JP6896159B2 - 交流回転機装置 - Google Patents

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Description

本願は、二次電池を備えた交流回転機装置に関するものである。
近年、ハイブリッド自動車または電気自動車等の電動装置の電源として、二次電池が広く用いられており、例えば、ハイブリッド自動車においては、モータにより車両を走行させる場合には、二次電池からの電流によってモータを駆動し、一方、エンジンからの出力が大きい場合には、エンジンにより発電機を駆動して二次電池を充電させるように構成している。この二次電池は、充電時の温度によって劣化の程度が異なることが知られており、このため、二次電池を充放電させて自己発熱させ、二次電池の温度を上昇させて劣化を抑制する技術が知られている。
このような二次電池の温度を上昇させるための昇温制御装置として、モータが回転しない態様で二次電池を放電させて二次電池からモータへ電力を供給させることにより、二次電池を自己発熱させる発熱制御部を備えたものが提案されている。（例えば、特許文献１参照）
国際公開ＷＯ２０１４／０２４４９０号公報
上述のような昇温制御装置においては、モータの回転位置から回転トルクが０となるようなＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電流指令値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを求め、その電流指令値に基づいてモータを駆動させることによって二次電池を放電させ、自己発熱させている。
しかしながら、この昇温制御装置においては、モータを回転させないことによって特定相に偏った電流が流れ続けることが考えられ、各相のスイッチング素子やコイルの発熱に偏りが生じるため、短時間で大電流を流すことができないという問題があった。また、二次電池の自己発熱にのみ着目しており、モータの昇温により回転の効率を上げることについては考えられていない。
本願は、上述のような問題を解決するための技術を開示するもので、短時間で大きな電流を流すことが可能な交流回転機装置を提供するものである。
本願に開示される交流回転機装置は、磁石式のロータおよびこのロータに回転磁界を発生させるための第１の３相コイル、第２の３相コイルを有する交流回転機本体と、前記第１、第２の３相コイルへ電力を供給する二次電池と、前記二次電池が発生する直流を交流に変換する電力変換装置とを備え、前記電力変換装置が生成する交流電流を制御することによって前記交流回転機本体の回転トルクを制御する交流回転機装置であって、前記交流回転機装置に設けられた温度センサを備え、前記電力変換装置は、前記温度センサの温度情報に基づき昇温が必要と判定した場合、前記交流回転機本体における前記第２の３相コイルのＸ相Ｙ相Ｚ相にそれぞれ前記第１の３相コイルのＵ相Ｖ相Ｗ相と同じ大きさで位相が１８０度異なる３相交流電流を供給するようにしたことを特徴とするものである。
本願に開示される交流回転機装置によれば、交流回転機本体を構成する３相コイルの各相に平均的に電流を流すことによって、交流回転機本体が停止中でありながら短時間で大きな電流を流すことが可能となるため、二次電池および交流回転機本体の昇温に活用することができる。また、交流回転機本体を駆動させる場合の電流制御を流用することによって実現することが可能となるため、外部に昇温制御回路を設ける必要がなく、安価な交流回転機装置を提供することができる。
実施の形態１に係る交流回転機装置の構成を概念的に示すブロック図である。 図１におけるインバータとモータの接続関係の詳細を示す回路図である。 インバータの要部構成を説明するためのハードウエアを示すブロック図である。 図２に示す交流回転機本体の構成を示す概要図である。 実施の形態１におけるモータ駆動制御時のインバータ処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１における昇温制御中の３相交流電流の波形を示す特性図である。 実施の形態１における昇温制御時のインバータの処理を説明するためのフローチャートである。
