JP2012065482A

JP2012065482A - 回転機の制御装置

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Publication number: JP2012065482A
Application number: JP2010208767A
Authority: JP
Inventors: Hiroya Tsuji; 浩也辻
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2010-09-17
Filing date: 2010-09-17
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2030-09-17
Also published as: US20120068644A1; CN102412769A; CN102412769B; US8779706B2; JP5170192B2

Abstract

【課題】インバータＩＶのスイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎの短絡異常に伴うフェールセーフ処理によって消費電力が大きくなる懸念があること。
【解決手段】短絡異常が生じると、リレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２をオフすることで、高電圧バッテリ２０をインバータＩＶから切り離す。そして、例えばＵ相の高電位側のスイッチング素子Ｓｗｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｗｎの双方をオン状態とすることで、上下アームを短絡させる。これにより、車載主機としてのモータジェネレータ１０を流れる電流の絶対値を低減する。こうしたフェールセーフ処理を行いつつ、図示しない別の主機にて退避走行を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は、直流電源の正極および負極のそれぞれに回転機の端子を選択的に接続する高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて構成される直流交流変換回路を操作することで前記回転機の制御量を制御する回転機の制御装置に関する。

この種の制御装置としては、例えば下記特許文献１に見られるように、スイッチング素子に短絡異常が生じた場合に、短絡異常の生じたアームの全相をオン状態とするものも提案されている。これにより、電動機の各相の電流のピーク値を抑制することができる。

特開２００７−３１２５８８公報

ところで、上記装置では、電動機の各相の電流のピーク値を抑制するためのフェールセーフ処理として、片側アームの全相のスイッチング素子を駆動する必要があるため、その消費電力が大きくなることが懸念される。

本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、直流電源の正極および負極のそれぞれに回転機の端子を選択的に接続する高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて構成される直流交流変換回路のスイッチング素子に短絡異常が生じた場合に対処する新たな手法を提供することにある。

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記載の発明は、直流電源の正極および負極のそれぞれに回転機の端子を選択的に接続する高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて構成される直流交流変換回路を操作することで前記回転機の制御量を制御する回転機の制御装置において、前記直流交流変換回路の入力端子と前記直流電源とは、開閉手段を介して接続されるものであり、前記スイッチング素子の短絡異常の有無を判断する判断手段と、該判断手段によって前記短絡異常があると判断される場合、前記開閉手段を開状態として且つ前記直流交流変換回路を構成する前記直列接続体の一部について前記高電位側のスイッチング素子および前記低電位側のスイッチング素子の双方をオン操作する短絡処理を行うフェールセーフ手段とを備えることを特徴とする。

スイッチング素子に短絡異常がある場合、直流交流変換回路を構成する全スイッチング素子をオフ状態とすると、回転機の各端子を流れる電流は、ゼロ点に対してずれたものとなり、各端子を流れる電流は非対称となる傾向がある。しかも、この電流のピーク値は大きくなりうるため、短絡異常の生じていないスイッチング素子や回転機の信頼性を低下させるおそれがある。一方、高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の双方をオン状態とする短絡処理を行う場合、ゼロ点に対するずれが低減され、またピーク値を低減することもできる。上記発明では、この点に鑑み、フェールセーフ手段を構成した。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、高電位側のスイッチング素子および前記低電位側のスイッチング素子の双方をオン操作することを特徴とする。

上記発明では、高電位側のスイッチング素子および前記低電位側のスイッチング素子のいずれか一方を電子操作によってオン操作するのみで、双方をオン状態とすることができる。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記フェールセーフ手段は、前記直列接続体の１つに限って前記短絡処理を行うことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記回転機は、車両に搭載されるものであり、前記車両は、第１主機としての前記回転機に加えて第２主機を備えて且つ、前記直流電源の電圧を降圧して低電圧電源に印加する降圧コンバータを備え、前記降圧コンバータは、前記開閉手段を介して前記直流電源に接続され、前記直流交流変換回路を構成するスイッチング素子の電子的な操作および前記第２主機の電子制御の双方が、前記低電圧電源の電力によってなされることを特徴とする。

上記発明では、第２主機によって退避走行を行うことが可能な期間は、低電圧電源の残存容量に依存する。そしてこの残存容量は、フェールセーフ手段による処理がなされている際には増加させることができない。このため、フェールセーフ手段による消費電力を低減することが特に望まれる。

