JP2022020123A - 車両用回転電機の制御装置 - Google Patents
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Abstract
Description
永久磁石型ロータを有する車両用回転電機において、異常が発生した場合に、異常によって引き起こされる車両用回転電機の意図しない挙動を回避するための手段と、巻線型ロータを有する車両用回転電機において、異常が発生した場合に、異常によって引き起こされる車両用回転電機の意図しない挙動を回避するための手段とは異なる。
直流電源からインバータ回路を介して給電されるステータ巻線と前記直流電源からコンバータを介して給電されるロータ巻線を備えた車両用回転電機の制御装置であって、
前記車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第1の異常および前記車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第2の異常を検出するコントローラを備え、
前記コンバータは前記ロータ巻線の正極側の第1のスイッチング素子と前記ロータ巻線の負極側の第2のスイッチング素子を有し、
前記コントローラは、前記車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第1の異常を検出した場合に第1の電流遮断制御によって前記ロータ巻線に流れる電流を前記電気的挙動に対処するように制御するとともに、前記車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第2の異常を検出した場合に第2の電流遮断制御によって前記ロータ巻線に流れる電流を前記力学的挙動に対処するように制御するものである。
実施の形態1に係る車両用回転電機の制御装置の実施の形態1を、図1から4を用いて説明する。
図1は、本願の実施の形態による車両用回転電機の制御装置における全体構成を示す概略構成図である。
図1において直流電源10は、車両用回転電機の出力制御部20(以下「出力制御部20」と記す)と接続され、出力制御部20のステータ電流制御部21およびロータ電流制御部23と電力授受を行う。直流電源10は、バッテリー、DCDCコンバータ、など、直流電圧を生成する全ての機器が該当する。
V相の直列回路では、V相の正極側のスイッチング素子212とV相の負極側のスイッチング素子213とが直列接続され、これら2つのスイッチング素子212,213の接続点がV相のステータ巻線Cvに接続されている。
W相の直列回路では、Wの正極側のスイッチング素子214とW相の負極側のスイッチング素子215とが直列接続され、これら2つのスイッチング素子214,215の接続点がW相の交流電機子巻線Cwに接続されている。
スイッチング素子210から215としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、バイポーラトランジスタ、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)等の半導体スイッチとダイオードとを逆並列に接続したものを用いる。本実施の形態では代表してMOSFETを使用した場合を例示する。
ステータ電流センサ217,218,219は、ステータ電流制御部21のインバータ回路Invと車両用回転電機30のステータ巻線Cu,Cv,Cwとの間に接続され、ステータ巻線Cu,Cv,Cwに流れるそれぞれの相電流を検出するために設けられる。ここでは、ステータ電流センサ217,218,219は、インバータ回路Invとステータ巻線Cu,Cv,Cwとの間に配置されているが、直流電源10とインバータ回路Invとの間に配置されていてもよく、また、インバータ回路Invを構成するスイッチング素子に対して直列に挿入したりするなど、他の形態のセンサで検出してもよい。特に、図1に例示の本実施の形態の位置にステータ電流センサ217,218,219を配置することで、スイッチング素子の状態に関係なく電流を検出することができる。
電圧センサ220は、直流電源10の正極側と同電位点、すなわちインバータ回路Invへの供給電圧を検出する。
直流電源10の正極側と接続された第1のスイッチング素子230と、負極側と接続された第1のダイオード素子231との接続点は、ロータ巻線Crの一端に接続される。直流電源10の正極側と接続された第2のダイオード素子232と、負極側と接続された第2のスイッチング素子233との接続点は、ロータ電流センサ234を介してロータ巻線Crの他端に接続される。ここでは、第1のダイオード素子231および第2のダイオード素子232を使用したが、MOSFETなどのスイッチング素子でも構わない。また、第1のスイッチング素子230および第2のスイッチング素子233は、スイッチング素子210から215と同様に、IGBT、バイポーラトランジスタ、MOSFET等の半導体スイッチとダイオードとを逆並列に接続したものであれば、どのようなスイッチング素子でも構わない。
また、ロータ電流センサ234は、コンバータ回路Convとロータ巻線Crの間に配置することで、ロータに流れる電流を検出する。特に、本実施の形態の位置に配置することで、スイッチング素子の状態に関係なく電流を検出することができる。
なお、各センサおよびスイッチング素子と、コントローラ24との間の制御線は、煩雑になることを避けるために図示を省略してある。また、本実施の形態ではコントローラ24への上位指令の例としてトルク指令値を例示してあるが、例えば、インバータ回路の電圧、インバータ回路から直流電源に流れる発電電流、など他のものを指令値としてもよい。
車両用回転電機30およびその制御装置に異常が発生した場合のロータ巻線Crに流れる電流の制御方式は後述する。
