JP2013118773A - 回転電機制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】回転電機制御システムにおいて、回転電機の温度が上昇しても、回転電機の耐久性を確保しながら、燃費の低下を抑制できるようにすることである。
【解決手段】ハイブリッド車両８に搭載された回転電機２０の制御装置４０は、駆動源１４、蓄電装置３２、電圧変換器３４、インバータ３６の動作を全体として制御して、ハイブリッド車両８の走行を適切なものとする。制御装置４０の出力トルク制限部４２は、回転電機２０の温度θ_Mが閾値温度以上となると回転電機２０の出力トルクを制限する。さらに、回転電機２０の温度が高くなっても一律に出力トルクを制限するのではなく、予め定めた条件のときには、システム電圧Ｖ_Hを下げて、その分、出力トルクを制限する閾値温度の設定を高くする処理を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転電機制御システムに係り、特に、蓄電装置から昇降圧されたシステム電圧で作動する電源回路に接続される回転電機を含む回転電機制御システムに関する。

回転電機の温度が上昇するとその特性が低下し、場合によって過熱に至ると構成部品が損傷する恐れが生じる。そこで、その前に回転電機の出力を制限し、保護が図られる。

例えば、特許文献１には、車両の制御方法として、モータの温度が所定温度を超えたような場合にモータのさらなる過熱によりその出力が低下しないようにモータの出力制限を行うと、必要以上にモータの出力が制限されてドライバビリティが低下する恐れを指摘している。そこで、モータ温度が上昇していく場合に、回生トルク制限を行う温度を、力行トルク制限を行う温度よりも低く設定し、回生エネルギの制限によってモータの過熱を抑制し、力行トルクの制限がかかりにくくすることが開示されている。

特許文献２には、車両制御システムとして、蓄電装置のＷｏｕｔ，Ｗｉｎ状態を取得し、取得されたＷｏｕｔ，Ｗｉｎの範囲内で予め定めた分配手順に従って、複数の回転電機の電力分配の割合を定め、分配された電力割合に応じてシステム電圧の上限を制限することが開示されている。

特開２００８−２６０４２８号公報 特開２０１０−９８８８２号公報

例えば、車両に搭載された回転電機の場合、坂道等で、回転電機の出力と負荷とがバランスして回転電機の回転が停止するロック状態となると、ロック状態となった回転電機の特定の相に電流集中が生じて、回転電機が過熱する恐れがある。ここで、回転電機の出力を制限すると、車両の走行性も制限を受け、また、燃費性能も低下する。

本発明の目的は、回転電機の温度が上昇しても、回転電機の出力トルクの制限を受けない範囲を適切に確保できる回転電機制御システムを提供することである。他の目的は、車両に搭載された回転電機の温度が上昇しても、回転電機の耐久性を確保しながら、燃費の低下を抑制できる回転電機制御システムを提供することである。

本発明に係る回転電機制御システムは、回転電機と、蓄電装置と、蓄電装置の電圧に対し昇降圧されたシステム電圧で作動し、回転電機に接続される駆動回路と、回転電機が予め定めた閾値温度以上のときに回転電機の出力トルクを制限する手段を有し、回転電機の温度が閾値温度以上となると、システム電圧を下げると共に、閾値温度の設定値を上げる手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機制御システムは、車両に搭載され、車両の駆動源として用いられる回転電機と、蓄電装置と、蓄電装置の電圧に対し昇降圧されたシステム電圧で作動し、回転電機に接続される駆動回路と、回転電機が予め定めた閾値温度以上のときに回転電機の出力トルクを制限する手段を有し、回転電機の回転数が予め定めた閾値低回転数を下回るときに、システム電圧を下げると共に、閾値温度の設定値を上げる手段と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る回転電機制御システムは、車両に搭載され、車両の駆動源として用いられる回転電機と、蓄電装置と、蓄電装置の電圧に対し昇降圧されたシステム電圧で作動し、回転電機に接続される駆動回路と、回転電機が予め定めた閾値温度以上のときに回転電機の出力トルクを制限する手段を有し、回転電機の出力トルクと車両の負荷との釣り合いによって、回転電機の回転数が予め定めた閾値低回転数を下回るときに、システム電圧を下げると共に、閾値温度の設定値を上げる手段と、を備えることを特徴とする。

