JP6458763B2 - 自動車 - Google Patents

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Description

本発明は、自動車に関し、詳しくは、モータとインバータとバッテリとを備える自動車に関する。
従来、この種の自動車としては、電動機と、複数のスイッチング素子のスイッチングによって電動機を駆動するインバータ回路を有する電力変換装置と、を備えるものにおいて、電動機の電気１周期のパルス数と、電動機のトルク指令に基づく電圧の変調率および電圧位相と、に基づいて複数のスイッチング素子のパルス信号を生成して複数のスイッチング素子のスイッチングを行なうものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この自動車では、パルス数と変調率と電圧位相とに基づいて電力変換装置および電動機の電力損失が最小となるようにパルス信号を生成することにより、電力変換装置および電動機を有する駆動システム全体の損失の低減を図っている。
特開２０１３−１６２６６０号公報
しかしながら、上述の自動車におけるパルス信号を生成して電力変換装置に出力する手法は、電動機の各相の電圧指令と搬送波電圧との比較によってパルス信号を生成して電力変換装置に出力する手法に比して、パルス信号を生成する周期が長くなり、電動機の応答性（目標動作点が変化したときの動作点の追従性）が低くなる。このため、電動機の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサに異常が生じたときには、インバータに過電流や過電圧が生じやすくなってしまう。
本発明の自動車は、インバータに過電流や過電圧が生じるのを抑制することを主目的とする。
本発明の自動車は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の自動車は、
走行用のモータと、
複数のスイッチング素子のスイッチングによって前記モータを駆動するインバータと、
前記インバータを介して前記モータと電力をやりとりするバッテリと、
前記モータの回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサと、
前記インバータの制御として、前記モータのトルク指令に基づく各相の電圧指令と、搬送波電圧と、の比較によって前記複数のスイッチング素子の第１ＰＷＭ信号を生成して前記複数のスイッチング素子のスイッチングを行なう第１ＰＷＭ制御と、前記トルク指令に基づく電圧の変調率および電圧位相と、前記モータの電気角の所定周期のパルス数と、に基づいて前記複数のスイッチング素子の第２ＰＷＭ信号を生成して前記複数のスイッチング素子のスイッチングを行なう第２ＰＷＭ制御と、を含む複数の制御を切り替えて実行する制御装置と、
を備える自動車であって、
前記制御装置は、前記回転位置検出センサに異常が生じているときには前記第２ＰＷＭ制御の実行を制限する、
ことを特徴とする。
この本発明の自動車では、インバータの制御として、第１ＰＷＭ制御と第２ＰＷＭ制御とを含む複数の制御を切り替えて実行する。第１ＰＷＭ制御は、モータのトルク指令に基づく各相の電圧指令と、搬送波電圧と、の比較によって第１ＰＷＭ信号を生成し、インバータの複数のスイッチング素子のスイッチングを行なう制御である。第２ＰＷＭ制御は、モータのトルク指令に基づく電圧の変調率および電圧位相と、モータの電気角の所定周期のパルス数と、に基づいて第２ＰＷＭ信号を生成し、インバータの複数のスイッチング素子のスイッチングを行なう制御である。そして、モータの回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサに異常が生じているときには第２ＰＷＭ制御の実行を制限する。第２ＰＷＭ制御は、第１ＰＷＭ制御に比して、パルス信号を生成する周期が長くなり、電動機の応答性が低くなるため、回転位置検出センサに異常が生じたときにはインバータに過電流や過電圧が生じやすくなる。したがって、回転位置検出センサに異常が生じたときに第２ＰＷＭ制御の実行を制限することにより、インバータに過電流や過電圧が生じるのを抑制することができる。ここで、「第２ＰＷＭ制御の実行の制限」としては、第２ＰＷＭ制御の実行範囲の縮小や、第２ＰＷＭ制御の禁止などが含まれる。
本発明の一実施例としての電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。 モータ３２の目標動作点と第１，第２ＰＷＭ制御の領域との関係の一例を示す説明図である。 実施例の電子制御ユニット５０によって実行される第２ＰＷＭ制御許否ルーチンの一例を示すフローチャートである。 変形例のハイブリッド自動車１２０の構成の概略を示す構成図である。
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施例としての電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車２０は、図示するように、モータ３２と、インバータ３４と、バッテリ３６と、昇圧コンバータ４０と、電子制御ユニット５０と、を備える。
