特開 2024-175990 電気自動車

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024175990

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】電気自動車

(51)【国際特許分類】

   B60L 58/27 20190101AFI20241212BHJP

   B60L 9/18 20060101ALI20241212BHJP

   H02P 21/22 20160101ALI20241212BHJP

【ＦＩ】

B60L58/27

B60L9/18 J

H02P21/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023094149

(22)【出願日】2023-06-07

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平野 晃佑

【テーマコード（参考）】

5H125

5H505

【Ｆターム（参考）】

5H125AA01

5H125AC12

5H125BB02

5H125EE08

5H125EE25

5H505AA16

5H505CC04

5H505EE41

5H505FF05

5H505GG04

5H505HA10

5H505HB01

5H505LL22

5H505LL44

(57)【要約】

【課題】インバータの特定のスイッチング素子の過熱を防止しつつ、スイッチング素子の発熱を利用して停車中の電気自動車のバッテリを暖気することのできる電気自動車を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する電気自動車は、走行用のモータと、インバータと、熱媒循環装置と、コントローラを備える。インバータは、バッテリとモータの間に接続されており、バッテリの直流電力を交流電力に変換してモータに供給する。熱媒循環装置は、インバータを通過した熱媒をバッテリへ送る。コントローラは、モータの回転数がゼロであり、かつ、バッテリの温度が所定の低温閾値よりも低い場合に、モータに流れるｑ軸電流がゼロ、かつ、ｄ軸電流が正値と負値を交互に繰り返すようにインバータを制御する。ｑ軸電流がゼロであれば、モータはトルクを発生しない。ｄ軸電流の正負を交互に切り替えることで、特定のスイッチング素子に電流が集中しない。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気自動車であり、
走行用のモータと、
バッテリと、
前記バッテリと前記モータの間に接続されており、前記バッテリの直流電力を交流電力
に変換して前記モータに供給するインバータと、
前記インバータを通過した熱媒を前記バッテリへ送る熱媒循環装置と、
前記モータの回転数がゼロであり、かつ、前記バッテリの温度が所定の低温閾値よりも低い場合に、前記モータに流れるｑ軸電流がゼロ、かつ、ｄ軸電流が正値と負値を交互に繰り返すように前記インバータを制御するコントローラと、
を備えている、電気自動車。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、走行用のモータとインバータとバッテリを備えた電気自動車に関する。本明細書における電気自動車には、走行用にモータとともにエンジンを備えたハイブリッド車が含まれ得る。

【背景技術】

【0002】

バッテリは温度が低いと効率が低下する。そこで、特許文献１には、走行用のモータに損失が大きくなるように電流を流し、損失により生じる発熱を利用してバッテリを温める技術が開示されている。具体的には、モータのリラクタンストルクが負値となるようにモータに電流を流す。また、特許文献２にも、モータ損失により生じる発熱で冷媒を温める技術が開示されている。特許文献２の技術では、ｄ－ｑ座標系における定トルク曲線に沿ってｄ軸電流値Ｉｄが増加する方向へ推移するようｄ軸電流指令値Ｉｄ＊及びｑ軸電流指令値Ｉｑ＊を変更する。そうすることで、モータの損失が大きくなり、発熱量が増える。特許文献１、２の技術は、いずれも、走行中にモータに流す電流指令を工夫することでモータの発熱量を大きくする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１１００２１号公報

【特許文献2】特開２０２１－１４１７４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

電気自動車が停止しているときにもバッテリを温めたい場合がある。例えば、バッテリの温度が低いときにバッテリを充電するときである。あるいは、寒冷地において、電気自動車を使う前に、タイマ設定により決められた時間に暖気したいときなどである。本明細書では、バッテリを温めることをバッテリ暖気と称する場合がある。

