JP5995709B2 - 車載モータの冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、車両に搭載されたモータに冷却媒体を移送して冷却する車載モータの冷却装置に関する。

近年、自動車等の車両においては、低公害、省資源の観点からエンジンとモータを動力源として走行するハイブリッド車両（ＨＥＶ）やモータのみを動力源として走行する電気車両（ＥＶ）が開発されている。これらの車両では、オイルポンプ等によって潤滑油をモータや変速機構に供給して各部の冷却や潤滑を行っており、オイルポンプを適切なタイミングで作動させることが必要となる。

このため、例えば特許文献１には、エンジンの出力を駆動輪とモータジェネレータ機構のそれぞれに動力伝達するとともに、モータジェネレータ機構によりエンジン出力軸を強制回転できるように構成し、エンジン出力軸に直結されたオイルポンプを有するハイブリッド車両において、ＥＶ走行時に、モータジェネレータ機構の回転トルクを所定のタイミングでオイルポンプを作動させるための回転軸に伝達し、これによりオイルポンプを一定時間作動させて動力分割機構等へ潤滑油を供給するように構成することで、ＥＶ走行時であっても動力分割機構への潤滑油の供給が適切なタイミングで必要な時間行われ、オイルポンプの作動停止時に潤滑油の供給が停止される部位の焼損を防止する技術が開示されている。

特許第３７２２１０２号公報

ＨＥＶやＥＶにおいては、特に、モータは運転に伴って発熱し、この発熱による温度上昇によって出力性能が制限されるため、モータを適切に冷却することが極めて重要な要素となる。しかしながら、従来、モータの温度は、内部のロータ等の回転体の温度を直接計測することが困難なため、モータを冷却するためのオイルの温度を計測して推定しており、負荷によってモータの内部温度が急激に上昇するような場合、オイル温度を測定しても応答遅れが生じて適切に冷却を開始できない虞がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、モータの温度を応答遅れなく的確に把握し、適切なタイミングでモータを冷却することのできる車載モータの冷却装置を提供することを目的としている。

本発明による車載モータの冷却装置は、車両に搭載されたモータに移送機器を介して冷却媒体を移送して前記モータを冷却する車載モータの冷却装置において、前記モータに供給される電力量及び前記モータで発生する電力量をモータ電力量として所定の単位時間毎に監視し、該モータ電力量を積算するモータ電力監視部と、前記モータ電力監視部で積算された前記移送機器による前記モータへの冷却媒体の移送を停止してから現在に至るまでの前記モータ電力量の積算値に基づいて、前記モータの強制的な冷却の要否を判定するモータ冷却判定部と、前記モータ冷却判定部からの指示により、前記移送機器を駆動して前記モータを強制的に冷却するモータ冷却制御部とを備えたものである。

本発明によれば、モータの温度を応答遅れなく的確に把握することができ、適切なタイミングでモータを冷却することができる。

ＨＥＶシステムの構成図 電力積算値と冷却開始タイミングとの関係を示す説明図 一定時間当たりの電力積算量と冷却開始タイミングとの関係を示す説明図 モータ冷却制御処理のフローチャート

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
図１において、符号１は本発明が適用される車両の駆動システムを示し、本実施の形態においては、エンジン２とモータ３とを併用するハイブリッド車両（ＨＥＶ）のＨＥＶシステムである。図１の例では、エンジン２とモータ３とがクラッチ４を介して直列的に配列され、モータ３の出力側に変速機５が連設されている。変速機５から出力される駆動力は、前輪６Ｆ及び後輪６Ｒの双方或いは一方に伝達される。

エンジン２は、例えばガソリン等を燃料として動力を発生する内燃機関である。また、モータ３は、例えば、回転自在に支持された出力軸に軸止された永久磁石から成るロータ３ａと、３相巻線が巻回されたステータ３ｂとを備えた同期発電機である。モータ３は、バッテリ１００からの電力によって動力を発生すると共に、エンジン２による駆動或いは回生ブレーキ作動時に発電し、バッテリ１００を充電する。

