JP2010252525A - モータ駆動システムの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの駆動能力を損なうことなく、半田にクラックの発生を抑制可能なモータ駆動システムの制御装置を提供する。
【解決手段】ＰＣＵ１０は、コンバータ１２およびインバータ１４からなり、直流電源Ｂが出力する直流電圧を交流モータＭＧの駆動電圧に変換可能に構成される。ＰＣＵ１０は、半田によって基板上に固着されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１〜Ｑ１６を含む。制御装置５０は、交流モータＭＧがトルク指令値に従ったトルクを出力するようにスイッチング素子のスイッチング動作を制御する。制御装置５０は、温度センサ３０によって検知されたスイッチング素子温度の初期温度からの温度上昇量が基準値となる頻度を累積することによって累積頻度を算出する。そして、制御装置５０は、算出した累積頻度が半田のストレス耐力に応じて予め定められた許容値を超えた場合には、交流モータＭＧの出力トルクを制限する。
【選択図】図１

Description

本発明は、モータ駆動システムの制御装置に関し、より特定的には、電力変換装置によってモータを駆動制御する構成のモータ駆動システムの制御装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両に適用されるモータ駆動システムにおいて、直流電源の出力電力をモータ駆動電力に変換する電力変換装置（コンバータおよびインバータ）を、上アームおよび下アームの各々に電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する）を接続して構成した半導体モジュールを複数個組込んで構成することが、たとえば特開２００３−１３４７９５号公報（特許文献１）に開示されている。

このような構成では、電力変換装置はスイッチング素子のスイッチング動作により発熱する。そのため、スイッチング素子の過熱を抑制するための技術として、たとえば特開２００８−７２８１８号公報（特許文献２）には、スイッチング素子の過熱を抑制するために、スイッチング素子の耐熱温度に基づいてモータに供給する駆動電流の制限を開始する制限開始温度を決定し、スイッチング素子の素子温度が決定した制限開始温度以上となった場合に、モータの出力トルクの制限を開始する構成が開示されている。

特開２００３−１３４７９５号公報 特開２００８−７２８１８号公報 特開平５−１１５１０６号公報 実開平５−８８１９７号公報

上記の特許文献１および２のような電力変換装置において、半導体モジュールは、スイッチング素子を半田により絶縁板に接着し、この絶縁板を半田により冷却フィンに接する放熱板に接着して構成される。

このような半導体モジュールにおいては、電力変換装置の駆動／停止が繰返されることによってスイッチング素子の昇温／降温が繰返されると、スイッチング素子、絶縁板および放熱板の間の線膨張係数の相違に起因して、スイッチング素子を放熱板に取付けるための半田にクラックが発生するという問題が生じる。

その一方で、クラックの発生に至るまでの半田の寿命は、モータ駆動システムを搭載する電動車両の使われ方や、半導体モジュール間での半田の耐ストレス性のばらつきなどが大きく影響する。したがって、上記の特許文献２に開示されるスイッチング素子の素子温度が制限開始温度以上となった場合にモータ出力の制限を開始する制御を、一律に行なう構成とすると、クラックの発生を抑制できる一方で、モータの駆動能力を活かしきれないといった不具合が起こり得る。しかしながら、上記の特許文献１および２は、このような不具合に対する解決手段を開示していない。

それゆえ、この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、モータの駆動能力を損なうことなく、半田にクラックの発生を抑制可能なモータ駆動システムの制御装置を提供することである。

この発明に従うモータ駆動システムの制御装置は、直流電源と、直流電源が出力する直流電圧を車両駆動用モータの駆動電圧に変換する電力変換装置とを備えたモータ駆動システムの制御装置である。電力変換装置は、固着材によって基板上に固着された電力用半導体スイッチング素子を含む。制御装置は、車両駆動用モータがトルク指令値に従ったトルクを出力するように、電力用半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御する電力変換制御手段と、電力用半導体スイッチング素子の素子温度を検知するための温度センサと、温度センサによって検知された素子温度の初期温度からの温度上昇量が基準値となる頻度を累積することによって累積頻度を算出する累積頻度算出手段と、累積頻度算出手段によって求められた累積頻度が固着材のストレス耐力に応じて予め定められた許容値を超えた場合には、モータの出力トルクを制限する出力制限手段とを備える。

