JP7188330B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。

特許文献１に、電力変換装置が開示されている。この電力変換装置は、複数のスイッチング素子を備えており、それらのスイッチング素子を選択的にオンオフすることによって、電力変換を行うように構成されている。

特開２０１８－０４２４２４号公報

上記した電力変換装置では、例えばスイッチング素子の寿命や劣化等を検証するために、スイッチング素子の温度をモニタすることが有効である。本明細書は、スイッチング素子の温度を精度よくモニタする技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置は、各々が温度センサを有するスイッチング素子と、冷却ポンプで冷却水を循環させてスイッチング素子の各々を冷却する冷却システムと、冷却水の温度を測定する水温センサと、温度センサ及び水温センサに接続されており、スイッチング素子の温度履歴を記録する制御装置とを備える。制御装置は、温度センサによる測定温度が所定値以上のときは、温度センサによる測定温度を用いて温度履歴を記録する第１処理を実行する。他方、温度センサによる測定温度が所定値未満のときは、水温センサに基づいて推定した推定温度を用いて温度履歴を記録する第２処理を実行する。制御装置は、冷却ポンプが始動してから所定の動作安定条件が成立するまでは、温度センサによる測定温度が所定値未満であっても、第２処理を実行しない、又は、第２処理に修正を加える。

上記した電力変換装置では、スイッチング素子に設けられた温度センサによる測定温度が所定値以上のときは、当該温度センサによる測定温度を用いることによって、スイッチング素子の温度履歴が記録される。本明細書では、これを第１処理と称する。一方、当該測定温度が所定値未満であるときは、水温センサによる冷却水の測定温度を用いることによって、スイッチング素子の温度履歴が記録される。本明細書では、これを第２処理と称する。これにより、温度センサでは精度よくモニタできない温度域においても、スイッチング素子の温度をモニタすることができる。

しかしながら、冷却ポンプの始動直後では、系統内の冷却水に温度のばらつきが生じており、水温センサによる測定温度がスイッチング素子の温度に正しく対応しない。この課題に対して、上記した電力変換装置では、制御装置がさらに、冷却ポンプが始動してから所定の動作安定条件が成立するまでは、温度センサによる測定温度が所定値未満であっても、第２処理を実行しないように構成されている。あるいは、予想される冷却水の温度分布を考慮して、第２処理に修正を加えるように構成されている。このような構成によると、冷却水内の温度のばらつきによる影響を受けないで、スイッチング素子の温度をモニタすることができる。これにより、スイッチング素子の温度履歴を精度よく記録することができる。

実施例の電力変換装置１０の構成を示す電気回路図。 冷却システム３０の冷却系統を示すブロック図。 制御ユニット２０において、スイッチング素子１４ａの温度をモニタするために実行する処理の一例を示すフローチャート。 変形例の制御ユニット２０において、スイッチング素子１４ａの温度をモニタするために実行する処理の一例を示すフローチャート。

図１及び図２を参照して、実施例の電力変換装置１０について説明する。電力変換装置１０は、燃料電池車に搭載されている。但し、電力変換装置１０は、他の電動自動車といった例えば電気自動車又はハイブリッド車に搭載されていてもよい。電力変換装置１０は、電源である燃料電池２に接続されており、燃料電池２の電力を走行用モータ８の駆動電力に変換することができる。

