JP2010272395A - 電動車両のモータ制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】低温環境下においてバッテリを迅速に昇温させることができる電動車両のモータ制御装置を提供する。
【解決手段】高調波発生制御部２５は、バッテリ温度センサ２３で検出したバッテリ温度を入力し、検出したバッテリ温度が設定した温度閾値よりも低いと判定した場合に、高調波発生部２４で発生させた高調波を、モータ制御部１０の電流指令入力部１１に入力される３相交流モータ２の要求駆動力に対応するトルク指令値Ｔｒに重畳させて、前記高調波を、バッテリ８からインバータ９に流れるバッテリ電流に重畳させるよう制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気自動車やハイブリット自動車などの電動車両のモータ制御装置に関する。
電気自動車やハイブリット自動車などの電動車両は、走行駆動源としてモータと、このモータを駆動するインバータと、このインバータに直流電力を供給するバッテリ（２次電池）を備えている。ところで、電動車両に搭載されたバッテリ（２次電池）は、様々な使用環境下に置かれることになる。前記バッテリ（２次電池）は、寒冷地などの低温環境下ではバッテリ自身のバッテリ特性によって入出力電力が著しく低下することにより、電動車両の動力性能が低下する。
このため、寒冷地などの低温環境下でも電動車両に搭載されるバッテリの入出力電力の低下を抑制するために、例えば、特許文献１の発明では、所定温度よりも低い低温領域においては直流電源に入出力するリップル電流を大きくすることで、直流電源の内部抵抗での消費電力を増加させて、バッテリを昇温させるようにしている。
前記特許文献１の発明では、−２０℃よりも低い低温領域においては直流電源の内部抵抗よりも大きい等価直列抵抗を有するコンデンサを、昇圧コンバータの入力側に設けられた平滑コンデンサとして用いる。この平滑コンデンサは、直流電源からの直流電流を平滑化して昇圧コンバータへ供給する。そして、モータ回転数、トルク指令値および直流電源から出力される電圧に基づいて、昇圧コンバータのトランジスタをスイッチング制御するための信号を生成して昇圧コンバータへ出力する。
特開２００６−６０７３号公報
ところで、前記特許文献１の発明では、上記したように低温領域においては昇圧コンバータによってリップル電流を発生させ、直流電源の内部抵抗での消費電力を増加させることで、直流電源を昇温させているが、昇圧コンバータにより発生させたリップル電流によるバッテリの内部抵抗での消費電力は微々たるものである（昇圧コンバータで消費できる電力のみのため）。このため、前記特許文献１の発明では、低温環境下においてバッテリを迅速に昇温させることができない。
そこで、本発明は、低温環境下においてバッテリを迅速に昇温させることができる電動車両のモータ制御装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために本発明に係る電動車両のモータ制御装置は、バッテリと電気的に接続され、スイッチング素子のスイッチング動作により前記バッテリから供給される直流電力を交流電力に変換して、該交流電力を走行駆動源としてのモータに供給する電力変換器と、前記モータの要求駆動力に対応するトルク指令値が入力され、前記トルク指令値に基づいた回転数で前記モータを回転させるように、前記スイッチング素子をスイッチング制御するための電圧指令値信号を前記電力変換器に出力する制御手段と、を備えている。そして、高調波を発生する高調波発生手段と、前記バッテリの温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段で検出したバッテリ温度を入力し、検出したバッテリ温度が設定した温度閾値よりも低いと判定した場合に、前記高調波発生手段で発生させた高調波を、前記制御手段の入力段に入力される前記トルク指令値と出力段から前記電力変換器に出力される前記電圧指令値信号の間の任意の信号経路に重畳させて、前記高調波を、前記バッテリから前記電力変換器に流れるバッテリ電流又はバッテリ電圧に重畳させるよう制御する高調波発生制御手段とを有することを特徴としている。
本発明に係る電動車両のモータ制御装置によれば、バッテリ温度が温度閾値よりも低いときに、高調波発生手段で発生させた高調波を、制御手段の入力段に入力されるトルク指令値と出力段から電力変換器に出力される電圧指令値信号の間の任意の信号経路に重畳させて、高調波を、バッテリから前記電力変換器に流れるバッテリ電流又はバッテリ電圧に重畳させることにより、バッテリに流れるバッテリ電流又はバッテリ電圧にこの高調波が重畳され、リップルを発生させる。そして、発生させたリップルによってバッテリ電流又はバッテリ電圧を振動させて、バッテリの内部抵抗による消費電力を増加させることで、バッテリを迅速にかつ容易に昇温させることができる。
