JP2011015568A

JP2011015568A - 電動機システムの保護装置

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Publication number: JP2011015568A
Application number: JP2009158565A
Authority: JP
Inventors: Shinjiro Ashida; 信二郎芦田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-07-03
Filing date: 2009-07-03
Publication date: 2011-01-20

Abstract

【課題】電力変換部の温度と電動機の温度との相関を監視しつつそれら電力変換部および電動機の温度を過熱から適正に保護することのできる電動機システムの保護装置を提供する。
【解決手段】電力変換部１２０に設けられたスイッチング素子の駆動態様の制御を通じて電力変換部１２０および電動機１３０を過熱から保護する電動機システムの保護装置において、電力変換部１２０の温度および電動機１３０の温度を取得する。そして、それら取得した各温度の相関関係に対応して、ａ．スイッチング素子のＰＷＭ制御に係るキャリア周波数を予め定められた一定の周波数に設定するモード、ｂ．そのキャリア周波数をその周波数よりも低い周波数に設定するモード、ｃ．位相が１８０°進むごとに電圧値の正負が反転する矩形波からなる交流電圧を電動機１３０に印加するモード、のいずれかのモードを動的に選択し、この選択したモードにてスイッチング素子の駆動を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機および同電動機への電力供給を行う電力変換部を備える電動機システムにあってその過熱から同システムを保護する電動機システムの保護装置に関する。

従来、この種の装置としては、例えば特許文献１に見られるように、電気自動車等に搭載されてバッテリから供給される直流電力を三相交流電力に変換して電動機（モータ）を駆動する電力変換部（インバータ）を過熱から保護する装置が知られている。

この保護装置では、上記電力変換部を構成するＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子の温度と上記電動機が出力すべきトルクの指令値との関係からスイッチング素子のスイッチング周波数、すなわちＰＷＭ（パルス幅変調）制御のキャリア周波数を切り替えることによって上記過熱からの保護を図るようにしている。これにより、車両が例えば急勾配の登坂路を走行中であるなど、電動機の回転がロックされる状況が繰り返し発生するような場合であっても、電力変換部を過熱から保護することができるようになる。

特許第３６８４８７１号公報

ところで、この特許文献１に記載の保護装置にあっては、上述した電動機のロックが繰り返し発生するような場合、上記キャリア周波数を通常周波数よりも低い周波数である保護周波数に切り替えるようにしている。すなわち、電動機の回転が外力によってロックされて電動機の巻線中の一相に電流が集中するようなときであっても、キャリア周波数を保護周波数に切り替えることで、この相に対応するスイッチング素子の急激な発熱量の増大が抑制されるようになる。

しかし、電動機の回転が外力によってロックされずにキャリア周波数が通常周波数に維持され続けすぎたとしても、スイッチングロスに起因してスイッチング素子の発熱量が多くなり、その発熱を抑制する必要が生じることがある。

また一方、キャリア周波数を保護周波数に切り替えれば、こうしたスイッチングロスが減少してスイッチング素子の発熱量を抑制することはできる。しかしこのときには、電動機に駆動電流が流れる時間が長くなることから、電動機の温度上昇を招くことともなり、今度は電動機を過熱から保護する対策が必要になる。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、電力変換部の温度と電動機の温度との相関を監視しつつそれら電力変換部および電動機の温度を過熱から適正に保護することのできる電動機システムの保護装置を提供することを目的とする。

以下、上記課題を解決するための手段およびその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明では、電力変換部および電動機を含む電動機システムの前記電力変換部に設けられたスイッチング素子の駆動態様の制御を通じてそれら電力変換部および
電動機を過熱から保護する電動機システムの保護装置であって、前記電力変換部の温度および前記電動機の温度を取得しつつ、それら取得した各温度の相関関係に対応して、
ａ．前記スイッチング素子のＰＷＭ制御に係るキャリア周波数を予め定められた一定の周波数からなる通常周波数に設定するモード、ｂ．前記スイッチング素子のＰＷＭ制御に係るキャリア周波数を前記通常周波数よりも低い保護周波数に設定するモード、ｃ．位相が１８０°進むごとに電圧値の正負が反転する矩形波からなる交流電圧を前記電動機に印加するモードのいずれかのモードを動的に選択し、この選択したモードにて前記スイッチング素子の駆動を制御することを要旨とする。

