JP2021027626A - 磁石温度推定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】永久磁石同期電動機の永久磁石の温度を精度よく推定できる、磁石温度推定方法を提供する。【解決手段】車両１の空走時に、永久磁石同期電動機であるモータ２に供給される電流の指令値が零に設定されて、その状態でモータ２に生じる逆起電圧が検出される。モータ２の冷機時に検出される逆起電圧から冷機時逆起電圧定数が算出され、また、モータ２の暖機時（現時）に検出される逆起電圧から暖機時逆起電圧定数が算出されて、その暖機時逆起電圧定数と冷機時逆起電圧定数との差分から、現時の永久磁石の温度と冷機時の永久磁石の温度との温度差が求められる。そして、その温度差が冷機時の永久磁石の温度に加算されることにより、現時における永久磁石の温度が求められる。【選択図】図１

Description

本発明は、永久磁石同期電動機の永久磁石の温度を推定する磁石温度推定方法に関する。

ハイブリッド車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）や電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）には、走行用の駆動源としてのモータと、モータに対する電力の入出力を制御するＰＣＵ（Power Control Unit：パワーコントロールユニット）とが搭載されている。

モータには、永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ：Permanent Magnet Synchronous Motor）が広く採用されている。永久磁石同期電動機は、回転子に強磁性体である永久磁石を用いた同期電動機である。永久磁石の磁束は、温度上昇に伴って減少し、冷めると元に戻る特性を有している。しかしながら、高温下で一定以上の電流が永久磁石同期電動機に通電されると、永久磁石に不可逆変化が生じ、永久磁石の磁束が減少したままとなる。この減磁が生じると、モータ（永久磁石同期電動機）の通常使用時でのトルクが低下する。

そこで、永久磁石の減磁を回避するため、永久磁石の温度を推定し、永久磁石の温度が予め設定された温度よりも高い場合に、モータに流す電流を低減させる技術が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。この技術では、モータに発生する逆起電圧と、モータの回転数（回転速度）とが検出され、その逆起電圧および回転数に基づいて、モータの永久磁石の温度が推定される。

特開２０１７−１０８５６８号公報

ところが、永久磁石の温度と磁束との関係には、モータの個体間でばらつきがあるため、従来の技術では、永久磁石の温度を精度よく推定できない。

本発明の目的は、永久磁石同期電動機の永久磁石の温度を精度よく推定できる、磁石温度推定方法を提供することである。

前記の目的を達成するため、本発明に係る磁石温度推定方法は、車両に走行用の駆動源として搭載された永久磁石同期電動機の永久磁石の温度を推定する方法であって、永久磁石同期電動機が力行運転および回生運転されない空走時に、永久磁石同期電動機に供給される電流の指令値を零に設定し、永久磁石同期電動機に流れる電流値が零となっているときに、永久磁石同期電動機に生じる逆起電圧を検出し、その検出した逆起電圧に相関する値であって、永久磁石同期電動機の回転数に影響されない相関値を求め、その相関値と永久磁石同期電動機の冷機時に予め求めた相関値との差分から永久磁石の温度を推定する方法である。

この方法によれば、車両の空走時に、永久磁石同期電動機に供給される電流の指令値が零に設定されて、その状態で永久磁石同期電動機に生じる逆起電圧が検出される。そして、逆起電圧に相関する値であって、永久磁石同期電動機の回転数に影響されない相関値が求められ、その相関値と永久磁石同期電動機の冷機時に予め求められた相関値との差分から永久磁石の温度が推定される。

逆起電圧は、永久磁石同期電動機が有する逆起電圧定数と相関があり、逆起電圧定数は、永久磁石の磁束と相関がある。逆起電圧定数および磁束は、永久磁石同期電動機の回転数に影響されない値であり、永久磁石の温度に応じて変動する値である。したがって、永久磁石同期電動機の現時の逆起電圧定数と冷機時の逆起電圧定数との差分から現時の永久磁石の温度と冷機時の永久磁石の温度との温度差を求めることができる。したがって、冷機時の永久磁石の温度が判っていれば、その冷機時の永久磁石の温度と求めた温度差とから現時における永久磁石の温度を求めることができる。磁束についても同様である。

このように、永久磁石同期電動機の個体ごとに求めた冷機時の永久磁石の温度を基準として、各個体で発生する逆起電圧に相関する相関値（逆起電圧定数または磁束）から現時における永久磁石の温度が推定されるので、現時における永久磁石の温度を従来よりも精度よく推定することができる。その結果、永久磁石の温度が高い場合に永久磁石同期電動機のトルク（電流）に制限を加える構成では、不要なトルク制限を抑制することができ、トルク制限によるドライバビリティの低下を抑制することができる。

