(57)【要約】      （修正有）【課題】熱電変換により得た電気エネルギーを有効利用して消費電力を一層低減するようにした負荷駆動システムを提供すること。【解決手段】電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されたインバータ１３２により車両駆動用のモータ等の負荷２０を駆動する負荷駆動システムにおいて、インバータ１３２に接続された主バッテリー１１と、インバータ１３２内の半導体スイッチから発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子２と、その発電電力を用いて充電される補助バッテリー４Ａ，４Ｂと、主バッテリー１からの供給電力と補助バッテリー４Ａ，４Ｂからの供給電力との割合を調整してインバータ１３２に供給する電力調整回路１３１と、を備え、負荷２０の消費電力が補助バッテリー４Ａ，４Ｂからの供給電力では不足する時に不足分の電力を主バッテリー１１から供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体電力変換器内の半導体スイッチのスイッチング動作により発生させた電力を用いて負荷を駆動する負荷駆動システムにおいて、
前記半導体電力変換器に接続された主バッテリーと、
前記半導体電力変換器から発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子と、
前記熱電変換素子の発電電力を用いて充電される複数の補助バッテリーと、
前記主バッテリーからの供給電力と前記補助バッテリーからの供給電力との割合を調整して前記半導体電力変換器に供給する電力調整手段と、
を備え、
前記負荷の消費電力が前記補助バッテリーからの供給電力では不足する時に不足分の電力を前記主バッテリーから供給することを特徴とする負荷駆動システム。
【請求項２】
請求項１に記載した負荷駆動システムにおいて、
前記複数の補助バッテリーのうち一部の補助バッテリーを前記熱電変換素子の発電電力により充電している間に、他の補助バッテリーを放電させて前記電力調整手段に電力を供給することを特徴とする負荷駆動システム。
【請求項３】
請求項２に記載した負荷駆動システムにおいて、
前記複数の補助バッテリーの状態を監視し、その状態に応じて各補助バッテリーを充電または放電させるように制御する制御手段を備えたことを特徴とする負荷駆動システム。
【請求項４】
請求項１に記載した負荷駆動システムにおいて、
前記負荷駆動システムが自動車に搭載されるシステムであり、
前記半導体電力変換器としてのインバータ内の前記半導体スイッチから発生する熱エネルギーを前記熱電変換素子が電気エネルギーに変換すると共に、前記負荷は、少なくとも車両駆動用のモータを含むことを特徴とする負荷駆動システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体電力変換器により負荷を駆動する負荷駆動システムに関し、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されたインバータにより車両駆動用モータを駆動する際に、主バッテリーの消費電力を低減するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、インバータはＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の半導体スイッチのオン・オフにより電力変換を行っており、半導体スイッチの定常損失やスイッチング損失により熱を発生する。
ここで、特許文献１には、インバータから発生する熱を利用して、電気自動車に搭載された電池ユニットの温度調整を行う従来技術が記載されている。
一方、特許文献２には、高圧水銀灯などの光源部を備えたプロジェクタ装置において、光源部が発生する熱エネルギーをゼーベック効果により電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを用いて冷却ファンを運転することにより光源部を冷却する技術が開示されている。
【０００３】
図３は、特許文献２に記載された従来技術の回路構成を示すブロック図であり、１００は光源部（図示せず）の熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電モジュール部、２００は電源系回路基板、２０１は交流電源が供給される電源回路、２０２は熱電モジュール部１００の出力電圧を安定化するＤＣ−ＤＣコンバータ等の電圧安定化回路、２０３は電源回路２０１の出力と電圧安定化回路２０２の出力とを加算する電力加算回路、３００は電力加算回路２０３の出力により運転されて光源部を冷却する冷却ファンである。
