JP5123538B2 - 電動圧縮機の制御装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、空気調和機を構成する電動圧縮機の制御装置および方法に関する。

従来、自動車用の空気調和機においては、冷媒を圧縮するための圧縮機の駆動に、自動車のエンジンの駆動力を用いていた。これに対し、近年、電気自動車等の実用化に伴い、電動のモータを圧縮機の駆動源とする、いわゆる電動圧縮機が開発されている。

このような電動圧縮機においては、エンジンに比較するとモータで発生できる駆動トルクが小さいために、特に起動時において、圧縮機の入口側と出口側との冷媒の差圧が大きいと、圧縮機が起動できないことがある。これは、差圧が大きいために圧縮機を起動しようとするモータの負荷が過大となり、モータの駆動制御回路において、モータ保護のための過電流保護機能が働くためである。

このため、圧縮機の入口側と出口側の差圧を検出する差圧センサを設け、この差圧センサでの検出値に応じ、圧縮機を起動する際にモータに流れる電流が過大であるか否かを判断するための閾値を変動させたり、モータに印加する電圧を制御する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００６−２９３４２号公報

しかしながら、特許文献１にて提案されたような手法では、制御が複雑化するとともに、差圧センサが必要となり、電動圧縮機の部品点数の増加による重量増加、コスト増加、組立の手間の増大等を招く。また、差圧センサが故障すれば機能が発揮できなくなり、信頼性確保の上でも改善の余地がある。

また、空気調和機を停止させたときの運転状態によっては、圧縮機の入口側と出口側の冷媒の差圧が大きいことがある。さらに、空気調和機を停止させて長時間が経過している場合等においては、出口側の冷媒がガス状態から液状態になってしまい、液圧縮することでモータ過負荷となってしまうこともある。このような場合、従来手法では、圧縮機を起動させて空気調和機を正常に運転させるまでには時間が掛かる。特に自動車用の空気調和機の場合、起動を迅速に行い、かつ起動直後から強力な運転を行いたいというニーズがある。したがって、いかなる場合においても圧縮機を迅速に立ち上げることが望まれており、この点において一層の改善の余地がある。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、より簡易、低コストな構成で電動圧縮機の迅速な起動を可能とし、さらに電動圧縮機の軽量化、コスト低減、組立の手間の軽減等を実現することのできる電動圧縮機の制御装置および方法を提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明の電動圧縮機の制御装置は、空気調和機を構成する圧縮機をモータで駆動する電動圧縮機の制御装置であって、この制御装置で実行される処理は、モータの起動を開始するときに、モータの回転数を予め定めた第一の回転数以下に抑え、圧縮機の入口側と出口側の冷媒の差圧によるモータ過負荷を回避する処理と、モータの回転数を第一の回転数以上の第二の回転数まで上昇させる処理と、を含み、モータ過負荷を回避する処理においては、モータの回転数の上昇率Ｓ１を、モータの回転数を第二の回転数まで上昇させる処理におけるモータの回転数の上昇率Ｓ２よりも低く設定し、
モータの起動を開始した直後は、モータの回転数の上昇率Ｓ１よりも高い上昇率Ｓ３でモータの回転数を上昇させるとともに、モータを駆動するために供給する電流が予め定めたしきい値を超えたときに、モータの起動を中止した後、モータ過負荷を回避する処理に移行することを特徴とする。
このとき、冷媒の差圧によるモータ過負荷を回避する処理においては、モータの回転数を第一の回転数以下に抑えることで、圧縮機の出口側で液化した冷媒を押し出すことができる。これにより、差圧が大きい場合においても、モータの起動が可能となる。
ここで、上昇率Ｓ１は０を含む。すなわち、冷媒の差圧によるモータ過負荷を回避する処理においては、モータの回転数を低く抑える期間を設けるのである。
また、本発明の電動圧縮機の制御装置で実行される処理は、上昇率Ｓ１でモータの回転数を上昇させる処理と、上昇率Ｓ２でモータの回転数を上昇させる処理との間に、上昇率Ｓ１よりも大きくかつ上昇率Ｓ３以下である上昇率Ｓ１´でモータの回転数を上昇させる処理を含むことが好ましい。

