JP5082495B2

JP5082495B2 - 電動回転機の電源制御装置

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Publication number: JP5082495B2
Application number: JP2007040504A
Authority: JP
Inventors: 誠中村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-02-21
Filing date: 2007-02-21
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2027-02-21
Also published as: JP2008206329A

Description

本発明は、電動回転機の電源制御装置に係り、特に電動回転機の巻線を放電抵抗とし、電源回路のコンデンサの電荷を放電させる電動回転機の電源制御装置に関する。

ハイブリッド車両のようにモータを搭載する車両では、モータに電力を供給する電源回路が設けられる。そして、電源回路においては、例えば、高電圧バッテリである蓄電装置とインバータとの間に電圧平滑のためにコンデンサが設けられる。車両が運行を終えて、イグニッションスイッチがオフになったときに、コンデンサに高圧の電荷が残留されたままであると、電源回路のメンテナンスに支障が出る可能性があるため、コンデンサを放電させることが好ましい。この場合、モータのコイルを放電抵抗として用いてコンデンサの残留電荷を放電させる方法がある。

例えば、特許文献１には、車両駆動モータ制御回路がオフになったときに、バッテリとインバータとの間のコンデンサを確実に放電させるため、ｑ軸電流を０とし、ｄ軸電流を０でない値としてモータ駆動トルクを発生させずにコンデンサ電荷を消費する従来技術が述べられている。

また、特許文献２には、電動機に接続されるインバータ回路において、バッテリと平滑コンデンサとの接続が開離されたとき、センサを用いず全く別の位相関係に基づいて高周波駆動信号を作成し、これを電動機の固定子巻線に印加すると、慣性によって電動機は回転せず、銅損と鉄損とで、コンデンサを放電できることが開示されている。

特開２００５−１１７８６１号公報特開２００４−１５８９２号公報

上記のように、バッテリと回路とが切り離され、同期型電動回転機が駆動されていない状態で電動回転機のコイルを放電抵抗としてコンデンサの電荷を放電するには、ｑ軸電流であるｉ_ｑをゼロとし、ｄ軸電流であるｉ_ｄをゼロとしない制御を行えばよい。

ところで、この状態の制御は、３相同期型電動回転機の場合において、３相に対応し中性点でそれぞれ相互に接続される３つのコイルがあるため、放電電流は、１つのコイルから中性点を通って他の２つのコイルに分流して流れるか、あるいは２つのコイルから中性点を通って残りの１つのコイルに合流して流れるかの形態をとる。したがって、３つのコイルのうち、１つのコイルに流れる電流は他の２つのコイルに流れる電流の和となり、この１つのコイルに電流が集中することになる。

これを３相同期型電動回転機の駆動回路として一般的に用いられる３相インバータ回路に当てはめてみると、この電流集中する１つのコイルに対応するスイッチング素子に流れる電流は、他の２つのコイルに対応するスイッチング素子に流れる電流の和となり、この１相のスイッチング素子に電流集中が生じることになる。この電流集中により、インバータ回路の発熱が増大し、破損に至る恐れがある。

本発明の目的は、電動回転機のコイルを用いてコンデンサの放電を行う場合に、インバータ回路の発熱を抑制することを可能にする電動回転機の電源制御装置を提供することである。

本発明に係る電動回転機の電源制御装置は、電動回転機に接続されるインバータ回路と、蓄電装置とインバータ回路との間に接続されて配置されるコンデンサと、電動回転機の巻線を放電抵抗とし、インバータ回路を介してq軸電流をゼロとしながらｄ軸電流を流してコンデンサの電荷を放電させる際に、ｄ軸電流の流れる方向を所定の反転周期で反転させる制御を行う制御部と、を備え、制御部は、コンデンサの残留電圧の高さに応じてｄ軸電流の反転周期を可変制御することを特徴とする。

また、本発明に係る電動回転機の電源制御装置において、電動回転機は、中性点で各相巻線の一方端がそれぞれ相互に接続され、各相巻線の他方端がインバータ回路の各相接続点にそれぞれ接続される３相電動回転機であり、インバータ回路は、各相巻線のそれぞれに対応し、正極母線と各相接続点と間に配置されて接続される上アームスイッチング素子と、各相接続点と負極母線との間に配置されて接続される下アームスイッチング素子とが直列接続される３相インバータ回路であって、制御部は、インバータ回路の３相のうち１相の上アームスイッチング素子と、他の２相の下アームスイッチング素子のそれぞれとをオンさせて中性点を介し各相コイルに一方方向にｄ軸電流を流す一方方向期間と、インバータ回路の３相のうち、一方方向期間のときにオンしていない２相の上アームスイッチング素子のそれぞれと、一方方向期間のときにオンしていない１相の下アームスイッチング素子とをオンさせて中性点を介し各相コイルに一方方向と逆の他方方向にｄ軸電流を流す他方方向期間と、を繰り返してｄ軸電流の流れる方向を所定の反転周期で反転させることが好ましい。

本発明に係る電動回転機の電源制御装置において、制御部は、コンデンサの残留電圧の高さに応じて、放電に用いられるｄ軸電流の大きさを可変制御することが好ましい。

上記構成により、電動回転機の電源制御装置は、q軸電流をゼロとしながらｄ軸電流を所定の反転周期で反転させる制御を行う。インバータ回路は、上アームと下アームとを有しており、どちらをオンし、どちらをオフするかによって、コイルに流れる電流の方向が変わる。コイルを用いて放電させる場合に、コイルに一方向にｄ軸電流を流すときは、上アームまたは下アームのいずれかが常時オンとなり、このオンとなるスイッチング素子にｄ軸電流が集中することになる。上記構成では、コイルに流すｄ軸電流の方向を周期的に反転させるので、特定のスイッチング素子における電流集中を避けることができ、インバータ回路における発熱集中を緩和することができる。