モータ３２は、同期発電電動機として構成されており、永久磁石が埋め込まれた回転子と、三相コイルが巻回された固定子と、を備える。このモータ３２の回転子は、駆動輪２２ａ，２２ｂにデファレンシャルギヤ２４を介して連結された駆動軸２６に接続されている。
インバータ３４は、モータ３２に接続されると共に高電圧系電力ライン４２を介して昇圧コンバータ４０に接続されている。このインバータ３４は、６つのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６と、６つのダイオードＤ１１〜Ｄ１６と、を有する。トランジスタＴ１１〜Ｔ１６は、それぞれ、高電圧系電力ライン４２の正極母線と負極母線とに対して、ソース側とシンク側になるように、２個ずつペアで配置されている。６つのダイオードＤ１１〜Ｄ１６は、それぞれ、トランジスタＴ１１〜Ｔ１６に逆方向に並列接続されている。トランジスタＴ１１〜Ｔ１６の対となるトランジスタ同士の接続点の各々には、モータ３２の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。したがって、インバータ３４に電圧が作用しているときに、電子制御ユニット５０によって、対となるトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のオン時間の割合が調節されることにより、三相コイルに回転磁界が形成され、モータ３２が回転駆動される。以下、トランジスタＴ１１〜Ｔ１３を「上アーム」，トランジスタＴ１４〜Ｔ１６を「下アーム」ということがある。高電圧系電力ライン４２の正極母線と負極母線とには、平滑用のコンデンサ４６が取り付けられている。
バッテリ３６は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、低電圧系電力ライン４４を介して昇圧コンバータ４０に接続されている。低電圧系電力ライン４４の正極母線と負極母線とには、平滑用のコンデンサ４８が取り付けられている。
昇圧コンバータ４０は、高電圧系電力ライン４２と低電圧系電力ライン４４とに接続されている。この昇圧コンバータ４０は、２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２と、２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２と、リアクトルＬと、を有する。トランジスタＴ３１は、高電圧系電力ライン４２の正極母線に接続されている。トランジスタＴ３２は、トランジスタＴ３１と、高電圧系電力ライン４２および低電圧系電力ライン４４の負極母線と、に接続されている。２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２は、それぞれ、トランジスタＴ３１，Ｔ３２に逆方向に並列接続されている。リアクトルＬは、トランジスタＴ３１，Ｔ３２同士の接続点と、低電圧系電力ライン４４の正極母線と、に接続されている。昇圧コンバータ４０は、電子制御ユニット５０によって、トランジスタＴ３１，Ｔ３２のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧系電力ライン４４の電力を電圧の昇圧を伴って高電圧系電力ライン４２に供給したり、高電圧系電力ライン４２の電力を電圧の降圧を伴って低電圧系電力ライン４４に供給したりする。
電子制御ユニット５０は、ＣＰＵ５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ５２の他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭ５４やデータを一時的に記憶するＲＡＭ５６，入出力ポートを備える。
電子制御ユニット５０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット５０に入力される信号としては、例えば、モータ３２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ（例えばレゾルバ）３２ａからの回転位置θｍ，モータ３２の各相に流れる電流を検出する電流センサ３２ｕ，３２ｖからの相電流Ｉｕ，Ｉｖを挙げることができる。また、バッテリ３６の端子間に取り付けられた電圧センサ３６ａからの電圧ＶＢ，バッテリ３６の出力端子に取り付けられた電流センサ３６ｂからの電流ＩＢ、リアクトルＬに取り付けられた電流センサ３７ｂからのリアクトル電流ＩＬも挙げることができる。さらに、コンデンサ４６の端子間に取り付けられた電圧センサ４６ａからのコンデンサ４６（高電圧系電力ライン４２）の電圧ＶＨ，コンデンサ４８の端子間に取り付けられた電圧センサ４８ａからのコンデンサ４８（低電圧系電力ライン４４）の電圧ＶＬも挙げることができる。