(57)【要約】【課題】  第１リアクトルと第２リアクトルがバッテリに対して並列に接続されているコンバータの過熱防止技術を簡単化する。【解決手段】  第１リアクトルと前記第２リアクトルを冷却器を挟んで配置するとともに、第１リアクトルの温度が第２リアクトルの温度より高い関係に調整しておく。第１リアクトルのみに温度センサを配置し、温度センサによって検出される検出値に基づいて第１リアクトルと第２リアクトルの双方に流れる電流の大きさを調整する。１個の温度センサで２個のリアクトルの過熱を防止する。【選択図】  図１
2020089056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１リアクトルを備えている第１コンバータ回路と、
第２リアクトルを備えているとともに、バッテリに対して前記第１コンバータ回路と並列に接続されている第２コンバータ回路と、
前記第１リアクトルの温度を検出する温度センサと、
制御部を備え、
前記第１リアクトルと前記第２リアクトルは、冷却器を挟んで配置されており、
前記第１リアクトルの温度が前記第２リアクトルの温度より高い関係にあり、
前記制御部は、前記温度センサの検出値と基準値を用いて、前記第１リアクトルと前記第２リアクトルに流れる電流の大きさを調整する、コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書では、バッテリに対して第１コンバータ回路と第２コンバータ回路が並列に接続されており、バッテリの出力電力を昇圧した電力を電気機器に供給するコンバータを開示する。
【背景技術】
【０００２】
コンバータが備えるスイッチング素子を流れる電流を許容範囲内に抑えるために、あるいはスイッチング素子の制御時に発生するリップル電流を低減するために、第１コンバータ回路と第２コンバータ回路を並列に接続してコンバータを構成する場合がある。各コンバータ回路は、動作時に発熱するリアクトルを備えており、リアクトルが過熱することを防止する必要がある。
【０００３】
特許文献１に過熱防止技術が開示されており、コンバータは、リアクトルを流れる電流を検出する電流センサと、スイッチング素子を制御する制御部を備える。制御部は、電流センサで検出される電流に基づいてリアクトルの温度を推定し、推定したリアクトルの温度が基準値よりも高くなると、スイッチング素子の導通時間を短くし、リアクトルを流れる電流を抑制して過熱を防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−０４１０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
第１コンバータ回路と第２コンバータ回路が並列に接続されているコンバータに、特許文献１の技術を適用する場合、各コンバータ回路に過熱防止技術を適用する必要があり、製造コスト等を押し上げる。本明細書では、より簡単化された構成によって、第１コンバータ回路と第２コンバータ回路が並列に接続されているコンバータの過熱を防止する技術を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書で開示するコンバータでは、第１コンバータ回路と第２コンバータ回路がバッテリに対して並列に接続されており、各コンバータ回路がリアクトルを備えている。即ち、コンバータは、第１リアクトルを備えている第１コンバータ回路と、第２リアクトルを備えているとともに、バッテリに対して第１コンバータと並列に接続されている第２コンバータ回路を備えている。本明細書で開示するコンバータは、上記に加えて、第１リアクトルの温度を検出する温度センサと、制御部を備えている。第１リアクトルと第２リアクトルは、冷却器を挟んで配置されており、第１リアクトルの温度が第２リアクトルの温度よりも高い関係を満たすように調整されている。制御部は、温度センサの検出値と基準値を用いて、第１リアクトルと第２リアクトルに流れる電流の大きさを調整する。
【０００７】
