JP6954205B2 - 電力変換器 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、直流電源の電力を走行用モータの駆動電力に変換する電力変換器に関する。
特許文献１、２に、直流電源の電力を走行用モータの駆動電力に変換する電力変換器が開示されている。特許文献１の電力変換器は、直流電源の電力を昇圧する昇圧コンバータと、昇圧後の直流電力を交流電力に変換するインバータを備えている。特許文献２の電力変換器は、第１直流電源の電圧を昇圧する第１電圧コンバータと、第２直流電源の電圧を降圧する第２電圧コンバータと、第１／第２電圧コンバータの出力電力を交流に変換するインバータを備えている。特許文献１の昇圧コンバータ、特許文献２の第１／第２電圧コンバータは、いずれも、電力変換用のスイッチング素子と、リアクトルを備えているチョッパ型である。
国際公開２００３／０１５２５４号公報 特開２０１７−０９３０５５号公報
電気自動車用の電力変換器は、大電流が流れるため発熱量が大きい。特に、走行用モータに供給する電流または電力が大きいときには電力変換器に流れる電流も大きくなるので発熱量が増加する。チョッパ型の電圧コンバータでは、スイッチング素子のオンオフに伴って脈動電流が生じ、スイッチング素子自体とリアクトルが発熱する。本明細書は、直流電源の電力を走行用モータの駆動電力に変換する電力変換器に関し、走行用モータに供給する電流または電力が大きいときの発熱量を抑制する技術を提供する。
本明細書が開示する電力変換器は、インバータと、電圧コンバータと、コントローラを備えている。インバータは、走行用モータに交流電力を供給する。電圧コンバータは、高電圧端が直流電源に接続されているとともに低電圧端がインバータに接続されている。電圧コンバータは、スイッチング素子とリアクトルを含んでいる。電圧コンバータは、直流電源の電圧を降圧してインバータに供給することができる。コントローラは、インバータに流れる電流または走行用モータで消費される電力が所定の閾値を下回っているときには、低電圧端の電圧が高電圧端の電圧よりも低くなるようにスイッチング素子を制御するように構成されている。一方、コントローラは、インバータに流れる電流または走行用モータで消費される電力が閾値を上回っているときには、低電圧端の電圧が高電圧端の電圧と等しくなるようにスイッチング素子を制御するように構成されている。なお、「閾値を下回っているとき」は、「閾値以下のとき」であってもよい。また、「閾値を上回っているとき」は、「閾値以上のとき」であってもよい。
本明細書が開示する電力変換器のコントローラは、インバータに流れる電流または走行用モータで消費される電力が閾値よりも大きい場合には、低電圧端の電圧が高電圧端の電圧と等しくなるように電圧コンバータを制御する。チョッパ型の電圧コンバータの場合、高電圧端の電圧と低電圧端の電圧を等しくするには、降圧に関与するスイッチング素子をオン状態に保持すればよい（双方向ＤＣ−ＤＣコンバータの場合は、降圧に関与するスイッチング素子をオン状態に保持するとともに昇圧に関与するスイッチング素子をオフ状態に保持する）。そうすると、脈動電流が生じなくなり、スイッチング素子とリアクトルの発熱が抑えられる。
閾値は、例えば、走行用モータの回転数と出力トルクによって定められる。一般に、モータの特性は、ＴＮ線図と呼ばれるグラフで表される。ＴＮ線図は、横軸にモータの回転数をとり、縦軸にモータの出力トルクをとったグラフである。ＴＮ線図の上には、モータの出力電力が一定となる曲線を描くことができる。電力の単位で上記の閾値を表したとき、閾値は、ＴＮ線図上の曲線で表すことができる。走行用モータの回転数と出力トルクによって閾値が定められることにより、目標回転数と目標トルクから電力の閾値を算出することができる。
本明細書が開示する電力変換器では、電圧コンバータは、高電圧端に入力された電圧を降圧して低電圧端から出力する降圧機能と、低電圧端に入力された電圧を昇圧して高電圧端から出力する機能の両方を備えた双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであってもよい。その場合、電圧コンバータの低電圧端に充電ポートが接続されていてもよい。直流電源が再充電可能な二次電池の場合、外部電源の電圧を、電力変換器が有する電圧コンバータで昇圧して二次電池を充電することができる。外部の電源に電圧調整器が不要となる。
コントローラは、スイッチング素子またはリアクトルの温度が所定の温度閾値を超えている場合、インバータに流れる電流または走行用モータが消費する電力の大きさに関わらずに、低電圧端の電圧が高電圧端の電圧と等しくなるように電圧コンバータを制御するように構成されていてもよい。「所定の温度閾値」は、スイッチング素子やリアクトルの故障を防止するために保護温度である。インバータに流れる電流または走行用モータで消費される電力の大きさに関わらずに、スイッチング素子またはリアクトルの過熱を防止することができる。
