JP2015033182A - 半導体電力変換器の冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】熱電変換素子の発電効率を高め、熱エネルギーを有効に利用すると共に、バッテリーの消費電力を低減可能とした半導体電力変換器の冷却システムを提供する。
【解決手段】負荷３０に電力を供給するインバータ１内のＩＧＢＴ１ａを冷却する水冷ユニット１ｂと、冷却水を循環させて水冷ユニット１ｂに供給するポンプ３と、冷却水が通過するラジエータ４と、水冷ユニット１ｂを通過する冷却水の流量を制御する流路制御ユニット７と、ＩＧＢＴ１ａ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インバータ１に供給する熱電変換素子１ｄと、熱電変換素子１ｄの発電電力をバッテリー２０の電力より優先させてインバータ１に供給する電力制御回路１３と、冷却水及びＩＧＢＴ１ａの温度、並びに外気温度等に基づいて、熱電変換素子１ｄの発電電力が最大限に得られるようにポンプ３及び流路制御ユニット７を制御するマイコン１ｆと、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換器の半導体スイッチ等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半導体電力変換器の冷却システムに関し、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されたモータを駆動するためのインバータの冷却システムに関するものである。

特許文献１には、電気自動車等の発熱部に熱電変換素子を設置し、この熱電変換素子の発電電力を用いて車載の電池ユニットの温度調節を行うようにした従来技術が記載されている。
図４は、この従来技術の全体構成図である。

図４において、１０１は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチを備えたインバータ、１０２は、インバータ１０１により運転される車両駆動用のモータ、１０３はタイヤ、１０４は充電器、１０５は、インバータ１０１及び充電器１０４を冷却するラジエータ、１０６は、ラジエータ１０５が吸収した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する熱電変換素子、１０７は、インバータ１０１に電源電圧を供給し、かつ充電器１０４により充電される電池ユニット、１０８は、ペルチェ効果により電気エネルギーを熱エネルギーに変換する電熱変換素子、１０９は、熱電変換素子１０６、電熱変換素子１０８及び下記のスイッチユニット１１０を制御する電池管理ユニット（ＢＭＵ：Battery Management Unit）、１１０は、熱電変換素子１０６の発電電力の供給先を切り替えるスイッチユニットである。
また、スイッチユニット１１０は、昇圧回路１１１、ダイオード１１２，１１３（倍電圧整流回路）、コンデンサ１１４、スイッチ１１５及び極性反転回路１１６を備えている。

次に、この従来技術の動作の概要を説明する。
ラジエータ１０５がインバータ１０１及び充電器１０４から吸収した熱エネルギーは、熱電変換素子１０６により電気エネルギーに変換され、スイッチユニット１１０内の倍電圧整流回路及びコンデンサ１１４により整流、平滑される。
電池管理ユニット１０９は電池ユニット１０７の温度を常に監視しており、その検出温度に応じて出力される制御信号によって、スイッチ１１５、熱電変換素子１０６及び電熱変換素子１０８を制御する。

例えば、上記制御信号によりスイッチ１１５を極性反転回路１１６側に切り替えた場合には、熱電変換素子１０６の発電電力を電池ユニット１０７側の電熱変換素子１０８に供給しながら電熱変換素子１０８に与える電流の極性を選択することにより、電池ユニット１０７を加熱または冷却することができる。
また、上記制御信号によりスイッチ１１５を昇圧回路１１１側に切り替えた場合には、熱電変換素子１０６から出力されて整流、平滑した電圧を昇圧し、電池ユニット１０７またはインバータ１０１に供給することが可能である。

上記のように、この従来技術では、ラジエータ１０５が発生する熱エネルギーを利用して電池ユニット１０７の温度調整を行い、必要に応じて電池ユニット１０７またはインバータ１０１に電力を供給している。なお、特許文献１には、熱電変換素子１０６をインバータ１０１や充電器１０４に直接取り付けても良いことが記載されている。

