JP2010247725A - 電動車両の電源制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バッテリ異常時において、バッテリを電源回路に接続するシステムメインリレーを無電弧状態でオフにしてバッテリレス走行に移行する。
【解決手段】制御装置５０は、バッテリ１００に異常が発生すると、昇圧コンバータ１０２のゲートをオフにするとともに、インバータ１０４，１０６の動作を許容する。高圧側電圧ＶＨとバッテリ側電圧ＶＬがＶＨ＞ＶＬとなるようにモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の電力バランスをとって過電圧状態を抑制する。その後、システムメインリレーＳＭＲをオフ制御してバッテリレス走行に移行する。
【選択図】図１

Description

本発明は電動車両の電源制御装置に関し、特に、バッテリ異常時にバッテリレス走行に移行するための技術に関する。

従来から、ハイブリッド車両等の電動車両において、電力を蓄積する二次電池や大容量バッテリ等が故障した、あるいはこれらを充電する充電回路が故障した場合に、発電機と電動機を直接接続し、発電した電力をそのまま用いて電動機を駆動することで車両の走行を可能とする、いわゆるバッテリレス走行が提案されている。

例えば、特許文献１には、以下の技術が開示されている。すなわち、図５の構成において、エンジンＥＧを目標回転数ＮＥ＊に対してフィードバック制御し、故障などの発生時には、発電機ＧＮのインバータＰ１の動作を停止する。そして、発電機ＧＮが所定の回転数で回転すると、発電機の各相コイルには逆起電圧が発生し、モータＭＧを負荷として接続すると、インバータＰ１の保護用ダイオードを介して電流が流れ、発電が行われる。この発電された電力は、そのままモータＭＧで消費されるので、発電量と消費量とはバランスする。このとき、インバータＰ１，Ｐ２とバッテリＢＴとの接続は、システムメインリレーＳＭＲにより遮断する。

具体的には、システムコントローラＳＣＮＴは、バッテリＢＴや発電機ＧＮのインバータＰ１等に故障が生じたか否かを判断し（ステップＳＡ）、故障が発生したと判断した場合には、インバータＰ１とシステムメインリレーＳＭＲをオフにする処理を行う（ステップＳＢ）。この結果、バッテリＢＴはインバータＰ１，Ｐ２の回路からは切り離される。次に、各軸の回転数を読み込む（ステップＳＣ）。続いて、アクセルペダルの踏込量ＡＰを検出し（ステップＳＤ）、踏込量ＡＰや駆動軸ＤＳの回転数から求めた車両の要求出力に基づいて、発電機ＧＮの回転数を変更する（ステップＳＥ）。その上で、車両の要求に合わせてモータＭＧを制御する（ステップＳＦ）。

特開２００１−３２９８８４号公報

バッテリの異常時において、システムメインリレーをオフにする場合、メインリレーの溶着防止のために、まずは電力出し入れのある発電機ＧＮとモータＭＧを遮断するためにインバータＰ１，Ｐ２を遮断する必要がある。

しかしながら、高速走行中やエンジン高負荷運転中のような、発電機ＧＮとモータＭＧが高回転数時に遮断してしまうと、大きな逆起電力が発生してしまう。一般に、バッテリからの電力は昇圧コンバータで昇圧された後にインバータＰ１，Ｐ２に供給され、昇圧コンバータとインバータＰ１，Ｐ２との間には電圧変動を平滑化するための平滑コンデンサが設けられているが、平滑コンデンサの容量が小さい場合には過電圧状態となってしまい、バッテリレス走行に移行することが困難となるおそれがある。特に最近においては、小型車（出力の小さい車両）への対応やコストダウンを図るために平滑コンデンサの容量は低減化が求められており、この場合に過電圧が特に問題となり得る。

本発明は、ハイブリッド車両等の電動車両に搭載されるバッテリに異常が生じた場合においても、バッテリを電源回路に接続するリレーを確実にオフ制御してバッテリレス走行に円滑に移行することができる技術を提供する。

