JP2010268574A - 電動車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】インバータのオープン故障時に発生し得る二次故障を防止可能な電動車両を提供する。
【解決手段】モータジェネレータMG1は、エンジン4の動力を用いて発電機として動作可能であり、モータジェネレータMG2は、車両の駆動力を発生する。制御装置30は、インバータ16のいずれかのアームにおいてスイッチング素子が常時オフ状態となるオープン故障の発生を検知する。そして、オープン故障が検知されると、制御装置30は、蓄電装置Bの入出力の変動と逆位相のパワー変動をモータジェネレータMG1が発生するようにインバータ14を制御する。
【選択図】図1
【解決手段】モータジェネレータMG1は、エンジン4の動力を用いて発電機として動作可能であり、モータジェネレータMG2は、車両の駆動力を発生する。制御装置30は、インバータ16のいずれかのアームにおいてスイッチング素子が常時オフ状態となるオープン故障の発生を検知する。そして、オープン故障が検知されると、制御装置30は、蓄電装置Bの入出力の変動と逆位相のパワー変動をモータジェネレータMG1が発生するようにインバータ14を制御する。
【選択図】図1
Description
この発明は、電動車両に関し、特に、車両の駆動力を発生する交流電動機を駆動するインバータにおいて、いずれかのアームにてスイッチング素子が常時オフ状態となるオープン故障が発生したときのフェールセーフ技術に関する。
特開2008−67429号公報(特許文献1)は、モータ駆動装置としてインバータを用いた装置において、モータ欠相時に継続運転可能なモータ制御装置を開示する。このモータ制御装置は、三相のうち一相に欠相が生じたとき、回転子の回転方向および正常な他の二相の電流値に基づいて、回転を継続するための正常な二相へのスイッチング信号を演算して出力する。
このモータ制御装置によれば、スイッチング素子の追加なしにモータ欠相時に継続運転が可能になり、これを用いた電動ブレーキ装置においては、より高い安全性を得ることが可能となる(特許文献1参照)。
インバータにおいていずれかのアームにてスイッチング素子が常時オフ状態となるオープン故障が発生すると、相電流が変動することによりインバータ入力電圧が変動し、その変動に応じて蓄電装置の入出力が変動する。そして、この状態でインバータによるモータ駆動を継続すると、蓄電装置に過大な負荷がかかり、蓄電装置が壊れるなどの二次故障が発生する可能性がある。
上記公報に開示されるモータ制御装置は、モータ欠相時にモータを継続運転可能とする点で有用であるが、モータ欠相時にモータを継続運転することにより発生し得る上記二次故障の問題については特に検討されていない。
そこで、この発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、インバータのオープン故障時に発生し得る二次故障を防止可能な電動車両を提供することである。
この発明によれば、電動車両は、第1および第2の交流電動機と、第1および第2のインバータと、蓄電装置と、制御装置とを備える。第1の交流電動機は、発電機として動作可能であり、第2の交流電動機は、車両の駆動力を発生する。第1および第2のインバータは、第1および第2の交流電動機をそれぞれ駆動する。蓄電装置は、第1の交流電動機によって発電された電力を蓄え、その蓄えられた電力を第2のインバータへ供給する。第2のインバータは、第2の交流電動機の各相にそれぞれ対応する複数のアームを含む。そして、制御装置は、複数のアームのいずれかにおいてスイッチング素子が常時オフ状態となるオープン故障の発生を検知し、オープン故障が検知されたとき、蓄電装置の入出力の変動と逆位相のパワー変動を第1の交流電動機が発生するように第1のインバータを制御する。
この発明においては、車両の駆動力を発生する第2の交流電動機を駆動する第2のインバータにおいてオープン故障が発生すると、蓄電装置の入出力の変動と逆位相のパワー変動を第1の交流電動機が発生するように第1のインバータが制御されるので、蓄電装置の入出力の過大な変動が回避される。
したがって、この発明によれば、第2のインバータにおいてオープン故障が発生しても、蓄電装置が壊れるなどの二次故障が発生するのを防止することができる。そして、第2のインバータを用いて第2の交流電動機を継続して駆動させ、第2の交流電動機により継続的に車両を走行させることができる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