本発明では、通常時は、高い上昇率Ｓ３でモータの回転数を上昇させて起動し、モータに過電流が流れたときに、冷媒の差圧によるモータ過負荷を回避する処理を行うのである。これによって、差圧が小さい場合には高い上昇率Ｓ３でモータの回転数を上昇させて迅速な起動が行える。

本発明は、空気調和機を構成する圧縮機をモータで駆動する電動圧縮機の制御方法であって、モータの起動を開始するときに、モータ過負荷を回避する処理のためにモータの回転数の上昇率を予め定めた上昇率Ｓ１以下に維持する期間と、モータの回転数の上昇率を、上昇率Ｓ１以上の上昇率Ｓ２とし、予め定めた回転数まで上昇させる期間と、を含み、モータの起動を開始した直後、上昇率Ｓ１よりも高い上昇率Ｓ３でモータの回転数を上昇させ、モータを駆動するために供給する電流が予め定めたしきい値を超えたときに、モータの起動を中止した後、上昇率Ｓ１以下に維持する期間に移行することを特徴とする電動圧縮機の制御方法とすることもできる。
また、本発明の電動圧縮機の制御方法では、上昇率Ｓ１以下に維持する期間と、上昇率Ｓ２でモータの回転数を上昇させる期間との間に、上昇率Ｓ１よりも大きくかつ上昇率Ｓ３以下である上昇率Ｓ１´でモータの回転数を上昇させる期間を含むことが好ましい。

本発明によれば、電動圧縮機のモータを起動するに際し、圧縮機の入口側と出口側に大きな差圧が生じている場合においても、モータを低い回転数で起動させることにより、液状になった冷媒を押し出すような動作を実行させることができ、モータを起動させることが可能となる。その結果、電動圧縮機の確実な起動が可能となる。しかも、モータの回転数の上昇率をＳ１からＳ２に変化させることで、起動を確実に行いつつも、なるべく早期にモータを要求回転数に到達させることができ、空気調和機の起動を迅速に行うことが可能となる。
加えてこのような構成は、差圧センサを用いる必要がないために、部品点数の減少による重量軽減、コスト低減、組立工数の低減、信頼性向上等の効果を発揮することができる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における自動車用空気調和機の電動圧縮機１０の構成を説明するための図である。
この図１に示すように、電動圧縮機１０は、冷媒を圧縮する圧縮機本体１１と、この圧縮機本体１１を駆動するためのモータ１２と、モータ１２を回転させるための制御基板１３と、を備える。
制御基板１３は、直流電源から供給される電圧を交流に変換するためのスイッチング素子１４と、スイッチング素子１４の動作を制御するためのマイコンからなる制御装置１５およびゲート回路１６とを備えている。制御装置１５の制御によってゲート回路１６が駆動され、その駆動信号がスイッチング素子１４に入力されると、スイッチング素子１４が動作する。これによって、直流電源から供給される電圧が３相交流となって電動圧縮機１０のモータ１２に印加され、モータ１２を回転駆動させる。

制御基板１３には、スイッチング素子１４に供給される電流を検出する電流検出回路１７が備えられている。制御装置１５は、電流検出回路１７で検出される電流値に基づき、スイッチング素子１４からモータ１２に供給される電流をモニタリングし、電流値が予め定めた検出値を超えたときに、過電流がモータ１２に供給されるのを防止するため、モータ１２への電流供給を停止させる過電流保護部２０を機能的に有している。

また、制御装置１５は、モータ１２を起動させるときにスイッチング素子１４に供給する電流を制御する起動制御部２１を機能的に有している。
起動制御部２１においては、スイッチング素子１４に予め定めた電流を供給してモータ１２を起動させる（以下、これを通常起動モードと称する）。そして、過電流保護部２０においてモータ１２に供給される電流がしきい値を超えず、過電流であると判定されないままにモータ１２が起動した場合には、そのままモータ１２を定常運転時の所定の回転数で回転させ、圧縮機本体１１で冷媒を圧縮する。一方、起動の結果、過電流保護部２０においてモータ１２に供給される電流がしきい値を超えて過電流であると判断された時には、モータ１２の起動を中止し、より低い電流を供給してモータ１２を再起動させるようになっている（以下、これを再起動モードと称する）。モータ１２の再起動時には、供給する電流を、段階的、あるいは線形的に変化させて漸次増大させていく。

