JP4193704B2 - 電源装置およびそれを搭載する自動車 - Google Patents

Description

この発明は、電源装置に関し、より特定的には、入力直流電圧のレベル変換を伴ってモータを駆動制御する電源装置およびそれを搭載する自動車に関する。

最近、環境に配慮した自動車として、電動機（モータ）を駆動装置に組込んだハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）および電気自動車（Electric Vehicle）が大きな注目を集めている。そして、ハイブリッド自動車は一部実用化されている。一部のタイプのハイブリッド自動車では、モータを高効率で駆動するために、モータを駆動制御する電源装置に入力された直流電圧のレベル変換機能を持たせて、モータ駆動のための印加電圧（以下、「モータ動作電圧」とも称する）をモータの動作状態（回転数・トルク等）に応じて調節可能とした構成が採用されている。特に、昇圧機能を持たせて、モータ動作電圧を入力直流電圧よりも高くすることにより、直流電圧源としてのバッテリの小型化および、高圧化に伴う電力損失低減によって、モータの高効率化が可能となる。

たとえば、特開２００３−２４４８０１号公報（特許文献１）には、二次電池で構成されたバッテリからの直流電圧を昇圧コンバータによって昇圧してモータ動作電圧を発生し、当該モータ動作電圧をインバータで交流電圧に変換して車輪駆動用の交流電動機（モータ）を駆動制御する構成が開示されている。この構成では、モータ状態に応じて昇圧コンバータでの昇圧比を設定することにより、モータを高効率運転させることが可能となる。
特開２００３−２４４８０１号公報 特開２０００−６８５７３号公報

しかしながら、上記の構成では、特許文献１にも示されるように、入力電圧のレベル変換を行なうコンバータの出力側に、モータ動作電圧を安定化するための平滑コンデンサを設ける必要がある。このため、モータの動作状態に応じてモータ動作電圧を変化させると、平滑コンデンサの保持電圧が変化し、その蓄積電力（Ｐ＝Ｃ・Ｖ²／２）も変化する。

したがって、モータの力行動作時に、回転数およびトルクの上昇に応じてモータ動作電圧の上昇を指示すると、これに伴って平滑コンデンサの蓄積電力が増加する過程では、コンバータがモータでの使用電力のみならず平滑コンデンサでの蓄積電力増加分をも供給することになる。この結果、コンバータの出力電力が過大となるおそれがある。

特に、入力電圧源であるバッテリの供給能力が、コンバータを構成するスイッチングデバイスの容量よりも大きく、コンバータを構成するスイッチング素子の容量（電流容量）によってコンバータからの出力電力が制限されている場合には、上記の現象によりスイッチング素子が破壊されてハード故障を招いてしまうおそれがある。

逆に、モータが回生制動動作を行なって、モータからバッテリ側に電力を回生する場合においても、回転数およびトルクの下降に合わせてモータ動作電圧を降下させれば、モータからの回生電力のみならず平滑コンデンサでの蓄積電力減少分についてもコンバータへ回生されることになる。この結果、コンバータを構成するスイッチングデバイスの通過電流が大きくなり、同様の現象を招くおそれがある。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、入力直流電圧をレベル変換してモータを駆動制御する電源装置において、当該レベル変換のためのコンバータに過大電流が流れないように制御可能な構成、およびそのような電源装置を備えた自動車を提供することである。

この発明による電源装置は、モータを駆動制御する電源装置であって、直流電源と、コンバータと、電荷蓄積部と、モータ駆動制御部と、制御装置とを備える。コンバータは、直流電源からの第１の直流電圧を電圧指令値に従って第２の直流電圧に変換して、第１および第２の電源線間に出力する。電荷蓄積部は、充放電可能であり、第１および第２の電源線間に接続される。モータ駆動制御部は、第１および第２の電源線間の第２の直流電圧を受けて、駆動力指令値に従ってモータを駆動制御する電力に変換する。制御装置は、モータの力行動作時に、駆動指令値に対応するモータでの消費電力と第２の直流電圧の変化に応じた電荷蓄積部での蓄積電力の変化量との和が、コンバータの出力電力制限値よりも小さくなるように、駆動指令値を調整する。

好ましくは、電圧指令値は、モータの回転数および要求される駆動力に応じて、駆動指令値とは独立に決められる。

また好ましくは、直流電源は充電可能であり、モータ駆動制御部は、モータの回生動作時において、モータでの発電電力を電圧指令値に従って第２の直流電圧に変換して第１および第２の電源線間に出力し、コンバータは、モータの回生動作時において、第２の出力電圧を第１の電圧に変換して直流電源を充電し、制御装置は、モータの回生動作時において、モータでの発電電力および第２の直流電圧の変化に応じた電荷蓄積部での蓄積電力の変化量と、コンバータへの入力電力制限値との関係に基づき、必要に応じて電圧指令値を調整する。

