JP2011211839A - 電動車両の駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータに接続されたインバータのスイッチング素子のオープン故障をより正確に検出できるようにする。
【解決手段】ハイブリッド車両の駆動装置は、モータ、インバータ、および制御装置を備える。制御装置は、モータが矩形波制御の動作点で駆動されているときにモータ動作点を過変調制御が適用される領域に変更する動作点変更処理部（Ｓ１０〜Ｓ１６）と、動作点変更処理部により動作点が変更されてモータが過変調制御されているときにモータに流れる電流に基づいて導出されるｑ軸電流Ｉｑが動作点変更閾値Ｉｑｔｈを超えた回数をカウントし、このカウント値が所定時間内に所定回数以上であるときにスイッチング素子にオープン故障が発生していると判定するオープン故障判定部（Ｓ１８）と、を含む。
【選択図】図４

Description

本発明は、電動車両の駆動装置に関し、特に、インバータに接続されるモータを搭載した電動車両の駆動装置に関する。

従来、走行用動力源として内燃機関であるエンジンとモータとを搭載したハイブリッド車両が知られている。このモータにはその駆動用としてインバータが接続されることがある。インバータは、複数のスイッチング素子とダイオードとを組み合わせた回路で、上アームスイッチング素子と上アームダイオードを並列接続したものを上アーム素子とし、下アームスイッチング素子と下アームダイオードを並列接続したものを下アーム素子としてこれらを直列接続したものを１つの相の単位として、複数相並列に接続して構成される。例えば、３相交流モータには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応して、それぞれ上アーム素子と下アーム素子とを直列接続された各相用アームが３相分並列接続されたインバータが用いられる。

このように、各相ごとに２つのスイッチング素子を用いるので、３相回転電機に接続されるインバータには、６つのスイッチング素子が含まれる。これらの各スイッチング素子のうち１つの動作に不具合が生じると、そのスイッチング素子が含まれる相の交流電流波形のプラス側あるいはマイナス側が欠けたものとなり、いわゆるオープン故障となる。スイッチング素子がオープン故障するとモータ動作が正常でなくなるので、オープン故障の検出を正確に行うことが必要となる。

例えば、特開２００８−９２６９０号公報（特許文献１）には、インバータのスイッチング素子のオープン故障を検知できるモータ制御システムとして、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑを見ると、正常状態ではＩｄ＝０でＩｑは指令値の一定値になるが、オープン故障時には、Ｉｄの絶対値は０を中心に歪んだ波形となり、Ｉｑの絶対値はＩｑ指令値を中心に歪んだ波形となり、その比は０ではなく或る値をとることになると記載されている。そして、Ｉｄ絶対値が或る閾値を超えてＩｄ絶対値とＩｑ絶対値との比が所定範囲にあるときにオープン故障を検知できると記載されている。

特開２００８−９２６９０号公報

上記のように、従来技術においては、インバータが接続されるモータにおいて、モータの各相に流れる電流に関する評価に基づいてオープン故障の判定を行なっている。すなわち、各相に流れる電流に関する評価としては、周知のように各相電流の総和がゼロから乖離するオフセット電流を用いる方法の他に、特許文献１に記載されているＩｄ電流の絶対値とＩｑ電流の絶対値を用いる方法がある。

特許文献１に記載されるように、Ｉｄ電流についての評価基準となる閾値、および、Ｉｄ絶対値とＩｑ絶対値との比についての評価基準となる閾値範囲をそれぞれ設定して、得られる評価値との比較によってオープン故障か否かを判断することができる。このように閾値を用いる方法では、もともとの電流値が小さいと、閾値との差も小さくなり、オープン故障判定を正確に行うのが難しくなることがある。

本発明の目的は、インバータを構成するスイッチング素子のオープン故障判定をより正確に行うことが可能な電動車両の駆動装置を提供することにある。

本発明に係る電動車両の駆動装置は、蓄電装置から供給される直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータと、インバータの出力電圧により駆動されるモータと、インバータに含まれるスイッチング素子を作動制御して過変調制御を含む複数の制御モードを切り替えて前記モータを駆動制御する制御装置とを備える電動車両の駆動装置であって、前記制御装置は、前記モータが矩形波制御またはＰＷＭ制御が適用される動作点で駆動されているときに前記モータの動作点を前記過変調制御が適用される領域に変更する動作点変更処理部と、前記動作点変更処理部により動作点が変更されて前記モータが過変調制御されているときに前記モータに流れる電流に基づいて導出されるｑ軸電流が動作点変更閾値を超えた回数をカウントし、このカウント値が所定時間内に所定回数以上であるときに前記スイッチング素子にオープン故障が発生していると判定するオープン故障判定部と、を含む。

本発明に係る電動車両の駆動装置において、前記電動車両は走行用動力源として内燃機関を搭載したハイブリッド車両であり、前記モータは動力分配機構を介して前記内燃機関の出力軸に連結されており、前記制御装置は前記内燃機関の作動を制御することが可能であり、前記動作点変更処理部は、前記モータが矩形波制御またはＰＷＭ制御が適用される動作点で駆動されているときに前記内燃機関の回転数を変更することにより前記動力分配機構を介して前記モータの回転数を前記過変調制御が適用される領域の動作点のものに変更するものとしてもよい。

また、本発明に係る電動車両の駆動装置において、前記電動車両は前記モータの出力が複数段に変速可能な変速機を介して車軸に出力されるように構成され、前記制御装置は前記変速機の変速段を選択制御可能であり、前記動作点変更処理部は、前記モータが矩形波制御またはＰＷＭ制御が適用される動作点で駆動されているときに前記変速機の変速段を変更することにより車速を実質的に変更することなく前記モータの回転数を前記過変調制御が適用される領域の動作点のものに変更するものとしてもよい。

また、本発明に係る電動車両の駆動装置において、前記電動車両は前記蓄電装置からの直流電圧を昇圧して前記インバータへ出力することができる電力変換装置を備えており、前記制御装置は前記電圧変換装置の作動を制御することにより昇圧電圧を設定することが可能であり、前記動作点変更処理部は、前記モータが矩形波制御またはＰＷＭ制御が適用される動作点で駆動されているときに前記電圧変換装置による昇圧電圧を変更することにより前記モータの動作点を前記過変調制御が適用される領域の動作点に変更するものとしてもよい。