本発明の実施の形態に従うモータ駆動システムの全体構成図である。 ＰＣＵを構成するスイッチング素子の冷却構造を説明するための断面図である。 図２のスイッチング素子の冷却構造に用いられる半田の信頼性の評価結果を示す図である。 半田に加わるストレスの分布と半田のストレス耐力の分布との関係を示す図である。 モータ駆動システムを搭載した電動車両の車両走行期間におけるスイッチング素子温度の時間的変化を示す図である。 温度上昇量ΔＴの累積頻度と負荷率との関係図である。 本発明の実施の形態に従う制御装置の制御構造を示すブロック図である。 本発明の実施の形態に従う交流モータＭＧの出力制限方法に係るフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態に従うモータ駆動システムの全体構成図である。
図１を参照して、本発明の実施の形態に従うモータ駆動システム１００は、直流電源Ｂと、パワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ（Power Control Unit）」とも称する）１０と、制御装置５０と、交流モータＭＧとを備える。

負荷６０は、交流モータＭＧの出力トルクによって回転駆動される。たとえば、負荷６０は、交流モータＭＧの出力トルクを伝達可能に構成された駆動軸６２と、駆動軸６２の回転に伴なって回転駆動される駆動輪６５とを含む。

このように、交流モータＭＧは、代表的にはハイブリッド自動車または電気自動車等の電動車両の車輪（駆動輪）を駆動するためのトルクを発生する車両駆動用電動機として用いられる。あるいは、交流モータＭＧは、エンジンにて駆動される発電機の機能を持つように構成されてもよく、駆動輪６５の回転方向と反対方向の出力トルクを発生することにより回生発電を行なうように電動機および発電機の機能を併せ持つように構成されてもよい。さらに、交流モータＭＧは、エンジンに対して電動機として動作し、たとえば、エンジン始動を行ない得るようなものとしてハイブリッド車両に組込まれるようにしてもよい。

直流電源Ｂとしては、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池、あるいは、電気二重層キャパシタ等の蓄電装置を適用可能である。直流電源Ｂが出力する直流電圧Ｖｂは、電圧センサ１１によって検知される。電圧センサ１１は、検出した直流電圧Ｖｂを制御装置５０へ出力する。

システムリレーＳＲ１は、直流電源Ｂの正極端子および電源ライン６の間に接続され、システムリレーＳＲ２は、直流電源Ｂの負極端子および接地ライン５の間に接続される。システムリレーＳＲ１，ＳＲ２は、制御装置５０からの信号ＳＥによりオン／オフされる。平滑コンデンサＣ１は、電源ライン６および接地ライン５の間に接続される。電圧センサ１４は、平滑コンデンサＣ１の両端の電圧を検出し、その検出値ＶＬを制御装置５０へ出力する。

ＰＣＵ１０は、コンバータ１２と、平滑コンデンサＣ０と、インバータ２０とを含む。なお、ＰＣＵ１０は、本願発明での「電力変換装置」を構成する。

コンバータ１２は、リアクトルＬ１と、電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２とを含む。電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、電源ライン７および接地ライン５の間に直列に接続される。電力用半導体スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のオン・オフは、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１およびＳ２によって制御される。

この発明の実施の形態において、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する）としては、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対しては、逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２が配置されている。リアクトルＬ１は、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２の接続ノードと電源ライン６の間に接続される。また、平滑コンデンサＣ０は、電源ライン７および接地ライン５の間に接続される。

インバータ２０は、電源ライン７および接地ライン５の間に並列に設けられる、Ｕ相上下アーム２２と、Ｖ相上下アーム２４と、Ｗ相上下アーム２６とから成る。各相上下アームは、電源ライン７および接地ライン５の間に直列接続されたスイッチング素子から構成される。たとえば、Ｕ相上下アーム２２は、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２から成り、Ｖ相上下アーム２４は、スイッチング素子Ｑ１３，Ｑ１４から成り、Ｗ相上下アーム２６は、スイッチング素子Ｑ１５，Ｑ１６から成る。また、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６に対して、逆並列ダイオードＤ１１〜Ｄ１６がそれぞれ接続されている。スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のオン・オフは、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６によって制御される。

