三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

特集論15

EV モータ用低損失インバータの開発

文

Development of the Inverter to Decrease
Loss for Electric Vehicle (EV) Motor
大 久 保 光 一＊1

Koichi Okubo

加 藤 義 樹＊2

Yoshiki Kato桝 田 真 喜 夫＊2

Makio Masuda

中谷豊＊3

Yutaka Nakatani

近年地球温暖化防止に与える影響が大きい CO2 の排出抑制対策が急務の課題である．自動車に対しては燃費向上の要求，排気規制が強化され，環境へのニーズが高まりつつある．当社では，2006 年５月より，ハイブリッド小型トラック用モータ・インバータの量産を開始し，排気ガス規制に対応した環境車に寄与してきた．今回新たに，スイッチング周波数を切り換えることでパワー素子損失を抑え，モータを効率よく運転するための制御方式を用いたインバータを開発したので報告する．

1．はじめしたので紹介する．に

2．インバータ基本制御システム

近年，地球温暖化防止に与える影響が大きい CO2の排出抑制対策が急務の課題である．特に，CO2 総排EV モータとしては埋込永久磁石同期モータ（IPM出量における自動車の比率は高く，自動車業界においモータ）が一般的である．IPM モータは，トルク指ては，CO2 排出量抑制のため，ハイブリッド車や電気令に応じて電流制御を行う．その制御ブロック図を図自動車の普及に注力している．

１に示す．

当社では，2006 年 5 月より，ハイブリッド小型トラッ３相の電流センサ検出値を３相から２相（d・q 軸）ク用モータ・インバータの量産を開始し，排気ガス規に座標変換し，d・q 軸座標系で電流フィードバック制に対応した環境車に寄与してきた．今後更に，トラッ制御を行う．d・q 軸座標系は回転座標系のため，電クのハイブリッド化が進む傾向であり，当社としても，流をトルク成分と弱め界磁成分に分けて電流ベクトル効率よくモータを駆動させて，燃費を向上し，環境へ制御を行っている．
高速域では誘起電圧が電源電圧より高くなり，電流の貢献を行っていく必要がある．
本稿では，モータの運転効率を高める一手法として，が流せなくなる．これを防ぐため，負の d 軸電流をインバータ損失を抑えるための制御方式を新たに開発流すことで d 軸方向の磁束を減少させ誘起電圧を低スイッチング周波数f 1 f2 f 3Du,Vu＊,＊
Dv,Vv ,
トルク指令 Id＊, Iq＊
Vd＊, Vq＊
Dw
Vw＊
電流
電流2 相／デューティ
指令部
PI 制御
3 相変換
計算

電力変換

モータ

θId, Iq
3 相／2 相変換
ω

図１＊1

速度計算

モータ・インバータ制御ブロック図Iu, Iv, Iw

θ

トルク指令に応じて電流制御を実施し，スイッチング周波数に応じて制御する．

神戸造船所先端製品・機械システム部 EV モータ技術課長
神戸造船所先端製品・機械システム部 EV モータ技術課主席＊3
神戸造船所先端製品・機械システム部 EV モータ技術課＊2角度検出器

三菱重工技報 VOL.45 NO.3: 2008

16く抑える弱め界磁制御が一般に行われている．の運転では，一般に高速域での運転時間は少ないにもIPM モータシステムの基本ハードウェア構成を図かかわらず，スイッチング周波数を常に高速域に合わ２に示す．インバータは車載の観点から，小型化・高せる必要があるため，無駄なスイッチング損失が多く効率化が要求される．しかし，EV モータ駆動のためなり効率が低下する．そこで，インバータの制御では，には大電流が必要であり，インバータ内のパワー素子モータ回転数に応じ，図４のように，スイッチング周である IGBT モジュールの発熱が小型化・高効率化

波数を低速域・中速域・高速域の三段階に切り換えるの妨げとなっていた．IGBT モジュール発熱（全損失）ことを考えた．

は図３に示す要因に分類される．

このようなスイッチング周波数の切り換えを行うこ

このうち，IGBT スイッチング損失と FWD 逆回復とで，低速域の発熱・損失を図４のように最小限に抑損失はスイッチング周波数に比例して増大し，また，制できる．特に，発熱や損失が大きくなるに従って，いずれの損失も電流が増加するに従って大きくなる．

