JP7298220B2 - 液冷式インバータ - Google Patents

Description

本明細書では、冷却液を使用してインバータを冷却する液冷式インバータの保護技術を開示する。

電気自動車やハイブリッド自動車等は、走行用モータをインバータ制御して走行する。インバータは、スイッチング素子を利用しているところ、走行用モータに給電するインバータが備えているスイッチング素子の発熱量は大きく、冷却液を使用してインバータを冷却する液冷式インバータが開発されている。以下では、説明の便宜のため、走行用モータを単にモータと表記する。

特許文献１に、冷却液の温度をセンサで検出し、その温度によってモータの最大トルクを制限する（換言すれば、インバータが供給する電力の最大値を制限する）技術が開示されている。特許文献１の図４には、冷却液温度が上昇するほど、インバータが供給する電力の最大値を低下させる技術が開示されている。

冷却液の温度検出装置が故障することがあり得る。特許文献１では、検出値が正常時にはあり得ない異常値になったときに故障したとし、発電機用インバータの運転を停止し、発電機用インバータが備えているスイッチング素子用の温度検出装置の検出値を冷却液温度とみなし、みなした冷却液温度（実際には運転停止中の発電機用インバータの温度）に基づいてインバータ（モータ用インバータ）の上限電力を決定する。

特開２０１７－１６３６４９号公報

特許文献１の技術は、モータを駆動するモータ用インバータの他に、エンジンで駆動する発電機が出力する交流とバッテリが蓄積している直流との間で変換する発電機用インバータを備えており、冷却液の温度検出装置の異常時には、発電機用インバータの運転を停止し、冷却液温度と発電機用インバータの温度がほぼ等しくなる状態を作り出す。特許文献１の技術は、モータ用インバータと発電機用インバータの双方を備えている場合に有効な技術であって、発電機用インバータを備えていない場合には適用することができない。またインバータのスイッチング素子用の温度検出装置の存在を前提とし、スイッチング素子用の温度検出装置を備えていない場合には適用することができない。

本明細書では、モータ用インバータとは別のインバータの有無にかかわらずに適用可能な技術を開示する。また、インバータのスイッチング素子用の温度検出装置を必要としない技術を開示する。

本明細書で開示する液冷式インバータは、モータ（走行用のモータ）に電力を供給するインバータと、インバータのスイッチング素子を制御するインバータ制御装置と、冷却液によってインバータを冷却する冷却装置と、冷却液の温度検出装置を備えている。

インバータ制御装置は、温度検出装置の検出値に対応する上限電力を定めているマップを記憶しているとともに、マップを参照して検出値から得られる上限電力以下にインバータの電力を制限する。さらに、インバータ制御装置は、温度検出装置の検出値から温度検出装置に「短絡・断線故障」と「偏差故障」が発生しているか否かを監視する。インバータ制御装置は、「短絡・断線故障」の発生を検出したら、マップに関わらず、あらかじめ設定されている所定値を上限電力としてインバータを制御する。インバータ制御装置は、「偏差故障」の発生を検出したら、その偏差分を検出値に加えた値に対応する上限電力をマップから特定し、インバータの出力が特定された上限電力以下となるようにインバータを制御する。

上記の液冷式インバータによると、冷却液の温度検出装置に故障が発生した場合には、故障内容に対応する処理を選択して実行することから、故障時にもインバータを保護しながらインバータの運転を継続することができる。２以上のインバータが存在しない場合にも対応でき、冷却液の温度検出装置に代替する温度検出装置を必要としない。

実施例の液冷式インバータの構成を模式的に示す。 冷却液温度と、温度検出装置の検出値の関係を例示する。 「短絡・断線故障」の発生を監視する処理手順を示す。 「偏差故障」の発生を監視する処理手順を示す。 温度検出装置の検出値と、インバータの上限電力の関係を記憶しているマップの記憶内容を示す。 上限電力以下に制限する処理手順を示す。

図１は実施例の液冷式インバータの構成を模式的に示しており、走行用のモータ５０を制御する（モータ５０に給電する）インバータ３０を冷却装置１０で冷却する。モータ５０は、３相分のコイルを備えている。インバータ３０は、６個のスイッチング素子３６、３８、４０、４２、４４、４６を備えており、インバータ制御装置６０によって前記スイッチング素子群のオン・オフを個々に制御することで、モータ５０のコイル群に加える電流値を制御し、通電方向を切り換える。インバータ３０は、モータ５０に供給する電力を制御することでモータ５０を制御する。インバータ３０は、平滑用コンデンサ３４と、その温度検出装置３２も備えている。スイッチング素子３６、３８、４０、４２、４４、４６には、温度検出装置が設けられていない。図示２０は、インバータ３０の近傍に配置されている昇圧コンバータを模式的に示している。昇圧コンバータ２０は、リアクタンス２２と、その温度検出装置２４を備えている。インバータ３０とモータ５０の構造と動作は既知であり、詳細説明を省略する。

