(57)【要約】【課題】本明細書は、冷媒に触れないように配置された冷媒温度センサの計測値の時間遅れを補償する技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する冷却器は半導体素子を冷却する液冷式の冷却器である。冷却器は、半導体素子の温度を計測する第１温度センサと、液体の冷媒に触れないように冷却器筐体に取り付けられている第２温度センサと、補正器を備える。補正器は、冷媒から第２温度センサまでの熱の伝達関数を一次遅れ系でモデル化したときの時定数を記憶している。補正器は、半導体素子に流れる電流から当該半導体素子の発熱量を推定する。補正器は、推定された発熱量と第１温度センサの計測値から、時定数の期間の冷媒温度の変化量を推定する。補正器は、推定された変化量を第２温度センサの計測値に加えた値を補正後の冷媒温度として出力する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を冷却する液冷式の冷却器であって、
前記半導体素子の温度を計測する第１温度センサと、
液体の冷媒に触れないように冷却器筐体に取り付けられている第２温度センサと、
前記第２温度センサで計測された冷媒温度を補正する補正器と、
を備えており、
前記補正器は、
冷媒から前記第２温度センサまでの熱の伝達関数を線形モデルで表したときの時定数を記憶しており、
前記半導体素子に流れる電流から当該半導体素子の発熱量を推定し、
推定された発熱量と前記第１温度センサの計測値から、前記時定数の期間の冷媒温度の変化量を推定し、
推定された変化量を前記第２温度センサの計測値に加えた値を補正後の冷媒温度として出力する、
ことを特徴とする冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の冷媒を用いる冷却器に関する。特に半導体素子を冷却する冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体の冷媒を用いる冷却器の場合、その冷媒の温度を冷却器の制御に用いることがある（例えば、特許文献１、２）。特許文献１と２は、いずれも、電気自動車のインバータの冷却器を開示する。冷媒は水である。特許文献１の冷却器は、インバータの半導体素子の温度と水温（冷媒温度）の差から冷媒循環の不良を検知する。特許文献２の冷却器は、インバータの半導体素子を流れる電流から半導体素子の温度を推定する。冷媒の温度と推定された半導体素子の温度の差に基づいて冷媒流量を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１５３５６７号公報
【特許文献２】特開２０１２−０９９６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
冷媒の温度を冷却器の制御に用いる場合、できるだけ正確に冷媒温度を計測できることが望ましい。冷媒温度を直接に計測できればよいが、それでは液体の冷媒にセンサを浸すことになるため、センサの防水対策などでコストが嵩む。そこで、冷媒に直接触れないように、冷媒が流れる筐体に温度センサを取り付け、その温度センサの計測値を冷媒温度として用いることがある。しかしながら、その場合、直接に計測しているのは筐体の温度であって冷媒の温度ではない。冷媒の熱が筐体を伝わって温度センサに届くまでに時間を要する。その時間を以下では時間遅れと称する。冷媒の実際の温度と温度センサの計測値との間には時間遅れに起因した温度差が生じる。本明細書は、この時間遅れに起因した温度差を補償する技術を提供する。なお、以下では、「時間遅れに起因した温度差を補償する」ことを単に「時間遅れを補償する」と称することがある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
