(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリの電力をインバータを介して走行モータへ供給して走行する電気自動車の制御装置において、
アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段と、
前記アクセル開度に応じて、前記走行モータに対する指令電流値を出力する指令電流値出力手段と、
前記指令電流値の増加に応じて前記インバータ内の複数の電力素子の入力抵抗の抵抗値を増加させる入力抵抗値算出手段と
を備えたことを特徴とする電気自動車の制御装置。
【請求項２】
前記バッテリの電圧を検出する電圧検出手段をさらに備え、
前記入力抵抗値算出手段は、前記バッテリの電圧の増加に応じて前記入力抵抗の抵抗値を増加させることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の制御装置。
【請求項３】
前記電力素子の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記入力抵抗値算出手段は、前記電力素子の温度が低温領域では前記電力素子の温度上昇につれて前記入力抵抗の抵抗値を増加させ、前記電力素子の温度が高温領域では前記電力素子の温度上昇につれて前記入力抵抗の抵抗値を減少させることを特徴とする請求項１に記載の電気自動車の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電動車両の走行用モータのインバータに関し、インバータの電力素子（ＩＧＢＴなど）のスイッチング損失低減を目的とした電力素子の入力抵抗制御方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電動車両の走行用モータには、複数極対の磁極をもった回転子と３相巻線による固定子によって構成されたモータ（例えば、同期モータ）が使用され、固定子の３相巻線にインバータによって生成された所定の指令電流の交流電力を供給して所定の駆動力を得る方式が一般的である。
【０００３】
前記インバータは、図１０に示すように電力素子６個（例えば、ＩＧＢＴ（Isolated Gate Bipolar Transister、絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）、以下、電力素子はＩＧＢＴとして説明する）を３アームのブリッジ接続にし、これらの電力素子をゲート制御してスイッチングを行うことにより通電デバイスを制御し、入力された直流電源からモータ駆動のための交流電力を得ている。
ＩＧＢＴのスイッチングを行うゲートには、所定の駆動パルスを印加してスイッチングを行う。
【０００４】
ゲート駆動の方法には２種類の方法があり、第１の方法として、図１０に示す一のアームの正側のＩＧＢＴ１と他のアームの負側のＩＧＢＴ４を同時に導通させてモータの巻線に電流ｉ１を流している状態から電流を遮断する場合、図１１に示すようにＩＧＢＴ１をＯＮにしたまま、ＩＧＢＴ４をＯＦＦとする。このとき、誘導負荷であるモータＭの巻線に流れていた電流は、図１１に示す電流ｉ１１のルートでＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ３のダイオード部分を通って流れ、やがて電流ｉ１１が減衰するのを待って前記ＩＧＢＴ１をＯＦＦする。
【０００５】
第２のゲート駆動方法は、図１２に示すようにＩＧＢＴ１とＩＧＢＴ４とを同時にＯＦＦする駆動方法である。このときは、モータＭに流れていた図１０の電流ｉ１が、図１２に示すＩＧＢＴ２のダイオード部分とＩＧＢＴ３のダイオード部分とを通る電流ｉ１２として電源側に帰還されるため、この電流ｉ１２は比較的短時間に消滅する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが上述のようなゲート駆動をした場合は、ＩＧＢＴをＯＮからＯＦＦにしたときにサージ電圧が発生するが、このサージ電圧によって素子が破壊される（発生サージ電圧が素子の許容サージ耐圧を超える）ことがないように、ＩＧＢＴのゲートに直列に入力抵抗（ゲート抵抗）を挿入し、この入力抵抗とＩＧＢＴのゲート−エミッタ間の寄生容量によって、ゲートに印加する信号電圧の立ち上がり、および立ち下がり波形をなまらせてスイッチング速度を遅くしている。