【0005】

電気自動車が停止しているときのバッテリ暖気では、モータを回転させることはできない。この場合、インバータの特定のスイッチング素子に一定電流を流し続けることでスイッチング素子を発熱させ、その熱でバッテリへ送る熱媒を温めることが考えられる。しかし、それでは特定のスイッチング素子が過熱しかねない。本明細書は、インバータの特定のスイッチング素子の過熱を防止しつつ、スイッチング素子の発熱を利用して停車中の電気自動車のバッテリを暖気する技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本明細書が開示する電気自動車は、走行用のモータと、インバータと、熱媒循環装置と、コントローラを備える。インバータは、バッテリとモータの間に接続されており、バッテリの直流電力を交流電力に変換してモータに供給する。熱媒循環装置は、インバータを通過した熱媒をバッテリへ送る。コントローラは、モータの回転数がゼロであり、かつ、バッテリの温度が所定の低温閾値よりも低い場合に、モータに流れるｑ軸電流がゼロ、かつ、ｄ軸電流が正値と負値を交互に繰り返すようにインバータを制御する。ｑ軸電流がゼロであれば、モータはトルクを発生しない。すなわち、モータの回転数ゼロ状態が維持される。また、ｄ軸電流が正値である電流指令値は、所定相の上スイッチング素子のオン時間を長くする。所定相の上スイッチング素子に長い時間にわたって電流が流れ、上スイッチング素子の温度が上がる。ｄ軸電流を正値から負値に切り替えると、上スイッチング素子と下スイッチング素子のオフとオフが逆になり、下スイッチング素子のオン時間が長くなる。上スイッチング素子の温度上昇が止まり、下スイッチング素子の温度が上がる。なお、以上の説明において、「上スイッチング素子」と「下スイッチング素子」が逆の場合も起こり得る。バッテリに送られる熱媒は、上スイッチング素子の発熱量または下スイッチング素子の発熱量により昇温される。昇温された熱媒によりバッテリが温められる。本明細書が開示する技術によれば、モータを回転させることなく、かつ、インバータのスイッチング素子の過熱を防止しつつ、バッテリを昇温することができる。

【0007】

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施例の電気自動車のブロック図である。

【図2】電圧指令値（最大電圧）、キャリア信号、ＰＷＭ信号の関係を示す図である。

【図3】電圧指令値（最小電圧）、キャリア信号、ＰＷＭ信号の関係を示す図である。

【図4】バッテリ暖気処理のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図面を参照して実施例の電気自動車２を説明する。図１に、電気自動車２の駆動系のブロック図を示す。電気自動車２は、バッテリ２０、インバータ１０、走行用のモータ３０、熱媒循環装置４０、コントローラ５０を備える。図示は省略しているが、モータ３０の出力軸は、ギアセットを介して車輪に連結されている。モータ３０は三相交流モータである。

【0010】

インバータ１０の直流端にバッテリ２０が接続され、インバータ１０の交流端にモータ３０が接続されている。インバータ１０は、バッテリ２０の直流電力を、モータ３０を駆動するための交流電力に変換する。

【0011】

インバータ１０の回路構造を説明する。インバータ１０は、６個のスイッチング素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆを備えている。スイッチング素子１１ａと１１ｂが直列に接続されており、スイッチング素子１１ｃと１１ｄ（１１ｅと１１ｆ）も直列に接続されている。３組の直列接続体はインバータ１０の直流端の正極と負極の間に並列に接続されている。３組の直列接続体のそれぞれの中点がインバータ１０の交流端に接続されている。直流端の正極の側のスイッチング素子１１ａ、１１ｃ、１１ｅは、上アームスイッチング素子と呼ばれており、直流端の負極の側のスイッチング素子１１ｂ、１１ｄ、１１ｆは下アームスイッチング素子と呼ばれる。６個のスイッチング素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ、１１ｆのいずれかを区別なく示すとき、および、６個のスイッチング素子を総称するときには、スイッチング素子１１と表記する。スイッチング素子１１は、パワートランジスタと呼ばれる、電力変換用の半導体素子である。スイッチング素子１１は、具体的には、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。

【0012】

各スイッチング素子１１にはダイオード１２が逆並列に接続されている。また、各スイッチング素子１１には温度センサ１３が付随する。

【0013】

６個のスイッチング素子１１は、コントローラ５０によって制御される。コントローラ５０は、車速とアクセル開度に基づいてモータ３０の目標出力を決定し、目標出力が実現するように、スイッチング素子１１を駆動する。スイッチング素子１１は、そのゲートに与えるＰＷＭ信号により駆動される。ＰＷＭ信号は、ＨＩＧＨ電位とＬＯＷ電位の二値のパルス信号である。ゲートに与えられるＰＷＭ信号がＨＩＧＨ電位のとき、そのスイッチング素子１１はオンになる。すなわち、そのスイッチング素子のドレイン電極とソース電極（コレクタ電極とエミッタ電極）が導通する。ゲートに与えられるＰＷＭ信号がＬＯＷ電位のとき、そのスイッチング素子１１はオフになる。すなわち、そのスイッチング素子のドレイン電極とソース電極（コレクタ電極とエミッタ電極）の間が遮断される。

