JP5304423B2

JP5304423B2 - 動力出力システムおよびその制御方法、動力出力システムを搭載する車両

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Publication number: JP5304423B2
Application number: JP2009113698A
Authority: JP
Inventors: 和仁林; 和宏田中; 彰吾町田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2029-05-08
Also published as: JP2010263719A

Description

本発明は、車両に搭載することの可能な動力出力システムおよびその制御方法に関する。

電源の電源電圧を昇降圧して出力するコンバータと、該コンバータの直流電力を交流電力に変換して走行用モータに供給するインバータとを備える動力出力システムは、一般に、例えば電動車両に搭載して利用することができる。なお、本明細書において、「電動車両」とは、エンジンによる駆動や回生により発電を行う発電機と、バッテリからの電力により作動し駆動輪を駆動するモータとを有するハイブリッド電気自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）や、いわゆる電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）、燃料電池車（ＦＣＥＶ：Fuel Cell Electric Vehicle）を含む意である。

このような動力出力システムにおいて、例えば低温環境下（環境温度が、例えば−３０℃以下）での起動時など、電源の温度が低い（例えば−３０℃以下）場合に、コンバータのキャリア周波数を通常運転時の値よりも低下させた状態にすることにより、この動力出力装置を流れる電流のリプルを増加させて、該電源の温度を上昇させる方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００６−００６０７３号公報特許第３７３２８２８号公報

しかしながら、コンバータのキャリア周波数の低下に伴い、コンバータに対する制御間隔が大きくなるため、コンバータへの出力電圧の制御指令に対する追従性が低下する。したがって、コンバータのキャリア周波数を低下させると、コンバータ出力電圧が急激に変動する場合があり得た。また、キャリア周波数を低下させて電源の昇温制御をする際、コンバータ出力電圧の程度によっては、コンバータにおけるスイッチング動作や発電機でのエネルギ損失の増大に繋がることもあり得た。

本発明は、電源の昇温制御に付随するエネルギ損失を抑制することを目的とする。

本発明の他の目的は、電源の昇温制御に付随するコンバータ出力電圧の急激な変動を抑制することである。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池システム及びこれを備えた車両は以下の特徴を有する。

（１）電源と、前記電源からの電源電圧を昇降圧して出力するコンバータと、前記コンバータの出力電圧を変更するコンバータ出力電圧制御手段と、前記コンバータのキャリア周波数を変更するコンバータキャリア周波数制御手段と、前記コンバータからの直流電力を多相交流電力に変換して出力するインバータと、前記インバータから出力される多相交流電力により回転駆動する電動機と、前記電源の昇温制御の要求を取得する昇温要求取得手段と、前記昇温制御の要求の取得に応じて、前記電動機の回転駆動に最低限必要なコンバータの出力電圧を演算するコンバータ出力電圧演算手段と、前記最低限必要なコンバータ出力電圧と前記電源の昇温制御のための昇温制御電圧とを比較して、前記電源を昇温させるか否かを判定する昇温判定手段と、前記昇温判定手段の結果に基づいて電源の昇温指令／昇温回避指令を行う昇温指令手段と、を備える、動力出力システム。

（２）上記（１）に記載の動力出力システムにおいて、前記最低限必要なコンバータの出力電圧が前記昇温制御電圧以下の場合には、前記昇温指令手段が、前記コンバータ出力電圧制御手段に対し、前記コンバータの出力電圧を昇圧して昇温制御電圧に変更する制御指令を行い、次いで、前記コンバータキャリア周波数制御手段に対し、前記コンバータのキャリア周波数を低下させて前記電源を昇温させる制御指令を行う、動力出力システム。

（３）上記（２）に記載の動力出力システムにおいて、前記最低限必要なコンバータ出力電圧が前記昇温制御電圧を超える場合には、前記昇温指令手段が、前記コンバータキャリア周波数制御手段に対し、前記コンバータキャリア周波数を通常運転時の値にする制御指令を行い、次いで、前記コンバータ出力電圧制御手段に対し、前記コンバータ出力電圧を前記電動機の回転駆動に最低限必要なコンバータ出力電圧にする制御指令を行う、動力出力システム。

