JP2024080896A - Semiconductor element temperature control method and semiconductor element temperature control device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体素子温度制御方法及び半導体素子温度制御装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor element temperature control method and a semiconductor element temperature control device.
電動車両に搭載される各発熱部品を冷却する冷却系において、各発熱部品の駆動状況に応じた発熱量(冷却水温度)に基づいて冷媒流量を変化させる制御が知られている。特に、冷却系に発熱部品として、車載の直流電源と走行駆動用モータなどの交流電動機との間の電力を調節する電力変換器(インバータ)が配置されることがある。すなわち、インバータのパワーモジュールを構成する半導体素子が発熱源となるので、冷却系において半導体素子を冷却する。この場合、半導体素子の温度が変化に伴う冷却系の冷却水温度の変化が検出されると、当該冷却系に配されているポンプの出力を調節して冷媒流量を増減させる。 In a cooling system that cools each heat-generating component mounted on an electric vehicle, a control that changes the refrigerant flow rate based on the amount of heat generated (coolant temperature) according to the driving status of each heat-generating component is known. In particular, a power converter (inverter) that adjusts the power between an on-board DC power source and an AC motor such as a driving motor may be arranged in the cooling system as a heat-generating component. That is, the semiconductor elements that constitute the power module of the inverter are heat sources, and the semiconductor elements are cooled in the cooling system. In this case, when a change in the coolant temperature of the cooling system due to a change in the temperature of the semiconductor elements is detected, the output of a pump arranged in the cooling system is adjusted to increase or decrease the refrigerant flow rate.
一方で、冷却水温度の変化を検出して冷媒流量を増減させる制御ロジックでは、半導体素子の温度変化に対して冷媒流量の制御が追従できない場合があった。 However, the control logic that detects changes in the cooling water temperature and increases or decreases the refrigerant flow rate sometimes cannot keep up with changes in the temperature of the semiconductor elements.
これに対して、特許文献1には、電動車両におけるアクセル開度を参照してインバータで生じる電力損失を推定し、推定した電力損失に基づいて冷媒流量を制御する冷却システムが開示されている。 In response to this, Patent Document 1 discloses a cooling system that estimates the power loss generated by an inverter by referencing the accelerator opening in an electric vehicle, and controls the refrigerant flow rate based on the estimated power loss.
しかしながら、特許文献1の制御においては、アクセル開度(電動車両に対する要求出力)の変化(流量指令値の変化)に対して実冷媒流量の応答が遅れることで、半導体素子の温度が定められた上限値を超えることがある。 However, in the control of Patent Document 1, the response of the actual refrigerant flow rate to a change in the accelerator opening (required output for the electric vehicle) (change in the flow rate command value) is delayed, which can cause the temperature of the semiconductor element to exceed the specified upper limit.
したがって、本発明の目的は、冷却系に配されるインバータの半導体素子の温度が上限値を超える事態の発生をより確実に抑制することにある。 Therefore, the object of the present invention is to more reliably prevent the occurrence of a situation in which the temperature of the semiconductor elements of the inverter arranged in the cooling system exceeds the upper limit value.
本発明のある態様によれば、所定の冷却系に配置されて電源と電動機との間で電力変換を行うインバータの半導体素子の温度を制御する半導体素子温度制御方法が提供される。この半導体素子温度制御方法では、電動機が出力すべきトルクを規定するトルク指令値を演算し、トルク指令値に基づいて冷却系における冷媒流量を制御し、半導体素子の損失に基づいて該インバータの動作パラメータを制限する損失制限処理を実行する。 According to one aspect of the present invention, a semiconductor element temperature control method is provided that controls the temperature of a semiconductor element of an inverter that is arranged in a specified cooling system and performs power conversion between a power source and an electric motor. In this semiconductor element temperature control method, a torque command value that specifies the torque to be output by the electric motor is calculated, the flow rate of refrigerant in the cooling system is controlled based on the torque command value, and a loss limiting process is performed to limit the operating parameters of the inverter based on the loss of the semiconductor element.
特に、損失制限処理では、トルク指令値が変化して冷媒流量を変化させる場合に実冷媒流量の応答に要する流量応答時間を演算し、流量応答時間が経過した際の半導体素子の温度が所定の上限温度に一致するときの損失である上限損失値を演算し、流量応答時間が経過するまでの間における損失が上限損失値以下となるように動作パラメータを定める。 In particular, the loss limiting process calculates the flow rate response time required for the actual refrigerant flow rate to respond when the torque command value changes to change the refrigerant flow rate, calculates an upper limit loss value, which is the loss when the temperature of the semiconductor element matches a predetermined upper limit temperature when the flow rate response time has elapsed, and determines operating parameters so that the loss until the flow rate response time has elapsed is equal to or less than the upper limit loss value.
本発明によれば、冷却系に配されるインバータの半導体素子の温度が上限値を超える事態の発生をより確実に抑制することができる。 The present invention makes it possible to more reliably prevent the occurrence of a situation in which the temperature of the semiconductor elements of the inverter arranged in the cooling system exceeds the upper limit value.
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施形態による車両システム10の構成を説明する図である。図示のように、車両システム10は、電動車両(電気自動車又はハイブリッド車両)に搭載され、インバータ20と、バッテリ25と、モータ30と、冷却系40と、コントローラ50と、を有する。
Figure 1 is a diagram illustrating the configuration of a
インバータ20は、パワーモジュール21と、冷却器22と、を有する。パワーモジュール21は、バッテリ側の直流電力とモータ側の交流電力との相互変換を行うための複数の半導体素子(IGBTなど)から構成される。冷却器22は、冷却系40における冷媒(冷却水)により半導体素子を放熱する熱交換器により構成される。
The
特に、インバータ20は、コントローラ50からの指令(トルク指令値T*
m及び後述するインバータ20の動作パラメータΣ)に基づいてパワーモジュール21におけるスイッチング操作を行うことで、バッテリ25とモータ30との間で授受される電力を調節する。
In particular, the
モータ30は、電動車両の走行駆動源、及び/又は走行などに用いる電力を発電するための発電器(ジェネレータ)として機能する三相交流電動機により構成される。
The
冷却系40には、冷却水ポンプ41、ラジエータ42、及び上述したインバータ20の冷却器22が配置される。
The
冷却水ポンプ41は、冷却系40の冷却路内における冷却水を所定の冷却水流量WFで循環させる。特に、冷却水ポンプ41の出力は、コントローラ50から受信する冷却水流量WFの指令値(以下、「流量指令値W*
F」と称する)に基づいて調節される。ラジエータ42は、外気との熱交換により冷却水の放熱を行う。
The
したがって、冷却水ポンプ41の出力(流量指令値W*
F)を適切に定めることで、冷却器22を介したパワーモジュール21(半導体素子)に対する冷却量を調節することができる。
Therefore, by appropriately determining the output (flow rate command value W * F ) of the
コントローラ50は、例えば、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、及び、入出力インタフェース(I/Oインタフェース)等からなり、以下で説明する処理を実行するようにプログラムされたコンピュータにより構成される。より具体的に、コントローラ50の機能は、例えば電動車両の各部を統括制御する車両コントローラ、及びインバータ20を介してモータ30の駆動状態を制御するモータコントローラなどにより実現される。
The
特に、コントローラ50は、回転数・トルク指令部51と、流量制御部52と、損失制限部53と、を有する。
In particular, the
回転数・トルク指令部51は、電動車両に対する要求出力及び車速等に基づいて、トルク指令値T*
m及び回転数指令値N*
mを定める。なお、要求出力は、乗員によるアクセルペダルに対する操作量又は所定の自動運転コントローラから指令に応じて定まる。
The rotation speed/
流量制御部52は、トルク指令値T*
m、温度センサ60で得られる冷却水温度TWの検出値(以下、「現在冷却水温度TW_c」と称する)、回転数センサ61で得られるモータ回転数Nmの検出値(以下、「現在モータ回転数Nm_c」と称する)、及び電圧センサ62で得られる直流電圧Vdcの検出値(以下、「現在直流電圧Vdc_c」と称する)に基づいて、流量指令値W*
Fを定める。
The flow
損失制限部53は、現在冷却水温度TW_c、現在モータ回転数Nm_c、現在直流電圧Vdc_c、及び素子温度センサ63で得られるパワーモジュール21における半導体素子の温度(以下、「素子温度Tj」と称する)の検出値(以下、「現在素子温度Tj_c」と称する)に基づいて、インバータ20の動作を規定する動作パラメータΣを演算する。なお、動作パラメータΣとしては、モータトルクTm、キャリア周波数F、直流電圧Vdc、及び/又はゲート抵抗値Rgのそれぞれの制限値が含まれる。
The
以下では、コントローラ50により実行される半導体素子温度制御方法の詳細について説明する。
The following describes in detail the semiconductor element temperature control method executed by the
図2は、本実施形態の半導体素子温度制御方法を説明するフローチャートである。なお、図2に示す各処理は、コントローラ50により所定の演算周期ごとに繰り返し実行される。
Figure 2 is a flowchart explaining the semiconductor element temperature control method of this embodiment. Note that each process shown in Figure 2 is repeatedly executed by the
ステップS110において、電動車両に対する要求出力及び車速等からトルク指令値T* mを演算する。 In step S110, a torque command value T * m is calculated from the required output for the electric vehicle, the vehicle speed, and the like.