第１リアクトルの温度が第２リアクトルの温度よりも高い関係は、種々の手法で得ることができる。例えば、第１リアクトルの構成と第２リアクトルの構成を変え、同一値の電流で使用する場合の第１リアクトルの発熱量が第２リアクトルの発熱量以上となる関係を利用することができる。あるいは、第１リアクトルの電流変化速度が第２リアクトルの電流変化速度より高速となる制御を実施して第１リアクトルの温度が第２リアクトルの温度よりも高い関係を得るようにしてもよい。
【０００８】
上記の構成によると、第１リアクトルの温度に基づいて第１リアクトルを流れる電流の大きさが調整され、第１リアクトルの過熱を防止できる。第２リアクトルを流れる電流の大きさは、第１リアクトルと同様に調整される。第２リアクトルの温度は第１リアクトルの温度よりも小さく、第１リアクトルと同様に調整すると、第２リアクトルの過熱も防止できる。この結果、１個の過熱防止技術で、第１リアクトルと第２リアクトルの双方を過熱から保護することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例のコンバータを備える電動車両の電力系のブロック図である。
【図２】実施例のコンバータのリアクトルと温度センサと冷却器の関係を示す図である。
【図３】電流の積算値と温度上昇値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（第１実施例）
図１と図２を参照して、第１実施例のコンバータ３０を説明する。コンバータ３０は、電気自動車、ハイブリット自動車や燃料電池車等の電動車両１０に搭載される。コンバータ３０は、電動車両１０のパワーコントロールユニットを構成する電力変換器２０に搭載される。
【００１１】
図１を参照して、電動車両１０の電力系のブロック図を説明する。電動車両１０は、バッテリ１２と、電力変換器２０と、モータ９４を備える。電力変換器２０は、コンバータ３０と、インバータ９０と、平滑化コンデンサ９２を備える。コンバータ３０は、バッテリ１２から出力される直流電力を昇圧し、昇圧した直流電力をインバータ９０に出力する。コンバータ３０の回路構成は、後で詳しく説明する。インバータ９０は、図示省略の上位制御部から供給される駆動信号に基づいて、コンバータ３０から出力される直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力をモータ９４に出力する。インバータ９０の回路構成は良く知られているため、詳しい回路図とその説明を省略する。モータ９４は、インバータ９０から出力される交流電力によって回転する。これにより、電動車両１０の車輪にモータ９４の動力が伝わり、電動車両１０が走行する。
【００１２】
モータ９４は、発電機として機能する場合がある。例えば、運転者が電動車両１０の走行中にブレーキペダルを踏むと、モータ９４は、電動車両１０の慣性エネルギによって回転させられて発電する。モータ９４で発電された電力は、インバータ９０によって直流電力に変換され、コンバータ３０によって降圧された後、バッテリ１２に充電される。
【００１３】
コンバータ３０とインバータ９０の間には、平滑化コンデンサ９２が並列に接続されている。平滑化コンデンサ９２は、コンバータ３０とインバータ９０の間を流れる電流と電圧を平滑化する。
【００１４】
次に、コンバータ３０を説明する。コンバータ３０は、双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。以下では、バッテリ１２側（低電圧側）の端子を入力端３２と呼び、インバータ９０側（高電圧側）の端子を出力端３４と呼ぶ。また、入力端３２の正極と負極のそれぞれを、入力正極端３２ａと入力負極端３２ｂと呼ぶ。また、出力端３４の正極と負極のそれぞれを、出力正極端３４ａと出力負極端３４ｂと呼ぶ。
【００１５】
コンバータ３０は、第１コンバータ回路４０と、第２コンバータ回路６０と、フィルタコンデンサ８０と、制御部８２を備える。第１コンバータ回路４０と第２コンバータ回路６０は、共通の入力端３２ａ、３２ｂと共通の出力端３４ａ、３４ｂの間において、バッテリ１２に対して並列に接続されている。第１コンバータ回路４０と第２コンバータ回路６０は、バッテリ１２から出力される直流電力を昇圧する機能を有する。また、第１コンバータ回路４０と第２コンバータ回路６０は、インバータ９０から出力される直流電力を降圧する機能を有する。フィルタコンデンサ８０は、入力正極端３２ａと入力負極端３２ｂの間に接続されている。フィルタコンデンサ８０は、コンバータ３０とバッテリ１２の間を流れる電流と電圧を平滑化する。
