JP2014236589A - 電動車両用電力制御装置および電動四輪駆動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】供給電圧が変更されたときの過渡状態における電動機のトルク変動を抑制することができる、車両用電力制御装置の提供。【解決手段】車両用電力制御装置において、第１制御コントローラ１４と直流電圧検出回路１５とで構成されるインバータ制御部は、昇降圧コンバータから供給される電圧を直流電圧検出回路１５で計測すると共に、供給される電圧の変動を電圧推定値演算部４３により推定する。さらに、電圧検出値Ｖxと電圧推定値Ｖ＾との差分が所定値Ｖ２以上の場合に電圧推定値Ｖ＾側にセットされて電圧推定値Ｖ＾が選択され、差分が所定値Ｖ２未満と判定されると電圧検出値Ｖx側にセットされて電圧検出値Ｖxが選択される。そして、第１制御コントローラ１４は、選択された電圧推定値Ｖ＾または電圧検出値Ｖxとトルク指令３１とに基づいて、変換器１０を制御する。【選択図】図３

Description

本発明は、電動車両用電力制御装置および電動四輪駆動車両に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等の電動車両においては、車両の動力源として電動機を搭載しており、さらに、電動機に供給する電力を制御するためのインバータ装置を備えている。インバータ装置は、ＩＧＢＴなどの電力用半導体素子を内蔵したパワーモジュール、そのパワーモジュールを駆動する駆動回路、それらを制御する制御回路、バッテリから供給される電力の配線である直流バスバー、電動機へ供給する電力の配線である交流バスバー、および電流平滑化用のコンデンサ等を備えている。

このような電動車両においては、バッテリからの直流電圧を昇圧コンバータによって昇圧し、昇圧した直流電圧をインバータで所望する交流電圧に変換してモータを駆動する構成も検討されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載の車両駆動装置は、ペダル踏力を駆動輪に供給する人力駆動系と、電動モータからの補助力を駆動輪に供給する電力駆動系と、ペダル踏力および車速に応じて補助力を可変制御する補助力制御手段と、バッテリ電圧を必要な補助力に応じた電圧に昇圧する昇圧手段と、を備え、昇圧手段として昇降圧コンバータが用いられている。

特開平９−２４０５６０号公報

一般的に、インバータに供給される電圧が過渡的に急激に増加または減少する場合、それはモータ電流の制御手段であるインバータにとって、直流電圧入力の外乱変動に相当する。その結果として、インバータは指令されたトルクに対応する電流出力を維持できなくなるおそれがある。

従来のインバータは、直流電圧が脈動しても出力電流への影響を補償するために、直流電圧の検出部に濾波器（フィルタ）を設けている。外乱に対する補償のためには濾波器は必要であるが、前述したとおり、昇降圧コンバータによって直流電圧を可変化する用途に関しては、濾波器が弊害をもたらすおそれがある。つまり、直流電圧が昇降圧コンバータで増加又は減少するように制御されているにも関わらず、それを外乱として濾波器が補償を掛けようとすることが起こり得る。このように、過渡状態においては実際の昇降圧された電圧値と、外乱用の濾波器を用いて補償された電圧検出値に差異が発生し、その影響でモータの出力トルクが変動する問題が生じていた。

請求項１の発明に係る電動車両用電力制御装置は、電動車両に搭載されたバッテリの直流電圧を所望の直流電圧に変換する電力変換装置から電圧が供給され、電動車両の動力輪を駆動する電動機に電力を供給するインバータと、トルク指令に基づいてインバータを制御するインバータ制御部と、を備え、インバータ制御部は、電力変換装置から供給される電圧を計測する計測部と、電力変換装置から供給される電圧の変動を推定する推定部と、計測部による電圧計測値と推定部による推定値との差分が所定値以上の場合に推定値を選択し、差分が所定値未満の場合に電圧計測値を選択する選択部と、を有し、インバータ制御部は、選択部で選択された推定値または電圧計測値と、トルク指令とに基づいて、インバータを制御することを特徴とする。
請求項６の発明に係る電動四輪駆動車両は、バッテリと、バッテリの直流電圧を所望の直流電圧に変換する電力変換装置と、前輪および後輪の一方を駆動する第１の電動機と、電力変換装置から電圧が供給され、第１の電動機に電力を供給する第１のインバータと、前輪および後輪の他方を駆動する第２の電動機と、第２の電動機に対して設けられ、電力変換装置から直流電圧が供給されると共に第２の電動機に電力を供給する第２のインバータを有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電動車両用電力制御装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、供給電圧が変更されたときの過渡状態における電動機のトルク変動を抑制することができる。

図１は、電動車両に搭載される電力制御装置の一例を示す図である。 図２は、従来装置の昇圧時における電圧検出値およびトルクの変化を示す図である。 図３は、第１制御コントローラ１４の一実施例を示すブロック図である。 図４は、切替器４６の切替動作を説明するフローチャートである。 図５は、図４のステップＳ２０においてＮｏと判定された場合の処理を示すフローチャートである。 図６は、図４のステップＳ３０においてＮｏ判定された場合の処理を示すフローチャートである。 図７は、本発明の第２の実施の形態を示す図である。 図８は、第２の実施の形態における切替動作を説明するフローチャートである。 図９は、図８のステップＳ１３０においてＮｏ判定された場合の処理を示すフローチャートである。 図１０は、(a)補償動作の実行状態、(b)昇圧指令（目標電圧値Ｖ^＊）の変化、(c)実際の電圧とＶ＾およびＶxとの関係、(d)トルクの変化、のそれぞれを示す図である。

