JP6072290B2 - 車両用インバータの保護装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両用インバータの保護装置に関する。

従来、インバータの素子を過熱から保護するものとして、パワーデバイス温度を個別に検出してそれぞれ温度値を出力する温度検出手段と、この温度検出手段からの出力のうち、最も温度が高いデバイス温度に基づいて、インバータの電流を制限する保護機能を有するゲート制御回路とを備えた電気自動車の制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、制御部の記憶装置に、インバータのスイッチング素子の定常ＯＮ損失、スイッチング損失、過渡熱インピーダンス等のスイッチング特性およびスイッチング素子損失計算式をメモリとして格納しておき、制御部のＣＰＵにおいて、検出後矩形波に近似したインバータの出力電流と制御率及び出力周波数を変数としてメモリされた定常ＯＮ損失、スイッチング損失等を取り入れた計算式によりスイッチング素子の損失を導出し、この損失とメモリの過渡熱インピーダンスを用いて素子ジャンクション温度を算出し、この温度が設定温度を超えないようにインバータの出力電流制御を行う加熱保護方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−１６９４０１号公報 特開平９−２３３８３２号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
モータが極低回転でトルクが大きい場合には、特定の素子に電流が多く流れる時間が長く、かつモータ回転に同期して素子がＯＮ／ＯＦＦされるので、素子温度が振動的になって変動が大きくなる。そのため、素子温度に応じてトルク制限をかけるとトルク変動が大きくなり、ドライバビリティが悪化する恐れがある。

ここで、特許文献１および特許文献２に記載されたものは、とも素子温度に応じてトルク制限をかけているので、モータが極低回転でトルクが大きい場合には、ドライバビリティが悪化するという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、インバータの素子を過熱から保護するとともに、ドライバビリティの悪化を防止することができる車両用インバータの保護装置を得ることを目的とする。

この発明に係る車両用インバータの保護装置は、動力源としてモータを備え、モータを駆動するためのインバータを過熱から保護する車両用インバータの保護装置であって、インバータの各素子温度から、最大素子温度を演算する最大素子温度演算部と、最大素子温度に応じた出力制限値を算出し、今回の出力制限値が前回の出力制限係数よりも小さければ、今回の出力制限係数に今回の出力制限値を設定し、今回の出力制限値が前回の出力制限係数以上であれば、前回の出力制限係数からあらかじめ定められた所定値を加算して今回の出力制限係数に設定する素子温度出力制限係数演算部と、モータのモータ回転数に基づいて、基本トルク制限値をマップ演算する基本トルク制限値演算部と、基本トルク制限値に素子温度出力制限係数演算部で設定された出力制限係数を乗算して、トルク制限値を決定するトルク制限値決定部とを備えたものである。

この発明に係る車両用インバータの保護装置によれば、最大素子温度が上昇する場合、最大素子温度に応じて速やかにトルク制限をかけてインバータ素子を過熱から保護する一方、最大素子温度が振動的に変動して一時的に低下しても、トルク制限を徐々に解除することによりトルク制限の変動を抑え、ドライバビリティの悪化を防止することができる。

この発明の実施の形態１に係る車両用インバータの保護装置を含むシステム全体を示す構成図である。 図１に示したＩＧＢＴチップの実装構造の例示する構成図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用インバータの保護装置のモータ制御部を示すブロック構成図である。 図３に示されたトルク制限演算部を詳細に示すブロック構成図である。 図４に示したローパスフィルタ演算部および第１出力制限係数演算部の処理を示すフローチャートである。 図４に示した最大素子温度演算部および第２出力制限係数演算部の処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る車両用インバータの保護装置の出力制限値Ｋ_aを示す説明図である。 図４に示した最小値選択部、トルク制限マップおよび乗算部の処理を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１に係る車両用インバータの保護装置において、モータが極低回転している場合のトルク制限制御を示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る車両用インバータの保護装置において、インバータが駆動していない場合のトルク制限制御を示す説明図である。