この従来技術によれば、光源部の熱エネルギーを変換して得た電気エネルギーを冷却ファン３００の駆動電力の一部として利用することができ、プロジェクタ装置の消費電力を低減することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０８５０９号公報（段落[００２５]〜[００３０]、図１，図２，図４等）
【特許文献２】特開２００６−１４８４１０号公報（段落[０１０９]〜[０１１２]、図６等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図３に示した従来技術では、プロジェクタ装置の電源をオフした後も、光源部の余熱により熱電モジュール１００が発電し続けて冷却ファン３００を回転させている。しかし、光源部がある程度冷却されて、もはや冷却する必要がない温度（ある程度の熱をもっていても安全上、問題がなく、自然冷却にまかせても良いような温度）に達した後も、熱電モジュール１００の発電電力によって冷却ファン３００を運転し続けることもあり、その結果、電気エネルギーを浪費してしまうという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明の解決課題は、熱電変換により得た電気エネルギーを有効利用して消費電力を一層低減するようにした負荷駆動システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、半導体電力変換器内の半導体スイッチのスイッチング動作により発生させた電力を用いて負荷を駆動する負荷駆動システムに関するものであり、半導体電力変換器に接続された主バッテリーと、半導体電力変換器から発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子と、熱電変換素子の発電電力を用いて充電される複数の補助バッテリーと、主バッテリーからの供給電力と補助バッテリーからの供給電力との割合を調整して半導体電力変換器に供給する電力調整手段と、を備えている。
そして、本発明では、負荷の消費電力が補助バッテリーからの供給電力では不足する時に不足分の電力を主バッテリーから供給するものである。
【０００８】
なお、請求項２に記載するように、複数の補助バッテリーのうち一部の補助バッテリーを熱電変換素子の発電電力により充電している間に、他の補助バッテリーを放電させて電力調整手段に電力を供給することが望ましい。
また、請求項３に記載するように、複数の補助バッテリーの状態を監視し、その状態に応じて各補助バッテリーを充電または放電させるように制御するマイコン等の制御手段を備えることが望ましい。
更に、請求項４に記載するように、本発明に係る負荷駆動システムは電気自動車やハイブリッド自動車等に適用可能であり、インバータ内の半導体スイッチから発生する熱エネルギーを熱電変換素子が電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを、車両駆動用モータを含む負荷の駆動電力に用いれば好適である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、熱電変換により得た電気エネルギーを用いて補助バッテリーを充電し、その電力を優先的に用いて車両駆動用モータ等の負荷を駆動するため、主バッテリーの消費電力を低減して高効率の負荷駆動システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態の全体構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態における熱電変換素子の設置状態を示す概念図である。
【図３】従来技術の回路構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態の全体構成を示すブロック図であり、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される負荷駆動システムであって、車載のバッテリーの電力を用いてインバータにより車両駆動用のモータ等の負荷を駆動するシステムを示している。
【００１２】
図１において、主バッテリー１１の出力電圧はＤＣ−ＤＣコンバータ等の安定化電源回路１２に入力され、大きさが一定の直流電圧に変換される。この安定化電源回路１２の出力電圧は、後述する安定化電源回路５の出力電圧と共に電力制御回路１３内の電力調整回路１３１に入力されている。
【００１３】
電力調整回路１３１は、二系統から入力される直流電力の割合を調整してインバータ１３２に出力する機能を有しており、後述するマイコン１からの制御信号ＳＣ１３により、安定化電源回路５からの供給電力を優先させて最大限用い、負荷２０の消費電力の不足分を安定化電源回路１２からの供給電力によって補うように動作する。例えば、負荷２０の消費電力が安定化電源回路５による供給電力より少ない場合には、主バッテリー１１側の安定化電源回路１２による供給電力を用いないこととする。