第１の実施形態にかかるシステム構成図。同実施形態にかかるモータジェネレータの制御システムの全体構成を示す図。短絡異常時の問題点を示す図。上記実施形態のフェールセーフ処理の原理を説明するための図。同実施形態にかかるフェールセーフ処理の手順を示す流れ図。第２の実施形態にかかるフェールセーフ処理の原理を説明するための図。同実施形態にかかるフェールセーフ処理の手順を示す流れ図。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明にかかる回転機の制御装置をパラレルハイブリッド車に適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に、本実施形態にかかる電動機の制御システムの全体構成を示す。図示されるように、モータジェネレータ１０は、３相の永久磁石同期回転機である。また、モータジェネレータ１０は、突極性を有する回転機（突極機）である。詳しくは、モータジェネレータ１０は、埋め込み磁石同期モータ（ＩＰＭＳＭ）である。モータジェネレータ１０の出力軸は、内燃機関１２の出力軸（クランク軸）と同軸上にて直結されている。このため、モータジェネレータ１０の出力軸と内燃機関１２のクランク軸とは、互いに相対回転することなく同軸上で一体的に回転する。そして、モータジェネレータ１０の出力軸は、トランスミッション１４を介して駆動輪１６に連結されている。

モータジェネレータ１０は、直流交流変換回路（インバータＩＶ）に接続されている。インバータＩＶは、直流電源（高電圧バッテリ２０）の直流電圧を、交流電圧に変換してモータジェネレータ１０に印加するものである。詳しくは、インバータＩＶと高電圧バッテリ２０との間には、リレーＳＭＲ２および抵抗体２１の直列接続体とリレーＳＭＲ１との並列接続体が接続されている。

一方、制御装置４０は、モータジェネレータ１０を制御対象とし、インバータＩＶを操作対象とする。制御装置４０は、モータジェネレータ１０の各種状態量を検出するセンサ（図示略）の出力等を取り込み、これに基づきインバータＩＶを操作することで、モータジェネレータ１０の制御量を制御する。なお、制御装置４０は、高電圧バッテリ２０の端子電圧（百Ｖ以上）よりも低い（例えば十数Ｖ）端子電圧を有する低電圧バッテリ４２を電源とするものである。

本実施形態では、低電圧バッテリ４２の充電手段は、高電圧バッテリ２０のみである。すなわち、高電圧バッテリ２０の電圧がＤＣＤＣコンバータ１８によって降圧されて低電圧バッテリ４２に印加されることで、低電圧バッテリ４２の充電処理がなされる。

図２に、上記インバータＩＶと制御装置４０との間の電子機器の詳細を示す。

上記インバータＩＶは、パワー素子としての高電位側のスイッチング素子Ｓｗｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｗｎの直列接続体が３つ並列接続されて構成されている。そして、これら高電位側のスイッチング素子Ｓｗｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｗｎの接続点が、モータジェネレータ１０の各相にそれぞれ接続されている。

上記高電位側のスイッチング素子Ｓｗｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｗｎのそれぞれの入出力端子間（コレクタおよびエミッタ間）には、高電位側のフリーホイールダイオードＦＤｐおよび低電位側のフリーホイールダイオードＦＤｎのカソードおよびアノードが接続されている。なお、上記スイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎは、いずれも絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）にて構成されている。また、スイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎは、その入力端子および出力端子間に流れる電流と相関を有する微少電流を出力するセンス端子Ｓｔを備えている。

センス端子Ｓｔの出力する微少電流は、シャント抵抗４３を流れ、これによる電圧降下量が、スイッチング素子Ｓｗ＃（＃＝ｐ，ｎ）を駆動するためのドライブユニットＤＵに取り込まれる。ドライブユニットＤＵは、シャント抵抗４３における電圧降下量に基づき、スイッチング素子Ｓｗ＃の入力端子および出力端子間に流れる電流が閾値電流Ｉｔｈ以上となると判断される場合に、スイッチング素子Ｓｗ＃を強制的にオフ状態とする機能を有する。なお、ドライブユニットＤＵは、スイッチング素子Ｓｗ＃を強制的にオフ状態とする場合、フェール信号ＦＬを出力する。

一方、上記制御装置４０は、インバータＩＶの入力端子の電圧（コンデンサ２２の電圧）を検出する電圧センサ２４や、モータジェネレータ１０のＶ相およびＷ相のそれぞれの電流を検出する電流センサ２６，２８、モータジェネレータ１０の電気角を検出する回転角度センサ３０等の検出値を取り込む。そして、制御装置４０は、これら各種センサの検出値に基づき、インバータＩＶのＵ相、Ｖ相、およびＷ相のそれぞれについてのスイッチング素子Ｓｗｐを操作する操作信号ｇｕｐ，ｇｖｐ，ｇｗｐと、スイッチング素子Ｓｗｎを操作する操作信号ｇｕｎ，ｇｖｎ，ｇｗｎとを生成し出力する。これにより、スイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎは、それらの導通制御端子（ゲート）に接続されるドライブユニットＤＵを介して制御装置４０により操作される。

