JP4831038B2 - モータトルク制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、モータの出力トルクを制御するモータトルク制御装置に関し、特に、モータへの電力供給用のバッテリを保護するモータトルク制御装置に関するものである。
電気自動車において、モータに電力を供給するバッテリの保護のために、バッテリの温度が所定値以上に上昇した場合に、温度上昇を抑制すべくモータの出力トルクを抑制する技術が開発されている。
具体的には、バッテリの各セルに温度センサを取り付け、複数の温度センサのうちの何れかが所定値以上に上昇した場合に、モータの目標トルクにゲインを掛けて目標トルクを抑制し、出力トルクを抑制するようになっている。
なお、特許文献1には、電池の温度を検出する温度検出手段と、温度検出手段から出力された温度検出値が所定の判定値より大きいか否かを判断する異常判断手段と、異常判断手段によって温度検出値が判定値より大きいと判断された場合には、電池の放電を停止あるいはその放電量を低減する温度上昇抑制手段とを備えた電池温度上昇保護装置が開示されている。しかしながら、特許文献1の電池温度上昇保護装置は、補助動力付き自転車に適用されたものであって、この技術を電気自動車に適用し、電池の放電を急に停止すると、走行に悪影響を及ぼす虞が高く好ましくない。また、放電量を低減するとしても、特許文献1の記載によれば、どのように低減するかが不明である。
特開平8−171942号公報
ところで、上記の従来技術において、分解能が1℃程度の比較的安価な温度センサを用いるのが実用的であるが、このような分解能の低い温度センサで検出された温度に応じてトルクを抑制すると、1℃の温度変化に対するゲインの変化が階段状になり、ひいてはトルクの変化が階段状になって、ドライバビリティが悪化するという課題がある。つまり、図5に示すように、予め設定されたバッテリの上限温度TUに対し、トルク抑制開始温度(トルク抑制を開始する温度)TSを、上限温度TUよりも10℃低い温度(TS=TU−10℃)とした場合、この上限温度TUとトルク抑制開始温度TSとの間の抑制領域D5において、バッテリの温度が上昇するにつれ100(%)から0(%)に次第に減少するようにゲインGを設定すると、温度センサの分解能の1℃毎にゲインGが10%ずつ不連続に変化することになり、ゆえに、トルク抑制が階段状になる。
また、トルク抑制開始温度TSは、できる限り高出力でモータを駆動し続けるために、なるべく高く設定したいという要望がある。そこで、トルク抑制開始温度TSを例えば上限温度TUよりも5℃低い温度(TS=TU−5℃)に設定することが考えられる。しかしながら、トルク抑制開始温度TSをこのように高く設定すると、図6に示すように、抑制領域D6が小さくなり、1℃当たりのゲインGの変化量も20%と大きくなる。すなわち、バッテリの温度が1℃上昇することにより急激なトルク抑制がかかることになる。したがって、トルク抑制開始温度TSを高く設定し難いという課題がある。
ここで、温度センサの分解能を細かくすればこうした課題を回避できるが、電気自動車のバッテリは数十個のセルを有しているのが通常であり、各セルの温度検出を行なう場合はもちろん、数個のセルをまとめたモジュール毎に温度検出を行なう場合であっても、高分解能の温度センサが複数個必要となり、コストが増大してしまう。
本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、バッテリの温度上昇に対して安価な構成でバッテリを保護しながら良好なドライバビリティを確保することができるようにした、モータトルク制御装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のモータトルク制御装置は、バッテリからモータに電力を供給し、該モータを駆動して走行する電気自動車のモータトルク制御装置であって、所定の分解能で該バッテリの温度を検出する温度検出手段と、該モータの出力トルクを制御する制御手段とをそなえ、該制御手段は、該モータの目標トルクを設定する目標トルク設定部と、該温度検出手段で検出された該バッテリの温度に応じて該モータの出力トルクを抑制する基本ゲインを設定する基本ゲイン設定部と、予め記憶された該バッテリの温度の時間変化特性に基づいて該基本ゲイン設定部で設定された該基本ゲインを補正するゲイン補正部と、該ゲイン補正部で補正された補正ゲインを用いて該目標トルク設定部で設定された該目標トルクを補正し最終指示トルクとして出力する指示部とを有し、該温度検出手段で検出されたバッテリの温度が所定の時間内で所定回数振動したことが検出されると、該補正ゲインを用いた該目標トルクの補正を実行することを特徴としている。