次に、ステップS120において、冷却水流量WFを制御するための処理を実行する。より具体的に、トルク指令値T*
m、現在冷却水温度TW_c、及び現在モータ回転数Nm_cに基づいて流量指令値W*
Fを演算し、当該流量指令値W*
Fを実現するように冷却水ポンプ41の出力を調節する。
Next, in step S120, a process is executed to control the coolant flow rate W F. More specifically, a flow rate command value W * F is calculated based on the torque command value T * m , the current coolant temperature T W_c , and the current motor rotation speed Nm_c , and the output of the
図3は、本実施形態における流量指令値W* Fを定めるマップ(以下、「流量指令値マップ」と称する)を説明する図である。図示のように、流量指令値マップは、トルク指令値T* m、冷却水温度TW、及びモータ回転数Nmに基づいて予め段階的に冷却水流量WFを区分して流量指令値W* Fを定めている。すなわち、流量指令値マップでは、トルク指令値T* m、冷却水温度TW、及びモータ回転数Nmに応じて、インバータ20における発熱量(半導体素子のスイッチング損失)の大小が異なる各シーンを予め推定し、各シーンに適切な流量指令値W* Fを割り当てている。 3 is a diagram for explaining a map for determining the flow command value W * F in this embodiment (hereinafter referred to as the "flow command value map"). As shown in the figure, the flow command value map pre-classifies the cooling water flow rate WF in stages based on the torque command value T * m , the cooling water temperature Tw , and the motor rotation speed Nm to determine the flow command value W * F . That is, the flow command value map pre-estimates each scene in which the amount of heat generated in the inverter 20 (switching loss of semiconductor elements) is different according to the torque command value T * m , the cooling water temperature Tw , and the motor rotation speed Nm, and assigns an appropriate flow command value W * F to each scene.
特に、図3に示す流量指令値マップでは、流量指令値W* Fを、トルク指令値T* m、冷却水温度TW、及びモータ回転数Nmに応じた「高流量」、「中流量」、及び「低流量」の3段階に区分している。 In particular, in the flow command value map shown in Figure 3, the flow command value W * F is divided into three stages: "high flow", "medium flow", and "low flow" according to the torque command value T * m , the cooling water temperature Tw , and the motor rotation speed Nm.
より具体的に、図3に示す流量指令値マップでは、流量指令値W* Fは、トルク指令値T* mが大きいほど高くなるように定められる(図3(a),(b)参照)。また、流量指令値W* Fは、冷却水温度TWが高いほど高くなるように定められる(図3(a)参照)。さらに、流量指令値W*Fは、モータ回転数Nmが低いほど高くなるように定められる(図3(b)参照)。特に、モータ回転数Nmが数百rpm以下となる極低回転領域、及び0となるモータロック領域においては、半導体素子の発熱量が比較的大きくなる傾向にあるため、流量指令値W* Fが「中流量」又は「高流量」に設定されている。 More specifically, in the flow command value map shown in Fig. 3, the flow command value W * F is set to be higher as the torque command value T * m is larger (see Figs. 3(a) and 3(b)). The flow command value W * F is also set to be higher as the cooling water temperature TW is higher (see Fig. 3(a)). Furthermore, the flow command value W*F is set to be higher as the motor rotation speed Nm is lower (see Fig. 3(b)). In particular, in the extremely low rotation speed region where the motor rotation speed Nm is several hundred rpm or less, and in the motor lock region where the motor rotation speed Nm is 0, the amount of heat generated by the semiconductor elements tends to be relatively large, so the flow command value W * F is set to a "medium flow rate" or "high flow rate".
なお、流量指令値マップでは、トルク指令値T* mが予め定められる閾値トルクTm_thを跨いで変化する場合に流量指令値W* Fが切り替わる(図3(c)参照)。すなわち、トルク指令値T* mが閾値トルクTm_thを跨ぐ際に冷却水流量WFがステップ的に変化することとなる。 In the flow command value map, the flow command value W * F is switched when the torque command value T * m changes across a predetermined threshold torque Tm_th (see FIG. 3C). That is, when the torque command value T * m crosses the threshold torque Tm_th , the cooling water flow rate WF changes in a step manner.
しかしながら、冷却水流量WFの制御系の応答特性(冷却水ポンプ41の出力の応答遅れなど)により、流量指令値W* Fの切り替えに対して、現実の冷却水流量WF(以下、「実冷却水流量WF_R」と称する)が流量指令値W* Fに追いつくまでに一定の時間を要する(応答遅れが生じる)。さらに、上記流量指令値マップを用いる制御の場合、閾値トルクTm_thを跨ぐタイミングにおいて冷却水流量WFを一定程度の幅で変化させることが求められるため、実冷却水流量WF_Rの応答遅れの影響が強くなる。 However, due to the response characteristics of the control system for the coolant flow rate WF (such as a response delay in the output of the coolant pump 41 ), it takes a certain amount of time (response delay occurs) for the actual coolant flow rate WF ( hereinafter referred to as the "actual coolant flow rate WF_R ") to catch up with the flow rate command value W * F when the flow rate command value W*F is switched. Furthermore, in the case of control using the flow rate command value map, the coolant flow rate WF is required to be changed by a certain amount at the timing crossing the threshold torque Tm_th , so that the effect of the response delay in the actual coolant flow rate WF_R becomes strong.
このため、実冷却水流量WF_Rの流量指令値W*
Fへの応答期間に素子温度Tjが増加し、耐熱保護の観点から定められる上限温度Tj_maxを超えることがある。そして、素子温度Tjが上限温度Tj_maxを超えると、これ以上の素子温度Tjの増加を抑制すべく、モータトルクTmを一定幅で減少させる出力制限が作動し、電動車両の乗員に違和感を与えることがある。特に、この状況は、パワーモジュール21を、直接冷却パワーモジュール、又は両面冷却パワーモジュールなどの熱時定数が比較的小さい(応答が比較的早い)部品で構成した場合に特に発生しやすくなる。
For this reason, the element temperature Tj increases during the response period of the actual coolant flow rate WF_R to the flow rate command value W * F , and may exceed the upper limit temperature Tj_max determined from the viewpoint of heat resistance protection. When the element temperature Tj exceeds the upper limit temperature Tj_max , an output limit is activated to reduce the motor torque Tm by a certain amount in order to suppress a further increase in the element temperature Tj , which may cause an uncomfortable feeling to the passengers of the electric vehicle. This situation is particularly likely to occur when the
したがって、本実施形態では、必要に応じて、流量指令値W* Fを切り替える際に、より確実に素子温度Tjが上限温度Tj_maxを超えないように、後述の損失制限処理を行う。 Therefore, in this embodiment, when the flow command value W * F is switched as necessary, a loss limiting process described below is performed to more reliably prevent the element temperature Tj from exceeding the upper limit temperature Tj_max .
