JP5849900B2 - モータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両を駆動するモータを制御するモータ制御装置に関する。

従来、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド自動車（ＨＥＶ）で使用されるモータは、低速時のトルク特性や制御性の観点から、永久磁石式(PM)モータが広く利用されてきた。一方、高速回転における堅牢性や効率の観点から、近年、自動車の駆動用としても誘導モータの使用が検討されている。

誘導モータは、固定子巻き線の回転磁界の回転速度と回転子の回転速度との速度差によって生じる滑りによって発生する電磁誘導によって回転トルクを生じる構造であり、高トルクを得るには滑りによって生じる大きな誘導電流が必要となり、誘導モータの駆動には大電流を流せるスイッチング素子が使われる。

誘導モータの駆動は、一般的に、入力部がMOS（Metal Oxide Semiconductor）構造で出力部がバイポーラ構造のパワー用トランジスタである、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が利用される。ＩＧＢＴは、誘導モータの各相に対して個別のスイッチングを行うように、誘導モータの各相にそれぞれＩＧＢＴ素子が割り当てられる。

ところで、例えば自動車を停止状態から発進させるには、低回転領域にて高トルクのモータの駆動が必要となる。このとき、ＩＧＢＴ素子は低いスイッチング周波数で誘導モータを駆動するため、負荷電流は特定のＩＧＢＴ素子に集中して流れることになる。ＩＢＧＴ素子への電流集中が生じるとスイッチング素子のジャンクション温度が大きく上昇する。ジャンクション温度は、半導体デバイスの動作を保証する耐熱規格であり、低速で誘導モータを運転するには，ジャンクション温度を下げるため，チップ面積が大きい素子，すなわち，定格電流が大きい素子を選定しなければならず、コストの上昇を招いていた。

なお、ＩＧＢＴがジャンクション温度を超えた場合には、インバータが破損により停止し、さらには車両停止となる可能性がある。

例えば、特許文献１（特開２００７−１２９８０１号公報）には、モータの回転数と駆動電流によりトルク制限を行うモータ制御装置が開示されている。

特許文献２（特開２００５−３２３４５７号公報）には、モータの回転数を所定の値に保持してスイッチング素子の過熱を防止するモータ制御装置が開示されている。

また、特許文献３（特開２００９−２６１０７８号公報）、及び特許文献４（特開２００８−１３１７２２号公報）には、スイッチング素子の表面温度に基づいてジャンクション温度を推定し、スイッチング素子の過熱を防止するモータ制御装置が開示されている。

特開２００７−１２９８０１号公報 特開２００９−２６１０７８号公報 特開２００８−１３１７２２号公報 特開２００５−３２３４５７号公報

しかし、特許文献１−４に記載された従来のモータ制御装置では、出力トルクの制限や電力の遮断によって運転者の意図しない車両の駆動が行われる場合があった。

そこで、本発明は、上記モータ制御装置における問題点に鑑みてなされたものであり、自動車の運転状態に応じたスイッチング素子の保護を行うことにより、運転者の意図した車両の駆動を行うモータ制御装置を提供することを目的とする。

上記課題に鑑み、本発明におけるモータ制御装置は、車両を駆動する誘導モータと、バッテリと、スイッチング素子を含み、前記スイッチング素子のスイッチング動作に応じて、前記バッテリの直流電力から前記誘導モータを駆動する交流電力を生成するインバータと、前記インバータで生成された交流電力の周波数を検知する周波数検知部と、前記誘導モータの回転数と回転方向を検知する回転検知部と、前記インバータの温度を検出する温度検出部と、前記周波数検知部で検知された周波数と、前記回転検知部で検知された前記誘導モータの回転数及び回転方向とに基づき、前記インバータにおける１相電流集中の有無を判定する電流集中判定部と、前記温度検出部で検出された前記インバータの温度に基づき、前記スイッチング素子の予め規定された耐熱限界を超えない範囲で前記インバータに通電可能な最大通電時間を算出する最大通電時間算出部と、前記電流集中判定部により前記インバータで１相電流集中が発生していると判定されている状況で、前記最大通電時間算出部により算出された前記最大通電時間を経過した場合、前記インバータの出力を制限する制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、自動車の運転状態に応じたスイッチング素子の保護を行うことにより、運転者の意図した車両の駆動を行うモータ制御装置を提供することを可能にする。

