JP2019118192A

JP2019118192A - インバータの制御装置

Info

Publication number: JP2019118192A
Application number: JP2017250910A
Authority: JP
Inventors: 賢人田栗; Kento Taguri
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2019-07-18
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: JP6879194B2

Abstract

【課題】インバータを適切に保護しつつ、十分な出力を実現する。【解決手段】インバータの制御装置（１００）は、モータ（２０）に電力を供給するインバータ（３０）を制御する。インバータの制御装置は、インバータのスイッチング素子（Ｑｕｐ〜Ｑｗｎ）の温度が所定の温度閾値（Ｔ）以上である場合に、インバータの出力制限を実行する制限手段（１２０）と、モータの回転数が第１閾値（Ｎｔｈ）以下であり、且つ、モータの回転数の変化量が第２閾値（Ｒ）以下である場合に、モータの回転数が第１閾値より大きい、又は、モータの回転数の変化量が第２閾値より大きい場合と比較して、温度閾値が高くなるように変更する変更手段（１４０）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、インバータの制御装置の技術分野に関する。

この種のシステムとして、インバータを過熱から保護するために出力制限を実行するものが知られている。例えば特許文献１では、スイッチング素子の温度が所定の閾値以上になった場合に、モータの負荷率を制限するという技術が開示されている。なお、出力制限を実行する際の閾値は、インバータの発熱又は冷却に影響を及ぼすパラメータに応じて変更される。

国際公開第２０１２／１２４０７３号

上述した特許文献１には、インバータのパラメータのみに基づいて閾値を変更しているため、インバータを適切に保護することができないおそれがある。具体的には、モータの低回転時においてもインバータの出力が制限されてしまうため、モータからの出力トルクを拡大することができず、インバータの性能を十分に発揮することができないという技術的問題点が生ずる。

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、インバータを適切に保護しつつ、十分な出力を実現することが可能なインバータの制御装置を提供することを課題とする。

本発明に係るインバータの制御装置の一態様では、モータに電力を供給するインバータの制御装置であって、前記インバータのスイッチング素子の温度が所定の温度閾値以上である場合に、前記インバータの出力制限を実行する制限手段と、前記モータの回転数が第１閾値以下であり、且つ、前記モータの回転数の変化量が第２閾値以下である場合に、前記モータの回転数が前記第１閾値より大きい、又は、前記モータの回転数の変化量が前記第２閾値より大きい場合と比較して、前記温度閾値が高くなるように変更する変更手段とを備える。

本実施形態に係るインバータの制御装置の構成を示すブロック図である。本実施形態に係るインバータの制御装置による出力制限動作の流れを示すフローチャートである。本実施形態に係るインバータの制御装置による閾値変更動作の流れを示すフローチャートである。インバータの素子温度と出力との関係を示すグラフである。インバータの素子温度と温度閾値との関係を示すグラフである。本実施形態に係るインバータの制御装置によるトルク拡大効果を示すグラフである。本実施形態に係るインバータの制御装置による高水温時の効果を示すグラフである。

以下、図面を参照してインバータの制御装置の実施形態について説明する。

＜装置構成＞
まず、本実施形態に係るインバータの制御装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るインバータの制御装置の構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係るインバータの制御装置は、車両のインバータ３０の動作を制御することが可能なＥＣＵ（ＥｒｅｃｔｒｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）１００として構成されている。

インバータ３０は、電源１０から供給される電力を変換してモータ２０に出力することが可能に構成されている。インバータ３０は、ｐ側スイッチング素子Ｑｕｐ及びｎ側スイッチング素子Ｑｕｎを含むＵ相アーム、ｐ側スイッチング素子Ｑｖｐ及びｎ側スイッチング素子Ｑｖｎを含むＶ相アーム、並びにｐ側スイッチング素子Ｑｗｐ及びｎ側スイッチング素子Ｑｗｎを含むＷ相アームを備えている。インバータ３０が備える各アームは、正極線と負極線との間に並列に接続されている。ｐ側スイッチング素子Ｑｕｐ、Ｑｖｐ及びＱｗｐには、整流用ダイオードＤｕｐ、Ｄｖｐ及びＤｗｐが夫々接続されている。ｎ側スイッチング素子Ｑｕｎ、Ｑｖｎ及びＱｗｎについても同様に、整流用ダイオードＤｕｎ、Ｄｖｎ及びＤｗｎが夫々接続されている。インバータ３０の各スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎは、ＰＷＭ（ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によってスイッチングのオンオフが制御される。

