JP5994812B2 - 車両 - Google Patents

Description

本発明は、車両に関し、特に、回転電機と、回転電機に電流を供給するインバータとを備える車両に関する。

特表２００８−５３９６８２号公報（特許文献１）には、モータのトルクおよび転変動からモータの回転軸を支持するベアリングの油膜の状態を表わすパラメータを算出し、算出されたパラメータに基づいてモータの回転速度を所定値まで上昇させることで油膜の破断を抑制する技術が開示されている。

特表２００８−５３９６８２号公報

ところで、モータを駆動すると、モータ周辺の金属（たとえばモータの回転軸を支持するベアリングなど）に電食という現象が生じることが従来より知られている。電食とは、電流回路から外部に漏れる迷走電流（stray current）が電流回路周辺の金属に断続的に流れることによって電流回路周辺の金属が腐食する現象である。

電食の発生を抑制するためには、モータ周辺の金属の表面に絶縁油膜を形成し、その油膜の破断を抑制することが望ましい。しかしながら、電食の発生を抑制するために、特許文献１のようにモータの回転速度を所定値まで上昇させることで油膜の破断を抑制すると、モータの出力が変化してユーザの要求出力に維持できなくなるおそれがある。

本発明は、上述の問題を解決するためになされたものであって、その目的は、回転電機の出力をユーザの要求出力に維持しつつ回転電機の周辺部位の電食の発生を抑制することである。

この発明に係る車両は、回転電機と、回転電機に電流を供給するインバータと、インバータを制御する制御部とを備える。制御部は、回転電機の周辺部位において電食が発生するか否かを判定する。制御部は、電食が発生すると判定されない場合はインバータの制御モードを第１モードとし、電食が発生すると判定された場合は回転電機の出力をユーザ要求出力に維持しつつ第１モードよりも電食の発生を抑制するための第２モードにインバータの制御モードを切り替える。

このような構成によれば、電食が発生すると判定された場合、インバータの制御モードが第１モードから第２モードに切り替えられる。第２モードは、回転電機の出力をユーザ要求出力に維持しつつ第１モードよりも電食の発生を抑制するためのモードである。そのため、回転電機の出力をユーザ要求出力に維持しつつ電食の発生を抑制することができる。

好ましくは、制御部は、パルス幅変調制御によってインバータを制御する。第２モードは、回転電機の出力をユーザ要求出力に維持しつつ、パルス幅変調制御に用いられるキャリア信号の周波数を第１モードよりも電食の発生を抑制可能な周波数に変更するモードである。

このような構成によれば、インバータのパルス幅変調制御に用いられるキャリア信号の周波数を変更することによって、回転電機の出力をユーザ要求出力に維持しつつ電食の発生を抑制することができる。

好ましくは、制御部は、回転電機の運転状態に基づいて周辺部位の電食に対する耐性強度を示すストレングスおよび周辺部位に掛かる電気的な負荷を示すストレスをそれぞれ推定し、推定されたストレングスおよびストレスに基づいて電食が発生するか否かを判定する。

このような構成によれば、周辺部位の電食に対する耐性強度（ストレングス）および周辺部位に掛かる電気的な負荷（ストレス）の双方を考慮して、電食が発生するか否かを適切に判定することができる。

好ましくは、車両は、走行用モータおよび回生用ジェネレータを備えたハイブリッド自動車である。回転電機は、走行用モータおよび回生用ジェネレータの少なくとも一方である。

このような構成によれば、走行用モータあるいは回生用ジェネレータの出力をユーザ要求出力に維持しつつ、電食の発生を抑制することができる。

車両の概略構成を示す図である。 ＥＣＵが行なう処理の流れを示すフローチャートである。 キャリア周波数設定マップの一例を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態による車両１の概略構成を示す図である。車両１は、モータＭ（後述）とエンジン（図示せず）との少なくとも一方の動力を用いて走行可能なハイブリッド自動車である。本実施の形態では、本発明をハイブリッド自動車に適用する場合を例示するが、本発明は電気エネルギによって得られた駆動力で走行する電動車両全般（ハイブリッド自動車の他、たとえば、電気自動車、燃料電池車等を含む）に適用可能である。