図１に示すように、電力変換装置１０は、ＤＣ－ＤＣコンバータ１３と、インバータ１２と、駆動ユニット１８と、制御ユニット２０とを備える。ＤＣ－ＤＣコンバータ１３は、燃料電池２から供給された電力の電圧を昇圧して、インバータ１２に電力を供給する。特に限定されないが、本実施例におけるＤＣ－ＤＣコンバータ１３は、三つのＤＣ－ＤＣコンバータ回路１４を有する。三つのＤＣ－ＤＣコンバータ回路１４は、互いに並列に接続されている。各々のＤＣ－ＤＣコンバータ回路１４は、スイッチング素子１４ａと、ダイオード素子１４ｂと、コイル１４ｃとを備える。スイッチング素子１４ａの一端は、燃料電池２の負極２ｂに接続されている。スイッチング素子１４ａの他端は、コイル１４ｃを介して燃料電池２の正極２ａに接続されているとともに、ダイオード素子１４ｂのアノードに接続されている。ダイオード素子１４ｂのカソードは、高電位側の出力として、インバータ１２へ接続されている。ＤＣ－ＤＣコンバータ１３は、スイッチング素子１４ａを断続的にオンオフさせることで、燃料電池２の直流電圧を昇圧して、インバータ１２へ出力する。なお、三つのＤＣ－ＤＣコンバータ回路１４の三つのコイル１４ｃをリアクトル１６と称する。ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１４とインバータ１２との間には、平滑コンデンサ１５が設けられている。

特に限定されないが、ＤＣ－ＤＣコンバータ回路１４のスイッチング素子１４ａは、ＲＣ－ＩＧＢＴ（Reverse conducting Insulated Gate Bipolar Transistor）素子である。即ち、スイッチング素子１４ａは、ＩＧＢＴ構造と、それに対して逆並列に接続されたダイオード構造とを有している。前述したスイッチング素子１４ａの一端には、ＩＧＢＴ構造のエミッタ及びダイオード構造のアノードが接続されており、スイッチング素子１４ａの他端には、ＩＧＢＴ構造のコレクタ及びダイオード構造のカソードが接続されている。但し、スイッチング素子１４ａは、ＲＣ－ＩＧＢＴ素子に限定されず、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）素子又は他の種類のスイッチング素子であってもよい。

スイッチング素子１４ａは、温度センサ１４ｄを有している。温度センサ１４ｄは、スイッチング素子１４ａに内蔵されており、スイッチング素子１４ａの温度に対応する温度信号を出力する。温度センサ１４ｄは、例えば温度センスダイオードである。温度センサ１４ｄが出力する温度信号は、駆動ユニット１８に入力される。駆動ユニット１８は、その温度信号に基づいて、スイッチング素子１４ａの温度を監視するとともに、スイッチング素子１４ａの温度を示す温度情報を、制御ユニット２０へ出力することができる。

駆動ユニット１８は、各々のスイッチング素子１４ａに接続されており、各々のスイッチング素子１４ａを選択的にスイッチングすることができる。駆動ユニット１８には、制御ユニット２０が接続されており、駆動ユニット１８は、制御ユニット２０から出力される制御信号に基づいて、三つのスイッチング素子１４ａの動作（即ち、スイッチング）を制御する。前述したように、駆動ユニット１８は、スイッチング素子１４ａの温度を監視するとともに、スイッチング素子１４ａの温度を示す温度情報を、制御ユニット２０へ出力する。制御ユニット２０は、受信した各スイッチング素子１４ａの温度情報に基づいて、各スイッチング素子１４ａの温度履歴を記録するように構成されている。一例ではあるが、本実施例における制御ユニット２０は、予め区分されたいくつかの温度域について、スイッチング素子１４ａが各温度域を経験した時間をそれぞれ積算し、それをスイッチング素子１４ａの温度履歴として記録していく。このような温度履歴は、スイッチング素子１４ａの寿命や劣化等を検証するために、リアルタイム又はメンテナンス時において有効に利用することができる。なお、図示省略するが、駆動ユニット１８及び制御ユニット２０は、燃料電池２又は補助バッテリ４によって、直接的又は間接的に電力の供給を受けることができる。

インバータ１２は、六つのスイッチング素子１２ａを備えており、三相交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）のインバータ回路構造を有している。インバータ１２は、六つのスイッチング素子１２ａを選択的にスイッチングすることで、コンバータ１３から出力された直流電力を、走行用モータ８へ供給される三相交流電力に変換する。特に限定されないが、インバータ１２のスイッチング素子１２ａにも、ＤＣ－ＤＣコンバータ１３に採用されたスイッチング素子１４ａと同様のものが採用されている。また、インバータ１２の各スイッチング素子１２ａについても、制御ユニット２０に接続された駆動ユニット１８、又は、図示しない他の駆動ユニットに接続され、その動作が制御される。