ここで、上記ａ．のモードとは電動機の温度に拘らず、電力変換部の温度上昇を抑制する上で有効なモードであり、また上記ｂ．のモードとは、電動機の温度が上昇気味であるときにこれを抑制する上で有効なモードであり、そして上記ｃ．のモードとは、電動機の温度が低く、かつ電力変換部の温度が過剰気味であるときに有効なモードである。このため、このような電動機システムの保護装置によれば、電力変換部が備える電力変換素子の温度と電動機の温度との相関を監視した結果に基づいて上記各モードが各々ふさわしいモードに適宜切り替えられることにより、電力変換部および電動機の温度を過熱から適正に保護することができるようになる。

本発明に係る電動機システムの保護装置の一実施の形態について、保護対象とする電動機システムをも含めた全体構成を示すブロック図。同実施の形態の装置において制御領域（モード）を決定する際に参照されるスイッチング素子の温度と電動機の温度との相関関係を示すマップ。同実施の形態の装置の昇圧部に設定される各制御モードでの昇圧目標電圧についてその設定態様の一例を示すグラフ。（ａ）〜（ｃ）は、本実施の形態で採用する電力変換部（スイッチング素子）に対する３種の制御モードについてその制御態様の違いを比較して示すタイムチャート。同実施の形態の装置にて実行される電動機システムを過熱から保護する処理についてその処理手順を示すフローチャート。

以下、本発明にかかる電動機システムの保護装置を具体化した一実施の形態を、図１〜図５を参照して詳細に説明する。
図１に示す装置において、バッテリ１００は、例えばハイブリッド車両や電気自動車に搭載された直流電力の供給源となる部分であり、昇圧部１１０は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等からなってその直流電力の電圧を昇圧させる部分、そして電力変換部１２０は、その昇圧された直流電力を三相交流電力に変換するインバータである。なお、バッテリ１００と昇圧部１１０との間にはキャパシタＣ１が、また昇圧部１１０と電力変換部１２０との間にはキャパシタＣ２が、それぞれ昇圧前および昇圧後の直流電圧を平滑化する平滑回路として設けられている。また、電動機１３０は三相交流モータであって、前記変換されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相からなる三相交流電力が電力変換部１２０から供給されることで回転駆動される部分である。そして、これら電力変換部１２０および電動機１３０によって電動機システムが構成されている。また、温度センサ１２２は、電力変換部１２０の温度を測定するセンサであり、温度センサ１３５は、電動機１３０の温度を測定するセンサである。なお、温度センサ１２２についてはこれを、電力変換部１２０を構成するスイッチング素子である例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）の温度を測定するセンサとしてもよい。したがって以下において、この温度センサ１２２が測定する電力変換部１２０の温度とは、電力変換部１２０本体の温度、もしくはこれを構成するスイッチング素子の温度となる。さらに、電流センサ１２４は、前記変換された三相交流電力の内のＵ相
の電流値をシャント抵抗等を介して測定するセンサであり、電流センサ１２６は、前記変換された三相交流電力の内のＶ相の電流値を同じくシャント抵抗等を介して測定するセンサである。なお、測定されたこれらの電流値の演算を通じて、電動機１３０の回転数、回転方向、および出力トルク等を算出することができる。

そして、こうして測定される電力変換部１２０および電動機１３０の温度情報やＵ相とＶ相を流れる電流情報と共に図示しない車両制御部から電動機１３０に出力させるトルク指令等を含む各種制御指令が入力される制御部１４０は、これらの情報に基づいて電力変換部１２０および電動機１３０の温度を過熱から保護すべく制御する部分である。すなわち、ここでの例ではコンピュータからなるとする制御部１４０は、この電動機システムの保護装置の中枢として、上記各温度情報から以下に説明するマップを参照して電力変換部１２０に対する制御モードをＰＷＭ制御モードか１８０°通電制御モードかを決定するとともに、昇圧部１１０による昇圧態様を制御する部分である。

ここで上記ＰＷＭ制御モードは、上記スイッチング素子をＰＷＭ制御する上でのキャリア周波数を予め定められた一定の周波数からなる通常周波数にするモード、および同キャリア周波数を通常周波数よりも低い保護周波数にするモード、の２つのモードからなる。また、上記１８０°通電制御モードは、上記三相交流の各位相が１８０°進むごとに電圧値の正負が反転する矩形波によって上記スイッチング素子のオン／オフを制御するモードである。

次に、図２を参照して、本実施の形態の保護装置を構成する制御部１４０が、上記各モードを決定する際に参照するマップについて詳述する。なお、このマップは制御部１４０内の記憶部（図示略）に予め格納されている。また、図２に示すマップ２００において、温度Ｔｉとは上記測定された電力変換部１２０の温度のことをいい、温度Ｔｍとは上記測定された電動機１３０の温度のことをいう。

