(57)【要約】【課題】電気自動車駆動システムに関し、特に、直流電源から入力された電力を交流電力に変換し、モータに供給する電力変換器の制御に関する。【解決手段】直流電源１０と、直流電源１０から出力される電力を直交変換する電力変換器４０と、電力変換器４０から出力される電力により駆動されるモータ５０と、直流電源１０の入出力許容電力を検出する許容電力検出部と、許容電力検出部により検出された入出力許容電力に基づいて、電力変換器４０で発生する電力損失を変化させるよう電力変換器４０の動作を制御する制御部とを備える電気自動車駆動システム。【選択図】図１
2013013280.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
前記直流電源から出力される電力を直交変換する電力変換器と、
前記電力変換器から出力される電力により駆動されるモータと、
前記直流電源の入出力許容電力を検出する許容電力検出部と、
前記許容電力検出部により検出された入出力許容電力に基づいて、前記電力変換器で発生する電力損失を変化させるよう前記電力変換器の動作を制御する制御部と
を備える
電気自動車駆動システム。
【請求項２】
前記制御部は、前記モータが力行状態のとき、前記許容電力検出部により検出された前記直流電源の出力許容電力が小さいほど、前記電力変換器の電力損失が減少するよう前記電力変換器の動作を制御する
請求項１に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項３】
前記制御部は、さらに、
ユーザの操作に基づく前記モータの駆動に必要な要求電力を検出し、
前記直流電源の出力許容電力から前記電力変換器の電力損失を控除した電力である前記電力変換器の最大出力電力を算出し、
前記要求電力が前記電力変換器の最大出力電力より大きいとき、前記電力変換器の出力電力が前記最大出力電力になるように、前記電力変換器の動作を制御する
請求項２に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項４】
前記制御部は、さらに、
ユーザの操作に基づく前記モータの駆動に必要な要求電力を検出し、
前記直流電源の出力許容電力から前記電力変換器の電力損失を控除した電力である前記電力変換器の最大出力電力を算出し、
前記要求電力が前記電力変換器の最大出力電力以下であるとき、前記電力変換器の出力電力が前記要求電力になるように、前記電力変換器の動作を制御する
請求項２に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項５】
前記電力変換器は、さらに、前記モータが回生状態のとき、前記モータで発生した電力を交直変換し、
前記直流電源は、前記電力変換器から出力される電力により充電され、
前記制御部は、前記モータが回生状態のとき、前記許容電力検出部により検出された前記直流電源の入力許容電力が小さいほど、前記電力変換器の電力損失が増加するよう前記電力変換器の動作を制御する
請求項１に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項６】
前記制御部は、さらに、
前記モータで発生する電力である発生電力を検出し、
前記直流電源の入力許容電力に前記電力変換器の電力損失を加算した電力である前記電力変換器の最大入力電力を算出し、
前記発生電力が前記電力変換器の最大入力電力より大きいとき、前記電力変換器の入力電力が前記最大入力電力になるように、前記電力変換器の動作を制御する
請求項５に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項７】
前記制御部は、さらに、
前記モータで発生する電力である発生電力を検出し、
前記直流電源の入力許容電力に前記電力変換器の電力損失を加算した電力である前記電力変換器の最大入力電力を算出し、
前記発生電力が前記電力変換器の最大入力電力以下であるとき、前記電力変換器の入力電力が前記発生電力になるように、前記電力変換器の動作を制御する
請求項５に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項８】
前記許容電力検出部は、前記直流電源の温度及び前記直流電源の充電状態のうち、一方または両方の組み合わせにより、前記出力または入力許容電力を検出する
請求項１に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項９】
前記許容電力検出部は、前記直流電源の電圧により、前記直流電源の充電状態を検出する
請求項８に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項１０】
前記電力変換器はスイッチング素子を備え、
前記電力変換器は、前記スイッチング素子をパルス幅変調方式でスイッチングさせることにより、電力を直交変換し、
前記制御部は、前記電力変換器のスイッチング周波数を変化させることで、前記電力変換器で発生する電力損失を変化させる
請求項１に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項１１】
前記電力変換器はスイッチング素子を備え、
前記電力変換器は、前記スイッチング素子をパルス幅変調方式でスイッチングさせることにより、電力を直交変換し、
前記制御部は、デッドタイムの長さを変化させることで、前記電力変換器で発生する電力損失を変化させる
請求項１に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項１２】
前記電力変換器はスイッチング素子を備え、
前記電力変換器は、前記スイッチング素子をパルス幅変調方式でスイッチングさせることにより、電力を直交変換し、
前記制御部は、前記電力変換器のスイッチング素子のスイッチング速度を変化させることで、前記電力変換器で発生する電力損失を変化させる