さらに好ましくは、モータの回生動作時において、電圧指令値は、モータの回転数および要求される駆動力に応じて一次的に決められた後、制御装置によって必要に応じて調整される。

あるいは、さらに好ましくは、制御装置は、モータの回生動作時において、モータでの発電電力がコンバータへの入力電力制限値を超えるときには、電圧指令値の降下を禁止する。

また、さらに好ましくは、制御装置は、モータの回生動作時において、モータでの発電電力がコンバータへの入力電力制限値より小さいときには、電荷蓄積部での第２の直流電圧の変化に応じた蓄積電力の変化量が、コンバータへの入力電力制限値およびモータでの発電電力と均衡するように、電圧指令値の降下量を制限する。

好ましくは、制御装置は、蓄積電力の変化量を電圧指令値に基づいて算出する。あるいは好ましくは、制御装置は、蓄積電力の変化量を第２の直流電圧の検出値に基づいて算出する。

この発明による自動車は、請求項１から８のいずれか１項に記載の電源装置と、電源装置によって駆動制御されるモータとして設けられ、少なくとも１つの車輪を駆動可能な交流電動機とを備える。コンバータは、第２の電圧を第１の電圧よりも高くすることが可能な昇圧コンバータとして設けられ、モータ駆動制御部は、第２の直流電圧と交流電動機を駆動制御する交流電圧との間の電力変換を行なうインバータを含む。

この発明による電源装置では、モータの力行動作時に、電圧指令値に従った第２の直流電圧（モータ動作電圧）の変化に応じた電荷蓄積部の蓄積電力の変化を考慮に入れて、コンバータの出力電力が過大とならないように、必要に応じてモータでの消費電力を抑制するように駆動指令値が調整される。

したがって、モータ駆動制御部（インバータ）への供給電圧（モータ動作電圧）をコンバータによって可変である構成において、コンバータでの過電流を防止して、素子保護を図ることができる。特に、第２の直流電圧（モータ動作電圧）の電圧指令値をモータの回転数および要求トルクに応じて決めることにより、モータ効率を高めることができる。

さらに、モータの回生動作時においても、コンバータへの入力電力が過大とならないように、電荷蓄積部の蓄積電力の変化を考慮に入れた上で、第２の直流電圧（モータ動作電圧）の降圧を制限するように電圧指令値が必要に応じて調整される。したがって、コンバータでの過電流を防止して、素子保護を図ることができる
特に、モータでの発電電力とコンバータへの入力電力制限値との比較に基づいて電圧指令値の降下量を制限することにより、コンバータへの入力電力制限値を超えない範囲で、モータの高効率化を図ることができる。

なお、電荷蓄積部の蓄積電力の変化を電圧指令値に基づいて算出することにより、制御演算負荷を軽減できる。

また、電荷蓄積部の蓄積電力の変化を第２の直流電圧の検出値に基づいて算出することにより、制御精度を向上できる。

この発明による自動車は、昇圧可能なコンバータを配置して、車輪駆動用の交流電動機を駆動制御するインバータの入力電圧（第２の直流電圧）を可変として、当該交流電動機の高効率動作化を可能とする構成において、交流電動機の力行動作時に、電圧指令値に従った第２の直流電圧の変化に応じた電荷蓄積部の蓄積電力の変化を考慮に入れて、コンバータの出力電力が過大とならないように、必要に応じてモータでの消費電力を抑制するように駆動指令値を調整することができる。これにより、コンバータでの過電流を防止して、素子保護を図ることができる。

また、交流電動機の回生動作時にも、交流電動機の回生電力を制限してブレーキ力を減ずることなく、コンバータでの過電流を防止して素子保護を図ることができる。

以下において、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明を繰返さない。

図１は、この発明に従う電源装置を備えた自動車の構成を説明するブロック図である。

図１を参照して、本発明によるハイブリッド自動車１００は、バッテリ１０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１５と、ＰＣＵ（Power Control Unit）２０と、動力出力装置３０と、デファレンシャルギヤ（Differential Gear）４０と、前輪５０Ｌ，５０Ｒと、後輪６０Ｌ，６０Ｒと、フロントシート７０Ｌ，７０Ｒと、リアシート８０とを備える。

バッテリ１０は、たとえばニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池からなり、直流電圧をＰＣＵ２０へ供給するとともに、ＰＣＵ２０からの直流電圧によって充電される。バッテリ１０は、たとえばリアシート８０の後方部に配置されて、ＰＣＵ２０と電気的に接続される。ＰＣＵ２０は、ハイブリッド自動車１００内で必要となる電力変換器を総括的に示すものである。

