JP2017180211A - 車載用電動圧縮機の制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】車載用電動圧縮機の回転数の急峻な変動を抑えながら、車両バッテリの電圧の急変動時の電動圧縮機の停止による電動圧縮機のインバータのスイッチング素子の破壊を抑制する。【解決手段】車載用電動圧縮機に設けられた電動モータを駆動制御する制御部は、時間当たりの電動モータの回転数の上昇率の上限値及び時間当たりの電動モータの回転数の下降率の上限値を有すとともに、目標回転数を設定し電動モータの回転数が目標回転数となるように電動モータを駆動制御する。前記制御部は、他の制御部から要求された電動モータの回転数を目標回転数に設定した場合、前記上昇率の上限値以下の上昇率又は前記下降率の上限値以下の下降率で電動モータの回転数を変動させる。車両バッテリの電圧値に応じて決められる回転数制限値を前記目標回転数に設定した場合、必要に応じて前記下降率の上限値を超える下降率で前記電動モータの回転数を下げる。【選択図】図２

Description

本発明は、車載用電動圧縮機の制御方法に係り、詳しくは加速時及び減速時の制御方法に関する。
車載用電動圧縮機として、車両のバッテリから電力が供給され、かつ、直流電力を交流電力に変換するインバータを介して駆動されるものがある。そして、車載用電動圧縮機は、車両に搭載された制御装置からの回転数指示に従い駆動される。しかし、制御装置からの回転数指示はステップで指示されるため、頻繁に回転数指示が変化した場合は、回転数が急加速、急減速を繰り返し、ＮＶ（ノイズ、振動）が悪化する懸念がある。そのため、車載用電動圧縮機では、図４に示すように、制御装置からの回転数指示に対して、回転数の速度変化を落として回転数を変化させている。
また、車載用電動圧縮機は、車両のバッテリから電力が供給されているため、車両バッテリ電圧の影響を受ける。車両バッテリ電圧が低下した場合に、高回転で運転している電動圧縮機を停止させると、電動圧縮機のモータの逆起電力の電圧（逆起電圧）が車両バッテリ電圧を超え、モータから車両バッテリへ電動圧縮機のインバータを通して電流が流れてしまう。そして、モータの逆起電圧が大きい場合は、インバータに過剰に電流が流れ、インバータのスイッチング素子を破壊してしまう。そのため、車両バッテリ電圧に応じて運転可能な最高回転数を制限する必要がある。
特許文献１には、電源変動によって過電流保護等が作動して電動圧縮機が停止するのを防止し、また圧縮機の潤滑機能にも悪影響を与えず、また空調過渡期の吹き出し温度の下降、上昇速度の速い、安価で小型な電動圧縮機の制御駆動装置が提案されている。この電動圧縮機の制御駆動装置は、直流電圧を発生する手段と、モータを内蔵し空調用の冷媒を圧縮する電動圧縮機と、周波数上昇速度又は電圧上昇速度を、可変回転数範囲の低回転数域では高回転数域より大きくし、また周波数下降速度又は電圧下降速度を、可変回転数範囲の高回転数域では低回転数域より大きくしたインバータを設けている。
特開平７−１２００８１号公報
車両バッテリ電圧は車両の状況により変動しているため、急激に電源電圧が低下する場合もある。その時に回転数を急激に下げようとしようとしてもＮＶの観点から下降率が決まってしまうため、ゆっくりとしか回転数を低下させることができず、車両バッテリの電圧値が低くくて、かつ、モータの回転数が高い状態で電動圧縮機を停止した場合は、図５に示すように、電動圧縮機のモータに流れる電流量が停止前より多くなり、車両バッテリへ過剰に電流が流れてインバータを破壊してしまう懸念があった。
インバータに過大な電流が流れてもインバータのスイッチング素子が破壊されることを防止するため、高い耐電圧のスイッチング素子を使用すると、コストが高くなるとともにインバータが大型化する。
特許文献１では、周波数下降速度又は電圧下降速度を、可変回転数範囲の高回転数域では低回転数域より大きくしたインバータを設けている。しかし、車両バッテリの電圧値が低くくて、かつ、モータの回転数が高い状態で電動圧縮機を停止した場合、インバータのスイッチング素子を破壊してしまうことに関しては何ら記載がない。