本発明は、バッテリと、前記バッテリからの直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、前記バッテリと前記昇圧コンバータとの間に設けられたリレーと、前記昇圧コンバータからの直流電圧を交流電圧に変換する第１インバータ及び第２インバータと、前記第１インバータに接続されるとともにエンジンに接続され、エンジンからの動力の少なくとも一部により発電する第１モータジェネレータと、前記第２インバータに接続されるとともに駆動輪に接続され、駆動輪を駆動する第２モータジェネレータと、前記バッテリの異常時に、前記昇圧コンバータのゲートをオフ制御するとともに、前記昇圧コンバータの入力側電圧ＶＬと出力側電圧ＶＨとの間にＶＬ＜ＶＨの関係が維持されるように前記第１インバータ及び前記第２インバータを制御して前記第１モータジェネレータ及び前記第２モータジェネレータの電力を制御し、その後に、前記リレーをオフ制御する制御手段とを有することを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記制御手段は、前記昇圧コンバータのゲートをオフ制御するに先立ち、前記第１モータジェネレータ及び前記第２モータジェネレータの要求トルクを制限する。

また、本発明の他の実施形態では、前記制御手段は、前記リレーをオフ制御するに先立ち、前記バッテリの電流値が規定値以内であるか否かを判定し、規定値以内であれば前記リレーをオフ制御し、規定値を超える場合には前記第１インバータ及び前記第２インバータのゲートをオフ制御した後に前記リレーをオフ制御する。

また、本発明の他の実施形態では、前記制御手段は、前記出力側電圧ＶＨの目標値として、前記入力側電圧ＶＬ以上であって、規定の過電圧しきい値Ｖｔｈ未満の任意の電圧を設定し、実際の出力側電圧がこの目標値に一致するように前記第１モータジェネレータ及び前記第２モータジェネレータの電力をフィードバック制御する。

また、本発明の他の実施形態では、前記制御手段は、前記第１モータジェネレータ及び前記第２モータジェネレータが所定の回転数以上の高回転状態において前記制御を実行する。

本発明によれば、ハイブリッド車両等の電動車両に搭載されるバッテリに異常が生じた場合においても、バッテリを電源回路に接続するリレーを確実にオフ制御してバッテリレス走行に円滑に移行することができる。

実施形態の構成ブロック図である。 実施形態のバッテリ異常時の制御説明図である。 実施形態の処理フローチャートである。 実施形態の他の処理フローチャートである。 従来技術の構成ブロック図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態における電源制御装置の構成ブロック図を示す。この装置は、電源回路やインバータ主回路、インバータ主回路で駆動されるモータジェネレータを備え、例えばハイブリッド車両に搭載される。

モータジェネレータＭＧ１は、エンジンＥＮＧと連結され、エンジンＥＮＧの始動を行い得るモータとして動作するとともに、エンジンＥＮＧにより駆動される発電機として動作する。モータジェネレータＭＧ２は、図示しない駆動輪と連結され、駆動輪を駆動するモータとして組み込まれる。モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相コイルをステータコイルとして含む。３相コイルを形成する各相コイルの一端は、互いに接続されて中性点を形成する。また、各相コイルの他端は、インバータ１０４あるいはインバータ１０６の各相アームのスイッチングトランジスタの接続点にそれぞれ接続される。

電源としてのバッテリ１００の正極は、システムメインリレーＳＭＲを介して電源ライン（正側）に接続され、バッテリ１００の負極はシステムメインリレーＳＭＲを介して接地ライン（負側）に接続される。コンデンサＣｆは、電源ラインと接地ラインとの間に接続される。バッテリ１００は、充放電可能な直流電源であり、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池からなる。バッテリ１００は、直流電力を昇圧コンバータ１０２に出力する。また、バッテリ１００は、車両の回生制動時に昇圧コンバータ１０２により充電される。バッテリ１００に代えて、大容量キャパシタや燃料電池を用いてもよい。

