WO2019181040A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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WO2019181040A1
WO2019181040A1 PCT/JP2018/039349 JP2018039349W WO2019181040A1 WO 2019181040 A1 WO2019181040 A1 WO 2019181040A1 JP 2018039349 W JP2018039349 W JP 2018039349W WO 2019181040 A1 WO2019181040 A1 WO 2019181040A1
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真央 川村
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三菱電機株式会社
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • This application relates to a power converter.
  • a two-battery vehicle power supply device that forms a vehicle-mounted power supply system with two batteries having different voltages is used in a hybrid vehicle or an idle stop vehicle.
  • a high-power load is supplied from a high-voltage battery of several tens to several hundreds V, and a conventional low-voltage electric load has a conventional tens of V, for example.
  • Power is supplied from a low voltage battery such as a lead battery (auxiliary battery, hereinafter referred to as a low voltage battery).
  • the high voltage battery is charged by a high voltage power generator, and the high voltage battery or power generator is configured to supply power to a low voltage battery or a low voltage electric load through a step-down DC-DC converter.
  • This step-down DC-DC converter has a built-in semiconductor switching element so that the output voltage converges to a predetermined target value so that power is supplied with a power supply voltage of a load system suitable for charging a low-voltage battery.
  • the semiconductor switching element is feedback controlled.
  • the temperature management of the built-in semiconductor switching element is important, and the temperature of the semiconductor switching element enters an overheating region close to a predetermined stop temperature based on the detected information about the temperature of the semiconductor switching element. Then, the output current of the DC-DC converter is limited to suppress overheating of the semiconductor switching element so that the temperature of the semiconductor switching element does not rise to the stop temperature, and when the stop temperature reaches the stop temperature, the operation of the semiconductor switching element is stopped. I am doing so.
  • Patent Document 1 it has been proposed to execute power saving control for reducing the output voltage of the DC-DC converter when the output current becomes larger than a predetermined threshold. This is to protect the components included in the DC-DC converter from the influence of heat by limiting the output voltage when the output current becomes larger than the threshold value.
  • the output voltage is limited in the overcurrent region, so that the semiconductor switching element can be prevented from reaching the stop temperature, and the output of the DC-DC converter is limited. Even when it is continued, charging of the low-voltage battery can be continued, so that the problem that the startability of the engine of the low-voltage battery is deteriorated can be suppressed.
  • the power conversion device includes a temperature detection device that detects the temperature of the DC-DC converter, and appropriately protects the components of the power conversion device from overheating.
  • An object of the present invention is to obtain a power conversion device that achieves downsizing and cost reduction by suppressing the high specification of the component parts. It is another object of the present invention to provide a power conversion device provided with a control method that can appropriately charge a low-voltage battery without stopping operation even when a temperature detection device fails.
  • a power converter includes a DC-DC converter that steps down and outputs input power, a current detector that detects a current value output from the DC-DC converter, and a temperature of the DC-DC converter.
  • a temperature detection device and a control for setting the current value for starting control by the drooping characteristic at a plurality of stages according to the temperature value, and switching the set value according to the temperature detected by the temperature detection device and performing the control It is characterized by having a section.
  • the components of the power conversion device Since the DC-DC converter can output power by properly protecting the battery from overheating and continuing the operation to the last temperature state where it is stopped by overheating, the total energy balance is also efficient.
  • the power converter device concerning Embodiment 4 of this application it is a figure which shows the time chart of a temperature sensor value and output current. It is a figure which shows the time chart of a temperature sensor value and output current in the modification of the power converter device which concerns on Embodiment 4 of this application. It is explanatory drawing which shows the relationship between the cooling water temperature of a cooler, and an output current in the modification of the power converter device which concerns on Embodiment 4 of this application.
  • the power converter device concerning Embodiment 5 of this application it is a figure which shows the relationship between an output voltage and an output current. It is a figure which shows the time chart of the temperature sensor value and output current of the power converter device which concerns on Embodiment 5 of this application.
  • Embodiment 1 The schematic configuration of the power conversion device according to Embodiment 1 of the present application is shown in FIG.
  • the high-voltage battery 1 is connected to the input of the power conversion device 50, and the low-voltage battery 13 is connected to the output.
  • the high voltage power input to the power converter 50 is stepped down by the DC-DC converter 200 and is configured to output low voltage power.
  • the voltage value of the output of the DC-DC converter 200 is measured by the voltage detection device 21, and the current value of the output is measured by the current detection device 22.
  • the temperature of the DC-DC converter 200 is measured by the temperature detection device 400, and the measured value is sent to the control unit 2.
  • the control unit 2 includes a processing device 210 and a storage device 220. Although details of the storage device 220 are not shown, the storage device 220 includes a volatile storage device such as a random access memory and a nonvolatile auxiliary storage device such as a flash memory. Further, an auxiliary storage device of a hard disk may be provided instead of the flash memory.
  • the processing device 210 executes the program input from the storage device 220. In this case, a program is input from the auxiliary storage device to the processing device 210 via the volatile storage device. In addition, the processing device 210 may output data such as a calculation result to the volatile storage device of the storage device 220, or may store the data in the auxiliary storage device via the volatile storage device.
  • the results measured by the voltage detection device 21, the current detection device 22, and the temperature detection device 400 are used as parameters when the processing device 210 receives and controls the output of the DC-DC converter 200 to approach the target value. .
  • the switching operation of the DC-DC converter 200 is controlled so as to perform control based on the drooping characteristic according to the temperature state of the DC-DC converter 200.
  • the storage device 220 includes a table 221 that defines the relationship between the temperature and the control start current value, and the start current according to the temperature value. The value is selected and switched for use, and the drooping control is started at the current value corresponding to the temperature value. That is, the current value corresponding to the temperature is recorded in the table 221 as a set value, and the detected temperature value is collated with the table, and the current value corresponding to the temperature value is called.
  • the routine shown in FIG. 2 is executed every predetermined sample time.
  • step (hereinafter, step is described as S) 100 the control unit 2 reads the output voltage, the output current, and the sensor temperature.
  • the sensor temperature is a temperature detected by the temperature detection device 400 shown in FIG.
  • the control unit 2 may execute an averaging process that calculates an average value for a predetermined time.
  • the control unit 2 determines whether or not the temperature sensor value exceeds the first threshold value Tth1. If the temperature sensor value is greater than or equal to first threshold value Tth1 (YES in S101), the process proceeds to S102 and power save control is executed.
  • the power saving control is a control method in which the control unit 2 reduces the drooping start current by giving a predetermined slope to the output current in order to increase the total energy balance of the low voltage battery 13. If the temperature sensor value is less than the first threshold value Tth1 (NO in S101), the process returns to S101.
  • the control unit 2 reads the output voltage, the output current, and the sensor temperature during the execution of the power saving control.
  • S104 it is determined whether or not the temperature sensor value exceeds the second threshold value Tth2. If the temperature sensor value is greater than or equal to second threshold value Tth2 (YES in S104), the process proceeds to S105.
  • the controller 2 determines that the cooler is abnormal, and switches the droop control start current from the second set value Ib to the third set value Ic in order to suppress the output current. For example, when the value of the temperature detected by the temperature detection device exceeds the first threshold value Tth1, the current value for starting the control by the drooping characteristic is set to the second set value smaller than the first set value Ia.
  • the process proceeds to S106.
  • the control unit 2 determines whether or not the temperature sensor value is less than the threshold value Tth0. If the temperature sensor value is less than threshold value Tth0 in S106 (YES in S106), the process proceeds to S107. In S107, the control unit 2 determines that the cooler has returned to normal, and the droop control start current value is returned from the second set value Ib to the first set value Ia. If the temperature sensor value is greater than or equal to threshold value Tth0 in S106 (NO in S106), the process returns to S106.
  • the process returns to S101 again. At this time, the number of repetitions is counted in S108, and the apparatus is in a stable state. Used to confirm that it is working. Similarly, in the processing from S104 to S106, the number of repetitions is counted in S109, and the normal state in the sample time is confirmed.
  • FIG. 3 shows a circuit of the isolated DC-DC converter 200 according to the first embodiment of the present application.
  • the DC-DC converter 200 is composed of elements from the high voltage battery 1 at the input section to the load 12 and the low voltage battery 13 at the output side.
  • Four semiconductor switching elements 3, 4, 5, 6 are connected to the rear stage side of the high-voltage battery 1.
  • this semiconductor switching element for example, a MOSFET is used.
  • the control unit 2 drives the semiconductor switching elements 3, 4, 5, and 6 on and off via the control lines 30a, 30b, 30c, and 30d.