電圧コンバータは、正極線と負極線の間に接続されている半導体素子と、その半導体素子と直列に接続されている過電流保護器を備えていてもよい。半導体素子が短絡しても、過電流保護装置が半導体素子を切り離すので、短絡が解消できる。また、過電流保護器が動作した場合、電圧コンバータは、降圧動作はできなくなるが、入力電圧と同じ電圧を出力することはできる。即ち、過電流保護器が動作した後も、走行用モータを駆動し続けることができる。
本明細書が開示する電力変換器では、インバータに流れる電流または走行用モータで消費される電力が所定の閾値を上回っていると、脈動電流が発生しないように電圧コンバータを制御する。従って、電圧コンバータのリアクトルの磁気飽和電流は、インバータの最大入力電流よりも小さくてよい。別言すれば、大電流時にはリアクトルは使われないのであるから、インバータの最大入力電流のときに機能する大型のリアクトルは不要である。
電圧コンバータは、スイッチング素子を収容している第１半導体モジュールを備えており、インバータは、電力変換用のスイッチング素子を収容している第２半導体モジュールを備えている場合がある。その場合、リアクトルが、第１半導体モジュールと第２半導体モジュールの間に位置するように配置されていてもよい。この場合、第１／第２半導体モジュールとリアクトルを接続するバスバの配索が容易になる。
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。
第１実施例の電力変換器を含む電気自動車の電力系のブロック図である。 電圧コンバータの出力電圧を決定する処理のフローチャートである。 モータのＴＮ線図の一例である。 電圧コンバータの出力電圧マップの一例である。 リアクトルの特性の一例を示すグラフである。 第２実施例の電力変換器を含む電気自動車の電力系のブロック図である。 スイッチング素子とリアクトルを集約した積層ユニットの斜視図である。 積層ユニットの平面図である。
（第１実施例）図１〜図５を参照して第１実施例の電力変換器２を説明する。図１に、電力変換器２を含む電気自動車９０の電力系のブロック図を示す。実施例の電気自動車９０は、バッテリ１１、電力変換器２、上位コントローラ１５、及び、走行用のモータ１３を備えている。電気自動車９０は、バッテリ１１の電力でモータ１３を駆動し、走行する。バッテリ１１とモータ１３の間に電力変換器２が接続されている。電力変換器２は、バッテリ１１が出力する直流電力を、モータ１３の駆動に適した交流電力に変換する。
電力変換器２は、電圧コンバータ回路１０と、インバータ回路２０と、電力コントローラ８を備えている。
まず、電圧コンバータ回路１０について説明する。電圧コンバータ回路１０の高電圧端（高電圧端正極１０ａ１、高電圧端負極１０ａ２）はバッテリ１１に接続されている。電圧コンバータ回路１０の低電圧端（低電圧端正極１０ｂ１、低電圧端負極１０ｂ２）はインバータ回路２０に接続されている。なお、説明の便宜上、高電圧端正極１０ａ１と高電圧端負極１０ａ２を合わせて高電圧端１０ａと称し、低電圧端正極１０ｂ１と低電圧端負極１０ｂ２を合わせて低電圧端１０ｂと称する。
電圧コンバータ回路１０は、高電圧端１０ａに印加された電圧を降圧して低電圧端１０ｂに出力する降圧機能と、低電圧端１０ｂに印加された電圧を昇圧して高電圧端１０ａに出力する昇圧機能を有している。即ち、電圧コンバータ回路１０は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。低電圧端１０ｂに印加される電圧とは、車両の減速エネルギによってモータ１３が逆駆動されて得られる電力（回生電力）の電圧である。
モータ１３の駆動電圧は、運転者のアクセルワーク（アクセル開度）等に依存して変化するが、最大駆動電圧は、バッテリ１１の出力電圧と同じである。即ち、モータ１３は、バッテリ１１の出力電圧以下の電圧で動作する。モータ１３の駆動電圧は、アクセル開度等によって定まる。例えば、アクセル開度が大きければ、モータ１３の駆動電圧は高くなり、アクセル開度が小さくなると、駆動電圧も低くなる。モータ１３の適正な駆動電圧がバッテリ１１の出力電圧よりも低い場合、電力コントローラ８が電圧コンバータ回路１０を動作させ、バッテリ１１の出力電圧を降圧してインバータ回路２０へ供給する。
