JP5109603B2 - 電動パワーステアリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータにより操舵補助力を生じさせる電動パワーステアリング装置に関し、特にその電気回路の構成に関する。

電動パワーステアリング装置は、運転者の操舵トルクに応じてモータにより操舵補助力を生じさせる装置である。近年、大型車への電動パワーステアリング装置の需要が急増しており、かかる大型車の場合、必要とされる操舵補助力も増大する。従って、より大きな電力をモータに供給しなければならない。しかし、主電源としてのバッテリだけでは、このような大電力を十分にまかなえない場合がある。そこで、バッテリとは別に補助電源を設け、通常はバッテリのみで対応し、より大きな電力を必要とするときはバッテリと補助電源とを互いに直列に接続して両電源で電力を供給する、という構成が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

かかる補助電源は一般にキャパシタを含むセルを構成要素として、複数のセルを組み合わせた構成となっている。個々のセルは耐圧が低いが、複数個を直列に接続することにより全体として所要の耐圧を確保することができる。また、一定の電流容量を満たすには、直列に接続されたセル群（モジュール）を並列に接続することも必要である。

特開２００５−２８７２２２号公報（図１）

上記のような従来の電動パワーステアリング装置において、補助電源のセルはバッテリよりも高温に弱いという性質がある。しかし、セルが高温にならないように冷却装置（例えばファンやペルチェ素子）を設けるのは構造の複雑化やコスト増大を招く。そこで、温度センサにより補助電源全体の温度を検出し、所定の上限値に達したら補助電源の充放電を制限（停止又は電流低減）してセルを自然に冷却させる、という方法が合理的であると考えられる。

ところが、各セルは、発熱量にばらつきがある。このようなばらつきを想定しつつ、どのセルも耐熱温度を超える過熱だけは絶対に避けなければならない、という条件下で、補助電源全体として１つの温度を測り、この温度に基づく制御を行うには、温度の上限値に十分な余裕をみる必要がある。すなわち、実際のセルの耐熱温度よりかなり低い温度を上限値に設定して無難な制御を行うことが必要であり、その結果、セルを耐熱温度近くまで使用することは困難になる。

かかる従来の課題に鑑み、本発明は、補助電源のセルを耐熱温度に近い温度まで使用することができる電動パワーステアリング装置を提供することを目的とする。

本発明は、モータにより操舵補助力を生じさせる電動パワーステアリング装置であって、前記モータに電力を供給する主電源と、複数のセルを直列に接続して成るモジュールを１列として、これを複数列に互いに並列接続して成り、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、前記主電源に基づいて前記補助電源の充電を行うとともに、前記主電源のみによって前記モータへ電力を供給する第１の出力状態と、前記主電源及び補助電源から前記モータへ電力を供給する第２の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、前記複数列のモジュールのうちの１列のみについて前記セルのうち内部抵抗の抵抗値が最も大きいものにのみ取り付けられ、当該セルの温度を検出する温度センサと、必要な操舵補助力に応じて前記充放電回路の出力状態を選択するとともに、前記温度センサによって検出された温度が所定の上限値に達した場合に、前記補助電源についての充放電を制限する制御回路とを備えたものである。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置では、内部抵抗の抵抗値が最も大きいセル、すなわち、最も発熱量が大きいセルの温度を温度センサが検出して、検出された温度が所定の上限値に達した場合に、制御回路は、充放電を制限する。従って、当該上限値としてセルの耐熱温度を設定すれば、最も発熱量が大きいセルが耐熱温度に達した場合に充放電が制限され、そのときの他の全てのセルは、耐熱温度に近い温度に達していることになる。

また、本発明は、前記温度センサに代えて、前記複数列のモジュールのうち１モジュールとしての抵抗値が最も低いモジュールにおける前記セルのうち内部抵抗の抵抗値が最も大きいものにのみ取り付けられ、当該セルの温度を検出する温度センサ、を設けてもよい。
この場合、各モジュールに流れる電流が均一でない場合にも、補助電源全体で最も発熱量が大きいセルの温度を、温度センサにより検出することができる。

本発明の電動パワーステアリング装置によれば、補助電源のセルを耐熱温度又はそれに近い温度まで使用することができるので、補助電源が本来持っている能力を十分に発揮させ、その結果として、補助電源の利用が制限される状態となる確率を低減することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置１の電気回路を主体とした構成を示すブロック回路図である。
図において、ステアリング装置２は、ステアリングホイール（ハンドル）３に付与される運転者の操舵トルクと、モータ４が発生する操舵補助力とによって駆動される。モータ４は、３相ブラシレスモータであり、駆動回路５により駆動される。駆動回路５は、マイクロコンピュータを含む制御回路６により制御される。

