JP2017184515A - 電源システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＧＢＴ素子とダイオードとを１つのチップで構成したＲＣＩＧＢＴをコンバータの上アームおよび下アームに採用する場合において、ＲＣＩＧＢＴ内の過熱を適切に防止する。
【解決手段】コンバータは、ＩＧＢＴ素子とダイオードとを１つのチップで構成した上アームを備える。ＥＣＵは、上アームの過熱保護を行なう場合、コンバータの制御状態などからＩＧＢＴ素子の推定温度を算出し、上アーム温度の検出値がＩＧＢＴ素子の推定温度よりも高く、かつ上アーム温度の検出値がダイオードの保護温度以上である場合、バッテリからの放電を制限し、上アーム温度の検出値がＩＧＢＴ素子の推定温度以下であり、かつ上アーム温度の検出値がＩＧＢＴ素子の保護温度以上である場合、バッテリへの充電を制限する。
【選択図】図７

Description

本発明は、電源システムに搭載されるコンバータの過熱を防止する技術に関する。

特開２００９−６０７２６号公報（特許文献１）には、車両に搭載されるインバータ（負荷）に電力を供給する電源システムが開示されている。この電源システムは、バッテリと、バッテリの正極に接続される第１正極線と、インバータの正極端子に接続される第２正極線と、インバータの負極端子とバッテリの負極とを接続する負極線と、バッテリとインバータとの間で電圧変換を行なうコンバータとを備える。コンバータは、第２正極線と負極線との間に直列に接続される上アームおよび下アームと、上アーム、下アームおよび第１正極線に接続される接続ノートと、第１正極線上に設けられるリアクトルとを備える。上アームおよび下アームの各々は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子と、ＩＧＢＴ素子に逆並列に接続されるダイオードとを備える。

特開２００９−６０７２６号公報

特許文献１に開示された電源システムにおいて、バッテリの充放電に伴なってコンバータ内の各部（各ＩＧＢＴ素子および各ダイオード）に電流が流れると、各部において熱が発生する。各部の発熱量は、コンバータの制御状態（通電量、昇圧比、スイッチング周波数など）によって異なる。したがって、各部の過熱を適切に防止するためには、温度センサによって各部の温度を検出し、各部の温度がそれぞれの許容温度を超えないようにバッテリの充放電を制限することが望ましい。

しかしながら、ＩＧＢＴ素子とダイオードとを一体化して１つのチップで構成した逆導通型ＩＧＢＴ（Reverse-Conducting Insulated Gate Bipolar Transistor、以下「ＲＣＩＧＢＴ」ともいう）をコンバータの上アームに採用する場合、温度センサによって上アームの温度を検出したとしても、温度センサによる検出値がＩＧＢＴ素子およびダイオードのどちらの発熱の影響をより多く受けているのかを区別することが難しくなる。そのため、ＩＧＢＴ素子の発熱を抑制するための制御を行なうべきか、それともダイオードの発熱を抑制するための制御を行なうべきかを判定できず、上アームの過熱を適切に防止できなくなることが懸念される。ＲＣＩＧＢＴをコンバータの下アームに採用する場合も同様の問題が生じる。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、スイッチング素子（ＩＧＢＴ素子）とダイオードとを１つのチップで構成したＲＣＩＧＢＴをコンバータの上アームおよび下アームに採用する場合において、ＲＣＩＧＢＴの過熱を適切に防止することである。

（１） この発明に係る電源システムは、負荷に電力を供給する電源システムであって、バッテリと、バッテリの正極に接続される第１正極線と、負荷の正極端子に接続される第２正極線と、負荷の負極端子とバッテリの負極との間に接続される負極線と、バッテリと負荷との間で電圧変換を行なうコンバータとを備える。コンバータは、第２正極線から負極線までの間に順に直列に接続される第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される第１ダイオードおよび第２ダイオードと、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子および第１正極線に接続される接続ノードと、第１正極線上または第２スイッチング素子とバッテリの負極との間の負極線上に設けられるリアクトルとを備える。第１スイッチング素子および第１ダイオードは１つのチップで構成される。電源システムは、さらに、チップの温度を検出する温度センサと、バッテリの充放電を制御する制御装置とを備える。制御装置は、コンバータの制御状態から第１スイッチング素子の温度推定値を算出する。制御装置は、温度センサによる検出値が第１スイッチング素子の温度推定値よりも高く、かつ温度センサによる検出値が第１ダイオードの保護温度以上である場合、バッテリの放電電力の制御上限値を制限する。制御装置は、温度センサによる検出値が第１スイッチング素子の温度推定値よりも低く、かつ温度センサによる検出値が第１スイッチング素子の保護温度を超える場合、バッテリの充電電力の制御上限値を制限する。

上記構成によれば、コンバータの上アームに含まれる第１スイッチング素子および第１ダイオードが１つのチップで構成される。チップの温度を検出する温度センサによる検出値が第１スイッチング素子の温度推定値よりも高い場合、第１ダイオードの発熱量が第１スイッチング素子の発熱量よりも高く温度センサによる検出値が第１ダイオードの温度に近い値を示していると想定されるため、制御装置は、温度センサによる検出値が第１ダイオードの保護温度を超える場合にバッテリの放電電力の制御上限値を制限する。これにより、第１ダイオードの通電量が低減されるため、第１ダイオードの発熱が抑制される。

