JP2015126608A

JP2015126608A - 車両の電力制御装置

Info

Publication number: JP2015126608A
Application number: JP2013269697A
Authority: JP
Inventors: 将平大井; Shohei Oi; 智子大庭; Satoko Oba
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-07-06

Abstract

【課題】電力変換回路のスイッチング素子が短絡故障したとき生じる電動機の永久磁石の減磁を防止する。
【解決手段】電力制御装置において所定の異常事象が発生した場合、スイッチング素子が全てオフとなるシャットダウン制御が実行される。電力変換回路１８のスイッチング素子に短絡故障が生じた場合には、シャットダウン制御を行わずに、短絡故障が生じたスイッチング素子（例えばスイッチング素子４２）と同じ側（正極側）の他のスイッチング素子（スイッチング素子３８，４６）をオンに制御する。
【選択図】図４

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換し、これを永久磁石型三相交流電動機に供給する車両の電力制御装置に関し、特に故障時の制御に関する。

車両駆動用の原動機として、永久磁石型三相交流電動機を備えたハイブリッド自動車や電気自動車が知られている。これらの車両には、二次電池などの直流電源が搭載され、直流電源からの直流電力は、電力変換回路を含む電力制御装置により三相交流電力に変換されて電動機に供給される。電力制御装置に所定の異常事象が発生した場合、電力変換回路のスイッチング素子の制御を遮断（シャットダウン）し、装置の保全を図っている（下記特許文献１参照）。制御の遮断によって、各スイッチング素子はオフとなる。

特開２０１３−１３２１８１号公報

異常事象が、電力変換回路のスイッチング素子の短絡故障である場合、シャットダウンによってスイッチング素子をオフにしても、故障したスイッチング素子には、電流が流れ得る。このため、永久磁石型電動機が回転していると、逆起電力により、電動機のコイルに電流が流れ、ステータの磁極が磁化する。この磁化した磁極の近傍を電動機の永久磁石が通過する際、永久磁石を貫く磁界が増減し、永久磁石内に渦電流が生じる。この渦電流により永久磁石が発熱し、減磁する場合がある。

本発明は、電力変換回路のスイッチング素子が短絡故障した際の永久磁石の減磁を抑制することを目的する。

本発明に係る車両の電力制御装置は、永久磁石型三相交流電動機に電力を供給する。電力制御装置は、直流電源からの直流電力を、回転電機に供給する三相交流電力に変換するための電力変換回路と、電力変換回路のスイッチング素子を制御する制御部とを有する。電力変換回路は、直流電源の正極に接続される正極母線と、電動機に三相交流電力を供給する３本の電力線をそれぞれ接続し、スイッチング素子をそれぞれ備える３個の正極側アームを含み、さらに直流電源の負極に接続される負極母線と、前記３本の電力線をそれぞれ接続し、スイッチング素子をそれぞれ備える３個の負極側アームと、を備える。制御部は、所定の異常事象が検出されると電力変換回路のスイッチング素子を全てオフにするシャットダウン制御を行う。さらに、前記異常事象が、電力変換回路のスイッチング素子の短絡故障である場合、制御部は、シャットダウン制御を行わずに、故障したスイッチング素子の属する正極側アームまたは負極側アームの残余のアームのスイッチング素子をオン制御する。

上記の制御により３個のアームが通電可能な状態になり、三相の磁極の何れもが、逆起電力により電動機のロータの回転に伴って順次磁化される。発生する磁界は回転し、一相のみに生じる固定した磁界の場合よりも、永久磁石内に発生する渦電流が減少する。

電力変換回路のスイッチング素子が短絡故障した際、シャットダウン制御することにより生じる電動機の永久磁石の減磁が防止される。

電力制御装置の概略構成を示す図である。異常事象と、異常事象の発生を示す異常信号ＦＩＮＶの関係を示す図である。スイッチング素子が短絡故障した場合の電流の流れを説明する図である。スイッチング素子をオン制御した場合の電流の流れを説明する図である。異常事象発生時の制御を示す図である。

