(57)【要約】  【課題】電動機が空転した際において昇圧コンバータに過大な電流が流れるのを抑制し、昇圧コンバータを保護する。  【解決手段】電動機９ａの空転を検出し、空転時には電動機が必要とする電力と昇圧に必要な電力との合計値が昇圧コンバータ４の出力限界値を超えないように、電動機をトルク制御するトルク指令Ｔｍ＊の値を制限するトルク指令制御手段（図２の３４）を設けた車両用電動機の制御装置。トルク指令の値を制限することにより、電動機の空転時でも昇圧コンバータに過大な電流が流れることがなく、従って昇圧コンバータの破損故障防止および寿命を向上させることが出来る。【選択図】図１
2006050870.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両を駆動する電動機と、
前記電動機駆動用の電力を発電する発電機と、
与えられたトルク指令に基づいて前記電動機をトルク制御する制御手段と、
直流電源の電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータの出力と前記発電機の電力とを入力し、交流電力に変換して電動機を駆動するインバータと、
前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記インバータに入力する電圧を検出する入力電圧検出手段と、
前記回転速度検出手段によって検出された電動機の回転速度と、前記入力電圧検出手段によって検出された前記インバータの入力電圧とに基づいて電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段と、を備え、前記電圧指令値に基づいて前記昇圧コンバータの出力電圧を制御する車両用電動機の制御装置において、
前記電動機の空転を検出し、空転時には前記電動機が必要とする電力と昇圧に必要な電力との合計値が前記昇圧コンバータの出力限界値を超えないように、前記電動機をトルク制御するトルク指令の値を制限するトルク指令制御手段を設けたことを特徴とする車両用電動機の制御装置。
【請求項２】
前記トルク指令制御手段は、
電動機回転速度と電流から電動機消費電力Ｐｍを算出し、
発電機回転速度と電流から発電機出力電力Ｐｇを算出し、
前記電動機消費電力Ｐｍと前記発電機出力電力Ｐｇとの差を求めることによって前記直流電源からの持ち出し電力Ｐdefを算出し、
現在のインバータ入力電圧Ｖｈとインバータ入力電圧の目標値Ｖhtagから昇圧に必要な電力Ｐcnvを算出し、
前記直流電源からの持ち出し電力Ｐdefと前記昇圧に必要な電力Ｐcnvを加算することによって前記直流電源より持ち出される電力Ｐoutを演算し、
現在の昇圧コンバータ入力電圧Ｖｌと予め設定された昇圧コンバータ出力可能最大電流から前記昇圧コンバータの出力可能電力Ｐrefを算出し、
前記持ち出し電力Ｐoutと前記出力可能電力Ｐrefの差を算出し、その差が０より大で所定の余裕分α以下か否かを判断し、
０＜Ｐref−Ｐout≦α、つまり持ち出し電力Ｐoutが出力限界に近い場合は、トルク指令Ｔｍ＊を下式に示すＴｍ＊’に制限して出力することを特徴とする請求項１に記載の車両電動機の制御装置。
Ｔｍ＊’＝Ｔｍ＊−β／(Ｐref−Ｐout)
ただし、β：実際の電動機の特性に応じて実験で定めた定数（単位はＷ）
【請求項３】
前記トルク指令制御手段は、
電動機回転速度と電流から電動機消費電力Ｐｍを算出し、
発電機回転速度と電流から発電機出力電力Ｐｇを算出し、
前記電動機消費電力Ｐｍと前記発電機出力電力Ｐｇとの差を求めることによって前記直流電源からの持ち出し電力Ｐdefを算出し、
現在のインバータ入力電圧Ｖｈとインバータ入力電圧の目標値Ｖhtagから昇圧に必要な電力Ｐcnvを算出し、