【０００７】
スイッチングを遅くすると、スイッチング損失が増加してＩＧＢＴが発熱するため、素子の熱破壊を招いたり、冷却装置が大がかりになるという課題があった。
また、これらの熱損失の増加や冷却のためにバッテリの電力を使うことになり、走行距離が短くなるという課題もあった。
【０００８】
本発明はこのような考察に基づいてなされたもので、電力素子の入力抵抗の抵抗値を環境によって変化させる制御を行うことによって電力素子に発生するサージ電圧を許容サージ耐圧を下回る所定の安全値に抑えながらスイッチング損失を低減することができる電気自動車の制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、バッテリの電力をインバータを介して走行モータへ供給して走行する電気自動車の制御装置において、アクセル開度を検出するアクセル開度検出手段（例えば、実施形態におけるアクセル開度検出手段３１）と、前記アクセル開度に応じて、前記走行モータに対する指令電流値を出力する指令電流値出力手段（例えば、実施形態における指令電流値出力手段８）と、前記指令電流値の増加に応じて前記インバータ内の複数の電力素子の入力抵抗の抵抗値を増加させる入力抵抗値算出手段（例えば、実施形態におけるゲート抵抗値算出手段１２）とを備えたことを特徴とする電気自動車の制御装置を提供する。
【００１０】
この発明によれば、電力素子（実施形態ではＩＧＢＴ１〜６）の入力抵抗Ｒｇの抵抗値を変化させる制御を行い、スイッチＯＦＦ時に発生するサージ電圧を抑えて電力素子（ＩＧＢＴ１〜６）に印加されるサージ電圧が所定値以下となるようにコントロールしながら、スイッチング損失を小さくすることができる。これによって、素子を安定に動作させながらスイッチング損失を減少させ、素子の温度上昇を抑えることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電気自動車の制御装置において、前記バッテリの電圧を検出する電圧検出手段（例えば、実施形態における直流電圧検出手段７）をさらに備え、前記入力抵抗値算出手段は、前記バッテリの電圧の増加に応じて前記入力抵抗の抵抗値を増加させることを特徴とする。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の電気自動車の制御装置において、前記電力素子の温度を検出する温度検出手段（例えば、実施形態におけるＩＧＢＴ温度検出手段１１）をさらに備え、前記入力抵抗値算出手段は、前記電力素子の温度が低温領域では前記電力素子の温度上昇につれて前記入力抵抗の抵抗値を増加させ、前記電力素子の温度が高温領域では前記電力素子の温度上昇につれて前記入力抵抗の抵抗値を減少させることを特徴とする。
【００１２】
これらの発明は、請求項１に記載したゲート抵抗制御の具体的な方式を与えるもので、前記入力抵抗値算出手段（実施形態ではゲート抵抗値算出手段１２）が、バッテリの電圧または電力素子の温度に応じた最適抵抗値を算出し、ゲート抵抗値が算出された最適値に近い抵抗値になるようにゲート抵抗Ｒｇ内のスイッチ７３、７５を駆動して、切り換える方式である。従って、段階的に最適値に近い抵抗値が選定されて、素子を安定に動作させながらスイッチング損失を減少させ、素子の温度上昇を抑えることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の一実施形態について図を参照しながら説明する。なお、この実施形態では電力素子としてＩＧＢＴを用いた例を示している。