図2に戻り、ステップS130において、損失制限処理の要否を判定する。より具体的には、現在冷却水温度TW_cが所定の閾値温度TW_H以上、又はトルク指令値T* mが所定の閾値トルクTm_th以上である場合に、損失制限処理が必要と判断し、そうでない場合には不要と判断する。すなわち、ステップS130の判定は、素子温度Tjが上限温度Tj_maxを超え得るシーンを特定する趣旨で実行される。なお、閾値温度TW_H及び閾値トルクTm_thは、それぞれ、図3の流量指令値マップにおいて定められる、流量指令値W* Fを切り替えるための冷却水温度TW及びトルク指令値T* mとして定める。一方で、ステップS130における閾値温度TW_H及び閾値トルクTm_thを、図3の流量指令値マップにおいて定められる各閾値とは別に定めても良い。 Returning to FIG. 2, in step S130, it is determined whether loss limiting processing is necessary. More specifically, if the current cooling water temperature T W_c is equal to or higher than a predetermined threshold temperature T W_H , or if the torque command value T * m is equal to or higher than a predetermined threshold torque T m_th , it is determined that loss limiting processing is necessary, and if not, it is determined that loss limiting processing is unnecessary. That is, the determination in step S130 is performed with the purpose of identifying a scene in which the element temperature T j may exceed the upper limit temperature T j_max . Note that the threshold temperature T W_H and the threshold torque T m_th are respectively determined as the cooling water temperature T W and the torque command value T * m for switching the flow command value W * F , which are determined in the flow command value map in FIG. 3. On the other hand, the threshold temperature T W_H and the threshold torque T m_th in step S130 may be determined separately from the respective thresholds determined in the flow command value map in FIG. 3.
ステップS130の判定結果が否定的であると、インバータ20の動作パラメータΣを基本制御値に維持して処理を終了する。一方で、ステップS130の判定結果が肯定的であると、損失制限処理(S140)を実行する。損失制限処理では、流量指令値W*
Fの切り替えの際に素子温度Tjが上限温度Tj_maxを超えないように、インバータ20の動作パラメータΣを調節(制限)する。
If the determination result in step S130 is negative, the operation parameter Σ of the
図4は、損失制限処理の詳細を説明するフローチャートである。図示のように、損失制限処理では、先ず、流量応答時間Δtfrを演算する。 4 is a flow chart for explaining the details of the loss limiting process. As shown in the figure, in the loss limiting process, first, the flow rate response time Δtfr is calculated.
ここで、流量応答時間Δtfrは、現制御タイミングt1からトルク指令値T* mが変化して流量指令値W* Fが切り替わると仮定した場合において実冷却水流量WF_Rの応答に要する時間を意味する。 Here, the flow rate response time Δtfr means the time required for the actual coolant flow rate WF_R to respond when it is assumed that the torque command value T * m changes from the current control timing t1 and the flow rate command value W * F is switched.
図5には、トルク指令値T* mの変化(流量指令値W* Fの切り替わり)に対する実冷却水流量WF_Rの応答を説明する図である。 FIG. 5 is a diagram for explaining the response of the actual coolant flow rate WF_R to a change in the torque command value T * m (switching of the flow rate command value W * F ).
図示のように、現制御タイミングt1においてトルク指令値T* mが閾値トルクTm_thを超えて流量指令値W* Fが切り替わる場合、実冷却水流量WF_Rは応答完了タイミングt2において切り替え後の流量指令値W* Fに到達する。流量応答時間Δtfrは、この応答に要する時間(=t2-t1)として演算される。 As shown in the figure, when the torque command value T * m exceeds the threshold torque Tm_th at the current control timing t1 and the flow command value W * F is switched, the actual cooling water flow rate WF_R reaches the switched flow command value W * F at the response completion timing t2. The flow response time Δtfr is calculated as the time required for this response (=t2-t1).
特に、流量応答時間Δtfrは、予め実験等により把握される冷却系40の応答特性を参照し、現制御タイミングt1におけるトルク指令値T*
mに応じて演算される。なお、予めトルク指令値T*
mと流量応答時間Δtfrの関係を定めたテーブルを準備し、当該テーブルに現制御タイミングt1及び現在のトルク指令値T*
mを適用することで流量応答時間Δtfrを求める構成を採用しても良い。さらに、演算精度をより向上させる観点から、トルク指令値T*
mに加えてその他の適切なパラメータ(冷却水温度TW及びモータ回転数Nm等)と、流量応答時間Δtfrと、を関係付けたマップを予め準備し、当該マップを参照して現制御タイミングt1におけるトルク指令値T*
m及び当該パラメータから流量応答時間Δtfrを演算しても良い。
In particular, the flow rate response time Δtfr is calculated according to the torque command value T * m at the current control timing t1 with reference to the response characteristics of the
図4に戻り、ステップS142において、上限損失値Pmaxを演算する。ここで、上限損失値Pmaxは、流量応答時間Δtfrが経過したとき(すなわち、応答完了タイミングt2に到達したとき)に、素子温度Tjが半導体素子の耐熱保護の観点から定められる上限温度Tj_maxに到達すると仮定した場合の半導体素子の損失Pとして演算される。また、損失Pは、半導体素子におけるスイッチング損失の大きさ(すなわち、発熱量の大きさ)を表す指標値である。 Returning to Fig. 4, in step S142, an upper limit loss value Pmax is calculated. Here, the upper limit loss value Pmax is calculated as the loss P of the semiconductor element on the assumption that the element temperature Tj reaches the upper limit temperature Tj_max determined from the viewpoint of heat resistance protection of the semiconductor element when the flow rate response time Δtfr has elapsed (i.e., when the response completion timing t2 is reached). The loss P is an index value that indicates the magnitude of the switching loss in the semiconductor element (i.e., the magnitude of the heat generation).
より具体的に、上限損失値Pmaxは以下の式(1)により演算される。 More specifically, the upper limit loss value P max is calculated by the following formula (1).
式中の「ΔTj_max」は、現在素子温度Tj_cから上限温度Tj_maxまでの温度増分、「τ」は半導体素子の熱時定数、及び「K」は半導体素子の熱抵抗変化係数をそれぞれ表す。 In the formula, "ΔT j_max " represents the temperature increment from the current element temperature T j_c to the upper limit temperature T j_max , "τ" represents the thermal time constant of the semiconductor element, and "K" represents the thermal resistance change coefficient of the semiconductor element.
なお、熱時定数τは、パワーモジュール21の種類に依存する熱特性に応じて予め定められる。また、熱抵抗変化係数Kは、半導体素子の流量当たりの発熱量(温度)の変化量として定まる係数である。
The thermal time constant τ is determined in advance according to the thermal characteristics that depend on the type of
特に、熱抵抗変化係数Kは、現在の冷却水流量WF(図示しない流量センサによる検出値又は流量指令値W* F)、及び現在素子温度Tj_cに基づいて、予め準備された流量-素子温度テーブル(図6)を参照することで定めることができる。より詳細には、熱抵抗変化係数Kは、図6に示す流量-素子温度テーブルを表す曲線上において、現在の冷却水流量WF及び現在素子温度Tj_cに相当する運転点における変化率(微分係数)として演算することができる。 In particular, the thermal resistance change coefficient K can be determined by referring to a flow rate-element temperature table (FIG. 6) prepared in advance based on the current cooling water flow rate W F (a value detected by a flow rate sensor not shown or a flow rate command value W * F ) and the current element temperature T j_c. More specifically, the thermal resistance change coefficient K can be calculated as a rate of change (differential coefficient) at an operating point corresponding to the current cooling water flow rate W F and the current element temperature T j_c on the curve representing the flow rate-element temperature table shown in FIG. 6.
なお、上限損失値Pmaxを、式(1)を離散化した以下の式(2)を用いて演算しても良い。 The upper limit loss value P max may be calculated using the following equation (2) which is a discretized version of equation (1).
図4に戻り、ステップS143において、応答完了タイミングt2における損失Pが、ステップS142で演算した上限損失値Pmax以下となるように、インバータ20の動作パラメータΣを演算する。
Returning to FIG. 4, in step S143, an operating parameter Σ of the
より具体的に、インバータ20における半導体素子の損失P、電流I、直流電圧Vdc、及びキャリア周波数Fの関係は、予め定められる適切な関数fにより以下の式(3)で表すことができる。
More specifically, the relationship between the loss P of the semiconductor elements in the
また、モータトルクTm、電流I、直流電圧Vdc、及びモータ回転数Nmの関係は、予め定められる適切な関数gにより以下の式(4)で表すことができる。 Moreover, the relationship between the motor torque T m , the current I, the DC voltage V dc , and the motor rotation speed N m can be expressed by the following equation (4) using a predetermined appropriate function g.
