JP2015030335A - Load drive system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体電力変換器により負荷を駆動する負荷駆動システムに関し、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されたインバータにより車両駆動用モータを駆動する際に、主バッテリーの消費電力を低減するための技術に関するものである。 The present invention relates to a load drive system that drives a load by a semiconductor power converter, and for example, to reduce power consumption of a main battery when a vehicle drive motor is driven by an inverter mounted on an electric vehicle or a hybrid vehicle. Is related to the technology.
周知のように、インバータはIGBTやMOSFET等の半導体スイッチのオン・オフにより電力変換を行っており、半導体スイッチの定常損失やスイッチング損失により熱を発生する。
ここで、特許文献1には、インバータから発生する熱を利用して、電気自動車に搭載された電池ユニットの温度調整を行う従来技術が記載されている。
一方、特許文献2には、高圧水銀灯などの光源部を備えたプロジェクタ装置において、光源部が発生する熱エネルギーをゼーベック効果により電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを用いて冷却ファンを運転することにより光源部を冷却する技術が開示されている。
As is well known, an inverter performs power conversion by turning on and off semiconductor switches such as IGBTs and MOSFETs, and generates heat due to steady loss and switching loss of the semiconductor switches.
Here,
On the other hand, in
図3は、特許文献2に記載された従来技術の回路構成を示すブロック図であり、100は光源部(図示せず)の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電モジュール部、200は電源系回路基板、201は交流電源が供給される電源回路、202は熱電モジュール部100の出力電圧を安定化するDC−DCコンバータ等の電圧安定化回路、203は電源回路201の出力と電圧安定化回路202の出力とを加算する電力加算回路、300は電力加算回路203の出力により運転されて光源部を冷却する冷却ファンである。
この従来技術によれば、光源部の熱エネルギーを変換して得た電気エネルギーを冷却ファン300の駆動電力の一部として利用することができ、プロジェクタ装置の消費電力を低減することが可能である。
FIG. 3 is a block diagram showing a circuit configuration of the prior art described in
According to this prior art, the electric energy obtained by converting the heat energy of the light source unit can be used as a part of the driving power of the
図3に示した従来技術では、プロジェクタ装置の電源をオフした後も、光源部の余熱により熱電モジュール100が発電し続けて冷却ファン300を回転させている。しかし、光源部がある程度冷却されて、もはや冷却する必要がない温度(ある程度の熱をもっていても安全上、問題がなく、自然冷却にまかせても良いような温度)に達した後も、熱電モジュール100の発電電力によって冷却ファン300を運転し続けることもあり、その結果、電気エネルギーを浪費してしまうという問題があった。
In the prior art shown in FIG. 3, the
そこで、本発明の解決課題は、熱電変換により得た電気エネルギーを有効利用して消費電力を一層低減するようにした負荷駆動システムを提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a load driving system in which power consumption is further reduced by effectively using electric energy obtained by thermoelectric conversion.
上記課題を解決するために、請求項1に係る発明は、半導体電力変換器内の半導体スイッチのスイッチング動作により発生させた電力を用いて負荷を駆動する負荷駆動システムに関するものであり、半導体電力変換器に接続された主バッテリーと、半導体電力変換器から発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子と、熱電変換素子の発電電力を用いて充電される複数の補助バッテリーと、主バッテリーからの供給電力と補助バッテリーからの供給電力との割合を調整して半導体電力変換器に供給する電力調整手段と、を備えている。
そして、本発明では、負荷の消費電力が補助バッテリーからの供給電力では不足する時に不足分の電力を主バッテリーから供給するものである。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
In the present invention, when the power consumption of the load is insufficient with the power supplied from the auxiliary battery, the insufficient power is supplied from the main battery.
なお、請求項2に記載するように、複数の補助バッテリーのうち一部の補助バッテリーを熱電変換素子の発電電力により充電している間に、他の補助バッテリーを放電させて電力調整手段に電力を供給することが望ましい。
また、請求項3に記載するように、複数の補助バッテリーの状態を監視し、その状態に応じて各補助バッテリーを充電または放電させるように制御するマイコン等の制御手段を備えることが望ましい。
更に、請求項4に記載するように、本発明に係る負荷駆動システムは電気自動車やハイブリッド自動車等に適用可能であり、インバータ内の半導体スイッチから発生する熱エネルギーを熱電変換素子が電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを、車両駆動用モータを含む負荷の駆動電力に用いれば好適である。
In addition, as described in
According to a third aspect of the present invention, it is desirable to provide a control means such as a microcomputer for monitoring the states of a plurality of auxiliary batteries and controlling the auxiliary batteries to be charged or discharged according to the states.
Furthermore, as described in claim 4, the load drive system according to the present invention can be applied to an electric vehicle, a hybrid vehicle, etc., and the thermoelectric conversion element converts the heat energy generated from the semiconductor switch in the inverter into the electric energy. However, it is preferable to use this electric energy for driving power of a load including a vehicle driving motor.
