電気自動車の制御装置

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【発明の名称】	電気自動車の制御装置
【発明者】	【氏名】後藤泰尚【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内
【要約】	【課題】リレーを廃止してコスト低減を図りながら、充電時にインバータへ供給される充電電力を有効に利用してインバータの冷却装置の異常を検知できるようにした電気自動車の駆動装置を提供することを目的とする。【解決手段】充電時にもインバータ６へ供給される電力によりインバータ６のパワー素子７が発熱するのを冷却水で冷却する。このパワー素子７の温度は、温度センサ２３で計測され、この温度上昇が所定値以上となったときは冷却装置７０に異常があると判断し、次回のイグニッションキーのオン時に警告灯６１で報知する。インバータ６へ供給される電力が冷却装置７０の異常判断に有効に利用される。

【特許請求の範囲】
【請求項１】車両に搭載されたバッテリと、車輪を駆動するモータと、複数の電力用半導体素子で構成され前記バッテリに蓄えられた電力を所望の電圧に変換して前記モータを駆動するとともに、充電時に充電装置からの電圧が印加されるインバータと、該インバータを冷却する冷却手段と、前記インバータの温度を検出する温度検出手段と、前記バッテリが前記充電装置で充電されているときに前記温度検出手段で検出した前記インバータの温度に基づいて前記冷却手段の異常を判断する異常判断手段とを備えたことを特徴とする電気自動車の制御装置。
【請求項２】充電時には前記インバータが前記モータに励磁電流のみを流すように構成したことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の制御装置。
【請求項３】前記異常判断手段は、前記温度検出手段により検出されたインバータの温度の変化度合に基づいて前記冷却手段の異常を判断するようにしたことを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の電気自動車の制御装置。
【請求項４】報知手段と、前記異常判断手段で前記冷却手段が異常であると判断した場合に当該異常を記憶する記憶手段とを有し、該記憶手段に異常が記憶されたときは、次回の起動時に当該異常を前記報知手段で報知するようにしたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電気自動車の制御装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、バッテリからの電力をインバータで変換してモータへ供給し、このモータにより車輪を駆動して走行するようにした電気自動車の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】電気自動車にあっては、車輪駆動用のモータへ電力を供給する車載バッテリへの充電が必要であり、この充電は、外部充電器や家庭用電源などの充電装置に電気自動車のバッテリを接続して充電するようにしている。充電中は充電装置からインバータやモータへ電力を供給する必要がないことから、従来の電気自動車ではバッテリとインバータの間にリレーを設けて充電中はこのリレーをオフすることで、充電装置からの電力がインバータ及びモータに供給されないようにしていた。
【０００３】一方、電気自動車にあっては、車輪を駆動するモータとして三相交流モータを用い、これをインバータで駆動制御することが多い。これは、周波数と電圧をインバータで自由に調整してモータ（したがって車輪）を目的にかなった回り方に容易に制御できることによる。すなわち、インバータのパワー素子を適宜スイッチングすることで三相交流を作り出し、この三相交流をモータに印加してモータを回転駆動させるようにしている。この際、パワー素子が通電により発熱するが、パワー素子には使用限界温度が存在するので、過熱を防ぐ目的でパワー素子の近傍に冷却水路を設け、この冷却水路を流れる冷媒によりパワー素子を冷却するようにしている（たとえば、特開２０００－３１５７５７号公報に記載）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上記電気自動車にあっては、コスト削減の目的でバッテリとインバータ間に設けた上記リレーを廃止することが考えられる。この場合、充電中に充電装置からインバータ及びモータへも電力が供給されることになるが、この電力分が有効に利用されずまったく無駄になってしまうといった問題が生じる。また、上記パワー素子の冷却装置にあっては、何らかの原因で冷却水漏れが生じた場合、冷却能力が低下し冷却水温度が上昇する結果、インバータからモータへ供給する電力を制限する制御が開始され、必要な駆動力が得られなくなるといった問題があった。しかも、この冷却水漏れをドライバーが気づくことは難しかった。
