JP2015211479A - 電動機の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
電動機が備える界磁巻線に施された絶縁被膜の耐電圧は、界磁巻線の温度の上昇及び界磁巻線の周辺の気圧の低下に伴って低下する。耐電圧が低下したときであっても、界磁巻線からの放電を抑え且つ電動機のトルク低下を最小限に抑えることができる電動機の制御装置を提供する。
【解決手段】
耐電圧が低下した場合であって且つ電動機がＰＷＭ制御によって制御されるとき、界磁巻線に印加される電圧の最大値を低下させ、以て、高電圧のサージ電圧の発生を防ぎ、その結果、放電の発生を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電動機、電力供給装置及びインバータを備える車両に適用され、インバータにＰＷＭ制御及び矩形波制御を選択的に実行させることによって電動機を制御する、電動機の制御装置に関する。

電動機に駆動力を発生させる車両（例えば、電気自動車及びハイブリッドカー）が知られている。車両に搭載される電動機は、一般に、永久磁石と、電気エネルギーを利用して磁力を発生させる界磁巻線（コイル）と、を備えている。「電圧が印加された界磁巻線が発生させる磁力」が「永久磁石が発生させる磁力」と吸引・反発することによって、電動機はトルクを発生させる。

界磁巻線は、近接する界磁巻線及びその他の伝導体との間に電流が流れないように、絶縁被膜が施されている。しかし、界磁巻線と、近接する他の伝導体と、の間の電位差が絶縁被膜の耐電圧（以下、単に「耐電圧」とも称呼される。）を越えた場合、絶縁被膜を構成する物質から電子が放出され（即ち、放電され）、その結果、電流が流れる虞がある。この現象が絶縁破壊である。絶縁破壊が頻繁に発生すると絶縁皮膜が劣化し、耐電圧が不可逆的に低下する虞がある。

耐電圧は、絶縁被膜の温度及び絶縁被膜周辺の気圧に応じて変化する。具体的には、絶縁被膜の温度が高くなるほど、絶縁被膜を構成する物質の価電子の運動量が上昇するので放電が発生し易くなる。一方、絶縁被膜周辺の気圧が低くなるほど、絶縁被膜周辺の空気密度が低くなるので、放電が発生し易くなる。従って、絶縁被膜の温度が高くなるほど耐電圧が低下し、絶縁被膜周辺の気圧が低くなるほど耐電圧が低下する。

そこで、絶縁被膜の温度及び絶縁被膜周辺の気圧に応じて電動機を制御し、絶縁破壊の発生を回避する電動機の制御装置が提案されている。

例えば、従来の車両制御装置の一つ（以下、「従来装置」とも称呼される。）は、絶縁破壊の発生を回避するため、気圧が低下するほどコンバータ電圧の上限値を小さくすることによってモータに印加される電圧を制限していた。更に、従来装置は、気圧が低下するほど低くなる温度閾値を取得し、実際のモータ温度がこの温度閾値よりも高いときインバータからモータに供給される電力を制限していた（特許文献１を参照。）。

特開２０１０−２５２５７２号公報

ところで、一般に、車両駆動用の電動機に対して、インバータが交流電力を供給する。この際、インバータはスイッチング素子のオンとオフとを繰り返すことによって可変パルス幅の交流電圧を発生させる。

より具体的に述べると、インバータはＰＷＭ制御又は矩形波制御によって可変パルス幅の交流電圧を発生させる。インバータは、ＰＷＭ制御を実行するとき、変調波信号（例えば、正弦波、及び、高調波を含む正弦波）とキャリア信号（例えば、三角波）との比較によってスイッチング素子のオン及びオフのタイミングを決定する。「キャリア信号の振幅」に対する「変調波信号の振幅」の比が「変調率」である。この制御は、変調率が「１」以下であれば「ＰＷＭ制御」と称呼され、変調率が「１」より大きければ「過変調ＰＷＭ制御」と称呼される。但し、過変調ＰＷＭ制御もＰＷＭ制御の一種である。一方、インバータは、矩形波制御を実行するとき、各スイッチング素子のオン状態とオフ状態とを変調波信号の半周期と同じ時間間隔で変更させる。

電動機がＰＷＭ制御（過変調ＰＷＭ制御を含む）によって制御されているとき、インバータが出力する（即ち、電動機の界磁巻線に印加される）電圧波形（オンとオフとの繰り返しによって発生する方形波）は、界磁巻線が有するインダクタンスによって平滑化されて元の変調波信号（正弦波又は高調波を含む正弦波）に近似した波形となる。

この波形は、変調率が高くなるほど「変調波信号の１周期内におけるインバータのスイッチング素子がオン状態となる時間の割合」が長くなるので（即ち、デューティー比が高くなるので）、振幅が大きくなる。従って、変調率が高い場合、変調波信号がピーク近傍となるとき、界磁巻線に高い電圧が印加される。

ところで、スイッチング素子のオン状態とオフ状態とが入れ替わるとき、界磁巻線に印加される電圧が急激に変化するので、サージ電圧が発生する。界磁巻線に印加される電圧にサージ電圧が重畳された電圧が耐電圧を越えるとき、絶縁破壊が発生する虞がある。

加えて、界磁巻線に印加されている電圧が高いほど、その時に発生するサージ電圧は高電圧になる。換言すれば、電動機が高い変調率にて制御され且つ界磁巻線に印加される電圧波形のピーク近傍にてサージ電圧が発生する場合、そのサージ電圧は高電圧となる。

更に、変調率が高ければ、変調波信号の振幅がキャリア信号の振幅に比して大きくなるので、変調率が低いときと比較して、スイッチング素子がオン状態からオフ状態に変化してから再びオン状態に変化するまでの時間が短くなる。即ち、図２［Ｃ］に表されたパルスｗｐ１及びパルスｗｐ２のように、幅の短い（オフ状態となる時間が短い）パルスが発生する。

