JP2018042414A - Cooling abnormality detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷却異常検出装置に関するものである。 The present invention relates to a cooling abnormality detection device.
回転電機駆動システムと、流体を用いて回転電機駆動システムを冷却する冷却装置と、冷却装置の回転電機駆動システムに対する冷却能力の変動に応じて回転電機駆動システムを制御する制御装置と、回転電機駆動システムの温度を検知する第1の温度センサと、流体の温度を検知する第2の温度センサとを備える車両駆動システムが開示されている(特許文献1)。制御装置は、回転電機駆動システムと流体の温度差に応じて冷却能力を判断する。 A rotating electrical machine drive system, a cooling device that cools the rotating electrical machine drive system using a fluid, a control device that controls the rotating electrical machine drive system according to a change in cooling capacity of the cooling device with respect to the rotating electrical machine drive system, and the rotating electrical machine drive A vehicle drive system is disclosed that includes a first temperature sensor that detects the temperature of the system and a second temperature sensor that detects the temperature of the fluid (Patent Document 1). The control device determines the cooling capacity according to the temperature difference between the rotating electrical machine drive system and the fluid.
しかしながら、従来技術では、流体の流量によって流体の温度が変わることを考慮していないため、冷却装置が冷却異常の状態であることを適切に検出できないという問題があった。 However, since the conventional technology does not consider that the temperature of the fluid changes depending on the flow rate of the fluid, there is a problem that it is not possible to appropriately detect that the cooling device is in an abnormal cooling state.
本発明は、冷媒の流量に応じて冷却装置が冷却異常の状態であることを適切に検出できる冷却異常検出装置を提供することである。 The present invention is to provide a cooling abnormality detection device that can appropriately detect that the cooling device is in a cooling abnormality state according to the flow rate of the refrigerant.
本発明は、冷却装置が冷却異常の状態であるか否かを判定する閾値を冷媒の流量に応じて設定し、第1温度センサにより検出された熱源の温度と第2温度センサにより検出された冷媒の温度との関係と閾値に基づいて、冷却装置が冷却異常の状態であることを判定することで、上記課題を解決する。 In the present invention, a threshold value for determining whether or not the cooling device is in an abnormal cooling state is set according to the flow rate of the refrigerant, and the temperature of the heat source detected by the first temperature sensor and the second temperature sensor are detected. Based on the relationship with the temperature of the refrigerant and the threshold value, it is determined that the cooling device is in an abnormal cooling state, thereby solving the above problem.
本発明によれば、冷却装置が冷却異常の状態であることを適切に検出する冷却異常検出装置を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a cooling abnormality detection device that appropriately detects that the cooling device is in a cooling abnormality state.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
≪第1実施形態≫
図1は、第1実施形態に係る冷却異常検出装置100を含む冷却異常検出システム110の構成を示す概要図である。本実施形態に係る冷却異常検出システム110は、冷却異常検出装置100と外部コントローラ101とを備える。冷却異常検出システム110は、例えば、電動車両に搭載される。本実施形態においては、冷却異常検出システム110は、バッテリの電力を使用してモータ駆動する電動車両に適用されている。なお、冷却異常検出システム110は、電動車両への適用に限定されない。
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a cooling abnormality detection system 110 including a cooling
外部コントローラ101は、冷却装置20を制御する装置である。外部コントローラ101は、CPU、RAM等を備えている。外部コントローラ101は、ポンプ21及び第2温度センサ25と電気的に接続されている。外部コントローラ101には、第2温度センサ25により検出された冷却水の水温Twが入力される。後述するが、冷却水は流路22を流れる冷媒である。外部コントローラ101はポンプ21にポンプ制御信号WPを出力する。外部コントローラ101は、ポンプ制御信号WPをポンプ21へ出力することで、ポンプ21が送る冷却水の流量を制御する。ポンプ制御信号WPはポンプ21が送る冷却水の流量を表した指令値であり、ポンプ21はポンプ制御信号WPで表される流量分の冷却水を流路22へ送る。
The
外部コントローラ101は、ポンプ21の消費電力を抑制するために、ポンプ21が送る流量が必要最低限となるようにポンプ21を制御する。図2は、外部コントローラ101が水温Twにより流量を制御する制御方法の一例を示すグラフである。図2の縦軸は、ポンプ制御信号WPで表される冷却水の流量を示し、横軸は水温Twを示す。外部コントローラ101は、図2に示すように、水温Twが水温Tw1より低い場合には、冷却水の流量がポンプ制御信号WP1となるように、ポンプ制御信号WPを設定する。また、外部コントローラ101は、水温Twが水温Tw2(>水温Tw1)より高い場合には、冷却水の流量がポンプ制御信号WP2(>ポンプ制御信号WP1)となるように、ポンプ制御信号WPを設定する。さらに、外部コントローラ101は、水温Twが水温Tw1から水温Tw2の間の範囲内である場合には、冷却水の流量がポンプ制御信号WP1からポンプ制御信号WP2の範囲内で表される流量であって、冷却水の流量が水温Twと比例する関係の流量となるように、ポンプ制御信号WPを設定する。これにより、流路22を流れる冷却水の流量は抑制され、ポンプ21の消費電力を抑制できる。
