JP5297100B2 - モータ出力制限装置 - Google Patents

Description

本発明は、モータ出力制限装置に関するものである。

車両を駆動するモータが開発されている。モータは運転とともに発熱するため、冷却手段を備えている。この冷却手段に異常が発生した状態でモータを運転すると、モータが高温になって破損するおそれがある。そこで、冷却手段に異常が発生した場合にモータの出力を制限する制御装置が設けられている。
特許文献１には、回転電機の使用する負荷状態、各部の温度上昇の最大点から保護設定値を決め、回転電機に取り付けた温度検出手段からの温度状態信号により警告信号を発する、あるいは出力遮断信号を発するという回転電機の温度保護装置が記載されている。
特開平１１−３５５９５９号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術において、警告信号を発するだけでは具体的にモータを保護することができない。また出力遮断信号を発すると、車両が停止することになり、影響が大きい。
そこで本発明は、車両を停止させることなくモータを保護することが可能なモータ出力制限装置の提供を課題とする。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、車両（例えば、実施形態における車両１０）を駆動するモータ（例えば、実施形態におけるモータ２０）と、前記モータを冷却する冷却手段（例えば、実施形態における冷却手段２２）と、前記冷却手段に異常が発生した場合に、前記車両の走行用に前記モータの出力制限を実施する制御装置（例えば、実施形態における制御装置３３）と、を備え、前記制御装置は、前記モータの出力上限値（例えば、実施形態におけるグラフＬ３）と、前記車両の速度を維持しうる前記モータの出力下限値（例えば、実施形態におけるグラフＴ）との一致点（例えば、実施形態における交点Ｐ３）が、前記冷却手段の異常時における前記モータの連続定格領域（例えば、実施形態における第２連続定格領域Ａ２）内となるように前記モータの出力上限値を設定して前記モータの出力制限を実施することを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記制御装置は、前記モータの出力上限値（例えば、実施形態におけるグラフＬ３）と、前記車両の速度を維持しうる前記モータの出力下限値（例えば、実施形態におけるグラフＴ）との一致点（例えば、実施形態における交点Ｐ３）が、前記冷却手段の異常時における前記モータの連続定格領域（例えば、実施形態における第２連続定格領域Ａ２）内となるように前記モータの出力上限値を設定して前記モータの出力制限を実施する重度出力制限（例えば、実施形態における第３出力制限）と、前記モータの出力上限値（例えば、実施形態におけるグラフＬ２）と、前記車両の速度を維持しうる前記モータの出力下限値（例えば、実施形態におけるグラフＴ）との一致点（例えば、実施形態における交点Ｐ２）が、前記冷却手段の異常時における前記モータの連続定格領域（例えば、実施形態における第２連続定格領域Ａ２）外となるように前記モータの出力上限値を設定して前記モータの出力制限を実施する軽度出力制限（例えば、実施形態における第２出力制限）とを、切り替えて実施することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、前記モータの温度に連動するモータ関連温度を測定する温度測定手段を備え、前記制御装置は、前記モータ関連温度が閾値（例えば、実施形態における閾値Ｔ３）を超えた場合に前記冷却手段に異常が発生したと判断して、前記モータの出力制限を実施することを特徴とする。

請求項４に係る発明は、前記モータの回転数を検出する回転数検出手段を備え、前記制御装置は、前記モータの回転数（例えば、実施形態における回転数Ｒ２）が所定値を超えた場合に、前記軽度出力制限から前記重度出力制限に移行することを特徴とする。

請求項５に係る発明は、前記車両の走行条件を検出する走行条件検出手段を備え、前記制御装置は、前記車両の走行条件に応じて、前記車両の速度を維持しうる前記モータの出力下限値を補正することを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、車両の走行用にモータの出力制限を実施するが、車両を停止させることはない。この出力制限を実施することで、モータ回転数が前記一致点より小さい場合には、モータ出力が前記連続定格領域内に収まる。モータ回転数が前記一致点より大きい場合には、モータ出力が、車両の速度を維持しうるモータの出力下限値を下回る。この場合、車両の速度を維持することができないので、車両の速度が前記一致点まで自動的に低下する。これにより、モータ出力が前記連続定格領域内に収まることになる。したがって、モータを連続運転した場合でも熱的問題が発生することはなく、モータを保護することができる。