電圧コンバータ回路１０の回路構成について説明する。高電圧端正極１０ａ１と高電圧端負極１０ａ２の間に２個のスイッチング素子３ａ、３ｂが直列に接続されている。各スイッチング素子３ａ、３ｂには、ダイオード９が逆並列に接続されている。２個のスイッチング素子３ａ、３ｂの直列接続の中点と低電圧端正極１０ｂ１の間にリアクトル５が接続されている。低電圧端負極１０ｂ２と高電圧端負極１０ａ２は直接に接続されている。図１に示すように、電圧コンバータ回路１０は、スイッチング素子３ａ、３ｂとリアクトル５を含むチョッパ型である。
スイッチング素子３ａ、３ｂは、一方がオンのときに他方がオフとなるように、相補的に動作する。スイッチング素子３ａが降圧動作に関与し、スイッチング素子３ｂが昇圧動作に関与する。電圧コンバータ回路１０は、高電圧端１０ａと低電圧端１０ｂの電圧比が目標の電圧比となるように動作する。高電圧端１０ａの側の電圧と低電圧端１０ｂの側の電圧のバランスに依存して電流の流れる方向が決まる。
スイッチング素子３ａ、３ｂは、電力コントローラ８によって制御される。なお、図１において、矢印破線は信号線を表している。電圧コンバータ回路１０は、スイッチング素子３ａの温度を計測する温度センサ６と、リアクトル５の温度を計測する温度センサ７と、リアクトル５を流れる電流を計測する電流センサ１６を備えている。温度センサ６、７、電流センサ１６の計測データは電力コントローラ８に送られる。電力コントローラ８は、スイッチング素子３ａやリアクトル５が過熱しないように、電圧コンバータ回路１０を流れる電流を調整する。
インバータ回路２０について説明する。インバータ回路２０は、６個のスイッチング素子４ａ−４ｆと、６個のダイオード９を備えている。夫々のダイオード９はスイッチング素子４ａ−４ｆの夫々に逆並列に接続されている。６個のスイッチング素子４ａ−４ｆは、２個ずつ直列に接続されている。３組の直列接続が並列に接続されている。スイッチング素子４ａ−４ｆが適宜にオンオフを繰り返すことで、夫々の直列接続の中点から交流が出力される。６個のスイッチング素子４ａ−４ｆも、電力コントローラ８が制御する。図１では、電力コントローラ８からスイッチング素子４ａ−４ｆへの信号線は図示を省略している。
電圧コンバータ回路１０とインバータ回路２０の間には、平滑コンデンサ１２が並列に接続されている。別言すれば、平滑コンデンサ１２は、電圧コンバータ回路１０の低電圧端正極１０ｂ１と低電圧端負極１０ｂ２の間に接続されている。平滑コンデンサ１２は、電圧コンバータ回路１０とインバータ回路２０の間を流れる電流の脈動を抑える。
モータ１３には、その回転数を計測する回転数センサ１４が取り付けられている、回転数センサ１４の計測データも電力コントローラ８に送られる。電力コントローラ８は、回転数センサ１４によって計測されるモータ１３の回転数も考慮して、電圧コンバータ回路１０とインバータ回路２０のスイッチング素子を制御する。
電力コントローラ８には、上位コントローラ１５が接続されている。上位コントローラ１５は、アクセル開度などの情報に基づいて、モータ１３の目標出力トルクを決定する。目標出力トルクは、電力コントローラ８に送られる。
先に述べたように、モータ１３の駆動電圧は、バッテリ１１の出力電圧以下であり、目標出力トルクを受けた電力コントローラ８は、電圧コンバータ回路１０の目標電圧と、インバータ回路２０の出力交流の目標周波数を決める。電力コントローラ８は、決定された目標電圧と目標周波数が実現されるように、電圧コンバータ回路１０のスイッチング素子３ａ、３ｂとインバータ回路２０のスイッチング素子４ａ−４ｆを制御する。一方、スイッチング素子３ａ、３ｂやリアクトル５は、発熱量が大きい。電力コントローラ８は、スイッチング素子３ａ、３ｂ（特に、降圧に関与するスイッチング素子３ａ）とリアクトル５が過熱しないように、スイッチング素子３ａ、３ｂを制御する。電力コントローラ８は、モータ１３で消費される電力が所定の閾値（電力閾値Ｐｔｈ）を上回っているときには、低電圧端１０ｂの電圧が高電圧端１０ａの電圧に等しくなるように電圧コンバータ回路１０を制御する。具体的には、電力コントローラ８は、スイッチング素子３ａをオン状態に保持するとともに、スイッチング素子３ｂをオフ状態に保持する。そうすると、高電圧端正極１０ａ１と低電圧端正極１０ｂ１が常時接続状態となり、両端の電圧が等しくなる。
モータ１３の好ましい駆動電圧は、アクセル開度などによって変化するが、実施例の電力変換器２では、スイッチング素子３ａやリアクトル５の過熱防止を優先し、それらに大きな電力が流れると見込まれるときには、スイッチング素子３ａをオン状態に保持するとともに、スイッチング素子３ｂをオフ状態に保持する。そうすることで、スイッチング素子３ａ、３ｂのオンオフに伴う電流の脈動が無くなり、スイッチング素子３ａとリアクトル５の発熱が抑制される。