一方、温度センサによる検出値が第１スイッチング素子の温度推定値よりも低い場合、第１スイッチング素子の発熱量が第１ダイオードの発熱量よりも高く温度センサによる検出値が第１スイッチング素子の温度に近い値を示していると想定されるため、制御装置は、温度センサによる検出値が第１スイッチングの保護温度を超える場合にバッテリの充電電力の制御上限値を制限する。これにより、第１スイッチング素子の通電量が低減されるため、第１スイッチングの発熱が抑制される。

その結果、ＲＣＩＧＢＴをコンバータの上アームに採用する場合において、ＲＣＩＧＢＴの過熱を適切に防止することができる。

（２） この発明の他の局面に係る電源システムは、負荷に電力を供給する電源システムであって、バッテリと、バッテリの正極に接続される第１正極線と、負荷の正極端子に接続される第２正極線と、負荷の負極端子とバッテリの負極との間に接続される負極線と、バッテリと負荷との間で電圧変換を行なうコンバータとを備える。コンバータは、第２正極線から負極線までの間に順に直列に接続される第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される第１ダイオードおよび第２ダイオードと、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子および第１正極線に接続される接続ノードと、第１正極線上または第２スイッチング素子とバッテリの負極との間の負極線上に設けられるリアクトルとを備える。第２スイッチング素子および第２ダイオードは１つのチップで構成される。電源システムは、さらに、チップの温度を検出する温度センサと、バッテリの充放電を制御する制御装置とを備える。制御装置は、コンバータの制御状態から第２スイッチング素子の温度推定値を算出する。制御装置は、温度センサによる検出値が第２スイッチング素子の温度推定値よりも高く、かつ温度センサによる検出値が第２ダイオードの保護温度を超える場合、バッテリの充電電力の制御上限値を制限する。制御装置は、温度センサによる検出値が第２スイッチング素子の温度推定値よりも低く、かつ温度センサによる検出値が第２スイッチング素子の保護温度を超える場合、バッテリの放電電力の制御上限値を制限する。

上記構成によれば、コンバータの下アームに含まれる第２スイッチング素子および第２ダイオードが１つのチップで構成される。チップの温度を検出する温度センサによる検出値が第２スイッチング素子の温度推定値よりも高い場合、第２ダイオードの発熱量が第２スイッチング素子の発熱量よりも高く温度センサによる検出値が第２ダイオードの温度に近い値を示していると想定されるため、制御装置は、温度センサによる検出値が第２ダイオードの保護温度を超える場合にバッテリの充電電力の制御上限値を制限する。これにより、第２ダイオードの通電量が低減されるため、第２ダイオードの発熱が抑制される。

一方、温度センサによる検出値が第２スイッチング素子の温度推定値以下である場合、第２スイッチング素子の発熱量が第２ダイオードの発熱量よりも高く温度センサによる検出値が第２スイッチング素子の温度に近い値を示していると想定されるため、制御装置は、温度センサによる検出値が第２スイッチングの保護温度を超える場合にバッテリの放電電力の制御上限値を制限する。これにより、第２スイッチング素子の通電量が低減されるため、第２スイッチングの発熱が抑制される。

その結果、ＲＣＩＧＢＴをコンバータの下アームに採用する場合において、ＲＣＩＧＢＴの過熱を適切に防止することができる。

電源システムを備える車両の全体構成を概略的に示す図である。 モータジェネレータの力行時（バッテリの放電時）における、コンバータのスイッチング動作と電流の流れとを模式的に示す図である。 モータジェネレータの回生時（バッテリの充電時）における、コンバータのスイッチング動作と電流の流れとを模式的に示す図である。 ＥＣＵの処理手順の一例を示すフローチャート（その１）である。 ＩＧＢＴ素子Ｑ１を流れる電流とＩＧＢＴ素子Ｑ１の温度上昇量ΔＴＱ１との対応関係の一例を模式的に示す図である。 ＩＧＢＴ素子Ｑ２を流れる電流とＩＧＢＴ素子Ｑ２の温度上昇量ΔＴＱ２との対応関係の一例を模式的に示す図である。 ＥＣＵの処理手順の一例を示すフローチャート（その２）である。 ＥＣＵの処理手順の一例を示すフローチャート（その３）である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態に係る電源システムを備える車両１の全体構成を概略的に示す図である。車両１は、モータジェネレータＭＧと、モータジェネレータＭＧを駆動するためのインバータ４０（負荷）と、インバータ４０に直流電力を供給するための電源システムとを備える。

電源システムは、バッテリ１０と、システムメインリレー（ＳＭＲ：System Main Relay）１２と、コンバータ３０と、正極線ＰＬ１，ＰＬ２と、負極線ＮＬと、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電圧センサ２３１，２３２と、電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）１００とを備える。

正極線ＰＬ１は、バッテリ１０の正極とコンバータ３０との間に接続される。正極線ＰＬ２は、インバータ４０の正極端子４１とコンバータ３０との間に接続される。負極線ＮＬは、インバータ４０の負極端子４２とバッテリ１０の負極との間に接続される。

