JP4968163B2 - 車両用モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は車両用モータ制御装置、特に車両を駆動するモータがロック状態になったとき、インバータの過熱を防止するためにモータのトルクを制御する車両用モータ制御装置に関する。

電気自動車またはハイブリッド自動車は、原動機であるモータの出力により走行することができる自動車である。これらの自動車は、モータに電気的に接続され、電力を直流から交流に変換してモータに供給するインバータを搭載している。このインバータが備える複数のスイッチング素子の動作を制御することにより、モータが出力するトルクと回転速度が調整されて自動車が走行する。

このような自動車においては、通常走行時にモータが回転している場合、インバータの各スイッチング素子には交流の電流が流れる。ところが、モータがロック状態になりモータの回転が停止すると、インバータの特定のスイッチング素子にのみ大きな直流の電流が流れる。このため、その特定のスイッチング素子は、急激な熱損失の増加により温度が上昇し熱破壊を起こす可能性がある。ここで、ロック状態とは、モータの出力トルクよりも走行抵抗トルクの方が大きい状態であり、例えば、登坂での走行時や車輪が凹部に嵌った時などにモータがロック状態になる可能性がある。

下記特許文献１においては、モータがロック状態になると、モータが出力可能な最大トルクを断続的に出力するようにモータを制御する制御技術が記載されている。具体的には、モータがロック状態になったとき、最大トルクと、このトルクより低いトルクとを繰り返し出力するようにモータを制御する。

また、下記特許文献１においては、モータが最大トルクを出力した回数をカウントし、このカウント値が許容回数に達すると、最大トルクから漸減させたトルクを断続的に出力するようにモータを制御する制御技術が記載されている。この制御技術により、インバータの特定のスイッチング素子が許容温度に達しない範囲内で最大トルクを有効に活用することができる。

特開２００７−１２９８０１号公報

モータがロック状態になる場合、上記特許文献１のように最大トルクを断続的に出力するモータ制御を行うことにより、ロック状態からの脱出に必要な動力性能を所定の時間確保することができる。しかしながら、自動車がモータのロック状態からの脱出ができずに時間が経過すると、特定のスイッチング素子の温度は上昇してしまい許容温度に達してしまうおそれがある。一方、特定のスイッチング素子の温度が許容温度に達してしまうことを防ぐために、最大トルクから漸減させたトルクを断続的に出力するようにモータを制御すると、自動車がその状態から脱出することがさらに困難になってしまう。

本発明の目的は、車両を駆動するモータがロック状態になっている場合において、インバータの特定のスイッチング素子の温度上昇を抑制しつつ、ロック状態からの脱出に必要な動力性能を長時間確保することができる車両用モータ制御装置を提供することにある。

本発明は、車両を駆動するモータがロック状態になったとき、インバータの過熱を防止するために、モータが出力可能な最大トルクと、このトルクより低い低トルクとを繰り返し出力するようにトルクを制御する車両用モータ制御装置において、最大トルクが出力されるごとに、三相各相の電気角を測定して三相のうち最も大きい電流が流れる相を検出する相検出手段と、今回の最大トルクの出力時に相検出手段により検出される相と、前回の最大トルクの出力時に検出手段により検出された相とが同相であるか否かを判断する同相判断手段と、同相判断手段により同相であると判断された場合、その相に対応するインバータのスイッチング素子の温度上昇を抑制する温度上昇抑制手段とを有することを特徴とする。

また、温度上昇抑制手段は、今回の出力される最大トルクの出力時間の長さを、前回の出力された最大トルクの出力時間の長さより短くすることができる。

また、温度上昇抑制手段は、また、今回の出力される最大トルクの後に出力される低トルクの値を、今回の出力される最大トルクの前に出力された低トルクの値より小さくすることができる。

また、温度上昇抑制手段は、さらに、今回の出力される最大トルクからその後に低トルクになるときの期間を、前記の出力された最大トルクからその後に低トルクになったときの期間より短くすることができる。

