JP5517151B2

JP5517151B2 - モータの制御装置

Info

Publication number: JP5517151B2
Application number: JP2009290801A
Authority: JP
Inventors: 礼斗史鳴海; 亨脇本; 雅也殿本; 幸男細野
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2009-12-22
Filing date: 2009-12-22
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2029-12-22
Also published as: JP2011135642A

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されるモータジェネレータに印加する駆動電圧を、大気圧の高低に応じて可変する制御を行うモータの制御装置に関する。

従来、高地では低気圧となり空気の誘電率が低下するため、モータジェネレータにおける電機子巻線の絶縁被覆等の絶縁体の絶縁性能が劣化する。そこで、特許文献１の移動体の制御装置においては、制御手段が、検知された大気圧に応じて電動機及び電気機器に供給される電圧値を設定し、この設定された電圧値に基づいて電動機を制御する。例えば、検知された大気圧において、後述する部分放電量が、絶縁体の絶縁性能の劣化の促進が抑制できる許容範囲内になるように電動機及び電気機器に供給される電圧値を設定することが記載されている。

部分放電とは、例えばモータの巻線の絶縁被覆が絶縁低下した際に、その低下した部分の巻線間で放電が生じることである。その巻線間電圧差の最大値をモータ内最大電圧差といい、これを図１に示す。図１は縦軸をモータ内最大電圧差ΔＶ、横軸を相電流実効値Ｉとした際の両者の関係図である。但し、相電流実効値とは、インバータからモータジェネレータに供給する３相電流の実効値である。

平地での通常の大気圧（常気圧）では、部分放電開始電圧は線分ＤＮで示す特性線の通りであり、モータ内最大電圧差ΔＶ１は、常気圧での部分放電開始電圧ＤＮよりも低く且つモータで予め定められた必要トルクが得られる電圧値が当該モータに印加されるように通常設定されている。この状態では、部分放電が開始する電圧ＤＮがモータ内最大電圧差ΔＶ１よりも高いので、部分放電は開始されず巻線の絶縁被覆は劣化しない。しかし、高地などの比較的大気圧の低い（低気圧）環境下では、線分ＤＬで示す特性線の通り部分放電開始電圧が、通常設定時のモータ内最大電圧差ΔＶ１よりも下がってしまうので、部分放電によって絶縁被覆が劣化する。

そこで、特許文献１の装置においては、高地などの低気圧の環境下では、部分放電量が許容範囲内になる電動機への電圧値を設定することにより（例えば、通常大気圧における電圧値よりも低い電圧値を設定することにより）、放電電圧が低下しても部分放電量の増加を抑制するようになっている。図１では、モータ内最大電圧差を線分ΔＶ２で示す通り、部分放電開始電圧ＤＬよりも低い位置に設定する。これによって電動機及び電気機器の内部の絶縁体の絶縁性能の悪化を抑制するようになっている。

特開２００６−２８８１７０号公報

しかし、上記の特許文献１の装置においては、大気圧が低い低気圧の環境下では、通常大気圧における電圧値よりも低い電圧値を設定し、この設定された電圧値でモータを駆動するので、その電圧値を下げた分、モータの駆動トルクが低下し、ドライバーの車両加速上昇等の要求に答えられなくなるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、低気圧の環境下でも駆動トルクが低下しないようにモータを駆動させることができ、これによってドライバーの車両加速上昇等の要求に答えることができるモータの制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、バッテリの直流電力を昇圧するコンバータと、このコンバータでの昇圧電力を交流電力に変換し、この変換された交流電力でモータを駆動するインバータと、当該コンバータの昇圧動作及び当該インバータの電力変換動作を制御する制御手段とを有し、この制御手段は、予め定められた常気圧の場合に、モータの巻線間電圧差の最大値であるモータ内最大電圧差が、モータ巻線間で部分的に生じる放電の開始電圧である部分放電開始電圧よりも低く且つモータで予め定められた必要トルクが得られる電圧値が当該モータに印加されるように通常設定されていることに基づき、当該インバータの電力変換動作を制御するモータの制御装置において、前記制御手段は、前記モータへの供給電流の実効値と前記通常設定時のモータ内最大電圧差との関係を前記常気圧よりも低い低気圧の際の前記部分放電開始電圧と関連付けたデータマップを記憶する記憶手段を備え、前記制御手段は、前記低気圧下で前記部分放電開始電圧が前記通常設定時のモータ内最大電圧差よりも下がった際に、前記インバータからモータに供給される電流が、少なくともモータを前記必要トルクで駆動するに必要な実効値となるように、当該インバータの電力変換動作を制御するとともに、前記低気圧の際に前記記憶手段のデータマップをもとに、当該低気圧で前記常気圧時より低レベルに下がった部分放電開始電圧と前記通常設定時のモータ内最大電圧差との交点における実効値を超える電流が前記インバータから前記モータに供給されるように制御し、更に、そのモータへの供給電流の位相を、当該モータのトルクを前記必要トルクと同一にする位相にシフトする制御を行うことを特徴とする。

