(57)【要約】【課題】車両の状況に応じてインバータを適切に制御し、モータの部分放電を回避して、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は、直流電源と、インバータと、モータの目標回転数に対応する周波数を有する基本電圧指令値に、基本電圧指令値の３次高調波を重畳した電圧指令値に基づいて、インバータに与えるＰＷＭ信号を生成する制御装置を備える。制御装置は、標高が所定の標高閾値より高い場合とモータの温度が所定の温度閾値より高い場合のうちの少なくとも一方であるとともに（Ｓ１４でＹＥＳの場合）、車両の速度が所定の速度閾値より高い場合（Ｓ１６でＹＥＳの場合）に、３次高調波を重畳しない（Ｓ１８）。【選択図】図２
2014045590.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、
モータの目標回転数に対応する周波数を有する基本電圧指令値に、基本電圧指令値の３次高調波を重畳した電圧指令値に基づいて、インバータに与えるＰＷＭ信号を生成する制御装置と、を備え、
制御装置は、
標高が所定の標高閾値より高い場合とモータの温度が所定の温度閾値より高い場合のうちの少なくとも一方であるとともに、車両の速度が所定の速度閾値より高い場合に、３次高調波を重畳しない、
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】
車両用のモータに交流電力を出力するインバータを制御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が開示されている。過変調制御とは、モータに印加する電圧の目標値である電圧指令値の最大値をキャリア信号の振幅よりも大きくしてＰＷＭ信号を生成する制御である。また、引用文献１、２には、インバータの制御モードが過変調制御モードである場合に、過変調制御の適用領域を拡大するために、電圧指令値に基本となる電圧指令値の３次高調波を重畳する技術が開示されている。３次高調波を重畳することにより、出力電力を高めることができる。なお、基本となる電圧指令値は、モータの目標回転数に対応する周波数の正弦波である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１１６８２号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１９２０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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制御が行われる。さらに、特許文献１、２に例示されているように、過変調制御において、モータの回転数に対応する周波数を有する電圧指令値（基本となる電圧指令値、以下、「基本電圧指令値」と称する）に３次高調波（基本電圧指令値の周波数の３倍の周波数を有する信号）を重畳することにより出力電圧を一層高めることができる。なお、厳密には、基本電圧指令値の周波数は、現在の回転数（車両速度）とアクセル開度で決定される。アクセル開度が大きければ、大きな加速が得られるように、基本電圧指令値の周波数は現在の回転数よりも高くなる。ここで、過変調制御では、基本電圧指令値として、そのピーク値がキャリア信号のピーク値よりも大きい電圧指令値を採用する。そのため、そのような基本電圧指令値に３次高調波を重畳すると、基本電圧指令値のピーク値付近で変曲点が生じ、その変曲点とキャリア信号のピーク先端が重なると、生成されるＰＷＭ信号に非常に幅の狭いパルス（或いはパルスの谷）が含まれ得る。幅の狭いパルス（或いはパルスの谷）はサージを発生させる。特に、このサージは基本電圧指令値のピーク付近で発生するため、サージ電圧も大きくなる。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おそれがある。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。
【０００５】
３次高調波に起因するサージを抑制する技術として、例えば特許文献２は、３次高調波成分の振幅を、元の電圧指令値に重畳したときに変曲点が生じない範囲に限定する技術を開示している。しかしながら、３次高調波成分の振幅を限定してしまうと、せっかくの３次高調波成分の重畳の効果が減じられてしまう。本明細書は、３次高調波を重畳する過変調制御を有効に活用しつつ、車両の状況に応じてインバータを適切に制御し、モータの部分放電を回避して、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】
本明細書が開示する技術は、過変調制御を実施している間、通常は３次高調波を重畳するが、部分放電が生じ易い特定の状況に限定して３次高調波を重畳しない。車両の状況に応じて３次高調波の利用を制限することによって、モータの部分放電を回避する。
【０００７】
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。気圧は、標高が高くなるほど低くなる。
【０００８】
