JP5811755B2 - モータ温度検出装置及び駆動力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動用モータの温度推定に関し、特にインホイルモータにおける温度推定及びその温度に基づく駆動力制御に関する。

従来、インホイルモータの温度を推定する技術として特許文献１に記載の技術が知られている。この公報には、インホイルモータのハウジング部分に取り付けられた温度センサによりモータ温度を検出している。

特開２００８−１６８７９０号公報

しかしながら、実際に温度として検出したい箇所は、ステータのコイルが巻回されている部分のコイル部分の温度、例えばコイル内周温度であり、ハウジング等に取り付けられた温度センサでは、コイル内周温度を精度良く検出することができないという問題があった。

本発明は、上記問題に着目してなされたもので、モータの温度を精度良く検出するモータ温度検出装置及びそれを備えた駆動力制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、モータハウジング内にロータとステータとを有し、ロータの回転に応じてモータハウジング内下方に貯留された油を掻き揚げて潤滑及び冷却を行なうモータにおいて、モータハウジング内の油の温度を検出する油温センサを有し、モータの熱容量と、モータの発熱量と、油温センサにより検出された油温とに基づいてステータの巻線内周温度を演算により検出し、該巻線内周温度に基づいてモータ温度を検出することとした。

よって、モータ温度を精度良く検出することができる。

実施例１の温度検出装置及び駆動力制御装置を備えた車両の全体システム図である。 実施例１の駆動モータの構成を表す断面図である。 実施例１の制御構成を表すブロック図である。 実施例１の巻線温度推定部の構成を表すブロック図である。 実施例１のトルク制限処理を表すフローチャートである。 実施例１の巻線温度演算処理及びトルク制限処理を行なう場合のタイムチャートである。

図１は実施例１の温度検出装置及び駆動力制御装置を備えた車両の全体システム図である。実施例１の車両は、後輪駆動型電気自動車であり、従動輪である前輪FR,FLと、駆動輪である後輪RR,RLとを有する。後輪RRには、この後輪RRを直接駆動するインホイール型の駆動モータMRと、駆動モータMRの回転角を検出する回転角センサNRとを有する。同様に、後輪RLには、この後輪RLを直接駆動するインホイール型の駆動モータMLと、駆動モータMLの回転角を検出する回転角センサNLとを有する。以下、回転角センサNR，NLを総称して回転角センサS3と記載する。駆動モータMR,MLはモータコントローラ５０により制御された電流により所望のトルクを出力する。

図２は実施例１の駆動モータの構成を表す断面図である。駆動モータは、モータハウジング３内にモータ４及び遊星歯車組５を収納して構成されている。モータ４は、ケース本体１の内周に嵌合して固定された円環状のステータ６と、かかる円環状ステータ６の内周にラジアルギャップを持たせて同心に配置したロータ７とで構成されている。ステータ６には、ステータ６のコイル外周側温度を検出する巻線温センサS1が設けられている。巻線温センサS1は、周方向に間隔を設けて複数設けられているが、一つであってもよく、特に限定しない。モータハウジング３内の下部であって油２１に浸かった箇所には、油の温度を検出する油温センサS2が設けられている。

図３は実施例１の制御構成を表すブロック図である。実施例１の電気自動車は、上位コントローラにおいて運転者のアクセルペダル開度等に基づいて要求駆動力を算出し、その要求駆動力を満たす目標駆動トルクをモータコントローラ５０に出力する。モータコントローラ５０には、目標駆動トルクに対して各種制限等を考慮した最終的なトルク指令を演算して出力するトルク指令部５１と、油温センサS2及び巻線温センサS1により検出された温度に基づいて巻線温度を推定する巻線温度推定部５２と、トルク指令部５１から出力されたトルク指令に基づいて、駆動モータに対して電流制御を行い、所望のトルクを出力させる電流制御部５３とを有する。

トルク指令部５１では、巻線温度推定部５２により推定された巻線温度に応じてトルク指令に上限値を設定する上限設定部５１ａを有し、上限設定制御を実行する。具体的には、巻線温度が高いときに高いトルク指令を継続すると、駆動モータの過熱が懸念され、耐久性の低下等を招く。そこで、巻線温度が予め設定された所定の閾値よりも高いときは、目標駆動トルクに代えてトルク指令上限値を設定する。これにより、駆動モータの過度の発熱を抑制するものである。

