JP2010124594A

JP2010124594A - 車両用電動機の制御装置

Info

Publication number: JP2010124594A
Application number: JP2008295583A
Authority: JP
Inventors: Takashi Ishida; 岳志石田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-19
Filing date: 2008-11-19
Publication date: 2010-06-03

Abstract

【課題】原動機として車両に搭載された電動機を制御する車両用電動機の制御装置において、電動機の運転効率の向上を図る。
【解決手段】制御装置３０は、気圧を検出する気圧検出部３４と、気圧検出部３４により検出される気圧Ｈに基づいて、電動機２０の負荷率ＬＤＲの制限を開始する制限開始温度ＴＬを設定する制限開始温度設定部３６とを有する。これにより、電動機２０の温度Ｔｍおよび気圧Ｈの変化に依存する電動機２０の絶縁性能を考慮しつつ、電動機２０の運転効率の向上を図ることができる
【選択図】図１

Description

本発明は、原動機として車両に搭載された電動機を制御する車両用電動機の制御装置の改良に関する。

近年、地球温暖化対策の観点から二酸化炭素の排出量の削減に貢献することができる、電動機の出力により走行するハイブリッド車、燃料電池車、電気自動車などが注目されている。

これらの車両に搭載される電動機には、高電圧の電力が供給される。このため、このような電動機には、優れた絶縁性能が求められる。この絶縁性能は、一般的に、電動機の温度および気圧に依存することが知られている。すなわち、電動機の温度が高くなるにつれて、または気圧が低くなるにつれて、絶縁性能が低下することが知られている。

そこで、従来の電動機においては、高温かつ低い気圧（例えば高地）という絶縁性能に対して厳しい状況下での使用でも、電動機の内部で部分放電が生じないような絶縁設計が施される。一つの例として、絶縁性能に対して厳しい状況下での使用においても部分放電が生じないように、電動機に印加される電圧が予め低く設定される。

しかしながら、一般的な状況下、すなわち常温（例えば外気温度）および標準大気圧（例えば平地）下で電動機を使用する場合においては、絶縁性能に対して厳しい状況下に対応するために低く設定された電圧が電動機に印加されることにより、電動機の運転効率が低下してしまう。

下記特許文献１には、大気圧が低くなるにつれて電動機に印加される電圧値を低く設定する車両の制御装置が記載されている。この制御装置によれば、大気圧が低くなり電動機の絶縁性能が低下したとしても、電動機に印加される電圧値が低く設定されるので、電動機の内部の部分放電を抑制することができる。また、大気圧が高いときには、電動機に印加される電圧値が高く設定されるので、電動機の運転効率の向上を図ることができる。

特開２００６−２８８１７０号公報

上記特許文献１の制御技術においては、大気圧の変化に基づく絶縁性能の低下による不具合を抑制することができるが、電動機の温度の変化に基づく不具合を抑制するための方策については開示されていない。仮に上記特許文献１の制御技術を用いて、電動機の温度上昇による絶縁性能の低下に伴って電圧値を低下させた場合、部分放電を一時的に抑制することができる。しかしながら、電圧値を低下させるだけの制御では、電動機の温度上昇を抑制することができないので、さらに絶縁性能が低下してしまう。そうすると、絶縁性能のさらなる低下に対応するため、電圧値をさらに低下させなければならず、結果として電動機の運転効率が低下してしまう。

本発明の目的は、電動機の温度および気圧の変化に依存する電動機の絶縁性能を考慮しつつ、電動機の運転効率の向上を図ることができる車両用電動機の制御装置を提供することにある。

本発明は、原動機として車両に搭載された電動機を制御する車両用電動機の制御装置において、気圧を検出する気圧検出部と、気圧検出部により検出される気圧に基づいて、電動機の負荷率の制限を開始する制限開始温度を設定する制限開始温度設定部とを有することを特徴とする。

また、制限開始温度設定部は、気圧検出部により検出される気圧が低くなるにつれて、制限開始温度が低くなるように設定することができる。

また、電動機の温度を検出する温度検出部と、温度検出部により検出される温度と、制限開始温度設定部により設定される制限開始温度とに基づいて、電動機の負荷率を調整する負荷率調整部とを有することを特徴とする。

また、温度検出部により検出される温度が、制限開始温度設定部により設定される制限開始温度未満である場合、負荷率調整部は電動機の負荷率を制限しないように調整することができる。