バッテリ１０は、再充電が可能に構成された二次電池である。バッテリ１０は、モータジェネレータＭＧを駆動するための電力を蓄える。バッテリ１０には監視ユニット１１が設けられている。監視ユニット１１は、バッテリ１０の電圧（バッテリ電圧）ＶＢ、バッテリ１０を流れる電流（バッテリ電流）ＩＢ、バッテリ１０の温度（バッテリ温度）ＴＢをそれぞれ検出し、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。

ＳＭＲ１２は、バッテリ１０とコンバータ３０との間に設けられ、ＥＣＵ１００からの制御信号に応じて、バッテリ１０とコンバータ３０との接続および遮断を切り替える。ＳＭＲ１２は、正極線ＰＬ１を遮断する正極リレーと、コンバータ３０とバッテリ１０との間の負極線ＮＬを遮断する負極リレーとを含む。

コンデンサＣ１は、正極線ＰＬ１と負極線ＮＬとの間に接続され、正極線ＰＬ１と負極線ＮＬとの間の電圧ＶＬを平滑化する。電圧センサ２３１は、コンデンサＣ１の両端の電圧、すなわち電圧ＶＬを検出する。

コンデンサＣ２は、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に接続され、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間の電圧ＶＨを平滑化する。電圧センサ２３２は、コンデンサＣ２の両端の電圧、すなわち電圧ＶＨを検出する。

コンバータ３０は、上アーム３１と、下アーム３３と、リアクトルＬ１とを含む。上アーム３１および下アーム３３は、正極線ＰＬ２から負極線ＮＬまでの間にこの順に直列に接続される。リアクトルＬ１は、上アーム３１および下アーム３３の間の接続ノードとバッテリ１０の正極とを結ぶ正極線ＰＬ１上に設けられる。なお、リアクトルＬ１を、正極線ＰＬ１上ではなく、下アーム３３とバッテリ１０の負極との間の負極線ＮＬ上に設けるようにしてもよい。

上アーム３１は、スイッチング素子であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）素子Ｑ１と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタ−エミッタ間に逆並列に接続されるダイオード（フライホイールダイオード）Ｄ１とを含む。下アーム３３は、ＩＧＢＴ素子Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタ−エミッタ間に逆並列に接続されるダイオード（フライホイールダイオード）Ｄ２とを含む。

上アーム３１は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１とダイオードＤ１とを一体化して１つのチップで構成したＲＣＩＧＢＴである。下アーム３３は、ＩＧＢＴ素子Ｑ２とダイオードＤ２とを一体化して１つのチップで構成したＲＣＩＧＢＴである。

上アーム３１および下アーム３３には、温度センサ３２，３４がそれぞれ設けられる。温度センサ３２は、上アーム３１のチップ内の温度（以下「上アーム温度ＣＴＰ」ともいう）を検出する。温度センサ３４は、下アーム３３のチップ内の温度（以下「下アーム温度ＣＴＮ」ともいう）を検出する。各温度センサ３２，３４は検出結果をそれぞれＥＣＵ１００に出力する。

以下では、温度センサ３２によって検出された上アーム温度ＣＴＰを単に「ＣＴＰ検出値」とも記載し、温度センサ３４によって検出された下アーム温度ＣＴＮを単に「ＣＴＮ検出値」とも記載する。

コンバータ３０は、ＥＣＵ１００からの制御信号ＳＣＮＶに応じたスイッチング動作を行なうことによって、電圧ＶＨを電圧ＶＬ以上の値にすることができる。

モータジェネレータＭＧは、永久磁石式の三相交流同期モータである。モータジェネレータＭＧは、インバータ４０から供給される電流によって駆動される。車両１は、モータジェネレータＭＧの動力を図示しない駆動輪に伝達することによって走行する。なお、車両１は、駆動源としてモータジェネレータに加えてエンジンを備えるハイブリッド車両であってもよい。

インバータ４０は、いわゆる三相インバータである。インバータ４０は、ＥＣＵ１００からの制御信号ＳＩＮＶに応じたスイッチング動作を行なうことによって、モータジェネレータＭＧとコンバータ３０との間で電力変換を行なう。

車両１は、さらに、コンバータ３０の内部を冷却するための構成として、ラジエータ９０と、ウォータポンプ９１と、通水路９３と、水温センサ９４とを含む。コンバータ３０の内部とラジエータ９０とウォータポンプ９１とは、通水路９３によって直列に環状に接続されている。ウォータポンプ９１は、ＥＣＵ１００からの制御信号によって作動されると、図１に示す矢印αの方向に冷却水を循環させる。ラジエータ９０は、コンバータ３０内の各素子を冷却した後の冷却水を通水路９３から受け、通水路９３から受けた冷却水と空気との熱交換によって冷却水を冷却する。水温センサ９４は、通水路９３を流れる冷却水の温度（以下「冷却水温ＴＷ」ともいう）を検出し、検出結果をＥＣＵ１００に出力する。

ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを内蔵し、各センサの検出結果やメモリに記憶された情報などに基づいて車両１の各機器を制御する。

