JP2014193044A

JP2014193044A - 電源制御装置

Info

Publication number: JP2014193044A
Application number: JP2013067314A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Komatsu; 正明小松
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】複数のバッテリの接続形態を直列又は並列に切替可能な電源制御装置であって、直並列切替時の電動機のトルク変動を抑制できる電源制御装置を提供する。
【解決手段】車両の駆動源である電動機１０７と、電動機１０７に電力を供給する、接続形態が直列又は並列に切り替えられる複数のバッテリを有する蓄電器と、前記複数のバッテリの接続形態を直列又は並列に切り替える直並列切替部１２０と、を備えた前記車両の電源制御装置では、電動機１０７に流れる電流値と電流目標値との差分に基づいたフィードバック制御によって電動機１０７に供給する電流を制御する電動機電流制御部を有する。前記電動機電流制御部は、直並列切替動作中に前記フィードバック制御のゲインを変更する。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数のバッテリの接続形態を直列又は並列に切替可能な電源制御装置に関する。

図７は、特許文献１に開示された電動車両用電源装置の構成図である。図７に示す電動車両用電源装置１では、電動機（Ｍ）２の負荷が小さく、電動機（Ｍ）２で必要とされる駆動電圧が小さい場合には、第１スイッチ（ＳＷ１）１４をオフ（開）かつ第２スイッチ（ＳＷ２）１５をオン（閉）として、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対して第１バッテリ１１と第２バッテリ１２とを並列に接続する。一方、電動機（Ｍ）２の負荷が大きく、電動機（Ｍ）２で必要とされる駆動電圧が大きい場合には、第１スイッチ（ＳＷ１）１４をオンかつ第２スイッチ（ＳＷ２）１５をオフとして、電動機（Ｍ）２の駆動用インバータ３に対して第１バッテリ１１と第２バッテリ１２とを直列に接続する。このように、電動機（Ｍ）２の負荷が大きい場合には、電動機（Ｍ）２の駆動電圧を増大させて所望の動力性能を確保することができ、電動機（Ｍ）２の負荷が小さい場合には、電動機（Ｍ）２の駆動電圧が過大になることを防止して電動機（Ｍ）２および駆動用インバータ３の運転効率を増大させることができる。

また、電動車両用電源装置１において、電動機（Ｍ）２の負荷の増大に応じて、第１バッテリ１１と第２バッテリ１２との接続を並列から直列に切り替える場合には、第１スイッチ（ＳＷ１）１４及び第２スイッチ（ＳＷ２）１５をオフとして第２バッテリ１２を電動機（Ｍ）２から切り離し、第１バッテリ１１のみによって電動機（Ｍ）２に電力を供給する。そして、第１スイッチ（ＳＷ１）１４に接続された第２ノードＢの電位ＶＢが、第１スイッチ（ＳＷ１）１４に接続された第３ノードＣの電位ＶＣに等しくなるまで、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の昇圧動作を行い、この後、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３の昇圧動作を停止すると共に第１スイッチ（ＳＷ１）１４をオンとする。このように、電動機（Ｍ）２に対する電力供給を維持した状態で、電動機（Ｍ）２の負荷の大きさに応じて、電動機（Ｍ）２に対する第１バッテリ１１と第２バッテリ１２との接続を並列と直列との間で切り替える。ＤＣ−ＤＣコンバータ１３を第１バッテリ１１と第２バッテリ１２との接続の切り替え時にのみ動作させることにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ３を常時動作させる場合に比べて、ＤＣ−ＤＣコンバータ１３でのスイッチング損失の増大を抑制することができる。

特開２０１２−１５２０７９号公報特開２０１２−１５２０８０号公報特開２０１０−０５７２８８号公報特開２００８−１３１８３０号公報特開２０１２−０６０８３８号公報特開２０１２−０７０５１４号公報

上記説明した特許文献１の電動車両用電源装置１を搭載した車両において、直列接続と並列接続の切替動作中には、短時間での電圧が大きく変化することにより電動機のトルクも変動してしまう。