【００１６】
第１コンバータ回路４０は、スイッチング素子４２、４６と、ダイオード４４、４８と、第１リアクトル５０と、電流センサ５２と、温度センサ５４を備える。スイッチング素子４２、４６は、例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（即ちＩＧＢＴ）や金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（即ちＭＯＳＦＥＴ）等である。スイッチング素子４２、４６は、直列に接続されている。スイッチング素子４２の一端は、出力正極端３４ａに接続されている。スイッチング素子４６の他端は、入力負極端３２ｂと出力負極端３４ｂに接続されている。
【００１７】
スイッチング素子４２には、ダイオード４４が逆並列に接続されている。スイッチング素子４６には、ダイオード４８が逆並列に接続されている。スイッチング素子４２、４６の間の中点には、第１リアクトル５０が接続されている。第１リアクトル５０に電流が流れると、第１リアクトル５０は発熱する。第１リアクトル５０の他端は、電流センサ５２に接続されている。電流センサ５２の他端は、入力正極端３２ａに接続されている。電流センサ５２は、第１リアクトル５０に流れる電流を検出する。
【００１８】
温度センサ５４は、第１リアクトル５０の温度を検出する。温度センサ５４は、例えば周囲の温度に応じて抵抗値が変化するダイオードである。温度センサ５４の抵抗値を検出することにより、第１リアクトル５０の温度が検出される。
【００１９】
第２コンバータ回路６０は、スイッチング素子６２、６６と、ダイオード６４、６８と、第２リアクトル７０と、電流センサ７２を備える。スイッチング素子６２、６６と、ダイオード６４、６８と、第２リアクトル７０と、電流センサ７２の回路構成は、第１コンバータ回路４０のスイッチング素子４２、４６と、ダイオード４４、４８と、第１リアクトル５０と、電流センサ５２の回路構成と同様である。
【００２０】
第２リアクトル７０に電流が流れると、第２リアクトル７０は発熱する。第２リアクトル７０の熱特性は、第１リアクトル５０の熱特性と異なる。通電する電流の変化速度が同一である場合、第２リアクトル７０の発熱量は、第１リアクトル５０の発熱量よりも小さい。例えば、第２リアクトル７０の巻線の巻き数は、第１リアクトル５０の巻き線の巻き数よりも少ない。
【００２１】
制御部８２は、スイッチング素子４２、４６、６２、６６と温度センサ５４と電流センサ５２、７２に通信可能に接続されている。図１では、制御部８２とスイッチング素子４２、４６、６２、６６の接続線と、制御部８２と温度センサ５４の接続線と、制御部８２と電流センサ５２、７２の接続線が、短ピッチの破線によって図示されている。制御部８２は、温度センサ５４から第１リアクトル５０の温度を取得する。また、制御部８２は、電流センサ５２から、第１リアクトル５０に流れる電流を検出する。また、制御部８２は、電流センサ７２から、第２リアクトル７０に流れる電流を検出する。また、制御部８２は、スイッチング素子４２、４６、６２、６６を制御する。即ち、制御部８２は、スイッチング素子４２、４６、６２、６６のオン状態とオフ状態を切り替える。また、制御部８２は、スイッチング素子４２、６２を同時に制御し、スイッチング素子４６、６６を同時に制御する。
【００２２】
次に、コンバータ３０による昇圧動作と降圧動作を説明する。昇圧動作では、スイッチング素子４６、６６が関与する。制御部８２からスイッチング素子４６、６６に、所定のデューティ比の駆動信号が供給されると、スイッチング素子４６、６６は、所定のデューティ比でオン状態とオフ状態に切り替わる。これにより、バッテリ１２から出力される直流電圧が昇圧される。
【００２３】
