JP5454064B2

JP5454064B2 - 電動アシスト過給機及び電動コンプレッサの制御回路

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Publication number: JP5454064B2
Application number: JP2009233259A
Authority: JP
Inventors: 政宏清水
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2009-10-07
Filing date: 2009-10-07
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2029-10-07
Also published as: JP2011080415A

Description

本発明は、主に車両用エンジンに用いられる電動アシスト過給機及び電動アシスト過給機を構成する電動コンプレッサを制御する電動コンプレッサの制御回路に関する。

従来、特許文献１に記載されているように、自動車用エンジン等の車両用エンジンにおいて、排気ガスに含まれたエネルギを利用して過給を行うターボ形過給機が用いられている。この過給機は、排気マニホルド及び吸気マニホルドの上にそれぞれ配置され、軸によって互いに固定的に接続された二つのブレード羽根車（タービン及びコンプレッサ）と、これらブレード羽根車を囲んで配置された二つの渦巻き（volute）とを有して構成されている。

第一の羽根車(タービン)は、排気ガスから回転力を得て、この回転力を第二の羽根車(コンプレッサ)に伝える。第二の羽根車(コンプレッサ)は、吸気マニホルド中の空気を圧縮する。

このような過給機においては、タービンの回転力をモータ（電動機）によりアシストするようにした電動アシスト過給機が提案されている。そして、このような電動アシスト過給機においては、モータや電気回路の保護のために、温度スイッチにより動作制限を行うようにしている。

特開２００９−１６７８２７号公報

ところで、電動アシスト過給機や、電動コンプレッサを用いた電動過給システム（以下、ＥＢＳ（Electric Boosting System）という。）においては、モータやそのドライバは、過給機の内部や、エンジンルーム内に設置される。そのため、モータやモータドライバは、温度環境が極めて厳しい状態で使用されることとなる。これらモータやモータドライバは、雰囲気温度として、例えば、−４０°Ｃ程度より＋１２５°Ｃ程度までの範囲で、正常に動作するよう要求される。さらに、近年においては、より高温での動作、例えば、＋１５５°Ｃ程度での正常な動作が要求されている。

このような使用環境においては、各機器について設定された上限温度にまで、雰囲気温度が頻繁に到達することが想定される。各機器の温度は、雰囲気温度の上昇のみならず、各機器の冷却条件や、各機器の自己発熱（自己損失）による温度上昇の組合せによって決まる。

このような使用環境において、温度スイッチによる動作制限を行った場合には、温度スイッチの設定温度によっては、エンジン出力が急峻に低下すること、例えば、１００％の出力が突然０％の出力となってしまうようなことが起きて、いわゆる段付き感が出てしまうため、運転フィーリングが悪化する。

そこで、本発明は、前述した実情に鑑みて提案されるものであって、電動アシスト過給機において、モータや電気回路の保護のために温度スイッチによる動作制限を行うにあたって、温度上昇が生じたときに、いわゆる段付き感が出ることを防止して、運転フィーリングの悪化を防止することができる電動アシスト過給機及び電動コンプレッサの制御回路を提供することを目的とする。

前述の課題を解決し、前記目的を達成するため、本発明は、以下の構成を有するものである。

〔構成１〕
本発明に係る電動アシスト過給機は、エンジンへ吸入される空気を圧縮するコンプレッサと、コンプレッサに回転力を与えるモータと、モータの動作を制御するモータドライバと、モータ及びモータドライバの温度を測定する温度センサとを備え、モータドライバは、予め設定されマップとして記憶されたモータ及びモータドライバの温度とモータ出力の上限との関係に従って、モータ及びモータドライバの温度上昇に応じてモータ出力を上限以下に絞り、モータ及びモータドライバの温度とモータ出力の上限との関係は、所定の温度以上においては、モータ出力が、温度のａ乗（ただし、ａは、１より大きい数値）に比例する関係であることを特徴とするものである。

