DE112015001178T5 - Elektrischer Kompressor - Google Patents

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Koji Nakano
Hideo Nakamura
Hiroyuki Kamitani
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Mitsubishi Heavy Industries Automotive Thermal Systems Co Ltd
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Abstract

Ein elektrischer Kompressor (10) umfasst: einen Aufwärtswandler (18), der konfiguriert ist, um einen Spannungsausgang von einer Gleichstrom(DC)-Versorgung (16) anzuheben; ein Wechselrichter (20), der konfiguriert ist, um den vom Aufwärtswandler (18) angehobenen Strom in einen Wechselstrom (AC) umzuwandeln; und einen Motor (14), der konfiguriert ist, um den elektrischen Kompressor (10) unter Verwendung des AC-Stromausgangs vom Wechselrichter (20) anzutreiben. Im elektrischen Kompressor (10) sind der Aufwärtswandler (18) und der Wechselrichter (20) auf derselben Platine vorgesehen, im selben Gehäuse untergebracht, und werden von einem Kühlmittel gekühlt, das in den elektrischen Kompressor (10) fließt. Der elektrische Kompressor (10) wird dabei erhalten, in dem eine Vergrößerung der Ausmaße der Vorrichtung sogar dann verhindert wird, wenn der Aufwärtswandler (18), der konfiguriert ist, um eine Niederspannung von der DC-Stromversorgung (16) anzuheben, eingebaut ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Kompressor.
  • Stand der Technik
  • Ein elektrischer Kompressor für Kraftfahrzeuge ist im Allgemeinen in einem Fahrzeug, wie in einem Elektrofahrzeug (EV), einem elektrischen Hybridfahrzeug (HEV), einem elektrischen Plug-in-Hybridfahrzeug (PHEV) und einem Elektrofahrzeug mit Brennstoffzelle (FCEV) eingebaut.
  • In Patentdokument 1 wird ein elektrischer Kompressor offenbart, der mit einem Leistungswandler (Wechselrichter) für das Umwandeln einer Gleichstrom(DC)-Spannung, die von einer externen Quelle angewendet wird, in einen dreiphasigen Wechselstrom (AC), einen Motor für das Drehen des Kompressors unter Verwendung des dreiphasigen AC-Stroms und einen Kompressor für das Komprimieren eines Kühlmittels vorgesehen ist.
  • Die in Patentdokument 1 beschriebene Art von DC-Spannung wird von einer Hochspannungsbatterie geliefert, die im oben beschriebenen Fahrzeug eingebaut ist, oder von einem DC/DC-Wandler, der mit der Hochspannungsbatterie verbunden ist. Obwohl der Bereich der DC-Spannung abhängig vom Fahrzeugtyp variiert, haben viele der oben beschriebenen Fahrzeuge, wie das EV, im Allgemeinen ein 300 V-System (von 150 V bis 450 V), wobei es sich um ein Hochspannungssystem handelt. Die Stromkapazität der DC-Spannung des 300 V-Systems ist im Allgemeinen höchstens ungefähr 30 A. Folglich steigt die Größe eines energetisierten Elements aufgrund einer Beziehung zwischen dem Strom und der Temperatur nicht, daher kann der elektrische Kompressor auf relativ kompakte Weise gestaltet werden.
  • Ferner kommen in Bezug auf Motorfahrzeuge vermehrt Umweltaspekte zum Tragen, wie beispielsweise die Ausführung eines Leerlaufstopps. Folglich steigt die Nachfrage nach einem elektrischen Kompressor und das sogar für Motorfahrzeuge, die mit keiner Hochspannungsbatterie ausgestattet sind. Der Hauptzweck einer Batterie, die in einem Motorfahrzeug eingebaut ist, ist allerdings jener, eine Steuervorrichtung anzutreiben, aus welchem Grund die Batterie lediglich eine Niederspannung zuführt, wie beispielsweise 12 V oder 24 V. Beachten Sie, dass obwohl die Spannung der Batterie durch eine Erhöhung der Anzahl der eingebauten elektrischen Komponenten bis zu ungefähr 50 V erhöht werden kann, davon ausgegangen wird, dass nur wenige Fahrzeugmotormodelle ein Hochspannungssystem, das so hoch wie das 300 V-System ist, das in einem EV und dergleichen eingebaut ist, verwenden.
  • Wenn dann ein elektrischer Kompressor, der im Wesentlichen dieselbe Leistung wie das 300 V-System hat, von einem 12 V-Niederspannungssystem (12 V bis 50 V) angetrieben wird, wird der Erregerstrom auf ungefähr 300 A erhöht, was ungefähr 10 Mal höher als der Strom ist, der verwendet wird, wenn der elektrische Kompressor mit dem 300 V-System angetrieben wird. Wenn ein Wechselrichter des elektrischen Kompressors unter dieser Berücksichtigung konfiguriert wird, muss die Querschnittsfläche des energetisierten Elements ungefähr 10 Mal dessen eines energetisierten Elements nach dem Stand der Technik erhöht werden, da die Temperatur aufgrund des Stromanstiegs ansteigt. Daraufhin vergrößert sich der Wechselrichter des elektrischen Kompressors und der Wechselrichter wird nicht einfach in einen Motorraum oder dergleichen des Fahrzeugs eingebaut. Wenn ferner ein elektrischer Kompressor neu konzipiert wird, um mit dem 12 V-System verwendet zu werden, können die Design-Ressourcen des elektrischen Kompressors, der das 300 V-System verwendet, nicht verwendet werden, was zu einem Kostenanstieg führt.
