JP4376759B2 - 電気車の制御装置及びそれを用いた電気車 - Google Patents

Description

本発明は、電気車の制御装置及びそれを用いた電気車に係り、特に、電力変換器や電動機の温度により電動機の最大トルクや通電電流を制限する際に好適な電気車の制御装置及びそれを用いた電気車に関する。

電動機を用いた車両の駆動システムは、近年電気自動車、ハイブリッド車、あるいはバッテリ式電動フォークリフト（バッテリフォークリフト）などの産業車両についても数多く適用されてきており、特に近年は小型高出力、メンテナンスフリーなどの利点から駆動システムには交流電動機が適用されることが多くなってきている。

交流電動機を可変速駆動するには、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置を用いる。電力変換装置であるインバータは、一般的に、ブリッジ構成の半導体素子を使用するが、インバータのパワー半導体素子の使用個数が多くなる構成である事からパワー半導体素子自身の発熱の問題が発生する。特に、近年自動車関係で適用が試みられている４２Ｖシステムなどでは、車両駆動を司る電動機の出力に対し相対的に電源電圧が低いこともあり、電動機及びインバータに通電する電流が大電流化する傾向にあり、電流通電時の電力変換装置や交流電動機の発熱による温度上昇が問題となっている。

なお、バッテリフォークリフトなどの産業車両についても、交流電動機適用によるメリットを享受するため電動機が直流電動機から交流電動機にとって変わられてきているが、電源電圧はもともと４８Ｖ前後が主流であり、かつ半導体素子が直流電動機の時チョッパ駆動による構成に対し増えることと、小型高出力化の追求による大電流化により同様に発熱の問題が生じる。

そこで、例えば、特開平７−３２２４０１号公報に記載されているように、電動機の出力状態を複数の段階に区分して、各段階における電動機出力時間を積算しその累積時間が所定レベルに達した場合に電動機の出力を制限するものが知られている。

特開平７−３２２４０１号公報

しかしながら、特開平７−３２２４０１号公報記載のものは、電動機の出力状態すなわち出力トルクの大きさに従い段階的に各トルク出力レベルの出力累積時間によって所定の時間超過時はトルクを制限しているので、電動機のトルクと通電電流（つまり半導体素子への通電電流）がある程度比例している場合にのみ有効なものである。

一方、電動機の特性及び制御方法によっては、ゼロ回転からの平坦な最大定トルク出力の領域と、そこから出力一定特性（トルクは回転上昇に従い低下していく特性）領域とで電動機電流を比較した場合、出力トルクは小さくなるものの電動機電流はほぼ一定、あるいは逆に出力一定特性域の方が電流が多くなるような電動機特性もあり、このような場合、トルク出力の累積時間はそのまま半導体素子の温度の上昇度合いと整合するとは言えず、特開平７−３２２４０１号公報記載のものでは、電力変換器や電動機の温度による出力制限について十分に考慮されていないものであった。

本発明の目的は、電動機の特性に限らず、電力変換器や電動機の温度により電動機の最大トルクや通電電流を制限することができる電気車の制御装置及びそれを用いた電気車を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、電源からの電力を電力変換手段により電力変換して電動機を駆動するとともに、前記電力変換手段を制御する制御手段を有する電気車の制御装置であって、前記制御手段は、運転者の意志に基づいて、電動機の発生すべき駆動力を演算する駆動力演算手段と、前記電動機の温度若しくは前記電力変換手段に含まれる半導体素子の温度が第１の所定温度を超えると、前記電動機の出力特性の最大出力を発生する領域を含む所定の回転数の範囲の最大トルクを制限する第１の制限処理を実行する出力演算制限手段とを備え、前記出力演算制限手段は、前記電動機の温度若しくは前記電力変換手段に含まれる半導体素子の温度が第１の所定温度より高い第２の所定温度を超えると、前記電動機の出力特性の全領域のトルクを制限する第２の制限処理を実行する出力演算制限手段とを有するようにしたものである。
かかる構成により、電動機の特性に限らず、電力変換器や電動機の温度により電動機の最大トルクや通電電流を制限することができるものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記出力演算制限手段は、前記第１の制限処理及び前記第２の制限処理において、各々前記素子温度と前記電動機温度の値の高い方を選択して第１若しくは第２の所定温度と比較することにより動作を行うものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記電動機の最大電流は、前記電動機のゼロ回転から発生される最大定トルク出力時の電流よりも、前記最大定トルク出力時の電動機回転域より電動機回転の高い領域の出力における最大電流の方が大きいものである。

