JP2008131761A - 駆動装置及び駆動装置を備えたモータ駆動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータに不具合が生じた場合であっても、モータの誘起電圧上昇によるインバータの破損を防ぎ、より信頼性が高い駆動装置を提供する。
【解決手段】発電機１によって発電された電力を変換するインバータ６、変換された電力が供給されて回転するモータ７を備え、インバータ６の停止を検出する電圧センサ３及び直流リンク電圧検出回路１０、インバータ６の停止が検出された場合、モータ７を回転させるためのモータ磁界の強度を低減させるモータコントローラ１２と、を備える。
【選択図】 図２

Description

本発明は、駆動装置及び駆動装置を備えたモータ駆動車両に係り、特にインバータで変換された電力によってモータを駆動する駆動装置及び駆動装置を備えたモータ駆動車両に関する。

現在、発電機で発電した電力をインバータで整流または変換してモータに供給する駆動装置がある。このような駆動装置では、インバータに用いられる素子に耐圧以上の電圧が加わることを避けるため、モータに必要とされるトルクや電圧と素子耐圧との関係に基づいて駆動装置を設計することが必要である。
つまり、モータは、一般的にステータとロータとを有し、ステータが磁界を発生させてロータを回転させることによって駆動力を得るものである。また、駆動力の強さは、磁界の強さ及び時間的な変化によって制御され、このような磁界の強さをモータの回転速度に応じて制御する。そして、より高速でモータを回転させる場合には磁界を弱め、モータにおいて誘起される電圧を抑える。モータの誘起電圧の上昇を抑えることは、インバータからモータへの電力供給を円滑にし、インバータに印加される電圧の上昇を抑えることができる。

また、モータ駆動車両では、エンジンの回転によって発電機を回転させて発電し、発電した電力を、インバータを介してモータに供給して駆動している。モータの駆動力は、エンジンによって駆動されない従駆動輪の駆動に使用される。従来技術としては、例えば、特許文献１が挙げられる。
モータ駆動車両は、その構成上、特に小さい電圧で大きいトルクを出力させることが要求される装置である。
特開２００６−１７６１２０号公報

しかしながら、このような装置のインバータやインバータ制御装置に不具合が発生すると、弱め界磁も停止することになる。モータを高速で回転させながら四輪駆動走行しているとき弱め界磁が停止すると、モータで発生する誘起電圧が上昇し、インバータに耐圧以上の電圧が印加される場合が生じる。インバータに耐圧以上の電圧が印加された場合、インバータの素子が破損する可能性が生じる。

なお、インバータの停止原因は、接触不良等によるものも少なくない。このような場合、素子は正常に機能しているので、停止したインバータに素子耐圧以上の電圧を印加して素子を破壊することは望ましくない。
また、インバータに耐圧が充分高い素子を用いることも考えられるが、高耐圧の素子を用いたインバータは、素子の電力損失が大きくなる上に冷却にかかる負荷も大きくなる。このため、電源の規模や装置の設置スペースが制限される車両に適用することは望ましくない。
本発明は、このような点に鑑みてなされるものであり、インバータに不具合が生じた場合であっても、モータの誘起電圧上昇によるインバータの破損を防ぎ、より信頼性が高い駆動装置及び駆動装置を備えたモータ駆動車両を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するため、本発明は、発電機によって発電された電力を変換するインバータと、前記インバータによって変換された電力が供給されて駆動するモータとを備える駆動装置であって、前記インバータの停止を検出するインバータ停止検出手段と、前記インバータ停止検出手段によって前記インバータの停止が検出された場合、前記モータを回転させるための磁界の強度を低減させる磁界強度制御手段と、を備えることを特徴とする。
このような本発明は、インバータの停止を検出し、インバータの停止が検出された場合、モータを回転させるためのモータ磁界の強度を低減させることができる。このため、インバータが停止した場合のモータに誘起される電圧上昇を抑え、インバータに素子耐圧以上の電圧が印加されることを防ぐことができる。

