JP3854591B2 - 電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法に関し、特に、電気自動車のインバータ切り離し時に電気制御回路を保護するための電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気自動車は、排出炭酸ガス削減の技術として有望視されている。電車、工作機械に用いられる電気モータ(以下、モータといわれる)と異なり激しいトルク変化を受ける自動車用モータは、システム効率の一層の向上と電気機器系統の一層の安全性が求められる。電池からインバータを介して交流3相電力の供給を受けるモータは、常態的に発電電力を電池の側に送り返す。図1は、バッテリー101から電力を受けて駆動されるモータ102を示している。モータ102のU相V相線間の回生電流Ir(t)は、下記の式で表される。
Ir(t)=(Euv−Eo)/(Zuv+Ro)・・・(1)
Euv:誘起電圧
Eo:充電時バッテリー電圧
Ro:充電時バッテリー入力インピーダンス
Zuv:線間インピーダンス
Zuv=(Ruv2+ω2・Luv2)1/2
Luv=線間インダクタンス
Ruv:線間電気子抵抗
【0003】
回転数がある回転数より大きくなればEuvがEoより大きくなって、インバータからモータに電力を供給することができなくなる高速域の運転の制御ができなくなることを防止するために、インバータの制御によりd軸電流を強制的に流すことにより、回転子に固定されている磁石の高速回転に起因して誘起される誘起電圧Euvの上昇を抑える制御技術が知られている。そのような制御技術は、弱め界磁制御といわれる。後掲特許文献1は、そのような弱め界磁制御の問題点を指摘している。高速域の運転中にインバータと電池との間の直流接続線を切ることが必要である場合がある。そのような場合として、電気機器系統の局所的部分の異常高温化が知られている。
【0004】
弱め界磁制御運転中にスイッチ103が開かれると、弱め界磁制御が実行されず、スロットの界磁巻線と回転子側の磁石の相対的高速度に起因する誘起電圧Euvが平滑コンデンサ104に印加される。誘起電圧Euvは、平滑コンデンサ104の許容電圧を越えることがある。特許文献1は、そのような場合に平滑コンデンサ104を保護する技術を開示している。この技術は、モータの入力端子を短絡することにより平滑コンデンサを保護していて、高速域の弱め界磁制御(零トルク制御又は低トルク制御ともいわれる)を断念している。インバータをバッテリーから切断することは、インバータを保護するための決定的な解決にはならない。スロットの巻線に供給する電流の電流量は少ないが電圧が高いモータでは、誘起電圧が高い誘起電流Ir(t)の一部がインバータを形成するトランジスタ又はサイリスタのような制御素子を破壊することが観測されている。モータ制御不能状態を招くインバータ破壊を検出するために、制御素子には素子破壊検出回路が付随している。素子破壊検出信号を受けるインバータ制御回路は、インバータとバッテリーを接続する接続線を切断し、インバータとモータを接続する接続線を切断し、又は、誘起電圧が過度にバッテリーにかかることがないようにモータの3相線間を短絡することにより、バッテリーを保護している。将来的に望まれる小型高性能のモータでは、より高い誘起電圧による不具合の発生がより強く懸念される。弱め界磁制御が実行されている状態で、制御素子に異常が発生する際に高い誘起電圧がバッテリーに作用することを回避するための接続線の切断又は短絡は、切断又は短絡による二次障害が発生し、二次障害の障害度を抑制するために切断用リレー又は短絡用リレーは高価であるという副次的問題を孕んでいる。
【0005】
弱め界磁制御中の制御素子の破壊に際してバッテリーを保護する短絡スイッチが低廉であるような制御方法の提供が求められる。
【0006】
【特許文献1】
特開平9−47055号
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、弱め界磁制御中の制御素子の破壊に際してバッテリーを保護する短絡スイッチを低廉化する電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、弱め界磁制御中の制御素子の破壊に際してバッテリーを保護する短絡スイッチの低廉化が採用される弱め界磁制御に対して適正である電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法を提供することにある。