また、冷却媒体を循環させてインバータを冷却する冷却手段を有し、温度上昇抑制手段は、冷却手段の冷却能力を増大させることができる。

また、冷却手段は、冷却媒体の熱を放熱する放熱ファンを有し、温度上昇抑制手段は、放熱ファンの回転数を増大させて冷却手段の冷却能力を増大させることができる。

さらに、温度上昇手段は、冷却媒体の循環流量を増大させて冷却手段の冷却能力を増大させることができる。

本発明の車両用モータ制御装置によれば、車両を駆動するモータがロック状態になっている場合において、インバータの特定のスイッチング素子の温度上昇を抑制しつつ、ロック状態からの脱出に必要な動力性能を長時間確保することができる。

以下、本発明に係る車両用モータ制御装置の実施形態について、図に従って説明する。なお、一例として、電気で駆動する電気自動車を挙げ、この自動車に搭載される車両用モータ制御装置について説明する。なお、本発明は、電気自動車に限らず、エンジンとモータとの出力で走行する車両、すなわちハイブリッド車両に搭載される車両用モータ制御装置にも適用できる。

まず、本実施形態に係る車両用モータ制御装置３０を搭載する電気自動車１０の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る電気自動車１０の概略構成を示す図である。

電気自動車１０は、原動機としてモータ１２を有する。モータ１２には、動力伝達機構１４を介して駆動輪１６が接続されている。動力伝達機構１４は、モータ１２の出力軸の回転速度を減速する減速機構（図示せず）と、左右の駆動輪１６の回転差を吸収する差動機構（図示せず）を含む。モータ１２の動力は、動力伝達機構１４を介して、駆動輪１６に伝達され、電気自動車１０が走行する。

モータ１２は、インバータ１８を介してバッテリ２０に電気的に接続される。モータ１２とインバータ１８とは、三相交流用のケーブル２２を介して接続される。一方、インバータ１８とバッテリ２０とは、直流用のケーブル２４を介して接続される。

バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリなどで構成される。もちろん、バッテリ２０に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いることもできる。

バッテリ２０に蓄えられた電力は、インバータ１８により直流から交流に変換された後に、モータ１２に供給され、モータ１２を駆動する。また、回生時にモータ１２により発電された電力は、インバータ１８により交流から直流に変換された後に、バッテリ２０に送られて蓄えられる。このように、モータ１２は、電動機および発電機として機能することができる。

インバータ１８について、図２を用いて詳述する。図２は、モータ１２とインバータ１８とバッテリ２０とを結ぶ電気回路図である。

インバータ１８内の回路においては、バッテリ２０に接続される正極母線と負極母線との間に、Ｕ相アーム２５、Ｖ相アーム２６とＷ相アーム２７が並列に設けられる。Ｕ相アーム２５には、スイッチング素子１８ａとスイッチング素子１８ｂとが直列接続され、Ｖ相アーム２６には、スイッチング素子１８ｃとスイッチング素子１８ｄとが直列接続され、Ｗ相アーム２７には、スイッチング素子１８ｅとスイッチング素子１８ｆとが直列接続される。スイッチング素子１８ａ〜１８ｆは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワートランジスタ、サイリスタ等から構成される。

各相アーム２５，２６，２７の中間点は、モータ１２の各相コイルの各相端に接続されている。すなわち、Ｕ相アーム２５の中間点は、モータ１２のＵ相コイルの一端に接続され、Ｖ相アーム２６の中間点は、モータ１２のＶ相コイルの一端に接続され、Ｗ相アーム２７の中間点は、モータ１２のＷ相コイルの一端に接続される。なお、モータ１２は、モータ１２の各相コイルの他端が中点に共通に接続されて構成される。

また、インバータ１８内の回路においては、バッテリ２０に接続される正極母線と負極母線との間に、コンデンサ１９が各相アーム２５，２６，２７に対し並列に設けられている。コンデンサ１９は、バッテリ２０からインバータ１８内に供給された直流の電圧を平滑化する。

インバータ２０の動作について説明する。バッテリ２０から直流の電力が各相アーム２５，２６，２７に供給される。各相アーム２５，２６，２７に直流の電力が供給されると、スイッチング素子１８ａ〜１８ｆが、後述する車両用モータ制御装置３０からのＰＷＭ（パルス幅変調）制御信号に応じてオン／オフする。これにより、インバータ２０は、電力を直流から三相交流に変換して、モータ１２を駆動する。

