WO2025204530A1 - 電力変換器の制御装置、プログラム及び電力変換器の制御方法 - Google Patents
電力変換器の制御装置、プログラム及び電力変換器の制御方法Info
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- H02P27/06—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of supply voltage using variable-frequency supply voltage, e.g. inverter or converter supply voltage using DC to AC converters or inverters
Definitions
- This disclosure relates to a power converter control device, a program, and a power converter control method.
- control devices that are applied to systems that include a power converter and a rotating electric machine with an armature winding electrically connected to the power converter.
- One such control device drives the rotating electric machine while raising the temperature of an object to be heated.
- An example of such a control device is the control device disclosed in Patent Document 1.
- the primary objective of this disclosure is to provide a power converter control device, program, and power converter control method that can raise the temperature of a target to be heated while driving a rotating electric machine.
- the present disclosure provides a power storage device, a rotating electric machine having a multi-phase armature winding and a rotor; a power converter electrically connecting the power storage unit and the armature winding and having upper and lower arm switches;
- a control device for a power converter applied to a system including: a determination unit that determines whether or not there is a temperature increase request for the temperature increase target unit; a switch control unit that, when it is determined that there is a temperature increase request, performs temperature increase control to increase the magnitude of a current vector flowing through the armature winding compared to when it is determined that there is no temperature increase request, and also performs switching control of the upper and lower arm switches to control the torque generated by the rotary electric machine to a command torque; Equipped with When the switch control unit determines that the torque ripple of the rotating electric machine is greater than a threshold value during the temperature rise control, the switch control unit performs a ripple suppression process to reduce the magnetic flux of the rotor in order to reduce the angle between the q-axis of
- the control device increases the magnitude of the current vector flowing through the armature winding to raise the temperature of the part to be heated, and controls the torque generated by the rotating electric machine to the command torque.
- the angle between the q-axis of the dq coordinate system and the current vector flowing through the armature winding (hereinafter referred to as the current advance angle) may be larger than when temperature rise control is not executed. In this case, for example, there is a concern that the d-axis magnetic path including the stator and rotor of the rotating electric machine may become magnetically saturated, resulting in increased torque ripple in the rotating electric machine.
- FIG. 1 is a diagram showing the overall configuration of a system according to a first embodiment
- FIG. 2 is a diagram showing an overview of a cooling system
- FIG. 3 is a diagram showing changes in three-phase AC current and torque during normal control and temperature rise control
- FIG. 4 is a diagram showing current vectors during temperature increase control in a dq coordinate system according to a comparative example
- FIG. 5 is a diagram showing equal torque lines during temperature increase control in a dq coordinate system according to the first embodiment
- FIG. 6 is a functional block diagram showing the processing of the control device
- FIG. 7 is a flowchart showing a procedure for temperature increase control.
- FIG. 8 is a flowchart showing the procedure of the torque ripple calculation process.
- FIG. 9 is a flowchart showing a processing procedure in the low magnetic flux mode.
- FIG. 10 is a diagram showing changes in three-phase AC current, d-axis and q-axis current, field current, and torque during normal control and temperature rise control;
- FIG. 11 is a diagram showing the simulation results;
- FIG. 12 is a flowchart showing a processing procedure of the temperature increase control according to the second embodiment.
- FIG. 13 is a flowchart showing a processing procedure in the low magnetic flux mode.
- FIG. 14 is a flowchart showing a processing procedure of the second mode.
- FIG. 15 is a flowchart showing a processing procedure of the temperature increase control according to the third embodiment.
- the storage battery 10 is a battery pack configured as a series connection of battery cells, which are single cells.
- the battery cells are, for example, secondary batteries such as lithium-ion batteries.
- the rotating electric machine 20 includes a rotor 21.
- the rotor 21 includes a rotor core and a plurality of field salient poles extending radially from the rotor core.
- a field winding 22 is wound around each field salient pole.
- the rotating shaft of the rotor 21 is capable of transmitting power to the vehicle's drive wheels 12 via a power transmission mechanism 11 provided on the vehicle. Torque generated when the rotating electric machine 20 functions as an electric motor is transmitted to the drive wheels 12 via the power transmission mechanism 11, causing the drive wheels 12 to rotate. This causes the vehicle to travel.
- the power transmission mechanism 11 includes, for example, a transmission and a shaft.
- the rotating electric machine 20 may also be, for example, an in-wheel motor integrally provided with the vehicle's drive wheels 12, or an on-board motor provided on the vehicle body.
- the system includes an inverter 30 (corresponding to the "first power converter") and a field energization circuit 40 (corresponding to the "second power converter”).
- the inverter 30 converts DC current from the storage battery 10 into AC current and supplies it to the armature winding.
- the inverter 30 includes a series connection of U-, V-, and W-phase upper-arm switches SUH, SVH, and SWH and U-, V-, and W-phase lower-arm switches SUL, SVL, and SWL.
- each of the switches SUH, SVH, SWH, SUL, SVL, and SWL is an N-channel MOSFET.
- Each of the switches SUH, SVH, SWH, SUL, SVL, and SWL includes a body diode DUH, DVH, DWH, DUL, DVL, and DWL.
- the positive terminal of the storage battery 10 is connected to the drains, which are the high-potential terminals, of the U-, V-, and W-phase upper arm switches SUH, SVH, and SWH, via a high-potential electrical path Lp.
- the negative terminal of the storage battery 10 is connected to the sources, which are the low-potential terminals, of the U-, V-, and W-phase lower arm switches SUL, SVL, and SWL, via a low-potential electrical path Ln.
- Each electrical path Lp, Ln is a conductive member such as a bus bar.
- the inverter 30 is equipped with a first capacitor 31, which is a smoothing capacitor. Note that the first capacitor 31 may be provided external to the inverter 30.
- the field energization circuit 40 supplies current from the storage battery 10 to the field winding 22.
- the field energization circuit 40 is a full-bridge circuit and includes a series connection of a first upper arm switch SH1 and a first lower arm switch SL1, and a series connection of a second upper arm switch SH2 and a second lower arm switch SL2.
- each of the switches SH1, SH2, SL1, and SL2 is an N-channel MOSFET.
- Each of the switches SH1, SH2, SL1, and SL2 includes a body diode DH1, DH2, DL1, and DL2.
- Each of the switches SH1, SH2, SL1, and SL2 is a bidirectional conductive switching element that, when turned on, allows current to flow from drain to source and from source to drain.
- the positive terminal of the storage battery 10 is connected to the drains, which are the high-potential terminals of the first and second upper-arm switches SH1 and SH2, via the high-potential electrical path Lp.
- the negative terminal of the storage battery 10 is connected to the sources, which are the low-potential terminals of the first and second lower-arm switches SL1 and SL2, via the low-potential electrical path Ln.
- a first end of the field winding 22 is connected to the connection point between the first upper-arm switch SH1 and the first lower-arm switch SL1 via a brush (not shown).
- a second end of the field winding 22 is connected to the connection point between the second upper-arm switch SH2 and the second lower-arm switch SL2 via a brush (not shown).
- the system includes a device for cooling the inverter 30, field energization circuit 40, rotating electric machine 20, and storage battery 10 when switching control of the inverter 30 is being performed to run the vehicle. More specifically, the system includes a circulation path 200 through which coolant circulates, an electric water pump 201, a radiator 202, and an electric fan 203. The water pump 201 circulates the coolant when powered. In the example shown in FIG. 2, the inverter 30, field energization circuit 40, rotating electric machine 20, and storage battery 10 are arranged in this order downstream of the water pump 201 in the circulation path 200. Note that the arrangement order in the circulation path 200 is not limited to the order shown in FIG. 2.
- a radiator 202 is provided in the circulation path 200 between the water pump 201 and the storage battery 10.
- the radiator 202 cools the coolant that flows in via the circulation path 200 and supplies it to the water pump 201.
- the coolant that flows into the radiator 202 is cooled by the wind blown onto the radiator 202 as the vehicle moves, and by the wind blown onto the radiator 202 by rotating and driving the fan 203.
- the water pump 201 and fan 203 may be driven by a control device separate from the control device 60. However, in this embodiment, for convenience, it is assumed that the water pump 201 and fan 203 are driven by the control device 60 provided in the system.
- the system includes a voltage sensor 50, a phase current sensor 51, a field current sensor 52, an angle sensor 53, a battery temperature sensor 54, a rotor temperature sensor 55, a stator temperature sensor 56, and a coolant temperature sensor 57.
- the voltage sensor 50 detects the voltage of the storage battery 10.
- the phase current sensor 51 detects the phase current flowing in at least two of the U-, V-, and W-phase windings 24U, 24V, and 24W.
- the field current sensor 52 detects the field current (hereinafter referred to as field current Ifr) flowing in the field winding 22.
- the angle sensor 53 detects the rotation angle (specifically, the electrical angle) of the rotor 21.
- the battery temperature sensor 54 detects the temperature of the storage battery 10.
- the rotor temperature sensor 55 detects the temperature of the rotor 21.
- the stator temperature sensor 56 detects the temperature of the stator 23.
- the coolant temperature sensor 57 detects the temperature of the coolant flowing in the circulation path
- the system includes a control device 60 and a higher-level control device 80 that is higher-level than the control device 60.
- the detected values of each sensor 50-57 are input to the control device 60.
- the control device 60 is an electronic control unit and is equipped with a processor 60a and a memory unit 60b as hardware.
- the upper control device 80 is an electronic control unit and is equipped with a processor (not shown) and a memory unit (not shown) as hardware.
- the control device 60 and upper control device 80 are capable of exchanging information.
- the memory unit 60b includes hardware memory and storage.
- the memory is a storage device for storing data used in the processing of the control device 60.
- the memory provides the processor 60a with a working area for temporary use when the processor 60a performs processing.
- the memory includes, for example, ROM or RAM.
- the storage is a storage device that stores various programs and data to be read and executed by the processor 60a, and is a non-transitory tangible storage medium.
- the storage includes, for example, an HDD or flash memory.
- the storage stores program information and the like for the processing of Figures 7 to 9, 12 to 15, etc., which will be described below.
- the control device 60 controls the switching of each switch constituting the field energization circuit 40 in order to excite the field winding 22. More specifically, the control device 60 controls the field current Ifr detected by the field current sensor 52 to the field target current If*, and performs switching control so that a first state and a second state alternate.
- the first state is a state in which the first upper arm switch SH1 and the second lower arm switch SL2 are turned on, and the second upper arm switch SH2 and the first lower arm switch SL1 are turned off.
- the second state is a state in which the first upper arm switch SH1 and the second lower arm switch SL2 are turned off, and the second upper arm switch SH2 and the first lower arm switch SL1 are turned on.
- the control device 60 When the field winding 22 is excited, the control device 60 performs switching control of each switch constituting the inverter 30 based on the detection values of each sensor 50-57 to feedback control the control variable of the rotating electric machine 20 to a command value.
- the control variable is torque.
- the upper arm switch and the lower arm switch are alternately turned on. This feedback control causes the rotor 21 to rotate.
- the part to be heated is the storage battery 10.
- the temperature rise control is a control that generates heat by controlling the switching of the inverter 30 and the field current circuit 40 when the temperature Tr of the storage battery 10 falls below the target temperature T* while normal control is being executed.
- normal control is a control that is executed to control the torque generated by the rotating electric machine 20 (hereinafter, generated torque Trqr) to the command torque Trq*.
- the heat generated by the temperature rise control is transferred to the storage battery 10 via the coolant circulating through the circulation path 200 by driving the water pump 201.