  • a connection point between the source of the semiconductor switching element 3 and the drain of the semiconductor switching element 4 is connected to the primary winding of the transformer 7, and the other end is a connection point between the source of the semiconductor switching element 5 and the drain of the semiconductor switching element 6. It is connected.
  • the transformer 7 is an insulating transformer.
  • An input voltage detection device 20 is connected in parallel with the high voltage battery 1.
  • Rectifier diodes 8 and 9 are connected to the secondary winding of the transformer 7.
  • a smoothing reactor 10 and a smoothing capacitor 11 are connected downstream of the diodes 8 and 9.
  • a current detection device 22 is connected in series at the subsequent stage of the smoothing reactor 10, and a voltage detection device 21 is connected in parallel with the load 12.
  • the DC-DC converter 200 includes a temperature sensor SnsTL, and the control unit 2 acquires voltage / current / temperature information via the signal lines 31a, 31b, 31c, and 31d.
  • the high-voltage battery 1 typically includes a secondary battery such as nickel hydride or lithium ion.
  • the voltage of the high voltage battery 1 is at least 100V.
  • FIG. 4A, 4B, 4C, 4D, and 5 The basic operation of the DC-DC converter 200 including such a circuit will be described with reference to FIGS. 4A, 4B, 4C, 4D, and 5.
  • FIG. The DC-DC converter 200 according to the present embodiment has four operation modes shown in FIGS. 4A, 4B, 4C, and 4D depending on the states of the semiconductor switching elements 3, 4, 5, and 6. To do.
  • Mode 1 is a state in which the semiconductor switching element 3 and the semiconductor switching element 6 are on, and the semiconductor switching element 4 and the semiconductor switching element 5 are off.
  • the current flowing to the primary winding side of the transformer 7 flows from the high voltage battery 1 through the path of the semiconductor switching element 3, the transformer 7 (primary winding side), and the semiconductor switching element 6.
  • the transformer 7 transmits electric power from the primary side to the secondary side, and the current flowing from the transformer 7 (secondary winding side) to the rectifier diode 8 and the smoothing reactor is transferred from the transformer 7 (secondary winding side). 10 and flows through the path of the external load 12.
  • Mode 2 is a state in which all of the semiconductor switching elements 3, 4, 5, and 6 are off. At this time, no current flows on the primary side of the transformer 7 and no power is transmitted to the secondary side. However, on the secondary side of the transformer 7, due to the self-induction of the smoothing reactor 10, the path from the smoothing reactor 10 to the external load 12, the transformer 7 (secondary winding side), the rectifying diodes 8 and 9, and the smoothing reactor 10. Current flows.
  • Mode 3 is a state in which the semiconductor switching element 3 and the semiconductor switching element 6 are off, and the semiconductor switching element 4 and the semiconductor switching element 5 are on.
  • the current that flows to the primary winding side of the transformer 7 flows from the high-voltage battery 1 through the path of the semiconductor switching element 5, the transformer 7 (primary winding side), and the semiconductor switching element 4.
  • the transformer 7 transmits electric power from the primary side to the secondary side, and the current flowing from the transformer 7 (secondary winding side) to the rectifier diode 9 and the smoothing reactor is transferred from the transformer 7 (secondary winding side). 10 and flows through the path of the external load 12.
  • Mode 4 is a state in which all of the semiconductor switching elements 3, 4, 5, and 6 are off. At this time, no current flows on the primary side of the transformer 7 and no power is transmitted to the secondary side. However, on the secondary side, due to self-induction of the smoothing reactor 10, a current flows from the smoothing reactor 10 through the path of the external load 12, the transformer 7 (secondary winding side), the rectifying diodes 8 and 9, and the smoothing reactor 10.
  • FIG. 5 shows a time chart of signals Q3, Q4, Q5, Q6 and current I10 flowing through smoothing reactor 10 in semiconductor switching elements 3, 4, 5, 6 of the power conversion device according to Embodiment 1 of the present application.
  • the controller 2 controls the desired output voltage by adjusting the on-duty (D) width of the semiconductor switching element while turning on and off the semiconductor switching elements 3, 4, 5, and 6 in this way.
  • the control unit 2 executes power save control for reducing the output voltage of the DC-DC converter 200 when the output current becomes larger than the threshold value.
  • the output current may be larger than the rated current.
  • a PTC Physical Temperature Coefficient
  • an electrical component other than a genuine component is used.
  • electrical decoration or immobilizer is added by the user, or in addition to the above case, when driving torque larger than normal traveling is required such as traveling on a climbing road for a long time. .
  • the control unit 2 When the excessive current flows, the control unit 2 has a drooping characteristic that suppresses excessive output by reducing the voltage as shown in FIG. 6 represents the output voltage (V), and the horizontal axis in FIG. 6 represents the output current (I).
  • the drooping characteristic is described as a C1 curve, but the present invention is not limited to this.
  • the drooping characteristic may be a C2 curve characteristic indicated by a broken line.
  • the control unit 2 assumes a case where, for example, an upper limit voltage Va set when charging the low voltage battery 13 is set as the target value of the output voltage.
  • the controller 2 controls the DC-DC converter 200 so that the same upper limit voltage Va as the target voltage is output until the output current increases to the first set value Ia as shown in FIG. Next, when the output current is larger than the first set value Ia, the control unit 2 sets a value smaller than the upper limit voltage Va as the target voltage, so that the output voltage becomes smaller than Va.
  • the above power save control protects the components included in the DC-DC converter from the effects of heat.
  • the DC-DC converter 200 includes the temperature sensor SnsTL, and when the value of the temperature sensor SnsTL exceeds a predetermined temperature, the control unit 2 determines that the cooling water temperature is abnormal. Then, the starting current value of the drooping control is lowered (second set value Ib).
  • FIG. 8 shows a time chart of the temperature sensor value and the output current in the power conversion device according to Embodiment 1 of the present application.
  • the output current Iout of the DC-DC converter 200 is equal to or less than the first set value Ia of the drooping start current and the power saving control is not entered.
  • the temperature of the temperature sensor SnsTL increases.
  • the control unit 2 changes the drooping control start current from the first set value Ia to the second set value Ib, and the output current changes from the Iout to the second set value Ib. It falls to the set value Ib.
  • the control unit 2 returns the drooping start current from the second set value Ib to the first set value Ia, and the power save control Is released.
  • FIG. A power conversion apparatus according to Embodiment 2 will be described.
  • the circuit configuration of the power conversion device of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • the temperature sensor SnsTL of the power conversion device according to the second embodiment is installed in the vicinity of the rectifier diode so as to detect the temperature of the secondary rectifier circuit, that is, the rectifier diodes 8 and 9.
  • the voltage of the low voltage battery 13 to which the lead battery is connected is small, so the loss of the rectifying diodes 8 and 9 is uniquely determined by the load condition. It can be seen that the diode temperature has a correlation. Therefore, in the power conversion device according to the second embodiment, even if the temperature sensor SnsTL is detected by limiting the temperature to the temperature of the rectifying diodes 8 and 9, the same effect as in the first embodiment can be obtained and the temperature sensor, for example, the thermistor It is possible to reduce the number of squeezes and to achieve a cost reduction effect.
  • the secondary circuit main circuit components of the transformer 7 include the smoothing reactor 10 and the smoothing capacitor 11, but the components detected by the temperature sensor SnsTL are preferably the rectifying diodes 8 and 9.
  • a diode generally has a smaller heat capacity than a capacitor or a reactor.
  • the temperature of the smoothing reactor 10 is monitored, the temperature rise is slower than that of the diode. Therefore, when the control unit 2 detects an abnormality from the temperature acquired from the temperature sensor SnsTL, the temperature of the rectifying diodes 8 and 9 is The temperature is already high and parts may fail.
  • FIG. A power conversion apparatus will be described.
  • the circuit configuration of the power conversion device of the third embodiment is the same as that of the second embodiment.
  • the power conversion device according to the third embodiment is characterized in that the temperature sensor SnsTL is provided in the DC-DC converter, and the temperature sensor SnsTL monitors the temperature of the rectifying diodes 8 and 9. It is desirable that For example, it is assumed that the junction temperature of the rectifying diode and the semiconductor switching element are both 150 ° C. At this time, when the temperature of the rectifying diode is 140 ° C. and the temperature of the semiconductor switching element is 150 ° C.
  • the control unit 2 of the power converter does not stop the operation before the temperature value detected by the temperature sensor SnsTL reaches 140 ° C.
  • the temperature of the semiconductor switching element may exceed 150 ° C. and may break down.
  • the rectifying diode can be used only at 140 ° C. or lower even if the ability is up to 150 ° C.
  • the temperature threshold value Tth of the temperature sensor SnsTL is determined by the load condition at the upper limit temperature of the component.
