JP2004304909A - ハイブリッド車両用インバータの回生吸収システム - Google Patents
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Abstract
【課題】複数あるインバータの偏った回生吸収動作を回避したハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムを提供すること。
【解決手段】複数の走行モータ１０にバッテリ１５からの直流電力を交流電力に変換して供給する複数のインバータ５をコントローラ８によって制御するものであって、そのインバータ５は、回生電力を吸収する回生吸収抵抗２３と、回生電力が大きいときに回生吸収抵抗２３を動作させる回生吸収駆動手段２４，２５とを有し、コントローラ８が、バッテリ１５と複数のインバータ５とを接続する主幹電源ライン３０の電圧を検出して、所定の電圧レベルを超えた場合に回生吸収駆動手段２５に回生吸収指示を送信し、回生吸収駆動手段２４によって回生吸収抵抗２３を動作させるようにしたハイブリッド車両用インバータの回生吸収システム。
【選択図】 図２
【解決手段】複数の走行モータ１０にバッテリ１５からの直流電力を交流電力に変換して供給する複数のインバータ５をコントローラ８によって制御するものであって、そのインバータ５は、回生電力を吸収する回生吸収抵抗２３と、回生電力が大きいときに回生吸収抵抗２３を動作させる回生吸収駆動手段２４，２５とを有し、コントローラ８が、バッテリ１５と複数のインバータ５とを接続する主幹電源ライン３０の電圧を検出して、所定の電圧レベルを超えた場合に回生吸収駆動手段２５に回生吸収指示を送信し、回生吸収駆動手段２４によって回生吸収抵抗２３を動作させるようにしたハイブリッド車両用インバータの回生吸収システム。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド車両が減速するときに発生する回生エネルギをバッテリへ吸収しきれない場合に放電抵抗で消費するためのハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、ハイブリッド車両の駆動システムの一例を示したブロック図である。
このハイブリッド車両は、エンジン１０１と発電機１０２とが機械的に直結され、その４極のブラシレス交流発電機から発生する電力によって走行モータ１１０を駆動させるよう構成され、更にバッテリ１２０を備えることによって充電電力を利用して発電機１０２をアシストするように構成されている。
【０００３】
すなわち、エンジン１０１の駆動による機械エネルギーから発電機１０２が電気エネルギーを発生し、この電気エネルギーをコンバータ１０３及びインバータ１０５，１０５…を介して走行モータ１１０，１１０…へ送り、そこで機械エネルギーに変換して車両を駆動させるシリーズハイブリッドを構成している。発電機１０２に接続されたコンバータ１０３は、交流電力を直流電力に変換し、そのコンバータ１０３に接続されたインバータ１０５，１０５…が直流電力を交流電力に変換して電力を走行モータ１１０，１１０…へ供給するようにしている。
【０００４】
エンジン１０１には、その回転数の調整を行うガバナ１０６が接続されており、また発電機１０２は、界磁電流１０７によって界磁巻線を可変励磁することによって出力電圧が調整される。発電機１０２は界磁電流を一定とし、その出力（電圧、周波数）が回転数によって変化するようになっている。
一方、アクセルペダル１０８の踏み込み量に応答して各種制御指令信号を送信するコントローラ１０９が、前述したようにコンバータ１０３に接続され、さらにインバータ１０５，１０５…やガバナ１０６にも接続されている。
【０００５】
こうしたハイブリッド車両では、負荷のかかる加速時には発電機１０２で発電された電力に加えてバッテリ１２０から供給される放電電力のアシストを行う一方、減速時には走行モータ１１０からの回生エネルギをバッテリ１２０に送って充電が行われる。そして、定速走行時には、走行状況によって発電機１０２で発電した電力のみによって走行する場合と、発電機１０２で発電した電力によって走行しながらその電力をバッテリ１２０へ充電する場合、更にバッテリ１２０からの放電電力のみで走行が行われる。
【０００６】
こうしたハイブリッド車両では、急停車すると回生エネルギーが大きくなることから、バッテリ１２０の過充電を避けるため、インバータ１０５には回生吸収抵抗１５６が装備されている。慣性が大きな負荷の急減速を頻繁に繰り返えされる場合、過電圧からインバータ１０５，１０５…やバッテリ１２０を保護する必要があるからである。そこで、インバータ１０５は、回生吸収抵抗１５６を設けた過熱保護装置が構成されている。図５は、そうしたハイブリッド車のインバータ１０５を示したブロック図である。
【０００７】
インバータ１０５は、前述したようにバッテリ１２０と走行モータ１１０との間に接続され、バッテリ１２０には、その両端に電源ライン１５１，１５２を介して平滑用コンデンサ１５３が接続され、更にパワートランジスタ１５４が接続されている。そして、そのパワートランジスタ１５４の出力端には、走行モータ１１０が接続されている。また、電源ライン１５１には、平滑用コンデンサ１５３とパワートランジスタ１５４との間に回生回収ライン１５５が接続されている。回生吸収ライン１５５は、回生エネルギーを熱として消費する回生吸収抵抗１５６とスイッチング素子である回生吸収用トランジスタ１５７を介装した直列回路が構成され、電源ライン１５２に接続されている。
【０００８】
更に、走行モータ１１０には走行モータ１１０の回転速度を検出する速度検出器１１５が接続され、その速度検出器１１５には、検出される回転速度に応じてパワートランジスタ１５４ドライブ用のＰＷＭ信号を発信するＣＰＵ１５８が接続されている。また、そのＣＰＵ１５８は、電源ライン１５１に接続され、バッテリ１２０にかかる電圧をモニタし、回生吸収用トランジスタ１５７にＯＮ／ＯＦＦ信号を発信するように構成されている。
【０００９】