前記直流電源からの持ち出し電力Ｐdefと前記昇圧に必要な電力Ｐcnvを加算することによって前記直流電源より持ち出される電力Ｐoutを演算し、
現在の昇圧コンバータ入力電圧Ｖｌと予め設定された昇圧コンバータ出力可能最大電流から前記昇圧コンバータの出力可能電力Ｐrefを算出し、
前記持ち出し電力Ｐoutと前記出力可能電力Ｐrefの差を算出し、その差が０≧Ｐref−Ｐoutの場合、つまり持ち出し電力Ｐoutが出力限界を超えた場合は、トルク指令Ｔｍ＊を０にして出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の車両電動機の制御装置。
【請求項４】
前記トルク指令制御手段は、
電動機回転速度と電流から電動機消費電力Ｐｍを算出し、
発電機回転速度と電流から発電機出力電力Ｐｇを算出し、
前記電動機消費電力Ｐｍと前記発電機出力電力Ｐｇとの差を求めることによって前記直流電源からの持ち出し電力Ｐdefを算出し、
現在のインバータ入力電圧Ｖｈとインバータ入力電圧の目標値Ｖhtagから昇圧に必要な電力Ｐcnvを算出し、
前記直流電源からの持ち出し電力Ｐdefと前記昇圧に必要な電力Ｐcnvを加算することによって前記直流電源より持ち出される電力Ｐoutを演算し、
現在の昇圧コンバータ入力電圧Ｖｌと予め設定された昇圧コンバータ出力可能最大電流から前記昇圧コンバータの出力可能電力Ｐrefを算出し、
前記持ち出し電力Ｐoutと前記出力可能電力Ｐrefの差を算出し、その差がＰref−Ｐout＞αの場合、つまり出力に余裕がある場合は、トルク指令Ｔｍ＊に制限を設けず、Ｔｍ＊をそのままＴｍ＊’として出力することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の車両電動機の制御装置。
【請求項５】
前記トルク指令制御手段は、前記回転速度検出手段で検出した前記電動機の回転速度を時間微分して回転加速度を求め、その回転加速度が所定値以上である場合に空転と判断することを特徴とする請求項１に記載の車両用電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用電動機の制御装置に関し、特に電動機の空転時における昇圧コンバータの保護技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリの電圧を昇圧して出力可能な昇圧コンバータと、エンジン等によって駆動される発電機とを備えた車両用電動機の制御装置（例えば下記特許文献１に記載）においては、通常、発電機の発電電力が電動機の消費電力と等しくなるように制御され、また、昇圧コンバータは電動機の回転速度に応じて昇圧制御される。  
【特許文献１】特開２００３−１３４６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のような制御装置においては、例えば車輪のスリップによって電動機の回転速度が急激に上昇した場合、発電機の発電電力を上昇させて電力の不足を補うように制御するが発電機の発電電力の上昇には時間遅れが生じるので、電動機の駆動電力が不足し、この不足した電力がバッテリから電動機へ供給されると共に、昇圧コンバータは電動機の回転速度に応じて制御されるため、回転速度の上昇に伴って昇圧コンバータの出力電圧が上昇するように制御される。そのため昇圧コンバータの回路素子（スイッチング素子やリアクタ等）には「不足分の電流＋昇圧するための電流」が流れるので、瞬間的に過大な電流が流れ、回路素子が破損したり寿命に影響するという問題が有った。  
本発明は上記の問題を解決するものであり、電動機が空転した際において昇圧コンバータに過大な電流が流れるのを抑制し、昇圧コンバータを保護することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の目的を達成するため、本発明においては、電動機の空転を検出し、空転時には電動機が必要とする電力と昇圧に必要な電力との合計値が昇圧コンバータの出力限界値を超えないように、電動機をトルク制御するトルク指令の値を制限するように構成している。
