JP6252681B2 - モータ制御装置及びモータ制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、モータ制御装置及びモータ制御方法に関するものである。
駆動軸に動力を出力可能なモータを備える車両において、以下のような動力出力装置の制御方法が開示されている。変速機を潤滑や冷却する潤滑冷却オイルのオイル温度Toilを、オイルパンに取り付けられた温度センサにより検出し、実行用オイル温度Toil*を設定する。設定した実行用オイル温度Toil*とモータのコイル温度Tcoil2とに基づいてモータMG2の負荷率R2を設定する。コイル温度Tcoil2が所定温度を超えると実行用オイル温度Toil*が高くなるほど、負荷率R2は大きく減少するように設定される。設定した負荷率R2を用いてモータトルク指令Tm2*を設定し、トルク指令Tm2*のトルクが出力されるようモータを駆動制御する。これにより、実行用オイル温度Toilが高くなるほどモータの駆動を大きく制限する(特許文献1)。
特開2008−99424号公報
ところで、変速機の潤滑油とモータが熱交換できる状態で配置された駆動システムにおいて、潤滑油の温度が上昇すると、モータの冷却水の温度も上昇する。また、当該冷却水がインバータを循環している場合には、インバータを構成する素子温度も上昇する。そして、このような駆動システムにおいて、モータ温度又はインバータ素子の温度が高温になることを防ぐためには、モータ温度又はインバータの素子温度に応じて、モータのトルクを制限すればよい。
特許文献1に開示された制御方法を、上記の駆動システムに適用する場合には、実行用オイル温度Toilを冷却水に置き換えて、冷却水用のセンサで検出し、検出された冷却水の温度が高くなるほどモータの駆動を大きく制限することが考えられる。
しかしながら、冷却水用のセンサの応答性が悪いため、例えば冷却水が短時間で上昇した場合には、適切にトルクを制限できないという問題があった。
本発明が解決しようとする課題は、適切なトルク制限を実行できるモータ制御装置及びモータ制御方法を提供することである。
本発明は、冷却手段を駆動した時点からの経過時間が所定時間より短い場合には、油温センサにより検出された検出温度に基づいてトルクに制限をかけることによって上記課題を解決する。
本発明は、トルクに制限をかけるときに使用される温度として、滑油の温度選択可能にしている。そのため、冷媒センサの検出値では適切なトルク制限をかけられない状態であっても、トルク制限をかける際に油温センサの検出値を用いることができる。その結果として、適切なトルク制限を実行できる。
図1は本実施形態に係る車両駆動システムのブロック図である。 図2は車両駆動システムの制御フローを示すフローチャートである。 図3は油温に対する冷却水のピーク温度の特性を示すグラフである。 図4は冷却水温に対するトルク制限値の特性を示すグラフである。 図5は駆動時間に対する、冷却水の実際の温度推移及び水温センサの検出値の推移を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る車両の駆動システムのブロック図である。本実施形態に係るモータ制御装置は、車両の駆動システムに適用される。車両は、電気自動車又はハイブリッド車両等、モータを備えた車両である。
図1に示すように、車両の駆動システムは、モータ1、インバータ2、パワー素子3、変速機4、油温センサ5、ラジエタ6、冷却水ポンプ7、冷却流路8、水温センサ9、リザーバタンク10、及びコントローラ100を備えている。なお、駆動システムの構成は、図1に示した構成に限らず、例えば駆動輪等も含まれる。
モータ1は、例えば、ロータに永久磁石を埋設し、ステータにステータコイルが巻き付けられた同期型モータジェネレータである。モータ1は、電動機としても機能するし発電機としても機能する。インバータ2から三相交流電力が供給されている場合には、モータ1は回転駆動する(力行)。一方、外力によってロータが回転している場合には、モータ1は、ステータコイルの両端に起電力を生じさせることで交流電力を生成する(回生)。