図２に示すように、温度Ｔｉと温度Ｔｍとの関係を規定する所定の関数ｆ１によって、上記ＰＷＭ制御に係るキャリア周波数を通常周波数にするモードと上記１８０°通電制御モードとが区分されている。なお、この関数ｆ１は、温度Ｔｉおよび温度Ｔｍを用いて以下のように表すことができる。

Ｔｉ＝ｆ１（Ｔｍ） …（１）
そして、温度Ｔｉと温度Ｔｍとの関係を規定する所定の関数ｆ２によって、上記ＰＷＭ制御に係るキャリア周波数を通常周波数にするモードと同キャリア周波数を保護周波数にするモードとが区分されている。なお、この関数ｆ２は、温度Ｔｉおよび温度Ｔｍを用いて以下のように表すことができる。

Ｔｉ＝ｆ２（Ｔｍ） …（２）
また、温度Ｔｉと温度Ｔｍとの関係を規定する所定の関数ｆ３によって、上記ＰＷＭ制御に係るキャリア周波数を保護周波数にするモードと上記１８０°通電制御モードとが区分されている。なお、この関数ｆ３は、温度Ｔｉおよび温度Ｔｍを用いて以下のように表すことができる。

Ｔｉ＝ｆ３（Ｔｍ） …（３）
これにより、上記式（１）および上記式（２）に基づいて、Ｔｉ≦ｆ１（Ｔｍ）かつＴｉ≦ｆ２（Ｔｍ）で規定される領域Ａに温度Ｔｉおよび温度Ｔｍによって規定される座標が位置すれば、上記ＰＷＭ制御に係るキャリア周波数を通常周波数にするモードに決定される。同様に、上記式（２）および上記式（３）に基づいて、Ｔｉ＞ｆ２（Ｔｍ）かつＴｉ≦ｆ３（Ｔｍ）で規定される領域Ｂに温度Ｔｉおよび温度Ｔｍによって規定される座標
が位置すれば、上記ＰＷＭ制御に係るキャリア周波数を保護周波数にするモードに決定される。また、上記式（１）および上記式（３）に基づいて、Ｔｉ＞ｆ１（Ｔｍ）かつＴｉ＞ｆ３（Ｔｍ）で規定される領域Ｃに温度Ｔｉおよび温度Ｔｍによって規定される座標が位置すれば、上記１８０°通電制御モードに決定される。なお、温度Ｔｍ＝Ｔｍ１、温度Ｔｉ＝Ｔｉ１によって規定される座標が、上記関数ｆ１、関数ｆ２、および関数ｆ３が互いに交差する交点となっており、この座標ではＰＷＭ制御に係るキャリア周波数を通常周波数にするモードに決定されるとする。

また、図３は、上記ＰＷＭ制御あるいは１８０°通電制御を行うにあたって制御部１４０が昇圧部１１０に対して行う昇圧目標の設定態様についてその一例を示したものである。１８０°通電制御では、ＰＷＭ制御に比べてスイッチング素子をオン状態に維持する期間が長くなるため、昇圧部１１０による昇圧目標電圧ＶＨ（図１参照）も、図３に示されるように低い電圧に設定制御される。なお通常、昇圧前の電圧をＶＬ（図１参照）とし、昇圧部１１０がＩＧＢＴ等のスイッチング素子を含むＤＣ−ＤＣコンバータからなるとする場合には、上記昇圧目標電圧ＶＨを得るためのスイッチング素子に対するｄｕｔｙ（デューティ）指令値は、以下のように設定される。

ｄｕｔｙ＝ＶＬ／昇圧目標電圧ＶＨ …（４）
次に、図４（ａ）〜（ｃ）を参照して、本実施の形態の保護装置が実行する上述した３種の制御モードについて説明する。なお、図４（ａ）〜（ｃ）においては、ＰＷＭ制御にかかるパルス波形または１８０°通電制御にかかる矩形波形およびその変換交流電流を各１本ずつのみ例示しているが、これらは三相交流のＵ相、Ｖ相、Ｗ相のいずれか一相分の波形であり、実際には位相が１２０°進む毎に、残りの二相に対応する同等の波形が出力される。

まず、図４（ａ）は、通常周波数によるＰＷＭ制御モードについて、電力変換部１２０を構成するスイッチング素子の制御端子すなわちゲート端子に印加されるＰＷＭ制御パルス、並びにこのＰＷＭ制御に基づき電力変換される交流電流（インバータ出力電流）を示したものである。この制御モードでは、電動機１３０に対する駆動電流（インバータ出力電流）の制御性（波形精度）を高めることができるものの、スイッチング素子のスイッチングロスが多いことからその発熱量が多くなる傾向にある。