発明のモータトルク制御装置は、該基本ゲイン設定部には、予め設定された該バッテリの上限温度と、該上限温度よりも所定温度だけ低温側に設定された目標トルク抑制開始温度とが記憶され、該ゲイン補正部では、該温度検出手段で検出された該バッテリの温度が該目標トルク抑制開始温度に達すると、該基本ゲイン設定部で設定された該基本ゲインを初期値として時間経過に伴い該基本ゲインを漸減させることが好ましい
発明のモータトルク制御装置は、該予め記憶されたバッテリの温度の時間変化特性は、該バッテリの最大放電時の特性であることが好ましい
発明のモータトルク制御装置は、該予め記憶されたバッテリの温度の時間変化特性は、実際のバッテリの温度の上昇特性よりも温度変化率が大きく設定されていることが好ましい
本発明のモータトルク制御装置によれば、温度検出手段で検出されたバッテリの温度(以下、検出温度という)に応じて設定した基本ゲインを、バッテリの温度の時間変化特性に基づいて補正し、この補正した補正ゲインを用いて目標トルクを補正するので、分解能が低い安価な温度検出手段を利用したとしても、ゲインをバッテリ温度変化及び時間変化に対して連続的に変化させることができ、ゆえに、バッテリの温度上昇に対してモータの出力トルクが階段状に変化することを防止することができる。また、高分解能の高価な温度検出手段や新たな部品を備えることなく、制御手段におけるロジックの追加のみで本装置を構成することが可能であり、このため、コスト増を招くこともない。したがって、バッテリの温度上昇に対して安価な構成でバッテリを保護しながら良好なドライバビリティを確保することができる。
また、バッテリの検出温度が所定の時間内で所定回数振動したことが検出されると補正ゲインを用いた目標トルクの補正を実行するようにするため、制御のばたつきを防止することができる。
また、特に、基本ゲイン設定部で設定された基本ゲインを初期値として、時間経過に伴いその基本ゲインを漸減させれば、バッテリの実際の温度上昇を良好に反映するように基本ゲインを補正することができる。
また、バッテリの温度の時間変化特性をバッテリの最大放電時の特性にすれば、バッテリの最大放電時の温度上昇の速度に対しても、迅速に追従してモータの出力トルクを低減することができ、バッテリの温度をすばやく降下方向へ転換させることができる。
また、バッテリの温度の時間変化特性を、実際のバッテリの温度の上昇特性よりも温度変化率を大きく設定すれば、実際のバッテリの温度上昇に対して迅速に反応し、バッテリの温度を確実且つすばやく降下方向へ転換させることができる。
以下、図面により、本発明の実施の形態について説明する。
図1〜図3は、本発明の一実施形態のモータトルク制御装置を示す模式的な図であって、図1はそのブロック図、図2はそのトルク抑制のための基本ゲインのマップを示す図、図3は図2の基本ゲインを補正する図である。
<構成>
電気自動車には、図1に示すように、駆動輪を回転駆動する走行用のモータ1と、モータ1に電力を供給するバッテリ(電池パック)2と、モータ1とバッテリ2との間に介装されたインバータ3と、バッテリ2の各セル(電池)2aに取り付けられ、各セル2aの温度を検出する複数の温度センサ4と、モータ1の出力トルクを制御する制御手段10とが備えられている。
なお、モータ1は、電動機としての機能のみならず、発電機としても機能するようになっており、アクセルオフ時やブレーキオン時には回生制動を行ない、エネルギを回収するようになっている。バッテリ2は、セル2aが複数集合しバッテリケース2bに収納されて、一体となっている。
インバータ3は、制御手段10によって制御され、力行モード時にはインバータ3を介してバッテリ2からモータ1に電力が供給され、回生モード時には駆動輪の回転力がモータ1で電力に変換されて、変換された電力がインバータ3を介してバッテリ2へ送られてバッテリ2が充電されるようになっている。
