JP2016151267A - 電動圧縮機 - Google Patents

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Abstract

【課題】駆動回路の温度が過度に高くなることを好適に抑制できる電動圧縮機を提供すること。
【解決手段】電動圧縮機10は、流体としての冷媒を圧縮する圧縮部12と、圧縮部12を駆動させる電動モータ13と、電動モータ13を駆動させる駆動回路としてのインバータ31と、インバータ31の温度であるインバータ温度を把握するものであってインバータ31を制御する制御部55とを備えている。制御部55は、インバータ31の駆動モードを制御する駆動モード制御部を備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、電動圧縮機に関する。
例えば、特許文献1に示すように、電動圧縮機は、冷媒を圧縮して吐出する圧縮部と、圧縮部を駆動させる電動モータと、電動モータを駆動させるための駆動回路と、を備えている場合がある。
また、特許文献2には、電動モータを駆動させる駆動回路の制御方式として、例えばパルス幅変調制御(PWM制御)が記載されている。パルス幅変調制御では、電圧を指示するための電圧指令信号と搬送波信号とによって制御信号が生成され、当該制御信号に基づいて、駆動回路に設けられたスイッチング素子のON/OFF制御が行われる。これにより、駆動回路にて直流電力が交流電力に変換される。そして、当該交流電力が電動モータに入力されることにより、電動モータが駆動する。さらに、特許文献2には、駆動回路の変調方式として三相変調方式と二相変調方式とがある点、及び、駆動回路の温度に応じて変調方式を切り替える点が記載されている。
特開2005−201108号公報 特開2011−109803号公報
ここで、駆動回路の動作状況や駆動回路の周囲の状況等によっては、駆動回路の温度が過度に高くなる場合がある。この場合、電動モータや電動圧縮機の運転に支障が生じ得る。かといって、駆動回路の温度が過度に高くなるのを抑制するために、例えば騒音などが大きくなることは好ましくない。
本発明は、上述した事情を鑑みてなされたものであり、その目的は駆動回路の温度が過度に高くなることを好適に抑制できる電動圧縮機を提供することである。
上記目的を達成する電動圧縮機は、流体を圧縮する圧縮部と、前記圧縮部を駆動させる電動モータと、前記電動モータを駆動させるものであってスイッチング素子を有する駆動回路と、前記駆動回路の温度を把握する温度把握部と、前記駆動回路の駆動モードを制御する駆動モード制御部と、を備え、前記駆動モードは、変調方式が三相変調方式である第1駆動モードと、変調方式が二相変調方式である第2駆動モードと、キャリア周波数が前記第1駆動モードのキャリア周波数よりも低く、且つ、変調方式が三相変調方式である第3駆動モードと、を含み、前記駆動モード制御部は、前記電動モータの回転数及び変調率の少なくとも一方と、前記温度把握部によって把握される把握温度とに基づいて、前記駆動モードを制御することを特徴とする。
かかる構成によれば、電動モータの回転数及び変調率の少なくとも一方と、把握温度とに基づいて、駆動モードを制御することにより、状況に応じた駆動モードで駆動回路を駆動させることができるため、駆動回路の温度が過度に高くなることを好適に抑制できる。
上記電動圧縮機について、前記駆動モード制御部は、前記駆動モードが前記第1駆動モードである状況において、前記回転数及び前記変調率の少なくとも一方で規定される二相変調条件が成立したことに基づいて、前記駆動モードを、前記第1駆動モードから前記第2駆動モードに移行させ、前記駆動モードが前記第1駆動モードである状況において、前記把握温度が予め定められた第3駆動モード移行契機温度よりも高くなることに基づいて、前記駆動モードを、前記第1駆動モードから前記第3駆動モードに移行させるとよい。かかる構成によれば、駆動モードが第1駆動モードである状況において二相変調条件が成立したことに基づいて、駆動モードを、第1駆動モードから第2駆動モードに移行させることにより、駆動回路における電力損失及び発熱量の低減を図ることができる。
また、駆動モードが第1駆動モードである状況において把握温度が第3駆動モード移行契機温度よりも高くなることに基づいて、駆動モードが第1駆動モードから第3駆動モードに移行する。当該第3駆動モードのキャリア周波数は、第1駆動モードのキャリア周波数よりも低いため、駆動回路の電力損失は、第3駆動モードの方が第1駆動モードよりも小さくなり易い。これにより、駆動回路の発熱量を小さくすることができるため、駆動回路の発熱を抑制できる。
上記電動圧縮機について、前記第3駆動モード移行契機温度は第1の第3駆動モード移行契機温度であり、前記駆動モード制御部は、前記駆動モードが前記第2駆動モードである状況において、予め定められた第3駆動モード移行条件が成立したことに基づいて、前記駆動モードを、前記第2駆動モードから前記第3駆動モードに移行させるものであり、前記第3駆動モード移行条件は、前記把握温度が予め定められた第2の第3駆動モード移行契機温度よりも高くなることを含み、前記第2の第3駆動モード移行契機温度は、前記第1の第3駆動モード移行契機温度よりも高いとよい。かかる構成によれば、第2駆動モードから第3駆動モードへの移行条件に用いられる第2の第3駆動モード移行契機温度は、第1駆動モードから第3駆動モードへの移行条件に用いられる第1の第3駆動モード移行契機温度よりも高くなっている。これにより、第2駆動モードと比較して駆動回路の発熱量が大きくなり易い第1駆動モードにおいては、比較的早期に第3駆動モードへ移行するため、駆動回路の温度上昇に早期に対応できる。一方、第2駆動モードについては比較的長期に亘って維持させることができる。
上記電動圧縮機について、予め定められた弱め界磁条件が成立した場合には、前記電動モータに対して弱め界磁制御を行う弱め界磁制御部を備え、前記第3駆動モード移行条件は、前記把握温度が前記第2の第3駆動モード移行契機温度よりも高くなり、且つ、前記弱め界磁制御部による前記弱め界磁制御が行われていないことであるとよい。かかる構成によれば、弱め界磁条件が成立した場合には、弱め界磁制御を行うことにより、所望の電力を電動モータに入力させることができる。
