JP7279679B2 - 発電システムの制御装置 - Google Patents

Description

本開示は、発電システムの制御装置に関する。

従来から、インバータ回路に用いられるトランジスタ等の電力半導体素子が過剰に高温となることを抑制して、かかる電力半導体素子を保護する方法が種々提案されている。例えば、特許文献１には、インバータ回路の電流制限動作を行う電力半導体の保護方法が開示されている。かかる保護方法では、電力半導体素子の接合部温度が設定温度を超えた場合に、電流制限器がインバータ回路の電流制限動作を行う。これにより、かかる保護方法は、電力半導体素子の温度上昇を抑制して、かかる素子を保護する。

特開２００５－１４３２３２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。ＥＤＳでは、二次バッテリからインバータ回路へと送電部を介して直流電力が供給され、インバータ回路において交流電力に変換されてモータに供給される。そして、このような構成では、インバータ回路のみならず送電部も電力供給に伴って高温となり得るため、保護が求められる。ここで、車両や電車など地上の移動体では、送電部が高温になった際に、特許文献１の方法を適用して、インバータ回路への供給電力を制限しても動力性能が低下するにとどまる。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電力制限をできない場合がある。特許文献１の保護方法では、このように電力制限ができない場合について、送電部および電力半導体素子の保護について考慮されていない。このため、インバータ回路への供給電力を維持しつつ、送電部の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、電駆動システム（１００）が有するモータ（３０）の電力源となる二次バッテリを、発電を行って蓄電させる発電システム（２０）の制御装置（１０）が提供される。前記電駆動システムは、前記モータを駆動させるインバータ回路（４０）と、前記二次バッテリから前記インバータ回路に電力を送る送電部（９０）と、をさらに有し、制御装置は、前記送電部の温度である送電部温度を取得する温度取得部（１２）と、取得された前記送電部温度が予め定められた閾値温度以上である場合に、前記発電システムを発電させて前記二次バッテリに充電させる発電制御部（１４）と、を備える。

この形態の制御装置によれば、送電部の温度である送電部温度を取得する温度取得部と、取得された送電部温度が予め定められた閾値温度以上である場合に、発電システムを発電させて二次バッテリに充電させる発電制御部とを備えるので、送電部温度が閾値温度以上の場合に二次バッテリに充電させることにより二次バッテリの出力電圧（端子間電圧）の低下を抑制できる。これにより、同じ電力を供給する場合において送電部を流れる電流の増大を抑制できる。このため、供給電力を維持しつつ送電部の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、発電システムと、バッテリと、電駆動システムの構成を示す概略図である。 本開示の一実施形態である発電システムの制御の処理手順を示すフローチャートである。 第２実施形態における制御装置と、発電システムと、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１００（以下、「ＥＤＳ（Electric Drive System）１００」とも呼ぶ）に取り付けられているサーミスタ５２、６２から温度を取得し、取得したこれらの温度を利用して発電システム２０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、発電システム２０と、バッテリ８０と、ＥＤＳ１００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。

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、温度取得部１２および発電制御部１４として機能する。

温度取得部１２は、送電部９０の温度（以下、「送電部温度」と呼ぶ）を取得する。本実施形態では、送電部温度は、サーミスタ５２により検出されたノーマルフィルタ５０の温度を送電部温度として取得される。発電制御部１４は、送電部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。また、発電制御部１４は、送電部温度が予め定められた閾値以上であると判定した場合に、発電システム２０を発電させてバッテリ８０に受電させる。発電制御部１４は、飛行体の飛行に必要な出力をモータ３０が出力するように、発電システム２０を制御する。具体的には、発電制御部１４は、予め定められた所定の閾値より大きい出力をモータ３０が出力するように、発電システム２０の発電を制御する。これにより、いかなる場合であっても、飛行に必要な出力を出し続けることができる。

発電システム２０は、発電機を有する。発電システム２０は、制御装置１０の制御に応じて発電を行い、バッテリ８０を蓄電する。発電システム２０は、例えば、レシプロエンジンのように内燃機関の駆動により行うシステムや、燃料電池システムによって構成されている。

バッテリ８０は、リチウムイオン電池により構成され、電駆動システム１００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８０は、主に、電駆動システム１００が有するインバータ回路４０の駆動部へと電力を供給してモータ３０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。

