JP5857998B2 - 駆動装置および駆動装置を備えた車両 - Google Patents

Description

本発明は、駆動装置および駆動装置を備えた車両に関する。

近年、電気自動車、ハイブリッド自動車、または燃料電池車など、電源装置に蓄えられた電力にてモータを駆動して走行する電動車両が注目されている。これら電動車両においては、電源装置から供給される電力を所定の電圧まで昇圧させて高圧直流電力を出力するコンバータと、コンバータから出力される電圧を平滑化させるコンデンサが備えられている。また、これら電動車両には、コンバータから出力される直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータから出力される交流電力によって駆動される駆動用モータが備えられている。

このような電動車両では、車両の安全性向上のために、車両衝突時にはコンデンサに蓄積された高電圧の直流電力のエネルギを速やかに放電することが必要とされる。例えば、米国法規ＦＭＶＳＳ（Federal Motor Vehicle Safety Standard）３０５に規定される電力制御装置の保護に関する基準を満たすためには、衝突から５秒以内にコンデンサの電圧を所定値以下にすることが求められる。

平滑コンデンサに蓄積された電荷を急速放電する技術としては、例えば、平滑コンデンサに複数の抵抗器を接続して発熱させる技術があった。

また、平滑コンデンサにコンデンサを並列接続させて、平滑コンデンサに蓄積される電荷量を調整する技術があった。
（例えば、特許文献１、特許文献２を参照）
特開２０１１−２１００２６号公報 特開２００９−２３２５３７号公報

しかし、上記従来技術においては、定格電力の大きい抵抗器が必要となり、放熱冷却装置を含めた装置が大型化してしまう場合があった。また、コンデンサを並列に接続するのみでは、平滑コンデンサの電圧を制御することは困難であった。

そこで、本発明は、平滑コンデンサの電圧を迅速に所定値以下に制御する駆動装置を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明における車両に搭載される駆動装置は、蓄電装置から供給される電圧を昇圧するコンバータと、前記コンバータで昇圧された電力をモータに供給する電力に変換する第１のスイッチング部と、前記コンバータと前記第１のスイッチング部の間に並列に接続され、前記第１のスイッチング部に供給する電圧を平滑化する第１のコンデンサと、前記コンバータと前記第１のスイッチング部との間の前記第１のコンデンサに接続され、車両の衝突が検知された場合、前記第１のコンデンサの電圧を降下させる降圧回路と、前記降圧回路に接続され、前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を吸引する第２のコンデンサと、前記第２のコンデンサに接続され、前記第２のコンデンサに蓄積された電荷を放電する放電部と、を備える。

本発明の実施形態によれば、平滑コンデンサの電圧を迅速に所定値以下に制御する駆動装置を提供することができる。

第１の実施形態における駆動装置の全体構成図 駆動装置の動作を説明するタイムチャート 第２の実施形態におけるダウンコンバータ部の構成図 第３の実施形態におけるダウンコンバータ部の構成図 第４の実施形態におけるダウンコンバータ部の構成図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施形態］
図１は、実施形態の一例として説明する第１の実施形態における駆動装置の全体構成図である。第１の実施形態においては、駆動装置１は、例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車、または燃料電池車などの電動車両に搭載される。

図１において、駆動装置１は、蓄電装置Ｅ、駆動制御装置１０、ＳＭＲ（System Main Relay）１１、エアバックＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０、及びＨＶ（Hybrid Vehicle）−ＥＣＵ３０を備える。

蓄電装置Ｅは、直流電力を蓄積するバッテリであり、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池あるいは鉛蓄電池などの二次電池である。蓄電装置Ｅは、図示しないＭＧ（モータゼネレータ）に対して車両を駆動する電力を供給する。ＭＧは、後述するインバータ部１０２の図示Ｕ、Ｖ、及びＷ３相の配線に接続される。また、蓄電装置Ｅは、ＭＧで発電した電力を回生させる回生動作のときには、ＭＧで発電された電力を蓄積する。