本発明によれば、永久磁石同期電動機の永久磁石の温度を従来よりも精度よく推定することができる。

本発明の一実施形態に係る車両の要部の構成を示す図である。 冷機時逆起定数算出処理の流れを示すフローチャートである。 磁石温度推定処理の流れを示すフローチャートである。

以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

＜車両の要部構成＞
図１は、本発明の一実施形態に係る車両１の要部の構成を示す図である。

車両１は、モータ２を走行用の駆動源として搭載したハイブリッド車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）である。車両１には、たとえば、シリーズ方式のハイブリッドシステムを採用している。シリーズ方式のハイブリッドシステムでは、エンジンの動力が発電用のモータで電力に変換され、その電力でモータ２が駆動されて、モータ２の動力が駆動輪に伝達される。

モータ２は、回転子に強磁性体である永久磁石を用いた永久磁石同期電動機（ＰＭＳＭ：Permanent Magnet Synchronous Motor）である。モータ２は、電動機として機能し、また、発電機としても機能する。

また、車両１には、駆動用バッテリ３と、ＰＣＵ（Power Control Unit：パワーコントロールユニット）４とが搭載されている。

駆動用バッテリ３は、複数の二次電池を組み合わせた組電池であり、たとえば、リチウムイオン電池からなる。駆動用バッテリ３は、たとえば、約２００〜３５０Ｖの直流電力を出力する。

ＰＣＵ４は、モータ２と駆動用バッテリ３とに接続されている。ＰＣＵ４は、インバータ５およびマイコン（マイクロコントローラユニット）６を内蔵している。インバータ５は、２個の半導体スイッチング素子の直列回路をモータ２のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相に対応して設け、それらの直列回路を互いに並列に接続して構成されている。

モータ２が電動機として機能する力行運転時には、駆動用バッテリ３から出力される直流電力がインバータ５で交流電力に変換され、交流電力がインバータ５からモータ２に供給される。一方、モータ２が発電機として機能する回生運転時には、モータ２で駆動輪からの動力が交流電力に変換される。このとき、モータ２が駆動系の抵抗となり、その抵抗による回生制動力が駆動輪に作用する。モータ２で発生した交流電力は、インバータ５で直流電力に変換されて、駆動用バッテリ３に充電される。

マイコン６は、モータ２の回転数を検出する。具体的には、モータ２には、モータ２の回転に同期したパルス信号を出力する回転センサ（図示せず）が設けられており、マイコン６は、回転センサから出力されるパルス信号の周期からモータ２の回転数を求める。また、マイコン６は、モータ２とインバータ５との間に現れる電圧を検出する。

また、車両１には、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）７が搭載されている。ＥＣＵ７には、ＣＰＵ、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリおよびＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）などの揮発性メモリが内蔵されている。図１には、１つのＥＣＵ７のみが示されているが、車両１には、各部を制御するため、ＥＣＵ７と同様の構成を有する複数のＥＣＵが搭載されている。ＥＣＵ７を含む複数のＥＣＵは、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信プロトコルによる双方向通信が可能に接続されている。また、ＥＣＵ７は、ＰＣＵ４のマイコン６と通信可能に接続されている。

ＥＣＵ７は、他のＥＣＵやＰＣＵ４のマイコン６から受信した情報などに基づいて、マイコン６を介してＰＣＵ４のインバータ５の動作を制御する。

＜冷機時逆起定数算出処理＞
図２は、冷機時逆起定数算出処理の流れを示すフローチャートである。

ＥＣＵ７は、モータ２の冷機時の逆起電圧定数（逆起定数）を算出するため、車両１の走行中に、図２に示される冷機時逆起定数算出処理を実行する。

冷機時逆起定数算出処理では、まず、モータ２が力行運転および回生運転されない状態で車両１が走行している空走中であるか否かが判定される（ステップＳ１１）。車両１が空走中でない場合（ステップＳ１１のＮＯ）、冷機時逆起定数算出処理は次に進まない。

車両１が空走中である場合（ステップＳ１１のＹＥＳ）、次に、車両１が前回の走行を終了してから現時までに所定の第１時間が経過しているか否かが判定される。第１時間は、たとえば、車両１が前回の走行を終了してからモータ２の温度が常温または常温に近い温度である第１温度に低下するのに十分な時間に設定されている。