  • the control unit 2 determines the temperature detected by the temperature sensor SnsTL as the temperature state of the rectifying diode. It is only necessary to monitor, and the temperature threshold is not set by other components, so that the components can be used without margin. For this reason, in the power converter device which concerns on Embodiment 3, while obtaining the effect similar to Embodiment 2, since a component can be used to the last minute, there exists an effect which suppresses a useless cost increase.
  • FIG. 9 shows a time chart of the temperature sensor value and the output current in the power conversion device according to Embodiment 4 of the present application.
  • the broken line is a method of switching the droop current value during the power saving control described in the first embodiment.
  • the current change rate of the output current is lowered with a predetermined slope, so that power is effectively supplied to the battery side by switching the droop current described in the first embodiment while protecting the components. You can see that it is made. That is, from the low-voltage battery 13, the power saving control of the power conversion device of the fourth embodiment has a higher total energy balance and can be used more effectively.
  • the control unit 2 has been described as a power saving control method in which the droop start current is lowered by giving a predetermined slope to the output current in order to increase the total energy balance of the low voltage battery 13.
  • the control unit 2 detects the value of the temperature detected by the temperature sensor SnsTL when the output of the temperature sensor SnsTL exceeds the temperature of the predetermined threshold Tth. It is preferable to adjust the drooping start current linearly so as to converge near the threshold value Tth.
  • the droop current value can be adjusted more appropriately than the cooler or the load state, so that the energy balance can be further increased.
  • 10B shows the relationship between the cooling water temperature of the cooler and the output current when this power save control method is used. Since the control unit 2 can linearly change the drooping start current along the temperature value detected by the temperature sensor SnsTL, the temperature of the water entering the cooler of the power conversion device of the fourth embodiment is higher than expected. Even in this case, it is possible to output an optimum current to the low-voltage battery 13 without failure of the components.
  • the output current is linearly controlled so that the temperature sensor value follows the vicinity of the threshold value Tth.
  • the present invention is not limited to this, and a plurality of droop start current values are set,
  • the drooping current value may be controlled step by step (multistage control).
  • Embodiment 5 A power conversion apparatus according to the fifth embodiment will be described.
  • the circuit configuration of the power conversion device of the fifth embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • the power conversion device of the fifth embodiment is premised on water cooling provided with a water-cooling cooling mechanism.
  • fail-safe control for abnormal cooling in a water draining state when cooling water does not enter the cooler It is about the method.
  • the control unit 2 includes a water loss detection mechanism.
  • the control unit 2 determines that the water has been drained (cooler abnormality)
  • the control unit 2 sets the droop start current value during the power save (the second droop start current value) Is set to a third set value Ic that is smaller than the set value Ib).
  • the output current value of the third set value Ic is a current value that can be output within a range in which components do not fail even if water does not flow through the cooler. The relationship between the output voltage and the output current at this time is shown in FIG.
  • the power save control method in the power conversion device outputs even a small amount of current to the low-voltage battery 13 as long as the DC-DC converter is normal even when the cooler is in an abnormal state such as drainage. Such a problem can be suppressed by charging the battery, and a limp home measure can be achieved by allowing the vehicle to continue running.
  • FIG. 12 shows a time chart of the output current and the temperature sensor in the power conversion device of the fifth embodiment.
  • the control unit 2 performs power save control and drainage detection determination based on the temperature value detected by the temperature sensor SnsTL.
  • the control unit 2 determines that the cooler is abnormal based on the temperature value detected by the temperature sensor SnsTL.
  • the control unit 2 is not limited to this, and the ECU ( The status of the cooling water may be acquired using a communication line such as a CAN (Controller Area Network) from an ECU that monitors a cooling device such as an electronic control unit (e.g., a water pump).
  • a communication line such as a CAN (Controller Area Network) from an ECU that monitors a cooling device such as an electronic control unit (e.g., a water pump).
  • the cooler abnormality is determined based on the result of the external signal.
  • the power conversion device is provided with a plurality of thermistors, for example, temperature sensors SnsTL, and each temperature sensor has a function for power saving control and for water leakage detection (cooler abnormality determination).
  • the control unit 2 may determine that the cooler is abnormal from the temperature value detected by the temperature sensor for detecting drainage.
  • the temperature sensor for detecting drainage is attached to a component that has the highest temperature at the time of drainage, and as much power as possible without stopping even when draining, similar to the power converter of the fifth embodiment. As a result, the detection accuracy and the detection speed can be increased.
  • the drooping start current is switched to the binary control (the first set value Ia and the second set value Ib).
  • the present invention is not limited to this and is described in, for example, the fourth embodiment.
  • power saving control for linearly reducing the output current with respect to the temperature sensor value may be employed.
  • FIG. 13 shows a timing chart of the output current and the temperature sensor value in a modification of the power conversion device according to the fifth embodiment.
  • the control unit 2 suppresses the output current because the temperature acquired from the temperature sensor SnsTL exceeds the first threshold value Tth1, but the temperature rises gently because the cooler cannot be used when water is drained. Since it exceeded 2nd threshold value Tth2 continuously, the control part 2 determines with it being cooler abnormality, and is explanatory drawing when changing droop start current into the 3rd setting value Ic.
  • Embodiment 6 FIG. A power conversion apparatus according to Embodiment 6 will be described.
  • the circuit configuration of the power conversion device of the sixth embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • the power conversion device according to the sixth embodiment is premised on water cooling, and the sixth embodiment relates to a fail-safe control method in the case where the temperature sensor SnsTL has failed (such as a power fault or a ground fault).
  • FIG. 14 is a timing chart of the output current and the temperature sensor for explaining a fail-safe method when the temperature sensor SnsTL fails in the power conversion device according to the sixth embodiment.
  • the control unit 2 acquires temperature information with an AD value obtained by voltage-converting the temperature acquired by the temperature sensor circuit (digital value obtained by A / D converting the voltage value indicated by the signal).
  • the AD value input to the microcomputer of the control unit 2 is designed in the range of 0 to 5 V, and among these, the temperature that can be acquired by the temperature sensor as a countermeasure for detecting a power fault and a ground fault so that a failure of the temperature sensor circuit can be detected.
  • the upper limit value of the range is smaller than 5V, and the lower limit value is designed within a predetermined range of 0V or more, and the AD value of the temperature that falls within this predetermined range is the normal range.
  • the control unit 2 determines that the temperature sensor circuit has failed and sets the droop start current to the second set value in order to limit the output current. Switch to Ib.
  • the second set value Ib is an output current that can be withstood without failure of the component even when a high-temperature water temperature is input.
  • the control unit 2 can detect drainage (cooler abnormality) separately from the temperature sensor SnsTL, for example, as described in the modification of the fifth embodiment,
  • the temperature sensor circuit determines that a failure has occurred and controls the output current as the second set value Ib.
  • the control unit 2 further reduces the output current value from the second set value Ib to the third set value in order to further reduce the output current value. Switch to Ic (see FIG. 11).
  • control is performed so as to suppress the output current when the temperature sensor circuit fails.
  • a water pump that controls cooling water to cool the power conversion device in the vehicle or the like is provided. It is conceivable that intermittent driving or the like may occur without noticing and the component temperature will rise. For this reason, as shown in FIG. 15, the power conversion device 50 according to the sixth embodiment is water-cooled and circulates cooling water from the electric water pump 51 to the power conversion device 50 via the cooling pipe 52.
  • the control unit 2 of the power conversion device 50 is connected to an external ECU 53 that controls the vehicle via a communication line 54a.
  • the ECU 53 is connected to the electric water pump 51 via a communication line 54b. .
  • the ECU 53 issues a command signal to the electric water pump 51 so as to output a desired amount of water through the control line 55.
  • the communication line is, for example, CAN.
  • the control unit 2 when it is determined that the temperature sensor circuit has failed, the control unit 2 reduces the output current and outputs a predetermined flow rate or more via the communication line 54a. A signal is output to the ECU 53.
  • the ECU 53 receives information from the control unit 2 and controls the electric water pump 51 to output a predetermined flow rate.
  • the output current value is detected by the current detection device 22.
  • the present invention is not limited to this.
  • An input current detection device 22a may be provided to estimate the output current from the input current.
  • this configuration can reduce the cost of the current sensor.
  • the DC-DC converter transformer has a center tap type.
  • both ends of the secondary winding are diodes having a full bridge configuration. It may be configured to be connected to the midpoint.
  • the rectifier circuit is described as diode rectification.
  • the rectifier circuit is not limited to this, and for example, synchronous rectification may be used.
  • the low voltage battery 13 described in each embodiment is a power storage device having a voltage lower than that of the high voltage battery 1, and may be a 12V battery or a 24V battery, or may be another voltage battery. In particular, it is not limited to a 12V battery.