したがって、式(3)及び式(4)の損失Pに上限損失値Pmaxを適用し、関数f、gに相当するそれぞれの演算を行うことで、損失Pが上限損失値Pmaxに一致する条件を満たす動作パラメータΣ(より具体的には、モータトルクTm、キャリア周波数F、及び直流電圧Vdc)を求めることができる。なお、関数f、gのそれぞれと等価のマップを予め準備して演算負担を軽減しても良い。以下、各動作パラメータΣにおける具体的な演算態様の例について説明する。 Therefore, by applying the upper limit loss value Pmax to the loss P in equations (3) and (4) and performing calculations corresponding to the functions f and g, it is possible to determine the operating parameters Σ (more specifically, the motor torque Tm , the carrier frequency F, and the DC voltage Vdc ) that satisfy the condition that the loss P coincides with the upper limit loss value Pmax. Note that maps equivalent to the functions f and g may be prepared in advance to reduce the calculation burden. Below, specific examples of the calculation modes for each operating parameter Σ are described.
[モータトルク]
先ず、式(3)に、上限損失値Pmax、現在直流電圧Vdc_c、及び現制御タイミングt1で設定されているキャリア周波数Fを適用することで、応答完了タイミングt2における損失Pが上限損失値Pmaxに一致すると仮定した場合の電流I(以下、「上限電流Imax」と称する)を演算する。
[Motor torque]
First, by applying the upper limit loss value P max , the current DC voltage V dc_c , and the carrier frequency F set at the current control timing t1 to equation (3), the current I (hereinafter referred to as the “upper limit current I max ”) is calculated assuming that the loss P at the response completion timing t2 matches the upper limit loss value P max .
さらに、式(4)に、上限電流Imax、現在直流電圧Vdc_c、及び現在モータ回転数Nm_cを適用することで、応答完了タイミングt2における損失Pが上限損失値Pmaxに一致すると仮定した場合のモータトルクTm(以下、「上限モータトルクTm_max」と称する)を演算する。 Furthermore, by applying the upper limit current Imax , the current DC voltage Vdc_c , and the current motor rotation speed Nm_c to equation (4), the motor torque Tm (hereinafter referred to as "upper limit motor torque Tm_max ") is calculated assuming that the loss P at the response completion timing t2 matches the upper limit loss value Pmax .
そして、コントローラ50は、現制御タイミングt1から応答完了タイミングt2までのモータトルクTmを、上限モータトルクTm_max以下の制限トルクTm_limに調節する。
Then, the
図7には、モータトルクTmの制限における具体的な態様の例を示す。 FIG. 7 shows an example of a specific mode for limiting the motor torque Tm .
図7(a)に示す例では、現制御タイミングt1から応答完了タイミングt2の区間(以下、「損失制限区間[t1,t2]」と称する)におけるモータトルクTmを、上限モータトルクTm_max未満の制限トルクTm_limによりリミットする。そして、応答完了タイミングt2においてトルク制御を解除する。 In the example shown in Fig. 7A, the motor torque Tm in the section from the current control timing t1 to the response completion timing t2 (hereinafter referred to as the "loss limit section [t1, t2]") is limited by a limit torque Tm_lim that is less than the upper limit motor torque Tm_max . Then, the torque control is released at the response completion timing t2.
なお、上記制限トルクTm_limは、上記損失制限区間[t1,t2]においてモータトルクTmが上限モータトルクTm_max未満に維持されつつ、損失制限区間[t1,t2]の突入時及び完了時に生じるトルク段差をできるだけ小さくするための適切な値に定められる。 The limit torque T m_lim is set to an appropriate value for minimizing the torque step that occurs at the entry and completion of the loss limit section [t1, t2] while maintaining the motor torque T m less than the upper limit motor torque T m_max in the loss limit section [t1, t2].
これにより、モータトルクTmが、上記損失制限区間[t1,t2]において、半導体素子の損失Pが上限損失値Pmax以下となるように調節されることとなる。このため、素子温度Tjが上限温度Tj_max以下に維持され、耐熱保護のための出力制限の作動が抑制される。すなわち、当該出力制限に起因するモータトルクTmの急変化の発生が抑制される。 As a result, the motor torque Tm is adjusted so that the loss P of the semiconductor element is equal to or less than the upper limit loss value Pmax in the loss limit section [t1, t2]. Therefore, the element temperature Tj is maintained equal to or less than the upper limit temperature Tj_max , and the activation of the output limit for heat resistance protection is suppressed. In other words, the occurrence of a sudden change in the motor torque Tm due to the output limit is suppressed.
また、図7(b)又は図7(c)に示すように、損失制限区間[t1,t2]の突入時及び完了時におけるモータトルクTmを、一次的又は二次的に変化させるフィルタ処理を行っても良い。これにより、上記損失制限区間において、素子温度Tjを上限温度Tj_max以下に維持しつつ、損失制限区間[t1,t2]の突入時及び完了時におけるモータトルクTmの変化をより緩やかにすることができる。 7(b) or 7(c), a filter process may be performed to change the motor torque Tm primarily or secondarily at the start and end of the loss limit section [t1, t2]. This makes it possible to more gently change the motor torque Tm at the start and end of the loss limit section [t1, t2] while maintaining the element temperature Tj at or below the upper limit temperature Tj_max in the loss limit section.
[キャリア周波数]
複数のキャリア周波数Fを切り替える機能を持つインバータ20を用いる場合に、上記損失制限区間[t1,t2]における損失Pが上限損失値Pmax以下となるようにキャリア周波数Fを選択する制御ロジックを採用することもできる。
[Carrier frequency]
When using an
具体的には、例えば、選択可能な複数のキャリア周波数Fの内、式(3)の右辺に現在直流電圧Vdc_c及び現在の電流Iの適用した場合に、左辺の損失Pが上限損失値Pmax以下となる条件を満たすもの(以下、「制限キャリア周波数Flim」と称する)を定める。そして、上記損失制限区間[t1,t2]におけるキャリア周波数Fを制限キャリア周波数Flimに固定する。 Specifically, for example, from among a plurality of selectable carrier frequencies F, a frequency (hereinafter referred to as "limited carrier frequency F lim ") is determined that satisfies the condition that the loss P on the left side of equation (3) is equal to or less than the upper limit loss value P max when the present DC voltage V dc_c and the present current I are applied to the right side of equation (3). Then, the carrier frequency F in the loss limit section [t1, t2] is fixed to the limited carrier frequency F lim .
上記のように、上記損失制限区間[t1,t2]においてキャリア周波数Fを適切に制限することで、素子温度Tjが上限温度Tj_max以下に維持され、耐熱保護の観点から実行される出力制限の作動が抑制される。すなわち、当該出力制限に起因するモータトルクTmの急変化の発生が抑制される。 As described above, by appropriately limiting the carrier frequency F in the loss limit section [t1, t2], the element temperature Tj is maintained at or below the upper limit temperature Tj_max , and the operation of the output limit executed from the viewpoint of heat resistance protection is suppressed. In other words, the occurrence of a sudden change in the motor torque Tm caused by the output limit is suppressed.
[直流電圧]
バッテリ側からインバータ20に入力される直流電圧Vdcを可変とする機能(コンバータなどの昇圧回路)を用いる場合に、上記損失制限区間[t1,t2]において損失Pが上限損失値Pmax以下となるように直流電圧Vdcを制限する制御ロジックを採用することもできる。
[DC voltage]
When using a function for varying the DC voltage Vdc input from the battery side to the inverter 20 (a boost circuit such as a converter), it is also possible to employ control logic for limiting the DC voltage Vdc so that the loss P is equal to or less than the upper limit loss value Pmax in the loss limit section [t1, t2].
具体的には、例えば、式(3)に、上限損失値Pmax、現在の電流I、及び現制御タイミングt1で設定されているキャリア周波数Fを適用することで、応答完了タイミングt2における損失Pが上限損失値Pmaxに一致すると仮定した場合の直流電圧Vdc(以下、「制限直流電圧Vdc_lim」と称する)を演算する。 Specifically, for example, by applying the upper limit loss value Pmax , the current current I, and the carrier frequency F set at the current control timing t1 to equation (3), the DC voltage Vdc (hereinafter referred to as the "limit DC voltage Vdc_lim ") is calculated on the assumption that the loss P at the response completion timing t2 matches the upper limit loss value Pmax .
