JPWO2007064020A1 - 電気自動車用dc−dcコンバータ - Google Patents

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Abstract

本発明は、コストダウンが図られた電気自動車用DC−DCコンバータを提供する。電気自動車の蓄電装置(10)と走行用モータとの間に介挿され、走行用モータの力行動作時には、リアクトル(L1)と昇圧用スイッチング素子(Q2)と昇圧用ダイオード(D1)とを用いて蓄電装置(10)の電力を昇圧し、走行用モータの回生動作時には、リアクトル(L1)と降圧用スイッチング素子(Q1)と降圧用ダイオード(D2)とを用いて回生電力を降圧する電気自動車用DC−DCコンバータ(20)において、昇圧用スイッチング素子(Q2)の電流許容量は、降圧用スイッチング素子(Q1)の電流許容量よりも大きい。

Description

本発明は、電気自動車において蓄電装置と走行用モータとの間に介挿される電気自動車用DC−DCコンバータに関する。
近年、エンジンとモータとを駆動源とするハイブリッド自動車が普及してきている。ハイブリッド自動車は、一般に、従来のエンジンに加え、バッテリと、このバッテリの直流電力を交流電力に変換するインバータと、このインバータにて変換された交流電流によって駆動される走行用モータとを有する。
上記ハイブリッド自動車の一形態として、バッテリとインバータとの間にDC−DCコンバータを有するものが知られている(例えば、国際公開第2003/015254号パンフレットを参照)。このDC−DCコンバータは、走行用モータの力行動作時には、バッテリの電力を昇圧してインバータに供給し、走行用モータの回生動作時には、インバータからの回生電力を降圧してバッテリを充電する。
図8は、従来の電気自動車用DC−DCコンバータの概略構成を示す図である。図8において、電気自動車用DC−DCコンバータ20’は、上アームのIGBT(Insulated−gate bipolar transistor)Q11’〜Q14’、下アームのIGBTQ21’〜Q24’、上アームのダイオードD11’〜D14’、下アームのダイオードD21’〜D24’、およびリアクトルL1’を含むチョッパ回路で構成されている。素子当たりの発熱量を抑える等の観点より、上下アームのそれぞれにおいて、複数(図8では4個)のIGBTが並列接続され、複数(図8では4個)のダイオードが並列接続されている。
なお、特許第3692993号明細書には、DC−DCコンバータの制御方法であって、DC−DCコンバータの損失特性に基づき、負荷の要求出力に応じてスイッチング素子のスイッチング周波数を設定するものが開示されている。
また、特開平10−70889号公報には、互いに並列接続された複数のスイッチング素子をそれぞれ備える複数のアームをブリッジに接続してなるインバータ回路が開示されている。
また、特開2003−274667号公報には、三相フルブリッジ回路の下アームにセンス付きIGBTを用い、そのコレクタ・主エミッタ間およびコレクタ・センスエミッタ間に2つのダイオードを並列に接続する旨が開示されている。
本発明は、コストダウンが図られた電気自動車用DC−DCコンバータを提供する。
本発明に係る電気自動車用DC−DCコンバータは、電気自動車の蓄電装置と走行用モータとの間に介挿され、前記走行用モータの力行動作時には、リアクトルと昇圧用スイッチング素子と昇圧用ダイオードとを用いて前記蓄電装置の電力を昇圧し、前記走行用モータの回生動作時には、リアクトルと降圧用スイッチング素子と降圧用ダイオードとを用いて回生電力を降圧する電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、前記昇圧用スイッチング素子の電流許容量が、前記降圧用スイッチング素子の電流許容量よりも大きいことを特徴とする。
本発明の一態様では、前記昇圧用スイッチング素子は、複数のスイッチング素子が互いに並列接続されてなり、並列接続されるスイッチング素子の素子数は、前記昇圧用スイッチング素子の方が前記降圧用スイッチング素子よりも多い。
また、本発明の一態様では、前記昇圧用スイッチング素子および前記降圧用スイッチング素子を構成する複数のスイッチング素子は、互いに略同一である。
また、本発明の一態様では、前記昇圧用スイッチング素子の放熱効率が、前記降圧用スイッチング素子の放熱効率よりも高い。
また、本発明の一態様では、前記昇圧用スイッチング素子の素子面積が、前記降圧用スイッチング素子の素子面積よりも大きい
また、本発明の一態様では、前記昇圧用スイッチング素子の耐熱性が、前記降圧用スイッチング素子の耐熱性よりも高い。
また、本発明の一態様では、前記昇圧用スイッチング素子の検出温度が所定の昇圧側上限温度に達すると前記昇圧用スイッチング素子への通電を実質的に禁止し、前記降圧用スイッチング素子の検出温度が所定の降圧側上限温度に達すると前記降圧用スイッチング素子への通電を実質的に禁止する制御手段を有し、前記昇圧側上限温度が前記降圧側上限温度よりも高くなるように構成されている。
また、本発明の一態様では、前記昇圧用スイッチング素子および前記降圧用スイッチング素子は、それぞれ複数のスイッチング素子が互いに並列接続されてなり、前記制御手段は、前記昇圧用スイッチング素子を構成する複数のスイッチング素子の複数の検出温度のうち最も高い検出温度が前記昇圧側上限温度に達すると、通電を実質的に禁止する。
また、本発明の一態様では、前記昇圧用スイッチング素子および前記降圧用スイッチング素子を構成する複数のスイッチング素子は、互いに略同一である。
また、本発明の一態様では、さらに、前記昇圧用ダイオードの電流許容量が、前記降圧用ダイオードの電流許容量よりも大きい。