特開２００８−１０８５０９号公報（段落[００２５]〜[００３０]、図１，図２，図４等）

図４に示した従来技術において、インバータ１０１等の発熱部は、運転状態によって時々刻々と発熱量が変化する。例えば、渋滞により車両がごく低速で走行している時（いわゆるノロノロ運転時）には、インバータ１０１の出力をそれほど必要としないため、インバータ１０１からの発熱量も少ないが、登坂路を走行する場合や加速時には大きな出力が必要になるので、インバータ１０１の発熱量も急激に増加する。すなわち、車両の走行状態によってインバータ１０１からの発熱量が大きく変化するので、熱電変換素子１０６の発電電力も大きく変化する。

一方、この従来技術におけるインバータ１０１やラジエータ１０５は、冷却温度制御機能を備えていない。このため、インバータ１０１内の半導体スイッチの破損を防止するために発熱量が大きい時（高出力運転時）を基準とした冷却能力によって常に冷却していると、発熱量が小さい時（低出力運転時）にはインバータ１０１が必要以上に冷却されることとなり、本来、電気エネルギーに変換して利用できるはずの熱エネルギーを利用することができず、熱電変換素子１０６による発電効率が低下してしまうという問題があった。
また、冷却がそれほど必要ない状況でも冷却能力が一定である場合には、冷却水を循環させるためのポンプ等の電源（例えば、電池ユニット１０７）の電力を浪費するという問題もあった。

そこで、本発明の解決課題は、冷却水の温度や半導体スイッチの温度等に応じて冷却水の流量や流路等を最適制御することにより、熱電変換素子の発電効率を高め、熱エネルギーを変換して得た電気エネルギーを有効に利用すると共に、バッテリーの消費電力を低減可能とした半導体電力変換器の冷却システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、負荷に電力を供給するインバータ等の半導体電力変換器内の少なくとも半導体スイッチを冷却する水冷ユニットと、冷却水を循環させて水冷ユニットに供給するポンプと、冷却水が通過するラジエータ等の熱交換器と、水冷ユニットを通過する冷却水の流量を制御する流量制御部と、半導体スイッチ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、その発電電力を半導体電力変換器に供給するための電力制御回路と、冷却水及び半導体スイッチの温度、並びに外気温度に基づいて、熱電変換素子の発電電力が最大限に得られるようにポンプ及び流量制御部の動作を制御するマイコン等の制御手段と、を備えたものである。

また、本発明は、請求項２に記載するように、熱交換器を強制的に空冷するためのファンを備え、制御手段によりファンの動作を制御することが望ましい。
更に、請求項３に記載するように、流量制御部は、流路制御ユニットにより冷却水が分岐流路を流れる割合を調整して水冷ユニットを通過する冷却水の流量を制御することが望ましい。

請求項４に記載するように、冷却システムを構成するポンプや流路制御ユニット、ファン等の電源としてのバッテリーを備え、電力制御回路が、熱電変換素子の発電電力をバッテリーの電力よりも優先させて半導体電力変換器に供給することにより、熱電変換素子の発電電力を有効に利用してバッテリーからの供給電力を低減することができる。

なお、本発明に係る冷却システムは、請求項５に記載するように、自動車に搭載されるインバータによって車両駆動用のモータ等の負荷を駆動するシステムに適用すれば好適である。

本発明によれば、冷却水の温度や半導体スイッチの温度等に応じて冷却水の流量や流路等を最適制御することにより、熱電変換素子による発電量が最大限に得られる冷却状態を保ち、しかもバッテリーの電力の浪費を防止していわゆる電費を向上させることができる。
また、従来技術のように電熱変換素子を用いて対象物を冷却する方法によらず、冷却水により半導体電力変換器を直接冷却するため、電気エネルギーから熱エネルギーへの変換に伴う損失もなく、冷却効率が高いという効果もある。

本発明の実施形態の全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態におけるＩＧＢＴへの水冷ユニット、温度センサ、熱電変換素子の設置状態を概念的に示した図である。 図１におけるインバータの内部構成を示すブロック図である。 従来技術の全体構成を示すブロック図である。

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の車両駆動用のモータ（図示せず）を駆動する半導体電力変換器としてのインバータの冷却システムを示している。なお、本実施形態では、インバータを構成する半導体スイッチとしてＩＧＢＴを用いる場合について説明するが、半導体スイッチとしてＭＯＳＦＥＴやパワーバイポーラトランジスタ等を使用しても良いことは言うまでもない。