インバータ2は、車載バッテリ(図示しない)の電力を交流電力に変換し、変換された電力をモータ1に出力するための変換回路である。インバータ2はコントローラ100から送信されるトルク指令値に基づき、電流をモータ1に流すことで、モータトルクを発生させる。またモータ1が発電機として機能している場合には、インバータ2は、モータで発電された交流電力を直流電力に変換して、バッテリに出力する。インバータ2は、モータ1に接続されている。
なお、インバータ2には、トルク指令値に基づくスイッチング信号が入力され、インバータ2は、当該スイッチング信号によりスイッチング素子のオン、オフを切り替えることで、駆動する。スイッチング信号は、トルク指令値及びモータ1の回転数等に基づき生成される。スイッチング信号の生成はコントローラ100で行われる。
また、インバータ2はIGBT等のスイッチング素子をモジュール化したパワー素子3を有している。インバータ2の駆動時には、パワー素子3の損失によって、熱が発生し、パワー素子3の温度が上昇する。そのため、パワー素子3の温度を冷却するために、冷却水が循環している。
変速機4は、複数のプーリ間に掛け渡しベルト接触径を変化させることにより無段階の変速比を得る無段変速機構(CVT)である。変速機4の入力軸はモータ1の回転軸に連結されており、モータ1からの回転駆動力が変速機4に入力される。変速機4の出力軸は、変速機4の出力回転駆動力を駆動輪に伝達できるように、シャフトを介して駆動輪に連結されている。
変速機4の機械部分を潤滑又は冷却するために、潤滑油が変速機4内に流れ込むように構成されている。変速機4には、油温センサ5が配置されている。油温センサ5は、潤滑油の温度を検出するためのセンサである。油温センサ5の検出値はコントローラ100に出力される。
モータ1は変速機4に近接し又はモータ1の近傍に配置されている。少なくともモータ1と変速機4との間で熱が伝達されるように、モータ1及び変速機4は配置されている。モータ1が変速機4に近接するように配置される一例として、例えば、モータ1が変速機4に入っている場合には、変速機4内の潤滑油とモータ1との間で熱交換が行われる。またモータ1と変速機4は一体化されている場合も、モータ1と変速機4は近接して配置された状態となる。また、モータ1と変速機4との間に隙間を空けた状態で配置されたとしても、変速機4の熱がモータ1に伝わる状態であれば、モータ1は変速機4の近傍に配置された状態となる。
油温センサ5は潤滑油の温度を検出するためのセンサである。油温センサ5の検出値(検出温度)はコントローラ100に出力される。
ラジエタ6は冷却水の熱を交換するための交換器である。冷却水ポンプ7は、機械式又は電動式のポンプであり、冷却流路8内で冷却水を循環させるための装置である。冷却流路8は、冷却水を流すための流路である。冷却流路8は、冷却水とモータ1との間で熱交換し、かつ、冷却水とパワー素子3との間で熱交換できるように、モータ1及びインバータ2に設けられている。また、冷却流路8は、モータ1、インバータ2、水温センサ9、及びリザーバタンク10で冷却水を循環できるように、循環流路で形成されている。
水温センサ9は冷却水の温度を検出するためのセンサである。水温センサ9の検出値(検出温度)はコントローラ100に出力される。リザーバタンク10は冷却水を貯蔵するタンクである。
コントローラ100は、車両の全体を制御するためのコントローラであり、モータ1、インバータ2及び冷却水ポンプ7を制御する。コントローラ100は、各種プログラムが格納されたROMと、このROMに格納されたプログラムを実行する動作回路としてのCPU、アクセス可能な記憶装置として機能するRAM等を備えている。また、コントローラ100は、モータ1、インバータ2及び冷却水ポンプ7を制御する際の機能ブロックとして、ポンプ制御部101、トルク制限値演算部102、要求トルク演算部103、及びトルク指令値演算部104を有している。