- the temperature rise control continues, for example, until the temperature Tr of the storage battery 10 reaches the target temperature T*.
- the water pump 201 continues to be driven at least while the temperature rise control is being executed.
- control device 60 controls the generated torque Trqr to the command torque Trq*, while controlling the switching of the inverter 30 so that the magnitude of the current vector (hereinafter referred to as the current vector) flowing through the U-, V-, and W-phase windings 24U, 24V, and 24W is larger than that of normal control.
- the current vector the magnitude of the current vector flowing through the U-, V-, and W-phase windings 24U, 24V, and 24W is larger than that of normal control.
- the temperature rise control shown in Figure 3(B) can result in larger torque ripple.
- the upper part shows the progression of the three-phase AC current flowing through the U-, V-, and W-phase windings 24U, 24V, and 24W, and the lower part shows the progression of the generated torque Trqr.
- ripple Ripr the width of the torque ripple that is allowed with respect to the average value of the generated torque Trqr, and is a value that is set to increase, for example, as the average value of the generated torque Trqr increases.
- the AC signal Sac is superimposed on the d-axis target current Id*, which is the target value for the d-axis current (hereinafter referred to as the d-axis current Idr) flowing through the U-, V-, and W-phase windings 24U, 24V, and 24W, or the q-axis target current Iq*, which is the target value for the q-axis current (hereinafter referred to as the q-axis current Iqr).
- the ripple Ripr to be kept below the allowable ripple value Ripth while maintaining the amplitude of the three-phase AC current, as shown in Figure 3(C).
- the horizontal axis of Figure 4 is the d-axis current Idr, and the vertical axis is the q-axis current Iqr.
- Ltcr indicates the equal torque line formed by the combination of the d- and q-axis currents Idr and Iqr when the generated torque Trqr is the same.
- Lic indicates the current limit circle, which is the upper limit value of the magnitude of the current vector.
- the current operating point of the rotating electric machine 20 is controlled to the most efficient point on the equal torque line Ltcr, for example.
- the current operating point in normal control is the first operating point OP1
- the current vector is the first current vector Vt1.
- the current operating point in temperature rise control is controlled to be on the equal torque line Ltcr, and the magnitude of the current vector is greater than the magnitude of the first current vector Vt1.
- the current operating point in temperature rise control is the second operating point OP2.
- the current vector is the second current vector Vt2, and the magnitude of the second current vector Vt2 is greater than the magnitude of the first current vector Vt1. This allows the control device 60 to raise the temperature of the storage battery 10 while suppressing fluctuations in the generated torque Trqr.
- the current operating point is controlled to the third operating point OP3, there is a concern that the ripple Ripr will become larger than the ripple allowable value Ripth.
- the current operating point is moved from the third operating point OP3 to the second operating point OP2. This reduces the heat generated by the temperature rise control, raising concerns that the temperature rise control may be restricted, such as making it impossible to raise the temperature Tr of the storage battery 10 to the target temperature T*. Therefore, in this embodiment, the magnetic flux of the rotor 21 is reduced during the temperature rise control, thereby preventing the occurrence of a situation in which the temperature rise control is restricted.
- Figure 6 shows a block diagram of the temperature rise control performed by the control device 60.
- the switch control unit 101 controls the generated torque Trqr to the command torque Trq*, while reducing the field target current If* to reduce the magnetic flux ⁇ fr. Specifically, the switch control unit 101 reduces the field target current If* by imposing the conditions that the magnitude of the current vector is equivalent to that in high magnetic flux mode and the current advance angle ⁇ r is smaller than in high magnetic flux mode.
- step S12 the ripple tolerance value Ripth is calculated.
- step S13 the process of calculating the estimated ripple Ripc is executed. This process is explained below using Figure 8.
- step S30 the command torque Trq* is obtained from the upper control device 80.
- step S31 the temperature Tr of the storage battery 10 is obtained from the upper control device 80.
- step S32 the magnetic flux ⁇ fr is calculated.
- step S33 the d-axis target current Id* and the q-axis target current Iq* are calculated based on the command torque Trq* obtained in step S30, the temperature Tr of the storage battery 10 obtained in step S31, and the magnetic flux ⁇ fr calculated in step S32.
- step S34 the AC signal Sac is calculated and added to the d-axis target current Id* or q-axis target current Iq* calculated in step S33.
- the AC signal Sac can be added to the q-axis target current Iq* to prevent a negative d-axis current Idr from flowing.
- the AC signal Sac can be added to the d-axis target current Id*.
- the AC signal Sac is added to the d-axis target current Id*.
- step S35 the estimated ripple Ripc is calculated.
- step S14 it is determined whether the estimated ripple Ripc is equal to or less than the ripple allowable value Ripth. If it is determined in step S14 that the estimated ripple Ripc is equal to or less than the ripple allowable value Ripth, the process proceeds to step S15. In step S15, the high magnetic flux mode is selected, and the process proceeds to step S16.
- step S16 the switching of each switch SUH, SUL, SVH, SVL, SWH, and SWL of the inverter 30 is controlled so that the d-axis target current Id*, to which the AC signal Sac has been added in step S34 of FIG. 8, and the q-axis target current Iq* calculated in step S33, flow through the U-, V-, and W-phase windings 24U, 24V, and 24W.
- step S50 If it is determined that temperature rise efficiency is prioritized, the process proceeds to step S50. If a negative determination is made in step S50 or step S51, normal control is executed in step S19 of FIG. 12. On the other hand, if a positive determination is made in steps S50 and S51 and a negative determination is made in step S18, the process proceeds to step S60, and the first mode is continued.
- step S70 a second field target current If2* is calculated, which is greater than the first field target current If1*.
- the second field target current If2* is a value smaller than the field current Ifr under normal control.
- step S50 it is determined whether the stator temperature Tstar is equal to or lower than the stator temperature threshold value Tstath. If it is determined that the stator temperature Tstar is equal to or lower than the stator temperature threshold value Tstath, the process proceeds to step S51. On the other hand, if it is determined that the stator temperature Tstar is higher than the stator temperature threshold value Tstath, the process proceeds to step S62, and the second mode is executed.
- the fourth embodiment will be described below with reference to the drawings, focusing on differences from the first embodiment.
- the temperature rise control is paused.
- the following description will be given taking as an example a case where the command torque Trq* increases by the predetermined amount.
- Figure 16 shows the progression of each parameter in a comparative example different from this embodiment.
- Figure 16 shows the progression of the three-phase currents, d-axis and q-axis currents Idr and Iqr, field current Ifr, and generated torque Trqr when command torque Trq* is increased during execution of temperature rise control in low magnetic flux mode.
- field current Ifr is increased from pre-change field current Iffor to post-change field current Iflat.
- pre-change d-axis current Idfor is decreased to set to post-change d-axis current Idlat.
- pre-change q-axis current Iqfor is increased to set to post-change q-axis current Iqlat. This point will be explained in more detail using Figure 17.
- LIfor indicates the pre-change torque line, which is the equal torque line when the field current Ifr is the pre-change field current Ifor.
- LIflat indicates the post-change torque line, which is the equal torque line when the field current Ifr is the post-change field current Iflat.
- the current operating point is assumed to be the pre-change operating point OPfor.
- the current operating point is controlled to the post-change operating point OPlat.
- the magnitudes of the pre-change current vector Vtfor and the post-change current vector Vtlat are made equal, and the current operating point is controlled to be on the post-change torque line LIflat.
- a torque shock may occur due to a large change in the d-axis current Idr.
- temperature rise control in low magnetic flux mode is executed.
- the control device 60 determines that the command torque Trq* has been increased, it stops temperature rise control at timing ⁇ 1 and executes normal control. In this case, the control device 60 increases the field current Ifr from the pre-change field current Iffor to the first field current Ifm1.
- Lmtpa indicates the maximum efficiency line formed by the combination of d- and q-axis currents Idr and Iqr corresponding to minimum current maximum torque control (MTPA). Furthermore, LIfm1 indicates the first intermediate torque line, which is the equal torque line when the field current Ifr is the first field current Ifm1. LIfm2 indicates the second intermediate torque line, which is the equal torque line when the field current Ifr is the second field current Ifm2.
- the control device 60 controls the current operating point of the rotating electric machine 20 to a first intermediate operating point OPm1, which is the intersection of the first intermediate torque line LIfm1 and the maximum efficiency line Lmtpa.
- the control device 60 reduces the d-axis current Idr from the pre-change d-axis current Idfor to the first d-axis current Idm1.
- the control device 60 also reduces the q-axis current Iqr from the pre-change q-axis current Iqfor to the first q-axis current Iqm1.
- the control device 60 changes the generated torque Trqr from the pre-change torque Tfor to the post-change torque Tlat. In this case, the control device 60 increases the field current Ifr from the first field current Ifm1 to the second field current Ifm2.
- the control device 60 controls the current operating point to a second intermediate operating point OPm2, which is the intersection of the second intermediate torque line LIfm2 and the maximum efficiency line Lmtpa.
- the control device 60 reduces the d-axis current Idr from the first d-axis current Idm1 to the second d-axis current Idm2.
- the control device 60 also reduces the q-axis current Iqr from the first q-axis current Iqm1 to the second q-axis current Iqm2.
- the control device 60 resumes temperature rise control in low flux mode at timing ⁇ 3 in Figure 18. In this case, the control device 60 reduces the field current Ifr from the second field current Ifm2 to the changed field current Iflat.
- the control device 60 controls the current operating point to the changed operating point OPlat.
- the control device 60 reduces the d-axis current Idr from the second d-axis current Idm2 to the changed d-axis current Idlat.
- the control device 60 increases the q-axis current Iqr from the second q-axis current Iqm2 to the changed q-axis current Iqlat.
- At least one of the field current Ifr and the d- and q-axis currents Idr and Iqr is changed, at least one of the field current Ifr and the d- and q-axis currents Idr and Iqr may be changed gradually. Specifically, for example, when increasing the field current Ifr from the pre-change field current Iffor to the first field current Ifm1, the control device 60 may gradually increase the field target current If*. This makes it possible to suppress the occurrence of torque shock.
- the rotating electrical machine 20 is a memory motor.
- the rotor 21 of the rotating electric machine 20 has permanent magnets 25 (e.g., neodymium magnets) as field poles instead of the field windings 22 of the first embodiment. Therefore, the system of this embodiment does not have a field current circuit 40 or a field current sensor 52.
- permanent magnets 25 e.g., neodymium magnets
- the torque Trqr generated by the permanent magnet field type rotating electric machine 20 is composed of magnet torque TM and reluctance torque TR, as expressed in the following equation (eq4).
- ⁇ mr represents the magnetic flux generated by the permanent magnet 25.
- the low flux mode shown in Figure 9 is executed.
- the control device 60 reduces the magnetic flux ⁇ m by controlling the generated torque Trqr to the command torque Trq* while making the magnitude of the current vector equivalent to that in the high flux mode and making the current advance angle ⁇ r smaller than in the high flux mode.
