JP2015136217A - インバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータの運転停止時に温度検出を行うので、冷却装置に異常があった場合には、冷却異常の状態でインバータを運転することになり、インバータ内のスイッチ素子が過熱する虞があった。
【解決手段】ステップＳ１０３では、インバータ制御部５００は、温度変化の傾きの差分と閾値A0を比較する。例えば、冷却異常で略直線的に温度上昇を継続している場合は、時間閾値tsで温度変化の傾きを算出すると小さい負の値になる。ステップＳ１０８では、インバータ制御部５００は、冷却異常でインクリメントされているエラーカウンタEtと時間閾値tsとを比較する。そして、ステップＳ１０８でエラーカウンタEtが時間閾値tsより大きくなると、冷却異常と判定し、次のステップＳ１１０へ進む。
【選択図】図３

Description

本発明は、インバータ制御装置に関する。

一般に、インバータは、スイッチング素子をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号でスイッチング動作させ、モータへ供給する電流を制御してモータを駆動している。このスイッチング素子を冷却している冷却装置に異常があると、インバータの温度が上昇して、インバータ内のスイッチ素子が過熱する虞がある。

特許文献１には、インバータ回路の運転停止時の温度とその後に検出時間が経過した後の温度とに基づいて温度変化量を演算し、この温度変化量が判定値以下の場合、冷却用ファンが異常と判定することが記載されている。

特開２００７-３１２５３６号公報

しかし特許文献1では、インバータの運転停止時の温度に基づいて温度検出を行うので、冷却装置に異常があった場合には、冷却異常の状態でインバータを運転することになり、インバータ内のスイッチ素子が過熱する虞があった。

本発明のインバータ制御装置は、モータを駆動するインバータにモータ制御信号を出力すると共に、冷却媒体により冷却されているインバータの温度が入力されるインバータ制御装置であって、第１の時点におけるインバータの温度変化の傾きと、第１の時点から一定時間経過後の第２の時点におけるインバータの温度変化の傾きとの差分が所定の閾値を超えた状態を検出し、この状態の経過時間が所定の時間閾値よりも大きい場合にインバータの冷却系統が異常であると判定することを特徴とする。

本発明は、インバータの運転中に冷却異常を検知することで、インバータが過熱するのを防ぐことができる。

モータ駆動システムの構成図である。 第１の実施の形態に係るインバータの時間温度特性を示すグラフである。 第１の実施の形態に係る冷却異常検知のフローチャートである。 第２の実施の形態に係るインバータの時間温度特性を示すグラフである。 第２の実施の形態に係る冷却異常検知のフローチャートである。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係るインバータ制御装置としてのインバータ制御部５００を含むモータ駆動システムの構成図である。モータ１００は、ハイブリット車両や電気自動車の駆動源であり、磁石を内蔵した３相交流同期モータである。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３相分の巻線を有するステータと、巻線に電流が流れることで変化する磁束によって回転力が発生する回転子の２つの部分から主として構成される。

インバータ２００は、コンデンサ２０１、スイッチング素子である６つのトランジスタ２０２（例えばＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）を備え、２つのトランジスタが直列に接続されて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の上アーム、下アームを構成する。各トランジスタ２０２のコレクタとエミッタ間には、電気的に逆並列にダイオード２０３が接続されている。インバータ２００内にはインバータ２００の温度を検出する温度センサ２０４が設けられている。インバータ２００内のスイッチング素子などの電子部品は、図示省略する冷却装置により冷却されている。冷却装置は、インバータ２００内のスイッチング素子などの電子部品を絶縁冷却シートおよびヒートシンクで囲み、絶縁冷却シートおよびヒートシンクで囲まれた電子部品に冷却ポンプにより冷却配管７００から冷却媒体８００を循環して冷却する。

バッテリ３００は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの２次電池であり、１００Ｖから４００Ｖ程度の高い電圧を供給する。バッテリ３００から供給される電圧はＤＣケーブル４００を介してインバータ２００に入力される。

