JP2013127411A - モータロック発生時のスイッチング素子温度の計算装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モータロックが発生すると、スイッチング素子に余力があっても通電電流を制限するために、登坂応力等が低下する。
【解決手段】モータ１２にロックが生じていない期間であって、しかも温度センサ７が近傍に配置されている特定スイッチング素子４に通電されている期間に限定して、温度センサ７の検出値に含まれる誤差を特定する。モータロック発生時には、温度センサと検出値と、誤差特定装置が特定した誤差から、スイッチング素子１〜６の温度を計算する。モータロック発生時の通電相に影響されずに、モータロック発生時の素子温度を計算することができ、モータロック中の通電電流の制御方法を改善できる。
【選択図】図１

Description

本明細書では、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等の走行用モータに電力を供給するインバータに関する技術を開示する。すなわち、複数相を備えている交流電力をモータに供給するインバータに関する技術を開示する。

インバータは、相の数に等しい数の並列分岐路を備えており、それぞれの分岐路に少なくとも２個のスイッチング素子を備えている。例えば３相交流を供給するインバータは、少なくとも６個のスイッチング素子を備えている。各分岐路のスイッチング素子が異なるタイミングでオン・オフすることで複数相の交流電力を作り出す。

モータに通電することで生成されるモータトルクとモータに作用するトルクが平衡すると、モータがロックする。モータがロックすると、ロック発生時に通電していたスイッチング素子に対する通電が持続され、そのスイッチング素子が急激に昇温する。モータロックが発生したら、スイッチング素子を過熱から保護する技術を発動する必要がある。

モータロック時のスイッチング素子の保護技術が種々に提案されている。
特許文献１の技術では、インバータに温度センサを設置し、モータロック発生時の温度センサの検出値を記憶しておく。モータロック発生後のスイッチング素子の昇温速度は速く、温度センサでは追従できない。そこでインバータに指示するトルク指令値と、そのトルク指令値を実現する電力をインバータから出力する場合に生じるスイッチング素子温度の変化速度の関係を予め測定しておく。特許文献１では、トルク指令値からモータロック発生後の素子温度の変化速度を特定し、それを積分することによってモータロック発生後のスイッチング素子温度を計算する。初期値には、モータロック発生時に記憶しておいた温度センサの検出値を用いる。初期値に積分値を加算した計算温度が所定温度に達したら、素子の過熱を防止するために、インバータに与えるトルク指令値を本来の必要値から制限する。

特開２００５−８０４８５号公報

前記したように、インバータは複数個のスイッチング素子を備えており、それぞれのスイッチング素子を過熱から保護する必要がある。その一方において、通常は、インバータの全体に対して１個の温度センサが配置されているのに過ぎない。スイッチング素子と温度センサの位置関係は通電相によって異なっている。例えば、ｕ相のプラス電流の通電時に大電流が流れるスイッチング素子（通常はｕ相の上段スイッチング素子）と温度センサが離れており、ｖ相のマイナス電流の通電時に大電流が流れるスイッチング素子（通常はｖ相の下段スイッチング素子）と温度センサが接近しているといったことが生じる。
その結果、温度センサが同一検出値を示していても、モータロックの発生時の通電相によって、モータロックが生じたために通電電流が持続的に流れ始める時の素子の温度は相違する。例えばｕ相のプラス電流の通電時にモータロックが発生したときに過熱から保護する必要がある素子のモータロック発生時温度と、ｖ相のマイナス電流の通電時にモータロックが発生したときに過熱から保護する必要がある素子のモータロック発生時温度は相違する。前記に例示した場合、前者の素子は温度センサから遠く、後者の素子は温度センサから近いので、前者の素子に持続的電流が流れ始める時の素子温度は、後者の素子に持続的電流が流れ始める時の素子温度よりも、高いはずである。