以下、この発明に係る車両用インバータの保護装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る車両用インバータの保護装置を含むシステム全体を示す構成図である。図１において、インバータ１０１は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）１０２〜１０７のＯＮ／ＯＦＦを制御することにより、バッテリ１２８からの直流電力を３相交流電力に変換し、３相交流モータ１２９を駆動する構成となっている。

ＩＧＢＴ１０２〜１０７のチップ上には、素子温度センサとしてダイオード１０８〜１１３が搭載されており、ダイオードの順方向電圧が負の温度特性を持つことを利用して、素子温度検出回路１２１によりチップの温度を検出する。また、ＩＧＢＴ１０２〜１０７には、電力回生用の回生ダイオード１１４〜１１９が接続されている。

なお、図面が煩雑とならないように、便宜上ダイオード１０９のみを素子温度検出回路１２１に結線してあり、他のダイオードへの結線が省略されているが、他のダイオードもすべて素子温度検出回路１２１に接続されている。

また、ＩＧＢＴ１０２〜１０７は、制御装置１２２から駆動回路１２０を介して駆動される。制御装置１２２には、モータの制御に関する演算を行い、ＩＧＢＴ１０２〜１０７のＯＮ／ＯＦＦを指示するマイコン１２３、インバータ１０１の冷却水の温度をサーミスタ１２６により検出する水温検出回路１２５が設けられている。なお、図１では、ＩＧＢＴ１０３以外に対する駆動回路は省略されている。

図２は、図１に示したＩＧＢＴチップの実装構造の例示する構成図である。図２において、上から順に、ＩＧＢＴチップ２０１、ハンダ２０２、銅箔２０３、絶縁基板２０４、放熱板２０５、グリス２０６、水冷ジャケット２０７の順に積み重ねられている。

水冷ジャケット２０７に設けられた水路に冷媒として冷却水２０８を流すことで、ＩＧＢＴチップ２０１に生じる熱を冷却水２０８で抜熱する構造となっている。また、水温センサとしてのサーミスタ２０９は、水冷ジャケット２０７に埋め込まれている。

図３は、この発明の実施の形態１に係る車両用インバータの保護装置のモータ制御部を示すブロック構成図である。このモータ制御部は、図１のマイコン１２３内に設けられている。

まず、モータトルクが大きくモータ回転数が極低回転の場合には、素子温度の上昇が水温に現れないので、直接、素子温度を検出してモータトルクを抑制し、インバータ素子を過熱から保護する必要がある。また、近年、ハイブリッド車では、インバータ冷却水とエンジン冷却水とが共有される傾向があり、インバータが駆動されなくても冷却水が高温となる場合があるので、冷却水温度を検出してモータトルクを抑制し、インバータ素子を過熱から保護する必要がある。

しかしながら、冷却水の水温によるトルク制限と、素子温度によるトルク制限とを重ねて行使した場合には、出力が過度に制限され、ドライバビリティが悪化する恐れがある。そこで、この発明の実施の形態１では、水温に応じて演算された係数と素子温度に応じて演算された係数とのうち、小さい方の係数に基づいて、トルク制限をかける処理を行い、トルク制限が適切に行われるようにしている。

図３において、このモータ制御部は、トルク補正演算部３０１、トルク制限演算部３０２、最小値選択部３０３、電流制御演算部３０４およびＩＧＢＴ駆動演算部３０５を有している。

トルク補正演算部３０１は、例えば図示しないＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）を通じて外部の車両コントローラ（図示せず）から指令トルクを受信し、指令トルクに対して種々のトルク補正を演算して、補正後トルクとして出力する。

トルク制限演算部３０２は、水温検出回路１２５で検出された冷却水の水温、素子温度検出回路１２１で検出された素子温度、および例えばモータ１２９に設けられたレゾルバ（図示せず）の信号から演算されたモータ回転数に基づいて、トルク制限値を演算する。

最小値選択部３０３は、トルク補正演算部３０１からの補正後トルクと、トルク制限演算部３０２からのトルク制限値とを比較して、小さい方の値を目標トルクとして選択し、トルク制限をかけるようにする。

