JP2015116092A - 電動車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】電動車両100のPCU90での電圧振動を減少させることを目的とする。
【解決手段】誘導モータジェネレータ60と、同期モータジェネレータ50と、供給された高電圧VHを誘導モータジェネレータ60と同期モータジェネレータ50とに供給する交流電圧に変換するインバータ30,40と、誘導モータジェネレータ60と同期モータジェネレータ50の回転数とトルク出力とを調整する制御部80とを含む電動車両100であって、制御部80は、同期モータジェネレータ50の回転に起因して、インバータ30,40に供給される高電圧VHが所定の電圧値以上の振幅で振動する際に、誘導モータジェネレータ60によって高電圧VHの電圧振動と逆位相の電圧振動を発生させ、高電圧VHの電圧振動を減少させる電圧振動減少プログラム87を有する。
【選択図】図1
【解決手段】誘導モータジェネレータ60と、同期モータジェネレータ50と、供給された高電圧VHを誘導モータジェネレータ60と同期モータジェネレータ50とに供給する交流電圧に変換するインバータ30,40と、誘導モータジェネレータ60と同期モータジェネレータ50の回転数とトルク出力とを調整する制御部80とを含む電動車両100であって、制御部80は、同期モータジェネレータ50の回転に起因して、インバータ30,40に供給される高電圧VHが所定の電圧値以上の振幅で振動する際に、誘導モータジェネレータ60によって高電圧VHの電圧振動と逆位相の電圧振動を発生させ、高電圧VHの電圧振動を減少させる電圧振動減少プログラム87を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、電動車両の構造、より詳しくは、電動車両の制御装置の構成に関する。
モータによって車両を駆動する電気自動車や、モータとエンジンの出力によって車両を駆動するハイブリッド自動車等の電動車両には、電源であるバッテリの電圧を昇圧コンバータで昇圧し、昇圧コンバータで昇圧した直流電力をインバータで交流電力に変換して車両駆動用のモータに供給する電力制御装置(PCU)が用いられている。また、車両駆動用のモータとしては、同期モータや、同期モータと共に、誘導モータを搭載する電動車両が多くなっている。この中には、例えば、前輪を複数の同期モータによって駆動し、後輪を誘導モータによって駆動するものや、前輪を同期モータ及び誘導モータで駆動し、後輪を誘導モータで駆動するもの等がある(例えば、特許文献1参照)。
ところで、同期モータでは、ステータコイルに供給される交流電力の回転数(電気周波数)はロータの回転数(電気周波数)と同期していることから、ロータ及びステータの極数に応じてステータコイルに供給される交流電力の周波数の整数倍の周波数でトルク変動が発生する。そして、このトルク変動によって供給交流電力の周波数の整数倍の周波数で逆起電圧の変動が発生する。
この逆起電圧の振動数が、インバータの中の平滑コンデンサ、昇圧コンバータのコイル、抵抗等によって決まってくるPCUの回路に固有の電気振動周波数と近くなってくると、PCUの回路で電圧振動が励起される場合がある。例えば、同期モータからの逆起電力の振動数がインバータの平滑コンデンサの静電容量(C)と昇圧コンバータのコイルのリアクタンス(L)によって決まるLC共振周波数に近くなった場合に、PCUの回路でのLC共振を励起し、昇圧コンバータの出力電圧あるいはインバータの入力電圧が大きく振動してしまう場合等がある。また、PCUに昇圧コンバータを含まない場合であっても、同期モータからの逆起電圧の振動によって、回路内のコンデンサの静電容量(C)や抵抗(R)や回路内のリアクタンス成分等によって決まる周波数でPCU回路内の電圧振動が発生するような場合がある。
また、同期モータでは、ステータコイルに供給する電流と、ロータの回転角度をそれぞれ電流センサとレゾルバで検出した結果に基づいて、ステータコイルに供給する電圧、電流、波形を調整して回転数とトルク出力を制御している。このため、ステータコイルに供給する電流を検出する電流センサの検出誤差、レゾルバの検出誤差が所定の値よりも大きい場合には、制御安定性が低下し、同期モータの回転数、トルク出力に振動が発生する場合がある。このような場合には、同期モータの逆起電圧にも制御安定性の低下に起因する電圧振動が発生する。この電圧振動の周波数がPCUの回路に固有の電圧振動数に近くなった場合にもPCUの回路で電圧振動が励起される場合がある。
このように、PCUの回路で電圧振動が発生すると、スイッチング素子やダイオード等の回路内の電気素子に高い電圧がかかってしまい、その寿命が短くなってしまうという問題があった。
そこで、本発明は、電動車両において、PCUでの電圧振動を減少させることを目的とする。
本発明の電動車両は、少なくとも一つの車両駆動用誘導モータと、少なくとも一つの他の車両駆動用モータと、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータへ少なくとも一つの交流電圧を供給する少なくとも一つのインバータと、前記少なくとも一つの他の車両駆動用モータへ少なくとも一つの他の交流電圧を供給する少なくとも一つの他のインバータと、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータ及び前記少なくとも一つの他の車両駆動用モータの各回転数と各トルク出力とを調整する制御部と、を含む電動車両であって、前記制御部は、前記少なくとも一つの他の車両駆動用モータの回転に起因して、前記各インバータに供給される直流電圧が所定の電圧値以上の振幅で振動する際に、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータによって、前記直流電圧の電圧振動と逆位相の電圧振動を発生させ、前記直流電圧の電圧振動を減少させる電圧振動減少手段を有すること、を特徴とする。
本発明の電動車両において、前記電圧振動減少手段は、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのすべり周波数を前記直流電圧の電圧振動の周波数で振動させて前記直流電圧の電圧振動と逆位相の電圧振動を発生させる第一の手段としても好適である。