巻線温度推定部５２では、電流制御部５３から３相電流に基づく相電流実効値Ｉｒｍｓ及びモータ回転数Nを入力すると共に、油温Toil及び巻線外周温度Tref_coilに基づいて巻線温度を推定する。図４は実施例１の巻線温度推定部の構成を表すブロック図である。巻線温度推定部５２内には、熱容量Cp及び熱抵抗Rthを演算する係数演算部５２ａと、巻線内周温度を演算する巻線温度演算部５２ｂと、巻線外周温度Tref_coilと演算された巻線内周温度Tcal_coilとのいずれか高いほうを推定された巻線温度Tcoil（すなわちモータ温度）として出力する選択部５２ｃとを有する。説明の都合上、まず、巻線温度演算部５２ｂについて説明する。

この演算には、下記の式を用いる。
今回の制御周期における巻線内周温度をTcal_coil(t)
前回の制御周期におけるモータ温度をTcoil(t-1)
相電流実効値をIrms
相抵抗をRel
熱容量をCp
油温をToil
熱抵抗をRth
制御周期をΔt
としたとき、
Tcal_coil(t)＝Tcoil(t-1)＋〔{(A×Irms²×Rel)−{(Tcoil(t-1)−Toil)／Rth}}／Cp〕×Δt
により演算する。尚、Aは任意の定数であり、モータに応じて設定される所定値である。

ここで、本演算式の特徴について説明する。基本的に、モータの温度を測定するとは、ステータ６に設けられたコイルの温度を測ることと同義である。そこで、コイルの巻線外周側に温度センサを設けて測定することが行なわれる。しかし、コイルの巻線内周と巻線外周とでは温度差があり、巻線外周温度が必ずしも巻線内周温度と線形に相関しているとはいえない。また、モータ温度を測定するにあたり最重要な温度は、最も加熱する箇所であり、モータ駆動時に最も過熱する箇所は巻線内周側であるが、直接的に測定するのは極めて困難な箇所である。

そこで、巻線内周側の温度を推定するにあたり、モータモデルを作成し、このモータモデルに基づいて演算する必要がある。しかし、モータモデルを精密に再現すると、極めて多くの要素が関与してしまい、演算負荷が高まるため現実的とはいえない。よって、巻線内周温度に対する感度の高い要素を抽出し、その要素に基づいて演算式を構成することとした。

実施例１の演算式では、演算パラメータとして油温を用いている点に特徴を有する。一般に、モータモデルを想定する場合、コイルの熱は、大きく分けてコア側に伝達する要素と、コイル外側に伝達する要素とがあり、コア側を重視することが多い。しかしながら、実施例１のインホイルモータでは、モータハウジング３内に潤滑及び冷却用の油が所定量充填されており、ステータ６の下方は常時、油に浸かっている。また、この油が汲み上げられ、更に遠心力によりモータハウジング３内に飛散するため、ステータ６の上方も油によって冷却される。このことから、油はステータ６の温度を吸収する重要な要素であり、実験的にも油温Toilが大きく相関していることが見出された。そこで、演算式のパラメータとして油温Toilを用いることで、巻線内周温度の推定精度を向上している。

尚、遊星歯車組５の潤滑や冷却の観点からも、油の性能を発揮する温度領域は所定温度以下と決められており、油温センサS2が取り付けられている。そこで、当初からの監視対象である油温を採用することで、新たなセンサを追加する必要がなく、コストアップを抑制することができる。

次に、係数演算部５２ａについて説明する。上記演算式に用いる熱容量Cpは、モータ回転数Nに対しては一定の特性とし、相電流実効値Irmsに対して可変とする構成とした。具体的には、相電流実効値Irmsが大きいほど、小さな値に設定する。また、熱抵抗Rthは、モータ回転数Nが大きいほど小さい値とし、また、相電流実効値Irmsが大きいほど大きな値に設定する。これらは、モータハウジング内の複雑な熱収支モデルを簡略化するために可変としたものであり、いわばモータの見かけの熱抵抗、モータの見かけの熱容量である。これにより、モータの作動状態に応じた適切な演算を行なうことができる。