図1は、この発明の実施の形態による電動車両の一例として示されるハイブリッド車両の全体ブロック図である。図1を参照して、ハイブリッド車両100は、エンジン4と、モータジェネレータMG1,MG2と、動力分割装置3と、駆動輪2とを備える。また、ハイブリッド車両100は、蓄電装置Bと、システムリレーSR1,SR2と、昇圧コンバータ12と、インバータ14,16と、正極線PL1,PL2と、負極線NLとをさらに備える。さらに、ハイブリッド車両100は、制御装置30と、電圧センサ10と、電流センサ11,20,22とをさらに備える。
エンジン4は、燃料の燃焼による熱エネルギーをピストンやロータなどの運動子の運動エネルギーに変換して動力分割装置3へ出力可能に構成される。動力分割装置3は、エンジン4が発生する運動エネルギーを分割してモータジェネレータMG1と駆動輪2とに分配可能に構成される。たとえば、サンギヤ、プラネタリキャリヤおよびリングギヤの3つの回転軸を有する遊星歯車を動力分割装置3として用いることができ、この3つの回転軸がモータジェネレータMG1の回転軸、エンジン4のクランクシャフトおよび車両の駆動軸(駆動輪2)にそれぞれ連結される。
モータジェネレータMG1,MG2は、交流電動機であり、たとえばロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機である。モータジェネレータMG1は、動力分割装置3に回転軸が連結され、インバータ14によって駆動される。そして、モータジェネレータMG1は、エンジン4により生成された運動エネルギーを動力分割装置3から受け、その受けた運動エネルギーを電気エネルギーに変換してインバータ14へ出力する。また、モータジェネレータMG1は、インバータ14から受ける三相交流電力によって駆動力を発生し、エンジン4の始動も行なう。
モータジェネレータMG2は、車両の駆動軸(駆動輪2)に回転軸が連結される。そして、モータジェネレータMG2は、インバータ16によって駆動され、インバータ16から受ける三相交流電力によって車両の駆動トルクを発生する。また、モータジェネレータMG2は、車両の制動時や下り斜面での加速度低減時、運動エネルギーや位置エネルギーとして車両に蓄えられた力学的エネルギーを駆動輪2から受け、その受けた力学的エネルギーを電気エネルギーに変換して(回生発電)インバータ16へ出力する。
エンジン4は、駆動輪2を駆動するとともにモータジェネレータMG1を駆動する動力源としてハイブリッド車両100に組込まれる。モータジェネレータMG1は、エンジン4によって駆動される発電機として動作し、かつ、エンジン4の始動を行ない得る電動機として動作するものとしてハイブリッド車両100に組込まれる。また、モータジェネレータMG2は、駆動輪2を駆動する電動機として動作し、かつ、車両に蓄えられた力学的エネルギーを用いて回生発電可能な発電機として動作するものとしてハイブリッド車両100に組込まれる。
インバータ14は、U相アーム15と、V相アーム16と、W相アーム17とを含む。U相アーム15、V相アーム16およびW相アーム17は、正極線PL2と負極線NLとの間に並列に接続される。U相アーム15は、正極線PL2と負極線NLとの間に直列に接続される電力用半導体スイッチング素子(以下、単に「スイッチング素子」と称する。)Q11,Q12と、スイッチング素子Q11,Q12にそれぞれ逆並列に接続されるダイオードD11,D12とを含む。V相アーム16は、正極線PL2と負極線NLとの間に直列に接続されるスイッチング素子Q13,Q14と、スイッチング素子Q13,Q14にそれぞれ逆並列に接続されるダイオードD13,D14とを含む。W相アーム17は、正極線PL2と負極線NLとの間に直列に接続されるスイッチング素子Q15,Q16と、スイッチング素子Q15,Q16にそれぞれ逆並列に接続されるダイオードD15,D16とを含む。
なお、スイッチング素子としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)や電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタ等を用いることができる。