また、温度検出部により検出される温度が、制限開始温度設定部により設定される制限開始温度以上である場合、負荷率調整部は電動機の負荷率を制限するように調整することができる。

また、負荷率調整部は、温度検出部により検出される温度が制限開始温度以上である場合、温度検出部により検出される温度が高くなるにつれて電動機の負荷率が低くなるように制限することができる。

また、電動機に印加される電圧は、標準大気圧のとき、部分放電が開始する部分放電開始電圧を上限として設定されることが好適である。

また、電動機の負荷率は、電動機に供給可能な最大の電流値に対する実際に供給される電流値の割合であることが好適である。

本発明の車両用電動機の制御装置によれば、電動機の温度および気圧の変化に依存する電動機の絶縁性能を考慮しつつ、電動機の運転効率の向上を図ることができる。

以下、本発明に係る車両用電動機の制御装置の実施形態について、図に従って説明する。なお、一例として、電気で駆動する電気自動車を挙げ、この自動車に搭載される車両用電動機の制御装置について説明する。なお、本発明は、電気自動車に限らず、内燃機関と電動機との出力で走行する車両、すなわちハイブリッド車両に搭載される車両用電動機の制御装置にも適用できる。

まず、本実施形態に係る車両用電動機の制御装置３０を搭載する電気自動車１０の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る電気自動車１０の概略構成を示す図である。

電気自動車１０は、原動機として電動機１２を有する。電動機１２には、動力伝達機構１４を介して駆動輪１６が接続されている。動力伝達機構１４は、電動機１２の出力軸の回転速度を減速する減速機構（図示せず）と、左右の駆動輪１６の回転差を吸収する差動機構（図示せず）を含む。電動機１２の動力は、動力伝達機構１４を介して、駆動輪１６に伝達され、電気自動車１０が走行する。

電動機１２は、インバータ１８を介してバッテリ２０に電気的に接続される。電動機１２とインバータ１８とは、三相交流用のケーブル２２を介して接続される。一方、インバータ１８とバッテリ２０とは、直流用のケーブル２４を介して接続される。

バッテリ２０は、充放電可能な二次電池であり、例えばニッケル水素バッテリ、リチウムイオンバッテリなどで構成される。もちろん、バッテリ２０に代えて二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いることもできる。

バッテリ２０に蓄えられた電力は、インバータ１８により直流から交流に変換された後に、電動機１２に供給され、電動機１２を駆動する。また、回生時に電動機１２により発電された電力は、インバータ１８により交流から直流に変換された後に、バッテリ２０に送られて蓄えられる。

電気自動車１０は、運転者の要求と車両の状態とに基づき電動機１２を制御する車両用電動機の制御装置（以下、単に制御装置と記す）３０を有する。制御装置３０は、一つの態様では、ハードウェア資源とソフトウェアとの協働により実現され、例えば電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）である。具体的には、制御装置３０の機能は、記録媒体に記録された制御プログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵ（Central Processing Unit）により実行されることによって実現される。制御プログラムは、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されて提供されることも可能であるし、データ信号として通信により提供されることも可能である。ただし、制御装置３０は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。また、制御装置３０は、物理的に１つの装置により実現されてもよいし、複数の装置により実現されてもよい。

制御装置３０には、別のＥＣＵ（図示せず）が接続されている。このＥＣＵは、電動機１２のトルク指令値Ｔｒを制御装置３０へ出力する。

また、制御装置３０には、対象機器の状態を検出する各種センサが接続されている。具体的には、制御装置３０には、電動機１２の温度Ｔｍを検出する温度センサ３２と、電気自動車１０の外部の気圧Ｈを検出する気圧センサ３４とが接続されている。これらのセンサ３２，３４は、検出値を制御装置３０へ出力する。ここで、電動機１２の温度Ｔｍとは、例えばステータコアに巻回されたコイルの温度であり、このコイルに温度センサ３２を設けることにより温度Ｔｍを検出することができる。なお、温度センサ３２を電動機２０のハウジングに設け、このハウジングの温度を温度Ｔｍとして検出してもよい。

