(57)【要約】【課題】インバータの発熱を効率的に電気エネルギーとして利用できる車載用インバータ装置を提供する。【解決手段】車両駆動用のモータ７と、モータ７に所定の電力供給を行なうインバータ４と、インバータ４の冷却機構５と、前記インバータ４と冷却機構５の双方に熱的に接続されて、インバータ４を高温側、冷却機構５を低温側とする熱電発電素子６とを具える。インバータ４を高温側、冷却機構５を低温側となるように、熱電発電素子６を熱的に接続することで、インバータ４と冷却機構５との温度差を利用して発電し、この発電電力を利用可能な電気エネルギーとして出力することができる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両駆動用のモータと、
モータに所定の電力供給を行なうインバータと、
インバータの冷却機構と、
前記インバータと冷却機構の双方に熱的に接続されて、インバータを高温側、冷却機構を低温側とする熱電発電素子とを具えることを特徴とする車載用インバータ装置。
【請求項２】
熱電発電素子の発電電力をモータの駆動に用いるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の車載用インバータ装置。
【請求項３】
熱電発電素子の発電電力を冷却機構の駆動に用いるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の車載用インバータ装置。
【請求項４】
熱電発電素子は高温側と低温側の温度差が大きいほど出力が大きい素子であり、
インバータの発熱量に応じて熱電発電素子から冷却機構に供給する電力を調整するように構成したことを特徴とする請求項３に記載の車載用インバータ装置。
【請求項５】
インバータの動作温度が１２５℃以上であることを特徴とする請求項１に記載の車載用インバータ装置。
【請求項６】
インバータのスイッチング素子として、ワイドバンドギャップ半導体を用いることを特徴とする請求項１に記載の車載用インバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車載用インバータ装置に関するものである。特に、電気自動車やハイブリッドカーにおいて、インバータの発熱を効率的に電気エネルギーとして利用できる車載用インバータ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車やハイブリッドカーなど、モータを車両の走行に用いる電動自動車の開発が進んでいる。このような電動自動車では、バッテリからの直流電力をインバータを介して交流に変換し、所定の電力をモータに供給してモータの駆動制御を行なっている。
【０００３】
このインバータは、一般にＦＥＴ（電界効果トランジスタ）などのスイッチング素子でブリッジ回路を構成したものが利用されている。近年、モータの出力増大に伴いインバータの出力容量も増加している。出力容量の大きなスイッチング素子は、素子に流れる電流も大きく、発熱量も大きい。一方、これらのスイッチング素子は、通常、大容量化や高温での使用により電力損失が大きくなる。そのため、インバータ自体も専用の冷却機構で冷却して電力損失を低減することが行われている。例えば、非特許文献１には、インバータが専用ラジエータによりエンジンとは別の冷却水系路により冷却されることが示されている。
【０００４】
【非特許文献１】
９７年１０月  トヨタ自動車：プリウスの「新型車解説書」１−１３ページ
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のインバータ装置では、インバータの発熱は冷却機構を介して大気中に放熱されているだけであり、全く有効利用されていない。
【０００６】
従って、本発明の主目的は、インバータの発熱を効率的に電気エネルギーとして利用できる車載用インバータ装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、温度差により発電を行なう熱電発電素子を用いることで上記の目的を達成する。
【０００８】
すなわち、本発明は車両駆動用のモータと、モータに所定の電力供給を行なうインバータと、インバータの冷却機構と、前記インバータと冷却機構の双方に熱的に接続されて、インバータを高温側、冷却機構を低温側とする熱電発電素子とを具えることを特徴とする。
【０００９】
通常、インバータはモータを駆動制御する際に発熱する。一方で、インバータを効率的に動作させるため、インバータの冷却機構も用いられている。本発明では、インバータを高温側、冷却機構を低温側となるように、熱電発電素子を熱的に接続することで、インバータと冷却機構との温度差を利用して発電し、この発電電力を利用可能な電気エネルギーとして出力することができる。