【0014】

コントローラ５０は、上アームスイッチング素子１１ａ（１１ｃ、１１ｅ）に与えるＰＷＭ信号の反転信号を下アームスイッチング素子１１ｂ（１１ｄ、１１ｆ）に与える。適切なデューティ比のＰＷＭ信号とその反転信号を上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子のそれぞれに与えると、直列接続体の中点から交流が出力される。

【0015】

熱媒循環装置４０は、バッテリ２０やインバータ１０（スイッチング素子１１）が過熱しないように、それらを冷却する。また、熱媒循環装置４０は、バッテリ２０の温度が低すぎる場合にはバッテリ２０を温める。

【0016】

熱媒循環装置４０は、循環路４１、ポンプ４２、熱媒冷却器４３を備える。循環路４１には液体の熱媒が封止されている。ポンプ４２は、熱媒を、熱媒冷却器４３、インバータ１０、バッテリ２０の順に循環させる。熱媒冷却器４３は、循環路４１を流れる熱媒を冷却する。熱媒冷却器４３は、例えば、ラジエータであったり、チラーであったりする。

【0017】

インバータ１０（スイッチング素子１１）やバッテリ２０の温度が高いとき、コントローラ５０は熱媒冷却器４３を作動させつつ熱媒を循環させる。そうすると、熱媒冷却器４３で冷やされた熱媒がインバータ１０とバッテリ２０へ流れる。すなわち、熱媒循環装置４０がインバータ１０（スイッチング素子１１）とバッテリ２０を冷却する。

【0018】

バッテリ２０は、温度が低すぎると効率が下がる。そこで、バッテリ２０が低温のとき、コントローラ５０は、熱媒冷却器４３を停止し、インバータ１０を駆動しつつ熱媒を循環させる。そうすると、インバータ１０（スイッチング素子１１）の熱で温まった熱媒がバッテリ２０へ送られる。すなわち、バッテリ２０が温められる。熱媒冷却器４３がラジエータの場合は、ラジエータへの送風を遮断するシャッタが設けられている。コントローラ５０がシャッタを閉じると、ラジエータで熱媒が冷却されなくなる。すなわち、熱媒冷却器４３がその機能を停止する。

【0019】

バッテリ２０には温度センサ２３が備えられており、コントローラ５０は温度センサ２３の計測値を取得し、バッテリ２０の温度をモニタする。また、各スイッチング素子１１にも温度センサ１３が付随しており、コントローラ５０は、温度センサ１３の計測値を取得し、各スイッチング素子１１の温度をモニタする。

【0020】

電気自動車２は、充電インレット２１を備える。電気自動車２は、充電インレット２１に外部電源をつないでバッテリ２０を充電することができる。

【0021】

先に述べたように、バッテリ２０は温度が低すぎると効率が下がる。例えば外部電源で充電する際にバッテリ２０の温度が低いと充電効率が下がる。あるいは、バッテリ２０が低温の状態で電気自動車２を走らせ始めるとバッテリ２０を低効率で使うことになる。そこで、コントローラ５０は、電気自動車２を停止させたまま（すなわち、モータ３０の回転を止めたまま）、熱媒でバッテリ２０を温めることができる。

【0022】

先に述べたように、バッテリ２０を温めるにはインバータ１０を駆動する必要がある。電気自動車２を停止させたままインバータ１０を駆動する場合、コントローラ５０は、モータ３０に電流は流れるがモータ３０がトルクを出力しないように（モータ３０が回転しないように）、スイッチング素子１１へ与えるＰＷＭ信号を工夫する。

【0023】

モータ３０の出力トルクＴｒｑは、次の（数１）で与えられる。

【数1】

【0024】

（数１）において、記号Ｐｎはロータの磁極数を表す。記号Ｉｄ、Ｉｑは、それぞれ、モータ３０に流れるｄ軸電流、ｑ軸電流を表す。記号Ｌｄ、Ｌｑは、それぞれ、モータ３０のロータのｄ軸インダクタンスとｑ軸インダクタンスを表す。（数１）より、ｑ軸電流Ｉｑがゼロ、ｄ軸電流Ｉｄが非ゼロのとき、モータ３０（すなわちスイッチング素子１１）に電流は流れるがモータ３０はトルクを発生しない。すなわち、モータ３０の回転数はゼロのままとなる。コントローラ５０は、停車時においてバッテリ２０を温めるとき、ｑ軸電流Ｉｑがゼロ、かつ、ｄ軸電流Ｉｄが非ゼロとなるようにインバータ１０を制御する。そうすると、モータ３０の回転を止めたまま、スイッチング素子１１には電流が流れ、スイッチング素子１１が発熱する。コントローラ５０は同時に、ポンプ４２を駆動し（熱媒冷却器４３は停止）、インバータ１０とバッテリ２０の間で熱媒を循環させる。スイッチング素子１１の熱で温められた熱媒によってバッテリ２０が温められる。