また、本発明に係る電動車両の駆動装置において、前記制御装置は、前記オープン故障判定部によりｑ軸電流が動作点変更閾値を超えたと判定されたときに、前記モータの制御モードを過変調制御からＰＷＭ制御へ一時的に切り替える制御を実行するものとしてもよい。

また、本発明に係る電動車両の駆動装置において、前記動作点変更処理部は、前記モータが、前記スイッチング素子のオープン故障を検出可能なモータ回転数範囲よりも高回転領域で矩形波制御されているとき、または、前記モータ回転数範囲よりも低回転領域でＰＷＭ制御されているときに、モータ動作点を過変調制御領域の動作点に変更する処理を実行するものとしてもよい。

さらに、本発明に係る電動車両の駆動装置において、前記動作点変更処理部は、前記オープン故障判定部により、ｑ軸電流が動作点変更閾値を超えた回数のカウント値が所定時間内に所定回数未満であって前記スイッチング素子にオープン故障が発生していないと判定されるとき、前記所定時間経過後に前記モータの動作点を変更前の動作点に戻す処理を実行してもよい。

本発明に係る電動車両の駆動装置によれば、モータ動作点を過変調制御領域に変更した上で、ｑ軸電流を動作点変更閾値と比較してインバータのスイッチング素子のオープン故障を判定する。このような過変調制御では、他の制御モードであるＰＷＭ制御および矩形波制御と比較するとオープン故障によるモータの各相電流の乱れがより大きく現れる。したがって、電流の乱れが大きくなる過変調制御へとモータ動作点を変更した上でｑ軸電流の評価を行うことにより、インバータのスイッチング素子のオープン故障をより正確に行うことができる。その結果、オープン故障したままモータ駆動が継続されたときに永久磁石が消磁してトルクを出力できなくなるという二次故障を防止することができる。

本発明の一実施の形態である電動車両の駆動装置を搭載したハイブリッド車両の概略構成図である。 図１に示す駆動装置に含まれるコンバータおよびインバータの回路構成を示す図である。 モータの制御モードを規定するマップを示す図である。 制御装置により実行される動作点変更およびオープン故障判定の処理手順を示すフローチャートである。 モータの動作点を矩形波制御領域から過変調制御領域へ変更する様子を図３と同様のマップ上で示す図である。 制御装置により実行される動作点変更処理を示すタイミングチャートである。 制御装置により実行されるオープン故障判定処理を示すタイミングチャートである。 制御装置により実行される動作点変更処理の別の例を示すフローチャートである。 図８の動作点変更の処理を示すタイミングチャートである。 制御装置により実行される動作点変更処理のさらに別の例を示すフローチャートである。 図１０の動作点変更処理をマップで示す図である。

以下に、本発明に係る実施の形態（以下、実施形態という）について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。

図１は、本発明の一実施形態である電動車両の駆動装置を搭載したハイブリッド車両１の概略構成を示す。図１中、動力伝達系は丸棒状の軸要素として図示され、電力系は実線で図示され、信号系は破線で図示されている。また、図２は、本実施形態の駆動装置を構成するコンバータ３５およびインバータ３６，３８の回路構成等を示す。なお、下記においては２モータ式のハイブリッド自動車を例に説明するが、本発明は１モータ式のハイブリッド自動車に適用されてもよいし、あるいは、本発明の態様によってはモータのみを走行用動力源として有する電気自動車に適用されてもよい。

図１に示すように、ハイブリッド車両１は、走行用動力源としてのエンジン１２と、別の走行用動力源であるモータ（ＭＧ２）１４と、エンジン１２の出力軸１８が連結される動力分配機構２０を介して回転軸２２が接続されるモータ（ＭＧ１）２４と、各モータ１４，２４に駆動電力を供給可能なバッテリ（蓄電装置）１６と、上記エンジン１２およびモータ１４，２４の作動を統括的に制御するとともに、バッテリ１６の充放電を制御する制御装置（ＥＣＵ（Electronic Control Unit））１０とを備える。

エンジン１２は、ガソリンや軽油等を燃料とする内燃機関であり、制御装置１０からの指令に基づいてクラッキング、スロットル開度、燃料噴射量、点火タイミング等が制御されて、エンジン１２の始動、運転、停止等が制御される。

エンジン１２から動力分配機構２０へと延伸する出力軸１８の近傍にはエンジン回転数Ｎｅを検出するエンジン回転数センサ２８が設けられている。また、エンジン１２には、エンジン冷却媒体である冷却水の温度Ｔｗを検出する温度センサ１３が設けられている。回転数センサ２８および温度センサ１３による各検出値は、制御装置１０に送信される。

動力分配機構２０は、例えば遊星歯車機構によって好適に構成されることができる。エンジン１２から出力軸１８を介して動力分配機構２０に入力された動力は、変速機３０および車軸３２を介して駆動輪３４に伝達されて、車両１がエンジン動力によって走行することができる。

変速機３０は、エンジン１２およびモータ１４の少なくとも一方から入力される回転を減速して車軸３２に出力することができ、制御装置１０からの指令に応じて複数の変速段の間で切り替え可能である。変速機３０に用いられる変速機構は、如何なる公知構成のものが用いられてもよく、また、階段状の変速ではなく滑らかに連続して変速する無段階変速機構が用いられてもよい。

上記動力分配機構２０は、出力軸１８を介して入力されるエンジン１２の動力の一部または全部を、回転軸２２を介してモータ（ＭＧ１）２４に入力することができる。このとき、例えば三相同期型交流モータによって好適に構成されるモータ２４は発電機として機能し、発電された三相交流電圧がインバータ３６によって直流電圧に変換された後バッテリ１６に充電されるか、または、モータ（ＭＧ２）１４の駆動電圧として用いられる。