本発明の電動車両において、前記第一の手段は、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのトルク出力を維持しながらすべり周波数を振動させること、としても好適である。
本発明の電動車両において、前記電圧振動減少手段は、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータの電流リプルが前記直流電圧の電圧振動の周波数で前記直流電圧の電圧振動と逆位相の電圧を発生させるような交流電流を前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータに供給する第二の手段としても好適である。
本発明の電動車両において、前記第二の手段は、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータの電流リプルが前記直流電圧の電圧振動の周波数となるように前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのすべり周波数を変化させると共に、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータの電流リプルの位相が前記直流電圧の電圧振動と逆位相となるように前記交流電流の位相を変化させること、としても好適である。
本発明の電動車両において、前記第二の手段は、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのトルク出力を維持しながらすべり周波数を変化させること、としても好適である。
本発明の電動車両において、前記電圧振動減少手段は、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのすべり周波数を前記直流電圧の電圧振動の周波数で振動させて前記直流電圧の電圧振動と逆位相の電圧振動を発生させる第一の手段と、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータの電流リプルが前記直流電圧の電圧振動の周波数で前記直流電圧の電圧振動と逆位相の電圧を発生させるような交流電流を前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータに供給する第二の手段とを備え、前記直流電圧の電圧振動の周波数が所定の周波数以上の場合には、前記第一の手段を用い、前記直流電圧の電圧振動の周波数が所定の周波数未満の場合には、前記第二の手段を用いること、としても好適である。
本発明の電動車両において、前記各インバータに供給される直流電圧を検出する電圧センサを備え、前記電圧振動減少手段は、前記電圧センサで検出した前記直流電圧に応じて、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのトルク出力を維持しながら、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのすべり周波数を変化させる第三の手段としても好適である。
本発明は、電動車両において、PCUでの電圧振動を減少させることができるという効果を奏する。
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図1に示すように、本実施形態の電動車両100は、他の車両駆動用モータである同期モータジェネレータ50によって駆動される前輪57と、車両駆動用誘導モータである誘導モータジェネレータ60によって駆動される後輪67とを備えている。同期モータジェネレータ50は、例えば、永久磁石をロータに組み込んだ永久磁石型同期電動発電機(PMSMG)であってもよい。
図1に示すように、同期モータジェネレータ50には、充放電可能な二次電池であるバッテリ10から供給される直流電力の電圧を昇圧コンバータ20で昇圧した昇圧直流電力を「他のインバータ」であるインバータ30で変換した三相交流電力(他の交流電圧)が供給される。また、誘導モータジェネレータ60は、共通のバッテリ10及び昇圧コンバータ20から供給される直流電力を「インバータ」であるインバータ40で変換した三相交流電力(交流電圧)が供給される。バッテリ10にはバッテリ10の出力電圧を直接計測する電圧センサ71が取り付けられている。
昇圧コンバータ20は、バッテリ10のマイナス側に接続されたマイナス側電路17と、バッテリ10のプラス側に接続された低圧電路18と、昇圧コンバータ20のプラス側出力端の高圧電路19とを含んでいる。昇圧コンバータ20は、低圧電路18と高圧電路19との間に配置された上アームスイッチング素子13と、マイナス側電路17と低圧電路18との間に配置された下アームスイッチング素子14と、低圧電路18に直列に配置されたリアクトル12と、低圧電路18とマイナス側電路17との間に配置されたフィルタコンデンサ11とフィルタコンデンサ11の両端の低電圧VLを検出する低電圧センサ72とを含んでいる。また、各スイッチング素子13,14には、それぞれダイオード15,16が逆並列に接続されている。昇圧コンバータ20は、下アームスイッチング素子14をオン、上アームスイッチング素子13をオフとしてリアクトル12にバッテリ10からの電気エネルギを蓄積した後、下アームスイッチング素子14をオフとし、上アームスイッチング素子13をオンとして、リアクトル12に蓄積した電気エネルギによって電圧を上昇させて高圧電路19に昇圧した電圧を出力する。
同期モータジェネレータ50に交流電力を供給するインバータ30と誘導モータジェネレータ60に交流電力を供給するインバータ40は、昇圧コンバータ20の高圧電路19に接続される共通の高圧電路22と、昇圧コンバータ20のマイナス側電路17に接続される共通のマイナス側電路21とを含んでいる。昇圧コンバータ20とインバータ30との間の高圧電路22とマイナス側電路21との間には、昇圧コンバータ20から供給された直流電流を平滑にする平滑コンデンサ23が接続されている。インバータ30,40に供給される昇圧後の高電圧VHは、平滑コンデンサ23の両端の電圧を検出する高電圧センサ73によって検出される。従って、本実施形態では、インバータ30,40に供給される高電圧VHは同一電圧である。
