JP5125153B2 - モータの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気自動車に用いられるモータの制御装置に関する。

電気自動車では、推進機として用いられるモータは、ケーブルによってインバータに接続されている。このケーブルは、インバータから供給される電力によって、発熱する。このため、ケーブルは、予想される発熱量を許容できるだけの太さを有するものが採用されている。

しかしながら、ケーブルの太さは、例えばアクセルを長時間にわたって踏み込んだ状態など、万が一の場合に起こりえる発熱量も考慮されて選定されているため、太くなる傾向にある。さらに、一般にモータは、三相モータが採用されているため、モータとインバータ間では、３本のケーブルが配索されることになる。

この結果、モータ周囲においてケーブルの占める範囲が大きくなることに起因して当該ケーブルの配索が難しくなったり、または、ケーブルが太くなることに起因してコストの増大および重量増加といった不具合が生じる。

このため、ケーブルを細くすることが求められる。ケーブルの発熱量が許容温度に達したときに、当該ケーブルを流れる電流を制限することによってケーブルの温度上昇を抑制し、許容温度が小さいケーブルつまり細いケーブルを用いてもケーブルの温度が許容温度を超えないようにすることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。

走行中、電気自動車を加速する場合、例えば電気自動車を発進した後に加速する場合では、運転者は、アクセルペダルを踏み込む。このとき、モータには、ケーブルを介して大きな電流が流れる。つまり、インバータとモータとを電気的に接続するケーブルには、大きな電流が流れる。

電気自動車においては、上記のように、自動車を加速する際にケーブルに大きな電流が流れるので、ケーブルが大きく発熱しやすい。モータに流れる電流を、特許文献１に開示されている技術を用いて制御する場合、インバータとモータとを電気的に接続するケーブルが許容温度に達すると、インバータから供給される電流が制限されて小さくなる。この結果、ケーブルの温度が低下することが考えられる。
特開２０００−１６１９８号公報

しかしながら、モータに供給される電流を、特許文献１に開示されている技術を用いて制御する場合であると、インバータとモータとを電気的に接続するケーブルの温度が一端許容温度に達すると、モータに供給される電流が制限されることによって自動車の加速が鈍くなることが考えられ、それゆえ、運転のフィーリングが悪くなることが考えられる。

したがって、本発明の目的は、小さなサイズのケーブルを選定できるとともに運転のフィーリングの悪化を抑制することができるモータの制御装置を提供することである。

本発明のモータの制御装置は、メモリ部と、制御部とを備える。前記メモリ部は、第１のマップと、第２のマップとを備える。前記第１のマップは、モータの回転数とトルクとの関係を示すとともに、所定の回転数に達するまで一定のトルクを出力するように設定されている。前記第２のマップは、モータの回転数とトルクとの関係を示すとともに、前記所定の回転数に達するまでの間にトルクピークが設定されてかつ前記トルクピークに達するまでトルクが上昇するようにエンジンと同等のトルク特性に設定されている。

制御部は、ケーブルを介して前記モータに供給される電流を、前記第１のマップにしたがって制御するとともに、前記ケーブルの温度が当該ケーブルの許容温度に達すると、前記第２のマップにしたがって前記電流を制御し、かつ、前記ケーブルの温度が復帰温度まで低下すると前記第１のマップにしたがう制御に復帰する。

この構造によれば、例えば、一例として、第２のマップで示されるトルク特性を、エンジン（レシプロ式など）と同等のトルク特性にすることによって、ケーブルの温度が許容温度に達しても、第２のマップにしたがって、エンジンを搭載する車両と同じ運転フィーリングが得られる。

本発明の好ましい形態では、前記第１のマップに示される各回転数に対するトルクは、前記第２のマップに示される各回転数に対するトルクよりも大きい。

本発明によれば、小さなサイズのケーブルを選定できるとともに運転のフィーリングの悪化を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るモータの制御装置を、図１〜５を用いて説明する。図１は、本実施形態のモータの制御装置を備える電気自動車を示す概略図である。図１に示すように、電気自動車１０は、モータ１１と、バッテリ１２と、ＭＣＵ（Motor Control Unit）１４と、電流計１５と、温度センサ１６と、回転数検出器１７と、アクセルペダル１８と、アクセルペダルセンサ１９と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２０と、タイヤ２１となどを備えている。

モータ１１は、電気自動車１０の推進機とし機能しており、例えば電気自動車１０のリアに配置されるタイヤ２１に図示しないドライブシャフトによって連結されており、リアのタイヤ２１を駆動する。