【発明の効果】
【０００５】
電動機の空転時には、電動機が必要とする電力と昇圧に必要な電力との合計値が昇圧コンバータの出力限界値を超えないように、トルク指令の値を制限するので、電動機の空転時でも昇圧コンバータに過大な電流が流れることがなく、従って昇圧コンバータの破損故障防止および寿命を向上させることが出来る、という効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、本発明に係る車両用電動機の制御装置のブロック図である。  
図１の装置は、昇圧コンバータ４を用いて直流電源１の電圧を昇圧してインバータ７ａ、７ｂに供給し、電動機９ａと発電機９ｂを上記２つのインバータでそれぞれ駆動するシステムである。このようなシステムでは、通常、電動機９ａが力行運転され、発電機９ｂが発電運転されており、力行出力と発電出力がなるべく釣合うように運転される。力行出力と発電出力が釣合わない場合には、その差は直流電源１が放電または充電することになり、この差が大きいと、直流電源１の大型化や寿命劣化、昇圧コンバータ４の大型化などの影響が生じる。  
なお、電動機９ａが駆動用として車両の駆動軸に接続され、発電機９ｂは発電用として駆動用エンジンに接続されている構成もあるし、両方が遊星ギアを介して駆動軸に接続されている構成もある。
【０００７】
図１において、１は直流電源、２は昇圧コンバータを構成するリアクトルであり、昇圧によって生じるリップル電流を平滑する。３は電流センサで、リアクトル２に流れる電流を検出する。４は昇圧コンバータ、４ａ、４ｂは昇圧コンバータのスイッチング素子であり、昇圧コンバータ４は、スイッチング素子４ａ、４ｂがスイッチングすることで、リアクトル２に流れる電流を制御して、昇圧率を制御し、直流電源１の電圧を昇圧して出力する。５ａ、５ｂはコンデンサで、昇圧コンバータ４とインバータ７ａ、７ｂによるスイッチングリップル電圧を平滑する。６ａ、６ｂは電圧センサで、６ａは昇圧コンバータの入力電圧Ｖｌ（＝Ｖlow：直流電源１の出力電圧）を検出し、６ｂはインバータ入力電圧Ｖｈ（昇圧コンバータの出力電圧）を検出する。７ａ、７ｂはインバータであり、電動機９ａと発電機９ｂを駆動する。８ａ、８ｂは電流センサで、８ａは電動機９ａの各相に流れる電流を検出し、８ｂは発電機９ｂの各相に流れる電流を検出する。９ａは電動機、９ｂは発電機である。１０ａは電動機９ａの回転速度を検出する速度センサ、１０ｂは発電機９ｂの回転速度を検出する速度センサである。２０は制御装置であり、各検出信号に基いて、昇圧コンバータ４とインバータ７ａ、７ｂを制御する。３０は車両全体を制御する車両制御装置であり、本発明に関連する事項としては、電動機９ａと発電機９ｂのトルク指令を出力する。
【０００８】
このようなシステムでは、昇圧コンバータ４で直流電源１の電圧を昇圧することで、電動機９ａの高回転域の出力を増やすことができる。すなわち昇圧コンバータ４がない場合には、直流電源１の電圧Ｖｌがインバータ入力電圧Ｖｈとなるが、電動機９ａの回転速度が高くなって誘起電圧がインバータ入力電圧を超えると制御不能となる。そのため、回転速度が大きい動作域では、誘起電圧がインバータ入力電圧を超えないように弱め界磁制御を行う必要がある。  
これに対して昇圧コンバータ４がある場合には、電動機９ａの回転速度が大きくなって誘起電圧が直流電源１の電圧以上になっても、昇圧コンバータ４で直流電源１の電圧を昇圧してインバータに供給できるので、電動機９ａの高回転域でも弱め界磁制御を行う必要がなく、出力を増やすことができる。
【０００９】