車両１が前回の走行を終了してから現時までに第１時間が経過している場合（ステップＳ１２のＹＥＳ）、車両１が今回の走行を開始してから現時までに経過した時間が所定の第２時間以内であるか否かを判定する。第２時間は、たとえば、車両１の走行に伴ってモータ２が第１温度からモータ２の永久磁石の磁束が低減し始める第２温度に上昇するのに要する時間を基準に設定されている。

車両１が前回の走行を終了してから現時までに第１時間が経過していないか（ステップＳ１２のＮＯ）、または、車両１が今回の走行を開始してから現時までの経過時間が第２時間を超えている場合（ステップＳ１３のＮＯ）、冷機時逆起定数算出処理は終了される。

車両１が今回の走行を開始してから現時までの経過時間が第２時間以内である場合（ステップＳ１３のＹＥＳ）、ＰＣＵ４のインバータ５からモータ２に供給される電流の指令値が零（０）に設定される（ステップＳ１４）。そして、その零指令値がＥＣＵ７からＰＣＵ４のマイコン６に伝達されて、マイコン６によりインバータ５の動作が制御されることにより、インバータ５からモータ２に供給される電流が零になる。

零指令値の設定は、一定の期間にわたって継続される。この期間に、マイコン６により、モータ２とインバータ５との間に現れる電圧が検出される。インバータ５からモータ２に電流が供給されていないので、このときモータ２とインバータ５との間に現れる電圧は、モータ２の回転子の回転により発生する逆起電圧である。すなわち、零指令値が設定されている期間に、マイコン６によって、モータ２に発生する逆起電圧が検出される（ステップＳ１５）。

電圧の検出方法は、インバータ５のスイッチングを停止させて直接検出する方法でも、インバータ５のスイッチングを停止させずに、インバータ５への入力電圧とインバータ５からモータ２への出力電圧パルス幅から間接的に算出する方法でもよい。

また、マイコン６によって、モータ２の回転数が検出される。マイコン６により検出されるモータ２の逆起電圧および回転数は、マイコン６からＥＣＵ７に送信される。ＥＣＵ７にモータ２の逆起電圧および回転数が入力されると、その逆起電圧を回転数で除算することにより、モータ２の逆起電圧定数が算出されて（ステップＳ１６）、冷機時逆起定数算出処理が終了される。

＜磁石温度推定処理＞
図３は、磁石温度推定処理の流れを示すフローチャートである。

ＥＣＵ７は、モータ２の永久磁石の温度を推定するため、車両１の走行中に、図３に示される磁石温度推定処理を実行する。

磁石温度推定処理では、モータ２が力行運転および回生運転されない状態で車両１が走行している空走中であるか否かが判定される（ステップＳ２１）。車両１が空走中でない場合（ステップＳ２１のＮＯ）、磁石温度推定処理は次に進まない。

車両１が空走中である場合（ステップＳ２１のＹＥＳ）、ＰＣＵ４のインバータ５からモータ２に供給される電流の指令値が零（０）に設定される（ステップＳ２２）。そして、その零指令値がＥＣＵ７からＰＣＵ４のマイコン６に伝達されて、マイコン６によりインバータ５の動作が制御されることにより、インバータ５からモータ２に供給される電流が零になる。

零指令値の設定は、一定の期間にわたって継続される。この期間に、マイコン６により、モータ２とインバータ５との間に現れる電圧が検出される。インバータ５からモータ２に電流が供給されていないので、このときモータ２とインバータ５との間に現れる電圧は、モータ２の回転子の回転により発生する逆起電圧である。すなわち、零指令値が設定されている期間に、マイコン６によって、モータ２に発生する逆起電圧が検出される（ステップＳ２３）。

電圧の検出方法は、インバータ５のスイッチングを停止させて直接検出する方法でも、インバータ５のスイッチングを停止させずに、インバータ５への入力電圧とインバータ５からモータ２への出力電圧パルス幅から間接的に算出する方法でもよい。

また、マイコン６によって、モータ２の回転数が検出される。マイコン６により検出されるモータ２の逆起電圧および回転数は、マイコン６からＥＣＵ７に送信される。ＥＣＵ７にモータ２の逆起電圧および回転数が入力されると、その逆起電圧を回転数で除算することにより、モータ２の逆起電圧定数が算出される（ステップＳ２４）。

その後、その算出された逆起電圧定数が暖機時逆起電圧定数とされ、冷機時逆起定数算出処理で算出された逆起電圧定数が冷機時逆起電圧定数とされて、冷機時逆起電圧定数と暖機時逆起電圧定数との差分が求められる。そして、冷機時逆起電圧定数と暖機時逆起電圧定数との差分から、モータ２の永久磁石の温度である磁石温度が推定される。

