JP7123165B2

JP7123165B2 - 回転電機の駆動装置

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Publication number: JP7123165B2
Application number: JP2020557480A
Authority: JP
Inventors: 秀昭川元; 知也立花; 又彦池田; 義彦金原
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-11-29
Filing date: 2018-11-29
Publication date: 2022-08-22
Anticipated expiration: 2038-11-29
Also published as: CN113165525B; US11881804B2; JPWO2020110259A1; WO2020110259A1; US20220045643A1; CN113165525A; DE112018008175T5

Description

本発明は、回転電機の駆動装置に係り、特に蓄電池から供給される電力によって駆動される回転電機の駆動装置に関する。

電気自動車等の回転電機を搭載する車両では、回転電機に電力を供給する蓄電池への充電を行う必要がある。この際、蓄電池の温度が充電に適した温度よりも低い場合には、充電開始に先って蓄電池を放電させることによって、蓄電池の温度を充電に適した温度まで上昇させる必要がある。

特許文献１には、回転電機の駆動電力の熱変換要求がある場合に、ＤＣ／ＡＣインバータ回路に出力するスイッチング信号の周波数を制御することによって、ＤＣ／ＡＣインバータ回路の電力変換効率を意図的に低下させる発明が記載されている。特許文献１では、ＤＣ／ＡＣインバータ回路の電力変換効率が低下すると、蓄電池の放電量が増加するため、結果的に蓄電池の温度が上昇する。

特開２０１８－０９８８５７号公報

特許文献１では、回転電機の電気角の単位周期あたりのパルス数に基づいて、ＤＣ／ＡＣインバータ回路に出力するスイッチング信号の周波数を制御している。この場合、車両の停止時には、回転電機の電気角の単位周期は無限長となる。したがって、車両の停止時に蓄電池への充電を行う場合には、特許文献１の技術を用いて蓄電池の温度を上昇させることはできない。

本発明は、上記のような課題を解決するためのものであり、回転電機が回転していない状態においても蓄電池の温度を上昇させることができる、回転電機の駆動装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明に係る回転電機の駆動装置は、蓄電池から供給される直流電力を交流電力に変換して回転電機に供給する電力変換部と、電力変換部にスイッチング信号を出力する制御部であって、蓄電池の充電時に、外部から入力される蓄電池の温度が充電に適した設定温度よりも低い場合には、電力変換部のスイッチング信号を、回転電機の通常駆動状態におけるスイッチング信号とは異なるように設定する、制御部とを備え、電力変換部は、ＤＣ／ＡＣインバータ回路を含み、制御部は、外部から入力される回転電機の電気角が、回転電機の各相の電流量の最大値と最小値との差が最小となる位相と一致するように、前記ＤＣ／ＡＣインバータ回路のスイッチング信号を設定する。

本発明に係る回転電機の駆動装置によれば、回転電機が回転していない状態においても蓄電池の温度を上昇させることができる。

本発明の実施の形態１に係る回転電機の駆動装置を搭載した車両および充電設備の構成を示すブロック図である。図１の回転電機の各相の電流位相の一例である。各相における電流量の最大値と最小値とを抽出した図である。各相における電流量の最大値と最小値との差を抽出した図である。位相３０度における回転電機内の各相のコイルの発熱量を示す図である。位相０度における回転電機内の各相のコイルの発熱量を示す図である。本発明の実施の形態６に係る回転電機の駆動装置を搭載した車両および充電設備の構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態１～６に係る制御部の各機能を専用のハードウェアである処理回路で実現する場合を示した構成図である。本発明の実施の形態１～６に係る制御部の各機能をプロセッサおよびメモリを備えた処理回路より実現する場合を示した構成図である。

以下、添付図面を参照して、本願が開示する回転電機の駆動装置の実施の形態について、本発明に係る回転電機の駆動装置を車両に適用した場合を例にとって、詳細に説明する。ただし、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって、本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る回転電機の駆動装置を搭載した車両および充電設備の構成を示すブロック図である。

（車両１の構成）
車両１は、回転電機２と、駆動装置３と、蓄電池４と、充電器５とを備えている。また、車両１の外部には、車両１の蓄電池４への充電を行う際に交流電力を供給可能な充電設備６が設置されている。

回転電機２は、車両１の力行時には、駆動装置３から供給される三相交流電力によって駆動される。また、回転電機２は、車両１の回生時には、自身が発電した三相交流電力を駆動装置３に出力する。