そして、上記損失制限区間[t1,t2]における直流電圧Vdcを制限直流電圧Vdc_limに維持する。より詳細に、直流電圧Vdcは基本的に、インバータ20における総合効率に基づいて適切な値に調節される。一方で、本実施形態では、上記損失制限区間[t1,t2]における直流電圧Vdcを、総合効率に関わらず、損失Pが上限損失値Pmax以下となる制限直流電圧Vdc_limに固定する。
Then, the DC voltage Vdc in the loss limit section [t1, t2] is maintained at the limited DC voltage Vdc_lim . More specifically, the DC voltage Vdc is basically adjusted to an appropriate value based on the overall efficiency of the
上記のように、上記損失制限区間[t1,t2]において直流電圧Vdcを適切に制限することで、素子温度Tjが上限温度Tj_max以下に維持され、耐熱保護の観点から実行される出力制限の作動が抑制される。すなわち、当該出力制限に起因するモータトルクTmの急変化の発生が抑制される。 As described above, by appropriately limiting the DC voltage Vdc in the loss limit section [t1, t2], the element temperature Tj is maintained at or below the upper limit temperature Tj_max , and the operation of the output limit executed from the viewpoint of heat resistance protection is suppressed. In other words, the occurrence of a sudden change in the motor torque Tm caused by the output limit is suppressed.
[ゲート抵抗値]
上記損失制限区間[t1,t2]において半導体素子の損失Pが上限損失値Pmax以下となるように、当該半導体素子のゲート抵抗値Rgを制限する制御ロジックを採用することもできる。
[Gate resistance value]
It is also possible to employ a control logic that limits the gate resistance value Rg of the semiconductor element so that the loss P of the semiconductor element is equal to or less than the upper limit loss value Pmax in the loss limit section [t1, t2].
具体的には、例えば、予め準備した損失Pとゲート抵抗値Rgの関係を示すマップを参照して、損失Pが上限損失値Pmax以下となる選択可能な一のゲート抵抗値Rg(以下、「制限ゲート抵抗値Rglim」と称する)を定める。 Specifically, for example, by referring to a map prepared in advance showing the relationship between the loss P and the gate resistance value Rg, a selectable gate resistance value Rg (hereinafter referred to as the "limit gate resistance value Rg lim ") at which the loss P is equal to or less than the upper limit loss value P max is determined.
そして、上記損失制限区間[t1,t2]におけるゲート抵抗値Rgを制限ゲート抵抗値Rglimに維持する。より詳細に、ゲート抵抗値Rgは基本的に、インバータ20における総合効率に基づいて適切な値に調節される。一方で、本実施形態では、上記損失制限区間[t1,t2]におけるゲート抵抗値Rgを、総合効率に関わらず、損失Pが上限損失値Pmax以下となる制限ゲート抵抗値Rglimに固定する。
Then, the gate resistance value Rg in the loss limit section [t1, t2] is maintained at the limit gate resistance value Rg lim . More specifically, the gate resistance value Rg is basically adjusted to an appropriate value based on the overall efficiency of the
上記のように、上記損失制限区間[t1,t2]においてゲート抵抗値Rgを適切に制限することで、素子温度Tjが上限温度Tj_max以下に維持され、耐熱保護の観点から実行される出力制限の作動が抑制される。すなわち、当該出力制限に起因するモータトルクTmの急変化の発生が抑制される。 As described above, by appropriately limiting the gate resistance value Rg in the loss limit section [t1, t2], the element temperature Tj is maintained at or below the upper limit temperature Tj_max , and the operation of the output limit executed from the viewpoint of heat resistance protection is suppressed. In other words, the occurrence of a sudden change in the motor torque Tm caused by the output limit is suppressed.
以下、上記半導体素子温度制御方法を実行した場合の制御結果について説明する。 The following describes the control results when the above semiconductor element temperature control method is executed.
[制御結果]
図8は、比較例及び実施例(本実施形態)によるそれぞれの半導体素子温度制御方法を適用した場合の制御結果の一例を示すタイミングチャートである。特に、図8(a)に比較例の制御結果、及び図8(b)に実施例の制御結果をそれぞれ示す。なお、比較例としては、上記損失制限処理(S140)を実行せず、常に基本冷却制御(S150)を実行する半導体素子温度制御方法を想定する。また、実施例では、上述した損失制限処理において、モータトルクTmを、上限モータトルクTm_max未満の制限トルクTm_limによりリミットする制御を想定する。
[Control results]
8 is a timing chart showing an example of a control result when the semiconductor element temperature control method according to the comparative example and the example (present embodiment) is applied. In particular, FIG. 8(a) shows the control result of the comparative example, and FIG. 8(b) shows the control result of the example. Note that, as the comparative example, a semiconductor element temperature control method is assumed in which the above-mentioned loss limiting process (S140) is not executed, and the basic cooling control (S150) is always executed. Also, in the example, in the above-mentioned loss limiting process, control is assumed in which the motor torque Tm is limited by a limit torque Tm_lim that is less than the upper limit motor torque Tm_max .
図8(a)に示す比較例の制御では、モータトルクTm(トルク指令値T* m)が増加して上限モータトルクTm_maxに到達する時刻t11以降、流量指令値W* Fの切り替えに対する実冷却水流量WF_Rの応答遅れにより素子温度Tjが増加する。そして、素子温度Tjが上限温度Tj_maxを超える時刻t12から耐熱保護のための出力制限が機能し始め、素子温度Tjが上限温度Tj_maxを一定以上下回る時刻t13まで継続する。このため、この時刻t12~時刻t13(出力制限区間)の前後で大きなトルク段差(図8(a)の丸囲み部分)が発生し、電動車両の乗員に違和感を与える。 In the control of the comparative example shown in Fig. 8A, after time t11 when the motor torque Tm (torque command value T * m ) increases and reaches the upper limit motor torque Tm_max , the element temperature Tj increases due to a delayed response of the actual coolant flow rate WF_R to the switching of the flow rate command value W * F . Then, from time t12 when the element temperature Tj exceeds the upper limit temperature Tj_max , output limitation for heat resistance protection begins to function, and continues until time t13 when the element temperature Tj falls below the upper limit temperature Tj_max by a certain amount or more. For this reason, a large torque step (circled area in Fig. 8A) occurs around this time t12 to time t13 (output limit section), giving a sense of discomfort to the occupants of the electric vehicle.
一方で、図8(b)に示す実施例の制御では、モータトルクTm(トルク指令値T* m)が増大する時刻t21~時刻t22の区間(損失制限区間)において、モータトルクTmが制限トルクTm_limに張り付く。このため、当該損失制限区間において、素子温度Tjを上限温度Tj_max以下に維持することができ、耐熱保護のための出力制限が回避される。特に、損失制限区間の前後におけるトルク段差は、比較例の出力制限区間におけるトルク段差に比べて抑制されている。したがって、比較例の制御と比べて電動車両の乗員に与える違和感を軽減することができる。また、本実施例では、損失制限区間の突入時(時刻t21)及び完了時(時刻t22)におけるモータトルクTmを、フィルタ的(滑らかに)に変化させることで(実線グラフ参照)、これをランプ的に変化させる場合(破線グラフ参照)に比べ、損失制限区間の突入時(時刻t21)及び完了時(時刻t22)におけるモータトルクTmの変化をより緩やかにして電動車両の乗員に与える違和感をより一層軽減することができる。 On the other hand, in the control of the embodiment shown in FIG. 8B, in the section (loss limit section) from time t21 to time t22 where the motor torque T m (torque command value T * m ) increases, the motor torque T m sticks to the limit torque T m_lim . Therefore, in the loss limit section, the element temperature T j can be maintained at or below the upper limit temperature T j_max , and output limitation for heat resistance protection is avoided. In particular, the torque step before and after the loss limit section is suppressed compared to the torque step in the output limit section of the comparative example. Therefore, the discomfort felt by the occupant of the electric vehicle can be reduced compared to the control of the comparative example. Furthermore, in this embodiment, by changing the motor torque Tm at the time of entering the loss limit section (time t21) and at the time of completing the loss limit section (time t22) in a filter-like (smooth) manner (see solid line graph), the change in motor torque Tm at the time of entering the loss limit section (time t21) and at the time of completing the loss limit section (time t22) can be made more gradual than when this is changed in a ramp-like manner (see dashed line graph), thereby further reducing the discomfort felt by the occupant of the electric vehicle.