電力コントローラ８は、温度センサ６、７により、スイッチング素子３ａの温度とリアクトル５の温度を常に監視している。電力コントローラ８は、スイッチング素子３ａまたはリアクトル５の温度が温度閾値を超えている場合は、モータ１３で消費される電力の大きさに関わらず、スイッチング素子３ａをオン状態に保持するとともに、スイッチング素子３ｂをオフ状態に保持する。即ち、電力コントローラ８は、高電圧端１０ａの電圧と低電圧端１０ｂの電圧が等しくなるように、スイッチング素子３ａ、３ｂを制御する。そうすることで、スイッチング素子３ａとリアクトル５のさらなる温度上昇を防止することができる。
図２に電力コントローラ８が実行する出力電圧決定処理のフローチャートを示す。図２に従って、電力コントローラ８の処理を説明する。図２の処理は、定期的に実行される。
電力コントローラ８は、温度センサ６、７からデータを取得し、それらを温度閾値と比較する。具体的には、電力コントローラ８は、温度センサ７の計測温度（即ち、リアクトル５の温度）を第１温度閾値Ｔｔｈ１と比較する（ステップＳ２）。リアクトル５の温度が第１温度閾値Ｔｔｈ１を超えていた場合（ステップＳ２：ＮＯ）、電力コントローラ８は、ステップＳ８の処理に移る。ステップＳ８では、電力コントローラ８は、出力電圧に、入力電圧と同じ値を設定する。そして電力コントローラ８は、スイッチング素子３ａ、３ｂを制御する（ステップＳ７）。先に述べた通り、ステップＳ８を実行した場合は、ステップＳ７において電力コントローラ８は、スイッチング素子３ａをオン状態に保持し、スイッチング素子３ｂをオフ状態に保持する。
リアクトルの温度が第１温度閾値Ｔｔｈ１以下の場合（ステップＳ２：ＹＥＳ）、電力コントローラ８は、温度センサ６の計測温度（即ち、スイッチング素子３ａの温度）を第２温度閾値Ｔｔｈ２と比較する（ステップＳ３）。スイッチング素子３ａの温度が第２温度閾値Ｔｔｈ２を超えていた場合、ステップＳ２の場合と同様に、入力電圧と同じ値を出力電圧に設定する（ステップＳ３：ＮＯ、Ｓ８）。
スイッチング素子３ａの温度が第２温度閾値Ｔｔｈ２以下の場合（ステップＳ３：ＹＥＳ）、電力コントローラ８は、ＴＮ線図から、モータ１３で消費される電力を特定する（ステップＳ４）。電力コントローラ８は、モータ１３で消費される電力が、所定の電力閾値Ｐｔｈを超えている場合は、入力電力と同じ値を出力電圧に設定する（ステップＳ５：ＮＯ、Ｓ８）。
ステップＳ４とＳ５の処理について説明する。図３は、横軸にモータ１３の回転数をとり、縦軸にモータ１３の出力トルクをとったＴＮ線図である。現在のモータ１３の回転数と、モータ１３の目標出力トルクが定まると、図３のグラフの中での位置が定まる。ＴＮ線図には、等電力線を描くことができる。図３のＴＮ線図には、電力Ｐｗ＝電力閾値Ｐｔｈの曲線が描かれている。図３における範囲Ａ（グレーの範囲）は、目標出力トルクに対するモータ１３の出力電力Ｐｗが電力閾値Ｐｔｈよりも小さい範囲を示している。範囲Ｂは、目標出力トルクに対するモータ１３の出力電力Ｐｗが電力閾値Ｐｔｈよりも大きい範囲を示している。モータ１３の出力電力Ｐｗは、モータ１３で消費される電力に等価である。電力コントローラ８は、ＴＮ線図を参照し、モータ１３の目標出力と現在の回転数からモータ１３の出力電力Ｐｗが電力閾値Ｐｔｈを超えているか否かをチェックする。そして、モータ１３の出力電力Ｐｗ（即ち、モータ１３で消費される電力）が電力閾値Ｐｔｈを超えている場合は、電圧コンバータ回路１０の出力電圧として、入力電圧と同じ値を設定する（ステップＳ５：ＮＯ、Ｓ８）。この場合は、先に説明したとおり、電力コントローラ８は、ステップＳ７の処理において、スイッチング素子３ａをオン状態に保持するとともに。スイッチング素子３ｂをオフに保持する。
一方、モータ１３で消費される電力Ｐｗが電力閾値Ｐｔｈを超えてない場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、電力コントローラ８は、モータ１３の回転数から電圧コンバータ回路１０の出力電圧を決定する（ステップＳ６）。
出力電圧を決定するプロセスを、図３と図４を使って説明する。電力コントローラ８は、出力トルク一定のときのモータ１３の回転数と電圧コンバータ回路１０の出力電圧の関係を規定するマップ（出力電圧マップ）を記憶している。図４に、出力電圧マップの一例を示す。図４の横軸がモータ１３の回転数を示しており、縦軸は電圧コンバータ回路１０の出力電圧を示している。例えば、現在の回転数がＷａであり、モータ１３の目標出力トルクがＴａであった場合、図３のＴＮ線図上では、ポイントＱが特定できる。図３における破線ＤＬは、ポイントＱを通り、出力トルクがＴａで一定のラインである。このラインにおける回転数と出力電圧の関係を規定するマップが図４のマップである。なお、電力コントローラ８には、出力トルクごとに、図４と同様のマップが用意されている。
