JP6653609B2 - インバータ冷却装置の水抜け検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却水によりインバータを冷却するインバータ冷却装置の水抜け検知装置に関する。

電気自動車などに搭載されるインバータは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と呼ばれる一種の半導体素子が実装されている。駆動力を得るためのパワー系統の回路では、ＩＧＢＴをＯＮ／ＯＦＦすることで回路内の平滑コンデンサの電荷を使用し、モータを駆動させている。モータの駆動時において、大電流がＩＧＢＴのＯＮ／ＯＦＦ動作によって流れるため、ＩＧＢＴが発熱する。

このため、インバータにはＩＧＢＴの発熱による過熱を抑制するために、インバータ冷却装置が備えられている。インバータ冷却装置としては、冷却水を用いた水冷方式を採用しており、水冷方式のインバータ冷却装置は、冷却回路内にラジエータやポンプ等を備えている。このような水冷方式のインバータ冷却装置を備えた電気自動車に関する技術として、例えば特許文献１に記載された技術が知られている。

特許文献１に示される技術は、インバータに温度センサが取り付けられ、インバータＥＣＵは温度センサからの入力に基づきインバータの温度を検出する。インバータの温度が急激に上昇する場合、すなわち温度変化率が大きい場合に、インバータＥＣＵはインバータへのトルク指令値を調整して半導体のスイッチング素子の発熱量を小さくする。

一方、水冷方式のインバータ冷却装置では、冷却水がインバータ冷却装置から漏れる冷却水抜けや、冷却水を循環させるポンプが故障して冷却水が循環していない、いわゆる水抜けが発生する虞があるため、何らかの手段で水抜けによる異常を検知できれば好ましい。

しかし、特許文献１の技術では、ＩＧＢＴの温度を検出するものの、水冷方式のインバータ冷却装置の水抜けによる異常を検知することができない。
仮に、冷却効率を確認するためにラジエータとウォータポンプ間の冷却水路中に水温センサを設けた場合であっても、水抜けが発生した場合にインバータ周辺の水温は変化するが、ラジエータ周辺の水温は変化しないため、インバータ冷却装置の冷却系統の水抜けによる異常を検知することができない。
そのため、水冷方式のインバータ冷却装置における冷却系統の水抜けによる異常を検知する技術が求められる。

特開平１０−２１０７９０号公報

本発明は、水冷方式のインバータ冷却装置における冷却系統の水抜けによる異常を検知する技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、電源からの電力を変換してモータを駆動するインバータと、前記インバータを冷却水により冷却するウォータージャケットと、前記ウォータージャケットの冷却水の水抜けを検知する検知部と、を備えたインバータ冷却装置の水抜け検知装置であって、前記ウォータージャケットの前記冷却水が入る冷却水入口の上面に配置され、水温を検出する第１の水温センサと、前記ウォータージャケットの前記冷却水が出る冷却水出口の上面に配置され、水温を検出する第２の水温センサと、を備え、前記検知部は、前記冷却水入口の水温と前記冷却水出口の水温との温度差が、所定のしきい値を超える場合に、前記冷却水の水抜けが発生していると判断することを特徴とする。

請求項２に係る発明では、インバータは、ウォータージャケットに設けられ、発熱する半導体素子と、検知部に接続され、半導体素子の温度を検出する温度センサと、を備え、該温度センサから検出される温度に基づいて、しきい値を変更することを特徴とする。

請求項３に係る発明では、温度センサの検出温度の平均温度に基づいて、しきい値を変更することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、インバータ冷却装置の水抜け検知装置は、ウォータージャケットの冷却水の水抜けを検知する検知部を備えている。ウォータージャケットの冷却水入口の上面に第１の水温センサを配置され、冷却水出口の上面に第２の水温センサを配置される。このため、検知部は、冷却水入口の水温と冷却水出口の水温との温度差が所定のしきい値を超える場合に、適切に冷却されていないことから、冷却水の水抜けが発生していると検知できる。

さらに、ウォータージャケットの冷却水入口に第１の水温センサを配置し、冷却水出口に第２の水温センサを配置するだけであるので、水抜け検知装置をウォータージャケットの構成範囲内で簡易に構成することができる。

請求項２に係る発明では、インバータは、ウォータージャケットに設けられ発熱する半導体素子と、検知部に接続され半導体素子の温度を検出する温度センサとを備える。温度センサから検出される半導体素子の温度に基づいて、しきい値を変更することで、水抜け検知の精度を向上させることができる。

請求項３に係る発明では、複数の半導体素子の検出温度の平均温度に基づいて、しきい値を変更するので、温度変化のノイズが除去され水抜け検知の精度をより向上させることができる。

本発明に係るインバータ冷却装置の水抜け検知装置の構成を示すブロック図である。 本発明に係るインバータ冷却装置の水抜け検知装置の要部を説明する図である。 水温センサで検出する水温と時間の相間関係を説明する図である。 水温センサの取付位置の変更例を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１（ａ）はインバータによる駆動システムに設けられたインバータ冷却装置の構成を示すブロック図であり、駆動システム１０のインバータ２０に、インバータ冷却装置３０が設けられている。