本発明の実施形態１に係るモータ制御装置を備えた電動車両の一例としての電気自動車を示す概略構成図。 本発明の実施形態１に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図。 インバータの電気回路構成を示す概略図。 本発明の実施形態１における、バッテリ温度と高調波の発生の有無の関係を示した図。 高調波をｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に重畳させるようにした実施形態１の変形例におけるモータ制御装置の構成を示すブロック図。 高調波をｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に重畳させるようにした実施形態１の変形例におけるモータ制御装置の構成を示すブロック図。 高調波をＰＷＭ波形信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗに重畳させるようにした実施形態１の変形例におけるモータ制御装置の構成を示すブロック図。 本発明の実施形態２における、バッテリ温度と高調波の発生の有無の関係を示した図。 本発明の実施形態３における、バッテリ温度と高調波の発生の有無の関係を示した図。 本発明の実施形態４に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図。
以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。
〈実施形態１〉
図１は、本発明の実施形態１に係るモータ制御装置を備えた電動車両の一例としての電気自動車を示す概略構成図、図２は、本発明の実施形態１に係るモータ制御装置の構成を示すブロック図である。
図１に示すように、本実施形態における電気自動車１は、走行駆動源としての３相交流モータ２を有しており、３相交流モータ２の駆動力が、クラッチ３、自動変速機（ＡＴ）４、デファレンシャルギア５等を介して駆動輪（例えば、後輪）６ａ、６ｂに伝達されることによって、この駆動輪６ａ、６ｂが駆動される。
３相交流モータ２の駆動は、モータ制御装置７によって制御される。モータ制御装置７は、高圧系のリチウムイオン電池（２次電池）等のバッテリ８と、このバッテリ８から供給される直流電力を３相交流電力に変換し、変換した３相交流電力を３相交流モータ２に供給するインバータ９と、３相交流モータ２を所望の回転数で回転させるためにインバータ９のスイッチング素子２２（図３参照）をスイッチング制御するモータ制御部１０を備えている。
図２に示すように、モータ制御部１０は、電流指令入力部１１、比較器１２，１３、電流制御部１４、２相３相変換部１５、ＰＷＭ波生成部１６、３相２相変換部１７を備えている。
このモータ制御部１０によるモータ制御動作について説明する。
図１に示した電気自動車１の走行時（発進時も含む）において、運転者のアクセルペダル（不図示）の踏込み量および車速に応じたトルク値を３相交流モータ２に発生させるためのトルク指令値Ｔｒが、電流指令入力部１１に入力される。電流指令入力部１１は、入力されたトルク指令値Ｔｒに応じたｄ軸電流指令値Ｉｄ＊とｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を設定する。なお、この回転直交座標をなすｄｑ軸は、例えば、３相交流モータ２のロータ（不図示）の永久磁石による界磁極の磁束方向をｄ軸（界磁軸）とし、このｄ軸と直交する方向をｑ軸（トルク軸）としている。
そして、比較器１２で、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊と後述する検出された実際のｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑとをそれぞれ比較し、その偏差（差分）に対して電流制御部１４で、ｄ軸電流値Ｉｄ、ｑ軸電流値Ｉｑをｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊にそれぞれ一致させるためのｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、例えば比例積分（ＰＩ）演算する。
３相２相変換部１７は、３相交流モータ２のロータの回転角度を検出する回転センサ２１から入力される回転角度θに基づいて、各電流センサ１８、１９、２０でそれぞれ検出した３相交流モータ２の３相交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを変換処理することで、前記ｄ軸電流値Ｉｄとｑ軸電流値Ｉｑを生成する。