そこで、本実施の形態について、出力制御部20に搭載されるステータ電流制御部21およびロータ電流制御部23を有する車両用回転電機における異常の種類と電流の止め方、電流制御の仕方との関係性に基づき以下に詳細に説明する。
第1の異常は、直流電源10および出力制御部20の出力電圧または出力電流に起因する異常を指す。
第2の異常は、車両用回転電機30の出力トルクに影響を与える異常を指す。
しかし、この第1の異常(過電圧異常)に対して、瞬時に電流を遮断させた場合、特に、ロータ巻線Crに流れているロータ電流を、スイッチング素子230および233で遮断させた場合は、流れている電流経路を失い、瞬時に直流電源10へ流れ込むことになるため、電圧サージを引き起こす原因となり、直流電源10のさらなる電圧値の上昇を伴う。すなわち、過電圧異常のような電気的挙動に関する第1の異常が発生した場合は、電圧の急峻な変化を抑制しながら電流を遮断する必要性がある。
第1のロータ電流遮断制御方式は、電圧サージを抑制しながら緩やかに電流を遮断する手段であり、第1の異常が発生した場合に適用される。
ステップS1において、出力制御部20にて得ることができる各センサ(電圧センサ220、ステータ電流センサ217から219、ロータ電流センサ234、回転位置検出センサ33)の出力値を検出する。
ステップS2において、ステップS1で検出された各センサの出力値に基づいて、異常検出部40にて異常状態を演算する。
ステップS3において、ステップS2の結果が力学的挙動に影響を及ぼす異常であるかどうかを判定する。
ステップS3における判定結果が、力学的挙動に影響を及ぼす異常である場合にはステップS4における第2のロータ電流遮断制御方式を実施し、力学的挙動に影響を及ぼす異常ではない場合にはステップS5に進む。
例えば、電圧センサ220の異常により、電圧センサ220の出力が実際の直流電源10の電圧値よりも小さい値を示すような場合、コントローラ24は、このセンサ値をフィードバックして、より大きな電圧を出力する制御を行うことになり、過電圧閾値Vthを超過する。
このような異常を検出する具体的な構成の一例として、電圧センサ220を二重で配置し、両者の差分が一定以上になった場合に異常と判定する。このような過電圧に至る異常を検出した後に、コントローラ24は、第1のスイッチング素子230のみをゲート制御で開放(OFF)し、直流電源10からの第1のスイッチング素子230を介した電流供給を遮断する。
また、第1のスイッチング素子230のみをゲート制御で開放(OFF)した場合の前述の電流ループに起因して、出力トルクが継続的に発生するが、直流電源10からのスイッチング素子230への電流は遮断されているため、ロータ電流と同様に次第に低下し、時間t2時に、ロータ電流および出力トルクの出力が完全に消失する。
電圧センサ値は、ロータ巻線Crに流れる電流の低下とともに減少し、次第に直流電源10の定常値Vbの値で安定する。
時間t1時に過電圧異常の閾値Vthに達する恐れのある異常を検出した場合に、第1のスイッチング素子230および第2のスイッチング素子233を同時に開放する。
ロータ巻線Crの両端のスイッチング素子(ロータ巻線Crに給電するコンバータ回路Convを構成する第1スイッチング素子230および第2のスイッチング素子233)を全て開放(OFF)するため、ロータ巻線Crに流れるロータ電流、および、出力トルクは瞬時に低下し、時間t3に、ロータ巻線Crに流れるロータ電流は完全に遮断される。
異常発生時に、出力トルクに影響を及ぼさない電気的挙動に該当する瞬間的な電圧とロータ電流の発生に関する第1の異常(過電圧異常などの電気的挙動に影響を及ぼす異常)は、第1のロータ電流遮断制御方式を使用するのが良い。
また、出力トルクに影響を及ぼすような緊急度の高い第2の異常(車両用回転電機の出力トルクなどの力学的挙動に影響を及ぼす異常)は、素早く出力を抑えられる第2のロータ電流遮断制御方式を使用するのが良い。
すなわち、第1のロータ電流遮断制御方式(電圧サージを抑制しながら緩やかにロータ電流を遮断する方式)および第2のロータ電流遮断制御方式(第1スイッチング素子230、第2のスイッチング素子233の両方を用いてロータ電流を高速遮断する方式)による電流制御に加えて、更にステータ31を流れるステータ電流の遮断方式として、ステータ31に給電する三相インバータ回路Invを構成するスイッチング素子210,211,212,213,214,215の全てを開放(OFF)する全相開放と、インバータ回路Invの正極側のスイッチング素子210,212,214を短絡または負極側のスイッチング素子211,213,215を短絡する三相短絡と、の2通りのステータ電流制御方式が可能である。
2通りのステータ電流制御方式の違いは次の通りである。
発電時に、前述の三相短絡によるステータ電流制御方式の場合は、ステータ巻線Cu,Cv,Cwと短絡したスイッチング素子との電流ループの形成により、直流電源10へのステータ電流の供給が遮断されるのに対し、前述の全相開放によるステータ電流制御方式の場合は、各スイッチング素子に逆並列されているダイオード素子(図1参照)を介して直流電源10にステータ電流が供給される点にある。
そのため、図3のように、発電時に、過電圧に至る恐れのある異常が発生した場合、前述の第1のロータ電流遮断制御方式によりロータ電流を遮断する場合は、前述の三相短絡によるステータ電流制御方式の方が、全相開放によるステータ電流制御方式よりも、直流電源10の電圧の上昇を早期に抑えることが可能である。
異常発生時に、前述の第1のロータ電流遮断制御方式あるいは第2のロータ電流遮断制御方式によるロータ電流制御によるロータ電流の低減が行われても、ロータ電流は瞬時には低減しないため、そのロータ電流の低減に起因した誘起電圧がステータ31に発生する。ステータ31に発生した誘起電圧は、車両用回転電機30の回転数に比例するため、この誘起電圧が直流電源10の電圧を超える回転数Nth以上で、発電電流(ステータ電流)が流れる。
