電気自動車
【課題】インバータが備えるスイッチング素子の温度を推定することのできる電気自動車を提供する。
【解決手段】電気自動車１００は、インバータ２１と、パワーコントローラ２５を備える。インバータ２１は、トランジスタＴｒとダイオードＤｄが並列に接続されたスイッチング素子ｓｗ群で構成される。電気自動車１００はさらに、スイッチング素子ｓｗを冷却する冷媒の温度を計測する温度センサＱｗｔと、インバータ２１が出力する３相交流ＵＶＷの各相を流れる電流を計測する電流センサ６、８と、インバータ２１への入力電圧ＶＨを計測する電圧センサＶｄＨを備える。パワーコントローラ２５（温度推定器）は、電流センサと電圧センサの計測データ及びスイッチング素子のデューティ比に基づいて温度補正値を算出し、その温度補正値を冷媒温度に加算した値をスイッチング素子の推定温度とする。
【解決手段】電気自動車１００は、インバータ２１と、パワーコントローラ２５を備える。インバータ２１は、トランジスタＴｒとダイオードＤｄが並列に接続されたスイッチング素子ｓｗ群で構成される。電気自動車１００はさらに、スイッチング素子ｓｗを冷却する冷媒の温度を計測する温度センサＱｗｔと、インバータ２１が出力する３相交流ＵＶＷの各相を流れる電流を計測する電流センサ６、８と、インバータ２１への入力電圧ＶＨを計測する電圧センサＶｄＨを備える。パワーコントローラ２５（温度推定器）は、電流センサと電圧センサの計測データ及びスイッチング素子のデューティ比に基づいて温度補正値を算出し、その温度補正値を冷媒温度に加算した値をスイッチング素子の推定温度とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走行用モータを有する電気自動車に関する。本明細書における電気自動車には、ハイブリッド車、燃料電池車も含まれる。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車は、バッテリの直流電力を交流電流に変換するインバータを備える。バッテリの出力電圧がインバータの入力電圧に適していない場合はさらに、バッテリの出力電圧をインバータの入力電圧に適した電圧に変換するための電圧コンバータを備える場合もある。インバータや電圧コンバータは、モータが発生する電力をバッテリの充電に適した直流電力に変換する役割も担う。インバータや電圧コンバータには、多数のスイッチング素子が使われている。特に、走行用の高出力モータのためのインバータや電圧コンバータには大きな電流が流れるため、スイッチング素子の発熱を抑制することが一つの課題となっている。なお、ここでいう「スイッチング素子」には、ＩＧＢＴなどのトランジスタにダイオードが並列に接続された回路を含む。そのようなダイオードは「還流ダイオード」、あるいは「フリーホイールダイオード」と呼ばれる。
【０００３】
スイッチング素子の発熱を抑えるのに先立って、スイッチング素子の温度を正確に把握することが重要である。スイッチング素子の温度が低いうちは発熱対策をとる必要がなく、スイッチング素子の温度がある程度上昇したら発熱対策を講じるのがよいからである。各スイッチング素子に温度センサを備えれば正確な温度が把握できるが、それではコストが嵩んでしまう。そこで、特定のスイッチング素子に温度センサを配し、その温度センサのセンサデータと同時に既設のセンサのデータを利用して、温度センサを配置していないスイッチング素子の温度を推定する技術が提案されている（例えば特許文献１、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９５３４３号公報
【特許文献２】特開２００９−０７１９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
モータがロックした場合、各スイッチング素子の温度は極端に異なっていく。モータがロックした場合とは、自動車が高い段差を乗り越えようとするが乗り越えられない場合、あるいは、自動車が障害物に押し当たっており、それ以上は進めない場合などに生じる。モータがロックして各スイッチング素子の温度が大きく異なる場合、いずれかのスイッチング素子の温度を参照して他のスイッチング素子の温度を推定する方法では正確な推定はできない。本明細書は、いずれかのスイッチング素子の温度を参照するのではなく、スイッチング素子を冷却する冷媒の温度に着目し、冷媒温度を基準とし、インバータに既設のセンサのデータに基づいてスイッチング素子の温度を推定する技術を提供する。この方法は、モータがロックしたときなどに特に有用である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
インバータは、ＵＶＷの３相交流を出力する。そのため、インバータは通常、ＵＶＷ各相の上アームと下アームに夫々スイッチング素子が配置されている。なお、前述したようにスイッチング素子は、ＩＧＢＴと還流ダイオードが並列に接続した回路で構成されることが多い。本明細書ではそのような回路を「スイッチング素子」と称する。また、電気自動車に搭載されるインバータには、スイッチング素子を含むインバータ内の電子部品を冷却する冷媒の温度を計測する温度センサと、インバータの出力であるＵＶＷ各相の電流を計測する電流センサと、インバータへの入力電圧を計測する電圧センサが備えられている。本明細書が開示する技術は、それらのセンサのデータと、スイッチング素子（トランジスタ）への指令信号（ＰＷＭ信号）のデューティ比を使ってスイッチング素子の温度を推定する。
【０００７】
電流センサは、ＵＶＷの各相に一つずつ配置された３個の電流センサでもよいし、ＵＶＷ相のうちの２つの相にそれぞれ配置された２個の電流センサと、モータのロータの位置を計測するレゾルバで構成されてもよい。レゾルバのデータと２つの相の電流のデータから残りの一つの相の電流が求められるからである。
【０００８】
スイッチング素子の温度を推定する温度推定器は、温度センサが計測した冷媒温度を基準とする。冷媒はどのスイッチング素子にも均等にいきわたるので、インバータが有するスイッチング素子群全体の温度の指標（基準）として用いるのに適している。温度推定器は、電流センサと電圧センサの計測データ、及び、スイッチング素子のデューティ比に基づいて温度補正値を算出し、これを冷媒温度に加算する。その値をスイッチング素子の推定温度とする。電流センサや電圧センサの計測データとスイッチング素子温度との関係は予め実験等によって正確に求めることができる。本明細書が開示する技術は、実験等によって、電流センサや電圧センサの計測値に対応した補正値（個別のスイッチング素子の温度上昇分）をマップデータ化して記憶しておくとともに、さらに、スイッチング素子のデューティ比に基づく補正係数を使って、冷媒温度（スイッチング素子群全体の温度基準）に対する個別のスイッチング素子の温度補正値を算出する。個別の温度補正値を冷媒温度に加算したものが各スイッチング素子の推定温度となる。デューティ比は、スイッチング素子に電流が流れる期間を定めるパラメータであるので、スイッチング素子の温度を推定する上で重要である。
【０００９】
温度推定器は、具体的には、個別のスイッチング素子の温度上昇分を、主としてスイッチング素子（トランジスタ又はダイオード）の電気抵抗に起因する温度上昇分（これをＯＮ損失による温度補正値ΔＴｏｎと称する）と、主としてスイッチング動作の損失に起因する温度上昇分（これをスイッチング損失による温度補正値ΔＴｓｗと称する）に分け、それらを別々に算出して冷媒温度Ｔｗｔに加算することによって、個別のスイッチング素子の推定温度を得る。即ち、ＯＮ損失による温度補正値ΔＴｏｎとスイッチング損失による温度補正値ΔＴｓｗを足し合わせたものが、トータルの温度補正値に相当する。
【００１０】
温度推定器の実態は、個別の独立したユニットでなくともよく、例えばその機能の一部がインバータ内に備えられ、機能の残りが上位のコントローラ内に備えられ、それらが通信ケーブルによって連結された態様であってもよい。また、冷媒は、典型的には水でよいが、インバータが空冷の場合には、空気あるいは他の不活性ガスが冷媒に相当する。
【００１１】
