JP5605515B2 - 電気自動車 - Google Patents

Description

本発明は、車輪駆動用の電動機（モータ）を有する電気自動車に関する。本明細書における「電気自動車」には、車輪駆動用のモータとエンジンを備えるハイブリッド車も含まれる。さらには、「電気自動車」には、燃料電池車も含まれる。

電気自動車は、バッテリから供給される直流電力をモータの駆動に適した交流電力に変換するインバータを備える。インバータ内のスイッチング回路の動作に起因する電流の脈動を抑制するため、インバータの入力端にはコンデンサ（平滑化コンデンサ）が接続されていることが多い。電気自動車はまた、インバータの前段に、バッテリの出力電圧を変える電圧コンバータを備えることもある。電圧コンバータの動作に起因する電流の脈動を抑制するために、電圧コンバータの入力端にもコンデンサ（フィルタコンデンサ）が接続されていることがある。車輪駆動用モータを駆動するには大電力が必要とされることから、これらのコンデンサにも大容量のものが用いられる。

車両が衝突した際にユーザの安全性を確保するため、あるいは、非常事態にユーザの安全性を確保するため、電気自動車は、上記のコンデンサに蓄積された電力を速やかに放電するデバイス（放電デバイス）を有することが好ましい。放電デバイスを備えた電気自動車が例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されているように、放電デバイスの典型は放電抵抗である。

特開２０１０−１９３６９１号公報

放電デバイスはコンデンサと並列に接続する必要があるため、結果的に放電デバイスはインバータの入力端子にも接続されていることになる。放電デバイスを動作させる際にモータが回転していると、モータの逆起電力に起因する誘導電流も放電デバイスに流れることになる。そのため、放電デバイスが受け入れることの可能な電流の大きさが、コンデンサから流れ出す電流の大きさを上回っているにしても、コンデンサから流れる電流と誘導電流の合計を許容できない場合、放電デバイスが損傷する虞がある。例えば電気自動車が障害物に衝突した場合、インバータは停止していても車輪（モータ）が惰性で回転し、誘導電流が発生する場合がある。本明細書は、モータの逆起電力に起因する誘導電流によって放電デバイスが損傷することを防止する技術を提供する。

本明細書が開示する電気自動車の一態様は、コンデンサ、電流センサ、放電デバイス、及び、コントローラを備える。コンデンサは、上述したように、インバータの２個の入力端子の間に接続されている。放電デバイスは、コンデンサと並列に接続されている。放電デバイスは、典型的には抵抗（放電抵抗）でよい。電流センサは、モータの逆起電力に起因する誘導電流を計測する。コントローラは、異常を示す信号又は衝突を示す信号が入力されたときに、電流センサが計測する誘導電流の大きさが既定の電流閾値を下回っている場合には放電デバイスを作動させ、逆起電力電流の大きさが電流閾値を上回っている場合には放電デバイスを作動させない。

上記の電気自動車は、モータの逆起電力に起因する誘導電流の大きさに応じて、放電デバイスを作動させるか否かを決定する。なお、放電デバイスは、通常は作動していない。上記の電気自動車は、誘導電流が電流閾値を上回っている場合には放電デバイスを作動させないでの、放電デバイスを損傷から保護することができる。

他方、衝突時や非常事態には可能な限り速やかに放電デバイスを活用することが望まれる。そこで、コントローラは、次の２つの条件のいずれかが成立した場合に放電デバイスを作動させることが好ましい。
条件１：誘導電流の大きさが第１電流閾値を下回った場合。
条件２：誘導電流の大きさが第１電流閾値より大きい第２電流閾値を下回りかつ誘導電流の低下率が既定の低下率閾値より大きい場合。

第１電流許容値は、放電デバイスが許容する誘導電流の大きさに相当する。条件２は、電流センサが計測した電流が放電デバイスの許容値を上回っているとしてもそのことは直ちに解消されるであろうことを示す。誘導電流の大きさが急激に低下するのであれば、短期間だけ放電デバイスの許容値を超える電流が流れたとしても放電デバイスが損傷する可能性は小さい。条件２を採用することによって、放電デバイスを損傷させることなく、しかもできるだけ早い時期に作動させることができる。

本明細書が開示する別の態様では、上記したインバータとコンデンサと放電デバイスと電流センサとコントローラが一つのケースに収められていることが好ましい。電気自動車が障害物と衝突した場合には、いくつかのユニットが破損する可能性がある。そのため、複数のユニットが連携して放電デバイスを制御するよりも、放電デバイスに関する部品が全て一つのケースに格納されている方が、衝突時に放電デバイスを作動させることができる可能性が高い。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