以下、図を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は、電動車両に搭載される電力制御装置の一例を示す図である。第１のモータ１は電動車両の後輪（不図示）を駆動するモータである。第２のモータ２は、電動車両の前輪（不図示）を駆動するモータである。発電機３は、電動車両に搭載された原動機によって駆動される発電用モータである。

モータ１は変換器（インバータ）１０により駆動制御され、モータ２は変換器１１により駆動制御される。変換器１０，１１は、それぞれ、３相ブリッジ回路接続された６個のパワーデバイス（IGBT）を備えている。発電機３には、６個のパワーデバイス（IGBT）を３相ブリッジ回路接続した構成の変換器（インバータ）１２が接続されている。変換器１２の直流側には、昇降圧コンバータ１３が接続されている。昇降圧コンバータ１３は、２個のパワーデバイス（IGBT）Ｑ１，Ｑ２を上下のハーフブリッジと呼ばれる構成に接続したものである。IGBTＱ１，Ｑ２は、それぞれダイオードＤ１，Ｄ２を図示した極性に並列に備えている。ハーフブリッジの出力はコイルＬcの一端に接続され、そのコイルＬcの他端はリレー５を介してバッテリ４の正極に接続される。

ここで、変換器１０〜１２および昇降圧コンバータ１３は、共通の直流ラインＰ，Ｎ間に接続されている。２つの変換器１０，１１は、発電機３に接続された変換器１２、または昇降圧コンバータ１３から直流電圧が供給される。この直流電圧を平滑するためのコンデンサとして、変換器１０にはコンデンサ２０が、変換器１１にはコンデンサ２１がそれぞれ設けられ、そして変換器１２にもコンデンサ２２が設けられている。

変換器１０は、第１制御コントローラ１４により制御される。第１制御コントローラ１４は、車両全体の制御を行う上位コントローラ１７から入力されるトルク指令値３１に基づいて、モータ１が所望のトルクを出力するように、変換器１０に設けられたパワーデバイスにゲート駆動パルスを印加する。直流電圧検出回路１５は変換器１０〜１３に共通の直流電圧値を検出し、その検出値を第１制御コントローラ１４に入力する。

変換器１１は、第２制御コントローラ１６により制御される。第２制御コントローラ１６は、上位コントローラ１７から入力されるトルク指令値３２に基づいて、モータ２が所望のトルクを出力するように、変換器１１に設けられたパワーデバイスにゲート駆動パルスを印加する。

変換器１２は、第３制御コントローラ１８により制御される。第３制御コントローラ１８は、上位コントローラ１７から入力される発電指令３３に基づいて、発電モータ３が所望の電力を出力するように、変換器１２に設けられたパワーデバイスにゲート駆動パルスを印加する。

昇降圧コンバータ１３は、第４制御コントローラ１９により制御される。第４制御コントローラ１９は、上位コントローラ１７から入力される電圧指令３４に基づいて、IGBTＱ２のオン・オフを制御して昇降圧動作を行う。

昇圧の場合には、IGBTＱ２をオンさせてバッテリ４からコイルＬcに電流を供給し、次いでIGBTＱ２をオフする。コイルＬcの電磁エネルギーにより、バッテリ４からコイルＬc、ダイオードＤ１を介して、共通の直流電圧ラインに電流パルスが供給される。昇圧動作の期間中は、第４制御コントローラ１９はIGBTＱ２を交互にオン、オフする動作を一定の周期で繰返す。また、電流の制御はオン比率を変えることで調整される。

このように、バッテリ４からコイルＬcに電流を断続的に通電制御することで、コイルＬcが電流源として機能する。すなわち、IGBTＱ２を交互にオン、オフすることで、コイルＬcの電流は概ね一定な電流に維持される。IGBTＱ２がオフの期間は、コイルＬcに電磁誘導により電圧が発生し、この誘導電圧とバッテリの電圧との和が共通の直流電圧ラインに印加される。この電圧和はコンデンサ２０〜２２で平滑され、同時にそれらのコンデンサ２０〜２２を充電して安定化される。

一方、降圧動作の場合には、上位コントローラ１７からの電圧指令３４により、第４制御コントローラ１９は、先ず、IGBTＱ１をオンして共通の直流電圧ラインからコイルＬcを介してバッテリ４に電流を供給する。次いで、IGBTＱ１をオフすることで、蓄積した電磁エネルギーによるコイルＬcの電流は、バッテリ４とダイオードＤ２を通って流れ続ける。降圧動作の期間中は、第４制御コントローラ１９は、IGBTＱ１を交互にオン、オフする動作を一定の周期で繰返し、また、電流の制御はオン比率を変えることで調整する。