The
また、外部コントローラ101は、インバータ10及びモータ(図示なし)と電気的に接続されており、外部コントローラ101はモータからのトルク指令値に基づいてインバータ10を制御する。外部コントローラ101は、パワーモジュール11の半導体素子のスイッチング動作を制御することでインバータ10を制御する。
The
再び、図1に戻り、冷却異常検出装置100について説明する。
Returning to FIG. 1 again, the cooling
冷却異常検出装置100は冷却装置20が冷却異常の状態であるか否かを判定する冷却異常検出装置である。冷却異常検出装置100は、冷却装置20とコントローラ30とを備える。
The cooling
冷却装置20はインバータ10を冷却するための冷却装置である。図1では、点線で囲まれた範囲のブロックは冷却装置20を示している。
The
インバータ10は、パワーモジュール11を搭載している電力変換装置である。インバータ10は少なくともバッテリ、モータ、コントローラ30、及び外部コントローラ101と電気的に接続されている。インバータ10には、外部コントローラ101からの制御信号が入力信号として入力される。インバータ10は、当該制御信号によりバッテリから供給される直流電力を交流に変換してモータに当該交流電力を供給する(力行動作)。また、インバータ10は、モータの回転数が減速すると、モータから供給される交流電力を直流電力に変換して、バッテリに当該直流電力を供給する(回生動作)。例えば、インバータ10が3相インバータである場合に、インバータ10は、直流電力を3相交流電力に変換してモータに3相交流電力を供給する。
The
パワーモジュール11は、半導体素子から構成されたスイッチング回路である。パワーモジュール11は、外部コントローラ101からの制御信号により、スイッチング動作を行う。これにより、インバータ10は上述した力行動作及び回生動作を行う。半導体素子がスイッチング動作を行うと、半導体素子には電流が流れるため、半導体素子は発熱する。発熱した半導体素子の温度は半導体素子を保護する保護温度範囲外になり、インバータ10の動作は異常動作となる。そのため、冷却装置20により半導体素子を冷却する必要がある。本実施形態では、パワーモジュール11はインバータ10における熱源となる。なお、半導体素子には、例えば、SiCパワー半導体が挙げられる。
The power module 11 is a switching circuit composed of semiconductor elements. The power module 11 performs a switching operation according to a control signal from the
冷却装置20は、ポンプ21、流路22、ラジエータ23、第1温度センサ24、及び第2温度センサ25を含んでいる。
The
ポンプ21は、冷却水を流路22に送るためのウォーターポンプである。ポンプ21は、コントローラ30と電気的に接続されており、コントローラ30から出力されたポンプ制御信号WPに基づいて冷却水の流量を変更する。
The
流路22は、冷却水が流れる流路である。本実施形態においては、冷却水はインバータ10を冷却するための冷媒である。そのため、流路22は、ポンプ21から送られる冷却水がインバータ10を冷却するようにインバータ10の周囲に設けられている。そして、流路22はインバータ10の熱を含んだ冷却水がラジエータ23に送られるように設けられている。さらに、流路22はラジエータ23を通過した冷却水が再びポンプ21に送られるように設けられている。つまり、流路22は、図1に示すように、冷却水が循環するように設けられている。なお、インバータ10を冷却する冷媒としては、冷却水に限られず、冷却オイルや冷媒ガスであってもよい。
The
ラジエータ23は、冷却水の熱を放熱するための装置である。インバータ10の熱を含んだ冷却水はラジエータ23により放熱される。そして、ラジエータ23で放熱された冷却水は流路22によりポンプ21へ送られる。ラジエータ23がインバータ10の熱を冷却水を介して放熱すことで、冷却装置20はインバータ10を冷却する。
The
第1温度センサ24は、パワーモジュール11の温度を検出するための温度センサである。第1温度センサ24は、図1に示すように、パワーモジュール11の内側に設置されている。第1温度センサ24は、検出した温度をパワーモジュール温度Tsとしてコントローラ30に出力する。
The
第2温度センサ25は、冷却水の温度を検出するための温度センサである。本実施形態においては、第2温度センサ25は、図1に示すように、インバータ10の周囲に設けられた流路22に設置されている。第2温度センサ25は、検出した温度を水温Twとしてコントローラ30に出力する。
The
コントローラ30は、冷却装置20が冷却異常である状態か否かを検出する装置である。コントローラ30は、CPU、RAM等を備えている。コントローラ30は、冷却装置20が冷却異常である状態か否かを検出するための機能ブロックとして、異常検出部31及び閾値演算部32を備えている。
The
ここで、冷却装置20の冷却異常の状態について説明する。冷却装置20の冷却異常の状態としては、例えば、流路22を流れる冷却水の流量の不足により、冷却装置20がインバータ10を十分に冷却できていない状態が挙げられる。例えば、流路22が詰まると、冷却水が流れなくなる状態又は冷却水が不足する状態になり、冷却装置20はインバータ10を十分に冷却できない状態になる。また、冷却装置20の冷却異常の状態としては、例えば、第1温度センサ24、第2温度センサ25が正常動作せずに、検出温度が異常値を示す状態が挙げられる。さらに、冷却装置20の冷却異常の状態としては、例えば、ポンプ21、ラジエータ23の異常動作が挙げられる。加えて、ポンプ21の異常動作には、ポンプ21自体の異常動作に限らず、コントローラ30とポンプ21間の接続不良が挙げられる。続いて、コントローラ30の各機能について説明する。
Here, the state of the cooling abnormality of the
異常検出部31は、冷却装置20が冷却異常の状態である状態か否かを判定する。異常検出部31には、第1温度センサ24により検出されたパワーモジュール温度Ts、第2温度センサ25により検出された水温Tw,及び閾値演算部32で演算された閾値ΔTthが入力される。閾値ΔTthについては後述するが、冷却装置20が冷却異常の状態である状態か否かを判定するための閾値である。異常検出部31は、パワーモジュール温度Tsと水温Twとの関係及び閾値ΔTthに基づいて冷却異常の状態を検出する。具体的には、異常検出部31は、パワーモジュール温度Tsと水温Twの温度差ΔT(=Ts−Tw)を演算し、温度差ΔTが閾値ΔTthより大きい場合に、冷却異常の状態であると判定する。異常検出部31は、温度差ΔTが閾値ΔTth以下の場合に、正常状態であると判定する。なお、冷却異常の状態であると判定する方法は、温度差ΔTと閾値ΔTthとを比較する方法に限られない。例えば、異常検出部31は、パワーモジュール温度Tsと水温Twの比率を演算し、当該比率と閾値ΔTthとを比較する方法により、冷却異常の状態であると判定してもよい。
The
