JP2006187070A - 電動機駆動用インバータ冷却装置の診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アナログ信号を用いて温度を常時監視する装置では、測温回路規模が大きくなるので、インバータの小型化の妨げになる、という問題があった。
【解決手段】インバータ４のスイッチング素子の温度が設定温度以上か否かによってＨｉまたはＬｏの信号を出力する温度検知手段８を用い、電動機５の回転が停止中で、かつクリープトルクを出力中の状態にある際に、上記スイッチング素子に供給する電力の通電位相を発熱量が一定になるように設定して通電し、温度検知手段の信号が設定温度以上を示す信号に切り替わった時点から所定の発熱継続時間の間、上記の状態を継続し、発熱継続時間の終了時点からスイッチング素子のスイッチング周波数を低下させて発熱量を低下させ、発熱継続時間の終了時点から温度検知手段の信号が設定温度未満を示す信号に切り替わった時点までの経過時間に応じて冷却装置の異常を診断する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機を駆動するインバータにおける冷却装置の不具合を診断する装置に関する。

車両用などの電動機を駆動するインバータにおいては、水冷式の冷却装置が用いられる場合がある。このような水冷式の冷却装置において、水路に異物のつまりや、冷却水ポンプ能力の低下等の異常があった場合には、抜熱不足で異常発生や故障を引き起こすおそれがあった。上記のような事故を防止するために、下記特許文献１に記載のように、インバータを構成するスイッチング素子やスイッチング素子を載置するベースプレート上に温度をアナログ的に出力する温度センサを備え、常に温度を監視することによって異常を検知する装置があった。

特開２０００−３１５７５７号公報

しかし、上記の従来例に記載のようなアナログ信号を用いて温度を常時監視する装置では、制御部を構成するマイクロコンピュータにアナログ値の温度信号を読み込むため、温度センサの出力のダイナミックレンジを調節する回路やアナログ値の温度信号をデューティ信号に変換するためのキャリア信号発生器（三角波発振器）等が必要であるため、測温回路規模が大きくなるので、インバータの小型化の妨げになる、という問題があった。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、簡略な構成で、インバータ冷却装置の異常を診断することのできる診断装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明においては、インバータのスイッチング素子の温度が所定の設定温度以上か否かによってＨｉまたはＬｏの信号を出力する温度検知手段を用い、電動機が停止状態（電動機の回転が停止中で、かつクリープトルクを出力中の状態）にある際に、インバータのスイッチング素子に供給する電力の通電位相を発熱量が一定になるように設定して通電し、前記温度検知手段の信号が設定温度以上を示す信号に切り替わった時点から所定の発熱継続時間の間、上記の状態を継続し、発熱継続時間の終了時点からスイッチング素子のスイッチング周波数を低下させて発熱量を低下させ、発熱継続時間の終了時点から温度検知手段の信号が設定温度未満を示す信号に切り替わった時点までの経過時間に応じて冷却装置の異常を診断するように構成している。

上記のように本発明においては、基本的な異常判定機能は通常の電流フィードバック制御にソフトウエアを追加するのみであり、ハードウエアとして追加するのは温度検知手段のみである。この温度検知手段は、前記のように素子温度が所定の設定温度以上か未満かでＬｏまたはＨｉとなる２値信号を出力するものであり、非常に簡単な構成であり、かつ、２値信号はコンピュータに取り込むのも容易であるため、従来のインバータを構成するスイッチング素子上に温度をアナログ的に出力するセンサを備え、常に温度を監視する構成に比べて、装置全体の構成を大幅に簡略化できる。そのため測温回路がインバータの小型化の妨げになるという問題を解決することができ、簡略な構成で、インバータ冷却装置の異常、例えば水路の目詰まり等による流量低下や冷却水の供給停止などを診断することが出来る、という効果がある。