インバータ３０におけるｐ側スイッチング素子Ｑｕｐ、Ｑｖｐ及びＱｗｐ、並びにｎ側スイッチング素子Ｑｕｎ、Ｑｖｎ及びＱｗｎには、各スイッチング素子の温度を検出するための素子温センサＳｕｐ、Ｓｖｐ及びＳｗｐ、並びにＳｕｎ、Ｓｖｎ及びＳｗｎが設けられている。素子温センサＳｕｐ〜Ｓｗｎの各々で検出された各スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎの温度は、ＥＣＵ１００に出力される構成となっている。

インバータ３０における各相アームの上側アーム（つまり、各ｐ側スイッチング素子）と下側アーム（つまり、各ｎ側スイッチング素子）との中間点は、夫々モータ２０の各相コイルに接続されている。このため、インバータ３０から出力される電力（具体的には、三相交流電圧）は、モータ２０に供給される。

モータ２０は、車両が走行するために必要な駆動力（即ち、トルク）を発生する。モータ２０が発生したトルクは、当該モータ２０の回転軸に機械的に連結された駆動軸を介して、車両の駆動輪に伝達される。なお、モータ２０は、電力回生（即ち、発電）する機能を備えたモータジェネレータであってもよい。

モータ２０には、モータの回転数（或いは角度）を検出する回転数センサ２５が設けられている。回転数センサ２５で検出されたモータ２０の回転数は、ＥＣＵ１００に出力される構成となっている。

ＥＣＵ１００は、その機能を実現するための処理ブロックとして、素子温度取得部１１０、素子制御部１２０、回転数取得部１３０、及び条件判定部１４０を備えている。

素子温度取得部１１０は、素子温センサＳｕｐ〜Ｓｗｎの各々で検出された各スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎの温度（以下、適宜「素子温度」と称する）を取得する。素子温度取得部１１０で取得された素子温度は、素子制御部１２０に出力される構成となっている。

素子制御部１２０は、インバータ３０における各スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎの動作を制御する。本実施形態に係る素子制御部１２０は特に、インバータ３０の出力を制限する制御を実行可能に構成されている。具体的には、素子制御部１２０は、素子温度が所定の温度閾値以上であるか否かに応じて、インバータ３０の出力を制限する制御を実行する。素子制御部１２０は、後述する付記における「制限手段」の一具体例である。

回転数取得部１３０は、モータ２０の回転数（或いは角度）を取得する。回転数取得部１３０で取得された回転数は、条件判定部１４０に出力される構成となっている。

条件判定部１４０は、モータ２０の回転数及び回転数の変化量が所定の条件を満たしているか否かを判定する。この判定処理の具体的な内容については、後に詳述する。条件判定部１４０は、その判定結果に応じて、素子制御部１２０が用いる温度閾値を変更することが可能に構成されている。条件判定部１４０は、後述する付記における「変更手段」の一具体例である。

＜出力制限動作＞
次に、ＥＣＵ１００が実行する出力制限動作（即ち、インバータの出力を制限するための動作）について、図２を参照して説明する。図２は、本実施形態に係るインバータの制御装置による出力制限動作の流れを示すフローチャートである。

図２に示すように、出力制限動作時には、まず素子温度取得部１１０がインバータ３０の各スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎの素子温度を取得する（ステップＳ１１）。素子温度取得部１１０で取得された素子温度は、素子制御部１２０に出力される。

続いて、素子制御部１２０が、素子温度が所定の温度閾値Ｔ以上であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。なお、ここで用いられる素子温度は、例えば各スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎの素子温度のうち最も高い温度である。或いは、各スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎの素子温度の平均値等を用いてもよい。温度閾値Ｔは、インバータ３０の各スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎを過熱から保護するために設定される閾値である。なお、後述するように、温度閾値Ｔは状況に応じて変更される。