ＥＣＵ１５へは、運転状況・車両状況を示す各種センサからの各種センサ出力１７が入力される。各種センサ出力１７には、アクセルペダル３５に配置された位置センサによって検出されるアクセル踏込み量や車輪速度センサ出力等が含まれる。ＥＣＵ１５は、入力されたこれらのセンサ出力に基づき、ハイブリッド自動車１００に関する種々の制御を統合的に行なう。

動力出力装置３０は、車輪駆動力源として設けられる、エンジンおよびモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を含む。ＤＧ４０は、動力出力装置３０からの動力を前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達するとともに、前輪５０Ｌ，５０Ｒの回転力を動力出力装置３０へ伝達する。

これにより、動力出力装置３０は、エンジンおよび／またはモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２による動力を、ＤＧ４０を介して前輪５０Ｌ，５０Ｒに伝達して前輪５０Ｌ，５０Ｒを駆動する。また、動力出力装置３０は、前輪５０Ｌ，５０ＲによるモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回転力によって発電し、その発電した電力をＰＣＵ２０へ供給する。すなわち、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、少なくとも１つの車輪を駆動可能な「交流電動機」としての役割を果たす。

ＰＣＵ２０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の力行動作時には、ＥＣＵ１５からの制御指示に従って、バッテリ１０からの直流電圧を昇圧するとともに、その昇圧した直流電圧を交流電圧に変換して、動力出力装置３０に含まれるモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御する。

また、ＰＣＵ２０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回生動作時には、ＥＣＵ１５からの制御指示に従って、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が発電した交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ１０を充電する。

このように、ハイブリッド自動車１００では、バッテリ１０と、ＰＣＵ２０と、ＥＣＵ１５のうちのＰＣＵ２０を制御する部分とによって、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御する「電源装置」が構成される。

次に、この発明による電源装置の構成について説明する。

図２を参照して、この発明による電源装置の構成について説明する。

図２を参照して、この発明による電源装置は、「直流電源」に相当するバッテリ１０と、ＰＣＵ２０のうちのモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の駆動制御に関する部分（以下、当該部分についても単に「ＰＣＵ２０」と称する）と、ＥＣＵ１５のうちのＰＣＵ２０を制御する部分（以下、「制御装置１５」と称する）とを備える。

ＰＣＵ２０は、コンバータ１１０と、平滑コンデンサ１２０と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２にそれぞれ対応するモータ駆動制御器１３１，１３２と、コンバータ／インバータ制御部１４０とを含む。この実施の形態では、交流モータであるモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が駆動制御されるので、モータ駆動制御器はインバータで構成される。したがって、以下では、モータ駆動制御器１３１，１３２をインバータ１３１，１３２と称する。

制御装置１５は、各種センサ出力１７に基づき、エンジンとの出力配分等を考慮したモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２への要求トルクＴｒｑを決定する。さらに、制御装置１５は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の動作状態に応じて、最適なモータ動作電圧Ｖｍ♯を算出する。

図３に示されるように、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の高効率化のための最適モータ動作電圧Ｖｍ♯は、モータ回転数Ｎおよび要求トルクＴｒｑに基づいて決定される。要求トルクＴｒｑが同等である場合には、モータ回転数Ｎが高いほど最適モータ動作電圧Ｖｍ♯は上昇する。また、モータ回転数Ｎが同等であるときは、要求トルクＴｒｑが大きいほど最適モータ動作電圧Ｖｍ♯は高くなる。

制御装置１５は、要求トルクＴｒｑおよび最適モータ動作電圧Ｖｍ♯に基づき、後ほど詳細に説明するような電力バランス制御を行なって、モータ動作電圧Ｖｍの電圧指令値ＶｍｒおよびモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２でのトルク指令値Ｔｒｅｆを生成する。

電圧指令値Ｖｍｒおよびトルク指令値Ｔｒｅｆは、コンバータ／インバータ制御部１４０へ与えられる。さらに、制御装置１５は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２が力行動作および回生動作のいずれを行なっているかを示す識別信号ＳＭＴをコンバータ／インバータ制御部１４０へ与える。

コンバータ／インバータ制御部１４０は、制御装置１５からの電圧指令値Ｖｍｒに従って、コンバータ１１０の動作を制御するコンバータ制御信号Ｓｃｎｖを生成する。また、コンバータ／インバータ制御部１４０は、制御装置１５からのトルク指令値Ｔｒｅｆに従って、インバータ１３１，１３２の動作をそれぞれ制御するインバータ制御信号Ｓｐｗｍ１，Ｓｐｗｍ２を生成する。

次に、図４を用いて、図２に示したＰＣＵ２０の具体的構成例およびその動作を説明する。

図４を参照して、バッテリ１０の正極および負極は、電源配線１０１および１０２とそれぞれ接続される。

コンバータ１１０は、リアクトル１１５と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。

スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は、電源配線１０３および１０２の間に直列接続される。リアクトル１１５は、電源配線１０１とスイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続ノードＮｍとの間に接続される。各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のコレクタ／エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すように、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続されている。

スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のゲートには、コンバータ制御信号Ｓｃｎｖに相当するゲート制御信号ＧＳ１およびＧＳ２がそれぞれ与えられ、当該ゲート制御信号ＧＳ１およびＧＳ２にそれぞれ応答して、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のオン・オフが制御される。この実施の形態におけるスイッチング素子としては、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が適用される。

平滑コンデンサ１２０は、電源配線１０３および１０２の間に接続される。

インバータ１３１は、電源配線１０３および１０２の間に並列に接続される、Ｕ相アーム１５１、Ｖ相アーム１５２およびＷ相アーム１５３を構成するスイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８からなる三相インバータである。各スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のコレクタ／エミッタ間には、逆並列ダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。

スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８のゲートには、インバータ制御信号Ｓｐｗｍ１に相当するゲート制御信号ＧＳ３〜ＧＳ８がそれぞれ与えられ、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８は、図示しない駆動回路部分によって、ゲート制御信号ＧＳ３〜ＧＳ８に応答してオン・オフされる。

インバータ１３１の各相アームの中間点は、三相の永久磁石であるモータジェネレータＭＧ１の各相コイルの各相端に接続されている。各相コイルの一端は、中間点に共通接続される。さらに、三相のうちの少なくとも二相において、電流センサ１６１，１６２が設けられ、各相電流が検出可能である。

インバータ１３２は、スイッチング素子Ｑ３♯〜Ｑ８♯および逆並列ダイオードＤ３♯〜Ｄ８♯から構成される、インバータ１３１と同様の三相インバータである。スイッチング素子Ｑ３♯〜Ｑ８♯のゲートには、インバータ制御信号Ｓｐｗｍ２に相当するゲート制御信号ＧＳ３♯〜ＧＳ８♯がそれぞれ与えられ、スイッチング素子Ｑ３♯〜Ｑ８♯は、図示しない駆動回路部分によって、ゲート制御信号ＧＳ３♯〜ＧＳ８♯に応答してオン・オフされる。

インバータ１３２の各相アームの中間点は、モータジェネレータＭＧ２の各相コイルの各相端に接続される。モータジェネレータＭＧ２の各相コイルの一端は、中間点に共通接続され、三相のうちの少なくとも二相において、電流センサ１６１♯，１６２♯が設けられ、各相電流が検出可能である。

なお、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２としては、相数（三相）および形式（永久磁石モータ）を限定することなく、任意の交流電動機を適用可能である。

次に、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の力行動作時における電源装置の動作を説明する。

バッテリ１０は、電源配線１０１および１０２の間に、「第１の直流電圧」に相当する入力電圧Ｖｂを供給する。

コンバータ１１０は、電源配線１０１および１０２の間にバッテリ１０からの入力電圧Ｖｂを受けて、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチング制御によって、入力電圧Ｖｂを昇圧して「第２の直流電圧」に相当するモータ動作電圧Ｖｍを生成し、電源配線１０３および１０２の間に出力する。すなわち、電源配線１０３および１０２は、「第１の電源配線」および「第２の電源配線」をそれぞれ構成する。コンバータ１１０での昇圧比（Ｖｍ／Ｖｂ）は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２のオン期間比（デューティ比）に応じて決まる。

したがって、コンバータ／インバータ制御部１４０は、制御装置１５からの電圧指令値Ｖｍｒに基いてコンバータ１１０での昇圧比を決定し、この昇圧比が実現されるように、ゲート制御信号ＧＳ１，ＧＳ２を発生する。

「電荷蓄積部」として設けられる充放電可能な平滑コンデンサ１２０は、電源配線１０３および１０２の間にコンバータ１１０から出力されたモータ動作電圧Ｖｍを平滑する。

インバータ１３１，１３２は、電源配線１０３および１０２の間のモータ動作電圧Ｖｍを、ゲート制御信号ＧＳ３〜ＧＳ８、ＧＳ３♯〜ＧＳ８♯に応答して、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動する交流電圧へ変換する。

コンバータ／インバータ制御部１４０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２に、トルク指令値Ｔｒｅｆに従ったトルクおよび目標回転数に従った回転数を生じさせるモータ電流が各相に流れるように、各種センサからの出力値に応じてインバータ制御信号Ｓｐｗｍ１，Ｓｐｗｍ２を生成する。たとえば、インバータ制御信号Ｓｐｗｍ１，Ｓｐｗｍ２であるゲート制御信号ＧＳ３〜ＧＳ８，ＧＳ３♯〜ＧＳ８♯は、一般的な制御方式に従って生成されたＰＷＭ信号波である。

