JP4229798B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば自動車の車内空調に用いられる電動コンプレッサなどの駆動に好適なインバータ装置に関するものである。

近年の地球環境問題の深刻化から自動車の分野においても、ＨＥＶ・ＰＥＶと称される電気自動車の開発が盛んに行われるようになってきた。このような電気自動車において車内空調を行う場合、従来の自動車の如きエンジン駆動のコンプレッサでは無く、自動車のバッテリー（若しくは、発電機）の直流電圧を使用する電動コンプレッサが使用される。そして、その場合はインバータによってバッテリーの直流電圧を疑似交流電圧に変換し、電動コンプレッサのモータに印加して駆動すると共に、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）デューティーを制御してモータの回転数を制御することになる。

一方、自動車のバッテリーの直流電圧は、家庭用商用電源に比べて変動が非常に大きい。即ち、商用電源の電圧変動は公称電圧のプラスマイナス５％程度と非常に安定しているものの、電気自動車の直流電圧はプラスマイナス２５％程の範囲で変動する。これは自動車が加速したときなどに走行用の主軸モータに大きな負荷電流が流れて直流電圧が低下し、逆に減速したときなどには回生電流により直流電圧が上昇するためである。

このような状況で電動コンプレッサが使用されると、電圧低下時には始動の際にモータの脱調を引き起こしたり、電圧上昇のときには過電流が流れてモータが停止するなどの問題が生じる。そこで、係る電動コンプレッサの始動時にはインバータからモータに印加されるＰＷＭデューティーを補正するなどの対策が検討されていた（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−３２１４０号公報

ところで、前述の如き要因によってバッテリーの直流電圧が低下すると、ＰＷＭデューティーを１００％近くに上昇させても設定回転数を維持できなくなって電動コンプレッサのモータの回転数は低下する。そして、その後に直流電圧が復帰すると、ＰＷＭデューティーが１００％近くに上昇しているところで直流電圧が上昇するため、モータの回転数は急激に上昇し、電動コンプレッサの圧縮機構を破損したり、モータの回転数の急激な上昇による唸り音等の耳障りな音が発生する問題がある。

本発明は、係る従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、直流電圧が低下した後に復帰した際に生じるモータの急激な回転数上昇による不都合を解消できるインバータ装置を提供するものである。

請求項１の発明のインバータ装置は、自動車の走行用主軸モータの電源であるバッテリー又は発電機からの直流電圧を疑似交流電圧に変換して自動車の車内空調用電動コンプレッサの駆動用モータを回転駆動するインバータ装置において、自動車内の空調条件により決定される車内空調用コントローラの要求に基づいて駆動用モータの設定回転数を計算する設定回転数計算手段と、設定回転数と駆動用モータの実際の回転数に基づいてこの駆動用モータに印加する疑似交流電圧のＰＷＭデューティーを決定する印加電圧制御手段と、を備え、設定回転数計算手段は、設定回転数を所定の回転数変化速度条件に則って変化させると共に、ＰＷＭデューティーが所定値以上となった場合、設定回転数をその時点の駆動用モータの回転数に変更し、その後、ＰＷＭデューティーが所定値未満となった場合、設定回転数を前記車内空調用コントローラの要求に基づく設定回転数に変更することを特徴とする。

本発明によれば、直流電圧を疑似交流電圧に変換してモータを回転駆動するインバータ装置において、直流電圧が大きく低下してモータの回転数が低下した後、直流電圧が復帰した際にも、モータの回転数は急激に上昇することなく、所定の回転数変化速度条件に則して上昇するようになる。

これにより、電圧変動の大きい例えば自動車の走行用主軸モータの電源であるバッテリー又は発電機からの直流電圧を用いてインバータ装置により電動コンプレッサの駆動用モータを回転駆動する際などに、当該コンプレッサが破損する等の不都合を未然に回避し、モータの回転数の急激な上昇による唸り音等の耳障りな音の低減も図ることができるようになるものである。

次に、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳述する。
図１は本発明を適用した実施例の電気自動車の電気回路の概略ブロック図である。この図において、１は電気自動車のバッテリー（高電圧系：ＤＣ３００Ｖ）であり、このバッテリー１は図示しない発電機により充電される。そして、このバッテリー１の直流電圧は、電気自動車の主軸インバータ２に入力される。この主軸インバータ２は汎用マイクロコンピュータと６個のスイッチング素子等から構成され、バッテリー１の直流電圧を可変電圧の矩形パルス列状の三相疑似交流電圧に変換するものであり、この主軸インバータ２から出力された疑似交流電圧が走行用の主軸モータ３に印加されて電気自動車は走行する。

