(57)【要約】【課題】切替変調率を車両の状況に応じて変更し、モータの部分放電を抑制して、モータの絶縁寿命が短くなることを抑制する技術を提供する。【解決手段】本明細書で開示する電気自動車２は、直流電源１０と、インバータ２０と、インバータ２０の制御モードを、過変調制御モードと矩形波制御モードとの間で切り替える制御装置７０とを備える。制御装置７０は、インバータ２０の制御モードを過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替える切替変調率を現在地の標高とモータ４０の温度とに基づいて決定する。【選択図】図１
2014027763.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
直流電源から電力の供給を受けて走行用のモータに交流電力を出力するインバータと、
インバータの制御モードを、過変調制御モードと矩形波制御モードとの間で切り替える制御装置と、を備え、
制御装置は、
インバータの制御モードを過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替える切替変調率を現在地の標高とモータの温度の少なくとも一方に基づいて決定する、
電気自動車。
【請求項２】
制御装置は、前記切替変調率を、現在地の標高とモータの温度の双方に基づいて決定する、請求項１の電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示する技術は、モータを動力源とす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、モータとエンジンを備えるハイブリッド車や燃料電池車を含む。
【背景技術】
【０００２】
モータに交流電力を出力するインバータのサージ電圧を抑制する技術が提案されている。例えば特許文献１には、インバータのスイッチング素子がターンオンする際に、ターンオンから一定時間が経過するまでの間、ゲート電圧を相対的に小さく設定し、一定時間が経過した後に、ゲート電圧を相対的に大きく設定することによって、サージ電圧を抑制する技術が開示されている。特許文献１の技術では、ゲート電圧を切り替えるタイミングを、システム電圧や電流指令、インバータ温度、気圧等により調整している。
【０００３】
また、インバータの出力電圧を高めるために、インバータの制御モードを、所定の条件の下で過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替える技術も知られている（例えば特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１６０９号公報
【特許文献２】特開２０１１−６７０１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、過変調制御は矩形波制御よりもモータの制御性能が優れており、一方、矩形波制御は過変調制御よりも高出力性能に優れている。それゆえ、変調率の低いうちは過変調性制御を採用し、特定の変調率を超える場合は矩形波制御を採用するという制御ルールが提案されている（例えば特許文献２）。特許文献２の技術では、変調率が特定の値（変調率閾値）よりも小さいうちは過変調制御でモータを制御し、変調率が変調率閾値を超えた場合は矩形波制御に切り替える。ここで、過変調制御から矩形波制御への切り替え時には、少なからず電圧の急変が起こり、モータへのサージ電圧が発生する。サージ電圧がモータにおける部分放電開始電圧を超えると部分放電が発生してモータの絶縁がダメージを受ける虞がある。モータの絶縁がダメージを受けると、モータの絶縁寿命が短くなる。本明細書は、切替変調率を車両の状況に応じて適切に変更し、モータの部分放電を抑制して、モータの絶縁寿命が短くなることを抑制する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
モータの絶縁性に影響を与える条件の一つにモータの温度がある。モータの温度が高温になるほど絶縁性能は低下する。モータの絶縁性に影響を与える他の条件として、周囲の気圧がある。気圧が低いほど部分放電開始電圧が下がり、放電し易くなる。そこで、本明細書が開示する電気自動車では、インバータの制御モードを矩形波制御モードと過変調制御モードとの間で切り替える制御装置を備え、制御装置は、インバータの制御モードを過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替える閾値となる切替変調率を現在地の標高とモータの温度の少なくとも一方に基づいて決定する。
【０００７】