請求項２に係る発明によれば、軽度出力制限を併用するので、モータ出力の急激な低下を防止することができる。

請求項３に係る発明によれば、モータの冷却手段に異常が発生したことを正確に判断して、モータの出力制限を実施することができる。

請求項４に係る発明によれば、低回転数の領域においてモータ出力をより多く確保することができる。

請求項５に係る発明によれば、モータの出力制限を必要最小限度に抑えることが可能になり、モータ出力を確保することができる。

以下、本発明の実施形態につき図面を参照して説明する。
（燃料電池車両）
図１は、車両の概略構成図である。この車両１０は、燃料電池３４で発電した電力によりモータ２０を駆動して走行する燃料電池車両である。車両１０の車輪１２は、変速機１４を介してモータ２０に接続されている。モータ２０は、駆動制御を行うインバータ３０に接続されている。インバータ３０は、燃料電池３４に接続されるとともに、蓄電装置（バッテリ）３６に接続されている。燃料電池で発電された電力は、インバータ３０を介してモータ２０に供給される。モータ２０からのトルク出力は、変速機１４を介して車輪１２に伝達される。これにより、車両１０が走行するようになっている。
また、インバータ３０には制御装置３３が接続されている。制御装置３３は、運転者のアクセルペダル開度等に基づく出力要求に応じて燃料電池および蓄電装置の出力調整を行うとともに、モータ２０の出力を制限しうるようになっている。

モータ２０は運転に伴って発熱するので、モータ２０を冷却する冷却手段２２が設けられている。冷却手段２２として、モータ２０のハウジング内部に冷却水を流通させる冷却水流通機構や、モータ２０のステータコイルに冷却油を供給する冷却油供給機構等が採用されている。
また、モータ２０の温度を検出する温度センサ（不図示）が設けられている。温度センサは、モータ２０のハウジングからステータコイルの渡し部に向けて配置されている。この温度センサにより、渡し部を流れる冷却油の温度を測定する。冷却油の温度は、モータ２０の温度に連動するモータ関連温度であって、モータ温度にほぼ一致する。そのモータ温度が閾値Ｔ１を超えた場合には、車室内のメータパネル等に配置されたオーバーヒートインジケータが点灯するようになっている。またモータ温度が閾値Ｔ２を超えた場合には、冷却手段の異常（冷却水漏れ）が発生したと判断することができる。

また、電動車両１０の車速を検出する車速検出手段（不図示）と、モータ２０の回転数を検出する回転数検出手段（不図示）とが設けられている。さらに、車両１０の走行条件を検出する走行条件検出手段（不図示）が設けられている。走行条件検出手段は、走行条件として、車両の積載重量や走行抵抗等を検出するようになっている。

一方、制御装置３３は、冷却手段２２の異常が発生した場合に、モータ２０の出力を制限する出力制限手段として機能する。この制御装置３３は、車両１０の走行用にモータ２０の出力を制限するものであり、モータ２０の出力を停止させる（出力を０％まで制限する）ものではない。なお制御装置３３によりモータの出力制限が実施された場合には、車室内のメータパネル等に配置された出力制限インジケータが点灯するようになっている。
制御装置３３の動作について以下に詳述する。

（モータ出力制限）
図２は、横軸に車両速度をとり縦軸にモータ出力（軸トルク）をとったグラフである。なお車両速度はモータ回転数に比例するから、横軸をモータ回転数に置き換えることもできる。
グラフＬ０〜Ｌ３は、モータ回転数とモータ出力（軸トルク）との関係を表すものであり、回転数が大きいほど出力が小さく、回転数が小さいほど出力が大きくなっている。グラフＬ０は、モータ出力を制限していない（出力が最大で１００％の）場合である。グラフＬ１〜Ｌ３は、段階的にモータ出力を制限した場合であり、それぞれ第１出力制限〜第３出力制限に対応している。なおモータ出力の制限は、燃料電池からモータに供給する電力を制限することによって行う。

グラフＴは、車両速度を維持するのに必要なモータ出力（軸トルク）の下限値を表すものである。高速度を維持するには高出力が必要であり、低速度を維持するには低出力で足りるようになっている。なおグラフＴは、車両の走行条件によって変化する。例えば、車両の積載重量や走行抵抗が大きいほど、車両速度を維持するのに高出力が必要になる。上述した出力制限手段は、走行条件検出手段によって検出された車両の走行条件に応じて、グラフＴを補正しうるようになっている。