次に、図3を用いて、温度差ΔTについて冷却水の流量特性を説明する。図3は、温度差ΔTについて冷却水の流量特性を示すグラフである。図3に示すグラフの縦軸は温度を示し、横軸は冷却水の流量を示すグラフである。図3に示す温度差ΔTexはパワーモジュール温度Tsと水温Twとの温度差ΔTを示している。図3に示すグラフは、温度差ΔTexが冷却水の流量に対してどのように推移するかを示すグラフである。図3に示すように、冷却水の流量が流量FR1から流量FR2まで増加すると、温度差ΔTexは温度差ΔT1から温度差ΔT2まで減少する。さらに、冷却水の流量が流量FR2から流量FR3まで増加すると、温度差ΔTexは温度差ΔT2から温度差ΔT3まで減少する。つまり、冷却水の流量が増加するにつれて、パワーモジュール温度Tsと水温Twとの温度差が小さくなることを示している。これは、インバータ10と冷却水との熱交換には、冷却水の流量が関係しているためである。
Next, the flow characteristics of the cooling water with respect to the temperature difference ΔT will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a graph showing the flow rate characteristic of the cooling water with respect to the temperature difference ΔT. The vertical axis of the graph shown in FIG. 3 indicates the temperature, and the horizontal axis indicates the flow rate of the cooling water. A temperature difference ΔT ex shown in FIG. 3 indicates a temperature difference ΔT between the power module temperature Ts and the water temperature Tw. The graph shown in FIG. 3 is a graph showing how the temperature difference ΔT ex changes with respect to the flow rate of the cooling water. As shown in FIG. 3, the flow rate of the cooling water when increasing the flow rate FR1 to flow FR2, the temperature difference [Delta] T ex decreases from the temperature difference ΔT1 to a temperature difference Delta] T2. Further, when the flow rate of the cooling water is increased from the flow rate FR2 to flow FR3, the temperature difference [Delta] T ex decreases from the temperature difference ΔT2 to a temperature difference .DELTA.T3. That is, the temperature difference between the power module temperature Ts and the water temperature Tw decreases as the flow rate of the cooling water increases. This is because the flow rate of the cooling water is related to the heat exchange between the
ここで、本実施形態とは異なり、冷却異常の状態を判定する閾値ΔTthを固定する場合の比較例に係る冷却異常検出装置について、図4、5を用いて説明する。比較例に係る冷却異常検出装置は、本実施形態に係るコントローラ30と異なるコントローラを備えている点以外については、本実施形態に係る冷却異常検出装置100と同様の構成である。以降の説明においては、比較例に係るコントローラは、本実施形態におけるコントローラ30の異常検出部31と同様の機能を有しているものとして説明する。
Here, unlike the present embodiment, a cooling abnormality detection apparatus according to a comparative example in which the threshold value ΔT th for determining the state of cooling abnormality is fixed will be described with reference to FIGS. The cooling abnormality detection device according to the comparative example has the same configuration as that of the cooling
図4は、比較例に係る冷却異常検出装置が冷却装置20の状態を誤検出することを説明するためのグラフである。図4に示すグラフは、閾値ΔTth1以外は、図3に示すグラフと同様であるため、説明は省略する。図4に示す閾値Tth1は、上述した閾値の一例(温度差ΔT3<閾値ΔTth1<温度差ΔT2)を示している。例えば、図4に示すように、冷却水の流量と無関係に閾値ΔTthを閾値ΔTth1で固定する。冷却水の流量が流量FR3の時には、温度差ΔT3が閾値ΔTth1以下であるため、比較例に係るコントローラは冷却装置20が正常状態であると判定する。そして、パワーモジュール11が冷却装置20により冷却されると、水温Twが下がるため、外部コントローラ101はポンプ21の消費電力を抑制するために、冷却水の流量は流量FR3から流量FR2へ減少させるように、ポンプ21を制御する。冷却水の流量が流量FR2の時には、温度差ΔT2が閾値ΔTth1より大きいため、比較例に係るコントローラは冷却装置20が冷却異常の状態であると判定する。つまり、閾値ΔTthを固定値(例えば、図5に示す閾値ΔTth1)に設定すると、比較例に係るコントローラは、冷却装置20が正常状態にも関わらず冷却異常の状態であると誤検出してしまう。
FIG. 4 is a graph for explaining that the cooling abnormality detection device according to the comparative example erroneously detects the state of the
図5は、比較例に係る冷却異常検出装置が冷却異常の状態を検出した際の半導体素子の温度について説明するためのグラフである。図5に示すグラフは、閾値ΔTth2、温度差ΔTover以外は、図3に示すグラフと同様であるため、説明は省略する。図5では、流量FR1(<流量FR2,FR3)は、冷却水の流量の仕様下限値を示している。閾値ΔTth2は温度差ΔT1より大きな値の閾値の一例であり、冷却水の流量が当該仕様下限値であっても冷却装置20の冷却異常の状態を判定することができる閾値ΔTthを示している。例えば、閾値ΔTthを閾値Tth2で固定すると、冷却水の流量が流量FR1の時には、温度差ΔT1が閾値ΔTth2以下であるため、比較例に係るコントローラは冷却装置20が正常状態であると判定する。そして、冷却水の流量が流量FR2(>流量FR1)の時には、温度差ΔT2が閾値ΔTth2以下であるため、比較例に係るコントローラは、冷却装置20が正常状態であると判定する。ここで、冷却装置20の冷却異常の状態を検出した際の半導体素子の温度について説明する。例えば、冷却水の流量が流量FR3の時に、パワーモジュール11の半導体素子が何らかの原因で発熱して温度上昇し、温度差ΔTが温度差ΔT3より大きくなるとする。図5に示すように、半導体素子の発熱により温度差ΔTが閾値ΔTth2より大きい温度差ΔToverになると、比較例に係るコントローラは、冷却装置20が冷却異常の状態と判定する。つまり、温度差ΔTが温度差ΔToverになるまで半導体素子が温度上昇しないと、比較例に係るコントローラは冷却装置20が冷却異常の状態と判定しない。そのため、比較例に係るコントローラが冷却異常の状態を検出した際には、半導体素子の温度は保護温度範囲を超えている可能性がある。つまり、閾値ΔTthを固定値(例えば、図5に示す閾値ΔTth2)に設定すると、冷却装置20が冷却異常の状態であると判定した際に、半導体素子を保護できない可能性がある。
