トップ :: B 処理操作 運輸 :: B60 車両一般




【発明の名称】 電気自動車の過負荷防止装置
【発明者】 【氏名】松永 康郎

【氏名】伊佐地 則文

【氏名】片田 寛

【氏名】三井 利貞
【要約】 【課題】モーターロック時に出力トルクを急に低下させずにインバーターの過負荷を防止する。

【解決手段】スイッチング素子温度検出値に基づいて各スイッチング素子の接合部温度を推定するとともに、予め設定された接合部温度に対するトルク制限値のマップから、通電中のスイッチング素子の接合部温度推定値に応じたトルク制限値を演算する。そして、モーター回転速度検出値が所定値よりも小さく、且つ、スイッチング素子温度検出値または接合部温度推定値が所定値を超えた時に、トルク制限値によりトルク指令値を制限し、制限後のトルク指令値に応じて各スイッチング素子の電流を制御する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 複数のスイッチング素子によりバッテリーの直流電力を交流電力に変換してモーターを駆動するインバーターと、トルク指令値に応じて各スイッチング素子の電流を制御する電流制御手段とを備えた電気自動車の過負荷防止装置において、スイッチング素子の発熱温度を検出する温度検出手段と、前記フィン温度検出値に基づいて各スイッチング素子の接合部温度を推定する温度推定手段と、予め設定された接合部温度に対するトルク制限値のマップから、前記通電中のスイッチング素子の前記接合部温度推定値に応じたトルク制限値を演算するトルク制限値演算手段と、モーターの回転速度を検出する回転速度検出手段と、前記回転速度検出値が所定値よりも小さく、且つ、前記温度検出手段または前記温度推定手段の出力が所定値を超えた時に、前記トルク制限値により前記トルク指令値を制限する指令値制限手段とを備えることを特徴とする電気自動車の過負荷防止装置。
【請求項２】 請求項１に記載の電気自動車の過負荷防止装置において、前記トルク指令値の所定値は、スイッチング素子が連続的に許容できる最大直流電流を流した時のモーターの出力トルクであることを特徴とする電気自動車の過負荷防止装置。
【請求項３】 請求項１または請求項２に記載の電気自動車の過負荷防止装置において、前記回転速度の所定値にヒステリシスを持たせることを特徴とする電気自動車の過負荷防止装置。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電気自動車の過負荷防止装置に関し、特にモーターロック時または超低回転速度時におけるインバーターの過負荷を防止するものである。
【０００２】
【従来の技術】インバーターから交流電力を走行用モーターに供給して駆動する電気自動車では、図６に示すように通常回転時はインバーターの各スイッチング素子に交流電流ｉ１が流れる。しかし、モーターロック時または超低回転速度時には特定の素子に直流電流ｉ２が流れ、その素子の熱損失が急激に増加する。
【０００３】図７はモーターの通常の回転状態と停止状態におけるスイッチング素子のケース温度と接合部温度を示す。モーターが通常の回転状態にある場合は、各スイッチング素子にほぼ同一の電流が流れ、複数のスイッチング素子で熱損失が均等に分担されるので、素子ケース温度Ｔｃおよび接合部温度Ｔｊは実線で示すように低い値を示す。またこの時、素子間のケース温度差も小さい。ところが、モーターがロックされて停止状態または超低回転速度状態にある場合には、特定の素子に直流電流が流れるので、その素子のケース温度Ｔｃ’と接合部温度Ｔｊ’が急激に上昇し、素子間のケース温度差も急激に増加する。
【０００４】モーターロック時または超低回転速度時に駆動回路のスイッチング素子の接合部温度が許容値を超えないようにするために、スイッチング素子のケース温度を検出し、ケース温度がしきい値を超えたらインバーターの出力電流を低減する電気自動車の過負荷防止装置が知られている。
【０００５】また、モーターロック時または超低回転速度時の駆動回路の過負荷を防止するために、モーターのロック状態を検出し、ロック状態が検出されると出力電流を制限する電気自動車の過負荷防止装置が知られている（例えば、特開平８−１９１５０３号公報参照）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述した前者の過負荷防止装置では、６個のスイッチング素子の中の最大のケース温度に基づいてインバーターの出力電流を低減するので、インバーターのすべてのスイッチング素子の出力電流が同時に制限され、モーターの出力トルクが急激に低下して乗員に違和感を与える。また、上述した後者の過負荷防止装置でも、モーターロック時にインバーターのすべてのスイッチング素子の出力電流を制限するので、モーターの出力トルクが急に低下する。
