JP2005176580A

JP2005176580A - 電気車の制御装置

Info

Publication number: JP2005176580A
Application number: JP2003417131A
Authority: JP
Inventors: Hikari Hayakawa; 光早川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2003-12-15
Filing date: 2003-12-15
Publication date: 2005-06-30

Abstract

【課題】車両のキースイッチオフ時に、インバータと並列に接続されているコンデンサに蓄積されている電荷を、車両を駆動させず、かつ、放電時間を増大させずに放電させる。
【解決手段】車両のキースイッチオフ時に、車両の走行駆動源であるモータに流れる電流のうち、トルク電流成分であるｑ軸電流指令値を０に設定するとともに、励磁電流成分であるｄ軸電流指令値として、絶対値の等しい正負の電流が交互に現れるように設定する。これにより、磁極位置センサの検出精度に起因して、ｑ軸電流指令値を０に設定しているにも関わらずｑ軸に電流が流れる場合でも、絶対値の等しい正負の電流が交互にｑ軸に流れるので、車両が駆動するのを防ぐことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電気車の制御装置に関し、特に、コンデンサに蓄積された電荷の放電を制御する電気車の制御装置に関する。

走行駆動用モータを備えた電気車において、イグニッションオフ時に、トルク電流成分であるｑ軸電流指令値を０Ａに設定するとともに、励磁電流成分であるｄ軸電流指令値に放電電流値を設定して、バッテリとインバータとの間に設けられた電解コンデンサに蓄積された電荷を放電させる技術が知られている（特許文献１参照）。

特開平１１−３０８７０４号公報

しかしながら、従来の技術では、電流放電時に車両の車輪が回転しないように、ｄ軸電流指令値の大きさを決定する必要があるが、モータの磁極位置センサの検出精度に伴う誤差を考慮すると、決定したｄ軸電流指令値よりも所定値だけ小さい値に設定する必要があるため、放電時間が長くなる可能性があるという問題があった。

本発明による電気車の制御装置は、電源とインバータとの間に設けられているスイッチ手段を遮断することに伴って、インバータと並列に接続されている電解コンデンサに蓄積されている電荷を放電させる際に、ｑ軸電流指令値を０に設定し、正負の電流指令値が交互に現れるようにｄ軸電流指令値を設定することを特徴とする。

本発明による電気車の制御装置によれば、車両を駆動させずに、電解コンデンサに蓄積されている電荷を放電させることができるとともに、放電時間が長くなることを防ぐことができる。

図１は、本発明による電気車の制御装置の一実施の形態における構成を示す図である。この電気車（電気自動車）は、永久磁石型の３相交流同期モータ４（以下、単にモータ４と呼ぶ）を走行駆動源として走行する。バッテリ１は、リレー２を介して、インバータ３と接続されている。リレー２は、キースイッチ１３のオン／オフに連動して、後述する車両コントローラ１１により開閉される。

インバータ３は、複数のスイッチング素子を有しており、バッテリ１の直流電力を交流電力に変換して、電気自動車の車軸に直結されたモータ（電動機）４に供給する。リレー２とインバータ３との間に、インバータ３と並列（バッテリ１と並列）に接続されている電解コンデンサ５は、直流電力を平滑化するために設けられている。

車両コントローラ１１は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを備え、アクセル開度センサ１２により検出されたアクセル開度に基づいて、トルク指令値Ｔ^*を算出し、モータコントローラ１０に出力する。車両コントローラ１１は、また、キースイッチ１３のオン／オフに基づいて、リレー２の接続／遮断を行って、リレーの接続／遮断情報をモータコントローラ１０に出力するとともに、起動要求指令／停止要求指令をモータコントローラ１０に出力する。

電流センサ６は、モータ４に流れるＵ相，Ｖ相，Ｗ相の電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwを検出して、モータコントローラ１０に出力する。磁極位置センサ７は、モータ４の磁極位置を検出して、モータコントローラ１０に出力する。回転センサ８は、モータ４の回転角度を検出して、モータコントローラ１０に出力する。電圧センサ１４は、電解コンデンサ５の電圧を検出して、モータコントローラ１０に出力する。