車両１は、トランスアクスル１０と、インバータ２０と、バッテリ３０と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００とを含む。トランスアクスル１０内には、モータＭ、ベアリング１４が備えられる。

モータＭは、交流の回転電機であって、代表的には３相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の永久磁石型同期モータである。モータＭは、主として車両１を走行させるための駆動力を発生する走行用モータとして機能する。モータＭは、主として走行用モータを駆動させるための電力を発生する回生用ジェネレータとして機能するものでもよい。

モータＭは、ステータ１１と、ロータ１２と、回転軸１３とを含む。ステータ１１は、トランスアクスル１０のハウジング１５に固定される。ロータ１２は、モータＭの回転軸１３に固定される。

ベアリング１４は、モータＭの回転軸１３をハウジング１５に回転可能に支持する。ベアリング１４は、回転軸１３に固定された内輪１４ａと、ハウジング１５に固定された外輪１４ｂと、内輪１４ａと外輪１４ｂとの間に設けられた転動体１４ｃとを含む。

トランスアクスル１０内には、モータＭを冷却したりベアリング１４の作動を潤滑したりするための油が循環される。

バッテリ３０は、代表的には、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池あるいは電気二重層キャパシタ等の蓄電装置により構成される。

インバータ２０は、モータＭの各相に対応したＵ相アーム、Ｖ相アーム、Ｗ相アームを含む。各相アームは、ＥＣＵ１００からの制御信号によって制御される複数のスイッチング素子（上側アームおよび下側アーム）を含む。

インバータ２０は、モータＭをモータとして機能させる場合には、ＥＣＵ１００からの制御信号に応答したスイッチング動作により、バッテリ３０からの直流を三相交流に変換してモータＭに出力する。これにより、モータＭが駆動される。

一方、モータＭをジェネレータとして機能させる場合には、インバータ２０は、ＥＣＵ１００からの制御信号に応答したスイッチング動作により、モータＭによって回生発電された三相交流を直流に変換してバッテリ３０に出力する。これにより、バッテリ３０が充電される。

さらに、車両１には、図示しないが、モータＭの回転状態を検出するレゾルバ、トランスアクスル１０内の油温を検出するセンサ、モータＭに流れる相電流（Ｕ相電流、Ｖ相電流、Ｗ相電流）を検出するセンサなど、車両１を制御するために必要なさまざまな物理量を検出する複数のセンサが備えられる。これらのセンサは、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。

ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵し、当該メモリに記憶された情報および各センサからの情報に基づいて、モータＭ（インバータ２０）などの車両１の各機器を制御する。

ＥＣＵ１００は、車両１の出力（駆動力）がユーザの要求する出力（以下「ユーザ要求出力」という）となるように、モータＭの出力を制御する。ＥＣＵ１００は、モータＭをパルス幅変調（Pulse Width Modulation、以下「ＰＷＭ」ともいう）制御によって制御する。ＰＷＭ制御では、キャリア信号と相電圧指令値との比較結果でインバータ２０のスイッチング動作を制御することによって、疑似正弦波電圧をモータＭの各相に印加させる。ＰＷＭ制御そのものは公知の技術であるため、ＰＷＭ制御についての詳細な説明はここでは繰り返さない。

以上のような構成を有する車両１において、モータＭを駆動する際には、モータＭとインバータ２０との間に相電流が流れる。この影響で、モータＭの電流回路の周辺に配置されたベアリング１４に電食が生じる可能性がある。電食とは、既に述べたように、電流回路から外部に漏れる迷走電流（stray current）が電流回路周辺の金属に断続的に流れることによって金属が腐食する現象である。