本発明に係る電気自動車用DC−DCコンバータは、電気自動車の蓄電装置と走行用モータとの間に介挿され、前記走行用モータの力行動作時には、リアクトルと昇圧用スイッチング素子と昇圧用ダイオードとを用いて前記蓄電装置の電力を昇圧し、前記走行用モータの回生動作時には、リアクトルと降圧用スイッチング素子と降圧用ダイオードとを用いて回生電力を降圧する電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、前記昇圧用ダイオードの電流許容量が、前記降圧用ダイオードの電流許容量よりも大きいことを特徴とする。
本発明の一態様では、前記昇圧用ダイオードは、複数のダイオードが互いに並列接続されてなり、並列接続されるダイオードの素子数は、前記昇圧用ダイオードの方が前記降圧用ダイオードよりも多い。
また、本発明の一態様では、前記昇圧用ダイオードおよび前記降圧用ダイオードを構成する複数のダイオードは、互いに略同一である。
また、本発明の一態様では、前記昇圧用ダイオードの放熱効率が、前記降圧用ダイオードの放熱効率よりも高い。
また、本発明の一態様では、前記昇圧用ダイオードの素子面積が、前記降圧用ダイオードの素子面積よりも大きい。
また、本発明の一態様では、前記昇圧用ダイオードの耐熱性が、前記降圧用ダイオードの耐熱性よりも高い。
本発明に係る電気自動車用モータ駆動装置は、上記いずれかの電気自動車用DC−DCコンバータを備えることを特徴とする。
本発明によれば、コストダウンが図られた電気自動車用DC−DCコンバータを提供することができる。
図1は、実施の形態に係る電気自動車用DC−DCコンバータを含む電気自動車の概略構成を示す図である。
図2は、第1の構成例における電気自動車用DC−DCコンバータの一例を示す概略回路図である。
図3は、第4の構成例の構成(b)における電気自動車用DC−DCコンバータの一例を示す概略上面図である。
図4は、第4の構成例の構成(c)における電気自動車用DC−DCコンバータの一例を示す概略上面図である。
図5は、昇圧側負荷率制限マップを示す図である。
図6は、降圧側負荷率制限マップを示す図である。
図7は、2つの走行用モータを備える電気自動車の概略構成を示す図である。
図8は、従来の電気自動車用DC−DCコンバータの概略構成を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
図1は、本実施の形態に係る電気自動車用DC−DCコンバータ20を含む電気自動車1の概略構成を示す図である。電気自動車1は、蓄電装置の電力を用いて走行用モータを駆動することにより車両を駆動する自動車である。電気自動車1は、例えば、ハイブリッド自動車(HV:Hybrid Vehicle)、いわゆる電気自動車(EV:Electric Vehicle)、燃料電池車(FCEV:Fuel cell Electric Vehicle)などであり、そのタイプは特に限定されない。
図1において、電気自動車1は、蓄電装置10、DC−DCコンバータ20、インバータ30、走行用モータ40、および制御装置50を含んで構成されている。
蓄電装置10は、電力を蓄積して直流電圧を出力するものであり、ここではニッケル水素やリチウムイオン等のバッテリである。ただし、蓄電装置10は、大容量コンデンサ等であってもよい。
DC−DCコンバータ20は、スイッチング素子(ここではIGBT)Q1,Q2、ダイオードD1,D2、リアクトルL1を含むチョッパ回路で構成される。スイッチング素子Q1,Q2は、インバータ30の電源ラインとアースラインとの間に直列に接続される。上アームのスイッチング素子Q1のコレクタは電源ラインに接続され、下アームのスイッチング素子Q2のエミッタはアースラインに接続される。スイッチング素子Q1,Q2の中間点、すなわちスイッチング素子Q1のエミッタとスイッチング素子Q2のコレクタの接続点にはリアクトルL1の一方端が接続されている。このリアクトルL1の他方端は、蓄電装置10の正極に接続される。また、スイッチング素子Q2のエミッタは、蓄電装置10の負極に接続される。また、各スイッチング素子Q1,Q2のコレクターエミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すようにダイオードD1,D2が配置される。上記リアクトルL1の他方端とアースラインとの間には平滑用コンデンサC1が接続され、スイッチング素子Q1のコレクタとアースラインとの間には平滑用コンデンサC2が接続される。
インバータ30は、電源ラインとアースラインとの間に互いに並列に配置されるU相、V相、W相の各アームから構成される。U相アームはスイッチング素子(ここではIGBT)Q3,Q4の直列接続からなり、V相アームはスイッチング素子Q5,Q6の直列接続からなり、W相アームはスイッチング素子Q7,Q8の直列接続からなる。また、各スイッチング素子Q3〜Q8のコレクターエミッタ間には、それぞれ、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードD3〜D8が配置されている。
走行用モータ40は、3相の永久磁石モータであり、U,V,W相の3つのコイルの一端が中点で共通接続されて構成されており、U相コイルの他端がスイッチング素子Q3,Q4の中間点、V相コイルの他端がスイッチング素子Q5,Q6の中間点、W相コイルの他端がスイッチング素子Q7,Q8の中間点に接続されている。
制御装置50は、DC−DCコンバータ20およびインバータ30を制御するものである。制御装置50は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、メインメモリなどを含み、制御装置50の各種機能は、ROM等の記録媒体に記録された制御プログラムがメインメモリに読み出されてCPUにより実行されることによって実現される。ただし、制御装置50の機能の一部または全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。また、制御装置50は、物理的に複数の装置により構成されてもよい。