駆動装置３は、電力変換部７と、制御部８とを備えている。駆動装置３は、回転電機２と蓄電池４との間の電力の授受を制御する。

電力変換部７は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路７ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ回路７ｂを含んでいる。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路７ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ回路７ｂは、制御部８から入力されるスイッチング信号に基づいて動作する。

電力変換部７は、車両１の力行時には、蓄電池４から供給される直流電力を三相交流電力に変換して回転電機２に供給する。また、電力変換部７は、車両１の回生時には、回転電機２によって発電された三相交流電力を直流電力に変換して蓄電池４に供給する。

制御部８は、電力変換部７の動作を制御する。詳細には、制御部８は、電力変換部７のＤＣ／ＤＣコンバータ回路７ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ回路７ｂに出力するスイッチング信号によって、電力変換部７の動作を制御する。

蓄電池４は、車両１の力行時には、自身が蓄える電力を駆動装置３の電力変換部７を介して回転電機２に供給する。蓄電池４は、車両１の回生時には、回転電機２で発電されて駆動装置３の電力変換部７によって変換された電力を充電する。また、蓄電池４は、車両１の停止時における充電設備６からの充電時には、充電設備６から供給されて充電器５によって変換された電力を充電する。

充電器５は、充電設備６から車両１の蓄電池４への充電時に、充電設備６から供給される交流電力を直流電力に変換して蓄電池４に供給する。

また、回転電機２には、回転電機２の電気角を検出する角度センサ９が取り付けられている。角度センサ９によって検出された回転電機２の電気角は、駆動装置３の制御部８に入力される。

また、回転電機２には、回転電機２と電力変換部７との間の三相交流電力の電流値を検出する電流センサ１０が取り付けられている。電流センサ１０によって検出された電流値は、駆動装置３の制御部８に入力される。

また、蓄電池４には、蓄電池４の温度を検出する温度センサ１１が取り付けられている。温度センサ１１によって検出された蓄電池４の温度は、駆動装置３の制御部８に入力される。

（車両１の走行時における駆動装置３の動作）
次に、車両１の走行時における駆動装置３の動作について説明する。なお、車両１の走行時には、車両１と充電設備２とは接続されていない。

駆動装置３の制御部８は、角度センサ９によって検出される回転電機２の電気角および電流センサ１０によって検出される回転電機２と電力変換部７との間の電流値に基づいて、回転電機２の駆動状態を制御する。

詳細には、駆動装置３の制御部８は、電力変換部７に出力するコンバータスイッチング信号およびインバータスイッチング信号を制御することによって、回転電機２の駆動状態を制御する。

より詳細には、駆動装置３の制御部８は、車両１の力行時には、車両１の要求する回転数およびトルクとなるように、回転電機２の駆動状態を制御する。また、駆動装置３の制御部８は、車両１の回生時には、蓄電池４に充電される電力を出力するように、回転電機２の駆動状態を制御する。

さらに、駆動装置３の制御部８は、回転電機２および電力変換部７における電力損失が少なくなるように、コンバータスイッチング信号およびインバータスイッチング信号を制御する。

具体的には、電力変換部７における電力損失を少なくするためには、電力変換部７の変換効率が最大限高くなるように制御する必要がある。一般に、電力変換部７の電力変換効率を高くするためには、コンバータスイッチング信号およびインバータスイッチング信号の周波数を下げるとよい。

ただし、コンバータスイッチング信号およびインバータスイッチング信号の周波数が下がると、電力変換部７の制御性も低下する。そのため、駆動装置３の制御部８は、電力変換部７の電力変換効率と制御性とのトレードオフを考慮しながら、コンバータスイッチング信号およびインバータスイッチング信号の周波数、およびその他のパラメータを決定する。

これ以降の説明において、上記のように電力変換部７の電力変換効率と制御性とのトレードオフを考慮した上で、電力変換部７の電力変換効率を最大限高くした状態における回転電機２の駆動状態を「通常駆動状態」と定義する。

（車両１の充電時における駆動装置３の動作）
次に、充電設備６から車両１の蓄電池４への充電時における駆動装置３の動作について説明する。なお、この際、車両１は停止しており、車両１と充電設備６とが接続されている。

先述したように、充電設備６から蓄電池４への充電の際に、蓄電池４の温度が充電に適した設定温度よりも低い場合には、蓄電池４を放電させることによって、蓄電池４の温度を充電に適した設定温度まで上昇させる必要がある。