（４）上記目的を達成するために、本発明は、直流電源と、半導体素子を内包するとともに、前記直流電源の電力を交流電力に変換する電力変換手段と、車両を駆動するための駆動力を発生する電動機と、前記電力変換手段を制御する制御手段と、運転者の意志を表す信号を出力する運転者意志検出手段と、前記半導体素子の温度を検出する素子温度検出手段と、前記電動機の回転速度を検出する回転検出手段と、前記電動機の温度を検出する電動機温度検出手段とを有する電気車であって、前記制御手段は、運転者の意志に基づいて、電動機の発生すべき駆動力を演算する駆動力演算手段と、前記電動機の温度若しくは前記電力変換手段に含まれる半導体素子の温度が第１の所定温度を超えると、前記電動機の出力特性の最大出力を発生する領域を含む所定の回転数の範囲の最大トルクを制限する第１の制限処理を実行する出力演算制限手段とを備え、前記出力演算制限手段は、前記電動機の温度若しくは前記電力変換手段に含まれる半導体素子の温度が第１の所定温度より高い第２の所定温度を超えると、前記電動機の出力特性の全領域のトルクを制限する第２の制限処理を実行する出力演算制限手段とを有するようにしたものである。
かかる構成により、電動機の特性に限らず、電力変換器や電動機の温度により電動機の最大トルクや通電電流を制限することができるものとなる。

本発明によれば、電動機の特性に限らず、電力変換器や電動機の温度により電動機の最大トルクや通電電流を制限することができるものとなる。

以下、図１〜図８を用いて、本発明の一実施形態による電気車の制御装置を用いた電気車システムの構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による電気車の制御装置を用いた電気車システムの構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置を用いた電気車システムの構成を示すブロック図である。

半導体素子を内包したインバータなどの電力変換手段２０は、直流電源３０の直流電力を交流電力に電力変換し、交流電動機１０に供給する。交流電動機１０は、電気車を推進させる駆動力を発生する。ここで、例えば、バッテリ式電動フォークリフト（バッテリフォークリフト）を例に取ると、直流電源３０は、４２Ｖバッテリである。交流電動機１０の出力を４２Ｖ１５ｋＷとすると、電力変換手段２０から供給される３相交流電流は、６００Ａの大電流となる。交流電動機１０の回転数Ｎｍは、回転数検出器１２によって検出される。また、交流電動機１０の温度Ｔｍは、モータ温度検出器１４によって検出される。電力変換手段２０を構成する半導体素子などの温度Ｔｉは、素子温度検出器２２によって検出される。

制御手段１００は、電力変換手段２０を駆動し、電動機１０が所定の駆動力を発生するように制御する。制御手段１００は、駆動力演算手段１１０と、出力制限演算手段１２０と、駆動信号演算手段１３０とを備えている。