請求項１に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項１３】
前記電力変換器は、前記直交変換の際に出力電流の位相を調整可能であり、
前記制御部は、前記電力変換器から出力される電流の位相を変化させることで、前記電力変換器で発生する電力損失を変化させる
請求項１に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項１４】
前記電力変換器は、複数のスイッチング素子が互いに並列接続された直交変換回路を備え、
前記電力変換器は、前記スイッチング素子をパルス幅変調方式でスイッチングさせることにより、電力を直交変換し、
前記制御部は、前記並列接続された複数のスイッチング素子において動作させるスイッチング素子の個数を変化させることで、前記電力変換器で発生する電力損失を変化させる
請求項１に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項１５】
さらに、前記直流電源から出力された電圧を変換して前記電力変換器に出力する電圧変換器を備え、
前記制御部は、前記電圧変換器の出力電圧を変化させることで、前記電力変換器で発生する電力損失を変化させる
請求項１に記載の電気自動車駆動システム。
【請求項１６】
さらに、前記モータ及び前記電力変換器の少なくとも一方の温度を調節する温度調節器を備え、
前記制御部は、前記温度調節器により前記モータ及び前記電力変換器の少なくとも一方の温度を変化させることで、前記電力変換器で発生する電力損失を変化させる
請求項１に記載の電気自動車駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車駆動システムに関し、特に、直流電源から入力された電力を交流電力に変換し、電気自動車のモータに供給する電力変換器の制御を行う電気自動車駆動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から電気自動車駆動システムを構成する直流電源として、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池のような二次電池が用いられている。その中でも、鉛蓄電池及びニッケル水素電池に比べ高出力密度であるリチウムイオン電池は、直流電源の小型化、及び電気自動車の一回の充電で走行できる距離である一充電走行距離の向上が期待できるため、近年、電気自動車の直流電源として多く使用されている。
【０００３】
一般に、リチウムイオン電池から出力可能な許容電力は、電源温度及び電池充電量のような電源状態によって変化することが知られている。そして、リチウムイオン電池から出力許容電力を越えた電力が出力されると、電池特性が悪化する恐れがある。よって、電池寿命を維持し使用するためには、電池の出力電力が出力許容電力を越えないよう制御することが好ましい。
【０００４】
直流電源の出力許容電力に基づいて、直流電源の出力電力を抑制する自動車駆動システムとして、例えば、特許文献１のような電気自動車駆動システムが開示されている。この構成では、電源電子制御ユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ：以下、ＥＣＵと略称する）が、大気圧と直流電源の電圧及び温度等の電源状態とを受け、直流電源の充電状態（Ｓｔａｔｅ  Ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ：以下、ＳＯＣと略称する）を推定する。さらに、必要な場合には直流電源の出力電力を抑制できるよう、車両ＥＣＵが、当該ＳＯＣにおける出力許容電力に基づいて、電力変換器であるインバータを制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１８５０７４号公報
【特許文献２】特開２００８−１８９２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の開示は、車両ＥＣＵがインバータを制御するとの記述に留まっており、特許文献１には、具体的な制御内容については開示されていない。インバータによる直流電源の出力電力の制御方法としては、例えば、インバータから出力する電流を低下させることにより、直流電源から出力される電力を、直流電源の出力許容電力の範囲内に抑制することが考えられる。しかし、このようにインバータを制御すると、モータに供給される電力が低減するので、実際の自動車の駆動状態と自動車の運転者の希望する自動車の駆動状態とに差異が生まれ、運転者にとって違和感が生じる恐れがある。
【０００７】
本発明は、上記課題の解決を図るべくなされたものであって、実際の自動車の駆動状態と自動車の運転者の希望する自動車の駆動状態との差異を低減しつつ、出力許容電力の範囲内で直流電源から電力を出力し、または入力許容電力の範囲内で直流電源に電力を入力することができる電気自動車駆動システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る電気自動車駆動システムは、直流電源と、直流電源から出力される電力を直交変換する電力変換器と、電力変換器から出力される電力により駆動されるモータと、直流電源の入出力許容電力を検出する許容電力検出部と、許容電力検出部により検出された入出力許容電力に基づいて、電力変換器で発生する電力損失を変化させるよう電力変換器の動作を制御する制御部とを備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る電気自動車駆動システムにおいては、制御部が、直流電源の入出力許容電力に基づいて、電力変換器で発生する電力損失を変化させるよう、電力変換器の動作を制御する。これにより、本発明に係る電気自動車駆動システムは、実際の自動車の駆動状態と自動車の運転者の希望する自動車の駆動状態との差異を低減しつつ、出力許容電力の範囲内で直流電源から電力を出力し、または入力許容電力の範囲内で直流電源に電力を入力することができる