また、３相電動回転機と３相インバータ回路を用いる場合は、インバータ回路の３相のうち１相の上アームスイッチング素子と、他の２相の下アームスイッチング素子のそれぞれとをオンさせて中性点を介し各相コイルに一方方向にｄ軸電流を流し、次に、一方方向期間のときにオンしていない２相の上アームスイッチング素子のそれぞれと、一方方向期間のときにオンしていない１相の下アームスイッチング素子とをオンさせて中性点を介し各相コイルに一方方向と逆の他方方向にｄ軸電流を流すので、特定のスイッチング素子における電流集中を避けることができ、インバータ回路における発熱集中を緩和することができる。

また、コンデンサの残留電圧の高さに応じてｄ軸電流の反転周期を可変制御する。ｄ軸電流を一方向に流し続けられる許容時間Ｔは、インバータ回路を構成する素子の耐熱特性等の各種特性で定まり、残留電圧が高いときは、許容時間が短い。上記構成によれば、残留電圧に応じて反転周期を可変するので、許容時間に応じて反転周期を可変すれば、効率よく放電を実行することができる。

また、コンデンサの残留電圧の高さに応じて、放電に用いられるｄ軸電流の大きさを可変制御するので、さらに一層効率よく放電を実行することができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、電動回転機として、ハイブリッド車両に搭載されるものを説明するが、一般的に、電動回転機のコイルを用いてコンデンサを放電する構成をとるシステムに備えられる電動回転機であれば、ハイブリッド車両用でなくてもよく、また、車両用でなくてもよい。

また、以下では、電動回転機として、蓄電装置から電力の供給を受けるときはモータとして機能して負荷を回転し、一方で負荷から制動を受けるときは発電機として機能して回生エネルギを回収して蓄電装置を充電するモータ・ジェネレータを説明するが、単にモータの機能のみを有する場合であってもよい。また、発電機として用いられるものであってもよい。また、以下では、電動回転機が１台の場合について説明するが、複数の電動回転機を備えるシステムであってもよい。この場合には、各電動回転機ごとに設けられるインバータ回路について、それぞれ同様の制御を行うことで本発明が実施できる。

また、蓄電装置として、リチウムイオン組電池またはニッケル水素組電池を用いた２次電池を説明するが、それ以外に、例えば、キャパシタのような充放電可能な蓄電装置であってもよい。

なお、以下では、電動回転機の構造を、永久磁石型同期電動機として説明するが、それ以外の同期電動機、例えば、リラクタンス型電動回転機の構造を有するものであってもよい。

図１は、電動回転機の電源制御装置１０の構成を示す図である。ここでは、電動回転機の電源制御装置１０の構成要素ではないが、これに接続される電動回転機としてモータ・ジェネレータ８が示されている。電動回転機の電源制御装置１０は、２次電池からモータ・ジェネレータ８に電力を供給してモータとして機能させて回転駆動する制御を行い、またモータ・ジェネレータ８が発電機として機能するときは回生エネルギを受けとって２次電池を充電する制御を行う。そして、特にここでは、モータ・ジェネレータ８のコイルを放電抵抗として利用し、コンデンサの残留電荷を放電させる制御を行う機能を有する。

モータ・ジェネレータ８は、３相同期型の電動回転機である。これに対応し、電動回転機の電源制御装置１０は、以下の構成を有する。すなわち、２次電池１２と、システムメインリレー（ＳＭＲ）１４と、電圧変換器１６と、両端電圧を電圧検出部１８によって検出される平滑用のコンデンサ２０と、インバータ回路３０と、３相制御回路２２と、制御ＣＰＵ５０と記憶部５２とを含んで構成される。

２次電池１２は、リチウムイオン単電池を複数組み合わせ、またはニッケル水素単電池を複数組み合わせて、２００Ｖから４００Ｖ程度、例えば、約２８８Ｖの高電圧バッテリとした組電池である。

システムメインリレー（ＳＭＲ）１４は、高電圧の２次電池１２側において高電圧電力ラインのオン・オフを行うためのリレーであり、正極母線側と負極母線側にそれぞれ１つずつのリレーが設けられる。また、いずれか側の母線に、電流制限抵抗を接続したもう１つのリレーが設けられる。この電流制限抵抗付きリレーは、これをオンして充電を徐々に行う機能を有する。

電圧変換器１６は、２次電池１２側の電圧から異なる電圧を作り出す回路で、たとえば、２次電池１２の電圧を昇圧してさらに高圧とし、インバータ回路３０に供給する機能を有する。例えば、インバータ回路３０及びモータ・ジェネレータ８を約６００Ｖの高圧で作動させるものとするときは、電圧変換器１６は、２次電池１２の例えば約２８８Ｖの電圧と、この約６００Ｖの電圧との間の電圧変換を行う機能を有する。

図１では、電圧変換器１６が、２次電池１２とインバータ回路３０との間における電圧変換をするものとして示されているが、このほかに、２次電池１２の高電圧と低電圧バッテリとの間における電圧変換を行うものを設けるものとできる。例えば、約１４Ｖの低圧で作動する補機に対し低圧電力を供給する低電圧バッテリのために、２次電池１２の約２８８Ｖの電圧と、この約１４Ｖの電圧との間の電圧変換を行う機能を有するＤＣ／ＤＣコンバータを設けるものとできる。

平滑用のコンデンサ２０は、電圧変換後の正極母線、負極母線の間の電圧変動を吸収し、直流電力として脈動を抑制する機能を有する大容量コンデンサである。コンデンサ２０の両端の電圧は、電圧検出部１８によって検出され、そのデータは制御ＣＰＵ５０に伝送される。