バッテリ１２は、モータ１１の電源として機能しており、モータ１１に電力を供給する。

ＭＣＵ１４は、インバータ２５と、制御装置４０とを備えている。インバータ２５は、モータ１１とバッテリ１２との間に電気的に介装されている。具体的には、インバータ２５とバッテリ１２とは、Ｐ端子用ケーブル２６と、Ｎ端子用ケーブル２７とによって、電気的に接続されている。バッテリ１２からは、Ｐ，Ｎ端子用ケーブル２６，２７を介してインバータ２５に直流電流が供給される。

インバータ２５とモータ１１とは、Ｕ端子用ケーブル２８と、Ｖ端子用ケーブル２９と、Ｗ端子用ケーブル３０とによって、電気的に接続されている。インバータ２５は、バッテリ１２から供給される直流電流を交流電流に変換した後、Ｕ，Ｖ，Ｗ端子用ケーブル２８〜３０を介してモータ１１へ当該電流を供給する。Ｕ，Ｖ，Ｗ端子用ケーブル２８〜３０の径は、同じである。制御装置４０は、インバータ２５からモータ１１へ供給される電流を制御する。制御装置４０については、後で詳細に説明される。

電流計１５は、例えばＵ端子用ケーブル２８とＷ端子用ケーブル３０とに、例えば１つずつ設けられており、Ｕ端子用ケーブル２８を流れている電流値と、Ｗ端子用ケーブル３０を流れている電流値とを検出する。各電流計１５は、制御装置４０に電気的に接続されており、検出したＵ，Ｗ端子用ケーブル２８，３０を流れている電流値を、制御装置４０に送信する。上記したように、Ｕ〜Ｗ端子用ケーブル２８〜３０は略同じ構造であるので、Ｖ〜Ｗ端子用ケーブル２８〜３０に流れる電流は、各々同じである。

温度センサ１６は、例えばＶ端子用ケーブル２９に設けられている。温度センサ１６は、Ｖ端子用ケーブル２９の温度を測定する。温度センサ１６は、制御装置４０に電気的に接続されており、検出したＶ端子用ケーブル２９の温度を制御装置４０に送信する。なお、上記されたように、Ｕ，Ｖ，Ｗ端子用ケーブル２８〜３０の径は同じであるので、電流が流れることに起因する発熱量は、各々同じである。それゆえ、Ｕ，Ｖ，Ｗ端子用ケーブル２８〜３０の温度は、略同じであるので、Ｖ端子用ケーブル２の温度が代表して検出される。

回転数検出器１７は、モータ１１に設けられている。回転数検出器７は、モータ１１の回転数を検出する。回転数検出器１７は、制御装置４０に電気的に接続されており、検出したモータ１の回転数を制御装置４０に送信する。

アクセルペダルセンサ１９は、アクセルペダル１８に設けられている。アクセルペダルセンサ１９は、アクセルペダル１８の踏み込み量と、アクセルペダル１８の踏み込みの加速度となどを検出する。アクセルペダルセンサ１９は、後述されるＥＣＵ２０に電気的に接続されており、検出した踏み込み量と踏み込みの加速度となどをＥＣＵ２０に送信する。

ＥＣＵ２０は、アクセルペダルセンサ１９から送信されるアクセルペダル１８の踏み込み量と踏み込みの加速度となどから、要求されるトルクを検出する。ＥＣＵ２０は、制御装置４０に電気的に接続されており、検出した要求トルクを制御装置４０に送信する。また、ＥＣＵ２０は、例えば電気自動車１０の動作に必要な他の制御を行うなどする。

つぎに、制御装置４０について具体的に説明する。制御装置４０は、メモリ部４１と、制御部４２とを備えている。メモリ部４１は、第１のマップ４３と、第２のマップ４４とを備えている。制御部４２は、第１，２のマップ４３，４４にしたがって、インバータ２５を制御する。

図２は、第１のマップ４３を示している。図２に示すように、第１のマップ４３は、モータ１１の回転数と出力されるトルクとの関係を示している。第１のマップ４３は、予め設定された所定回転数ｒ１までは、一定の所定トルクａ１を出力するよう設定されており、所定回転ｒ１を超えるとトルクが徐々に低下するようになっている。

第１のマップ４３は、アクセルペダル１８の踏み込み量によって変化する。図２に示される第１のマップ４３は、例えばアクセルペダル１８が最後まで踏み込まれた状態における回転数とトルクとの関係を示している。

なお、アクセルペダル１８が最後まで踏み込まれた状態以外の状態での第１のマップであっても、所定回転数ｒ１までは一定のトルクが出力されるように設定されており、回転数とトルクとの関係が図２に示される第１のマップ４３と同じような関係になるように設定されている。

