a certain number of rotations (the number of rotations indicated by symbol R0 in FIG. 4).

そこで、この電動発電機3の制御装置(以下、単に制御装置ともいう)では、モータ30を高回転でも駆動させるために、弱め磁束制御が行われる。弱め磁束制御は、公知の技術である。弱め磁束制御では、モータの各巻線群50に、弱め磁束電流(d軸電流)を供給して電圧を調整する。そうすることにより、逆起電力を低減させる。弱め磁束電流は、回転するロータ30cが発生する磁束を弱めるように作用する。弱め磁束制御を行うことにより、モータ30は、高回転でも駆動可能になる。それにより、モータ30は、出力できるトルクは低下するが、高回転においても駆動可能となっている。 Therefore, in the control device for the motor generator 3 (hereinafter also simply referred to as the control device), flux-weakening control is performed in order to drive the motor 30 even at a high rotational speed. Flux-weakening control is a known technique. In the flux-weakening control, a flux-weakening current (d-axis current) is supplied to each winding group 50 of the motor to adjust the voltage. By doing so, the back electromotive force is reduced. The flux-weakening current acts to weaken the magnetic flux generated by the rotating rotor 30c. By performing flux-weakening control, the motor 30 can be driven even at high rotation. As a result, the motor 30 can be driven even at high rotation, although the torque that can be output is reduced.

そして、通常であれば、インバータ10と低電圧電源4との間に、昇降圧コンバータを設置することが考えられる。昇降圧コンバータによれば、図4に仮想線L2で示すように、モータ30の運転領域の高回転側の全域にわたって、低電圧電源4の電圧を昇圧し、逆起電力の上昇による電圧の低下を補完することができる。そして、高回転でも比較的高トルクで駆動することができる。 Then, normally, it is conceivable to install a step-up/step-down converter between the inverter 10 and the low-voltage power supply 4 . According to the buck-boost converter, as indicated by the virtual line L2 in FIG. 4, the voltage of the low-voltage power supply 4 is boosted over the entire high rotation side of the operating region of the motor 30, and the voltage is lowered due to the increase in back electromotive force. can be complemented. And it can be driven with relatively high torque even at high rotation.

また、昇降圧コンバータの設置により、回生時には、モータ30で発生する高電圧を降圧し、モータ30で発電した電力を低電圧電源4に回収することもできる。回生は、車両1が減速する制動時に行われる。そのため、モータ30が低回転で運転しているときよりも高回転で運転しているときの方が、回生の時間的な頻度は大きい。 Also, by installing a step-up/step-down converter, the high voltage generated by the motor 30 can be stepped down during regeneration, and the power generated by the motor 30 can be recovered to the low-voltage power supply 4 . Regeneration is performed during braking when the vehicle 1 decelerates. Therefore, when the motor 30 is operating at a high rotation speed, the frequency of regeneration in terms of time is higher than when the motor 30 is operating at a low rotation speed.

従って、効率よく回生を行うためには、高回転のモータ30で高い発電効率を確保することが重要である。そして、高回転のモータ30で高い発電効率を確保するためには、モータ30が高い回転数で回転しているときに、昇降圧コンバータで効率的な降圧動作を行うことが必要になる。 Therefore, in order to perform regeneration efficiently, it is important to ensure high power generation efficiency with the high-speed motor 30 . In order to ensure high power generation efficiency with the high-speed motor 30, it is necessary to perform efficient step-down operation with the step-up/step-down converter when the motor 30 is rotating at a high speed.

ところが、昇降圧コンバータの場合、共通の電気回路で、昇圧および降圧の双方の動作が行われる。そのため、昇圧動作と降圧動作との間で効率に差があり、改善の余地があることを、本発明者らは見出した。かかる知見に基づき、この制御装置では、コンバータ20の電気回路20aが、昇圧動作よりも降圧動作に特化した構造に改良されている(これらの詳細は後述する)。 However, in the case of a step-up/step-down converter, a common electric circuit performs both step-up and step-down operations. Therefore, the inventors have found that there is a difference in efficiency between the step-up operation and the step-down operation, and that there is room for improvement. Based on this knowledge, in this control device, the electric circuit 20a of the converter 20 is improved to have a structure specialized for step-down operation rather than step-up operation (details of these will be described later).

従って、この制御装置では、まず、その降圧動作に特化したコンバータ20により、低電圧電源4の電圧を昇圧し、逆起電力の上昇による電圧の低下を補完する。それにより、回転数R1を越えても、所定の回転数R1まで、最大出力トルクT(T’)が維持できるようにしている。そして、モータ30が所定の回転数R2以上で駆動するときには、コンバータ20による昇圧に加え、弱め磁束制御による更なる補完が行われる。 Therefore, in this control device, first, the voltage of the low-voltage power supply 4 is stepped up by the converter 20 specialized for the step-down operation to compensate for the voltage drop due to the rise in the back electromotive force. As a result, the maximum output torque T (T') can be maintained up to a predetermined rotational speed R1 even if the rotational speed R1 is exceeded. Then, when the motor 30 is driven at a predetermined number of revolutions R2 or higher, in addition to boosting by the converter 20, further complementation by flux-weakening control is performed.

コンバータ20は、降圧動作に特化しているため、昇降圧コンバータのように、弱め磁束制御を行っても、モータ30の運転領域の全域において、逆起電力による電圧の低下を補完することはできない。また、高回転で出力できるトルクも低下する。そのため、この制御装置では、モータ30が所定の回転数R3(上限回転数R3)になると、モータ30の駆動を停止し、エンジン2の単独駆動に切り替える。 Since the converter 20 is specialized for step-down operation, even if the flux-weakening control is performed as in the step-up/step-down converter, it is not possible to compensate for the voltage drop due to the back electromotive force in the entire operating range of the motor 30. . In addition, the torque that can be output at high rotation also decreases. Therefore, in this control device, when the motor 30 reaches a predetermined rotation speed R3 (upper limit rotation speed R3), the motor 30 is stopped and the engine 2 is switched to independent driving.

従って、このモータ30の力行時の運転領域は、回転数の方向には、上限回転数R3までに制限されている。そして、その力行時の運転領域は、低回転側から順に、昇圧動作を行わず、低電圧電源4の電圧によってモータ30を駆動制御する通常駆動領域A1、コンバータ20による昇圧動作が行われる第1補完駆動領域A2、および、コンバータ20による昇圧動作に加えて、弱め磁束制御が行われる第2補完駆動領域A3に区画されている。 Therefore, the operating range of the motor 30 during power running is limited to the upper limit rotation speed R3 in the rotation speed direction. The operation regions during power running are, in order from the low speed side, a normal drive region A1 in which the motor 30 is driven and controlled by the voltage of the low-voltage power supply 4 without boosting operation, and a first drive region A1 in which the boosting operation by the converter 20 is performed. It is divided into a complementary drive region A2 and a second complementary drive region A3 in which flux-weakening control is performed in addition to boosting operation by the converter 20 .

通常駆動領域A1は、回転数R1以下の領域であり、第1補完駆動領域A2は、回転数R1以上回転数R2以下の領域であり、第2補完駆動領域A3は、回転数R2以上限回転数R3以下の領域である。 The normal drive region A1 is a region below the rotational speed R1, the first complementary driving region A2 is a region above the rotational speed R1 and below the rotational speed R2, and the second complementary driving region A3 is a region above the rotational speed R2. It is a region of number R3 or less.

回転数R1は、例えば、低電圧電源4の電圧では、逆起電力によってモータ30が最大出力トルクを維持できなくなる回転数に相当する。回転数R2は、低電圧電源4の最大出力などによって変動する。従って、回転数R1,R2は、低電圧電源4やモータ30など、制御装置の仕様によって決まる。 The rotation speed R1 corresponds to, for example, the rotation speed at which the motor 30 cannot maintain the maximum output torque due to the back electromotive force at the voltage of the low-voltage power supply 4 . The rotation speed R2 varies depending on the maximum output of the low-voltage power supply 4 and the like. Therefore, the rotational speeds R1 and R2 are determined by the specifications of the control device such as the low-voltage power supply 4 and the motor 30. FIG.