インバータ回路３０は、電圧変換器１６によって電圧変換され、コンデンサ２０によって平滑化された直流電力を、スイッチング素子を用いて、３相駆動信号に変換する機能を有する回路である。なお、モータ・ジェネレータ８が発電機として機能するときは、モータ・ジェネレータ８からの３相回生電力を、スイッチング素子を用いて直流電力に変換する機能を有する。

図２は、インバータ回路３０の構成について、コンデンサ２０とモータ・ジェネレータ８との接続関係を説明する図である。インバータ回路３０は、高電圧ラインの正極母線と負極母線との間に配置され、直列に接続された２つのスイッチング素子と、各スイッチング素子にそれぞれ並列に接続された２つの整流器で構成されたものを１組とし、モータ・ジェネレータ８の各相のコイル、すなわちＵ相コイル２、Ｖ相コイル３、Ｗ相コイル４のそれぞれに対応して１組ずつ、合計３組を含んで構成される。正極母線側に接続されるスイッチング素子と整流器は上アーム３２と呼ばれ、負極母線側に接続されるスイッチング素子と整流器は下アーム３４と呼ばれる。スイッチング素子としては、例えばＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）といった高電圧大電力用スイッチング素子を用いることができ、整流器としては大電力用ダイオードを用いることができる。

図２に示されるように、モータ・ジェネレータ８のＵ相コイル２、Ｖ相コイル３、Ｗ相コイル４の一方端はそれぞれ共通に接続される。この共通接続点が中性点である。また、例えば、Ｗ相コイル４の他方端は、Ｗ相コイル４用の上アーム３２と下アーム３４との接続点に接続される。同様に、Ｕ相コイル２の他方端は、Ｕ相コイル２用の上アーム３２と下アーム３４との接続点に接続される。同様に、Ｖ相コイル３の他方端は、Ｖ相コイル３用の上アーム３２と下アーム３４との接続点に接続される。

再び図１に戻り、３相制御回路２２は、制御ＣＰＵ５０からの指令に応じ、インバータ回路３０の各上アーム３２、各下アーム３４のそれぞれのスイッチング素子に対する制御信号を生成する機能を有する回路である。例えば、制御ＣＰＵ５０からトルク指令が与えられると、トルク指令に応じたｄ軸電流ｉ_ｄの指令値及びｑ軸電流ｉ_ｑの指令値をマップ等の参照手段から求め、求められた決定されたｉ_ｄの指令値及びｉ_ｑの指令値から３相駆動電圧Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗをマップ等から求め、求められた３相駆動電圧Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗに対応するオン・オフデューティをＰＷＭ技術によって求め、これを対応する各スイッチング素子に供給する。なお、マップの参照処理に代えて計算式に基づく演算処理を実行することで、各スイッチング素子に対する制御信号を生成することもできる。これらのマップ、計算式等の参照手段は、記憶部５２に記憶させておき、必要に応じて読み出すものとできる。

制御ＣＰＵ５０から、放電処理の指令が出されるときは、ｑ軸電流ｉ_ｑの指令値＝０で、ｄ軸電流ｉ_ｄの指令値が指定されるので、この条件の下で、３相駆動電圧Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗをマップ等から求め、求められた３相駆動電圧Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗに対応するオン・オフデューティをＰＷＭ技術によって求め、これを対応する各スイッチング素子に供給することになる。

図３は、ＰＷＭ技術によって、各スイッチング素子に与えられるオン・オフデューティが生成される様子を説明する図である。図３は横軸に時間をとり、縦軸に電圧をとり、時間軸を揃えて、キャリア信号７０と、駆動電圧信号７２として、例えばＵ相用の駆動電圧Ｖ_Ｕと、Ｕ相用の上アーム３２のスイッチング素子に与えられるパルス信号７４とが示されている。キャリア信号７０は、ＰＷＭ技術において、各相用の駆動電圧信号７２の大きさに応じ、これを、一定電圧振幅を有するパルス信号７４のオン・オフデューティに変換するために用いられる信号である。キャリア信号７０は、一般的には、図３に示されるように三角波信号が用いられる。三角波の周波数は、人間の可聴周波数域を避けて、例えば、約５ｋＨｚから約１０ｋＨｚの範囲に設定されることが好ましい。

この三角波のキャリア信号７０の電圧の高さと、駆動電圧信号７２の電圧の高さを比較し、例えば、前者が高いときにパルス信号７４をハイレベルとし、後者が高いときにローレベルとすることで、駆動電圧信号７２の電圧の高さを、パルス信号７４のオン・オフデューティの大きさに変換することができる。

したがって、スイッチング素子を常時オンのままとすることも、常時オフのままとすることも、駆動電圧の高さを制御することで実現できる。これを放電制御のときの３相制御回路２２の機能について言い換えると、制御ＣＰＵ５０からのｑ軸電流ｉ_ｑの指令値＝０で、ｄ軸電流ｉ_ｄの指令値が指定された条件の下で、各スイッチング素子のオン・オフデューティを生成することができる。

制御ＣＰＵ５０は、電動回転機の電源制御装置１０の各構成要素の作動を統合的に制御する機能を有する。かかる制御ＣＰＵ５０は、車両搭載用のコンピュータで構成することができる。なお、制御ＣＰＵ５０を独立のコンピュータとして構成することもでき、また、車両に別のコンピュータが搭載されているときは、制御ＣＰＵ５０の機能を、そのコンピュータの機能に含ませるものとすることもできる。例えば、ハイブリッドＣＰＵが別に搭載されるときは、制御ＣＰＵ５０の機能を、ハイブリッドＣＰＵの機能に含ませることができる。

