JP7386097B2 - インバータ回路 - Google Patents

Description

本発明は、車両等に搭載されモータに駆動電力を供給するインバータ回路に関する。

駆動源をモータとする電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両の高度化により、モータに電力を供給するインバータとその制御回路の高機能化が求められている。これらの車両では、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）によって、種々のセンサからの検出信号、車載装置からの信号をもとに車両の走行状態、運転者による運転操作状態等を判定している。

通常、車両には、パーキング時に車軸の回転を阻止するパーキングロック機構が設けられている。電気自動車等においても、パーキングロック中にタイヤと共に回転するギヤにロックピンを噛み合わせる等により、タイヤを機械的に固定することで停車させている。

特許文献１は、車両において、パーキングロック機構のパーキングギヤが爪と噛み合うようにパーキングギヤの歯溝の停止位置を調整し、パーキングギヤをロックして電動モータの出力軸を機械的に固定することで、パーキングレンジが選択された後の車両のずり下がりを防止するようにインバータを制御するパーキングロック制御装置を開示している。

特開２０１８－１７６８３２号公報

特許文献１等に記載のパーキングロック制御装置を搭載した電気自動車等では、例えば、故障等によりパーキングロック機構が動作せず、機械的に駆動輪を固定できない場合には、車両を停止できないという問題がある。

また、このような場合に車両の停止状態を維持するには、パーキングロックに移行しているにもかかわらず、運転者がブレーキペダル等を操作して対応する必要があり、運転者の負担が大きくなるという問題もある。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電気自動車等においてパーキングロック機構が動作しない場合でも車両の停止状態を維持可能にするインバータ回路を提供することである。

上記の目的を達成し、上述した課題を解決する一手段として以下の構成を備える。すなわち、本願の例示的な第１の発明は、車両の駆動源としての電動モータを駆動するインバータ回路であって、前記車両の駆動輪の回転を抑止するパーキングロック指示を検出するロック指示検出部と、前記電動モータのロータ回転角度を検出する回転角度検出部と、前記パーキングロック指示が検出された場合、前記ロータ回転角度が一定値以下となるように前記電動モータを制御する制御部と、前記車両の駆動輪を機械的にロックするパーキングロック機構によるロック状態を検出するロック状態検出部と、を備え、前記制御部は、前記ロック指示検出部により前記パーキングロック指示が検出されてから、前記ロック状態検出部によって前記ロック状態が検出されるまでの間、前記ロータ回転角度が一定値以下となるように前記電動モータを制御することを特徴とする。

本願の例示的な第２の発明は、電動モータ駆動用のインバータ制御装置であって、上記例示的な第１の発明に係るインバータ回路によって前記電動モータを駆動制御することを特徴とする。

本願の例示的な第３の発明は、車両駆動装置であって、上記例示的な第２の発明に係るインバータ制御装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、インバータ回路によるモータ制御によってパーキングロック機能を実現することで、車両においてパーキングロック機能の冗長性を向上でき、機械的なパーキングロック機能が動作しない場合でも車両の停止状態を維持できる。

図１は、本発明の実施形態に係るインバータ回路が搭載された車両の全体構成を示すブロック図である。 図２は、車両の駆動輪をロックするパーキングロック機構の構成の一部を示す図である。 図３は、ノイズ低減に使用するノッチフィルタとローパスフィルタの周波数特性の一例である。

以下、本発明に係る実施形態について添付図面を参照して詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態に係るインバータ回路を搭載した電気自動車等の車両の全体構成を示すブロック図である。

図１において車両１は、モータ制御装置である電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）３、ＥＣＵ３の上位の制御装置（上位コントローラ）である車両制御装置（ＶＣＵ：Vehicle Control Unit）２、ＥＣＵ３からの制御信号に従って、車両１の駆動源としての電動モータ１５を駆動するモータ制御部（ＭＣＵ：Motor Control Unit）９、電動モータ１５に連結され、その回転駆動力を車輪１３ａ，１３ｂに伝達する変速機１１、変速機１１に内蔵され、車輪１３ａ，１３ｂを回転不能にロックするパーキングロック機構１２等を備える。なお、図１において二点鎖線で示すように、電子制御ユニット３とモータ制御部９を一体化してモータ制御装置６としてもよい。