降圧動作の場合には、IGBTＱ１を交互にオン、オフすることで、共通の直流電圧ラインからコイルＬcを介してバッテリ４に供給する電流を概ね一定に制御する。IGBTＱ１のオフ期間には、コイルＬcに電磁誘導の電圧（バッテリ４とほぼ同等な電圧値になる）が発生し、コイルＬcの電流はダイオードＤ２を通って流れ、IGBTＱ１のオン期間には、コイルＬcが蓄えた電磁エネルギーによる電流が流れ、バッテリ４が充電される。

このように、変換器１０〜１３に対して共通の直流電圧ラインの電圧は、発電用モータ３を原動機で駆動させ、発生する交流電圧を変換器１２で直流電圧に変えて得る方法と、昇降圧コンバータ１３でバッテリ４の電圧を昇圧させて得る方法の二通りがある。

ところで、図１に示す電動駆動車両の電力変換システムは、二輪駆動の電動駆動車両に、モータ１、変換器１０および第１制御コントローラ１４を追加して後輪も駆動する四輪駆動の電動駆動車両としたものである。後輪用のモータ１は、一般的に後輪用のデフに近接して配置されることから、後輪用の変換器１０も後輪用のモータ１の近くに配置されることが考えられる。その結果、後輪用の変換器１０は、車両の前側に配置される前輪用の変換器１１、発電用の変換器１２、及び昇降圧コンバータ１３とは物理的な配置距離が遠く、電力ハーネスで接続されている。

通常、このような構成の場合、変換器１１，１２、昇降圧コンバータ１３、第２〜４制御コントローラ１６，１８，１９に関しては、上位コントローラ１７の指令の下に統一的な制御が行われるが、追加された後輪側の第１制御コントローラ１４に関しては、上位コントローラ１７から通信ラインを介してトルク指令が入力されるのが一般的である。

ここで、昇降圧コンバータ１３を例に説明すると、前述の動作原理で制御が行われるが、第４制御コントローラ１９は、上位コントローラ１７からの電圧指令３４で昇圧時の電圧変化率を認識する。その後は、第４制御コントローラ１９は自律的に制御を行い、コイルＬcを流れる定電流を断続的にパルス化して出力する。さらに、第４制御コントローラ１９は、変換器１０，１１がモータ１，２に供給する電流によってコンデンサ２０〜２２の電圧が変動する様を検知して、IGBTＱ２のオン比率（１周期におけるオン期間の比）を制御することにより直流電圧ラインの電圧が所望の電圧となるようにしている。

このとき、変換器１０がモータ１に供給する電流は、共通の直流電圧ラインの瞬時的な電圧に応じて変化するので、昇降圧コンバータ１３と変換器１０，１１の動作は相互に依存することになる。そのため、後輪用に配置された変換器１０が上位コントローラ１７からのトルク指令値３１で動作する際は、共通の直流電圧ラインの電圧が何Ｖであるかを認識して動作する必要がある。

例えば、昇降圧コンバータ１３により直流電圧ラインの電圧が２００Ｖから４００Ｖに昇圧された場合であっても、変換器１０は、入力電圧の変動に関わらず、トルク指令通りのトルクを発生するようにモータ１を制御する必要がある。

ところで、従来、インバータは、直流電圧が脈動しても出力電流への影響を補償するために、直流電圧の検出部に時定数が１００ｍｓ程度のフィルタを設けている。図１に示した構成では、直流電圧検出回路１５にこのフィルタが設けられている。そのため、例えば、図２（ａ）の実線で示すように直流電圧ラインの電圧が２００Ｖから４００Ｖに急激に上昇した場合には、フィルタの影響で破線Ｌ２で示すような電圧検出値が得られることになる。図２（ｂ）は、モータ１のトルクの時間変化を示したものであり、上位コントローラ１７からのトルク指令は一定トルクを要求している場合を示す。

図２（ａ）に示すように、実線Ｌ１で示す直流電圧ラインの電圧値の急激な変化に比べて、電圧検出値はフィルタの影響でなだらかに変化する。その結果、直流電圧ラインの電圧が２００Ｖから４００Ｖに変化した直後は、実際の電圧値と電圧検出値との間に大きな乖離が生じる。第１制御コントローラ１４は、直流電圧検出回路１５で検出された破線Ｌ２で示す電圧値に基づいてモータ１を制御する。しかし、実際の電圧値は実線Ｌ１で示すように電圧検出値よりも大きいため、乖離の大きな期間ｔ１〜ｔ２においては、発生するトルクＴｒ（実線Ｌ３で示す）がトルク指令よりも大きくなってしまうという問題が生じる。

本実施の形態では、このような問題を解決すべく、上位コントローラ１７から第４制御コントローラ１９に出力される電圧指令３４を、図１に示すように第１制御コントローラ１４に取り込むような構成とした。そして、第１制御コントローラ１４が直流電圧の変化を自ら推定して後述するような制御を行うことにより、モータ１から所望のトルクが正しく出力されるようにした。

