(57)【要約】  【課題】直流電源１の電圧を昇圧して、電動機９ａ、９ｂを駆動するインバータ７ａ、７ｂに供給する昇圧コンバータ４を備えた車両用電動機の制御装置において、電動機の空転時における昇圧コンバータの温度上昇を抑制する。  【解決手段】電動機の空転を検知して電動機が空転しやすい状態にあることを判別し、昇圧コンバータの出力電圧を電動機の誘起電圧以上に上昇させた後、下降させる方向の変化を制限する。具体的には、一定値に保持するか、下降させる方向の変化を上昇させる方向の変化よりも緩慢にするように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
前記昇圧コンバータの出力を入力し、交流電力に変換して電動機を駆動するインバータと、
前記電動機の回転速度を検出する回転速度検出手段と、
前記インバータに入力する電圧を検出する入力電圧検出手段と、
前記回転速度検出手段によって検出された電動機の回転速度と、前記入力電圧検出手段によって検出された前記インバータの入力電圧とに基づいて電圧指令値を演算する電圧指令値演算手段と、を備え、前記電圧指令値に基づいて前記昇圧コンバータの出力電圧を制御する車両用電動機の制御装置において、
前記電動機の空転を検出する空転検知手段を備え、
前記電圧指令値演算手段は、前記空転検知手段の検出結果から前記電動機が所定時間内に所定回数以上空転した場合に前記電動機が空転しやすい状態にあると判断し、前記昇圧コンバータの出力電圧を前記電動機の誘起電圧以上に上昇させた後、下降させる方向の変化を制限するように前記電圧指令値を設定することを特徴とする車両用電動機の制御装置。
【請求項２】
前記電圧指令値演算手段は、前記昇圧コンバータの出力電圧を上昇させた後、一定値に保持するように前記電圧指令値を設定することを特徴とする請求項１に記載の車両用電動機の制御装置。
【請求項３】
前記電圧指令値演算手段は、前記昇圧コンバータの出力電圧を上昇させた後、前記電圧指令値を前記所定時間内に発生した誘起電圧の最大値になるように設定することを特徴とする請求項１に記載の車両用電動機の制御装置。
【請求項４】
前記電圧指令値演算手段は、前記昇圧コンバータの出力電圧を上昇させた後、下降させる方向の変化を上昇させる方向の変化よりも緩慢にすることを特徴とする請求項１に記載の車両用電動機の制御装置。
【請求項５】
前記電圧指令値演算手段は、前記電動機が空転しやすい状態が解消した場合に、前記昇圧コンバータの出力電圧を上昇させた後の前記電圧指令値に対する制限を解除することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れかに記載の車両用電動機の制御装置。
【請求項６】
前記空転検知手段は、前記回転速度検出手段で検出した前記電動機の回転速度を時間微分して回転加速度を求め、その回転加速度が所定値以上である場合に空転と判断することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れかに記載の車両用電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用電動機の制御装置に関し、特に電動機の空転時における昇圧コンバータの過熱防止技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の制御装置としては下記特許文献１に記載のものがある。  
この特許文献１に記載のようなバッテリ電圧を昇圧して出力可能な昇圧コンバータを備えた電動機の制御装置においては、通常、電動機の回転速度に応じて昇圧コンバータの出力電圧指令値ＶＤ＊を算出し、この出力電圧指令値ＶＤ＊と実際の電圧値ＶＤとの差に基づいて昇圧コンバータのリアクトル電流指令値ＩＬ＊を算出し、リアクトル電流指令値ＩＬ＊と実際のリアクトル電流ＩＬとの差に基づいてリアクトル電流を制御することによって、昇圧コンバータの出力電圧が電動機の誘起電圧以上となるように制御している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１３４６０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