そして、２相３相変換部１５は、回転センサ２１から入力される回転角度θに基づいて、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を、３相交流座標上でのＵ相交流電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相交流電圧指令値Ｖｖ、Ｗ相交流電圧指令値Ｖｗに変換する。
そして、ＰＷＭ波生成部１６は、変換された前記Ｕ相交流電圧指令値Ｖｕ、Ｖ相交流電圧指令値Ｖｖ、Ｗ相交流電圧指令値Ｖｗに基づいて、インバータ９のスイッチング素子２２（図３参照）をスイッチング制御するためのＰＷＭ波形信号（電圧指令値信号）Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗを生成する。
図３に示すように、インバータ９は、モータ制御部１０のＰＷＭ波生成部１６から入力されるＰＷＭ波形信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗに基づいてスイッチング制御される複数のＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチング素子２２を有している。インバータ９は、ＰＷＭ波生成部１６から入力されるＰＷＭ波形信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗによりスイッチング素子２２をスイッチング制御し、バッテリ８から供給される直流電力を３相交流電力に変換して、３相交流モータ２の各相に供給する。
このように、モータ制御部１０の通常時の制御動作により、３相交流モータ２は、前記トルク指令値Ｔｒ（運転者のアクセルペダル（不図示）の踏込み量および車速に応じたトルク値）に対応するように駆動される。
なお、前記電気自動車１の回生制動モード時には、３相交流モータ２が発電した交流電力はインバータ９で直流電力に変換されてバッテリ８に供給され、直流電力が充電される。
ところで、バッテリ８は、寒冷地などの低温環境下ではバッテリ自身のバッテリ特性によって入出力電力が著しく低下することにより、このバッテリ８を搭載している電気自動車（電動車両）１の動力性能が低下する。このため、寒冷地などの低温環境下で電気自動車（電動車両）１を使用する場合において、搭載しているバッテリ８の温度が所定温度よりも低いときは、バッテリ８を迅速に昇温させて、バッテリ８の入出力電力の低下を抑制する必要がある。
そのため、本実施形態のモータ制御装置７は、バッテリ８の温度（以下、「バッテリ温度」という）を検出するバッテリ温度センサ２３と、高調波を発生する高調波発生部２４と、高調波発生部２４の高調波発生を制御する高調波発生制御部２５を更に備えている。高調波発生制御部２５は、バッテリ温度センサ２３で検出したバッテリ温度が予め設定した温度閾値よりも低いと判定した場合に、前記トルク指令値Ｔｒに高調波を重畳するように高調波発生部２４を制御する。
次に、低温時におけるバッテリ８の昇温制御動作について説明する。
上記したモータ制御部１０によるモータ制御動作時において、バッテリ温度センサ２３で検出したバッテリ温度情報は高調波発生制御部２５に入力されている。そして、高調波発生制御部２５は、入力されるバッテリ温度情報から前記電気自動車１に搭載されているバッテリ８のバッテリ温度が、温度閾値（例えば、−２０℃）よりも低い温度であると判定した場合、高調波発生部２４に制御信号を出力して高調波を発生させる。
図４に示すように、バッテリ温度が温度閾値（例えば、−２０℃）ａよりも低い低温環境下にあるときは、高調波発生部２４で高調波を発生させ、バッテリ温度が温度閾値ａよりも高くなると高調波の発生を停止する。
そして、高調波発生部２４で発生させた高調波を前記トルク指令値Ｔｒに重畳させる。トルク指令値Ｔｒに重畳された高調波は、モータ制御部（電流指令入力部１１、比較器１２、１３、電流制御部１４、２相３相変換部１５、ＰＷＭ波生成部１６）１０を介してインバータ９に入力される。
インバータ９には、バッテリ８及び３相交流モータ２が電気的に接続されている。これにより、インバータ９に入力された高調波は、バッテリ８に流れる電流（以下、「バッテリ電流」という）に重畳され、リップルが発生する。バッテリ電流にリップルを発生させるにより、バッテリ８の内部抵抗による消費電力の増加によって発熱が生じ、バッテリ８が昇温する。
このように、バッテリ温度が温度閾値（例えば、−２０℃）ａよりも低いときに、モータ制御部１０の電流指令入力部１１に入力されるトルク指令値Ｔｒに高調波を重畳することにより、バッテリ８に流れるバッテリ電流にこの高調波が重畳され、リップルを発生させる。発生させたリップルによってバッテリ電流を振動させて、バッテリ８の内部抵抗による消費電力を増加させることで、バッテリ８を迅速にかつ容易に昇温させることができる。
なお、この低温時におけるバッテリ８の昇温制御は、このバッテリ８を搭載している電気自動車（電動車両）１が走行時（発進時も含む）以外にも、回生制動モード時及び一時停止状態の場合においても行われる。