ところで、車両の走行中、変速機4は発熱する。そのため、車両が駐車されて、メインスイッチがオフ状態になった場合に、変速機4の温度が高い状態となる。モータ1と変速機4との間は熱を伝えるため、車両の駐車中、変速機4の熱はモータ1に伝わり、モータ1内の冷却水が加熱される。そして、次回の走行で、メインスイッチがオンになり、冷却水ポンプ7が駆動すると、モータ1内の加熱された冷却水がインバータ2に流れる。そのため、車両の走行開始時には、パワー素子3の温度、又は、モータ1のコイル等の温度が高い状態となる。そして、このような温度が高い状態で、要求トルクが高く、当該要求トルクを満たすようにモータ1が駆動すると、パワー素子3等の温度がさらに高くなる。
パワー素子3等の温度を抑制するためには、冷却水の温度に応じてモータのトルクに制限をかければよい。トルク制限の制御方法としては、トルク制限値が設定され、要求トルクがトルク制限値より高い場合には、トルク指令値はトルク制限値に制限される。これにより、要求トルクに対して制限がかかる。
しかしながら、水温センサ9には応答時間の遅れがある。冷却水ポンプ7が駆動を開始し、加熱された冷却水が水温センサ9に流れた時に、水温センサ9は温度上昇に追随して水温を検出できない。そして、水温センサ9で検出された温度が、実際の冷却水の温度よりも低くなる。そのため、水温センサ9の検出値に基づいてモータ1の出力トルクに制限をかけた場合には、トルク制限が不十分になるという問題がある。
また他のトルク制限の方法として、冷却水ポンプ7の駆動開始時から、一定期間、トルク制限値を一定にすることが考えられる。冷却水ポンプ7の駆動が開始した後に、想定される最も高い温度の冷却水がモータ1から冷却流路8内を流れたとしても、パワー素子3等の温度が許容温度を超えないようにするためには、一定のトルク制限値は予め低い値に設定する必要がある。しかしながら、実際の冷却水の温度が、想定される最も高い温度になる頻度は低い。そのため、一定期間、トルク制限が必要以上にかかってしまうという問題がある。
本実施形態では、上記のような問題を解消するために、以下のような制御を行っている。図2〜図4を用いて、車両駆動システムの制御について説明する。図2はコントローラ100の制御フローを示すフローチャートである。図3は、潤滑油の温度(油温)と冷却水のピーク温度との関係を示すグラフである。図4は、冷却水の温度(冷却水温)とトルク制限値との関係を示すグラフである。
車両の駐車中に、車両のメインスイッチがオフからオンに切り変わると、図2に示す制御フローが始まる。ステップS1にて、ポンプ制御部101は、冷却水ポンプ7に駆動指令を送信する。冷却水ポンプ7は、駆動指令を受信して駆動し始める。冷却流路8内には冷却水が循環する。
ステップS2にて、油温センサ5は潤滑油の温度を検出する。トルク制限値演算部102は、油温センサ5から潤滑油の温度を取得する。ステップS3にて、水温センサ9は、冷却水の温度を検出する。トルク制限値演算部102は、水温センサ9から冷却水の温度を取得する。
ステップS4にて、トルク制限値演算部102は、冷却水ポンプ7の駆動時間と第1所定時間とを比較する。冷却水ポンプ7の駆動時間は、冷却水ポンプ7の駆動開始時から現在までの経過時間である。第1所定時間は、水温センサ9の検出の遅れ時間に応じて、予め設定されている時間である。冷却水ポンプ7が駆動した後、冷却水の温度が急峻に変化した場合に、水温センサ9の検出値が実際の冷却水の温度になるまで時間を要する。第1所定時間は、冷却水ポンプ7が駆動した時から、水温センサ9の検出値が実際の冷却水の温度になるまでの時間を示していている。すなわち、第1所定時間は、冷却水の温度変化が急峻なため、水温センサ9が温度変化を追随できずに、水温センサ9の検出値と実際の冷却水の温度が乖離している状態を、時間で示している。なお、第1所定時間の長さを設定する際に、水温センサ9の検出値は実際の冷却水の温度と完全に一致するまでの時間を、第1所定時間として設定する必要はない。水温センサ9の検出値と実際の冷却水の温度との乖離が小さい状態になるまでの時間を、第1所定時間として設定されてもよい。
そして、冷却水ポンプ7の駆動時間が第1所定時間より短い場合には、トルク制限値演算部102は、冷却水の実際の温度が水温センサ9の検出値よりも高いと判定し、ステップS5に進む。すなわち、駆動時間が第1所定時間を経過するまでに、冷却水の温度が急峻に変化した場合には、水温センサ9は、冷却水の実際の温度を、即座に検出できない。そのため、トルク制限値演算部102は、駆動時間から、実際の温度が水温センサ9の検出値より高くなっているとみなしている。
