JP6324404B2 - 電動機駆動装置および車両駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、電動機の出力を変速機を介して駆動輪に伝達する車両駆動システムに用いられる電動機駆動装置、および、その電動機駆動装置を備える車両駆動システムに関する。

従来、モータの駆動装置としては、モータの回転速度に基づいてモータの回転速度の上限値を設定し、この上限値を超えないようにモータの回転速度を制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、そのようなモータ回転速度の制御を行うことで、モータ回転に伴う誘起電圧によりモータ駆動回路に破壊耐量を超えた電気的負荷が加わるのを防止している。

特開２００５−４５９２７号公報

ところで、車両駆動システムに搭載されるインバータは小型化が要求される。例えば、変速機筐体内や筐体外面にインバータを設けるような構成の場合には、配置スペースが限られるため小型化が必要となる。しかしながら、インバータの小型化やコスト削減のために、インバータに設けられた平滑コンデンサの体積を小さくすると、平滑コンデンサの容量および耐圧も小さくなる。容量が小さくなることから電圧の平滑機能も小さくなり、平滑コンデンサの電圧変動が大きくなる。その電圧変動が大きいとモータの回転速度制御が不安定となり、回転速度を要求される上限値未満に設定できないおそれがあり、その場合にはモータの誘起電圧がコンデンサ耐圧を超えてしまうおそれがあった。

本発明に係る電動機駆動装置は、バッテリの電力により駆動される電動機、前記電動機の出力を駆動輪に伝達する変速機、および前記変速機の変速比を制御する変速制御部を備える車両駆動システムに搭載される電動機駆動装置であって、バッテリの電圧を平滑化するコンデンサと、前記コンデンサで平滑化された電圧が印加され、前記電動機を駆動制御するインバータと、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部で検出された電圧の変動値を算出する電圧変動値演算部と、前記電圧変動値演算部で算出された電圧変動値が所定値以上である場合に、前記電動機の回転速度を減少させるように前記変速機の変速比を制御する。好ましくは、前記電動機の誘起電圧が前記コンデンサの耐圧値未満となるような変速比に前記変速機を制御する。

本発明によれば、モータ回転に伴う誘起電圧による平滑コンデンサの破壊を防止することができる。

図１は、車両駆動システム１５０の概略構成を示す図である。 図２は、モータ印加電圧およびコンデンサ電圧を説明する図である。 図３は、本実施の形態における変速機制御の一例を説明するフローチャートである。 図４は、モータ回転速度と誘起電圧との関係を示す図である。 図５は、第２の変速比Ｇｒ２の説明図である。 図６は、コンデンサ温度とコンデンサ耐圧との関係を示す図である。 図７は、変速比とキャリア周波数とを考慮した制御を説明するフローチャートである。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。図１は本発明の一実施の形態を示す図であり、車両駆動システム１５０の概略構成を示す図である。車両駆動システム１５０は、モータ５５と、クラッチ５０と、変速機３０と、インバータ７０と、バッテリ１２０と、平滑コンデンサ６０と、パワートランジスタ部８０と、変速機用コントローラ１４０と、コントローラ１３０と、を備える。

モータ５５には、例えば同期発電電動機が用いられる。モータ５５は、バッテリ１２０の電力を用いてインバータ７０により駆動される。バッテリ１２０は、例えば、リチウムイオン２次電池で構成される。モータ５５を発電機として用いる場合には、モータ５５で発電した電力によりバッテリ１２０が充電される。インバータ７０は、バッテリ１２０からの電圧を平滑するための平滑コンデンサ６０と、スイッチング制御信号により駆動されるパワートランジスタ部８０と、平滑コンデンサ６０の電圧Ｖｃを検出する電圧センサ１１０とを備えている。

クラッチ５０は、エンジン４０と、変速機３０に接続されたモータ５５とを断接するものである。変速機３０は、デファレンシャルギア２０を介して駆動輪１０ａ、１０ｂに接続されている。変速機３０は例えば無段式の自動変速機であり、変速機用コントローラ１４０によって制御され、モータ５５の回転軸とデファレンシャルギア２０への入力軸（以下、駆動軸とする）との間で変速比の変更を伴って動力を伝達する。

