JP2009148079A - インバータ装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】スイッチング素子の温度上昇を防止するためのトルク制限量を最小にし、通電能力向上によるインバータの高パワー密度化を図り、運転者の操作快適性の向上や制御の簡素化を図ることである。
【解決手段】スイッチング素子温度が素子上限温度以下に抑制されるように電動機のトルク指令値に制限を加えるトルク制限部は、スイッチング素子温度に基づいて電動機のトルクを抑制するためのトルク抑制値を求めるトルク抑制手段と、素子上限温度とスイッチング素子温度との偏差の積分値に基づいてトルク抑制値を緩和するためのトルク抑制緩和値を求めるトルク抑制緩和手段と、トルク抑制値からトルク抑制緩和値を減算してトルク制限値を求める第1減算器と、トルク指令値からトルク制限値を減算して制限トルク指令値を求めゲート生成部に出力する第2減算器とを備える。
【選択図】 図1

Description

本発明は、スイッチング素子のオンオフにより直流を交流に変換し電動機を駆動制御するインバータを備えたインバータ装置に関する。
電動機とエンジンと組み合わせたハイブリッド自動車、または電動機のみで駆動する電気自動車に用いられる電動機はインバータ装置で駆動される。このインバータ装置は直流を交流に変換して所定のトルク及び周波数で電動機を駆動する。インバータ装置は自動車内に組み込まれ、搭乗スペースの確保のためにその高パワー密度化が望まれている。
自動車の走行環境によってインバータ装置を構成するインバータのスイッチング素子の温度が大きく変動し、特にハイブリッド自動車においては、エンジンの発熱の影響でインバータのスイッチング素子は高温になる。インバータ内のスイッチング素子は、このような周囲温度に加えて、スイッチング素子自身に電流が流れることによる定常損失、オンオフによるスイッチング損失の影響で温度が上昇し、ある温度を超えると破壊に至る恐れがある。
スイッチング素子の破壊を回避するために、インバータを冷却したり、またはスイッチング素子やインバータの温度を測定してトルクやスイッチング周波数を制限したりすることが行われている。インバータの冷却向上のためには放熱フィンを大きくする必要があるが、放熱フィンを大きくすると重量や体積が共に大きくなる。一方、スイッチング周波数を低減すると、リップル電流が増加しコンデンサが発熱したり制御性に悪影響を与えることがある。
このような事情から、最終的には電動機のトルクを制限し、スイッチング素子自身に流れる電流を低減してスイッチング素子の発熱を抑えることになる。そこで、インバータのスイッチング素子が所定温度を超えたときはトルク制限を開始し、上昇温度と温度変化率とに比例したトルク制限をかけ、スイッチング素子の発熱を抑えスイッチング素子の破壊を回避するようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。また、パワートランジスタモジュールの温度上昇率を検出し、温度上昇率が所定値以上である場合にはパワートランジスタモジュールの保護動作を行うようにしたものがある(例えば、特許文献2参照)。
特開平10−210790号公報 特開平9−140155号公報
しかし、特許文献1、2のものでは、スイッチング素子が所定温度を超えたときはトルク制限を加えるものであるが、状況に応じた適切なトルク制限量については考慮されていない。
例えば、トルク制限量をスイッチング素子の温度に比例したものとした場合には、その比例定数として最大周囲温度を想定した比例定数を用いることになる。これは、スイッチング素子の破壊を確実に防止するには、周囲温度が最も高い状態を想定してトルク制限量を決定する必要があるからである。そのため、周囲温度が低い状態では必要以上にトルク制限がかかり、運転者の操作快適性を損なう恐れがある。
トルク制限量を最小にするためには、周囲温度に応じた比例定数を設定する必要があり、そのためには、周囲温度を計測するシステムの導入や比例定数を設定するための検証を必要とする。そうすると、制御は複雑化し、信頼性の低下やインバータの体積やコストが増大する弊害が生じる。
