JP6402841B2 - 電力変換装置の温度異常検出方法および電力変換装置の温度異常検出装置 - Google Patents
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Description
この従来技術では冷却水の温度と電力変換装置の温度との差分と温度閾値との比較を行うとともに、指示トルク信号の変動幅とトルク変動幅閾値との比較を行う。そして、指示トルク信号の変動幅がトルク変動幅閾値を下回るとともに、温度の差分値が温度閾値を上回る状態が、所定時間を越えて継続したら、異常と判断するようにしている。
しかしながら、電力変換装置のそれぞれに上述の従来技術を適用した場合、電力変換装置のそれぞれに冷却流路を設け、さらに、各電力変換装置および冷却水の温度をそれぞれ検出し温度異常検出を行うことになり、温度センサおよび冷却流路の数が多くなる。この場合、コストアップおよび設置スペースの拡大を招く。
そして、冷却流路の上流側に配置された前段の電力変換部については、この電力変換部の温度と前記冷却流体の温度との差分に基づいて異常の有無を判定する。
一方、冷却流路の下流に配置された後段の電力変換部については、冷却流体の温度に前段の電力変換部の損失分を温度に換算して加算した温度と、後段の電力変換部の温度と、の差分に基づいて異常の有無を判定するようにした。
(実施の形態1)
以下、実施の形態1の電力変換装置の温度異常検出方法および電力変換装置について説明する。
(インバータ装置を備えた駆動系の全体構成)
まず、実施の形態1の温度異常検出方法を適用した電力変換装置Aの構成を図1に基づいて説明する。
なお、両発電電機1,2の用途は、特に限定されるものではない。例えば、両発電電機1,2を、図示を省略した駆動輪に駆動力を与える駆動源として用いてもよい。あるいは、両発電電機1,2の一方を前記駆動源として用い、もう一方を、図示を省略したエンジンなどの駆動源により駆動して発電を行う発電機として用いてもよい。
第1インバータ装置10は、バッテリ3からの電力である直流電流を交流電流に変換して第1発電電機1に供給し第1発電電機1を駆動し、また、第1発電電機1が発電した交流電流を直流電流に変換してバッテリ3に供給し充電する。
この冷却装置30は、冷却水路31と放熱器32とポンプ33と循環路34とを備え、冷却水Wを循環させ両インバータ装置10,20を冷却する。
そして、この水温センサ40と、前述の第1インバータ温度センサ11および第2インバータ温度センサ12の検出信号が、第1コントローラ51および第2コントローラ52に入力される。
第1コントローラ51は、第1温度差演算部51aと第1異常検出部51bとを備える。
第1温度差演算部51aは、第1インバータ温度センサ11が検出する第1インバータ温度tin1と水温センサ40が検出する冷却水温twとを入力し、両者の差である第1温度差Δt1(tin1=tw)を演算する。
温度加算部52cは、第1インバータ装置10の動作時の損失を冷却水温twの上昇温度に換算した値を加算値Tadとし、これを水温センサ40が検出する冷却水温twに加算した加算温度twaを求める。この損失による上昇温度として、実施の形態1では、第1インバータ装置10において想定される最大損失時の第1インバータ装置10の発熱により冷却水温twが上昇する温度に設定している。なお、最大損失時として、例えば、第1発電電機1のロック時を挙げることができる。このロック時とは、例えば、車両を前進させようとしているのに、車輪が車止めに当たるなどして前進できない場合であって、すなわち、第1発電電機1に通電し駆動させているのに第1発電電機1に回転が生じない場合である。
第2異常検出部52bは、第2温度差Δt2が予め設定された第2異常判定温度tlim2よりも大きい場合に異常と判定し、第2温度差Δt2が第2異常判定温度tlim2以下の場合は、異常ではないと判定する。なお、この第2異常判定温度tlim2は、第2発電電機2および第2インバータ装置20に応じて設定されており、第1異常判定温度tlim1とは、必ずしも同じ値ではない。
次に、実施の形態1の作用について説明する。