代表的には、交流モータＭＧは、３相の永久磁石型同期電動機であり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点Ｎに共通接続されて構成される。さらに、各相コイルの他端は、各相上下アーム２２〜２６のスイッチング素子の中間点と接続されている。

コンバータ１２は、昇圧動作時には、直流電源Ｂから供給された直流電圧Ｖｂを昇圧した直流電圧ＶＨ（インバータ１４への入力電圧に相当するこの直流電圧を、以下「システム電圧」とも称する）をインバータ２０へ供給する。より具体的には、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１，Ｓ２に応答して、スイッチング素子Ｑ１のオン期間およびスイッチング素子のＱ２のオン期間（または、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の両方がオフする期間）が交互に設けられ、昇圧比は、これらのオン期間の比に応じたものとなる。あるいは、スイッチング素子Ｑ１およびＱ２をオンおよびオフにそれぞれ固定すれば、ＶＨ＝Ｖｂ（昇圧比＝１．０）とすることもできる。

また、コンバータ１２は、降圧動作時には、平滑コンデンサＣ０を介してインバータ２０から供給された直流電圧ＶＨ（システム電圧）を降圧して直流電源Ｂを充電する。より具体的には、制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１，Ｓ２に応答して、スイッチング素子Ｑ１のみがオンする期間と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の両方がオフする期間（または、スイッチング素子のＱ２のオン期間）とが交互に設けられ、降圧比は上記オン期間のデューティ比に応じたものとなる。

平滑コンデンサＣ０は、コンバータ１２からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ２０へ供給する。電圧センサ１３は、平滑コンデンサＣ０の両端の電圧、すなわち、システム電圧ＶＨを検出し、その検出値を制御装置５０へ出力する。

インバータ２０は、交流モータＭＧのトルク指令値が正（Ｔｑｃｏｍ＞０）の場合には、平滑コンデンサＣ０から直流電圧が供給されると制御装置５０からのスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６に応答した、スイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６のスイッチング動作により直流電圧を交流電圧に変換して正のトルクを出力するように交流モータＭＧを駆動する。また、インバータ２０は、交流モータＭＧのトルク指令値が零の場合（Ｔｑｃｏｍ＝０）には、スイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６に応答したスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるように交流モータＭＧを駆動する。これにより、交流モータＭＧは、トルク指令値Ｔｑｃｏｍによって指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。

さらに、モータ駆動システム１００が搭載された電動車両の回生制動時には、交流モータＭＧのトルク指令値Ｔｑｃｏｍは負に設定される（Ｔｑｃｏｍ＜０）。この場合には、インバータ２０は、スイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６に応答したスイッチング動作により、交流モータＭＧが発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧（システム電圧）を平滑コンデンサＣ０を介してコンバータ１２へ供給する。なお、ここで言う回生制動とは、電動車両を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速（または加速の中止）させることを含む。

電流センサ２７は、交流モータＭＧに流れるモータ電流ＭＣＲＴを検出し、その検出したモータ電流を制御装置５０へ出力する。なお、三相電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗの瞬時値の和は零であるので、図１に示すように電流センサ２７は２相分のモータ電流（たとえば、Ｖ相電流ｉｖおよびＷ相電流ｉｗ）を検出するように配置すれば足りる。

回転角センサ（レゾルバ）２８は、交流モータＭＧのロータ回転角θを検出し、その検出した回転角θを制御装置５０へ送出する。制御装置５０では、回転角θに基づき交流モータＭＧの回転数（回転速度）Ｎｍおよび角速度ω（ｒａｄ／ｓ）を算出できる。なお、回転角センサ２８については、回転角θを制御装置５０にてモータ電圧や電流から直接演算することによって、配置を省略してもよい。

温度センサ３０は、インバータ２０のスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１６の温度（以下、「スイッチング素子温度」と称する）Ｔｓｗを検出し、その検出したスイッチング素子温度Ｔｓｗを制御装置５０へ出力する。

制御装置５０は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ（Electronic Control Unit）」とも称する）により構成され、予め記憶されたプログラムを図示しないＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理および／または専用の電子回路によるハードウェア処理により、モータ駆動システム１００の動作を制御する。

