JP7135879B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関し、詳しくは、複数のリアクトルが順に配置された冷却流路を備える電力変換装置に関する。
従来、この種の電力変換装置としては、最高発熱温度が高い順に複数の発熱電子部品を冷却流路の上流側から下流側に配置したものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この装置では、第1コンデンサと第1リアクトルを有する第1昇圧回路と、第2コンデンサと第2リアクトルを有する第2昇圧回路と、を有し、第1コンデンサ、第1リアクトル、第2コンデンサ、第2リアクトルの中から選択された複数の部品を発熱電子部品としている。
特開2017-152612号公報
複数のリアクトルを順に冷却流路に配置した場合、各リアクトルの温度が許容最高温度に達していないか否かを確認するために各リアクトルに温度センサを取り付ける場合がある。この場合、部品点数が多くなり、管理も煩雑になってしまう。一方、一部のリアクトルには温度センサを取り付けない場合には、温度センサを取り付けていないリアクトルが異常発熱する事態を検知することができない。
本発明の電力変換装置は、取り付けるべき温度センサを少なくすることを主目的とする。
本発明の電力変換装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の電力変換装置は、
複数のリアクトルと、前記複数のリアクトルが順に配置された冷却流路と、を備え、蓄電装置からの電力を変換する電力変換装置であって、
前記複数のリアクトルのうち最も熱抵抗が大きいリアクトルを含む一部のリアクトルのみに温度センサを取り付けた、
ことを特徴とする。
この本発明の電力変換装置では、冷却流路に順に配置された複数のリアクトルのうち最も熱抵抗が大きいリアクトルを含む一部のリアクトルのみに温度センサを取り付ける。熱抵抗の小さいリアクトルの冷却系に異常が生じ、そのリアクトルが連続して許容最大温度となるときの最も熱抵抗の大きいリアクトルの温度を予め求めておき、最も熱抵抗が大きいリアクトルの温度が求めた温度以下となるように電力変換装置を駆動すれば、熱抵抗の小さいリアクトルの温度は許容最大温度以下となり、いずれのリアクトルも発熱異常を生じることなく電力変換装置を駆動することができる。熱抵抗が大きいリアクトルに温度センサを取り付けるのは、熱抵抗が大きいリアクトルの温度の変化の程度が熱抵抗の小さいリアクトルの温度の変化の程度に比して大きくなることに基づく。即ち、変化の程度が大きいパラメータを用いることにより、変化の程度が小さいパラメータを用いる場合に比して、制御の感度を高くし、より適正に制御することができるからである。これらの結果、取り付けるべき温度センサを少なくすることができる。なお、「複数のリアクトル」は、蓄電装置からの電力を昇圧して出力する並列接続された複数の昇圧回路が有するリアクトルが含まれる。
こうした本発明の電力変換装置において、前記複数のリアクトルのうち最も熱抵抗が大きいリアクトルのみに温度センサを取り付けたものとしてもよい。こうすれば、取り付けるべき温度センサを少なくすることができる。
本発明の電力変換装置において、前記複数のリアクトルのうち最も熱抵抗が大きいリアクトルが前記冷却流路における最下流部に配置されているものとしてもよい。冷却流路の最下流部では、冷却流路を流れる冷却媒体の温度が高くなるため冷却効果が小さくなる。こうした冷却効果の最も小さくなる箇所に最も熱抵抗が大きいリアクトルを配置し、このリアクトルの温度を検出して電力変換装置を駆動することにより、より冷却効果の高い箇所に配置されたより熱抵抗が小さいリアクトルの温度を許容最大温度以下として電力変換装置を駆動することができる。
本発明の電力変換装置において、前記温度センサにより検出された温度が閾値温度以上のときには前記蓄電装置の出力を制限するものとしてもよい。ここで、閾値温度としては、複数のリアクトルのうち最も熱抵抗の小さいリアクトルの冷却系に異常が生じてそのリアクトルが許容最大温度まで加熱したときの最も熱抵抗の大きいリアクトルの温度かそれより若干低い温度を用いることができる。こうすれば、複数のリアクトルのいずれをも許容最大温度以下として電力変換装置を駆動することができる。
