JP2008183961A

JP2008183961A - 四輪駆動制御装置

Info

Publication number: JP2008183961A
Application number: JP2007017476A
Authority: JP
Inventors: Yasutake Ishikawa; 泰毅石川
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2008-08-14
Anticipated expiration: 2027-01-29
Also published as: JP5406429B2

Abstract

【課題】エンジンで駆動される主駆動輪と、モータで駆動される従駆動輪とを有するハイブリッド四輪駆動車において、モータ駆動用インバータがその動作を停止した場合、整流器出力の直流リンク部の電圧が過剰に上昇し、周辺回路部品を損傷する問題があった。このため、電圧上昇を急速に抑える機能を有する４輪駆動制御装置の実現を目的とした
【解決手段】直流リンク部の電圧をモニタしておき、この電圧はインバータ動作停止と共に上昇し始め、予め定められた電圧に達したところで交流発電機の界磁巻線に流す電流の方向を逆転し、所定の時間流してこの電流を遮断する構成としている。これにより、インバータの動作停止後の電圧上昇を迅速に抑え、使用部品も小電力のもので済むように出来た。
【選択図】図１

Description

本発明は、４輪駆動のハイブリッド車における界磁巻線型モータの制御系における過電圧発生時の安全処置技術に係る。

電気自動車、特に４輪駆動で、ガソリンエンジン（以下、エンジンと記す）駆動と電動機（以下、モータと記す）駆動との両駆動方式を有するハイブリッド車は、車両駆動を行う駆動系、モータ駆動電力の発生および供給を行う電力系、さらに電力供給およびモータ駆動の制御を行う制御系の各部から構成されている。すなわち駆動系は、主駆動輪となる例えば前車輪を駆動するエンジンと、このエンジンに同時に結合されている交流発電機と、この交流発電機により得られた交流電力により従駆動輪となる後車輪を駆動するモータとで構成されている。

また、電力系は、エンジンの回転により電力を発生する交流発電機と、この交流発電機の出力である交流電力を一旦直流電力に変換する整流器と、この整流出力である直流電力を再度交流電力に変換してモータを駆動するインバータと、上記整流器出力に含まれるリップル成分を除去するためのコンデンサとを含み、この整流器とインバータとを結合する直流リンク部とで構成されている。

さらに制御系は、発電機の界磁電流、モータの界磁電流およびインバータのスイッチングをＰＷＭ等により制御するモータコントローラ部と、例えば主駆動輪がスリップした場合、このスリップしたことを検知して従駆動輪が必要とする駆動トルクを計算し、交流発電機でモータが必要とする電力を発生するようにしながら従駆動輪トルク指令を上記のモータコントローラに出力する４ＷＤコントローラ部とを備えている。また、運転中に故障等の原因によりインバータが動作停止すると、交流発電機からの電力、交流発電機の電機子巻線に蓄えられた磁気エネルギにより上記の直流リンク部の電圧が一時的に上昇し、交流発電機が高速回転している場合にはインバータのパワー素子およびコンデンサの耐圧を超えることがある。このため、従来の装置においては、直流リンク部の電圧を監視し、当該電圧が所定値以上になった場合には交流発電機の電圧発生を停止させるための界磁停止回路と、この所定値以上の過剰電圧を吸収する電圧抑制素子が直流リンク部に設けられていた。

以上のような従来の構成においては、運転中にインバータの動作が停止したときに生じる直流リンク部の電圧上昇による周辺回路部品の破損を避けるため、このような事態が生じた場合は、界磁停止回路を動作させて界磁電流を遮断する構成としていた。この電圧上昇は、交流発電機の磁気回路に残留する磁気エネルギのために、界磁電流遮断後すぐには発電が停止せず、負荷となるインバータの動作が停止したことによる、界磁電流遮断後も過渡的に発電される電気エネルギの蓄積によるものである。

また、運転中に上記のようにインバータの動作が停止したときに直流リンク部の電圧が上昇し、これにより直流リンク部に挿入した電圧抑制素子がＯＮ状態となって電圧上昇分の電流が流れると、交流発電機の電機子に電流が流れ、この電機子電流による電機子反作用により界磁が強まり、電機子からさらに大きな電流が流れ出し、電圧抑制素子が過熱するという問題があった。
特開２００５−３１８７５３