本発明は、インバータに不具合が生じた場合であっても、モータの誘起電圧上昇によるインバータの破損を防ぎ、より駆動装置の信頼を高めることができる。

以下、図を参照して本発明にかかる駆動装置及びこの駆動装置を備えたモータ駆動車両の実施形態１、実施形態２を説明する。
(実施形態１）
図１は、本発明の駆動装置を含む車両を説明するための図である。図示した構成は、エンジンと連動して回転する発電機１、発電機１によって発生した電力を３相交流に変換するインバータ６、インバータ６によって変換された交流電力の供給を受けて回転する交流モータ７、交流モータ７を回転させる磁石９を備えている。交流モータ７は電磁石が形成する磁界中で回転することによって駆動する。

また、実施形態１の磁石９は電磁石であり、磁界を形成するための界磁電流の強さによって駆動力が変化する。モータ界磁制御回路８は、界磁電流の供給、停止、値を制御することによってモータ駆動を制御する構成である。
また、図示した構成は、整流器２によって整流された直流リンク電圧を検出する電圧センサ３、電圧センサ３によって検出された電圧値を入力し、短絡制御信号を出力する直流リンク電圧検出回路１０を備えている。モータ界磁制御回路８は、直流リンク電圧検出回路１０が出力した短絡制御信号を入力したことによってインバータ６を制御する。モータ界磁制御回路８による制御は、交流モータ７を回転させるためのモータ磁界の強度を低減させるよう行われる。

以上の構成において、電圧センサ３及び直流リンク電圧検出回路１０はインバータ停止検出手段、モータ界磁制御回路８は磁界強度制御手段として機能する。本実施形態の駆動装置は、インバータ６、交流モータ７、電圧センサ３、直流リンク電圧検出回路１０、電圧抑制回路５によって構成されている。
また、実施形態１では、インバータ６の停止が検出された場合、電圧抑制回路５がインバータ６で交流モータ７において誘起される電圧を短絡させている。直流リンク電圧検出回路１０がインバータ６の停止によって短絡制御信号を出力する。電圧抑制回路５は、短絡制御信号によってインバータ６による交流モータ７で誘起された電圧の短絡を実行する。実施形態１では、直流リンク電圧検出回路１０が短絡制御手段、電圧抑制回路５が短絡回路として機能する。

また、図示した構成は、４ＷＤコントローラ１１、モータコントローラ１２を含んでいる。４ＷＤコントローラは、車両の四輪駆動に関する構成を統括的に制御する。モータコントローラ１２は、交流モータ７の通常時の駆動を制御する構成である。また、図示した構成は、コンデンサ１３を有し、直流リンク電圧は、コンデンサ１３に供給される。
さらに、図示した構成は、電圧抑制素子４を備えている。電圧抑制素子４は、直流リンク電圧検出回路１０によってインバータ６に印加される直流リンク電圧がしきい値を超えたと判断された場合、この直流リンク電圧を変換することによって上昇を抑止する電圧抑制素子として機能する。
ずなわち、電圧抑制素子４は、インバータ６の電圧上昇が検出された場合に作動し、電圧を熱に変えて放出する素子であって、例えばツェナーダイオードが使用される。電圧抑制素子４は、車両用の駆動装置において一般的な構成であるから、これ以上の説明を省くものとする。

以上述べた構成は、以下のように動作する。
通常動作時、発電機１によって発電された電力は、整流器２によって直流に変換されてインバータ６に供給される。インバータ６は、スイッチングすることによって直流電流を３相交流に変換する。変換された電流は、交流モータ７に供給される。発電機１と交流モータ７とはいずれも界磁コイルを有していて、発電機の界磁コイルに流れる界磁電流を制御することによって発電電圧が制御される。また、モータの界磁コイルに流れる界磁電流によって交流モータ７のトルクが制御される。

４ＷＤコントローラ１１は、車輪の回転速度やアクセル開度を入力し、四輪駆動に必要なパラメータを演算によって求める。そして、演算の結果をモータコントローラ１２にトルク指令値として出力する。モータコントローラ１２は、現状の交流モータ７の回転数とトルク指令値とに基づいて発電機１の界磁電流を算出する。また、交流モータ７の固定子電圧や回転の位相を形成する。さらに、交流モータ７の界磁電流をチョッパによって制御する。