本発明の別な課題は、パワーモジュールのメインテナンスを簡素化することによりサービスを向上させる電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明による電気車輌の制御装置は、車体(1)に支持される回路形成体と、車体(1)に支持されるバッテリー(7)と、車体に支持されるモータ(4)とから構成されている。その回路形成体は、バッテリー(7)からモータ(4)の複数相に電気的パワーを分配するパワー分配器(12)と、その電気的パワーの分配を制御する制御器(14)と、パワー分配器(12)とバッテリー(7)の間でパワー分配器(12)に対して並列に接続されるコンデンサ(18)と、コンデンサ(18)とバッテリー(7)の間に介設される開閉スイッチ(34)とから形成されている。パワー分配器(12)は、電気的パワーを複数相に時系列的に分配し逆流を許容する複数相対応の逆流許容パワー分配制御素子(12−j)を含んでいる。コンデンサ(18)の負極側とモータ(4)の中性点(51)を開閉自在に短絡する短絡スイッチ(51)が更に追加される。開閉スイッチ(34)開かれる際に、短絡スイッチ(51)が閉じられる。短絡スイッチ(51)は、コンデンサ(18)の負極側とモータ(4)の中性点(51)との間が短絡する。
【0009】
コンデンサ(18)の負極側とモータ(4)の中性点(51)との間の短絡は、中性点電圧を降下させ、特定相の誘起電圧を低下させる。このように低下する誘起電圧は、コンデンサ(18)の耐圧電圧より十分に低い電圧に降下する。このような降下は、コンデンサ(18)を有効に保護する。交流電圧がかかる短絡スイッチ(51)は、直流電圧がかかるスイッチよりその製造コストが低く、インバータ特にコンデンサの保護のためのコスト上昇を有効に抑制することができる。
【0010】
回路形成体には、複数相対応の逆流許容パワー分配制御素子の異常を検出して異常検出信号(55−j)を出力する異常検出回路(54−j)が更に付加される。制御器(14)は、異常検出信号(55−j)に対応して開閉スイッチ(34)を開き、且つ、異常検出信号(55−j)に対応して短絡スイッチ(53)を閉じる。
【0011】
回路形成体は単一の基板(11)に形成されることが特に有利である。パワー分配器(12)と制御器(14)とコンデンサ(18)と異常検出回路(54−j)は基板(11)に形成されることが特に有利である。集積的に形成されるパワー分配器(12)と制御器(14)とコンデンサ(18)と異常検出回路(54−j)は、その組立の容易さが全体のコストを低減し、耐振動性を有する。パワー分配器(12)と制御器(14)とコンデンサ(18)のいずれかが故障し又は異常を示す場合には、特に、パワー分配器(12)に含まれる電流制御素子であるサイリスタ又はトランジスタが故障した場合には、その故障基板を他の正常基板(11)と取り換える作業が顕著に簡素である。その集積は、立体的な実装を部分的に含むことができる。
【0012】
冷却構造を基板(11)に同体化することは、冷却効率の上昇と冷却構造の簡素化の両面で、製造コストを更に低減する。バッテリー(7)とパワー分配器(12)を接続する配線(15−2)が基板(11)に形成されることは、製造コストを更に低減することができる。
【0013】
開閉スイッチは、第1種開閉スイッチ(34)と、コンデンサ(18)とバッテリー(7)の間で第1種開閉スイッチ(34)に並列に接続される第2種開閉スイッチ(35)を形成する。コンデンサ(18)とバッテリー(7)の間で第2種開閉スイッチ(35)に直列に接続される電流制限抵抗(36)が挿入される。コンデンサ(18)とバッテリー(7)とを接続し第1種開閉スイッチ(34)が介設される線の抵抗の抵抗値は電流制限抵抗(36)の抵抗値に比べて実質的に零である。第1種開閉スイッチ(34)が開かれた後の近傍期間で第2種開閉スイッチ(35)が開かれ、電圧・電流の急変が緩和され、回路の保護を強化することができる。
【0014】