次に、選択部５２ｃでは、今回の制御周期において演算された巻線内周温度Tcal_coilと巻線外周温度Tref_coilとを比較し、いずれか高いほうを最終的な巻線温度Tcoilとしてトルク指令部５１に出力する。すなわち、コイルは通電すると巻線内周側の温度が高くなり、その熱が巻線外周側に伝達される。このとき、通電量が減少し、巻線内周側の温度は低下したとしても、その熱の伝達遅れ等によって巻線外周側の温度のほうが高い場合が存在する。このときは、巻線外周側の温度を優先することで、コイルに対する熱負荷の軽減を図るものである。

次に、電流制御部５３について説明する。電流制御部５３は、トルク指令部５１から最終的に決定されたトルク指令と、駆動モータに供給する電流値を検出する電流センサにより検出された３相電流と、回転角センサS3により検出された回転角に基づいて、トルク指令に応じたゲート信号をインバータに出力する。インバータでは、受信したゲート信号に応じてスイッチング素子を切り替え、所望の電流を駆動モータに供給する。

図５は実施例１のトルク制限処理を表すフローチャートである。尚、ステップS101〜S110までは巻線温度推定部５２にて実施され、ステップS111，S112はトルク指令部５１にて実施される。
ステップS101では、モータ回転数Nを入力する。
ステップS102では、相電流実効値Irmsを入力する。
ステップS103では、N，Irmsから熱抵抗Rthを算出する。
ステップS104では、N，Irmsから熱容量Cpを算出する。
ステップS105では、油温Toilを入力する。
ステップS106では、巻線外周温度Tref_coilを入力する。
ステップS107では、Rth，Cp，Toil，Tcoilから巻線内周温度Tcal_coilを演算する。
ステップS108では、演算された巻線内周温度Tcal_coilが巻線外周温度Tref_coil以上か否かを判断し、Tcal_coil≧Tref_coilのときはステップS109に進んでTcal_coilを巻線温度Tcoilとして設定する。一方、Tcal_coil＜Tref_coilのときはステップS110へ進んでTref_coilを巻線温度Tcoilとして設定する。

ステップS111では、巻線温度Tcoilが所定の閾値以上か否かを判断し、閾値以上のときはトルク制限処理を実行し、閾値未満のときは特にトルク制限の必要がないことから、ステップS101へ戻って引き続き温度推定を継続する。

図６は実施例１の巻線温度演算処理及びトルク制限処理を行なう場合のタイムチャートである。
時刻ｔ１において、運転者がアクセルペダルを踏み込み、走行を開始すると、駆動モータに駆動電流が供給され、ステータ６のコイルの温度は上昇する。このとき、巻線内周温度のほうが素早く上昇を始めるため、巻線温度TcoilはTcal_coilが選択される。
時刻ｔ２において、巻線温度Tcoilがトルク制限を開始する閾値以上となると、トルク制限処理が開始され、目標駆動トルクに所定の制限をかけたトルク指令を出力する。この制限は、具体的には駆動トルク上限値を設定し、目標駆動トルクが駆動トルク上限値よりも大きいときは、駆動トルク上限値に応じた指令電流を出力する。仮に、巻線内周温度を演算することなく、巻線外周温度のみを検出している場合、巻線内周温度が高いにもかかわらずトルク指令値の制限が行なわれない。よって、巻線内周温度が過度に上昇し、耐久性に影響を与えるおそれがある。これに対し、巻線内周温度を精度良く演算し、その温度に基づいてトルク指令値を制限するため、巻線内周温度が過剰に高くなることがなく、耐久性の向上を図ることができる。

時刻ｔ３において、巻線温度Tcoilがトルク制限を開始する閾値未満となると、トルク制限が解除され、目標駆動トルクに応じた指令電流を出力する。
時刻ｔ４において、巻線内周温度Tcal_coilが巻線外周温度Tref_coilよりも低くなると、巻線温度TcoilはTref_coilが選択される。すなわち、巻線内周側の過熱によって、その熱が若干遅れて巻線外周側に伝達されるような場合、巻線外周側のほうが高い温度となる。この場合には、巻線外周温度Tref_coilを巻線温度Tcoilとすることで、仮に、巻線外周温度が所定の閾値よりも高いときは、トルク制限が行なわれるため、巻線外周の過度の温度過熱を防止でき、耐久性の向上を図ることができる。