以上述べたように、従来公知の四輪駆動制御装置が運転中に、例えばインバータが故障等の原因によりその動作を停止した時、動作停止直後の直流リンク部における一時的な電圧上昇による周辺電子部品の損傷、あるいは過渡的な大電流による電圧抑制素子の過熱等の問題があった。本発明においてはこれらの問題を解決するためのフェールセーフ回路を形成し、信頼性の高い四輪駆動制御装置の提供を目的とした。

上記目的を達成するために本発明においては、直流リンク部の電圧を監視し、インバータが故障等によりその動作を停止して直流リンク部の電圧が所定の値を超えたことを電圧検出回路が検出した場合、交流発電機の界磁巻線への供給電流の極性を界磁電流逆転手段により逆転し、これにより逆方向電流を所定の時間の間のみ供給するようにした。

本発明により、作動中のインバータが停止した場合、交流発電機内の残留磁場等の影響により過渡的に発生する直流リンク部の直流電圧の上昇を抑え、過電圧による電子部品の破損の防止精度を向上し、信頼性の高い四輪駆動制御装置の実現を可能とした。

図１に本発明に係る四輪駆動制御装置の構成を示す。図２は本発明に係る交流発電機界磁巻線６に供給する電流の方向を逆転させる界磁電流逆転回路１４の構成例である。また、図３は本発明による四輪駆動制御装置において、インバータ４の故障またはインバータ４の動作を制御するモータコントローラ９の故障等に基づくインバータ４の動作停止により直流リンク部１１が無負荷状態となることにより、直流リンク部１１における直流電圧が上昇し、これによる回路部品の損傷に対するフェールセーフ動作を説明するための各部の電流・電圧図である。図４は本発明により上記のフェールセーフ動作を行うときの整流器３とインバータ４との接続部分である直流リンク部１１における動作点の移動状況を説明する動作図である。

図１において、交流発電機２は主駆動輪１６を駆動するエンジン１により与えられたトルクで駆動される。これにより得られた３相交流電力は整流器３によって直流電力に整流され、直流リンク部１１を経てインバータ４に供給される。インバータ４はこの直流電力をスイッチング素子により３相交流に変換してモータ５に供給する。なお、図１においては３相交流の１相分のみについて記載し、残りの２相分については同じ回路構成であるため記載を省略している。交流発電機２およびモータ５はそれぞれ界磁巻線６および７を持ち、交流発電機２においては界磁巻線６に供給する界磁電流を制御することで交流発電機２の発生電圧を制御し、モータ５は界磁巻線７に供給される界磁電流とインバータ４から供給される電機子電流とによってトルクを発生する。これら界磁電流の供給及び制御は図示しないそれぞれの界磁巻線駆動回路に内蔵のチョッパを介して行われる。

モータ５のトルクは４ＷＤコントローラ８及びモータコントローラ９により制御される。４ＷＤコントローラ８においては主駆動輪１６および従駆動輪１７における各車輪の回転速度（車輪速）やアクセル開度からモータ５によって発生させるトルク値を決定し、トルク指令値としてモータコントローラ９に送信する。モータコントローラ９はその時のモータ５の回転数、およびトルク指令値から必要とするトルクを発生するのに必要な交流発電機２の出力電圧、モータ５の界磁巻線７に流す界磁電流およびモータ５の電機子電圧および位相を求め、磁極位置からの位相を図示しないモータ５の回転位置センサの検出値から決定し、これらにより得られた値を用いてインバータ４に内蔵の各パワーＭＯＳＦＥＴをＯＮ／ＯＦＦスイッチングするタイミングをインバータ４に指令して３相交流を発生する。交流発電機２およびモータ５の界磁電流は図示しない界磁巻線駆動回路に内蔵のチョッパで制御し、モータ５で発生したトルクで減速機およびクラッチ１０を介して従駆動輪１７に取り付けられている後輪を駆動する。

図１において、例えばインバータ４のスイッチング素子あるいはモータコントローラ９の故障等によりインバータ４の動作が停止した場合、後述のように直流リンク部１１における電圧は上昇し、コンデンサ１８あるいはインバータ４のスイッチング素子の耐圧以上に至る場合がある。これによる回路部品の破損を防止するため、直流リンク部１１の電圧を電圧センサ１２でモニタし、この電圧値が所定の電圧（例えば、これら部品の耐圧）を超えたか否かを直流電圧検出回路１３で検出する。

