JP6862960B2

JP6862960B2 - 駆動装置

Info

Publication number: JP6862960B2
Application number: JP2017053095A
Authority: JP
Inventors: 啓志田嶋; 洋輔田川
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2017-03-17
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2037-03-17
Also published as: JP2018157696A

Description

本発明は、駆動装置に関し、詳しくは、モータと、蓄電装置と、蓄電装置側とモータ側との間で電圧の変換を伴って電力のやりとりを行なう複数の昇圧コンバータと、を備える駆動装置に関する。

従来、この種の駆動装置としては、モータと、蓄電装置と、蓄電装置側とモータ側との間で電圧の変換を伴って電力のやりとりを行なう２つのコンバータと、を備え、２つのコンバータの動作状態を切り替えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この駆動装置では、１つのチョッパ回路を有する第１コンバータと、２つのチョッパ回路を有する第２コンバータとのスイッチング状態を切り替えることにより、電力損失を削減している。

特開２０１６−１００９３６号公報

こうした駆動装置では、一般的に電力損失が最小（エネルギ効率が最大）となるように複数の昇圧コンバータを作動するが、エネルギ効率よりも動力性能を優先して駆動させたい場合もある。この場合、複数の昇圧コンバータの応答速度が異なると、応答速度の遅い昇圧コンバータが存在するために、出力すべき総電力の応答速度が遅くなってしまう。

本発明の駆動装置は、応答速度が異なる複数の昇圧コンバータを備える駆動装置において、動力性能を優先するときの総電力の応答速度を速くすることを主目的とする。

本発明の駆動装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の駆動装置は、
モータと、
蓄電装置と、
前記蓄電装置側と前記モータ側との間で電圧の変換を伴って電力のやりとりを行なう並列接続された応答速度の異なる複数の昇圧コンバータと、
動力性能を優先する動力性能優先モードとエネルギ効率を優先するエネルギ効率優先モードとを含む複数の駆動モードから選択した駆動モードに基づく電力分配により前記複数の昇圧コンバータを制御する制御装置と、
を備える駆動装置であって、
前記制御装置は、前記動力性能優先モードを選択したときには、前記エネルギ効率優先モードを選択したときに比して、前記複数の昇圧コンバータのうち応答速度が最も早い昇圧コンバータの電力分配を大きくして前記複数の昇圧コンバータを制御する、
ことを要旨とする。

この本発明の駆動装置では、動力性能を優先する動力性能優先モードを選択したときには、エネルギ効率を優先するエネルギ効率優先モードを選択したときに比して、複数の昇圧コンバータのうち応答速度が最も早い昇圧コンバータの電力分配を大きくして複数の昇圧コンバータを制御する。これにより、エネルギ効率優先モードに比して、複数の昇圧コンバータにより昇圧される総電力の応答速度を早くすることができる。

本発明の一実施例としての駆動装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。モータ３２を含む電機駆動系の構成の概略を示す構成図である。電子制御ユニット７０により実行される電力分配設定ルーチンの一例を示すフローチャートである。効率優先モードにおける駆動装置における電力の流れの一例を示す説明図である。動力性能優先モードにおける駆動装置における電力の流れの一例を示す説明図である。各モードにおける電力供給の時間変化の一例を示す説明図である。

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駆動装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図であり、図２は、モータ３２を含む電機駆動系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１に示すように、モータ３２と、インバータ３４と、蓄電装置としてのバッテリ３６と、第１，第２昇圧コンバータ４０，４１と、電子制御ユニット７０と、を備える。ここで、実施例の駆動装置としては、モータ３２とバッテリ３６と第１，第２昇圧コンバータ４０，４１と電子制御ユニット７０とが相当する。

モータ３２は、例えば同期発電電動機として構成されており、回転子が駆動輪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側電力ライン４２に接続されている。モータ３２は、電子制御ユニット７０によって、インバータ３４の図示しない複数のスイッチング素子がスイッチング制御されることにより、回転駆動される。高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとには、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、第２電力ラインとしての低電圧側電力ライン４４に接続されている。低電圧側電力ライン４４の正極側ラインと負極側ラインとには、平滑用のコンデンサ４８が取り付けられている。