図１はこの発明の一実施形態によるゲート抵抗制御部をもった電動車両の走行用モータを制御するインバータ制御装置のブロック図である。
この図において、符号ＥＣＵはゲート制御装置であり、アクセル開度検出手段３１の出力によって指令電流値を出力する指令電流値出力手段８、この出力によって制御されるＩＧＢＴゲートスイッチング部３２およびゲート抵抗制御部１０から構成され、該ゲート抵抗制御部１０の出力によってＩＧＢＴブロック２１〜２６のゲート抵抗Ｒｇを制御する。
【００１４】
ＩＧＢＴブロック２１〜２６はゲート抵抗Ｒｇを介してＩＧＢＴ１〜６に接続された構成であり、ゲート制御装置ＥＣＵからの制御信号がゲート抵抗Ｒｇに加えられてＩＧＢＴ１〜６がスイッチング動作を行う。
なお、図１ではＩＧＢＴ１のみを図示しているが、実際は図１０等に示すようにＩＧＢＴ１〜６によってインバータが構成されており、ＩＧＢＴ２〜６の図示を省略している。
以下、ゲート抵抗制御部１０とＩＧＢＴブロック２１の動作について説明する。
【００１５】
ゲート抵抗制御部１０は、ゲート抵抗値算出手段１２およびゲート抵抗制御手段１３によって構成されている。
ゲート抵抗値算出手段１２には、ＩＧＢＴ温度検出手段１１、直流電圧検出手段７の検出信号、および指令電流値出力手段８、ＩＧＢＴゲートスイッチング部３２の制御信号が入力され、後述する環境条件とゲート抵抗値との相関条件によって設定可能なゲート抵抗の最小値の算出を行う。
【００１６】
ゲート抵抗値算出手段１２によるゲート抵抗値の算出結果は、ゲート抵抗制御手段１３に渡され、ゲート抵抗Ｒｇを切換制御してＩＧＢＴ１のゲート−エミッタ間のストレーキャパシティとの積分効果により、ＩＧＢＴ１のゲートに与える信号電圧の立ち上がり、および立ち下がりの急峻さをコントロールする。
【００１７】
図２はゲート抵抗Ｒｇの構成を示す図である。この図によってゲート抵抗Ｒｇの切換について説明する。
ゲート抵抗Ｒｇは抵抗７１と、選択して並列接続される抵抗７２、７４、およびこの抵抗７２、７４を接続または切り離しするトランジスタ７３、７５によって構成される。
ゲート抵抗制御手段１３からの信号によってトランジスタ７３および／または７４を駆動し、抵抗７２および／または７４を抵抗７１に並列接続したり、切り離したりしてゲート抵抗Ｒｇを制御する。
【００１８】
つぎに、図３にＩＧＢＴのゲート抵抗の抵抗値と発生するサージ電圧またはスイッチング損失との関係を示す。この図からわかるように、ゲート抵抗の抵抗値を小さくすればスイッチング損失は減少するが、サージ電圧は増加し、逆にゲート抵抗の抵抗値を大きくすれば、サージ電圧は減少するがスイッチング損失が増加する。
これは、ＩＧＢＴのゲート−エミッタ間の寄生容量の影響によってゲート抵抗の抵抗値が大きければ、ゲートに与えられる信号電圧の立ち上がり、および立ち下がりが急峻でなくなることに起因する。
【００１９】
ＩＧＢＴのゲートに与えられる信号電圧の立ち上がり、および立ち下がりが急峻であると、電流のＯＮおよびＯＦＦ時の（ｄｉ／ｄｔ）値が大きくなり、このとき配線バスバーのストレーインダクタンスＬによって発生するサージ電圧Ｌ・（ｄｉ／ｄｔ）の値も大きくなる。
逆に、ＩＧＢＴのゲートに与えられる信号電圧の立ち上がり、および立ち下がりが急峻でなければ、前記サージ電圧Ｌ・（ｄｉ／ｄｔ）の値は小さくなるが、スイッチングに要する時間が長くなり、ＩＧＢＴが飽和しない状態で電流を流すタイミングが長くなることによってスイッチング損失が大きくなる。
【００２０】
図４はＩＧＢＴ温度とサージ電圧との関係を表した図である。この図で最上位の曲線は、ＩＧＢＴの許容サージ耐圧であり、ＩＧＢＴの温度が上昇すれば許容サージ耐圧が高くなる傾向にある。
一方、ゲート抵抗の抵抗値を固定した場合のサージ電圧発生の特性は、この図の最下位の曲線に示したように低温度の領域では温度の上昇に従って発生サージ電圧が増加し、高温度領域では温度の上昇に従って発生サージ電圧が減少する傾向となっている。
【００２１】