本発明は、前述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数のバッテリの接続形態を直列又は並列に切替可能な電源制御装置であって、直並列切替動作中に電動機のトルク変動を抑制することができる電源制御装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１に係る発明は、車両の駆動源である電動機（例えば、実施の形態での電動機１０７）と、前記電動機に電力を供給する、接続形態が直列又は並列に切り替えられる複数のバッテリ（例えば、実施の形態での第１バッテリ１０３ａ及び第２バッテリ１０３ｂ）を有する蓄電器（例えば、実施の形態での蓄電器１０１）と、前記複数のバッテリの接続形態を直列又は並列に切り替える直並列切替部（例えば、実施の形態での直並列切替部１２０）と、を備えた前記車両の電源制御装置であって、前記電動機に流れる電流値と電流目標値との差分に基づいたフィードバック制御によって前記電動機に供給する電流を制御する電動機電流制御部（例えば、実施の形態での直マネジメントＥＣＵ１１９）を有し、前記電動機電流制御部は、直並列切替動作中に前記フィードバック制御のゲインを変更することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の電源制御装置において、前記電動機電流制御部が、前記直並列切替動作中に、前記電動機のトルク指令値に応じて、前記フィードバック制御のゲインを変更することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２記載の電源制御装置において、前記電動機電流制御部が、前記直並列切替動作中に、前記電動機のトルク指令値が大きい程、前記フィードバック制御のゲインを大きくすることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、直並列切替動作中にフィードバック制御のゲインを変更して電動機の電流値を目標値へと早く到達させるように制御することにより、電動機のトルクの変動を抑制することができる。

請求項２、３の発明によれば、前記電動機のトルク指令値に応じてゲインを設定することによって、電動機のトルクの変動をより適切に抑制することができる。

シリーズ方式のＨＥＶの内部構成を示すブロック図図１に示した車両の駆動系の概略構成及び当該駆動系を制御する第１の実施形態のマネジメントＥＣＵ１１９の内部構成を示す図直並列切替時の電動機のトルクの変動を示すタイムチャート第１の実施形態のマネジメントＥＣＵ１１９の動作を示すフローチャート電動機のトルク指示値に応じたゲインの一例を示す図本実施形態の制御を行った場合の電動機のトルクの変動を示すタイムチャート特許文献１に開示された電動車両用電源装置の構成図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

本発明に係る電源制御装置を搭載するＨＥＶ（Hybrid Electrical Vehicle：ハイブリッド電気自動車）は、電動機及び内燃機関を備え、車両の走行状態に応じて電動機及び／又は内燃機関の駆動力によって走行する。ＨＥＶには、大きく分けてシリーズ方式とパラレル方式の２種類がある。シリーズ方式のＨＥＶは、電動機の動力によって走行する。内燃機関は発電のために用いられ、内燃機関の動力によって発電機で発電された電力は蓄電器に充電されるか、電動機に供給される。パラレル方式のＨＥＶは、電動機及び内燃機関のいずれか一方又は双方の駆動力によって走行する。上記両方式を複合したシリーズ／パラレル方式のＨＥＶも知られている。当該方式では、車両の走行状態に応じてクラッチを開放又は締結する（断接する）ことによって、駆動力の伝達系統をシリーズ方式及びパラレル方式のいずれかの構成に切り替える。上記ＨＥＶでは、エンジンブレーキ相当の制動力を得るために、減速時に電動機を発電機として動作させる回生制動が利用される。

（第１の実施形態）
図１は、シリーズ方式のＨＥＶの内部構成を示すブロック図である。図１に示すように、シリーズ方式のＨＥＶ（以下、単に「車両」という）は、蓄電器（BATT）１０１と、コンバータ（CONV）１０３と、第１インバータ（第１INV）１０５と、電動機（Mot）１０７と、内燃機関（ENG）１０９と、発電機（GEN）１１１と、第２インバータ（第２INV）１１３と、ギアボックス（以下、単に「ギア」という。）１１５と、車速センサ１１７と、マネジメントＥＣＵ（MG ECU）１１９と、直並列切替部１２０とを備える。なお、図１中の実線の矢印は値データを示し、点線は指示内容を含む制御信号を示す。

蓄電器１０１は、直列又は並列に接続される２つのバッテリ１０３ａ，１０３ｂを有する。各バッテリ１０３ａ，１０３ｂは、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の複数の蓄電セルを含む。コンバータ１０３は、蓄電器１０１の直流出力電圧を直流のまま昇圧する。第１インバータ１０５は、直流電圧を交流電圧に変換して３相電流を電動機１０７に供給する。また、第１インバータ１０５は、電動機１０７の回生動作時に入力される交流電圧を直流電圧に変換する。

電動機１０７は、車両が走行するための動力を発生する。電動機１０７で発生したトルクは、ギア１１５及び駆動軸１２１を介して駆動輪１２３に伝達される。なお、電動機１０７の回転子はギア１１５に直結されている。また、電動機１０７は、回生制動時には発電機として動作する。