【0025】

ただし、一定のｄ軸電流を流し続けると、特定のスイッチング素子１１の負荷が高くなってそのスイッチング素子１１が過熱するおそれがある。そこでコントローラ５０は、モータ３０に流れるｑ軸電流Ｉｑがゼロ、かつ、ｄ軸電流Ｉｄが正値と負値を交互に繰り返すようにインバータ１０（スイッチング素子１１）を制御する。そうすると、特定のスイッチング素子１１への電流集中が緩和され、スイッチング素子１１の過熱が防止される。

【0026】

スイッチング素子１１に与えるＰＷＭ信号の一例を説明する。コントローラ５０は、ｑ軸電流Ｉｑがゼロ、ｄ軸電流Ｉｄが電流Ｉｍａｘとなるようにインバータ１０を制御する。コントローラ５０は、電流指令値（ｑ軸電流指令値Ｉｑ＝０、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＝Ｉｍａｘ）を電圧指令値に変換する。コントローラ５０は、電圧指令値をキャリア信号（三角波の信号）と比較してＰＷＭ信号を生成する。モータ３０が停止しているとき（モータ回転がゼロのとき）の電流指令値Ｉｄ、Ｉｑと電圧指令値Ｖｄ、Ｖｑの関係は次の（数２）で表される。なお、（数２）において、記号Ｒはモータ３０のステータのコイルの電気抵抗を意味する。

【0027】

【数2】

【0028】

ｑ軸電流指令値Ｉｑがゼロ、ｄ軸電流指令値が例えばＩｍａｘの一定値であるとする。（数２）のｄ軸とｑ軸の電圧指令値を、三相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）の電圧指令値に変換すると、例えばＵ相電圧指令値が電圧最大値Ｖｍａｘとなる。コントローラ５０は、電圧指令値とキャリア信号を比較し、電圧指令値＞キャリア信号の区間がＨＩＧＨ電位となり、電圧指令値＜キャリア信号の区間がＬＯＷ電位となるＰＷＭ信号を生成する（図２）。このときのＵ相の上アームスイッチング素子１１ａへ与えるＰＷＭ信号は、図２（ｂ）のようになる。なお、図２（および図３）における記号「ＳＷ素子」は、「スイッチング素子」を意味する。上アームスイッチング素子１１ａに与えるＰＷＭ信号ではＨＩＧＨ電位の時間が長くなる。すなわち、上アームスイッチング素子１１ａに電流が流れる時間が長くなる。上アームスイッチング素子１１ａの発熱量が多くなる。

【0029】

Ｕ相の上アームスイッチング素子１１ａに対するＰＷＭ信号がＬＯＷ電位のとき、すなわち、上アームスイッチング素子１１ａがオフしている間、Ｕ相の下アームスイッチング素子１１ｂに付随するダイオード１２に電流が流れる。

【0030】

ｄ軸電流指令値Ｉｄを正値の電流指令値Ｉｍａｘから負値の電流指令値（－Ｉｍａｘ）に切り替える。Ｕ相電圧指令値が電圧最小値Ｖｍｉｎとなる（図３）。このときのＵ相の上アームスイッチング素子１１ａへ与えるＰＷＭ信号は、図３（ｂ）のようになる。上アームスイッチング素子１１ａに与えるＰＷＭ信号のＬＯＷ電位の時間が長くなる。先に述べたように、上アームスイッチング素子に対するＰＷＭ信号を反転した信号が下アームスイッチング素子へのＰＷＭ信号となる（図３（ｃ））。従ってこのとき、下アームスイッチング素子１１ｂに与えるＰＷＭ信号のＨＩＧＨ電位の時間が長くなる。すなわち、下アームスイッチング素子１１ｂに電流が流れる時間が長くなる。下アームスイッチング素子１１ｂの発熱量が多くなる。逆に、このとき上アームスイッチング素子１１ａに電流が流れる時間は短くなり、上アームスイッチング素子１１ａの発熱量が抑えられる。上アームスイッチング素子１１ａの過熱が防止される。下アームスイッチング素子１１ｂに与えるＰＷＭ信号においてＬＯＷ電位の期間は、上アームスイッチング素子１１ａに付随するダイオード１２を通じて電流が流れる。