図３は、第１制御コントローラ１４の一実施例を示すブロック図である。上述したように、第１制御コントローラ１４には、上位コントローラ１７から第４制御コントローラ１９へ出力された電圧指令３４が取り込まれる。電圧指令３４に含まれる情報としては、目標電圧値Ｖ^＊や電圧変化率ΔＶ/Δtなどがある。ここでは、電圧指令３４が、目標電圧値Ｖ^＊と電圧変化率ΔＶ/Δtであるとして説明する。目標電圧値Ｖ^＊は、図２（ａ）に示した２００Ｖや４００Ｖである。電圧変化率ΔＶ/Δtは、２００Ｖから４００Ｖに昇圧する場合に、ゆっくり変化させるか急激に変化させるかによって異なる。

また、第１制御コントローラ１４には、直流電圧検出回路１５から電圧検出値が入力され、上位コントローラ１７からはトルク指令値３１が入力される。なお、ここでは、フィルタ４７を通過した後の電圧検出値（図２（ａ）の破線Ｌ２で示す電圧値）を符号Ｖxで示すことにする。なお、図１では図示を省略したが、第１制御コントローラ１４には、モータ１に関する情報（電流・位相情報や磁極位置検出情報等）５０が入力される。

第１制御コントローラ１４には、目標電圧値記憶部４１、電圧変化率記憶部４２、電圧推定値演算部４３、演算部４４、判断部４５、切替器４６、フィルタ４７および電流制御部４８を備えている。目標電圧値記憶部４１は、電圧指令３４として取り込んだ目標電圧値Ｖ^＊を記憶する。電圧変化率記憶部４２は、電圧指令３４として取り込んだ電圧変化率ΔＶ/Δtを記憶する。電圧推定値演算部４３は、電圧変化率記憶部４２に記憶された電圧変化率ΔＶ/Δtに基づいて電圧推定値Ｖ^を演算する。演算結果は演算部４４に入力される。演算部４４は、入力された電圧推定値Ｖ^を次回のＶoldとして扱うべく記憶すると共に、電圧推定値演算部４３で次回の推定演算が行われるまでの経過時間δｔをカウントする。電圧推定値Ｖ^は繰り返し演算されるものであって、一回前に演算されて演算部４４に記憶されたＶoldに、電圧変化率ΔＶ/Δtに経過時間δtを掛けた値を加算することによって得られる（Ｖ^＝Ｖold＋ΔＶ/Δt×δｔ）。

判断部４５には、目標電圧値記憶部４１からの目標電圧値Ｖ^＊、フィルタ４７からの電圧検出値Ｖx、電圧推定値演算部４３からの電圧推定値Ｖ^が入力される。判断部４５は、後述するように電圧検出値Ｖxおよび電圧推定値Ｖ^のいずれを用いるかを判断し、その判断結果に基づいて切替器４６を切り替える。切替器４６から出力された電圧情報（電圧検出値Ｖxまたは電圧推定値Ｖ^）は、電流制御部４８に入力される。電流制御部４８は、トルク指令値３１、切替器４６からの電圧情報および上述したモータ情報５０に基づいてモータ電流指令を演算する。このモータ電流指令に基づいて、変換器１０のパワーデバイスのオン・オフ動作が行われる。

図４に示すフローチャートは、切替器４６の切替動作に関する処理手順の一例を示したものである。ステップＳ１０では、電圧指令３４である目標電圧値Ｖ^＊の変化量を算出する。例えば、今回取り込んだ目標電圧値Ｖ^＊と前回取り込んだ目標電圧値Ｖ^＊との差を算出する。電圧指令３４は、例えば、１０ｍｓ毎に取り込まれる。

ステップＳ２０では、ステップＳ１０で算出した変化量の絶対値が予め設定された閾値以上か否かを判定する。この目標電圧値Ｖ^＊の変化量は図２（ａ）に示した４００Ｖと２００Ｖとの差に相当するもので、この電圧差が小さければ（例えば、１０Ｖ程度）、図２（ｂ）に示すようなトルク変動は生じない。すなわち、直流電圧ラインの電圧に関して、直流電圧検出回路１５で検出された電圧値と実際の電圧値との間には大きな乖離は生じない。なお、閾値はトルク変動を引き起こさない値であり、事前に実験などで求めておく。ステップＳ２０において変化量の絶対値が閾値未満であると判定した場合にはステップＳ３０へ進み、閾値未満と判定された場合には図５のステップＳ６０へ進む。

まず、ステップＳ２０からステップＳ３０へ進んだ場合、すなわち目標電圧値Ｖ^＊が大きく変化した場合について説明する。ステップＳ３０では、目標電圧値Ｖ^＊と推定値Ｖ^との偏差の絶対値を求め，その値が所定値Ｖ１以上か否かを判定する。図２（ａ）の実線Ｌ１および破線Ｌ２から分かるように、実際の電圧値が急激に上昇しても、直流電圧検出回路１５に設けられているフィルタの影響により電圧検出値（破線Ｌ２）はゆるやかに上昇する。