以上のように構成されたインバータ１０５は、走行時には発電機１０２からコンバータ１０３を介して、またバッテリ１２０からの直流電力を交流電力に変換して走行モータ１１０に供給している。一方、ハイブリッド車両が減速する場合には、発生した回生エネルギをバッテリ１２０に送って充電させる。しかし、慣性の大きな負荷である走行モータ１１０が急減速すると回生エネルギーが大きくなるため、その際、電源ライン１５１（図４に示す主電源ライン１５０）の電圧が高くなり、規定上限電圧を超えるとＣＰＵ１０５がそれを検出して回生吸収用トランジスタ１０４をオンさせて回生吸収抵抗１５６を動作させる。これにより、過大な回生エネルギは回生吸収抵抗１５６で熱に変換されて消費される。そのため、インバータ１０５そのものやバッテリ１２０が過電圧から保護される。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−３８５４５号公報（第２頁、図２）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ハイブリッド車には、図４に示すように複数のインバータ１０５，１０５…があるが、それぞれに回生吸収抵抗１５６，１５６…を動作させる電圧レベルにバラツキ（部品誤差、制作誤差）が生じている場合がある。すると、各インバータ１０５，１０５…の回生吸収抵抗１５６，１５６…が同時に作動せず、一部の回生吸収抵抗１５６のみによって回生吸収動作が行われることになる。
【００１２】
例えば、図６に示すように、４台のインバータ（１〜４）の回生吸収開始電圧にズレが生じているとする。このとき、図４に示す主電源ライン１５０の電圧が図６に示すように変動する場合、インバータ１が先ず回生吸収動作を行い、状況によっては回生電力がその回生吸収抵抗１５６のみによって放熱される。また、インバータ１のみが回生吸収動作する時間が他に比べて長くなる。従って、インバータ（１）は常に作動して放電加熱を行うため、寿命を短くしたり、最悪の場合は回生電力を吸収しきれずに焼損を起こしてしまう。
【００１３】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、複数あるインバータの偏った回生吸収動作を回避したハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムは、複数の走行モータにバッテリからの直流電力を交流電力に変換して供給する複数のインバータをコントローラによって制御するものであって、そのインバータは、回生電力を吸収する回生吸収抵抗と、回生電力が大きいときに回生吸収抵抗を動作させる回生吸収駆動手段とを有し、コントローラが、バッテリと複数のインバータとを接続する主幹電源ラインの電圧を検出して、所定の電圧レベルを超えた場合に回生吸収駆動手段に回生吸収指示を送信し、回生吸収駆動手段によって回生吸収抵抗を動作させるようにしたものであることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムは、前記回生吸収駆動手段が、前記回生吸収抵抗と直列に接続された回生吸収用トランジスタと、前記コントローラからの回生吸収指示に従って回生吸収用トランジスタに回生吸収信号を送信するＣＰＵとから構成されるものであることが望ましい。
また、本発明に係るハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムは、前記コントローラが、回生吸収開始電圧と回生吸収終了電圧が設定され、前記主幹電圧ラインの電圧が回生吸収開始電圧を超えると前記回生吸収駆動手段に回生吸収抵抗を動作させるための回生吸収開始指示を送信し、回生吸収終了電圧を下回ったところで前記回生吸収駆動手段に回生吸収抵抗の動作を停止させる回生吸収終了指示を送信するものであることが望ましい。
【００１６】
よって、本発明によれば、複数あるインバータがコントローラからの回生吸収指示によって同時に回生吸収動作を行うため、特定のインバータのみが放電加熱を行って寿命を短くしたり焼損を起こしてしまうことがなくなり、システムの信頼性を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムについて、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、ハイブリッド車両の回生吸収システムの一例を示したブロック図である。
【００１８】
このハイブリッド車でも、従来例と同様にエンジン１と発電機２とが機械的に直結され、その４極のブラシレス交流発電機から発生する電力によって走行モータ１０，１０…を駆動させるよう構成されている。そして、バッテリ１５を備えることによって充電電力を利用して発電機２をアシストするようにしている。すなわち、エンジン１の駆動による機械エネルギーから発電機２が電気エネルギーを発生し、この電気エネルギーをコンバータ３及びインバータ５，５…を介して走行モータ１０，１０…へ送り、そこで機械エネルギーに変換して車両を駆動させるシリーズハイブリッドを構成している。
【００１９】
発電機２に接続されたコンバータ３は、交流電力を直流電力に変換し、そのコンバータ３に接続されたインバータ５，５…が直流電力を交流電力に変換して電力を走行モータ１０，１０…に供給するようにしている。こうして発電機２からの交流電力を一旦コンバータ３で直流電力に変換し、これをインバータ５，５…に送って再び交流電力に変換する構成をとっているのは、コンバータ３で変換した直流電力をインバータ５，５…によって目的とする周波数及び電圧の交流電力に変換することによって、最終的な出力を発電機出力電圧と周波数に依存しなくするためである。このコンバータ３は、ＡＣ２２０〜４４０ＶをＤＣ２８０Ｖ〜３８０Ｖに変換する機能をもつものである。
【００２０】
エンジン１には、その回転数の調整を行うガバナ６が接続されており、また発電機２は、界磁電流７によって界磁巻線を可変励磁することによって出力電圧が調整される。発電機２は界磁電流７を一定として、その出力（電圧、周波数）が回転数によって変化するようになっており、所定の回転数で発電機出力が最大となるように界磁電流が調整されている。
【００２１】
