JP2005295770A - 電力変換装置及び電力変換装置への過熱保護温度設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 一部の電力変換部が過熱保護動作を行った場合であっても、他の電力変換部が正常に過熱保護動作を行うことが可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】 それぞれ主回路部１１ａ，１２ａと温度センサ１１ｂ，１２ｂとを有する電力変換部１１，１２を備え、温度センサ１１ｂ、１２ｂの過熱保護温度の設定が互いに異なることを特徴とする。本発明によれば、過熱保護動作に入る順番をあらかじめ確定させることができることから、一部の電力変換部が過熱保護動作を行った場合であっても、他の電力変換部が正常に過熱保護動作を行うよう設計することが可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は電力変換装置に関し、特に、複数の電力変換部を備える電力変換装置に関する。また、本発明は電力変換装置への過熱保護温度設定方法に関し、特に、複数の電力変換部を備える電力変換装置への過熱保護温度設定方法に関する。

近年、化石燃料の枯渇や地球環境の悪化を背景として、ハイブリッド車や燃料電池車のような、電気エネルギーを利用した自動車への関心が高まりをみせている。電気エネルギーを用いた自動車には、車輪を駆動するためのモータや、モータに電力を供給するための高圧バッテリーの他、高圧バッテリーの電圧を降圧する電力変換装置が備えられることが多い。すなわち、車輪を駆動するためのモータが必要とする電圧は約１２０〜４００Ｖと比較的高い一方、自動車に備えられるエアコンやオーディオ等の電気機器が必要とする電圧は約１２Ｖ程度であることから、高圧バッテリーの電圧は約１２０〜４００Ｖに設定されるとともに、車輪を駆動するためのモータに対してはこれが直接供給され、エアコンやオーディオ等の電気機器に対しては電力変換装置によって降圧された電圧が供給される。

この種の電力変換装置は、その内部にスイッチング回路や整流回路等を有していることから、これらに含まれるＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やダイオードの発熱による破損防止を目的として、温度センサが設けられることが多い。このような温度センサによりあらかじめ定められた過熱保護温度に達したことが検出されると、電力変換装置に含まれる制御部は出力を停止若しくは制限し、これにより熱によるＦＥＴやダイオードの破損を未然に防止している（特許文献１参照）。
特開平９−３７４５９号公報 特開２００１−２９８８５９号公報

しかしながら、自動車に搭載される電気機器の数は年々増加しており、このため近年、電力変換装置にはより大きな出力が求められている。これを満たすためには、より高出力な電力変換装置を新たに設計し直すほか、既に設計されている低出力の電力変換部を並列運転させるという方法が考えられ、特に後者の方法によれば、開発コストを大幅に抑制することが可能となる。並列運転の例としては、例えば特許文献２に記載されている。

ところが、複数の電力変換部を並列に運転させると、ある電力変換部が発する熱が他の電力変換部内へと伝わるため、温度センサによる過熱保護動作が不正確になるという問題があった。例えば２台の電力変換部を並列に運転させた場合において、一方の電力変換部が他方の電力変換部の温度センサに与える熱の影響と、他方の電力変換部が一方の電力変換部の温度センサに与える熱の影響とが異なる場合、より熱の影響を受けにくい側の電力変換部が先に過熱保護動作（出力停止や出力制限）を行うと、もともと熱の影響を多く受けていた側の電力変換部はなかなか過熱保護動作に入らなくなり、その結果、ＦＥＴやダイオードが損傷するという可能性があった。

したがって、本発明の目的は、複数の電力変換部を備える電力変換装置及びこのような電力変換装置への過熱保護温度設定方法であって、一部の電力変換部が過熱保護動作を行った場合であっても、他の電力変換部が正常に過熱保護動作を行うことが可能な電力変換装置及び過熱保護温度設定方法を提供することである。

