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JP6406733B2 - 電力システム - Google Patents

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JP6406733B2
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Description

本発明は、3相(U相、V相、W相)の上アーム及び下アームを含むインバータを有する電力システムに関する。
米国特許出願公開第2013/0204477号公報(以下「US 2013/0204477 A1」という。)では、衝突が発生したとき、インバータや3相交流電動機をより適正に保護しながら、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を速やかに放電することを目的としている([0006]、要約)。当該目的を達成するため、US 2013/0204477 A1では、衝突が検知された後に、インバータ41、42の上アームトランジスタT11〜T13、T21〜T23の全てがオフされると共に下アームトランジスタT14〜T16、T24〜T26の全てがオンされる。また、その後にモータMG1、MG2に逆起電力が発生していないときには、インバータ41、42の上アームトランジスタT11〜T13、T21〜T23の少なくともいずれか1つに完全オン時のゲート電圧V1よりも低いゲート電圧V2が印加される。加えて、インバータ41、42の下アームトランジスタT14〜T16、T24〜T26のうち、ゲート電圧V2が印加された上アームトランジスタに直列に接続されたものがオンされる(要約)。
特開2011−182578号公報(以下「JP 2011−182578 A」という。)では、過熱保護を図りつつコンデンサの電荷を放電することができる電力変換装置を提供することを目的としている([0004]、要約)。当該目的を達成するため、JP 2011−182578 Aにおいて、温度センサ27は、下アーム用トランジスタ24の温度を検出する。制御回路26は、下アーム用トランジスタ24に電流制限をかけながら上アーム用トランジスタ23及び下アーム用トランジスタ24を同時にオンしてトランジスタ23、24を通して高圧コンデンサ25の電荷を放電する。加えて、制御回路26は、温度センサ27により検出した下アーム用トランジスタ24の温度が規定値に達すると、下アーム用トランジスタ24をオフする(要約)。
上記のように、US 2013/0204477 A1では、モータMG1、MG2に逆起電力が発生している場合(すなわち、モータMG1、MG2の発電量が大きい場合)、全ての上アームトランジスタT11〜T13、T21〜T23をオフにし、全ての下アームトランジスタT14〜T16、T24〜T26をオンにする(要約)。この際、発熱部位は、下アームトランジスタT14〜T16、T24〜T26に限定される。下アームトランジスタ(スイッチング素子)の保護を図りつつ、発熱量を増加させる(又はモータMG1、MG2(電動機)の減速を早める)観点からすれば、改善の余地がある。
JP 2011−182578 Aでは、コンデンサ25を放電させるための昇圧コンバータ20(トランジスタ23、24)の制御に関するものであり、インバータ30(トランジスタ31〜36)の制御については検討されていない。
なお、異常発生時にインバータ制御を介して電動機の減速を早める必要性は、車両に限らない。
本発明は、上記のような課題を考慮してなされたものであり、異常発生時における電動機の減速を早めることが可能な電力システムを提供することを目的とする。
本発明に係る電力システムは、
電動機と、
電源と、
U相、V相及びW相の上アーム及び下アームを含むインバータと、
前記インバータを制御して前記電源から前記電動機への電力供給を制御する制御装置と、
前記インバータの直流端側で前記インバータに並列接続されるコンデンサと、
前記電動機の停止又は出力低減を要する異常を検出する異常検出装置と
を備えるものであって、
前記異常検出装置が前記異常を検出した際、前記制御装置は、全ての前記上アームを通電状態とし、全ての前記下アームを非通電状態とする上アーム3相短絡制御と、全ての前記上アームを非通電状態とし、全ての前記下アームを通電状態とする下アーム3相短絡制御とを交互に切り替える切替制御を行う
ことを特徴とする。
本発明によれば、電動機の停止又は出力低減を要する異常が検出された際、上アーム3相短絡制御と下アーム3相短絡制御とを交互に発生させる。両3相短絡制御では、閉回路内で電流が急増するため、電動機が有する運動エネルギを急速に熱に変換することが可能となる。従って、電動機の急減速又は急停止が可能となる。
また、本発明によれば、上アーム3相短絡制御と下アーム3相短絡制御の両方を用いる。このため、上アーム3相短絡制御又は下アーム3相短絡制御の一方のみを行う場合と比較して、発熱部位を分散しつつ、電動機の減速度を高めることができる。従って、上アーム及び下アームを熱から保護しつつ、電動機の減速度を高めることが可能となる。
前記制御装置は、前記上アーム3相短絡制御と前記下アーム3相短絡制御の切替え時に、前記上アームに電流が流れる状態(通電状態)と前記下アームに電流が流れる状態(通電状態)とを重複させる通電重複期間を発生させてもよい。これにより、インバータに並列接続されるコンデンサに蓄積される電荷を即座に放出することが可能となり、安全性が向上する。
