JP6893152B2

JP6893152B2 - 電流推定装置、電動圧縮機、電流推定方法及びモータ電流実効値推定方法

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Publication number: JP6893152B2
Application number: JP2017171976A
Authority: JP
Inventors: 服部　誠; 誠服部; 洋行上谷; 樋口　博人; 博人樋口; 雅裕森; 渡邊　恭平; 恭平渡邊
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Thermal Systems Ltd
Priority date: 2017-09-07
Filing date: 2017-09-07
Publication date: 2021-06-23
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: CN111034017A; CN111034017B; JP2019045120A; DE112018004926T5; US20210155080A1; US11413937B2; WO2019049625A1

Description

本発明は、電流推定装置、電動圧縮機、電流推定方法及びモータ電流実効値推定方法に関する。

カーエアコンに用いられる空気調和装置用の圧縮機として、インバータ装置が組み込まれたインバータ一体型の電動圧縮機が提供されている。この電動圧縮機には、車両に搭載された電源ユニットからの高電圧電力を電動圧縮機が備えるモータに供給するための高電圧回路が設けられている。

関連する技術として、特許文献１には、車両用空気調和装置が備える電動圧縮機について、電動圧縮機の起動時にモータを流れる電流値に基づいて回転数を制御することにより、液圧縮による損傷等を防ぐ技術が開示されている。

特開２００２−３４０４２３号公報

例えば、上記のインバータ一体型の電動圧縮機の場合、高電圧回路に設定されているコンデンサの電流を正確に推定し、把握することができれば、より適切に、故障防止となる圧縮機運転を行うことができる。そのため、コンデンサに流れるキャパシタ電流を推定する技術が望まれている。

そこでこの発明は、上述の課題を解決することのできる電流推定装置、電動圧縮機、電流推定方法及びモータ電流実効値推定方法を提供することを目的としている。

本発明の一態様は、モータを駆動させる高電圧回路のキャパシタ電流を推定する電流推定装置であって、前記高電圧回路に含まれるインバータの入力電圧と前記モータの回転数とを用いて電圧利用率を演算する電圧利用率演算部と、前記電圧利用率を予め定められた第１演算式に適用して第１定数を演算する第１定数演算部と、前記第１定数に前記モータのモータ電流実効値を乗じて前記高電圧回路に含まれるコンデンサのキャパシタ電流を演算するキャパシタ電流演算部と、を備える電流推定装置である。

本発明の一態様における前記第１演算式は、ｎ、Ａ０、Ａｉ（ｉ＝１〜ｎ）を所定の定数とし、前記第１定数をα、前記電圧利用率をＮｖ、としたとき以下の式（１）である。

本発明の一態様における前記電流推定装置は、前記電圧利用率を予め定められた第２演算式に適用して第２定数を演算する第２定数演算部と、前記第２定数に前記インバータの入力電流を乗じて前記モータ電流実効値を演算するモータ電流実効値演算部と、をさらに備える。

本発明の一態様における前記第２演算式は、ｍ、Ｂ０、Ｂｊ（ｊ＝１〜ｍ）を所定の定数とし、前記第２定数をβ、前記電圧利用率をＮｖとしたとき以下の式（２）である。

本発明の一態様は、上記の何れかに記載の電流推定装置、を備える電動圧縮機である。

本発明の一態様は、モータを駆動させる高電圧回路のキャパシタ電流を推定する電流推定方法であって、前記高電圧回路に含まれるインバータの入力電圧と前記モータの回転数とを用いて電圧利用率を演算するステップと、前記電圧利用率を予め定められた第１演算式に適用して第１定数を演算するステップと、前記第１定数に前記モータのモータ電流実効値を乗じて前記高電圧回路に含まれるコンデンサのキャパシタ電流を演算するステップと、を有する電流推定方法である。

本発明の一態様は、モータを駆動させる高電圧回路のモータ電流実効値を推定するモータ電流実効値推定方法であって、前記高電圧回路に含まれるインバータの入力電圧と前記モータの回転数とを用いて電圧利用率を演算するステップと、前記電圧利用率を予め定められた第２演算式に適用して第２定数を演算するステップと、前記第２定数に前記インバータの入力電流を乗じて前記モータ電流実効値を演算するステップと、を有するモータ電流実効値推定方法である。

本発明によれば、モータを駆動する高電圧回路に設けられたコンデンサのキャパシタ電流を正確に推定することができる。

本発明の一実施形態における電動圧縮機が搭載された車両の概略ブロック図である。本発明の一実施形態における電動圧縮機の一例を示す図である。本発明の一実施形態における電流推定装置の一例を示す機能ブロック図である。本発明の一実施形態における電流推定処理の一例を示すフローチャートである。

