JP2015006061A - 車載用電動圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】適用可能な車種の幅を拡大することのできる車載用電動圧縮機を提供する。
【解決手段】車載電源１０に接続される接続端子２２とフィルタ回路２８との間に電流センサ３１を設ける。そして、インバータ２４の入力電流のリップル成分の周波数をその電流センサ３１の測定電流から確認し、その確認された周波数と重ならないように、インバータ２４のキャリア周波数を可変設定すべく、インバータ２４の制御部３２を構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルス幅変調により制御される電動モータの動力で冷媒を圧縮する車載用電動圧縮機に関する。

電動自動車やハイブリッド自動車などの車両に搭載される空調装置用の圧縮機として、冷媒を圧縮する圧縮機構を電動モータにより駆動するとともに、その電動モータの制御方式として、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）制御を採用したものがある。

図３は、パルス幅変調による電動モータの駆動電圧の制御態様の一例を示している。電動モータの駆動電圧をパルス幅変調により制御するインバータは、スイッチング素子のスイッチングのタイミングを決めるため、図３（ａ）に示す２つの信号を用いる。すなわち、搬送波信号と呼ばれる高周波の三角波信号と、電圧を指示するための電圧指令信号とである。図３（ｂ）に示すように、インバータのスイッチング素子は、搬送波信号と電圧指令信号との信号レベルの比較結果に応じて開閉駆動されて、電流の透過と遮断とを切り換える。その結果、インバータの出力電圧は、図３（ｃ）に示すような高周波のパルス波となる。

インバータの出力電圧の実効値は、この電圧パルスの平均値となる。電圧指令信号の信号レベルを変化させると、電圧指令信号の信号レベルが搬送波信号以上となっている期間が伸縮し、出力電圧のパルス幅が変化する。そのため、電圧指令信号の信号レベルを操作することで、インバータの出力電圧の実効値を、ひいては電動モータの駆動電圧を制御することができるようになる。

特開平７−１２３７００号公報

ところで、ＰＷＭ制御を行うインバータは、その入出力電流に、搬送波の周波数（キャリア周波数）と同じ周波数のリップルを生じさせることがある。そのため、電動圧縮機が、走行用モータなどの他の車載電気機器と電源を共有し、その車載電気機器がＰＷＭ制御されている場合には、そうした他の車載電気機器のインバータ（以下、車両インバータと記載する）によって発生されたリップルが電動圧縮機の入力電流に乗ってしまうことがある。

このような車両側で発生した電流リップルの周波数が、電動圧縮機のインバータにより発生されるリップルの周波数と一致したり、それら周波数の比が整数比となっていたりすると、２つのリップルが重畳されて、電動圧縮機の内部やその給電ラインを流れる電流のリップル量が想定よりも大きくなってしまうことがある。

こうした場合、電動圧縮機の給電ラインを流れる電流が一時的に過大となって、過電流からの保護のために、電動圧縮機への電力供給が遮断されてしまうことがある。また、そうしたリップルの重畳が予め想定されるであれば、電動圧縮機に設置されるフィルタ回路等の素子のリップル耐性をその分高くしておかなければならず、製造コストや体格の増大を招くことにもなる。

電動圧縮機のインバータのキャリア周波数を、車両側とのリップルの重畳が生じないような周波数に予め設定しておけば、上記のような電流リップルの増大は回避できる。しかしながら、車両インバータのキャリア周波数は、すべての車種で共通していないため、搭載される車種に応じて電動圧縮機の仕様変更が必要となる。

ちなみに、特許文献１には、インバータの入力電圧の変動（リップル）を測定し、その変動と逆位相の変動をインバータの目標出力電圧に加えることで、出力電圧の変動を抑えるようにした電力変換装置が記載されている。しかしながら、この電力変換装置による出力電圧の変動抑制は、入力電圧の変動の周波数よりもインバータのキャリア周波数が十分高いときにしか行えない。そしてそのように、車両側、車載電動圧縮機のインバータのキャリア周波数が大きく異なれば、リップルの重畳はそもそも生じない。よって、この従来の電力変換装置では、上記のようなリップル同士の重畳による電流リップルの増大に対処し得ない。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、適用可能な車種の幅を拡大することのできる車載用電動圧縮機を提供することにある。