以下、本発明の実施形態を、図面に従って説明する。図１は、本実施形態の電力制御装置１０の概略構成を示す図である。電力制御装置１０は、蓄電装置としての二次電池１２からの直流電力を昇圧し、更に三相交流電力に変換して電動機１４に供給する。二次電池１２と電動機１４は車両に搭載され、電動機１４は当該車両を駆動する原動機として機能する。電動機１４は、ロータに永久磁石を備えた永久磁石型三相交流電動機である。電動機１４は発電機としても機能し、車両の減速時に車両の慣性で駆動されて発電する。発電された電力は、電力制御装置１０によって直流電力に変換されて二次電池１２に充電する。いわゆる回生制動である。

電力制御装置１０は、昇圧回路１６、電力変換回路１８、平滑コンデンサ２０、制御部２２を備える。昇圧回路１６は、リアクトル２４と２個のスイッチング素子２６ａ，２６ｂを含む。

電力変換回路１８は、昇圧回路１６を介して二次電池１２の正極に接続する正極母線２８、負極に接続する負極母線３０を有し、さらに正極母線２８と負極母線３０をそれぞれ接続するＵ相アーム３２、Ｖ相アーム３４、およびＷ相アーム３６を有する。各相のアームにおいて、それぞれ２個のスイッチング素子３８〜４８がそれぞれの相で直列に接続されている。スイッチング素子３８〜４８は、ＩＧＢＴ等のパワートランジスタを使用することができる。スイッチング素子３８〜４８のそれぞれに対してダイオード５０〜６０が並列に接続される。Ｕ相アーム３２の２個のスイッチング素子３８，４０の接続ノードに、電動機１４のＵ相電力線６２が接続される。Ｕ相アーム３２の接続ノードより正極母線２８側の部分を正極側Ｕ相アーム３２ｐ、負極母線３０側の部分を負極側Ｕ相アーム３２ｎと記す。Ｖ相アーム３４の２個のスイッチング素子４２，４４の接続ノードに、電動機１４のＶ相電力線６４が接続される。Ｖ相アーム３４の接続ノードより正極母線２８側の部分を正極側Ｖ相アーム３４ｐ、負極母線３０側の部分を負極側Ｖ相アーム３４ｎと記す。Ｗ相アーム３６の２個のスイッチング素子４６，４８の接続ノードに、電動機１４のＷ相電力線６６が接続される。Ｗ相アーム３６の接続ノードより正極母線２８側の部分を正極側Ｗ相アーム３６ｐ、負極母線３０側の部分を負極側Ｗ相アーム３６ｎと記す。

制御部２２は、昇圧回路１６および電力変換回路１８のスイッチング素子をオンオフ制御する。電力変換回路１８のスイッチング素子３８〜４８を所定のタイミングでオンオフすることにより、Ｕ，Ｖ，Ｗ相が互いに１２０°の位相差をもった交流電力を電動機１４に供給する。また、車両の慣性によって電動機のロータが回転している際に電動機のコイルに生じる逆起電力を、スイッチング素子３８〜４８をオンオフ制御することにより、直流電力に変換し、昇圧回路１６を介して二次電池１２に充電する。

電力制御装置１０に異常事象が生じた場合、一般的には、電力変換回路１８および昇圧回路１６の各スイッチング素子をオフ制御する。具体的には、制御部２２からの制御を遮断（シャットダウン）し、これによって各スイッチング素子がオフとなる。シャットダウンした状態で走行を継続することで、機器を保全し、また車両の動作異常を回避する。

