JP7230848B2

JP7230848B2 - 電駆動システムの制御装置

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Publication number: JP7230848B2
Application number: JP2020023227A
Authority: JP
Inventors: 友久佐野
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2020-02-14
Filing date: 2020-02-14
Publication date: 2023-03-01
Anticipated expiration: 2040-02-14
Also published as: US12068706B2; JP2021129436A; WO2021161755A1; US20220385224A1

Description

本開示は、電駆動システムの制御装置に関する。

従来から、モータ制御装置の冷却機能に異常が生じた場合に、自身の温度上昇を抑制するモータ制御装置が提案されている。例えば、特許文献１には、冷却機能を有する車両駆動用モータ制御装置において、冷却媒体の流通が滞る等の異常が生じた場合に、自身の温度上昇を抑制するようにモータ出力（トルク）を制御するモータ制御装置が開示されている。かかるモータ制御装置では、冷却機能の異常判定をした場合に、冷却媒体の推定温度に正のオフセット値を加算した補正推定値に応じてトルク指令値を求める。これにより、かかるモータ制御装置は、自身の温度上昇を抑制する。

特開２０１０－５１０４０号公報

移動体等の電動化に伴い、モータとインバータ回路とを有する電駆動システム（ＥＤＳ：Electric Drive System）が、様々な用途で用いられている。例えば、電動垂直離着陸機（ｅＶＴＯＬ：electric Vertical Take-Off and Landing aircraft）と呼ばれる有人または無人の電動航空機の回転翼や、船舶のスクリューや、車両や電車の車輪を回転駆動させるために、電駆動システムが用いられている。ここで、車両や電車など地上の移動体では、モータ制御装置の冷却機能に異常が生じた際に、特許文献１の方法を適用して、モータ出力の制限を前提として、自身の温度上昇を抑制できる。しかしながら、例えば、電動航空機では、飛行中のためにこのようなモータ出力を制限できない場合がある。特許文献１のモータ制御装置では、このようにモータ出力を制限できない場合における、モータ制御装置の温度上昇の抑制について考慮されていない。このため、モータ出力の低下を抑制しつつ、温度上昇を抑制可能な技術が望まれる。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、回転翼を回転駆動させるモータ（２）と、スイッチング素子（４３）を有し前記モータを制御するインバータ回路（４）と、を有し飛行体に搭載される電駆動システム（２０）を、制御する制御装置（１０）が提供される。前記制御装置は、前記スイッチング素子の温度異常とは異なる予め定められた所定異常であって、前記所定異常の発生に伴ってスイッチング素子の温度異常が検出され得る所定異常の発生を検出する異常発生検出部（１２）と、前記所定異常が検出された場合に、前記スイッチング素子の損失を下げるように前記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御部（１４）と、を備える。

この形態の制御装置によれば、スイッチング素子の温度異常と、温度異常を伴う異常と、のうちの少なくとも一方である予め定められた所定異常の発生を検出する異常発生検出部と、所定異常が検出された場合に、スイッチング素子の損失を下げるようにスイッチング素子を制御するスイッチング素子制御部とを備えるので、所定異常が検出された場合にスイッチング素子の損失を下げて、スイッチング素子の発熱量を低減させることができる。このため、モータ出力の低下を抑制しつつ、温度上昇を抑制できる。

本開示の一実施形態である制御装置と、バッテリと、電駆動システムの構成を示す概略図である。温度制御処理の手順を示すフローチャートである。スイッチング素子の温度変化の一例を示す説明図である。第２実施形態の制御装置と、バッテリと、電駆動システムの構成を示す概略図である。