ハイブリッド車の模式的なシステム図である。 ハイブリッド車の電力系の模式的な回路図である。 放電処理のフローチャート図である。 ２つの電流閾値を説明するための誘導電流のグラフの一例である。

図１に、実施例に係る電気自動車の模式的システム図を示す。なお、図１のシステム図は、本発明に関係する要素のみ示しており、車両が備える全ての要素を示してはいないことに留意されたい。本実施例の電気自動車は、車輪駆動用のモータとエンジンを共に備えるハイブリッド車１００である。エンジンＥＧとモータＭＧは、動力分配器ＴＭ（図２参照）とともにドライブトレイン５を構成し、フロントコンパートメント内に搭載されている。動力分配器ＴＭは、エンジンＥＧとモータＭＧの出力を分配／融合して車軸ＷＡに伝達するギアユニットである。構造の詳しい説明は省略するが、ハイブリッド車１００は、動力分配器ＴＭを適宜に制御することによって、エンジンＥＧのみで走行すること、モータＭＧのみで走行すること、及び、エンジンＥＧとモータＭＧの出力の合力により走行することができる。また、ハイブリッド車１００は、制動時の車両の運動エネルギを利用してモータＭＧを出力側から駆動し、これによって発電し、バッテリＢＴを充電することもできる。

ドライブトレイン５の上にパワーコントローラ２が搭載されている。パワーコントローラ２には、バッテリＢＴの電圧をモータ駆動に適した電圧に昇圧する電圧コンバータ（ＤＣＤＣコンバータ）の回路と、直流電力を交流電力に変換するインバータの回路が実装されている。また、パワーコントローラ２には、車両が衝突したことを示す信号、あるいは、異常が発生したことを示す信号が入力されたときにコンデンサに蓄積された電荷を放電する放電回路も実装されている。車両が衝突したことを示す信号、あるいは、異常が発生したことを示す信号は、パワーコントローラ２の上位コントローラであるＨＶコントローラ４から送られる。車両の衝突は、エアバッグシステムに備えられている加速度センサ３によって検知する。加速度センサ３の信号はＨＶコントローラ４を経由してパワーコントローラ２に送られる。パワーコントローラ２に送られる異常信号には、例えば、コントローラ間の通信異常を示す信号がある。なおパワーコントローラ２は、ＨＶコントローラ４との通信線を常にモニタしており、ＨＶコントローラ４との通信が途絶した場合、通信異常が生じたと判断する。なお、ＨＶコントローラ４は、パワーコントローラ２のほか、ドライブトレイン５内の動力分配器ＴＭとエンジンＥＧを総合的に制御する。ＨＶコントローラ４は、バッテリＢＴの残量、アクセル開度、車速、その他の車両状態から、パワーコントローラ２の出力（即ちモータへの指令）、エンジンＥＧへの燃料噴射量、及び、動力分配器ＴＭにおける動力分配比率を決定し、夫々に指令を出す。

図２にハイブリッド車１００の電力系の模式的な回路図を示す。図２は特に、パワーコントローラ２内部の回路図について詳しく描いてある。概略すると、パワーコントローラ２の内部には、電圧コンバータ１２、放電回路２０（放電デバイス）、インバータ１３、２種類のコンデンサＣ１、Ｃ２、電流センサ１４、及び、コントローラ３０を内蔵している。上記のモジュールは全てパワーコントローラ２のケース内に収められている。

バッテリＢＴが、システムメインリレーＳＭＲを介してパワーコントローラ２内の電圧コンバータ１２に接続している。電圧コンバータ１２は、バッテリＢＴの出力電圧をモータの駆動に適した電圧に昇圧する昇圧動作と、モータＭＧが発生する逆起電力の電圧をバッテリＢＴの電圧まで降圧する降圧動作を行うことができる昇降圧コンバータである。典型的には、バッテリＢＴの出力電圧は３００Ｖ程度であり、高圧側の電圧は６００Ｖ程度である。電圧コンバータ１２は、リアクトルＬ１、２個のトランジスタＴｒ７、Ｔｒ８、及び、２個のダイオードＤ７、Ｄ８が図２に示すとおりの回路を構成する。昇降圧動作を行う図２の回路は良く知られているので、詳細な説明は省略する。

電圧コンバータ１２の低圧側（バッテリＢＴ側）の端子にはフィルタコンデンサＣ２が接続されている。フィルタコンデンサＣ２は、リアクトルＬ１によって生じる電流の脈動を抑制するために備えられている。