（実施例１）
図１は本発明における３相交流電動機のベクトル制御を行う電流フィードバック制御ブロックの一実施例図である。まず通常の電流フィードバック制御の部分について説明する。
外部から与えられるトルク指令値Ｔ^＊は、アクセル開度センサによって検出されたアクセル開度や電動機の回転速度等から演算されるものであり、変速機がＤレンジ（ドライブ位置）の場合にはアクセル開度に基づいて設定されるが、アクセル開度が０（つまりアクセル全閉）の場合には、予め定められたクリープトルク相当の値に設定される。なお、クリープトルクとは、内燃機関に自動変速機を備えた車両においては、自動変速機のクリープのため、停止中でも多少のトルクが発生する。これがクリープトルクであり、電動機駆動車両では本質的には発生しないが、内燃機関駆動車両との違和感が生じないように、わざわざ多少のクリープトルクを発生させている。

電流指令演算部１では、上記のトルク指令値Ｔ^＊に見合ったｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊およびｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を出力する。それらの電流指令値は電流ＰＩ制御部２に入力される。
電流ＰＩ制御部２は、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊とｄ軸電流値（実電流値）Ｉｄとの偏差に基づき比例積分演算を行ってｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊を出力し、同様にｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊とｑ軸電流値Ｉｑとの偏差に基づいてｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊を出力する。

上記のｄ軸電圧指令値Ｖｄ^＊とｑ軸電圧指令値Ｖｑ^＊（以下、両者を一括する際にはｄ軸ｑ軸電圧指令値と記載）は、必要に応じて非干渉演算処理を施され、２相３相変換部３により３相電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊に変換される。

上記の３相電圧指令値Ｖｕ^＊、Ｖｖ^＊、Ｖｗ^＊は、図示しないＰＷＭ信号変換部によってＰＷＭ信号に変換された後、インバータ４を駆動制御する。
インバータ４は上記ＰＷＭ信号に応じて図示しない直流電源（バッテリ等）の電力を３相交流電力に変換し、３相モータ５（以下、電動機をモータと略記する）を駆動する。なお、図１においては、ＰＷＭ信号変換部をインバータ４のブロックに含めている。

この際に流れる３相の各相電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを電流センサ（図示省略）でそれぞれ検出し、図示しないＡ／Ｄ変換器でディジタル信号の電流値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗに変換した後、３相２相変換部６によりｄ軸電流値Ｉｄおよびｑ軸電流値Ｉｑに変換し、前記電流ＰＩ制御部２にフィードバックする。
なお、３相交流は Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝０ の関係があるので、３相のうちの何れか２相の電流値を検出すれば、残りの１相の電流値は計算によって算出することが出来る。

また、図示しない回転角検出器で３相モータ５の回転角（電気角）を検出し、θ、ωre演算部７で、回転角θと回転速度（角速度）ωreを求め、それを前記の電流指令演算部１、３相２相変換部６等へ送り、座標変換演算等に用いる。
以上の処理を繰り返して３相モータ５の電流フィードバックによるベクトル制御を行う。なお、上記の各ブロックのうちインバータ４と３相モータ５を除いた部分は、例えばマイクロコンピュータ等で構成され、マイクロコンピュータのソフトウエアの演算によって実現できる。

これまで説明した構成は、通常の電流フィードバック制御の部分であり、以下、本発明独自の構成について説明する。
温度検知部８は、ダイオード１２とコンパレータ１３および抵抗、コンデンサ、トランジスタから構成されている。ダイオード１２は、インバータ４を構成するスイッチング素子（パワートランジスタ、ＩＧＢＴ等）の近傍に設置され、スイッチング素子の温度に応じて抵抗値が変化する。なお、インバータ用のスイッチング素子として用いられるＩＧＢＴでは、測温用のダイオードが付随しているものもある。

温度検知部８は、上記のダイオード１２に電流を流し、その端子電圧がコンパレータ１３の基準電圧以下（つまり所定の設定温度以上）になると低レベル（Ｌｏ）になる素子温度信号Ｓ１を出力する。なお、素子温度信号Ｓ１は、スイッチング素子の温度が上記の設定温度（詳細後述：後記図５のＴｓ）以上の時にはＬｏ、未満の時にはＨｉとなる２値信号である。

