JP2013055821A

JP2013055821A - 電力装置

Info

Publication number: JP2013055821A
Application number: JP2011193198A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Miyauchi; 宏之宮内
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-03-21

Abstract

【課題】インバータの複数のトランジスタをより適性に保護しながら、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を良好に放電させる。
【解決手段】平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷を放電すべきときに、ハイブリッドＥＣＵ７０によりシステムメインリレーＳＭＲがオフされ、モータＥＣＵ４０により、インバータ４１，４２の複数のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６のうち最も温度が低いものを含む一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタ以外のトランジスタがすべてオフされ、当該一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタの何れか一方がオンされると共に他方が所定の周期でスイッチングされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気機器と、複数の上アームトランジスタおよび対応する上アームトランジスタにそれぞれ直列に接続される複数の下アームトランジスタを含むインバータと、インバータを介して電気機器と電力をやり取り可能なバッテリと、インバータとバッテリとの間の電圧を平滑化する平滑コンデンサとを備えた電力装置に関する。

従来、この種の電力装置として、直流電源に接続された平滑コンデンサと、平滑コンデンサの正端子および負端子にそれぞれ接続された一対のスイッチング素子を複数備えたインバータ回路と、当該インバータ回路を制御するモータコントローラとを備え、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させるときに、インバータ回路の何れかの一対のスイッチング素子のうち一方を通電状態に保持すると共に、他方を通電状態と遮断状態とを繰り返してスイッチング動作させる放電制御を実行するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電力装置では、電力を消費可能な電気機器（例えば、電動機）が装置に接続されているか否かに拘わらず、上述の放電制御により、平滑コンデンサとスイッチング素子との間を流れる飽和電流を生じさせることで、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させることができる。

特開２０１０−２３３３１０号公報

しかしながら、上述の電力装置のように、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させる際に、インバータ回路の何れかのスイッチング素子を用いて放電制御を実行すると、当該放電制御に用いられる一対のスイッチング素子の温度が過剰に上昇してしまうおそれがある。

本発明の電力装置は、インバータの複数のトランジスタをより適性に保護しながら、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を良好に放電させることを主目的とする。

本発明の電力装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電力装置は、
電気機器と、複数の上アームトランジスタおよび対応する前記上アームトランジスタにそれぞれ直列に接続される複数の下アームトランジスタを含むインバータと、該インバータを介して前記電気機器と電力をやり取り可能なバッテリと、前記インバータと前記バッテリとの間の電圧を平滑化する平滑コンデンサと、前記バッテリと前記平滑コンデンサとの接続および接続の解除を実行可能なリレーと、前記リレーを制御するリレー制御手段と、前記インバータを制御するインバータ制御手段とを備えた電力装置において、
前記リレー制御手段は、前記平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電すべきときに、前記リレーをオフし、
前記インバータ制御手段は、前記平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電すべきときに、前記複数の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタのうち最も温度が低いものを含む一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタ以外の前記トランジスタをすべてオフし、該一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタの何れか一方をオンすると共に他方を所定の周期でスイッチングさせることを特徴とする。

本発明の電力装置では、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電すべきときに、バッテリと平滑コンデンサとの間のリレーがオフされ、インバータの複数の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタのうち最も温度が低いものを含む一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタ以外のトランジスタがすべてオフされ、当該一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタの何れか一方がオンされると共に他方が所定の周期でスイッチングされる。これにより、平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電すべきときには、インバータの複数のトランジスタのうち最も温度が低いものを含む一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタのみに平滑コンデンサからの電流が流れるため、複数のトランジスタの温度を過剰に上昇させないようにすることができる。従って、本発明の電力装置によれば、複数のトランジスタをより適性に保護しながら、トランジスタのスイッチング損失により平滑コンデンサに蓄えられた電荷を良好に放電させることが可能となる。

