JP2003274509A

JP2003274509A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2003274509A
Application number: JP2002072403A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Hanamura; 昭宏花村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-03-15
Filing date: 2002-03-15
Publication date: 2003-09-26

Abstract

(57)【要約】【課題】温度管理を行う電力変換装置を提供する。【解決手段】エンジン１の出力軸に発電機２が接続さ
れ、エンジン１の駆動によって発電機２で発電された電
力がコンバータ３、インバータ５を介してモータ６に出
力されてモータ駆動を行う。コンバータ３には、コンバ
ータからの電力が不足しているときに、インバータの出
力を維持するバッテリ４が接続されている。コンバータ
３とインバータ５は、共通の冷却装置１０で冷却され
る。モータ制御ユニット７は、温度センサ９によって冷
却水温度Ｔｗを読み取り、冷却水温が過度に上昇したと
き、その温度に応じてコンバータ３とインバータ５の合
計電力を減少して発熱を抑える。電力の減少はまずコン
バータ３から行う。これによって、インバータ５単独の
発熱に応じて冷却装置１０の冷却能力を設定すれば、イ
ンバータとコンバータが過熱になるのを防止することが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、とくに温度管理を
行うようにした電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電気自動車に搭載する電力変換装
置は大電力化の要望が著しく、出力の向上に伴い発熱も
増大する傾向にある。このため、十分な定格で設計され
た冷却装置を用いたとしても、高出力状態が長時間続い
た場合や故障により冷却能力が低下した場合には、温度
が過度に上昇し、効率の低下や装置の破損などを発生す
る可能性が大きくなる。これらの問題を改善するため、
例えば特開平１１−５５８１０号公報では過温度保護を
行うようにしたものが提案されている。

【０００３】これは原動機の出力軸に発電機を接続して
必要な電力を発生させ、この電力を用いてモータを駆動
して車両を駆動する装置であって、発電機（または電力
変換に用いられるコンバータ回路）の温度を検出して所
定の温度に到達した場合、その温度に対応して発電機の
出力を低減して、発電機（または電力変換に用いられる
コンバータ回路）の温度を低減させて保護を行うもので
ある。

【０００４】次に、図５、図６を用いて上記従来例の動
作を説明する。まず、発電機が発電した電力のみでモー
タを駆動する場合を考えてみる。発電機とモータの間に
は、電力変換を行うコンバータとインバータが接続され
ている。図５は、インバータおよびコンバータ内のパワ
ー素子の温度変化状況を示す図である。ここで、簡単の
ために発電機の発電電力量がモータの駆動電力量と等し
いと仮定し、発電機とモータの間に接続されるコンバー
タおよびインバータ内のパワー素子の温度Ｔｊも等しい
ものと考える。冷却水温をＴｗ、温度センサによって検
出されるコンバータ温度をＴｇとし、最大電力時のパワ
ー素子の温度Ｔｊとコンバータ温度の温度差ＴｗをΔＴ
とする。パワー素子の動作上限温度をＴｊｍａｘとす
る。

【０００５】モータを制御するモータ制御ユニットが、
温度センサから、コンバータ温度Ｔｇを読み取り、必要
に応じて発電機の発電量を制限して、パワー素子が過温
度になるのを防止する。図７は、発電量の制限値とコン
バータ温度Ｔｇとの関係を示す制限マップである。制限
マップによれば、コンバータ温度Ｔｇが所定値Ｔｇ１未
満である場合には、発電機は最大電力量Ｐｍａｘまで発
電することができる。コンバータ温度Ｔｇが所定値Ｔｇ
１以上である場合には、コンバータ温度Ｔｇに応じて発
電機の発電電力量Ｐｇが制限され、ある温度Ｔｇ２に達
すると発電量Ｐｇはゼロに制限される。