上記課題を解決する車載用電動圧縮機は、冷媒を圧縮するための動力を発生する電動モータと、その電動モータの駆動電力をパルス幅変調により調整するインバータと、そのインバータの入力電流のノイズを除去するフィルタ回路と、を備える車載用電動圧縮機において、車載電源に接続される当該電動圧縮機の接続端子と前記フィルタ回路との間に設けられた電流センサと、その電流センサにより測定される電流のリップル成分の周波数に応じて前記インバータのキャリア周波数を可変設定する制御部と、を備えるようにしている。

こうした車載用電動圧縮機では、電流センサにより測定された入力電流のリップル成分の周波数に応じて、インバータのキャリア周波数が可変設定される。そのため、車両側のインバータにより生じた入力電流のリップルと、自己のインバータにより生じるリップルとが重畳しないように、インバータのキャリア周波数を適宜変更することが可能となる。しかも、そうしたキャリア周波数の変更を自己完結的に行うことができ、車両側、車載用電動圧縮機側のいずれにも仕様変更を要することなく、多数の車種に車載用電動圧縮機を対応させられる。

なお、制御部によるインバータのキャリア周波数の可変設定は、電流センサにより測定される電流のリップル成分の周波数とインバータのキャリア周波数とが重なる場合には、インバータのキャリア周波数をリップル成分の周波数と重ならないように変更し、電流センサにより測定される電流のリップル成分の周波数とインバータのキャリア周波数とが重ならない場合には、インバータのキャリア周波数を変更しないように行うことが好適である。

また、制御部が、電動モータの駆動開始前に、上記のようなインバータのキャリア周波数の可変設定を行うようにすれば、リップルの重畳による電流リップルの増大が、電動モータの駆動開始の時点から回避されるようになる。

本発明によれば、適用可能な車種の幅を拡大することができる。

車載用電動圧縮機の一実施形態ついてその電気的構成を、搭載された車両の電気的構成と共に示す回路図。 同実施形態の車載用電動圧縮機の制御部により実行されるキャリア周波数設定ルーチンの処理手順を示すフローチャート。 （ａ）〜（ｃ）パルス幅変調によるモータ駆動電圧の制御態様を示すタイムチャート。

以下、車載用電動圧縮機の一実施形態を、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
図１に、本実施形態の車載用電動圧縮機及び同圧縮機が搭載される車両の電気的構成を示す。同図に示すように、本実施形態の車載用電動圧縮機２０が搭載される車両には、車載電源１０が設けられている。この車載電源１０からは、走行用モータなどの車載用電動圧縮機２０以外の車載電気機器にも電力が供給されるようになっている。

一方、車載用電動圧縮機２０は、空調用の冷媒を圧縮するための動力を発生する電動モータ２３、その電動モータ２３の駆動電圧をパルス幅変調により調整するインバータ２４を備えている。なお、この車載用電動圧縮機２０では、電動モータ２３として三相直流モータが採用されている。そして、車載用電動圧縮機２０は、プラス側の接続端子２１及びマイナス側の接続端子２２を通じて、プラス側の給電ライン１１及びマイナス側の給電ライン１２にそれぞれ接続されている。

インバータ２４には、電動モータ２３の駆動電圧を調整するためのスイッチング素子が設けられたスイッチング回路２５が設けられている。スイッチング回路２５は、プラス側の配線２６を介してプラス側の接続端子２１に、マイナス側の配線２７を介してマイナス側の接続端子２２にそれぞれ接続されている。

配線２６、２７の途中には、接続端子２１、２２より入力された電流のノイズを除去するフィルタ回路２８が設けられている。フィルタ回路２８は、コイル２９とコンデンサ３０とを有するＬＣフィルタとして構成されている。この車載用電動圧縮機２０では、プラス側の配線２６上にコイル２９を設け、プラス側の配線２６とマイナス側の配線２７とをコンデンサ３０を介して接続することで、フィルタ回路２８を形成している。