（４）電源と、前記電源からの電源電圧を昇降圧して出力するコンバータと、前記コンバータからの直流電力を多相交流電力に変換して出力するインバータと、前記インバータから出力される多相交流電力により回転駆動する電動機と、を備える動力出力システムの制御方法であって、前記電源の昇温制御の要求を取得する工程と、前記昇温制御の要求の取得に応じて、前記電動機の回転駆動に最低限必要なコンバータ出力電圧を演算する工程と、前記最低限必要なコンバータ出力電圧と前記電源の昇温制御のための昇温制御電圧とを比較して、前記電源を昇温させるか否かを判定する昇温判定工程と、前記昇温判定手段の結果に基づいて電源の昇温指令／昇温回避指令を行う昇温指令工程と、を有する、動力出力システムの制御方法。

（５）上記（４）に記載の制御方法において、前記最低限必要なコンバータ出力電圧が前記昇温制御電圧以下である場合には、前記コンバータ出力電圧を昇圧して前記昇温制御電圧に変更する工程と、前記コンバータキャリア周波数を低下させて前記電源を昇温させる工程と、をさらに有する、動力出力システムの制御方法。

（６）上記（４）または（５）に記載の制御方法において、前記最低限必要なコンバータ出力電圧が前記昇温制御電圧を超える場合には、前記コンバータキャリア周波数を通常運転時の値に変更する工程と、前記コンバータ出力電圧を最低限必要なコンバータ出力電圧に変更する工程と、をさらに有する、動力出力システムの制御方法。

（７）上記（１）から（３）のいずれか１つに記載の動力出力システムを搭載する車両。

本発明によれば、動力出力システムにおいて、電源の昇温制御に付随するエネルギ損失を抑制することができる。

また、別の態様では、電源の昇温制御に付随するコンバータ出力電圧の急激な変動を抑制することができる。

本発明の実施形態における動力出力システムの構成の概略を示す図である。本発明の実施形態における動力出力システムの電源昇温制御を説明するフローチャートである。本発明の実施形態における動力出力システムの動作または制御のタイミングを時系列で例示するタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。図１に示すように、電動車両２００に搭載することができる動力出力システム１００は、電源１２と、コンバータ１４と、インバータ１６と、回転駆動する電動機１８と、を備えている。また、実施形態では、コンバータ１４とインバータ１６との間に、平滑コンデンサ２０を設けることができ、他の実施形態では、電源１２と、コンバータ１４との間に、図示しないコンデンサを設けることもできる。

本発明の実施形態において、電源１２は一般に直流電源であり、その電圧は電動機１８の駆動電圧よりも低い電圧であるが、同等又は高い電圧であっても良い。例えば電動車両２００の駆動用モータとして利用することができる電動機１８からの回生エネルギを蓄えるために、電源１２は一般にリチウムイオン電池など、充放電可能な二次電池によって構成することができる。

図１に示すコンバータ１４は、複数のスイッチング素子を備え、スイッチング素子のオンオフ動作によって電源１２から供給された電源電圧を走行用モータ駆動用の電圧に昇降圧して出力するいわゆるＤＣ−ＤＣコンバータである。また、インバータ１６は、電動機１８を回転駆動させるために、コンバータ１４の直流電力を多相交流電力に変換して出力するよう構成されている。図１において、電動機１８は、インバータ１６から出力される３相交流電力により回転駆動するものとして例示しているが、これに限定されるものではない。また、図１に示す動力出力システム１００では、一組の電動機１８およびインバータ１６が示されているが、これに限定されるものではなく、例えば複数の電動機およびインバータの組を並列に設けることも可能であり、また図１に示す電動車両２００に複数の動力出力システム１００を搭載することも可能である。

