JP7013846B2 - 電気自動車 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、走行用のモータと変速機を備えるとともに、モータに交流電力を供給するインバータの正極と負極の間にコンデンサが接続されている電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車と、燃料電池車が含まれる。

電気自動車は、直流電源の電力を走行用のモータの駆動に適した交流電力に変換するインバータを備えている。インバータの直流入力端の正極と負極の間に平滑コンデンサが接続される場合がある。直流電源とインバータの間にコンデンサが接続されていると、モータの回転数が特定の範囲のとき、ＬＣ共振が生じ易くなることが知られている（例えば、特許文献１、２）。ＬＣ共振は、電流リプルを増大させ、損失を大きくする。なお、ＬＣ共振の原因となるインダクタンスは、電源とインバータの間の電力伝送経路が有する寄生インダクタンスであったり、電源とインバータの間に昇圧コンバータが接続されている場合には昇圧コンバータに含まれているリアクトルのインダクタンスだったりする。

特許文献１には、インバータを駆動するパルスパターンを変化させてＬＣ共振を抑制する技術が開示されている。特許文献２に開示されている電気自動車は、走行用のモータと変速機を備えている。特許文献２に開示された技術では、モータの回転数がＬＣ共振を誘発する回転数帯域に入らないように、変速機の変速段を決定する。

特開２０１６－５３６８号公報 特開２０１２－１７５７６９号公報

特許文献２に開示された技術では、モータの特定の回転数帯域が全く使えなくなってしまい。効率がよくない。変速段を調整することによってＬＣ共振を回避する技術には改善の余地がある。

本明細書が開示する電気自動車は、走行用のモータと、モータに接続されている変速機と、電源と、インバータと、コンデンサと、コントローラを備えている。インバータは、電源が出力する直流電力を、モータを駆動するための交流電力に変換する。コンデンサは、インバータの直流入力端の正極と負極の間に接続されている。コントローラは、モータの回転数と出力トルクで定まる動作点に応じて矩形波制御とＰＷＭ制御を切り換えてモータを制御するとともに、変速機の変速段を制御する。コントローラは、モータをＰＷＭ制御する動作点の範囲であって、回転数が第１回転数と第２回転数の間であり、かつ、出力トルクが所定の第１トルク以上の第１動作点範囲に対して、ＰＷＭ制御のキャリア周波数をコンデンサを含むＬＣ回路の共振周波数の近傍に設定しており、第１動作点範囲以外には別のキャリア周波数を設定している。コントローラは、回転数が第２回転数よりも高い第３回転数以上であり、かつ、出力トルクが所定の第２トルク以上の動作点範囲を矩形波制御に割り当てている。コントローラは、モータをＰＷＭ制御しており、動作点が第１動作点範囲に属する場合は変速段を変更する。コントローラは、モータを矩形波制御しており、回転数が共振周波数の近傍である場合にも変速段を変更する。コントローラは、特定の動作点の範囲以外ではＬＣ共振回避のための変速は行わないことにより、モータを有効に使うことができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電気自動車の電力系のブロック図である。 モータのＴＮ線図である。 共振回避のための変速処理のフローチャートである。

図面を参照して実施例の電気自動車１００を説明する。図１に、電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。実施例の電気自動車１００は、モータ２０で走行する。モータ２０は、三相交流電動機である。電気自動車１００は、走行用のモータ２０のほか、バッテリ２、ＤＣコンバータ１２、インバータ１３、平滑コンデンサ７、変速機２２、コントローラ９を備えている。

バッテリ２は、例えばリチウムイオン電池であり、その出力電圧は例えば２００ボルトである。モータ２０の駆動電力は、例えば２００ボルトから６００ボルトの間である。モータ２０の駆動電力がバッテリ２の出力電力よりも高い場合があるので、電気自動車１００はＤＣコンバータ１２を備えている。ＤＣコンバータ１２は、低電圧端１２ａ、１２ｂに印加された電圧を昇圧して高電圧端１２ｃ、１２ｄに出力する昇圧機能と、高電圧端１２ｃ、１２ｄに印加された電圧を降圧して低電圧端１２ａ、１２ｂに出力する降圧機能の双方を有している。すなわち、ＤＣコンバータ１２は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータである。

ＤＣコンバータ１２は、フィルタコンデンサ３、リアクトル４、パワートランジスタ６ａ、６ｂと、２個のダイオードを備えている。夫々のダイオードは、パワートランジスタ６ａ、６ｂの夫々に逆並列に接続されている。２個のパワートランジスタ６ａ、６ｂは、高電圧端１２ｃ、１２ｄの間に直列に接続されている。リアクトル４は、一端が低電圧端の正極１２ａに接続されている。リアクトル４の他端は、２個のパワートランジスタ６ａ、６ｂの直列接続の中点に接続されている。フィルタコンデンサ３は、低電圧端の正極１２ａと負極１２ｂの間に接続されている。低電圧端の負極１２ｂと高電圧端の負極１２ｄは直接に接続されている。