素子温度が温度閾値Ｔ以上である場合（ステップＳ１２：ＹＥＳ）、素子制御部１２０は、インバータ３０の出力を制限するための制御を実行する（ステップ１３）。即ち、インバータ３０の出力が小さくなるような制御を実行する。このようにインバータ３０の出力を制限すれば、スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎの素子温度の上昇が抑制され、結果としてスイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎを過熱から保護することが可能である。素子温度が温度閾値Ｔ以上でない場合（ステップＳ１２：ＮＯ）、上述したインバータ２０の出力を制限する処理は省略される（即ち、実行されない）。

＜閾値変更動作＞
次に、ＥＣＵ１００が実行する閾値変更動作（即ち、素子制御部１２０が用いる温度閾値を変更するための動作）について、図３から図５を参照して説明する。図３は、本実施形態に係るインバータの制御装置による閾値変更動作の流れを示すフローチャートである。図４は、インバータの素子温度と出力との関係を示すグラフである。図５は、インバータの素子温度と温度閾値との関係を示すグラフである。

図３に示すように、閾値変更動作時には、まず回転数取得部１３０がモータ２０の回転数を取得する（ステップＳ２１）。回転数取得部１３０で取得されたモータ２０の回転数は、条件判定部１４０に出力される。

続いて、条件判定部１４０が、モータ２０の回転数が閾値Ｎｔｈ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。閾値Ｎｔｈは、後述する付記における「第１閾値」の一具体例であり、スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎにおける過渡発熱が十分に小さくなる程度にモータ２０の回転数が小さいか否かを判定するための閾値である。

モータ２０の回転数が閾値Ｎｔｈ以下であると判定された場合（ステップＳ２２：ＹＥＳ）、条件判定部１４０は更に、モータ２０の回転数の変化量が閾値Ｒ以下であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。閾値Ｒは、後述する付記における「第２閾値」の一具体例であり、スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎにおける過渡発熱が十分に小さくなる程度にモータ２０の回転数の変化量が小さいか否か（より具体的には、スリップが発生しているか否か）を判定するための閾値である。

モータ２０の回転数の変化量が閾値Ｒ以下であると判定された場合（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、条件判定部１４０は、素子制御部１２０が用いる温度閾値Ｔを、通常時の値Ｔ１からＴ１よりも大きいＴ２へと変更する。即ち、条件判定部１４０は、温度閾値が高くなるように変更する。

他方で、モータ２０の回転数が閾値Ｎｔｈ以下でないと判定された場合（ステップＳ２２：ＮＯ）、又は、モータ２０の回転数の変化量が閾値Ｒ以下でないと判定された場合（ステップＳ２３：ＮＯ）、条件判定部１４０は、素子制御部１２０が用いる温度閾値Ｔを、通常時の値Ｔ１のまま維持する。

図４に示すように、温度閾値がＴ１からＴ２に変更されると、インバータ３０の出力を制限する処理の実行タイミングが変化する。具体的には、素子温度が比較的高い場合でも、インバータ３０の出力が制限され難くなる。

図５に示すように、温度閾値Ｔ１は、通常制御時（言い換えれば、モータ２０の回転数が閾値Ｎｔｈ以下でもなく、モータ２０の回転数の変化量が閾値Ｒ以下でもない場合）に、スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎの素子温度が素子耐熱温度を超えないような値として設定されている。一方、温度閾値Ｔ２は、モータ低回転時（即ち、モータ２０の回転数が閾値Ｎｔｈ以下である場合）、且つ、スリップ判定無しの場合（即ち、モータ２０の回転数の変化量が閾値Ｒ以下である場合）に、スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎの素子温度が素子耐熱温度を超えないような値として設定されている。このため、温度閾値Ｔを変更した場合でも、スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎは適切に保護される。

なお、図中の「水温」は、スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎを冷却するための冷却水の水温である。また、図中の「定常発熱」は、インバータ３０の出力（即ち、電圧、電流）に依存して、スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎで生ずる発熱であり、「過渡発熱」は、スリップ発生時等において負荷が変動した場合に、スイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎで生ずる発熱である。