ここで、弱め界磁制御は、通常の電動モータの制御と比較して、駆動回路の発熱量が小さくなり易い。このため、駆動モードが第2駆動モードであって弱め界磁制御が行われている状況における駆動回路の発熱量は、第3駆動モード時における駆動回路の発熱量と同等、又は、それよりも小さくなり得る。この点、本構成によれば、駆動モードが第2駆動モードであって弱め界磁制御が行われている状況においては、把握温度が第2の第3駆動モード移行契機温度よりも高くなった場合であっても、駆動モードは第2駆動モードから第3駆動モードに移行しない。これにより、不要な駆動モードの移行が行われることを抑制できる。
上記電動圧縮機について、前記駆動モード制御部は、前記駆動モードが前記第3駆動モードである状況において、前記把握温度が予め定められた第1駆動モード移行契機温度よりも低くなることに基づいて、前記駆動モードを、前記第3駆動モードから前記第1駆動モードに移行させ、前記駆動モードが前記第3駆動モードである状況において、前記把握温度が予め定められた第2駆動モード移行契機温度よりも低く、且つ、前記二相変調条件が成立していることに基づいて、前記駆動モードを、前記第3駆動モードから前記第2駆動モードに移行させるものであり、前記第1駆動モード移行契機温度は、前記第2駆動モード移行契機温度よりも低いとよい。かかる構成によれば、駆動モードが第3駆動モードである状況において、把握温度が第2駆動モード移行契機温度よりも低く、且つ、二相変調条件が成立した場合には、駆動モードは、第3駆動モードから第2駆動モードに移行する。これにより、第1駆動モードを経由させることなく、第3駆動モードから第2駆動モードへの駆動モードの移行が可能であるため、無駄な駆動モードの移行を回避できる。また、第1駆動モード移行契機温度は、第2駆動モード移行契機温度よりも低く設定されているため、比較的駆動回路の発熱量が大きくなり易い第1駆動モードについては、十分に駆動回路の温度が低下してから移行することにより駆動回路の温度上昇を抑制できる一方、比較的駆動回路の発熱量が小さくなり易い第2駆動モードについては、比較的早期に移行することができる。
この発明によれば、駆動回路の温度が過度に高くなることを好適に抑制できる。
電動圧縮機及び車両空調装置の概要を示す模式図。 インバータの回路図。 駆動モードを説明するための概念図。 駆動モード制御部にて実行される駆動モード切替制御処理を示すフローチャート。 駆動モードの切替態様を説明するための相関図。
以下、電動圧縮機の一実施形態について説明する。本実施形態の電動圧縮機は例えば車両に搭載されており、車両空調装置に用いられる。
図1に示すように、車両空調装置100は、電動圧縮機10と、電動圧縮機10に対して冷媒を供給する外部冷媒回路101とを備えている。外部冷媒回路101は、例えば熱交換器及び膨張弁などを有している。車両空調装置100は、電動圧縮機10によって冷媒が圧縮され、且つ、外部冷媒回路101によって冷媒の熱交換及び膨張が行われることによって、車両の室内の冷暖房を行う。
なお、車両空調装置100は、当該車両空調装置100の全体を制御する空調ECU102を備えている。空調ECU102は、車内温度や設定温度等を把握可能に構成されており、これらのパラメータに基づいて、電動圧縮機10に対してON/OFF指令等といった各種指令を送信する。
電動圧縮機10は、外部冷媒回路101から冷媒が吸入される吸入口11aが形成されたハウジング11と、ハウジング11に収容された圧縮部12及び電動モータ13とを備えている。
ハウジング11は、全体として略円筒形状であって、伝熱性を有する材料(例えばアルミニウム等の金属)で形成されている。ハウジング11には、冷媒が吐出される吐出口11bが形成されている。
圧縮部12は、吸入口11aからハウジング11内に吸入された冷媒を圧縮し、その圧縮された冷媒を吐出口11bから吐出させるものである。なお、圧縮部12の具体的な構成は、スクロールタイプ、ピストンタイプ、ベーンタイプ等任意である。
電動モータ13は、圧縮部12を駆動させるものである。電動モータ13は、例えばハウジング11に対して回転可能に支持された円柱状の回転軸21と、当該回転軸21に対して固定され且つ永久磁石が埋設された円筒形状のロータ22と、ハウジング11に固定されたステータ23とを有する。回転軸21の軸線方向と、円筒形状のハウジング11の軸線方向とは一致している。ステータ23は、円筒形状のステータコア24と、当該ステータコア24に形成されたティースに捲回されたコイル25とを有している。ロータ22及びステータ23は、回転軸21の径方向に対向している。
図1に示すように、電動圧縮機10は、電動モータ13を駆動させる駆動回路としてのインバータ31と、当該インバータ31が収容されたケース32とを有するインバータユニット30を備えている。電動モータ13のコイル25とインバータ31とは図示しないコネクタ等によって接続されている。ケース32は、固定具としてのボルト41によってハウジング11に固定されている。すなわち、本実施形態の電動圧縮機10には、インバータ31が一体化されている。
インバータ31は、例えば回路基板51と、当該回路基板51と電気的に接続されたパワーモジュール52とを備えている。回路基板51には、各種電子部品及び配線パターンが実装されており、例えば回路基板51の温度を測定する温度測定部としての温度センサ53が実装されている。ケース32の外面にはコネクタ54が設けられており、回路基板51とコネクタ54とが電気的に接続されている。コネクタ54を介して、外部電源としてのDC電源Eからインバータ31に電力供給が行われるとともに、空調ECU102とインバータ31とが電気的に接続されている。
図2に示すように、電動モータ13のコイル25は、例えばu相コイル25u、v相コイル25v及びw相コイル25wを有する三相構造となっている。すなわち、電動モータ13は三相モータである。各コイル25u〜25wは例えばY結線されている。
パワーモジュール52は、u相コイル25uに対応するu相パワースイッチング素子Qu1,Qu2と、v相コイル25vに対応するv相パワースイッチング素子Qv1,Qv2と、w相コイル25wに対応するw相パワースイッチング素子Qw1,Qw2と、を備えている。つまり、インバータ31は、所謂三相インバータである。
各パワースイッチング素子Qu1,Qu2,Qv1,Qv2,Qw1,Qw2(以降単に各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2と示す)は例えばIGBTで構成されている。各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2は、当該各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2の温度が予め定められた動作上限温度Tmax以下である場合に正常に動作する。すなわち、動作上限温度Tmaxとは、各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2の動作保証範囲の上限値であり、換言すればインバータ31の動作保証範囲の上限値である。