ステップS5にて、トルク制限値演算部102は、第1マップを参照し、油温センサ5で検出された潤滑油の温度に対応する冷却水のピーク温度を演算する。冷却水のピーク温度は、潤滑油の現在の温度の状態で、冷却水が到達する最大の温度を示している。潤滑油の温度が高い場合には、変速機4の温度も高くなっている。そして、変速機4の熱は、モータ1に伝わり冷却水の温度が高くなる。すなわち、潤滑油の温度と冷却水の温度との間には相関性があり、潤滑油の温度が高いほど、冷却水ポンプ7の駆動後に、冷却水のピーク温度は高くなる。
トルク制限値演算部102は、潤滑油の温度と冷却水のピーク温度との相対関係を第1マップとして格納している。当該相対関係は、図3のグラフで表され、潤滑油の温度が高いほど冷却水のピーク温度は高くなるような関係である。
ステップS6にて、トルク制限値演算部102は、第2マップを参照しつつ、冷却水のピーク温度に対応するトルク制限値を演算する。トルク制限値演算部102は、冷却水の温度とトルク制限値との相対関係を第2マップとして格納している。当該相対関係は、図4のグラフで表される。冷却水温がTより低い場合には、トルク制限値は一定値(A)になる。冷却水温がT以上でT以下である場合には、冷却水温が高くなるほど、トルク制限値は、AからAの間で低くなる。冷却水温がTより高い場合には、トルク制限値は一定値(A)なる。トルク制限値Aはトルク制限値Aよりも高い。なお、冷却水の温度とトルク制限値との相対関係は、図4に示す関係に限らず、他の特性で示される関係でもよい。
トルク制限値演算部102は、冷却水のピーク温度を第2マップで示される冷却水の温度に入力した上で、トルク制限値を演算する。トルク制限値演算部102はトルク制限値をトルク指令値演算部104に出力する。そして、ステップS10に進む。
これにより、冷却水ポンプ7の駆動時間が第1所定時間より短いである場合には、トルク制限値演算部102は、油温センサ5により検出された潤滑油の温度、又は、水温センサ9により検出された冷却水の温度のうち、油温センサ5の検出値を選択する。そして、トルク制限値演算部102は、選択した検出値に基づいて、トルク制限値を演算している。
ステップS4にて、冷却水ポンプ7の駆動時間が第1所定時間以上である場合には、ステップS7に進む。ステップS7にて、トルク制限値演算部102は、駆動時間と第2所定時間とを比較する。第2所定時間は、冷却水の温度が設計水温以下になるまでの時間を示している。例えば車両の通常の走行状態で想定される冷却水の上限温度が、設計水温として設定されている。
駆動時間が第2所定時間より短い場合にはステップS8に進む。ステップS8にて、トルク制限値演算部102は、第2マップを参照しつつ、水温センサ9の検出値に対応するトルク制限値を演算する。トルク制限値演算部102は、水温センサ9の検出値を第2マップで示される冷却水の温度に入力した上で、トルク制限値を演算する。トルク制限値演算部102はトルク制限値をトルク指令値演算部104に出力する。
これにより、冷却水ポンプ7の駆動時間が第1所定時間以上である場合には、トルク制限値演算部102は、油温センサ5により検出された潤滑油の温度、又は、水温センサ9により検出された冷却水の温度のうち、水温センサ9の検出値を選択する。そして、トルク制限値演算部102は、選択した検出値に基づいて、トルク制限値を演算している。
ステップS7にて、冷却水ポンプ7の駆動時間が第2所定時間以上である場合には、ステップS9に進む。ステップS9にて、トルク制限値演算部102は、モータ1の出力トルクの最大値をトルク制限値に設定する。トルク制限値演算部102はトルク制限値をトルク指令値演算部104に出力する。これにより、冷却水の温度又は潤滑油の温度に基づくトルク制限は解除される。そして、ステップS10に進む。
ステップS10にて、要求トルク演算部103は、アクセル開度に基づいて、モータ1に要求するトルクを要求トルクとして演算する。要求トルク演算部103は要求トルクをトルク指令値演算部104に出力する。