４は本発明のインバータ装置としてのエアコンインバータであり、このエアコンインバータ４にもバッテリー１の直流電圧が入力される。このエアコンインバータ４も汎用のマイクロコンピュータと６個のスイッチング素子等から構成され、各スイッチング素子のＯＮ−ＯＦＦタイミングを制御することで、バッテリー１の直流電圧を可変電圧の矩形パルス列状の三相疑似交流電圧に変換する。そして、このエアコンインバータ４から出力された三相疑似交流電圧が電動コンプレッサ駆動用のモータ６に印加され、コンプレッサを駆動する。

尚、このコンプレッサは電気自動車の室内空調を行うカーエアコンの冷媒回路を構成する冷媒圧縮用の電動コンプレッサである。また、上記バッテリー１の変わりに発電機から直接各インバータ２、４に直流電圧を入力する方式としてもよい。

一方、７は前記カーエアコンのコントローラであるエアコンコントローラである。エアコンコントローラ７は汎用のマイクロコンピュータ等により構成され、このエアコンコントローラ７に車内の設定温度や吹出温度（吹出空気の温度）・車内温度・日射量等の空調条件（データ）が入力される。エアコンコントローラ７はこれらの空調条件に基づき、車内温度を設定温度に調整するために冷媒回路の膨張弁８やエアコンのブロアファン・ラジエターファンなどの送風機９、冷気と暖気のエアミックスドア１１等を制御すると共に、コンプレッサ駆動用のモータ６の要求回転数（空調条件から計算したコンプレッサ駆動用のモータ６の回転数（周波数））を計算してエアコンインバータ４に出力する（実施例では例えば１秒間隔で出力される）。

図２は前記エアコンインバータ４の前記マイクロコンピュータの制御上の機能ブロック図を示している。この図において、１２は設定回転数を計算する設定回転数計算手段であり、エアコンコントローラ７から入力した要求回転数に基づき、制限運転条件や周波数変化速度条件に則ってコンプレッサ駆動用のモータ６の設定回転数を計算する。そのため、この設定回転数計算手段には、更にコンプレッサの吐出冷媒温度やモータ６への通電電流値（過電流等）などのデータが入力されている。

ここで、前述の如くエアコンコントローラ７においては車内の空調条件に基づいて要求回転数が計算されるが、実際にはモータ６の過電流や吐出冷媒温度の保護等のために制限運転条件を課する必要がある。また、モータ６の回転数が急激に変化（特に上昇時）するとコンプレッサの圧縮機構を破損することになるので、この回転数の変化速度にも条件（回転数変化速度条件）を課す必要がある。

設定回転数計算手段１２では、エアコンコントローラ７からの要求回転数を基礎とし、上記の如き各種条件をクリアするようにコンプレッサ駆動用のモータ６の設定回転数が計算される。例えば、要求回転数が高い場合にも、コンプレッサの吐出冷媒温度が高い場合には設定回転数は要求回転数よりも低い値となる。また、回転数変化速度条件は実施例では２Ｈｚ／ｓｅｃ（１Ｈｚ／ｓｅｃ乃至５Ｈｚ／ｓｅｃの範囲で設定すると良い。）とされており、例えば要求回転数が１秒間に６Ｈｚ上昇する場合には、設定回転数は１秒間に２Ｈｚの上昇に抑えられることになる。

次に、１３は印加電圧制御手段としてのＰＩＤ演算手段であり、設定回転数計算手段１２で計算された上記設定回転数と、コンプレッサ駆動用のモータ６の実際の回転数、即ち、実回転数に基づいてモータ６に印加する三相疑似交流電圧のＰＷＭデューティーを算出する。即ち、ＰＩＤ演算手段１３は、設定回転数と実回転数との偏差ｅに基づき、比例（Ｐ）・積分（Ｉ）・微分（Ｄ）演算を行い、この偏差ｅを縮小する方向でモータ６に印加される矩形パルスの幅（ＰＷＭデューティー）及び電圧（トルク指令）を決定するものである。