制御ＣＰＵ５０は、モータ・ジェネレータ８の駆動及び回生を制御する駆動・回生制御部５４と、モータ・ジェネレータ８のコイルを用いてコンデンサ２０を放電させる制御を行う放電制御部６０とを含んで構成される。駆動・回生制御部５４は、モータ・ジェネレータ８をモータして作動させるときに、例えばトルク指令を３相制御回路２２に与え、インバータ回路３０を構成する各スイッチング素子の制御信号を生成させる機能を有する。モータ・ジェネレータ８が発電機として作動させるときは、制動トルクに相当するトルク指令を与えることで、インバータ回路３０を構成する各スイッチング素子の制御信号を生成させる機能を有する。

放電制御部６０は、ｄ軸電流ｉ_ｄを所定の反転周期で反転させることでインバータ回路３０の上アームと下アームとを周期的に交互にオン・オフ制御するｉ_ｄ反転モジュール６２と、コンデンサ２０の残留電圧の高さに応じてｄ軸電流ｉ_ｄの反転周期を可変制御する反転周期可変モジュール６４と、コンデンサ２０の残留電圧の高さに応じて、ｄ軸電流ｉ_ｄの大きさを可変制御する電流値可変モジュール６６を含んで構成される。

駆動・回生制御部５４、放電制御部６０の各機能は、ソフトウェアで実現でき、具体的には、電動回転機の電源制御プログラムを実行することで実現できる。これらの機能の一部をハードウェアで実現することもできる。以下では、図１から図３までの符号を用いて説明する。

制御ＣＰＵ５０に接続される記憶部５２は、電動回転機の電源制御プログラムを記憶する他、３相制御回路２２の機能の実行に必要な各種マップあるいは計算式等を記憶する。特に、後述する放電制御に用いられるマップ、たとえば、ｄ軸電流を流せる許容時間Ｔと残存電圧Ｖとの関係マップ等を記憶する機能を有する。

以下に、上記構成の作用、特に制御ＣＰＵ５０の放電制御部６０の各機能につき、以下に説明する。最初に、放電制御におけるｄ軸電流の流れ方について図４、図５を用いて説明し、その後、放電制御部６０の各機能についてフローチャートおよび関連図面を用いて説明する。

放電制御においては、ｑ軸電流ｉ_ｑをゼロとし、ｄ軸電流ｉ_ｄをゼロでないある値とする。ここで、ｑ軸電流ｉ_ｑ、ｄ軸電流ｉ_ｄというのは、同期電動機におけるベクトル制御で用いられるもので、ｑ軸電流ｉ_ｑがトルク発生に用いられる電流で、ｄ軸電流ｉ_ｄが回転磁界を生成するための電流に相当する。ｑ軸電流ｉ_ｑをゼロとし、ｄ軸電流ｉ_ｄをゼロでないある値とすることは、モータ・ジェネレータ８にトルクを発生させることなく、コイルに電流を流すことを意味する。典型的な例は、モータ・ジェネレータ８のロータ磁石のちょうどその磁極の位置に回転磁界を一致させることで、トルクを発生させず、コイルに電流を流すことができる。ロータ磁石と回転磁界との位相関係は、適当なセンサを用いて検出できる。例えば、レゾルバ等の位相検出手段を用いることができる。

図４は、従来技術による放電制御を説明するものである。図４は、モータ・ジェネレータ８のＵ相コイル２に電流を流し込み、その電流を中性点からＶ相コイル３とＷ相コイル４から流れ出すようにした場合である。このように各コイルに電流を流すことで形成される磁界のベクトル的位置が、ちょうどロータ磁石のベクトル的位置と一致するようにすれば、トルク発生をゼロにして、各コイルに電流を流し、コンデンサ２０の電荷を放電させることができる。具体的には、インバータ回路３０のＵ相用の上アーム３２をオンさせ、Ｖ相用の下アーム３４と、Ｗ相用の下アーム３４とを共にオンさせる。

このように、インバータ回路３０の各スイッチング素子のオン・オフを制御することで、コンデンサ２０の残留電荷は、正極母線からＵ相用の上アーム３２を通ってＵ相コイル２に流れ込み、流れ込んだ電流はＶ相コイル３とＷ相コイル４とに分流して、それぞれＵ相用の下アーム３４、Ｗ相用の下アーム３４を通って負極母線に流れる。これによって、コンデンサ２０の残留電荷が、モータ・ジェネレータ８のコイルを放電抵抗として利用して放電される。

図４の例では、Ｕ相コイル２に流れる電流は、Ｖ相コイル３、Ｗ相コイル４にそれぞれ流れる電流の２倍となる。同様に、インバータ回路３０において、Ｕ相用上アーム３２のスイッチング素子に流れる電流は、Ｖ相用下アーム３４のスイッチング素子、Ｗ相用下アーム３４のスイッチング素子にそれぞれ流れる電流の２倍である。つまり、他の相に比べＵ相に電流集中が生じる。Ｖ相コイル３に電流が流れ込み、これをＵ相コイル２とＷ相コイル４とに分流する場合、あるいは、Ｗ相コイル４に電流が流れ込み、これをＵ相コイル２とＶ相コイル３とに分流する場合においても、同様に、特定の相に電流集中が生じる。