次に、上記構成を有する電気自動車1の動作について、力行動作時と回生動作時とに分けて説明する。
(力行動作時)
DC−DCコンバータ20は、制御装置50により制御されて、蓄電装置10の電力を昇圧してインバータ30に供給する。具体的には、DC−DCコンバータ20は、上アームのスイッチング素子Q1をオフ状態として、下アームのスイッチング素子Q2をオン・オフすることにより、蓄電装置10の出力電圧を昇圧してインバータ30に供給する。より具体的に説明すると、スイッチング素子Q2がオンになると、スイッチング素子Q2を介してリアクトルL1に電流が流れ、蓄電装置10からの直流電力がリアクトルL1に蓄積される。そして、スイッチング素子Q2がオフになると、リアクトルL1に蓄積された直流電力がダイオードD1を介してインバータ30側に出力される。
インバータ30は、制御装置50により制御されて、スイッチング素子Q3〜Q8をオン・オフすることにより、DC−DCコンバータ20から供給される直流電力を交流電力に変換し、得られた交流電力を走行用モータ40に供給する。これにより、走行用モータ40が回転駆動される。
ちなみに、走行用モータ40は高回転となるほど逆起電力が大きくなり、最大トルクが低下する。DC−DCコンバータ20は、これに対処するためのものであり、インバータ30から走行用モータ40への印加電圧を高くすることで、高回転領域での最大トルクを高めることができる。
なお、上記説明では、上アームのスイッチング素子Q1をオフ状態としているが、スイッチング素子Q2がオンのときにスインチング素子Q1がオフとなりスイッチング素子Q2がオフのときにスイッチング素子Q1がオンとなるように、スイッチング素子Q1とQ2とを互い違いにオン・オフしてもよい。この場合でも、昇圧動作時においては、上アームのスイッチング素子Q1および下アームのダイオードD2には電流は流れない。
(回生動作時)
電気自動車1の制動時や減速時において、走行用モータ40は、発電機として動作し、交流電力を発生してインバータ30に出力する。
インバータ30は、制御装置50に制御されて、スイッチング素子Q3〜Q8をオン・オフすることにより、走行用モータ40で発電された交流電力を直流電力に変換し、得られた直流電力をDC−DCコンバータ20に供給する。
DC−DCコンバータ20は、制御装置50に制御されて、インバータ30からの直流電力を降圧して蓄電装置10を充電する。具体的には、DC−DCコンバータ20は、下アームのスイッチング素子Q2をオフ状態として、上アームのスイッチング素子Q1をオン・オフすることにより、インバータ30の出力電圧を降圧して蓄電装置10に供給する。より具体的に説明すると、スイッチング素子Q1がオンになると、スイッチング素子Q1を介してリアクトルL1に電流が流れ、インバータ30からの直流電力がリアクトルL1に蓄積される。そして、スイッチング素子Q1がオフになると、リアクトルL1の起電力によりダイオードD2を介して電流が還流し、これによりリアクトルL1に蓄積された直流電力が蓄電装置10に供給される。これにより、蓄電装置10が充電される。
なお、上記説明では、下アームのスイッチング素子Q2をオフ状態としているが、スイッチング素子Q1がオンのときにスイッチング素子Q2がオフとなりスイッチング素子Q1がオフのときにスイッチング素子Q2がオンとなるように、スイッチング素子Q1とQ2とを互い違いにオン・オフしてもよい。この場合でも、降圧動作時においては、下アームのスイッチング素子Q2および上アームのダイオードD1には電流は流れない。
上述のとおり、DC−DCコンバータ20において、力行動作時(昇圧時)には、下アームのスイッチング素子Q2と上アームのダイオードD1とが用いられ、回生動作時(降圧時)には、上アームのスイッチング素子Q1と下アームのダイオードD2とが用いられる。すなわち、スイッチング素子Q2およびダイオードD1は、それぞれ昇圧用スイッチング素子および昇圧用ダイオードであり、スイッチング素子Q1およびダイオードD2は、それぞれ降圧用スイッチング素子および降圧用ダイオードである。
一般に、DC−DCコンバータ20には、力行時の方が回生時よりも大きな電流が流れる。したがって、昇圧用スイッチング素子Q2の方が降圧用スイッチング素子Q1よりも、また昇圧用ダイオードD1の方が降圧用ダイオードD2よりも、大きな電流が通電し、熱負荷が大きい。そこで、本実施の形態では、昇圧用スイッチング素子Q2の電流許容量を降圧用スイッチング素子Q1の電流許容量よりも大きくする。また、昇圧用ダイオードD1の電流許容量を降圧用ダイオードD2の電流許容量よりも大きくする。
以下、昇圧用素子の電流許容量が降圧用素子の電流許容量よりも大きい構成の例として、第1〜第4の構成例を示す。なお、下記第1〜第4の構成例に係る構成は適宜組み合わされてもよい。
(第1の構成例)
本構成例では、力行時と回生時の電気仕様の違いに応じて、素子1個当たりの発熱量(通電電流値)を抑える観点より、スイッチング素子Q1,Q2およびダイオードD1,D2は次のように構成される。
すなわち、本構成例では、昇圧用スイッチング素子Q2は、図2に示されるように、複数の(単位)スイッチング素子が互いに並列接続されてなり、並列接続される(単位)スイッチング素子の素子数は、昇圧用スイッチング素子Q2の方が降圧用スイッチング素子Q1よりも多い。ここで、降圧用スイッチング素子Q1は、1個の素子であってもよいし、複数の(単位)スイッチング素子が互いに並列接続されて構成されてもよい。別の言い方をすれば、本構成例では、昇圧用スイッチング素子Q2はM個の単位素子(チップ)に分割されて構成され、降圧用スイッチング素子Q1はN個の単位素子(チップ)に分割されて構成され、Mは2以上の整数であり、Nは1以上の整数であり、M>Nである。さらに、本構成例では、スイッチング素子Q1およびQ2を構成する複数(M+N個)のスイッチング素子は、互いに略同一である。
