JP2017506051A - 同期整流器として機能可能な電子パワーモジュールの制御方法、対応する制御装置およびこのタイプの制御装置を備える電気自動車の回転電機 - Google Patents

Abstract

本発明による電子パワーモジュールの制御方法は、回転電機の現在回転速度（Ω）および起電力のうち回転電機の少なくとも１つの動作パラメータの値に応じて、同期整流モード（Ｈ，Ｌ）１の第１の制御（１６）により、または回転電機の起電力に対して位相シフト（Δφ）がある全波モード（Ｈ，Ｌ）２の第２の制御（１８）による電気パワーモジュールの制御を含み、第１の制御（１６）は、動作パラメータの値が所定の値（Ω０）より大きい場合に選択され、第２の制御（１８）は、逆の場合に選択される。

Description

本発明は、自動車のオルタネータまたはオルタネータ兼スタータタイプの回転電機に適用するための同期整流器として機能可能な電子パワーモジュールの制御方法に関する。

また、本発明は、対応する制御装置、およびこのタイプの制御装置と適切なプログラムを含む電子メモリとを備える自動車の回転電機に関する。

熱機関を備える自動車において、さまざまな車載機器に必要な電気エネルギーは、熱機関に機械的に接続された回転電機によって通常生成される。

最近の自動車では、直流電流を供給していた発電機の代わりに、オルタネータが広く使用されている。

したがって、オルタネータによって供給される多相交流は、車載電気網に電力供給するために整流される。

また、最近では、従来技術においてよく知られているようなダイオードを有する整流器ブリッジについても、そのほとんどが、低電圧でのダイオードの著しい電圧降下がないＭＯＳＦＥＴトランジスタタイプのスイッチを有する同期整流器に取って代わられている。

このようにして、オルタネータの電気性能が高められる。

さらに、同期整流器の半導体スイッチング素子は、この電子パワーモジュールが、車載電気網からモータとして機能する電機に電力を供給可能にするインバータを構成するように制御されうる。

このモータは、好適には、自動車の熱機関を始動させるために使用されうる。

このタイプの可逆電機、またはオルタネータ兼スタータにより、特に、自動車メーカーは、アイドリングストップとして知られるシステムなどの自動始動／停止システムを自社モデルに装備することが可能となったが、このシステムは、標準的なオルタネータ兼スタータと比較すると、性能面での制約が大きい。

このことから、出願人であるＶＡＬＥＯ ＥＱＵＩＰＥＭＥＮＴＳ ＥＬＥＣＴＲＩＱＵＥＳ ＭＯＴＥＵＲの特許文献１には、装備による電力増や、設計当時のオルタネータ兼スタータのものより大きい始動トルクを要する自動車のモータモードで標準的なオルタネータ兼スタータを使用可能な回転電機の制御装置が開示されている。

仏国特許出願公開第２８４３８４２号明細書

しかしながら、本出願人は、オルタネータモードで使用される標準的なオルタネータ兼スタータ（さらには、任意のオルタネータ）が、低い回転速度で出力限界（始動から最大約３０００ｒｐｍ）を有することを見出した。

この限界は、高速回転（約６０００ｒｐｍ）での所定の出力に最適化されるようにステータの設計を行っているためである。

以上のことから、高速で同程度の性能レベルを維持しながら、発電機として機能する標準的なオルタネータ兼スタータまたは同期整流オルタネータの低速回転での出力を高めることが望まれている。

本発明の目的は上記要求を満たすことである。

第１の態様によれば、本発明は、多相回転電機によって供給される多相交流からの直流を自動車の車載電気網に供給する同期整流器として機能可能な電子パワーモジュールの制御方法に関する。

本発明によれば、上記制御方法は、多相回転電機の現在回転速度および起電力のうちの多相回転電機の少なくとも１つの機能パラメータの値に応じて、第１の同期整流モード制御、または多相回転電機の起電力に対して位相シフトがある第２の全波モード制御による電気パワーモジュールの制御を含み、第１の同期整流モード制御は、機能パラメータの値が所定の値より大きい場合に選択され、第２の全波モード制御は、逆の場合に選択され、第２の全波モード制御の開口角度は、直流の設定値および／または多相回転電機の少なくとも１つの電気特性に依存する。

上記制御方法の特定の特徴によれば、第１および第２の制御間の遷移は、所定の値より大きい第１の所定の機能パラメータ値と、所定の値より小さい第２の所定の機能パラメータ値との間にあるヒステリシス範囲を有する。