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る電気自動車駆動システムの全体構成を示す模式図である。
【図２】図１に示したシステムにおける電源ＥＣＵが記憶する、電源温度及びＳＯＣと入力許容電力との関係を示すテーブルの概略を示す図である。
【図３】図１に示したシステムに係るモータＥＣＵが、モータの力行時に行う動作のフローチャートを示す図である。
【図４】図１に示したシステムにおけるモータＥＣＵが記憶する、出力許容電力と電力変換器の電力損失との関係を示すテーブル、及び電力変換器の電力損失とスイッチング周波数との関係を示すテーブルの概略を示す図である。
【図５】図１に示したシステムに係るモータＥＣＵが、モータの回生時に行う動作のフローチャートを示す図である。
【図６】図１に示したシステムにおけるモータＥＣＵが記憶する、入力許容電力と電力変換器の電力損失との関係を示すテーブル、及び電力変換器の電力損失とスイッチング周波数との関係を示すテーブルの概略を示す図である。
【図７】リチウムイオン電池の放電時及び充電時における、直流電源の電源温度と、ＳＯＣと、入力許容電力及び出力許容電力との関係を示す図である。
【図８】スイッチング素子としてＳｉ−ＩＧＢＴを用いた電力変換器におけるスイッチング周波数及びデッドタイムと電力損失との関係の一例を示す図である。
【図９】（ａ）スイッチング素子としてＳｉ−ＩＧＢＴを用いた電力変換器及びモータにおける、電流位相とモータトルクの大きさとの関係の一例を示す図、（ｂ）スイッチング素子としてＳｉ−ＩＧＢＴを用いた電力変換器における、スイッチング速度と電力損失の大きさとの関係の一例を示す図
【図１０】図１に示したシステムにおいて、アームごとに２つのスイッチング素子を並列接続したユニット４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗ，４５Ｕ，４５Ｖ，４５Ｗを、三相交流各相に対応する配線に直列に配列する構成を示す図である。
【図１１】（ａ）図１に示したシステムにおける、電力変換器の出力電力とモータを駆動するために必要な電力との関係を示す図、（ｂ）図１に示したシステムにおける、電力変換器の入力電力とモータで発生する電力との関係を示す図
【図１２】本発明の実施の形態２に係る電気自動車駆動システムの全体構成を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係る電気自動車駆動システムの全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
[実施の形態１]
１．電気自動車駆動システム１００の全体構成
図１は、実施の形態１に係る電気自動車駆動システム１００の模式図である。
電気自動車駆動システム１００は、直流電源１０、直流電源１０と接続された電力変換器４０、電力変換器４０と接続された走行用三相交流モータ５０（以下、単に「モータ」という）、直流電源１０の電源状態を検出する許容電力検出部である電源ＥＣＵ２０（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）、モータ５０を制御する制御部であるモータＥＣＵ３０、及び、例えば、アクセルやブレーキのような操作部３２を備える。また、電気自動車駆動システム１００は、直流電流センサ３１、直流電圧センサ３４、交流電流センサ３６、交流電圧センサ３８、及び位置センサ５２を備える。
【００１２】
直流電源１０は、例えば、リチウムイオン電池のような二次電池１１、電源温度センサ１２、電源電流センサ１４、及び電源電圧センサ１６を備える。
電源ＥＣＵ２０は、電源温度センサ１２、電源電流センサ１４、及び電源電圧センサ１６から直流電源１０の温度、直流電源１０における電流値及び電圧（以下、それらをまとめて電源情報と総称する）を取得し、電源電流及び電源電圧から算出したＳＯＣと電源温度とに基づいて、直流電源１０の出力許容電力及び入力許容電力を検出する。具体的には、電源ＥＣＵ２０は、図２に示すテーブルを予め記憶しており、このテーブルを用いて電源温度Ｔ及びＳＯＣから出力許容電力Ｐｌｉｍｉｔを選択する。入力許容電力についても同様に、電源温度及びＳＯＣと入力許容電力との関係を示すテーブル（図示せず）を電源ＥＣＵ２０が記憶している。なお、ＳＯＣは、電源電流積算値と電源電圧から算出される。
【００１３】
電力変換器４０は、力行時には、直流電源１０が出力した直流電力を直交変換しモータ５０に交流電力を供給し、回生時には、モータ５０で発生した交流電力を交直変換し直流電源１０を充電する。電力変換器４０は、スイッチング素子４２Ｕ及び４４Ｕ，４２Ｖ及び４４Ｖ，４２Ｗ及び４４Ｗ（以下、まとめて示す場合には、「スイッチング素子４２，４４」という）と、パルス幅変調回路４６とを備える。スイッチング素子４２，４４としては、例えば、Ｓｉ−ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が利用可能である。パルス幅変調回路４６は、パルス幅変調（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：以下、ＰＷＭと略称する）信号のオンデューティの最大値を変化させることにより電力変換器４０の出力電力を変化させることができ、また、ＰＷＭ信号の周波数を変化させることによりスイッチング素子４２，４４のスイッチング周波数を変化させることができる。電力変換器４０の出力電力及びスイッチング周波数は、モータＥＣＵ３０の指示に応じて適宜設定される。スイッチング周波数を変化させることで、スイッチング素子４２，４４で生じるスイッチング損失の大きさ、ひいては電力変換器４０での電力損失の大きさを変化させることができる。これに関しては後に詳細に説明する。