これにより、インバータ回路３０における特定の素子が特に発熱し、これによってインバータ回路３０の特性が制限され、あるいは場合によって破損する恐れがある。これが従来技術の問題点であった。この発熱による損傷を避けるため、インバータ回路３０が損傷しない程度の電流で放電すると、放電時間が長時間に及ぶことになる。車両においては、コンデンサ２０の放電制御は、車両が運行していないときに行われるので、放電制御のために長時間にわたり、車両の制御部が作動しているのは好ましくない。また、放電を速くするために、キャリア信号の周波数を低下させることが考えられるが、上記のように、キャリア信号の周波数は人間の可聴周波数を避けるように設定されているので、周波数を変更すると、人間の可聴周波数に入ることがあり、車両が運行停止中にも関らず、異音を発生することになり、好ましくない。

そこで、インバータ回路３０における特定の素子に電流が集中することを避ける方法として、放電電流の流れる方向を周期的に変更することがよい。図５は、図４に対し、電流の流れる方向を逆にするときの様子を示す図である。ここでは、Ｖ相コイル３とＷ相コイル４から流れ込んだ電流が、合流してＵ相コイル２に流れ込む。このとき、インバータ回路３０においては、Ｕ相用下アーム３４と、Ｖ相用上アーム３２と、Ｗ相用上アーム３２とに電流が流れる。つまり、電流が流れる素子は、図４において電流が流れていない素子である。したがって、図４の状態と図５の状態とを交互に繰り返せば、インバータ回路３０を構成する各素子に分散して電流が流れ、いずれか一方の状態を継続することに比べ、各素子に流れる電流が平均として低下する。したがって、インバータ回路３０の全体としては、放電電流の大きさを大きく設定しても、特定の素子に電流が集中しないので、発熱を抑制することができる。

次に、制御ＣＰＵ５０の放電制御部６０の各機能について、フローチャートおよび関連図面を用いて説明する。以下では、図１から図５の符号を用いて説明する。図６は、放電制御部６０の基本的な作用を説明するフローチャートである。図６のフローチャートは、放電制御の手順を示すもので、各手順の内容は、電動回転機の電源制御プログラムの放電制御部分の各処理手順に対応する。図６の各手順は、制御ＣＰＵ５０の放電制御部６０のｉ_ｄ反転モジュール６２の機能によって実行される。

図６において、放電制御を実行しようとするときは、ｑ軸電流ｉ_ｑがゼロ、ｄ軸電流ｉ_ｄがゼロでない所定の値に設定される（Ｓ１０）。ｄ軸電流ｉ_ｄの値は、図４、図５から分かるように、放電電流の大きさに対応する。設定された条件は、３相制御回路２２に与えられ、上記で説明したように、インバータ回路３０の各スイッチング素子に対するオン・オフデューティが求められて、インバータ回路３０の動作が制御される。図４、図５の例では、ロータ磁石とコイルの位置が一致しているものとして説明したが、一致していない場合には、３つのコイルによって形成される磁界がロータ磁石の位置に一致するように、各スイッチング素子のオン・オフデューティが計算され、指示されることになる。

次に、Ｓ１０の設定からの経過時間が、所定の時間Ｔ_０を超えるか否かが判断される（Ｓ１２）。ここで、所定の時間Ｔ_０とは、インバータ回路３０において、特定の素子に電流集中が生じても、特性に影響なく、特に損傷の恐れがない連続放電時間である。例えば、Ｓ１０において、図４の状態に設定が行われたとすると、Ｕ相用上アーム３２のスイッチング素子に他のスイッチング素子の２倍の電流が流れ、ここで最も発熱する。この状態を継続すると、インバータ回路３０の全体の特性に影響が生じることが考えられるが、その影響が生じない放電時間である。換言すれば、図４の状態を継続して、インバータ回路３０の特性に影響を与えない限度の時間がＴ_０である。もちろん、適当な余裕度を持たせてＴ_０を設定できる。したがって、所定の時間Ｔ_０を、同一状態を連続的に維持できる許容時間、あるいは単に許容時間と呼ぶことができる。

許容時間は、素子に流れる電流が多ければ短くなる。すなわち、コンデンサ２０の残存電圧Ｖが高いほど、許容時間は短くなる。許容時間を一般的にＴとして示すと、残存電圧Ｖと許容時間Ｔの関係は、インバータ回路３０の放熱構造および放熱特性が定まれば、予め求めておくことができる。図７は、残存電圧Ｖと許容時間Ｔの関係の一例を示す図である。この関係は、マップあるいは計算式にして、記憶部５２に記憶しておくことができる。例えば、検索キーを「ｉ_ｄ反転」とし、次に、残存電圧Ｖを検索キーとすることで、その条件での許容時間Ｔを読み出せるものとすることができる。なお、残存電圧Ｖは、図１における電圧検出部１８によって検出され、制御ＣＰＵ５０に伝送されるので、これを取得して用いることができる。

経過時間がＴ_０を超えない間は、残存電圧Ｖが監視され、所定の規定値未満に到達するか否かが判断される（Ｓ１６）。所定の規定値とは、コンデンサ２０が十分に放電したと判断される電圧である。所定の規定値未満に到達すれば、ここで放電処理は終了する。Ｓ１６の判断が否定されると、Ｓ１０にもどり、放電制御がそのままの状態で継続される。

経過時間がＴ_０を超えたと判断されるとＳ１４に進み、ｉ_ｄ反転が実行される（Ｓ１４）。具体的には、Ｓ１０で設定されたｉ_ｄの絶対値をそのままにして、符号を反転して、３相制御回路２２に指示が与えられる。上記の例で言えば、図４の状態から図５の状態に切り換えられる。そして、反転された状態で、再びＳ１２の判断が行われる。ここでは、経過時間は、Ｓ１４から起算される。そして、再び経過時間がＴ_０を超えると判断されると、またｉ_ｄが反転される。上記の例で言えば、図４の状態に再び戻る。Ｓ１６において判断が肯定とならない限り、これらの手順が繰り返される。上記の例で言えば、図４の状態−図５の状態−図４の状態−図５の状態−と、順次繰り返される。そして、コンデンサ２０の残存電荷は、モータ・ジェネレータ８のコイルを放電抵抗として、次第に少なくなり、残存電圧が低下する。そして、Ｓ１６の判断が肯定となったところで、放電制御が終了する。