- the magnetic flux ⁇ m is reduced by passing a field-weakening current that demagnetizes the permanent magnet 25 through the U-, V-, and W-phase windings 24U, 24V, and 24W.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Control Of Ac Motors In General (AREA)
Abstract
蓄電部(10)と、複数相の電機子巻線(24U~24W)及びロータ(21)を有する回転電機(20)と、蓄電部及び電機子巻線を電気的に接続し、上,下アームスイッチ(SUH~SWL)を有する電力変換器(30)と、を備えるシステムに適用される電力変換器の制御装置(60)において、昇温対象部(10)の昇温要求があるか否かを判定する判定部(100)と、昇温要求があると判定された場合、昇温要求がないと判定される場合よりも昇温制御を行うとともに、回転電機の発生トルクを指令トルク(Trq*)となるよう制御を行うスイッチ制御部(101)と、を備え、スイッチ制御部は、昇温制御において、回転電機のトルクリプルが閾値よりも大きいと判定した場合、dq座標系のq軸と電機子巻線に流す電流ベクトルとのなす角度の大きさを小さくすべくロータの磁束を小さくするリプル抑制処理を行う、電力変換器の制御装置。
Description
本出願は、2024年3月27日に出願された日本出願番号2024-051094号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
本開示は、電力変換器の制御装置、プログラム及び電力変換器の制御方法に関する。
従来、電力変換器と、電力変換器に電気的に接続された電機子巻線を有する回転電機とを備えるシステムに適用される制御装置が知られている。制御装置としては、回転電機を駆動しつつ、昇温対象を昇温させるものがある。なお、このような制御装置の例として、特許文献1に開示された制御装置が挙げられる。
回転電機を駆動しつつ、昇温対象を昇温させる技術については、未だ改善の余地がある。
本開示は、回転電機を駆動しつつ、昇温対象を昇温させることができる電力変換器の制御装置、プログラム及び電力変換器の制御方法を提供することを主たる目的とする。
本開示は、蓄電部と、
複数相の電機子巻線及びロータを有する回転電機と、
前記蓄電部及び前記電機子巻線を電気的に接続し、上,下アームスイッチを有する電力変換器と、
を備えるシステムに適用される電力変換器の制御装置において、
昇温対象部の昇温要求があるか否かを判定する判定部と、
前記昇温要求があると判定された場合、前記昇温要求がないと判定される場合よりも前記電機子巻線に流す電流ベクトルの大きさを大きくする昇温制御を行うとともに、前記回転電機の発生トルクを指令トルクに制御すべく、前記上,下アームスイッチのスイッチング制御を行うスイッチ制御部と、
を備え、
前記スイッチ制御部は、前記昇温制御において、前記回転電機のトルクリプルが閾値よりも大きいと判定した場合、dq座標系のq軸と前記電機子巻線に流す電流ベクトルとのなす角度の大きさを小さくすべく前記ロータの磁束を小さくするリプル抑制処理を行う、電力変換器の制御装置。
複数相の電機子巻線及びロータを有する回転電機と、
前記蓄電部及び前記電機子巻線を電気的に接続し、上,下アームスイッチを有する電力変換器と、
を備えるシステムに適用される電力変換器の制御装置において、
昇温対象部の昇温要求があるか否かを判定する判定部と、
前記昇温要求があると判定された場合、前記昇温要求がないと判定される場合よりも前記電機子巻線に流す電流ベクトルの大きさを大きくする昇温制御を行うとともに、前記回転電機の発生トルクを指令トルクに制御すべく、前記上,下アームスイッチのスイッチング制御を行うスイッチ制御部と、
を備え、
前記スイッチ制御部は、前記昇温制御において、前記回転電機のトルクリプルが閾値よりも大きいと判定した場合、dq座標系のq軸と前記電機子巻線に流す電流ベクトルとのなす角度の大きさを小さくすべく前記ロータの磁束を小さくするリプル抑制処理を行う、電力変換器の制御装置。
制御装置は、昇温制御において、昇温対象部を昇温させるべく電機子巻線に流す電流ベクトルの大きさを大きくするとともに、回転電機の発生トルクを指令トルクに制御する。ここで、昇温制御が実行される場合、昇温制御が実行されない場合よりもdq座標系のq軸と電機子巻線に流す電流ベクトルとのなす角度(以下、電流進角)の大きさが大きくなり得る。この場合、例えば、回転電機のステータとロータとを含むd軸磁路が磁気飽和し、回転電機のトルクリプルが大きくなる懸念がある。
そこで、本開示のスイッチ制御部は、回転電機のトルクリプルが閾値よりも大きいと判定した場合、昇温制御において、電流進角の大きさを小さくすべくロータの磁束を小さくするリプル抑制処理を実行する。
リプル抑制処理において、ロータの磁束が小さくされることによりマグネットトルクが低下する。これにより、回転電機の発生トルクを指令トルクに制御しつつ、電流進角の大きさを小さくすることができる。その結果、昇温制御が実行されることにより回転電機のトルクリプルが大きくなる事態の発生を抑制できる。
本開示についての上記目的およびその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図1は、第1実施形態に係るシステムの全体構成図であり、
図2は、冷却システムの概要を示す図であり、
図3は、通常制御及び昇温制御における3相交流電流及びトルクの推移を示す図であり、
図4は、比較例に係るdq座標系における昇温制御時の電流ベクトルを示す図であり、
図5は、第1実施形態に係るdq座標系における昇温制御時の等トルク線を示す図であり、
図6は、制御装置の処理を示す機能ブロック図であり、
図7は、昇温制御の処理手順を示すフローチャートであり、
図8は、トルクリプルの算出処理の手順を示すフローチャートであり、
図9は、低磁束モードの処理手順を示すフローチャートであり、
図10は、通常制御及び昇温制御における3相交流電流、d,q軸電流、界磁電流及びトルクの推移を示す図であり、
図11は、シミュレーション結果を示す図であり、
図12は、第2実施形態に係る昇温制御の処理手順を示すフローチャートであり、
図13は、低磁束モードの処理手順を示すフローチャートであり、
図14は、第2モードの処理手順を示すフローチャートであり、
図15は、第3実施形態に係る昇温制御の処理手順を示すフローチャートであり、
図16は、比較例に係る3相交流電流、d,q軸電流、界磁電流及びトルクの推移を示す図であり、
図17は、比較例に係るdq座標系における電流ベクトルを示す図であり、
図18は、第4実施形態に係る3相交流電流、d,q軸電流、界磁電流及びトルクの推移を示す図であり、
図19は、dq座標系における電流ベクトルを示す図であり、
図20は、第5実施形態に係るシステムの全体構成図である。
<第1実施形態>
以下、本開示に係る制御装置を具体化した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態の制御装置を備えるシステムは、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載されている。
以下、本開示に係る制御装置を具体化した第1実施形態について、図面を参照しつつ説明する。本実施形態の制御装置を備えるシステムは、電気自動車やハイブリッド車等の車両に搭載されている。
図1に示すように、システムは、蓄電池10(「蓄電部」に相当)と、2つの電力変換器と、回転電機20とを備えている。本実施形態において、回転電機20は、巻線界磁型の回転電機である。また、回転電機20は、突極機であり、d軸インダクタンスLdがq軸インダクタンスLqよりも大きい特性である順突極性を有している。
蓄電池10は、単電池である電池セルの直列接続体として構成された組電池である。電池セルは、例えば、リチウムイオン電池等の2次電池である。
回転電機20は、ロータ21を備えている。ロータ21は、ロータコアと、ロータコアから径方向に延びる複数の界磁突極部とを備えている。各界磁突極部には、界磁巻線22が巻回されている。ロータ21の回転軸は、車両に備えられた動力伝達機構11を介して、車両の駆動輪12と動力伝達が可能とされている。回転電機20が電動機として機能することにより発生するトルクが、動力伝達機構11を介して駆動輪12に伝達され、駆動輪12が回転する。これにより、車両が走行する。なお、動力伝達機構11は、例えば、変速装置及びシャフトを含む。また、回転電機20は、例えば、車両の駆動輪12に一体に設けられるインホイールモータであってもよいし、車両の車体に備えられるオンボードモータであってもよい。
回転電機20は、ステータ23を備えている。ステータ23は、電機子コアと、電機子巻線とを備えている。電機子コアは、円環状のバックヨーク部と、バックヨーク部から径方向においてロータ21側に延びる複数のティース部とを備えている。電機子巻線は、電気角で互いに120°ずれた状態で星形結線されたU,V,W相巻線24U,24V,24Wである。
システムは、インバータ30(「第1電力変換器」に相当)と、界磁通電回路40(「第2電力変換器」に相当)とを備えている。インバータ30は、蓄電池10からの直流電流を交流電流に変換して電機子巻線に供給する。インバータ30は、U,V,W相上アームスイッチSUH,SVH,SWHと、U,V,W相下アームスイッチSUL,SVL,SWLとの直列接続体を備えている。本実施形態において、各スイッチSUH,SVH,SWH,SUL,SVL,SWLは、NチャネルMOSFETである。各スイッチSUH,SVH,SWH,SUL,SVL,SWLは、ボディダイオードDUH,DVH,DWH,DUL,DVL,DWLを備えている。
U,V,W相上アームスイッチSUH,SVH,SWHの高電位側端子であるドレインには、高電位側電気経路Lpを介して蓄電池10の正極端子が接続されている。U,V,W相下アームスイッチSUL,SVL,SWLの低電位側端子であるソースには、低電位側電気経路Lnを介して蓄電池10の負極端子が接続されている。各電気経路Lp,Lnは、バスバー等の導電部材である。インバータ30は、平滑コンデンサである第1コンデンサ31を備えている。なお、第1コンデンサ31は、インバータ30の外部に設けられていてもよい。
界磁通電回路40は、蓄電池10から界磁巻線22に電流を供給する。本実施形態の界磁通電回路40は、フルブリッジ回路であり、第1上アームスイッチSH1及び第1下アームスイッチSL1の直列接続体と、第2上アームスイッチSH2及び第2下アームスイッチSL2の直列接続体とを備えている。本実施形態において、各スイッチSH1,SH2,SL1,SL2は、NチャネルMOSFETである。各スイッチSH1,SH2,SL1,SL2は、ボディダイオードDH1,DH2,DL1,DL2を備えている。各スイッチSH1,SH2,SL1,SL2は、オンされている場合、ドレインからソースへの電流の流通、及びソースからドレインへの電流の流通が許可される双方向導通型のスイッチング素子である。
第1,第2上アームスイッチSH1,SH2の高電位側端子であるドレインには、高電位側電気経路Lpを介して蓄電池10の正極端子が接続されている。第1,第2下アームスイッチSL1,SL2の低電位側端子であるソースには、低電位側電気経路Lnを介して蓄電池10の負極端子が接続されている。第1上アームスイッチSH1と第1下アームスイッチSL1との接続点には、図示しないブラシを介して界磁巻線22の第1端が接続されている。第2上アームスイッチSH2と第2下アームスイッチSL2との接続点には、図示しないブラシを介して界磁巻線22の第2端が接続されている。界磁通電回路40は、平滑コンデンサである第2コンデンサ41を備えている。なお、第2コンデンサ41は、界磁通電回路40の外部に設けられていてもよい。また、界磁通電回路40に個別に第2コンデンサ41が設けられるとともにインバータ30に個別に第1コンデンサ31が設けられる構成に代えて、インバータ30及び界磁通電回路40に共通のコンデンサが設けられる構成であってもよい。この場合、例えば、第2コンデンサ41が設けられない構成とすればよい。
