JP2016116378A - インバータの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】意図しない車両後退を抑制しつつ、インバータの破損を簡易な制御で回避可能なインバータの制御装置を提供する。【解決手段】インバータの制御装置は、車両の走行用モータの熱負荷に対応する制御パラメータが第１制御閾値以上になった場合に、前記走行用モータの出力トルクを第１制限値以下に制限する第１出力トルク制限部を有するインバータを制御する制御装置であって、前記制御パラメータを取得する制御パラメータ取得部と、前記制御パラメータが、前記第１制御閾値よりも小さい値を有する第２制御閾値以上となった場合に、前記出力トルクを前記第１制限値よりも大きい値を有する第２制限値に制限する第２出力トルク制限部と、を備える。【選択図】 図１

Description

本開示は、車両の走行用モータを駆動するインバータの制御装置に関する。

電動車両（電気自動車及びハイブリッド電気自動車を含む）では、バッテリに蓄えられた直流電力を、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子を備えるインバータで三相交流に変換して走行用モータに供給することにより、動力が得られる。この種のインバータでは、走行用モータの回転が停止した状態で大きなトルクがかけ続けられた場合（例えば、ブレーキペダルを踏まずに、アクセルペダルの操作のみによって上り坂の途中に停車する場合。以下、適宜「ストール状態」という）、特定のＩＧＢＴに大電流が流れ続けることによって、インバータが破損するおそれがある。このような事態を回避するために、インバータの熱負荷を評価するための制御パラメータを算出し、当該制御パラメータが所定値に到達すると、走行用モータのトルク指令値を強制的に制限する保護回路を備えたものが知られている。

このようなインバータの保護制御に関する技術として、例えば特許文献１及び２がある。
特許文献１には、ストール状態が所定期間以上に亘って継続した場合に、上述のインバータの保護機能によってトルク指令値が強制的に制限された際に、走行用モータのトルクが失われることによって急激な車両後退が生じないようにトルク指令値の制限量を軽減することが記載されている。

また、特許文献２には、ストール状態が発生した際に、保護回路によるトルク制限量に比べてトルク指令値が大きい場合に、素子保護のための制限トルク（出力制限）から所定の値ずつ低減されるものであるリミットトルクをモータから出力すべくインバータ回路を制御することにより、ストール状態からの脱出を容易にすることが記載されている。

特開平７−３３６８０７号公報 特開平１１−２１５６８７号公報

上記特許文献１及び２は、インバータの制御ユニットで実施される制御内容を改良することによって、保護回路の作動時に生じる車両の後退を抑制している。しかしながら、インバータの制御ユニットで実施される制御内容を変更することはコスト的に負担が大きく、例えば、保護回路を有する既存のインバータを流用する場合には適さない。
尚、インバータの保護回路の駆動を回避するためには、モータ／インバータを大容量化したり、或いは多段変速機を採用することも考えられるが、いずれも重量やコストが増加するため好ましくない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、意図しない車両後退を抑制しつつ、インバータの破損を簡易な制御で回避可能なインバータの制御装置を提供することを目的とする。

本発明の少なくとも一実施形態に係るインバータの制御装置は、
車両の走行用モータの熱負荷に対応する制御パラメータが第１制御閾値以上になった場合に、前記走行用モータの出力トルクを第１制限値以下に制限する第１出力トルク制限手段を有するインバータを制御する制御装置であって、
前記制御パラメータを取得する制御パラメータ取得部と、
前記制御パラメータが、前記第１制御閾値よりも小さい第２制御閾値以上となった場合に、前記出力トルクが前記第１制限値よりも大きい第２制限値に近づくように制限する第２出力トルク制限手段と、を備える。

上記（１）の構成によれば、保護回路を備えるインバータにおいて、保護回路の制御用に用いられている制御パラメータを取得し、当該制御パラメータが第２制御閾値より大きくなったか否かに基づいて、トルク指令値の制限を行う。これにより、保護回路を備えるインバータにおいて、インバータのコントロールユニット自体の構成を変更することなく、インバータの保護を図りながら意図しない車両の後退を効果的に回避できる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、意図しない車両後退を抑制しつつ、インバータの破損を簡易な制御で回避可能なインバータの制御装置が提供される。

本発明の一実施形態に係るインバータの制御装置を含むシステム構成を概略的に示す図である。 本発明の一実施形態における制御パラメータと実トルクの時間推移を示す図である。 図２Ａに対応した加速度の時間推移を示す図である。 図２Ａに対応した車両の後退量の時間推移を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るインバータ２の制御装置３を含むインバータ２の保護制御システム１の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、インバータ２の保護制御システム１（以下、保護制御システム１）は、インバータ２と、制御装置３と、備える。