本発明による電気車輌の制御方法は、バッテリー(7)からインバータの複数の逆流許容パワー分配制御素子(12−j)を介して電力を多相のモータ(4)に分配するステップと、インバータ(6)の異常を検出するステップと、その異常に対応してインバータ(6)とバッテリー(7)の間を切断するステップと、その異常に対応して、インバータ(6)とバッテリーの間に介設されているコンデンサ(18)の負極側とモータ(4)の中性点(51)とを短絡スイッチ(53)により短絡するステップとから構成されている。中性点の短絡は、既述の通り、誘起電圧の降下を導いて、インバータ(6)とバッテリー(7)の間の切断の際に、コンデンサを有効に保護する。
【0015】
その短絡するステップは、モータ(4)の特定相で生成される誘起電流(Ir(t))をインバータ(6)の特定相に対応する対応相逆流用ダイオードを介してコンデンサ(18)に充電するステップを形成している。その充電電圧は低く抑えられていて、コンデンサを保護している。逆流許容パワー分配制御素子(12−j)が異常であるが故障でない場合には、その充電はモータの推進又は弱め界磁制御のために用いられ得る。
【0016】
その短絡するステップは、中性点(51)を短絡スイッチ(53)に接続し、短絡スイッチ(53)をその特定相とは異なる異相の逆流許容パワー分配制御素子(12−Vout)に接続し、その異相の逆流許容パワー分配制御素子(12−Vout)を中性点(51)に接続する循環回路を形成するステップを含む。このような循環回路の形成は、既述の電圧降下を確実に有効化する。
【0017】
異常に対応しないで、インバータ(6)とバッテリー(7)の間を切断するステップと、その特定相に対応する逆流許容パワー分配制御素子(12−Uin)を導通させてモータ(4)の特定相にコンデンサ(18)のパワーを分配するステップの追加は、弱め界磁制御のために充電電力を利用することができる点で好ましい。
【0018】
本発明による電気車輌の制御方法は、下記のステップにより効果的に実施され得る。そのステップは、基板(11)に回路を形成するステップと、基板(11)を電気車輌の車体)(1)に着脱可能に取り付けるステップとを構成している。その回路は、パワーモジュール(12)と、パワーモジュール(12)をモータ(4)に接続する配線(15−2)と、パワーモジュール(12)と基板(11)の外側に配置されるバッテリー(7)との間に介設される平滑コンデンサ(18)の負極側を車体(1)に支持されているモータ(4)の中性点(51)に短絡可能に接続する短絡スイッチ(53)を形成している。パワーモジュール(12)の故障が検出される場合に、その故障の基板(11)を正常な基板(11)に取り替えることは、メインテナンス・サービスを向上させることができる。
【0019】
【発明の効果】
本発明による電気車輌の制御方法は、短絡スイッチを交流中性点を短絡する短絡線に介設していて、短絡スイッチを低廉化することができる。弱め界磁制御中の制御素子の破壊に際してバッテリーを保護する短絡スイッチの追加は、切断時の弱め界磁制御に融合する。パワーモジュールのメインテナンスを簡素化することによりサービスを向上させることができる。
【0020】
【発明の実施の形態】
本発明による具現化される電気車輌の制御装置は、図の対応により詳しく具体的に記述される。図2は、電気車輌として、ハイブリッド自動車を例示している。そのハイブリッド自動車の車体1は、前2輪2と後2輪3とにより地面に対して支持される。車体1には、モータ4と、エンジン5と、インバータ6と、バッテリー7とが搭載されている。後2輪3は、車軸を構成する差動ギア8と減速機9とを介して、モータ4に機械的に連結している。エンジン5は、モータ4に直列に軸連結している。インバータ6は、バッテリー7の電気的パワーを制御的にモータ4に供給する。
【0021】