本実施形態において、ＥＤＳ１００は、モータ３０と、三相交流ライン３５と、インバータ回路４０と、送電部９０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３０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４０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３０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４０は、モータ３０を駆動させる。インバータ回路４０は、バッテリ８０から供給される直流電圧を、三相交流電圧に変換して三相交流ライン３５を経てモータ３０に供給する。インバータ回路４０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４０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８０からインバータ回路４０に供給される直流電圧は、コンデンサ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。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。

送電部９０は、バッテリ８０から供給される電力をインバータ回路４０へと送る。送電部９０は、インバータ回路４０への電力供給部で生じ得るノイズを除去可能なフィルタや、配線を有する。具体的には、送電部９０は、ノーマルフィルタ５０と、コモンフィルタ６０と、ＰＮライン７０とを有する。

ノーマルフィルタ５０は、インバータ回路４０と、コモンフィルタ６０との間に配置される。ノーマルフィルタ５０と、後述するコモンフィルタ６０とは、インバータ回路４０が発生するノイズを抑制するノイズフィルタである。

ノーマルフィルタ５０は、インバータ回路４０からバッテリ８０側へノーマルモードノイズが流出しないように抑制する。ノーマルモードノイズは、ディファレンシャルモードノイズとも呼ばれる。ノーマルモードノイズは、ＩＧＢＴのスイッチングに伴う急峻な電圧変化や電流変化が主回路内で伝搬されて電源ラインなどに出現するノイズである。

ノーマルフィルタ５０は、ノーマルリアクトル５１と、サーミスタ５２とを有する。サーミスタ５２は、ノーマルリアクトル５１に取り付けられ、ノーマルフィルタ５０の温度を検出する。

コモンフィルタ６０は、ノーマルフィルタ５０と、ＰＮライン７０との間に配置される。コモンフィルタ６０は、インバータ回路４０からバッテリ８０側へコモンモードノイズが流出しないように抑制する。コモンモードノイズは、スイッチングに伴うアースに対する電位変動が主回路とアース間やトランスなどに存在する浮遊容量を充放電させることにより、アース線を経路としてノイズ電流が伝搬されるノイズである。

コモンフィルタ６０は、チョークコイル６１と、サーミスタ６２とを有する。サーミスタ６２は、チョークコイル６１に取り付けられている。サーミスタ６２は、コモンフィルタ６０の温度を検出する。

ＰＮライン７０は、バッテリ８０とコモンフィルタ６０との間に位置する。ＰＮライン７０は、バッテリ８０からの電力をＥＤＳ１００へ供給するためのＥＤＳ１００内の配線である。

Ａ－２．発電システムの制御の処理手順：
図２に示すフローチャートは、発電システム２０の制御処理の手順を示しており、エンジンが始動して、バッテリ８０から電駆動システム１００へ電力が供給されて電駆動システム１００が稼働し始めたら開始する。

制御装置１０における温度取得部１２は、サーミスタ５２からノーマルフィルタ５０の温度を取得する（ステップＳ１０）。なお、ステップＳ１０において、温度取得部１２は、サーミスタ５２に代えて、サーミスタ６２からコモンフィルタ６０の温度を取得してもよい。

温度取得部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Ｓ１２）。温度取得部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Ｓ１２：Ｎｏ）、処理は上述のステップＳ１０に戻る。温度取得部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Ｓ１２：Ｙｅｓ）、高温検出したことを特定する（ステップＳ１４）。例えば、温度取得部１２は、高温検出のフラグを立てる。

発電制御部１４は、発電システム２０に対して発電指令を行う（ステップＳ１６）。発電システム２０は、発電指令に従い発電を開始する（ステップＳ１８）。ステップＳ１８が実行されると、バッテリ８０の出力電圧（端子間電圧）が上昇し（ステップＳ２０）、電駆動システム１００の電圧が上昇する。なお、ステップＳ２０は、独立した処理ではなく、ステップＳ１８の結果として捉えることもできる。ここで、送電部９０の発熱量は、電流量に依存する。すなわち、電流量が大きいほど、送電部９０の発熱量は大きくなる。また、インバータ回路４０からの出力電力は、電流と電圧の積で決まる。したがって、モータ３０への供給電力が一定の場合、バッテリ８０の出力電圧が上昇すると、送電部９０を流れる電流の増加が抑制される（ステップＳ２２）。

