JP7305984B2 - 車両 - Google Patents

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Description

本発明は、車両に関し、詳しくは、モータとインバータと蓄電装置と電流センサとを備える車両に関する。
従来、この種の車両としては、三相モータと、複数のスイッチング素子のスイッチングによって三相モータを駆動するインバータと、インバータに電力ラインを介して接続された蓄電装置と、三相モータの各相の電流を検出する電流センサと、を備えるものにおいて、インバータが遮断状態である場合に電流センサのオフセット量を学習するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この車両では、三相モータの誘起電圧がインバータの入力電圧より小さいときには、三相モータの任意の回転角において各相の電流センサのオフセット量を学習し、三相モータの誘起電圧がインバータの入力電圧以上のときには、三相モータの回転角に応じて誘起電圧が中間値を示す相の電圧センサのオフセット量を順次学習する。
特開2016-119817号公報
上述の車両では、インバータが遮断状態である場合に電流センサのオフセット量を学習する。このため、電力ラインの負極母線に絶縁低下検出装置を取り付けた場合に、この絶縁低下検出装置により、三相モータとインバータと蓄電装置とを含む回路のうちインバータよりもモータ側の交流部の絶縁抵抗の低下を検出することができない。
本発明の車両は、電流センサのオフセット量の学習を実行する際に、三相モータとインバータと蓄電装置とを含む回路のうちインバータよりもモータ側の交流部の絶縁抵抗の低下を検出できなくなるのを回避することを主目的とする。
本発明の車両は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の車両は、
走行用の三相モータと、
複数のスイッチング素子のスイッチングにより前記三相モータを駆動するインバータと、
前記インバータに電力ラインを介して接続された蓄電装置と、
前記三相モータの各相の電流を検出する電流センサと、
前記電力ラインの負極母線に接続され、前記三相モータと前記インバータと前記蓄電装置とを含む回路の絶縁抵抗の低下を検出する絶縁低下検出装置と、
前記三相モータの回転数および/または回転角度を検出する回転センサと、
前記電流センサの検出値を用いて前記インバータを制御する制御装置と、
を備える車両であって、
前記制御装置は、
前記電流センサの原点学習の学習条件が成立したときには、
前記インバータの複数のスイッチング素子のうち下アームの全てをオンにする下アーム三相オンを開始し、
前記三相モータの回転数が所定回転数以下および/または前記モータの回転子の回転位置の単位時間当たりの変化量が所定変化量以下であることを条件として、前記電流センサの原点学習を行なう、
ことを要旨とする。
この本発明の車両では、電流センサの原点学習の学習条件が成立したときには、インバータの複数のスイッチング素子のうち下アームの全てをオンにする下アーム三相オンを開始し、三相モータの回転数が所定回転数以下および/またはモータの回転子の回転位置の単位時間当たりの変化量が所定変化量以下であることを条件として、電流センサの原点学習を行なう。これにより、インバータを遮断状態とする必要がないため、電流センサの原点学習の際に、三相モータとインバータと蓄電装置とを含む回路のうちインバータよりもモータ側の交流部の絶縁抵抗の低下を検出できなくなるのを回避することができる。
本発明の一実施例としての電気自動車20の構成の概略を示す構成図である。 電子制御ユニット70により実行される処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施例としての電気自動車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、絶縁低下検出回路50と、電子制御ユニット70と、を備える。実施例の「絶縁低下検出装置」としては、絶縁低下検出回路50と電子制御ユニット70とが相当する。
モータ32は、同期発電電動機として構成されており、回転子コアに永久磁石が埋め込まれた回転子と、固定子コアに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に接続されると共に電力ライン42に接続されている。このインバータ34は、6つのトランジスタT11~T16と、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、電力ライン42の正極母線と負極母線とに対して、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。6つのダイオードD11~D16は、それぞれ、トランジスタT11~T16に逆方向に並列接続されている。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70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。以下、トランジスタT11~T13を「上アーム」といい、トランジスタT14~T16を「下アーム」という。