正極側のパワートランジスタ６ａが降圧動作に関与し、負極側のパワートランジスタ６ｂが昇圧動作に関与する。正極側のパワートランジスタ６ａと負極側のパワートランジスタ６ｂに相補的な駆動信号を供給すると、低電圧端１２ａ、１２ｂに印加される電圧と、高電圧端１２ｃ、１２ｄに印加される電圧のバランスにより、昇圧動作と降圧動作が受動的に切り換わる。この機能は、運転者がブレーキを踏んだときにモータ２０が発電する電気自動車に好適である。即ち、モータ２０は、運転者がアクセルペダルと踏んだときには、トルクを出力し、運転者がブレーキを踏んだときには回生電力を生成する。ＤＣコンバータ１２は、運転者のランダムなペダルワークに応じて昇圧機能と降圧機能を切り換える必要がある。ＤＣコンバータ１２は昇圧動作と降圧動作が受動的に切り換わるので、運転者のペダルワークに対応した切換制御が不要である点で優れている。回生電力は、バッテリ２の充電に使われる。

ＤＣコンバータ１２の高電圧端１２ｃ、１２ｄにインバータ１３の直流入力端１３ａ、１３ｂが接続されている。インバータ１３は、６個のパワートランジスタ８ａ－８ｆと、６個のダイオードを備えている。６個のパワートランジスタ８ａ－８ｆは、２個ずつが直列に接続されている。３組の直列接続が、直流入力端の正極１３ａと負極１３ｂの間に並列に接続されている。６個のダイオードの夫々は、６個のパワートランジスタ８ａ－８ｆの夫々に対して逆並列に接続されている。３組の直列接続のそれぞれの中点から交流が出力される。３組の直列接続の中点から、三相交流が出力される。

ＤＣコンバータ１２とインバータ１３の間には、平滑コンデンサ７が並列に接続されている。別言すれば、平滑コンデンサ７は、インバータ１３の直流入力端の正極１３ａと負極１３ｂの間に接続されている。平滑コンデンサ７は、ＤＣコンバータ１２とインバータ１３の間を流れる電流の脈動を抑制するために備えられている。

ＤＣコンバータ１２のパワートランジスタ６ａ、６ｂと、インバータ１３のパワートランジスタ８ａ－８ｆは、コントローラ９によって制御される。コントローラ９は、現在のモータ２０の回転数、アクセル開度などから、モータ２０の目標出力を決定する。モータの目標出力は、ＤＣコンバータ１２の目標電圧と、インバータ１３の目標周波数に変換される。コントローラ９は、目標電圧が実現されるように、ＤＣコンバータ１２のパワートランジスタ６ａ、６ｂを駆動し、目標周波数が実現されるように、インバータ１３のパワートランジスタ８ａ－８ｆを駆動する。なお、モータ２０には回転数センサ２１が取り付けられており、回転数センサ２１が計測したモータ２０の回転数はコントローラ９に送られる。図１において、矢印破線が信号線を表している。コントローラ９は、回転数センサ２１の計測データ、及び、モータ２０に供給される電流を計測する不図示の電流センサの計測データに基づいて、モータ２０（インバータ１３）をフィードバック制御する。

図１では、コントローラ９を一つの矩形で表している。コントローラ９は、プログラムを格納した記憶装置と複数の中央演算装置が協働してその機能を実現するものであってもよい。

モータ２０の出力軸は変速機２２に接続されている。変速機２２の出力軸は、車軸とデファレンシャルギアを介して駆動輪２３に接続されている。変速機２２は、有段変速機であってもよいし、無段変速機（ＣＶＴ）であってもよい。変速機２２もコントローラ９が制御する。

図１に示されているように、バッテリ２とフィルタコンデンサ３とリアクトル４と平滑コンデンサ７は、常に接続されている。フィルタコンデンサ３と平滑コンデンサ７とリアクトル４は、ＬＣ回路を構成し、ＬＣ共振を生じる場合がある。ＬＣ共振は、パワートランジスタ６ａ、６ｂ、８ａ－８ｆが発生するリプル電流を増大させ、電力損失を増大させる。それゆえ、ＬＣ共振は抑えることが望ましい。コントローラ９には、ＬＣ共振を抑えるアルゴリズムが実装されている。以下、ＬＣ共振を抑制する処理について説明する。