本明細書では、オフ状態が短時間だけ継続する波形は「細パルス」とも称呼される。即ち、変調波信号が高いときに変調波信号のピーク近傍にて細パルスが発生する場合、高い電圧のサージ電圧が発生する。従って、「界磁巻線に印加される電圧とサージ電圧とを合算した電圧の最大値」が耐電圧を越えることが無いように電動機が制御される必要がある。

しかしながら、上記の従来装置ではサージ電圧が上昇する要因としての変調率が考慮されていなかった。その結果、従来装置では、電動機の運転状態が、絶縁破壊が発生しない状態であるにも拘わらず、その運転が禁止される制御が実行されていた。このような制御は電動機にとって過剰な保護であり、電動機が発揮し得る能力を不必要に低下させてしまうことになる。

そこで、本発明の目的の一つは、界磁巻線の絶縁破壊の発生を抑制し且つ電動機に対する不必要な運転制限を行わない電動機の制御装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明の電動機の制御装置（以下、「本発明装置」とも称呼される。）は、
絶縁皮膜が施された界磁巻線を備える電動機と、
直流電力を出力する電力供給装置と、
ＰＷＭ制御及び矩形波制御のいずれかの制御モードを選択的に実行することによって前記直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を前記電動機に出力するインバータと、
を備える車両に適用される。

更に、本発明装置は、
前記電動機に要求トルクを発生させるため、「前記直流電力の目標電圧」と「前記インバータの制御モード」と「同制御モードがＰＷＭ制御である場合の目標変調率」とを決定し、前記決定された目標電圧の直流電力を出力するように前記電力供給装置を制御し且つ前記決定された制御モード及び目標変調率にて交流電力を出力するように前記インバータを制御する制御部を備える。

更に、前記制御部は、
前記制御モードがＰＷＭ制御であるとき、前記絶縁皮膜の耐電圧に影響を及ぼす耐電圧パラメータにより示される同耐電圧が低下するほど電圧閾値及び／又は変調率閾値を低く設定する。

更に、前記制御部は、
前記目標電圧が前記電圧閾値よりも高く且つ前記目標変調率が前記変調率閾値よりも高いという特定条件が成立するか否かを判定し、同特定条件が成立していれば、同目標電圧を同電圧閾値以下に変更する処理及び／又は同目標変調率を同変調率閾値以下に変更する処理を実行するように構成されている。

電力供給装置は、発生させる電圧を制御可能な直流電源であり、例えば、充放電可能な蓄電池と同蓄電池が発生させる電圧を昇圧可能な昇圧コンバータとの組み合わせによって構成される。耐電圧パラメータは、例えば、界磁巻線周辺の気圧及び界磁巻線の温度等である。より具体的に述べると、界磁巻線周辺の気圧が低下するほど耐電圧が低下し、界磁巻線の温度が上昇するほど耐電圧が低下する。

前記制御部が実行する前記電力供給装置及び前記インバータに対する制御は「絶縁保護処理」とも称呼される。本発明装置によれば、耐電圧が低下している場合であって、ＰＷＭ制御（過変調ＰＷＭ制御を含む）が実行され且つ絶縁破壊が発生する虞のあるとき、制御部が絶縁保護処理を実行することによって界磁巻線に印加される電圧の最大値を低下させる。

絶縁保護処理は、前記直流電力の電圧の最大値を低下させる又は前記変調率の最大値を低下させることによって実行される。或いは、絶縁保護処理は、前記直流電力の電圧の最大値を低下させ且つ前記変調率の最大値を低下させることによって実行される。

一方、前記インバータが矩形波制御によって交流電力を出力するとき、細パルスが発生しないので、前記制御部は絶縁保護処理を実行しない。

このように、本発明装置によれば、細パルスに起因するサージ電圧の重畳によって絶縁破壊が発生し得る場合にのみ絶縁保護処理が実行される。その結果、電動機の過剰な保護がなされることがないため、本発明装置は、絶縁破壊を回避しながらも電動機の能力を十分に発揮させることができる。

なお、本発明は、上記電動機の制御装置のみならず、上記電動機の制御装置と同様の作動を行う「電動機を駆動源として搭載した車両」にも及び、更に、上記絶縁保護処理によって使用される電動機の制御方法にも及ぶ。

本発明の実施形態に係る電動機（本電動機）の制御装置（本制御装置）が適用される車両の概略構成図である。 ＰＷＭ制御、過変調ＰＷＭ制御及び矩形波制御のそれぞれのパルス波形を表す図である。 本電動機のＵ相及びＶ相の界磁巻線に印加される電圧並びにＵ相とＶ相との間の線間電圧を表す図である。 本電動機の運転領域ごとの高圧側電圧と制御モードとを表す図である。 本制御装置が実行する絶縁保護処理を表したフローチャートである。 温度及び気圧に対する最大変調率及び最大電圧との関係を表したグラフである。 絶縁保護処理に伴って出力トルクが制限される運転領域を表した図である。 絶縁保護処理に伴って出力トルクが制限される運転領域を表した図である。

＜構成＞
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る電動機の制御装置（以下、「本制御装置」とも称呼される。）について説明する。本制御装置は、図１に概略構成を表した車両１０に適用される。車両１０は電動車両である。車両１０は、蓄電池２１、昇圧コンバータ２２、インバータ２３、電動機２４、減速機構２５、駆動輪２６及びＥＣＵ３０を含んでいる。

蓄電池２１は、充放電が可能な二次電池であり、本実施形態においてはリチウムイオン電池である。蓄電池２１は、電圧ＶＬの直流電力を出力することができる。

昇圧コンバータ２２は、スイッチング素子を含む昇圧チョッパ回路を備える。昇圧コンバータ２２は、昇圧チョッパ回路を利用して、蓄電池２１の出力する電圧ＶＬ（低圧側電圧）を電圧ＶＨ（高圧側電圧）へ変換して、後述するインバータ２３へ出力することができる。後述する電動機２４が発電機として作動するとき、昇圧コンバータ２２は、高圧側電圧ＶＨを低圧側電圧ＶＬへ変換する。この場合、蓄電池２１が充電される。