【００１４】
モータＥＣＵ３０は、（ａ）電源ＥＣＵ２０で検出された出力許容電力及び入力許容電力、（ｂ）操作部３２で検出されたユーザの操作に関する情報、（ｃ）直流電流センサ３１、直流電圧センサ３４、交流電流センサ３６、交流電圧センサ３８及び位置センサ５２で検出された情報、に基づいて電力変換器４０の出力電力及びスイッチング周波数を決定し、決定された出力電力及びスイッチング周波数を電力変換器４０に指示する。特に、スイッチング周波数に関して、力行時には、直流電源１０の出力許容電力が小さいほどスイッチング周波数が低くなるように指示し、回生時には、直流電源１０の入力許容電力が小さいほどスイッチング周波数が高くなるように指示する。
【００１５】
モータ５０としては、例えば、永久磁石埋め込み型の同期モータが利用可能である。
２．電力変換器４０における電力損失の詳細な説明
上述の通り、本実施形態では、電力変換器４０のスイッチング周波数を変化させることにより、電力変換器４０の電力損失の大きさを変化させている。ここでは、電力損失のうち、スイッチング損失の大きさを変化させている。スイッチング損失とは、スイッチング素子がＯＦＦからＯＮあるいはＯＮからＯＦＦへの状態遷移する際に生じる電力損失をいう。
【００１６】
例えば、ＯＦＦからＯＮへの状態遷移では、スイッチング素子のエミッタコレクタ間の電圧は、ある程度の時間をかけて一定値からゼロへと遷移し、その一方でコレクタ電流はある程度の時間をかけてゼロから一定値へと遷移する。このスイッチングが開始してから完了するまでの間に流れる電流と電圧との積がスイッチング素子で生じるスイッチング損失に相当する。そして、スイッチング周波数が高くなるほど、単位時間当たりのスイッチングの回数が増加するので、スイッチング損失が大きくなる。
【００１７】
図８（ａ）は、スイッチング素子としてＳｉ−ＩＧＢＴを用いた電力変換器におけるスイッチング周波数と電力損失との関係の一例を示す図である。これによると、スイッチング周波数が高くなるほど電力損失が大きくなるという傾向のあることが分かる。なお、Ｓｉ−ＩＧＢＴ以外のスイッチング素子を用いた場合でも同様の傾向を示す。
力行時において、直流電源１０の出力許容電力が小さいほど、ユーザの希望するモータの駆動を実現するには出力電力が不足する場合が多くなる。そのため、直流電源１０の出力許容電力が小さいほどスイッチング周波数を低くして電力変換器４０での電力損失を小さくするのが望ましい。
【００１８】
本実施形態では、力行時には、直流電源１０の出力許容電力が小さいほどスイッチング周波数が低く、すなわち、電力変換器４０での電力損失が小さくなる。これにより、直流電源１０の出力許容電力が小さい場合でも、出力許容電力の範囲内でできるだけ多くの電力をモータ５０に供給することができ、実際の自動車の駆動状態と運転者の希望する自動車の駆動状態との差異を低減することができる。一方、パルス幅変調で生成された交流電流の波形は正弦波成分と高調波成分とからなる疑似正弦波であり、スイッチング周波数を低くするほど高調波成分が大きくなってモータのトルク脈動が大きくなる。そのため、モータのトルク脈動の観点からは、スイッチング周波数は高い方が望ましい。そこで、直流電源１０の出力許容電力が大きい場合には、スイッチング周波数を高くできるので、モータのトルク脈動を低減することができる。
【００１９】
また、本実施形態では、回生時には、直流電源１０の入力許容電力が小さいほどスイッチング周波数が高く、すなわち、電力変換器４０での電力損失が大きくなる。これにより、モータ５０で発生した電力のうち、直流電源１０に供給できなかった分は、機械的ブレーキだけでなく電力変換器４０によっても消費される。そのため、運転者が予想しない機械的ブレーキの動作量を低減でき、運転者にとって違和感のない電気自動車駆動システムが実現できる。
３．モータＥＣＵ３０の動作
（１）力行時
図３は、実施の形態１に係るモータＥＣＵ３０が、モータ５０の力行時に行う動作のフローチャートを示す図である。
【００２０】
まず、モータＥＣＵ３０は、電源ＥＣＵ２０から出力許容電力Ｐｌｉｍｉｔを取得する。具体的には、電源ＥＣＵ２０が、電源温度センサ１２、電源電流センサ１４、及び電源電圧センサ１６から、直流電源１０の電源状態を検出し、当該電源状態に基づき、電源ＥＣＵ２０が持つ図２の表から出力許容電力Ｐｌｉｍｉｔを選択する。モータＥＣＵ３０は、一定時間経過ごとに電源ＥＣＵ２０に情報送信のリクエストを行い、このリクエストに応じて電源ＥＣＵ２０から送信された出力許容電力Ｐｌｉｍｉｔを取得する（ステップ１０１）。
【００２１】
モータＥＣＵ３０は、出力許容電力Ｐｌｉｍｉｔに基づき、モータＥＣＵ３０が持つ図４（ａ）に示すテーブル１から、電力変換器４０の電力損失Ｐｌｏｓｓを選択する（ステップ１０２）。テーブル１では、Ｐｌｉｍｉｔが小さいほどＰｌｏｓｓの値が小さくなるような関係になっている。また、テーブル１には、Ｐｌｉｍｉｔが小さい場合にＰｌｏｓｓを減らす目標値が示されている、といえる。
【００２２】
モータＥＣＵ３０は、出力許容電力ＰｌｉｍｉｔからＰｌｏｓｓ（Ｎ）を控除した値であるＰｏｕｔ（ＭＡＸ）を算定する。Ｐｏｕｔ（ＭＡＸ）は、出力許容電力Ｐｌｉｍｉｔに基づいた、電力変換器４０の出力電力の最大値である（ステップ１０３）。
モータＥＣＵ３０は、モータＥＣＵ３０が持つ図４（ｂ）に示すテーブル２から、Ｐｌｏｓｓ（Ｎ）に基づいて、スイッチング周波数ｆ（Ｎ）を選択する（ステップ１０４）。テーブル２は、Ｐｌｏｓｓ（Ｎ）が大きいほどｆ（Ｎ）が大きくなるという関係を示している。また、テーブル２は、図８（ａ）のｆ（Ｎ）を変化させることでＰｌｏｓｓが変化するという関係を反映し、設計時に作られる。テーブル１とテーブル２とを考慮すると、Ｐｌｉｍｉｔが小さいほど、ｆ（Ｎ）を小さくする制御をしている、といえる。
【００２３】