コントローラ９は、インバータ１３を駆動するのにＰＷＭ制御と矩形波制御を切り換えて用いる。また、ＰＷＭ制御には、キャリア波を生成する必要があるが、コントローラ９は、いくつかのキャリア周波数を所定の条件で使い分ける。インバータのＰＷＭ制御と矩形波制御は良く知られているので詳しい説明は省略する。

図２に、モータ２０のＴＮ線図を示す。ＴＮ線図は、横軸にモータ２０の回転数をとり、縦軸にモータ２０の出力トルクをとったグラフである。ＴＮ線図に、ＰＷＭ制御と矩形波制御を切り換える条件と、キャリア周波数を切り換える条件が示されている。

コントローラ９は、モータ２０の回転数が回転数Ｎ３よりも低い領域ではＰＷＭ制御を実行する。コントローラ９は、回転数Ｎ３よりも高い領域でさらに出力トルクも高い領域（図２の領域（Ｈ））では矩形波制御に切り換える。理解を助けるため、矩形波制御を実行する領域（Ｈ）はグレーで塗りつぶしてある。

また、ＰＷＭ制御を実施する領域は回転数と出力トルクに応じて７分割されており、それぞれの領域で異なるキャリア周波数が使われる。回転数が回転数Ｎ１よりも低く、出力トルクがトルクＴａよりも高い領域（Ａ）ではキャリア周波数は周波数ｆａに設定される。回転数が回転数Ｎ１よりも低く、出力トルクがトルクＴａよりも低い領域（Ｂ）ではキャリア周波数は周波数ｆｂに設定される。回転数が回転数Ｎ１と回転数Ｎ２の間であり、出力トルクがトルクＴａよりも高い領域（Ｃ）ではキャリア周波数は周波数ｆｃに設定される。回転数が回転数Ｎ１と回転数Ｎ２の間であり、出力トルクがトルクＴａよりも低い領域（Ｄ）ではキャリア周波数は周波数ｆｄに設定される。回転数が回転数Ｎ２と回転数Ｎ３の間であり、出力トルクがトルクＴａよりも高い領域（Ｅ）ではキャリア周波数は周波数ｆｅに設定される。回転数が回転数Ｎ２と回転数Ｎ３の間であり、出力トルクがトルクＴａよりも低い領域（Ｆ）ではキャリア周波数は周波数ｆｆに設定される。回転数が回転数Ｎ３よりも高く、出力トルクがトルクＴＬ（Ｎ）よりも低い領域（Ｇ）ではキャリア周波数は周波数ｆｇに設定される。「トルクＴＬ（Ｎ）」は、モータ２０の出力トルクがモータ２０の回転数Ｎに応じて変化する関数で表されることを示している。図２における実線ＴＬ（Ｎ）が、出力トルクの回転数依存の関係を示している。矩形波制御を実行する領域（Ｈ）では、キャリア波は使わない。

ＬＣ共振は、図１のＬＣ回路の共振周波数（あるいは共振周波数の整数倍）と、パワートランジスタ６ａ、６ｂ、８ａ－８ｆのいずれかのリプル周波数が近くなったときに生じる。本明細書では、「共振周波数」との表記は、「共振周波数あるいは共振周波数の整数倍」を意味するものとする。

リプル周波数は、ＰＷＭ制御においてはキャリア周波数に等しく、矩形波制御においては、モータ２０の回転周波数に等しい。そこで、コントローラ９は、ＬＣ共振周波数に近いキャリア周波数が選択されそうな場合には、変速機２２に変速させ、異なるキャリア周波数を使う領域にモータ２０の回転数と出力トルクを変化させる。

図３に、コントローラ９が実行するＬＣ共振回避のための変速処理のフローチャートを示す。本実施例では、図２のＴＮ線図の領域（Ｃ）に、ＬＣ共振周波数に近いキャリア周波数が割り当てられており、それ以外の領域（Ａ）、（Ｂ）、（Ｄ）－（Ｇ）には、共振周波数から遠いキャリア周波数が割り当てられていると仮定する。領域（Ｃ）は、モータ２０の回転数が回転数Ｎ１と回転数Ｎ２の間であり、かつ、出力トルクがＴａよりも大きい範囲である。

また、矩形波制御領域である領域（Ｈ）において、回転数Ｎ４と回転数Ｎ５の間の回転数が、共振周波数に近い回転数であると仮定する。実際には、回転数Ｎ４と回転数Ｎ５の間の回転数Ｎｓが、共振周波数に一致しており、その回転数Ｎｓを含む帯域（回転数Ｎ４からＮ５の間の帯域）で、ＬＣ共振が顕著に生じる。

