JP5170192B2 - 回転機の制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、直流電源の正極および負極のそれぞれに回転機の端子を選択的に接続する高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて構成される直流交流変換回路を操作することで前記回転機の制御量を制御する回転機の制御装置に関する。
この種の制御装置としては、例えば下記特許文献1に見られるように、スイッチング素子に短絡異常が生じた場合に、短絡異常の生じたアームの全相をオン状態とするものも提案されている。これにより、電動機の各相の電流のピーク値を抑制することができる。
特開2007−312588公報
ところで、上記装置では、電動機の各相の電流のピーク値を抑制するためのフェールセーフ処理として、片側アームの全相のスイッチング素子を駆動する必要があるため、その消費電力が大きくなることが懸念される。
本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、直流電源の正極および負極のそれぞれに回転機の端子を選択的に接続する高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて構成される直流交流変換回路のスイッチング素子に短絡異常が生じた場合に対処する新たな手法を提供することにある。
以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。
請求項1記載の発明は、直流電源の正極および負極のそれぞれに回転機の端子を選択的に接続する高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて構成される直流交流変換回路を操作することで前記回転機の制御量を制御する回転機の制御装置において、前記直流交流変換回路の入力端子と前記直流電源とは、開閉手段を介して接続されるものであり、前記スイッチング素子の短絡異常の有無を判断する判断手段と、該判断手段によって前記短絡異常があると判断される場合、前記開閉手段を開状態として且つ前記直流交流変換回路を構成する前記直列接続体の一部について前記高電位側のスイッチング素子および前記低電位側のスイッチング素子の双方をオン操作する短絡処理を行うフェールセーフ手段と、前記短絡異常があると判断されたスイッチング素子を特定する特定手段とを備え、前記フェールセーフ手段は、前記特定されたスイッチング素子に直列接続されるスイッチング素子をオン操作するものであって且つ、前記直列接続体の1つに限って前記短絡処理を行うものであり、前記回転機は、車両に搭載されるものであり、前記車両は、第1主機としての前記回転機に加えて第2主機を備えて且つ、前記直流電源の電圧を降圧して低電圧電源に印加する降圧コンバータを備え、前記降圧コンバータは、前記開閉手段を介して前記直流電源に接続され、前記直流交流変換回路を構成するスイッチング素子の電子的な操作が前記低電圧電源の電力によってなされ、前記第2主機による退避走行可能な期間が前記低電圧電源の残存容量に依存し、前記判断手段は、前記スイッチング素子を流れる電流が閾値以上となることで前記短絡異常があると仮判断される場合、前記直流交流変換回路を構成するスイッチング素子が全てオフ状態とされる状況下、前記回転機を流れる電流の振幅中心がゼロから大きく乖離していないかを判断し、乖離している場合に短絡異常と判断するものであることを特徴とする。
スイッチング素子に短絡異常がある場合、直流交流変換回路を構成する全スイッチング素子をオフ状態とすると、回転機の各端子を流れる電流は、ゼロ点に対してずれたものとなり、各端子を流れる電流は非対称となる傾向がある。しかも、この電流のピーク値は大きくなりうるため、短絡異常の生じていないスイッチング素子や回転機の信頼性を低下させるおそれがある。一方、高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の双方をオン状態とする短絡処理を行う場合、ゼロ点に対するずれが低減され、またピーク値を低減することもできる。上記発明では、この点に鑑み、フェールセーフ手段を構成した。
また、上記発明では、高電位側のスイッチング素子および前記低電位側のスイッチング素子のいずれか一方を電子操作によってオン操作するのみで、双方をオン状態とすることができる。