温度推定器の一実施態様を概説する。一実施態様の温度推定器は、ＯＮ損失マップデータと、スイッチング損失マップデータと、電圧補正マップデータを記憶している。ＯＮ損失マップデータは、計測される電流の様々な値に対応した補正値の集合であって主としてスイッチング素子の電気抵抗に起因する第１温度補正値ΔＴｏｎ＿ａを定める。第１温度補正値ΔＴｏｎ＿ａは、概ね、スイッチング素子を流れる電流の大きさに比例する。スイッチング損失マップデータは、計測される電流の様々な値に対応する補正値の集合であって、主としてスイッチング動作の損失に起因する第２温度補正値ΔＴｓｗ＿ａを定める。第２温度補正値ΔＴｓｗ＿ａも、概ね、計測される電流の大きさに比例する。電圧補正マップデータは、電圧センサが計測する電圧（インバータへの入力電圧）に対応した電圧補正係数を定める。電圧補正係数は、第２温度補正値ΔＴｓｗ＿ａのマップデータを決めるとき（マップデータの各値を決める実験を行ったとき）の出力電圧と、温度推定する際に計測された電圧との比に相当する。例えば、温度推定の際に計測された電圧が、マップデータを決める際のインバータ入力電圧の２倍であれば、電圧補正係数は２．０となる。
【００１２】
温度推定器は、それぞれのスイッチング素子に対し、電流センサが計測した電流（ＵＶＷ各相の夫々に流れる電流）に対応する第１温度補正値ΔＴｏｎ＿ａをＯＮ損失マップデータから特定するとともに、第２温度補正値ΔＴｓｗ＿ａをスイッチング損失マップデータから特定する。さらに温度推定器は、電圧センサが計測した電圧（インバータへの入力電圧ＶＨ）に対応する電圧補正係数Ｖｃｍｐを電圧補正マップデータから特定する。温度推定器は、それぞれのスイッチング素子に対し、特定された第１温度補正値にスイッチング素子のデューティ比Ｄｈ（たとえばＯＮデューティ）を乗じた値、及び、特定された第２温度補正値に電圧補正係数を乗じた値をトータルの温度補正値として算出する。温度推定器は、算出した温度補正値を冷媒温度Ｔｗｔに加算してスイッチング素子の推定温度Ｔｅを得る。即ち、推定温度Ｔｅ＝Ｔｗｔ＋ΔＴｏｎ＋ΔＴｓｗとなる。ここで、Ｔｗｔは冷媒温度であり、「ΔＴｏｎ＋ΔＴｓｗ」がトータルの温度補正値である。また、ΔＴｏｎ＝ΔＴｏｎ＿ａ×Ｄｈであり、ΔＴｓｗ＝ΔＴｓｗ＿ａ×Ｖｃｍｐである。
【００１３】
温度推定器はさらに、スイッチング素子へのＰＷＭ指令を生成する際のキャリア周波数の様々な値に対応したキャリア周波数補正係数Ｆｃｍｐを定めたキャリア周波数補正マップデータを記憶しており、温度推定する際のキャリア周波数Ｆｃに応じたキャリア周波数補正係数Ｆｃｍｐをキャリア周波数補正マップデータから特定し、特定された第１温度補正値にスイッチング素子のデューティ比を乗じた値に、特定された第２温度補正値に電圧補正係数とキャリア周波数補正係数を乗じた値を加算したものを、トータルの温度補正値とすることも好適である。即ち、前述のトータルの温度補正値＝ΔＴｏｎ＋ΔＴｓｗという式において、ΔＴｓｗ＝ΔＴｓｗ＿ａ×Ｖｃｍｐ×Ｆｃｍｐとするのが好適である。この温度推定式は、状況に応じてキャリア周波数を変更するインバータに対して有効である。
【００１４】
温度推定器が推定したスイッチング素子の温度は、典型的には、温度抑制器に通知される。温度抑制器とは、スイッチング素子の推定温度が所定の温度閾値を超えた場合に、スイッチング素子の発熱を抑制する手段である。温度抑制器の一態様は、スイッチング素子の推定温度Ｔｅが予め定められた温度閾値Ｔｅ＿ｔｈを超えている場合に、インバータへの入力電流の上限値を下げることである。温度抑制器と温度推定器は、物理的には同一のユニット（或いはプログラムを実行するプロセッサ）で実現されてよいし、異なるユニットに分散して構成されてもよい。また、温度抑制器と温度推定器は、インバータを制御するパワーコントローラの中に実装されてもよい。
【００１５】
本明細書が開示する技術の具体的な態様は、以下の実施形態で詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】車両制御系のシステムブロック図である。
【図２】スイッチング素子の回路を示す図である。
【図３】モータロック前後におけるインバータの出力電流の例を示すグラフである。
【図４】ＯＮ損失マップデータの一例である。
【図５】スイッチング損失マップデータの一例である。
【図６】電圧補正マップデータの一例である。
【図７】キャリア周波数補正マップデータの一例である。
【図８】温度抑制制御の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、実施例に係る電気自動車１００のシステムブロック図を示す。なお、図１には、本発明を説明するのに必要なユニットのみを示しており、電気自動車１００が本来備えるべきユニットの幾つかは図示を省略している。
【００１８】
電気自動車１００は、走行用のモータＭＧ１を有する。モータＭＧ１は、バッテリＭＢが供給する電力で駆動される。バッテリＭＢの電力は、システムメインリレーＳＭＲ１、ＳＭＲ２を介して電圧コンバータ２３に入力される。なお、システムメインリレーＳＭＲ１、ＳＭＲ２は、バッテリＭＢを他の機器から遮断するメインスイッチに相当する。システムメインリレーＳＭＲ１、ＳＭＲ２は、自動車１００の電力システムを制御するパワーコントローラ２５からの信号ＳＣによって開閉する。バッテリＭＢの電圧は電圧コンバータ２３によって、インバータ２１の入力に適した電圧まで昇圧される。例えば、バッテリＭＢの電圧は２００Ｖであり、電圧コンバータ２３は、インバータ２１の入力電圧に適した６００Ｖまで、バッテリ電圧ＭＢを昇圧する。インバータ２１は、電圧コンバータ２３が出力する直流電力を、モータＭＧ１を駆動するのに適した３相交流電力（ＵＶＷ）へ変換する。また、電気自動車１００では、減速エネルギによってモータＭＧ１が発生した交流電力をインバータ２１が直流に変換し、電圧コンバータ２３がその直流電力をバッテリＭＢの充電に適した電圧まで降圧することもできる。即ち、インバータ２１と電圧コンバータ２３は、双方向で電力を変換することができる。
【００１９】
電圧コンバータ２３を駆動する信号（パルス幅変調信号ＰＷＭＡ）、及び、インバータ２１を駆動する信号（パルス幅変調信号ＰＷＭＢ）は、パワーコントローラ２５が生成する。パワーコントローラ２５は、上位のコントローラであるシステムコントローラ１０からの指令（例えば、アクセルペダルの開度に応じた指令）に基づき、電圧コンバータ２３とインバータ２１を制御する。図１の符号Ｃ１、Ｃ２は、電圧コンバータ２３の入力側と出力側の電流を平滑化するコンデンサである。
【００２０】
電圧コンバータ２３とインバータ２１は、共通の冷却装置２によって冷却される。より具体的には、冷却装置２は、電圧コンバータ２３とインバータ２１が内蔵するスイッチング素子（トランジスタやダイオードなど）、及び、リアクトルＬ１を冷却する。冷却装置２は、その内部に冷媒が封入されており、ポンプ４によってその冷媒を電圧コンバータ２３とインバータ２１内で循環させる。冷却装置２には、冷媒の温度を計測する温度センサＱｗｔが備えられている。温度センサＱｗｔが計測する冷媒温度Ｔｗｔは、パワーコントローラ２５に入力される。なお、図では、冷却装置２は電圧コンバータ２３とインバータ２１に隣接するように描かれているが、冷却装置２の冷媒流路は、電圧コンバータ２３やインバータ２１の内部のスイッチング素子に接するように、それらの機器の内部にまで通っている。冷媒は、典型的には水である。
【００２１】
インバータ２１の回路構成について説明する。なお、電圧コンバータ２３の回路構成については説明を省略する。インバータ２１は、６個のスイッチング素子（ｓｗ１〜ｓｗ６）を有する。スイッチング素子は皆同じであり、その構成を図２に示す。スイッチング素子ｓｗは、トランジスタＴｒ（典型的にはＩＧＢＴ）とダイオードＤｄが並列に接続された構成を有している。トランジスタＴｒのソースＳにダイオードＤｄのカソードが接続されており、トランジスタＴｒのドレインＤにダイオードＤｄのアノードが接続されている。ダイオードＤｄは、トランジスタＴｒのドレインＤ側からソースＳ側へ向けて電流を流す役割を担う。このように接続されたダイオードＤｒは、還流ダイオード、あるいはフリーホイールダイオードと呼ばれる。トランジスタＴｒのゲートＧには、モータコントローラ２５が生成するパルス幅変調信号ＰＷＭＢに相当するゲート信号が入力される。ゲート信号に応じてトランジスタＴｒがＯＮ又はＯＦＦする。