図１の説明に戻り、電気自動車１０は、運転者の要求と車両の状態とに基づきモータ１２を制御する車両用モータ制御装置（以下、単に制御装置と記す）３０を有する。制御装置３０は、マイクロコンピュータで構成される。

制御装置３０には、運転者が操作するイグニッションスイッチ３２、アクセルペダル３４、ブレーキペダル３６、シフトレバー３８などが接続されており、これらから運転者の要求を示す信号が入力される。また、制御装置３０には、車両の走行速度を検出する車速センサ４０と、モータ１２のロータ（図示せず）の回転位置を検出する回転角センサ４２と、三相交流用のケーブル２２を流れる電流を検出する電流検出センサ４４とが接続されており、これらから車両の状態を示す信号が入力される。また、制御装置３０には、バッテリ２０の状態を検出する各種センサ（図示せず）が接続されている。各種センサは、バッテリ２０の温度、電流、電圧を検出するセンサであり、これらのセンサからも車両の状態を示す信号が入力される。制御装置３０は、上述の運転者の要求を示す信号に基づき運転者の要求を判断し、上述の車両の状態を示す信号に基づき車両の状態を判断して、運転者の要求と車両の状態に適用したモータ１２の運転を行なうようにインバータ１８に制御信号を出力する。

次に、インバータ１８が熱破壊を起こす原因について、図３を用いて説明する。図３は、モータ１２に供給される三相交流電流の波形を示す図である。波形は正弦波であり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相はそれぞれ１２０度の位相差がある。三相交流電流の波形の電気角は、モータ１２のロータの回転角に応じて決定される。モータ１２がロック状態になった場合、制御装置３０からインバータ１８にトルク指令が出力されているにもかかわらず、モータ１２及び駆動輪１６の回転数は０、すなわち回転が停止する。モータ１２の回転が停止するということは、ロータの回転角が一定の角度で固定された状態である。このとき、三相交流電流の波形は、固定された回転角に対応する電気角で止まった状態となり、その電気角の電流が継続的に流れる。すなわち、直流の電流が流れる。この直流の電流は、インバータ１８のスイッチング素子１８ａ〜１８ｆにも流れ、その値が大きいと素子自身の熱損失により発熱して熱破壊する可能性が高くなる。そこで、本発明は、次に説明する制御装置３０の制御動作によりインバータ１８の特定のインバータ素子の温度上昇を抑制しつつ、ロック状態からの脱出に必要な動力性能を長時間確保するようにしている。

モータ１２がロック状態になった場合に、モータ１２のトルクを調整する方法について図４を用いて説明する。図４の上段のグラフはモータ１２のトルクと時間との関係を示し、下段のグラフはインバータ１８の特定のスイッチング素子の温度と時間との関係を示す。

図４の上段のグラフにおいて、時間ｔ＝０にモータ１２がロック状態になると、制御装置３０は、モータ１２が出力可能な最大トルクＴｍａｘを断続的に出力するようにトルクを制御する。この制御によるトルクの変化を以下に詳述する。

まず、時間ｔ０から時間ｔ１にかけて、トルクが０から最大トルクＴｍａｘまで上昇する。そして、時間ｔ１から時間ｔ２までの所定の期間ｄｔ１の間、トルクは最大トルクＴｍａｘを維持する。所定の期間ｄｔ１が経過した時間ｔ２以降について、トルクは最大トルクＴｍａｘから徐々に低下する。なお、所定の期間ｄｔ１は、最大トルクＴｍａｘに対応する電流が特定のスイッチング素子に継続して流れた場合、その素子の温度が上昇して許容温度に達するまでの時間より短く設定されている。

時間ｔ１の時点において、三相各相の電気角を測定し、三相のうち最も大きい電流が流れる相を検出する。具体的には、回転角センサ４２または電流検出センサ４４で電気角を測定し、その電気角を図３に示す波形に当て嵌めることで目的の相を検出する。この検出された相は、次に最大トルクＴｍａｘを示す時間ｔ４において検出される相と同相であるか否かを判断するときに用いられる。

