(57)【要約】      （修正有）【課題】電気自動車用の電力変換装置において、スイッチング素子と他の部品を適切に熱保護する技術を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、モータ駆動用電力が流れる複数の素子５１、ヒートシンク、筐体、第１及び第２温度センサ１１、１２、及び、制御装置６１を備える。第１温度センサと第２温度センサ１１、１２、それぞれ、ヒートシンクの温度、熱保護対象部品の雰囲気温度を計測する。制御装置６１は、走行用モータ７の目標出力を、第１温度センサ又は第２温度センサ１１、１２の計測値に基づいて所定の制限比率で減じ、減じられた目標出力を実現するように素子５１を駆動する。制御装置６１は、第１温度センサ１１の計測温度に対応した第１制限比率と、第２温度センサ１２の計測温度に対応した第２制限比率のうち、目標出力が小さくなる方の制限比率を、所定の比率として選定する。【選択図】図１
2014187783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリの直流電力を走行用モータ駆動用の交流電力に変換して出力する電気自動車用の電力変換装置であり、
バッテリから出力されるモータ駆動用電力が流れる複数のスイッチング素子と、
複数のスイッチング素子に取り付けられている共通のヒートシンクと、
複数のスイッチング素子とヒートシンクを収容する筐体と、
ヒートシンクの温度を計測する第１温度センサと、
筐体内でスイッチング素子とは別の熱保護対象部品の雰囲気温度を計測する第２温度センサと、
アクセル開度に応じて決定された走行用モータの目標出力を、第１温度センサ又は第２温度センサの計測値に基づいて所定の制限比率で減じ、減じられた目標出力を実現するようにスイッチング素子を駆動する制御装置と、
を備えており、
ヒートシンクの複数の温度に夫々対応する複数の第１制限比率が予め定められているとともに、熱保護対象部品の複数の雰囲気温度に夫々対応する複数の第２制限比率が予め定められており、
制御装置は、第１温度センサの計測温度に対応した第１制限比率と、第２温度センサの計測温度に対応した第２制限比率のうち、目標出力が小さくなる方の制限比率を前記所定の比率として選定する、
ことを特徴とする電気自動車用の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発熱量の大きなデバイスの一つに、電気自動車に搭載される電力変換装置がある。電気自動車の電力変換装置は、バッテリの電力を、走行用モータを駆動するための交流電力に変換する。そのような電力変換装置内の素子は大電力を扱うため、発熱量が大きく、特に、インバータにおけるスイッチング素子は発熱量が大きい。スイッチング素子とは、典型的にはＩＧＢＴなどのトランジスタである。
【０００３】
スイッチング素子の温度上昇を抑制するため、スイッチング素子を積極的に冷却する方法もあるが、モータの出力を制限し、スイッチング素子の発熱そのものを抑制する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、温度検出値と温度推定値のうち、より信頼度の高い値に基づいて、モータの出力制限を行う技術が開示されている。また、特許文献２には、素子温度のばらつきを考慮した素子の最高温度を用いて、負荷率制限を行う技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−００５６１５号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／１２４０７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電力変換装置に収容される部品の中でもスイッチング素子の発熱量は大きい。しかし、発熱するのはスイッチング素子だけではない。電力変換装置の筐体内にはスイッチング素子の他にも回路を構成する様々な部品が収容される。スイッチング素子の発熱により電力変換装置の筐体内部の空気の温度（雰囲気温度）が上昇する。周囲の部品もスイッチング素子ほどではないが発熱しており、部品そのものの発熱に加えて雰囲気温度が上昇すると、部品が適正な動作温度範囲を超えてしまう虞がある。熱保護すべき部品群の全てに温度センサを取り付けて温度管理する方法も考えられるが、それでは多数の温度センサが必要であり、コストが嵩む。本明細書は、少ない温度センサでスイッチング素子とともに他の部品群も熱保護する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