モータコントローラ１０は、各センサ６，７，８から入力されるセンサ値と、車両コントローラ１１で算出されたトルク指令値Ｔ^*とに基づいて、インバータを制御するためのＰＷＭ信号を生成し、ゲート回路９に出力する。ゲート回路９は、モータコントローラ９から入力されるＰＷＭ信号に基づいて、インバータ３内のスイッチング素子のオン／オフを制御する。これにより、所望の電流をモータ４に流すことができる。

キースイッチ１３がオフされると、車両コントローラ１１によりリレー２が遮断（オフ）される。リレー２が遮断されることにより、バッテリ１からの電力供給が遮断されるので、モータ４は停止する。この時、電解コンデンサ５には、静電容量に応じた電荷が蓄積されており、この状態でモータコントローラ１０の電源がオフされると、オフされているインバータ３のスイッチング素子の入力が過渡的に無制御状態となり、スイッチング素子がオンされてしまう可能性がある。この場合、短絡電流が流れることにより、スイッチング素子が破損する可能性がある。また、キースイッチ１３のオフ後に、例えば、インバータ３のメンテナンスを行う際に、電荷が蓄積されている電解コンデンサ５に触れないように注意する必要があり、作業性が悪いという問題もある。

従って、モータコントローラ１０は、リレー２の遮断後に、電解コンデンサ５に蓄積された電荷を放電するために、少なくとも車輪（不図示）が回転しない大きさの電流をモータ４に流す。電解コンデンサ５に蓄積された電荷を放電する処理の詳細については、後述する。

図２は、モータコントローラ１０の詳細な構成を示す図である。モータコントローラ１０は、電流指令値算出部２１と、電流指令値選択部２２と、電流制御部２３と、ｄｑ／３相変換部２４と、ＰＷＭ信号生成部２５と、３相／ｄｑ変換部２６と、位相演算部２７と、回転速度演算部２８と、放電処理部２９とを備える。

電流指令値算出部２１は、車両コントローラ１１により算出されるトルク指令値Ｔ^*と、回転速度演算部２８により演算されるモータ５の回転速度とに基づいて、ｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を算出する。ここで、ｄ軸電流とは、モータ４に流れる３相電流Ｉu，Ｉv，Ｉwの励磁電流成分であり、ｑ軸電流とは、トルク電流成分である。

電流指令値選択部２２は、スイッチＳＷ１およびＳＷ２を備え、電流制御部２３に出力するｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を切り換える。すなわち、通常制御時には、スイッチＳＷ１を接点Ａ１に接続するとともに、スイッチＳＷ２を接点Ａ２に接続して、電流指令値算出部２１にて算出された電流指令値を電流制御部２３に出力する。また、リレー２のオフに伴い、電解コンデンサ５に蓄積されている電荷を放電する時には、スイッチＳＷ１，ＳＷ２をそれぞれ接点Ｂ１，Ｂ２に接続して、放電処理部２９にて算出された電流指令値を電流制御部２３に出力する。

電流制御部２３は、電流指令値選択部２２を介して入力されたｄ軸電流指令値Ｉd^*およびｑ軸電流指令値Ｉq^*と、後述する３相／ｄｑ変換部２６から入力されるｄ軸電流Ｉdおよびｑ軸電流Ｉqとに基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖd^*およびｑ軸電圧指令値Ｖq^*を算出する。具体的には、電流指令値と実電流との偏差（Ｉd^*−Ｉd），（Ｉq^*−Ｉq）をそれぞれ演算し、演算した偏差に対して、ＰＩ（比例・積分）演算を行うことにより、ｄ軸電圧指令値Ｖd^*およびｑ軸電圧指令値Ｖq^*を算出する。

ｄｑ／３相変換部２４は、電流制御部２３により算出されたｄ軸電圧指令値Ｖd^*およびｑ軸電圧指令値Ｖq^*を、後述する位相演算部２７で算出される回転位相θに基づいて、３相交流電圧指令値Ｖu^*，Ｖv^*，Ｖw^*に変換する。変換された電圧指令値Ｖu^*，Ｖv^*，Ｖw^*は、ＰＷＭ信号生成部２５に出力される。

ＰＷＭ信号生成部２５は、３相交流電圧指令値Ｖu^*，Ｖv^*，Ｖw^*と、三角波信号（キャリア信号）とに基づいて、インバータ３を制御するためのＰＷＭ信号を生成する。生成したＰＷＭ信号は、ゲート回路９に出力される。

