JP5906877B2

JP5906877B2 - 電動機器の保護装置

Info

Publication number: JP5906877B2
Application number: JP2012070578A
Authority: JP
Inventors: 浦野　徹; 徹浦野
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2012-03-27
Filing date: 2012-03-27
Publication date: 2016-04-20
Anticipated expiration: 2032-03-27
Also published as: JP2013207812A

Description

本発明は、電動車両などに用いる電動機器の保護装置に関する。

電気自動車やハイブリッド車などの電動車両にはモータやインバータなどの電動機器が用いられており、これらは熱交換器などを用いて冷却されている。特に、インバータ内部に設けられたＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）は、熱的保護が必要であり、オーバーヒートによる焼損を防止するため、冷却を行う必要がある。

特開２０１１−１９１００６号公報

モータやインバータなどを冷却する熱交換器において、冷却水を循環するウォーターポンプ（以降、Ｗ／Ｐと呼ぶ。）は、冷却水として用いるＬＬＣ（ロング・ライフ・クーラント）濃度が一定であれば、通常、Ｗ／Ｐの回転数で流量を知ることができる。しかしながら、エア噛み状態では、Ｗ／Ｐは回転しているにも拘わらず、冷却水が流れてないことがある。そのような状況において、インバータ内部のＩＧＢＴに大きな電流を流すと、オーバーヒートして焼損する可能性がある。冷却水の流量を直接計測する流量計を設置すれば、冷却水の流量を知ることはできるが（特許文献１）、コストの問題がある。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、低コストで、冷却水の流れを検知して、熱的保護制御を行うことができる電動機器の保護装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る電動機器の保護装置は、
少なくともインバータ又は前記インバータにより駆動されるモータを含む電動機器と、
前記電動機器を冷却水により冷却する冷却系と、
前記電動機器の温度を測定する温度測定手段と、
前記モータが出力するトルクのトルク指令値を前記インバータへ指令する制御手段とを有し、
前記制御手段は、
予め、前記冷却系に正常な冷却水流量が流れているときに、前記トルク指令値における単位時間当たりの温度変化量を測定して、当該温度変化量に基づいて前記トルク指令値における所定変化量を設定しておき、
前記トルク指令値における前記電動機器の単位時間当たりの温度変化量を測定し、
前記温度変化量が予め定めた前記所定変化量以上である場合、前記トルク指令値を抑制しており、
前記所定変化量を、前記トルク指令値が大きくなるに従って小さくなるように変更することを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る電動機器の保護装置は、
上記第１の発明に記載の電動機器の保護装置において、
前記温度測定手段は、前記インバータのＩＧＢＴ、前記インバータの抵抗又は前記モータのコイルの少なくとも１つの温度を測定することを特徴とする。

第１の発明によれば、インバータやモータの温度変化量に基づき、温度変化量が予め定めた所定変化量以上である場合、冷却水流量が不足し、冷却系異常と判定するので、新たに流量計を追加することなく、低コストで、冷却水の流れを検知でき、インバータやモータに対して熱的保護制御を行うことができる。

また、所定変化量をトルク指令値が大きくなるに従って小さくなるように変更するので、トルク指令値が大きいときは、予め定める所定変化量をより小さくし、小さな温度変化量で熱的保護制御を行うようにして、より安全な制御範囲でインバータやモータを制御することができる。

第２の発明によれば、熱的保護が必要なインバータのＩＧＢＴ、抵抗、モータのコイルの温度変化に対応して、熱的保護制御を行うことができる。

本発明に係る電動機器の保護装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。図１に示した電動機器におけるＩＧＢＴを説明する概略構成図である。図１に示した電動機器の保護装置における制御を説明するグラフであり、時間経過に伴う温度変化を示すグラフである。図３に示したグラフから作成されるグラフであり、単位時間当たりの温度変化と冷却水流量との関係を示すグラフである。図１に示した電動機器の保護装置における制御手順を説明するフローチャートである。

本発明に係る電動機器の保護装置の実施形態について、図１〜図５を参照して説明を行う。

（実施例１）
図１は、本実施例の電動機器の保護装置を示す概略構成図であり、図２は、図１に示した電動機器におけるＩＧＢＴを説明する概略構成図である。又、図３は、本実施例の電動機器の保護装置の制御を説明する、時間経過に伴う温度変化を示すグラフであり、図４は、図３に示したグラフから作成される、単位時間当たりの温度変化と冷却水流量との関係を示すグラフである。又、図５は、本実施例の電動機器の保護装置の制御手順を説明するフローチャートである。

