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公開番号2021005968
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210114
出願番号2019119384
出願日20190627
発明の名称インバータ装置および車両制御装置
出願人NTN株式会社
代理人個人,個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20201211BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】スイッチング素子を必要以上に大きくすることなく、スイッチング素子を熱的に保護すると共に、上り坂または段差等を超えるのに十分なトルクを確保することができるインバータ装置および車両制御装置を提供する。
【解決手段】このインバータ装置13は、インバータ31と、インバータ31を制御するインバータ制御部5とを備える。インバータ制御部5は、モータ6のトルクをトルク制限値でトルク制限するトルク制限部40を有し、前記トルク制限値として、モータ6の回転数によって定められた回転数対応トルク制限値と、短時間のみモータ6が出力可能な高トルクで前記トルクを制限する短時間高トルク制限値とがある。トルク制限部40は、モータ6の始動時においては、回転数対応トルク制限値と、短時間高トルク制限値のうち、大きい方の値を前記トルク制限に用いる。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項1】
直流電流を、駆動対象のモータの形式に応じた交流電流に、各相の半導体からなるスイッチング素子の開閉によって変換するインバータと、このインバータを制御するインバータ制御部とを備え、
前記インバータ制御部は、前記モータのトルクをトルク制限値でトルク制限するトルク制限部を有し、
前記トルク制限値として、
前記モータの回転数によって定められた回転数対応トルク制限値と、
短時間のみ前記モータが出力可能な高トルクで前記トルクを制限する短時間高トルク制限値と、があり、
前記トルク制限部は、前記モータの始動時においては、前記回転数対応トルク制限値と、前記短時間高トルク制限値のうち、大きい方の値を前記トルク制限に用いるインバータ装置。
続きを表示(約 590 文字)【請求項2】
請求項1に記載のインバータ装置において、前記トルク制限部は、前記短時間高トルク制限値を複数持つインバータ装置。
【請求項3】
請求項1または請求項2に記載のインバータ装置において、
前記インバータ制御部は、このインバータ制御部に入力されるトルク指令値に対して、所定の制御を施したトルク制御値を算出する機能を有し、
前記トルク制限部は、前記トルク制御値が閾値以下となる状態が設定時間経過し、この設定時間経過後に前記トルク指令値が前記閾値を超えるとき、前記トルク指令値が前記閾値を超えた時点から、許可時間だけ高トルクを短時間高トルク制限値として設定するインバータ装置。
【請求項4】
請求項3に記載のインバータ装置において、前記トルク制限部は、前記許可時間を前記閾値が小さい程長くするインバータ装置。
【請求項5】
請求項3に記載のインバータ装置において、前記インバータを冷却する冷却水の温度を検出または推定する水温検出手段を備え、前記トルク制限部は、前記水温検出手段で検出または推定された冷却水の温度が低い程、前記許可時間を長くするインバータ装置。
【請求項6】
請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のインバータ装置を搭載し、前記モータが車両の走行駆動用のモータである車両制御装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
この発明は、インバータ装置および車両制御装置に関し、スイッチング素子を保護すると共に、上り坂を上るまたは段差等を超えるのに十分なトルクを確保することができる技術に関する。
続きを表示(約 8,200 文字)【背景技術】
【0002】
