JP2019176623A - 電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】温度検出専用のサーミスタを新たに設置しないで平滑コンデンサの温度を検出する技術を提供する。【解決手段】電力変換システムは、平滑コンデンサと放電抵抗と検出回路を備えている。放電抵抗は、平滑コンデンサに並列に接続されているとともに、抵抗値が温度に依存して変化する感温抵抗を含んでいる。検出回路は、感温抵抗の抵抗値に関する値を検出する。感温抵抗は、伝熱部材を介して平滑コンデンサに接触している。検出回路が、平滑コンデンサの温度に関する値を検出する。放電抵抗を利用して平滑コンデンサの温度に関する値を検出する。【選択図】図１

Description

本明細書では、電力変換装置の出力電圧を平滑化する平滑コンデンサの温度を検出する技術を開示する。

ＤＣ→ＤＣコンバータやＡＣ→ＤＣインバータといった電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵しており、その高電位出力と低電位出力の間の電圧が脈動する。そこで、特許文献１に開示されているように、高電位出力と低電位出力の間に平滑コンデンサを接続して電力変換装置の出力電圧を平滑化する技術が知られている。

特開２０１６−７２３６３号公報

平滑コンデンサは昇温することがある。特に、電力変換装置と平滑コンデンサが隣接して配置されている場合は、電力変換装置から平滑コンデンサに伝熱し、平滑コンデンサが加熱される。そこで、平滑コンデンサを過熱から保護する保護対策が必要とされる。

現状では、平滑コンデンサの温度を検出しておらず、上記保護対策が過剰なものとなっている。平滑コンデンサの温度を検出すれば、過剰な保護対策を解除し、電力変換装置をより有効に活用できるようになる。あるいは不要な対策コストを削減することができる。

しかしながら、平滑コンデンサの温度を検出しようとすると、平滑コンデンサの近傍にサーミスタを追加する必要があり、部品収容体積が大型化する、部品点数が増加する、組み付け工程数が増加するといった問題が生じる。

本明細書では、温度検出専用のサーミスタを新たに設置しないで平滑コンデンサの温度を検出する技術を開示する。

平滑コンデンサと並列に放電抵抗を接続する技術が知られている。この放電抵抗の一部に、抵抗値が温度に依存して変化する感温抵抗（サーミスタ）を利用すると、もともと必要な放電抵抗を利用して平滑コンデンサの温度を検出することが可能となる。温度検出用のサーミスタを追加する必要がない。

本明細書で開示する電力変換システムは、平滑コンデンサと放電抵抗と検出回路を備えている。平滑コンデンサは、電力変換回路の高電位出力と低電位出力の間に接続されている。放電抵抗は、平滑コンデンサに並列に接続されているとともに、抵抗値が温度に依存して変化する感温抵抗を含んでいる。検出回路は、感温抵抗の抵抗値に関する値を検出する。感温抵抗は、伝熱部材を介して平滑コンデンサに接触している。そのために、検出回路は、平滑コンデンサの温度に関する値を検出する。

上記によると、平滑コンデンサの熱は伝熱部材を介して感温抵抗に伝熱する。そして、検出回路は、感温抵抗の抵抗値に関する値を検出する。感温抵抗の抵抗値は感温抵抗の温度に依存し、感温抵抗の温度は平滑コンデンサの温度に依存する。検出回路は、平滑コンデンサの温度に関する値を検出することになる。これにより、上記電力変換システムは、温度検出専用のサーミスタを新たに設置しないで平滑コンデンサの温度を検出することができる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換システムを示す。 感温抵抗の温度と抵抗値の関係を示すグラフである。 電力変換システムを実現するための各部品の配置を示す。

最初に、以下に説明する実施例の特徴を列記する。
（特徴１）放電抵抗は、感温抵抗と不感温抵抗の直列接続で構成されている。
（特徴２）検出回路は、感温抵抗と不感温抵抗によって分圧された電圧を検出する。
（特徴３）分圧された電圧は、感温抵抗の抵抗値に関する値であり、感温抵抗の温度に関する値であり、平滑コンデンサの温度に関する値でもある。
（特徴４）不感温抵抗の抵抗値は、温度の検出精度との関係では、温度に依らず一定である。