電力変換装置内の全ての部品が熱保護の対象とならない場合がある。そこで、本明細書では、スイッチング素子以外に熱保護すべき部品を熱保護対象部品と称する。
【０００７】
まず、スイッチング素子に関する熱制御について説明する。電力変換装置は通常、複数のスイッチング素子を使う。一つひとつのスイッチング素子に温度センサを取り付けるとコストが嵩む。そこで、本明細書が開示する技術では、複数のスイッチング素子に共通のヒートシンクを取り付け、そのヒートシンクに温度センサ（第１温度センサ）を取り付ける。熱制御する制御装置は、第１温度センサの計測値が所定の温度に達したらスイッチング素子の出力を制限する。こうして、一つの温度センサ（第１温度センサ）に基づいて複数のスイッチング素子の発熱量を抑制する。
【０００８】
ここで、スイッチング素子の出力制限は次の通り行う。電気自動車では、アクセル開度に応じて走行用モータの目標出力が決定される。走行用モータの目標出力は即ちスイッチング素子の目標出力に相当する。電気自動車ではアクセル開度とは無関係にモータの出力に制限を加えるとドライバビリティが低下するので好ましくない。そこで、アクセル開度に応じて決定された走行用モータの目標出力を所定の制限比率で減じてスイッチング素子の目標出力とする。そうすることで、モータ出力はアクセル開度に依存するものの、スイッチング素子の温度（ヒートシンクの温度）に応じて所定の割合（所定の制限比率）でモータ出力が減じられる。なお、制限比率は、ヒートシンク温度に依存して定めればよい。具体的には、ヒートシンクの複数の温度に夫々対応する複数の第１制限比率を予め定めておき、制御装置は、第１温度センサの計測温度に対応した第１制限比率を選択すればよい。制御装置は、選択した第１制限比率で目標出力を減じ、減じられた目標出力を実現するようにスイッチング素子を駆動する。
【０００９】
他方、前述したように、電力変換装置内で最も発熱する部品の一つであるスイッチング素子の発熱により電力変換装置内の雰囲気温度が上昇することが熱保護対象部品の温度上昇の主要な要因である。そこで、一つひとつの熱保護対象部品に温度センサを取り付ける代わりに、熱保護対象部品の近傍にその雰囲気温度を計測する温度センサ（第２温度センサ）を取り付ける。熱制御する制御装置は、第２温度センサの計測値が所定の温度に達したらスイッチング素子の出力を制限する。出力制限は、ヒートシンクの場合と同様でよい。即ち、複数の雰囲気温度に夫々対応する複数の第２制限比率を予め定めておき、制御装置は、第２温度センサの計測温度に対応した第２制限比率を選択すればよい。制御装置は、選択した第２制限比率で目標出力を減じ、減じられた目標出力を実現するようにスイッチング素子を駆動する。
【００１０】
ここで、第１温度センサに基づく出力制限と第２温度センサに基づく出力制限の整合性を取る必要がある。そこで、上記の制御装置は、第１温度センサの計測温度に対応した第１制限比率と、第２温度センサの計測温度に対応した第２制限比率のうち、目標出力が小さくなる方の制限比率を前述した「所定の比率」として選定する。こうして、２個の温度センサにより、複数のスイッチング素子と、スイッチング素子とは別の熱保護対象部品群の温度上昇を抑制することができる。
【００１１】
熱保護対象部品の典型は、モータを駆動する電流を平滑化するコンデンサ、バッテリの出力電力を昇圧／高圧する電圧コンバータのリアクトル、あるいは、スイッチング素子を制御する制御チップ群である。