【００１０】
熱電発電素子は熱を電気に変換する素子で、電気伝導率が高く、かつ熱伝導率の低い材料が好ましい。例えば、充填スクッテルダイトが挙げられる。充填スクッテルダイトは化学式ＲＭ４Ｘ１２（Ｒ＝希土類元素、Ｍ＝鉄族元素、Ｘ＝Ｐ、Ａｓ、Ｓｂのいずれか）で表される物質群である。鉄族元素にはＦｅやＣｏなどが挙げられる。この素子の発電能力の一例としては、２００℃の温度差で１００Ｗ程度が挙げられる。
【００１１】
このような熱電発電素子をインバータおよび冷却機構の双方に熱的に接続する。冷却機構は、通常、水や油などからなる冷媒の流路と、冷媒を流路に循環させる供給源（ポンプなど）と、冷媒を冷却する冷却部（熱交換器と冷却ファンなど）とを有している。熱電発電素子は、インバータと冷却部の双方に接触するように配置することが好ましい。この配置により、インバータを高温側、冷却部を低温側として熱電発電素子に対して効果的に温度差を設けることができる。
【００１２】
熱電発電素子の発電電力は、車両での電力供給に利用することが好ましい。例えば、車両駆動用のモータへの電力供給や冷却機構への電力供給が挙げられる。
モータへの電力供給を行なう場合、一旦車載バッテリに熱電発電素子の発電電力に蓄電し、このバッテリからインバータを介してモータに供給することが好適である。冷却機構へ電力供給を行なう場合、冷却機構のポンプを駆動するモータや冷却ファンの駆動モータが直流モータであれば、発電電力をＤＣ／ＤＣコンバータを介して所定の電圧に変換して利用することができる。また、これらモータが交流モータであれば、一旦車載バッテリに熱電発電素子の発電電力に蓄電し、このバッテリからインバータを介してモータに供給することが好適である。もちろん、エアコン・カーステレオなどの車載電気機器あるいはパワーウィンドウや電動サンルーフなどの電動設備の駆動に熱電発電素子の発電電力を利用してもよいことは言うまでもない。
【００１３】
また、インバータの発熱量に応じて熱電発電素子から冷却機構に供給する電力を調整するように構成することが好ましい。熱電発電素子は、通常、高温側と低温側の温度差が大きいほど発電量が上がる素子である。従って、モータへの供給電力量が増加すればインバータが高温になるため、それに伴って素子からの発電量も増加する。そのため、冷却機構の駆動に素子の発電電力を利用すれば、インバータの発熱が大きくなるほど冷却機構の冷却能力も上げることができ、常に一定温度に保持されるインバータ装置を構成することができる。
【００１４】
インバータの動作温度は１２５℃以上とすることが好ましい。インバータの動作温度を上げることで、低温側となる冷却機構との温度差を大きくし、熱電発電素子による発電量を高めることができる。より好ましいインバータの動作温度は１５０℃以上、さらに好ましくは２００℃以上、より一層好ましくは３００℃程度である。
【００１５】
また、インバータのスイッチング素子として、ワイドバンドギャップ半導体を用いることが好適である。ＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体を用いることで高温動作が可能になり、熱電発電素子による発電量を高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
＜基本原理＞
図１は本発明インバータ装置に用いられる基本原理の説明図である。この図に示すように、高温側熱源１００と低温側熱源２００との間に熱電発電素子１５０が介在されている。熱電発電素子１５０は温度差により発電を行う素子である。この素子は、ｎ型半導体１５１とｐ型半導体１５２とが並列された構成で、高温側にはｎ型半導体１５１とｐ型半導体１５２とをつなぐ電極１５３を有し、低温側にはｎ型半導体１５１とｐ型半導体１５２の各々に電極１５４を有している。
【００１７】
このような状態で高温側熱源と低温側熱源との間に温度差が生じると、熱電発電素子１５０が発電を行うため、その発電電力を有効利用することができる。
【００１８】
＜実施例１＞
図２はシリーズハイブリッド方式のハイブリッド自動車の駆動機構を示す概略構成図である。
【００１９】
このハイブリッド自動車は、内燃機関となるエンジン１と、発電機２と、コンバーター３と、インバータ４と、冷却機構５と、熱電発電素子６と、モータ７と、バッテリ８と、タイヤ９とを具える。
【００２０】
エンジン１は、ガソリンを燃料として駆動される内燃機関である。このエンジン１の作動により発電機２を回転させる。
【００２１】