本発明の目的は、スイッチング素子の温度上昇を防止するためのトルク制限量を最小にし、通電能力向上によるインバータの高パワー密度化を図り、運転者の操作快適性の向上や制御の簡素化を図ることができるインバータ装置を提供することである。
本発明のインバータ装置は、スイッチング素子のオンオフにより直流を交流に変換し電動機を駆動制御するインバータと、前記インバータのスイッチング素子近傍に設置されスイッチング素子温度を検出する温度検出部と、前記電動機のトルクがトルク指令値になるように前記インバータのスイッチング素子をオンオフ制御するゲート生成部と、前記温度検出部から得られるスイッチング素子温度が素子上限温度以下に抑制されるように前記電動機のトルク指令値に制限を加えるトルク制限部とを備え、前記トルク制限部は、前記スイッチング素子温度に基づいて前記電動機のトルクを抑制するためのトルク抑制値を求めるトルク抑制手段と、前記素子上限温度と前記スイッチング素子温度との偏差の積分値に基づいて前記トルク抑制値を緩和するためのトルク抑制緩和値を求めるトルク抑制緩和手段と、前記トルク抑制手段で求めたトルク抑制値から前記トルク抑制緩和手段で求めたトルク抑制緩和値を減算してトルク制限値を求める第1減算器と、前記トルク指令値から前記第1減算器で求めたトルク制限値を減算して制限トルク指令値を求め前記ゲート生成部に出力する第2減算器とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、スイッチング素子の温度上昇を防止するためのトルク制限量を最小にし、通電能力向上によるインバータの高パワー密度化を図り、運転者の操作快適性の向上や制御の簡素化を図ることができる。
図1は本発明の実施の形態に係わるインバータ装置の構成図である。図1では電気自動車の電動機5にインバータ装置3を適用した場合を示しているが、本発明の実施の形態に係わるインバータ装置3は、電気自動車のみならず電気推進船等の電動機5にも適用できる。
図1に示すように、インバータ装置3は、直流電源4からの直流を交流に変換し電動機5に入力するインバータ2と、インバータ2を構成するスイッチング素子Sの温度を検出する温度検出器9と、インバータ2を構成するスイッチング素子Sにゲート信号gを出力するゲート回路15と、トルク制限部11及びゲート生成部12を有した演算制御装置10とから構成される。
電動機5のトルク指令値Tqaは、アクセル装置1からインバータ装置3に入力される。すなわち、アクセル装置1からのトルク指令値Tqaは制御演算装置10のトルク制限部11に入力され、トルク制限部11では温度検出器9で検出されたインバータ2のスイッチング素子Sの温度に基づいて必要に応じてトルク指令値Tqaに制限を加える。
トルク制限部11の出力である制限トルク指令値Tqbは、制限が加えられずにトルク指令値Tqaがそのまま出力される場合と、トルク指令値Tqaに制限が加えられてトルク指令値Tqaと異なった値が出力される場合とがある。以下の説明では、それら双方を含んたトルク指令値を制限トルク指令値Tqbとする。
トルク制限部11の出力である制限トルク指令値Tqbはゲート生成部12に出力される。ゲート生成部12では、電動機5が制限トルク指令値Tqbを満たすトルク得るように電流指令値dを演算しゲート回路15に出力する。ゲート回路15は電流指令値dを得るようなゲート信号gをインバータ2のスイッチング素子Sに出力する。インバータ2は制限トルク指令値Tqbに応じて直流電源4の直流を交流に変換し電動機5を駆動して車輪6を制御する。
次に、インバータ2は、直流電圧を平滑化するコンデンサ7が入力段に接続され、スイッチング素子SによりU相、V相、W相のブリッジ回路が構成されている。U相のブリッジ回路は、スイッチング素子Supとスイッチング素子Sunとの接続点が電動機5に接続されている。スイッチング素子Supとスイッチング素子Sunとには還流ダイオードDup、Dunがそれぞれ逆並列に接続されている。V相についても同様に、V相のブリッジ回路は、スイッチング素子Svp、Svn、還流ダイオードDvp、Dvnで構成される。また、W相のブリッジ回路は、スイッチング素子Swp、Swn、還流ダイオードDwp、Dwnで構成される。