【００１２】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の実施形態にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態に係る電力変換装置の電気系のブロック図である。
【図２】実施形態に係る電力変換装置の分解斜視図である。
【図３】制御装置が実行する熱保護処理のフローチャートである。
【図４】記憶装置に記憶されている制御テーブルの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態について添付図面を参照して説明する。図１は、電力変換装置の電気系のブロック図である。この電力変換装置は、電気自動車に搭載され、直流電力を交流電力に変換する装置である。実施形態に係る電力変換装置１は、図１に示すように、バッテリ７０とモータ７に接続している。電力変換装置１には、バッテリ７０の出力電圧を昇圧する電圧コンバータ回路５４が接続されており、電圧コンバータ回路５４の出力はインバータ回路５３に接続されている。インバータ回路５３の出力が電力変換装置１の出力に相当し、走行用のモータ７に供給される。モータ７の出力軸は車輪５８に連結されている。
【００１５】
電圧コンバータ回路５４は、よく知られているように、スイッチング素子５１とダイオード５２が逆並列に接続されたスイッチング回路５５が２個直列に接続されているとともに、その中間点とバッテリ７０の間に接続されるリアクトル５６で構成される。図１に示す電圧コンバータ回路５４の構成と動作はよく知られているので詳しい説明は省略する。
【００１６】
インバータ回路５３は、電圧コンバータ回路５４が有するスイッチング回路５５と同様のスイッチング回路を６セット有する。２つのスイッチング回路５５が直列に接続され、その直列接続が３セット並列に接続されている。２つのスイッチング回路５５の直列接続の中間点から交流電流が出力される。図１のインバータ回路５３の構成と動作も良く知られているので詳しい説明は省略する。
【００１７】
電圧コンバータ回路５４の入力側と出力側には、コンデンサ５７が並列に接続されている。入力側のコンデンサ５７は、バッテリ７０から供給される電流を平滑化するためのものであり、出力側のコンデンサ５７は、電圧コンバータの出力電流を平滑化するためのものである。いずれのコンデンサも、バッテリ７０の電流、即ち、モータ７を駆動するための大電流が流れるため、容量が大きい。
【００１８】
電圧コンバータ回路５４とインバータ回路５３のスイッチング素子５１は、制御装置６１からＰＷＭ信号を受けて動作する。制御装置６１は、不図示の上位コントローラから、モータ７が出力すべき目標出力を受ける。モータ７の目標出力は、インバータ回路５３、即ち、電力変換装置１の出力に相当する。制御装置６１は、受信した目標出力を実現するＰＷＭ信号を生成し、各スイッチング素子５１に供給する。制御装置６１は、同時に、インバータ回路５３の出力端に備えられた電流センサ４２により、出力電流が目標の出力電流に追従するようにフィードバック制御を行う。
【００１９】
詳しくは後述するが、電力変換装置１には、２つの温度センサ、即ち、第１温度センサ１１と第２温度センサ１２が備えられている。また、制御装置６１には、各種のパラメータを記憶する記憶装置６２が接続されている。制御装置６１は、上位のコントローラから受ける目標出力を実現するように各スイッチング素子５１を制御するのであるが、電力変換装置内の部品の過熱を防ぐべく、２つの温度センサ１１、１２の計測値に基づいて、目標出力を所定の比率（制限比率）で減じる処理を行う。制御装置６１が実行する処理については後述する。
【００２０】
次に、図２を参照して電力変換装置１のハードウエア構成を説明する。電力変換装置２は、その筐体２の内部に、各種の部品を備えているとともに、筐体２の底板に相当するベースプレート３は、スイッチング素子の熱を外部に放出するヒートシンクを兼ねている。以下、ベースプレート３をヒートシンク３と呼び替える。筐体２とヒートシンク３は、熱伝導率の高いアルミニウムで作られている。