さらに、上記発明では、第2主機によって退避走行を行うことが可能な期間は、低電圧電源の残存容量に依存する。そしてこの残存容量は、フェールセーフ手段による処理がなされている際には増加させることができない。このため、フェールセーフ手段による消費電力を低減することが特に望まれる。
第1の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかるモータジェネレータの制御システムの全体構成を示す図。 短絡異常時の問題点を示す図。 上記実施形態のフェールセーフ処理の原理を説明するための図。 同実施形態にかかるフェールセーフ処理の手順を示す流れ図。 第2の実施形態にかかるフェールセーフ処理の原理を説明するための図。 同実施形態にかかるフェールセーフ処理の手順を示す流れ図。
<第1の実施形態>
以下、本発明にかかる回転機の制御装置をパラレルハイブリッド車に適用した第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
図1に、本実施形態にかかる電動機の制御システムの全体構成を示す。図示されるように、モータジェネレータ10は、3相の永久磁石同期回転機である。また、モータジェネレータ10は、突極性を有する回転機(突極機)である。詳しくは、モータジェネレータ10は、埋め込み磁石同期モータ(IPMSM)である。モータジェネレータ10の出力軸は、内燃機関12の出力軸(クランク軸)と同軸上にて直結されている。このため、モータジェネレータ10の出力軸と内燃機関12のクランク軸とは、互いに相対回転することなく同軸上で一体的に回転する。そして、モータジェネレータ10の出力軸は、トランスミッション14を介して駆動輪16に連結されている。
モータジェネレータ10は、直流交流変換回路(インバータIV)に接続されている。インバータIVは、直流電源(高電圧バッテリ20)の直流電圧を、交流電圧に変換してモータジェネレータ10に印加するものである。詳しくは、インバータIVと高電圧バッテリ20との間には、リレーSMR2および抵抗体21の直列接続体とリレーSMR1との並列接続体が接続されている。
一方、制御装置40は、モータジェネレータ10を制御対象とし、インバータIVを操作対象とする。制御装置40は、モータジェネレータ10の各種状態量を検出するセンサ(図示略)の出力等を取り込み、これに基づきインバータIVを操作することで、モータジェネレータ10の制御量を制御する。なお、制御装置40は、高電圧バッテリ20の端子電圧(百V以上)よりも低い(例えば十数V)端子電圧を有する低電圧バッテリ42を電源とするものである。
本実施形態では、低電圧バッテリ42の充電手段は、高電圧バッテリ20のみである。すなわち、高電圧バッテリ20の電圧がDCDCコンバータ18によって降圧されて低電圧バッテリ42に印加されることで、低電圧バッテリ42の充電処理がなされる。
図2に、上記インバータIVと制御装置40との間の電子機器の詳細を示す。
上記インバータIVは、パワー素子としての高電位側のスイッチング素子Swpおよび低電位側のスイッチング素子Swnの直列接続体が3つ並列接続されて構成されている。そして、これら高電位側のスイッチング素子Swpおよび低電位側のスイッチング素子Swnの接続点が、モータジェネレータ10の各相にそれぞれ接続されている。
上記高電位側のスイッチング素子Swpおよび低電位側のスイッチング素子Swnのそれぞれの入出力端子間(コレクタおよびエミッタ間)には、高電位側のフリーホイールダイオードFDpおよび低電位側のフリーホイールダイオードFDnのカソードおよびアノードが接続されている。なお、上記スイッチング素子Swp,Swnは、いずれも絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)にて構成されている。また、スイッチング素子Swp,Swnは、その入力端子および出力端子間に流れる電流と相関を有する微少電流を出力するセンス端子Stを備えている。
センス端子Stの出力する微少電流は、シャント抵抗43を流れ、これによる電圧降下量が、スイッチング素子Sw#(#=p,n)を駆動するためのドライブユニットDUに取り込まれる。ドライブユニットDUは、シャント抵抗43における電圧降下量に基づき、スイッチング素子Sw#の入力端子および出力端子間に流れる電流が閾値電流Ith以上となると判断される場合に、スイッチング素子Sw#を強制的にオフ状態とする機能を有する。なお、ドライブユニットDUは、スイッチング素子Sw#を強制的にオフ状態とする場合、フェール信号FLを出力する。