車両用の電動機の制御においては、一般にフィードバックによるトルク制御を行っているので、例えば車輪の空転によって電動機の負荷が急に脱落すると負荷トルクが急減して出力トルクと負荷トルクに大きな差が生じる。このトルク差はフィードバック制御によって順次縮小されるが、その縮小される間はトルク差のために電動機の回転速度が上昇する。その際、上記のような昇圧コンバータを備えていると、電動機の回転速度に応じて出力電圧の昇圧と降圧を行うため、例えば車輪の空転により電動機が断続的に空転した場合のように昇圧と降圧が頻繁に繰り返されると、昇圧コンバータのリアクトルが発熱し、許容温度を超える可能性があるという問題が有った。  
本発明は、上記のごとき問題を解決するためになされたものであり、電動機の空転時における昇圧コンバータの温度上昇を抑制できる車両用電動機の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的を達成するため、本発明においては、電動機の空転を検知して電動機が空転しやすい状態にあることを判別し、昇圧コンバータの出力電圧を電動機の誘起電圧以上に上昇させた後、下降させる方向の変化を制限するように構成している。
【発明の効果】
【０００６】
電動機が空転しやすい状態にある場合には、昇圧コンバータの出力電圧を電動機の誘起電圧以上に上昇させた後、下降させる方向の変化を制限するので、電動機が頻繁に空転しても昇圧コンバータの出力電圧が上昇と下降を繰り返すのを抑制することが出来る。そのため、昇圧コンバータのリアクトルにおける発熱を少なくし、昇圧コンバータの温度上昇を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（実施例１）
図１は、本発明に係る車両用電動機の制御装置のブロック図である。  
図１の装置は、昇圧コンバータ４を用いて直流電源１の電圧を昇圧してインバータ７ａ、７ｂに供給し、２つの発電電動機９ａ、９ｂを上記２つのインバータでそれぞれ駆動するシステムである。このようなシステムでは、通常、どちらか一方の発電電動機が電動機として力行運転され、もう一方が発電機として発電運転されており、力行出力と発電出力がなるべく釣合うように運転される。力行出力と発電出力が釣合わない場合には、その差は直流電源１が放電または充電することになり、この差が大きいと、直流電源１の大型化や寿命劣化、昇圧コンバータ４の大型化などの影響が生じる。  
なお、二つの発電電動機は、一方が発電機として駆動用エンジンに接続され、他方が駆動用の電動機として車両の駆動軸に接続されている構成もあるし、両方が遊星ギアを介して駆動軸に接続されている構成もある。  
また、図１においては、２つの発電電動機を用いた例を示しているが、１つの電動機を用いる場合も同様に適用出来る。
【０００８】
図１において、１は直流電源、２はリアクトルであり、昇圧コンバータ４によって生じるリップル電流を平滑する。３は電流センサで、リアクトル２に流れる電流を検出する。４は昇圧コンバータ、４ａ、４ｂは昇圧コンバータのスイッチング素子であり、昇圧コンバータ４は、スイッチング素子４ａ、４ｂがスイッチングすることでリアクトル２に流れる電流を制御して昇圧率を制御し、直流電源１の電圧を昇圧して出力する。５はコンデンサで、昇圧コンバータ４とインバータ７ａ、７ｂによるスイッチングリップル電圧を平滑する。６は電圧センサで、インバータ入力電圧（昇圧コンバータの出力電圧）を検出する。７ａ、７ｂはインバータであり、発電電動機を駆動する。８ａ、８ｂは電流センサで、発電電動機の各相に流れる電流を検出する。９ａ、９ｂは発電電動機であり、動作モードとしては、電動機として動作して駆動力を発生する力行運転モードと、他から駆動されて発電機として動作する発電運転モード（駆動用エンジン等による駆動や車輪からの駆動による回生運転）とがある。１０ａ、１０ｂは速度センサであり、発電電動機９ａ、９ｂの回転速度を検出する。１１ａ、１１ｂは空転検知手段であり、発電電動機９ａ、９ｂの空転を検出する（詳細後述）。２０は制御装置であり、各検出信号に基いて、昇圧コンバータ４とインバータ７ａ、７ｂを制御する。