インバータ制御部５００は、インバータ２００の中の６つのスイッチング素子であるトランジスタ２０２のゲート端子にモータ制御信号（ＰＷＭ信号）を出力し、各トランジスタ２０２を制御することでモータ１００へ供給する電流を制御して、モータ１００のトルクを制御する。また、インバータ制御部５００には、トランジスタ２０２の近傍に設けられた温度センサ２０４から検出された温度Tthが入力され、インバータ制御部５００は、インバータ２００の冷却系統の異常を判定する。冷却系統の異常とは、冷却装置の故障、例えば、冷却媒体の漏洩や冷却ポンプ、ラジエタの故障等によりインバータ２００の冷却能力が低下した状態のことである。

図２はインバータ２００の時間温度特性を示すグラフである。
図２のTth1で示すグラフは、冷却系統が正常である場合のインバータ２００の温度Tthの推移を表す。トルク制御等によりインバータ２００の温度が上昇を開始する時点t1では、インバータ２００の温度と冷却水の温度との差がほとんど無いため、冷却系統が正常な場合と異常な場合とでそれぞれの温度変化の傾きの差異は非常に小さい。ある一定時間経過後、冷却系統が正常である場合は冷却媒体による脱熱によって温度上昇は収束する。

一方、図２のTth2で示すグラフは、冷却系統が異常である場合のインバータ２００の温度Tthの推移を表す。冷却系統が異常である場合は、冷却媒体による脱熱がないためインバータ２００は温度上昇を続け、時間が経過するとインバータ２００の保護温度Tkに達する。インバータの保護温度Tkはインバータ内のスイッチ素子が過熱する虞がある温度である。

図２の温度Tiは、ある時点tiにおけるインバータ２００の温度であり、温度Tjは、現在の時点tjにおけるインバータ２００の温度である。時間閾値tsは、冷却異常の有無で温度上昇に差異が生じる閾値を表す値で、例えば、ある時点tiから時点tjまでに冷却異常により温度上昇に差異が生じたとすると、現在の時点tjからある時点tiを減算した値で表される。到達時間tkは、現在の時点tjにおける現在の温度上昇の傾きTth3に基づいてこの温度上昇が継続した場合にインバータ２００の保護温度Tkに到達するまでの時間を表す。

次に、図２および図３を参照して、第１の実施の形態に係るインバータ制御装置の動作について説明する。
図３は、インバータ制御部５００における冷却異常検知のフローチャートである。インバータ制御部５００は、インバータ２００の起動により冷却異常検知をスタートする。ステップＳ１０１において、インバータ制御部５００は、温度センサ２０４より入力されているインバータ２００の温度変化の傾きを算出する。この時の時点をti、温度をTiとすると、温度変化の傾きはΔTi /Δtiとなる。

ステップＳ１０２において、インバータ制御部５００は、ステップＳ１０１の時点tiから一定時間経過後、すなわち時間閾値tsだけ経過後のインバータ２００の温度変化の傾きを再度算出する。この時の時点をtj、温度をTjとすると、温度変化の傾きはΔTj /Δtjとなる。

ステップＳ１０３では、インバータ制御部５００は、ステップＳ１０１とステップＳ１０２で算出した温度変化の傾きの差分と閾値A0を比較する。閾値A0は０以下の予め定められた値である。温度変化の傾きの差分が閾値A0以下の場合はステップＳ１０４の処理へ、温度変化の傾きの差分が閾値A0より大きい場合はステップＳ１０５の処理へ進む。例えば、冷却異常のために略直線的に温度上昇が継続している場合は、時間閾値tsで温度変化の傾きの差分は小さい負の値になる。この場合は、差分が閾値A0より大きいと判定され、ステップＳ１０５の処理へ進む。

ステップＳ１０４では、インバータ制御部５００は、インバータ制御部５００の内部に設けられているエラーカウンタEtをリセットし、ステップＳ１０１へ戻り、再度温度変化の傾きの算出を行う。

