電力変換装置

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【発明の名称】	電力変換装置
【発明者】	【氏名】花村昭宏【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地日産自動車株式会社内
【要約】	【課題】温度管理を行う電力変換装置を提供する。【解決手段】エンジン１の出力軸に発電機２が接続され、エンジン１の駆動によって発電機２で発電された電力がコンバータ３、インバータ５を介してモータ６に出力されてモータ駆動を行う。コンバータ３には、コンバータからの電力が不足しているときに、インバータの出力を維持するバッテリ４が接続されている。コンバータ３とインバータ５は、共通の冷却装置１０で冷却される。モータ制御ユニット７は、温度センサ９によって冷却水温度Ｔｗを読み取り、冷却水温が過度に上昇したとき、その温度に応じてコンバータ３とインバータ５の合計電力を減少して発熱を抑える。電力の減少はまずコンバータ３から行う。これによって、インバータ５単独の発熱に応じて冷却装置１０の冷却能力を設定すれば、インバータとコンバータが過熱になるのを防止することができる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】発電手段と、該発電手段から発電された電力により駆動される駆動手段との間に設けられる電力変換装置において、前記発電手段または駆動手段の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度が所定の温度以上である時は、前記発電手段と前記駆動手段の合計発熱量を所定値以下に制限する制限手段とを有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】前記発電手段と前記駆動手段の合計発熱量は、前記温度検出手段によって検出された温度に対して、前記発電手段または前記駆動手段のどちらかが単独で発熱しても、その上限温度に達しない発熱量に等しく設定されることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】前記発電手段は発電機と該発電機から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータを有し、当該コンバータにはバッテリが接続され、前記駆動手段は前記コンバータおよび前記バッテリに接続され、直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータによって駆動されるモータとを有し、前記発電手段と前記駆動手段の合計発熱量が所定値以下に制限された場合は、前記発電手段の出力を初めに制限することを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置。
【請求項４】前記バッテリの充電量から充電に必要な電力量を演算し、演算された充電電力量を前記発電手段の指令値に重畳するようにしたことを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
【請求項５】少なくとも前記コンバータと前記インバータは、共通の冷却手段で冷却されるとともに、前記インバータ、コンバータの順番で冷却するようにしたことを特徴とする請求項３または４記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、とくに温度管理を行うようにした電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、電気自動車に搭載する電力変換装置は大電力化の要望が著しく、出力の向上に伴い発熱も増大する傾向にある。このため、十分な定格で設計された冷却装置を用いたとしても、高出力状態が長時間続いた場合や故障により冷却能力が低下した場合には、温度が過度に上昇し、効率の低下や装置の破損などを発生する可能性が大きくなる。これらの問題を改善するため、例えば特開平１１－５５８１０号公報では過温度保護を行うようにしたものが提案されている。
【０００３】これは原動機の出力軸に発電機を接続して必要な電力を発生させ、この電力を用いてモータを駆動して車両を駆動する装置であって、発電機（または電力変換に用いられるコンバータ回路）の温度を検出して所定の温度に到達した場合、その温度に対応して発電機の出力を低減して、発電機（または電力変換に用いられるコンバータ回路）の温度を低減させて保護を行うものである。