図１に示す制御部３０は、内部に信号処理を行うＣＰＵ３２と、処理プログラムを記憶するＲＯＭ３４と、制御データを一時的に記憶するＲＡＭ３６と、を備えるコンピュータである。コンバータ１４、インバータ１６、電動機１８はそれぞれ制御部３０に接続され、制御部３０の指令によって動作するよう構成されている。さらに、電源１２および／またはその近傍の温度を検出する温度センサ２２と、電動機１８の回転数（速度）を検出する回転数（速度）センサ２４と、図示しない電圧センサおよび電流センサもまた制御部３０にそれぞれ接続され、各センサの検出信号が制御部３０に入力されるよう構成されている。

本発明の実施形態では、図１に示す制御部３０内に、電源１２の昇温制御の要求を取得する昇温要求取得手段（図示せず）と、昇温制御の要求の取得に応じて、電動機１８の回転駆動に最低限必要なコンバータ１４の出力電圧Ｖｍを演算するコンバータ出力電圧演算手段（図示せず）と、電源１２を昇温させるか否かを判定する昇温判定手段（図示せず）と、昇温判定の結果に基づいて、電源１２の昇温指令／昇温回避指令を行う昇温指令手段（図示せず）と、を備えている。図１に示す制御部３０はさらに、昇温指令手段による制御指令に応じて、コンバータ１４のキャリア周波数を変更するコンバータキャリア周波数制御手段（図示せず）と、昇温指令手段による制御指令に応じて、コンバータ１４の出力電圧を変更するコンバータ出力電圧制御手段（図示せず）を備えることができる。

実施形態において、昇温要求取得手段は、温度センサ２２からの電源１２の温度データや動力出力システム１００の起動または停止からの経過時間等の電源１２の温度に関する情報に基づいて、電源１２の昇温制御の要求の有無を所定の時間間隔で確認している。電源１２の昇温制御の要求を取得しない場合には、電源１２の昇温制御を実施せず、通常制御を継続する。

実施形態において、コンバータ出力電圧演算手段は、電動機１８の回転数（回転速度）に応じて発生する逆起電力を考慮し、電動機１８から弱め界磁電流が最小となるように電動機１８を制御するのに最低限必要なコンバータ１４の出力電圧Ｖｍを演算する。実施形態では、この出力電圧Ｖｍの値を、通常運転時におけるコンバータ１４の出力電圧とすることができる。

実施形態において、昇温判定手段は、予め設定し、制御部３０内のＲＯＭ３４またはＲＡＭ３６に記憶させておいた昇温制御電圧Ｖｒを参照し、この値Ｖｒと、コンバータ出力電圧演算手段で演算した、電動機１８の回転駆動に最低限必要なコンバータ１４の出力電圧の値Ｖｍとを比較して、昇温制御の要否を判定する。昇温制御電圧の値Ｖｒは例えば、予め実施した実機試験やシミュレーションに基づいて設定することができる。このとき、電動機１８の回転駆動に最低限必要なコンバータ１４の出力電圧Ｖｍが昇温制御電圧Ｖｒ以下の場合には、コンバータキャリア周波数制御手段およびコンバータ出力電圧制御手段に対し、電源１２の昇温指令を行う。コンバータ１４の出力電圧が急激に変動することを回避するために、まず、コンバータ出力電圧制御手段によりコンバータ１４の出力電圧を昇温制御電圧Ｖｒに昇圧する制御を行い、次いで、コンバータキャリア周波数制御手段によりコンバータ１４のキャリア周波数を、予め設定しておいた所定の昇温制御キャリア周波数ｆｒまで低下させる手順により電源１２の昇温制御を行うことが好適である。昇温制御キャリア周波数ｆｒは例えば、予め実施した実機試験やシミュレーションに基づいて、コンバータ１４の制御に不具合を生じない程度の値に設定することができる。また、他の実施形態では、例えば電源１２の温度に基づいて、予め作製しておいたマップ等を参照することにより、昇温制御の都度、昇温制御キャリア周波数ｆｒの値を可変とすることも可能である。