インバータ30は、内部にU,V,Wの各相についてそれぞれ上アーム、下アームの合計6個のスイッチング素子31含んでいる。各スイッチング素子31にはそれぞれダイオード32が逆並列に接続されている(図1では、6つのスイッチング素子、ダイオードのなかの1つずつのみを図示し、他のスイッチング素子、ダイオードの図示は省略する)。インバータ30のU,V,Wの各相の上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子との間からは、それぞれU,V,Wの各相の電流を出力する出力線33,34,35が取り付けられており、各出力線33,34,35は同期モータジェネレータ50のU,V,Wの各相の入力端子に接続されている。また、本実施形態では、V相とW相の各出力線34,35には、それぞれの電流を検出する電流センサ52,53が取り付けられている。なお、U相の出力線33には電流センサは取りつけられていないが、三相交流では、U,V,Wの各相の電流の合計はゼロとなることから、U相の電流値はV相,W相の電流値から計算によって求めることができる。
同期モータジェネレータ50の出力軸54は、ディファレンシャルギヤあるいは減速ギヤ等の駆動機構55に接続され、駆動機構55は、同期モータジェネレータ50のトルク出力を前方の車軸56の駆動トルクに変換して前輪57を駆動する。車軸56には、車軸56の回転速度から車速を検出する車速センサ58が取り付けられている。同期モータジェネレータ50には、ロータの回転角度あるいは、回転数を検出するレゾルバ51が取り付けられている。
誘導モータジェネレータ60は、同期モータジェネレータ50と同様、昇圧コンバータ20で昇圧した高電圧VHをインバータ40で変換した三相交流電力が供給される。インバータ40(スイッチング素子41、ダイオード42)、電流センサ62,63、レゾルバ61の構成は、先に説明した同期モータジェネレータ50の駆動に用いられるインバータ30、電流センサ52,53、レゾルバ51と同様である。また、誘導モータジェネレータ60の出力軸64は、同期モータジェネレータ50の出力軸54と同様、ディファレンシャルギヤあるいは減速ギヤ等の駆動機構65に接続され、駆動機構65は、後方の車軸66に接続されて後輪67を駆動する。車軸66には、車軸56と同様の車速センサ68が取り付けられている。なお、昇圧コンバータ20,平滑コンデンサ23、インバータ30,40はPCU90を構成する。
図1に示すように、制御部80は、演算処理を行うCPU81と、記憶部82と、機器・センサインターフェース83とを含み、演算処理を行うCPU81と、記憶部82と、機器・センサインターフェース83はデータバス84で接続されているコンピュータである。記憶部82の内部には、電動車両100の制御データ85,制御プログラム86、及び、後で説明する電圧振動減少プログラム87(第一、第二、第三のプログラムを含む)が格納されている。電圧振動減少プログラム87(第一、第二、第三のプログラムを含む)には、図9に示す高電圧VHに対するすべり周波数設定値を規定するマップが内蔵されている。また、後で説明する図3に示す誘導モータジェネレータ60の最適効率ラインE及び特性曲線a〜eは制御データ85の中に格納されている。また、先に説明した、昇圧コンバータ20のスイッチング素子13,14、インバータ30,40の各スイッチング素子31,41は機器・センサインターフェース83を通して制御部80に接続され、制御部80の指令によって動作するよう構成されている。また、電圧センサ71,低電圧センサ72,高電圧センサ73、電流センサ52,53,62,63,レゾルバ51,61、車速センサ58,68の各センサの出力は機器・センサインターフェース83を通して制御部80に入力されるよう構成されている。
以上のように構成された電動車両100の動作について説明する前に、図2を参照しながら、電動車両100に搭載された誘導モータジェネレータ60のすべり周波数Sに対するトルク出力特性と制御について説明する。
図2の実線a、破線b、点線c,一点鎖線d、二点鎖線eは、それぞれ誘導モータジェネレータ60に供給された電流I1、I2、I3、I4、I5(I1>I2>I3>I4>I5)におけるトルク出力とすべり周波数Sの関係を示す特性曲線である。図2の実線aはステータコイルに流れる電流I1が最大電流の場合の特性曲線である。図2の線a〜eに示すように、誘導モータジェネレータ60は、すべり周波数Sがゼロ、すなわち、ロータの回転によるロータの電気周波数[Hz]とステータコイルに流れる電流の電気周波数[Hz]の差がゼロの場合には、トルク出力がゼロであり、すべり周波数Sが増加、すなわち、ロータの回転によるロータの電気周波数[Hz]とステータコイルに流れる電流の電気周波数[Hz]の差が大きくなるにしたがって、トルク出力が大きくなる。すべり周波数Sを増大させていくと、あるすべり周波数Sでトルク出力は最大となり、それ以上にすべり周波数Sを増大させていくと、すべり周波数Sが増加するにしたがって、トルク出力は減少してくる。また、トルク出力は、ステータのコイルに流れる電流Iが大きいほど大きく、電流Iが小さいほど小さくなる。
図2の太い実線Eは、上記のような特性を有する誘導モータジェネレータ60を駆動する際に、あるトルク出力が得られる最も効率の良い電流Iとすべり周波数Sの点をつないだ最適効率ラインEである。したがって、誘導モータジェネレータ60の運転点が最適効率ラインEの上から外れると誘導モータジェネレータ60の効率が低下し、同一の出力に対する消費電力量が増加する。通常の制御では、制御部80は、要求トルクに対してこの最適効率ラインEに沿ってステータコイルに供給する電流値I[A]とすべり周波数S[Hz]を決定する。そして、制御部80は、レゾルバ61で検出した誘導モータジェネレータ60のロータの回転数からロータの電気周波数Fr[Hz]を計算し、計算したロータの電気周波数Fr[Hz]に先に求めたすべり周波数S[Hz]を加えた電気周波数Fs[Hz]を計算する。そして、制御部80は、インバータ40を動作させ、電気周波数Fs[Hz]で、電流I[A]の交流電流を誘導モータジェネレータ60のステータのコイルに供給し、走行状態に合わせたトルク、駆動力を発生させる。図2に示すように、トルク指令TがT1の場合、図2に示す最適効率ラインEによりすべり周波数SはS1、電流は破線bの特性曲線の電流I2であるから、制御部80は、ロータの電気周波数Fr[Hz]にすべり周波数S1[Hz]を加えて電気周波数Fs[Hz]を計算し、インバータ40を動作させて、電気周波数Fs[Hz]で、電流I2[A]の交流電流を誘導モータジェネレータ60のステータコイルに供給する。