電気自動車のインバータなどでは、半導体素子の温度を計測する温度センサも備えることがある。筐体に取り付けられた温度センサとは異なり、半導体素子の温度を計測する温度センサは、絶対値の正確性は高くはないが、応答性がよい、という性質を有する。半導体素子の温度を計測する温度センサの典型は、半導体素子のチップに内蔵されたサーミスタなどである。
【０００６】
本明細書が開示する技術は、半導体素子の温度を計測する温度センサの計測値から得られる短時間の温度変化を、冷媒の温度を計測する温度センサにおける時間遅れに起因する温度差とみなして活用する。以下では、半導体素子の温度を計測する温度センサと冷媒の温度を計測する温度センサを区別するため、前者を素子温度センサと称し、後者を冷媒温度センサと称することがある。
【０００７】
本明細書が開示する冷却器は、半導体素子を冷却する液冷式の冷却器である。その冷却器は、素子温度センサ（第１温度センサ）と冷媒温度センサ（第２温度センサ）と補正器を備える。冷媒温度センサは、液体の冷媒に触れないように冷却器筐体に取り付けられている。補正器は、素子温度センサの計測値を使って冷媒温度センサで計測された冷媒温度を補正する。すなわち、素子温度センサの計測値を使って冷媒温度センサにおける時間遅れを補償する。補正器は、冷媒から前記第２温度センサまでの熱の伝達関数を線形モデル（一次遅れ系あるいは二次遅れ系）で表したときの時定数を記憶している。補正器は、次のアルゴリズムで冷媒温度の計測値を補正する。補正器は、半導体素子に流れる電流からその半導体素子の発熱量を推定する。補正器は、推定された発熱量と素子温度センサの計測値から、上記した時定数に相当する期間の冷媒温度の変化量を推定する。この変化量が、時間遅れに起因する温度差に相当する。補正器は、冷媒温度センサの計測値に上記の変化量を加えた値を補正後の冷媒温度として出力する。
【０００８】
半導体素子を流れる電流と素子温度センサの計測値から、所定時間の冷媒温度の変化量を求めるアルゴリズムは次の通りである。素子温度センサの計測値に半導体素子（及びその周辺の構造物）の熱容量を乗じると半導体素子（及びその周辺の構造物）が有する熱量が求まる。ある時刻を基準（基準時刻）として、素子温度センサの計測値の変化から、基準時刻からの半導体素子（及びその周辺の構造物）が有する熱量の変化が求まる。一方、半導体素子を流れる電流からは、半導体素子が発した熱量の基準時刻からの変化が求まる。半導体素子が発した熱量の変化から、半導体素子（及びその周辺の構造物）が有する熱量の変化を引いたものが、冷媒へ移動した熱量の変化に相当する。冷媒へ移動した熱量の変化を冷媒の熱容量で除すると、熱量の変化に基づく冷媒の温度変化が求まる。この温度変化は冷媒温度の推定値であるが、素子温度センサの計測値を用いているため、その絶対値は正確性に欠ける。そこで、その推定値の時系列データから低周波成分を除く。残った高周波成分は、短時間における冷媒温度の変化量であり、この値は正確である。「短時間」を、冷媒の実際の温度の変化が温度センサの計測値に反映されるまでの時間遅れに対応させると、高周波成分は時間遅れに起因する温度差の推定値となる。補正器は、素子温度センサの計測値から得られた冷媒温度の推定値の高周波成分を冷媒温度センサの計測値に加算することで、時間遅れを補償する。
【０００９】
高周波成分の除去のアルゴリズムは次の通りである。冷媒の温度変化が冷媒温度センサの計測値に表れるまでの熱伝達のメカニズムは、一次遅れ系あるいは二次遅れ系でモデル化できる。ここでは、一次遅れ系でモデル化したと仮定する。一次遅れモデルの時定数をＴｄで表す。補償器は、素子温度センサの計測値から得られた冷媒温度変化の時系列データに、時定数Ｔｄの一次遅れのローパスフィルタをかける。得られた結果は、時間遅れを含む冷媒温度センサの計測値の推定値である。従って、ローパスフィルタ通過後の温度変化（時系列データ）を、ローパスフィルタ通過前の温度変化から差し引いた残りが、時間遅れに起因する温度差の推定値となる。
【００１０】