内燃機関１０９は、発電機１１１を駆動するために用いられる。発電機１１１は、内燃機関１０９の動力によって駆動され、電力を発生する。発電機１１１が発電した電力は、蓄電器１０１に充電されるか、第２インバータ１１３及び第１インバータ１０５を介して電動機１０７に供給される。第２インバータ１１３は、発電機１１１が発生した交流電圧を直流電圧に変換する。第２インバータ１１３によって変換された電力は、蓄電器１０１に充電されるか、第１インバータ１０５を介して電動機１０７に供給される。

ギア１１５は、例えば５速相当の１段の固定ギアである。したがって、ギア１１５は、電動機１０７からの駆動力を、特定の変速比での回転数及びトルクに変換して、駆動軸１２１に伝達する。車速センサ１１７は、車両の走行速度（車速ＶＰ）を検出する。車速センサ１１７によって検出された車速ＶＰを示す信号は、マネジメントＥＣＵ１１９に送られる。なお、車速ＶＰの代わりに、電動機１０７の回転数が用いられても良い。

マネジメントＥＣＵ１１９は、車速ＶＰ及び車両の運転者のアクセル操作に応じたアクセルペダル開度（ＡＰ開度）を示す各情報の取得、電動機１０７を流れる電流値の取得、蓄電器１０１を構成する２つのバッテリの接続形態の切替制御、コンバータ１０３、第１インバータ１０５及び第２インバータ１１３の各々を構成するスイッチング素子のスイッチング制御、並びに、電動機１０７、内燃機関１０９及び発電機１１１の各制御等を行う。また、マネジメントＥＣＵ１１９は、車両の減速時に、当該車両の制動力を得るために電動機１０７を回生制御する。

直並列切替部１２０は、マネジメントＥＣＵ１１９からの指示に応じて、蓄電器１０１が有する２つのバッテリの接続形態を直列又は並列に切り替える。

図２は、図１に示した車両の駆動系の概略構成及び当該駆動系を制御する第１の実施形態のマネジメントＥＣＵ１１９の内部構成を示す図である。図２に示すように、蓄電器１０１は、第１バッテリ１０３ａ及び第２バッテリ１０３ｂを有する。第１バッテリ１０３ａは、第１ノードＡと第２ノードＢの間に設けられ、第２バッテリ１０３ｂは、第３ノードＣと第４ノードＤの間に設けられている。

コンバータ１０３は、例えばチョッパ型のＤＣ−ＤＣコンバータである。図２に示すように、コンバータ１０３は、直列接続された２つのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar mode Transistor）１３１Ｈ，１３１Ｌと、チョークコイル１３３と、平滑コンデンサ１３５，１３７とを有する。スイッチング素子１３１Ｈのコレクタは高電圧側端子１３Ｈに接続され、スイッチング素子１３１Ｌのエミッタは共通端子１３Ｃに接続されている。また、スイッチング素子１３１Ｈのエミッタはスイッチング素子１３１Ｌのコレクタに接続されている。

スイッチング素子１３１Ｈ，１３１Ｌの各ゲートには、マネジメントＥＣＵ１１９からのパルス幅変調（ＰＷＭ）信号が入力される。スイッチング素子１３１Ｈがオンかつスイッチング素子１３１Ｌがオフになる状態と、スイッチング素子１３１Ｈがオフかつスイッチング素子１３１Ｌがオンになる状態とが交互に切り替えられることによって、コンバータ１０３は、蓄電器１０１の出力電圧を昇圧し、又は、電動機１０７が回生制御された際に得られた電圧を降圧する。

直並列切替部１２０は、図２に示すように、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子である第１スイッチ（ＳＷ１）１５１及び第２スイッチ（ＳＷ２）１５３を有する。第１スイッチ（ＳＷ１）１５１は、第２ノードＢと第３ノードＣの間に設けられ、第２スイッチ（ＳＷ２）１５３は、第１ノードＡと第３ノードＣの間に設けられている。直並列切替部１２０は、第１スイッチ（ＳＷ１）１５１及び第２スイッチ（ＳＷ２）１５３の各ゲートに入力されるマネジメントＥＣＵ１１９からの信号に応じて、第１バッテリ１０３ａと第２バッテリ１０３ｂの接続形態を直列又は並列に切り替える。なお、第１バッテリ１０３ａと第２バッテリ１０３ｂの接続形態を並列から直列に切り替える場合、直並列切替部１２０は、第１スイッチ（ＳＷ１）１５１及び第２スイッチ（ＳＷ２）１５３の双方ともオフして第２バッテリ１０３ｂを電動機１０７から切り離し、コンバータ１０３は、電動機１０７に対する電圧が徐々に上昇するよう昇圧動作を行う。逆に、第１バッテリ１０３ａと第２バッテリ１０３ｂの接続形態を直列から並列に切り替える場合、直並列切替部１２０は、第１スイッチ（ＳＷ１）１５１及び第２スイッチ（ＳＷ２）１５３の双方ともオフして第２バッテリ１０３ｂを電動機１０７から切り離し、コンバータ１０３は、電動機１０７に対する電圧が徐々に低下するよう降圧動作を行う。