各u相パワースイッチング素子Qu1,Qu2は接続線を介して互いに直列に接続されており、その接続線は、u相コイル25uに接続されている。そして、各u相パワースイッチング素子Qu1,Qu2の直列接続体に対してDC電源Eからの直流電力が入力されている。なお、他のパワースイッチング素子Qv1,Qv2,Qw1,Qw2については、対応するコイルが異なる点を除いて、u相パワースイッチング素子Qu1,Qu2と同様の接続態様であるため、詳細な説明を省略する。
なお、インバータ31は、DC電源Eに対して並列に接続された平滑コンデンサC1を有している。また、パワーモジュール52は、パワースイッチング素子Qu1〜Qw2に対して並列に接続された還流ダイオードDu1〜Dw2を有している。
電動圧縮機10は、インバータ31(詳細には各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2のスイッチング動作)を制御する制御部55を備えている。制御部55は、各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2のゲートに接続されている。制御部55は、各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2を周期的にON/OFFさせることにより、電動モータ13を駆動、つまり回転させる。
ちなみに、本実施形態では、制御部55は、上アームの各パワースイッチング素子Qu1,Qv1,Qw1をON状態にするためにブートストラップ方式を採用している。詳細には、上アームの各パワースイッチング素子Qu1,Qv1,Qw1と、制御部55との間には、コンデンサ61aを有するブートストラップ回路61が設けられている。ブートストラップ回路61は、DC電源Eの電圧である電源電圧よりも高い電圧を生成する。制御部55は、ブートストラップ回路61にて生成された電圧を上アームの各パワースイッチング素子Qu1,Qv1,Qw1のゲートに印加することにより、上記各パワースイッチング素子Qu1,Qv1,Qw1をON状態にする。
制御部55は、インバータ31をパルス幅変調制御(PWM制御)するものである。詳細には、制御部55は、キャリア信号(搬送波信号)と指令電圧値信号(比較対象信号)とを用いて、制御信号を生成する。そして、制御部55は、生成された制御信号を用いて各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2のON/OFF制御を行うことにより、直流電力を交流電力に変換する。そして、変換された交流電力が電動モータ13に入力されることにより、電動モータ13が駆動する。
ここで、制御部55は、キャリア信号の周波数であるキャリア周波数fを変更可能に構成されている。なお、キャリア信号の具体的な波形は、例えば三角波やノコギリ波等任意である。
また、制御部55は、制御信号を制御することにより、各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2のON/OFFのデューティ比を可変制御することができ、それを通じて電動モータ13の回転数rを制御することができる。制御部55は、空調ECU102と電気的に接続されており、空調ECU102から回転数rの指令値に関する情報を受信した場合には、当該指令値に対応する回転数rで電動モータ13を回転させる。なお、以降の説明において、電動モータ13の回転数rを、単に回転数rという。
更に、制御部55は、制御信号を制御することにより、電源電圧と、インバータ31から出力される交流電圧の振幅との比率である変調率Mを制御することができる。制御部55は、電源電圧と、電動モータ13の駆動に要求される要求電力に対応する電圧である要求電圧とを把握し、インバータ31の出力電圧が要求電圧となるように電源電圧に対応させて変調率Mを制御する。
制御部55は、温度センサ53の測定結果に基づいて、インバータ31の温度であるインバータ温度Tを把握する。詳細には、温度センサ53は、その測定結果を制御部55に送信する。制御部55は、温度センサ53の測定結果とパワーモジュール52(詳細には各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2)の温度との相関関係に関するデータを有しており、当該データを参照することにより、温度センサ53の測定結果に対応するパワーモジュール52の温度を導出し、その導出された温度をインバータ温度Tとする。つまり、温度センサ53は、インバータ温度Tを把握するのに用いられるものである。インバータ温度Tが「把握温度」に対応し、制御部55が「温度把握部」に対応する。
なお、インバータ温度Tについては、上記に限られず、インバータ31に関する温度であれば任意であり、例えば温度センサ53によって測定された測定値そのもの、すなわち回路基板51の温度等であってもよい。
また、制御部55は、電動モータ13の印加電圧と電動モータ13に流れる電流とに基づいて電動モータ13にて発生する逆起電力を推定し、推定された逆起電力に基づいてロータ22の回転位置を把握する位置把握部62を備えている。制御部55は、位置把握部62によって把握されるロータ22の回転位置に基づいて各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2のON/OFF制御を行う。なお、電動モータ13に流れる電流を検出する構成は、任意であるが、例えばシャント抵抗を設け、当該シャント抵抗の電圧を検出し、その検出結果に基づいて上記電流を推定する構成等が考えられる。
図2に示すように、制御部55は、インバータ31の駆動モード(以降単に駆動モードという)を制御する駆動モード制御部63を備えている。当該駆動モードについて、以下に詳細に説明する。
本実施形態では、図3に示すように、駆動モードには、キャリア周波数fが第1キャリア周波数f1であり、且つ、変調方式が三相変調方式である第1駆動モードと、キャリア周波数fが第2キャリア周波数f2であり、且つ、変調方式が二相変調方式である第2駆動モードとが存在する。更に、駆動モードには、キャリア周波数fが第3キャリア周波数f3であり、且つ、変調方式が三相変調方式である第3駆動モードが存在する。