図3は、モータ4とバッテリー7との間に介設されるインバータ6の基板内集積構造を示している。インバータ6は、基板11に集積的に形成される。インバータ6は、パワーモジュール12と、パワーモジュール12に入力電力を入力する電源回路13と、パワーモジュール12の出力電力を制御する制御回路14とから構成されている。基板11には、バッテリー7を電源回路13に接続する第1配線構造15−1と、バッテリー7をパワーモジュール12に接続する第2配線構造15−2が形成されている。第1配線構造15−1と第2配線構造15−2は、並列にバッテリー7に接続している。第1配線構造15−1と第2配線構造15−2は、基板11の縁に配置される共通の接続端子16を介してバッテリー7に接続している。第1配線構造15−1と第2配線構造15−2の共通部分には第1平滑コンデンサ17が挿入されている。第2配線構造15−2には、第2平滑コンデンサ18が挿入されている。第1配線構造15−1には、放電抵抗19が挿入されている。制御回路14は、国際規格通信線21を介して上位コントローラ22に接続している。国際規格としてCANが採択されている。CANに準拠して上位コントローラ22から送信される来る制御信号は、インタフェース20を介して制御回路14に入力される。インタフェース20は、基板11に形成され、基板11と上位コントローラ22の電気的接続が容易である。
【0022】
パワーモジュール12は、U相電力供給線23とV相電力供給線24とW相電力供給線25とを介してモータ4に接続している。U相電力供給線23は、パワーモジュール12と基板11の縁に配置されるU相端子26との間で基板11に形成される基板内U相電力供給線23−1と、U相端子26とモータ4との間で配線される基板外U相電力供給線23−2とから形成されている。V相電力供給線24は、パワーモジュール12と基板11の縁に配置されるV相端子27との間で基板11に形成される基板内V相電力供給線24−1と、V相端子27とモータ4との間で配線される基板外V相電力供給線24−2とから形成されている。W相電力供給線25は、パワーモジュール12と基板11の縁に配置されるU相端子28との間で基板11に形成される基板内W相電力供給線25−1と、U相端子28とモータ4との間で配線される基板外W相電力供給線25−2とから形成されている。
【0023】
基板内U相電力供給線23−1と基板内V相電力供給線24−1と基板内W相電力供給線25−1には、それぞれにU相電流検出器29とV相電流検出器31とW相電流検出器32が介設されている。U相電流検出器29とV相電流検出器31とW相電流検出器32がそれぞれに検出する3相電流値信号33は、電源回路13にフィードバックされる。3相電流値信号33は、パワーモジュール12を構成する電力供給制御素子の開閉動作のタイミング制御に用いられる。電力供給制御素子としては、トランジスタ群が用いられ、特に好適にはサイリスタ群の位相制御のために用いられる。
【0024】
バッテリー7の正極側と第2平滑コンデンサ18の間に2種の開閉スイッチが挿入されている。2種の開閉スイッチは、第1種開閉スイッチ34と第2種開閉スイッチ35とで形成されている。第1種開閉スイッチ34と第2種開閉スイッチ35は、並列に配置されている。電圧急変緩和抵抗36は、バッテリー7の正極側と第2平滑コンデンサ18の間で第2種開閉スイッチ35に対して直列に配置されている。
【0025】
図4は、バッテリー7とパワーモジュール12と第2平滑コンデンサ18とモータ4との電気的接続関係を示している。パワーモジュール12は、基本的には、電力の供給量を時系列的に制御する6個の逆流許容電力供給制御素子により構成されている。6個の逆流許容電力供給制御素子の接続関係は、公知の接続関係がそのままに利用されている。2個の逆流許容電力供給制御素子はモータ4にU相電力を供給し、他の2個の逆流許容電力供給制御素子はモータ4にV相電力を供給し、更に他の2個の逆流許容電力供給制御素子はモータ4にW相電力を供給する。
【0026】
3相間の中性点51は、図4に示されるように、第2平滑コンデンサ18の負極側に短絡可能に接続されている。中性点51を第2平滑コンデンサ18の負極側に短絡する短絡線52には、中性点短絡スイッチ53が介設されている。
【0027】
図5は、中性点短絡回路を示している。基板11の上には、逆流許容電力供給制御素子12−Uin,Uout,Vin,Vout,Win,Wout(以下、12−j)の近傍に故障(異常)検出回路54−jが集積的に配置されている。1つの逆流許容電力供給制御素子12−jと1つの故障検出回路54−jは1つの対を形成している。逆流許容電力供給制御素子12−jが故障し又は異常化すれば、故障検出回路54−jは、故障(異常)検出信号55−jを出力する。故障検出信号55−jは、制御回路14に含まれるCPU56に入力される。