この目的のために、駆動装置３の制御部８は、次に述べる制御を実施することによって、回転電機２および電力変換部７において蓄電池４の電力を消費させ、蓄電池４の温度を上昇させる。

（蓄電池４の温度を上昇させる制御）
駆動装置３の制御部８は、電力変換部７に出力するコンバータスイッチング信号およびインバータスイッチング信号の周波数を、上述した車両１の走行時における回転電機２の通常駆動状態とは異なる周波数に設定する。この際、コンバータスイッチング信号およびインバータスイッチング信号の周波数は、回転電機２の電気角の回転周期に依存しない固定周期とする。

上述したように、車両１の走行時における回転電機２の通常駆動状態では、電力変換部７に出力するコンバータスイッチング信号およびインバータスイッチング信号の周波数は、回転電機２および電力変換部７の電力変換効率が最大限高い状態に維持されるように制御されている。

電力変換部７に出力するコンバータスイッチング信号およびインバータスイッチング信号の周波数を、回転電機２の通常駆動状態とは異なる周波数に設定すると、回転電機２および電力変換部７の電力変換効率が低下する。

回転電機２および電力変換部７の電力変換効率が低下することによって、蓄電池４の放電量が増加する。これにより、蓄電池４の温度を充電に適した設定温度まで高めることができる。この際、コンバータスイッチング信号およびインバータスイッチング信号の周波数は、回転電機２の電気角の回転周期に依存しない固定周期である。そのため、この制御は、車両１の停車時においても実施可能である。

以上説明したように、本発明の実施の形態１に係る回転電機の駆動装置において、制御部は、蓄電池の充電時に、蓄電池の温度が充電に適した設定温度よりも低い場合には、電力変換部に出力するスイッチング信号を、回転電機の通常駆動状態におけるスイッチング信号とは異なるように設定する。これにより、回転電機が回転していない状態においても蓄電池の温度を上昇させることができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２に係る回転電機の駆動装置について説明する。なお、以降の実施の形態２～５と実施の形態１とでは、駆動装置の構成は同一であり、制御部によって実施される蓄電池の温度を上昇させる制御の内容のみが異なる。そのため、以降の実施の形態２～５では、実施の形態１との相違点である蓄電池の温度を上昇させる制御の内容についてのみ詳細に説明する。

実施の形態２に係る駆動装置３の制御部８は、蓄電池４の温度を上昇させる際には、コンバータスイッチング信号およびインバータスイッチング信号の周波数を、予め決定された最高周波数に設定する。

一般に、電力変換部７の電力損失は、スイッチング信号の周波数に比例する。そのため、スイッチング信号の周波数を高くすると、電力変換部７の電力変換効率は低下する。電力変換部７の電力変換効率が低下することによって、蓄電池４の放電量が増加する。これにより、蓄電池４の温度を充電に適した設定温度まで高めることができる。

ただし、スイッチング信号の周波数を高くすると、電力変換部７における発熱量も増大する。そのため、予め決定された最高周波数とは、電力変換部７の耐熱特性を考慮して、電力変換部７が耐えられる温度範囲内における最高周波数である。

実施の形態３．
実施の形態３に係る駆動装置３の制御部８は、電力変換部７に含まれるＤＣ／ＤＣコンバータ回路７ａの昇圧電圧が、回転電機２および電力変換部７の電力損失の和が最大となる昇圧電圧となるように、コンバータスイッチング信号のデューティ比を設定する。

一般に、回転電機２の電力損失は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路７ａの昇圧電圧に反比例する。ただし、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路７ａの昇圧電圧が一定値以上になると、回転電機２の電力損失はそれ以上低下しない。

また、一般に、ＤＣ／ＡＣインバータ回路７ｂの電力損失は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路７ａの昇圧電圧に比例する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路７ａ自体の電力損失は、回路構成に依存して、昇圧電圧に対する傾向が異なる。

上記の事項を考慮して、実施の形態３に係る駆動装置３の制御部８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路７ａの昇圧電圧が、回転電機２並びにＤＣ／ＤＣコンバータ回路７ａおよびＤＣ／ＡＣインバータ回路７ｂの各電力損失の和が最大となる昇圧電圧となるように、コンバータスイッチング信号のデューティ比を設定する。

回転電機２および電力変換部７の電力損失が大きくなることによって、蓄電池４の放電量が増加する。これにより、蓄電池４の温度を充電に適した設定温度まで高めることができる。