  • the DC-DC converter switching control method is hard switching.
  • the present invention is not limited to this, and for example, a phase shift control method may be used.
  • the control unit 2 controls the semiconductor switching element 3 and the semiconductor switching element 6 as one pair of switching elements, and controls the phases of the semiconductor switching elements 4 and 5 by shifting by half a cycle (shifting the phase by 180 °). become.
  • FIG. 17 shows a time chart of signals and currents at various parts in this case. As shown in FIG. 17, the semiconductor switching elements 3 and 4 and the semiconductor switching elements 5 and 6 are on / off controlled by providing a dead time td so that the upper and lower arms are not short-circuited.

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Abstract

温度検出装置（４００）を備えたＤＣ－ＤＣコンバータ（２００）において、冷却器に異常が発生した場合または温度検出装置（４００）が故障した場合においても、動作を停止することなく、また、出力を過渡に低下させることなく、ＤＣ－ＤＣコンバータ（２００）を過熱から保護しつつ出力を継続させるために、制御装置（２）において、垂下特性による制御を開始する電流値を温度の値に応じて複数の段階で設定し、前記温度検出装置（４００）の検出した温度に応じて前記電流値を切り替えて垂下特性による制御を行うようにした。

Description

電力変換装置
　本願は、電力変換装置に関するものである。
　車載電源系では電圧が異なる二つのバッテリにより車載電源系を構成する２バッテリ型車両用電源装置がハイブリッド車あるいはアイドルストップ車において使用されている。この２バッテリ型車両用電源装置では、大電力の負荷に対しては数十から数百Ｖの高電圧バッテリから給電され、通常の低電圧の電気負荷に対しては従来の十数Ｖのたとえば鉛バッテリのような低電圧バッテリ（補機バッテリ、以下、低圧バッテリという。）から給電される。高電圧バッテリは、高電圧の発電装置により充電され、高電圧バッテリまたは発電装置は、降圧型のＤＣ－ＤＣコンバータを通じて低圧バッテリまたは低電圧の電気負荷に給電するように構成されている。
　この降圧型のＤＣ－ＤＣコンバータには、半導体スイッチング素子が内蔵されていて、低圧バッテリの充電に適した負荷系の電源電圧で給電するように、出力電圧が所定の目標値に収束するように半導体スイッチング素子をフィードバック制御している。
　この種のＤＣ－ＤＣコンバータでは、内蔵の半導体スイッチング素子の温度管理が重要であり、検出した半導体スイッチング素子の温度に関する情報に基づいて半導体スイッチング素子の温度が所定の停止温度に近い過熱領域に入ったら、ＤＣ－ＤＣコンバータの出力電流を制限して半導体スイッチング素子の過熱を抑止し、半導体スイッチング素子の温度が停止温度にまで上昇しないようにし、停止温度に達したら半導体スイッチング素子の動作を停止させるようにしている。
　また、電力変換装置において、出力電流が予め定めた閾値よりも大きくなる場合にＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧を低下させるパワーセーブ制御を実行することが提案されている（特許文献１）。これは、出力電流が閾値よりも大きくなった場合に、出力電圧を制限することによって、ＤＣ－ＤＣコンバータに含まれる部品を熱の影響から保護するというものである。
特開２０１１－８７４０７号公報
　垂下特性を持ったＤＣ－ＤＣコンバータでは、過電流領域において出力電圧が制限されるため、その半導体スイッチング素子が停止温度に達するのを妨げることができ、ＤＣ－ＤＣコンバータの出力を制限した状態が継続される場合においても、低圧バッテリの充電を継続することができるため、低圧バッテリのエンジンの始動性が悪化するという問題を抑制することができる。
　しかしながら、ＤＣ－ＤＣコンバータを冷却する冷却水の水温が車種によって異なった場合あるいは冷却水温が急激に上昇した場合（例えば、ＤＣ－ＤＣコンバータと同一の冷却水を使用したその他のコンポーネントの動作時の発熱による影響など）、冷却器の異常（例えば、冷却器の冷却方式が水冷方式であれば、ウォーターポンプの故障、配管亀裂による水抜けなど）においては、出力電圧制限だけでは、部品が故障してしまう恐れがある。
　本願は、前述の課題を解決するためになされたものであり、電力変換装置はＤＣ－ＤＣコンバータの温度を検出する温度検出装置を備え、電力変換装置の構成部品を過熱から適切に保護しつつ、構成部品のハイスペック化を抑制することで小型化および低コスト化の実現を図った電力変換装置を得ることを目的とする。また、温度検出装置が故障した場合においても、動作停止することなく低圧バッテリを適切に充電できる制御方法を備えた電力変換装置を提供することを目的とするものである。
　本願に係わる電力変換装置は、入力された電力を降圧して出力するＤＣ－ＤＣコンバータ、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの出力する電流値を検出する電流検出装置、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの温度を検出する温度検出装置、および垂下特性による制御を開始する電流値を温度の値に応じて複数の段階で設定し、前記温度検出装置の検出した温度に応じて前記設定値を切り替えて前記制御を行う制御部を備えたことを特徴とするものである。
　本願に開示される電力変換装置によれば、ＤＣ－ＤＣコンバータの温度の状況に応じて適切に垂下特性による制御を開始する電流値（開始電流値）を変更することで電力変換装置の構成部品を過熱から適切に保護するとともに、過熱によって停止となるぎりぎりの温度状態まで動作を継続することによって、ＤＣ－ＤＣコンバータは出力することができるため、トータルのエネルギー収支としても効率が良い。
本願の実施の形態１に係る電力変換装置の概略的な構成図である。 本願の実施の形態１に係る電力変換装置の制御部において実行される制御のプロセスを示すフローチャートである。 本願の実施の形態１に係る電力変換装置の概略的な回路図である。 本願の実施の形態１に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子の切替モードのうちモード１を説明するための図である。 本願の実施の形態１に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子の切替モードのうちモード２を説明するための図である。 本願の実施の形態１に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子の切替モードのうちモード３を説明するための図である。 本願の実施の形態１に係る電力変換装置における半導体スイッチング素子の切替モードのうちモード４を説明するための図である。 本願の実施の形態１に係る電力変換装置の各部の信号と電流のタイムチャートを示す図である。 ＤＣ－ＤＣコンバータの出力電流と出力電圧との関係を示す図である。 本願の実施の形態１に係る電力変換装置において、出力電圧と出力電流の関係を示す図である。 本願の実施の形態１に係る電力変換装置において、温度センサ値と出力電流とのタイムチャートを示す図である。 本願の実施の形態４に係る電力変換装置において、温度センサ値と出力電流とのタイムチャートを示す図である。 本願の実施の形態４に係る電力変換装置の変形例における、温度センサ値と出力電流とのタイムチャートを示す図である。 本願の実施の形態４に係る電力変換装置の変形例における、冷却器の冷却水温と出力電流との関係を示す説明図である。 本願の実施の形態５に係る電力変換装置において、出力電圧と出力電流の関係を示す図である。 本願の実施の形態５に係る電力変換装置の温度センサ値と出力電流とのタイムチャートを示す図である。 本願の実施の形態５に係る電力変換装置の変形例における温度センサ値と出力電流とのタイムチャートを示す図である。 本願の実施の形態６に係る電力変換装置の温度センサ値と出力電流とのタイムチャートを示す図である。 本願の実施の形態６に係る電力変換装置の冷却機構を示す説明図である。 本願の実施の形態１から６に係る電力変換装置の変形例を示す概略構成図である。 本願の実施の形態１に係る電力変換装置の変形例を示す各部の信号、電流のタイムチャートを示す図である。