【０００７】図８は、従来の過負荷防止装置によるモーターロック時の出力トルクの変化を示す。ここで、Ｔｒmaxは、インバーターからモーターに最大電流を流した時のモーターの最大出力トルクである。また、Ｔｒ０は、モーターロック時にインバーターの特定のスイッチング素子からモーターへ、素子が連続的に許容できる最大電流（直流電流）を流した時のモーターの出力トルクであり、以下では連続可能トルクと呼ぶ。モーターがロックされ、インバーターの特定のスイッチング素子に最大電流が流れると、そのスイッチング素子の接合部温度Ｔｊは急激に上昇し、時刻ｔ１で許容最大値Ｔｊ４に達する。時刻ｔ１から出力トルクを連続可能トルクＴｒ０に制限することによって接合部温度Ｔｊも低下するが、モーターロック時の出力トルクの低下が急激であるため、乗員に違和感を与える。
【０００８】本発明の目的は、モーターロック時に出力トルクを急に低下させずにインバーターの過負荷を防止する電気自動車の過負荷防止装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１） 請求項１の発明は、複数のスイッチング素子によりバッテリーの直流電力を交流電力に変換してモーターを駆動するインバーターと、トルク指令値に応じて各スイッチング素子の電流を制御する電流制御手段とを備えた電気自動車の過負荷防止装置に適用される。そして、スイッチング素子の発熱温度を検出する温度検出手段と、フィン温度検出値に基づいて各スイッチング素子の接合部温度を推定する温度推定手段と、予め設定された接合部温度に対するトルク制限値のマップから、通電中のスイッチング素子の接合部温度推定値に応じたトルク制限値を演算するトルク制限値演算手段と、モーターの回転速度を検出する回転速度検出手段と、回転速度検出値が所定値よりも小さく、且つ、温度検出手段または温度推定手段の出力が所定値を超えた時に、トルク制限値によりトルク指令値を制限する指令値制限手段とを備える。素子温度検出値に基づいて各スイッチング素子の接合部温度を推定するとともに、予め設定された接合部温度に対するトルク制限値のマップから、通電中のスイッチング素子の接合部温度推定値に応じたトルク制限値を演算する。そして、モーター回転速度検出値が所定値よりも小さく、且つ、スイッチング素子温度検出値または接合部温度推定値が所定値を超えた時に、トルク制限値によりトルク指令値を制限し、制限後のトルク指令値に応じて各スイッチング素子の電流を制御する。
（２） 請求項２の電気自動車の過負荷防止装置は、トルク指令値の所定値を、スイッチング素子が連続的に許容できる最大直流電流を流した時のモーターの出力トルクとしたものである。
（３） 請求項３の電気自動車の過負荷防止装置は、回転速度の所定値にヒステリシスを持たせるようにしたものである。
【００１０】
【発明の効果】
（１） 請求項１の発明によれば、例えば車両が道路上の突起物を乗り越えるような場合に、モーターがロック状態または超低回転速度状態になっても、モーターの出力トルクの低下が緩やかになり、従来のようにモーターの出力トルクが急激に低下して乗員に違和感を与えるようなことがない。
（２） 請求項２の発明によれば、モーターがロック状態または超低回転速度状態にあるか否かの判定を、モーターの回転速度が所定値未満という条件の他に、スイッチング素子が連続的に許容できる最大直流電流を流した時のモーターの出力トルクよりもトルク指令値が大きいことを条件としたので、正確な判定が可能となる。
（３） 請求項３の発明によれば、モーターがロック状態または超低回転速度状態にあるか否かの判定を行なうごとに判定結果が切り換わるチャタリングを防止できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は一実施の形態の構成を示す図である。バッテリー１はインバーターリレー２およびＤＣリンクコンデンサ３を介してインバーター主回路４に直流電力を供給し、インバーター主回路４は直流電力を交流電力に変換して走行用モーター５に印加する。インバーター主回路４は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ Ｔ１〜Ｔ６とダイオードＤ１〜Ｄ６から構成され、これらのスイッチング素子は冷却用フィン（不図示）上に取り付けられている。なお、この実施の形態では走行用モーター５に同期電動機を用いた例を示すが、誘導電動機を用いてもよい。また、この実施の形態ではスイッチング素子にＩＧＢＴを用いた例を示すが、パワートランジスターやサイリスタなどのスイッチング素子を用いてもよい。