なお、制御部80は、電動車両100の走行データに基づいて同期モータジェネレータ50のトルク指令Tsを算出し、算出した同期モータジェネレータ50の出力トルク指令Tsに基づいて制御マップから同期モータジェネレータ50のステータに供給する三相交流電力の波形、電圧を取得し、インバータ30、昇圧コンバータ20を動作させてその波形、電圧の三相交流電力を同期モータジェネレータ50に供給し、走行状態に合わせたトルク、駆動力を発生させる。
次に、図3から図5を参照しながら電動車両100の動作について説明する。先に説明したように、同期モータジェネレータ50からの逆起電力の振動数が平滑コンデンサ23の静電容量(C)と昇圧コンバータ20のコイル12のリアクタンス(L)によって決まるLC共振周波数に近くなった場合に、PCU90の回路でのLC共振が励起されることにより、図4(a)に示すように、高電圧VHが大きく振動してしまう場合等がある。また、同期モータジェネレータ50の電流センサ52,53の検出誤差、レゾルバ51の検出誤差が所定の値よりも大きい場合に、トルク、回転数の制御安定性が低下し、同期モータジェネレータ50の逆起電圧の振動により、PCU90の回路で電圧振動が励起され、図4(a)に示すように、高電圧VHが大きく振動する場合がある。
そこで、制御部80は、図1に示す電圧振動減少プログラム87の内の第一のプログラムを実行する。制御部80は、図3のステップS101に示すように、電動車両100の走行中に、高電圧センサ73によって高電圧VHを検出し、図2のステップS102に示すように、高電圧VHの変動周波数分析を行い、図4(b)に示すような各振動周波数F1〜F5[Hz]とその振動周波数F1〜F5[Hz]における振幅B[V]の分布を得る。周波数分析は例えば、FFT等の一般的手法によって行ってもよい。そして、制御部80は、図3のステップS103に示すように、振幅Bが最大となっている周波数成分を特定し、図3のステップS104に示すように、その振幅Bが第1の閾値B1を超えているかどうかを判断する。本実施形態では、図4(a)に示すように、振幅Bが最大となっている周波数はF3[Hz]であり、その振幅は第1の閾値B1を超えているので、制御部80は、図3のステップS105に進み、誘導モータジェネレータ60のすべり周波数Sの振動を開始する。
誘導モータジェネレータ60のすべり周波数Sの振動は、誘導モータジェネレータ60のトルク出力が一定の状態を保持したまま、誘導モータジェネレータ60の運転点を図2に示す最適効率ラインEから周期的に離したり近づけたりすることによって行う。つまり、図2の上で運転点を点P1と点P4の間で水平方向に往復移動することによって行う。
今、図2に示すように、誘導モータジェネレータ60は、トルク出力T1、すべり周波数S1、電流I2で最適効率ラインEの上の点P1で運転されている。周波数分析の結果から低減したい電圧振動の周波数は、図4(b)に示す周波数F3[Hz]であるから、制御部80は、誘導モータジェネレータ60のトルク出力(トルク指令T*)が一定となるように、すべり周波数指令S*を周波数F3[Hz]あるいは、周期1/F3[sec]でS1とS4の間(点P1と点P4の間)で増減させる。ここで、誘導モータジェネレータ60のトルク出力を一定にするのは、電動車両100に車両振動が発生することを抑制するためである。なお、誘導モータジェネレータ60は、最適効率ラインEの上の点P1で運転されているから、トルク出力(トルク指令T*)一定としてすべり周波数指令S*を変化させて誘導モータジェネレータ60の消費電力を増加させることはできるが、誘導モータジェネレータ60の消費電力を点P1での消費電力よりも少なくすることは難しい。
図5(a)の線a1に示すように、高電圧VHは周波数F3[Hz]で振動しているから、図5時刻t1から時刻t5の間は周期1/F3[sec]となる。従って、図5に示す時刻t1から時刻t5の間に誘導モータジェネレータ60の運転点を点P1と点P4の間で往復させるようにすべり周波数指令S*を振動させ、誘導モータジェネレータ60の消費電力を振動させれば、それによって高電圧VHのピークを低減させることができる。しかし、例えば、図5(a)に示す時刻t4からt6の間のように、高電圧VHが設定電圧VH1よりも低い時間帯では、誘導モータジェネレータ60の運転点をP1以外の点に移動させて誘導モータジェネレータ60の消費電力を増加させても、高電圧VHが設定電圧VH1よりも小さくなる傾向を助長してしまうことになるので、この期間は、誘導モータジェネレータ60が図2に示す点P1で運転できるように、すべり周波数指令S*は、当初のS1一定に保つことが必要となる。従って、すべり周波数指令S*は、周期1/F3[sec]の1/2の時間でS1とS4の間を往復させ、残りの周期1/F3[sec]の1/2の時間は、S1一定とし、ピークのS4の周期が周期1/F3[sec]となるような波形とすることが必要となってくる。例えば、図5(c)線cに示すように、時刻t2から時刻t4の間(周期1/F3[sec]の1/2の時間)ですべり周波数指令S*をS1とS4の間を往復させ、時刻t4から時刻t6の間(周期1/F3[sec]の1/2の時間)ではすべり周波数指令S*は、S1一定とし、すべり周波数指令S*がピークのS4から次のピークS4までの時間が高電圧VHのピークからピークとなる時刻t3から時刻t7(周期1/F3[sec])となるような波形(図5(c)の線cのような波形)とする。
誘導モータジェネレータ60のトルク出力(トルク指令T*)を一定にして、時刻t2から時刻t3の間のようにすべり周波数指令S*をS1からS4に増加させる場合、制御部80は、誘導モータジェネレータ60の運転点を、まず、図2に示すP1からP2に移動させる、この際、電流は点P1でのI2から点P2のI3に低減することが必要となる。次に、誘導モータジェネレータ60の運転点を、図2に示すP2からP3に移動させる際には、電流は点P2でのI3から点P3のI2に増加させることが必要となる。そして、誘導モータジェネレータ60の運転点を、図2に示すP3からP4に移動させる際には、電流は点P3でのI2から点P1のI1(最大電流)に増加させることが必要となる。このため、図5(c)の線cのように時刻t2から時刻t3の間のようにすべり周波数指令S*をS1からS4に増加させる場合には、誘導モータジェネレータ60の電流指令I*は、図5(d)の線dに示すように、時刻t2から時刻t3の間に、I2からI3に一旦低下した後、ピークのI1まで上昇するような指令波形となる。すべり周波数指令S*をS4からS1に減少させる場合はこの逆で、図5(d)の線dに示すように、ピークのI1からI3まで低下した後、当初のI2に戻る指令波形となる。