たとえば、ＥＣＵ１００は、バッテリ１０のＳＯＣ（State Of Charge）およびバッテリ温度ＴＢなどに基づいてバッテリ１０の充電電力の制御上限値（以下「充電電力上限値ＷＩＮ」ともいう）を設定する。ＥＣＵ１００は、バッテリ１０に入力される充電電力が充電電力上限値ＷＩＮを超えないようにコンバータ３０およびインバータ４０を制御する。同様に、ＥＣＵ１００は、バッテリ１０のＳＯＣおよびバッテリ温度ＴＢなどに基づいてバッテリ１０の放電電力の制御上限値（以下「放電電力上限値ＷＯＵＴ」ともいう）を設定する。ＥＣＵ１００は、バッテリ１０から出力される放電電力が放電電力上限値ＷＯＵＴを超えないようにコンバータ３０およびインバータ４０を制御する。

＜コンバータのスイッチング動作＞
図２は、モータジェネレータＭＧの力行時（バッテリ１０の放電時）における、コンバータ３０のスイッチング動作と電流の流れとを模式的に示す図である。図２（Ａ）に示す状態は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２をそれぞれオフ状態（非導通状態）、オン状態（導通状態）とする状態である。図２（Ｂ）に示す状態は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２をそれぞれオン状態、オフ状態とする状態である。

図２（Ａ）に示す状態では、バッテリ１０、リアクトルＬ１およびＩＧＢＴ素子Ｑ２を含む閉回路が形成され、バッテリ１０の放電電流がリアクトルＬ１およびＩＧＢＴ素子Ｑ２を流れる。この電流によってリアクトルＬ１にエネルギが蓄えられる。

図２（Ａ）に示す状態から、図２（Ｂ）に示す状態に切り替わると、図２（Ａ）の状態で形成されていた閉回路が遮断されてバッテリ１０から電流が出力されなくなるが、リアクトルＬ１は、自己誘導作用によって放電方向の電流を維持しようとして、蓄えていたエネルギを放出する。これにより、リアクトルＬ１からダイオードＤ１を通って正極線ＰＬ２に電流が流れる。この電流によってモータジェネレータＭＧが駆動される。

ＥＣＵ１００は、モータジェネレータＭＧの力行時（バッテリ１０の放電時）において、図２（Ａ）に示す状態と図２（Ｂ）に示す状態とを、所定のスイッチイング周波数に応じた周期で切り替える。なお、このスイッチング周波数は、ＥＣＵ１００がコンバータ３０をＰＷＭ（Pulse Width Modulation)制御する場合には、キャリア周波数に相当する。

上述の図２（Ａ），（Ｂ）に示すように、モータジェネレータＭＧの力行時（バッテリ１０の放電時）においては、上アームのダイオードＤ１と下アームのＩＧＢＴ素子Ｑ２とに電流が流れる。したがって、上アームのダイオードＤ１の発熱および下アームのＩＧＢＴ素子Ｑ２の発熱を抑制するためには、バッテリ１０の放電電流を抑制するのが有効である。

図３は、モータジェネレータＭＧの回生時（バッテリ１０の充電時）における、コンバータ３０のスイッチング動作と電流の流れとを模式的に示す図である。図３（Ａ）に示す状態は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２をそれぞれオン状態、オフ状態とする状態である。図３（Ｂ）に示す状態は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２をそれぞれオフ状態、オン状態とする状態である。

図３（Ａ）に示す状態では、モータジェネレータＭＧの回生電流が正極線ＰＬ２からＩＧＢＴ素子Ｑ１を通ってリアクトルＬ１に流れ込む。この電流によってリアクトルＬ１にエネルギが蓄えられる。

図３（Ａ）に示す状態から、図３（Ｂ）に示す状態に切り替わると、正極線ＰＬ２からリアクトルＬ１への電流の流れがダイオードＤ２によって遮断されるが、リアクトルＬ１は、自己誘導作用によって回生方向の電流を維持しようとして、蓄えていたエネルギを放出する。これにより、バッテリ１０、リアクトルＬ１およびダイオードＤ２を含む閉回路に電流が流れる。この電流によってバッテリ１０が充電される。

ＥＣＵ１００は、モータジェネレータＭＧの回生時（バッテリ１０の充電時）において、図３（Ａ）に示す状態と図３（Ｂ）に示す状態とを、所定のスイッチング周波数に応じた周期で切り替える。なお、スイッチング周波数は、ＥＣＵ１００がコンバータ３０をＰＷＭ（Pulse Width Modulation)制御する場合には、キャリア周波数に相当する。

上述の図３（Ａ），（Ｂ）に示すように、モータジェネレータＭＧの回生時（バッテリ１０の充電時）においては、上アームのＩＧＢＴ素子Ｑ１と下アームのダイオードＤ２とに電流が流れる。したがって、上アームのＩＧＢＴ素子Ｑ１の発熱および下アームのダイオードＤ２の発熱を抑制するためには、バッテリ１０の充電電流を抑制するのが有効である。

＜コンバータの過熱保護＞
以上のような構成を有する車両１において、バッテリ１０の充放電に伴なってコンバータ３０内の各部（ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２）に電流が流れると、各部において熱が発生する。各部の発熱量は、コンバータ３０の通電量、昇圧比（ＶＬ／ＶＨ）、スイッチング周波数（単位時間あたりのスイッチング回数）、さらには動作状態（力行時の動作なのか回生時の動作なのか）などによって異なる。したがって、コンバータ３０内の各部の過熱を適切に防止するためには、温度センサによって各部の温度を検出し、各部の温度がそれぞれの許容温度を超えないようにバッテリ１０の充放電を制限することが望ましい。