回転電機の絶縁性能は、温度が高くなると低下する。そこで、回転電機の温度が高くなると、回転電機に接続される電源回路が動作するシステム電圧を低下させる。換言すれば、システム電圧を低下させれば、回転電機の絶縁性能に対する許容温度を上げることができる。

上記構成の少なくとも１つにより、回転電機制御システムは、回転電機が予め定めた閾値温度以上のときに回転電機の出力トルクを制限する場合に、回転電機の温度がその閾値温度以上となると、システム電圧を下げると共に、閾値温度の設定値を上げる。これによって、システム電圧を下げない場合に比べ、回転電機の出力トルクが制限されない温度範囲が広くなる。

また、上記構成の少なくとも１つにより、回転電機制御システムは、車両に搭載され、車両の駆動源として用いられる回転電機についてのもので、回転電機の回転数が予め定めた閾値低回転数を下回るときに、システム電圧を下げると共に、閾値温度の設定値を上げる。車両に搭載される回転電機の冷却は、車速に応じて回転する機械式オイルポンプにより行われ、あるいは車速に応じた冷却油の掻き上げによって行われる。ここで、回転電機の回転数が低くなり、あるいは回転が停止すると、回転電機の冷却が十分に行われなくなり、回転電機の温度が上がりやすい状態となる。このようなときに、システム電圧を下げて閾値温度の設定値を上げることで、回転電機の出力トルクが制限されない温度範囲が広くなり、車両の燃費の低下を抑制できる。

また、上記構成の少なくとも１つにおいて、回転電機制御システムは、車両に搭載され、車両の駆動源として用いられる回転電機についてのもので、回転電機の出力トルクと車両の負荷との釣り合いによって、回転電機の回転数が予め定めた閾値低回転数を下回るときに、システム電圧を下げると共に、閾値温度の設定値を上げる。車両が登坂路にいるとき、あるいは車止め状態にあると、回転電機の出力と負荷とがバランスして、回転電機の回転が停止するロック状態になる。このとき、回転電機が特定の相での駆動状態にロックされるので、その特定の相の巻線、電子部品に電流が集中し、温度が上りやすい状態となる。このようなときに、システム電圧を下げて閾値温度の設定値を上げることで、回転電機の出力トルクが制限されない温度範囲が広くなり、車両の燃費の低下を抑制できる。

本発明に係る実施の形態における車両搭載用の回転電機制御システムの構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、回転電機温度に対するシステム電圧の設定値を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、回転電機の温度上昇に応じてシステム電圧の設定値を変更する様子を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、回転電機の温度に関してシステム電圧の設定値を変更する手順を示すフローチャートである。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、回転電機制御システムを車両搭載用として説明するが、車両用でなくても、回転電機の動作を制御するシステムであればよい。また、車両として、回転電機と共にエンジンを搭載するハイブリッド車両を述べるが、これは説明のための例示であって、回転電機のみで車両を駆動する電気自動車であってもよい。

また、以下では、車両に搭載される回転電機を１台として説明するが、これも例示であって、複数の回転電機が車両に搭載される場合であってもよい。例えば、１台の回転電機を駆動用に、もう１台の回転電機を発電用に用いる構成としてもよく、前輪駆動用と後輪駆動用で別々の回転電機としてもよい。

また、回転電機に接続されるものとして、蓄電装置、電圧変換器、平滑コンデンサ、インバータ回路を含むものとして説明するが、これは主たる構成要素を述べたもので、これ以外の構成要素を含むものとしてもよい。例えば、低電圧インバータ回路、システムメインリレー、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を含むものとしてもよい。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、回転電機制御システム１０が搭載されるハイブリッド車両８の構成を示す図である。この回転電機制御システム１０は、ハイブリッド車両８の走行状態に応じて、車両に搭載される回転電機２０の動作を制御するシステムであるので、実質的には、車両走行制御システムと同じである。

回転電機制御システム１０は、ハイブリッド車両８の駆動源１４として、エンジン１６と回転電機２０を含み、回転電機２０に接続される駆動回路３０として、蓄電装置３２、電圧変換器３４、インバータ３６を含み、これらの動作を全体として制御する制御装置４０と、制御装置４０に接続される記憶装置４４を含んで構成される。