代表的な機能として、制御装置５０は、図示しない外部ＥＣＵから入力されたトルク指令値Ｔｑｃｏｍ、電圧センサ１１によって検出された直流電圧Ｖｂ、電圧センサ１３によって検出されたシステム電圧ＶＨおよび電流センサ２７からのモータ電流ＭＣＲＴ（ｉｖ，ｉｗ）、回転角センサ２８からの回転角θ等に基づいて、交流モータＭＧがトルク指令値Ｔｑｃｏｍに従ったトルクを出力するように、インバータ２０の動作を制御する。すなわち、インバータ２０を上記のように制御するためのスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６を生成して、インバータ２０へ出力する。

コンバータ１２の昇圧動作時には、制御装置５０は、交流モータＭＧの運転状態に応じてシステム電圧ＶＨの電圧指令値を算出し、この電圧指令値および電圧センサ１３，１４による検出電圧に基づいて、出力電圧を電圧指令値へ一致させる電圧変換動作が行なわれるように、スイッチング制御信号Ｓ１，Ｓ２を生成する。

また、制御装置５０は、電動車両が回生制動モードに入ったことを示す信号ＲＧＥを外部ＥＣＵから受けると、交流モータＭＧで発電された交流電圧を直流電圧に変換するようにスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６を生成してインバータ２０へ出力する。これにより、インバータ２０は、交流モータＭＧで発電された交流電圧を直流電圧に変換してコンバータ１２へ供給する。

さらに、制御装置５０は、信号ＲＧＥに応答して、インバータ２０から供給された直流電圧を降圧するようにスイッチング制御信号Ｓ１，Ｓ２を生成し、コンバータ１２へ出力する。これにより、インバータ２０は、交流モータＭＧからの回生電力を直流電圧に変換してコンバータ１２へ供給する。

さらに、制御装置５０は、モータ駆動システム１００の起動／停止時に、システムリレーＳＲ１，ＳＲ２をオン／オフするための信号ＳＥを生成してシステムリレーＳＲ１，ＳＲ２へ出力する。

以上の構成からなるモータ駆動システム１００において、ＰＣＵ１０は、スイッチング素子から発生する熱損失による温度上昇を抑えるために、図２に示す冷却構造により冷却される。

図２は、ＰＣＵ１０を構成するスイッチング素子の冷却構造を説明するための断面図である。

図２を参照して、放熱板１２０は、シリコングリスを介してヒートシンク（ともに図示せず）の上に配置される。絶縁基板１１０は、一例として、窒化アルミニウムと、当該窒化アルミニウムの上面および下面の各々に設置されたアルミニウムとからなる。

絶縁基板１１０は、下面側のアルミニウムが半田１４０によって放熱板１２０に接着されることによって、放熱板１２０に固着される。スイッチング素子Ｑ１１は、半田１３０により上面側のアルミニウムに接着されることによって絶縁基板１１０に固着される。

その他のスイッチング素子およびダイオードも、スイッチング素子Ｑ１１と同じように図２に示す態様で基板（絶縁基板１１０および放熱板１２０）に固着される。

放熱板１２０は、半田１３０，１４０および絶縁基板１１０を介してスイッチング素子Ｑ１１から発生する熱を受熱すると、その受けた熱を図示しないヒートシンクへ放熱する。ヒートシンクには、冷媒が通流するための冷媒路が設けられており、この冷媒との間で熱交換を行なうことによって、スイッチング素子Ｑ１１が冷却される。

しかしながら、図２に示すスイッチング素子の冷却構造においては、ＰＣＵ１０の駆動／停止が繰返されることによってスイッチング素子の昇温／降温が繰返されると、スイッチング素子、絶縁基板１１０および放熱板１２０の間の線膨張係数の相違に起因して、スイッチング素子と絶縁基板１１０とを接合する半田１３０、および絶縁基板１１０と放熱板１２０とを接合する半田１４０には大きな応力（ストレス）が加わる。これにより、半田１３０，１４０にクラックが発生するという問題がある。

そして、半田１３０，１４０のいずれかにクラックが発生すると、スイッチング素子から放熱板１２０への放熱経路が遮断されてしまうため、スイッチング素子および冷媒の間の熱交換が妨げられる。その結果、スイッチング素子が過熱状態となり、素子破壊に至る可能性がある。

特に、本実施の形態のように、交流モータＭＧが車両駆動用電動機を構成する場合においては、交流モータＭＧの出力トルクに応じてスイッチング素子の発熱量が変化することから、モータ駆動システム１００を搭載した電動車両の走行パターンに応じて、半田クラックの発生し易さが異なってくる。