制御回路14は、故障検出信号55−jを受信する時刻と概ね同時刻に第1種開閉スイッチ34を開く第1種開閉スイッチオフ信号57を第1種開閉スイッチ34に対して出力し、その時刻から数msec遅延して、又は、遅延しないで、第2種開閉スイッチ35を開く第2種開閉スイッチオフ信号58を第2種開閉スイッチ35に対して出力し、その時刻と概ね同時刻に中性点短絡スイッチ53を閉じる中性点短絡信号59を中性点短絡スイッチ53に対して出力する。制御回路14は、故障検出信号55−jを受信せずに弱め界磁制御を実行する場合には、故障検出信号55−j又は高温信号を受信する時刻と概ね同時刻に第1種開閉スイッチオフ信号57を出力し、その時刻から数msec遅延して、第2種開閉スイッチオフ信号58を出力し、弱め界磁制御信号61を対応相の逆流許容電力供給制御素子12−jに対して出力する。
【0028】
各相の線間電圧のうちU相V相間電圧はEuvで表され、バッテリー電圧はEoで表され、電圧急変緩和抵抗36が閉じている間の電圧急変緩和抵抗36の両端電圧はVbで表され、モータ投入電圧はVinで表され、回生電流はIr(t)で表され、バッテリー両端電圧はEo(t)で表されて、次式が成立する。
Vin=Ir(t)・Zuv・・・(2−1)
Vb:Vin=Ro:Zuv・・・(2−2)
Vb+Vin=Euv−Eo・・・(2−3)
ここで、Ro、Zuvは既出の式(1)で定義されている。式(2−1,2,3)から式(1)が導かれている。図6は、相電圧U,V,Wと、線間電圧(誘起電圧)Euv,Evw,Ewuと、太い線で描かれている回生電圧Er(t)とを示している。
【0029】
第1種開閉スイッチ34が閉じられいる正常運転状態では、パワーモジュール12により弱め界磁制御が実行される。零トルク制御又は低トルク制御と別称される弱め界磁制御は業界で普通に用いられる慣用的表現であるが、本明細書では、文字通りの意味で、誘起電圧押さえ込み制御といわれる。今、U相V相間の印加電圧が零である期間では、図7に示されるように、ロータ側固定磁石37は、ステータ側スロットの磁束形成誘導部分38に対して真正面位置であるd軸位置にある。磁束変化が最大になるd軸位置で、ロータ側固定磁石37の運動に起因して磁束形成誘導部分38に巻かれているコイル(電気子巻線)に発生する誘起電圧Euvは最大になる。誘起電圧Euvが最大になる期間の誘起電流は、図4に矢印39で示されるように、U相サイリスタ12−Uに並列に接続されている逆流整流器(ダイオード)を通り、第2平滑コンデンサ18に向かう。
【0030】
第1種開閉スイッチ34が開かれ、又は、第1種開閉スイッチ34と第2種開閉スイッチ35とが開かれた場合には、回生電圧の発生に起因する回生電流Ir(t)は、第2平滑コンデンサ18に対して負担をかけ、更には、誘起電流Ir(t)が押し寄せるパワーモジュール12の構成部品のうち対応相の逆流許容電力供給制御素子に負担をかける。逆流許容電力供給制御素子のうち逆流を許容するダイオードには問題となるような負担はかからないが、制御信号により動作状態が遷移するサイリスタ又はトランジスタには問題になる負担がかかる。
【0031】
このように回生電圧の発生に起因する回生電流Ir(t)は、第1種開閉スイッチ34が開かれ、又は、第1種開閉スイッチ34と第2種開閉スイッチ35とが開かれた場合には、第2平滑コンデンサ18に対して多様な負担をかける。このような期間で、U相サイリスタ12−Uがオンに点弧され、誘起電流Ir(t)を12−Uを通じて再逆流させ、誘起電流Ir(t)の逆流を押さえ込む。このような開閉制御が、3相電流値信号33又は制御回路14に電子化されているプログラムの制御によりパワーモジュール12のU相サイリスタ12−Uに対して実行される。
【0032】
第1種開閉スイッチ34の開動作直後には、回生電流Ir(t)はU相サイリスタ12−Uを通り電圧急変緩和抵抗36を介してバッテリー7に逆流し得るが、電圧急変緩和抵抗36の抵抗値の適正化により、その逆流の程度を抑制することができる。第1種開閉スイッチ34の開動作の直後には、回生電流Ir(t)は回生されて第2平滑コンデンサ18に充電が可能である。その充電期間(以下、第1充電期間といわれる)は、第2平滑コンデンサ18に過大な負担がかからない程度に短く設定される。第2平滑コンデンサ18の耐圧がKボルトであれば、その充電期間は、0.7Kの程度を越えない期間の長さ以下に抑えられる。