この図からわかるように、高温度領域ではＩＧＢＴの許容サージ耐圧と発生サージ電圧とのマージンが大きいので、ゲート抵抗の抵抗値を小さくすればゲートに印加する信号電圧の立ち上がり、および立ち下がりが急峻になり、限界発生サージ電圧のレベルまでサージ電圧の発生を許すことによって、スイッチング損失を減少させることが可能である。
【００２２】
図５はモータ制御の処理手順のフロー図である。この図において、ステップＳ１で指令電流が決定され、指令電流値出力手段８から信号が送出される。
ステップＳ２では、ＩＧＢＴ温度検出手段１１によってＩＧＢＴの温度が、直流電圧検出手段７によってバッテリ電圧が検出される。
ステップ３では、前記Ｓ１およびＳ２による温度、電圧、電流に応じてゲート抵抗値算出手段１２において最適ゲート抵抗値を算出する。
【００２３】
ステップＳ４では、算出された最適ゲート抵抗値に基づいてゲート抵抗制御手段１３によってゲート抵抗Ｒｇの切換を行う。この切換は、ゲート抵抗Ｒｇが前記最適ゲート抵抗値より大きく、かつ、できるだけ近い値に切り換える。
ステップＳ５では、指令電流に応じてＩＧＢＴゲート制御装置ＥＣＵによってＩＧＢＴをスイッチングしてモータＭを駆動する。
なお、この実施形態のゲート抵抗制御装置では、上述の各ステップのうちＳ２、Ｓ３、Ｓ４を分担する。
【００２４】
次に、図６から図８を参照して環境条件の変化に応じたゲート抵抗値の算出根拠について説明する。
図６はＩＧＢＴ温度と許容サージ耐圧の関係、およびＩＧＢＴ温度と発生サージ電圧が許容サージ耐圧以下の所定値となるようなゲート抵抗の関係を示した図である。
この図によれば、比較的低温領域ではゲート抵抗の値を温度の上昇につれて増加させ、比較的高温領域ではゲート抵抗の値を温度上昇につれて減少させる制御を行えば、発生サージ電圧が許容サージ耐圧以下の所定値となり、スイッチング損失を最小とすることができる。ここで、前記許容サージ耐圧と前記所定値との差がマージン電圧となる。
【００２５】
図７は指令電流と許容サージ耐圧との関係、および指令電流と発生サージ電圧が許容サージ耐圧以下の所定値となるようなゲート抵抗の関係を示した図である。
この図によれば、許容サージ耐圧は指令電流の増加にしたがって減少する傾向なので、発生サージ電圧を許容サージ耐圧以下の所定値とするために、ゲート抵抗の値を指令電流の増加にしたがって増加させることが必要である。ここで、前記許容サージ耐圧と前記所定値との差がマージン電圧となる。
【００２６】
図８はバッテリ電圧と許容サージ耐圧との関係、およびバッテリ電圧と発生サージ電圧が許容サージ耐圧以下の所定値となるようなゲート抵抗の関係を示した図である。
この図によれば、許容サージ耐圧はバッテリ電圧の増加にしたがって減少する傾向なので、発生サージ電圧を許容サージ耐圧以下の所定値とするために、ゲート抵抗の値をバッテリ電圧の増加にしたがって増加させることが必要である。ここで、前記許容サージ耐圧と前記所定値との差がマージン電圧となる。
【００２７】
したがって、ゲート抵抗値算出手段１２では、ゲート抵抗Ｒｇの値を与えられた環境条件のすべてを満足する最小抵抗値とする制御を行えば、発生サージ電圧が許容サージ耐圧以下の所定値におさまり、スイッチング損失を最小とすることができる。
【００２８】
次に、本発明の他の実施形態について説明する。
図９は発明の他の実施形態によるＩＧＢＴのゲート抵抗制御を説明する図である。この図に示すようにゲート抵抗Ｒｇは、固定抵抗８１と、固定抵抗８２とサーミスタ８３の直列接続されたものとを並列接続して構成され、ゲート制御装置ＥＣＵの制御信号はこのゲート抵抗Ｒｇを通してＩＧＢＴ１のゲートに加えられる。
なお、この実施形態は、コンピュータによるゲート抵抗制御ではなく、ＩＧＢＴの温度によってゲート抵抗が変化するものであるため、ゲート抵抗値算出手段、ゲート抵抗制御手段等は存在しない。
【００２９】
サーミスタ８２の抵抗値は、大きな負の温度係数をもっており、ＩＧＢＴの温度上昇にしたがってゲート抵抗Ｒｇの合成抵抗値が減少する。