加えて、イグニッションスイッチ６０からのイグニッション信号，シフトレバー６１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ６２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル６３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ６４からのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダル６５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ６６からのブレーキペダルポジションＢＰも挙げることができる。また、車速センサ６８からの車速ＶＳも挙げることができる。
電子制御ユニット５０からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット５０から出力される信号としては、例えば、インバータ３４のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６へのスイッチング制御信号，昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２へのスイッチング制御信号を挙げることができる。
電子制御ユニット５０は、回転位置検出センサ３２ａからのモータ３２の回転子の回転位置θｍに基づいてモータ３２の電気角θｅや回転数Ｎｍを演算している。また、電子制御ユニット５０は、電流センサ３６ｂからのバッテリ３６の電流ＩＢの積算値に基づいてバッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣを演算している。ここで、蓄電割合ＳＯＣは、バッテリ３６の全容量に対するバッテリ３６から放電可能な電力の容量の割合である。
こうして構成された実施例の電気自動車２０では、電子制御ユニット５０は、以下の走行制御を行なう。走行制御では、アクセル開度Ａｃｃと車速ＶＳとに基づいて駆動軸２６に要求される要求トルクＴｄ＊を設定し、設定した要求トルクＴｄ＊をモータ３２のトルク指令Ｔｍ＊に設定し、モータ３２がトルク指令Ｔｍ＊で駆動されるようにインバータ３４のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のスイッチング制御を行なう。また、モータ３２をトルク指令Ｔｍ＊で駆動できるように高電圧系電力ライン４２の目標電圧ＶＨ＊を設定し、高電圧系電力ライン４２の電圧ＶＨが目標電圧ＶＨ＊となるように昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２のスイッチング制御を行なう。
ここで、インバータ３４の制御について説明する。実施例では、インバータ３４の制御として、正弦波ＰＷＭ（パルス幅変調）制御，過変調ＰＷＭ制御，矩形波制御の何れかを実行する。正弦波ＰＷＭ制御は、擬似的な三相交流電圧がモータ３２に印加（供給）されるようにインバータ３４を制御する制御であり、過変調制御は、過変調電圧がモータ３２に印加されるようにインバータ３４を制御する制御であり、矩形波制御は、矩形波電圧がモータ３２に印加されるようにインバータ３４を制御する制御である。正弦波ＰＷＭ制御を実行する場合、正弦波電圧に基づくパルス幅変調電圧を擬似的な三相交流電圧とするときには、変調率Ｒｍは値０〜略０．６１となり、正弦波電圧に３ｎ次（例えば３次）高調波電圧を重畳して得られる重畳後電圧に基づくパルス幅変調電圧を擬似的な三相交流電圧とするときには、変調率Ｒｍは値０〜略０．７１となる。変調率Ｒｍは、インバータ３４の入力電圧（高電圧系電力ライン４２の電圧ＶＨ）に対する出力電圧（モータ３２の印加電圧）の実効値の割合である。実施例では、正弦波ＰＷＭ制御を実行できる変調率Ｒｍの領域を大きくするために、重畳後電圧に基づくパルス幅変調電圧を擬似的な三相交流電圧とするものとした。また、矩形波制御を実行する場合、変調率Ｒｍは略０．７８となる。実施例では、これらを踏まえて、変調率Ｒｍに基づいて、正弦波ＰＷＭ制御，過変調ＰＷＭ制御，矩形波制御の何れかを実行するものとした。以下、正弦波ＰＷＭ制御について説明する。過変調制御や矩形波制御については本発明の中核をなさないことから、詳細な説明は省略する。
正弦波ＰＷＭ制御として、実施例では、第１ＰＷＭ制御または第２ＰＷＭ制御を実行する。第１ＰＷＭ制御は、モータ３２の各相の電圧指令Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊と搬送波電圧（三角波電圧）との比較によってトランジスタＴ１１〜Ｔ１６の第１ＰＷＭ信号を生成してトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のスイッチングを行なう制御である。第２ＰＷＭ制御は、電圧の変調率Ｒｍおよび電圧位相θｐと所定周期（例えば、モータ３２の電気角θｅの半周期や１周期など）のパルス数Ｎｐとに基づいてトランジスタＴ１１〜Ｔ１６の第２ＰＷＭ信号を生成してトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のスイッチングを行なう制御である。なお、第１ＰＷＭ制御を実行する場合には、搬送波電圧（周波数が３ｋＨｚ〜５ｋＨｚ程度の三角波電圧）の半周期や１周期などに相当する間隔Δｔ１で第１ＰＷＭ信号を生成し、第２ＰＷＭ制御を実行する場合には、間隔Δｔ１よりも長い間隔Δｔ２で第２ＰＷＭ信号を生成するものとした。