電気自動車またはハイブリッド電気自動車の駆動用モータを制御する駆動制御装置では、複数のスイッチング素子を駆動することでモータに交流電流を流している。図13に示すように、流す電流は相毎にロータの角度によって変えてモータに交流電流を流すため、ロータが止まっていると、直流電流を流すことになる。例えば、図13において位相角90°でロータが止まった状態で電流を流そうとした場合、図14の矢印の経路で交流のピーク電流値である直流電流を流してしまうことになる。したがって、上り坂または段差でモータを始動するときに電気自動車等が動かないまたは非常にゆっくりと動き出すときは、直流電流を流し続け、特定のスイッチング素子に電流が集中して流れてしまうため、スイッチング素子に異常が発生する可能性がある。
【0003】
そこで従来技術(1)では、モータの回転数が閾値以下のときにモータの最大トルクを制限している(特許文献1)。
従来技術(2)では、スイッチング素子の温度を検出する温度センサの検出温度と、スイッチング素子の温度を推定する温度推定手段によって推定された推定温度から、トルクを制限してスイッチング素子を保護することが提案されている(特許文献2)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2007−331646号公報
特開2013−162732号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
従来技術(1)では、始動時の最大トルクが制限されるため、上り坂を上れない、または段差を乗り越えることができない可能性がある。元々の出力トルクに余裕がある車両ではトルクを制限してもそのようなことは起きないかもしれないが、そうでない場合の方が多い。出力トルクに余裕がない車両では、始動時に十分なトルクとするため通常走行中では必要ないくらいスイッチング素子が大きなものになってしまい、スイッチング素子を含む駆動制御装置全体の体積および重量が大きくなってしまうと共に、コストも高くなってしまう。
【0006】
従来技術(2)では、スイッチング素子の推定温度が正確であればよいが、スイッチング素子の実際の温度より高めに推定した場合は、前記実際の温度よりも早めに保護をかけてしまいトルクが不足してしまう可能性がある。スイッチング素子の実際の温度より低めに推定した場合は、スイッチング素子を保護するべき温度においても保護することができずスイッチング素子に異常が発生する可能性がある。また、ソフトウェアが複雑になってしまう。
【0007】
また、従来技術(2)では、スイッチング素子よりも温度センサが少ない場合であるが、仮に全てのスイッチング素子に温度センサを設けてその温度によりトルクを制限した場合は正確にトルク制限を行えるものの、温度センサおよび検出回路の個数が増えるため、コストが高くなってしまう。
【0008】
この発明の目的は、スイッチング素子を必要以上に大きくすることなく、スイッチング素子を熱的に保護すると共に、上り坂または段差等を超えるのに十分なトルクを確保することができるインバータ装置および車両制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0009】
この発明のインバータ装置13は、直流電流を、駆動対象のモータ6の形式に応じた交流電流に、各相の半導体からなるスイッチング素子4の開閉によって変換するインバータ31と、このインバータ31を制御するインバータ制御部5とを備え、
前記インバータ制御部5は、前記モータ6のトルクをトルク制限値でトルク制限するトルク制限部40を有し、
前記トルク制限値として、
前記モータ6の回転数によって定められた回転数対応トルク制限値と、
短時間のみ前記モータ6が出力可能な高トルクで前記トルクを制限する短時間高トルク制限値と、があり、
前記トルク制限部40は、前記モータ6の始動時においては、前記回転数対応トルク制限値と、前記短時間高トルク制限値のうち、大きい方の値を前記トルク制限に用いる。
前記短時間高トルク制限値における、前記「短時間」および前記「高トルク」は、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等によりスイッチング素子に異常が発生しない短時間、高トルクが適用される。
前記「短時間」として、例えば、数百msが採用される。前記「高トルク」として、ある条件成立時に、短時間だけ回転数対応トルク制限値よりも大きなトルク制限値が採用される。
回転数対応トルク制限値は、例えば、モータ6の回転数が0min
−1
で電流を流し続けてもモータ6およびスイッチング素子4共に異常が発生しない電流値となるようなトルクに設定する。
【0010】
