JP6423264B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来、３相電動モータを制御する技術が知られている。例えば特許文献１では、各相コイルのうち１相の通電異常が検出されると、残りの２相を用いてモータ駆動を継続する。

特開２０１３−２３３９３２号公報

しかしながら、特許文献１では、各相コイルの一端が結線されており、各相コイルに対して１つのインバータを備える構成であるため、例えばモータコイル２相が短絡する相間短絡が生じた場合、モータを駆動することができない。
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、回転電機の巻線に異常が生じた場合であっても、回転電機を駆動可能である電力変換装置を提供することにある。

本発明の電力変換装置は、複数相の巻線を有する回転電機の電力を変換するものであって、第１インバータと、第２インバータと、制御部と、を備える。
第１インバータは、巻線の各相に対応して設けられる第１スイッチング素子を有し、巻線の一端および第１電圧源と接続される。
第２インバータは、巻線の各相に対応して設けられる第２スイッチング素子を有し、巻線の他端および第２電圧源と接続される。

制御部は、インバータ制御手段、および、異常検出手段を有する。
インバータ制御手段は、第１インバータおよび第２インバータを制御する。
異常検出手段は、相内短絡異常、相間短絡異常、および、断線異常を含む巻線異常を検出する。相内短絡異常は、巻線の１相内にて短絡する異常である。相間短絡異常は、巻線の２相間が短絡する異常である。断線異常は、巻線の１相が断線する異常である。
インバータ制御手段は、検出された巻線異常に応じ、全相を用いる全相駆動制御、または、巻線異常に係る１相を停止相とし、停止相以外の相を用いる減相駆動制御により、第１インバータおよび第２インバータを制御する。
インバータ制御手段は、巻線異常が相内短絡異常である場合、全相駆動制御、または、短絡相を停止相とする減相駆動制御により、第１インバータおよび第２インバータを制御する。

本発明では、１つの回転電機に対して２つのインバータを設ける構成において、検出された巻線異常に応じて第１インバータおよび第２インバータを制御することで、回転電機の駆動を制御する。これにより、巻線異常の種類に応じ、適切に回転電機の駆動を制御することができ、巻線異常が生じていても回転電機を駆動することができる。

本発明の一実施形態による電力変換装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の一実施形態によるモータジェネレータの駆動領域を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による片側駆動動作を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による反転駆動動作を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による巻線異常に応じた駆動モード切替処理を説明するフローチャートである。 本発明の一実施形態による相間短絡異常時の制御を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による２相にて反転駆動する場合のスイッチング素子のオンオフ作動を説明するタイムチャートである。 本発明の一実施形態による２相にて片側駆動する場合のスイッチング素子のオンオフ作動を説明するタイムチャートである。 本発明の一実施形態による３相駆動時および２相駆動時の電流を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による断線異常時の制御を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による相内短絡時の２相駆動制御を説明する説明図である。 本発明の一実施形態による相内短絡時の３相駆動制御を説明する説明図である。 参考例による相間短絡時の短絡電流を説明する説明図である。

以下、本発明による電力変換装置を図面に基づいて説明する。
（一実施形態）
本発明の一実施形態による電力変換装置を図１〜図１２に基づいて説明する。
図１に示すように、回転電機駆動システム１は、電力変換装置５、および、モータジェネレータ１０を備える。
モータジェネレータ１０は、例えば電気自動車やハイブリッド車両等の電動自動車に適用され、図示しない駆動輪を駆動するためのトルクを発生する、所謂「主機モータ」である。モータジェネレータ１０は、駆動輪を駆動するための電動機としての機能、および、図示しないエンジンや駆動輪から伝わる運動エネルギによって駆動されて発電する発電機としての機能を有する。本実施形態では、モータジェネレータ１０が電動機として機能する場合を中心に説明する。

モータジェネレータ１０は、３相交流の回転機であって、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２、および、Ｗ相コイル１３を有する。Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３が「巻線」に対応し、以下適宜、Ｕ相コイル１１、Ｖ相コイル１２およびＷ相コイル１３を「コイル１１〜１３」という。

電力変換装置５は、モータジェネレータ１０の電力を変換するものであって、第１インバータ２０、第２インバータ３０、電流センサ５１〜５３、および、制御部６０等を備える。
第１インバータ２０は、コイル１１〜１３への通電を切り替える３相インバータであり、６つのスイッチング素子であるＵ１上アーム素子２１、Ｖ１上アーム素子２２、Ｗ１上アーム素子２３、Ｕ１下アーム素子２４、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６を有する。以下適宜、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１上アーム素子２２、Ｗ１上アーム素子２３、Ｕ１下アーム素子２４、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６を「（第１）スイッチング素子２１〜２６」という。

Ｕ１上アーム素子２１はＵ１下アーム素子２４の高電位側に接続され、Ｖ１上アーム素子はＶ１下アーム素子２５の高電位側に接続され、Ｗ１上アーム素子２３は、Ｗ１下アーム素子２６の高電位側に接続される。以下適宜、高電位側に接続されるＵ１上アーム素子２１、Ｖ１上アーム素子２２、および、Ｗ１上アーム素子２３を「第１上アーム素子２１〜２３」、低電位側に接続されるＵ１下アーム素子２４、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６を「第１下アーム素子２４〜２６」という。