次に、第1種開閉スイッチ34が開放され、バッテリー7は完全にパワーモジュール12とモータ4とから遮断(開放)される。回生電流Ir(t)の全ては、モータ4から矢印39を介して第2平滑コンデンサ18に向かう。この場合の充電期間(以下、第2充電期間といわれる)は、第1充電期間と同じ充電条件が課され、第2平滑コンデンサ18に過大な負担がかからない程度に短く設定される。第2平滑コンデンサ18の耐圧がKボルトであれば、その充電期間は、0.7Kの程度を越えない期間の長さ以下に抑えられる。第1種開閉スイッチ34の開放の直後に第3充電期間が設定されることは好ましい。第3充電期間には、既述の第1充電期間と既述の第2充電期間の充電条件が課される。第3充電期間は、第2平滑コンデンサ18に過大な負担がかからない程度に短く設定され、第2平滑コンデンサ18の耐圧がKボルトであれば、その充電期間は0.7Kの程度を越えない期間の長さ以下に抑えられる。このような充電期間は、μsecのオーダーで制御回路14のプログラムにより制御される。
【0033】
第1充電期間、第1充電期間に第2充電期間が加算された第1加算充電期間、又は、更にこの期間に第3充電期間が加算された第2加算充電期間で蓄積された電圧に対応して第2平滑コンデンサ18からU相サイリスタ12−Uに向かう電流(弱め界磁電流)は、これらの期間が経過した時点でU相サイリスタ12−Uがオンされて(導通化されて)、回生電流Ir(t)に加算され、第2平滑コンデンサ18からU相サイリスタ12−Uを介してモータ4に向かう電流は零電流化され、モータ4からU相サイリスタ12−Uを介して第2平滑コンデンサ18に向かう電流は零電流化される。ここで零電流は、文字通りに電流が零になることを意味せず、第2平滑コンデンサ18に対する負担が十分に小さくなるように第2平滑コンデンサ18に向かう電流の値が十分に小さくなることを意味する。このように、バッテリー7が第2平滑コンデンサ18、パワーモジュール12、又は、モータ4から開放される時点の直後の回生電力が瞬時的に第2平滑コンデンサ18で充電的に蓄積され、バッテリー7が開放されている安全条件保持状態で、その蓄積電力が誘起電圧押さえ込み制御のための電力として回生的に利用される。
【0034】
図8は、第2平滑コンデンサ18の電圧と損失の関係を示している。銅損は、第2平滑コンデンサ18の電圧が零であるときに最大であり、第2平滑コンデンサ18の電圧に対してエキスポーネンシャルに減少する。鉄損は、第2平滑コンデンサ18の電圧が零であるときに最小であり、第2平滑コンデンサ18の電圧に対してエキスポーネンシャルに増大する。総合損失は、銅損と鉄損の加算として示される。銅損と鉄損は線対称的であるから、総合損失が最小になる損失最小化コンデンサ電圧Ckが存在する。損失最小化コンデンサ電圧Ckを中心とする一定範囲は、総合損失が実用的に十分に小さい損失低減化範囲Aである。既述の第1充電期間、第2充電期間、第3充電期間は、第2平滑コンデンサ18の充放電電圧(コンデンサ両端電圧)が損失低減化範囲Aで変動するように、制御回路14のプログラムにより制御される。第2種開閉スイッチ35が開放される時点、次に第1種開閉スイッチ34が開放される時点、更に次にU相サイリスタ12−Uが開かれる時点は、第2平滑コンデンサ18の充放電電圧が損失低減化範囲Aで変動するように、制御回路14のプログラムにより制御される。このような損失低減化制御は、他の相であるV相、W相に関して実行される。パワーモジュール12の開放(オフ)は第1種開閉スイッチ34の開放と同時的に実行され、又は、パワーモジュール12の開放(オフ)は第1種開閉スイッチ34の開放の直後に実行される。損失低減化は、第1種開閉スイッチ34の開時刻と第2種開閉スイッチ35の開時刻の制御により実行的に可能である。損失低減化は、対応相のサイリスタの開時刻(オン時刻)の制御により更に高効率化され得る。このような損失最小化制御が第1種開閉スイッチと第2種開閉スイッチの開閉とは独立に行われることは有効である。
【0035】
このような損失低減化制御の期間中に電圧急変緩和抵抗36とパワーモジュール12に流れる電流のパワーは、熱化する。このような熱化エネルギーは、基板11の温度を上昇させる。このような熱は、基板11の表面から放散し、又は、内部に薄く形成される冷却媒体還流層の冷却媒体に吸収される。基板11に熱放散用フィンを形成することは特に有効である。冷却媒体として、水の使用が適正である。冷却水は、基板11の外側表面又は基板11の内部に形成される内側表面に接して循環的に流される。