図２は、起動制御部２１における上記のような制御による、起動時におけるモータ１２の回転数変化の例を示すものである。
図２（ａ）に示すように、通常時においては、通常モードでモータ１２を起動させるためにスイッチング素子１４に電流を供給すると、モータ１２は、定常運転時の所定の回転数Ｒとなるまでその回転数が上昇していく。このときの回転数の上昇率をＳ３とする。

圧縮機本体１１の入口側１１ａと出口側１１ｂの差圧が大きいときには、図２（ｂ）に示すように、通常モードでモータ１２を起動させると、差圧によって圧縮機本体１１において冷媒を圧縮しようとしたときの抵抗が大きいためにモータ１２は回転数が上がらず、途中で過電流保護部２０において過電流を検知し、モータ１２の起動が中止される（図中の（Ａ）参照。）。
その後、起動制御部２１において、再起動モードでモータ１２が再起動される。このときには、供給する電流を段階的に変化させることで、モータ１２の回転数を徐々に上げていく。本実施の形態においては、再起動モードを開始してから予め定めた時間ｔ１が経過するまでの間（第１期間）は、モータ１２の回転数の上昇率Ｓ１を前記上昇率Ｓ３以下とし、モータ１２の回転数が一定回転数（第一の回転数）以下を維持するように電流を供給する（図中の（Ｂ）参照。）。これは、モータ１２の回転数を抑えた状態で回転させ、圧縮機本体１１の出口側１１ｂにおいて、液状態となっている可能性のある冷媒を押し出すことを目的としている。
第１期間の終了後、予め定めた時間ｔ２が経過するまでの間（第２期間）は、モータ１２の回転数が、通常モードの上昇率Ｓ３よりも低い上昇率Ｓ１’で上昇するように電流を供給する（図中の（Ｃ）参照。）。これは、圧縮機本体１１の出口側１１ｂにおいて、液状態となっている冷媒を押し出して出し切るとともに、より短時間で定常運転時の回転数を得るためである。第２期間の終了後は、通常モードと同様の上昇率Ｓ２で、モータ１２の回転数が定常運転時の回転数（第二の回転数）Ｒとなるまで上昇するように電流を供給する（図中の（Ｄ）参照。）。

すなわち、第１期間において、液状態となっている可能性のある冷媒を押し出し、その後、第２期間においてモータ１２に供給される電流が過電流とならないような状態で徐々にその回転数を上昇させていき、第３期間において差圧が通常の起動時と同等になって以降は、通常モードと同様にモータ１２の回転数を迅速に上昇させるようになっている。
もちろん、図２（ｂ）に示した再起動モードにおけるモータ１２の回転数変化パターンはあくまでも一例に過ぎない。差圧がある状態からモータ１２を確実に起動でき、しかもなるべく早く所定の回転数に到達できるのであれば、いかなるパターンを採用してもよい。

また、図２（ｃ）に示すように、通常モードでモータ１２を起動させたときに過電流が検知された場合、通常モードでの起動を複数回再試行した後、再起動モードでモータ１２を起動させるようにしてもよい。

以下、起動制御部２１において上記のような制御を行うための処理の流れを、図３を参照しつつ説明する。
図３に示すように、自動車用空気調和機の作動全体をコントロールする上位制御回路より制御装置１５に対して起動の指令が入力されると、制御装置１５においては電動圧縮機１０の起動処理を開始する。このとき、制御装置１５は、上位制御回路からモータ１２の要求回転数（すなわち定常運転時の所定の回転数Ｒ）の指令を受ける。
まず、制御装置１５では、上位制御回路から指令されたモータ１２の要求回転数に応じた電流値を、予め定められているテーブル等に基づいて設定する（ステップＳ１０１）。これとともに、設定した電流値に対応した、過電流保護のためのしきい値を設定する。
次いで、制御装置１５の起動制御部２１においては、ステップＳ１０１で設定された大きさの電流をスイッチング素子１４に供給し、モータ１２を通常モードで起動する（ステップＳ１０２）。