本発明による電力変換装置は、それぞれ温度センサを有する複数の電力変換部を備える電力変換装置であって、前記複数の電力変換部のうち少なくとも２つの電力変換部に設けられた温度センサの過熱保護温度の設定が互いに異なることを特徴とする。本発明によれば、温度センサの過熱保護温度の設定が互いに異なっていることから、過熱保護動作に入る順番をあらかじめ確定させることができる。このため、他の電力変換部より与えられる熱を考慮し、一部の電力変換部が過熱保護動作を行った場合であっても、他の電力変換部が正常に過熱保護動作を行うよう設計することが可能となる。

この場合、前記少なくとも２つの電力変換部は、互いに隣接して配置されていることが好ましい。このような状態においては、ある電力変換部が発する熱が他の電力変換部内へと伝わりやすいからである。

また、本発明による電力変換装置は、前記複数の電力変換部に対して共通に設けられた冷却機構をさらに備え、前記過熱保護温度は、前記冷却機構に用いられる冷媒の温度によって定められていることが好ましい。これによれば、過熱保護動作に入る順番を極めて正確に確定させることが可能となる。

本発明において、前記少なくとも２つの電力変換部の一方が他方の電力変換部の温度センサに与える熱の影響は、前記他方の電力変換部が前記一方の電力変換部の温度センサに与える熱の影響よりも大きく、前記一方の電力変換部の温度センサの過熱保護温度は、前記他方の電力変換部の温度センサの過熱保護温度よりも高いことが好ましい。これによれば、他からの熱の影響を相対的に受けやすい他方の電力変換部が先に過熱保護動作を行うことから、一方の電力変換部及び他方の電力変換部とも、想定した温度で正しく過熱保護動作を行うことが可能となる。

本発明において、前記複数の電力変換部の少なくとも一部は並列運転可能に接続されていることが好ましく、前記複数の電力変換部がいずれもＤＣ／ＤＣコンバータであることが好ましい。これによれば、自動車の高圧バッテリーと低圧バッテリーとの間に設けられる電力変換装置として好適に利用することが可能となる。

本発明による電力変換装置への過熱保護温度設定方法は、それぞれ温度センサを有する複数の電力変換部を備えた電力変換装置への過熱保護温度設定方法であって、前記複数の電力変換部に対して共通に設けられた冷却機構に用いられる冷媒の温度が第１の温度に達した状態を、所定の電力変換部に設けられた温度センサの過熱保護温度に設定し、前記冷媒の温度が前記第１の温度とは異なる第２の温度に達した状態を、前記所定の電力変換部とは異なる他の電力変換部に設けられた温度センサの過熱保護温度に設定することを特徴とする。

このような方法により過熱保護温度を設定すれば、実際の動作時においても、相対的に熱の影響を受けやすい電力変換部から順次過熱保護動作に入ることになり、各電力変換部とも、想定した温度で正しく過熱保護動作を行うことが可能となる。この場合、前記所定の電力変換部が前記他の電力変換部の温度センサに与える熱の影響は、前記他の電力変換部が前記所定の電力変換部の温度センサに与える熱の影響よりも小さく、前記第１の温度は前記第２の温度よりも低いことが好ましい。

このように、本発明によれば、電力変換装置に含まれる複数の電力変換部に対し、過熱保護動作に入る順番をあらかじめ確定させることができるので、一部の電力変換部が過熱保護動作を行った場合であっても、他の電力変換部が正常に過熱保護動作を行うよう設計することが可能となる。

したがって、高出力な電力変換装置を新たに設計し直すのではなく、既に設計されている低出力の電力変換部を並列運転させる場合においても、熱によるＦＥＴやダイオードの損傷を効果的に防止することが可能となる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の好ましい実施形態による電力変換装置１０の構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施形態による電力変換装置１０は、２つの電力変換部１１，１２と、これら２つの電力変換部１１，１２に対して共通に設けられた冷却機構１９とを備えて構成されている。電力変換部１１，１２は、それぞれ主回路部１１ａ，１２ａと温度センサ１１ｂ，１２ｂとを有しており、スイッチング回路や整流回路を含む主回路部１１ａ，１２ａの動作に伴って発生する熱は、対応する温度センサ１１ｂ，１２ｂによって監視されている。つまり、各温度センサ１１ｂ，１２ｂにはそれぞれ「過熱保護温度」が設定されており、対応する電力変換部１１，１２が過熱保護温度に達したことを検出すると、図示しない制御部は当該電力変換部の出力を停止若しくは制限し、これにより、主回路部１１ａ，１２ａに含まれるＦＥＴやダイオードの熱による損傷が未然に防止している。温度センサ１１ｂ，１２ｂとしては、例えばサーミスタを用いることができる。