この構成によれば、低気圧の環境下で部分放電開始電圧が通常設定時のモータ内最大電圧差よりも下がった場合でも、制御手段によるインバータの電力変換動作の制御によって、少なくともモータを必要トルクを発生するに必要な電流がモータへ供給される。従って、低気圧下においても、モータで必要トルクを発生させることができる。

また、低気圧の環境下で部分放電開始電圧が通常設定時のモータ内最大電圧差よりも下がった場合に、この下がった部分放電開始電圧と、通常設定時のモータ内最大電圧差との交点での電流の実効値を越える電流がモータへ供給される。その常気圧時に比べ、下がった部分放電開始電圧を回避するためにはモータへの供給電流の実効値が、常気圧の部分放電開始電圧時よりも増加させる必要があるので、常気圧時よりも多くの電流がモータに供給される。更に、この際、モータへ供給される電流の位相が、モータのトルクを常気圧時のあらかじめ定められた必要トルクと同じにする位相にシフトされるので、モータは常気圧時の必要トルクを発生することが可能となる。

従来の縦軸のモータ内最大電圧差ΔＶと、横軸の相電流実効値Ｉとの関係図である。本発明の実施形態に係るモータジェネレータの制御装置により制御されるモータジェネレータ駆動システムを示すブロック図である。本実施形態の縦軸のモータ内最大電圧差ΔＶと、横軸の相電流実効値Ｉとの関係図である。縦軸のモータ発生トルクＴと、横軸の相電流実効値Ｉとの関係図である。縦軸のモータ発生トルクＴと、横軸の電流位相絶対値│β│との関係図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。但し、本明細書中の全図において相互に対応する部分には同一符号を付し、重複部分においては後述での説明を適時省略する。

図２は、本発明の実施形態に係るモータジェネレータの制御装置により制御されるモータジェネレータ駆動システムを示すブロック図である。

図２に示すモータジェネレータ駆動システムは、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載されており、直流電力を蓄積するバッテリ１０と、コンバータ２０と、インバータ３０と、モータジェネレータＭＧと、記憶部４０ａを有するＥＣＵ（電子制御ユニット：制御手段）４０とを備えて構成されている。

コンバータ２０には、バッテリ１０が接続されており、バッテリ１０はコンバータ２０に直流電力を供給すると共に、コンバータ２０から回生される直流電力を蓄電する。また、コンバータ２０は、バッテリ１０から供給された直流電力を昇圧してインバータ３０へ出力し、またインバータ３０から出力された直流電力を降圧してバッテリ１０へ出力する。更に、コンバータ２０は、コンデンサ２３と、リアクトル２４と、高圧側の半導体素子である上アーム用のスイッチング素子（電力変換用スイッチング素子）２１と、高圧ＧＮＤ（グランド）側の半導体素子である下アーム用のスイッチング素子（電力変換用スイッチング素子）２２と、ダイオードＤ１，Ｄ２を含んで構成されている。