電源は、バッテリを含む主電源７と、電気二重層コンデンサからなる補助電源８とによって構成され、これらは互いに直列に接続されている。制御回路６により制御される充放電回路９は、主電源７に基づいて補助電源８の充電を行うとともに、主電源７のみによって駆動回路５及びモータ４へ電力を供給する第１の出力状態と、主電源７及び補助電源８から駆動回路５及びモータ４へ電力を供給する第２の出力状態とを選択的に構成することができる。

制御回路６には、ステアリングホイール３に付与された操舵トルクを検出するトルクセンサ１０から、その出力信号が入力される。また、車速を検出する車速センサ１１の出力信号が、制御回路６に入力される。さらに、補助電源８には温度センサ１２が設けられており、その出力信号（温度検出信号）は制御回路６に入力される。

図２は、図１のブロック回路における一部の回路について、さらに詳細な回路構成の一例を示す回路図である。図２において、主電源７は、バッテリ７Ｂと、これに並列に接続されたオルタネータ（整流及びレギュレータ機能を有するもの。）７Ａとによって構成されている。このバッテリ７Ｂの電圧は、ＭＯＳ−ＦＥＴ９１が介挿された電路Ｌ１及び、電路Ｌ３を経て、駆動回路５及びモータ４に導かれる。このＭＯＳ−ＦＥＴ９１はＮチャネルであり、ソースが主電源７側、ドレインが駆動回路５側になるように、接続されている。また、寄生ダイオード９１ｄは、主電源７からモータ４に電力を供給するときに電流が流れる方向が順方向となるように構成されている。

主電源７に対して直列に接続された補助電源８の高電位側電路Ｌ２は、ＭＯＳ−ＦＥＴ９２を介して、ＭＯＳ−ＦＥＴ９１のドレインと駆動回路５との接続点に接続されている。主電源７と補助電源８とを互いに直列に接続した状態における電圧(電路Ｌ２の電圧)は、ＭＯＳ−ＦＥＴ９２が介挿された電路Ｌ２及び、電路Ｌ３を経て、駆動回路５及びモータ４に導かれる。このＭＯＳ−ＦＥＴ９２はＮチャネルであり、ソースが駆動回路５側、ドレインが補助電源８側になるように、接続されている。また、寄生ダイオード９２ｄは、主電源７及び補助電源８からモータ４に電力を供給するときに電流が流れる方向とは逆向きになっている。

主電源７の電圧が付与される電路Ｌ１には、昇圧回路（ブートストラップ回路）９３が接続され、その出力電圧がゲート駆動回路（ＦＥＴドライバ）９４に付与される。このゲート駆動回路９４により、ＭＯＳ−ＦＥＴ９１及び９２は、交互にオン状態となるように駆動される。

一方、電路Ｌ１には、リアクトル９５を介してダイオード９６のアノードが接続されている。また、ダイオード９６のカソードは補助電源８の高電位側電路Ｌ２に接続されている。ダイオード９６のアノードと接地側電路ＬＧとの間には、ＰチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴ９７が設けられている。ＭＯＳ―ＦＥＴ９７は、ゲート駆動回路９８により駆動される。ＭＯＳ−ＦＥＴ９７がオン状態のときは、主電源７からリアクトル９５、ＭＯＳ−ＦＥＴ９７を通って電流が流れる。その状態からＭＯＳ−ＦＥＴ９７がオフ状態に転じると、電流遮断による磁束変化を妨げるように逆向きの高電圧がリアクトル９５に発生し、これにより、主電源７の出力電圧を昇圧した電圧で、ダイオード９６を介して、補助電源８が充電される。従って、ＭＯＳ−ＦＥＴ９７のオン・オフを繰り返すことにより、補助電源８を充電することができる。充電は、例えば、トルクセンサ１０が操舵トルクを検出していないときや、主電源７のみによって所要電力を全て負担してもなお余力となる電力があるときに行われる。

駆動回路５は、６個のＭＯＳ−ＦＥＴ（図示せず。）によって構成された３相ブリッジ回路を含むモータ駆動回路５１と、これらのＭＯＳ−ＦＥＴをＰＷＭ制御すべくゲート電圧を付与するゲート駆動回路５２と、モータ駆動回路５１に並列に接続された平滑用の電解コンデンサ５３とを備えている。

次に、図３の（ａ）は、補助電源８の内部構成を示す図である。図示のように、補助電源８は複数のセルによって構成されており、例えばｍ個（≧２個）のセルを互いに直列に接続したものを１つのモジュールＭとして、このモジュールＭをｎ個（≧１個）並列に接続して構成されている。
図３の（ｂ）は、１個のセル内の回路構成図である。図示のように、１個のセルは、キャパシタＣと、キャパシタＣに直列に存在する内部抵抗Ｒとを含んでいる。