特許文献１の技術は、上記の問題を認識していない。そのためにスイッチング素子を保護するために安全サイドに立った条件設定が必要となり、スイッチング素子の過熱を防止するのにはまだ余力がある状態で、インバータに与えるトルク指令値を本来の値から制限してしまう。特許文献１の技術を走行用モータに適用した場合、スイッチング素子の能力を生かしきらないために登坂能力が不足するといった問題が発生する。

本明細書では、モータロックが発生したために過熱から保護する必要が生じたスイッチング素子のモータロック発生時温度を正確に計算する技術を開示する。それによってスイッチング素子の能力を生かしきり、登坂能力が不足といった問題に対処する技術を開示する。

本明細書では、モータに複数相交流を通電するインバータに含まれているスイッチング素子のモータロック発生時の温度を計算する装置を開示する。すなわち、モータが停止し、通電相が切換えられなくなり、同一のスイッチング素子に通電する期間が持続する状態が生じた時のスイッチング素子温度を計算する装置を開示する。

モータロックは突然には生じない。モータの回転速度が低化し、さらに低化するプロセスを経てモータロックが生じる。本明細書では、モータが完全に停止しないまでも、極めて低回転であって、次の通電相への切換えがなかなか進まない状態も含めてモータロック現象という。１つの相への通電時間が後記する通電持続時間以上である状態を、モータロック状態という。モータロックを完全停止に限定しなくても、モータロックに至るに先立って、１つの相への通電時間が長時間化した期間があり、その期間の間に、通電中のスイッチング素子が急速に昇温する。本明細書では、急速に昇温している途中でモータロックが発生した時の素子温度を計算する技術を開示する。

本明細書で開示する素子温度計算装置は、インバータに含まれている複数のスイッチング素子のうちの1つのスイッチング素子の近傍に配置されている温度センサを備えている。温度センサが近傍に配置されているスイッチング素子を本明細書では特定スイッチング素子という。
本明細書で開示する素子温度計算装置は、特定スイッチング素子へ通電中であってモータロックが生じていない期間に限定して温度センサの検出値に含まれる誤差を特定する誤差特定装置と、モータロックの発生を検出する装置と、モータロック発生時の温度センサの検出値と誤差特定装置が特定した誤差から、モータロック発生時のスイッチング素子の温度を計算する装置を備えている。

上記では、モータロックが生じていない間に温度センサで検出される値を用いる。モータロックが生じていない間は、特定のスイッチング素子に電力が持続的に流れる現象が生じておらず、全部のスイッチング素子がほぼ同一温度にあるということができる。

上記したように、モータロックに至るに先立って、同一のスイッチング素子に通電し続ける期間があり、そのスイッチング素子が急激に昇温する期間がある。温度センサには応答遅れがあり、急激な昇温に追従できない。モータロックの直前期間では、温度センサの検出値に誤差が生じる。

モータロックの直前期間では、同一のスイッチング素子に通電し続ける時間が長くなるという要素と、通電時間が長期化したスイッチング素子が切換えられていく（まだロックされていないから）という両要素が作用する。温度センサの検出値に生じる誤差には、通電時間が長期化したために通電中のスイッチング素子の温度が急速に昇温することに温度センサが追従できないことから生じる誤差と、スイッチング素子の昇温が温度センサに伝熱するのに時間を要することから生じる誤差が重複する。後者の誤差は、昇温しているスイッチング素子と温度センサの位置関係に依存する。

温度センサが近傍に配置されている特定スイッチング素子に通電されている期間では、後者の誤差が小さいと予想される。それに対し、温度センサが近傍に配置されていない非特定スイッチング素子に通電されている期間では、後者の誤差が大きいと予想される。本明細書に記載の技術では、後者の誤差の影響をできるだけ取り除き、前者の誤差を知る。