図面を参照して実施例の電力変換システム１００を説明する。電力変換システム１００は、電気自動車あるいはハイブリッド自動車（符号省略）に搭載されている。電力変換システム１００は、バッテリ２とインバータ８の間に存在している。モータ兼ジェネレータ（以下ではＭＧという）１０がモータとして動作するとき、電力変換システム１００は、バッテリ２の直流電力を昇圧してインバータ８に供給する。ＭＧ１０がジェネレータとして動作するとき、電力変換システム１００は、インバータ８が出力する直流電力を降圧してバッテリ２を充電する。電力変換システム１００は、昇圧動作も降圧動作も可能なＤＣ→ＤＣコンバータである。なお、電力変換システム１００とバッテリ２の間にはシステムメインリレー４が接続されている。

図１に示すように、電力変換システム１００は、バッテリ側の平滑コンデンサ３０、ＤＣ→ＤＣコンバータ回路２０と、放電抵抗４０と、インバータ側の平滑コンデンサ３２と、電圧センサ３４と、検出回路５２と、コントローラ６０を備えている。

ＤＣ→ＤＣコンバータ回路２０は、リアクトル２２と、２個のトランジスタ２４、２６と、２個のダイオード２５、２７を備えている。リアクトル２２の左端はバッテリ２側の高電位出力Ｔ１ａに接続されており、右端はトランジスタ２４の左端に接続されており、トランジスタ２４の右端はインバータ８側の高電位出力Ｔ２ａに接続されている。トランジスタ２６は、リアクトル２２とトランジスタ２４の接続点と、バッテリ２側の低電位出力Ｔ１ｂの間に接続されている。バッテリ２側の低電位出力Ｔ１ｂは、インバータ８側の低電位出力Ｔ２ｂに接続されている。ダイオード２５は、トランジスタ２４と並列に接続されており、ダイオード２７は、トランジスタ２６と並列に接続されている。トランジスタ２４、２６は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）等である。ＤＣ→ＤＣコンバータ回路２０の動作原理はよく知られているので、説明を省略する。なお、インバータ８の回路構成はよく知られているので、図１では、インバータ８の回路構成の図示を省略する。また、インバータ８の動作原理もよく知られているので、説明を省略する。

平滑コンデンサ３０は、バッテリ２側の高電位出力Ｔ１ａと低電位出力Ｔ１ｂの間に接続されている。平滑コンデンサ３０は、両出力Ｔ１ａ、Ｔ１ｂの間の電圧の脈動を平滑化する。また、平滑コンデンサ３２は、インバータ８側の高電位出力Ｔ２ａと低電位出力Ｔ２ｂの間に接続されている。平滑コンデンサ３２は、両出力Ｔ２ａ、Ｔ２ｂの間の電圧の脈動を平滑化する。

電圧センサ３４は、ＤＣ→ＤＣコンバータ回路２０のインバータ８側の両出力Ｔ２ａ、Ｔ２ｂの間に接続されており、両出力Ｔ２ａ、Ｔ２ｂの間の電圧を計測する。電圧センサ３４は、平滑コンデンサ３２と並列に接続されている。

放電抵抗４０は、第１抵抗４２と第２抵抗４４の直列接続で構成されている。放電抵抗４０は、平滑コンデンサ３２と並列に接続されている。放電抵抗４０の抵抗値は、十分に大きな値に設定されている。このため、ＤＣ→ＤＣコンバータ回路２０及びインバータ８の駆動時には放電抵抗４０には余り電流が流れない。一方、電気自動車の停止等によってＤＣ→ＤＣコンバータ回路２０及びインバータ８が停止している場合には、平滑コンデンサ３２の電荷が放電抵抗４０を介して流れ、平滑コンデンサ３２に蓄えられていた電力が放電される。

第２抵抗４４は、抵抗値が温度に依存して変化する感温抵抗である。図２は、温度と抵抗値の関係を示すグラフである。横軸が第２抵抗４４の温度を示し、縦軸が第２抵抗４４の抵抗値を示す。図２のグラフに示すように、第２抵抗４４の抵抗値は温度の上昇とともに低下する。一方、第１抵抗４２の抵抗値は、温度に関わらず、ほぼ一定である。別言すれば、第１抵抗４２の抵抗値は、第２抵抗４４と比較して、抵抗値が温度に依存して変化する割合が極めて小さい。後記するように、第１抵抗４２と第２抵抗４４によって分圧された電圧から平滑コンデンサの温度を推定する。その温度を推定する際の精度では、第１抵抗４２の抵抗は温度に依らないで一定であるとできる。温度を推定する際の精度では、抵抗値の温度変化を無視できる場合を不感温抵抗という。第１抵抗４２は不感温抵抗である。