スイッチング素子Sup、Sun、Svp、Svn、Swp、Swnのいずれか1つまたは複数の近傍に温度センサ8が設けられる。この実施の形態では温度センサ8がダイオードである場合を示している。ダイオードは定電流の条件では、温度が上昇すると順方向電圧が小さくなる傾向にある。ダイオードに一定の電流を供給し、順方向電圧を測定することによって、スイッチング素子Sの温度が得られる。温度センサ8はダイオード以外のものでもよいが、応答性が高く高精度のものが望ましい。温度センサ8が出力した電圧は、温度検出回路9を通して制御演算装置10に入力される。
次に、制御演算装置10は、トルク制限部11とゲート生成部12で構成される。トルク制限部11には、温度検出回路9から得られるスイッチング素子温度Tjと、アクセル装置1から伝達されるトルク指令値Tqaとが入力される。トルク指令値Tqaには、スイッチング素子温度Tjに応じてトルク制限がかけられ、制限トルク指令値Tqbをゲート生成部12に出力する。ゲート生成部12は、電動機5のトルクが制限トルク指令値Tqbとなるように電流指令値を演算し、電流指令値を得るようなゲート信号をゲート回路15に出力する。
ゲート回路15は、スイッチング素子Sup、Sun、Svp、Svn、Swp、Swnが有するゲートのすべてに接続され、制御演算装置10から入力されたゲート信号gに応じてオン・オフの切り替えを行う。
図2はトルク制限部11のブロック構成図である。トルク制限部11には、トルク指令値Tqa及び温度検出器9で検出されたスイッチング素子温度Tjを入力し、スイッチング素子温度Tjに基づいてトルク指令値Tqaに制限を加えるものである。
スイッチング素子温度Tjは、トルク制限部11のトルク抑制手段13及びトルク抑制緩和手段14に入力される。トルク抑制手段13は減算器16と比例器19とから構成され、減算器16はスイッチング素子温度Tjと予め定めたトルク制限開始温度TL0との偏差を求め、比例器19はその偏差に比例定数Kpを乗算してトルク抑制値aを求める。求められたトルク抑制値aは第1減算器18に入力される。
一方、トルク抑制緩和手段14は、減算器17と積分器21と積分値上限リミッタ23とから構成され、減算器17は予め定められた素子上限温度TL1とスイッチング素子温度Tjとの偏差を求め、積分器21はその偏差を積分して積分値を求め、積分値上限リミッタ23はその積分値がトルク抑制値a以下となるように制限を加えてトルク抑制緩和値bを求める。求められたトルク抑制緩和値bは第1減算器18に入力される。
第1減算器18は、トルク抑制手段13からのトルク抑制値aとトルク抑制緩和手段14からのトルク抑制緩和値bとの偏差を求め、その偏差を初期トルク制限値cとして出力する。初期トルク制限値cはトルク制限値上下限リミッタ25及びトルク制限値変化率上下限リミッタ26を通ってトルク制限値c1として第2減算器20に出力される。
一方、トルク指令値Tqaは、トルク指令値変化率上限リミッタ27及びトルク指令値上限リミッタ28を通って第2減算器20に入力され、第2減算器20は、トルク指令値Tqaからトルク制限値c1を減算して制限トルク指令値Tqbを求めゲート生成部12に出力する。
ここで、素子上限温度TL1はスイッチング素子温度Tjをある温度以下に抑制したいときの設定温度である。また、トルク制限開始温度TL0は、トルク制御部11がトルク指令値Tqaに対して制限をかけ始めるときの温度であり、素子上限温度TL1を下回る値に予め設定される。
トルク抑制手段13の減算器16で、スイッチング素子温度Tjからトルク制限開始温度TL0を減算し、比例器19で比例定数Kpを乗算した値をトルク抑制値aとする。それに対し、トルク抑制緩和手段14の減算器17で、素子上限温度TL1からスイッチング素子温度Tjを減算し、それを積分器21によって積分時間Tiごとに積算した値をトルク抑制緩和値bとする。この場合、トルク抑制緩和値bはトルク抑制値aを上回らないように、積分値上限リミッタ23で制限をかける。