また、図４（ｂ）は、保護周波数によるＰＷＭ制御について、同じく電力変換部１２０を構成するスイッチング素子の制御端子すなわちゲート端子に印加されるＰＷＭ制御パルス、並びにこのＰＷＭ制御に基づき電力変換される交流電流（インバータ出力電流）を示したものである。この制御モードでは、上記通常周波数によるＰＷＭ制御モードよりも上記スイッチング素子のスイッチングロスが抑制されてその発熱量も低減されるものの、各パルスによる電動機１３０への通電時間が長くなることからその発熱量が多くなる傾向にある。

そして、図４（ｃ）は、１８０°通電制御モードについて、電力変換部１２０を構成するスイッチング素子のゲート端子に印加される１８０°通電制御パルス（矩形波電圧）、並びにこの１８０°通電制御に基づき電力変換される交流電流（インバータ出力電流）を示したものである。この制御モードでは、図４（ａ）、（ｂ）と図４（ｃ）との対比からも明らかなように、上記昇圧部１１０による昇圧後電圧、すなわち昇圧目標電圧ＶＨは低く設定されて、スイッチングロスも低減されることから、スイッチング素子の発熱量は大きく削減される。しかし、常に電動機１３０への通電が行われることから、その発熱量は増大する傾向にある。

図５は、本実施の形態の保護装置による保護動作として、上記制御部１４０を通じて実
行される処理をフローチャートとして示したものであり、以下、この図５を参照して、この保護動作を詳述する。

図５に示されるように、同処理が開始されると、まず、電力変換部１２０の温度Ｔｉ、および電動機１３０の温度Ｔｍがそれぞれ温度センサ１２２および１３５を介して取り込まれ、これら取り込まれた温度と図２に示したマップ２００との比較のもとに温度判定、すなわち領域（座標）判定が行われる（ステップＳ１）。次に、この判定されたマップ２００上の領域に基づいて、ＰＷＭ制御を実施するときの昇圧目標電圧ＶＨの値または１８０°通電制御を実施するときの昇圧目標電圧ＶＨの値が先の図３に例示した態様で決定される（ステップＳ２）。そして、この決定された昇圧目標電圧ＶＨとなるように昇圧部１１０を駆動しつつ、先のマップ２００に基づく領域Ａ〜領域Ｃの判定結果に応じて、図４（ａ）〜（ｃ）に示したいずれかのモードによる制御が優先的に実行される（ステップＳ３〜Ｓ６）。すなわち、上記温度ＴｉおよびＴｍが領域Ａにあると判定されれば上記通常周波数によるＰＷＭ制御モードに優先的に決定され（ステップＳ４）、領域Ｂにあると判定されれば上記保護周波数によるＰＷＭ制御モードに優先的に決定され（ステップＳ５）、領域Ｃにあると判定されれば上記１８０°通電制御モードに優先的に決定される（ステップＳ６）。

本実施の形態ではこのように、電力変換部１２０の温度Ｔｉおよび電動機１３０の温度Ｔｍに基づいて電力変換部１２０の駆動態様が図４（ａ）〜（ｃ）のいずれかの制御モードに動的に切り替えられるようになる。このため、例えば図４（ａ）に示した通常周波数によるＰＷＭ制御モードにおいて電力変換部１２０の温度Ｔｉが上昇し、図２に示したマップ２００の領域Ｂに遷移したとすると、電力変換部１２０の駆動も図４（ｂ）に示した保護周波数によるＰＷＭ制御モードに切り替わり、電力変換部１２０の温度上昇も自ずと抑えられるようになる。そしてその後、電力変換部１２０の温度Ｔｉが低下して再び図２に示したマップ２００の領域Ａに遷移するようになれば、またしても図４（ａ）に示した通常周波数によるＰＷＭ制御モードによる電力変換部１２０の駆動が行われるようになる。またあるいは、電力変換部１２０の温度Ｔｉは高めであるものの、電動機１３０の温度Ｔｍが十分に低ければ、図２に示したマップ２００の領域Ｃにあるとして図４（ｃ）に示した１８０°通電制御モードによる電力変換部１２０の駆動が行われるが、この制御モードはそもそも前述のように電動機１３０の発熱量が増大する傾向にあるため、やがては図２に示したマップ２００の領域Ｂに遷移する可能性が高い。そしてこの結果、電力変換部１２０の温度Ｔｉが低下するようになれば、結局はこの場合も同マップ２００の領域Ａに遷移して図４（ａ）に示した通常周波数によるＰＷＭ制御モードによる電力変換部１２０の駆動が行われるようになる。