モータ制御装置のブロック図 前進時の車両のずり下がりを説明した図 後退時の車両のずり下がりを説明した図 モータ回転方向とトルク方向との関係を説明した図 モータ制御装置の第1の実施の形態における動作を説明したフローチャート モータ制御装置の第２の実施の形態における動作を説明したフローチャート

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

図１はモータ制御装置のブロック図の一例である。

図１において、モータ制御装置１は、モータＥＣＵ１０、バッテリ２０、昇圧コンバータ２１、インバータ２２、モータ２３、車速センサ３１、傾斜センサ３２、ブレーキＥＣＵ４０、及び温度センサ２２１を備えている。

モータＥＣＵ１０は、インバータ２２に対して、モータ２３への出力制御を行う。インバータ２２がモータ２３に対して出力する交流周波数は、モータＥＣＵが指示して、さらに検知している。したがって、モータＥＣＵ１０は図示しない周波数検知部を備えているものとする。

バッテリ２０は動力駆動用のバッテリであり、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などが使用される。電圧はバッテリのセルによって決まり、例えば、３．７Ｖのバッテリセルを５６個使用したバッテリでは、２０７．２Ｖとなる。

昇圧コンバータ２１は、バッテリ２０の電圧を５００Ｖ、あるいは６５０Ｖ等まで昇圧するとともに、バッテリ２０の電圧変動を吸収して安定した電圧をインバータ２２に供給している。なお、本実施の形態においては昇圧コンバータ２１を備えた例を図示しているが、昇圧コンバータが無いモータ制御装置であっても良い。昇圧コンバータが無いモータ制御装置においては、図１におけるバッテリ２０は、インバータ２２に接続される。

インバータ２２はＩＧＢＴによりスイッチングを行う。ＩＧＢＴには冷却用の放熱板が取り付けられており、その放熱板には温度センサ２２１が取り付けられている。ＩＧＢＴは所定のジャンクション温度の定格が定められており、温度センサ２２１で測定温度により、現在の電流値での最大通電時間を推定することができる。

モータ２３は例えば３相誘導電動機である。誘導電動機は、堅牢性に優れ、耐振動にも優れているため、信頼性の高いモータである。一方、誘導電動機は回転子が停止時に大きな始動電流が流れる。三相誘導電動機は、一次側巻線に流れる三相の励磁電流によって固定子の中を一定速度で回転する磁界（回転磁界）を生じ、二次側の回転子はこの回転磁界によって起電力及びそれに伴う二次電流を生じ、トルクが発生する。したがって、誘導電動機のトルクは、一次側に印加される周波数と回転子の回転数とのすべりによって発生する。

いま回転磁界の同期速度をｎ１、電動機の極数をｐ、インバータ２２から入力される周波数をｆとすると、
ｎ１＝１２０ｆ／ｐ
である。

また、回転子の回転速度をｎ２とすると、すべりｓは、
ｓ＝（ｎ１−ｎ２）／ｎ１
で表される。回転子が停止状態では、ｎ２＝０のため、すべりｓ＝１である。誘導モータはすべりｓが大きくなると１次側の通電電流が大きくなるため、回転子の回転速度、つまり車両の速度からすべりｓは測定され、すべりｓの大きさからモータへの出力トルクが求められる。また、出力トルクの大きさによって通電電流によるＩＧＢＴの温度が上昇することを予測できる。

車速センサ３１は、車両の速度を測定する。車両の速度は、停止状態、及び後退状態を検知することが可能である。なお、車速センサ３１は、モータ２３の回転子の回転状況をモニタするためにモータ２３の出力軸に直接取り付ける。また、車軸に取り付けても良い。これにより、車速センサ３１は、モータの回転数と、回転方向を検知することができる。

傾斜センサ３２は、道路の傾斜を測定する。なお、傾斜センサ３２は、例えば車両の加速度を検知する加速度センサと共用してもよい。

ブレーキＥＣＵ４０は、図示しないブレーキユニットを制御し、モータＥＣＵ１０からの指示により、車両の制動を行う。

温度センサ２２１、車速センサ３１、及び傾斜センサ３２からの各センサ信号は、モータＥＣＵ１０に入力される。

次に、車両のずり下がりについて、図２及び図３にて説明する。

図２は、前進時の車両のずり下がりを説明した図の一例である。図２において、道路の傾斜は図２において右上がりとなっており、車両は右方向に進行するためにトランスミッションギアを前進（「D」レンジなど）に入れているとする。ここで、左方向に車両が移動してしまう状態を「ずり下がり」とする。

