JP3695023B2 - 電気自動車の過負荷防止装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電気自動車の過負荷防止装置に関し、特にモーター停止時または超低回転時におけるモーター駆動回路の過負荷を防止するものである。
【０００２】
【従来の技術】
モーター駆動回路から交流電力を走行用モーターに供給して駆動する電気自動車では、図８に示すように通常回転時はモーター駆動回路の各スイッチング素子に交流電流ｉ１が流れる。しかし、モーター停止時または超低回転時には特定の素子に直流電流ｉ２が流れ、その素子の熱損失が急激に増加する。
【０００３】
図９はモーターの通常の回転状態と停止状態におけるスイッチング素子のケース温度と接合部温度（以下、単に接合温度と呼ぶ）を示す。
モーターが通常の回転状態にある場合は、各スイッチング素子にほぼ同一の電流が流れ、複数のスイッチング素子で熱損失が均等に分担されるので、素子ケース温度Ｔｃおよび接合温度Ｔｊは実線で示すように低い値を示す。またこの時、素子間のケース温度差も小さい。ところが、モーターがロックされて停止状態または超低回転状態にある場合には、特定の素子に直流電流が流れるので、その素子のケース温度Ｔｃ’と接合温度Ｔｊ’は急激に上昇し、素子間のケース温度差も急激に増加する。
【０００４】
モーター停止時または超低回転時に駆動回路のスイッチング素子の接合温度が許容値を超えないようにするために、スイッチング素子のケース温度を検出し、ケース温度がしきい値を超えたらモーター駆動回路の出力を低減する電気自動車の過負荷防止装置が知られている。
【０００５】
また、モーター停止時または超低回転時の駆動回路の過負荷を防止するために、モーターのロック状態を検出し、ロック状態が検出されると出力電流を制限する電気自動車の過負荷防止装置が知られている（例えば、特開平８−１９１５０３号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した前者の過負荷防止装置では、図９に示すように通常回転時で且つ最大出力連続運転時の素子ケース温度よりも高いしきい値Ｔ１を設定すると、停止時または超低回転時に特定の素子に直流電流が流れた場合、素子ケース温度Ｔｃ’がしきい値Ｔ１を超える時刻ｔ１において接合温度Ｔｊ’が許容値Ｔ２を超えてしまう。このような素子の接合温度とケース温度の熱時定数の違いによる過負荷を防止するためには、ケース温度のしきい値を低く設定しなければならない。
ところが、停止時および超低回転時の過負荷防止のために低いしきい値Ｔ１’を設定すると、通常回転時で且つ最大出力連続運転時にケース温度ＴｃがしきいＴ１’を超えてしまうので、通常運転時の最大出力も低減しなければならない。
【０００７】
一方、上述した後者の過負荷防止装置では、実際のスイッチング素子の負荷量を考慮していないので、過保護になって十分な出力が出せなかったり、逆に保護できないことがある。
【０００８】
本発明の目的は、モーターロック時でも最大出力を維持しながらモーター駆動回路の過負荷を確実に防止する電気自動車の過負荷防止装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明の第１の実施の形態の構成を示す図１に対応づけて請求項１〜４の発明を説明すると、
（１） 請求項１の発明は、複数のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６によりバッテリー１の直流電力を交流電力に変換してモーター１１を駆動するモーター駆動回路４を備えた電気自動車の過負荷防止装置に適用される。
そして、各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のケース温度を検出するケース温度検出手段８〜１０と、各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のケース温度検出値の内の最大値と最小値の差が所定のしきい値以下になるようにモーター駆動回路４の出力を調節する制御回路１３とを備える。
スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のケース温度検出値の内の最大値と最小値との差がしきい値以下になるようにモーター駆動回路４の出力を調節する。
（２） 請求項２の電気自動車の過負荷防止装置は、しきい値に、最大ケース温度が検出されたスイッチング素子の接合部温度が許容接合部温度となる値を設定するようにしたものである。
（３） 請求項３の電気自動車の過負荷防止装置は、モーター１１の回転速度を検出する回転速度検出手段１２を備え、制御回路１３によって、回転速度検出値が所定値以下の場合に、各スイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６のケース温度検出値の内の最大値と最小値の差が所定のしきい値以下になるようにモーター駆動回路４の出力を調節するようにしたものである。
（４） 請求項４の電気自動車の過負荷防止装置は、モーター駆動回路４のスイッチング素子Ｔ１〜Ｔ６をＵＶＷ各相ごとにモジュール化し、ケース温度検出手段８〜１０によってＵＶＷ各相モジュール５〜７のケース温度を検出するようにしたものである。
【００１０】
上記課題を解決するための手段の項では説明を解りやすくするために発明の実施の形態の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態に限定されるものではない。
【００１１】
【発明の効果】
（１） 請求項１の発明によれば、スイッチング素子のケース温度検出値の内の最大値と最小値との差が所定のしきい値以下になるようにモーター駆動回路の出力を調節するようにした。上述したように、各スイッチング素子のケース温度差は、モーターの通常回転速度時には小さいが、モーターロック時には急激に増加する。前記しきい値をモーターロック時の温度差に設定することにより、モーターロック時におけるモーター駆動回路の過負荷防止をより確実に行なうことができ、信頼性を向上させることができる。
（２） 請求項２の発明によれば、最大ケース温度が検出されたスイッチング素子の接合部温度が許容接合部温度となる値をしきい値に設定し、スイッチング素子のケース温度検出値の内の最大値と最小値との差が所定のしきい値以下になるようにモーター駆動回路の出力を調節するようにしたので、モーターロック時でもモーター駆動回路の最大出力を維持しながらモーター駆動回路の過負荷を確実に防止することができる。
（３） 請求項３の発明によれば、モーターの回転速度を検出し、回転速度検出値が所定値以下の場合に、各スイッチング素子のケース温度検出値の内の最大値と最小値の差が所定のしきい値以下になるようにモーター駆動回路の出力を調節するようにした。上述したように、各スイッチング素子のケース温度差は、モーターの通常回転速度時には小さいが、モーターロック時には急激に増加する。前記しきい値を通常の回転速度時とは無関係に低回転速度時のために設定することにより、モーターロック時におけるモーター駆動回路の過負荷防止をより確実に行なうことができ、信頼性を向上させることができる。
（４） 請求項４の発明によれば、モーター駆動回路のスイッチング素子をＵＶＷ各相ごとにモジュール化してＵＶＷ各相モジュールのケース温度を検出し、モジュールケース温度検出値の内の最大値と最小値との差が所定のしきい値以下になるようにモーター駆動回路の出力を調節するようにしたので、上記請求項２の効果に加え、少なくともＵＶＷ相に１個ずつケース温度検出手段を設ければよく、装置のコストを低減することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
−発明の第１の実施の形態−
図１は第１の実施の形態の構成を示す。
バッテリー１はインバーターリレー２およびＤＣリンクコンデンサ３を介してインバーター主回路４に直流電力を供給し、インバーター主回路４は直流電力を交流電力に変換して走行用モーター１１に印加する。インバーター主回路４はスイッチング素子であるＩＧＢＴ Ｔ１〜Ｔ６とダイオードＤ１〜Ｄ６から構成され、Ｕ相のＩＧＢＴ Ｔ１、Ｔ２とダイオードＤ１、Ｄ２はパワーモジュール５に収納され、Ｖ相のＩＧＢＴ Ｔ３、Ｄ４とダイオードＤ３、Ｄ４はパワーモジュール６に収納され、Ｗ相のＩＧＢＴ Ｔ５、Ｔ６とダイオードＤ５、Ｄ６はパワーモジュール７に収納されている。