  • Folglich wird in Patentdokument 2 ein elektrischer Kompressor für Kraftfahrzeuge offenbart, der mit einem Aufwärtswandler ausgestattet ist, der einen DC-Spannungsausgang von einer Niederspannungs-DC-Stromversorgung zu einer Hochspannung anhebt und der die angehobene DC-Spannung nach Umwandlung der angehobenen DC-Spannung zur AC-Spannung verwendet.
  • Liste der Entgegenhaltungen
  • Patentliteratur
    • Patentdokument 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnr. 2005-155365 A
    • Patentdokument 2: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung, Veröffentlichungsnr. 2003-25834 A
  • Kurzfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Wie allerdings in Patentdokument 2 offenbart, muss ein Design für den Neueinbau eines Aufwärtswandlers in einem Fahrzeugmotorraum Maßnahmen gegen Lärm für den Aufwärtswandler ergreifen, eine Installationsposition des Aufwärtswandlers neu feststellen und über zwei Arten an Kabeln, beispielsweise für das 12 V-Niederspannungssystem und das 300 V-Hochspannungssystem, verfügen. Ferner müssen Rippen und dergleichen für die Kühlung des Aufwärtswandlers neu vorgesehen werden. Auf diese Weise besteht die Wahrscheinlichkeit, dass durch die Installation des Aufwärtswandlers die Vorrichtung vergrößert wird.
  • Angesichts des zuvor Angeführten, ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen elektrischen Kompressor zur Verfügung zu stellen, der den Anstieg der Größe der Vorrichtung sogar dann verhindert, wenn der Aufwärtswandler, der konfiguriert ist, um eine Niederspannung einer DC-Stromversorgung anzuheben, eingebaut ist.
  • Technische Lösung
  • Ein elektrischer Kompressor der vorliegenden Erfindung setzt Folgendes ein, um die vorstehend beschriebenen Probleme zu lösen.
  • Ein elektrischer Kompressor gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Aufwärtswandler, der konfiguriert ist, um einen Spannungsausgang von einer Gleichstromversorgung anzuheben; einen Wechselrichter, der konfiguriert ist, um den vom Aufwärtswandler angehobenen Strom in einen Wechselstrom umzuwandeln; und einen Motor, der konfiguriert ist, um einen Kompressor unter Verwendung des Wechselstromausgangs vom Wechselrichter anzutreiben. Der Aufwärtswandler und der Wechselrichter sind auf derselben Platine vorgesehen, im selben Gehäuse untergebracht, und werden von einem Kühlmittel gekühlt, das in den Kompressor fließt.
  • Gemäß der vorliegenden Konfiguration wird der Spannungsausgang von der Gleichstromversorgung durch den Aufwärtswandler angehoben, und der angehobene Strom wird durch den Wechselrichter in Wechselstrom umgewandelt. Dann dreht der Motor den Kompressor unter Verwendung des Wechselstromausgangs vom Wechselrichter.
  • Nach dem Stand der Technik waren eine Gleichstromversorgung eines Hochspannungssystems (beispielsweise ein 300 V-System) für den Antrieb des Motors über einen Wechselrichter und eine Gleichstromversorgung eines Niederspannungssystems (beispielsweise ein 12 V-System) für die Steuerung des Wechselrichters erforderlich. Mittlerweile kann, mit der vorliegenden Konfiguration, durch Bereitstellen des Aufwärtswandlers eine Niederspannung von der Gleichstromversorgung zu einer Hochspannung angehoben werden. Folglich kann die Anzahl der Stromversorgungssysteme auf eine reduziert werden. Durch das gleichzeitige Bereitstellen des Aufwärtswandlers und des Wechselrichters auf derselben Platine kann ferner die Anzahl der Zubehörteile, wie Verbinder und Kommunikationsvorrichtungen, verglichen mit dem Fall, in dem der Aufwärtswandler und der Wechselrichter auf verschiedenen Platinen angeordnet sind, reduziert werden. Auf diese Weise kann eine Vergrößerung der Vorrichtungskonfiguration sogar dann, wenn ein Aufwärtswandler eingebaut wird, unterdrückt werden. Der Aufwärtswandler und der Wechselrichter sind ferner im selben Gehäuse untergebracht, und sie werden von einem Kühlmittel gekühlt, das in den Kompressor fließt. Auf diese Weise sind Rippen und dergleichen für die Kühlung des Aufwärtswandlers nicht notwendig. Da der Aufwärtswandler und der Wechselrichter im selben Gehäuse untergebracht sind, können ferner Maßnahmen gegen elektromagnetisches Rauschen, das durch den Einbau des Aufwärtswandlers verursacht wird, im selben Gehäuse umgesetzt werden.
  • Folglich kann mit der vorliegenden Konfiguration eine Vergrößerung der Ausmaße der Vorrichtung sogar dann verhindert werden, wenn der Aufwärtswandler, der konfiguriert ist, um die Niederspannung von der Gleichstromversorgung anzuheben, eingebaut ist.
  • Im oben beschriebenen ersten Aspekt wird der Wechselrichter vorzugsweise weiter an einer stromaufwärtigen Seite eines Stroms des Kühlmittels des Kompressors als der Aufwärtswandler angeordnet.
  • Gemäß der vorliegenden Konfiguration können durch die Anordnung des Wechselrichters, welcher mehr Wärme als der Aufwärtswandler erzeugt, weiter an der stromaufwärtigen Seite des Kühlmittelstroms, die Kühleffekte verbessert werden.
  • Im oben beschriebenen ersten Aspekt wird ein Halbleiterelement, das vorzugsweise aus einem Halbleiterelement mit breitem Bandabstand gebildet ist, im Aufwärtswandler und im Wechselrichter verwendet wird.