以上説明した本実施形態の半導体素子温度制御方法による作用効果をまとめて説明する。 The effects of the semiconductor element temperature control method of this embodiment described above are summarized below.
本実施形態では、所定の冷却系40に配置されて電源(バッテリ25)と電動機(モータ30)との間で電力変換を行うインバータ20の半導体素子の温度を制御する半導体素子温度制御方法が提供される。
In this embodiment, a semiconductor element temperature control method is provided that controls the temperature of a semiconductor element of an
この半導体素子温度制御方法では、モータ30が出力すべきトルク(モータトルクTm)を規定するトルク指令値T*
mを演算し(S110)、トルク指令値T*
mに基づいて冷却系40における冷媒流量(冷却水流量WF)を制御し(S120)、半導体素子の損失Pに基づいて、インバータ20の動作パラメータΣを制限する損失制限処理(S140)を実行する。
In this semiconductor element temperature control method, a torque command value T * m that specifies the torque (motor torque Tm ) to be output by the
特に、損失制限処理では、トルク指令値T* mが変化して冷却水流量WFを変化させる場合に実冷媒流量(実冷却水流量WF_R)の応答に要する流量応答時間Δtfrを演算し(S141)、流量応答時間Δtfrが経過した時(応答完了タイミングt2)の半導体素子の温度(素子温度Tj)が所定の上限温度Tj_maxに一致するときの損失Pである上限損失値Pmaxを演算し(S142)、流量応答時間Δtfrが経過するまでの間における損失Pが上限損失値Pmax以下となるように動作パラメータΣを定める(S143)。 In particular, in the loss limiting process, a flow rate response time Δtfr required for a response of the actual refrigerant flow rate (actual cooling water flow rate WF_R ) when the torque command value T * m changes to change the cooling water flow rate WF is calculated (S141), an upper limit loss value Pmax which is the loss P when the temperature of the semiconductor element (element temperature Tj ) after the flow rate response time Δtfr has elapsed (response completion timing t2) matches a predetermined upper limit temperature Tj_max is calculated (S142), and an operating parameter Σ is determined so that the loss P until the flow rate response time Δtfr has elapsed is equal to or less than the upper limit loss value Pmax (S143).
これにより、トルク指令値T*
mの変化に応じて冷却水流量WFを変化させるシーン(冷却水温度TW及び素子温度Tjが増大するシーン)において、実冷却水流量WF_Rの応答遅れが生じても素子温度Tjを上限温度Tj_max以下に維持することができる。すなわち、冷却系40に配されるインバータ20の素子温度Tjが上限温度Tj_maxを超える事態の発生をより確実に抑制することができる。このため、当該シーンにおいて、半導体素子の熱保護のための出力制限の作動に起因するトルク段差の発生が抑制され、車両乗員に与える違和感を軽減することができる。
As a result, in a scene where the coolant flow rate WF is changed in response to a change in the torque command value T * m (a scene where the coolant temperature TW and the element temperature Tj increase), the element temperature Tj can be maintained at or below the upper limit temperature Tj_max even if a response delay occurs in the actual coolant flow rate WF_R . That is, it is possible to more reliably prevent the element temperature Tj of the
また、このような出力制限の作動を回避すべく、初めから冷却水流量WFを(流量指令値W* F)をトルク指令値T* mに基づく要求に対して高く設定する場合に比べ、冷却水流量WFの制御値(冷却水ポンプ41の出力)を低減してエネルギー効率を増大を抑制することができる。 In addition, in order to avoid such output restriction activation, the control value of the cooling water flow rate WF (the output of the cooling water pump 41 ) can be reduced to suppress an increase in energy efficiency, compared to a case in which the cooling water flow rate WF (flow rate command value W * F ) is set high from the beginning relative to the requirement based on the torque command value T*m.
さらに、動作パラメータΣは、電動機の出力トルク(モータトルクTm)を含む。そして、損失制限処理では、損失Pが上限損失値Pmaxとなる上限出力トルク(上限モータトルクTm_max)を演算し、流量応答時間Δtfrが経過するまでの間(損失制限区間)におけるモータトルクTmを上限モータトルクTm_max以下(特に制限トルクTm_lim)に調節する。 Furthermore, the operating parameter Σ includes the output torque of the motor (motor torque Tm ). In the loss limiting process, an upper limit output torque (upper limit motor torque Tm_max ) at which the loss P becomes the upper limit loss value Pmax is calculated, and the motor torque Tm during the period until the flow rate response time Δtfr has elapsed (loss limit section) is adjusted to be equal to or lower than the upper limit motor torque Tm_max (particularly the limit torque Tm_lim ).
これにより、トルク指令値T* mの変化に応じて冷却水流量WFを変化させるシーンにおいて、素子温度Tjを上限温度Tj_max以下に維持する観点から、動作パラメータΣの一つであるモータトルクTmに対する制限を実行するためのより具体的な制御ロジックが実現される。 This realizes a more specific control logic for implementing restrictions on the motor torque Tm , which is one of the operating parameters Σ, from the viewpoint of maintaining the element temperature Tj below the upper limit temperature Tj_max in a scene where the cooling water flow rate WF is changed in response to a change in the torque command value T* m .
また、特に、制限トルクTm_limを上限モータトルクTm_maxに比較的近い値に設定することで、素子温度Tjが上限温度Tj_maxを超えないという条件を満たしつつも、熱保護のための出力制限が作動する場合に比べて発生するトルク段差をより確実に低減することができる。 In particular, by setting the limit torque Tm_lim to a value relatively close to the upper limit motor torque Tm_max , it is possible to more reliably reduce the torque step that occurs compared to when output limiting for thermal protection is activated, while still satisfying the condition that the element temperature Tj does not exceed the upper limit temperature Tj_max .
さらに、動作パラメータΣは、インバータ20に設定される相互に切り替え可能な複数のキャリア周波数Fを含む。そして、損失制限処理では、損失Pが上限損失値Pmax以下となる一の制限キャリア周波数Flimを選択し、流量応答時間Δtfrが経過するまでの間におけるキャリア周波数Fを制限キャリア周波数Flimに維持する。
Furthermore, the operating parameter Σ includes a plurality of mutually switchable carrier frequencies F that are set in the
これにより、トルク指令値T*
mの変化に応じて冷却水流量WFを変化させるシーンにおいて、素子温度Tjを上限温度Tj_max以下に維持する観点から、動作パラメータΣの一つであるキャリア周波数Fに対する制限を実行するための具体的な制御ロジックが実現される。特に、複数のキャリア周波数Fを切り替える機能を持つインバータ20を採用する場合に、熱保護のための出力制限の作動を抑制することができる。
This realizes a specific control logic for implementing a restriction on the carrier frequency F , which is one of the operating parameters Σ , from the viewpoint of maintaining the element temperature Tj at or below the upper limit temperature Tj_max in a scene where the cooling water flow rate WF is changed in response to a change in the torque command value T*m. In particular, when the
また、動作パラメータΣは、インバータ20に入力される可変の直流電圧Vdcを含む。そして、損失制限処理では、損失Pが上限損失値Pmaxに一致する制限直流電圧Vdc_limを定め、流量応答時間Δtfrが経過するまでの間における直流電圧Vdcを制限直流電圧Vdc_limに維持する。
Furthermore, the operating parameter Σ includes a variable DC voltage Vdc input to the
これにより、トルク指令値T*
mの変化に応じて冷却水流量WFを変化させるシーンにおいて、素子温度Tjを上限温度Tj_max以下に維持する観点から、動作パラメータΣの一つである直流電圧Vdcに対する制限を実行するための具体的な制御ロジックが実現される。特に、インバータ20に入力される直流電圧Vdcを調節する構成(コンバータなどの昇圧回路)を採用する場合に、熱保護のための出力制限の作動を抑制することができる。
This realizes a specific control logic for limiting the DC voltage Vdc , which is one of the operating parameters Σ, from the viewpoint of maintaining the element temperature Tj at or below the upper limit temperature Tj_max in a scene where the cooling water flow rate WF is changed in response to a change in the torque command value T*m. In particular, when a configuration (a boost circuit such as a converter) that adjusts the DC voltage Vdc input to the
さらに、動作パラメータΣは、インバータ20に設定される相互に切り替え可能な複数のゲート抵抗値Rgを含む。そして、損失制限処理では、損失Pが上限損失値Pmax以下となる一の制限ゲート抵抗値Rglimを選択し、流量応答時間Δtfrが経過するまでの間におけるゲート抵抗値Rgを制限ゲート抵抗値Rglimに維持する。
Furthermore, the operation parameter Σ includes a plurality of mutually switchable gate resistance values Rg that are set in the
これにより、トルク指令値T* mの変化に応じて冷却水流量WFを変化させるシーンにおいて、素子温度Tjを上限温度Tj_max以下に維持する観点から、動作パラメータΣの一つであるゲート抵抗値Rgに対する制限を実行するための具体的な制御ロジックが実現される。特に、ゲート抵抗値Rgを可変とする機能を採用する場合に、熱保護のための出力制限の作動を抑制することができる。 This realizes a specific control logic for limiting the gate resistance value Rg , which is one of the operating parameters Σ, from the viewpoint of maintaining the element temperature Tj at or below the upper limit temperature Tj_max in a scene where the cooling water flow rate WF is changed in response to a change in the torque command value T*m. In particular, when a function for varying the gate resistance value Rg is adopted, it is possible to suppress the operation of output limiting for thermal protection.