第１ＰＷＭ制御を実行する場合、第２ＰＷＭ制御を実行する場合に比して、ＰＷＭ信号の生成周期を短くすることができるから、モータ３２の応答性（目標動作点が変化したときの動作点の追従性）を高くすることができる。また、第２ＰＷＭ制御を実行する場合、モータ３２の鉄損を低減する（例えば最小にする）ように第２ＰＷＭ信号を生成したり電圧や電流の高調波成分（特に、モータ３２の回転６次や回転１２次などの低次高調波成分）を低減する（例えば最小にする）ように第２ＰＷＭ信号を生成したりすることにより、第１ＰＷＭ制御を実行する場合に比して、モータ３２の鉄損を低減したり高調波成分を低減したりすることができる。
実施例では、モータ３２の各目標動作点に対して第１ＰＷＭ制御や第２ＰＷＭ制御を実行した実験結果や解析結果に基づいて、第２ＰＷＭ制御を実行することによる効果がある程度見込める領域については第２ＰＷＭ制御の領域として定め、その効果があまり見込めない領域についてはモータ３２の応答性を向上させるために第１ＰＷＭ制御の領域として定めるものとした。図２は、モータ３２の目標動作点と第１ＰＷＭ制御の領域と第２ＰＷＭ制御の領域との関係の一例を示す説明図である。図２の例では、第２ＰＷＭ制御の領域として、モータ３２の回転数Ｎｍが１０００ｒｐｍ〜３５００ｒｐｍでトルク指令Ｔｍ＊が１０Ｎｍ以上の領域およびトルク指令が−１００Ｎｍ〜−１０Ｎｍの領域（エリア１）、モータ３２の回転数Ｎｍが３５００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍでトルク指令Ｔｍ＊が１０Ｎｍ〜１５０Ｎｍの領域およびトルク指令Ｔｍ＊が−１００Ｎｍ〜１０Ｎｍの領域（エリア２）、モータ３２の回転数Ｎｍが３５００ｒｐｍ〜６０００ｒｐｍでトルク指令Ｔｍ＊が１５０Ｎｍ以上の領域（エリア３）、モータ３２の回転数Ｎｍが６０００ｒｐｍ〜９０００ｒｐｍでトルク指令Ｔｍ＊が１０Ｎｍ〜１００Ｎｍの領域およびトルク指令Ｔｍ＊が−５０Ｎｍ〜−１０Ｎｍの領域（エリア４）、モータ３２の回転数Ｎｍが６０００ｒｐｍ〜９０００ｒｐｍでトルク指令Ｔｍ＊が１００Ｎｍ〜１５０Ｎｍの領域およびトルク指令Ｔｍ＊が−１００Ｎｍ〜−５０Ｎｍの領域（エリア５）が設定されており、第２ＰＷＭ制御の領域以外の領域が第１ＰＷＭ制御の領域として設定されている。ここで、エリアは、第２ＰＷＭ制御の領域のうちパルス数等が異なる領域である。
次に、こうして構成された実施例の電気自動車２０の動作、特に、モータ３２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ３２ａに異常が生じたときに正弦波ＰＷＭ制御を実行する際の動作について説明する。図３は、実施例の電子制御ユニット５０によって実行される第２ＰＷＭ制御許否ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、繰り返し実行される。
第２ＰＷＭ制御許否ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０は、まず、モータ３２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ３２ａに異常が生じているか否かを判定する（ステップＳ１００）。この判定は、例えば、図示しない異常判定ルーチンによるセンサ異常（故障）の有無をＲＡＭ５６の所定領域に記憶するものとし、ＲＡＭ５６の所定領域の異常の有無を確認することにより行なうことができる。
回転位置検出センサ３２ａに異常が生じていないときには、第２ＰＷＭ制御を許可して（ステップＳ１１０）、本ルーチンを終了する。この場合、図２に示した領域に基づいて第１ＰＷＭ制御と第２ＰＷＭ制御とを切り替えて実行する。
一方、回転位置検出センサ３２ａに異常が生じているときには、第２ＰＷＭ制御の実行を禁止して（ステップＳ１２０）、本ルーチンを終了する。この場合、第２ＰＷＭ制御を実行しているときには、第１ＰＷＭ制御の実行に切り替えられる。上述したように、第２ＰＷＭ制御は、パルス信号を生成する周期が長くなり、モータ３２の応答性が低くなるため、回転位置検出センサ３２ａに異常が生じたときには、インバータ３４に過電流や過電圧が生じやすくなってしまうが、第２ＰＷＭ制御を禁止して第１ＰＷＭ制御を実行することにより、モータ３２の応答性を高くし、インバータ３４に過電流や過電圧が生じるのを抑制することができる。