ここで、本実施形態において、三相変調方式とは、全相のパワースイッチング素子Qu1〜Qw2の周期的なON/OFFが常時行われている駆動モードである。二相変調方式とは、全相のパワースイッチング素子Qu1〜Qw2のうちいずれかの相のパワースイッチング素子の周期的なON/OFFが所定の期間(位相角)ごとに順次停止する駆動モードである。すなわち、二相変調方式とは、三相のうちのいずれか一相のパワースイッチング素子の周期的なON/OFFが順番に停止する一方、他の二相のパワースイッチング素子の周期的なON/OFFが行われる駆動モードである。なお、パワースイッチング素子の周期的なON/OFFが停止している状態とは、パワースイッチング素子がON状態又はOFF状態で固定されている状態である。
二相変調方式は、三相変調方式と比較して、各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2のON/OFFの頻度が低い。このため、インバータ31の電力損失及び発熱量は、二相変調方式よりも三相変調方式の方が大きくなり易い。なお、以降の説明において、特に断りがない限り、電力損失及び発熱量とは、インバータ31の電力損失及び発熱量を意味する。
なお、本実施形態の二相変調方式は、例えば上アームの各パワースイッチング素子Qu1,Qv1,Qw1と、下アームの各パワースイッチング素子Qu2,Qv2,Qw2との双方を使用するものであり、換言すれば各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2が停止対象となる方式である。
本実施形態では、第1キャリア周波数f1と第2キャリア周波数f2とは同一に設定されている。一方、第3キャリア周波数f3は、第1キャリア周波数f1よりも低く設定されている。詳細には、図3に示すように、第1キャリア周波数f1及び第2キャリア周波数f2は例えば20kHzに設定されており、第3キャリア周波数f3は例えば10kHzに設定されている。なお、第1キャリア周波数f1が「第1駆動モードのキャリア周波数」に対応する。
図2に示すように、制御部55は、予め定められた弱め界磁条件が成立した場合には、電動モータ13に対して弱め界磁制御を行う弱め界磁制御部64を備えている。弱め界磁条件とは、例えば電動モータ13にて発生する逆起電力が電源電圧と等しくなったことである。
弱め界磁制御とは、電動モータ13の制御態様の一種である。弱め界磁制御とは、逆起電力が電源電圧と等しくなった場合にステータ23の各コイル25u〜25wに電流を流すことにより、ロータ22に埋設された永久磁石に発生している磁束とは逆向きの磁束を発生させて逆起電力を低減させる制御である。
ここで、弱め界磁制御は、変調方式が二相変調方式であって過変調制御が行われている場合に実行される。過変調制御では、キャリア周期よりも長い所定期間に亘って動作対象のパワースイッチング素子がON状態に維持される時がある。また、弱め界磁制御が行われる状況は、電源電圧が比較的低い状況である。このため、弱め界磁制御は、通常制御よりも、電力損失が小さくなり易い。
なお、動作対象のパワースイッチング素子とは、停止相のパワースイッチング素子以外のパワースイッチング素子である。また、以降の説明において、弱め界磁制御等といった特段の記載がないものについては、通常制御(換言すれば非弱め界磁制御)とする。
かかる構成において、通常制御における電力損失及び発熱量の大きさは、第1駆動モード>第2駆動モード>第3駆動モードとなっている。第1駆動モードは、3つの駆動モードのうち最も発熱量が大きい駆動モードである。第3駆動モードは、少なくとも通常制御において、3つの駆動モードのうち最も発熱量が小さい駆動モードである。但し、第3駆動モードは、キャリア周波数fが低くなっている分だけ、騒音が大きくなり易い。
ここで、駆動モード制御部63は、電動圧縮機10(詳細には電動モータ13)の起動時においては、駆動モードを第1駆動モードに設定する。すなわち、本実施形態では、第1駆動モードが初期駆動モードである。また、駆動モード制御部63は、現状の駆動モードを把握可能に構成されている。
その後、駆動モード制御部63は、電動圧縮機10の運転中(電動モータ13の回転中)、インバータ温度Tと、電動モータ13の回転数r及び変調率Mとに基づいて、駆動モードを切り替える駆動モード切替制御処理を定期的に実行する。当該駆動モード切替制御処理について以下に詳細に説明する。
図4に示すように、駆動モード制御部63は、ステップS101にて、現状の駆動モードが第1駆動モードであるか否かを判定する。駆動モード制御部63は、現状の駆動モードが第1駆動モードでない場合にはステップS106に進む一方、現状の駆動モードが第1駆動モードである場合には、ステップS102に進み、第2駆動モードへの移行条件が成立しているか否かを判定する。詳細には、ステップS102では、駆動モード制御部63は、予め定められた二相変調条件が成立しているか否かを判定する。
二相変調条件とは、インバータ31の制約によって決定される条件であり、本実施形態においては、回転数r及び変調率Mの少なくとも一方で規定される条件である。詳細には、二相変調条件は、回転数rが予め定められた閾値回転数rth以上であり、且つ、変調率Mが予め定められた閾値変調率Mth以上である。
ここで、閾値回転数rthは、予め定められた値であれば任意であるが、例えばブートストラップ回路61のコンデンサ61aのキャパシタンス等に基づいて設定される。詳細には、上アーム及び下アームの双方を使用した二相変調方式である場合、上アームのパワースイッチング素子Qu1,Qv1,Qw1のいずれかを特定期間(例えば電気角60度の期間)に亘ってON状態に維持する必要がある。当該特定期間は、回転数rが低くなるほど長くなる。一方、上アームの各パワースイッチング素子Qu1,Qv1,Qw1をON状態に維持できる維持可能期間は、コンデンサ61aのキャパシタンスに依存する。この場合、コンデンサ61aのキャパシタンスと回転数rとの組み合わせによっては、特定期間が維持可能期間よりも長くなり得る。このため、閾値回転数rthは、当該閾値回転数rthに対応する特定期間が維持可能期間と同一又はそれよりも若干短くなるように設定されている。
また、閾値変調率Mthは、予め定められた値であれば任意であるが、例えば各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2の仕様(例えばディレイ時間等)に基づいて設定される。