電圧コンバータ１２の高圧側の端子は、インバータ１３の入力端に接続されている。インバータ１３では、６個のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ６、及び、６個のダイオードＤ１〜Ｄ６（還流ダイオード）が図２に示す回路を構成している。図２に示すように、直列に接続された２個のトランジスタの組が３組、並列に接続されている。３組のそれぞれからＵＶＷの３相の交流電力が出力される。良く知られているように、高電位側のトランジスタＴｒ１〜Ｔｒ３を通るラインは「上アーム」と呼ばれ、低電位側のトランジスタＴｒ４〜Ｔｒ６を通るラインは「下アーム」と呼ばれる。また、上アームに電力を供給する共通の高電位線はＰ線と呼ばれ、下アームに共通する低電位線はＮ線と呼ばれることがある。Ｎ線は、バッテリＢＴの低電位側端子に直接繋がっている。インバータ１３の出力はモータＭＧに供給される。インバータ１３とモータＭＧを繋ぐケーブル上に電流センサ１４が設けられている。電流センサ１４は、ホール素子を使った非接触タイプの電流センサである。電流センサ１４は主として、モータの電流フィードバック制御に用いられる。電流センサ１４のデータは、さらに、後述するように、放電回路２０の作動／非作動を決定するのにも用いられる。即ち、電流センサ１４は、モータの逆起電力に起因してインバータ１３を逆流する誘導電流を計測する。

電圧コンバータ１２とインバータ１３の間に、平滑化コンデンサＣ１と放電回路２０が並列に接続されている。平滑化コンデンサＣ１は、インバータ１３への入力電流を平滑化するために備えられている。パワーコントローラ２は、車両駆動用のモータを駆動するので、大きな電流を扱う。そのため、フィルタコンデンサＣ２と平滑化コンデンサＣ１には大容量のコンデンサが用いられる。衝突などの緊急事態には、ユーザの安全確保のため、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄積された電荷を速やかに放電することが望まれる。放電回路２０はそのために備えられている。

放電回路２０は、放電抵抗２４と、放電抵抗を接続／切断するスイッチ２２で構成される。スイッチ２２は、コントローラ３０によって制御される。放電抵抗は、抵抗値が大きく、かつ発熱し易い金属で作られている。緊急時には、放電抵抗２４を接続することによって、コンデンサＣ１に蓄積された電荷（電流）が放電抵抗２４に流れ込む。また、図２から明らかなとおり、コンデンサＣ２に蓄えられた電荷も、電圧コンバータ１２を通じて放電回路２０に流れる。コンデンサＣ２に蓄えられた電荷は、電圧コンバータ１２が作動していなくとも、ダイオードＤ７を通じて放電回路２０に流れる。放電抵抗２４によって、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄えられた電気エネルギは、熱に変換されて散逸する。

放電抵抗２４には、最大許容電流が定められており、その最大許容電流を超える電流が流れると、損傷する虞がある。他方、モータＭＧが外部（車軸側）から駆動されると逆起電力が発生し、逆起電力に起因する誘導電流は、インバータ１３を逆に辿って放電回路２０に達する。図２から明らかなとおり、誘導電流は、インバータ１３が作動していなくとも、還流ダイオードＤ１〜Ｄ６を通じて放電回路２０に達する。放電回路２０を作動させたときに流れる電流の大きさは、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄えられた容量のほか、逆起電力に起因する誘導電流の大きさに依存する。そのため、誘導電流が大きいときに放電回路２０を作動させると、最大許容電流を超える電流が流れる可能性がある。そこで、コントローラ３０は、誘導電流の大きさによって放電回路２０を接続するか否かを決定する。

図３に放電処理のフローチャートを示す。図３の処理は、コントローラ３０が実行する。コントローラ３０は、ＨＶコントローラ４から異常あるいは衝突を示す信号を受信すると、図３の処理を開始する。なお、放電回路２０のスイッチ２２は、通常は開いている。即ち、放電回路２０は、通常は、電力系のシステム（コンデンサＣ１、Ｃ２や、インバータ１３）から切断されている。