発電機２はエンジン１の駆動力により回転されて発電を行う。一般に電気自動車の発電機には交流発電機が用いられることが多く、本例でも交流発電機を用いている。発電機２で発電された電気は、コンバーター３で直流に変換され、さらにインバータ４を介して適正な周波数の交流に変換されてモータ７のコイルへと供給される。
【００２２】
モータコイルへの給電を制御するインバータ４は、図３に示すように、ＳｉＣからなるＦＥＴ４１とダイオード４２を組み合わせた三相ブリッジ回路４０を有し、各ＦＥＴ４１を制御する制御回路４３と接続されている。各ＦＥＴ４１は、図示しないＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号発生回路で生成された正弦波に相当するＰＷＭ信号に基づいてスイッチングされ、インバータ４はモータ７のコイルへと所定の交流を出力する。
【００２３】
このインバータ４には冷却機構５が併設されている（図２）。この冷却機構５は、インバータ４に熱的に接続された流路と、この流路に冷媒を循環供給するポンプと、流路の途中に設けられたラジエータ（熱交換器）と、ラジエータに送風するファン５１（図４参照）とを具えている。ラジエータはインバータ４から離れた位置に配置され、インバータ４の発熱を冷媒に蓄熱させ、この蓄熱した冷媒がラジエータに供給される。ラジエータはファンにより空冷されるため、冷媒はラジエータを通過する間に冷却されて再度インバータ４側へ送られる。
【００２４】
ここで、図４に示すように、ラジエータ（冷却機構５）、特にラジエータの冷媒排出側とインバータ４との間に熱電発電素子６を介在させる。熱電発電素子６は温度差により発電を行う素子である。この素子は、ｎ型半導体６１とｐ型半導体６２とが並列された構成で、高温側にはｎ型半導体６１とｐ型半導体６２とをつなぐ電極６３を有し、低温側にはｎ型半導体６１とｐ型半導体６２の各々に電極６４を有している。この構成により、インバータ４を高温側、冷却機構５（ラジエータ）を低温側とすることができ、熱電発電素子６により発電をおこなうことができる。そして、熱電発電素子６はバッテリ８（図２）と接続され、発電電力をバッテリ８に蓄電することができる。
【００２５】
モータ５には、種々のモータが利用できるが、ここでは交流同期モータを用いている。バッテリ８には、鉛電池、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・水素電池、ニッケル・鉄電池、ニッケル・亜鉛電池、ナトリウム・硫黄電池、リチウム電池などが利用できる。
【００２６】
そして、モータ７の駆動力をタイヤ９の車軸に伝達して、自動車を走行させる。このシリーズハイブリッド方式では、エンジン１は専ら発電機２の駆動に利用され、同エンジン１の駆動力を直接タイヤ９の回転に用いることはない。自動車の走行は、発電機２で発電された電気、あるいはバッテリ８からの放電電気により回転されたモータ５の駆動力により行われる。
【００２７】
このように、インバータ４と冷却機構５との間に熱電発電素子６を介在させることで、インバータ４の発熱を電気エネルギーに変換してバッテリ８に蓄電し、バッテリ８からの供給電力をモータ７の駆動や車載電気機器の駆動などに有効利用することができる。
【００２８】
＜実施例２＞
次に、熱電発電素子の発電電力を冷却機構の駆動に利用する実施例を説明する。
図５は熱電発電素子を冷却機構用モータの駆動に用いた構成を示す概略説明図である。図５において、図４と同一箇所には同一符号を付している。
【００２９】
本実施例においても、インバータを高温側とし、冷却機構を低温側として熱電発電素子を配置する。この冷却機構は、実施例１と同様に、インバータ４に熱的に接続された流路と、この流路に冷媒を循環供給するポンプと、流路の途中に設けられたラジエータ（熱交換器）と、ラジエータに送風するファン５１とを具えている。ポンプおよびファンは、それぞれ専用のモータ５２（５３）により駆動されるため、熱電発電素子６の発電電力をこれら冷却機構用モータに利用すれば、インバータ４の発熱を冷却機構の駆動に有効利用することができる。
【００３０】
ここで、熱電発電素子の発電量は、基本的に高温側と低温側の温度差に比例する。そのため、インバータの発熱が大きくなればなるほど冷却機構に供給する電力量を増大させることができ、冷却能力も増大させることができる。そのため、常にインバータの温度をほぼ一定に保持できるインバータ装置を容易に実現できる。
【００３１】