インバータ６は、交流モータ７の出力トルクや回転数に応じて磁極位置を基準にした位相を検出する。そして、自装置のパワー素子のオン、オフによって３相交流を発生する。
以上のように通常動作している場合において、インバータ６が停止する場合がある。インバータ６が停止すると、弱め界磁が制御できなくなって交流モータ７に高い電圧が誘起され、インバータ６に素子の耐圧以上の電圧が印加される可能性が生じる。

実施形態１では、このような可能性を回避するため、電圧センサ３が直流リンク電圧によってインバータ６にかかる電圧を検出する。検出された電圧値は直流リンク電圧検出回路１０に入力し、直流リンク電圧検出回路１０は、入力された電圧値を予め設定されている閾値電圧と比較する。なお、後の説明の簡単のため、直流リンク電圧と比較される閾値電圧を第１の閾値電圧と記す。

比較の結果、直流リンク電圧が第１閾値電圧以上であった場合、モータ界磁制御回路８を制御して４ＷＤコントローラ１１からモータ界磁制御回路８に出力されている界磁電流を制御する制御信号を短絡させる。界磁電流の制御信号の短絡により、モータ界磁制御回路８の駆動が停止する。界磁電流の停止により、交流モータ７の誘起電圧が低下する。
このような実施形態１によれば、インバータ６が停止した場合の交流モータ７に誘起される電圧上昇を抑えることができる。このため、インバータ６に素子耐圧以上の電圧が印加されることを防ぎ、インバータ６の破損を防止することができる。
また、上記した動作と並行し、直流リンク電圧検出回路１０は、直流リンク電圧が第１閾値電圧以上であった場合、電圧抑制回路５にも短絡制御信号を出力する。電圧抑制回路５は、短絡制御信号を入力し、入力された制御信号にしたがってインバータ６を３相短絡する。

図２は、電圧抑制回路５の構成を説明するための図である。電圧抑制回路５は、短絡用回路２１と、スイッチ２２とによって構成される。直流リンク電圧検出回路１０は、直流リンク電圧値によって電圧抑制回路５のスイッチ２２をオン、オフし、インバータ６による交流モータ７の誘起電圧の短絡を制御している。
このような動作は、直流リンク電圧の上昇が交流モータ７の界磁電流制御よりも早い場合を想定してなされるものである。そして、界磁電流制御によって直流リンク電圧の上昇を抑えられない場合にもインバータ６に印加される直流リンク電圧の上昇を防ぐことができる。
また、上記した構成において、インバータ６による短絡中は交流モータ７に過電流が発生することが知られている。過電流の発生により、電機子反作用によって交流モータ７の界磁が強まってインバータ６に素子耐圧以上の電圧が印加される可能性が生じる。実施形態１では、インバータ６の過電流の発生を抑えるため、インバータ６を以下のように動作させる。

図３は、インバータ６の構成を説明するための図である。インバータ６の素子は、複数の基板上に構成されていて、各基盤上の素子がアームと呼ばれるモジュールを構成している。アームは、図３中に示すように上下二列に設けられていて、ＱＵu、ＱＶu、ＱＷuを上アーム、ＱＵｌ、ＱＶｌ、ＱＷｌを下アームと記す。なお、図中に示したＶLは、中駆流リンク電圧を示している。
実施形態１では、過電流が発生することを避けるため、電圧抑制回路５は、複数のアームを一定のサイクルで間欠的に短絡させてもよい。間欠的とは、例えば、１ｍｓごとに上アーム、下アームの短絡を停止、再開する動作をいう。