そして、U相アーム15の中間点は、モータジェネレータMG1のU相コイルに接続され、V相アーム16の中間点は、モータジェネレータMG1のV相コイルに接続され、W相アーム17の中間点は、モータジェネレータMG1のW相コイルに接続される。そして、各相コイルの他端は、互いに接続されて中性点を形成する。
インバータ14は、制御装置30からの信号PWM1に基づいて、正極線PL2および負極線NLから受ける直流電力を三相交流電力に変換してモータジェネレータMG1へ出力し、モータジェネレータMG1を駆動する。また、インバータ14は、信号PWM1に基づいて、モータジェネレータMG1により発電された三相交流電力を直流電力に変換して正極線PL2および負極線NLへ出力する。
インバータ16は、U相アーム25と、V相アーム26と、W相アーム27とを含む。U相アーム25は、スイッチング素子Q21,Q22と、ダイオードD21,D22とを含む。V相アーム26は、スイッチング素子Q23,Q24と、ダイオードD23,D24とを含む。W相アーム27は、スイッチング素子Q25,Q26と、ダイオードD25,D26とを含む。インバータ16の構成は、インバータ14と同様であるので、説明を繰返さない。
インバータ16は、制御装置30からの信号PWM2に基づいて、正極線PL2および負極線NLから受ける直流電力を三相交流電力に変換してモータジェネレータMG2へ出力し、モータジェネレータMG2を駆動する。また、インバータ16は、信号PWM2に基づいて、モータジェネレータMG2により発電された三相交流電力を直流電力に変換して正極線PL2および負極線NLへ出力する。
蓄電装置Bは、再充電可能な直流電源であり、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池から成る。なお、蓄電装置Bとして、大容量のキャパシタも採用可能である。システムリレーSR1は、蓄電装置Bの正極端子と正極線PL1との間に接続される。システムリレーSR2は、蓄電装置Bの負極端子と負極線NLとの間に接続される。システムリレーSR1,SR2は、制御装置30によってオン/オフされる。
昇圧コンバータ12は、リアクトルLと、スイッチング素子Q1,Q2と、ダイオードD11,D12とを含む。スイッチング素子Q1,Q2は、正極線PL2と負極線NLとの間に直列に接続される。ダイオードD11,D12は、それぞれスイッチング素子Q11,Q12に逆並列に接続される。リアクトルLは、正極線PL1と、スイッチング素子Q1,Q2の接続ノードとの間に接続される。
昇圧コンバータ12は、制御装置30からの信号PWCに基づいて、正極線PL2および負極線NL間の電圧(以下「システム電圧」とも称する。)を蓄電装置Bの出力電圧以上の電圧に昇圧する。システム電圧が目標電圧よりも低い場合、スイッチング素子Q2のオンデューティーを大きくすることにより正極線PL1から正極線PL2へ電流を流すことができ、システム電圧を上昇させることができる。一方、システム電圧が目標電圧よりも高い場合、スイッチング素子Q1のオンデューティーを大きくすることにより正極線PL2から正極線PL1へ電流を流すことができ、システム電圧を低下させることができる。
電圧センサ10は、蓄電装置Bの電圧VBを検出し、その検出値を制御装置30へ出力する。電流センサ11は、蓄電装置Bに対して入出力される電流IBを検出し、その検出値を制御装置30へ出力する。なお、電流センサ11は、蓄電装置Bから出力される電流を正値として検出し、蓄電装置Bへ入力される電流を負値として検出する。電流センサ20は、モータジェネレータMG1に流れるモータ電流MCRT1を検出し、その検出値を制御装置30へ出力する。電流センサ22は、モータジェネレータMG2に流れるモータ電流MCRT2を検出し、その検出値を制御装置30へ出力する。
制御装置30は、図示しないCPU(Central Processing Unit)およびメモリを内蔵した電子制御ユニットにより構成され、当該メモリに記憶されたマップおよびプログラムに基づいて、各センサによる検出値を用いた演算処理を行なうように構成される。あるいは、制御装置30の少なくとも一部は、電子回路等のハードウェアにより所定の数値・論理演算処理を実行するように構成されてもよい。