実施の形態１．
以下、実施の形態１について、図面に基づいて説明する。
図１は、実施の形態１に係る交流回転機装置の構成を概念的に示すブロック図である。
図１において、交流回転機装置１は、４８Ｖ程度の電圧を出力する二次電池２と、この二次電池２の温度を検出する温度センサ２Ａと、二次電池２によって電流が供給され、直流を交流に変換する電力変換装置となるインバータ３と、このインバータ３の温度を検出する温度センサ４と、インバータ３によって駆動され、動力を発生する交流回転機本体であるモータ５と、このモータ５の温度を検出する温度センサ６とを備えて構成されている。また、モータ５には回転位置情報を検出するセンサが設けられ、この回転位置情報が温度センサ６の温度情報とともにインバータ３に供給されている。
次に、このような交流回転機装置１におけるインバータ３とモータ５の接続関係の詳細を図２に基づいて説明する。
図２において、インバータ３は、６つの上アームスイッチング素子７、８、９、１３、１４、１５と、下アームスイッチング素子１０、１１、１２、１６、１７、１８と、これらのスイッチング素子７〜１８に対してオンオフ動作を制御するマイクロコンピュータ１９を備えており、スイッチング素子７〜１８の動作に基づいてモータ５のコイルに電流を供給するものである。
すなわち、二次電池２の放電によって直流電流が供給されると、マイクロコンピュータ１９の指示に従ってスイッチング素子７〜１８が動作し、直流電流を２群３相の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｚに変換してモータ５のコイルに供給する。
なお、マイクロコンピュータ１９は、ハードウエアの一例を図３に示すように、プロセッサ１９１と記憶装置１９２から構成される。この記憶装置１９２は、詳細を図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備しており、記憶装置１９２から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１９１にプログラムが入力される。また、プロセッサ１９１は、演算結果等のデータを記憶装置１９２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。さらに、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。
一方、モータ５は、図４に示すように磁界を生じさせるための６つのコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ、５１ｘ、５１ｙ、５１ｚが配置されたステータ５１と、このステータ５１に対向して中央に配置された磁石式のロータ５２とで構成されている。ここで、コイル５１ｕとコイル５１ｘ、コイル５１ｖとコイル５１ｙ、コイル５１ｗとコイル５１ｚは、それぞれ対として組み合わせられ、ロータ５２を中心として１２０度の間隔でロータ５２の周囲に配置されている。
したがって、インバータ３は、出力する２群３相の交流電流のうち、第１群の３相交流電流（Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗ）の位相差を互いに１２０度とし、第２群の３相交流電流（Ｘ相電流Ｉｘ、Ｙ相電流Ｉｙ、Ｚ相電流Ｉｚ）もまた位相差を互いに１２０度とし、さらに電流Ｉｕと電流Ｉｘ、電流Ｉｖと電流Ｉｙ、電流Ｉｗと電流Ｉｚとをいずれも位相差を０度として出力するように制御し、２群３相の交流電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、Ｉｘ、Ｉｙ、Ｉｚをモータ５における６つのコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ、５１ｘ、５１ｙ、５１ｚにそれぞれ流すように構成している。これによってＵＶＷ相とＸＹＺ相に同等の磁界を発生させ、ロータ５２を回転させるトルクを形成する。
図５は、モータ駆動制御の際のインバータ３の処理を示すフローチャートである。