コントローラ９は、定期的に図３の処理を実行する。コントローラ９は、現在のモータ２０の回転数と出力トルクを取得し、第１条件が成立しているか否かを判断する（ステップＳ２）。第１条件とは、現在のモータ２０の回転数が回転数Ｎ１と回転数Ｎ２の間であり、かつ、現在の出力トルクがＴａよりも大きい、という条件である。第１条件が成立すると、ＬＣ共振が生じる。そこでコントローラ９は、第１条件が成立した場合、変速機２２に対して変速指令を送る（ステップＳ２：ＹＥＳ、Ｓ４）。具体的にはコントローラ９は、変速機２２に対してダウンシフトを指令する。即ち、変速段を一つ下げる。ダウンシフトすると、変速機２２の変速比が大きくなり、変速前の車速と出力トルクと整合させるために、モータ２０の回転数は高くなり、出力トルクは下がる。

以下では、走行しているときのモータ２０の回転数と出力トルクをモータ２０の駆動状態と称する。モータ２０の駆動状態は、図２のＴＮ線図において点で表される。例えば、駆動状態が図２のポイントＰ１から徐々にモータ回転数（車速）が高くなっているとする。駆動状態は図２のポイントＰ１からポイントＰ２に移動する。ポイントＰ２は、領域（Ａ）と領域（Ｃ）の境界である。駆動状態が領域（Ｃ）に入ると、図３のステップＳ２の判断がＹＥＳとなり、コントローラ９は、変速機２２に対してシフトダウンを指令する。変速機２２のシフトダウンにより、モータ２０は、回転数が急激に高くなるとともに出力トルクが急激に下がり、駆動状態はポイントＰ２からポイントＰ３へ一気に移動する。ポイントＰ３は、領域（Ｄ）に属している。領域（Ｄ）は、キャリア周波数ｆｄがＬＣ共振周波数から離れており、ＬＣ共振を生じない。即ち、ＬＣ共振が回避される。

また、コントローラ９は、現在のモータ２０の回転数と出力トルクを取得し、第２条件が成立しているか否かを判断する（ステップＳ３）。第２条件とは、矩形波制御が実行される領域（Ｈ）において、現在のモータ２０の回転数が回転数Ｎ４と回転数Ｎ５の間であるという条件である。矩形波制御が実行されるのは、回転数が回転数Ｎ３よりも大きく、かつ、モータ２０の出力トルクがトルクＴＬ（Ｎ）よりも大きい場合である。従って、上記した第２条件は、現在のモータ２０の回転数が回転数Ｎ４と回転数Ｎ５の間であり、かつ、現在の出力トルクがトルクＴＬ（Ｎ）よりも大きい、と表現することができる。トルクＴＬ（Ｎ）は、先に述べたように、出力トルクＴＬがモータ２０の回転数Ｎに応じて変化するその関係を表している。第２条件が成立した場合、コントローラ９は、変速機２２に対して変速指令を送る（ステップＳ３：ＹＥＳ、Ｓ４）。具体的にはコントローラ９は、変速機２２にダウンシフトを指令する。即ち、変速段を一つ下げる。ダウンシフトすると、変速機の変速比が大きくなり、それまでの車速と出力トルクと整合させるための、モータ２０の回転数は高くなり、出力トルクは下がる。

例えば、モータ２０の駆動状態が、図２のポイントＰ４から徐々にモータ回転数（車速）が高くなっているとする。駆動状態が矩形波制御の領域（Ｈ）に入ると、コントローラ９は、インバータ１３に対する制御をＰＷＭ制御から矩形波制御に切り換える。さらにモータ２０の回転数が高くなると、駆動状態は図２のポイントＰ５へ移動する。ポイントＰ５は、上記した第２条件が成立する境界である。回転数がＮ４を超えると、図３のステップＳ３の判断がＹＥＳとなり、コントローラ９は、変速機２２に対してシフトダウンを指令する。変速機２２のシフトダウンにより、モータ２０は、回転数が急激に高くなるとともに出力トルクが急激に下がり、駆動状態はポイントＰ５からポイントＰ６へ一気に移動する。ポイントＰ６は、ＬＣ共振を生じる回転数領域（回転数Ｎ４とＮ５の間の領域）から外れている。従って、ＬＣ共振を生じない。即ち、ＬＣ共振が回避される。

ステップＳ２とＳ３の処理がいずれもＮＯの場合は、ＬＣ共振が生じる可能性が小さいので、共振回避のための変速はせず、図３の処理を終了する。図３の処理を定期的に実行することにより、ＬＣ共振が回避される。