ちなみに、インバータＩＶを備える高電圧システムと、制御装置４０を備える低電圧システムとは、図示しないフォトカプラ等の絶縁手段を備えるインターフェース３２によって絶縁されており、上記操作信号ｇ＊＃（＊＝ｕ，ｖ，ｗ、＃＝ｐ，ｎ）は、インターフェース３２を介して高電圧システムに出力される。

上記インターフェース３２は、基本的には、低電圧システムと高電圧システムとを絶縁するものであるが、その１次側には、ドライブユニットＤＵからフェール信号ＦＬが出力される場合にインバータＩＶをシャットダウンするフェール処理部３２ａをさらに備えている。ここで、フェール処理部３２ａは、例えば特開２００９−６０３５８号公報に記載されたもの等によって構成すればよい。

上記インターフェース３２は、さらに、フライバックコンバータ３２ｂを備えている。フライバックコンバータ３２ｂは、低電圧バッテリ４２の電力をドライブユニットＤＵに供給するための絶縁型コンバータである。

ところで、上記スイッチング素子Ｓｗ＃を流れる電流が閾値電流Ｉｔｈを超える事態は、主に、スイッチング素子Ｓｗ＃に、電気的な操作にかかわらず常時導通状態となる短絡異常が生じる場合に生じる。これは、短絡異常が生じたスイッチング素子とこれに直列接続されるスイッチング素子がオン操作されることでこれら一対のスイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎを貫通する電流が流れるためである。以下、上記スイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎの短絡異常に対する対処法について説明する。

図３（ａ）は、Ｗ相の上側アームのスイッチング素子Ｓｗｐに短絡異常が生じることで他の全スイッチング素子Ｓｗｐ，Ｓｗｎをオフ状態とした際の等価回路図を示し、図３（ｂ）は、そのときの３相の電流の挙動を示し、図３（ｃ）は、トルクの挙動を示す。図３（ｂ）に示すように、この場合、３相の電流の振幅中心がゼロから乖離する現象が生じ、電流の絶対値の最大値が大きくなる。このため、電流の流通経路における発熱量が大きくなり、ひいてはインバータＩＶやモータジェネレータ１０等の信頼性の低下を招くおそれがある。

そこで本実施形態では、リレーＳＭＲ１、ＳＭＲ２を開状態として且つ、図４（ａ）に示すように、インバータＩＶの１相について上下アームをオン状態とする。これにより、図４（ｂ）に示すように、３相の電流の振幅中心がゼロから乖離する現象が解消され、電流の絶対値の最大値も低減される。また、この際のトルクも小さくなるため、内燃機関１２による退避走行を妨げることも無い。

図５に、本実施形態にかかるフェールセーフ処理の手順を示す。この処理は、制御装置４０によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、ドライブユニットＤＵからフェール信号ＦＬが出力されるか否かを判断する。そして、フェール信号ＦＬが出力される場合、リレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２をオフ操作する。なお、モータジェネレータ１０の稼動時には、通常、リレーＳＭＲ１がオン状態且つリレーＳＭＲ２がオフ状態であるため、実際にはリレーＳＭＲ１をオフ操作すればよい。続くステップＳ１４においては、異常が解消したか否かを判断する。この処理は、モータジェネレータ１０を流れる電流の振幅中心がゼロから大きく乖離していない場合に解消と判断するなどして行うことができる。そして、異常が解消している場合には、ステップＳ１６において、復帰処理を行う。すなわち例えば、ＳＭＲ２をオン操作することでコンデンサ２２を充電した後、ＳＭＲ１をオン操作し、インバータＩＶを操作することでモータジェネレータ１０の制御量の制御を開始すればよい。

一方、上記ステップＳ１４において否定判断される場合、ステップＳ１８において、フェールセーフ処理を行う。ここでは、Ｕ相の上下アームを短絡させるべく、操作信号ｇｕｐ，ｇｕｎをオン操作指令とする。