ステップS11にて、トルク指令値演算部104は、要求トルクとトルク制限値とを比較する。要求トルクがトルク制限値以上である場合には、ステップS12にて、トルク指令値演算部104は、トルク制限値をトルク指令値として演算し、インバータ2にトルク指令値を出力する。これにより、要求トルクがトルク制限値に制限される。
一方、要求トルクがトルク制限値未満である場合には、ステップS13にて、トルク指令値演算部104は、トルク制限をかけることなく、要求トルクをトルク指令値として演算し、インバータ2にトルク指令値を出力する。
ステップS14にて、コントローラ100は、メインスイッチがオフ状態であるか否かを判定する。メインスイッチがオン状態である場合には、ステップS2に進む。そして、メインスイッチのオン状態が継続する間は、ステップS2からステップS14までの制御フローが繰り返し行われる。メインスイッチがオフ状態である場合には、制御フローを終了する。
なお、ステップS9の制御フローにおいて、トルク制限を解除する場合には、トルク指令値演算部104は、緩変化処理により、トルク解除を滑らかに行ってもよい。例えば、冷却水ポンプ7の駆動時間が第2所定時間以上である場合には、ステップS9に進み、トルク制限が解除される。このときに、トルク制限値演算部102は、前回の制御フローによりステップS8で設定したトルク制限値を、出力トルクの最大値に変更せずに、以下の処理を行う。まず、トルク制限値演算部102は、冷却水の検出値に対して緩変化処理を施すことで、冷却水の温度を演算する。緩変化処理には、例えばなまし処理が用いられる。演算された冷却水の温度は、時間の経過に対して、滑らかに推移する。そして、トルク制限値演算部102は、演算した冷却水の温度を第2マップに入力して、トルク制限値を演算する。
すなわち、冷却水の温度に応じたトルク制限を解除する際には、冷却水の温度に対して緩変化処理を施し、かつ、緩変化処理を施した後の温度に基づいてトルク制限を行う。そして、当該トルク制限を行った後に、トルク制限を解除する。これにより、冷却水ポンプ7の駆動時間が第2所定時間に達した時点で、トルク制限がすぐに解除されないため、トルク指令値の急変を抑制できる。その結果として、運転性の悪化を回避できる。
一方、冷却水ポンプ7の駆動時間が第2所定時間より短い場合には、冷却水の温度に応じたトルク制限が行われる。トルク制限を行う際には、トルク制限値演算部102は冷却水の温度に対して緩変化処理を施さない。これにより、トルク制限を行う際には、即座にトルクを制限することができるため、モータ1又はインバータ2を熱から保護できる。
次に、冷却水の温度推移及び水温センサ9の検出値の推移を、図5に示しつつ、コントローラ100の制御について説明する。温度推移は、冷却水ポンプ7の駆動を開始した後の推移である。図5の横軸は、冷却水ポンプ7の駆動時間を示し、縦軸は冷却水の温度(冷却水温)を示す。点線のグラフは水温センサ9の検出値(水温センサ温度)を示し、実線のグラフは冷却水の実際の温度を示す。また、時間tは第1所定時間を示し、時間tは第2所定時間を示す。
冷却水ポンプ7の駆動が開始し、駆動時間が時間tになると、変速機4の熱により加熱された冷却水がモータ1及びインバータ2に流れる。そのため、冷却流路8を循環する冷却水の温度が上昇する。水温センサ9は、冷却水の急峻な温度変化を追随できない。駆動時間が第1所定時間tに達するまでは、冷却水の実際の温度と水温センサ9の検出値との乖離は大きくなる。
本実施形態と異なり、駆動時間が第1所定時間tよりも短い状態で、水温センサ9の検出値に応じてトルク制限を行った場合には、当該検出値が低いため、図4に示すようにトルク制限値が高い値に設定される。その結果として、適切なトルク制限がかからない状態となる。一方、本実施形態では、トルク制限値演算部102は、トルク制限値を演算する際、油温センサ5の検出値を選択し、油温センサ5の検出値に基づいてトルク制限値を演算する。これにより、トルク制限値が低い値に設定されて、適切なトルク制限を実行できる。