一方、推定値Ｖ^は、取り込まれた電圧指令値（Ｖ^＊，ΔＶ/Δt）に基づいて「Ｖ^＝Ｖold＋ΔＶ/Δt×δｔ」のように算出されるので、より実際の電圧に近い変化を示す（後述する図１０を参照）。そして、時間の経過と共に図２（ａ）の実線Ｌ１と破線Ｌ２との差が小さくなるように、時間経過につれて目標電圧値Ｖ^＊と推定値Ｖ^との差は小さくなる。すなわち、偏差の絶対値が所定値Ｖ１よりも大きいとき（例えば、時刻ｔ１の直後）は、実際の電圧値と電圧検出値とは大きく乖離しているので、推定値Ｖ^を用いてモータ１の制御を行うのが好ましい。なお、所定値Ｖ１はトルク変動を引き起こさない値であり、事前に実験などで求めておく。

よって、ステップＳ３０で偏差の絶対値が所定値Ｖ１よりも大きいと判定された場合には、ステップＳ４０へ進んで、切替器４６を推定値側にセットする。その結果、モータ１は、電圧推定値演算部４３で算出された電圧推定値Ｖ＾に基づいて制御され、図２（ｂ）に示すようなトルク変動の発生を避けることができる。ステップＳ４０の処理が終了したならば、ステップＳ５０に進んで補償フラグをセットする。この補償フラグは、電圧検出値の補償動作が開始されるとセットされることになる。

一方、電圧推定値Ｖ＾は演算を繰り返すたびに（すなわち時間の経過と共に）目標電圧値Ｖ^＊に近づき、偏差の絶対値が所定値Ｖ１よりも小さくなった時点でステップＳ３０においてＮｏと判定される。ステップＳ３０において偏差の絶対値が所定値Ｖ１よりも小さいと判定された場合には、図６のステップＳ８０へ進む。

ステップＳ８０では、電圧推定値Ｖ＾と電圧検出値Ｖxとの偏差の絶対値が、所定値Ｖ２以上か否かを判定する。図２（ａ）の区間ｔ１〜ｔ２の後半においては、実際の電圧値がほぼ４００Ｖに落ち着くので、電圧推定値Ｖ＾と目標電圧値Ｖ^＊との偏差の絶対値は非常に小さくなり、ステップＳ３０においてＮｏと判定される。しかし、電圧検出値Ｖx（破線Ｌ２）を見ると、まだ実際の電圧値と大きく乖離している。そこで、電圧推定値Ｖ＾と電圧検出値Ｖxとの偏差の絶対値が所定値Ｖ２以上であった場合には、ステップＳ８０から図４のステップＳ４０へ進み切替器４６を推定値側へと切り換えるようにする。

一方、電圧推定値Ｖ＾と電圧検出値Ｖxとの偏差の絶対値が所定値Ｖ２より小さい場合にはトルク変動が生じないので、ステップＳ８０からステップＳ９０へ進んで、切替器４６を電圧検出値Ｖx側にセットする。電圧推定値Ｖ＾と電圧検出値Ｖxとの偏差の絶対値が所定値Ｖ２より小さくなると、それ以後は電圧検出値Ｖxを用いてモータ１の制御を行っても支障がないので、ステップＳ１００で補償フラグをクリアして、補償動作を終了する。なお、所定値Ｖ２はトルク変動を引き起こさない値であり、事前に実験などで求めておく。

次いで、ステップＳ２０でＮｏと判定されてステップＳ６０へ進んだ場合、すなわち目標電圧値Ｖ^＊の変化量が小さかった場合について説明する。この場合、ステップＳ６０において補償フラグがセットされているかを判定する。例えば、図２（ａ）の時刻ｔ１において、目標電圧値Ｖ^＊がステップ状に変化する場合を考える。その場合、目標電圧値Ｖ^＊が４００Ｖに変化した後は、時刻ｔ２以前であってもステップＳ２０においてＮｏと判定されることになる。しかし、時刻ｔ１直後に補償動作に入ると上述したステップＳ５０において補償フラグがセットされるので、ステップＳ６０で補償フラグがセットされているか否かを判定することで、補償動作中か否かを判断することができる。

ステップＳ６０において補償フラグがセットされていると判定されると、ステップＳ３０へ進み、補償フラグがセットされていないと判定されると切替器４６を電圧検出値側にセットする。なお、上述したフローチャートは繰返し実行される。

図１０は、(a)補償動作の実行状態、(b)昇圧指令（目標電圧値Ｖ^＊）の変化、(c)実際の電圧とＶ＾およびＶxとの関係、(d)トルクの変化、のそれぞれを示したものである。補償動作は、目標電圧値Ｖ^＊が２００Ｖから４００Ｖに変化したタイミング（時刻ｔ１）で開始され、電圧推定値Ｖ＾と電圧検出値Ｖxとの偏差の絶対値が所定値Ｖ２より小さくなると終了する（時刻ｔ２）。

区間ｔ１〜ｔ２において、電圧推定値Ｖ＾は、若干ずれを生じながらも実施の電圧値と同様の変化を示している。一方、フィルタ４７を通した後の電圧検出値Ｖxはゆっくりと上昇し、実際の電圧値と大きく乖離している。補償動作実行中の区間ｔ１〜ｔ２では、電圧推定値Ｖ＾を用いて変換器１０（すなわち、モータ１）の駆動制御が行われるので、トルク変動は実線で示すように小さくなる。破線で示すトルク変動は、電圧検出値Ｖxを用いて制御を行った場合を示す。このように、本実施の形態では、昇降圧コンバータ１３による昇圧によって変換器１０の入力電圧が変動した過渡状態において、モータ１のトルク変動を抑えることができる。