駆動力演算手段１１０には、アクセル手段４０と、ブレーキ手段４２と、シフト手段４４と、回転数検出手段１２からの信号が入力する。アクセル手段４０と、ブレーキ手段４２と、シフト手段４４とは、それぞれ、運転者の意志を示す電気信号を出力する。アクセル手段４０は、アクセルペダルの踏込み量を示す信号を出力する。ブレーキ手段４２は、ブレーキペダルが踏まれているか否かを示す信号を出力する。シフト手段４４は、運転者によって操作されるシフトレバーのシフトポジションを示す信号を出力する。駆動力演算手段１１０は、アクセル手段４０，ブレーキ段４２，シフト手段４４の信号と、電動機１０に備えられた回転数検出器１２からの信号に基づいて、電動機１０が発生すべき駆動力を演算する。駆動力演算手段１１０の演算結果である駆動力指令ＤＲは、出力制限演算手段１２０に伝達される。

出力制限演算手段１２０には、電力変換手段２０の素子温度検出器２２によって検出される素子温度Ｔｉと、電動機１０の電動機温度検出器４によって検出される電動機温度Ｔｍとが入力する。出力制限演算手段１２は、素子温度Ｔｉと電動機温度Ｔｍによって、駆動力指令ＤＲを補正するように演算を行う。補正演算した結果は、駆動力補正指令ＤＲｃとして駆動信号演算手段１３０に伝達される。出力演算手段１２０は、電動機温度Ｔｍが第１のしきい値Ｔｍ１（例えば、１２０℃）より高くなるか、若しくは、素子温度Ｔｉが第１のしきい値Ｔｉ１（例えば、１００℃）より高くなると、電動機１０のトルクを制限する第１段階の制限処理による補正指令を出力し、電動機温度Ｔｍが第２のしきい値Ｔｍ２（例えば、１４０℃）より高くなるか、若しくは、素子温度Ｔｉが第２のしきい値Ｔｉ２（例えば、１２０℃）より高くなると、電動機１０のトルクを制限する第２段階の制限処理による補正指令を出力する。出力制限処理の詳細については、図２を用いて後述する。

駆動信号演算手段１３０は、駆動力補正指令ＤＲｃをもとに、電力変換手段２０を駆動するための駆動信号ＤＲＶを生成し、電力変換手段２０に伝達する。

以上のようにして、制御手段１００は、運転者の意志から必要な駆動力を演算し、求められた駆動力を温度によって補正した上で、電力変換手段２０を駆動し、電動機１０が所望の駆動力を発生する。

次に、図２を用いて、本実施形態による電気車の制御装置によって駆動される電動機の特性について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置によって駆動される電動機の特性図である。図２（Ａ）は電動機のトルク特性を示し、図２（Ｂ）は電動機の出力特性を示し、図２（Ｃ）は電動機の電流特性を示している。なお、各図の横軸は電動機の回転数を示している。

電動機１０は、電動機回転数Ｎｍａまでは、図２（Ａ）に示すように、最大で一定のトルクτａを出力し、このとき、図２（Ｂ）に示すように、回転数の増加とともに出力が増加し、また、図２（Ｃ）に示すように、一定の電流Ｉａである。

また、電動機回転数ＮｍａからＮｍｂまでは、図２（Ａ）に示すように、トルクがτａからτｂまで低下し、一方では、図２（Ｂ）に示すように、出力が増加し、図２（Ｃ）に示すように、電流も増加する。

さらに、電動機回転数ＮｍｂからＮｍｃの間は、図２（Ａ）に示すように、回転増加に応じてトルクがτｂからτｃに低下し、同時に図２（Ｂ），（Ｃ）に示すように、出力も電流も低減する特性を有している。

なお、回転数ＮｍａからＮｍｃまでは、図２（Ａ）に示すように、トルクは一様に減少するのではなく、回転数Ｎｍｂにおいて、ピークを有する特性である。

また、図２（Ｃ）に示すように、電動機の最大電流は、電動機のゼロ回転から発生される最大定トルク出力時の電流Ｉａよりも、この最大定トルク出力時の電動機回転域より電動機回転の高い領域の出力における最大電流Ｉｂの方が大きくなり、このような特性となるように、電動機は駆動される。