マネジメントＥＣＵ１１９は、図２に示すように、制御部１６１Ｉ１と、制御部１６１Ｉ２と、制御部１６１Ｃと、接続形態切替制御部１６３とを有する。制御部１６１Ｉ１は、第１インバータ１０５を構成する各スイッチング素子のスイッチング動作を２相変調方式でＰＷＭ制御する。制御部１６１Ｉ２は、第２インバータ１１３を構成する各スイッチング素子のスイッチング動作を２相変調方式でＰＷＭ制御する。制御部１６１Ｃは、コンバータ１０３を構成するスイッチング素子１３１Ｈ，１３１Ｌのスイッチング動作を２相変調方式でＰＷＭ制御する。接続形態切替制御部１６３は、直並列切替部１２０を構成する第１スイッチ（ＳＷ１）１５１及び第２スイッチ（ＳＷ２）１５３のオンオフ切替を制御する。

また、マネジメントＥＣＵ１１９は、アクセルペダル開度や車速ＶＰに基づいて算出される車両の要求駆動力に基づき、電動機１０７のトルク指示値および目標電流値（Ｉｔａｒｇｅｔ）を導出する。また、前述したように、マネジメントＥＣＵ１１９には、電動機１０７に実際に流れる電流を検知するために、電流センサ１４３により検出される実電流値Ｉａｃｔが入力されている。マネジメントＥＣＵ１１９は、目標電流値Ｉｔａｒｇｅｔと実電流値Ｉａｃｔとの差分を算出し、これに所定のゲイン（電流Ｆ／Ｂゲイン）を乗算することによって、電圧指示値を算出する。この電圧指示値に基づき、制御部１６１Ｉ１は第１インバータ１０５を制御する。このように、マネジメントＥＣＵ１１９は、電動機１０７の電流のフィードバック制御を行っている。

ところで、前述した蓄電器１０１の直並列切替動作は極めて短時間で行われる。そのため、直並列切替動作中に第１インバータ１０５に供給される電圧、ひいては電動機１０７に供給される電圧も高速で変化する。例えば図３に示すように、時点ｔ０で並列接続だった蓄電器１０１を直列接続へと切り替える場合には、直並列切替動作が行われる時点ｔ１〜ｔ２において電動機１０７へと供給される電圧が昇圧されることに応じて、電動機１０７のトルクも大きく変動している。これは、直列接続から並列接続への切替動作中（時点ｔ３〜ｔ４）に、電動機１０７へと供給される電圧を降圧する場合にも同様である。このように電動機１０７のトルクが大きく変動したときには、車両の挙動に影響が生じる場合がある。特に、電動機１０７のトルクが大きいときにはトルク変動も大きくなり、ドライバビリティを低下させてしまうおそれがある。

この、直並列切替動作中の電動機１０７のトルクの変動の原因は、直並列切替動作中の電動機１０７の電圧変化による電流変化にあると考えられる。そこで、本実施形態においては、蓄電器１０１の直並列切替動作中には、電動機１０７の電流のフィードバック制御におけるゲインを通常時より大きな値へと持ち替えることにより、電流値を目標値へと早く到達させるように制御する。

図４は、電流のフィードバック制御においてゲインを持ち替える際のマネジメントＥＣＵ１１９の動作を説明するためのフローチャートである。まず、マネジメントＥＣＵ１１９は、蓄電器１０１が現在、直並列切替動作中であるかどうかを判断する（ステップＳ１）。直並列切替動作中でない場合には、マネジメントＥＣＵ１１９は、フィードバック制御におけるゲインとして通常時の値を設定する（ステップＳ２）。

ステップＳ１で、蓄電器１０１が直並列切替動作中であると判断された場合、マネジメントＥＣＵ１１９は、フィードバック制御におけるゲインとして、電動機１０７のトルク指示値に基づいて決定される値を設定する（ステップＳ３）。