システムは、図2に示すように、車両を走行させるためにインバータ30のスイッチング制御が行われている場合においてインバータ30、界磁通電回路40、回転電機20及び蓄電池10を冷却する装置を備えている。詳しくは、システムは、冷却水が循環する循環経路200と、電動式のウォータポンプ201と、ラジエータ202と、電動式のファン203とを備えている。ウォータポンプ201は、給電されて駆動されることにより冷却水を循環させる。図2に示す例では、循環経路200において、ウォータポンプ201の下流側には、順に、インバータ30、界磁通電回路40、回転電機20、蓄電池10が配置されている。なお、循環経路200における配置順は、図2に示す順序に限らない。
循環経路200においてウォータポンプ201と蓄電池10の間には、ラジエータ202が設けられている。ラジエータ202は、循環経路200を介して流入する冷却水を冷却してウォータポンプ201へと供給する。車両の走行に伴いラジエータ202に吹き付けられる走行風や、ファン203を回転駆動させることによりラジエータ202に吹き付けられる風により、ラジエータ202に流入する冷却水が冷却される。
なお、ウォータポンプ201及びファン203は、制御装置60とは別の制御装置により駆動され得る。ただし、本実施形態では、便宜上、ウォータポンプ201及びファン203が、システムが備える制御装置60により駆動されるものとする。
図1の説明に戻り、システムは、電圧センサ50、相電流センサ51、界磁電流センサ52、角度センサ53、電池温度センサ54、ロータ温度センサ55、ステータ温度センサ56及び冷却水温センサ57を備えている。電圧センサ50は、蓄電池10の電圧を検出する。相電流センサ51は、U,V,W相巻線24U,24V,24Wのうち少なくとも2相の巻線に流れる相電流を検出する。界磁電流センサ52は、界磁巻線22に流れる界磁電流(以下、界磁電流Ifr)を検出する。角度センサ53は、ロータ21の回転角(具体的には電気角)を検出する。電池温度センサ54は、蓄電池10の温度を検出する。ロータ温度センサ55は、ロータ21の温度を検出する。ステータ温度センサ56は、ステータ23の温度を検出する。冷却水温センサ57は、循環経路200に流れる冷却水の温度を検出する。
システムは、制御装置60と、制御装置60よりも上位の上位制御装置80とを備えている。各センサ50~57の検出値は、制御装置60に入力される。
制御装置60は、電子制御装置(Electronic Control Unit)であり、ハードウェアとしてのプロセッサ60aと、記憶部60bとを備えている。上位制御装置80は、電子制御装置(Electronic Control Unit)であり、ハードウェアとしての図示しないプロセッサと、図示しない記憶部とを備えている。制御装置60と上位制御装置80とは、情報のやり取りが可能になっている。
記憶部60bは、ハードウェアとしてのメモリ及びストレージを含む。メモリは、制御装置60の処理に使用されるデータを記憶するための記憶装置である。メモリは、例えば、プロセッサ60aが処理を行う場合に一時的に使用するための作業領域をプロセッサ60aに提供する。メモリは、例えば、ROM又はRAMを含む。ストレージは、プロセッサ60aが読み込んで実行するための各種プログラム及びデータを記憶する記憶装置であり、非遷移的実体的記録媒体(non-transitory tangible storage medium)である。ストレージは、例えば、HDD又はフラッシュメモリを含む。ストレージには、後述する図7~9,12~15等の処理のためのプログラム情報等が記憶されている。
制御装置60は、界磁巻線22を励磁すべく、界磁通電回路40を構成する各スイッチのスイッチング制御を行う。詳しくは、制御装置60は、界磁電流センサ52により検出された界磁電流Ifrを界磁目標電流If*に制御すべく、第1状態と第2状態とが交互に出現するようにスイッチング制御を行う。第1状態は、第1上アームスイッチSH1と第2下アームスイッチSL2とがオンされて、かつ、第2上アームスイッチSH2と第1下アームスイッチSL1とがオフされている状態である。第2状態は、第1上アームスイッチSH1と第2下アームスイッチSL2とがオフされて、かつ、第2上アームスイッチSH2と第1下アームスイッチSL1とがオンされている状態である。
制御装置60は、界磁巻線22が励磁されている状態において、各センサ50~57の検出値に基づいて、回転電機20の制御量を指令値にフィードバック制御すべく、インバータ30を構成する各スイッチのスイッチング制御を行う。本実施形態において、制御量はトルクである。各相において、上アームスイッチと下アームスイッチとは交互にオンされる。このフィードバック制御により、ロータ21が回転する。
続いて、制御装置60により実行される昇温対象部の昇温制御について説明する。なお、本実施形態において、昇温対象部は蓄電池10である。昇温制御は、通常制御が実行されている場合において、蓄電池10の温度Trが目標温度T*を下回るとき、インバータ30及び界磁通電回路40のスイッチング制御により熱を発生させる制御である。ここで、通常制御は、回転電機20の発生トルク(以下、発生トルクTrqr)を指令トルクTrq*に制御すべく実行される制御である。昇温制御により発生した熱は、ウォータポンプ201の駆動によって循環経路200を循環する冷却水を介して蓄電池10に伝えられる。昇温制御は、例えば、蓄電池10の温度Trが目標温度T*に到達するまで継続される。また、ウォータポンプ201の駆動は、少なくとも昇温制御の実行中は継続される。
制御装置60は、昇温制御において、発生トルクTrqrを指令トルクTrq*に制御しつつ、U,V,W相巻線24U,24V,24Wに流す電流ベクトル(以下、電流ベクトル)の大きさを通常制御よりも大きくするようにインバータ30のスイッチング制御を行う。
ところで、図3(A)に示す通常制御が実行される場合と比較して、図3(B)に示す昇温制御では、トルクリプルが大きくなり得る。図3において、上段はU,V,W相巻線24U,24V,24Wに流される3相交流電流の推移を示し、下段は発生トルクTrqrの推移を示す。
昇温制御において、電流ベクトルの大きさが大きくされるため、図3(B)の上段に示すように、通常制御が実行される場合と比較して、3相交流電流の振幅は大きくなる。この場合、下段に示すように、発生トルクTrqrの変動分であるトルクリプルの幅(以下、リプルRipr)が大きくなり、リプル許容値Ripth(「閾値」に相当)を超える。ここで、リプル許容値Ripthは、発生トルクTrqrの平均値に対して許容されるトルクリプルの幅であり、例えば、発生トルクTrqrの平均値が大きいほど、大きくなるように設定される値である。
リプルRiprがリプル許容値Ripthを超えることを抑制するため、U,V,W相巻線24U,24V,24Wに流されるd軸電流(以下、d軸電流Idr)の目標値であるd軸目標電流Id*、又はq軸電流(以下、q軸電流Iqr)の目標値であるq軸目標電流Iq*に交流信号Sacが重畳される。これにより、図3(C)に示すように、3相交流電流の振幅を維持しつつ、リプルRiprをリプル許容値Ripth以下にすることができる。
ここで、d軸目標電流Id*又はq軸目標電流Iq*に交流信号Sacが重畳される場合であっても、リプルRiprがリプル許容値Ripthよりも大きくなり得る。この点について図4を参照して説明する。
図4の横軸はd軸電流Idrであり、縦軸はq軸電流Iqrである。Ltcrは、発生トルクTrqrを同一とする場合のd,q軸電流Idr,Iqrの組み合わせからなる等トルク線を示す。Licは、電流ベクトルの大きさの上限値である電流制限円を示す。
通常制御における回転電機20の電流動作点は、例えば、等トルク線Ltcr上であって、最も効率が高い点に制御される。例えば、通常制御における電流動作点は、第1動作点OP1であり、電流ベクトルは第1電流ベクトルVt1である。一方、昇温制御における電流動作点は、等トルク線Ltcr上であって、電流ベクトルの大きさが第1電流ベクトルVt1の大きさよりも大きくなるように制御される。例えば、昇温制御における電流動作点は、第2動作点OP2である。この場合、電流ベクトルは第2電流ベクトルVt2であり、第2電流ベクトルVt2の大きさは第1電流ベクトルVt1の大きさよりも大きい。これにより、制御装置60は、発生トルクTrqrの変動を抑制しつつ、蓄電池10を昇温することができる。
発生トルクTrqrを維持しつつ、電流ベクトルの大きさが第2電流ベクトルVt2の大きさよりも大きくされる場合、q軸と電流ベクトルとのなす角度(以下、電流進角θr)が大きくなる。ここで、電流進角θrが大きくなるほど、U,V,W相巻線24U,24V,24Wに流されるd軸電流Idrが大きくなる。この場合、例えば、ステータ23とロータ21とを含むd軸磁路が磁気飽和し、リプルRiprが大きくなる。図4において、最大角θmaxは、リプル許容値Ripthと対応する値であり、電流進角θrが最大角θmaxよりも大きくなる場合、リプルRiprがリプル許容値Ripthを超える。
このため、例えば、第3動作点OP3に電流動作点が制御される場合、リプルRiprがリプル許容値Ripthよりも大きくなる懸念がある。この場合、リプルRiprを抑制するために、例えば、電流動作点が第3動作点OP3から第2動作点OP2に移動される。これにより、昇温制御により発生する熱が小さくなり、蓄電池10の温度Trを目標温度T*まで昇温できなくなる等、昇温制御が制限される懸念がある。そこで、本実施形態では、昇温制御において、ロータ21の磁束が小さくされることにより、昇温制御が制限される事態の発生を抑制する。
図5には、トルクを同一トルクとする第1等トルク線Ltc1及び第2等トルク線Ltc2を示している。第1等トルク線Ltc1は、界磁巻線22に発生する磁束φfrが第1磁束φf1である場合の等トルク線であり、第2等トルク線Ltc2は、磁束φfrが第2磁束φf2である場合の等トルク線である。ここで、第2磁束φf2は第1磁束φf1よりも小さい。
第1等トルク線Ltc1上に電流動作点が制御される場合、電流ベクトルの大きさが電流制限円Lic以下であっても、例えば、破線で示す領域において、電流進角θrが最大角θmaxよりも大きくなり得る。このため、昇温制御が制限される懸念がある。そこで、制御装置60は、磁束φfrを第1磁束φf1から第2磁束φf2に低下させる。これにより、制御装置60は、第1等トルク線Ltc1を第2等トルク線Ltc2に移動させる。電流動作点が第2等トルク線Ltc2上に制御され、かつ、電流ベクトルの大きさが電流制限円Lic以下である場合、電流進角が最大角θmaxよりも大きくなることを抑制できる。
以下、発生トルクTrqr、磁束φfr及び電流ベクトルの関係について詳しく説明する。
発生トルクTrqrは、下式(eq1)で表されるように、マグネットトルクTMと、リラクタンストルクTRとからなる。
Trqr=TM+TR…(eq1)
上式(eq1)より、発生トルクTrqrが一定である場合、マグネットトルクTMが小さくされることにより、リラクタンストルクTRを大きくすることができる。ここで、マグネットトルクTMは、下式(eq2)で表される。
上式(eq1)より、発生トルクTrqrが一定である場合、マグネットトルクTMが小さくされることにより、リラクタンストルクTRを大きくすることができる。ここで、マグネットトルクTMは、下式(eq2)で表される。
TM=P・φfr・Iqr…(eq2)
上式(eq2)において、Pは回転電機20の極対数を示す。ここで、磁束φfrは界磁巻線22に界磁電流Ifrが流れることにより発生する磁束である。磁束φfrは、結合インダクタンスLmfを用いると、「φfr=Lmf×Ifr」のように表される。結合インダクタンスLmf(>0)は、ステータ23のバックヨーク部及びティース部と、ロータ21のロータコア及び界磁突極部とを含むd軸磁路のインダクタンスである。