上限回転数R3も、制御装置の仕様によって決まる。上限回転数R3は、車両1の運転領域では、その低回転側に位置する。例えば、上限回転数R3は、車両1の運転領域を回転数の方向に略二等分した場合の低回転側の領域に位置し得る。また、上限回転数R3は、車両1の運転領域を回転数の方向に略三等分した場合の最も低回転側の領域に位置し得る。これら回転数は、予めメモリ5bに設定されている。 The upper limit rotation speed R3 is also determined by the specifications of the control device. The upper limit rotation speed R3 is located on the low rotation side in the operating range of the vehicle 1 . For example, the upper limit rotation speed R3 can be located in a region on the low rotation side when the driving range of the vehicle 1 is roughly bisected in the direction of the rotation speed. Further, the upper limit rotation speed R3 can be located in the region on the lowest rotation side when the operating region of the vehicle 1 is divided into approximately three equal parts in the direction of the rotation speed. These rotational speeds are set in advance in the memory 5b.

一方、このモータ30の回生時の運転領域は、コンバータ20が降圧動作に特化しているため、高回転側に拡大している。そして、その回生時の運転領域は、降圧動作を行わず、モータ30で発生した起電力に基づいて回生する通常回生領域A4、コンバータ20による降圧動作が行われる補完回生領域A5に区画されている。補完回生領域A5の高回転側の領域においても、回生時の電圧を調整するために、弱め磁束制御が行われる。 On the other hand, the operating range of the motor 30 during regeneration is expanded to the high rotation side because the converter 20 is specialized for step-down operation. The operating region during regeneration is divided into a normal regeneration region A4 in which regeneration is performed based on the electromotive force generated by the motor 30 without step-down operation, and a complementary regeneration region A5 in which step-down operation is performed by the converter 20. . Also in the area on the high rotation side of the complementary regeneration area A5, flux-weakening control is performed in order to adjust the voltage during regeneration.

従って、PCM5は、車両1が運転しているときには、クランク角センサ9b、アクセル開度センサ9c、モータ30センサ9aなど、各センサから入力される検出信号に基づいて、車両1の運転状態を判定する。PCM5は、その判定結果に基づいて、エンジン2を駆動制御するとともに、必要に応じてインバータ10およびコンバータ20に制御信号を出力し、モータ30を駆動制御する。 Therefore, when the vehicle 1 is running, the PCM 5 determines the driving state of the vehicle 1 based on detection signals input from sensors such as the crank angle sensor 9b, the accelerator opening sensor 9c, and the motor 30 sensor 9a. do. Based on the determination result, PCM 5 drives and controls engine 2 , outputs control signals to inverter 10 and converter 20 as necessary, and drives and controls motor 30 .

そしてその際、PCM5は、モータ30の運転状態(例えば、回転数の高低、力行か回生か)に基づいて、上述した各領域に応じて、インバータ10およびコンバータ20の制御の内容を切り替える。 At that time, the PCM 5 switches the contents of control of the inverter 10 and the converter 20 according to each of the above-described regions based on the operating state of the motor 30 (for example, whether the number of revolutions is high or low, power or regeneration).

(昇降圧コンバータの問題点)
図5A等に、一般的な昇降圧コンバータCON(チョッパ型)を、インバータ10と低電圧電源4との間に設置した場合を例示する。昇降圧コンバータCONは、昇圧動作および降圧動作を行う電気回路を有している。図5A等には、その主な電気回路を簡略化して示す。
(Problem of buck-boost converter)
FIG. 5A and the like exemplify a case where a general buck-boost converter CON (chopper type) is installed between the inverter 10 and the low-voltage power supply 4 . The buck-boost converter CON has an electric circuit that performs a step-up operation and a step-down operation. FIG. 5A and the like show a simplified main electric circuit thereof.

昇降圧コンバータCONの電気回路には、2つのスイッチング素子21a,21b、2つのダイオード22a,22b、コイル23が設けられている。具体的には、インバータ10の高電圧側および低電圧側の各々に電気を入出力する配線(上側配線24Uおよび下側配線24D)の各々にアーム25(上側アーム25Uおよび下側アーム25D)が接続されている。なお、下側配線24Dは、いわゆる基準電位に相当し、低電圧電源4の低電圧側とも接続されている。 Two switching elements 21a and 21b, two diodes 22a and 22b, and a coil 23 are provided in the electric circuit of the step-up/step-down converter CON. Specifically, an arm 25 (an upper arm 25U and a lower arm 25D) is attached to each of wirings (upper wiring 24U and lower wiring 24D) for inputting and outputting electricity to each of the high voltage side and the low voltage side of inverter 10. It is connected. The lower wiring 24D corresponds to a so-called reference potential, and is also connected to the low voltage side of the low voltage power supply 4. FIG.

そのアーム25に、2つのスイッチング素子(第1スイッチング素子21aおよび第2スイッチング素子21b)が高電圧側から順に直列に接続されている。すなわち、上側アーム25Uに第1スイッチング素子21aが設置され、下側アーム25Dに第2スイッチング素子21bが設置されている。 Two switching elements (a first switching element 21a and a second switching element 21b) are serially connected to the arm 25 in order from the high voltage side. That is, the first switching element 21a is installed on the upper arm 25U, and the second switching element 21b is installed on the lower arm 25D.

これらスイッチング素子21a,21bは、例えば、MOS-FET、IGBTなどの半導体スイッチである。例示のスイッチング素子21a,21bは、NPN型であり、コレクタが高電圧側に位置し、エミッタが低電圧側に位置している。従って、これらスイッチング素子21a,21bは、高電圧側から低電圧側へ流れる電流は許容するが、その逆に流れる電流は許容しない。 These switching elements 21a and 21b are, for example, semiconductor switches such as MOS-FETs and IGBTs. The illustrated switching elements 21a, 21b are of the NPN type, with the collector located on the high voltage side and the emitter located on the low voltage side. Therefore, these switching elements 21a and 21b allow current to flow from the high voltage side to the low voltage side, but do not allow current to flow in the opposite direction.

そして、これら第1スイッチング素子21aおよび第2スイッチング素子21bの各々に、ダイオード(第1ダイオード22aおよび第2ダイオード22b)が逆並列に接続されている。アーム25における第1スイッチング素子21aと第2スイッチング素子21bの間の中点、換言すれば、上側アーム25Uと下側アーム25Dの間の中点には、中間配線26が接続されている。中間配線26は、低電圧電源4の高電圧側に電気を入出力する。その中間配線26にコイル23(リアクトル)が設置されている。 Diodes (first diode 22a and second diode 22b) are connected in antiparallel to each of the first switching element 21a and the second switching element 21b. An intermediate wiring 26 is connected to the midpoint between the first switching element 21a and the second switching element 21b in the arm 25, in other words, the midpoint between the upper arm 25U and the lower arm 25D. The intermediate wiring 26 inputs and outputs electricity to the high voltage side of the low voltage power supply 4 . A coil 23 (reactor) is installed in the intermediate wiring 26 .

なお、スイッチング素子21a,21bと逆並列に接続されているダイオード22a,22bは、いわゆる還流ダイオードである。これらダイオード22a,22bのカソードは高電圧側に位置し、これらダイオード22a,22bのアノードは低電圧側に位置している。従って、これらダイオード22a,22bは、低電圧側から高電圧側へ流れる電流は許容するが、その逆に流れる電流は許容しない。 The diodes 22a and 22b connected in anti-parallel with the switching elements 21a and 21b are so-called free wheel diodes. The cathodes of these diodes 22a, 22b are located on the high voltage side and the anodes of these diodes 22a, 22b are located on the low voltage side. Therefore, these diodes 22a and 22b allow current to flow from the low voltage side to the high voltage side, but do not allow current to flow in the opposite direction.