また、実施形態１では、複数のアームを、サイクルごとに交互に短絡させることによって短絡に伴う過電流の発生を防いでもよい。このような動作は、例えば、一のサイクルで上アームまたは下アームの一方を短絡し、他方を短絡させない。そして、次のサイクルでは、先のサイクルで短絡しなかった上アームまたは下アームの一方を短絡させ、他方を短絡させないよう動作させることをいう。
また、実施形態１は、間欠的な短絡と交互の短絡とを並行して行うことも可能である。さらに、１つのサイクルで上アームまたは下アームの一方だけを短絡または短絡停止するのでなく、１つのサイクルにおいて上アームと下アームとを交互に切替えて短絡させてもよい。

以上の動作により、交流モータ７に蓄積されている磁気のエネルギを段階的に消費し、直流リンク電圧が上昇することを避け、さらに過電流の発生をも防止することができる。また、インバータ６の短絡にあたり、上アーム、下アームを間欠的、あるいは交互に短絡させることにより、実施形態１は、一のアームに搭載された素子に加えられる熱ストレスを軽減することができる。
すなわち、アーム上の素子は、短絡された場合に発熱する。このため、素子を連続的に短絡するよりも、複数の素子を一部ずつ交互に短絡した方が、一つの素子にかかる熱ストレスを軽減することができる。

さらに、実施形態１は、以上述べたモータ界磁制御回路８、電圧抑制回路５による制御と並行し、直流リンク電圧を電圧抑制素子４にも出力している。電圧抑制素子４は、直流リンク電圧が第１閾値電圧以上の第２閾値電圧に達すると作動するよう設計されている。電圧抑制素子４が作動すると、直流リンク電圧が比較的抵抗値が大きい回路を通り、熱に変換されて消失する。
電圧抑制素子４を備えたことにより、実施形態１は、直流リンク電圧がモータ界磁制御回路８、電圧抑制回路５の制御よりも早く上昇した場合であっても直流リンク電圧を低下させることができる。

図４は、以上述べた実施形態１の動作を説明するためのタイミングチャートである。図４（ａ）の縦軸は、直流リンク電圧の変化を示している。（ｂ）の縦軸は発電機１（オルタネータ）の発電電力の変化を、（ｃ）の縦軸は交流モータ７の界磁電流を、（ｄ）の縦軸は電圧抑制回路５の動作タイミングを示している。横軸はいずれも時間を示している。
図示したように、インバータ６がタイミングｔ１で停止すると、直流リンク電圧が上昇し始める。上昇した直流リンク電圧が第１閾値電圧Ｖth1に達すると、直流リンク電圧検出回路１０がモータ界磁制御回路８を低減する（ｃ）。また、実施形態１では、同時に発電機１の界磁電流をも低減し、直流リンク電圧をいっそう低減するように動作している（ｂ）。

また、実施形態１では、直流リンク電圧が第１閾値電圧Ｖth1に達したタイミングで電圧抑制回路５が動作する（ｄ）。電圧抑制回路５の動作により、インバータ６が３相短絡され、インバータ６に素子耐圧以上の電圧が印加されることがなくなる。
以上の動作によっても直流リンク電圧の上昇が充分抑えられず、直流リンク電圧が第２閾値電圧Ｖth２に達した場合、実施形態１では、電圧抑制素子４が動作して直流リンク電圧をクランプする。直流リンク電圧のクランプ後、界磁電流の制御によって直流リンク電圧が第２閾値電圧Ｖth2以下に下降すれば、電圧抑制素子４は動作を停止する。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２について説明する。
図５（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施形態２を説明するための図である。図２は、図１に示した構成と同様の構成を含んでいて、図１に示した構成と同様の構成には同様の符号を付し、説明を一部略すものとする。図５（ａ）は、実施形態２の駆動装置を含む車両を示した図であって、（ｂ）は（ａ）に示した構成のうちのドライブ回路５０及びインバータ６を詳細に示した図である。

図５（ａ）、（ｂ）に示した構成は、実施形態１の電圧抑制回路５に代えてドライブ回路５０を備えている点で相違する。つまり、実施形態１では、直流リンク電圧検出回路１０が短絡制御信号を出力して電圧抑制回路５がインバータ６によって交流モータ７の電圧を短絡するよう制御していた。これに対し、ドライブ回路５０はインバータ６の停止によってインバータ６による短絡させる短絡用回路として構成されている。