＜実施形態＞
以下、本発明の一実施形態によるキャパシタ電流の電流推定処理について、図１〜図４を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態における電動圧縮機が搭載された車両の概略ブロック図である。
図１に車両３に搭載されたＥＣＵ（Electric Control Unit）１と車載用の空気調和装置２とを示す。図示するように車両３は、ＥＣＵ１と空気調和装置２とを備えている。また、空気調和装置２は、電動圧縮機１０を備えている。ＥＣＵ１は、車両３の電装機器の制御を行う。空気調和装置２は、カーエアコンユニットである。電動圧縮機１０は、車載用空気調和装置に用いられる電動圧縮機である。電動圧縮機１０は、インバータ装置が一体に組み込まれたインバータ一体型電動圧縮機である。ＥＣＵ１と空気調和装置２は、信号線、通信線、電力線等で接続され、空気調和装置２は、ＣＡＮ（Controller Area Network）通信によりＥＣＵ１の制御信号を受信する。そして、ユーザが、エアコンに対して起動、停止、温度設定等の操作を行うと、ＥＣＵ１は、その操作に応じた制御信号を生成し、空気調和装置２の動作を制御する。また、空気調和装置２に組み込まれた電動圧縮機１０も、ＥＣＵ１が生成した制御信号に基づいて動作する。次に電動圧縮機１０とその制御回路について説明する。

図２は、本発明の一実施形態における電動圧縮機の一例を示す図である。
図２に空気調和装置２が備える電動圧縮機１０の概略構成を示す。
バッテリ２０は、車両３（空気調和装置２の外部）に搭載された電源ユニットである。バッテリ２０は、電動圧縮機１０に高圧の直流電力を供給する。電動圧縮機１０は、制御回路１００と、圧縮部１１と、モータ１２と、制御装置５０と、電流推定装置６０と、を備える。制御回路１００は、コンデンサ３０、インバータ４０、電圧検出回路７０、電流検出回路８０を備える。インバータ４０とモータ１２は電力線で接続される。また、制御回路１００が備える所定の構成要素と制御装置５０とは信号線で接続されている。インバータ４０は、バッテリ２０から供給された直流電力を三相交流に変換し、モータ１２へ供給する。このように電動圧縮機１０は、車両３に搭載された電源ユニット（バッテリ２０）から供給される高電圧の直流電力をインバータ４０で三相交流電力に変換し、それをモータ１２に印加することによって駆動されるものである。インバータ４０は、制御装置５０によって制御される。制御装置５０は、ＩＣ（Integrated Circuit）等で構成され、ＥＣＵ１から取得した制御信号に基づいて、インバータ４０を介してモータ１２を所望の動作に制御する。例えば、制御装置５０は、モータ１２の回転数ωを制御する。モータ１２がインバータ４０からの指示によって回転駆動することにより、圧縮部１１が冷媒を圧縮し、空気調和装置２が備える冷媒回路（図示せず）へ冷媒を供給する。

また、制御回路１００には電圧検出回路７０、電流検出回路８０が設けられている。電圧検出回路７０は、インバータ４０に入力される直流電圧（インバータ入力電圧Ｖｄｃ）を検出する。電流検出回路８０は、インバータ４０の入力電流（インバータ入力電流Iｄｃ）を検出する。

ところで、電動圧縮機１０の性能や制御効率の向上、故障防止のためには、コンデンサ３０のキャパシタ電流Ｉｃａｐの値を把握できるとよいことが分かっている。そこで、本実施形態では、図２で例示する高電圧回路のコンデンサ３０に流れるキャパシタ電流を推定する方法を提供する。図２の電流推定装置６０は、本実施形態に係るキャパシタ電流の推定装置である。電流推定装置６０は、電圧検出回路７０、電流検出回路８０、制御装置５０と信号線で接続されている。電流推定装置６０は、モータ１２の回転数ω、インバータ４０の入力電流値Ｉｄｃ、インバータ４０の入力電圧値Ｖｄｃをこれらの回路等から取得し、演算によりキャパシタ電流Ｉｃａｐを推定する。制御装置５０は、推定されたキャパシタ電流Ｉｃａｐを取得して電動圧縮機１０の制御に用いる。
なお、図２では、電流推定装置６０は、制御装置５０とは別の装置として記載したが、電流推定装置６０は、制御装置５０の一部に含まれるように構成されていてもよい。