内部抵抗Ｒの抵抗値はセルごとに若干のばらつきがあり、従って、直列のｍ個のセルには同じ電流が流れるが発熱量はセルごとに異なる。そこで、予め、補助電源８を組み立てる前に各セル（ｍ×ｎ個）について内部抵抗Ｒの抵抗値測定を行う。そして、測定の結果、最も抵抗値が高い、すなわち、最も発熱しやすいセルを選定し、このセルの外皮に温度センサ１２を密着して取り付ける。例えば、図３の（ａ）の場合、セル８１の内部抵抗Ｒの抵抗値が最も高い、という測定結果に基づき、当該セル８１に温度センサ１２が取り付けられる。

上記のように構成された電動パワーステアリング装置１（図２）において、制御回路６は、トルクセンサ１０から送られてくる操舵トルクの信号や、車速センサ１１から送られてくる車速の信号に基づいて、適切な操舵補助力を発生させるべく、ゲート駆動回路５２を介してモータ駆動回路５１を動作させ、モータ４を駆動させる。

また、制御回路６は、操舵トルク及び車速に基づいて、必要とされる操舵補助力を得るための所要電力を推定し、これを基準値と比較する。所要電力が基準値以下であるときは、制御回路６はＭＯＳ−ＦＥＴ９１をオン状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ９２をオフ状態とする（充放電回路９の第１の出力状態）。従って、主電源７の電圧は平滑コンデンサ５３で平滑され、モータ駆動回路５１に供給される。ゲート駆動回路５２は、制御回路６による制御信号に基づいてモータ駆動回路５１を駆動する。この場合、補助電源８の電力は駆動回路５に供給されない。なお、ＭＯＳ−ＦＥＴ９１のオン抵抗は、寄生ダイオード９１ｄの順方向抵抗に比べて格段に小さい（例えば１ｍΩ程度）ため、主電源７から駆動回路５に流れる電流の大部分は、ソースからドレインを通り、寄生ダイオード９１ｄに流れる電流は僅かである。

逆に、所要電力が基準値を超えるとき、すなわち、主電源７のみでは所要電力をまかないきれないときは、制御回路６はＭＯＳ−ＦＥＴ９１をオフ状態とし、ＭＯＳ−ＦＥＴ９２をオン状態とする（充放電回路９の第２の出力状態）。この結果、主電源７と補助電源８とが互いに直列に接続された状態で、その電圧が駆動回路５に供給される。これにより、主電源７のみの出力可能電力を超える大電力を、駆動回路５に供給することができる。なお、このとき、ＭＯＳ−ＦＥＴ９１の寄生ダイオード９１ｄのカソードはアノードより高電位、すなわち、逆電圧であることにより、補助電源８から主電源７への電流の回り込みは阻止される。

一方、制御回路６は温度センサ１２の出力信号である温度検出信号を受け取って、その値が所定の上限値に達するか否かを監視する。当該上限値としては、セルの耐熱温度（上限値）が設定される。
補助電源８の充電中に、温度検出信号の値が所定の上限値に達すると、制御回路６は、ＭＯＳ−ＦＥＴ９７を連続的にオフの状態にして充電を停止させる。充電停止により、発熱は停止するので、セル８１を含む全てのセルの温度は低下する。

また、補助電源８の放電中に、温度検出信号の値が所定の上限値に達すると、制御回路６は、ゲート駆動回路５２を制御（ＰＷＭ制御）してモータ駆動回路５１に流れる電流を抑制する。これにより、補助電源８内の全てのセルに流れる電流が低下し、温度上昇も抑制される。なお、これに伴って操舵補助力も低下するので、電流の抑制は、操舵補助力が急落しないように徐々に低下させることが好ましい。また、徐々に低下させた後は、ＭＯＳ−ＦＥＴ９２をオフ、ＭＯＳ−ＦＥＴ９１をオンにそれぞれ切り換えて、主電源７のみによる操舵補助の状態にすることができる。これにより、補助電源８の放電は停止となり、全セルの温度は低下する。

以上のように、本実施形態に係る電動パワーステアリング装置１においては、内部抵抗Ｒの抵抗値が最も大きいセル、すなわち、最も発熱量が大きいセルの温度を温度センサ１２により検出して、検出された温度が所定の上限値に達した場合に、制御回路６は補助電源２の充放電を制限（停止又は電流低減）する。従って、当該上限値としてセルの耐熱温度を設定すれば、最も発熱量が大きいセルが耐熱温度に達した場合に初めて充放電が制限され、そのとき、他の全てのセルは、耐熱温度に近い温度に達していることになる。

このようにして、補助電源８の全セルを、耐熱温度又はそれに近い温度まで使用することができる。従って、補助電源８が本来持っている能力を十分に発揮させ、その結果、補助電源８の利用が制限される状態となる確率を低減することができる。また、最も発熱量が大きいセルの温度を検出して充放電を制限するので、他のセルが耐熱温度を超えて過熱する心配がない。