本実施形態に係る保護制御システム１は、電動車両に搭載された走行用モータ（以下、モータ４）にバッテリ６から電力を供給する電力供給経路上に設けられたインバータ２を保護対象とする。バッテリ６は例えばリチウムイオン電池のような二次電池であり、モータ４の力行時には、当該バッテリ６に蓄えられた直流電力がインバータ２によって交流変換されて供給されることにより、モータ４が駆動される。一方、回生時にはモータ４によって発電された交流電力が、インバータ２によって直流変換されることによって、バッテリ６に充電が行われる。このようなインバータ２による直流電力―交流電力間の変換は、インバータ２が備える主にスイッチング素子２４によって実施されるが、具体的な回路構成については公知の例に従うこととし、ここでは詳述は割愛する。

力行時におけるインバータ２の制御は、後述する車両制御ユニット（車両制御ＥＣＵ５）からのトルク指令値τｒに対応する実トルク値τｃがモータ４から出力されるように実施される。より詳細には、インバータ２が有する複数のスイッチング素子２４が切替ることでバッテリ６（直流電源）からの直流電力は交流電力に変換される。そして、この電力変換を通して周波数や電流量が調整され、トルク指令値τｒに応じた駆動電力がインバータ２によってモータ４に供給される。また、インバータ２によって直流電力は３相交流電力に変換されており、スイッチング素子２４は、高速スイッチングが可能なＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Τｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられているが、これには限定されない。

また、インバータ２は保護機能を実行する保護機能部（第１出力トルク制限部）２２を備えている。すなわち、保護機能部２２では、車両の走行用モータ４の熱負荷に対応する制御パラメータＶが第１制御閾値以上になった場合に、走行用モータ４の出力トルクが第１制限値以下に制限されることにより保護機能が発揮される。保護機能部２２は、例えば、インバータ２の破損につながる状態を制御パラメータＶ（後述）によって監視しており、制御パラメータＶがスイッチング素子２４の保護のために設けられた所定の閾値（第１制御閾値）以上となった場合に、モータ４のトルク指令値τｒを所定の制限値以下に制限するよう構成される。そして、この保護機能部２２（第１出力トルク制限部）によって、過大なトルク（閾値トルクτｔｈより大きなトルク）が付与されているにもかかわらずモータ４の回転がほぼ停止している、いわゆるストール状態において、大電流が許容時間を超えて流れることによる破損からインバータ２は保護されている。逆に、ストール状態になった場合でも、過大なトルクが解消された場合や、モータ４が回転を開始した場合には、特定のスイッチング素子２４に大電流が流れない状態となるため、ストール状態は解消される。

このように、インバータ２の保護機能が実行されると、保護機能部２２によってトルク指令値τｒが強制的に低下されるため（図２Ａ参照）、この低下されたトルク指令値τｒ（制限トルク指令値τｒ´）に基づいてインバータ２によりモータ４が駆動される。その結果、モータ４の駆動のための電力が低減されるため、特定のスイッチング素子２４に流れていた電流量が減る。上り坂の場合には、トルク指令値τｒが低下されることで前進と後退のバランスが崩れることで車両が後退し、モータ４が後退方向へ回転する。このように電流量の減少やモータ４の回転による特定のスイッチング素子２４のみへ大電流が流れることが解消される。なお、図１に示される実施形態では、保護機能が働くと、最大トルク値の１０％に相当する値にトルク指令値は制限されており、これによって、過大なトルクを解消し、ストール状態の解消が行われている。

上述の制御パラメータＶは、スイッチング素子２４の状態を判定するためのものであり、インバータ２の保護機能の実行判断を行うために監視される任意のパラメータである。具体的には、制御パラメータＶは、スイッチング素子２４の電流や温度であっても良いし、これらからの演算値であっても良い。あるいは、制御パラメータＶは、ストール状態からの経過時間に従って上昇するように構成されるパラメータであっても良い。また、制御パラメータＶは、ストール状態の開始を０％とし、保護機能による保護が実行される値を１００％（すなわち、第１制御閾値）とする百分率で管理されても良い。