図２は、制御装置２０の構成を示すブロック図である。一般に、車両用電動機の制御装置ではトルク制御を行うため、電動機９ａ、発電機９ｂに対するトルク指令を与えるように構成されている。２１ａ、２１ｂは電流指令演算部であり、トルク指令と電動機、発電機の回転速度とに基いて、電流指令を演算する。なお、トルク指令は例えば車両のアクセル開度、直流電源１の充電状態、電動機と車輪との間に介在する変速機のギヤ比、発電機の駆動モード等に応じて決められる値であり、車両制御装置３０から与えられる。また、電動機トルク指令は、車両制御装置３０から与えられたＴｍ＊をトルク指令制御部３４で処理した値Ｔｍ＊’を用いているが、この部分の詳細については後述する。
【００１０】
２２ａ、２２ｂはベクトル制御部であり、電動機、発電機の電圧電流をｄ軸ｑ軸に分離してベクトル制御を行い、インバータ出力電圧指令を演算する。２３ａ、２３ｂはＰＷＭ回路部で、インバータ出力電圧指令とキャリア信号（例えば三角波や鋸歯状波）とを比較してＰＷＭスイッチングパターンを生成し、インバータにゲート信号を送信する。このゲート信号によってインバータ７ａ、７ｂのスイッチング素子を開閉制御する。  
上記の２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂの構成は、通常の交流電動機、発電機のトルク制御の構成と同様である。
【００１１】
３１はインバータ入力電圧指令演算部であり、電動機、発電機の回転速度と誘起電圧特性とからインバータ入力電圧指令（インバータ入力電圧の目標値）を演算する。このインバータ入力電圧指令は、電動機９ａと発電機９ｂにおけるインバータ入力電圧の高い方の値を用いる。  
３２はインバータ入力電圧制御部であり、インバータ入力電圧指令値とインバータ入力電圧検出値Ｖｈ（＝Ｖhigh：電圧センサ６ｂの出力）とを一致させるような制御信号を算出する。
【００１２】
３３はＰＷＭ回路部で、インバータ入力電圧制御部３２からの制御信号とキャリア信号（図示せず）を比較してＰＷＭスイッチングパターンを生成し、昇圧コンバータ４にゲート信号を送信する。このゲート信号で昇圧コンバータ４のスイッチング素子４ａ、４ｂを制御することにより、昇圧コンバータの出力電圧を制御する。
【００１３】
トルク指令制御部３４は、電動機９ａの空転を検出し、空転時には後述するような制御を行って電動機トルク指令Ｔｍ＊を制限した値Ｔｍ＊’を出力する。なお、電動機９ａの空転を検出するには、電動機９ａの回転速度を時間微分して回転加速度を演算し、その回転加速度が所定値以上であるとき空転と判断する。
【００１４】
以下、作用について説明する。  
図２に示した制御系において、電動機の負荷が急に脱落し、電動機９ａが空転状態（無負荷状態）となったときについて考える。このような負荷脱落は、自動車においては雨や雪によるタイヤのスリップ、凹凸路面走行によるタイヤの空転等が考えられる。制御装置２０ではトルク制御を行っているため、負荷が脱落しても一定のトルクを出そうと制御するので、電動機９ａの回転速度が急激に上昇する。これによって、誘起電圧も急増するので、誘起電圧の急増に応じてインバータ入力電圧Ｖｈも急増させなければならない。
【００１５】
また、上記のように電動機９ａの回転速度が急激に上昇した場合、発電機９ｂの発電電力を上昇させて電力の不足を補うように制御するが、発電機９ｂの発電電力の上昇には時間遅れが生じるので、一時的に電動機９ａの駆動電力が不足し、この不足した電力が直流電源１から電動機９ａへ供給される。
【００１６】
そのため昇圧コンバータ４の回路素子（スイッチング素子４ａ、４ｂやリアクタ２等）には「不足分の電流＋昇圧するための電流」が流れるので、瞬間的に過大な電流が流れ、回路素子が破損したり寿命が短くなったりするという悪影響が生じる。
【００１７】