以上説明したような波形で、誘導モータジェネレータ60のすべり周波数指令S*、電流指令I*を変動させると、図5(b)の線bに示すように、誘導モータジェネレータ60のトルク出力はT1一定のまま、図5(e)に示す線eのように、誘導モータジェネレータ60の消費電力Pwは、時刻t2から時刻t4の間(周期1/F3[sec]の1/2の時間)で当初のPw1よりも増加して高電圧VHを低下させる。また、時刻t4から時刻t6の間(周期1/F3[sec]の1/2の時間)では当初のPw1に保持され、消費電力のピーク間隔(高電圧VHを低下させる時間間隔)は、時刻t3からt7の間(周期1/F3[sec])となる。
以上説明したように、制御部80は、誘導モータジェネレータ60のトルク出力(トルク指令T*)を一定として、周波数F3[Hz](周期1/F3[sec])で振動する誘導モータジェネレータ60のすべり周波数指令S*、電流指令I*の波形を生成する。
次に、制御部80は、図3のステップS106に示すように、誘導モータジェネレータ60の消費電力Pwのピークが高電圧VHのピークに一致するように、先に生成した各指令波形の位相を変更する。位相の調整は、インバータ40から誘導モータジェネレータ60に供給する交流電流波形の位相をずらすようにしてもよい。誘導モータジェネレータ60の消費電力Pwのピークが高電圧VHのピークに一致すると、図5(a)の一点鎖線a2に示すように、高電圧VHのピーク電圧が低減される。つまり、誘導モータジェネレータ60の消費電力Pwの振動により、高電圧VHの振動とちょうど逆位相の電圧振動が発生することとなるので、この逆位相の電圧振動によって、図5(a)の破線a3に示すように、時刻t3,時刻t7等での高電圧VHのピークが低減される。
制御部80は、図2のステップS107に示すように、高電圧VHの検出、周波数分析を行い、最大振幅を取得し、図2のステップS108に示すように、最大振幅が図4(b)に示す第2の閾値B0未満となっているかどうかを判断する。そして、最大振幅が第2の閾値B0未満の場合には、高電圧VHの振動は収束したと判断して図2のステップS109に示すように、誘導モータジェネレータ60のすべり周波数Sの振動を停止し、通常制御に戻る(電圧振動減少プログラム87の第一のプログラム終了)。
このように、本実施形態によれば、PCU90での電圧振動を減少させ、高電圧VHのピークを低く抑えることができることから、高電圧によるPCU90内のスイッチング素子やダイオード等の電気素子の寿命低下を抑制することができる。また、従来技術では、LC共振による高電圧VHの振動を回避するために、最適運転電圧以上に高電圧VHを上昇させる対策をとる場合があったが、本実施形態によると、LC共振が発生する領域であっても、高電圧VHを最適電圧に保った制御を行うことができ、昇圧損失を抑制することができるので燃費の向上を図ることができるという効果を奏する。
次に、図6、図7を参照して本発明の他の実施形態について説明する。先に図1から図5を参照して説明した部分と同様の部分については説明を省略する。本実施形態は、高電圧VHの振動が発生した際に、誘導モータジェネレータ60に供給する交流電力のすべり周波数Sを変更し、誘導モータジェネレータ60に発生する電流リプルの周波数を高電圧VHと同周波数とし、この電流リプルによって発生する電圧振動で高電圧VHの振動をキャンセルしようというものである。
制御部80は、図1に示す電圧振動減少プログラム87の中の第二のプログラムを実行する。制御部80は、図3のステップS101からS104で説明したと同様、図6のステップS201〜ステップS204において、図4(a)に示すように高電圧センサ73で高電圧VHを検出し、高電圧VHの変動周波数分析を行い、最大振幅の周波数を特定し、この周波数における最大振幅が図4(b)の第1の閾値B1以上かどうかを判断する。そしても、最大振幅が第1の閾値B1以上の場合には、制御部80は、図6のステップS205に示すように、誘導モータジェネレータ60のすべり周波数Sを変更する。
誘導モータジェネレータ60では、ロータの回転によってトルクリプルが発生し、これにより、電流リプルが発生する。電流リプルの周波数は、誘導モータジェネレータ60に供給される交流電流の電気周波数とロータ、ステータの極数によって決まってくるが、誘導モータジェネレータ60に供給される交流電流の電気周波数の整数倍の周波数となる。例えば、誘導モータジェネレータに供給する交流電流の電気周波数がFAの場合、誘導モータジェネレータ60に発生する電流リプルの周波数は、N×FAとなる(電気N次周波数、例えば、電気6次周波数の場合は、N=6)。図4(b)に示すように、第1の閾値B1以上となる高電圧VHの振動周波数がF3の場合、誘導モータジェネレータ60の電流リプルの周波数が、N×FA=F3となるようにすれば誘導モータジェネレータ60で発生する電流リプルの周波数と高電圧VHの周波数を一致させることができる。誘導モータジェネレータ60のロータの回転数(電気周波数)Frと誘導モータジェネレータ60のステータに供給する交流電力の電気周波数FAの差がすべり周波数Sであるから、
S=FA−Fr −−−−−−−−−−−−−−−−−−−− (式1)
先に述べたように、高電圧VHの振動数がF3の場合には、FA=F3/N、となるから、これを(式1)に代入すると、
S=F3/N−Fr −−−−−−−−−−−−−−−−−−−− (式2)
となる。
したがって、レゾルバ61で検出した誘導モータジェネレータ60のロータの電気周波数がFrの場合に、誘導モータジェネレータ60のステータに供給される交流電力のすべり周波数指令S*を上記の(式2)で計算されるすべり周波数Sのように変更すると、図7(a)に示す線a1で示す高電圧VHの電流振動の振動数(F3)或いは周期と、図7(b)に線bで示す誘導モータジェネレータ60に発生する電流リプルの振動数(N×FA)或いは周期とが一致することになる。
S=FA−Fr −−−−−−−−−−−−−−−−−−−− (式1)
先に述べたように、高電圧VHの振動数がF3の場合には、FA=F3/N、となるから、これを(式1)に代入すると、
S=F3/N−Fr −−−−−−−−−−−−−−−−−−−− (式2)