また、実施形態において、電動機１８の回転速度の上昇に伴い、上述した昇温判定手段による昇温制御の要否判定の際に、電動機１８の回転駆動に最低限必要なコンバータ１４の出力電圧Ｖｍが昇温制御電圧Ｖｒを超えた状態となった場合には、コンバータキャリア周波数制御手段およびコンバータ出力電圧制御手段に対し、電源１２の昇温制御の回避または終了の指令を行う。このとき、コンバータキャリア周波数制御手段によりコンバータ１４のキャリア周波数を、昇温制御時のキャリア周波数ｆｒから通常制御時のキャリア周波数ｆｎに変更する制御を行い、次いでコンバータ出力電圧制御手段によりコンバータ１４の出力電圧を昇温制御時の出力電圧Ｖｎから電動機１８の回転駆動に最低限必要なコンバータ１４の出力電圧Ｖｍに変更する手順により、昇温制御を終了し、通常制御に戻ることが好適である。本手順により電源１２の昇温回避または終了制御を行うことにより、昇温制御の継続に伴うエネルギ損失の増大を抑制するとともにコンバータ１４の出力電圧が急激に変動することを回避することができる。

以上のように構成された動力出力システム１００の動作について、図１，２を用いて以下に説明する。

まず、昇温要求取得手段において、電源１２の昇温制御の要求の有無を確認する（Ｓ１１０）。昇温要求取得手段において、電源１２の昇温制御の要求を取得した場合には、Ｓ１１２に進む。一方、昇温要求取得手段において、電源１２の昇温制御の要求を取得しない場合、あるいは昇温制御不可の要求を取得した場合には、制御部３０による動力出力システム１００の制御は、通常時のままである（Ｓ１２６）。

Ｓ１１２では、コンバータ出力電圧演算手段において、電動機１８を制御するのに最低限必要なコンバータ１４の出力電圧Ｖｍを演算し、次いで、昇温判定手段において、Ｓ１１２において演算したコンバータ１４の出力電圧Ｖｍと、昇温制御電圧Ｖｒとを比較する（Ｓ１１４）。Ｓ１１２において演算したコンバータ１４の出力電圧Ｖｍが、所定の昇温制御電圧Ｖｒ以下の場合には、Ｓ１１６に進み、電源１２の昇温制御を開始する。一方、未だ昇温制御を実行していないにもかかわらず、コンバータ１４の出力電圧Ｖｍが、所定の昇温制御電圧Ｖｒを上回る場合には、昇温制御を回避する（Ｓ１２０）。このとき、コンバータ出力電圧およびキャリア周波数は変更されていないため、以下の制御は実質的には不要であり、速やかに通常制御に移行することができる。

Ｓ１１６では、コンバータ出力電圧制御手段において、コンバータ１４の出力電圧を昇温制御電圧Ｖｒに変更する指令を行う。コンバータ１４の出力電圧が昇温制御電圧Ｖｒに変更したら、コンバータキャリア周波数制御手段において、コンバータ１４のキャリア周波数を、昇温制御キャリア周波数ｆｒまで低下させる（Ｓ１１８）。コンバータ１４のキャリア周波数の低下により、電流のリプルが発生し、電源１２を昇温させることができる。Ｓ１１６におけるコンバータの出力電圧の変更終了時刻と、Ｓ１１８におけるコンバータのキャリア周波数の変更開始時刻との間に、例えば数ミリ秒程度の所定のタイムラグを設けることにより、本制御システムの安定化を図ることができるが、別の態様では同時刻とすることもできる。

図２に示すＳ１１２〜Ｓ１１８の各動作は、Ｓ１１４において、電動機１８の回転数（速度）の上昇に伴い、コンバータ１４の出力電圧の演算値Ｖｍが昇温制御電圧Ｖｒを超えるまで繰り返される。そして、コンバータ１４の出力電圧の演算値Ｖｍが昇温制御電圧Ｖｒを超えると、電源１２の昇温回避（終了）の制御を開始する（Ｓ１２０）。