図４のマップについて説明する。太線のグラフＧ１が、モータ１３の回転数に対して電圧コンバータ回路１０の出力電圧を定める。点線のグラフＧａは、モータ１３の最大効率位相制御に必要な電圧を示している。最大効率位相制御に必要な電圧は、グラフＧａが示す通り、モータ１３の回転数に比例する。この例では、モータの１３の回転数がＷ１からＷ２の間では、電圧コンバータ回路１０の出力電圧は、グラフＧａ（最大効率位相制御に必要な電圧）の上で、モータ１３の回転数に応じて定められる。例えばモータ１３の回転数がＷａの場合は、電圧コンバータ回路１０の出力電圧は、グラフＧ１から電圧Ｖａに決まる。
電圧Ｖｍｉｎは、電圧コンバータ回路１０が安定して出力することが可能な最低電圧である。従って、回転数がＷ１より低い場合は、電圧コンバータ回路１０の出力電圧は、電圧Ｖｍｉｎに設定される。モータ１３で消費される電力が電力閾値Ｐｔｈよりも小さい範囲では、電圧コンバータ回路１０の出力電圧は入力電圧よりも低い値となる。
一方、回転数がＷ２よりも大きい範囲は、図３の範囲Ｂに属する。この範囲Ｂでは、先に説明したように、モータ１３で消費される電力に関わりなく、電圧コンバータ回路１０の出力電圧は入力電圧Ｖｉｎに定められる。入力電圧Ｖｉｎは、バッテリ１１の出力電圧に等しい。
上記の例は、モータ１３の最大効率位相制御に必要な電圧に基づいて、電圧コンバータ回路１０の出力電圧を決定した。最大効率位相制御に代えて、弱め界磁制御に必要な電圧に基づいて電圧コンバータ回路１０の出力電圧を定めてもよい。弱め界磁制御に必要な電圧も、モータ１３の回転数に比例する。図４のグラフＧｂが、弱め界磁制御に必要なモータ１３の電圧を示している。出力電圧は、グラフＧｂに沿ってモータ１３の回転数に比例するように決定されてもよい。ただし、出力電圧の最低値は電圧Ｖｍｉｎであり、最大値は電圧Ｖｉｎである。
図２のフローチャートに戻る。ステップＳ６で出力電圧が決定したら、電力コントローラ８は、決定した出力電圧が実現されるように、電圧コンバータ回路１０のスイッチング素子３ａ、３ｂを制御する。
電圧コンバータ回路１０は、モータ１３に供給する電力（即ち、モータ１３で消費される電力Ｐａ）が電力閾値Ｐｔｈを超えている場合には、出力電力が入力電力に等しくなるように、スイッチング素子３ａをオンに保持するとともにスイッチング素子３ｂをオフに保持する。その結果、スイッチング素子３ａとリアクトル５に脈動電流が流れなくなるので発熱が抑えられる。モータ１３で消費される電力が電力閾値Ｐｔｈを下回っている場合には、電力コントローラ８は、電圧コンバータ回路１０の出力電圧が入力電圧よりも低くなるようにスイッチング素子３ａ、３ｂを制御する。実施例の電力変換器２は、モータ１３に供給する電力が大きい場合にはスイッチング素子３ａをオンに保持することで発熱を抑えることができる。
ここで、リアクトル５の特性について説明する。図５にリアクトル５に流れる電流を横軸にとり、リアクトル５のリアクタンスを縦軸にとったグラフを示す。リアクトルのリアクタンスは、所定の電流値を境に急激に低下する。リアクタンスが急激に低下する境界が磁気飽和電流Ｉｔｈである。図５の電流Ｉｍａｘは、モータ１３に流れる最大電流である。実施例の電力変換器２に用いるリアクトル５の磁気飽和電流Ｉｔｈは、モータ１３に流れる電流Ｉｍａｘよりも小さくてよい。これは、モータ１３に大電力が流れるときにはリアクトル５が機能しなくてもよいからである。電圧コンバータ回路１０は、モータ１３で消費される電力が電力閾値Ｐｔｈを超えるとスイッチング素子３ａをオンに保持する。モータ１３で消費される電力が電力閾値Ｐｔｈのときに電圧コンバータ回路１０に流れる電流は、Ｐｔｈ／Ｖｉｎである。ここで、電圧Ｖｉｎは、電圧コンバータ回路１０の入力電圧であって、バッテリ１１の出力電圧ＶＢに等しい。降圧動作が必要なときにリアクトル５に流れる電流の上限値は、Ｐｔｈ／ＶＢであるから、磁気飽和電流Ｉｔｈがこの電流値（Ｐｔｈ／ＶＢ）であればよい。別言すれば、リアクトル５の磁気飽和電流は、インバータ回路２０に流れる最大電流値よりも小さくてよい。
（第２実施例）図６に、第２実施例の電力変換器２ａを含む電気自動車９１のブロック図を示す。電力変換器２ａは、電圧コンバータ回路１１０、インバータ回路２０、電力コントローラ８を備えている。電圧コンバータ回路１１０の高電圧端１１０ａがバッテリ１１に接続されており、低電圧端１１０ｂがインバータ回路２０に接続されている。電力変換器２ａは、過電流保護器１０６と充電ポート１０７を備えている点で、第１実施例の電力変換器２と相違する。そのほかは第１実施例の電力変換器２と同じである。従って、過電流保護器１０６と充電ポート１０７のほかの構成については説明を省略する。