冷却装置１０は、冷却液循環路１２、循環ポンプ１４、冷却液の温度検出装置１６、放熱器１８等で構成され、放熱器１８で冷却された冷却液を循環ポンプ１４でインバータ３０の近傍に送り込み、インバータ３０を冷却する。インバータ３０に送り込まれる冷却液の温度が温度検出装置１６で検出される。温度検出装置１６、３２、２４の検出値はインバータ制御装置６０に入力される。インバータ制御装置６０は、スイッチング素子３６、３８、４０、４２、４４、４６を個々に制御する。

図２は、冷却液の温度と、温度検出装置１６の検出値の関係を例示している。インバータが置かれる環境と、インバータが過熱されないで正常に動作している場合の上限温度等から、冷却液温度は所定の温度幅内にあるはずである。図２では、これを検出範囲としている。図２の断線故障基準値は、正常時にあり得る冷却液の最低温度に対応する検出値より低い値であり、検出値が断線故障基準値以下であれば、正常ではないことがわかる関係に設定されている。検出値が断線故障基準値以下であれば、温度検出装置またはその接続線等に断線が発生したと判断することができる。図２の短絡故障基準値は、正常時にあり得る冷却液の最高温度に対応する検出値より高い値であり、検出値が短絡故障基準値以上であれば、正常ではないことがわかる関係に設定されている。検出値が短絡故障基準値以上であれば、温度検出装置またはその接続線等に短絡が発生したと判断することができる。

図３は短絡故障あるいは断線故障が発生しているか否かを監視する処理手順であり、インバータ制御装置６０によって所定時間間隔で繰り返し実行される。ステップＳ４では、冷却液の温度検出装置１６の検出値が短絡故障基準値以上か否かを判定し、以上であれば、ステップＳ６に進んで短絡故障の発生を示す短絡故障フラグに１を立てる。ステップＳ８では、冷却液の温度検出装置１６の検出値が断線故障基準値以下か否かを判定し、以下であれば、ステップＳ１０に進み、断線故障の発生を示す断線絡故障フラグに１を立てる。

図４は、偏差故障が発生しているか否かを監視する処理手順であり、インバータ制御装置６０によってインバータ３０の運転開始時に実行される。ステップＳ１４では、直前の運転停止から所定時間以上が経過したか否かを判断する。ここでの所定時間は、直前の運転中に発熱した部品がその後に冷却され、部品群の温度がほぼ一様温度になるまでの時間をいう。例えば前夜に運転を終了して翌朝に運転を開始するような場合、その間に部品群の温度がほぼ等しくなり、運転開始時の部品群温度はほぼ一様であるといえる。図１の場合、冷却液の温度検出装置１６による検出値と、平滑用コンデンサ３４の温度検出装置３２の検出値と、リアクタンス２２の温度検出装置２４の検出値がほぼ等しいはずの条件を、ステップＳ１４で選び出す。

ステップＳ１６では、それらの検出値を比較する。例えば、温度検出装置３２の検出値と温度検出装置２４の検出値がほぼ等しく、温度検出装置１６の検出値がそれらからズレている場合、温度検出装置１６による検出値にはズレ(偏差)が含まれているとすることができる。ステップＳ１６で温度検出装置１６の検出値には偏差が含まれていることが判明すると、ステップＳ１８で偏差故障の発生を示す偏差故障フラグに１を立てる。ステップＳ２０では偏差の大きさを記憶する。

図５は、インバータ制御装置６０が記憶しているマップの内容を図示しており、冷却液の温度（温度検出装置１６の検出値）に対応づけてインバータ３０が出力する上限電力の値を記憶している。冷却液温度が上昇した時にインバータ３０が大出力状態を持続すると、インバータ３０が過熱し、ダメージを受ける可能性がある。図５のマップでは、冷却液温度が上昇すると、インバータ３０が出力する上限電力を下げる関係を記憶している。インバータ制御装置６０は、スイッチング素子３６、３８、４０、４２、４４、４６等の通電時間を制限し、インバータ３０が上限電力を超える電力を出力しないように制限する。

図５において、温度検出装置１６の検出値に偏差が含まれていない場合、例えば冷却液温度が検出値Ａに対応する温度である場合、上限電力をａにすれば、インバータ３０は過熱状態にならない。しかるに温度検出装置１６の検出値に偏差が含まれている場合、例えば、実際の冷却液温度より低い検出値を検出する場合、上限電力をａに制限しても過熱状態になるおそれがある。例えば、検出値に含まれる偏差を補償した場合の冷却液温度がＢとなる場合、上限電力をｂに制限する必要がある。その一方において、実際の冷却液温度より高い検出値を検出する場合、検出値に含まれる偏差を補償した場合の冷却液温度はＣであり、上限電力をｃに制限すればよい。ａのまま適用すると、モータ５０の出力を不必要に制限することになってしまう。

上記の偏差に起因する問題は、検出値Ａに含まれる偏差の分だけ検出値を読み替え、（その結果、ＢまたはＣに読み替えられる）、読み替えた検出値に対応する上限電力を特定する（その結果、ｂまたはｃが特定される）ことで解消する。