３相／ｄｑ変換部２６は、電流センサ６により検出された電流値Ｉu，Ｉv，Ｉwをｄ軸電流Ｉdおよびｑ軸電流Ｉqに変換する。位相演算部２７は、磁極位置センサ７により検出された磁極位置、および、回転センサ８により検出された回転角度に基づいて、モータ４の回転位相θを演算する。回転速度演算部２８は、回転センサ８により検出された回転角度に基づいて、モータ４の回転速度を演算する。

放電制御部２９は、車両コントローラ１１から、リレー２のオフに伴う停止指令信号およびリレー２を遮断した旨の信号を受信すると、電解コンデンサ５に蓄積された電荷を放電する時のｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値を設定する。ここで、トルク電流成分であるｑ軸電流指令値Ｉq^*は０Ａに設定するとともに、モータ４に電流が流れた時に車輪が動き出さない大きさの放電電流値をｄ軸電流指令値Ｉd^*として設定する。

ここで、ｑ軸電流指令値Ｉq^*＝０とすることにより、理論上は、モータ４にはトルクが発生しないため、モータ４は回転しないはずである。しかし、実用上では、磁極位置センサ７の検出精度などの理由により、モータ４の理想的な誘起電圧波形特性による位相と、磁極位置センサ７で検出された位相との間に誤差が生じることがあり、ｑ軸にも電流が流れて、モータ４にトルクが発生することがある。

従って、一実施の形態における電気車の制御装置では、ｑ軸電流指令値Ｉq^*を０に設定するとともに、絶対値の等しい正・負の電流値が交互に現れるように、ｄ軸電流指令値Ｉd^*を設定する。図３は、電気自動車の走行終了時に、電解コンデンサ５に蓄積されている電荷を放電させるためのｄ軸電流指令値Ｉd^*およびｑ軸電流指令値Ｉq^*を示す図である。

図３に示すように、ドライバによりキースイッチ１３がオフされると、車両コントローラ１１は、リレー２を遮断する。リレー２の遮断後、電解コンデンサ５に蓄積されている電荷を放電させるために、ｑ軸電流指令値Ｉq^*を０に設定するとともに、絶対値の等しい正・負の電流値が交互に現れるように、ｄ軸電流指令値Ｉd^*を設定する。図３では、電流指令値を実線で、実際に流れる電流を点線で示している。

上述したように、ｄ軸にのみ電流を流すように電流指令値を設定しても、磁極位置センサ７の検出精度などの理由により、ｑ軸にも電流が流れることがある。しかし、一実施の形態における電気車の制御装置では、絶対値の等しい正・負の電流値が交互に現れるように、ｄ軸電流指令値Ｉd^*を設定するので、図３に示すように、ｑ軸にも絶対値の等しい正負の電流が流れる。

ｑ軸に電流が流れることにより、モータ４にトルクが発生するが、この出力トルクをモータ４と直結されている車軸のひねりによって吸収すれば、車輪を回転させることなく、電解コンデンサ５に蓄積されている電荷を放出させることができる。なお、車輪を回転させることなく車軸のひねりにより吸収することができるトルクの大きさは、車軸の長さ、径および材質や、車両の重量などにより決定することができる。従って、実験などにより、車輪を回転させることなく車軸のひねりにより吸収することができるトルクの大きさを決定し、決定したトルクに基づいて、ｄ軸電流指令値Ｉd^*の絶対値の大きさを予め算出しておく。ここでは、ｄ軸電流指令値Ｉd^*の絶対値の大きさを５Ａとする。

図４は、電気自動車の走行終了時、すなわち、キースイッチ１３のオフ時に、モータコントローラ１０により行われる処理内容を示すフローチャートである。ステップＳ１０では、車両コントローラ１１から入力される信号に基づいて、リレー２の遮断が完了したか否かを判定する。リレー２の遮断が完了していないと判定するとステップＳ１０で待機し、リレー２の遮断が完了したと判定すると、ステップＳ２０に進む。