インバータ２３は、スイッチング素子を含み、昇圧コンバータ２２が出力する直流電力を、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の三相交流電力に変換して、後述する電動機２４へ出力することができる。インバータ２３は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の各相に対して、オン状態であるときに電動機２４に正電圧を印加することができる上アームスイッチと、オン状態であるときに電動機２４に負電圧を印加することができる下アームスイッチと、を含んでいる。

電動機２４が発電機として作動するとき、インバータ２３は、三相交流電力を直流電力へ変換することができる。昇圧コンバータ２２及びインバータ２３は、「パワーコントロールユニット」とも総称される。

電動機２４は、回転磁界を発生させる三相の界磁巻線（ステーターコイル）を備えるステータ、及び、その回転磁界と吸引又は反発する磁気力によってトルクを発生させる永久磁石を備える回転子（ロータ）、を含む。ステータは、８個のＵ相の界磁巻線、８個のＶ相の界磁巻線及び８個のＷ相の界磁巻線、即ち、合計２４個の界磁巻線を備える。ロータは、回転軸を中心とする円周上に８個の永久磁石を備えている。即ち、電動機２４は８極２４スロット型の電動機である。

界磁巻線には絶縁皮膜が施されている。絶縁被膜が絶縁を維持できる最大の電圧が耐電圧ｄｓである。通常、互いに隣接する巻線との間に発生する電圧（即ち、巻線ターン間の分担電圧）は、耐電圧ｄｓを超えない。一方、各スロットの界磁巻線（例えば、Ｕ相）と、隣接する他の相のスロットの界磁巻線（例えば、Ｖ相）と、の間に発生する電圧は、「線間電圧」とも称呼される。各相に印加される電圧と線間電圧との関係については後述する。

電動機２４は、電動機として動作するとともに発電機として動作することも可能である。電動機２４の回転軸は減速機構２５を介して駆動輪２６とトルク伝達可能に連結されている。

ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ３１、ＣＰＵ３１が実行するプログラム及びルックアップテーブル等を記憶するＲＯＭ３２並びにデータを一時的に記憶するＲＡＭ３３を含んでいる。ＥＣＵ３０は、以下に述べるセンサ類と接続されている。

温度センサ４１は、電動機２４が備える界磁巻線の温度Ｔｍに応じた信号を発生させる。大気圧センサ４２は、電動機２４に隣接して設置され、周囲の気圧Ｐｒに応じた信号を発生させる。なお、大気圧センサ４２は、パワーコントロールユニット内の基板上に配設されても良い。

回転角センサ４３は、電動機２４の回転軸の回転角度θに応じた信号を発生させる。本実施形態において回転角センサ４３は、レゾルバによって実現される。ＥＣＵ３０は、回転角センサ４３からの信号に基づいて電動機２４の回転速度Ｎｍを算出する。

アクセル開度センサ４４は、車両１０の図示しないアクセルペダルの開度（アクセル開度）Ａｐを表す信号を発生させる。速度センサ４５は、車両１０の走行速度（車速）Ｖｓを表す信号を発生させる。

＜電動機制御の詳細＞
ＥＣＵ３０は、アクセル開度Ａｐ及び車速Ｖｓ等に基づいて電動機２４の目標トルクＴｒ＊を決定し、目標トルクＴｒ＊を発生するように界磁巻線に印加される電圧を制御する。より具体的に述べると、ＥＣＵ３０は、インバータ２３にＰＷＭ制御、過変調ＰＷＭ制御及び矩形波制御の何れかの制御モードにより交流電力を発生させ、その交流電力を電動機２４に対して出力させる。

ＰＷＭ制御（過変調ＰＷＭ制御を含む）は、パルス幅変調によってインバータ２３の各スイッチング素子のオンとオフとのタイミングを調整することにより実現される。より具体的に述べると、ＰＷＭ制御においては、図２［Ａ］の曲線Ｍ１により表される変調波信号（三次高調波を含む正弦波）と、同図の折れ線Ｃ１により表されるキャリア信号（三角波）と、が用いられ、それらの比較結果に基づいてインバータ２３の各スイッチング素子のオン・オフ状態（スイッチング信号）が決定される。変調波信号及びキャリア信号の周波数は、電動機２４の回転速度Ｎｍに基づいて決定される。

ＰＷＭ制御において、変調波信号の振幅（本例では、振幅ａ１）はキャリア信号の振幅（本例では、振幅ａｃ）以下である（即ち、ａ１≦ａｃ）。キャリア信号の振幅に対する変調波信号の振幅の比が変調率Ｍである。即ち、ＰＷＭ制御において、変調率Ｍは「１」以下となっている（即ち、変調率Ｍ≦１）。

ＰＷＭ制御においては、変調波信号（三次高調波を含む正弦波）が正側に振れる半周期の期間において、変調波信号がキャリア信号（三角波）よりも大きいとき、「インバータ２３の、その変調波信号に対応する相（対応相）の上アーム」のスイッチング素子がオン状態に維持される。このとき、対応相の下アームのスイッチング素子はオフ状態に維持される。一方、変調波信号がキャリア信号（三角波）よりも小さいとき、対応相の上アームのスイッチング素子はオフ状態に維持され、対応相の下アームのスイッチング素子はオン状態に維持される。

変調波信号が負側に振れる次の半周期の期間において、変調波信号の絶対値がキャリア信号の絶対値よりも大きいとき、対応相の下アームのスイッチング素子がオン状態に維持され、対応相の上アームのスイッチング素子がオフ状態に維持される。一方、変調波信号の絶対値がキャリア信号の絶対値よりも小さいとき、対応相の下アームのスイッチング素子がオフ状態に維持され、対応相の上アームのスイッチング素子がオン状態に維持される。従って、ＰＷＭ制御によって、図２［Ｂ］に表されるパルス波形Ｑ１が得られる。