モータＥＣＵ３０は、操作部３２により得られるユーザ操作に関する情報から、モータを駆動するのに必要な電力Ｐｄｅｍａｎｄを検出する（ステップ１０５）。
モータＥＣＵ３０は、Ｐｏｕｔ（ＭＡＸ）がＰｄｅｍａｎｄ以上であるか否かを判定する。（ステップ１０６）。Ｐｏｕｔ（ＭＡＸ）がＰｄｅｍａｎｄ以上であれば（ステップ１０６においてＹｅｓ）、モータＥＣＵ３０は、Ｐｏｕｔ＝Ｐｄｅｍａｎｄとなるよう、Ｐｏｕｔ、ｆ（Ｎ）を電力変換器４０に送信する（ステップ１０７ａ）。Ｐｏｕｔ（ＭＡＸ）がＰｄｅｍａｎｄより小さければ（ステップ１０６においてＮｏ）、モータＥＣＵ３０は、Ｐｏｕｔ＝Ｐｏｕｔ（ＭＡＸ）となるよう、Ｐｏｕｔ、ｆ（Ｎ）を電力変換器４０に送信する（ステップ１０７ｂ）。これらにより、直流電源１０の出力電力はＰｌｉｍｉｔの範囲内で、且つ、Ｐｄｅｍａｎｄにできるだけ近い電力をモータ５０に出力するような、電力変換器４０の制御が可能となる。
【００２４】
次に、モータＥＣＵ３０は、一定時間が経過したか否かを判定する（ステップ１０８）。一定時間が経過していないと判定すると（ステップ１０８においてＮｏ）、ステップ１０８の処理に戻る。一定時間が経過したと判定すると（ステップ１０８においてＹｅｓ）、ステップ１０１の処理に戻る。これにより、定期的な電力制御を行うことができる。
（２）回生時
図５は、実施の形態１に係るモータＥＣＵ３０が、モータ５０の回生時に行う動作のフローチャートを示す図である。
【００２５】
まず、モータＥＣＵ３０は、電源ＥＣＵ２０から入力許容電力Ｐｌｉｍｉｔを検出する。具体的には、電源ＥＣＵ２０が、電源温度センサ１２、電源電流センサ１４、及び電源電圧センサ１６から、直流電源１０の電源状態を検出し、電源状態に基づいて、入力許容電力Ｐｌｉｍｉｔを選択する。モータＥＣＵ３０は、一定時間経過ごとに電源ＥＣＵ２０に情報送信のリクエストを行い、このリクエストに応じて電源ＥＣＵ２０から送信された入力許容電力Ｐｌｉｍｉｔを取得する（ステップ２０１）。
【００２６】
モータＥＣＵ３０は、入力許容電力Ｐｌｉｍｉｔに基づいて、モータＥＣＵ３０が持つ図６（ａ）に示すテーブル３から、電力変換器４０での電力損失Ｐｌｏｓｓを選択する（ステップ２０２）。テーブル３では、Ｐｌｉｍｉｔが小さいほどＰｌｏｓｓの値が大きくなるような関係になっている。また、テーブル３には、Ｐｌｉｍｉｔが小さい場合にＰｌｏｓｓを増やす目標値が示されている、といえる。
【００２７】
モータＥＣＵ３０は、入力許容電力ＰｌｉｍｉｔにＰｌｏｓｓ（Ｎ）を加算した値であるＰｉｎ（ＭＡＸ）を算定する。Ｐｉｎ（ＭＡＸ）は、入力許容電力Ｐｌｉｍｉｔに基づいた、電力変換器４０への入力電力の最大値である（ステップ２０３）。
モータＥＣＵ３０は、Ｐｌｏｓｓ（Ｎ）に基づいて、モータＥＣＵ３０が持つ図６（ｂ）に示すテーブル４から、スイッチング周波数ｆ（Ｎ）を選択する（ステップ２０４）。テーブル４は、Ｐｌｏｓｓ（Ｎ）が大きいほどｆ（Ｎ）が大きくなるという関係を示している。また、テーブル４は、図８（ａ）のｆ（Ｎ）を変化させることでＰｌｏｓｓが変化するという関係を反映し、設計時に作られる。なお、図４（ｂ）に示すテーブル２と図６に示すテーブル４とは、同一である。
【００２８】
モータＥＣＵ３０は、操作部３２から、モータで発生する電力Ｐｇｉｖｅを検出する（ステップ２０５）。モータ５０から電力変換器４０に供給される電力の最大値は、電力変換器からモータへ印加される電流値と電圧値より、モータで発生する電力を検出できる。なお、モータＥＣＵから電力変換器への指令値（電流や電流位相）とモータ機器乗数（誘起電圧定数、インダクタンス）とモータ回転数より、算出することも可能である。
【００２９】
Ｐｉｎ（ＭＡＸ）がＰｇｉｖｅ以上であるか否かを判定する（ステップ２０６）。Ｐｉｎ（ＭＡＸ）がＰｇｉｖｅ以上であれば（ステップ２０６においてＹｅｓ）、モータＥＣＵ３０は、Ｐｉｎ＝Ｐｇｉｖｅとなるよう、Ｐｉｎ、ｆ（Ｎ）を電力変換器４０に送信する（ステップ２０７ａ）。Ｐｉｎ（ＭＡＸ）がＰｇｉｖｅより小さければ（ステップ２０６においてＮｏ）、モータＥＣＵ３０は、Ｐｉｎ＝Ｐｌｉｍｉｔとなるよう、Ｐｉｎ、ｆ（Ｎ）を電力変換器４０に送信する（ステップ２０７ｂ）。これらにより、直流電源１０の入力電力はＰｌｉｍｉｔの範囲内で、且つ、モータで発生する電力Ｐｇｉｖｅをできるだけ多くを直流電源１０に入力させるような、電力変換器４０の制御が可能となる。
【００３０】
次に、モータＥＣＵ３０は、一定時間が経過したか否かを判定する（ステップ２０８）。一定時間が経過していないと判定すると（ステップ２０８においてＮｏ）、ステップ２０８の処理に戻る。一定時間が経過したと判定すると（ステップ２０８においてＹｅｓ）、ステップ２０１の処理に戻る。これにより、定期的な電力制御を行うことができる。
４．直流電源１０の温度特性
図７は、リチウムイオン電池の放電時及び充電時における、直流電源１０の温度と、ＳＯＣと、入力及び出力許容電力との関係の一例を示した図である。図７（ａ）においては、各条件における出力許容電力を、出力許容電力が最大となる条件での電力量に対する百分率で示し、図７（ｂ）においては、各条件における入力許容電力を、入力許容電力が最大となる条件での電力量に対する百分率で示している。図７において、最も左の列から右方向に、直流電源１０の温度が−２０℃から１０℃ずつ８０℃まで増加しており、最も上の行から下方向に、ＳＯＣが０％から１０％ずつ１００％まで増加している。
【００３１】
図７（ａ）に示すように、力行時において、電源温度が２０℃未満及び５０℃以上の範囲で、直流電源１０の出力許容電力は小さくなる。また、ＳＯＣが小さいと、出力許容電力は小さくなる。図７（ｂ）に示すように、回生時において、電源温度が２０℃未満及び５０℃以上の範囲で、直流電源１０の入力許容電力は小さくなる。また、ＳＯＣが大きいと、入力許容電力は小さくなる。
【００３２】
リチウムイオン電池の放電時及び充電時は、それぞれ、モータ５０の力行時及び回生時に対応しており、図７の関係に基づいて図２の表が作成される。
