JP2014027792A

JP2014027792A - モータ制御装置

Info

Publication number: JP2014027792A
Application number: JP2012166650A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Senba; 太芳戰場
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-07-27
Filing date: 2012-07-27
Publication date: 2014-02-06

Abstract

【課題】より簡便な方法で駆動装置の劣化の程度を判定する。
【解決手段】車両の停止時に、モータから回転トルクが生じないよう（モータにｄ軸電流が流れるよう）インバータのＩＧＢＴを制御するゼロトルク通電制御を実行し（ステップＳ１１０）、通電後温度Ｔａｆｔｅｒから通電前温度Ｔｐｒｅを減じた値が判定用閾値ｄｒｅｆ以上であるときにはインバータの劣化の程度が激しいと判定して劣化対応制御を実行する（ステップＳ１２０〜Ｓ１４０）。通電後温度Ｔａｆｔｅｒから通電前温度Ｔｐｒｅを減じた値と判定用閾値ｄｒｅｆとを比較するだけでよいから、より適正に簡便な方法で劣化の程度を判定することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、モータ制御装置に関し、詳しくは、走行用の動力を出力するモータと、少なくとも一つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子を有しモータを駆動する駆動装置と、を備える車両に搭載され、モータから走行用の動力を出力しながら走行するよう駆動装置を制御する駆動制御手段を備えるモータ制御装置に関する。

従来、この種のモータ制御装置としては、車載用の交流電動機を駆動する電力変換器に搭載されるパワー素子の劣化を判定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このモータ制御装置では、パワー素子を構成するトランジスタがオフしているときには、トランジスタのゲート−エミッタ間電圧の減衰が開始されてから所定時間が経過したときのコレクタ電流と所定の判定基準値とを比較することによりパワー素子の劣化を判定することができる。

特開２００７−０６０８６６号公報

しかしながら、上述のモータ制御装置では、モータの駆動状態やトランジスタの温度に応じてコレクタ電流が異なるため、パワー素子の劣化、すなわち、電力変換器の劣化を判定するには、モータの駆動状態やトランジスタの温度に応じて複数の判定基準値を準備する必要があり、判定が煩雑になる場合がある。したがって、より簡便な方法で電力変換器の劣化を判定することが望ましい。

本発明のモータ制御装置は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子を有し該モータを駆動する駆動手段と、を備える車両に搭載されるモータ制御装置において、より簡便な方法で駆動装置の劣化の程度を判定することを主目的とする。

本発明のモータ制御装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のモータ制御装置は、
走行用の動力を出力するモータと、少なくとも一つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子を有し前記モータを駆動する駆動装置と、を備える車両に搭載され、前記モータから前記走行用の動力を出力しながら走行するよう前記駆動装置を制御する駆動制御手段を備えるモータ制御装置であって、
前記駆動制御手段は、前記モータに所定の直流電流が流れるよう前記駆動装置を制御する所定直流電流制御を実行し、前記所定直流電流制御を実行する際に前記駆動装置の前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子に流れる素子電流と前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子の温度である素子温度とに基づいて前記駆動装置の劣化の程度を判定する劣化程度判定を実行する手段である、
モータ制御装置。
ことを要旨とする。

この本発明のモータ制御装置では、モータに所定の直流電流が流れるよう駆動装置を制御する所定直流電流制御を実行し、所定直流電流制御を実行する際に駆動装置の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子に流れる素子電流と絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子の温度である素子温度とに基づいて駆動装置の劣化の程度を判定する劣化程度判定を実行する。これにより、より簡便な方法で駆動装置の劣化の程度を判定することができる。

こうした本発明のモータ制御装置において、前記所定直流電流制御は、前記モータに回転トルクが生じることなく前記所定の直流電流が流れるよう前記駆動装置を駆動制御する制御であるものとすることもできる。この場合において、前記所定直流電流制御は、前記モータにｄ軸電流が流れるよう前記駆動装置を制御する制御であるものとすることもできる。

また、本発明のモータ制御装置において、前記駆動制御手段は、前記車両が停車しているときに、前記所定直流電流制御を実行すると共に前記劣化程度判定を実行する手段であるものとすることもできる。車両が停車しているときには、車両の駆動状態の変化が少ないと考えられる。したがって、車両が停車しているときに所定直流電流制御を実行すると共に劣化程度判定を実行することにより、より適正に駆動手段の劣化の程度の判定することができる。