以上説明したように、実施例１にあっては下記の作用効果を得ることができる。
（１）モータハウジング３内にロータ７とステータ６とを有し、ロータ７の回転に応じてモータハウジング３内下方に貯留された油を掻き揚げて潤滑及び冷却を行なうモータにおいて、モータハウジング３内の油の温度を検出する油温センサS2を有し、モータの熱容量Cpと、モータの熱抵抗Rthと、油温センサS2により検出された油温とに基づいてステータ６の巻線内周温度Tcal_coilを演算により検出し、該巻線内周温度Tcal_coilに基づいてモータ温度を検出する巻線温度推定部５２（モータ温度検出手段）を備えた。
よって、巻線内周温度に感度の高い油温要素に基づいてモータ温度を検出するため、精度の高い温度を検出できる。

（２）ステータ６の巻線外周温度を検出する温度センサS1を有し、巻線温度推定部５２は、温度センサS2により検出された巻線外周温度Tref_coilと演算により検出された巻線内周温度Tcal_coilとのうち、高いほうをモータ温度として検出する。
よって、巻線内周の温度が低下し始め、その温度が巻線外周に伝達されることで、巻線外周温度が遅れて上昇したような場合でも、適切に巻線温度を検出することができる。

（３）熱容量Cpは、モータに供給される電流値が大きいほど小さく設定することとした。
よって、モータの運転状態に応じた適切な熱容量を設定することができ、モータ温度の検出精度を高めることができる。

（４）熱抵抗Rthは、モータ回転数が大きいほど小さく、かつ、電流値が小さいほど小さく設定することとした。
よって、モータの運転状態に応じた適切な熱抵抗を設定することができ、モータ温度の検出精度を高めることができる。

（５）巻線温度推定部５２は、
今回の制御周期における巻線内周温度をTcal_coil(t)
前回の制御周期におけるモータ温度をTcoil(t-1)
相電流実効値をIrms
相抵抗をRel
熱容量をCp
油温をToil
熱抵抗をRth
制御周期をΔt
任意の定数をA
としたとき、
Tcal_coil(t)＝Tcoil(t-1)＋〔{(A×Irms²×Rel)−{(Tcoil(t-1)−Toil)／Rth}}／Cp〕×Δt
により演算する。
よって、巻線内周温度に感度の高い油温要素に基づいてモータ温度を検出することができ、精度の高い温度を検出することができる。

（６）モータは、車両の走行用の駆動源として駆動輪に設けられたインホイルモータである。すなわち、インホイルモータは、車両の複数輪に搭載されるため、バネ下荷重であることからコンパクト化が要求されており、出力密度（単位体積当たりに出力可能な仕事量）が極めて高い。よって、温度変化が大きく、推定精度を高める必要性が高い。また、このモータは車両に複数個搭載されることから、コスト的にも極力圧縮する必要がある。そこで、当初から搭載が必須とされる油温センサを用いて巻線内周温度を推定することで、新たなセンサを必要とせず、しかも高い精度の温度演算を達成できる。

（７）車両の駆動源であって、モータハウジング３内にロータ７とステータ６とを有し、ロータ７の回転に応じてモータハウジング３内下方に貯留された油を掻き揚げて潤滑及び冷却を行なうモータと、モータハウジング３内の油の温度を検出する油温センサS2と、運転者の要求に応じて前記モータの出力トルクを制御するモータコントローラ５０（モータ制御手段）と、上記（１）ないし（５）いずれか一つに記載された巻線温度推定部５２と、検出された巻線温度Tcoil（モータ温度）が所定閾値以上のときは、モータの出力トルクを制限する上限設定部５１ａ（モータトルク制限手段）と、を備えた。
よって、モータ温度の過熱が検出されたときは、モータの出力トルクに制限をかけることで、モータ温度の上昇を抑制することができ、モータの耐久性の向上を図ることができる。