図において、まず、マイクロコンピュータ１９の記憶装置１９２に記録されたプログラムに基づき、インバータ３は、モータ５からロータ５２の回転速度情報と回転位置情報を受け取る（ステップＳ１）。また、他ユニットから目標となるモータ５を回転させるトルク値を受け取る（ステップＳ２）。
次に、現在のトルク値が目標のトルク値に到達しているか判定し（ステップＳ３）、到達している場合（Ｙ）は、処理フローをそのまま終了する。
一方、ステップＳ３で現在のトルク値が目標のトルク値に到達していないと判定した場合（Ｎ）、ステップＳ４に進み、ロータ５２の回転速度情報と回転位置情報、および現在モータ５に供給されている３相交流電流の値から電圧指令値を演算する（ステップＳ４）。その後、演算した電圧指令値をスイッチング素子７〜１８に与えて電流を制御し（ステップＳ５）、モータ５に回転トルクを発生させてモータ５の通常の駆動制御を行わせる。
次に、回転トルクを発生させることなくモータ５を駆動させ、二次電池２及びモータ５を昇温させる場合の動作について図６、図７を用いて説明する。
図６は、モータ５における２群３相のコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ、５１ｘ、５１ｙ、５１ｚに流す交流電流を表す波形である。
図において、第１群の３相交流電流（Ｕ相Ｖ相Ｗ相）は、Ｕ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、Ｗ相電流Ｉｗからなり、第２群の３相交流電流（Ｘ相Ｙ相Ｚ相）は、Ｘ相電流Ｉｘ、Ｙ相電流Ｉｙ、Ｚ相電流Ｉｚからなる。ここで、Ｕ相電流Ｉｕに対するＶ相電流Ｉｖ、Ｖ相電流Ｉｖに対するＷ相電流Ｉｗ、Ｘ相電流Ｉｘに対するＹ相電流Ｉｙ、Ｙ相電流Ｉｙに対するＺ相電流Ｉｚは、いずれも位相が１２０度遅れているように形成する。また、Ｕ相電流Ｉｕに対するＸ相電流Ｉｘ、Ｖ相電流Ｉｖに対するＹ相電流Ｉｙ、Ｗ相電流Ｉｗに対するＺ相電流Ｉｚは、いずれも位相差が１８０度となるように遅らせている。また、電流の振幅は、いずれもＩ［Ａ］とする。
例えば、時刻ＴにおけるＵ相電流２０、Ｖ相電流２１、Ｗ相電流２２は、それぞれＸ相電流２３、Ｙ相電流２４、Ｚ相電流２５と同じ振幅かつ符号が逆の電流値となっており、これは、あらゆる時刻においても同じ状態となる。
図７は、以上のような実施の形態１における昇温制御時のインバータ処理を説明するためのフローチャートで、図において、まず、モータ５の温度センサ６により現在のモータ温度が目標温度に到達しているかを判定し（ステップＳ６）、到達している場合（Ｙ）、昇温制御を不要としてフローを終了する。なお、二次電池２の温度は、温度センサ２Ａによって検出することができるが、モータ５の温度とほぼ同等であるため、モータ５の温度センサ６により代用することができる。また、目標温度は、二次電池２の充電による劣化が生じないような値、例えば、リチウムイオンバッテリーの一般的な下限動作温度である０[℃]に予め設定している。
次に、現在のモータ温度が目標温度に到達していない場合（Ｎ）、ステップＳ７に移行し、第１群（Ｕ相Ｖ相Ｗ相）と第２群（Ｘ相Ｙ相Ｚ相）の電流位相差が１８０度であるかを判定する。ここで、電流位相差が１８０度でない場合（Ｎ）、ステップＳ８に移行して第２群（Ｘ相Ｙ相Ｚ相）の電流を遅らせ、位相差が１８０度となるまでインバータ３の動作を繰り返す。
次に、第１群（Ｕ相Ｖ相Ｗ相）と第２群（Ｘ相Ｙ相Ｚ相）の電流位相差が１８０度になると、ステップＳ９に移行してこの電流位相差を保持するような電流指令値を演算し、この演算した電流指令値をスイッチング素子７〜１８にそれぞれ与えてモータ５を動作させる。（ステップＳ１０）
このとき、図６におけるＵ相電流２０、Ｖ相電流２１、Ｗ相電流２２が発生させる回転トルクを図４におけるＴ１とすると、Ｘ相電流２３、Ｙ相電流２４、Ｚ相電流２５が発生させる回転トルクは、図４にＴ２で示すものとなり、Ｔ１とＴ２は、同じ大きさで、かつ逆方向への回転トルクとなる。
したがって、コイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ、５１ｘ、５１ｙ、５１ｚが発生させるモータ５の回転トルクは、実質０と見なすことができることになる。