上記の問題を解決するため、トルク指令制御部３４を設けている。トルク指令制御部３４では電動機９ａの空転を検出すると以下に説明するような制御を行う。  
図３は、トルク指令制御部３４におけるトルク指令の制御を示すフローチャートである。なお、電動機のトルク指令Ｔｍ＊は、アクセル開度と回転速度等に基づいて車両制御装置３０で演算した値である。
【００１８】
図３において、ステップＳ１０では、電動機９ａの回転速度とトルクから電動機消費電力Ｐｍおよび発電機９ｂの回転速度とトルクから発電機出力電力Ｐｇを算出する。なお、トルクは電流に比例しているので、電流センサ８ａ、８ｂで検出した電流から求める。  
Ｐｍ＝Ｔｍ＾×Ｎｍ＾×π／３０    …（数１）
ただし、＾は実際値を示し、Ｔｍ＾は電動機９ａの出力トルク、Ｎｇ＾は電動機９ａの実回転速度である。  
Ｐｇ＝Ｔｇ＾×Ｎｇ＾×π／３０    …（数２）
ただし、Ｔｇ＾：発電機９ｂの駆動トルク、Ｎｇ＾：発電機９ｂの実回転速度。
【００１９】
また、電力の単位は［Ｗ］、トルクは［Ｎｍ］、回転速度は［ｒｐｍ］である。
【００２０】
ステップＳ１１では、スリップ（空転）が発生しているか否かを判定する。この判定方法は、回転速度を時間微分して回転加速度を演算し、その回転加速度が所定値以上であるとき空転と判断する。スリップ時はステップＳ１２へ移行し、空転していない場合はステップＳ２０で、与えられたトルク指令Ｔｍ＊をそのままＴｍ＊’として出力する。
【００２１】
ステップＳ１２では、ステップＳ１０で求めた電力ＰｍとＰｇとの差から、電動機９ａによる直流電源１からの持ち出し電力（Ｐdef）を演算する。  
Ｐdef＝Ｐｍ−Ｐｇ    …（数３）
ただし、Ｐｍ：電動機９ａの消費電力、Ｐｇ：発電機９ｂの出力電力。
【００２２】
ステップＳ１３では、現在のインバータ入力電圧とインバータ入力電圧の目標値から昇圧に必要な電力（Ｐcnv）を算出する。なお、インバータ入力電圧の目標値は電動機９ａの回転速度の上昇から演算するが、前記インバータ入力電圧指令演算部３１のインバータ入力電圧指令を用いれば良い。  
Ｐcnv＝(１／２)×Ｃｈ×(Ｖhtag−Ｖｈ)２    …（数４）
ただし、Ｃｈ：昇圧コンバータのコンデンサ５ｂの容量［Ｆ］、Ｖhtag：昇圧目標電圧（インバータ入力電圧Ｖｈの目標値）、Ｖｈ：現在のインバータ入力電圧。
【００２３】
ステップＳ１４では、（数３）式と（数４）式で求めた電力を加算することによって直流電源１より持ち出される電力（Ｐout）を演算する。  
Ｐout＝Ｐdef＋Ｐcnv    …（数５）
ステップＳ１５では、現在の昇圧コンバータの入力電圧Ｖｌと昇圧コンバータの最大許容電流（出力可能最大電流）により昇圧コンバータ４が出力可能な電力（Ｐref）を算出する。  
Ｐref＝Ｖｌ×Ｉcmax    …（数６）
ただし、Ｉcmaxは昇圧コンバータ４の最大許容電流であり、一般にスイッチング素子４ａ４ｂの通電可能最大電流に相当する値であって、昇圧コンバータ４の規格として予め定められている。
【００２４】
ステップＳ１６〜１９では、（数５）式で求めた持ち出し電力Ｐoutと（数６）式で求めた出力可能電力Ｐrefから差を算出し、持ち出し電力Ｐoutが出力可能電力Ｐrefを超過しないように電動機９ａのトルク指令Ｔｍ＊を制限する。  
まず、ステップＳ１６では、（数５）式で求めた持ち出し電力Ｐoutと（数６）式で求めた出力可能電力Ｐrefの差を算出し、その差が０より大でα（余裕分）以下か否かを判断する。なお、αは実際の電動機の特性に応じて実験で定めた定数（単位はＷ）である。車両の制御性能を向上させるためには、上記の余裕分αの値が小さい方が望ましいが、αを小さくすると余裕が少なくなり、制御が厳しくなる。
【００２５】
ステップＳ１６でＹｅｓの場合はステップＳ１７へ移行する。  