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、車載用電動圧縮機の回転数の急峻な変動を抑えながら、車両バッテリの電圧の急変動時の電動圧縮機の停止による電動圧縮機のインバータのスイッチング素子の破壊を抑制することができる車載用電動圧縮機の制御方法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の加減速制御方法は、バッテリを電源とした車載用電動圧縮機に設けられた電動モータを駆動制御する制御部を有する車載用電動圧縮機の制御方法である。そして、前記制御部は、時間当たりの前記電動モータの回転数の上昇率の上限値及び時間当たりの前記電動モータの回転数の下降率の上限値を有すとともに、目標回転数を設定し前記電動モータの回転数が前記目標回転数となるように前記電動モータを駆動制御する。また、前記制御部は、他の制御部から要求された電動モータの回転数を前記目標回転数に設定した場合、前記上昇率の上限値以下の上昇率又は前記下降率の上限値以下の下降率で前記電動モータの回転数を変動させるとともに、前記バッテリの電圧値に応じて決められる回転数制限値を前記目標回転数に設定した場合、必要に応じて前記下降率の上限値を超える下降率で前記電動モータの回転数を下げる。
この構成によれば、制御部は、電動モータの回転数を変動させる指令を受けた場合、上昇率の上限値以下の上昇率又は下降率の上限値以下の下降率で電動モータの回転数を変動させるので、電動モータの電源電圧（車両バッテリ電圧）が急激に低下しても、電動モータの回転数を急激に下げることができ、電動圧縮機の停止によって発生する電流上昇によって電動圧縮機のインバータのスイッチング素子が破壊されることを抑制することができる。
本発明によれば、車載用電動圧縮機の回転数の急峻な変動を抑えながら、車両バッテリの電圧の急変動時の電動圧縮機の停止による電動圧縮機のインバータのスイッチング素子の破壊を抑制することができる。
車載用電動圧縮機の電動電気的構成を示す回路図。 制御手段の作用を説明するフローチャート。 車両バッテリ電圧、指示回転数、最高回転数制限値、実回転数の関係を示す模式図。 従来の実回転数と回転数指示との関係を示す模式図。 電動圧縮機の停止前後のモータ電流量の変化を示す模式図。
（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図４にしたがって説明する。
電動圧縮機は、車載用の空調装置に用いられ、冷媒を圧縮して吐出する圧縮部と、圧縮部の駆動源である電動モータと、電動モータを駆動させるためのインバータとを備えている。まず、電動圧縮機の電気的構成を図１に従って説明する。
図１に示すように、電動圧縮機１０は、電動モータ１１と、電動モータ１１を駆動させる駆動回路としてのインバータ１２とを備えている。電動モータ１１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１１は三相モータである。ｕ相コイル２５ｕ、ｖ相コイル２５ｖ、ｗ相コイル２５ｗは例えばＹ結線されている。
インバータ１２は、ｕ相コイル２５ｕに対応する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に対応するパワースイッチング素子Ｑｗ１，Ｑｗ２と、を備えている。
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。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、パワースイッチング素子Ｑｕ１，Ｑｕ２の直列接続体に対して車両バッテリ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、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。
また、インバータ１２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ダイオードＤｕ１〜Ｄｗ２と、バッテリとしての車両バッテリＥに対して並列に接続されたコンデンサＣ１とを有している。
電動圧縮機１０は、インバータ１２（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）を制御する制御部としての制御装置４０を備えている。制御装置４０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１１を駆動、つまり回転させる。
制御装置４０は、時間当たりの電動モータ１１の回転数の上昇率の上限値及び時間当たりの電動モータ１１の回転数の下降率の上限値を有すとともに、目標回転数を設定し電動モータ１１の回転数が目標回転数となるように電動モータ１１を駆動制御する。
制御装置４０は、他の制御部としての空調ＥＣＵ５０と電気的に接続されており、空調ＥＣＵ５０から要求された電動モータ１１の回転数を目標回転数に設定した場合、上昇率の上限値以下の上昇率又は下降率の上限値以下の下降率で電動モータ１１の回転数を変動させる。