このハイブリッド車両１は、ハイブリッド制御ユニット（ＨＣＵ）１０１を中心とする複数の電子制御ユニットからなる電子制御系によって制御される。すなわち、ＨＣＵ１０１は、インバータ１０３を介してモータ３を制御するモータコントローラ１０２、エンジン２を制御するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１０４、クラッチ４及び変速機５を制御する変速機制御ユニット１０５を統括して車両駆動系全体を制御し、クラッチ４を開放した状態でのモータ３のみの動力による走行と、クラッチ４を締結した状態でのエンジン２とモータ３との動力による走行とを切り換えることができる。

尚、図１における各制御ユニットには、車両の運転状態を検出する図示しないセンサ類や、油圧系統の各種制御弁等の各種アクチュエータ類が接続されている。

また、図１に示すハイブリッド車両１は、バッテリ１００を充電するための充電回路（充電装置）１０６を搭載して、家庭用電源からも充電可能な機能を備えたハイブリッド車両である。すなわち、バッテリ１００には、家庭用電源プラグ１０７を備える充電回路（充電装置）１０６が接続されている。充電回路１０６は、家庭用電源プラグ１０７を介して家庭用電源から電力供給を受けてバッテリ１００を充電する。

ここで、モータ３及び変速機５は、モータ３に冷却媒体を移送する移送機器としてのオイルポンプ７によって供給される潤滑油によって冷却・潤滑される。オイルポンプ７は、例えばトロコイド式ポンプやギヤ式ポンプ等から構成され、エンジン２或いは図示しないモータにより駆動されてオイルパン８に貯留された潤滑油を吸引し、モータ３や変速機５等の各部の動力系統に潤滑油を圧送する。このオイルポンプ７から圧送される潤滑油は、各歯車要素や各軸の回転部分及び摺動部分を循環して摩擦抵抗を低減すると共に、各部を冷却する。

このため、ＨＣＵ１０１は、主としてモータ３の冷却制御処理に係る機能として、図１中に示すように、モータ電力監視部１０１ａ、モータ冷却判定部１０１ｂ、モータ冷却制御部１０１ｃによって代表される機能を備えている。尚、これらの機能は、ＨＣＵ１０１以外の制御ユニットに備えるようにしても良い。

尚、本実施の形態においては、油を冷却媒体とする油冷方式でモータ３を冷却する例について説明するが、水を冷却媒体とする水冷方式でモータ３を冷却するようにしても良い。油冷方式は、冷却媒体が絶縁性を有するため、モータ内部に油を流通させてモータの発熱部位（コイル、コア、磁石等）を直接冷却することが可能であるが、ロータ・ステータの間に油が侵入する冷却構造とする場合には、油の摩擦抵抗に留意する必要がある。

モータ電力監視部１０１ａは、モータ３のみのＥＶ走行時（後退走行も含む）にモータ３へ供給する電力量、若しくは回生走行時やエンジン２によって発電機として駆動された場合に発生する電力量を単位時間毎にモニタする。詳細には、モータ３で消費される電力或いは発電（回生を含む）によって発生する電力を、単位時間当たりのモータ電力量ｗとして時系列に記録し、オイルポンプ７による冷却を停止してから現在までのモータ電力量ｗを積算した電力量（後述する電力量ＷＴ及び電力積算値ＷＳ）を算出する。

モータ冷却判定部１０１ｂは、モータ電力監視部１０１ａで算出した電力量に基づいてモータ３の強制的な冷却の要否を判定し、モータ冷却制御部１０１ｃにモータ３の冷却開始を指示する。モータ３の冷却の要否は、オイルポンプ７による潤滑油のモータ３への移送を停止してから現在に至るまでの電力積算値ＷＳと、途中の一定時間Ｔ（例えば、２，３ｓｅｃ）当たりの電力量（単位時間当たりのモータ電力量ｗの時間Ｔの積算値）ＷＴとに基づいて判定する。

一般に、モータの発熱は、導電材料や磁性材料に起因する銅損や鉄損、軸受部の摩擦及びロータとステータ間のエアギャップ部における空気の攪拌抵抗等の機械的な構成に起因する機械損により、不可避的に発生する。これらの損失のうち、通常、機械損は銅損・鉄損に較べて小さく、また、予め既知の対応が可能であるため、車両の運転状態に応じて変化するモータの電流による銅損・鉄損がモータ発熱の支配的な要因となる。