第１インバータ２０は、コイル１１、１２、１３の一端１１１、１２１、１３１と第１電圧源としての第１電源４１との間に接続される。具体的には、Ｕ１上アーム素子２１とＵ１下アーム素子２４との接続点２７がＵ相コイル１１の一端１１１に接続され、Ｖ１上アーム素子２２とＶ１下アーム素子２５の接続点２８がＶ相コイル１２の一端１２１に接続され、Ｗ１上アーム素子２３とＷ１下アーム素子２６との接続点２９がＷ相コイル１３の一端１３１に接続される。また、第１上アーム素子２１〜２３の高電位側を接続する高電位側配線４６が第１電源４１の正極と接続され、第１下アーム素子２４〜２６の低電位側を接続する低電位側配線４７が第１電源４１の負極と接続される。

第２インバータ３０は、コイル１１〜１３への通電を切り替える３相インバータであり、６つのスイッチング素子であるＵ２上アーム素子３１、Ｖ２上アーム素子３２、Ｗ２上アーム素子３３、Ｕ２下アーム素子３４、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６を有する。以下適宜、Ｕ２上アーム素子３１、Ｖ２上アーム素子３２、Ｗ２上アーム素子３３、Ｕ２下アーム素子３４、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６を「（第２）スイッチング素子３１〜３６」という。

Ｕ２上アーム素子３１はＵ２下アーム素子３４の高電位側に接続され、Ｖ２上アーム素子３２はＶ２下アーム素子３５の高電位側に接続され、Ｗ２上アーム素子３３はＷ２下アーム素子３６の高電位側に接続される。以下適宜、高電位側に接続されるＵ２上アーム素子３１、Ｖ２上アーム素子３２およびＷ２上アーム素子を「第２上アーム素子３１〜３３」、低電位側に接続されるＵ２下アーム素子３４、Ｖ２下アーム素子３５およびＷ２下アーム素子３６を「第２下アーム素子３４〜３６」という。

第２インバータ３０は、コイル１１、１２、１３の他端１１２、１２２、１３２と第２電圧源としての第２電源４２との間に接続される。具体的には、Ｕ２上アーム素子３１とＵ２下アーム素子３４との接続点３７がＵ相コイル１１の他端１１２に接続され、Ｖ２上アーム素子３２とＶ２下アーム素子３５との接続点３８がＶ相コイル１２の他端１２２に接続され、Ｗ２上アーム素子３３とＷ２下アーム素子３６との接続点３９がＷ相コイル１３の他端１３２に接続される。また、第２上アーム素子３１〜３３の高電位側を接続する高電位側配線４８が第２電源４２の正極と接続され、第２下アーム素子３４〜３６の低電位側を接続する低電位側配線４９が第２電源４２の負極と接続される。
このように、本実施形態では、第１インバータ２０および第２インバータ３０がコイル１１〜１３の両側に接続される。
本実施形態では、スイッチング素子２１〜２６、３１〜３６は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であるが、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物半導体電界効果トランジスタ）やその他の素子を用いてもよい。

第１電源４１は、リチウムイオン電池等の充放電可能な直流電源であり、第１インバータ２０と接続され、第１インバータ２０を経由してモータジェネレータ１０と電力を授受可能に設けられる。
第２電源４２は、リチウムイオン電池等の充放電可能な直流電源であり、第２インバータ３０と接続され、第２インバータ３０を経由してモータジェネレータ１０と電力を授受可能に設けられる。
本実施形態では、第１電源４１にて印加可能な電圧である第１電源電圧Ｖｂ１と、第２電源４２にて印加可能な電圧である第２電源電圧Ｖｂ２とが等しいものとする。

第１コンデンサ４３は、高電位側配線４６と低電位側配線４７とに接続される。第１コンデンサ４３は、第１電源４１から第１インバータ２０側への電流、または、第１インバータ２０から第１電源４１側への電流を平滑化する平滑コンデンサである。
第２コンデンサ４４は、高電位側配線４８と低電位側配線４９とに接続される。第２コンデンサ４４は、第２電源４２から第２インバータ３０側への電流、または、第２インバータ３０側から第２電源４２側への電流を平滑化する平滑コンデンサである。

Ｕ相電流センサ５１は、Ｕ相コイル１１に通電される電流であるＵ相電流Ｉｕを検出する。Ｖ相電流センサ５２は、Ｖ相コイル１２に通電される電流であるＶ相電流Ｉｖを検出する。Ｗ相電流センサ５３は、Ｗ相コイル１３に流れる電流であるＷ相電流Ｉｗを検出うする。電流センサ５１、５２、５３は、例えばホールＩＣにより構成され、第１インバータ２０とコイル１１〜１３との間に設けられる。以下、電流センサ５１、５２、５３により検出されるＵ相電流Ｉｕ、Ｖ相電流Ｉｖ、および、Ｗ相電流Ｉｗに係る検出値を、「電流検出値Ｉｕ＿ｓ、Ｉｖ＿ｓ、Ｉｗ＿ｓ」という。

制御部６０は、通常のコンピュータ等として構成されており、内部にはＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、および、これらの構成を接続するバスライン等を備える。制御部６０における各処理は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理であってもよいし、専用の電子回路によるハードウェア処理であってもよい。

制御部６０は、機能ブロックとして、第１制御信号生成部６１、第２制御信号生成部６２、および、異常検出部６５を有する。
第１制御信号生成部６１は、トルク指令値ｔｒｑ^*や電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*等のモータジェネレータ１０の駆動に係る指令値等に基づき、第１インバータ２０のスイッチング素子２１〜２６のオンオフ作動を制御する第１制御信号を生成し、スイッチング素子２１〜２６のゲートに出力する。これにより、第１制御信号生成部６１は、第１インバータ２０を制御する。