前記制御装置は、前記切替制御の開始時の前記通電重複期間よりも、その後の前記通電重複期間を長くしてもよい。少なくとも通電重複期間を発生させるとコンデンサの放電が進行し、コンデンサの電位が低下する。コンデンサの電位が低下した状態で通電重複期間を長くすることで、インバータの損傷を回避しつつ、放電時間を短縮することが可能となる。
前記電力システムは、前記電動機を駆動源とする電動車両に適用され、前記異常検出装置は、前記電動車両の衝突を検出する衝突検出装置であってもよい。これにより、電動車両の衝突後に、車輪が空転する場合であっても、空転する車輪を即座に減速又は停止させることで、衝突後の安全性を向上させることが可能となる。加えて、通電重複期間を発生させる場合、コンデンサの電荷を即座に放出することによっても、衝突後の安全性を向上させることができる。
本発明の一実施形態に係る電力システムとしての電動車両の概略構成図である。 前記実施形態における放電制御のフローチャートである。 前記実施形態におけるインバータ短絡制御のフローチャート(図2のS3の詳細)である。 前記実施形態における上アーム駆動信号、下アーム駆動信号及びデッドタイムと各種制御との関係を示す図である。 前記実施形態の上アーム3相短絡制御時における電流の流れを示す図である。 前記実施形態の下アーム3相短絡制御時における前記電流の流れを示す図である。 前記実施形態の通電重複制御時における前記電流の流れを示す図である。 前記実施形態の通常制御における上アーム駆動信号、下アーム駆動信号及びデッドタイムと、各スイッチング素子におけるコレクタ−エミッタ間電圧、ゲート−エミッタ間電圧、コレクタ−エミッタ間電流とを示す図である。 前記実施形態のインバータ短絡制御における上アーム駆動信号、下アーム駆動信号及びデッドタイムと、各スイッチング素子におけるコレクタ−エミッタ間電圧、ゲート−エミッタ間電圧、コレクタ−エミッタ間電流とを示す図である。 図10Aは、比較例に係る放電制御を用いた場合の放電特性を示し、図10Bは、本実施形態に係る放電制御を用いた場合の放電特性を示す。
I.一実施形態
<I−A.構成>
[I−A−1.電動車両10の全体構成]
図1は、本発明の一実施形態に係る電力システムとしての電動車両10(以下「車両10」ともいう。)の概略構成図である。車両10は、走行モータ12(以下「モータ12」又は「駆動モータ12」ともいう。)と、インバータ14と、高電圧バッテリ16と、コンデンサ18と、抵抗20と、コンタクタ22と、レゾルバ24と、電圧センサ26と、車速センサ28と、衝突検出装置30と、起動スイッチ32と、電子制御装置34(以下「ECU34」ともいう。)と、低電圧バッテリ36と、降圧コンバータ38とを有する。
なお、JP 2011−182578 Aと同様、インバータ14と高電圧バッテリ16(以下「バッテリ16」ともいう。)との間にDC/DCコンバータを設けてもよい。
[I−A−2.モータ12]
モータ12は、3相交流ブラシレス式である。モータ12は、バッテリ16から供給される電力に基づいて駆動力を生成し、当該駆動力によりトランスミッション(図示せず)を通じて車輪(図示せず)を回転させる。また、モータ12は、回生を行うことで生成した電力(回生電力Preg)[W]をバッテリ16に出力する。回生電力Pregは、図示しない補機に対して出力してもよい。
[I−A−3.インバータ14]
インバータ14は、3相フルブリッジ型の構成を有し、直流−交流変換を行う。より具体的には、インバータ14は、直流を3相の交流に変換してモータ12に供給する一方、回生動作に伴う交流−直流変換後の直流をバッテリ16等に供給する。
図1に示すように、インバータ14は、3相のアームユニット50u、50v、50wを有する。各アームユニット50u、50v、50wは、上アーム52u、52v、52wと、下アーム54u、54v、54wとを有する。
上アーム52u、52v、52wは、上アームスイッチング素子60u、60v、60w(以下「上アームSW素子60u、60v、60w」又は「SW素子60u、60v、60w」という。)と、ダイオード62u、62v、62wとを備える。
同様に、下アーム54u、54v、54wは、下アームスイッチング素子64u、64v、64w(以下「下アームSW素子64u、64v、64w」又は「SW素子64u、64v、64w」という。)と、ダイオード66u、66v、66wとを備える。
SW素子60u、60v、60w、64u、64v、64wには、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)が採用される。或いは、SW素子60u、60v、60w、64u、64v、64wには、MOSFET等を用いてもよい。
各アームユニット50u、50v、50wにおいて、上アーム52u、52v、52wと下アーム54u、54v、54wの中点70u、70v、70wは、モータ12の巻線72u、72v、72wに連結されている。
なお、以下では、各アームユニット50u、50v、50wをアームユニット50と総称し、各上アーム52u、52v、52wを上アーム52と総称し、各下アーム54u、54v、54wを下アーム54と総称し、各上アームSW素子60u、60v、60wを上アームSW素子60と総称し、各下アームSW素子64u、64v、64wを下アームSW素子64と総称し、巻線72u、72v、72wを巻線72と総称する。