上記制御方法の別の特定の特徴によれば、位相シフトは可変であり、選択的にまたは組み合わせて、直流の強度、直流の設定値、現在回転速度、多相回転電機の温度および車載電圧に依存する。

上記制御方法の別の特定の特徴によれば、第２の制御の位相シフトおよび／または開口角度は、車載電気網の電流および／または電圧を制限するように決定され、制限は、振幅および／または持続時間の点で実行される。

第２の態様によれば、本発明は、電子パワーモジュールの制御装置であって、多相回転電機の固定子の固定子巻線に接続されるように構成された複数のアームを形成する半導体スイッチング素子を備える整流器ブリッジを備え、直流を自動車の車載電気網に供給する電子パワーモジュールの制御装置であって、同期整流器として機能可能であるとともに、上述した本発明に記載の制御方法を実施するように構成される。

本発明によれば、制御装置は、
−多相回転電機の回転速度を獲得する第１の手段と、
−機能パラメータ値が所定の値より大きい場合に第１の同期整流モード制御を構築し、逆の場合に第２の全波モード制御を構築する構築手段と、
−第１の同期整流モード制御および第２の全波モード制御によって半導体スイッチング素子を制御する手段とを備える。

別の特徴によれば、制御装置の構築手段は、選択的に、
−多相回転電機の回転子の角位置のための少なくとも１つの位置センサと、
−固定子に配置された、起電力を測定するための少なくとも１つのコイルと、
−多相回転電機の少なくとも１つの相電流または相電流の符号を測定／推定するための手段とを備える。

さらなる別の特徴によれば、制御装置の構築手段は、選択的にまたは組み合わせて、
−直流の強度を獲得する第２の手段と、
−直流の設定値を獲得する第３の手段と、
−多相回転電機の温度を獲得する第４の手段と、
−自動車の車載電気網電圧を獲得する第５の手段とをさらに備える。

さらなる別の態様によれば、本発明は、上記に簡潔に記載したような電子パワーモジュールの制御装置を備えるオルタネータまたはオルタネータ兼スタータタイプの自動車の回転電機に関する。

これらのいくつかの本質的な記載により、従来技術と比較して、本発明によって得られる利点は当業者に明らかになるであろう。

本発明の詳細な説明は、添付の図面に対応する以下の記載においてなされる。なお、これらの図面は、説明の記載を例示する目的のものにすぎず、いかなる場合も本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

本発明の第１の好ましい実施形態における車載電気網に接続される三相回転電機において、同期整流器として機能可能な電子パワーモジュールの制御装置およびその機構を示すプロセス図である。 本発明の第２の好ましい実施形態における車載電気網に接続される三相回転電機において、同期整流器として機能可能な電子パワーモジュールの制御装置およびその機構を示すプロセス図である。 本発明の第３の好ましい実施形態における車載電気網に接続される三相回転電機において、同期整流器として機能可能な電子パワーモジュールの制御装置およびその機構を示すプロセス図である。 本発明による制御装置を備える回転電機の後軸受の概略図である。 従来技術において知られている回転電機、理想的な回転電機、本発明による理論上の回転電機の出力曲線を示す。 同期整流器として機能可能な本発明による電子パワーモジュールの制御プロセスを示すフローチャートである。 本発明による第１の同期整流モード制御および第２の全波整流モード制御を示す図である。 標準的な回転電機の出力曲線および本発明を実施する機械の出力曲線を示す。

好ましくは、本発明に係る回転電機１は、スタータとして機能しているときは車載電気網２から供給を受け、オルタネータとして機能しているときは車載電気網２に電気エネルギーを供給する多相オルタネータ兼スタータ１のタイプのものである。

また、本発明に係る回転電機１は、同期整流器として機能するＭＯＳＦＥＴタイプのパワートランジスタブリッジ４を備えたパワーモジュール３を備えるオルタネータ１である場合もある。

図１ａ、図１ｂおよび図１ｃは、オルタネータ兼スタータのオルタネータまたは従来のオルタネータのいずれかに対応する励磁を備えた三相回転電機１の一例を示す。

回転子５による励磁は、調整器６によって既知の方法で制御される励磁電流が回転子５の巻線を通ることで与えられる。

自動車の熱機関によって駆動される回転子５の回転により固定子７に誘導される相電流は、パワーモジュール３の整流器ブリッジ３によって整流される。

この整流器ブリッジ３は、図２に概略的に示すように、一般的に、オルタネータ１の後軸受に一体化される。

図２は、駆動プーリーの反対側であって、本発明による制御装置８を備えるオルタネータ１、パワーモジュール３および電子パワーモジュール３の半導体スイッチング素子４を示す簡略化した軸方向の図である。