ドライブ回路５０は、モータ界磁制御回路８等とは別個の別電源５１を備えていて、短絡制御信号、あるいはしきい値以上の直流リンク電圧を直接入力したことによって直ちに交流モータ７において誘起された電圧を短絡させる。ドライブ回路５０によるこの短絡は、例えば、インバータ６の下アームを全部オンすることによって実行される。
実施形態２によれば、インバータ６が正常に動作せず、電圧抑制回路５によって制御できない場合であっても、独立に動作できるドライブ回路５０がインバータ６を使って誘起電圧を強制的に短絡させることができる。このため、実施形態２は、インバータ６の状況によらず誘起電圧からインバータ６を保護することができるという効果を奏する。

本発明の実施形態１の駆動装置を含む車両を説明するための図である。 図１示した電圧抑制回路の構成を説明するための図である。 図１示したインバータの構成を説明するための図である。 本発明の実施形態１の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の実施形態２の駆動装置を含む車両を説明するための図である。

符号の説明

１ 発電機
２ 整流器
３ 電圧センサ
４電圧抑制素子
５ 電圧抑制回路
６ インバータ
７ 交流モータ
８ モータ界磁制御回路
９ 磁石
１０ 直流リンク電圧検出回路
１１ ４WDコントローラ
１２ モータコントローラ
１３ コンデンサ
５０ ドライブ回路
５１ 別電源

Claims (9)

1. 発電機によって発電された電力を変換するインバータと、前記インバータによって変換された電力が供給されて駆動するモータと、
   を備える駆動装置であって、
   前記インバータの停止を検出するインバータ停止検出手段と、
   前記インバータ停止検出手段によって前記インバータの停止が検出された場合、前記モータを回転させるための磁界の強度を低減させる磁界強度制御手段と、
   を備えることを特徴とする駆動装置。
2. 前記インバータ停止検出手段は、前記インバータに印加される直流リンク電圧を検出し、前記磁界強度制御手段は、前記インバータに印加される直流リンク電圧がしきい値を超えたと判断された場合に前記磁界を形成するための界磁電流の供給を制限することを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
3. 前記インバータ検出手段によって前記インバータの停止が検出された場合、前記モータで誘起される電圧を前記インバータで短絡させるモータ電圧短絡手段をさらに備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の駆動装置。
4. 前記モータ電圧短絡手段は、前記インバータの停止によって短絡制御信号を出力する短絡制御手段と、前記短絡制御信号により前記モータに誘起された電圧の前記インバータによる短絡を実行する短絡回路とを備えることを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
5. 前記モータ電圧短絡手段は、前記直流リンク電圧がしきい値以上に達した場合、前記モータに誘起された電圧を前記インバータで短絡させる短絡用回路を備えることを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
6. 前記インバータが、素子を搭載した複数のアームを有し、
   前記モータ電圧短絡手段は、一定のサイクルで間欠的に複数の前記アームの短絡をすることによって前記モータに誘起された電圧を短絡させることを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか１つに記載の駆動装置。
7. 前記モータ電圧短絡手段は、一定のサイクルで交互に複数の前記アームの短絡をすることによって前記モータに誘起された電圧を短絡させることを特徴とする請求項６に記載の駆動装置。
8. 前記インバータに印加される直流リンク電圧がしきい値を超えたと判断された場合、前記直流リンク電圧を別エネルギに変換することによって電圧上昇を抑止する電圧抑制素子をさらに備えることを特徴とする請求項２から請求項７に記載の駆動装置。
9. 発電機によって発電された電力を変換するインバータと、当該インバータによって変換された電力が供給されて回転するモータとを備える駆動装置を有するモータ駆動車両であって、
   前記駆動装置は、
   前記インバータの停止を検出するインバータ停止検出手段と、
   前記インバータ検出手段によって前記インバータの停止が検出された場合、前記モータを回転させるためのモータ磁界の強度を低減させる磁界強度制御手段と、
   を備えることを特徴とするモータ駆動車両。

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