各種センサからの出力値には、たとえば、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の位置センサ・速度センサからの出力値、電流センサ１６１，１６２，１６１♯，１６２♯からの出力値およびモータ動作電圧Ｖｍを検出する電圧センサ出力が含まれる。

これに対して、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回生動作時には、電源装置の動作は以下のように制御される。なお、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回生動作時とは、ハイブリッド自動車１００を運転するドライバによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電に伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両減速（または加速）させることを含む。

コンバータ／インバータ制御部１４０は、ＥＣＵ１５からの識別信号ＳＭＴによって、ハイブリッド自動車１００が回生動作に入ったことを検知する。これに応答して、コンバータ／インバータ制御部１４０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２で発電された交流電圧をインバータ１３１，１３２によって直流電圧に変換するように、インバータ制御信号Ｓｐｗｍ１およびＳｐｗｍ２を生成する。

これにより、インバータ１３１，１３２は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２でそれぞれ発電された交流電圧を電圧指令値Ｖｍｒに従った直流電圧（すなわち、モータ動作電圧Ｖｍ）に変換して、電源配線１０３および１０２の間に出力する。

コンバータ／インバータ制御部１４０は、回生動作時には、インバータ１３１，１３２から供給された直流電圧（モータ動作電圧Ｖｍ）を降圧するように、コンバータ制御信号Ｓｃｎｖを生成する。すなわち回生動作時には、コンバータ１１０は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がゲート制御信号ＧＳ１，ＧＳ２にそれぞれ応答してオン・オフすることにより、モータ動作電圧Ｖｍを降圧して直流電圧Ｖｂを電源配線１０１および１０２の間に出力する。バッテリ１０は、コンバータ１１０からの直流電圧Ｖｂによって充電される。このように、コンバータ１１０は、モータ動作電圧Ｖｍを直流電圧Ｖｂへ降圧することもできるので、双方向コンバータの機能を有している。

電源装置によるモータジェネレータの駆動制御に関する基本動作については上述したとおりであるが、この発明による電源装置においては、モータジェネレータの力行動作時および回生動作時のそれぞれにおいて電力バランス制御を行なって、コンバータ１１０での過電流発生を回避する。電力バランス制御は、以下に説明するように、制御装置（ＥＣＵ）１５に予めプログラムされた制御演算処理として実行可能である。

図５は、力行動作時における制御装置による電力バランス制御を説明するフローチャートである。

図５を参照して、力行動作時には、運転者によるアクセル操作等に応じて、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の要求トルクＴｒｑが算出される（ステップＳ１００）。図３に示したように、算出された要求トルクＴｒｑおよびモータ回転数Ｎに応じて、最適なモータ動作電圧Ｖｍ♯が決定される。

モータ動作電圧Ｖｍの制御は、図５に示すフローチャートとは独立に行なわれ、図３での最適モータ動作電圧Ｖｍ♯に相当する電圧指令値Ｖｍｒに従ったコンバータ１１０のスイッチング制御によって実行される。すなわち、電圧指令値Ｖｍｒは、トルク指令値Ｔｒｅｆとは独立にモータ動作状態に応じて決められる。

このようなモータ動作電圧Ｖｍの制御に応答して、制御周期ごとでの、平滑コンデンサ１２０での蓄積電力（Ｐ＝Ｃ・Ｖ²／２）の変化量であるコンデンサパワー変化量Ｐｃが算出される（ステップＳ１１０）。

コンデンサパワー変化量Ｐｃは、平滑コンデンサ１２０に印加されるモータ動作電圧Ｖｍと平滑コンデンサ１２０の容量値Ｃとを用いて、制御周期Ｔの間でのＰ＝Ｃ・Ｖ²／２の変化量として、下記式（１）で示される。

式（１）において、Ｖｍは当該制御周期におけるモータ動作電圧を示し、ΔＶｍは、当該制御周期と１つ前の制御周期との間でのモータ動作電圧Ｖｍの差分を示す。たとえば、第ｉ番目（ｉ：自然数）の制御周期においては、ΔＶｍ（ｉ）＝Ｖｍ（ｉ）−Ｖｍ（ｉ−１）で示される。このように、モータ動作電圧Ｖｍの上昇時においては、コンデンサパワー変化量Ｐｃ＞０となる。

たとえば、モータ動作電圧を検知する電圧センサの出力値を、式（１）中のＶｍとして用いることにより、コンデンサパワー変化量Ｐｃを精度良く算出することができる。あるいは、制御演算負荷を軽減するために、電圧指令値Ｖｍｒを式（１）中のＶｍとして用いてコンデンサパワー変化量Ｐｃを算出してもよい。