通電中にスイッチング素子21a,21bがオフになると、コイル23で発生する起電力により、アーム25に瞬間的に高電圧が加わる。ダイオード22a,22bは、その際、電流を流すことで、スイッチング素子21a,21bを保護する。 When the switching elements 21a and 21b are turned off during energization, an electromotive force generated by the coil 23 momentarily applies a high voltage to the arm 25. FIG. Diodes 22a and 22b then pass current to protect switching elements 21a and 21b.

昇降圧コンバータCONは、第2スイッチング素子21bおよび第1ダイオード22aを用いて昇圧動作を行う。すなわち、図5Aの左図に示すように、第2スイッチング素子21bがオンされる。それにより、矢印線Y1で示すように、コイル23、第2スイッチング素子21bを通じて電流が流れる。そして、図5Aの右図に示すように、第2スイッチング素子21bをオフすると、コイル23に蓄えられた電気エネルギーが、矢印線Y2で示すように、第1ダイオード22aを通じてインバータ10の高電圧側に放出される。このような第2スイッチング素子21bのオンオフ動作を連続して行うことで、インバータ10に出力される電圧が電源電圧から昇圧される。 The step-up/step-down converter CON performs step-up operation using the second switching element 21b and the first diode 22a. That is, as shown in the left diagram of FIG. 5A, the second switching element 21b is turned on. As a result, current flows through the coil 23 and the second switching element 21b as indicated by the arrow Y1. Then, as shown in the right diagram of FIG. 5A, when the second switching element 21b is turned off, the electrical energy stored in the coil 23 is transferred to the high voltage side of the inverter 10 through the first diode 22a as indicated by the arrow line Y2. released to By continuously performing the ON/OFF operation of the second switching element 21b, the voltage output to the inverter 10 is boosted from the power supply voltage.

昇圧動作を効率的に行うためには、コイル23のインダクタンスを大きくし、コイル23に大きな電流を流す必要がある。それにより、コイル23は、巻き数も多くなって大型化する。しかも、通電時にはコイル23が高温になるので、その温度対策が必要である。それに伴い、昇降圧コンバータCONは、コストが高くなるし、重く、大きくなってしまう。 In order to perform the boosting operation efficiently, it is necessary to increase the inductance of the coil 23 and supply a large current to the coil 23 . As a result, the number of turns of the coil 23 increases and the size of the coil 23 increases. Moreover, since the temperature of the coil 23 becomes high when energized, it is necessary to take countermeasures against the temperature. Along with this, the buck-boost converter CON becomes costly, heavy, and large.

一方、昇降圧コンバータCONが降圧動作を行う場合には、第1スイッチング素子21aおよび第2ダイオード22bが用いられる。すなわち、図5Bの左図に示すように、第1スイッチング素子21aがオンされる。それにより、矢印線Y3で示すように、インバータ10の高電圧側から第1スイッチング素子21a、コイル23を通じて電流が流れる。その際、その電流の電気エネルギーがコイル23に蓄えられるとともに、コイル23の中点側はインバータ10の高電圧側と実質的に同じ電位になる。 On the other hand, when the buck-boost converter CON performs a buck operation, the first switching element 21a and the second diode 22b are used. That is, as shown in the left diagram of FIG. 5B, the first switching element 21a is turned on. As a result, a current flows from the high voltage side of the inverter 10 through the first switching element 21a and the coil 23, as indicated by an arrow line Y3. At that time, the electric energy of the current is stored in the coil 23 and the midpoint side of the coil 23 becomes substantially the same potential as the high voltage side of the inverter 10 .

そして、図5Bの右図に示すように、第1スイッチング素子21aをオフすると、コイル23が電気エネルギーを放出するのに伴って、矢印線Y4で示すように、第2ダイオード22b、コイル23を通じて電流が流れる。その際、コイル23の中点側はインバータ10の低電圧側と実質的に同じ電位になる。このような第1スイッチング素子21aのオンオフ動作を連続して行うことで、電源電圧に出力される電圧がインバータ10の高電圧側から降圧される。 Then, as shown in the right diagram of FIG. 5B, when the first switching element 21a is turned off, as the coil 23 emits electric energy, as shown by the arrow line Y4, the second diode 22b and the coil 23 current flows. At that time, the midpoint side of the coil 23 has substantially the same potential as the low voltage side of the inverter 10 . By continuously performing the ON/OFF operation of the first switching element 21a, the voltage output as the power supply voltage is stepped down from the high voltage side of the inverter 10. FIG.

降圧時に、第1スイッチング素子21aがオンされたときに流れる電流は、低電圧電源4に流入するので、コイル23を流れる電流の平均値は、昇圧時に比べると半分程度になる。すなわち、コイル23を流れる電流は、降圧時よりも昇圧時の方が大きい。従って、昇降圧コンバータCONの場合、コイル性能は、昇圧動作に合わせて設計する必要がある。そのため、降圧動作からすると、コイル23は過剰に大きいことになり、磁気損失が大きくなってしまう。従って、降圧動作の効率が低下する。 Since the current that flows when the first switching element 21a is turned on when the voltage is reduced flows into the low voltage power supply 4, the average value of the current flowing through the coil 23 is about half that when the voltage is increased. That is, the current flowing through the coil 23 is larger when the voltage is increased than when the voltage is decreased. Therefore, in the case of the buck-boost converter CON, the coil performance must be designed in accordance with the boost operation. As a result, the coil 23 becomes excessively large in terms of the step-down operation, resulting in a large magnetic loss. Therefore, the efficiency of the step-down operation is lowered.

また、第1ダイオード22aは、本来、降圧時には機能しないが、その静電容量と漏れ電流とにより、エネルギーロスが発生する。従って、これによっても降圧動作の効率が低下する。 Also, the first diode 22a does not function when the voltage is stepped down, but energy loss occurs due to its capacitance and leakage current. Therefore, this also reduces the efficiency of the step-down operation.

更に、第2スイッチング素子21bは、昇圧時に大きな電流が流れる。そのため、それに耐え得る大きな電流容量が求められる。第2スイッチング素子21bの電流容量が大きい場合、降圧時に、同期整流処理を行うために第2スイッチング素子21bをスイッチングすると、キャリアの蓄積に時間を要し、スイッチング速度が遅くなる。その結果、降圧時に、大きなスイッチングロスが発生する。従って、これによっても降圧動作の効率が低下する。 Further, a large current flows through the second switching element 21b during boosting. Therefore, a large current capacity that can withstand it is required. When the current capacity of the second switching element 21b is large, when the second switching element 21b is switched to perform synchronous rectification during step-down, it takes time to accumulate carriers, resulting in a slow switching speed. As a result, a large switching loss occurs when stepping down the voltage. Therefore, this also reduces the efficiency of the step-down operation.

(コンバータ20の電気回路20a)
図6に、本実施形態のコンバータ20の電気回路20a(要部のみ)を示す。電気回路20aは、降圧動作に特化した構造になっている。電気回路20aの基本的構造(例えば、素子の基本的な内容や位置関係)は、上述した従来の昇降圧コンバータCONの電気回路と同じである。
(Electric circuit 20a of converter 20)
FIG. 6 shows an electric circuit 20a (only a main part) of the converter 20 of this embodiment. The electric circuit 20a has a structure specialized for step-down operation. The basic structure of the electric circuit 20a (for example, basic content and positional relationship of elements) is the same as the electric circuit of the conventional buck-boost converter CON described above.