特に、上アーム３１の過熱保護を行なう際に、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の発熱を抑制する場合と、ダイオードＤ１の発熱を抑制する場合とでは、抑制する電流の向きが逆となる。すなわち、上述したように、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の発熱を抑制するにはバッテリ１０の充電電流を抑制するのが有効であるの対し、ダイオードＤ１の発熱を抑制するにはバッテリ１０の放電電流を抑制するのが有効である。したがって、上アーム３１の過熱保護を適切に行なうためには、ＩＧＢＴ素子Ｑ１およびダイオードＤ１のどちらの発熱を抑制すべきかを判定し、その判定結果に応じて抑制する電流の向きを決めることが望ましい。

しかしながら、本実施の形態においては、上述したように、上アーム３１はＲＣＩＧＢＴであり、ＩＧＢＴ素子Ｑ１とダイオードＤ１とは１つのチップで構成される。したがって、温度センサ３２はＩＧＢＴ素子Ｑ１からの熱とダイオードＤ１からの熱の両方の影響を受ける。そのため、ＣＴＰ検出値（温度センサ３２によって検出された上アーム温度ＣＴＰ）のみでは、ＣＴＰ検出値がＩＧＢＴ素子Ｑ１およびダイオードＤ１のどちらの発熱の影響をより多く受けているのかを区別することが難しく、抑制する電流の向きを決めることができない。

同様に、下アーム３３の過熱保護を行なう際に、ＩＧＢＴ素子Ｑ２の発熱を抑制する場合と、ダイオードＤ２の発熱を抑制する場合とでは、抑制する電流の向きが逆となる。すなわち、上述したように、ＩＧＢＴ素子Ｑ２の発熱を抑制するにはバッテリ１０の放電電流を抑制するのが有効であるの対し、ダイオードＤ２の発熱を抑制するにはバッテリ１０の充電電流を抑制するのが有効である。したがって、下アーム３３の過熱保護を適切に行なうためには、ＩＧＢＴ素子Ｑ２およびダイオードＤ２のどちらの発熱を抑制すべきかを判定し、その判定結果に応じて抑制する電流の向きを決めることが望ましい。

しかしながら、本実施の形態においては、上述したように、下アーム３３はＲＣＩＧＢＴであり、ＩＧＢＴ素子Ｑ２とダイオードＤ２とは１つのチップで構成される。したがって、ＣＴＮ検出値（温度センサ３４によって検出された下アーム温度ＣＴＮ）のみでは、ＣＴＮ検出値がＩＧＢＴ素子Ｑ２およびダイオードＤ２のどちらの発熱の影響をより多く受けているのかを区別することが難しく、抑制する電流の向きを決めることができない。

以上の点の鑑み、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、上アーム３１の過熱保護を行なう場合、コンバータ３０の制御状態および冷却水温ＴＷを用いてＩＧＢＴ素子Ｑ１の推定温度（以下、単に「Ｑ１推定温度」ともいう）を算出し、ＣＴＰ検出値とＱ１推定温度とを比較することによってＩＧＢＴ素子Ｑ１の発熱量とダイオードＤ１の発熱量のどちらが大きいのかを判定する。そして、ＥＣＵ１００は、その判定結果に応じてバッテリ１０の放電を制限するのか放電を制限するのかを選択する。これにより、上アーム３１の過熱が適切に防止される。

ＥＣＵ１００は、下アーム３３についても、上アーム３１と同様の過熱保護を行なう。すなわち、ＥＣＵ１００は、下アーム３３の過熱保護を行なう場合、コンバータ３０の制御状態および冷却水温ＴＷを用いてＩＧＢＴ素子Ｑ２の推定温度（以下、単に「Ｑ２推定温度」ともいう）を算出し、ＣＴＮ検出値とＱ２推定温度とを比較することによってＩＧＢＴ素子Ｑ２の発熱量とダイオードＤ２の発熱量のどちらが大きいのかを判定する。そして、ＥＣＵ１００は、その判定結果に応じてバッテリ１０の放電を制限するのか放電を制限するのかを選択する。これにより、下アーム３３の過熱が適切に防止される。

図４は、ＥＣＵ１００がＱ１推定温度およびＱ２推定温度を算出する際の処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは所定周期で繰り返し実行される。

ステップ（以下、ステップを「Ｓ」と略す）１０にて、ＥＣＵ１００は、コンバータ３０の制御状態を示す情報を取得する。具体的には、ＥＣＵ１００は、モータジェネレータＭＧの力行時（バッテリ放電時、図２参照）であるのか回生時（バッテリ充電時、図３参照）であるのかを示す情報、コンバータ３０を流れる電流（バッテリ電流ＩＢ）、昇圧比（電圧ＶＬと電圧ＶＨとの比）、スイッチング周波数（単位時間あたりのスイッチング回数）を取得する。

なお、Ｓ１０にて取得される情報は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２の発熱量に影響するパラメータである。ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２においては、通電による熱損失（ジュール熱損失）、昇圧比による熱損失、スイッチングによる熱損失が存在する。