以上のアルゴリズムにより、補正器は、冷媒温度センサの時間遅れを補償する。なお、冷媒の温度変化が冷媒温度センサの計測値に表れるまでの熱伝達メカニズムが二次遅れ系でモデル化される場合は、その二次遅れ系の２個の時定数を有する二次のローパスフィルタを用いればよい。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書が開示する冷却器は、冷媒に直接触れないように設けられた冷媒温度センサの計測値の計測時間遅れを補償して実際の冷媒温度を推定することができる。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「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例の冷却器を含む電気自動車のブロック図である。
【図２】冷却器と電力変換器の模式的斜視図である。
【図３】図２のIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図２のIV−IV線に沿った断面図である。
【図５】図５の破線Vの範囲の拡大図である。
【図６】補償器が実行する補正処理のフローチャート図である。
【図７】補正の効果の一例を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面を参照して、実施例の冷却器を説明する。実施例の冷却器１０は、電力変換器２の半導体素子Ｔ１−Ｔ８を冷却するデバイスである。冷却器１０と電力変換器２は、電気自動車１００に搭載されている。電力変換器２は、メインバッテリ８１の電力を昇圧し、さらに交流に変換して走行用のモータ８３に供給する。
【００１４】
冷却器１０を説明する前に、電力変換器２の回路構成を説明する。電力変換器２は、システムメインリレー８２を介してメインバッテリ８１に接続されている。電力変換器２は、電圧コンバータ回路８とインバータ回路９を含む。メインバッテリ８１の電力は電圧コンバータ回路８に入力される。電圧コンバータ回路８は、メインバッテリ８１の電圧を昇圧してインバータ回路９へ供給する昇圧動作と、モータ８３が生成した回生電力の電圧を降圧してメインバッテリ８１へ供給する降圧動作の双方を実行することができる。電圧コンバータ回路８は、２個のトランジスタＴ７、Ｔ８と、２個のダイオードＤ７、Ｄ８と、リアクトル４と、フィルタコンデンサ３で構成されている。２個のトランジスタＴ７とＴ８は直列に接続されている。各トランジスタにダイオードが逆並列に接続されている。トランジスタの直列回路の高電位端が電圧コンバータ回路８のインバータ側出力端子ＰＨに繋がっている。直列回路の低電位端は、電圧コンバータ回路８のグランド線ＧＬに繋がっている。リアクトル４の一端は、トランジスタの直列回路の中点ＰＭに接続しており、他端は電圧コンバータ回路８のバッテリ側入力端子ＰＬに繋がっている。フィルタコンデンサ３は、電圧コンバータ回路８のバッテリ側入力端子ＰＬとグランド線ＧＬの間に接続されている。また、電圧コンバータ回路８の出力電流の脈動を抑えるための平滑化コンデンサ５が、インバータ側出力端子ＰＨとグランド線ＧＬの間に接続されている。
【００１５】
トランジスタＴ８のオンオフ動作によりメインバッテリ８１の電圧が昇圧されてインバータ回路９へ供給される。トランジスタＴ７のオンオフ動作によりインバータ回路側から入力される回生電力が降圧されてメインバッテリ８１へ供給される。
【００１６】
インバータ回路９を説明する。インバータ回路９は、２個のトランジスタの直列回路が３セット並列に接続された回路である（Ｔ１とＴ４、Ｔ２とＴ５、及び、Ｔ３とＴ６）。各トランジスタにはダイオード（Ｄ１−Ｄ６）の各々が逆並列に接続されている。各トランジスタのオンオフ動作により、各直列回路の中点から交流が出力される。出力された交流はモータ８３に供給される。インバータ回路９の出力線には電流センサ１６が備えられている。