本発明によれば、熱電変換により得た電気エネルギーを用いて補助バッテリーを充電し、その電力を優先的に用いて車両駆動用モータ等の負荷を駆動するため、主バッテリーの消費電力を低減して高効率の負荷駆動システムを提供することができる。 According to the present invention, the auxiliary battery is charged using electrical energy obtained by thermoelectric conversion, and the power is preferentially used to drive a load such as a vehicle drive motor, thereby reducing the power consumption of the main battery. In addition, a highly efficient load drive system can be provided.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、この実施形態の全体構成を示すブロック図であり、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される負荷駆動システムであって、車載のバッテリーの電力を用いてインバータにより車両駆動用のモータ等の負荷を駆動するシステムを示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of this embodiment, which is a load drive system mounted on an electric vehicle or a hybrid vehicle, and includes a motor for driving a vehicle and the like by an inverter using the power of an on-vehicle battery. 1 shows a system driving a load.
図1において、主バッテリー11の出力電圧はDC−DCコンバータ等の安定化電源回路12に入力され、大きさが一定の直流電圧に変換される。この安定化電源回路12の出力電圧は、後述する安定化電源回路5の出力電圧と共に電力制御回路13内の電力調整回路131に入力されている。
In FIG. 1, the output voltage of the main battery 11 is input to a stabilized
電力調整回路131は、二系統から入力される直流電力の割合を調整してインバータ132に出力する機能を有しており、後述するマイコン1からの制御信号SC13により、安定化電源回路5からの供給電力を優先させて最大限用い、負荷20の消費電力の不足分を安定化電源回路12からの供給電力によって補うように動作する。例えば、負荷20の消費電力が安定化電源回路5による供給電力より少ない場合には、主バッテリー11側の安定化電源回路12による供給電力を用いないこととする。
インバータ132は、電力調整回路131から入力された直流電力を半導体スイッチ(この実施形態ではIGBTとする)のスイッチング動作により交流電力に変換し、車両駆動用のモータを含む負荷20に供給する。
ここで、インバータ132を構成する半導体スイッチとしては、MOSFETやパワーバイポーラトランジスタ等を使用可能であることは言うまでもない。
The
Here, it goes without saying that a MOSFET, a power bipolar transistor or the like can be used as the semiconductor switch constituting the
一方、2は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子である。この熱電変換素子2は、2種類の金属あるいはP型,N型半導体を接合し、これらの接合部の温度差に応じて電圧が発生するゼーベック効果を利用している。
熱電変換素子2は、前記インバータ132内のIGBTの熱が確実に伝導されるような位置に配置される。図2は、放熱フィン7と共にIGBT6に取り付けられた熱電変換素子2の概念図である。周知のように、放熱フィン7は、IGBT6の温度を許容動作温度範囲内に保つためにIGBT6の余分な熱を大気中に放出するためのものである。
なお、IGBT6は、複数のIGBT素子をブリッジ接続することによりモジュール化されているものである。
On the other hand, 2 is a thermoelectric conversion element that converts thermal energy into electrical energy. This
The
The IGBT 6 is modularized by bridge-connecting a plurality of IGBT elements.
図1に戻って、熱電変換素子2による発電電力は充電制御回路3に入力されており、その出力側には、第1のスイッチSW1と第1の補助バッテリー4Aと第2のスイッチSW2との直列回路と、第3のスイッチSW3と第2の補助バッテリー4Bと第4のスイッチSW4との直列回路と、が並列に接続されている。これら二つの直列回路の並列接続点(スイッチSW2,SW4同士の接続点)は、DC−DCコンバータ等の安定化電源回路5に接続され、その出力電圧は前記電力調整回路131に入力されている。
Returning to FIG. 1, the electric power generated by the
1は、負荷駆動システムの全体を統括的に制御するマイコンである。このマイコン1は専用に設けても良いが、電気自動車等に既に搭載されている運転制御用のマイコン等を利用いても良い。
マイコン1には、第1,第2の補助バッテリー4A,4Bからのバッテリー状態信号ST4A,ST4Bが入力されていると共に、第1〜第4のスイッチSW1〜SW4をオンまたはオフさせるスイッチ制御信号C1〜C4が出力される。
ここで、バッテリー状態信号ST4A,ST4Bは、各補助バッテリー4A,4Bの電圧や温度に基づいて過充電、過放電、満充電、容量などの電気的状態を示す情報である。
The
Here, the battery state signals ST 4A and ST 4B are information indicating electrical states such as overcharge, overdischarge, full charge, and capacity based on the voltage and temperature of each
更に、マイコン1と安定化電源回路5,12との間では通信インターフェースを介して通信信号SC5,SC12が送受信されるようになっている。また、マイコン1と充電制御回路3との間では通信信号SC3が、マイコン1と電力制御回路13との間では通信信号SC13が、それぞれ通信インターフェースを介して送受信されるようになっている。
Further, communication signals SC 5 and SC 12 are transmitted and received between the
マイコン1と安定化電源回路5,12との間で送受信される通信信号SC5,SC12は、各電源回路5,12が電力調整回路131にそれぞれ供給している電源電圧や電流等の情報を含んでいる。また、マイコン1と充電制御回路3との間で送受信される通信信号SC3は、補助バッテリー4A,4Bに対する充電電圧、充電電流、充電経過時間等の情報を含んでいる。また、マイコン1と電力制御回路13との間で送受信される通信信号SC13は、インバータ132が負荷20に供給している電力、各電源回路5,12から電力調整回路131にそれぞれ供給している電力、及びその割合等の情報を含んでいる。
Communication signals SC 5 and SC 12 transmitted and received between the
次に、この実施形態の動作を説明する。
いま、インバータ132が主バッテリー11または補助バッテリー4A,4Bの電力を用いて電力変換を行い、負荷20に電力を供給しているものとする。このとき、IGBT6の定常損失やスイッチング損失により発生した熱は、熱電変換素子2により電気エネルギーに変換され、充電制御回路3により所定の充電電圧、充電電流が生成される。
Next, the operation of this embodiment will be described.