図３は、本発明の一実施形態における電流推定装置の一例を示す機能ブロック図である。
図示するように電流推定装置６０は、入出力部６１と、電圧利用率演算部６２と、第１定数演算部６３と、第２定数演算部６４と、モータ電流実効値演算部６５と、キャパシタ電流演算部６６と、記憶部６７と、を備える。
入出力部６１は、インバータ入力電流Ｉｄｃ、インバータ入力電圧Ｖｄｃ、モータ１２の回転数ωを取得する。

電圧利用率演算部６２は、誘起電圧定数ＫＥ［Ｖｒｍｓ／ｒｐｍ］、回転数ω［ｒｐｍ］、インバータ入力電圧Ｖｄｃ［Ｖ］を用いて、以下の式（３）により、電圧利用率Ｎｖを演算する。
Ｎｖ = （ＫＥ×ω）／（Ｖｄｃ／√２）・・・・（３）

第１定数演算部６３は、電圧利用率演算部６２が演算した電圧利用率Ｎｖを、以下の式（４）（第１演算式）に適用して第１定数αを演算する。
α ＝Ａ０＋（Ａ１×Ｎｖ）＋（Ａ２×Ｎｖ^２）＋（Ａ３×Ｎｖ^３）＋（Ａ４×Ｎｖ^４）＋（Ａ５×Ｎｖ^５）＋（Ａ６×Ｎｖ^６）＋（Ａ７×Ｎｖ^７）＋（Ａ８×Ｎｖ^８）＋（Ａ９×Ｎｖ^９）＋（Ａ１０×Ｎｖ^１０）＋・・・＋（Ａｎ×Ｎｖ^ｎ）・・・・（４）ここで、Ａ０、Ａ１、・・・・、Ａｎは所定の定数である。なお、式（４）は以下の式で表すことができる。

また、以下に式（４）の具体例（ｎ＝１０）を示す。
α ＝Ａ０＋（Ａ１×Ｎｖ）＋（Ａ２×Ｎｖ^２）＋（Ａ３×Ｎｖ^３）＋（Ａ４×Ｎｖ^４）＋（Ａ５×Ｎｖ^５）＋（Ａ６×Ｎｖ^６）＋（Ａ７×Ｎｖ^７）＋（Ａ８×Ｎｖ^８）＋（Ａ９×Ｎｖ^９）＋（Ａ１０×Ｎｖ^１０）
Ａ０＝１．２、Ａ１＝−７．６、Ａ２＝６０．０、Ａ３＝−２００、Ａ４＝４６０、Ａ５＝−５００、Ａ６＝３２０．５、Ａ７＝０、Ａ８＝−１０６、Ａ９＝５２．７、Ａ１０＝−８．５
上記、例示したようにＡ０〜Ａｎは、添字が偶数の場合と奇数の場合とで交互に正の値と負の値とを繰り返すように設定することができる。これにより、第１定数αの近似精度を向上することができる。また、Ａ０〜Ａｎのうち少なくとも１つ（上記例ではＡ７）の値を「０」とすることで、定数αの近似精度が向上することが確認されている。

第２定数演算部６４は、電圧利用率演算部６２が演算した電圧利用率Ｎｖを、以下の式（５）（第２演算式）に適用して第２定数βを演算する。
β ＝Ｂ０＋（Ｂ１×Ｎｖ）＋（Ｂ２×Ｎｖ^２）＋（Ｂ３×Ｎｖ^３）＋（Ｂ４×Ｎｖ^４）＋（Ｂ５×Ｎｖ^５）＋（Ｂ６×Ｎｖ^６）＋（Ｂ７×Ｎｖ^７）＋（Ｂ８×Ｎｖ^８）＋（Ｂ９×Ｎｖ^９）＋（Ｂ１０×Ｎｖ^１０）＋・・・＋（Ｂｍ×Ｎｖ^ｍ）・・・・（５）
ここで、Ｂ０、Ｂ１、・・・・、Ｂｍは所定の定数である。なお、式（５）は以下の式で表すことができる。