【０００６】ここで、発電機側のコンバータをＧとし、
モータ側のインバータをＭとして、それぞれのパワー素
子温度Ｔｊｇ、Ｔｊｍの変化について説明する。コンバ
ータＧ、インバータＭは、最大電力量を出力する時に、
パワー素子の温度Ｔｊｇ、Ｔｊｍが最大に達し、コンバ
ータで検出されたコンバータ温度Ｔｇも最大に達する。
このとき、コンバータ温度Ｔｇは、所定値Ｔｇ１未満の
場合は、発電機の電力が制限されないから、コンバータ
とインバータは最大電力で動作することができ、このと
きのパワー素子温度Ｔｊｍ、Ｔｊｇの最大温度は、図５
の（ａ）と（ｂ）で示すようにパワー素子の動作上限温
度Ｔｊｍａｘに達することはない。

【０００７】一方、コンバータ温度Ｔｇは、所定値Ｔｇ
１以上になると、（ｃ）で示すように、その温度値に応
じて発電機の電力が制限されるから、コンバータおよび
インバータの電力も制限され、パワー素子温度Ｔｊｍ、
Ｔｊｇの上昇が抑えられる。そして、コンバータ温度Ｔ
ｇがさらに上昇し、所定値Ｔｇ２に達すると、発電機の
出力がゼロに制限されるから、（ｄ）のように温度の上
昇を最大限に抑えられる。

【０００８】ここで、インバータが最大出力を要求され
続けている場合について考える。まず、冷却水温度が低
い状況では、コンバータ温度Ｔｇは所定値Ｔｇ１より低
いため、コンバータとインバータは最大出力で動作する
ことができる。駆動に伴い冷却水温度Ｔｗが上昇するた
め、コンバータ温度Ｔｇは所定値Ｔｇ１を超えるように
なり、この時、コンバータ温度Ｔｇに応じて発電機の電
力が制限されるため、コンバータのパワー素子温度Ｔｊ
ｇは、このときの温度を最高温度として低下していく。
インバータとコンバータの電力量が等しいので、インバ
ータのパワー素子温度Ｔｊｍも同様に、低下していく。
このように、インバータとコンバータを同じ電力とする
ことによって、コンバータの電力が制限された場合、イ
ンバータの電力も制限され、双方の発熱を抑え、冷却水
温が一定値で平衡に達し、装置の破損を防止することが
できる。

【０００９】しかし、パワー素子の最高温度Ｔｊ＝ΔＴ
＋Ｔｇ１＜Ｔｊｍａｘの関係があり、上記制御法を特に
モジュールの熱抵抗が大きいインバータ、コンバータに
適用した場合には、ΔＴが大きいために、温度の上昇を
制限する所定値Ｔｇ１を低く設定しなければならず、容
易に出力制限されてしまうという問題があった。

【００１０】次に、発電機が発電した電力が不足した場
合、バッテリの電力を追加してモータを駆動する場合を
考える。図６は、この場合のインバータおよびコンバー
タ内のパワー素子の温度変化状況を示す図である。イン
バータが最大電力の出力を続けている場合、冷却水温度
が低い状況では、図５と同じく、（ａ）、（ｂ）で示す
ようにコンバータ温度Ｔｇは所定値Ｔｇ１より低いた
め、コンバータとインバータは最大電力で動作すること
ができる。

【００１１】駆動によって冷却水温度が上昇し、（ｃ）
のようにコンバータ温度ＴｇはＴｇ１を超えるようにな
ると、発電機の出力が制限されるため、コンバータのパ
ワー素子温度が低下するが、インバータはバッテリの残
存容量が許す間は最大出力を続けることができるから、
最高温度を維持する。

【００１２】これによって、コンバータ温度Ｔｇが所定
値Ｔｇ２となった時に、コンバータの電力はゼロとなっ
ても、インバータが依然として最大電力を出力し続ける
ことができるから、冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｇ２を超
えて上昇する可能性がある。これを防止するためにイン
バータ温度を検知してインバータが出力する電力を制限
する手段が別途必要になる。