  • Die vorliegende Konfiguration ermöglicht den verbesserten elektrischen Kompressor, eine Reduktion der Größe der Vorrichtung und dergleichen.
  • Im oben beschriebenen ersten Aspekt werden unterschiedliche Steuersignale für den Aufwärtswandler und den Wechselrichter vorzugsweise durch denselben Mikrocomputer erzeugt.
  • Da, gemäß der vorliegenden Konfiguration, der Aufwärtswandler unter Verwendung von Berechnungsergebnissen in Bezug auf den Wechselrichter, gesteuert werden kann, während eine Feedback-Kontrolle in Bezug auf den Wechselrichter ausgeführt wird, kann die Nachverfolgungsleistung in Bezug auf die Lastschwankungen verbessert werden.
  • Im oben beschriebenen ersten Aspekt wird die Pulsbreitenmodulationssteuerung vorzugsweise in Bezug auf den Aufwärtswandler und den Wechselrichter ausgeführt, und derart, dass eine Pulsbreitenmodulationsfrequenz des Aufwärtswandlers höher als eine Pulsbreitenmodulationsfrequenz des Wechselrichters ist.
  • Gemäß der vorliegenden Konfiguration kann durch die Einstellung des Aufwärtswandlers auf eine höhere Pulsbreitenmodulationsfrequenz als jene des Wechselrichters, der sich auf der Motor(der Last)-Seite befindet, der Aufwärtswandler auf Stromschwankungsanforderungen vom Wechselrichter reagieren, wobei die Verbesserung der Nachverfolgungsleistung in Bezug auf die Lastschwankungen ermöglicht wird.
  • Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ausgezeichnete Erfolge erzielt, bei denen eine Vergrößerung der Ausmaße der Vorrichtung sogar dann verhindert wird, wenn der Aufwärtswandler, der konfiguriert ist, um die Niederspannung von der Gleichspannungsversorgung anzuheben, eingebaut ist.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Konfigurationsdiagramm einer Stromversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2 ist ein elektrisches Konfigurationsdiagramm einer Stromversorgungsvorrichtung nach dem Stand der Technik.
  • 3 ist ein funktionales Blockdiagramm eines Mikrocomputers gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ist eine schematische Ansicht, die die Anordnungsposition eines Wechselrichtergehäuses gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 5 ist eine schematische Ansicht, die die Anordnungsposition des Wechselrichtergehäuses gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 6 ist eine schematische Ansicht, die die Anordnungspositionen von Leistungstransistoren eines Wechselrichters und eines Leistungstransistors und einer Diode eines Aufwärtswandlers auf einer Platine gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • 7 ist ein Schaltbild, das eine positive Elektrodenzeile und eine negative Elektrodenzeile eines Stromversorgungssystems gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Eine Ausführungsform eines elektrischen Kompressors gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • Eine elektrische Konfiguration einer Stromversorgungsvorrichtung 12 eines elektrischen Kompressors 10 wird unter Bezugnahme auf 1 beschrieben.
  • Die Stromversorgungsvorrichtung 12 liefert Strom für den Antrieb eines Motors 14, der konfiguriert ist, um einen Kompressor unter Verwendung eines dreiphasigen Wechselstroms (AC) zu drehen. Der elektrische Kompressor 10 wird beispielsweise in einer Klimaanlage eines Fahrzeugs verwendet. Zum Beispiel ist das Fahrzeug ein Motorfahrzeug, das mit einer Gleichstrom(DC)-Versorgung 16 vorgesehen ist, die eine Niederspannung eines 12 V-Systems (von 12 V bis 50 V) ausgibt. Beachten Sie, dass die DC-Stromversorgung 16 Strom nicht nur zur Stromversorgungsvorrichtung 12 liefert, sondern auch zu verschiedenen anderen Vorrichtungen des Fahrzeugs. Der Motor 14 ist beispielsweise ein Permanentmagnet-Synchronmotor.
  • Die Stromversorgungsvorrichtung 12 umfasst einen Aufwärtswandler 18, der ein DC/DC-Wandler ist, der konfiguriert ist, um einen DC-Spannungs V1-Ausgang von einer DC-Stromversorgung 16 anzuheben, einen Wechselrichter 20, der konfiguriert ist, um eine DC-Spannung V2, die vom Aufwärtswandler 18 angehoben wird, zu AC-Strom umzuwandeln und den AC-Strom dem Motor 14 zuzuführen, und einen Mikrocomputer 22, der eine Steuervorrichtung ist, die konfiguriert ist, um den Aufwärtswandler 18 und den Wechselrichter 20 zu steuern. Beachten Sie, dass der Mikrocomputer 22 eine Pulsbreitenmodulations(PWM)-Kontrolle in Bezug auf den Aufwärtswandler 18 und den Wechselrichter 20 ausführt.
  • Ein Ende des Aufwärtswandlers 18 ist mit der DC-Stromversorgung 16 verbunden, und das andere Ende des Aufwärtswandlers 18 ist mit dem Wechselrichter 20 verbunden. Der Aufwärtswandler 18 hebt eine Spannung des 12 V-Systems beispielsweise auf eine Hochspannung eines 300 V-Systems (150 V bis 450 V) an, und gibt eine Hochspannung an den Wechselrichter 20 aus.
  • Der Aufwärtswandler 18 ist mit einem Induktor L1, einer Diode D1 und einem Leistungstransistor U7 vorgesehen. Der Induktor L1 ist mit einer positiven Elektrodenseite der DC-Stromversorgung 16 verbunden. Eine Anode der Diode D1 ist mit dem Induktor L1 verbunden und eine Kathode der Diode D1 ist mit dem Wechselrichter 20 verbunden. Ein Ende des Leistungstransistors U7 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Induktor 11 und der Diode D1 verbunden, und das andere Ende des Leistungstransistors U7 ist mit einer negativen Elektrodenseite der DC-Stromversorgung 16 und mit dem Wechselrichter 20 verbunden. Der Leistungstransistor U7 ist ein Schaltelement für das diskontinuierliche Kurzschließen eines Ausgangsanschlusses des Induktors L1.