図１に示すように、電動圧縮機１０は、車両バッテリＥの電圧値を検出する電圧検出部としての電圧センサ３０を備えている。電圧センサ３０は、その検出結果を制御装置４０に送信する。
制御装置４０は、ＣＰＵ及びメモリを備えている。メモリには車両バッテリＥの電圧値（車両バッテリ電圧値）と、電動モータ１１の回転数制限値との関係を示すマップあるいは関係式が記憶されている。回転数制限値とは、インバータ１２を停止した時に発生する逆起電力と車両バッテリＥの電圧値との差によってインバータ１２に流れる電流量によって決められる値であり、インバータ１２を停止した時にインバータ１２が破壊されない電動モータ１１の回転数の値を意味する。例えば、高い耐電圧のスイッチング素子を使った場合は、より大きな電流を流すことができるため、インバータ１２の仕様によって回転数制限値は異なる。
また、メモリには、時間当たりの電動モータ１１の回転数の上昇率の上限値及び時間当たりの電動モータ１１の回転数の下降率の上限値が記憶されている。即ち、制御装置４０は、時間当たりの電動モータ１１の回転数の上昇率の上限値及び時間当たりの電動モータ１１の回転数の下降率の上限値を有している。なお、「時間当たり」とは、この実施形態では、ｒｐｍ／ｓである。
また、制御装置４０は、車両バッテリＥの電圧値の低下に伴い回転数制限値が低下するため、たとえ空調ＥＣＵ５０からの指令値が回転数制限値よりも高くても、電動モータ１１の回転数が回転数制限値となるように制御する。この場合、すなわち回転数制限値を目標回転数に設定した場合は、必要に応じて前記下降率の上限値を超える下降率で電動モータ１１の回転数を下げる。「必要に応じて前記下降率の上限値を超える下降率で電動モータ１１の回転数を下げる。」とは、車両バッテリＥの電圧値の低下に伴い電動モータ１１の回転数を下げる場合、つまり、回転数制限値を目標回転数に設定した場合に、下降率の上限値を超える下降率で下げなくても支障が生じない場合には、下降率の上限値以下の下降率で電動モータ１１の回転数を下げてもよいことを意味する。
次に、電動モータ１１を始動した後の制御装置４０による電動モータ１１の駆動制御について図２〜図３に従って説明する。制御装置４０は、空調ＥＣＵ５０からの指令を受信し、インバータ１２を制御して電動モータ１１を始動した後は、図２に示すフローチャートに従ってインバータ１２を制御して電動モータ１１を駆動制御する。
なお、制御装置４０の始動時の駆動制御方法は、空調ＥＣＵ５０からの指令を受信した後、後述するステップＳ９からステップＳ１７までの手順と同様の手順で行う。
制御装置４０は、ステップＳ１で、所定時間経過か否かを判断する。ここで所定時間とは、例えば、１００ｍｓ（ミリ秒）程度の間隔である。ステップＳ１で所定時間経過していればステップＳ２に進み、回転数制限値を算出する。回転数制限値の算出は、電圧センサ３０から入力される現在の車両バッテリＥの電圧値と、マップとから算出される。
マップは、車両バッテリＥの電圧値と回転数制限値との関係を示すデータである。
制御装置４０は、ステップＳ２で回転数制限値を算出した後、ステップＳ３で現在設定されている目標回転数が回転数制限値より大きいか否かを判断する。制御装置４０は、ステップＳ３で現在設定されている目標回転数が回転数制限値以下であれば、目標回転数の更新は行わないでステップＳ１に戻る。制御装置４０は、ステップＳ３で現在設定されている目標回転数が回転数制限値より大きければ、ステップＳ４に進み、目標回転数の更新を行う。具体的には、回転数制限値を目標回転数に設定する。
次に制御装置４０は、ステップＳ５に進み、空調ＥＣＵ５０からの指令受信があるか否かの判断を行う。ステップＳ５で空調ＥＣＵ５０からの指令受信が無ければ、ステップＳ６に進み、目標回転数と現在の回転数から上昇率／下降率を算出する。次に制御装置４０は、ステップＳ７に進み、算出した上昇率／下降率で電動モータ１１の駆動制御を行う。
制御装置４０は、ステップＳ１で所定時間経過していなければ、ステップＳ８に進み、空調ＥＣＵ５０からの指令受信があるか否かの判断を行う。ステップＳ８で空調ＥＣＵ５０からの指令受信が無ければ、ステップＳ１に戻る。ステップＳ８で空調ＥＣＵ５０からの指令受信があれば、ステップＳ９に進み、現在設定されている目標回転数が空調ＥＣＵ５０からの指令値（以下、指令回転数）と同じでないか否かの判断を行う。現在設定されている目標回転数が空調ＥＣＵ５０からの指令値と同じであれば、ステップＳ１に戻る。