エンジン１６は、内燃機関である。また、回転電機２０は、ハイブリッド車両８に搭載されるモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）であって、インバータ３６を含む駆動回路３０から電力が供給されるときはモータとして機能し、エンジン１６による駆動時、あるいはハイブリッド車両８の制動時には発電機として機能する三相同期型回転電機である。

エンジン１６の出力軸は、ハイブリッド車両８の駆動輪を回転駆動する他に、回転電機２０を駆動して発電を行わせる機能を有する。また、エンジン１６は、図示されていない機械式のオイルポンプを駆動し、回転電機２０の冷却のための冷却油を循環させる。したがって、エンジン１６の出力軸が回転している間は、オイルポンプによる冷却油の循環によって、回転電機２０は適当に冷却される。

また、回転電機２０のロータの回転によってモータケース内の冷却油が掻き上げられる構成をとるときは、回転電機２０の回転によって、ステータに冷却油が供給される。エンジン１６の駆動によるオイルポンプ、または回転電機の駆動時の冷却油の掻き上げ等によって、ハイブリッド車両８の駆動源１４が正常に動作している間は、回転電機２０の冷却を適切に行うことができる。

ハイブリッド車両８の車軸に設けられる車軸回転速度検出器１２は、車軸の回転角速度ω_Wを検出する。エンジン１６に設けられるエンジン回転速度検出器１８は、エンジン１６の回転角速度ω_Eを検出する。回転電機２０に設けられる温度検出器２２は、回転電機２０の温度θ_Mを検出する。検出されたデータω_W，ω_E，θ_Mは、それぞれ適当な信号線を用いて、制御装置４０に伝送される。

駆動回路３０を構成する蓄電装置３２は、充放電可能な高電圧用二次電池である。具体的には、約２００Ｖから約３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池である。組電池は、単電池または電池セルと呼ばれる端子電圧が１Ｖから数Ｖの電池を複数個組み合わせて、上記の所定の端子電圧を得るようにしたものである。蓄電装置３２としては、ニッケル水素組電池、大容量キャパシタ等を用いることができる。

電圧変換器３４は、蓄電装置３２とインバータ３６の間に配置され、直流電圧変換機能を有する回路である。電圧変換器３４は、リアクトルと、スイッチング素子を含んで構成される。電圧変換機能としては、蓄電装置３２側の電圧をリアクトルのエネルギ蓄積作用を利用して昇圧しインバータ３６側に供給する昇圧機能と、インバータ３６側からの電力を蓄電装置３２側に降圧して充電電力として供給する降圧機能とを有する。

電圧変換器３４とインバータ３６を接続する正極側母線と負極側母線との間の電圧は、システム電圧Ｖ_Hと呼ばれる。正極側母線と負極側母線との間には、電圧、電流を平滑化するコンデンサが設けられる。

インバータ３６は、回転電機２０に接続される回路で、複数のスイッチング素子と逆接続ダイオード等を含んで構成され、交流電力と直流電力との間の電力変換を行う機能を有する。すなわち、インバータ３６は、回転電機２０を発電機として機能させるときは、回転電機２０からの交流三相回生電力を直流電力に変換し、蓄電装置３２側に充電電流として供給する交直変換機能を有する。また、回転電機２０をモータとして機能させるときは、蓄電装置３２側からの直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機２０に交流駆動電力として供給する直交変換機能を有する。

制御装置４０は、駆動源１４、蓄電装置３２、電圧変換器３４、インバータ３６の動作を全体として制御して、ハイブリッド車両８の走行を適切なものとする機能を有する。制御装置４０の出力トルク制限部４２は、回転電機２０の温度θ_Mが閾値温度以上となると回転電機２０の出力トルクを制限する機能を有する。これにより回転電機２０を過熱から保護する。さらに、回転電機２０の温度が高くなっても一律に出力トルクを制限するのではなく、予め定めた条件のときには、システム電圧Ｖ_Hを下げて、その分、出力トルクを制限する閾値温度の設定を高くする処理を行う機能を有する。これによって、回転電機２０の出力トルクが制限されない範囲が広くなり、ハイブリッド車両８としての燃費が向上する。