モータ１２の起動後、過電流保護部２０において過電流を検知したか否かをモニタリングしつつ（ステップＳ１０３）、モータ１２の回転数が要求回転数に到達するのを待機し（ステップＳ１０４）、要求回転数（回転数Ｒ）に到達した時点で起動処理を終了し、定常運転に移行する。
モータ１２の起動後、ステップＳ１０３において、過電流保護部２０で過電流を検知したときには、ステップＳ１０２に戻り、モータ１２を再び通常モードで起動する。このモータ１２の通常モードによる起動は、予め定めた回数（本実施の形態においては例えば３回目：図２（ｃ）に対応したパターン）に到達するまで繰り返す（ステップＳ１０５）。
通常モードによる起動を予め定めた回数に到達するまで繰り返す間に、過電流保護部２０において過電流が検知されずにモータ１２の回転数が要求回転数に到達すれば（ステップＳ１０３、Ｓ１０４）、そのまま定常運転に移行する。

通常モードによる起動を予め定めた回数に到達するまで繰り返しても、過電流保護部２０において過電流が検知されてしまう場合、再起動モードでの起動に移行する。
これにはまず、再起動モードにおけるモータ１２の回転数変化のパターン（図２（ｂ）、２（ｃ）参照）に応じた電流値を設定する（ステップＳ１０６）。これとともに、設定した電流値に対応した、過電流保護のためのしきい値を設定する。
次いで、制御装置１５の起動制御部２１においては、ステップＳ１０６で設定された大きさの電流をスイッチング素子１４に供給し、モータ１２を再起動モードで起動する（ステップＳ１０７）。このときは、図２（ｃ）に示したようなパターンでモータ１２の回転数を変化させるため、起動制御部２１においては、タイマーで経過時間をモニタリングしつつ、第１期間、第２期間、第３期間のそれぞれにおいて、所定の大きさの電流をスイッチング素子１４に供給する。

再起動モードでのモータ１２の起動後、過電流保護部２０において過電流を検知したか否かをモニタリングしつつ（ステップＳ１０８）、モータ１２の回転数が要求回転数に到達するのを待機し（ステップＳ１０４）、要求回転数に到達した時点で定常運転に移行する。
一方、モータ１２の起動後、ステップＳ１０８において、過電流保護部２０で過電流を検知したときには、差圧以外の原因により、圧縮機本体１１に何らかの異常が生じていると判定し、モータ１２の起動を中止し、異常の発生を上位制御回路に通知する。もちろんこのときも、ステップＳ１０８において過電流を検知した場合に、予め定めた回数に到達するまで再起動モードでのモータ１２の起動を繰り返してもよい。

このようにしてモータ１２を起動することで、圧縮機本体１１の入口側１１ａと出口側１１ｂに差圧が生じている場合にも、再起動モードで通常モードよりも低い回転数でモータ１２を起動させることによって、モータ１２を起動させることが可能となる。その結果、例えば圧縮機本体１１の出口側１１ｂにおいて冷媒が液化してしまっているような場合であっても、圧縮機本体１１を起動直後に、液化した冷媒を押し出すような動作を実行させることができ、電動圧縮機１０の確実な起動が可能となる。
しかも、再起動モードにおいては、モータ１２の回転数を段階的あるいは線形的に変化させて上昇させることで、起動を確実に行いつつも、なるべく早期にモータ１２を要求回転数に到達させることができ、空気調和機の起動を迅速に行うことが可能となる。
加えて、このような構成は、差圧センサを用いる必要がないために、部品点数の減少による重量軽減、コスト低減、組立工数の低減、信頼性向上等の効果を発揮することができる。