降圧動作では、スイッチング素子４２、６２が関与する。制御部８２からスイッチング素子４２、６２に所定のデューティ比の駆動信号が供給されると、スイッチング素子４２、６２は、所定のデューティ比でオン状態とオフ状態に切り替わる。これにより、インバータ９０から出力される直流電圧が降圧される。
【００２４】
次に、図２を参照して、電力変換器２０のハードウェアの構成を説明する。電力変換器２０は、冷却器１００をさらに備える。冷却器１００は、例えば、電力変換器２０を収容するケース等である。冷却器１００は、金属材料から作製されている。図２に示すように、冷却器１００は、内部に流路１０２を有する。図２では、冷却器１００の断面を示すハッチのみが図示されている。流路１０２には、図示省略の冷媒供給装置から供給される液体冷媒が通過する。なお、変形例では、流路１０２には、冷却空気が通過してもよい。
【００２５】
第１リアクトル５０は、図示省略の放熱シートを介して、冷却器１００に載置されている。第１リアクトル５０の熱は、冷却器１００を介して、流路１０２を通過する液体冷媒に伝熱される。これにより、第１リアクトル５０は冷却される。第２リアクトル７０は、冷却器１００上にあって、第１リアクトル５０が載置されている面と反対側の面に、図示省略の放熱シートを介して載置されている。第１リアクトル５０と第２リアクトル７０は、冷却器１００を挟んで配置されている。第２リアクトル７０の熱は、冷却器１００を介して、流路１０２を通過する液体冷媒に伝熱される。これにより、第２リアクトル７０は冷却される。また、冷却器１００による第２リアクトル７０の冷却効率は、冷却器１００による第１リアクトル５０の冷却効率と同等である。
【００２６】
第１リアクトル５０には、温度センサ５４が載置されている。なお、変形例では、温度センサ５４は、第１リアクトル５０の内部に配置されていてもよい。
【００２７】
次に、温度センサ５４で検出される温度を用いて、第１リアクトル５０と第２リアクトル７０に流れる電流を調整する方法を説明する。制御部８２は、スイッチング素子４２、４６、６２、６６に駆動信号を供給する。制御部８２は、スイッチング素子４２、６２を同時にオン状態に切り替え、同時にオフ状態に切り替える。また、制御部８２は、スイッチング素子４６、６６を同時にオン状態に切り替え、同時にオフ状態に切り替える。この場合、第１リアクトル５０と第２リアクトル７０の熱特性の違いによって、第１リアクトル５０の発熱量は、第２リアクトル７０の発熱量よりも大きい。このため、第１リアクトル５０の温度は、第２リアクトル７０の温度よりも高くなる。
【００２８】
制御部８２は、温度センサ５４によって検出される第１リアクトル５０の温度を取得し続けている。制御部８２は、取得した第１リアクトル５０の温度を基準値と比較し続けている。基準値は、第１リアクトル５０の過熱を防止できる温度であり、予め実験によって特定されている。基準値は、制御部８２に予め格納されている。
【００２９】
取得した第１リアクトル５０の温度が基準値よりも低い場合、制御部８２は、スイッチング素子４２、４６、６２、６６に通常の駆動信号を供給し続ける。一方、取得した第１リアクトル５０の温度が基準値よりも高い場合、制御部８２は、第１リアクトル５０と第２リアクトル７０に流れる電流を小さくするように、スイッチング素子４２、４６、６２、６６に供給される駆動信号のデューティ比を調整する。この場合、上位制御部によって、インバータ９０に供給される駆動信号やモータ９４のトルクが調整されている。
【００３０】
（効果）
これにより、第１リアクトル５０が過熱することがない。第２リアクトル７０の温度は第１リアクトル５０の温度よりも低い。このため、第１リアクトル５０が過熱しなければ、第２リアクトル７０も過熱しない。この結果、１個の温度センサ５４によって検出される第１リアクトル５０の温度を用いて、第１リアクトル５０と第２リアクトル７０を共通に制御することにより、第１リアクトル５０と第２リアクトル７０の双方を過熱から保護する。これにより、過熱防止技術が簡単化される。
【００３１】