例えば、この電気回路20aにも、配線(上側配線24Uおよび下側配線24D)、アーム25(上側アーム25Uおよび下側アーム25D)、および中間配線26が設けられている。そして、これら配線に、素子(電気回路20aを構成する要素)として、2つのスイッチング素子、2つのダイオード、コイルが設けられている。従って、同じ内容の構成については同じ符号を用いることにより、その説明は省略ないし簡略化し、異なる内容について詳しく説明する。 For example, this electric circuit 20a is also provided with wiring (upper wiring 24U and lower wiring 24D), arm 25 (upper arm 25U and lower arm 25D), and intermediate wiring 26. FIG. These wirings are provided with two switching elements, two diodes, and a coil as elements (elements constituting the electric circuit 20a). Therefore, by using the same reference numerals for the configurations with the same contents, the explanation thereof will be omitted or simplified, and the different contents will be explained in detail.

このコンバータ20の電気回路20aは、モータ30の駆動を、車両1の運転領域の低回転側に制限することを前提に、昇圧動作よりも降圧動作が効率よく行える構造に改良されている。 The electric circuit 20a of the converter 20 is improved in structure so that the step-down operation can be performed more efficiently than the step-up operation on the premise that the drive of the motor 30 is limited to the low speed side of the operation range of the vehicle 1.

具体的には、第2スイッチング素子に、第1スイッチング素子21aよりも電流容量が小さいスイッチング素子(改良第2スイッチング素子21b’)が用いられている。第1ダイオードに、第2ダイオード22bよりも電流容量が小さいダイオード(改良第1ダイオード22a’)が用いられている。そして、コイルには、昇降圧コンバータCONのコイル23よりも小型化、高密度化されたコイル(改良コイル23’)が用いられている。 Specifically, a switching element (improved second switching element 21b') having a smaller current capacity than the first switching element 21a is used as the second switching element. A diode (improved first diode 22a') having a smaller current capacity than the second diode 22b is used as the first diode. As the coil, a coil (improved coil 23') that is smaller and has a higher density than the coil 23 of the buck-boost converter CON is used.

例えば、改良コイル23’は、インダクタンスが小さいものが採用されており、電流容量の小さい、細く短い電線で小型化されている。それに伴い、通電時の発熱も抑制されるので、温度対策も簡略化でき、改良コイル23’は、高密度化が可能になっている。従って、コンバータ20もコンパクトにできる。そして、コンバータ20で降圧動作が行われる場合に発生する磁気損失が低減されるので、降圧動作の効率が向上する。 For example, the improved coil 23' has a small inductance and is miniaturized with a thin, short electric wire having a small current capacity. Along with this, heat generation during energization is also suppressed, so temperature countermeasures can be simplified, and the improved coil 23' can be densified. Therefore, the converter 20 can also be made compact. Since the magnetic loss that occurs when converter 20 performs the step-down operation is reduced, the efficiency of the step-down operation is improved.

モータ30の駆動を、車両1の運転領域の低回転側に制限したことにより、コンバータ20に求められる昇圧性能は低下している。改良第1ダイオード22a’は、その低下した昇圧性能に合わせて、電流容量の小さいものが用いられている。それにより、降圧動作において発生するエネルギーロスも低減される。従って、降圧動作の効率がより向上する。 Since the driving of the motor 30 is restricted to the low rotation speed side of the operating range of the vehicle 1, the boosting performance required of the converter 20 is lowered. As the improved first diode 22a', one having a small current capacity is used in accordance with the lowered boosting performance. As a result, the energy loss that occurs in the step-down operation is also reduced. Therefore, the efficiency of the step-down operation is further improved.

改良第2スイッチング素子21b’も、その低下した昇圧性能に合わせて、電流容量の小さいものが用いられている。それにより、降圧動作において発生し得るスイッチングロスも低減される。従って、降圧動作の効率がよりいっそう向上する。 The improved second switching element 21b' also has a small current capacity in accordance with the lowered boosting performance. As a result, switching loss that may occur in step-down operation is also reduced. Therefore, the efficiency of the step-down operation is further improved.

(制御装置の制御例)
図7に、この制御装置における力行時の制御例を示す。この制御例では、車両1が停止した状態から走行を開始し、次第に加速して通常走行に移行する過程を表している。
(Example of control by control device)
FIG. 7 shows an example of control during power running in this control device. This control example shows a process in which the vehicle 1 starts running from a stopped state, gradually accelerates, and shifts to normal running.

車両1の操作が開始されて電源が投入されているときには、常時、センサ9a~9eなどから検出信号がPCM5に入力されている。PCM5は、これら検出信号から、車両1の運転状態を判定するために各種の情報を読み込む(ステップS1)。 When the operation of the vehicle 1 is started and the power is turned on, detection signals are constantly input to the PCM 5 from the sensors 9a to 9e and the like. The PCM 5 reads various information from these detection signals to determine the driving state of the vehicle 1 (step S1).

PCM5は、これら情報に基づいて、エンジン2が停止しているか否かを判定する(ステップS2)。そして、エンジン2が停止(一時停止も含む)していると判定した場合、PCM5は、トランスミッション7を遮断かつクラッチ6を連結し、モータ30でエンジン2を始動する(ステップS3)。モータ30は、通常駆動領域A1での運転であるため、低電圧電源4の電圧で高トルクを発揮できる。従って、安定してエンジン2を始動することができる。 Based on these information, the PCM 5 determines whether the engine 2 is stopped (step S2). When determining that the engine 2 is stopped (including temporary stop), the PCM 5 disconnects the transmission 7, connects the clutch 6, and starts the engine 2 by the motor 30 (step S3). Since the motor 30 operates in the normal drive region A1, it can exhibit high torque with the voltage of the low voltage power supply 4. FIG. Therefore, the engine 2 can be stably started.

そして、エンジン2が始動すると、車両1は、モータ30およびエンジン2の双方の駆動により、発進する(ステップS4)。モータ30の駆動により、高トルクなトルクアシストができるので、円滑かつ安定した発進が行える。 When the engine 2 starts, the vehicle 1 is driven by both the motor 30 and the engine 2 (step S4). Driving the motor 30 enables high-torque torque assist, so that the vehicle can start smoothly and stably.

そして、PCM5は、モータ30の回転数が回転数R1以上、すなわち第1補完駆動領域A2になったか否かを判定する(ステップS5)。モータ30の回転数が回転数R1以上になったと判定した場合、PCM5は、コンバータ20に制御信号を出力し、昇圧動作を開始する(ステップS6)。それにより、低電圧電源4の電圧よりも高い電圧がインバータ10に供給されるので、モータ30は、回転数が上昇しても、高いトルクを維持しながらトルクアシストすることができる。 Then, the PCM 5 determines whether or not the number of rotations of the motor 30 is equal to or higher than the number of rotations R1, that is, whether or not it has reached the first complementary driving area A2 (step S5). When determining that the rotation speed of the motor 30 has reached the rotation speed R1 or higher, the PCM 5 outputs a control signal to the converter 20 to start boosting operation (step S6). As a result, a voltage higher than the voltage of the low-voltage power supply 4 is supplied to the inverter 10, so that the motor 30 can perform torque assist while maintaining a high torque even if the rotational speed increases.

そうして、PCM5は、モータ30の回転数が回転数R2以上、すなわち第2補完駆動領域A3になったか否かを判定する(ステップS7)。モータ30の回転数が回転数R2以上になったと判定した場合、PCM5は、インバータ10に制御信号を出力し、弱め磁束制御を開始する(ステップS8)。具体的には、モータ30に対して弱め磁束電流の供給を開始する。それにより、逆起電力を緩和できるので、モータ30の急激な出力トルクの低下を回避できる。 The PCM 5 then determines whether or not the number of rotations of the motor 30 is equal to or higher than the number of rotations R2, that is, whether or not the second complementary drive region A3 has been reached (step S7). When determining that the rotation speed of the motor 30 has reached the rotation speed R2 or higher, the PCM 5 outputs a control signal to the inverter 10 to start flux-weakening control (step S8). Specifically, the supply of the flux-weakening current to the motor 30 is started. As a result, the back electromotive force can be alleviated, and a rapid decrease in the output torque of the motor 30 can be avoided.