各インバータ装置10,20を駆動させると、図示を省略したパワーモジュールやスイッチング素子に損失が生じ、その損失分の熱が発生し、各インバータ温度tin1,tin2が上昇する。また、その各インバータ装置10,20は、冷却装置30により冷却され、これに伴い、冷却水路31では、第1インバータ装置10の発熱により冷却水温twが上昇し、この上昇した冷却水温twは、さらに第2インバータ装置20の発熱により上昇する。この温度が上昇した冷却水は、放熱器32で放熱を行って冷却された後、再び、冷却水路31に供給される。
以下に、実施の形態1の効果を列挙する。
1)実施の形態1の電力変換装置Aの温度異常検出方法は、
電力を変換して伝送する複数の電力変換部としての第1インバータ装置10、第2インバータ装置20と、両インバータ装置10,20を通り各インバータ装置10,20の冷却を行う冷却水路31と、を備えた電力変換装置Aの温度異常検出方法であって、
両インバータ装置10,20の温度(第1インバータ温度tin1、第2インバータ温度tin2)を検出するとともに、両インバータ装置10,20よりも上流の冷却水路31の冷却水の温度(冷却水温tw)を検出してこれらを読み込むステップ(S1)と、
両インバータ装置10,20のうち、冷却水路31の上流側に配置された前段の電力変換部としての第1インバータ装置10については、第1インバータ温度tin1と冷却水温twとの第1温度差Δt1に基づいて異常の有無を判定するステップ(S3)と、
第1インバータ装置10よりも下流に配置された後段の電力変換部としての第2インバータ装置20については、冷却水温twに第1インバータ装置10の損失分を換算した温度(加算値Tad)を加算した加算温度twaを求め(ステップS4)、この加算温度twaと第2インバータ温度tin2との第2温度差Δt2を求め(ステップS5)、この第2温度差Δt2に基づいて異常の有無を判定するステップ(S6)と、
を備えることを特徴とする。
したがって、電力変換部として第1、第2インバータ装置10,20を搭載した電力変換装置Aにおいて、水温センサ40の数を「1」としてコストを抑えつつ、両インバータ装置10,20および冷却系統の異常検出を高精度で行うことが可能となる。
損失分を換算した温度(加算値Tad)として、第1インバータ装置10で想定される最大損失による温度に基づいて設定した値を使用することを特徴とする。
したがって、温度加算部52cにおける演算を簡略化してコストを抑えることができ、かつ、異常が発生しているのに、正常と判定する誤検出を抑えることができ、高い検出精度を得ることができる。
電力を変換して伝送する複数の電力変換部としての第1インバータ装置10および第2インバータ装置20と、
両インバータ装置10,20を通り各インバータ装置10,20の冷却を行う冷却水路31と、
各インバータ装置10,20の温度を検出する電力変換部温度センサとしての第1インバータ温度センサ11および第2インバータ温度センサ12と、
両インバータ装置10,20よりも上流の冷却水路31の冷却水の温度を検出する水温センサ40と、
冷却水温twと、第1インバータ装置10の温度である第1インバータ温度tin1との差分である第1温度差Δt1を求める前段温度差演算部としての第1温度差演算部51aと、
第1温度差演算部51aが求めた第1温度差Δt1分に基づいて異常判定を行う前段電力変換部異常検出部としての第1異常検出部51bと、
第1インバータ装置10の損失分を温度に換算して冷却水温twに加算する温度加算部52cと、
温度加算部52cが算出した加算温度twaと、第2インバータ温度tin2との差分である第2温度差Δt2を求める後段温度差演算部としての第2温度差演算部52aと、
第2温度差演算部52aが演算した第2温度差Δt2に基づいて異常判定を行う後段電力変換部異常検出部としての第2異常検出部52bと、
を備えることを特徴とする。
したがって、電力変換部として第1、第2インバータ装置10,20を搭載した電力変換装置Aにおいて、水温センサ40の数を「1」としてコストを抑えつつ、両インバータ装置10,20および冷却系統の異常検出を高精度で行うことが可能となる。
次に、他の実施の形態の電力変換装置の温度異常検出方法および温度異常検出装置について説明する。
なお、他の実施の形態の説明において、他の実施の形態と共通する構成には当該実施の形態と同じ符号を付して説明を省略し、当該実施の形態との相違点のみ説明する。