【００１３】また、コンバータの電力が制限された状況
で、一時的にモータの出力が減少した場合には、コンバ
ータを冷却する能力が向上し、発電機が出力する電力を
上げてバッテリに充電を行うことが可能であるが、冷却
水の温度はゆっくりと低下していくため、コンバータ温
度Ｔｇが低下して発電機の電力制限が解除されるまでに
は長い時間が必要となり、十分なバッテリの充電が行わ
れない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、インバ
ータとコンバータの出力を同じ電力とすることにより、
高出力が長時間続いた場合や冷却装置の冷却能力が低下
した場合でも、インバータおよびコンバータが過温度に
なることはないが、インバータの出力は、パワー素子温
度ＴｊｍがＴｊｍａｘよりも十分低いにもかかわらず出
力が制限されてしまうから、運転者の意図に反して車両
の出力が低下する可能性があったり、或いはモータ以外
の動力を増大させて動力不足を補うため装置の効率が悪
化するという問題があった。

【００１５】一方、バッテリを用いて、コンバータの電
力が制限された場合に、バッテリの電力で、制限された
分をインバータを介してモータに供給する場合は、出力
の低下は免れるが、インバータには過温度を防止する装
置が必要になり、コスト高になる問題があった。本発明
は、上記従来の問題点を鑑み、低コストで、インバータ
およびコンバータが過温度になるのを有効に防止し、信
頼性の高い電力変換装置を提供することを目的としてい
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
発電手段と、該発電手段から発電された電力により駆動
される駆動手段との間に設けられる電力変換装置におい
て、前記発電手段または駆動手段の温度を検出する温度
検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度
が所定の温度以上である時は、前記発電手段と前記駆動
手段の合計発熱量を所定値以下に制限する制限手段とを
有するものとした。

【００１７】請求項２記載の発明は、前記発電手段と前
記駆動手段の合計発熱量が、前記温度検出手段によって
検出された温度に対して、前記発電手段または前記駆動
手段のどちらかが単独で発熱しても、その上限温度に達
しない発熱量に等しく設定されたものとした。

【００１８】請求項３記載の発明は、前記発電手段は発
電機と該発電機から出力される交流電力を直流電力に変
換するコンバータを有し、当該コンバータにはバッテリ
が接続され、前記駆動手段は前記コンバータおよび前記
バッテリに接続され、直流電力を交流電力に変換するイ
ンバータと、前記インバータによって駆動されるモータ
とを有し、前記発電手段と前記駆動手段の合計発熱量が
所定値以下に制限された場合は、前記発電手段の出力を
初めに制限するものとした。

【００１９】請求項４記載の発明は、前記バッテリの充
電量から充電に必要な電力量を演算し、演算された充電
電力量を前記発電手段の指令値に重畳するようにしたも
のとした。

【００２０】請求項５記載の発明は、少なくとも前記コ
ンバータと前記インバータが、共通の冷却手段で冷却さ
れるとともに、前記インバータ、コンバータの順番で冷
却するようにしたものとした。

【００２１】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、発電手段
または駆動手段の温度を検出し、所定の温度を超えた場
合には発電手段および駆動手段の発熱量の合計値を制限
することとしたため、過度の温度上昇により発電手段お
よび駆動手段を破損することがない。

【００２２】請求項２記載の発明によれば、発電手段ま
たは駆動手段の発熱量に合わせて、冷却手段の冷却能力
を設定すればよい。発電手段と駆動手段の合計最大損失
を冷却するより、冷却手段を小型にすることができ、か
つ、駆動手段の出力を低減することはない。また、冷却
手段の発熱量の平均化を図ることができるため、冷却水
温度の変動が小さくなり、装置の信頼性の向上につなが
る。

【００２３】請求項３記載の発明によれば、インバータ
またはコンバータの温度を検出し、所定の温度を超えた
場合にはインバータとコンバータの発熱量の合計値を所
定の大きさに制限し、最初にコンバータの発熱量から制
限することとしたため、コンバータおよびインバータを
破損することなく、かつインバータの出力を連続させる
ことができる。例えば電気自動車で用いられた場合は、
運転者の意図に反して駆動力が低下してしまうという運
転性能の低下が起こりがたい。