具体的には、図2に示される例では、昇圧用スイッチング素子Q2は4個のIGBTQ21〜Q24が並列接続されてなり、降圧用スイッチング素子Q1は3個のIGBTQ11〜Q13が並列接続されてなる。IGBTQ11〜Q13,Q21〜Q24は、互いに同一仕様である。
また、本構成例では、昇圧用ダイオードD1は、図2に示されるように、複数の(単位)ダイオードが互いに並列接続されてなり、並列接続される(単位)ダイオードの素子数は、昇圧用ダイオードD1の方が降圧用ダイオードD2よりも多い。ここで、降圧用ダイオードD2は、1個の素子であってもよいし、複数の(単位)ダイオードが互いに並列接続されて構成されてもよい。別の言い方をすれば、本構成例では、昇圧用ダイオードD1はJ個の単位素子(チップ)に分割されて構成され、降圧用ダイオードD2はK個の単位素子(チップ)に分割されて構成され、Jは2以上の整数であり、Kは1以上の整数であり、J>Kである。さらに、本構成例では、ダイオードD1およびD2を構成する複数のダイオードは、互いに略同一である。
具体的には、図2に示される例では、昇圧用ダイオードD1は4個のダイオードD11〜D14が並列接続されてなり、降圧用ダイオードD2は3個のダイオードD21〜D23が並列接続されてなる。ダイオードD11〜D14,D21〜D23は、互いに同一仕様である。
(第2の構成例)
本構成例では、昇圧用スイッチング素子Q2の放熱効率が、降圧用スイッチング素子Q1の放熱効率よりも高い。
一つの態様では、昇圧用スイッチング素子Q2そのものの放熱性能が、降圧用スイッチング素子Q1そのものの放熱性能より高い。例えば、昇圧用スイッチング素子Q2の素子面積が、降圧用スイッチング素子Q1の素子面積よりも大きい。
別の一つの態様では、スイッチング素子を冷却する冷却手段が設けられており、昇圧用スイッチング素子Q2を冷却する冷却性能が、降圧用スイッチング素子Q1を冷却する冷却性能よりも高い。例えば、スイッチング素子を冷却するための冷媒が流される構成において、昇圧用スイッチング素子Q2は冷媒の流通経路の上流側に配置され、降圧用スイッチング素子Q1は下流側に配置される。
また、本構成例では、昇圧用ダイオードD1の放熱効率が、降圧用ダイオードD2の放熱効率よりも高い。
一つの態様では、昇圧用ダイオードD1そのものの放熱性能が、降圧用ダイオードD2そのものの放熱性能より高い。例えば、昇圧用ダイオードD1の素子面積が、降圧用ダイオードD2の素子面積よりも大きい。
別の一つの態様では、ダイオードを冷却する冷却手段が設けられており、昇圧用ダイオードD1を冷却する冷却性能が、降圧用ダイオードD2を冷却する冷却性能よりも高い。例えば、ダイオードを冷却するための冷媒が流される構成において、昇圧用ダイオードD1は冷媒の流通経路の上流側に配置され、降圧用ダイオードD2は下流側に配置される。
(第3の構成例)
本構成例では、昇圧用スイッチング素子Q2の素子耐熱性が、降圧用スイッチング素子Q1の素子耐熱性よりも高い。具体的には、昇圧用スイッチング素子Q2は、降圧用スイッチング素子Q1に比較して高耐熱材で形成される。例えば、昇圧用スイッチング素子Q2はSiC半導体素子であり、降圧用スイッチング素子Q1はSi半導体素子である。
また、本構成例では、昇圧用ダイオードD1の素子耐熱性が、降圧用ダイオードD2の素子耐熱性よりも高い。具体的には、昇圧用ダイオードD1は、降圧用ダイオードD2に比較して高耐熱材で形成される。例えば、昇圧用ダイオードD1は炭化珪素(SiC)半導体素子であり、降圧用ダイオードD2は珪素(Si)半導体素子である。
(第4の構成例)
本構成例では、制御装置50は、昇圧用スイッチング素子Q2の検出温度が所定の昇圧側上限温度に達すると昇圧用スイッチング素子Q2への通電を実質的に禁止し、降圧用スイッチング素子Q1の検出温度が所定の降圧側上限温度に達すると降圧用スイッチング素子Q1への通電を実質的に禁止する。そして、DC−DCコンバータ20は、上記昇圧側上限温度が上記降圧側上限温度よりも高くなるように構成される。例えば、DC−DCコンバータ20は、降圧用スイッチング素子Q1に比較して、昇圧用スイッチング素子Q2の温度が正確に検出されるように構成される。
ここで、スイッチング素子の検出温度は、温度センサにより検出されるスイッチング素子の温度である。
また、スイッチング素子への通電を実質的に禁止するとは、スイッチング素子の通電量を、素子の破損を防止する程度に小さい量に制限することを意味し、一つの態様では通電を完全に禁止する。
なお、昇圧用スイッチング素子Q2の検出温度が所定の昇圧側上限温度に達した場合に、スイッチング素子Q2のみならず、スイッチング素子Q1への通電を実質的に禁止してもよい。また、降圧用スイッチング素子Q1の検出温度が所定の降圧側上限温度に達した場合に、スイッチング素子Q1のみならず、スイッチング素子Q2への通電を実質的に禁止してもよい。
具体的には、本構成例では、昇圧用スイッチング素子Q2および降圧用スイッチング素子Q1は、互いに略同一であり、例えば互いに同一仕様の素子である。制御装置50は、昇圧用スイッチング素子Q2の検出温度TLが昇圧側上限温度TL1(=T1−ΔTL)に達すると、昇圧用スイッチング素子Q2への通電を実質的に禁止する。また、制御装置50は、降圧用スイッチング素子Q1の検出温度TUが降圧側上限温度TU1(=T1−ΔTU)に達すると、降圧用スイッチング素子Q1への通電を実質的に禁止する。ここで、T1は、スイッチング素子Q1,Q2の素子耐熱温度である。ΔTLは、昇圧用スイッチング素子Q2の温度の検出誤差を考慮したマージン(余裕量)である。ΔTUは、降圧用スイッチング素子Q1の温度の検出誤差を考慮したマージンである。DC−DCコンバータ20は、ΔTL<ΔTUとなるように、すなわちTL1>TU1となるように構成される。このような構成としては、例えば下記(a)〜(c)の構成がある。なお、下記(a)〜(c)の構成は、適宜組み合わされてもよい。