【００１４】
インバータ１３２は、電力調整回路１３１から入力された直流電力を半導体スイッチ（この実施形態ではＩＧＢＴとする）のスイッチング動作により交流電力に変換し、車両駆動用のモータを含む負荷２０に供給する。
ここで、インバータ１３２を構成する半導体スイッチとしては、ＭＯＳＦＥＴやパワーバイポーラトランジスタ等を使用可能であることは言うまでもない。
【００１５】
一方、２は熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電変換素子である。この熱電変換素子２は、２種類の金属あるいはＰ型，Ｎ型半導体を接合し、これらの接合部の温度差に応じて電圧が発生するゼーベック効果を利用している。
熱電変換素子２は、前記インバータ１３２内のＩＧＢＴの熱が確実に伝導されるような位置に配置される。図２は、放熱フィン７と共にＩＧＢＴ６に取り付けられた熱電変換素子２の概念図である。周知のように、放熱フィン７は、ＩＧＢＴ６の温度を許容動作温度範囲内に保つためにＩＧＢＴ６の余分な熱を大気中に放出するためのものである。
なお、ＩＧＢＴ６は、複数のＩＧＢＴ素子をブリッジ接続することによりモジュール化されているものである。
【００１６】
図１に戻って、熱電変換素子２による発電電力は充電制御回路３に入力されており、その出力側には、第１のスイッチＳＷ１と第１の補助バッテリー４Ａと第２のスイッチＳＷ２との直列回路と、第３のスイッチＳＷ３と第２の補助バッテリー４Ｂと第４のスイッチＳＷ４との直列回路と、が並列に接続されている。これら二つの直列回路の並列接続点（スイッチＳＷ２，ＳＷ４同士の接続点）は、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の安定化電源回路５に接続され、その出力電圧は前記電力調整回路１３１に入力されている。
【００１７】
１は、負荷駆動システムの全体を統括的に制御するマイコンである。このマイコン１は専用に設けても良いが、電気自動車等に既に搭載されている運転制御用のマイコン等を利用いても良い。
マイコン１には、第１，第２の補助バッテリー４Ａ，４Ｂからのバッテリー状態信号ＳＴ４Ａ，ＳＴ４Ｂが入力されていると共に、第１〜第４のスイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオンまたはオフさせるスイッチ制御信号Ｃ１〜Ｃ４が出力される。
ここで、バッテリー状態信号ＳＴ４Ａ，ＳＴ４Ｂは、各補助バッテリー４Ａ，４Ｂの電圧や温度に基づいて過充電、過放電、満充電、容量などの電気的状態を示す情報である。
【００１８】
更に、マイコン１と安定化電源回路５，１２との間では通信インターフェースを介して通信信号ＳＣ５，ＳＣ１２が送受信されるようになっている。また、マイコン１と充電制御回路３との間では通信信号ＳＣ３が、マイコン１と電力制御回路１３との間では通信信号ＳＣ１３が、それぞれ通信インターフェースを介して送受信されるようになっている。
【００１９】
マイコン１と安定化電源回路５，１２との間で送受信される通信信号ＳＣ５，ＳＣ１２は、各電源回路５，１２が電力調整回路１３１にそれぞれ供給している電源電圧や電流等の情報を含んでいる。また、マイコン１と充電制御回路３との間で送受信される通信信号ＳＣ３は、補助バッテリー４Ａ，４Ｂに対する充電電圧、充電電流、充電経過時間等の情報を含んでいる。また、マイコン１と電力制御回路１３との間で送受信される通信信号ＳＣ１３は、インバータ１３２が負荷２０に供給している電力、各電源回路５，１２から電力調整回路１３１にそれぞれ供給している電力、及びその割合等の情報を含んでいる。
【００２０】
次に、この実施形態の動作を説明する。
いま、インバータ１３２が主バッテリー１１または補助バッテリー４Ａ，４Ｂの電力を用いて電力変換を行い、負荷２０に電力を供給しているものとする。このとき、ＩＧＢＴ６の定常損失やスイッチング損失により発生した熱は、熱電変換素子２により電気エネルギーに変換され、充電制御回路３により所定の充電電圧、充電電流が生成される。
【００２１】
マイコン１は、バッテリー状態信号ＳＴ４Ａ，ＳＴ４Ｂに基づいて第１，第２の補助バッテリー４Ａ，４Ｂの状態を常時監視しており、その状態に応じて制御信号ＳＣ３により充電制御回路３を制御しつつ、一方の補助バッテリーを充電し、他方の補助バッテリーを放電させるように、スイッチ制御信号Ｃ１〜Ｃ４を生成してスイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオンまたはオフさせる。図１の状態は、第１の補助バッテリー４Ａを充電し、第２の補助バッテリー４Ｂを放電させるためにスイッチＳＷ１，ＳＷ４をオンさせ、スイッチＳＷ２，ＳＷ３をオフさせた状態である。
