(57)【要約】【課題】本明細書は、並列に接続されている複数の電力コンバータを備えている電気自動車に関し、車両の予測される負荷に応じて適切に電力コンバータの駆動数を調整する技術を提供する。【解決手段】電気自動車は、電源と、走行用のモータと、電源とモータの間に接続されており、電源の電力をモータの駆動電力に変換する複数の電力コンバータと、制御装置を備えている。複数の電力コンバータは並列に接続されている。制御装置は、電力コンバータの駆動数を決定するとともに、決定した駆動数の電力コンバータに駆動信号を供給する。制御装置は、車両の予定走行経路の情報に基づいて車両の負荷を予測する。制御装置は、予測された負荷が現在の負荷よりも大きい場合、総流入電流量に基づいて決定された駆動数をさらに増やすとともに、駆動信号を生成するためのキャリア信号の周波数を下げる。【選択図】図２
2020088870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と、
走行用のモータと、
前記電源と前記モータの間に接続されており、前記電源の電力を前記モータの駆動電力に変換する電力コンバータであって、並列に接続されている複数の前記電力コンバータと、
前記電力コンバータの駆動数を決定するとともに、決定した前記駆動数の前記電力コンバータに駆動信号を供給する制御装置と、
を備えており、
前記制御装置は、
複数の前記電力コンバータへの総流入電流量に基づいて、前記駆動数を決定するとともに、前記駆動信号を生成するためのキャリア信号の周波数を決定し、
車両の予定走行経路の情報に基づいて前記車両の負荷を予測し、
予測された前記負荷が現在の負荷よりも大きい場合、決定された前記駆動数を増加させるともに決定された前記周波数を低くする、
電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、電気自動車に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電源と、走行用のモータと、電源とモータの間に接続され、電源の電力をモータの駆動電力に変換するコンバータであって、並列に接続される複数の電力コンバータと、複数の電力コンバータのうちの一部のコンバータの部品の温度を検出する温度センサと、温度センサによって検出される温度に応じて、コンバータの出力を制限する制御装置を備える電気自動車が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１２／１６４６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
複数の電力コンバータを備える利点は、負荷に応じて駆動する電力コンバータの数を調整できることにある。負荷に応じて駆動する電力コンバータの数を調整することによって、それぞれの電力コンバータを効率の良い入力電力範囲で動作させることができる。しかしながら、従来の電気自動車では、負荷が増えれば電力コンバータの駆動数を増やし、負荷が減少したら駆動数を減らすように制御しており、負荷が変動してから電力コンバータの駆動数を調整していた。負荷が変動してから駆動数を調整するまでの間、負荷と駆動数がアンバランスになってしまう。負荷に応じた電力コンバータの駆動数の調整技術には改善の余地がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本明細書が開示する電気自動車は、電源と、走行用のモータと、複数の電圧コンバータと、制御装置を備えている。複数の電力コンバータは並列に接続されている。複数の電力コンバータは、電源とモータの間に接続されており、電源の電力をモータの駆動電力に変換することができる。制御装置は、電力コンバータの駆動数を決定するとともに、決定した駆動数の電力コンバータへ駆動信号を供給する。制御装置は、複数の電力コンバータへの総流入電流量に基づいて、電力コンバータの駆動数を決定するとともに、駆動信号を生成するためのキャリア信号の周波数を決定する。制御装置は、さらに、車両の予定走行経路の情報に基づいて車両の負荷を予測する。制御装置は、予測された負荷が現在の負荷よりも大きい場合、決定された駆動数を増加させるともに決定された周波数を低くする。