−第２の実施の形態−
図７は本発明の第２の実施の形態を示す図であり、第１制御コントローラ１４のブロック図である。第１の実施の形態では、上位コントローラ１７から第４制御コントローラ１９に送られる電圧指令３４を取り込んで、切替器４６の切り換え動作を行ったが、図７に示す第１制御コントローラ１４では、電圧指令３４を用いることなく切替器４６の切り換え動作を行う点が異なっている。

第１制御コントローラ１４には、Ａ／Ｄ部５１、サンプル＆ホールド部５２、電圧演算部５３、判定部５４、演算部４４、切替器４６、フィルタ４７および電流制御部４８を備えている。Ａ／Ｄ部５１は、直流電圧検出回路１５から入力された電圧検出値を、アナログ値からディジタル値に変換する。なお、ディジタル値の電圧検出値が直流電圧検出回路１５から入力される場合には、Ａ／Ｄ部５１をスルーさせる。Ａ／Ｄ部５１でディジタル値に変換された電圧検出値は、サンプル＆ホールド部５２およびフィルタ４７に入力される。

サンプル＆ホールド部５２でサンプリングされた電圧検出値（ここでは、符号Ｖsで表す）は、電圧演算部５３に入力される。電圧演算部５３では、電圧検出値Ｖsに基づいて電圧変化率ΔＶ/Δt＝（Ｖs−Ｖold）／ΔＴを算出すると共に、電圧推定値Ｖ＾＝Ｖold＋ΔＶ/Δt×δｔを算出する。この演算はサンプリング間隔δｔで繰り返し行われ、Ｖoldは一回前に算出された電圧演算値Ｖ＾である。第１の実施の形態の場合と同様に、演算部４４は、入力された電圧推定値Ｖ^を次回のＶoldとして扱うべく記憶すると共に、電圧推定値演算部４３で次回の推定演算が行われるまでの経過時間δｔをカウントする。

ここで、電圧変化率ΔＶ/Δtについては、サンプリング毎の瞬時的な値として得る方法と、サンプル値を蓄積し、平均二乗法のような回帰的な方法で線形近似する二通りが可能である。時間変化Δtにサンプリング間隔の時間経過δtを用いる場合は、瞬時的な変化率となる。また、回帰的な変化率を得るためには、複数回のサンプリングから得たＶsとその時の時間を用いる。

判定部５４は切替器４６の切り替えに関する判定を行うものであり、切替器４６に
後述するような切替動作を行わせる。切替器４６は、入力された電圧推定値Ｖ＾および電圧検出値Ｖxのいずれかを選択して出力するものであり、その出力は電流制御部４８に入力されると共に、直流電圧検出結果４９として上位コントローラ１７に入力される。

図８、９は、切替器４６の切り替え動作を説明するフローチャートである。なお、図４〜６に示すフローチャートの場合と同一の処理を行うステップには、同一の符号を付した。第２の実施形態では目標電圧値Ｖ^＊は取り込まれないので、先ず、ステップＳ１３０では、電圧変化率ΔＶ/Δtの絶対値が所定値Ｖ３以上か否かを判定部５４において判定する。この所定値Ｖ３は、第１の実施の形態で使用した所定値Ｖ１と同様のものであり、トルク変動を引き起こさない値である。

ステップＳ１３０において変化率ΔＶ／Δｔが所定値Ｖ３以上であると判定されると、ステップＳ４０に進んで、切替器４６を推定値側にセットする。一方、ステップＳ１３０で変化率ΔＶ／Δｔが所定値Ｖ１よりも小さいと判定されると、図９のステップＳ６０へ進む。ステップＳ６０では補償フラグがセットされているか否かを判定し、セットされていないと判定されるとステップＳ７０へ進んで、切替器４６を推定値側にセットする。一方、ステップＳ６０では補償フラグがセットされていると判定されると、ステップＳ８０へ進む。ステップＳ８０，Ｓ９０，Ｓ１００の処理は上述した第１の実施の形態と同様なので、ここでは説明を省略する。

このように、第２の実施の形態では、上位コントローラ１７からの電圧目標値Ｖ^＊に代えてフィルタ４７を通す前の電圧検出値Ｖsを使用し、電圧変化率ΔＶ／Δｔおよび電圧推定値Ｖ＾を算出するようにした。そして、それらを用いることによって実施の形態と同様の切り替え動作を行うようにした。

上述した第１および第２の実施の形態における電圧推定値Ｖ^、電圧検出値Ｖxの時間変化、すなわち、それらを算出する際に用いるサンプル数は、用途に応じて多種な組合せを選ぶことができる。