  • Um die DC-Spannung weiter zu glätten, ist ein Glättungskondensator C1 auf der Wechselrichter 20-Seite des Aufwärtswandlers 18 vorgesehen, und ein Glättungskondensator C2 ist auf der DC-Stromversorgungs 16-Seite des Aufwärtswandlers 18 vorgesehen.
  • Der Wechselrichter 20 wandelt den DC-Stromausgang vom Aufwärtswandler 18 in einen dreiphasigen AC-Strom um und speist den dreiphasigen AC-Strom in den Motor 14 ein.
  • Der Wechselrichter 20 ist mit Leistungstransistoren U1 bis U6 vorgesehen, wobei es sich um Schaltelemente handelt. Die Leistungstransistoren U1 und U2 sind seriell verbunden, und ein Sender des Leistungstransistors U1 und ein Kollektor des Leistungstransistors U2 sind mit dem Motor 14 verbunden, derart, um zu bewirken, dass ein Motorstrom Iu in den Motor 14 fließt. Die Leistungstransistoren U3 und U4 sind seriell verbunden, und ein Sender des Leistungstransistors U3 und ein Kollektor des Leistungstransistors U4 sind mit dem Motor 14 verbunden, derart, um zu bewirken, dass ein Motorstrom Iv in den Motor 14 fließt. Die Leistungstransistoren U5 und U6 sind seriell verbunden, und ein Sender des Leistungstransistors U5 und ein Kollektor des Leistungstransistors U6 sind mit dem Motor 14 verbunden, derart, um zu bewirken, dass ein Motorstrom Iw in den Motor 14 fließt.
  • Die Leistungstransistoren U1 bis U7 und die Diode D1, wobei es sich jeweils um ein Halbleiterelement handelt, sind jeweils aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand gebildet. Das Halbleiterelement mit breitem Bandabstand besteht beispielsweise aus Siliciumkarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder dergleichen.
  • Der Halbleiter mit breitem Bandabstand aus SiC, GaN oder dergleichen erhöht die Schaltgeschwindigkeit des Leistungstransistors. Durch die Verwendung des Halbleiters mit breitem Bandabstand kann folglich ein Schaltverlust unterdrückt werden und, da der stetige Verlust ebenfalls gering ist, kann der elektrische Kompressor 10 eine hohe Effizienz erreichen. Durch die erhöhte Schaltgeschwindigkeit, die durch die Verwendung der Halbleiter mit breitem Bandabstand als die Leistungstransistoren U1 bis U7 ermöglicht wird, kann die Stromversorgungsvorrichtung 12 höhere Frequenzoperationen als eine Stromversorgungsvorrichtung, die Si-artige Leistungstransistoren nach dem Stand der Technik verwendet, ausführen. Folglich können durch Erhöhen der PWM-Frequenzen des Aufwärtswandlers 18 und des Wechselrichters 20 die Kapazitäten des Induktors L1 und der Glättungskondensatoren C1 und C2 reduziert werden, wobei ermöglicht wird, dass die Größe der Vorrichtung reduziert wird. Da der Aufwärtswandler 18 und der Wechselrichter 20 die Hochfrequenzoperationen ausführen können, können der Aufwärtswandler 18 und der Wechselrichter 20 ferner auf einer Frequenz betrieben werden, die gleich oder höher als die vom Menschen hörbare Frequenz ist. Auf diese Weise können Unannehmlichkeiten für Menschen, die durch das Geräusch, das von PWM-Frequenzkomponenten des Aufwärtswandlers 18 und des Wechselrichters 20 erzeugt wird, unterdrückt werden.
  • Durch das Erhöhen der PWM-Frequenz des Wechselrichters 20 werden ferner Welligkeitskomponenten der Eingangsspannung und des Eingangsstroms des Aufwärtswandlers 18 reduziert und folglich kann ein elektromagnetisches Strahlungsrauschen und ein Stromverlust, der durch die Welligkeitskomponenten verursacht wird, reduziert werden. Ferner wird durch Erhöhen der PWM-Frequenz des Aufwärtswandlers 18 eine stabile Spannung an den Wechselrichter 20 ausgegeben.
  • Wie unten eingehend erläutert wird, sind der Aufwärtswandler 18 und der Wechselrichter 20 ferner auf derselben Platine 56 vorgesehen, im selben Gehäuse untergebracht (nachstehend als ein „Wechselrichtergehäuse 50” bezeichnet), und werden durch ein Kühlmittel gekühlt, das in einen Kompressor 54 fließt (siehe 4 und 5).
  • Wie in 2 dargestellt, erfordert hier ein elektrischer Kompressor 100 nach dem Stand der Technik eine DC-Stromversorgung 104 eines Hochstromsystems (ein 300 V-System) für den Antrieb eines Motors 103 über einen Wechselrichter 102 und eine DC-Stromversorgung 108 eines Niederspannungssystems (ein 12 V-System) für die Steuerung des Wechselrichters 102 einschließlich ein Mikrocomputer 105 und dergleichen. Auf der anderen Seite kann, wie in der vorliegenden Ausführungsform, durch Bereitstellen des Aufwärtswandlers 18, die Niederspannung von der DC-Stromversorgung 16 des Niederspannungssystems zu einer Hochspannung angehoben werden. Folglich kann die Anzahl der Stromversorgungssysteme auf eine reduziert werden. Durch die gleichzeitige Installation des Aufwärtswandlers 18 und des Wechselrichters 20 auf derselben Platine 56 kann ferner die Anzahl der Zubehörteile, wie Verbinder und Kommunikationsvorrichtungen, verglichen mit einem Fall, in dem der Aufwärtswandler 18 und der Wechselrichter 20 auf verschiedenen Platinen installiert sind, reduziert werden. Auf diese Weise kann eine Vergrößerung der Vorrichtungskonfiguration, die der neuen Installation des Aufwärtswandlers 18 zuzuschreiben ist, unterdrückt werden.