検出回路５２には、第１抵抗４２と第２抵抗４４の接続点の電圧が入力される。すなわち、電圧センサ３４が検出した電圧ＶＨを、第１抵抗４２（抵抗値Ｒ１）と第２抵抗４４（抵抗値Ｒ２）で分圧した分圧電圧ＶＲ（＝ＶＨ×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２））が検出回路５２に入力される。ここで、Ｒ１は既知であり、Ｒ２と温度の関係も既知である。検出回路５２に入力される分圧電圧ＶＲは、第２抵抗４４の温度に依存して変化する値である。即ち、検出回路５２に第２抵抗４４の温度に関する値が入力される。また、Ｒ１はＲ２に比して大きく、電圧センサ３４が検出する電圧ＶＨが６００ボルト程度の高電圧であるのに対し、検出回路５２に入力される分圧電圧ＶＲは数ボルト程度の低電圧である。そして、検出回路５２入力された分圧電圧ＶＲは、コントローラ６０に入力される。

コントローラ６０は、ＤＣ→ＤＣコンバータ回路２０を制御する。具体的には、コントローラ６０は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulationの略）信号をトランジスタ２４、２６のゲート電極に入力することにより、ＤＣ→ＤＣコンバータ回路２０を動作させる。コントローラ６０は、ＭＧ１０に必要なトルクを発生させるために、電圧センサ３４及びアクセル開度等の情報に基づいて、ＰＷＭ信号のデューティ比を調整する。これにより、ＤＣ→ＤＣコンバータ回路２０のインバータ８側の出力電圧がＭＧ１０に必要なトルクに応じた電圧に調整される。

また、コントローラ６０は、平滑コンデンサ３２を過熱から保護するための保護動作を実行する。詳しくは後述するが、第２抵抗４４の温度から平滑コンデンサ３２の温度を推定することができる。コントローラ６０は、平滑コンデンサ３２の推定温度が所定の温度以上となる場合に保護動作を実行する。保護動作は、例えば、必要とさえるトルクに関わらず、ＤＣ→ＤＣコンバータ回路２０の出力電圧を抑えるように、ＤＣ→ＤＣコンバータ回路２０を制御することである。

図１に示すように、コントローラ６０は、ローパスフィルタ５４を介して、検出回路５２に接続されている。コントローラ６０に入力される分圧電圧ＶＲは、第２抵抗４４の温度に依存して変化する値であり、平滑コンデンサ３２の温度に依存して変化する値であり、その値から平滑コンデンサ３２の温度を推定することができる。コントローラ６０は、分圧電圧ＶＲが所定値を超えると保護動作を実行する。その所定値は、平滑コンデンサ３２を過熱から保護する必要があるときの平滑コンデンサ３２の温度に対応する電圧に設定されている。

図３を参照して、電力変換システム１００を実現する各部品の配置を説明する。電力変換システム１００内のトランジスタ２４、２６は、４個のパワーカード１５２のうちの１個のパワーカード（例えば、図面左端のパワーカード）に収容されている。なお、残り３個のパワーカードには、インバータ８内のトランジスタが収容されている。４個のパワーカード１５２は５個の冷却器１５４と交互に積層されて積層体１５０を構成している。なお、符号１５４は、図面の見易さを考慮し、図面左端の冷却器に代表して付されている。

バッテリ側の平滑コンデンサ３０と、インバータ側の平滑コンデンサ３２は、ともにコンデンサケース５０に収容されている。図３に示すように、コンデンサケース５０は、積層体１５０とリアクトル２２と共に、筐体２００内に収容されている。各パワーカード１５２と平滑コンデンサ３０、３２とリアクトル２２は不図示のバスバを介して接続されている。平滑コンデンサ３０、３２とパワーカード１５２との間を接続するバスバを短くするために、積層体１５０とコンデンサケース５０は隣接して配置されている。積層体１５０とコンデンサケース５０が隣接して配置されているため、パワーカード１５２から平滑コンデンサ３０、３２にバスバ等を介して伝熱し、平滑コンデンサ３０、３２が加熱される。