(a)昇圧用スイッチング素子Q2の温度の検出精度が降圧用スイッチング素子Q1の温度の検出精度よりも高くなるように、温度センサが構成される。
(b)DC−DCコンバータ20は、図3に示される構成を有する。すなわち、昇圧用スイッチング素子Q2は2個のスイッチング素子Q21,Q22が並列接続されてなり、降圧用スイッチング素子Q1は2個のスイッチング素子Q11,Q12が並列接続されてなる。スイッチング素子Q21,Q22,Q11,Q12は、互いに略同一であり、例えば互いに同一仕様である。また、昇圧用ダイオードD1は2個のダイオードD11,D12が並列接続されてなり、降圧用ダイオードD2は2個のダイオードD21,D22が並列接続されてなる。ダイオードD11,D12,D21,D22は、互いに略同一であり、例えば互いに同一仕様である。また、スイッチング素子Q11の温度を検出する温度センサS1と、スイッチング素子Q21の温度を検出する温度センサS2とが設けられている。ここでは、温度センサS1およびS2の検出精度は、互いに同一である。
制御装置50は、温度センサS2による検出温度(すなわちスイッチング素子Q21の検出温度)TLが昇圧側上限温度TL1(=T1−ΔTL)に達すると、スイッチング素子Q21,Q22への通電を実質的に禁止する。また、制御装置50は、温度センサS1による検出温度(すなわちスイッチング素子Q11の検出温度)TUが降圧側上限温度TU1(=T1−ΔTU)に達すると、スイッチング素子Q11,Q12への通電を実質的に禁止する。
ここでは、ΔTLは、温度センサS2の検出公差ΔTSと、スイッチング素子Q21,Q22間の温度差ΔT2とを考慮したマージンであり、例えばΔTL=ΔTS+ΔT2である。また、ΔTUは、温度センサS1の検出公差ΔTSと、スイッチング素子Q11,Q12間の温度差ΔT1とを考慮したマージンであり、例えばΔTU=ΔTS+ΔT1である。
そして、DC−DCコンバータ20は、ΔT2<ΔT1となるように構成される。例えば、スイッチング素子Q21,Q22間の温度差ΔT2が小さくなるように、素子の選別により、素子特性が揃った2つのスイッチング素子がスイッチング素子Q21,Q22として用いられる。
(c)昇圧用スイッチング素子Q2は、複数のスイッチング素子が互いに並列接続されてなり、制御装置50は、上記複数のスイッチング素子の複数の検出温度のうち最も高い検出温度が昇圧側上限温度に達すると通電を実質的に禁止する。
より具体的には、昇圧用スイッチング素子Q2および降圧用スイッチング素子Q1は、それぞれ複数のスイッチング素子が互いに並列接続されてなり、昇圧用スイッチング素子Q2および降圧用スイッチング素子Q1を構成する複数のスイッチング素子は、互いに略同一(例えば同一仕様)である。そして、制御装置50は、昇圧用スイッチング素子Q2を構成する複数のスイッチング素子の複数の検出温度のうち最も高い検出温度が昇圧側上限温度に達すると通電を実質的に禁止する。降圧側については、例えば、降圧用スイッチング素子Q1を構成する複数のスイッチング素子のうち1つのスイッチング素子の温度が検出され、制御装置50は、当該1つのスイッチング素子の検出温度が降圧側上限温度に達すると通電を実質的に禁止する。
一例を挙げると、DC−DCコンバータ20は、図4に示される構成を有する。すなわち、昇圧用スイッチング素子Q2は2個のスイッチング素子Q21,Q22が並列接続されてなり、降圧用スイッチング素子Q1は2個のスイッチング素子Q11,Q12が並列接続されてなる。スイッチング素子Q21,Q22,Q11,Q12は、互いに略同一であり、例えば互いに同一仕様である。また、昇圧用ダイオードD1は2個のダイオードD11,D12が並列接続されてなり、降圧用ダイオードD2は2個のダイオードD21,D22が並列接続されてなる。ダイオードD11,D12,D21,D22は、互いに略同一であり、例えば互いに同一仕様である。また、スイッチング素子Q11の温度を検出する温度センサS11と、スイッチング素子Q21の温度を検出する温度センサS21と、スイッチング素子Q22の温度を検出する温度センサS22とが設けられている。ここでは、温度センサS11,S21,S22の検出精度は、互いに同一である。
制御装置50は、温度センサS21,S22による検出温度のうち高い方の検出温度TLが昇圧側上限温度TL1(=T1−ΔTL)に達すると、スイッチング素子Q21,Q22への通電を実質的に禁止する。また、制御装置50は、温度センサS11による検出温度TUが降圧側上限温度TU1(=T1−ΔTU)に達すると、スイッチング素子Q11,Q12への通電を実質的に禁止する。
ここで、ΔTLは、温度センサの検出公差ΔTSを考慮したマージンであり、例えばΔTL=ΔTSである。また、ΔTUは、温度センサの検出公差ΔTSと、スイッチング素子Q11,Q12間の温度差ΔT1とを考慮したマージンであり、例えばΔTU=ΔTS+ΔT1である。よって、ΔTL<ΔTUであり、TL1>TU1である。
ところで、第4の構成例の一態様として、制御装置50は、昇圧用スイッチング素子Q2の検出温度TLおよび降圧用スイッチング素子Q1の検出温度TUに応じて負荷率を制限する負荷率制限制御を行ってもよい。以下、この負荷率制限制御について具体的に説明する。
制御装置50は、図5に示される昇圧側負荷率制限マップに基づいて負荷率LFLを求め、図6に示される降圧側負荷率制限マップに基づいて負荷率LFUを求め、負荷率LFL,LFUのうち低い方の値に負荷率を制限する。
図5の昇圧側負荷率制限マップについて説明すると、横軸は昇圧側スイッチング素子Q2の検出温度TLであり、縦軸は負荷率である。ここで、負荷率100%は、蓄電装置10の最大放電電力または最大充電電力である。検出温度TLが負荷率制限制御開始温度TL0未満の範囲では、負荷率LFL=100%であり、負荷率制限されない。検出温度TLが昇圧側上限温度TL1以上の範囲では、負荷率LFL=0%である。検出温度TLが負荷率制限制御開始温度TL0以上かつ昇圧側上限温度TL1以下の範囲では、負荷率LFLは、検出温度TLの増加に応じて100%から0%に徐々に下げられる。なお、負荷率制限制御開始温度TL0は、例えば、TL1−10℃である。