過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替える際に発生するサージ電圧が小さければ、モータの部分放電を回避し、モータの絶縁性に与えるダメージを小さくすることができる。サージ電圧を小さくするためには、切替変調率を下げればよい。この点、上記の構成によると、制御装置は、例えば、モータの温度が所定の温度閾値より高温である場合に、モータの温度が所定の温度閾値より低温である場合に比べて、低い切替変調率を決定し、インバータの変調率が、その切替変調率より大きくなる場合に、インバータの制御モードを過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えることができる。その結果、モータの温度が所定の温度閾値よりも高い場合においてインバータの制御モードを切り替える際のサージ電圧を、モータの温度が所定の温度閾値より低い場合に比べて、小さくすることができる。そのため、モータの温度が高温になり、モータの絶縁性能が低下する場合であっても、サージ電圧も小さくなるのでモータの絶縁性に与えるダメージを小さくすることができる。従って、モータの絶縁寿命が短くなることを抑制することができる。
【０００８】
また、上記の構成によると、制御装置は、例えば、標高が所定の標高閾値より高い場合に、標高が所定の標高閾値より低い場合に比べて、低い切替変調率を決定し、インバータの変調率が、その切替変調率より大きくなる場合に、インバータの制御モードを過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えることができる。その結果、現在地の標高が所定の標高閾値よりも高い場合においてインバータの制御モードを切り替える際のサージ電圧を、標高が所定の標高閾値より低い場合に比べて、小さくすることができる。そのため、走行する現在地の標高が高くなり、モータの部分放電開始電圧が低下する場合であっても、サージ電圧がモータの部分放電開始電圧より大きくなることを抑制し、部分放電を回避することができる。従って、モータの絶縁寿命が短くなることを抑制することができる。
【０００９】
なお、制御装置は、切替変調率を現在地の標高とモータの温度の双方に基づいて決定してもよい。切替変調率の決定ルールの一例は、モータ温度をパラメータとする切替変調率のマップ、標高をパラメータとする切替変調率のマップ、あるいは、モータ温度と標高の双方をパラメータとする切替率のマップを予め決定して制御装置に記憶させておくことである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】モータ制御系の回路構成図である。
【図２】制御装置が実行する切り替え処理のフローチャートである。
【図３】第１実施例における、標高と切替変調率との関係を示すグラフである。
【図４】第１実施例における、モータ温度と切替変調率との関係を示すグラフである。
【図５】第２実施例における、標高と切替変調率との関係を示すグラフである。
【図６】第２実施例における、モータ温度と切替変調率との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、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。
【００１２】
（特徴１）制御装置は、モータの温度が所定の温度閾値より高温である場合に、モータの温度が所定の温度閾値より低温である場合に比べて、低い切替変調率を決定する。
【００１３】
（特徴２）制御装置は、標高が所定の標高閾値より高い場合に、標高が所定の標高閾値より低い場合に比べて、低い切替変調率を決定する。
【００１４】
（第１実施例）
本実施例の電気自動車２は、直流電源とモータを搭載する電気自動車である。図１に、電気自動車２に搭載されるモータ制御系の回路構成図を示す。図１に示すように、電気自動車２は、直流電源１０と、コンデンサ１２と、インバータ２０と、モータ４０と、温度センサ５０と、標高センサ６０と、制御装置７０とを備える。
【００１５】
直流電源１０は、モータ４０を駆動するための電力を蓄えるバッテリである。直流電源１０は、典型的には、リチウムイオン電池や、ニッケル水素電池である。他の例では、直流電源１０として燃料電池を用いることもできる。
【００１６】
コンデンサ１２は、直流電源１０とインバータ２０との間に設けられており、インバータ２０への入力電流の脈動を抑える平滑コンデンサとして機能する。
【００１７】
インバータ２０は、直流電源１０から供給された直流電力を、モータ４０の駆動に適した交流電力に変換し、モータ４０に供給する。インバータ２０は、２個のスイッチング素子２２の直列接続が３セット（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相）並列に接続された構造を有している。各スイッチング素子２２には、還流ダイオード２４が逆並列接続されている。