Ａ．第１実施形態：
Ａ－１．システム構成：
図１に示す本開示の一実施形態としての制御装置１０は、電駆動システム２０（以下、「ＥＤＳ（Electric Drive System）２０」とも呼ぶ）に電気的に接続され、ＥＤＳ２０の温度制御を実行する。制御装置１０は、ＥＤＳ２０が備えるスイッチング素子４３に取り付けられた温度センサ４２から温度を取得し、取得したこれらの温度を利用してスイッチング素子４３を制御する。本実施形態においては、図１に示す制御装置１０と、バッテリ８と、ＥＤＳ２０とは、飛行体、例えば、電動垂直離着陸機（以下、「ｅＶＴＯＬ（electric Vertical Take-Off and Landing aircraft）」とも呼ぶ）に搭載されている。ｅＶＴＯＬは、電気により駆動され、鉛直方向に離着陸可能な有人航空機として構成されている。

本実施形態において、ＥＤＳ２０は、モータ２と、インバータ回路４とを有し、例えば、ｅＶＴＯＬの回転翼を回転駆動させるために用いられる。

モータ２は、本実施形態において、三相交流ブラシレスモータにより構成され、後述するインバータ回路４から供給される電圧および電流に応じた回転運動を出力する。なお、モータ２は、ブラシレスモータに限らず、誘導モータやリラクタンスモータ等の任意の種類のモータにより構成されていてもよい。なお、本実施形態において、「モータ」とは、いわゆる電動機に限らず、電動発電機も含む広い意味を有する。

インバータ回路４は、モータ２を駆動させる。インバータ回路４は、バッテリ８から供給される直流電圧を、三相交流電圧に変換してモータ２に供給する。インバータ回路４は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に設けられた合計三つのレグを有する。各レグは上下二つのスイッチング回路４１を有する。すなわち、インバータ回路４は、合計６個のスイッチング回路４１を有している。なお、バッテリ８からインバータ回路４に供給される直流電圧は、コンデンサ６によって平滑化されている。

スイッチング回路４１には、複数のスイッチング素子４３が搭載されている。各スイッチング素子４３には、還流ダイオードが接続されている。本実施形態において、スイッチング素子４３は、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）により構成されているが、ＭＯＳＦＥＴに限らず、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー素子により構成されていてもよい。

制御装置１０は、本実施形態においては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを有するマイクロコンピュータにより構成されている。かかるＣＰＵは、ＲＯＭに予め記憶されている制御プログラムを実行することにより、異常発生検出部１２と、スイッチング素子制御部１４として機能する。また、制御装置１０は、抵抗調整部１６を備える。

異常発生検出部１２は、スイッチング素子４３の温度異常の発生を検出する。後述するように、異常発生検出部１２は、スイッチング素子４３に取り付けられた温度センサ４２において検出される、スイッチング素子４３の温度を取得し、かかる温度を利用して、スイッチング素子４３の温度異常の発生を検出する。本実施形態においては、温度センサ４２は、感温ダイオードを備える。また、図１に示すように、温度センサ４２は、Ｖ相における二つのスイッチング素子４３のうちの一つに取り付けられている。

スイッチング素子制御部１４は、スイッチング素子４３の温度が予め定められた閾値以上であると判定された場合に、スイッチング素子４３のスイッチング速度を増大させる。スイッチング素子制御部１４は、抵抗調整部１６を調整してスイッチング速度を増大させる。

抵抗調整部１６は、本実施形態においては、可変抵抗器により構成されている。抵抗調整部１６は、制御装置１０に搭載されている。抵抗調整部１６は、図１に示すように、各スイッチング素子４３のゲート電極に接続されている。

バッテリ８は、リチウムイオン電池により構成され、電駆動システム２０における電力源の１つとして機能する二次バッテリである。バッテリ８は、主に、電駆動システム２０が有するインバータ回路４の駆動部へと電力を供給してモータ２を駆動させる。なお、リチウムイオン電池に代えて、ニッケル水素電池等の任意の二次電池により構成されていてもよい。

Ａ－２．スイッチング素子の温度制御処理：
図２に示すフローチャートは、スイッチング素子４３の温度を制御するための処理であり、制御装置１０の電源がオンすると実行される。