従って、モータ３の運転に伴って発生する熱によるモータ内部の温度上昇は、現在までのモータ３の電力積算値ＷＳで推定することができ、現在までの電力積算値ＷＳを、モータ３が連続運転可能な温度状態を規定する閾値ＷＳＨと比較することにより、モータ３の冷却の要否を判定することができる。閾値ＷＳＨは、モータ３の熱容量を加味した放熱特性を考慮して予め実験或いはシミュレーション等により設定しておき、電力積算値ＷＳが閾値ＷＳＨを超えたとき、モータ３を強制的に冷却する必要があると判定して、モータ冷却制御部１０１ｃに指示してオイルポンプ７を作動させる。

すなわち、図２に示すように、単位時間当たりのモータ電力量ｗを示す曲線の面積で表される電力積算値ＷＳは、同図中にＷＳ１，ＷＳ２で示すように、単位時間当たりのモータ電力量ｗが大きい場合、単位時間当たりのモータ電力量ｗが小さい場合に比較して、それぞれの場合に閾値ＷＳＨを超えるタイミング（時間）Ｔ１，Ｔ２は、Ｔ１＜Ｔ２となる。従って、単位時間当たりのモータ電力量ｗを積算した電力積算値ＷＳの値を監視することにより、測定が困難なモータの内部温度を的確に把握して適切なタイミングでモータの冷却を開始することが可能となる。

また、図３に示すように、モータ３のロータ３ａのような部品においては、その部品の温度Ｔｐが負荷に応じて急激に昇温する。このため、急激に昇温する部品の冷却が間に合わず（冷却用の潤滑油の温度Ｔoilは比較的ゆっくりと上昇する）、同図中に破線で示すように短時間で該当部品の許容温度Ｔｐｍａｘを超えてしまう虞がある。

従って、単位時間当たりのモータ電力量ｗを一定時間Ｔだけ積算した電力量ＷＴを、予め設定した閾値ＷＴＨと比較し、一定時間Ｔ当たりの電力量ＷＴが閾値ＷＴＨを超えたとき、モータ３を強制的に冷却する必要があると判定して、モータ冷却制御部１０１ｃに指示してオイルポンプ７を作動させる。閾値ＷＴＨは、モータ３内部のロータ３ａ等の構成部品の許容温度Ｔｐｍａｘを考慮して予め実験或いはシミュレーション等により設定しておく。

モータ冷却制御部１０１ｃは、モータ冷却判定部１０１ｂからの指示によりオイルポンプ７を始動させて潤滑油をモータ３や変速機５に移送して、各部の冷却及び回転・摺動部の潤滑を行う。オイルポンプ７がエンジン駆動式である場合には、モータ冷却制御部１０１ｃからＥＣＵ１０４へエンジン２の始動を指令し、オイルポンプ７がモータ駆動式である場合には、モータ冷却制御部１０１ｃから図示しない駆動回路を介してモータを駆動し、オイルポンプ７を始動させる。

以上の各機能部によるモータ冷却制御処理は、具体的には、ＨＣＵ１０１で実行されるプログラム処理によって実現される。次に、モータ冷却制御のプログラム処理について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。

図４のフローチャートに示すモータ冷却制御処理は、所定の時間周期で実行される処理であり、最初のステップＳ１において、オイルポンプ７が停止しているか否かを調べる。オイルポンプ７が駆動されており、潤滑油がモータ３や変速機５に供給されて各部の冷却・潤滑がなされている場合には、ステップＳ１からステップＳ７へジャンプし、後述するように、オイルポンプ７を停止させる条件が成立するか否かを調べる。

一方、ステップＳ１においてオイルポンプ７が停止している場合には、ステップＳ１からステップＳ２へ進んで単位時間当たりのモータ電力量ｗをモニタし、この単位時間当たりのモータ電力量ｗを積算していく。尚、モータ電力量ｗのモニタは、少なくとも本処理の実行周期を単位時間として実行する。

その後、ステップＳ３へ進み、一定時間Ｔ当たりの電力量ＷＴが第１の閾値としての閾値ＷＴＨを超えたか否かを調べる。その結果、ステップＳ３においてＷＴ＞ＷＴＨの場合には、ステップＳ５へ進み、エンジン２或いは図示しないモータを介してオイルポンプ７を始動させ、モータ３及び変速機５へ潤滑油を供給する。すなわち、モータ３の負荷が一時的に増加してモータ３のロータ３ａ等が過度に温度上昇する虞があると予想される場合、直ちにオイルポンプ７を始動させることで、モータ３の強制冷却を行う。