冷却機構１９は、冷却水や空気等の冷媒１９ａが流れるパイプによって構成されており、パイプ内を冷媒１９ａが流れることによって電力変換部１１，１２が冷却される。通常の動作においては、この冷却機構１９によって電力変換部１１，１２が十分に冷却されるのであるが、過負荷状態が長時間続いた場合や、冷却機構１９に不具合が生じた場合などには、電力変換部１１，１２が異常過熱する可能性が考えられる。このような異常過熱は、上述のとおり、温度センサ１１ｂ，１２ｂによって検出される。

図１に示すように、本実施形態では温度センサ１１ｂ，１２ｂの位置が偏在しており、このため電力変換部１１が電力変換部１２の温度センサ１２ｂに与える熱の影響の方が、電力変換部１２が電力変換部１１の温度センサ１１ｂに与える熱の影響よりも大きくなっている。この点を考慮して、本実施形態では、電力変換部１１の温度センサ１１ｂの過熱保護温度を、電力変換部１２の温度センサ１２ｂの過熱保護温度よりも高く設定している。

これにより、本実施形態では、電力変換部１１，１２を並列運転させた場合、必ず電力変換部１２の方が先に過熱保護動作に入ることになる。上述のとおり、電力変換部１２の温度センサ１２ｂは相対的に電力変換部１１による熱の影響を受けやすいことから、仮に電力変換部１１が先に過熱保護動作に入ると、温度センサ１２ｂは電力変換部１１から受けていた熱の影響が低減若しくは無くなる分、電力変換部１２の方は想定した温度で過熱保護動作に入ることができず、想定した温度よりもかなり高い温度まで通常動作を続けることになる。しかしながら、本実施形態では、必ず電力変換部１２の方が先に過熱保護動作に入ることから上記のような問題は生じず、想定した温度で正しく過熱保護動作を行うことが可能となる。

次に、電力変換装置１０への過熱保護温度設定方法について説明する。

図２は、電力変換装置１０への過熱保護温度設定方法を説明するためのフローチャートである。

図２に示すように、まず、冷却機構１９に冷媒１９ａを流した状態で電力変換部１１，１２を並列運転させる（ステップＳ１）。これにより冷媒１９ａの温度は徐々に上昇する。冷媒１９ａの温度は、図示しない温度計により正確に測定されており、これがあらかじめ定められた第１の温度（例えば６９．５℃）に達したか否かを判断する（ステップＳ２）。そして、第１の温度に達したことが検出されると（ステップＳ２：ＹＥＳ）、そのときの温度センサ１２ｂの出力値を電力変換部１２の過熱保護温度として設定する（ステップＳ３）。

そして、引き続き冷媒１９ａの温度を測定し、これがあらかじめ定められた第２の温度（例えば７０．０℃）に達したか否かを判断する（ステップＳ４）。そして、第２の温度に達したことが検出されると（ステップＳ４：ＹＥＳ）、そのときの温度センサ１１ｂの出力値を電力変換部１１の過熱保護温度として設定する（ステップＳ３）。

以上により、電力変換装置１０への過熱保護温度の設定が完了する。このような方法により過熱保護温度を設定すれば、実際の動作時においても、相対的に熱の影響を受けやすい電力変換部１２の方が必ず先に過熱保護動作に入ることになる。

このように、本実施形態によれば、電力変換部１１の温度センサ１１ｂの過熱保護温度を、電力変換部１２の温度センサ１２ｂの過熱保護温度よりも高く設定していることから、相対的に熱の影響を受けやすい電力変換部１２の方が必ず先に過熱保護動作に入ることになる。このため、電力変換部１１，１２とも、想定した温度で正しく過熱保護動作を行うことから、ＦＥＴやダイオードの損傷を効果的に防止することが可能となる。