コントローラ１３０は、運転者のアクセル踏み込み量を検出するアクセル開度センサ１６０からのアクセル開度Ａｃ、車速センサ１００からの車速Ｖｓｐ、モータ５５の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ５６からの信号、図示しない電流センサにより検出されるモータ５５に流れる相電流、電圧センサ１１０からのコンデンサ電圧Ｖｃなどが入力され、それらの入力情報に基づいて、インバータ７０や変速機用コントローラ１４０を制御する。

コントローラ１３０は、インバータ７０に対して、パワートランジスタ部８０のスイッチング素子をスイッチング制御するためのＰＷＭ（パルス幅変調）信号を入力する。その結果、モータ５５の各相には、図２（ａ）に示すような矩形波電圧が印加される。図２（ａ）は一相分のモータ印加電圧を示したものであり、ＰＷＭ信号に基づいてデューティが変化する矩形波電圧となっている。

スイッチング素子のスイッチング動作によって図２（ａ）のような電圧が印加されると、そのスイッチング動作に伴って、電圧センサ１１０で検出されるコンデンサ電圧Ｖｃには図２（ｂ）に示すような脈動が生じる。なお、コンデンサ電圧Ｖｃを計測する電圧センサ１１０の配置としては、電圧脈動検出の観点からパワートランジスタ部８０と平滑コンデンサ６０との間に配置するのが好ましい。電圧脈動の幅（リプル値）Ｖpk-pkは、式（１）のように平滑コンデンサ６０の容量およびＰＷＭ信号のキャリア周波数のそれぞれに反比例する。
リプル値∝（直流電流）／｛（キャリア周波数）×（コンデンサ容量）｝ ・・・（１）

ところで、前述したようにインバータ７０の小型化やコスト削減のために平滑コンデンサ６０の体積を小さくすると、平滑コンデンサ６０の容量および耐圧も小さくなる。すなわち、コンデンサ小型化を図るとコンデンサ容量が小さくならざるを得ず、その結果、コンデンサ電圧Ｖｃの電圧脈動の幅（リプル値）が大きくなる。式（１）からも分かるように、例えば、コンデンサ容量が１／２になると、リプル値は２倍となる。

このように、コンデンサ電圧のリプル値（以下では、電圧変動値と呼ぶ）が大きくなると、その影響が図２（ａ）に示すモータ印加電圧にも現れて電圧波形が乱れる。すなわち、コンデンサ電圧の電圧変動値はモータ制御系に対して外乱として作用し、電圧変動値が大きいとモータ制御系が不安定となる。

モータ回転速度が大きくなると誘起電圧も大きくなるが、一般に、誘起電圧がスイッチング素子耐圧や平滑コンデンサ６０の耐圧を超えないようなモータ制御（例えば、弱め界磁制御など）が行われる。しかしながら、上述のようにコンデンサ小型化のためにコンデンサ電圧の電圧変動値が大きくなってモータ制御系が不安定となった場合、適切な誘起電圧抑制制御ができなくなって誘起電圧が素子耐圧を超えてしまうおそれがある。特に、平滑コンデンサ６０を小型化すると耐圧も小さくなるので、耐圧超過の危険性が高くなる。

そこで、本実施の形態では、コンデンサ電圧の電圧変動値を監視し、その値が所定値以上となった場合には変速機３０の変速比を変えてモータ回転速度を下げ、仮にモータ制御不安定となっても誘起電圧がコンデンサ耐圧を超えないようにしている。なお、上述の所定値とはモータ制御を安定して行える電圧変動値の上限値であって、実験やシミュレーション等によって決定される。電圧変動値がこの所定値以上となると、モータ制御不安定となる可能性が高くなる。