〔構成２〕
本発明に係る電動コンプレッサの制御回路は、電動アシスト過給機を構成する電動コンプレッサを制御する電動コンプレッサの制御回路であって、電動コンプレッサに回転力を与えるモータの動作を制御するモータドライバと、モータ及びモータドライバの温度を測定する温度センサとを備え、モータドライバは、予め設定されマップとして記憶されたモータ及びモータドライバの温度とモータ出力の上限との関係に従って、モータ及びモータドライバの温度上昇に応じてモータの出力を上限以下に絞り、モータ及びモータドライバの温度とモータ出力の上限との関係は、所定の温度以上においては、モータ出力が、温度のａ乗（ただし、ａは、１より大きい数値）に比例する関係であることを特徴とするものである。

本発明に係る電動アシスト過給機及び電動コンプレッサの制御回路においては、モータドライバは、予め設定されマップとして記憶されたモータ及びモータドライバの温度とモータ出力の上限との関係に従って、モータ及びモータドライバの温度上昇に応じて、モータ出力を上限以下に絞るので、雰囲気温度、冷却条件及び運転条件等に係わらず、温度上昇のオーバーシュートを防止しつつ、自然な運転フィーリングを実現することができる。

温度センサは、モータ及びモータドライバのそれぞれに設置することが望ましい。また、温度センサは、モータドライバの基板構成が「アルミ基板による主回路」及び「樹脂基板による制御回路」のように２枚構成になっている場合には、それぞれに設置することが望ましい。

温度に応じて出力を絞るマップは、温度をセンサ毎に設定し、温度により出力上限を計算する。この中で最も小さい出力上限を制御に用いるとよい。なお、最大電流が小さい方や、連続通電時間が短い方を選択したほうが、出力制限の開始温度をより高い温度に設定できる。

力行動作と回生動作とでは、最大電流や連続通電時間が異なることから、それぞれについて個別のマップを用意しておくことが望ましい。

また、モータ及びモータドライバの温度とモータ出力の上限との関係は、所定の温度以上においては、モータ出力が、温度のａ乗（ただし、ａは、１より大きい数値）に比例する関係であることが望ましい。

すなわち、本発明は、電動アシスト過給機において、モータや電気回路の保護のために温度スイッチによる動作制限を行うにあたって、温度上昇が生じたときに、いわゆる段付き感が出ることを防止して、運転フィーリングの悪化を防止することができる電動アシスト過給機及び電動コンプレッサの制御回路を提供することができるものである。

本発明に係る電動コンプレッサの制御回路の構成（力行時）を示すブロック図である。本発明に係る電動コンプレッサにおいて、制御回路力行時に用いるマップテーブルを示すグラフである。本発明に係る電動コンプレッサの制御回路の構成（回生時）を示すブロック図である。本発明に係る電動コンプレッサにおいて、回生時に用いるマップテーブルを示すグラフである。本発明に係る電動コンプレッサにおけるマップテーブルの算定方法を説明する図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

本発明に係る電動アシスト過給機は、主に自動車用エンジン等の車両用エンジンにおいて、排気ガスに含まれたエネルギを利用して過給を行う過給機である。この過給機は、排気マニホルド及び吸気マニホルドの上にそれぞれ配置され、軸によって互いに固定的に接続された二つのブレード羽根車（タービン及びコンプレッサ）と、これらブレード羽根車を囲んで配置された二つの渦巻き（volute）とを有して構成されている。

また、この過給機は、タービンの回転力をモータ（電動機）によりアシストするようにした電動アシスト過給機である。この電動アシスト過給機においては、モータ及びモータドライバのそれぞれには、温度センサが設置されている。また、温度センサは、モータドライバの基板構成が「アルミ基板による主回路」及び「樹脂基板による制御回路」のように２枚構成になっている場合には、それぞれに設置することが望ましい。

そして、この電動アシスト過給機においては、モータや電気回路の保護のために、温度に応じてモータの動作制限を行う電動コンプレッサの制御回路を備えている。

図１は、本発明に係る電動コンプレッサの制御回路の構成（力行時）を示すブロック図である。

この電動コンプレッサの制御回路においては、図１に示すように、セレクタ回路１を有している。この電動アシスト過給機の力行時において、セレクタ回路１には、上位ＥＣＵより、トルク指令値が入力される。また、セレクタ回路１には、ターボ回転数を示す値（内部演算値）が、マップテーブル１を介して、入力される。マップテーブルについては後述する。