本発明の実施例に係る電力装置を有するハイブリッド自動車２０の概略構成図である。ハイブリッド自動車２０に搭載される電気駆動系の概略構成図である。実施例に係るハイブリッド自動車２０において車両の衝突が検知された後にモータＥＣＵ４０により実行される放電制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例に係る電力装置を有するハイブリッド自動車２０の概略構成図である。実施例のハイブリッド自動車２０は、ガソリンや軽油などを燃料とするエンジン２２と、エンジン２２を駆動制御するエンジン用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）２４と、エンジン２２の出力軸としてのクランクシャフト２６にダンパ２８を介してキャリア３４が接続されたプラネタリギヤ３０と、プラネタリギヤ３０のサンギヤ３１に接続された発電可能なモータＭＧ１と、プラネタリギヤ３０のリングギヤ３２に接続された駆動軸としてのリングギヤ軸３２ａに連結された減速ギヤ３５と、この減速ギヤ３５に接続されたモータＭＧ２と、リングギヤ軸３２ａにギヤ機構３７およびデファレンシャルギヤ３８を介して接続された駆動輪３９ａ，３９ｂとを備える。

また、ハイブリッド自動車２０は、システムメインリレーＳＭＲを介して電力ライン５４に接続された例えばリチウムイオン二次電池あるいはニッケル水素二次電池であるバッテリ５０と、モータＭＧ１と電力ライン５４との間に介設されたインバータ４１と、モータＭＧ２と電力ライン５４との間に介設されたインバータ４２と、システムメインリレーＳＭＲよりもインバータ４１，４２側に位置するように電力ライン５４に接続されてインバータ４１，４２とバッテリ５０との間の電圧を平滑化する平滑コンデンサ５７と、インバータ４１，４２を介してモータＭＧ１およびＭＧ２を駆動制御するモータ用電子制御ユニット（以下、「モータＥＣＵ」という）４０と、バッテリ５０を管理するバッテリ用電子制御ユニット（以下、バッテリＥＣＵという）５２と、エンジンＥＣＵ２４やモータＥＣＵ４０、バッテリＥＣＵ５２等と通信しながら車両全体をコントロールするハイブリッド用電子制御ユニット（以下、ハイブリッドＥＣＵという）７０とを備える。

モータＭＧ１およびモータＭＧ２は、いずれも永久磁石が埋め込まれたロータと三相コイルが巻回されたステータとを備える周知の同期発電電動機として構成されている。インバータ４１，４２は、図２に示すように、６つのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６と、トランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６に逆方向に並列接続された６つのダイオードＤ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６とにより構成されている。インバータ４１，４２のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６は、それぞれインバータ４１，４２が電力ライン５４として共用する正極母線５４ａと負極母線５４ｂとに対してソース側とシンク側とになるよう２個ずつペアで配置されており、対となるトランジスタ同士の接続点の各々にモータＭＧ１，ＭＧ２の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。したがって、正極母線５４ａと負極母線５４ｂとの間に電圧が作用している状態で対をなすトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６のオン時間の割合を制御することにより三相コイルに回転磁界を形成でき、モータＭＧ１，ＭＧ２を回転駆動することができる。また、インバータ４１，４２には、トランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６の温度をそれぞれ検出する温度センサＳ１１〜Ｓ１６，Ｓ２１〜Ｓ２６が設けられている。以下、インバータ４１の３個のトランジスタＴ１１〜Ｔ１３と、インバータ４２の３個のトランジスタＴ２１〜Ｔ２３とを「上アームトランジスタ」といい、それぞれ上アームトランジスタＴ１１〜Ｔ１３のうちの対応する一つに直列に接続されるインバータ４１の３個のトランジスタＴ１４〜Ｔ１６と、それぞれ上アームトランジスタＴ２１〜Ｔ２３のうちの対応する一つに直列に接続されるインバータ４２の３個のトランジスタＴ２４〜Ｔ２６とを「下アームトランジスタ」という。