さらに、要求トルクＴｒｑに相当するモータ消費パワーＰｍが計算され、当該モータパワーＰｍとステップＳ１１０で求めたコンデンサパワー変化量Ｐｃとの和が、コンバータ出力電力制限値Ｐｃｖｌｍが超えるかどうかのバランス判定が行なわれる（ステップＳ１２０）。

コンバータ出力電力制限値Ｐｃｖｌｍは、バッテリ１０の電源容量や、コンバータ１１０を構成するスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の電力容量（電流容量）によって制限される。特に、コンバータ出力電力制限値Ｐｃｖｌｍが、バッテリ１０の電源容量ではなく、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の容量によって制限されている場合には、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に過電流が通過する可能性があるので、素子保護上問題がある。

このため、下式（２）を判定して、モータパワーＰｍが、コンバータ出力電力制限値Ｐｃｖｌｍからコンデンサパワー変化量Ｐｃ（＞０）を差し引いた値を超えていないかどうかが判定される（ステップＳ１３０）。

Ｐｍ≦Ｐｃｖｌｍ−Ｐｃである場合には、要求トルクＴｒｑどおりにモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２で電力を消費しても、コンバータ出力電力制限値Ｐｃｖｌｍを超えることがないので、トルク指令値Ｔｒｅｆを要求トルクＴｒｑと同等に設定する（ステップＳ１４０）。

これに対して、Ｐｍ＞Ｐｃｖｌｍ−Ｐｃである場合には、要求トルクＴｒｑどおりにモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２で電力を消費すると、モータパワーＰｍおよびコンデンサパワー変化量Ｐｃの和がコンバータ出力電力制限値Ｐｃｖｌｍを超えてしまう。したがって、この場合には、コンバータ出力電力制限値Ｐｃｖｌｍを超えないように、特にコンバータ１１０に過電流が生じないように、モータパワーＰｍが制限される。

具体的には、Ｐｍ♯＝Ｐｃｖｌｍ−Ｐｃが成立する限界のモータパワーＰｍ♯を算出し、当該モータパワーＰｍ♯に対応させて、トルク指令値Ｔｒｅｆが算出される。すなわち、トルク指令値Ｔｒｅｆは、当初の要求トルクＴｒｑより小さくなるように制限される（ステップＳ１５０）。

このように、ステップＳ１４０あるいはＳ１５０によって求められ算出されたトルク指令値Ｔｒｅｆに従って、インバータ１３１，１３２のスイッチング制御が行なわれ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２のトルク（すなわちモータ電流）が制御される（ステップＳ１６０）。

このような制御をすることにより、モータ駆動制御部（インバータ）への入力電圧（モータ動作電圧Ｖｍ）をコンバータによって可変である構成において、モータ制御およびコンバータ制御を協調させることによって、コンバータの供給パワーが過大とならないように制御することができる。すなわち、コンバータ１１０からの出力電力がその制限値Ｐｃｖｌｍを超えることがないので、コンバータ１１０の過電流を防止して、素子保護を図ることができる。

なお、この実施の形態のように、負荷となるモータ（モータジェネレータ）が複数個配置される場合には、ステップＳ１２０において、これらのモータでの消費パワーの和をモータパワーＰｍとして計算すればよい。

次に、回生動作時における電力バランス制御を説明する。上述のように、コンバータ昇圧動作時には、モータ動作電圧Ｖｍをモータ動作条件に応じて上昇させるとともに、必要に応じてモータジェネレータの力行パワーを制限した。

これに対して、モータジェネレータが回生動作を行なうときには、モータ動作条件に応じて最適なモータ動作電圧Ｖｍは、降圧側に変化していくことになる。したがって、回生動作時の電力バランス制御では、モータジェネレータでの回生パワーを制限すれば、ブレーキ力が減少することになるので、昇圧動作時と同様の制御を行なうことは安全上および運転者の体感上問題が生じる可能性がある。このため、回生動作時における電力バランス制御は、以下に説明するように行なわれる。

図６は、回生動作時における電力バランス制御を説明するフローチャートである。

図６を参照して、回生動作時の電力バランス制御が開始されると、制御装置１５は、まずモータ回生パワーＰｍ（＜０）を算出する（ステップＳ２００）。なお、ステップＳ１２０と同様に、発電するモータ（モータジェネレータ）が複数個存在する場合には、これらのモータでの回生パワーの和がモータパワーＰｍとして計算される。

さらに、図５でのステップＳ１１０と同様に、式（１）に基づいて、コンデンサパワー変化量Ｐｃが算出される（ステップＳ２１０）。

次に、ステップＳ２００およびＳ２１０でそれぞれ算出されたモータ回生パワーＰｍ（＜０）およびコンデンサパワー変化量Ｐｃ（＜０）と、コンバータ入力電力制限値Ｐｃｖｌｍ（＜０）とのバランスが判定され、式（２）の極性を反転した式（３）を変形した式（４）が満たされるかどうかが判定される（ステップＳ２２０）。