電圧コンバータ回路１１０の正極線１９ａと負極線１９ｂの間に、スイッチング素子３ｂと過電流保護器１０６が直列に接続されている。過電流保護器１０６は、所定の大きさ以上の電流が流れると溶断するヒューズである。電圧コンバータ回路１１０は、第１実施例の電圧コンバータ回路１０と同様に、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであり、スイッチング素子３ｂは昇圧動作に関与する。スイッチング素子３ｂは正極線１９ａと負極線１９ｂの間に接続されているため、スイッチング素子３ｂが短絡故障すると、正極線１９ａと負極線１９ｂが短絡して大電流が流れる。しかし、大電流が流れると過電流保護器１０６が直ちに溶断されるので、正極線１９ａと負極線１９ｂの間が遮断される。正極線１９ａと負極線１９ｂの間が遮断されると、電圧コンバータ回路１１０は、降圧動作もできなくなる。その場合、電力コントローラ８は、スイッチング素子３ａをオンに保持する。スイッチング素子３ａがオンに保持されると、高電圧端正極１１０ａ１と低電圧端正極１１０ｂ１が直結状態となり、バッテリ１１の電力がそのままインバータ回路２０へ流れる。それゆえ、電気自動車９１は走行を続けることができる。
充電ポート１０７は、電圧コンバータ回路１１０の低電圧端正極１１０ｂ１と低電圧端負極１１０ｂ２の間に接続されている。充電ポート１０７には、外部の電源を接続することができる。先に述べたように、電圧コンバータ回路１１０は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであるため、低電圧端１１０ｂに入力された電圧を昇圧して高電圧端１１０ａから出力することができる。それゆえ、バッテリ１１の電圧よりも低い外部電源を充電ポート１０７に接続してバッテリ１１を充電することができる。
第２実施例の変形例を説明する。変形例の電力変換器は、スイッチング素子３ｂを備えない。そのような電圧コンバータ回路１１０は、昇圧動作はできないが、降圧動作は可能である。その場合、正極線１９ａと負極線１９ｂの間には、ダイオード９ａと過電流保護器１０６が直列に接続されることになる。ダイオード９ａが短絡故障して正極線１９ａと負極線１９ｂの間に大電流が流れた場合でも過電流保護器１０６が溶断するので正極線１９ａと負極線１９ｂの間が遮断される。この場合も、電力コントローラ８はスイッチング素子３ａをオン状態に保持し、電気自動車９１は走行を続けることができる。
図７と図８を参照して、電力変換器２（２ａ）のハードウエアの一部を説明する。図７は、積層ユニット４０の斜視図であり、図８は、バスバが接続された積層ユニット４０の平面図である。図８には、積層ユニット４０のほか、コンデンサ素子５０も描いてある。コンデンサ素子５０は、図１の平滑コンデンサ１２に相当する。
積層ユニット４０は、電圧コンバータ回路１０が有するスイッチング素子３ａ、３ｂと、インバータ回路２０が有するスイッチング素子４ａ−４ｆと、リアクトル３５を集約したデバイスである。なお、リアクトル３５は、図１のリアクトル５に相当する。
積層ユニット４０は、第１半導体モジュール３０ａと、第２半導体モジュール３０ｂ、３０ｃ、３０ｄと、複数の冷却器４１と、リアクトル３５で構成される。第１半導体モジュール３０ａには、電圧コンバータ回路１０のスイッチング素子３ａ、３ｂと、夫々のスイッチング素子に逆並列に接続されているダイオード９が収容されている。スイッチング素子３ａ、３ｂは、第１半導体モジュール３０ａの中で直列に接続されている。
第２半導体モジュール３０ｂには、インバータ回路２０のスイッチング素子４ａ、４ｂと、夫々のスイッチング素子に逆並列に接続されているダイオード９が収容されている。スイッチング素子４ａ、４ｂは、第２半導体モジュール３０ｂの内部で直列に接続されている。第２半導体モジュール３０ｃ、３０ｄは、第２半導体モジュール３０ｂと同じ構造であり、夫々が、２個のスイッチング素子と２個のダイオードを収容している。第２半導体モジュール３０ｂ−３０ｄは、第１半導体モジュール３０ａと同じ構造である。以下では、第１半導体モジュール３０ａと第２半導体モジュール３０ｂ−３０ｄをあわせて半導体モジュール３０と総称する。夫々の半導体モジュール３０の一つの幅狭面から、正極端子３１、負極端子３２、中点端子３３が延びている。正極端子３１は、半導体モジュール３０の内部で２個のスイッチング素子の直列接続の正極側と接続しており、負極端子３２は、直列接続の負極側と接続している。中点端子３３は、半導体モジュール３０の内部で２個のスイッチング素子の直列接続の中点と接続している。
冷却器４１は、細長いチューブであり、内部を冷媒が流れる。複数の冷却器４１は、平行に配置されており、隣接する冷却器４１の間に、半導体モジュール３０あるいは、リアクトル３５が挟まれている。