例えば、制御パラメータＶがスイッチング素子２４の素子温度とした例を具体的に説明すると、周知のように、ストール状態になることにより電流が特定のスイッチング素子２４を流れる。すると、上記の素子温度は、異常発熱により、ストール状態となってからの経過時間に応じて上昇し、第１制御閾値に到達することになる。逆に、保護機能の実行や、モータ４の回転あるいはトルクが小さくなるなどによりストール状態が解消されると、スイッチング素子２４の素子の発熱が止まるため、経過時間に従って上記の素子温度は低下し通常の作動温度に戻る。一方、制御パラメータＶを百分率で管理する場合には、素子温度の通常状態の温度と素子の保護処理が必要な温度をそれぞれ０％と１００％とする場合には、素子の発熱に伴って制御パラメータＶは０％から経過時間に従って上昇し、第１制御閾値である１００％に到達することになる。また、素子の発熱が停止することにより経過時間に従って１００％から０％に戻る。

図１に示される実施形態では、ストール状態は、トルク指令値τｒが閾値トルクτｔｈより大きく（τｒ＞τｔｈ）かつモータ４の回転数Ｎが０という条件で検出されている。また、制御パラメータＶは百分率で管理されており、ストール状態の検出からの経過時間に従って０％から１００％となるように構成されている。そして、制御パラメータＶが１００％になることによりインバータ２の保護機能が実行されると、トルク指令値τｒが制限トルク指令値τｒ´に変更される。
一方、制御パラメータＶは、ストール状態の解消からの経過時間に伴って１００％から０％に低下するように構成されている。また、ストール状態が継続している場合でも、制御パラメータＶが０％になるとインバータ２の保護機能の実行が解除されるよう構成されている。この保護機能の実行解除によって、制限トルク指令値τｒ´は車両制御ＥＣＵ５からのトルク指令値τｒに戻されることになる。つまり、ストール状態が解消されていない場合には、保護機能の実行解除によって制御パラメータＶは再度上昇することになるため、保護機能の実行と実行解除が繰り返されることになる。

なお、上記の制御パラメータＶが０％から１００％となる許容時間は、トルク指令値τｒの関数で求めても良く、トルク指令値τｒが大きくなるほど電流量は大きくなるため、許容時間は電流量が大きくなるほど短く設定されるようにしても良い。また、保護機能の実行解除までの上述の所定時間は、スイッチング素子２４の保護に必要な任意の時間となる。
また、他の幾つかの実施形態では、制御パラメータＶは、上述した素子温度などの少なくとも１つとしても良いし、直接あるいは百分率で管理しても良いことは当然である。
そして、上記に説明した制御パラメータＶは、下記に説明する制御装置３によっても監視される。

この制御装置３は、制御パラメータＶに基づいてトルク指令値τｒを制御する。すなわち、制御装置３は、インバータ２の保護機能部２２が取得する制御パラメータＶを取得することが可能となるように保護機能部２２と接続されている。また、制御パラメータＶをインバータ２の保護機能部２２から取得することで、制御パラメータＶに基づいてトルク指令値Τｒを制御するよう構成される。このため、制御装置３は、以下に説明する制御パラメータＶ取得部３１と、第２出力トルク制限部３２とを備える。

制御パラメータＶ取得部３１は、インバータ２の有する制御パラメータＶを取得する。具体的には、インバータ２（保護機能部２２）と通信することで制御パラメータＶを取得する。この通信は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）やＬＩＮ（Ｌｏｃａｌ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などからなる車載ネットワークを介して取得しても良い。あるいは、インバータ２の保護機能部２２は制御パラメータＶを監視するので、保護機能部２２と制御パラメータＶ取得部３１とを直接接続しても良い。

第２出力トルク制限部３２は、制御パラメータＶが、第１制御閾値よりも小さい値を有する第２制御閾値以上となった場合に、出力トルクを前記第１制限値よりも大きい値を有する第２制限値に制限する。すなわち、インバータ２の保護機能の実行により、例えば、インバータ２の保護機能部２２によって最大トルク値の１０％に相当する値などにトルク指令値が急激に低下される前に、制御パラメータＶと第２制御閾値との比較に基づいてストール状態が第２出力トルク制限部３２によって検知される。また、第２出力トルク制限部３２による検知がなされた場合でもトルク指令値τｒは低下されるが、急激なトルク指令値τｒの低下が生じないように、インバータ２の保護機能部２２による制限値よりも大きい値に低下される。これによって、上り坂などにおける車両の後退量を抑制される。