一方、アクセルペダル９の踏み込み量に応答して各種制御指令信号を送信するコントローラ８は、コンバータ３の他、さらにインバータ５，５…やガバナ６にも接続されている。コントローラ８からは、コンバータ３へ出力指令が、ガバナ６へ回転数指令が出力されるよう構成されている。また、コントローラ８は、インバータ１０，１０…との間で走行速度をモニタリングするとともに速度指令を送り、更に過充電防止のための回生吸収指示を送るように構成されている。
【００２２】
すなわち、本実施形態では、従来それぞれのインバータが独自に急減速時に発生する回生エネルギの電圧を検出して判断し、過充電防止のための回生吸収を行っていた。しかし、ここではコントローラ８が主電源ライン３０に接続され、その電圧を計測するようにしており、その電圧に応じて全てのインバータ５，５…へ同時に回生吸収指示を出すように構成されている。このとき、インバータ５，５…は、コントローラ８との間でアナログ信号による速度モニタや速度指令のやりとりを行うほか、もともとデジタル信号の予備のＩ／Ｏポートを有しており、今回それを使用してコントローラ８からインバータ５，５…へ回生吸収指示を送るようにしている。
【００２３】
次に、図２は、ハイブリッド車両の回生吸収システムを構成するインバータ５を示したブロック図である。
インバータ５は、バッテリ１５と走行モータ１０との間に接続され、バッテリ１５には、その両端に電源ライン３１，３２を介して平滑用コンデンサ２１が接続され、更にパワートランジスタ２２が接続されている。そして、このパワートランジスタ２２の出力端には、走行モータ１０が接続されている。
【００２４】
また、電源ライン３１には、平滑用コンデンサ２１とパワートランジスタ２２との間に回生吸収ライン３３が接続されている。回生吸収ライン３３は、回生エネルギーを熱として消費する回生吸収抵抗２３とスイッチング素子である回生吸収用トランジスタ２４を介装した直列回路が構成され、電源ライン３２に接続されている。
【００２５】
更に本実施形態では、コントローラ８が主電源ライン３０に接続され（図１参照）、主電源ライン３０の電圧をモニタして所定の電圧でＣＰＵ２５へ回生吸収指示を送るように構成されている。そして、ＣＰＵ２５では、この回生吸収指示に従って回生吸収用トランジスタ２４に回生吸収信号（ＯＮ／ＯＦＦ信号）を出力するよう構成されている。これは、図１を示して前述したように全てのインバータ５，５…について同様に構成されている。従って、本実施形態では、各インバータ５，５…の回生吸収動作がコントローラ８によって一元管理されるようになっている。
【００２６】
ＣＰＵ２５は、従来のように電源ライン３１にも接続され、その電源ライン３１の電圧（主電源ライン３０の電圧）をモニタし、各インバータ５，５…自身が独自に回生吸収用トランジスタ２４に回生吸収信号を出力するようになっており、コントローラ８による回生吸収動作制御のバックアップ回路として残されている。
更に走行モータ１０には、その回転速度を検出する速度検出器１１が接続され、ＣＰＵ２５が接続され、速度検出器１１で検出される回転速度に応じてパワートランジスタ２２にドライブ用のＰＷＭ信号を発信するように構成されている。
【００２７】
次に、本実施形態のハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムの作用について説明する。そこで先ず、図１に基づきハイブリッド車両が走行する場合におけるシステム全体の作用について説明する。なお、このハイブリッド車両は、製鉄所等で製品や資材、或いはスクラップといったものを構内で運搬するキャリヤとよばれる大型運搬車両について構成されたものである。従って、以下に説明する作用はキャリヤが製鉄所内を走行する場合についてである。
【００２８】
ハイブリッド車両（キャリヤ）は、発電機２で発電された電力に加え、適宜バッテリ１５からの放電電力を利用して効率の良い走行を可能としている。例えば負荷のかかる加速時には発電機２で発電された電力に加え、バッテリ１５から供給される放電電力のアシストが行われる。一方、減速時には走行モータ１０，１０…からの回生エネルギをバッテリ１５に送って充電が行われる。そして、負荷の小さい定速走行時には発電機２で発電した電力のみによって走行する場合と、発電機２で発電した電力によって走行しながらその電力をバッテリ１５へ充電する場合、更にはバッテリ１５からの放電電力のみで走行を行う場合とに分けられる。
【００２９】
加速時には発電機２側からの電力とバッテリ１５からの電力で所要電力を得られるようになっているが、コントローラ８からコンバータ３に対してバッテリ許容放電量が予め設定される。そこで、加速時に必要な所要電力がバッテリ許容放電電力分を差し引いた電力を発電機２が発電するように、エンジン１の回転数がコントローラ８からガバナ６へ指令信号が送信される。
【００３０】
一方、インバータ５，５…へは、アクセルペダル９の踏み込み量に応じたトルク指令信号がコントローラ８から出力され、予めトルク指令に対応した速度マップの参照速度とインバータ５，５…からの実速度情報が平衡したポイントで、各種トルク指令出力が保持される。
コントローラ８は、コンバータ３を通してバッテリ電流信号を検出し、これを時間積分することによってバッテリ充放電量を算出する。そのため任意に設定された残容量レベルを下回った場合には、バッテリ１５からの電力アシストを停止して発電機２からの発電電力のみによって走行し、その走行中又は停止中に発電機２からの電力によって回復充電をかける。
【００３１】
充放電量が残容量レベルを下回っていない場合には、コンバータ３の入力範囲を下回るようにエンジン１の回転数を落としてアイドリング状態にし、バッテリ１５からの放電電力のみによって走行させるようにもする。
更に充放電量が残容量レベルを下回っている場合には、充電しながら走行すべくエンジン１の回転数を上げ、発電機２からの発電電力を走行に使用するとともに、バッテリ１５への充電を行うようにする。
【００３２】
次に、低速走行時には走行モータ１０，１０…への電力供給が必要なくなるので、制御系消費電力にはバッテリ１５の放電電力が使用される。そのため、低速時にはエンジン１は回転数を落としてアイドリング状態にする。なお、ハイブリッド車両を一旦停止させた場合も同様にエンジン１はアイドリング状態にする。