図２には、異常事象と異常信号ＦＩＮＶの関係が示されている。異常事象は、例えば過電流、過熱、回路故障である。（ａ）は、過電流時の異常信号ＦＩＮＶを示す図である。Ｕ、Ｖ、Ｗ相の電力線６２，６４，６６を流れる電流Ｉが過電流閾値Ｉthを超えると（ｔ1 ）、電力制御装置１０に異常が生じたことを示す異常信号ＦＩＮＶが「Ｈｉ」とされる。その後、電流Ｉが過電流閾値Ｉthを下回り（ｔ2 ）、その時点から所定時間ｔs 経過後、異常信号ＦＩＮＶが「Ｌｏ」となる。所定時間ｔs は、例えば１００ミリ秒とすることができる。（ｂ）は、過熱時の異常信号ＦＩＮＶを示す図である。電力制御装置１０内の温度が温度閾値Ｔth（例えば１５０℃）を超える（ｔ3 ）と電力制御装置１０に異常が生じたことを示す異常信号ＦＩＮＶが「Ｈｉ」とされる。その後、温度が温度閾値Ｔthを下回り（ｔ4 ）、その時点から所定時間ｔs 経過後、異常信号ＦＩＮＶが「Ｌｏ」となる。所定時間ｔs は、例えば１００ミリ秒とすることができる。（ｃ）は、回路故障時の異常信号ＦＩＮＶを示す図である。回路故障が発生すると（ｔ5 ）、異常信号ＦＩＮＶが「Ｈｉ」とされる。回路故障の場合は、上述の過電流や過熱の場合と異なり、異常信号ＦＩＮＶが「Ｌｏ」に復帰することはない。

異常信号ＦＩＮＶが「Ｈｉ」となると、電力変換回路１８の制御を遮断（シャットダウン）する指令である遮断信号ＳＤＷＮが送出される。異常事象が、過電流や過熱であれば、その異常事象が解消すれば異常信号ＦＩＮＶが「Ｌｏ」となるので、遮断信号ＳＤＷＮの解除される。しかし、回路故障の場合は、異常信号ＦＩＮＶが「Ｌｏ」とならず、遮断信号ＳＤＷＮは解除されない。

回路故障のうち、電力変換回路１８のスイッチング素子３８〜４８が短絡故障した場合、電力変換回路１８の制御を遮断しても、コイルに電流が流れ、ステータの磁極が磁化する。これにより生じる磁界は、電動機のステータに対して固定され、回転しない。この状態でロータが回転すると、ロータの永久磁石は磁界を横切り、永久磁石内には渦電流が発生する。渦電流により永久磁石が発熱し、温度上昇によって減磁が生じる場合がある。

図３は、Ｖ相のスイッチング素子４２が短絡故障を生じた場合の電流の流れを示す図である。以降の説明において、正極母線２８から各相の電力線６２，６４，６６に向かう電流の向きを「下向き」と記す。逆に、各相の電力線６２，６４，６６から正極母線２８に向かう電流の向きを「上向き」と記す。正極側Ｖ相アーム３４ｐにおいて、スイッチング素子４２がオフであれば、下向きに電流は流れない。しかし、スイッチング素子４２が短絡故障していると、スイッチング素子４２を通して、正極側Ｖ相アーム３４ｐに下向きの電流が流れることが可能となる。正極側Ｕ相アーム３２ｐ、正極側Ｗ相アーム３６ｐにおいて、上向きの電流は、ダイオード５０，５８を通って流れることができるが、スイッチング素子３８，４６がオフしている限り下向きの電流は流れることができない。

スイッチング素子４２が短絡故障しているときに、電動機１４のロータが回転し、逆起電圧が発生する。この逆起電圧が、図３中の矢印の向きに電流を流す向きに掛かるときには、電流が流れてコイルが磁化され、これとは逆向きに電圧が掛かる場合には電流は流れず、コイルは磁化されない。このため、各相のコイルが発生する磁束の向きは、相ごとに固定される。これにより、電動機１４のステータが発生する磁界は、ステータに対し固定され、通常運転時のようには回転しない。この状態で、ロータが回転すると、ロータ上に位置する永久磁石と磁界の相対回転速度は、磁界が回転するときよりも大きくなる。このため、永久磁石を貫く磁束が大きく増減し、永久磁石内に渦電流が発生する。この渦電流によって永久磁石の温度が上昇し、減磁が生じる場合がある。