なお、上記ステップＳ１６，Ｓ１８の処理が完了する場合や、ステップＳ１０において否定判断される場合には、この一連の処理を一旦終了する。

このように本実施形態では、短絡異常が生じる場合に、その異常個所を特定することなく簡易にフェールセーフ処理を実行することができる。しかも、この際、オン操作するスイッチング素子が２個であるため、低電圧バッテリ４２の消費電力を低減することも可能となり、ひいては退避走行を可能とする距離を伸長させることもできる。すなわち、ドライブユニットＤＵは、フライバックコンバータ４２ｂを介して低電圧バッテリ４２の電力で動作するものであるため、オン操作するスイッチング素子Ｓｗ＃の数が多いほどドライブユニットＤＵによって消費される電力が増大しやすい。一方、リレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２をオフ操作すると、ＤＣＤＣコンバータ１８を介して低電圧バッテリ４２を充電することができなくなるため、退避走行可能な距離は、低電圧バッテリ４２の残存容量に依存する。このため、退避走行可能な距離を伸長させる上では、低電圧バッテリ４２の消費電力を低減することが要求される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。

（１）スイッチング素子Ｓｗ＃に短絡異常があると判断される場合、リレーＳＭＲ１，ＳＭＲ２をオフ操作して且つ、１相について上下アームを短絡させた。これにより、モータジェネレータ１０を流れる電流の絶対値を低減することができる。

（２）低電圧バッテリ４２の充電手段を、ＤＣＤＣコンバータ１８のみとした。この場合、内燃機関１２の動力に基づき発電するオルタネータ等を別途備える場合と比較して部品点数を低減することができる反面、退避走行可能な距離が、低電圧バッテリ４２の残存容量によって制限される。このため、フェールセーフ処理による消費電力を低減することが特に望まれるため、上記フェールセーフ処理手法の利用価値が大きい。
＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

本実施形態では、図６（ａ）に示すように、短絡異常が生じた相における異常が生じていないアームをオン操作する。これによっても、図６（ｂ）および図６（ｃ）に示すように、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

図７に、本実施形態にかかるフェールセーフ処理の手順を示す。この処理は、制御装置４０によって、例えば所定周期で繰り返し実行される。なお、図７において、先の図５に示した処理に対応する処理については、便宜上同一のステップ番号を付している。

この一連の処理では、上記ステップＳ１４において否定判断される場合には、ステップＳ２０において、短絡異常箇所を特定する処理を行う。この処理は、周知の手法を用いて行えばよい。すなわち、例えば図３（ｂ）に示すように、短絡異常の生じている電流の絶対値が残りの２相の電流の絶対値の和となることに鑑み、短絡異常の生じている相を特定し、その電流の大きさからアームを特定すればよい。

こうして短絡異常箇所を特定する処理が完了する場合、ステップＳ１８ａにおいて、短絡異常が生じている相において短絡異常が生じていないスイッチング素子のみをオン操作する。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

「フェールセーフ手段について」
フェールセーフ手段としては、１の相の高電位側のスイッチング素子Ｓｗｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｗｎの双方をオン状態として且つ残りの相のスイッチング素子Ｓｗｐ、Ｓｗｎの全てをオフ状態とするものに限らない。例えば、短絡異常が生じた相を含む２相について、高電位側のスイッチング素子Ｓｗｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｗｎの双方をオン状態として且つ残りの相のスイッチング素子Ｓｗｐ、Ｓｗｎの全てをオフ状態とするものであってもよい。

また、インバータＩＶの各相が、高電位側のスイッチング素子Ｓｗｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｗｎの直列接続体を複数備える場合、これらいずれか１の直列接続体に限って、高電位側のスイッチング素子Ｓｗｐおよび低電位側のスイッチング素子Ｓｗｎの双方をオン状態としてもよい。

「判断手段について」
判断手段としては、ドライブユニットＤＵ内に搭載される過電流保護機能によって実現されるものに限らない。例えば、電流センサ２６，２８の出力信号を入力とする制御装置４０によって構成されるものであってもよい。

「開閉手段について」
直流電源とインバータＩＶの入力端子との間を開閉する開閉手段としては、高電位側の入力端子と直流電源の正極との間を開閉するものに限らず、低電位側の入力端子と直流電源の負極との間を開閉するものであってもよい。また、高電位側の入力端子と直流電源の正極との間と低電位側の入力端子と直流電源の負極との間との双方を開閉するものであってもよい。

「特定手段について」
特定手段としては、上記実施形態において例示したものに限らない。例えば、モータジェネレータ１０の１の端子（１相）と直流電源の１の電極とを接続するスイッチング素子をオン操作し、このオン操作するスイッチング素子を順次切り替える際にモータジェネレータ１０を流れる電流のゼロ点からのずれが低減する変化が生じることに基づき、短絡異常のあるスイッチング素子を特定するものであってもよい。すなわち、この場合、変化が生じた際にオン操作されているスイッチング素子に直列接続されるものに短絡異常が生じたと特定することができる。