第２制御信号生成部６２は、トルク指令値ｔｒｑ^*や電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*等のモータジェネレータ１０の駆動に係る指令値等に基づき、第２インバータ３０のスイッチング素子３１〜３６のオンオフ作動を制御する第２制御信号を生成し、スイッチング素子３１〜３６のゲートに出力する。これにより、第２制御信号生成部６２は、第２インバータ３０を制御する。
制御信号生成部６１、６２は、第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御することで、モータジェネレータ１０の駆動を制御する。

異常検出部６５は、電流指令値Ｉｕ^*、Ｉｖ^*、Ｉｗ^*と、電流検出値Ｉｕ＿ｓ、Ｉｖ＿ｓ、Ｉｗ＿ｓとの比較により、コイル１１〜１３の異常である巻線異常を検出する。巻線異常には、コイル１１〜１３が断線する「断線異常」、および、コイル１１〜１３の絶縁皮膜の破損に起因する「絶縁異常」が含まれ、これらの異常は、モータジェネレータ１０の製造過程や経時劣化によって生じる虞がある。絶縁異常には、コイル１１〜１３と、コイル１１〜１３が巻回される図示しないステータとの間の絶縁不良、および、コイル１１〜１３内での絶縁不良が含まれる。コイル１１〜１３内での絶縁不良には、いずれかの相内の２箇所が短絡する「相内短絡異常」、および、異なる２相間が短絡する「相間短絡異常」が含まれる。

なお、絶縁不良による短絡は、完全に導通している状態に限らず、絶縁されているべき箇所にて通電が許容されているような状態を含む。また、断線異常は、完全に断線されている状態に限らず、所望の電流を通電できない状態を含む。
また、巻線異常には、ステータに巻回されている箇所で生じる絶縁異常および断線異常に限らず、コイル１１〜１３と接続されるケーブルや端子等における絶縁異常や断線異常も含まれるものとする。

本実施形態の回転電機駆動システム１は、車体グランドには接続されておらず、回転電機駆動システム１全体が、グランドに対して絶縁されている。そのため、異常が生じていることを報知する必要はあるものの、コイル１１〜１３とステータとの間にて１箇所の絶縁不良が生じたとしても、回転電機駆動システム１の駆動を継続可能であり、回転電機駆動システム１の駆動力を用いた走行を継続可能である。

以下、巻線異常として、主に断線異常、相内短絡異常、および、相間短絡異常について説明する。
異常検出部６５は、巻線異常が生じている場合、巻線異常の種類（断線異常、相内短絡異常、または、相間短絡異常）を特定するとともに、異常が生じている相を特定する。第１制御信号生成部６１および第２制御信号生成部６２では、巻線異常の種類に応じ、第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。
巻線異常の種類に応じた駆動制御については、後述する。

まず、回転電機駆動システム１が正常である場合の通常制御について説明する。本実施形態では、モータジェネレータ１０の回転数およびトルクに応じ、駆動動作を切り替える。図２に示すように、モータジェネレータ１０の回転数およびトルクが第１閾値Ｌ１未満の領域を低負荷領域Ａ１、回転数およびトルクが第１閾値Ｌ１以上、第２閾値Ｌ２未満の領域を高負荷領域Ａ２とする。第１閾値Ｌ１は、第１電源４１または第２電源４２の電力にて出力可能な最大値とする。第２閾値Ｌ２は、第１電源４１および第２電源４２の電力にて出力可能な最大値とする。

モータジェネレータ１０の回転数およびトルクが低負荷領域Ａ１である場合、第１インバータ２０および第２インバータ３０の動作を片側駆動動作とする。片側駆動動作は、１電源駆動動作と捉えることもできる。
第１電源４１の電力によりモータジェネレータ１０を駆動する第１片側駆動動作では、第２制御信号生成部６２は、第２上アーム素子３１〜３３の全相、または、第２下アーム素子３４〜３６の全相の一方をオン、他方をオフすることにより、第２インバータ３０を中性点化する。また、第１制御信号生成部６１は、モータジェネレータ１０の駆動に係る指令値に基づき、第１インバータ２０をＰＷＭ制御により制御する。

図３（ａ）に示す例では、第２上アーム素子３１〜３３の全相がオン、第２下アーム素子３４〜３６の全相がオフされることにより、第２インバータ３０が中性点化される。また、第１インバータ２０において、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１下アーム素子２５、および、Ｗ１下アーム素子２６がオンされると、図３（ａ）中の矢印Ｙ１で示す経路の電流が流れる。図３では、オンである素子を実線、オフである素子を破線で示す。また、図３中においては、電流センサ５１〜５３および制御部６０等、一部の構成や符号の記載を適宜省略した。後述の図４等も同様である。

第２電源４２の電力によりモータジェネレータ１０を駆動する第２片側駆動動作では、第１上アーム素子２１〜２３の全相、または、第１下アーム素子２４〜２６の全相の一方をオン、他方をオフすることにより、第１インバータ２０を中性点化する。また、モータジェネレータ１０の駆動に係る指令値に基づき、第２インバータ３０をＰＷＭ制御により制御する。

図３（ｂ）に示す例では、第１上アーム素子２１〜２３の全相がオン、第１下アーム素子２４〜２６の全相がオフされることにより、第１インバータ２０が中性点化される。また、第２インバータ３０において、Ｕ２上アーム素子３１、Ｖ２下アーム素子３５、および、Ｗ２下アーム素子３６がオンされると、図３（ｂ）中の矢印Ｙ２で示す経路の電流が流れる。