また、ステップＳ３においてＷＴ≦ＷＴＨの場合には、更に、ステップＳ４で単位時間当たりのモータ電力量ｗの現在までの電力積算値ＷＳが第２の閾値としての閾値ＷＳＨを超えているか否かを調べる。そして、ＷＳ≦ＷＳＨの場合には本処理を抜け、ＷＳ＞ＷＳＨの場合、ステップＳ５へ進んでオイルポンプ７を始動させる。すなわち、或る程度長期的にモータ３を使用することによってモータ温度が上限を超えることが予想される場合、オイルポンプ７を始動させることで、モータ３の強制冷却を行う。

ステップＳ５でオイルポンプ７を始動させた後は、ステップＳ６でモータ電力量ｗのモニタデータをクリアして、ステップＳ７でオイルポンプ７の停止条件が成立するか否かを調べる。このオイルポンプ停止条件は、例えばモータ３周囲の潤滑油の油温で判断し、検出した油温が所定の設定温度以下に低下したとき、モータ３の温度が強制的な冷却を要する温度以下に低下したと判断してオイルポンプ７を停止させる。

そして、ステップＳ７でオイルポンプ７の停止条件が成立しない場合には、一旦処理を抜け、オイルポンプ７の停止条件が成立する場合、ステップＳ８でオイルポンプ７を停止させる。オイルポンプ７を停止させた後は、あらためて単位時間当たりのモータ電力量ｗのモニタを開始し、上述したように、一定時間Ｔ当たりの電力量ＷＴが閾値ＷＴＨを超えたとき、或いは電力積算値ＷＳが閾値ＷＳＨを超えたとき、オイルポンプ７を始動させて潤滑油による強制冷却を行う。

このように本実施の形態においては、単位時間毎にモータ３の電力量ｗを監視し、オイルポンプ７を停止してモータ３の強制的な冷却を停止してから現在に至るまでの電力量ｗの積算値ＷＳと、途中の一定時間当たりの電力量ＷＴとを用いて、モータ３を強制的に冷却するタイミングを決定している。これにより、モータ３の温度を応答遅れなく的確に把握することができ、適切なタイミングでモータ３を冷却することができる。

１ 車両
３ モータ
５ 変速機
７ オイルポンプ
１０１ ハイブリッド制御ユニット
１０１ａ モータ電力監視部
１０１ｂ モータ冷却判定部
１０１ｃ モータ冷却制御部
ＷＳ 電力積算値
ＷＳＨ 閾値（第２の閾値）
ＷＴ 一定時間当たりの電力量
ＷＴＨ 閾値（第１の閾値）
ｗ 単位時間当たりのモータ電力量

Claims (3)

1. 車両に搭載されたモータに移送機器を介して冷却媒体を移送して前記モータを冷却する車載モータの冷却装置において、
   前記モータに供給される電力量及び前記モータで発生する電力量をモータ電力量として所定の単位時間毎に監視し、該モータ電力量を積算するモータ電力監視部と、
   前記モータ電力監視部で積算された前記移送機器による前記モータへの冷却媒体の移送を停止してから現在に至るまでの前記モータ電力量の積算値に基づいて、前記モータの強制的な冷却の要否を判定するモータ冷却判定部と、
   前記モータ冷却判定部からの指示により、前記移送機器を駆動して前記モータを強制的に冷却するモータ冷却制御部と
   を備えたことを特徴とする車載モータの冷却装置。
2. 前記モータ冷却判定部は、更に、前記移送機器による前記モータへの冷却媒体の移送を停止した後の所定の一定時間の前記モータ電力量の積算値に基づいて、前記モータの強制的な冷却の要否を判定することを特徴とする請求項１記載の車載モータの冷却装置。
3. 前記冷却媒体を潤滑油、前記移送機器をオイルポンプとして、前記モータ冷却制御部は、前記オイルポンプを駆動して潤滑油を前記モータに移送すると共に前記車両の変速機に潤滑油を移送することを特徴とする請求項１又は２載の車載モータの冷却装置。