＜技術的効果＞
次に、本実施形態に係るインバータの制御装置（即ち、ＥＣＵ１００）の動作によって得られる技術的効果について、図６及び図７を参照して説明する。図６は、本実施形態に係るインバータの制御装置によるトルク拡大効果を示すグラフである。図７は、本実施形態に係るインバータの制御装置による高水温時の効果を示すグラフである。

図６に示すように、温度閾値がＴ１からＴ２に変更されると、モータ２０の出力トルクが拡大される。具体的には、モータ２０の低回転時（即ち、モータ２０の回転数が閾値Ｎｔｈ以下である場合）に出力可能なトルクが大きくなる。このため、例えば車両が発進するような場合にも高いトルクを出力することが可能となる。

図７に示すように、通常水温時（即ち、比較的水温が低い場合）には、素子発熱分を考慮しても、素子温度が温度閾値Ｔ１を超えることはない。言い換えれば、インバータ３０の出力を制限する処理は実行されない。しかしながら、高水温時（即ち、比較的水温が高い場合）には、素子発熱分を考慮すると、素子温度が温度閾値Ｔ１を超えてしまう。即ち、温度閾値Ｔ１を用いているとすると、インバータ３０の出力を制限する処理が実行されてしまう。

しかしながら、本実施形態では、モータ２０が低回転且つスリップ判定無しの場合には、温度閾値Ｔ２が用いられる。この場合、高水温時でも、素子温度が温度閾値Ｔ２を超えることはない。即ち、インバータ３０の出力を制限する処理は実行されない。このように、状況に応じて温度閾値Ｔを変更すれば、高水温時においてもインバータ３０の出力を制限する処理が実行され難くなる。よって、出力トルクが制限されてしまう機会を減らすことができる。

以上説明したように、本実施形態に係るインバータの制御装置によれば、モータ２０の回転数及び回転数の変化量に応じて、温度閾値Ｔが変更される。これにより、インバータ３０のスイッチング素子Ｑｕｐ〜Ｑｗｎを適切に保護しつつ、十分な出力を実現することが可能である。

＜付記＞
以上説明した実施形態から導き出される発明の各種態様を以下に説明する。

（付記１）
付記１に記載のインバータの制御装置は、モータに電力を供給するインバータの制御装置であって、前記インバータのスイッチング素子の温度が所定の温度閾値以上である場合に、前記インバータの出力制限を実行する制限手段と、前記モータの回転数が第１閾値以下であり、且つ、前記モータの回転数の変化量が第２閾値以下である場合に、前記モータの回転数が前記第１閾値より大きい、又は、前記モータの回転数の変化量が前記第２閾値より大きい場合と比較して、前記温度閾値が高くなるように変更する変更手段とを備える。

付記１に記載のインバータの制御装置によれば、モータの回転数が第１閾値以下であり、且つ、前モータの回転数の変化量が第２閾値以下である場合に、インバータの出力制限を実行するための温度閾値が高くなるように変更される。このため、スイッチング素子における過度発熱が発生しない或いは小さい状況において、インバータの出力が制限されてしまうことを防止できる。従って、インバータの性能を十分に発揮させることができ、その結果としてモータの出力トルクの拡大を図ることができる。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うインバータの制御装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１０電源
２０モータ
２５回転数センサ
３０インバータ
１００ＥＣＵ
１１０素子温度取得部
１２０素子制御部
１３０回転数取得部
１４０条件判定部
Ｑｕｐ〜Ｑｗｎスイッチング素子
Ｄｕｐ〜Ｄｗｎ整流ダイオード
Ｓｕｐ〜Ｓｗｎ素子温センサ
Ｔ,Ｔ１，Ｔ２温度閾値
Ｎｔｈ回転数閾値
Ｒ回転数変化量閾値

Claims

モータに電力を供給するインバータの制御装置であって、
前記インバータのスイッチング素子の温度が所定の温度閾値以上である場合に、前記インバータの出力制限を実行する制限手段と、
前記モータの回転数が第１閾値以下であり、且つ、前記モータの回転数の変化量が第２閾値以下である場合に、前記モータの回転数が前記第１閾値より大きい、又は、前記モータの回転数の変化量が前記第２閾値より大きい場合と比較して、前記温度閾値が高くなるように変更する変更手段と
を備えることを特徴とするインバータの制御装置。