図6の降圧側負荷率制限マップについて説明すると、横軸は降圧側スイッチング素子Q1の検出温度TUであり、縦軸は負荷率である。ここで、負荷率100%は、蓄電装置10の最大放電電力または最大充電電力である。検出温度TUが負荷率制限制御開始温度TU0未満の範囲では、負荷率LFU=100%であり、負荷率制限されない。検出温度TUが降圧側上限温度TU1以上の範囲では、負荷率LFU=0%である。検出温度TUが負荷率制限制御開始温度TU0以上かつ降圧側上限温度TU1以下の範囲では、負荷率LFUは、検出温度TUの増加に応じて100%から0%に徐々に下げられる。なお、負荷率制限制御開始温度TU0は、例えば、TU1−10℃である。
図5,6を見れば分かるように、負荷率制限制御開始温度TL0は、負荷率制限制御開始温度TU0よりも高い。また、昇圧側の方が降圧側よりも、負荷率制限されない領域(図5,6において斜線で示される領域)が広い。
以上説明した本実施の形態によれば、下記(1)〜(15)の効果が得られ得る。
(1)本実施の形態では、電気自動車の蓄電装置と走行用モータとの間に介挿され、走行用モータの力行動作時には、リアクトルと昇圧用スイッチング素子と昇圧用ダイオードとを用いて蓄電装置の電力を昇圧し、走行用モータの回生動作時には、リアクトルと降圧用スイッチング素子と降圧用ダイオードとを用いて回生電力を降圧する電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、昇圧用スイッチング素子の電流許容量が降圧用スイッチング素子の電流許容量よりも大きい。このため、本実施の形態によれば、電気自動車用DC−DCコンバータでは昇圧用スイッチング素子の方が降圧用スイッチング素子よりも通電量が大きいという事情に応じた適切な構成が実現される。これにより、DC−DCコンバータの構成(特に昇圧用スイッチング素子および降圧用スイッチング素子)の最適化を図ることができ、コストダウンや小型化を図ることができる。
(2)上記第1の構成例では、昇圧用スイッチング素子は、複数のスイッチング素子が互いに並列接続されてなり、並列接続されるスイッチング素子の素子数は、昇圧用スイッチング素子の方が降圧用スイッチング素子よりも多い。このため、昇圧用スイッチング素子および降圧用スイッチング素子を、力行時と回生時の電気仕様に応じた適切な素子数で構成することができ、コストダウンを図ることができる。具体的には、図8に示される従来の構成に対して、降圧用スイッチング素子の素子数を削減することができ、コストダウンを図ることができる。
(3)また、上記第1の構成例によれば、昇圧用スイッチング素子および降圧用スイッチング素子を構成する複数のスイッチング素子は互いに略同一であるので、複数種類のスイッチング素子を用意する必要がなく、コストダウンを図ることができる。
(4)上記第2の構成例では、昇圧用スイッチング素子の放熱効率を、降圧用スイッチング素子の放熱効率よりも高くするので、降圧用スイッチング素子に比較して、昇圧用スイッチング素子の昇温の程度を下げ、昇圧用スイッチング素子の電流許容量を高くすることが可能となる。
(5)上記第2の構成例の一態様では、昇圧用スイッチング素子の素子面積を降圧用スイッチング素子の素子面積よりも大きくする。この構成によれば、降圧用スイッチング素子に比較して、昇圧用スイッチング素子の放熱面積を広く確保することができ、昇圧用スイッチング素子の放熱効率を高くすることが可能となる。また、降圧用スイッチング素子に比較して、昇圧用スイッチング素子の損失を小さくすることができ、昇圧用スイッチング素子の発熱量を小さくすることが可能となる。
(6)上記第3の構成例では、昇圧用スイッチング素子の耐熱性を降圧用スイッチング素子の耐熱性よりも高くするので、降圧用スイッチング素子に比較して、昇圧用スイッチング素子を高い温度で使用することができ、昇圧用スイッチング素子の電流許容量を高くすることが可能となる。
(7)上記第4の構成例では、昇圧用スイッチング素子の検出温度が所定の昇圧側上限温度に達すると前記昇圧用スイッチング素子への通電を実質的に禁止し、前記降圧用スイッチング素子の検出温度が所定の降圧側上限温度に達すると前記降圧用スイッチング素子への通電を実質的に禁止する制御手段を有する構成において、昇圧側上限温度が降圧側上限温度よりも高くなるように構成する。本構成によれば、降圧用スイッチング素子と比較して、昇圧用スイッチング素子をより高い温度で使用することができ、昇圧用スイッチング素子の電流許容量を高くすることが可能となる。
(8)上記第4の構成例の一態様では、昇圧用スイッチング素子および降圧用スイッチング素子は、それぞれ複数のスイッチング素子が互いに並列接続されてなり、制御手段は、昇圧用スイッチング素子を構成する複数のスイッチング素子の複数の検出温度のうち最も高い検出温度が前記昇圧側上限温度に達すると通電を実質的に禁止する。この態様によれば、昇圧用スイッチング素子を構成する複数のスイッチング素子のうち最も温度が高いものの温度を正確に検出することができ、昇圧側上限温度を降圧側上限温度よりも高く設定することが可能となる。
(9)また、上記第4の構成例によれば、昇圧用スイッチング素子および降圧用スイッチング素子を構成する複数のスイッチング素子は互いに略同一であるので、複数種類のスイッチング素子を用意する必要がなく、コストダウンを図ることができる。
(10)本実施の形態では、昇圧用ダイオードの電流許容量が降圧用ダイオードの電流許容量よりも大きい。このため、本実施の形態によれば、電気自動車用DC−DCコンバータでは昇圧用ダイオードの方が降圧用ダイオードよりも通電量が大きいという事情に応じた適切な構成が実現される。これにより、DC−DCコンバータの構成(特に昇圧用ダイオードおよび降圧用ダイオード)の最適化を図ることができ、コストダウンや小型化を図ることができる。