以上、本願発明を実施例に基づいて説明してきたが、上記実施例に限らず、他の構成であっても本願発明に含まれる。例えば、実施例１では、後輪駆動型の電気自動車について説明したが、前輪駆動型や4輪駆動型の電気自動車でもよい。また、実施例１では、モータハウジングに取り付けられたオイルポンプによって油を掻き揚げ、遊星歯車組から遠心力によって油を飛散させる構成としたが、ロータによって貯留された油を掻き揚げる構成でもよいし、減速機構等によって油を掻き揚げる構成でもよい。また、実施例１では、モータ巻線内周温度を演算し、この温度に基づいてモータ温度を検出することとしたが、モータ巻線内周に限らず、温度が高くなると考えられる他の部位の温度を演算するように構成してもよい。

１ ケース本体
３ モータハウジング
４ モータ
５ 遊星歯車組
６ ステータ
７ ロータ
８ 入力軸
９ 出力軸
３１ オイル
３１ 油
３２ オイルポンプ
５０ モータコントローラ
５１ トルク指令部
５１ａ 上限設定部
５２ 巻線温度推定部
５２ａ 係数演算部
５２ｂ 巻線温度演算部
５２ｃ 選択部
５３ 電流制御部
Cp 熱容量
Irms 相電流実効値
ML 駆動モータ
MR 駆動モータ
N モータ回転数
NR，NL レゾルバ
Rth 熱抵抗
S1 温度センサ
S1 巻線温センサ
S1 油温センサ

Claims (7)

1. モータハウジング内にロータとステータとを有し、前記ロータの回転に応じて前記モータハウジング内下方に貯留された油を掻き揚げて潤滑及び冷却を行なうモータにおいて、前記モータハウジング内の油の温度を検出する油温センサを有し、
   前記モータの熱容量と、前記モータの熱抵抗と、前記油温センサにより検出された油温とに基づいて前記ステータの巻線内周温度を演算により検出し、該巻線内周温度に基づいてモータ温度を検出するモータ温度検出手段を備えたことを特徴とするモータ温度検出装置。
2. 請求項１に記載のモータ温度検出装置において、
   前記ステータの巻線外周温度を検出する温度センサを有し、
   前記モータ温度検出手段は、前記温度センサにより検出された巻線外周温度と前記演算により検出された巻線内周温度とのうち、高いほうをモータ温度として検出することを特徴とするモータ温度検出装置。
3. 請求項１または２に記載のモータ温度検出装置において、
   前記熱容量は、前記モータに供給される電流値が大きいほど小さく設定することを特徴とするモータ温度検出装置。
4. 請求項１ないし３いずれか一つに記載のモータ温度検出装置において、
   前記熱抵抗は、モータ回転数が小さいほど大きく、かつ、電流値が大きいほど大きく設定することを特徴とするモータ温度検出装置。
5. 請求項１ないし４いずれか一つに記載のモータ温度検出装置において、
   前記モータ温度検出手段は、
   今回の制御周期における巻線内周温度をTcal_coil(t)
   前回の制御周期におけるモータ温度をTcoil(t-1)
   相電流実効値をIrms
   相抵抗をRel
   熱容量をCp
   油温をToil
   熱抵抗をRth
   制御周期をΔt
   任意の定数をA
   としたとき、
   Tcal_coil(t)＝Tcoil(t-1)＋〔{(A×Irms²×Rel)−{(Tcoil(t-1)−Toil)／Rth}}／Cp〕×Δt
   により演算することを特徴とするモータ温度検出装置。
6. 請求項１ないし５いずれか一つに記載のモータ温度検出装置において、
   前記モータは、車両の走行用の駆動源として駆動輪に設けられたインホイルモータであることを特徴とするモータ温度検出装置。
7. 車両の駆動源であって、モータハウジング内にロータとステータとを有し、前記ロータの回転に応じて前記モータハウジング内下方に貯留された油を掻き揚げて潤滑及び冷却を行なうモータと、
   前記モータハウジング内の油の温度を検出する油温センサと、
   運転者の要求に応じて前記モータの出力トルクを制御するモータ制御手段と、
   請求項１ないし５いずれか一つに記載されたモータ温度検出装置と、
   前記検出されたモータ温度が所定以上のときは、前記モータの出力トルクを制限するモータトルク制限手段と、
   を備えたことを特徴とする駆動力制御装置。

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