隣接する冷却器４１は、２個の連結管４２ａ、４２ｂで接続されている。細長の冷却器４１の長手方向の一端に連結管４２ａが接続されており、他端に連結管４２ｂが接続されている。複数の冷却器４１の並びの端の冷却器４１ａには、供給管４３と排出管４４が接続されている。複数の冷却器４１の並び方向（図中のＸ方向）からみて、供給管４３は、連結管４２ａと重なるように配置されており、排出管４４は、連結管４２ｂと重なるように配置されている。供給管４３と排出管４４は、不図示の冷媒循環装置に接続される。冷媒循環装置から供給管４３を通じて冷媒が供給される。冷媒は、連結管４２ａを通じて全ての冷却器４１へ分配される。冷媒は、冷却器４１の内部を流れる間に隣接する半導体モジュール３０あるいはリアクトル３５の熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、連結管４２ｂと排出管４４を通じて冷媒循環装置に戻される。半導体モジュール３０の夫々とリアクトル３５は、両側に冷却器４１が接しており、両側から冷却される。積層ユニット４０は、複数のスイッチング素子とリアクトル３５を集中して冷却する。
図８に積層ユニット４０の平面図を示す。図８には、半導体モジュール３０の各端子と接続されるバスバ５１−５６とコンデンサ素子５０も描いてある。バスバとは、内部抵抗が小さい金属で作られた導電部材である。
バスバ５１−５６の配索について説明する。第１バスバ５１の一端は、第１半導体モジュール３０ａの正極端子３１に接続されている。第１バスバ５１の他端は、接続端子５１ａになっており、バッテリ１１から延びるパワーケーブルの正極線が接続される。第１バスバ５１の他端（接続端子５１ａ）は、電圧コンバータ回路１０の高電圧端正極１０ａ１に対応する。
第２バスバ５２の一端は、第１半導体モジュール３０ａの負極端子３２に接続されており、他端はコンデンサ素子５０の電極５０ｂに接続されている。第２バスバ５２は、途中で第２半導体モジュール３０ｂ−３０ｄの負極端子３２にも接続している。第２バスバ５２は、電極５０ｂの箇所で第３バスバ５３の一端とも接続している。第３バスバ５３の他端は、接続端子５３ａになっており、バッテリ１１から延びるパワーケーブルの負極線が接続される。第３バスバ５３の他端（接続端子５３ａ）は、電圧コンバータ回路１０の高電圧端負極１０ａ２に対応する。第２バスバ５２と第３バスバ５３は、電圧コンバータ回路１０とインバータ回路２０の負極線に相当する。
第４バスバ５４は、第１半導体モジュール３０ａの中点端子３３とリアクトル３５の第１端子３６を接続している。第５バスバ５５は、リアクトル３５の第２端子３７と、コンデンサ素子５０の電極５０ａと、第２半導体モジュール３０ｂ−３０ｄの正極端子３１を接続している。３本の第６バスバ５６は、それぞれ、第２半導体モジュール３０ｂ−３０ｄの中点端子３３と接続している。３本の第６バスバ５６の他端は接続端子５６ａになっている。３本の第６バスバ５６の他端（接続端子５６ａ）は、インバータ回路２０の３相交流出力端に相当する。
図８によく示されているように、複数の半導体モジュール３０とリアクトル３５（及びコンデンサ素子５０）が、バスバ５１−５６によって簡潔に整然と接続されている。リアクトル３５は、第１半導体モジュール３０ａと、第２半導体モジュール３０ｂ−３０ｄの間に配置されている。この配置により、半導体モジュール３０とリアクトル３５を接続するバスバ５１−５６の簡潔な配索が実現される。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例では、電力コントローラ８は、モータ１３で消費される電力が電力閾値Ｐｔｈよりも大きい場合、出力電圧を入力電圧に等しくする。電力コントローラ８は、モータ１３で消費される電力に代えて、インバータ回路２０に流れる電流をモニタすることで出力電圧を変更してもよい。電圧コンバータ回路１０のリアクトル５を流れる電流（即ち、電流センサ１６によって計測される電流）が、インバータ回路２０に供給される。従って、インバータ回路２０に流れる電流は、電圧コンバータ回路１０の電流センサ１６によって計測することができる。電力コントローラ８は、インバータ回路２０に流れる電流が所定の電流閾値よりも大きい場合、出力電圧を入力電圧に等しくするように構成されていてもよい。
バッテリ１１が直流電源の一例に相当する。直流電源は、燃料電池であってもよい。直流電源が燃料電池の場合、電圧コンバータ回路は、降圧動作だけが可能な降圧コンバータでよい。
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、２ａ：電力変換器
３ａ、３ｂ、４ａ−４ｆ：スイッチング素子
５：リアクトル
６、７：温度センサ
８：電力コントローラ
９、９ａ：ダイオード
１０、１１０：電圧コンバータ回路
１１：バッテリ
１２：平滑コンデンサ
１３：モータ
１４：回転数センサ
１５：上位コントローラ
