JP2007060866A - 車載用電動機制御装置 - Google Patents
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Abstract
従来検討がなされていなかった車載用電動機制御装置を構成する個々の部品の劣化に起因する自動車のシステムとしてみた場合の有意な性能の低下を検知、自己診断する。
【解決手段】
電力変換器と電動機制御ユニットとからなる車載用電動機制御装置において、上記電動機制御ユニットは、制御演算部と、電動機制御装置としての最低限の機能を満たさなくなる異常を検知する異常検知手段と、所定の劣化判定基準値に基づいて車載電動機制御装置の構成部品の劣化を判定する劣化判定手段と、上記異常検出手段と劣化判定手段の出力情報に基づき、当該車載用電動機制御装置を構成する部品の異常ならびに当該車載用電動機制御装置が組みつけられた自動車が所定の性能範囲内での動作を維持できない状態を自己診断し、劣化異常状態情報を伝送する自己診断部とを備えている。
【選択図】 図1
Description
(1)まず、電力変換半導体であるパワー素子にあっては、パワー素子が動作することによる発熱や動作停止することによる放熱により膨張、収縮を繰り返すこととなる。この時、半導体そのものであるパワーチップとパワーチップを支える支持部材との熱膨張率の差によりパワーチップが割れてしまい、部分的に使用不能領域が生じて特性が劣化してしまう場合がある。さらに、パワーチップを接合する半田にひびが入ることによって放熱特性が悪化してパワー素子の電気特性が劣化してしまうこともある。
以上例示したように、車載用電動機制御装置は故障に立ち至る迄にもその構成部品の劣化によって特性が変動し、自動車のシステムとしてみた場合の有意な性能の低下を引き起こし得る。
上記車載用電動機制御装置を構成する部品であって、電動機制御装置としての最低限の機能を満たさなくなる異常を検知する異常検知手段と、
当該車載用電動機制御装置が組みつけられた自動車が所定の性能低下をもたらすか否かによって設定される劣化判定基準値に基づいて車載電動機制御装置の構成部品の劣化を判定する劣化判定手段と、
上記異常検出手段と劣化判定手段の出力情報に基づき、当該車載用電動機制御装置を構成する部品の異常ならびに当該車載用電動機制御装置が組みつけられた自動車が予め定められた所定の性能範囲内での動作を維持できない状態を自己診断し、劣化異常状態情報を伝送する自己診断部と
を備えたことを特徴とする。
図1はこの発明の実施の形態1による車載用電動機制御装置の全体構成図を示すもので、以下その詳細構成を図1について説明する。先ず、車載用電動機制御装置1はバッテリ等の直流電源3により電力が供給されており、その出力側には負荷となる交流電動機2が接続されている。車載用電動機制御装置1は大きくは電力変換器4と電動機制御ユニット5とからなり、上記電力変換器4はさらに直流電源3に並列接続された平滑用コンデンサ6と、トランジスタ7a〜7f及びフライホイールダイオード8a〜8fからなる三相インバータとからなっている。
パワー素子劣化判定部111での劣化判定は次のように行われる。まず、パワー素子情報入力器20a〜20fにより、パワー素子を構成するトランジスタ7a〜7fのそれぞれのコレクタ-エミッタ間電圧Vce、ゲート-エミッタ間電圧Vge、コレクタ電流分流Ic’が検出されパワー素子劣化判定部111へ入力される。また、同様にスイッチング信号、保護回路10からの過電流(OC)・短絡電流(SC)保護発生情報、過熱(OT)保護発生情報もパワー素子劣化判定部111へ入力される。
(1)スイッチング信号ON動作移行後またはゲート−エミッタ間電圧Vge最大振幅到達後所定時間(トランジスタが既にONしているであろう時間)経過時点でのコレクタ-エミッタ間飽和電圧Vce(sat)を判定基準値[Ref_Vce(sat)]と比較。
(2)スイッチON動作にてゲート−エミッタ間電圧Vgeが立ち上がりゼロクロス時点から所定時間(ターンオン定格時間)経過時点でのコレクタ-エミッタ間電圧Vceを判定基準値[Ref_Vce(ton)]と比較。
(4)過電流(OC)・短絡電流(SC)保護発生回数カウント値を判定基準値[Num_OCSC]と比較、過熱(OT)保護発生回数カウント値を判定基準値[Num_OT]と比較。
という方法によっても、瞬間的異常の発生頻度増加から劣化判定を行うこともできる。
以上のようにパワー素子劣化判定部111はコレクタ-エミッタ間電圧Vce、ゲート-エミッタ間電圧Vge、コレクタ電流分流Ic’、スイッチング信号、過電流(OC)・短絡電流(SC)保護発生情報、過熱(OT)保護発生情報に基づいて、パワー素子劣化判定を行い、判定結果を出力するので、パワー素子の劣化に起因する自動車のシステムとしてみた場合の有意な性能の低下を検知することができる。
平滑用コンデンサ劣化判定部112での劣化判定は、例えば特許文献2(特開平7-222436号公報)にて公知の技術に基づいて次のように行われる。まず図1に示される平滑用コンデンサ電流検出器21により平滑用コンデンサ通過電流量ic_rplが検出され、直流母線電流検出器22により直流母線電流量idcが検出される。また、サーミスタ23から平滑用コンデンサ6の温度tem_Cが検出される。