５．電力変換器４０の電力損失を変化させる方法の変形例
電力変換器４０の電力損失を変化させる方法は、上述した電力変換器４０のスイッチング周波数を変化させる方法以外にも複数考えられる。その変形例を以下に示す。
（１）スイッチング素子４２，４４のデッドタイムの長さによる電力損失の増減
デッドタイムの長さを変化させることにより、電力変換器４０での電力損失の大きさを変化させることができる。
【００３３】
デッドタイムとは、電力変換器４０の上アームのスイッチング素子４２と下アームのスイッチング素子４４とが、どちらもＯＦＦである時間をいう。デッドタイムが設定される目的は、各相の上アームのスイッチング素子４２と下アームのスイッチング素子４４との両方がＯＮになり、スイッチング素子４２，４４が短絡し貫通電流が流れ、スイッチング素子４２，４４が破壊されることを防ぐことである。
【００３４】
例えば、スイッチング素子４２，４４がＯＦＦからＯＮに遷移すると、モータ５０のコイルには、スイッチング素子４２，４４から流れてくる電流を妨げるような電流が発生する。また、スイッチング素子４２，４４がＯＮからＯＦＦに遷移すると、モータ５０のコイルには、スイッチング素子４２，４４がＯＮのときに流れていた電流を保つような電流が発生する。これらコイルの自己誘電作用由来の電流は、スイッチング素子４２，４４のＩＧＢＴ又はダイオードに侵入する。そして、当該電流がＩＧＢＴを通った方が、ダイオードを通った場合よりも発生する電力損失が小さい。そのため、通常、上アームのスイッチング素子４２と下アームのスイッチング素子４４との両方がＯＮにならない範囲では、当該電流がＩＧＢＴを通るよう制御し、それ以外ではダイオードを通るよう制御する。一方、デッドタイム中はスイッチング素子４２，４４どちらのアームもＯＦＦなので、コイルの自己誘電作用由来の電流は常にダイオード側を通ることとなる。従って、デッドタイムが長いほど、当該電流のうち、ダイオードを流れる電流の割合が増え、電力変換器４０での電力損失が大きくなる。
【００３５】
図８（ｂ）は、スイッチング素子としてＳｉ−ＩＧＢＴを用いた電力変換器におけるデッドタイムと電力損失との関係の一例を示す図である。これによると、デッドタイムを長くするほど、電力変換器４０の電力損失が大きくなるという傾向のあることが分かる。なお、Ｓｉ−ＩＧＢＴ以外のスイッチング素子を用いた場合でも同様の傾向を示す。
デッドタイムの長さを変化させるには、パルス幅変調回路とスイッチング素子のゲートとの間に設けられたデッドタイム生成回路で制御を行う。なお、Ｓｉ−ＩＧＢＴにおいて、デッドタイムは最小５μｓ程度である。
（２）電力変換器の電流位相の変化による電力損失の増減
電力変換器４０の電流位相を変化させることにより、電力損失の大きさを変化させることができる。電力変換器４０の電流位相を変化させるとモータトルクが変化する。このとき、モータトルクを、電流位相を変化させる前の値に戻すために、モータ５０への出力電流量を変化させることにより、電力変換器４０の電力損失の大きさを変化させることができる。ここでいう電流位相とは、モータ５０の入力電流の位相、すなわち電力変換器４０からの出力電流の位相である。本実施の形態に係るモータ５０は、永久磁石埋め込み型の同期モータであり、マグネットトルクだけでなく、リラクタンストルクも活用できる。図９（ａ）は、スイッチング素子としてＳｉ−ＩＧＢＴを用いた電力変換器及びモータにおける、電流位相とモータトルクの大きさとの関係の一例を示す図である。ここで、モータトルクとは、マグネットトルクとリラクタンストルクとを合わせた総トルクを示している。図９（ａ）から、モータトルクは電流位相により変化し、モータトルクが最大となる電流位相は４０ｄｅｇ近傍である。そのため、電力変換器４０からの出力電流の位相を変化させることで、モータトルクの大きさを変化させることができる。また、電力変換器４０の電流位相を変化させ、且つ、電流位相を変化させる前のモータトルクを保持するためには、電力変換器４０に入力される電流を変化させれば良い。その結果、電力変換器４０の電力損失を変化させることができる。
（３）スイッチング速度の変化による電力損失の増減
電力変換器４０のスイッチング速度を変化させることで、電力損失を変化させることができる。
【００３６】
スイッチング速度とは、スイッチング素子がＯＦＦからＯＮあるいはＯＮからＯＦＦへと状態遷移するのにかかる時間をいう。スイッチング速度が遅いと、電圧が定常状態に達するまでの時間が長くなり、電力変換器４０の電力損失が増加する。
ＩＧＢＴをスイッチング素子４２，４４として用いた場合にスイッチング速度を変化させるには、パルス幅変調回路とスイッチング素子４２，４４のゲートとの間に可変抵抗を設け、当該可変抵抗の抵抗値を変化させれば良い。これは、スイッチング素子４２，４４のゲート、ゲート絶縁膜、及びエミッタ下のＰ領域をコンデンサとみなせ、ＩＧＢＴのＯＦＦからＯＮあるいはＯＮからＯＦＦ状態遷移の際に過渡現象が生じるためである。この構成で、当該可変抵抗の抵抗値を小さくすると、電圧が定常状態に達するまでの時間が短くなり、スイッチング速度が速くなる。
【００３７】
図９（ｂ）は、スイッチング素子としてＳｉ−ＩＧＢＴを用いた電力変換器におけるスイッチング速度と電力損失の大きさとの関係の一例を示す図である。これによると、スイッチング速度を遅くするほど、電力損失が大きくなるという傾向のあることが分かる。
（４）動作させるスイッチング素子４２，４４の個数による電力損失の増減
アームごとに並列接続されたスイッチング素子のユニットにおいて、動作させるスイッチング素子の個数を変化させることによって、電力損失を変化させることができる。
【００３８】