【００２２】
周知のように、バッテリーは過放電状態または過充電状態で運用すると寿命が短くなり、場合によっては発火、破裂等の事故を引き起こす可能性がある。このため、マイコン１が補助バッテリー４Ａ，４Ｂの状態に応じて充電対象、放電対象となる補助バッテリーを選択し、以下に述べるようなオン・オフパターンによってスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を制御することとした。
【００２３】
例えば、補助バッテリー４Ａが満充電であり、補助バッテリー４Ｂは充電が必要である場合には、スイッチＳＷ１，ＳＷ４をオフさせ、スイッチＳＷ２，ＳＷ３をオンさせて補助バッテリー４Ａを放電させ、補助バッテリー４Ｂを充電する。
これとは逆に、補助バッテリー４Ｂは満充電、補助バッテリー４Ａは充電が必要である場合には、前述した図１のようにスイッチＳＷ１，ＳＷ４をオンさせ、スイッチＳＷ２，ＳＷ３をオフさせる。
【００２４】
また、補助バッテリー４Ａ，４Ｂの両方とも充電が必要な場合には、何れか一方の補助バッテリーを先に充電し、充電量が所定値に達したら当該補助バッテリーを放電させると共に他方の補助バッテリーを充電するようにスイッチＳＷ１〜ＳＷ４を制御し、以後は充電、放電を交互に繰り返す。
更に、補助バッテリー４Ａ，４Ｂの両方とも満充電である場合には、過充電とならないようにスイッチＳＷ１，ＳＷ３を両方ともオフさせ、スイッチＳＷ２，ＳＷ４の何れかをオンさせて一方の補助バッテリーを放電させる。
前述したように、過充電は補助バッテリー４Ａ，４Ｂの寿命低下や発火を招くと共に、熱電変換素子２による発電電力を有効に利用することができず、補助バッテリーの使用効率を低下させる原因となる。従って、補助バッテリー４Ａ，４Ｂが同時に満充電状態にならないように、負荷２０の消費電力と熱電変換素子２の発電電力とのバランスを考慮しつつ、補助バッテリー４Ａ，４Ｂの容量を決定することが必要である。
【００２５】
上記のように、本実施形態では、熱電変換素子２の発電電力を用いて補助バッテリーを選択的に充電しておき、その放電電力を優先的に用いて車両駆動用モータ等の負荷２０を駆動するものである。このため、熱エネルギーを有効に利用して主バッテリー１１の消費電力を低減し、いわゆる電費を向上させた高効率の負荷駆動システムを実現することができる。
【００２６】
なお、上述した実施形態では、インバータ１３２のＩＧＢＴ６による熱エネルギーを熱電変換素子２により電気エネルギーに変換する場合について説明したが、他の発熱部、例えば負荷２０としてのモータから発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換して再利用することにより、前記同様に主バッテリー１１の電力消費を抑制して電費を向上させることができる。また、補助バッテリーは実施形態のように２個に限定されるものではなく、車載スペースや重量、コスト等の観点から許容できるのであれば、より多くの補助バッテリーを搭載して充放電用に使い分けても良い。
更に、熱電変換素子２の発電電力が負荷２０の消費電力を上回る場合には、余剰分の電力を用いて主バッテリー１１を充電しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車の車両駆動用モータ等の負荷をインバータにより駆動するシステムに限らず、バッテリーの電力を用いてコンバータやチョッパ等、各種の半導体電力変換器を運転し、その出力により負荷を駆動する様々な負荷駆動システムに利用可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１：マイコン
２：熱電変換素子
３：充電制御回路
４Ａ，４Ｂ：補助バッテリー
５：安定化電源回路
６：ＩＧＢＴ
７：放熱フィン
１１：主バッテリー
１２：安定化電源回路
１３：電力制御回路
１３１：電力調整回路
１３２：インバータ
２０：負荷
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４：スイッチ
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４：スイッチ制御信号
ＳＴ４Ａ，ＳＴ４Ｂ：バッテリー状態信号
ＳＣ３，ＳＣ５，ＳＣ１２，ＳＣ１３：通信信号
【図１】
2015030335.tif 000003
【図２】
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【図３】
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