スイッチング素子３１〜３６の熱劣化等に応じ、第２上アーム素子３１〜３３がオンされる状態と、第２下アーム素子３４〜３６がオンされる状態とを適宜切り替えてもよい。第１インバータ２０を中性点化する場合も同様である。
また、第１電源電圧Ｖｂ１と第２電源電圧Ｖｂ２とが等しいので、モータジェネレータ１０に印加される電圧は、第１片側駆動動作と第２片側駆動動作とで等しい。そのため、スイッチング素子２１〜２６、３１〜３６の熱劣化等に応じ、第１片側駆動動作と第２片側駆動動作とを適宜切り替えてもよい。中性点化しない方のインバータ２０、３０は、ＰＷＭ制御に限らず、どのように制御してもよい。他の制御時も同様、ＰＷＭ制御に限らず、どのような制御としてもよい。
なお、第１電源電圧Ｖｂ１と第２電源電圧Ｖｂ２とが異なる場合、電圧が低い方で駆動要求を満たせるときには、高電圧側を中性点化し、低電圧側で駆動する。これにより、スイッチング損失を低減することができる。

モータジェネレータ１０の回転数およびトルクが高負荷領域Ａ２である場合、第１インバータ２０および第２インバータ３０の動作を反転駆動動作とする。反転駆動動作は、２電源駆動動作と捉えることもできる。
反転駆動動作では、制御信号生成部６１、６２は、モータジェネレータ１０の駆動要求に応じた第１基本波Ｆ１に基づいて第１インバータ２０の駆動を制御し、駆動要求に応じた第２基本波Ｆ２に基づいて第２インバータ３０の駆動を制御する。

例えば、制御信号生成部６１、６２は、第１基本波Ｆ１とキャリア波との比較によるＰＷＭ制御により第１制御信号を生成し、第２基本波Ｆ２とキャリア波との比較によるＰＷＭ制御により第２制御信号を生成する。ＰＷＭ制御には、基本波Ｆ１、Ｆ２の振幅がキャリア波の振幅より小さい「正弦波ＰＷＭ制御」、および、基本波Ｆ１、Ｆ２の振幅がキャリア波より大きい「過変調ＰＷＭ制御」を含むものとする。

反転駆動動作において、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２とは、位相が反転されている。換言すると、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２とは、位相が略１８０［°］ずれている。これにより、第１電源４１と第２電源４２とが直列接続されている状態とみなすことができ、第１電源電圧Ｖｂ１と第２電源電圧Ｖｂ２との和に相当する電圧をモータジェネレータ１０に印加可能である。
なお、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２との位相差は、１８０［°］とするが、第１電源電圧Ｖｂ１および第２電源電圧Ｖｂ２の和に相当する電圧をモータジェネレータ１０に印加可能な程度のずれは許容される。

第１基本波Ｆ１の振幅と第２基本波Ｆ２の振幅とは、等しくてもよいし、異なっていてもよい。第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２の振幅および波形が等しい場合、各相にてオンされる素子が第１インバータ２０と第２インバータ３０とで上下反対となる。
図４に示す例では、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１下アーム素子２５、Ｗ１下アーム素子２６、Ｖ２上アーム素子３２、Ｗ２上アーム素子３３、および、Ｕ２下アーム素子３４がオンされ、このとき、矢印Ｙ３で示す経路の電流が流れる。

また、第１基本波Ｆ１と第２基本波Ｆ２とは、ともに正弦波である場合のように同様の波形であってもよいし、例えば第１インバータ２０または第２インバータ３０の一方を正弦波ＰＷＭ制御し、他方を過変調ＰＷＭ制御するといった場合のように、異なる波形であってもよい。また、振幅を無限大とみなし、基本波Ｆ１、Ｆ２の半周期ごとにオンオフが切り替えられる矩形波制御としてもよい。矩形波制御は、１８０度通電制御ともいえる。また、矩形波制御に替えて、基本波Ｆ１、Ｆ２に基づく１２０度通電制御としてもよい。
なお、反転駆動動作にて、振幅や波形が異なる場合、各相にてオンされる素子は、第１インバータ２０と第２インバータ３０とで、必ずしも上下反対にならない。
図３および図４にて示すように、制御信号生成部６１、６２は、正常時には、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相を用いる３相駆動制御によりインバータ２０、３０を制御する。

ここで、巻線異常が生じた場合について説明する。コイル１１〜１３内にて絶縁不良が生じると、絶縁不良箇所の発熱による破損状態の悪化や、制御の破綻により、モータジェネレータ１０の駆動を継続できなくなる虞がある。図１３に示す回転電機駆動システム９００は参考例であって、モータ９１０に対して１つのインバータ９２０、電源９４１およびコンデンサ９４３が設けられる。モータ９１０の巻線９１１、９１２、９１３は、一端にインバータ９２０が設けられ、他端が中性点９１５で結線される。

モータ９１０において、相間短絡Ｘ９が生じると、矢印Ｙ９で示す短絡電流が流れ、モータジェネレータ１０を駆動することができない。また、近年ハイブリッド車両の主機モータ等に多く採用されているロータが磁石を有するタイプのモータでは、ロータの回転に伴って誘起電圧が発生し、中性点を経由して短絡電流が流れるため、誘起電圧によって逆トルクが発生する。短絡電流は、ロータの回転数が大きくなるほど大きくなり、更なる絶縁不良を引き起こすことでコイル１１〜１３自体の損傷に至る虞がある。

モータジェネレータ１０が主機モータとして用いられている場合、何らかの異常が生じたとしても、一時的にモータジェネレータ１０の駆動を継続することで退避走行可能であることが望ましい。
本実施形態では、モータジェネレータ１０に対して２つのインバータ２０、３０を設けているため、巻線不良が生じた場合であっても、モータジェネレータ１０の駆動を継続可能である。