本発明の一実施例としての電力変換装置40を搭載する電気自動車20の電気的な構成の概略を示す構成図である。 電力変換装置40の冷却系を中心とする構成を模式的に示す模式構成図である。 上段側流路42bおよび下段側流路42aの平面構成の一例を模式的に示す模式平面図である。 リアクトルL1とリアクトルL2の流量感度の一例を示す説明図である。 電子制御ユニット50により実行される出力制限解除処理の一例を示すフローチャートである。 リアクトルL2の冷却系に異常が生じたときのリアクトルL1の温度T1とリアクトルL2の温度T2との関係の一例を示す説明図である。 補正係数設定用マップの一例を示す説明図である。
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施例としての電力変換装置40を搭載する電気自動車20の電気的な構成の概略を示す構成図であり、図2は、電力変換装置40の冷却系を中心とする構成を模式的に示す模式構成図である。実施例の電気自動車20は、図1に示すように、モータ22と、インバータ24と、蓄電装置としてのバッテリ26、第1昇圧コンバータCVT1および第2昇圧コンバータCVT2を有する電力変換装置40と、電子制御ユニット50と、を備える。
モータ22は、例えば同期発電電動機として構成されており、図示しないが、回転子が駆動輪にデファレンシャルギヤを介して連結された駆動軸に接続されている。インバータ24は、モータ22に接続されると共に高電圧側電力ライン32に接続されている。モータ22は、電子制御ユニット50によって、インバータ24の図示しない複数のスイッチング素子がスイッチング制御されることにより、回転駆動される。
バッテリ26は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、低電圧側電力ライン34に接続されている。低電圧側電力ライン34の正極側ラインと負極側ラインとには、バッテリ26の接続や遮断を行なうシステムメインリレー28と平滑用のコンデンサ36とがこの順にバッテリ26側から取り付けられている。
電力変換装置40は、第1昇圧コンバータCVT1と第2昇圧コンバータCVT2と冷却系41とを備え、高電圧側電力ライン32と低電圧側電力ライン34とに接続されており、低電圧側電力ライン34の電力(バッテリ26からの電力)を昇圧して高電圧側電力ライン32に供給したり、高電圧側電力ライン32の電力(モータ22により回生された電力)を降圧して低電圧側電力ライン34側に供給する。
第1昇圧コンバータCVT1は、高電圧側電力ライン32と低電圧側電力ライン34とに接続されており、2つのトランジスタT11,T12と、2つのダイオードD11,D12と、リアクトルL1と、コンデンサC1と、を有する周知の昇降圧コンバータとして構成されている。トランジスタT11は、高電圧側電力ライン32の正極側ラインに接続されている。トランジスタT12は、トランジスタT11と、高電圧側電力ライン32および低電圧側電力ライン34の負極側ラインと、に接続されている。リアクトルL1は、トランジスタT11,T12同士の接続点と、低電圧側電力ライン34の正極側ラインと、に接続されている。コンデンサC1は、高電圧側電力ライン32と低電圧側電力ライン34とに接続されている。第1昇圧コンバータCVT1は、電子制御ユニット50によって、トランジスタT11,T12のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧側電力ライン34の電力を電圧の昇圧を伴って高電圧側電力ライン32に供給したり、高電圧側電力ライン32の電力を電圧の降圧を伴って低電圧側電力ライン34に供給したりする。
第2昇圧コンバータCVT2は、リアクトルL2の材料や取付手法などが異なるものの、第1昇圧コンバータCVT1と実質的に同一の性能の昇圧コンバータとして構成されている。即ち、第2昇圧コンバータCVT2は、第1昇圧コンバータCVT1と同様に、高電圧側電力ライン32と低電圧側電力ライン34とに接続されており、2つのトランジスタT21,T22と、2つのダイオードD21,D22と、リアクトルL2と、コンデンサC2と、を有する周知の昇降圧コンバータとして構成されている。この第2昇圧コンバータCVT2は、電子制御ユニット50によって、トランジスタT21,T22のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧側電力ライン34の電力を電圧の昇圧を伴って高電圧側電力ライン32に供給したり、高電圧側電力ライン32の電力を電圧の降圧を伴って低電圧側電力ライン34に供給したりする。