また、前記した低温時におけるバッテリ８の昇温制御では、高調波をトルク指令値Ｔｒに重畳させる構成であったが、この構成以外にも、図５に示すように、高調波を電流指令入力部１１から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に重畳させるようしてもよく、また、図６に示すように、高調波を電流制御部１４から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄ＊、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＊に重畳させるようにしてもよく、更に、図７に示すように、高調波をＰＷＭ波生成部１６からインバータ９に出力されるＰＷＭ波形信号Ｐｕ、Ｐｖ、Ｐｗに重畳させるようにしてもよい。
〈実施形態２〉
本実施形態では、図８に示すように、バッテリ温度が温度閾値（例えば、−２０℃）ａよりも低いほど振幅の大きな高調波をバッテリ電流に重畳させ、この状況からバッテリ温度が温度閾値ａに近づくにつれて高調波の振幅を段階的に小さくするようにした。バッテリ温度が温度閾値ａよりも高くなると高調波の発生を停止する。なお、高調波の周期は一定である。他の構成は前記実施形態１と同様である。
このように、本実施形態の低温時におけるバッテリ８の昇温制御では、バッテリ温度が温度閾値ａよりも低いほど高調波の振幅を大きくしてバッテリ８の内部抵抗による消費電力を増加させることで、バッテリ温度が温度閾値ａよりも低い場合でもバッテリ８を迅速にかつ容易に昇温させることが可能となる。
〈実施形態３〉
本実施形態では、図９に示すように、バッテリ温度が温度閾値（例えば、−２０℃）ａよりも低いほど周期の短い高調波をバッテリ電流に重畳させ、この状況からバッテリ温度が温度閾値ａに近づくにつれて高調波の周期を段階的に長くするようにした。バッテリ温度が温度閾値ａよりも高くなると高調波の発生を停止する。なお、高調波の振幅は一定である。他の構成は前記実施形態１と同様である。
このように、本実施形態の低温時におけるバッテリ８の昇温制御では、バッテリ温度が温度閾値ａよりも低いほど高調波の周期を短くしてバッテリ８の内部抵抗による消費電力を増加させることで、バッテリ温度が温度閾値ａよりも低い場合でもバッテリ８を迅速にかつ容易に昇温させることが可能となる。
〈実施形態４〉
実施形態１で述べたように、バッテリ温度が温度閾値よりも低いときに、高調波をバッテリ電流に重畳してバッテリを昇温させるように制御するが、本実施形態では、バッテリ８を搭載している前記電気自動車（電動車両）１の走行状況に応じて、一時的に高調波をバッテリ電流に重畳するのを停止するか、或いは重畳させる高調波の振幅を小さく（又は周期を短く）するようにした。
例えば、坂道を低速で上がるときなどでは、３相交流モータ２の回転数が低速で、かつ３相交流モータ２に対する要求トルク指令値が大きいので、インバータ９のスイッチング制御によって３相交流モータ２に流れる電流（以下、「モータ電流」という）が大きくなる。このような走行状況で、モータ電流に前記高調波が重畳されると過電流が流れる不具合が生じることがある。
このため、３相交流モータ２の回転数が低速で、かつ３相交流モータ２に対する要求トルク指令値が大きい走行状況時には、バッテリ温度が温度閾値よりも低いときでも、この走行状況が解消されるまで、一時的に高調波の発生を停止して高調波をバッテリ電流に重畳するのを停止する。或いは、重畳させる高調波の振幅を小さく（又は周期を短く）する。
また、例えば、低μ路を走行時に車輪にスリップが発生した場合、走行時に急減速（急停止も含む）した場合、走行時に急加速した場合、悪路走行時に車輪速の加速度の絶対値が閾値を越えた場合などのような過度的変化が生じた走行状況時には、３相交流モータ２に対する要求トルク指令値が急激に変化する。このような走行状況で、モータ電流に前記高調波が重畳されると過電流が流れる不具合が生じることがある。
このため、このような過度的変化が生じた走行状況時には、バッテリ温度が温度閾値よりも低いときでも、このような過度的変化が生じた走行状況が解消されるまで、一時的に高調波の発生を停止して高調波をバッテリ電流に重畳するのを停止する。或いは、重畳させる高調波の振幅を小さく（又は周期を短く）する。
このように、バッテリ温度が温度閾値よりも低いときでも、モータ電流に前記高調波が重畳されると過電流が流れる不具合が生じるような走行状況時には、一時的に高調波をバッテリ電流に重畳するのを停止するか、或いは重畳させる高調波の振幅を小さく（又は周期を短く）することにより、モータ電流に過電流が流れることを防止することができる。
〈実施形態５〉
本実施形態のモータ制御装置７ａは、図１０に示すように、バッテリ８とインバータ９の間にバッテリ電圧を昇圧する昇圧コンバータ２６を備えている。他の構成は、図２に示した実施形態１のモータ制御装置と同様であり、重複する説明は省略する。