予め定めた条件としては、アクセルを踏んでも回転電機２０の回転数が上がらず、場合によって回転停止するアクセルホールド状態、あるいは、ハイブリッド車両８が登坂中などで回転電機２０の出力トルクと負荷とがバランスして回転電機２０の回転数が上がらず、場合によって回転停止するロック状態等とすることができる。これらの場合は、回転電機２０の駆動回路３０において、特定の相に電流集中が生じて回転電機２０の温度が上がりやすい状態である。また、回転電機２０の回転数が低く、冷却油の循環や掻き上げが不十分で冷却が十分に行われず、回転電機２０の温度が上がりやすい状態である。このように、一時的に回転電機２０の温度が上がりやすい状態にあることを、予め定めた条件とすることができる。

かかる制御装置４０は、ハイブリッド車両８の搭載に適したコンピュータを用いることができる。上記の各機能は、ソフトウェアを実行することで実現でき、具体的には、回転電機制御プログラムを実行することで実現できる。

制御装置４０に接続される記憶装置４４は、回転電機制御プログラム等を格納する機能を有する。記憶装置４４に記憶される関係マップ４６は、回転電機２０の出力トルク制限を行う閾値温度θ_thとシステム電圧Ｖ_Hとの関係を示すものである。

図２は、関係マップ４６の一例を示す図である。縦軸はシステム電圧Ｖ_Hである。横軸は回転電機２０の温度θ_Mについての閾値温度θ_thである。閾値温度θ_thは、回転電機２０の温度θ_Mがその温度以上となると、回転電機２０の出力トルク制限が行われる閾値の温度である。ここで、閾値温度θ_thは、回転電機２０の絶縁性能から定めることができる。絶縁性能の他に、回転電機２０を構成する巻線、電子部品等の耐熱性等を考慮することもできる。

図２は、システム電圧Ｖ_Hが高い値のＶ_H2のときは、閾値温度θ_thが低い値のθ_th1に設定され、システム電圧Ｖ_HがＶ_H2よりも低い値のＶ_H1のときは、閾値温度θ_thがθ_th1よりも高いθ_th2に設定されることを示す。

このように設定できるのは次の理由による。すなわち、温度が高くなると回転電機の絶縁性能が低下する。これは、空気中において部分放電が生じる電圧は、大気温度が低温であるほど高く、高温であるほど低くなることによる。そこで、回転電機２０の絶縁性能を確保するために、回転電機２０の温度θ_Mが高くなると、回転電機２０に接続される駆動回路３０が動作するシステム電圧Ｖ_Hを低下させる。換言すれば、システム電圧Ｖ_Hを低下させれば、回転電機２０の絶縁性能に対する許容温度を上げることができる。図２はそのことを示したものである。

図３は、アクセルホールド状態、あるいはロック状態のときに、時間経過とともに回転電機２０の温度θ_Mが上がってゆく様子と、それに伴って、システム電圧Ｖ_Hを低下させ、それと共に、閾値温度θ_thの設定を上げる様子を示す図である。
図３に示されるように、当初、システム電圧Ｖ_Hが高い値のＶ_H2のときは、閾値温度θ_thが低い値のθ_th1に設定されている。回転電機２０の温度θ_Mは、θ_th1よりも低い。ここで、アクセルホールド状態、あるいはロック状態となると、回転電機２０の回転が停止、あるいは極低回転数となり、回転電機２０の温度θ_Mが上がりやすい状態となる。そのまま放置しておくと、θ_Mが次第に上がってくる。時間ｔ₀でθ_Mがθ_th1以上となると、システム電圧Ｖ_HをＶ_H2よりも低い値のＶ_H1に切替える。そして、関係マップ４６を読み出して、その内容に従い、閾値温度θ_thをθ_th1よりも高いθ_th2に設定する。

これによって、システム電圧Ｖ_HがＶ_H2のままのときであれば、時間ｔ₀で回転電機２０の出力トルクの制限が行われるところを、θ_Mがθ_th2になるまで、回転電機２０の出力トルクの制限が行われない。このようにして、回転電機２０の出力トルクの制限を受けない温度範囲が広がり、ハイブリッド車両８としての燃費が向上する。