実施の形態2は、第1インバータ装置10の損失分を温度に換算して冷却水温twに加算する加算値の求め方を実施の形態1と異ならせた例である。
すなわち、実施の形態2では、第1インバータ装置10の損失分を換算した温度として、第1インバータ装置10に供給される電流、キャリア周波数、半導体特性を含む損失演算情報に基づいて演算した値を使用するようにした。
図3に示す第2コントローラ252の温度加算部252cは、損失分の温度である加算値として、第1コントローラ251に設けられた損失演算部200により演算された加算値を用いる。
なお、第1インバータ装置10は、周知のブリッジ接続した絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor、以下、IGBTと称する)、ならびに、ダイオード(Free Wheeling Diode、以下、FWDと称する)を備える。
また、第1インバータ装置10のFWDにおける定常損失を、下記の式(3)により求め、FWDにおけるスイッチング損失を下記の式(4)により求める。
そして、これらの値から第1インバータ装置10のパワーモジュール損失を、下記の式(5)により求める。
[式1]
[式2]
[式3]
[式4]
[式5]
Ic;IGBTのスイッチング素子電流(第1発電電機電流)
Vce(sat);IGBTのスイッチング素子のON電圧
D;PWM変調率
Esw;IGBTの1pulseあたりのスイッチング損失
f;PWMキャリア周波数
N(I);IGBTチップ数
N(F);FWDチップ数
Vf: FWDのスイッチング素子のON電圧
Err;FWDの1pulseあたりのスイッチング損失
なお、この加算値Tadは、予め繰り返し実験を行って、パワーモジュール損失P(PM)と冷却水温twとに応じて得られるように設定したテーブルあるいは演算式を用いて求める。
2-1)実施の形態2の電力変換装置Bの温度異常検出方法は、
温度加算部252cは、冷却水温twに加算する損失分を換算した温度である加算値Tadとして、第1インバータ装置10のパワーモジュールにおける電流Icや電圧Vce(sat)、キャリア周波数f、半導体特性としてのPWM変調率D, IGBTチップ数N(I)、FWDチップ数N(F) を含む損失演算情報に基づいて演算した値を使用することを特徴とする。
したがって、第1インバータ装置10の動作状態に応じた最適の加算値Tadを求めることができ、より精度の高い異常検出を行うことができる。
なお、加算値Tadは、電流Ic、電圧Vce(sat)、半導体特性(キャリア周波数f、PWM変調率D,IGBTチップ数N(I)、FWDチップ数N(F))のいずれかに基づいて求めることができる。
実施の形態3は、第1インバータ装置10の損失分を温度に換算して冷却水温twに加算する加算値Tadの求め方を実施の形態1、2と異ならせた例である。
図4に示す第2コントローラ352の第2温度差演算部352aは、損失推定部300が推定した加算温度twa3と第2インバータ温度tin2との第2温度差Δt2を演算する。
なお、第2温度差演算部352aは、この加算温度twa3と第2インバータ温度tin2との第2温度差Δt2を演算する。
したがって、加算温度twa3として、実際の第2インバータ装置20における冷却水温を求めることができ、これにより、異常検出精度がより高いものとなる。
3-1)実施の形態3の電力変換装置Cの温度異常検出方法は、
第2温度差演算部352aにおいて加算する損失分の温度として、第1インバータ装置10の温度である第1インバータ温度tin1と冷却水温twとの差分である第1温度差Δt1に基づいて推定した値を使用することを特徴とする。
すなわち、第1インバータ温度tin1と冷却水温twとの差分により第1インバータ装置10の発熱状態を推定し、これにより、高い精度で加算値を求めることができる。よって、この高精度の加算値に基づいて、第2インバータ装置20における冷却水温を高精度で推定し、これに基づいて高精度で異常検出を行うことができる。
実施の形態4の電力変換装置Dは、実施の形態1の変形例であり、図5に示すように、冷却水路31の後段に第3発電電機(図示省略)を駆動させる第3インバータ装置430を追加した例である。