【０００５】本発明は、これらの問題に鑑みなされたもので、リレーを廃止してコスト低減を図りながら、充電時にインバータやモータへ供給される充電電力を有効に利用してインバータの冷却異常を検知できるようにした電気自動車の駆動装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】このため、請求項１の本発明は、車両に搭載されたバッテリと、車輪を駆動するモータと、複数の電力用半導体素子で構成されバッテリに蓄えられた電力を所望の電圧に変換してモータを駆動するとともに、充電時に充電装置からの電圧が印加されるインバータと、該インバータを冷却する冷却手段と、インバータの温度を検出する温度検出手段と、バッテリが充電装置で充電されているときに温度検出手段で検出したインバータの温度に基づいて冷却手段の異常を判断する異常判断手段とを備えたものとした。
【０００７】請求項２の発明は、充電時にはインバータがモータに励磁電流のみを流すものとした。
【０００８】請求項３の発明は、異常判断手段が、温度検出手段により検出されたインバータの温度の変化度合に基づいて冷却手段の異常を判断するようにした。
【０００９】請求項４の発明は、さらに、報知手段と、異常判断手段で冷却手段が異常であると判断した場合に当該異常を記憶する記憶手段とを有し、該記憶手段に異常が記憶されたときは、次回の起動時に当該異常を報知手段で報知するようにした。
【００１０】
【発明の効果】請求項１の発明にあっては、従来備えられていたリレーを廃止することでインバータが充電時にも充電装置から電圧が印加される構成であり、リレー廃止によるコスト低減が可能となる。また、リレーの廃止によって充電中に充電装置からインバータへも電力が印加され、インバータの電力用半導体素子が通電されて発熱するので、温度検出手段でインバータの温度を検出し、この検出温度に基づいて異常判断手段でインバータの冷却手段の異常を判断することができ、インバータへ印加される電力を有効に利用することが可能となる。
【００１１】請求項２の発明にあっては、インバータからモータへは励磁電流のみを供給し、トルク電流はゼロとすることで、簡単にモータによる駆動トルクの発生を抑えることができるから、充電中、車両を停止状態に保っておくことができる。
【００１２】請求項３の発明にあっては、インバータの温度変化度合に基づき異常を判断しているので、外気温度等の違いによる異常判断への影響を少なくでき、異常判断の精度を向上させることができる。
【００１３】請求項４の発明にあっては、冷却手段の異常判断結果を、充電後の起動時に報知するようにしたので、ドライバーが容易に冷却手段の異常を認識することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は、電気自動車の制御装置の構成図を示す。同図において、太線は高電圧系統を表し、細線は制御信号系統を表す。高電圧バッテリ１は、たとえば円筒形のセル電池を８本束ねたモジュールを、４モジュール直列に接続して１２０Ｖを得ることができるようにした組電池で構成する。高電圧バッテリ１は、プラス電極側とマイナス電極側がそれぞれメインリレー２ａ、２ｂを介してインバータ６のプラス、マイナスの接続端子に接続してある。
【００１５】また、メインリレー２ａとインバータ６との結線の途中から分岐したプラス線と、メインリレー２ｂとインバータ６との結線の途中から分岐したマイナス線との間には、高電圧系統の部品、すなわちＤＣ／ＤＣコンバータ１２、ＡＣコンバータ１４、コンバージョンボックス１５がそれぞれ接続される。したがって、メインリレー２ａ、２ｂは、高電圧バッテリ１と上記他の高電圧系統との間を接続・遮断するように作動することになる。