図１において、車載のインバータ１は、ＩＧＢＴやダイオード等を備えており、これらの部品は電力変換動作に伴って電力損失を生じ、熱を発生する。例えば、ＩＧＢＴにおける電力損失としては、ＩＧＢＴがオンして電流が流れている時の定常損失、ＩＧＢＴがターン・オン動作、ターン・オフ動作する時のスイッチング損失などが挙げられる。
これらの電力損失によりＩＧＢＴが過熱状態になると破損するおそれがあるため、ＩＧＢＴの温度を許容動作温度範囲に収めることが必要であり、例えば、水冷方式によってＩＧＢＴを冷却することが行われている。

図１では、インバータ１内のＩＧＢＴを冷却する冷却水の流路として共通流路２が設けられ、この共通流路２に、電動ウォータポンプ３、熱交換器としてのラジエータ４及び電動ファン５が配置されている。ここで、後述するようにインバータ１はマイコンを備えており、このマイコンから出力されるポンプ制御信号により電動ウォータポンプ３の運転が制御され、ファン制御信号により電動ファン５が制御されるようになっている。
共通流路２はインバータ１の前後において第１分岐流路６Ａと第２分岐流路６Ｂとに分岐しており、一方の分岐点には流路制御ユニット７が配置されている。この流路制御ユニット７の動作は、インバータ１内のマイコンから出力される流路制御信号により制御される。

なお、電動ファン５は、停車時のようにラジエータ４を空冷できない場合にラジエータ４を強制的に空冷するためのものである。また、電動ウォータポンプ３、電動ファン５及び流路制御ユニット７は、後述する図４のバッテリー２０から電源が供給されるものとする。
また、インバータ１の外部には外気温度センサ８が設けられており、このセンサ８による外気温度検出値がインバータ１内のマイコンに入力されている。

図２に示すように、インバータ１内のＩＧＢＴ１ａには水冷ユニット１ｂが密接して配置され、この水冷ユニット１ｂの内部を第１分岐流路６Ａが貫通している。また、ＩＧＢＴ１ａの温度を検出する温度センサ１ｃと、水冷ユニット１ｂがＩＧＢＴ１ａから吸収した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１ｄとが配置されている。更に、第１分岐流路６Ａには冷却水温度センサ１ｅが取り付けられている。
熱電変換素子１ｄは、周知のゼーベック効果に基づき、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原理を用いている。

次に、図３はインバータ１の内部構成を示すブロック図である。
インバータ１には、冷却システム全体を統括的に制御するためのマイコン１ｆが搭載されている。このマイコン１ｆは、外部のＥＣＵ（電子制御ユニット）９との間で通信を行うためのインターフェースを備えており、ＥＣＵ９からの運転指令や速度指令を受信してＩＧＢＴ制御信号を生成し、この制御信号に従ってＩＧＢＴ１ａをスイッチング制御したり、インバータ１の運転状態をＥＣＵ９へ送信する機能を備えている。なお、ＩＧＢＴ１ａ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。

マイコン１ｆには、前述した温度センサ１ｃからのＩＧＢＴ温度検出値、冷却水温度センサ１ｅからの冷却水温度検出値、及び、外気温度センサ８からの外気温度検出値が入力されている。
マイコン１ｆからは、流路制御ユニット７に対する流路制御信号、電動ウォータポンプ３に対するポンプ制御信号、及び、電動ファン５に対するファン制御信号が出力される。上記の流路制御信号は、流路制御ユニット７を動作させて第１分岐流路６Ａ及び第２分岐流路６Ａを流れる冷却水量の割合を調整し、ポンプ制御信号は、電動ウォータポンプ３のオン・オフ及び回転数（冷却水の循環速度）を制御し、ファン制御信号は、電動ファン５のファンモータのオン・オフ及びその回転数を制御する。

ここで、流路制御ユニット７を制御すれば水冷ユニット１ｂを流れる冷却水の流量を直接的に制御することができ、また、電動ウォータポンプ３の回転数を制御すれば水冷ユニット１ｂを流れる冷却水の流量を間接的に制御することができる。その意味で、流路制御ユニット７及び電動ウォータポンプ３は何れも流量制御手段としての機能を持っている。

