JP6020160B2 - インバータの暖機制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータの暖機制御装置に関するものである。

特許文献１には環境温度が低温の時に、インバータ装置が備えるコンデンサの温度を上昇させる電動機の制御方法が開示されている。具体的には、インバータ装置が置かれる環境温度に応じて、コンデンサの等価直列抵抗（ＥＳＲ）により生じるサージ電圧によってインバータ装置の構成部品がダメージを受けない最大許容モータ電流値を、モータ電流の最大値と温度との関係を示すマップ又は関係式を用いて設定する。そして、設定される最大許容モータ電流値が、電動機の起動に必要なトルクを発生させることができる値未満の温度領域においては、電動機の回転子の位置を推定するとともに最大許容モータ電流値以下の直流をｄ軸電流として供給することで、インバータ装置のコンデンサの温度を上昇させる。そして、コンデンサの温度が、最大許容モータ電流値が電動機の起動に必要なトルクを発生させることができる電流値となる温度以上になった後、暖機制御を終了して電動機に交流を供給するようにインバータ装置を制御する。

特開２００９−６０７７６号公報

ところで、コンデンサは低温環境下でＥＳＲが大きくなる傾向があるが、同じ温度であってもコンデンサの劣化が進んだ状態では新品のコンデンサに比較してさらにＥＳＲが大きくなる。このため、通常は、劣化したコンデンサに基づいて暖機制御を終了させる温度がやや高めに設定される。しかしながら、劣化したコンデンサに基づいて暖機制御終了温度を設定すると、新品のコンデンサにとってはＥＳＲが十分小さくなっている温度であっても引き続き暖機制御が行われることとなるため、所望の出力を出すことができるまでの時間が長くなってしまうという問題がある。

本発明の目的は、暖機時間の最適化を図ることができるインバータの暖機制御装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、インバータ回路においてブリッジ接続された複数のスイッチング素子を有し、前記インバータ回路の入力側に、並列接続された直流電源およびコンデンサが接続され、前記インバータ回路の出力側に、電動機の各相の巻線が接続されたインバータの暖機制御装置であって、前記コンデンサの劣化度を推定する劣化度推定手段と、前記劣化度推定手段により推定したコンデンサの劣化度に応じた暖機温度または暖機継続時間を設定する設定手段と、前記コンデンサの温度が規定温度よりも低い時において前記電動機の各相の巻線を介して前記コンデンサに直流電流を前記暖機温度となるまで、または、前記暖機継続時間供給するように前記インバータ回路の前記スイッチング素子を制御する暖機制御手段と、を備え、前記設定手段は、コンデンサの劣化が進むほど前記暖機温度を高く設定する、または、コンデンサの劣化が進むほど前記暖機継続時間を長く設定することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、劣化度推定手段によりコンデンサの劣化度が推定され、設定手段において、劣化度推定手段により推定したコンデンサの劣化度に応じた暖機温度または暖機継続時間が設定される。そして、暖機制御手段において、コンデンサの温度が規定温度よりも低い時において電動機の各相の巻線を介してコンデンサに直流電流を暖機温度となるまで、または、暖機継続時間供給するようにインバータ回路のスイッチング素子が制御される。

これにより、コンデンサの劣化度を考慮した暖機制御が行われ、暖機時間の最適化が図られる。例えば、コンデンサの劣化が最も進んだことを考慮して暖機制御を行う場合に比べて暖機時間の短縮化を図ることができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のインバータの暖機制御装置において、前記劣化度推定手段は、少なくともインバータの稼働時間およびインバータの使用温度に基づいてコンデンサの劣化度を推定することを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、劣化度推定手段において、少なくともインバータの稼働時間およびインバータの使用温度に基づいてコンデンサの劣化度が推定できる。

本発明によれば、暖機時間の最適化を図ることができる。

実施形態におけるインバータの回路図。 コンデンサ温度とコンデンサＥＳＲの関係を説明するための特性図。 コンデンサ温度の推移を示すタイムチャート。 作用を説明するためのフローチャート。 コンデンサ温度とコンデンサ劣化度の関係を示す特性図。

以下、本発明を、冷蔵倉庫においても使用されるフォークリフトに具体化した一実施形態を図面にしたがって説明する。フォークリフトは、バッテリフォークリフトであって、走行用電動機の駆動により走行が行われるとともに荷役用電動機の駆動により荷役動作が行われる。つまり、キーオンされた状態において、オペレータがアクセルペダルを操作すると走行用電動機が駆動されて走行でき、また、オペレータがリフトレバー等を操作すると荷役用電動機が駆動されてフォーク等の昇降により荷役動作できる。また、フォークリフトの温度仕様は−４０℃〜＋８０℃程度となっている。