【００２４】請求項４記載の発明によれば、バッテリの
充電量分を予め発電手段が出力するようにしたので、駆
動手段の出力が減少した時点で速やかに発電手段の出力
を高めてバッテリを充電することができるため、バッテ
リの充電量がなくなってしまうことを効果的に防止す
る。なお、合計発熱量を制限しているため、バッテリの
充電のために発電手段の出力を高くしても、装置が過温
度になることは無い。

【００２５】請求項５記載の発明よれば、冷却手段が、
インバータ、コンバータの順に冷却する構成としたた
め、冷却水温度の上昇を効果的に抑止でき、また、冷却
水温が高くなる下流側のコンバータの加熱を防止でき
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】次に、発明の実施の形態を電気自
動車の駆動に用いられた実施例により説明する。図１
は、実施例の構成を示す図である。エンジン１の出力軸
に発電機２が接続されている。発電機２はコンバータ３
と電気的に接続され、またコンバータ３とバッテリ４と
が電気的に接続される。コンバータ３およびバッテリ４
はさらにインバータ５と電気的に接続されている。イン
バータ５はモータ６と電気的に接続されている。エンジ
ン１の駆動により発電機２が発電し、発電された電力
は、コンバータ３、インバータ５を介してモータ６を駆
動するとともに、バッテリ４に対して充電可能になって
いる。

【００２７】モータ制御ユニット（ＭＣＵ）７が、発電
機２が出力する交流電流値およびバッテリ電圧、モータ
回転数などセンサが検出した情報を入力し、コンバータ
３およびインバータ５を制御することによりモータ６を
制御する。制御を行うためにはコンバータ３、インバー
タ５からフィードバック情報Ｔがモータ制御ユニット７
に、モータ制御ユニット７からはスイッチング信号ＳＷ
が出力されている。

【００２８】エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）８がモー
タ制御ユニット７と信号のやり取りを行うように電気的
に接続され、エンジン１の制御を行うようになってい
る。バッテリ４は充電量ＳＯＣを検出する機能をもち、
その情報がモータ制御ユニット７に出力され、モータ制
御ユニット７では、充電が必要と判断した場合は、充電
量を算出し、コンバータ３の出力電力量に充電量分を加
算するように指令信号をエンジン制御ユニット８に出力
する。コンバータ３とインバータ５を、共通の冷却装置
１０で冷却し、インバータを上流側に、コンバータを下
流側に冷却水が循環するようにし、冷却水の上流側に
は、温度センサ９を設けて、冷却する直前の冷却水温Ｔ
ｗを検出するようになっている。

【００２９】次に、実施例の動作について説明する。モ
ータ制御ユニット７は、温度センサ９により冷却水温度
Ｔｗを読み取り、これが所定の温度Ｔｗ１を超えた場
合、コンバータ３とインバータ５の合計電力量Ｐｍ＋Ｐ
ｇを制限する。

【００３０】図２は、電力量の制限値と冷却水温度Ｔｗ
との関係を示す制限マップである。冷却水温度Ｔｗが所
定値Ｔｗ１より低い場合には、コンバータ３とインバー
タ５は合計で最大電力量Ｐｍａｘで動作することができ
る。冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ１を超えるが、所定値
Ｔｗ２未満の場合には、冷却水温度Ｔｗに応じてコンバ
ータ３とインバータ５の合計電力が制限されるようにな
っている。冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ２に達したとき
には、コンバータ３とインバータ５の合計出力がゼロに
なる。

【００３１】モータ制御ユニット７では、温度センサ９
から冷却水温度Ｔｗを読み取り、冷却水温度Ｔｗが所定
値Ｔｗ１以下と判断した場合には、コンバータ３とイン
バータ５が最大電力で動作することを可能とし、車両側
からの運転指令でモータ６に所定のトルクを発生するよ
うにコンバータ３とインバータ５を制御する。

【００３２】冷却水温度Ｔｗが、所定値Ｔｗ１を超える
が、所定値Ｔｗ２未満と判断すると、図２の制限マップ
にしたがって、コンバータ３とインバータ５の合計電力
を制限するように制御する。この際、まず、コンバータ
３から電力制限を行い、コンバータ３の出力がゼロにな
っても、制限値を超えている場合には、インバータ５の
電力を制限する。