FIG. 5 is a graph for explaining the temperature of the semiconductor element when the cooling abnormality detection device according to the comparative example detects the state of the cooling abnormality. The graph shown in FIG. 5 is the same as the graph shown in FIG. 3 except for the threshold value ΔT th 2 and the temperature difference ΔT over , and thus the description thereof is omitted. In FIG. 5, the flow rate FR1 (<flow rates FR2, FR3) indicates the lower limit specification value of the flow rate of the cooling water. The threshold value ΔT th 2 is an example of a threshold value that is larger than the temperature difference ΔT1, and indicates the threshold value ΔT th that can determine the state of abnormal cooling of the
このように、閾値ΔTthを固定すると、冷却装置20の状態について誤検出し、又は冷却異常検出時における半導体素子を十分に保護できないため、閾値ΔTthを冷却水の流量に応じて適切に設定する必要がある。本実施形態の冷却異常検出装置100は、コントローラ30の閾値演算部32により閾値ΔTthを冷却水の流量に応じて適切に設定する。
Thus, when fixing the threshold [Delta] T th, and erroneous detection for the state of the
再び、図1に戻り、コントローラ30の機能について説明する。
Returning to FIG. 1 again, the function of the
閾値演算部32には、外部コントローラ101からポンプ制御信号WPが入力される。閾値演算部32は、冷却装置20が冷却異常である状態であるか否かを判定する閾値ΔTthを演算する。また、閾値演算部32は、演算した閾値ΔTthを異常検出部31へ出力する。本実施形態においては、閾値演算部32は、ポンプ制御信号WPに基づいて閾値ΔTthを演算する。閾値演算部32は、まず、ポンプ制御信号WPで表される冷却水の流量を演算する。例えば、閾値演算部32は、ポンプ制御信号WPと冷却水の流量との関係を予めマップとしてRAMに蓄積しておくことで、ポンプ制御信号WPから冷却水の流量を演算する。本実施形態においては、ポンプ制御信号WPと冷却水の流量との関係は1対1の関係として説明する。そして、閾値演算部32は、演算した冷却水の流量が予め設定される所定値を超えるか否かで、閾値ΔTthを切り替える。なお、ポンプ制御信号WPと冷却水の流量との関係は1対1の関係に限定されない。
A pump control signal WP is input from the
図6は、ポンプ制御信号WPによる閾値ΔTthの設定方法を示す一例である。図6に示すグラフの縦軸は閾値ΔTthを示し、横軸はポンプ制御信号WPで表される冷却水の流量を示す。閾値演算部32は、ポンプ制御信号WPが予め設定される所定値を超えるか否かで、閾値ΔTthを切り替える。図6に示すように、例えば、閾値演算部32は、ポンプ制御信号WPが予め設定される所定値WP3以上になると、すなわち、冷却水の流量が所定値以上になると、閾値ΔTthを閾値ΔTth3から閾値ΔTth4(<閾値ΔTth3)へ切り替える。反対に、閾値演算部32は、ポンプ制御信号WPが予め設定される所定値WP3未満になると、すなわち、冷却水の流量が所定値未満になると、閾値ΔTthを閾値ΔTth4から閾値ΔTth3へ切り替える。
FIG. 6 is an example showing a method for setting the threshold value ΔT th by the pump control signal WP. The vertical axis of the graph shown in FIG. 6 indicates the threshold value ΔT th , and the horizontal axis indicates the flow rate of the cooling water represented by the pump control signal WP. The threshold
次に、コントローラ30が冷却装置20の冷却異常を検出した場合に実行する機能について説明する。コントローラ30は、提示装置(図示しない)と外部コントローラ101と接続されている。コントローラ30は、異常検出部31で冷却装置20の冷却異常の状態を検出すると、冷却装置20に対する保護動作を実施する。コントローラ30は、冷却装置20が冷却異常の状態であることを示す信号を、提示装置に出力する。提示装置は、冷却装置20が冷却異常の状態であることを、ディスプレイに示したりランプで点灯させることで、電動車両の運転手に知らせる。また、コントローラ30は、パワーモジュール11の半導体素子に流す電流を制限することを示す信号を、外部コントローラ101に出力する。コントローラ30は、冷却装置20の冷却異常の状態によりインバータ10が異常状態となる前にフェールセーフ処理を実行する。
Next, functions executed when the
図7は、本実施形態に係る冷却異常検出装置100の冷却異常判定処理フローを示すフローチャートである。なお、図7に示す冷却異常判定処理は、コントローラ30により、一定の時間間隔で繰り返し行われる。
FIG. 7 is a flowchart showing a cooling abnormality determination processing flow of the cooling
まず、ステップS101では、コントローラ30の閾値演算部32は閾値ΔTthを演算する。図4に示すように、閾値演算部32は、ポンプ制御信号WPが予め設定される所定値WP3以上の場合には、閾値ΔTthを閾値ΔTth4に設定し、ポンプ制御信号WPが予め設定される所定値WP3未満の場合には、閾値ΔTthを閾値ΔTth3(>閾値ΔTth4)に設定する。そして、閾値演算部32は、コントローラ30の異常検出部31に演算した閾値ΔTthを出力する。
First, in step S101, the
ステップS102では、第1温度センサ24はパワーモジュール温度Tsを検出し、第2温度センサ25は水温Twを検出する。そして、第1温度センサ24はパワーモジュール温度Tsを異常検出部31に出力する。第2温度センサ25は水温Twを異常検出部31に出力する。
In step S102, the
ステップS103では、コントローラ30の異常検出部31はパワーモジュール温度Tsと水温Twとの温度差ΔTを演算する。ステップS104では、コントローラ30の異常検出部31は温度差ΔTと閾値ΔTthとを比較する。具体的には、コントローラ30の異常検出部31は温度差ΔTが閾値ΔTthより大きいか否かを判定する。温度差ΔTが閾値ΔTthより大きい場合には、ステップS105へ進み、温度差ΔTが閾値ΔTth以下の場合には、ステップS106へ進む。
In step S103, the