図３は、本発明の好ましい他の実施形態による電力変換装置２０の構成を示す模式図である。

図３に示すように、本実施形態による電力変換装置２０は、３つの電力変換部２１〜２３と、これら３つの電力変換部２１〜２３に対して共通に設けられた冷却機構１９とを備えて構成されている。上記実施形態と同様、電力変換部２１〜２３は、それぞれ主回路部２１ａ〜２３ａと温度センサ２１ｂ〜２３ｂとを有している。本実施形態においても温度センサ２１ｂ〜２３ｂはいずれも偏在して配置されており、このため電力変換部２２の温度センサ２２ｂは電力変換部２１の熱の影響を強く受け、電力変換部２３の温度センサ２３ｂは電力変換部２２の熱の影響を強く受けることになる。

この場合、電力変換部２２の温度センサ２２ｂが他から受ける熱の影響と、電力変換部２３の温度センサ２３ｂが他から受ける熱の影響の大小を正確に評価することは困難であるが、隣接する２つの電力変換部をだけを抜き出して考えれば、どのように過熱保護温度を設定すべきか、容易に決定することができる。つまり、隣接する２つの電力変換部２１，２２を抜き出して考えれば、電力変換部２１が電力変換部２２の温度センサ２２ｂに与える熱の影響の方が、電力変換部２２が電力変換部２１の温度センサ２１ｂに与える熱の影響よりも大きいと言え、同じく、隣接する２つの電力変換部２２，２３を抜き出して考えれば、電力変換部２２が電力変換部２３の温度センサ２３ｂに与える熱の影響の方が、電力変換部２３が電力変換部２２の温度センサ２２ｂに与える熱の影響よりも大きいと言える。

以上より、本実施形態では電力変換部２１の温度センサ２１ｂの過熱保護温度を、電力変換部２２の温度センサ２２ｂの過熱保護温度よりも高く設定し、且つ、電力変換部２２の温度センサ２２ｂの過熱保護温度を、電力変換部２３の温度センサ２３ｂの過熱保護温度よりも高く設定している。

これにより、電力変換部２１〜２３を並列運転させた場合、必ず電力変換部２３が一番最初に過熱保護動作に入ることになり、その後、電力変換部２２、電力変換部２１の順で過熱保護動作に入ることになる。これにより、一部の電力変換部が過熱保護動作を行った場合であっても、残りの電力変換部が正常に過熱保護動作を行うことができることから、上記実施形態と同様、主回路部２１ａ〜２３ａに含まれるＦＥＴやダイオードの損傷を効果的に防止することが可能となる。

このような電力変換装置２０への過熱保護温度設定方法は、図２を用いて説明した方法と同様であり、例えば、冷媒１９ａの温度が６９．０℃に達した際に得られる温度センサ２３ｂの出力値を電力変換部２３の過熱保護温度として設定し、冷媒１９ａの温度が６９．５℃に達した際に得られる温度センサ２２ｂの出力値を電力変換部２２の過熱保護温度として設定し、冷媒１９ａの温度が７０．０℃に達した際に得られる温度センサ２１ｂの出力値を電力変換部２１の過熱保護温度として設定すればよい。

図４は、本発明の好ましいさらに他の実施形態による電力変換装置３０の構成を示す模式図である。

図４に示すように、本実施形態による電力変換装置３０は、３つの電力変換部３１〜３３と、これら３つの電力変換部３１〜３３に対して共通に設けられた冷却機構１９とを備えて構成されている。上記各実施形態と同様、電力変換部３１〜３３は、それぞれ主回路部３１ａ〜３３ａと温度センサ３１ｂ〜３３ｂとを有している。本実施形態では、電力変換部３１の温度センサ３１ｂ及び電力変換部３３の温度センサ３３ｂは、いずれも中央に位置する電力変換部３２に近い位置に偏在して配置されており、電力変換部３２の温度センサ３２ｂは、電力変換部３２のほぼ中心線上に配置されている。このため、電力変換部３１の温度センサ３１ｂは電力変換部３２の熱の影響を強く受け、電力変換部３３の温度センサ３３ｂも電力変換部３２の熱の影響を強く受けることになる。