また、モータ（ＭＧ１）２４は、バッテリ１６からコンバータ（電圧変換装置）３５およびインバータ３６を介して供給された電力により回転駆動される電動機としても機能することができ、モータ（ＭＧ１）２４が回転駆動されて回転軸２２に出力される動力は動力分配機構２０および出力軸１８を介してエンジン１２に入力されてクランキングを行う。さらに、モータ２４をバッテリ１６から供給される電力により回転駆動して、その動力を動力分配機構２０および変速機３０を介して車軸３２に出力することにより走行用動力として用いることも可能である。

主として電動機として機能するモータ（ＭＧ２）１４は、例えば三相同期型交流モータによって好適に構成されることができ、バッテリ１６から供給される直流電圧が、必要に応じてコンバータ３５で昇圧され、その後インバータ３８で三相交流電圧に変換されて駆動電圧として印加されることにより回転駆動される。モータ（ＭＧ２）１４が駆動されて回転軸１５に出力される動力は、変速機３０および車軸３２を介して駆動輪３４に伝達され、これによりエンジン１２が停止した状態でいわゆるＥＶ走行が行われる。また、モータ（ＭＧ２）１４は、運転者のアクセル操作により急加速要求があった場合等に、走行用動力を出力してエンジン出力をアシストする機能も有する。

さらに、モータ（ＭＧ２）１４は、車両の回生制動時に発電機として機能することができ、駆動輪３４から変速機３０および回転軸１５を介して入力される動力によって交流電力を発電する。モータ１４で発電されて出力される三相交流電圧は、インバータ３８によって直流電圧に変換された後、バッテリ１６に充電されることができる。

バッテリ１６としては、例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の充放電可能な二次電池、または、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置を好適に用いることができる。バッテリ１６には、バッテリ電圧Ｖｂを検出する電圧センサ４０と、バッテリ１６に出入りするバッテリ電流Ｉｂを検出する電流センサ４２と、バッテリ温度Ｔｂを検出する温度センサ４４とが設けられている。各センサ４０，４２，４４による検出値は、制御装置１０に入力されてバッテリ１６の充電状態（ＳＯＣ）を制御するために用いられる。

図２に示すように、バッテリ１６の正極および負極の各端子には正極母線５０と負極母線５２がそれぞれ接続されている。正極母線５０および負極母線５２には、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２が設けられている。システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２は、モータ１４，２４の運転停止等のときに高圧の電源系をモータ１４，２４等から切り離すことができるようにするための遮断と接続の切替が可能なリレーである。システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２は、制御装置１０から送信される制御信号Ｓ１，Ｓ２に応じて、その遮断と接続が制御される。

バッテリ１６からコンバータ３５へは、電圧および電流の変動を抑制し平滑化する平滑コンデンサ５４を介して電力が供給される。コンバータ３５は、リアクトルと、それぞれダイオードが逆並列接続された２つのスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）を含んで構成される。コンバータ３５は、バッテリ１６側の直流電圧をリアクトルのエネルギ蓄積作用を利用して昇圧する機能を有する回路である。なお、コンバータ３５は双方向機能を有し、インバータ３６，３８側からの電力をバッテリ１６側に充電電力として供給するときには、インバータ３６，３８側の高圧をバッテリ１６の充電に適した電圧に降圧する機能も有する。

コンバータ３５は、制御装置１０から送信される制御信号Ｓ３，Ｓ４に応じて各スイッチング素子がオンオフ制御されることによりバッテリ電圧Ｖｂを所望の電圧値へ昇圧することができる。これにより、モータ１４，２４の動作状況に応じて、インバータ３８，３６に最適な電圧を供給することができる。インバータ３６，３８の正極母線５０と負極母線５２との間の電圧はシステム電圧ＶＨと呼ばれることがあるが、その意味で、コンバータ３５は、モータ１４，２４の動作状況に合わせてシステム電圧ＶＨを変更する機能を有することになる。例えば、高トルク高回転でモータ１４，２４を運転するときには、システム電圧ＶＨを高くするように昇圧し、省エネルギ運転をする場合にはシステム電圧ＶＨを低くするように設定する。ここでシステム電圧ＶＨは、コンバータ３５の不作動によりバッテリ電圧Ｖｂがそのままインバータ３６，３８側に供給されるときが最小値となり、一方、コンバータ３５の性能上の制約等から昇圧上限値であるシステム電圧最大値ＶＨｍａｘが存在する。

コンバータ３５の出力電圧は、電圧および電流の変動を抑制し平滑化する平滑コンデンサ５６を介してインバータ３６，３８へ供給される。平滑コンデンサ５６の端子間電圧すなわちシステム電圧ＶＨが電圧センサ５７により検出されて制御装置１０へ入力される。制御装置１０は、検出されたシステム電圧ＶＨとシステム電圧指令値ＶＨ＊との比較に基づいてコンバータ３５をフィードバック制御する。これにより、コンバータ３５による昇圧電圧を迅速且つ正確にシステム電圧指令値ＶＨ＊に合致させることができる。

上記平滑コンデンサ５６が線間に接続された正極母線５０および負極母線５２には、ＭＧ１用インバータ３６とＭＧ２用インバータ３８とが並列接続されている。各インバータ３６，３８は、交流電力と直流電力との間の電力変換を行う回路である。

そして、モータ（ＭＧ１）２４を発電機として機能させるとき、インバータ３６は、モータ（ＭＧ１）２４で発電された交流３相回生電力を直流電力に変換し、バッテリ１６側に充電電流として供給する交直変換機能を有する。また、モータ（ＭＧ２）１４に接続されるインバータ３８は、車両１が力行のとき、バッテリ１６側からの直流電力を交流３相駆動電力に変換し、モータ（ＭＧ２）１４に駆動電力として供給する直交変換機能と、車両１が制動のときにはモータ（ＭＧ２）１４からの交流３相回生電力を直流電力に変換し、バッテリ１６側に充電電流として供給する交直変換機能とを有する。