図３は、本実施の形態における変速機制御の一例を説明するフローチャートである。図３に示す処理は図１のコントローラ１３０によって実行される。図３のステップＳ１００では、電圧変動値が所定値未満か否かを判定する。具体的には、パワートランジスタ部８０と平滑コンデンサ６０との間における正極ラインの電圧を電圧センサ１１０で計測し、その計測値をコントローラ１３０に取り込み、コントローラ１３０において電圧変動値を求める。

ステップＳ１００で所定値未満（Ｙｅｓ）と判定されるとステップＳ１１０へ進み、変速機用コントローラ１４０に対して第１の変速比に設定する変速比指令を出力する。この場合、電圧変動値は所定値未満なので、第１の変速比は一般的な通常制御の場合に対応する。第１の変速比の設定手順については後述する。一方、ステップＳ１００で所定値以上（Ｎｏ）と判定されるとステップＳ１２０へ進み、変速機用コントローラ１４０に対して第２の変速比に設定する変速比指令を出力する。

このように平滑コンデンサ６０の電圧変動値により変速比を変更することにより、モータ回転速度が抑制されるので、モータ制御系が不安定になって誘起電圧を抑える制御が一時的に不能となった場合であっても、モータ回転に伴う誘起電圧により素子（平滑コンデンサ６０やスイッチング素子）が破壊されるのを確実に防止することができる。

（通常制御：第１の変速比が採用された場合）
図１の車両駆動システム１５０では、エンジン４０とモータ５５との間の動力伝達がクラッチ５０によって遮断された状況下では、以下に説明する通常の駆動制御がコントローラ１３０によって実行される。コントローラ１３０では、まずアクセル開度センサ１６０からのアクセル開度Ａｃ、車速センサ１００からの車速Ｖｓｐに基づき、駆動軸に出力すべき駆動トルク要求Ｔｐを求める。

コントローラ１３０には、予め、車速Ｖｓｐと駆動トルク要求Ｔｐと変速比との関係である変速マップが記憶されている。コントローラ１３０は、取得した車速Ｖｓｐおよび演算した駆動トルク要求Ｔｐと、予め記憶されている変速マップとを用いて、車速Ｖｓｐおよび駆動トルク要求Ｔｐに対応する目標変速比Ｇｒを求め、その目標変速比Ｇｒを変速機用コントローラ１４０に出力する。変速機用コントローラ１４０は、変速機３０の変速比が目標変速比Ｇｒ（第１の変速比に対応する）となるように、変速機３０を制御する。

また、コントローラ１３０は、駆動トルク要求Ｔｐを目標変速比Ｇｒで除した値を、モータ５５から出力すべきトルク指令Ｔｍとして算出する。そして、コントローラ１３０は、パワートランジスタ部８０をスイッチング制御するＰＷＭ信号として、モータ５５がトルク指令Ｔｍと同値のトルクが出力できるようなＰＷＭ信号をインバータ７０に出力する。

ＰＷＭ制御においては、トルク指令Ｔｍ、モータ５５の回転速度、電圧センサ１１０からのコンデンサ電圧Ｖｃなどに基づいて、モータ５５に印加する目標電圧指令Ｖｍが設定される。そして、目標電圧指令Ｖｍを所定のキャリア周波数を持つ三角波キャリアと比較することでパルス幅変調信号に変換し、パワートランジスタ部８０の図示しないスイッチング素子をオンオフ制御する。なお、モータ５５の回転速度は、回転位置検出センサ５６からの回転位置情報に基づいて算出される。

（第２の変速比が採用された場合）
次に、図３のステップＳ１００で電圧変動が所定値以上と判定されて、第２の変速比が採用された場合について説明する。以下では、上述した通常の駆動制御における目標変速比Ｇｒを第１の変速比Ｇｒ１とする。モータ回転に伴う誘起電圧は、図４に示すようにモータ回転速度と比例の関係となる。よって、誘起電圧が平滑コンデンサ６０の耐圧値未満となるように、モータ回転速度をＮlmt未満に抑える必要がある。