この構成によると、モータ6の始動時において、短時間のみ出力可能な短時間高トルク制限値よりも、モータ6の回転数により定められる回転数対応トルク制限値が大きい場合に、トルク制限部40がモータ6の回転数による回転数対応トルク制限値を選択してモータ回転数に応じたトルク制限を行うことで、モータ6の過負荷を抑えスイッチング素子4を必要以上に大きくすることなく熱的に保護することが可能である。
トルク制限部40は、回転数対応トルク制限値よりも短時間高トルク制限値が大きい場合に、この短時間のみ出力される高トルクでトルク制限を行うことで、例えば、上り坂または段差等を超えるのに十分なトルクを確保することができる。
【0011】
前記トルク制限部40は、前記短時間高トルク制限値を複数持っていてもよい。前記複数の短時間高トルク制限値は、時間経過に従って順次現れるようにしても、同時期に重なるようにしてもよい。
前記複数の短時間高トルク制限値が時間経過に従って順次現れる場合、例えば、アクセルペダルを踏み増しまたはアクセルペダルを緩やかに踏み込み、一つめの短時間高トルク制限値の時間が経過しても、時間経過に伴って現われる他の短時間高トルク制限値を、回転数対応トルク制限値との比較に用いることができる。
前記複数の短時間高トルク制限値が同時期に重なる重なり部分がある場合、同時期に最もトルク制限値の高い短時間高トルク制限値を採用して回転数対応トルク制限値との比較に用いることができる。例えば、アクセルペダルを強く踏み込んだときは、複数の短時間高トルク制限値がほぼ同時期に発生し、トルク閾値が一番低い制限値が一番長いため、その時間だけ高トルクを出力することができる。
【0012】
前記インバータ制御部5は、このインバータ制御部5に入力されるトルク指令値に対して、所定の制御を施したトルク制御値を算出する機能を有し、
前記トルク制限部40は、前記トルク制御値が閾値以下となる状態が設定時間経過し、この設定時間経過後に前記トルク指令値が前記閾値を超えるとき、前記トルク指令値が前記閾値を超えた時点から、許可時間(TIME_ON1)だけTRQ2を短時間高トルク制限値として設定する。短時間高トルク制限値は、許可時間TIME_ON1経過後、立下り時間Tsを設けてトルク制限値を徐々に小さくしてもよい。
前記閾値は、設計等によって任意に定める閾値であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な閾値を求めて定められる。
前記設定時間、前記許可時間および前記立下り時間は、それぞれ設計等によって任意に定める時間であって、例えば、試験およびシミュレーションのいずれか一方または両方等により適切な時間を求めてそれぞれ定められる。なお前記立下り時間を零としてもよい。
この構成によると、トルク制御値が閾値以下となる状態が設定時間経過することを、短時間高トルク制限値の条件とすることで、アクセルペダルを繰り返し踏んだ場合にも、短時間高トルク制限値を回転数対応トルク制限値との比較に用いることが可能となる。
【0013】
前記トルク制限部40は、前記許可時間を前記閾値が小さい程長くしてもよい。換言すれば、前記許可時間を前記閾値が大きい程短くする。これは、トルク制御値が高いとスイッチング素子4の温度も高くなっているため、その分高トルクを出力できる時間である許可時間が短くなってしまうからである。
【0014】
前記インバータ31を冷却する冷却水の温度を検出または推定する水温検出手段43を備え、前記トルク制限部40は、前記水温検出手段43で検出または推定された冷却水の温度が低い程、前記許可時間を長くしてもよい。このように冷却水の温度に応じて前記許可時間の長さを変化することで、きめ細かくトルク制限を行うことが可能となる。
【0015】
この発明の車両制御装置16は、この発明の上記いずれかの構成のインバータ装置13を搭載し、前記モータ6が車両の走行駆動用のモータである。この構成によると、この発明のインバータ装置13につき前述した各効果が得られる。
【発明の効果】
【0016】
この発明のインバータ装置は、直流電流を、駆動対象のモータの形式に応じた交流電流に、各相の半導体からなるスイッチング素子の開閉によって変換するインバータと、このインバータを制御するインバータ制御部とを備え、前記インバータ制御部は、前記モータのトルクをトルク制限値でトルク制限するトルク制限部を有し、前記トルク制限値として、前記モータの回転数によって定められた回転数対応トルク制限値と、短時間のみ前記モータが出力可能な高トルクで前記トルクを制限する短時間高トルク制限値と、があり、前記トルク制限部は、前記モータの始動時においては、前記回転数対応トルク制限値と、前記短時間高トルク制限値のうち、大きい方の値を前記トルク制限に用いる。このため、スイッチング素子を必要以上に大きくすることなく、スイッチング素子を熱的に保護すると共に、上り坂または段差等を超えるのに十分なトルクを確保することができる。