昇圧コンバータ１０２は、リアクトルＬと、スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含んで構成される。スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインと接地ラインの間に互いに直列に接続される。各スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２には、それぞれダイオードＤ１，Ｄ２が逆並列接続される。リアクトルＬの一端は、スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に接続され、他端は電源ラインに接続される。スイッチングトランジスタＱ１，Ｑ２は、ｎｐｎ型トランジスタやＩＧＢＴ、パワーＭＯＳＦＥＴ等を用いることができる。コンデンサＣｍは、電源ラインと接地ラインとの間に接続される。コンデンサＣｍは、電源ラインと接地ラインとの間の電圧変動を平滑化する。

昇圧コンバータ１０２は、制御装置５０からの信号に基づいて、バッテリ１００からの直流電圧をリアクトルＬを用いて昇圧し、昇圧電圧を電源ラインに出力する。すなわち、昇圧コンバータ１０２は、スイッチングトランジスタＱ２のスイッチング動作に応じて流れる電流をリアクトルＬに磁場エネルギとして蓄積することにより直流電圧を昇圧し、スイッチングトランジスタＱ２がオフされたタイミングでダイオードＤ１を介して電源ラインに出力する。

インバータ１０４は、Ｕ相アーム、Ｖ相アーム、Ｗ相アームを含む。Ｕ相アーム、Ｖ相アーム、Ｗ相アームは、電源ラインと接地ラインとの間に互いに並列に接続される。Ｕ相アームは、互いに直列に接続されたスイッチングトランジスタを含み、Ｖ相アームは、互いに直列に接続されたスイッチングトランジスタを含み、Ｗ相アームは、互いに直列に接続されたスイッチングトランジスタを含む。各スイッチングトランジスタには、それぞれダイオードが逆並列接続される。

インバータ１０４は、制御装置５０からのＰＷＭ信号に基づいて、電源ラインから供給される直流電圧を３相交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１に出力する。また、インバータ１０４は、エンジンＥＮＧからの出力を受けてモータジェネレータＭＧ１が発電した３相交流電圧を制御装置５０からの信号に基づいて直流電圧に変換して電源ラインに出力する。

インバータ１０６は、Ｕ相アーム、Ｖ相アーム、Ｗ相アームを含む。Ｕ相アーム、Ｖ相アーム、Ｗ相アームは、電源ラインと接地ラインとの間に互いに並列に接続される。Ｕ相アームは、互いに直列に接続されたスイッチングトランジスタを含み、Ｖ相アームは、互いに直列に接続されたスイッチングトランジスタを含み、Ｗ相アームは、互いに直列に接続されたスイッチングトランジスタを含む。各スイッチングトランジスタには、それぞれダイオードが逆並列接続される。

インバータ１０６は、制御装置５０からのＰＷＭ信号に基づいて、電源ラインから受ける直流電圧を３相交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ２に出力する。また、インバータ１０６は、車両の回生制動時において、駆動輪からの回転力を受けてモータジェネレータＭＧ２が発電した３相交流電圧を直流電圧に変換して電源ラインに出力する。また、電源ラインと接地ラインの間には、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１０を介して１２Ｖの補機バッテリ１１２が接続されるとともに、インバータ１１４を介してエアコンコンプレッサ１１６が接続される。

このような構成において、バッテリ異常信号が入力されることによりバッテリ１００に異常が生じたことを制御装置５０が検出すると、制御装置５０は、システムメインリレーＳＭＲをオフ制御してバッテリレス走行、すなわちモータジェネレータＭＧ１で発電した電力をそのまま用いてモータジェネレータＭＧ２を駆動するが、システムメインリレーＳＭＲの溶着を防止するために、ＳＭＲへの通電がない状態としてＳＭＲをオフする必要がある。