駆動モード制御部63は、二相変調条件が成立している場合、すなわち回転数rが閾値回転数rth以上であり、且つ、変調率Mが閾値変調率Mth以上である場合には、ステップS103に進み、駆動モードを、第1駆動モードから第2駆動モードに移行させて、本駆動モード切替制御処理を終了する。
一方、駆動モード制御部63は、二相変調条件が成立していない場合、すなわち、回転数rが閾値回転数rth未満である、又は、変調率Mが閾値変調率Mth未満である、のいずれか一方を満たす場合には、ステップS102を否定判定し、ステップS104に進む。ステップS104では、駆動モード制御部63は、第3駆動モードへの移行条件が成立しているか否かを判定する。詳細には、駆動モード制御部63は、温度センサ53の測定結果からインバータ温度Tを把握し、当該インバータ温度Tが予め定められた第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1よりも高いか否かを判定する。第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1は、動作上限温度Tmaxよりも低く、例えば70℃である。
駆動モード制御部63は、インバータ温度Tが第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1以下である場合には、そのまま本駆動モード切替制御処理を終了する。一方、駆動モード制御部63は、インバータ温度Tが第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1よりも高い場合には、ステップS105にて、駆動モードを、第1駆動モードから第3駆動モードに移行させて、本駆動モード切替制御処理を終了する。
ちなみに、本実施形態では、駆動モード制御部63は、ステップS104の処理の実行前にステップS102の処理を実行する。このため、駆動モード制御部63は、駆動モードが第1駆動モードである状況において、第2駆動モードへの移行条件(二相変調条件)と、第3駆動モードへの移行条件(T>Tu1)との双方が成立している場合には、第3駆動モードへの移行よりも第2駆動モードへの移行を優先する。
図4に示すように、駆動モード制御部63は、ステップS106では、現状の駆動モードが第2駆動モードであるか否かを判定する。駆動モード制御部63は、現状の駆動モードが第2駆動モードでない場合には、ステップS111に進む一方、現状の駆動モードが第2駆動モードである場合にはステップS107に進み、第3駆動モードへの移行条件が成立しているか否かを判定する。詳細には、駆動モード制御部63は、インバータ温度Tが予め定められた第2の第3駆動モード移行契機温度Tu2よりも高く、且つ、弱め界磁制御中でないか否かを判定する。第2の第3駆動モード移行契機温度Tu2は、動作上限温度Tmaxよりも低い範囲内で、第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1よりも高く設定されており(Tmax>Tu2>Tu1)、例えば90℃である。
駆動モード制御部63は、インバータ温度Tが第2の第3駆動モード移行契機温度Tu2よりも高く、且つ、弱め界磁制御中でない(すなわち通常制御中である)場合には、ステップS108に進み、駆動モードを第2駆動モードから第3駆動モードに移行させて、本駆動モード切替制御処理を終了する。
一方、駆動モード制御部63は、インバータ温度Tが第2の第3駆動モード移行契機温度Tu2以下である、又は、弱め界磁制御中である場合には、ステップS107を否定判定し、ステップS109に進み、第1駆動モードへの移行条件が成立しているか否かを判定する。詳細には、駆動モード制御部63は、ステップS109では、二相変調条件が成立していないか否かを判定する。駆動モード制御部63は、二相変調条件が成立している場合には、ステップS109を否定判定し、そのまま本駆動モード切替制御処理を終了する。一方、駆動モード制御部63は、二相変調条件が成立していない場合には、ステップS109を肯定判定し、ステップS110にて、駆動モードを第2駆動モードから第1駆動モードに移行させて、本駆動モード切替制御処理を終了する。すなわち、駆動モード制御部63は、駆動モードが第2駆動モードである状況において、二相変調条件が成立しなくなったことに基づいて、駆動モードを、第2駆動モードから第1駆動モードに移行させる。
現状の駆動モードが第1駆動モードでなく、且つ、第2駆動モードでない場合(ステップS101:NO、ステップS106:NO)、現状の駆動モードは第3駆動モードであることを意味する。この場合、駆動モード制御部63は、ステップS111にて、第2駆動モードへの移行条件が成立しているか否かを判定する。詳細には、駆動モード制御部63は、ステップS111では、インバータ温度Tが予め定められた第2駆動モード移行契機温度Td2よりも低く、且つ、二相変調条件が成立しているか否かを判定する。第2駆動モード移行契機温度Td2は、第2の第3駆動モード移行契機温度Tu2よりも低く設定されており、例えば85℃である。
駆動モード制御部63は、インバータ温度Tが第2駆動モード移行契機温度Td2よりも低く、且つ、二相変調条件が成立している場合には、ステップS112にて、駆動モードを第3駆動モードから第2駆動モードに移行させて、本駆動モード切替制御処理を終了する。
一方、駆動モード制御部63は、インバータ温度Tが第2駆動モード移行契機温度Td2以上である場合、又は、二相変調条件が成立していない場合には、ステップS111を否定判定し、ステップS113に進み、第1駆動モードへの移行条件が成立しているか否かを判定する。詳細には、駆動モード制御部63は、ステップS113では、インバータ温度Tが予め定められた第1駆動モード移行契機温度Td1よりも低いか否かを判定する。第1駆動モード移行契機温度Td1は、第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1及び第2駆動モード移行契機温度Td2よりも低く設定されており、例えば65℃である。
駆動モード制御部63は、インバータ温度Tが第1駆動モード移行契機温度Td1以上である場合には、そのまま本駆動モード切替制御処理を終了する。一方、駆動モード制御部63は、インバータ温度Tが第1駆動モード移行契機温度Td1よりも低い場合には、ステップS114にて、駆動モードを、第3駆動モードから第1駆動モードに移行させて、本駆動モード切替制御処理を終了する。