ＭＯＳＦＥＴトランジスタ４は、ラジエータ９に取り付けられ、接続グリッド１０（リードフレーム）によって互いに接続される。

リードフレーム１０は、車載電気網２との接続用の電気端子Ｂ＋、Ｂ−、ＬＩＮタイプの局所配線網との接続用のコネクタ１１、回転子５の電源用のブラシホルダ１２および制御装置８を支持する。

上記制御装置８は、特に、フラッシュタイプのメモリを備えるディジタルおよびアナログの両方のタイプであるＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）や、アナログＡＳＩＣおよびＦＰＧＡ（フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ）を関連させたものをベースにしたものである。整流器ブリッジ３は、既知の方法において、高レベルＨ_１、Ｈ_２、Ｈ_３および低レベルＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３の半導体スイッチング素子４をそれぞれ備える３つのアームＨ_１，Ｌ_１；Ｈ_２，Ｌ_２；Ｈ_３，Ｌ_３を備える。

トランジスタ４を備えた整流器ブリッジ３を備える標準的なオルタネータにおいて、制御装置８は、オルタネータの現在回転速度Ωとは関係なく、直流を供給するために、固定子巻線７のスイッチング等のための高レベルＨ_１、Ｈ_２、Ｈ_３および低レベルＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３の半導体スイッチング素子４を制御するためのベクトル（Ｈ，Ｌ）を生成する。

このタイプの制御ベクトルにより、出力は、図３の標準的な出力曲線（点線１３で図示）に示すように、低い現在回転速度Ωに制限される。

上記のような制限は、標準出力曲線１３が、自動車メーカーによって要求される約１０００ｒｐｍのアイドリング速度Ω_ｉで始動すれば、一定の最大出力Ｉ_ｍａｘにすぐに達する理想出力曲線（破線１４で図示）からかけ離れているため好ましくない。

図４に示すように、同期整流器としても機能可能な本発明によるパワーモジュール３の制御プロセスにより、図３から明らかなように、理想的な曲線１４に近い理論上の出力曲線（実線で図示）が得られる。

本発明による制御方法において、判定１５において、現在回転速度Ωが、約３０００ｒｐｍの所定の値Ω_０より大きいと判定された場合、すなわち、制御装置８が、標準的なオルタネータの制御ベクトル（Ｈ，Ｌ）と同一である第１の同期整流（Ｈ，Ｌ）_１モード制御１６を構成すると判定された場合、整流器ブリッジ３は、標準的なオルタネータのトランジスタ４を備える整流器ブリッジ３のように機能する。

電機１の始動１７の後、本発明による制御方法において現在回転速度Ωが上記所定の値Ω_０以下であると判定１５において判定される限り、制御装置８は、第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御１８を構成する。

図５の例に示すように、上記第２の制御１８（実線１９で図示）は、電機１の起電力Ｖ（破線２１として図示）に対して位相シフトΔφだけ位相シフト２０が生じている。

このような位相シフトΔφは、現在回転速度Ωおよび電機１の温度Ｔに応じて調節２２される。

このような位相シフトΔφは、電機１によって出力される直流の強度Ｉを最大化するように調節２２される。

また、この位相シフトΔφは、車載電気網２によって要求される直流の設定値Ｉ_０および／または車載網電圧Ｖｂに応じて調整２２されうる。

本発明による制御方法において、電機の電気特性Ｍおよび／または直流の設定値Ｉ_０に応じて２４、開口角度ｒ（１８０°以下）が調整２３される。

位相シフトΔφおよび開口角度ｒは、電気網２での負荷ジャンプ２５（需要またはカットオフ）の場合に電機１の動力性能を高めるために使用されるさらなる自由度である。

したがって、このような第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御１８は、例えば、車載網での過電圧（負荷遮断と呼ばれる現象）を生じる、回復制動段階や負荷カットオフ段階中に、直流Ｉをより迅速に変動させるために、強電流との使用に好適である。

なお、第２の制御１８により位相シフトΔφおよび／または開口角度ｒが調節される可能性があることにより、例えば、電機の励磁回路５、６における負荷遮断や短絡不良によって過度の電圧が生じる場合、車載網の電流および／または電圧の制限が利用されうる。このような車載網の電流および／または電圧の制限は、振幅および／持続時間の点から適用されうる。