例えば、v相用素子の近傍に温度センサが配置されており、ｕ相用素子とｗ相用素子は温度センサから離反しているとする。この場合、v相用素子への通電中に温度センサで検出される検出値には、主として前者の誤差が含まれる。これに対し、ｕ相用素子とｗ相用素子への通電中に温度センサで検出される検出値には、後者の誤差まで含まれる。
ｖ相用素子の急速昇温に起因する温度センサ検出値に含まれる誤差を知ることができれば、温度センサ検出値から急速昇温中のｖ相用素子の温度を計算することができる。このとき、後者の誤差に影響されないようする必要がある。ｕ相用素子の急速昇温に起因する誤差や、ｗ相用素子の急速昇温に起因する誤差が影響すると、後者の誤差が影響し、急速昇温中のｖ相用素子の温度を計算することができない。

本明細書に開示の技術では、モータロックが生じていないというだけでなく、温度センサが近傍に配置されている特定スイッチング素子へ通電中であるという期間に限定して誤差の大きさを計算する。誤差の大きさを知るためには、急速に昇温している素子温度を知る必要がある。その技術は、例えば特開２００４−２５７８２１号公報に記載の素子温度計算技術を用いることができる。あるいは、応答速度が極めて速い温度センサを用いて実際に計測しておいてもよい。

本明細書に開示の技術では、特定スイッチング素子へ通電中である期間に限定して誤差の大きさを計算するために、モータロックに先立って生じるスイッチング素子の急速な昇温に温度センサが追従できないことから生じる誤差の値を知ることができる。モータロックの直前期間に生じる昇温は、通電相が切換えられていくために、ｕ相用素子もv相用素子もｗ相用素子もほぼ同様に昇温する。特定スイッチング素子がｖ相用スイッチング素子である場合、ｖ相通電中にモータロックが発生する場合だけでなく、ｕ相通電中にモータロックが発生する場合でもｗ相通電中にモータロックが発生する場合でも、モータロック発生時の素子温度を計算することができる。特定スイッチング素子以外のスイッチング素子の通電中にモータロック発生した場合にも、モータロック発生時に通電していた素子のモータロック発生時温度を計算することができる。本技術によると、急速な昇温に追従できない温度センサの指示値から、モータロック発生時の素子温度を計算することが可能となる。

モータロック発生時の素子温度が判明すれば、様々な保護技術を用いることができる。例えば、モータロック後に連続して通電してもよい電流値と通電持続時間の関係を示すマップを備えており、通電持続時間までは必要電流を通電する技術が知られている。この場合、モータロック発生時の素子温度によって通電持続時間が相違する。従来は、モータロック発生時の素子温度を知ることができなかったので、モータロック発生時の素子温度が高温であるものとして通電持続時間を決定しておくほかはなかった。このために、実際にはモータロック発生時の素子温度が低く、もっと長く必要電流の通電を持続しても素子が過熱しないにもかかわらず、早めに通電電流を制限していた。これが例えば走行用モータの能力を制約し、登坂能力を低下させていた。

本明細書に開示されている技術によると、モータロック発生時の素子温度を計算することが可能となる。モータロック後に通電可能な電力はモータロック発生時の素子温度に依存して変化することから、モータロック発生時の素子温度が判明すれば、その後に通電可能な電力量を過不足なく利用することが可能となる。モータロックが発生しやすい登坂時等に、駆動力が無用に制約されることがなくなり、登坂能力が改善される。

モータロック発生時の素子温度検出装置が組み込まれた駆動力発生装置のシステム構成を示す。 ｖ相の通電電流値の時間的変化を示す。 図１の駆動力発生装置で実行する処理手順を示す。 モータの回転数範囲を示す。 モータロック後の通電電流値と連続通電可能な時間の関係を示す。 モータロック発生時の素子温度と、通電持続時間の修正幅の関係を示す。

下記に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
特徴１：インバータは３相交流を供給する。
特徴２：モータは車両を走行させるモータである。