さらに、本実施形態では、トルク指令値T*
m、冷却系40の冷媒温度(冷却水温度TW)、及びモータ回転数Nmに基づいて予め段階的に冷却水流量WFを区分した流量指令値マップ(図2)を参照して、トルク指令値T*
m、冷却水温度TW、及びモータ回転数Nmから流量指令値W*
Fを決定する。そして、決定した流量指令値W*
Fに基づいて冷却水流量WFを制御する。
Furthermore, in this embodiment, the flow command value W* F is determined from the torque command value T * m , the cooling water temperature T W , and the motor rotation speed Nm by referring to a flow command value map (FIG. 2) in which the cooling water flow rate WF is divided into stages in advance based on the torque command value T * m , the refrigerant temperature (cooling water temperature T W ) of the
これにより、トルク指令値T* m、冷却水温度TW、及びモータ回転数Nmを通じて、予め素子温度Tjの高低が異なる複数のシーンを段階的に区分けし、各シーンに適切に割り当てられた流量指令値W* Fに基づいて冷却水流量WFを制御することができる。したがって、トルク指令値T* mの変化に対し、実際に冷却水流量WF(流量指令値W* F)を変化させる頻度の少ないラフな制御を実現することができ、当該冷却水流量WFの応答遅れの影響を低減することができる。そして、このような基本的な流量制御を前提とした上で上記損失制限処理が実行されることで、トルク指令値T* mが変化して流量指令値W* Fを切り替わる場合であっても、素子温度Tjが上限温度Tj_maxを超えないようにして、熱保護のための出力制限の作動が抑制される。 As a result, a plurality of scenes in which the element temperature Tj is different in level can be classified in stages in advance through the torque command value T * m , the coolant temperature TW , and the motor rotation speed Nm , and the coolant flow rate WF can be controlled based on the flow rate command value W * F appropriately assigned to each scene. Therefore, rough control in which the coolant flow rate WF (flow rate command value W * F ) is actually changed less frequently in response to changes in the torque command value T * m can be realized, and the effect of response delay of the coolant flow rate WF can be reduced. Then, by executing the loss limiting process on the premise of such basic flow rate control, even when the torque command value T * m changes and the flow rate command value W * F is switched, the element temperature Tj is prevented from exceeding the upper limit temperature Tj_max , and the operation of output limiting for thermal protection is suppressed.
また、本実施形態では、冷却水温度TWが所定の閾値温度TW_th以上又はトルク指令値T* mが閾値トルクTm_th以上である場合(S130がYesである場合)に、損失制限処理を実行する。一方、冷却水温度TWが閾値温度TW_th未満且つトルク指令値T* mが閾値トルクTm_th未満である場合(S130がNoである場合)には、損失制限処理を実行せずに動作パラメータΣを基本制御値に維持する。 In this embodiment, the loss limiting process is executed when the cooling water temperature T W is equal to or higher than a predetermined threshold temperature T W_th or the torque command value T * m is equal to or higher than the threshold torque T m_th (if S130 is Yes). On the other hand, when the cooling water temperature T W is lower than the threshold temperature T W_th and the torque command value T * m is lower than the threshold torque T m_th (if S130 is No), the loss limiting process is not executed and the operating parameter Σ is maintained at the basic control value.
これにより、流量指令値マップで規定されている流量指令値W* Fが切り替わるシーンの中で、特に実冷却水流量WF_Rの応答遅れにより素子温度Tjが上限温度Tj_maxを超え得るシーンを適切に推定し、当該シーンにおいてのみ損失制限処理を実行するための具体的な制御ロジックが実現される。すなわち、流量制御中において損失制限処理が実行されるシーンを必要な範囲に限ることができ、演算負担の軽減又は演算に用いるマップ容量(メモリ領域)の削減を図ることができる。 This realizes a specific control logic for appropriately estimating a scene in which the element temperature Tj may exceed the upper limit temperature Tj_max due to a response delay of the actual cooling water flow rate WF_R among scenes in which the flow command value W * F specified in the flow command value map is switched, and for executing the loss limiting process only in the scene in question. In other words, the scenes in which the loss limiting process is executed during flow control can be limited to a necessary range, and the calculation load or the map capacity (memory area) used for calculation can be reduced.
さらに、本実施形態では、上記半導体素子温度制御方法の実行に適した半導体素子温度制御装置として機能するコントローラ50が提供される。この半導体素子温度制御装置は、所定の冷却系40に配置されて電源(バッテリ25)と電動機(モータ30)との間で電力変換を行うインバータ20の半導体素子の温度を制御する。
Furthermore, in this embodiment, a
特に、この半導体素子温度制御装置では、モータ30が出力すべきトルク(モータトルクTm)を規定するトルク指令値T*
mを演算するトルク演算部(回転数・トルク指令部51)と、トルク指令値T*
mに基づいて冷却系40における冷媒流量(冷却水流量WF)を制御する流量制御部52と、半導体素子の損失Pに基づいて、インバータ20の動作パラメータΣを制限する損失制限部53と、を有する。
In particular, this semiconductor element temperature control device has a torque calculation unit (rotation speed/torque command unit 51) that calculates a torque command value T * m that specifies the torque to be output by the motor 30 (motor torque Tm ), a flow
そして、損失制限部53は、トルク指令値T*
mが変化して冷却水流量WFを変化させる場合に実冷媒流量(実冷却水流量WF_R)の応答に要する流量応答時間Δtfrを演算し(S141)、流量応答時間Δtfrが経過した際(応答完了タイミングt2)の半導体素子の温度(素子温度Tj)が所定の上限温度Tj_maxに一致するときの損失Pである上限損失値Pmaxを演算し(S142)、流量応答時間Δtfrが経過するまでの間における損失Pが上限損失値Pmax以下となるように動作パラメータΣを定める(S143)。
Then, the
以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。また、上記各実施形態は可能な範囲で任意に組み合わせることができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the above embodiments merely show some of the application examples of the present invention, and the technical scope of the present invention is not intended to be limited to the specific configurations of the above embodiments. Furthermore, the above embodiments can be combined in any manner possible.
例えば、制御ロジックの簡素化などを意図して、図2のステップS130における判定を省略し、流量制御中(S120)には現在冷却水温度TW_c又はトルク指令値T* mに関わらず損失制限処理(S140)を実行する構成を採用しても良い。 For example, in order to simplify the control logic, the judgment in step S130 in FIG. 2 may be omitted, and the loss limiting process (S140) may be executed during flow control (S120) regardless of the current coolant temperature T W_c or the torque command value T * m .