(11)上記第1の構成例では、昇圧用ダイオードは、複数のダイオードが互いに並列接続されてなり、並列接続されるダイオードの素子数は、昇圧用ダイオードの方が降圧用ダイオードよりも多い。このため、本実施の形態によれば、昇圧用ダイオードおよび降圧用ダイオードを、力行時と回生時の電気仕様に応じた適切な素子数で構成することができ、コストダウンを図ることができる。具体的には、図8に示される従来の構成に対して、降圧用ダイオードの素子数を削減することができ、コストダウンを図ることができる。
(12)また、上記第1の構成例によれば、昇圧用ダイオードおよび降圧用ダイオードを構成する複数のダイオードは互いに略同一であるので、複数種類のダイオードを用意する必要がなく、コストダウンを図ることができる。
(13)上記第2の構成例では、昇圧用ダイオードの放熱効率を、降圧用ダイオードの放熱効率よりも高くするので、降圧用ダイオードに比較して、昇圧用ダイオードの昇温の程度を下げ、昇圧用ダイオードの電流許容量を高くすることが可能となる。
(14)上記第2の構成例の一態様では、昇圧用ダイオードの素子面積を降圧用ダイオードの素子面積よりも大きくする。この構成によれば、降圧用ダイオードに比較して、昇圧用ダイオードの放熱面積を広く確保することができ、昇圧用ダイオードの放熱効率を高くすることが可能となる。また、降圧用ダイオードに比較して、昇圧用ダイオードの損失を小さくすることができ、昇圧用ダイオードの発熱量を小さくすることが可能となる。
(15)上記第3の構成例では、昇圧用ダイオードの耐熱性を降圧用ダイオードの耐熱性よりも高くするので、降圧用ダイオードに比較して、昇圧用ダイオードを高い温度で使用することができ、昇圧用ダイオードの電流許容量を高くすることが可能となる。
なお、本発明は、上記実施の形態に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で種々変更することができる。
例えば、上記実施の形態では、昇圧用スイッチング素子の電流許容量が降圧用スイッチング素子の電流許容量より大きいこと、および昇圧用ダイオードの電流許容量が降圧用ダイオードの電流許容量より大きいことの両方が成立する場合を示したが、いずれか一方が成立するように構成することもできる。例えば、上記第1の構成例では、昇圧用スイッチング素子の方が降圧用スイッチング素子よりも素子数が多いこと、および昇圧用ダイオードの方が降圧用ダイオードの素子数よりも多いことの両方が成立する場合を示したが、いずれか一方が成立するように構成することもできる。
また、昇圧用スイッチング素子の電流許容量が降圧用スイッチング素子の電流許容量より大きくなるように構成されていれば、降圧用ダイオードの電流許容量が昇圧用ダイオードの電流許容量より大きくてもよい。
また、上記実施の形態では、スイッチング素子としてIGBTを例示したが、スイッチング素子は、バイポーラトランジスタやMOSトランジスタ等であってもよい。
また、DC−DCコンバータ20には、図1の例では1系統のインバータ30および走行用モータ40が接続されているが、複数系統のインバータおよび走行用モータが接続されてもよい。例えば、本実施の形態に係る電気自動車1は、図7に示されるような、いわゆるシリーズ・パラレル方式のハイブリッド自動車であってもよい。図7では、DC−DCコンバータ20には、2つのインバータ31,32が並列に接続されており、インバータ31,32には、それぞれ走行用モータ41,42が接続されている。さらに、一方の走行用モータ41は内燃機関60に接続されている。走行用モータ41は、内燃機関60を始動させるスタータ機能と、内燃機関60の駆動力により発電する発電機能とを果たす。一方、走行用モータ42は、蓄電装置10および走行用モータ41の電力により駆動輪を駆動する機能と、制動時や減速時に回生電力を発生させる発電機能とを果たす。図7の構成では、負荷率は、例えば、2つの走行用モータ41,42の電力収支(発電電力と消費電力との差)を制御することによって制御される。

Claims (17)

  1. 電気自動車の蓄電装置と走行用モータとの間に介挿され、前記走行用モータの力行動作時には、リアクトルと昇圧用スイッチング素子と昇圧用ダイオードとを用いて前記蓄電装置の電力を昇圧し、前記走行用モータの回生動作時には、リアクトルと降圧用スイッチング素子と降圧用ダイオードとを用いて回生電力を降圧する電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用スイッチング素子の電流許容量が、前記降圧用スイッチング素子の電流許容量よりも大きいことを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  2. 請求の範囲第1項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用スイッチング素子は、複数のスイッチング素子が互いに並列接続されてなり、並列接続されるスイッチング素子の素子数は、前記昇圧用スイッチング素子の方が前記降圧用スイッチング素子よりも多いことを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  3. 請求の範囲第2項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用スイッチング素子および前記降圧用スイッチング素子を構成する複数のスイッチング素子は、互いに略同一であることを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  4. 