更に、インバータ１には、安定化電源回路１１，１２及び電力制御回路１３が設けられている。
一方の安定化電源回路１１は、熱電変換素子１ｄの出力電圧を一定値に制御して電力制御回路１３に出力し、他方の安定化電源回路１２は、バッテリー２０の出力電圧を一定値に制御して電力制御回路１３に出力する。電力制御回路１３は、安定化電源回路１１，１２から供給される直流電力の使用割合を制御しながらインバータ１を運転し、負荷３０に電力を供給するものであり、熱電変換素子１ｄの発電電力を優先的に使用し、その発電電力では賄いきれない不足分の電力をバッテリー２０から供給するような制御を行う。
負荷３０としては、車両駆動用のモータの他に、エアコンやパワステアリング、オーディオ機器、照明具等の補機を含んでいても良い。

次に、この実施形態の動作を説明する。
いま、ＩＧＢＴ１ａの温度が許容動作温度範囲に保たれ、かつ、熱電変換素子１ｄによる発電電力が最大限に得られるような冷却状態に制御されているものとする。

この状態では、マイコン１ｆにより、例えば、第１分岐流路６Ａの冷却水量と第２分岐流路６Ｂの冷却水量との割合が２：８となるように流路制御ユニット７が制御され、冷却水の循環速度が最大循環速度の４０[％]になるように電動ウォータポンプ３が制御されている。この冷却状態は、マイコン１ｆが、外気温度センサ８による外気温度検出値、温度センサ１ｃによるＩＧＢＴ温度検出値、冷却水温度センサ１ｅによる冷却水温度検出値を取得しながら、ＩＧＢＴ１ａの温度を許容動作温度範囲に維持しつつ熱電変換素子１ｄから所望の発電電力が得られるように、流路制御ユニット７及び電動ウォータポンプ３を制御して実現される。

車両の登坂走行時のようにインバータ１の高出力運転が必要とされる場合、ＥＣＵ９から、例えばモータの回転数を上昇させる速度指令がマイコン１ｆに送られると、マイコン１ｆは、ＩＧＢＴ制御信号によりＩＧＢＴ１ａのＰＷＭパルスを制御してスイッチング周波数を増加させるため、発熱量が増大する。
この場合、ＩＧＢＴ１ａの過熱による破損を防止するためには、現在の冷却状態より、モータ回転数の上昇による発熱量増加分だけ余計にＩＧＢＴ１ａを冷却する必要がある。従って、マイコン１ｆは、前記の発熱量増加分を演算してその発熱量増加分だけＩＧＢＴ１ａを更に冷却するように、冷却システムを制御する。

すなわち、マイコン１ｆは、モータ回転数の上昇による発熱量増加分に応じて、第１分岐流路６Ａの冷却水量と第２分岐流路６Ｂの冷却水量との割合を変更し、第１分岐流路６Ａの冷却水量の割合を増加させるような流路制御信号を生成し、流路制御ユニット７を制御する。また、必要であれば、マイコン１ｆはこれと同時に、モータ回転数の上昇による発熱量増加分に応じて、冷却水の循環速度、つまりポンプの回転数を上昇させるためのポンプ制御信号を生成し、電動ウォータポンプ３を制御する。
この場合、流路制御ユニット７による制御と電動ウォータポンプ３による制御とをどのような割合で組み合わせればバッテリー２０の消費電力が最小になるかをマイコン１ｆが逐次、演算し、その結果に応じて流路制御ユニット７及び電動ウォータポンプ３を制御すれば良い。

また、車両の走行中はラジエータ４が空冷されることにより冷却水の冷却が可能であるが、サービスエリアにおける休憩時のように、一定時間、停車する場合には、冷却水を空冷することができない。このため、マイコン１ｆは、外気温度センサ８による外気温度検出値を参照しつつ、冷却水温度センサ１ｅによる冷却水温度検出値や温度センサ１ｃによるＩＧＢＴ温度検出値がそれぞれ目標値に一致するようにファン制御信号を生成し、この制御信号に応じた回転数及び運転時間に従って電動ファン５を運転することにより、ラジエータ４を強制的に空冷する。