図２に示すように、第１昇圧コンバータ４０は、応答速度の速い周知の昇降圧コンバータとして構成されており、高電圧側電力ライン４２と低電圧側電力ライン４４とに接続されており、２つのトランジスタＴ１１，Ｔ１２と、２つのダイオードＤ１１，Ｄ１２と、リアクトルＬ１と、を有する。トランジスタＴ１１は、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインに接続されている。トランジスタＴ１２は、トランジスタＴ１１と、高電圧側電力ライン４２および低電圧側電力ライン４４の負極側ラインと、に接続されている。リアクトルＬ１は、トランジスタＴ１１，Ｔ１２同士の接続点と、低電圧側電力ライン４４の正極側ラインと、に接続されている。第１昇圧コンバータ４０は、電子制御ユニット７０によって、トランジスタＴ１１，Ｔ１２のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧側電力ライン４４の電力を電圧の昇圧を伴って高電圧側電力ライン４２に供給したり、高電圧側電力ライン４２の電力を電圧の降圧を伴って低電圧側電力ライン４４に供給したりする。第２昇圧コンバータ４１は、第１昇圧コンバータ４０より応答速度が遅い周知の昇圧コンバータとして構成されており、高電圧側電力ライン４２と低電圧側電力ライン４４とに接続されており、２つのトランジスタＴ２１，Ｔ２２と、２つのダイオードＤ２１，Ｄ２２と、リアクトルＬ２と、を有する。この第２昇圧コンバータ４１は、電子制御ユニット７０によって、トランジスタＴ２１，Ｔ２２のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧側電力ライン４４の電力を電圧の昇圧を伴って高電圧側電力ライン４２に供給したり、高電圧側電力ライン４２の電力を電圧の降圧を伴って低電圧側電力ライン４４に供給したりする。

電子制御ユニット７０は、図示しないが、ＣＰＵ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、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭやデータを一時的に記憶するＲＡＭ，不揮発性のフラッシュメモリ，入出力ポートを備える。図１に示すように、電子制御ユニット７０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７０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３２ａからの回転位置θｍや、モータ３２の各相に流れる電流を検出する電流センサからの相電流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からの電圧Ｖｂや、バッテリ３６の出力端子に取り付けられた電流センサからの電流Ｉｂ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からの高電圧側電力ライン４２（コンデンサ４６）の電圧ＶＨや、コンデンサ４８の端子間に取り付けられた電圧センサ４８ａからの低電圧側電力ライン４４（コンデンサ４８）の電圧ＶＬを挙げることもできる。第１，第２昇圧コンバータ４０，４１のリアクトルＬ１，Ｌ２に流れる電流を検出する電流センサ４０ａ，４１ａからのリアクトルＬ１，Ｌ２の電流ＩＬ１，ＩＬ２や、第１，第２昇圧コンバータ４０，４１に取り付けられた温度センサ４０ｂ，４１ｂからの第１，第２昇圧コンバータ４０，４１の温度ｔｃ１，ｔｃ２も挙げることができる。イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号や、シフトレバー８１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰを挙げることができる。また、アクセルペダル８３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８４からのアクセル開度Ａｃｃや、ブレーキペダル８５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８６からのブレーキペダルポジションＢＰを挙げることができる。更に、車速センサ８８からの車速Ｖや、モードスイッチ８９からのスイッチ信号ＳＷも挙げることができる。モードスイッチ８９は、電気自動車２０の駆動モードとして、エネルギ効率を優先する効率優先モードと動力性能を優先する動力性能優先モードとを切り替えるスイッチである。