しかしながら、ＳＭＲへの通電を遮断するためにインバータ１０４，１０６の動作を停止すると、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が高回転時においては大きな逆起電圧が発生してしまい、定格の過電圧しきい値を超えてしまう事態も生じ得る。

そこで、本実施形態では、バッテリ１００の異常時において、制御装置５０はインバータ１０４，１０６の動作を停止するのではなく、インバータ１０４，１０６の動作を許容しつつ、昇圧コンバータ１０２の動作及びＤＣ／ＤＣコンバータ１１０、インバータ１１４の動作を停止する。

一方、インバータ１０４，１０６の動作を許容して昇圧コンバータ１０２の動作を停止する場合、昇圧コンバータのスイッチングトランジスタに逆並列接続された保護ダイオードを介してバッテリ１００からモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２側に電力が流れてしまう事態が生じ得る。

そこで、制御装置５０は、図２に矢印で模式的に示されるように、バッテリ１００からの電力の流れを防止すべく、バッテリ１００側の電圧ＶＬ（昇圧コンバータ１０２の入力側電圧）と、インバータ１０４，１０６側の電圧ＶＨ（昇圧コンバータ１０２の出力側電圧）との間で、常にＶＨ＞ＶＬの関係が満たされるように、モータジェネレータＭＧ１とＭＧ２の電力のバランスをとる。

この際、制御装置５０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のトルクを極力小さな値まで制限する。これにより、スリップやタイヤ乗り上げ等の外乱による電力収支ずれによるＶＨ≦ＶＬとなる事態を確実に回避することができる。モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のトルク制限の一例は、要求トルクをカットしてしまうことである。もちろん、要求トルクのカットは、ＳＭＲをオフ制御するまでの一時的な措置であり、ＳＭＲをオフ制御してバッテリレス走行に移行した後は、通常の要求トルクに復帰させる。

このように、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のトルクを制限し、ＶＨ＞ＶＬとなるようにモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の電力バランスを制御するようにインバータ１０４，１０６を駆動することで、ＳＭＲを無電弧でオフ制御することができる。これにより、ＳＭＲを溶着させることなく、円滑にバッテリレス走行に移行できる。

バッテリレス走行では、制御装置５０は、アクセルペダルの踏込量と駆動軸の回転数から運転者の要求を読み取り、モータジェネレータＭＧ２に出力する動力（回転数×トルク）を制御すると、モータジェネレータＭＧ２が要求している電力が、モータジェネレータＭＧ１の逆起電力を利用して発電される。モータジェネレータＭＧ１が発電するエネルギ源はエンジンＥＮＧであり、発電量の増減に対応してエンジンＥＮＧの出力が制御される。

エンジンＥＮＧは目標回転数にフィードバック制御されているから、モータジェネレータＭＧ１の発電量が増加して回転数が低下すれば、吸入空気量及び燃料噴射量が増加制御され、エンジンＥＮＧの出力が上昇する。

なお、制御装置５０は、ＳＭＲをオフにする際に、ＶＨ＞ＶＬとなるようにモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のトルクを制限し、かつ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の電力バランスを制御するが、実際の制御としては、ＶＬ以上過電圧しきい値未満の目標ＶＨを設定し、実際のＶＨとのずれ分をモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２へのトルク要求に印加することでＭＧ１，ＭＧ２のバランスをとる。

また、制御切替時は、実際のＶＨを初期値とし、目標ＶＨへ段階的に移行するように制御することで、急変化による制御破綻を防止することが望ましい。例えば、制御切替後から時刻ｔ１後に目標ＶＨへ移行するように線形的にＶＨを変化させる、あるいは階段状にＶＨを変化させる。もちろん、実際のＶＨと目標ＶＨとの差分を演算し、差分があるしきい値以上の場合に目標ＶＨへ段階的に移行し、差分がしきい値より小さい場合には制御切替時に直ちに目標ＶＨに切り替えても良い。