図中、31は実効値演算器、32は低域通過フィルタ(LPF)、33は振幅比演算器、34は補正ゲインテーブル、35は乗算器、36は比較器である。
まず、実効値演算器31は上記平滑用コンデンサ通過電流量idc_rplを入力して、その実効値を算出する。また、低域通過フィルタ(LPF)32は上記直流母線電流量idcを入力して、その低周波数域成分を算出する。つづいて、振幅比演算器33は上記平滑用コンデンサ通過電流量実効値と直流母線電流量低周波数域成分を入力して、その比を算出する。
次に、比較器36にて乗算器35の出力と平滑用コンデンサ劣化判定基準値の間の大小関係比較により劣化判定が行われ、劣化判定基準値が乗算器35の出力より小さい場合に劣化状態であると判定される。すなわち、直流母線電流量と平滑用コンデンサのリップル電流量の比を平滑用コンデンサの温度により補正した後、劣化判定基準値と比較して判定する態様である。
まず、リップル抽出器37は直流母線電流量idcを入力する。リップル抽出器37は低域通過フィルタ(LPF)32、減算器38、実効値演算器31から構成される。低域通過フィルタ(LPF)32は直流母線電流量idcを入力して、その低周波数域成分を算出する。減算器38は直流母線電流量から直流母線電流量低周波数域成分を減算し直流母線電流リップル成分となす。
尚、平滑用コンデンサの劣化判定の方法として公知の他の方法を用いてもよく、本発明において劣化判定方法が例示した方式に限定されるわけではない。
電流検出器劣化判定部113での劣化判定は、例えば次の原理に基づいて行われる。
(1)交流電動機巻線電気特性の平衡性利用
電動機多相巻線の電気特性が平衡(抵抗、自己インダクタンス、相互インダクタンス各成分が各相とも同量)しており、何れの相にも同等振幅の電流が流れる場合に、電流検出器からの各相電流量検出値の振幅が同等であるか否かに基づいて劣化判定を行う。スイッチング信号を、公知の矩形波1パルススイッチング法またはすべてOFF(フライホイールダイオード8a〜8fのみに電流が流れる全波整流状態)とすれば安定した平衡電流が流れるため劣化判定の精度が高まる。
交流電動機が低回転速度で速度起電力が小さい場合(停止時など)に電流検出器が備えられた複数の経路に単一電流が流れるようパワー素子のスイッチングを組み合わせ、複数の電流検出器で同一電流量を検出し、その検出値の差異に基づいて劣化判定を行う。
例えば、三相交流電動機の制御を三相インバータで行う場合、三相を構成するU、V、W相の内、U相高電位(P)側トランジスタ7aとV相低電位(P)側トランジスタ7dをスイッチONし、その他のトランジスタ7b、7c、7e、7fをスイッチOFFすれば、電流は高電位(P)側からトランジスタ7aを経てU相巻線を正方向に流れ入り、V相巻線を負方向に流れ出てトランジスタ7dを経て低電位(N)側へ帰還する。このとき電流検出器14aと14bは極性が異なる同一電流量を検出することとなるので、この時の検出結果に相違があればいずれか、あるいは両方の電流検出器に特性変動が生じていることとなる。
パワー素子温度検出器劣化判定部114での劣化判定は、例えば次のようにして行われる。
(1)車載用電動機制御装置1が充分放熱されパワー素子温度が周囲温度相当となった際の各パワー素子温度検出器同士の検出結果の差異(バラツキ)を基準値と比較する。
(2)多相平衡状態運転時でパワー素子間のスイッチング頻度、通過電流量が平衡している場合での各パワー素子温度検出器同士の検出結果の差異(バラツキ)を基準値と比較する。
(3)所定基準時点(例えばパワー素子のスイッチング開始時点)からのパワー素子温度検出器の検出結果変化特性を、予め定められたパワー素子発熱放熱特性テーブルと比較してその差異を基準値と比較する。
以上のようにパワー素子温度検出器劣化判定部114は劣化判定を行い、判定結果を出力するので、パワー素子温度検出器の劣化に起因する自動車のシステムとしてみた場合の有意な性能の低下を検知することができる。
自己診断部13では自動車が予め定められた所定の性能範囲内での動作を維持できない状態を警告するために、劣化判定結果、異常検知結果の各入力に基づいて劣化、異常の有無を分類し、重要性による段階付けを行う。その後、所定の方法に従って劣化異常状態情報を情報伝送すべく情報の符号化(コーディング)、情報伝送部分の制御を行い、劣化異常状態情報を出力する。
以下、この発明の実施の形態2による車載用電動機制御装置について説明する。図6はハイブリッド自動車に適用した例を示す車載用電動機制御装置1の全体構成を示すブロック図であり、図中、図1と同一の符号を付したものは、同一または相当部分を示しており、同一部分の動作説明は適宜省略する。
図6において、40は内燃機関、41は変速機、42は減速機、43はドライブシャフト、44は駆動輪、45は内燃機関制御ユニット、46はハイブリッドシステム制御ユニット、47は有線通信ネットワークである。