図１は、モータ１２とインバータ８とインバータ制御装置１０を備えている駆動力発生装置を示している。インバータは、ｕ相用上段スイッチング素子１と、ｕ相用下段スイッチング素子２と、ｖ相用上段スイッチング素子３と、ｖ相用下段スイッチング素子４と、ｗ相用上段スイッチング素子５と、ｗ相用下段スイッチング素子６を備えている。インバータ制御装置１０は、スイッチング素子１〜６を異なるタイミングでオン・オフさせ、３相交流を生成してモータ１２に通電する。インバータ制御装置１０は、３相交流が生成されるようにスイッチング素子１〜６をオン・オフする制御に加えて、各相の電流がサイン波を描くようにスイッチング素子１〜６をディーティ比制御する。図２は、インバータ８がモータ１２に通電するｖ相の電流波形を例示している。ｕ相の電流波形はｖ相の電流波形よりも１２０°進んだ位相で変化し、ｗ相の電流波形はｖ相の電流波形よりも１２０°遅れた位相で変化する。
ｖ相用下段スイッチング素子４の近傍に温度センサが配置されている。ｖ相用下段スイッチング素子４が特定スイッチング素子である。

スイッチング素子１〜６は、ターンオンする瞬間、オンしている期間、及びターンオフする瞬間等に発熱する。スイッチング素子１〜６が過熱しないように、スイッチング素子１〜６は共通の冷却装置に取り付けられている。

モータ１２が高速回転していると、オンしているスイッチング素子が高速に切換えられ、スイッチング素子１〜６の温度はほぼ等しい。
モータに掛かる負荷が増大すると、インバータ制御装置１０はインバータ８に大きなトルク指令値を指示する。その結果、オンしているスイッチング素子のディーティ比が増大する。モータに掛かる負荷がさらに増大すると、オンしているスイッチング素子の切換えが低速化し、同一スイッチング素子に通電電流が流れ続ける時間が増大する。その結果、通電中のスイッチング素子は急速に昇温する。同一スイッチング素子に通電電流が流れ続けるという用語は、通電相が切換えられるまでの時間を言い、実際にはその間もデューティ比を制御するためのオン・オフが繰り返されている。ディーティ制御のために断続的に繰り返されるオフをも含めて、同一スイッチング素子に通電電流が流れ続ける時間という。

図１において、図示１４はモータ１２の回転角を検出するレゾルバであり、その検出値に基づいて制御装置１０は、電気角を決定し、通電相を決定する。図示１８は、インバータ８を冷却する冷却水の温度センサである。図示１６は、モータロック発生時の素子温度を計算する装置であり、計算結果を制御装置１０に伝達する。モータロック発生時の素子温度計算装置１６は、制御装置１０内に形成してもよい。すなわち、制御装置１０が備えている演算装置で、モータロック発生時の素子温度を計算するようにしてもよい。

図３は、モータロック発生時の素子温度計算装置１６が実行する処理内容を示している。図３の処理は短時間間隔で繰り返し実行される。
ステップＳ２では、モータ１２の回転数が、図４の範囲Ｒ２内にあるか否かを判定する。図４の範囲Ｒ１は、モータロック中の回転数に対応する。すなわち範囲Ｒ２は、非ロック中であることに対応する。本実施例では、モータ回転数が＋Ｙrpm以上であれば、処理を終了して再び処理を開始するタミングとなるのを待つ。これに代えて、モータ回転数が＋Ｙrpm以上であってもステップＳ６からＳ１４の処理を実施してもよい。Ｓ６からＳ１４の処理で求める誤差が実際に利用されるのは、ステップＳ４でモータロック中と判別されたときである。ステップＳ４でモータロック中と判別されるのに先立って、モータ回転数が＋Ｙrpm以下に低下する期間が存在する。モータ回転数が＋Ｙrpm以上の間もステップＳ６からＳ１４の処理を実施しても問題は生じない。モータ回転数が＋Ｙrpm以上の間はステップＳ６からＳ１４の処理を実施する意味がないことから、本実施例の処理が採用されているのであり、モータ回転数が＋Ｙrpm以上の間はステップＳ６からＳ１４の処理を実施しないことが必要なわけでない。