Now, it is assumed that the
マイコン1は、バッテリー状態信号ST4A,ST4Bに基づいて第1,第2の補助バッテリー4A,4Bの状態を常時監視しており、その状態に応じて制御信号SC3により充電制御回路3を制御しつつ、一方の補助バッテリーを充電し、他方の補助バッテリーを放電させるように、スイッチ制御信号C1〜C4を生成してスイッチSW1〜SW4をオンまたはオフさせる。図1の状態は、第1の補助バッテリー4Aを充電し、第2の補助バッテリー4Bを放電させるためにスイッチSW1,SW4をオンさせ、スイッチSW2,SW3をオフさせた状態である。
The
周知のように、バッテリーは過放電状態または過充電状態で運用すると寿命が短くなり、場合によっては発火、破裂等の事故を引き起こす可能性がある。このため、マイコン1が補助バッテリー4A,4Bの状態に応じて充電対象、放電対象となる補助バッテリーを選択し、以下に述べるようなオン・オフパターンによってスイッチSW1〜SW4を制御することとした。
As is well known, when a battery is operated in an overdischarged state or an overcharged state, its life is shortened, and in some cases, an accident such as ignition or explosion may occur. Therefore, the
例えば、補助バッテリー4Aが満充電であり、補助バッテリー4Bは充電が必要である場合には、スイッチSW1,SW4をオフさせ、スイッチSW2,SW3をオンさせて補助バッテリー4Aを放電させ、補助バッテリー4Bを充電する。
これとは逆に、補助バッテリー4Bは満充電、補助バッテリー4Aは充電が必要である場合には、前述した図1のようにスイッチSW1,SW4をオンさせ、スイッチSW2,SW3をオフさせる。
For example, when the
On the contrary, when the
また、補助バッテリー4A,4Bの両方とも充電が必要な場合には、何れか一方の補助バッテリーを先に充電し、充電量が所定値に達したら当該補助バッテリーを放電させると共に他方の補助バッテリーを充電するようにスイッチSW1〜SW4を制御し、以後は充電、放電を交互に繰り返す。
更に、補助バッテリー4A,4Bの両方とも満充電である場合には、過充電とならないようにスイッチSW1,SW3を両方ともオフさせ、スイッチSW2,SW4の何れかをオンさせて一方の補助バッテリーを放電させる。
前述したように、過充電は補助バッテリー4A,4Bの寿命低下や発火を招くと共に、熱電変換素子2による発電電力を有効に利用することができず、補助バッテリーの使用効率を低下させる原因となる。従って、補助バッテリー4A,4Bが同時に満充電状態にならないように、負荷20の消費電力と熱電変換素子2の発電電力とのバランスを考慮しつつ、補助バッテリー4A,4Bの容量を決定することが必要である。
When both of the
Further, when both of the
As described above, overcharging causes the life and ignition of the
上記のように、本実施形態では、熱電変換素子2の発電電力を用いて補助バッテリーを選択的に充電しておき、その放電電力を優先的に用いて車両駆動用モータ等の負荷20を駆動するものである。このため、熱エネルギーを有効に利用して主バッテリー11の消費電力を低減し、いわゆる電費を向上させた高効率の負荷駆動システムを実現することができる。
As described above, in the present embodiment, the auxiliary battery is selectively charged using the generated power of the
なお、上述した実施形態では、インバータ132のIGBT6による熱エネルギーを熱電変換素子2により電気エネルギーに変換する場合について説明したが、他の発熱部、例えば負荷20としてのモータから発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換して再利用することにより、前記同様に主バッテリー11の電力消費を抑制して電費を向上させることができる。また、補助バッテリーは実施形態のように2個に限定されるものではなく、車載スペースや重量、コスト等の観点から許容できるのであれば、より多くの補助バッテリーを搭載して充放電用に使い分けても良い。
更に、熱電変換素子2の発電電力が負荷20の消費電力を上回る場合には、余剰分の電力を用いて主バッテリー11を充電しても良い。
In the above-described embodiment, the case where the thermal energy generated by the IGBT 6 of the
Furthermore, when the generated power of the
本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車の車両駆動用モータ等の負荷をインバータにより駆動するシステムに限らず、バッテリーの電力を用いてコンバータやチョッパ等、各種の半導体電力変換器を運転し、その出力により負荷を駆動する様々な負荷駆動システムに利用可能である。 The present invention is not limited to a system that drives a load such as a vehicle driving motor of an electric vehicle or a hybrid vehicle by an inverter, but operates various semiconductor power converters such as a converter and a chopper using the power of a battery, and outputs thereof Therefore, the present invention can be used for various load driving systems that drive a load.