駆動システム１０は、電気自動車又はいわゆるハイブリット車に搭載され、モータ１１により車輪を駆動させるものである。駆動システム１０は、電源１２と、電源１２からの電力を直流から交流に変換するインバータ２０と、インバータ２０からの電力により駆動するモータ１１と、インバータ２０のスイッチング時のゲート電圧を制御するゲートドライバ１３と、ゲートドライバ１３を制御するモータＥＣＵ１４とを備えている。

モータ１１には、インバータ２０が導電線１５で接続されている。インバータ２０には、電源１２が導電線１６を介して接続されている。また、導電線１６には、電路を開閉するコンタクタ１７が設けられ、このコンタクタ１７よりもインバータ２０側に導電線１６間を接続するように導電線１８が設けられ、導電線１８上に平滑コンデンサ１９が設けられている。

インバータ２０は、複数の半導体スイッチング素子としてのＩＧＢＴ（以下、半導体素子という）２１と、各々の半導体素子２１の温度を検出する複数の温度センサ２２（図１（ｂ）参照）と、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の構成部品（不図示）を備えている。また、半導体素子２１のゲートは、導線２３でゲートドライバ１３に接続されている。

図１（ｂ）はインバータ冷却装置の構成を示す概略図である。
インバータ冷却装置３０は、インバータ２０を冷却水により冷却するウォータージャケット３１と、インバータ２０の外方に配置され冷却水の熱交換を行うラジエータ３２と、インバータ２０の外方に配置され冷却水を循環させるポンプ３３とを備えている。

ウォータージャケット３１には、冷却水が入る冷却水入口３４と、冷却水が出る冷却水出口３５とが設けられている。ポンプ３３から延びる第１配管３６が冷却水入口３４に接続され、冷却水出口３５から延びる第２配管３７がラジエータ３２に接続され、ラジエータ３２から延びる第３配管３８がポンプ３３に接続されている。

冷却水は、ポンプ３３から第１配管３６に送り出され、冷却水入口３４からウォータージャケット３１内に入って半導体素子２１を冷却し、温度が上昇する。温度が上昇した冷却水は、冷却水出口３５から排出され第２配管３７を通ってラジエータ３２に送られる。ラジエータ３２で熱交換されることで冷却水の温度が低下し、温度の低下した冷却水は第３配管３８を通ってポンプ３３に送られる。

インバータ冷却装置３０の水抜け検知装置４０は、発熱する半導体素子２１と、この半導体素子２１を冷却するウォータージャケット３１と、冷却水入口３４に配置され冷却水入口３４の水温を検出する第１の水温センサ４１と、冷却水出口３５に配置され冷却水出口３５の水温を検出する第２の水温センサ４２と、各々の半導体素子２１の温度を検出する温度センサ２２と、ウォータージャケット３１の冷却水の水抜けを検知する検知部４３とを備えている。第１の水温センサ４１、第２の水温センサ４２及び温度センサ２２は、検知部４３に接続されている。

半導体素子２１は半田２４を介して絶縁基板２５に実装され、この絶縁基板２５はウォータージャケット３１の上面に半田２６によって接合されている。また、絶縁基板２５には、半導体素子２１の温度を検出する温度センサ２２が実装されている。絶縁基板２５は、セラミックから構成される絶縁層２５ａと、銅によって絶縁層２５ａを挟むように形成される銅層２５ｂとを備えている。

なお、絶縁基板２５の構成は、セラミック、銅に限らず、他の一般的な材料によって構成しても差し支えない。また、実施例では、温度センサ２２を半導体素子２１とは別に設けたが、これに限定されず、温度センサ２２を感温ダイオードとして半導体素子２１に一体に設けても差し支えない。

図２（ａ）は水抜け検知装置の要部を説明する概念図であり、ウォータージャケット３１の冷却水入口３４に第１の水温センサ４１が配置され、冷却水出口３５に第２の水温センサ４２が配置されている。このように配置することで、冷却水入口３４の水温と冷却水出口３５の水温との温度差を検出することができる。さらに、ウォータージャケット３１の冷却水入口３４に第１の水温センサを配置し、冷却水出口３５に第２の水温センサ４２を配置するだけであるので、水抜け検知装置４０をウォータージャケット３１の構成範囲内で簡易に構成することができる。

また、冷却水入口３４の近傍に配置される温度センサ２２ａをとし、冷却水出口３５の近傍に配置される温度センサ２２ｂとすることで、温度センサ２２ａ、２２ｂによっても冷却水入口３４近傍と冷却水出口３５近傍の温度差を検知することが可能となる。