【０００９】
このようなシステムでは、昇圧コンバータ４で直流電源１の電圧を昇圧することで、発電電動機の高回転域の出力を増やすことができる。すなわち昇圧コンバータ４がない場合には、直流電源１の電圧がインバータ入力電圧となるが、発電電動機の回転速度が高くなって誘起電圧がインバータ入力電圧を超えると制御不能となる。そのため、回転速度が大きい動作域では、誘起電圧がインバータ入力電圧を超えないように弱め界磁制御を行う必要がある。
【００１０】
これに対して昇圧コンバータ４がある場合には、発電電動機の回転速度が大きくなって誘起電圧が直流電源１の電圧以上になっても、昇圧コンバータ４で直流電源１の電圧を昇圧してインバータに供給できるので、発電電動機の高回転域でも弱め界磁制御を行う必要がなく、出力を増やすことができる。
【００１１】
図２は、昇圧コンバータ４の出力電圧特性（インバータ入力電圧特性）を示す図である。図２において、縦軸は電圧、横軸は発電電動機の回転速度を表す。また、ＶＤはインバータ入力電圧、ＶＭは発電電動機の誘起電圧である。ＶＭが直流電源１の電圧ＶＤ１を超える回転速度ＮＭ１になると昇圧コンバータ４の昇圧運転を開始し、装置の耐圧が許容する電圧ＶＤ２まで昇圧することが出来る。
【００１２】
したがって、弱め界磁制御を開始する回転速度をＮＭ１からＮＭ２に大きくすることができるので、ＮＭ１以上の高回転域での出力を増加させることができる。ＮＭ１以下の領域では昇圧コンバータ４を停止（スイッチング素子４ａをオン、スイッチング素子４ｂをオフに固定）させておけばよく、この状態では直流電源１の電圧ＶＤ１がインバータ入力電圧ＶＤとなる。
【００１３】
本システムのように発電電動機が２つ以上ある場合、それぞれの発電電動機の設計は異なることが一般的であり、さらに、回転速度も通常異なって運転されているので、それぞれの発電電動機の誘起電圧特性からインバータ入力電圧ＶＤを決める必要がある。
【００１４】
図３は、制御装置２０の構成を示すブロック図である。一般に、車両用電動機の制御装置ではトルク制御を行うため、発電電動機９ａ、９ｂに対するトルク指令を与えるように構成されている。２１ａ、２１ｂは電流指令演算部であり、トルク指令と発電電動機の回転速度とに基いて、電流指令を演算する。なお、トルク指令は例えば車両のアクセル開度、直流電源１の充電状態、発電電動機と車輪との間に介在する変速機のギヤ比等に応じて決められる値であり、制御装置２０の外部から与えられる。  
２２ａ、２２ｂはベクトル制御部であり、発電電動機の電圧電流をｄ軸ｑ軸に分離してベクトル制御を行い、インバータ出力電圧指令を演算する。２３ａ、２３ｂはＰＷＭ回路部で、インバータ出力電圧指令とキャリア信号（例えば三角波や鋸歯状波）とを比較してＰＷＭスイッチングパターンを生成し、インバータにゲート信号を送信する。このゲート信号によってインバータ７ａ、７ｂのスイッチング素子を開閉制御する。  
上記の２１ａ、２１ｂ、２２ａ、２２ｂ、２３ａ、２３ｂの構成は、通常の交流電動機のトルク制御の構成と同様である。
【００１５】
３１はインバータ入力電圧指令演算部であり、それぞれの発電電動機の回転速度と誘起電圧特性とからインバータ入力電圧指令を演算する。このインバータ入力電圧指令は、２つの発電電動機におけるインバータ入力電圧の高い方の値を用いる。  
３２はインバータ入力電圧制御部であり、インバータ入力電圧指令値とインバータ入力電圧検出値（電圧センサ６の出力）とを一致させるような制御信号を算出する。  
３３はＰＷＭ回路部で、インバータ入力電圧制御部３２からの制御信号とキャリア信号（図示せず）を比較してＰＷＭスイッチングパターンを生成し、昇圧コンバータ４にゲート信号を送信する。このゲート信号で昇圧コンバータ４のスイッチング素子４ａ、４ｂを制御することにより、昇圧コンバータを制御する。