これら構成要素は、バッテリ１０の正極側にコンデンサ２３及びリアクトル２４の一端が接続され、負極側にコンデンサ２３の他端とスイッチング素子２２のエミッタ端子が接続されている。スイッチング素子２１とスイッチング素子２２とは直列に接続されており、リアクトル２４の他端は、その間、つまりスイッチング素子２１のエミッタ端子及びスイッチング素子２２のコレクタ端子に接続されている。

上アーム用のスイッチング素子２１のコレクタ端子は、インバータ３０の一端側に接続されている。下アーム用のスイッチング素子２２のエミッタ端子は、インバータ３０の他端側に接続されている。スイッチング素子２１のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードＤ１が接続され、同様にスイッチング素子２２のコレクタ−エミッタ間にもダイオードＤ２が接続されている。

モータジェネレータＭＧは、インバータ３０に接続されており、バッテリ１０から供給される電力により駆動する。発電機として働く場合は、交流電力をインバータ３０に出力する。

インバータ３０は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相からなり、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相はコンバータ２０に並列に接続され、このコンバータ２０によって昇圧された直流電力を三相交流電力に変換して、モータジェネレータＭＧに出力する。また、モータジェネレータＭＧが発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧから出力される交流電力を直流に変換してコンバータ２０に出力する。更に、インバータ３０は、コンバータ２０との接続側に、蓄電の役割も有するサージ電圧吸収用のコンデンサ３１を備えている。

インバータ３０のＵ相は、高圧側の半導体素子の上アーム用のスイッチング素子３４と高圧ＧＮＤ側の半導体素子の下アーム用のスイッチング素子３５とが直列に接続されてなる。同様に、Ｖ相は上アーム用のスイッチング素子３６と下アーム用のスイッチング素子３７、Ｗ相は上アーム用のスイッチング素子３８と下アーム用のスイッチング素子３９が直列に接続されてなる。

各スイッチング素子３４〜３９のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。ＵＶＷ各相の中間点は、モータジェネレータＭＧの各相コイル（図示略）の各相端に接続されている。ここで、コンバータ２０及びインバータ３０にそれぞれ含まれるスイッチング素子は、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のパワーデバイスが用いられているとする。

更に、コンバータ２０の各スイッチング素子２１，２２及びインバータ３０の各スイッチング素子３４〜３９は、上アーム用のスイッチング素子がオンの場合は下アーム用のスイッチング素子がオフ、上アーム用のスイッチング素子がオフの場合は下アーム用のスイッチング素子がオンとなるように、ＥＣＵ４０でスイッチング制御（オン／オフ制御）される。

このような構成によれば、ＥＣＵ４０によるコンバータ２０の各スイッチング素子２１，２２及びインバータ３０の各スイッチング素子３４〜３９のスイッチング制御によって、バッテリ１０の直流電力がコンバータ２０で昇圧されてインバータ３０で三相交流電力に変換され、この三相交流でモータジェネレータＭＧが駆動される。一方、モータジェネレータＭＧが発電機として働く場合は、モータジェネレータＭＧから出力される交流電力がインバータ３０で直流電力に変換され、更にコンバータ２０で降圧されてバッテリ１０に回生される。

次に、ＥＣＵ４０は、上記のようにコンバータ２０及びインバータ３０を制御してモータジェネレータＭＧを駆動するが、この際、モータジェネレータＭＧへは、インバータ３０から３相電流が供給される。３相電流の実効値（相電流実効値）がモータジェネレータＭＧを駆動する電流となるので、ＥＣＵ４０は、インバータ３０からモータジェネレータＭＧへ、データマップに基づき必要トルクを発生できるような電流が流れるよう制御する。

この場合、図３に示すように、モータ内最大電圧差ΔＶ１は、常気圧での部分放電開始電圧ＤＮよりも低く且つモータで必要トルクが得られる電圧値が当該モータに印加されるように通常設定されている。この通常設定では、モータ内最大電圧差ΔＶ１の最大レベルＡ点での相電流実効値ＩＡがモータジェネレータＭＧへ供給され、予め定められた必要トルクが得られる。つまり、図４に示すように、相電流実効値ＩＡに応じた必要トルクＴＡがモータ出力トルクＴとして得られる。