一方、図３は、後退時の車両のずり下がりを説明した図の一例である。図２と同様に道路の傾斜は図の右上がりとなっているが、車両は右方向に進行するためにトランスミッションギアを後退（バック）に入れているとする。ここで、左方向に車両が移動してしまう状態を「ずり下がり」とする。

図２及び図３において、運転者が行きたい方向、つまり、アクセルを踏んで進行したい方向と逆方向に車両が移動することがずり下がりである。このずり下がりを、モータの回転方向とトルクで表される４象限で説明したのが図４である。

図４は、モータ回転方向とトルク方向との関係を説明した図の一例である。図４において、ｘ軸は回転方向を示し、ｙ軸はトルクの正負を示している。ｘが正の場合は実際の車両が前進していることを意味し、ｘが負の場合は実際の車両が後退していることを意味している。また、ｙが正の場合は運転者がアクセルを踏んだ場合に前進する様にトランスミッションギアが前進になっている場合を意味し、ｙが負の場合は運転者がアクセルを踏んだ場合に後退する様にトランスミッションギアが前進になっている場合を意味する。例えば、図４のＡの象限では、運転者はシフトポジションを「Ｄ」レンジなどに入れており、運転者の意思として車両を前進させたいときに実際に車両が前進している場合である。また、Ｃの象限では、運転者がシフトポジションを「Ｒ」レンジに入れており、運転者が車両を後退させたいときに実際に車両が後退している場合である。一方、図２で説明したずり下がりは、Ｄの象限に相当する。運転者が車両を前進させたい時に、実際の車両は道路の傾斜などでずり下がってしまい後退している場合である。また、図３で説明したずりさがりは、Ｂの象限に相当する。運転者が車両を後退させたい時に、実際の車両は道路の傾斜などでずり下がってしまい前進している場合である。

図４における回転方向の正負は、車速センサ３１によって検知される。また、トルクの正負は、図示しない運転者からのトランスミッションギアのポジション信号から、モータＥＣＵ１０自信がインバータ２２に対して指示している情報であり、つまりモータＥＣＵ１０は、車両がどの象限での運転状態であるかを把握することができる。上記説明したとおり、ＢとＤの象限を車両のずり下がりとして認識する。ずり下がりが発生すると、モータＥＣＵ１０はずり下がりを解消するためにインバータ２２に対して低周波での出力を行う。しかし、実際の車両が進行しない場合には、インバータ２２の１相に電流が流され続けることになる。前述の通り、誘導モータは停止時からの起動には大きな電流が流れるため、ＩＧＢＴの熱損傷を受けやすくなる。

次に、モータ制御装置１の第1の実施の形態の動作について図５によって説明する。

図５は、モータ制御装置の第1の実施の形態における動作を説明したフローチャートの一例である。図５において、制御スタートにて（Ｓ１０）、モータＥＣＵ１０は、ずり下がりの有無を判定する（Ｓ１１）。ずり下がりの判定は、上記の通り、車速センサ３１によって行う。また、傾斜センサ３２により、一定値以上の傾斜がある場合をずり下がりの判定条件とすることもできる。

車両がずり下がり状態である場合（Ｓ１１でＹＥＳ）、インバータ２２の出力が−１００Ｈｚ〜１００Ｈｚであるか否かを判定する（Ｓ１２）。ＩＧＢＴのジャンクション温度の定格は、ＩＧＢＴの論理上の耐熱値を示しているが、モータがロックしたり低速運転したりすると、一つの相のＩＧＢＴに電流が集中するため、集中通電が発生し、温度センサ２２によって同じ温度が計測されている場合であっても、スイッチング素子の故障のリスクが高くなる。一方、周波数が高い場合は、インバータ２２の一つの相に電流が集中することがない。