【００１３】
サーミスタ８〜１０は、ＵＶＷ各相のパワーモジュール５〜７のケース温度Ｔｃ［℃］を検出する。なお、通常の運転中において、ＵＶＷ各相の２個のＩＧＢＴ Ｔ１とＴ２、Ｔ３とＴ４、Ｔ５とＴ６がそれぞれ同時に導通することはないので、サーミスタ８〜１０で検出される温度はそれぞれ、Ｕ相のＩＧＢＴ Ｔ１とＴ２、Ｖ相のＩＧＢＴ Ｔ３とＴ４、Ｗ相のＩＧＢＴ Ｔ５とＴ６のケース温度と考えることができる。
【００１４】
モーター１１には、回転速度Ｎｍ［ｒ／ｍ］を検出するための速度センサー１２が設けられる。モーターコントローラー１３はマイクロコンピュータとその周辺部品から構成され、トルク指令信号にしたがってインバーター主回路４のＩＧＢＴ Ｔ１〜Ｔ６を制御するとともに、インバーターリレー２を制御する。モーターコントローラー１３にはサーミスタ８〜１０、速度センサー１２が接続される。
【００１５】
この第１の実施の形態では、インバーター主回路４の運転中に、インバーター主回路４のＵＶＷ各相のパワーモジュール５〜７のケース温度Ｔｃを監視し、検出されたケース温度Ｔｃの各相間の最大差がしきい値Ｔ０を超えたらモーター１１がロックされていると判断し、インバーター主回路４の出力を低減する。
例えば図２に示すように、検出されたＵＶＷ各相のケース温度の内の、最大のケース温度Ｔｃ１と最小のケース温度Ｔｃ２との差がしきい値Ｔ０以下になるようにインバーター主回路４の出力を調節する。なお、図２においてＴｊ１は最大のケース温度Ｔｃ１を示すＩＧＢＴの接合温度であり、Ｔｊ２は最小のケース温度Ｔｃ２を示すＩＧＢＴの接合温度である。
【００１６】
しきい値Ｔ０には、最大ケース温度を示すＩＧＢＴの接合温度Ｔｊが許容値に達する値を演算または実験的に求めて設定する。上述したように、ＵＶＷ各相のパワーモジュール５〜７のケース温度Ｔｃは、インバーター主回路４のＵＶＷ各相のＩＧＢＴのケース温度と考えることができるので、各相のＩＧＢＴの最大ケース温度差がしきい値Ｔ０以下になるようにインバーター出力を調節することにより、ＩＧＢＴの接合温度が許容接合温度となる最大のインバーター出力に調節されることになり、モーターロック時でも最大出力を維持しながらＩＧＢＴの過負荷を防止することができる。なお、インバーター出力の調節は、例えばＩＧＢＴをオン、オフするデューティー比を変更して平均出力電流を調節する。
【００１７】
図３は、モーターコントローラー１３のケース温度監視処理を示すフローチャートである。このフローチャートにより、第１の実施の形態の動作を説明する。モーターコントローラー１３は所定の時間間隔でこのケース温度監視処理を実行する。ステップ１において、サーミスタ８〜１０によりパワーモジュール５〜７のケース温度、すなわちＵＶＷ各相のＩＧＢＴ Ｔ１〜Ｔ６のケース温度Ｔｃを検出する。続くステップ２で、検出された各相のケース温度の内の最大ケース温度と最小ケースの差がしきい値Ｔ０を超えているか否かを判定し、最大ケース温度差がしきい値Ｔ０を超えていればステップ３へ進み、ＩＧＢＴの駆動デューティー比を下げてインバーター主回路４の出力を低減する。
モーターコントローラー１３は所定時間間隔で上記処理を実行し、最大と最小のケース温度差がしきい値Ｔ０以下になるようにインバーター出力を調節する。
【００１８】
このように、各相のＩＧＢＴのケース温度を検出し、ケース温度の最大値と最小値の差がしきい値以下になるようにインバーター主回路の出力を調節するようにしたので、モーターロック時でもＩＧＢＴの許容接合温度いっぱいまでインバーター主回路の最大出力を維持しながら、インバーター主回路のＩＧＢＴの過負荷を確実に防止することができる。また、連続最大出力運転直後のモーターロックに際しても、インバーター主回路の過負荷を確実に防止することができる。
【００１９】
なお、上述した第１の実施の形態ではモーター回転速度に無関係にＩＧＢＴのケース温度差のみによりインバーター出力を調節するようにしたが、モーターの回転速度を検出し、回転速度検出値が所定値以下の場合に、各ＩＧＢＴのケース温度検出値の内の最大値と最小値の差が所定のしきい値以下になるようにインバーター主回路の出力を調節するようにしてもよい。
