JP2013081321A - モータジェネレータで走行する自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】 バッテリ電圧を昇圧して走行用モータジェネレータに印加することによって走行性能を高める自動車において、無駄に昇圧して無駄に電力を消費することを防止する。
【解決手段】 昇圧・降圧機能を兼用するコンバータの制御装置は、変圧比決定装置と変圧比置換装置を備えている。変圧比決定装置は、車両の運転状態に基づいてコンバータに指示する変圧比を決定する。変圧比置換装置は、変圧比決定装置が決定した変圧比が最低変圧比以下であれば、変圧比決定装置が決定した変圧比を最低変圧比に置換する。この技術では、最低変圧比に置換する処理に条件を付し、回生運転中に限って置換する。変圧比決定装置が決定した変圧比が最低変圧比以下であっても力行運転中であれば置換しない。無駄に昇圧して無駄に電力を消費することを防止する
【選択図】 図２

Description

本明細書では、バッテリ電力を利用してモータを回転させて走行するとともに、モータが発電機となって発電する電力を利用してバッテリを充電する機能を備えた自動車を開示する。その自動車には、エンジンを併用するハイブリッド自動車が含まれ、燃料電池で発電してバッテリに充電しておく燃料電池車も含まれる。またモータが発電機となることがあることに着目して、本明細書ではモータジェネレータという。単にモータと称呼されるものから区別するものではない。

モータジェネレータで走行する自動車の中には、バッテリ電圧を昇圧してモータジェネレータに供給するものが知られている。そのタイプの自動車は、バッテリとコンバータとインバータとモータジェネレータを備えている。バッテリとインバータの間にコンバータが挿入されており、インバータにモータジェネレータが接続されている。バッテリ電圧をコンバータで昇圧し、昇圧した直流をインバータで交流に変換し、インバータで変換した交流をモータジェネレータに供給してする。モータジェネレータは、制動時等には発電機となって発電する。そこで、モータジェネレータで発生した交流をインバータで直流に変換し、変換した直流をコンバータで降圧し、降圧した直流でバッテリを充電する機能も備えている。モータジェネレータをモータとして利用する力行運転と、モータジェネレータをジェネレータとして利用する回生運転が可能となっている。

力行時に、コンバータの昇圧比を上昇させてモータジェネレータに印加する電圧を上昇させるほどモータ出力が上昇し、走行性能が向上する。反面、コンバータの昇圧比を上昇させるほど、例えばインバータが内蔵しているスイッチング用半導体素子の発熱量が増大し、無駄に消費される電力が増大する。そこで、車両の運転状態に基づいてコンバータの昇圧比を制御する技術が開発されている。

本明細書では、インバータ側の電圧をバッテリ側の電圧で除した値を変圧比ということにする。コンバータで昇圧する力行運転では、変圧比＝昇圧比である。コンバータで降圧する回生運転では、降圧比＝バッテリ側の電圧をインバータ側の電圧で除した値になることから、変圧比は降圧比の逆数となる。本明細書でいう変圧比は、力行運転でも回生運転でも１以上であり、力行運転と回生運転に共通して用いる。

車載用のコンバータはコイルを備えており、そのコイルのリアクタンス成分を利用して昇圧・降圧する。その際に、コンバータが安定して動作可能な最低変圧比が存在する。図８は、特許文献１に記載されている従来技術を示している。
ステップＳ２：車両の走行状態と、アクセルペダルやブレーキペダルの操作量と、シフトレバーのポジション等から、モータジェネレータの回転数とモータジェネレータで発生させるトルクを決定する。
ステップＳ４：ステップＳ２で決定した回転数とトルクに従って、コンバータの変圧比を決定する。変圧比と昇圧後電圧（インバータ側の電圧）の目標値は、一義的に対応することから、ステップＳ４は、昇圧後電圧の目標値を決定することに等しい。ステップＳ２とＳ４で、車両の運転状態に基づいてコンバータの変圧比が決定される。
ステップＳ８：ステップＳ４で決定した変圧比を最低変圧比と比較する。
ステップＳ１０：ステップＳ４で決定した変圧比＜最低変圧比であれば、実際に用いる変圧比を最低変圧比に置換する。
ステップＳ１２：以上の過程を経て決定した変圧比に対応するデューティ比を持つ制御信号を生成する。
ステップＳ１４：ステップＳ１２で生成した制御信号から、コンバータが備えている上段トランジスタのオン・オフを切換えるゲート電圧を生成する。
ステップＳ１６：ステップＳ１２で生成した制御信号から、コンバータが備えている下段トランジスタのオン・オフを切換えるゲート電圧を生成する。
特許文献１の技術によると、安定して動作可能な最低変圧比以上の変圧比でコンバータが動作することになる。