すなわち、スイッチング素子の昇温／降温が繰返される状況としては、急加速時など大きな車両駆動力が要求される走行が頻繁に実行されるような走行パターンや、頻繁なアクセル操作によって加速および減速を繰返すような走行パターンなどが想定される。また、山岳路のように、降坂走行と登坂走行とを交互に行なうような走行パターンにおいても、このような状況が起こり得る。

そして、これらの走行パターンはいずれも、出力トルクの変動が小さい状態である定速走行をメインとする走行パターンと比較して、スイッチング素子の温度上昇を高い頻度で発生させる。そのため、半田１３０，１４０に加わるストレスが増大し、結果的に半田クラックが発生し易くなる。

図３は、図２のスイッチング素子の冷却構造に用いられる半田の信頼性の評価結果を示す図である。なお、図３では、半田の信頼性がＳ−Ｎ曲線で示されている。このＳ−Ｎ曲線は、図２の半田の寿命（以下、寿命サイクル数とも称する）を知るために、温度差による加速試験、いわゆる温度サイクル寿命試験を行なうことによって得られたものである。

図３を参照して、横軸は、半田に加えるストレスとして、スイッチング素子の温度上昇量ΔＴを示し、縦軸は、温度上昇量ΔＴごとに半田にクラックが発生するまでのストレスの繰返しサイクル数（寿命サイクル数）を示す。なお、スイッチング素子の温度上昇量ΔＴは、モータ駆動システム１００に起動指示が与えられたときのスイッチング素子温度を初期温度としたときに、温度センサ３０によって検出されたスイッチング素子温度Ｔｓｗの初期温度からの温度上昇量に相当する。

図３によれば、温度上昇量ΔＴが大きくなるほどクラック発生に至るまでの寿命サイクル数が減少している。たとえば、温度上昇量ΔＴが所定の基準値αのとき、寿命サイクル数はβとなる。なお、Ｓ−Ｎ曲線の傾きを示すＳ／Ｎ比は、半田に用いられる金属材料の組成等で決まる物性値である。

図４には、半田にクラックが発生するメカニズムを表すものとして、半田に加わるストレスの分布と、半田のストレス耐力の分布との関係が示される。なお、同図において、半田のストレス耐力は、図３のＳ−Ｎ曲線における温度上昇量ΔＴが基準値αとなるときの寿命サイクル数で表わされている。すなわち、部品間での温度上昇量ΔＴが基準値αのときの寿命サイクル数の分布（ばらつき）を示している。

一方、半田に加わるストレスについては、市場に流通されている電動車両に搭載されるモータ駆動システム１００（図１）において、車両走行期間にスイッチング素子の温度上昇量ΔＴが基準値αとなる頻度がサイクル数で表わされている。なお、車両走行期間については、トリップごとの走行期間を累積することによって算出される。

半田に加わるストレスの分布（ばらつき）は、上述した電動車両の走行パターンのバリエーションに対するユーザの運転嗜好を反映したものとなっている。すなわち、ユーザ間での温度上昇量ΔＴが基準値αとなる頻度の分布（ばらつき）を示している。

図４を参照して、半田のストレス耐力に対してストレスが十分に小さい場合、すなわち、ストレスがストレス耐力の分布の下限値（以下、下限寿命サイクル数Ｎｍｉｎとも記す）を下回る場合には、半田クラックが発生しない。これに対して、ストレスがストレス耐力の下限寿命サイクル数Ｎｍｉｎを超える場合には、半田クラックが発生する可能性が生じる。

すなわち、図４において２つの分布が重なる領域（図中の斜線領域）は、半田にクラックが発生する確率を表わしている。したがって、温度上昇量ΔＴが基準値αとなる頻度（サイクル数）が下限寿命サイクル数Ｎｍｉｎを超えるような走行パターン（たとえば、急加速が頻繁に実行されるような走行パターンなど）を嗜好するユーザにとっては、このような運転嗜好を持たないユーザと比較して、半田クラックの発生し易さが顕著となることが分かる。