車両１は、例えば電気自動車（ＥＶ）であり、動力源である電動モータ１５へ駆動電源を供給するバッテリＢＴを備える。

上位コントローラであるＶＣＵ２は、例えば、トルク指令値（トルク制御指令）、ブレーキ情報、運転者によるシフトレバー５の操作に対応したシフト情報等をＥＣＵ３に出力する。

ＶＣＵ２は、車両１の走行時、電動モータ１５の実際の駆動トルクに応じた目標トルクを演算し、電動モータ１５のトルクがトルク指令値に追従するように制御するトルク制御（トルクコントロール）と、電動モータ１５の実際の回転速度が目標回転速度となるように制御（保持）する速度制御（速度コントロール）を切り替える。

車両１の運転者がアクセルペダル２１を操作すると、その操作量（アクセル開度）がアクセル開度センサ（不図示）で検出される。ＶＣＵ２は、そのアクセル開度センサからのアクセル開度情報に基づいて、車両１の加速、減速等を制御する信号をＥＣＵ３に出力する。

ブレーキペダル２３が操作された場合、ＶＣＵ２は、不図示のブレーキストロークセンサからのブレーキ操作量に応じた信号を、ＥＣＵ３を介してブレーキ制御部２５へ送信する。ブレーキ制御部２５は、ブレーキパッド、油圧機構等で構成されるブレーキ機構２７を制御して、車両１を停止させる。

なお、ブレーキ制御については、電動モータ１５の回生量による制動力を発生させる回生ブレーキ制御も含んだ構成としてもよい。

ＥＣＵ３は、ＶＣＵ２からのアクセル操作量に応じたトルク指令値に基づいて電流ベクトルの指令値を決定する等のベクトル制御を行うとともにＥＣＵ３全体の制御を司る、例えばマイクロコンピュータによって構成された制御部（ＣＰＵ）８、ＣＰＵ８からの電圧指令値等に基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成するＰＷＭ信号生成部１９等を備える。なお、電圧指令値は、公知のベクトル制御技術を用いた演算によって得ることができる。

このようにＥＣＵ３は、車両１への加速要求、減速要求、および停止要求に応じた出力信号をＭＣＵ９に送信して、電動モータ１５を駆動制御する。そのため、ＥＣＵ３は、電動モータ１５の駆動制御プログラム等があらかじめ記憶された読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）４を備える。

ＭＣＵ９のプリドライバ部７は、ＰＷＭ信号生成部１９からのパルス幅変調信号にしたがってＰＷＭ制御信号のデューティを増減することにより、インバータ回路１０のモータ駆動部１８を構成する半導体スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御信号（モータ指令信号、あるいはゲート駆動信号ともいう）を生成する。

モータ駆動部１８において、電動モータ１５に駆動電流を供給する複数の半導体スイッチング素子に対して、外部バッテリＢＴよりモータ駆動用の電源が供給される。半導体スイッチング素子はパワー素子とも呼ばれ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子を用いる。

インバータ回路１０は、モータ駆動部１８の他、後述するパーキングロック信号検出部１４、パーキング状態検出部２４、パーキングロック解除部２６等を備える。

電動モータ１５は、例えば３相ブラシレスＤＣモータであり、３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のインバータ回路１０のモータ駆動部１８を構成する半導体スイッチング素子は、電動モータ１５の各相に対応している。電動モータ１５は、回転駆動する電動機としての力行作動と、ロータが駆動輪等から回転エネルギを受けて発電機として動作する回生作動を行なう。

図２は、車両１の駆動輪をロックするパーキングロック機構１２の構成の一部を示す図である。図２に示すようにパーキングロック機構１２は、周方向に沿って一定間隔に配置された歯を有するパーキングギア３２、パーキングロッド３３、パーキングポール３４等を備える。パーキングロッド３３は、ほぼＬ字形状に形成され、その一端が、パーキングロッド３３を軸方向に動かすディテントプレート（不図示）に取り付けられ、他端には、パーキングポール３４に当接するパーキングカム（円錐体）３３ａが設けられている。