1:マイコン
2:熱電変換素子
3:充電制御回路
4A,4B:補助バッテリー
5:安定化電源回路
6:IGBT
7:放熱フィン
11:主バッテリー
12:安定化電源回路
13:電力制御回路
131:電力調整回路
132:インバータ
20:負荷
SW1,SW2,SW3,SW4:スイッチ
C1,C2,C3,C4:スイッチ制御信号
ST4A,ST4B:バッテリー状態信号
SC3,SC5,SC12,SC13:通信信号
1: Microcomputer 2: Thermoelectric conversion element 3:
7: radiation fin 11: Main Battery 12: stabilized power supply circuit 13: the power control circuit 131: power conditioning circuit 132: Inverter 20: load SW 1, SW 2, SW 3 , SW 4: switch C 1, C 2, C 3 , C 4 : Switch control signals ST 4A , ST 4B : Battery status signals SC 3 , SC 5 , SC 12 , SC 13 : Communication signals
Claims (4)
前記半導体電力変換器に接続された主バッテリーと、
前記半導体電力変換器から発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の発電電力を用いて充電される複数の補助バッテリーと、
前記主バッテリーからの供給電力と前記補助バッテリーからの供給電力との割合を調整して前記半導体電力変換器に供給する電力調整手段と、
を備え、
前記負荷の消費電力が前記補助バッテリーからの供給電力では不足する時に不足分の電力を前記主バッテリーから供給することを特徴とする負荷駆動システム。 In a load driving system for driving a load using power generated by a switching operation of a semiconductor switch in a semiconductor power converter,
A main battery connected to the semiconductor power converter;
A thermoelectric conversion element that converts thermal energy generated from the semiconductor power converter into electrical energy;
A plurality of auxiliary batteries to be charged using the power generated by the thermoelectric conversion elements;
Power adjusting means for adjusting the ratio of the power supplied from the main battery and the power supplied from the auxiliary battery to supply to the semiconductor power converter;
With
A load driving system characterized in that when the power consumption of the load is insufficient with the power supplied from the auxiliary battery, a shortage of power is supplied from the main battery.
前記複数の補助バッテリーのうち一部の補助バッテリーを前記熱電変換素子の発電電力により充電している間に、他の補助バッテリーを放電させて前記電力調整手段に電力を供給することを特徴とする負荷駆動システム。 The load drive system according to claim 1,
While charging some of the plurality of auxiliary batteries with the generated electric power of the thermoelectric conversion element, the other auxiliary batteries are discharged to supply electric power to the power adjusting means. Load drive system.
前記複数の補助バッテリーの状態を監視し、その状態に応じて各補助バッテリーを充電または放電させるように制御する制御手段を備えたことを特徴とする負荷駆動システム。 In the load drive system according to claim 2,
A load driving system comprising: a control unit that monitors the states of the plurality of auxiliary batteries and controls the auxiliary batteries to be charged or discharged according to the states.
前記負荷駆動システムが自動車に搭載されるシステムであり、
前記半導体電力変換器としてのインバータ内の前記半導体スイッチから発生する熱エネルギーを前記熱電変換素子が電気エネルギーに変換すると共に、前記負荷は、少なくとも車両駆動用のモータを含むことを特徴とする負荷駆動システム。 The load drive system according to claim 1,
The load drive system is a system mounted on an automobile,
A load drive comprising: a thermoelectric conversion element for converting thermal energy generated from the semiconductor switch in an inverter as the semiconductor power converter into electrical energy; and the load includes at least a motor for driving a vehicle. system.
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