【００１６】
空転検知部３４は、発電電動機９ａ、９ｂの空転を検知する手段であり、発電電動機９ａ、９ｂの回転速度を時間微分して回転加速度を演算し、その回転加速度が所定値以上であるとき空転と判断する。なお、図１においては、それぞれの発電電動機９ａ、９ｂの空転を検知する空転検知手段１１ａ、１１ｂを設けた例（詳細後述）を示しているが、図３に示すように、発電電動機９ａ、９ｂの回転速度の微分値から空転を検出するものでもよい。  
空転検知部３４で発電電動機の空転を検知した場合には、詳細を後述するようにインバータ入力電圧指令演算部３１のおけるインバータ入力電圧指令に制限を設ける。
【００１７】
以下、作用について説明する。  
図３に示す制御系において、発電電動機の負荷が急に脱落し、発電電動機が空転状態（無負荷状態）となったときについて考える。このような負荷脱落は、自動車においては雨や雪によるタイヤのスリップ、凹凸路面走行によるタイヤの空転等が考えられる。制御装置２０ではトルク制御を行っているため、負荷が脱落しても一定のトルクを出そうと制御するので、発電電動機の回転速度が急激に上昇する。これによって、誘起電圧も急増し、回転速度が図２のＮＭ１以上である場合には、誘起電圧の急増に応じてインバータ入力電圧も急増させなければならない。インバータ入力電圧を急増させるには直流電源１からエネルギー（電力）を供給してコンデンサ５の両端の電圧を上昇させることになり、そのエネルギーは昇圧コンバータ４を通過するので、昇圧コンバータ４のリアクトル２に電流が流れてエネルギー損失が発生し、リアクトル２の温度が上昇する。昇圧コンバータ４のリアクトル２は定常状態では温度上昇は問題にならないが、昇圧と降圧を繰り返す過渡状態時においてはエネルギー損失が大きくなり、温度上昇も大きくなる。そのため、このような空転が短時間に頻繁に発生すると、昇圧コンバータの温度がその許容値を超えてしまうことがある。
【００１８】
図４は、空転が短時間に頻発したときにおける回転速度ＮＭ、インバータ入力電圧指令ＶＤ＊、リアクトル電流ＩＬ、昇圧コンバータ温度Ｔを示す図である。なお、横軸は時間を示す。  
空転が発生すると、回転速度ＮＭが急増（図の三角山形の部分）し、それに応じてインバータ入力電圧指令ＶＤ＊も急増する。インバータ入力電圧ＶＤを急増させるためには、コンデンサ５を充電しなければならないので、直流電源１がそのエネルギーを供給し、リアクトル電流ＩＬが図のように流れる。ＩＬの流れる向きは、インバータ入力電圧を急増させるときは直流電源が放電する向き（図では＋）となり、インバータ入力電圧を急減させるときは直流電源を充電する向き（図では−）に流れる。インバータ入力電圧ＶＤの立上り・立下りの傾きが大きいほど、リアクトル電流ＩＬも大きい。リアクトル電流ＩＬが流れると、リアクトル２の内部抵抗による銅損でリアクトル２が発熱し、温度が上昇する。リアクトル２の熱容量は比較的大きいため、空転が短時間に頻繁に発生すると熱が蓄えられてしまい、許容温度を超えることがある。許容温度を超えると絶縁体が劣化し、寿命が短くなる。また、許容温度を超えないように余裕度を多くとつて設計すると、装置が大型化し、コスト増となる。したがって空転が短時間に頻繁に発生する運転状熊において、昇圧コンバータの温度を上昇させないようにする必要がある。
【００１９】
上記の目的のために、空転検知部３４を設けている。空転検知部３４で発電電動機９ａ、９ｂの空転を検知すると以下に説明するような制御を行う。  
図５は、実施例１における昇圧コンバータの制御を示すフローチャートである。  
図５において、ステップ１０１では発電電動機９ａ、９ｂの回転速度を入力する。  
ステップ１０２では、発電電動機９ａ、９ｂの回転速度と誘起電圧特性からインバータ入力電圧指令を演算する。この場合、発電電動機９ａ、９ｂそれぞれのインバータ入力電圧指令が演算されるが、大きい方がインバータ入力電圧指令として選択される。
【００２０】