図１に示すように、インバータ（三相インバータ）１０は、インバータ回路２０と駆動回路３０とコントローラ４０を備えている。インバータ回路２０の入力側には直流電源としてのバッテリ５０が接続されるとともに、出力側には走行用電動機（あるいは荷役用電動機）６０が接続されている。電動機６０には３相交流モータが使用されている。電動機６０は巻線６１，６２，６３を有し、電動機６０の各相の巻線６１，６２，６３がインバータ回路２０の出力側に接続されている。

インバータ回路２０は、６個のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６が設けられている。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、パワーＭＯＳＦＥＴが使用されている。なお、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ）を使用してもよい。各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６には、それぞれ帰還ダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列接続されている。

インバータ回路２０において、第１および第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、第３および第４のスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４、第５および第６のスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６がそれぞれ直列に接続されている。そして、第１、第３および第５のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５が、直流電源としてのバッテリ５０のプラス端子側に接続され、第２、第４および第６のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６が、バッテリ５０のマイナス端子側に接続されている。

Ｕ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の間の接続点は電動機６０のＵ相端子に、Ｖ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の間の接続点は電動機６０のＶ相端子に、Ｗ相用の上下のアームを構成するスイッチング素子Ｓ５，Ｓ６の間の接続点は電動機６０のＷ相端子に、それぞれ接続されている。そして、インバータ１０により、電動機６０の各相の巻線に交流電流が供給されて電動機６０が駆動される。このように、インバータ回路２０は、ブリッジ接続された複数のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を有する。

バッテリ５０の定格電圧は、例えば４８ボルトであり、各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６の耐圧は、７５ボルト程度ある。
インバータ回路２０と電動機６０との間には電流センサ７０，７１が設けられている。電流センサ７０，７１は電動機６０に供給される３相の電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうちの２相（この実施形態ではＵ相およびＷ相）の電流Ｉｕ，Ｉｗの電流値を検出する。

インバータ回路２０の入力側には、電解コンデンサ８０がバッテリ５０と並列に接続されている。第１、第３および第５のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ３，Ｓ５が電解コンデンサ８０のプラス端子側に接続され、第２、第４および第６のスイッチング素子Ｓ２，Ｓ４，Ｓ６が電解コンデンサ８０のマイナス端子側に接続されている。ところで、コンデンサを等価的に考えると、理想的なコンデンサ成分Ｃ以外に、抵抗成分Ｒやインダクタ成分Ｌなどを含むものとして考えることができる。図１において、電解コンデンサ８０を、等価的に理想コンデンサＣと抵抗成分Ｒが直列接続されたものとして表している。抵抗成分Ｒがコンデンサの等価直列抵抗（ＥＳＲ）である。電解コンデンサ８０が劣化するとＥＳＲ値が大きくなる。

このように、インバータ回路２０の入力側には、並列接続された直流電源としてのバッテリ５０および電解コンデンサ８０が接続されている。
コントローラ４０は、マイコン４１とメモリ４２を備えている。メモリ４２には電動機６０を駆動するのに必要な各種制御プログラムおよびその実行に必要な各種データやマップが記憶されている。制御プログラムには、通常の電動機（モータ）６０を回転駆動させるための制御プログラムや、低温時に暖機制御のために電動機６０に直流を流すための制御プログラム等が含まれる。暖機制御時には一定値の直流電流を流してコンデンサの暖機が行われる。

コントローラ４０のマイコン４１はインバータ回路２０の電圧Ｖｂを検知している。また、インバータ１０にはインバータ１０（電解コンデンサ８０等）の温度を検出する温度センサ９０が設けられる。温度検出手段としての温度センサ９０はコントローラ４０に接続され、コントローラ４０のマイコン４１はインバータ１０（電解コンデンサ８０等）の温度を検知している。さらに、コンデンサ８０に直列に電流センサ９５が設けられ、マイコン４１は電流センサ９５によりコンデンサ８０に流れる電流を検知している。

コントローラ４０は、駆動回路３０を介して各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６のゲートに接続されている。コントローラ４０には電流センサ７０，７１が接続されている。そして、コントローラ４０のマイコン４１は、各センサ７０，７１の検出信号に基づいて、電動機６０を目標出力となるように制御する制御信号を、駆動回路３０を介して各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６に出力する。そして、インバータ回路２０はバッテリ５０および電解コンデンサ８０から供給される直流を適宜の周波数の３相交流に変換して電動機６０に出力する。