そこで、本実施の形態に従うモータ駆動システム１００においては、半田クラックの発生を抑制するための構成として、制御装置５０は、温度センサ３０により検出されるスイッチング素子温度Ｔｓｗを監視するとともに、スイッチング素子の温度上昇量ΔＴが基準値となる頻度（サイクル数）を累積し、その累積頻度（累積サイクル数）が半田のストレス耐力に応じて予め定められた許容値を超えた場合には、交流モータＭＧの出力トルクを制限する。

図５は、モータ駆動システム１００（図１）を搭載した電動車両の車両走行期間におけるスイッチング素子温度Ｔｓｗの時間的変化を示す図である。

図５を参照して、車両走行期間は、電動車両が最初に走行を開始した時刻ｔ０を起点として、トリップごとの走行期間を累積することによって算出される。この車両走行期間において、温度センサ３０により検出されるスイッチング素子温度Ｔｓｗは、交流モータＭＧの出力トルクの変動に従って変動する。

制御装置５０は、モータ駆動システム１００に起動指示が与えられたときのスイッチング素子温度を初期温度として、温度センサ３０からのスイッチング素子温度Ｔｓｗと初期温度との差分である温度上昇量ΔＴを算出する。このとき、制御装置５０は、時刻ｔ０以降におけるサイクルごとの温度上昇量ΔＴ１，ΔＴ２，・・・ΔＴｎ（ｎはサイクル数）を算出する。

次に、制御装置５０は、算出した温度上昇量ΔＴ１，ΔＴ２・・・ΔＴｎと、図３に示す半田のＳ−Ｎ曲線とにより、下記（１）式に従って、温度上昇量ΔＴが基準値ΔＴｏ（たとえばαとする）となる累積頻度（累積サイクル数）ＣＡを算出する。

（１）式において、ｒは図３に示す半田のＳ−Ｎ曲線の傾きであるＳ／Ｎ比を示す。
上記式（１）によれば、サイクルごとの温度上昇量ΔＴ１，ΔＴ２・・・ΔＴｎは、半田の信頼性（Ｓ−Ｎ曲線）に基づいて、温度上昇量ΔＴが基準値ΔＴｏとなる累積頻度（累積サイクル数）に集約される。

そして、制御装置５０は、算出した温度上昇量ΔＴの累積頻度ＣＡに応じて交流モータＭＧの負荷率ＬＤＲを設定する。図６は、温度上昇量ΔＴの累積頻度ＣＡと負荷率ＬＤＲとの関係図である。図６において、直線ｋ１は、１００％の負荷率を表わし、直線ｋ２は、温度上昇量ΔＴの累積頻度ＣＡに応じて決定される負荷率を表わし、直線ｋ３は、０％の負荷率を表わす。

図６を参照して、温度上昇量ΔＴの累積頻度ＣＡが許容値Ｘ以下のときには、負荷率は１００％に設定される。そして、温度上昇量Δの累積頻度ＣＡが許容値Ｘを超えると、負荷率は、累積頻度ＣＡに応じて直線ｋ２，ｋ３に従って決定される。なお、許容値Ｘは、図４に示す半田のストレス耐力の分布に基づいて、温度上昇量ΔＴが基準値ΔＴｏ（＝α）の場合における下限寿命サイクル数Ｎｍｉｎに予め設定されている。

このようにして、温度上昇量ΔＴが基準値ΔＴｏとなる累積頻度（累積サイクル数）が半田のストレス耐力に応じて予め定められた許容値（下限寿命サイクル数）を超えた場合には、交流モータＭＧの出力トルクが制限される。すなわち、本実施の形態によれば、半田に加わるストレスが半田のストレス耐力に達したと判断された場合には、半田に加わるストレスを低減させるように交流モータＭＧの出力制限が実行される。したがって、交流モータＭＧの出力制限は、上述したような半田クラックが発生し易い運転嗜好を持つユーザを特定して行なわれることから、一律にスイッチング素子温度に応じて出力制限を行なう構成と比較して、交流モータＭＧの駆動能力を損なうことなく、半田クラックの発生を効果的に抑制することができる。