【0036】
このような誘起電圧押さえ込み制御が実行されている正常運転は、6個の逆流許容電力供給制御素子のうちの1つの故障(異常)により異常化する。そのような1つとして、サイリスタ12−Uが例示されて以下が記述される。サイリスタ12−Uに付随する故障検出(異常検出)回路が出力する故障(異常)検出信号は、制御回路14に含まれるCPU(図示されず)に送信される。その故障検出信号を受ける制御回路14は、第1種開閉スイッチオフ信号57、第2種開閉スイッチオフ信号58、中性点短絡信号59、誘起電圧押さえ込み制御信号61を既述の適正遅延関係で出力する。
【0037】
サイリスタと付属素子の結合である逆流許容電力供給制御素子12−Uが故障すれば、第1種開閉スイッチ34と第2種開閉スイッチ35とが同時的に開動作してパワーモジュール12はバッテリー7から電気的に遮断され、更に同時的に、中性点短絡スイッチ53が開動作する。この場合には、U相V相間の誘起電圧Euvに対応する回生電流はIr(t)がモータ4で生起し、その回生電流はIr(t)はU相入力線を逆流し、逆流許容電力供給制御素子12−Uのダイオードを通り、第2平滑コンデンサ18の正極側に流れ込んで第2平滑コンデンサ18に充電される。この充電期間には、中性点51は第2平滑コンデンサ18の負極側に短絡されているが、中性点51の電圧は、短絡されていない時のU相V相間電圧の√(1/3)であり、第2平滑コンデンサ18にかかる充電電圧は短絡前より低くなっている。このような充電電圧の低下は、第2平滑コンデンサ18の保護の点で効果的な低減である。中性点51にかかるV相誘起電圧は、中性点短絡スイッチ53を介して逆流許容電力供給制御素子12−Voutのダイオードを通って逆流して、モータ4のV相コイルに還流する。このような還流は、U相V相間電圧を下げる効果がある。
【0038】
図9〜図12は、モータ4とインバータ6とバッテリー7と他の付加機構との配置接続関係を多様に示している。インバータ6としては、共通に図3に示される基板11が用いられている。図9は、非ハイブリッド型電気自動車を示している。図10〜図12は、ハイブリッド自動車を示している。図9は、モータ4とインバータ6とバッテリー7の配置接続関係を示し、バッテリー7は外部充電型又は燃料電池である。図10に示されるシリーズ型自動車は、付加機構として、エンジン5と発電機41とが付加されている。発電機41はエンジン5に直結し、発電機41が発電する電力はインバータ6を介してバッテリー7に蓄積される。図11に示されるパラレル型自動車は、付加機構として、エンジン5が付加されている。モータ4’は、発電機として用いられ得る。エンジン駆動中は、モータ4’は車輪に動力を伝達する動力伝達機能と発電機能とを有している。図12に示されるシリーズ・パラレル型自動車は、付加機構として、エンジン5と発電機41とが付加され、更に、動力分割機構42が付加されている。エンジン5の回転的に出力は、その一部がモータ4に分配され他の一部が発電機41に分配される。発電機41が発電する電力はインバータ6を介してバッテリー7に蓄積される。エンジン駆動中は、動力分割機構42により分配される出力の一部は、モータ4を介して車輪に伝達される。本発明による電気車輌の制御装置は、このような4つのタイプの任意のタイプに使用されて有効である。
【0039】
本発明による電気車輌の制御装置、及び、それの制御方法は、電気自動車に限られず、電車に好適に用いられ、最大トルクが大きくトルク変動が激しいモータに利用されて有用性が高い。モータとしては、ロータ側磁石が鉄製ロータ表層に埋め込まれ誘起電圧がより大きくトルクがより大きく、SPMタイプのモータより回転数がより大きい領域でトルクがより大きいIPMタイプのモータに利用されて特に効果的である。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、電気自動車の公知のインバータ回路を示す回路図である。
【図2】図2は、ハイブリッド自動車の一般的な駆動機構を示す底面図である。
【図3】図3は、本発明による電気車輌の制御装置の具現体を示す回路ブロック図である。