また、モータの絶縁性に影響を与える他の条件として、車両の速度（車速）がある。車両の速度が高く（即ち、モータの回転数が高く）なるほど、基本電圧指令値の周波数が高くなり、インバータのスイッチング素子のスイッチング回数が多くなるため、ＰＷＭ信号における短期間のパルス（あるいはパルスの谷）が生じ易くなる。車両の速度が低ければ、インバータのスイッチング素子のスイッチング回数が少なくなるため、サージが発生し難くなる。
【０００９】
そこで、本明細書が開示する電気自動車のインバータの制御装置は、次のアルゴリズムで３次高調波を重畳するか否かを切り替える。制御装置は、過変調制御モードでインバータを制御している間、通常は、モータの目標回転数に対応する周波数を有する基本電圧指令値に、基本電圧指令値の３次高調波を重畳した電圧指令値に基づいて、インバータに与えるＰＷＭ信号を生成する。しかし、制御装置は、標高が所定の標高閾値より高い場合とモータの温度が所定の温度閾値より高い場合のうちの少なくとも一方（即ち、モータの絶縁性能が低下し易い場合）であるとともに、車両の速度が所定の速度閾値より高い場合（即ち、インバータのスイッチングが頻繁に起こり得る場合）に、モータに出力する交流電力に３次高調波を重畳しない。
【００１０】
その結果、標高が所定の標高閾値より高く、かつ、車両の速度が所定の速度閾値より高い場合のように、モータの絶縁性能が低下し易く、かつ、スイッチングが頻繁に生じ得る場合であって、結果的にモータの部分放電が起こり易くなる状況では、基本電圧指令値に３次高調波を重畳しないようにする。その結果、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。
【００１１】
一方、標高が所定の標高閾値以下であり、かつ、モータ温度が所定の温度閾値以下である場合のように、モータの絶縁性能が低下し難い状況では、ＰＷＭ信号を生成する元となる基本電圧指令値にその３次高調波を重畳する。すなわち、そのような状況下では３次高調波を重畳した過変調制御を十分に活用する。
【００１２】
従って、上記の電気自動車によると、３次高調波を重畳する過変調制御を有効に活用しつつ、車両の状況に応じてインバータを適切に制御し、モータの部分放電を回避して、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。
【００１３】
なお、本明細書が開示する電気自動車は、常に過変調制御を実施するものに限られない。インバータの制御方法には、他にも例えば矩形制御や正弦波制御などが知られている。本明細書が開示する電気自動車は、状況に応じて過変調制御と別の制御（矩形制御や正弦波制御）を切り替えるものであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【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。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（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、速度センサ６５と、制御装置７０とを備える。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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ものであってもよい。また、速度センサ６５は、電気自動車２の現在の速度を検出するセンサである。
【００２１】
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。
【００２２】
また、制御装置７０は、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に、ＰＷＭ信号を生成するためのベースとなる基本電圧指令値に３次高調波を重畳するか否かを切り替え可能である。基本電圧指令値は、モータ４０の現在の回転数（及び、アクセル開度）に基づいて決定される。アクセル開度が大きければ、大きな加速度が得られるように、モータ４０の現在の回転数よりも高い周波数の基本電圧指令値が生成される。なお、上述したように、制御装置７０は、基本電圧指令値に３次高調波を重畳する場合もある。以下、キャリア信号との比較に用いられる指令値（３次高調波を含む場合をそうでない場合を含む）を単純に電圧指令値と称する。制御装置７０は、電圧指令値をキャリア信号と比較し、電圧指令値の方が大きい期間はＨＩＧＨとなるＰＷＭ信号を生成する。なお、過変調制御モードの場合、基本電圧指令値の振幅はキャリア信号の振幅よりも大きくなるように設定される。
【００２３】
３次高調波を重畳する場合は、３次高調波を重畳しない場合（すなわち、電圧指令値が基本電圧指令値のみである場合）と比べて、出力電力が高くなる。他方、３次高調波を重畳すると、３次高調波を重畳しない場合と比較してサージが発生し易い。制御装置７０は、過変調制御モード実行時に、所定の条件に応じて３次高調波を重畳する場合と重畳しない場合がある。従って、制御装置７０が実行する処理には、インバータ２０の制御モードが過変調制御モードである場合に、３次高調波を重畳するか否かを切り替える切り替え処理（図２参照）が含まれる。過変調制御（３次高調波を重畳する場合を含む）そのものは公知であるため、本明細書では詳細な説明を省略する。過変調制御（３次高調波を重畳する場合を含む）の詳細については、例えば、上記の特許文献２（特開２０１０−１１９２０１号公報）を参照されたい。