しかし、低気圧の環境下では、部分放電開始電圧がＤＬで示すように、通常設定時のモータ内最大電圧差ΔＶ１よりも下がってしまうので、モータジェネレータＭＧの巻線間の部分放電によって巻線の絶縁被覆が劣化していた。そこで、従来では図１に線分ΔＶ２で示した通りモータ内最大電圧差を部分放電開始電圧ＤＬよりも低い位置に設定していたが、モータへの供給電圧値上限値を制限することになるのでモータの発生トルクが低下する場合があった。

本実施形態では、ＥＣＵ４０が、大気圧データＤ１に基づき低気圧となったことを検出した場合、記憶部４０ａに記憶されたデータマップに基づき次の制御を行う。但し、データマップは、図３に示した相電流実効値Ｉと通常設定時のモータ内最大電圧差ΔＶとの関係に、低気圧の際の部分放電開始電圧ＤＬを各々データとして関連付けたものである。

即ち、ＥＣＵ４０は、低気圧の際の部分放電開始電圧ＤＬと通常設定時のモータ内最大電圧差ΔＶ１との交点Ｂでの相電流実効値ＩＢを越える電流が、インバータ３０からモータジェネレータＭＧへ供給されるように制御を行う。更に、この制御時に、図４に示すように、相電流実効値ＩＢに対応するモータ出力トルクＴは、ＴＢで示す通り必要トルクＴＡを越えてしまうので、その超過トルクＴＢが必要トルクＴＡと同一となるように、相電流実効値ＩＢの電流の位相をβ１からβ２へシフトさせる制御を行う。

この電流位相をシフトする理由を図５を参照して説明する。図５は、モータジェネレータＭＧへの各々の相電流実効値ＩＡ，ＩＢ，ＩＣにおけるモータ発生トルクの絶対値│Ｔ│と、電流位相の絶対値│β│との関係である。但し、各相電流実効値の大きさは、ＩＡ＜ＩＢ＜ＩＣであり、電流位相絶対値│β│は、モータ無負荷時の巻線の永久磁石磁束鎖交数の位相角を０として示している。この図５から分かるように、相電流実効値ＩＢの際の電流位相β１をβ２にシフトすることによって、モータ発生トルクＴが必要トルクＴＡと同一となる。

このように本実施形態のモータの制御装置は、基本構成として、バッテリ１０の直流電力を昇圧するコンバータ２０と、このコンバータ２０での昇圧電力を交流電力に変換し、この変換された交流電力でモータジェネレータＭＧを駆動するインバータ３０と、当該コンバータ２０の昇圧動作及び当該インバータ３０の電力変換動作を制御するＥＣＵ４０とを有する。ＥＣＵ４０は、予め定められた常気圧の場合に、モータジェネレータＭＧの巻線間電圧差の最大値であるモータ内最大電圧差ΔＶ１が、巻線間で部分的に生じる放電の開始電圧である部分放電開始電圧ＤＮよりも低く且つモータジェネレータＭＧで予め定められた必要トルクが得られる電圧値が当該モータジェネレータＭＧに印加されるように通常設定されていることに基づき、当該インバータ３０の電力変換動作を制御するようになっている。

本実施形態では、ＥＣＵ４０が、常気圧よりも低い低気圧下で部分放電開始電圧ＤＬが通常設定時のモータ内最大電圧差ΔＶ１よりも下がった際に、インバータ３０からモータジェネレータＭＧに供給される電流が、少なくともモータジェネレータＭＧが必要トルクを発生するに必要な実効値（相電流実効値）となるように、当該インバータ３０の電力変換動作を制御するようにした。