図４は、図３で説明した手順を示すフローチャートである。図４の各手順は、制御装置４０の出力トルク制限部４２の機能によって実行される。

初期状態は、システム電圧Ｖ_Hが高い値のＶ_H2であり、閾値温度θ_thは低い値のθ_th1に設定されている。そして、その状態の下で、車軸回転速度を示すω_Wが予め定めた閾値であるω_W0以下であるか否かが判断される（Ｓ１０）。ここでは、ハイブリッド車両８がほとんど停止しているか否かを判断している。ハイブリッド車両８がほとんど停止している状態の中には、回転電機２０の温度が上がりやすいアクセルホールドやロック状態が含まれる。

Ｓ１０の判断が肯定されると、エンジン１６の回転速度を示すω_Eが予め定めた閾値であるω_E0以下であるか否かが判断される（Ｓ１２）。ここでは、エンジン１６がほとんど停止しているか否かを判断している。エンジン１６がほとんど停止している状態では、回転電機２０の冷却用のオイルポンプがほとんど作動していないので、回転電機２０の温度が上がりやすい状態となっている。

Ｓ１２の判断が肯定されると、回転電機２０の温度θ_Mが閾値温度θ_th1以上か否かが判断される（Ｓ１４）。ここでは、回転電機２０の温度θ_Mがシステム電圧Ｖ_H2の下で出力トルクの制限を受ける閾値温度θ_th1以上となったか否かを判断している。判断が肯定されていれば、通常の場合、回転電機２０において、過熱防止のために、出力トルクの制限を受ける。しかし、Ｓ１０が肯定されているので、ここでは、アクセルホールド状態またはロック状態によって回転電機２０の温度θ_Mが上がりやすい状態であると考えられる。また、Ｓ１２の判断が肯定されているので、回転電機２０の冷却が不十分で、これによっても回転電機２０の温度θ_Mが上がりやすい状態であると考えられる。

そこで、Ｓ１４の判断が肯定されると、システム電圧Ｖ_HをＶ_H2よりも低い値のＶ_H1に切替える。そして、関係マップ４６を読み出して、その内容に従い、閾値温度θ_thをθ_th1よりも高いθ_th2に設定する。これによって、出力トルク制限を受ける閾値温度θ_thが高くなるので、回転電機２０の出力トルクの制限を受けない温度範囲が広がる。

本発明に係る回転電機制御システムは、車両に搭載される回転電機の制御に利用できる。

８ ハイブリッド車両、１０ 回転電機制御システム、１２ 車軸回転速度検出器、１４ 駆動源、１６ エンジン、１８ エンジン回転速度検出器、２０ 回転電機、２２ 温度検出器、３０ 駆動回路、３２ 蓄電装置、３４ 電圧変換器、３６ インバータ、４０ 制御装置、４２ 出力トルク制限部、４４ 記憶装置、４６ 関係マップ。

Claims (3)

1. 回転電機と、
   蓄電装置と、
   蓄電装置の電圧に対し昇降圧されたシステム電圧で作動し、回転電機に接続される駆動回路と、
   回転電機が予め定めた閾値温度以上のときに回転電機の出力トルクを制限する手段を有し、回転電機の温度が閾値温度以上となると、システム電圧を下げると共に、閾値温度の設定値を上げる手段と、
   を備えることを特徴とする回転電機制御システム。
2. 車両に搭載され、車両の駆動源として用いられる回転電機と、
   蓄電装置と、
   蓄電装置の電圧に対し昇降圧されたシステム電圧で作動し、回転電機に接続される駆動回路と、
   回転電機が予め定めた閾値温度以上のときに回転電機の出力トルクを制限する手段を有し、回転電機の回転数が予め定めた閾値低回転数を下回るときに、システム電圧を下げると共に、閾値温度の設定値を上げる手段と、
   を備えることを特徴とする回転電機制御システム。
3. 車両に搭載され、車両の駆動源として用いられる回転電機と、
   蓄電装置と、
   蓄電装置の電圧に対し昇降圧されたシステム電圧で作動し、回転電機に接続される駆動回路と、
   回転電機が予め定めた閾値温度以上のときに回転電機の出力トルクを制限する手段を有し、回転電機の出力トルクと車両の負荷との釣り合いによって、回転電機の回転数が予め定めた閾値低回転数を下回るときに、システム電圧を下げると共に、閾値温度の設定値を上げる手段と、
   を備えることを特徴とする回転電機制御システム。

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