トルク抑制値aからトルク抑制緩和値bを減算した値を初期トルク制限値cとする。初期トルク制限値cは、トルク制限値上下限リミッタ25にて、零以上で、トルク指令値変化率上限リミッタ27及びトルク指令値上限リミッタ28を通ったトルク指令値Tqa以下となるように制限が加えられる。また、トルク制限値変化率上下限リミッタ26にてその変化率に制限が加えられる。そして、トルク制限値c1として第2減算器20に出力され、第2減算器20でトルク指令値Tqaから減算され新たに制限トルク指令値Tqbを得る。
トルク指令値変化率上限リミッタ27は、スイッチング素子温度Tjがトルク制限開始温度TL0より高い場合には、トルク指令値Tqaの上昇率を所定変化率以下に抑えるものであり、トルク指令値上限リミッタ28は、初期トルク制限値cが零を上回るとき、トルク指令値Tqaの上昇を零とするようにトルク指令値Tqaに制限を加えるものである。
次に、動作を説明する。図3は本発明の実施の形態におけるインバータのスイッチング素子温度Tjが素子上限温度TL1を超える場合の動作特性図である。図3は、電動機5のトルクがアクセル装置1から発せられたトルク指令値Tqaになるように制御した結果、スイッチング素子温度Tjがトルク制限開始温度TL0が越え、さらに素子上限温度TL1を超える場合の特性を示している。
この場合には、図3に示すように、スイッチング素子温度Tjはトルク制限開始温度TL0を超えたときは一時的に下降し、再度上昇して最終的に素子上限温度TL1に制限される特性となる。
いま、時点t0においてアクセル装置1からトルク指令値Tqaが伝達されたとする。時点t0では、スイッチング素子温度Tjはトルク制限開始温度TL0以下なので、トルク抑制値aは負の値である。また、トルク抑制緩和値bは零である。従って、第1減算器で演算される初期トルク制限値cは負の値になる。
初期トルク制限値cは、トルク制限値上下限リミッタ25で零以上になるように制限をかけられるので、トルク制限値c1は零となる。つまり、トルク指令値Tqaは制限されず、そのままゲート生成部12に伝えられ、所望のトルクが得られる。このときは、制限トルク指令値Tqbはトルク指令値Tqaと等しい。
その後、スイッチング素子温度Tjが上昇しトルク制限開始温度TL0になる時点t1まで、つまり、時点t0〜時点t1においては、スイッチング素子温度Tjは上昇し続けるが、スイッチング素子温度Tjはトルク制限開始温度TL0以下なので、トルク抑制値aは負の値である。また、積分器21の積分値は正の値となるが、積分値上限リミッタ23によりトルク抑制値a以下に抑制されるので、トルク抑制緩和値bは負の値となる。従って、第1の減算器18で演算される初期トルク制限値cは負の値になり、時点t0のときと同様に、トルク指令値Tqaは制限されず、制限トルク指令値Tqbはトルク指令値Tqaと等しい。
次に、時間t1においてスイッチング素子温度Tjがトルク制限開始温度TL0に達し、さらに、トルク制限開始温度TL0を超えると、トルク抑制値aが正の値となる。トルク抑制緩和値bはトルク抑制値aより大きくならないように積分値上限リミッタ23がかけられているので、制限開始時点での値は零であり、制限が開始されてから間もないので、トルク抑制緩和値bの値は小さく、トルク制限にほとんど関与しない。従って、第1減算器18からはトルク抑制値aにほぼ等しい初期トルク制限値cが出力され、第2減算器20ではトルク指令値Tqaからトルク抑制値aにほぼ等しいトルク制限値c1が減算された制限トルク指令値bとなる。
そして、スイッチング素子温度Tjがさらに上昇すると、トルク抑制値aは増大するので、トルク制限値c1も増大する。従って、制限トルク指令値Tqbが小さくなるので、時間t2においてスイッチング素子温度Tjは下降に転じる。しかし、時間が経過するとトルク抑制緩和値bが増大するので、トルク制限値c1は緩和される方向に動くことから、時間t3においてスイッチング素子温度Tjは再び上昇することになる。
そして、時間t4において、スイッチング素子温度Tjが素子上限温度TL1まで上昇すると、トルク抑制緩和値bは増加することなく一定になる。これにより、トルク制限値c1を緩和する動作は停止し、トルク抑制緩和値bが増大することはないので、スイッチング素子温度Tjは素子上限温度TL1を超えることはない。このようにして、スイッチング素子温度Tjは素子上限温度TL1ぎりぎりに保たれ、初期トルク制限値cを最小に抑えることができる。