ここで、異常状況に応じた駆動モードの切り替えを図５に示すフローチャートに基づいて説明する。図５に示す駆動モード切替処理は、制御部６０にて実行される。本実施形態では、異常検出部６５がステップＳ１０３〜Ｓ１０７の処理を行い、第１制御信号生成部６１および第２制御信号生成部６２がその他の処理を行う。

最初のステップＳ１０１（以下、「ステップ」を省略し、単に記号「Ｓ」で記す。）では、モータジェネレータ１０の最大回転数Ｒｍａｘを初期値Ｒ０とする。初期値Ｒ０は、回転電機駆動システム１にて出力可能な最大回転数とする。
Ｓ１０２では、図２〜図４にて説明した通常制御とする。通常制御においては、モータジェネレータ１０の回転数およびトルクに応じ、片側駆動動作、または、両側駆動動作とする。通常制御では、片側駆動動作または両側駆動動作のいずれであっても、全ての相を用いる３相駆動とする。

Ｓ１０３では、巻線異常判定を行い、生じている巻線異常の種類、および、巻線異常が生じている相を特定する。
Ｓ１０４では、巻線異常があるか否かを判断する。巻線異常がないと判断された場合（Ｓ１０４：ＮＯ）、Ｓ１０２に戻る。巻線異常があると判断された場合（Ｓ１０４：ＹＥＳ）、Ｓ１０５へ移行する。

Ｓ１０５〜Ｓ１０７は、巻線異常の種類を判別するステップである。Ｓ１０５〜Ｓ１０７の処理順は、変更してもよい。
Ｓ１０５では、生じている異常が相間短絡異常か否かを判断する。生じている異常が相間短絡異常であると判断された場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、Ｓ１０８へ移行する。生じている異常が相間短絡異常ではないと判断された場合（Ｓ１０７：ＮＯ）、Ｓ１０６へ移行する。

Ｓ１０６では、生じている異常が断線異常か否かを判断する。生じている異常が断線異常であると判断された場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）、Ｓ１１０へ移行する。生じている異常が断線異常ではないと判断された場合（Ｓ１０６：ＮＯ）、Ｓ１０７へ移行する。
Ｓ１０７では、生じている異常が相内短絡異常か否かを判断する。生じている異常が相間短絡異常であると判断された場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）、Ｓ１１１へ移行する。生じている異常が相間短絡異常ではないと判断された場合（Ｓ１０７：ＮＯ）、Ｓ１１３へ移行する。

生じている異常が相間短絡異常であると判断された場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）に移行するＳ１０８では、停止相を決定する。停止相は、相間短絡異常が生じている相のうちの一方とする。例えば、図６に示す例のように、Ｕ相コイル１１とＶ相コイル１２とが短絡箇所Ｘ１にて短絡している場合、短絡相がＵ相およびＶ相であって、Ｕ相またはＶ相を停止相とする。以下、停止相がＵ相である場合を例に説明する。

Ｓ１０９では、相間短絡異常時における退避走行制御である第１退避走行制御とする。第１退避走行制御では、停止相以外の２相を用いた２相駆動制御とする。本実施形態における２相駆動制御には、２相を用いた片側駆動、および、２相を用いた両側駆動が含まれる。
図７は、２相を用いた反転駆動のスイッチング状態を示している。
図７（ａ）に示すように、制御信号生成部６１、６２は、２相駆動時には、停止相であるＵ相の全てのスイッチング素子２１、２４、３１、３４をオフにする。これにより、短絡箇所Ｘ１を切り離すことができるので、短絡箇所Ｘ１に短絡電流が流れない。

図７（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１制御信号生成部６１は、第１インバータ２０において、Ｖ１上アーム素子２２とＷ１上アーム素子２３のオンオフが反対となるように制御する。すなわち、第１制御信号生成部６１は、Ｖ１上アーム素子２２がオンのとき、Ｗ１上アーム素子２３がオフ、Ｖ１上アーム素子２２がオフのとき、Ｗ１下アーム素子がオンとなるように制御する。
図７（ｄ）、（ｅ）に示すように、第２制御信号生成部６２は、第２インバータ３０において、Ｖ２上アーム素子３２とＷ２上アーム素子３３のオンオフが反対となるように、モータジェネレータ１０の駆動に係る指令値に基づいて制御する。すなわち、第２制御信号生成部６２は、Ｖ２上アーム素子３２がオンのとき、Ｗ２上アーム素子３３がオフ、Ｖ２上アーム素子３２がオフの時、Ｗ２上アーム素子３３がオンとなるように制御する。
なお、Ｖ相およびＷ相の下アーム素子２５、２６、３５、３６は、対応する上アーム素子とオンオフが反対となるように制御される。

２相を用いた反転駆動では、正常時における３相を用いた反転駆動にて説明したのと同様、第１インバータ２０の制御に係る第１基本波Ｆ１の位相と第２インバータ３０の制御に係る第２基本波Ｆ２の位相とが反転されていればよく、振幅や波形は異なっていてもよい。なお、図７（ｂ）〜（ｅ）は、基本波Ｆ１、Ｆ２の振幅および波形が等しい場合の例であり、例えばＶ１上アーム素子２２、Ｗ１下アーム素子２６、Ｗ２上アーム素子３３、および、Ｖ２下アーム素子３５がオンのとき、図６中に矢印Ｙ４で示す経路の電流が流れる。