ベアリング１４の電食の発生を抑制するためには、ベアリング１４内の油膜（具体的には、ベアリング１４の転動体１４ｃ、内輪１４ａ、外輪１４ｂの各要素間に形成される油膜）を破断させないようにすることが好ましい。しかしながら、油膜の破断を抑制するためにモータＭの出力を変化させてしまうと、車両１の出力（駆動力）をユーザ要求出力に維持できなくなるおそれがある。

そこで、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、モータＭの出力をユーザ要求出力に維持しつつ電食の発生を抑制するようにインバータ２０の制御モードを切り替える処理（以下「電食抑制処理」ともいう）を行なう。

具体的には、ＥＣＵ１００は、ベアリング１４の電食に対する耐性強度（以下「ストレングス」という）およびベアリング１４に掛かる電気的な負荷（以下「ストレス」という）をそれぞれ推定する。そして、推定されたストレングスおよびストレスに基づいて電食が発生する可能性があると判定された場合、ＥＣＵ１００は、モータＭの出力をユーザ要求出力に維持しつつ、インバータ２０の制御モードを通常モードから電食抑制モードに切り替える。

図２は、ＥＣＵ１００が行なう電食抑制処理の流れを示すフローチャートである。このフローチャートは、所定周期で繰り返し実行される。

Ｓ１０にて、ＥＣＵ１００は、ベアリング１４のストレングスを推定する。たとえば、ＥＣＵ１００は、モータＭのトルクおよび回転速度をパラメータとしてベアリング１４内の油膜の厚さ（以下、単に「油膜厚さ」という）を推定し、推定された油膜厚さが厚いほど、ベアリング１４の各要素間の絶縁性が高くストレングスが大きい（電食が生じ難い）と推定する。

なお、油膜厚さは、たとえば、トランスアクスル１０内の油温をパラメータとして推定することもできる。たとえば、トランスアクスル１０内の油温が低いほど、油粘度が高く油膜厚さが厚いと推定することができる。

Ｓ１１にて、ＥＣＵ１００は、ベアリング１４に掛かるストレスを推定する。たとえば、ＥＣＵ１００は、モータＭの相電圧からモータＭの中性点電圧（モータＭの中性点とグランドとの電位差）および軸電圧（モータＭの回転軸１３とグランドとの電位差）を推定し、推定された中性点電圧および軸電圧が大きいほど、ベアリング１４に迷走電流が流れ易くストレスが大きい（電食が生じ易い）と推定する。

Ｓ１３にて、ＥＣＵ１００は、ベアリング１４の電食が発生する可能性があるか否かを判定する。ＥＣＵ１００は、Ｓ１１で推定されたストレスがＳ１０で推定されたストレングスよりも大きい場合に電食が発生する可能性があると判定する。

電食が発生する可能性があると判定されない場合（Ｓ１３にてＮＯ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ１４にて、通常モードでインバータ２０を制御する。

一方、電食が発生する可能性があると判定された場合（Ｓ１３にてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ１５にて、電食抑制モードでインバータ２０を制御する。電食抑制モードは、モータＭの出力をユーザ要求出力に維持しつつ、通常モードよりも電食の発生を抑制するためのモードである。

本実施の形態においては、インバータ２０のＰＷＭ制御に用いられるキャリア信号の周波数（以下「キャリア周波数」という）が、通常モードか電食抑制モードかに応じて切り替えられる。

図３は、キャリア周波数を設定するためのマップ（以下「キャリア周波数設定マップ」という）の一例を示す図である。図３（Ａ）は通常モード時に用いられるキャリア周波数設定マップ（以下「通常モード用マップ」という）の一例を示し、図３（Ｂ）は電食抑制モード時に用いられるキャリア周波数設定マップ（以下「電食抑制モード用マップ」という）の一例を示す。

図３（Ａ）および図３（Ｂ）に示すように、通常モード用マップおよび電食抑制モード用マップのどちらにおいても、モータＭの回転速度およびトルクをパラメータとしてキャリア周波数が設定される。

図３（Ｂ）に示す電食抑制モード用マップにおいては、高トルク領域αおよび高回転速度領域βにおけるキャリア周波数が図３（Ａ）に示す通常モード用マップよりも高い値に設定されている。