次に、図4は本発明の実施の形態におけるインバータのスイッチング素子温度Tjがトルク制限開始温度TL0と素子上限温度TL1の間に保たれる場合の動作特性図である。
時間t0においてトルク指令値Tqaが伝達され、スイッチング素子温度Tjがトルク制限開始温度TL0に達するまではトルク制限はかからない。時間t1でスイッチング素子温度Tjがトルク制限開始温度TL0に到達し、さらに、スイッチング素子温度Tjがトルク制限開始温度TL0を超えると、トルク抑制値aが増加するのでトルク制限がかかる。一方、トルク抑制緩和値bはトルク抑制値aより大きくならないように積分値上限リミッタがかかっているので、時間t1の時点でトルク制限には関与しない。
図4に示すように、最終的にスイッチング素子温度Tjが素子上限温度TL1に達しない場合には、素子上限温度TL1とスイッチング素子温度Tjとの偏差は定常的に大きいので、トルク抑制緩和値bは増大し続ける。その結果、トルク抑制緩和値bはトルク抑制値aを上回ろうとし、逆にトルク制限を負の方向、つまりトルクを増大させる方向に制御が働こうとするが、トルク抑制緩和値bはトルク抑制値aを上回らないように積分値上限リミッタ23がかけられているので、時間t2でトルク抑制緩和値bはトルク抑制値aに一致する。初期トルク制限値c=トルク抑制値a−トルク抑制緩和値b=0なので、結果的にトルク制限値c1は零となり、トルク制限がかからない。
このように、スイッチング素子温度Tjが素子上限温度TL1に達しない程度のトルク指令値Tqaにおいては、一時的にトルク制限がかかるものの最終的にはトルク制限を零とすることができる。従って、周囲温度が低い状態では必要以上にトルク制限を掛けることがなく、運転者の操作快適性を損なうことがなくなる。
次に、トルク制限値上下限リミッタ25、トルク制限値変化率上下限リミッタ26、トルク指令値変化率上限リミッタ27、トルク指令値上限リミッタ28について説明する。
まず、トルク制限値上下限リミッタ25は、初期トルク制限値cに対して零以上、トルク指令値Tqa以下の制限をかけるものである。これは、誤ってトルク指令値Tqa以上に電動機5のトルクが上昇することを防止すると共に、トルク指令値Tqaが負になることを防ぐためである。
トルク制限値変化率上下限リミッタ26は、トルク制限値上下限リミッタ25で制限を掛けた初期トルク制限値cに対して、変化率の上下限を掛けるものである。これは、例えばエンジンと組み合わせて走るハイブリッド自動車に適用するときに効果的である。エンジン出力が初期トルク制限値cによって抑制されたトルクを補助するシステムにおいて、初期トルク制限値cの変化率をエンジンの応答速度以下に抑えることによって、スムーズにエンジン出力の補助を得られる。その結果、運転者はトルク制限がかかったことを意識せず、快適に走行することができる。このトルク制限値変化率上下限リミッタ26は必ず設置しなければならないものではなく、用途に応じて適切な上下限値を設定して使用する。
次に、トルク指令値変化率上限リミッタ27は、スイッチング素子温度Tjがトルク制限開始温度TL0を上回ったときにのみ適用される。スイッチング素子温度Tjがトルク制限開始温度TL0より高い状態で、さらにトルク指令値Tqaが上昇してしまうと、比例定数Kpや積分時間Ti、トルク制限値変化率上下限リミッタ26の上限値によってはトルク制限が追従できず、スイッチング素子温度Tjが素子上限温度TL1を上回る可能性がある。トルク指令値変化率上限リミッタ27でトルク指令値Tqaの上昇を遅らせると、スイッチング素子温度Tjが上昇する前にトルク制限をかけることができ、問題を回避できる。
トルク指令値上限リミッタ28は、トルク制限値c1が零を上回ったときに限定して使用される。トルク制限がかかっているときは、スイッチング素子温度Tjが素子上限温度TL1と一致しているか、またはそれに準ずる状況である。よって、これ以上トルク指令値Tqaを増大させるとスイッチング素子温度Tjが素子上限温度TL1を上回る可能性が高いので、トルク指令値Tqaを増大させないようにする。その結果、スイッチング素子温度Tjが素子上限温度TL1を上回ることはない。