以下に式（５）の具体例（ｍ＝１０）を示す。
β ＝Ｂ０＋（Ｂ１×Ｎｖ）＋（Ｂ２×Ｎｖ^２）＋（Ｂ３×Ｎｖ^３）＋（Ｂ４×Ｎｖ^４）＋（Ｂ５×Ｎｖ^５）＋（Ｂ６×Ｎｖ^６）＋（Ｂ７×Ｎｖ^７）＋（Ｂ８×Ｎｖ^８）＋（Ｂ９×Ｎｖ^９）＋（Ｂ１０×Ｎｖ^１０）
Ｂ０＝１３．２、Ｂ１＝−１２０、Ｂ２＝６００、Ｂ３＝−１７５０、Ｂ４＝２９７０、Ｂ５＝−３０００．２、Ｂ６＝１４３０．８、Ｂ７＝０、Ｂ８＝−３７０、Ｂ９＝１７０、Ｂ１０＝−２５
第１定数αの場合と同様、Ｂ０〜Ｂｍは、添字が偶数の場合と奇数の場合とで交互に正の値と負の値とを繰り返すように設定することができる。これにより、第２定数βの近似精度を向上することができる。また、Ｂ０〜Ｂｍのうち少なくとも１つ（上記例ではＢ７）の値を「０」とすることで、定数βの近似精度が向上することが確認されている。

モータ電流実効値演算部６５は、第２定数演算部６４が演算した第２定数βと、インバータ入力電流Ｉｄｃとを乗じて、モータ電流実効値Ｉｍ［Ａｒｍｓ］を演算する。具体的には、モータ電流実効値演算部６５は、以下の式（６）によって、モータ電流実効値Ｉｍを演算する。
Ｉｍ = β×Ｉｄｃ・・・（６）

キャパシタ電流演算部６６は、第１定数演算部６３が演算した第１定数αと、モータ電流実効値演算部６５が演算したモータ電流実効値Ｉｍとを乗じてキャパシタ電流Ｉｃａｐを演算する。具体的には、キャパシタ電流演算部６６は、以下の式（７）によって、キャパシタ電流実効値Ｉｃａｐを演算する。
Ｉｃａｐ = α×Ｉｍ・・・（７）
記憶部６７は、誘起電圧定数ＫＥ、Ａ０〜Ａｎ、Ｂ０〜Ｂｍなどの定数を記憶する。

次に本実施形態のキャパシタ電流推定処理の流れについて説明する。
図４は、本発明の一実施形態における電流推定処理の一例を示すフローチャートである。
まず、入出力部６１が、電圧検出回路７０からインバータ入力電圧Ｖｄｃを、電流検出回路８０からインバータ入力電流Ｉｄｃを、制御装置５０から回転数ω（指令値）を、それぞれ取得する（ステップＳ１１）。

次に電圧利用率演算部６２が、上記の式（３）によって電圧利用率Ｎｖを演算する（ステップＳ１２）。
次に第１定数演算部６３が、上記の式（４）によって第１定数αを演算する（ステップＳ１３）。

一方、第２定数演算部６４は、上記の式（５）によって第２定数βを演算する（ステップＳ１４）。第２定数演算部６４が第２定数βを演算すると、次にモータ電流実効値演算部６５が、上記の式（６）によってモータ電流実効値Ｉｍを演算する（ステップＳ１５）。

最後にキャパシタ電流演算部６６が、上記の式（７）によってキャパシタ電流Ｉｃａｐを演算する（ステップＳ１６）。その後、例えば、入出力部６１は、キャパシタ電流Ｉｃａｐを制御装置５０へ出力する。制御装置５０は、キャパシタ電流Ｉｃａｐの推定値を用いて、インバータ４０の制御を行う。

本実施形態によれば、制御回路１００から取得できる情報に基づく演算だけでキャパシタ電流Ｉｃａｐを推定することができる。これにより、キャパシタ電流Ｉｃａｐを、電動圧縮機１０の性能向上などに活用することができるようになる。また、キャパシタ電流Ｉｃａｐを検出するセンサを設ける必要がないので、コストの増大を防ぐことができる。また、電動圧縮機１０は、車載用の空気調和装置に用いられるため、高い信頼性が求められるところ、キャパシタ電流検出用のセンサを設けると、センサの故障等により信頼性が低下する可能性があるが、本実施形態の電流推定装置６０であれば、センサを設置することが無い為、信頼性を損ねる可能性が少ない。また、車載用空気調和機に用いられるインバータ一体型の電動圧縮機には、搭載スペースの観点から小型であることが要求されるところ、本実施形態の演算による電流推定方法であれば、センサの設置による装置の大型化を防ぐことができる。