具体的には、永久磁石は、温度上昇に伴って磁束が減少し、冷めると元に戻る特性を有している。永久磁石の磁束の減少に伴って、モータ２の逆起電圧定数が減少する。すなわち、永久磁石の温度上昇に伴って、永久磁石の磁束が減少し、その磁束の減少に伴って、モータ２の逆起電圧定数が減少する。したがって、冷機時逆起電圧定数と暖機時逆起電圧定数との差分は、冷機時の永久磁石の温度と暖機時の永久磁石の温度との差分に対応する。よって、冷機時逆起電圧定数と暖機時逆起電圧定数との差分から冷機時の永久磁石の温度と暖機時の永久磁石の温度との温度差を求めて、その温度差を冷機時の永久磁石の温度に加算することにより、磁石温度が推定される。

冷気時の永久磁石の温度は、外気温度へと十分に近づいているとみなし、他の温度センサ（外気温度センサや水温センサ）の値から推測してもよい。

＜作用効果＞
以上のように、車両１の空走時に、永久磁石同期電動機であるモータ２に供給される電流の指令値が零に設定されて、その状態でモータ２に生じる逆起電圧が検出される。逆起電圧は、モータ２が有する逆起電圧定数と相関がある。逆起電圧定数は、モータ２の回転数に影響されない値であり、永久磁石の温度に応じて変動する値である。したがって、モータ２の冷機時に検出される逆起電圧から冷機時逆起電圧定数を算出し、また、モータ２の暖機時（現時）に検出される逆起電圧から暖機時逆起電圧定数を算出して、その暖機時逆起電圧定数と冷機時逆起電圧定数との差分から、現時の永久磁石の温度と冷機時の永久磁石の温度との温度差を求めることができる。そして、その温度差を冷機時の永久磁石の温度に加算することにより、現時における永久磁石の温度を求めることができる。

このように、モータ２の個体ごとに求めた冷機時の永久磁石の温度を基準として、各個体で発生する逆起電圧に相関する逆起電圧定数から現時における永久磁石の温度が推定されるので、現時における永久磁石の温度を従来よりも精度よく推定することができる。その結果、永久磁石の温度が高い場合にモータ２のトルク（電流）に制限を加える構成では、不要なトルク制限を抑制することができ、トルク制限によるドライバビリティの低下を抑制することができる。

＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、他の形態で実施することもできる。

たとえば、前述の実施形態では、車両１が前回の走行を終了してから現時までに第１時間が経過し、かつ、車両１が今回の走行を開始してから現時までの経過時間が第２時間以内である場合に、モータ２が冷機状態であるとして、モータ２の冷機時逆起電圧定数が算出される。しかし、その冷機時逆起電圧定数を算出する際にモータ２の冷機状態が担保されていればよく、たとえば、車両１の走行中のモータ２の動作の履歴がＰＣＵ４のマイコン６のメモリに記録されて、車両１が前回の走行を終了してから現時までに第１時間が経過し、かつ、今回の走行開始からの履歴からモータ２の温度が第２温度に達していないと判断される場合に、冷機時逆起電圧定数が算出されてもよい。

また、モータ２の回転数が所定回転数以上である状態では、弱め界磁制御が入るため、モータ２の永久磁石の冷気時および暖気時の逆起電圧定数測定は、モータ２の回転数が所定回転数未満である場合に実行されることが好ましい。これにより、弱め界磁制御に起因する逆起電圧定数の誤判定を抑制できる。

また、前述の実施形態では、本発明に係る技術がシリーズ方式を採用したハイブリッド車に適用された場合を例にとったが、本発明に係る技術は、他の方式を採用したハイブリッド車に適用されてもよいし、ハイブリッド車に限らず、モータを走行用の駆動源として搭載した車両であれば、エンジンを搭載していない電気自動車に適用することもできる。

その他、前述の構成には、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１：車両
２：モータ（永久磁石同期電動機）

Claims (1)

1. 車両に走行用の駆動源として搭載された永久磁石同期電動機の永久磁石の温度を推定する方法であって、
   前記永久磁石同期電動機が力行運転および回生運転されない空走時に、前記永久磁石同期電動機に供給される電流の指令値を零に設定し、
   電流の指令値が零に設定されているときに、前記永久磁石同期電動機に生じる逆起電圧を検出し、
   その検出した逆起電圧に相関する値であって、前記永久磁石同期電動機の回転数に影響されない相関値を求め、その相関値と前記永久磁石同期電動機の冷機時に予め求めた前記相関値との差分から前記永久磁石の温度を推定する、磁石温度推定方法。

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