高トルク領域αおよび高回転速度領域βにおけるキャリア周波数を図３（Ａ）に示す通常モード用マップで設定すると、モータＭの中性点電圧および軸電圧の周波数が迷走電流回路との共振周波数領域に含まれてしまい、迷走電流が大きくなる傾向にあることが実験等によって判明している。

そこで、図３（Ｂ）に示す電食抑制モード用マップにおいては、高トルク領域αおよび高回転速度領域βにおけるキャリア周波数を通常モード用マップよりも増加させている。これにより、モータＭの中性点電圧および軸電圧の周波数が迷走電流回路との共振周波数領域から外れて迷走電流が抑制されるため、電食が抑制される。このようにキャリア周波数を変更してもモータＭの出力は変化しない。すなわち、モータＭの出力をユーザ要求出力に維持しつつ電食を抑制することができる。

以上のように、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、ベアリング１４のストレングスおよびストレスを推定し、推定されたストレングスおよびストレスに基づいて電食が発生する可能性があるか否かを判定する。そして、電食が発生する可能性があると判定された場合、ＥＣＵ１００は、キャリア周波数設定マップを通常モード用マップから電食抑制モード用マップに切り替えることによって迷走電流を抑制する。これにより、モータＭの出力をユーザ要求出力に維持しつつ電食の発生を抑制することができる。

＜変形例＞
上述の実施の形態は、たとえば以下のように変形することができる。

（１） 上述の実施の形態においては、電食の発生を抑制すべき対象をベアリング１４とする例を示したが、電食の発生を抑制すべき対象を、ベアリング１４に代えてあるいは加えて、トランスアクスル１０内の他の軸受部あるいは摺動部としてもよい。

（２） 上述の実施の形態においては、ストレングスの推定に用いるパラメータを油膜厚さとする例を示したが、ストレングスの推定に用いることができるパラメータはこれに限定されない。

たとえば、油膜厚さに代えてあるいは加えて、ベアリング１４の転送面の表面粗さ（以下、単に「表面粗さ」という）に基づいてストレングスを推定するようにしてもよい。たとえば、表面粗さが大きいほどベアリング１４内の金属接触面積が大きくなり通電頻度が増加するため、ストレングスが小さい（電食が生じ易い）と推定することができる。

また、油膜厚さあるいは表面粗さに基づいて推定されたストレングスを、油温、油劣化度、油中異物量などに基づいて補正するようにしてもよい。たとえば、油温が高いほど油粘度が低く油膜厚さが薄くなるため、ストレングスが小さいと推定することができる。また、油劣化度や油中異物量が大きいほど、油膜絶縁性が悪化するため、ストレングスが小さくなるように補正することができる。

（３） 上述の実施の形態においては、ストレスの推定に用いるパラメータをモータＭの中性点電圧および軸電圧とする例を示したが、ストレスの推定に用いることができるパラメータはこれらに限定されない。

たとえば、モータＭの中性点電圧および軸電圧に代えてあるいは加えて、モータＭを流れる電流、モータＭに供給される交流電力（単位：ワット）に基づいてストレスを推定するようにしてもよい。モータＭに供給される交流電力を用いる場合には、交流電力の実効値を用いてもよいし、交流電力の最大値を用いてもよい。モータＭを流れる電流を用いる場合には、電流密度を用いるようにしてもよい。

（４） 上述の実施の形態においては、ストレスがストレングスよりも大きい場合に電食が発生する可能性があると判定したが、電食が発生する可能性があるか否かの判定手法はこれに限定されない。

たとえば、ストレスが予め定められた規定値よりも大きい場合に電食が発生する可能性があると判定するようにしてもよいし、ストレングスが予め定められた規定値よりも小さい場合に電食が発生する可能性があると判定するようにしてもよい。

（５） 上述の実施の形態においては、電食が発生する可能性があると判定された場合に、モータＭが高トルク領域あるいは高回転速度領域で動作しているときにキャリア周波数を高周波数域に変更した（上述の図３参照）が、キャリア周波数を変更する条件はこれに限定されない。