これによって、低気圧の環境下で部分放電開始電圧ＤＬが通常設定時のモータ内最大電圧差ΔＶ１よりも下がった場合でも、ＥＣＵ４０によるインバータ３０の電力変換動作の制御によって、少なくともモータジェネレータＭＧで最大必要トルクを発生するに必要な電流がモータジェネレータＭＧへ供給される。従って、低気圧下においても、モータジェネレータＭＧで必要トルクを発生させることができる。

また、ＥＣＵ４０は、モータ１０への供給電流の実効値Ｉと通常設定時のモータ内最大電圧差ΔＶ１との関係を低気圧の際の部分放電開始電圧ＤＬと関連付けたデータマップを記憶する記憶部４０ａを備える。そして、ＥＣＵ４０は、低気圧の際に記憶部４０ａのデータマップをもとに、当該低気圧で常気圧時より低レベルに下がった部分放電開始電圧ＤＬと通常設定時のモータ内最大電圧差ΔＶ１との交点における実効値を超える電流がインバータ３０からモータ１０に供給されるように制御し、更に、そのモータ１０への供給電流の位相β１を、当該モータ１０のトルクを必要トルクＴＡとする位相β２にシフトする制御を行う。

これによって、低気圧の環境下で部分放電開始電圧ＤＬが通常設定時のモータ内最大電圧差ΔＶ１よりも下がった場合に、この下がった部分放電開始電圧ＤＬと、通常設定時のモータ内最大電圧差ΔＶ１との交点での電流の実効値を越える電流がモータジェネレータＭＧへ供給される。その交点はモータジェネレータＭＧへの供給電流の実効値が、常気圧の部分放電開始電圧ＤＮ時よりも増加する位置にあるので、常気圧時よりも多くの電流がモータジェネレータＭＧに供給される。更に、この際、モータジェネレータＭＧへ供給される電流の位相β１が、モータジェネレータＭＧのトルクを必要トルクＴＡと同一となる位相β２にシフトされるので、モータジェネレータＭＧは必要トルクＴＡを発生する。これによって低気圧下でも、ドライバーの車両加速上昇等の要求に答えることができる。

１０バッテリ
２０コンバータ
２１，２２，３４〜３９スイッチング素子
２３コンデンサ
２４リアクトル
３０インバータ
４０ＥＣＵ
Ｄ１〜Ｄ８ダイオード
ＭＧモータジェネレータ

Claims

バッテリの直流電力を昇圧するコンバータと、このコンバータでの昇圧電力を交流電力に変換し、この変換された交流電力でモータを駆動するインバータと、当該コンバータの昇圧動作及び当該インバータの電力変換動作を制御する制御手段とを有し、この制御手段は、予め定められた常気圧の場合に、モータの巻線間電圧差の最大値であるモータ内最大電圧差が、モータ巻線間で部分的に生じる放電の開始電圧である部分放電開始電圧よりも低く且つモータで予め定められた必要トルクが得られる電圧値が当該モータに印加されるように通常設定されていることに基づき、当該インバータの電力変換動作を制御するモータの制御装置において、
前記制御手段は、前記モータへの供給電流の実効値と前記通常設定時のモータ内最大電圧差との関係を前記常気圧よりも低い低気圧の際の前記部分放電開始電圧と関連付けたデータマップを記憶する記憶手段を備え、
前記制御手段は、前記低気圧下で前記部分放電開始電圧が前記通常設定時のモータ内最大電圧差よりも下がった際に、前記インバータからモータに供給される電流が、少なくともモータを前記必要トルクで駆動するに必要な実効値となるように、当該インバータの電力変換動作を制御するとともに、前記低気圧の際に前記記憶手段のデータマップをもとに、当該低気圧で前記常気圧時より低レベルに下がった部分放電開始電圧と前記通常設定時のモータ内最大電圧差との交点における実効値を超える電流が前記インバータから前記モータに供給されるように制御し、更に、そのモータへの供給電流の位相を、当該モータのトルクを前記必要トルクと同一にする位相にシフトする制御を行うことを特徴とするモータの制御装置。