車両には車両制御ＥＣＵ１２０が搭載されている。車両制御ＥＣＵ１２０は、オペレータによる操作に伴い操作センサ（図示略）から出力される操作信号を入力して車両動作を制御する。コントローラ４０は車両制御ＥＣＵ１２０と接続されており、マイコン４１はキースイッチの操作を検知することができる。インバータ１０の各スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６は、主回路基板１００に搭載されている。また、インバータ１０のコントローラ４０、駆動回路３０および温度センサ９０は制御基板１１０に搭載されている。

マイコン４１はコンデンサ８０の劣化度を把握している。具体的には、マイコン４１は、少なくともインバータの稼動時間（動作時間）、インバータの使用温度により把握している。つまり、劣化度推定手段としてのマイコン４１は、少なくともインバータの稼働時間およびインバータの使用温度に基づいてコンデンサ８０の劣化度を推定する。より詳しくは、インバータの稼動時間、コンバータの使用温度、稼動電流値、稼動電圧値等に基づいてコンデンサ８０の劣化度を推定する。コンバータの使用温度は温度センサ９０により、稼動電流値は電流センサ９５により、稼動電圧値はシステム電圧Ｖｂのモニタにより検知できる。

次に、作用について説明する。
まず、通常運転制御について説明する。
インバータ１０において、電動機６０の各相の巻線に交流電流を供給して電動機６０を駆動する。具体的には、マイコン４１は、温度センサ９０により検出された電解コンデンサ８０の温度が規定温度（例えば−２０℃）よりも高いときにおいては、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ４，Ｓ６を同時にオンにして、図１に一点鎖線で示すごとく、Ｕ相電流Ｉｕを流す。また、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ２，Ｓ６を同時にオンにしてＶ相電流Ｉｖを流す。さらに、スイッチング素子Ｓ５，Ｓ２，Ｓ４を同時にオンにしてＷ相電流Ｉｗを流す。このようにして、インバータ１０の動作として、バッテリ５０（電解コンデンサ８０）から直流電圧を入力して、ブリッジ接続したスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６がオン・オフされ、このオン・オフ動作に伴って出力側の電動機６０が通電される。このとき、マイコン４１において、各相で所望の電流が流れるように調整される。

また、電動機６０の通電に伴い発生する回生電力は電源側に戻される。つまり、電動機６０からの回生電力（回生電流）は帰還ダイオードＤ１〜Ｄ６を介して電解コンデンサ８０に蓄積される。この回生エネルギーは力行時に利用される。

次に、暖機制御について説明する。
図２にはコンデンサの温度特性を示す。横軸に温度をとり、縦軸にコンデンサのＥＳＲをとっている。図２において新品のコンデンサの特性線Ｌ１、および、劣化が進んだコンデンサの特性線Ｌ２を示す。特性線Ｌ１，Ｌ２は温度が低いほどＥＳＲ値が大きくなる。新品のコンデンサの特性線Ｌ１に対し劣化が進んだコンデンサの特性線Ｌ２は右側にシフトしている。つまり、新品のコンデンサに比べ劣化が進んだコンデンサは温度が低いほどＥＳＲ値がより大きくなる。

図２において新品のコンデンサにおける、スイッチング素子の耐圧を超えない範囲での出力制限ＥＳＲ値をＲｔｈとするとともに、当該Ｒｔｈ値に対応するコンデンサ温度（出力制限温度）をＴｔｈとする。出力制限温度ＴｔｈにおけるＥＳＲ値は劣化前に比べ劣化後には大きな値になるため、電圧変動も大きくなりスイッチング素子の耐圧を超えかねない状況となる。そこで、劣化が進んだときには、より高温まで、即ち、より長時間暖機を行う。換言すると、長時間の暖機によりコンデンサ温度を上昇させることによりＥＳＲを小さくする。

図３を用いて暖機時間と温度について説明する。キーオンに伴い、環境温度が判定され、その温度が例えば−４０℃と極めて低温である場合にはコンデンサの暖機制御が行われる。インバータに使用されているコンデンサが新品である場合には、ＥＳＲが十分に小さくなる温度が−３０℃であるため、暖機制御の継続時間はｔ１に設定される。一方で、長期の使用にともなってインバータのコンデンサが劣化した場合には、ＥＳＲが十分に小さくなる温度が−１０℃であるため、暖機制御の継続時間は、ｔ１よりも長いｔ２に設定される。

具体的には以下の処理を実行する。
図４に示すように、キーオンされると、マイコン４１はステップ１００でコンデンサ劣化度を取り込み、ステップ１０１で、図５に示すマップからコンデンサ劣化度に応じた暖機必要温度を算出する。図５においてコンデンサの劣化が進み劣化度が大きくなるほど、暖機必要温度が高く設定される。