ここで、直流電圧がこの所定の電圧を超えて過電圧状態となったことが検出されると、その時点でモータコントローラ９を介して交流発電機２の界磁電流を制御し、またその電流方向の逆転を行う。この電流方向逆転の操作は界磁電流逆転回路１４により行われる。これらの処理は直流電圧検出回路１３からの過電圧発生信号をトリガとしてモータコントローラ９で行われる。

以上述べたように、本発明においては主駆動輪１６を駆動するエンジン１により駆動される交流発電機２と、この交流発電機２からの交流電力を直流電力に変換する整流器３と、この直流電力を再度交流電力に変換するインバータ４と、この変換された第２の交流電力により従駆動輪１７を駆動するモータ５と、この交流発電機２およびモータ５の動作を制御するための界磁巻線とモータコントローラ９及び４ＷＤコントローラを有する制御装置とで構成されたハイブリッド型のを有するハイブリッドの四輪駆動車の安全対策を向上することを図っている。このため、上記ハイブリッド車に対して、整流器３とインバータ４とを接続している直流リンク部１１に、この直流リンク部１１の電圧を計測する直流電圧検出手段１３と、この直流電圧が上昇し所定の電圧値に達したことを前記直流電圧検出手段１３により検出した時点で交流発電機２の界磁巻線６への供給電流の方向を逆転して通電する界磁電流逆転手段とを有する構成としている。

図２は本発明に係る交流発電機２の界磁巻線６に流す電流の方向を切り替える界磁電流逆転回路１４の具体的な構成例を示すものであり、交流発電機２の界磁巻線６に流す界磁電流の向きを逆転させる回路でいわゆるＨブリッジ回路構成となっている。

図３はインバータ４が例えば故障によりその動作を停止した場合、本発明によるフェールセーフ動作を説明するための電圧、電流の変化を時間の経過を横軸に示す図である。図３（ａ）に示す様にインバータ４が動作を停止すると、直流リンク部１１は無負荷状態となり、交流発電機２から直流リンク部１１を介して流れていた電流は急激に減少し〔図３（ｂ）のｔ_１〕、このため交流発電機２の内部インピーダンスによる電圧降下が小さくなり、この分だけ直流リンク部１１における電圧は上昇し始める〔図３（ａ）のｔ_１→ｔ_２〕。

さらに、交流発電機２の界磁巻線６によって交流発電機２の内部に発生していた界磁磁束は、ひとつは界磁電流が界磁電流制御のためのモータコントローラ内蔵のチョッパとして使用されているダイオードのフリーホイーリングにより流れ続けること、および界磁電流が遮断されても磁気回路の磁束が過渡的に残存していることにより発電が続く〔図３（ｅ）〕。このため交流発電機２における発生電圧は上昇を続ける。また、モータ５における誘起電圧はモータ５のステータに弱め界磁を行って運転している場合にはインバータ４の動作が停止することでこの誘起電圧が上昇する。

以下、交流発電機２による直流リンク部１１の直流電圧が上昇した場合について説明する。本発明による四輪駆動制御装置が動作中に故障等の原因によりインバータ４の動作が停止し、これにより電圧センサ１２が直流リンク部１１の直流電圧上昇を検出し、この検出した直流電圧が電圧検出回路１３に予め設定した電圧値（過電圧検出電圧）を超えた場合〔図３（ａ）ｔ_２〕、交流発電機２の界磁巻線６の駆動回路の一部である界磁電流逆転回路１４は、交流発電機２の界磁コイル６に流れる界磁電流の方向を逆転させる〔図３（ｃ）ｔ_２〕。例えばそれまで図２の回路でＭＯＳＦＥＴＱ１およびＱ４を導通状態とし、ＭＯＳＦＥＴＱ２およびＱ３を遮断状態として流れていた界磁電流Ｉ１を、ＭＯＳＦＥＴＱ２およびＱ３を導通状態として、ＭＯＳＦＥＴＱ１およびＱ４を遮断状態とすることにより界磁電流Ｉ２に逆転させることが出来る。