一方、上記制御装置40は、インバータIVの入力端子の電圧(コンデンサ22の電圧)を検出する電圧センサ24や、モータジェネレータ10のV相およびW相のそれぞれの電流を検出する電流センサ26,28、モータジェネレータ10の電気角を検出する回転角度センサ30等の検出値を取り込む。そして、制御装置40は、これら各種センサの検出値に基づき、インバータIVのU相、V相、およびW相のそれぞれについてのスイッチング素子Swpを操作する操作信号gup,gvp,gwpと、スイッチング素子Swnを操作する操作信号gun,gvn,gwnとを生成し出力する。これにより、スイッチング素子Swp,Swnは、それらの導通制御端子(ゲート)に接続されるドライブユニットDUを介して制御装置40により操作される。
ちなみに、インバータIVを備える高電圧システムと、制御装置40を備える低電圧システムとは、図示しないフォトカプラ等の絶縁手段を備えるインターフェース32によって絶縁されており、上記操作信号g*#(*=u,v,w、#=p,n)は、インターフェース32を介して高電圧システムに出力される。
上記インターフェース32は、基本的には、低電圧システムと高電圧システムとを絶縁するものであるが、その1次側には、ドライブユニットDUからフェール信号FLが出力される場合にインバータIVをシャットダウンするフェール処理部32aをさらに備えている。ここで、フェール処理部32aは、例えば特開2009−60358号公報に記載されたもの等によって構成すればよい。
上記インターフェース32は、さらに、フライバックコンバータ32bを備えている。フライバックコンバータ32bは、低電圧バッテリ42の電力をドライブユニットDUに供給するための絶縁型コンバータである。
ところで、上記スイッチング素子Sw#を流れる電流が閾値電流Ithを超える事態は、主に、スイッチング素子Sw#に、電気的な操作にかかわらず常時導通状態となる短絡異常が生じる場合に生じる。これは、短絡異常が生じたスイッチング素子とこれに直列接続されるスイッチング素子がオン操作されることでこれら一対のスイッチング素子Swp,Swnを貫通する電流が流れるためである。以下、上記スイッチング素子Swp,Swnの短絡異常に対する対処法について説明する。
図3(a)は、W相の上側アームのスイッチング素子Swpに短絡異常が生じることで他の全スイッチング素子Swp,Swnをオフ状態とした際の等価回路図を示し、図3(b)は、そのときの3相の電流の挙動を示し、図3(c)は、トルクの挙動を示す。図3(b)に示すように、この場合、3相の電流の振幅中心がゼロから乖離する現象が生じ、電流の絶対値の最大値が大きくなる。このため、電流の流通経路における発熱量が大きくなり、ひいてはインバータIVやモータジェネレータ10等の信頼性の低下を招くおそれがある。
そこで本実施形態では、リレーSMR1、SMR2を開状態として且つ、図4(a)に示すように、インバータIVの1相について上下アームをオン状態とする。これにより、図4(b)に示すように、3相の電流の振幅中心がゼロから乖離する現象が解消され、電流の絶対値の最大値も低減される。また、この際のトルクも小さくなるため、内燃機関12による退避走行を妨げることも無い。
図5に、本実施形態にかかるフェールセーフ処理の手順を示す。この処理は、制御装置40によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。
この一連の処理では、まずステップS10において、ドライブユニットDUからフェール信号FLが出力されるか否かを判断する。そして、フェール信号FLが出力される場合、リレーSMR1,SMR2をオフ操作する。なお、モータジェネレータ10の稼動時には、通常、リレーSMR1がオン状態且つリレーSMR2がオフ状態であるため、実際にはリレーSMR1をオフ操作すればよい。続くステップS14においては、異常が解消したか否かを判断する。この処理は、モータジェネレータ10を流れる電流の振幅中心がゼロから大きく乖離していない場合に解消と判断するなどして行うことができる。そして、異常が解消している場合には、ステップS16において、復帰処理を行う。すなわち例えば、SMR2をオン操作することでコンデンサ22を充電した後、SMR1をオン操作し、インバータIVを操作することでモータジェネレータ10の制御量の制御を開始すればよい。