バッテリ36は、例えば定格電圧が300V程度の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、電力ライン42に接続されている。絶縁低下検出回路50は、一方が車体28に接地され一定周波数のパルス(例えば、矩形波や正弦波,三角波など)を発生する検出器電源52と、検出器電源52に接続された検出抵抗54と、検出抵抗54と電力ライン42の負極母線とに接続されたコンデンサ56と、検出抵抗54とコンデンサ56との接続点に接続され高周波成分を除去するローパスフィルタ60とを備える。この絶縁低下検出回路50は、ローパスフィルタ60を通過したフィルタ後電圧VLGfを電子制御ユニット70に出力する。なお、図1では、電力ライン42の負極母線と車体28との間の浮遊容量62や絶縁抵抗64についても図示した。電気自動車20は、絶縁抵抗64の抵抗値が正常時に数MΩ程度となるように設計されている。
電子制御ユニット70は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROMやデータを一時的に記憶するRAM,不揮発性のフラッシュメモリ,入出力ポートを備える。電子制御ユニット70には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット70に入力される信号としては、例えば、モータ32の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ(例えばレゾルバ)32aからの回転位置θmや、モータ32の各相に流れる電流を検出する電流センサ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からの電圧Vbや、バッテリ36の出力端子に取り付けられた電流センサからの電流Ibも挙げることができる。さらに、絶縁低下検出回路50からのフィルタ後電圧VLGfも挙げることができる。イグニッションスイッチ80からのイグニッション信号や、シフトレバー81の操作位置を検出するシフトポジションセンサ82からのシフトポジションSPを挙げることができる。また、アクセルペダル83の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ84からのアクセル開度Accや、ブレーキペダル85の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ86からのブレーキペダルポジションBP,車速センサ88からの車速Vも挙げることができる。
電子制御ユニット70からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット70から出力される信号としては、例えば、インバータ34のトランジスタT11~T16へのスイッチング制御信号を挙げることができる。電子制御ユニット70は、回転位置検出センサ32aからのモータ32の回転子の回転位置θmに基づいてモータ32の電気角θeや回転数Nmを演算している。また、電子制御ユニット70は、電流センサからのバッテリ36の電流Ibの積算値に基づいてバッテリ36の蓄電割合SOCを演算している。ここで、蓄電割合SOCは、バッテリ36の全容量に対するバッテリ36から放電可能な電力の容量の割合である。
こうして構成された実施例の電気自動車20では、以下の走行制御を行なう。走行制御では、電子制御ユニット70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のトルク指令Tm*に設定し、モータ32がトルク指令Tm*で駆動されるようにインバータ34のトランジスタT11~T16のスイッチング制御を行なう。
また、実施例の電気自動車20では、電子制御ユニット70は、絶縁低下検出回路50からのフィルタ後電圧VLGfを閾値VLGfrefと比較することにより、モータ32とインバータ34とバッテリ36とを含む回路(以下、「対象回路」という)に漏電などによる絶縁抵抗の低下が生じているか否かを判定する。ここで、絶縁低下検出回路50の検出器電源52の出力としては、例えば、5V程度の電圧において2MHz~2.5MHz程度の周波数を用いることができる。また、絶縁低下検出回路50の検出抵抗54としては、例えば、90kΩや100kΩ、110kΩなどのものを用いることができる。正常時(絶縁抵抗が低下していないとき)には、電力ライン42の正極ラインは、バッテリ36の電圧Vbの半分の正値の電位(Vb/2)であり、電力ライン42の負極ラインは、バッテリ36の電圧Vbの半分の負値の電位(-Vb/2)である。なお、車体28を電位0としている。電力ライン42の負極ラインの電位の絶対値が小さくなったとき(正常時の電位(-Vb/2)から大きくなったとき)には、絶縁低下検出回路50からのフィルタ後電圧VLGfの波高値が小さくなり、フィルタ後電圧VLGfの波高値が閾値VLGfref未満に至ると、電子制御ユニット70は、対象回路の絶縁抵抗の低下が生じていると判定する。