本発明によれば、スイッチング素子が所定温度を超えトルク制限を加えるにあたり、周囲温度が低い状態では必要以上にトルク制限を掛けないように、トルク抑制緩和手段によりトルク制限を緩和するので、状況に応じて適切なトルク制限をかけることができ、運転者の操作快適性を損なうことを防止できる。
本発明の実施の形態に係わるインバータ装置の構成図。 本発明の実施の形態におけるトルク制限部のブロック構成図。 本発明の実施の形態におけるインバータのスイッチング素子温度Tjが素子上限温度TL1を超える場合の動作特性図。 本発明の実施の形態におけるインバータのスイッチング素子温度Tjがトルク制限開始温度TL0と素子上限温度TL1の間に保たれる場合の動作特性図。
符号の説明
1…アクセル装置、2…インバータ、3…インバータ装置、4…直流電源、5…電動機、6…車輪、7…コンデンサ、8…温度センサ、9…温度検出回路、10…制御演算装置、11…トルク制限部、12…ゲート生成部、13…トルク抑制手段、14…トルク抑制緩和手段、15…ゲート回路、16…減算器、17…減算器、18…第1減算器、19…比例器、20…第2減算器、21…積分器、22…、23…積分値上限リミッタ、24…、25…トルク制限値上下限リミッタ、26…トルク制限値変化率上下限リミッタ、27…トルク指令値変化率上限リミッタ、28…トルク指令値上限リミッタ

Claims (7)

  1. スイッチング素子のオンオフにより直流を交流に変換し電動機を駆動制御するインバータと、前記インバータのスイッチング素子近傍に設置されスイッチング素子温度を検出する温度検出部と、前記電動機のトルクがトルク指令値になるように前記インバータのスイッチング素子をオンオフ制御するゲート生成部と、前記温度検出部から得られるスイッチング素子温度が素子上限温度以下に抑制されるように前記電動機のトルク指令値に制限を加えるトルク制限部とを備え、前記トルク制限部は、前記スイッチング素子温度に基づいて前記電動機のトルクを抑制するためのトルク抑制値を求めるトルク抑制手段と、前記素子上限温度と前記スイッチング素子温度との偏差の積分値に基づいて前記トルク抑制値を緩和するためのトルク抑制緩和値を求めるトルク抑制緩和手段と、前記トルク抑制手段で求めたトルク抑制値から前記トルク抑制緩和手段で求めたトルク抑制緩和値を減算してトルク制限値を求める第1減算器と、前記トルク指令値から前記第1減算器で求めたトルク制限値を減算して制限トルク指令値を求め前記ゲート生成部に出力する第2減算器とを備えたことを特徴とするインバータ装置。
  2. 前記トルク抑制手段は、前記スイッチング素子温度と前記素子上限温度より低く予め定めたトルク制限開始温度との偏差に比例した値をトルク抑制値として求めることを特徴とする請求項1記載のインバータ装置。
  3. 前記トルク抑制緩和値を前記トルク抑制値以下に制限する上限リミッタを備えたことを特徴とする請求項1または2に記載のインバータ装置。
  4. 前記第1減算器で求めた前記トルク制限値を、零以上で前記トルク指令値以下に制限するトルク制限上下限リミッタを設けたことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載のインバータ装置。
  5. 前記トルク指令値の変化率が所定範囲内となるように制限を加えるトルク制限値変化率上下限リミッタを設けたことを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載のインバータ装置。
  6. 前記トルク抑制手段で求めたトルク抑制値が零を超えるときは、トルク指令値が増大する際の変化率を所定値以下に制限を加えるトルク変化率上限リミッタを設けたことを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載のインバータ装置。
  7. 前記第1減算器で求めたトルク制限値が零を超えるときはトルク指令値の増大に制限を加えるトルク指令値上限リミッタを設けたことを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載のインバータ装置。
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