【0017】
この発明の車両制御装置は、この発明の上記いずれかの構成のインバータ装置を搭載し、前記モータが車両の走行駆動用のモータであるため、スイッチング素子を必要以上に大きくすることなく、スイッチング素子を熱的に保護すると共に、上り坂または段差等を超えるのに十分なトルクを確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【0018】
この発明の実施形態に係る車両制御装置を搭載した車両を平面図で示す概念構成のブロック図である。
同車両制御装置のインバータ装置の構成例を示すブロック図である。
同インバータ装置におけるインバータの構成例を示す図である。
モータ回転数により設定される回転数対応トルク制限値の例を示す図である。
短時間出力可能な短時間高トルク制限値の例を示す図である。
短時間高トルク制限値の成立条件例を示す図である。
短時間高トルク制限値を複数持つ例を示す図である。
短時間高トルク制限値を複数持つ他の例を示す図である。
最終的なトルク制限値を求める例を示す図である。
最終的なトルク制限値を求める他の例を示す図である。
最終的なトルク制限値を求めるその他の例を示す図である。
この発明の他の実施形態に係る車両制御装置を搭載した車両を平面図で示す概念構成のブロック図である。
三相交流の電流波形のグラフである。
直流電流が流れてしまうときの経路の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0019】
[第1の実施形態]
この発明の実施形態を図1ないし図11と共に説明する。
<車両の概念構成について>
図1は、この実施形態に係る車両制御装置を搭載した車両を平面図で示す概念構成のブロック図である。この車両は、車体1の左右の後輪となる車輪2が駆動輪とされ、左右の前輪となる車輪3が従動輪とされた四輪の電気自動車である。前輪となる車輪3は操舵輪とされている。駆動輪となる左右の車輪2,2は、それぞれ独立して駆動可能な走行用のモータ6により駆動される。各モータ6は、インホイールモータ駆動装置IWMを構成する。各車輪2,3には、ブレーキが設けられている。また左右の前輪となる操舵輪である車輪3,3は、図示しない転舵機構を介して転舵可能であり、ハンドル等の操舵手段15により操舵される。
【0020】
モータ6は、三相のモータであり、例えば、ロータのコア部に永久磁石が内蔵された埋込磁石型同期モータである。このモータ6は、ハウジングに固定したステータと、回転出力軸に取り付けたロータとの間にラジアルギャップを設けたモータである。
【0021】
<制御系について>
図2は、この車両制御装置のインバータ装置の構成例を示すブロック図である。図1および図2に示すように、車両制御装置16は、車両全般の制御を行う電気制御ユニットである車両制御ECU14と、車両制御ECU14のトルク指令値に従って走行駆動用の左右のモータ6,6の制御を行うインバータ装置13,13と、センサ類とを有する。車両が電気自動車の場合、車両制御ECUは、VCU(車両制御ユニット)とも称される。
【0022】
図1および図2に示すように、車両制御ECU14は指令トルク演算部14aを有し、この指令トルク演算部14aは、図示外のアクセルセンサが出力する加速指令と、図示外のブレーキセンサが出力する減速指令とから、左右のモータ6,6に与える加速・減速指令をトルク指令値(指令トルク)として生成する。前記アクセルセンサは、アクセルペダル等のアクセル操作手段20の操作量を検出し、この検出した操作量に従って加速指令を出力する。前記ブレーキセンサは、ブレーキペダル等のブレーキ操作手段21の操作量を検出し、この検出した操作量に従って減速指令を出力する。指令トルク演算部14aは、生成したトルク指令値を、左右のモータ6,6へ分配するように各インバータ装置13へ出力する。
【0023】
図2に示すように、各インバータ装置13は、パワー回路部28と、モータコントロール部29とを有する。モータコントロール部29は、モータ駆動制御部30、トルク制限部40、回転数検出手段41および水温検出手段43を備える。モータコントロール部29は、このモータコントロール部29が持つインホイールモータ駆動装置IWM(図1)に関する各検出値および制御値等の各情報を車両制御ECU14に出力する機能を有する。