ＳＭＲ１１は、蓄電装置Ｅと駆動制御装置１０との間を開閉する。ＳＭＲ１１は、双極単投リレーであり、ＨＶ−ＥＣＵ３０からのリレー制御信号によって制御される。

エアバックＥＣＵ２０は、図示しない車両の衝突を検知する衝突検知センサを含み、センサによって車両の衝突が検知された場合には、ＨＶ−ＥＣＵ３０に対して衝突検知信号を出力する。エアバックＥＣＵ２０とＨＶ−ＥＣＵ３０はＥＣＵ間通信にて通信可能とする。

ＨＶ−ＥＣＵ３０は、駆動制御装置１０と図示しないエンジンとによる車両全体のハイブリッドシステムを統括して制御する。ＨＶ−ＥＣＵ３０は、エアバックＥＣＵ２０から衝突検知信号が入力されると、ＳＭＲ１１に対してリレー制御信号を出力するとともに、駆動制御装置１０の、後述するＭＧ−ＥＣＵ１００に対して衝突信号を出力する。制御信号が入力されたＳＭＲ１１は、蓄電装置Ｅと駆動制御装置１０とを切り離し、蓄電装置Ｅのエネルギが駆動制御装置１０に供給されないようにする。

駆動制御装置１０は、ＭＧ−ＥＣＵ１００、コンバータ部１０１、「第１のスイッチング部」としてのインバータ部１０２、及び「降圧回路」としてのダウンコンバータ部１０３を備える。また、駆動制御装置１０は、コンデンサＣ１〜Ｃ３、抵抗Ｒ１〜Ｒ３、及びツェナダイオードＺ１を備える。

ＭＧ−ＥＣＵ１００は、コンバータ部１０１及びインバータ部１０２を制御してＭＧを駆動する。

コンバータ部１０１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬ１を備える。スイッチング素子Ｑ１及びＱ２は、ＭＧ−ＥＣＵ１００によって制御されるスイッチング動作のデューティ比により、蓄電装置Ｅから出力される直流電圧を所定の電圧まで昇圧させてインバータ部１０２に供給する。また、コンバータ部１０１は、インバータ部１０２からの直流電圧をスイッチング動作にて降圧する。コンバータ部１０１の降圧動作は、スイッチング素子Ｑ１のオン期間中にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Ｑ２およびダイオードＤ２を介して放出することにより行なわれる。また、リアクトルＬ１は、蓄電装置Ｅの正電極に直列に接続されて、蓄電装置Ｅに並列接続されたコンデンサＣ１とともにＬＣ平滑回路を形成し、蓄電装置Ｅの電圧変動を低減させる。なお、本実施の形態においては、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８は、ＩＧＢＴを例示しているため、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間には、負荷電流を転流させるためのダイオードＤ１〜Ｄ８がスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ８のコレクタ−エミッタに対して逆相で接続されている。

「第１のコンデンサ」としてのコンデンサＣ２は、コンバータ部１０１の出力であるスイッチング素子Ｑ１のコレクタとスイッチング素子Ｑ２のエミッタに並列に接続される。図示点Ａは、スイッチング素子Ｑ１のコレクタとコンデンサの一端との接続点である。コンデンサＣ２は、コンバータ部１０１で昇圧されてインバータ部１０２に供給する直流電圧を平滑化する平滑コンデンサとして機能する。