パワー素子や冷却系が大型化するが，この発熱・損失つまり，スイッチング周波数や電流が増加するほど，が大幅に低減されることによりインバータ小型化が可

パワー素子の損失・発熱が増大する．発熱増加に対応能となる．

しようとすると，パワー素子や冷却系の大型化，もししかし，スイッチング周波数の切り換え時においてくは，電流抑制の必要から性能が制限される．この問は，トルク変動や異音が発生するという問題がある．

題に対応するため，当社では，スイッチング周波数切

これは，スイッチング周波数が異なることにより，電り換え制御を用いた．

流制御システムに遅れが生じ，モータ電圧やモータ電流が変動することにより，トルク変動や異音が発生するためである．

インバータ

当社では，上記の遅れを考慮した電流制御ソフト

IGBTモジュール

バ
ッテ
リ
電源

ウェアを開発し，スイッチング周波数切り換え時のトモータ＋ルク変動や異音の発生を抑制している．

FWD

−
IGBT

IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor
FWD：Free Wheeling Diode

図２

基本ハードウェア構成

トルク

トルク

IGBT を PWM 制御し，モータを運転する．

スイッチング周波数
f1 Hz

IGBT 定常損失
IGBT の損失

IGBT スイッチング損失

FWD の損失

FWD 定常損失

f3 Hz
f2 Hz

回転数

パワー素子の全損失

図３パワー素子の全損失パワー素子損失の要因は４種類に分けられる．

パワー素子損失

FWD 逆回復損失

3．低損失モータ制御方式
PWM 制御方式では，モータを高速回転させる場合，定する必要がある．しかし，大電流が流れる低速域では，高いスイッチング周波数は必要ない．EV モータ

切り換えなし

定常損失（IGBT定常損失＋FWD定常損失）制御性を確保するため，モータ電流の正弦波周波数が高くなるのに対応して，スイッチング周波数を高く設IGBTスイッチング損失＋FWD逆回復損失が低速域で低減

切り換えあり回転数

図４

スイッチング周波数の切り換えとパワー素子損失

上図は，N-T 線図とスイッチング周波数の切り換え，下図は，パワー素子損失の低減効果を示す．

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4．信頼性向上への取組み
4．1

信頼性評価

インバータの製品信頼性の評価は，主要構成部品（パワー素子）について，部品毎に性能，温度，振動の各条件に対して，車載要求を満足するための評価を実施している．インバータ製品として，性能試験に加え，17社標準 I/O 以外の指定がされた場合にのみ，追加設計を行うことで，ソフトウェア設計時間低減と信頼性向上を図っている．

5．おわりに

当社 EV モータ用低損失インバータの開発及び製品信頼性向上の取組みについて概要を紹介した．

電気，温度環境，機械的負荷（振動，衝撃），電磁妨

環境にやさしい自動車として，全世界でハイブリッ害・電磁耐性（EMC）の車載に必要な試験を実施し，ド車，電気自動車など，様々な自動車の開発が加速さクリアしている．

れており，今後ますます，自動車の動力源としてモー

ま た，2008 年 ３ 月 に， 当 社 の EV モ ー タ， イ ンタが注目されてくる．当社は継続して EV モータの高バータ製品に対して品質マネジメントシステム ISO/効率化に取り組んできており，今後，更にモータによTS16949 を取得した．現在，その規格に準拠した品質

る回生エネルギーの回生率向上などを考慮し，低コスマニュアルに基づき，製品設計，製造現場へ QMS をト，高性能モータシステムの開発を推進していく．

展開し，品質の維持に努めている．
4．2

ソフトウェアの信頼性向上

これまで制御を司るインバータソフトウェアは，車載する車ごとにソフトウェアの設計を行ってきたが，

参 考 文 献（1）武田洋次ほか，埋込磁石同期モータの設計と制御，オーム社，第 1 版（2001）

これらのソフトウェアについて，部品化再利用の観点から，機能による再編を行った．
インバータソフトウェアは，コアソフトウェア（制御演算の中核ソフトウェア），ハードウェア依存ソフトウェア，車載別対応ソフトウェア（I/O 関連対応）に大別され，このうち，ソフトウェア全体の 40 ％近大久保光一

くを占めるコアソフトウェアについては，これまでのプログラム内容と実績からプログラムを選別し，共通化した．
また，インバータハードウェアのラインアップ化により，ラインアップに応じたプログラムを整備し，当中谷豊

桝田真喜夫

加藤義樹