実施の形態４．
実施の形態４に係る駆動装置３の制御部８は、回転電機２内の隣接するコイル同士の発熱量が同時に大きくならないように、インバータスイッチング信号を設定する。

この目的のために、駆動装置３の制御部８は、角度センサ９によって検出される回転電機２の電気角が、回転電機２の各相の電流量の最大値と最小値との差が最小となる位相と一致するように、インバータスイッチング信号を設定する。

なお、以降の説明において、電流とは、プラスまたはマイナスの値を有するものである。また、電流量とは、電流の大きさ、すなわち電流の絶対値をとったものである。

図２は、回転電機２の各相の電流位相の一例である。また、図３は、図２から、各相における電流量の最大値と最小値とを抽出した図である。また、図４は、図３から、各相における電流量の最大値と最小値との差を抽出した図である。

図４から見て取れるように、位相が０度、６０度、１２０度、１８０度、２４０度、３００度の時に、各相の電流量の最大値と最小値との差が最小になる。また、位相が３０度、９０度、１５０度、２１０度、２７０度、３３０度の時に、各相の電流量の最大値と最小値との差が最大になる。

図５は、位相３０度における、回転電機２内の各相のコイルの発熱量を示している。図５において、Ｗ相のコイル２ａの発熱量は大であり、Ｕ相のコイル２ｂの発熱量も大であり、Ｖ相のコイル２ｂの発熱量はゼロである。この図から見て取れるように、位相３０度では、回転電機２内の隣接するコイル同士の発熱量が同時に大きくなる。

図６は、位相０度における、回転電機２の各相のコイルの発熱量を示している。図６において、Ｗ相のコイル２ａの発熱量は中程度であり、Ｕ相のコイル２ｂの発熱量は大であり、Ｖ相のコイル２ｃの発熱量は中程度である。この図から見て取れるように、位相０度では、回転電機２内の隣接するコイル同士の発熱量が同時に大きくなることがない。

実施の形態４では、駆動装置３の制御部８は、角度センサ９によって検出される回転電機２の電気角が、回転電機２の各相の電流量の最大値と最小値との差が最小となる位相と一致するように、インバータスイッチング信号を設定する。これにより、回転電機２内の隣接するコイル同士の発熱量が同時に大きくなることがないため、回転電機２の耐熱特性が低い場合にも対応することができる。

実施の形態５．
実施の形態５に係る駆動装置３の制御部８は、角度センサ９によって検出される回転電機２の電気角に基づいて、予め決定された１つまたは複数の設定角度の中から１つを選択する。駆動装置３の制御部８は、選択された１つの設定角度に基づいて、インバータスイッチング信号を設定する。

例えば、複数の設定角度とは、図２に示される０度、６０度、１２０度、１８０度、２４０度、３００度である。駆動装置３の制御部８は、これら６個の設定角度の中から、角度センサ９によって検出される回転電機２の電気角に最も近い設定角度を選択する。

一般に、回転電機２が実際には回転していないにも関わらず、角度センサ９によって検出される電気角の値がノイズ等の影響によって揺れてしまう場合がある。この揺れた電気角に基づいてインバータスイッチング信号を設定してしまうと、回転電機２にトルクが発生して、回転電機２が振動してしまう。実施の形態５では、揺れた電気角に基づいて、インバータスイッチング信号を設定してしまうことを防ぐことができる。

実施の形態６．
次に、本発明の実施の形態６に係る回転電機の駆動装置について説明する。
図７は、本発明の実施の形態６に係る回転電機２の駆動装置６０３を搭載した車両６０１および充電設備６の構成を示すブロック図である。なお、実施の形態１と同一または同様の構成については説明を省略し、実施の形態６に特有の構成についてのみ、詳細に説明する。

駆動装置６０３の制御部６０８は、上述した実施の形態４と同様の制御を行う。すなわち、制御部６０８は、角度センサ９によって検出される回転電機２の電気角が、回転電機２の各相の電流量の最大値と最小値との差が最小となる位相と一致するように、インバータスイッチング信号を設定する。

また、回転電機２には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の中のいずれか１相にのみ、温度センサ６１２が取り付けられる。この温度センサ６１２が取り付けられる相は、駆動装置６０３の制御部６０８が回転電機２の電気角を一致させようとする位相、すなわち目標位相において、電流量が最大となる相である。