このような電動機１０の特性は、例えば回転数Ｎｍｂの点の最大出力を第一条件として電動機特性を設計し、かつ電動機回転数Ｎｍａまでの最大定トルク領域は本来電動機１０が発生可能な最大トルクよりも低く抑えた特性で制御動作させるような条件で運転すると、電動機回転数がＮｍａ以上の領域の方が電動機電流が高い特性になる。

このような電動機１０を駆動した場合には、電力変換手段２０もしくは電動機１０の温度上昇に従い、最大トルクτａを制限しても電動機電流の最大値Ｉｂの点であるτｂのトルクまでは制限されない。従って最大トルクτａを制限しても電動機最大電流Ｉｂは制限されないため電力変換手段２０もしくは電動機１０の温度上昇を抑制はできないことになる。

また、電力変換手段２０の温度もしくは電動機１０の温度の上昇に従い電動機回転数ゼロからＮｍｃまでのトルクを一律係数で補正制限するような方法を用いた場合には、例えば電動機回転数Ｎｍｃの点の非常に電動機電流が小さい領域の出力トルクτｃまでが制限されることとなり、例えば電気車では最高速度が低下する等の影響が現れる。

このようなことから電力変換手段２０もしくは電動機１０の温度が上昇した場合には、まず電動機回転数Ｎｍｂの点の電動機電流Ｉｂを制限するように第１の制限を加えることで、不必要な制限を避けることができると共に電力変換手段２０もしくは電動機１０の温度上昇も緩和できる。また、電動機電流が小さく温度上昇に影響が少ない電動機回転数Ｎｍｃの付近の出力トルクτｃは確保されたままとなるので、電気車の最高速低下等の不必要な性能低下を招かないようにすることができる。さらに、回転数が低い領域の出力トルクτａが確保されることから、発進加速等も低下することがないものである。一方、回転数Ｎｍｂは電気車の中速走行領域であり、電動機回転数Ｎｍｂの点の電動機電流Ｉｂを制限することで、中速走行時のトルクが減少することから中速走行時の加速が低下するが、始動時の加速の低下等に比べて体感しにくい領域であるため、実走行時の影響を抑えて、なおかつ、電動機や半導体素子の温度上昇を防止できる。

次に、図３を用いて、本実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１，第２の制限処理の内容について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１，第２の制限処理に基づく制限動作の説明図である。図３（Ａ）は、第１の制限処理に基づく制限動作を示しており、図３（Ｂ）は、第２の制限処理に基づく制限動作を示している。

出力演算手段１２０は、電動機温度Ｔｍが第１のしきい値Ｔｍ１（例えば、１２０℃）より高くなるか、若しくは、素子温度Ｔｉが第１のしきい値Ｔｉ１（例えば、１００℃）より高くなると、電動機１０のトルクを制限する第１段階の制限処理による補正指令を出力する。第１の制限処理による補正指令では、電動機回転数Ｎｍａ，Ｎｍｂ，Ｎｍｃのそれぞれの電動機回転数における電動機発生トルクτａ，τｂ，τｃに対して、回転数Ｎｍａとトルクτａの点の出力関係Ｐ１及び回転数Ｎｍｃとτｃの点の出力関係Ｐ３を保持したまま、電動機回転数Ｎｍｂの点のトルクτｂをτｂ’まで低減させるようにし、電動機回転数Ｎｍｂの点の出力関係がＰ２からＰ２’となるように補正を行う。補正の具体的内容については、図４及び図５を用いて後述する。

その結果、図３（Ａ）の斜線で示した部分のトルクが制限されるように動作する。電動機回転数Ｎｍｂ点の前後のトルクが制限されるため、電動機１０の通電電流も低減される。そして、電力変換手段２０もしくは電動機１０の温度上昇が抑制されるようになる。この場合でも最高回転付近の電動機回転数Ｎｍｃ点の出力トルクは変化しないので、最高速度は出力可能なままとなり、温度上昇抑制と車両性能維持を両立させることができる。