本実施形態のように、バッテリ電圧を所定の昇圧電圧目標値まで昇圧する昇圧コンバータ２６を備えている場合では、実施形態１のようにバッテリ温度が温度閾値よりも低いときに、高調波を前記トルク指令値Ｔｒに重畳させることで、バッテリ電流にこの高調波を重畳させると、昇圧コンバータ２６で前記昇圧電圧目標値まで昇圧されるバッテリ電圧にも電圧リップルが重畳され、過電圧になる可能性がある。
このため、実施形態１のようにバッテリ温度が温度閾値よりも低いときに、高調波を前記トルク指令値Ｔｒに重畳させる場合には、制御部（不図示）から昇圧コンバータ２６に制御信号を出力して、前記昇圧電圧目標値を下げるように制御する。
このように、昇圧コンバータ２６でバッテリ電圧を昇圧する際の昇圧電圧目標値を下げることで、バッテリ電流に高調波が重畳された場合でも、昇圧されたバッテリ電圧が過電圧になることを防止することができる。
また、本実施形態のように、バッテリ電圧を所定の昇圧電圧目標値まで昇圧する昇圧コンバータ２６を備えている構成のモータ制御装置７ａでは、実施形態１のようにバッテリ温度が温度閾値よりも低いときに、高調波を前記トルク指令値Ｔｒに重畳させる場合に、昇圧コンバータ２６による昇圧動作を停止して、昇圧されていないバッテリ電圧をインバータ９に出力するようにしてもよい。
これにより、バッテリ電流に高調波が重畳された場合でも、バッテリ電圧が昇圧されていないので、バッテリ電圧が過電圧になることを防止することができる。
なお、前記した各実施形態では、電動車両として電気自動車の例を示したが、走行駆動源としてモータとエンジンを備えているハイブリット車両においても、同様に本発明を適用することができる。
１ 電気自動車（電動車両）
２ ３相交流モータ（モータ）
７、７ａ モータ制御装置
８ バッテリ
９ インバータ（電力変換器）
１０ モータ制御部（制御手段）
１１ 電流指令入力部
１２、１３ 比較器
１４ 電流制御部
１５ ２相３相変換部
１６ ＰＷＭ波生成部
１７ ３相２相変換部
２２ スイッチング素子
２３ バッテリ温度センサ（温度検出手段）
２４ 高調波発生部（高調波発生手段）
２５ 高調波発生制御部（高調波発生制御手段）
２６ 昇圧コンバータ

Claims (5)

  1. バッテリと電気的に接続され、スイッチング素子のスイッチング動作により前記バッテリから供給される直流電力を交流電力に変換して、該交流電力を走行駆動源としてのモータに供給する電力変換器と、
    前記モータの要求駆動力に対応するトルク指令値が入力され、前記トルク指令値に基づいた回転数で前記モータを回転させるように、前記スイッチング素子をスイッチング制御するための電圧指令値信号を前記電力変換器に出力する制御手段と、を備えた電動車両のモータ制御装置において、
    高調波を発生する高調波発生手段と、
    前記バッテリの温度を検出する温度検出手段と、
    前記温度検出手段で検出したバッテリ温度を入力し、検出したバッテリ温度が設定した温度閾値よりも低いと判定した場合に、前記高調波発生手段で発生させた高調波を、前記制御手段の入力段に入力される前記トルク指令値と出力段から前記電力変換器に出力される前記電圧指令値信号の間の任意の信号経路に重畳させて、前記高調波を、前記バッテリから前記電力変換器に流れるバッテリ電流又はバッテリ電圧に重畳させるよう制御する高調波発生制御手段とを有することを特徴とする電動車両のモータ制御装置。
  2. 前記高調波発生制御手段は、前記バッテリ温度が温度閾値よりも低いほど振幅の大きな高調波をバッテリ電流に重畳させ、この状況からバッテリ温度が温度閾値に近づくにつれて高調波の振幅を小さくするように制御することを特徴とする請求項１に記載の電動車両のモータ制御装置。
  3. 前記高調波発生制御手段は、前記バッテリ温度が温度閾値よりも低いほど周期の短い高調波をバッテリ電流に重畳させ、この状況からバッテリ温度が温度閾値に近づくにつれて高調波の周期を長くするように制御することを特徴とする請求項１に記載の電動車両のモータ制御装置。
  4. 前記高調波発生制御手段は、前記モータの回転数が低速でかつ前記モータに対する前記トルク指令値が大きいとき、及び過度的変化が生じた電動車両の走行状況時には、前記バッテリ温度が温度閾値よりも低いときでも、前記高調波の発生を停止させる、或いは前記高調波の振幅を小さく又は周期を短くするように制御することを特徴とする請求項１に記載の電動車両のモータ制御装置。
  5. 前記バッテリと電力変換器の間にバッテリ電圧を昇圧する昇圧コンバータを備え、
    前記バッテリ温度が温度閾値よりも低いときは、前記昇圧コンバータでバッテリ電圧を昇圧する際の昇圧電圧目標値を下げる、又は前記昇圧コンバータによる昇圧動作を停止させることを特徴とする請求項１に記載の電動車両のモータ制御装置。
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