【0024】
パワー回路部28は、バッテリBt(図1)の直流電力をモータ6の駆動に用いる三相の交流電力に変換するインバータ31と、このインバータ31を駆動するPWMドライバ32とを有する。図2および図3に示すように、インバータ31は、各相U,V,W毎の上下のスイッチング素子4(UP,UN,VP,VN,WP,WN)で構成されるブリッジ回路であり、バッテリBt(図1)の直流電流を、半導体からなる前記スイッチング素子4の開閉により疑似的な正弦波状の三相の交流電流に変換する。スイッチング素子4には、例えば、IGBTまたはMOS-FET等の半導体スイッチング素子が用いられる。インバータ31の各相の出力端はモータ6の各相の入力端に接続される。
【0025】
図2に示すように、モータコントロール部29は、コンピュータとこれに実行されるプログラム、および電子回路により構成され、その基本となる制御部としてモータ駆動制御部30を有する。モータ駆動制御部30は、車両制御ECU14からトルク制限部40を介して与えられるトルク指令値に対応する電流指令を演算しこの電流指令に対し、検出されるモータ電流を電流センサ38から得て追従させる電流フィードバック制御(請求項3の「所定の制御」)を行う。モータ駆動制御部30は、電流フィードバック制御によりトルク制御値に相当する電圧指令を算出し、パワー回路部28のPWMドライバ32に電圧指令を与える。モータコントロール部29およびPWMドライバ32により、インバータ31を制御するインバータ制御部5が構成される。
【0026】
トルク制限部40は、モータ6のトルクをトルク制限値でトルク制限する。トルク制限値として、モータ6の回転数によって定められた回転数対応トルク制限値(図4)と、短時間のみモータ6が出力可能な高トルクで前記トルクを制限する短時間高トルク制限値(図5)とがある。
トルク制限部40は、モータ6の始動時においては、前記回転数対応トルク制限値と、前記短時間高トルク制限値のうち、大きい方の値を前記トルク制限に用いる。
【0027】
[モータ始動時のトルク制限について]
<モータ回転数による回転数対応トルク制限値>
図4は、モータ回転数により設定される回転数対応トルク制限値の例を示す図である。以後、図2も適宜参照しつつ説明する。
トルク制限部40は、図4(a)に示すように、回転数検出手段41から与えられたモータ6の回転数がある閾値ROT1以下であるとき、モータ6のトルクを最大トルク以下のあるトルク制限値TRQ1にトルク制限を行う。
【0028】
または図4(b)に示すように、モータ6の回転数が0min
−1
ではトルク制限値を、最大トルク以下のあるトルク制限値TRQ1として、モータ6の回転数が上がるにつれてトルク制限値を上げていき、ある回転数ROT2で最大トルクを出力可能とする。この場合、トルクが滑らかに上がるのでショック等がなくなる。回転数検出手段41は、モータ6のロータの回転角を回転角検出手段33から得て、例えば、取得した回転角を微分すること等によりモータ6の回転数を検出し得る。
【0029】
トルク制限値TRQ1は、モータ6の回転数が0min
−1
で電流を流し続けても、モータ6およびスイッチング素子4共に異常が発生しない電流値となるようなトルクに設定する。ここでは、モータ6の回転数を用いたが、トルク制限部40は、車輪速を用いて上記モータ6の回転数ROT1,ROT2に相当する車輪速で制御を行ってもよい。
【0030】
<短時間高トルク制限値>
図5は、短時間高トルク制限値の例を示す図である。
図2および図5(a)に示すように、トルク制限部40は、ある条件成立時に、短時間(許可時間)TIME_ON1だけTRQ1よりも大きなTRQ2をトルク制限値とする。または図5(b)に示すように、前記条件成立時に、TRQ1よりも大きなTRQ2をトルク制限値とし、許可時間TIME_ON1経過後、立下り時間Tsでトルク制限値を0まで徐々に減らしていく。この場合、許可時間TIME_ON1の経過後、緩やかにトルク制限値が下がることから、モータ6のトルクが滑らかに下がるので車両のショック等がなくなる。
また、許可時間TIME_ON1およびこの許可時間から延びる短時間高トルク制限値の立下り時間Tsだけ短時間高トルク制限値を、前記回転数対応トルク制限値との比較に用いてもよい。
(【0031】以降は省略されています)

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