  • Der Aufwärtswandler 18 und der Wechselrichter 20 sind ferner im selben Gehäuse, nämlich dem Wechselrichtergehäuse 50 untergebracht, und werden von einem Kühlmittel gekühlt, das in den Kompressor 54 fließt. Auf diese Weise müssen Rippen und dergleichen für die Kühlung des Aufwärtswandlers 18 nicht neu vorgesehen werden. Da der Aufwärtswandler 18 und der Wechselrichter 20 im selben Wechselrichtergehäuse 50 untergebracht sind, können ferner Maßnahmen gegen elektromagnetisches Rauschen, das durch den Einbau des Aufwärtswandlers 18 verursacht wird, im selben Gehäuse ergriffen werden. Daher kann mit dem elektrischen Kompressor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Anstieg der Größe der Vorrichtung sogar dann unterdrückt werden, wenn der Aufwärtswandler 18, der konfiguriert ist, um die Niederspannung von der DC-Stromversorgung 16 anzuheben, darin vorgesehen ist.
  • Nun wird ein Steuersystem der Stromversorgungsvorrichtung 12 beschrieben.
  • Der Mikrocomputer 22 erzeugt Steuersignale für die EIN/AUS-Steuerung des Leistungstransistors U7, der im Aufwärtswandler 18 vorgesehen ist, und die Leistungstransistoren U1 bis U6, die im Wechselrichter 20 vorgesehen sind. Der Mikrocomputer 22 ist mit einer Zentraleinheit (ZE), einem Direktzugriffsspeicher (RAM), einem computerlesbaren Aufzeichnungsmedium, wie einem Festwertspeicher (ROM), und dergleichen vorgesehen. Ferner wird beispielsweise eine Verarbeitungsfolge für die Ausführung verschiedener Funktionen auf einem Speichermedium oder dergleichen in der Form eines Programms gespeichert und die unterschiedlichen Funktionen werden von der ZE ausgeführt, die dieses Programm vom Speichermedium lädt, wobei sie das Programm in die RAM oder dergleichen speichert und Informationsverarbeitungen und Berechnungsverarbeitungen ausführt. Beachten Sie, dass das Programm in die ROM oder in ein anderes Speichermedium vorinstalliert werden kann, es kann in der Form einer Speicherung in einem computerlesbarem Speichermedium vorgesehen sein oder es kann beispielsweise durch festverkabelte/kabellose Kommunikationsmedien geteilt werden. Beispiele des computerlesbaren Aufzeichnungsmediums umfassen eine Magnetplatte, eine magnetooptische Platte, eine CD-ROM, eine DVD-ROM, einen Halbleiterspeicher und dergleichen.
  • Eine Aufwärtswandler-Steuereinheit 30, eine Wechselrichter-Steuereinheit 32, eine Kommunikationseinheit 34, eine Stromerfassungseinheit 36, eine Spannungserfassungseinheit 38 und eine Temperaturerfassungseinheit 40 sind mit dem Mikrocomputer 22 verbunden.
  • Ein Steuersignal des Leistungstransistors U7 vom Mikrocomputer 22 wird in die Aufwärtswandler-Steuereinheit 30 eingegeben und basierend auf dem Steuersignal steuert die Aufwärtswandler-Steuereinheit 30 EIN/AUS des Leistungstransistors U7.
  • Steuersignale der Leistungstransistoren U1 bis U6 vom Mikrocomputer 22 werden in die Wechselrichter-Steuereinheit 32 eingegeben und basierend auf den Steuersignalen steuert die Wechselrichter-Steuereinheit 32 EIN/AUS der Leistungstransistors U1 bis U6.
  • Die Kommunikationseinheit 34 ist mit einem Fahrzeug-seitigen Kommunikationsnetzwerk 42 verbunden und gibt unter Verwendung des Fahrzeugkommunikationsprotokolls, wie das Steuergerätnetz (CAN) oder das lokal verknüpfte Netzwerk (LIN), verschiedene Steuersignale an den Mikrocomputer 22 aus, wie einen Drehfrequenzbefehl für den Motor 14, welcher durch einen Fahrzeug-seitigen Mikrocomputer erzeugt wird (nachstehend als ein „Motordrehfrequenzbefehl” bezeichnet).
  • Die Stromerfassungseinheit 36 erfasst einen Eingangsstrom des Wechselrichters 20 (nachstehend als ein „Wechselrichter-Eingangsstrom” bezeichnet), einen Eingangsstrom des Aufwärtswandlers 18 (nachstehend als „Wandler-Eingangsstrom” bezeichnet) und einen Strom, der in den Motor 14 fließt (nachstehend als ein „Motorstrom” bezeichnet).
  • Die Spannungserfassungseinheit 38 erfasst einen DC-Spannungsausgang von der DC-Stromversorgung 16, eine Eingangsspannung des Wechselrichters 20 (nachstehend als eine „Wechselrichter-Eingangsspannung” bezeichnet) und eine Ausgangsspannung des Aufwärtswandlers 18 (nachstehend als eine „Wandler-Ausgangsspannung” bezeichnet).