電気自動車やハイブリッド車などの電動車両における電動機器としては、例えば、三相のモータ１１が使用されており、モータ１１へは、バッテリ１２からの直流電圧をインバータ１３で三相交流電圧に変換して供給している。モータ１１へインバータ１３から三相交流電圧を供給する際には、アクセルペダル１４の踏み込み量などに基づいて、ＥＣＵ（Electronics Control Unit；制御手段）１５において、モータ１１へのトルク指令値を算出しており、ＥＣＵ１５からのトルク指令値に基づいて、インバータ１３において、トルク指令値に対応する三相交流電圧を生成しており、これをモータ１１へ供給して、モータ１１を駆動している。

インバータ１３は、コンデンサ２１、ＩＧＢＴモジュール２２、抵抗２３などを有しており、使用時に発熱して高温になるＩＧＢＴモジュール２２、抵抗２３は、ヒートシンク２４の吸熱面側に取り付けられている。ヒートシンク２４の放熱面側には多数の放熱フィン２４ａが設けられており、放熱フィン２４ａを含めた放熱面側が、インバータ１３に設けた冷却部２５において、冷却水で冷却されている。

モータ１１やインバータ１３には、その温度を測定する温度センサ（温度測定手段）が設けられている。例えば、インバータ１３の内部において、その発熱部である抵抗２３の近傍には、サーミスタなどの温度センサ２６（温度測定手段）が設けられており、同じく発熱部であるＩＧＢＴモジュール２２の内部にも、サーミスタなどの温度センサ２７（温度測定手段）が設けられている。この温度センサ２７は、ＩＧＢＴモジュール２２自体が当初から備えているものである。同様に、使用時には、モータ１１のコイル１１ａも発熱して高温になるため、発熱部であるコイル１１ａの近傍にも、サーミスタなどの温度センサ２８（温度測定手段）が設けられている。この温度センサ２８も、モータ１１自体が当初から備えているものである。

ＩＧＢＴモジュール２２は、図２を参照すると、絶縁基板３１、絶縁基板３１の上面側に設けられたシリコンチップ３２、３３、コンデンサ２１と接続される端子３４、シリコンチップ３２、３３及び端子３４との間を接続する配線３５を有している。絶縁基板３１には、例えば、熱伝導性の高いセラミクスなどが使用されており、この絶縁基板３１の下面側がヒートシンク２４の吸熱面側に取り付けられている。そして、絶縁基板３１の上面側であって、発熱量が大きいシリコンチップ３３の近傍に、前述した温度センサ２７が設けられている。

モータ１１やインバータ１３は、使用時に発熱して高温となるため、冷却水による冷却が行われている。具体的には、図１に示すように、モータ１１やインバータ１３を含め、ラジエータ１６、Ｗ／Ｐ１７を配管１８により直列に接続して冷却系を構成している。従って、熱交換器となるラジエータ１６で冷却した冷却水は、Ｗ／Ｐ１７を用いて、インバータ１３の冷却部２５へ供給され、その後、モータ１１のウォータージャケットへ供給され、その後、ラジエータ１６へ戻っており、ラジエータ１６→Ｗ／Ｐ１７→インバータ１３→モータ１１を冷却水が循環している。

このようにして、Ｗ／Ｐ１７により冷却水が循環されているが、前述したように、エア噛み状態では、Ｗ／Ｐ１７が回転していても、冷却水が流れてないことがある。そこで、本実施例においては、ＩＧＢＴモジュール２２やモータ１１自体に当初から備えられている温度センサ２７、２８を用いることにより、冷却水が正常に流れているかどうか判定するようにしている。

具体的には、冷却系が正常な状態、つまり、正常な状態で流れる冷却水の流量（所定流量）の条件において、ＥＣＵ１５からの複数のトルク指令値に対して、ＩＧＢＴモジュール２２の温度センサ２７の時間経過に伴う温度変化を測定しておく。