インバータ４１，４２は、モータＥＣＵ４０により制御され、これによりモータＭＧ１，ＭＧ２が駆動制御される。モータＥＣＵ４０には、モータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御するために必要な信号、例えばモータＭＧ１，ＭＧ２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ４３，４４からの信号やトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６の温度をそれぞれ検出する温度センサＳ１１〜Ｓ１６，Ｓ２１〜Ｓ２６からのトランジスタ温度Ｔｔｒ１１〜１６，Ｔｔｒ２１〜２６、平滑コンデンサ５７の電圧を検出する電圧センサ５７ａからの電圧ＶＨなどが入力される。また、モータＥＣＵ４０からは、インバータ４１，４２のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６へのスイッチング制御信号が出力される。そして、モータＥＣＵ４０は、ハイブリッドＥＣＵ７０と通信しており、ハイブリッドＥＣＵ７０からの制御信号によってモータＭＧ１，ＭＧ２を駆動制御すると共に必要に応じてモータＭＧ１，ＭＧ２の運転状態に関するデータをハイブリッドＥＣＵ７０に出力する。なお、モータＥＣＵ４０は、回転位置検出センサ４３，４４からの信号に基づいてモータＭＧ１，ＭＧ２の回転数Ｎｍ１，Ｎｍ２も演算している。

上述のように構成された実施例のハイブリッド自動車２０においてイグニッションスイッチ８０がオンされると、ハイブリッドＥＣＵ７０は、アクセルペダル８３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃや車速センサ８８からの車速Ｖに基づいて要求トルクＴｒ＊を設定すると共に、設定した要求トルクＴｒ＊に基づいてエンジン２２の目標回転数Ｎｅ＊、目標トルクＴｅ＊やモータＭＧ１，ＭＧ２のトルク指令Ｔｍ１＊，Ｔｍ２＊といった指令信号を生成し、生成した各指令信号をエンジンＥＣＵ２４、モータＥＣＵ４０に送信する。また、ハイブリッドＥＣＵ７０には、車体（例えば、車両前方の中央部や両側部など）に取り付けられた衝突検知手段としての加速度センサ５８からの車両の加速度が入力されている。そして、ハイブリッドＥＣＵ７０は、例えば、入力された加速度が衝突判定用の閾値やエアバッグなどの安全装置を作動するための閾値を超えたときなどに車両の衝突が生じたと判定し、衝突時の車両の安全性を高めるために、システムメインリレーＳＭＲをオフしてバッテリ５０を車両の電気系から切り離すと共に、所定の衝突発生信号を各ＥＣＵ２４，４０，５２等に送信する。

このようなハイブリッド自動車２０では、衝突が発生したときに、インバータ４１，４２のゲート電圧を早期に低減すべく、平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷を速やかに放電させなければならない。そこで、実施例のモータＥＣＵ４０は、ハイブリッドＥＣＵ７０から上記衝突発生信号を受信し、平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷の放電が完了していないときには、図３に示す放電制御ルーチンを実行する。なお、平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷の放電が完了しているか否かは、電圧センサ５７ａにより検出される平滑コンデンサ５７の端子間電圧である電圧ＶＨが所定の閾値以下であるか否かに基づいて判断される。