ここで、界磁電流を逆転させた場合〔図３（ｄ）ｔ_２〕、界磁巻線６が持つインダクタンスにより、界磁巻線６の電圧が上昇し、フライホイール電流が流れ瞬時には電流が逆転されることはない。しかし、上記のように、逆方向に電圧を印加したことで界磁電流およびそれによる界磁磁束は急速に減少する〔図３（ｄ）〕。しかしながらこの間にも直流電圧は上昇を続け〔図３（ａ）ｔ_１→ｔ_３〕、この上昇が電圧抑制素子１５の抑制動作の開始電圧に達した時〔図３（ａ）ｔ_３〕に電圧抑制素子１５は導通状態となり、これ以上の電圧上昇は抑制される。この場合、電圧抑制素子１５の動作開始電圧を、直流リンク部１１の負荷となるインバータ４を含む周辺回路における回路素子の耐圧の最低電圧よりも低い値に設定しておくとよい。

以上によって直流リンク部１１の電圧が過電圧となった場合の電流が流れるループが形成されるため、このループによって交流発電機２からの電流が再び流れ、この電流により交流発電機２の電機子反作用で界磁電流が増え、これ以後は電力の発生を続行することになる。一方界磁巻線６にかけた逆方向の界磁電圧によって残留界磁磁束が抑えられ〔図３（ｃ）〕、電圧抑制素子１５の動作に伴う発電は急速に抑えられることになる。これにより、従来は界磁磁束が残っていた場合には交流発電機２から発生した大きな電力を電圧抑制素子１５で吸収しなければならなかったが、急速に発電電力を減少させることで電圧抑制素子１５の容量を大幅に小さくすることができる。これにより、界磁巻線６の駆動系は比較的小さな電力で制御できるため、インバータ４に使用されているスイッチング用のパワー素子の破壊を防ぐ回路を小型化することができるようになる。

図４は交流発電機２の出力電圧、電流の直流リンク部１１における動作点の動きを示したものである。インバータ４が故障等の原因によりその動作が停止しても界磁磁束は急には変わらないため、インバータ停止前の動作点Ｐは一時的に直流電流が減少し、動作点は点Ｑに移動して電圧は上昇する。さらに電圧が上昇し、上記のように直流リンク部１１の電圧が過電圧の状態になると、電圧抑制素子１５が動作し、交流発電機２の出力電流が流れるループが形成されるため、これによって交流発電機２からの電流が再び流れ、この電流により交流発電機２の電機子反作用で界磁電流が増加し点Ｒに移動する。このように、交流発電機２の電機子反作用によって界磁電流すなわち界磁磁束が増強されるため、直流リンク部１１の電圧は過電圧検出電圧のレベルにクランプされる。
本発明に係る回路で界磁磁束を急速に減少させることで、発電機の電圧、および電流は急速に減少させることができるが、さらに界磁巻線６に流す電流を逆転させた後、そのまま流し続けると、反対方向の磁束が大きくなった状態で発電を続けることになる。これを避けるため、当初の直流電流が抑えられるだけの時間が経過した後は界磁巻線６に流す電流を停止させる必要がある〔図３（ｃ）ｔ_４〕。この動作を行わせる回路は例えばモータコントローラ９に内蔵させておくか、あるいは直流リンク部１１の電圧値の減少を監視して、この電圧値が予め設定した電圧値に達したところで界磁巻線６に流す電流を停止する構成でもかまわない。また上記の説明ではＭＯＳＦＥＴを用いた界磁回路を説明したが、界磁巻線６にかける電圧を逆転させるために例えばリレー、あるいはリレーとトランジスタの組み合わせ回路を用いても同様の作用を実現することができる。

本発明に係る四輪駆動制御装置の構成図。発電機界磁巻線電流の逆転回路図。本発明による装置各部の電流・電圧の時間変化図。直流リンク部における動作点移動を説明する動作図。

符号の説明

１：エンジン２：交流発電機
３：整流器４：インバータ
５：モータ６：交流発電機界磁巻線
７：モータ界磁巻線８：４ＷＤコントローラ
９：モータコントローラ１０：減速機及びクラッチ
１１：直流リング部１２：電圧センサ
１３：直流電圧検出回路１４：界磁電流逆転回路
１５：電圧抑制素子１６：主駆動輪
１７：従駆動輪