さらに、セレクタ回路１には、上位ＥＣＵよりの消費電力のリミット値からドライバ入力電力値（計算値）を引いた差信号が入力される。また、セレクタ回路１には、温度センサより、モータステータの温度を示す値が、マップテーブル３を介して、入力される。また、温度センサより、モータドライバ主回路の温度を示す値が、マップテーブル５を介して、入力される。さらに、温度センサより、モータドライバ制御回路の温度を示す値が、マップテーブル６を介して、入力される。また、電圧センサより、電源電圧を示す値が、マップテーブル９を介して、入力される。

なお、モータドライバは、強制空冷方式によって冷却することが多いが、この場合には、車速によって冷却風量が変化し、冷却能力も変化する。車速０ｋｍ／ｈの場合には、冷却風は、０ｍ／ｓとなる。

セレクタ回路１は、入力された各値より、最も小さい値を選択して、力行時にモータに供給する電流指令値として、出力する。この電流指令値は、制御上の指令値である。

図２は、力行時に用いるマップテーブルを示すグラフである。

マップテーブルは、図２に示すように、各温度センサ毎に設定されている。このマップテーブルは、測定された温度に対応する出力制限値を示すものであって、所定の出力制限開始温度以上においては、温度の二乗に比例して、モータ電流を絞るようになっている。なお、出力制限開始温度以上におけるモータ出力は、温度の二乗に限定されず、温度のａ乗（ただし、ａは、１より大きい数値）に比例する関係としてもよい。

このようなマップテーブルは、温度をセンサ毎に設定しておき、測定された温度によりそれぞれ出力上限を計算し、このうちで最も小さい出力上限をセレクタ回路１によって選択して、モータの制御に用いる。なお、最大電流が小さい方や、連続通電時間が短い方を選択したほうが、出力制限の開始温度をより高い温度に設定することができる。

そして、本発明に係る電動アシスト過給機においては、力行動作時と回生動作時とで、最大電流や連続通電時間が異なることから、それぞれについて個別のマップを用意しておくことが望ましい。

図３は、本発明に係る電動コンプレッサの制御回路の構成（回生時）を示すブロック図である。

すなわち、電動コンプレッサの制御回路においては、図３に示すように、電動アシスト過給機の回生時において、セレクタ回路１には、上位ＥＣＵより、トルク指令値が入力される。また、セレクタ回路１には、ターボ回転数を示す値（内部演算値）が、マップテーブル２を介して、入力される。

さらに、セレクタ回路１には、温度センサより、モータステータの温度を示す値が、マップテーブル４を介して、入力される。また、温度センサより、モータドライバ主回路の温度を示す値が、マップテーブル７を介して、入力される。さらに、温度センサより、モータドライバ制御回路の温度を示す値が、マップテーブル８を介して、入力される。また、電圧センサよりの電源電圧を示す値及び上位ＥＣＵよりの発電電圧指令値が、マップテーブル１０を介して、入力される。

図４は、回生時に用いるマップテーブルを示すグラフである。

回生時においても、マップテーブルは、図４に示すように、各温度センサ毎に設定されている。このマップテーブルは、測定された温度に対応する出力制限値を示すものであって、所定の出力制限開始温度以上においては、温度の二乗に比例して、モータ電流を絞るようになっている。なお、出力制限開始温度以上におけるモータ出力は、温度の二乗に限定されず、温度のａ乗（ただし、ａは、１より大きい数値）に比例する関係としてもよい。

このようなマップテーブルは、温度をセンサ毎に設定しておき、測定された温度によりそれぞれ出力上限を計算し、このうちで最も小さい出力上限をセレクタ回路１によって選択して、モータの制御に用いる。

マップテーブルの具体例として、８５°Ｃで出力制限を開始し、１１５°Ｃで出力を０％とする場合について考える。また、斜度のきつい坂道をトーイング（牽引）しながら登坂しながら、ＥＢＳを作動させる場合を想定する。

このような場合には、エンジン負荷が大きいうえに、車速が遅く、エンジンルームに入ってくる外気（冷却風）が減少することから、エンジンルーム内の温度は上昇し、モータドライバの冷却風量も減少する。すると、モータドライバの放熱性が低下し、温度が上昇し始める。