【００２４】
インバータ２０の他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。正弦波制御モードは、モータに要求される出力が小さい場合に選択される。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。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。なお、制御装置７０は、正弦波制御モードにおいても、基本電圧指令値に３次高調波を重畳する。正弦波制御モードは、車速が低い場合に選択されるので、モータの回転数、即ち、基本電圧指令値の周波数が低いのでサージが発生し難い（大きなサージが発生し難い）。それゆえ、インバータ２０の制御モードが正弦波制御モードである場合、基本的に、制御装置７０は、基本電圧指令値に常時３次高調波を重畳し、ＰＷＭ信号を生成する。
【００２５】
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信号生成処理を行う。過変調制御モードは、モータに要求される出力が中程度の場合に選択される。制御装置７０は、過変調制御モードにおいて、基本電圧指令値に３次高調波を重畳する。ただし、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、後述の切り替え処理（図２参照）を実行することにより、所定の条件の下で、３次高調波の重畳を禁止する。
【００２６】
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。矩形波制御モードは、モータに要求される出力が大きいときに選択される。
【００２７】
制御内容の詳細な説明は省略するが、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、過変調制御モードから矩形波制御モードに切り替える。また、制御装置７０は、所定の第４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４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、変調率が別の所定値を下回ることを第４の条件として設定することができる。
【００２８】
制御装置７０が実行する切り替え処理（モータ４０の基本電圧指令値に３次高調波を重畳するか否かを切り替える処理）について、図２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。
【００２９】
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。
【００３０】
即ち、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である場合（Ｓ１０でＮＯの場合）には、モータ４０に要求される出力電力は比較的低いため、その他の条件（標高、モータ温度、速度）に関係なく、制御装置７０は、モータ４０の電圧指令値に継続して３次高調波を重畳する。一方、Ｓ１０の時点で、インバータ２０の制御モードが矩形波制御モードである場合（Ｓ１０でＮＯの場合）には、上記の通り、制御装置７０が、３次高調波を利用することはない。Ｓ１０でＮＯの場合は、現在の制御モード（正弦波モードであるか矩形波制御モードであるか）に応じて、インバータ２０を制御する。正弦波制御モードと矩形波制御モードの説明は省略する。
【００３１】
Ｓ１２では、制御装置７０は、標高を検出し、モータ温度を検出し、速度を検出する。具体的には、Ｓ１２では、制御装置７０は、標高センサ６０によって現在地の標高を検出し、温度センサ５０によってモータ４０の温度を検出し、速度センサ６５によって電気自動車２の現在の速度を検出する。
【００３２】
次いで、Ｓ１４では、制御装置７０は、Ｓ１２で検出された標高が、所定の標高閾値より高いか、又は、Ｓ１２で検出されたモータ温度が、所定の温度閾値よりも高温であるか、を判断する。
【００３３】
標高閾値とは、標高がその値より高くなると、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、部分放電が起こり易くなる（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。標高閾値は、例えば標高１５００ｍである。
【００３４】
温度閾値とは、モータ４０の温度がその値より高くなると、モータ４０の絶縁性能が低下する値である。温度閾値は、例えば１５０℃である。
【００３５】
制御装置７０は、Ｓ１２で検出された標高が標高閾値より高いか、又は、Ｓ１２で検出されたモータ温度が温度閾値よりも高温である場合に、Ｓ１４でＹＥＳと判断し、Ｓ１６に進む。
【００３６】