【００２１】
ヒートシンク３には、幾つかのインテリジェントパワーモジュール５（Intelligent Power Module、以下、ＩＰＭ５と称する）が固定されている。一つのＩＰＭ５には上記したスイッチング回路５５（即ち、スイッチング素子５１とダイオード５２の逆並列回路）が２セット樹脂で封止されている。電力変換装置１は電圧コンバータ回路５４とインバータ回路５３で合計８セットのスイッチング回路を備える。それら８セットのスイッチング回路は、２セットずつ一つのＩＰＭ５に封止され、合計４つのＩＰＭ５がヒートシンク３に固定されている。ヒートシンク３は、ＩＰＭ５が内蔵する複数のスイッチング素子５１の熱を筐体２の外部に放出する。そのヒートシンク３に、第１温度センサ１１が取り付けられている。
【００２２】
筐体２には、その他、コンデンサユニット４１と、リアクトル５６、及び、制御基板６が内蔵される。コンデンサユニット４１は、図１を参照して説明したコンデンサ５７の物理的な素子が収められたユニットである。リアクトル５６は、前述したように、電圧コンバータ回路５４を構成する部品の一つである。
【００２３】
制御基板６には、複数のＩＣチップが搭載されており、その複数のＩＣチップが、図１を参照して説明した制御装置６１を実現するハードウエアに相当する。また、制御基板６には、不揮発性のメモリが搭載されており、そのメモリが、図１を参照して説明した記憶装置６２に相当する。その制御基板６の近傍に、制御基板６の周囲の空気の温度（即ち、雰囲気温度）を計測する第２温度センサ１２が取り付けられている。別言すれば、第２温度センサ１２は、筐体２内において、制御基板６の雰囲気温度を計測する。具体的には、第２温度センサ１２は、保持部材２１を介して、制御基板６に取り付けられている。第２温度センサ１２は、制御基板６の５ｃｍ程度の近傍に位置している。
【００２４】
前述したように、制御装置６１は、上位のコントローラから送られるモータ７の目標出力が実現されるように複数のスイッチング素子５１を制御するが、スイッチング素子５１と制御基板６の過熱を防止するため、それらの温度が上昇したときには、モータ７の予定されている目標出力を所定の割合（制限比率）で減じ、減じた後の目標出力を実現するように各スイッチング素子５１を制御する。即ち、制御装置６１は、アクセル開度に基づいて決定されるモータ７の目標出力を所定の制限比率で減じることで、スイッチング素子の発熱を抑制し、複数のスイッチング素子５１と制御基板６の過熱を防止する。次に、制御装置６１が実行する熱保護処理を説明する。
【００２５】
図３に制御装置６１が実行する熱保護処理のフローチャートを示す。なお、図３のフローチャートの処理に先立って、制御装置６１は、上位のコントローラから、モータ７の目標出力を受信している。
【００２６】
制御装置６１は、まず、第１、第２温度センサ１１、１２の計測値を取得する（Ｓ１）。前述したように、第１温度センサ１１の計測値は、ヒートシンク３の温度に相当し、第２温度センサ１２の計測値は、制御基板６の雰囲気温度に相当する。制御装置６１は、ヒートシンク３の温度に対応する制限比率（第１制限比率）を、記憶装置６２に予め記憶されている第１制御テーブルから抽出する（Ｓ２）。同様に、制御装置６１は、雰囲気温度に対応する制限比率（第２制限比率）を、記憶装置６２に予め記憶されている第２制御テーブルから抽出する（Ｓ３）。第１、第２制御テーブルについては後述する。
【００２７】
次に、制御装置６１は、抽出した２つの制限比率を比較し、値の小さい方、別言すれば、目標出力がより小さくなる方の制限比率を選択する（Ｓ４）。最後に制御装置６１は、与えられた目標出力に選択した制限比率を乗じた値が実現されるように、各スイッチング素子５１に供給するＰＷＭ信号を生成する（Ｓ５）。生成したＰＷＭ信号は各スイッチング素子に出力される（Ｓ６）。ここで、制限比率とは、出力を制限する（減じる）ための比率である。後述の図４に示す例では、例えば制限比率が６０％であるときは、元の出力の６０％に制限する（減じる）。同様に、制限比率が４０％であるときは、元の出力の４０％に制限する（減じる）。