図５は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１を流れる電流とＩＧＢＴ素子Ｑ１の発熱量との対応関係の一例を模式的に示す図である。図６は、ＩＧＢＴ素子Ｑ２を流れる電流とＩＧＢＴ素子Ｑ２の発熱量との対応関係の一例を模式的に示す図である。図５、６に示すように、電流が大きいほど通電による熱損失（ジュール熱損失）が大きくなり各発熱量は大きくなるが、同じ電流であっても、昇圧比、スイッチング周波数などのその他の制御状態によって、各発熱量は異なる値となる。ＥＣＵ１００は、実験等によって求められた図５，６に示す対応関係を、予めメモリに記憶している。

Ｓ１１にて、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０で取得された情報を用いて、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の温度と冷却水温ＴＷとの温度差ΔＴＱ１を算出する。ＥＣＵ１００は、図５に示す対応関係をメモリから読み出し、当該マップを参照して、Ｓ１０で取得した情報に対応するＩＧＢＴ素子Ｑ１の発熱量を算出する。そして、ＥＣＵ１００は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の発熱量の履歴および時間経過の影響などを考慮して温度差ΔＴＱ１を算出する。すなわち、ＩＧＢＴ素子Ｑ１は冷却水によって冷却されるが、冷却水の熱容量はＩＧＢＴ素子Ｑ１の熱容量に比べて非常に小さく、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の温度は所定の時定数で冷却水温ＴＷに収束する。この点を考慮してＥＣＵ１００は温度差ΔＴＱ１を算出する。

Ｓ１２にて、ＥＣＵ１００は、Ｓ１０で取得された情報を用いて、ＩＧＢＴ素子Ｑ２の温度と冷却水温ＴＷとの温度差ΔＴＱ２を算出する。ＥＣＵ１００は、図６に示す対応関係をメモリから読み出し、当該マップを参照して、Ｓ１０で取得した情報に対応するＩＧＢＴ素子Ｑ１の発熱量を算出する。そして、ＥＣＵ１００は、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の発熱量の履歴および時間経過の影響などを考慮して温度差ΔＴＱ２を算出する。すなわち、ＩＧＢＴ素子Ｑ２の温度も、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の温度と同様に、所定の時定数で冷却水温ＴＷに収束する。この点を考慮してＥＣＵ１００は温度差ΔＴＱ２を算出する。

Ｓ１３にて、ＥＣＵ１００は、水温センサ９４によって検出された冷却水温ＴＷ、およびＳ１２にて算出された温度差ΔＴＱ１，ΔＴＱ２を下記の式（１），（２）に代入することによって、Ｑ１推定温度およびＱ２推定温度を算出し、算出結果をメモリに記憶する。

Ｑ１推定温度＝冷却水温ＴＷ＋温度差ΔＴＱ１ …（１）
Ｑ２推定温度＝冷却水温ＴＷ＋温度差ΔＴＱ２ …（２）
図７は、ＥＣＵ１００がコンバータ３０の上アーム３１の過熱保護を行なう際の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは所定周期で繰り返し実行される。

Ｓ２０にて、ＥＣＵ１００は、上述の図６のＳ１３にで算出および記憶されたＱ１推定温度をメモリから読み出す。Ｓ２１にて、ＥＣＵ１００は、温度センサ３２からＣＴＰ検出値を取得する。

Ｓ２２にて、ＥＣＵ１００は、ＣＴＰ検出値がＱ１推定温度よりも大きいか否かを判定する。なお、本実施の形態においては、Ｑ１推定温度の誤差などを考慮し、ＥＣＵ１００は、ＣＴＰ検出値がＱ１推定温度に所定マージンΔＴ１を加えた値よりも大きいか否を判定する。

ＣＴＰ検出値がＱ１推定温度に所定マージンΔＴ１を加えた値よりも大きい場合（Ｓ２２にてＹＥＳ）、ＣＴＰ検出値はＩＧＢＴ素子Ｑ１の温度よりも高いダイオードＤ１の温度の影響をより多く受けていると考えられるため、ＥＣＵ３００は、Ｓ２３にて、ダイオードＤ１の発熱量がＩＧＢＴ素子Ｑ１の発熱量よりも大きいと判定する。この場合、ＣＴＰ検出値はダイオードＤ１の温度に近い値を示していると考えられる。

そのため、ＥＣＵ１００は、Ｓ２４にて、ＣＴＰ検出値がダイオードＤ１の保護温度ＴＤ１以上であるか否かを判定する。ＣＴＰ検出値がダイオードＤ１の保護温度ＴＤ１未満である場合（Ｓ２４にてＮＯ）、ＥＣＵ１００は処理を終了する。

ＣＴＰ検出値がダイオードＤ１の保護温度ＴＤ１以上である場合（Ｓ２４にてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ２５にて、放電電力上限値ＷＯＵＴを現在値よりも所定値低い値に制限する。これにより、バッテリ１０の放電電流が抑制され、ダイオードＤ１の通電量（発熱量）が低減されるので、ダイオードＤ１の過熱が抑制される。