現在、３００℃以上で動作を行なう熱電発電素子が開発されている。そのため、インバータの動作温度も３００℃程度に保持することで熱電発電素子の発電量を一層増加させることができる。モータを駆動する限り、インバータのスイッチング素子での損失は確実に発生し、インバータの温度を３００℃程度に上げることには格別の加熱エネルギーを必要としないからインバータの動作温度を上げることは容易に実現できる。このような高温での動作が可能なスイッチング素子としては、ＳｉＣなどのワイドバンドギャップ半導体を用いたＦＥＴなどが利用できる。
【００３２】
＜実施例３＞
実施例１では、シリーズハイブリッド方式のハイブリッドカーについて説明したが、パラレルハイブリッド方式のハイブリッドカーでも同様に本発明インバータ装置を利用することができる。
【００３３】
図６はパラレルハイブリッド方式のハイブリッド自動車の駆動機構を示す概略構成図である。図６において、図２と共通する箇所には同一符号を付している。ここでは、さらに燃料電池１０を付加している。
【００３４】
燃料電池１０は、燃料を水素としており、燃料電池１０で発電された直流電気はそのまま用いられるか必要時ＤＣ／ＤＣコンバーター１１において所定の直流電気に変換されて用いられる。この燃料電池１０によって発電された電気は、発電機２で発電された電気と同様に、さらにインバータ４を介して適正な周波数の交流に変換されてモータ７へと供給される。
【００３５】
また、燃料電池から直接に、あるいはＤＣ／ＤＣコンバーター１１によって所要の電圧の直流に変換された電気は、バッテリ８に蓄えることもできる。バッテリ８に蓄えられた直流電気も、インバータ４を介して適正な周波数の交流に変換されてモータ７へと供給される。
【００３６】
なお、発電電気をバッテリ８側にも供給するかどうかを、コンバーター３またはＤＣ／ＤＣコンバーター１１と、バッテリ８との間に設けられたスイッチのオンオフにより行ってもよい。
【００３７】
そして、必要に応じて、エンジン１の駆動力とモータ７の駆動力を複合して又はいずれか単独でタイヤ９を駆動し、車両を走行させる。
【００３８】
この構成においても、インバータ４との冷却機構５との間に熱電発電素子６を介在させることで、実施例１と同様に、インバータの発熱を電気エネルギーに変換してモータ７の駆動や冷却機構５の駆動などに有効利用することができる。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、熱電発電素子を用いることで、インバータの発熱を電気エネルギーに変換し、この電気エネルギーを車両の駆動や冷却機構の駆動などに有効利用することができる。
【００４０】
また、インバータの発熱量に応じて熱電圧電素子を増大することで、熱電発電素子から冷却機構に供給する電力を調整し、インバータをほぼ一定温度に制御することが容易にできる。
【００４１】
インバータの動作温度が１２５℃以上としたり、インバータのスイッチング素子として、ワイドバンドギャップ半導体を用いることで、より高温でのインバータの動作を可能にし、冷却機構との温度差を大きくとることで熱電発電素子の出力を向上させることができる。
【００４２】
従って、本発明インバータ装置は、電気自動車・ハイブリッドカーなど、モータの動力を走行に利用する車両でのインバータ装置として好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明インバータ装置に用いられる基本原理の説明図である。
【図２】図２はシリーズハイブリッド方式のハイブリッド自動車の駆動機構を示す概略構成図である。
【図３】図３はインバータの回路図である。
【図４】図４は本発明インバータ装置の概略構成図である。
【図５】図５は本発明インバータ装置の概略構成図である。
【図６】図６はパラレルハイブリッド方式のハイブリッド自動車の駆動機構を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１    エンジン
２    発電機
３    コンバーター
４    インバータ
５    冷却機構
６    熱電発電素子
７    モータ
８    バッテリ
９    タイヤ
１０    燃料電池
１１    ＤＣ／ＤＣコンバーター
４０    三相ブリッジ回路
４１    ＦＥＴ
４２    ダイオード
４３    制御回路
５１    ファン
５２，５３    モータ
６１    ｎ型半導体
６２    ｐ型半導体
６３    電極
６４    電極
１００    高温側熱源
１５０    熱電発電素子
１５１    ｎ型半導体
１５２    ｐ型半導体
１５３    電極
１５４    電極
２００    低温側熱源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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