第２のマップは、モータ１１の回転数とモータ１１の出力トルクとの関係を示す。図３は、一例としてアクセルペダル１８が最後まで踏み込まれた状態における第２のマップ４４を示している。

第２のマップ４４について、アクセルペダル１８が最後まで踏み込まれた状態を代表して説明する。図３に示すように、第２のマップ４４は、例えばレシプロ式エンジンの回転数に対する出力トルクに似た特性を有している。具体的には、第２のマップ４４は、所定回転数ｒ１までの間にトルクピークａ２を有しており、トルクピークａ２に達するまでは、トルクが上昇する。本実施形態では、一例として、トルクピークａ２は、所定回転ｒ１よりも低い回転数で達成されるようになっている。

なお、アクセルペダル１８が最後まで踏み込まれた状態以外の状態での第２のマップであっても、所定回転数ｒ１までの間にトルクピーク（トルクピークａ２以外の値）を有するように設定されており、回転数とトルクとの関係が図３に示される第２のマップ４４と同じような関係になるように設定されている。

図２に、アクセルペダル１８が最後まで踏み込まれた状態での第２のマップ４４上での回転数と出力トルクとの関係を示すグラフが２点鎖線で示されている。図２に示すように、第２のマップ４４上でのトルクピークａ２は、第１のマップ４３の所定トルクａ１よりも小さい。

さらに、第２のマップ４４に示される、各回転数に対するトルクの値は、第１のマップ４３に示される、各回転数に対するトルクの値よりも全体的に小さくなるように設定されている。

制御装置４０（制御部４２）によるインバータ２５の制御には、第１の制御と、第２の制御とがある。第１の制御と第２の制御との切り替えには、上記された温度センサ１６の検出結果が用いられる。

第１の制御について具体的に説明する。モータ１１起動後における電気自動車１０の始動時では、第１の制御が行われる。第１の制御では、制御部４２がメモリ部４１より第１のマップ４３を読み出すとともに第１のマップ４３にしたがってインバータ２５を制御する。第２の制御では、制御部４２がメモリ部４１より第２のマップ４４を読み出すとともに第２のマップ４４にしたがってインバータ２５を制御する。

また、制御部４２は、第１の制御時に、温度センサ１６の検出結果に基づいてＶ端子用ケーブル２９が許容温度に達したと判断すると、第２の制御に移る。さらに、第２の制御時に、Ｖ端子用ケーブル２９の温度が復帰温度まで下がると、第１の制御に復帰する。なお、復帰温度は、許容温度よりも低く、Ｖ端子用ケーブル２９が充分冷えた状態となる温度である。つまり、Ｖ〜Ｗ端子用ケーブル２８〜３０が充分冷えた状態を示す温度である。復帰温度は、予め設定される。

つぎに、制御装置４０の動作を、電気自動車１０の始動後の加速状態を一例に説明する。なお、上記加速状態は、一例としてアクセルペダル１８が最後まで踏み込まれた状態であり、この状態には、第１〜３の状態がある。これら、各第１〜３の状態での制御装置４０の動作を説明する。

まず、第１の状態について説明する。第１の状態は、モータ１１が始動した後、アクセルペダル１８が最後まで踏み込まれて電気自動車１０が加速される状態であって、Ｖ端子用ケーブル２９の温度が当該Ｖ端子用ケーブル２９の許容温度に達する前の状態である。第１の状態では、第１の制御がなされる。

運転者が電気自動車１０の乗車した後、イグニッションキーがモータ１１の始動位置まで回動されることによって、モータ１１が起動する。

運転者がアクセルペダル１８を踏み込むことによって、アクセルペダルセンサ１９は、当該アクセルペダル１８の踏み込み量および踏み込みの速度を検出し、検出結果をＥＣＵ２０に送信する。さらに、なお、第１の状態を仮定しているので、モータ１１の始動後の加速状態であるので、アクセルペダル１８は最後まで踏み込まれる
ＥＣＵ２０は、アクセルペダルセンサ１９から送信されてきた検出結果に基づいて、電気自動車１０が加速状態にあると判断する。ついで、ＥＣＵ２０は、加速に際してモータ１１が出力すべき要求トルク値を算出する。ついで、ＥＣＵ２０は、モータ１１が加速に際して要求されるトルク値を出力するように、制御装置４０（制御部４２）にトルク指令を送信する。