【００２２】
モータのＵ相、Ｖ相、あるいはＷ相に電流を供給するラインは上アームと呼ばれ、モータのＵ相、Ｖ相、あるいはＷ相から戻る電流を通すラインは下アームと呼ばれる。符号ｓｗ１はＵ相上アームのスイッチング素子を示しており、符号ｓｗ２はＵ相下アームのスイッチング素子を示している。符号ｓｗ３はＶ相上アームのスイッチング素子を示しており、符号ｓｗ４はＶ相下アームのスイッチング素子を示している。符号ｓｗ５はＷ相上アームのスイッチング素子を示しており、符号ｓｗ６はＷ相下アームのスイッチング素子を示している。
【００２３】
モータコントローラ２５からのパルス幅変調信号ＰＷＭＢに応じて各スイッチング素子を所定のタイミング、所定のデューティ比でＯＮ／ＯＦＦすることで、相互に位相が１２０度ずれた３相交流電流信号（ＵＶＷ信号）がインバータ２１から出力される。モータコントローラ２５は、パルス幅変調信号ＰＷＭＢを生成するのに際して所定の周波数のキャリア信号を用いる。
【００２４】
インバータ２１とモータＭＧ１を繋ぐ３相ＵＶＷのラインのうちのＶ相とＷ相に（即ちＶ相のアームとＷ相のアームに）、それらのラインを流れる電流ｉｖ、ｉｗを計測する電流センサ６が備えられている。また、モータＭＧ１には、ステータに対するロータの回転角θを計測するレゾルバ８が備えられている。電流センサ６が計測した電流ｉｖ、ｉｗ、及び、レゾルバ８が計測した回転角θは、モータコントローラ２５へ送られる。モータコントローラ２５では、ｖ相とｗ相の電流ｉｖ、ｉｗとロータ回転角θから、Ｕ相を流れる電流ｉｕを推定する。即ち、電流センサ６とレゾルバ８によって、３相ＵＶＷの夫々に流れる電流ｉｕ、ｉｖ、及び、ｉｗが計測できる。電流センサ６とレゾルバ８を合わせたものが、「ＵＶＷ３相各相の電流を計測する電流センサ」に相当する。
【００２５】
インバータ２１の入力側（電圧コンバータ２３の出力側）に、インバータへの入力電圧を計測する電圧センサＶｄＨが接続されている。電圧センサＶｄＨが計測する電圧をインバータ入力電圧ＶＨと称する。電圧センサＶｄＨが計測したインバータ入力電圧ＶＨもモータコントローラ２５に送られる。
【００２６】
パワーコントローラ２５は、パルス幅変調信号ＰＷＭＡ、ＰＷＭＢによって電圧コンバータ２３とインバータ２１を制御するのと同時に、上記したセンサの信号（センサデータ）に基づいてスイッチング素子（ｓｗ１〜ｓｗ６）それぞれの温度を推定し、推定温度が所定の温度閾値を超えたときにインバータへの入力電流を抑える制御も行う。即ち、パワーコントローラ２５は、温度推定器、及び、温度抑制器としても機能する。
【００２７】
スイッチング素子の温度を推定するメカニズムについて説明する前に、本明細書が開示する温度推定が最も有効に機能する状況を説明する。本明細書が開示する温度推定は、モータがロックしたときに特にその効果を発揮する。図３にモータロック前後の、インバータ２１のＵＶＷ各相に流れる電流波形を示す。モータが正常に回転している間、ＵＶＷの各相は、相互に位相が１２０度ずれた電流波形となる。例えば時刻ｔｍｒでモータがロックしたとすると、モータのステータとロータの位置関係が変わらなくなるので、時刻ｔｍｒ以降は、ＵＶＷ各相の電流は夫々ほぼ一定となる。他方、インバータ２１の各スイッチング素子（ｓｗ１〜ｓｗ６）はスイッチング動作を繰り返しているから、時刻ｔｍｒ以降は、流れる電流の大きさがスイッチング素子ごとに大きく異なることになる。このような状態では、いずれかのスイッチング素子の温度に基づいて他のスイッチング素子の温度を推定するのは難しい。以下で説明する温度推定は、インバータのスイッチング素子を冷却する冷媒の温度Ｔｗｔを基準とする。冷媒は全てのスイッチング素子を冷却するから、全てのスイッチング素子の温度を代表する温度といえる（なお、全てのスイッチング素子の平均値ではない点には留意されたい）。以下で説明する温度推定は、全てのスイッチング素子の温度を代表する冷媒温度Ｔｗｔに、個別のスイッチング素子の事情（流れる電流の大きさやデューティ比など）に応じた温度上昇分（温度補正値）を加算し、各スイッチング素子の推定温度とする。個別の温度上昇分は、予め実験等によって相当程度に正確に予測できるから、以下のアルゴリズムは、スイッチング素子の温度を比較的正確に推定することができる。
【００２８】
スイッチング素子の温度を推定するメカニズムについて説明する。スイッチング素子ｓｗ１〜ｓｗ６の温度推定に用いるセンサデータは、冷却装置２を流れる冷媒、即ち、スイッチング素子を冷却する冷媒の温度Ｔｗｔ、ＵＶＷ各相を流れる電流ｉｕ、ｉｖ、及び、ｉｗ、及び、インバータ入力電圧ＶＨである。その他、スイッチング素子の温度推定には、各スイッチング素子のトランジスタＴｒに与えるゲート信号のデューティ比Ｄｈと、インバータ２１を駆動するパルス幅変調信号ＰＷＭＢを生成する際のキャリア周波数Ｆｃを用いる。デューティ比Ｄｈとキャリア周波数Ｆｃは、パワーコントローラ２５の内部で生成されるので検出する必要はない。また、各スイッチング素子の温度推定には、いくつかの予め用意されたマップデータを用いる。マップデータは、パワーコントローラ２５と接続された記憶デバイス２６に記憶されている。
【００２９】
記憶デバイス２６に記憶されているマップデータ２６ａ〜２６ｄについて説明する。記憶デバイス２６には、ＯＮ損失マップデータ２６ａ、スイッチング損失マップデータ２６ｂ、電圧補正マップデータ２６ｃ、及び、キャリア周波数補正マップデータ２６ｄが記憶されている。これらのマップデータを使った温度推定は、スイッチング素子ごとに行われる。以下、説明のため、温度推定の対象となるスイッチング素子を流れる電流（即ち、電流ｉｕ、電流ｉｖ、電流ｉｗのいずれか）を電流Ｉｍと称する。
【００３０】
ＯＮ損失マップデータ２６ａの一例を図４に示す。ＯＮ損失マップデータ２６ａは、スイッチング素子を流れる電流Ｉｍの様々な値に対して、スイッチング素子の温度上昇分ΔＴｏｎ＿ａ（第１温度補正値）を対応付けたテーブルである。図４では、例えば、電流Ｉｍ＝ａ１のとき、第１温度補償値ΔＴｏｎ＿ａ＝ｔｎ１が対応付けられている。第１温度補償値ΔＴｏｎ＿ａは、主としてスイッチング素子の電気抵抗に起因して生じる温度上昇分であり、実験等によって予め求められている。第１温度補償値ΔＴｏｎ＿ａは、スイッチング素子を流れる電流の増大に伴ってほぼ比例して増大する。
【００３１】
スイッチング損失マップデータ２６ｂの一例を図５に示す。スイッチング損失マップデータ２６ｂも、スイッチング素子を流れる電流Ｉｍの様々な値に対してスイッチング素子の温度上昇分ΔＴｓｗ＿ａ（第２温度補正値）を対応付けたテーブルである。図５では、例えば、電流Ｉｍ＝ａ２のとき、第２温度補償値ΔＴｓｗ＿ａ＝ｔｓ２が対応付けられている。第２温度補償値ΔＴｓｗ＿ａは、主としてスイッチング動作に起因して生じる温度上昇分であり、実験等によって予め求められている。第２温度補償値ΔＴｓｗ＿ａも、スイッチング素子を流れる電流の増大に伴ってほぼ比例して増大する。
【００３２】
ここで、ＯＮ損失マップデータ２６ａ、スイッチング損失マップデータ２６ｂに共通する留意点を述べる。第一に、６個のスイッチング素子ｓｗ１〜ｓｗ６は同じ特性を有しているので、６個のスイッチング素子の夫々に対して一つのＯＮ損失マップデータ２６ａ、一つのスイッチング損失マップデータ２６ｂが利用できる。第二に、正値の電流Ｉｍに対してはマップデータの具体的な値はスイッチング素子のトランジスタＴｒの特性で定まり、負値の電流Ｉｍに対してはマップデータの具体的な値はスイッチング素子のダイオードＤｄの特定で定まる。これは、電流Ｉｍが正値の場合はトランジスタＴｒがＯＮしているときであり、このときはトランジスタＴｒには電流が流れるがダイオードＤｄには電流が流れないからである。また、電流Ｉｍが負値の場合はダイオードＤｄを通してのみ電流Ｉｍが流れるからである。
【００３３】