具体的には、図１に示される実施形態では、第２出力トルク制限部３２は、車両制御ユニット５のトルク指令部５１に指示することで、トルク指令値τｒを低下させている。すなわち、車両制御ユニット５は電子制御ユニット（ＥＣＵ）であり、アクセルペダル７の操作量Ａｃｃと、モータ４の回転数Ｎに基づいてトルク指令値τｒを算出し、インバータ２に指令するよう構成されており、この機能がトルク指令部５１によって担当されている。但し、この実施形態に限定されず、他の幾つかの実施形態では、トルク指令部５１は、アクセルペダル７の操作量Ａｃｃおよびインバータ２からの実トルク値τｃに基づいて上述のトルク指令値τｒを算出しても良い。

このような構成を備える保護制御システム１による制御の実行結果を、インバータ２の保護機能のみの場合（参考例）と比較しながら図２Ａ〜図２Ｃを用いて説明する。図２Ａは、本発明の一実施形態における制御パラメータＶと実トルク値τｃの時間推移を示す図である。図２Ｂは、図２Ａに対応した加速度の時間推移を示す図である。また、図２Ｃは、図２Ａに対応した車両の後退量の時間推移を示す図である。

図２Ａに示されるように、時刻ｔ０においてインバータ２によってストール状態が検出されており、制御パラメータＶは、時刻ｔ０以降において０％から経過時間に従って上昇している。具体的には、モータ４の回転数Ｎが０となっていると共に、トルク指令値τｒが閾値トルクτｔｈよりも大きい値となっており（τｒ＞τｔｈ）、それに従って、実トルク値τｃは閾値トルクτｔｈよりも大きな値となっている。

そして、制御装置３を備えていない参考システム（参考例）においては、インバータ２のみによって制御パラメータＶが監視されている。このため、図２Ａの細破線で示されるように、制御パラメータＶは時刻ｔ１を経過した後に１００％（第１制御閾値）に達している。このため、１００％となった制御パラメータＶの検出によりインバータ２の保護機能が実行されている。その結果、図２Ａの細実線で示されるように、保護機能の実行開始タイミングで、時刻ｔ０以降一定に推移していた実トルク値τｃが急激に低下させられている。また、この実トルク値τｃの激減（例えば、最大トルクの１０％の値）に応じて、制御パラメータＶは経過時間に従って１００％から時刻ｔ５まで徐々に低下している。
また、このような制御に伴って、図２Ｂの細線で示されるように、インバータ２の保護機能の実行のタイミングで、車両の加速度が０から後退側に大幅に増加し（図２Ｂの例示では約ー１．８）している。これと共に、図２Ｃの細線で示されるように、加速度に応じて後退量が経過時間に従って増加している（図２Ｃの例示では、時刻ｔ３付近でー１０）。

これに対して、制御装置３を備えている保護制御システム１では、図２Ａの太破線で示されるように、時刻ｔ０と時刻ｔ１の間において制御パラメータが５０％（第２制御閾値）に達した時刻ｔｓから、トルク指令値τｒを低減する処理を開始している。より具体的には、図２Ａの太実線で示されるように、時刻ｔ０から一定に推移していた実トルク値τｃが緩やかに低下するように、時刻ｔｓにおいてトルク指令値τｒが減少側に変化されている。より詳細には、第２制御閾値以上となった場合に、トルク指令値τｒに所定の係数を演算（乗算など）することで第２制限値以下に制限すると共に、制御パラメータの値に応じてこの所定の係数を変化させることで（すなわち、所定の係数は制御パラメータの関数）、第２制限値を制御パラメータの値に応じて変化させている。このトルク指令値τｒの減少による実トルク値τｃの低下の結果、時刻ｔ１を経過した後の時刻ｔｐにおいて、車両の後退が検出され（図２Ｂ〜図２Ｃ参照）ている。すなわち、モータ４の回転数Ｎが０ではなくなっており、ストール状態が解消されたため、制御パラメータＶも１００％に到達することなく、時刻ｔｐから低下に転じている。

図２Ａの例示では、この時刻ｔｐからの制御パラメータの低下に応じて第２制限値が上昇しており、これによってトルク指令値τｒが増加された結果、実トルク値τｃが上昇している。この時、最大トルクの１０％などの制限値以下に制限するといったインバータ２の保護機能による制限は行われていないため、運転者により要求されるようにトルク指令値τｒを増加させることができる。また、車両の後退量およびその加速度は参考システムに比べてわずかであり、車両がわずかに後退した時点で運転者が後退に気付くと共に、大きく後退する前に運転者は対応することも可能となる。

その後、図２Ａの例示では、実トルク値τｃは、太実線で示されるように、時刻ｔ１と時刻ｔ２の間で上昇し、時刻ｔ５において時刻ｔ０と同じ水準にまで実トルク値τｃが上昇している。これに伴って、図２Ｂに示されるように加速度も時刻ｔ４から前進側に転じており、図２Ｃに示されるように後退量は小さくなる方向に変化している。また、時刻ｔｐ以降ではストール状態は解消されているため、図２Ａの太実線で示されるように、制御パラメータＶも時刻ｔｐ以降において時刻ｔ５まで徐々に低下している。