上記では、第１リアクトル５０と第２リアクトル７０の構成を変えることによって、第１リアクトル５０の温度が第２リアクトル７０の温度よりも高くなる関係を得ている。しかしながら、第１リアクトル５０と第２リアクトル７０の構成を等しくしながら、第１リアクトル５０の温度が第２リアクトル７０の温度よりも高くなる関係を得ることもできる。この場合、（第２リアクトル７０のデューティ比）＝α×（第１リアクトル５０のデューティ比）とする。ここで、αは１未満の定数とする。この関係を用いても、第１リアクトル５０の温度が第２リアクトル７０の温度よりも高くなる関係を得ることができる。この場合、第１リアクトル５０のデューティ比を下げれば、それに連動して第２リアクトル７０のデューティ比も下がる。この結果、１個の温度センサ５４を用いて、第１リアクトル５０と第２リアクトル７０の双方を共通に制御することによって、第１リアクトル５０と第２リアクトル７０の双方を過熱から保護することができる。
【００３２】
また、スイッチング素子４２、４６のゲート抵抗がスイッチング素子６２、６６のゲート抵抗よりも高い関係を利用して、第１リアクトル５０の温度が第２リアクトル７０の温度よりも高くなる関係を得てもよい。ゲート抵抗によってスイッチング速度が変わるため、第１リアクトル５０の温度が第２リアクトル７０の温度より高くなる関係を得ることができる。この場合も、１個の温度センサ５４を用いて、第１リアクトル５０と第２リアクトル７０の双方を共通に制御することによって、第１リアクトル５０と第２リアクトル７０の双方を過熱から保護することができる。
【００３３】
（第２実施例）
第１実施例では、第１リアクトル５０の温度が第２リアクトル７０の温度よりも高くなる関係に調整しておく必要がある。第２実施例は、この関係が保証されていない場合に有効である。図１の構成は、第２実施例にも共通である。即ち、第１コンバータ回路４０のみ、温度センサ５４を備えている。温度センサ５４は、第１リアクトル５０の温度を検出する。第２リアクトル７０の温度は検出されない。
【００３４】
制御部８２は、温度センサ５４で検出される第１リアクトル５０の温度を用いて、スイッチング素子４２、４６に供給する駆動信号のデューティ比を調整する。この場合、上位制御部によって、インバータ９０に供給される駆動信号やモータ９４のトルクが調整されている。
【００３５】
また、制御部８２は、温度センサ５４によって検出される第１リアクトル５０の温度を用いて、第２リアクトル７０の温度を算出し、その後、スイッチング素子６２、６６に供給する駆動信号のデューティ比を調整する。まず、図３を参照して、第２リアクトル７０の温度を算出する方法を説明する。制御部８２は、電流の積算値と温度上昇値との関係を示すデータマップと、第１補正係数ｋ１と、第２補正係数ｋ２を用いて、第２リアクトル７０の温度を算出する。電流の積算値と温度上昇値との関係を示すデータマップは、図３において、関係Ｘ１として図示されている。以下では、電流の積算値と温度上昇値との関係を示すデータマップのことを、関係Ｘ１と呼ぶことがある。関係Ｘ１は、予め実験によって特定されている。関係Ｘ１において、電流の積算値と温度上昇値は、直線の関係にある。関係Ｘ１において、電流の積算値が大きいほど、温度上昇値は大きい。関係Ｘ１は、制御部８２に予め格納されている。
【００３６】
第１補正係数ｋ１は、熱抵抗劣化率に対応する補正係数である。熱抵抗劣化率とは、リアクトルの放熱性が初期状態から変化した度合を表す。第１補正係数ｋ１は、次式によって算出される。
第１補正係数ｋ１＝αβＤＬ１
ここで、αは、第１リアクトル５０を流れる電流と第２リアクトル７０を流れる電流の比である。βは、第１リアクトル５０の熱抵抗の劣化速度に対する第２リアクトル７０の熱抵抗の劣化速度の比である。βは、予め実験によって特定されている。βは、制御部８２に予め格納されている。
【００３７】
ＤＬ１は、第１リアクトル５０の熱抵抗劣化率である。ＤＬ１は、電流の積算値と第１リアクトル５０の熱抵抗劣化率との関係を示すデータマップと、第１リアクトル５０に流れた電流の積算値によって算出される。電流の積算値と第１リアクトル５０の熱抵抗劣化率との関係を示すデータマップは、予め実験によって特定されている。電流の積算値と第１リアクトル５０の熱抵抗劣化率との関係を示すデータマップは、制御部８２に予め格納されている。
【００３８】
第２補正係数ｋ２は、第２リアクトル７０の初期温度に対応する補正係数であり、次式によって算出される。