上記手順の進行の様子と、残存電圧Ｖの経過の様子を図８に示す。図８（ａ）は、横軸に時間、縦軸に残存電圧Ｖをとって、放電制御の進展に伴って残存電圧Ｖがどのように低下するか、を示したもので、初期値がＶ_１、所定の規定値がＶ_０で示されている。図８（ｂ）は、（ａ）と時間軸を共通にして横軸にとり、縦軸にｄ軸電流ｉ_ｄをとったもので、図７に示す特性図に従い、初期残存電圧Ｖ_１に対応する許容時間Ｔ_０の反転周期で、ｄ軸電流ｉ_ｄが反転される様子が示されている。そして、残存電圧Ｖが規定値Ｖ_０に到達した時点で、ｄ軸電流ｉ_ｄ＝０とされ、ここで放電制御が終了することが示されている。

このように、ｄ軸電流ｉ_ｄを所定の反転周期で反転させ、インバータ回路３０の上アームと下アームとを周期的に交互にオン・オフ制御することで、インバータ回路３０の発熱を全体として抑制することができる。

図６のフローチャートの例では、ｄ軸電流ｉ_ｄの反転周期を固定としたが、放電が進行して残存電圧Ｖが低下すると、インバータ回路３０における発熱も少なくなるので、許容時間を長く取ることが可能となる。図９は、コンデンサの残留電圧の高さに応じてｄ軸電流の反転周期を可変して放電制御を行うものとしたフローチャートである。以下では、図１から図８までの符号を用いて説明する。このフローチャートの手順は、制御ＣＰＵ５０の放電制御部６０の反転周期可変モジュール６４の機能によって実行される。

図９において用いられる許容時間は、図１０に示されている。すなわち、残存電圧Ｖが、初期値Ｖ_１のときは、許容時間Ｔ_１を用い、許容時間Ｔ_１を用いて放電が進行し、残存電圧ＶがＶ_２となると、許容時間Ｔ_２を用いる。Ｖ_２がＶ_１より小さくなるので、Ｔ_２はＴ_１より長くできる。そして、許容時間Ｔ_２を用いて放電が進行し、残存電圧ＶがＶ_３となると、許容時間Ｔ_３を用いる。Ｖ_３がＶ_２より小さくなるので、Ｔ_３はＴ_２よりさらに長くできる。このように、残存電圧Ｖに応じて、許容時間が変更されて設定される。

反転周期可変による放電制御の図９のフローチャートにおいては、まず残存電圧が入力され、これが取得される（Ｓ２０）。残存電圧は、上記のように、電圧検出部１８によって検出され、制御ＣＰＵ５０に入力されるので、これを取得することができる。次に、残存電圧Ｖ_ｉに応じて許容時間Ｔ_ｉが設定される（Ｓ２２）。具体的には、図１０のマップまたはこれに相当する参照手段を記憶部５２から読み出し、いまの場合、残存電圧の初期値Ｖ_１に対応する許容時間Ｔ１が設定される。

Ｓ２２の後は、Ｓ２４の工程が行われる。この工程は、図６におけるＳ１０と同様の内容で、ｑ軸電流ｉ_ｑがゼロ、ｄ軸電流ｉ_ｄがゼロでない所定の値の放電電流値に設定される。そして、経過時間が許容時間Ｔ_ｉを超えるか否かが判断される（Ｓ２６）。いまの場合、Ｔ_ｉは、Ｔ_１であるので、図６のＳ１２と同じ内容である。経過時間がＴ_ｉを超えない間は、残存電圧Ｖが監視され、所定の規定値未満に到達するか否かが判断される（Ｓ３６）。この工程の内容も図６のＳ１６と同じ内容である。Ｓ３６の判断が否定されると、Ｓ２４にもどり、放電制御がそのままの状態で継続される。

経過時間がＴ_ｉを超えたと判断されると、ｉ_ｄ反転が実行される（Ｓ２８）。そして、経過時間が許容時間Ｔ_ｉを超えるか否かが判断される（Ｓ３０）。この内容は、ｉ_ｄが反転されていることを除けば、Ｓ２６と同じ内容である。そして経過時間がＴ_ｉを超えない間は、残存電圧Ｖが監視され、所定の規定値未満に到達するか否かが判断される（Ｓ３２）。この工程の内容もｉ_ｄが反転されていることを除けば、Ｓ３６と同じ内容である。Ｓ３２の判断が否定されると、Ｓ３０にもどり、放電制御がそのままの状態で継続される。つまり、ｉ_ｄ反転の状態が維持される。

Ｓ３０において判断が肯定されると、すなわち、いまの場合、ｉ_ｄ反転状態でＴ_１が経過すると、再びｉ_ｄが反転される（Ｓ３４）。図４の状態と図５の状態を利用して説明すると、図４の状態でＴ_１が経過して、図５の状態となり、さらにＴ_１が経過して、図４の状態に戻る。いま、図４の状態を負の値の放電、図５の状態を正の値の放電と仮に呼ぶことにすれば、ｄ軸電流が反転するまでの許容時間Ｔを反転周期Ｔと呼ぶことにして、反転周期Ｔ_１で、ｉ_ｄが負の値の放電と正の値の放電をそれぞれ１回ずつ行ったことになる。