【００１７】
各トランジスタＴ１−Ｔ８を駆動する駆動信号（ＰＷＭ信号）は、コントローラ７が生成し、各トランジスタに供給する。コントローラ７は、不図示の上位コントローラからモータ８３の目標出力を受け取り、その目標出力を実現するように各スイッチング素子を制御する。具体的には、コントローラ７は、電流センサ１６によって出力電流をモニタし、出力電流が目標値に一致するように各トランジスタの動作パターンを決定し、その動作パターンに対応した駆動信号を各トランジスタに供給する。
【００１８】
インバータ回路９のトランジスタＴ５には素子温度センサ６ａが備えられており、電圧コンバータ回路８のトランジスタＴ８には素子温度センサ６ｂが備えられいる。具体的には、トランジスタＴ５（Ｔ８）は、半導体基板に実装されており、素子温度センサ６ａ（６ｂ）は、同じ半導体基板に作り込まれている。素子温度センサ６ａ（６ｂ）は、例えば、ＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）サーミスタである。素子温度センサ６ａ（６ｂ）は、トランジスタの実装基板に作り込まれているので、トランジスタの温度を時間遅延（遅れ時間）なく計測することができる。ただし、サーミスタは、計測値にオフセットが含まれるため、その計測値の絶対値はあまり正確ではない。素子温度センサ６ａ（６ｂ）の計測値もコントローラ７へ送られる。コントローラ７は、素子温度センサ６ａ（６ｂ）の計測値をモニタしており、計測値が所定の温度上限値を超えたらモータ８３の出力を制限し、トランジスタの過熱を防止する。ただし、図１に示されているように、インバータ回路９にはトランジスタＴ５以外には素子温度センサが備えられていない。例えば、車両が車止めに乗り上げたときなど、モータはトルクを出力しているが車輪が回転しない場合には、特定のトランジスタだけに集中して電流が流れる。トランジスタＴ５以外のトランジスタ（例えばトランジスタＴ１）に集中して電流が流れている場合、素子温度センサ６ａではトランジスタＴ１の状態が検知できない。そのようなケースに備えて、コントローラ７は、冷却器１０の冷媒の温度もモニタする。次に、冷却器１０を説明する。
【００１９】
電力変換器２には、トランジスタＴ１−Ｔ８を冷却するための冷却器１０が接している。図２に電力変換器２と冷却器１０の模式的斜視図を示す。図３に、図２のIII−III線に沿った断面図を、図４に、図２のIV−IV線に沿った断面図を示す。図１〜図４を参照して冷却器１０を説明する。冷却器１０は、筐体１９、冷媒温度センサ１２、ポンプ１３、ラジエータ１４、循環路１５を備えている。なお、ポンプ１３は、コントローラ７が制御するので、コントローラ７も冷却器１０の一部である。図１の符号Ｃｍｄは、コントローラ７からポンプ１３へ送られるポンプ出力の指令値を意味している。図１の符号Ｓｎは、冷媒温度センサ１２からコントローラ７へ送られる計測値を意味している。
【００２０】
冷却器１０の冷媒は液体である。具体的には、冷媒は、水あるいはＬＬＣ（Long Life Coolant）である。冷媒は、ポンプ１３と循環路１５により、筐体１９とラジエータ１４の間を循環する。図３、図４に示されているように、筐体１９の内部には冷媒が通る流路１８が形成されている。筐体１９は、熱伝導率の高いアルミニウムで作られている。筐体１９は平板型であり、その一面に電力変換器２が取り付けられている。なお、図２−図４では電力変換器２を単純化して直方体で描いてある。実際の電力変換器２は複雑な形状をしている。
【００２１】
筐体１９の内部には、仕切板１７ｃが設けられており、流路１８は、仕切板１７ｃをはさんでＵ字に湾曲している。ポンプ１３により供給される冷媒は、流入口１７ａから筐体１９へと流入する。流入した冷媒は、Ｕ字形の流路１８を流れる間に電力変換器２のトランジスタＴ１−Ｔ８から熱を吸収する。熱を吸収して温度が上昇した冷媒は、排出口１７ｂを通じて筐体１９から排出され、循環路１５を通ってラジエータ１４へと移動する。冷媒はラジエータ１４にて空気と熱交換して冷却される。温度の下がった冷媒がポンプ１３によって再び筐体１９へと送られる。