次に、こうして構成された電気自動車20の動作、特に電流センサ32u,32vの原点学習を行なう際の制御について説明する。図2は、電子制御ユニット70により実行される処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、定期的に実行される。
図2の処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット70は、最初に、車速Vやモータ32のトルク指令Tm*などのデータを入力する(ステップS100)。ここで、車速Vは、車速センサ88により検出された値を入力するものとした。モータ32のトルク指令Tm*は、上述の走行制御により設定した値を入力するものとした。
こうしてデータを入力すると、電流センサ32u,32vの原点学習を行なう学習条件が成立しているか否かを判定する(ステップS110)。ここで、学習条件としては、例えば、車速Vが所定車速Vref以下であり且つモータ32のトルク指令Tm*が値0である条件が用いられる。所定車速Vrefは、例えば、1~2km/h程度を用いることができる。電流センサ32u,32vの原点学習を行なう条件が成立していないと判定したときには、ステップS100に戻る。
ステップS110で電流センサ32u,32vの原点学習を行なう条件が成立していると判定したときには、インバータ34の下アーム三相オンを実行する(ステップS120)。ここで、インバータ34の下アーム三相オンは、インバータ34のトランジスタT11~T13の全てをオフとすると共にトランジスタT14~T16の全てをオンとする状態である。このようにインバータ34の下アーム三相オンを実行することにより、車速Vが値0でなくモータ32が回転しているときや、車速Vが値0でも車軸や駆動軸26の捻れなどによりモータ32が回転しているときに、モータ32の回転数の絶対値を小さくする方向のトルク(いわゆる引き摺りトルク)が発生し、モータ32の回転数を迅速に小さくすることができる。また、インバータ34をゲート遮断せずに三相オンとすることにより、絶縁低下検出回路50および電子制御ユニット70により、対象回路のうちインバータ34よりもモータ32側の交流部の絶縁抵抗の低下を検出できなくなるのを回避することができる。以下、この理由について説明する。
交流部で漏電などにより車体28との短絡が発生した場合を考える。このとき、交流部の電位は略0V(車体28と略等電位)になる。インバータ34のゲート遮断を実行しているときには、電力ライン42の負極ラインと交流部とが電気的に遮断されているから、電力ライン42の負極ラインの電位が交流部や車体28とは等電位にならない(電位が正常時の電位(-Vb/2)程度に維持される)。このため、絶縁低下検出回路50からのフィルタ後電圧VLGfの波高値が小さくならず、電子制御ユニット70は、絶縁抵抗の低下が生じていると判定しない。したがって、電子制御ユニット70は、インバータ34をゲート遮断している状態において、交流部の絶縁抵抗の低下を判定(検知)することができない。一方、インバータ34の下アーム三相オンを実行しているときには、電力ライン42の負極ラインと交流部とが電気的に接続されているから、電力ライン42の負極ラインの電位が交流部や車体28と略等電位(略0V)になる。このため、絶縁低下検出回路50からのフィルタ後電圧VLGfの波高値が小さくなり、電子制御ユニット70は、絶縁抵抗の低下が生じていると判定する。したがって、電子制御ユニット70は、インバータ34の下アーム三相オンを行なっている状態において、交流部の絶縁抵抗の低下を判定(検知)することができる。
続いて、モータ32の回転数Nmや電気角θeなどのデータを入力する(ステップS130)。ここで、モータ32の回転数Nmおよび電気角θeは、実施例では、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に基づいて演算した値を入力するものとした。
こうしてデータを入力すると、モータ32が完全停止している完全停止条件が成立しているか否かを判定する(ステップS140)。ここで、完全停止条件としては、例えば、モータ32の回転数Nmが所定回転数Nmref以下であり且つモータ32の電気角θeの単位時間当たりの変化量Δθeが所定変化量Δθeref以下である条件が用いられる。
実施例の電気自動車20では、トランジスタT11~T16およびダイオードD11~D16には順方向電圧があり、モータ32の回転による誘起電圧が順方向電圧を超えると対象回路に電流が流れる。これを踏まえて、実施例では、このような電流が流れない状態をモータ32の完全停止だとみなして、順方向電圧に対応する回転状態として所定回転数Nmrefおよび所定変化量Δθerefを定めるものとした。ここで、所定回転数Nmrefとしては、例えば、2rpmや3rpm、4rpmなどを用いることができる。所定変化量Δθerefとしては、例えば、0.5°や0.6°、0.7°などを用いることができる。
ステップS140でモータ32が完全停止していないと判定したときには、ステップS130に戻る。モータ32が完全停止していると判定したときには、電流センサ32u,32vの原点学習を行ない(ステップS150)、本ルーチンを終了する。なお、実施例では、本ルーチンの終了後にモータ32のトルク指令Tm*が値0でなくなると、インバータ34の下アーム三相オンを終了し、モータ32のトルク指令Tm*に基づいてインバータ34のトランジスタT11~T16のスイッチング制御を行なう。