ステップＳ１０５では、インバータ制御部５００は、冷却異常のエラーカウンタEtをインクリメントする。そして、次のステップＳ１０６で、インバータ２００の保護温度Tkへ到達するまでの到達時間tkを算出する。到達時間tkは次の式１に基づいて算出する。
tk=(Tk-Tj)Δtj/ΔTj 式１

ここで、現時点でのインバータ２００の温度は温度Tjであり、現時点でのインバータ２００の温度変化の傾きはΔTj /Δtjである。図２に示すグラフのTth3は、現在の時点tjにおける現在の温度上昇の傾きを表す。そして、到達時間tkは、傾きTth3に基づいてインバータ２００の保護温度Tkに到達するまでの時間を表わしている。

ステップＳ１０７では、インバータ制御部５００は、温度変化の傾きに差異が生じる時間閾値tsとステップＳ１０６で算出した到達時間tkを比較する。そして、時間閾値tsが到達時間tkより小さい場合は、インバータ２００の保護温度Tkに到達する可能性がある為、ステップＳ１０９の処理へ進む。また、 時間閾値tsが到達時間tk以上の場合はステップＳ１０８の処理へ進む。

ステップＳ１０８では、インバータ制御部５００は、冷却異常でインクリメントされているエラーカウンタEtと時間閾値tsとを比較する。そして、エラーカウンタEtが時間閾値ts以下の場合は、ステップＳ１０１以下の処理へ戻り、温度変化の傾きを確認する。ステップＳ１０３で、温度変化の傾きの差分が閾値A0より大きく、冷却異常で温度上昇が継続している場合は、ステップＳ１０５の処理でエラーカウンタEtはインクリメントされる。すなわち、エラーカウンタEtは、冷却異常で温度上昇が継続している経過時間分だけカウントされる。そして、エラーカウンタEtが時間閾値tsより大きくなると、ステップＳ１０８で冷却異常と判定し、次のステップＳ１１０へ進む。

ステップＳ１０９では、インバータ制御部５００は、冷却異常でインクリメントされているエラーカウンタEtと到達時間tkとを比較する。そして、エラーカウンタEtが到達時間tk以下の場合は、ステップＳ１０１以下の処理へ戻り、温度変化の傾きを確認する。エラーカウンタEtが到達時間tkより大きくなると、ステップＳ１０９で冷却異常と判定し、次のステップＳ１１０へ進む。

ステップＳ１１０では、インバータ制御部５００は、インバータ２００に出力するＰＷＭ信号を停止し、トルク出力を抑制してインバータ２００の温度上昇を防止する。

第１の実施の形態によれば、インバータ２００の運転中に常に冷却異常を検知し、異常があれば、インバータ２００のトルク出力を抑制することにより、インバータ２００の過熱を防ぐことができる。

（第２の実施の形態）
以下に説明する本発明の第２の実施の形態では、前述の第１の実施の形態で説明した冷却異常検知に加えて、さらに別の冷却異常検知を行う例について説明する。
第２の実施の形態に係るモータ駆動システムの構成図は、第１の実施の形態で記載した図１と同様であり、その説明は省略する。

図４はインバータ２００の時間温度特性を示すグラフである。図４のTth4で示すグラフは、冷却系統が正常である場合のインバータ２００の温度Tthの推移を表す。閾値温度Taは、インバータの保護温度Tk付近に設定された、インバータの保護温度Tkより低い温度である。インバータの保護温度Tkはインバータ内のスイッチ素子が過熱する虞がある温度である。また、現在の時点tjにおけるインバータ２００の温度を温度Tjとする。