さらに、出力演算手段１２０は、電動機温度Ｔｍが第２のしきい値Ｔｍ２（例えば、１４０℃）より高くなるか、若しくは、素子温度Ｔｉが第２のしきい値Ｔｉ２（例えば、１２０℃）より高くなると、電動機１０のトルクを制限する第２段階の制限処理による補正指令を出力する。第２の制限処理による補正指令では、図３（Ｂ）に示すように、第１の制限処理で制限したトルク特性Ｐ１〜Ｐ２’〜Ｐ３に対して、トルク特性の全域に補正を施し、電動機回転数Ｎｍａ点の最大トルクをτａ→τａ２、電動機回転数Ｎｍｂ点のトルクをτｂ’→τｂ２、電動機回転数Ｎｍｃ点のトルクをτｃ→τｃ２となるように補正を行う。

このことでトルク特性全域でトルクが低下し、同時に電流も全域で低下するので、電力変換手段２０及び電動機１０の温度上昇をさらに抑制することが可能となる。

このように第１の制限処理によって電流の大きい部分のトルクを低減し、第２の制限処理によってトルク特性全域の電流を低減するように動作することにより、第１の制限処理時には電流の大きい部分のトルクのみが低下するので、大電流による温度上昇が抑制されつつ最大トルクτａ及び最高回転のトルクτｃは確保されるので、電気車に対し必要以上の性能低下を及ぼさずに温度上昇抑制ができる。さらに温度上昇を抑制する必要が生じた場合には、第２の制限処理によりトルク特性全域のトルクを制限し電流を全域で低減させるように動作するので、さらなる温度上昇抑制が可能となる。

次に、図４及び図５を用いて、本実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１の制限処理の内容について説明する。
図４及び図５は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１の制限処理の説明図である。

図４（Ａ）に示すように、電動機１０のトルクは、通常の基本トルク特性τ*のカーブ（実線）と、第１の制限状態の制限トルク特性τｌｍｔのカーブ（破線）がある。出力制限演算手段１２０は、基本トルク特性τ*と制限トルク特性τｌｍｔの差分Δτを電動機回転数Ｎｍをパラメータとして求めるため、図４（Ｂ）にしめすようなトルク差分Δτテーブルを備えている。これは電動機回転数Ｎｍに応じて基本トルク特性τ*を低減する低減量を求めるためのテーブルであり、電動機回転数Ｎｍの関数と考えて良く、テーブルの代わりに関数演算により実現してもよいものである。

さらに、出力制限演算手段１２０は、図５に示すような電力変換手段２０もしくは電動機１０の温度に対する温度補正係数ｋτｄテーブルを備えている。これは温度を横軸、温度補正係数ｋτｄを縦軸としたテーブルであり、温度が上昇するに従い、補正係数ｋτｄが温度ｔｅ１の時点で０％から漸増して行き、温度ｔｅ２の時点で１００％となるような特性を持っている。

出力制限演算手段１２０は、電力変換手段２０の温度もしくは電動機１０の温度から図５に示した温度補正係数ｋτｄテーブルを用いて温度補正係数ｋτｄを求める。このときの温度は電力変換手段２０の温度と電動機１０の温度を比較し高い方の温度を演算に適用するようにしてもよいものである。さらに、出力制限演算手段１２０は、電動機回転数Ｎｍを元に図４（Ｂ）に示したトルク差分Δτテーブルよりトルク差分Δτを求める。

出力制限演算手段１２０は、温度補正係数ｋτｄとトルク差分Δτ及び基本トルク特性τ*から、制限トルクτｌｍｔを、以下の式（１）により、
τｌｍｔ＝τ*−（Δτ×ｋτｄ） …（１）