温度センサ4には、例えば1℃という比較的低い分解能を有する比較的安価なものが用いられている。そして、温度センサ4は、セル2aの温度(実温度)Trealに基づき検出した温度(検出温度)Tdetを制御手段10へ出力するようになっている。具体的には、例えばセル2aの実温度Trealが54.3℃のとき、温度センサ4は、分解能以下が判別不能で切り捨てられて、検出温度Tdetとして54℃を制御手段10へ出力するようになっている。
制御手段10は、入力側で温度センサ4,アクセルペダル開度センサ(図示略)及び車速センサ(図示略)と接続され、出力側でインバータ3と接続されている。そして、基本目標トルク設定部11と、ゲイン設定部12と、指示部13とを備えている。
基本目標トルク設定部11は、アクセルペダル開度センサで検出されたアクセル開度及び車速センサで検出された車速に応じてモータ1の基本目標トルクTrqO1を設定し、指示部13へ出力するようになっている。
ゲイン設定部12は、基本ゲインG1を設定する基本ゲイン設定部12aと、基本ゲイン設定部12aで設定された基本ゲインG1を補正し、この補正したゲイン(以下、単に補正ゲインという)G2を指示部13へ出力するゲイン補正部12bとを有している。
基本ゲイン設定部12aは、出力トルクを抑制するための基本ゲインG1に係るマップを記憶している。このマップについて詳述すると、図2に示すように、マップにおいて、基本ゲインG1は、最大値が100(%)且つ最小値が0(%)に設定されているとともに、セル2aの上限温度TUと上限温度TUよりも所定の温度(本実施形態では5℃)だけ低温側に設定されたトルク抑制開始温度TSとの間の抑制領域D1において、検出温度Tdetが上昇するにつれ、100から0へと所定の割合で次第に減少するように設定されている。なお、温度センサ4の分解能が1℃であることから、抑制領域D1において、基本ゲインG1は、検出温度Tdetの上昇に応じて1℃毎に段がつく階段状に(不連続に)減少するようになっている。また、基本ゲインG1は、次式で表すことが可能である。
基本ゲインG1=100×(TU−Tdet)/(TU−TS
また、上限温度TU及びトルク抑制開始温度TSは、予めその値が設定されており、トルク抑制開始温度TSは特に、前述の従来技術に比べて高い値に(上限温度TUに近い値に)設定されている。トルク抑制開始温度TSをなるべく高く設定するのは、可能な限り出力を下げずにモータ1を駆動したいという要望に応えるためである。
具体的には、ここでは、上限温度TU=60℃及びトルク抑制開始温度TS=55℃に設定されているとともに、抑制領域D1において、基本ゲインG1は20%/1℃の割合で次第に減少するように設定されているとして説明する。つまり、検出温度Tdet≦55℃のときには基本ゲインG1=最大値100に保持され、検出温度Tdet=56℃のとき基本ゲインG1=80,検出温度Tdet=57℃のとき基本ゲインG1=60,検出温度Tdet=58℃のとき基本ゲインG1=40,検出温度Tdet=59℃のとき基本ゲインG1=20,検出温度Tdet=60℃のとき基本ゲインG1=0に設定されている。ただし、これら上限温度TU及びトルク抑制開始温度TSの数値は一例であって、これに限定されるものではない。
基本ゲイン設定部12aは、このように記憶されている基本ゲインG1のマップに基づき、温度センサ4で検出された検出温度Tdetに応じて基本ゲインG1を選択又は算出し、ゲイン補正部12bへ出力するようになっている。
ゲイン補正部12bには、セル2aの温度の時間変化率(時間変化特性)kが予め記憶されており、検出温度Tdetが抑制領域D1にあるとき、ゲイン補正部12bは、基本ゲイン設定部12aから入力された基本ゲインG1を、上記の温度の時間変化率kと経過時間tとに応じて補正し、補正した補正ゲインG2を指示部13へ出力するようになっている。また、ゲイン補正部12bは、検出温度Tdetが抑制領域D1にないときには、基本ゲインG1を補正することなく、基本ゲイン設定部12aで選択設定されたそのままの値を補正ゲインG2として指示部13へ出力するようになっている。
検出温度Tdetが抑制領域D1にあるときの基本ゲインG1の補正について詳述する。