　以下、本願に係る電力変換装置の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一または相当する部分については、同一符号を付して、重複する説明を省略する。
実施の形態１．
　以下、本願の実施の形態１に係る電力変換装置の概略的な構成を図１に示す。図に示すように、実施の形態１では、電力変換装置５０の入力には高圧バッテリ１が接続され、出力には低圧バッテリ１３が接続されている。電力変換装置５０に入力された高圧の電力は、ＤＣ－ＤＣコンバータ２００において降圧され、低圧の電力を出力するように構成されている。ＤＣ－ＤＣコンバータ２００の出力の電圧値は、電圧検出装置２１で測定され、出力の電流値は電流検出装置２２で測定される。また、ＤＣ－ＤＣコンバータ２００の温度は温度検出装置４００によって測定され、測定値は制御部２に送られる。
　制御部２は、処理装置２１０および記憶装置２２０を備えている。記憶装置２２０の詳細は図示していないが、ランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。処理装置２１０は、記憶装置２２０から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介して処理装置２１０にプログラムが入力される。また、処理装置２１０は、演算結果等のデータを記憶装置２２０の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。電圧検出装置２１、電流検出装置２２、および温度検出装置４００によって測定された結果は、処理装置２１０が受け取ってＤＣ－ＤＣコンバータ２００の出力が目標値に近づくように制御する際のパラメータとして使用する。この処理装置２１０では、ＤＣ－ＤＣコンバータ２００の温度状態に応じて垂下特性による制御を行うようにＤＣ－ＤＣコンバータ２００のスイッチング動作を制御する。この垂下特性による制御の開始を定める電流値（開始電流値）については、記憶装置２２０の中に、温度と制御開始電流値の関係を定めたテーブル２２１を備え、温度の値に応じた開始電流値を選択して切り替えて使用し、温度の値に応じた電流値において垂下制御を開始することになる。すなわち、テーブル２２１には、温度に対応した電流値が設定値として記録されていて、検出された温度の値をテーブルに照合して、温度の値の応じた電流値を呼出すことになる。
　次に、図２を参照して、本実施の形態に係る電力変換装置である制御部２で実行されるプログラムの制御構造について説明する。なお、図２に示すルーチンは、予め定められたサンプル時間ごとに実行される。
　ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、制御部２は、出力電圧、出力電流およびセンサ温度を読み込む。センサ温度とは、図１に示した温度検出装置４００によって検出される温度である。制御部２は、例えば、出力電圧、出力電流、センサ温度を読み込んだ後に、予め定められた時間の平均値を各々算出する平均化処理を実行するようにしてもよい。
　Ｓ１０１にて、制御部２は温度センサ値が第１の閾値Ｔｔｈ１を超えているか否かを判定する。温度センサ値が第１の閾値Ｔｔｈ１以上の場合（Ｓ１０１にてＹＥＳ）、処理はＳ１０２に移され、パワーセーブ制御が実行される。パワーセーブ制御は、制御部２が低圧バッテリ１３のトータルのエネルギー収支を高くするために、出力電流に所定の傾きを持たせて垂下開始電流を低下する制御方法である。ここで、温度センサ値が第１の閾値Ｔｔｈ１未満の場合（Ｓ１０１にてＮＯの場合）には、処理はＳ１０１に戻される。
　Ｓ１０３にて、制御部２はパワーセーブ制御実行中において、出力電圧、出力電流およびセンサ温度を読み込む。次に、Ｓ１０４にて、温度センサ値が第２の閾値Ｔｔｈ２を超えているか否かを判定する。温度センサ値が第２の閾値Ｔｔｈ２以上の場合（Ｓ１０４にてＹＥＳ）、処理はＳ１０５に移される。Ｓ１０５にて、制御部２は冷却器異常と判定され、出力電流を抑制させるために垂下制御の開始電流を第２の設定値Ｉｂから第３の設定値Ｉｃに切り替える。例えば、温度検出装置が検出する温度の値が第１の閾値Ｔｔｈ１を超えると、垂下特性による制御を開始する電流値を第１の設定値Ｉａより小さな第２の設定値とすることになる。
　一方で、Ｓ１０４にて、温度センサ値が第２の閾値Ｔｔｈ２未満の場合（Ｓ１０４にてＮＯの場合）には、処理はＳ１０６に移される。次に、Ｓ１０６にて、制御部２は温度センサ値が閾値Ｔｔｈ０未満か否かを判定する。Ｓ１０６にて、温度センサ値が閾値Ｔｔｈ０未満の場合（Ｓ１０６にてＹＥＳの場合）には、処理はＳ１０７に移される。Ｓ１０７にて制御部２は冷却器が正常に戻ったと判定し、垂下制御の開始電流値を第２の設定値Ｉｂから第１の設定値Ｉａに戻される。また、Ｓ１０６にて、温度センサ値が閾値Ｔｔｈ０以上の場合（Ｓ１０６にてＮＯの場合）には、処理はＳ１０６に戻される。なお、Ｓ１０１において、温度センサ値が第１の閾値Ｔｔｈ１未満の場合には、再びＳ１０１の処理に戻されることになるが、この時、Ｓ１０８において繰り返しの回数がカウントされ、この装置が安定状態で動作していることの確認に使われる。また、Ｓ１０４からＳ１０６の処理においても同様にＳ１０９において繰り返しの回数がカウントされ、サンプル時間における正常状態の確認が行われる。
　次に、概略的な回路構成について説明する。図３は、本願の実施の形態１による絶縁型ＤＣ－ＤＣコンバータ２００の回路を表している。図３において、ＤＣ－ＤＣコンバータ２００は、入力部の高圧バッテリ１から出力側の負荷１２、低圧バッテリ１３までの要素で構成されている。高圧バッテリ１の後段側には、４つの半導体スイッチング素子３、４、５、６が接続されている。この半導体スイッチング素子としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴが使用される。制御部２は、制御線３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを介して、半導体スイッチング素子３、４、５、６をオン・オフ駆動する。半導体スイッチング素子３のソースと半導体スイッチング素子４のドレインとの接続点は、トランス７の一次巻線に接続され、他端が半導体スイッチング素子５のソースと半導体スイッチング素子６のドレインとの接続点に接続されている。トランス７は絶縁トランスである。
　また、入力電圧検出装置２０が高圧バッテリ１と並列に接続されている。
　トランス７の二次巻線には整流用ダイオード８、９が接続される。二次側整流のため、ダイオード８，９の後段には平滑リアクトル１０、平滑コンデンサ１１が接続される。さらに、平滑リアクトル１０の後段には電流検出装置２２が直列に接続され、電圧検出装置２１が負荷１２と並列に接続される。また、ＤＣ－ＤＣコンバータ２００内部には温度センサＳｎｓＴＬを備え、制御部２は、信号線３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄを介して、電圧・電流・温度情報を取得する。ここで、この電力変換装置５０が電気自動車あるいはハイブリッド自動車に適用された場合には、高圧バッテリ１は代表的には、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池からなる。高圧バッテリ１の電圧は少なくとも１００Ｖ以上ある。
　このような回路を備えるＤＣ－ＤＣコンバータ２００の基本的な動作について図４Ａ、図４Ｂ，図４Ｃ、図４Ｄおよび図５を用いて説明する。なお、本実施の形態のＤＣ－ＤＣコンバータ２００は、各半導体スイッチング素子３，４，５，６の状態に応じて、図４Ａ、図４Ｂ，図４Ｃ、図４Ｄに示す４つの動作モードが存在する。
　モード１は、半導体スイッチング素子３と半導体スイッチング素子６がオン、半導体スイッチング素子４と半導体スイッチング素子５がオフの状態である。このとき、トランス７の一次巻き線側に流れる電流は、高圧バッテリ１から半導体スイッチング素子３、トランス７（一次巻き線側）、半導体スイッチング素子６の経路で流れる。ここで、トランス７は、一次側から二次側に電力を伝達し、トランス７の二次側巻き線側に流れる電流は、トランス７（二次巻き線側）から整流用ダイオード８、平滑リアクトル１０、外部負荷１２の経路で流れる。
　モード２は、半導体スイッチング素子３、４、５、６の全てがオフの状態である。このとき、トランス７の一次側には電流が流れず、二次側には電力が伝達されない。ただし、トランス７の二次側では、平滑リアクトル１０の自己誘導により、平滑リアクトル１０から、外部負荷１２、トランス７（二次巻き線側）、整流用ダイオード８、９、平滑リアクトル１０の経路で電流が流れる。