【０００６】
本明細書が開示する電気自動車は、将来の負荷を予測に基づいて、現在の負荷が増加する前に電力コンバータの駆動数を増やしておく。負荷変動と駆動数の調整のタイムラグが小さくなり、電力コンバータを効率の良い入力電力範囲で利用できる機会が増える。なお、高負荷が予想される場合にはキャリア周波数を下げることで、電力コンバータの発熱を抑えることができる。予定走行経路の情報の典型は、予定走行経路の勾配情報である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施例の電気自動車の電力系のブロック図を示す。
【図２】駆動数調整制御のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
（電気自動車１００の構成；図１）
図面を参照して実施例の電気自動車を説明する。図１に、実施例の電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。図１における矢印付破線は信号線を意味している。
【０００９】
図１に示すように、電気自動車１００は、走行用のモータ３２と、直流電源としての燃料電池２１及びバッテリ３４と、多相コンバータ２と、インバータ３１と、電力変換器３５を備えている。多相コンバータ２は、燃料電池２１の出力電圧を、モータ３２の駆動電圧まで昇圧してインバータ３１に供給する。電力変換器３５は、バッテリ３４の出力電力をモータ３２の駆動電圧まで昇圧してインバータ３１に供給する。インバータ３１は、多相コンバータ２及び電力変換器３５が出力した直流電力を交流電力に変換してモータ３２に供給する。
【００１０】
インバータ３１は、モータ３２が発電した交流電力を直流電力に変換する機能も有している。電力変換器３５は、インバータ３１によって変換された直流電力を降圧してバッテリ３４へ供給する機能も有している。電力変換器３５は、いわゆる双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。電力変換器３５によって降圧された電力はバッテリ３４に蓄えられる。電力変換器３５は、燃料電池２１が出力する電力のうち、モータ３２の駆動に使われなかった余剰電力を降圧してバッテリ３４に蓄える場合もある。
【００１１】
多相コンバータ２は、４個の昇圧コンバータ回路１０ａ−１０ｄと、コンデンサ２２、２４と、電流センサ２３と、電圧センサ２５と、コントローラ１７を備えている。以下では、説明の便宜上、昇圧コンバータ回路１０ａ−１０ｄを、単純に、コンバータ回路１０ａ−１０ｄと称する。
【００１２】
４個のコンバータ回路１０ａ−１０ｄは、共通の入力端１２ａ、１２ｂと、共通の出力端１３ａ、１３ｂの間に並列に接続されている。４個のコンバータ回路１０ａ―１０ｄは、全て、入力される電力の電圧を昇圧して出力する機能を有している。すなわち、コンバータ回路１０ａ−１０ｄは、それぞれ、燃料電池２１の出力電圧を、モータ３２の駆動電圧まで昇圧する。コンバータ回路１０ａ−１０ｄは、全て、同じ構造を有している。
【００１３】
共通の入力端１２ａ、１２ｂの間にはコンデンサ２２が接続されており、共通の出力端１３ａ、１３ｂの間にはコンデンサ２４が接続されている。コンデンサ２２は、コンバータ回路１０ａ−１０ｄに入力される電流を平滑化し、コンデンサ２４は、コンバータ回路１０ａ−１０ｄから出力される電流を平滑化する。
【００１４】