領域Ａ１，Ａ２は、モータの連続定格領域である。モータの連続定格領域とは、モータを連続運転しても熱的問題が発生しない領域である。モータが高回転数の場合には低出力でも熱的問題が発生し、高出力の場合には低回転数でも熱的問題が発生する場合がある。そのため連続定格領域Ａ１，Ａ２は、低回転数かつ低出力の領域に分布している。第１連続定格領域Ａ１は、モータの冷却手段が正常に機能している場合の連続定格領域であり、第２連続定格領域Ａ２は、冷却手段に異常（冷却水漏れ）が発生している場合の連続定格領域である。冷却異常時には冷却正常時に比べて熱的問題が発生しやすい。そのため、第２連続定格領域Ａ２は第１連続定格領域Ａ１に比べて、より低回転数かつ低出力の領域に分布している。

境界Ｓ１，Ｓ２は、連続定格領域Ａ１，Ａ２の上限値を表すものである。
上述した第１出力制限の出力制限量は、グラフＬ１が境界Ｓ１と一致するように設定されている。この場合のモータ出力は、例えば最大で７５％に制限される。また第２出力制限の制限量は、回転数Ｒ２以下の低回転数の領域においてグラフＬ２が境界Ｓ２と一致するように設定されている。この場合のモータ出力は、例えば最大で５０％に制限される。
また第３出力制限の制限量は、グラフＬ３とグラフＴとの交点Ｐ３が、第２連続定格領域Ａ２の境界Ｓ２上に位置するように（または境界Ｓ２近傍の連続定格領域Ａ２内に位置するように）設定される。この場合のモータ出力は、例えば最大で２５％に制限される。なおグラフＬ２とグラフＴとの交点Ｐ２は、連続定格領域Ａ２の外側に位置している。

冷却正常時において、モータ出力を制限しない場合には、モータを断続的に運転すれば熱的問題が発生しない。しかしながら、第１連続定格領域Ａ１を超えるモータ出力でモータを連続運転すれば、熱的問題が発生することになる。
これに対して、第１出力制限を実施した場合には、運転者のアクセルペダル開度等に基づく出力要求にかかわらず、モータ出力は第１連続定格領域Ａ１内に収まる。したがって、モータを連続運転しても熱的問題が発生することはない。

一方、冷却異常時において、第２連続定格領域Ａ２を超えるモータ出力でモータを連続運転すれば、熱的問題が発生することになる。
これに対して、第２出力制限を実施した場合には、回転数がＲ２以下であれば、モータ出力は第２連続定格領域Ａ２内に収まる。この場合には、モータを連続運転しても熱的問題が発生することはない。

ところが、回転数がＲ２を超えると、第２連続定格領域Ａ２を超えるモータ出力でモータを連続運転することが可能になり、熱的問題が発生することになる。
これに対して、第３出力制限を実施した場合には、回転数がＲ３（Ｒ３は交点Ｐ３の回転数）以下であれば、モータ出力は第２連続定格領域Ａ２内に収まる。また回転数がＲ３を超える場合には、モータ出力が常にグラフＴ（車両速度を維持するのに必要なモータ出力の下限値）を下回る。この場合、車両速度を維持することができないので、運転者のアクセルペダル開度等に基づく出力要求にかかわらず、車両速度は交点Ｐ３まで自動的に低下する。これにより、モータ出力が第２連続定格領域Ａ２内に収まることになる。したがって、第３出力制限を実施した場合には、モータを連続運転しても熱的問題が発生することはない。

なお、冷却手段に異常が発生した場合には、第１出力制限から第３出力制限に直接移行してもよい。ただし、モータ出力が急激に低下するとドライバビリティが悪化することになる。そこで、上述した第２出力制限を実施することにより、モータ出力の急激な低下を防止することができる。しかも、第２出力制限を実施した場合には、回転数がＲ２以下であればモータ出力が第２連続定格領域Ａ２内に収まるのであるから、その限度でモータを保護することができる。

（モータ出力制限方法）
ここで、図２のグラフを利用したモータ出力制限方法について具体的に説明する。
図３はモータ出力制限方法のフローチャートであり、図４は出力制限の過程を示すグラフである。最初に、モータ温度の上昇局面について説明する。冷却正常時には、モータ出力を制限せず、モータ出力が最大で１００％となるようにする（Ｓ１２）。なお温度センサ（ＴＭＳ）によりモータ温度を常に監視しておく。