制御装置１０における異常発生検出部１２は、温度センサ４２からスイッチング素子４３の温度を取得する（ステップＳ１００）。

異常発生検出部１２は、取得された温度が予め定められた閾値温度以上であるかどうかを判定する（ステップＳ１０２）。ここで、閾値温度は、ｅＶＴＯＬの緊急着陸を要するような異常を検出可能な温度として予め実験等により特定されて設定されている。スイッチング素子４３の温度が閾値温度を超えてしまう場合は、例えば、スイッチング回路４１を冷却するための図示しない冷却媒体流路において、冷却媒体を循環させるためのポンプが故障した場合や、温度センサ４２が故障している場合などが想定される。

異常発生検出部１２は、取得された温度が予め定められた閾値温度以上でないと判定した場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、処理は上述のステップＳ１００に戻る。これに対して、異常発生検出部１２は、取得された温度が予め定められた閾値温度以上であると判定した場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、異常検出したことを特定する（ステップＳ１０４）。例えば、異常発生検出部１２は、異常検出のフラグを立てる。

スイッチング素子制御部１４は、スイッチング速度を増大させる（ステップＳ１０６）。具体的には、スイッチング素子制御部１４は、抵抗調整部１６に対して抵抗値を下げるように制御する。抵抗値が下がることにより、スイッチング素子４３のゲート電極に流れる電流量が増大する。これにより、スイッチング素子４３のスイッチング速度が増大する。

スイッチング素子４３のスイッチング速度が増大することによって、エミッタ－コレクタ間の出力電流が減少する。この結果、スイッチング素子４３の損失（発熱量）の増大を抑制できる。

異常発生検出部１２は、スイッチング素子４３の温度が予め定められた閾値温度より低温であるかどうかを判定する（ステップＳ１０８）。異常発生検出部１２は、スイッチング素子４３の温度が予め定められた閾値温度より低温でないと判定した場合（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、処理は上述のステップＳ１０２に戻る。異常発生検出部１２は、スイッチング素子４３の温度が予め定められた閾値温度より低温であると判定した場合（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、処理は上述のステップＳ１００に戻る。

図３において、横軸は時間を示し、縦軸はスイッチング素子４３の温度を示す。耐熱温度Ｔｌは、スイッチング素子４３の耐熱温度である。図３では、上述した温度制御処理を実行する場合のスイッチング素子４３の温度変化Ｌ１を太い実線で示す。上述した温度制御処理を実行しない場合のスイッチング素子４３の温度変化Ｌ２を破線で示す。予め定められた所定異常、例えば、ｅＶＴＯＬの緊急着陸を要するようなスイッチング素子の温度異常が時間ｔ_０で発生し、スイッチング素子４３の素子温度が閾値Ｔｔｈに達した時が異常の発生が検出された時として時間ｔ_１で表されている。すなわち時間ｔ_１は、図２におけるステップＳ１０４が実行される時点に相当する。

図３の例では、緊急着陸には、時間ｔ_１から時間ｔ_２までの時間が必要である。緊急着陸を要するようなスイッチング素子４３の温度異常の発生が検出される時間ｔ_１までは、温度変化Ｌ１と温度変化Ｌ２とは互いに同じである。他方、緊急着陸を要するようなスイッチング素子４３の温度異常の発生が検出された時間ｔ_１の後は、温度変化Ｌ１と、温度変化Ｌ２とは、互いに異なる。具体的には、本実施形態の制御装置１０においては、スイッチング素子４３のスイッチング速度を高めることにより、スイッチング素子４３の温度上昇速度を低減させる。このため、温度変化Ｌ１は、スイッチング素子４３の耐熱温度Ｔｌを超えることなく、緊急着陸に必要な時間を確保できる。

他方、比較例の温度変化Ｌ２は、本実施形態における制御装置１０の温度変化Ｌ１よりも温度上昇速度が大きい。比較例においては、緊急着陸に必要な時間を確保できずに、着陸前においてスイッチング素子４３の素子温度は、耐熱温度Ｔｌを超えてしまっている。