この場合、電力変換部３２が電力変換部３１の温度センサ３１ｂに与える熱の影響の方が、電力変換部３１が電力変換部３２の温度センサ３２ｂに与える熱の影響よりも大きいと言え、同じく、電力変換部３２が電力変換部３３の温度センサ３３ｂに与える熱の影響の方が、電力変換部３３が電力変換部３２の温度センサ３２ｂに与える熱の影響よりも大きいと言える。したがって、本実施形態では、電力変換部３２の温度センサ３２ｂの過熱保護温度を最も高く設定し、電力変換部３１，３３の温度センサ３１ｂ，３３ｂの過熱保護温度を特に限定されないが同じ温度に設定すればよい。

これにより、電力変換部３１〜３３を並列運転させた場合、必ず電力変換部３１及び電力返還部３３の一方が一番最初に過熱保護動作に入ることになり、その後、電力変換部３１及び電力返還部３３の他方、電力変換部３２の順で過熱保護動作に入ることになる。電力変換部３１と電力変換部３３は物理的に十分離間しているので、これらが相互に与える熱の影響は極めて少なく、このため、これらの温度センサ３１ｂ，３３ｂの過熱保護温度に差を付ける必要性は少ない。

このような電力変換装置３０への過熱保護温度設定方法も、図２を用いて説明した方法と同様であり、例えば、冷媒１９ａの温度が６９．５℃に達した際に得られる温度センサ３１ｂ，３３ｂの出力値をそれぞれ電力変換部３１，３３の過熱保護温度として設定し、冷媒１９ａの温度が７０．０℃に達した際に得られる温度センサ３２ｂの出力値を電力変換部３２の過熱保護温度として設定すればよい。

本発明による電力変換装置は、特に自動車用の電力変換装置として利用することが好適である。

図５は、本発明による電力変換装置を備えた自動車の主要部分を概略的に示すブロック図である。

図５に示すように、本発明による電力変換装置を自動車用に用いた場合、電力変換装置１０（２０，３０）は、高圧バッテリー４１と電気機器４２及び低圧バッテリー４６との間に設けられ、高圧バッテリー４１より供給される約１２０〜４００Ｖの高電圧を約１２Ｖに降圧してこれを電気機器４２に供給するとともに、低圧バッテリー４６を充電する役割を果たす。つまりこの場合、電力変換装置１０（２０，３０）はＤＣ／ＤＣコンバータである。電気機器４２としては、自動車に備えられるエアコンやオーディオ等が挙げられる。高圧バッテリー４１への充電は、発電装置４３より供給される電力によって行われる。高圧バッテリー４１の出力はモータ４４へも供給され、モータ４４は、高圧バッテリー４１より供給される高電圧（約１２０〜４００Ｖ）に基づいて駆動系４５を駆動する。尚、燃料電池車においては燃料電池本体が発電装置４３となり、ハイブリッド車においてはモータ４４が発電装置４３を兼ねることになる。

この場合、電気機器４２及び低圧バッテリー４６が１系統であれば、図６及び図７に示すように、電力変換装置１０（２０，３０）に含まれる電力変換部を全て並列に接続すればよい。尚、図６は、電力変換装置１０（図１参照）を構成する電力変換部１１，１２を並列接続した状態を示し、図７は、電力変換装置２０（図３参照）を構成する電力変換部２１〜２３を並列接続した状態を示している。

一方、電気機器４２及び低圧バッテリー４６が複数系統あれば、図８〜図１０に示すように、電力変換装置１０（２０，３０）に含まれる電力変換部の一部又は全部を個別に接続すればよい。尚、図８は、電力変換装置１０（図１参照）を構成する電力変換部１１，１２をそれぞれ別系統の電気機器４２及び低圧バッテリー４６に接続した状態を示し、図９は、電力変換装置２０（図３参照）を構成する電力変換部２１，２２と電力変換部２３とをそれぞれ別系統の電気機器４２及び低圧バッテリー４６に接続した状態を示し、図１０は、電力変換装置２０（図３参照）を構成する電力変換部２１〜２３をそれぞれ別系統の電気機器４２及び低圧バッテリー４６に接続した状態を示している。