上述したように、各ＩＧＢＴのケース温度差は、モーターの通常回転速度時には小さいが、モーターロック時には急激に増加する。前記しきい値を通常の回転速度時とは無関係に低回転速度時のために設定することにより、モーターロック時におけるインバーター主回路の過負荷防止をより確実に行なうことができ、信頼性を向上させることができる。なお、通常回転速度時のインバーター主回路の過負荷防止は、前記しきい値を別個に設定して行なうか、あるいは全く別の方法により行なえばよい。
【００２０】
−参考例−
ＩＧＢＴのケース温度Ｔｃまたはインバーター主回路４の冷却水温度Ｔｗに基づいてＩＧＢＴの接合温度Ｔｊを推定し、接合温度推定値Ｔｊに基づいてインバーター出力を調節する参考例を説明する。
図４は参考例の構成を示す。なお、図１に示す第１の実施の形態の構成と同様な機器に対しては同一の符号を付して相違点を中心に説明する。
この参考例では、インバーター主回路４のＩＧＢＴ Ｔ１〜Ｔ６は不図示の水冷式冷却装置により冷却される。水温センサー１４はこの水冷式冷却装置の冷却水温度を検出し、検出した冷却水温度をモーターコントローラー１３Ａへ出力する。
【００２１】
図５は、冷却装置の冷却水温度ＴｗからＩＧＢＴの接合温度Ｔｊまでの熱等価回路を示す。
図において、θ１はＩＧＢＴの接合部からパワーモジュールケースまでの熱抵抗［℃／Ｗ］を表わし、θ２はパワーモジュールケースから冷却水までの熱抵抗［℃／Ｗ］を示す。ＰはＩＧＢＴのコレクター損失［Ｗ］であり、インバーター出力に基づいて求められる。なお、この実施の形態ではパワーモジュールケースと水冷式冷却装置との接触熱抵抗はθ２に含まれるものとする。また、パワーモジュールケースから外気への放熱量は水冷式冷却装置からの放熱量に比べて十分に小さいので無視する。ＩＧＢＴの接合温度Ｔｊは次式により求められる。
【数１】
Ｔｊ＝Ｐ・θ１＋Ｔｃ
または、
【数２】
Ｔｊ＝Ｐ・（θ１＋θ２）＋Ｔｗ
【００２２】
図６は、モーターコントローラー１３Ａの接合温度監視処理を示すフローチャートである。このフローチャートにより、参考例の動作を説明する。
モーターコントローラー１３Ａは所定の時間間隔でこの接合温度監視処理を実行する。ステップ１１において、サーミスタ８〜１０によりＵＶＷ各相のＩＧＢＴ Ｔ１〜Ｔ６のケース温度Ｔｃ、または水温センサー１４により冷却水温度を検出する。ステップ１３では、ＩＧＢＴのケース温度の内の最大ケース温度に基づいて上記数式１によりＩＧＢＴの接合温度Ｔｊを推定する。あるいはまた、冷却装置の冷却水温度検出値に基づいて上記数式２によりＩＧＢＴの接合温度Ｔｊを推定する。ステップ１３で接合温度推定値Ｔｊが許容接合温度Ｔｊ０を超えているか否かを判定し、推定値Ｔｊが許容値Ｔｊ０を超えていればステップ１４へ進み、ＩＧＢＴの駆動デューティー比を下げてインバーター主回路の出力を低減する。
モーターコントローラー１３Ａは所定時間間隔で上記処理を実行し、接合温度推定値Ｔｊが許容値Ｔｊ０以下になるようにインバーター出力を調節する。
【００２３】
このように、各相のＩＧＢＴのケース温度Ｔｃを検出し、最大ケース温度に基づいてＩＧＢＴの接合温度Ｔｊを推定し、推定値Ｔｊが許容値Ｔｊ０以下になるようにインバーター主回路の出力を調節する。あるいは、ＩＧＢＴの冷却装置の冷却水温度を検出し、冷却水温度に基づいてＩＧＢＴの接合温度Ｔｊを推定し、推定値Ｔｊが許容値Ｔｊ０以下になるようにインバーター主回路の出力を調節する。これにより、モーターロック時でもＩＧＢＴの許容接合温度いっぱいまでインバーター主回路の最大出力を維持しながら、インバーター主回路のＩＧＢＴの過負荷を確実に防止することができる。
【００２４】
ＩＧＢＴのケース温度によるインバーター出力の調節方法は、ＵＶＷ各相にセンサーを設けなければならないのでコストアップになるが、ＩＧＢＴの接合部からパワーモジュールケースまでの熱伝達経路が短いので接合温度推定値の精度が高い上に、最大のケース温度に基づいて接合温度を推定するので安全性が高くなり、ＩＧＢＴの過負荷保護に対する精度と信頼性が高い。
一方、ＩＧＢＴ冷却装置の冷却水温度によるインバーター出力の調節方法は、１個の冷却水温度検出センサーを設ければよいので保護装置のコストダウンを図ることができる。
【００２５】