ステップＳ１６でＹｅｓ、つまり、０＜Ｐref−Ｐout≦αの場合というのは、持ち出し電力Ｐoutが出力限界に近い場合である。したがってステップＳ１７では、トルク指令Ｔｍ＊を下記（数７）式のように制限し、Ｔｍ＊’として出力する。  
Ｔｍ＊’＝Ｔｍ＊−β／(Ｐref−Ｐout)    …（数７）
ただし、Ｔｍ＊：外部から与えられたトルク指令、Ｔｍ＊’：制限したトルク指令、β：実際の電動機の特性に応じて実験で定めた定数（単位はＷ）。
【００２６】
一方、ステップＳ１６でＮｏの場合はステップＳ１８へ移行する。  
ステップＳ１８では、０≧Ｐref−Ｐoutか否かを判断する。  
ステップＳ１８でＹｅｓ、つまり０≧Ｐref−Ｐoutの場合というのは、持ち出し電力Ｐoutが出力限界を超えた場合であるから、ステップＳ１９で、トルク指令Ｔｍ＊’を０にする。  
Ｔｍ＊’＝０    …（数８）
ステップＳ１８でＮｏの場合、つまり、Ｐref−Ｐout＞αの場合は、出力に余裕がある場合なので、トルク指令Ｔｍ＊に制限を設けず、ステップＳ２０でＴｍ＊をそのままＴｍ＊’として出力する。  
Ｔｍ＊’＝Ｔｍ＊    …（数９）
上記のようにして求めたトルク指令Ｔｍ＊’に基づいて、図２の電流指令演算部２１ａ以下の制御を行い、電動機９ａ用のインバータ７ａを駆動する。
【００２７】
図４は、上記の制御における動作特性を示す図である。  
図４において、（ａ）は上記の制御を行わなかった場合、（ｂ）は上記の制御を行った場合の特性である。  
図４（ａ）に示すように、本発明の制御を行わなかった場合には、スリップ発生直後に回転速度が急激に上昇し、昇圧コンバータの通電電流Ｉｃが急増して過電流が発生している。これに対して（ｂ）に示した本発明の制御においては、スリップ発生時にはトルク指令Ｔｍ＊が小さな値に制限されるので、回転速度の上昇も抑えられ、昇圧コンバータの通電電流Ｉｃやインバータ入力電圧Ｖｈの増加も抑制されている。
【００２８】
以上のように、電動機空転時に、急激に上昇する電動機９ａの消費電力と昇圧電力とを加算し、その値が昇圧コンバータ４の最大許容電流を超えないようにトルク指令を制限する制御を行うことにより、昇圧コンバータの過電流を防止し、昇圧コンバータの破損および寿命低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る車両用電動機の制御装置のブロック図。
【図２】制御装置２０の一実施例の構成を示すブロック図。
【図３】トルク指令制御部３４におけるトルク指令の制御を示すフローチャート。
【図４】本実施例の制御における動作特性を示す図。
【符号の説明】
【００３０】
１…直流電源                          ２…リアクトル
３…電流センサ                        ４…昇圧コンバータ
４ａ、４ｂ…スイッチング素子          ５ａ、５ｂ…コンデンサ
６ａ、６ｂ…電圧センサ                ７ａ、７ｂ…インバータ
８ａ、８ｂ…電流センサ                ９ａ…電動機
９ｂ…発電機                        １０ａ、１０ｂ…速度センサ
２０…制御装置                        ３０…車両制御装置
２１ａ、２１ｂ…電流指令演算部        ２２ａ、２２ｂ…ベクトル制御部
２３ａ、２３ｂ…ＰＷＭ回路部          ３１…インバータ入力電圧指令演算部
３２…インバータ入力電圧制御部        ３３…ＰＷＭ回路部
３４…トルク指令制御部
【図１】
2006050870.tif 000003
【図２】
2006050870.tif 000004
【図３】
2006050870.tif 000005
【図４】
2006050870.tif 000006