　モード３は、半導体スイッチング素子３と半導体スイッチング素子６がオフ、半導体スイッチング素子４と半導体スイッチング素子５がオンの状態である。このとき、トランス７の一次巻き線側に流れる電流は、高圧バッテリ１から半導体スイッチング素子５、トランス７（一次巻き線側）、半導体スイッチング素子４の経路で流れる。ここで、トランス７は、一次側から二次側に電力を伝達し、トランス７の二次側巻き線側に流れる電流は、トランス７（二次巻き線側）から整流用ダイオード９、平滑リアクトル１０、外部負荷１２の経路で流れる。
　モード４は、半導体スイッチング素子３，４，５，６の全てがオフの状態である。このとき、トランス７の一次側には電流が流れず、二次側には電力が伝達されない。ただし、二次側では、平滑リアクトル１０の自己誘導により、平滑リアクトル１０から外部負荷１２、トランス７（二次巻き線側）、整流用ダイオード８、９、平滑リアクトル１０の経路で電流が流れる。
　モード４が終了後、モード１に戻り再びモード１からモード４を繰り返す。なお、各モードにおいて、平滑リアクトル１０に流れる電流のうち、交流成分は平滑コンデンサ１１を流れている。図５に、本願の実施の形態１に係る電力変換装置の半導体スイッチング素子３、４、５、６における信号Ｑ３、Ｑ４、Ｑ５、Ｑ６と平滑リアクトル１０に流れる電流Ｉ１０のタイムチャートを示す。
　制御部２はこのように半導体スイッチング素子３、４、５、６をオン・オフさせながら、半導体スイッチング素子のオンデューティ（Ｄ）幅を調整することで、所望の出力電圧を制御する。
　以上のような構成を有する実施の形態１の電力変換装置において、制御部２は、出力電流が閾値よりも大きくなる場合に、ＤＣ－ＤＣコンバータ２００の出力電圧を低下させるパワーセーブ制御を実行する。出力電流が閾値よりも大きくなる場合に、出力電圧を制限することにより、ＤＣ－ＤＣコンバータ２００に含まれる部品を熱の影響から保護することができる。この電力変換装置が電気自動車あるいはハイブリッド自動車に適用された場合、出力電流が定格電流よりも増加する要因としては、例えば、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータを作動させた場合、純正部品以外の電気部品（例えば、電飾あるいはイモビライザーなど）がユーザによって追加され場合、あるいは、上述の場合に加えて、登板路を長時間走行しているなど通常走行よりも大きい駆動トルクが必要とされる場合である。
　制御部２は、過大な電流が流れたときは、図６のように電圧を下げることで過出力を抑制するような垂下特性をもたせる。図６の縦軸は出力電圧（Ｖ）を示し、図６の横軸は出力電流（Ｉ）を示す。ここでは、垂下特性をＣ１の曲線として説明するがこれに限るものではなく、例えば破線で示したＣ２の曲線の特性でもよい。
　制御部２は、出力電圧の目標値として、例えば、低圧バッテリ１３の充電時に設定される上限電圧Ｖａが設定されている場合を想定する。制御部２は、図６に示すように出力電流が第１の設定値Ｉａに増加するまでは、目標電圧と同一の上限電圧Ｖａが出力されるようにＤＣ－ＤＣコンバータ２００を制御する。次に、制御部２は、出力電流が第１の設定値Ｉａよりも大きい場合には、目標電圧として上限電圧Ｖａよりも小さい値を設定して、出力電圧がＶａよりも小さくなるようにＤＣ－ＤＣコンバータ２００を制御する。
　以上のパワーセーブ制御により、ＤＣ－ＤＣコンバータに含まれる部品を熱の影響から保護するが、例えば冷却器に入ってくる水温が想定よりも高い場合、垂下制御に入らない出力電流（＜第１の設定値Ｉａ）においても部品が発熱異常で故障する可能性がある。このため、実施の形態１に係る電力変換装置では、ＤＣ－ＤＣコンバータ２００内に温度センサＳｎｓＴＬを備え、温度センサＳｎｓＴＬの値が所定の温度を超えたとき、制御部２は冷却水温異常と判断し、垂下制御の開始電流値を下げる（第２の設定値Ｉｂ）。このときの出力電圧と出力電流の関係を図７に示す。また、図８に、本願の実施の形態１に係る電力変換装置において、温度センサ値と出力電流とのタイムチャートを示す。
　図８より、ＤＣ－ＤＣコンバータ２００の出力電流Ｉｏｕｔが垂下開始電流の第１の設定値Ｉａ以下でありパワーセーブ制御に入らない場合を想定する。このとき、冷却器に異常が発生すると、温度センサＳｎｓＴＬの温度が増加する。このとき、温度センサＳｎｓＴＬの温度が閾値Ｔｔｈを超えると、制御部２は垂下制御の開始電流を第１の設定値Ｉａから第２の設定値Ｉｂに変更し、出力電流がＩｏｕｔから第２の設定値Ｉｂに低下する。これにより、冷却器に異常が発生しても、ＤＣ－ＤＣコンバータに含まれる部品を熱の影響から保護することができる。次に、パワーセーブ動作中に温度センサＳｎｓＴＬによって検出された温度がＴｔｈ‘を下回ると、制御部２は垂下開始電流が第２の設定値Ｉｂから第１の設定値Ｉａに戻り、パワーセーブ制御が解除される。
実施の形態２．
　実施の形態２における、電力変換装置について説明する。実施の形態２の電力変換装置の回路構成は、実施の形態１と同じである。実施の形態２の電力変換装置の温度センサＳｎｓＴＬは、２次側の整流回路、すなわち整流用ダイオード８、９の温度を検知するように整流用ダイオードの近傍に設置されている。
　これは、実施の形態２における電力変換装置のＤＣ－ＤＣコンバータ２００が、電気自動車あるいはハイブリッド自動車に適用された場合、高圧バッテリ１としては、リチウムイオンバッテリが接続され、低圧バッテリ１３には鉛バッテリが接続される。鉛バッテリと比べるとリチウムイオンバッテリの方が、電圧範囲が大きい。このため、同じ負荷条件（同じ出力電流）においても、高圧バッテリ１の電圧によっては、ＤＣ－ＤＣコンバータの入力電流が異なるため、損失も異なる。つまり、温度センサＳｎｓＴＬをトランス７の一次側、例えば半導体スイッチング素子３、４、５、６のいずれかの温度をモニタすると同じ負荷条件でも入力電圧によってモニタする温度が変わってきてしまう。このため、ワースト条件に対してマージンをもった温度閾値（Ｔｔｈ）を設定しないといけないため、過剰な設計となり部品が高コストとなってしまう。
　一方、トランス７の二次側では、鉛バッテリが接続されている低圧バッテリ１３は電圧変動が少ないため整流用ダイオード８、９の損失は、負荷条件によって一意に損失が決まるため、出力電流と整流ダイオード温度には相関があることがわかる。このため、実施の形態２における電力変換装置では、温度センサＳｎｓＴＬを整流用ダイオード８、９の温度に限定して検出しても、実施の形態１と同様の効果を得られるとともに温度センサ例えばサーミスタの個数を減らすことができコスト低減効果を奏する。
　ここで、トランス７の２次側の主回路部品では、平滑リアクトル１０、平滑コンデンサ１１などもあるが、温度センサＳｎｓＴＬで検出する部品は、整流用ダイオード８、９の方が望ましい。これは、一般的にダイオードの方がコンデンサあるいはリアクトルに比べて熱容量が小さいためである。例えば、冷却器に異常が発生したとき、熱容量が小さいと温度上昇が早いため、ここでは整流用ダイオード温度を検出したほうが早く異常に気づくことができる。逆に、平滑リアクトル１０の温度をモニタした場合、温度上昇がダイオードに比べて遅いため、制御部２が温度センサＳｎｓＴＬから取得した温度から異常を検出したときには、整流用ダイオード８，９の温度は既に温度は高温になっており部品が故障する可能性がある。
実施の形態３． 
　実施の形態３における、電力変換装置について説明する。実施の形態３の電力変換装置の回路構成は、実施の形態２と同じである。実施の形態３の電力変換装置では、ＤＣ－ＤＣコンバータ内部に温度センサＳｎｓＴＬを備え、温度センサＳｎｓＴＬは整流用ダイオード８、９の温度をモニタすることを特徴としたが、ダイオード温度が最発熱箇所であることが望ましい。例えば、整流用ダイオードと半導体スイッチング素子のジャンクション温度がともに１５０℃であると仮定する。このとき、ＤＣ－ＤＣコンバータが所定の負荷条件で動作をしているときに整流用ダイオードの温度が１４０℃のとき、半導体スイッチング素子の温度が１５０℃になるものとすると、実施の形態２の電力変換装置の制御部２は温度センサＳｎｓＴＬによって検出された温度の値が１４０℃に達する前に動作を停止しないと半導体スイッチング素子の温度が１５０℃を超えてしまい故障する可能性がある。つまり、整流用ダイオードとしては実力が１５０℃まであったとしても１４０℃以下でしか使用できない。また、同様に他に最も発熱する箇所があったとすると、その部品の上限温度時の負荷条件によって律則され、温度センサＳｎｓＴＬの温度閾値Ｔｔｈが決まる。
　ここで、実施の形態３に係る電力変換装置において、整流用ダイオードが最も発熱する箇所となるように設計すると、制御部２は、温度センサＳｎｓＴＬによって検出する温度を、整流用ダイオードの温度状態をモニタするだけでよく、他の部品によって温度の閾値を設定することが無いため、マージンなく部品を使用することができる。このため、実施の形態３に係る電力変換装置では、実施の形態２と同様の効果を得られるとともに、部品をぎりぎりまで使用できるため無駄なコスト増加を抑制する効果を奏する。
実施の形態４．