図５は、電動機１０７のトルク指示値に応じたゲインの一例を示す図である。前述したように、電動機１０７のトルク指示値が大きいとき、すなわち電動機１０７のトルクが大きいときには、直並列切替動作中のトルク変動も大きくなる傾向がある。そこで、本実施形態においては、電動機１０７のトルク指示値が大きい時程、フィードバック制御におけるゲインを大きく設定し、電動機１０７の電流値を目標値へと早く到達させるように制御する。これにより、電動機１０７のトルク変動を抑制することができる。尚、ステップＳ３における直並列切替動作中のゲインの設定は、不図示のメモリに格納されたマップを検索することにより、トルク指示値に応じたゲインを設定することができる。マネジメントＥＣＵ１１９は、このようにして設定したゲインを用いて電動機１０７の電流値のフィードバック制御を行う（ステップＳ４）。

図６は、本実施形態の制御を行った場合の電動機１０７のトルクの変動の一例を示すタイムチャートである。この例において、蓄電器１０１は並列接続である時点ｔ０〜ｔ１や、蓄電器１０１が直列接続である時点ｔ２〜ｔ３においては、フィードバック制御におけるゲインとして、通常時の値が設定されている。これに対し、直並列切替動作が行われる時点ｔ１〜ｔ２においては、ゲインとしては切替時の値が設定される。これにより、時点ｔ１〜ｔ２における電動機１０７の電圧上昇に関わらず、電動機１０７のトルク変動が抑制されている。同様に、直並列切替動作が行われる時点ｔ３〜ｔ４においても、ゲインとしては切替時の値が設定される。これにより、時点ｔ３〜ｔ４における電動機１０７の電圧降下に関わらず、電動機１０７のトルク変動が抑制されている。このように、本実施形態の制御を行った場合には、図３に示す例と比較して、電動機１０７のトルク変動が抑制されていることがわかる。

このように、本実施形態の電源制御装置によれば、直並列切替動作中にフィードバック制御のゲインを変更して電動機１０７の電流値を目標値へと早く到達させるように制御することにより、電動機１０７のトルクの変動を抑制することができる。また、電動機１０７のトルク指令値に応じてゲインを設定することによって、電動機１０７のトルクの変動をより適切に抑制することができる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良等が可能である。上記実施形態では、シリーズ方式のＨＥＶを例について説明したが、シリーズ／パラレル方式のＨＥＶにも適用可能である。また、ＨＥＶに限らず、内燃機関１０９を含まないＥＶ（Electric Vehicle：電気自動車）であっても良い。さらに、蓄電器１０１を構成する直並列切替可能なバッテリの数は２つに限らず、３つ以上であっても良い。また、直並列切替中のフィードバック制御におけるゲインの設定は、トルク指示値に基づいて適切なゲインをその都度算出するものであってもよい。

１０１蓄電器（BATT）
１０３コンバータ（CONV）
１０５第１インバータ（第１INV）
１０７電動機（Mot）
１０９内燃機関（ENG）
１１１発電機（GEN）
１１３第２インバータ（第２INV）
１１５ギアボックス（ギア）
１１７車速センサ
１１９，２１９マネジメントＥＣＵ（MG ECU）
１２０直並列切替部
１０３ａ第１バッテリ
１０３ｂ第２バッテリ
１３１Ｈ，１３１Ｌスイッチング素子
１３３チョークコイル
１３５，１３７平滑コンデンサ
１４３電流センサ
１５１第１スイッチ（ＳＷ１）
１５３第２スイッチ（ＳＷ２）
１６１Ｉ１制御部
１６１Ｉ２制御部
１６１Ｃ制御部
１６３接続形態切替制御部

Claims

車両の駆動源である電動機と、
前記電動機に電力を供給する、接続形態が直列又は並列に切り替えられる複数のバッテリを有する蓄電器と、
前記複数のバッテリの接続形態を直列又は並列に切り替える直並列切替部と、を備えた前記車両の電源制御装置であって、
前記電動機に流れる電流値と電流目標値との差分に基づいたフィードバック制御によって前記電動機に供給する電流を制御する電動機電流制御部を有し、
前記電動機電流制御部は、直並列切替動作中に前記フィードバック制御のゲインを変更することを特徴とする電源制御装置。
前記電動機電流制御部が、前記直並列切替動作中に、前記電動機のトルク指令値に応じて、前記フィードバック制御のゲインを変更することを特徴とする請求項１記載の電源制御装置。
前記電動機電流制御部が、前記直並列切替動作中に、前記電動機のトルク指令値が大きい程、前記フィードバック制御のゲインを大きくすることを特徴とする請求項２記載の電源制御装置。