特開２００９−２９６８４８号公報

車両の運転状態等から決定される変圧比が最低変圧比に満たない場合がある。従来技術では、その場合には最低変圧比に置換する。前記したように、コンバータの昇圧比を上昇させるほど、無駄な電力消費（エネルギーロス）が増大する。実際に必要な変圧比が最低変圧比に満たない場合には最低変圧比に置換する技術によると、エネルギーロスが増大する。
本明細書では、上記のようにして生じるエネルギーロスを減少させる技術を開示する。

コンバータが安定して動作可能な最低変圧比が制約される理由は、コンバータが備えている上段トランジスタと下段トランジスタが同時にオンして短絡してしまうことを防止するために、下段トランジスタがオフしてから所定時間遅れたタイミングで上段トランジスタがオンし、上段トランジスタがオフしてから所定時間遅れたタイミングで下段トランジスタがオンするように制御しなければならないことにある。上記の遅れ時間を、本明細書ではデッドタイムという。デッドタイムを設ける必要があることから、最低変圧比の制約が存在する。

本明細書で開示する技術では、デッドタイムが変圧比に与える影響が、昇圧運転と降圧運転で相違するという知見を利用する。すなわち、降圧運転の際には確かに最低変圧比が存在し、それ以下の変圧比では降圧運転できないのに、昇圧運転の際には最低変圧比が存在せず、最低変圧比以下の変圧比でも昇圧運転ならできるという知見を利用する。

本明細書で開示する自動車は、図１に模式的に示すように、バッテリ１０とコンバータ２０とインバータ５０とモータジェネレータ６０と制御装置７０を備えている。バッテリ１０とインバータ５０の間にコンバータ２０が挿入されている。インバータ５０にモータジェネレータ６０が接続されている。この自動車は、バッテリ１０の電圧をコンバータ２０で昇圧し、昇圧した直流をインバータ５０で交流に変換し、変換した交流をモータジェネレータ６０に供給して力行運転することができる。また、モータジェネレータ６０で発生した交流をインバータ５０で直流に変換し、その直流をコンバータ２０で降圧してバッテリ１０を充電する回生運転が可能である。
コンバータ２０の制御装置７０は、変圧比決定装置と変圧比置換装置とを備えている。変圧比決定装置は、車両の運転状態に基づいてコンバータ２０の変圧比を決定する。変圧比置換装置は、変圧比決定装置が決定した変圧比が最低変圧比未満であって回生運転中であれば変圧比決定装置が決定した変圧比を最低変圧比に置換する。力行運転中は、変圧比決定装置が決定した変圧比を置換しない。

上記装置によると、回生運転中はコンバータ２０が最低変圧比以上の変圧比で動作することからコンバータ２０の運転が不調となることがない。力行運転中はコンバータ２０に指示する変圧比が最低変圧比未満となることがある。しかしながら、力行運転中は最低変圧比未満の変圧比を指示してもコンバータ２０の運転が不調となることがない。力行運転時において車両の運転状態等から決定される変圧比が最低変圧比に満たない場合、従来の技術では昇圧・降圧を区別することなく最低変圧比を用いていたことから、無駄に昇圧して無駄に電力を消費していた。上記装置によると、力行運転時には最低変圧比に満たない場合でもコンバータ２０の運転が不調とならないという知見を活用し、真に必要な小さな変圧比でコンバータを運転する。力行運転時には無駄に昇圧して無駄に電力を消費することがない。エネルギーロスの発生を避けることができる。

上記自動車によると、車両の運転状態等から決定される変圧比が最低変圧比に満たない場合に無駄に昇圧して無駄な電力消費を発生させることを防止できる。電池電圧をコンバータによって昇圧して車両の走行性能を高めることができ、しかもエネルギーロスの発生を防止することができる。さらに回生運転時には最低変圧比の制約を守ることから、コンバータの運転が不調となることもない。