図５は第２の変速比Ｇｒ２を説明する図であり、横軸は車速を表し、縦軸はモータ回転速度を表している。破線Ｌ１は変速比がＧr2loの場合の車速とモータ回転速度との関係を示し、破線Ｌ２は変速比がＧr2hiの場合の車速とモータ回転速度との関係を示している。そして実線Ｌ３が、車速と第２の変速比Ｇｒ２との関係を示している。

第２の変速比Ｇｒ２においては、車速が０から車速Ｖsploまでは変速比Ｇr2loに設定され、車速Ｖsploから最高車速ＶsphiまではＧr2loとＧr2hiとの間の変速比に設定される。変速比Ｇr2loは車速Ｖsploにおいてモータ回転速度がＮlmt1（Ｎlmt未満の値）となる変速比であり、変速比Ｇr2hiは最高車速Ｖsphiにおいてモータ回転速度がＮlmt1となる変速比である。

例えば、第１の変速比Ｇｒ１において点Ａ１の状態（車速、モータ回転速度）であったときにコンデンサ電圧の電圧変動値が所定値以上となった場合には、変速比をＧｒ１からＧr2loへ変更する。また、点Ａ２の状態であった場合には、変速比をＧｒ１からＧr2loとＧr2hiとの間の変速比へ変更する。その結果、モータ回転速度はＮlmt1未満になり、モータ制御系が不安定になった場合でも、誘起電圧が素子耐圧（コンデンサ耐圧やスイッチング素子の耐圧）を超えてしまうのを防止することができる。

上述した説明では、スイッチング素子や平滑コンデンサ６０の耐圧を考慮しているが、平滑コンデンサ６０の小型化を図った場合には、コンデンサ容量が小さいものほど耐圧が低くなるので、誘起電圧がコンデンサ耐圧を超えないように制御することが重要となる。例えば、インバータ７０を変速機の筐体内部や筐体外面に設ける場合には、インバータ７０の小型化が要求されるため、平滑コンデンサ６０に従来よりも小型のコンデンサを採用する場合がある。また、式（１）で示したように、リプル値はコンデンサ容量に反比例して大きくなるので、平滑コンデンサ６０を小型化した場合には、従来に比べてモータ制御系が不安定になりやすくなる。

ところで、図５に示すように、コンデンサ耐圧はコンデンサ温度によって変化する。一般的にコンデンサ温度が高いとコンデンサ耐圧は低くなる。パワートランジスタ部８０に入力されるＰＷＭ信号によって図示しないスイッチング素子がオンオフ制御されるので、平滑コンデンサ６０にはパルス状の電流が流れる。この電流により電流リプルが発生しコンデンサ温度が上昇する原因となる。そのため、ＰＷＭ信号を生成するためのキャリア周波数を高めることで電流リプルを小さくすることにより、コンデンサ温度の上昇（すなわち、コンデンサ耐圧の低下）を抑制することができる。

そこで、図３に示す変速比の制御に加えて、キャリア周波数を変更することによるコンデンサ温度抑制制御をさらに行うことにより、誘起電圧をコンデンサ耐圧未満に抑える制御をより確実に行うことができる。図７は、図３に示す制御にキャリア周波数の制御を加味した場合のフローチャートである。

ステップＳ２００では、電圧センサ１１０からのコンデンサ電圧を計測し、その電圧変動値が所定値未満か否かを判定する。ステップＳ２００で所定値未満と判定されると、ステップＳ１１０ヘと進み、所定値以上と判定されるとステップＳ１２０へ進む。ステップＳ１１０およびステップＳ１２０の処理は、図３のステップＳ１１０およびステップＳ１２０の処理と同一である。すなわち、ステップＳ１１０では変速比指令として第１の変速比Ｇｒ１を出力し、ステップＳ１２０では変速比指令として第２の変速比Ｇｒ２を出力する。

ステップＳ２２０では、キャリア周波数を通常のキャリア周波数ｆ０より高い周波数ｆ１に変更する処理を行い、本制御フローを終了する。なお、周波数ｆ１は予め設定されている。一方、ステップＳ２１０では、キャリア周波数を低減する処理を行ない、本制御フローを終了する。なお、ステップＳ２１０での低減処理では、現在のキャリア周波数が通常のキャリア周波数ｆ０である場合はｆ０を維持し、現在の周波数がｆ１である場合にはキャリア周波数を通常のキャリア周波数ｆ０に戻す。