【００２８】
ここで、第１、第２制御テーブルについて説明する。図４は、記憶装置６２に記憶されている制御テーブルの一例を示す図である。この制御テーブルには、アクセル開度に基づいて決定された目標出力を減じる制限比率が格納されている。本実施形態では、２つの制御テーブル、すなわち、第１制御テーブルＴ１および第２制御テーブルＴ２を用いており、各制御テーブルにそれぞれ、温度と制限比率の関係が記述されている。なお、以下の説明は、理解を助けるため、第１温度センサ１１の計測値に基づく出力制限と、第２温度センサ１２の計測値に基づく出力制限を別々に説明する。図３を参照して説明したように、制御装置６１は、第１温度センサ１１の計測値に基づいて選定した第１制限比率と第２温度センサ１２の計測値に基づいて選定した第２制限比率の一方を使って電力変換装置１の出力制限を行うことに留意されたい。
【００２９】
第１制御テーブルＴ１は、第１温度センサ１１の検知温度（即ちヒートシンク３の温度ｔ１）について用いられる制御テーブルであり、複数のヒートシンク３の温度にそれぞれ対応する制限比率（第１制限比率）が関連付けられて記憶されている。図４に示す例では、ヒートシンク３の温度ｔ１が「７０℃≦ｔ１＜７２℃」のとき、第１制限比率「８０％」が対応付けられており、ヒートシンク３の温度ｔ１が「７２℃≦ｔ１＜７４℃」のとき、第１制限比率「６０％」が対応付けられており、ヒートシンク３の温度ｔ１が７８℃以上に対しては第１制限比率「０％」が対応付けられている。これは、第１温度センサ１１が計測したヒートシンクの温度ｔ１が７０≦ｔ１＜７２℃の間である場合、上位のコントローラが決定したモータ７の目標出力を８０％に減じた上で、減じた目標出力を実現するように各スイッチング素子５１を制御することを意味する。なお、ヒートシンク３の温度ｔ１が７８℃以上の場合には、第１制限比率は０％となる。即ち、ヒートシンク３の温度が７８℃以上の場合には、目標出力に関わらずに、電力変換装置１の出力を停止する。また、ヒートシンク３の温度が７０℃未満では、出力制限は行われない。
【００３０】
第２制御テーブルＴ２は、第２温度センサ１２の検知温度（即ち制御基板６の雰囲気温度ｔ２）について用いられる制御テーブルであり、複数の雰囲気温度ｔ２にそれぞれ対応する制限比率（第２制限比率）が関連付けられて記憶されている。図４に示す例では、雰囲気温度ｔ２が「１００℃≦ｔ２＜１０２℃」のとき、第２制限比率「８０％」が対応付けられており、雰囲気温度ｔ２が「１０２℃≦ｔ２＜１０４℃」のとき、第２制限比率「６０％」が対応付けられており、雰囲気温度ｔ２が１０８℃以上に対しては第２制限比率「０％」が対応付けられている。これは、第２温度センサ１２が計測した雰囲気温度ｔ２が１００≦ｔ２＜１０２℃の間である場合、上位のコントローラが決定したモータ７の目標出力を８０％に減じた上で、減じた目標出力を実現するように各スイッチング素子５１を制御することを意味する。なお、雰囲気温度ｔ２が１０８℃以上の場合には、第２制限比率は０％となる。即ち、雰囲気温度ｔ２が１０８℃以上の場合には、制御装置６１は、目標出力に関わらずに、電力変換装置１の出力を停止する。また、雰囲気温度ｔ２が１００℃未満では、出力制限は行われない。
【００３１】
第１制御テーブルＴ１と第２制御テーブルＴ２に記述された関係は、実験やシミュレーションなどにより予め決定される。また、第１制御テーブルＴ１と第２制御テーブルＴ２に記述された関係は、車両の特性に応じて個別具体的に選定される。
【００３２】
上記の処理の利点を説明する。電力変換装置１は、モータ駆動用の大電流が流れる複数のスイッチング素子５１と、制御基板６（制御基板６に搭載される複数のＩＣチップやメモリ）の過熱を防止する。複数のスイッチング素子５１の過熱防止には、それら複数のスイッチング素子５１の熱を放出する共通のヒートシンク３の温度を利用する。ヒートシンク３の温度が、複数のスイッチング素子の温度を代表するものであるから、ヒートシンク３の温度に基づいて電力変換装置１の出力電力を制限することで、複数のスイッチング素子の過熱を防止できる。また、ヒートシンク３の温度に基づいてモータ７の目標出力を所定の制限比率で減じることで、車両の出力特性を急激に変更することなく、スイッチング素子の発熱を抑制することができる。