一方、ＣＴＰ検出値がＱ１推定温度に所定マージンΔＴ１を加えた値以下である場合（Ｓ２２にてＮＯ）、ＣＴＰ検出値はダイオードＤ１の温度よりも高いＩＧＢＴ素子Ｑ１の温度の影響をより多く受けていると考えられるため、ＥＣＵ３００は、Ｓ２６にて、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の発熱量がダイオードＤ１の発熱量よりも大きいと判定する。この場合、ＣＴＰ検出値はＩＧＢＴ素子Ｑ１の温度に近い値を示していると考えられる。

そのため、ＥＣＵ１００は、Ｓ２７にて、ＣＴＰ検出値がＩＧＢＴ素子Ｑ１の保護温度ＴＱ１以上であるか否かを判定する。ＣＴＰ検出値がＩＧＢＴ素子Ｑ１の保護温度ＴＱ１未満である場合（Ｓ２７にてＮＯ）、ＥＣＵ１００は処理を終了する。

ＣＴＰ検出値がＩＧＢＴ素子Ｑ１の保護温度ＴＱ１以上である場合（Ｓ２７にてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ２８にて、充電電力上限値ＷＩＮを現在値よりも所定値低い値に制限する。これにより、バッテリ１０の充電電流が抑制され、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の通電量（発熱量）が低減されるので、ＩＧＢＴ素子Ｑ１の過熱が抑制される。

図８は、ＥＣＵ１００がコンバータ３０の下アーム３３の過熱保護を行なう際の処理手順を示すフローチャートである。このフローチャートは所定周期で繰り返し実行される。

Ｓ３０にて、ＥＣＵ１００は、上述の図６のＳ１３にで算出および記憶されたＱ２推定温度をメモリから読み出す。Ｓ３１にて、ＥＣＵ１００は、温度センサ３４からＣＴＮ検出値を取得する。

Ｓ３２にて、ＥＣＵ１００は、ＣＴＮ検出値がＱ２推定温度よりも大きいか否かを判定する。なお、本実施の形態においては、Ｑ２推定温度の誤差などを考慮し、ＥＣＵ１００は、ＣＴＮ検出値がＱ２推定温度に所定マージンΔＴ２を加えた値よりも大きいか否を判定する。

ＣＴＮ検出値がＱ２推定温度に所定マージンΔＴ２を加えた値よりも大きい場合（Ｓ３２にてＹＥＳ）、ＣＴＮ検出値はＩＧＢＴ素子Ｑ２の温度よりも高いダイオードＤ２の温度の影響をより多く受けていると考えられるため、ＥＣＵ３００は、Ｓ３３にて、ダイオードＤ２の発熱量がＩＧＢＴ素子Ｑ２の発熱量よりも大きいと判定する。この場合、ＣＴＮ検出値はダイオードＤ２の温度に近い値を示していると考えられる。

そのため、ＥＣＵ１００は、Ｓ３４にて、ＣＴＮ検出値がダイオードＤ２の保護温度ＴＤ２以上であるか否かを判定する。ＣＴＮ検出値がダイオードＤ２の保護温度ＴＤ２未満である場合（Ｓ３４にてＮＯ）、ＥＣＵ１００は処理を終了する。

ＣＴＮ検出値がダイオードＤ２の保護温度ＴＤ２以上である場合（Ｓ３４にてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ３５にて、充電電力上限値ＷＩＮを現在値よりも所定値低い値に制限する。これにより、バッテリ１０の充電電流が抑制され、ダイオードＤ２の通電量（発熱量）が低減されるので、ダイオードＤ２の過熱が抑制される。

一方、ＣＴＮ検出値がＱ２推定温度に所定マージンΔＴ２を加えた値よりも小さい場合（Ｓ３２にてＮＯ）、ＣＴＮ検出値はダイオードＤ２の温度よりも高いＩＧＢＴ素子Ｑ２の温度の影響をより多く受けていると考えられるため、ＥＣＵ３００は、Ｓ３６にて、ＩＧＢＴ素子Ｑ２の発熱量がダイオードＤ２の発熱量よりも大きいと判定する。この場合、ＣＴＮ検出値はＩＧＢＴ素子Ｑ２の温度に近い値を示していると考えられる。

そのため、ＥＣＵ１００は、Ｓ３７にて、ＣＴＮ検出値がＩＧＢＴ素子Ｑ２の保護温度ＴＱ２以上であるか否かを判定する。ＣＴＮ検出値がＩＧＢＴ素子Ｑ２の保護温度ＴＱ２未満である場合（Ｓ３７にてＮＯ）、ＥＣＵ１００は処理を終了する。

ＣＴＮ検出値がＩＧＢＴ素子Ｑ２の保護温度ＴＱ２以上である場合（Ｓ３７にてＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、Ｓ３８にて、放電電力上限値ＷＯＵＴを現在値よりも所定値低い値に制限する。これにより、バッテリ１０の放電電流が抑制され、ＩＧＢＴ素子Ｑ２の通電量（発熱量）が低減されるので、ＩＧＢＴ素子Ｑ２の過熱が抑制される。