代表的な機能として、制御装置30は、モータジェネレータMG1のトルク指令値、モータ電流MCRT1およびロータ回転角、ならびにシステム電圧に基づいて、モータジェネレータMG1を駆動するための信号PWM1を生成し、その生成した信号PWM1をインバータ14へ出力する。また、制御装置30は、モータジェネレータMG2のトルク指令値、モータ電流MCRT2およびロータ回転角、ならびにシステム電圧に基づいて、モータジェネレータMG2を駆動するための信号PWM2を生成し、その生成した信号PWM2をインバータ16へ出力する。さらに、制御装置30は、モータジェネレータMG1,MG2の要求パワー、システム電圧、ならびに正極線PL1および負極線NL間の電圧に基づいて、昇圧コンバータ12を駆動するための信号PWCを生成し、その生成した信号PWCを昇圧コンバータ12へ出力する。
また、さらに、制御装置30は、インバータ16のいずれかのアームにおけるオープン故障の発生を検知する。具体的な検知方法としては、たとえば、オープン故障が発生すると三相電流の平均値が零にならずにオフセットが発生するので、制御装置30は、電流センサ22からのモータ電流MCRT2の検出値に基づいて三相電流の平均値を算出し、その平均値がオフセットを有するか否かによってオープン故障の発生を検知することができる。あるいは、オープン故障が発生すると、システム電圧が変動し、昇圧コンバータ12がその変動に応じて動作することにより、昇圧コンバータ12に流れる電流すなわち電流IBが変動するので、制御装置30は、電流センサ11により検出される電流IBの変動に基づいてオープン故障の発生を検知することも可能である。
そして、インバータ16におけるオープン故障の発生が検知されると、制御装置30は、蓄電装置Bの入出力の変動と逆位相のパワー変動をモータジェネレータMG1が発生するようにモータジェネレータMG1を駆動するための信号PWM1を生成する。すなわち、制御装置30は、電流センサ11により検出される電流IBに基づいて、電流IBの変動と逆位相(電流IBの変動を打消す方向)のパワー変動をモータジェネレータMG1が発生するように信号PWM1を生成する。
図2は、インバータ16においてオープン故障が発生したときの蓄電装置Bの電流変動およびモータジェネレータMG1のトルク指令値を示した図である。なお、この図2では、一例として、インバータ16のU相アーム25のスイッチング素子Q21においてオープン故障が発生(図1)した場合の様子が示される。
図2を参照して、横軸は時間を示し、U相電流は、モータジェネレータMG2のU相コイルに流れる電流を示す。なお、U相電流は、U相アーム25からモータジェネレータMG2のU相コイルへ電流が流れるときを正値とし、モータジェネレータMG2のU相コイルからU相アーム25へ電流が流れるときを負値とする。
時刻t1において、インバータ16のスイッチング素子Q21においてオープン故障が発生すると、スイッチング素子Q21により正極線PL2からモータジェネレータMG2のU相コイルへ電流を流せなくなるので、U相電流の波形に歪みが発生する。このU相電流の歪みに応じてシステム電圧も変動し、システム電圧の変動に応じて昇圧コンバータ12が動作することにより電流IBが変動する。そして、時刻t2において、共振により電流IBが大きく変動する。
このような電流IBの変動は、蓄電装置Bに悪影響を与え、蓄電装置Bが壊れる等の二次故障が発生し得るところ、この実施の形態では、時刻t3において、制御装置30によりオープン故障の発生が検知され、蓄電装置Bの入出力変動と逆位相(電流IBの変動を打消す方向)のパワー変動をモータジェネレータMG1が発生するようにモータジェネレータMG1が制御される。たとえば、電流IBが正方向に変動(放電量増大方向または充電量減少方向)すると、制御装置30は、モータジェネレータMG1のトルク指令値を正方向(発電中であれば発電量増大方向、力行動作中であれば電力消費量減少方向)に変化させる。また、電流IBが負方向に変動(放電量減少方向または充電量増大方向)すると、制御装置30は、モータジェネレータMG1のトルク指令値を負方向(発電中であれば発電量減少方向、力行動作中であれば電力消費量増大方向)に変化させる。
このように、蓄電装置Bの入出力の変動と逆位相(電流IBの変動を打消す方向)のパワー変動をモータジェネレータMG1が発生するようにインバータ14を制御することによって、電流IBの変動が抑制される。なお、この図2において、時刻t3以降の点線は、このような制御が行なわれない従来例に相当し、オープン故障の発生に伴ない電流IBが継続的に大きく変動している。