この結果、モータ５は、回転しないが、二次電池２からインバータ３に放電電流が流れるため、二次電池２は、自己発熱により昇温することになる。
また、このとき、インバータ３から各相の６つのコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ、５１ｘ、５１ｙ、５１ｚに電流が供給されるが、モータ５が回転しないためにトルクの損失が生まれ、モータ５のコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ、５１ｘ、５１ｙ、５１ｚが発熱することになる。
以上のような動作が終了すると、所定のタイミングでステップＳ１０からステップＳ６に戻り、引き続いて現在温度が目標温度に到達するまでフローを繰り返して実行する。
ここで、各相のコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ、５１ｘ、５１ｙ、５１ｚに流れる電流は、いずれも振幅Ｉ［Ａ］内の電流値であるため、特定の相に偏って電流が流れることはない。したがって、振幅Ｉを大きくすることにより短時間で均等に大電流を流すことができることになり、効率よく二次電池２およびモータ５を昇温させることが可能である。
また、各相のコイル５１ｕ、５１ｖ、５１ｗ、５１ｘ、５１ｙ、５１ｚに位相の異なる電流を流すための制御は、モータ５を駆動させる場合の制御を流用できるため、外部に昇温制御のための回路を設ける必要がなく、安価な交流回転機装置を提供することができる利点がある。
さらに、モータ５を回転駆動させることなく昇温させることができるため、寒冷地における交流回転機装置の始動に有用である。
さらにまた、インバータ３に設けた温度センサ４によって温度を計測し、目標となる温度に達するまで交流回転機本体５に電流を流すことが可能である。
なお、温度センサ２Ａ、温度センサ４および温度センサ６を二次電池２、インバータ３あるいはモータ５に設置せず、交流回転機装置１の他の部分に設置することによって、二次電池２の温度を推定させるように構成することもできる。
本開示は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。
１：交流回転機装置、 ２：二次電池、 ２Ａ：温度センサ、 ３：インバータ（電力変換装置）、 ４：温度センサ、 ５：モータ（交流回転機本体）、 ５１：ステータ、 ５１ｕ・５１ｖ・５１ｗ：Ｕ相Ｖ相Ｗ相コイル、 ５１ｘ・５１ｙ・５１ｚ：Ｘ相Ｗ相Ｚ相コイル、 ５２：ロータ、 ６：温度センサ、 ７・８・９・１０・１１・１２：Ｕ相Ｖ相Ｗ相スイッチング素子、 １３・１４・１５・１６・１７・１８：Ｘ相Ｗ相Ｚ相スイッチング素子、 １９：マイクロコンピュータ

Claims (3)

  1. 磁石式のロータおよびこのロータに回転磁界を発生させるための第１の３相コイル、第２の３相コイルを有する交流回転機本体と、前記第１、第２の３相コイルへ電力を供給する二次電池と、前記二次電池が発生する直流を交流に変換する電力変換装置とを備え、前記電力変換装置が生成する交流電流を制御することによって前記交流回転機本体の回転トルクを制御する交流回転機装置であって、
    前記交流回転機装置に設けられた温度センサを備え、
    前記電力変換装置は、前記温度センサの温度情報に基づき昇温が必要と判定した場合、前記交流回転機本体における前記第２の３相コイルのＸ相Ｙ相Ｚ相にそれぞれ前記第１の３相コイルのＵ相Ｖ相Ｗ相と同じ大きさで位相が１８０度異なる３相交流電流を供給するようにしたことを特徴とする交流回転機装置。
  2. 前記交流回転機本体における前記第１の３相コイルのＵ相Ｖ相Ｗ相および前記第２の３相コイルのＸ相Ｙ相Ｚ相をそれぞれ前記ロータに対して１２０度の位相差をもって配置し、前記Ｕ相と前記Ｘ相、前記Ｖ相と前記Ｙ相、前記Ｗ相と前記Ｚ相の位相差をそれぞれ０度としたことを特徴とする請求項１記載の交流回転機装置。
  3. 前記温度センサは、前記交流回転機本体または前記二次電池または前記電力変換装置に取り付けられていることを特徴とする請求項１または２記載の交流回転機装置。
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