一例として、図３においては、冷却系が正常な状態の冷却水流量の条件と冷却系が異常な状態の冷却水流量の条件において、同じトルク指令値を用いて、ＩＧＢＴモジュール２２の温度センサ２７の時間経過に伴う温度変化を測定したグラフを示している。冷却系が正常であれば、所定流量の冷却水が流れているので、図３のグラフ中の点線に示すように、時間経過に伴う温度変化量（上昇量）は小さい。一方、冷却系に異常があれば、冷却水の流量が不足しているので、図３のグラフ中の実線に示すように、時間経過に伴う温度変化量（上昇量）が大きくなる。このように、温度変化量を測定し、正常な状態における温度変化量と比較することにより、冷却に必要な流量が確保できているか否か判定することができる。

なお、冷却系が正常な状態の冷却水流量の条件を含む複数の冷却水流量の条件において、ＥＣＵ１５からの複数のトルク指令値に対して、ＩＧＢＴモジュール２２の温度センサ２７の時間経過に伴う温度変化を測定しておけば、例えば、図４に示すような、温度変化量と冷却水流量の関係を示すマップデータを作成可能である。冷却水として用いるＬＬＣ濃度が一定又は既知であれば、このようなマップデータを用いることにより、温度変化量から実際に流れている冷却水の流量を推定することが可能である。

又、図３、図４では、ＩＧＢＴモジュール２２の温度センサ２７について例示したが、モータ１１の温度センサ２８やインバータ１３の温度センサ２６についても、上記と同様の測定を各々行い、正常な状態における各々の温度変化量を予め求めておいてもよいし、図４に示したような各々のマップデータを予め作成しておいてもよい。

ここで、図５のフローチャートに基づいて、図１〜図４も参照して、本実施例の電動機器の保護装置の制御手順を説明する。なお、この制御手順では、ＩＧＢＴモジュール２２の温度センサ２７を用いた場合を例示しているが、モータ１１の温度センサ２８、インバータ１３の温度センサ２６を用いる場合も、同様の制御手順が適用可能である。つまり、制御対象となる電動機器は、少なくともモータ１１又はインバータ１３を含むことになる。

＜ステップＳ１＞
電動車両において、ドライバがイグニッションスイッチ（図示省略）をオン（ＩＧ−ＯＮ）にする。すると、バッテリ１２とインバータ１３との間に設けられた電源スイッチ（図示省略）により、バッテリ１２とインバータ１３との間が電気的に接続されて、モータ１１が駆動可能な状態となる。

＜ステップＳ２＞
ドライバがアクセルペダル１４を踏み込むと、その踏み込み量などに基づいて、ＥＣＵ１５がトルク指令値を算出し、インバータ１３へ指令することになる。このとき、算出したトルク指令値が、予め定めた所定トルク値以上である場合には、ステップＳ３へ進み、所定トルク値未満である場合には、ステップＳ８へ進む。この所定トルク値としては、温度変化量の測定における誤検知が起きないようにするため、温度変化量がある程度大きくなるトルク値を用いるようにする。なお、ここでは、温度変化量に相関するものとして、トルク値を用いているが、モータ１１へ供給する電流値を用いてもよい。

＜ステップＳ３＞
ステップＳ２において、算出したトルク指令値が、予め定めた所定トルク値以上である場合には、ＥＣＵ１５が算出したトルク指令値において、インバータ１３、モータ１１を駆動し、ＩＧＢＴモジュール２２の温度センサ２７の時間経過に伴う温度変化を測定する。このとき、単位時間あたりの温度変化量（温度上昇量）が、予め定めた所定変化量以上である場合には、ステップＳ４へ進み、所定変化量未満である場合には、ステップＳ７へ進む。

この所定変化量は、図３に示した点線のグラフ（正常時のグラフ）に基づいて、設定すればよい。例えば、図３に示した点線のグラフに閾値を加え、この閾値を含む変化量を所定変化量とすればよい。又、ＥＣＵ１５が算出したトルク指令値の大きさに応じて、閾値の設定を変えてもよく、例えば、トルク指令値が大きくなるに従って、閾値を小さくし、所定変化量が小さくなるように変更して、小さな温度変化量で熱的保護制御を行うようにして、より安全な制御範囲でインバータ１３やモータ１１を制御するようにしてもよい。なお、モータ１１の温度センサ２８やインバータ１３の温度センサ２６で測定した所定変化量に閾値を加える場合も、上記と同様な閾値を各々設定すればよい。