このようなインバータ３６，３８は、複数のスイッチング素子（例えばＩＧＢＴ）と複数のダイオードとを組み合わせた回路で、上アームスイッチング素子に上アームダイオードを逆並列接続したものを上アーム素子とし、下アームスイッチング素子に下アームダイオードを逆並列接続したものを下アーム素子としてこれらを直列接続したものを１つの相の単位として、複数相並列に接続して構成される。例えば、３相交流モータには、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に対応して、それぞれ上アーム素子と下アーム素子とを直列接続した各相アームが３相分並列接続されたインバータが用いられる。インバータ３６，３８にそれぞれ含まれる６つのスイッチング素子は、制御装置１０から送信される制御信号Ｓ５〜Ｓ１０、および、Ｓ１１〜Ｓ１６に応じてオンオフ制御され、これにより上述した直交変換機能おび交直変換機能を奏することができる。

例えば、Ｕ相アームの上スイッチング素子と下スイッチング素子との接続点から引き出された配線がモータ１４，２４のＵ相コイルに接続される。同様に、Ｖ相アームの上スイッチング素子と下スイッチング素子との接続点から引き出された配線がモータ１４，２４のＶ相コイルに接続され、Ｗ相アームの上スイッチング素子と下スイッチング素子との接続点から引き出された配線がモータ１４，２４のＷ相コイルに接続される。図２の例では、モータ１４，２４において、各相コイルは中性点で共通接続されているので、インバータ３８，３６の各相アームから引き出された配線は、各相コイルの中性点でない方の端子にそれぞれ接続されることになる。

このようにして、インバータ３６，３８のそれぞれの各相アームからモータ２４，１４の各相コイルに配線が行なわれる。そして、この配線を通して、モータ駆動時にはインバータ３６，３８から駆動電流がモータ２４，１４に供給され、回生時にはモータ１４，２４から発電電流がインバータ３８，３６に供給される。このようにモータ１４，２４の各相コイルに流れる電流は、インバータ３８，３６とモータ１４，２４とを接続する各配線を通る。

インバータ３６とモータ２４とを接続する３つの各配線のうちＶ相およびＷ相に対応する配線を流れる電流Ｉｖ、Ｉｗは、モータ２４のＵ相およびＷ相コイルを流れる電流として、適当な電流検出センサ５８を用いてそれぞれ検出され、制御装置１０に送信される。残るＵ相電流Ｉｕは、制御装置１０において、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０の関係からＩｖおよびＩｗの各検出値より算出される。同様に、インバータ３８とモータ１４とを接続する３つの各配線のうちＶ相およびＷ相に対応する配線を流れる電流Ｉｖ、Ｉｗは、モータ１４のＵ相およびＷ相コイルに流れる電流として、適当な電流検出センサ５８を用いて検出され、制御装置１０に送信される。この場合も同様に、制御装置１０において、残るＵ相電流Ｉｕが算出される。

また、モータ１４，２４には、例えばレゾルバ等からなる回転角センサ６０がそれぞれ設置されている。各回転角センサ６０によって検出されるモータ１４，２４のロータ回転角θ１，θ２は制御装置１０に送信され、モータ回転数の算出やモータ電流指令値の生成等に用いられる。

制御装置１０は、各種の制御プログラムを実行するＣＰＵ、制御プログラムや制御用マップ等を予め記憶するＲＯＭ、このＲＯＭから読み出された制御プログラムや各センサによる検出値などを一時的に記憶するＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータにより好適に構成される。制御装置１０は、図１および２に示すように、エンジン回転数Ｎｅ、バッテリ電流Ｉｂ、バッテリ電圧Ｖｂ、バッテリ温度Ｔｂ、アクセル開度信号Ａｃｃ、車速Ｓｖ、エンジン冷却水の水温Ｔｗ、システム電圧ＶＨ、モータ電流Ｉｕ，Ｉｗ、ロータ回転角θ１，θ２等が入力される入力ポート、ならびに、エンジン１２、システムメインリレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２、コンバータ３５およびインバータ３６，３８等の運転または作動を制御する制御信号を出力する出力ポートを含む入出力インターフェースを有する。

また、制御装置１０は、動作点変更処理部６２と、オープン故障判定部６４とを含む。具体的には、動作点変更処理部６２およびオープン故障判定部６４は、ＣＰＵにおいて実行される制御プログラムによって機能するものであるが、その詳細については後述する。

なお、本実施形態では、１つの制御装置１０でエンジン１２、モータ１４，２４、コンバータ３５、インバータ３６，３８、バッテリ１６等の作動制御や状態監視を行うものとして説明するが、例えば、エンジン１２の運転状態を制御するエンジンＥＣＵ、コンバータ３５およびインバータ３６，３８を作動制御してモータ１４，２４の駆動を制御するモータＥＣＵ、バッテリ１６のＳＯＣを管理するバッテリＥＣＵ等を個別に設けて、上記制御装置がハイブリッドＥＣＵとして上記個別の各ＥＣＵを統括制御するように構成してもよい。

図３は、モータ１４，２４の制御に用いられるマップを示す。このマップは、モータの回転数とトルクとの関係を規定するもので、制御装置１０内のＲＯＭに予め記憶されている。制御装置１０は、このマップを参照することにより、太線で示される略台形状の外形線内において下記の複数の制御モードの動作点でモータ１４，２４を駆動することができる。

一般に、交流モータの制御モードとして、ＰＷＭ制御、過変調制御、矩形波制御の３つの制御方式が知られている。図３に示すマップにおいて、低速回転域から中速回転域にかけての領域がＰＷＭ制御領域Ａ１、中速回転域から高速回転域にかけての領域が過変調制御領域Ａ２、最も高速回転側の領域が矩形波制御領域Ａ３になっており、各制御領域Ａ１，Ａ２，Ａ３の境界が点線で示されている。

ＰＷＭ制御方式は、一般的な正弦波ＰＷＭ制御として用いられるものであり、各相アームにおけるスイッチング素子のオン・オフを、正弦波状の電圧指令値と搬送波（一般に三角波）との電圧比較にしたがって制御する。この結果、上アームスイッチング素子のオン期間に対応するハイレベル期間と、下アーム素子のオン期間に対応するローレベル期間との集合について、一定期間内でモータ入力電圧が正弦波となるようにデューティ比が制御される。ＰＷＭ制御方式では、比較的低回転域であっても滑らかな回転が得られるものの、インバータ入力電圧であるシステム電圧ＶＨに対するモータ入力電圧の振幅の比である変調率（または電圧利用率）を最大で０．６１までしか高めることができない。