ステップ１０３ａでは、ステップ１０２で選択された方の発電電動機の回転速度を時間微分し、回転加速度を演算する。ステップ１０３ｂでは、回転加速度が所定値以上であるかどうかを判断する。回転加速度が所定値以上であれば空転状態と判断する。この所定値は個々の発電電動機によって異なるので、実験で空転時の回転加速度を求めて決定する。
【００２１】
ステップ１０３ｂでＮｏであれば、ステップ１０８へ行き、ステップ１０２で演算されたインバータ入力電圧指令ＶＤ＊をそのまま出力する。  
ステップ１０４では、空転が所定時間内に所定回数以上発生したかどうかを判断する。Ｙｅｓであればステップ１０５に進み、Ｎｏであればステップ１０８に進む。所定時間や所定回数はシステムによって異なるので、実験でその値を求める。  
ステップ１０５では、ＶＤ＊＞ＶＤ１であるかどうかを判断し、Ｎｏの場合はステップ１０８へ行く。つまり、ＶＤ＝ＶＤ１となる低回転域では、直流電源１の電圧がそのままインバータ入力電圧となるので、空転が起きてもインバータ入力電圧を昇圧する必要がないからである。
【００２２】
ステップ１０３ｂ、１０４、１０５で全てＹｅｓの場合、つまり、回転加速度が所定値以上の空転時で、空転が所定時間内に所定回数以上発生し、かつ、ＶＤ＊＞ＶＤ１の高回転域の場合というのは、空転が頻繁に発生しやすい運転状態にあり、かつ、インバータ入力電圧を昇圧する必要がある状態を示す。この場合にはステップ１０６へ行く。
【００２３】
ステップ１０６では、ステップ１０４における所定時間内に発生したインバータ入力電圧ＶＤ＊の最大値を記憶する。  
ステップ１０７では、ＶＤ＊の最大値を保持して出力する。  
一方、ステップ１０８では、ステップ１０２で演算したＶＤ＊を出力する。ステップ１０８は、空転していない場合や空転の回数が少ない場合で、ここで提案する制御方法を行う必要がない場合に相当する。
【００２４】
図６は、実施例１における空転時制御の状態を示す図である。  
最下部の“空転判断”は、ステップ１０５の判断を示す。時点ｔ０で空転しやすい運転状態にあると判断されたので、インバータ入力電圧指令ＶＤ＊は所定時間内に発生したＶＤ＊の最大値に設定される。その後、空転が発生しても、ステップ１０２で演算されたＶＤ＊が過去の最大値を超えない限り、更なる昇圧は必要なく、力行出力と発電出力が釣合っている限り、リアクトル電流ＩＬは流れない。したがって、昇圧コンバータの温度Ｔは低下し、過熱することはなくなる。なお、図６の時点ｔ０以後で、リアクトル電流ＩＬが細いパルス状に立ち上がっているのは、この時点でステップ１０２で演算されたＶＤ＊が過去の最大値を超えたことを示す。
【００２５】
なお、上記の状態から通常の制御への復帰は、例えばステップ１０３ｂの判断において空転が所定時間以上発生しない場合やステップ１０４の判断において空転の発生頻度が所定回数よりも低下した場合に、空転が頻繁に発生しやすい運転状態ではなくなったと判断し、ステップ１０６、１０７における最大値の出力保持を解除する。その他、空転発生から所定時間が経過した場合に通常の制御への復帰させることも考えられる。
【００２６】
（実施例２）
次に、図７は実施例２における昇圧コンバータの制御を示すフローチャートである。  
図５との違いは、ステップ１０６、１０７の代わりにステップ１０９、１１０を設けたことである。  
ステップ１０９では、ステップ１０２で演算したインバータ入力電圧指令ＶＤ＊を出力する。機能としてはステップ１０８と同じである。ステップ１１０はＶＤ＊の立上りはステップ１０９のＶＤ＊に追従させるが、ＶＤ＊を立ち下げるときはステップ１０９に追従させず、復帰（減少）を遅らせる。つまりＶＤ＊を下降させる方向の変化を上昇させる方向の変化よりも緩慢にする。
【００２７】
減少のさせ方は、一定の傾きで減少させてもいいし、一次遅れ関数で減少させてもよい。遅らせ方は多種多様である。  
上記の制御により、空転しやすいと判断した場合は、インバータ入力電圧指令ＶＤ＊の立ち上がりは通常通りであるが、立ち下がりは緩やかになる。
【００２８】
図８は、実施例２における空転時制御の状態を示す図である。  