図１０は、アームごとに２つのスイッチング素子を並列接続したユニット４３Ｕ，４３Ｖ，４３Ｗ，４５Ｕ，４５Ｖ，４５Ｗを、三相交流各相に対応する配線に直列に配列する構成を示す図である。この構成を採ると、ユニット４３Ｕの２個のスイッチング素子４３Ｕａ，４３Ｕｂのいずれか１つをＯＦＦすることによって、電力変換器４０の電力損失を増加させることができる。並列接続するスイッチング素子の個数は、図１０に示した２個に限らず、複数であれば同様の効果が得られる。
６．効果
以上の構成では、力行時において、電力変換器４０で発生する電力損失を変化させるよう電力変換器４０の動作を制御する。そのため、直流電源１０の出力許容電力が小さい場合でも、電力変換器４０の電力損失を小さくすることで、従来よりも多くの電力をモータ５０に供給できる。よって、実際の自動車の駆動状態と運転者の希望する自動車の駆動状態との差異を低減しつつ、出力許容電力の範囲内でモータ５０に電力を出力できる、といえる。
【００３９】
具体的には、モータ５０の力行時であって、且つ、電力変換器４０の最大出力電力Ｐｏｕｔ（ｍａｘ）がモータ５０を駆動するために必要な電力Ｐｄｅｍａｎｄより小さいとき、モータＥＣＵ３０は電力変換器４０の電力損失を小さくするよう制御する。
図１１（ａ）は、電力変換器４０の出力電力をＰｏｕｔ、モータ５０を駆動するために必要な電力をＰｄｅｍａｎｄ、出力許容電力をＰｌｉｍｉｔ、電力損失の標準量をＰｌｏｓｓ（Ｓ）としたときの、ＰｏｕｔとＰｄｅｍａｎｄとの関係を示す図である。これにより、Ｐｏｕｔは、ＰｄｅｍａｎｄがＰｌｉｍｉｔ−Ｐｌｏｓｓ（ｓ）を超える範囲では、従来のｙ２からｙ１へと増加することが分かる。
【００４０】
電力変換器４０からの最大出力電力は、直流電源１０からの出力電力から電力損失を控除したものである。Ｐｄｅｍａｎｄが一定値までの場合、電力変換器４０からＰｄｅｍａｎｄを出力できるが、Ｐｄｅｍａｎｄが一定値を超えた場合、電池特性を優先し出力許容電力の範囲内で直流電源１０から電力を出力する。後者の場合であっても、従来のＰｌｏｓｓ（Ｓ）を用いる場合と比べ、電力変換器４０で発生する電力損失の減少量だけモータ５０に供給される電力は大きくなる。そのため、実際の自動車の駆動状態と運転者の希望する自動車の駆動状態との差異を低減できる、といえる。
【００４１】
モータ５０の回生時においても、電力変換器４０で発生する電力損失を大きくすることで、直流電源１０の入力許容電力の範囲内で、モータ５０で発生する電力を、直流電源１０へ供給している。
図１１（ｂ）は、電力変換器４０の入力電力をＰｉｎは、モータ５０で発生する電力をＰｇｉｖｅとしたときの、ＰｉｎとＰｇｉｖｅとの関係を示す図である。回生時であって、且つ、ＰｌｉｍｉｔがＰｇｉｖｅ＋Ｐｌｏｓｓ（ｓ）より小さいとき、モータＥＣＵ３０は電力損失を増加させる制御をする。Ｐｇｉｖｅが一定値までの場合、ＰｉｎはＰｌｉｍｉｔ以下となるが、Ｐｇｉｖｅが一定値を超えると、モータ５０力行時と同様に、電池特性を優先しＰｌｉｍｉｔの範囲内で直流電源１０に電力を入力する。後者の場合であっても、Ｐｉｎは、従来のＰｌｏｓｓ（Ｓ）を用いる場合と比べ、電力変換器４０で発生する電力損失の増加量だけ大きくできる。Ｐｇｉｖｅのうち直流電源１０に供給されなかった電力は、機械的ブレーキの働きにより消費されるため、従来よりも、ユーザが予想しない機械的ブレーキの動作量が低減し、ユーザにとって違和感のない電気自動車駆動システムが実現できる。
【００４２】
また、直流電流センサ３１、直流電圧センサ３４、交流電流センサ３６、及び交流電圧センサ３８によって、電力変換器４０の入出力電流及び電圧を検出できるので、電力変換器４０における消費電力を正確に演算、把握できる。そのため、直流電源１０の出力許容電力及び入力許容電力に基づいた電力変換器４０の制御が適正か否か判断することができ、電力損失の制御をより正確に行うことができる。また、直流電源１０から供給され電力変換器４０から出力される電力をより適正に推定することができるので、より高信頼性な電気自動車駆動システム１００を実現できる。
【００４３】
[実施の形態２] 
１．構成
図１２は、本発明の実施の形態２における、電気自動車駆動システム２００の模式図である。下記以外の構成は、電気自動車駆動システム１００と同じなので説明を省略する。
電気自動車駆動システム２００は、直流電源１０と電力変換器４０との間に電圧変換器６０を備える。
【００４４】
電力変換器４０におけるパルス幅変調回路４６は、モータＥＣＵ３０からの制御信号を受け、上述の電気自動車駆動システム１００と同様の方法で電力変換器４０の電力損失を変化させる。
電圧変換器６０は、モータＥＣＵ３０からの制御信号を受け、電圧変換器６０の出力電圧を変化させることで、電力変換器４０の電力損失を変化できる。具体的には、電圧変換器６０の出力電圧を高くすると、スイッチング素子４２，４４のエミッタコレクタ間の電位差が大きくなり、エミッタコレクタ間の電圧にコレクタ電流を乗じたスイッチング損失が増加するため、電力変換器４０の電力損失を増加させることができる。
【００４５】
２．効果
この構成における電圧変換器６０は、実施の形態１の方法に加えて、電圧変換器６０の出力電圧を変化させることで、電力損失を変化させる。
そのため、モータ５０の力行時、直流電源１０の出力許容電力Ｐｌｉｍｉｔよりもモータ５０を駆動するのに必要な電力Ｐｄｅｍａｎｄが大きい場合、電圧変換器６０の出力電圧を低くすることで電力変換器４０の電力損失をさらに低減させることにより、実施の形態１と比べて、モータ５０に供給できる電力を増加させることができる。その結果、さらに、実際の自動車の駆動状態と運転者の希望する自動車の駆動状態との差異を低減しつつ、出力許容電力の範囲内でモータ５０に電力を出力できる。
【００４６】
また、モータ５０の回生時、直流電源１０の入力許容電力Ｐｌｉｍｉｔよりもモータ５０の発生電力Ｐｇｉｖｅが大きい場合、電圧変換器６０の出力電圧を高めることで電力変換器４０の電力損失をさらに増加させることにより、実施の形態１と比べて、さらにＰｇｉｖｅのうち直流電源１０に供給できる電力の割合を増加させることができる。よって、従来よりも運転者が予想しない機械的ブレーキの動作量が低減し、運転者にとって違和感のない電気自動車駆動システムが実現できる。