各上アームSW素子60及び各下アームSW素子64は、ECU34からの駆動信号UH、VH、WH、UL、VL、WLにより駆動される。以下では、駆動信号UH、VH、WHを上アーム駆動信号UH、VH、WHともいう。また、駆動信号UL、VL、WLを下アーム駆動信号UL、VL、WLともいう。図1では、ECU34から各上アームSW素子60及び各下アームSW素子64への信号線の図示を省略している。
[I−A−4.高電圧バッテリ16]
高電圧バッテリ16は、複数のバッテリセルを含み高電圧(数百ボルト)を出力可能な蓄電装置(エネルギストレージ)であり、例えば、リチウムイオン2次電池、ニッケル水素2次電池等を利用することができる。本実施形態ではリチウムイオン2次電池を利用している。バッテリ16の代わりに、キャパシタ等の蓄電装置を用いることも可能である。
[I−A−5.コンデンサ18、抵抗20及びコンタクタ22]
コンデンサ18は、インバータ14とバッテリ16の間(直流端側)における電圧変動を抑制する平滑コンデンサである。抵抗20は、コンデンサ18と並列に接続され、車両10の停止時等においてコンデンサ18を放電させる放電抵抗である。コンタクタ22は、インバータ14とバッテリ16との間に配置され、ECU34からの指令に基づいてオン及びオフする。
[I−A−6.レゾルバ24、電圧センサ26及び車速センサ28]
レゾルバ24は、モータ12の図示しない出力軸又はロータの回転角度(モータ12の図示しないステータに対して固定された座標系での回転角度)である電気角θを検出する。
電圧センサ26は、コンデンサ18の電圧Vc(以下「コンデンサ電圧Vc」ともいう。)[V]を検出する。コンデンサ電圧Vcは、インバータ14の直流端電圧をも示す。車速センサ28は、車両10の車速V[km/h]を検出する。
[I−A−7.衝突検出装置30及び起動スイッチ32]
衝突検出装置30(異常検出装置)は、車両10と外部物体(他車、ヒト、壁等)との衝突を検出してECU34に通知する。起動スイッチ32は、モータ12のオンオフを切り替えることで、車両10の走行の可否を切り替える。
[I−A−8.ECU34]
ECU34は、インバータ14を介してモータ12を制御するものであり、図1に示すように、入出力部80、演算部82及び記憶部84を有する。
入出力部80は、信号線40(通信線)を介して車両10の各部との信号の入出力を行うと共に、低電圧バッテリ36からの電力の入力を行う。入出力部80は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する図示しないA/D変換回路を備える。
演算部82は、レゾルバ24、電圧センサ26、車速センサ28、衝突検出装置30及び起動スイッチ32からの各信号に基づく演算を行う。そして、演算部82は、演算結果に基づき、インバータ14に対する上アーム駆動信号UH、VH、WH及び下アーム駆動信号UL、VL、WLを生成する。
本実施形態の演算部82は、車両10の運転終了時又は衝突発生時において、放電制御を実行する。放電制御では、回転(空転)中のモータ12の回生電力Pregを放電させることでモータ12を減速又は停止させる。加えて、放電制御では、コンデンサ18の残留電力を放電させる。
放電制御等において、演算部82は、例えば、レゾルバ24からの電気角θに基づいてモータ12の機械角θmotを算出する。また、演算部82は、電気角θ又は機械角θmotに基づいて単位時間当たりのモータ回転数Nmot[rpm又はrad/sec]を算出する。さらに、放電制御において、演算部82は、モータ12が停止し且つコンデンサ18の放電が完了するまで、ECU34への電力供給を継続させる電力供給制御を実行する。
演算部82は、記憶部84に記憶されているプログラムを実行することにより動作する。前記プログラムは、図示しない無線通信装置(携帯電話機、スマートフォン等)を介して外部から供給されてもよい。前記プログラムの一部をハードウェア(回路部品)で構成することもできる。
記憶部84は、デジタル信号に変換された撮像信号、各種演算処理に供される一時データ等を記憶するRAM(Random Access Memory)、及び実行プログラム、テーブル又はマップ等を記憶するROM(Read Only Memory)等で構成される。
[I−A−9.低電圧バッテリ36及び降圧コンバータ38]
低電圧バッテリ36は、低電圧(本実施形態では12ボルト)を出力可能な蓄電装置であり、例えば、鉛蓄電池等の2次電池を利用することができる。降圧コンバータ38は、低電圧バッテリ36の出力電圧を降圧してECU34に出力する。
<I−B.各種制御>
[I−B−1.放電制御]
(I−B−1−1.放電制御の全体的な流れ)
次に、本実施形態における放電制御について説明する。上記のように、放電制御では、回転(空転)中のモータ12の回生電力Pregを放電させることでモータ12を減速又は停止させる。加えて、放電制御では、コンデンサ18の残留電力を放電させる。
図2は、本実施形態における放電制御のフローチャートである。ステップS1において、ECU34は、車両10の運転が終了したか又は車両10の衝突が発生したかを判定する。
車両10の運転終了に関し、ECU34は、例えば、車両10の起動スイッチ32がオフにされたときに、車両10の運転が終了したと判定することができる。或いは、ECU34は、車速センサ28からの車速Vが車速閾値THv以下となったことにより判定してもよい。車速閾値THvは、例えば、ゼロ又はその近傍値とすることができる。なお、起動スイッチ32がオフにされた場合におけるECU34への電力供給制御については後述する。車両10の衝突発生は、衝突検出装置30からの信号(衝突信号)に基づいて判定することができる。