実施例の電気自動車１００は、モータ２０の回転数が所定の範囲であり、かつ、モータ２０の出力が所定の出力閾値よりも高い場合に変速させる。モータ２０の回転数が所定の範囲であり、かつ、モータ２０の出力が所定の出力閾値よりも高い範囲は、パワートランジスタ６ａ、６ｂ、８ａ－８ｆのいずれかのリプル周波数がＬＣ回路の共振周波数に近い場合である。コントローラ９は、リプル周波数がＬＣ回路の共振周波数と近くならないように変速機（変速段）を制御して、ＬＣ共振を回避する。出力トルクが所定のトルク閾値（実施例のトルクＴａ、及び、トルクＴＬ（Ｎ））よりも小さい場合は、ＬＣ共振が生じる可能性が小さいので、ＬＣ共振を回避するための変速は行わない。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。コントローラ９は、図２に示したＴＮマップ（ＬＣ共振を生じ得る範囲を示したＴＮ線図）と類似のＴＮマップを複数記憶しており、条件に応じてＴＮマップを切り換えてもよい。例えば、コントローラ９は、ＤＣコンバータ１２あるいはインバータ１３の温度に応じてＴＮマップを切り換えてもよい。あるいは、スポーツモードやエコモードといった、異なるドライバビリティを与える複数のＴＮマップをドライバのスイッチ操作に応じて切り換えてもよい。夫々のＴＮマップに、ＬＣ共振を生じ得る固有の範囲が特定されている。いずれのＴＮマップも、ＬＣ共振を生じ得る領域が、モータ２０の回転数と出力トルクで特定されている。コントローラ９は、数式の形式、あるいは、データ列の形式で、ＴＮマップを記憶している。

実施例では、ＬＣ共振を回避するための変速機への指令がダウンシフト指令であった。ＬＣ共振を回避するための変速機への指令はアップシフト指令であってもよい。

モータの回転数と車速とは、変速比を介して一意の関係にある。従って、本明細書における「モータの回転数」を「車速」と読み替えても同義であることに留意されたい。実施例におけるトルクＴａやトルクＴＬ（Ｎ）が出力閾値の一例に相当する。モータの出力トルクとモータへの供給電流（あるいは供給電力）の間にも一意の関係があるため、実施例における「出力トルク」を「モータに供給する電流」あるいは、「モータに供給する電力」と読み替えても同義であることにも留意されたい。

図３の変速制御は、ＬＣ共振を回避するための制御則である。コントローラ９は、図３の変速制御とは別に、ドライバビリティを高めるための変速制御を実施する。

本明細書が開示する技術は、走行用にモータとエンジンの両方を備えたハイブリッド車や、電源として燃料電池を備えている燃料電池車に適用することも可能である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：バッテリ
３：フィルタコンデンサ
４：リアクトル
６ａ、６ｂ、８ａ－８ｆ：パワートランジスタ
７：平滑コンデンサ
９：コントローラ
１２：ＤＣコンバータ
１２ａ、１２ｂ：低電圧端
１２ｃ、１２ｄ：高電圧端
１３：インバータ
１３ａ、１３ｂ：直流入力端
２０：モータ
２１：回転数センサ
２２：変速機
２３：駆動輪
１００：電気自動車

Claims (1)

1. 走行用のモータと、
   前記モータに接続されている変速機と、
   電源と、
   前記電源が出力する直流電力を、前記モータを駆動するための交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータの直流入力端の正極と負極の間に接続されているコンデンサと、
   前記モータの回転数と出力トルクで定まる動作点に応じて矩形波制御とＰＷＭ制御を切り換えて前記モータを制御するとともに、前記変速機の変速段を制御するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記モータを前記ＰＷＭ制御する前記動作点の範囲であって、前記回転数が第１回転数と第２回転数の間であり、かつ、前記出力トルクが所定の第１トルク以上の第１動作点範囲に対して、前記ＰＷＭ制御のキャリア周波数を、前記コンデンサを含むＬＣ回路の共振周波数の近傍に設定しており、当該第１動作点範囲以外には別のキャリア周波数を設定しており、
   前記回転数が前記第２回転数よりも高い第３回転数以上であり、かつ、前記出力トルクが所定の第２トルク以上の前記動作点の範囲を前記矩形波制御に割り当てており、
   前記モータをＰＷＭ制御しており、前記動作点が前記第１動作点範囲に属する場合は前記変速段を変更し、
   前記モータを矩形波制御しており、前記回転数が前記共振周波数の近傍である場合に前記変速段を変更する、
   電気自動車。

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