本実施例では、モータ１２の回転数が低下して＋Ｙrpm以下に低下すると、ステップＳ６以降が実施される。ただしまだモータロックは生じていない段階である。
ステップＳ６では、電気角が特定スイッチング素子４へ通電する範囲内か否かを判定する。特定スイッチング素子４は、図２のｖ相マイナス電流を決定する素子であり、電気角がＰ１の範囲内にあれば、ステップＳ６の判定結果はＹＥＳとなり、Ｐ１以外であればＮＯとなる。特定スイッチング素子が１であればｕ相プラス電流の通電期間、特定スイッチング素子が２であればｕ相マイナス電流の通電期間、特定スイッチング素子が３であればｖ相プラス電流の通電期間、特定スイッチング素子が４であればｖ相マイナス電流の通電期間Ｐ１、特定スイッチング素子が５であればｗ相プラス電流の通電期間、特定スイッチング素子が６であればｗ相マイナス電流の通電期間に限って、ステップＳ６の判定結果はＹＥＳとなり、ステップＳ８以降の処理が実行される。ステップＳ６の判定結果はＮＯとなれば、ステップＳ８以降の処理を実行せず、テップＳ６の判定結果がＹＥＳとなるのを待つ。

ステップＳ８では、特定スイッチング素子４の推定温度と、温度センサ７の検出値を取得する。特定スイッチング素子４の推定温度は、例えば特開２００４-２５７８２１号公報に記載の技術で得ることができる。
モータ１２の回転数が＋Ｙrpm以下に低下していると、ｕ相マイナス電流の通電期間Ｐ１が長期化し、特定スイッチング素子４は急激に昇温する。この結果、温度センサ７の検出値は実際の素子温度に追従できない。両者間に差異が生じる。
ステップＳ１０では、その場合の推定誤差αを求める。ステップＳ１２では、ステップＳ１０で求めた推定誤差αを移動平均して、平均値を更新する。すなわち、直前の１０回の処理で計算された推定誤差αを平均したものを新たな平均値とする。ステップＳ１４では、そのときの温度センサ７の検出値に、ステップＳ１２で計算しておいた誤差を加えて、モータロック発生の素子温度を求める。
ステップＳ６からＳ１４の処理をモータ１２の回転数が＋Ｙrpm以上の場合にも実行したとしても、ステップＳ１２で直前の１０回の移動平均を計算することから、推定誤差の値はモータロックの発生直前における誤差となる。ステップＳ１４で、モータロック発生の素子温度を求めることができる。

モータロックの発生直前における誤差は、特定スイッチング素子４の急激な昇温に温度センサ７が追従できないことから生じる誤差である。この誤差は、スイッチング素子１〜３と５〜６のいずれに温度センサを配置しても、生じる誤差である。また、モータロック発生時の通電相に係わらずに発生する誤差である。
例えば、ｕ相プラス電流の通電期間にモータロックが発生する場合でも、ｕ相マイナス電流の通電期間にモータロックが発生する場合でも、ｖ相プラス電流の通電期間にモータロックが発生する場合でも、ｖ相マイナス電流の通電期間にモータロックが発生する場合でも、ｗ相プラス電流の通電期間にモータロックが発生する場合でも、ｗ相マイナス電流の通電期間にモータロックが発生する場合でも、モータロック発生まえには、同一のスイッチング素子への通電時間が長期化する現象がどの相においても生じている。
上記の誤差を用いれば、モータロックの発生時における通電相に影響されることなく、モータロックの発生時において通電している素子の温度を計算することができる。

これに対して、ステップＳ６の制約を設けないと、モータロックの発生直前のスイッチング素子１〜３と５〜６の急激な昇温に起因して温度センサ７の検出値に生じる誤差まで計算してしまう。スイッチング素子１〜３と５〜６は温度センサ7から離れた位置にあり、これを用いると、モータロックの発生時において通電している素子の温度を計算することができなくなってしまう。

図３のステップＳ４では、モータ１２の回転数が、図４の範囲Ｒ１内にあるか否かを判定する。図４の範囲Ｒ１は、モータロック中の回転数に対応する。ステップＳ４はモータロックの発生を監視する処理に相当する。
ステップＳ１６では、そのときの温度センサ７の検出値に代えて、ステップＳ１４で計算しておいたモータロック発生時の素子温度を用いる。以後の処理（制御装置１０で実行される）では、温度センサ７の検出値に代えてステップＳ１４で計算しておいたモータロック発生時の素子温度が用いられる。