【００３３】冷却装置１０は、インバータ５の最大発熱
を冷却可能になるように設計される。これにより、コン
バータ３の電力がゼロの時点で本来これ以上の水温上昇
は起こらない。しかしながら、冷却装置１０の性能低下
や故障が生じたような場合には、冷却水の温度が更に上
昇する可能性があるので、モータ制御ユニット７は、冷
却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ２に達したと判断すれば、コ
ンバータ３とインバータ５の電力をともにゼロにするこ
とによって、コンバータ３とインバータ５の温度上昇を
抑える。

【００３４】図３は、冷却水温度Ｔｗとコンバータおよ
びインバータの温度上昇の関係を示す図である。（ａ）
では、冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ１以下のため、コン
バータ３とインバータ５は、最大電力を出力することが
でき、電力が最大に達したとき、インバータ５のパワー
素子温度Ｔｊｍ、コンバータ３のパワー素子温度Ｔｊｇ
が最大になる。この場合は、動作制限温度Ｔｊｍａｘに
達することはないから、安定してモータ６を駆動し車両
を駆動することができる。

【００３５】冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ１を超えた
（ｂ）では、コンバータ３の電力が制限されるから、冷
却水温度の上昇を抑えることができる。コンバータ３の
出力が制限された分、バッテリ４から電力が出力され、
インバータ５は、最大電力を維持することができる。

【００３６】（ｃ）のように、コンバータ３の電力がゼ
ロに制限されても、温度が上昇した場合には、高出力が
長時間持続し、または冷却能力が低下することになるか
ら、インバータ５の電力が制限される。これによって、
インバータ５の発熱による冷却水温の上昇が抑えられ
る。コンバータ３とインバータ５の電力の合計が制限さ
れた状況で、モータ６の駆動電力の要求が減少してイン
バータ５の出力が低下した場合、図４に示すように、イ
ンバータ５の電力が減少した分、コンバータ３に電力を
発生する余裕が生じるため、（ｄ）のように、モータ制
御ユニット７は速やかにコンバータ３の出力を増加する
指令をエンジン制御ユニット８に出力し、コンバータ３
の電力を増加することができる。

【００３７】例えば、バッテリ４の充電量が減少してき
た場合は、ＳＯＣ情報から充電に必要な電力量を算出
し、モータ制御ユニット７に指令して発電機２に要求さ
れる電力量に加算して発電させる。このようにすると、
モータ６側の電力量が低減した際に発電機２側の電力量
をその分増加して発電することが可能で、そのときの発
熱量は冷却装置１０の冷却能力を超えないように制限さ
れるから、装置が過熱することはない。

【００３８】そして、冷却装置１０の故障などにより、
冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ２になったときには、図３
の（ｅ）のようにコンバータ３およびインバータ５の出
力がゼロに制限される。

【００３９】本実施例は以上のように構成され、冷却装
置１０はインバータ５またはコンバータ３が単独で最大
発熱を行ってもパワー素子が動作温度上限に達しない冷
却能力で設計すれば十分である。このため、インバータ
５とコンバータ３の両方の発熱量の合計の最大値を冷却
するものに比べて冷却装置１０の冷却能力を小さく設定
でき、大幅にその放熱器などを小型化することが可能で
ある。

【００４０】また、冷却水温度がＴｗ１に到達した以降
はコンバータ３とインバータ５の給電力量が制限される
ため、冷却水温度の上昇が抑制され、また、インバータ
５の駆動電力が低減できる時は、変わりにコンバータ３
の電力をその分増加させるため、冷却水温度の変動が小
さくなり、冷却装置１０の信頼性の向上につながる。

【００４１】さらに、インバータ５を先に冷却してコン
バータ３を後で冷却する順番としたため、電力が制限さ
れる期間にインバータ５の出力が増加した時はこれに連
動してコンバータ３の出力を低減するため、インバータ
５によって温度の上がった冷却水がたどり着く前にコン
バータ３の発熱を減らすことができるため、水温の上昇
を効果的に抑制できる。また、下流ほど冷却水温度が高
くなるが、下流側のコンバータ３の出力制限をするた
め、素子温度の上昇を抑止できて破損の危険性を低減で
きる。