次に、図４および図５を参照して、第２の実施の形態に係るインバータ制御装置の動作について説明する。

図５は、インバータ制御部５００における冷却異常検知のフローチャートである。インバータ制御部５００は、インバータ２００の起動により、第１の実施の形態で説明した図３の冷却異常検知と並行して、図５の冷却異常検知をスタートする。ステップＳ２０１において、インバータ制御部５００は、インバータ２００の温度を検出し閾値温度Taと比較する。閾値温度Taは、インバータの保護温度Tk付近に設定された、インバータの保護温度Tkより低い温度である。インバータ２００の温度が閾値温度Taより大きい場合、ステップＳ２０２へ進み、小さい場合はステップＳ２０１へ戻る。

図４に示すように、現在の時点tjにおけるインバータ２００の温度を温度Tjとすると、ステップＳ２０２では、インバータ制御部５００は、現在の時点tjにおける温度変化の傾きΔTj /Δtjを求める。

ステップＳ２０３では、インバータ制御部５００は、温度変化の傾きΔTj /Δtjと閾値A1を比較する。温度変化の傾きΔTj /Δtjが閾値A1以下の場合は冷却正常と判定し、ステップＳ２０１へ戻る。一方、インバータ２００の温度が閾値温度Taより大きい場合であって、温度変化の傾きΔTj /Δtjが閾値A1より大きい場合は、冷却異常と判定し、ステップＳ２０４へ進む。温度変化の傾きの閾値A1は、この傾きのまま温度上昇が継続した場合にインバータ２００の保護温度Tkに到達する傾きである。

ステップＳ２０４では、インバータ制御部５００は、インバータ２００に出力するＰＷＭ信号を停止し、トルク出力を抑制してインバータ２００の温度上昇を防止する。
第２の実施の形態によれば、インバータ２００の運転中にインバータの保護温度付近になった場合に冷却異常を検知し、異常があれば、インバータ２００のトルク出力を抑制することにより、インバータ２００の過熱を防ぐことができる。なお、図３の冷却異常検知を実行せず、図５の冷却異常検知のみを実行してもよい。

以上説明した実施の形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）インバータ制御部５００は、モータ１００を駆動するインバータ２００にモータ制御信号を出力すると共に、冷却媒体８００により冷却されているインバータ２００の温度が入力される。インバータ制御部５００は、第１の時点tiにおけるインバータ２００の温度変化の傾きΔTi /Δtiと、第１の時点tiから一定時間経過後の第２の時点tjにおけるインバータ２００の温度変化の傾きΔTj /Δtjとの差分が所定の閾値A0を超えた状態を検出し、この状態の経過時間が所定の時間閾値よりも大きい場合にインバータ２００の冷却系統が異常であると判定する。インバータ２００の運転中に常に冷却異常を検知し、異常があれば、インバータ２００のトルク出力を抑制することにより、インバータ２００の過熱を防ぐことができる。

本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上述の実施の形態と複数の変形例を組み合わせた構成としてもよい。

１００：モータ
２００：インバータ
２０４：温度センサ
３００：バッテリ
５００：インバータ制御部

Claims (3)

1. モータを駆動するインバータにモータ制御信号を出力すると共に、冷却媒体により冷却されている前記インバータの温度が入力されるインバータ制御装置であって、
   第１の時点における前記インバータの温度変化の傾きと、前記第１の時点から一定時間経過後の第２の時点における前記インバータの温度変化の傾きとの差分が所定の閾値を超えた状態を検出し、前記状態の経過時間が所定の時間閾値よりも大きい場合に前記インバータの冷却系統が異常であると判定することを特徴とするインバータ制御装置。
2. 請求項１に記載のインバータ制御装置において、
   前記第２の時点における前記インバータの温度と前記温度変化の傾きとに基づいて前記インバータの温度が所定の保護温度に到達するまでの到達時間を算出し、前記算出した到達時間に応じて前記状態の経過時間を判定することを特徴とするインバータ制御装置。
3. 請求項１に記載のインバータ制御装置において、
   前記インバータの温度が予定の保護温度付近に設定された閾値温度よりも大きくなった場合で、かつ前記温度変化の傾きが所定の閾値を超えた場合に、前記インバータの冷却系統が異常であると判定することを特徴とするインバータ制御装置。

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