【００１８】
モータ４０は、電気自動車２の走行用の動力源である。モータ４０は、インバータ２０から交流電力の供給を受けて駆動する。
【００１９】
温度センサ５０は、モータ４０の温度を検出するセンサである。標高センサ６０は、電気自動車２の現在地の標高を検出するセンサである。詳しく言うと、標高センサ６０は、現在地の気圧を検出する気圧センサを内蔵しており、気圧センサによって検出される気圧に基づいて、現在地の標高を算出する。他の例では、標高センサ６０は、電気自動車２に搭載されているナビゲーションシステムから現在地の標高を示す情報を取得することにより、現在地の標高を検出することもできる。
【００２０】
制御装置７０は、電気自動車２の上述した各構成要素と電気的に接続されており、各構成要素の動作を制御する。制御装置７０は、インバータ２０の制御モードを、正弦波制御モード、過変調制御モード、及び、矩形波制御モード、の３つの制御モードの間で切り替えることができる。従って、制御装置７０が実行する処理には、インバータ２０の制御モードを、過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替える切り替え処理（図２参照）が含まれる。
【００２１】
インバータ２０の制御モードについて説明する。正弦波制御モードでは、インバータ２０が一般的なＰＷＭ制御を行う。正弦波制御モードの出力電圧は、３つの制御モードのうち最も小さい。ただし、正弦波制御モードは、３つの制御モードのうち最もモータの制御性能に優れる。従って、正弦波制御モードは、例えば、電気自動車２が低速走行する場合のインバータ２０の制御モードとして利用される。
【００２２】
過変調制御モードでは、インバータ２０は、入力電圧の振幅を歪ませた上で、上記正弦波制御モードと同様のＰＷＭ制御を行う。過変調制御モードの出力電圧は、正弦波制御モードに比べて大きく、矩形波制御モードに比べて小さい。また、過変調制御モードは、矩形波制御モードに比べてモータの制御性能に優れる。従って、過変調制御モードは、例えば、電気自動車２が中速走行する場合のインバータ２０の制御モードとして利用される。
【００２３】
矩形波制御モードでは、インバータ２０は、ハイレベル期間とローレベル期間の比が１：１の矩形波をモータ４０に印加するように制御を行う。矩形波制御モードの出力電圧は、３つの制御モードのうち最も大きい。従って、矩形波制御モードは、例えば、電気自動車２が高速走行する場合のインバータ２０の制御モードとして利用される。
【００２４】
制御装置７０が実行する切り替え処理（インバータ２０の制御モードを過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替える処理）について、図２〜図４を参照して説明する。制御装置７０は、所定時間毎に、図２の切り替え処理を開始する。なお、過変調制御モードから矩形波制御モードへの切り替え以外の切り替えパターンについては後で簡単に触れる。
【００２５】
まず、Ｓ１０では、制御装置７０は、現在のインバータ２０の制御モードが過変調制御モードであるか否か判断する。Ｓ１０の時点で、インバータ２０の制御モードが過変調制御モードである場合、制御装置７０は、Ｓ１０でＹＥＳと判断し、Ｓ１２に進む。一方、Ｓ１０の時点で、インバータ２０の制御モードが正弦波制御モード又は矩形波制御モードである場合、制御装置７０は、Ｓ１０でＮＯと判断し、図２の切り替え処理を終了する。
【００２６】
Ｓ１２では、制御装置７０は、標高を検出するとともに、モータ温度を検出する。具体的には、Ｓ１２は、制御装置７０は、標高センサ６０が検出する現在地の標高を検出するとともに、温度センサ５０が検出するモータ４０の温度を検出する。
【００２７】
次いで、Ｓ１４では、制御装置７０は、Ｓ１２で検出された標高及びモータ温度に基づいて、切替変調率を決定する。切替変調率とは、インバータ２０の制御モードを、過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替えるための変調率閾値である。具体的には、Ｓ１４では、制御装置７０は、以下の各処理を実行することによって切替変調率を決定する。
【００２８】
制御装置７０は、図３のグラフを用いて、Ｓ１２で検出された標高に対応する切替変調率（以下「第１の切替変調率」と呼ぶ）を決定する。図３は、標高と、当該標高に対応する第１の切替変調率との関係を定めたグラフである。図３に示す標高と第１の切替変調率との関係は、予め設定されている。図３のグラフに従って、制御装置７０は、標高が１５００ｍより低い場合、第１の切替変調率を１００％に決定する。また、制御装置７０は、標高が１５００ｍ以上の場合、第１の切替変調率を９０％に決定する。