そして、トルクが、時間ｔ２から時間ｔ３までの所定の期間ｄｔ３をかけて最大トルクＴｍａｘから低トルクＴ１まで低下する。時間ｔ３の時点においてトルクが低トルクＴ１に達したと判断されると、時間ｔ３から時間ｔ４にかけてトルクが低トルクＴ１から最大トルクＴｍａｘまで上昇する。ここで、段落００３１からこの段落までに述べたトルク制御のことを、通常の最大トルクＴｍａｘを断続的に出力する制御という。

時間ｔ４の時点において、三相各相の電気角を測定し、三相のうち最も大きい電流が流れる相を検出する。この検出された相と時間ｔ１の時点で検出された相とが同相である場合、制御装置３０は、特定のスイッチング素子の温度のみが上昇してしまい許容温度に達してしまうと判断し、上述した最大トルクＴｍａｘの断続的な出力の内容を変更する。一方、時間ｔ４の時点において検出された最大電流が流れる相と、時間ｔ１の時点において検出された最大電流が流れる相とが異なる相である場合には、温度上昇するスイッチング素子が切り替わることにより特定のスイッチング素子の温度のみが上昇することが防げる。このため、通常の最大トルクＴｍａｘを断続的に出力する制御を継続して行う。なお、図４においては、時間ｔ１と時間ｔ４の時点において、最大電流が流れる相が同一である場合について次に説明する。

最大トルクＴｍａｘが維持される時間ｔ４から時間ｔ５までの所定の期間ｄｔ２は、所定の期間ｄｔ１より短くなるように変更される。所定の期間ｄｔ２が経過した時間ｔ５以降については、トルクは最大トルクＴｍａｘから低トルクＴ２に向けて徐々に低下する。このとき、トルクが最大トルクＴｍａｘから低トルクＴ２まで低下する、時間ｔ５から時間ｔ６までの所定の期間ｄｔ４は、所定の期間ｄｔ３より短くなるように変更される。また、低トルクＴ２の値は、低トルクＴ１の値より小さくなるように変更される。

時間ｔ６の時点においてトルクが低トルクＴ２に達したと判断されると、時間ｔ６から時間ｔ７にかけてトルクが低トルクＴ２から最大トルクＴｍａｘまで上昇する。時間ｔ７の時点において、三相各相の電気角を測定し、三相のうち最も大きい電流が流れる相を検出する。この検出された相と時間ｔ４の時点で検出された相とが同相である場合、制御装置３０は、また、特定のスイッチング素子の温度のみが上昇してしまい許容温度に達してしまうと判断し、段落００３５で述べた制御内容と同じようにトルクを制御する。すなわち、図に示されるように、最大トルクＴｍａｘを出力する期間をｄｔ２とし、最大トルクＴｍａｘから低トルクまでトルクが低下する期間をｄｔ４とし、低トルクをＴ２とするように制御する。一方、時間ｔ７の時点において、三相のうち最も大きい電流が流れる相と時間ｔ４の時点で検出された相とが異なる相である場合、温度上昇するスイッチング素子が切り替わることにより特定のスイッチング素子の温度のみが上昇することが防げる。このため、図示しないが、制御装置３０は、通常の最大トルクＴｍａｘを断続的に出力する制御を行う。

図４の下段のグラフにおいて、上述したトルクの制御に対応する特定のスイッチング素子の温度の特性を示す。制御装置３０は、スイッチング素子の温度に所定の許容温度Ｔｈｌｉｍを有している。制御装置３０は、上述したトルクの制御をすることにより、スイッチング素子の温度が許容温度Ｔｈｌｉｍに達しない範囲で、最大トルクＴｍａｘを断続的に出力する。