電力変換装置１０は、補助バッテリ４と、補助バッテリ４に接続されたＤＣ－ＤＣコンバータ６をさらに備える。補助バッテリ４は、走行用モータ８に電力を供給するとともに、走行用モータ８で生成された電力を充電することができる。補助バッテリ４には、二次電池が採用されている。ＤＣ－ＤＣコンバータ６は、昇降圧可能に構成されている。ＤＣ－ＤＣコンバータ６は、補助バッテリ４からの直流電圧を昇圧して、走行用モータ８に供給することができる。あるいは、ＤＣ－ＤＣコンバータ６は、走行用モータ８で生成された電力を降圧し、補助バッテリ４に充電することができる。補助バッテリ４用のＤＣ－ＤＣコンバータ６は、二つのスイッチング素子６ａと、コイル６ｂとを備える。一方のスイッチング素子６ａの一端は、補助バッテリ４の負極４ｂに接続されている。一方のスイッチング素子６ａの他端は、コイル６ｂを介して補助バッテリ４の正極４ａに接続されているとともに、他方のスイッチング素子６ａの一端に接続されている。他方のスイッチング素子６ａの他端は、高電位側の出力として、インバータ１２へ接続されている。また、補助バッテリ４用のＤＣ－ＤＣコンバータ６とインバータ１２との間には、平滑コンデンサ７が設けられている。

電力変換装置１０は、図２に例示する冷却システム３０をさらに備える。冷却システム３０は、冷却水を循環させることによって、インバータ１２、リアクトル１６、ＤＣ－ＤＣコンバータ１３といった電力変換装置１０の構成要素を冷却する装置である。冷却システム３０は、ラジエータ３２と、冷却ポンプ３４と、水温センサ４０とを備える。ラジエータ３２は、冷却水の熱を大気へ放熱するように構成されている。冷却ポンプ３４は、冷却水を冷却システム３０内で循環させるように構成されている。水温センサ４０は、ラジエータ３２の下流側に設けられており、ラジエータ３２を通過した直後の冷却水の温度を測定するように構成されている。水温センサ４０は、制御ユニット２０に接続されており、冷却水の測定された温度を示す測定温度情報を、制御ユニット２０へ出力可能に構成されている。

冷却システム３０は、冷却ポンプ３４から送出された冷却水が、ラジエータ３２において放熱された後に、インバータ１２、リアクトル１６、ＤＣ－ＤＣコンバータ１３を順に通過して、再び冷却ポンプ３４へと戻る冷却系統を有している。例えば、ラジエータ３２を通過直後では、冷却水の温度Ｔ１は約４５℃であり、その後、各スイッチング素子１２ａ、１４ａ等から熱を吸収し、ＤＣ－ＤＣコンバータ１３を通過直後の温度Ｔ２は約５０℃まで昇温する（図２参照）。その後、昇温した冷却水は、再びラジエータ３２によって冷却される。

前述したように、本実施例の電力変換装置１０における制御ユニット２０では、例えばスイッチング素子１４ａの寿命や劣化等を検証するために、温度センサ１４ｄによるスイッチング素子１４ａの測定温度に基づいて、スイッチング素子１４ａの温度履歴を記録していく。しかしながら、温度センサ１４ｄが精度よく測定できる温度範囲は限られており、例えばスイッチング素子１４ａの温度が低いときは、温度センサ１４ｄが測定する温度に誤差が生じ得る。そこで、本実施例における制御ユニット２０は、水温センサ４０による冷却水の測定温度（Ｔ１）を用いて、スイッチング素子１４ａの温度を推定することができる。そして、制御ユニット２０は、スイッチング素子１４ａの温度に応じて、スイッチング素子１４ａによる実測温度Ｔａと、水温センサ４０による測定温度（Ｔ１）から推定した推定温度Ｔｂとの一方を選択的に用いて、スイッチング素子１４ａの温度履歴を記録する。