この状態で、Ｓ２０に戻り、残存電圧が入力され、取得される（Ｓ２０）。ここでは、反転周期Ｔ_１で、ｉ_ｄが負の値の放電と正の値の放電をそれぞれ１回ずつ行った後の残存電圧が取得される。図１０の例では、Ｖ_２が入力され取得されることになる。そして、残存電圧Ｖ_ｉに応じて許容時間Ｔ_ｉが設定される（Ｓ２２）。いまの場合、残存電圧Ｖ_２に応じて、許容時間Ｔ_２が設定される。以後、Ｓ２４以降の手順が実行される。

Ｓ３６の判断が肯定されず、また、Ｓ３２の判断が肯定されない限り、上記で述べた手順が繰り返されるので、ｉ_ｄ反転状態でＴ_２が経過すると、再びｉ_ｄが反転される。そしてさらにＴ_２が経過して、つまり、反転周期Ｔ_２で、ｉ_ｄが負の値の放電と正の値の放電をそれぞれ１回ずつ行われると、再びＳ２０に戻り、残存電圧が入力される。図１０に従えばいまの場合、Ｖ_３が入力され、Ｓ２２において、許容時間Ｔ_３が設定される。

このように、ｉ_ｄが負の値の放電と正の値の放電をそれぞれ１回ずつ行われるたびに、残存電圧が検出され、その残存電圧に応じて許容時間が新しく設定される。このようにして、放電を繰り返すと、次第に残存電圧が低くなり、Ｓ３２またはＳ３６の判断が肯定される。そこで、放電制御が終了する。

その様子を図１１に示す。図１１の横軸、縦軸は、図８（ｂ）と同様である。このように、ｉ_ｄが負の値の放電と正の値の放電をそれぞれ１回ずつ行われるたびに、ｉ_ｄの反転周期が変更され、次第に長くなってくる。このようにして、インバータ回路３０の全体的な発熱を抑制しながら、放電制御を行うことができる。図６の例の場合は、反転周期が一定であったが、図１１の場合は、放電の進展に合わせて反転周期の長さを長くできる。したがって、インバータ回路３０の発熱に合わせて、反転周期を次第に長くでき、効率よく放電を行わせることができる。

なお、上記の例では、ｉ_ｄが負の値の放電と正の値の放電をそれぞれ１回ずつ行われるたびに、ｉ_ｄの反転周期が変更されるものとしたが、ｉ_ｄが負の値の放電と正の値の放電をそれぞれ複数回ずつ行った後にｉ_ｄの反転周期が変更されるものとしてもよい。

図９の例において、ｉ_ｄが負の値の放電と正の値の放電をそれぞれ１回ずつ、あるいはｎ回行われるたびに、ｉ_ｄの反転周期を変更するものとしたが、ｉ_ｄの反転周期の変更に代えて、あるいはｉ_ｄの反転周期の変更に合わせて、放電に用いられるｄ軸電流の大きさを可変するものとできる。放電に用いられるｄ軸電流の大きさは、放電制御において、ｉ_ｑ＝０とし、ｉ_ｄを放電電流として設定されるゼロでない値として、３相制御回路２２に指令を出す際に、ｉ_ｄ電流の大きさを、コンデンサの残留電圧の高さに応じて、変更するものとして、実行することができる。具体的には、図９において、Ｓ２２の内容を、コンデンサにおける残存電圧Ｖ_ｉに応じてｄ軸電流ｉ_ｄｉを設定するものとして、その他の手順を、図９で説明したものと同様な様な内容で実行することで実現できる。

実際には、残存電圧Ｖ_ｉに応じてｄ軸電流ｉ_ｄｉを設定することになると、ｄ軸電流ｉ_ｄｉの大きさによって許容時間Ｔが異なってくる。したがって、残存電圧Ｖ_ｉに応じてｄ軸電流ｉ_ｄｉを設定するとともに、許容時間Ｔ_ｉを設定することになる。その様子を図１２に示す。残存電圧Ｖ_ｉとｄ軸電流ｉ_ｄｉの対応関係は、インバータ回路３０の放熱特性等に基づいて予め求めておき、記憶部５２に記憶するものとできる。

図１２に示されるように、放電の始期である最初の残存電圧Ｖ_１のときに、最も大きな値のｄ軸電流ｉ_ｄ１を設定する。そしてｄ軸電流ｉ_ｄ１に対応する残存電圧Ｖと許容時間Ｔとの対応関係を記憶部５２から読み出し、残存電圧Ｖ_１に対応する許容時間Ｔ_１を求める。こうして、残存電圧Ｖ_１においてｄ軸電流ｉ_ｄ１と、許容時間Ｔ_１の設定が行われる。この設定に基づいて、図９のＳ２４以下が実行されることになる。

そして、ｄ軸電流ｉ_ｄ１での放電が行われ許容時間Ｔ_１が経過すると、図９のＳ２８におけると同様に、ｉ_ｄ反転が行われる。そして、電流値の絶対値がｉ_ｄ１のままで、コイルに流れる方向を逆にして放電が行われ再び許容時間Ｔ_１が経過すると、図９のＳ３４におけると同様に、次のｉ_ｄ反転が行われる。

そして、残存電圧が測定される。残存電圧をＶ_２として、残存電圧Ｖ_２に応じたｄ軸電流ｉ_ｄ２が設定される。ｄ軸電流の設定は、上記のように記憶部５２に記憶された残存電圧とｄ軸電流の対応関係を読み出し、その対応関係に測定された残存電圧を適用することで行われる。その様子は図１２に示される通りで、残存電圧Ｖ_２に応じたｄ軸電流ｉ_ｄ２は、残存電圧Ｖ_１に応じて設定されたｄ軸電流ｉ_ｄ１よりも小さい。