【図4】図4は、本発明による電気車輌の制御装置の他の具現体を示す回路図である。
【図5】図5は、中性点短絡回路を示す回路図である。
【図6】図6は、インバータ回路による一般的な3相電圧比を示すグラフである。
【図7】図7は、d軸位置を示す断面図である。
【図8】図8は、損失を示すグラフである。
【図9】図9は、電気自動車のタイプを示す底面図である。
【図10】図10は、電気自動車の他のタイプを示す底面図である。
【図11】図11は、電気自動車の更に他のタイプを示す底面図である。
【図12】図12は、電気自動車の更に他のタイプを示す底面図である。
【符号の説明】
参照番号は、発明の開示の欄で用いられている技術的構成要素に原則的に対応している。
1…車体
4…モータ
6…インバータ
7…バッテリー
11…回路形成体(基板)
12…パワー分配器(パワーモジュール)
12−j…逆流許容パワー分配制御素子
12−Uin…特定相対応逆流許容パワー分配制御素子
12−Vout…異相対応逆流許容パワー分配制御素子
14…制御器
15−2…配線
18…コンデンサ
34…開閉スイッチ
36…電流制限抵抗
51…中性点
53…短絡スイッチ
54−j…異常検出回路
55−j…異常検出信号
Claims (8)
- 車体に支持される回路形成体と、
前記車体に支持されるバッテリーと、
前記車体に支持されるモータとを構成し、
前記回路形成体は、
前記バッテリーから前記モータの複数相に電気的パワーを分配するパワー分配器と、
前記電気的パワーの分配を制御する制御器と、
前記パワー分配器と前記バッテリーの間で前記パワー分配器に対して並列に接続されるコンデンサと、
前記コンデンサと前記バッテリーの間に介設される開閉スイッチとを形成し、
前記パワー分配器は、前記電気的パワーを前記複数相に時系列的に分配し逆流を許容する複数相対応の逆流許容パワー分配制御素子を構成し、
前記コンデンサの負極側と前記モータの中性点を開閉自在に短絡する短絡スイッチを更に構成し、
前記開閉スイッチが開かれる際に前記短絡スイッチが閉じられて前記コンデンサの負極側と前記モータの中性点との間が短絡され、
前記開閉スイッチの切断の時刻の近傍の近傍期間で、モータの誘起電流を前記コンデンサに充電し、
前記開閉スイッチは、
第1種開閉スイッチと、
前記コンデンサと前記バッテリーの間で前記第1種開閉スイッチに並列に接続される第2種開閉スイッチを形成し、
前記コンデンサと前記バッテリーの間で前記第2種開閉スイッチに直列に接続される電流制限抵抗を更に構成し、
前記コンデンサと前記バッテリーとを接続し前記第1種開閉スイッチが介設される線の抵抗の抵抗値は前記電流制限抵抗の抵抗値に比べて実質的に零であり、
前記第1種開閉スイッチが開かれた後に前記近傍期間で前記第2種開閉スイッチが開かれ、
前記コンデンサの電圧は前記モータの鉄損と前記モータの銅損の合計損失が最小になる電圧の近傍領域に制御される
電気車輌の制御装置。 - 前記回路形成体は、複数相対応の逆流許容パワー分配制御素子の異常を検出して異常検出信号を出力する異常検出回路を更に形成し、
前記制御器は、前記異常検出信号に対応して前記開閉スイッチを開き、且つ、前記異常検出信号に対応して前記短絡スイッチを閉じる
請求項1の電気車輌の制御装置。 - 前記回路形成体は単一の基板に形成され、前記パワー分配器と制御器と前記コンデンサと前記異常検出回路とは前記基板に形成される
請求項2の電気車輌の制御装置。 - 前記回路形成体は単一の基板に形成され、前記パワー分配器と制御器と前記コンデンサとは前記基板に実装される
請求項1の電気車輌の制御装置。 - 前記回路形成体は単一の基板に形成され、前記パワー分配器と制御器と前記コンデンサは前記基板に集積的に形成される
請求項1の電気車輌の制御装置。 - 冷却構造を更に構成し、前記冷却構造は前記基板に形成される 請求項2〜5から選択される1請求項の電気車輌の制御装置。
- 前記バッテリーと前記パワー分配器を接続する配線を更に構成し、前記配線は前記基板に形成される
請求項2〜5から選択される1請求項の電気車輌の制御装置。 - 前記パワー分配器はサイリスタとダイオードとで形成されるインバータを形成する
請求項1〜7から選択される1請求項の電気車輌の制御装置。
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