ステップＳ２０では、電解コンデンサ５に蓄積されている電荷の放出が完了したか否かを電解コンデンサ５の電圧値に基づいて判定する。すなわち、電圧センサ１４から入力される電圧値に基づいて、電解コンデンサ５の電圧が所定の放電完了電圧（図３参照）より低いか否かを判定する。電解コンデンサ５の電圧が放電完了電圧より低いと判定すると、電解コンデンサ５の放電は完了したと判定して、ステップＳ９０に進む。一方、電解コンデンサ５の電圧が放電完了電圧以上であると判定すると、ステップＳ３０に進む。

ステップＳ３０では、トルク電流成分であるｑ軸電流指令値Ｉq^*を０Ａに設定するとともに、ゲートオフを解除して、ステップＳ４０に進む。ステップＳ４０では、ｄ軸電流指令値Ｉd^*の値が０より大きいか否かを判定する。Ｉd^*＞０が成り立つと判定するとステップＳ５０に進み、Ｉd^*＞０が成り立たないと判定するとステップＳ６０に進む。

ステップＳ５０では、ｄ軸電流指令値Ｉd^*を−５Ａに設定して、ステップＳ７０に進む。一方、ステップＳ６０では、ｄ軸電流指令値Ｉd^*を５Ａに設定して、ステップＳ７０に進む。ステップＳ７０では、放電を開始してからの経過時間が所定の放電規定時間を超えたか否かを判定する。放電継続時間が所定の放電規定時間を超えていないと判定するとステップＳ８０に進み、放電規定時間を超えたと判定するとステップＳ９０に進む。

ステップＳ８０では、ｄ軸電流指令値Ｉd^*を−５Ａまたは５Ａに設定してから、所定時間ｔ１（図３参照）経過したか否かを判定する。所定時間経過していないと判定すると所定時間経過するまで待機し、所定時間を経過したと判定すると、ステップＳ４０に戻る。以後、放電継続時間が所定の放電規定時間を経過するまで、絶対値の等しい正と負のｄ軸電流指令値Ｉd^*が交互に設定される。

ステップＳ９０では、ｄ軸電流指令値Ｉd^*およびｑ軸電流指令値Ｉq^*を０Ａに設定するととともに、ゲートをオフして、電解コンデンサ５の放電処理を終了する。なお、リレー２が溶着している場合には、放電処理を開始してから一定時間（例えば、２秒）経過しても、電解コンデンサ５の電圧が所定電圧（例えば、２４Ｖ）以下に下がらない可能性がある。従って、ステップＳ７０では、電解コンデンサ５の電圧値に基づいて放電が完了したか否かを判定するのではなく、放電継続時間が所定の放電規定時間を超えたか否かを判定し、放電規定時間を超えた場合に、放電処理を終了する（ステップＳ９０）。これにより、リレー２が溶着しており、電解コンデンサ５の電圧が低下しないような場合でも、放電処理を中止することができる。なお、この場合には、放電処理を中止するととともに、図示しない報知装置により、異常が発生している旨をドライバに報知する。

一実施の形態における電気車の制御装置によれば、電気車の走行終了時、すなわち、キースイッチ１３のオフ時に、インバータ３と並列に設けられているコンデンサ５に蓄積されている電荷を放電させるために、モータ４に電流を流す。この時に、モータ４に流れる電流のうち、トルク成分であるｑ軸電流指令値を０に設定するとともに、励磁電流成分であるｄ軸電流指令値として、絶対値の等しい正負の電流が交互に現れるように設定する。これにより、磁極位置センサ７の検出精度に起因してｑ軸に電流が流れるような場合でも、絶対値の等しい正負の電流が交互にｑ軸に流れるため、車両が動き出すのを防ぐことができる。また、ｄ軸電流指令値を設定する際に、磁極位置センサ７の検出精度を考慮した低めの電流指令値を設定する必要がないので、低めの電流指令値を設定する場合に比べて、コンデンサ５に蓄積されている電荷の放電時間が増大するのを防ぐことができる。

本発明は、上述した一実施の形態に限定されることはない。例えば、絶対値の等しい正負の電流が交互に現れるようにｄ軸電流指令値を設定する際に、所定時間ごとに正・負の電流指令値が反転するように設定したが（図３参照）、別の設定方法を用いてもよい。例えば、図５に示すように、ｄ軸電流値が設定した電流指令値に追従したときに、正から負、または、負から正に反転させることもできる。