図６は、インバータ制御装置６０が実行する上限電力制限処理の手順を示し、ステップＳ２４では、温度検出装置１６の検出値と図５のマップから、上限電力を特定する（この段階では温度検出装置１６の検出値に含まれる偏差を補償しない）。

Ｓ２６では、偏差故障フラグに１が設定されているか否か（偏差故障が発生しているか否か）を判断し、発生していれば、ステップＳ２８に進み、温度検出装置１６の検出値を偏差によって補償した値と図５のマップから、上限電力を特定する（ここで、温度検出装置１６の検出値に含まれる偏差が補償される）。別言すれば、インバータ制御装置６０は、偏差故障の発生を検出したら、その偏差分を温度検出装置１６の検出値に加えた値に対応する上限電力を図５のマップから特定する。偏差分は、図４のステップＳ２０にて記憶されている。

Ｓ３０では短絡故障フラグに１が設定されているか否かを判断し、短絡故障が発生していればステップＳ３４に進む。Ｓ３２では断線故障フラグに１が設定されているか否かを判断し、断線故障が発生していればステップＳ３４に進む。短絡故障が発生していても、断線故障が発生していても、ステップＳ３４に進む。

ステップＳ３４は、温度検出装置１６が全く利用できない場合の処理である。この場合は、冷却液の温度が最高温度であっても、インバータ３０の過熱を防止できる上限電力を採用する。図５の場合、温度によって変化する上限電力の変動範囲ｄのなかの最低値ｅを上限電力とすれば、条件に関わらず、インバータ３０の過熱を防止できる。

実際には、図５のマップには、余裕ないし安全率が含まれており、例えばｆで示す電力までは許容されることがある。本実施例では、冷却液の温度に関わらずにインバータ３０の過熱を防止できる上限電力ｆを実験などによって求め、それをステップＳ３４の所定値としている。インバータ制御装置６０は、「短絡・断線故障」の発生を検出したら、前述したマップに関わらず、インバータ３０の出力があらかじめ設定されている所定値（この場合は図５の上限電力ｆ）を超えないようにインバータ３０を制御する。

上記実施例によると、温度検出装置１６に偏差故障が生じればその偏差を補償する処理が選択され、短絡・断線故障が発生すれば冷却液の温度に関わらずにインバータの過熱を防止できる処理を選択する。温度検出装置１６に故障が発生した場合にも、インバータの過熱を防止しながらインバータの運転を継続することが可能となる。温度検出装置１６の故障時に備えた代替部品を設ける必要をなくすことができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。インバータ制御装置６０は、図４の処理によって、温度検出装置１６に偏差故障が生じているか否かを監視する。インバータ制御装置６０は、直前のインバータ３０の運転停止から所定時間が経過していたら、温度検出装置１６の検出値を液冷式インバータが備えている別の温度センサの計測値と比較する。インバータ制御装置６０は、温度検出装置１６の検出値と別の温度センサの計測値が所定の閾値偏差以上に相違していたら、偏差故障が生じていると判断するとともに、別の温度センサの計測値から温度検出装置１６の検出値を減じた値を偏差として記憶する。図６のステップＳ２８で用いられる偏差は、このとき記憶した偏差である。

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。

１０：冷却装置
１２：冷却液循環路
１４：ポンプ
１６：冷却液の温度検出装置
１８：放熱器
２０：昇圧コンバータ
２２：リアクトル
２４：リアクトルの温度検出装置
３０：インバータ
３２：平滑用コンデンサの温度検出装置
３４：平滑用コンデンサ
３６、３８、４０、４２、４４、４６：スイッチング素子
５０：モータ
６０：インバータ制御装置

Claims (1)

1. 液冷式インバータであって、
   モータに電力を供給するインバータと、前記インバータのスイッチング素子を制御するインバータ制御装置と、冷却液によって前記インバータを冷却する冷却装置と、前記冷却液の温度検出装置を備えており、
   前記インバータ制御装置は、前記温度検出装置の検出値に対応する上限電力を定めているマップを記憶しているとともに、前記マップを参照して前記検出値から得られる前記上限電力以下に前記インバータの出力を制限し、
   前記インバータ制御装置は、
   直前の前記インバータの運転停止から所定時間が経過していたら、前記温度検出装置の検出値を当該液冷式インバータが備えている別の温度センサの計測値または他の温度検出装置の検出値と比較し、
   前記温度検出装置の検出値と前記別の温度センサの計測値または前記他の温度検出装置の検出値が所定の閾値偏差以上に相違していたら、偏差故障が生じていると判断するとともに、前記別の温度センサの計測値または前記他の温度検出装置の検出値から前記温度検出装置の検出値を減じた値を偏差分として記憶し、
   前記温度検出装置の検出値から前記温度検出装置に「短絡・断線故障」と「偏差故障」が発生しているか否かを監視し、
   「短絡・断線故障」の発生を検出したら、前記マップに関わらず、あらかじめ設定されている所定値を上限電力とし、
   「偏差故障」の発生を検出したら、前記偏差分を前記検出値に加えた値に対応する上限電力を前記マップから特定する、ことを特徴とする液冷式インバータ。

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