  • Die Temperaturerfassungseinheit 40 erfasst eine Temperatur von jedem der Leistungstransistoren U1 bis U7 und die Diode D1 oder eine Raumtemperatur davon.
  • Ferner ist eine Spannungsumwandlungseinheit 44 parallel mit der Stromversorgungsvorrichtung 12 vorgesehen. Die Spannungsumwandlungseinheit 44 wandelt die Spannung der DC-Stromversorgung 16 beispielsweise auf 5 V oder 15 V um, und führt die umgewandelte Spannung dem Mikrocomputer 22, der Aufwärtswandler-Steuereinheit 30, der Wechselrichter-Steuereinheit 32, der Kommunikationseinheit 34, den verschiedenen Erfassungsschaltungen und dergleichen zu.
  • 3 ist ein funktionales Blockdiagramm des Mikrocomputers 22. Der Mikrocomputer 22 ist mit einer Wechselrichter-Steuerberechnungseinheit 46 und einer Wandler-Steuerberechnungseinheit 48 vorgesehen.
  • Der Motordrehfrequenzbefehl wird in die Wechselrichter-Steuerberechnungseinheit 46 vom Fahrzeug-seitigen Kommunikationsnetzwerk 42 über die Kommunikationseinheit 34 eingegeben. In Übereinstimmung mit dem Motordrehfrequenzbefehl führt die Wechselrichter-Steuerberechnungseinheit 46 dann Berechnungen für die Erzeugung der Steuersignale zur EIN/AUS-Steuerung der Leistungstransistoren U1 bis U6 aus. Beachten Sie, dass die Wechselrichter-Steuerberechnungseinheit 46 eine Feedback-Kontrolle für die Korrektur des Steuersignals ausführt, indem ggf. der erfasste Wechselrichter-Eingangsstrom, der Motorstrom und die Wechselrichter-Eingangsspannung (oder die Wandler-Ausgangsspannung) verwendet werden. Die Steuersignale, die von der Wechselrichter-Steuerberechnungseinheit 46 erzeugt werden, werden an die Wechselrichter-Steuereinheit 32 ausgegeben.
  • Die Wandler-Steuerberechnungseinheit 48 berechnet eine Last (Leistung, Strom und Spannung) des Aufwärtswandlers 18, indem der Wechselrichter-Eingangsstrom, die Wechselrichter-Eingangsspannung (oder die Wandler-Ausgangsspannung) oder die Berechnungsergebnisse, wie beispielsweise eine tatsächliche Motordrehfrequenz, die durch die Wechselrichter-Steuerberechnungseinheit 46 basierend auf dem Motordrehfrequenzbefehl berechnet wird, verwendet wird. Basierend auf dem Berechnungsergebnis der Last, führt die Wandler-Steuerberechnungseinheit 48 dann Berechnungen für die Erzeugung des Steuersignals für die EIN/AUS-Steuerung des Leistungstransistors U7, der im Aufwärtswandler 18 vorgesehen ist, aus. Das Steuersignal, das von der Wandler-Steuerberechnungseinheit 48 erzeugt wird, wird an die Aufwärtswandler-Steuereinheit 30 ausgegeben.
  • Infolge der Berechnung der Steuersignale für den Aufwärtswandler 18 und den Wechselrichter 20 im selben Mikrocomputer 22, kann der Aufwärtswandler 18 folglich unter Verwendung der Berechnungsergebnisse für den Wechselrichter 20 gesteuert werden, wobei eine Verbesserung der Nachverfolgungsleistung in Bezug auf die Lastschwankungen ermöglicht wird. Daher können der Aufwärtswandler 18 und der Wechselrichter 20, als Reaktion auf die Lastschwankungen des elektrischen Kompressors 10 oder auf Änderungen beim Motordrehfrequenzbefehl von der Fahrzeugseite, schnell gesteuert werden, und folglich kann eine stabile und wirksame Motorsteuerung ausgeführt werden. Ferner kann der Mikrocomputer 22 auch die Steuersignale unter Verwendung der durch die Temperaturerfassungseinheit 40 erfasste Temperatur steuern und er kann eine Temperaturschutzoperation ausführen, wobei ein Drosseln basierend auf der Temperatur von jedem der Leistungstransistoren U1 bis U7 und der Diode D1 berücksichtigt werden kann.
  • Ferner wird in der vorliegenden Ausführungsform durch Verwendung der Leistungstransistoren U1 bis U7, die auf den Halbleitern mit breitem Bandabstand gebildet sind, die PWM-Frequenz des Aufwärtswandlers 18 gleich oder größer als 100 kHz, und die PWM-Frequenz des Wechselrichters 20 wird gleich oder größer als 40 kHz.
  • Auf diese Weise wird die PWM-Frequenz des Aufwärtswandlers 18 höher eingestellt, als die PWM-Frequenz des Wechselrichters 20. Das liegt daran, dass durch die Einstellung des Aufwärtswandlers 18 auf eine höhere PWM-Frequenz als jene des Wechselrichters 20, welche sich auf der Motor 14 (die Last)-Seite befindet, der Aufwärtswandler 18 auf Lastschwankungsanforderungen des Wechselrichters 20 reagieren kann. Folglich kann die Nachverfolgungsleistung in Bezug auf die Lastschwankungen verbessert werden.
  • Ferner kann die PWM-Frequenz des Aufwärtswandlers 18 in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand des Wechselrichters 20 geändert werden. Wenn die Schwankungen in der Motordrehfrequenz beispielsweise gering sind, wird die PWM-Frequenz des Aufwärtswandlers 18 gesenkt, und wenn die Schwankungen in der Motordrehfrequenz groß sind, wird die PWM-Frequenz des Aufwärtswandlers 18 erhöht.