ちなみに、本実施形態では、第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1と、第1駆動モード移行契機温度Td1とは、各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2の動作保証範囲内において、第1駆動モードで駆動する温度領域が、第3駆動モードで駆動する温度領域よりも広くなるように設定されている。また、第2の第3駆動モード移行契機温度Tu2と、第2駆動モード移行契機温度Td2とは、各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2の動作保証範囲内において、第2駆動モードで駆動する温度領域が第3駆動モードで駆動する温度領域よりも広くなるように設定されている。
次に本実施形態の作用について図5を用いて説明する。
図5に示すように、インバータ温度Tが比較的低い場合(T≦Tu1)、駆動モードは、二相変調条件の成否に応じて、第1駆動モード又は第2駆動モードに設定される。
また、二相変調条件が成立していない条件下では、駆動モードは、インバータ温度Tに応じて、第1駆動モード又は第3駆動モードに設定される。一方、二相変調条件が成立している条件下では、駆動モードは、インバータ温度T及び電動モータ13の制御態様(弱め界磁制御中か否か)に応じて、第2駆動モード又は第3駆動モードに設定される。
以上詳述した本実施形態によれば以下の効果を奏する。
(1)電動圧縮機10は、流体としての冷媒を圧縮する圧縮部12と、圧縮部12を駆動させる電動モータ13と、電動モータ13を駆動させる駆動回路としてのインバータ31と、インバータ31の温度であるインバータ温度Tを把握するものであってインバータ31を制御する制御部55とを備えている。制御部55は、インバータ31の駆動モードを制御する駆動モード制御部63を備えている。
ここで、駆動モードは、キャリア周波数fが第1キャリア周波数f1であり、且つ、変調方式が三相変調方式である第1駆動モードと、変調方式が二相変調方式である第2駆動モードと、キャリア周波数fが第1キャリア周波数f1よりも低い第3キャリア周波数f3であり、且つ、変調方式が三相変調方式である第3駆動モードとを含む。そして、駆動モード制御部63は、インバータ温度Tと、電動モータ13の回転数r及び変調率Mとに基づいて、駆動モードを制御する。これにより、状況に応じて最適な駆動モードでインバータ31を駆動させることができるため、インバータ温度Tが過度に高くなることを好適に抑制できる。
詳述すると、駆動モードには、第1駆動モードと第2駆動モードとが存在する。第1駆動モードは、変調方式が三相変調方式であり、汎用性に優れている。一方、第2駆動モードは、変調方式が二相変調方式の駆動モードである。当該二相変調方式は、三相変調方式と比較して、電力損失が小さくなり易いため、発熱量が小さくなり易い。しかしながら、変調方式を二相変調方式にするには、回転数r等で規定される一定の条件(二相変調条件)が存在する場合がある。このため、例えば回転数r等によっては、駆動モードを第2駆動モードに移行させることができず、駆動モードが長期間に亘って第1駆動モードに維持され、その結果、インバータ温度Tが過度に高くなってしまう事態、例えばインバータ温度Tが動作上限温度Tmaxよりも高くなる事態が生じ得る。
これに対して、本実施形態によれば、駆動モードには、第1駆動モード及び第2駆動モードとは別に、第3駆動モードが設けられている。当該第3駆動モードは、キャリア周波数fが第1キャリア周波数f1よりも低く設定されているため、第1駆動モードよりも発熱量が小さくなり易い。また、第3駆動モードは、その変調方式が三相変調方式であるため、回転数r等の条件に関わらず設定可能である。このため、例えばインバータ温度Tが比較的高くなった場合には、駆動モードを第1駆動モードから第3駆動モードに移行させることにより、インバータ温度Tの温度上昇を抑制することができる。
ここで、電力損失の抑制の観点に着目すれば、例えば駆動モードを常時第3駆動モードに設定することも考えられる。しかしながら、第3駆動モードは、キャリア周波数fが低く設定されているため、騒音が大きくなり易い。これに対して、本実施形態によれば、状況に応じて、駆動モードを、各駆動モードのうちいずれかに切り替えることにより、騒音の抑制と、インバータ温度Tの過度な上昇の抑制とを両立させることができる。よって、インバータ温度Tが過度に高くならない範囲で好適にインバータ31を駆動させることができる。
(2)駆動モード制御部63は、駆動モードが第1駆動モードである状況において、回転数r及び変調率Mの双方によって規定される二相変調条件が成立したことに基づいて、駆動モードを第1駆動モードから第2駆動モードに移行させる。そして、駆動モード制御部63は、駆動モードが第1駆動モードである状況において、インバータ温度Tが予め定められた第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1よりも高くなることに基づいて、駆動モードを、第1駆動モードから第3駆動モードに移行させる。これにより、二相変調条件が成立している場合には、駆動モードが第1駆動モードから第2駆動モードに移行することにより、電力損失及び発熱量の低減を図ることができる。また、インバータ温度Tが第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1よりも高くなった場合には、駆動モードが第1駆動モードから第3駆動モードに移行することにより、電力損失及び発熱量の低減を図ることができる。これにより、騒音を抑制しつつ、インバータ温度Tが過度に高くなることを抑制できる。
特に、第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1は、各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2の動作上限温度Tmaxよりも低く設定されている。これにより、各パワースイッチング素子Qu1〜Qw2の動作に支障が生じる前に、駆動モードを第3駆動モードに移行させることができ、インバータ温度Tが動作上限温度Tmaxに達することを抑制できる。
(3)駆動モード制御部63は、駆動モードが第1駆動モードである状況において、二相変調条件が成立しており、且つ、インバータ温度Tが第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1よりも高い場合には、駆動モードを第1駆動モードから第2駆動モードに移行させる。かかる構成によれば、第2駆動モードへの移行条件と第3駆動モードへの移行条件との双方が成立している場合には、駆動モードは優先的に第2駆動モードに移行する。当該第2駆動モードは、第1駆動モードよりも発熱量が小さく、且つ、第3駆動モードよりも騒音が小さくなり易い。これにより、優先的に第2駆動モードに移行することにより、騒音の抑制と、インバータ温度Tの上昇の抑制との両立を図ることができる。