図9は実施の形態3による車載用電動機制御装置の構成を示すブロック図である。図において、車載用電動機制御装置1の内、電動機制御ユニット5は自己診断部13のみを示している。図9において、50は警告灯、51は画面表示装置、52はブザー、53はスピーカ、54は診断情報処理端末である。なお、図1、図6と同一の符号を付したものは同一または相当部分を示している。
次に実施の形態4について説明する。この実施の形態は図示は省略しているが、図1において自己診断部13が出力する劣化、異常状態情報を、劣化、異常状態の事象発生時点を遡った、また事象発生時以降の時系列情報とし、自己診断部13をこの時系列情報を蓄積する機能を有するようにしたものである。これにより、劣化判定、異常検知の自己診断結果が時系列の情報となることから、劣化、異常が複合して発生した場合に、二番目以降に発生した劣化、異常が、その発生時点より先に発生した劣化、異常により従属的に発生したもので有るか否かの識別が容易となり、従属的に発生した事象を改善、補修対象から除くなどの処理判断が行える。このため、劣化、異常状態からの改善を効率良く行うのに好適である。
更に、同じく図示していないが、図1において車載用電動機制御装置1が、起動時に電動機制御動作を開始するのに先立ち、自己診断処理を行って劣化異常状態情報を伝送する機能を有するようにすることができる。これにより、装置起動時に所定の劣化判定基準値よりも厳しく判定する基準値でもって自己診断を行って劣化異常状態情報を伝送することから、自動車の走行中に劣化、異常状態が進行して自動車システムとして有意な性能低下に至ってしまう危険を事前に防ぐことができる。さらに、装置起動時の車両停車状態であれば、劣化、異常状態の改善を行うための状況が整えられている可能性が高く、好適である。
更に、図1において自己診断部13が出力する劣化異常状態情報に車載用電動機制御装置1の個体を特定可能な製造識別番号を含み含み、当該製造識別記号に基づいて同様な劣化、異常が発生し得る別な車載用電動機制御装置の抽出に利用するようにしたものである。
このようにすることにより、自己診断部が出力する劣化異常状態情報に車載用電動機制御装置の個体を特定可能な製造識別記号が含まれるため、製造識別記号と劣化判定、異常検知の項目を付き合わせることによって、車載用電動機制御装置を構成する各部品の製造過程に起因した劣化、異常に対して同要因を内在する部品を組み込んだために同様な劣化、異常が発生し得る別な車載用電動機制御装置を抽出することができる。
図10は実施の形態7による車載用電動機制御装置の構成を示すブロック図である。図において、車載用電動機制御装置1の内、電動機制御ユニット5のみを図示しており、図中、図6と同一の符号を付したものは同一または相当部分を示している。図において、自己診断部13は劣化判定手段11の劣化判定結果と異常検知手段12の異常検知結果を入力し、自己診断を行って劣化異常状態情報を通信伝送している。ここで、自己診断の結果、劣化、異常状態を認識した場合に交流電動機2の出力上限量を抑制するように働くものとしている。この時、劣化異常状態情報として電動機の出力上限量を抑制することやその抑制量を含み、別な電子制御装置である第一電子制御装置45や第二電子制御装置46などに通信伝送する。また、制御演算部9に対して出力上限量を抑制するよう指令し、これに応じるべく制御演算部9はスイッチング信号を出力する。
図1において劣化判定手段11が用いる劣化判定基準、すなわち、劣化判定基準テーブル110の設定値は、車載用電動機制御装置1の使用開始後に劣化、異常進行状況に応じて適宜補正されるものであってよい。使用開始後に車載用電動機制御装置の構成部品の劣化、異常が並行して進行する場合に、個々の構成部品単位では初期の基準設定値で見ると判定レベルに達していなくとも、劣化、異常の複合により自動車のシステムとしてみた場合の有意な性能の低下が発生し得る。
この実施形態によれば、当該車載用電動機制御装置の使用開始後に構成部品の劣化、異常が並行して進行する場合であっても、劣化、異常の進行状況に応じて劣化異常基準が適宜補正されるため、自動車のシステムとしてみた場合の有意な性能の低下を自己診断することが可能となる。
図11は実施の形態9による車載用電動機制御装置の構成を示すブロック図であり、図中、図1と同一の符号を付したものは同一または相当部分を示している。図において、60は昇降圧DC-DCコンバータ、61a、61bはトランジスタ、62a、62bはフライホイールダイオード、63はチョークコイル64はコンデンサである。
図12は実施の形態10による車載用電動機制御装置のシステムの全体構成を示すブロック図であり、、第一インバータ70に加えて第二インバータ71を備えることを除き、図1に示されるシステムと同じである。図中、図1と同一の符号を付したものは同一または相当部分を示している。図12に示されるように複数の電動機を制御するため、複数のインバータを電力変換器4に集約した車載用電動機制御装置としている。複数の電動機を対象とする車載用電動機制御装置の例として、内燃機関自動車ではパワーステアリング駆動力源用電動機やパワーステアリング用油圧ポンプ動力源と補助動輪(内燃機関では駆動がされないが車両状況に応じて動輪として作動するもの)の駆動力源用電動機を搭載したもの、ハイブリッド自動車では駆動力源用の電動機と発電用の電動機を搭載したものなどがある。