【００４７】
[実施の形態３]
１．構成
図１３は、本発明の実施の形態３における、電気自動車駆動システム３００の模式図である。下記以外の構成は、電気自動車駆動システム１００と同じなので説明を省略する。
電気自動車駆動システム３００は、電力変換器４０及びモータ５０を冷却及び暖機する温度調節器（以下、温調器と略装する）７０を備える。温調器７０は電力変換器４０とモータ５０との間で、例えば、配管７２で直列に接続されている。
【００４８】
温調器７０により電力変換器４０を冷却することで、電力変換器４０の電力損失を小さくすることができ、温調器７０により電力変換器４０を暖機することで、電力変換器４０及びモータ５０での電力損失を大きくできる。
２．効果
モータ５０の力行時に、直流電源１０の出力許容電力Ｐｌｉｍｉｔよりもモータ５０の駆動に必要な電力Ｐｄｅｍａｎｄが大きい場合、温調器７０により電力変換器４０を冷却することで電力変換器４０の電力損失をさらに低減させることにより、実施の形態１と比べて、モータ５０に供給する電力を増加させることができる。その結果、さらに、実際の自動車の駆動状態と運転者の希望する自動車の駆動状態との差異を低減しつつ、出力許容電力の範囲内でモータ５０に電力を出力できる。
【００４９】
モータ５０の回生時に、直流電源１０の入力許容電力Ｐｌｉｍｉｔよりもモータ５０の発生電力Ｐｇｉｖｅが大きい場合、温調器７０により電力変換器４０を暖機することで電力変換器４０の電力損失をさらに増加させることにより、実施の形態１と比べて、さらにＰｇｉｖｅのうち直流電源１０に供給できる電力の割合を増加させることができる。よって、従来よりも、運転者が予想しない機械的ブレーキの動作量が低減し、運転者にとって違和感のない電気自動車駆動システムが実現できる。
［変形例］
１．直流電源の構成
直流電源として、実施の形態等で示したリチウムイオン電池以外にも、例えば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池のような温度特性を有する化学電池を用いても、上記課題を解決する効果が期待できる。
２．電力の算定方法
実施の形態等では特に図示していないが、電気自動車駆動システムは、例えば、アクセルやブレーキ等の操作部に加えて、例えば、電動エアコン、パワーステアリングのような補機負荷を備える。そのため、入力及び出力許容電力と電力変換器の電力損失とを比較する際、補機負荷での最大電力損失を、電力変換器の電力損失に加算して比較すると、より適正な電力制御を行うことができる。
３．電力変換器の制御方法
実施の形態等では、モータＥＣＵ３０はテーブルを使用して電力変換器の出力電力を制御していたが、これに限らない。
【００５０】
例えば、力行時において、直流電源から電力変換器に印加される電流値及び電圧値を、電力変換器がモータＥＣＵに送信し、モータＥＣＵが取得した電流値と電圧値とに基づき電力変換器の目標出力電力と電力損失とを算出し、モータＥＣＵが当該目標出力電力と電力損失とを電力変換器に送信することによって電力変換器を制御しても良い。
同様に、回生時において、モータから電力変換器に印加される電流値及び電圧値を、電力変換器がモータＥＣＵに送信し、モータＥＣＵが取得した電流値と電圧値とに基づき電力変換器の目標出力電力と電力損失とを算出し、モータＥＣＵが当該目標出力電力と電力損失とを電力変換器に送信することによって電力変換器を制御しても良い。
４．その他
実施の形態等では、出力許容電力を検出するために、電源温度及びＳＯＣを用いたが、例えば、電源温度、ＳＯＣどちらか一方を用いて推定しても良いし、ＳＯＣの代わりに直流電源の電圧を用いても良い。
【００５１】
実施の形態等では、モータが走行用モータである例について示したがこれに限定されない。例えば、モータとして、電動コンプレッサ用のモータ、電動パワーステアリング用のモータ等の補機系のモータを用いても、上記実施の形態等と同様の効果が得られる。
実施の形態等では、モータの回生時、力行時のいずれの場合であっても、電力変換器における電力損失を変化させる電気自動車駆動システムを示したが、例えば、モータの回生時、力行時のいずれかの場合にのみ電力損失を変化させる電気自動車駆動システムであっても良い。
【００５２】
実施の形態等では、電力変換器に入力及び出力される電流や電圧を検出するセンサを備える構成を採ったが、これらはなくても良い。
本発明で示す自動車は四輪自動車に限らず、例えば、二輪車等であっても良い。また、本発明に係る電気自動車駆動システムの構成などは、上記実施の形態に係る電気自動車駆動システムの構成に限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲において、種々の変形および応用が可能である。そして、技術的思想を逸脱しない範囲において、上述の各プロセスを、他の等価なプロセスに置換することが可能である。また、プロセス順を入れ替えることも、各構成要素を変更することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、二次電池を直流電源としたハイブリッド電気自動車、電気自動車等の電源システムに利用できる。
【符号の説明】
【００５４】
１０  直流電源
１１  二次電池
２０  電源ＥＣＵ
３０  モータＥＣＵ
３２  操作部
４０  電力変換器
４２，４４  スイッチング素子
４６  パルス幅変調回路
５０  走行用三相交流モータ
６０  電圧変換器
７０  温調器
１００，２００，３００  電気自動車駆動システム
【図１】
2013013280.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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