図３に、本実施形態におけるバッテリ１００異常時の処理フローチャートを示す。なお、本実施形態では、上記のようにインバータ１０４，１０６の動作を許容するため、バッテリ１００のみが異常を生じ、インバータ１０４，１０６は正常に動作することを前提としている。

バッテリ１００の異常が検知されると、制御装置は、まず、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の要求トルクを０にカットすることでトルクを制限する（Ｓ１０１）。次に、エンジンＥＮＧが運転中であるか否かを判定する（Ｓ１０２）。エンジンＥＮＧが運転中でない場合には、バッテリレス走行にそもそも移行することができないので、エンジンＥＮＧを始動させ（Ｓ１０３）、エンジンＥＮＧの始動が成功したか否かを判定する（Ｓ１０４）。エンジンＥＮＧの始動ができない場合には、走行を直ちに停止する。

一方、エンジンＥＮＧが既に運転中である場合、あるいはエンジンＥＮＧが運転中でなくても始動に成功した場合には、次に、制御装置は目標ＶＨを設定する（Ｓ１０５）。この目標ＶＨは、過電圧しきい値をＶｔｈとした場合に、ＶＬ≦Ｖ＜Ｖｔｈを満たす任意の電圧Ｖを設定できる。例えば、バッテリ電圧が２００Ｖであって過電圧しきい値が８００Ｖの場合、その中間値の５００Ｖを目標ＶＨに設定する。

目標ＶＨを設定した後、実際のＶＨが設定した目標ＶＨとなるようにモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２をフィードバック制御する（Ｓ１０６）。すなわち、実際のＶＨと目標ＶＨとのずれ量を検出し、このずれ量をＭＧ１，ＭＧ２のトルク要求に印加することで実際のＶＨを目標ＶＨに一致させるように制御する。

ＭＧ１，ＭＧ２の電力バランスを制御してＶＬ＜ＶＨとなるように安定させた後、制御装置は、ＭＧ１，ＭＧ２のゲート、すなわちインバータ１０４，１０６のゲートはそのまま許容し、これ以外、具体的には昇圧コンバータ１０２のゲート及びコンバータ１１０、インバータ１１４のゲートをオフにする（Ｓ１０７）。

その後、ＳＭＲをオフとし（Ｓ１０８）、バッテリ１００を電源回路から切り離した後に、Ｓ１０７でオフにしたゲート、具体的には昇圧コンバータ１０２やコンバータ１１０、インバータ１１４のゲートの動作を許容し（Ｓ１０９）、バッテリレス走行に移行する（Ｓ１１０）。

図３の処理フローチャートにおいて、Ｓ１０７の処理をＳ１０５あるいはＳ１０６の処理に先だって実行してもよい。すなわち、まず、昇圧コンバータ１０２のゲートをオフとし、その後に目標ＶＨとなるようにＭＧ１，ＭＧ２をフィードバック制御してもよい。

また、図３の処理フローチャートにおいて、昇圧コンバータ１０２のゲートをオフにし、かつ、ＶＬ＜ＶＨとなるように制御することで基本的にはＳＭＲの通電は遮断されているが、何らかの理由でＳＭＲの通電が生じている場合には溶着のおそれがあるため、さらにＳＭＲの通電電流を検出し、規定の範囲内であるか否かを確認した後にＳＭＲをオフにしてもよい。

図４に、この場合の処理フローチャートを示す。Ｓ２０１〜Ｓ２０７の処理は、図３におけるＳ１０１〜Ｓ１０７の処理と同様である。

一方、Ｓ２０７で昇圧コンバータ１０２のゲートをオフとした後、制御装置は、電流センサで検出されたバッテリ１００の電流値ＩＢが規定値内であるか否かを判定する（Ｓ２０８）。規定値は、０近傍の値である。そして、バッテリ１００の電流値が既定値内であれば、ＳＭＲをオフにするが（Ｓ２１０）、既定値内でなければ、インバータ１０４，１０６のゲートをオフとした後にＳＭＲをオフにする（Ｓ２０９）。このＳ２０９における処理は、無電弧でのＳＭＲのオフを最優先としたものである。