ステップS105では、コントローラ30の異常検出部31は冷却装置20が冷却異常の状態であると判定する。そして、コントローラ30はインバータ10に対する保護動作を実施する。例えば、コントローラ30は、提示装置に冷却異常の状態を示す信号を出力する。また、コントローラ30は、パワーモジュール11の半導体素子に流れる電流を制限する信号を外部コントローラ101に出力する。ステップS106では、コントローラ30の異常検出部31は冷却装置20が正常状態であると判定する。
In step S105, the
次に、冷却異常検出装置100を電動車両に適用した場合のシミュレーション結果を用いて、本発明の効果を説明する。図8は、冷却異常時における半導体素子及び温度差ΔTのシミュレーション結果である。図8に示すシミュレーション結果の縦軸は温度を示し、横軸は時間を示す。冷却水の流量が0[l/m]の状態、すなわち、流路22の水詰まりが起きた状態(冷却異常時)を条件としてシミュレーションを実施した。
Next, the effect of the present invention will be described using simulation results when the cooling
冷却異常時における半導体素子は、図8に示すS_0のように、時間に対して温度変化する。すなわち、半導体素子は温度Ts_minからスタートし、スタート直後に大きく温度上昇する。その後、半導体素子は時間経過とともにスタート直後よりも緩やかに温度上昇する。そして、時間が時間t_maxまで経過すると、半導体素子は保護温度の上限温度Ts_maxに到達する。冷却異常時における温度差ΔTは、図8に示す温度差ΔT_0のように、時間に対して温度変化する。すなわち、温度差ΔT_0は温度0[℃]からスタートし、時間経過とともに、ほぼ一定の温度上昇率を保ったまま温度上昇する。 The temperature of the semiconductor element at the time of abnormal cooling changes with time as indicated by S_0 shown in FIG. That is, the semiconductor element starts from the temperature Ts_min , and the temperature rises greatly immediately after the start. Thereafter, the temperature of the semiconductor element rises more gradually with time than immediately after the start. When the time elapses until time t_max , the semiconductor element reaches the upper limit temperature Ts_max of the protection temperature. The temperature difference ΔT at the time of abnormal cooling changes with time as the temperature difference ΔT — 0 shown in FIG. That is, the temperature difference ΔT — 0 starts from a temperature of 0 [° C.] and increases with time while maintaining a substantially constant temperature increase rate.
閾値ΔTthを閾値ΔTth_0(>0[℃])に設定すると、冷却異常時における温度差ΔTは、時間t_detにおいて、閾値ΔTth_0と交差する。すなわち、冷却異常時における温度差ΔTは、時間t_detにおいて、温度差ΔTが閾値ΔTth_0より大きくなる。そのため、当該時間t_detにおいて、コントローラ30の異常検出部31は冷却装置20が冷却異常の状態であることを検出する。
When the threshold value [Delta] T th is set to the threshold value ΔT th_0 (> 0 [℃] ), the temperature difference [Delta] T during the cooling abnormality, at time t _Det, crossing the threshold ΔT th_0. That is, the temperature difference ΔT at the time of abnormal cooling becomes greater than the threshold value ΔT th — 0 at time t_det . Therefore, at the time t_det , the
ここで、仮に、閾値ΔTthを閾値ΔTth_0より大きい閾値ΔTth_maxに設定した場合について説明する。閾値ΔTth_maxは、半導体素子が保護温度の上限温度Ts_maxになる時に、コントローラ30の異常検出部31は冷却装置20が冷却異常の状態であること検出する閾値である。このため、閾値ΔTthを閾値ΔTth_maxに設定すると、冷却異常が検出された際において半導体素子は保護温度の上限温度Ts_maxになり、半導体素子は十分に保護されない。
Here, if, the case where the threshold value is set [Delta] T th the threshold [Delta] T Th_0 larger than the threshold value [Delta] T Th_max. Threshold [Delta] T Th_max, when the semiconductor element is the upper limit temperature Ts _max protection temperature, the
本実施形態では、コントローラ30の閾値演算部32により、時間t_detにおける閾値ΔTthを閾値ΔTth_maxより低い閾値ΔTth_0に設定している。そのため、冷却異常が検出された際において(t_detにおいて)、半導体素子は保護温度の上限温度Ts_maxより低い温度になる。つまり、閾値ΔTthを閾値ΔTth_maxより低い閾値ΔTth_0に設定することで、コントローラ30の異常検出部31は、半導体素子が保護温度の上限温度Ts_maxを超える前に、冷却装置20が冷却異常の状態であることを検出する。言い換えると、冷却装置20の冷却異常を検出した時間t_detの時点で、半導体素子は保護温度の範囲内であり、半導体素子は十分に保護されている。
In the present embodiment, the threshold
さらに、冷却装置20が正常状態であって、冷却水の流量が仕様下限値における温度差ΔTは、図8に示す温度差ΔT_lowのように、時間に対して温度変化する。すなわち、温度差ΔT_lowは温度0[℃]からスタートし、時間経過とともに、温度差ΔT_0の温度上昇率よりも低い温度上昇率を保ったまま温度上昇する。温度差ΔT_lowの温度上昇率は、冷却異常時における温度差ΔT_0の温度上昇率より低い。そのため、時間t_detの時点で、冷却装置20が冷却異常の状態であると判定するために、閾値ΔTthを温度差ΔT_lowより高い閾値ΔTth_0に設定すると、温度差ΔT_lowは、閾値ΔTth_0と交差しない。すなわち、冷却装置20が正常状態であって、冷却水の流量が仕様下限値であっても、冷却異常検出装置100は、誤って冷却装置20が冷却異常の状態であると判定しない。つまり、冷却異常検出装置100は冷却装置20が正常な状態であるにも関わらず冷却装置20の状態について誤検出しない。
Further, the temperature difference ΔT when the
このように、本発明の効果をシミュレーションにより確認することができた。 Thus, the effect of the present invention could be confirmed by simulation.