なお、上記実施形態では、内部抵抗Ｒの抵抗値が最も大きいセルが、最も発熱量が大きいセルであるとして温度センサ１２を取り付けたが、この考え方は、図３の（ａ）において、並列に接続されるｎ個のモジュールＭの抵抗値（ｍ個のセルの直列抵抗値）が全て同じであり、各モジュールＭに均等に電流が流れる、という前提に立っている。実際、ｍの数値が多くなるほど、各モジュールＭの抵抗値は同一に近づくので、実質同一として扱うことは合理的であり、特に問題はない。

しかしながら、厳密には、ｎ個のモジュールＭの抵抗値にばらつきがあれば、各モジュールＭに流れる電流が同一値ではなくなるので、補助電源８全体において内部抵抗Ｒの抵抗値が最も大きいセルが、最も発熱量が大きいセルである、とは限らない。このことを考慮してさらに慎重を期すには、各モジュールＭを構成するセルの内部抵抗Ｒの抵抗値を合算してモジュールＭの抵抗値を求め、最も抵抗値の低いモジュール（すなわち、最も大きな電流が流れるモジュール）を選定すればよい。そして、そのモジュール内で内部抵抗Ｒの抵抗値が最も大きいセルが、補助電源８全体で最も発熱量が大きいセルである、とすることができる。

なお、上記実施形態では、補助電源８が主電源７に対して直列に接続される回路構成の電動パワーステアリング装置１について説明したが、補助電源が主電源に対して並列に接続される回路構成の電動パワーステアリング装置においても、同様に、温度センサを設けて充放電を制限する制御を行うことができる。

また、上記実施形態では、モータ４への電力供給に補助電源８を使用するか否かを決めるに当たって、制御回路６は、必要とされる操舵補助力を得るための所要電力を推定し、これを基準値と比較するとしたが、これ以外の決め方も可能である。例えば、モータ駆動回路５１に供給される電流は、制御回路６、ゲート駆動回路５２及びモータ駆動回路５１によるアシスト制御によって、必要とされる操舵補助力に応じて変化する。従って、主電源７の電圧と、モータ駆動回路５１に供給される電流とを実際に検出して、これらを乗じて電力の現在値を求め、この現在値が、主電源７のみから電力供給する場合の最大電力以下であれば主電源７のみから電力を供給し、当該最大電力を超えていれば主電源７と補助電源８との直列電源から電力を供給する、としてもよい。

本発明の一実施形態に係る電動パワーステアリング装置のブロック回路図である。 図１のブロック回路における一部の回路について、さらに詳細な回路構成の一例を示す回路図である。 （ａ）は、補助電源の内部構成を示す図であり、（ｂ）は、１個のセル内の回路構成図である。

符号の説明

１ 電動パワーステアリング装置
４ モータ
６ 制御回路
７ 主電源
８ 補助電源
９ 充放電回路
１２ 温度センサ

Claims (2)

1. モータにより操舵補助力を生じさせる電動パワーステアリング装置であって、
   前記モータに電力を供給する主電源と、
   複数のセルを直列に接続して成るモジュールを１列として、これを複数列に互いに並列接続して成り、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、
   前記主電源に基づいて前記補助電源の充電を行うとともに、前記主電源のみによって前記モータへ電力を供給する第１の出力状態と、前記主電源及び補助電源から前記モータへ電力を供給する第２の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、
   前記複数列のモジュールのうちの１列について前記セルのうち内部抵抗の抵抗値が最も大きいものにのみ取り付けられ、当該セルの温度を検出する温度センサと、
   必要な操舵補助力に応じて前記充放電回路の出力状態を選択するとともに、前記温度センサによって検出された温度が所定の上限値に達した場合に、前記補助電源についての充放電を制限する制御回路と
   を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。
2. モータにより操舵補助力を生じさせる電動パワーステアリング装置であって、
   前記モータに電力を供給する主電源と、
   複数のセルを直列に接続して成るモジュールを１列として、これを複数列に互いに並列接続して成り、前記モータに電力を供給することが可能な補助電源と、
   前記主電源に基づいて前記補助電源の充電を行うとともに、前記主電源のみによって前記モータへ電力を供給する第１の出力状態と、前記主電源及び補助電源から前記モータへ電力を供給する第２の出力状態とを選択的に構成する充放電回路と、
   前記複数列のモジュールのうち１モジュールとしての抵抗値が最も低いモジュールにおける前記セルのうち内部抵抗の抵抗値が最も大きいものにのみ取り付けられ、当該セルの温度を検出する温度センサと、
   必要な操舵補助力に応じて前記充放電回路の出力状態を選択するとともに、前記温度センサによって検出された温度が所定の上限値に達した場合に、前記補助電源についての充放電を制限する制御回路と
   を備えたことを特徴とする電動パワーステアリング装置。

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