そして、PCM5は、モータ30の回転数が高くなるほど、弱め磁束電流が大きくなるように制御する(ステップS9)。そうすることにより、モータ30は、より高いトルクで、より高回転数まで駆動可能になり、モータ30の運転領域を高回転側に拡大できる。 Then, the PCM 5 performs control so that the flux-weakening current increases as the rotation speed of the motor 30 increases (step S9). By doing so, the motor 30 can be driven with higher torque and up to a higher rotation speed, and the operating range of the motor 30 can be expanded to the high rotation side.

その後、PCM5は、モータ30の回転数が上限回転数R3以上になったか否かを判定する(ステップS10)。モータ30の回転数が上限回転数R3以上になったと判定した場合、PCM5は、コンバータ20、インバータ10に制御信号を出力し、モータ30の駆動を停止してエンジン2の単独駆動に切り替える(ステップS11)。 After that, the PCM 5 determines whether or not the rotation speed of the motor 30 has reached or exceeded the upper limit rotation speed R3 (step S10). When it is determined that the rotation speed of the motor 30 is equal to or higher than the upper limit rotation speed R3, the PCM 5 outputs a control signal to the converter 20 and the inverter 10 to stop driving the motor 30 and switch to independent driving of the engine 2 (step S11).

なお、この切替時には、モータ30の駆動で得ていたトルクの減少分を、エンジン2が出力するトルクで補う必要がある。その際、トルクショックが発生するおそれがある。しかし、そのトルクの減少分は比較的小さいことに加え、切り替えるタイミングは比較的低回転である。 At the time of this switching, it is necessary to compensate for the decrease in the torque obtained by driving the motor 30 with the torque output by the engine 2 . At that time, a torque shock may occur. However, the amount of decrease in torque is relatively small, and the switching timing is relatively low rotation.

従って、その際に生じ得るトルクショックも小さく、時間的余裕があり、容易に抑制できる。例えば、短時間で切り替えるのではなく、図4に仮想線L3で示すように、所定の切替時間を設けて、モータ30の出力トルクを徐々に減少させ、エンジン2の出力トルクに徐々に移行するようにしてもよい。 Therefore, the torque shock that may occur at that time is small, there is time to spare, and it can be easily suppressed. For example, instead of switching in a short period of time, a predetermined switching time is provided as indicated by the virtual line L3 in FIG. You may do so.

図8に、この制御装置において、車両1の走行中に回生が行われるときの制御例を示す。PCM5は、回生要求があるか否かを判定する(ステップS21)。例えば、低電圧電源4の充填量が不足している場合などに、PCM5に回生要求が指示される。回生要求がある場合、PCM5は、センサ9a~9eなどからの情報に基づいて、車両1が制動中であるか、すなわち減速しているか否かを判定する(ステップS22)。そして、PCM5は、制動中であると判定した場合に、モータ30の回転数が回転数R1以上か否かを判定する(ステップS23)。 FIG. 8 shows an example of control when regeneration is performed while the vehicle 1 is running in this control device. The PCM 5 determines whether or not there is a regeneration request (step S21). For example, when the charging amount of the low-voltage power supply 4 is insufficient, the PCM 5 is instructed to request regeneration. When there is a regeneration request, the PCM 5 determines whether or not the vehicle 1 is braking, ie, decelerating, based on information from the sensors 9a to 9e (step S22). Then, when the PCM 5 determines that braking is being performed, it determines whether or not the rotation speed of the motor 30 is equal to or higher than the rotation speed R1 (step S23).

モータ30の回転数が回転数R1未満、すなわち通常回生領域A4であると判定した場合、PCM5は、降圧することなく回生動作を行う。一方、モータ30の回転数が回転数R1以上、すなわち補完回生領域A5であると判定した場合、PCM5は、コンバータ20に制御信号を出力し、降圧動作を行いながら回生を行う。また、PCM5は、必要に応じて、インバータ10にも制御信号を出力し、弱め磁束制御を行う。 When it is determined that the number of rotations of the motor 30 is less than the number of rotations R1, that is, the normal regeneration region A4, the PCM 5 performs regeneration without stepping down the voltage. On the other hand, when it is determined that the rotation speed of the motor 30 is equal to or higher than the rotation speed R1, that is, it is in the complementary regeneration area A5, the PCM 5 outputs a control signal to the converter 20 to perform regeneration while stepping down the voltage. The PCM 5 also outputs a control signal to the inverter 10 as necessary to perform flux-weakening control.

このコンバータ20によれば、回生時には、昇降圧コンバータCONを用いた場合と同等以上の効率で降圧動作が行える。従って、この制御装置によれば、コンパクトかつ安価でありながら、効果的な発電が行える。 According to this converter 20, during regeneration, the step-down operation can be performed with an efficiency equal to or higher than that in the case of using the step-up/step-down converter CON. Therefore, according to this control device, it is possible to effectively generate electric power while being compact and inexpensive.

<変形例1>
上述した制御装置の変形例1として、更に、コンバータ20の電気回路20aを簡略化した制御装置を例示する。
<Modification 1>
As a modified example 1 of the control device described above, a control device in which the electric circuit 20a of the converter 20 is further simplified will be exemplified.

図9に、そのコンバータ20Aの電気回路20Aaの要部を示す。このコンバータ20Aは、降圧専用である点で、先のコンバータ20と異なる。電気回路20Aaの基本的構造は、上述した電気回路20aと同じである。従って、同じ内容の構成については同じ符号を用いることにより、その説明は省略ないし簡略化し、異なる内容について詳しく説明する。 FIG. 9 shows the main part of the electric circuit 20Aa of the converter 20A. This converter 20A is different from the previous converter 20 in that it is dedicated to step-down. The basic structure of the electric circuit 20Aa is the same as the electric circuit 20a described above. Therefore, by using the same reference numerals for the configurations with the same contents, the explanation thereof will be omitted or simplified, and the different contents will be explained in detail.

このコンバータ20Aの電気回路20Aaにも、上側配線24U、下側配線24D、上側アーム25U、下側アーム25D、および中間配線26が設けられていて、これらに、素子として、第1スイッチング素子21a、改良第1ダイオード22a’、第2ダイオード22b、および後述する降圧専用コイル23Aが設けられている。このコンバータ20Aの電気回路20Aaには、改良第2スイッチング素子21b’は存在しない。従って、このコンバータ20は、先のコンバータ20よりも更に簡略化されている。 The electric circuit 20Aa of the converter 20A is also provided with an upper wiring 24U, a lower wiring 24D, an upper arm 25U, a lower arm 25D, and an intermediate wiring 26. These elements include first switching elements 21a, An improved first diode 22a', a second diode 22b, and a step-down dedicated coil 23A, which will be described later, are provided. The improved second switching element 21b' does not exist in the electric circuit 20Aa of this converter 20A. This converter 20 is therefore even more simplified than the previous converter 20 .

詳細には、上側アーム25Uには、先の電気回路20aと同様に、第1スイッチング素子21aおよび改良第1ダイオード22a’が設置されている。下側アーム25Dには、素子として、カソード側を高電圧側に向けた1つのダイオード、つまり第2ダイオード22bのみが設置されている。 Specifically, the upper arm 25U is provided with a first switching element 21a and an improved first diode 22a', similar to the electric circuit 20a. The lower arm 25D is provided with only one diode whose cathode side is directed to the high voltage side, that is, only the second diode 22b as an element.