　実施の形態４における、電力変換装置について説明する。実施の形態４の電力変換装置の回路構成は、実施の形態１と同じである。実施の形態４の電力変換装置は、実施の形態１において説明したパワーセーブ制御が異なる。図９に、本願の実施の形態４に係る電力変換装置において、温度センサ値と出力電流とのタイムチャートを示す。なお、破線は実施の形態１で説明したパワーセーブ制御時の垂下電流値の切り替え方法である。実施の形態４の電力変換装置の制御部２は、温度センサＳｎｓＴＬにより取得した温度が所定の閾値（Ｔｔｈ）を越えたとき、実施の形態１で示したように垂下開始電流を第１の設定値Ｉａから第２の設定値Ｉｂまで、出力電流をいっきに絞る制御ではなく、出力電流の電流変化速度に所定の傾き（Ａ／ｓ）を持たせたスイープ特性をもたせることによって、図９のハッチングを施した領域の面積分のエネルギーを有効に出力できることになる。
　図９より、出力電流の電流変化速度に所定の傾きを持たせて低下させることで、部品を保護しつつ、実施の形態１で説明した垂下電流の切り替えによって、有効にバッテリ側に電力を供給できていることがわかる。つまり、低圧バッテリ１３からすると、実施の形態４の電力変換装置のパワーセーブ制御の方がトータルのエネルギー収支が高くより有効に活用できている。
　実施の形態４では、制御部２が低圧バッテリ１３のトータルのエネルギー収支を高くするために、出力電流に所定の傾きを持たせて垂下開始電流を低下するようなパワーセーブ制御方法として説明したが、これに限るものではなく、例えば、図１０Ａに示すように、制御部２は、温度センサＳｎｓＴＬの出力が所定の閾値Ｔｔｈの温度を越えたときに、温度センサＳｎｓＴＬによって検出された温度の値が閾値Ｔｔｈ付近に収束するように垂下開始電流をリニアに調整するのが良い。このパワーセーブ制御方法の方が垂下電流値を冷却器あるいは負荷の状態より適切に出力電流を調整できるため、さらにエネルギー収支を高くすることができる。また図１０Ｂに本パワーセーブ制御方法としたときの冷却器の冷却水温と出力電流との関係を示す。制御部２は垂下開始電流を温度センサＳｎｓＴＬによって検出された温度の値に沿ってリニアに変えることができるため、実施の形態４の電力変換装置の冷却器に入ってくる水温が想定よりも高い場合においても、部品が故障することなく最適な電流を低圧バッテリ１３に出力することが可能となる。
　実施の形態４の電力変換装置の別例では、温度センサ値が閾値Ｔｔｈ周辺に追従するように出力電流をリニアに制御したが、これに限るものではなく垂下開始電流値を複数設定し、各垂下電流値に段階を踏んで制御してもよい（多段階制御）。
実施の形態５． 
　実施の形態５における、電力変換装置について説明する。実施の形態５の電力変換装置の回路構成は、実施の形態１と同じである。実施の形態５の電力変換装置は水冷冷却機構を備えた水冷を前提としており、実施の形態５では、冷却器に冷却水が入ってこない場合の水抜け状態時の冷却異常時に対するフェールセーフ制御方法に関するものである。
　制御部２は、水抜け検出機構を備えており、制御部２が水抜け状態（冷却器異常）と判断すると、制御部２は垂下開始電流値をパワーセーブ時の垂下開始電流値（第２の設定値Ｉｂ）よりさらに小さい第３の設定値Ｉｃに設定する。第３の設定値Ｉｃの出力電流値は、冷却器に水が流れていなくても部品が故障しない範囲で出力可能な電流値である。
　このときの出力電圧と出力電流の関係を図１１に示す。
　通常、このような冷却器異常が発生すると部品温度が耐熱温度を越える可能性がるため動作を停止するが、車両を運転しているユーザが何も気づかずに低圧系のアクセサリー等の電子部品（例えば、オーディオあるいは空調）を使い続けていると、バッテリが劣化し、最悪の場合には、バッテリが過放電になり、電気機器が動作しなくなる。このため、実施の形態５に係る電力変換装置におけるパワーセーブ制御方法は、冷却器が水ぬけなどの異常状態においても、ＤＣ－ＤＣコンバータが正常であれば、少しでも電流を低圧バッテリ１３に出力し、バッテリを充電させることでこのような問題を抑制することができ、走行を継続できるようにすることでリンプホーム対策にもつながる。
　図１２に実施の形態５の電力変換装置における、出力電流と温度センサのタイムチャートを示す。実施の形態５の電力変換装置では、制御部２は温度センサＳｎｓＴＬによって検出された温度の値によって、パワーセーブ制御および水ぬけ検知の判定を行う。図１２では、まず、出力電流Ｉｏｕｔが第２の設定値Ｉｂ以上のときに、ｔ＝ｔ０にて、水ぬけが発生したとする。このとき、正常に冷却できなくなるため部品の温度が上昇し、温度センサＳｎｓＴＬにて検出する部品の温度の値も上昇する。ここで、制御部２は温度センサＳｎｓＴＬの温度が第１の閾値Ｔｔｈ１に到達したとき、パワーセーブ制御を行うため垂下開始電流を第２の設定値Ｉｂに低下させる（ｔ＝ｔ１）。次に、単純に水温が高いだけだと、ある程度の冷却が可能であるが、水が抜けているためほぼ空冷状態となり冷却器の温度はかなり上昇している。このため、出力電流を第２の設定値Ｉｂで制限しても、部品の温度は上昇し続ける。次に、制御部２は温度センサＳｎｓＴＬの温度が第２の閾値Ｔｔｈ２に到達したとき、制御部２は水抜け状態（冷却器異常）と判定し、制御部２は垂下開始電流を第３の設定値Ｉｃまで下げる（ｔ＝ｔ２）。
　本実施の形態に係る電力変換装置では、制御部２は温度センサＳｎｓＴＬによって検出された温度の値によって冷却器異常と判定したが、これに限りものではなく、電力変換装置の外部にあるＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）、例えばウォーターポンプ等の冷却装置を監視しているＥＣＵからＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　Ａｒｅａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ）等の通信線を使って冷却水の状況を取得しても良く。この場合は、外部信号の結果をもって冷却器異常を判定する。
　また冷却器異常を判定する方法として、電力変換装置は、温度センサＳｎｓＴＬである例えばサーミスタを複数供え、各温度センサはパワーセーブ制御用と水抜け検知用（冷却器異常判定用）に夫々機能を持たせ、制御部２は水ぬけ検知用の温度センサによって検出された温度の値から冷却器異常と判定してもよい。このとき、水抜け検知用の温度センサは、水抜け時にもっとも温度が高くなる部品に取り付けることで、実施の形態５の電力変換装置と同様に水ぬけ時においても停止することなく可能な限り電力を供給できるという効果を得られると共に検出精度、検出速度を高めることができる効果を奏する。
　実施の形態５の電力変換装置では垂下開始電流の切り替えを２値制御（第１の設定値Ｉａと第２の設定値Ｉｂ）としたが、これに限るものではなく例えば実施の形態４で説明したように温度センサ値に対してリニアに出力電流を低減するパワーセーブ制御としても良い。図１３に実施の形態５に係る電力変換装置の変形例における出力電流と温度センサ値のタイミングチャートを示す。図１３では、制御部２は温度センサＳｎｓＴＬから取得する温度が第１の閾値Ｔｔｈ１を超えたため出力電流を抑制しているが、水が抜け状態においては冷却器ができないため温度が緩やかに上昇し続け第２の閾値Ｔｔｈ２を超えたため、制御部２は冷却器異常と判定し、垂下開始電流を第３の設定値Ｉｃに変更したときの説明図である。
実施の形態６．
　実施の形態６における、電力変換装置について説明する。実施の形態６の電力変換装置の回路構成は、実施の形態１と同じである。実施の形態６の電力変換装置は、水冷冷却を前提としており、実施の形態６では、温度センサＳｎｓＴＬが故障（天絡・地絡等）した場合のフェールセーフ制御方法に関するものである。
　図１４は、実施の形態６に係る電力変換装置において、温度センサＳｎｓＴＬが故障した時のフェールセーフ方法を説明する出力電流と温度センサとのタイミングチャートである。例えば、制御部２は、温度センサ回路によって取得する温度を電圧変換されたＡＤ値（信号の示す電圧値をＡ／Ｄ変換して得たディジタル値）で温度情報を取得する。例えば、制御部２のマイコンに入力されるＡＤ値は０から５Ｖの範囲で設計され、このうち、温度センサ回路の故障を検知できるよう天絡・地絡検知対策として、温度センサによって取得できる温度範囲の上限値は５Ｖより小さく、下限値は０Ｖ以上の所定の範囲内で設計されこの所定の範囲内に入ってくる温度のＡＤ値を正常範囲としている。
　図１４において、温度センサ回路に地絡故障が発生したとする。制御部２はｔ＝ｔ１において、温度センサＳｎｓＴＬから検出したＡＤ値が所定の範囲を下回ったため、温度センサ回路が故障と判断し、出力電流を制限するために垂下開始電流を第２の設定値Ｉｂに切り替える。ここで、第２の設定値Ｉｂは高温の水温が入力されても部品が故障することなく耐えうることができる出力電流である。
　以上のようなフェールセーフ制御を行うことで、温度センサ回路が故障した場合においても停止することなく安定した電力を低圧バッテリ１３に供給できる。
　実施の形態６に係る電力変換装置の変形例として、制御部２は温度センサＳｎｓＴＬとは別に水ぬけ（冷却器異常）を検出できる機構、例えば実施の形態５の変形例で説明したように、外部のＥＣＵから通信による検出あるいはパワーセーブ用温度センサとは別に複数の温度センサを備えた場合において、温度センサ回路が故障と判断し、出力電流を第２の設定値Ｉｂとして制御を加えている状況で、水ぬけが発生（冷却器異常）したと判断すると、制御部２は、出力電流値をさらに低下させるため、垂下制御の開始電流値を第２の設定値Ｉｂから第３の設定値Ｉｃに切り替える（図１１参照）。