【００１６】上記メインリレー２ａにはこれと並列に、充電抵抗リレー４及びこれに直列配置した充電抵抗５が接続されている。この充電抵抗リレー４は、図示しないイグニッションスイッチのオン操作でメインリレー２ｂとともにオンとなる。これにより、通電初期における高圧バッテリ１からの電力供給が充電抵抗５を通じて緩やかに行なわれ、例えばインバータ６に設けた平滑コンデンサへ過大電流が流れ込み、コンデンサが損傷するのを防ぐ。コンデンサの充電が終了した時点で、充電抵抗リレー４をオフとし、メインリレー２ａをオンにする。このとき、メインリレー２ｂは上記のようにオンのままとなっている。
【００１７】インバータ６は、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等からなる複数のパワー素子７をスイッチングすることで高電圧バッテリ１から供給される直流電圧を所望の三相交流に変換するように構成されており、この三相交流を車両駆動用モータ８へ供給可能としてある。インバータ６にはパワー素子７を冷却する冷却装置７０が付設されている。
【００１８】車両駆動用モータ８は、この出力部が終減速機９に連結されて減速されるとともに図示しない差動歯車組を介して、車両幅方向にそれぞれ延ばされた左右のドライブシャフト１０ａ、１０ｂにて車輪１１ａ、１１ｂを駆動可能としてある。
【００１９】高電圧系統につき説明すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、高電圧バッテリ１から供給される高電圧を１２Ｖに変換し、１２Ｖバッテリ１３や図示しない１２Ｖ系負荷へ供給するようにしている。ＡＣインバータ１４は、図示しないエアコンの電動コンプレッサを駆動するインバータユニットに電力を供給するため、直流の高電圧を交流電圧に変換して供給するものである。
【００２０】コンバージョンボックス１５は、車外に設置された充電器１７から車両側の充電ポート１６を経て入力される高周波交流電力を直流電力に変換する。充電ポート１６は、充電器１７との通信制御を実行するための光通信部と、充電器１７の充電パドルの挿入状態を検知する半嵌合スイッチ（図示せず）、及び充電パドルが完全に嵌合したことを検知する完全嵌合スイッチ（図示せず）を有している。これら半嵌合スイッチ、完全嵌合スイッチの出力信号は、トルクプロセシングユニット５０へ入力されるようになっている。
【００２１】一方、制御信号系統につき説明すれば、センサ群としては、インバータ６のパワー素子７の温度を検出するサーミスタ等で構成した温度センサ２３と、ドライバーによって操作されるアクセルペダルの操作量（踏み込み量）を電気的に検出するアクセルペダルセンサ１８と、ドライバーによって操作されるブレーキペダルの操作量（踏み込み力）を電気的に検出するブレーキペダルセンサ１９と、高電圧バッテリ１の電圧を検出するバッテリ電圧センサ２１と、高電圧バッテリ１の温度を検出するバッテリ温度センサ２２等がそれぞれ設けられ、これらの出力信号がトルクプロセシングコントロールユニット５０へ入力されるようになっている。
【００２２】トルクプロセシングコントロールユニット５０は、上記アクセルペダルセンサ１８やブレーキペダルセンサ１９からの信号に基づいて、必要なモータトルクを演算し、モータコントローラ４０へ演算信号を送ることで、モータコントローラ４０がインバータ６のパワー素子７のスイッチングを制御するようにしてある。この制御には、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）方式等を用いる。
【００２３】トルクプロセシングコントロールユニット５０は、また、各種機器の状態に関する信号をディスプレイ６０へ出力して表示可能とするとともに、これらの信号をバッテリコントローラ３０へも出力して高電圧バッテリ１の制御を可能にする。このバッテリコントローラ３０は、高電圧バッテリ１を構成する組電池の各セルの電圧を検出するセルコントローラ２０からの信号及び上記トルクプロセシングコントロールユニット５０からの機器の状態信号を受けて、これらのデータに基づき、高電圧バッテリ１を制御する。トルクプロセシングコントロールユニット５０は図示しない内部メモリを有するとともに、さらにメータパネルに取付けられた警告灯６１へ冷却異常信号を出力可能である。