ゲイン補正部12bは、時間をカウントするタイマ12cを有しており、タイマ12cは、検出温度Tdetが抑制領域D1に到達したとき及び抑制領域D1において上昇変化したときにカウントを開始する。そして、ゲイン補正部12bは、図3に示すように、タイマ12cによりカウントされた時間tと温度の時間変化率kとに基づき、時間tが経過するにつれ基本ゲインG1が直線的に(連続的に)減少するように、基本ゲインG1を補正するようになっている。つまり、検出温度Tdetに応じた基本ゲインG1を初期値として、時間経過に伴い基本ゲインG1を漸減させることで補正ゲインG2を設定するようになっている。これは、時間tによって実際のセル2aの温度を分解能以上の精度で推定し、この推定温度に基づいて基本ゲインG1を補正しているとみなすことが可能である。
ここで、温度の時間変化率kは、実験等により予め求められた実際の最大放電時の時間変化率k0に基づいて予め設定されたものであって、その実際の時間変化率k0よりも大きい値に設定されている。換言すれば、セル2aの温度が1℃上昇するのにかかるとされる時間が、実際の最大放電時の上昇時間よりも短い値になるように設定されている。
具体的には、実際の最大放電時の温度変化率k0が1℃/160秒と算出されたとき、温度の時間変化率kは1℃/140秒に設定されている。なお、実際の最大放電時の時間変化率k0の値はセル2aの種類等に左右されるものであるとともに、上記の設定された温度の時間変化率kの値は一例であって、これに限定されるものではない。
なお、タイマ12cのカウントは、制御のバタつきを防止するため、検出温度Tdetが所定時間内に所定回数だけ振動した後、上昇変化したときに開始されるようにする。例えば、検出温度Tdetが54℃から55℃に1回変化したのみではタイマ12cのカウントは開始されず、検出温度Tdetが54℃→55℃→54℃→55℃→54℃→55℃→55℃・・・のように所定回数だけ振動した後上昇すると、タイマ12cのカウントが開始されて、基本ゲインG1が20%/140秒の変化率、即ち、1%/7秒の変化率で低下していく。そして、カウント時間tが70秒の時点では、図2に示すマップから選択された基本ゲインG1=100を、図3に一点鎖線で示すように、カウント時間tに応じて補正ゲインG2=90に補正するようになっている。カウント時間tが140秒を超えたときは、検出温度Tdetが56℃に上昇するまで、補正ゲインG2=80に保持するようになっている。検出温度Tdetが56℃に上昇すると、タイマ12cは改めてカウントを開始し、カウント時間tが35秒のときは、図2に示すマップから選択された基本ゲインG1=80を、図3に一点鎖線で示すように、カウント時間tに応じて補正ゲインG2=75に補正するようになっている。以降も同様に、検出温度Tdetに応じた基本ゲインG1を、1%/7秒の変化率とカウント時間tとに応じて補正ゲインG2に補正するようになっている。
指示部13は、図1に示すように、基本目標トルク設定部11から入力された基本目標トルクTrqO1と、ゲイン補正部12から入力された補正ゲインG2とを乗算して最終目標トルクTrqO2を算出し、モータ1の出力トルクがこの最終目標トルクTrqO2になるように、インバータ3に指示を送るようになっている。
なお、本発明のモータトルク制御装置は、温度センサ4と制御手段10とを備えて構成されている。
<作用・効果>
本発明の一実施形態にかかるモータトルク制御装置は上述のように構成されているので、以下のような作用・効果がある。
セル2aの検出温度Tdetがトルク抑制開始温度TS以上に上昇したとき、モータ1の目標トルクを抑制するためのゲインG2が、検出温度Tdetに加えて実温度Trealの時間変化率kにも応じて設定されるので、バッテリ2の出力トルクの抑制を温度変化及び時間変化に対して滑らかに変化させることができる。
つまり、温度センサ4の分解能が低ければ、図4に示すように、セル2aの検出温度Tdetは段付きに変化し、従来技術のように検出温度Tdetのみに応じてゲインGを設定すると、ゲインGは段付き(例えば20%毎)に変化してしまう。しかしながら、本発明は、温度の時間変化率kをも加味して1%毎にゲインG2を設定するので、低い分解能の温度センサ4を用いても、ゲインG2を滑らかに変化させることができる。
また、最大放電時の時間変化率k0よりも大きい値の時間変化率kを用いているので、検出温度Tdetが次の上昇温度に変化する前に、時間的余裕を持って補正ゲインG2を次の上昇温度の値に応じたものにすることができ、セル2aの温度上昇に迅速に追従して、セル3aの温度を確実且つすばやく降下方向へ転換させることができる。