ところで、上記実施の形態においては、再起動モードにおけるモータ１２の回転数変化のパターンの例を図２に示したが、もちろんこれ以外のパターンとしても良いし、複数種類のパターンを切り替えて用いるような構成とすることも可能である。
さらに、前回、空気調和機を停止させたときの運転条件（圧縮機本体１１のの運転／停止状態等）や、停止してからの経過時間等を記憶しておき、記憶した運転条件に応じ、再起動モードにおけるモータ１２の回転数変化のパターンを切り替えてもよい。
また、上記実施の形態においては、通常モードでの起動に失敗した場合に、再起動モードに移行する構成としたが、これに限らず、１回目の起動時から、例えば図２（ｂ）に示したような再起動モードと同様のパターンでモータ１２を起動させることも可能である。
これ以外にも、電動圧縮機１０の構成や制御方法等について、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態における電動圧縮機の概略構成を示す図である。 起動制御部においてモータを起動させるときのモータの回転数変化のパターンの例を示す図である。 起動制御部においてモータを起動させるときの処理の流れを示す図である。

符号の説明

１０…電動圧縮機、１１…圧縮機本体、１１ａ…入口側、１１ｂ…出口側、１２…モータ、１３…制御基板、１４…スイッチング素子、１５…制御装置、１７…電流検出回路、２０…過電流保護部、２１…起動制御部

Claims (5)

1. 空気調和機を構成する圧縮機をモータで駆動する電動圧縮機の制御装置であって、
   前記制御装置で実行される処理は、
   前記モータの起動を開始するときに、前記モータの回転数を予め定めた第一の回転数以下に抑え、前記圧縮機の入口側と出口側の冷媒の差圧によるモータ過負荷を回避する処理と、
   前記モータの回転数を前記第一の回転数以上の第二の回転数まで上昇させる処理と、を含み、
   前記モータ過負荷を回避する処理においては、前記モータの回転数の上昇率Ｓ１を、前記モータの回転数を前記第二の回転数まで上昇させる処理における前記モータの回転数の上昇率Ｓ２よりも低く設定し、
   前記モータの起動を開始した直後は、前記モータの回転数の上昇率Ｓ１よりも高い上昇率Ｓ３で前記モータの回転数を上昇させるとともに、前記モータを駆動するために供給する電流が予め定めたしきい値を超えたときに、前記モータの起動を中止した後、前記モータ過負荷を回避する処理に移行することを特徴とする電動圧縮機の制御装置。
2. 前記制御装置で実行される処理は、
   前記上昇率Ｓ１で前記モータの回転数を上昇させる処理と、前記上昇率Ｓ２で前記モータの回転数を上昇させる処理との間に、前記上昇率Ｓ１よりも大きくかつ前記上昇率Ｓ３以下である上昇率Ｓ１´で前記モータの回転数を上昇させる処理を含むことを特徴とする請求項１に記載の電動圧縮機の制御装置。
3. 前記モータ過負荷を回避する処理においては、前記モータの回転数を前記第一の回転数以下に抑えることで、前記圧縮機の出口側で液化した前記冷媒を押し出すことを特徴とする請求項１または２に記載の電動圧縮機の制御装置。
4. 空気調和機を構成する圧縮機をモータで駆動する電動圧縮機の制御方法であって、
   前記モータの起動を開始するときに、前記モータ過負荷を回避する処理のために前記モータの回転数の上昇率を予め定めた上昇率Ｓ１以下に維持する期間と、前記モータの回転数の上昇率を、前記上昇率Ｓ１以上の上昇率Ｓ２として、予め定めた回転数まで前記モータの回転数を上昇させる期間と、を含み、
   前記モータの起動を開始した直後、前記上昇率Ｓ１よりも高い上昇率Ｓ３で前記モータの回転数を上昇させ、前記モータを駆動するために供給する電流が予め定めたしきい値を超えたときに、前記モータの起動を中止した後、前記上昇率Ｓ１以下に維持する期間に移行することを特徴とする電動圧縮機の制御方法。
5. 前記上昇率Ｓ１以下に維持する期間と、前記上昇率Ｓ２で前記モータの回転数を上昇させる期間との間に、前記上昇率Ｓ１よりも大きくかつ前記上昇率Ｓ３以下である上昇率Ｓ１´で前記モータの回転数を上昇させる期間を含むことを特徴とする請求項４に記載の電動圧縮機の制御方法。

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