【００２４】図２はユニット化されたインバータ装置の構造を示す。複数のパワー素子７が高温ハンダ７２によって、表面に所定のパターンを有する銅箔が貼り付けられた絶縁性の基板７３にハンダ付けされている。パワー素子７は、表面がエミッタ、裏面がコレクタとなっている。コレクタは直接基板７３上の銅箔に接続され、エミッタはワイヤ８２を介してバスバー７６または基板７３上の銅箔に接続されている。これにより、インバータ６の回路が構成されている。
【００２５】基板７３の下方には冷却装置７０が設けられている。すなわち、基板７３は、低温ハンダ７４によりヒートシンク７５に接合される。このヒートシンク５は、この上に複数のバスバー７６が接合されるとともに、パワー素子７の発熱を吸収し、放熱グリス７８を介してボルト８１で結合された下方の冷却ジャケット７９へ熱を伝達するようにしてある。冷却ジャケット７９は、この内部に冷媒としての冷却水８０が流れており、パワー素子７を冷却するようになっている。上記冷却ジャケット７９、冷却水８０、ヒートシンク７５を備える冷却装置７０が、冷却手段を構成する。ヒートシンク７５上で、バスバー７６とパワー素子７との間の位置にはサーミスタからなる温度センサ２３が設置され、ここで検出した温度信号をトルクプロセシングコントロールユニット５０へ送るようになっている。
【００２６】次に、上記電気自動車の制御装置における充電作業につき、図３に示す制御フローチャートに基づき説明する。まず、車外の充電器１７の充電パドルを車両の充電ポート１６に挿入することで、充電作業が開始される。充電パドルの挿入により半嵌合スイッチがオンとなり、この以降、トルクプロセシングコントロールユニット５０においてこの制御フローが実行開始される。
【００２７】ステップＳ１０で、トルクプロセシングコントロールユニット５０は、充電ポート１６の完全嵌合スイッチがオンされたか否かを検知することで、充電器１７の充電パドルが車両側に完全に挿入されたか否かを判断する。挿入されていなければ、ステップＳ１０へ戻り上記検知を繰り返す。挿入されていれば、ステップＳ２０へ進み、初期診断を実行する。この初期診断では、バッテリ電圧センサ２１、バッテリ温度センサ２２の出力から高電圧バッテリ１の充電状態を検出し、充電可能を示す所定範囲から外れていれば、充電を終了する。高電圧バッテリ１の充電状態が所定範囲内にあれば、充電可能としてステップＳ３０へと進む。
【００２８】ステップＳ３０では、まず充電抵抗リレー４及びメインリレー２ｂをオンにし、その後メインリレー２ａをオンにする。次いで、ステップＳ４０へ進み、インバータ６をモータコントローラ４０を介して制御する。すなわち、インバータ６からモータ８へは所定のＩｄ電流（励磁電流）を供給するとともに、Ｉｑ電流（トルク電流）＝０Ａとなるような指令値をモータコントローラ４０が出力してモータトルクが発生しないように、インバータ６を駆動する。この結果、モータはモータトルクが発生しないように抑えられる結果、車輪が回転駆動されず、車両は停止状態に保つ。また、この充電中、インバータ６へも電力が供給されていることから、インバータ６のパワー素子７は発熱する。
【００２９】次いで、ステップＳ５０でトルクプロセシングコントロールユニット５０内のタイマをスタートさせ、ステップＳ６０でパワー素子７の温度を温度センサ２３で検出し、ステップＳ７０で高電圧バッテリ１の電圧をバッテリ電圧センサ２１により検出する。続くステップＳ８０では、タイマが所定値になったか否かを検出する。所定値になっていなければ、ステップＳ１４０へ進み、ステップＳ７０で検出した高電圧バッテリ１の電圧が充電終了電圧になったか否かを判断し、充電終了電圧になってなければ、ステップＳ７０へ戻り再度、高電圧バッテリの電圧を検出する。検出したバッテリ電圧が充電終了電圧となっていれば、充電を終了する。
【００３０】一方、タイマが所定値をカウントしたらステップＳ９０で温度センサ２３により再度、パワー素子７の温度を検出する。次いで、ステップＳ１００へ進み、ステップＳ６０で検出したパワー素子７の温度とステップＳ９０で検出したパワー素子７の温度との差分を、タイマの所定値分の時間で割算してパワー素子７の温度上昇度を算出する。