以上のように、本実施形態に係る冷却異常検出装置100は、冷却水を循環させてパワーモジュール11を冷却する冷却装置20と、冷却装置20が冷却異常の状態であることを検出するコントローラ30とを備える。コントローラ30は、冷却装置20が冷却異常の状態であるか否かを判定する閾値ΔTthを冷却水の流量に応じて設定する。そして、コントローラ30は、第1温度センサ24により検出されたパワーモジュール温度Tsと第2温度センサ25により検出された水温Twとの関係及び閾値ΔTthに基づいて、冷却装置20の冷却異常の状態を検出する。これにより、冷却水の流量に応じて冷却装置20が冷却異常の状態であることを適切に検出できる。その結果、冷却装置20の状態を誤検出することを防ぎ、かつ、冷却異常の状態の検出時における半導体素子を保護することができる。
As described above, the cooling
また、本実施形態に係る冷却異常検出装置100において、コントローラ30は、パワーモジュール温度Tsと水温Twとの温度差ΔTが閾値ΔTthより大きい場合に、冷却装置20が冷却異常の状態であると判定する。これにより、パワーモジュール11の半導体素子が発熱すると、パワーモジュール温度Tsは半導体素子の発熱に応じて温度上昇するため、温度差ΔTが冷却装置20の冷却異常の状態を判定する閾値ΔTthよりも大きくなる。その結果、適切に冷却装置20の冷却異常の状態を検出できる。
In the cooling
さらに、本実施形態に係る冷却異常検出装置100において、冷却装置20は、冷却水が流れる流路22と、冷却水の流量を制御するポンプ制御信号WPに基づいて流路22に冷却水を送るポンプ21とを含む。そして、コントローラ30は、ポンプ制御信号WPに基づいて冷却水の流量を演算し、演算した冷却水の流量に基づいて閾値ΔTthを設定する。これにより、ポンプ21が送る冷却水の流量に応じて適切な閾値ΔTthを設定することができる。その結果、冷却装置20が冷却異常の状態であることを冷却水の流量に応じて適切に検出できる。さらに、ポンプ21の異常状態及びポンプ21と外部コントローラ101間の接続不良についても冷却異常の状態として検出できる。
Furthermore, in the cooling
加えて、本実施形態に係る冷却異常検出装置100において、コントローラ30は、冷却水の流量が予め設定される所定値を超えるか否かで閾値ΔTthを切り替える。これにより、冷却装置20の冷却異常の状態を判定する閾値ΔTthを冷却水の流量に応じて設定することができる。
In addition, in the cooling
上述した実施形態では、コントローラ30の閾値演算部32は、図6に示すような設定方法により閾値ΔTthを設定する構成を例示したが、この構成に限定されない。図9は、ポンプ制御信号WPによる閾値ΔTthの設定方法を示す一例である。図9に示す縦軸及び横軸は、図6に示す縦軸及び横軸と同じであるため、説明は省略する。閾値演算部32は、図9に示すように、ポンプ制御信号WPで表される冷却水の流量が増加すると、一定の割合で減少するように閾値ΔTthを設定する。具体的には、閾値演算部32は、ポンプ制御信号WPと負の比例関係を保つように閾値ΔTthを設定する。これにより、冷却水の流量の変化に追従した閾値ΔTthを設定することができるため、冷却装置20が冷却異常の状態であることを高い精度で判定することができる。
In the embodiment described above, the threshold
≪第2実施形態≫
次に、第2実施形態に係る冷却異常検出装置200を含む冷却異常検出システム210について説明する。図10は、第2実施形態に係る冷却異常検出装置200を含む冷却異常検出システム210の構成を示す概要図である。本実施形態に係る冷却異常検出システム210は、冷却異常検出装置200と外部コントローラ101とを備える。本実施形態に係る冷却異常検出装置200は、第1実施形態に係る冷却異常検出装置100と同様の構成を有し、以下に説明する動作以外は、第1実施形態と同様に動作する。
<< Second Embodiment >>
Next, a cooling abnormality detection system 210 including the cooling
コントローラ40は、第1実施形態に係るコントローラ30と比べて、閾値演算部42を備えていること及び閾値演算部42には外部コントローラ101からポンプ制御信号WPが入力されないこと以外は同様の構成を備えているため、説明は省略する。
The
閾値演算部42には、第2温度センサ25の検出温度である水温Twが入力される。閾値演算部42は、冷却装置20が冷却異常である状態であるか否かを判定する閾値ΔTthを演算する。また、閾値演算部42は、演算した閾値ΔTthを異常検出部31へ出力する。本実施形態においては、閾値演算部42は、水温Twに基づいて閾値ΔTthを演算する。閾値演算部42は、まず、水温Twで表される冷却水の流量を演算する。例えば、閾値演算部42は、水温Twと冷却水の流量との関係を予めマップとしてRAMに蓄積しておくことで、水温Twから冷却水の流量を演算する。本実施形態においては、水温Twと冷却水の流量との関係は1対1の関係として説明する。そして、閾値演算部42は、演算した冷却水の流量が予め設定する所定値を超えるか否かで、閾値ΔTthを切り替える。なお、水温Twと冷却水の流量との関係は1対1の関係に限定されない。
A water temperature Tw that is a temperature detected by the
図11は、水温Twによる閾値ΔTthの設定方法を示す一例である。図11に示すグラフの縦軸は閾値ΔTthを示し、横軸は水温Twを示す。閾値演算部42は、図11に示すように、水温Twが予め設定される所定値を超えるか否かで、閾値ΔTthを切り替える。図11に示すように、例えば、閾値演算部42は、水温Twが予め設定される所定値Tw3以上になると、すなわち、冷却水の流量が所定値以上になると、閾値ΔTthを閾値ΔTth5から閾値ΔTth6(<閾値ΔTth5)へ切り替える。反対に、閾値演算部42は、水温Twが予め設定される所定値Tw3未満になると、すなわち、冷却水の流量が所定値未満になると、閾値ΔTthを閾値ΔTth6から閾値ΔTth5へ切り替える。これにより、冷却装置20の冷却異常の状態を判定する閾値ΔTthを冷却水の流量に応じて設定することができる。
FIG. 11 is an example illustrating a method of setting the threshold value ΔT th based on the water temperature Tw. The vertical axis of the graph shown in FIG. 11 indicates the threshold value ΔT th , and the horizontal axis indicates the water temperature Tw. As shown in FIG. 11, the threshold
以上のように、本実施形態に係る冷却異常検出装置200において、コントローラ40は、水温Twに基づいて冷却水の流量を演算し、演算した冷却水に基づいて閾値ΔTthを設定する。これにより、冷却水の水温に応じて適切な閾値ΔTthを設定することができる。その結果、冷却装置20が冷却異常の状態であることを冷却水の流量に応じて適切に検出できる。
As described above, in the cooling
上述した実施形態では、コントローラ40の閾値演算部42は、図11に示すように閾値ΔTthを設定する構成を例示したが、この構成に限定されない。図12は、水温Twによる閾値ΔTthの設定方法を示す一例である。図12に示す縦軸及び横軸は、図11に示す縦軸及び横軸と同じであるため、説明は省略する。閾値演算部42は、図12に示すように、水温Twで冷却水の流量が増加すると、一定の割合で減少するように閾値ΔTthを設定する。具体的には、閾値演算部42は、水温Twと負の比例関係を保つように閾値ΔTthを設定する。これにより、冷却水の流量の変化に追従して閾値ΔTthを設定することができるため、冷却装置20が冷却異常の状態であることを高い精度で判定することができる。
In the above-described embodiment, the threshold
≪第3実施形態≫
次に、第3実施形態に係る冷却異常検出装置300を含む冷却異常検出システム310について説明する。図13は、第3実施形態に係る冷却異常検出装置300を含む冷却異常検出システム310の構成を示す概要図である。本実施形態に係る冷却異常検出システム310は、冷却異常検出装置300と外部コントローラ101とを備える。本実施形態に係る冷却異常検出装置300は、冷却装置50とコントローラ60とを備える。