即ち、本実施例の電力変換装置１０における制御ユニット２０では、スイッチング素子１４ａに設けられた温度センサによる実測温度Ｔａが所定値Ｔｘ以上のときは、実測温度Ｔａを用いることによって、スイッチング素子１４ａの温度履歴が記録される。本明細書では、これを第１処理と称する。一方、実測温度Ｔａが所定値Ｔｘ未満であるときは、水温センサ４０による測定温度（Ｔ１）を用いてスイッチング素子１４ａの温度を推定し、その推定温度Ｔｂを用いることによって、スイッチング素子１４ａの温度履歴が記録される。本明細書では、これを第２処理と称する。これにより、温度センサ１４ｄでは精度よく測定できない温度域においても、スイッチング素子１４ａの温度をモニタすることができる。

しかしながら、冷却ポンプ３４の始動直後では、系統内の冷却水に温度のばらつきが生じており、水温センサ４０による推定温度Ｔｂがスイッチング素子１４ａの温度に正しく対応しない。この課題に対して、本実施例の電力変換装置１０では、制御ユニット２０がさらに、冷却ポンプ３４が始動してから所定の動作安定条件が成立するまでは、実測温度Ｔａが所定値未満であっても、第２処理を実行しないように構成されている。このような構成によると、冷却水内の温度のばらつきによる影響を受けないで、スイッチング素子１４ａの温度をモニタすることができる。これにより、スイッチング素子１４ａの温度履歴を精度よく記録することができる。

図３を参照して、電力変換装置１０の制御ユニット２０において、スイッチング素子１４ａの温度をモニタするために実行する処理の一例について説明する。スイッチング素子１４ａの実測温度Ｔａと、水温センサ４０の温度との間の関係は、例えば実車を用いて実際に測定したり、シミュレーションによって算出することができる。一例ではあるが、本実施例では、実車を用いて実測温度Ｔａと水温センサ４０の測定温度（Ｔ１）との間の差分温度ΔＴを測定し、それを基準値として制御ユニット２０に記憶させている。これにより、制御ユニット２０は、水温センサ４０の測定温度に、差分温度ΔＴを加算することよって、スイッチング素子１４ａの推定温度Ｔｂを求めることができる。なお、この差分温度ΔＴは、水温センサ４０の各温度において、それぞれ算出されていてよい。

図３に示すように、ステップＳ１２において、制御ユニット２０は、スイッチング素子１４ａの実測温度Ｔａが所定値Ｔｘ以上であるのか否かを判断する。実測温度Ｔａが所定値Ｔｘ以上であった場合、ステップＳ１４において制御ユニット２０は、第１処理を実行し、実測温度Ｔａを記録する。

実測温度Ｔａが所定値Ｔｘ未満であった場合、ステップＳ１６において、冷却水が系統内を十分に循環したのか否かを判断する。具体的には、制御ユニット２０は、冷却システム３０について、所定の動作安定条件が成立したのか否かを判定する。ここでいう所定の動作安定条件は、冷却ポンプ３４が始動してからの経過時間や、冷却ポンプ３４の単位時間あたりの回転数などについて、適宜定めることができる。冷却水が十分に循環したと判断した場合、ステップＳ１８において、制御ユニット２０は、第２処理を実行し、水温センサ４０による推定温度Ｔｂを記録する。冷却水が十分に循環したと判断しなかった場合、再度ステップＳ１６に戻り、冷却水が十分に循環したと判断するまで、ステップＳ１６を繰り返す。

以上の一連のステップにより、電力変換装置１０が、スイッチング素子１４ａの温度をモニタするための処理を終了する。このように、電力変換装置１０は、冷却ポンプ３４が始動してから所定の動作安定条件が成立するまでは、第２処理を実行しないように構成されている。そのため、冷却水内の温度のばらつきによる影響を受けないで、スイッチング素子１４ａの温度をモニタすることができる。但し、電力変換装置１０がスイッチング素子１４ａの温度をモニタするために実行する処理は、上記した方法に限定されず、電力変換装置１０は適宜変更することができる。