冷却系41は、図2に示すように、冷却媒体(例えば、水など)を循環させる冷却流路42と、取り付けられて冷却媒体を圧送するポンプ44と、外気により冷却媒体を冷却するラジエータ46と、を備える。冷却流路42は、下段に配置されてポンプ44からの冷却媒体が供給される下段側流路42aと、下段側流路42aより下流側となる上段側流路42bを有する。上段側流路42bおよび下段側流路42aの平面構成の一例を模式的に示す模式平面図を図3に示す。図2および図3中、L1,L2はリアクトルL1,L2を示し、C1,C2はコンデンサC1,C2を示す。上段側流路42bおよび下段側流路42aは、例えば、図示するように、冷却媒体が供給用プールから複数の流路に分流し、その後、複数の流路から排出用プールで合流するように構成されている。下段側流路42aには、第2昇圧コンバータCVT2のリアクトルL2、コンデンサC2がこの順に冷却されるようにリアクトルL2、コンデンサC2が配置されている。また、上段側流路42bには、第1昇圧コンバータCVT1のリアクトルL1、コンデンサC1がこの順に冷却されるようにリアクトルL1、コンデンサC1が配置されている。
第1昇圧コンバータCVT1のリアクトルL1と第2昇圧コンバータCVT2のリアクトルL2は、上述したように材料や取付手法などが異なるため、その熱抵抗が異なる。実施例では、リアクトルL1がリアクトルL2に比して熱抵抗が大きくなるように構成されている。ここで、熱抵抗は、温度の伝えにくさを表わす値であり、単位時間当たりの発熱量あたりの温度上昇量(単位は[K/W])である。したがって、リアクトルL1はリアクトルL2に比して冷却されにくくなる。リアクトルL1とリアクトルL2の流量感度の一例を図4に示す。図4の横軸は下段側流路42aや上段側流路42bに流れる冷却媒体の流量[L/min]を示し、縦軸はリアクトルL1およびリアクトルL2の発熱比を示
す。図示するように、リアクトルL1は、リアクトルL2に比して冷却媒体への熱伝導性が低い(熱抵抗が大きい)のが解る。
電子制御ユニット50は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROMやデータを一時的に記憶するRAM,不揮発性のフラッシュメモリ,入出力ポートを備える。
電子制御ユニット50には、図1に示すように、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット50に入力される信号としては、例えば、モータ22の回転子の回転位置を検出する図示しない回転位置検出センサからの回転位置θmや、モータ22の各相に流れる電流を検出する図示しない電流センサからの相電流Iu,Ivを挙げることができる。また、バッテリ26の端子間の電圧やバッテリ26に流れる電流Ib、バッテリ26の温度Tb、高電圧側電力ライン32の電圧VH、低電圧側電力ライン34の電圧VLなども挙げることもできる。さらに、第1昇圧コンバータCVT1のリアクトルL1に流れる電流IL1や第2昇圧コンバータCVT2のリアクトルL2に流れる電流IL2、リアクトルL1に取り付けられた温度センサ48(図2参照)からのリアクトル温度T2なども挙げることができる。さらに、図示しないが、イグニッションスイッチからのイグニッション信号や、シフトレバーの操作位置を検出するシフトポジションセンサからのシフトポジション、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサからのアクセル開度Acc、ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサからのブレーキペダルポジション,車速センサからの車速Vも挙げることができる。
電子制御ユニット50からは、図1に示すように、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット50から出力される信号としては、例えば、インバータ24の複数のスイッチング素子へのスイッチング制御信号や、第1昇圧コンバータCVT1のトランジスタT11,T12へのスイッチング制御信号,第2昇圧コンバータCVT2のトランジスタT21,T22へのスイッチング制御信号、システムメインリレー28への駆動制御信号を挙げることができる。
電子制御ユニット50は、モータ22の回転子の回転位置θmに基づいてモータ22の電気角θeや回転数Nmを演算している。また、電子制御ユニット50は、バッテリ26に流れる電流Ibの累積値に基づいてバッテリ26の蓄電割合SOCを演算したり、演算した蓄電割合SOCとバッテリ26の温度Tbとに基づいてバッテリ26を充放電してもよい最大許容電力である入出力制限Win,Woutを演算したりしている。ここで、蓄電割合SOCは、バッテリ26の全容量に対するバッテリ26から放電可能な電力の容量の割合である。