以上説明した第１実施形態の制御装置１０によれば、スイッチング素子４３の温度異常の発生を検出する異常発生検出部１２と、温度異常が検出された場合に、スイッチング素子４３の損失を下げるようにスイッチング素子４３を制御するスイッチング素子制御部１４とを備えるので、温度異常が検出された場合にスイッチング素子４３の損失を下げて、スイッチング素子４３の発熱量を低減させることができる。このため、モータ出力の低下を抑制しつつ、温度上昇を抑制できる。

また、第１実施形態の制御装置１０において、スイッチング素子制御部１４は、スイッチング素子４３のスイッチング速度を高めることにより、スイッチング素子４３の発熱量を低減させることができる。このため、スイッチング素子４３の温度制御を実現するための装置構成を簡易にできる。

Ｂ．第２実施形態：
図４に示すように、第２実施形態の制御装置１０の構成は、抵抗調整部１６を備えていない点において第１実施形態の制御装置１０と異なる。第２実施形態の制御装置１０における他の構成は、第１実施形態の制御装置１０と同じであるので、同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

第１実施形態では、スイッチング素子制御部１４は、スイッチング素子４３のスイッチング速度を増大させることにより、スイッチング素子４３の発熱量を低減させていたが、第２実施形態では、スイッチング素子制御部１４は、ＰＷＭ制御において用いるキャリア周波数を低下させることにより、スイッチング素子４３の発熱量を低減させる。

第２実施形態におけるスイッチング素子４３の温度を制御するための処理は、図２におけるステップＳ１０６の処理が「キャリア周波数の低下」となる点において、第１実施形態におけるスイッチング素子４３の温度を制御するための処理と異なる。他の温度制御処理は、第１実施形態の制御装置１０と同じであるので、同一の処理についてはその詳細な説明を省略する。

第２実施形態の制御装置において、上述したＰＷＭ制御によるキャリア周波数の低下により、スイッチング素子４３のスイッチングのＯＮとＯＦＦの切り替え頻度が減少する。この結果、スイッチング素子４３の損失が下がり、スイッチング素子４３の発熱量を低減させることができる。

以上説明した第２実施形態の制御装置１０によれば、第１実施形態の制御装置１０と同様な効果を有する。また、スイッチング素子制御部１４は、ＰＷＭ制御によりスイッチング素子４３を制御し、キャリア周波数を低下させることにより、スイッチング素子４３の発熱量を低減させるので、スイッチング素子４３の温度制御を実現するための装置構成を更に簡易にできる。

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）第１実施形態の制御装置１０において、異常発生検出部１２はスイッチング素子４３の温度異常の発生を検出していたが、本実施形態の制御装置１０はこれに限られない。本実施形態における制御装置１０における異常発生検出部１２は、スイッチング素子４３の温度異常を伴う予め定められた所定異常の発生を検出してもよい。例えば、異常発生検出部１２は、冷却媒体を循環させるポンプの故障や温度センサ４２の異常の発生を検出してもよい。このような所定異常の発生を検出した場合に、第１および第２実施形態と同様に、スイッチング素子４３の損失を下げることにより、第１および第２実施形態と同様な効果を奏し得る。

（Ｃ２）第１実施形態の制御装置１０において、異常発生検出部１２は、１つのスイッチング素子４３に取り付けられた１つの温度センサ４２からスイッチング素子４３の温度を取得していたが、本実施形態の制御装置１０はこれに限られない。本実施形態における制御装置１０における異常発生検出部１２は、各スイッチング素子４３に取り付けられた６個の温度センサ４２からスイッチング素子４３の温度を取得してもよい。６個の温度センサ４２のうちのいずれかの温度センサ４２から取得された温度が閾値温度以上である場合、スイッチング素子制御部１４はスイッチング素子４３の損失を下げるようにスイッチング素子４３を制御してもよい。また、６個の温度センサ４２から取得された温度の平均値が閾値温度以上である場合、スイッチング素子制御部１４はスイッチング素子４３の損失を下げるようにスイッチング素子４３を制御してもよい。また、各実施形態の制御装置１０における異常発生検出部１２は、各スイッチング素子４３に対して用意された６個の温度センサ４２を比較して温度異常を検出してもよい。異常発生検出部１２は、各温度センサ４２の温度が大きく異なる場合、スイッチング素子４３の温度異常を伴う温度センサ４２の異常の発生を検出してもよい。