【００２９】
即ち、本実施例では、標高１５００ｍが所定の標高閾値に設定されている。標高閾値とは、標高がその値以上となると、気圧の低下によってモータ４０の部分放電開始電圧が低下し、過変調制御から矩形波制御に切り替える際のサージ電圧によって部分放電が起こる（即ち、モータ４０の絶縁性能が低下する）おそれがある値である。過変調制御から矩形波制御に切り替える切替変調率を下げることで、切り替えの際のサージ電圧を小さくし、部分放電を回避することによって、モータ４０の絶縁性へのダメージを少なくすることができる。そのため、制御装置７０は、標高が１５００ｍ以上の場合、第１の切替変調率を９０％に決定する（図３参照）。なお、標高が１５００ｍ以上の場合の第１の切替変調率を９０％としたのは、切替変調率を過剰に低く設定する（例えば７０％）と、モータ４０の動力性能が低下するためである。
【００３０】
さらに、制御装置７０は、図４のグラフを用いて、Ｓ１２で検出されたモータ温度に対応する切替変調率（以下「第２の切替変調率」と呼ぶ）を決定する。図４は、モータ温度と、当該モータ温度に対応する第２の切替変調率との関係を定めたグラフである。図４に示すモータ温度と第２の切替変調率との関係は、予め設定されている。図４のグラフに従って、制御装置７０は、モータ温度が１５０℃より低い場合、第２の切替変調率を１００％に決定する。また、制御装置７０は、モータ温度が１５０℃以上の場合、第２の切替変調率を９０％に決定する。
【００３１】
即ち、本実施例では、モータ温度１５０℃が所定の温度閾値に設定されている。温度閾値とは、モータ４０の温度がその値以上となると、モータ４０の絶縁性能が低下する値である。この場合も、過変調制御から矩形波制御に切り替える切替変調率を下げることで、切り替えの際のサージ電圧を小さくし、モータ４０の絶縁性へのダメージを少なくすることができる。そのため、制御装置７０は、モータ温度が１５０℃以上の場合、第２の切替変調率を９０％に決定する（図４参照）。
【００３２】
図２のＳ１４では、制御装置７０は、上記の各処理によって決定された第１の切替変調率及び第２の切替変調率のうち、より低い方を切替変調率として決定する。従って、例えば、制御装置７０は、第１の切替変調率が９０％に決定された場合には、第２の切替変調率が１００％に決定されたとしても、切替変調率を９０％に決定する。Ｓ１４を終えると、Ｓ１６に進む。
【００３３】
Ｓ１６では、制御装置７０は、現在のインバータ２０の変調率を算出する。制御装置７０は、インバータ２０の変調率を公知の計算式によって算出することができる。変調率に関する詳しい説明は省略する。変調率、及び、過変調制御については、例えば、特開２０１１−６７０１０号公報（先に挙げた特許文献２）を参照されたい。
【００３４】
次いで、Ｓ１８では、制御装置７０は、Ｓ１６で算出された現在の変調率が、Ｓ１４で決定された切替変調率以上であるか否かを判断する。Ｓ１８でＹＥＳの場合、制御装置７０は、Ｓ２０に進む。Ｓ１８でＮＯの場合、制御装置７０は、Ｓ２０の処理をスキップし、図２の切り替え処理を終了する。
【００３５】
Ｓ２０では、制御装置７０は、インバータ２０の制御モードを、過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替える。Ｓ２０を終えると、制御装置７０は、図２の切り替え処理を終了する。
【００３６】
なお、本明細書では、制御内容の詳細な説明を省略するが、制御装置７０は、所定の第１の条件が満たされる場合に、インバータ２０の制御モードを、正弦波制御モードから過変調制御モードに切り替える。また、制御装置７０は、所定の第２の条件が満たされる場合に、インバータ２０の制御モードを、過変調制御モードから正弦波制御モードに切り替える。さらに、制御装置７０は、所定の第３の条件が満たされる場合に、インバータ２０の制御モードを、矩形波制御モードから過変調制御モードに切り替える。上記の第１〜第３の条件は、それぞれ、任意に設定することができる。例えば、インバータ２０の変調率が所定値を上回ることを第１の条件として設定することができる。さらには、変調率の別の所定値を下回ることを第３の条件として設定することができる。第３の条件としての別の所定値は、ハンチングを防止するため、上記した切替変調率よりも小さい値に設定することが望ましい。
【００３７】