それにより、下側配線24Dから中間配線26に電流を流すことはできるが、中間配線26から下側配線24Dに電流を流すことはできない。従って、このコンバータ20Aの場合、降圧動作はできるが、昇圧動作はできない構造となっている。 As a result, although current can flow from the lower wiring 24D to the intermediate wiring 26, current cannot flow from the intermediate wiring 26 to the lower wiring 24D. Therefore, the converter 20A has a structure in which it can perform a step-down operation but cannot perform a step-up operation.

昇圧動作は行わないので、降圧専用コイル23Aは、先の改良コイル23’よりも更に小型化、高密度化されている。従って、コンバータ20Aは、よりいっそうコンパクトになる。そして、降圧動作で発生する磁気損失が更に低減されるので、降圧動作の効率がよりいっそう向上する。 Since the step-up operation is not performed, the dedicated step-down coil 23A is made smaller and has a higher density than the improved coil 23'. The converter 20A is therefore even more compact. Further, since the magnetic loss generated in the step-down operation is further reduced, the efficiency of the step-down operation is further improved.

図10に、この変形例1の制御装置におけるモータ30の運転領域を例示する。力行時の領域は、先の制御装置に比べて縮小されている。回生時の領域は、先の制御装置と同様である。 FIG. 10 illustrates the operating range of the motor 30 in the control device of Modification 1. As shown in FIG. The area during power running is reduced compared to the previous control device. The region during regeneration is the same as that of the previous control device.

コンバータ20は昇圧しないので、回転数R1以上になると、PCM5は、直ちに弱め磁束制御を行う。そして、モータ30が所定の回転数(上限回転数R3’)になると、モータ30の駆動を停止し、エンジン2の単独駆動に切り替える。ここでの上限回転数R3’は、先の上限回転数R3よりも小さい。 Since the converter 20 does not boost the voltage, the PCM 5 immediately performs flux-weakening control when the rotational speed exceeds R1. When the rotation speed of the motor 30 reaches a predetermined rotation speed (upper limit rotation speed R3'), the driving of the motor 30 is stopped and the engine 2 is switched to independent driving. The upper limit rotation speed R3' here is smaller than the previous upper limit rotation speed R3.

従って、この制御装置におけるモータ30の力行時の運転領域は、低回転側から順に、通常駆動領域A1、第2補完駆動領域A3に区画されている。ここでの第2補完駆動領域A3では、弱め磁束制御のみが行われる。 Therefore, the operating region of the motor 30 during power running in this control device is divided into a normal driving region A1 and a second complementary driving region A3 in order from the low speed side. In the second complementary driving region A3 here, only flux-weakening control is performed.

それに対し、回生時の領域は、先の制御装置による場合と同様である。すなわち、回生時の運転領域は、コンバータ20Aで降圧動作が行われるため、高回転側に拡大している。従来と同様に、通常回生領域A4および補完回生領域A5に、回生時の運転領域は区画されている。 On the other hand, the area during regeneration is the same as in the previous control device. That is, the operating range during regeneration is expanded to the high rotation side because converter 20A performs a step-down operation. As in the conventional case, the operating area during regeneration is divided into the normal regeneration area A4 and the complementary regeneration area A5.

図11に、この変形例1の制御装置における力行時の制御例を示す。この制御例も、図7と同様に、車両1が停止した状態から走行を開始し、通常走行に移行する過程の制御例を示している。この制御装置では、昇圧は行われない。その点を除けば、先の制御装置の制御例と同じである。従って、同じ内容の制御については、省略または簡略しながら説明する。 FIG. 11 shows an example of control during power running in the control device of Modification 1. In FIG. Similar to FIG. 7, this control example also shows a control example of a process in which the vehicle 1 starts running from a stopped state and shifts to normal running. No boosting is performed in this controller. Except for this point, it is the same as the control example of the previous control device. Therefore, the control of the same content will be explained while omitting or simplifying.

PCM5は、センサ9a~9eなどから得られる各種情報を読み込む(ステップS31)。そして、エンジン2が停止していると判定した場合(ステップS32でYes)、PCM5は、モータ30でエンジン2を始動する(ステップS33)。エンジン2が始動すると、PCM5は、モータ30およびエンジン2の双方の駆動により、車両1を発進させる(ステップS34)。 The PCM 5 reads various information obtained from the sensors 9a to 9e (step S31). When it is determined that the engine 2 is stopped (Yes in step S32), the PCM 5 starts the engine 2 with the motor 30 (step S33). When the engine 2 starts, the PCM 5 starts the vehicle 1 by driving both the motor 30 and the engine 2 (step S34).

PCM5は、モータ30の回転数が回転数R1以上、すなわち第2補完駆動領域A3になったか否かを判定する(ステップS35)。そして、モータ30の回転数が回転数R1以上になったと判定した場合、PCM5は、インバータ10に制御信号を出力し、弱め磁束制御を開始し、モータ30の回転数が高くなるほど、弱め磁束電流が大きくなるように制御する(ステップS36,S37)。その後、PCM5は、モータ30の回転数が上限回転数R3’以上になったと判定した場合(ステップS38でYes)、コンバータ20、インバータ10に制御信号を出力し、モータ30の駆動を停止してエンジン2の単独駆動に切り替える(ステップS39)。 The PCM 5 determines whether or not the rotation speed of the motor 30 is equal to or higher than the rotation speed R1, that is, whether or not it has reached the second complementary drive region A3 (step S35). Then, when it is determined that the rotation speed of the motor 30 is equal to or higher than the rotation speed R1, the PCM 5 outputs a control signal to the inverter 10 to start the flux-weakening control. is increased (steps S36, S37). After that, when the PCM 5 determines that the rotation speed of the motor 30 has reached or exceeded the upper limit rotation speed R3' (Yes in step S38), it outputs a control signal to the converter 20 and the inverter 10 to stop driving the motor 30. The engine 2 is switched to independent drive (step S39).

回生時の制御は、先の制御装置と同様である。すなわち、図8に示した制御例は、この変形例1の制御装置においても適用できる。従って、この変形例1の制御装置でも、回生時には、昇降圧コンバータCONを用いた場合と同等以上の効率で降圧動作が行える。 The control during regeneration is the same as the previous control device. That is, the control example shown in FIG. 8 can also be applied to the control device of the first modification. Therefore, even in the control device of Modification 1, during regeneration, the step-down operation can be performed with an efficiency equal to or higher than that in the case of using the step-up/step-down converter CON.

<変形例2>
変形例1と同様に、コンバータ20の電気回路20aを簡略化した制御装置を例示する。図12に、そのコンバータ20Bの電気回路20Baの要部を示す。このコンバータ20Bも、降圧専用である点で、先の変形例1と同じであるが、電気回路20Baの構造が異なっている。
<Modification 2>
As in Modification 1, a control device in which electric circuit 20a of converter 20 is simplified is illustrated. FIG. 12 shows a main part of the electric circuit 20Ba of the converter 20B. This converter 20B is also the same as the first modification in that it is dedicated to step-down, but the structure of the electric circuit 20Ba is different.

このコンバータ20Bの電気回路20Baでは、従来の昇降圧コンバータCONにおける第1ダイオード22a、第2スイッチング素子21bに相当するものが存在しない。その一方で、1つのダイオード(第3ダイオード28)を設置した迂回アーム27が新たに設けられている。 In the electric circuit 20Ba of this converter 20B, there are no components corresponding to the first diode 22a and the second switching element 21b in the conventional buck-boost converter CON. On the other hand, a detour arm 27 with one diode (third diode 28) is newly provided.