以下、上述の温度上昇量ΔＴの累積頻度に応じて交流モータＭＧの出力制限を行なうための制御構造について説明する。

図７は、本発明の実施の形態に従う制御装置５０の制御構造を示すブロック図である。 図７を参照して、制御装置５０は、負荷率制御部２１０と、電流指令生成部２２０と、座標変換部２３０，２６０と、回転数演算部２４０と、ＰＩ演算部２５０と、ＰＷＭ信号生成部２７０とを含む。なお、図７に示された制御ブロックは、制御装置５０に予め記憶されたプログラムを所定周期で実行することにより実現される。

負荷率制御部２１０は、温度センサ３０（図１）によって検出されたスイッチング素子温度Ｔｓｗを受けると、車両走行期間におけるスイッチング素子の温度上昇量ΔＴおよび半田の信頼性（図３）に基づき、上述した方法によって温度上昇量ΔＴが基準値ΔＴｏとなる累積頻度ＣＡを算出する。そして、負荷率制御部２１０は、算出した温度上昇量ΔＴの累積頻度ＣＡに応じて、図６の関係に基づいて交流モータＭＧの負荷率ＬＤＲを設定し、その設定した負荷率ＬＤＲを電流指令生成部２２０へ出力する。

電流指令生成部２２０は、外部ＥＣＵからトルク指令値Ｔｑｃｏｍを受け、負荷率制御部２１０から負荷率ＬＤＲを受けると、トルク指令値Ｔｑｃｏｍに負荷率ＬＤＲを乗算することにより、制限トルク指令値Ｔｑｃｏｍ♯を生成する。そして、電流指令生成部２２０は、予め作成されたテーブル等に従って、交流モータＭＧの制限トルク指令値Ｔｑｃｏｍ♯に従って、電流指令値Ｉｑｃｏｍ，Ｉｄｃｏｍを生成する。

座標変換部２３０は、交流モータＭＧに設けられた回転角センサ２８によって検出される交流モータＭＧの回転角θを用いた座標変換（３相→２相）により、電流センサ２７によって検出されたモータ電流ＭＣＲＴ（ｉｖ，ｉｗ，ｉｕ＝−（ｉｖ＋ｉｗ））を基に、ｄ軸電流ｉｄおよびｑ軸電流ｉｑを算出する。回転数演算部２４０は、回転角センサ２８の出力に基づいて、交流モータＭＧの回転数Ｎｍを演算する。

ＰＩ演算部２５０には、ｄ軸電流の指令値に対する偏差ΔＩｄ（ΔＩｄ＝Ｉｄｃｏｍ−ｉｄ）およびｑ軸電流の指令値に対する偏差ΔＩｑ（ΔＩｑ＝Ｉｑｃｏｍ−ｉｑ）が入力される。ＰＩ演算部２５０は、ｄ軸電流偏差ΔＩｄおよびｑ軸電流偏差ΔＩｑのそれぞれについて、所定ゲインによるＰＩ演算を行なって制御偏差を求め、この制御偏差に応じたｄ軸電圧指令値Ｖｄ♯およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ♯を生成する。

座標変換部２６０は、交流モータＭＧの回転角θを用いた座標変換（２相→３相）によって、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ♯およびｑ軸電圧指令値Ｖｑ♯をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに変換する。なお、ｄ軸，ｑ軸電圧指令値Ｖｄ♯，Ｖｑ♯から各相電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗへの変換には、直流電圧ＶＨも反映される。

ＰＷＭ信号生成部２７０は、各相における電圧指令値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと所定の搬送波（代表的には三角波）との比較に基づくパルス幅変調（ＰＷＭ）制御により、図１に示した、インバータ２０のスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６を生成する。

インバータ２０が、制御装置５０によって生成されたスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６に従ってスイッチング制御されることにより、交流モータＭＧに対して制限トルク指令値Ｔｑｃｏｍ♯に従ったトルクを出力するための交流電圧が印加される。

以上のような制御構造によって、本実施の形態に従う温度上昇量ΔＴの累積頻度に応じた交流モータＭＧの出力制限処理が実現される。これらの処理は、次のような処理フローにまとめることができる。

図８は、本発明の実施の形態に従う交流モータＭＧの出力制限処理に係るフローチャートである。なお、図８に示すフローチャートは、制御装置５０において予め格納したプログラムを実行することで実現できる。

図８を参照して、まず、制御装置５０は、温度センサ３０からスイッチング素子温度Ｔｓｗの検出値を取得すると（ステップＳ０１）、車両走行期間におけるスイッチング素子の温度上昇量ΔＴおよび予め評価試験により取得されている半田の信頼性に基づき、上述した方法によって温度上昇量ΔＴが基準値ΔＴｏとなる累積頻度ＣＡを算出する（ステップＳ０２）。