図２（ｂ）はウォータージャケット３１の斜視図であり、ウォータージャケット３１の上面に複数の半導体素子２１と、複数の温度センサ２２ａ、２２ｂが配置されている。温度センサ２２ａを複数配置することで、温度センサ２２ａ、２２ｂの平均温度を検知部４３（図１（ｂ）参照）で演算して得ることができる。

また、冷却水入口３４の上面に第１の水温センサ４１を配置し、冷却水出口３５の上面に第２の水温センサ４２を配置するだけであるので、既存のウォータージャケット３１に水温センサ４１、４２を取り付けるだけの簡単な構造にすることができる。なお、実施例の水温センサ４１、４２取付態様は一例であり、冷却水入口３４の水温及び冷却水出口３５の水温を検知できれば取付態様は異なっても差し支えない。また、半導体素子２２は、パワーモジュールケース（不図示）で囲われているものとする。

図３に示すように、第２の水温センサ４２で検知される水温は、第１の水温センサ４１で検知される水温よりも高く、半導体素子２１（図２参照）の発熱することで、第２の水温センサ４２及び第１の水温センサ４１で検知される水温は温度差を一定に保った状態で上昇する。その後、インバータ冷却装置３０（図１参照）の冷却が正常な範囲では、それぞれの温度が一定となり、且つ、温度差も一定に保った状態となる。

一方、冷却水を循環させるポンプの故障や水漏れなどが発生し、インバータ冷却装置３０の冷却が異常になった場合は、冷却水出口３５の水温がさらに上昇し、第２の水温センサ水温４２で検知される温度と第１の水温センサ４１で検知される水温との温度差Δｔが大きくなる。

検知部４３は、冷却水入口３４の水温と冷却水出口３５の水温との温度差Δｔが、所定のしきい値ΔＴ１を超える場合に、適切に冷却されていないことから、冷却水の水抜けが発生していると判断する。

パワーモジュール（温度センサ２２又は感温ダイオード）の発熱量をＰｐｍとし、インバータ冷却装置３０の流量をＱとし、任意の係数をＡとすると、しきい値ΔＴ１は次式で求められる。
ΔＴ１＝（Ｐｐｍ／Ｑ）×Ａ

また、温度センサ２２から検出される温度に基づいて、しきい値ΔＴ１を変更することで、水抜け検知の精度を向上させることができる。さらに、複数の半導体素子２１の検出温度の平均温度に基づいて、しきい値ΔＴ１を変更することで、温度変化のノイズが除去され水抜け検知の精度をより向上させることができる。

次に水温センサの取付位置の変更例を説明する。なお、図２（ａ）に示した構成と同一構成については同一符号を付け、詳細説明は省略する。
図４に示すように、ウォータージャケット３１の冷却水入口３４において、冷却水路内に第１の水温センサ４１が配置されている。詳細には、冷却水路内に第１の水温センサ４１のセンサ部４１ａが配置されている。このような構成にすることで、より正確に水温を検知することができる。なお、冷却水出口３５（図２（ａ）参照）についても同様に、冷却水路内に第２の水温センサ４２は配置されている。

尚、水温を検知することができれば、第１の温度センサ４１及び第２の温度センサ４２の形式は任意である。
また、インバータ冷却装置３０の水抜け検知装置４０は、電動車両や、いわゆるハイブリット車両に搭載される他、舶用や一般産業用に供することもできる。

本発明は、車両に搭載されるインバータ冷却装置の水抜け検知装置に好適である。

１１...モータ、１２...電源、２０...インバータ、３０...インバータ冷却装置、３１...ウォータージャケット、３４...冷却水入口、３５...冷却水出口、４０...水抜け検知装置、４１...第１の水温センサ、４２...第２の水温センサ、４３...検知部、ΔＴ１...しきい値、Δｔ...温度差。

Claims (3)

1. 電源からの電力を変換してモータを駆動するインバータと、
   前記インバータを冷却水により冷却するウォータージャケットと、
   前記ウォータージャケットの冷却水の水抜けを検知する検知部と、を備えたインバータ冷却装置の水抜け検知装置であって、
   前記ウォータージャケットの前記冷却水が入る冷却水入口の上面に配置され、水温を検出する第１の水温センサと、
   前記ウォータージャケットの前記冷却水が出る冷却水出口の上面に配置され、水温を検出する第２の水温センサと、を備え、
   前記検知部は、前記冷却水入口の水温と前記冷却水出口の水温との温度差が、所定のしきい値を超える場合に、前記冷却水の水抜けが発生していると判断することを特徴とするインバータ冷却装置の水抜け検知装置。
2. 前記インバータは、
   前記ウォータージャケットに設けられ、発熱する半導体素子と、
   前記検知部に接続され、前記半導体素子の温度を検出する温度センサと、を備え、
   該温度センサから検出される温度に基づいて、前記しきい値を変更することを特徴とする請求項１記載のインバータ冷却装置の水抜け検知装置。
3. 前記温度センサの検出温度の平均温度に基づいて、前記しきい値を変更することを特徴とする請求項２記載のインバータ冷却装置の水抜け検知装置。

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