  • Da der Aufwärtswandler 18 und der Wechselrichter 20 auf derselben Platine 56 vorgesehen sind und durch denselben Mikrocomputer 22 gesteuert werden, wird auf diese Weise ein Kontrollverarbeitungsverlust unterdrückt, und die DC-Spannung V2 (die Hochspannung) kann entsprechend in Übereinstimmung mit dem Betriebszustand des elektrischen Kompressors 10 erzeugt werden.
  • Ferner wird in dem Beispiel des Stands der Technik, das in 2 dargestellt wird, Strom von der DC-Stromversorgung 104 des 300 V-Systems zugeführt, um den Wechselrichter 102 anzutreiben, und Strom wird von der DC-Stromversorgung 108 des 12 V-Systems zugeführt, um den Mikrocomputer 105 des Wechselrichters 102 zu steuern. Auf diese Weise wird der elektrische Kompressor 100 elektrisch mit dem 300 V-System und dem 12 V-System verbunden, wobei die beiden außerhalb des elektrischen Kompressors 100 vorgesehen sind. Daher war es gewöhnlich notwendig, das 300 V-System, und das 12 V-System voneinander zu isolieren, um einen Stromschlag zu verhindern, und die Erdungsleitungen des 300 V-Systems und des 12 V-Systems wurden unter Verwendung einer Isolationsvorrichtung 110, wie beispielsweise ein isolierter Transformator, ein Isolator und dergleichen, im Wechselrichter 102 getrennt. Andererseits besteht im elektrischen Kompressor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform keine Notwendigkeit einer Isolation, die gewöhnlich vorgesehen ist, da das Hochspannungssystem lediglich im elektrischen Kompressor 10 vorgesehen ist, und folglich kann die Anzahl der Teile, die für die Isolation erforderlich sind, reduziert werden und die Schaltungskonfiguration kann ebenfalls vereinfacht werden.
  • Nachstehend wird die Kühlung des Aufwärtswandlers 18 und des Wechselrichters 20 beschrieben.
  • 4 ist eine schematische Ansicht, die eine Anordnungsposition des Wechselrichtergehäuses 50 darstellt. Wie in 4 beschrieben, ist das Wechselrichtergehäuse 50 auf einer Seitenfläche eines Motorgehäuses 52, das im Motor 14 untergebracht ist, angeordnet, d. h. parallel mit einer Axialrichtung des Motors 14. Das Motorgehäuse 52 ist mit einem Kühlmittelstromkanal vorgesehen, durch den das Kühlmittel in den Kompressor 54 fließt, und in einem Beispiel, das in 4 dargestellt wird, fließt das Kühlmittel von der rechten Seite des Motorgehäuses 52 ein und fließt dann Richtung der linken Seite davon. Dann werden der Aufwärtswandler 18 und der Wechselrichter 20 über das Wechselrichtergehäuse 50 gekühlt.
  • Beachten Sie, dass die Leistungstransistoren U1 bis U7 und die Diode D1, die im Aufwärtswandler 18 und dem Wechselrichter 20 angeordnet sind, direkt mit dem Motorgehäuse 52 verbunden, oder an das Motorgehäuse 52 über einen wärmeableitenden Block, wie ein Metallblock, angebracht sind. Wenn die Leistungstransistoren U1 bis U7 und die Diode D1 an das Motorgehäuse 52 über den wärmeableitenden Block angebracht sind, werden die wärmeableitenden Eigenschaften der Leistungstransistoren U1 bis U7 und der Diode D1 verbessert, indem eine entsprechende Konfiguration zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit geboten wird, wie eine Anordnung eines isolierenden, wärmeableitenden Blattes oder eines wärmeableitenden Schmiermittels, zwischen den Kontaktflächen der Leistungstransistoren U1 bis U7 und der Diode D1 und dem Motorgehäuse 52 oder dem wärmeableitenden Block.
  • Ferner ist der Wechselrichter 20 weiter an der stromaufwärtigen Seite des Kühlmittelstroms des Kompressors 54 als dem Aufwärtswandler 18 angebracht. Die Anzahl der Leistungstransistoren U1 bis U6, die im Wechselrichter 20 vorgesehen sind, ist größer als die Anzahl des Leistungstransistors U7 und der Diode D1, die im Aufwärtswandler 18 vorgesehen sind. Folglich weist der Wechselrichter 20 einen größeren Wärmeverlust auf und erzeugt mehr Wärme als der Aufwärtswandler 18. Folglich werden durch die Anordnung des Wechselrichters 20 auf der Kühlmittel-Aufnahmeseite, d. h. auf der stromaufwärtigen Seite des Kühlmittelstroms, die Kühleffekte für den Wechselrichter 20 verbessert.
  • Im Beispiel, das in 4 dargestellt wird, ist der Wechselrichter 20 in der Nähe der Kühlmittel-Aufnahmeseite auf der rechten Seite der Zeichnung angeordnet, und der Aufwärtswandler 18 ist auf der linken Seite des Wechselrichters 20 angeordnet. Folglich können der Wechselrichter 20, der mehr Wärme als der Aufwärtswandler 18 erzeugt, und der Aufwärtswandler 18 auf ausgeglichene Weise gekühlt werden.
  • 5 ist eine schematische Ansicht, die eine Anordnungsposition des Wechselrichtergehäuses 50 gemäß einer anderen Ausführungsform darstellt. Wie in einem Beispiel in 5 dargestellt, ist das Wechselrichtergehäuse 50 auf einer Bodenfläche des Motorgehäuses 52 angeordnet, d. h. derart, dass die Axialrichtung des Motors 14 überschnitten wird. Im Beispiel, das in 5 dargestellt wird, ist der Wechselrichter 20 in der Nähe der Kühlmittel-Aufnahmeseite auf der rechten unteren Seite der Zeichnung angeordnet, und der Aufwärtswandler 18 ist auf der oberen Seite des Wechselrichters 20 angeordnet.