以上説明したように、本実施の形態に係る電動機システムの保護装置によれば、以下のような効果が得られるようになる。
（１）電力変換部１２０の温度Ｔｉおよび電動機１３０の温度Ｔｍを取得しつつ、それら取得した各温度の相関関係に対応して、その都度のふさわしい制御モードに動的に切り替えて電力変換部１２０を駆動するようにした。これにより電力変換部１２０および電動機１３０の温度を過熱から適正に保護することができるようになる。

（２）上記切り替える制御モードとして、図４（ａ）〜（ｃ）に示した通常周波数によるＰＷＭ制御モード、保護周波数によるＰＷＭ制御モード、および１８０°通電制御モードを採用するようにした。これら制御モードは、電力変換部１２０の温度Ｔｉおよび電動機１３０の温度Ｔｍに対して各々異なる傾向をもってそれら温度の上昇／下降に寄与するとともに、それら制御モードの切り替えも容易であることから、電力変換部１２０や電動機１３０を過熱から保護する上でその実用性も高い。

なお、上記実施の形態は、以下のような態様をもって実施することもできる。
・上記実施の形態では、電力変換部１２０の温度Ｔｉおよび電動機１３０の温度Ｔｍの相関関係に基づいて、経験的に上記式（１）で表される関数ｆ１、上記式（２）で表される関数ｆ２、および上記式（３）で表される関数ｆ３により上記領域Ａ〜領域Ｃに区分した１種類のマップ２００を用いることとした。しかしこれに限らず、例えば、上記電動機システムが使用される外部環境に応じた数種類のマップを用いることとしてもよい。すなわち、寒冷地では電力変換部１２０および電動機１３０の放熱度は高くなる一方で温暖地ではそれらの放熱度は低下するため、上記関数ｆ１〜ｆ３を例えば外気温に応じて変更し、数種類のマップを用いるようにする。これにより、外気温に応じた適切な制御モードを選択することが可能になる。

・上記実施の形態では、図２に例示したマップ２００において上記関数ｆ１〜ｆ３はすべて一次関数となっているがこれに限られない。これらの関数は経験的に導出されたものであるため、図２に示した態様はあくまでもその一例に過ぎず、二次関数や三次関数、またはさらに複雑な関数としてもよい。また、マップ２００では領域Ａと領域Ｃとが隣接する箇所があるがこれに限られず、領域Ａと領域Ｃとは隣接せず、領域Ｂが領域Ａおよび領域Ｃと隣接するようにしてもよい。このように各関数を規定し、これらの関数が区分する各領域を設定したとしても、本実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。

・上記実施の形態では、ＰＷＭ制御に係るキャリア周波数が予め定められた通常周波数であるモードと、そのキャリア周波数が通常周波数よりも低い１種類の保護周波数であるモード、および１８０°通電制御モードの３種類の制御モードから構成されているとしたがこれに限られない。すなわち、上記保護周波数としては１種類だけではなく、数種類設定しておいてもよい。これにより、電力変換部１２０が備えるスイッチング素子および電動機１３０の温度を過熱からより適正かつ効果的に保護することが期待できるようにもなる。

１００…バッテリ、１１０…昇圧部、１２０…電力変換部、１２２…温度センサ、１２４…電流センサ、１２６…電流センサ、１３０…電動機、１３５…温度センサ、１４０…制御部、２００…マップ。

Claims

電力変換部および電動機を含む電動機システムの前記電力変換部に設けられたスイッチング素子の駆動態様の制御を通じてそれら電力変換部および電動機を過熱から保護する電動機システムの保護装置において、
前記電力変換部の温度および前記電動機の温度を取得しつつ、それら取得した各温度の相関関係に対応して、
ａ．前記スイッチング素子のＰＷＭ制御に係るキャリア周波数を予め定められた一定の周波数からなる通常周波数に設定するモード、および
ｂ．前記スイッチング素子のＰＷＭ制御に係るキャリア周波数を前記通常周波数よりも低い保護周波数に設定するモード、および
ｃ．位相が１８０°進むごとに電圧値の正負が反転する矩形波からなる交流電圧を前記電動機に印加するモード、
のいずれかのモードを動的に選択し、この選択したモードにて前記スイッチング素子の駆動を制御する
ことを特徴とする電動機システムの保護装置。