【００３１】続くステップＳ１１０において、上記ステップＳ１００で得た温度上昇度が所定値以上か否かを判断する。パワー素子７の温度上昇度が所定値より低ければ、ステップＳ１４０へ進み充電終了電圧になっているか否かを判断する。パワー素子の温度上昇度が所定値以上であれば、ステップＳ１２０へ進み、冷却系統が異常であると判断して、この異常をトルクプロセシングコントロールユニット５０の内部メモリに記憶する。次いで、ステップＳ１３０でタイマをリセットし、ステップＳ１４０へ進む。ステップＳ１４０では、上述したように、ステップＳ７０で検出した電圧が充電終了電圧になっているか否かを判断し、この判断結果に応じて充電終了あるいは充電継続のいずれかを実行する。
【００３２】図４は、トルクプロセシングコントロールユニット５０で実行される制御のサブフローチャートを示し、車両発進等の目的でイグニッションスイッチをオンにして起動したとき実行されるものである。ステップＳ２００にてイグニッションスイッチがオンになったか否かを判断する。イグニッションスイッチがオンされていなければ、ステップＳ２００に戻って再度イグニッションスイッチがオンか否かを判断する。イグニッションスイッチがオンであれば、ステップＳ２１０へ進み、トルクプロセシングコントロールユニット５０の内部メモリに異常が記憶されているか否かを判断する。
【００３３】ステップＳ２１０では、内部メモリからメモリ情報を読み出し、異常記憶があるか否かを判断する。異常記憶がなければ、本制御を終了する。異常記憶があれば、ステップＳ２２０へ進み警告灯６１を点灯作動させ、ドライバーへ冷却異常を知らせる。なお、ステップＳ６０、ステップＳ８０～ステップＳ１１０が異常判断手段を構成し、ステップＳ１２０が記憶手段を構成し、ステップＳ２２０が報知手段を構成している。
【００３４】この異常状態での走行中は、トルクプロセシングコントロールユニット５０がモータコントローラ４０を介してインバータ６からのモータ８への電力供給を制御してモータで発生するトルクを制限することで、インバータ６の過度の温度上昇を抑えるようにし、インバータ６のパワー素子７が過熱して劣化・損傷するのを防ぐ。また、ドライバーは、インバータの冷却に異常があることを知ることで、車両を速やかに修理工場へ向かうことができるようになる。この結果、早期修理が可能となり、パワー素子７の性能劣化を防ぐことが可能である。
【００３５】上記実施の形態の電気自動車の制御装置にあっては、リレーを不要としてコスト低減ができ、このリレー廃止の結果インバータへ供給される充電電力により発熱したインバータのパワー素子の温度を測定することでインバータの冷却に異常があることを検知できる。したがって、インバータへ供給される充電電力が有効に活用される。
【００３６】なお、上記実施の形態では、パワー素子にＩＧＢＴを用いたが、これに限ることなくトランジスタ、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）、ＧＴＯ（ゲートターンオフスイッチ）等でもよいことは言うまでもない。また、インバータの冷却装置も図２に記載のものに限ることなく、特開２０００－３１５７５７号公報の図１～図３に記載のものなどを用いてもよく、温度センサ２３もサーミスタに限ることなく他の温度センサを用いてもよく、また温度センサの設置場所を図２の実施例とは別の場所としてもよいことは言うまでもない。
【００３７】なお、本実施の形態においてはバッテリの電力を用いてモータを駆動することで車両を走行させる電気自動車を例として説明したが、モータおよびエンジンを備え、少なくともどちらか一方によって車両を走行させるハイブリッド電気自動車において、バッテリを外部から充電する際においても、同様の効果を有することは言うまでもない。

【出願人】	【識別番号】０００００３９９７【氏名又は名称】日産自動車株式会社【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地
【出願日】	平成１３年６月２１日（２００１．６．２１）
【代理人】	【識別番号】１０００８６４５０【弁理士】【氏名又は名称】菊谷公男（外２名）
【公開番号】	特開２００３－９３１２（Ｐ２００３－９３１２Ａ）
【公開日】	平成１５年１月１０日（２００３．１．１０）
【出願番号】	特願２００１－１８８７４６（Ｐ２００１－１８８７４６）