電流制御演算部３０４は、最小値選択部３０３からの目標トルクとなるように、モータ電流をフィードバック制御し、目標電圧を出力する。ＩＧＢＴ駆動演算部３０５は、電流制御演算部３０４からの目標電圧となるように、ＩＧＢＴを駆動する。

なお、トルク制限演算部３０２が設けられていない場合には、トルク補正演算部３０１で演算された補正後トルクがそのまま目標トルクとして電流制御演算部３０４に出力され、目標トルクに基づいて目標電圧が設定される。

図４は、図３に示されたトルク制限演算部３０２を詳細に示すブロック構成図である。図４において、トルク制限演算部３０２は、ローパスフィルタ演算部４０１、第１出力制限係数演算部（水温出力制限係数演算部）４０２、最大素子温度演算部４０３、第２出力制限係数演算部（素子温度出力制限係数演算部）４０４、最小値選択部（制限係数選択部）４０５、トルク制限マップ（基本トルク制限値演算部）４０６および乗算部（トルク制限値決定部）４０７を有している。

ローパスフィルタ演算部４０１は、水温検出回路１２５で検出された冷却水の水温Ｔ_wをフィルタ処理し、フィルタ後水温Ｔ_wfを出力する。第１出力制限係数演算部４０２は、あらかじめ記憶された上限素子温度Ｔ^* _jLMTから、ローパスフィルタ演算部４０１からのフィルタ後水温Ｔ_wfを減算した値に基づいて、第１出力制限係数ｋ₁を算出する。

最大素子温度演算部４０３は、各素子温度Ｔ_j1・・・6から最大素子温度Ｔ_jmaxを演算して出力する。第２出力制限係数演算部４０４は、最大素子温度演算部４０３からの最大素子温度Ｔ_jmaxに基づいて、第２出力制限係数ｋ₂を算出する。

最小値選択部４０５は、第１出力制限係数演算部４０２からの第１出力制限係数ｋ₁と、第２出力制限係数演算部４０４からの第２出力制限係数ｋ₂とを比較して、小さい方の値を出力制限係数ｋとして出力する。

トルク制限マップ４０６は、通常の温度領域における上限トルクを保存したマップであり、モータ回転数ωｍに基づいて、トルク制限マップから基本トルク制限値Ｔｍ_{LMT_b}をマップ参照する。乗算部４０７は、基本トルク制限値に出力制限係数ｋを乗算し、トルク制限値Ｔｍ_LMTを出力する。

図５は、図４に示したローパスフィルタ演算部４０１および第１出力制限係数演算部４０２の処理を示すフローチャートである。

図５において、まず、水温Ｔ_wが読み込まれる（ステップＳ５０１）。
続いて、読み出された水温Ｔ_wに対して、ローパスフィルタ処理が実行される（ステップＳ５０２）。

次に、第１出力制限係数ｋ₁が算出される（ステップＳ５０３）。
ここで、素子温度から水温までの熱抵抗をＲ［℃／Ｗ］、上限素子温度をＴ^* _jLMT［℃］、設計で前提とする水温（制限をかけ始める温度）をＴ^* _w0［℃］とすると、上限素子温度での許容素子発熱量Ｑ_LMT［Ｗ］は、次式で表される。