【００４２】インバータ５単独で最大発熱した時に冷却
可能な性能の冷却装置を設けているため、コンバータ３
出力がゼロになった状況ではインバータ５が最大発熱を
しても破損することはないのであるが、冷却装置に異常
が発生し、冷却性能が著しく低下した場合などでも、コ
ンバータ３とインバータ５の出力が自動的に制限される
ため、装置の破損という致命的な状況を回避できる。

【００４３】また、インバータ５の出力まで制限する指
令値をモータ制御ユニット７が出力する場合は、冷却装
置１０に異常が発生している可能性があり、または、過
度の高負荷運転がなされている可能性があるため、コン
バータ３出力のゼロ指令を出す時点で、運転者に注意表
示などをすれば、インバータ５の電力を低減する前に運
転者の注意を喚起することもできる。

【００４４】なお、上記説明以外にもインバータ５とコ
ンバータ３とモータ６と発電機２を同一の冷却装置で冷
却しても良いし、温度センサ９の検出部位はコンバータ
３の直後の水温でも良いし、インバータ５とコンバータ
３の間の水温でも良いし、インバータ５のパワー素子の
温度でも良いし、コンバータ３のパワー素子の温度でも
良いし、モータ６の発熱部の温度でも良い。

【００４５】また、簡単のために、電力の制限マップを
用いて合計電力が制御される説明をしたが、効率マップ
などによりコンバータ３とインバータ５の電力と損失の
関係が予めわかっている場合には、検出温度対損失マッ
プを用いて合計電力の制御を行うこともできる。また、
電力の制限マップの所定値Ｔｗ１以上での変化は図２に
示した直線に限定されるものではなく、折れ線であった
り曲線であっても良いことはいうまでもない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の構成を示す図である。

【図２】電力の制限値と冷却水温度との関係を示す制限
マップである。

【図３】冷却水温度とコンバータ３およびインバータの
温度上昇の関係を示す図である。

【図４】コンバータに電力量の余裕が増加したときの説
明図である。

【図５】従来例の動作を示す図

【図６】従来例の動作を示す図

【図７】従来例のマップを示す図

【符号の説明】

１エンジン２発電機３コンバータ４バッテリ５インバータ６モータ７モータ制御ユニット８エンジン制御ユニット９温度センサ１０冷却装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】発電手段と、該発電手段から発電された
電力により駆動される駆動手段との間に設けられる電力
変換装置において、前記発電手段または駆動手段の温度
を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって
検出された温度が所定の温度以上である時は、前記発電
手段と前記駆動手段の合計発熱量を所定値以下に制限す
る制限手段とを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】前記発電手段と前記駆動手段の合計発熱
量は、前記温度検出手段によって検出された温度に対し
て、前記発電手段または前記駆動手段のどちらかが単独
で発熱しても、その上限温度に達しない発熱量に等しく
設定されることを特徴とする請求項１記載の電力変換装
置。
【請求項３】前記発電手段は発電機と該発電機から出
力される交流電力を直流電力に変換するコンバータを有
し、当該コンバータにはバッテリが接続され、前記駆動
手段は前記コンバータおよび前記バッテリに接続され、
直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記イン
バータによって駆動されるモータとを有し、前記発電手
段と前記駆動手段の合計発熱量が所定値以下に制限され
た場合は、前記発電手段の出力を初めに制限することを
特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。
【請求項４】前記バッテリの充電量から充電に必要な
電力量を演算し、演算された充電電力量を前記発電手段
の指令値に重畳するようにしたことを特徴とする請求項
３記載の電力変換装置。
【請求項５】少なくとも前記コンバータと前記インバ
ータは、共通の冷却手段で冷却されるとともに、前記イ
ンバータ、コンバータの順番で冷却するようにしたこと
を特徴とする請求項３または４記載の電力変換装置。