温度加算部453cは、第1インバータ装置10の動作時の損失および第2インバータ装置20の動作時の損失を冷却水温twの上昇温度に換算した値を加算値Tadとし、これを水温センサ40が検出する冷却水温twに加算した加算温度twbを求める。この損失による上昇温度は、実施の形態1と同様に、両インバータ装置10,20において想定される最大損失時の発熱により冷却水温twが上昇する温度に設定している。
実施の形態5の電力変換装置Eは、実施の形態2の変形例であり、図6に示すように、上記の実施の形態4と同様に冷却水路31の後段に第3インバータ装置530を追加した例である。
図6に示す第3コントローラ553の温度加算部553cは、損失分の温度である加算値として、第1コントローラ251に設けられた損失演算部500により演算された加算値Tad2を用いる。
なお、この加算値Tad2の演算は、実施の形態2と同様のテーブルまたは演算式を用いて求めることができる。また、電流I、キャリア周波数f、半導体特性のいずれかに基づいて加算値Tad,Tad2を求めることも可能である。
また、このようにインバータ装置の数が増加した場合に、図示は省略するが、第3インバータ装置の異常を検出するのにあたり、実施の形態3と同様の手法を用い、その加算温度twbを演算することもできる。すなわち、この場合、第2インバータ装置20における第2温度差Δt2に基づいて推定した値を第3温度差演算部において加算する損失分の温度として用いる。
また、電力変換部の数は、実施の形態において示した「2」「3」に限らず、4以上設けることもできる。
Claims (5)
- 電力を変換して伝送する複数の電力変換部と、前記複数の電力変換部を通り各電力変換部の冷却を行う冷却流路と、を備えた電力変換装置の温度異常検出方法であって、
前記電力変換部の温度を検出するとともに、これら電力変換部よりも上流の前記冷却流路の冷却流体の温度を検出し、
前記複数の電力変換部のうち、前記冷却流路の上流側に配置された前段の電力変換部については、この電力変換部の温度と前記冷却流体の温度との差分に基づいて異常の有無を判定し、
前記前段の電力変換部よりも前記冷却流路の下流に配置された後段の電力変換部については、前記冷却流体の温度に前記前段の電力変換部の損失分を温度に換算して加算した温度と、前記後段の電力変換部の温度と、の差分に基づいて異常の有無を判定することを特徴とする電力変換装置の温度異常検出方法。 - 請求項1に記載の電力変換装置の温度異常検出方法において、
前記損失分を換算した温度として、前記前段の電力変換部で想定される最大損失から換算した温度に基づいて設定した値を使用することを特徴とする電力変換装置の温度異常検出方法。 - 請求項1に記載の電力変換装置の温度異常検出方法において、
前記損失分を換算した温度として、前記前段の電力変換部における電流、キャリア周波数、半導体特性の少なくともいずれか一つを含む損失演算情報に基づいて演算した値を使用することを特徴とする電力変換装置の温度異常検出方法。 - 請求項1に記載の電力変換装置の温度異常検出方法において、
前記損失分を換算した温度として、前記前段の電力変換部の温度と前記冷却流体の温度との差分に基づいて推定した値を使用することを特徴とする電力変換装置の温度異常検出方法。 - 電力を変換して伝送する複数の電力変換部と、
前記複数の電力変換部を通り各電力変換部の冷却を行う冷却流路と、
前記複数の電力変換部の温度を検出する電力変換部温度センサと、
前記複数の電力変換部よりも上流の前記冷却流路の冷却流体の温度を検出する冷却流体温度センサと、
前記冷却流体温度と、前記冷却流路の上流側に配置された前段の電力変換部の温度との差分を求める前段温度差演算部と、
前記前段温度差演算部が求めた差分に基づいて異常判定を行う前段電力変換部異常検出部と、
前記前段の電力変換部の損失分を温度に換算して前記冷却流体温度に加算する温度加算部と、
前記温度加算部が算出した温度と、前記前段の電力変換部よりも前記冷却流路の下流に配置された後段の電力変換部の温度との差分を求める後段温度差演算部と、
前記後段温度差演算部が演算した差分に基づいて異常判定を行う後段電力変換部異常検出部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置の異常検出装置。
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