請求の範囲第1項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用スイッチング素子の放熱効率が、前記降圧用スイッチング素子の放熱効率よりも高いことを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  5. 請求の範囲第4項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用スイッチング素子の素子面積が、前記降圧用スイッチング素子の素子面積よりも大きいことを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  6. 請求の範囲第1項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用スイッチング素子の耐熱性が、前記降圧用スイッチング素子の耐熱性よりも高いことを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  7. 請求の範囲第1項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用スイッチング素子の検出温度が所定の昇圧側上限温度に達すると前記昇圧用スイッチング素子への通電を実質的に禁止し、前記降圧用スイッチング素子の検出温度が所定の降圧側上限温度に達すると前記降圧用スイッチング素子への通電を実質的に禁止する制御手段を有し、
    前記昇圧側上限温度が前記降圧側上限温度よりも高くなるように構成されていることを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  8. 請求の範囲第7項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用スイッチング素子および前記降圧用スイッチング素子は、それぞれ複数のスイッチング素子が互いに並列接続されてなり、前記制御手段は、前記昇圧用スイッチング素子を構成する複数のスイッチング素子の複数の検出温度のうち最も高い検出温度が前記昇圧側上限温度に達すると、通電を実質的に禁止することを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  9. 請求の範囲第7項または第8項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用スイッチング素子および前記降圧用スイッチング素子を構成する複数のスイッチング素子は、互いに略同一であることを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  10. 請求の範囲第1項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    さらに、前記昇圧用ダイオードの電流許容量が、前記降圧用ダイオードの電流許容量よりも大きいことを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  11. 電気自動車の蓄電装置と走行用モータとの間に介挿され、前記走行用モータの力行動作時には、リアクトルと昇圧用スイッチング素子と昇圧用ダイオードとを用いて前記蓄電装置の電力を昇圧し、前記走行用モータの回生動作時には、リアクトルと降圧用スイッチング素子と降圧用ダイオードとを用いて回生電力を降圧する電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用ダイオードの電流許容量が、前記降圧用ダイオードの電流許容量よりも大きいことを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  12. 請求の範囲第10項または第11項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用ダイオードは、複数のダイオードが互いに並列接続されてなり、並列接続されるダイオードの素子数は、前記昇圧用ダイオードの方が前記降圧用ダイオードよりも多いことを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  13. 請求の範囲第12項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用ダイオードおよび前記降圧用ダイオードを構成する複数のダイオードは、互いに略同一であることを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  14. 請求の範囲第10項または第11項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用ダイオードの放熱効率が、前記降圧用ダイオードの放熱効率よりも高いことを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  15. 請求の範囲第14項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用ダイオードの素子面積が、前記降圧用ダイオードの素子面積よりも大きいことを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  16. 請求の範囲第10項または第11項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータにおいて、
    前記昇圧用ダイオードの耐熱性が、前記降圧用ダイオードの耐熱性よりも高いことを特徴とする電気自動車用DC−DCコンバータ。
  17. 請求の範囲第1項から第16項のいずれか1項に記載の電気自動車用DC−DCコンバータを備えることを特徴とする電気自動車用モータ駆動装置。
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