ここで、電流センサ32u,32vの原点学習について説明する。電流センサ32u,32vの原点学習は、例えば、電流センサ32u,32vからの相電流Iu,Ivが判定用時間に亘って安定しているときに、その値(相電流Iu,Iv)をオフセット電流αu,αvとして記憶することにより行なうことができる。ここで、判定用時間としては、例えば、数百msec~数sec程度を用いることができる。なお、原点学習により記憶したオフセット電流αu,αvは、それぞれ相電流Iu,Ivを補正する(補正前の相電流Iu,Ivからオフセット電流αu,αvを減じたものを補正後の相電流Iu,Ivとする)ために用いられる。
以上説明した実施例の電気自動車20では、電流センサ32u,32vの原点学習の学習条件が成立したときには、インバータ34の三相オンを開始し、モータ32の回転数Nmが所定回転数Nmref以下であり且つモータ32の電気角θeの単位時間当たりの変化量Δθeが所定変化量Δθeref以下であることを条件として、電流センサ32u,32vの原点学習を行なう。これにより、インバータ34をゲート遮断する必要がないため、電流センサ32u,32vの原点学習の際に絶縁低下検出装置50により対象回路の絶縁低下の検出を実行できなくなるのを回避することができる。
実施例の電気自動車20では、完全停止条件として、モータ32の回転数Nmが所定回転数Nmref以下で且つモータ32の電気角θeの単位時間当たりの変化量Δθeが所定変化量Δθeref以下の条件を用いるものとした。しかし、モータ32の電気角θeの単位時間当たりの変化量Δθeを考慮せずに、モータ32の回転数Nmが所定回転数Nmref以下である条件を用いるものとしてもよい。また、モータ32の回転数Nmを考慮せずに、モータ32の電気角θeの単位時間当たりの変化量Δθeが所定変化量Δθeref以下である条件を用いるものとしてもよい。
実施例の電気自動車20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、キャパシタを用いるものとしてもよい。
実施例では、駆動輪22a,22bに連結されたモータ32およびバッテリ36を備える電気自動車20の構成とした。しかし、モータおよびバッテリに加えてエンジンも備えるハイブリッド自動車の構成としたり、モータおよびバッテリに加えて燃料電池も備える燃料電池車の構成としたりしてもよい。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータ32が「三相モータ」に相当し、インバータ34が「インバータ」に相当し、バッテリ36が「蓄電装置」に相当し、電流センサ32u,32vが「電流センサ」に相当し、絶縁低下検出回路50と電子制御ユニット70とが「絶縁低下検出装置」に相当し、回転位置検出センサ32aが「回転センサ」に相当し、電子制御ユニット70が「制御装置」に相当する。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、車両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、28 車体、32 モータ、32a 回転位置検出センサ、32u,32v 電流センサ、34 インバータ、36 バッテリ、42 電力ライン、50 絶縁低下検出回路、52 検出器電源、54 検出抵抗、56 コンデンサ、60 ローパスフィルタ、62 浮遊容量、64 絶縁抵抗、70 電子制御ユニット、80 イグニッションスイッチ、81 シフトレバー、82 シフトポジションセンサ、83 アクセルペダル、84 アクセルペダルポジションセンサ、85 ブレーキペダル、86 ブレーキペダルポジションセンサ、88 車速センサ、D11~D16 ダイオード、T11~T16 トランジスタ。

Claims (1)

  1. 走行用の三相モータと、
    複数のスイッチング素子のスイッチングにより前記三相モータを駆動するインバータと、
    前記インバータに電力ラインを介して接続された蓄電装置と、
    前記三相モータの各相の電流を検出する電流センサと、
    前記電力ラインの負極母線に接続され、前記三相モータと前記インバータと前記蓄電装置とを含む回路の絶縁抵抗の低下を検出する絶縁低下検出装置と、
    前記三相モータの回転数および/または回転角度を検出する回転センサと、
    前記電流センサの検出値を用いて前記インバータを制御する制御装置と、
    を備える車両であって、
    前記制御装置は、
    前記電流センサの原点学習の学習条件が成立したときには、
    前記インバータの複数のスイッチング素子のうち下アームの全てをオンにする下アーム三相オンを開始し、
    前記三相モータの回転数が所定回転数以下および/または前記三相モータの回転子の回転位置の単位時間当たりの変化量が所定変化量以下であることを条件として、前記下アーム三相オンを継続しながら前記電流センサの原点学習を行なう、
    車両。
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