過変調ＰＷＭ制御においても、図２［Ａ］の曲線Ｍ２より表される変調波信号（三次高調波を含む正弦波）と、同図の折れ線Ｃ１により表されるキャリア信号（三角波）と、が用いられ、それらの比較結果に基づいてインバータ２３の各スイッチング素子のオン・オフ状態（スイッチング信号）が決定される。従って、過変調ＰＷＭ制御によって、図２［Ｃ］に表されるパルス波形Ｑ２が得られる。

ただし、過変調ＰＷＭ制御においては、変調波信号の振幅（本例では、振幅ａ２）はキャリア信号の振幅（本例では、振幅ａｃ）より大きい（即ち、ａ２＞ａｃ）。即ち、過変調ＰＷＭ制御において、変調率Ｍは、「１」より大きくなっている（即ち、変調率Ｍ＞１）。

変調率Ｍが「１」近傍、或いは、「１」より大きい場合、変調波信号のピーク近傍にてキャリア信号との大小関係が入れ替わるときに、スイッチング素子のオン状態とオフ状態との変化が短時間の間に繰り返される現象（細パルス）が発生し得る。具体的には図２［Ｃ］に表される「パルス波形Ｑ２に含まれるパルスｗｐ１及びパルスｗｐ２」が細パルスに該当する。

一方、矩形波制御において、変調波信号の半周期と同じ期間、対応相の上アームのスイッチング素子がオン状態に維持され、対応相の下アームのスイッチング素子がオフ状態に維持される。そして、次の変調波信号の半周期と同じ期間、対応相の下アームのスイッチング素子がオン状態に維持され、対応相の上アームのスイッチング素子がオフ状態に維持される。従って、矩形波制御によって、図２［Ｄ］に表される矩形波形Ｑ３が得られる。

なお、図２［Ａ］乃至［Ｄ］に表された波形は、例えば、電動機２４のＵ相に対する波形であり、Ｖ相に対する波形は同図に表された変調波信号の位相を１２０度遅らせることにより生成され、Ｗ相に対する波形は同図に表された変調波信号の位相を２４０度遅らせることにより生成される。

インバータ２３において、ＰＷＭ制御（過変調ＰＷＭ制御を含む）及び矩形波制御によって生成された、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のそれぞれの波形（電圧）は、インバータ２３から電動機２４の各相の界磁巻線に印加される。

ＰＷＭ制御（過変調ＰＷＭ制御を含む）によって生成されたパルス波形（電圧）が各界磁巻線に印加されるとき、各界磁巻線が有するインダクタンスによって入力波形が平滑化され、元の変調波信号に近似した波形となる。更に、変調波信号が正側に振れる半周期の期間において、対応相の上アームのスイッチング素子がオン状態となる時間は、変調率Ｍが大きくなるほど長くなる。同様に、変調波信号が負側に振れる半周期の期間において、対応相の下アームのスイッチング素子がオン状態となる時間は、変調率Ｍが大きくなるほど長くなる。その結果、変調率Ｍが高いほど印加電圧が高くなる。

従って、変調率Ｍが高くなるほど電動機２４の出力が増加する。例えば、電動機２４が過変調ＰＷＭ制御（即ち、変調率Ｍ＞１）によって制御されるとき、ＰＷＭ制御（即ち、変調率Ｍ≦１）によって制御されるときよりも出力が増加する。

矩形波制御におけるスイッチング素子のオン時間は、過変調ＰＷＭ制御におけるスイッチング素子のオン時間よりも長くなるため、電動機２４の出力が更に増加する。その反面、矩形波制御においては、電動機２４に付与されるパルスの数が減少するため、パルス幅の調整によって電動機２４のコイルに流れる電流を精密に調整することが困難となる。

図３の曲線Ｕは、電動機２４が備えるＵ相の界磁巻線に印加される電圧Ｖｕを、曲線Ｖは、Ｖ相の界磁巻線に印加される電圧Ｖｖを、それぞれ表している。電圧Ｖｕは下式（１）によって表される波形に近似している。

同様に、電圧Ｖｖは下式（２）によって表される波形に近似している。

曲線ＵＶは、Ｕ相の界磁巻線とＶ相の界磁巻線との間の線間電圧Ｖｕｖ（即ち、Ｖｕｖ＝Ｖｕ−Ｖｖ）を表している。図３から理解されるように、線間電圧Ｖｕｖの最大値ｍ２は、電圧Ｖｕ及び電圧Ｖｖの最大値ｍ１よりも高くなっている（即ち、ｍ１＜ｍ２）。

曲線Ｕに現れる突端電圧ｓｕは、図２［Ｃ］に表されたパルスｗｐ１に伴うＵ相の界磁巻線の急激な電圧変動によって発生したサージ電圧を表している。このサージ電圧の結果、曲線ＵＶには突端電圧ｓｕｖが現れている。

サージ電圧が発生しなければ、線間電圧Ｖｕｖの最大値はｍ２であるのに対し、サージ電圧が発生した結果、線間電圧Ｖｕｖの最大値はｍ３に増加している（即ち、ｍ２＜ｍ３）。絶縁皮膜の耐電圧ｄｓが最大値ｍ２よりも高くても、耐電圧ｄｓが最大値ｍ３よりも低ければ（即ち、ｍ２＜ｄｓ＜ｍ３）、絶縁被膜の絶縁破壊が発生する可能性が高くなる。