さらに、マイコン４１は図４のステップ１０２で温度センサ９０による現在のコンデンサ温度を取り込み、ステップ１０３でコンデンサ温度が暖機必要温度以下か否か判定する。設定手段としてのマイコン４１はコンデンサ温度が暖機必要温度以下ならば暖機モードを設定してステップ１０４でマップからコンデンサの劣化度に応じた暖機継続時間を算出して設定する。そして、マイコン４１はステップ１０５で暖機制御を実施する（直流電流を流す）。マイコン４１はステップ１０６において暖機継続時間が経過したか否か判定して暖機継続時間が経過すると暖機制御を終了する。つまり、暖機制御手段としてのマイコン４１は、コンデンサ８０の温度が規定温度よりも低い時において電動機６０の各相の巻線を介してコンデンサ８０に直流電流を暖機継続時間供給するようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。

よって、図３に示すように、コンデンサの劣化が進み劣化度が大きくなるほど暖機制御が長く行われる。例えば新品のコンデンサを用いた場合、暖機温度が−３０℃となる暖機継続時間ｔ１であるが、劣化が進むと例えば暖機温度が−１０℃となる暖機継続時間ｔ２（＞ｔ１）とされる。

換言すると、コンデンサの劣化が最も進んだということを考慮して暖機制御を行った場合に比べ、本実施形態ではコンデンサの劣化が進んでいなければ暖機継続時間を短くできることになる。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）インバータの暖機制御装置の構成として、温度センサ９０と劣化度推定手段、設定手段および暖機制御手段としてのマイコン４１を備える。マイコン４１は、コンデンサの劣化度を推定し、推定したコンデンサの劣化度に応じた暖機継続時間を設定する。そして、マイコン４１は、コンデンサの温度が規定温度よりも低い時において電動機の各相の巻線を介してコンデンサ８０に直流電流を暖機継続時間供給するようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６を制御する。よって、コンデンサの劣化度を考慮した暖機制御が行われ、暖機時間の最適化が図られる。例えば、コンデンサの劣化が最も進んだことを考慮した暖機制御を行う場合に比べて暖機時間の短縮化を図ることができる。

（２）マイコン４１は、少なくともインバータの稼働時間およびインバータの使用温度に基づいてコンデンサの劣化度を推定するようにしたので、より正確にコンデンサの劣化度を推定することができる。

（３）設定手段としてのマイコン４１は、コンデンサの劣化が進むほど暖機継続時間を長く設定するので、暖機時間の最適化が図られる。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

・上記実施形態ではコンデンサの劣化度に応じた暖機継続時間を設定したが、これに代わりコンデンサの劣化度に応じた暖機温度を設定してもよい。つまり、設定手段としてのマイコン４１は、コンデンサの劣化が進むほど暖機温度を高く設定する。そして、マイコン４１は、コンデンサの温度が規定温度よりも低い時において電動機の各相の巻線を介してコンデンサ８０に直流電流を暖機温度となるまで供給するようにインバータ回路２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を制御する。

・暖機制御時に流す電流は条件により変えるようにしてもよい。
・電動機の種類は問わない。

１０…インバータ、２０…インバータ回路、４１…マイコン、５０…バッテリ、６０…電動機、８０…電解コンデンサ、９０…温度センサ、Ｓ１…スイッチング素子、Ｓ２…スイッチング素子、Ｓ３…スイッチング素子、Ｓ４…スイッチング素子、Ｓ５…スイッチング素子、Ｓ６…スイッチング素子。

Claims (2)

1. インバータ回路においてブリッジ接続された複数のスイッチング素子を有し、前記インバータ回路の入力側に、並列接続された直流電源およびコンデンサが接続され、前記インバータ回路の出力側に、電動機の各相の巻線が接続されたインバータの暖機制御装置であって、
   前記コンデンサの劣化度を推定する劣化度推定手段と、
   前記劣化度推定手段により推定したコンデンサの劣化度に応じた暖機温度または暖機継続時間を設定する設定手段と、
   前記コンデンサの温度が規定温度よりも低い時において前記電動機の各相の巻線を介して前記コンデンサに直流電流を前記暖機温度となるまで、または、前記暖機継続時間供給するように前記インバータ回路の前記スイッチング素子を制御する暖機制御手段と、
   を備え、
   前記設定手段は、コンデンサの劣化が進むほど前記暖機温度を高く設定する、または、コンデンサの劣化が進むほど前記暖機継続時間を長く設定することを特徴とするインバータの暖機制御装置。
2. 前記劣化度推定手段は、少なくともインバータの稼働時間およびインバータの使用温度に基づいてコンデンサの劣化度を推定することを特徴とする請求項１に記載のインバータの暖機制御装置。