例えば、駆動装置６０３の制御部６０８が、回転電機２の電気角を目標位相０度に一致させるように制御を行う場合を考える。この場合、図２を参照すると、位相０度で電流量が最大となるのは、Ｕ相である。そのため、温度センサ６１２は、回転電機２のＵ相に取り付けられる。

駆動装置６０３の制御部６０８は、温度センサ６１２によって検出される温度が予め決定される設定温度よりも高くなると、回転電機２を保護するために、回転電機２に三相交流電力が供給されないようにする。これは、回転電機２の各相の温度は電流量に比例するため、最大の電流量が流れるＵ相の温度を検出することができれば、他の相の温度はそれよりも低いことが確実だからである。

以上説明したように、本発明の実施の形態６では、回転電機における電気角の目標位相に対応する相に温度センサを取り付けるだけで、回転電機を確実に保護することができる。

また、上述した実施の形態１～６に係る制御部８、６０８における各機能は、処理回路によって実現される。各機能を実現する処理回路は、専用のハードウェアであってもよく、メモリに格納されるプログラムを実行するプロセッサであってもよい。図８は、本発明の実施の形態１～５、６に係る制御部８、６０８の各機能を専用のハードウェアである処理回路１０００で実現する場合を示した構成図である。また、図９は、本発明の実施の形態１～５、６に係る制御部８、６０８の各機能をプロセッサ２００１およびメモリ２００２を備えた処理回路２０００により実現する場合を示した構成図である。

処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路１０００は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものが該当する。制御部８、６０８の各部の機能それぞれを個別の処理回路１０００で実現してもよいし、各部の機能をまとめて処理回路１０００で実現してもよい。

一方、処理回路がプロセッサ２００１の場合、制御部８、６０８の各部の機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアは、プログラムとして記述され、メモリ２００２に格納される。プロセッサ２００１は、メモリ２００２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各部の機能を実現する。すなわち、制御部８、６０８は、処理回路２０００により実行されるときに、上述した各制御が結果的に実行されることになるプログラムを格納するためのメモリ２００２を備える。

これらのプログラムは、上述した各部の手順あるいは方法をコンピュータに実行させるものであるともいえる。ここで、メモリ２００２とは、例えば、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（ＥｒａｓａｂｌｅＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙＥｒａｓａｂｌｅａｎｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリが該当する。また、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等も、メモリ２００２に該当する。

なお、上述した各部の機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現するようにしてもよい。

このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、上述した各部の機能を実現することができる。

１，６０１車両、２回転電機、３，６０３駆動装置、４蓄電池、７電力変換部、７ａＤＣ／ＤＣコンバータ回路、７ｂＤＣ／ＡＣインバータ回路、８，６０８制御部。

Claims

蓄電池から供給される直流電力を交流電力に変換して回転電機に供給する電力変換部と、
前記電力変換部にスイッチング信号を出力する制御部であって、前記蓄電池の充電時に、外部から入力される前記蓄電池の温度が充電に適した設定温度よりも低い場合には、前記電力変換部のスイッチング信号を、前記回転電機の通常駆動状態におけるスイッチング信号とは異なるように設定する、制御部と
を備え、
前記電力変換部は、ＤＣ／ＡＣインバータ回路を含み、
前記制御部は、外部から入力される前記回転電機の電気角が、前記回転電機の各相の電流量の最大値と最小値との差が最小となる位相と一致するように、前記ＤＣ／ＡＣインバータ回路のスイッチング信号を設定する、回転電機の駆動装置。
前記制御部は、外部から入力される前記回転電機における前記電気角の目標位相に対応する相の温度が予め決定される設定温度よりも高くなると、前記回転電機に三相交流電力が供給されないようにする、請求項１に記載の回転電機の駆動装置。
蓄電池から供給される直流電力を交流電力に変換して回転電機に供給する電力変換部と、
前記電力変換部にスイッチング信号を出力する制御部であって、前記蓄電池の充電時に、外部から入力される前記蓄電池の温度が充電に適した設定温度よりも低い場合には、前記電力変換部のスイッチング信号を、前記回転電機の通常駆動状態におけるスイッチング信号とは異なるように設定する、制御部と
を備え、
前記電力変換部は、ＤＣ／ＡＣインバータ回路を含み、
前記制御部は、外部から入力される前記回転電機の電気角に基づいて、予め決定された１つまたは複数の設定角度の中から１つを選択し、該選択された１つの設定角度に基づいて、前記ＤＣ／ＡＣインバータ回路のスイッチング信号を設定する、回転電機の駆動装置。