(4)駆動モード制御部63は、駆動モードが第2駆動モードである状況において、予め定められた第3駆動モード移行条件が成立したことに基づいて、駆動モードを、第2駆動モードから第3駆動モードに移行させる。第3駆動モード移行条件は、インバータ温度Tが第2の第3駆動モード移行契機温度Tu2よりも高くなることを含み、当該第2の第3駆動モード移行契機温度Tu2は、第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1よりも高く設定されている。
かかる構成によれば、第2駆動モードから第3駆動モードへの移行条件に用いられる第2の第3駆動モード移行契機温度Tu2は、第1駆動モードから第3駆動モードへの移行条件に用いられる第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1よりも高くなっている。これにより、第2駆動モードと比較して発熱量が大きくなり易い第1駆動モードにおいては、比較的早期に第3駆動モードへ移行するため、インバータ温度Tの温度上昇に早期に対応できる。一方、第1駆動モードと比較して発熱量が小さくなり易い第2駆動モードにおいては、比較的長期に亘って第2駆動モードが維持されるため、騒音の抑制を図ることができる。
(5)制御部55は、予め定められた弱め界磁条件が成立した場合には、電動モータ13に対して弱め界磁制御を行う弱め界磁制御部64を備えている。これにより、例えば回転数rが比較的高く、電源電圧が比較的低い条件下においても、弱め界磁制御を行うことにより、電動モータ13の駆動に要求される要求電力を電動モータ13に入力させることができる。
ここで、弱め界磁制御は、通常制御と比較して、発熱量が小さくなり易い。このため、駆動モードが第2駆動モードであり、且つ、弱め界磁制御が行われている場合の発熱量は、第3駆動モード時の発熱量とほぼ同一又はそれよりも小さくなる場合が生じ得る。この点、本実施形態では、仮に駆動モードが第2駆動モードであって、インバータ温度Tが第2の第3駆動モード移行契機温度Tu2よりも高くなった場合であっても、弱め界磁制御が行われている場合には、第2駆動モードから第3駆動モードへの移行は行われない。これにより、不要な駆動モードの移行が行われることを抑制できる。
(6)駆動モード制御部63は、駆動モードが第3駆動モードである状況において、インバータ温度Tが第1駆動モード移行契機温度Td1よりも低くなることに基づいて、駆動モードを、第3駆動モードから第1駆動モードに移行させる。また、駆動モード制御部63は、駆動モードが第3駆動モードである状況において、インバータ温度Tが第2駆動モード移行契機温度Td2よりも低く、且つ、二相変調条件が成立していることに基づいて、駆動モードを第3駆動モードから第2駆動モードに移行させる。これにより、第1駆動モードを経由することなく、第3駆動モードから第2駆動モードへの移行を行うことができるため、無駄な駆動モードの移行を回避できる。
また、第1駆動モード移行契機温度Td1は、第2駆動モード移行契機温度Td2よりも低く設定されている。これにより、比較的発熱量が大きい第1駆動モードについては、十分にインバータ温度Tが低下してから移行するため、インバータ温度Tの温度上昇を抑制できる一方、比較的発熱量が小さい第2駆動モードについては、比較的早期に移行するため、騒音の抑制を図ることができる。
(7)第1駆動モード移行契機温度Td1は、第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1よりも低く、第2駆動モード移行契機温度Td2は、第2の第3駆動モード移行契機温度Tu2よりも低い。これにより、例えば第3駆動モードから第1駆動モードへの移行が行われた直後に、第1駆動モードから第3駆動モードへの移行が行われるといったことを抑制できる。
なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
○ 制御部55は、電動モータ13の回転中、インバータ温度Tが予め定められた停止契機温度に達したことに基づいて、電動モータ13を停止させてもよい。この場合、停止契機温度は、例えば動作上限温度Tmaxと同一又はそれよりも所定のマージン分だけ低い温度であるとよい。
かかる構成においては、各第3駆動モード移行契機温度Tu1,Tu2は、上記停止契機温度よりも低く設定されているとよい。これにより、電動モータ13が停止する前に、駆動モードが第3駆動モードに移行するため、電動モータ13が停止する事態を回避できたり、電動モータ13が停止するまでの期間を長くしたりすることができる。よって、電動モータ13が停止してしまう不都合、例えば車両空調装置100の運転が停止することに起因する運転者の不快感を抑制できる。
○ 第1キャリア周波数f1及び第3キャリア周波数f3は、該第3キャリア周波数f3が第1キャリア周波数f1よりも低ければ、その具体的な数値については任意である。
○ 第2キャリア周波数f2は、第1キャリア周波数f1と同一であったが、これに限られず、第1キャリア周波数f1よりも低くてもよいし、高くてもよい。要は、第2キャリア周波数f2は、通常制御(非弱め界磁制御)時において第2駆動モードの発熱量が第1駆動モードの発熱量よりも小さく、且つ、第3駆動モードよりも騒音が小さくなるように適宜設定されていればよい。換言すれば、第2駆動モードは、変調方式が二相変調方式であって、少なくとも通常制御時において第1駆動モードよりも発熱量が小さく、且つ、第3駆動モードよりも騒音が小さい駆動モードであればよい。
○ 各駆動モード移行契機温度Tu1,Tu2,Td1,Td2は、動作上限温度Tmax以下であれば、実施形態の温度に限られず、任意である。例えば、両第3駆動モード移行契機温度Tu1,Tu2を同一に設定してもよいし、第1駆動モード移行契機温度Td1と第2駆動モード移行契機温度Td2とを同一に設定してもよい。更に、例えば第1の第3駆動モード移行契機温度Tu1と第1駆動モード移行契機温度Td1とを同一に設定してもよい。