2 交流電動機
3 直流電源
4 電力変換器
5 電動機制御ユニット
6 平滑用コンデンサ
7a〜7 トランジスタ
8a〜8f フライホイールダイオード
9 制御演算部
10 保護回路
11 劣化判定手段
12 異常検知手段
13 自己診断部
14a〜14c 電流検出器
15a〜15c サーマルダイオード
16a〜16c 定電流回路
17a〜17c Vf検出部
20a〜20f パワー素子情報入力器
21 平滑用コンデンサ電流検出器
22 直流母線電流検出器
23 サーミスタ
31 実効値演算器
32 低域通過フィルタ(LPF)
33 振幅比演算器
34 補正ゲインテーブル
35 乗算器
36 比較器
37 リップル抽出器
38 減算器
40 内燃機関
41 変速機
42 減速機
43 ドライブシャフト
44 駆動輪
45 内燃機関制御ユニット、第一電子制御装置
46 ハイブリッドシステム制御ユニット、第二電子制御装置
47 有線通信ネットワーク
50 警告灯
51 画面表示装置
52 ブザー
53 スピーカ
54 診断情報処理端末
60 昇降圧DC-DCコンバータ
61a、61b トランジスタ
62a、62b フライホイールダイオード
63 チョークコイル
64 コンデンサ
70 第一インバータ
71 第二インバータ
110 劣化判定基準テーブル
111 パワー素子劣化判定部
112 平滑用コンデンサ劣化判定部
113 電流検出器劣化判定部
114 パワー素子温度検出器劣化判定部
Claims (25)
- 直流電源に接続されパワー素子のスイッチングにより電力変換を行う電力変換器と、交流電動機の制御演算を行う電動機制御ユニットとからなる車載用電動機制御装置において、上記電動機制御ユニットは、
上記パワー素子のスイッチング信号を出力する制御演算部と、
上記車載用電動機制御装置を構成する部品であって、電動機制御装置としての最低限の機能を満たさなくなる異常を検知する異常検知手段と、
当該車載用電動機制御装置が組みつけられた自動車が所定の性能低下をもたらすか否かによって設定される劣化判定基準値に基づいて車載電動機制御装置の構成部品の劣化を判定する劣化判定手段と、
上記異常検出手段と劣化判定手段の出力情報に基づき、当該車載用電動機制御装置を構成する部品の異常ならびに当該車載用電動機制御装置が組みつけられた自動車が予め定められた所定の性能範囲内での動作を維持できない状態を自己診断し、劣化異常状態情報を伝送する自己診断部と
を備えたことを特徴とする車載用電動機制御装置。 - 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記劣化判定手段は少なくともパワー素子の劣化を判定することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記電力変換器の直流側に平滑用コンデンサを備えており、上記劣化判定手段は少なくとも上記平滑用コンデンサの劣化を判定することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記電力変換器が、さらに、交流電動機に流れる電流量を検出する電流検出器を備えており、上記劣化判定手段は少なくとも上記電流検出器の劣化を判定することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記電力変換器が、さらに、パワー素子の温度を検出するパワー素子温度検出器を備えており、上記劣化判定手段は少なくとも上記パワー素子温度検出器の劣化を判定することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記劣化判定手段にて用いられる劣化判定基準値は、燃費への影響因子、トルク変動による乗り心地への影響因子、内燃機関排出ガス各成分への影響因子、電磁ノイズへの影響因子、騒音への影響因子の少なくとも一つに基づいて定められることを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記劣化判定手段にて用いられる劣化判定基準値は、当該車載用電動機制御装置が組み付けられる自動車の使用地域に応じて所定の値が設定されることを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記劣化判定手段は、上記劣化判定基準値を保持する劣化判定基準テーブルと、パワー素子劣化判定部と、平滑用コンデンサ劣化判定部と、電流検出器劣化判定部と、パワー素子温度検出器劣化判定部とから構成されていることを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項8記載の車載用電動機制御装置において、上記劣化判定基準テーブルの劣化判定基準値は、上記燃費への影響因子、トルク変動による乗り心地への影響因子、内燃機