Ｑ_LMT＝（Ｔ^* _jLMT−Ｔ^* _w0）／Ｒ

一方、水温がＴ^* _w0よりも高いＴ_wfになった場合における許容素子発熱量Ｑ’_LMTは、次式で表される。

Ｑ’_LMT＝（Ｔ^* _jLMT−Ｔ_wf）／Ｒ

したがって、水温Ｔ_wfにおける第１出力制限係数ｋ₁は、次式で表される。

ｋ₁＝Ｑ’_LMT／Ｑ_LMT＝（Ｔ^* _jLMT−Ｔ_wf）／（Ｔ^* _jLMT−Ｔ^* _w0）

続いて、第１出力制限係数ｋ₁に対して、下限＝０．０、上限＝１．０で、上下限クリップが実行され（ステップＳ５０４）、図５の処理が終了する。

図６は、図４に示した最大素子温度演算部４０３および第２出力制限係数演算部４０４の処理を示すフローチャートである。

図６において、まず、各素子温度Ｔ_j1・・・6が読み込まれる（ステップＳ６０１）。
続いて、最大素子温度Ｔ_jmaxが算出される（ステップＳ６０２）。

次に、図７に示されるように、最大素子温度Ｔ_jmaxに応じて出力制限値Ｋ_aがマップ参照される（ステップＳ６０３）。

続いて、出力制限値Ｋ_aと第２出力制限係数の前回値ｋ₂（ｉ−１）とが比較され（ステップＳ６０４）、出力制限値Ｋ_aの方が小さい場合、つまり出力制限が大きい場合は、第２出力制限係数の今回値ｋ₂（ｉ）に補正量Ｋ_aが設定される（ステップＳ６０５）。

一方、出力制限値Ｋ_aの方が大きい場合は、まず、出力制限値Ｋ_aが１であるか否かが判定され（ステップＳ６０６）、最大素子温度が十分に低下して、すでに出力制限値Ｋ_aが１の場合には、第２出力制限係数の今回値ｋ₂（ｉ）も１に設定され、出力制限が解除される（ステップＳ６０７）。

次に、最大素子温度が低下しておらず、出力制限値Ｋ_aがまだ１になっていない場合には、第２出力制限係数ｋ₂の前回値に、あらかじめ定められた所定値Ｋｂが加算され、第２出力制限係数の今回値ｋ₂（ｉ−１）が設定される。ただし、第２出力制限係数は、１でクリップされる（ステップＳ６０８）。

最後に、第２出力制限係数ｋ₂の前回値が更新され（ステップＳ６０７）、図６の処理が終了する。

図８は、図４に示した最小値選択部４０５、トルク制限マップ４０６および乗算部４０７の処理を示すフローチャートである。

図８において、まず、第１出力制限係数演算部４０２からの第１出力制限係数ｋ₁と、第２出力制限係数演算部４０４からの第２出力制限係数ｋ₂とが比較され、小さい方の値を出力制限係数ｋとして出力される（ステップＳ７０１）。

続いて、モータ回転数に基づいて、トルク制限マップから基本トルク制限値Ｔｍ_{LMT_b}が算出される（ステップＳ７０２）。
次に、基本トルク制限値に出力制限係数ｋが乗算され、トルク制限値Ｔｍ_LMTが算出されて（ステップＳ７０３）、図８の処理が終了する。

図９は、この発明の実施の形態１に係る車両用インバータの保護装置において、モータが極低回転している場合のトルク制限制御を示す説明図である。

図９において、モータが極低回転している場合には、１つ１つのＩＧＢＴに電流が流れている時間が長いので、素子温度の変動が大きくなる。すなわち、モータ回転に同期して通電するＩＧＢＴが変わり、通電ＯＮ中のＩＧＢＴは素子温度が上がり、通電ＯＦＦのＩＧＢＴは素子温度が下がるので、素子温度が上下変動する。特に、モータ回転数が低い領域では、その変動が顕著に現れる。

一方、素子温度挙動に比べ、水温挙動は遅い。これは、素子から冷却水までの熱抵抗や水温センサの取り付け位置が原因である。

ここで、素子温度挙動を見ると、素子に電流が流れ始めた順序により、素子温度には温度履歴が残るので、６つの素子温度の挙動はばらばらとなる。この例の場合には、一点鎖線の素子がもっとも温度が高く、出力を制限し、一点鎖線の素子を過熱保護する必要がある。

そこで、この実施の形態１では、例えば素子温度が１３０度以上になると、出力制限が働き始め、トルク制限値（点線）が小さくなって実トルク（実線）が制限される。なお、素子温度が上昇していく期間は、トルク制限値が減少を続ける。

その後、出力が制限されて、素子の発熱量が減少し、素子温度が下がり始めると、素子温度変動に影響されずにトルク制限値が所定値ずつ減少されるので、トルク変動を抑制しドライバビリティの悪化を防ぐことができる。