インバータ部１０２は、スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８を備える。スイッチング素子Ｑ３〜Ｑ８は、ＭＧ−ＥＣＵ１００によりスイッチング制御されて、コンバータ部１０１から出力される直流電力を、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相にてＭＧを駆動する交流電力に変換する。スイッチング素子Ｑ３及びダイオードＤ３はＵ相の上アームを形成する。スイッチング素子Ｑ４のコレクタはスイッチング素子Ｑ３のエミッタに接続され、スイッチング素子Ｑ４及びダイオードＤ４は、Ｕ相の下アームを形成する。Ｕ相の上下アームの接続点はＭＧのＵ相に接続される。同様に、スイッチング素子Ｑ５及びＱ６、並びにダイオードＤ５及びＤ６により形成されるＶ相の上下アームの接続点はＭＧのＶ相に接続され、スイッチング素子Ｑ７及びＱ８、並びにダイオードＤ７及びＤ８により形成されるＷ相の上下アームの接続点はＭＧのＷ相に接続される。インバータ部１０２は、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の電流出力によりＭＧの出力トルクと回転数を制御する。なお、ＭＧが回生運転されるときには、インバータ部１０２は、交流電力を直流電力に変換し、コンバータ部１０１を介して電気エネルギを電源装置Ｅに蓄積する。

ダウンコンバータ部１０３は、コンデンサＣ２に蓄積された電気エネルギを、車両の衝突時に放出させるための制御を行う。ダウンコンバータ部１０３は、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１２、ＳＷ（スイッチング）電源制御ＩＣ１０３１、リアクトルＬ１１、抵抗Ｒ１１〜Ｒ１３、及びダイオードＤ１１を備える。スイッチング素子Ｑ１１及びＱ１２は、本実施形態においてはＭＯＳＦＥＴが例示されている。スイッチング素子Ｑ１１はｎチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、ドレインからソースに対して逆相のダイオードが接続されている。また、「第２のスイッチング部」としてのスイッチング素子Ｑ１２はｐチャンネルＭＯＳＦＥＴであり、ドレインからソースに対して転流用のダイオードが接続されている。

ダウンコンバータ部１０３は、コンデンサＣ２の一端である点Ａに接続される。また、ダウンコンバータ部１０３には、コンデンサＣ３と「放電部」としての抵抗Ｒ３が接続される。

ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１は、ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１に電源を供給するための電源端子、ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１の動作をＯＮ／ＯＦＦするイネーブル端子ＥＮ、ＰＷＭ（ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）の制御出力であるＰＷＭ端子、電圧値のフィードバック入力をするためのＦ／Ｂ（フィードバック）端子を備えている。ＰＷＭ端子にはスイッチング素子Ｑ１２が接続されている。

点Ａには、抵抗Ｒ１の一端が接続され、抵抗Ｒ１の他端にはツェナダイオードＺ１が直列に接続される。抵抗Ｒ１とツェナダイオードＺ１の接続点は、ツェナダイオードＺ１の降伏電圧が維持されて、スイッチング素子Ｑ１１のゲートに接続されている。スイッチング素子Ｑ１１のソースは、抵抗Ｒ１３の一端に接続されて、その接続点にてＳＷ電源制御ＩＣ１０３１の電源端子に接続されている。抵抗Ｒ１３の他の一端は、ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１のＥＮ端子に接続されている。また、ＥＮ端子は、フォトカプラＰＣ１のコレクタに接続されて、さらにフォトカプラＰＣ１のエミッタはグランドに接地されている。つまり、フォトカプラＰＣ１がＯＮの場合には、ＥＮ端子は接地されてｌｏになり、ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１は動作を停止する。一方、フォトカプラＰＣ１がＯＦＦになると、ＥＮ端子には抵抗Ｒ１３によって生じる電圧が印加されてｈｉになるので、ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１が動作する。

通常時には、ＭＧ−ＥＣＵ１００は、トランジスタＴｒ１のベース電圧をｈｉに保っているため、フォトカプラＰＣ１はＯＮ状態であり、ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１は動作しない。一方、ＨＶ−ＥＣＵ３０から衝突信号が入力されると、ＭＧ−ＥＣＵ１００はトランジスタＴｒ１をｌｏにするので、フォトカプラＰＣ１はＯＦＦになり、ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１が動作する。フォトカプラＰＣ１は、例えば電源電圧＋Ｂを喪失したり、ＭＧ−ＥＣＵ１００が故障したりしてもＯＦＦになる。このため、フェールセーフにてＳＷ電源制御ＩＣ１０３１を動作させることができる。

ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１のＥＮ端子がｈｉになり、動作すると、ＰＷＭ端子は、スイッチング素子Ｑ１２のゲートに対して所定のデューティ比でスイッチング制御出力を行い、スイッチング素子Ｑ１２をＯＮにする。Ｑ１２がＯＮになると、コンデンサＣ２に蓄積された電荷は、点Ａからスイッチング素子Ｑ１２によってＦＭＶＳＳ３０５で規定された電圧以下に降圧され、所定の時間内にリアクトルＬ１１を介してコンデンサＣ３に移動する。コンデンサＣ３は、コンデンサＣ２の電荷を吸引してコンデンサＣ２の電圧を下げるのに十分な容量であるものとする。リアクトルＬ１１はチョークコイルとして、スイッチング素子Ｑ１２のＯＮによって流入する電流量を平滑化するとともに、突入電流によるスイッチング素子Ｑ１２の破壊を防止する。リアクトルＬ１１は、スイッチング素子Ｑ１２がＯＮの期間にエネルギを蓄積して、スイッチング素子Ｑ１２がＯＦＦの期間に蓄積したエネルギを放出して、ダイオードＤ１１を通じた電流によって、コンデンサＣ３に電流を供給する。従って、スイッチング素子Ｑ１２のＯＮ期間とＯＦＦ期間において半波整流が行われ、コンデンサＣ３に対して大きな電流を供給することが可能となる。

リアクトルＬ１１とコンデンサＣ３の間の点Ｂには、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２が直列に接続されて接地され、抵抗Ｒ１１と抵抗Ｒ１２の接続点がＳＷ電源制御ＩＣ１０３１のＦ／Ｂ端子に入力される。ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１は、入力された電圧値に基づいてＱ１２のスイッチングレートを調整して点Ｂの電圧を所定値にするフィードバック制御を行う。

コンデンサＣ３に蓄積された電荷は、抵抗Ｒ３によって放電される。抵抗Ｒ３は、例えば放電器を使用することもできる。コンデンサＣ３の電圧は、ＦＭＶＳＳ３０５で規定された電圧値以下であるので、コンデンサＣ３に蓄積された電荷はゆっくりと放電することができる。従って、抵抗Ｒ３は、電力容量定格の小さな抵抗を使用することができ、駆動装置１の軽量小型化に寄与することができる。

なお、図１で示した駆動装置１の各機能は、図示しない、メモリに記憶されたソフトウエアをＣＰＵによって実行することにより実施ができる。また、駆動装置１の各機能は、専用のハードウエアによって実施しても良い。

また、図１で説明した各機能は、複数の機能を１つにまとめて構成することができる。例えば、エアバックＥＣＵ２０とＨＶ−ＥＣＵ３０を１つのＥＣＵで実施しても良い。また、一の機能を複数の装置に分割して構成しても良い。

次に、図２を用いて第１の実施形態における動作を説明する。図２は、駆動装置の動作の一例を説明するタイムチャートである。

図２において、グラフ（イ）は車両の衝突によって生じる衝撃パルスを表す。なお、図２のグラフ（イ）〜（リ）の横軸は、時間軸を表している。

グラフ（ロ）は、衝撃パルスをエアバックＥＣＵ２０が検知して、衝突検知信号をＨＶ−ＥＣＵ３０に出力することを表す。エアバックＥＣＵ２０は、衝突検知センサを備えて、衝撃パルスの立ち上がりにより車両の衝突を検知して、衝突検知信号をＨＶ−ＥＣＵ３０に出力している。

グラフ（ハ）、グラフ（ニ）は、衝突検知信号が入力されたＨＶ−ＥＣＵ３０がＳＭＲ１１に対してリレー制御信号を出力して、ＳＭＲ１１を開放状態とすることを表す。このグラフでは、衝突検知信号の立ち下がりでリレー制御信号を出力しているが、衝突検知信号の立ち上がりでリレー制御信号を出力しても良い。