【００３３】
一方、制御基板６の過熱防止には、制御基板６の近傍の空気温度（即ち雰囲気温度）の温度を利用する。制御基板６には複数のデバイス（ＩＣチップやメモリ）が搭載されており、理想的には夫々のデバイスに個別に温度センサを取り付けることが望ましい。しかしそれでは、コストが嵩む。そこで、複数のデバイスの温度上昇に共通して影響する雰囲気温度を利用する。ここで、雰囲気温度は、スイッチング素子の発熱量に依存する。そこで、雰囲気温度が高い場合には、電力変換装置１の出力を抑制し、即ち、スイッチング素子に流れる電流を抑制し、スイッチング素子の発熱を抑制する。スイッチング素子の発熱を抑制することで雰囲気温度のそれ以上の上昇を防止し、その結果、制御基板６の過熱を抑止する。
【００３４】
雰囲気温度を利用することには次の利点もある。金属製のヒートシンク３は、空気よりも熱容量が低い。別言すれば、ヒートシンク３は、空気と比較して暖まり易く冷めやすい。ここで、スイッチング素子が作動して発熱し、ヒートシンクの温度が上昇した後、スイッチング素子が停止し（あるいは目標電力が下がり）、ヒートシンクの温度が降下する状況を想定する。スイッチング素子が発熱を停止すると、ヒートシンクの温度が下降し始め、ヒートシンクの温度が雰囲気温度よりも下がると雰囲気温度も下がり始める。ここで、ヒートシンクの方が空気よりも熱容量が小さいので、温度降下率は空気よりもヒートシンクの方が大きい。すなわち、ヒートシンクの方が雰囲気温度よりも早く温度が下がる。ヒートシンクの温度だけで制御基板の熱保護を行うと、雰囲気温度と比較してヒートシンクの温度が低くなる状況が生じる。そのような状況では本来は雰囲気温度が高く、制御基板に対して熱保護の対策を講じなければならないにも関わらず、ヒートシンクの温度が低いために制御基板に適切な熱保護処置が行われない可能性がある。本明細書が開示する技術では、制御基板の雰囲気温度を採用することで、制御基板を適切に熱保護することができる。
【００３５】
また、実施形態の技術では、ヒートシンクの温度に基づく制限比率（第１制限比率）と、雰囲気温度に基づく制限比率（第２制限比率）を独立に求めた後、より制限が高くなる方（目標出力がより小さくなる方）を選定する。即ち、スイッチング素子と制御基板に対し、より温度状況が厳しい方に応じて目標出力を制限する。そうすることで、スイッチング素子と制御基板の両者の熱保護を図ることができる。
【００３６】
実施形態では、制御基板６が熱保護対象部品の一例に相当する。熱保護対象部品は、制御基板に限られず、他の部品、たとえば、コンデンサユニット４１や、リアクトル５６であってもよい。
【００３７】
実施形態の第１制御テーブルと第２制御テーブルは、一例であり、これらに限られない。また、温度と制限比率の関係は、テーブルでなく、数式で規定されてもよい。
【００３８】
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。
【符号の説明】
【００３９】
１；電力変換装置
２；筐体
３；ヒートシンク
５；インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）
６；制御基板
７；モータ
１１；第１温度センサ
１２；第２温度センサ
２１；保持部材
４１；コンデンサユニット
４２；電流センサ
５１；スイッチング素子
５２；ダイオード
５３；インバータ回路
５４；電圧コンバータ回路
５５；スイッチング回路
５６；リアクトル
５７；コンデンサ
６１；制御装置
６２；記憶装置
７０；バッテリ
【図１】
2014187783.tif 000003
【図２】
2014187783.tif 000004
【図３】
2014187783.tif 000005
【図４】
2014187783.tif 000006