一例として、モータ１の回転数と逆起電圧の関係に対応するために、昇降圧コンバータ１３でバッテリ４の電圧を昇圧場合がある。一般に、永久磁石式電動機は回転数が高くなると逆起電圧も増して、電流が流れ難くなる。モータ１を高回転にしたい場合に、そのトルク指令を増しながら昇降圧コンバータ１３でバッテリ４の電圧を昇圧して、直流電圧が逆起電圧より高くなるように制御する。

ここで、モータ１の回転数増加は電動車両にとって車速の増加であるから、車両を運転するドライバの操作で決まり、遅い場合も速い場合も有り得る。一例としてドライバがアクセルを強く踏み、車両速度が一定速速から時速加算分として＋30km/hになるような場合、モータ１の回転数増加に対応する直流電圧の増加分は、約150ｍｓで300Vから600Vに倍化するような変動となる。

一方、負荷を始めとする周辺からの影響を受けて直流電圧が変動する、外乱の状況を考えてみる。図１に示す構成ではコンデンサ２０〜２２を設けているので、数μｓという極短時間の電圧変動はコンデンサで吸収され、このような電圧変動が起きることは稀である。数ｍｓ〜数十ｍｓの時間、直流電圧が変化する外乱現象を対象とした場合、これを減衰させるフィルタ４７の時定数は50〜100ｍｓ程度と考えられる。本発明は、数ｍｓ〜数十ｍｓの時間で直流電圧が変化する場合は、フィルタ４７を介した電圧検出値Ｖxを選択する。

上述のように車両が増速（上記＋30km/hの事例）する場合と比較すると、約150ｍｓで300Vから600Vに倍化する現象が減衰時定数50〜100ｍｓ程度のフィルタ４７を通って減衰してしまうと、ドライバが所望する加速はできず、約150ｍｓで目標速度に達するはずが２倍程度の時間が掛かってしまう。こういう事例に対して上述し実施の形態を用いれば、車両コントローラからの指令で直流電圧が変化始めたことを正しく認識して、その変動を電圧推定値Ｖ^として推定し、この値に応じてモータ１を制御することで要求に対して適切に応えることができる。

上述したように、フィルタ４７を介して取り込んだ電圧検出値は図２（ｂ）の破線Ｌ２のような変化をするため、直流電圧ラインの実際の電圧値が正確に分からない場合がある。しかし、上述した第１および第２の実施の形態では、電圧指令（目標電圧値Ｖ^＊、電圧変化率ΔＶ／Δｔ）を取り込む構成（図３）や、フィルタ４７を通さずにサンプリングした電圧値Ｖsを算出する構成（図７）を採用し、それらの情報に基づいて算出された推定電圧値Ｖ＾を用いてモータ１を制御することで、図２（ｂ）に示すような昇圧動作に伴うモータ１のトルク変動を防止することができる。

以上説明したように、本発明は以下のような作用効果を奏する。第１制御コントローラ１４と直流電圧検出回路１５とで構成されるインバータ制御部は、昇降圧コンバータ１３から供給される電圧を直流電圧検出回路１５で計測すると共に、供給される電圧の変動を電圧推定値演算部４３により推定する。さらに、直流電圧検出回路１５による電圧検出値Ｖxと電圧推定値演算部４３による電圧推定値Ｖ＾との差分が所定値Ｖ２以上の場合に電圧推定値Ｖ＾側にセットされて電圧推定値Ｖ＾が選択され、差分が所定値Ｖ２未満と判定されると電圧検出値Ｖx側にセットされて電圧検出値Ｖxが選択される。そして、第１制御コントローラ１４は、選択された電圧推定値Ｖ＾または電圧検出値Ｖxとトルク指令３１とに基づいて、変換器１０を制御する。

その結果、昇降圧コンバータ１３の昇降圧により供給電圧が変動した過渡状況において、図２（ｂ）のＬ３で示すようなトルク変動を抑制することができる。

図３に示すように、電動車両に設けられた上位コントローラ１７から第３制御コントローラ１８への電圧指令（Ｖ^＊、ΔＶ／Δｔ）を目標電圧値記憶部４１，電圧変化率記憶部４２に取得し、電圧指令に基づいて電圧推定値Ｖ＾を推定するようにしても良い。この場合、上位コントローラ１７からの電圧指令に基づいて電圧推定値Ｖ＾を推定するので、より精度を良く電圧推定値Ｖ＾を推定することができる。

また、図７示すように、直流電圧検出回路１５に設けられたフィルタ４７を通過しない電圧検出値Ｖsに基づいて電圧推定値Ｖ＾を推定するようにしても良い。この場合、図３の構成の場合のような電圧指令を取得する構成を、新たに追加する必要がなく、コスト上昇の低減を図ることができる。

さらに、電圧指令３４は少なくとも目標電圧値Ｖ^＊を含み、図４，５のステップＳ３０、Ｓ６０、Ｓ７０に示すように、目標電圧値Ｖ^＊の変化が所定閾値以上の場合には切替器４６の切替動作を行い、目標電圧値Ｖ^＊の変化が所定閾値未満の場合には切替器４６の切替動作を行わず、かつ、電圧検出値Ｖxに基づいて変換器１０を制御する。それにより、供給電圧が昇圧制御により変化した値なのか、或いは外乱等の影響で変動したものなのかを識別して変換器１０を制御することができる。