以上のように、本実施の形態によるＥＣＵ１００は、上アーム３１の過熱保護を行なう場合、コンバータ３０の制御状態などからＱ１推定温度を算出し、ＣＴＰ検出値とＱ１推定温度とを比較することによってＩＧＢＴ素子Ｑ１の発熱量とダイオードＤ１の発熱量のどちらが大きいのかを判定する。そして、ＥＣＵ１００は、その判定結果に応じてバッテリ１０の放電を制限するのか放電を制限するのかを選択する。これにより、上アーム３１のＩＧＢＴ素子Ｑ１の過熱およびダイオードＤ１の過熱が適切に防止される。ＥＣＵ１００は、下アーム３３についても、上アーム３１と同様の過熱保護を行なう。その結果、コンバータ３０の上アーム３１および下アーム３３にＲＣＩＧＢＴを採用する場合において、上アーム３１および下アーム３３の過熱を適切に防止することができる。

また、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２の過熱およびダイオードＤ１，Ｄ２の過熱を適切に防止することで、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２およびダイオードＤ１，Ｄ２のサイズ低減も可能となり、ひいてはコンバータ３０全体のサイズ低減が可能になる。

また、本実施の形態においては、コンバータ３０の過熱保護を行なうにあたり、単に各ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２を停止させるのではないため、必要な方向の電流を抑制しつつも継続して流すことが可能である。

＜変形例＞
上述の実施の形態においては、図８のＳ３８にて、放電電力上限値ＷＯＵＴを制限することによってＩＧＢＴ素子Ｑ２の過熱を抑制した。しかしながら、図８のＳ３８にて、放電電力上限値ＷＯＵＴを制限することに代えて、コンバータ３０の上アームオン制御（上アームのＩＧＢＴ素子Ｑ１を常時オン状態にし、下アームのＩＧＢＴ素子Ｑ２を常時オフ状態にする制御）を行なうようにしてもよい。上アームオン制御を行なうことにより、下アームにおいては、電流がダイオードＤ２を流れ、ＩＧＢＴ素子Ｑ２を流れなくなるため、ＩＧＢＴ素子Ｑ２の過熱をより効率よく抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 車両、１０ バッテリ、１１ 監視ユニット、３０ コンバータ、３１ 上アーム、３２，３４ 温度センサ、３３ 下アーム、４０ インバータ、４１ 正極端子、４２ 負極端子、９０ ラジエータ、９１ ウォータポンプ、９３ 通水路、９４ 水温センサ、１００ ＥＣＵ、２３１，２３２ 電圧センサ、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、Ｌ１ リアクトル、ＮＬ 負極線、ＰＬ１，ＰＬ２ 正極線、Ｑ１，Ｑ２ ＩＧＢＴ素子。

Claims (2)

1. 負荷に電力を供給する電源システムであって、
   バッテリと、
   前記バッテリの正極に接続される第１正極線と、
   前記負荷の正極端子に接続される第２正極線と、
   前記負荷の負極端子と前記バッテリの負極との間に接続される負極線と、
   前記バッテリと前記負荷との間で電圧変換を行なうコンバータとを備え、
   前記コンバータは、前記第２正極線から前記負極線までの間に順に直列に接続される第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される第１ダイオードおよび第２ダイオードと、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子および前記第１正極線に接続される接続ノードと、前記第１正極線上または前記第２スイッチング素子と前記バッテリの負極との間の前記負極線上に設けられるリアクトルとを備え、
   前記第１スイッチング素子および前記第１ダイオードは１つのチップで構成され、
   前記電源システムは、さらに、
   前記チップの温度を検出する温度センサと、
   前記バッテリの充放電を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記コンバータの制御状態から前記第１スイッチング素子の温度推定値を算出し、
   前記温度センサによる検出値が前記第１スイッチング素子の温度推定値よりも高く、かつ前記温度センサによる検出値が前記第１ダイオードの保護温度を超える場合、前記バッテリの放電電力の制御上限値を制限し、
   前記温度センサによる検出値が前記第１スイッチング素子の温度推定値よりも低く、かつ前記温度センサによる検出値が前記第１スイッチング素子の保護温度を超える場合、前記バッテリの充電電力の制御上限値を制限する、電源システム。
2. 負荷に電力を供給する電源システムであって、
   バッテリと、
   前記バッテリの正極に接続される第１正極線と、
   前記負荷の正極端子に接続される第２正極線と、
   前記負荷の負極端子と前記バッテリの負極との間に接続される負極線と、
   前記バッテリと前記負荷との間で電圧変換を行なうコンバータとを備え、
   前記コンバータは、前記第２正極線から前記負極線までの間に順に直列に接続される第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される第１ダイオードおよび第２ダイオードと、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子および前記第１正極線に接続される接続ノードと、前記第１正極線上または前記第２スイッチング素子と前記バッテリの負極との間の前記負極線上に設けられるリアクトルとを備え、
   前記第２スイッチング素子および前記第２ダイオードは１つのチップで構成され、
   前記電源システムは、さらに、
   前記チップの温度を検出する温度センサと、
   前記バッテリの充放電を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記コンバータの制御状態から前記第２スイッチング素子の温度推定値を算出し、
   前記温度センサによる検出値が前記第２スイッチング素子の温度推定値よりも高く、かつ前記温度センサによる検出値が前記第２ダイオードの保護温度を超える場合、前記バッテリの充電電力の制御上限値を制限し、
   前記温度センサによる検出値が前記第２スイッチング素子の温度推定値よりも低く、かつ前記温度センサによる検出値が前記第２スイッチング素子の保護温度を超える場合、前記バッテリの放電電力の制御上限値を制限する、電源システム。

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