放電制御ルーチンの実行が開始されると、実施例のモータＥＣＵ４０は、まず、温度センサＳ１１〜Ｓ１６，Ｓ２１〜Ｓ２６からのトランジスタ温度Ｔｔｒ１１〜１６，Ｔｔｒ２１〜２６の値を入力し、入力したトランジスタ温度Ｔｔｒ１１〜Ｔｔｒ１６，Ｔｔｒ２１〜Ｔｔｒ２６の値に基づいてトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６のうち何れの温度が最も低いか判定する（ステップＳ１００）。ステップＳ１００にて最も温度が低いトランジスタが判別されたならば、当該最も温度が低いトランジスタを含む一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタを用いて所定時間ｔｒｅｆにわたって放電制御を実行する（ステップＳ１１０）。ここで、放電制御は、具体的には、仮にステップＳ１００にて下アームトランジスタＴ１４の温度Ｔｔｒ１４が最も低いと判別された場合、下アームトランジスタＴ１４および当該下アームトランジスタＴ１４に直列に接続された上アームトランジスタＴ１１以外のトランジスタをすべてオフし、上アームトランジスタＴ１１をオンすると共に下アームトランジスタＴ１４を所定の周期でスイッチング制御するものである。これにより、下アームトランジスタＴ１４がオンされているときには、平滑コンデンサ５７からインバータ４１の上アームトランジスタＴ１１，下アームトランジスタＴ１４へと電流が流れ、下アームトランジスタＴ１４で発生するスイッチング損失を利用して平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷を速やかに放電させることが可能となる。ただし、当該放電制御は、下アームトランジスタＴ１４をオンすると共に、上アームトランジスタＴ１１を所定の周期でスイッチング制御するものであってもよい。なお、所定の周期は、当該周期で上アームトランジスタまたは下アームトランジスタをスイッチング制御することにより、平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷を予め定められた放電時間以内に放電可能な値として定められる。また、所定時間ｔｒｅｆは、少なくとも上記所定の周期よりも長い時間として定められる。

続いて、モータＥＣＵ４０は、平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷の放電が完了したか否かを判定する（ステップＳ１２０）。実施例では、上述したように、電圧センサ５７ａにより検出される平滑コンデンサ５７の端子間電圧である電圧ＶＨが所定の閾値以下となったときに平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷の放電が完了したと判断する。そして、ステップＳ１２０にて平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷の放電が完了していないと判定した場合には、再度ステップＳ１００およびＳ１１０の処理を実行する。すなわち、再びトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６のうち何れの温度が最も低いか判定し、最も温度が低いトランジスタを含む一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタを用いて所定時間ｔｒｅｆにわたって放電制御の実行を継続する。このように、時間間隔をおいて（所定時間ｔｒｅｆおきに）インバータ４１，４２のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６のうち最も温度が低いトランジスタを含む一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタを選択し、当該一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタのみに平滑コンデンサからの電流が流れるように放電制御を実行することにより、各トランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６の温度が過剰に上昇してしまうのを抑制することができるため、トランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６の保護を図ることが可能となる。

一方、ステップＳ１２０にて平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷の放電が完了したと判定されると、モータＥＣＵ４０は、インバータ４１，４２をシャットダウンし（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。なお、ステップＳ１２０の平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷の放電が完了したか否かの判定は、上記のステップＳ１００およびＳ１１０の処理を実行している最中に常に実行するものとしてもよく、ステップＳ１００およびＳ１１０の処理を実行している最中に平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷の放電が完了したときに直ちにインバータ４１，４２をシャットダウンし（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了するものとしてもよい。

以上説明した実施例に係る電力装置を搭載したハイブリッド自動車２０では、ハイブリッド自動車２０に衝突が発生したとき、すなわち、平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷を放電すべきときには、ハイブリッドＥＣＵ７０によりバッテリ５０と平滑コンデンサ５７との間のシステムメインリレーＳＭＲがオフされ、モータＥＣＵ４０により、インバータ４１，４２の複数のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６のうち最も温度が低いものを含む一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタ以外のトランジスタがすべてオフされ、当該一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタの何れか一方がオンされると共に他方が所定の周期でスイッチングされる。これにより、平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷を放電すべきときには、インバータ４１，４２の複数のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６のうち最も温度が低いものを含む一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタのみに平滑コンデンサ５７からの電流が流れる。また、平滑コンデンサ５７の放電が完了するまでの間、平滑コンデンサ５７の放電に用いられる一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタの少なくとも一方の温度が高まり、他の一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタに最も温度が低いトランジスタが含まれるようになると、当該他の一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタを用いた平滑コンデンサ５７の放電制御が実行される。これにより、複数のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６の温度を過剰に上昇させないようにすることができる。従って、実施例に係る電力装置を搭載したハイブリッド自動車２０によれば、複数のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６をより適性に保護しながら、トランジスタのスイッチング損失により平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷を良好に放電させることが可能となる。