電圧補正マップデータ２６ｃの一例を図６に示す。電圧補正マップデータ２６ｃは、スイッチング素子の温度を推定する際の補正係数であり、スイッチング損失マップデータ２６ｂを作成したとき（スイッチング損失マップデータ２６ｂの各値を定める実験をしたとき）のインバータ入力電圧ＶＨの値と、温度推定するときのインバータ入力電圧ＶＨの比で定まる。例えば、スイッチング損失マップデータ２６ｂを作成するときのインバータ入力電圧ＶＨが５００［Ｖ］であり、温度推定するときの出力電圧ＶＨがｖ１＝２５０［Ｖ］の場合、電圧補正係数Ｖｃｍｐ＝ｃｖ１＝２５０／５００＝０．５となる。また、温度推定するときのインバータ入力電圧ＶＨがｖ４＝６００［Ｖ］の場合、電圧補正係数Ｖｃｍｐ＝ｃｖ４＝６００／５００＝１．２となる。
【００３４】
キャリア周波数補正マップデータ２６ｄの一例を図７に示す。キャリア周波数補正マップデータ２６ｄは、スイッチング素子の温度を推定する際の補正係数であり、スイッチング損失マップデータ２６ｂを作成したとき（スイッチング損失マップデータ２６ｂの各値を定める実験をしたとき）のキャリア周波数（スイッチング素子のパルス幅変調信号ＰＷＭＢを生成する際の基本となるキャリア周波数）と、温度推定する際のキャリア周波数Ｆｃの比で定まる。例えば、スイッチング損失マップデータ２６ｂを作成したときのキャリア周波数が１０［ｋＨｚ］であり、温度推定するときのキャリア周波数Ｆｃがｆ１＝５［ｋＨｚ］の場合、キャリア周波数補正係数Ｆｃｍｐ＝ｃｆ１＝５／１０＝０．５となる。また、温度推定するときのキャリア周波数Ｆｃがｆ４＝１５［ｋＨｚ］の場合、キャリア周波数補正係数Ｆｃｍｐ＝ｃｆ４＝１５／１０＝１．５となる。
【００３５】
パワーコントローラ２５は、スイッチング素子の推定温度Ｔｅを次の（数１）で算出する。
Ｔｅ＝Ｔｗｔ＋ΔＴｏｎ＋ΔＴｓｗ （数１）
【００３６】
（数１）において、Ｔｗｔはスイッチング素子を冷却する冷媒の温度であり、温度センサＱｗｔで計測された値である。（数１）の「ΔＴｏｎ＋ΔＴｓｗ」が、冷媒温度Ｔｗｔに対するトータルの温度補正値に相当する。ΔＴｏｎは、主にスイッチング素子の電気抵抗による損失に起因して生じる温度上昇分であり、前述したように、ＯＮ損失による温度補正値ΔＴｏｎと称する。また、ΔＴｓｗは、主にスイッチング動作による損失に起因して生じる温度上昇分であり、前述したように、スイッチング損失による温度補正値ΔＴｓｗと称する。ＯＮ損失温度補正値ΔＴｏｎとスイッチング損失温度補正値ΔＴｓｗは、センサデータと上記説明した各マップデータの値を用いて次の（数２）、（数３）で求められる。
【００３７】
ΔＴｏｎ＝ΔＴｏｎ＿ａ×Ｄｈ （数２）
ΔＴｓｗ＝ΔＴｓｗ＿ａ×Ｖｃｍｐ×Ｆｃｍｐ （数３）
【００３８】
第１温度補正値ΔＴｏｎ＿ａは、ＯＮ損失マップデータ２６ａから、計測された電流Ｉｍに対応する数値を抽出したものである。第２温度補正値ΔＴｓｗ＿ａは、スイッチング損失マップデータ２６ｂから、計測された電流Ｉｍに対応する数値を抽出したものである。デューティ比Ｄｈは、パワーコントローラ２５内で生成されたものであるから既知である。なお、トランジスタＴｒに電流が流れる場合、即ち電流Ｉｍが正値の場合はＤｈとしてはＯＮデューティ比を用い、ダイオードＤｄに電流が流れる場合、即ち電流Ｉｍが負値の場合はＤｈとしてＯＦＦデューディ比を用いる。電圧補正係数Ｖｃｍｐは、電圧補正マップデータ２６ｃから、計測されたインバータ入力電圧ＶＨに対応する数値を抽出したものである。キャリア周波数補正係数Ｆｃｍｐは、キャリア周波数補正マップデータ２６ｄから、パワーコントローラ２５が使っているキャリア周波数に対応した数値を抽出したものである。
【００３９】
（数１）〜（数３）の数式を各スイッチング素子（ｓｗ１〜ｓｗ６）に適用することによって、各スイッチング素子の推定温度Ｔｅが求まる。（数１）〜（数３）の技術的意義は以下の通りである。（数１）は、スイッチング素子を冷却する冷媒の温度Ｔｗｔを、複数のスイッチング素子全体の周囲の温度であると仮定し、それに、個々のスイッチング素子自身の発熱による温度上昇分、即ち、ＯＮ損失温度補正値ΔＴｏｎとスイッチング損失温度補正値ΔＴｓｗを加算したものを推定温度とすることを意味する。ＯＮ損失温度補正値ΔＴｏｎにスイッチング損失温度補正値ΔＴｓｗを加算したものがトータルの温度補正値に相当する。スイッチング素子単体の温度特性、即ち、上記したマップデータ２６ａ〜２６ｄは、実験等により比較的に正確に求まるから、それらマップデータに基づいて算出されるＯＮ損失温度補正値ΔＴｏｎとスイッチング損失温度補正値ΔＴｓｗも、現実の温度上昇分をよく表す。従って、上記アルゴリズムによる推定温度は、実際のスイッチング素子の温度をよく表すものとなる。
【００４０】
パワーコントローラ２５は、いずれかのスイッチング素子の推定温度が所定の温度閾値Ｔｔｈを超えた場合、インバータ２１に入力する電流を抑制する。パワーコントローラ２５は、例えば図８に示すグラフに基づき、スイッチング素子の推定温度Ｔｅが温度閾値Ｔｅ＿ｔｈを超えた場合、超過温度（温度閾値Ｔｅ＿ｔｈを超えた分の温度）に比例してインバータへの入力電流を漸減させる。
【００４１】
実施例の技術についての留意点を述べる。インバータのキャリア周波数が不変の場合、即ち、スイッチング損失マップデータ２６ｂの各値を定める実験をしたときも実際に温度推定をするときも常に同じキャリア周波数である場合、キャリア周波数補正係数（即ちキャリア周波数補正マップデータ）は不要である。
【００４２】
また、パワーコントローラ２５は、スイッチング素子の推定温度Ｔｅが温度閾値Ｔｅ＿ｔｈを超えた場合、その時点から予め定められた時間期間の間、入力電流の上限値を所定の幅だけ下げるようにしてもよい。
【００４３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４４】
２：冷却装置
４：ポンプ
１０：システムコントローラ
２１：インバータ
２３：電圧コンバータ
２６：記憶デバイス
２６ａ：ＯＮ損失マップデータ
２６ｂ：スイッチング損失マップデータ
２６ｃ：電圧補正マップデータ
２６ｄ：キャリア周波数補正マップデータ
１００：電気自動車
Ｄｄ：ダイオード
Ｄｈ：デューティ比
Ｆｃ：キャリア周波数
Ｆｃｍｐ：キャリア周波数補正係数
Ｉｍ：スイッチング素子を流れる電流
ＭＧ１：モータ
ＰＷＭＡ、ＰＷＭＢ：パルス幅変調信号
Ｑｗｔ：温度センサ
ｓｗ：スイッチング素子
Ｔｒ：トランジスタ（ＩＧＢＴ）
ＶｄＨ：電圧センサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走行用モータを有する電気自動車に関する。本明細書における電気自動車には、ハイブリッド車、燃料電池車も含まれる。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車は、バッテリの直流電力を交流電流に変換するインバータを備える。バッテリの出力電圧がインバータの入力電圧に適していない場合はさらに、バッテリの出力電圧をインバータの入力電圧に適した電圧に変換するための電圧コンバータを備える場合もある。インバータや電圧コンバータは、モータが発生する電力をバッテリの充電に適した直流電力に変換する役割も担う。インバータや電圧コンバータには、多数のスイッチング素子が使われている。特に、走行用の高出力モータのためのインバータや電圧コンバータには大きな電流が流れるため、スイッチング素子の発熱を抑制することが一つの課題となっている。なお、ここでいう「スイッチング素子」には、ＩＧＢＴなどのトランジスタにダイオードが並列に接続された回路を含む。そのようなダイオードは「還流ダイオード」、あるいは「フリーホイールダイオード」と呼ばれる。
【０００３】
スイッチング素子の発熱を抑えるのに先立って、スイッチング素子の温度を正確に把握することが重要である。スイッチング素子の温度が低いうちは発熱対策をとる必要がなく、スイッチング素子の温度がある程度上昇したら発熱対策を講じるのがよいからである。各スイッチング素子に温度センサを備えれば正確な温度が把握できるが、それではコストが嵩んでしまう。そこで、特定のスイッチング素子に温度センサを配し、その温度センサのセンサデータと同時に既設のセンサのデータを利用して、温度センサを配置していないスイッチング素子の温度を推定する技術が提案されている（例えば特許文献１、特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９５３４３号公報
【特許文献２】特開２００９−０７１９１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