１６：電流センサ
２０：インバータ回路
３０ａ：第１半導体モジュール
３０ｂ−３０ｄ：第２半導体モジュール
３５：リアクトル
４０：積層ユニット
４１、４１ａ：冷却器
５０：コンデンサ素子
５１−５６：バスバ
９０、９１：電気自動車
１０６：過電流保護器
１０７：充電ポート

Claims (9)

  1. 直流電源の電力を走行用モータの駆動電力に変換する電力変換器であり、
    前記走行用モータに交流電力を供給するインバータと、
    高電圧端が前記直流電源に接続されているとともに低電圧端が前記インバータに接続されており、スイッチング素子とリアクトルを含んでおり、前記直流電源の電圧を降圧して前記インバータに供給する電圧コンバータと、
    前記電圧コンバータを制御するコントローラと、
    を備えており、前記コントローラは、
    前記インバータに流れる電流または前記走行用モータで消費される電力が所定の閾値を下回っているときには、前記低電圧端の電圧が前記高電圧端の電圧よりも低くなるように前記スイッチング素子を制御し、
    前記インバータに流れる前記電流または前記走行用モータで消費される前記電力が前記閾値を上回っているときには、前記低電圧端の電圧が前記高電圧端の電圧と等しくなるように前記スイッチング素子を制御するように構成されている、電力変換器。
  2. 前記コントローラは、
    前記インバータに流れる電流または前記走行用モータで消費される電力が所定の閾値を下回っているときには、前記低電圧端の電圧が前記高電圧端の電圧よりも低くなるように前記スイッチング素子を制御し、
    前記インバータに流れる前記電流または前記走行用モータで消費される前記電力が前記閾値以上のときには、前記低電圧端の電圧が前記高電圧端の電圧と等しくなるように前記スイッチング素子を制御するように構成されている、請求項１に記載の電力変換器。
  3. 前記コントローラは、
    前記インバータに流れる電流または前記走行用モータで消費される電力が所定の閾値以下のときには、前記低電圧端の電圧が前記高電圧端の電圧よりも低くなるように前記スイッチング素子を制御し、
    前記インバータに流れる前記電流または前記走行用モータで消費される前記電力が前記閾値を上回っているときには、前記低電圧端の電圧が前記高電圧端の電圧と等しくなるように前記スイッチング素子を制御するように構成されている、請求項１に記載の電力変換器。
  4. 前記閾値は、前記走行用モータの回転数と出力トルクによって定められる、請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換器。
  5. 前記電圧コンバータは、前記高電圧端に入力された電圧を降圧して前記低電圧端から出力する降圧機能と、前記低電圧端に入力された電圧を昇圧して前記高電圧端から出力する昇圧機能を備えている双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであり、
    前記低電圧端に充電ポートが接続されている請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換器。
  6. 前記コントローラは、前記スイッチング素子または前記リアクトルの温度が所定の温度閾値を超えている場合、前記インバータに流れる電流または前記走行用モータで消費される電力の大きさに関わらずに、前記低電圧端の電圧が前記高電圧端の電圧と等しくなるように前記スイッチング素子を制御するように構成されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換器。
  7. 前記電圧コンバータは、
    正極線と負極線の間に接続されている半導体素子と、
    前記半導体素子と直列に接続されている過電流保護器と、
    を備えている、請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換器。
  8. 前記リアクトルの磁気飽和電流が前記インバータの最大入力電流よりも小さい、請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換器。
  9. 前記電圧コンバータは、前記スイッチング素子を収容している第１半導体モジュールを備えており、
    前記インバータは、電力変換用スイッチング素子を収容している第２半導体モジュールを備えており、
    前記リアクトルが、前記第１半導体モジュールと前記第２半導体モジュールの間に位置するように配置されている、請求項１から８のいずれか１項に記載の電力変換器。
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