明細書で開示する自動車の構成を示す図。 明細書で開示する自動車が採用する処理手順を示す図。 実施例の自動車のコンバータの構成を示す図。 コンバータの制御装置の内部構成を示す図。 （ａ）に示す制御デューティ信号から生じる現象を説明する図。 力行時の変圧比を下げてエネルギーロスを抑制する様子を説明する図。 制御デューティ信号のデューティ比と、力行時の変圧比と、回生時の変圧比の関係を示す図。 従来のコンバータ制御装置が採用している処理手順を示す図。

下記に示す実施例の主要な特徴を列記する。
（特徴１）制御デーティ信号を反転し、立ち上がりタイミングをＤＴ（デッドタイム）だけ遅らせた信号を、降圧時の変圧比を決定するトランジスタに加える。
（特徴２）制御デーティ信号の立ち上がりタイミングをＤＴ（デッドタイム）だけ遅らせた信号を、昇圧時の変圧比を決定するトランジスタに加える。

図１は、モータジェネレータ６０で走行する電動自動車の構成を示している。電動自動車は、バッテリ１０とコンバータ２０とインバータ５０とモータジェネレータ６０と制御装置７０を備えている。
バッテリ１０は、多数のセルを直列に接続した組電池であり、バッテリ電圧は２００ボルト程度である。コンバータ２０は、バッテリ１０とインバータ５０の間に挿入されている。コンバータ２０は、バッテリ１０の電圧を昇圧してインバータ５０に加えることもできれば、インバータ５０側の電圧を降圧してバッテリ１０側に加えることもできる双方向型である。コンバータ２０は、昇圧の際にも、降圧の際にも、インバータ５０側の電圧をバッテリ１０側の電圧で除した値（変圧比）を調整することができる。コンバータ２０の最大変圧比は３．０程度である。インバータ５０は、直流を３相交流に変換してモータジェネレータ６０に印加する。３相交流の周波数によってモータジェネレータ６０の回転数が制御され、３相交流の電流値によってモータジェネレータ６０のトルクが制御される。コンバータ２０で昇圧するとモータジェネレータ６０の最大出力が増大し、電動自動車の走行性能が高められる。

電動自動車の制動時には、モータジェネレータ６０が発電機となって３相交流を発生させる。この場合は、インバータ５０が３相交流を直流に変換し、コンバータ２０がバッテリ電圧に降圧する。これによってバッテリ１０が充電される。なお、ハイブリッド車の場合には、図示されていないエンジンがモータジェネレータ６０を回転させて発電することもある。

図３は、コンバータ２０の内部構成を示している。バッテリ１０と、正極線２２と、コイル２４と、下段トランジスタ３６と、接地線２８によって、コイル２４に通電する回路が構成されている。下段トランジスタ３６を断続的にオン・オフすると、コイル２４の通電電流が断続的にオン・オフされる。下段トランジスタ３６をオフすると、下段トランジスタ３６がオンしている間にコイル２４に蓄積されていたエネルギーが放出され、図３のＶｃｅに示す点の電位がバッテリ電圧以上に昇圧される。昇圧された電圧がダイオード３４と、高圧正極線３０を介してコンデンサ４０に加えられ、コンデンサ４０の電圧はバッテリ１０の電圧以上となる。インバータ５０にバッテリ電圧以上の電圧が印加される。

コンバータ２０の内部には、コンデンサ４０と、高圧正極線３０と、上段トランジスタ３２と、コイル２４と、正極線２２と、コンデンサ２６と、接地線２８によって、コイル２４に通電する回路が構成されている。上段トランジスタ３２を断続的にオン・オフすると、コイル２４の通電電流が断続的にオン・オフされる。上段トランジスタ３２をオンすると、電圧Ｖｃｅからコイル２４に生じる電圧を減じた電圧がコンデンサ２６に加えられる。コンデンサ２６の電圧は電圧Ｖｃｅよりも低くなる。上段トランジスタ３２がオフのときには、ダイオード３８を電流が流れる。
昇圧時も降圧時もＶｃｅ＞バッテリ電圧であり、昇圧時も降圧時もＶｃｅをバッテリ電圧で除した値（変圧比）は１．０以上である。