図６のようなキャリア周波数の変更処理を行うことにより、コンデンサ電圧の電圧変動値が所定値以上となる場合には、キャリア周波数が高められてコンデンサ温度の上昇が抑制される。その結果、温度上昇によるコンデンサ耐圧値の低下を抑制することができ、平滑コンデンサ６０がモータ回転に伴う誘起電圧により破壊されるのを確実に抑制することができる。

以上説明したように、本実施の形態では、バッテリ１２０の電力により駆動されるモータ５５、モータ５５の出力を駆動輪１０ａ，１０ｂに伝達する変速機３０、および変速機３０の変速比を制御する変速機用コントローラ１４０を備える車両駆動システム１５０に搭載される電動機駆動装置において、バッテリ１２０の電圧を平滑化する平滑コンデンサ６０と、平滑コンデンサ６０で平滑化された電圧が印加され、モータ５５を駆動制御するインバータ７０と、平滑コンデンサ６０の電圧を検出する電圧センサ１１０と、電圧センサ１１０で検出された電圧の変動値を算出するコントローラ１３０と、を備え、コントローラ１３０は、算出された電圧変動値が所定値以上である場合に、モータ５５の回転速度を減少させるように変速機用コントローラ１４０を介して変速機３０を制御する。好ましくは、モータ５５の誘起電圧が平滑コンデンサ６０の耐圧値未満となるような変速比Ｇｒ２に変速機３０を制御する。

モータ５５の回転速度を減少させるように変速機３０を制御することにより、モータ回転に伴う誘起電圧が低下し、平滑コンデンサ６０が誘起電圧により破壊されるのを防止する。さらに、モータ５５の誘起電圧が平滑コンデンサ６０の耐圧値未満となるような変速比Ｇｒ２に変速機３０を制御することにより、平滑コンデンサ６０が誘起電圧により破壊されるのを確実に防止することができる。

なお、上述した実施の形態では、エンジンの動力をクラッチを介して変速機に伝達すると共に，クラッチより変速機側に電動機を備え，クラッチを切り離した状態で、電動機で始動，加速および回生制動が可能な車両駆動システムを例に説明したが、本発明は、上述した構成の車両駆動システムに限らず、電動機の出力を変速機を介して駆動輪に伝達する種々の車両駆動システムに適用することができる。

上述した説明では、コンデンサ電圧の電圧変動値として、図２（ｂ）に示すようなスイッチング動作に伴う電圧変動値（リプル値Ｖpk-pk）を例に説明したが、外乱等による周期の長い電圧変動に関しても上述した電圧変動値として検出の対象とされる。すなわち、電圧変動値を求める際の電圧サンプリング時間を、リプルの周期に比べて長時間に設定する。

変速比を演算するコントローラ１３０は、電圧変動値が所定値未満の場合には、アクセル開度センサ１６０で検出されたアクセル開度と車速センサ１００で検出された車速とから通常制御における第１の変速比Ｇｒ１を算出し、電圧変動値が所定値以上の場合には、車速センサ１００で検出された車速におけるモータ５５の誘起電圧が平滑コンデンサ６０の耐圧値未満となる第２の変速比Ｇｒ２を算出する。そして、変速機用コントローラ１４０は、第１の変速比Ｇｒ１および第２の変速比Ｇｒ２に基づいて変速機３０を制御する。このように、電圧変動値が所定値以上の場合には変速機３０は第２の変速比Ｇｒ２に制御されるので、誘起電圧が平滑コンデンサ６０の耐圧を超えてしまうのを確実に防止することができる。