【0031】

このように、ｄ軸電流Ｉｄ（ｄ軸電流指令値）の正値と負値を交互に切り替えると、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子で交互に電流の流れる時間が長くなる。それゆえ、インバータ１０の全体では一定の発熱量が維持されるが、スイッチング素子１１の過熱は防止される。

【0032】

停車時にバッテリ２０を昇温するための制御のフローチャートを図４に示す。図４を参照しつつ、昇温制御を説明する。図４の処理は、外部電源でバッテリ２０を充電するのに先立って行われる。すなわち、コントローラ５０は、バッテリ２０に外部の電源が接続されると図４の処理を起動する。

【0033】

図４の処理は、充電インレット２１に外部電源が接続されたときのバッテリ２０の温度が適温範囲の下限を下回っていると起動される。図４でも記号「ＳＷ素子」は、「スイッチング素子」を意味する。

【0034】

コントローラ５０は、ｑ軸電流Ｉｑ＝ゼロ、ｄ軸電流＝電流Ｉｍａｘを指令値としてインバータ１０を駆動する（ステップＳ１２）。スイッチング素子１１の温度が所定の上限温度を超えるまで、上記の電流指令値でインバータ１０を駆動し続ける（ステップＳ１３：ＮＯ、Ｓ１５：ＮＯ）。コントローラ５０は、スイッチング素子１１の温度が所定の上限温度を超えると、ｄ軸電流Ｉｄ（ｄ軸電流指令値）の値の正負を反転させ、インバータ１０の駆動を続ける（ステップＳ１３：ＹＥＳ、Ｓ１４）。このときｑ軸電流Ｉｑの指令値はゼロのままである。先に述べたように、ｄ軸電流Ｉｄの指令値を反転させると、上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子で長く電流が流れる時間が交代する。こうして、インバータ１０の全体では一定の発熱量が維持されるが、スイッチング素子１１の過熱は防止される。

【0035】

コントローラ５０は、バッテリ２０の温度が適温範囲の下限を超えたら、インバータ１０を停止し、昇温処理を終了する（ステップＳ１５：ＹＥＳ、Ｓ１６）。

【0036】

実施例の電気自動車２のコントローラ５０は、モータ３０の回転数がゼロであり、かつ、バッテリ２０の温度が所定の低温閾値よりも低い場合に、モータ３０に流れるｑ軸電流がゼロ、かつ、ｄ軸電流が正値と負値を交互に繰り返すようにインバータ１０を制御する。実施例の電気自動車２は、インバータ１０の特定のスイッチング素子１１の過熱を防止しつつ、スイッチング素子１１の発熱を利用して停車中の電気自動車２のバッテリ２０を暖気することができる。実施例における「適温範囲の下限」が「低温閾値」に相当する。「モータ３０に流れるｑ軸電流がゼロ、かつ、ｄ軸電流が正値と負値を交互に繰り返すようにインバータ１０を制御する」とは、「ｑ軸電流指令値をゼロ、かつ、ｄ軸電流指令値を正値と負値で交互に繰り返し、インバータを制御する」と換言してもよい。

【0037】

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の昇温処理（図４）では、スイッチング素子の温度が上限温度を超えたらｄ軸電流Ｉｄの指令値の正負を反転させる。スイッチング素子に流す電流をスイッチング素子の温度上昇率は既知であるから、コントローラ５０は、スイッチング素子の温度に関わらず、一定の周期でｄ軸電流Ｉｄの指令値の正負を反転させてもよい。

【0038】

あるいは、インバータ１０を流れる熱媒の温度がスイッチング素子１１の温度の指標になるから、コントローラ５０は、インバータ１０における熱媒の温度が所定の温度閾値を超えたらｄ軸電流Ｉｄの指令値の正負を反転させるようにしてもよい。

【0039】

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。

【符号の説明】

【0040】

２：電気自動車 １０：インバータ １１、１１ａ－１１ｆ：スイッチング素子 １２：ダイオード １３：温度センサ ２０：バッテリ ２１：充電インレット ２３：温度センサ ３０：モータ ４０：熱媒循環装置 ４１：循環路 ４２：ポンプ ４３：熱媒冷却器 ５０：コントローラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】