第１連続定格領域Ａ１を超えるモータ出力でモータを連続運転すると、モータ温度が所定温度Ｔ１を超える。そこで、モータ温度が閾値Ｔ１を超えたか判断し（Ｓ１４）、判断がＹｅｓの場合にはオーバーヒートインジケータを点灯させる（Ｓ１６）。また出力制限インジケータを点灯させ（Ｓ１８）、第１出力制限を実施する（Ｓ２０）。第１出力制限では、例えばモータ出力を最大で７５％に制限する。これにより、モータ出力が第１連続定格領域Ａ１内に収まるので、モータを連続運転しても熱的問題が発生することはない。

冷却手段に異常（冷却水漏れ）が発生すると、モータ温度が所定温度Ｔ２（＞Ｔ１）を超える。そこで、モータ温度が閾値Ｔ２を超えたか判断し（Ｓ２２）、判断がＹｅｓの場合には第２出力制限を実施する（Ｓ２４）。第２出力制限では、例えばモータ出力を最大で５０％に制限する。これにより、回転数がＲ２以下であれば、モータ出力は第２連続定格領域Ａ２に収まり、熱的問題が発生することはない。また回転数がＲ２を超えても、モータ出力が第２連続定格領域Ａ２の範囲内であれば、熱的問題が発生することはない。

これに対して、Ｒ２を超える回転数であって、第２連続定格領域Ａ２を超えるモータ出力でモータを連続運転すると、モータ温度が所定温度Ｔ３（＞Ｔ２）を超える。そこで、モータ温度が閾値Ｔ３を超えたか判断し（Ｓ２６）、判断がＹｅｓの場合には第３出力制限を実施する（Ｓ２８）。第３出力制限では、例えばモータ出力を最大で２５％に制限する。これにより、回転数がＲ３以下であれば、モータ出力が第２連続定格領域Ａ２内に収まる。また回転数がＲ３を超えても、車両速度がＰ３まで自動的に低下するので、モータ出力が第２連続定格領域Ａ２内に収まる。したがって、熱的問題が発生することはない。

なお、回転数検出手段によりモータ回転数を監視し、回転数がＲ２を超えた場合に、第２出力制限から第３出力制限に移行してもよい。これにより、モータ出力が常に第２連続定格領域Ａ２内に収まることになる。
また、回転数がＲ２〜Ｒ３の場合に、第２出力制限より厳しく第３出力制限より緩やかな出力制限を実施してもよい。その際、モータ出力が常に境界Ｓ２上に位置するように、回転数に応じて出力制限量を連続的に変化させることが望ましい

次に、モータ温度の下降局面について説明する。冷却異常時には、上述したように第３出力制限が実施されている（Ｓ３２）。
冷却異常時における第３出力制限の実施により、モータを連続運転しても熱的問題が発生しないので、やがてモータ温度は所定温度Ｔ３を下回る。ただし、制御のばたつきを抑えるためヒステリシスを設定し、モータ温度が閾値Ｔ３−αを下回ったか判断する（Ｓ３４）。判断がＹｅｓの場合にはモータ出力制限を第２出力制限に緩和する（Ｓ３６）。

やがて冷却異常が解消されると、冷却正常時において第２出力制限を実施している状態になる。この場合には、モータ出力が常に第１連続定格領域Ａ１に収まり、モータを連続運転しても熱的問題が発生しないので、やがてモータ温度は所定温度Ｔ２を下回る。そこで、モータ温度が閾値Ｔ２−αを下回ったか判断する（Ｓ３８）。判断がＹｅｓの場合にはモータ出力制限を第１出力制限に緩和する（Ｓ４０）。

冷却正常時における第１出力制限の実施により、モータを連続運転しても熱的問題が発生しないので、やがてモータ温度は所定温度Ｔ１を下回る。そこで、モータ温度が閾値Ｔ１−αを下回ったか判断し（Ｓ４２）、判断がＹｅｓの場合にはオーバーヒートインジケータを消灯させる（Ｓ４４）。また出力制限インジケータを消灯させ（Ｓ４６）、第１出力制限を中止して、モータ出力が最大で１００％となるようにする（Ｓ４８）。

上述した出力制限の過程を図４で見れば、モータ温度がＴ１、Ｔ２、Ｔ３と上昇するにしたがって、モータ出力制限を７５％、５０％、２５％と強化している。その後、モータ温度がＴ３−α、Ｔ２−α、Ｔ１−αと下降するにしたがって、モータ出力制限を５０％、７５％、１００％と緩和している。なお出力制限の切り替えにヒステリシスを設定しているので、制御のばたつきを抑えることができる。