また、制御装置３０は、制限開始温度設定部３６と負荷率調整部３８とを有する。これらの具体的な機能については後述する。

次に、電動機２０の絶縁性能が、電動機２０の温度Ｔｍおよび気圧Ｈに依存することについて図２を用いて説明する。図２は、電動機２０に印加される電圧Ｖｍと、電動機２０の温度Ｔｍと、気圧Ｈとの関係を示す図である。従来技術で述べたように、一般的に、電動機の温度が高くなるにつれて、または気圧が低くなるにつれて、絶縁性能が低下する。絶縁性能が低下すると、電動機の内部において部分放電を開始する電圧が低下する。図２には、これらの関係が示されている。

図２に示される線図は、部分放電を開始する部分放電開始電圧ＰＤＩＶ、言い換えれば正常に電動機２０を動作させるために電動機２０に印加される電圧Ｖｍの上限値を示すものである。図２においては３つの線図が示され、それらは気圧がそれぞれ異なるものである。すなわち、符号４０の線図が高い気圧Ｈｈ、符号４２の線図が中位の気圧Ｈｍ、符号４４の線図が低い気圧Ｈｌのものを示す。ここで、高い気圧Ｈｈは、電気自動車１０が平地を走行するときの大気圧であり、標準大気圧である。

図２に示されるように、どの気圧状態においても、温度Ｔｍが高くなるにつれて、電動機２０に印加される電圧Ｖｍの上限値が低下することがわかる。すなわち、温度Ｔｍが高くなるにつれて、絶縁性能が低下するので、部分放電を開始する部分放電開始電圧ＰＤＩＶが低下する。部分放電を開始する部分放電開始電圧ＰＤＩＶの低下に伴い、電動機２０に印加される電圧Ｖｍの上限値が低くなるように設定される。なお、図２の線図４０，４２，４４は直線で表されているが、曲線であってもよい。

また、図２に示されるように、温度Ｔｍが一定のとき、気圧Ｈが低くなるにつれて、電動機２０に印加される電圧Ｖｍの上限値が低下することがわかる。すなわち、気圧Ｈが低くなるにつれて、絶縁性能が低下するので、部分放電を開始する部分放電開始電圧ＰＤＩＶが低下する。部分放電を開始する部分放電開始電圧ＰＤＩＶの低下に伴い、電動機２０に印加される電圧Ｖｍの上限値が低くなるように設定される。

従来の電動機においては、高温かつ低い気圧という絶縁性能に対して厳しい状況下での使用でも部分放電が生じないように、電動機に印加される電圧の上限が設定されていた。図２においては、例えば高い温度Ｔ_０かつ低い気圧Ｈｌのときに該当する電圧Ｖ_０が電動機に印加される電圧の上限値として設定されていた。しかしながら、高温より低い温度または低い気圧より高い気圧の状況下で電動機を使用する場合においては、その状況下の部分放電開始電圧ＰＤＩＶより低い電圧Ｖ_０が電動機に印加されるため、電動機の運転効率が低下してしまう。

そこで、電動機の運転効率の向上を図るため、本発明に係る制御装置３０は、気圧センサ３４により検出される気圧Ｈに基づいて、電動機２０の負荷率の制限を開始する制限開始温度ＴＬを設定する制限開始温度設定部４０を有することを特徴とする。制限開始温度設定部４０が気圧Ｈに基づいて制限開始温度ＴＬを設定することにより、電動機２０に印加される電圧Ｖｍを予め低く設定することなく、電動機２０の温度Ｔｍと気圧Ｈとの変化による電動機２０の絶縁性能の低下を抑制することができる。

制限開始温度ＴＬについて図３を用いて説明する。図３は、電動機２０の負荷率ＬＤＲと、電動機２０の温度Ｔｍとの関係を示す図である。まず、気圧Ｈが高い気圧Ｈｈのとき、制限開始温度ＴＬを温度ＴＬ１とし、この場合について説明する。ここで、負荷率ＬＤＲとは、電動機２０に供給可能な最大の電流値に対する実際に供給される電流値の割合である。

図３において、電動機２０の温度Ｔｍが制限開始温度ＴＬ１未満のとき、負荷率ＬＤＲは１００％に設定される。一方、電動機２０の温度Ｔｍが制限開始温度ＴＬ１以上のとき、負荷率ＬＤＲは、温度Ｔｍが高くなるにつれて徐々に低くなり、温度Ｔｍが温度ＴＬ０まで到達すると負荷率ＬＤＲが０％になるように設定される。