異常診断部９は、上記の素子温度信号Ｓ１および前記のトルク指令値Ｔ^＊と回転角θを入力し、通電変換指令Ｓ２を通電位相変換部１０へ送り、また、駆動周波数切り替え指令Ｓ３を駆動周波数切り替え部１１へ送る（詳細後述）。
通電位相変換部１０は、通電変換指令Ｓ２に応じて２相３相変換部３における通電位相を変化させる（詳細後述）。また、駆動周波数切り替え部１１は、駆動周波数切り替え指令Ｓ３に応じてインバータ５における駆動周波数（スイッチング周波数）を変化させる（詳細後述）。

上記の異常診断部９、通電位相変換部１０および駆動周波数切り替え部１１は、前記と同様にマイクロコンピュータのソフトウエアとして構成されるものであり、本発明で追加したハードウエアは、温度検知部８のみである。この温度検知部８は、前記のように素子温度が所定の設定温度以上か未満かでＬｏまたはＨｉとなる２値信号を出力するものであり、非常に簡単な構成である。

次に、図２および図３は、上記の異常診断部９、通電位相変換部１０および駆動周波数切り替え部１１における制御演算を示すフローチャートである。
以下、図２、図３に基づいて異常診断部９、通電位相変換部１０および駆動周波数切り替え部１１の動作を説明する。
異常診断部９は、図２のステップＳ１、Ｓ２に示すように、トルク指令値Ｔ^＊とモータの回転角θから、モータの回転が停止中で、かつ、クリープトルク出力中であることを判定する。この状態は、車両用のモータにおいては、車両がブレーキ停止中（ドライブ位置でブレーキを踏んで停車している状態）であり、かつクリープトルク出力中であるのに相当する。

前記のようにトルク指令値Ｔ^＊は、アクセル開度が０（つまりアクセル全閉）の場合には、予め定められたクリープトルク相当の値に設定されるから、ドライブ位置であれば上記のクリープトルクによって多少モータが回転し、車両がゆっくり前進することになるが、ブレーキを踏んで停車している場合には、クリープトルクが印加されるだけで車両は停車（モータは停止）している。したがってトルク指令値Ｔ^＊がクリープトルク相当値であって、かつ、モータが回転していない場合が上記の車両がブレーキ停止中でかつクリープトルク出力中の状態に相当する。ステップＳ１、Ｓ２でＮＯの場合には、本発明における異常判定の条件が満たされていないので、ステップＳ１２へ行き、後記ステップＳ５でスタートする発熱継続タイマをクリアし、後記ステップＳ３で行った位相シフトをクリアし、後記ステップＳ７で行ったキャリア（スイッチング）周波数の変更を復帰させて、スタートに戻る。

上記ステップＳ１、Ｓ２の判定の結果、モータの回転が停止中かつクリープトルク出力中である場合は、ステップＳ３で、発熱条件を一定にするため通電条件を一定にする。たとえば３相モータにおける∪Ｐ，ＵＮ，ＶＰ，ＶＮ，ＷＰ，ＷＮの６相の内、現在の位相に最も近いピーク位相に最大電流を通電するように通電位相をシフトする。図４は、上記の通電位相をシフトした状態を示す図であり、例えば、破線で示した現在の位相（モータが停止した時点の状態）を最も近いＵＰが最大になる位相にシフトする。つまり、１相だけが最大電流で、他の相は最小になる条件にする。この制御は通電位相変換部１０から位相をシフトした回転角θ’を２相３相変換部３へ送ることによって行う。なお、通常時は２相３相変換部３は回転角θに応じて制御されている。

次に、図２のステップＳ４では、素子温度が所定の設定温度Ｔｓ以上か否かを判定する。この判定は、前記の素子温度信号Ｓ１がＨｉかＬｏかによって簡単に判定することが出来る。素子温度が設定温度Ｔｓ未満の場合はステップＳ１へ戻る。