再び図1を参照して、制御装置30は、インバータ16におけるオープン故障の発生が検知されると、上述のように電流IBの変動に応じたトルク変化を発生するようにモータジェネレータMG1を駆動するための信号PWM1を生成し、その生成した信号PWM1をインバータ14へ出力する。そして、制御装置30は、インバータ16においてオープン故障が発生しているけれども、インバータ16を停止することなく、モータジェネレータMG2を通常通りに駆動するための信号PWM2を生成し、その生成した信号PWM2をインバータ16へ出力する。
以上のように、この実施の形態においては、ハイブリッド車両100の駆動力を発生するモータジェネレータMG2を駆動するインバータ16においてスイッチング素子のオープン故障が発生すると、蓄電装置Bの入出力の変動と逆位相のパワー変動をモータジェネレータMG1が発生するようにインバータ14が制御されるので、蓄電装置Bの入出力の過大な変動が回避される。したがって、この実施の形態によれば、インバータ16においてオープン故障が発生しても、蓄電装置Bが壊れるなどの二次故障が発生するのを防止することができる。そして、インバータ16を用いてモータジェネレータMG2を継続して駆動させ、モータジェネレータMG2により継続的に車両を走行させることができる。
なお、上記において、モータジェネレータMG1は、この発明における「第1の交流電動機」に対応し、モータジェネレータMG2は、この発明における「第2の交流電動機」に対応する。また、インバータ14は、この発明における「第1のインバータ」に対応し、インバータ16は、この発明における「第2のインバータ」に対応する。
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
2 駆動輪、3 動力分割装置、4 エンジン、10 電圧センサ、11,20,22 電流センサ、12 昇圧コンバータ、14,16 インバータ、15,25 U相アーム、16,26 V相アーム、17,27 W相アーム、30 制御装置、100 ハイブリッド車両、B 蓄電装置、SR1,SR2 システムリレー、PL1,PL2 正極線、NL 負極線、L リアクトル、Q1,Q2,Q11〜Q16,Q21〜Q26 スイッチング素子、D1,D2,D11〜D16,D21〜D26 ダイオード、MG1,MG2 モータジェネレータ。
Claims (1)
- 発電機として動作可能な第1の交流電動機と、
車両の駆動力を発生する第2の交流電動機と、
前記第1および第2の交流電動機をそれぞれ駆動する第1および第2のインバータと、
前記第1の交流電動機によって発電された電力を蓄え、その蓄えられた電力を前記第2のインバータへ供給する蓄電装置とを備え、
前記第2のインバータは、前記第2の交流電動機の各相にそれぞれ対応する複数のアームを含み、さらに
前記複数のアームのいずれかにおいてスイッチング素子が常時オフ状態となるオープン故障の発生を検知し、前記オープン故障が検知されたとき、前記蓄電装置の入出力の変動と逆位相のパワー変動を前記第1の交流電動機が発生するように前記第1のインバータを制御する制御装置を備える、電動車両。
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Cited By (2)
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JP2012254695A (ja) * | 2011-06-08 | 2012-12-27 | Toyota Motor Corp | 車両の電源装置 |
JP2015116092A (ja) * | 2013-12-13 | 2015-06-22 | トヨタ自動車株式会社 | 電動車両 |
-
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- 2009-05-13 JP JP2009116821A patent/JP2010268574A/ja not_active Withdrawn
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Date | Code | Title | Description |
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A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
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