そして、減速時にブレーキ力を電力に回生して蓄電すべく、回生制動時は、走行モータ１０，１０…に発生した回生電力をインバータ５，５…を介してバッテリ１５に充電する。
【００３３】
図３は、コントローラ８に格納された回生吸収プログラムに従って行う、当該コントローラの制御動作を示したフローチャート図である。そこで、このフローチャートに従って本システムによる回生吸収動作について説明する。
コントローラ８は、主電源ライン３０の主幹電圧をモニタし（Ｓ（ステップ）１）、吸収指示フラグの確認を行う（Ｓ２）。コントローラ８は、主電源ライン３０の電圧が、回生時に３９０Ｖを超えたときに回生吸収を開始し、３７０Ｖを下回ったときに回生吸収を終了させるようにしている。従って、３９０Ｖを超えたことを確認したところで吸収指示フラグ「１」を立ち上げ、３７０Ｖを下回ったところで吸収指示フラグを「０」とする。
【００３４】
走行を開始した直後のハイブリッド車では、吸収指示フラッグが「０」になっている（Ｓ２：ＮＯ）。そこで、ハイブリッド車がゆっくりと減速する場合には、回生エネルギは小さく、主電源ライン３０の主幹電圧は３９０Ｖ以下である（Ｓ３：ＮＯ）。そして、主幹電圧が３７０Ｖ以下であれば（Ｓ４：ＹＥＳ）、吸収指示フラッグは「０」のままで（Ｓ５）、コントローラ８からは回生吸収終了指示が送信される（Ｓ６）。
【００３５】
従って、その回生吸収終了指示を受けるＣＰＵ２５から回生吸収用トランジスタ２４にはＯＦＦ信号が出力されるため、回生吸収抵抗２３は動作せず、減速時の回生エネルギはバッテリ１５に充電される。そして、再び主電源ライン３０の主幹電圧がモニタされる（Ｓ１）。
また、主電源ライン３０の主幹電圧が例えば３８０Ｖであっても（Ｓ４：ＮＯ）、そのまま主電源ライン３０の主幹電圧がモニタされ（Ｓ１）、減速時の回生エネルギはバッテリ１５に充電される。
【００３６】
一方、ハイブリッド車が急減速すると、電力の大きな回生エネルギーが発生し、主電源ライン３０の電圧が高くなる。そこで、その主幹電圧が３９０Ｖを超えると（Ｓ３：ＹＥＳ）、これを検出したコントローラ８で吸収指示フラグ「１」が立ち（Ｓ７）、そのコントローラ８からは全てのインバータ５，５…のＣＰＵ２５に対して一斉に回生吸収開始指示が送信される（Ｓ８）。従って、各インバータ５，５…においては、ＣＰＵ８から回生吸収用トランジスタ２４に回生吸収信号（ＯＮ信号）が出力される。これによって回生吸収用トランジスタ２４がオンし、回生吸収抵抗２３が動作する。従って、回生電力は全てのインバータ５，５…の回生吸収抵抗２３，２３…によって一斉に熱として消費される。
【００３７】
その後、モニタした主幹電圧が３７０Ｖを超えているため（Ｓ４：ＮＯ）、主電源ライン３０の主幹電圧が繰り返しモニタされる（Ｓ１）。そして、吸収指示フラグが「１」であるため（Ｓ２：ＹＥＳ）、Ｓ１でモニタした主幹電圧が、急減速の継続によって３７０Ｖを超えたままであれば（Ｓ４：ＮＯ）、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４の処理が繰り返えされる。その一方で、急減速が終了して主幹電圧が３７０Ｖ以下になると（Ｓ４：ＹＥＳ）、コントローラ８では吸収指示フラグが「０」にされ（Ｓ５）、そのコントローラ８から各インバータ５，５…のＣＰＵ２５に対して一斉に回生吸収終了指示が送信される（Ｓ６）。そのためＣＰＵ２５からは、回生吸収用トランジスタ２４へＯＦＦ信号が出力され、回生吸収抵抗２３の動作停止によって回生吸収が終了する。
【００３８】
よって、本実施形態に係るハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムによれば、複数あるインバータ５，５…が同時に回生吸収動作を行うため、特定のインバータのみが放電加熱を行って寿命を短くしたり焼損を起こしてしまうことがなくなり、システムの信頼性を向上させることができた。
また、本システムでは、インバータ５，５…がコントローラ８から送信される回生吸収指示によって制御されるが、これはもともとインバータ５，５…が有しているデジタル信号の予備のＩ／Ｏポートを利用して行われるため、従来のものを特に改造する必要がなく、非常に安価に上記効果を達成することができた。
【００３９】
以上、ハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムについて一実施形態を示して説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、コントローラがバッテリと複数のインバータとを接続する主幹電源ラインの電圧を検出し、所定の電圧レベルを超えた場合に回生吸収駆動手段に回生吸収指示を送信し、回生吸収駆動手段によって回生吸収抵抗を動作させるようにしたので、複数あるインバータの偏った回生吸収動作を回避したハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムを提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイブリッド車両の回生吸収システムの一実施形態を示したブロック図である。
【図２】ハイブリッド車両の回生吸収システムを構成するインバータを示したブロック図である。
【図３】回生吸収プログラムに従って行うコントローラの制御動作を示したフローチャート図である。
【図４】ハイブリッド車両の駆動システムの一例を示したブロック図である。
【図５】ハイブリッド車のインバータを示したブロック図である。
【図６】回生電力の電圧波形を示した図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 発電機
３ コンバータ
５ インバータ
８ コントローラ
１０ 走行モータ
１５ バッテリ
２３ 回生吸収抵抗
２４ 回生吸収用トランジスタ
２５ ＣＰＵ
３０ 主幹電源ライン
３１，３２ 電源ライン
【発明の属する技術分野】
本発明は、ハイブリッド車両が減速するときに発生する回生エネルギをバッテリへ吸収しきれない場合に放電抵抗で消費するためのハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、ハイブリッド車両の駆動システムの一例を示したブロック図である。