一方、矩形波制御方式では、上記一定期間内で、ハイレベル期間およびローレベル期間の比が１対１の矩形波１パルス分を交流モータに印加する。これにより、変調率を０．７８まで高めることができ、比較的高回転域での出力を向上させることができる。また、弱め界磁電流を減少させることができるため、交流モータでの銅損の発生を抑えてエネルギ効率を向上させることができる。さらに、インバータ３６，３８でのスイッチング回数を少なくすることができるため、スイッチング損失も抑えることができるという利点もある。

過変調制御方式は、ＰＷＭ制御と矩形波制御との間の中間的な制御方式であって、正弦波状の電圧指令値の振幅が搬送波の振幅よりも大きくなるように増幅した状態で上記ＰＷＭ制御方式と類似のＰＷＭ制御を行うことで、電圧増加方向にシフトさせた略正弦波状に歪んだモータ入力電圧を生成することができ、これにより変調率を０．６１〜０．７８の範囲に高めることができる。ただし、過変調制御方式は、ＰＷＭ制御に比べて制御応答性が悪く、電流指令値に対する実電流の外れまたは乱れが大きく現れやすいという特性がある。

交流モータでは、回転数や出力トルクが増加すると誘起電圧が高くなり、それに伴って必要電圧も高くなる。コンバータによる昇圧電圧、すなわちシステム電圧ＶＨは、このモータ必要電圧よりも高く設定する必要がある。その一方で、上述したようにコンバータ３５によって昇圧可能な電圧値には上限（システム電圧最大値ＶＨｍａｘ）が存在する。

したがって、モータ必要電圧がシステム電圧ＶＨの最大値、例えば６５０Ｖより低い領域では、ＰＷＭ制御方式または過変調制御方式による最大トルク制御が適用されて、ベクトル制御にしたがったモータ電流制御によって出力トルクがトルク指令Ｔ＊に合致するよう制御される。一方、モータ必要電圧がシステム電圧最大値ＶＨｍａｘを超えると、システム電圧ＶＨを最大値ＶＨｍａｘに維持した上で弱め磁界制御にしたがって矩形波制御方式が適用される。この場合、モータ入力電圧の振幅が固定されるため、トルク推定値とトルク指令値との偏差に基づく矩形波パルスの電圧位相制御によってトルク制御が行われる。

図２の例では、３相交流モータであるモータ１４，２４に接続されるインバータ３８，３６が各相ごとに２つのスイッチング素子を用いるので、インバータ３８，３６のそれぞれに６つのスイッチング素子が含まれる。これらの各スイッチング素子のうち１つの動作に不具合が生じると、そのスイッチング素子が含まれる相の交流電流波形のプラス側あるいはマイナス側が欠けたものとなり、いわゆるオープン故障となる。このようなオープン故障が生じると、モータ入力電流の乱れによってバッテリから過大な電流が放出されてバッテリの性能低下を招くことになる。したがって、インバータにおけるスイッチング素子のオープン故障を適時に検出する必要がある。

一方、モータの動作状況によっては、インバータのスイッチング素子のオープン故障を検出できないか又は検出しにくい動作点が存在する。これは、モータ電流の乱れ量が比較的小さいために判定閾値との比較で検出するのが困難であるからである。上記判定閾値をより小さく設定することが１つの方法として考えられるが、そうするとスイッチング素子が正常に動作していても例えばノイズ等に起因してモータ電流が振れた場合にオープン故障ありと判定される可能性が大きくなり、オープン故障判定の精度が低下することになる。

そこで、本実施形態の制御装置１０では、インバータのスイッチング素子のオープン故障を検出可能なモータ回転数範囲よりも高回転領域で矩形波制御によりモータが駆動されているとき、他の制御モードに比べてオープン故障時の電流乱れ量が大きくなる過変調制御領域にモータ動作点を変更した上で、モータ電流のうちのｑ軸電流について動作点変更閾値と比較してインバータのスイッチング素子のオープン故障を判定することとした。以下に、制御装置１０において実行されるスイッチング素子のオープン故障判定について詳細に説明する。

まず、図４〜７を参照して、ＭＧ１用インバータ３６のスイッチング素子のオープン故障判定について説明する。図４は、動作点変更およびオープン故障判定の処理手順を示すフローチャートである。図５は、モータ（ＭＧ１）２４の動作点を矩形波制御領域から過変調制御領域へ変更する様子を図３と同様のマップ上で示す図である。図６は、制御装置１０により実行される動作点変更処理においてモータ回転数を変更するタイミングを共線図で示す図である。図７は、制御装置１０により実行されるオープン故障判定処理を示すタイミングチャートである。なお、図７では、インバータ３６のＵ相の上アームスイッチング素子がオープン故障していることを想定した例を示している。

図４に示す処理は、エンジン１２が運転中にモータ２４が駆動されている条件下で、予め規定された一定時間ごとにＲＯＭまたはＲＡＭから読み出されてＣＰＵにより実行される。ただし、これに限らず、モータ２４を流れる電流に所定量以上の乱れが検出されたときに実行されるようにしてもよい。

まず、ステップＳ１０によって、モータ２４の回転数Ｎｍ１がオープン故障を検出できない又は検出しにくい高回転領域にあるか否かを判定する。ここでは、図５に示すように一相オープン故障を検出可能なモータ回転数範囲Ｒは予め記憶されているので、回転角センサ６０の検出値から算出されるモータ回転数Ｎｍ１が上記モータ回転数範囲Ｒよりも高回転数であるか否かで判定する。また、このステップＳ１０では、現在のモータ制御方式が矩形波制御であるかどうかも確認される。これは現在の制御モードが過変調制御である場合には動作点変更が不要となるからである。このステップＳ１０において肯定判定されると次のステップＳ１２に進み、一方、否定判定されるとそのまま処理を終了する。