モータがロックした場合、各スイッチング素子の温度は極端に異なっていく。モータがロックした場合とは、自動車が高い段差を乗り越えようとするが乗り越えられない場合、あるいは、自動車が障害物に押し当たっており、それ以上は進めない場合などに生じる。モータがロックして各スイッチング素子の温度が大きく異なる場合、いずれかのスイッチング素子の温度を参照して他のスイッチング素子の温度を推定する方法では正確な推定はできない。本明細書は、いずれかのスイッチング素子の温度を参照するのではなく、スイッチング素子を冷却する冷媒の温度に着目し、冷媒温度を基準とし、インバータに既設のセンサのデータに基づいてスイッチング素子の温度を推定する技術を提供する。この方法は、モータがロックしたときなどに特に有用である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
インバータは、ＵＶＷの３相交流を出力する。そのため、インバータは通常、ＵＶＷ各相の上アームと下アームに夫々スイッチング素子が配置されている。なお、前述したようにスイッチング素子は、ＩＧＢＴと還流ダイオードが並列に接続した回路で構成されることが多い。本明細書ではそのような回路を「スイッチング素子」と称する。また、電気自動車に搭載されるインバータには、スイッチング素子を含むインバータ内の電子部品を冷却する冷媒の温度を計測する温度センサと、インバータの出力であるＵＶＷ各相の電流を計測する電流センサと、インバータへの入力電圧を計測する電圧センサが備えられている。本明細書が開示する技術は、それらのセンサのデータと、スイッチング素子（トランジスタ）への指令信号（ＰＷＭ信号）のデューティ比を使ってスイッチング素子の温度を推定する。
【０００７】
電流センサは、ＵＶＷの各相に一つずつ配置された３個の電流センサでもよいし、ＵＶＷ相のうちの２つの相にそれぞれ配置された２個の電流センサと、モータのロータの位置を計測するレゾルバで構成されてもよい。レゾルバのデータと２つの相の電流のデータから残りの一つの相の電流が求められるからである。
【０００８】
スイッチング素子の温度を推定する温度推定器は、温度センサが計測した冷媒温度を基準とする。冷媒はどのスイッチング素子にも均等にいきわたるので、インバータが有するスイッチング素子群全体の温度の指標（基準）として用いるのに適している。温度推定器は、電流センサと電圧センサの計測データ、及び、スイッチング素子のデューティ比に基づいて温度補正値を算出し、これを冷媒温度に加算する。その値をスイッチング素子の推定温度とする。電流センサや電圧センサの計測データとスイッチング素子温度との関係は予め実験等によって正確に求めることができる。本明細書が開示する技術は、実験等によって、電流センサや電圧センサの計測値に対応した補正値（個別のスイッチング素子の温度上昇分）をマップデータ化して記憶しておくとともに、さらに、スイッチング素子のデューティ比に基づく補正係数を使って、冷媒温度（スイッチング素子群全体の温度基準）に対する個別のスイッチング素子の温度補正値を算出する。個別の温度補正値を冷媒温度に加算したものが各スイッチング素子の推定温度となる。デューティ比は、スイッチング素子に電流が流れる期間を定めるパラメータであるので、スイッチング素子の温度を推定する上で重要である。
【０００９】
温度推定器は、具体的には、個別のスイッチング素子の温度上昇分を、主としてスイッチング素子（トランジスタ又はダイオード）の電気抵抗に起因する温度上昇分（これをＯＮ損失による温度補正値ΔＴｏｎと称する）と、主としてスイッチング動作の損失に起因する温度上昇分（これをスイッチング損失による温度補正値ΔＴｓｗと称する）に分け、それらを別々に算出して冷媒温度Ｔｗｔに加算することによって、個別のスイッチング素子の推定温度を得る。即ち、ＯＮ損失による温度補正値ΔＴｏｎとスイッチング損失による温度補正値ΔＴｓｗを足し合わせたものが、トータルの温度補正値に相当する。
【００１０】
温度推定器の実態は、個別の独立したユニットでなくともよく、例えばその機能の一部がインバータ内に備えられ、機能の残りが上位のコントローラ内に備えられ、それらが通信ケーブルによって連結された態様であってもよい。また、冷媒は、典型的には水でよいが、インバータが空冷の場合には、空気あるいは他の不活性ガスが冷媒に相当する。
【００１１】
温度推定器の一実施態様を概説する。一実施態様の温度推定器は、ＯＮ損失マップデータと、スイッチング損失マップデータと、電圧補正マップデータを記憶している。ＯＮ損失マップデータは、計測される電流の様々な値に対応した補正値の集合であって主としてスイッチング素子の電気抵抗に起因する第１温度補正値ΔＴｏｎ＿ａを定める。第１温度補正値ΔＴｏｎ＿ａは、概ね、スイッチング素子を流れる電流の大きさに比例する。スイッチング損失マップデータは、計測される電流の様々な値に対応する補正値の集合であって、主としてスイッチング動作の損失に起因する第２温度補正値ΔＴｓｗ＿ａを定める。第２温度補正値ΔＴｓｗ＿ａも、概ね、計測される電流の大きさに比例する。電圧補正マップデータは、電圧センサが計測する電圧（インバータへの入力電圧）に対応した電圧補正係数を定める。電圧補正係数は、第２温度補正値ΔＴｓｗ＿ａのマップデータを決めるとき（マップデータの各値を決める実験を行ったとき）の出力電圧と、温度推定する際に計測された電圧との比に相当する。例えば、温度推定の際に計測された電圧が、マップデータを決める際のインバータ入力電圧の２倍であれば、電圧補正係数は２．０となる。
【００１２】
温度推定器は、それぞれのスイッチング素子に対し、電流センサが計測した電流（ＵＶＷ各相の夫々に流れる電流）に対応する第１温度補正値ΔＴｏｎ＿ａをＯＮ損失マップデータから特定するとともに、第２温度補正値ΔＴｓｗ＿ａをスイッチング損失マップデータから特定する。さらに温度推定器は、電圧センサが計測した電圧（インバータへの入力電圧ＶＨ）に対応する電圧補正係数Ｖｃｍｐを電圧補正マップデータから特定する。温度推定器は、それぞれのスイッチング素子に対し、特定された第１温度補正値にスイッチング素子のデューティ比Ｄｈ（たとえばＯＮデューティ）を乗じた値、及び、特定された第２温度補正値に電圧補正係数を乗じた値をトータルの温度補正値として算出する。温度推定器は、算出した温度補正値を冷媒温度Ｔｗｔに加算してスイッチング素子の推定温度Ｔｅを得る。即ち、推定温度Ｔｅ＝Ｔｗｔ＋ΔＴｏｎ＋ΔＴｓｗとなる。ここで、Ｔｗｔは冷媒温度であり、「ΔＴｏｎ＋ΔＴｓｗ」がトータルの温度補正値である。また、ΔＴｏｎ＝ΔＴｏｎ＿ａ×Ｄｈであり、ΔＴｓｗ＝ΔＴｓｗ＿ａ×Ｖｃｍｐである。
【００１３】
温度推定器はさらに、スイッチング素子へのＰＷＭ指令を生成する際のキャリア周波数の様々な値に対応したキャリア周波数補正係数Ｆｃｍｐを定めたキャリア周波数補正マップデータを記憶しており、温度推定する際のキャリア周波数Ｆｃに応じたキャリア周波数補正係数Ｆｃｍｐをキャリア周波数補正マップデータから特定し、特定された第１温度補正値にスイッチング素子のデューティ比を乗じた値に、特定された第２温度補正値に電圧補正係数とキャリア周波数補正係数を乗じた値を加算したものを、トータルの温度補正値とすることも好適である。即ち、前述のトータルの温度補正値＝ΔＴｏｎ＋ΔＴｓｗという式において、ΔＴｓｗ＝ΔＴｓｗ＿ａ×Ｖｃｍｐ×Ｆｃｍｐとするのが好適である。この温度推定式は、状況に応じてキャリア周波数を変更するインバータに対して有効である。
【００１４】
温度推定器が推定したスイッチング素子の温度は、典型的には、温度抑制器に通知される。温度抑制器とは、スイッチング素子の推定温度が所定の温度閾値を超えた場合に、スイッチング素子の発熱を抑制する手段である。温度抑制器の一態様は、スイッチング素子の推定温度Ｔｅが予め定められた温度閾値Ｔｅ＿ｔｈを超えている場合に、インバータへの入力電流の上限値を下げることである。温度抑制器と温度推定器は、物理的には同一のユニット（或いはプログラムを実行するプロセッサ）で実現されてよいし、異なるユニットに分散して構成されてもよい。また、温度抑制器と温度推定器は、インバータを制御するパワーコントローラの中に実装されてもよい。
【００１５】