送電部９０を流れる電流の増加が抑制されるため、送電部９０の発熱は抑制され、送電部９０の温度上昇が抑制される（ステップＳ２４）。温度取得部１２は、サーミスタ５２から取得された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Ｓ２６）。取得された温度が予め定められた閾値温度より低温と判定した場合（ステップＳ２６：Ｙｅｓ）、処理は上述のステップＳ１０に戻る。これに対して、取得された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Ｓ２６：Ｎｏ）、処理は上述のステップＳ１２に戻る。

本実施形態におけるサーミスタ５２は、特許請求の範囲における第１温度センサに相当する。

以上説明した第１実施形態の制御装置１０によれば、送電部９０の温度である送電部温度を取得する温度取得部１２と、取得された送電部温度が予め定められた閾値温度以上である場合に、発電システム２０を発電させて二次バッテリに充電させる発電制御部１４とを備えるので、送電部温度が閾値温度以上の場合に、二次バッテリに充電させることにより二次バッテリの出力電圧（端子間電圧）の低下を抑制できる。これにより、同じ電力を供給する場合において送電部を流れる電流の増大を抑制できる。このため、供給電力を維持しつつ送電部の温度上昇を抑制できる。

Ｂ．第２実施形態：
図３に示す第２実施形態の制御装置１０ａの構成は、電流値取得部１６を備える点において第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１０ａ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２実施形態における発電システムの制御処理手順は、図２のステップＳ１０における詳細手順以外は、第１実施形態と同じである。

第１実施形態では、ステップＳ１０において、温度取得部１２は、サーミスタ５２により検出されたノーマルフィルタ５０の温度を送電部温度として取得していたが、第２実施形態では、温度取得部１２は、環境温度センサ６４により検出される温度、すなわち、送電部９０の設置環境の温度（以下、「環境温度」と呼ぶ）を取得し、取得された環境温度に基づき送電部温度を特定して取得する。図３に示すように、本実施形態では、環境温度センサ６４は、送電部９０のうち、コモンフィルタ６０に配置されている。なお、環境温度センサ６４は、環境温度が推定できるような環境温度と相関するような温度となり得る任意の場所に配置されてもよい。例えば、環境温度センサ６４は、ノーマルフィルタ５０に配置されてもよいし、インバータ回路４０に配置されてもよいし、ＥＤＳ１００の外に配置されてもよく、配置場所は限定されない。

電流値取得部１６は、ＰＮライン７０に配置された電流センサ７２から電流値を測定により取得する。電流値取得部１６は、温度取得部１２および発電制御部１４と同様に、制御装置１０ａが有するＣＰＵにより実現される機能部である。なお、電流値取得部１６は、電流センサ７２から電流値を取得するのではなく、モータ３０の出力と電池電圧の情報から送電部９０の電流を推定して取得してもよい。

本実施形態では、送電部温度は、環境温度センサ６４によって検出される環境温度に、送電部９０の上昇温度ΔＴを加算して得られた値として求められる。温度取得部１２は、環境温度センサ６４から環境温度を取得する。

送電部９０の温度上昇は、そのほとんどがチョークコイル６１の発熱に因るものである。このため、本実施形態では、送電部９０の上昇温度ΔＴを、チョークコイル６１の発熱量Ｑ（Ｗ）と、チョークコイル６１の熱抵抗Ｒｔｈ（℃／Ｗ）との積として求める。したがって、ΔＴ＝Ｑ×Ｒｔｈが成り立つ。温度取得部１２は、送電部温度を、環境温度に上昇温度ΔＴを加算した値に設定する。発熱量Ｑは、電流センサ７２により検出される電流値Ｉの２乗と、チョークコイル６１の抵抗値Ｒｃとの積で求められる。すなわち、Ｑ＝Ｉ^２×Ｒｃが成り立つ。抵抗値Ｒｃは、チョークコイル６１の材料や、チョークコイル６１の長さや、チョークコイル６１の断面積などを用いて求められる。

ここで、本実施形態のＥＤＳ１００では、冷却媒体の循環による温度制御が行われている。具体的には、ポンプにより冷却媒体が循環される循環流路上に、インバータ回路４０を収容するインバータケースと接触して熱交換する冷却器部材と、チョークコイル６１と接触して熱交換する冷却器部材とが設けられ、これら冷却器部材において、インバータ回路４０とチョークコイル６１と各冷却器部材を通る冷却媒体との間で熱交換が行われて、インバータ回路４０およびチョークコイル６１の温度調整が行われる。