さらに、本発明のモータ制御装置において、前記所定直流電流制御を予め定められた所定時間実行したときの素子温度の上昇量が前記駆動装置の劣化を判定するための前記素子温度の上昇量の閾値である判定用閾値以上であるときに前記駆動装置が劣化していると判定するものとすることもできる。

そして、本発明のモータ制御装置において、前記駆動装置は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子が絶縁性能の高い絶縁基板にはんだを用いて取り付けられてなるものであるものとすることもできる。絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子とはんだとの間に比較的大きな熱勾配が生じると、はんだにクラックが発生する場合があるが、こうした場合でも、より適正に駆動装置の劣化の程度を判定することができる。

本発明の実施例としての電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。インバータ５６の構成の概略を示す構成図である。電子制御ユニット７０によって実行される車両停止時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。変形例の判定用マップの一例を示す説明図である。変形例の実施例としての電気自動車１２０の構成の概略を示す構成図である。変形例の実施例としての電気自動車２２０の構成の概略を示す構成図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例としての電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車２０は、図示するように、例えば同期発電電動機として構成されて駆動輪２６ａ，２６ｂにデファレンシャルギヤ２４を介して連結された駆動軸２２に動力を入出力するモータ３０と、モータ３０を駆動するインバータ５６と、例えばリチウムイオン二次電池として構成されたバッテリ５８と、車両全体をコントロールする電子制御ユニット７０と、を備える。

インバータ５６は、スイッチング素子として複数の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴという）６０を備える周知のインバータ回路として構成されており、図２に示すように、ＩＧＢＴ６０は、比較的絶縁性能が高くＩＧＢＴ６０とは線膨張係数が異なる材料により形成された絶縁板６４にはんだ６２により取り付けられている。絶縁板６４は、冷却水と熱交換可能な冷却器６８にはんだ６６により取り付けられている。こうして構成により、冷却器６３は、はんだ６６，絶縁板６４，はんだ６２を介してＩＧＢＴ６０を冷却している。

電子制御ユニット７０は、ＣＰＵ７２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ７２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ７４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ７６と、図示しない入出力ポートとを備える。電子制御ユニット７０には、モータ３０を駆動制御するために必要な信号（例えば、モータ３０のロータの回転位置を検出する回転位置検出センサからの信号など）や、イグニッションスイッチ８０からのイグニッション信号，シフトレバーの操作位置を検出するシフトポジションセンサ８２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ８４からのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ８６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ８８からの車速Ｖ，ＩＧＢＴ６０の温度を検出する温度センサ９０からの素子温度Ｔｉｇｂｔなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット７０からは、インバータ５６のＩＧＢＴ６０へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。

こうして構成された実施例の電気自動車２０は、基本的には、電子制御ユニット７０によって実行される以下に説明する駆動制御によって走行する。電子制御ユニット７０は、運転者によるアクセルペダルの踏み込み量に対応するアクセル開度Ａｃｃと車速Ｖとに基づいて駆動軸２２に出力すべき要求トルクＴｒ＊を計算し、要求トルクＴｒ＊に対応する要求動力Ｐが駆動軸２２に出力されるようインバータ５６のＩＧＢＴ６０をスイッチング制御する。こうした制御により、電気自動車２０は、モータ３０から要求動力Ｐを出力して走行する。

インバータ５６は、実施例では、走行中においては、正弦波制御方式，過変調制御方式，矩形波制御方式のいずれかで制御するものとした。ここで、正弦波制御方式は、モータ３０の電圧指令と三角波（搬送波）電圧との比較によってインバータ５６に含まれる複数のＩＧＢＴ６０のオン時間の割合を調節するパルス幅変調（ＰＷＭ）制御において、三角波電圧の振幅以下の振幅の正弦波状の電圧指令を変換して得られる擬似的三相交流電圧をモータ３０に供給する制御方式である。また、過変調制御方式は、パルス幅変調制御において、三角波電圧の振幅より大きな振幅の正弦波状の電圧指令を変換して得られる過変調電圧をモータ３０に供給する制御方式である。さらに、矩形波制御方式は、矩形波電圧をモータ３０に供給する制御方式である。一般に、矩形波制御方式，過変調制御方式，正弦波制御方式の順で、モータ３０の出力応答性や制御性がよくなり、出力が小さくなり、インバータ５６のスイッチング損失などが大きくなる。したがって、低回転数低トルクの領域では、正弦波制御方式でインバータ５６を制御することにより、モータ３０の出力応答性や制御性を向上させることができる。また、高回転数高トルク領域では、矩形波制御方式でインバータ５６を制御することにより、大出力を可能とすると共にインバータ５６のスイッチング損失などを低減することができる。