ステップＳ９で現在設定されている目標回転数が空調ＥＣＵ５０からの指令値と同じでなければ、ステップＳ１０に進み、回転数制限値を算出する。なお、ステップＳ２にて算出される回転数制限値が、目標回転数とは別にメモリに記憶されている場合は、ステップＳ１０は省略してもよい。次にステップＳ１１に進み、指令回転数が回転数制限値以下か否かを判断する。制御装置４０は、ステップＳ１１で指令回転数が回転数制限値以下であれば、ステップＳ１２に進み、指令回転数を目標回転数に設定する。次に、ステップＳ１３に進み、ステップＳ１３では、目標回転数と現在の回転数から上昇率／下降率を算出する。次に制御装置４０は、ステップＳ１４に進み、算出した上昇率／下降率が上限値より大きいか否かの判断を行う。算出した上昇率／下降率が上限値より大きければ、ステップＳ１５に進み、算出した上昇率／下降率で電動モータ１１の駆動制御を行う。ステップＳ１４で算出した上昇率／下降率が上限値以下であれば、ステップＳ１６に進み、上限値の上昇率／下降率で電動モータ１１の駆動制御を行う。
ステップＳ１１で指令回転数が回転数制限値より大きい場合、ステップＳ１７に進み、回転数制限値を目標回転数に設定する。その後、ステップＳ１３に進む。
ステップＳ５で空調ＥＣＵ５０からの指令受信があれば、ステップＳ１８に進み、指令回転数が目標回転数（回転数制限値）以上か否かの判断を行う。ステップＳ１８で指令回転数が目標回転数以上であれば、現在設定されている目標回転数の更新は行わないでステップＳ６に進む。ステップＳ１８で指令回転数が目標回転数より小さければ、ステップＳ１２に進む。
次に、図３を使って、制御装置４０によって駆動制御される電動モータ１１の回転数が、指令回転数及び回転数制限値の変動によってどのように変動するのか説明する。
図３に示すように、回転数制限値より小さな回転数で電動モータ１１を駆動している状態（ｔ１以前）で、時間ｔ１において、制御装置４０が空調ＥＣＵ５０から現在の回転数より大きく、かつ回転数制限値より大きな回転数の指令を受けた場合、電動モータ１１は、回転数が回転数制限値に達するように上限値以下の上昇率で駆動制御され、時間ｔ２において回転数制限値の回転数に達する。
そして、時間ｔ２以降も指令回転数は現在の回転数より大きいが、時間ｔ２から時間ｔ３までは回転数制限値は変化しないため、電動モータ１１は加速されない。即ち、指令回転数が現在の回転数より大きくても、電動モータ１１の回転数が回転数制限値に到達した状態では、加速は行われない。
時間ｔ３になると、車両バッテリＥの電圧値が上昇し、回転数制限値も車両バッテリＥの電圧値に対応して一定の上昇率で上昇を開始する。そのため、電動モータ１１も、現在の回転数が回転数制限値に達するように上限値以下の上昇率で駆動制御される。このとき、回転数制限値の上昇率は、上昇率の上限値よりも高いため、電動モータ１１の回転数は、回転数制限値が車両バッテリＥの電圧値と対応する回転数に到達した時間よりも遅い時間である時間ｔ４で回転数制限値の回転数に達する。そして、車両バッテリＥの電圧値が車両バッテリＥの電圧値に対応して低下を開始する時間ｔ５までは、電動モータ１１の回転数は、変動することなく駆動制御される。
時間ｔ５から車両バッテリＥの電圧値が低下を開始し、時間ｔ６で低下が終了するため、回転数制限値は時間ｔ５から時間ｔ６まで車両バッテリＥの電圧値の低下に対応して低下する。本実施形態では、回転数制限値の下降率は、下降率の上限値よりも高くなっており、電動モータ１１の回転数は、下降率の上限値を超える下降率で回転数制限値の回転数に達するように駆動制御される。
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）車載用電動圧縮機の制御方法は、バッテリ（車両バッテリＥ）を電源とした車載用電動圧縮機に設けられた電動モータ１１を駆動制御する制御装置（制御部）４０を有する車載用電動圧縮機の制御方法である。そして、制御装置４０は、時間当たりの電動モータ１１の回転数の上昇率の上限値及び時間当たりの電動モータ１１の回転数の下降率の上限値を有すとともに、目標回転数を設定し電動モータ１１の回転数が目標回転数となるように電動モータ１１を駆動制御する。また、制御装置４０は、他の制御部（空調ＥＣＵ５０）から要求された電動モータ１１の回転数を目標回転数に設定した場合、上昇率の上限値以下の上昇率又は下降率の上限値以下の下降率で電動モータ１１の回転数を変動させるとともに、バッテリの電圧値に応じて決められる回転数制限値を目標回転数に設定した場合、必要に応じて前記下降率の上限値を超える下降率で前記電動モータの回転数を下げる。