電子制御ユニット７０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７０から出力される信号としては、例えば、インバータ３４の複数のスイッチング素子へのスイッチング制御信号や、第１昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ１１，Ｔ１２へのスイッチング制御信号，第２昇圧コンバータ４１のトランジスタＴ２１，Ｔ２２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７０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７０は、電流センサからのバッテリ３６の電流Ｉｂの累積値に基づいてバッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣを演算したり、演算した蓄電割合ＳＯＣとバッテリ３６に取り付けられた図示しない温度センサにより検出された電池温度Ｔｂとに基づいてバッテリ３６を充放電してもよい最大許容電力である入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを演算したりしている。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７０は、まず、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて走行に要求される（駆動軸２６に要求される）要求トルクＴｄ＊を設定すると共に要求トルクＴｄ＊に駆動軸２６の回転数を乗じて走行に要求される走行用パワーＰｄｒｖを設定する。続いて、走行用パワーＰｄｒｖをバッテリ３６の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの範囲内でモータ３２から出力するようにトルク指令Ｔｍ＊を設定する。そして、トルク指令Ｔｍ＊が出力されるようにインバータ３４のスイッチング素子をスイッチング制御する。そして、トルク指令Ｔｍ＊に基づいて高電圧側電力ライン４２の目標電圧ＶＨ＊を設定すると共に、バッテリ３６からの電力を目標電圧ＶＨ＊に昇圧して走行用パワーＰｄｒｖがインバータ３４に供給されるように、第１昇圧コンバータ４０および第２昇圧コンバータ４１を制御する。第１昇圧コンバータ４０については走行用パワーＰｄｒｖに分配比ｋ１を乗じた電力（ｋ１・Ｐｄｒｖ）が高電圧側電力ライン４２に供給されるように制御し、第２昇圧コンバータ４１については走行用パワーＰｄｒｖに分配比ｋ２（ｋ２＝１−ｋ１）を乗じた電力（ｋ２・Ｐｄｒｖ）が高電圧側電力ライン４２に供給されるように制御する。

次に、こうして構成された実施例の電気自動車２０の動作、特に第１、第２昇圧コンバータ４０，４１の電力の分配を設定する際の動作について説明する。図３は、電子制御ユニット７０により実行される電力分配設定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、所定時間毎に繰り返し実行される。

電力分配設定ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０は、まず、モードスイッチ８９からのスイッチ信号ＳＷを入力し（ステップＳ１００）、スイッチ信号ＳＷにより駆動モードを判定する（ステップＳ１１０）。駆動モードとして、効率優先モードが設定されていると判定したときには、効率優先モードの電力分配として、第１昇圧コンバータ４０の分配比ｋ１に値ｋｓｅｔ１を設定すると共に第２昇圧コンバータ４１の分配比ｋ２に値（１−ｋｓｅｔ１）を設定し（ステップＳ１３０），本ルーチンを終了する。値ｋｓｅｔ１は、第１昇圧コンバータ４０と第２昇圧コンバータ４１とにより走行用パワーＰｄｒｖを目標電圧ＶＨ＊に昇圧して高電圧側電力ライン４２に供給したときに第１昇圧コンバータ４０と第２昇圧コンバータ４１との損失が最小となるように実験などにより得られた第１昇圧コンバータ４０の分配比として予め定められるものである。このように電力分配することによりエネルギ効率を良好なものとすることができる。

ステップＳ１１０で、駆動モードとして、動力性能優先モードが設定されていると判定したときには、動力性能優先モードの電力分配として、第１昇圧コンバータ４０の分配比ｋ１に値ｋｓｅｔ１より大きな値ｋｓｅｔ２を設定すると共に第２昇圧コンバータ４１の分配比ｋ２に値（１−ｋｓｅｔ２）を設定し（ステップＳ１２０），本ルーチンを終了する。上述したように、第１昇圧コンバータ４０は、第２昇圧コンバータ４１より応答速度が速い昇圧コンバータとして構成されているから、第１昇圧コンバータ４０の分配比ｋ１を大きくすることにより、高電圧側電力ライン４２の電圧ＶＨを目標電圧ＶＨ＊に到達させるまでの時間を短くすることができ、インバータ３４に走行用パワーＰｄｒｖを迅速に供給することができるようになる。

図４に効率優先モードにおける電力の流れの一例を示し、図５に動力性能優先モードにおける電力の流れの一例を示す。図４，５中、白抜き矢印の太さは電力の大きさを示し、Ｐｉｎはバッテリ３６から第１昇圧コンバータ４０および第２昇圧コンバータ４１に入力される電力を示し、Ｐｏｕｔは第１昇圧コンバータ４０および第２昇圧コンバータ４１から出力される電力（インバータ３４に入力される電力）を示す。図示するように、応答速度の速い第１昇圧コンバータ４０の分配比ｋ１が大きい動力性能優先モード（図５）の方が効率優先モード（図４）に比してインバータ３４に供給する電力Ｐｏｕｔが大きくなる。図６に効率優先モードおよび動力性能優先モードにおける電力供給の時間変化の一例を示す。図６中、上側のハッチング部分は第１昇圧コンバータ４０により高電圧側電力ライン４２に供給される電力を示し、下側のハッチング部分は第２昇圧コンバータ４１により高電圧側電力ライン４２に供給される電力を示す。図示するように、応答速度の速い第１昇圧コンバータ４０の分配比ｋ１が大きい動力性能優先モードにおける目標パワー（走行用パワーＰｄｒｖ）に達するのに要する時間Ｔ１は、効率優先モードにおける目標パワー（走行用パワーＰｄｒｖ）に達するのに要する時間Ｔ２より短い。