このようにして、残存電圧Ｖ_２に応じてｄ軸電流ｉ_ｄ２が設定されると、ｄ軸電流ｉ_ｄ２に対応する残存電圧Ｖと許容時間Ｔとの対応関係を記憶部５２から読み出し、残存電圧Ｖ_２に対応する許容時間Ｔ_２を求める。この様子も図１２に示されている。こうして、残存電圧Ｖ_２においてｄ軸電流ｉ_ｄ２と、許容時間Ｔ_２の設定が行われる。この設定に基づいて、図９のＳ２４以下が再び実行されることになる。

その様子が図１３に示される。図１３の横軸、縦軸は、図１１と同様である。このように、ｉ_ｄが負の値の放電と正の値の放電をそれぞれ１回ずつ行われるたびに、ｉ_ｄの大きさと、反転周期とが変更され、放電電流が次第に小さく、反転周期が次第に長くなってくる。このようにして、インバータ回路３０の全体的な発熱を抑制しながら、放電制御を行うことができる。図６、図１１の例の場合は、ｄ軸電流の絶対値の大きさが一定であったが、図１３の場合は、放電の進展に合わせてｄ軸電流の大きさを小さくできる。したがって、インバータ回路３０の発熱に合わせて、ｄ軸電流を次第に小さくでき、効率よく放電を行わせることができる。

なお、上記の例では、ｉ_ｄが負の値の放電と正の値の放電をそれぞれ１回ずつ行われるたびに、ｄ軸電流の大きさと、ｉ_ｄの反転周期とが変更されるものとしたが、ｉ_ｄが負の値の放電と正の値の放電をそれぞれ複数回ずつ行った後にｉ_ｄの反転周期が変更されるものとしてもよい。

本発明に係る実施の形態における電動回転機の電源制御装置の構成を示す図である。本発明に係る実施の形態において、インバータ回路の構成について、コンデンサと電動回転機との接続関係を説明する図である。ＰＷＭ技術によって、各スイッチング素子に与えられるオン・オフデューティが生成される様子を説明する図である。従来技術による放電制御を説明するものである。本発明に係る実施の形態において用いられ、図４に対し、電流の流れる方向を逆にするときの様子を示す図である。本発明に係る実施の形態における放電制御部の基本的な作用を説明するフローチャートである。本発明に係る実施の形態において、残存電圧Ｖと許容時間Ｔの関係の一例を示す図である。本発明に係る実施の形態において、放電制御の手順の進行の様子と、残存電圧Ｖの経過の様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、コンデンサの残留電圧の高さに応じてｄ軸電流の反転周期を可変して放電制御を行うものとしたフローチャートである。本発明に係る実施の形態において、図９で用いられる許容時間を求める様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、図９の放電制御の様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、残存電圧Ｖ_ｉに応じてｄ軸電流ｉ_ｄｉを設定するとともに、許容時間Ｔ_ｉを設定する様子を示す図である。本発明に係る実施の形態において、図１２を用いた放電制御の様子を示す図である。

符号の説明

２Ｕ相コイル、３Ｖ相コイル、４Ｗ相コイル、８モータ・ジェネレータ、１０電動回転機の電源制御装置、１２２次電池、１４ＳＭＲ、１６電圧変換器、１８電圧検出部、２０コンデンサ、２２３相制御回路、３０インバータ回路、３２上アーム、３４下アーム、５０制御ＣＰＵ、５２記憶部、５４駆動・回生制御部、６０放電制御部、６２ｉ_ｄ反転モジュール、６４反転周期可変モジュール、６６電流値可変モジュール、７０キャリア信号、７２駆動電圧信号、７４パルス信号。

Claims

電動回転機に接続されるインバータ回路と、
蓄電装置とインバータ回路との間に接続されて配置されるコンデンサと、
電動回転機の巻線を放電抵抗とし、インバータ回路を介してq軸電流をゼロとしながらｄ軸電流を流してコンデンサの電荷を放電させる際に、ｄ軸電流の流れる方向を所定の反転周期で反転させる制御を行う制御部と、
を備え、
制御部は、コンデンサの残留電圧の高さに応じてｄ軸電流の反転周期を可変制御することを特徴とする電動回転機の電源制御装置。
請求項１に記載の電動回転機の電源制御装置において、
電動回転機は、中性点で各相巻線の一方端がそれぞれ相互に接続され、各相巻線の他方端がインバータ回路の各相接続点にそれぞれ接続される３相電動回転機であり、
インバータ回路は、各相巻線のそれぞれに対応し、正極母線と各相接続点と間に配置されて接続される上アームスイッチング素子と、各相接続点と負極母線との間に配置されて接続される下アームスイッチング素子とが直列接続される３相インバータ回路であって、
制御部は、
インバータ回路の３相のうち１相の上アームスイッチング素子と、他の２相の下アームスイッチング素子のそれぞれとをオンさせて中性点を介し各相コイルに一方方向にｄ軸電流を流す一方方向期間と、
インバータ回路の３相のうち、一方方向期間のときにオンしていない２相の上アームスイッチング素子のそれぞれと、一方方向期間のときにオンしていない１相の下アームスイッチング素子とをオンさせて中性点を介し各相コイルに一方方向と逆の他方方向にｄ軸電流を流す他方方向期間と、
を繰り返してｄ軸電流の流れる方向を所定の反転周期で反転させることを特徴とする電動回転機の電源制御装置。
請求項１または請求項２に記載の電動回転機の電源制御装置において、
制御部は、コンデンサの残留電圧の高さに応じて、放電に用いられるｄ軸電流の大きさを可変制御することを特徴とする電動回転機の電源制御装置。