として計算する。この計算により、例えば電動機回転数Ｎｍｂ点ではτ*＝τｂ、Δτ＝Δτ１、温度がｔｅ２以上である場合ｋτｄ＝１００％が演算値となるので、以下の式（２）により、
τｌｍｔ＝τｂ−（Δτ１×１００％）＝τｂ’ …（２）

となり、電動機回転数Ｎｍｂ点での制限トルク特性τｌｍｔはτｂ’の値となるように演算される。温度がｔｅ１からｔｅ２に至るまでの間は温度補正係数ｋτｄは０から１００％まで温度に沿って変化するので、Δτもこれに応じて変化する特性となる。

このように、温度補正係数ｋτｄテーブル及びトルク差分Δτの設定により基本トルク指令τ*に対し温度上昇に従い制限を行うための制限トルク特性τｌｍｔを演算により求めることができ、この計算によれば特定の電動機回転域のみのトルクを温度によって補正する処理が可能となる。この方法は係数補正ではないので、最大トルクτａや最高回転数Ｎｍｃ点のトルクτｃを変化させないように制限することが可能であるので、基本トルク指令τ*を一律係数で補正してしまう方法のように、不必要に最大トルクτａやトルクτｃを低減させてしまうことがない。

次に、図６を用いて、本実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１の制限処理時の電動機の特性について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１の制限処理の電動機の特性図である。図６（Ａ）は電動機のトルク特性を示し、図６（Ｂ）は電動機の出力特性を示し、図６（Ｃ）は電動機の電流特性を示している。なお、各図の横軸は電動機の回転数を示している。また、実線は制限処理を行わない場合の特性を示し、破線は第１の制限処理を実行した場合の特性を示している。一点鎖線は、第２の制限処理を実行した場合の特性を示すものであり、この内容は後述する。

電動機１０のトルク特性は、図６（Ａ）に示すように、第１の制限処理により、電動機回転数Ｎｍｂ点のトルクがτｂからτｂ’に制限される特性となる。この時、電動機の出力ｋＷ（トルクと回転の積）は、図６（Ｂ）に示すように、電動機回転数Ｎｍｂにおいて制限前（実線Ｐ*）は出力Ｐｂであるが、制限後（破線Ｐｌｍｔ）はＰａに低下する。このことによって電動機出力は電動機回転数Ｎｍａから出力Ｐａで一定出力となり、その後電動機回転数Ｎｍｂをこえて回転数Ｎｍｃに至るに従い低減出力特性となり、電動機回転数Ｎｍｃでは出力Ｐｃとなるように動作する。この時の電動機電流特性は、図６（Ｃ）に示すように、制限前（実線Ｉ*）では電動機回転数ＮｍａでＩａ、電動機回転数ＮｍｂでＩｂ、電動機回転数ＮｍｃでＩｃとなる特性であり、電動機回転数Ｎｍｂの時に最も高い値となるような特性となっているが、第１の制限処理を行うことで、破線Ｉｌｍｔで示すように、電動機回転数Ｎｍｂ点のトルクがτｂからτｂ’に制限されることにより電動機電流もＩｂからＩａに低下する。

したがって、電動機１０の電流は電動機回転数Ｎｍによらずほぼ一定となり、その後電動機回転数ＮｍｂをこえてＮｍｃの点で電流Ｉｃに至る動作となる。このことにより、電動機１０のトルクを制限することで電動機１０の電流の大きい領域のみの電流だけを制限するように動作するので、電動機１０の電流の大きい領域の電流通電による温度上昇が抑制されつつ、電動機回転数Ｎｍａまでの最大トルクτａと最高回転数Ｎｍｃ点のトルクτｃが確保されることとなるので、不必要な出力制限が行われることなく電動機１０の電流が制限でき、結果として電力変換手段２０もしくは電動機１０の温度上昇を抑制することが可能となる。

次に、図７を用いて、本実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第２の制限処理の内容について説明する。
図７は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第２の制限処理の説明図である。図７は、第２の制限処理で用いる温度補正係数ｋτｆテーブル特性を示している。