車両10の運転が終了しておらず且つ衝突が発生していない場合(S1:NO)、今回の放電制御を終了する。この場合、モータ12を駆動して車両10を走行させる力行制御、モータ12により回生を行って車両10を減速させる減速時回生制御等の通常制御が行われる。今回の放電処理が終了すると、所定時間の経過後にステップS1から放電制御を再開する。車両10の運転が終了した場合又は衝突が発生した場合(S1:YES)、ステップS2において、ECU34は、コンタクタ22を開にする。
続くステップS3において、ECU34は、インバータ短絡制御を実行する(詳細は、図3を参照して後述する。)。ステップS4において、ECU34は、単位時間当たりのモータ回転数Nmotが閾値THnmot(以下「回転数閾値THnmot」又は「モータ回転数閾値THnmot」ともいう。)以下になったか否かを判定する。閾値THnmotは、モータ12が停止したことを判定する閾値であり、例えば、ゼロ又はその近傍値とすることができる。
モータ回転数Nmotが閾値THnmot以下でない場合(S4:NO)、ステップS3に戻り、インバータ短絡制御を継続する。モータ回転数Nmotが閾値THnmot以下である場合(S4:YES)、ステップS5に進む。
ステップS5において、ECU34は、コンデンサ電圧Vcが閾値THvc1(以下「電圧閾値THvc1」又は「第1電圧閾値THvc1」ともいう。)以下であるか否かを判定する。閾値THvc1は、コンデンサ18の放電が終了したことを判定するための閾値であり、例えば、ゼロ又はその近傍値とすることができる。
コンデンサ電圧Vcが閾値THvc1以下でない場合(S5:NO)、ステップS3に戻り、インバータ短絡制御を継続する。コンデンサ電圧Vcが閾値THvc1以下である場合(S5:YES)、今回の放電制御を終了する。
(I−B−1−2.インバータ短絡制御(図2のS3))
(I−B−1−2−1.インバータ短絡制御の流れ)
図3は、本実施形態におけるインバータ短絡制御のフローチャート(図2のS3の詳細)である。図4は、本実施形態における上アーム駆動信号UH、VH、WH、下アーム駆動信号UL、VL、WL及びデッドタイムdtと各種制御との関係を示す図である。
図3のステップS11において、ECU34は、上アーム駆動信号UH、VH、WHの出力期間Tup(以下「上アーム駆動期間Tup」又は「期間Tup」ともいう。)及び下アーム駆動信号UL、VL、WLの出力期間Tlow(以下「下アーム駆動期間Tlow」又は「期間Tlow」ともいう。)を制御するためのスイッチング周期Pswを設定する。
図4に示すように、スイッチング周期Pswは、上アーム駆動期間Tupと、下アーム駆動期間Tlowと、上アーム駆動期間Tup及び下アーム駆動期間Tlowの間に設定される2つのデッドタイムdtとから構成される。
なお、駆動信号UH、VH、WHの一部を櫛歯状にすること等により、上アーム駆動期間Tupの一部に駆動信号UH、VH、WHを出力しない期間を設けてもよい。同様に、下アーム駆動期間Tlowの一部に駆動信号UL、VL、WLを出力しない期間を設けてもよい。
本実施形態のインバータ短絡制御では、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)を用いる。代わりに、パルス周波数変調(PFM:Pulse Frequency Modulation)を用いてもよい。なお、PWMの場合、通常制御及びインバータ短絡制御で用いるスイッチング周期Pswを固定値にするのであれば、ステップS11を省略することも可能である。
ステップS12において、ECU34は、コンデンサ電圧Vcが閾値THvc2(以下「電圧閾値THvc2」又は「第2電圧閾値THvc2」ともいう。)以上であるか否かを判定する。閾値THvc2は、デッドタイムdtの長さを切り替えるための閾値であり、第1電圧閾値THvc1(図2のS5)よりも大きい値である。
コンデンサ電圧Vcが閾値THvc2以上である場合(S12:YES)及びコンデンサ電圧Vcが閾値THvc2以上でない場合(S12:NO)のいずれにおいても、ECU34は、上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御を実行する(S13、S14)。また、本実施形態では、上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御に伴って通電重複期間Tov(図7及び図9)を発生させる。
コンデンサ電圧Vcが閾値THvc2以上である場合(S12:YES)に用いるデッドタイムdt1(S13)よりも、コンデンサ電圧Vcが閾値THvc2以上でない場合(S12:NO)に用いるデッドタイムdt2(S14)を短くする。
上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御並びに通電重複期間Tovについては、図4〜図10Bを参照して後述する。
(I−B−1−2−2.上アーム3相短絡制御)
図5は、本実施形態の上アーム3相短絡制御時における電流Iの流れを示す図である。図5における複数の太い矢印それぞれが電流Iの流れを示している(図6及び図7についても同様である。)。図5に示すように、上アーム3相短絡制御は、3相の上アーム52u、52v、52wとモータ12からなる閉回路100を短絡させる。これにより、閉回路100内に比較的大きな電流Iが流れる。従って、モータ12の運動エネルギにより発生した電気エネルギ(回生電力Preg)は、上アームSW素子60u、60v、60w等において熱エネルギに変換される。そのため、モータ12の減速度合いを高めることが可能となる。