インバータ２２の出力が−１００Ｈｚ〜１００Ｈｚである場合は（Ｓ１２でＹＥＳ）、ＩＧＢＴの温度を温度センサ２２１によってモニタする（Ｓ１３）。ＩＧＢＴには、所定のジャンクション温度の定格があり、ＩＧＢＴの放熱板で温度センサ２２１により測定した数値により、その電流値における最大通電時間を算出することができる。例えば、単位時間あたりの測定温度の上昇量と電流値との間の相関関係により、通電可能な時間を算出することができる。モータＥＣＵ１０は、最大通電時間を算出したらそれを内部のタイマに設定する（Ｓ１４）。なお、最大通電時間は初期値を予め設定しておくことができる。また、温度測定値により既に設定されている最大通電時間に変更の必要がない場合には設定はそのまま変更しない。次に、Ｓ１４にて設定した時間を経過したか否かを判定し（Ｓ１５）、設定時間を経過していない場合は（Ｓ１５でＮＯ）、再度Ｓ１１のステップに戻る。一方、設定時間を経過した場合は、モータＥＣＵ１０はブレーキＥＣＵ４０に対してブレーキ出力を指示すし（Ｓ１６）、インバータ２２に対してトルク解除を行う（Ｓ１７）。

この動作によって、ＩＧＢＴの温度モニタに応じたＩＧＢＴの保護が可能となる。

次に、モータ制御装置１の第２の実施の形態の動作について図６によって説明する。第2の実施の形態は、例えば四輪駆動車において前輪（フロント）用のモータと後輪（リア）用のモータとをそれぞれ別個に駆動する場合である。第２の実施の形態においては、少なくとも図１で説明したインバータ２２及びモータ２３を、フロント用とリア用に２セット備えているものとする。

図６は、モータ制御装置の第２の実施の形態における動作を説明したフローチャートの一例である。図６において、制御スタートにて（Ｓ２０）、モータＥＣＵ１０は、ずり下がりの有無を判定する（Ｓ２１）。車両がずり下がり状態である場合（Ｓ２１でＹＥＳ）、インバータ２２の出力が−１００Ｈｚ〜１００Ｈｚであるか否かを判定する（Ｓ２２）。Ｓ２２までのステップは図５で説明した第1の実施の形態における動作と同じである。

インバータ２２の出力が−１００Ｈｚ〜１００Ｈｚである場合は（Ｓ２２でＹＥＳ）、フロント用モータとリア用モータとのトルク分配率を変更する（Ｓ２３）。トルクの分配は、例えば通常はフロント：リア＝０：１００である分配率を、フロント：リア＝５０：５０に変更する。また、フロント：リア＝２０：８０である分配率を、フロント：リア＝３０：７０に変更しても良い。分配率の変更は、固定値であっても良いし、例えば、インバータの出力周波数が低いときに分配率を高くし、出力周波数が高い時に分配率を低くするように可変としても良い。トルク分配率を変更することにより、ＩＧＢＴに流れる電流も分配されて発熱が分配されることになる。なお、第２に実施の形態においては、フロント／リアのいずれかのインバータ２２における周波数検知の場合を説明したが、例えば、フロント又はリアのタイヤがスリップしている様な場合においては、タイヤが停止しているモータのトルクを回転しているモータに分配しても空回りが増えるだけなので、両タイヤに回転差が発生している場合には、トルクの再分配を停止するように制御しても良い。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明は斯かる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１ モータ制御装置
１０ モータＥＣＵ
２０ バッテリ
２１ 昇圧コンバータ
２２ インバータ
２３ モータ
３１ 車速センサ
３２ 傾斜センサ
４０ ブレーキＥＣＵ
２２１ 温度センサ

Claims (1)

1. 車両を駆動する誘導モータと、
   バッテリと、
   スイッチング素子を含み、前記スイッチング素子のスイッチング動作に応じて、前記バッテリの直流電力から前記誘導モータを駆動する交流電力を生成するインバータと、
   前記インバータで生成された交流電力の周波数を検知する周波数検知部と、
   前記誘導モータの回転数と回転方向を検知する回転検知部と、
   前記インバータの温度を検出する温度検出部と、
   前記周波数検知部で検知された周波数と、前記回転検知部で検知された前記誘導モータの回転数及び回転方向とに基づき、前記インバータにおける１相電流集中の有無を判定する電流集中判定部と、
   前記温度検出部で検出された前記インバータの温度に基づき、前記スイッチング素子の予め規定された耐熱限界を超えない範囲で前記インバータに通電可能な最大通電時間を算出する最大通電時間算出部と、
   前記電流集中判定部により前記インバータで１相電流集中が発生していると判定されている状況で、前記最大通電時間算出部により算出された前記最大通電時間を経過した場合、前記インバータの出力を制限する制御部と、を備えたことを特徴とする、
   モータ制御装置。
   

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