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

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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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