切替器４６を切り替えることで選択された電圧推定値Ｖ＾または電圧検出値Ｖxを上位コントローラ１７へ出力することで、上位コントローラ１７は、第１制御コントローラ１４が電圧を正しく認識したかどうかを確認して、電動車両全体の安全な制御を行うことができる。

また、図１に示すように、前輪を駆動するモータ２、モータ２を駆動制御するための変換器１１および第２制御コントローラ１６に加えて、後輪を駆動するモータ１を駆動制御するための変換器１０および第１制御コントローラ１４を備えることにより、電動四輪駆動車両を構成するようにしても良い。電動四輪駆動車両においては、前輪と後輪の駆動トルクの発生がずれると乗り心地が悪化するおそれがあるが、上記構成とすることにより、前輪と後輪の同調性を高めることが可能となる。

なお、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、二輪駆動のハイブリッド自動車に後輪側の電動駆動装置を追加して４輪駆動とした電動車両を例に説明したが、二輪駆動電動車両の電力制御装置にも同様に適用が可能である。また、ハイブリッド自動車に限らず、電気自動車やその他の電動車両の電力制御装置にも適用できる。

また、図１に示す例では、上位コントローラ１７から第４制御コントローラ１９に入力される電圧指令３４を第１制御コントローラ１４に取り込んで、その電圧指令３４に基づいて補償動作を行ったが、上位コントローラ１７から第３制御コントローラ１８に入力される発電指令３３を取り込み、その発電指令３３に基づいて補償動作を行うようにしても良い。さらに、昇圧時に限らず降圧時にも同様に適用することができる。

１，２：モータ、３：発電機、４：バッテリ、１０〜１２：変換器、１３：昇降圧コンバータ、１４：第１制御コントローラ、１５：直流電圧検出回路、１６：第２制御コントローラ、１７：上位コントローラ、１８：第３制御コントローラ、１９：第４制御コントローラ、３４：電圧指令値、４１：目標電圧値記憶部、４２：電圧変化率記憶部、４３：電圧推定値演算部、４５：判断部、４６：切替器、４７：フィルタ、４９：直流電圧検出結果、５１：Ａ／Ｄ部、５２：サンプル＆ホールド部、５３：電圧演算部、５４：判定部

Claims (6)

1. 電動車両に搭載されたバッテリの直流電圧を所望の直流電圧に変換する電力変換装置から電圧が供給され、電動車両の動力輪を駆動する電動機に電力を供給するインバータと、
   トルク指令に基づいて前記インバータを制御するインバータ制御部と、を備え、
   前記インバータ制御部は、
   前記電力変換装置から供給される電圧を計測する計測部と、
   前記電力変換装置から供給される電圧の変動を推定する推定部と、
   前記計測部による電圧計測値と前記推定部による推定値との差分が所定値以上の場合に前記推定値を選択し、前記差分が所定値未満の場合に前記電圧計測値を選択する選択部と、を有し、
   前記インバータ制御部は、前記選択部で選択された前記推定値または前記電圧計測値と、前記トルク指令とに基づいて、前記インバータを制御することを特徴とする電動車両用電力制御装置。
2. 請求項１に記載の電動車両用電力制御装置において、
   電動車両を制御する車両用制御装置から前記電力変換装置への電圧変換指令を取得する取得部を備え、
   前記推定部は、前記取得部で取得した前記電圧変換指令に基づいて電圧の変動を推定することを特徴とする電動車両用電力制御装置。
3. 請求項２に記載の電動車両用電力制御装置において、
   前記電圧変換指令は少なくとも電圧変換の電圧目標値を含み、
   前記電圧目標値の変化が所定閾値以上の場合には前記選択部による選択を行い、前記電圧目標値の変化が所定閾値未満の場合には前記選択部による選択を行わず、かつ、前記電圧計測値に基づいて前記インバータの制御が行われることを特徴とする電動車両用電力制御装置。
4. 請求項１に記載の電動車両用電力制御装置において、
   前記計測部はフィルタを有し、該フィルタを通過した第１の電圧計測値と、前記フィルタを通過させない第２の電圧計測値とを計測し、
   前記推定部は、前記第２の計測値に基づいて電圧の変動を推定することを特徴とする電動車両用電力制御装置。
5. 請求項３または４に記載の電動車両用電力制御装置において、
   前記選択部で選択された前記推定値または前記電圧計測値を前記車両用制御装置へ出力することを特徴とする電動車両用電力制御装置。
6. バッテリと、
   前記バッテリの直流電圧を所望の直流電圧に変換する電力変換装置と、
   前輪および後輪の一方を駆動する第１の電動機と、
   前記電力変換装置から電圧が供給され、前記第１の電動機に電力を供給する第１のインバータと、
   前輪および後輪の他方を駆動する第２の電動機と、
   前記第２の電動機に対して設けられ、前記電力変換装置から直流電圧が供給されると共に前記第２の電動機に電力を供給する第２のインバータを有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電動車両用電力制御装置と、を備えたことを特徴とする電動四輪駆動車両。

Images