図８は、第１インバータ２０側を中性点化した場合の片側駆動のスイッチング状態を示している。
図８（ａ）に示すように、制御信号生成部６１、６２は、反転駆動時と同様、２相駆動時には、停止相であるＵ相の全てのスイッチング素子２１、２４、３１、３４をオフにする。
図８（ｂ）、（ｃ）に示すように、第１制御信号生成部６１は、中性点化する第１インバータ２０において、Ｖ１上アーム素子２２およびＷ１上アーム素子２３をオン、Ｖ１下アーム素子２５およびＷ１下アーム素子２６をオフにする。

図８（ｄ）、（ｅ）に示すように、第２制御信号生成部６２は、第２インバータ３０において、Ｖ２上アーム素子３２とＷ２上アーム素子３３のオンオフが反対となるように制御する。すなわち、Ｖ２上アーム素子３２がオンのとき、Ｗ２上アーム素子３３がオフ、Ｖ２上アーム素子３２がオフの時、Ｗ２上アーム素子３３がオンとなるように制御する。
なお、中性点化されるインバータにおいて、オンされるアームを、適宜切り替えてもよい。また、反転駆動とするか、片側駆動とするかは、モータジェネレータ１０の回転数およびトルクに応じ、正常時とは別途に設定されるマップに基づいて選択される。後述する断線異常時および相間短絡異常時についても同様である。

図９（ａ）は、３相駆動時の電流波形を示し、図９（ｂ）は、２相駆動時の電流波形を示す。図９に示すように、３相駆動時と２相駆動時とでは、電流位相が異なる。図９（ｂ）に示すように、２相駆動を行うと、Ｗ相電流Ｉｗは、Ｖ相電流Ｉｖを反転した電流となる。また、２相駆動時には、Ｖ相電流ＩｖとＷ相電流Ｉｗとの和がゼロとなる。すなわち、Ｖ相電流Ｉｖがゼロのとき、Ｗ相電流Ｉｗもゼロとなり、ｑ軸電流Ｉｑが変動する。ｑ軸電流Ｉｑの変動によるトルク変動があるものの、停止相を切り離して２相駆動制御を行うことにより、モータジェネレータ１０の駆動を行うことができる。
なお、３相駆動を行う場合、図９（ａ）に示すように、全ての相の電流がゼロとなるタイミングがなく、ｑ軸電流Ｉｑの変動は小さい。

図５に戻り、生じている異常が断線異常であると判断された場合（Ｓ１０６：ＹＥＳ）に移行するＳ１１０では、断線異常時における退避走行制御である第２退避走行制御とする。第２退避走行制御では、断線している相を停止相とし、停止相以外の２相を用いた２相駆動とする。
図１０は、Ｕ相コイル１１がＢ１にて断線した場合の例である。Ｕ相コイル１１が断線した場合、断線相であるＵ相を停止相とし、制御信号生成部６１、６２は、停止相であるＵ相の全てのスイッチング素子２１、２４、３１、３４をオフにする。また、制御信号生成部６１、６２は、断線していないＶ相およびＷ相を２相駆動制御する。２相駆動の詳細は、相間短絡異常時と同様であり、２相を用いた片側駆動としてもよいし、反転駆動としてもよい。図１０には、２相を用いた反転駆動の例を示しており、例えば、Ｖ１上アーム素子２２、Ｗ１下アーム素子２６、Ｗ２上アーム素子３３、および、Ｖ２下アーム素子３５がオンのとき、矢印Ｙ５で示す経路の電流が流れる。

生じている異常が相内短絡異常であると判断された場合（Ｓ１０７：ＹＥＳ）に移行するＳ１１１では、モータジェネレータ１０の最大回転数Ｒｍａｘを制限値Ｒ１とする。制限値Ｒ１は、初期値Ｒ０よりも小さい。すなわちＲ１＜Ｒ０である。相内短絡異常の場合、短絡電流を流さないようにすることができないため、制限値Ｒ１は、短絡電流が流れても支障がない程度の値に設定される。なお、通電経路として、比較的近い２点が短絡した場合は誘起電圧が低く、短絡電流が小さい。一方、比較的遠い２点が短絡した場合には誘起電圧が高く、短絡電流が大きい。また、短絡箇所の導通状態によっても短絡電流の大きさは異なる。そのため、制限値Ｒ１は、誘起電圧や短絡電流の大きさに応じて可変としてもよい。

なお、相間短絡異常時には、短絡相の１相を停止相として切り離すことにより、短絡電流を流すことなくモータジェネレータ１０を駆動することができるので、最大回転数Ｒｍａｘを制限する必要がない。したがって、相間短絡異常時の最大回転数Ｒｍａｘを初期値Ｒ０とする。断線異常時も同様、最大回転数Ｒｍａｘを初期値Ｒ０とする。

Ｓ１１２では、相内短絡異常時における退避走行である第３退避走行制御とする。第３退避走行制御では、モータジェネレータ１０の最大回転数Ｒｍａｘが制限値Ｒ１以下の範囲で、３相駆動または２相駆動とする。図１１および図１２に示すように、本実施形態では、Ｕ相コイル１１が短絡箇所Ｘ２にて相内短絡した場合を例に説明する。

図１１は、相内短絡異常時に２相駆動する例を示している。図１１に示すように、Ｕ相コイル１１が相内短絡した場合、制御信号生成部６１、６２は、短絡相であるＵ相の全てのスイッチング素子２１、２４、３１、３４をオフにする。また、制御信号生成部６１、６２は、短絡していないＶ相およびＷ相を２相駆動制御する。２相駆動の詳細は、相間短絡異常時と同様であり、２相を用いた片側駆動としてもよいし、反転駆動としてもよい。図１１には、２相を用いた反転駆動の例を示しており、例えば、Ｖ１上アーム素子２２、Ｗ１下アーム素子２６、Ｗ２上アーム素子３３、および、Ｖ２下アーム素子３５がオンのとき、矢印Ｙ６で示す経路の電流が流れる。なお、相内短絡異常時に２相駆動制御する場合、短絡相の電流がゼロにならないため、図９（ｂ）の波形とは異なる波形となる。
これにより、短絡電流を許容できる回転数範囲内において、短絡相を用いることなく、より安全にモータジェネレータ１０の駆動を継続することができる。