放電処理を開始すると、コントローラ３０はまず、電流センサ１４が計測した誘導電流Ｉｒｍを、予め定められた第１電流閾値Ｉｔｈ１と比較する（Ｓ２）。第１電流閾値Ｉｔｈ１は、典型的には、放電回路２０（放電抵抗２４）に定常的に流すことのできる最大の電流から、コンデンサＣ１、Ｃ２から流れる電流の値を差し引いた値に設定される。誘導電流Ｉｒｍが第１電流閾値Ｉｔｈ１を下回っている場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、コントローラ３０は、放電回路２０のスイッチ２２を閉じる（Ｓ８）。即ちコントローラ３０は、放電回路２０を作動させる。そうすると、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄えられた電荷が放電抵抗２４に流れ込み、コンデンサＣ１、Ｃ２に蓄えられた電力は散逸する。その後、コントローラ３０は、一定時間だけ待ち（Ｓ９）、放電回路２０のスイッチ２２を開放し（Ｓ１０）、放電処理を終了する。

一方、誘導電流Ｉｒｍが第１電流閾値Ｉｔｈ１を上回っている場合（Ｓ２：ＮＯ）、次にコントローラ３０は、誘導電流Ｉｒｍを第２電流閾値Ｉｔｈ２と比較する（Ｓ４）。第２電流閾値Ｉｔｈ２は、典型的には、放電回路２０（放電抵抗２４）に流すことのできる瞬間最大許容電流から、コンデンサＣ１、Ｃ２から流れる電流の値を差し引いた値よりも僅かに大きい値に設定される。明らかに、第２電流閾値Ｉｔｈ２は、第１電流閾値Ｉｔｈ１よりも大きい。

誘導電流Ｉｒｍが第２電流閾値Ｉｔｈ２を上回っている場合（Ｓ４：ＮＯ）、スイッチ２２を閉じると放電抵抗２４が損傷する可能性があるのでコントローラ３０は、何もせず処理を終了する。他方、誘導電流Ｉｒｍが第２電流閾値Ｉｔｈ２を下回っている場合（Ｓ４：ＹＥＳ）、コントローラ３０は、誘導電流の低下率ｄＩｒｍを、予め定められた低下率閾値ｄＩｔｈと比較する（Ｓ６）。誘導電流の低下率ｄＩｒｍが低下率閾値ｄＩｔｈよりも小さい場合（Ｓ６：ＮＯ）、即ち、誘導電流Ｉｒｍがゆっくりと低下している場合は、コントローラ３０は、何もせず処理を終了する。他方、誘導電流の低下率ｄＩｒｍが低下率閾値ｄＩｔｈを上回っている場合（Ｓ６：ＹＥＳ）、即ち、誘導電流Ｉｒｍが急激に低下している場合は、コントローラ３０は、放電回路のスイッチ２２を閉じる（Ｓ８）。なお、誘導電流の低下率とは、単位時間当たりの誘導電流Ｉｒｍの低下量に相当する。コントローラ３０は、常に電流センサ１４のセンサデータを監視しており、前回の計測値と今回の計測値から、誘導電流ｄＩｒｍの低下率を求める。また、低下率閾値ｄＩｔｈは、モータやインバータの特性、及び／又は、放電抵抗の特性などに基づいて予め定められる。

以下の説明のため、図３の処理におけるステップＳ２の条件を第１条件と称し、ステップＳ４の条件とＳ６の条件の組み合わせを第２条件と称する。

図４を参照して上記の放電処理の利点を説明する。図４は、モータの逆起電力に起因する誘導電流Ｉｒｍの変化の一例を示すグラフである。車両が障害物に衝突したとき、あるいは、なんらかの異常が発生したときには、ＨＶコントローラ（あるいは他のコントローラ）がインバータを停止する。従って車輪の回転（即ちモータの回転）は徐々に低下する。モータ回転の低下に伴って誘導電流Ｉｒｍも徐々に低下する。第１電流閾値Ｉｔｈ１は、放電回路２０（放電抵抗２４）に定常的に流すことのできる最大の電流から、コンデンサＣ１、Ｃ２から流れる見込みの電流を差し引いた値に設定される。従って、ステップＳ２の処理に次いでステップＳ８の処理が実行された場合（即ち、第１条件の成立によって放電回路２０を作動させる場合）、放電抵抗２４には第１電流閾値Ｉｔｈ１よりも小さい電流しか流れず、放電抵抗２４はダメージを受けない。ステップＳ４、Ｓ６を経てステップＳ８の処理が実行される場合（即ち、第２条件の成立によって放電回路２０を作動させる場合）、放電抵抗２４には第１電流閾値Ｉｔｈ１よりも大きい電流が一時的に流れる。しかし、ステップＳ６の判断により、放電抵抗２４に流れる電流は急激に低下することが見込まれている。従って、放電抵抗２４に流れ込む電流は、最初は第１電流閾値Ｉｔｈ１よりも大きいが、第１電流閾値Ｉｔｈ１を下回るまで速やかに低下するので、放電抵抗２４がダメージを受ける可能性は小さい。しかも、図４に示されているように、第２条件成立による放電回路作動のタイミングは、第１条件成立による放電回路作動のタイミングよりも時間ＷＴだけ早い。第２条件を採用することによって、第１条件のみの場合と比較して放電回路２０を有効に使うことができる。なお、コントローラ３０は、衝突又は異常を示す信号が入力された後、放電回路２０を少なくとも１回作動させるまで、図３の処理を繰り返し実行する。従って、例えば、誘導電流の低下率ｄＩｒｍが、低下離閾値ｄＩｔｈを常に下回る場合であっても（ステップＳ６：ＮＯ）、即ち、モータの回転がゆっくりと低下する場合であっても、誘導電流Ｉｒｍが第１電流閾値Ｉｔｈ１を下回るまで低下したら、コントローラ３０は放電回路２０を作動させる。