図４，５は、制御装置４０の動作を説明するフローチャートの一例である。制御部４２は、ＥＣＵ２０からのトルク指令を受信すると動作を開始する。具体的には、図４に示すように、ステップＳＴ１において、ＥＣＵ２０からトルク指令を受信するとステップＳＴ２に進む。

ステップＳＴ２では、要求されるトルク値を正規化する。要求されるトルク値が正規化されると、ステップＳＴ３に進む。なお、正規化とは、人が見て判断できる数値から，ＥＣＵ２０（ＥＣＵ２０には、例えばマイクロコンピュータが用いられている。）が制御に使うための数値に変換することである。つまり、ＥＣＵ２０は、１８０Nmのように人が容易に理解できる値をＥＣＵ２０が制御に使うための値に変換する。

ステップＳＴ３では、保護・故障検出が行われる。具体的には、アクセルペダルセンサ１９から送信された検出結果に基づいて、ＥＣＵ２０から送信されてきたトルク指令が、アクセルペダル１８が踏み込まれることに起因する指令かどうかを判断する。

また、ステップＳＴ３では、モータ温度の異常上昇，駆動電力素子（IGBT）温度の異常上昇，モータ駆動電圧の異常低下・上昇，駆動電力素子（IGBT）の短絡異常，三相線の短絡異常，温度センサ異常，回転数センサ異常などを検出する。

ステップＳＴ３で上記の異常が検出されると、ステップＳＴ７に進む。ステップＳＴ７では、ステップＳＴ１においてＥＣＵ２０から受信したトルク指令をキャンセル(０に)する。ついで、制御が終了してモータ１１が停止される。

ステップＳＴ３において、異常が検出されない場合はステップＳＴ４に進む。ステップＳＴ４では、指令値が確定される。つまり、モータ１１が出力すべき要求トルク値が確定される。ついで、ステップＳＴ５に進む。

ステップＳＴ５では、ステップＳＴ４で確定された要求トルク値とＶ端子用ケーブル２９の温度とに基づいて、モータ１１に供給されるべき電流値が計算される。ステップ５での動作を具体的に説明する。

図５は、ステップＳＴ５での動作の内容を具体的に示すフローチャートである。図５に示すように、まず、ステップＳＴ５１で、制御装置４０が用いている制御マップは第１，２のいずれかが確認される。電気自動車１０の始動後最初の場合では第１のマップ４３が用いられる第１の制御であるのでステップＳＴ５２に進む。または、前回の判定において第２のマップ４４が用いられた場合もステップＳＴ５２に進む。

ステップＳＴ５２では、Ｖ端子用ケーブル２９の温度が、Ｖ端子用ケーブル２９の許容温度に達したか否かが判定される。なお、第１の状態は、Ｖ端子用ケーブル２９は許容温度に達していないので、ステップＳＴ５３に進む。

ステップＳＴ５３では、第１のマップ４３が採用される。第１のマップ４３が採用されることによって、制御部４２は、第１の制御となり、図２に示す第１のマップ４３にしたがって電流値を計算する。ついで、ステップＳＴ６に進む。

図４に示すように、ステップＳＴ６では、ステップＳＴ５で計算された電流値がモータ１１に供給されるように、現在流れている電流（電流計１５の検出結果）とモータ１１の回転数（回転数検出器１７の検出結果）とを考慮して、制御部４２は、インバータ２５をＰＷＭ制御する。

このことによって、インバータ２５からモータ１１に、要求トルク値に対応する電流値が供給される。この結果、モータ１１は、要求トルク値と同等のトルクを出力する。

なお、図４，５に示されるフローは、所定の間隔で実行される。それゆえ、電気自動車１０が走行状態であり、第１の状態で加速しつづける場合は、制御装置４０は、上記されたフローにしたがってインバータ２５を制御する。

ついで、第２の状態について説明する。第２の状態は、Ｖ端子用ケーブル２９の温度が許容温度に達してから復帰温度まで下がるまでの状態である。つまり、図２に示すように、加速状態において一定トルクが出力されることによって、Ｖ端子用ケーブルが発熱し、それゆえ、許容温度に達した状態である。

第２の状態になる直前では、第１のマップ４３が用いられている。それゆえ、図５に示すように、ステップＳＴ５１を経てステップＳＴ５２に進む。

第２の状態では、Ｖ端子用ケーブル２９が許容温度に達しているので、ステップＳＴ５４に進む。ステップＳＴ５４では、第２のマップ４４が採用される。第２のマップ４４が採用されることによって、制御部４２は、第２の制御を行う。ステップＳＴ５４では、第２のマップ４３にしたがって、電流値を計算する。