具体的には、上側アーム25Uには、素子として、第1スイッチング素子21aのみが設置されている。第1ダイオード22aが存在しないので、降圧時に、第1ダイオード22aに起因したエネルギーロスが発生しない。従って、降圧動作の効率を向上できる。第1ダイオード22aが無いので、電気回路20Baを簡略化でき、よりコンパクトかつ低コストにできる。 Specifically, only the first switching element 21a is installed on the upper arm 25U as an element. Since the first diode 22a does not exist, there is no energy loss due to the first diode 22a when stepping down the voltage. Therefore, the efficiency of step-down operation can be improved. Since there is no first diode 22a, the electric circuit 20Ba can be simplified and made more compact and low cost.

下側アーム25Dには、素子として、第2ダイオード22bのみが設置されている。第2スイッチング素子21bが存在しないので、電気回路20Baを簡略化でき、よりコンパクトかつ低コストにできる。 Only the second diode 22b is installed as an element on the lower arm 25D. Since the second switching element 21b does not exist, the electric circuit 20Ba can be simplified and made more compact and low cost.

中間配線26には、変形例1と同様、降圧専用コイル23Aが設置されている。従って、コンバータ20Bはコンパクトになる。降圧動作で発生する磁気損失が大幅に低減されるので、降圧動作の効率が向上する。 A dedicated step-down coil 23A is installed in the intermediate wiring 26, as in the first modification. Therefore, the converter 20B becomes compact. The efficiency of the step-down operation is improved because the magnetic loss generated in the step-down operation is greatly reduced.

そして、第1スイッチング素子21aおよびコイル23Aと並列になるように、上側配線24Uと中間配線26との間に、迂回アーム27が接続されている。この迂回アーム27に、素子として、カソード側をインバータ10の高電圧側に向けたダイオード、つまり第3ダイオード28のみが設置されている。 A detour arm 27 is connected between the upper wiring 24U and the intermediate wiring 26 so as to be parallel to the first switching element 21a and the coil 23A. This detour arm 27 is provided with only a diode whose cathode side is directed to the high voltage side of the inverter 10, that is, only a third diode 28 as an element.

変形例2の制御装置におけるモータ30の運転領域は、変形例1と同様である。ただし、変形例2の制御装置では、モータ30の駆動時における電流の流れる経路が、変形例1と異なる。 The operating range of the motor 30 in the control device of Modification 2 is the same as that of Modification 1. FIG. However, in the control device of Modification 2, the path through which the current flows when the motor 30 is driven is different from that in Modification 1. FIG.

すなわち、図12に矢印で示すように、モータ30の駆動時に低電圧電源4の高電圧側から流れる電流は、迂回アーム27を通じて、上側配線24Uに流れる。コイル23Aを迂回して流れるので、損失を低減できる。 12, the current flowing from the high voltage side of the low voltage power supply 4 when the motor 30 is driven flows through the detour arm 27 to the upper wiring 24U. Since it flows around the coil 23A, the loss can be reduced.

この変形例2の制御装置における制御は、変形例1の制御装置と同様である。すなわち、図8、図11に示した制御例は、この変形例2の制御装置においても適用できる。従って、この変形例2の制御装置でも、回生時には、昇降圧コンバータCONを用いた場合と同等以上の効率で降圧動作が行える。 The control in the control device of Modification 2 is the same as that of the control device of Modification 1. FIG. That is, the control examples shown in FIGS. 8 and 11 can also be applied to the control device of the second modification. Therefore, even in the control device of Modification 2, during regeneration, the step-down operation can be performed with an efficiency equal to or higher than that in the case of using the step-up/step-down converter CON.

なお、開示する技術にかかる電動発電機の制御装置は、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。 It should be noted that the motor-generator control device according to the technology disclosed is not limited to the above-described embodiments, and includes various other configurations.

変形例1の制御装置において、コンバータ20Aの電気回路20Aaから、改良第1ダイオード22a’も省略し、コンバータ20Aを完全な降圧専用にしてもよい。この場合、モータ30は駆動できない。車両1の駆動源はエンジン2のみとなる。従って、モータ30は回生専用に特化し、電動発電機は発電機となる。 In the control device of Modification 1, the improved first diode 22a' may also be omitted from the electric circuit 20Aa of the converter 20A, and the converter 20A may be completely dedicated to step-down. In this case, the motor 30 cannot be driven. The driving source of the vehicle 1 is only the engine 2 . Therefore, the motor 30 is specialized for regeneration, and the motor-generator becomes a generator.

変形例2の制御装置において、第2ダイオード22bや第3ダイオード28と逆並列になるように、スイッチング素子を設置し、同期整流処理を行ってもよい。そうすれば、これらダイオード22b,28の順方向の電圧損失を低減できる。この場合、これらスイッチング素子に加わる電力は、昇降圧コンバータCONの第1スイッチング素子21aや第2スイッチング素子21bに比べて微小なことから、小型の素子で実現できる利点もある。 In the control device of Modified Example 2, a switching element may be installed so as to be anti-parallel with the second diode 22b and the third diode 28, and synchronous rectification processing may be performed. By doing so, the forward voltage loss of these diodes 22b and 28 can be reduced. In this case, since the power applied to these switching elements is very small compared to the first switching element 21a and the second switching element 21b of the buck-boost converter CON, there is an advantage that small-sized elements can be used.

1 車両
2 エンジン
3 電動発電機
4 低電圧電源
5 PCM(制御部の一例)
10 インバータ
20 コンバータ
20a 電気回路
21a’ 改良第1スイッチング素子
21b’ 改良第2スイッチング素子
22a 第1ダイオード
22b 第2ダイオード
23’ 改良コイル
25U 上側アーム
25D 下側アーム
26 中間配線
30 モータ
1 vehicle 2 engine 3 motor generator 4 low voltage power supply 5 PCM (an example of a control unit)
10 Inverter 20 Converter 20a Electric circuit 21a' Improved first switching element 21b' Improved second switching element 22a First diode 22b Second diode 23' Improved coil 25U Upper arm 25D Lower arm 26 Intermediate wiring 30 Motor

Claims (4)