コンバータ回路１０ａについて説明する。コンバータ回路１０ａは、スイッチング素子３ａと、ダイオード４ａ、６ａと、リアクトル５ａと、温度センサ７ａを備えている。リアクトル５ａの一端が入力端正極１２ａに接続されており、他端はダイオード６ａのアノードに接続されている。ダイオード６ａのカソードは出力端正極１３ａに接続されている。
【００１５】
コンバータ回路１０ａの入力端負極１２ｂと出力端負極１３ｂは直接に接続されている。リアクトル５ａとダイオード６ａの中間点と入力端負極１２ｂ（出力端負極１３ｂ）の間に、スイッチング素子３ａが接続されている。ダイオード４ａは、スイッチング素子３ａに対して逆並列に接続されている。
【００１６】
温度センサ７ａは、スイッチング素子３ａの温度を計測する。温度センサ７ａは、コンバータ回路１０ａのなかで、最も温度が高くなる箇所に配置されていればよい。温度センサ７ａは、例えば、スイッチング素子３ａのチップ内に備えられている。コンバータ回路１０ａのなかでリアクトル５ａの温度の方が重要である場合は、温度センサ７ａはリアクトル５ａに配置されてもよい。あるいは、スイッチング素子とリアクトルの双方に温度センサが備えられていても良い。
【００１７】
コンバータ回路１０ｂは、スイッチング素子３ｂと、ダイオード４ｂ、６ｂと、リアクトル５ｂと、温度センサ７ｂを備えている。コンバータ回路１０ｃは、スイッチング素子３ｃと、ダイオード４ｃ、６ｃと、リアクトル５ｃと、温度センサ７ｃを備えている。コンバータ回路１０ｄは、スイッチング素子３ｄと、ダイオード４ｄ、６ｄと、リアクトル５ｄと温度センサ７ｄを備えている。コンバータ回路１０ｂ−１０ｄの構造は、コンバータ回路１０ａの構造と同一である。
【００１８】
コンバータ回路１０ａ−１０ｄのスイッチング素子３ａ−３ｄは、トランジスタであり、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。スイッチング素子３ａ−３ｄは、コントローラ１７によって制御される。コントローラ１７は、所定のデューティ比の駆動信号をスイッチング素子３ａ−３ｄに供給する。スイッチング素子３ａ−３ｄの夫々が駆動信号のデューティ比でオンオフすると、入力端１２ａ、１２ｂに印加されている燃料電池２１の電力の電圧が昇圧されて、出力端１３ａ、１３ｂから出力される。別言すれば、コンバータ回路１０ａ（１０ｂ−１０ｄ）は、デューティ比で制御される電力変換用のスイッチング素子３ａ（３ｂ−３ｄ）によって入力電圧を昇圧する。
【００１９】
コンバータ回路１０ａ−１０ｄは、同じ構造を有している。コントローラ１７は、所定のデューティ比の駆動信号をスイッチング素子３ａ−３ｄの夫々に供給する。ただし、コントローラ１７は、タイミングを異ならせて、スイッチング素子３ａ−３ｄの夫々に駆動信号を供給する。コンバータ回路１０ａ−１０ｄは、タイミングは異なるが同じ動作をする。４個のコンバータ回路１０ａ−１０ｄが同じ動作をすることで、４個のコンバータ回路１０ａ−１０ｄの並列接続回路は、あたかもひとつのコンバータ回路のように動作する。なお、スイッチング素子３ａ−３ｄへの駆動信号を生成する際には、所定の周波数のキャリア信号が用いられる。
【００２０】
多相コンバータ２は、燃料電池２１から供給される電流（多相コンバータ２への総入力電流Ｉｆｄｃ）を計測する電流センサ２３と、昇圧後の電圧（多相コンバータ２の出力電圧ＶＨ）を計測する電圧センサ２５を備えており、夫々のセンサの計測値はコントローラ１７へ送られる。コントローラ１７は、センサからのデータと、後述する上位コントローラ４０から取得される情報（具体的には、予測情報）に基づいて、コンバータ回路１０ａ−１０ｄを制御する。
【００２１】