【００２２】
流路１８を流れる冷媒の流量はポンプ１３の出力で定まる。コントローラ７は、素子温度センサ６ａ（６ｂ）の計測値と、筐体１９に備えられた冷媒温度センサ１２の計測値に基づいて、ポンプ１３の出力を調整する。また、コントローラ７は、先に述べたように、素子温度センサ６ａ、６ｂと冷媒温度センサ１２の計測値に基づいて、トランジスタの温度が過度に上昇した場合にはモータ８３の出力を制限する。
【００２３】
図３、図４に示されているように、冷媒温度センサ１２は、筐体１９の外側に取り付けられている。別言すれば、冷媒温度センサ１２は、液体の冷媒には触れないように筐体１９に取り付けられている。なお、図４に示されているように、筐体１９は本体１９ａとカバー１９ｂで構成されている。筐体１９の本体１９ａとカバー１９ｂとの間にはガスケット２１が備えられており、流路１８の密閉性が確保されている。
【００２４】
図４の破線Ｖが示す範囲の拡大図を図５に示す。冷媒温度センサ１２は流路１８から離れているため、冷媒温度の変化の影響は遅れて冷媒温度センサ１２の計測値に表れる。図５における矢印Ａ１、Ａ２が、冷媒の熱の伝わり方を模式的に表している。即ち、冷媒温度センサ１２の計測値には、時間遅れが存在する。コントローラ７は、トランジスタＴ５（Ｔ８）に備えられた素子温度センサ６ａ（６ｂ）の計測値に基づいて、時間遅れを補償する。そのアルゴリズムを次に説明する。
【００２５】
図６に、コントローラ７が実行する冷媒温度補正処理のフローチャートを示す。コントローラ７は、まず、素子温度センサ６ａ、６ｂと冷媒温度センサ１２の計測値を読み込む（Ｓ２）。次に、コントローラ７は、電流センサ１６によって、トランジスタＴ１−Ｔ８に流れる総電流を特定する。コントローラ７は、その総電流の大きさから、トランジスタＴ１−Ｔ８の発熱量を算出する（Ｓ３）。なお、電流と発熱量との関係は実験などにより予め特定されている。一方、コントローラ７は、素子温度センサ６ａ、６ｂの計測値、即ち、トランジスタＴ５とＴ８の温度から、トランジスタ（及びその周辺の構造物）の有する熱量を求める。具体的には、コントローラ７は、特定の時刻の温度を基準として、その時刻以降のトランジスタの温度変化を記憶し、各時刻における温度上昇分に相当する熱量を特定する。熱量は、温度上昇分に、トランジスタ（及びその周辺の構造物）の熱容量を乗じることで得られる。コントローラ７は、トランジスタの発熱量からトランジスタの温度上昇分に相当する熱量を減じる。その結果の熱量は、冷媒に移動した熱量に相当する。コントローラ７は、冷媒に移動した熱量を冷媒の熱容量で除して、基準時刻の温度に対する冷媒の温度を算出（推定）する（Ｓ４）。Ｓ４で求められる冷媒の温度は、トランジスタを流れる電流と素子温度センサ６ａ、６ｂの計測値から得られる推定値である。コントローラ７は、基準時刻以降の各時刻毎の冷媒の温度を算出する。即ち、コントローラ７は、基準時刻以降の冷媒温度の推定値の時系列データを得る。
【００２６】
半導体基板に作り込まれた素子温度センサ６ａ、６ｂの計測値にはオフセットが含まれるため、その絶対値は正確でない。他方、素子温度センサ６ａ、６ｂの計測値には、短時間の時間変化は正確に反映されている。コントローラ７は、この短時間の時間変化を使って冷媒温度センサ１２の時間遅れを補償する。コントローラ７は、冷媒温度の推定値の時系列データからその低周波成分を除去する。具体的にはコントローラ７は、推定値の時系列データをローパスフィルタに通し、フィルタリング後の時系列データをフィルタリング前の時系列データから差し引く。こうして得られた結果が、冷媒温度変化の推定値の高周波成分となる。この、推定値の高周波成分が、冷媒温度センサの計測値に対する補正値に相当する（Ｓ５）。最後にコントローラ７は、冷媒温度センサ１２の計測値に補正値を加えた値を、補正後の冷媒温度として出力する（Ｓ６）。この出力は、ポンプ制御プログラムに送られる。ポンプ制御プログラムでは、補正後の冷媒温度に基づいて、ポンプの出力を調整する。