図１２は、相内短絡異常時に３相駆動する例を示している。３相駆動の詳細は、最大回転数Ｒｍａｘの上限が異なる以外は正常時と同様であり、３相を用いた片側駆動としてもよいし、反転駆動としてもよい。図１２には、３相を用いた反転駆動の例を示しており、例えば、Ｕ１上アーム素子２１、Ｖ１下アーム素子２５、Ｗ１下アーム素子２６、Ｖ２上アーム素子３２、Ｗ２上アーム素子３３、および、Ｕ２下アーム素子３４がオンのとき、矢印Ｙ７で示す経路の電流が流れる。

相内短絡時の３相駆動では、短絡箇所にも電流を流すことになるため、例えばＵ１コイル１１が相内短絡している場合、Ｕ相コイル１１のインダクタンスは、正常時より小さくなる。そのため、正常時と同様の電流指令にすると、Ｕ相電流Ｉｕが大きくなるが、電流フィードバック制御を行うことで、相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを所望の値に収束させることが可能である。なお、フィードフォワード制御等を行う場合、相内短絡に起因するＵ相コイル１１のインダクタンスの低下分を補正して演算することが望ましい。

相内短絡時の３相駆動では、最大回転数Ｒｍａｘが制限値Ｒ１の範囲内にて、トルク変動を抑えた状態にて、モータジェネレータ１０の駆動を継続することができる。また、２相駆動では、ロータの停止位置によってはモータジェネレータ１０を起動することができないが、３相駆動では、ロータの停止位置によらず、モータジェネレータ１０を起動可能である。そのため、相内短絡時において、例えば始動時は３相駆動とし、始動後は２相駆動に切り替えるように制御してもよい。
生じている異常が相間短絡異常、断線異常、または、相内短絡異常のいずれでもない場合（Ｓ１０５〜Ｓ１０７：ＮＯ）に移行するＳ１１３は、巻線異常の種類が特定できない、あるいは、多重故障が生じている場合であって、退避走行ができないため、全てのスイッチング素子２１〜２６、３１〜３６をオフにし、惰性走行とする。

以上詳述したように、本発明の一実施形態による電力変換装置５は、複数相のコイル１１、１２、１３を有するモータジェネレータ１０の電力を変換するものであって、第１インバータ２０と、第２インバータ３０と、制御部６０と、を備える。
第１インバータ２０は、コイル１１、１２、１３の各相に対応して設けられる第１スイッチング素子２１〜２６を有し、コイル１１、１２、１３の一端１１１、１２１、１３１および第１電源４１と接続される。
第２インバータ３０は、コイル１１、１２、１３の各相に対応して設けられる第２スイッチング素子３１〜３６を有し、コイル１１、１２、１３の他端１１２、１２２、１３２および第２電源４２と接続される。

制御部６０は、制御信号生成部６１、６２を、および、異常検出部６５を有する。
制御信号生成部６１、６２は、第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。
異常検出部６５は、相内短絡異常、相間短絡異常、断線異常を含む巻線異常を検出する。相内短絡異常は、巻線の１相内にて短絡する異常である。相間短絡異常は、巻線の２相間が短絡する異常である。断線異常は、巻線の１相が断線する異常である。
制御信号生成部６１は、検出された巻線異常に応じ、全相を用いる全相駆動制御、または、巻線異常に係る１相を停止相とし、停止相の第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を全てオフにし、停止相以外の相を用いる減相駆動制御により、第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。

本実施形態では、１つのモータジェネレータ１０に対して２つのインバータ２０、３０を設ける構成において、検出された巻線異常に応じて第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御することで、モータジェネレータ１０の駆動を制御することができる。これにより、巻線異常の種類に応じ、適切にモータジェネレータ１０の駆動を制御することができ、巻線異常が生じていてもモータジェネレータ１０を駆動することができる。特に、モータジェネレータ１０を電動車両の主機モータに適用した場合、巻線異常が生じた場合であっても、退避走行を行うことができる。

制御信号生成部６１、６２は、巻線異常が相間短絡異常である場合、短絡相の一方を停止相とする減相駆動制御（本実施形態では２相駆動制御）により第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。
短絡相の１相を停止相とし、停止相のスイッチング素子を全てオフすることで、停止相を切り離しすことができる。また、停止相以外を用いた減相駆動制御とすることで、相間短絡異常が生じた場合であっても、短絡電流を流すことなく、モータジェネレータ１０を駆動することができる。

制御信号生成部６１、６２は、巻線異常が断線異常である場合、断線相を停止相とする減相駆動制御により第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。
これにより、断線異常が生じた場合であっても、断線相を用いない減相駆動制御とすることで、断線異常が生じた場合であっても、モータジェネレータ１０の駆動を継続することができる。

制御信号生成部６１、６２は、巻線異常が相内短絡異常である場合、全相駆動制御、または、短絡相を停止相とする減相駆動制御により、第１インバータ２０および第２インバータ３０を制御する。
これにより、相内短絡異常が生じた場合であっても、モータジェネレータ１０を駆動することができる。