このハイブリッド車両は、エンジン１０１と発電機１０２とが機械的に直結され、その４極のブラシレス交流発電機から発生する電力によって走行モータ１１０を駆動させるよう構成され、更にバッテリ１２０を備えることによって充電電力を利用して発電機１０２をアシストするように構成されている。
【０００３】
すなわち、エンジン１０１の駆動による機械エネルギーから発電機１０２が電気エネルギーを発生し、この電気エネルギーをコンバータ１０３及びインバータ１０５，１０５…を介して走行モータ１１０，１１０…へ送り、そこで機械エネルギーに変換して車両を駆動させるシリーズハイブリッドを構成している。発電機１０２に接続されたコンバータ１０３は、交流電力を直流電力に変換し、そのコンバータ１０３に接続されたインバータ１０５，１０５…が直流電力を交流電力に変換して電力を走行モータ１１０，１１０…へ供給するようにしている。
【０００４】
エンジン１０１には、その回転数の調整を行うガバナ１０６が接続されており、また発電機１０２は、界磁電流１０７によって界磁巻線を可変励磁することによって出力電圧が調整される。発電機１０２は界磁電流を一定とし、その出力（電圧、周波数）が回転数によって変化するようになっている。
一方、アクセルペダル１０８の踏み込み量に応答して各種制御指令信号を送信するコントローラ１０９が、前述したようにコンバータ１０３に接続され、さらにインバータ１０５，１０５…やガバナ１０６にも接続されている。
【０００５】
こうしたハイブリッド車両では、負荷のかかる加速時には発電機１０２で発電された電力に加えてバッテリ１２０から供給される放電電力のアシストを行う一方、減速時には走行モータ１１０からの回生エネルギをバッテリ１２０に送って充電が行われる。そして、定速走行時には、走行状況によって発電機１０２で発電した電力のみによって走行する場合と、発電機１０２で発電した電力によって走行しながらその電力をバッテリ１２０へ充電する場合、更にバッテリ１２０からの放電電力のみで走行が行われる。
【０００６】
こうしたハイブリッド車両では、急停車すると回生エネルギーが大きくなることから、バッテリ１２０の過充電を避けるため、インバータ１０５には回生吸収抵抗１５６が装備されている。慣性が大きな負荷の急減速を頻繁に繰り返えされる場合、過電圧からインバータ１０５，１０５…やバッテリ１２０を保護する必要があるからである。そこで、インバータ１０５は、回生吸収抵抗１５６を設けた過熱保護装置が構成されている。図５は、そうしたハイブリッド車のインバータ１０５を示したブロック図である。
【０００７】
インバータ１０５は、前述したようにバッテリ１２０と走行モータ１１０との間に接続され、バッテリ１２０には、その両端に電源ライン１５１，１５２を介して平滑用コンデンサ１５３が接続され、更にパワートランジスタ１５４が接続されている。そして、そのパワートランジスタ１５４の出力端には、走行モータ１１０が接続されている。また、電源ライン１５１には、平滑用コンデンサ１５３とパワートランジスタ１５４との間に回生回収ライン１５５が接続されている。回生吸収ライン１５５は、回生エネルギーを熱として消費する回生吸収抵抗１５６とスイッチング素子である回生吸収用トランジスタ１５７を介装した直列回路が構成され、電源ライン１５２に接続されている。
【０００８】
更に、走行モータ１１０には走行モータ１１０の回転速度を検出する速度検出器１１５が接続され、その速度検出器１１５には、検出される回転速度に応じてパワートランジスタ１５４ドライブ用のＰＷＭ信号を発信するＣＰＵ１５８が接続されている。また、そのＣＰＵ１５８は、電源ライン１５１に接続され、バッテリ１２０にかかる電圧をモニタし、回生吸収用トランジスタ１５７にＯＮ／ＯＦＦ信号を発信するように構成されている。
【０００９】
以上のように構成されたインバータ１０５は、走行時には発電機１０２からコンバータ１０３を介して、またバッテリ１２０からの直流電力を交流電力に変換して走行モータ１１０に供給している。一方、ハイブリッド車両が減速する場合には、発生した回生エネルギをバッテリ１２０に送って充電させる。しかし、慣性の大きな負荷である走行モータ１１０が急減速すると回生エネルギーが大きくなるため、その際、電源ライン１５１（図４に示す主電源ライン１５０）の電圧が高くなり、規定上限電圧を超えるとＣＰＵ１０５がそれを検出して回生吸収用トランジスタ１０４をオンさせて回生吸収抵抗１５６を動作させる。これにより、過大な回生エネルギは回生吸収抵抗１５６で熱に変換されて消費される。そのため、インバータ１０５そのものやバッテリ１２０が過電圧から保護される。
【００１０】
【特許文献１】
特開平６−３８５４５号公報（第２頁、図２）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ハイブリッド車には、図４に示すように複数のインバータ１０５，１０５…があるが、それぞれに回生吸収抵抗１５６，１５６…を動作させる電圧レベルにバラツキ（部品誤差、制作誤差）が生じている場合がある。すると、各インバータ１０５，１０５…の回生吸収抵抗１５６，１５６…が同時に作動せず、一部の回生吸収抵抗１５６のみによって回生吸収動作が行われることになる。
【００１２】
例えば、図６に示すように、４台のインバータ（１〜４）の回生吸収開始電圧にズレが生じているとする。このとき、図４に示す主電源ライン１５０の電圧が図６に示すように変動する場合、インバータ１が先ず回生吸収動作を行い、状況によっては回生電力がその回生吸収抵抗１５６のみによって放熱される。また、インバータ１のみが回生吸収動作する時間が他に比べて長くなる。従って、インバータ（１）は常に作動して放電加熱を行うため、寿命を短くしたり、最悪の場合は回生電力を吸収しきれずに焼損を起こしてしまう。
【００１３】