【００１２】サーミスタ６はスイッチング素子冷却用フィンの温度Ｔｓを検出する検出器であり、電流センサー７〜９はインバーター主回路４の出力電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する検出器である。また、磁極センサー１０は同期モーター５の磁極位置θを検出する検出器であり、回転センサー１１はモーター５の回転速度Ｎｅを検出する検出器である。
【００１３】モーターコントローラー１２は、マイクロコンピュータとその周辺部品から構成され、車両制御コントローラー（不図示）からのトルク指令値Ｔｒ*にしたがってモーター５の三相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを制御するとともに、後述する制御プログラムを実行してモーターロック時のトルク制限を行なう。
【００１４】この実施の形態では、モーターがロック状態または超低回転速度状態にある時に、インバーター主回路４の各スイッチング素子の接合部温度を推定し、各スイッチング素子ごとにその接合部温度に応じてモータートルク指令値Ｔｒ*を制限し、制限処理後のトルク指令値Ｔｒ*に応じた出力電流となるように各スイッチング素子の電流を制御する。
【００１５】まず、モーターがロック状態または超低回転速度状態にあるか否かをモーター回転速度Ｎｅとトルク指令値Ｔｒ*に基づいて判定する。モーター回転速度｜Ｎｅ｜が所定値Ｎｅ１よりも小さく、且つ、トルク指令値｜Ｔｒ*｜が上述した連続可能トルクＴｒ０より大きい場合は、モーターがロック状態または超低回転速度状態であると判定する。ここで、連続可能トルクＴｒ０とは、上述したように、モーターロック時にインバーター主回路の１個のスイッチング素子からモーターへ、素子が連続的に許容できる最大電流（直流電流）を流した時のモーターの出力トルクである。
【００１６】次に、スイッチング素子の接合部温度の推定演算について説明する。まず、上述した判定条件に基づいてモーターがロック状態または超低回転速度状態にあると判定された時点の、各スイッチング素子ごとの冷却用フィン温度Ｔｆと接合部温度Ｔｊの初期値Ｔｆo、Ｔｊoを次式により求める。
【数１】Ｔｆo＝Ｔｓ＋Ｋ１，Ｔｊo＝Ｔｆo＋Ｋ２ここで、Ｋ１、Ｋ２は定数であり、各スイッチング素子に対して最適値を設定する。
【００１７】次に、モーターがロック状態または超低回転速度状態に入ってからの経過時間をΔｔとして、ロック状態または超低回転速度状態における各スイッチング素子ごとのフィン温度と接合部温度の推定値Ｔｆs、Ｔｊsを次式により求める。
【数２】Ｔｆs[n]＝（Ｔｓ−Ｋ３・Ｉ−Ｔｆs[n-1]）・Δｔ／Ｋ４＋Ｔｆs[n-1]，Ｔｊs[n]＝（Ｔｆs[n]−Ｋ５・Ｉ−Ｔｊs[n-1]）・Δｔ／Ｋ６＋Ｔｊs[n-1]ここで、Ｉは三相出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗである。また、Ｋ３〜Ｋ６は定数であり、各スイッチング素子に対して最適値を設定する。なお、記号[n]は今回の演算値を表わし、[n-1]は前回の演算値を表わす。モーターがロック状態または超低回転速度状態に入った直後の演算では、Ｔｆs[n-1]に初期値Ｔｆoを、Ｔｊs[n-1]に初期値Ｔｊoをそれぞれ設定する。
【００１８】図４は、予め設定された接合部温度に対するトルク制限値のマップである。このマップから通電中のスイッチング素子の接合部温度推定値Ｔｊsに応じたトルク制限値Ｔｒ’を表引き演算し、トルク指令値Ｔｒ*を制限値Ｔｒ’以下に制限する。そして、制限処理後のトルク指令Ｔｒ*に応じて通電中のスイッチング素子を電流制御する。
【００１９】図２、図３は、モーターロック時のトルク制限処理を示すフローチャートである。これらのフローチャートにより、一実施の形態の動作を説明する。モーターコントローラー１２は、所定の時間間隔でこの制御プログラムを実行する。ステップ１において、モーター回転速度｜Ｎｅ｜が所定値Ｎｅ１よりも小さいか否かを判断し、所定値Ｎｅ１より小さければステップ２へ進み、そうでなければステップ６へ進む。回転速度が所定値Ｎｅ１以上の時はモーター５がロック状態でないと判断し、ステップ６でモーター回転速度｜Ｎｅ｜が所定値Ｎｅ２（＞Ｎｅ１）以上かどうかを判断する。回転速度が所定値Ｎｅ２以上の時はステップ７へ進み、モーターロック状態を示すロックフラグをクリヤする。この実施の形態では、モーターロック状態の判定基準回転速度にヒステリシスを設け、判定結果が激しく切り換わるチャタリングを防止する。