上式(eq2)において、Pは回転電機20の極対数を示す。ここで、磁束φfrは界磁巻線22に界磁電流Ifrが流れることにより発生する磁束である。磁束φfrは、結合インダクタンスLmfを用いると、「φfr=Lmf×Ifr」のように表される。結合インダクタンスLmf(>0)は、ステータ23のバックヨーク部及びティース部と、ロータ21のロータコア及び界磁突極部とを含むd軸磁路のインダクタンスである。
上式(eq1),(eq2)から、磁束φfrが小さくされることにより、リラクタンストルクTRを大きくすることができる。ここで、リラクタンストルクTRは、下式(eq3)で表される。
TR=P・(Ld-Lq)・Idr・Iqr …(eq3)
上式(eq3)において、Ldはd軸インダクタンスを示し、Lqはq軸インダクタンスを示す。
上式(eq3)において、Ldはd軸インダクタンスを示し、Lqはq軸インダクタンスを示す。
上式(eq3)から、リラクタンストルクTRが大きくなると、電流ベクトルの大きさを大きくし、かつ、d軸電流Idrに対するq軸電流Iqrの比率(=Iqr/Idr)を大きくすることができる。このように、磁束φfrが小さくされることにより、発生トルクTrqrを維持しつつ、電流ベクトルの大きさを大きくし、かつ、電流進角θrを小さくすることができる。
図6に、制御装置60により実行される昇温制御のブロック図を示す。
制御装置60は、判定部100及びスイッチ制御部101を備えている。判定部100は、通常制御の実行中に蓄電池10の昇温要求があるか否かを判定する。判定部100は、例えば、上位制御装置80から昇温指令が入力されたと判定したことを条件として、昇温要求があると判定する。上位制御装置80は、例えば、蓄電池10の温度Trを取得し、蓄電池10の温度Trが目標温度T*よりも低いと判定した場合に、制御装置60に昇温指令を入力する。上位制御装置80において用いられる蓄電池10の温度Trは、例えば、電池温度センサ54の検出値である。
判定部100は、昇温指令が入力されており、かつ、通常制御により発生する熱が蓄電池10の温度Trを目標温度T*まで昇温させるのに不足していると判定した場合、昇温要求があると判定する。
スイッチ制御部101には、判定部100の判定結果が入力される。また、上位制御装置80から指令トルクTrq*及び蓄電池10の温度Trが入力される。スイッチ制御部101は、昇温制御を実行する場合、昇温制御として高磁束モード又は低磁束モード(「リプル抑制処理」に相当)のいずれを実行するかを判定する。この場合、スイッチ制御部101は、リプル許容値Ripth及び推定リプルRipcを算出する。
スイッチ制御部101は、例えば、ロータ21の回転速度Nrに基づいて、発生トルクTrqrの許容値を算出し、発生トルクTrqrが許容値を超えないようなリプル許容値Ripthを算出する。
推定リプルRipcの算出方法としては、例えば以下の方法がある。スイッチ制御部101は、磁束φfr、指令トルクTrq*、及び目標温度T*と蓄電池10の温度Trとの温度差ΔTr(=T*-Tr)に基づいて、d軸目標電流Id*及びq軸目標電流Iq*を算出する。スイッチ制御部101は、磁束φfrを界磁電流Ifrに基づいて算出すればよい。界磁電流Ifrは、例えば、界磁電流センサ52の検出値である。スイッチ制御部101は、温度差ΔTrが大きいほど、電流ベクトルが大きくなるようにd軸目標電流Id*及びq軸目標電流Iq*を算出する。スイッチ制御部101は、例えば、指令トルクTrq*、磁束φfr、温度差ΔTr及びd,q軸目標電流Id*,Iq*が関係付けられたマップ情報に基づいて、d,q軸目標電流Id*,Iq*を算出すればよい。
スイッチ制御部101は、回転電機20のトルクリプルを抑制するために、算出したd軸目標電流Id*又はq軸目標電流Iq*に交流信号Sacを加算する。交流信号Sacは、例えば、トルクリプルの6次高調波成分を抑制するために加算される信号である。具体的には、交流信号Sacは、予測されるトルクリプルの波形の位相に対して逆位相の交流信号である。以下では、便宜上、交流信号Sacは、d軸目標電流Id*に加算されるものとする。スイッチ制御部101は、上式(eq1)~(eq3)と、磁束φfrと、交流信号Sacを加算したd軸目標電流Id*と、q軸目標電流Iq*とに基づいて、発生トルクTrqrを算出する。スイッチ制御部101は、算出した発生トルクTrqrに基づいて推定リプルRipcを算出する。スイッチ制御部101は、例えば、発生トルクTrqr及びリプルRiprが関係付けられたマップ情報に基づいて、推定リプルRipcを算出すればよい。
スイッチ制御部101は、算出した推定リプルRipcがリプル許容値Ripth以下であるか否かを判定する。スイッチ制御部101は、推定リプルRipcがリプル許容値Ripth以下であると判定した場合、高磁束モードを選択する。一方、スイッチ制御部101は、推定リプルRipcがリプル許容値Ripthよりも大きいと判定した場合、低磁束モードを選択する。
スイッチ制御部101は、高磁束モードを選択した場合、交流信号Sacを加算したd軸目標電流Id*と、q軸目標電流Iq*とをU,V,W相巻線24U,24V,24Wに流すためのスイッチング信号を、インバータ30の各スイッチSUH,SUL,SVH,SVL,SWH,SWLに入力する。
スイッチ制御部101は、低磁束モードを選択した場合、発生トルクTrqrを指令トルクTrq*に制御しつつ、磁束φfrを小さくするために界磁目標電流If*を低下させる。具体的には、スイッチ制御部101は、電流ベクトルの大きさを高磁束モードと同等にし、かつ、電流進角θrを高磁束モードよりも小さくするとの条件を課して、界磁目標電流If*を低下させる。
スイッチ制御部101は、上式(eq1)~(eq3)及び低下された界磁目標電流If*に基づいて、低磁束モードにおけるd,q軸目標電流Id*,Iq*を算出する。スイッチ制御部101は、例えば、指令トルクTrq*、界磁目標電流If*、温度差ΔTr及びd,q軸目標電流Id*,Iq*が関係付けられたマップ情報に基づいて、d,q軸目標電流Id*,Iq*を算出すればよい。
スイッチ制御部101は、低下された界磁目標電流If*を界磁巻線22に流すべく、スイッチング信号を界磁通電回路40の各スイッチSH1,SL1,SH2,SL2に入力する。また、算出されたd,q軸目標電流Id*,Iq*をU,V,W相巻線24U,24V,24Wに流すべく、スイッチング信号をインバータ30の各スイッチSUH,SUL,SVH,SVL,SWH,SWLに入力する。
図7は、制御装置60により実行される昇温制御の処理手順を示すフローチャートである。この処理は、通常制御の実行中に所定の制御周期で繰り返し実行される。以下の各ステップにおける算出方法は、図6等に基づいて説明した内容と同様の方法である。
ステップS10,S11では、判定部100において、蓄電池10の昇温要求があるか否かを判定する。ステップS10では、上位制御装置80から昇温指令が入力されているか否かを判定する。ステップS11では、判定部100において、通常制御により発生する熱により蓄電池10の温度Trを目標温度T*まで昇温することができるか否かを判定する。ステップS10,S11において肯定判定した場合、蓄電池10の昇温要求があると判定し、ステップS12に進む。なお、以下の処理はスイッチ制御部101において実行される。
ステップS12では、リプル許容値Ripthを算出する。ステップS13では、推定リプルRipcの算出処理を実行する。以下、図8を用いて、この処理について説明する。
ステップS30では、上位制御装置80から指令トルクTrq*を取得する。ステップS31では、上位制御装置80から蓄電池10の温度Trを取得する。ステップS32では、磁束φfrを算出する。
ステップS33では、ステップS30で取得した指令トルクTrq*、ステップS31で取得した蓄電池10の温度Tr、及びステップS32で算出した磁束φfrに基づいて、d軸目標電流Id*及びq軸目標電流Iq*を算出する。
ステップS34では、交流信号Sacを算出し、算出した交流信号SacをステップS33において算出したd軸目標電流Id*又はq軸目標電流Iq*に加算する。ここで、d軸目標電流Id*よりもq軸目標電流Iq*が大きい場合、負のd軸電流Idrが流れることを抑制するため、q軸目標電流Iq*に交流信号Sacを加算するとよい。一方、q軸目標電流Iq*よりもd軸目標電流Id*が大きい場合、d軸目標電流Id*に交流信号Sacを加算するとよい。以下、便宜上、交流信号Sacがd軸目標電流Id*に加算されるものとする。
ステップS35では、推定リプルRipcを算出する。
図7の説明に戻り、ステップS14では、推定リプルRipcがリプル許容値Ripth以下であるか否かを判定する。ステップS14において、推定リプルRipcがリプル許容値Ripth以下であると判定した場合、ステップS15に進む。ステップS15において、高磁束モードを選択し、ステップS16に進む。
ステップS16では、図8のステップS34において交流信号Sacを加算したd軸目標電流Id*、及びステップS33において算出したq軸目標電流Iq*をU,V,W相巻線24U,24V,24Wに流すべく、インバータ30の各スイッチSUH,SUL,SVH,SVL,SWH,SWLをスイッチング制御する。
ステップS17では、モータ温度Tmotrがモータ温度閾値Tmotth以下であるか否かを判定する。ここで、モータ温度Tmotrは、例えば、ロータ21の温度及びステータ23の温度のうち高い方の温度である。ロータ21の温度は、例えば、ロータ温度センサ55の検出値である。ステータ23の温度は、例えば、ステータ温度センサ56の検出値である。ステップS17において、モータ温度Tmotrがモータ温度閾値Tmotth以下であると判定した場合、ステップS18に進む。
ステップS18では、冷却水温度Tcolrが水温閾値Tcolthよりも大きいか否かを判定する。ここで、冷却水温度Tcolrは、例えば、冷却水温センサ57の検出値である。なお、冷却水温度Tcolrは、システムを冷却する水以外の冷媒、オイルの温度でもよい。ステップS18において、冷却水温度Tcolrが水温閾値Tcolth以下であると判定した場合、ステップS16に進み、スイッチング制御を継続する。
ステップS17において、モータ温度Tmotrがモータ温度閾値Tmotthよりも大きいと判定した場合、又はステップS18において、冷却水温度Tcolrが水温閾値Tcolthよりも大きいと判定した場合、ステップS19に進み、通常制御を実行する。
ステップS14において、推定リプルRipcがリプル許容値Ripthよりも大きいと判定した場合、ステップS20に進み、低磁束モードを選択する。以下、図9を用いて、低磁束モードが選択された場合の処理について説明する。
ステップS40において、発生トルクTrqrを指令トルクTrq*に制御しつつ、電流ベクトルの大きさを高磁束モードと同等にし、かつ、電流進角θrを高磁束モードよりも小さくするとの条件を課して、界磁目標電流If*を低下させる。
ステップS41において、指令トルクTrq*、低下された界磁目標電流If*、及び温度差ΔTrに基づいて、低磁束モードにおけるd,q軸目標電流Id*,Iq*を算出する。
図7の説明に戻り、ステップS16では、ステップS40において低下された界磁目標電流If*を界磁巻線22に流すべく、界磁通電回路40の各スイッチSH1,SL1,SH2,SL2をスイッチング制御する。また、ステップS41において算出したd,q軸目標電流Id*,Iq*をU,V,W相巻線24U,24V,24Wに流すべく、インバータ30の各スイッチSUH,SUL,SVH,SVL,SWH,SWLをスイッチング制御する。
図10(A)に示す通常制御に対して、図10(B)に示す高磁束モードの昇温制御では、通常制御における三相電流の振幅である初期振幅Iiniが昇温振幅Ihにされることにより、U,V,W相巻線24U,24V,24Wから発生する熱が大きくなる。また、U,V,W相巻線24U,24V,24Wから発生した熱が蓄電池10に伝達されることにより昇温対象が昇温される。ここで、通常制御と比較して、高磁束モードの昇温制御では、トルクリプルが大きい。これに対して、図10(C)に示す低磁束モードの昇温制御では、界磁電流Ifrが初期界磁電流Ifiniから、低界磁電流Iflowに低下される。ここで、高磁束モードと低磁束モードでは、三相電流の昇温振幅Ih及び平均トルクTiniが等しい。このため、低磁束モードでは、平均トルクTiniを維持しつつ、昇温対象を昇温し、かつ、トルクリプルを小さくすることができる。