そして、モータドライバの温度が８５°Ｃを超えたならば、モータの出力制限を開始し、損失を低減させる。このとき、モータドライバの温度は、低下した放熱量と、減少した損失とがつりあった温度に静定する。

ここで、１００°Ｃ（すなわち、８５°Ｃと１１５°Ｃの中間）まで温度上昇が続いた場合を考える。電流制限値は無制限の場合の約０．７倍（１／√２倍）となる。損失は電流の二乗に比例するので、損失が１／２に減少しつつも、モータ電流に比例するモータトルクは、約０．７倍の減少にとどまったことを意味する。

このようにして、この電動アシスト過給機においては、モータトルクは減少するものの、その低下率は穏やかなものとなるので、自然な運転フィーリングが実現できる。

図５は、本発明に係る電動コンプレッサにおけるマップテーブルの算定方法を説明する図である。

前述したマップテーブルの算定方法について、図５を用いて説明する。

図５中のＡに示すように、温度Ｔ_１において、モータ出力を定格の１２０％とし、温度Ｔ_２において、モータ出力を０％とする場合について考える。まず、図５中のＢに示すように、温度Ｔ_１，Ｔ_２の中間の温度｛（Ｔ_１＋Ｔ_２）／２｝において、モータ出力が（１２０／√２）％となるように設定する。そして、横軸（ｘ軸）を温度、縦軸（ｙ軸）をモータ出力（％）とした場合に、図５中のＣに示すように、（Ｔ_１，１２０）、（｛（Ｔ_１＋Ｔ_２）／２｝，（１２０／√２））及び（Ｔ_２，０）の３点を通る２次曲線〔ｙ＝ａｘ^２＋ｂｘ＋ｃ〕を想定すると、以下の３式より、係数ａ，ｂ，ｃを定めることができる。

１２０＝ａＴ_１ ^２＋ｂＴ_１＋ｃ
（１２０／√２）＝ａ｛（Ｔ_１＋Ｔ_２）／２｝^２＋ｂ｛（Ｔ_１＋Ｔ_２）／２｝＋ｃ
０＝ａＴ_２ ^２＋ｂＴ_２＋ｃ
なお、２次曲線に代えて、近似式を用いてもよい。

本発明は、主に車両用エンジンに用いられる電動アシスト過給機及び電動アシスト過給機を構成する電動コンプレッサを制御する電動コンプレッサの制御回路に適用される。

１セレクタ回路

Claims

エンジンへ吸入される空気を圧縮するコンプレッサと、
前記コンプレッサに回転力を与えるモータと、
前記モータの動作を制御するモータドライバと、
前記モータ及び前記モータドライバの温度を測定する温度センサと
を備え、
前記モータドライバは、予め設定されマップとして記憶された前記モータ及び前記モータドライバの温度と前記モータ出力の上限との関係に従って、前記モータ及び前記モータドライバの温度上昇に応じて、前記モータ出力を前記上限以下に絞り、
前記モータ及び前記モータドライバの温度と前記モータ出力の上限との関係は、所定の温度以上においては、前記モータ出力が、前記温度のａ乗（ただし、ａは、１より大きい数値）に比例する関係である
ことを特徴とする電動アシスト過給機。
電動アシスト過給機を構成する電動コンプレッサを制御する電動コンプレッサの制御回路であって、
前記電動コンプレッサに回転力を与えるモータの動作を制御するモータドライバと、
前記モータ及び前記モータドライバの温度を測定する温度センサと
を備え、
前記モータドライバは、予め設定されマップとして記憶された前記モータ及び前記モータドライバの温度と前記モータ出力の上限との関係に従って、前記モータ及び前記モータドライバの温度上昇に応じて、前記モータ出力を前記上限以下に絞り、
前記モータ及び前記モータドライバの温度と前記モータ出力の上限との関係は、所定の温度以上においては、前記モータ出力が、前記温度のａ乗（ただし、ａは、１より大きい数値）に比例する関係である
ことを特徴とする電動コンプレッサの制御回路。