  • 6 ist eine schematische Ansicht, die Anordnungspositionen der Leistungstransistoren U1 bis U6 des Wechselrichters 20 und des Leistungstransistors U7 und der Diode D1 des Aufwärtswandlers 18 auf der Platine 56 darstellen. 7 ist ferner ein Schaltbild, das eine positive Elektrodenzeile 60 und eine negative Elektrodenzeile 62 eines Stromversorgungssystems darstellt.
  • Der Aufwärtswandler 18 und der Wechselrichter 20 sind in die positive Elektrodenzeile 60 und in die negative Elektrodenzeile 62 in Bezug auf das Stromversorgungssystem, wie in 7 dargestellt, unterteilt. Die Diode D1 und die Leistungstransistoren U1, U3 und U5 sind jeweils mit der positiven Elektrodenzeilen 60-Seite elektrisch verbunden, und die Leistungstransistoren U7, U2, U4 und U6 sind jeweils mit der negativen Elektrodenzeilen 62-Seite elektrisch verbunden. Wenn dies daher berücksichtigt wird, sind die Leistungstransistoren U1 bis U7 und die Diode D1 in Bezug auf die elektrische Konfiguration und hinsichtlich der Reduktion der Größe der Platine 56 vorzugsweise wie in 6 dargestellt anzuordnen. Da die Anordnung, die in 6 dargestellt wird, ferner mit einer Anordnung dem Kühlmittelstrom folgend übereinstimmt, ist diese Anordnung auch hinsichtlich der Kühlung durch das Kühlmittel wirksam.
  • Ferner können die Leistungstransistoren U1 bis U7 und die Diode D1 in einem stehenden Zustand angeordnet werden. Auf diese Weise kann die Größe der Platine 56 weiter verringert werden.
  • Wie oben beschrieben, umfasst der elektrische Kompressor 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform den Aufwärtswandler 18, der konfiguriert ist, um den Spannungsausgang von der DC-Stromversorgung 16 anzuheben, den Wechselrichter 20, der konfiguriert ist, um den vom Aufwärtswandler 18 angehobenen Strom in einen AC-Strom umzuwandeln, und den Motor 14, der konfiguriert ist, um den elektrischen Kompressor 10 unter Verwendung des AC-Stromausgangs vom Wechselrichter 20 anzutreiben. Der Aufwärtswandler 18 und der Wechselrichter 20 sind auf derselben Platine 56 vorgesehen, im selben Wechselrichtergehäuse 50 untergebracht, und werden vom Kühlmittel gekühlt, das in den elektrischen Kompressor 10 fließt. Der elektrische Kompressor 10 wird dabei erhalten, in dem eine Vergrößerung der Ausmaße der Vorrichtung sogar dann verhindert wird, wenn der Aufwärtswandler 18, der konfiguriert ist, um die Niederspannung von der DC-Stromversorgung 16 anzuheben, eingebaut ist.
  • Die vorliegende Erfindung wurde durch die oben beschriebenen Ausführungsformen beschrieben, der technische Anwendungsbereich der vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf den Anwendungsbereich der oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Weiterbildungen oder Verbesserungen können bei den oben beschriebenen Ausführungsformen innerhalb eines Bereiches gemacht werden, der nicht vom Zweck dieser Erfindung abweicht, und solange diese Modi, zu welchen die Weiterbildungen oder Verbesserungen hinzugefügt wurden, ebenfalls im technischen Anwendungsbereich der vorliegende Erfindung enthalten sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Elektrischer Kompressor
    14
    Motor
    18
    Aufwärtswandler
    20
    Wechselrichter
    50
    Wechselrichtergehäuse
    54
    Kompressor
    56
    Platine

Claims (5)

  1. Elektrischer Kompressor, umfassend: einen Aufwärtswandler, der konfiguriert ist, um einen Spannungsausgang von einer Gleichstromversorgung anzuheben; einen Wechselrichter, der konfiguriert ist, um den vom Aufwärtswandler angehobenen Strom in einen Wechselstrom umzuwandeln; und einen Motor, der konfiguriert ist, um einen Kompressor unter Verwendung des Wechselstromausgangs vom Wechselrichter zu drehen, wobei der Aufwärtswandler und der Wechselrichter auf derselben Platine vorgesehen sind, im selben Gehäuse untergebracht sind, und von einem Kühlmittel gekühlt werden, das in den Kompressor fließt.
  2. Elektrischer Kompressor nach Anspruch 1, wobei der Wechselrichter weiter an einer stromaufwärtigen Seite eines Stroms des Kühlmittels des Kompressors als der Aufwärtswandler angeordnet ist.
  3. Elektrischer Kompressor nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein Halbleiterelement, das aus einem Halbleiter mit breitem Bandabstand gebildet ist, im Aufwärtswandler und im Wechselrichter verwendet wird.
  4. Elektrischer Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei verschiedene Steuersignale für den Aufwärtswandler und den Wechselrichter durch denselben Mikrocomputer erzeugt werden.
  5. Elektrischer Kompressor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Pulsbreitenmodulationssteuerung in Bezug auf den Aufwärtswandler und den Wechselrichter ausgeführt wird, und eine Pulsbreitenmodulationsfrequenz des Aufwärtswandlers höher als eine Pulsbreitenmodulationsfrequenz des Wechselrichters ist.
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