次に、コンバータキャリア周波数制御手段において、コンバータ１４のキャリア周波数を、通常制御時のキャリア周波数ｆｎに変更する（Ｓ１２２）。コンバータ１４のキャリア周波数が通常制御時のキャリア周波数ｆｎに変更したら、コンバータ出力電圧制御手段において、コンバータ１４の出力電圧をＳ１１２において演算したコンバータ１４の出力電圧Ｖｍに変更し（Ｓ１２４）、一連の昇温制御を終了する。実施形態では、電源１２の温度は例えばマイナス３０℃を超えるまで、他の実施形態ではマイナス１０℃程度まで、昇温させることができる。なお、Ｓ１２２におけるコンバータのキャリア周波数の変更終了時刻と、Ｓ１２４におけるコンバータの出力電圧の変更開始時刻との間に、例えば数ミリ秒程度の所定のタイムラグを設けることにより、本制御システムの安定化を図ることができるが、別の態様では同時刻とすることもできる。このように、コンバータ１４のキャリア周波数を上昇させた後で出力電圧を変更することにより、昇温制御の終了時に急激な出力電圧の変動を伴うことなく、円滑に通常制御に移行することができる。

図３は、本発明の実施形態における動力出力システムの動作または制御のタイミングを時系列で例示するタイミングチャートである。本実施形態において、図３に示す時刻ｔ_１からｔ_１１までの時間は、例えば１００ミリ秒程度であり得るが、これに限定されるものではなく、例えば数十ミリ秒程度、他の実施形態では数秒程度、更に別の実施形態では数十秒程度とすることも可能である。

時刻ｔ_１において、昇温要求取得手段が電源（バッテリ）の昇温制御の要求を取得すると、昇温制御のトリガーとなる昇温制御フラグ（Ａ）がオフ（通常制御モード）からオン（昇温制御モード）に切り替わる。このとき、電動機の回転駆動に最低限必要なコンバータの出力電圧Ｖｍ（Ｃ）は、所定の昇温制御電圧Ｖｒ以下なので、時刻ｔ_２からｔ_３にかけて、コンバータの出力電圧（Ｄ）を上昇させて昇温制御電圧Ｖｒに移行させ、次いで、コンバータのキャリア周波数（Ｅ）を、時刻ｔ_４からｔ_５にかけて、昇温制御時のキャリア周波数ｆｒまで低下させる。コンバータのキャリア周波数の低下により、バッテリ電流（Ｆ）のリプルが発生し、これに応じてバッテリ温度（Ｇ）が上昇する。

時刻ｔ_６からｔ_８にかけて、ユーザの操作等により電動機の回転数（速度）（Ｂ）が上昇すると、これに連動して電動機の回転駆動に最低限必要なコンバータの出力電圧Ｖｍ（Ｃ）も増加する。このとき、時刻ｔ_７において、電動機の回転駆動に最低限必要なコンバータの出力電圧Ｖｍ（Ｃ）の値が昇温制御電圧Ｖｒを上回ると、昇温制御フラグ（Ａ）がオン（昇温制御モード）からオフ（通常制御モード）に切り替わり、昇温制御を終了する動作に移行する。まず、時刻ｔ_７からｔ_９にかけて、コンバータのキャリア周波数（Ｅ）を通常制御時のキャリア周波数ｆｎまで戻し、次いで、時刻ｔ_１０からｔ_１１にかけて、コンバータの出力電圧（Ｄ）を電動機の回転駆動に最低限必要なコンバータの出力電圧Ｖｍ（Ｃ）に変更する。これにより、バッテリ電流（Ｆ）のリプルはコンバータのキャリア周波数（Ｅ）がｆｎまで上昇したところで、電動機の回転数（速度）（Ｂ）の程度に対応する、電動機の回転駆動に最低限必要なコンバータの出力電圧Ｖｍ（Ｃ）まで上昇させ、通常制御に移行する。