【００２７】
上記のローパスフィルタについて説明する。ローパスフィルタには、冷媒の温度変化が冷媒温度センサ１２の計測値に表れるまでの熱の伝達関数の線形モデルが用いられる。伝達関数の線形モデルは、典型的には一次遅れ系あるいは二次遅れ系である。この線形モデルは、冷却器の構造によるものであるから、予め特定される。そのようなローパスフィルタを通過後の結果は、冷媒センサの計測値の推定値となる。フィルタリング前の時系列データが冷媒温度の推定値であり、フィルタリング後の時系列データは冷媒温度センサ１２の計測値の推定値であるから、前者から後者を差し引いた結果は、時間遅れに起因する冷媒の実際の温度と計測値との温度差の推定値に相当する。即ち、上記アルゴリズムにより、時間遅れに起因する温度差が推定できる。コントローラ７は、応答の速い素子温度センサ６ａ、６ｂの計測値を使って、冷媒温度センサ１２の計測値に対する遅れ時間分の温度変化を補う。
【００２８】
図７に、上記アルゴリズムによる温度補正の一例を示す。グラフＧ４は、他のグラフとスケールが異なる（数値を示していないが、グラフＧ４は右目盛りに対応し、その他のグラフは左目盛りに対応する）。横軸は時間である。グラフＧ１（実線）が冷媒温度センサ１２の計測値を示す。
【００２９】
グラフＧ２（破線）が、トランジスタを流れる電流と素子温度センサ６ａ、６ｂの計測値から得られた冷媒の推定温度を示す。前述したように、グラフＧ２の絶対値は正確ではない。グラフＧ３（実線）は、グラフＧ２に時定数Ｔｄの一次遅れフィルタをかけたものである。時定数Ｔｄは、冷媒温度の変化が冷媒温度センサの計測値に表れるまでの熱の伝達特性を線形モデルの一次遅れ系でモデル化したときの時定数である。従ってグラフＧ３は、冷媒温度センサの計測値の推定値に相当する。
【００３０】
グラフＧ４（破線）は、グラフＧ２（冷媒温度の推定値）からグラフＧ３（冷媒温度センサの計測値の推定値）を引いたものである。即ち、グラフＧ４は、時間遅れに起因する冷媒の実際の温度と計測値との温度差に相当する。別言すれば、グラフＧ４は、冷媒温度センサの計測値の補正値に相当する。
【００３１】
グラフＧ５（灰色の直線）が、グラフＧ１（冷媒温度センサの計測値）にグラフＧ４（補正値）を加えたものである。グラフＧ６（点線）は、効果検証のため、冷媒温度を直接計測した値（実際の冷媒温度）である。補正後の冷媒温度（グラフＧ５）が実際の冷媒温度（グラフＧ６）とよく一致していることがわかる。
【００３２】
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】
【００３３】
２：電力変換器
３：フィルタコンデンサ
４：リアクトル
５：平滑化コンデンサ
６ａ、６ｂ：素子温度センサ
７：コントローラ
８：電圧コンバータ回路
９：インバータ回路
１０：冷却器
１２：冷媒温度センサ
１３：ポンプ
１４：ラジエータ
１５：循環路
１６：電流センサ
１７：ガスケット
１７ａ：流入口
１７ｂ：排出口
１７ｃ：仕切板
１８：流路
１９：筐体
１９ａ：本体
１９ｂ：カバー
８１：メインバッテリ
８２：システムメインリレー
８３：モータ
１００：電気自動車
Ｄ１−Ｄ８：ダイオード
Ｔ１−Ｔ８：トランジスタ
ＧＬ：グランド線
ＰＨ：インバータ側出力端子
ＰＬ：バッテリ側入力端子
ＰＭ：中点
【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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【図７】
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