続いて、ステップＳ１２によって、ｑ軸電流Ｉｑが動作点変更閾値Ｉｑｔｈよりも大きいか否かを判定する。ここで判定対象値としてｑ軸電流を用いるのは、ｑ軸電流Ｉｑは、電流検出センサ５８により検出および算出された各相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを基にモータ回転角θ１を考慮して３相２相変換されたｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑのうち、トルク電流とも呼ばれるｑ軸電流Ｉｑを判定対象とすることによりオープン故障を正確に検出しやすいからである。また、上記動作点変更閾値Ｉｑｔｈは、実験等により求められて予め記憶されており、ノイズ等の別要因による電流乱れをオープン故障と判定しないように大きく且つ一相オープン故障を正確に検出できる値に設定される。上記ｑ軸電流Ｉｑと上記動作点変更閾値Ｉｑｔｈとは、正負のいずれの場合もあるため、それぞれ絶対値で比較されるのが好ましい。このステップＳ１２において肯定判定されると次のステップＳ１４に進み、一方、否定判定されるとそのまま処理を終了する。

次に、ステップＳ１４によって、モータ２４の制御モードが過変調制御に切り替わるのに必要となるモータ回転数変化量を算出する。ここでは、上記回転数範囲Ｒに含まれて過変調制御が適用される同一トルクの動作点６８が選択され、この動作点６８の回転数を目標回転数Ｎｍ１＊に設定し、この目標回転数Ｎｍ１＊から現在の動作点６６の回転数Ｎｍ１を減算することにより上記モータ回転数変化量が算出される。なお、現在の動作点６６の制御モードおよび回転数Ｎｍ１がＲＡＭに一時的に記憶される。

そして、続くステップ１６によって、モータ２４の回転数が上記目標回転数Ｎｍ１＊となるように、エンジン１２の回転数Ｎｅを低下させる。この様子が図６の共線図に示される。図示するように、ｑ軸電流Ｉｑが動作点変更閾値Ｉｑｔｈを下回ったタイミングｔ０で、エンジン１２の回転数を低下させて、モータ２４の回転数を目標回転数Ｎｍ＊１とする。このとき、エンジン１２の回転数の低下は、スロットルバルブ開度や点火タイミング等を調整することにより行われる。

続くステップＳ１８によって、オープン故障判定が実行される。このオープン故障判定の様子が図７に示される。図示するように、矩形波制御から過変調制御に切り替えられたタイミングｔ０以降、ｑ軸電流Ｉｑが動作点変更閾値Ｉｑｔｈを下回ると異常としてカウントする。また、本実施形態では、ｑ軸電流Ｉｑが動作点変更閾値Ｉｑｔｈを下回るごとに、モータ２４の制御モードを緊急的に過変調制御からＰＷＭ制御に一時的に切り替える制御を実行する。このように、制御応答性に優れてモータ電流も比較的小さいＰＷＭ制御へ一時的に切り替えることにより、電流乱れによってバッテリから過大電流が引き出される可能性がある過変調制御がそのまま継続されるのを回避して、バッテリ１６を保護している。

そして、このカウント値が故障検知確定時間（例えば２秒）内で所定回数以上であるときインバータ３６のスイッチング素子にオープン故障有りと判定し、一方、上記カウント値が所定回数未満のときはオープン故障なしと判定する。オープン故障が有る判定されると、制御装置１０は、例えば、オープン故障の発生を運転者に視覚および／または聴覚を通じて報知する等の必要な処置を採ってもよい。

図４を再び参照すると、上記のようなオープン故障判定処理が終わった後であって、上記タイミングｔ０から所定時間ｔ１（例えば３〜４秒）が経過したとき（ステップＳ２０でＹＥＳ）、ステップＳ２２によって、エンジン１２の回転数を元に戻す処理を実行する。これにより、図６中の右側の共線図に示されるように、モータ２４の回転数が元の回転数Ｎｍ１に戻される。ただし、上記ステップＳ１８によってオープン故障有りと判定された場合には、例えば、モータ２４の駆動を停止する、制御モードをＰＷＭ制御に限定する等の処理を併せて行ってもよい。

上述したように、本実施形態の制御装置１０では、過変調制御では矩形波制御と比較するとスイッチング素子のオープン故障によるモータの各相電流の乱れがより大きく現れることから、電流の乱れが大きくなる過変調制御へとモータ動作点を変更した上でｑ軸電流Ｉｑの評価を行うことにより、インバータ３６のスイッチング素子のオープン故障判定をより正確に行うことができる。その結果、オープン故障したままモータ２４の駆動が継続されたときに消磁してトルクを出力できなくなるという二次故障を防止することができる。

次に、図８および９を参照して、ＭＧ２用インバータ３８のオープン故障判定のための動作点変更について説明する。図８は、制御装置１０により実行される動作点変更処理およびオープン故障判定処理を示すフローチャートである。図９は、図８の動作点変更の処理を示すタイミングチャートである。ここでは、上述したＭＧ１用インバータ３６の動作点変更処理およびオープン故障判定処理とは異なる点について主として説明することとし、同様の処理については同じステップ番号を付してその説明を援用により省略する。

図８に示す処理は、モータ１４が駆動されている条件下で、予め規定された一定時間ごとにＲＯＭまたはＲＡＭから読み出されてＣＰＵにより実行される。ただし、これに限らず、モータ１４を流れる電流に所定量以上の乱れが検出されたときに実行されてもよい。また、図８におけるステップＳ１０、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１８およびＳ２０の処理は、図４に示すものと同様である。

図８に示すように、ステップＳ１４に続いて、ステップＳ２４によって、変速機３０の変速段を選定する。変速機３０は、複数の変速段を有するものとして上述したが、ここでは例えばＨＩおよびＬＯの２つの変速段を有しており、制御装置１０からの指令に応じてＨＩまたはＬＯのいずれかの変速段への切り替えが可能である例を示している。

図９を参照すると、ｑ軸電流Ｉｑが動作点変更閾値Ｉｑｔｈを下回ったタイミングｔ０で、変速機３０の変速段をＬＯからＨＩへ切り替える。これにより、車軸３２および車輪３４の回転数、すなわち車速Ｓｖを実質的に保ったままで、モータ１４の動作点を矩形波制御領域から過変調制御領域Ａ２に変更してモータ回転数を低下させることができる。このようにしてモータ１４の動作点を過変調制御が適用される動作点に変更した後に、上述したステップＳ１８のオープン故障判定を実行する。