駆動時間が第1所定時間tを経過すると、冷却水の温度変化が緩やかになり、水温センサ9の検出値は実際の温度に追随するようになる。トルク制限値演算部102は、トルク制限値を演算する際、水温センサ9の検出値を選択し、水温センサ9の検出値に基づいてトルク制限値を演算する。これにより、冷却水の温度が安定した後は、実際の冷却水の温度に応じてトルク制限を実行できる。
駆動時間が第2所定時間tを経過すると、冷却水の温度は設計温度よりも低くなるため、冷却水の温度に応じたトルク制限が解除される。
本実施形態において、コントローラ100は、油温センサ5により検出された潤滑油の温度、又は、水温センサ9により検出された冷却水の温度のいずれか一方の温度を選択し、選択した温度に基づいてトルクに制限をかける。これにより、例えば、水温センサ9の検出値に基づくトルク制限では、適切なトルク制限をかけられない状態であっても、油温センサ5の検出値を用いてトルク制限をかけることができる。その結果として、適切なトルク制限を実行できる。
また本実施形態において、コントローラ100は、冷却水の実際の温度が冷却センサ9の検出値よりも高い状態であると判定した場合には、油温センサ5の検出値を選択しつ、選択された検出値に基づいて、トルクに制限をかける。これにより、例えば、冷却水の温度が短時間で上昇し、冷却水の実際の温度が冷却センサ9の検出値よりも高い状態において、適切なトルク制限を実行することができる。
なお、本実施形態において、モータ1又はパワー素子3を冷却する冷媒として、水を用いたが、冷媒は水以外の他の冷媒でもよい。
上記のコントローラが本発明の「制御手段」に相当する。冷却水ポンプ7、冷却流路8、及びリザーバタンク10が本発明の「冷却手段」に相当する。水温センサ9が本発明の「冷媒センサ」に相当する。
1…モータ
2…インバータ
3…パワー素子
4…変速機
5…油温センサ
7…冷却水ポンプ
8…冷却流路
9…水温センサ
10…リザーバタンク
100…コントローラ

Claims (4)

  1. モータと、
    前記モータに近接し又は前記モータの近傍に配置された変速機と、
    前記変速機の潤滑油の温度を検出する油温センサと、
    冷媒により前記モータを冷却する冷却手段と
    前記モータのトルクを制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、
    前記冷却手段を駆動した時点からの経過時間が所定時間より短い場合には、前記油温センサにより検出された潤滑油温度を検出温度として選択し、
    前記検出温度に基づいて前記トルクに制限をかける
    ことを特徴とするモータ制御装置。
  2. 請求項に記載のモータ制御装置において、
    前記冷媒の温度を検出する冷媒センサを備え、
    前記制御手段は、
    前記冷却手段を駆動した時点からの経過時間が前記所定時間より長い場合には、前記冷媒センサにより検出された冷媒温度を前記検出温度として選択する
    ことを特徴とするモータ制御装置。
  3. 請求項1又は2に記載のモータ制御装置において、
    前記冷媒の温度を検出する冷媒センサを備え、
    前記制御手段は、
    前記冷媒センサにより検出された冷媒温度に基づいて前記トルクに制限をかける場合には、前記冷媒温度に所定の緩変化処理を施すことなくトルク制限を行い、
    前記トルク制限を解除する場合には、前記冷媒温度に前記緩変化処理を施し、かつ、前記緩変化処理を施した後の前記冷媒温度に基づいて前記トルク制限を行った後に、前記トルク制限を解除する
    ことを特徴とするモータ制御装置。
  4. モータのトルクを制御する制御方法において、
    前記モータに近接し又は前記モータの近傍に配置された変速機の潤滑油を、油温センサにより検出し、
    冷却手段を駆動させて冷媒により前記モータを冷却し
    前記冷却手段を駆動した時点からの経過時間が所定時間より短い場合には、前記油温センサにより検出された潤滑油温度を検出温度として選択し、
    前記検出温度に基づいて前記トルクに制限をかける
    ことを特徴とするモータ制御方法。
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