また、上記実施形態では、現在素子温度Tj_cとして、素子温度センサ63の検出値を用いる例について説明した。一方で、これに代えて、現在素子温度Tj_cを、車両システム10内で取得可能な適切なパラメータに基づいて推定する構成を採用しても良い。
In the above embodiment, the detection value of the
10 車両システム
20 インバータ
21 パワーモジュール(半導体素子)
22 冷却器
25 バッテリ
30 モータ
40 冷却系
41 冷却水ポンプ
42 ラジエータ
50 コントローラ
51 回転数・トルク指令部
52 流量制御部
53 損失制限部
10
22
53 Loss Limitation Section
Claims (8)
前記電動機が出力すべきトルクを規定するトルク指令値を演算し、
前記トルク指令値に基づいて前記冷却系における冷媒流量を制御し、
前記半導体素子の損失に基づいて該インバータの動作パラメータを制限する損失制限処理を実行し、
前記損失制限処理では、
前記トルク指令値が変化して前記冷媒流量を変化させる場合に実冷媒流量の応答に要する流量応答時間を演算し、
前記流量応答時間が経過した際の前記半導体素子の温度が所定の上限温度に一致するときの前記損失である上限損失値を演算し、
前記流量応答時間が経過するまでの間における前記損失が前記上限損失値以下となるように前記動作パラメータを定める、
半導体素子温度制御方法。 A semiconductor element temperature control method for controlling the temperature of a semiconductor element of an inverter arranged in a predetermined cooling system and performing power conversion between a power source and an electric motor, comprising:
Calculating a torque command value that defines a torque to be output by the electric motor;
a flow rate of a refrigerant in the cooling system is controlled based on the torque command value;
performing a loss limiting process for limiting an operating parameter of the inverter based on a loss of the semiconductor element;
In the loss limitation process,
calculating a flow rate response time required for an actual refrigerant flow rate to respond when the torque command value changes to change the refrigerant flow rate;
calculating an upper limit loss value which is the loss when the temperature of the semiconductor element coincides with a predetermined upper limit temperature when the flow rate response time has elapsed;
determining the operating parameters so that the loss during the flow rate response time elapses is equal to or less than the upper limit loss value;
A method for controlling the temperature of semiconductor devices.
前記動作パラメータは、前記電動機の出力トルクを含み、
前記損失制限処理では、
前記損失が前記上限損失値となる上限出力トルクを演算し、
前記流量応答時間が経過するまでの間における前記出力トルクを前記上限出力トルク以下に調節する、
半導体素子温度制御方法。 2. A semiconductor device temperature control method according to claim 1, comprising:
the operating parameters include an output torque of the electric motor;
In the loss limitation process,
Calculating an upper limit output torque at which the loss becomes the upper limit loss value;
adjusting the output torque to be equal to or lower than the upper limit output torque until the flow rate response time has elapsed;
A method for controlling the temperature of semiconductor devices.
前記動作パラメータは、前記インバータに設定される相互に切り替え可能な複数のキャリア周波数を含み、
前記損失制限処理では、
前記損失が前記上限損失値以下となる一の制限キャリア周波数を選択し、
前記流量応答時間が経過するまでの間における前記キャリア周波数を前記制限キャリア周波数に維持する、
半導体素子温度制御方法。 2. A semiconductor device temperature control method according to claim 1, comprising:
The operating parameters include a plurality of carrier frequencies that are set in the inverter and that are mutually switchable;
In the loss limitation process,
Selecting one limited carrier frequency at which the loss is equal to or less than the upper limit loss value;
maintaining the carrier frequency at the limited carrier frequency until the flow rate response time has elapsed;
A method for controlling the temperature of semiconductor devices.
前記動作パラメータは、前記インバータに入力される可変の直流電圧を含み、
前記損失制限処理では、
前記損失が前記上限損失値に一致する制限直流電圧を定め、
前記流量応答時間が経過するまでの間における前記直流電圧を前記制限直流電圧に維持する、
半導体素子温度制御方法。 2. A semiconductor device temperature control method according to claim 1, comprising:
the operating parameters include a variable DC voltage input to the inverter;
In the loss limitation process,
determining a limiting DC voltage at which the loss coincides with the upper limit loss value;
maintaining the DC voltage at the limited DC voltage until the flow rate response time has elapsed;
A method for controlling the temperature of semiconductor devices.
前記動作パラメータは、前記インバータに設定される相互に切り替え可能な複数のゲート抵抗値を含み、
前記損失制限処理では、
前記損失が前記上限損失値以下となる一の制限ゲート抵抗値を選択し、
前記流量応答時間が経過するまでの間における前記ゲート抵抗値を前記制限ゲート抵抗値に維持する、
半導体素子温度制御方法。 2. A semiconductor device temperature control method according to claim 1, comprising:
the operating parameters include a plurality of mutually switchable gate resistance values set for the inverter;
In the loss limitation process,
selecting a limit gate resistance value at which the loss is equal to or less than the upper loss limit value;
maintaining the gate resistance value at the limited gate resistance value until the flow rate response time has elapsed;
A method for controlling the temperature of semiconductor devices.
前記トルク指令値、前記冷却系の冷媒温度、及びモータ回転数に基づいて予め段階的に前記冷媒流量を区分した流量指令値マップを参照して、前記トルク指令値、前記冷媒温度、及び前記モータ回転数から流量指令値を決定し、
決定した前記流量指令値に基づいて前記冷媒流量を制御する、
半導体素子温度制御方法。 A semiconductor device temperature control method according to any one of claims 1 to 5,
determining a flow command value from the torque command value, the refrigerant temperature, and the motor rotation speed by referring to a flow command value map in which the refrigerant flow rate is divided into stages in advance based on the torque command value, the refrigerant temperature of the cooling system, and the motor rotation speed;
controlling the refrigerant flow rate based on the determined flow rate command value;
A method for controlling the temperature of semiconductor devices.
前記冷媒温度が所定の閾値温度以上、又は前記トルク指令値が閾値トルク以上である場合に、前記損失制限処理を実行し、
前記冷媒温度が前記閾値温度未満、且つ前記トルク指令値が前記閾値トルク未満である場合には、前記損失制限処理を実行せずに前記動作パラメータを基本制御値に維持する、
半導体素子温度制御方法。 7. A semiconductor device temperature control method according to claim 6, comprising:
When the refrigerant temperature is equal to or higher than a predetermined threshold temperature or when the torque command value is equal to or higher than a threshold torque, the loss limiting process is executed;
if the coolant temperature is less than the threshold temperature and the torque command value is less than the threshold torque, maintaining the operating parameters at basic control values without performing the loss limiting process;
A method for controlling the temperature of semiconductor devices.
前記電動機が出力すべきトルクを規定するトルク指令値を演算するトルク演算部と、
前記トルク指令値に基づいて前記冷却系における冷媒流量を制御する流量制御部と、
前記半導体素子の損失に基づいて、前記インバータの動作パラメータを制限する損失制限部と、を有し、
前記損失制限部は、
前記トルク指令値が変化して前記冷媒流量を変化させる場合に実冷媒流量の応答に要する流量応答時間を演算し、
前記流量応答時間が経過した際の前記半導体素子の温度が所定の上限温度に一致するときの前記損失である上限損失値を演算し、
前記流量応答時間が経過するまでの間における前記損失が前記上限損失値以下となるように前記動作パラメータを定める、
半導体素子温度制御装置。
A semiconductor element temperature control device that controls the temperature of a semiconductor element of an inverter that is arranged in a predetermined cooling system and performs power conversion between a power source and an electric motor,
a torque calculation unit that calculates a torque command value that defines a torque to be output by the electric motor;
a flow rate control unit that controls a refrigerant flow rate in the cooling system based on the torque command value;
a loss limiting unit that limits an operating parameter of the inverter based on a loss of the semiconductor element,
The loss limiting unit is
calculating a flow rate response time required for an actual refrigerant flow rate to respond when the torque command value changes to change the refrigerant flow rate;
calculating an upper limit loss value which is the loss when the temperature of the semiconductor element coincides with a predetermined upper limit temperature when the flow rate response time has elapsed;
determining the operating parameters so that the loss during the flow rate response time elapses is equal to or less than the upper limit loss value;
Semiconductor element temperature control device.
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