上アーム3相短絡制御を実行する際、ECU34は、各上アーム52u、52v、52wに対して駆動信号UH、VH、WHを同時に出力する(図4参照)。但し、図8及び図9を参照して後述するように、上アーム駆動信号UH、VH、WHを出力する期間Tup(例えば、図4の時点t1〜t2、t5〜t6)と、閉回路100が短絡する期間は若干異なる。上アーム駆動信号UH、VH、WHの出力タイミング及び出力期間Tupについては、下アーム駆動信号UL、VL、WLと併せて後述する。
(I−B−1−2−3.下アーム3相短絡制御)
図6は、本実施形態の下アーム3相短絡制御時における電流Iの流れを示す図である。図6に示すように、下アーム3相短絡制御は、3相の下アーム54u、54v、54wとモータ12からなる閉回路102を短絡させる。これにより、閉回路102内に比較的大きな電流Iが流れる。従って、モータ12の運動エネルギにより発生した電気エネルギは、下アームSW素子64u、64v、64w等において熱エネルギに変換される。そのため、モータ12の減速度合いを高めることが可能となる。
下アーム3相短絡制御を実行する際、ECU34は、各下アーム54u、54v、54wに対して駆動信号UL、VL、WLを同時に出力する(図4参照)。但し、図8及び図9を参照して後述するように、下アーム駆動信号UL、VL、WLを出力する期間Tlow(例えば、図4の時点t3〜t4)と、閉回路102が短絡する期間は若干異なる。また、上アーム駆動期間Tupと下アーム駆動期間Tlowとの間(例えば、時点t2〜t3、時点t4〜t5)がデッドタイムdtである。
本実施形態において、上アーム駆動信号UH、VH、WH及び下アーム駆動信号UL、VL、WLの出力タイミング及び出力期間Tup、Tlowは以下のように算出する。すなわち、インバータ短絡制御において、ECU34は、各スイッチング周期Pswにおける上アーム駆動信号UH、VH、WHのデューティ比DUTup及び下アーム駆動信号UL、VL、WLのデューティ比DUTlowをそれぞれ50%に設定する。実際上、1スイッチング周期Psw全体におけるデューティ比DUTを100%とし、下アームSW素子64のデューティ比DUTlowは、100%から上アームSW素子60へのデューティ比DUTupを引いた値として演算することができる。
なお、デューティ比DUTup、DUTlowは、必ずしも50%にする必要はない。加えて、1スイッチング周期Psw全体におけるデューティ比DUTを100%とする場合でも、デューティ比DUTup、DUTlowの合計を100%未満の値にしてもよい。デューティ比DUTup、DUTlowの合計を100%未満の値にする場合として、例えば、1スイッチング周期Pswにおいて上アーム駆動信号UH、VH、WH及び下アーム駆動信号UL、VL、WLそれぞれを櫛歯状に出力する場合を挙げることができる。
そして、ECU34は、デューティ比DUTup、DUTlowに基づいて上アーム駆動信号UH、VH、WH及び下アーム駆動信号UL、VL、WLの出力期間Tup、Tlowの基準値(以下「基準出力期間Tref」という。)を算出する。次いで、ECU34は、基準出力期間Trefからデッドタイムdtを引いて目標出力期間Ttarとする。なお、図4に示すように、本実施形態では、スイッチング周期Pswの最初と、出力期間Tup、Tlowの間の2箇所にデッドタイムdtを介在させる。代わりに、出力期間Tup、Tlowの間と、スイッチング周期Pswの最後の2箇所にデッドタイムdtを介在させてもよい。
(I−B−1−2−4.通電重複期間Tov)
(I−B−1−2−4−1.通電重複期間Tovの概要)
図7は、本実施形態の通電重複期間Tovにおける電流Iの流れを示す図である。図7に示すように、通電重複期間Tovでは、3相の上アーム52u、52v、52wと、3相の下アーム54u、54v、54wと、コンデンサ18と、抵抗20とからなる閉回路104が短絡する。以下では、通電重複期間Tovを発生させる制御を通電重複制御ともいう。
図8は、本実施形態の通常制御における上アーム駆動信号UH、VH、WH、下アーム駆動信号UL、VL、WL及びデッドタイムdtと、各SW素子60u、60v、60w、64u、64v、64wにおけるコレクタ−エミッタ間電圧Vce、ゲート−エミッタ間電圧Vge、コレクタ−エミッタ間電流Iceとを示す図である。図9は、本実施形態のインバータ短絡制御における上アーム駆動信号UH、VH、WH、下アーム駆動信号UL、VL、WL及びデッドタイムdtと、各SW素子60u、60v、60w、64u、64v、64wにおけるコレクタ−エミッタ間電圧Vce、ゲート−エミッタ間電圧Vge、コレクタ−エミッタ間電流Iceとを示す図である。
図8及び図9に示すように、駆動信号UH、VH、WH、UL、VL、WLの変化(HiからLow又はLowからHi)に対して、コレクタ−エミッタ間電流Ice(以下「電流Ice」ともいう。)が応答するまでには時間差が存在する。
例えば、通常制御に関する図8において、時点t11において上アーム駆動信号UH、VH、WHがHiからLow(0V)に切り替わると、時点t12において電流Iceがゼロになり、上アーム52u、52v、52w(上アームSW素子60u、60v、60w)が実際にオフとなる。このため、時点t11〜t12までの時間が時間差(以下「時間差ΔT1」という。)である。