次に、こうして構成された実施例の電気自動車２０の動作、特に、信号待ち等で車両が停止している際の動作について説明する。図３は、電子制御ユニット７０によって実行される車両停止時制御ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、信号待ち等で車両が停止したときに、電子制御ユニット７０により実行される。

車両停止時制御ルーチンが実行されると、電子制御ユニット７０は、温度センサ９０からの素子温度Ｔｉｇｂｔを入力し、入力した素子温度Ｔｉｇｂｔを通電前温度Ｔｐｒｅに設定する処理を実行する（ステップＳ１００）。

続いて、所定時間Ｔｒｅｆ（例えば、０．５ｓ，０．７ｓ，１．０ｓなど）の間モータ３０の現在の電気角に基づいてモータ３０から回転トルクが生じないよう（モータ３０にｄ軸電流が流れるよう）インバータ３６のＩＧＢＴ６０を制御するゼロトルク通電制御を実行し（ステップＳ１１０）、温度センサ９０からの素子温度Ｔｉｇｂｔを入力し、入力した素子温度Ｔｉｇｂｔを通電後温度Ｔａｆｔｅｒに設定する（ステップＳ１２０）。ゼロトルク通電制御を実行することにより、ＩＧＢＴ６０の温度が上昇するため、通常、通電後温度Ｔａｆｔｅｒは通電前温度Ｔｐｒｅより高い温度に設定される。

こうして通電前温度Ｔｐｒｅと通電後温度Ｔａｆｔｅｒを設定したら、通電後温度Ｔａｆｔｅｒから通電前温度Ｔｐｒｅを減じた値と、判定用閾値ｄｒｅｆとを比較する（ステップＳ１３０）。ここで、判定用閾値ｄｒｅｆは、はんだ６２とＩＧＢＴ６０の熱勾配によりはんだ６２にクラックが発生するとはんだ６２の熱抵抗が増大して冷却器６８によるＩＧＢＴ６０の冷却が適正に行ななくなることを考慮して、ステップＳ１１０のゼロトルク通電制御を実行する際にＩＧＢＴ６０に流れる電流と通電時間（所定時間Ｔｒｅｆ）とに基づいてはんだ６２のクラックなどのインバータ５６の劣化の程度が激しく後述する劣化対応制御が必要となるＩＧＢＴ６０の温度の上昇量の下限値として予め設定した値を用いるものとした。したがって、ステップＳ１３０は、インバータ５６の劣化の程度が激しいか否かを判定する処理となる。上述したように、インバータ５６は、車両が走行している際には、運転者からの駆動要求などに応じて、正弦波制御方式，過変調制御方式，矩形波制御方式のいずれかで制御されるため、ＩＧＢＴ６０に流した電流に対するＩＧＢＴ６０の温度との関係は制御方式によって異なるし、ＩＧＢＴ６０に流した電流に対するＩＧＢＴ６０の温度が一律に決まらない場合がある。そのため、走行中にステップＳ１３０の処理を実行すると、制御方式に応じて複数の判定用閾値を用意する必要があり処理が煩雑になったり、精密に劣化の判定が行なない場合がある。実施例では、車両が停止している際にステップＳ１３０の処理を実行することにより、車両が走行している際にステップＳ１３０の処理を実行する場合に比して、より簡便な方法でより適正に劣化の程度を判定することができる。

通電後温度Ｔａｆｔｅｒから通電前温度Ｔｐｒｅを減じた値が判定用閾値ｄｒｅｆ未満であるときには（ステップＳ１３０）、インバータ５６の劣化の程度が激しくないと判断して本ルーチンを終了し、通電後温度Ｔａｆｔｅｒから通電前温度Ｔｐｒｅを減じた値が判定用閾値ｄｒｅｆ以上であるときには（ステップＳ１３０）、インバータ５６の劣化の程度が激しい判断して、インバータ５６の動作に何らかの制限を与えたり、その旨を車両の図示しないインスツルメントパネルに表示したりする劣化対応制御を実行し（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。このように、車両の停止時でモータ３０から回転トルクが生じないよう（モータ３０にｄ軸電流が流れるよう）インバータ３６のＩＧＢＴ６０を制御するゼロトルク通電制御を実行し、通電後温度Ｔａｆｔｅｒから通電前温度Ｔｐｒｅを減じた値が判定用閾値ｄｒｅｆ以上であるときにはインバータ５６の劣化の程度が激しいと判定することにより、より適正に簡便な方法で劣化の程度を判定して、より適正なタイミングで劣化対応制御を実行することができる。