一方、上記ステップS14において否定判断される場合、ステップS18において、フェールセーフ処理を行う。ここでは、U相の上下アームを短絡させるべく、操作信号gup,gunをオン操作指令とする。
なお、上記ステップS16,S18の処理が完了する場合や、ステップS10において否定判断される場合には、この一連の処理を一旦終了する。
このように本実施形態では、短絡異常が生じる場合に、その異常個所を特定することなく簡易にフェールセーフ処理を実行することができる。しかも、この際、オン操作するスイッチング素子が2個であるため、低電圧バッテリ42の消費電力を低減することも可能となり、ひいては退避走行を可能とする距離を伸長させることもできる。すなわち、ドライブユニットDUは、フライバックコンバータ42bを介して低電圧バッテリ42の電力で動作するものであるため、オン操作するスイッチング素子Sw#の数が多いほどドライブユニットDUによって消費される電力が増大しやすい。一方、リレーSMR1,SMR2をオフ操作すると、DCDCコンバータ18を介して低電圧バッテリ42を充電することができなくなるため、退避走行可能な距離は、低電圧バッテリ42の残存容量に依存する。このため、退避走行可能な距離を伸長させる上では、低電圧バッテリ42の消費電力を低減することが要求される。
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
(1)スイッチング素子Sw#に短絡異常があると判断される場合、リレーSMR1,SMR2をオフ操作して且つ、1相について上下アームを短絡させた。これにより、モータジェネレータ10を流れる電流の絶対値を低減することができる。
(2)低電圧バッテリ42の充電手段を、DCDCコンバータ18のみとした。この場合、内燃機関12の動力に基づき発電するオルタネータ等を別途備える場合と比較して部品点数を低減することができる反面、退避走行可能な距離が、低電圧バッテリ42の残存容量によって制限される。このため、フェールセーフ処理による消費電力を低減することが特に望まれるため、上記フェールセーフ処理手法の利用価値が大きい。
<第2の実施形態>
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
本実施形態では、図6(a)に示すように、短絡異常が生じた相における異常が生じていないアームをオン操作する。これによっても、図6(b)および図6(c)に示すように、上記第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
図7に、本実施形態にかかるフェールセーフ処理の手順を示す。この処理は、制御装置40によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、図7において、先の図5に示した処理に対応する処理については、便宜上同一のステップ番号を付している。
この一連の処理では、上記ステップS14において否定判断される場合には、ステップS20において、短絡異常箇所を特定する処理を行う。この処理は、周知の手法を用いて行えばよい。すなわち、例えば図3(b)に示すように、短絡異常の生じている電流の絶対値が残りの2相の電流の絶対値の和となることに鑑み、短絡異常の生じている相を特定し、その電流の大きさからアームを特定すればよい。
こうして短絡異常箇所を特定する処理が完了する場合、ステップS18aにおいて、短絡異常が生じている相において短絡異常が生じていないスイッチング素子のみをオン操作する。
<その他の実施形態>
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
「フェールセーフ手段について」
フェールセーフ手段としては、1の相の高電位側のスイッチング素子Swpおよび低電位側のスイッチング素子Swnの双方をオン状態として且つ残りの相のスイッチング素子Swp、Swnの全てをオフ状態とするものに限らない。例えば、短絡異常が生じた相を含む2相について、高電位側のスイッチング素子Swpおよび低電位側のスイッチング素子Swnの双方をオン状態として且つ残りの相のスイッチング素子Swp、Swnの全てをオフ状態とするものであってもよい。