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、複数あるインバータの偏った回生吸収動作を回避したハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムは、複数の走行モータにバッテリからの直流電力を交流電力に変換して供給する複数のインバータをコントローラによって制御するものであって、そのインバータは、回生電力を吸収する回生吸収抵抗と、回生電力が大きいときに回生吸収抵抗を動作させる回生吸収駆動手段とを有し、コントローラが、バッテリと複数のインバータとを接続する主幹電源ラインの電圧を検出して、所定の電圧レベルを超えた場合に回生吸収駆動手段に回生吸収指示を送信し、回生吸収駆動手段によって回生吸収抵抗を動作させるようにしたものであることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係るハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムは、前記回生吸収駆動手段が、前記回生吸収抵抗と直列に接続された回生吸収用トランジスタと、前記コントローラからの回生吸収指示に従って回生吸収用トランジスタに回生吸収信号を送信するＣＰＵとから構成されるものであることが望ましい。
また、本発明に係るハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムは、前記コントローラが、回生吸収開始電圧と回生吸収終了電圧が設定され、前記主幹電圧ラインの電圧が回生吸収開始電圧を超えると前記回生吸収駆動手段に回生吸収抵抗を動作させるための回生吸収開始指示を送信し、回生吸収終了電圧を下回ったところで前記回生吸収駆動手段に回生吸収抵抗の動作を停止させる回生吸収終了指示を送信するものであることが望ましい。
【００１６】
よって、本発明によれば、複数あるインバータがコントローラからの回生吸収指示によって同時に回生吸収動作を行うため、特定のインバータのみが放電加熱を行って寿命を短くしたり焼損を起こしてしまうことがなくなり、システムの信頼性を向上させることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明に係るハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムについて、その一実施形態を図面を参照しながら以下に説明する。図１は、ハイブリッド車両の回生吸収システムの一例を示したブロック図である。
【００１８】
このハイブリッド車でも、従来例と同様にエンジン１と発電機２とが機械的に直結され、その４極のブラシレス交流発電機から発生する電力によって走行モータ１０，１０…を駆動させるよう構成されている。そして、バッテリ１５を備えることによって充電電力を利用して発電機２をアシストするようにしている。すなわち、エンジン１の駆動による機械エネルギーから発電機２が電気エネルギーを発生し、この電気エネルギーをコンバータ３及びインバータ５，５…を介して走行モータ１０，１０…へ送り、そこで機械エネルギーに変換して車両を駆動させるシリーズハイブリッドを構成している。
【００１９】
発電機２に接続されたコンバータ３は、交流電力を直流電力に変換し、そのコンバータ３に接続されたインバータ５，５…が直流電力を交流電力に変換して電力を走行モータ１０，１０…に供給するようにしている。こうして発電機２からの交流電力を一旦コンバータ３で直流電力に変換し、これをインバータ５，５…に送って再び交流電力に変換する構成をとっているのは、コンバータ３で変換した直流電力をインバータ５，５…によって目的とする周波数及び電圧の交流電力に変換することによって、最終的な出力を発電機出力電圧と周波数に依存しなくするためである。このコンバータ３は、ＡＣ２２０〜４４０ＶをＤＣ２８０Ｖ〜３８０Ｖに変換する機能をもつものである。
【００２０】
エンジン１には、その回転数の調整を行うガバナ６が接続されており、また発電機２は、界磁電流７によって界磁巻線を可変励磁することによって出力電圧が調整される。発電機２は界磁電流７を一定として、その出力（電圧、周波数）が回転数によって変化するようになっており、所定の回転数で発電機出力が最大となるように界磁電流が調整されている。
【００２１】
一方、アクセルペダル９の踏み込み量に応答して各種制御指令信号を送信するコントローラ８は、コンバータ３の他、さらにインバータ５，５…やガバナ６にも接続されている。コントローラ８からは、コンバータ３へ出力指令が、ガバナ６へ回転数指令が出力されるよう構成されている。また、コントローラ８は、インバータ１０，１０…との間で走行速度をモニタリングするとともに速度指令を送り、更に過充電防止のための回生吸収指示を送るように構成されている。
【００２２】
すなわち、本実施形態では、従来それぞれのインバータが独自に急減速時に発生する回生エネルギの電圧を検出して判断し、過充電防止のための回生吸収を行っていた。しかし、ここではコントローラ８が主電源ライン３０に接続され、その電圧を計測するようにしており、その電圧に応じて全てのインバータ５，５…へ同時に回生吸収指示を出すように構成されている。このとき、インバータ５，５…は、コントローラ８との間でアナログ信号による速度モニタや速度指令のやりとりを行うほか、もともとデジタル信号の予備のＩ／Ｏポートを有しており、今回それを使用してコントローラ８からインバータ５，５…へ回生吸収指示を送るようにしている。
【００２３】
次に、図２は、ハイブリッド車両の回生吸収システムを構成するインバータ５を示したブロック図である。
インバータ５は、バッテリ１５と走行モータ１０との間に接続され、バッテリ１５には、その両端に電源ライン３１，３２を介して平滑用コンデンサ２１が接続され、更にパワートランジスタ２２が接続されている。そして、このパワートランジスタ２２の出力端には、走行モータ１０が接続されている。
【００２４】
また、電源ライン３１には、平滑用コンデンサ２１とパワートランジスタ２２との間に回生吸収ライン３３が接続されている。回生吸収ライン３３は、回生エネルギーを熱として消費する回生吸収抵抗２３とスイッチング素子である回生吸収用トランジスタ２４を介装した直列回路が構成され、電源ライン３２に接続されている。
【００２５】