パーキングポール３４は、円錐形状のパーキングカム３３ａが図中のＡ方向に動作することによって押し上げられ、支持ピン３５を中心に回動する。パーキングポール３４には爪部３４ａが設けられている。すなわち、パーキングカム３３ａがＡ方向に押されることで、パーキングポール３４が図中のＢ方向に押し上げられる。

パーキングポール３４の爪部３４ａが、歯車形状のパーキングギヤ３２において隣り合う歯の間に形成された凹部と噛み合う位置まで押し上げられると、パーキングギア３２とパーキングポール３４とが噛み合う。その結果、パーキングギヤ３２と連動して回転する駆動輪１３ａ，１３ｂの回転を機械的に阻止するパーキングロックが実行される。

一方、パーキングロッド３３と円錐形状のパーキングカム３３ａを、上記とは逆方向（図中のＣ方向）に移動させることで、パーキングポール３４が図中のＤ方向に押し下げられて支持ピン３５を中心に回動する。これにより、パーキングポール３４の爪部３４ａがパーキングギヤ３２の凹部から離脱し、パーキングロック機構１２においてロック状態が解除される。

次に、本実施形態に係るインバータ回路によるパーキングロック動作について説明する。図３は、本実施形態に係るインバータ回路におけるパーキングロック機能によるロック動作およびロック解除動作の処理手順を示すフローチャートである。

車両１の運転者は、駆動輪をロックして車両の移動を抑止する場合、シフトレバー５をパーキングポジションＰへ操作し、あるいは図示しないパーキングスイッチを押下する。このような操作に対応して、ＶＣＵ２はパーキングロック指示信号（パーキングロック機能を作動させる信号）をＥＣＵ３へ出力する。

そこで、ＭＣＵ９においてインバータ回路１０に設けたパーキングロック信号検出部１４は、図３のステップＳ１１において、ＶＣＵ２からＥＣＵ３を介して送信されたパーキングロック指示信号を検知すると、ステップＳ１３において、所定のヒルホールド条件が満たされるか否かを判断する。

ヒルホールド条件として、例えば、アクセルペダル２１の操作量（アクセル開度）が０であってブレーキペダル２３が踏まれ、車速センサ３１からの検知信号に基づく車速が所定値以下かどうかを判定する。なお、車速は、電動モータ１５に出力軸回転センサを設けて、それにより検出された信号をもとに車速を得てもよい。また、車両の他のコントローラからＣＡＮ通信等の車内ネットワークによる通信によって取得してもよい。

ヒルホールド条件が満たされている場合、ステップＳ１５において、電動モータ１５の停止の有無を確認する。電動モータ１５が停止していない場合、ＭＣＵ９のインバータ回路１０は、ステップＳ１７において、電動モータ１５のロータ回転角度が一定角度以下となるようにモータ回転角を制御する。

ここでは、電動モータ１５の近傍に配置した回転角センサ（ＭＲセンサ）としての位置検出器１７からの信号をもとに電動モータ１５の回転角度（回転角位置）を求め、その回転角度が一定値以下となるように電動モータ１５への供給電力を制御する。

なお、位置検出器１７として、例えばレゾルバを用いた場合、ホール素子等に比べて回転位置の検出精度および高温下での耐久性を高めることができる。一方、ホール素子を用いた場合には、レゾルバ、エンコーダ等に比べて安価な構成にできる。

インバータ回路１０は、続くステップＳ１９において、パーキング状態検出部２４によって、パーキングロック機構１２が作動して車両１の駆動輪（車輪１３ａ，１３ｂ）が機械的に回転不能になっているか（ロック状態にあるか）を検出する。

インバータ回路１０は、上記のステップＳ１１でパーキングロック指示が検出されてから、ステップＳ１９において駆動輪がロック状態になっていることが検出されるまでの間、ステップＳ１７において、ロータ回転角度が一定値以下となるように電動モータ１５を制御する。これにより、アクセルペダル２１が踏まれても、車両１の停止状態が維持される。