制御装置１０は、車両の状態から、モータロック発生後に必要なトルク指令値を決定し、そのトルクを発生させる通電電流値の大きさを決定して通電する。運転者が、ロック状態にあるモータの発生トルクを増大させて登坂を望んでいる場合には、登坂に必要なトルクが得られるように通電する。
モータロック中は同一のスイッチング素子に通電し続ける時間が長くなり、そのスイッチング素子が過熱されやすい。そこで、過熱を避けるために、通電持続時間の上限が決められている。図５がその一例を示している。横軸は通電電流の大きさを示し、原点ゼロから左右に離れるのに従って、通電電流の絶対値は増大する。縦軸は、通電持続時間の上限を示し、通電電流の絶対値が大きいほど短い。
従来は、モータロック発生時の素子温度を計算することできないために、モータロック発生時の素子温度が高温であるとして図５のマップは用意されている。モータロック発生時の素子温度が低温であれば、図５のマップに定める通電持続時間以上に亘って通電しても素子が過熱しない場合があるにも係わらず、一様に図５のマップを利用していた。

その問題を解決するために、本実施例では、ステップＳ２０で図５のマップから通電持続時間を算出した後に、ステップＳ２２で、モータロック発生時の素子温度に従って通電持続時間の補正時間を算出する。図６は、ステップＳ２２で用いる補正時間Ｔ11のマップを例示している。補正時間Ｔ11とモータロック発生時の素子温度が対応付けて記憶されている。素子温度が低い状態でモータロックが発生すれば、その後の通電持続時間を長くしても過熱を防止できることから、正の補正時間＋Ａが記憶されている。素子温度が高い状態でモータロックが発生すれば、その後の通電持続時間を短くしないと過熱を防止できないことから、負の補正時間−Ａが記憶されている。ステップＳ２４は、補正時間を加味して実際の通電持続時間の上限を求める処理に実施する。図５の破線は、補正後の通電持続時間を示している。この補正時間を用いることで、素子の過熱を防止する範囲で、素子の能力を最大限に発揮することが可能となる。

ステップＳ２６では、補正した通電持続時間が経過したか否かを判別する。経過すれば、素子を過熱から保護する必要が生じたことに相当するので、例えばトルク指示値を低下させるなどの保護制御に移行する。本実施例では、モータロック発生時の素子温度から補正時間Ｔ11を求め、それを加えた通電持続時間を用いるために、従来ならステップＳ２６がＹＥＳとなってしまうような場合でも、ＹＥＳとならないうちにモータロック現象を打破して登坂するといったことが可能となる。登坂性能が向上する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１：ｕ相上段スイッチング素子
２：ｕ相下段スイッチング素子
３：ｖ相上段スイッチング素子
４：ｖ相下段スイッチング素子（温度センサ７が近接している特定スイッチング素子）
５：ｗ相上段スイッチング素子
６：ｗ相下段スイッチング素子
７：温度センサ
８：インバータ
１０：制御装置
１２：モータ
１４：レゾルバ
１６：モータロック時の素子温度計算装置
１８：水温センサ

Claims (1)

1. モータに複数相交流を通電するインバータに含まれているスイッチング素子のモータロック発生時の温度を計算する装置であり、
   インバータに含まれている複数のスイッチング素子のうちの1つのスイッチング素子（特定スイッチング素子）の近傍に配置されている温度センサと、
   特定スイッチング素子へ通電中であってモータロックが生じていない期間に限定して温度センサの検出値に含まれる誤差を特定する誤差特定装置と、
   モータロックの発生を検出する装置と、
   モータロック発生時の温度センサの検出値と、誤差特定装置が特定した誤差から、モータロック発生時のスイッチング素子の温度を計算する装置と、
   を備えている素子温度計算装置。

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