Ｓ１６では、制御装置７０は、Ｓ１２で検出された速度が、所定の速度閾値より高いか否かを判断する。速度閾値とは、電気自動車２の速度がその値より高くなると、インバータのスイッチング素子のスイッチング回数が多くなり、大きなサージ電圧が発生し易くなる値である。速度閾値は、例えば時速１２０ｋｍである。
【００３７】
制御装置７０は、Ｓ１２で検出された現在の電気自動車２の速度が速度閾値より高い場合、Ｓ１６でＹＥＳと判断し、Ｓ１８に進む。即ち、Ｓ１６でＹＥＳと判断される場合は、大きなサージ電圧が発生し、モータの絶縁性能の劣化が進むおそれがある場合である。
【００３８】
Ｓ１８では、制御装置７０は、モータ４０の回転数（車速）に対応する周波数を有する基本電圧指令値に３次高調波を重畳することを禁止する。次に制御装置７０は、ＰＷＭ信号を生成する（Ｓ２２）。Ｓ１８を経由してＳ２２を実行する場合、制御装置７０は、３次高調波を重畳せず、基本電圧指令値をキャリア信号と比較してＰＷＭ信号を生成する。最後に制御装置７０は、生成したＰＷＭ信号をインバータ２０に供給する（Ｓ２４）。
【００３９】
一方、制御装置７０は、Ｓ１２で検出された標高が標高閾値以下であり、かつ、Ｓ１２で検出されたモータ温度が温度閾値以下である場合は、Ｓ１４でＮＯと判断し、Ｓ２０の処理を実行する。また、制御装置７０は、Ｓ１２で検出された速度が速度閾値以下である場合は、Ｓ１６でＮＯと判断し、Ｓ２０の処理を実行する。
【００４０】
Ｓ１４の判断結果がＮＯの場合、あるいは、Ｓ１６の判断がＮＯの場合、制御装置７０は、３次高調波の重畳を許可した上で（Ｓ２０）、Ｓ２２、Ｓ２４の処理を実行する。Ｓ２０を経由してＳ２２を実行する場合、制御装置７０は、基本電圧指令値に３次高調波を重畳した電圧指令値をキャリア信号と比較してＰＷＭ信号を生成する。最後に制御装置７０は、生成したＰＷＭ信号をインバータ２０に供給する（Ｓ２４）。
【００４１】
標高が標高閾値以下であり、かつ、モータ温度が温度閾値以下である場合（Ｓ１４でＮＯの場合）には、モータ４０の絶縁性能が低下するおそれが小さく、３次高調波の重畳を禁止しなくても、モータ４０の部分放電を回避できる。
【００４２】
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、本実施例では、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間で切り替える。そして、制御装置７０は、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に、モータ４０に対する基本電圧指令値に３次高調波を重畳するか否かを切り替える。制御装置７０は、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において、（条件１）標高が所定の標高閾値より高い場合とモータの温度が所定の温度閾値より高い場合、のうちの少なくとも一方（即ち、モータの絶縁性能が低下し易い場合：図２のＳ１４でＹＥＳの場合）である場合、かつ、（条件２）電気自動車２の速度が所定の速度閾値より高い場合（即ち、スイッチングが頻繁に生じ、サージが発生し易い場合：Ｓ１６でＹＥＳの場合）に、３次高調波の重畳を禁止する（Ｓ１８）。なお、「重畳を禁止する」とは、「重畳しない」ことと等価である。
【００４３】
実施例の電気自動車２は、上記（条件１）及び（条件２）が成立する場合であって、結果的にモータ４０の部分放電が起こり易くなる状況では、基本電圧指令値に３次高調波を重畳せずにＰＷＭ信号を生成する。その結果、モータ４０の部分放電を回避し、モータ４０の絶縁性に与えるダメージを小さくすることができる。
【００４４】
一方、上記の（条件１）と（条件２）のいずれか一方が成立しない場合、即ち、モータの絶縁性能が低下し難い場合には、過変調制御モードにおいて基本電圧指令値に３次高調波を重畳する。その結果、モータ４０の部分放電を回避しながら、所望のモータ出力を得ることができる。
【００４５】
本実施例の電気自動車２によると、過変調制御を採用しながら、車両の状況に応じてインバータ２０を適切に制御し、モータ４０の部分放電を回避して、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。
【００４６】
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。
【００４７】
（変形例１）  制御装置７０は、（条件１）と（条件２）のいずれか一方が成立しない場合、必ず３次高調波の重畳を行うことに限定されない。（条件１）と（条件２）のいずれか一方が成立しない場合であっても３次高調波を重畳しない場合があってもよい。例えば、（条件１）と（条件２）とは別の条件で大きなサージが発生するおそれがあるとき、あるいは、３次元高調波を重畳するとサージ以外に別の不具合が生じるおそれがあるときには、制御装置７０は３次高調波の重畳を禁止してもよい。
【００４８】
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】
【００４９】
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
６５：速度センサ
７０：制御装置
【図１】
2014045590.tif 000003
【図２】
2014045590.tif 000004