制御装置３０は、制限開始温度ＴＬと気圧Ｈとを対応付けたマップを記憶している。このマップから、制限開始温度設定部３６は気圧Ｈに基づいて制限開始温度ＴＬを設定する。具体的には、図４に示されるように、気圧Ｈが高くなるにつれて制限開始温度ＴＬが高くなるように設定する。本実施形態においては、制限開始温度設定部３６は、気圧Ｈｈのとき制限開始温度ＴＬを温度ＴＬ１と、気圧Ｈｍのとき制限開始温度ＴＬを温度ＴＬ２と、気圧Ｈｌのとき制限開始温度ＴＬを温度ＴＬ３と設定する。このように、図４のような制限開始温度ＴＬと気圧Ｈとの関係を示す図を用いれば、制限開始温度設定部３６は、気圧センサ３４により検出された任意の気圧Ｈに基づいて制限開始温度ＴＬを設定することができる。

制御装置３０は、電動機２０の負荷率ＬＤＲと制限開始温度ＴＬとを対応付けたマップを記憶している。このマップから、負荷率調整部３８は制御開始温度ＴＬに基づいて電動機２０の負荷率ＬＤＲを調整する。具体的には、温度センサ３２により検出された温度Ｔｍが制限開始温度ＴＬ未満のとき、負荷率調整部３８は、負荷率ＬＤＲは１００％になるように調整する。一方、温度センサ３２により検出された温度Ｔｍが制限開始温度設定部３６により設定された制限開始温度ＴＬ以上になると、負荷率調整部３８は、負荷率ＬＤＲが徐々に低下するよう調整する。図３に示されるように、各制限開始温度ＴＬ１，ＴＬ２，ＴＬ３以上になると、負荷率ＬＤＲは温度Ｔｍが高くなるにつれて低下するように設定される。負荷率調整部３８が、設定された制限開始温度ＴＬ以上になると、負荷率ＬＤＲが徐々に低下するよう調整することにより、温度Ｔｍの上昇を抑制することができる。

なお、図３において、温度Ｔｍが各制限開始温度ＴＬ１，ＴＬ２，ＴＬ３以上になると、温度Ｔｍが高くなるにつれて、負荷率ＬＤＲが１００％から徐々に制限されて温度ＴＬ０に到達すると０％になるよう設定されているが、これに限定されない。負荷率ＬＤＲは、温度ＴＬ０より低い温度で０％になるように設定することもできる。

次に、気圧Ｈに基づいて設定された制限開始温度ＴＬと、電動機に印加される電圧Ｖｍとの関係について図５を用いて説明する。なお、図２と同じ符号については、詳細な説明は省略する。

図５に示されるように、気圧Ｈが低い気圧Ｈｌで設定された制限開始温度ＴＬが温度ＴＬ３のとき、気圧Ｈが中間の気圧Ｈｍで設定された制限開始温度ＴＬが温度ＴＬ２のとき、気圧Ｈが高い気圧Ｈｈで設定された制限開始温度ＴＬが温度ＴＬ１のとき、部分放電開始電圧ＰＤＩＶは電圧Ｖｍ１に設定される。本実施形態においては、電気自動車１０がどの気圧Ｈの状況下を走行するときであっても、この電圧Ｖｍ１が電動機２０に印加されることになる。

例えば、気圧Ｈが低い気圧Ｈｌのとき、温度Ｔｍが制限開始温度ＴＬ３以上になった場合、電動機２０に印加される電圧Ｖｍが電圧Ｖｍ１のままであると、部分放電開始電圧ＰＤＩＶを超えてしまうおそれがある。しかしながら、段落００３８で述べたように、負荷率調整部３８の調整により、温度Ｔｍが制御開始温度ＴＬ３より上昇してしまうことを抑制することができるので、電圧Ｖｍ１を低下させる必要がない。これは、他の気圧Ｈ、すなわち中間の気圧Ｈｍ、高い気圧Ｈｈのときも同様である。また、本実施形態においては、３つの異なる気圧Ｈによりそれぞれ対応した制限開始温度ＴＬが設定される場合について説明したが、これに限定されず、より多くの異なる気圧Ｈに対応する制限開始温度ＴＬが設定されてもよい。

このように、本発明によれば、段落００３３で述べたような低い電圧Ｖ_０より高い電圧Ｖｍ１を、どの気圧Ｈのときでも電動機２０に印加することができるので、電動機２０の運転効率の向上を図ることができる。