この永久磁石の減磁を防ぐために、この電力制御装置１０においては、スイッチング素子の短絡故障のときには、電力変換回路１８の制御を遮断せず、故障したスイッチング素子と同じ側（正極側または負極側）の残りのスイッチング素子をオンに制御する。上記のように、正極側Ｖ相アームのスイッチング素子４２が短絡故障した場合には、制御部２２は、同じ正極側のＵ相、Ｗ相アームのスイッチング素子３８，４６を継続してオンとする。したがって、三相の正極側のアームに上下両方の向きに電流が流れ得る状態となる。この状態で電動機のロータが回転すると、電動機のコイルに逆起電圧が発生し、これにより正極側の各相のアームに電流が流れる。この電流は、向きが限定されることがなく、例えば図４のように正極側Ｕ相アーム３２ｐにも下向きの電流が流れる。正極側Ｗ相アーム３６ｐにも同様に下向きの電流が流れる。このように、各相の正極側アームに順次電流が流れることで、ステータの各相の磁極も順次磁化し、ステータが発生する磁界は回転する。これにより永久磁石と磁界の相対回転速度は、磁界が回転しない場合に比べて低下し、永久磁石内に生じる渦電流は減少する。渦電流が減少することで、発熱が抑制され、永久磁石の減磁が防止される。

図５は、異常事象発生時の制御を示す図である。異常信号ＦＩＮＶが入力されると、ＣＰＵは、その異常信号ＦＩＮＶが電力変換回路のスイッチング素子の短絡によるものかを判断する。スイッチング素子の短絡故障の場合、遮断解除信号inv-rgを「Ｈｉ」とし、論理回路に出力する。論理回路には、遮断解除信号inv-rgは反転されて入力される。論理回路には、異常信号ＦＩＮＶも入力され、二つの信号の論理積が演算される。入力された信号がいずれも「Ｈｉ」である場合、電力変換回路の制御を遮断するＳＤＷＮ信号が出力される。スイッチング素子の短絡故障の場合、遮断解除信号inv-rgが「Ｈｉ」となり、論理回路に入力される信号は、反転して「Ｌｏ」となる。この結果、スイッチング素子の短絡故障の場合には、ＳＤＷＮ信号は出力されない。また、スイッチング素子の短絡故障の場合には、短絡故障が生じたスイッチング素子と同じ側（正極側または負極側）のスイッチング素子を常時ＯＮとする制御を行う。

以上の説明は、正極側アームのスイッチング素子が故障した場合を例として説明したが、負極側アームのスイッチング素子が故障した場合は、残余の負極側アームのスイッチング素子をオンに制御する。

１０電力制御装置、１８電力変換回路、２２制御部、２８正極母線、３０負極母線、３２Ｕ相アーム、３２ｐ正極側Ｕ相アーム、３４Ｖ相アーム、３４ｐ正極側Ｖ相アーム、３６Ｗ相アーム、３６ｐ正極側Ｗ相アーム、３８〜４８スイッチング素子、６２Ｕ相電力線、６４Ｖ相電力線、６６Ｗ相電力線。

Claims

車両を駆動する永久磁石型三相交流電動機に供給する電力を制御する車両の電力制御装置であって、
直流電源からの直流電力を、回転電機に供給する三相交流電力に変換するための電力変換回路と、
電力変換回路のスイッチング素子を制御する制御部と、
を有し、
電力変換回路は、
直流電源の正極に接続される正極母線と、電動機に三相交流電力を供給する３本の電力線をそれぞれ接続し、スイッチング素子をそれぞれ備える３個の正極側アームと、
直流電源の負極に接続される負極母線と、前記３本の電力線をそれぞれ接続し、スイッチング素子をそれぞれ備える３個の負極側アームと、
を備え、
制御部は、所定の異常事象が検出されると電力変換回路のスイッチング素子が全てオフとなるシャットダウン制御を行い、
前記異常事象が、電力変換回路のスイッチング素子の短絡故障である場合、制御部は、シャットダウン制御を行わずに、故障したスイッチング素子の属する正極側アームまたは負極側アームの残余のアームのスイッチング素子をオンに制御する、
車両の電力制御装置。