したがって、目標トルクを滑らかな変化で抑制することができるので、分解能が低い温度センサ4を用いた場合でも、急激な出力トルクの変化がなく、ドライバビリティの悪化を防止しながら、バッテリ2の温度の上昇を抑えることができる。つまり、高分解能の高価な温度センサを備えることや新たな部品を追加することなく、制御手段10におけるロジックの追加のみで本モータトルク制御装置を構成することが可能であり、コスト増を招くことなく、バッテリ2の温度上昇に対してバッテリ2を保護しながら良好なドライバビリティを確保することができる。
<その他>
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することが可能である。
例えば、上記実施形態において、セル2aの温度の時間変化率kとして、最大放電時の温度の時間変化率k0よりも大きく設定された値を用いたが、最大放電時の時間変化率に等しい値を用いても良い。また、上記実施形態において、温度センサ4の分解能は1℃としたが、他の分解能であっても勿論良い。また、上記実施形態において、温度センサ4を各セル2a毎に取り付けたが、数個のセル2aをまとめたモジュール毎に取り付けても良い。
本発明の一実施形態に係るモータトルク制御装置を示す模式的なブロック図である。 本発明の一実施形態に係るモータトルク制御装置の基本ゲイン設定部に記憶された基本ゲインのマップを示す図である。 本発明の一実施形態に係るモータトルク制御装置の補正ゲインのマップを示す図であって、図2の基本ゲインを時間に応じて補正することを説明するための図である。 本発明の一実施形態に係るモータトルク制御装置により補正されたゲインと、従来技術に係るモータトルク制御装置により補正されたゲインとを比較して示す図である。 本発明の従来技術に係るモータトルク制御装置における、トルク抑制のためのゲインマップを示す図である。 図5のゲインマップのトルク抑制開始温度を変更した図である。
符号の説明
1 モータ
2 バッテリ(電池パック)
2a セル(電池)
2b バッテリケース
3 インバータ
4 温度センサ(温度検出手段)
10 制御手段
11 基本目標トルク設定部
12 ゲイン設定部
12a 基本ゲイン設定部
12b ゲイン補正部
12c タイマ
13 指示部
1,D5,D6 抑制領域
1 基本ゲイン
2 補正ゲイン
det 検出温度
real 実温度
TrqO1 基本目標トルク
TrqO2 最終目標トルク

Claims (4)

  1. バッテリからモータに電力を供給し、該モータを駆動して走行する電気自動車のモータトルク制御装置であって、
    所定の分解能で該バッテリの温度を検出する温度検出手段と、
    該モータの出力トルクを制御する制御手段とをそなえ、
    該制御手段は、
    該モータの目標トルクを設定する目標トルク設定部と、
    該温度検出手段で検出された該バッテリの温度に応じて該モータの出力トルクを抑制する基本ゲインを設定する基本ゲイン設定部と、
    予め記憶された該バッテリの温度の時間変化特性に基づいて該基本ゲイン設定部で設定された該基本ゲインを補正するゲイン補正部と、
    該ゲイン補正部で補正された補正ゲインを用いて該目標トルク設定部で設定された該目標トルクを補正し最終指示トルクとして出力する指示部とを有し
    該温度検出手段で検出されたバッテリの温度が所定の時間内で所定回数振動したことが検出されると、該補正ゲインを用いた該目標トルクの補正を実行す
    ことを特徴とする、モータトルク制御装置。
  2. 該基本ゲイン設定部には、予め設定された該バッテリの上限温度と、該上限温度よりも所定温度だけ低温側に設定された目標トルク抑制開始温度とが記憶され、
    該ゲイン補正部では、該温度検出手段で検出された該バッテリの温度が該目標トルク抑制開始温度に達すると、該基本ゲイン設定部で設定された該基本ゲインを初期値として時間経過に伴い該基本ゲインを漸減させる
    ことを特徴とする、請求項1記載のモータトルク制御装置。
  3. 該予め記憶されたバッテリの温度の時間変化特性は、該バッテリの最大放電時の特性である
    ことを特徴とする、請求項1又は2記載のモータトルク制御装置。
  4. 該予め記憶されたバッテリの温度の時間変化特性は、実際のバッテリの温度の上昇特性よりも温度変化率が大きく設定されている
    ことを特徴とする、請求項1又は2記載のモータトルク制御装置
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