グラフ（ハ）、グラフ（ホ）は、衝突検知信号が入力されたＨＶ−ＥＣＵ３０がＭＧ−ＥＣＵ１００に対して衝突信号を出力して、ＭＧ−ＥＣＵ１００が図１で説明したトランジスタＴｒ１のベース電圧をｌｏにしてフォトカプラＰＣ１をＯＦＦにすることを表す。衝突信号もリレー制御信号と同様に、衝突検知信号の立ち上がりで衝突信号を出力しても良い。

グラフ（ヘ）は、ダウンコンバータ部１０３のＳＷ電源制御ＩＣ１０３１のＥＮ端子がｈｉになり、ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１のＰＷＭ端子がスイッチング出力することを表す。スイッチングは図１の点Ｂが、例えば６０Ｖになるように制御する。

グラフ（ト）は、図１の点Ａの電圧推移を表す。ダウンコンバータ部１０３は、コンデンサＣ２に蓄積された６５０Ｖの電気エネルギを、ＦＭＶＳＳ３０５で規定された５秒以内に６０Ｖ以下になるようにしている。このグラフでは、点Ａの電圧が６０Ｖ以下になった時点でダウンコンバータ部１０３におけるスイッチングを停止しているが、６０Ｖよりさらに低い電圧までスイッチングを継続することも可能である。

グラフ（チ）は、コンデンサＣ３の電圧の推移である。コンデンサＣ３の電圧は、ダウンコンバータ部で設定された電圧まで所定の時定数にて上昇し、コンデンサＣ３に蓄積された電気エネルギは、抵抗Ｒ３による所定の時定数にて経時的に消費され電圧が下落する。なお、ＦＭＶＳＳ３０５は、所定の電圧値以下の蓄積電荷については放電の時間を規定しない。従って、定格容量の小さな抵抗Ｒ３を使用して、ゆっくりコンデンサＣ３の電荷を放電することが可能となる。

グラフ（リ）は、ダウンコンバータ部１０３によるコンデンサＣ３への印加電圧を規定の６０Ｖより大きくして、コンデンサＣ３への蓄積電荷量を短時間で大きくし、グラフ（チ）より短時間で規定の６０Ｖ以下にしていることを表している。コンデンサＣ３の容量と耐圧を大きくすることにより、より迅速にコンデンサＣ２の電圧を降下させることができる。本実施形態においては、ＦＭＶＳＳ３０５の規定を考慮した適切な放電制御を行うことにより、放電回路の軽量小型化、低コスト化を図ることができる。

次に、図１で説明したダウンコンバータ部１０３について、他の構成にて実施した実施形態２〜実施形態４を、図３〜図５を用いて説明する。なお、図中において同じ符号を付した部品は第１の実施形態で説明した部品と同じであり、重複する説明は省略する。
［第２の実施形態］
第２の実施形態は、第１の実施形態で説明したダウンコンバータ部１０３のフィードバック部分を変更した実施形態である。図３は第２の実施形態におけるダウンコンバータ部の構成の一例を示す構成図である。

図３において、ダウンコンバータ部１０４は、コンデンサＣ３とグランドの間に抵抗Ｒ１４を接続し、抵抗Ｒ１４による接続点である点Ｃの電圧を検出して、コンデンサＣ３の充電電流を検出している。点ＣはＳＷ電源制御ＩＣ１０３１のＦ／Ｂ端子に接続されて、ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１は充電電流を基にスイッチング素子Ｑ１２のスイッチングをフィードバック制御する。第１の実施形態がコンデンサＣ３に充電される電圧を測定して電圧値を制御するのに対して、第２の実施形態では、コンデンサＣ３に流入する電流を制御する。このため、ＳＷ電源制御ＩＣ１０３１によるスイッチング開始時におけるリップル電流を低減させることができる。
［第３の実施形態］
第３の実施形態は、第１の実施形態におけるインダクタンスＬ１１による平滑化を行う代わりに、トランスＴ１を使用したフライバック方式を採用している。図４は、第３の実施形態におけるダウンコンバータ部の構成の一例を示す構成図である。