上位コントローラ４０には、カーナビゲーション装置４１と、無線装置４２が接続されている。無線装置４２は、他の車や道路交通センタと通信することができ、他の車や道路交通センタから様々な情報を取得することができる。カーナビゲーション装置４１はＧＰＳとマップデータを備えており、地図上での自車位置を特定することができる。また、カーナビゲーション装置４１は、現在地からユーザが設定する目的地までの経路を探索し、ユーザ（ドライバ）に提示することができる。カーナビゲーション装置４１には、道路の勾配や制限速度など道路情報が記憶されている。車に搭載されるカーナビゲーション装置４１はモニタとヒューマンマシンインタフェイスのみであり、データを格納する記憶媒体とプログラムを含む装置の本体は、無線で接続される車外の装置（サーバ）であってもよい。
【００２２】
上位コントローラ４０は、カーナビゲーション装置４１から、あるいは、無線装置４２を通じて車外の装置から、電気自動車１００の予定走行経路の特徴を示す情報（経路情報）を取得し、取得された経路情報に基づいて、予定走行経路における電気自動車１００の負荷を予測する。予定走行経路は、目的地が設定されている場合は目的地までの経路のうち、電気自動車１００の直前の経路部分を意味し、目的地が設定されていない場合には、車両の前方の道路を意味する。
【００２３】
例えば、経路情報に、下り坂走行、渋滞走行、走行経路が高速道路や郊外から市街地に切り替わること、等が含まれている場合には、予定走行経路における電気自動車１００の負荷は現在の負荷よりも小さくなると予測される。一方、例えば、経路情報に、上り坂走行、走行経路が市街地から高速道路や郊外に切り替わること、等が予測される場合には、予定走行経路における電気自動車１００の負荷は現在の負荷よりも大きくなることが予測される。上位コントローラ４０は、これらの予測結果（即ち、予定走行経路における負荷の大きさ）を示す予測情報を生成し、随時、多相コンバータ２のコントローラ１７に供給する。
【００２４】
多相コンバータ２の説明に戻る。多相コンバータ２のコントローラ１７は、総入力電流Ｉｆｄｃ（燃料電池２１の出力電流）の大きさに応じて、駆動するコンバータ回路の数（駆動数）を決定する。具体的には、コントローラ１７は、総入力電流Ｉｆｄｃが大きくなるにつれて、駆動数を増やす。他方、コントローラ１７は、総入力電流Ｉｆｄｃが小さくなるにつれて、駆動数を減らす。また、コントローラ１７は、総入力電流Ｉｆｄｃの大きさに応じて、スイッチング素子３ａ−３ｄへの駆動信号を生成する際に参照するキャリア信号の周波数（キャリア周波数）も決定する。なお、コントローラ１７は、総入力電流Ｉｆｄｃに加えて、温度センサ７ａ−７ｄが計測するスイッチング素子３ａ−３ｄの温度も参照して駆動数とキャリア周波数を決定してもよい。例えば、スイッチング素子３ａ−３ｄの温度が所定の閾値よりも高いときの駆動数は、温度が通常範囲内である場合の駆動数よりも多くする、などである。逆に、スイッチング素子３ａ−３ｄの温度が極端に低い場合には、温度が通常範囲内である場合の駆動数よりも少なくする。そうすると、１個当たりのスイッチング素子に流れる電流が増え、自己発熱によりスイッチング素子の温度が上昇する。スイッチング素子の温度が適正範囲に入ったら、キャリア周波数を元に戻す。
【００２５】
さらに、コントローラ１７は、上位コントローラ４０から送られる予測情報（すなわち、予定走行経路における負荷の大きさを示す情報）に基づいて、駆動するコンバータ回路の数（駆動数）を調整する。
【００２６】
（駆動数調整制御；図２）
図２を参照して、コントローラ１７の制御（駆動数調整制御）を説明する。図２に、駆動数調整制御のフローチャートを示す。コントローラ１７は、走行中、所定の周期で図２の処理を繰り返し実行する。
【００２７】
まず、コントローラ１７は、総入力電流Ｉｆｄｃに基づいて、昇圧コンバータ回路の駆動数を決定するとともに、キャリア周波数を決定する（ステップＳ２）。この処理については前述したとおりである。
【００２８】
次に、コントローラ１７は、上位コントローラ４０から、予測情報を取得する（ステップＳ４）。上記の通り、上位コントローラ４０は、カーナビゲーション装置４１などから取得される予定走行経路を示す経路情報に基づいて、予定走行経路における電気自動車１００の負荷を予測し、予測結果を示す予測情報を生成する。そして、上位コントローラ４０は、生成された予測情報を随時コントローラ１７に供給する。