永久磁石が設けられたロータ、および複数の異なる巻線群が設けられたステータを有するモータと、前記モータを駆動制御するインバータと、前記インバータと低電圧電源との間に介在して昇圧動作および降圧動作を行うコンバータとを含む電動発電機の制御装置であって、
前記モータの駆動による走行とエンジンの駆動による走行とが可能な車両に搭載され、
前記モータの運転状態を検出する計測部と、
前記計測部から入力される信号に基づいて、前記インバータおよび前記コンバータに信号を出力して制御する制御部と、
を備え、
前記コンバータは、
前記インバータの高電圧側および低電圧側の各々に入出力する上側配線および下側配線に接続されたアームと、
前記アームの高電圧側から順に直列に接続された第1スイッチング素子および第2スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子および前記第2スイッチング素子の各々と逆並列に接続された第1ダイオードおよび第2ダイオードと、
前記アームにおける前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子の間に接続されて前記低電圧電源の高電圧側に入出力する中間配線に設置されたコイルと、
を有し、
前記第2スイッチング素子に、前記第1スイッチング素子よりも電流容量が小さいスイッチング素子が用いられ、かつ、前記第1ダイオードに、前記第2ダイオードよりも電流容量が小さいダイオードが用いられていて、
前記制御部が、前記インバータおよび前記コンバータに信号を出力することにより、電動機として前記モータが所定の回転数以上で運転するときには、前記モータに弱め磁束電流を供給する弱め磁束制御を実行するとともに、前記所定の回転数より高い上限回転数になったときには、前記モータの駆動を停止して前記エンジンで駆動し、発電機として前記モータが運転する時には、前記第1スイッチング素子および前記コイルを通じて降圧しながら前記低電圧電源に電流を供給する電動発電機の制御装置。
a motor having a rotor provided with permanent magnets and a stator provided with a plurality of different winding groups; an inverter for driving and controlling the motor; A control device for a motor generator including a converter that performs step-down operation ,
mounted on a vehicle capable of running by driving the motor and running by the engine,
a measurement unit that detects the operating state of the motor;
a control unit for controlling by outputting signals to the inverter and the converter based on the signal input from the measurement unit;
with
The converter is
an arm connected to an upper wiring and a lower wiring for inputting and outputting to each of the high voltage side and the low voltage side of the inverter;
a first switching element and a second switching element connected in series in order from the high voltage side of the arm;
a first diode and a second diode connected in anti-parallel to each of the first switching element and the second switching element;
a coil installed in an intermediate wiring connected between the first switching element and the second switching element in the arm and inputting/outputting to/from the high voltage side of the low voltage power supply;
has
A switching element having a current capacity smaller than that of the first switching element is used as the second switching element, and a diode having a current capacity smaller than that of the second diode is used as the first diode ,
The control unit outputs a signal to the inverter and the converter, thereby executing flux weakening control for supplying a flux weakening current to the motor when the motor as an electric motor operates at a predetermined number of revolutions or more, and When the rotational speed reaches the upper limit higher than the predetermined rotational speed, the motor is stopped and driven by the engine, and when the motor operates as a generator, the voltage is stepped down through the first switching element and the coil. a control device for a motor generator that supplies current to the low voltage power supply while
請求項1に記載の電動発電機の制御装置において、
前記制御部は、前記モータの回転数が高くなるほど、前記弱め磁束電流が大きくなるように制御する、電動発電機の制御装置。
In the motor-generator control device according to claim 1,
A control device for a motor-generator, wherein the control unit performs control such that the flux-weakening current increases as the rotation speed of the motor increases.
永久磁石が設けられたロータ、および複数の異なる巻線群が設けられたステータを有するモータと、前記モータを駆動制御するインバータと、前記インバータと低電圧電源との間に介在して降圧動作を行うコンバータとを含む電動発電機の制御装置であって、
前記モータの駆動による走行とエンジンの駆動による走行とが可能な車両に搭載され、
前記モータの運転状態を検出する計測部と、
前記計測部から入力される信号に基づいて、前記インバータおよび前記コンバータに信号を出力して制御する制御部と、
を備え、
前記コンバータは、
前記インバータの高電圧側に入出力する上側配線に接続された上側アームと、
前記上側アームと直列に接続されて、前記インバータの低電圧側に入出力する下側配線に接続された下側アームと、
前記上側アームと前記下側アームの間に接続されて前記低電圧電源の高電圧側に入出力する中間配線に設置されたコイルと、
を有し、
前記上側アームには、1つのスイッチング素子および当該スイッチング素子と逆並列に接続された第1ダイオードが設置され、前記下側アームには、カソード側を高電圧側に向けた第2ダイオードのみが設置されていて、
前記制御部が、前記インバータおよび前記コンバータに信号を出力することにより、電動機として前記モータが所定の回転数以上で運転するときには前記モータに弱め磁束電流を供給する弱め磁束制御を実行するとともに、前記所定の回転数より高い上限回転数になったときには、前記モータの駆動を停止して前記エンジンで駆動し、発電機として前記モータが運転する時には、前記スイッチング素子および前記コイルを通じて降圧しながら前記低電圧電源に電流を供給する、電動発電機の制御装置。
A motor having a rotor provided with permanent magnets and a stator provided with a plurality of different winding groups, an inverter for driving and controlling the motor, and a step-down operation interposed between the inverter and a low-voltage power supply. A motor-generator control device comprising a converter that performs
mounted on a vehicle capable of running by driving the motor and running by the engine,
a measurement unit that detects the operating state of the motor;
a control unit for controlling by outputting signals to the inverter and the converter based on the signal input from the measurement unit;
with
The converter is
an upper arm connected to an upper wiring that inputs and outputs to a high voltage side of the inverter;
a lower arm connected in series with the upper arm and connected to a lower wiring that inputs and outputs to the low voltage side of the inverter;
a coil installed in an intermediate wiring connected between the upper arm and the lower arm and inputting/outputting to the high voltage side of the low voltage power supply;
has
The upper arm is provided with one switching element and a first diode connected in anti-parallel with the switching element, and the lower arm is provided with only a second diode whose cathode side faces the high voltage side. being
The control unit outputs a signal to the inverter and the converter, thereby executing flux weakening control for supplying a flux weakening current to the motor when the motor as an electric motor operates at a predetermined number of revolutions or more, and When the upper limit number of revolutions is higher than the predetermined number of revolutions, the motor stops driving and is driven by the engine. Motor-generator controller that supplies current to a low-voltage power supply.
永久磁石が設けられたロータ、および複数の異なる巻線群が設けられたステータを有するモータと、前記モータを駆動制御するインバータと、前記インバータと低電圧電源との間に介在して降圧動作を行うコンバータとを含む電動発電機の制御装置であって、
前記モータの駆動による走行とエンジンの駆動による走行とが可能な車両に搭載され、
前記モータの運転状態を検出する計測部と、
前記計測部から入力される信号に基づいて、前記インバータおよび前記コンバータに信号を出力して制御する制御部と、
を備え、
前記コンバータは、
前記インバータの高電圧側に入出力する上側配線に接続されるとともに、コレクタ側を高電圧側に向けた1つのスイッチング素子のみが設置された上側アームと、
前記上側アームと直列に接続されて、前記インバータの低電圧側に入出力する下側配線に接続されるとともに、カソード側を高電圧側に向けた1つのダイオードのみが設置された下側アームと、
前記上側アームと前記下側アームの間に接続されて前記低電圧電源の高電圧側に入出力する中間配線に設置されたコイルと、
前記スイッチング素子および前記コイルと並列になるように、前記上側配線と前記中間配線とに接続されるとともに、カソード側を前記インバータの高電圧側に向けた1つのダイオードのみが設置された迂回アームと、
を有し、
前記制御部が、前記インバータおよび前記コンバータに信号を出力することにより、電動機として前記モータが所定の回転数以上で運転するときには、前記迂回アームを通じて前記インバータに電流を供給しながら、前記モータに弱め磁束電流を供給する弱め磁束制御を実行するとともに、前記所定の回転数より高い上限回転数になったときには、前記モータの駆動を停止して前記エンジンで駆動し、発電機として前記モータが運転する時には、前記スイッチング素子および前記コイルを通じて降圧しながら前記低電圧電源に電流を供給する、電動発電機の制御装置。
A motor having a rotor provided with permanent magnets and a stator provided with a plurality of different winding groups, an inverter for driving and controlling the motor, and a step-down operation interposed between the inverter and a low-voltage power supply. A motor-generator control device comprising a converter that performs
mounted on a vehicle capable of running by driving the motor and running by the engine,
a measurement unit that detects the operating state of the motor;
a control unit for controlling by outputting signals to the inverter and the converter based on the signal input from the measurement unit;
with
The converter is
an upper arm connected to the upper wiring for inputting and outputting to the high voltage side of the inverter and having only one switching element with the collector side facing the high voltage side;
a lower arm connected in series with the upper arm and connected to the lower wiring for inputting/outputting to the low voltage side of the inverter, and having only one diode with the cathode side directed toward the high voltage side; ,
a coil installed in an intermediate wiring connected between the upper arm and the lower arm and inputting/outputting to the high voltage side of the low voltage power supply;
a detour arm connected to the upper wiring and the intermediate wiring so as to be in parallel with the switching element and the coil, and having only one diode with the cathode side directed toward the high voltage side of the inverter; ,
has
The control unit outputs a signal to the inverter and the converter so that when the motor as an electric motor operates at a predetermined number of revolutions or higher, the motor is weakened while supplying current to the inverter through the detour arm. While performing flux-weakening control for supplying a magnetic flux current, when the rotational speed reaches an upper limit higher than the predetermined rotational speed, the motor is stopped and driven by the engine, and the motor operates as a generator. A motor-generator control device that supplies current to the low-voltage power supply while stepping down the voltage through the switching element and the coil.
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