次に、図４を参照して、電力変換装置１０の変形例について説明する。上述した実施例では、冷却ポンプ３４が始動してから所定の動作安定条件が成立するまでは、実測温度Ｔａが所定値未満であっても、制御ユニット２０が第２処理を実行しないように構成されている。それに対して、図４に示す変形例では、冷却ポンプ３４が始動してから所定の動作安定条件が成立するまでは、予想される冷却水の温度分布を考慮して、制御ユニット２０が第２処理に修正を加えるように構成されている。このような構成であっても、冷却水内の温度のばらつきによる影響を受けないで、スイッチング素子１４ａの温度をモニタすることができる。なお、電力変換装置１０における他の構成については、実施例と同様のため省略する。

図４に示すように、変形例の制御ユニット２０においても、ステップＳ１２－Ｓ１６までの処理は、前述した実施例と同様に実行される。その一方で、変形例の制御ユニット２０では、冷却ポンプ３４について前記の動作安定条件が成立するまでは、スイッチング素子１４ａの推定温度Ｔｂに補正処理を加えた上で、スイッチング素子１４ａの温度履歴を記録する。即ち、この間は、推定温度Ｔｂに代えて、それに補正を加えた補正温度Ｔｃを用いることによって、温度履歴が記録される。一例ではあるが、補正温度Ｔｃは、次のように求めることができる。即ち、制御ユニット２０は、冷却ポンプ３４の始動直後における水温センサ４０の測定温度を記憶しておき、その始動直後の測定温度と、冷却水が十分に循環した段階での水温センサ４０の測定温度との差分温度ΔＴ１を算出する。そして、始動直後の推定温度Ｔｂに、この差分温度ΔＴ１を加算することによって補正温度Ｔｃを求める。これにより、始動直後の期間については、補正温度Ｔｃを用いてスイッチング素子１４ａの温度履歴が記録される。

図４に示すように、ステップＳ１６において、冷却水が十分に循環したと判断するまでは、ステップＳ１１７において、制御ユニット２０は、水温センサ４０による推定温度Ｔｂに補正処理を実行し、ステップＳ１１８において、補正温度Ｔｃを記録する。これにより、冷却水内の温度のばらつきによる影響を受けないで、スイッチング素子１４ａの温度をモニタすることができる。

本実施例では、電力変換装置１０の制御ユニット２０において、ＤＣ－ＤＣコンバータ１３における各スイッチング素子１４ａの温度をモニタするための処理ついて説明した。但し、本技術は、これに限定されず、インバータ１２における各スイッチング素子１２ａや、図示しない他のスイッチング素子にも適用することができる。

以上、本明細書が開示する技術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、又は、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、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。本明細書又は図面に例示した技術は、複数の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：バッテリ
４：補助バッテリ
１２ａ、１４ａ：スイッチング素子
１０：電力変換装置
１２：インバータ
１３：ＤＣ－ＤＣコンバータ
１６：リアクトル
１８：駆動ユニット
２０：制御ユニット
３０：冷却システム
３２：ラジエータ
３４：冷却ポンプ
４０：水温センサ

Claims (1)

1. 各々が温度センサを有するスイッチング素子と、
   冷却ポンプで冷却水を循環させて前記スイッチング素子の各々を冷却する冷却システムと、
   前記冷却水の温度を測定する水温センサと、
   前記温度センサ及び前記水温センサに接続されており、前記スイッチング素子の温度履歴を記録する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記温度センサによる測定温度が所定値以上のときは、前記温度センサによる前記測定温度を用いて前記温度履歴を記録する第１処理を実行し、
   前記温度センサによる前記測定温度が前記所定値未満のときは、前記水温センサに基づいて推定した推定温度を用いて前記温度履歴を記録する第２処理を実行する、電力変換装置において、
   前記制御装置は、前記冷却ポンプが始動してから所定の動作安定条件が成立するまでは、前記温度センサによる前記測定温度が前記所定値未満であっても、前記第２処理を実行しない、又は、前記第２処理に修正を加える、
   電力変換装置。

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