図４は、コンバータ制御装置７０の内部構成を示している。ＣＰＵ７２とメモリ７４で構成されるコンピュータ装置を内蔵している。コンバータ制御装置７０は、コンピュータ装置で制御される制御デューティ信号発生回路７６と、上段トランジスタ３２のゲートに印加する電圧を出力する上段ゲート電圧出力回路７８と、下段トランジスタ３６のゲートに印加する電圧を出力する下段ゲート電圧出力回路８０を備えている。上段ゲート電圧出力回路７８と、下段ゲート電圧出力回路８０は、ＤＴ時間（デッドタイム）だけ遅らせる回路を内蔵しており、上段トランジスタ３２がオフしてからＤＴ時間後に下段トランジスタ３６をターンオンさせ、下段トランジスタ３６がオフしてからＤＴ時間後に上段トランジスタ３２をターンオンさせる。上段トランジスタ３２と下段トランジスタ３６が同時にオンして高正極線３０と接地線２８の間が短絡することがないようにしている。

図２は、コンバータ制御装置７０が実施する処理手順を示している。
ステップＳ２：車両の走行状態と、アクセルペダルやブレーキペダルの操作量と、シフトレバーのポジション等から、モータジェネレータの回転数とモータジェネレータで発生させるトルクを決定する。すなわち、車両の走行状態に基づいて、モータジェネレータの回転数とモータジェネレータで発生させるトルクを決定する。
ステップＳ４：ステップＳ２で決定した回転数とトルクに従って、コンバータの変圧比を決定する。変圧比と昇圧後電圧（インバータ側の電圧）の目標値は、一義的に対応することから、ステップＳ４は、昇圧後電圧の目標値を決定することに等しい。ステップＳ２とＳ４で、車両の運転状態に基づいてコンバータの変圧比が決定される。
ステップＳ６：自動車が力行運転中か回生運転中かを判別する。すなわち、コンバータ２０で昇圧しているのか降圧しているのかを判別する。力行運転中であれば、後記するステップＳ１０をスキップする。すなわち、力行運転中であれば、実際に用いる変圧比を最低変圧比に置換する処理を実施しない。力行運転中であれば、ステップＳ４で決定した変圧比を実際に用いる変圧比とする。
ステップＳ８：この処理は、回生運転中のみ実施する。回生運転中は、ステップＳ４で決定した変圧比を最低変圧比と比較する。
ステップＳ１０：この処理も、回生運転中のみ実施する。回生運転中であって、ステップＳ４で決定した変圧比＜最低変圧比であれば、実際に用いる変圧比を最低変圧比に置換する。
ステップＳ１２：以上によって決定した変圧比（回生運転中であって、しかも、ステップＳ４で決定した変圧比＜最低変圧比であれば、最低変圧比を用いる。その他の場合は、ステップＳ４で決定した変圧比を用いる）によって決定されるデューティ比を持つ制御デューティ信号を生成する。
ステップＳ１４：ステップＳ１２で生成した制御デューティ信号から、コンバータ２０が備えている上段トランジスタ３２のオン・オフを切換えるゲート電圧を生成する。
ステップＳ１６：ステップＳ１２で生成した制御デューティ信号から、コンバータ２０が備えている下段トランジス３６タのオン・オフを切換えるゲート電圧を生成する。

図５の（ａ）は、制御デューティ信号発生回路７６が発生する制御デューティ信号を例示している。図２のステップＳ２からＳ１２までの処理を実施するコンピュータ装置によって、制御デューティ信号発生回路７６が構成されている。制御デューティ信号のデューティ比（t'on / (t'on＋t'off)）は、自動車の運転状態に基づいて決定される。
図５の（ｂ）は、上段ゲート電圧出力回路７８が出力する電圧を例示しており、（ａ）を反転し、ターンオンタイミングをＤＴだけ遅らせることで生成されている。図２のステップＳ１４の処理を実施するコンピュータ装置によって上段ゲート電圧出力回路７８が構成されている。
図５の（ｃ）は、下段ゲート電圧出力回路８０が出力する電圧を例示しており、（ａ）からターンオンタイミングをＤＴだけ遅らせることで生成されている。図２のステップＳ１６の処理を実施するコンピュータ装置によって下段ゲート電圧出力回路８０が構成されている。