また、放電処理を開始してから所定時間（例えば、２秒）経過した時に、電圧センサ１４により検出される電解コンデンサ５の電圧と所定電圧（例えば、２４Ｖ）とを比較し、電解コンデンサ５の電圧が所定電圧以上であれば、放電処理を中止（Ｉd^*＝０，Ｉq^*＝０）するようにしてもよい。

モータ４は、永久磁石型の３相交流同期モータとして説明したが、他の種類のモータを用いても良い。また、モータ４は電気自動車の走行駆動源として用いられるものとして説明したが、ハイブリッド電気自動車に用いられるものでもよい。すなわち、本発明は、走行駆動源として、モータを搭載した車両に適用することができる。

特許請求の範囲の構成要素と一実施の形態の構成要素との対応関係は次の通りである。すなわち、リレー２がスイッチ手段を、電解コンデンサ５がコンデンサを、モータコントローラ１０が電流指令値算出手段を、ゲート回路９およびモータコントローラ１０がインバータ制御手段を、電圧センサ１４が電圧検出手段をそれぞれ構成する。なお、本発明の特徴的な機能を損なわない限り、各構成要素は上記構成に限定されるものではない。

本発明による電気車の制御装置の一実施の形態における構成を示す図モータコントローラの詳細な構成を示す図電解コンデンサに蓄積されている電荷を放電させるためのｄ軸電流指令値Ｉd^*およびｑ軸電流指令値Ｉq^*を示す図電解コンデンサに蓄積されている電荷の放電処理の手順を示すフローチャート電解コンデンサに蓄積されている電荷を放電させるためのｄ軸電流指令値Ｉd^*の別の設定方法を示す図

符号の説明

１…バッテリ
２…リレー
３…インバータ
４…永久磁石型の３相交流同期モータ
５…電解コンデンサ
６…電流センサ
７…磁極位置センサ
８…回転センサ
９…ゲート回路
１０…モータコントローラ
１１…車両コントローラ
１２…アクセル開度センサ
１３…キースイッチ
１４…電圧センサ
２１…電流指令値算出部
２２…電流指令値選択部
２３…電流制御部
２４…ｄｑ／３相変換部
２５…ＰＷＭ信号生成部
２６…３相／ｄｑ変換部
２７…位相演算部
２８…回転速度演算部
２９…放電処理部

Claims

電気車駆動用の電動機の駆動電力源である電源とインバータとの間に設けられ、前記電源から前記インバータへの電力供給を遮断／接続するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段と前記インバータとの間に、前記インバータと並列に接続されるコンデンサと、
前記電動機に印加する電流のうち、トルク電流成分であるｑ軸電流の指令値と、励磁電流成分であるｄ軸電流の指令値とを算出する電流指令値算出手段と、
前記電流指令値算出手段により算出されたｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値に基づいて、前記インバータを制御することにより、前記電動機に流れる電流を制御するインバータ制御手段とを備え、
前記電流指令値算出手段は、前記スイッチ手段の遮断に伴って前記コンデンサに蓄積されている電荷を放出するために、前記ｑ軸電流指令値を０に設定するとともに、正負の電流指令値が交互に現れるように前記ｄ軸電流指令値を設定することを特徴とする電気車の制御装置。
請求項１に記載の電気車の制御装置において、
前記ｄ軸電流指令値のうち、正の電流指令値と負の電流指令値の絶対値はそれぞれ等しいことを特徴とする電気車の制御装置。
請求項１または２に記載の電気車の制御装置において、
前記電流指令値算出手段は、前記正負の電流が交互に現れるように前記ｄ軸電流指令値を設定する際に、所定時間ごとに正の電流指令値および負の電流指令値を反転させることを特徴とする電気車の制御装置。
請求項１〜３のいずれかに記載の電気車の制御装置において、
前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段をさらに備え、
前記電流指令値算出手段は、前記コンデンサに蓄積されている電荷の放出処理を開始してから所定時間が経過したときに、前記電圧検出手段により検出されたコンデンサの電圧が所定電圧以上である場合には、前記ｄ軸電流指令値および前記ｑ軸電流指令値をともに０に設定することを特徴とする電気車の制御装置。