以上説明した実施例の電気自動車２０が搭載する駆動装置では、モードスイッチ８９により動力性能を優先する動力性能優先モードを選択したときには、エネルギ効率を優先する効率優先モードを選択したときに比して、応答速度が速い第１昇圧コンバータ４０の分配比ｋ１を大きくする。これにより、効率優先モードに比して、第１昇圧コンバータ４０および第２昇圧コンバータ４１によりインバータ３４に供給する電力を迅速に目標パワー（走行用パワーＰｄｒｖ）にすることができる。

実施例の電気自動車２０が搭載する駆動装置では、第１昇圧コンバータ４０と第２昇圧コンバータ４１との２つの昇圧コンバータを備えるものとしたが、３つ以上の昇圧コンバータを備えるものとしてもよい。その場合、動力性能優先モードを選択したときには、応答速度の最も速い昇圧コンバータの分配比を大きくすればよい。

実施例の電気自動車２０が搭載する駆動装置では、モードスイッチ８９により効率優先モードと動力性能優先モードとを選択するものとしたが、アクセル開度Ａｃｃの大きさやアクセル開度Ａｃｃの変化速度、道路状態、交通状態などに応じて効率優先モードと動力性能優先モードとを選択するものとしてもよい。

実施例の電気自動車２０が搭載する駆動装置では、蓄電装置として１つのバッテリ３６を備えるものとしたが、バッテリ３６に代えてキャパシタを用いるものとしてもよい。

実施例では、モータ３２からの動力を用いて走行する電気自動車２０に搭載される駆動装置の形態とした。しかし、モータからの動力とエンジンからの動力とを用いて走行するハイブリッド自動車に搭載される駆動装置の形態としてもよいし、建設設備などの移動しない設備に組み込まれる駆動装置の形態としてもよい。

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、駆動装置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モータ、３２ａ回転位置検出センサ、３４インバータ、３６バッテリ、４０第１昇圧コンバータ、４０ａ，４１ａ電流センサ、４０ｂ，４１ｂ温度センサ、４１第２昇圧コンバータ、４２高電圧側電力ライン、４４低電圧側電力ライン、４６，４８コンデンサ、４６ａ，４８ａ電圧センサ、７０電子制御ユニット、８０イグニッションスイッチ、８１シフトレバー、８２シフトポジションセンサ、８３アクセルペダル、８４アクセルペダルポジションセンサ、８５ブレーキペダル、８６ブレーキペダルポジションセンサ、８８車速センサ、８９モードスイッチ、Ｄ１１，Ｄ１２，Ｄ２１，Ｄ２２ダイオード、Ｌ１，Ｌ２リアクトル、Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ２２トランジスタ。

Claims

モータと、
蓄電装置と、
前記蓄電装置側と前記モータ側との間で電圧の変換を伴って電力のやりとりを行なう並列接続された応答速度の異なる複数の昇圧コンバータと、
動力性能を優先する動力性能優先モードとエネルギ効率を優先するエネルギ効率優先モードとを含む複数の駆動モードから選択した駆動モードに基づく電力分配により前記複数の昇圧コンバータを制御する制御装置と、
を備える駆動装置であって、
前記制御装置は、前記エネルギ効率優先モードを選択したときには所定の第１電力分配比を用いて前記複数の昇圧コンバータを制御し、前記動力性能優先モードを選択したときには前記第１電力分配比に比して前記複数の昇圧コンバータのうち応答速度が最も早い昇圧コンバータの電力分配比が大きい所定の第２電力分配比を用いて前記複数の昇圧コンバータを制御する、
駆動装置。