次に、素子温度が所定の設定温度Ｔｓ以上になった場合は、ステップＳ５で、発熱継続タイマをスタートさせる。つまり、素子温度が所定の設定温度Ｔｓ以上になった時点から所定の発熱継続時間（時点ｔ０からｔ１まで）の間、ステップＳ３で設定した一定の条件で通電を継続させ、一定の発熱を行わせる。なお、上記の発熱継続時間は冷却水の寄与率大の領域で冷却系の状態よって素子温度に違いが出る時間を確保するものとする。冷却水の寄与率大の領域とは、冷却水の状態（有無や流れの状態）が冷却（抜熱）効果に大きな影響をおよぼす領域であり、発熱が大の領域である。また、前記の設定温度Ｔｓは、後記図５のＴｓで示すように、冷却水の状態（有無や流れの状態）による差が生じ始める程度の温度である。

次に、ステップＳ６では、発熱継続タイマで所定の発熱継続時間が経過したか否かを判断し、発熱継続時間が経過（終了）した場合には、所定の発熱が行われたものと判断し、ステップＳ７で、キャリア周波数の切り替えを行う。このキャリア周波数とは、インバータ４を駆動するスイッチング周波数を意味し、このスイッチング周波数を低周波数にすることにより、クリープトルクを保ちながら発熱を低下させることが出来る。このように制御することにより、クリープトルクの変動による違和感を生じさせることなしに測温が可能となる。上記の制御は駆動周波数切り替え部１１から切り替え信号Ｓ４をインバータ４のＰＷＭ信号変換部へ送ることによって行う。

次に、ステップＳ８では、素子温度が所定の設定温度Ｔｓ以下に低下したか否かを判定する。この判定も前記の素子温度信号Ｓ１がＨｉかＬｏかによって簡単に判定することが出来る。ステップＳ８でＮＯの場合はステップＳ７へ戻り、温度が設定温度Ｔｓ以下に低下するまで繰り返す。

次に、ステップＳ９では、温度が設定温度Ｔｓ以下に低下した場合に、キャリア周波数を切り替えてから温度が設定温度Ｔｓ以下に低下するまでの時間を測定し、その時間が所定の判定時間以下か否かを判断する。上記の時間が判定時間よりも大、つまり温度が低下するまでの時間が長い場合には、ステップＳ１０で抜熱（冷却）系統が異常と判定する。
また電動機の停止状態時（ステップＳ１、Ｓ２がＹＥＳ）に、素子温度が上記の設定温度Ｔｓよりも高い場合（素子温度信号Ｓ１がＬｏの場合）は、一旦キャリア周波数を下げて発熱量を低下させ、素子温度が設定温度Ｔｓを下回ってから再度キャリア周波数を上げて上記と同様の判定を行うように構成してもよい。
なお、ベースプレート温度が低い場合はｄ軸にむだ電流を流すことによってクリープトルクは一定に保ちながら通電電流を増加させることも可能である。

以上の処理が済んだらステップＳ１１で、ステップＳ５でスタートした発熱継続タイマをクリアし、ステップＳ３で行った位相シフトをクリアし、ステップＳ７で行ったキャリア（スイッチング）周波数の変更を復帰させて、スタートに戻る。

図５は、上記の制御における温度の変化を示す図であり、縦軸は温度、横軸は時間を示す。
図５において、時点ｔ０は素子温度が設定温度Ｔｓ以上になった時点であり、その時点から所定の発熱継続時間（ｔ０からｔ１まで）の間、通電して発熱させる。この場合、冷却水が正常に流れている（１５Ｌ／ｍｉｎ）特性Ｌ３の場合には、抜熱効果が大きいので温度の上昇は少ない。これに対して、例えば冷却水経路が詰まっていて、冷却水は有るが流れていない（０Ｌ／ｍｉｎ）特性Ｌ２や冷却水が無い特性Ｌ１の場合には、抜熱効果が小さく温度の上昇が大きい。そのため、時点ｔ１からスイッチング周波数を低周波数にして発熱を抑制した場合における温度の低下特性が異なり、正常なＬ３においては時点ｔ２で設定温度Ｔｓまで下降するのに対し、特性Ｌ２では時点ｔ３、特性Ｌ３では時点ｔ４のように、設定温度Ｔｓに下降するまでの時間が大幅に長くなる。したがって正常な時点ｔ２と異常な時点ｔ３との間の時点ｔｅに前記の判定時間（時点ｔ１からｔｅまでの時間）を設定しておけば、抜熱（冷却）機能が正常に動作しているか、異常を生じているかを正確に判定することが出来る。