それから、上記ステップＳ１８のオープン故障判定が終わった後であって、上記タイミングｔ０から所定時間ｔ１（例えば３〜４秒）が経過したとき（ステップＳ２０でＹＥＳ）、ステップＳ２６によって、変速機３０の変速段をＨＩからＬＯに変更して、モータ１４の動作点を元の動作点に戻す処理を実行する。ただし、上記ステップＳ１８によってインバータ３８のスイッチング素子にオープン故障が有ると判定された場合には、例えば、モータ１４の駆動を停止する、制御モードをＰＷＭ制御に限定する等の処理を行ってもよい。

このように本実施形態の制御装置１０では、過変調制御では矩形波制御と比較するとスイッチング素子のオープン故障によるモータの各相電流の乱れがより大きく現れることから、変速機３０の変速段を切り替えることによってモータ動作点を矩形波制御から過変調制御へと変更した上でｑ軸電流Ｉｑの評価を行うことにより、インバータ３８のスイッチング素子のオープン故障判定をより正確に行うことができる。その結果、オープン故障したままモータ１４の駆動が継続されたときに消磁してトルクを出力できなくなるという二次故障を防止することができる。

次に、図１０および１１を参照して、モータの動作点変更処理のさらに別の例について説明する。図１０は、制御装置１０により実行されるさらに別の動作点変更処理のフローチャートである。図１１は、図１０の動作点変更処理をマップで示す図である。

図１０に示す処理は、モータ１４，２４のいずれにも適用可能であり、予め規定された一定時間ごとにＲＯＭまたはＲＡＭから読み出されてＣＰＵにより実行される。ただし、これに限らず、モータ１４，２４を流れる電流に所定量以上の乱れが検出されたときに実行されてもよい。また、図１０におけるステップＳ１０、Ｓ１２、Ｓ１８およびＳ２０の処理は図４に示すものと同様であるため、ここでの説明を援用により省略する。

図１０を参照すると、ステップＳ１２によってｑ軸電流Ｉｑが動作点変更閾値Ｉｑｔｈよりも大きくなったと判定されると（ステップＳ１２でＹＥＳ）、ステップＳ２８によってコンバータ３５による昇圧電圧（すなわちシステム電圧ＶＨ）を変更する処理を実行する。具体的には、図１１に示すように、システム電圧ＶＨが最大昇圧電圧ＶＨｍａｘよりも低いシステム電圧ＶＨ１でモータ１４，２４が矩形波制御されているとき、システム電圧ＶＨを最大昇圧電圧ＶＨｍａｘまで引き上げることによって、参照されるマップが変更される。これにより、図１１中の上側に示すマップではシステム電圧ＶＨ１では矩形波制御が適用される動作点７０が、モータ回転数Ｎｍを変えることなく、図１１中の下側に示すマップでは過変調制御が適用される動作点７２に変更することができる。

昇圧電圧の変更処理に続いて、ステップＳ３０によって、モータ１４，２４が過変調制御で駆動されているか否かを判定する。この判定において、制御装置１０は、システム電圧ＶＨに対するモータ入力電圧の振幅の比である変調率（または電圧利用率）が０．６１より大きく０．７８未満であれば過変調制御により駆動されていると判断することができる。このようにしてモータ１４，２４の動作点を過変調制御が適用される動作点に変更した後に、上述したステップＳ１８のオープン故障判定を実行する。

そして、上記ステップＳ１８のオープン故障判定が終わった後であって、上記タイミングｔ０から所定時間ｔ１（例えば３〜４秒）が経過したとき（ステップＳ２０でＹＥＳ）、ステップＳ３０によって、昇圧電圧を変更してモータ１４，２４の動作点を元の動作点に戻す処理を実行する。図１１に示す例では、システム電圧ＶＨをＶＨｍａｘからＶＨ１に低下させることになる。ただし、上記ステップＳ１８によってインバータ３６，３８のスイッチング素子にオープン故障が有ると判定された場合には、例えば、モータ１４，２４の駆動を停止する、制御モードをＰＷＭ制御に限定する等の処理を行ってもよい。

このように本実施形態の制御装置１０では、過変調制御では矩形波制御と比較するとスイッチング素子のオープン故障によるモータの各相電流の乱れがより大きく現れることから、昇圧電圧を高くすることによってモータ動作点を矩形波制御から過変調制御へと変更した上でｑ軸電流Ｉｑの評価を行うことにより、インバータ３６，３８のスイッチング素子のオープン故障判定をより正確に行うことができる。その結果、オープン故障したままモータ１４，２４の駆動が継続されたときに消磁してトルクを出力できなくなるという二次故障を防止することができる。

なお、本発明に係る電動車両の駆動装置は、上記で説明した実施形態の構成のものに限定されるものではなく、種々の改良や変形を含む。

上記においては、モータ動作点を矩形波制御から過変調制御に変更した上でインバータのスイッチング素子のオープン故障判定を行うものとして説明したが、上記モータ回転数範囲Ｒよりも低回転域でＰＷＭ制御により駆動されているモータに接続されるインバータのオープン故障判定を行うときにも、モータ動作点をＰＷＭ制御から過変調制御に変更した上で行ってもよい。上述した例に従えば、エンジン回転数Ｎｅを上昇させる、変速機３０の変速段をＨＩからＬＯに切り替える、昇圧電圧を低下させることにより実現可能である。

また、上記においては、モータがスイッチング素子のオープン故障を検出可能なモータ回転数範囲Ｒよりも高回転領域で矩形波制御されているとき、または、上記モータ回転数範囲Ｒよりも低回転領域でＰＷＭ制御されているときに、モータ動作点を過変調制御領域の動作点に変更する処理を実行するものとして説明したが、上記スイッチング素子のオープン故障判定を行う際にモータが矩形波制御またはＰＷＭ制御されているときは、モータ回転数にかかわらずモータ動作点を過変調制御領域の動作点に変更する処理を実行してもよい。