こうして構成された実施例の電気自動車20では、走行用の制御として、電子制御ユニット50は、アクセル開度Accと車速Vとに基づいて走行に要求される(駆動軸26に要求される)要求トルクTp*を設定し、設定した要求トルクTp*をモータ22のトルク指令Tm*に設定し、モータ22がトルク指令Tm*で駆動されるようにインバータ24の複数のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。
次に、リアクトルL1の温度T1に基づいてバッテリ26の出力を制限したり、その制限を介助したりする際の動作について説明する。図5は、電子制御ユニット50により実行される出力制限解除処理の一例を示すフローチャートである。このルーチンは、所定時間毎(例えば1秒や数秒毎)に繰り返し実行される。
出力制限解除処理が実行されると、電子制御ユニット50は、まず、温度センサ48からリアクトルL1の温度T1を入力する処理を実行する(ステップS100)。続いて、入力した温度T1を閾値温度Tref未満であるか否かを判定する(ステップS110)。閾値温度Trefとしては、リアクトルL2の冷却系に異常が生じ、リアクトルL2が連続して許容最大温度TmaxであるときのリアクトルL1の温度かそれより若干低い温度を用いることができる。例えば、図3において、下流側流路42aの複数の流路のうちリアクトルL2に接する流路の全てがゴミなどの異物により閉塞した場合を考える。この場合のリアクトルL1の温度T1とリアクトルL2の温度T2との関係を図6に示す。この場合、リアクトルL1の温度T1が閾値温度Tref未満であれば、リアクトルL2の温度T2は許容最大温度Tmax以下となる。
ステップS110でリアクトルL1の温度T1が閾値温度Tref以上であると判定したときには、リアクトルL2の温度が許容最大温度Tmaxを超えないようにするために、バッテリ26の出力を制限して(ステップS130)、本処理を終了する。バッテリ26の出力の制限としては、電子制御ユニット50により演算されるバッテリ26の出力制限Woutを制限すること、例えば、この出力制限Woutに値1未満の補正係数kを乗じて得られるもの(k×Wout)を実行用の出力制限Woutとして設定することなどにより行なうことができる。こうしたバッテリ26の出力の制限は、リアクトルL1の温度T1と閾値温度Trefとの差分(T1-Tref)が大きいほど大きく制限する(小さな補正係数kを乗じる)ものとしてもよい。この場合、温度T1と閾値温度Trefとの差分(T1-Tref)と補正係数kとの関係を予め定めて補正係数設定用マップとして記憶しておき、差分(T1-Tref)が与えられると、マップから対応する補正係数kを導出して用いるものとしてもよい。補正係数設定用マップkの一例を図7に示す。
一方、ステップS110でリアクトルL1の温度T1が閾値温度Tref未満であると判定したときには、バッテリ26の出力を制限しているときにはその制限を解除して(ステップS120)、本処理を終了する。
このように、熱抵抗が大きいリアクトルL1の温度T1により制御するのは、リアクトルT1の温度T1の変化の程度は、熱抵抗がリアクトルL2より大きいため、リアクトルL2の温度T2の変化の程度より大きくなることに基づく。即ち、変化の程度が大きいパラメータを用いて制御することにより、変化の程度が小さいパラメータを用いて制御する場合に比して、制御の感度を高くし、より適正に制御することができることに基づいている。また、冷却流路42において、熱抵抗が大きいリアクトルL1を下流側に配置するのは、冷却効果が小さい下流部で温度の変化の程度が大きいパラメータを用いて冷却効果が大きい上流側のリアクトルの温度を推定する方が、冷却効果が大きい上流側で温度の変化の程度が大きいパラメータを用いて冷却効果が小さい下流側のリアクトルの温度を推定する場合に比して、制御の精度が高くなることに基づく。
以上説明した実施例の電気自動車20に搭載される電力変換装置40では、2つのリアクトルL1,L2のうち熱抵抗が大きいリアクトルL1のみに温度センサ48を取り付けている。これにより、2つのリアクトルL1,L2の双方に温度センサを取り付けるものに比して、取り付けるべき温度センサを少なくすることができる。熱抵抗が大きいリアクトルL1のみに温度センサ48を取り付けるのは、リアクトルT1の温度T1の変化の程度は、熱抵抗がリアクトルL2より大きいため、リアクトルL2の温度T2の変化の程度より大きくなるため、温度センサ48からのリアクトルL1の温度T1だけでリアクトルL2の温度T2が許容最大温度Tmax以下となるようにすることができることに基づく。