さらに、インバータ７０をパルス幅変調制御により制御するコントローラ１３０は、電圧変動値が所定値未満の場合には、通常制御における第１のキャリア周波数ｆ０によりパルス幅変調制御を行い、電圧変動値が所定値以上の場合には、第１のキャリア周波数ｆ０よりも周波数の高い第２のキャリア周波数ｆ１によりパルス幅変調制御を行うようにしても良い。このような制御を行うことにより、平滑コンデンサ６０の温度上昇を抑えて耐圧の低下を抑制することができる。その結果、誘起電圧が平滑コンデンサ６０の耐圧を超えてしまうのをより確実に防止することができる。

以上、本発明を実施するための形態について、図１に示す車両駆動システムを例に用いて説明したが、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。例えば、実施の形態の車両駆動システム１５０では、変速機３０を無段式の自動変速機としたが、有段式であってもよい。また、コントローラ１３０に代えて、変速機用コントローラ１４０を制御する車両コントローラと、インバータを制御するモータコントローラとを個別に設ける構成の車両駆動システムに対しても、本発明は同様に適用することができる。その場合、上述した図３や図７の処理は、車両コントローラおよびモータコントローラのいずれで行われても良い。

３０：変速機、４０：エンジン、５０：クラッチ、５５：モータ、５６：回転位置センサ、６０：平滑コンデンサ、７０：インバータ、８０：パワートランジスタ部、１００：車速センサ、１２０：バッテリ、１６０：アクセル開度センサ、１３０：コントローラ、１４０：変速機用コントローラ、１５０：車両駆動システム

Claims (6)

1. バッテリの電力により駆動される電動機、前記電動機の出力を駆動輪に伝達する変速機、および前記変速機の変速比を制御する変速制御部を備える車両駆動システムに搭載される電動機駆動装置において、
   前記バッテリの電圧を平滑化するコンデンサと、
   前記コンデンサで平滑化された電圧が印加され、前記電動機を駆動制御するインバータと、
   前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部で検出された電圧の変動値を算出する電圧変動値演算部と、を備え、
   前記変速制御部は、前記電圧変動値演算部で算出された電圧変動値が所定値以上である場合に、前記電動機の回転速度を減少させるように前記変速機の変速比を制御することを特徴とする電動機駆動装置。
2. 請求項１に記載の電動機駆動装置において、
   前記変速制御部は、前記電圧変動値演算部で算出された電圧変動値が所定値以上である場合に、前記電動機の回転速度を減少させ、かつ、前記電動機の誘起電圧が前記コンデンサの耐圧値未満となるような変速比に前記変速機を制御することを特徴とする電動機駆動装置。
3. 請求項２に記載の電動機駆動装置において、
   アクセル開度を検出するアクセル開度センサと、
   車速を検出する車速センサと、を備え、
   前記変速制御部は、
   前記電圧変動値が所定値未満の場合には、前記アクセル開度センサで検出されたアクセル開度と前記車速センサで検出された車速とから第１の変速比を算出し、
   前記電圧変動値が所定値以上の場合には、前記電動機の回転速度を減少させ、かつ、前記車速センサで検出された車速における前記電動機の誘起電圧が前記コンデンサの耐圧値未満となる第２の変速比を算出し、
   前記第１および第２の変速比に基づいて前記変速機を制御することを特徴とする電動機駆動装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電動機駆動装置において、
   前記インバータをパルス幅変調制御により制御するＰＷＭ制御部を備え、
   前記ＰＷＭ制御部は、
   前記電圧変動値が所定値未満の場合には、第１のキャリア周波数によりパルス幅変調制御を行い、
   前記電圧変動値が所定値以上の場合には、前記第１のキャリア周波数よりも周波数の高い第２のキャリア周波数によりパルス幅変調制御を行うことを特徴とする電動機駆動装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電動機駆動装置を備える車両駆動システムであって、
   前記インバータは、前記変速機の筐体内部または筐体外面に設けられていることを特徴とする車両駆動システム。
6. 請求項５に記載の車両駆動システムにおいて、
   エンジンの動力をクラッチを介して前記変速機に伝達すると共に、前記クラッチより変速機側に前記電動機を備え、前記クラッチを切り離した状態で前記電動機で始動、加速および回生制動が可能なことを特徴とする車両駆動システム。

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