なお、図３にて表された突端電圧ｓｕ及び突端電圧ｓｕｖの他にもサージ電圧が発生し得る場所は存在するが、図３においては、その図示が省略されている。加えて、「Ｖ相の界磁巻線とＷ相の界磁巻線との間の線間電圧Ｖｖｗの最大値」が耐電圧ｄｓよりも大きいとき、絶縁破壊が発生する可能性が高くなる。同様に、「Ｗ相の界磁巻線とＵ相の界磁巻線との間の線間電圧Ｖｗｕの最大値」が耐電圧ｄｓよりも大きいとき、絶縁破壊が発生する可能性が高くなる。

＜作動の概要＞
次に、ＥＣＵ３０の作動の概要について説明する。ＥＣＵ３０は、図４に表される「電動機２４の動作点（回転速度ＮｍとトルクＴｒとの組合せ）と高圧側電圧ＶＨとの関係」をＲＯＭ３２にルックアップテーブルの形式にて記憶している。ＥＣＵ３０は、このテーブルに、目標トルクＴｒ＊をトルクＴｒとして適用するとともに現在の回転速度Ｎｍを適用することによって、高圧側電圧ＶＨの目標値である目標電圧ＶＨ＊を決定する。

図４には、高圧側電圧ＶＨの例としてＶＨ１乃至ＶＨ４が表されている。ＶＨ１乃至ＶＨ４の関係は、ＶＨ１＜ＶＨ２＜ＶＨ３＜ＶＨ４となっている。図４から理解されるように、回転速度Ｎｍが大きくなるほど目標電圧ＶＨ＊が高い値に設定され、トルクＴｒが大きくなるほど目標電圧ＶＨ＊が高い値に設定される。

次いで、ＥＣＵ３０は、図４に表され且つＲＯＭ３２にルックアップテーブルの形式にて記憶された「電動機２４の動作点と、制御モード（ＰＷＭ制御、過変調ＰＷＭ制御及び矩形波制御の何れか）及び変調率Ｍと、の関係」を参照することによって電動機２４の制御モードを決定する。より具体的に述べると、電動機２４の目標動作点（現在の回転速度Ｎｍと目標トルクＴｒ＊との組合せ）が図４の領域Ｒｐに含まれるとき、ＥＣＵ３０は電動機２４をＰＷＭ制御によって制御する。同様に、目標動作点が領域Ｒｏに含まれるときＥＣＵ３０は電動機２４を過変調ＰＷＭ制御によって制御し、目標動作点が領域Ｒｒに含まれるときＥＣＵ３０は電動機２４を矩形波制御によって制御する。

制御モードがＰＷＭ制御又は過変調ＰＷＭ制御である場合、ＥＣＵ３０は変調率Ｍの目標値である目標変調率Ｍ＊を、上記テーブルを参照することによって決定する。図４には、変調率Ｍの例として直線Ｌ１（Ｍ＝１となる動作点の集合）及び直線Ｌ２（Ｍ＝Ｍｃとなる動作点の集合）が表されている（但し、１＜Ｍｃ）。このテーブルによれば、回転速度Ｎｍが大きくなるほど目標変調率Ｍ＊が高い値に設定され、トルクＴｒが大きくなるほど目標変調率Ｍ＊が高い値に設定される。変調率Ｍｃは、制御モードが過変調ＰＷＭ制御である場合の変調率Ｍの最大値である。

＜絶縁保護処理の概要＞
次に、ＥＣＵ３０のＣＰＵ３１（以下、単に「ＣＰＵ」とも称呼される。）が実行する絶縁保護処理について説明する。

耐電圧ｄｓは、気圧Ｐｒが低下するほど低下し、温度Ｔｍが上昇するほど低下する。気圧Ｐｒ及び温度Ｔｍのように耐電圧ｄｓに影響を及ぼすパラメータは「耐電圧パラメータ」とも称呼される。

耐電圧ｄｓが低下する場合であって電動機２４がＰＷＭ制御（過変調ＰＷＭ制御を含む）によって制御されるとき、ＣＰＵは絶縁保護処理を実行する。より具体的に述べると、
ＣＰＵは「高圧側電圧ＶＨの最大値である最大電圧ＶＨｍａｘ」及び「変調率Ｍの最大値である最大変調率Ｍｍａｘ」の値をそれぞれ低下させる。その結果、トルクＴｒが低下する一方で、細パルスの発生が抑制され、以て、高電圧のサージ電圧が発生することが回避される。絶縁保護処理が実行されていないとき、最大電圧ＶＨｍａｘは、電圧ＶＨ４と等しい値に設定され、最大変調率Ｍｍａｘは変調率Ｍｃと等しい値に設定されている。

一方、電動機２４が矩形波制御によって制御されるとき、細パルスが発生しないので、ＣＰＵは絶縁保護処理を実行しない。

＜絶縁保護処理の具体的作動＞
ＣＰＵは、所定の時間が経過する毎に図５にフローチャートにより示した「絶縁保護処理ルーチン」を実行する。以下、ＣＰＵの作動について場合分けをして説明する。

（Ａ）耐電圧の低下が顕著に発生していないため、絶縁保護処理が実行されないとき。
（Ａ−１）温度ＴｍがＴ１より低く（即ち、温度Ｔｍ＜Ｔ１）、気圧ＰｒがＰ３であり（即ち、気圧Ｐｒ＝Ｐ３）、電動機２４の目標動作点が図４の点ｃａ（即ち、対応する高圧側電圧ＶＨはＶａであり且つ対応する変調率ＭはＭａ）であると仮定する。但し、変調率Ｍａは「１」より大きい（即ち、１＜Ｍａ＜Ｍｃ）。

適当なタイミングになると、ＣＰＵは図５のステップ５００から処理を開始してステップ５０５に進み、アクセル開度Ａｐ及び車速Ｖｓ等に基づいて電動機２４の目標トルクＴｒ＊を決定する。