以上に詳述したように、本実施形態に係るモータ出力制限装置は、モータの冷却手段に異常が発生した場合に、車両の走行用にモータの出力制限を実施する制御装置を備え、制御装置は、図２に示すモータ出力上限値Ｌ３と、車両速度を維持しうるモータ出力下限値Ｔとの一致点Ｐ３が、冷却手段の異常時におけるモータの第２連続定格領域Ａ２内となるように第３出力制限を実施する構成とした。
この構成によれば、車両の走行用にモータの出力制限を実施するので、車両を停止させることがない。また第３出力制限を実施することで、モータ回転数がＲ３より小さい場合には、モータ出力が第２連続定格領域Ａ２内に収まる。モータ回転数がＲ３より大きい場合には、モータ出力が、車両速度を維持しうるモータ出力下限値Ｔを下回る。この場合、車両速度を維持することができないので、車両速度が一致点Ｐ３まで自動的に低下する。これにより、モータ出力が第２連続定格領域Ａ２内に収まることになる。したがって、モータを連続運転した場合でも熱的問題が発生することはなく、モータを保護することができる。

また、モータ温度が閾値Ｔ３を超えた場合に第３出力制限を実施する構成としたので、モータの冷却手段に異常が発生したことを正確に判断して、第３出力制限を実施することができる。
また、車両の走行条件に応じて、車両速度を維持しうるモータ出力下限値Ｔを補正する構成としたので、モータの出力制限を必要最小限度に抑えることが可能になり、モータ出力を確保することができる。

なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、上述した実施形態で挙げた構成等はほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
例えば、実施形態では燃料電池車両に本発明を適用したが、バッテリから電力を供給してモータを駆動する電動車両に本発明を適用することも可能である。
また、実施形態では温度センサによりモータ温度を監視して冷却手段の異常（冷却水漏れ）が発生したことを検出したが、流量計により冷却水の流量を監視して冷却水漏れが発生したことを検出してもよい。

車両の概略構成図である。 横軸に車両速度をとり縦軸にモータ出力をとったグラフである。 モータ出力制限方法のフローチャートである。 出力制限の過程を示すグラフである。

符号の説明

Ａ２…第２連続定格領域 Ｌ２，Ｌ３…モータ出力上限値 Ｐ２，Ｐ３…交点（一致点） Ｔ…車両速度を維持しうるモータ出力下限値 １０…車両 ２０…モータ ２２…冷却手段 ３３…制御装置

Claims (5)

1. 車両を駆動するモータと、前記モータを冷却する冷却手段と、
   前記冷却手段に異常が発生した場合に、前記車両の走行用に前記モータの出力制限を実施する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記モータの出力上限値と、前記車両の速度を維持しうる前記モータの出力下限値との一致点が、前記冷却手段の異常時における前記モータの連続定格領域内となるように前記モータの出力上限値を設定して前記モータの出力制限を実施することを特徴とするモータ出力制限装置。
2. 前記制御装置は、
   前記モータの出力上限値と、前記車両の速度を維持しうる前記モータの出力下限値との一致点が、前記冷却手段の異常時における前記モータの連続定格領域内となるように前記モータの出力上限値を設定して前記モータの出力制限を実施する重度出力制限と、
   前記モータの出力上限値と、前記車両の速度を維持しうる前記モータの出力下限値との一致点が、前記冷却手段の異常時における前記モータの連続定格領域外となるように前記モータの出力上限値を設定して前記モータの出力制限を実施する軽度出力制限とを、
   切り替えて実施することを特徴とする請求項１に記載のモータ出力制限装置。
3. 前記モータの温度に連動するモータ関連温度を測定する温度測定手段を備え、
   前記制御装置は、前記モータ関連温度が閾値を超えた場合に前記冷却手段に異常が発生したと判断して、前記モータの出力制限を実施することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のモータ出力制限装置。
4. 前記モータの回転数を検出する回転数検出手段を備え、
   前記制御装置は、前記モータの回転数が所定値を超えた場合に、前記軽度出力制限から前記重度出力制限に移行することを特徴とする請求項２に記載のモータ出力制限装置。
5. 前記車両の走行条件を検出する走行条件検出手段を備え、
   前記制御装置は、前記車両の走行条件に応じて、前記車両の速度を維持しうる前記モータの出力下限値を補正することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のモータ出力制限装置。

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