図５の（ｄ）は、昇圧時のＶｃｅ電圧を示し、図５の（ｃ）がオンの期間にコイル２４に通電し、エネルギーを蓄積する。短絡防止のためにターンオンタイミングをＤＴ時間だけ遅らせることによって、コイル２４の通電期間が短くなる。デッドタイムＤＴを設けることによって、変圧比は減少する。図５の（ｆ）は、昇圧時の変圧比を示す。短絡防止のためにターンオンタイミングをＤＴ時間だけ遅らせることによって、変圧比は減少する。
図５の（ｅ）は、降圧時のＶｃｅ電圧を示し、図５の（ｂ）がオンの期間にコイル２４に通電する。短絡防止のためにターンオンタイミングをＤＴ時間だけ遅らせることによって、コイル２４の通電期間が短くなる。デッドタイムＤＴを設けることによって、変圧比は増大する。図５の（ｇ）は、降圧時の変圧比を示す。短絡防止のためにターンオンタイミングをＤＴ時間だけ遅らせることによって、変圧比は増大する。

上記のように、短絡防止のためにデッドタイムＤＴ時間だけターンオンタイミングを遅らせることによって変圧比が変化する影響が、昇圧時と降圧時では反対に働く。そのために、降圧時には最低変圧比が存在し、それ以下の変圧比で降圧運転するとコンバータ２０が正常に動作できないのに対し、昇圧時には最低変圧比が存在せず、小さな変圧比（１に近い小さな値）で運転しても、昇圧運転であればコンバータ２０は正常に動作できる。

図６の横軸は変圧比（昇圧後電圧に対応する）を示し、縦軸はエネルギーロス（損失）を示す。前記したように、変圧比を上げるほど損失は増大する。図示のＰ１は、最低変圧比（ＭＩＮ）の場合に生じる損失を示している。従来の技術によって生じる損失を示している。
図６の矢印Ａは、昇圧運転であれば最低変圧比以下であってもコンバータ２０が正常に動作できることを活用し、昇圧運転時には最低変圧比の制約を解除することで得られる現象を示している。昇圧時には、変圧比を最低変圧比未満に下げられることから、生じる損失が減少する。
図７は、制御デューティ信号のデューティ比と変圧比の関係を示している。横軸は、制御デューティ信号のデューティ比を示し、縦軸は、実際に得られる変圧比（昇圧後電圧に対応する）を示している。グラフＣ１は降圧時の関係を示し、グラフＣ２は昇圧時の関係を示している。昇圧時（力行時）には最低変圧比の制約を外すことから、太線のカーブＤで示す範囲が利用可能となっている。その分だけ、無駄に昇圧して無駄に電力消費することを防止できる。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。
また、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するものであり、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。

１０：バッテリ
２０：コンバータ
２２：正極線
２４：コイル
２６：コンデンサ
２８：接地線
３０：高圧正極線
３２：上段トランジスタ
３４：ダイオード
３６：下段トランジスタ
３８：ダイオード
４０：コンデンサ
５０：インバータ
６０：モータジェネレータ
７０：制御装置
７２：ＣＰＵ
７４：メモリ
７６：制御デューティ信号発生回路
７８：上段ゲート電圧出力回路
８０：下段ゲート電圧出力回路

Claims (1)

1. バッテリとコンバータとインバータとモータジェネレータと制御装置を備えており、
   バッテリとインバータの間にコンバータが挿入されており、インバータにモータジェネレータが接続されており、
   バッテリ電圧をコンバータで昇圧してインバータで交流に変換してモータジェネレータに供給する力行運転と、モータジェネレータで発生した交流をインバータで直流に変換してコンバータで降圧してバッテリを充電する回生運転が可能であり、
   制御装置は、少なくともコンバータに接続されており、変圧比決定装置と変圧比置換装置を備えており、
   変圧比決定装置は、車両の運転状態に基づいてコンバータの変圧比を決定し、
   変圧比置換装置は、変圧比決定装置が決定した変圧比が最低変圧比未満であって回生運転中であれば変圧比決定装置が決定した変圧比を最低変圧比に置換し、力行運転中は変圧比決定装置が決定した変圧比を置換しない
   ことを特徴とするモータジェネレータで走行する自動車。

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