次いで、ＣＰＵはステップ５１０に進み、回転速度Ｎｍ及び目標トルクＴｒ＊に基づき、上述した図４に表された関係（テーブル）を参照することによって目標電圧ＶＨ＊及び制御モードを決定する。加えて、制御モードがＰＷＭ制御（過変調ＰＷＭ制御を含む）である場合、ＣＰＵは上述した図４に表された関係（テーブル）を参照することによって変調率Ｍの目標値である目標変調率Ｍ＊を決定する。

前述の仮定によれば、電動機２４の目標動作点が図４の点ｃａであるので、ＣＰＵは目標電圧ＶＨ＊を電圧Ｖａに設定し、更に、制御モードを過変調ＰＷＭ制御に設定し、目標変調率Ｍ＊を変調率Ｍａに設定する。

次いで、ＣＰＵはステップ５１５に進み、制御モードがＰＷＭ制御（過変調ＰＷＭ制御を含む）であるか否かを判定する。

前述の仮定によれば、制御モードは過変調ＰＷＭ制御であるので、ＣＰＵはステップ５１５にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ５２０に進み、最大変調率Ｍｍａｘを決定する。

より具体的に述べると、ＥＣＵ３０は、図６［Ａ］に表されるような「温度Ｔｍごとの気圧Ｐｒと最大変調率Ｍｍａｘとの関係」をＲＯＭ３２にルックアップテーブルの形式にて記憶している。ＣＰＵは、このテーブルに基づいて最大変調率Ｍｍａｘを決定する。図６において、温度Ｔｍは、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４の関係になっている。また、気圧Ｐｒは、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３の関係になっている。気圧Ｐ３は１気圧に相当する気圧である。図６［Ａ］から理解されるように、温度Ｔｍが高くなるほど最大変調率Ｍｍａｘは低い値に設定され、気圧Ｐｒが低くなるほど最大変調率Ｍｍａｘは低い値に設定される。

温度Ｔ１は、気圧Ｐｒが気圧Ｐ２よりも高いとき、絶縁保護処理を実行する必要の無い温度Ｔｍの範囲における最小値であり、温度Ｔ４は車両１０が運行可能な状態における温度Ｔｍの最大値である。気圧Ｐ２は、温度Ｔｍが温度Ｔ１よりも低いとき、絶縁保護処理を実行する必要の無い気圧Ｐｒの範囲における最小値であり、気圧Ｐ１は、車両１０が運行可能な状態における気圧Ｐｒの最小値である。

前述の仮定では温度ＴｍがＴ１より低く且つ気圧ＰｒがＰ３に等しいので、図６［Ａ］に表された関係によれば、この場合に該当する最大変調率ＭｍａｘはＭｃである。従って、ＣＰＵは最大変調率ＭｍａｘをＭｃに等しい値に設定する。

次いで、ＣＰＵはステップ５２５に進んで最大電圧ＶＨｍａｘを決定する。より具体的に述べると、ＣＰＵは図６［Ｂ］に表され且つＲＯＭ３２にルックアップテーブルの形式にて記憶された「温度Ｔｍごとの気圧Ｐｒと最大電圧ＶＨｍａｘとの関係」に基づいて最大電圧ＶＨｍａｘを決定する。図６［Ｂ］から理解されるように、温度Ｔｍが高くなるほど最大電圧ＶＨｍａｘは低い値に設定され、気圧Ｐｒが低くなるほど最大電圧ＶＨｍａｘは低い値に設定される。

図６［Ｂ］に表された関係（テーブル）によれば、前述の仮定（即ち、温度Ｔｍ＜Ｔ１且つ気圧Ｐｒ＝Ｐ３）に該当する最大電圧ＶＨｍａｘはＶＨ４である。従って、ＣＰＵは最大電圧ＶＨｍａｘをＶＨ４に等しい値に設定する。

次いで、ＣＰＵはステップ５３０に進んで目標変調率Ｍ＊が最大変調率Ｍｍａｘよりも大きく且つ目標電圧ＶＨ＊が最大電圧ＶＨｍａｘよりも大きいか否かを判定する。前述の仮定によれば、目標変調率Ｍ＊はＭａであり且つ最大変調率ＭｍａｘはＭｃである。更に、Ｍａ＜Ｍｃである。そのため、目標変調率Ｍ＊は最大変調率Ｍｍａｘよりも小さい。加えて、前述の仮定によれば、目標電圧ＶＨ＊はＶａであり且つ最大電圧ＶＨｍａｘはＶＨ４である。更に、Ｖａ＜ＶＨ４である。そのため、目標電圧ＶＨ＊は最大電圧ＶＨｍａｘよりも小さい。

従って、ＣＰＵはステップ５３０にて「Ｎｏ」と判定してステップ５５０に進み、変調率Ｍを目標変調率Ｍ＊に等しい値に設定する。即ち、この場合、ＣＰＵは変調率ＭをＭａに等しい値に設定する。

次いで、ＣＰＵはステップ５５５に進み、高圧側電圧ＶＨを目標電圧ＶＨ＊に等しい値に設定する。即ち、この場合、ＣＰＵは高圧側電圧ＶＨを電圧Ｖａに等しい値に設定する。

次いで、ＣＰＵはステップ５４５に進んで昇圧コンバータ２２の高圧側電圧ＶＨが設定された値（この場合、電圧Ｖａ）となるように昇圧コンバータ２２を制御し、インバータ２３の制御モードが設定された制御モード（この場合、過変調ＰＷＭ制御）であって、変調率Ｍが設定された値（この場合、変調率Ｍａ）となるようにインバータ２３を制御する。次いで、ＣＰＵはステップ５９５に進んで本ルーチンを一旦終了する。即ち、この場合、絶縁保護処理は実行されず、電動機２４は過変調ＰＷＭ制御によって制御され且つ目標トルクＴｒ＊に等しいトルクを発生させる。