「低電圧電源について」
低電圧電源としては、その電気エネルギの補給が、ＤＣＤＣコンバータ１８を介してのみ行われるものに限らない。例えば、内燃機関１２のクランク軸の回転力によって発電するオルタネータの出力電力が供給されるものであってもよい。この場合であっても、本実施形態にかかるフェールセーフ手段を用いるなら、フェールセーフ処理時における消費電力を低減することが容易となる。

「直流交流変換回路と回転機との間の接続経路について」
インバータＩＶとモータジェネレータ１０との間に開閉器を備えるものであってもよい。この場合、開閉器を開状態とした後には、インバータＩＶに電流が流れなくなるため、スイッチング素子をオン操作する必要はない。しかし、開閉器を開状態とするまでの期間について、本発明のフェールセーフ手段を採用するなら消費電力を低減できる等のメリットを有する。

「直流交流変換回路のスイッチング素子について」
直流交流変換回路を構成するスイッチング素子としては、ＩＧＢＴに限らず、例えばＭＯＳ型電界効果トランジスタであってもよい。もっとも、電圧制御形のトランジスタにも限らず、例えばバイポーラトランジスタのように電流制御形のスイッチング素子であってもよい。この場合、ベースに電流を流すことでトランジスタがオンすることから、フェールセーフ処理においてオン状態に維持するスイッチング素子の数が退避走行に無視し得ない影響を及ぼすと考えられるため、本発明の適用が特に有効となる。

「回転機について」
回転機としては、ＩＰＭＳＭに限らない。例えば表面磁石同期機（ＳＰＭ）等、少なくとも永久磁石を備えるものにあっては、本願と同様の解決原理が適用可能と考えられる。

「そのほか」
・ハイブリッド車としては、パラレルハイブリッド車に限らない。例えば、シリーズハイブリッド車であってもよい。また例えば、パラレル・シリーズハイブリッド車であってもよい。ただし、複数のインバータの上側アーム同士および下側アーム同士が接続されている場合、一対の回転機を停止状態としても退避走行が可能なシステムであることが望ましい。さらに、車載駆動源のために蓄えられるエネルギ形態が電気エネルギ（燃料電池のように電気エネルギを生成するものも含む）のみとなる電気自動車であってもよい。この場合であっても、例えば前輪と後輪とで各別のモータジェネレータを備えるなら、そのうちの一方のモータジェネレータに接続されるインバータのシャットダウン後に、上記フェールセーフ処理を行ったとしても、残りのモータジェネレータによって退避走行をすることができる。

１０…モータジェネレータ（第１主機の一実施形態）、１２…内燃機関（第２主機の一実施形態）、１８…ＤＣＤＣコンバータ、２０…高電圧バッテリ（直流電源の一実施形態））、４０…制御装置、４２…低電圧バッテリ（低電圧電源の一実施形態）、ＩＶ…インバータ。

Claims

直流電源の正極および負極のそれぞれに回転機の端子を選択的に接続する高電位側のスイッチング素子および低電位側のスイッチング素子の直列接続体を備えて構成される直流交流変換回路を操作することで前記回転機の制御量を制御する回転機の制御装置において、
前記直流交流変換回路の入力端子と前記直流電源とは、開閉手段を介して接続されるものであり、
前記スイッチング素子の短絡異常の有無を判断する判断手段と、
該判断手段によって前記短絡異常があると判断される場合、前記開閉手段を開状態として且つ前記直流交流変換回路を構成する前記直列接続体の一部について前記高電位側のスイッチング素子および前記低電位側のスイッチング素子の双方をオン操作する短絡処理を行うフェールセーフ手段とを備えることを特徴とする回転機の制御装置。
前記短絡異常があると判断されたスイッチング素子を特定する特定手段をさらに備え、
前記フェールセーフ手段は、前記特定されたスイッチング素子に直列接続されるスイッチング素子をオン操作することを特徴とする請求項１記載の回転機の制御装置。
前記フェールセーフ手段は、前記直列接続体の１つに限って前記短絡処理を行うことを特徴とする請求項１または２記載の回転機の制御装置。
前記回転機は、車両に搭載されるものであり、
前記車両は、第１主機としての前記回転機に加えて第２主機を備えて且つ、前記直流電源の電圧を降圧して低電圧電源に印加する降圧コンバータを備え、
前記降圧コンバータは、前記開閉手段を介して前記直流電源に接続され、
前記直流交流変換回路を構成するスイッチング素子の電子的な操作および前記第２主機の電子制御の双方が、前記低電圧電源の電力によってなされることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の回転機の制御装置。