第２の状態において２回目以降の動作では、ステップＳＴ５１，５５を経てステップＳＴ５６に進み、第２のマップ４４が採用される。それゆえ、第２の制御が維持される。

第２の状態、つまり第２の制御では、回転数に対するトルクが第１の制御よりも小さい。それゆえ、第２の制御では、要求トルクに対応する電流値よりも小さい電流がＶ端子用ケーブル２９を流れる。この結果、Ｖ端子用ケーブル２９の温度は小さくなる。さらに、第２のマップ４４は、レシプロエンジンと同じようなトルク特性を有しているので、第２の状態では、当該レシプロエンジンを搭載した自動車と同じ運転フィーリングが得られる。

ついで、第３の状態について説明する。第３の状態とは、第２の状態になった後、Ｖ端子用ケーブル２９が復帰温度まで下がった状態である。第３の状態では、ステップＳＴ５１を経てステップＳＴ５５に進む。第３の状態では、Ｖ端子用ケーブル２９の温度は復帰温度まで下がっているので、ステップＳＴ５５を経てステップＳＴ５３に進む。

ステップＳＴ５３では、第１のマップ４３が採用される。それゆえ、制御部４２は、第１の制御でインバータ２５を制御する。この後、Ｖ端子用ケーブル２９が再び許容温度に達するまで、第１の制御が維持される。

このように構成されるモータ１１の制御装置４０では、Ｕ，Ｖ，Ｗ端子用ケーブル２８〜３０の温度が許容温度に達すると、モータ１１に供給される電流が制限される。このため、Ｕ，Ｖ，Ｗ端子用ケーブル２８〜３０の温度が低下するので、Ｕ，Ｖ，Ｗ端子用ケーブル２８〜３０は許容温度を越えることがない。さらに、電流が制限された場合であっても、電気自動車１０は、第２のマップ４４にしたがって制御されるので、運転者は、レシプロエンジンを搭載した自動車と同等の運転フィーリングを得ることができる。つまり、供給電流が制限されることにともなう運転フィーリングの悪化が抑制される。

この結果、Ｕ，Ｖ，Ｗ端子用ケーブル２８〜３０の径を小さくすることができるので、Ｕ，Ｖ，Ｗ端子用ケーブル２８〜３０のコストが低減されるとともに重量増加が抑制される。さらに、運転フィーリングの悪化が抑制される。

また、第１のマップ（第１のマップ４３を一例として示す）に示される、各回転数に対する出力トルクは、第２のマップ（第２のマップ４４を一例として示す）に示される、各回転数に対する出力トルクよりも小さいので、いかなる運転状態であっても、Ｖ〜Ｗ端子用ケーブル２８〜３０の温度が許容温度を超えることがない。

なお、本実施形態では、制御装置４０は、ＭＣＵ１４の構成要素としたが、これに限定されない。例えば、ＥＣＵ２０が制御装置４０と同じ機能を有していてもよい。

本発明の一実施形態に係るモータの制御装置を備える電気自動車を示す概略図。 図１に示されたメモリ部が備える第１のマップを示すグラフ。 図１に示されたメモリ部が備える第２のマップを示すグラフ。 図１に示された制御装置の動作を示すフローチャート。 図１に示された制御装置の動作を示すフローチャート。

符号の説明

１１…モータ、２８…Ｕ端子用ケーブル（ケーブル）、２９…Ｖ端子用ケーブル（ケーブル）、３０…Ｗ端子用ケーブル（ケーブル）、４３…第１のマップ、４４…第２のマップ。

Claims (2)

1. モータの回転数とトルクとの関係を示すとともに、所定の回転数に達するまで一定のトルクを出力するように設定された第１のマップと、モータの回転数とトルクとの関係を示すとともに、前記所定の回転数に達するまでの間にトルクピークが設定されてかつ前記トルクピークに達するまでトルクが上昇するようにエンジンと同等のトルク特性に設定された第２のマップと、を備えるメモリ部と、
   ケーブルを介して前記モータに供給される電流を、前記第１のマップにしたがって制御するとともに、前記ケーブルの温度が当該ケーブルの許容温度に達すると、前記第２のマップのエンジンと同等のトルク特性にしたがって前記電流を制御し、かつ、前記ケーブルの温度が復帰温度まで低下すると前記第１のマップにしたがう制御に復帰する制御部と
   を具備することを特徴とするモータの制御装置。
2. 前記第１のマップに示される各回転数に対するトルクは、前記第２のマップに示される各回転数に対するトルクよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のモータの制御装置。

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