本発明は、種々の動力出力システムに利用可能であるが、例えば車両に搭載可能な動力出力システムなどに利用可能である。

１２電源（バッテリ）、１４コンバータ、１６インバータ、１８電動機、２０平滑コンデンサ、２２温度センサ、２４回転数（速度）センサ、３０制御部、１００動力出力システム、２００電動車両。

Claims

電源と、
前記電源からの電源電圧を昇降圧して出力するコンバータと、
前記コンバータの出力電圧を変更するコンバータ出力電圧制御手段と、
前記コンバータのキャリア周波数を変更するコンバータキャリア周波数制御手段と、
前記コンバータからの直流電力を多相交流電力に変換して出力するインバータと、
前記インバータから出力される多相交流電力により回転駆動する電動機と、
前記電源の昇温制御の要求を取得する昇温要求取得手段と、
前記昇温制御の要求の取得に応じて、前記電動機の回転駆動に最低限必要なコンバータの出力電圧を演算するコンバータ出力電圧演算手段と、
前記最低限必要なコンバータ出力電圧と前記電源の昇温制御のための昇温制御電圧とを比較して、前記電源を昇温させるか否かを判定する昇温判定手段と、
前記昇温判定手段の結果に基づいて電源の昇温指令／昇温回避指令を行う昇温指令手段と、
を備え、
前記昇温指令手段は、
前記最低限必要なコンバータの出力電圧が前記昇温制御電圧以下の場合には、前記コンバータ出力電圧制御手段に対し、前記コンバータの出力電圧を昇圧して昇温制御電圧に変更する制御指令を行い、次いで、前記コンバータキャリア周波数制御手段に対し、前記コンバータのキャリア周波数を低下させて前記電源を昇温させる制御指令を行い、
前記最低限必要なコンバータの出力電圧が前記昇温制御電圧を超える場合には、前記電源の昇温制御を回避する指令を行う、動力出力システム。
請求項１に記載の動力出力システムにおいて、
前記最低限必要なコンバータ出力電圧が前記昇温制御電圧を超える場合には、
前記コンバータキャリア周波数制御手段に対し、前記コンバータキャリア周波数を通常運転時の値にする制御指令を行い、次いで、前記コンバータ出力電圧制御手段に対し、前記コンバータ出力電圧を前記電動機の回転駆動に最低限必要なコンバータ出力電圧にする制御指令を行う、動力出力システム。
電源と、前記電源からの電源電圧を昇降圧して出力するコンバータと、前記コンバータからの直流電力を多相交流電力に変換して出力するインバータと、前記インバータから出力される多相交流電力により回転駆動する電動機と、を備える動力出力システムの制御方法であって、
前記電源の昇温制御の要求を取得する工程と、
前記昇温制御の要求の取得に応じて、前記電動機の回転駆動に最低限必要なコンバータ出力電圧を演算する工程と、
前記最低限必要なコンバータ出力電圧と前記電源の昇温制御のための昇温制御電圧とを比較して、前記電源を昇温させるか否かを判定する昇温判定工程と、
前記昇温判定手段の結果に基づいて電源の昇温指令／昇温回避指令を行う昇温指令工程と、
を有し、
前記昇温指令工程において、
前記最低限必要なコンバータの出力電圧が前記昇温制御電圧以下の場合には、前記コンバータの出力電圧を昇圧して昇温制御電圧に変更する工程と、前記コンバータのキャリア周波数を低下させて前記電源を昇温させる工程とをさらに有し、
前記最低限必要なコンバータの出力電圧が前記昇温制御電圧を超える場合には、前記電源の昇温制御を回避する、動力出力システムの制御方法。
請求項３に記載の制御方法において、
前記最低限必要なコンバータ出力電圧が前記昇温制御電圧を超える場合には、
前記コンバータキャリア周波数を通常運転時の値に変更する工程と、
前記コンバータ出力電圧を最低限必要なコンバータ出力電圧に変更する工程と、
をさらに有する、動力出力システムの制御方法。
請求項１または２に記載の動力出力システムを搭載する車両。