（Ａ−２）次に、温度ＴｍがＴ１より低く、気圧ＰｒがＰ３であり、電動機２４の目標動作点が図４の点ｃｂ（即ち、対応する高圧側電圧ＶＨはＶａであり且つ対応する制御モードは矩形波制御）であると仮定する。

この場合、ＣＰＵはステップ５１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ５５５に直接進む。即ち、この場合、絶縁保護処理は実行されず、電動機２４は矩形波制御によって制御され且つ目標トルクＴｒ＊に等しいトルクを発生させる。

（Ｂ）電動機がＰＷＭ制御によって制御され且つ絶縁保護処理が実行されるとき。
次に、温度ＴｍがＴ４であり（即ち、Ｔｍ＝Ｔ４）、気圧ＰｒがＰ１であり（即ち、Ｐｒ＝Ｐ１）、電動機２４の目標動作点が図４の点ｃａであると仮定する。この場合、ステップ５１０にて決定される目標電圧ＶＨ＊はＶａであり、制御モードは過変調ＰＷＭ制御であり且つ目標変調率Ｍ＊はＭａである。更に、ステップ５２０にて決定される最大電圧ＶＨｍａｘはＶＨ３であり、ステップ５２５にて決定される最大変調率Ｍｍａｘは「１」である。

更に、目標変調率Ｍ＊はＭａであり且つ最大変調率Ｍｍａｘは「１」であり、更に、Ｍａ＞１である。従って、目標変調率Ｍ＊は最大変調率Ｍｍａｘよりも大きい。加えて、目標電圧ＶＨ＊はＶａであり且つ最大電圧ＶＨｍａｘはＶＨ３であり、更に、Ｖａ＞ＶＨ３である。従って、目標電圧ＶＨ＊は最大電圧ＶＨｍａｘよりも大きい。そのため、ＣＰＵはステップ５３０にて「Ｙｅｓ」と判定してステップ５３５に進んで変調率ＭをＭｍａｘに等しい値に設定する。即ち、この場合、ＣＰＵは変調率Ｍを「１」に設定する。

次いで、ＣＰＵはステップ５４０に進んで高圧側電圧ＶＨを最大電圧ＶＨｍａｘに等しい値に設定する。即ち、この場合、ＣＰＵは高圧側電圧ＶＨをＶＨ３に設定する。

従って、この場合、絶縁保護処理が実行され、その結果、電動機２４は過変調ＰＷＭ制御によって制御され且つ目標トルクＴｒ＊よりも小さいトルクを発生させる。

より一般化して述べると、上述の仮定（即ち、Ｔｍ＝Ｔ４且つＰｒ＝Ｐ１である場合）の下において、電動機２４の目標動作点が図７に表された領域Ｒ１に含まれるとき、即ち、目標変調率Ｍ＊が「１」より高く且つ目標電圧ＶＨ＊がＶＨ３より高いとき、絶縁保護処理が実行される。この場合、高圧側電圧ＶＨが最大電圧ＶＨｍａｘ（本例では、電圧ＶＨ３）に抑えられ、更に、変調率Ｍが最大変調率Ｍｍａｘ（本例では、「１」）に抑えられる。その結果、細パルスの発生が抑制されるので、高電圧のサージ電圧の発生が回避される。

（Ｃ）絶縁保護処理が実行されるべき状況であるが電動機が矩形波制御によって制御されるとき。
次に、温度ＴｍがＴ４であり、気圧ＰｒがＰ１であり、電動機２４の目標動作点が図４の点ｃｂであると仮定する。この場合、ステップ５１０にて決定される目標電圧ＶＨ＊はＶａであり、制御モードは矩形波制御である。

この仮定によれば、ＣＰＵは、制御モードが矩形波制御であるから、ステップ５１５にて「Ｎｏ」と判定してステップ５５５に直接進む。従って、ＣＰＵは高圧側電圧ＶＨを目標電圧ＶＨ＊に等しい値に設定する。即ち、この場合、制御モードがＰＷＭ制御（過変調ＰＷＭ制御を含む）であれば絶縁保護処理が実行されるべき状況であるが、電動機２４は矩形波制御によって制御され且つ目標トルクＴｒ＊と等しいトルクを発生させることができる。

より一般化して述べると、上述の仮定（即ち、Ｔｍ＝Ｔ４且つＰｒ＝Ｐ１である場合）の下において、電動機２４の目標動作点が図７に表された領域Ｒ２に含まれるとき、即ち、電動機２４が矩形波制御によって制御され且つ目標電圧ＶＨ＊がＶＨ３より高いとき、絶縁保護処理が実行されない。従って、電動機２４は目標トルクＴｒ＊と等しいトルクを発生させることができる。

（Ｄ）絶縁保護処理のバリエーション
温度Ｔｍが図６に表されるＴ３であり且つ気圧ＰｒがＰ３であるとき、対応する最大変調率ＭｍａｘはＭｂであり且つ対応する最大電圧ＶＨｍａｘはＶｂである。

この場合、絶縁保護処理によって最大変調率Ｍｍａｘ及び最大電圧ＶＨｍａｘが制限される運転領域（電動機２４の動作点の集合）は、図８の領域Ｒ３によって表される。領域Ｒ３は、図７に表された領域Ｒ１よりも狭い。換言すれば、温度Ｔｍ及び気圧Ｐｒに応じて、即ち、耐電圧ｄｓの低下の程度に応じて、「最大変調率Ｍｍａｘ及び最大電圧ＶＨｍａｘが制限される運転領域の大きさ」が変化する。

本実施形態を総括すると、ＥＣＵ３０は、ＰＷＭ制御が実行されるとき、「目標電圧ＶＨ＊及び目標変調率Ｍ＊の組み合わせによって定まる電動機２４の線間電圧（サージ電圧を含む）の最大値に応じた値」が「耐電圧パラメータ（本例では、温度Ｔｍ及び気圧Ｐｒ）によって定まる耐電圧に応じた値」を超えるという絶縁破壊発生条件が成立するか否かを判定している。絶縁破壊発生条件が成立していれば、ＥＣＵ３０は、目標電圧ＶＨ＊及び／又は目標変調率Ｍ＊をより小さい値に変更し、絶縁破壊発生条件が成立しないようにしている。