【００２９】
以下では、予測情報に含まれている予定走行経路における負荷の予測値を予測負荷と称する。コントローラ１７は、予測負荷を、「現在の負荷＋マージン」と比較する（ステップＳ５）。「現在の負荷」とは、現在走行している道路における車両の負荷である。現在の負荷には、過去においてコントローラ１７が予測した予測負荷が流用できる。例えば、過去において、電気自動車１００は、前方の地点Ａの負荷を予測する。電気自動車１００が走行して地点Ａを通過するとき、過去において予測した地点Ａの予測負荷が、現在の負荷として用いられる。「マージン」については後述する。
【００３０】
コントローラ１７は、予測負荷が「現在の負荷＋マージン」よりも大きい場合、ステップＳ２で決定された駆動数を増加するとともに、ステップＳ２で決定したキャリア周波数を下げる（ステップＳ５：ＹＥＳ、ステップＳ７）。予測負荷が現在の負荷よりも大きい場合、予測負荷の対象地点に到着する前に、あらかじめ駆動数を増やしておくことで、対象地点に到着したときの負荷の増大に予め備えておくことができる。
【００３１】
また、キャリア周波数を下げることによって、リプルが低減されるので、スイッチング素子の温度上昇が抑えられる。すなわち、負荷が大きくなる前にキャリア周波数を低くすることによって、負荷の増大に備えることができる。
【００３２】
予測負荷が「現在の負荷＋マージン」よりも小さい場合（ステップＳ５：ＮＯ）、コントローラ１７は、予測負荷を「現在の負荷−Ｍａｇｉｎ」と比較する（ステップＳ６）。予測負荷が「現在の負荷−Ｍａｇｉｎ」よりも小さい場合、コントローラ１７は、ステップＳ２で決定された駆動数を減らす（ステップＳ６：ＹＥＳ、ステップＳ８）。さらに、コントローラ１７は、ステップＳ２で決定されたキャリア周波数を上げる。予測負荷が「現在の負荷−マージン」よりも小さい場合、予測負荷の対象地点に到着する前に、あらかじめ駆動数を減らしておくことで、対象地点に到着したときは負荷に応じた駆動数となっている。
【００３３】
予測負荷が「現在の負荷＋Ｍａｇｉｎ」よりも小さく、かつ、「現在の負荷−マージン」よりも大きい場合（ステップＳ６：ＮＯ）、コントローラ１７は、そのまま処理を終了する。すなわち、昇圧コンバータ回路１０ａ−１０ｄのうち、ステップＳ２で決定された駆動数の回路が駆動対象となる。また、ステップＳ２で決定されたキャリア周波数のキャリア信号に基づいて駆動信号が生成される。
【００３４】
上記の処理で理解されるように、「マージン」は、いわゆる制御の不感帯をつくるための定数である。あるいは、従って、「予測負荷が現在の負荷＋（−）マージンよりも大きい（小さい）場合」とは、技術思想としては、「予測負荷が現在の負荷よりも大きい（小さい）場合」ということと同義である。
【００３５】
以上のとおり、電気自動車１００は、予測負荷に応じて昇圧コンバータ回路１０ａ−１０ｄの駆動数を調整するとともに、キャリア周波数を調整する。負荷が変動するのに先立って駆動数とキャリア周波数を調整するので、負荷が変動したときに駆動数とキャリア周波数のミスマッチが生じることを防ぐことができる。本明細書が開示する技術によれば、各昇圧コンバータ回路を、効率のよい入力電流の範囲で使える機会が増える。本実施例の電気自動車１００は、今後の走行経路に基づいて予測される今後の負荷に応じて、適切に多相コンバータ２の出力を調整することができる。
【００３６】
請求項の記載と本実施例との対応関係を説明しておく。昇圧コンバータ回路１０ａ−１０ｄが、「複数のコンバータ」の一例である。コントローラ１７及び上位コントローラ４０の組み合わせが「制御装置」の一例である。
【００３７】