　実施の形態６にかかる電力変換装置では、温度センサ回路が故障したときに出力電流を抑制するように制御したが、車両内の電力変換装置などを冷却するために冷却水を制御するウォーターポンプが気づかずに間欠駆動などをしてしまい部品温度が上昇してしまうことが考えられる。このため、図１５に示すように、実施の形態６に係る電力変換装置５０は、水冷冷却されており、電動ウォーターポンプ５１から冷却配管５２を介して電力変換装置５０に冷却水を循環させる。ここで、電力変換装置５０の制御部２は、通信線５４ａを介して、車両を制御する外部ＥＣＵ５３と繋がっており、同様にＥＣＵ５３は、通信線５４ｂを介して電動ウォーターポンプ５１と繋がっている。ＥＣＵ５３は、制御線５５により所望の水量を出力するよう電動ウォーターポンプ５１に指令信号を出す。ここで、通信線は例えばＣＡＮである。
　ここで、実施の形態６にかかる電力変換装置では、温度センサ回路が故障したと判断した時、制御部２は、出力電流を低減するとともに、通信線５４ａを介して所定の流量以上を出力するようＥＣＵ５３に信号を出力する。ＥＣＵ５３は、制御部２からの情報を受けて、電動ウォーターポンプ５１に所定の流量を出力するよう制御する。これにより、実施の形態６に係る電力変換装置では、温度センサ回路が故障した場合においても停止することなく、安定した電力を低圧バッテリに供給できる。
　各実施の形態で説明した電力変換装置では、電流検出装置２２により出力電流値を検出していたが、これに限るものではなく例えば、図１６に示すように、一次側（高圧バッテリ側）に入力電流検出装置２２ａを備え、入力電流から出力電流を推定してもよい。降圧コンバータの場合、出力電流に比べ、入力電流が小さいため、この構成の方が電流センサのコストを抑えることができる。
　各実施の形態で説明した電力変換装置では、ＤＣ－ＤＣコンバータのトランスをセンタータップ方式の形態を示したが、これに限るものではなく２次側巻き線の両端がそれぞれフルブリッジ構成のダイオードの中点に接続される構成でもよい。
　各実施の形態で説明した電力変換装置では整流回路をダイオード整流として説明したが、これに限るものではなく例えば、同期整流でも良い。
　また、各実施の形態で説明した低圧バッテリ１３は、高圧バッテリ１よりも電圧の低い蓄電装置であって、１２Ｖバッテリでも２４Ｖバッテリであってもよいし、その他の電圧バッテリであってもよく、特に１２Ｖバッテリに限定されるものではない。
　実施の形態１に係る電力変換装置において、ＤＣ－ＤＣコンバータのスイッチング制御方法はハードスイッチングとしたが、これに限るものではなく、例えば、位相シフト制御方式でもよく。この場合、制御部２は半導体スイッチング素子３と半導体スイッチング素子６をひとつのスイッチング素子対として制御し、各半導体スイッチング素子４、５の位相を半周期ずらして（180°位相をシフト）制御させることになる。この場合の各部の信号、電流のタイムチャートを図１７に示す。
　図１７に示すように、半導体スイッチング素子３、４および半導体スイッチング素子５、６はそれぞれ上下アームが短絡しないようにデッドタイムｔｄを設けてオン・オフ制御する。
　本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
　従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１　高圧バッテリ、２　制御部、３、４、５、６　半導体スイッチング素子、７　トランス、８、９　整流用ダイオード、１０　平滑リアクトル、１１　平滑コンデンサ、１２　負荷、１３　低圧バッテリ、２０　入力電圧検出装置、２１　電圧検出装置、２２　電流検出装置、２２ａ　入力電流検出装置、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ　制御線、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、３１ｄ　信号線、ＳｎｓＴＬ　温度センサ、５０　電力変換装置、５１　電動ウォーターポンプ、５２　冷却配管、５３　外部ＥＣＵ、５４ａ、５４ｂ　通信線、５５　制御線、２００　ＤＣ－ＤＣコンバータ、２１０　処理装置、２２０　記憶装置、２２１　テーブル、４００　温度検出装置

Claims (13)

  1. 　入力された電力を降圧して出力するＤＣ－ＤＣコンバータ、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの出力する電流値を検出する電流検出装置、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの温度を検出する温度検出装置、および垂下特性による制御を開始する電流値を温度の値に応じて複数の段階で設定し、前記温度検出装置の検出した温度に応じて前記電流値を切り替えて前記制御を行う制御部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 　前記ＤＣ－ＤＣコンバータは、一次巻線および二次巻線を備えた絶縁トランスと半導体スイッチング素子と前記絶縁トランスの二次巻線側に接続された整流回路とを備えた絶縁型のＤＣ－ＤＣコンバータであって、前記温度検出装置は、前記整流回路の温度を検出することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記整流回路が、前記ＤＣ－ＤＣコンバータにおいて最も発熱する箇所であることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記制御部は、前記温度検出装置が検出した温度の値が予め定めた第１の閾値を超えると、前記制御を開始する電流値を第１の設定値より小さな第２の設定値とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 　前記制御部は、前記電流値を前記第１の設定値から前記第２の設定値に切り替えるとき、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの出力の電流変化速度に所定の傾きを持たせることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 　前記ＤＣ－ＤＣコンバータの前記制御部は、前記温度検出装置が検出した温度の値が第１の閾値を超えると、前記温度の値が前記第１の閾値に収束するよう、前記電流値を制御することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  7. 　前記電力変換装置は、水冷冷却である冷却機構を有し、前記制御部は内部に、水ぬけ判定を行う冷却器異常判定手段を備え、前記制御部が冷却器異常と判定すると、前記電流値を第２の設定値より小さな第３の設定値とすることを特徴とする請求項４または５に記載の電力変換装置。
  8. 　前記制御部は、前記温度の値が前記第１の閾値より大きな第２の閾値を超えると冷却器異常と判定することを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
  9. 　前記電力変換装置は、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの温度検出装置と水ぬけ判定用の温度検出装置を夫々備え、前記水ぬけ判定用の温度検出装置の温度の値が所定の閾値を超えたとき冷却器異常と判定することを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
  10. 　前記制御部は、前記電力変換装置の外部のＥＣＵから水ぬけ検知の信号を取得した時、冷却器異常と判定することを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
  11. 　前記制御部は、前記温度検出装置から検出する前記温度の値のＡＤ値が所定の範囲を超えたとき、前記電流値を第１の設定値より小さな第２の設定値とすることを特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  12. 　前記制御部は、前記温度検出装置から検出する前記温度の値のＡＤ値が所定の範囲を超え、かつ前記制御部が冷却器異常と判定したとき、前記電流値を第３の設定値とすることを特徴とする請求項７から１１のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  13. 　前記電力変換装置は水冷冷却機構を有し、外部にウォーターポンプと前記ウォーターポンプを制御するＥＣＵを備え、前記制御部は、前記温度検出装置から検出する前記温度の値のＡＤ値が所定の範囲を超えたとき、前記ＥＣＵに前記ウォーターポンプの流量を所定の値以上の流量とするように指令信号を出力とすることを特徴とする請求項１１に記載の電力変換装置。
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