そのため、車両バッテリＥの電圧が急激に低下しても、電動モータ１１の回転数を急激に下げることができ、電動圧縮機１０の停止によって発生する電流上昇によって電動圧縮機１０のインバータ１２のスイッチング素子が破壊されることを抑制することができる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 電動モータ１１の回転数を目標回転数になるように上昇又は下降する際の上昇率／下降率は目標回転数に到達するまで一定である必要はなく、変動してもよい。
○ 車両バッテリＥの電圧値の低下時に、電動モータ１１の回転数を下げる場合、常時、下降率を上限より大きくする必要はない。例えば、車両バッテリＥの電圧値の低下に伴い低下した回転数制限値と現在の電動モータ１１の回転数との差が小さい場合は、下降率を上限値以下にしてもよい。
○ 上記実施形態では、回転数制限値が目標回転数として設定された場合、電動モータ１１の回転数を上昇させる場合であっても上限値以上で上昇させることを可能とする構成であるが、少なくとも電動モータ１１の回転数を下降させる場合に上限値以上で下降させることが可能であればよい。例えば、図２のステップＳ６とステップＳ７との間に目標回転数と現在の回転数との比較を行い、目標回転数の方が高い場合には、ステップＳ７に進み、現在の回転数の方が高い場合には、ステップＳ１４に進むようにしてもよい。
○ 上昇率の上限値と下降率の上限値とは同じ値であっても異なる値であってもよい。
○ インバータ１２の各パワースイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２として、ＩＧＢＴに代えてパワーＭＯＳＦＥＴを用いてもよい。この場合、パワーＭＯＳＦＥＴは寄生ダイオードを有するため、寄生ダイオードが各パワースイッチング素子Ｑｕ１〜Ｑｗ２にそれぞれ接続されたダイオードＤｕ１〜Ｄｗ２の役割を果たすため、ダイオードＤｕ１〜Ｄｗ２を接続する手間が不要になり、構成も簡単になる。
○ 電動圧縮機１０は、車載用の空調装置に用いられるものに限らず、車両で使用される電動圧縮機であればよく、例えば、過給機に用いられるものであってもよい。
○ 上位の制御装置は、空調ＥＣＵ５０に限らない。
○ 電動圧縮機１０の形式は、モータで回転駆動される駆動部を備えるものであればよく、遠心式圧縮機、軸流式圧縮機等のターボ圧縮機でも、斜板式圧縮機、スクロール圧縮機、往復圧縮機（レシプロ圧縮機）等の容積圧縮機でもよい。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）バッテリを電源とした車載用電動圧縮機であって、電動モータを駆動制御する制御部を有し、前記制御部は、時間当たりの前記電動モータの回転数の上昇率の上限値及び時間当たりの前記電動モータの回転数の下降率の上限値を有すとともに、目標回転数を設定し前記電動モータの回転数が前記目標回転数となるように前記電動モータを駆動制御し、
他の制御部から要求された前記電動モータの回転数を前記目標回転数に設定した場合、前記上昇率の上限値以下の上昇率又は前記下降率の上限値以下の下降率で前記電動モータの回転数を変動させるとともに、前記バッテリの電圧値に応じて決められる回転数制限値を前記目標回転数に設定した場合、必要に応じて前記下降率の上限値を超える下降率で前記電動モータの回転数を下げる車載用電動圧縮機。
（２）前記技術的思想（１）に記載の発明において、減速時の下降率は、減速時のバッテリ電圧に対応した前記電動モータ回転数の下降率の仕様最大時での下降率に設定される。
Ｅ…バッテリとしての車両バッテリ、１１…電動モータ、４０…制御部としての制御装置、５０…他の制御部としての空調ＥＣＵ５０。

Claims (1)

  1. バッテリを電源とした車載用電動圧縮機に設けられた電動モータを駆動制御する制御部を有する車載用電動圧縮機の加減速制御方法であって、
    前記制御部は、時間当たりの前記電動モータの回転数の上昇率の上限値及び時間当たりの前記電動モータの回転数の下降率の上限値を有すとともに、目標回転数を設定し前記電動モータの回転数が前記目標回転数となるように前記電動モータを駆動制御し、
    前記制御部は、他の制御部から要求された電動モータの回転数を前記目標回転数に設定した場合、前記上昇率の上限値以下の上昇率又は前記下降率の上限値以下の下降率で前記電動モータの回転数を変動させるとともに、前記バッテリの電圧値に応じて決められる回転数制限値を前記目標回転数に設定した場合、必要に応じて前記下降率の上限値を超える下降率で前記電動モータの回転数を下げることを特徴とする車載用電動圧縮機の制御方法。
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