上述したトルクの制御において、時間ｔ４までは通常の最大トルクＴｍａｘを断続的に出力する制御を行い、時間ｔ４以降、最大トルクＴｍａｘの断続的に出力する制御の内容を変更している。これにより、スイッチング素子の温度の特性も変化している。すなわち、最大トルクＴｍａｘを出力する期間がｄｔ１からｄｔ２に短縮されるため、その期間におけるスイッチング素子の温度上昇の度合いが小さくなる。また、最大トルクＴｍａｘから低トルクまで低下する期間がｄｔ３からｄｔ４に短縮され、かつ低トルクがＴ１からＴ２に低減されるため、スイッチング素子の温度下降の度合いが大きくなる。このように、通常の最大トルクＴｍａｘを断続的に出力する制御から最大トルクＴｍａｘの断続的に出力する制御の内容を変更することにより、特定のスイッチング素子の温度上昇が抑制され、その温度が許容温度Ｔｈｌｉｍに達することはない。

したがって、この実施形態によれば、スイッチング素子の温度が許容温度Ｔｈｌｉｍに達しない限りにおいて、モータ１２に最大トルクＴｍａｘを断続的に長時間出力させることが可能となる。その結果、スイッチング素子の過熱を防止しながら、モータ１２の能力を最大限に発揮させて動力性能を長時間確保することができる。

次に、モータ１２がロック状態になったとき、制御装置３０がモータ１２のトルクを制御する制御動作について図５を用いて説明する。

まず、制御装置３０は、モータ１２がロック状態であるか否かを判断する（ステップＳ０１）。モータ１２がロック状態であるときには、制御装置３０が最大トルクＴｍａｘを断続的に出力するようにトルクを制御する（ステップＳ０２）。一方、モータ１２がロック状態でないときには、この制御動作が終了する。

最大トルクＴｍａｘを断続的に出力する制御が行われると、制御装置３０は、Ｎ回目の最大トルクＴｍａｘ出力時に最大電流が流れる相と、Ｎ−１回目の最大トルクＴｍａｘ出力時に最大電流が流れる相とが同相であるか否かを判断する（ステップＳ０３）。すなわち、最大トルクＴｍａｘが出力されるごとに最大電流が流れる相を検出し、今回（Ｎ回目）の最大トルクＴｍａｘ出力時に検出された相と、前回（Ｎ−１回目）の最大トルクＴｍａｘ出力時に検出された相とが同相であるか否かを判断する。それらの相が同相であるときには、制御装置３０は、スイッチング素子の温度上昇を抑制するようにトルクを制御する（ステップＳ０４からＳ０６）。一方、それらの相が同相でないときには、制御装置３０は、ステップＳ０１に戻る。

ステップＳ０４からＳ０６におけるトルク制御について説明する。まず、最大トルクＴｍａｘの出力期間がＴｄ１からこれより短いＴｄ２に短縮される（ステップＳ０４）。次に、最大トルクＴｍａｘから低トルクになるまでの期間がＴｄ３からこれより短いＴｄ４に短縮される（ステップＳ０５）。そして、低トルクがＴ１からこれより小さいＴ２に低減される（ステップＳ０６）。その後、ステップ０１に戻り、上述した制御動作を繰り返す。

本実施形態に係る制御装置３０によれば、モータ１２がロック状態になって最大トルクＴｍａｘを断続的に出力するようにトルクを制御する場合、最大トルクＴｍａｘが出力されるごとに、検出された最大電流が流れる相と、前回の最大トルクＴｍａｘ出力時のときの最大電流が流れる相とが同じであるか否かが判断される。相が異なる場合は、通常の最大トルクＴｍａｘを断続的に出力する制御を行う。一方、相が同じである場合は、最大トルクＴｍａｘを断続的に出力する制御であっても、スイッチング素子の温度上昇を抑制する制御を行う。これにより、スイッチング素子の温度が許容温度に達することなく、ロック状態からの脱出に必要な動力性能を長期間確保することができる

次に、スイッチング素子の温度上昇を抑制する別の手段について図６を用いて説明する。図６は、モータ１２とインバータ１８を冷却する冷却装置５０の概略構成を示す図である。