時点ｔ０で空転しやすい状態にあると判断された後、インバータ入力電圧指令ＶＤ＊は立上りは急であるが、立下りは小さい傾きで減少させている。これによって、リアクトル電流ＩＬが流れる頻度が図４の場合より大幅に減少し、昇圧コンバータの温度上昇を抑制できる。
【００２９】
また、上記の制御において、ステップ１０４の所定回数を１回にすることで、空転する毎にＶＤ＊の復帰を遅らせて温度上昇を抑制することも可能である。
【００３０】
（実施例３）
次に、これまで説明した例では、発電電動機の空転を検知する手段として、発電電動機の回転速度を時間微分して回転加速度を演算し、回転加速度が所定値以上である場合に空転状態と判断するものを例示した。この方法によれば特別な空転センサを用いる必要がなく、制御装置２０内における演算のみで空転を検知できるという利点がある。  
しかし、他の手段で空転を検知してもよい。例えば、ブレーキ制御用にタイヤのスリップ（空転）を検出する手段を備えた自動車においては、タイヤと電動機が機械的に接続されているので、タイヤのスリップを電動機の空転として検出するように構成してもよい。タイヤのスリップを検出する手段としては、自動車の対地速度を検出するセンサ（ドップラレーダ等）の出力から、その対地速度に相当するタイヤの回転速度を演算し、実際のタイヤの回転速度との比較によって空転の有無を検出する装置がある。
【００３１】
また、列車のように、連結された車両と車輪数の多い場合には、多数の車輪の回転速度の平均値を基準として、個々の車輪の回転速度と比較すれば、空転の有無を検出することが出来る。上記のように、スリップを検出する他の手段がある場合には、それを本制御用に兼用することにより、新たなセンサを設ける必要がなくなる。
【００３２】
上記のように、外部に設けた空転検知手段を用いる場合には、前記図５、図７のフローチャートにおいて、ステップ１０３ｂの「回転加速度が所定値以上？」の代わりに、「空転検知手段からの空転検知信号の入力あり？」の判断を設ければよい。
【００３３】
以上のように、本制御装置の採用によって、空転頻発時の昇圧コンバータの温度上昇を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係る車両用電動機の制御装置のブロック図。
【図２】昇圧コンバータ４の出力電圧特性（インバータ入力電圧特性）を示す図。
【図３】制御装置２０の構成を示すブロック図。
【図４】空転が短時間に頻発したときにおける回転速度ＮＭ、インバータ入力電圧指令ＶＤ＊、リアクトル電流ＩＬ、昇圧コンバータ温度Ｔを示す図。
【図５】実施例１における昇圧コンバータの制御を示すフローチャート。
【図６】実施例１における空転時制御の状態を示す図。
【図７】実施例２における昇圧コンバータの制御を示すフローチャート。
【図８】実施例２における空転時制御の状態を示す図。
【符号の説明】
【００３５】
１…直流電源                          ２…リアクトル
３…電流センサ                        ４…昇圧コンバータ
４ａ、４ｂスイッチング素子            ５…コンデンサ
６…電圧センサ                        ７ａ、７ｂ…インバータ
８ａ、８ｂ…電流センサ                ９ａ、９ｂ…発電電動機
１０ａ、１０ｂ…速度センサ            １１ａ、１１ｂ…空転検知手段
２０…制御装置                        ２１ａ、２１ｂ…電流指令演算部
２２ａ、２２ｂ…ベクトル制御部        ２３ａ、２３ｂ…ＰＷＭ回路部
３１…インバータ入力電圧指令演算部    ３２…インバータ入力電圧制御部
３３…ＰＷＭ回路部                    ３４…空転検知部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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