チョークコイル６１の熱抵抗Ｒｔｈは、チョークコイル６１において冷却器部材と接触する部位の熱抵抗Ｒｔｈ１と、それ以外の部位の熱抵抗Ｒｔｈ２との和として求められる。すなわち、Ｒｔｈ＝Ｒｔｈ１＋Ｒｔｈ２が成立する。

熱抵抗Ｒｔｈ１は、熱伝達率αと、チョークコイル６１の表面積ＬＷとの積の逆数で求められる。すなわち、Ｒｔｈ１＝１／（α×ＬＷ）が成立する。

熱抵抗Ｒｔｈ２は、チョークコイル６１の熱伝導率λと、チョークコイル６１の厚さｔと、チョークコイル６１の表面積ＬＷとから、Ｒｔｈ２＝ｔ／（λ×ＬＷ）として求められる。熱伝導率λと、チョークコイル６１の厚さｔと、チョークコイル６１の断面積は、予め定められている。

温度取得部１２は、上記算出により得られた送電部９０の上昇温度ΔＴに、環境温度センサ６４によって検出される環境温度を加算して、送電部９０の温度を取得する。（ステップＳ１０）。

なお、本実施形態における環境温度センサ６４は、特許請求の範囲における第２温度センサに相当する。

以上説明した第２実施形態の制御装置１０ａによれば、温度取得部１２は、送電部９０の設置環境の環境温度を検出する環境温度センサ６４から環境温度を取得し、取得された環境温度に基づき送電部温度を特定して取得する。具体的には、温度取得部１２は、算出により得られた送電部９０の上昇温度ΔＴに、環境温度センサ６４によって検出される環境温度を加算して、送電部９０の温度を取得する。このため、環境温度を考慮した上で、供給電力を維持しつつ送電部９０の温度上昇を抑制できる。

Ｃ．他の実施形態：
（Ｃ１）第１実施形態において、制御装置１０と、発電システム２０と、バッテリ８０と、ＥＤＳ１００とは、ｅＶＴＯＬに搭載されていたが、これに限られない。制御装置１０と、発電システム２０と、バッテリ８０と、ＥＤＳ１００とは、ｅＶＴＯＬでなくても、車両や船舶等の飛行体以外の任意の種類の移動体に搭載されてもよいし、任意の種類の動かないものに搭載されてもよい。

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。

１０…制御装置、１２…温度取得部、１４…発電制御部、２０…発電システム、３０…モータ、４０…インバータ回路、９０…送電部、１００…電駆動システム

Claims (5)

1. 電駆動システム（１００）が有するモータ（３０）の電力源となる二次バッテリを、発電を行って蓄電させる発電システム（２０）の制御装置（１０）であって、
   前記電駆動システムは、前記モータを駆動させるインバータ回路（４０）と、前記二次バッテリから前記インバータ回路に電力を送る送電部（９０）と、をさらに有し、
   前記送電部の温度である送電部温度を取得する温度取得部（１２）と、
   取得された前記送電部温度が予め定められた閾値温度以上である場合に、前記発電システムを発電させて前記二次バッテリに充電させる発電制御部（１４）と、
   を備える、制御装置。
2. 請求項１に記載の制御装置において、
   前記送電部は、ノイズフィルタを有する、制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の制御装置において、
   前記電駆動システムは、前記送電部温度を検出する第１温度センサをさらに備え、
   前記温度取得部は、前記第１温度センサにより検出された前記送電部温度を取得する、制御装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の制御装置において、
   前記送電部の電流値を測定または推定により取得する電流値取得部（１６）をさらに備え、
   前記温度取得部は、前記電駆動システムの設置環境の環境温度を検出する第２温度センサから前記環境温度を取得し、取得された前記環境温度と、前記電流値取得部で取得された前記送電部の電流値に基づき前記送電部温度を特定して取得する、制御装置。
5. 請求項１に記載の制御装置において、
   前記電駆動システムは飛行体に搭載され、
   前記発電制御部は、前記飛行体の飛行に必要な出力であって、予め定められた所定の閾値より大きい出力を前記モータが出力するように、前記発電システムの発電を制御する、制御装置。

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