また、時点t13において下アーム駆動信号UL、VL、WLがLowからHiに切り替わると、時点t14において電流Iceがゼロから上昇し始め、下アーム54u、54v、54w(下アームSW素子64u、64v、64w)が実際にオンとなる。このため、時点t13〜t14までの時間が時間差(以下「時間差ΔT2」という。)である。
通常制御では、インバータ14を含む閉回路(閉回路100、102、104のいずれか)での短絡が発生することを避けるため、時間差ΔT1、ΔT2を考慮してデッドタイムdtを設定する。すなわち、デッドタイムdtは、時間差ΔT1、ΔT2のいずれよりも長い時間に設定する。これにより、上アーム52u、52v、52wの電流Iceと下アーム54u、54v、54wの電流Iceが共にゼロとなる非通電時間Tnovを発生させる。
これに対し、図9に示すように、本実施形態のインバータ短絡制御では、上アーム52u、52v、52wのオン状態(電流Iceがゼロではない状態)と下アーム54u、54v、54wのオン状態(電流Iceがゼロではない状態)とが重複する期間Tov(通電重複期間Tov)を意図的に発生させる(図9の時点t23〜t24)。
換言すると、インバータ短絡制御におけるデッドタイムdtは、時間差ΔT1、ΔT2のいずれよりも短い値に設定する。上記のように、デッドタイムdtは、例えば、上アーム駆動信号UH、VH、WHをHiからLow(0V)に切り替える時点(時点t21)から、下アーム駆動信号UL、VL、WLをLowからHiに切り替える時点(時点t22)までの期間である。デッドタイムdtを、時間差ΔT1、ΔT2のいずれよりも短い値に設定することにより、閉回路104において所定の微少時間、短絡状態が発生する(図7参照)。
その場合、閉回路104内に比較的大きな電流Iが流れる。従って、モータ12の運動エネルギにより発生した電気エネルギ(回生電力Preg)は、SW素子60u、60v、60w、64u、64v、64w等において熱エネルギに変換される。そのため、モータ12の減速度合いを高めることが可能となる。加えて、コンデンサ18に蓄積されている電気エネルギも、SW素子60u、60v、60w、64u、64v、64w等において熱エネルギに変換される。そのため、コンデンサ18の放電を早めることが可能となる。
(I−B−1−2−4−2.デッドタイムdtの長さ)
本実施形態の通電重複制御では、コンデンサ18の放電が進むと、デッドタイムdtを短くする。すなわち、図3のステップS12において、コンデンサ電圧Vcが閾値THvc2以上である場合(S12:YES)、ECU34は、デッドタイムdtとしてdt1を用いる(S13)。また、コンデンサ電圧Vcが閾値THvc2以上でない場合(S12:NO)、ECU34は、デッドタイムdtとしてdt2を用いる(S14)。デッドタイムdt2は、デッドタイムdt1よりも短い。従って、デッドタイムdt1を用いる場合と比較して、デッドタイムdt2を用いる場合の方が通電重複期間Tovが長くなる。
図10Aは、比較例に係る放電制御を用いた場合の放電特性を示す。図10Bは、本実施形態に係る放電制御を用いた場合の放電特性を示す。図10A及び図10Bにおいて、横軸は時間を示し、縦軸はコンデンサ電圧Vcを示す。比較例では、図3のステップS12、S14を用いず、ステップS11、S13のみを用いる。
図10A及び図10Bの時点t31から時点t32までは、比較例と本実施形態は同じ特性を示す。時点t32において、コンデンサ電圧Vcが閾値THvc2以上でなくなったため(図3のS12:NO)、本実施形態では、デッドタイムdtをdt1からdt2(<dt1)に変更する(S14)。これにより、本実施形態では、放電時定数を少なくする(又は放電量を増加させる)。従って、モータ12の減速及びコンデンサ18の放電を早めることが可能となる(図10B参照)。
[I−B−2.ECU34への電力供給制御]
上記のように、図2のステップS1の時点で起動スイッチ32がオフされたことを検出したECU34(演算部82)は、電力供給制御を実行する。電力供給制御では、モータ12が停止し(図2のS4:YES)且つコンデンサ18の放電が完了するまで(S5:YES)、降圧コンバータ38を動作させてECU34への電力供給を継続させる。
<I−C.本実施形態の効果>
以上のように、本実施形態によれば、車両10の衝突(異常)が検出された際(図2のS1:YES)、上アーム3相短絡制御と下アーム3相短絡制御とを交互に発生させる(図2〜図4)。両3相短絡制御では、閉回路100、102(図5及び図6)内で電流Iが急増するため、モータ12が有する運動エネルギを急速に熱に変換することが可能となる。従って、モータ12の急減速又は急停止が可能となる。
また、本実施形態によれば、上アーム3相短絡制御と下アーム3相短絡制御の両方を用いる(図3及び図4)。このため、上アーム3相短絡制御又は下アーム3相短絡制御の一方のみを行う場合と比較して、発熱部位を分散しつつ、モータ12の減速度を高めることができる。従って、上アーム52u、52v、52w及び下アーム54u、54v、54wを熱から保護しつつ、モータ12の減速度を高めることが可能となる。
本実施形態において、ECU34(制御装置)は、上アーム3相短絡制御と下アーム3相短絡制御の切替え時に、上アーム52u、52v、52wの通電状態と下アーム54u、54v、54wの通電状態とを重複させる通電重複期間Tovを発生させる(図3、図7及び図9)。これにより、インバータ14に並列接続されるコンデンサ18に蓄積される電荷を即座に放出することが可能となり、安全性が向上する。