図１０は、この発明の実施の形態１に係る車両用インバータの保護装置において、インバータが駆動していない場合のトルク制限制御を示す説明図である。
まず、コストの低減を目的として、上述したように、ハイブリッド車においては、エンジン冷却系とモータ・インバータの冷却系とが共有化されつつある。

図１０は、モータ運転出力は小さいが、エンジン運転出力が大きい条件での挙動の一例を示しており、素子温度はあまり変化しないにもかかわらず、エンジン温度上昇のために水温が上昇を続けている場合を示している。

ここで、この実施の形態１では、例えば水温が６０度を超えると、出力制限が働き始め、ゆるやかにトルク制限値が小さくなっていく。

以上のように、実施の形態１によれば、素子温度出力制限係数演算部は、最大素子温度が上昇する場合、最大素子温度に応じて速やかにトルク制限をかけてインバータ素子を過熱から保護する一方、最大素子温度が振動的に変動して一時的に低下しても、トルク制限を徐々に解除することによりトルク制限の変動を抑え、ドライバビリティの悪化を防止することができる車両用インバータの保護装置を得ることができる。

また、インバータの冷却水の水温に基づいて、水温出力制限係数を演算する水温出力制限係数演算部と、素子温度出力制限係数および水温出力制限係数のうち、制限係数が小さい方を選択して出力する制限係数選択部と、をさらに備え、トルク制限値決定部は、基本トルク制限値に、制限係数選択部で選択された素子温度出力制限係数または水温出力制限係数を乗算して、トルク制限値を決定する。
そのため、水温および素子温度による２重の素子過熱保護により、より確実に素子が保護される。かつ、保護が過剰とならないように素子温度出力制限係数または水温出力制限係数が選択されるので、素子の出力性能も適切に維持される。

また、水温出力制限係数演算部は、あらかじめ定められた上限素子温度から冷却水の水温を減算した値と、上限素子温度からトルク制限をかけ始める水温である設計水温を減算した値との比に基づいて、水温出力制限係数を演算する。
そのため、水温に基づいて、適切な素子の過熱保護を実現することができる。

Claims (3)

1. 動力源としてモータを備え、前記モータを駆動するためのインバータを過熱から保護する車両用インバータの保護装置であって、
   前記インバータの各素子温度から、最大素子温度を演算する最大素子温度演算部と、
   前記最大素子温度に応じた出力制限値を算出し、今回の出力制限値が前回の出力制限係数よりも小さければ、今回の出力制限係数に今回の出力制限値を設定し、今回の出力制限値が前回の出力制限係数以上であれば、前回の出力制限係数からあらかじめ定められた所定値を加算して今回の出力制限係数に設定する素子温度出力制限係数演算部と、
   前記モータのモータ回転数に基づいて、基本トルク制限値をマップ演算する基本トルク制限値演算部と、
   前記基本トルク制限値に前記素子温度出力制限係数演算部で設定された出力制限係数を乗算して、トルク制限値を決定するトルク制限値決定部と、
   を備えた車両用インバータの保護装置。
2. 前記インバータの冷却水の水温に基づいて、水温出力制限係数を演算する水温出力制限係数演算部と、
   前記素子温度出力制限係数演算部で設定された出力制限係数および前記水温出力制限係数のうち、出力制限係数が小さい方を選択して出力する制限係数選択部と、をさらに備え、
   前記トルク制限値決定部は、前記基本トルク制限値に、前記制限係数選択部で選択された前記素子温度出力制限係数演算部で設定された出力制限係数または前記水温出力制限係数を乗算して、トルク制限値を決定する
   請求項１に記載の車両用インバータの保護装置。
3. 前記水温出力制限係数演算部は、
   あらかじめ定められた上限素子温度から前記冷却水の水温を減算した値と、前記上限素子温度からトルク制限をかけ始める水温である設計水温を減算した値との比に基づいて、前記水温出力制限係数を演算する
   請求項２に記載の車両用インバータの保護装置。

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