図11に、各モードにおける発生トルクTrqrのシミュレーション結果を示す。図11(A)は、高磁束モードの昇温制御を実行した場合における発生トルクTrqrの時間推移を示す。図11(B)は、低磁束モードの昇温制御を実行した場合における発生トルクTrqrの時間推移を示す。高磁束モードと比較して、低磁束モードにおける回転電機20のトルクリプルは小さい。
以上説明したように、本実施形態では、低磁束モードにおいて、ロータ21の磁束φfrが小さくされることによりマグネットトルクTMが小さくされる。このため、制御装置60は、発生トルクTrqrを指令トルクTrq*に制御しつつ、リラクタンストルクTRを大きくすることができる。この場合、制御装置60は、U,V,W相巻線24U,24V,24Wに流す電流ベクトルの大きさを維持しつつ、電流進角θrの大きさを小さくすることができる。これにより、昇温制御により発生する熱を維持しつつ、トルクリプルが大きくなる事態の発生を抑制できる。
<第2実施形態>
以下、第2実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、昇温制御において、回転電機20の温度としてステータ23の温度とロータ21の温度とが用いられる。また、低磁束モードにおいて、第1モードと第2モードとが切り替えられる。第1モードにおけるロータ21の磁束は、第2モードにおけるロータ21の磁束よりも小さくされる。
以下、第2実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、昇温制御において、回転電機20の温度としてステータ23の温度とロータ21の温度とが用いられる。また、低磁束モードにおいて、第1モードと第2モードとが切り替えられる。第1モードにおけるロータ21の磁束は、第2モードにおけるロータ21の磁束よりも小さくされる。
詳しくは、図12に示すように、ステップS10~S16を実行した後、ステップS50では、ステータ23の温度であるステータ温度Tstarがステータ温度閾値Tstath以下であるか否かを判定する。ステータ温度閾値Tstathは、例えば、ステータ23の許容上限温度である。ステータ温度Tstarは、例えば、ステータ温度センサ56の検出値であってもよいし、界磁電流Ifrに基づいて算出された値であってもよい。ステータ温度Tstarがステータ温度閾値Tstath以下であると判定した場合、ステップS51に進む。
ステップS51では、ロータ21の温度であるロータ温度Trotrがロータ温度閾値Trotth以下であるか否かを判定する。ロータ温度閾値Trotthは、例えば、ロータ21の許容上限温度である。ロータ温度Trotrは、例えば、ロータ温度センサ55の検出値であってもよいし、d,q軸電流Idr,Iqrに基づいて算出された値であってもよい。ロータ温度Trotrがロータ温度閾値Trotth以下であると判定した場合、ステップS18に進む。
ステップS50において、ステータ温度Tstarがステータ温度閾値Tstathよりも大きいと判定した場合、又はステップS51において、ロータ温度Trotrがロータ温度閾値Trotthよりも大きいと判定した場合、ステップS19に進む。
続いて、ステップS14において、推定リプルRipcがリプル許容値Ripthよりも大きいと判定され、低磁束モードが選択された場合の処理について、図13を用いて説明する。
ステップS40,41を実行した後、ステップS60において、第1モードを実行する。本実施形態では、ステップS40において低下された界磁目標電流If*を第1界磁目標電流If1*と称する。第1モードでは、第1界磁目標電流If1*を界磁巻線22に流すべく、界磁通電回路40の各スイッチSH1,SL1,SH2,SL2をスイッチング制御する。また、ステップS41において算出したd,q軸目標電流Id*,Iq*をU,V,W相巻線24U,24V,24Wに流すべく、インバータ30の各スイッチSUH,SUL,SVH,SVL,SWH,SWLをスイッチング制御する。
ステップS61において、昇温制御における要求態様を判定する。詳しくは、昇温制御の効率と、昇温制御により発生する熱量(具体的には、単位時間あたりの発生熱量)とのうち、昇温の効率が優先されるかを判定する。昇温効率が優先される場合とは、例えば、短時間で昇温対象を昇温させる必要がある場合である。昇温制御により発生する熱量が優先される場合とは、例えば、蓄電池10の温度Trが目標温度T*に対して低い場合である。制御装置60は、例えば、上位制御装置80から昇温効率を優先するとの指令が入力されていた場合に、昇温効率が優先されると判定する。
昇温効率が優先されると判定した場合、ステップS50に進む。ステップS50又はステップS51において否定判定した場合、図12のステップS19の通常制御を実行する。一方、ステップS50,S51において肯定判定し、ステップS18において否定判定した場合、ステップS60に進み、第1モードを継続する。
低磁束モードにおいて、ロータ21の磁束φfrが小さくされる。この場合、発生トルクTrqrを維持するためにd軸電流Idr及びq軸電流Iqrの少なくとも一方が大きくされる。これにより、U,V,W相巻線24U,24V,24Wが組み付けられたステータ23の温度が上昇する。このため、ステータ温度Tstarがステータ温度閾値Tstath以下である場合に第1モードを継続することにより、ステータ23の過熱を防止することができる。
一方、ステップS61において、昇温制御の効率よりも昇温制御により発生する熱量が優先されると判定した場合、ステップS62に進み、第2モードを実行する。以下、図14を用いて、この処理について説明する。
ステップS70では、第1界磁目標電流If1*よりも大きい第2界磁目標電流If2*を算出する。第2界磁目標電流If2*は、通常制御における界磁電流Ifrよりも小さい値である。
ステップS71では、図8のステップS30において取得した指令トルクTrq*、及び第2界磁目標電流If2*に基づいて、d,q軸目標電流Id*,Iq*を算出する。
ステップS72では、ステップS70において算出した第2界磁目標電流If2*を界磁巻線22に流すべく、界磁通電回路40の各スイッチSH1,SL1,SH2,SL2をスイッチング制御する。また、ステップS71において算出したd,q軸目標電流Id*,Iq*をU,V,W相巻線24U,24V,24Wに流すべく、インバータ30の各スイッチSUH,SUL,SVH,SVL,SWH,SWLをスイッチング制御する。
ステップS73では、ステータ温度Tstarがステータ温度閾値Tstath以下であるか否かを判定する。ステータ温度Tstarがステータ温度閾値Tstath以下であると判定した場合、ステップS51に進む。一方、ステータ温度Tstarがステータ温度閾値Tstathよりも大きいと判定した場合、ステップS70に進み、第2界磁目標電流If2*を増加させる。この場合、第2界磁目標電流If2*が、通常制御における界磁電流Ifrよりも小さくなるように第2界磁目標電流If2*を増加させる。
以上説明したように、界磁巻線22に流される電流の大きさ、及びU,V,W相巻線24U,24V,24Wに流される電流の大きさのそれぞれは、第1モードと第2モードとで異なる。具体的には、第1モードにおいて、界磁巻線22に流される電流は、第2モードよりも小さい。また、第1モードにおいて、U,V,W相巻線24U,24V,24Wに流される電流は、第2モードよりも大きい。このため、第1モードが実行されることにより、ステータ23とロータ21とのうち、ステータ23が優先的に昇温し、第2モードが実行されることにより、ステータ23とロータ21とのうち、ロータ21が優先的に昇温する。
このように、界磁巻線22に流される電流の異なる第1モードと第2モードとを切り替えることにより、昇温制御により発生する熱のうちステータ23により発生させる熱とロータ21により発生させる熱との割合を変化させることができる。ここで、ステータ23からの熱回収効率とロータ21からの熱回収効率とは異なる。具体的には、例えば、U,V,W相巻線24U,24V,24Wから発生した熱は、U,V,W相巻線24U,24V,24Wが組み付けられたステータ23のハウジングに設けられた冷却通路により回収される。一方、ロータ21から発生した熱は、例えば、界磁巻線22を冷却するオイルを介して回収される。このため、ステータ23からの熱回収効率がロータ21からの熱回収効率よりも高い。また、界磁巻線22の抵抗は、U,V,W相巻線24U,24V,24Wの抵抗よりも大きいため、ロータ21の発熱量はステータ23の発熱量よりも大きい。
このため、制御装置60は、昇温制御の効率が優先される場合、熱回収効率の高いステータ23が優先的に昇温される第1モードを実行する。また、制御装置60は、昇温制御により発生する熱量が優先される場合、発熱量が大きいロータ21が優先的に昇温される第2モードを実行する。これにより、昇温制御の効率を向上させることができる。
<第3実施形態>
以下、第3実施形態について、第2実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図15に示すように、第1モードと第2モードとをステータ23の温度に基づいて切り替える。
以下、第3実施形態について、第2実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図15に示すように、第1モードと第2モードとをステータ23の温度に基づいて切り替える。
詳しくは、ステップS40,S41,S60を実行した後、ステップS50において、ステータ温度Tstarがステータ温度閾値Tstath以下であるか否かを判定する。ステータ温度Tstarがステータ温度閾値Tstath以下であると判定した場合、ステップS51に進む。一方、ステータ温度Tstarがステータ温度閾値Tstathよりも大きいと判定した場合、ステップS62に進み、第2モードを実行する。
以上説明したように、ステータ温度Tstarに基づいて、ステータ23が優先的に昇温される第1モードと、ロータ21が優先的に昇温される第2モードとを切り替えることにより、ステータ23の過熱を防止することができる。
<第4実施形態>
以下、第4実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、低磁束モードの昇温制御の実行中において、指令トルクTrq*が所定量変化した場合に、昇温制御が休止される。以下では、便宜上、指令トルクTrq*が所定量増加する場合を例に説明する。
以下、第4実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、低磁束モードの昇温制御の実行中において、指令トルクTrq*が所定量変化した場合に、昇温制御が休止される。以下では、便宜上、指令トルクTrq*が所定量増加する場合を例に説明する。
図16は、本実施形態とは異なる比較例における各パラメータの推移を示す図である。詳しくは、図16には、低磁束モードの昇温制御の実行中において、指令トルクTrq*が大きくされる場合の三相電流、d,q軸電流Idr,Iqr、界磁電流Ifr、発生トルクTrqrの推移を示す。発生トルクTrqrを変更前トルクTforから変更後トルクTlatにするために、界磁電流Ifrが変更前界磁電流Ifforから変更後界磁電流Iflatに大きくされる。ここで、発生トルクTrqrの変更前後で電流ベクトルの大きさを維持するために、変更前d軸電流Idforは小さくされ、変更後d軸電流Idlatとされる。また、変更前q軸電流Iqforは大きくされ、変更後q軸電流Iqlatとされる。この点について、図17を用いて詳しく説明する。
図17において、LIfforは、界磁電流Ifrが変更前界磁電流Ifforである場合の等トルク線である変更前トルク線を示す。LIflatは、界磁電流Ifrが変更後界磁電流Iflatである場合の等トルク線である変更後トルク線を示す。