本明細書が開示する技術の具体的な態様は、以下の実施形態で詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】車両制御系のシステムブロック図である。
【図２】スイッチング素子の回路を示す図である。
【図３】モータロック前後におけるインバータの出力電流の例を示すグラフである。
【図４】ＯＮ損失マップデータの一例である。
【図５】スイッチング損失マップデータの一例である。
【図６】電圧補正マップデータの一例である。
【図７】キャリア周波数補正マップデータの一例である。
【図８】温度抑制制御の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１に、実施例に係る電気自動車１００のシステムブロック図を示す。なお、図１には、本発明を説明するのに必要なユニットのみを示しており、電気自動車１００が本来備えるべきユニットの幾つかは図示を省略している。
【００１８】
電気自動車１００は、走行用のモータＭＧ１を有する。モータＭＧ１は、バッテリＭＢが供給する電力で駆動される。バッテリＭＢの電力は、システムメインリレーＳＭＲ１、ＳＭＲ２を介して電圧コンバータ２３に入力される。なお、システムメインリレーＳＭＲ１、ＳＭＲ２は、バッテリＭＢを他の機器から遮断するメインスイッチに相当する。システムメインリレーＳＭＲ１、ＳＭＲ２は、自動車１００の電力システムを制御するパワーコントローラ２５からの信号ＳＣによって開閉する。バッテリＭＢの電圧は電圧コンバータ２３によって、インバータ２１の入力に適した電圧まで昇圧される。例えば、バッテリＭＢの電圧は２００Ｖであり、電圧コンバータ２３は、インバータ２１の入力電圧に適した６００Ｖまで、バッテリ電圧ＭＢを昇圧する。インバータ２１は、電圧コンバータ２３が出力する直流電力を、モータＭＧ１を駆動するのに適した３相交流電力（ＵＶＷ）へ変換する。また、電気自動車１００では、減速エネルギによってモータＭＧ１が発生した交流電力をインバータ２１が直流に変換し、電圧コンバータ２３がその直流電力をバッテリＭＢの充電に適した電圧まで降圧することもできる。即ち、インバータ２１と電圧コンバータ２３は、双方向で電力を変換することができる。
【００１９】
電圧コンバータ２３を駆動する信号（パルス幅変調信号ＰＷＭＡ）、及び、インバータ２１を駆動する信号（パルス幅変調信号ＰＷＭＢ）は、パワーコントローラ２５が生成する。パワーコントローラ２５は、上位のコントローラであるシステムコントローラ１０からの指令（例えば、アクセルペダルの開度に応じた指令）に基づき、電圧コンバータ２３とインバータ２１を制御する。図１の符号Ｃ１、Ｃ２は、電圧コンバータ２３の入力側と出力側の電流を平滑化するコンデンサである。
【００２０】
電圧コンバータ２３とインバータ２１は、共通の冷却装置２によって冷却される。より具体的には、冷却装置２は、電圧コンバータ２３とインバータ２１が内蔵するスイッチング素子（トランジスタやダイオードなど）、及び、リアクトルＬ１を冷却する。冷却装置２は、その内部に冷媒が封入されており、ポンプ４によってその冷媒を電圧コンバータ２３とインバータ２１内で循環させる。冷却装置２には、冷媒の温度を計測する温度センサＱｗｔが備えられている。温度センサＱｗｔが計測する冷媒温度Ｔｗｔは、パワーコントローラ２５に入力される。なお、図では、冷却装置２は電圧コンバータ２３とインバータ２１に隣接するように描かれているが、冷却装置２の冷媒流路は、電圧コンバータ２３やインバータ２１の内部のスイッチング素子に接するように、それらの機器の内部にまで通っている。冷媒は、典型的には水である。
【００２１】
インバータ２１の回路構成について説明する。なお、電圧コンバータ２３の回路構成については説明を省略する。インバータ２１は、６個のスイッチング素子（ｓｗ１〜ｓｗ６）を有する。スイッチング素子は皆同じであり、その構成を図２に示す。スイッチング素子ｓｗは、トランジスタＴｒ（典型的にはＩＧＢＴ）とダイオードＤｄが並列に接続された構成を有している。トランジスタＴｒのソースＳにダイオードＤｄのカソードが接続されており、トランジスタＴｒのドレインＤにダイオードＤｄのアノードが接続されている。ダイオードＤｄは、トランジスタＴｒのドレインＤ側からソースＳ側へ向けて電流を流す役割を担う。このように接続されたダイオードＤｒは、還流ダイオード、あるいはフリーホイールダイオードと呼ばれる。トランジスタＴｒのゲートＧには、モータコントローラ２５が生成するパルス幅変調信号ＰＷＭＢに相当するゲート信号が入力される。ゲート信号に応じてトランジスタＴｒがＯＮ又はＯＦＦする。
【００２２】
モータのＵ相、Ｖ相、あるいはＷ相に電流を供給するラインは上アームと呼ばれ、モータのＵ相、Ｖ相、あるいはＷ相から戻る電流を通すラインは下アームと呼ばれる。符号ｓｗ１はＵ相上アームのスイッチング素子を示しており、符号ｓｗ２はＵ相下アームのスイッチング素子を示している。符号ｓｗ３はＶ相上アームのスイッチング素子を示しており、符号ｓｗ４はＶ相下アームのスイッチング素子を示している。符号ｓｗ５はＷ相上アームのスイッチング素子を示しており、符号ｓｗ６はＷ相下アームのスイッチング素子を示している。
【００２３】
モータコントローラ２５からのパルス幅変調信号ＰＷＭＢに応じて各スイッチング素子を所定のタイミング、所定のデューティ比でＯＮ／ＯＦＦすることで、相互に位相が１２０度ずれた３相交流電流信号（ＵＶＷ信号）がインバータ２１から出力される。モータコントローラ２５は、パルス幅変調信号ＰＷＭＢを生成するのに際して所定の周波数のキャリア信号を用いる。
【００２４】
インバータ２１とモータＭＧ１を繋ぐ３相ＵＶＷのラインのうちのＶ相とＷ相に（即ちＶ相のアームとＷ相のアームに）、それらのラインを流れる電流ｉｖ、ｉｗを計測する電流センサ６が備えられている。また、モータＭＧ１には、ステータに対するロータの回転角θを計測するレゾルバ８が備えられている。電流センサ６が計測した電流ｉｖ、ｉｗ、及び、レゾルバ８が計測した回転角θは、モータコントローラ２５へ送られる。モータコントローラ２５では、ｖ相とｗ相の電流ｉｖ、ｉｗとロータ回転角θから、Ｕ相を流れる電流ｉｕを推定する。即ち、電流センサ６とレゾルバ８によって、３相ＵＶＷの夫々に流れる電流ｉｕ、ｉｖ、及び、ｉｗが計測できる。電流センサ６とレゾルバ８を合わせたものが、「ＵＶＷ３相各相の電流を計測する電流センサ」に相当する。
【００２５】
インバータ２１の入力側（電圧コンバータ２３の出力側）に、インバータへの入力電圧を計測する電圧センサＶｄＨが接続されている。電圧センサＶｄＨが計測する電圧をインバータ入力電圧ＶＨと称する。電圧センサＶｄＨが計測したインバータ入力電圧ＶＨもモータコントローラ２５に送られる。
【００２６】
パワーコントローラ２５は、パルス幅変調信号ＰＷＭＡ、ＰＷＭＢによって電圧コンバータ２３とインバータ２１を制御するのと同時に、上記したセンサの信号（センサデータ）に基づいてスイッチング素子（ｓｗ１〜ｓｗ６）それぞれの温度を推定し、推定温度が所定の温度閾値を超えたときにインバータへの入力電流を抑える制御も行う。即ち、パワーコントローラ２５は、温度推定器、及び、温度抑制器としても機能する。
【００２７】
スイッチング素子の温度を推定するメカニズムについて説明する前に、本明細書が開示する温度推定が最も有効に機能する状況を説明する。本明細書が開示する温度推定は、モータがロックしたときに特にその効果を発揮する。図３にモータロック前後の、インバータ２１のＵＶＷ各相に流れる電流波形を示す。モータが正常に回転している間、ＵＶＷの各相は、相互に位相が１２０度ずれた電流波形となる。例えば時刻ｔｍｒでモータがロックしたとすると、モータのステータとロータの位置関係が変わらなくなるので、時刻ｔｍｒ以降は、ＵＶＷ各相の電流は夫々ほぼ一定となる。他方、インバータ２１の各スイッチング素子（ｓｗ１〜ｓｗ６）はスイッチング動作を繰り返しているから、時刻ｔｍｒ以降は、流れる電流の大きさがスイッチング素子ごとに大きく異なることになる。このような状態では、いずれかのスイッチング素子の温度に基づいて他のスイッチング素子の温度を推定するのは難しい。以下で説明する温度推定は、インバータのスイッチング素子を冷却する冷媒の温度Ｔｗｔを基準とする。冷媒は全てのスイッチング素子を冷却するから、全てのスイッチング素子の温度を代表する温度といえる（なお、全てのスイッチング素子の平均値ではない点には留意されたい）。以下で説明する温度推定は、全てのスイッチング素子の温度を代表する冷媒温度Ｔｗｔに、個別のスイッチング素子の事情（流れる電流の大きさやデューティ比など）に応じた温度上昇分（温度補正値）を加算し、各スイッチング素子の推定温度とする。個別の温度上昇分は、予め実験等によって相当程度に正確に予測できるから、以下のアルゴリズムは、スイッチング素子の温度を比較的正確に推定することができる。