本実施形態において、ECU34(制御装置)は、上アーム3相短絡制御と下アーム3相短絡制御とを交互に切り替える切替制御の開始時のデッドタイムdt1(図3のS13)よりもその後のデッドタイムdt2(S14)を短くする。これにより、通電重複期間Tovを長くする。少なくとも通電重複期間Tovを発生させるとコンデンサ18の放電が進行し、コンデンサ18の電位が低下する。コンデンサ18の電位が低下した状態で通電重複期間Tovを長くすることで、インバータ14の損傷を回避しつつ、放電時間を短縮することが可能となる。
本実施形態は、モータ12を駆動源とする電動車両10に適用される(図1)。また、衝突検出装置30(異常検出装置)により、車両10の衝突(モータ12の停止又は出力低減を要する異常)を検出する。これにより、車両10の衝突後に、車輪が空転する場合であっても、空転する車輪を即座に減速又は停止させることで、衝突後の安全性を向上させることが可能となる。加えて、通電重複期間Tovを発生させるため(図3、図7及び図9)、コンデンサ18の電荷を即座に放出することによっても、衝突後の安全性を向上させることができる。
II.変形例
なお、本発明は、上記実施形態に限らず、本明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
<II−A.搭載対象>
上記実施形態では、車両10を電力システムとして本発明を適用した。しかしながら、例えば、上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御を用いる観点からすれば、これに限らない。例えば、別の対象を電力システムとして本発明を適用してもよい。例えば、船舶や航空機等の移動物体を電力システムとして本発明を適用することもできる。或いは、ロボット、製造装置、家庭用電力システム又は家電製品を電力システムとして本発明を適用してもよい。
上記実施形態の車両10は、駆動源としてモータ12のみを有し且つ電力源としてバッテリ16のみを有する狭義の電気自動車(battery vehicle)であった(図1)。しかしながら、例えば、上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御を用いる観点からすれば、これに限らない。例えば、車両10は、ハイブリッド車両、燃料電池車両等であってもよい。
<II−B.インバータ14>
上記実施形態では、3つの上アームSW素子60u、60v、60wと、3つの下アームSW素子64u、64v、64wを用いる例について説明した(図1)。しかしながら、例えば、上アーム52u、52v、52w及び下アーム54u、54v、54wそれぞれを3相にする観点からすれば、SW素子60、64の数はこれに限らない。例えば、6つの上アームSW素子60を設け、各相に2つのSW素子60を割り当てることも可能である。同様に、6つの下アームSW素子64を設け、各相に2つのSW素子64を割り当てることもできる。
<II−C.放電制御>
[II−C−1.全般]
上記実施形態では、インバータ短絡制御を行う条件として、車両10の運転終了及び車両10の衝突発生を用いた(図2のS1)。しかしながら、例えば、上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御を用いる観点からすれば、これに限らない。例えば、車両10の運転終了又は車両10の衝突発生の一方のみを用いることも可能である。
上記実施形態では、上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御と通電重複制御とを組み合わせて用いた(図2〜図4)。しかしながら、例えば、上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御を用いる観点からすれば、通電重複制御を省略することも可能である。反対に、通電重複制御に着目すれば、上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御を同時に発生させるのみの構成も可能である。
[II−C−2.上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御]
上記実施形態では、上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御のデューティ比DUTup、DUTlowを互いに等しい値(50%)にした(図3及び図4)。しかしながら、例えば、上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御を用いる観点からすれば、これに限らない。例えば、デューティ比DUTup、DUTlowの一方を50%よりも大きくし、他方を50%よりも小さくすることも可能である。或いは、インバータ短絡制御の開始当初は、デューティ比DUTup、DUTlowの合計を100%よりも小さくしておき、コンデンサ電圧Vcの低下等に応じてデューティ比DUTup、DUTlowの合計を100%に近付けることも可能である。