次に、交流モータＭＧの出力制限の要否を判断するために、制御装置５０は、算出した温度上昇量ΔＴの累積頻度ＣＡが基準値Ｘを超えるか否かを判断する（ステップＳ０３）。温度上昇量ΔＴの累積頻度ＣＡが基準値Ｘ以下のとき（ステップＳ０３においてＮＯ）には、制御装置５０は、出力制限が不要であると判断し、負荷率ＬＤＲ＝１００％に設定する（ステップＳ０５）。

これに対して、温度上昇量ΔＴの累積頻度ＣＡが基準値Ｘを超えるとき（ステップＳ０３においてＹＥＳ）には、制御装置５０は、出力制限が必要であると判断する。この場合、制御装置５０は、図６の関係に基づき、累積頻度ＣＡに応じて負荷率ＬＤＲを決定する（ステップＳ０４）。

そして、制御装置５０は、外部ＥＣＵからのトルク指令値ＴｑｃｏｍにステップＳ０４またはＳ０５で設定された負荷率ＬＤＲを乗算することにより、制限トルク指令値Ｔｑｃｏｍ♯を生成すると、交流モータＭＧが制限トルク指令値Ｔｑｃｏｍ♯に従ったトルクを出力するようにインバータ２０のスイッチング制御信号Ｓ１１〜Ｓ１６を生成してインバータ２０を制御する。

なお、本実施の形態では、スイッチング素子の温度上昇量の累積頻度に応じて設定された制限トルク指令値Ｔｑｃｏｍ♯に従ってインバータ２０の制御が行なわれる実施例を示したが、コンバータ１２においても同様に、この制限トルク指令値Ｔｑｃｏｍ♯に従って電圧変換制御が行なわれることを確認的に記載しておく。この結果、コンバータ１２およびインバータ２０の組合せからなるＰＣＵ１０において、交流モータＭＧの駆動能力を損なうことなく、スイッチング素子の温度上昇による半田クラックの発生を抑制することが可能となる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

５ 接地ライン、６，７ 電源ライン、１１，１３，１４ 電圧センサ、１２ コンバータ、２０ インバータ、２２ Ｕ相上下アーム、２４ Ｖ相上下アーム、２６ Ｗ相上下アーム、２７ 電流センサ、２８ 回転角センサ、３０ 温度センサ、５０ 制御装置、６０ 負荷、６２ 駆動軸、６５ 駆動輪、１００ モータ駆動システム、１１０ 絶縁基板、１２０ 放熱板、１３０，１４０ 半田、２１０ 負荷率制御部、２２０ 電流指令生成部、２３０，２６０ 座標変換部、２４０ 回転数演算部、２５０ ＰＩ演算部、２７０ ＰＷＭ信号生成部、Ｂ 直流電源、Ｃ０，Ｃ１ 平滑コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１１〜Ｄ１６ 逆並列ダイオード、Ｌ１ リアクトル、ＭＧ 交流モータ、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ１１〜Ｑ１６ 電力用半導体スイッチング素子、ＳＲ１，ＳＲ２ システムリレー。

Claims (1)

1. 直流電源と、前記直流電源が出力する直流電圧を車両駆動用モータの駆動電圧に変換する電力変換装置とを備えたモータ駆動システムの制御装置であって、
   前記電力変換装置は、固着材によって基板上に固着された電力用半導体スイッチング素子を含み、
   前記制御装置は、
   前記車両駆動用モータがトルク指令値に従ったトルクを出力するように、前記電力用半導体スイッチング素子のスイッチング動作を制御する電力変換制御手段と、
   前記電力用半導体スイッチング素子の素子温度を検知するための温度センサと、
   前記温度センサによって検知された素子温度の初期温度からの温度上昇量が基準値となる頻度を累積することによって累積頻度を算出する累積頻度算出手段と、
   前記累積頻度算出手段によって求められた前記累積頻度が前記固着材のストレス耐力に応じて予め定められた許容値を超えた場合には、前記モータの出力トルクを制限する出力制限手段とを備える、モータ駆動システムの制御装置。

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