次に、制御装置３０の制御動作の一例について、図６を用いて説明する。なお、電動機２０に印加される電圧Ｖｍは、電圧Ｖｍ１に設定されているもととする。

まず、制御装置３０は、現在の電動機２０の温度Ｔｍと気圧Ｈとを検出する（ステップＳ１０１）。そして、検出した気圧Ｈに基づいて、制限開始温度ＴＬを設定する（ステップＳ１０２）。

次に、制御装置３０は、ステップＳ１０２において設定された制限開始温度ＴＬと、検出した温度Ｔｍとを比較する（ステップＳ１０３）。温度Ｔｍが制限開始温度ＴＬ以上のときには、ステップＳ１０４に進む。一方、温度Ｔｍが制限開始温度ＴＬ未満のときには、ステップＳ１０５に進む。

ステップＳ１０４においては、制御装置３０は、温度Ｔｍに応じて負荷率ＬＤＲを制限するように調整する。これにより、温度Ｔｍの温度上昇を防ぎ、電圧Ｖｍ１が部分放電開始電圧ＰＤＩＶを超えてしまうことを防止する。そして、電動機２０に印加される電圧Ｖｍが電圧Ｖｍ１のままであるので、電動機２０の運転効率の向上を図ることができる。

一方、ステップＳ１０５においては、制御装置３０は、負荷率ＬＤＲが１００％になるように調整する。電動機２０に印加される電圧Ｖｍが電圧Ｖｍ１のままであるので、電動機２０の運転効率の向上を図ることができる。

本実施形態に係る電気自動車の概略構成を示す図である。電動機に印加される電圧と、電動機の温度と、気圧との関係を示す図である。電動機の負荷率と、電動機の温度との関係を示す図である。制限開始温度と気圧との関係を示す図である。電動機に印加される電圧と、電動機の温度と、気圧と、負荷率制限温度との関係を示す図である。制御装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１０電気自動車、１２電動機、３０車両用電動機の制御装置、３２温度センサ、３４気圧センサ、３６制限開始温度設定部、３８負荷率調整部。

Claims

原動機として車両に搭載された電動機を制御する車両用電動機の制御装置において、
気圧を検出する気圧検出部と、
気圧検出部により検出される気圧に基づいて、電動機の負荷率の制限を開始する制限開始温度を設定する制限開始温度設定部と、
を有することを特徴とする車両用電動機の制御装置。
請求項１に記載の車両用電動機の制御装置において、
制限開始温度設定部は、気圧検出部により検出される気圧が低くなるにつれて、制限開始温度が低くなるように設定する、
ことを特徴とする車両用電動機の制御装置。
請求項１または２に記載の車両用電動機の制御装置において、
電動機の温度を検出する温度検出部と、
温度検出部により検出される温度と、制限開始温度設定部により設定される制限開始温度とに基づいて、電動機の負荷率を調整する負荷率調整部と、
を有することを特徴とする車両用電動機の制御装置。
請求項３に記載の車両用電動機の制御装置において、
温度検出部により検出される温度が、制限開始温度設定部により設定される制限開始温度未満である場合、負荷率調整部は電動機の負荷率を制限しないように調整する、
ことを特徴とする車両用電動機の制御装置。
請求項３または４に記載の車両用電動機の制御装置において、
温度検出部により検出される温度が、制限開始温度設定部により設定される制限開始温度以上である場合、負荷率調整部は電動機の負荷率を制限するように調整する、
ことを特徴とする車両用電動機の制御装置。
請求項５に記載の車両用電動機の制御装置において、
負荷率調整部は、温度検出部により検出される温度が制限開始温度以上である場合、温度検出部により検出される温度が高くなるにつれて電動機の負荷率が低くなるように制限する、
ことを特徴とする車両用電動機の制御装置。
請求項１から６に記載の車両用電動機の制御装置において、
電動機に印加される電圧は、標準大気圧のとき、部分放電が開始する部分放電開始電圧を上限として設定される、
ことを特徴とする車両用電動機の制御装置。
請求項１から７のいずれか１つに記載の車両用電動機の制御装置において、
電動機の負荷率は、電動機に供給可能な最大の電流値に対する実際に供給される電流値の割合である、
ことを特徴とする車両用電動機の制御装置。