マイナス側の配線２７におけるフィルタ回路２８と接続端子２２との間の部分には、電流センサ３１が設置されている。そして、その電流センサ３１によって、配線２７の電流レベルが測定されるようになっている。

さらに、インバータ２４には、スイッチング回路２５のスイッチング素子のスイッチングパターンを制御する制御部３２が設けられてもいる。制御部３２は、各種の演算処理を行うマイクロコンピューター、電流センサ３１の信号をデジタル変換するＡＤ変換器、スイッチング回路２５のスイッチング素子の駆動信号を生成する駆動回路を備えている。制御部３２のマイクロコンピューターには、車両の空調制御用の電子制御ユニット（以下、空調ＥＣＵ３３と記載する）からの指令信号が入力されるようになっている。

次に、電動モータ２３の駆動電圧の調整にかかるインバータ２４の動作を説明する。
制御部３２のマイクロコンピューターは、空調ＥＣＵ３３からの指令に基づき、指令された駆動電圧の確保に必要な電圧指令信号の信号レベルを演算する。また、マイクロコンピューターは、電流センサ３１の測定結果からインバータ２４の入力電流を演算し、さらにその演算結果からインバータ２４の入力電力を演算する。

制御部３２の駆動回路は、ここで演算された信号レベルの電圧指令信号と、マイクロコンピューターにより設定された周波数の搬送波信号とを生成する。さらに、駆動回路は、それら電圧指令信号と搬送波信号との信号レベルの比較により、パルス状の駆動信号を生成して、スイッチング回路２５の各スイッチング素子に出力する。なお、駆動信号のパルス幅は、電圧指令信号の信号レベルに応じたものとなり、駆動信号の周波数は、搬送波信号の周波数（キャリア周波数）に応じたものとなる。なお、駆動信号は、電動モータ２３の相毎に個別に生成される。

こうした駆動信号によりスイッチング回路２５の各スイッチング素子が開閉動作して、電流の透過と遮断とを切り換えることで、インバータ２４から電動モータ２３の各相に、高周波のパルス波となった電圧が出力される。電動モータ２３の駆動電圧の実効値は、こうしたインバータ２４の出力電圧の平均値となり、その値は、出力電圧のパルス幅、より厳密には、出力電圧のパルスの周期に対するパルス幅の比（デューティー比）に応じたものとなる。このようにインバータ２４は、出力電圧のパルス幅のデューティー比を変化させることで、電動モータ２３の駆動電圧を調整している。

さて、こうした車載用電動圧縮機２０では、車載電源１０を共有する車両の走行モータのＰＷＭ制御により生じたリップルが入力電流に乗ることがある。この電流リップルの周波数は、走行モータの駆動電力を制御するインバータのキャリア周波数に応じたものとなる。一方、車載用電動圧縮機２０のインバータ２４も、そのキャリア周波数に応じた周波数の電流リップル生じさせることがある。そして、これらの電流リップルの周波数が一致すると、リップル同士が重畳して、入力電流のリップル量が増大してしまう。

本実施形態の車載用電動圧縮機２０には、こうしたリップルの重畳を自律的に回避する仕組みが備えられている。すなわち、本実施形態の車載用電動圧縮機２０の制御部３２は、その作動の開始時に入力電流のリップル成分の周波数（リップル周波数）を確認し、その周波数と重ならないように自身のインバータ２４のキャリア周波数を可変設定することで、リップルの重畳を自律的に回避している。以下、こうしたキャリア周波数の可変設定にかかる制御部３２の処理の詳細を説明する。

図２は、そうしたキャリア周波数の可変設定にかかるキャリア周波数設定ルーチンのフローチャートを示している。同ルーチンの処理は、空調ＥＣＵ３３から車載用電動圧縮機２０の作動開始の指令を受けたときに、制御部３２のマイクロコンピューターにより実行される。

本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ１００において、電流センサ３１の測定信号のサンプリングが一定期間行われる。そして、ステップＳ１０１において、そのサンプリングの結果から、インバータ２４の入力電流のリップル成分の周波数が演算される。