更には、図４に示したマップデータに基づき、単位時間あたりの温度変化量（温度上昇量）から、冷却水流量を推定し、推定した流量に基づいて、ステップＳ３における判定、即ち、正常な流量であるか否かの判定を行ったり、後述するトルク抑制を行ったりするようにしてもよい。

＜ステップＳ４〜Ｓ６＞
ステップＳ３において、測定した温度変化量が、予め定めた所定変化量以上である場合には、Ｗ／Ｐ１７により供給している冷却水の流量が不足していると判定し（ステップＳ４）、冷却系異常と判定し（ステップＳ６）、使用するトルクを抑制する（ステップＳ６）。例えば、当初のトルク指令値から段階的にトルクを抑制していき、最終的に、ＩＧＢＴ２２が焼損に至ることがないような値のトルクに抑制するようにしてもよいし、図４に示したマップデータに基づいて、冷却水流量を推定した場合には、冷却水流量に応じて、冷却水流量が少ない程、トルクを大きく抑制するようにしてもよい。

＜ステップＳ７＞
一方、ステップＳ３において、測定した温度変化量が、予め定めた所定変化量未満である場合には、Ｗ／Ｐ１７により供給している冷却水が所定流量で流れていると判定でき、冷却系正常と判定する。

＜ステップＳ８＞
ステップＳ２において、算出したトルク指令値が、予め定めた所定トルク値未満である場合、そして、ステップＳ３において、測定した温度変化量が、予め定めた所定変化量未満であり、ステップＳ７において、冷却系正常と判定された場合には、ＥＣＵ１５の指令通り、トルク出力を行って、インバータ１３、モータ１１を駆動する。

ステップＳ６、ステップＳ８のトルク制御が実施された後、ＥＣＵ１５からのトルク指令値が変更された場合には、ステップＳ２へ戻り、同じ制御手順を繰り返す。

以上の制御により、モータ１１やインバータ１３などからなる電動機器の冷却系において、流量計を用いずに、冷却水が正常に流れているかどうか判定することができ、更には、冷却水の流量を推定することができる。そして、冷却水が正常に流れていないと判定した場合には、異常と判定し、使用するトルクを抑制して、ＩＧＢＴモジュール２２へ大電流を流さないようにする保護制御を行い、ＩＧＢＴモジュール２２の焼損を防止することができる。又、流量計などを新たに設置することなく、既存の部品を用いて、上記制御を実施しているので、製造コストを抑制することもできる。

なお、上述した制御手順においては、モータ１１やインバータ１３に一定の負荷をかけた状態において、その温度上昇量を測定し、温度上昇量に基づいて、冷却系の正常／異常の判定、トルク抑制を行っているが、無負荷の状態において、その温度変化量、即ち、温度低下量を測定し、温度低下量に基づいて、冷却系の正常／異常の判定、トルク抑制を行うようにしてもよい。

本発明は、モータで車両を駆動する電気自動車やハイブリッド車などの電動車両に好適なものである。

１１モータ
１２バッテリ
１３インバータ
１４アクセルペダル
１５ＥＣＵ（制御手段）
１６ラジエータ
１７ウォーターポンプ（Ｗ／Ｐ）
１８配管
２２ＩＧＢＴモジュール
２３抵抗
２４ヒートシンク
２６〜２８サーミスタ（温度測定手段）

Claims

少なくともインバータ又は前記インバータにより駆動されるモータを含む電動機器と、
前記電動機器を冷却水により冷却する冷却系と、
前記電動機器の温度を測定する温度測定手段と、
前記モータが出力するトルクのトルク指令値を前記インバータへ指令する制御手段とを有し、
前記制御手段は、
予め、前記冷却系に正常な冷却水流量が流れているときに、前記トルク指令値における単位時間当たりの温度変化量を測定して、当該温度変化量に基づいて前記トルク指令値における所定変化量を設定しておき、
前記トルク指令値における前記電動機器の単位時間当たりの温度変化量を測定し、
前記温度変化量が予め定めた前記所定変化量以上である場合、前記トルク指令値を抑制しており、
前記所定変化量を、前記トルク指令値が大きくなるに従って小さくなるように変更することを特徴とする電動機器の保護装置。
請求項１に記載の電動機器の保護装置において、
前記温度測定手段は、前記インバータのＩＧＢＴ、前記インバータの抵抗又は前記モータのコイルの少なくとも１つの温度を測定することを特徴とする電動機器の保護装置。