式（４）が満たされる場合には、モータ動作条件に合わせて、図３に示したようにモータ動作電圧Ｖｍを変化させても、コンバータ１１０への入力電力が過大となることはない。したがって、モータ動作電圧Ｖｍの電圧指令値Ｖｍｒは、図３に基づいて算出された最適なモータ動作電圧Ｖｍ♯に設定される（ステップＳ２３０）。

一方、式（４）が満足されない場合には、さらにモータ回生パワーＰｍがコンバータ入力電力制限値Ｐｃｖｌｍを超えているかどうかの判定がなされる（ステップＳ２４０）。

まず、Ｐｍ＜Ｐｃｖｌｍの場合、すなわちモータ回生パワーＰｍの絶対値がコンバータ入力電力制限値Ｐｃｖｌｍの絶対値よりも大きい場合には、モータ動作条件に合わせたモータ動作電圧Ｖｍの降圧を禁止するために、電圧指令値Ｖｍｒが前の制御周期と同一の値に固定される（ステップＳ２５０）。

なお、この場合には、モータ動作電圧Ｖｍが動作条件に合った最適値から外れるため、インバータ１３１，１３２における消費電力が増大するが、モータジェネレータでの回生パワーは制限されないので、ブレーキ力が減少することはない。

一方、Ｐｍ≧Ｐｃｖｌｍのとき、すなわちモータ回生パワーＰｍの絶対値がコンバータ入力電力制限値Ｐｃｖｌｍ以下である場合には、モータ動作条件に完全に合致させてモータ動作電圧Ｖｍを最適なＶｍ♯まで降下させることはできないものの、Ｐｃｖｌｍ−Ｐｍがコンデンサパワー変化量Ｐｃと同等となる範囲内に制限して、モータ動作電圧Ｖｍの降圧を許可する。すなわち、下式（５）を満たす範囲内で、モータ動作電圧の変化量（降圧量ΔＶｍ）が決定される。

なお式（５）における左辺は、制御周期：Ｔ間でモータ動作電圧をＶｍからＶｍ＋ΔＶｍへ変化させることに伴うコンデンサパワー変化量Ｐｃに相当する。すなわち、Ｖｍは、１つ前の制御周期におけるモータ動作電圧Ｖｍを示している。

式（５）をΔＶｍについて解くと、下式（６）が得られる。

このように、モータ動作電圧の電圧指令値Ｖｍｒは、式（６）に基づいて変化量ΔＶｍを制限しながら降圧を許可される（ステップＳ２６０）。このように、モータ回生パワーＰｍとコンバータ入力電力制限値Ｐｃｖｌｍとの差に基づいて電圧指令値の降下量を制限することにより、コンバータ入力電力制限値Ｐｃｖｌｍを超えない範囲でモータ動作電圧Ｖｍを降下させて、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の高効率化を図ることができる。

このようにして、ステップＳ２３０，Ｓ２５０，Ｓ２６０のいずれかによって決定された電圧指令値Ｖｍｒに基づいてコンバータのスイッチング制御が実行され、モータ動作電圧Ｖｍが制御される（ステップＳ２７０）。

したがって、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の回生動作時には、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２での回生パワーを制限することなく、コンデンサパワー変化量を考慮に入れた上で、コンバータ１１０への入力電力がその制限値Ｐｃｖｌｍを超えることがないように制御できる。この結果、コンバータ１１０の過電流を防止して、素子保護を図ることができる。

なお、この実施の形態では、電源装置によって２個の交流電動機が駆動制御される構成を例示したが、モータ駆動制御部（実施の形態におけるインバータに相当）によって、モータのトルク（電力）を制御可能な構成であれば、交流電動機のみならず直流電動機を駆動制御する電源装置にも本発明を適用できる。

また、電源装置によって駆動制御されるモータの個数は特に限定されず、任意の個数のモータを駆動制御する電源装置に本発明を提供できる。この場合に、複数個のモータ制御を駆動する電源装置においては、図５および図６に示したモータでの消費パワーおよび回生パワーは、当該複数個のモータにおける消費パワーおよび回生パワーの総和として計算すればよい。

さらに、この発明による電源装置は、ハイブリッド自動車のみならず電気自動車等の車両にも適用可能であり、さらには、駆動制御されるモータを搭載するあらゆる機器・システムにも適用することが可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明に従う電源装置を備えた自動車の構成を説明するブロック図である。 この発明による電源装置の構成を説明するブロック図である。 最適モータ電圧の算出を説明する概念図である。 図２に示したＰＣＵ２０の具体的構成例を示す回路図である。 力行動作時における電力バランス制御を説明するフローチャートである。 回生動作時における電力バランス制御を説明するフローチャートである。