【００２０】モーター回転速度｜Ｎｅ｜が所定値Ｎｅ１より小さい時は、ステップ２でトルク指令値｜Ｔｒ*｜が連続可能トルクＴｒ０より大きいか否かを判断する。トルク指令値｜Ｔｒ*｜が連続可能トルクＴｒ０以下の時は、ステップ８でその状態が所定時間継続されたかどうかを確認する。連続可能トルクＴｒ０以下の状態が所定時間以上継続された場合はステップ９へ進み、特定のスイッチング素子にトルク指令値Ｔｒ*に応じた電流を連続して流しても、そのスイッチング素子の接合温度Ｔｊが許容最大値まで上昇することはないので、ロックフラグをクリヤする。
【００２１】モーター回転速度｜Ｎｅ｜が所定値Ｎｅ１より小さく、且つトルク指令値｜Ｔｒ*｜が連続可能トルクＴｒ１より大きい時は、モーター５がロック状態または超低回転速度状態にあると判断してステップ３へ進み、ロックフラグがクリヤされているかどうかを確認する。ロックフラグがクリヤされていればステップ４へ進み、上述したようにモーターがロック状態または超低回転速度状態に入った時点の、各スイッチング素子ごとの冷却用フィン温度初期値Ｔｆoと接合部温度初期値Ｔｊoを求める。続くステップ４Ａで、モーター５がロック状態または超低回転速度状態になってからの経過時間Δｔの計時を開始する。ステップ５ではロックフラグをセットする。
【００２２】ステップ１１において、ロックフラグがセットされているか否かを確認し、セットされていればステップ１２以降のモーターロック時または超低回転速度時のトルク制限処理を行ない、ロックフラグがクリヤされていれば処理を終了する。ステップ１２では、上述したようにロック状態または超低回転速度状態における各スイッチング素子ごとのフィン温度推定値Ｔｆsと接合部温度推定値Ｔｊsを求める。ステップ１３で、磁極位置θを検出し、磁極位置θに基づいて通電しているスイッチング素子を特定する。続くステップ１４で、予め設定された接合部温度に対するトルク制限値のマップ（図４参照）から、通電中のスイッチング素子の接合部温度推定値Ｔｊsに応じたトルク制限値Ｔｒ’を表引き演算する。ステップ１５においてトルク指令値Ｔｒ*を制限値Ｔｒ’以下に制限し、ステップ１６でトルク制限後の指令値Ｔｒ*に応じた出力電流となるように通電中のスイッチング素子の電流を制御する。
【００２３】図５は、この実施の形態によるモーターロック時の出力トルクの変化を示す。モーターロック後の時刻ｔ１１までは最大トルクＴｒmaxが出力され、時刻ｔ１１から接合部温度Ｔｊに応じたトルク制限がかかる。その結果、出力トルクが低下し始める。出力トルクの低下によりモーター５の通電相、すなわち通電スイッチング素子が隣の相の素子に移るため、新しく通電相になったスイッチング素子のトルク制限値が演算される。新たに通電相になったスイッチング素子は今まで通電していなかったので、接合部温度が低く、したがってトルク制限値が高い。つまり、図示するように時刻ｔ１２から出力トルクが増加する。上述したように、従来は、時刻ｔ１２から出力トルクが破線に沿って低下し、急激にトルクが低下していた。時刻ｔ１３でふたたび現在通電中のスイッチング素子の接合部温度が上昇し、接合部温度に応じたトルク制限がかかって出力トルクが低下する。このように、各スイッチング素子ごとにその接合部温度に応じてトルク指令値が制限されるので、モーターロック時に急に出力トルクが低下するようなことがなく、乗員が違和感を感じることはない。
【００２４】以上の一実施の形態の構成において、インバーター主回路４がインバーターを、モーターコントローラー１２が電流制御手段、温度推定手段、トルク制限値演算手段および指令値制限手段を、サーミスタ６が温度検出手段を、回転センサー１１が回転速度検出手段をそれぞれ構成する。
【００２５】なお、上述した実施の形態ではサーミスタによりスイッチング素子冷却用フィンの温度を検出し、フィン温度に基づいてスイッチング素子の接合部温度を推定する例を示したが、スイッチング素子のケース温度を検出し、ケース温度に基づいてスイッチング素子の接合部温度を推定するようにしてもよい。また、フィン温度またはケース温度を検出するためのセンサーはサーミスタに限定されない。さらに、上述した実施の形態では、１個のサーミスタによりフィン温度を検出する例を示したが、各スイッチング素子ごとにフィン温度またはケース温度を検出するセンサーを設けてもよい。
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【識別番号】０００００３９９７
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
【出願日】 平成９年（１９９７）１０月７日
【代理人】 【弁理士】
【氏名又は名称】永井 冬紀
【公開番号】 特開平１１−１２２７０３
【公開日】 平成１１年（１９９９）４月３０日
【出願番号】 特願平９−２７４７３６