上記実施形態では、1スイッチング周期Pswの中に上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御を含ませた(図4)。しかしながら、例えば、上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御を用いる観点からすれば、これに限らない。例えば、第1スイッチング周期Psw1において上アーム3相短絡制御を行い、これに続く第2スイッチング周期Psw2において下アーム3相短絡制御を行うことも可能である。或いは、第1スイッチング周期Psw1において上アーム3相短絡制御を行い、第2スイッチング周期Psw2において上アーム3相短絡制御から下アーム3相短絡制御に切り替え、第3スイッチング周期Psw3において下アーム3相短絡制御を行うことも可能である。
上記実施形態では、上アーム52u、52v、52wとモータ12による閉回路100を生成する際、3相全ての上アーム52u、52v、52wをオンにした(図5)。しかしながら、例えば、上アーム52u、52v、52wとモータ12による閉回路100内を短絡させる観点又は上アーム52u、52v、52wを用いての短絡と下アーム54u、54v、54wを用いての短絡を交互に切り替える観点からすれば、2相又は1相の上アーム52のみ(例えば上アーム52v、52wのみ)をオンにしてもよい。この場合、2相の組合せ又は1相を順次切り替えることも可能である。下アーム54u、54v、54wについても同様である。
上記実施形態では、上アーム3相短絡制御において各SW素子60u、60v、60wを完全にオンさせ、下アーム3相短絡制御において各SW素子64u、64v、64wを完全にオンさせることを前提としていた(図4)。しかしながら、例えば、上アーム3相短絡制御及び下アーム3相短絡制御を切り替えて用いる観点からすれば、これに限らない。
[II−C−3.通電重複制御]
上記実施形態のインバータ短絡制御(通電重複制御)では、デッドタイムdtの長さをdt1とdt2の2段階とした(図3)。しかしながら、例えば、コンデンサ電圧Vcの低下又はモータ回転数Nmotの減少に応じて通電重複期間Tovを長くする観点(又はデッドタイムdtを短くする観点)からすれば、これに限らない。例えば、コンデンサ電圧Vc又はモータ回転数Nmotとデッドタイムdtとの関係を規定したマップを用いてデッドタイムdtの長さを設定することも可能である。
上記実施形態では、デッドタイムdtの長さを切り替える条件としてコンデンサ電圧Vcを用いた(図3のS12)。しかしながら、例えば、各SW素子60u、60v、60w、64u、64v、64wの発熱を抑制する観点からすれば、これに限らない。例えば、コンデンサ電圧Vcに加えて又はこれに代えて、モータ回転数Nmot又はモータ12の回生電圧Vreg[V]の低下に応じてデッドタイムdtを短くすることも可能である。
上記実施形態では、インバータ短絡制御の開始に合わせて通電重複制御を開始した(図2〜図4)。しかしながら、例えば、コンデンサ電圧Vc又は回生電圧Vregが低くなった時点で通電重複制御を開始する観点からすれば、これに限らない。例えば、インバータ短絡制御の開始後において、コンデンサ電圧Vcが第3電圧閾値THvc3(THvc3>THvc2>THvc1)以下になったとき、通電重複制御を開始してもよい。
III.符号の説明
10…電動車両(電力システム)
12…モータ(電動機)
14…インバータ
16…高電圧バッテリ(電源)
18…コンデンサ
30…衝突検出装置(異常検出装置)
34…ECU(制御装置)
52u、52v、52w…上アーム
54u、54v、54w…下アーム
Tov…通電重複期間

Claims (2)

  1. 電動機(12)と、
    電源(16)と、
    U相、V相及びW相の上アーム(52u、52v、52w)及び下アーム(54u、54v、54w)を含むインバータ(14)と、
    前記インバータ(14)を制御して前記電源(16)から前記電動機(12)への電力供給を制御する制御装置(34)と、
    前記インバータ(14)の直流端側で前記インバータ(14)に並列接続されるコンデンサ(18)と、
    前記電動機(12)の停止又は出力低減を要する異常を検出する異常検出装置と
    を備える電力システムであって、
    前記異常検出装置が前記異常を検出した際、前記制御装置(34)は、全ての前記上アーム(52u、52v、52w)を通電状態とし、全ての前記下アーム(54u、54v、54w)を非通電状態とする上アーム3相短絡制御と、全ての前記上アーム(52u、52v、52w)を非通電状態とし、全ての前記下アーム(54u、54v、54w)を通電状態とする下アーム3相短絡制御とを交互に切り替える切替制御を行い、
    さらに、前記制御装置(34)は、前記上アーム3相短絡制御と前記下アーム3相短絡制御の切替え時に、前記上アーム(52u、52v、52w)に電流が流れる状態と前記下アーム(54u、54v、54w)に電流が流れる状態とが同時に発生する通電重複期間を発生させ
    さらに、前記制御装置(34)は、前記切替制御の開始時の前記通電重複期間よりも、その後の前記通電重複期間を長くする
    ことを特徴とする電力システム。
  2. 請求項1に記載の電力システムにおいて、
    前記電力システムは、前記電動機(12)を駆動源とする電動車両(10)に適用され、
    前記異常検出装置は、前記電動車両(10)の衝突を検出する衝突検出装置(30)である
    ことを特徴とする電力システム。
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