符号の説明

１０ バッテリ、１５ 制御装置（ＥＣＵ）、１７ 各種センサ出力、２０ ＰＣＵ、３０ 動力出力装置、３５ アクセルペダル、５０Ｌ，５０Ｒ 前輪、６０Ｌ，６０Ｒ 後輪、１００ ハイブリッド自動車、１０１〜１０３ 電源配線、１１０ コンバータ、１２０ 平滑コンデンサ、１３１，１３２ インバータ（モータ駆動制御器）、１４０ コンバータ／インバータ制御部、１６１，１６１♯，１６２，１６２♯ 電流センサ、ＧＳ１〜ＧＳ８ ゲート制御信号、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、Ｐｃ コンデンサパワー変化量、Ｐｃｖｌｍ コンバータ電力制限値（入力／出力）、Ｐｍ モータパワー（消費／回生）、Ｑ１〜Ｑ８，Ｑ３♯〜Ｑ８♯ スイッチング素子、Ｓｃｎｖ コンバータ制御信号、Ｓｐｗｍ１，Ｓｐｗｍ２ インバータ制御信号、Ｔ 制御周期、Ｔｒｅｆ トルク指令値、Ｔｒｑ 要求トルク、Ｖｂ 入力電圧、Ｖｍ モータ動作電圧、Ｖｍ♯ 最適モータ動作電圧、Ｖｍｒ 電圧指令値、ΔＶｍ モータ動作電圧変化量（制御周期間）。

Claims (9)

1. モータを駆動制御する電源装置であって、
   直流電源と、
   前記直流電源からの第１の直流電圧を電圧指令値に従って第２の直流電圧に変換して、第１および第２の電源線間に出力するコンバータと、
   前記第１および第２の電源線間に接続された充放電可能な電荷蓄積部と、
   前記第１および第２の電源線間の前記第２の直流電圧を受けて、駆動力指令値に従って前記モータを駆動制御する電力に変換するモータ駆動制御部と、
   前記モータの力行動作時に、前記駆動指令値に対応する前記モータでの消費電力と前記第２の直流電圧の変化に応じた前記電荷蓄積部での蓄積電力の変化量との和が、前記コンバータの出力電力制限値よりも小さくなるように、前記駆動指令値を調整する制御装置とを備える、電源装置。
2. 前記電圧指令値は、前記モータの回転数および要求される駆動力に応じて、前記駆動指令値とは独立に決められる、請求項１に記載の電源装置。
3. 前記直流電源は充電可能であり、
   前記モータ駆動制御部は、前記モータの回生動作時において、前記モータでの発電電力を前記電圧指令値に従って前記第２の直流電圧に変換して前記第１および第２の電源線間に出力し、
   前記コンバータは、前記モータの回生動作時において、前記第２の出力電圧を前記第１の電圧に変換して前記直流電源を充電し、
   前記制御装置は、前記モータの回生動作時において、前記モータでの発電電力および前記第２の直流電圧の変化に応じた前記電荷蓄積部での蓄積電力の変化量と、前記コンバータへの入力電力制限値との関係に基づき、必要に応じて前記電圧指令値を調整する、請求項１に記載の電源装置。
4. 前記モータの回生動作時において、前記電圧指令値は、前記モータの回転数および要求される駆動力に応じて一次的に決められた後、前記制御装置によって必要に応じて調整される、請求項３に記載の電源装置。
5. 前記制御装置は、前記モータの回生動作時において、前記モータでの発電電力が前記前記コンバータへの入力電力制限値を超えるときには、前記電圧指令値の降下を禁止する、請求項３に記載の電源装置。
6. 前記制御装置は、前記モータの回生動作時において、前記モータでの発電電力が前記前記コンバータへの入力電力制限値より小さいときには、前記電荷蓄積部での前記第２の直流電圧の変化に応じた蓄積電力の変化量が、前記前記コンバータへの入力電力制限値および前記モータでの発電電力と均衡するように、前記電圧指令値の降下量を制限する、請求項３に記載の電源装置。
7. 前記制御装置は、前記蓄積電力の変化量を前記電圧指令値に基づいて算出する、請求項１から６のいずれか１項に記載の電源装置。
8. 前記制御装置は、前記蓄積電力の変化量を前記第２の直流電圧の検出値に基づいて算出する、請求項１から６のいずれか１項に記載の電源装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の電源装置と、
   前記電源装置によって駆動制御される前記モータとして設けられ、少なくとも１つの車輪を駆動可能な交流電動機とを備え、
   前記コンバータは、前記第２の電圧を前記第１の電圧よりも高くすることが可能な昇圧コンバータとして設けられ、
   前記モータ駆動制御部は、前記第２の直流電圧と前記交流電動機を駆動制御する交流電圧との間の電力変換を行なうインバータを含む、自動車。

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