なお、本実施例では、ハイブリッド自動車２０に衝突が発生したときに、モータＥＣＵ４０が放電制御ルーチンを実行して平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷を放電させるものとしたが、ハイブリッド自動車２０に衝突が発生したときに限らず、平滑コンデンサ５７に蓄えられた電荷を何らかの理由により放電すべきときに、モータＥＣＵ４０が放電制御ルーチンを実行するものとしてもよい。また、本発明の電力装置は、モータＭＧ１，ＭＧ２を駆動するインバータ４１，４２を有する実施例のハイブリッド自動車２０に搭載されるものに限られず、単一のモータと当該モータを駆動する単一のインバータを有する他のハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータＭＧ１，ＭＧ２が「電気機器」に相当し、複数の上アームトランジスタＴ１１〜Ｔ１３，Ｔ２１〜Ｔ２３および対応する上アームトランジスタＴ１１〜Ｔ１３，Ｔ２１〜Ｔ２３にそれぞれ直列に接続される複数の下アームトランジスタＴ１４〜Ｔ１６，Ｔ２４〜Ｔ２６を含むインバータ４１，４２が「インバータ」に相当し、該インバータ４１，４２を介してモータＭＧ１，ＭＧ２と電力をやり取り可能なバッテリ５０が「バッテリ」に相当し、インバータ４１，４２とバッテリ５０との間の電圧を平滑化する平滑コンデンサ５７が「平滑コンデンサ」に相当し、バッテリ５０と平滑コンデンサ５７との接続および接続の解除を実行可能なシステムメインリレーＳＭＲが「リレー」に相当し、システムメインリレーＳＭＲを制御するハイブリッドＥＣＵ７０が「リレー制御手段」に相当し、インバータ４１，４２を制御するモータＥＣＵ４０が「インバータ制御手段」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、電力装置の製造産業に利用可能である。

２０ハイブリッド自動車、２２エンジン、２４エンジン用電子制御ユニット（エンジンＥＣＵ）、２６クランクシャフト、２８ダンパ、３０プラネタリギヤ、３１サンギヤ、３２リングギヤ、３２ａリングギヤ軸、３４キャリア、３５減速ギヤ、３７ギヤ機構、３８デファレンシャルギヤ、３９ａ，３９ｂ駆動輪、４０モータ用電子制御ユニット（モータＥＣＵ）、４１，４２インバータ、４３，４４回転位置検出センサ、５０バッテリ、５２バッテリ用電子制御ユニット（バッテリＥＣＵ）、５４電力ライン、５４ａ正極母線、５４ｂ負極母線、５７平滑コンデンサ、５７ａ電圧センサ、５８加速度センサ、７０ハイブリッド用電子制御ユニット（ハイブリッドＥＣＵ）、８３アクセルペダル、８４アクセルペダルポジションセンサ、８８車速センサ、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６ダイオード、ＭＧ１，ＭＧ２モータ、Ｓ１１〜Ｓ１６，Ｓ２１〜Ｓ２６温度センサ、ＳＭＲシステムメインリレー、Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６トランジスタ。

Claims

電気機器と、複数の上アームトランジスタおよび対応する前記上アームトランジスタにそれぞれ直列に接続される複数の下アームトランジスタを含むインバータと、該インバータを介して前記電気機器と電力をやり取り可能なバッテリと、前記インバータと前記バッテリとの間の電圧を平滑化する平滑コンデンサと、前記バッテリと前記平滑コンデンサとの接続および接続の解除を実行可能なリレーと、前記リレーを制御するリレー制御手段と、前記インバータを制御するインバータ制御手段とを備えた電力装置において、
前記リレー制御手段は、前記平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電すべきときに、前記リレーをオフし、
前記インバータ制御手段は、前記平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電すべきときに、前記複数の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタのうち最も温度が低いものを含む一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタ以外の前記トランジスタをすべてオフし、該一対の上アームトランジスタおよび下アームトランジスタの何れか一方をオンすると共に他方を所定の周期でスイッチングさせることを特徴とする電力装置。