以上の構成で、次に図３のフローチャートを参照しながら主にエアコンインバータ４の動作を説明する。図３はエアコンインバータ４の設定回転数計算手段１２におけるコンプレッサ駆動用のモータ６の設定回転数の計算プログラムを示している。図３のステップＳ１で設定回転数計算手段１２はモータ６に印加される三相疑似交流電圧のＰＷＭデューティーを常時監視しており、このＰＷＭデューティーがα以上となっているか否か判断する。このαは実施例では９０％（α＝９０％乃至１００％の範囲、実際には頻繁な動作を回避するために１００％では無く、１００％に近い値に設定すると良い。）である。

ステップＳ１でＰＷＭデューティーがα未満の場合、設定回転数計算手段１２はステップＳ２に進んで前述の如き制限運転条件及び回転数変化速度条件等により、エアコンコントローラ７からの要求回転数から設定回転数を計算する。ＰＩＤ演算手段１３は係る設定回転数と実回転数に基づき、ＰＩＤ演算を実行してモータ６に印加される三相疑似交流電圧のＰＷＭデューティーとトルクを指令する。

ここで、自動車のアクセルが踏まれる等の理由により主軸モータ３に流れる負荷電流が増大すると、バッテリー１の直流電圧は著しく低下する。バッテリー１の直流電圧が低下することでコンプレッサ駆動用のモータ６の実回転数が低下するため、回転数を上げるためにＰＩＤ演算手段１３はＰＷＭデューティーを上昇させていく。そして、このＰＷＭデューティーがα以上となった時点で設定回転数計算手段１２はステップＳ１からステップＳ３に進み、その時点の実回転数を設定回転数とする。即ち、設定回転数を実回転数まで落とす。

その後、バッテリー１の直流電圧が復帰すると、モータ６の実回転数が上昇しようとするため、ＰＩＤ演算手段１３はＰＷＭデューティーを低下させていく。そして、このＰＷＭデューティーがα未満まで低下した時点で、設定回転数計算手段１２はステップＳ１からステップＳ２に進み、通常の制限運転条件と回転数変化速度条件等による要求回転数からの設定回転数の計算に復帰する。

このステップＳ２における計算では、１秒間隔でエアコンコントローラ７から出力されて来る要求回転数（バッテリー１の直流電圧の低下によるモータ６の回転数低下によって車内温度は上昇しているため、要求回転数は上がっている。）に基づき、前述の２Ｈｚ／ｓｅｃと云う回転数変化速度条件に則って設定回転数は上昇されていくことになるので、バッテリー１の直流電圧の復帰後に従来の如くモータ６の回転数が急激に上昇する不都合が防止される。

尚、実施例ではカーエアコンの電動コンプレッサ駆動用のモータに本発明のインバータ装置を適用したが、それに限らず、インバータにてモータを駆動する各種機器に本発明は有効である。

本発明を適用した電気自動車の電気回路の概略ブロック図である。 図１のエアコンインバータ（インバータ装置）のマイクロコンピュータの制御上の機能ブロック図である。 エアコンインバータの設定回転数計算手段のプログラムを示すフローチャートである。

符号の説明

１ バッテリー
２ 主軸インバータ
３ 主軸モータ
４ エアコンインバータ（インバータ装置）
６ コンプレッサ駆動用のモータ
７ エアコンコントローラ
８ 膨張弁
１２ 設定回転数計算手段
１３ ＰＩＤ演算手段

Claims (1)

1. 自動車の走行用主軸モータの電源であるバッテリー又は発電機からの直流電圧を疑似交流電圧に変換して前記自動車の車内空調用電動コンプレッサの駆動用モータを回転駆動するインバータ装置において、
   前記自動車内の空調条件により決定される車内空調用コントローラの要求に基づいて前記駆動用モータの設定回転数を計算する設定回転数計算手段と、
   前記設定回転数と前記駆動用モータの実際の回転数に基づいてこの駆動用モータに印加する前記疑似交流電圧のＰＷＭデューティーを決定する印加電圧制御手段と、を備え、
   前記設定回転数計算手段は、前記設定回転数を所定の回転数変化速度条件に則って変化させると共に、前記ＰＷＭデューティーが所定値以上となった場合、前記設定回転数をその時点の前記駆動用モータの回転数に変更し、その後、前記ＰＷＭデューティーが所定値未満となった場合、前記設定回転数を前記車内空調用コントローラの要求に基づく設定回転数に変更することを特徴とするインバータ装置。

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