以上説明した実施例の電気自動車２０では、モータ３２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ３２ａに異常が生じているときには、第２ＰＷＭ制御の実行を禁止する。これにより、インバータ３４に過電流や過電圧が生じるのを抑制することができる。
実施例の電気自動車２０では、モータ３２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ３２ａに異常が生じているときには第２ＰＷＭ制御の実行を禁止するものとしたが、第２ＰＷＭ制御の実行を制限するものとしてもよい。例えば、図２に示す第２ＰＷＭ制御の領域のうちのエリア１以外の第２ＰＷＭ制御の実行を禁止するものとしたり、第２ＰＷＭ制御の領域で巡航走行している場合以外の第２ＰＷＭ制御の実行を禁止するものとしたりしてもよい。この場合、回転位置検出センサ３２ａに異常が生じているときに第２ＰＷＭ制御を実行するときには、車速ＶＳからモータ３２の回転子の回転位置を推定すればよい。
実施例の電気自動車２０では、バッテリ３６とインバータ３４との間に昇圧コンバータ４０を設けるものとしたが、昇圧コンバータ４０を設けないものとしてもよい。
実施例の電気自動車２０では、モータ３２とインバータ３４とバッテリ３６とを備える構成とした。しかし、図４の変形例のハイブリッド自動車１２０に示すように、モータ３２とインバータ３４とに加えて、エンジン１２２とプラネタリギヤ１２４とモータ１３２とインバータ１３４とを備える構成としてもよい。ここで、プラネタリギヤ１２４のサンギヤにはモータ１３２が接続され、キャリヤにはエンジン１２２が接続され、リングギヤには駆動軸２６およびモータ３２が接続されている。インバータ１３４は、モータ１３２に接続されると共に高電圧系電力ライン４２に接続されている。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータ３２が「モータ」に相当し、インバータ３４が「インバータ」に相当し、バッテリ３６が「バッテリ」に相当し、回転位置検出センサ３２ａが「回転位置検出センサ」に相当し、電子制御ユニット５０が「制御装置」に相当する。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、自動車の製造産業などに利用可能である。
２０ 電気自動車、２２ａ，２２ｂ 駆動輪、２４ デファレンシャルギヤ、２６ 駆動軸、３２，１３２ モータ、３２ａ 回転位置検出センサ、３２ｕ，３２ｖ，３６ｂ，３７ｂ 電流センサ、３４，１３４ インバータ、３６ バッテリ、３６ａ，４６ａ，４８ａ 電圧センサ、４０ 昇圧コンバータ、４２ 高電圧系電力ライン、４４ 低電圧系電力ライン、４６，４８ コンデンサ、５０ 電子制御ユニット、５２ ＣＰＵ、５４ ＲＯＭ、５６ ＲＡＭ、６０ イグニッションスイッチ、６１ シフトレバー、６２ シフトポジションセンサ、６３ アクセルペダル、６４ アクセルペダルポジションセンサ、６５ ブレーキペダル、６６ ブレーキペダルポジションセンサ、６８ 車速センサ、１２０ ハイブリッド自動車、１２２ エンジン、１２４ プラネタリギヤ、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ３１，Ｄ３２ ダイオード、Ｌ リアクトル、Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ３１，Ｔ３２ トランジスタ。

Claims (2)

  1. 走行用のモータと、
    複数のスイッチング素子のスイッチングによって前記モータを駆動するインバータと、
    前記インバータを介して前記モータと電力をやりとりするバッテリと、
    前記モータの回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサと、
    前記インバータの制御として、前記モータのトルク指令に基づく各相の電圧指令と、搬送波電圧と、の比較によって前記複数のスイッチング素子の第１ＰＷＭ信号を生成して前記複数のスイッチング素子のスイッチングを行なう第１ＰＷＭ制御と、前記トルク指令に基づく電圧の変調率および電圧位相と、前記モータの電気角の所定周期のパルス数と、に基づいて前記複数のスイッチング素子の第２ＰＷＭ信号を生成して前記複数のスイッチング素子のスイッチングを行なう第２ＰＷＭ制御と、を含む複数の制御を切り替えて実行する制御装置と、
    を備える自動車であって、
    前記第２ＰＷＭ制御において前記第２ＰＷＭ信号を生成する周期は、前記第１ＰＷＭ制御が前記第１ＰＷＭ信号を生成する周期に比して長く、
    前記制御装置は、前記回転位置検出センサに異常が生じているときには前記第２ＰＷＭ制御の実行を制限する、
    ことを特徴とする自動車。
  2. 請求項１記載の自動車であって、
    前記制御装置は、前記第２ＰＷＭ制御の実行の制限として、前記第２ＰＷＭ制御の実行を禁止する、
    自動車。
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