ここで、指令トルクTrq*の変更前において、電流動作点が変更前動作点OPforであるとする。この場合、指令トルクTrq*が変更され、発生トルクTrqrが変更前トルクTforから変更後トルクTlatに変更されると、電流動作点は、変更後動作点OPlatに制御される。これにより、変更前電流ベクトルVtforと変更後電流ベクトルVtlatとの大きさが等しくされつつ、電流動作点が変更後トルク線LIflat上に制御される。この場合、例えば、d軸電流Idrの変化量が大きいことにより、トルクショックが発生する懸念がある。
そこで、本実施形態において、低磁束モードの昇温制御の実行中に指令トルクTrq*が大きくされた場合、まず、昇温制御が停止され、通常制御が実行される。次に、通常制御において、発生トルクTrqrが大きくされる。そして、低磁束モードの昇温制御が再開される。この処理について、図18及び図19を参照しながら説明する。
図18のタイミングθ0からタイミングθ1の範囲において、低磁束モードの昇温制御が実行されている。ここで、制御装置60は、指令トルクTrq*が大きくされたと判定した場合、タイミングθ1において、昇温制御を停止し、通常制御を実行する。この場合、制御装置60は、界磁電流Ifrを変更前界磁電流Ifforから第1界磁電流Ifm1に増加させる。
図19において、Lmtpaは、最小電流最大トルク制御(MTPA)に対応するd,q軸電流Idr,Iqrの組み合わせからなる最大効率線を示す。また、LIfm1は、界磁電流Ifrが第1界磁電流Ifm1である場合の等トルク線である第1中間トルク線を示す。LIfm2は、界磁電流Ifrが第2界磁電流Ifm2である場合の等トルク線である第2中間トルク線を示す。
図19の(A)に示すように、制御装置60は、タイミングθ1において、回転電機20の電流動作点を第1中間トルク線LIfm1と最大効率線Lmtpaとの交点である第1中間動作点OPm1に制御する。この場合、制御装置60は、d軸電流Idrを変更前d軸電流Idforから第1d軸電流Idm1に低下させる。また、制御装置60は、q軸電流Iqrを変更前q軸電流Iqforから第1q軸電流Iqm1に低下させる。
制御装置60は、図18のタイミングθ2において、発生トルクTrqrを変更前トルクTforから変更後トルクTlatに変更する。この場合、制御装置60は、界磁電流Ifrを第1界磁電流Ifm1から第2界磁電流Ifm2に増加させる。
図19の(B)に示すように、制御装置60は、タイミングθ2において、電流動作点を第2中間トルク線LIfm2と最大効率線Lmtpaとの交点である第2中間動作点OPm2に制御する。この場合、制御装置60は、d軸電流Idrを第1d軸電流Idm1から第2d軸電流Idm2に低下させる。また、制御装置60は、q軸電流Iqrを第1q軸電流Iqm1から第2q軸電流Iqm2に低下させる。
制御装置60は、図18のタイミングθ3において、低磁束モードの昇温制御を再開する。この場合、制御装置60は、界磁電流Ifrを第2界磁電流Ifm2から変更後界磁電流Iflatに低下させる。
図19の(C)に示すように、制御装置60は、タイミングθ3において、電流動作点を変更後動作点OPlatに制御する。この場合、制御装置60は、d軸電流Idrを第2d軸電流Idm2から変更後d軸電流Idlatに低下させる。また、制御装置60は、q軸電流Iqrを第2q軸電流Iqm2から変更後q軸電流Iqlatに増加させる。
ここで、
・変更前d軸電流Idforから第1d軸電流Idm1への低下分(=Idfor-Idm1)
・第1d軸電流Idm1から第2d軸電流Idm2への低下分(=Idm1-Idm2)
・第2d軸電流Idm2から変更後d軸電流Idlatへの低下分(=Idm2-Idlat)
は、いずれも変更前d軸電流Idforから変更後d軸電流Idlatへの低下分(=Idfor-Idlat)よりも小さい。このため、低磁束モードを実行しつつ、発生トルクTrqrを大きくした場合と比較して、トルクショックの発生を抑制することができる。
・変更前d軸電流Idforから第1d軸電流Idm1への低下分(=Idfor-Idm1)
・第1d軸電流Idm1から第2d軸電流Idm2への低下分(=Idm1-Idm2)
・第2d軸電流Idm2から変更後d軸電流Idlatへの低下分(=Idm2-Idlat)
は、いずれも変更前d軸電流Idforから変更後d軸電流Idlatへの低下分(=Idfor-Idlat)よりも小さい。このため、低磁束モードを実行しつつ、発生トルクTrqrを大きくした場合と比較して、トルクショックの発生を抑制することができる。
以上説明したように、発生トルクTrqrが変動する場合に、低磁束モードの昇温制御が休止されることにより、トルクショックの発生を抑制することができる。
<第4実施形態の変形例>
・界磁電流Ifr及びd,q軸電流Idr,Iqrのうち少なくとも1つが変化される場合、界磁電流Ifr及びd,q軸電流Idr,Iqrのうち少なくとも1つを徐々に変化させるようにしてもよい。具体的には、例えば、制御装置60は、界磁電流Ifrを変更前界磁電流Ifforから第1界磁電流Ifm1に増加させる場合、界磁目標電流If*を漸増させればよい。これにより、トルクショックの発生を抑制することができる。
・界磁電流Ifr及びd,q軸電流Idr,Iqrのうち少なくとも1つが変化される場合、界磁電流Ifr及びd,q軸電流Idr,Iqrのうち少なくとも1つを徐々に変化させるようにしてもよい。具体的には、例えば、制御装置60は、界磁電流Ifrを変更前界磁電流Ifforから第1界磁電流Ifm1に増加させる場合、界磁目標電流If*を漸増させればよい。これにより、トルクショックの発生を抑制することができる。
<第5実施形態>
以下、第5実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図20に示すように、回転電機20はメモリモータである。
以下、第5実施形態について、第1実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。本実施形態では、図20に示すように、回転電機20はメモリモータである。
回転電機20のロータ21は、界磁極として、第1実施形態の界磁巻線22に代えて、永久磁石25(例えば、ネオジム磁石)を備えている。このため、本実施形態のシステムは、界磁通電回路40及び界磁電流センサ52を備えていない。
続いて、本実施形態の昇温制御の概要について説明する。
永久磁石界磁型の回転電機20の発生トルクTrqrは、下式(eq4)で表されるように、マグネットトルクTMと、リラクタンストルクTRとからなる。下式(eq4)において、φmrは永久磁石25により発生する磁束を示す。
Trqr=TM+TR
=P・φmr・Iqr+P・(Ld-Lq)・Idr・Iqr …(eq4)
=P・φmr・Iqr+P・(Ld-Lq)・Idr・Iqr …(eq4)
本実施形態において、図9に示す低磁束モードが実行される。制御装置60は、ステップS40において、発生トルクTrqrを指令トルクTrq*に制御しつつ、電流ベクトルの大きさを高磁束モードと同等にし、かつ、電流進角θrを高磁束モードよりも小さくするとの条件を課して、磁束φmを低下させる。この場合、永久磁石25を減磁させる弱め界磁電流をU,V,W相巻線24U,24V,24Wに流すことにより、磁束φmを低下させる。
本実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
<その他の実施形態>
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
・第2~第4実施形態で説明した低磁束モードを第5実施形態に適用してもよい。
・昇温制御による昇温対象を、例えば、循環経路200の冷却水としてもよい。冷却水を車室内暖房の熱源として利用する空調装置が車両に備えられる場合、昇温制御により、暖房の熱源の温度を迅速に上昇させることができる。なお、この場合、上位制御装置80は、例えば、冷却水温センサ57の検出値が目標温度未満であると判定した場合に昇温指令を制御装置60に入力すればよい。
・回転電機20は、d軸インダクタンスLdがq軸インダクタンスLqよりも小さい特性である逆突極性を有していてもよい。また、回転電機20は、突極機に限らず、q軸インダクタンスLqとd軸インダクタンスLdとが等しい特性(Lq=Ld)を有する非突極機であってもよい。この場合、制御装置60は、図8のステップS33及び図9のステップS41において、下式(eq5)に基づいて、q軸目標電流Iq*を算出する。
Trqr=P・φfr・Iqr…(eq5)
・回転電機としては、同期機に限らず、誘導機等の非同期機であってもよい。
・回転電機としては、ロータ及びステータが径方向に対向するラジアル型のものに限らず、ロータ及びステータが回転軸の軸方向に対向するアキシャル型のものであってもよい。
・回転電機としては、星形結線されるものに限らず、Δ結線されるものであってもよい。また、回転電機及びインバータとしては、3相のものに限らず、2相のもの、又は4相以上のものであってもよい。
・熱伝達部としては、冷却流体として冷却水を用いるものに限らず、例えば、冷却流体として気体(空気)を用いる空冷式のものであってもよいし、金属製のヒートシンクであってもよい。熱伝達部としてヒートシンクが用いられる場合、例えば、ヒートシンクにインバータ等の電力変換器及び蓄電池が設けられていればよい。
・インバータのスイッチは、NチャネルMOSFETに限らず、例えばIGBTであってもよい。この場合、IGBTにフリーホイールダイオードが逆並列接続されていればよい。
・インバータ等の電力変換器に接続される蓄電部としては、蓄電池に限らず、例えば、大容量の電気二重層キャパシタ、又は蓄電池及び電気二重層キャパシタの双方を備えるものであってもよい。
・制御装置が搭載される移動体としては、車両に限らず、例えば、航空機又は船舶であってもよい。また、制御装置の搭載先は、移動体に限らず、定置式の装置であってもよい。
・本開示に記載の制御部及びその手法は、コンピュータプログラムにより具体化された一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。あるいは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ以上の専用ハードウェア論理回路によってプロセッサを構成することによって提供された専用コンピュータにより、実現されてもよい。もしくは、本開示に記載の制御部及びその手法は、一つ乃至は複数の機能を実行するようにプログラムされたプロセッサ及びメモリと一つ以上のハードウェア論理回路によって構成されたプロセッサとの組み合わせにより構成された一つ以上の専用コンピュータにより、実現されてもよい。また、コンピュータプログラムは、コンピュータにより実行されるインストラクションとして、コンピュータ読み取り可能な非遷移有形記録媒体に記憶されていてもよい。
以下、上述した各実施形態から抽出される特徴的な構成を記載する。
[構成1]
蓄電部(10)と、
複数相の電機子巻線(24U~24W)及びロータ(21)を有する回転電機(20)と、
前記蓄電部及び前記電機子巻線を電気的に接続し、上,下アームスイッチ(SUH~SWL)を有する電力変換器(30)と、
を備えるシステムに適用される電力変換器の制御装置(60)において、
昇温対象部(10)の昇温要求があるか否かを判定する判定部(100)と、
前記昇温要求があると判定された場合、前記昇温要求がないと判定される場合よりも前記電機子巻線に流す電流ベクトルの大きさを大きくする昇温制御を行うとともに、前記回転電機の発生トルクを指令トルク(Trq*)に制御すべく、前記上,下アームスイッチのスイッチング制御を行うスイッチ制御部(101)と、
を備え、
前記スイッチ制御部は、前記昇温制御において、前記回転電機のトルクリプルが閾値よりも大きいと判定した場合、dq座標系のq軸と前記電機子巻線に流す電流ベクトルとのなす角度の大きさを小さくすべく前記ロータの磁束を小さくするリプル抑制処理を行う、電力変換器の制御装置。