関排出ガス各成分への影響因子、電磁ノイズへの影響因子、騒音への影響因子と、車載用電動機装置の構成部品であるパワー素子、平滑用コンデンサ、電流検出器、パワー素子温度検出器の劣化との相関に基いて設定することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項8記載の車載用電動機制御装置において、パワー素子劣化判定部は少なくともコレクタ-エミッタ間電圧Vce、ゲート-エミッタ間電圧Vge、コレクタ電流分流Ic’に基いてパワー素子劣化を判定することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項8記載の車載用電動機制御装置において、平滑用コンデンサ劣化判定部は平滑用コンデンサ通過電流量、直流母線電流量、あるいは平滑用コンデンサ温度に基づいて、平滑用コンデンサ劣化を判定することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項8記載の車載用電動機制御装置において、電流検出器劣化判定部は電流検出器からの各相電流量検出値の振幅同等性あるいは単一電流経路での複数電流検出器同時検出に基づいて劣化を判定することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項8記載の車載用電動機制御装置において、パワー素子温度検出器劣化判定部は、各パワー素子温度検出器同士の検出結果の差異を基準値と比較するか、所定基準時点からのパワー素子温度検出器の検出結果変化特性を予め定められたパワー素子発熱放熱特性テーブルと比較してその差異を基準値と比較することにより劣化を判定することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、複数個の自動車用電子制御装置にて構成され、これら自動車用電子制御装置間を有線あるいは無線で信号接続して、上記自己診断結果を通信伝送することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項14記載の車載用電動機制御装置において、上記自己診断結果の通信伝送は当該車載用電動機制御装置が組み付けられる自動車の使用地域に応じて定められる所定の自己診断用通信伝送プロトコルで行われることを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、自己診断部は自己診断結果を表示する警告灯あるいは画面表示装置を備えたことを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、自己診断部は自己診断結果を音にて警告するブザーあるいはスピーカを備えたことを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記劣化異常状態情報である自己診断結果は、劣化、異常状態の事象発生時を遡った、また事象発生時以降の時系列情報であり、上記自己診断部は上記時系列情報を蓄積する機能を有することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、起動時に電動機制御動作を開始するのに先立ち、制御動作中よりも厳しく判定する基準値でもって自己診断を行って劣化異常状態情報を伝送することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記自己診断部が出力する劣化異常状態情報は上記車載用電動機制御装置の個体を特定可能な製造識別記号を含み、当該製造識別記号に基づいて同様な劣化、異常が発生し得る別な車載用電動機制御装置の抽出に利用されることを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記自己診断部にて劣化、異常状態と診断した場合に、電動機の出力上限量を抑制するよう上記制御演算部が動作し、上記自己診断部が出力上限量抑制状態であることを警告することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記自己診断部にて劣化、異常状態と診断した場合に、当該車載用電動機制御装置が組みつけられた自動車を停止すべく、上記自己診断部が警告し、また、上記制御演算部が動作することを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記劣化判定手段にて用いられる劣化判定基準は、当該車載用電動機制御装置の使用開始後に劣化、異常進行状況に応じて適宜補正されることを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記電力変換器は上記直流電源の電圧を昇降圧変換するDC-DCコンバータを含むことを特徴とする車載用電動機制御装置。
- 請求項1記載の車載用電動機制御装置において、上記電力変換器は複数のインバータを含むことを特徴とする車載用電動機制御装置。
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