また、インバータIVの各相が、高電位側のスイッチング素子Swpおよび低電位側のスイッチング素子Swnの直列接続体を複数備える場合、これらいずれか1の直列接続体に限って、高電位側のスイッチング素子Swpおよび低電位側のスイッチング素子Swnの双方をオン状態としてもよい。
「判断手段について」
判断手段としては、ドライブユニットDU内に搭載される過電流保護機能によって実現されるものに限らない。例えば、電流センサ26,28の出力信号を入力とする制御装置40によって構成されるものであってもよい。
「開閉手段について」
直流電源とインバータIVの入力端子との間を開閉する開閉手段としては、高電位側の入力端子と直流電源の正極との間を開閉するものに限らず、低電位側の入力端子と直流電源の負極との間を開閉するものであってもよい。また、高電位側の入力端子と直流電源の正極との間と低電位側の入力端子と直流電源の負極との間との双方を開閉するものであってもよい。
「特定手段について」
特定手段としては、上記実施形態において例示したものに限らない。例えば、モータジェネレータ10の1の端子(1相)と直流電源の1の電極とを接続するスイッチング素子をオン操作し、このオン操作するスイッチング素子を順次切り替える際にモータジェネレータ10を流れる電流のゼロ点からのずれが低減する変化が生じることに基づき、短絡異常のあるスイッチング素子を特定するものであってもよい。すなわち、この場合、変化が生じた際にオン操作されているスイッチング素子に直列接続されるものに短絡異常が生じたと特定することができる。
「低電圧電源について」
低電圧電源としては、その電気エネルギの補給が、DCDCコンバータ18を介してのみ行われるものに限らない。例えば、内燃機関12のクランク軸の回転力によって発電するオルタネータの出力電力が供給されるものであってもよい。この場合であっても、本実施形態にかかるフェールセーフ手段を用いるなら、フェールセーフ処理時における消費電力を低減することが容易となる。
「直流交流変換回路と回転機との間の接続経路について」
インバータIVとモータジェネレータ10との間に開閉器を備えるものであってもよい。この場合、開閉器を開状態とした後には、インバータIVに電流が流れなくなるため、スイッチング素子をオン操作する必要はない。しかし、開閉器を開状態とするまでの期間について、本発明のフェールセーフ手段を採用するなら消費電力を低減できる等のメリットを有する。
「直流交流変換回路のスイッチング素子について」
直流交流変換回路を構成するスイッチング素子としては、IGBTに限らず、例えばMOS型電界効果トランジスタであってもよい。もっとも、電圧制御形のトランジスタにも限らず、例えばバイポーラトランジスタのように電流制御形のスイッチング素子であってもよい。この場合、ベースに電流を流すことでトランジスタがオンすることから、フェールセーフ処理においてオン状態に維持するスイッチング素子の数が退避走行に無視し得ない影響を及ぼすと考えられるため、本発明の適用が特に有効となる。
「回転機について」
回転機としては、IPMSMに限らない。例えば表面磁石同期機(SPM)等、少なくとも永久磁石を備えるものにあっては、本願と同様の解決原理が適用可能と考えられる。
「そのほか」
・ハイブリッド車としては、パラレルハイブリッド車に限らない。例えば、シリーズハイブリッド車であってもよい。また例えば、パラレル・シリーズハイブリッド車であってもよい。ただし、複数のインバータの上側アーム同士および下側アーム同士が接続されている場合、一対の回転機を停止状態としても退避走行が可能なシステムであることが望ましい。さらに、車載駆動源のために蓄えられるエネルギ形態が電気エネルギ(燃料電池のように電気エネルギを生成するものも含む)のみとなる電気自動車であってもよい。この場合であっても、例えば前輪と後輪とで各別のモータジェネレータを備えるなら、そのうちの一方のモータジェネレータに接続されるインバータのシャットダウン後に、上記フェールセーフ処理を行ったとしても、残りのモータジェネレータによって退避走行をすることができる。
10…モータジェネレータ(第1主機の一実施形態)、12…内燃機関(第2主機の一実施形態)、18…DCDCコンバータ、20…高電圧バッテリ(直流電源の一実施形態))、40…制御装置、42…低電圧バッテリ(低電圧電源の一実施形態)、IV…インバータ。

Claims (4)