以上説明した実施例の電気自動車２０によれば、車両の停止時でモータ３０から回転トルクが生じないよう（モータ３０にｄ軸電流が流れるよう）インバータ３６のＩＧＢＴ６０を制御するゼロトルク通電制御を実行し、通電後温度Ｔａｆｔｅｒから通電前温度Ｔｐｒｅを減じた値が判定用閾値ｄｒｅｆ以上であるときにはインバータ５６の劣化の程度が激しいと判定することにより、より適正に簡便な方法で劣化の程度を判定することができる。

実施例の電気自動車２０では、ゼロトルク通電制御を実行し、通電後温度Ｔａｆｔｅｒから通電前温度Ｔｐｒｅを減じた値が判定用閾値ｄｒｅｆ以上であるときにはインバータ５６の劣化の程度が激しいと判定するものとしたが、ステップＳ１１０のゼロトルク通電制御の際にＩＧＢＴ６０に流れる電流とＩＧＢＴ６０の温度とに基づいてインバータ５６の劣化を判定すればよいから、例えば、インバータ５６にさほど劣化が生じていないときにステップＳ１１０のゼロトルク通電制御を実行した場合において想定されるＩＧＢＴ６０の温度の上限値Ｔｍａｘを予め求めておき、通電後温度Ｔａｆｔｅｒが上限値Ｔｍａｘを超えているときにインバータ５６の劣化が激しいと判定するものとしてもよい。

実施例の電気自動車２０では、車両の停止時に図３に例示したルーチンを実行するものとしたが、車両の走行中に、上述した正弦波制御方式，過変調制御方式，矩形波制御方式による制御を中断して、図３に例示したルーチンを実行するものとしてもよい。この場合、モータ３０が回転しているため、ステップＳ１１０の処理では、モータ３０の回転数に応じてモータから回転トルクが生じなくようｄ軸電流を設定すればよい。

実施例の電気自動車２０では、ゼロトルク通電制御を実行し、通電後温度Ｔａｆｔｅｒから通電前温度Ｔｐｒｅを減じた値が判定用閾値ｄｒｅｆ以上であるときにはインバータ５６の劣化の程度が激しいと判定して劣化対応制御を実行するものとしたが、通電後温度Ｔａｆｔｅｒから通電前温度Ｔｐｒｅを減じた値に基づいてインバータ５６の劣化の程度を推定し、推定した劣化の程度と走行距離と図４に例示する判定用マップとを用いてインバータ５６の劣化が経年劣化であるか、過剰な振動がインバータ５６に印加されるなど通常とは異なる何らかの要因による劣化（以下、イレギュラーな劣化という）であるかを判定するものとしてもよい。こうすれば、劣化の原因を確認することができる。なお、図中、実線はインバータ５６が経年劣化した場合における走行距離とインバータ５６の劣化の程度との関係を示すラインであり、破線はインバータ５６にイレギュラーな劣化が生じた場合における走行距離とインバータ５６の劣化の程度との関係を示すラインである。

実施例では、インバータ５６の劣化の判定を電気自動車２０を用いて説明したが、電気自動車２０とは異なる如何なる車両を対象としてもよい。例えば、図５の変形例の電気自動車１２０に例示するように、駆動輪２６ａ，２６ｂに接続された駆動軸に変速機１３０を介してモータ３０を取り付け、モータ３０の回転軸にクラッチ１２９を介してエンジン１２２を接続する構成とし、エンジン１２２からの動力をモータ３０の回転軸と変速機１３０とを介して駆動軸２２に出力すると共にモータ３０からの動力を変速機１３０を介して駆動軸２２に出力する車両としてもよいし、図６の変形例の電気自動車２２０に例示するように、電気自動車２０は、エンジン２２２と、モータＭＧと、モータＭＧを駆動するインバータ２５８と、エンジン２２２のクランクシャフトとモータＭＧの回転軸とモータ３０の回転軸とにそれぞれキャリアとサンギヤとリングギヤとが接続されたプラネタリギヤ２２６とを備え、エンジン２２２からの動力をプラネタリギヤ２２６を介して駆動輪２６ａ，２６ｂに接続された駆動軸２２に出力すると共にモータ３０からの動力を駆動軸２２に出力するハイブリッド車であるものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータ３０が「モータ」に相当し、インバータ５６が「駆動装置」に相当し、電子制御ユニット７０が「駆動制御手段」に相当する。