更に、渋滞時のようにインバータ１の出力がそれほど必要とされない場合には、ＥＣＵ９からマイコン１ｆに送られる速度指令が小さくなり、ＩＧＢＴ１ａの発熱量も減少する。
この場合には、前述した高出力運転時と同様に流路制御ユニット７及び電動ウォータポンプ３を制御するとＩＧＢＴ１ａを過剰に冷却することになる。従って、マイコン１ｆは、外気温度検出値、ＩＧＢＴ温度検出値、冷却水温度検出値を取得しながら、ＩＧＢＴ１ａの温度を許容動作温度範囲に維持しつつ、熱電変換素子１ｄからできるだけ多くの発電電力が得られるように、流路制御ユニット７及び電動ウォータポンプ３を制御する。

このように、本実施形態では、ＩＧＢＴ１ａの温度が許容動作温度範囲に保たれ、かつ、熱電変換素子１ｄの発電効率を最大化する冷却状態となるように、第１分岐流路６Ａ，第２分岐流路６Ｂによる冷却水量の分岐割合、冷却水の循環速度、更には、電動ファン５の回転数及び運転時間をリアルタイムに制御するものである。その際、流路制御ユニット７や電動ウォータポンプ３、電動ファン５の電源として使用しているバッテリー２０の電力を浪費しないように各制御動作を実行することにより、いわゆる電費を向上させることができる。

なお、上述した実施形態では、インバータ１内のＩＧＢＴ１ａを冷却する場合について説明したが、他の発熱部、例えばモータや充電器等を含めた冷却システムとし、モータや充電器から発生する熱エネルギーを熱電変換素子により電気エネルギーに変換して再利用することにより、前記同様にバッテリー２０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、インバータ１から負荷３０への供給電力が熱電変換素子１ｄによる発電電力よりも小さい場合には、その余剰分の電力を用いてバッテリー２０を充電しても良い。

本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されるインバータを始めとして、車載型、非車載型を問わず、また、コンバータやチョッパを含めた各種の半導体電力変換器の冷却システムに利用することができる。

１：インバータ
１ａ：ＩＧＢＴ
１ｂ：水冷ユニット
１ｃ：温度センサ
１ｄ：熱電変換素子
１ｅ：冷却水温度センサ
１ｆ：マイコン
２：共通流路
３：電動ウォータポンプ
４：ラジエータ
５：電動ファン
６Ａ：第１分岐流路
６Ｂ：第２分岐流路
７：流路制御ユニット
８：外気温度センサ
９：ＥＣＵ（電子制御ユニット）
１１，１２：安定化電源回路
１３：電力制御回路
２０：バッテリー
３０：負荷

Claims (5)

1. 負荷に電力を供給する半導体電力変換器内の少なくとも半導体スイッチを冷却する水冷ユニットと、
   冷却水を循環させて前記水冷ユニットに供給するポンプと、
   前記冷却水が通過する熱交換器と、
   前記水冷ユニットを通過する冷却水の流量を制御する流量制御部と、
   前記半導体スイッチ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前記半導体電力変換器に供給するための電力制御回路と、
   前記冷却水の温度、前記半導体スイッチの温度、及び外気温度に基づいて、前記熱電変換素子の発電電力が最大限に得られるように前記ポンプ及び前記流量制御部の動作を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする半導体電力変換器の冷却システム。
2. 請求項１に記載した半導体電力変換器の冷却システムにおいて、
   前記熱交換器を強制的に空冷するためのファンを備え、
   前記制御手段により、前記ファンの動作を制御することを特徴とする半導体電力変換器の冷却システム。
3. 請求項１に記載した半導体電力変換器の冷却システムにおいて、
   前記流量制御部は、流路制御ユニットにより冷却水が分岐流路を流れる割合を調整して前記水冷ユニットを通過する冷却水の流量を制御することを特徴とする半導体電力変換器の冷却システム。
4. 請求項１〜３の何れか１項に記載した半導体電力変換器の冷却システムにおいて、
   前記冷却システムを構成する各機器の電源としてのバッテリーを備え、
   前記電力制御回路は、前記熱電変換素子の発電電力を前記バッテリーの電力よりも優先させて前記半導体電力変換器に供給することを特徴とする半導体電力変換器の冷却システム。
5. 請求項１に記載した半導体電力変換器の冷却システムにおいて、
   前記半導体電力変換器が自動車に搭載されるインバータであり、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半導体電力変換器の冷却システム。

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