更に本実施形態では、コントローラ８が主電源ライン３０に接続され（図１参照）、主電源ライン３０の電圧をモニタして所定の電圧でＣＰＵ２５へ回生吸収指示を送るように構成されている。そして、ＣＰＵ２５では、この回生吸収指示に従って回生吸収用トランジスタ２４に回生吸収信号（ＯＮ／ＯＦＦ信号）を出力するよう構成されている。これは、図１を示して前述したように全てのインバータ５，５…について同様に構成されている。従って、本実施形態では、各インバータ５，５…の回生吸収動作がコントローラ８によって一元管理されるようになっている。
【００２６】
ＣＰＵ２５は、従来のように電源ライン３１にも接続され、その電源ライン３１の電圧（主電源ライン３０の電圧）をモニタし、各インバータ５，５…自身が独自に回生吸収用トランジスタ２４に回生吸収信号を出力するようになっており、コントローラ８による回生吸収動作制御のバックアップ回路として残されている。
更に走行モータ１０には、その回転速度を検出する速度検出器１１が接続され、ＣＰＵ２５が接続され、速度検出器１１で検出される回転速度に応じてパワートランジスタ２２にドライブ用のＰＷＭ信号を発信するように構成されている。
【００２７】
次に、本実施形態のハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムの作用について説明する。そこで先ず、図１に基づきハイブリッド車両が走行する場合におけるシステム全体の作用について説明する。なお、このハイブリッド車両は、製鉄所等で製品や資材、或いはスクラップといったものを構内で運搬するキャリヤとよばれる大型運搬車両について構成されたものである。従って、以下に説明する作用はキャリヤが製鉄所内を走行する場合についてである。
【００２８】
ハイブリッド車両（キャリヤ）は、発電機２で発電された電力に加え、適宜バッテリ１５からの放電電力を利用して効率の良い走行を可能としている。例えば負荷のかかる加速時には発電機２で発電された電力に加え、バッテリ１５から供給される放電電力のアシストが行われる。一方、減速時には走行モータ１０，１０…からの回生エネルギをバッテリ１５に送って充電が行われる。そして、負荷の小さい定速走行時には発電機２で発電した電力のみによって走行する場合と、発電機２で発電した電力によって走行しながらその電力をバッテリ１５へ充電する場合、更にはバッテリ１５からの放電電力のみで走行を行う場合とに分けられる。
【００２９】
加速時には発電機２側からの電力とバッテリ１５からの電力で所要電力を得られるようになっているが、コントローラ８からコンバータ３に対してバッテリ許容放電量が予め設定される。そこで、加速時に必要な所要電力がバッテリ許容放電電力分を差し引いた電力を発電機２が発電するように、エンジン１の回転数がコントローラ８からガバナ６へ指令信号が送信される。
【００３０】
一方、インバータ５，５…へは、アクセルペダル９の踏み込み量に応じたトルク指令信号がコントローラ８から出力され、予めトルク指令に対応した速度マップの参照速度とインバータ５，５…からの実速度情報が平衡したポイントで、各種トルク指令出力が保持される。
コントローラ８は、コンバータ３を通してバッテリ電流信号を検出し、これを時間積分することによってバッテリ充放電量を算出する。そのため任意に設定された残容量レベルを下回った場合には、バッテリ１５からの電力アシストを停止して発電機２からの発電電力のみによって走行し、その走行中又は停止中に発電機２からの電力によって回復充電をかける。
【００３１】
充放電量が残容量レベルを下回っていない場合には、コンバータ３の入力範囲を下回るようにエンジン１の回転数を落としてアイドリング状態にし、バッテリ１５からの放電電力のみによって走行させるようにもする。
更に充放電量が残容量レベルを下回っている場合には、充電しながら走行すべくエンジン１の回転数を上げ、発電機２からの発電電力を走行に使用するとともに、バッテリ１５への充電を行うようにする。
【００３２】
次に、低速走行時には走行モータ１０，１０…への電力供給が必要なくなるので、制御系消費電力にはバッテリ１５の放電電力が使用される。そのため、低速時にはエンジン１は回転数を落としてアイドリング状態にする。なお、ハイブリッド車両を一旦停止させた場合も同様にエンジン１はアイドリング状態にする。
そして、減速時にブレーキ力を電力に回生して蓄電すべく、回生制動時は、走行モータ１０，１０…に発生した回生電力をインバータ５，５…を介してバッテリ１５に充電する。
【００３３】
図３は、コントローラ８に格納された回生吸収プログラムに従って行う、当該コントローラの制御動作を示したフローチャート図である。そこで、このフローチャートに従って本システムによる回生吸収動作について説明する。
コントローラ８は、主電源ライン３０の主幹電圧をモニタし（Ｓ（ステップ）１）、吸収指示フラグの確認を行う（Ｓ２）。コントローラ８は、主電源ライン３０の電圧が、回生時に３９０Ｖを超えたときに回生吸収を開始し、３７０Ｖを下回ったときに回生吸収を終了させるようにしている。従って、３９０Ｖを超えたことを確認したところで吸収指示フラグ「１」を立ち上げ、３７０Ｖを下回ったところで吸収指示フラグを「０」とする。
【００３４】
走行を開始した直後のハイブリッド車では、吸収指示フラッグが「０」になっている（Ｓ２：ＮＯ）。そこで、ハイブリッド車がゆっくりと減速する場合には、回生エネルギは小さく、主電源ライン３０の主幹電圧は３９０Ｖ以下である（Ｓ３：ＮＯ）。そして、主幹電圧が３７０Ｖ以下であれば（Ｓ４：ＹＥＳ）、吸収指示フラッグは「０」のままで（Ｓ５）、コントローラ８からは回生吸収終了指示が送信される（Ｓ６）。
【００３５】
従って、その回生吸収終了指示を受けるＣＰＵ２５から回生吸収用トランジスタ２４にはＯＦＦ信号が出力されるため、回生吸収抵抗２３は動作せず、減速時の回生エネルギはバッテリ１５に充電される。そして、再び主電源ライン３０の主幹電圧がモニタされる（Ｓ１）。
また、主電源ライン３０の主幹電圧が例えば３８０Ｖであっても（Ｓ４：ＮＯ）、そのまま主電源ライン３０の主幹電圧がモニタされ（Ｓ１）、減速時の回生エネルギはバッテリ１５に充電される。
【００３６】
