(57)【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、
スイッチング素子冷却用フィンの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、
モーターの磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、
前記磁極位置検出値に基づいて導通相を特定する導通相特定手段と、
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、前記導通相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、
モーターの回転を検出する回転検出手段と、
前記回転検出値が所定値よりも小さく、且つ、前記トルク指令値が所定値よりも大きい時に、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た電気車の過負荷防止装置であって、
前記回転検出値が所定値よりも小さく、且つ、前記トルク指令値が所定値よりも大きい時に、前記回転検出手段によりモーターの逆転が検出された場合には、前記導通相特定手段により特定された相の２つ前の相を新たに導通相とする導通相制御手段を備えることを特徴とする電気車の過負荷防止装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気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５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６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７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、スイッチング素子冷却用フィンの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、モーターの磁極位置を検出する磁極位置検出手段と、磁極位置検出値に基づいて導通相を特定する導通相特定手段と、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、導通相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、モーターの回転を検出する回転検出手段と、回転検出値が所定値よりも小さく、且つ、トルク指令値が所定値よりも大きい時に、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た電気車の過負荷防止装置であって、回転検出値が所定値よりも小さく、且つ、トルク指令値が所定値よりも大きい時に、回転検出手段によりモーターの逆転が検出された場合には、導通相特定手段により特定された相の２つ前の相を新たに導通相とする導通相制御手段を備える。
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とともに、磁極位置検出値に基づいて導通相を特定し、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、導通相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、モーター回転検出値が所定値よりも小さく、且つ、トルク指令値が所定値よりも大きい時に、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。さらにこの時、回転検出手段によりモーターの逆転が検出された場合には、特定された相の２つ前の相を新たに導通相とする。
（２）  請求項２の電気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、モーターロック時にインバーター主回路の三相のスイッチング素子が交互に導通し、モーターロック時における負荷が三相にほぼ均等に分担されて各相のスイッチング素子の接合部温度の上昇が緩やかになる。その結果、モーターロック時のトルク制限の増加が緩やかになり、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】
次に、磁極センサー１０により検出された磁極位置に基づいて通電中のスイッチング素子を特定するとともに、図２に示す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値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】
モーターロック時に、通電中のスイッチング素子の電流を制御してモーターの出力トルクを制限すると、モーターが捩り戻されて逆転することがある。例えば今、Ｖ相のスイッチング素子Ｔ３の電流を制御してモーターの出力トルクを制限すると、モーターが捩り戻されて隣のＵ相が導通相になる。Ｕ相のスイッチング素子Ｔ１はそれまで導通していなかったので、接合部温度が低くトルク制限が不要であるから、最大電流を通電可能な状態にあり、モーターは最大トルクを出力する。これにより、モーターが正転して捩り戻しが解消され、ふたたびＶ相が導通相になる。ところが、Ｖ相はＵ相の導通前に導通していた相であり、接合部温度は最大値か、またはそれに近い値まで上昇している。したがって、Ｖ相のスイッチング素子に対して接合部温度Ｔｊsに応じたトルク制限を行なうと、モーターの出力トルクが低い値に制限される。その結果、モーターがふたたび捩り戻され、導通相が隣のＵ相に移る。
つまり、モーターロック時にモーターの捩り戻しが発生すると、特定の相のスイッチング素子と隣接する相のスイッチング素子とが交互に導通し、両スイッチング素子の接合部温度が急激に上昇してトルク制限値が増大し、モーターの出力トルクが急激に低下する。
【００２０】
そこで、この実施の形態では、モーターロック時にモーターが走行方向と逆の方向に回転して捩り戻されたら、導通相が元の相に戻らないように当初の導通相に隣接する相のスイッチング素子には電流を流さず、その隣の相のスイッチング素子、つまり、当初の導通相から２つ前の相のスイッチング素子に電流を流す。
【００２１】
表１にＩＧＢＴ  Ｔ１〜Ｔ６の導通順を示す。なお、この表においてはＩＧＢＴの符号”Ｔ”を省略する。
【表１】
0003651193.tif 000002
今、モーターがロックされ、Ｖ相のスイッチング素子Ｔ３が導通しており、スイッチング素子Ｔ３の接合部温度Ｔｊsに応じたトルク制限がなされているものとする。トルク制限によりモーターの出力トルクが低下すると、モーターが捩り戻されて隣接するＵ相のスイッチング素子Ｔ１が導通相になる。しかし、このＵ相のスイッチング素子Ｔ１に電流を流さず、さらに手前のＷ相のスイッチング素子Ｔ５に電流を流す。この相のスイッチング素子Ｔ５はそれまで電流を流していなかったので、接合部温度が低くトルク制限が不要であるから、最大電流を通電可能な状態にあり、モーターは最大トルクを出力する。これにより、モーターが正転して次のＵ相に導通相が移る。このＵ相もそれまで電流を流していなかったので、最大電流を通電可能な状態にあり、モーターが正転して当初の導通相であるＶ相に導通相が移る。
【００２２】
このように、この実施の形態によれば、三相のスイッチング素子が交互に導通してモーターロック時における負荷が三相にほぼ均等に分担され、各相のスイッチング素子の接合部温度の上昇が緩やかになる。つまり、トルク制限の増加が緩やかになり、モーターロック時にモーターの出力トルクが急激に低下するのが避けられる。
【００２３】
図３、図４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７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７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８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。
【００２４】
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９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１０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。
【００２５】
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５で、モーター５がロック状態または超低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６ではロックフラグをセットする。
【００２６】
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に基づいて導通相を特定する。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２参照）から、導通相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導通相のスイッチング素子の電流を制御する。
【００２７】
ステップ１７において、回転センサー１１によりロック状態にあるモーター５が捩り戻されて逆転したかどうかを判断し、捩り戻されたらステップ１８へ進み、そうでなければ処理を終了する。ロック状態にあるモーター５が捩り戻された時は、ステップ１８で、当初の導通相に隣接する相を導通相とせず、さらにその手前の相、すなわち当初の導通相から２つ前の相を導通相とし、上述したようにトルク制限値Ｔｒ’を演算する。そして、ステップ１９でトルク指令値Ｔｒ*を制限値Ｔｒ’以下に制限し、ステップ２０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新しい導通相のスイッチング素子の電流を制御する。
【００２８】
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、導通相特定手段、トルク制限値演算手段、指令値制限手段および導通相制御手段を、サーミスタ６が温度検出手段を、磁極センサー１０が磁極位置検出手段を、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。
【００２９】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】  一実施の形態の構成を示す図である。
【図２】  接合部温度に対するトルク制限値のマップを示す図である。
【図３】  一実施の形態のモーターロック時または超低速度時のトルク制限処理を示すフローチャートである。
【図４】  図３に続く、一実施の形態のモーターロック時または超低速度時のトルク制限処理を示すフローチャートである。
【図５】  モーターロック時のスイッチング素子に流れる電流を説明する図である。
【図６】  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図である。
【図７】  従来の過負荷防止装置によるモーターロック時または超低速度時の出力トルクの変化を示す図である。
【符号の説明】
１  バッテリー
２  インバーターリレー
３  ＤＣリンクコンデンサ
４  インバーター主回路
５  モーター
６  サーミスタ
７，８，９  電流センサー
１０  磁極センサー
１１  回転センサー
１２  モーターコントローラー
【図１】
0003651193.tif 000003
【図２】
0003651193.tif 000004
【図３】
0003651193.tif 000005
【図４】
0003651193.tif 000006
【図５】
0003651193.tif 000007
【図６】
0003651193.tif 000008
【図７】
0003651193.tif 000009