上記の構成によれば、インバータ２において、保護回路の制御用に用いられている制御パラメータＶを取得し、当該制御パラメータＶが第２制御閾値より大きくなったか否かに基づいて、トルク指令値τｒの制限を行う。これにより、保護機能部２２を備える既存のインバータ２において、インバータ２のコントロールユニットの構成を変更することなく、インバータ２の保護を図りながら意図しない車両の後退を回避することができる。すなわち、制御装置３は、インバータ２で監視されている既存の制御パラメータＶを利用するのみで、インバータ２とは別の装置である。また、インバータ２の保護機能が働く前に、第２制御閾値を用いる制御装置３によってトルクが絞られるため、制御パラメータＶが第１制御閾値に達すことはなく、インバータ２が破損することもない。さらに、第２制御閾値によってトルクは緩やかに絞られるため、車両の後退量や後退加速度はインバータ２の保護機能の実行よりも低減される。このため、車両の後退量が大きくならないうちに運転者が車両の後退を認知することが可能であり、運転者の意図にそって車両を前進に転ずることができる。

なお、図１に示される実施形態では、制御装置３は車両制御ユニット５に設けられており、車両制御ユニット５の一機能部として構成されている。他の幾つかの実施形態では、制御装置３は、車両制御ユニット５とは別個に設けられた装置であっても良く、また、制御装置３は単独のＥＣＵとして構成されても良い。

また、他の幾つかの実施形態では、制御装置３は、インバータ２による制限が予測される場合に報知するように構成された報知手段を更に備える。例えば、幾つかの実施形態では、制御パラメータＶが第２制御閾値以上となった場合にインバータ２による制限が予測されると判断しても良い。図２Ａの例示では、時刻ｔｓにおいて制御パラメータＶが第２制御閾値以上となっている。このため、報知のための警報は、時刻ｔｓから行われている。なお、報知は、警報音や警報アナウンスなどの音によって行っても良いし、音に加えてカーナビ等のディスプレイに表示しても良い。

また、その他の幾つかの実施形態では、制御装置３は、制御パラメータＶが、第１制御閾値より小さく、且つ、第２制御閾値より大きく設定された第３制御閾値を超えた場合に報知するように構成された報知手段を更に備える。すなわち、制御パラメータＶが第３制御閾値より大きくなった場合、今後、制御パラメータが第１制御閾値を超えて保護機能が作動する可能性が高いと判断してドライバーに報知する。上記実施形態では、基本的に制御パラメータＶが第２制御閾値を超えた段階でトルク指令値τｒの制限が行われるが、この制限によっても制御パラメータＶの上昇を抑えきれない場合、インバータ２の破損を回避するために保護機能を作動させる必要がある。保護回路が作動すると、前述のような意図しない車両の後退が発生し得るが、ドライバーにその旨の報知をしておくことによって、ドライバーに対して後退への対応準備を促すことができる。

上記の構成によれば、例えば、制御装置３によってトルクの絞り（制限）が開始されるのと同時に警報が行われるため、運転者のブレーキ操作を促すことができ、車両の後退を防止することができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

１ インバータの保護制御システム
２ インバータ
２２ 保護機能部
２４ スイッチング素子
３ 制御装置
３１ 制御パラメータ取得部
３２ 出力トルク制限部
４ 走行用モータ（モータ）
５ 車両制御ＥＣＵ
５１ トルク指令部
６ バッテリ
７ アクセルペダル
Ａｃｃ アクセルペダルの操作量
Ｎ モータの回転数
τｒ トルク指令値
τｃ 実トルク値
τｔｈ 閾値トルク
Ｖ 制御パラメータ
ｔ 時刻

Claims (1)

1. 車両の走行用モータの熱負荷に対応する制御パラメータが第１制御閾値以上になった場合に、前記走行用モータの出力トルクを第１制限値以下に制限する第１出力トルク制限部を有するインバータを制御する制御装置であって、
   前記制御パラメータを取得する制御パラメータ取得部と、
   前記制御パラメータが、前記第１制御閾値よりも小さい値を有する第２制御閾値以上となった場合に、前記出力トルクを前記第１制限値よりも大きい値を有する第２制限値に制限する第２出力トルク制限部と、
   を備えることを特徴とするインバータの制御装置。

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