冷却装置５０は、ポンプ５２と、冷却媒体である冷却液の熱を放熱する放熱器５４と、冷却液が流れる冷却流路５６とを有する。放熱器５４には、これに空気を送る放熱ファン５８が取り付けられている。放熱ファン５８は、電動ファンであり、駆動用モータ（図示せず）が放熱ファン５８を調節可能に駆動する。放熱ファン５８の駆動により、放熱器５４に空気が送られ、効果的に冷却液が放熱される。冷却流路５６は、ポンプ５２、インバータ１８、モータ１２、そして放熱器５４を順に接続する。ポンプ５２は、電動ポンプであり、駆動用モータ（図示せず）がポンプ５２を調節可能に駆動する。このポンプ５２の駆動により、冷却液が冷却流路５６を循環するように流れる。

このように構成される冷却装置５０において、制御装置３０は、スイッチング素子の温度上昇を抑制する場合、冷却装置５０の冷却能力を増大させる。具体的には、制御装置３０は、放熱ファン５８の回転数を増大させ、冷却液の循環流量を増大させる。これにより、放熱ファン５８で冷却液が放熱される放熱量が増加するとともに、インバータ１８で冷却液が吸熱する吸熱量が増加する。その結果、インバータ１８をより冷却することができ、インバータ１８内のスイッチング素子の温度上昇を抑制することができる。なお、スイッチング素子の温度上昇を抑制するために、制御装置３０は、放熱ファン５８の回転数の増大と、冷却液の循環流量の増大とのどちらか一方の動作のみを行ってもよい。

本実施形態に係る電気自動車の概略構成を示す図である。 モータとインバータとバッテリとを結ぶ電気回路図である。 モータに供給される三相交流電流の波形を示す図である。 モータがロック状態になったとき、モータのトルクを調整する方法を説明するためのタイミングチャートである。 モータがロック状態になったとき、モータのトルクを調整する制御動作の一例を示すフローチャートである。 モータとインバータを冷却する冷却装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０ 電気自動車、１２ モータ、１８ インバータ、１８ａ〜１８ｆ スイッチング素子、３０ 車両用モータ制御装置（制御装置）。

Claims (6)

1. 車両を駆動するモータがロック状態になったとき、インバータの過熱を防止するために、モータが出力可能な最大トルクと、このトルクより低い低トルクとを繰り返し出力するようにトルクを制御する車両用モータ制御装置において、
   最大トルクが出力されるごとに、三相各相の電気角を測定して三相のうち最も大きい電流が流れる相を検出する相検出手段と、
   今回の最大トルクの出力時に相検出手段により検出される相と、前回の最大トルクの出力時に検出手段により検出された相とが同相であるか否かを判断する同相判断手段と、
   同相判断手段により同相であると判断された場合、その相に対応するインバータのスイッチング素子の温度上昇を抑制する温度上昇抑制手段と、
   を有し、
   温度上昇抑制手段は、今回の出力される最大トルクの出力時間の長さを、前回の出力された最大トルクの出力時間の長さより短くすることを特徴とする車両用モータ制御装置。
2. 請求項１に記載の車両用モータ制御装置において、
   温度上昇抑制手段は、また、今回の出力される最大トルクの後に出力される低トルクの値を、今回の出力される最大トルクの前に出力された低トルクの値より小さくすることを特徴とする車両用モータ制御装置。
3. 請求項１または２に記載の車両用モータ制御装置において、
   温度上昇抑制手段は、さらに、今回の出力される最大トルクからその後に低トルクになるときの期間を、前記の出力された最大トルクからその後に低トルクになったときの期間より短くすることを特徴とする車両用モータ制御装置。
4. 請求項１から３のいずれか１つに記載の車両用モータ制御装置において、
   冷却媒体を循環させてインバータを冷却する冷却手段を有し、
   温度上昇抑制手段は、冷却手段の冷却能力を増大させることを特徴とする車両用モータ制御装置。
5. 請求項４に記載の車両用モータ制御装置において、
   冷却手段は、冷却媒体の熱を放熱する放熱ファンを有し、
   温度上昇抑制手段は、放熱ファンの回転数を増大させて冷却手段の冷却能力を増大させることを特徴とする車両用モータ制御装置。
6. 請求項４または５に記載の車両用モータ制御装置において、
   温度上昇抑制手段は、冷却媒体の循環流量を増大させて冷却手段の冷却能力を増大させることを特徴とする車両用モータ制御装置。
   

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