以上、本実施例の電気自動車２の構成及び制御装置７０が実行する処理の内容について説明した。上記の通り、本実施例の電気自動車２は、制御装置７０は、現在地の標高とモータ４０の温度とに基づいて、インバータ２０の制御モードを過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替える切替変調率を決定する（図２のＳ１２、Ｓ１４参照）。その際、図３に示すように、制御装置７０は、標高が所定の標高閾値（１５００ｍ）より高い場合に、標高が標高閾値より低い場合に比べて、低い第１の切替変調率（９０％）を決定する。また、図４に示すように、制御装置７０は、モータ４０温度が所定の温度閾値（１５０℃）より高温である場合に、モータ４０温度が温度閾値より低温である場合に比べて、低い第２の切替変調率（９０％）を決定する。その上で、制御装置７０は、第１の切替変調率及び第２の切替変調率のうち、より低い方を切替変調率として決定する。即ち、本実施例の制御装置７０は、電気自動車２の状況に応じて適切に切替変調率を変更することができる。この結果、本実施例の電気自動車２は、モータ４０の部分放電を抑制して、モータ４０の絶縁寿命が短くなることを抑制することができる。
【００３８】
（第２実施例）
第２実施例について、第１実施例と異なる点を説明する。本実施例では、制御装置７０が、現在地の標高及びモータ４０の温度に基づいて切替変調率を決定する処理（図２のＳ１４参照）の一部が、第１実施例と異なる。本実施例では、制御装置７０は、図３、図４の各グラフに代えて、図５、図６の各グラフを用いて、切替変調率を決定する。
【００３９】
図５は、図３と同様に、標高と、当該標高に対応する第１の切替変調率との関係を定めたグラフである。図５のグラフに示されている標高と第１の切替変調率との関係も、予め設定されている。本実施例では、図５に示すように、標高と第１の切替変調率とは、標高が標高閾値（１５００ｍ）に達するまでの間は、標高と第１の切替変調率とが所定の関数に従って定められる関係（比例関係）にある。また、標高が標高閾値以上の場合、第１の切替変調率は一律に９０％に定められている。従って、例えば、現在地の標高が７５０ｍである場合、制御装置７０は、第１の切替変調率を約９５％に決定する。一方、標高が１５００ｍ以上の場合、制御装置７０は、第１の切替変調率を９０％に決定する。
【００４０】
図６は、図４と同様に、モータ温度と、当該モータ温度に対応する第２の切替変調率との関係を定めたグラフである。図６のグラフに示されているモータ温度と第２の切替変調率との関係も、予め設定されている。本実施例では、図６に示すように、モータ温度と第２の切替変調率とは、モータ温度が温度閾値（１５０℃）に達するまでの間は、モータ温度と第２の切替変調率とが所定の関数に従って定められる関係（比例関係）にある。また、モータ温度がモータ温度閾値以上の場合、第２の切替変調率は一律に９０％に定められている。従って、例えば、モータ温度が１００℃である場合、制御装置７０は、第２の切替変調率を約９３％に決定する。一方、モータ温度が１５０℃以上の場合、制御装置７０は、第２の切替変調率を９０％に決定する。
【００４１】
以上のように第１の切替変調率と第２の切替変調率を決定した上で、制御装置７０は、第１実施例と同様に、第１の切替変調率及び第２の切替変調率のうちより低い方を切替変調率として決定する。本実施例によると、制御装置７０は、電気自動車２の状況に応じて細かく切替変調率を変更することができる。
【００４２】
以上、各実施例について詳細に説明したが、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。例えば、以下の変形例を含んでもよい。
【００４３】
（変形例１）  上記の各実施例では、制御装置７０は、現在地の標高及びモータ温度の双方に基づいて切替変調率を決定している（図２のＳ１４参照）。これに限られず、制御装置７０は、現在地の標高とモータ温度のいずれか一方のみに基づいて切替変調率を決定してもよい。
【００４４】
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み合わ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み合わ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】
【００４５】
２：電気自動車
１０：直流電源
１２：コンデンサ
２０：インバータ
２２：スイッチング素子
２４：還流ダイオード
４０：モータ
５０：温度センサ
６０：標高センサ
７０：制御装置
【図１】
2014027763.tif 000003
【図２】
2014027763.tif 000004
【図３】
2014027763.tif 000005
【図４】
2014027763.tif 000006
【図５】
2014027763.tif 000007
【図６】
2014027763.tif 000008