ポンピング現象を回避するために、一変形例として、所定の値Ω_０を挟んで第１の所定の回転速度Ω_１と第２の所定の回転速度Ω_２との間にあるヒステリシス範囲が、第１の制御１６と第２の制御１８との間の遷移のさいに導入される。

標準的なオルタネータ兼スタータの場合、オルタネータ兼スタータがモータモード（異なる位相シフトΔφを有し、電機１をモータモードの状態におく）で機能しているときに同様の制御がすでに実行されているため、第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御１８は単純に実行される。

トランジスタ４を備えた整流器ブリッジ３を備える標準的なオルタネータの場合、ハードウェアに一部変更を加えなければ、制御装置８のファームウェアを単に調整しただけでは本発明による制御方法を実施することはできない。

第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御１８を構成させる第１の解決策では、図１ａに示す本発明の第１の実施形態を実現するために、少なくとも１つの位置センサ２７によって回転子５の角度位置測定値θを追加する。

第２の解決策では、図１ｂに示す本発明の第２の実施形態を実現するために、電機１の起電力Ｖを測定するためのコイル２８を追加する。

第３の解決策では、図１ｃに示す本発明の第３の実施形態を実現するために、ホール効果センサなどの相電流ｉ_ｐを測定するための手段２９を追加する。

このような第３の解決策の一変形例として、第４の解決策では、第２の制御１８（図示せず）を構成するために、相電流ｉ_ｐの像（対応するトランジスタ４のドレイン・ソース電圧）または相電流ｉ_ｐの符号を使用する。

本発明による制御方法によって考慮２２される温度Ｔは、非包括的に、固定子の温度、トランジスタ４の温度またはリードフレーム１０の温度など、電機１の１つまたは複数の温度から始まる温度の直接的または間接的な測定値または推定値でありうる。温度センサ３０は、図２に示され、この温度Ｔを得るために使用される。

パワーモジュール３を制御するための本発明による方法では、リードフレーム１０の直流バスに電流変動が導入されるため、フィルタリングが必要となる。このため、本発明による電機１は、電子パワーモジュール３に一体化され、直流バスの端子Ｂ＋、Ｂ−に接続されるコンデンサ部３１を備える。コンデンサ部３１は、図２に明らかに示すように、電機１の後軸受のレベルで一体化される。

表１および図６は、本発明による制御方法を実施するためにＡＳＩＣファームウェアに一部変更を加えた標準的なオルタネータ兼スタータにおいて、本発明の対象によって実行されるテスト結果を示す。

コンデンサ部３１の静電容量は、約８ｍＦである。

開口角度ｒが１８０°である第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御１８を、２００ｒｐｍ刻みの１０００ｒｐｍ〜２２００ｒｐｍおよび８Ａの励磁電流でオルタネータモードにおいて適用した。

位相シフトΔφは可変であり、電機１の機能点に応じて制御される。電機１によって生成される直流の強度を最大化するために、位相シフトΔφに適用される値を求めた。

図６は、制御装置８が第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御１８で機能しているときに測定される出力曲線（実線３２で図示）が、標準的な出力曲線１３（点線）の上に位置し、約１０００ｒｐｍ〜２２００ｒｐｍに含まれる低い回転速度Ωでは、図３に示す理想的な出力曲線１４に近いことを明確に示している。

本発明は、上述した好ましい実施形態にのみ限定されるものではないことを理解されたい。

特に、上述した励磁を備える三相電機１は、例示的にのみ与えられたものにすぎない。同様の説明が、他のタイプの電機１、例えば、６個程度の相を有する電機１や、永久磁石またはハイブリッド機を備えた電機１などにも当てはまる。

本明細書に記載した回転速度Ωの数値は、例示的に示した値にすぎず、使用する電機モデルに応じて異なる。

したがって、本発明は、以下の特許請求の範囲によって規定された範囲内にあるあらゆる可能な変形実施形態を含む。

Claims (9)