  1. 直流電源の正極および負極のそれぞれに回転機の端子を選択的に接続する高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて構成される直流交流変換回路を操作することで前記回転機の制御量を制御する回転機の制御装置において、
    前記直流交流変換回路の入力端子と前記直流電源とは、開閉手段を介して接続されるものであり、
    前記スイッチング素子の短絡異常の有無を判断する判断手段と、
    該判断手段によって前記短絡異常があると判断される場合、前記開閉手段を開状態として且つ前記直流交流変換回路を構成する前記直列接続体の一部について前記高電位側のスイッチング素子および前記低電位側のスイッチング素子の双方をオン操作する短絡処理を行うフェールセーフ手段と
    前記短絡異常があると判断されたスイッチング素子を特定する特定手段とを備え、
    前記フェールセーフ手段は、前記特定されたスイッチング素子に直列接続されるスイッチング素子をオン操作するものであって且つ、前記直列接続体の1つに限って前記短絡処理を行うものであり、
    前記回転機は、車両に搭載されるものであり、
    前記車両は、第1主機としての前記回転機に加えて第2主機を備えて且つ、前記直流電源の電圧を降圧して低電圧電源に印加する降圧コンバータを備え、
    前記降圧コンバータは、前記開閉手段を介して前記直流電源に接続され、
    前記直流交流変換回路を構成するスイッチング素子の電子的な操作が前記低電圧電源の電力によってなされ、前記第2主機による退避走行可能な期間が前記低電圧電源の残存容量に依存し、
    前記判断手段は、前記スイッチング素子を流れる電流が閾値以上となることで前記短絡異常があると仮判断される場合、前記直流交流変換回路を構成するスイッチング素子が全てオフ状態とされる状況下、前記回転機を流れる電流の振幅中心がゼロから大きく乖離していないかを判断し、乖離している場合に短絡異常と判断するものであることを特徴とする回転機の制御装置。
  2. 直流電源の正極および負極のそれぞれに回転機の端子を選択的に接続する高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて構成される直流交流変換回路を操作することで前記回転機の制御量を制御する回転機の制御装置において、
    前記直流交流変換回路の入力端子と前記直流電源とは、開閉手段を介して接続されるものであり、
    前記スイッチング素子の短絡異常の有無を判断する判断手段と、
    該判断手段によって前記短絡異常があると判断される場合、前記開閉手段を開状態として且つ前記直流交流変換回路を構成する前記直列接続体の一部について前記高電位側のスイッチング素子および前記低電位側のスイッチング素子の双方をオン操作する短絡処理を行うフェールセーフ手段とを備え
    前記回転機は、車両に搭載されるものであり、
    前記車両は、第1主機としての前記回転機に加えて第2主機を備えて且つ、前記直流電源の電圧を降圧して低電圧電源に印加する降圧コンバータを備え、
    前記降圧コンバータは、前記開閉手段を介して前記直流電源に接続され、
    前記直流交流変換回路を構成するスイッチング素子の電子的な操作が前記低電圧電源の電力によってなされ、前記第2主機による退避走行可能な期間が前記低電圧電源の残存容量に依存し、
    前記判断手段は、前記スイッチング素子を流れる電流が閾値以上となることで前記短絡異常があると仮判断される場合、前記直流交流変換回路を構成するスイッチング素子が全てオフ状態とされる状況下、前記回転機を流れる電流の振幅中心がゼロから大きく乖離していないかを判断し、乖離している場合に短絡異常と判断するものであることを特徴とする回転機の制御装置。
  3. 前記仮判断がなされた後、前記判断手段によって短絡異常が生じていないと判断される場合、前記開閉手段を閉状態として前記回転機の制御量の制御を開始することを特徴とする請求項1または2記載の回転機の制御装置。
  4. 前記フェールセーフ手段は、前記判断手段によって短絡異常があると判断されてから車両が停止されるまでの間において前記短絡処理を行うことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の回転機の制御装置。
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