実施例では、放電回路２０を作動させるか否かの判断に、電流センサ１４のセンサデータを用いた。逆起電力に起因する誘導電流は、モータの回転数から推定することができる。また、モータＭＧには、回転数を計測するレゾルバ（不図示）が取り付けられている。しかし、電流センサ１４を用いることには、誘導電流をダイレクトに正確に計測できる利点に加えて次の利点がある。放電回路２０を作動させるか否かを決定するのに必要なモジュールは、電圧コンバータ１２、放電回路２０、インバータ１３、電流センサ１４、及び、コントローラ３０である。それらのモジュールは全てパワーコントローラ２のケースに収められている。それらのモジュールが複数のケースに分散しているよりも一つのケースに集中している方が、非常事態において確実に動作する可能性が高い。

本明細書が開示する技術の留意点を述べる。実施例ではハイブリッド車１００を例としたが、本明細書が開示する技術は、エンジンを備えない電気自動車に適用することもできる。放電デバイスは、放電抵抗に限られない。電気エネルギを熱エネルギ、あるいは別のエネルギに変換して散逸させるデバイスであればよい。

本発明の代表的かつ非限定的な具体例について、図面を参照して詳細に説明した。この詳細な説明は、本発明の好ましい例を実施するための詳細を当業者に示すことを単純に意図しており、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。また、開示された追加的な特徴ならびに発明は、さらに改善された電気自動車を提供するために、他の特徴や発明とは別に、又は共に用いることができる。

また、上記の詳細な説明で開示された特徴や工程の組み合わせは、最も広い意味において本発明を実施する際に必須のものではなく、特に本発明の代表的な具体例を説明するためにのみ記載されるものである。さらに、上記の代表的な具体例の様々な特徴、ならびに、独立及び従属クレームに記載されるものの様々な特徴は、本発明の追加的かつ有用な実施形態を提供するにあたって、ここに記載される具体例のとおりに、あるいは列挙された順番のとおりに組合せなければならないものではない。

本明細書及び／又はクレームに記載された全ての特徴は、実施例及び／又はクレームに記載された特徴の構成とは別に、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、個別に、かつ互いに独立して開示されることを意図するものである。さらに、全ての数値範囲及びグループ又は集団に関する記載は、出願当初の開示ならびにクレームされた特定事項に対する限定として、それらの中間の構成を開示する意図を持ってなされている。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

Claims (3)

1. バッテリの直流電力を交流電力に変換してモータへ出力するインバータと、
   インバータの２個の入力端子の間に接続されているコンデンサと、
   コンデンサと並列に接続されており、コンデンサの電荷を放電するための放電デバイスと、
   モータの逆起電力に起因する誘導電流を計測する電流センサと、
   衝突または異常を示す信号が入力されたときに、誘導電流の大きさが既定の電流閾値を下回っている場合には放電デバイスを作動させ、逆起電力電流の大きさが電流閾値を上回っている場合には放電デバイスを作動させないコントローラと、
   を備えていることを特徴とする電気自動車。
2. コントローラは、次の２つの条件、即ち、
   条件１：誘導電流の大きさが第１電流閾値を下回った場合；
   条件２：誘導電流の大きさが第１電流閾値より大きい第２電流閾値を下回りかつ誘導電流の低下率が既定の低下率閾値より大きい場合；
   のいずれかが成立した場合に放電デバイスを作動させることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車。
3. 前記インバータと前記コンデンサと前記放電デバイスと前記電流センサと前記コントローラが一つのケースに収められていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気自動車。
   

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