一方、ハイブリッド車が急減速すると、電力の大きな回生エネルギーが発生し、主電源ライン３０の電圧が高くなる。そこで、その主幹電圧が３９０Ｖを超えると（Ｓ３：ＹＥＳ）、これを検出したコントローラ８で吸収指示フラグ「１」が立ち（Ｓ７）、そのコントローラ８からは全てのインバータ５，５…のＣＰＵ２５に対して一斉に回生吸収開始指示が送信される（Ｓ８）。従って、各インバータ５，５…においては、ＣＰＵ８から回生吸収用トランジスタ２４に回生吸収信号（ＯＮ信号）が出力される。これによって回生吸収用トランジスタ２４がオンし、回生吸収抵抗２３が動作する。従って、回生電力は全てのインバータ５，５…の回生吸収抵抗２３，２３…によって一斉に熱として消費される。
【００３７】
その後、モニタした主幹電圧が３７０Ｖを超えているため（Ｓ４：ＮＯ）、主電源ライン３０の主幹電圧が繰り返しモニタされる（Ｓ１）。そして、吸収指示フラグが「１」であるため（Ｓ２：ＹＥＳ）、Ｓ１でモニタした主幹電圧が、急減速の継続によって３７０Ｖを超えたままであれば（Ｓ４：ＮＯ）、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ４の処理が繰り返えされる。その一方で、急減速が終了して主幹電圧が３７０Ｖ以下になると（Ｓ４：ＹＥＳ）、コントローラ８では吸収指示フラグが「０」にされ（Ｓ５）、そのコントローラ８から各インバータ５，５…のＣＰＵ２５に対して一斉に回生吸収終了指示が送信される（Ｓ６）。そのためＣＰＵ２５からは、回生吸収用トランジスタ２４へＯＦＦ信号が出力され、回生吸収抵抗２３の動作停止によって回生吸収が終了する。
【００３８】
よって、本実施形態に係るハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムによれば、複数あるインバータ５，５…が同時に回生吸収動作を行うため、特定のインバータのみが放電加熱を行って寿命を短くしたり焼損を起こしてしまうことがなくなり、システムの信頼性を向上させることができた。
また、本システムでは、インバータ５，５…がコントローラ８から送信される回生吸収指示によって制御されるが、これはもともとインバータ５，５…が有しているデジタル信号の予備のＩ／Ｏポートを利用して行われるため、従来のものを特に改造する必要がなく、非常に安価に上記効果を達成することができた。
【００３９】
以上、ハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムについて一実施形態を示して説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は、コントローラがバッテリと複数のインバータとを接続する主幹電源ラインの電圧を検出し、所定の電圧レベルを超えた場合に回生吸収駆動手段に回生吸収指示を送信し、回生吸収駆動手段によって回生吸収抵抗を動作させるようにしたので、複数あるインバータの偏った回生吸収動作を回避したハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムを提供することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイブリッド車両の回生吸収システムの一実施形態を示したブロック図である。
【図２】ハイブリッド車両の回生吸収システムを構成するインバータを示したブロック図である。
【図３】回生吸収プログラムに従って行うコントローラの制御動作を示したフローチャート図である。
【図４】ハイブリッド車両の駆動システムの一例を示したブロック図である。
【図５】ハイブリッド車のインバータを示したブロック図である。
【図６】回生電力の電圧波形を示した図である。
【符号の説明】
１ エンジン
２ 発電機
３ コンバータ
５ インバータ
８ コントローラ
１０ 走行モータ
１５ バッテリ
２３ 回生吸収抵抗
２４ 回生吸収用トランジスタ
２５ ＣＰＵ
３０ 主幹電源ライン
３１，３２ 電源ライン
Claims (3)
- 複数の走行モータにバッテリからの直流電力を交流電力に変換して供給する複数のインバータをコントローラによって制御するものであって、そのインバータは、回生電力を吸収する回生吸収抵抗と、回生電力が大きいときに回生吸収抵抗を動作させる回生吸収駆動手段とを有し、コントローラが、バッテリと複数のインバータとを接続する主幹電源ラインの電圧を検出して、所定の電圧レベルを超えた場合に回生吸収駆動手段に回生吸収指示を送信し、回生吸収駆動手段によって回生吸収抵抗を動作させるようにしたものであることを特徴とするハイブリッド車両用インバータの回生吸収システム。
- 請求項１に記載するハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムにおいて、
前記回生吸収駆動手段は、前記回生吸収抵抗と直列に接続された回生吸収用トランジスタと、前記コントローラからの回生吸収指示に従って回生吸収用トランジスタに回生吸収信号を送信するＣＰＵとから構成されるものであることを特徴とするハイブリッド車両用インバータの回生吸収システム。 - 請求項１又は請求項２に記載するハイブリッド車両用インバータの回生吸収システムにおいて、
前記コントローラは、回生吸収開始電圧と回生吸収終了電圧が設定され、前記主幹電圧ラインの電圧が回生吸収開始電圧を超えると前記回生吸収駆動手段に回生吸収抵抗を動作させるための回生吸収開始指示を送信し、回生吸収終了電圧を下回ったところで前記回生吸収駆動手段に回生吸収抵抗の動作を停止させる回生吸収終了指示を送信するものであることを特徴とするハイブリッド車両用インバータの回生吸収システム。
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| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
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| A912 | Re-examination (zenchi) completed and case transferred to appeal board |
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