続くステップＳ１０２では、演算した入力電流のリップル周波数に基づき、インバータ２４のキャリア周波数の変更の要否が判定される。具体的には、キャリア周波数の現在の設定値が、演算された入力電流のリップル周波数の近傍の値であれば、キャリア周波数の変更が必要と判定され、そうでなければその変更は不要と判定される。

ここで、キャリア周波数の変更が不要と判定されれば、そのまま本ルーチンの処理が終了される。一方、キャリア周波数の変更が必要と判定されれば、ステップＳ１０３において、入力電流のリップル周波数と重ならない値に、キャリア周波数の設定値が変更された後、本ルーチンの処理が終了される。そして、その後、その変更されたキャリア周波数のもとで電動モータ２３への電力供給が開始される。なお、キャリア周波数の設定値の変更は、例えばプリセットされた複数の設定値の中から、入力電流のリップル周波数と重ならないものを選択したり、入力電流のリップル周波数と重ならない周波数を演算して設定したりすることで行うことが可能である。

次に、以上のように構成された本実施形態の車載用電動圧縮機の作用を説明する。
本実施形態の車載用電動圧縮機２０では、その作動の開始に、すなわち電動モータ２３の駆動の開始に際して、電流センサ３１の測定結果からインバータ２４の入力電流のリップル周波数が確認される。このとき確認された入力電流のリップルの周波数が、インバータ２４のキャリア周波数の現在の設定値と重なっていれば、インバータ２４のキャリア周波数を変更した上で、車載用電動圧縮機２０の作動が開始される。そのため、車載用電動圧縮機２０の作動を開始した時点から、上記のようなリップルの重畳は生じないようになる。

ちなみに、従来の車載用電動圧縮機にも、インバータの入力電力を確認するため、電流センサを備えたものがある。ただし、そうした従来の車載用電動圧縮機では、フィルタ回路とインバータとの間に電流センサが設けられている。こうした場合、電動モータの駆動が開始される以前には、電流センサに電流が一切流れないため、入力電流のリップル周波数の事前確認は不能である。

これに対して、本実施形態の車載用電動圧縮機２０では、車載電源１０に電気的に接続される接続端子２２とフィルタ回路２８との間に電流センサ３１が設けられている。電動モータ２３の駆動が開始される前にも、入力電流のリップル成分だけは、コンデンサ３０を透過して流れるため、上記位置に設けられた電流センサ３１であれば、入力電流のリップル周波数の事前確認が可能である。

以上説明した本実施形態の車載用電動圧縮機によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、電流センサ３１により測定された入力電流のリップル成分の周波数に応じて、インバータ２４のキャリア周波数を可変設定するようにしている。そのため、車両側とのリップルの重畳による電流リップルの増大を回避することができ、想定を超えた電流リップルの増大による過電流保護機構の作動や、部品のリップル耐性の確保のためのコストや体格の増大を好適に抑制することができる。

（２）キャリア周波数の可変設定を車載用電動圧縮機２０自身が自己完結的に行うことができるため、車両側で発生する電流リップルの周波数が異なる車両に適用されても、車両側とのリップルの重畳による電流リップルの増大の回避が可能である。そのため、車載用電動圧縮機２０を、仕様を変更せずそのまま、しかも車両側の仕様変更も求めることなく、多くの車種に適用できるようになる。したがって、本実施形態の車載用電動圧縮機によれば、適用可能な車種の幅を拡大することができる。

（３）本実施形態では、車載電源１０への接続用の接続端子２２とフィルタ回路２８との間に電流センサ３１が設けられている。そのため、入力電流のリップル成分の周波数を電動モータ２３の駆動開始前に確認しておくことができ、車両側とのリップルの重畳による電流リップルの増大を、電動モータ２３の駆動開始の時点から回避しておくことができる。

（４）電流センサ３１の位置以外のハードウェア構成が従来の車載用電動圧縮機とほぼ同じであるため、設計や生産ラインの構築が容易である。
なお、上記実施形態は、以下のように変更してもよい。