となる。
したがって、レゾルバ61で検出した誘導モータジェネレータ60のロータの電気周波数がFrの場合に、誘導モータジェネレータ60のステータに供給される交流電力のすべり周波数指令S*を上記の(式2)で計算されるすべり周波数Sのように変更すると、図7(a)に示す線a1で示す高電圧VHの電流振動の振動数(F3)或いは周期と、図7(b)に線bで示す誘導モータジェネレータ60に発生する電流リプルの振動数(N×FA)或いは周期とが一致することになる。
すべり周波数指令S*を変更する際には、電動車両100に車両振動が発生しないよう、誘導モータジェネレータ60の出力トルクが一定になるように、図2を参照して説明した特性曲線に従って電流指令Iを変更していく。
次に制御部80は、図6のステップS206に示すように、誘導モータジェネレータ60のステータに供給する交流電流の位相を変更する。例えば、図7(a)、図7(b)に示すように、時刻t1の高電圧VHのピークと誘導モータジェネレータ60に発生するリプル電流のピークとが一致するようにステータに供給する交流電力の位相を変更する。高電圧VHのピークと誘導モータジェネレータ60に発生するリプル電流のピークとが一致すると、図7(a)の一点鎖線a2に示すように、誘導モータジェネレータ60に発生するリプル電流の振動によって、高電圧VHの振動と逆位相の電圧振動が発生し、この逆位相の電圧振動によって高電圧VHの振動が図7(a)に示す破線a3のように低減される。
制御部80は、図6のステップS207に示すように、高電圧VHを検出し、周波数分析を行い、最大振幅を取得する。そして、制御部80は、図6のステップS208に示すように、最大振幅が図4(b)に示す第2の閾値B0未満であれば、高電圧VHの振動は収束したと判断し、図6のステップS209に示すように、通常制御に戻る。
一方、制御部80は、誘導モータジェネレータ60のステータに供給する交流電流の位相を変更しても最大振幅が第2の閾値B0未満になっていない場合には、図6のステップS206に戻って交流電流の位相の変更量を増減させて、最大振幅が第2の閾値B0未満となるようにする。
同期モータジェネレータ50では、ステータコイルに供給される交流電力の回転数(電気周波数)はロータの回転数(電気周波数)と同期していることから、ロータ及びステータの極数に応じてステータコイルに供給される交流電力の周波数の整数倍の周波数でトルク変動が発生し、このトルク変動による逆起電圧の変動が高電圧VHの振動を励振していることが多いので、誘導モータジェネレータ60に供給する交流電流の位相を同期モータジェネレータ50に供給する交流電流の位相に対して変更させることにより、例えば、同位相の方向に変更したり、逆位相の方向に変更したりすることによって高電圧VHの振動と誘導モータジェネレータ60の電流リプルによって発生する電圧振動が逆位相となるように調整することとしてもよい。
そして、先に述べたように、制御部80は、最大振幅が第2の閾値B0未満になれば、高電圧VHの振動は収束したと判断し、図6のステップS209に示すように、通常制御に戻る(電圧振動減少プログラム87の第二のプログラム終了)。
本実施形態は、先に説明した実施形態と同様、PCU90での電圧振動を減少させ、高電圧VHのピークを低く抑えることができることから、高電圧によるPCU90内のスイッチング素子やダイオード等の電気素子の寿命低下を抑制することができ、LC共振が発生する領域であっても、LC共振を回避するための昇圧が不要となるので昇圧損失の発生を抑制し、燃費の向上を図ることができるという効果を奏する。
次に、図8を参照しながら本発明の他の実施形態について説明する。先に説明した、誘導モータジェネレータ60に供給する交流電流のすべり周波数Sを振動させて高電圧VHのピーク電圧を低減する方法(電圧振動減少プログラム87の中の第一のプログラム)においては、電動車両に振動が発生することを抑制するように、トルク出力が一定となるように、すべり周波数Sを振動させることとして説明したが、過渡時にトルク出力が一定とならない場合がある。特に低周波数ですべり周波数Sを振動させた場合には、過渡時のトルク出力の変動が電動車両100の車両振動に結びつく場合がある。一方、高周波ですべり周波数Sを振動させた場合には、回転駆動部分の慣性モーメント等のため、トルク出力が一定にならない場合であっても、車両振動を発生させるような実トルクの変動に結びつかない。従って、電圧振動減少プログラム87の中の第一のプログラムは、高電圧VHの振動が高周波領域で発生している場合の方が、より効果的に車両振動を抑制しつつ高電圧VHの振動、或いは電圧ピークを抑制することができる。
一方、先に説明した、誘導モータジェネレータ60に供給する交流電流のすべり周波数の周波数を変更して誘導モータジェネレータ60の電流リプルの振動数と高電圧VHの電圧振動を合わせ、高電圧VHと逆位相の電圧振動を発生させて高電圧VHの振動を低減する方法(電圧振動減少プログラム87の中の第二のプログラム)は、すべり周波数指令S*を先に説明した(式2)(以下の再度記載する)で計算されるすべり周波数Sとすることが必要となってくる。
S=F3/N−Fr −−−−−−−−−−−−−−−−−−−− (式2)
S=F3/N−Fr −−−−−−−−−−−−−−−−−−−− (式2)
誘導モータジェネレータ60では、図2に示すように、すべり周波数SをS1からS4まで増加させて、誘導モータジェネレータ60の運転点を初期の点P1から点P4まで移動させる場合には、電流を変化させることによってトルク出力一定となるように運転点を移動させる、すなわち、図2で運転点を水平方向に移動させることができる。しかし、高電圧VHの振動数F3が高くなってくると、上記(式2)によって計算されるすべり周波数SをS4以上とすることが必要となってくる。すべり周波数SがS4以上となると誘導モータジェネレータ60の出力トルクは、最大電流I1の場合の特性である線aに沿って低下し、すべり周波数SがS5の場合には、トルク出力はT4まで低下してしまう。このため、電動車両100の走行に必要なパワーが不足する場合が発生する。従って、電圧振動減少プログラム87の中の第二のプログラムは、高電圧VHの振動周波数F3が低く、すべり周波数SをS4以上に増加させずに対応できる低周波領域の方が、より効果的に高電圧VHの振動を低減することができる。