出力制限演算手段１２０は、電力変換手段２０と電動機１０のいずれかの温度ｔｆ１から温度ｔｆ２に至る過程で、温度補正係数ｋτｆが、図示のように１００％からｋτｆ１に低減する特性のテーブルを備えている。なお、補正係数は、テーブルの代わりに、温度による関数計算もしくは補間計算を用いてもよいものである。

温度ｔｆ１までは温度補正係数ｋτｆは１００％の値となっている。温度ｔｆ１からｔｆ２の区間で、温度補正係数ｋτｆは１００％から任意の設定値ｋτｆ１まで漸減する特性となり、温度ｔｆ２以上では温度補正係数ｋτｆ＝ｋτｆ１となる特性である。この温度補正係数ｋτｆを第１の制限処理で求めた制限トルク特性τｌｍｔに乗じて補正を行うことで、第１の制限処理で制限されたトルク特性τｌｍｔをさらに全域で係数補正制限するように動作する。

ここで、図６を用いて、第２の制限処理を実行した場合の特性について説明する。

電動機１０のトルク特性は、図６（Ａ）に示すように、第２の制限処理により、電動機回転数Ｎｍｂ点のトルクがτｂ２に制限される特性となる。この時、電動機の出力ｋＷ（トルクと回転の積）は、図６（Ｂ）に示すように、制限後（一点鎖線Ｐｌｍｔ２）はＰａ２に低下する。このことによって電動機出力は電動機回転数Ｎｍａから出力Ｐａで一定出力となり、その後電動機回転数Ｎｍｂをこえて回転数Ｎｍｃに至るに従い低減出力特性となり、電動機回転数Ｎｍｃでは出力Ｐｃとなるように動作する。この時の電動機電流特性は、図６（Ｃ）に示すように、一点鎖線Ｉｌｍｔ２で示すように、電動機回転数Ｎｍｂ点のトルクがτｂ２に制限されることにより電動機電流もＩａ２に低下する。

このように制限トルク特性τｌｍｔによる通電電流制限が行われている状態で温度がさらに上昇した場合は、第２の制限処理のみでは温度上昇を抑制できない場合が想定されるため、さらに第２の制限処理を実行することによって、通電電流制限状態で発生しうる温度上昇をさらに抑制することができるようになり、電気車の信頼性向上に寄与することができる。

次に、図８を用いて、本実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１，第２の制限処理における温度補正係数の特性を比較して説明する。
図８は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１，第２の制限処理における温度補正係数の特性比較図である。

電力変換手段２０もしくは電動機１０の温度に対する温度補正係数は、第１の制限処理と第２の制限処理それぞれにおいて用意されているものであるが、それらは相互に干渉しないように構成されていることが望ましい。そこで、第１の制限処理の温度補正係数ｋτｄは、温度ｔｅ１から温度ｔｅ２に至る過程で０から１００％に漸増する特性となっている。これに対して第２の制限処理の温度補正係数ｋτｆは、温度ｔｆ１から温度ｔｆ２に至る過程で１００％から０％に漸減する特性となっている。この双方の特性は図に示すように第１の制限処理が実行する温度ｔｅ１から温度ｔｅ２の動作域Ｒ１に対して、第２の制限処理が実行する温度ｔｆ１から温度ｔｆ２の動作域Ｒ２が重ならないように設定する、あるいは切れ目無く動作するように各温度設定しきい値を設定する。

つまり、第１の制限処理における最大トルクを制限するための素子温度もしくは電動機温度の温度しきい値ｔｅ２は、第２の制限処理におけるトルクを一律係数補正する素子温度もしくは電動機温度の温度しきい値ｔｆ１に対して同等もしくは小さくなる設定（ｔｅ２＜＝ｔｆ１）としている。これにより、温度上昇時にまず第１の制限処理で通電電流の大きい領域を制限することで温度上昇を抑制し、さらに温度が上昇する場合には第２の制限処理が動作するというプロセスを確実に実施するとができ、温度による出力制限の動作をより確実にすることができる。もちろん温度設定の特性がｔｅ２＞ｔｆ１であったとしても動作上差し支えなく、このような設定も可能である。