Claims

二つの主駆動輪と二つの従駆動輪とを備え、前記主駆動輪を駆動するエンジンにより駆動される交流発電機と、該交流発電機からの第１の交流電力を直流電力に変換する整流器と、該直流電力を第２の交流電力に変換するインバータと、該変換された第２の交流電力により前記従駆動輪を駆動するモータと、該交流発電機およびモータの動作を制御する制御装置とを有する四輪駆動制御装置において、
前記整流器と前記インバータとを接続している直流リンク部に設けた該直流リンク部の電圧を計測する直流電圧検出手段と、
該検出した直流電圧が上昇し、所定の電圧値に達したことを前記直流電圧検出手段により検出した時点で前記交流発電機の界磁巻線への供給電流を流す方向を逆転し、逆方向の界磁電流として通電する界磁電流逆転手段とを有することを特徴とする四輪駆動制御装置。
請求項１に記載の四輪駆動制御装置において、
前記界磁電流逆転手段は、前記検出した直流電圧が上昇し、第１の所定の電圧値に達したことを前記直流電圧検出手段により検出した時点において、前記交流発電機の界磁電流方向を逆転し、該界磁電流の方向を逆転した時刻から所定の時間だけ該逆方向の界磁電流を前記交流発電機の界磁巻線に通電した後、該逆方向の界磁電流の供給を停止する制御手段を有することを特徴とする四輪駆動制御装置。
請求項１に記載の四輪駆動制御装置において、
前記界磁電流逆転手段は、前記検出した直流電圧が上昇し、第１の所定の電圧値に達したことを前記直流電圧検出手段により検出した時点において、前記交流発電機の界磁電流の方向を逆転し、
前記直流電圧検出手段において前記直流リンク部の電圧が第２の所定の電圧値に達したことを検出したところで前記逆方向の界磁電流を遮断することを特徴とする四輪駆動制御装置。
請求項１または請求項２に記載の四輪駆動制御装置において、
前記整流器と前記インバータとの間に設けられている直流リンク部に電圧抑制素子を設け、該電圧抑制素子が動作を開始する第３の電圧値が、直流リンク部の負荷回路となる前記インバータを含む周辺回路における回路素子の耐圧の最低電圧値よりも低い値であることを特徴とする四輪駆動制御装置。
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の四輪駆動制御装置において、
前記界磁電流逆転手段は４個のスイッチング素子を有し、これら４個のスイッチング素子のうち、第１、第２のスイッチング素子及び第３、第４のスイッチング素子をそれぞれ直列に接続し、
前記第１のスイッチング素子の開放側端子と、前記第３のスイッチング素子の開放側端子とをそれぞれ互いに接続し、前記第２及び前記第４のスイッチング素子の開放側端子もそれぞれ互いに接続し、
該互いに接続した前記第１、前記第３のスイッチング素子の接続点と、前記第２、前記第４の接続点との間に前記直流リンク部の直流電圧を印加し、
前記２組の直列接続されている電力スイッチング素子のそれぞれ直列接続している２つの接続点間に前記交流発電機の界磁巻線を接続した構成とし、
前記第１及び前記第４のスイッチング素子が同時に導通状態で、且つ前記第２及び前記第３のスイッチング素子が同時に遮断状態、あるいは前記第１及び前記第４のスイッチング素子が同時に遮断状態で、且つ前記第２及び前記第３のスイッチング素子が同時に導通状態になるように切替えることによって界磁電流を逆転させることを特徴とする四輪駆動制御装置。
主駆動輪を駆動するエンジンは交流発電機も駆動し、該交流発電機からの第１の交流電力は整流器により整流されて直流電力とし、該直流電力はインバータにより第２の交流電力に変化し、該第２の交流電力により従駆動輪に結合されたモータを駆動し、上記交流発電機および上記モータは４ＷＤコントローラおよびモータコントローラとにより制御される四輪駆動制御装置において、
前記整流器と前記インバータとを接続している直流リンク部の電圧を直流電圧検出手段により計測し、
該検出した直流リンク部の電圧が上昇し所定の電圧値に達したときに前記交流発電機の界磁巻線への供給電流の極性を界磁電流逆転手段により逆転して所定の時間だけ通電することを特徴とする四輪駆動制御装置。