そこで、電圧振動減少プログラム87の中の第三のプログラムは、高電圧VHの最大振幅の振動数F3が高い場合には、電圧振動減少プログラム87の中の第一のプログラムを実施して高電圧VHの電圧振動の低減を図り、高電圧VHの最大振幅の振動数F3が低い場合には、電圧振動減少プログラム87の中の第二のプログラムを実施して高電圧VHの電圧振動の低減を図るようにしたものである。以下、図8を参照して説明する。
図8のステップS301〜S304に示すように、制御部80は、高電圧VHを検出し、変動周波数の分析を行った後、最大振幅の周波数成分を特定し、最大振幅が図4(b)に示す第1の閾値B1以上かどうかを判断する。そして、最大振幅が第1の閾値B1以上の場合には、図8のステップS305に示すように、最大振幅の周波数成分が所定の周波数以上かどうかを判断する。ここで、所定の周波数Fmaxは、上記の(式2)において、S=S4(トルク出力一定の最大すべり周波数)とした際に、誘導モータジェネレータ60のロータの回転電気周波数Fr、極数から決まる整数Nによって決まる数値としてもよい。
Fmax=N×(Fr+S4)−−−−−−−−−−−−−−−−−− (式3)
ここで、Nは、誘導モータジェネレータ60に発生する電流リプルの周波数の誘導モータジェネレータ60のロータの回転電気周波数Frに対する倍数、或いは、電気周波数の次数である。
Fmax=N×(Fr+S4)−−−−−−−−−−−−−−−−−− (式3)
ここで、Nは、誘導モータジェネレータ60に発生する電流リプルの周波数の誘導モータジェネレータ60のロータの回転電気周波数Frに対する倍数、或いは、電気周波数の次数である。
そして、制御部80は、最大振幅の周波数成分が所定の周波数Fmax以上の場合は、図8のステップS306〜ステップS309に示すように、電圧振動減少プログラム87の中の第一のプログラムを実行する。図8のステップS306〜ステップS309の実際の制御動作は、図3のステップS105〜ステップS108と同様である。また、制御部80は、最大振幅の周波数成分が所定の周波数Fmax以上でない場合(Fmax未満の場合)は、図8のステップS310〜ステップS313に示すように、電圧振動減少プログラム87の中の第二のプログラムを実行する。図8のステップS310〜ステップS313の実際の制御動作は、図6のステップS205〜ステップS208と同様である。
以上説明したように、本実施形態の電圧振動減少プログラム87の中の第三のプログラムは、先に説明した2つの実施形態の効果に加え、高電圧VHの最大振幅の振動数が高い場合には、電圧振動減少プログラム87の中の第一のプログラムを実施し、高電圧VHの最大振幅の振動数が低い場合には、電圧振動減少プログラム87の中の第二のプログラムを実施して高電圧VHの電圧振動の低減を図るようにしたもので、高電圧VHの振動数の広い範囲に対応することができるという効果を奏する。
以上説明した各実施形態では、高電圧VHの振動と同期した電圧振動を発生させ、高電圧VHの電圧振動を減少させるというものであったが、先に説明した実施形態のように、特定の周波数に電気振動を発生させるのではなく、高電圧センサ73で検出した高電圧VHをフィードバックして誘導モータジェネレータ60のすべり周波数Sを変化させて高電圧VHのピークを低減するようにしてもよい。
制御部80は、電圧振動減少プログラム87の中に図9に示すような高電圧VHの設定値VH1からのズレに対するすべり周波数設定値の変更マップを格納している。このマップは、高電圧VHの値が設定値VH1以下の場合には、図2に示すS1一定で、高電圧VHが設定値VH1を超えると、すべり周波数Sが大きくなり、高電圧VHの振動のピークのVH3で、トルク出力一定制御のできる最大すべり周波数のS4(図2参照)となるようなマップである。制御部80は、高電圧センサ73で検出した高電圧VHが設定値VH1を超えたら、図9に示すマップに従って、誘導モータジェネレータ60のすべり周波数Sを増加させ、トルク出力一定としながら、誘導モータジェネレータ60の消費電力を増加させて高電圧VHを低減する。本実施形態は、先に説明した電圧振動減少プログラム87の中の第一のプログラムを実施した際の効果と同様の効果を奏する。
以上説明した実施形態では、昇圧コンバータ20によってバッテリ10の低電圧VLを昇圧して高電圧VHとしてインバータ30,40に供給することとしたが、昇圧コンバータ20を有しない場合には、高電圧センサ73に変わって低電圧センサ72を用いて低電圧VLを検出し、低電圧VLの振動を抑制するようにしてもよい。また、低電圧センサ72に変わってバッテリ10の電圧を検出する電圧センサ71の出力を用いてもよい。
また、以上説明した本実施形態では、同期モータジェネレータ50、誘導モータジェネレータ60はそれぞれ1つずつとして説明したが、電動車両100は複数の同期モータジェネレータ50と複数の誘導モータジェネレータ60を備えていてもよい。例えば、同期モータジェネレータ50及び誘導モータジェネレータ60によって前輪57を駆動し、他の同期モータジェネレータ50及び他の誘導モータジェネレータ60によって後輪67を駆動するように構成した電動車両100であっても本発明を適用することができる。このように、複数の誘導モータジェネレータ60を搭載した電動車両100では、複数の誘導モータジェネレータ60のうちの1つ又は複数の誘導モータジェネレータ60のすべり周波数Sを振動あるいは変更するようにしてもよい。
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲により規定されている本発明の技術的範囲ないし本質から逸脱することない全ての変更及び修正を包含するものである。
10 バッテリ、11 フィルタコンデンサ、12 コイル、13 上アームスイッチング素子、14 下アームスイッチング素子、15,16 ダイオード、17,21 マイナス側電路、18 低圧電路、19,22 高圧電路、20 昇圧コンバータ、23 平滑コンデンサ、30,40 インバータ、31,41 スイッチング素子、32,42 ダイオード、33,34,35 出力線、50 同期モータジェネレータ、51,61 レゾルバ、52,53,62,63 電流センサ、54,64 出力軸、55,65 駆動機構、56,66 車軸、57 前輪、58,68 車速センサ、60 誘導モータジェネレータ、67 後輪、71 電圧センサ、72 低電圧センサ、73 高電圧センサ、80 制御部、81 CPU、82 記憶部、83 機器・センサインターフェース、84 データバス、85 制御データ、86 制御プログラム、87 電圧振動減少プログラム、90 PCU、100 電動車両。