これらいずれの場合であっても本発明は有効であり、正常な過熱保護動作を行うことが可能となる。

本発明は、以上説明した実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態では、電力変換装置が２つ又は３つの電力変換部によって構成されている場合を例に説明したが、本発明による電力変換装置に含まれる電力変換部の数は、２つ以上であれば特に限定されない。

本発明の好ましい実施形態による電力変換装置１０の構成を示す模式図である。 電力変換装置１０への過熱保護温度設定方法を説明するためのフローチャートである。 本発明の好ましい他の実施形態による電力変換装置２０の構成を示す模式図である。 本発明の好ましいさらに他の実施形態による電力変換装置３０の構成を示す模式図である。 本発明による電力変換装置を備えた自動車の主要部分を概略的に示すブロック図である。 電力変換装置１０を構成する電力変換部１１，１２を並列接続した状態を示すブロック図である。 電力変換装置２０を構成する電力変換部２１〜２３を並列接続した状態を示すブロック図である。 電力変換装置１０を構成する電力変換部１１，１２をそれぞれ別系統の電気機器４２及び低圧バッテリー４６に接続した状態を示すブロック図である。 電力変換装置２０を構成する電力変換部２１，２２と電力変換部２３とをそれぞれ別系統の電気機器４２及び低圧バッテリー４６に接続した状態を示すブロック図である。 電力変換装置２０を構成する電力変換部２１〜２３をそれぞれ別系統の電気機器４２及び低圧バッテリー４６に接続した状態を示すブロック図である。

符号の説明

１０，２０，３０ 電力変換装置
１１，１２，２１〜２３，３１〜３３ 電力変換部
１１ａ，１２ａ，２１ａ〜２３ａ，３１ａ〜３３ａ 主回路部
１１ｂ，１２ｂ，２１ｂ〜２３ｂ，３１ｂ〜３３ｂ 温度センサ
１９ 冷却機構
１９ａ 冷媒
４１ 高圧バッテリー
４２ 電気機器
４３ 発電装置
４４ モータ
４５ 駆動系
４６ 低圧バッテリー

Claims (8)

1. それぞれ温度センサを有する複数の電力変換部を備える電力変換装置であって、前記複数の電力変換部のうち少なくとも２つの電力変換部に設けられた温度センサの過熱保護温度の設定が互いに異なることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記少なくとも２つの電力変換部は、互いに隣接して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数の電力変換部に対して共通に設けられた冷却機構をさらに備え、前記過熱保護温度は、前記冷却機構に用いられる冷媒の温度によって定められていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記少なくとも２つの電力変換部の一方が他方の電力変換部の温度センサに与える熱の影響は、前記他方の電力変換部が前記一方の電力変換部の温度センサに与える熱の影響よりも大きく、前記一方の電力変換部の温度センサの過熱保護温度は、前記他方の電力変換部の温度センサの過熱保護温度よりも高いことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記複数の電力変換部の少なくとも一部は並列運転可能に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記複数の電力変換部がいずれもＤＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. それぞれ温度センサを有する複数の電力変換部を備えた電力変換装置への過熱保護温度設定方法であって、
   前記複数の電力変換部に対して共通に設けられた冷却機構に用いられる冷媒の温度が第１の温度に達した状態を、所定の電力変換部に設けられた温度センサの過熱保護温度に設定し、
   前記冷媒の温度が前記第１の温度とは異なる第２の温度に達した状態を、前記所定の電力変換部とは異なる他の電力変換部に設けられた温度センサの過熱保護温度に設定することを特徴とする電力変換装置への過熱保護温度設定方法。
8. 前記所定の電力変換部が前記他の電力変換部の温度センサに与える熱の影響は、前記他の電力変換部が前記所定の電力変換部の温度センサに与える熱の影響よりも小さく、前記第１の温度は前記第２の温度よりも低いことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置への過熱保護温度設定方法。
   

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