電流推定装置６０の全ての機能又は一部の機能は、例えば、ＬＳＩ（Large Scale Integration）などの集積回路で構成されたハードウェアによって実現してもよい。また、電流推定装置６０の全ての機能又は一部の機能は、ＭＣＵ（micro computer unit）等のコンピュータによって構成されても良い。その場合、電流推定装置６０における各処理の過程は、例えば電流推定装置６０が有するＣＰＵがプログラムを実行することによって実現できる。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能である。また、この発明の技術範囲は上記の実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

また、上記実施形態では、電動圧縮機１０が、車両３のカーエアコンの一部を構成する場合を例に説明を行ったが、電動圧縮機１０は、冷凍・冷蔵車の空気調和装置に適用することも可能である。また、電動圧縮機１０の適用先の装置は、車両以外にも、船、航空機、鉄道など、各種の移動体に搭載する空気調和装置であっても良い。その場合であっても、本実施形態に係る電流推定装置６０を電動圧縮機１０の制御装置とともに組み込むことで、電動圧縮機１０を駆動するモータ１２の高電圧回路に設けられたキャパシタの電流を推定し、電動圧縮機１０の制御に役立てることができる。

また、上記の電流推定装置６０の少なくとも一部の機能（入出力部６１、第２定数演算部６４、モータ電流実効値演算部６５、記憶部６７）のみを実装した装置を構成し、図２に例示した制御回路１００に接続することで、モータ電流実効値推定装置として利用することができる。モータ電流実効値推定装置は、インバータ入力電圧Ｖｄｃ、インバータ入力電流Ｉｄｃ、回転数ωを取得し、上記の式（４）によって、モータ電流実効値Ｉｍを推定する（図４のフローチャートでは、ステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１５の処理を行う）。

１・・・ＥＣＵ
２・・・空気調和装置
１０・・・電動圧縮機
１１・・・圧縮部
１２・・・モータ
２０・・・バッテリ
３０・・・コンデンサ
４０・・・インバータ
５０・・・制御装置
６０・・・電流推定装置
６１・・・入出力部
６２・・・電圧利用率演算部
６３・・・第１定数演算部
６４・・・第２定数演算部
６５・・・モータ電流実効値演算部
６６・・・キャパシタ電流演算部
６７・・・記憶部

Claims

モータを駆動させる高電圧回路のキャパシタ電流を推定する電流推定装置であって、
前記高電圧回路に含まれるインバータの入力電圧と前記モータの回転数とを用いて電圧利用率を演算する電圧利用率演算部と、
前記電圧利用率を予め定められた第１演算式に適用して第１定数を演算する第１定数演算部と、
前記第１定数に前記モータのモータ電流実効値を乗じて前記高電圧回路に含まれるコンデンサのキャパシタ電流を演算するキャパシタ電流演算部と、
を備える電流推定装置。
前記第１演算式は、ｎ、Ａ０、Ａｉ（ｉ＝１〜ｎ）を所定の定数とし、前記第１定数をα、前記電圧利用率をＮｖ、としたとき以下の式（１）である、請求項１に記載の電流推定装置。
前記電圧利用率を予め定められた第２演算式に適用して第２定数を演算する第２定数演算部と、
前記第２定数に前記インバータの入力電流を乗じて前記モータ電流実効値を演算するモータ電流実効値演算部と、
をさらに備える請求項１または請求項２に記載の電流推定装置。
前記第２演算式は、ｍ、Ｂ０、Ｂｊ（ｊ＝１〜ｍ）を所定の定数とし、前記第２定数をβ、前記電圧利用率をＮｖとしたとき以下の式（２）である、請求項３に記載の電流推定装置。
請求項１から請求項４の何れか１項に記載の電流推定装置、を備える電動圧縮機。
モータを駆動させる高電圧回路のキャパシタ電流を推定する電流推定方法であって、
前記高電圧回路に含まれるインバータの入力電圧と前記モータの回転数とを用いて電圧利用率を演算するステップと、
前記電圧利用率を予め定められた第１演算式に適用して第１定数を演算するステップと、
前記第１定数に前記モータのモータ電流実効値を乗じて前記高電圧回路に含まれるコンデンサのキャパシタ電流を演算するステップと、
を有する電流推定方法。
モータを駆動させる高電圧回路のモータ電流実効値を推定するモータ電流実効値推定方法であって、
前記高電圧回路に含まれるインバータの入力電圧と前記モータの回転数とを用いて電圧利用率を演算するステップと、
前記電圧利用率を予め定められた第２演算式に適用して第２定数を演算するステップと、
前記第２定数に前記インバータの入力電流を乗じて前記モータ電流実効値を演算するステップと、
を有するモータ電流実効値推定方法。