Claims (11)
- 少なくとも一つの車両駆動用誘導モータと、
少なくとも一つの他の車両駆動用モータと、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータへ少なくとも一つの交流電圧を供給する少なくとも一つのインバータと、
前記少なくとも一つの他の車両駆動用モータへ少なくとも一つの他の交流電圧を供給する少なくとも一つの他のインバータと、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータ及び前記少なくとも一つの他の車両駆動用モータの各回転数と各トルク出力とを調整する制御部と、を含む電動車両であって、
前記制御部は、
前記少なくとも一つの他の車両駆動用モータの回転に起因して、前記各インバータに供給される直流電圧が所定の電圧値以上の振幅で振動する際に、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータによって、前記直流電圧の電圧振動と逆位相の電圧振動を発生させ、前記直流電圧の電圧振動を減少させる電圧振動減少手段を有すること、
を特徴とする電動車両。 - 請求項1に記載の電動車両であって、
前記電圧振動減少手段は、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのすべり周波数を前記直流電圧の電圧振動の周波数で振動させて前記直流電圧の電圧振動と逆位相の電圧振動を発生させる第一の手段であること、
を特徴とする電動車両。 - 請求項2に記載の電動車両であって、
前記第一の手段は、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのトルク出力を維持しながらすべり周波数を振動させること、
を特徴とする電動車両。 - 請求項1に記載の電動車両であって、
前記電圧振動減少手段は、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータの電流リプルが前記直流電圧の電圧振動の周波数で前記直流電圧の電圧振動と逆位相の電圧を発生させるような交流電流を前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータに供給する第二の手段であること、
を特徴とする電動車両。 - 請求項4に記載の電動車両であって、
前記第二の手段は、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータの電流リプルが前記直流電圧の電圧振動の周波数となるように前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのすべり周波数を変化させると共に、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータの電流リプルによって発生する電圧振動の位相が前記直流電圧の電圧振動と逆位相となるように前記交流電流の位相を変化させること、
を特徴とする電動車両。 - 請求項5に記載の電動車両であって、
前記第二の手段は、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのトルク出力を維持しながらすべり周波数を変化させること、
を特徴とする電動車両。 - 請求項1に記載の電動車両であって、
前記電圧振動減少手段は、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのすべり周波数を前記直流電圧の電圧振動の周波数で振動させて前記直流電圧の電圧振動と逆位相の電圧振動を発生させる第一の手段と、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータの電流リプルが前記直流電圧の電圧振動の周波数で前記直流電圧の電圧振動と逆位相の電圧を発生させるような交流電流を前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータに供給する第二の手段とを備え、
前記直流電圧の電圧振動の周波数が所定の周波数以上の場合には、前記第一の手段により前記直流電圧の電圧振動を減少させ、前記直流電圧の電圧振動の周波数が所定の周波数未満の場合には、前記第二の手段によって前記直流電圧の電圧振動を減少させること、
を特徴とする電動車両。 - 請求項7に記載の電動車両であって、
前記第一の手段は、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのトルク出力を維持しながらすべり周波数を振動させること、
を特徴とする電動車両。 - 請求項7に記載の電動車両であって、
前記第二の手段は、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータの電流リプルが前記直流電圧の電圧振動の周波数となるように前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのすべり周波数を変化させると共に、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータの電流リプルによって発生する電圧振動の位相が前記直流電圧の電圧振動と逆位相となるように前記交流電流の位相を変化させること、
を特徴とする電動車両。 - 請求項9に記載の電動車両であって、
前記第二の手段は、
前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのトルク出力を維持しながらすべり周波数を変化させること、
を特徴とする電動車両。 - 請求項1に記載の電動車両であって、
前記各インバータに供給される直流電圧を検出する電圧センサを備え、
前記電圧振動減少手段は、
前記電圧センサで検出した前記直流電圧に応じて、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのトルク出力を維持しながら、前記少なくとも一つの車両駆動用誘導モータのすべり周波数を変化させる第三の手段であること、
を特徴とする電動車両。
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