なお、上記の判定時間は、正確にはスイッチング素子を載置するベースプレートの温度に応じて異なるので、あらかじめ実験的にベースプレートの温度と判定時間との関係を求め、それをデータテーブルにして記憶しておき、それに従って判定するように構成してもよい。

上記のように本発明においては、基本的な異常判定機能は通常の電流フィードバック制御にソフトウエアを追加するのみであり、ハードウエアとして追加するのは温度検知部８のみである。この温度検知部８は、前記のように素子温度が所定の設定温度Ｔｓ以上か未満かでＬｏまたはＨｉとなる２値信号を出力するものであり、非常に簡単な構成であり、かつ、２値信号はコンピュータに取り込むのも容易であるため、従来のインバータを構成するスイッチング素子上に温度をアナログ的に出力するセンサを備え、常に温度を監視する構成に比べて、装置全体の構成を大幅に簡略化できる。そのため測温回路がインバータの小型化の妨げになるという問題を解決することができ、簡略な構成で、インバータ冷却装置の異常を診断することが出来る。

本発明における３相交流電動機のベクトル制御を行う電流フィードバック制御ブロックの一実施例図。 図１の実施例における制御演算を示すフローチャートの一部。 図１の実施例における制御演算を示すフローチャートの他の一部。 本発明の制御における通電位相をシフトした状態を示す図。 本発明の制御における温度変化の一例を示す図。

符号の説明

１…電流指令演算部 ２…電流ＰＩ制御部
３…２相３相変換部 ４…インバータ
５…３相モータ ６…３相２相変換部
７…θ、ωre演算部 ８…温度検知部
９…異常診断部 １０…通電位相変換部
１１…駆動周波数切り替え部 １２…ダイオード
１３…コンパレータ

Claims (4)

1. 電動機を駆動する電力を供給する水冷式インバータにおける冷却装置の異常を診断する装置であって、
   インバータのスイッチング素子の温度が所定の設定温度以上か否かに応じてＨｉまたはＬｏの２値信号を出力する温度検知手段と、
   電動機の回転が停止中で、かつクリープトルクを出力中の停止状態を検出する停止状態検知手段と、
   電動機が前記停止状態にある際に、前記インバータのスイッチング素子に供給する電力の通電位相を発熱量が一定になるように設定して通電し、前記温度検知手段の信号が設定温度以上を示す信号に切り替わった時点から所定の発熱継続時間の間、上記の状態を継続し、前記発熱継続時間の終了時点から前記スイッチング素子のスイッチング周波数を低下させて発熱量を低下させ、前記発熱継続時間の終了時点から前記温度検知手段の信号が設定温度未満を示す信号に切り替わった時点までの経過時間に応じて冷却装置の異常を診断する異常診断手段と、
   を備えたことを特徴とする電動機駆動用インバータ冷却装置の診断装置。
2. 前記異常診断手段は、スイッチング素子のスイッチング周波数を低下させることにより、前記クリープトルクを維持したままで発熱量を低下させることを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用インバータ冷却装置の診断装置。
3. 前記異常診断手段は、前記発熱継続時間の終了時点から前記温度検知手段の信号が設定温度未満を示す信号に切り替わった時点までの経過時間が所定の判定時間以上の場合に冷却装置が異常であると判定することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用インバータ冷却装置の診断装置。
4. 前記停止状態検知手段は、電動機のトルク指令値がクリープトルク相当値であり、かつ電動機の回転角から電動機が停止中であることを検知した場合に、電動機が停止状態にあると判定することを特徴とする請求項１に記載の電動機駆動用インバータ冷却装置の診断装置。

Images