本発明の一実施形態による電気車の制御装置を用いた電気車システムの構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置によって駆動される電動機の特性図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１，第２の制限処理に基づく制限動作の説明図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１の制限処理の説明図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１の制限処理の説明図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１の制限処理の電動機の特性図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第２の制限処理の説明図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置の出力制限演算手段１２０による第１，第２の制限処理における温度補正係数の特性比較図である。

符号の説明

３０…電源
２０…電力変換手段
１００…制御手段
１０…電動機
１２…回転数検出器
１４…電動機温度検出器
４０…アクセル手段
４２…ブレーキ手段
４４…シフト手段
２２…素子温度検出手段
１１０…駆動力演算手段
１２０…出力制限演算手段
１３０…駆動信号演算手段

Claims (4)

1. 電源からの電力を電力変換手段により電力変換して電動機を駆動するとともに、前記電力変換手段を制御する制御手段を有する電気車の制御装置であって、
   前記制御手段は、運転者の意志に基づいて、電動機の発生すべき駆動力を演算する駆動力演算手段と、
   前記電動機の温度若しくは前記電力変換手段に含まれる半導体素子の温度が第１の所定温度を超えると、前記電動機の出力特性の最大出力を発生する領域を含む所定の回転数の範囲の最大トルクを制限する第１の制限処理を実行する出力演算制限手段とを備え、
   前記出力演算制限手段は、前記電動機の温度若しくは前記電力変換手段に含まれる半導体素子の温度が第１の所定温度より高い第２の所定温度を超えると、前記電動機の出力特性の全領域のトルクを制限する第２の制限処理を実行する出力演算制限手段とを有することを特徴とする電気車の制御装置。
2. 請求項１記載の電気車の制御装置において、
   前記出力演算制限手段は、前記第１の制限処理及び前記第２の制限処理において、各々前記素子温度と前記電動機温度の値の高い方を選択して第１若しくは第２の所定温度と比較することにより動作を行うことを特徴とした電気車の制御装置。
3. 請求項１記載の電気車の制御装置において、
   前記電動機の最大電流は、前記電動機のゼロ回転から発生される最大定トルク出力時の電流よりも、前記最大定トルク出力時の電動機回転域より電動機回転の高い領域の出力における最大電流の方が大きいことを特徴とする電気車の制御装置。
4. 直流電源と、
   半導体素子を内包するとともに、前記直流電源の電力を交流電力に変換する電力変換手段と、
   車両を駆動するための駆動力を発生する電動機と、
   前記電力変換手段を制御する制御手段と、
   運転者の意志を表す信号を出力する運転者意志検出手段と、
   前記半導体素子の温度を検出する素子温度検出手段と、
   前記電動機の回転速度を検出する回転検出手段と、
   前記電動機の温度を検出する電動機温度検出手段とを有する電気車であって、
   前記制御手段は、運転者の意志に基づいて、電動機の発生すべき駆動力を演算する駆動力演算手段と、
   前記電動機の温度若しくは前記電力変換手段に含まれる半導体素子の温度が第１の所定温度を超えると、前記電動機の出力特性の最大出力を発生する領域を含む所定の回転数の範囲の最大トルクを制限する第１の制限処理を実行する出力演算制限手段とを備え、
   前記出力演算制限手段は、前記電動機の温度若しくは前記電力変換手段に含まれる半導体素子の温度が第１の所定温度より高い第２の所定温度を超えると、前記電動機の出力特性の全領域のトルクを制限する第２の制限処理を実行する出力演算制限手段とを有することを特徴とする電気車。

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