制御信号生成部６１、６２は、巻線異常が相内短絡異常である場合、モータジェネレータ１０の回転数が、巻線異常が生じていないときのモータジェネレータ１０の最大回転数である初期値Ｒ０より小さい制限値Ｒ１以下となるように、第１スイッチング素子２１〜２６および第２スイッチング素子３１〜３６を制御する。
巻線異常が相内短絡異常である場合、短絡電流の通電を停止することができない。そこで本実施形態では、相内短絡時には、モータジェネレータ１０の最大回転数Ｒｍａｘを制限して、モータジェネレータ１０の駆動を継続する。これにより、相内短絡箇所の過熱や異常状態の更なる悪化を抑制することができる。

本実施形態では、制御信号生成部６１、６２が「インバータ制御手段」を構成し、異常検出部６５が「異常検出手段」を構成する。また、モータジェネレータ１０の最大回転数Ｒｍａｘに係る初期値Ｒ０が「正常時最大回転数」に対応し、制限値Ｒ１が「異常時最大回転数」に対応する。

（他の実施形態）
（ア）異常検出手段
上記実施形態では、電流指令値と電流検出値との比較により、巻線異常の判定を行う。他の実施形態では、巻線異常の判定方法は、電流指令値と電流検出値との比較に限らず、どのような方法としてもよい。

また、上記実施形態では、電流検出値は、第１インバータと巻線との間に設けられる電流センサから取得される。他の実施形態では、電流センサは、第２インバータと巻線との間等、第１インバータと巻線との間以外の箇所に設けてもよい。また、上記実施形態では、電流センサは３相に設けられる。他の実施形態では、電流センサの一部を省略してもよく、例えば、電流センサを２相に設け、他１相の電流検出値は、３相和＝０より求めてもよい。また、電流センサを省略し、制御部にて内部的に実電流を推定するようにしてもよい。

（イ）電源
上記実施形態では、第１電源および第２電源は、ともにリチウムイオン電池であり、第１電圧と第２電圧とが等しい。他の実施形態では、第１電源および第２電源の少なくとも一方をリチウムイオンバッテリ以外の鉛蓄電池、燃料電池、または、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等のキャパシタであってもよい。また、第１電源および第２電源の種類および電圧は異なっていてもよい。さらにまた、第１電源または第２電源の一方を、エンジン等の駆動源により駆動されて発電する発電機等としてもよい。

（ウ）回転電機
上記実施形態では、回転電機はモータジェネレータである。他の実施形態では、回転電機は、発電機の機能を持たない電動機であってもよいし、電動機の機能を持たない発電機であってもよい。また、上記実施形態の回転電機は３相である。他の実施形態では、回転電機は、４相以上としてもよい。また、上記実施形態では、回転電機駆動システムは、グランドと接続されていないが、他の実施形態では、回転電機駆動システムを、グランドと接続してもよい。
また、上記実施形態では、回転電機が電動車両の主機モータである。他の実施形態では、回転電機は、主機モータに限らず、例えばスタータ機能とオルタネータ機能とを併せ持つ、所謂ＩＳＧ（Integrated Starter Generator）や、補機モータであってもよい。また、電力変換装置を車両以外の装置に適用してもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

５・・・電力変換装置
１０・・・モータジェネレータ（回転電機）
１１〜１３・・・コイル（巻線）
２０・・・第１インバータ
２１〜２６・・・第１スイッチング素子
３０・・・第２インバータ
３１〜３６・・・第２スイッチング素子
６０・・・制御部
６１、６２・・・制御信号生成部（インバータ制御手段）
６５・・・異常検出部（異常検出手段）

Claims (4)

1. 複数相の巻線（１１、１２、１３）を有する回転電機（１０）の電力を変換する電力変換装置であって、
   前記巻線の各相に対応して設けられる第１スイッチング素子（２１〜２６）を有し、前記巻線の一端（１１１、１２１、１３１）および第１電圧源（４１）と接続される第１インバータ（２０）と、
   前記巻線の各相に対応して設けられる第２スイッチング素子（３１〜３６）を有し、前記巻線の他端（１１２、１２２、１３２）および第２電圧源（４２）と接続される第２インバータ（３０）と、
   前記第１インバータおよび前記第２インバータを制御するインバータ制御手段（６１、６２）、および、前記巻線の１相内にて短絡する異常である相内短絡異常、前記巻線の２相間が短絡する異常である相間短絡異常、および、前記巻線の１相が断線する異常である断線異常を含む巻線異常を検出する異常検出手段（６５）を有する制御部（６０）と、
   を備え、
   前記インバータ制御手段は、検出された前記巻線異常に応じ、全相を用いる全相駆動制御、または、前記巻線異常に係る１相を停止相とし、前記停止相の前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子を全てオフにし、前記停止相以外の相を用いる減相駆動制御により、前記第１インバータおよび前記第２インバータを制御し、
   前記インバータ制御手段は、前記巻線異常が前記相内短絡異常である場合、前記全相駆動制御、または、短絡相を前記停止相とする前記減相駆動制御により、前記第１インバータおよび前記第２インバータを制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記インバータ制御手段は、前記巻線異常が前記相間短絡異常である場合、短絡相のうちの一方を前記停止相とする前記減相駆動制御により前記第１インバータおよび前記第２インバータを制御することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記インバータ制御手段は、前記巻線異常が前記断線異常である場合、断線相を前記停止相とする前記減相駆動制御により前記第１インバータおよび前記第２インバータを制御することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記インバータ制御手段は、前記巻線異常が前記相内短絡異常である場合、前記回転電機の回転数が、前記巻線異常が生じていないときの前記回転電機の最大回転数である正常時最大回転数より小さい異常時最大回転数以下となるように、前記第１インバータおよび前記第２インバータを制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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