三相短絡時の回生トルクは、図6に例示のように、低回転時に大きくなり、高回転では小さくなる。そのため、低回転時に異常が発生し、三相短絡によるステータ電流制御が行われると、必要以上の回生エネルギにより、車両用回転電機30が急減速する可能性がある。
このように、車両用回転電機30の低回転の領域において三相短絡によるステータ電流制御が行われた場合、回生トルクが大きくなるため、この領域では全相開放によるステータ電流制御が選択されようにするとよい。また、ロータ電流の低減に起因した誘起電圧が直流電源の電圧を超えるような高回転の領域においては、全相開放によるステータ電流制御が行われた場合、発電が継続されるため、この領域では三相短絡によるステータ電流制御が選択されようにするとよい。また、三相短絡によるステータ電流制御が行われるようにする場合には、コントローラ24でインバータ回路Invの三相短絡を行う信号を生成する必要があるため、コントローラ24の機能によって、異常時に三相短絡を行う回路を別途設ける必要がある。そのため、各装置に求められる許容時間の要求値と各装置に搭載される機能により、ステータ電流の遮断制御方式を選択する必要性がある。
以下、実施の形態2を、図7および図8によって説明する。図7は、図1に例示の車両用回転電機の制御部が車両用発電電動機に適用される場合の事例を示し、図8は車両用発電電動機の制御装置における、第1の異常および第2の異常に対して、第3の異常を加えた場合の動作の事例をフローチャートを使って説明するための動作説明図である。
車両用発電電動機70が、電動機として機能している場合および発電機として機能している場合のいずれの場合も、ロータ電流制御部23は、ロータ電流を制御し、生成された磁界と車両用発電電動機70の回転動作により、ステータ巻線に所望の誘起電圧を発生させる。
車両用発電電動機70のロータにロータ電流を供給すると、出力制御部20の制御によって、エンジン60の駆動を力行トルクによってアシストしたり、回生トルクによってブレーキをかけたりする電動機、および直流電源10を充電するための発電機、のどちらか一方の機能として働く。すなわち、車両用回転電機30が車両用発電電動機70へ適用される場合において、第1の異常(過電圧異常)または第2の異常(トルク異常)が発生した場合でも、図1の車両用回転電機30と同様にロータ電流を遮断することで安全状態に遷移することが可能である。
図1および図7のように、インバータ回路Invにおいては、スイッチング素子210,211,212,213,214,215の各々に対してダイオードが逆接続され、これらのダイオードが整流回路を形成しているため、発電時には、ステータ電流が当該ダイオード素子に流れることで、ダイオード整流が可能となる。
すなわち、第3の電流遮断制御(ステータ電流遮断制御)方式を使用することで、例えば、車両用発電電動機70に適用する場合、エンジン始動およびトルクアシストは不可能となるが、発電を継続することができ、車両の走行が可能となる。そのため、図1の車両用回転電機30、図7のような車両用発電電動機70、およびそれら制御装置に異常が発生した場合でも、発電を継続させたい状態では、第3の電流遮断制御(ステータ電流遮断制御)方式を使用する仕様が望ましい。
図8は、図2のフローチャートに対して、第3の電流遮断制御(ステータ電流遮断制御)方式に関するステップS8およびS9が追加されている点が異なる。
ステップS8は、ステップS2にいて異常検出部40(図7参照)での演算の結果が第3の異常(前述の軽微な異常)であるかどうかを判定する。
ステップS8の判定結果が、第3の異常(前述の軽微な異常)である場合にはステップS9の第3の電流遮断制御(ステータ電流遮断制御)を実施し、第3の異常(前述の軽微な異常)ではない場合にはステップS7の定常時の通常動作制御を実施する。
つまり、図9に例示のように、演算処理装置241と、リードオンリーメモリであるROMおよびランダムアクセスメモリであるRAMを有する記憶装置242と、インターフェース243と、で構成されている。演算処理装置241と記憶装置242とインターフェース243とは内部バス244を介して接続されている。
また、本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
直流電源からインバータ回路を介して給電されるステータ巻線と前記直流電源からコンバータを介して給電されるロータ巻線とを備えた車両用回転電機の制御装置であって、
前記車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第1の異常および前記車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第2の異常を検出するコントローラを備え、
前記コンバータは前記ロータ巻線の正極側の第1のスイッチング素子と前記ロータ巻線の負極側の第2のスイッチング素子を有し、
前記コントローラは、前記車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第1の異常を検出した場合に前記第1の異常によって影響を受けた前記電気的挙動を抑制するように前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子による第1の電流遮断制御によって前記ロータ巻線に流れる電流を適応制御するとともに、前記車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第2の異常を検出した場合に前記第2の異常によって影響を受けた前記力学的挙動を抑制するように前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子による第2の電流遮断制御によって前記ロータ巻線に流れる電流を適応制御するものである。