【００２８】
スイッチング素子の温度を推定するメカニズムについて説明する。スイッチング素子ｓｗ１〜ｓｗ６の温度推定に用いるセンサデータは、冷却装置２を流れる冷媒、即ち、スイッチング素子を冷却する冷媒の温度Ｔｗｔ、ＵＶＷ各相を流れる電流ｉｕ、ｉｖ、及び、ｉｗ、及び、インバータ入力電圧ＶＨである。その他、スイッチング素子の温度推定には、各スイッチング素子のトランジスタＴｒに与えるゲート信号のデューティ比Ｄｈと、インバータ２１を駆動するパルス幅変調信号ＰＷＭＢを生成する際のキャリア周波数Ｆｃを用いる。デューティ比Ｄｈとキャリア周波数Ｆｃは、パワーコントローラ２５の内部で生成されるので検出する必要はない。また、各スイッチング素子の温度推定には、いくつかの予め用意されたマップデータを用いる。マップデータは、パワーコントローラ２５と接続された記憶デバイス２６に記憶されている。
【００２９】
記憶デバイス２６に記憶されているマップデータ２６ａ〜２６ｄについて説明する。記憶デバイス２６には、ＯＮ損失マップデータ２６ａ、スイッチング損失マップデータ２６ｂ、電圧補正マップデータ２６ｃ、及び、キャリア周波数補正マップデータ２６ｄが記憶されている。これらのマップデータを使った温度推定は、スイッチング素子ごとに行われる。以下、説明のため、温度推定の対象となるスイッチング素子を流れる電流（即ち、電流ｉｕ、電流ｉｖ、電流ｉｗのいずれか）を電流Ｉｍと称する。
【００３０】
ＯＮ損失マップデータ２６ａの一例を図４に示す。ＯＮ損失マップデータ２６ａは、スイッチング素子を流れる電流Ｉｍの様々な値に対して、スイッチング素子の温度上昇分ΔＴｏｎ＿ａ（第１温度補正値）を対応付けたテーブルである。図４では、例えば、電流Ｉｍ＝ａ１のとき、第１温度補償値ΔＴｏｎ＿ａ＝ｔｎ１が対応付けられている。第１温度補償値ΔＴｏｎ＿ａは、主としてスイッチング素子の電気抵抗に起因して生じる温度上昇分であり、実験等によって予め求められている。第１温度補償値ΔＴｏｎ＿ａは、スイッチング素子を流れる電流の増大に伴ってほぼ比例して増大する。
【００３１】
スイッチング損失マップデータ２６ｂの一例を図５に示す。スイッチング損失マップデータ２６ｂも、スイッチング素子を流れる電流Ｉｍの様々な値に対してスイッチング素子の温度上昇分ΔＴｓｗ＿ａ（第２温度補正値）を対応付けたテーブルである。図５では、例えば、電流Ｉｍ＝ａ２のとき、第２温度補償値ΔＴｓｗ＿ａ＝ｔｓ２が対応付けられている。第２温度補償値ΔＴｓｗ＿ａは、主としてスイッチング動作に起因して生じる温度上昇分であり、実験等によって予め求められている。第２温度補償値ΔＴｓｗ＿ａも、スイッチング素子を流れる電流の増大に伴ってほぼ比例して増大する。
【００３２】
ここで、ＯＮ損失マップデータ２６ａ、スイッチング損失マップデータ２６ｂに共通する留意点を述べる。第一に、６個のスイッチング素子ｓｗ１〜ｓｗ６は同じ特性を有しているので、６個のスイッチング素子の夫々に対して一つのＯＮ損失マップデータ２６ａ、一つのスイッチング損失マップデータ２６ｂが利用できる。第二に、正値の電流Ｉｍに対してはマップデータの具体的な値はスイッチング素子のトランジスタＴｒの特性で定まり、負値の電流Ｉｍに対してはマップデータの具体的な値はスイッチング素子のダイオードＤｄの特定で定まる。これは、電流Ｉｍが正値の場合はトランジスタＴｒがＯＮしているときであり、このときはトランジスタＴｒには電流が流れるがダイオードＤｄには電流が流れないからである。また、電流Ｉｍが負値の場合はダイオードＤｄを通してのみ電流Ｉｍが流れるからである。
【００３３】
電圧補正マップデータ２６ｃの一例を図６に示す。電圧補正マップデータ２６ｃは、スイッチング素子の温度を推定する際の補正係数であり、スイッチング損失マップデータ２６ｂを作成したとき（スイッチング損失マップデータ２６ｂの各値を定める実験をしたとき）のインバータ入力電圧ＶＨの値と、温度推定するときのインバータ入力電圧ＶＨの比で定まる。例えば、スイッチング損失マップデータ２６ｂを作成するときのインバータ入力電圧ＶＨが５００［Ｖ］であり、温度推定するときの出力電圧ＶＨがｖ１＝２５０［Ｖ］の場合、電圧補正係数Ｖｃｍｐ＝ｃｖ１＝２５０／５００＝０．５となる。また、温度推定するときのインバータ入力電圧ＶＨがｖ４＝６００［Ｖ］の場合、電圧補正係数Ｖｃｍｐ＝ｃｖ４＝６００／５００＝１．２となる。
【００３４】
キャリア周波数補正マップデータ２６ｄの一例を図７に示す。キャリア周波数補正マップデータ２６ｄは、スイッチング素子の温度を推定する際の補正係数であり、スイッチング損失マップデータ２６ｂを作成したとき（スイッチング損失マップデータ２６ｂの各値を定める実験をしたとき）のキャリア周波数（スイッチング素子のパルス幅変調信号ＰＷＭＢを生成する際の基本となるキャリア周波数）と、温度推定する際のキャリア周波数Ｆｃの比で定まる。例えば、スイッチング損失マップデータ２６ｂを作成したときのキャリア周波数が１０［ｋＨｚ］であり、温度推定するときのキャリア周波数Ｆｃがｆ１＝５［ｋＨｚ］の場合、キャリア周波数補正係数Ｆｃｍｐ＝ｃｆ１＝５／１０＝０．５となる。また、温度推定するときのキャリア周波数Ｆｃがｆ４＝１５［ｋＨｚ］の場合、キャリア周波数補正係数Ｆｃｍｐ＝ｃｆ４＝１５／１０＝１．５となる。
【００３５】
パワーコントローラ２５は、スイッチング素子の推定温度Ｔｅを次の（数１）で算出する。
Ｔｅ＝Ｔｗｔ＋ΔＴｏｎ＋ΔＴｓｗ （数１）
【００３６】
（数１）において、Ｔｗｔはスイッチング素子を冷却する冷媒の温度であり、温度センサＱｗｔで計測された値である。（数１）の「ΔＴｏｎ＋ΔＴｓｗ」が、冷媒温度Ｔｗｔに対するトータルの温度補正値に相当する。ΔＴｏｎは、主にスイッチング素子の電気抵抗による損失に起因して生じる温度上昇分であり、前述したように、ＯＮ損失による温度補正値ΔＴｏｎと称する。また、ΔＴｓｗは、主にスイッチング動作による損失に起因して生じる温度上昇分であり、前述したように、スイッチング損失による温度補正値ΔＴｓｗと称する。ＯＮ損失温度補正値ΔＴｏｎとスイッチング損失温度補正値ΔＴｓｗは、センサデータと上記説明した各マップデータの値を用いて次の（数２）、（数３）で求められる。
【００３７】
ΔＴｏｎ＝ΔＴｏｎ＿ａ×Ｄｈ （数２）
ΔＴｓｗ＝ΔＴｓｗ＿ａ×Ｖｃｍｐ×Ｆｃｍｐ （数３）
【００３８】
第１温度補正値ΔＴｏｎ＿ａは、ＯＮ損失マップデータ２６ａから、計測された電流Ｉｍに対応する数値を抽出したものである。第２温度補正値ΔＴｓｗ＿ａは、スイッチング損失マップデータ２６ｂから、計測された電流Ｉｍに対応する数値を抽出したものである。デューティ比Ｄｈは、パワーコントローラ２５内で生成されたものであるから既知である。なお、トランジスタＴｒに電流が流れる場合、即ち電流Ｉｍが正値の場合はＤｈとしてはＯＮデューティ比を用い、ダイオードＤｄに電流が流れる場合、即ち電流Ｉｍが負値の場合はＤｈとしてＯＦＦデューディ比を用いる。電圧補正係数Ｖｃｍｐは、電圧補正マップデータ２６ｃから、計測されたインバータ入力電圧ＶＨに対応する数値を抽出したものである。キャリア周波数補正係数Ｆｃｍｐは、キャリア周波数補正マップデータ２６ｄから、パワーコントローラ２５が使っているキャリア周波数に対応した数値を抽出したものである。
【００３９】