このように、本実施形態では、従来のようにインバータ１０４，１０６のゲートをオフにするのではなく、インバータ１０４，１０６の動作を許容し、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の電力のバランスを制御することで過電圧を防止し、ＳＭＲを確実にオフ制御し、バッテリレス走行に移行することができる。

なお、本実施形態において、過電圧が特に問題となるのはモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の高回転時、具体的には高速走行中やエンジン高負荷運転時であるので、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が高回転時においてのみ本実施形態の制御を行い、それ以外では従来と同様の制御を行ってもよい。具体的には、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転数が所定のしきい回転数以上であるか否かを判定し、しきい回転数以上であって高回転数であると判定した場合に本実施形態の制御に移行する。車両の車速がしきい車速以上であるか否かを判定し、しきい車速以上である場合に本実施形態の制御に移行してもよい。

また、本実施形態において、電源としてバッテリ１００を例示したが、バッテリ１００の代わりに大容量キャパシタ、あるいは燃料電池であってもよい。本発明は、バッテリ１００に限定されるものではない。

５０ 制御装置、１００ バッテリ、１０２ 昇圧コンバータ、１０４ インバータ（第１インバータ）、１０６ インバータ（第２インバータ）、ＭＧ１ モータジェネレータ（第１モータジェネレータ）、ＭＧ２ モータジェネレータ（第２モータジェネレータ）。

Claims (5)

1. バッテリと、
   前記バッテリからの直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
   前記バッテリと前記昇圧コンバータとの間に設けられたリレーと、
   前記昇圧コンバータからの直流電圧を交流電圧に変換する第１インバータ及び第２インバータと、
   前記第１インバータに接続されるとともにエンジンに接続され、エンジンからの動力の少なくとも一部により発電する第１モータジェネレータと、
   前記第２インバータに接続されるとともに駆動輪に接続され、駆動輪を駆動する第２モータジェネレータと、
   前記バッテリの異常時に、前記昇圧コンバータのゲートをオフ制御するとともに、前記昇圧コンバータの入力側電圧ＶＬと出力側電圧ＶＨとの間にＶＬ＜ＶＨの関係が維持されるように前記第１インバータ及び前記第２インバータを制御して前記第１モータジェネレータ及び前記第２モータジェネレータの電力を制御し、その後に、前記リレーをオフ制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする電動車両の電源制御装置。
2. 請求項１記載の装置において、
   前記制御手段は、前記昇圧コンバータのゲートをオフ制御するに先立ち、前記第１モータジェネレータ及び前記第２モータジェネレータの要求トルクを制限することを特徴とする電動車両の電源制御装置。
3. 請求項１記載の装置において、
   前記制御手段は、前記リレーをオフ制御するに先立ち、前記バッテリの電流値が規定値以内であるか否かを判定し、規定値以内であれば前記リレーをオフ制御し、規定値を超える場合には前記第１インバータ及び前記第２インバータのゲートをオフ制御した後に前記リレーをオフ制御することを特徴とする電動車両の電源制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の装置において、
   前記制御手段は、前記出力側電圧ＶＨの目標値として、前記入力側電圧ＶＬ以上であって、規定の過電圧しきい値Ｖｔｈ未満の任意の電圧を設定し、実際の出力側電圧がこの目標値に一致するように前記第１モータジェネレータ及び前記第２モータジェネレータの電力をフィードバック制御することを特徴とする電動車両の電源制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の装置において、
   前記制御手段は、前記第１モータジェネレータ及び前記第２モータジェネレータが所定の回転数以上の高回転状態において前記制御を実行することを特徴とする電動車両の電源制御装置。

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