（Ｃ３）第１実施形態の制御装置１０において、抵抗調整部１６は可変抵抗器により構成されていたが、本実施形態の制御装置１０はこれに限られない。例えば、抵抗調整部１６は、互いに異なる抵抗値を有し、互いに並列接続された２つの抵抗器と、切り替え用のリレースイッチとを備えていてもよい。これにより、スイッチング素子制御部１４は、抵抗値のより小さい抵抗器に切り替えることにより、スイッチング速度を増大させることができる。また、例えば、抵抗調整部１６は、互いに同じ抵抗値を有し、互いに並列接続された２つの抵抗器と、切り替え用のリレースイッチと、一方の抵抗器に並列接続されたスピードアップコンデンサとを備えていてもよい。これにより、スイッチング素子制御部１４は、スピードアップコンデンサを並列接続された抵抗器に切り替えて、スイッチング速度を増大させることができる。

（Ｃ４）各実施形態の制御装置１０において、スイッチング素子４３の温度異常の発生が検出された場合に、スイッチング素子制御部１４は、スイッチング素子４３の損失を下げるようにスイッチング素子４３を制御していたが、本実施形態の制御装置１０はこれに限られない。これに加えて、本実施形態における制御装置１０におけるスイッチング素子制御部１４は、着陸を有する異常の場合、異常を検出してから着陸をするまでの間、着陸に必要な出力をモータ２が出力するように、スイッチング素子４３を制御してもよい。このような着陸を有する異常の場合に、着陸に必要な出力を出し続けることができる。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した形態中の技術的特徴に対応する各実施形態中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

２…モータ、４…インバータ回路、１０…制御装置、１２…異常発生検出部、１４…スイッチング素子制御部、２０…電駆動システム、４３…スイッチング素子

Claims

回転翼を回転駆動させるモータ（２）と、スイッチング素子（４３）を有し前記モータを制御するインバータ回路（４）と、を有し飛行体に搭載される電駆動システム（２０）を、制御する制御装置（１０）であって、
前記スイッチング素子の温度異常とは異なる予め定められた所定異常であって、前記所定異常の発生に伴ってスイッチング素子の温度異常が検出され得る所定異常の発生を検出する異常発生検出部（１２）と、
前記所定異常が検出された場合に、前記スイッチング素子の損失を下げるように前記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御部（１４）と、
を備える、制御装置。
請求項１に記載の制御装置において、
前記スイッチング素子制御部は、前記スイッチング素子のスイッチング速度を高めることにより、前記損失を下げる、制御装置。
請求項１または請求項２に記載の制御装置において、
前記スイッチング素子制御部は、ＰＷＭ制御により前記スイッチング素子を制御し、前記ＰＷＭ制御において用いるキャリア周波数を低下させることにより、前記損失を下げる、制御装置。
請求項１に記載の制御装置において、
前記スイッチング素子制御部は、前記所定異常が着陸を有する異常の場合、着陸をするまでの間、着陸に必要な出力を前記モータが出力するように、前記スイッチング素子を制御する、制御装置。
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の制御装置において、
前記飛行体は、前記インバータ回路を冷却するための冷却媒体流路と、前記冷却媒体流路に設けられ冷却媒体を循環させるためのポンプと、前記スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、を有し、
前記所定異常は、前記スイッチング素子の温度異常とは異なる異常であり、前記ポンプの故障と前記温度センサの異常とのうちの少なくとも一方を含む、制御装置。