ここで、「モータ」としては、同期発電電動機として構成されたモータ３０に限定されるものではなく、走行用の動力を出力するものであれば如何なるものとしても構わない。「駆動装置」としては、ＩＧＢＴ６０を有するインバータ５６に限定されるものではなく、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子を有し前記モータを駆動するものであれば如何なるものとしても構わない。「駆動制御手段」としては、要求動力Ｐが駆動軸２２に出力されるようインバータ５６のＩＧＢＴ６０をスイッチング制御したり、ゼロトルク通電制御を実行し、通電後温度Ｔａｆｔｅｒから通電前温度Ｔｐｒｅを減じた値に基づいてインバータ５６の劣化の程度を判定するものに限定されるものではなく、モータから走行用の動力を出力しながら走行するよう駆動装置を制御したり、モータに所定の直流電流が流れるよう駆動装置を制御する所定直流電流制御を実行し、所定直流電流制御を実行する際に駆動装置の絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子に流れる素子電流と絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子の温度である素子温度とに基づいて駆動装置の劣化の程度を判定する劣化程度判定を実行するものであれば如何なるものとしても構わない。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、モータ制御装置に利用可能である。

２０，１２０，２２０電気自動車、２２駆動軸、２４デファレンシャルギヤ、２６ａ，２６ｂ駆動輪、３０，ＭＧモータ、５６，２５８インバータ、５８バッテリ、６０ＩＧＢＴ、６２，６６はんだ、６４絶縁板、６８冷却器、７０電子制御ユニット、７２ＣＰＵ、７４ＲＯＭ、７６ＲＡＭ、８０イグニッションスイッチ、８２シフトポジションセンサ、８４アクセルペダルポジションセンサ、８６ブレーキペダルポジションセンサ、８８車速センサ、９０温度センサ、１２２，２２２エンジン、１２９クラッチ、１３０変速機、２２６プラネタリギヤ。

Claims

走行用の動力を出力するモータと、少なくとも一つの絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子を有し前記モータを駆動する駆動装置と、を備える車両に搭載され、前記モータから前記走行用の動力を出力しながら走行するよう前記駆動装置を制御する駆動制御手段を備えるモータ制御装置であって、
前記駆動制御手段は、前記モータに所定の直流電流が流れるよう前記駆動装置を制御する所定直流電流制御を実行し、前記所定直流電流制御を実行する際に前記駆動装置の前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子に流れる素子電流と前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子の温度である素子温度とに基づいて前記駆動装置の劣化の程度を判定する劣化程度判定を実行する手段である、
モータ制御装置。
請求項１記載のモータ制御装置であって、
前記所定直流電流制御は、前記モータに回転トルクが生じることなく前記所定の直流電流が流れるよう前記駆動装置を駆動制御する制御である、
モータ制御装置。
請求項２記載のモータ制御装置であって、
前記所定直流電流制御は、前記モータにｄ軸電流が流れるよう前記駆動装置を制御する制御である、
モータ制御装置。
請求項１ないし３のいずれか１つの請求項に記載のモータ制御装置であって、
前記駆動制御手段は、前記車両が停車しているときに、前記所定直流電流制御を実行すると共に前記劣化程度判定を実行する手段である、
モータ制御装置。
請求項１ないし４のいずれか１つの請求項に記載のモータ制御装置であって、
前記劣化程度判定は、前記所定直流電流制御を予め定められた所定時間実行したときの素子温度の上昇量が前記駆動装置の劣化を判定するための前記素子温度の上昇量の閾値である判定用閾値以上であるときに前記駆動装置が劣化していると判定する、
モータ制御装置。
請求項１ないし５のいずれか１つの請求項に記載のモータ制御装置であって、
前記駆動装置は、前記絶縁ゲートバイポーラトランジスタ素子が絶縁性能の高い絶縁基板にはんだを用いて取り付けられてなる装置である
モータ制御装置。