以上説明したように、本制御装置（ＥＣＵ３０）は、
絶縁皮膜が施された界磁巻線を備える電動機（２４）と、
直流電力を出力する電力供給装置（蓄電池２１及び昇圧コンバータ２２）と、
ＰＷＭ制御及び矩形波制御のいずれかの制御モードを選択的に実行することによって前記直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を前記電動機に出力するインバータ（２３）と、
を備える車両（１０）に適用され、
前記電動機に要求トルク（目標トルクＴｒ＊）を発生させるため、前記直流電力の目標電圧（ＶＨ＊）と前記インバータの制御モードと同制御モードがＰＷＭ制御である場合の目標変調率（Ｍ＊）とを決定し、前記決定された目標電圧の直流電力を出力するように前記電力供給装置を制御し且つ前記決定された制御モード及び目標変調率にて交流電力を出力するように前記インバータを制御する（図５のステップ５４５）制御部を備え、
前記制御部は、
前記制御モードがＰＷＭ制御であるとき、前記絶縁皮膜の耐電圧に影響を及ぼす耐電圧パラメータにより示される同耐電圧が低下するほど電圧閾値及び／又は変調率閾値を低く設定し（図５のステップ５２０及びステップ５２５並びに図６［Ａ］及び［Ｂ］）、前記目標電圧が前記電圧閾値よりも高く且つ前記目標変調率が前記変調率閾値よりも高いという特定条件が成立するか否かを判定し（図５のステップ５３０）、同特定条件が成立していれば、同目標電圧を同電圧閾値以下に変更する処理（図５のステップ５４０）及び／又は同目標変調率を同変調率閾値以下に変更する処理（図５のステップ５３５）を実行するように構成されている。

本制御装置によれば、電動機２４の界磁巻線に絶縁破壊が発生する虞のあるとき、絶縁保護処理が実行されることによって細パルスの発生が抑制される。その結果、高電圧のサージ電圧発生を防ぐことが可能となり、以て、界磁巻線に耐電圧を越える電圧が印加されることが回避される。即ち、本制御装置によって絶縁破壊の発生を防ぐことが可能となる。加えて、電動機２４が矩形波制御によって制御されるとき、目標トルクＴｒ＊に等しいトルクを発生させることができる。

以上、本発明に係る蓄電池の充電制御装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、本発明は、車両駆動のために電動機のみを備える電気自動車はもとより、駆動用に内燃機関と電動機との両方を備えるハイブリッド車両にも及ぶ。

加えて、本実施形態に係るＥＣＵ３０は、温度Ｔｍの上昇及び気圧Ｐｒの低下に伴って、徐々に最大変調率Ｍｍａｘ及び最大電圧ＶＨｍａｘを低下させていた。しかし、ＥＣＵ３０は、温度Ｔｍが所定の閾値を越えたとき、最大変調率Ｍｍａｘ及び／又は最大電圧Ｖｍａｘを急激に低下させても良い。或いは、ＥＣＵ３０は気圧Ｐｒが所定の閾値を下回ったとき、最大変調率Ｍｍａｘ及び／又は最大電圧Ｖｍａｘを急激に低下させても良い。

加えて、本実施形態に係るＥＣＵ３０は、絶縁保護処理を実行するとき、最大変調率Ｍｍａｘ及び最大電圧ＶＨｍａｘを制限していた。しかし、ＥＣＵ３０は、絶縁保護処理を実行するとき、最大変調率Ｍｍａｘのみを制限しても良い。或いは、ＥＣＵ３０は、絶縁保護処理を実行するとき、最大電圧ＶＨｍａｘのみを制限しても良い。

加えて、本実施形態に係るＥＣＵ３０は、温度Ｔｍが上昇したとき及び／又は気圧Ｐｒが低下したときに絶縁保護処理を実行していた。しかし、ＥＣＵ３０は、温度Ｔｍが上昇したときのみ絶縁保護処理を実行しても良い。或いは、ＥＣＵ３０は、気圧Ｐｒが低下したときのみ絶縁保護処理を実行しても良い。

１０…車両、２１…蓄電池、２２…昇圧コンバータ、２３…インバータ、２４…電動機、３０…ＥＣＵ。

Claims (1)

1. 絶縁皮膜が施された界磁巻線を備える電動機と、
   直流電力を出力する電力供給装置と、
   ＰＷＭ制御及び矩形波制御のいずれかの制御モードを選択的に実行することによって前記直流電力を交流電力に変換し、その交流電力を前記電動機に出力するインバータと、
   を備える車両に適用され、
   前記電動機に要求トルクを発生させるため、前記直流電力の目標電圧と前記インバータの制御モードと同制御モードがＰＷＭ制御である場合の目標変調率とを決定し、前記決定された目標電圧の直流電力を出力するように前記電力供給装置を制御し且つ前記決定された制御モード及び目標変調率にて交流電力を出力するように前記インバータを制御する制御部を備える、
   電動機の制御装置において、
   前記制御部は、
   前記制御モードがＰＷＭ制御であるとき、前記絶縁皮膜の耐電圧に影響を及ぼす耐電圧パラメータにより示される同耐電圧が低下するほど電圧閾値及び／又は変調率閾値を低く設定し、前記目標電圧が前記電圧閾値よりも高く且つ前記目標変調率が前記変調率閾値よりも高いという特定条件が成立するか否かを判定し、同特定条件が成立していれば、同目標電圧を同電圧閾値以下に変更する処理及び／又は同目標変調率を同変調率閾値以下に変更する処理を実行するように構成された
   電動機の制御装置。
   

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