たとえば、上記の条件に代えてあるいは加えて、油温が高温であるとき、あるいは経過時間（経年劣化）がしきい値を超えたときに、油膜絶縁性が低下しているとして、キャリア周波数を高周波数域に変更するようにしてもよい。

（６） 上述の実施の形態においては、電食抑制処理によってキャリア周波数を変更する例を示したが、電食抑制処理による変更対象はキャリア周波数に限定されない。

たとえば、インバータ２０からモータＭに出力される電圧波形を変更するようにしてもよい。モータＭの制御方式を、ＰＷＭ制御方式、過変調ＰＷＭ制御方式、矩形波電圧制御方式のいずれかに切り替え可能である場合には、こられの制御方式を変更することで電食を抑制するようにしてもよい。たとえば、モータＭの動作点が高出力領域に含まれる場合に、モータＭの制御方式を、矩形波電圧制御方式から過変調ＰＷＭ制御方式に、あるいは、過変調ＰＷＭ制御方式からＰＷＭ制御方向に変更するようにすればよい。このようにモータＭの制御方式を変更することで、モータＭの出力電圧波形が変更されて電流波形の歪み度合いが小さく抑えられる。これにより、瞬間的なピーク電圧およびピーク電流が抑制されるため、電食を抑制することができる。

また、モータＭの動作点を変更するようにしてもよい。すなわち、モータＭの動作点が電食の発生し易い高出力領域に含まれる場合には、モータＭのトルクおよび回転速度の少なくとも一方を低下させることによって、ストレスが低下し、電食を抑制することができる。なお、モータＭの出力が低下した場合には、その低下分をエンジンによって補なうようにすればよい。モータＭの出力低下分をエンジンによって補うことができない場合には、電食抑制を優先し、車両１の駆動力に制限を設けるようにしてもよい。

（７） 上述した実施の形態およびその変形例については、技術的に矛盾が生じない範囲で適宜組合せることも可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 車両、１０ トランスアクスル、１１ ステータ、１２ ロータ、１３ 回転軸、１４ ベアリング、１４ａ 内輪、１４ｂ 外輪、１４ｃ 転動体、１５ ハウジング、２０ インバータ、３０ バッテリ、１００ ＥＣＵ、Ｍ モータ。

Claims (3)

1. 回転電機と、
   前記回転電機に電流を供給するインバータと、
   前記インバータを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記回転電機の周辺部位において電食が発生するか否かを判定し、前記電食が発生すると判定されない場合は前記インバータの制御モードを第１モードとし、前記電食が発生すると判定された場合は前記回転電機の出力をユーザ要求出力に維持しつつ前記第１モードよりも前記電食の発生を抑制するための第２モードに前記インバータの制御モードを切り替え、
   前記制御部は、パルス幅変調制御によって前記インバータを制御し、
   前記第２モードは、前記回転電機の出力を前記ユーザ要求出力に維持しつつ、前記パルス幅変調制御に用いられるキャリア信号の周波数を前記第１モードよりも前記電食の発生を抑制可能な周波数に変更するモードであり、
   前記第２モードは、前記回転電機のトルクが所定値よりも高い高トルク領域および前記回転電機の回転速度が所定値よりも高い高回転速度領域の少なくとも一方の領域において、前記キャリア信号の周波数を前記第１モードよりも高くするモードである、車両。
2. 前記制御部は、前記回転電機の運転状態に基づいて前記周辺部位の前記電食に対する耐性強度を示すストレングスおよび前記周辺部位に掛かる電気的な負荷を示すストレスをそれぞれ推定し、推定された前記ストレングスおよび前記ストレスに基づいて前記電食が発生するか否かを判定する、請求項１に記載の車両。
3. 前記車両は、走行用モータおよび回生用ジェネレータを備えたハイブリッド自動車であり、
   前記回転電機は、前記走行用モータおよび前記回生用ジェネレータの少なくとも一方である、請求項１または２に記載の車両。

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