すなわち、パーキングロック指示が出されてから機械的なロックが完全に機能するまで（図２のパーキングギア３２とパーキングポール３４とが嵌合するまで）の間、それと並行してインバータ回路１０によるモータ制御によってパーキングロック機能を動作させることで、その間、車両１が動かないように保持できる。また、パーキングロック指示が出されて車両１が停止状態を維持できるようになるまでの時間を短縮できる。

さらに、故障等により機械的なパーキングロック機能が動作せず、パーキング状態検出部２４によってロック状態が検出されない場合であっても、インバータ回路１０のモータ制御によるパーキングロック機能によって車両１の停止を保持できる。

ステップＳ１９において駆動輪がロック状態にあることが検出された場合、インバータ回路１０は、ステップＳ２１において、パーキングロック信号検出部１４によって、ＶＣＵ２よりＥＣＵ３を介してパーキングロック解除指示信号が入力されたか否かを検知する。パーキングロック解除指示信号は、運転者によるシフトレバー５のパーキングポジションＰ以外のポジションへの操作、あるいはパーキングスイッチの操作等のパーキングロックの解除要求に対応して出力される。

ステップＳ２１においてパーキングロック解除指示信号が検知されると、インバータ回路１０は、続くステップＳ２３において、上記のロータ回転角度の制御を停止する。

インバータ回路１０は、ステップＳ２５において、パーキングロック機構１２に対してロック状態を解除する指示信号、例えば、車両１のブレーキペダル２３の操作、あるいはアクセルペダル２１の操作に対応した信号を検知したか否かを判断する。

上記の指示信号が検知された場合、インバータ回路１０は、ステップＳ２７において、パーキングロック解除部２６よりパーキングロック機構１２に対してロック状態を解除するための指示信号を出力する。

例えば、パーキングロック解除部２６は、あらかじめ決められた信号、例えばブレーキペダル２３を踏んだ直後にアクセルペダル２１を踏む操作に対応する信号、あるいは、所定時間内にアクセルペダル２１を所定回数、踏み込んだ操作に対応する信号に従ってパーキングロック機能を解除する。

パーキングロック機能をインバータ回路１０によって能動的に解除できるようにすることで、パーキングロック状態から電動モータ１５を回転し、車両１を動かすことができる。よって、パーキングロック状態から通常の走行開始への移行を円滑化、簡略化できる。また、通常のロック解除用ボタンの操作に加えて、パーキングロック機能の解除方法を複数用意することで、車両操作の利便性が向上する。

インバータ回路１０は、続くステップＳ２９において、ＥＣＵ３からの指令信号に従って電動モータ１５への電源供給を行う、通常のモータ駆動制御を行う。

なお、上記のインバータ回路１０において、ロック状態検出部としてのパーキング状態検出部２４によって、パーキングロック機構１２におけるロック状態が検出されない場合、未検出を示す信号を出力する信号出力部をさらに備えるように構成してもよい。

こうすることで、パーキングロック機構１２において機械的なロック機能が動作していない旨を上位の電子制御ユニット（ＥＣＵ）に伝えることができる。その結果、上位ユニットは、運転者に対して機械的なロック機能が動作していないことを警告（ワーニング）し、ディーラー、整備工場等に関する情報を提供する等、不動作への対処を促すことが可能になる。

また、車両１にヒルホールド制御によるヒルホールド制動力を付与する場合、ヒルホールド制動力による車両１の停止時間が一定以上（例えば、３０秒以上、あるいは１分以上）となった場合、パーキングロック機構１２によるパーキングロック機能を要求する信号、またはパーキングロック機構１２によるパーキングロック機能を実行する信号を発生する信号発生部をインバータ回路１０に備えるようにしてもよい。

ヒルホールド状態で車両１が一定時間以上、停止している場合、パーキングロック機構１２によって車両１の駆動輪（車輪１３ａ，１３ｂ）を機械的にロックすることで、利便性を向上して、バッテリＢＴの電力消費を抑えることができる。

さらには、インバータ回路１０において、車両１をヒルホールド状態から発進させる際、パーキングロックされた状態を解除する信号を発生するようにしてもよい。

この場合、例えば、アクセル操作だけでヒルホールド状態から自動的にパーキングロックを外すように制御することで、パーキングロック中であることを知らない運転者は、通常のヒルホールド状態から走行状態へ移行する場合と同じ指示（操作）で車両１を発進できる。また、パーキングロック状態からの解除を迅速に行えるので電力の消費を抑制できる。