1. 多相回転電機（１）によって供給される多相交流からの直流（Ｉ）を自動車の車載電気網（２）に供給する同期整流器として機能可能な電子パワーモジュール（３）の制御方法であって、
   前記多相回転電機（１）の現在回転速度（Ω）および起電力（Ｖ）のうちの前記多相回転電機（１）の少なくとも１つの機能パラメータの値（Ω、Ｖ）に応じて、第１の同期整流（Ｈ，Ｌ）_１モード制御（１６）、または前記多相回転電機（１）の前記起電力（Ｖ）に対して位相シフト（Δφ）がある第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御（１８）による前記電気パワーモジュール（３）の制御を含み、
   前記第１の同期整流（Ｈ，Ｌ）_１モード制御（１６）は、前記機能パラメータの値（Ω、Ｖ）が所定の値（Ω_０）より大きい場合に選択され、前記第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御（１８）は、逆の場合に選択され、
   前記第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御（１８）の開口角度（ｒ）は、前記直流の設定値（Ｉ_０）および／または前記多相回転電機の少なくとも１つの電気特性（Ｍ）に依存することを特徴とする制御方法。
2. 前記第１の同期整流（Ｈ，Ｌ）_１モード制御（１６）と前記第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御（１８）との間の遷移は、前記所定の値（Ω_０）より大きい第１の所定の機能パラメータ値（Ω_１）と、前記所定の値（Ω_０）より小さい第２の所定の機能パラメータ値（Ω_２）との間にあるヒステリシス範囲を有することを特徴とする、請求項１に記載の同期整流器として機能可能な電子パワーモジュール（３）の制御方法。
3. 前記位相シフト（Δφ）は可変であり、選択的にまたは組み合わせて、前記直流の強度（Ｉ）、前記直流の設定値（Ｉ_０）、前記現在回転速度（Ω）、前記多相回転電機（１）の温度（Ｔ）、および車載電圧（Ｖｂ）に依存することを特徴とする、請求項１または２に記載の同期整流器として機能可能な電子パワーモジュール（３）の制御方法。
4. 前記第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御（１８）の前記位相シフト（Δφ）および／または前記開口角度（ｒ）は、前記車載電気網（２）の電流および／または電圧を制限するように決定され、前記制限は、振幅および／または持続時間の点で実行されることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の同期整流器として機能可能な電子パワーモジュール（３）の制御方法。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の制御方法を実行するように構成された、同期整流器として機能可能な電子パワーモジュール（３）の制御装置（８）であって、
   前記電子パワーモジュール（３）は、多相回転電機（１）の固定子の固定子巻線（７）に接続されるように構成された複数のアーム（Ｈ_１，Ｌ_１；Ｈ_２，Ｌ_２；Ｈ_３，Ｌ_３）を形成する半導体スイッチング素子（４）を備える整流器ブリッジを備え、直流（Ｉ）を自動車の車載電気網（２）に供給し、
   前記制御装置（８）は、
   前記多相回転電機（１）の回転速度（Ω）を獲得する第１の手段と、
   前記機能パラメータ値（Ω）が所定の値（Ω_０）より大きい場合に第１の同期整流（Ｈ，Ｌ）_１モード制御（１６）を構築し、逆の場合に第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御（１８）を構築する構築手段と、
   前記第１の同期整流（Ｈ，Ｌ）_１モード制御（１６）および前記第２の全波（Ｈ，Ｌ）_２モード制御（１８）によって前記半導体スイッチング素子（４）を制御する手段とを備えることを特徴とする制御装置（８）。
6. 前記構築手段は、選択的に、
   前記多相回転電機の回転子（５）の角位置（θ）のための少なくとも１つの位置センサ（２７）と、
   前記固定子（７）に配置された、前記起電力（Ｖ）を測定するための少なくとも１つのコイル（２８）と、
   前記多相回転電機（１）の少なくとも１つの相電流（ｉ_ｐ）または前記相電流（ｉ_ｐ）の符号を測定／推定するための手段（２９）と、
   を備えることを特徴とする、請求項５に記載の同期整流器として機能可能な電子パワーモジュール（３）の制御装置（８）。
7. 前記構築手段は、選択的にまたは組み合わせて、
   前記直流の強度（Ｉ）を獲得する第２の手段と、
   前記直流の設定値（Ｉ_０）を獲得する第３の手段と、
   前記多相回転電機（１）の温度（Ｔ）を獲得する第４の手段（３０）と、
   前記自動車の車載電気網電圧（Ｖｂ）を獲得する第５の手段と、
   をさらに備えることを特徴とする、請求項５または６に記載の同期整流器として機能可能な電子パワーモジュール（３）の制御装置（８）。
8. 請求項５から７のいずれか一項に記載の一体型同期整流器として機能可能な電子パワーモジュール（３）の制御装置（８）を備えることを特徴とする、オルタネータまたはオルタネータ兼スタータタイプの自動車の回転電機（１）。
9. 前記電子パワーモジュール（３）に一体化されたフィルタリングコンデンサ部（３１）をさらに備えることを特徴とする、請求項８に記載のオルタネータまたはオルタネータ兼スタータタイプの自動車の回転電機（１）。

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