図４において、図１の点Ａは、トランスＴ１の一次側に接続される。トランスＴ１は、一次側巻線と二次側巻線が逆相に構成されている。逆相に接続されたトランスＴ１の二次側巻線は、第１の実施例におけるリアクトルＬ１１と同様に、スイッチング素子Ｑ１２でスイッチングした電流を平滑化させる。従って、リアクトルＬ１１は不要となり、部品点数の削減が可能となる。また、トランスＴ１の一次側巻線と二次側巻線の絶縁効果により、コンデンサＣ３に流入する電流のリップルを小さくすることが可能になる。但し、トランスの二次側巻線に流れる電流量がそのままコンデンサＣ３に流入するため、コンデンサＣ２に蓄積された電荷を短時間で低圧のコンデンサＣ３に移動させるためには、トランスＴ１の二次側巻線の定格電流を大きくする必要がある。
［第４の実施形態］
第４の実施形態は、第３の実施形態におけるフライバック方式に代わり、フォワード方式を採用したものである。図５は、第４の実施形態におけるダウンコンバータ部の構成の一例を示す構成図である。

図５において、トランスＴ２は一次側巻線と二次側巻線が同相である。トランスＴ２は、スイッチング素子Ｇ１２がＯＮのときに同相の二次側巻線に電流を流す。二次側巻線に流される電流は、ダイオードＤ１３とＤ１４によって半波とされ、第１の実施形態と同様にリアクトルＬ１１とコンデンサＣ３によって平滑化される。トランスＴ２による絶縁によって第３の実施形態同様にコンデンサＣ３に流入するリップルを小さくすることができる。また、第１の実施形態同様にスイッチング素子Ｑ１２がＯＦＦのときにリアクトルＬ１１に蓄積されたエネルギを、ダイオードＤ１４を通じてコンデンサＣ３に電流を流すので電流値を大きくすることができる。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ 駆動装置
１０ 駆動制御装置
１００ ＭＧ−ＥＣＵ
１０１ コンバータ部
１０２ インバータ部
１０３、１０４、１０５、１０６ ダウンコンバータ部
１０３１ ＳＷ電源制御ＩＣ
１１ ＳＭＲ
２０ エアバックＥＣＵ
３０ ＨＶ−ＥＣＵ

Claims (6)

1. 蓄電装置から供給される電圧を昇圧するコンバータと、
   前記コンバータで昇圧された電力をモータに供給する電力に変換する第１のスイッチング部と、
   前記コンバータと前記第１のスイッチング部の間に並列に接続され、前記第１のスイッチング部に供給する電圧を平滑化する第１のコンデンサと、
   前記コンバータと前記第１のスイッチング部との間の前記第１のコンデンサに接続され、車両の衝突が検知された場合、前記第１のコンデンサの電圧を降下させる降圧回路と、
   前記降圧回路に接続され、前記第１のコンデンサに蓄積された電荷を吸引する第２のコンデンサと、
   前記第２のコンデンサに接続され、前記第２のコンデンサに蓄積された電荷を放電する放電部と、を備えた、車両に搭載される駆動装置。
2. 前記降圧回路は、第２のスイッチング部を備え、
   前記第２のスイッチング部は、デューティ比を制御して前記第１のコンデンサに蓄積された電荷の吸引速度を調整する請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記降圧回路は、前記第２のコンデンサに印加される電圧がフィードバックされることにより前記デューティ比を制御する請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記降圧回路は、前記第２のコンデンサに流入する電流がフィードバックされることにより前記デューティ比を制御する請求項２に記載の駆動装置。
5. 前記降圧回路は、前記第１のコンデンサの電圧が所定値以下になるまで動作する請求項１乃至４のいずれか一項に記載の駆動装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載された駆動装置を備えた車両。

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