以上説明したように本実施形態に係るインバータ回路は、車両の駆動源としての電動モータを駆動する際、パーキングロック信号検出部によって、車両の駆動輪の回転を抑止するパーキングロック指示が検出された場合、電動モータのロータ回転角度を検出する位置検出器からの検出結果をもとに電動モータのロータ回転角度が一定値以下となるように電動モータを制御するように構成されている。このような構成のインバータ回路によるモータ制御によって、パーキングロック機能を実現できる。

また、車両が、駆動輪を機械的にロックするパーキングロック機構を有している場合には、その機械的なパーキングロック機能と、インバータ回路を使用したモータ制御によるパーキングロック機能とを併用した冗長構成が可能になる。その結果、故障等によりパーキングロック機構が動作しない場合であっても、モータ制御によるパーキングロック機能によって、車両の安定した停止状態を維持できる。

よって、インバータ回路のモータ制御によるパーキングロック機能を、機械的なパーキングロック機構のバックアップ、あるいは、その代替として使うことができ、パーキングロック機能の冗長性を高めて運転者の負担を軽減できる。

１ 車両
２ 車両制御装置（ＶＣＵ）
３ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
４ ＲＯＭ
５ シフトレバー
６ モータ制御装置
７ プリドライバ部
８ 速度演算部
９ モータ制御部（ＭＣＵ）
１０ インバータ回路
１１ 変速機
１２ パーキングロック機構
１３ａ，１３ｂ 車輪
１４ パーキングロック信号検出部
１５ 電動モータ
１７ 位置検出器
１８ モータ駆動部
１９ ＰＷＭ信号生成部
２１ アクセルペダル
２３ ブレーキペダル
２４ パーキング状態検出部
２５ ブレーキ制御部
２６ パーキングロック解除部
２７ ブレーキ機構
３１ 車速センサ
３２ パーキングギア
３３ パーキングロッド
３３ａ パーキングカム（円錐体）
３４ パーキングポール
３４ａ 爪部
３５ 支持ピン
ＢＴ バッテリ

Claims (7)

1. 車両の駆動源としての電動モータを駆動するインバータ回路であって、
   前記車両の駆動輪の回転を抑止するパーキングロック指示を検出するロック指示検出部と、
   前記電動モータのロータ回転角度を検出する回転角度検出部と、
   前記パーキングロック指示が検出された場合、前記ロータ回転角度が一定値以下となるように前記電動モータを制御する制御部と、
   前記車両の駆動輪を機械的にロックするパーキングロック機構によるロック状態を検出するロック状態検出部と、を備え、
   前記制御部は、前記ロック指示検出部により前記パーキングロック指示が検出されてから、前記ロック状態検出部によって前記ロック状態が検出されるまでの間、前記ロータ回転角度が一定値以下となるように前記電動モータを制御する、
   インバータ回路。
2. 前記ロック状態検出部による前記ロック状態が未検出の場合、該未検出を示す信号を出力する信号出力部をさらに備える請求項１に記載のインバータ回路。
3. あらかじめ決められた信号に従って前記ロック状態を解除するための指示信号を出力するロック解除部をさらに備える請求項１または２に記載のインバータ回路。
4. 前記あらかじめ決められた信号は、前記車両のブレーキペダル操作とアクセルペダル操作に基づいて出力される信号である請求項３に記載のインバータ回路。
5. 前記車両にヒルホールド制御によるヒルホールド制動力を付与するヒルホールド制御部と、
   前記ヒルホールド制動力による前記車両の停止時間が一定以上となった場合、前記パーキングロック機構によるパーキングロック機能を要求する信号、または前記パーキングロック機構による前記パーキングロック機能を実行する信号を発生する信号発生部と、
   をさらに備える請求項１に記載のインバータ回路。
6. 電動モータ駆動用のインバータ制御装置であって、
   請求項１～５のいずれか１項に記載のインバータ回路によって前記電動モータを駆動制御するインバータ制御装置。
7. 請求項６に記載のインバータ制御装置を備えた車両駆動装置。

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