○上記実施形態では、入力電流のリップル成分の周波数がインバータ２４のキャリア周波数の設定値に近いときに、キャリア周波数の設定値を変更するようにしていた。なお、インバータ２４のキャリア周波数が、入力電流のリップル成分の周波数のＮ倍、１／Ｎ倍のとき（Ｎ：任意の自然数）にも、リップル同士の重畳によるリップルの増大が生じることがある。そうした場合には、入力電流のリップル成分の周波数がインバータ２４のキャリア周波数の設定値のＮ倍、１／Ｎ倍に近いときにも、キャリア周波数の設定値を変更するようにすれば、リップル同士の重畳による電流リップルの増大の回避が可能となる。

○上記実施形態では、車載用電動圧縮機２０の作動開始が指令されたときにキャリア周波数設定ルーチンの処理を実行していた。車両側のインバータによって生じる入力電流のリップルの周波数が一定であることが保証されている場合などには、例えば車両製造時や車載用電動圧縮機２０の交換後における車載用電動圧縮機２０の試験運転時などに一度だけ、キャリア周波数設定ルーチンの処理を実行するようにしても良い。

○上記実施形態では、車載用電動圧縮機２０の作動開始が指令されたときにキャリア周波数設定ルーチンの処理を実行していた。車載用電動圧縮機２０の作動中に車両側のインバータのキャリア周波数が変更されることがあるのであれば、作動中もキャリア周波数設定ルーチンの処理を定期的に実行し、車両側のインバータのキャリア周波数の変更に応じて、インバータ２４のキャリア周波数を随時変更可能としても良い。

○上記実施形態では、インバータ２４の入力電流のノイズを除去するフィルタ回路２８をコイル２９及びコンデンサ３０の２つの素子で構成していたが、その素子の数や種類、配置等の異なる回路をフィルタ回路として採用しても良い。

○上記実施形態では、フィルタ回路２８、電流センサ３１及び制御部３２をインバータ２４に内蔵していたが、それらの一部、あるいは全部を、インバータ２４とは別の部品として車載用電動圧縮機２０に設けるようにしても良い。

○上記実施形態では、電動モータ２３として三相直流モータを採用していたが、インバータによるＰＷＭ制御が可能な電動モータであれば、それ以外の電動モータを採用しても良い。

１０…車載電源、１１…プラス側の給電ライン、１２…マイナス側の給電ライン、２０…車載用電動圧縮機、２１…プラス側の接続端子、２２…マイナス側の接続端子、２３…電動モータ、２４…インバータ、２５…スイッチング回路、２６…プラス側の配線、２７…マイナス側の配線、２８…フィルタ回路、２９…コイル、３０…コンデンサ、３１…電流センサ、３２…制御部、３３…空調ＥＣＵ。

Claims (3)

1. 冷媒を圧縮するための動力を発生する電動モータと、その電動モータの駆動電力をパルス幅変調により調整するインバータと、そのインバータの入力電流のノイズを除去するフィルタ回路と、を備える車載用電動圧縮機において、
   車載電源に接続される当該電動圧縮機の接続端子と前記フィルタ回路との間に設けられた電流センサと、
   その電流センサにより測定される電流のリップル成分の周波数に応じて前記インバータのキャリア周波数を可変設定する制御部と、
   を備えることを特徴とする車載用電動圧縮機。
2. 前記制御部は、前記電流センサにより測定される電流のリップル成分の周波数と前記インバータのキャリア周波数とが重なる場合には、前記インバータのキャリア周波数を、前記リップル成分の周波数と重ならないように変更し、前記電流センサにより測定される電流のリップル成分の周波数と前記インバータのキャリア周波数とが重ならない場合には、前記インバータのキャリア周波数を変更しない
   ことを特徴とする請求項１記載の車載用電動圧縮機。
3. 前記制御部は、前記電動モータの駆動開始前に前記インバータのキャリア周波数の可変設定を行うことを特徴とする請求項１又は２のいずれか一項に記載の車載用電動圧縮機。