«Third embodiment»
Next, a cooling
冷却装置50は、第1実施形態に係る冷却装置20と比べて、流量センサ51を備えていること以外は同様の構成を備えているため、説明は省略する。
Since the
流量センサ51は、冷却水の流量を検出する流量センサである。流量センサ51は、流路22に流れる冷却水の流量を測定するために、例えば、図13に示すように、ポンプ21直近の流路22に設置されている。なお、流量センサ51はポンプ21直近の流路22に限らず、流路22内であれば何処に設置してもよい。また、ポンプ21又はラジエータ23の内部に取り付けてもよい。流量センサ51は、検出量を流量FRとしてコントローラ60に出力する。
The
コントローラ60は、第1実施形態に係るコントローラ30と比べて、閾値演算部62を備えていること及び閾値演算部62には外部コントローラ101からポンプ制御信号WPが入力されないこと以外は同様の構成を備えているため、説明は省略する。
The
閾値演算部62には、流量センサ51の検出量である流量FRが入力される。閾値演算部62は、冷却装置50が冷却異常である状態であるか否かを判定する閾値ΔTthを演算する。また、閾値演算部62は、演算した閾値ΔTthを異常検出部31へ出力する。本実施形態においては、閾値演算部62は、流量FRに基づいて閾値ΔTthを演算する。閾値演算部62は、流量FRが予め設定する所定値を超えるか否かで、閾値ΔTthを切り替える。
A flow rate FR that is a detection amount of the
図14は、流量FRによる閾値ΔTthの設定方法を示す一例である。図14に示すグラフの縦軸は閾値ΔTthを示し、横軸は流量FRを示す。閾値演算部62は、図14に示すように、流量FRが予め設定される所定値を超えるか否かで、閾値ΔTthを切り替える。図14に示すように、例えば、閾値演算部62は、流量FRが予め設定される所定値FR4以上になると、すなわち、冷却水の流量が所定値以上になると、閾値ΔTthを閾値ΔTth7から閾値ΔTth8(<閾値ΔTth7)へ切り替える。反対に、閾値演算部62は、流量FRが予め設定される所定値FR4未満になると、すなわち、冷却水の流量が所定値未満になると、閾値ΔTthを閾値ΔTth8から閾値ΔTth7へ切り替える。これにより、冷却装置50の冷却異常の状態を判定する閾値ΔTthを冷却水の流量に応じて設定することができる。
FIG. 14 is an example showing a method of setting the threshold value ΔT th by the flow rate FR. The vertical axis of the graph shown in FIG. 14 indicates the threshold value ΔT th , and the horizontal axis indicates the flow rate FR. As shown in FIG. 14, the threshold
以上のように、本実施形態に係る冷却異常検出装置300において、冷却装置50は流量センサ51を含み、コントローラ60は、流量FRに基づいて閾値ΔTthを設定する。これにより、冷却装置50が冷却異常の状態であることを冷却水の流量に応じて適切に検出できる。
As described above, in the cooling
上述した実施形態では、コントローラ60の閾値演算部62は、図14に示すように閾値ΔTthを設定する構成を例示したが、この構成に限定されない。図15は、流量FRによる閾値ΔTthの設定を示す一例である。図15に示す縦軸及び横軸は、図14に示す縦軸及び横軸と同じであるため、説明は省略する。閾値演算部62は、図15に示すように、流量FRが増加すると、一定の割合で減少するように閾値ΔTthを設定する。具体的には、閾値演算部62は、流量FRと負の比例関係を保つように閾値ΔTthを設定する。これにより、冷却水の流量の変化に追従して閾値ΔTthを設定することができるため、冷却装置50が冷却異常の状態であることを高い精度で判定することができる。
In the embodiment described above, the threshold
なお、以上に説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。 The embodiment described above is described for facilitating the understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
例えば、上述した実施形態では、コントローラ30、40、60は、ポンプ制御信号WP、水温Tw、流量FRそれぞれにより閾値ΔTthを演算する構成を例示したが、この構成に限定されず、ポンプ制御信号WP、水温Tw、流量FRを全て組み合わせて閾値ΔTthを演算する構成にしてもよい。例えば、コントローラは、ポンプ制御信号WPから演算した冷却水の流量と、水温Twから演算した冷却水の流量と、流量FRとを平均し、平均した冷却水の流量を用いて閾値ΔTthを設定してもよい。また、コントローラは、ポンプ制御信号WP、水温Tw、流量FRのうち2つ以上を用いて閾値ΔTthを演算する構成にしてもよい。例えば、コントローラは、ポンプ制御信号WPから演算した冷却水の流量と、水温Twから演算した冷却水の流量とを平均し、平均した冷却水の流量を用いて閾値ΔTthを設定してもよい。
For example, in the above-described embodiment, the
さらに、上述した実施形態では、冷却異常検出装置は、インバータの冷却装置について冷却異常の状態を検出する構成を例示したが、この構成に限定されず、例えば、車両が内燃機関のみを動力とするエンジン車両である場合には、エンジンの冷却装置について冷却異常の状態を検出する構成としてもよい。この場合において、エンジンは熱源となる。また、バッテリの冷却装置について冷却異常の状態を検出する構成としてもよい。この場合において、バッテリは熱源となる。さらに、冷却異常検出装置は、車両に限らず、例えば、パソコンのCPUの冷却装置について冷却の異常を検出する構成としてもよい。この場合において、冷却装置は冷却水を用いてCPUを冷却し、CPUは熱源となる。 Further, in the above-described embodiment, the cooling abnormality detection device has exemplified the configuration for detecting the state of the cooling abnormality in the inverter cooling device. However, the configuration is not limited to this configuration. For example, the vehicle is powered only by the internal combustion engine. In the case of an engine vehicle, the engine cooling device may be configured to detect an abnormal cooling state. In this case, the engine becomes a heat source. Moreover, it is good also as a structure which detects the state of abnormal cooling about the cooling device of a battery. In this case, the battery becomes a heat source. Furthermore, the cooling abnormality detection device is not limited to a vehicle, and may be configured to detect a cooling abnormality in a cooling device of a CPU of a personal computer, for example. In this case, the cooling device cools the CPU using cooling water, and the CPU becomes a heat source.