第２補正係数ｋ２＝ＴＬ１ａ＋（ＴＬ１ｂ−ＴＬ１ａ）γ
ここで、ＴＬ１ａは、電動車両１０のイグニッションスイッチをオン状態に切り替えた直後の第１リアクトル５０の温度である。ＴＬ１ｂは、電動車両１０のイグニッションスイッチをオフ状態に切り替える直前の第１リアクトル５０の温度である。ＴＬ１ａとＴＬ１ｂは、温度センサ５４によって検出される。
【００３９】
γは、第１リアクトル５０の時定数に対する第２リアクトル７０の時定数の比から算出される補正係数である。第１リアクトル５０と第２リアクトル７０の時定数は、予め実験によって特定されている。γは、制御部８２に予め格納されている。
【００４０】
次に、電流値の積算値と温度上位値との関係を示すデータマップと、第１補正係数ｋ１と、第２補正係数ｋ２を用いて、第２リアクトル７０の温度を算出する方法を説明する。まず、制御部８２は、関係Ｘ１を示す直線の傾きに第１補正係数ｋ１を乗算し、関係Ｘ１を関係Ｘ２に変換する。図３では、関係Ｘ２が破線によって図示されている。次に、関係Ｘ２を示す直線の初期値に第２補正係数ｋ２を加算し、関係Ｘ２を関係Ｘ３に変換する。図３では、関係Ｘ３が破線によって図示されている。次いで、制御部８２は、第２リアクトル７０を流れる電流の積算値と関係Ｘ３を用いて、第２リアクトル７０の温度上昇値を算出する。次いで、温度センサ５４によって検出される第１リアクトル５０の温度に、第２リアクトル７０の温度上昇値を加算して、第２リアクトル７０の温度を算出する。上記では、電流センサ５２、７２によって検出される電流の大きさを用いて、第２リアクトル７０の温度を算出するのではなく、電流センサ５２、７２によって検出される電流の大きさと、温度センサ５４によって検出される第１リアクトル５０の温度を用いて、第２リアクトル７０の温度を算出する。このため、第２リアクトル７０の温度の算出精度が高い。
【００４１】
次に、スイッチング素子６２、６６に供給する駆動信号のデューティ比を調整する方法を説明する。制御部８２は、算出された第２リアクトル７０の温度と基準値に基づいてスイッチング素子６２、６６に供給する駆動信号のデューティ比を調整する。具体的には、制御部８２は、第２リアクトル７０の推定温度が基準温度よりも高い場合、スイッチング素子６２、６６に供給する駆動信号のデューティ比を調整して、第２リアクトル７０に流れる電流を小さくする。この場合、上位制御部によって、インバータ９０に供給される駆動信号やモータ９４のトルクが調整されている。
【００４２】
（効果）
第２コンバータ回路６０が温度センサを備えていない場合に、第１コンバータ回路４０の備える１個の温度センサ５４によって、第２リアクトル７０の温度を正確に算出することができる。この結果、１個の温度センサ５４によって、第１リアクトル５０と第２リアクトル７０の双方が過熱から保護される。これにより、過熱防止技術が簡素化される。
【００４３】
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さまざまに変形、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、本明細書又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。
【符号の説明】
【００４４】
１０    ：電動車両
１２    ：バッテリ
２０    ：電力変換器
３０    ：コンバータ
３２    ：入力端
３４    ：出力端
４０    ：第１コンバータ回路
４２、４６、６２、６６：スイッチング素子
４４、４８、６４、６８：ダイオード
５０    ：第１リアクトル
５２、７２：電流センサ
５４    ：温度センサ
６０    ：第２コンバータ回路
７０    ：第２リアクトル
８０    ：フィルタコンデンサ
８２    ：制御部
９０    ：インバータ
９２    ：平滑化コンデンサ
９４    ：モータ
１００  ：冷却器
１０２  ：流路
【図１】
2020089056.tif 000003
【図２】
2020089056.tif 000004
【図３】
2020089056.tif 000005