Claims (14)
- 直流電源からインバータ回路を介して給電されるステータ巻線と前記直流電源からコンバータを介して給電されるロータ巻線とを備えた車両用回転電機の制御装置であって、
前記車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第1の異常および前記車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第2の異常を検出するコントローラを備え、
前記コンバータは前記ロータ巻線の正極側の第1のスイッチング素子と前記ロータ巻線の負極側の第2のスイッチング素子を有し、
前記コントローラは、前記車両用回転電機の電気的挙動に影響を及ぼす第1の異常を検出した場合に第1の電流遮断制御によって前記ロータ巻線に流れる電流を前記電気的挙動に対処するように制御するとともに、前記車両用回転電機の力学的挙動に影響を及ぼす第2の異常を検出した場合に第2の電流遮断制御によって前記ロータ巻線に流れる電流を前記力学的挙動に対処するように制御する
ことを特徴とする車両用回転電機の制御装置。 - 異常検知から、前記ロータ巻線に流れる電流を止めるまでの許容時間が、前記第2の異常の場合の方が、前記第1の異常の場合よりも短いことを特徴とする請求項1に記載の車両用回転電機の制御装置。
- 前記第1の異常は、前記車両用回転電機の出力電流および出力電圧の異常であり、
前記第2の異常は、前記車両用回転電機の出力トルクの異常である
ことを特徴とする請求項1または2に記載の車両用回転電機の制御装置。 - 前記第1の電流遮断制御により、前記第1のスイッチング素子または前記第2のスイッチング素子のいずれか一方を開放し、
前記第2の電流遮断制御により、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子の両方を開放する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の車両用回転電機の制御装置。 - 前記第1の電流遮断制御により、前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放する
ことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。 - 前記第1の電流遮断制御により、前記インバータ回路の全ての正極側スイッチング素子を短絡する
ことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。 - 前記第1の電流遮断制御により、前記インバータ回路の全ての負極側スイッチング素子を短絡する、
ことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。 - 前記第1の電流遮断制御により、前記車両用回転電機の回転数が所定値以下のときに前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放し、前記回転数が前記所定値を超えたときに前記インバータ回路の全ての正極側スイッチング素子を短絡する
ことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。 - 前記第1の電流遮断制御により、前記車両用回転電機の回転数が所定値以下のときに前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放し、前記回転数が前記所定値を超えたときに前記インバータ回路の全ての負極側スイッチング素子を短絡する、
ことを特徴とする請求項1から請求項4の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。 - 前記第2の電流遮断制御により、前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放する
ことを特徴とする請求項1から請求項9の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。 - 前記第2の電流遮断制御により、
前記車両用回転電機の回転数が所定値以下のときに前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放し、
前記回転数が前記所定値を超えたときに前記インバータ回路の全ての正極側スイッチング素子を短絡する
ことを特徴とする請求項1から請求項9の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。 - 前記第2の電流遮断制御により、
前記車両用回転電機の回転数が所定値以下のときに前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放し、
前記回転数が前記所定値を超えたときに前記インバータ回路の全ての負極側スイッチング素子を短絡する、
ことを特徴とする請求項1から請求項9の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。 - 前記コントローラは、前記第1の異常および前記第2の異常に比べ緊急度の低い第3の異常を検出し、
前記コントローラは、前記第3の異常を検出した場合に、前記インバータ回路の全てのスイッチング素子を開放する第3の電流遮断制御を行う
ことを特徴とする請求項1から請求項12のいずれか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。 - 前記車両用回転電機が車両用発電電動機である
ことを特徴とする請求項1から請求項13の何れか一項に記載の車両用回転電機の制御装置。
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