放電抵抗４０は、コンデンサケース５０の外側に固定されている。放電抵抗４０は、コンデンサケース５０の内側で延びている内部バスバを介して、平滑コンデンサ３２に接続されている。放電抵抗４０には、内部バスバ及びコンデンサケース５０を介して、平滑コンデンサ３２からの熱が伝達する。即ち、内部バスバ及びコンデンサケース５０が、伝熱部材として機能する。これにより、放電抵抗４０の温度と平滑コンデンサ３２の温度の間に相関関係が得られ、放電抵抗４０内の第２抵抗４４の温度に関する値（即ち分圧電圧ＶＲ）を検出することによって平滑コンデンサ３２の温度を推定することができる。

本実施例の効果を説明する。例えば、コンデンサの温度を検出するためには、コンデンサの近傍にサーミスタを追加することが考えられる。この場合、部品収容体積が大型化する、部品点数が増加する、組み付け工程数が増加するといった問題が生じる。

これに対して、本実施例では、平滑コンデンサ３２が蓄電している電力を放電するために接続されている放電抵抗４０の一部に、感温抵抗である第２抵抗４４を利用している。また、第２抵抗４４を含む放電抵抗４０は、伝熱部材（即ち内部バスバ及びコンデンサケース５０）を介して、平滑コンデンサ３２に接触している。そして、検出回路５２は、第２抵抗４４の温度を示す電圧をコントローラ６０に入力する。この結果、コントローラ６０は、平滑コンデンサ３２の温度を推定することができる。以上より、温度検出専用のサーミスタを新たに設置しないで平滑コンデンサ３２の温度を検出することができる。

また、コントローラ６０は、平滑コンデンサ３２の推定温度を利用して、保護動作を実行することができる。これにより、平滑コンデンサ３２を過熱から保護する保護対策を過剰なものとする必要がない。この結果、電力変換システム１００のより有効に活用することや、不要な対策コストを削減することができる。

以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。上記の実施例では、平滑コンデンサ３２がＤＣ→ＤＣコンバータ回路２０の出力電圧を平滑化する場合を説明した。平滑コンデンサ３２は、ＭＧ１０がジェネレータとして動作してインバータ回路８が直流電圧を出力する場合は、インバータ回路８の出力電圧を平滑化する。その場合は、インバータ回路８が「電力変換回路」となる。

また、上記の実施例の両出力Ｔ２ａ、Ｔ２ｂが、「高電位出力」、「低電位出力」の一例である。それに限られず、例えば、バッテリ２側の両出力Ｔ１ａ、Ｔ１ｂの間に接続されている平滑コンデンサ３０と並列に放電抵抗を接続する場合もある。そして、当該放電抵抗に対して本実施例に記載の技術を採用してもよい。本変形例では、両出力Ｔ１ａ、Ｔ１ｂが、「高電位出力」、「低電位出力」の一例である。

上記の内部バスバ及びコンデンサケース５０が「伝熱部材」の一例である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ ：バッテリ
４ ：システムメインリレー
８ ：インバータ
１０ ：ＭＧ
２０ ：ＤＣコンバータ回路
２２ ：リアクトル
２４、２６ ：トランジスタ
２５、２７ ：ダイオード
３０、３２ ：平滑コンデンサ
３４ ：電圧センサ
４０ ：放電抵抗
４２ ：第１抵抗（不感温抵抗）
４４ ：第２抵抗（感温抵抗）
５０ ：コンデンサケース
５２ ：信号生成回路
５４ ：ローパスフィルタ
６０ ：コントローラ
１００ ：電力変換システム
１５０ ：積層体
１５２ ：パワーカード
１５４ ：冷却器
２００ ：筐体
Ｔ１ａ ：高電位出力
Ｔ１ｂ ：低電位出力
Ｔ２ａ ：高電位出力
Ｔ２ｂ ：低電位出力
ＶＨ ：電圧
ＶＲ ：電圧

Claims (1)

1. 電力変換回路の高電位出力と低電位出力の間に接続されている平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサに並列に接続されているとともに抵抗値が温度に依存して変化する感温抵抗を含んでいる放電抵抗と、
   前記感温抵抗の抵抗値に関する値を検出する検出回路を備えており、
   前記感温抵抗は、伝熱部材を介して前記平滑コンデンサに接触しており、
   前記検出回路が、前記平滑コンデンサの温度に関する値を検出する電力変換システム。
   

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