（数１）〜（数３）の数式を各スイッチング素子（ｓｗ１〜ｓｗ６）に適用することによって、各スイッチング素子の推定温度Ｔｅが求まる。（数１）〜（数３）の技術的意義は以下の通りである。（数１）は、スイッチング素子を冷却する冷媒の温度Ｔｗｔを、複数のスイッチング素子全体の周囲の温度であると仮定し、それに、個々のスイッチング素子自身の発熱による温度上昇分、即ち、ＯＮ損失温度補正値ΔＴｏｎとスイッチング損失温度補正値ΔＴｓｗを加算したものを推定温度とすることを意味する。ＯＮ損失温度補正値ΔＴｏｎにスイッチング損失温度補正値ΔＴｓｗを加算したものがトータルの温度補正値に相当する。スイッチング素子単体の温度特性、即ち、上記したマップデータ２６ａ〜２６ｄは、実験等により比較的に正確に求まるから、それらマップデータに基づいて算出されるＯＮ損失温度補正値ΔＴｏｎとスイッチング損失温度補正値ΔＴｓｗも、現実の温度上昇分をよく表す。従って、上記アルゴリズムによる推定温度は、実際のスイッチング素子の温度をよく表すものとなる。
【００４０】
パワーコントローラ２５は、いずれかのスイッチング素子の推定温度が所定の温度閾値Ｔｔｈを超えた場合、インバータ２１に入力する電流を抑制する。パワーコントローラ２５は、例えば図８に示すグラフに基づき、スイッチング素子の推定温度Ｔｅが温度閾値Ｔｅ＿ｔｈを超えた場合、超過温度（温度閾値Ｔｅ＿ｔｈを超えた分の温度）に比例してインバータへの入力電流を漸減させる。
【００４１】
実施例の技術についての留意点を述べる。インバータのキャリア周波数が不変の場合、即ち、スイッチング損失マップデータ２６ｂの各値を定める実験をしたときも実際に温度推定をするときも常に同じキャリア周波数である場合、キャリア周波数補正係数（即ちキャリア周波数補正マップデータ）は不要である。
【００４２】
また、パワーコントローラ２５は、スイッチング素子の推定温度Ｔｅが温度閾値Ｔｅ＿ｔｈを超えた場合、その時点から予め定められた時間期間の間、入力電流の上限値を所定の幅だけ下げるようにしてもよい。
【００４３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００４４】
２：冷却装置
４：ポンプ
１０：システムコントローラ
２１：インバータ
２３：電圧コンバータ
２６：記憶デバイス
２６ａ：ＯＮ損失マップデータ
２６ｂ：スイッチング損失マップデータ
２６ｃ：電圧補正マップデータ
２６ｄ：キャリア周波数補正マップデータ
１００：電気自動車
Ｄｄ：ダイオード
Ｄｈ：デューティ比
Ｆｃ：キャリア周波数
Ｆｃｍｐ：キャリア周波数補正係数
Ｉｍ：スイッチング素子を流れる電流
ＭＧ１：モータ
ＰＷＭＡ、ＰＷＭＢ：パルス幅変調信号
Ｑｗｔ：温度センサ
ｓｗ：スイッチング素子
Ｔｒ：トランジスタ（ＩＧＢＴ）
ＶｄＨ：電圧センサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＵＶＷ各相の上アームと下アームに夫々スイッチング素子を有するインバータと、
スイッチング素子を冷却する冷媒の温度を計測する温度センサと、
インバータの出力であるＵＶＷ各相の電流を計測する電流センサと、
インバータへの入力電圧を計測する電圧センサと、
スイッチング素子ごとに電流センサと電圧センサの計測データ及びスイッチング素子のデューティ比に基づいて温度補正値を算出し、温度センサが計測した冷媒温度に算出した温度補正値を加算した値を各スイッチング素子の推定温度とする温度推定器と、
を備えることを特徴とする電気自動車。
【請求項２】
温度推定器は、
計測される電流の時間平均値に対応する補正値であり、スイッチング素子の電気抵抗に起因する第１温度補正値を定めたＯＮ損失マップデータと、
計測される電流の時間平均値に対応する補正値であり、スイッチング動作の損失に起因する第２温度補正値を定めたスイッチング損失マップデータと、
電圧センサが計測する電圧に対応した電圧補正係数を定めた電圧補正マップデータと、
を記憶しているとともに、
電流センサが計測した電流に対応する第１温度補正値をＯＮ損失マップデータから特定し、
電流センサが計測した電流の極値に対応する第２温度補正値をスイッチング損失マップデータから特定し、
電圧センサが計測した電圧に対応する電圧補正係数を電圧補正マップデータから特定し、
特定された第１温度補正値にスイッチング素子のデューティ比を乗じた値に、特定された第２温度補正値に電圧補正係数を乗じた値を加算したものを前記温度補正値とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車。
【請求項３】
温度推定器はさらに、
スイッチング素子へのＰＷＭ指令を生成する際のキャリア周波数に対応するキャリア周波数補正係数を定めたキャリア周波数補正マップデータを記憶しており、
現在のキャリア周波数に応じたキャリア周波数補正係数をキャリア周波数補正マップデータから特定し、
特定された第１温度補正値にスイッチング素子のデューティ比を乗じた値に、特定された第２温度補正値に電圧補正係数とキャリア周波数補正係数を乗じた値を加算したものを前記温度補正値とする、
ことを特徴とする請求項２に記載の電気自動車。
【請求項４】
スイッチング素子の推定温度が予め定められた温度閾値を超えている場合に、インバータへの入力電流の上限値を下げることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電気自動車。
【請求項１】
ＵＶＷ各相の上アームと下アームに夫々スイッチング素子を有するインバータと、
スイッチング素子を冷却する冷媒の温度を計測する温度センサと、
インバータの出力であるＵＶＷ各相の電流を計測する電流センサと、
インバータへの入力電圧を計測する電圧センサと、
スイッチング素子ごとに電流センサと電圧センサの計測データ及びスイッチング素子のデューティ比に基づいて温度補正値を算出し、温度センサが計測した冷媒温度に算出した温度補正値を加算した値を各スイッチング素子の推定温度とする温度推定器と、
を備えることを特徴とする電気自動車。
【請求項２】
温度推定器は、
計測される電流の時間平均値に対応する補正値であり、スイッチング素子の電気抵抗に起因する第１温度補正値を定めたＯＮ損失マップデータと、
計測される電流の時間平均値に対応する補正値であり、スイッチング動作の損失に起因する第２温度補正値を定めたスイッチング損失マップデータと、
電圧センサが計測する電圧に対応した電圧補正係数を定めた電圧補正マップデータと、
を記憶しているとともに、
電流センサが計測した電流に対応する第１温度補正値をＯＮ損失マップデータから特定し、
電流センサが計測した電流の極値に対応する第２温度補正値をスイッチング損失マップデータから特定し、
電圧センサが計測した電圧に対応する電圧補正係数を電圧補正マップデータから特定し、
特定された第１温度補正値にスイッチング素子のデューティ比を乗じた値に、特定された第２温度補正値に電圧補正係数を乗じた値を加算したものを前記温度補正値とする、
ことを特徴とする請求項１に記載の電気自動車。
【請求項３】
温度推定器はさらに、
スイッチング素子へのＰＷＭ指令を生成する際のキャリア周波数に対応するキャリア周波数補正係数を定めたキャリア周波数補正マップデータを記憶しており、
現在のキャリア周波数に応じたキャリア周波数補正係数をキャリア周波数補正マップデータから特定し、
特定された第１温度補正値にスイッチング素子のデューティ比を乗じた値に、特定された第２温度補正値に電圧補正係数とキャリア周波数補正係数を乗じた値を加算したものを前記温度補正値とする、
ことを特徴とする請求項２に記載の電気自動車。
【請求項４】
スイッチング素子の推定温度が予め定められた温度閾値を超えている場合に、インバータへの入力電流の上限値を下げることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電気自動車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−４８５１５（Ｐ２０１３−４８５１５Ａ）
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８５９００（Ｐ２０１１−１８５９００）
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月７日（２０１３．３．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２９日（２０１１．８．２９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]