さらに、上記においては、オープン故障判定の終了後にモータ動作点を変更前の動作点に戻すものとして説明したが、ステップＳ１８のオープン故障判定によって、ｑ軸電流Ｉｑが動作点変更閾値Ｉｑｔｈを超えた回数のカウント値が故障検知確定時間内に所定回数未満であってスイッチング素子のオープン故障が発生していないと判定されるときだけモータ動作点を元に戻す処理を実行してもよい。

１ ハイブリッド車両、１０ 制御装置、１２ エンジン、１３ 温度センサ、１４，２４ モータ、１５ 回転軸、１６ バッテリ、１８ 出力軸、２０ 動力分配機構、２２ 回転軸、２８ エンジン回転数センサ、３０ 変速機、３２ 車軸、３４ 駆動輪、３５ コンバータ、３６，３８ インバータ、４０，５７ 電圧センサ、４２ 電流センサ、４４ 温度センサ、５０ 正極母線、５２ 負極母線、５４，５６ 平滑コンデンサ、５８ 電流検出センサ、６０ 回転角センサ、６２ 動作点変更処理部、６４ オープン故障判定部、６６，６８，７０，７２ 動作点、Ａ１ ＰＷＭ制御領域、Ａ２ 過変調制御領域、Ａ３ 矩形波制御領域、Ａｃｃ アクセル開度信号、Ｉｂ バッテリ電流、Ｉｄ ｄ軸電流、Ｉｑ ｑ軸電流、Ｉｑｔｈ 動作点変更閾値、Ｉｕ Ｕ相電流、Ｉｖ Ｖ相電流、Ｉｗ Ｗ相電流、Ｎｅ エンジン回転数、Ｎｍ，Ｎｍ１，Ｎｍ２ モータ回転数
、Ｒ 回転数範囲、Ｓ１〜Ｓ１６ 制御信号、ＳＭＲ１，ＳＭＲ２ システムメインリレー、Ｓｖ 車速、Ｔ＊ トルク指令、ｔ０ タイミングまたは所定時間、Ｔｂ バッテリ温度、Ｔｗ 冷却水温度、Ｖｂ バッテリ電圧、ＶＨ，ＶＨ１ システム電圧、ＶＨ＊ システム電圧指令値、ＶＨｍａｘ システム電圧最大値または最大昇圧電圧、θ１，θ２ ロータ回転角。

Claims (7)

1. 蓄電装置から供給される直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータと、インバータの出力電圧により駆動されるモータと、インバータに含まれるスイッチング素子を作動制御して過変調制御を含む複数の制御モードを切り替えて前記モータを駆動制御する制御装置とを備える電動車両の駆動装置であって、
   前記制御装置は、
   前記モータが矩形波制御またはＰＷＭ制御が適用される動作点で駆動されているときに前記モータの動作点を前記過変調制御が適用される領域に変更する動作点変更処理部と、
   前記動作点変更処理部により動作点が変更されて前記モータが過変調制御されているときに前記モータに流れる電流に基づいて導出されるｑ軸電流が動作点変更閾値を超えた回数をカウントし、このカウント値が所定時間内に所定回数以上であるときに前記スイッチング素子にオープン故障が発生していると判定するオープン故障判定部と、を含む電動車両の駆動装置。
2. 請求項１に記載の電動車両の駆動装置において、
   前記電動車両は走行用動力源として内燃機関を搭載したハイブリッド車両であり、前記モータは動力分配機構を介して前記内燃機関の出力軸に連結されており、前記制御装置は前記内燃機関の作動を制御することが可能であり、前記動作点変更処理部は、前記モータが矩形波制御またはＰＷＭ制御が適用される動作点で駆動されているときに前記内燃機関の回転数を変更することにより前記動力分配機構を介して前記モータの回転数を前記過変調制御が適用される領域の動作点のものに変更することを特徴とする電動車両の駆動装置。
3. 請求項１または２に記載の電動車両の制御装置において、
   前記電動車両は前記モータの出力が複数段に変速可能な変速機を介して車軸に出力されるように構成され、前記制御装置は前記変速機の変速段を選択制御可能であり、前記動作点変更処理部は、前記モータが矩形波制御またはＰＷＭ制御が適用される動作点で駆動されているときに前記変速機の変速段を変更することにより車速を実質的に変更することなく前記モータの回転数を前記過変調制御が適用される領域の動作点のものに変更することを特徴とする電動車両の制御装置。
4. 請求項１に記載の電動車両の制御装置において、
   前記電動車両は前記蓄電装置からの直流電圧を昇圧して前記インバータへ出力することができる電力変換装置を備えており、前記制御装置は前記電圧変換装置の作動を制御することにより昇圧電圧を設定することが可能であり、前記動作点変更処理部は、前記モータが矩形波制御またはＰＷＭ制御が適用される動作点で駆動されているときに前記電圧変換装置による昇圧電圧を変更することにより前記モータの動作点を前記過変調制御が適用される領域の動作点に変更することを特徴とする電動車両の制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の電動車両の駆動装置において、
   前記制御装置は、前記オープン故障判定部によりｑ軸電流が動作点変更閾値を超えたと判定されたときに、前記モータの制御モードを過変調制御からＰＷＭ制御へ一時的に切り替える制御を実行することを特徴とする電動車両の駆動装置
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の電動車両の駆動装置において、
   前記動作点変更処理部は、前記モータが、前記スイッチング素子のオープン故障を検出可能なモータ回転数範囲よりも高回転領域で矩形波制御されているとき、または、前記モータ回転数範囲よりも低回転領域でＰＷＭ制御されているときに、モータ動作点を過変調制御領域の動作点に変更する処理を実行することを特徴とする電動車両の駆動装置。
7. 請求項１〜６にいずれか一項に記載の電動車両の駆動装置において、
   前記動作点変更処理部は、前記オープン故障判定部により、ｑ軸電流が動作点変更閾値を超えた回数のカウント値が所定時間内に所定回数未満であって前記スイッチング素子にオープン故障が発生していないと判定されるとき、前記所定時間経過後に前記モータの動作点を変更前の動作点に戻す処理を実行することを特徴とする電動車両の駆動装置。

Images