なお、ＩＧＢＴのケース温度に基づく接合温度推定値と、冷却水温度に基づく接合温度推定値の内の高い方が許容接合温度を超えたらインバーター出力を低減するようにしてもよい。これにより、過負荷防止装置の信頼性を向上させることができる。
【００２６】
以上の一実施形態の構成において、ＩＧＢＴ Ｔ１〜Ｔ６がスイッチング素子を、インバーター主回路４、４Ａがモーター駆動回路を、サーミスタ８〜１０、８Ａ、８Ｂ、９Ａ、９Ｂ、１０Ａ、１０Ｂがケース温度検出手段を、モーターコントローラー１３、１３Ａ、１３Ｂが制御回路および接合部温度推定回路を、水温センサー１４が冷却水温度検出手段を、速度センサー１２が回転速度検出手段をそれぞれ構成する。
【００２７】
なお、上記各実施の形態ではインバーター主回路のスイッチング素子にＩＧＢＴを用いた例を示したが、スイッチング素子はＩＧＢＴに限定されず、各種トランジスター、ＦＥＴ、サイリスターなどを用いることができる。
【００２８】
また、上記各実施の形態ではインバーター主回路のＵＶＷ各相のパワーモジュールのケース温度を検出する例を示したが、図７に示すように各ＩＧＢＴ Ｔ１〜Ｔ６が単独にパワーモジュール５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂとして形成されたインバーター主回路４Ａを用いる場合には、各パワーモジュールごとにサーミスタ８Ａ、８Ｂ、９Ａ、９Ｂ、１０Ａ、１０Ｂを設け、ケース温度Ｔｃを検出する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施の形態の構成を示す図である。
【図２】 ＩＧＢＴのケース温度と接合温度の変化を示す図である。
【図３】 第１の実施の形態のケース温度監視処理を示すフローチャートである。
【図４】 参考例の構成を示す図である。
【図５】 冷却装置の冷却水温度ＴｗからＩＧＢＴの接合温度Ｔｊまでの熱等価回路図である。
【図６】 参考例の接合温度監視処理を示すフローチャートである。
【図７】 実施の形態の変形例の構成を示す図である。
【図８】 モーターの通常回転時と停止時または超低回転時のモーター駆動回路のスイッチング素子に流れる電流を示す図である。
【図９】 モーターの通常回転時と停止時または超低回転時のスイッチング素子のケース温度と接合温度を示す図である。
【符号の説明】
１ バッテリー
２ インバーターリレー
３ ＤＣリンクコンデンサ
４、４Ａ インバーター主回路
５〜７、５Ａ、５Ｂ、６Ａ、６Ｂ、７Ａ、７Ｂ パワーモジュール
８〜１０、８Ａ、８Ｂ、９Ａ、９Ｂ、１０Ａ、１０Ｂ サーミスタ
１１ モーター
１２ 速度センサー
１３、１３Ａ、１３Ｂ モーターコントローラー
１４ 水温センサー

Claims (4)

1. 複数のスイッチング素子によりバッテリーの直流電力を交流電力に変換してモーターを駆動するモーター駆動回路を備えた電気自動車の過負荷防止装置において、
   前記各スイッチング素子のケース温度を検出するケース温度検出手段と、
   前記各スイッチング素子のケース温度検出値の内の最大値と最小値の差が所定のしきい値以下になるように前記モーター駆動回路の出力を調節する制御回路とを備えることを特徴とする電気自動車の過負荷防止装置。
2. 請求項１に記載の電気自動車の過負荷防止装置において、
   前記しきい値には、最大ケース温度が検出されたスイッチング素子の接合部温度が許容接合部温度となる値を設定することを特徴とする電気自動車の過負荷防止装置。
3. 請求項１に記載の電気自動車の過負荷防止装置において、
   前記モーターの回転速度を検出する回転速度検出手段を備え、
   前記制御回路は、前記回転速度検出値が所定値以下の場合に、前記各スイッチング素子のケース温度検出値の内の最大値と最小値の差が所定のしきい値以下になるように前記モーター駆動回路の出力を調節することを特徴とする電気自動車の過負荷防止装置。
4. 請求項１〜３のいずれかの項に記載の電気自動車の過負荷防止装置において、
   前記モーター駆動回路のスイッチング素子はＵＶＷ各相ごとにモジュール化されており、前記ケース温度検出手段はＵＶＷ各相モジュールのケース温度を検出することを特徴とする電気自動車の過負荷防止装置。

Images