したがって、発生サージ電圧が許容サージ耐圧を下回る所定値になるような特性となるようにゲート抵抗Ｒｇを構成する各エレメントの定数を選定することによって、スイッチング損失を減少させることができる。
【００３０】
以上、本発明の一実施形態の動作を図面を参照して詳述してきたが、本発明はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、上述の実施形態では電力素子としてＩＧＢＴを例として説明したがＦＥＴまたはバイポーラトランジスタ等の電力素子であってもよい。
また、上述の実施形態では複数のＩＧＢＴ素子に対し、共通にゲート抵抗制御を行うものであったが、複数のＩＧＢＴ素子毎にゲート抵抗制御装置を設けてもよい。
【００３１】
また、ゲート抵抗を構成する並列接続抵抗の数はこの実施形態の数に限られるものではない。
また、直列接続によってゲート抵抗を構成するものであってもよい。
また、ゲート抵抗を構成する温度係数の大きな抵抗はサーミスタに限られるものではなく、そのほかの素子を使ってもよい。
【００３２】
【発明の効果】
これまでに説明したように、この発明によれば、発生サージ電圧が許容サージ耐圧を下回る所定値になるように、入力抵抗の抵抗値を可能な限り小さくする制御を行うようにしたので、ＩＧＢＴの発生サージ電圧を安全圏内に抑制しながら、スイッチング損失を減少させることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施形態によるゲート抵抗制御部をもった電動車両の走行用モータを制御するインバータ制御装置のブロック図。
【図２】  ＩＧＢＴのゲート抵抗の構成を示す図。
【図３】  ゲート抵抗とサージ電圧およびスイッチング損失の関係を示す図。
【図４】  ＩＧＢＴ温度とサージ電圧の関係を説明するための図。
【図５】  本発明の一実施形態による電気自動車の制御装置を使ったモータ制御の処理手順を示すフロー図。
【図６】  ＩＧＢＴ温度と望ましいゲート抵抗値および許容サージ耐圧の関係を示す図。
【図７】  指令電流と望ましいゲート抵抗値および許容サージ耐圧の関係を示す図。
【図８】  バッテリ電圧と望ましいゲート抵抗値および許容サージ耐圧の関係を示す図。
【図９】  本発明の他の実施形態によるＩＧＢＴのゲート抵抗制御を説明する図。
【図１０】  ＩＧＢＴによる３相ブリッジインバータの通電時の電流経路を示す図。
【図１１】  図１０の通電状態から時間差を設けて通電素子をＯＦＦしたときのモータ電流の流路を示す図。
【図１２】  図１０の通電状態から通電素子を同時にＯＦＦしたときのモータ電流の流路を示す図。
【符号の説明】
１〜６…ＩＧＢＴ
７…直流電圧検出手段
８…指令電流値出力手段
９…回転位置センサ
１０…ゲート抵抗制御部
１１…ＩＧＢＴ温度検出手段
１２…ゲート抵抗値算出手段
１３…ゲート抵抗制御手段
２１〜２６…ＩＧＢＴブロック
７１…抵抗
７２、７４…抵抗
７３、７５…トランジスタ
８１、８２…抵抗
８３…サーミスタ
Ｂ…バッテリ
Ｃ…平滑コンデンサ
Ｃ１…ストレーキャパシタ
ＥＣＵ…ゲート制御装置
Ｍ…モータ（走行用モータ）
Ｒｇ…ゲート抵抗
【図１】
0003983439.tif 000002
【図２】
0003983439.tif 000003
【図３】
0003983439.tif 000004
【図４】
0003983439.tif 000005
【図５】
0003983439.tif 000006
【図６】
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【図７】
0003983439.tif 000008
【図８】
0003983439.tif 000009
【図９】
0003983439.tif 000010
【図１０】
0003983439.tif 000011
【図１１】
0003983439.tif 000012
【図１２】
0003983439.tif 000013