また、実施例の電気自動車20に搭載される電力変換装置40では、冷却流路42において、熱抵抗が小さいリアクトルL1を上流側の下段側流路42aにより冷却されるように配置すると共に熱抵抗が大きいリアクトルL2を下流側の上段側流路42bにより冷却されるように配置する。これにより、制御の精度を高くすることができ、より適正にリアクトルL2の温度T2を許容最大温度Tmax以下とすることができる。
さらに、実施例の電気自動車20に搭載される電力変換装置40では、熱抵抗が大きいリアクトルL1に取り付けられた温度センサ48からの温度T1が閾値温度Tref以上のときには、バッテリ26の出力を制限する。これにより、電力変換装置40のリアクトルL1,L2に流れる電流を抑制し、リアクトルL1,L2の温度が上昇するのを抑制することができる。
実施例の電力変換装置40では、冷却流路42において、熱抵抗が小さいリアクトルL1を上流側に配置すると共に熱抵抗が大きいリアクトルL2を下流側に配置した。しかし、熱抵抗が大きいリアクトルL2を上流側に配置すると共に熱抵抗が小さいリアクトルL1を下流側に配置してもよい。即ち、図2に示す冷却媒体の流れを逆にしてもよいのである。この場合でも、温度センサ48からのリアクトルL1の温度T1だけでリアクトルL2の温度T2が許容最大温度Tmax以下となるようにすることができる。
実施例の電力変換装置40では、冷却流路42において、2つのリアクトルL1,L2を順に配置したが、3つ以上のリアクトルを順に配置してもよい。この場合、3つ以上のリアクトルのうち最も熱抵抗が大きいリアクトルのみに温度センサを取り付けるものとしてもよいし、3つ以上のうち最も熱抵抗が大きいリアクトルを含む一部のリアクトルに温度センサを取り付けるものとしてもよい。例えば、冷却流路において3つのリアクトルを順に配置する場合、熱抵抗が最も大きいリアクトルのみに温度センサを取り付けたり、熱抵抗が大きい方から順に2つのリアクトルのみに温度センサを取り付けたりしてもよい。また、この場合、冷却流路において、3つのリアクトルを熱抵抗が大きい方から順に下流側から配置するのが好ましい。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、リアクトルL1とリアクトルL2が「複数のリアクトル」に相当し、冷却流路42が「冷却流路」に相当し、電力変換装置40が「電力変換装置」に相当する。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、電力変換装置の製造産業などに利用可能である。
20 電気自動車、22 モータ、24 インバータ、26 バッテリ、28 システムメインリレー、32 高電圧側電力ライン、34 低電圧側電力ライン、36 コンデンサ、40 電力変換装置、41 冷却系、42 冷却流路、42a 下段側流路、42b 上段側流路、44 ポンプ、46 ラジエータ、48 温度センサ、50 電子制御ユニット、C1,C2 コンデンサ、CVT1 第1昇圧コンバータ、CVT2 第2昇圧コンバータ、D11,D12,D21,D22 ダイオード、L1,L2 リアクトル、T11,T12,T21,T22 トランジスタ。

Claims (4)

  1. 並列接続された複数の昇圧回路と、前記複数の昇圧回路が各々有する複数のリアクトルが順に配置された冷却流路と、を備え、蓄電装置からの電力を変換する電力変換装置であって、
    前記複数のリアクトルのうち前記冷却流路の冷却媒体への熱伝導性が最も低いリアクトルを含む一部のリアクトルのみに温度センサを取り付けた、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項1記載の電力変換装置であって、
    前記複数のリアクトルのうち前記冷却流路の冷却媒体への熱伝導性が最も低いリアクトルのみに温度センサを取り付けた、
    電力変換装置。
  3. 請求項1または2記載の電力変換装置であって、
    前記複数のリアクトルのうち前記冷却流路の冷却媒体への熱伝導性が最も低いリアクトルが前記冷却流路における最下流部に配置されている、
    電力変換装置。
  4. 請求項1ないし3のいずれか1つの請求項に記載の電力変換装置であって、
    前記温度センサにより検出された温度が閾値温度以上のときには前記蓄電装置の出力を制限する、
    電力変換装置。
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