実施例では、コントローラ１７は、図２のステップＳ２において、総入力電流に基づいて駆動数を決定する。総入力電流は、総出力電流に等しい。また、総入力電流は、アクセルペダル開度、及び、モータ出力（目標出力）と正の相関がある。従って、「総入力電流に基づいて駆動数を決定する」とは、「総出力電流に基づいて駆動数を決定する」こと、「アクセル開度に基づいて駆動数を決定する」こと、および、「モータの出力に基づいて駆動数を決定する」こと、さらには、「モータの目標出力に基づいて駆動数を決定する」ことと同義である。
【００３８】
予測負荷、現在の負荷の一例は、道路勾配である。一例では、コントローラ１７は、前方の道路（予定走行経路）の道路勾配が車両真下の道路の勾配よりも大きければ、予測負荷が現在の負荷よりも大きいと判定する。逆に、コントローラ１７は、前方の道路の道路勾配が車両真下の道路の勾配よりも小さければ、予測負荷が現在の負荷よりも小さいと判定する。
【００３９】
あるいはコントローラ１７は、現在の車速が所定の車速以上であり、かつ、前方の道路（予定走行経路）における平均車速が別の所定の車速以下の場合（典型的には渋滞している場合）、予測負荷が現在の負荷よりも小さいと判定してもよい。
【００４０】
以上、本明細書で開示する技術の具体例を説明したが、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。上記の実施例の変形例を以下に列挙する。
【００４１】
（変形例１）実施例では、多相コンバータ２は４個のコンバータ回路１０ａ―１０ｄを備えている。これに限られず、多相コンバータが備えているコンバータ回路の数は、２個以上であれば任意の数であってもよい。
【００４２】
（変形例２）実施例では、コンバータ回路１０ａ―１０ｄは、いずれも、温度センサ７ａ−７ｄを備えている。これに限られず、温度センサは、コンバータ回路１０ａ―１０ｄのうちのいずれかに設けられていてもよい。一般的に言うと、温度センサは、複数のコンバータ回路のうちの少なくとも１個のコンバータ回路の部品の温度を検出できればよい。
【００４３】
（変形例３）実施例では、電気自動車１００は、燃料電池２１を電源とする燃料電池車である。これに限られず、本明細書で開示する技術は、ＥＶ車だけでなく、ハイブリッド車、ＰＨＶ車など、電源と走行用のモータとを有するあらゆるタイプの電気自動車に対して適用されてもよい。
【００４４】
（変形例４）実施例のコンバータ回路１０ａ−１０ｄは昇圧コンバータであった。本明細書で開示される技術は、複数の降圧コンバータ回路が並列に接続されている多相コンバータを搭載する電気自動車に適用することも可能である。
【００４５】
（変形例５）実施例では、上位コントローラ４０が、カーナビゲーション装置４１などから取得される経路情報等に基づいて予測情報（即ち、今後の走行予定経路を走行する場合の負荷の大きさを示す情報）を生成し、コントローラ１７が、上位コントローラ４０から予測情報を取得している。これに限られず、コントローラ１７が、カーナビゲーション装置４１などから経路情報等を取得し、予測情報を生成してもよい。この変形例では、コントローラ１７が「制御装置」の一例である。
【００４６】
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。
【符号の説明】
【００４７】
２：多相コンバータ
３ａ−３ｄ：スイッチング素子
４ａ−４ｄ、６ａ−６ｄ：ダイオード
５ａ−５ｄ：リアクトル
７ａ−７ｄ：温度センサ
１０ａ−１０ｄ：昇圧コンバータ回路（コンバータ回路）
１７：コントローラ
２１：燃料電池
２２、２４：コンデンサ
２３：電流センサ
２５：電圧センサ
３１：インバータ
３２：モータ
３４：バッテリ
３５：電力変換器
４０：上位コントローラ
４１：カーナビゲーション装置
４２：無線装置
１００：電気自動車
【図１】
2020088870.tif 000003
【図２】
2020088870.tif 000004