[構成2]
前記電力変換器は、第1電力変換器であり、
前記回転電機は、界磁巻線(22)を有し、
前記システムは、前記蓄電部及び前記界磁巻線を電気的に接続する第2電力変換器(40)を備え、
前記スイッチ制御部は、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御すべく、前記第2電力変換器のスイッチング制御を行い、
前記リプル抑制処理として、前記界磁巻線に流れる界磁電流を小さくすることにより前記ロータの磁束を小さくする処理を行う、構成1に記載の電力変換器の制御装置。
[構成3]
前記回転電機は、永久磁石を有する前記ロータを備えるメモリモータであり、
前記スイッチ制御部は、前記リプル抑制処理として、前記永久磁石を減磁させる弱め界磁電流を前記電機子巻線に流すことにより、前記ロータの磁束を小さくする処理を行う、構成1に記載の電力変換器の制御装置。
[構成4]
前記スイッチ制御部は、
前記昇温制御における要求態様に基づいて、前記リプル抑制処理として第1モードと第2モードとを切り替え、
前記第1モードにおける前記ロータの磁束を、前記第2モードにおける前記ロータの磁束よりも小さくする、構成1~3のいずれか1つに記載の電力変換器の制御装置。
[構成5]
前記スイッチ制御部は、
前記回転電機の温度に基づいて、前記リプル抑制処理として第1モードと第2モードとを切り替え、
前記第1モードにおける前記ロータの磁束を、前記第2モードにおける前記ロータの磁束よりも小さくする、構成1~3のいずれか1つに記載の電力変換器の制御装置。
[構成6]
前記スイッチ制御部は、前記昇温制御の実行中に前記指令トルクが所定量以上変化すると判定した場合、前記昇温制御を停止した状態で前記回転電機の発生トルクを前記所定量変化させ、その後、前記昇温制御を再開する、構成1~5のいずれか1つに記載の電力変換器の制御装置。
[構成7]
前記スイッチ制御部は、前記昇温制御において、前記回転電機のトルクリプルを小さくすべく、前記電機子巻線に流す電流の目標値であるd軸目標電流及びq軸目標電流の少なくとも一方に交流信号を加える、構成1~6のいずれか1つに記載の電力変換器の制御装置。
[構成1]
蓄電部(10)と、
複数相の電機子巻線(24U~24W)及びロータ(21)を有する回転電機(20)と、
前記蓄電部及び前記電機子巻線を電気的に接続し、上,下アームスイッチ(SUH~SWL)を有する電力変換器(30)と、
を備えるシステムに適用される電力変換器の制御装置(60)において、
昇温対象部(10)の昇温要求があるか否かを判定する判定部(100)と、
前記昇温要求があると判定された場合、前記昇温要求がないと判定される場合よりも前記電機子巻線に流す電流ベクトルの大きさを大きくする昇温制御を行うとともに、前記回転電機の発生トルクを指令トルク(Trq*)に制御すべく、前記上,下アームスイッチのスイッチング制御を行うスイッチ制御部(101)と、
を備え、
前記スイッチ制御部は、前記昇温制御において、前記回転電機のトルクリプルが閾値よりも大きいと判定した場合、dq座標系のq軸と前記電機子巻線に流す電流ベクトルとのなす角度の大きさを小さくすべく前記ロータの磁束を小さくするリプル抑制処理を行う、電力変換器の制御装置。
[構成2]
前記電力変換器は、第1電力変換器であり、
前記回転電機は、界磁巻線(22)を有し、
前記システムは、前記蓄電部及び前記界磁巻線を電気的に接続する第2電力変換器(40)を備え、
前記スイッチ制御部は、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御すべく、前記第2電力変換器のスイッチング制御を行い、
前記リプル抑制処理として、前記界磁巻線に流れる界磁電流を小さくすることにより前記ロータの磁束を小さくする処理を行う、構成1に記載の電力変換器の制御装置。
[構成3]
前記回転電機は、永久磁石を有する前記ロータを備えるメモリモータであり、
前記スイッチ制御部は、前記リプル抑制処理として、前記永久磁石を減磁させる弱め界磁電流を前記電機子巻線に流すことにより、前記ロータの磁束を小さくする処理を行う、構成1に記載の電力変換器の制御装置。
[構成4]
前記スイッチ制御部は、
前記昇温制御における要求態様に基づいて、前記リプル抑制処理として第1モードと第2モードとを切り替え、
前記第1モードにおける前記ロータの磁束を、前記第2モードにおける前記ロータの磁束よりも小さくする、構成1~3のいずれか1つに記載の電力変換器の制御装置。
[構成5]
前記スイッチ制御部は、
前記回転電機の温度に基づいて、前記リプル抑制処理として第1モードと第2モードとを切り替え、
前記第1モードにおける前記ロータの磁束を、前記第2モードにおける前記ロータの磁束よりも小さくする、構成1~3のいずれか1つに記載の電力変換器の制御装置。
[構成6]
前記スイッチ制御部は、前記昇温制御の実行中に前記指令トルクが所定量以上変化すると判定した場合、前記昇温制御を停止した状態で前記回転電機の発生トルクを前記所定量変化させ、その後、前記昇温制御を再開する、構成1~5のいずれか1つに記載の電力変換器の制御装置。
[構成7]
前記スイッチ制御部は、前記昇温制御において、前記回転電機のトルクリプルを小さくすべく、前記電機子巻線に流す電流の目標値であるd軸目標電流及びq軸目標電流の少なくとも一方に交流信号を加える、構成1~6のいずれか1つに記載の電力変換器の制御装置。
本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
Claims (9)
- 蓄電部(10)と、
複数相の電機子巻線(24U~24W)及びロータ(21)を有する回転電機(20)と、
前記蓄電部及び前記電機子巻線を電気的に接続し、上,下アームスイッチ(SUH~SWL)を有する電力変換器(30)と、
を備えるシステムに適用される電力変換器の制御装置(60)において、
昇温対象部(10)の昇温要求があるか否かを判定する判定部(100)と、
前記昇温要求があると判定された場合、前記昇温要求がないと判定される場合よりも前記電機子巻線に流す電流ベクトルの大きさを大きくする昇温制御を行うとともに、前記回転電機の発生トルクを指令トルク(Trq*)に制御すべく、前記上,下アームスイッチのスイッチング制御を行うスイッチ制御部(101)と、
を備え、
前記スイッチ制御部は、前記昇温制御において、前記回転電機のトルクリプルが閾値よりも大きいと判定した場合、dq座標系のq軸と前記電機子巻線に流す電流ベクトルとのなす角度の大きさを小さくすべく前記ロータの磁束を小さくするリプル抑制処理を行う、電力変換器の制御装置。 - 前記電力変換器は、第1電力変換器であり、
前記回転電機は、界磁巻線(22)を有し、
前記システムは、前記蓄電部及び前記界磁巻線を電気的に接続する第2電力変換器(40)を備え、
前記スイッチ制御部は、
前記界磁巻線に流れる界磁電流を制御すべく、前記第2電力変換器のスイッチング制御を行い、
前記リプル抑制処理として、前記界磁巻線に流れる界磁電流を小さくすることにより前記ロータの磁束を小さくする処理を行う、請求項1に記載の電力変換器の制御装置。 - 前記回転電機は、永久磁石を有する前記ロータを備えるメモリモータであり、
前記スイッチ制御部は、前記リプル抑制処理として、前記永久磁石を減磁させる弱め界磁電流を前記電機子巻線に流すことにより、前記ロータの磁束を小さくする処理を行う、請求項1に記載の電力変換器の制御装置。 - 前記スイッチ制御部は、
前記昇温制御における要求態様に基づいて、前記リプル抑制処理として第1モードと第2モードとを切り替え、
前記第1モードにおける前記ロータの磁束を、前記第2モードにおける前記ロータの磁束よりも小さくする、請求項2又は3に記載の電力変換器の制御装置。 - 前記スイッチ制御部は、
前記回転電機の温度に基づいて、前記リプル抑制処理として第1モードと第2モードとを切り替え、
前記第1モードにおける前記ロータの磁束を、前記第2モードにおける前記ロータの磁束よりも小さくする、請求項2又は3に記載の電力変換器の制御装置。 - 前記スイッチ制御部は、前記昇温制御の実行中に前記指令トルクが所定量以上変化すると判定した場合、前記昇温制御を停止した状態で前記回転電機の発生トルクを前記所定量変化させ、その後、前記昇温制御を再開する、請求項2又は3に記載の電力変換器の制御装置。
- 前記スイッチ制御部は、前記昇温制御において、前記回転電機のトルクリプルを小さくすべく、前記電機子巻線に流す電流の目標値であるd軸目標電流及びq軸目標電流の少なくとも一方に交流信号を加える、請求項1~3のいずれか1項に記載の電力変換器の制御装置。
- 蓄電部(10)と、
複数相の電機子巻線(24U~24W)及びロータ(21)を有する回転電機(20)と、
前記蓄電部及び前記電機子巻線を電気的に接続し、上,下アームスイッチ(SUH~SWL)を有する電力変換器(30)と、
を備えるシステムに適用されるプログラムにおいて、
昇温対象部(10)の昇温要求があるか否かを判定する判定処理と、
前記昇温要求があると判定された場合、前記昇温要求がないと判定される場合よりも前記電機子巻線に流す電流ベクトルの大きさを大きくする昇温制御を行うとともに、前記回転電機の発生トルクを指令トルク(Trq*)に制御すべく、前記上,下アームスイッチのスイッチング制御を行う制御処理と、
を実行させ、
前記制御処理における前記昇温制御において、前記回転電機のトルクリプルが閾値よりも大きいと判定した場合、dq座標系のq軸と前記電機子巻線に流す電流ベクトルとのなす角度の大きさを小さくすべく前記ロータの磁束を小さくするリプル抑制処理を行う、プログラム。 - 蓄電部(10)と、
複数相の電機子巻線(24U~24W)及びロータ(21)を有する回転電機(20)と、
前記蓄電部及び前記電機子巻線を電気的に接続し、上,下アームスイッチ(SUH~SWL)を有する電力変換器(30)と、
を備えるシステムに適用される電力変換器の制御方法において、
昇温対象部(10)の昇温要求があるか否かを判定する判定ステップと、
前記昇温要求があると判定された場合、前記昇温要求がないと判定される場合よりも前記電機子巻線に流す電流ベクトルの大きさを大きくする昇温制御を行うとともに、前記回転電機の発生トルクを指令トルク(Trq*)に制御すべく、前記上,下アームスイッチのスイッチング制御を行う制御ステップと、
を備え、
前記制御ステップにおける前記昇温制御において、前記回転電機のトルクリプルが閾値よりも大きいと判定した場合、dq座標系のq軸と前記電機子巻線に流す電流ベクトルとのなす角度の大きさを小さくすべく前記ロータの磁束を小さくするリプル抑制処理を行う、電力変換器の制御方法。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
| JP2024051094A JP2025150286A (ja) | 2024-03-27 | 2024-03-27 | 電力変換器の制御装置、プログラム及び電力変換器の制御方法 |
| JP2024-051094 | 2024-03-27 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2025204530A1 true WO2025204530A1 (ja) | 2025-10-02 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| JP2021090238A (ja) * | 2019-12-02 | 2021-06-10 | 株式会社Soken | 制御装置 |
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-
2024
- 2024-03-27 JP JP2024051094A patent/JP2025150286A/ja active Pending
-
2025
- 2025-03-03 WO PCT/JP2025/007476 patent/WO2025204530A1/ja active Pending
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