上記の冷却水は本発明の冷媒に相当し、上記のパワーモジュール11の半導体素子は本発明の熱源に相当し、上記のポンプ制御信号WPは本発明の制御信号に相当し、所定値WP3、Tw3、FR4は本発明の所定の流量値に相当し、閾値ΔTth3、ΔTth5、ΔTth7は本発明の第1閾値に相当し、閾値ΔTth4、ΔTth6、ΔTth8は本発明の第2閾値に相当する。
The cooling water corresponds to the refrigerant of the present invention, the semiconductor element of the power module 11 corresponds to the heat source of the present invention, the pump control signal WP corresponds to the control signal of the present invention, the predetermined value WP3, Tw3 and FR4 correspond to predetermined flow rate values of the present invention, and
10・・・インバータ
11・・・パワーモジュール
20・・・冷却装置
21・・・ポンプ
22・・・流路
23・・・ラジエータ
24・・・第1温度センサ
25・・・第2温度センサ
30・・・コントローラ
31・・・異常検出部
32・・・閾値演算部
100・・・冷却異常検出装置
101・・・外部コントローラ
110・・・冷却異常検出システム
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記冷却装置が冷却異常の状態であることを検出するコントローラと、を備え、
前記冷却装置は前記熱源の温度を検出する第1温度センサ及び前記冷媒の温度を検出する第2温度センサを含み、
前記コントローラは、
前記冷却装置が冷却異常の状態であるか否かを判定する閾値を前記冷媒の流量に応じて設定し、
前記第1温度センサにより検出された前記熱源の温度と前記第2温度センサにより検出された前記冷媒の温度との関係及び前記閾値に基づいて、前記冷却異常の状態を検出する
冷却異常検出装置。 A cooling device for circulating the refrigerant to cool the heat source;
A controller for detecting that the cooling device is in an abnormal cooling state, and
The cooling device includes a first temperature sensor that detects a temperature of the heat source and a second temperature sensor that detects a temperature of the refrigerant,
The controller is
A threshold for determining whether or not the cooling device is in an abnormal cooling state is set according to the flow rate of the refrigerant,
A cooling abnormality detection device that detects a state of the cooling abnormality based on a relationship between a temperature of the heat source detected by the first temperature sensor and a temperature of the refrigerant detected by the second temperature sensor and the threshold value.
請求項1に記載の冷却異常検出装置。 The cooling abnormality detection device according to claim 1, wherein the controller determines that the cooling abnormality is present when a temperature difference between the temperature of the heat source and the temperature of the refrigerant is greater than the threshold value.
前記第1閾値は前記第2閾値よりも大きい
請求項2に記載の冷却異常検出装置。 The controller switches the threshold value from a first threshold value to a second threshold value when the flow rate of the refrigerant changes from less than a predetermined flow rate value to more than the predetermined flow rate value, and the flow rate of the refrigerant is set to the predetermined flow rate. When the threshold value is changed to a value less than the predetermined flow rate value, the threshold value is switched from the second threshold value to the first threshold value.
The cooling abnormality detection device according to claim 2, wherein the first threshold is larger than the second threshold.
請求項2に記載の冷却異常検出装置。 The cooling abnormality detection device according to claim 2, wherein the controller sets the threshold value so as to maintain a negative proportional relationship with the flow rate of the refrigerant as the flow rate of the refrigerant increases.
前記コントローラは、前記制御信号に基づいて前記冷媒の流量を演算し、演算された前記冷媒の流量に基づいて前記閾値を設定する
請求項1〜3のいずれか一項に記載の冷却異常検出装置。 The cooling device includes a flow path through which the refrigerant flows, and a pump that sends the refrigerant to the flow path based on a control signal that controls a flow rate of the refrigerant,
The cooling abnormality detection device according to any one of claims 1 to 3, wherein the controller calculates a flow rate of the refrigerant based on the control signal, and sets the threshold based on the calculated flow rate of the refrigerant. .
請求項1〜3のいずれか一項に記載の冷却異常検出装置。 The cooling abnormality detection according to any one of claims 1 to 3, wherein the controller calculates a flow rate of the refrigerant based on the temperature of the refrigerant, and sets the threshold based on the calculated flow rate of the refrigerant. apparatus.
前記コントローラは、前記流量センサにより検出された前記冷媒の流量に基づいて前記閾値を設定する
請求項1〜3のいずれか一項に記載の冷却異常検出装置。 The cooling device includes a flow path through which the refrigerant flows, and a flow rate sensor that detects a flow rate of the refrigerant,
The cooling abnormality detection device according to claim 1, wherein the controller sets the threshold based on a flow rate of the refrigerant detected by the flow sensor.
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