○ 二相変調条件は、回転数r及び変調率Mの双方で規定されていたが、これに限られず、いずれか一方で規定される条件であってもよい。例えば、ブートストラップ回路61ではなく、別の手法で上アームの各パワースイッチング素子Qu1,Qv1,Qw1をON状態にする構成では、回転数rの条件を省略してもよい。また、インバータ31が実現できる最小デューティ比が充分に小さい場合等には、変調率Mの条件を省略してもよい。要は、二相変調条件は、回転数rと変調率Mとの少なくとも一方で規定される条件であればよい。換言すれば、駆動モード制御部63は、回転数r及び変調率Mの少なくとも一方と、インバータ温度Tとに基づいて、駆動モードを制御すればよい。
○ 第3駆動モードから第2駆動モードへの直接の移行を省略してもよい。この場合であっても、第1駆動モードを経由して、第3駆動モードから第2駆動モードへの移行が行われる。但し、無駄な駆動モードの移行が行われる点、及び、インバータ温度Tが第2駆動モード移行契機温度Td2よりも低い第1駆動モード移行契機温度Td1未満とならない限り、駆動モードの移行が行われない点に着目すれば、第3駆動モードから第2駆動モードへの直接の移行が可能である方がよい。
○ 駆動モードが第1駆動モードである状況において、第2駆動モードへの移行条件と第3駆動モードへの移行条件との双方が成立している場合に、第3駆動モードへの移行を優先してもよい。
○ 弱め界磁制御部64を省略してもよい。すなわち、弱め界磁制御は行われない構成であってもよい。
○ ハウジング11に対するケース32の取付位置は任意である。
○ 二相変調方式は、上アーム及び下アームの双方を使用する方式に限られず、下アームのみを使用する方式、換言すれば下アームの各パワースイッチング素子Qu2,Qv2,Qw2のみが停止対象となる方式であってもよい。
○ 電動圧縮機10の搭載対象は、車両に限られず、任意である。
○ 電動圧縮機10は、車両空調装置100に用いられていたが、これに限られず、他の装置に用いられてもよい。例えば、車両が燃料電池を搭載した燃料電池車両(FCV)である場合には、当該電動圧縮機10は、上記燃料電池に空気を供給する供給装置に用いられてもよい。要は、圧縮対象の流体は、任意であり、冷媒であってもよいし空気などであってもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる好適な一例について以下に記載する。
(イ)前記駆動モード制御部は、前記駆動モードが前記第1駆動モードである状況において、前記二相変調条件が成立しており、且つ、前記把握温度が前記第3駆動モード移行契機温度よりも高い場合には、前記駆動モードを前記第1駆動モードから前記第2駆動モードに移行させる請求項2に記載の電動圧縮機。
(ロ)前記電動モータは三相モータであり、前記駆動回路は三相インバータである請求項1〜5及び(イ)のうちいずれか一項に記載の電動圧縮機。
10…電動圧縮機、11…ハウジング、12…圧縮部、13…電動モータ、31…インバータ(駆動回路)、52…パワーモジュール、55…制御部、63…駆動モード制御部、64…弱め界磁制御部、100…車両空調装置、r…電動モータの回転数、M…変調率、f…キャリア周波数、T…インバータ温度(把握温度)、Tu1…第1の第3駆動モード移行契機温度、Tu2…第2の第3駆動モード移行契機温度、Td1…第1駆動モード移行契機温度、Td2…第2駆動モード移行契機温度、Tmax…動作上限温度。

Claims (5)

  1. 流体を圧縮する圧縮部と、
    前記圧縮部を駆動させる電動モータと、
    前記電動モータを駆動させるものであってスイッチング素子を有する駆動回路と、
    前記駆動回路の温度を把握する温度把握部と、
    前記駆動回路の駆動モードを制御する駆動モード制御部と、
    を備え、
    前記駆動モードは、
    変調方式が三相変調方式である第1駆動モードと、
    変調方式が二相変調方式である第2駆動モードと、
    キャリア周波数が前記第1駆動モードのキャリア周波数よりも低く、且つ、変調方式が三相変調方式である第3駆動モードと、
    を含み、
    前記駆動モード制御部は、前記電動モータの回転数及び変調率の少なくとも一方と、前記温度把握部によって把握される把握温度とに基づいて、前記駆動モードを制御することを特徴とする電動圧縮機。
  2. 前記駆動モード制御部は、
    前記駆動モードが前記第1駆動モードである状況において、前記回転数及び前記変調率の少なくとも一方で規定される二相変調条件が成立したことに基づいて、前記駆動モードを、前記第1駆動モードから前記第2駆動モードに移行させ、
    前記駆動モードが前記第1駆動モードである状況において、前記把握温度が予め定められた第3駆動モード移行契機温度よりも高くなることに基づいて、前記駆動モードを、前記第1駆動モードから前記第3駆動モードに移行させる請求項1に記載の電動圧縮機。
  3. 前記第3駆動モード移行契機温度は第1の第3駆動モード移行契機温度であり、
    前記駆動モード制御部は、前記駆動モードが前記第2駆動モードである状況において、予め定められた第3駆動モード移行条件が成立したことに基づいて、前記駆動モードを、前記第2駆動モードから前記第3駆動モードに移行させるものであり、
    前記第3駆動モード移行条件は、前記把握温度が予め定められた第2の第3駆動モード移行契機温度よりも高くなることを含み、
    前記第2の第3駆動モード移行契機温度は、前記第1の第3駆動モード移行契機温度よりも高い請求項2に記載の電動圧縮機。
  4. 予め定められた弱め界磁条件が成立した場合には、前記電動モータに対して弱め界磁制御を行う弱め界磁制御部を備え、
    前記第3駆動モード移行条件は、前記把握温度が前記第2の第3駆動モード移行契機温度よりも高くなり、且つ、前記弱め界磁制御部による前記弱め界磁制御が行われていないことである請求項3に記載の電動圧縮機。
  5. 前記駆動モード制御部は、
    前記駆動モードが前記第3駆動モードである状況において、前記把握温度が予め定められた第1駆動モード移行契機温度よりも低くなることに基づいて、前記駆動モードを、前記第3駆動モードから前記第1駆動モードに移行させ、
    前記駆動モードが前記第3駆動モードである状況において、前記把握温度が予め定められた第2駆動モード移行契機温度よりも低く、且つ、前記二相変調条件が成立していることに基づいて、前記駆動モードを、前記第3駆動モードから前記第2駆動モードに移行させるものであり、
    前記第1駆動モード移行契機温度は、前記第2駆動モード移行契機温度よりも低い請求項3又は請求項4に記載の電動圧縮機。
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