【０００４】次に、図５、図６を用いて上記従来例の動作を説明する。まず、発電機が発電した電力のみでモータを駆動する場合を考えてみる。発電機とモータの間には、電力変換を行うコンバータとインバータが接続されている。図５は、インバータおよびコンバータ内のパワー素子の温度変化状況を示す図である。ここで、簡単のために発電機の発電電力量がモータの駆動電力量と等しいと仮定し、発電機とモータの間に接続されるコンバータおよびインバータ内のパワー素子の温度Ｔｊも等しいものと考える。冷却水温をＴｗ、温度センサによって検出されるコンバータ温度をＴｇとし、最大電力時のパワー素子の温度Ｔｊとコンバータ温度の温度差ＴｗをΔＴとする。パワー素子の動作上限温度をＴｊｍａｘとする。
【０００５】モータを制御するモータ制御ユニットが、温度センサから、コンバータ温度Ｔｇを読み取り、必要に応じて発電機の発電量を制限して、パワー素子が過温度になるのを防止する。図７は、発電量の制限値とコンバータ温度Ｔｇとの関係を示す制限マップである。制限マップによれば、コンバータ温度Ｔｇが所定値Ｔｇ１未満である場合には、発電機は最大電力量Ｐｍａｘまで発電することができる。コンバータ温度Ｔｇが所定値Ｔｇ１以上である場合には、コンバータ温度Ｔｇに応じて発電機の発電電力量Ｐｇが制限され、ある温度Ｔｇ２に達すると発電量Ｐｇはゼロに制限される。
【０００６】ここで、発電機側のコンバータをＧとし、モータ側のインバータをＭとして、それぞれのパワー素子温度Ｔｊｇ、Ｔｊｍの変化について説明する。コンバータＧ、インバータＭは、最大電力量を出力する時に、パワー素子の温度Ｔｊｇ、Ｔｊｍが最大に達し、コンバータで検出されたコンバータ温度Ｔｇも最大に達する。このとき、コンバータ温度Ｔｇは、所定値Ｔｇ１未満の場合は、発電機の電力が制限されないから、コンバータとインバータは最大電力で動作することができ、このときのパワー素子温度Ｔｊｍ、Ｔｊｇの最大温度は、図５の（ａ）と（ｂ）で示すようにパワー素子の動作上限温度Ｔｊｍａｘに達することはない。
【０００７】一方、コンバータ温度Ｔｇは、所定値Ｔｇ１以上になると、（ｃ）で示すように、その温度値に応じて発電機の電力が制限されるから、コンバータおよびインバータの電力も制限され、パワー素子温度Ｔｊｍ、Ｔｊｇの上昇が抑えられる。そして、コンバータ温度Ｔｇがさらに上昇し、所定値Ｔｇ２に達すると、発電機の出力がゼロに制限されるから、（ｄ）のように温度の上昇を最大限に抑えられる。
【０００８】ここで、インバータが最大出力を要求され続けている場合について考える。まず、冷却水温度が低い状況では、コンバータ温度Ｔｇは所定値Ｔｇ１より低いため、コンバータとインバータは最大出力で動作することができる。駆動に伴い冷却水温度Ｔｗが上昇するため、コンバータ温度Ｔｇは所定値Ｔｇ１を超えるようになり、この時、コンバータ温度Ｔｇに応じて発電機の電力が制限されるため、コンバータのパワー素子温度Ｔｊｇは、このときの温度を最高温度として低下していく。インバータとコンバータの電力量が等しいので、インバータのパワー素子温度Ｔｊｍも同様に、低下していく。このように、インバータとコンバータを同じ電力とすることによって、コンバータの電力が制限された場合、インバータの電力も制限され、双方の発熱を抑え、冷却水温が一定値で平衡に達し、装置の破損を防止することができる。
【０００９】しかし、パワー素子の最高温度Ｔｊ＝ΔＴ＋Ｔｇ１＜Ｔｊｍａｘの関係があり、上記制御法を特にモジュールの熱抵抗が大きいインバータ、コンバータに適用した場合には、ΔＴが大きいために、温度の上昇を制限する所定値Ｔｇ１を低く設定しなければならず、容易に出力制限されてしまうという問題があった。
【００１０】次に、発電機が発電した電力が不足した場合、バッテリの電力を追加してモータを駆動する場合を考える。図６は、この場合のインバータおよびコンバータ内のパワー素子の温度変化状況を示す図である。インバータが最大電力の出力を続けている場合、冷却水温度が低い状況では、図５と同じく、（ａ）、（ｂ）で示すようにコンバータ温度Ｔｇは所定値Ｔｇ１より低いため、コンバータとインバータは最大電力で動作することができる。
【００１１】駆動によって冷却水温度が上昇し、（ｃ）のようにコンバータ温度ＴｇはＴｇ１を超えるようになると、発電機の出力が制限されるため、コンバータのパワー素子温度が低下するが、インバータはバッテリの残存容量が許す間は最大出力を続けることができるから、最高温度を維持する。
【００１２】これによって、コンバータ温度Ｔｇが所定値Ｔｇ２となった時に、コンバータの電力はゼロとなっても、インバータが依然として最大電力を出力し続けることができるから、冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｇ２を超えて上昇する可能性がある。これを防止するためにインバータ温度を検知してインバータが出力する電力を制限する手段が別途必要になる。
【００１３】また、コンバータの電力が制限された状況で、一時的にモータの出力が減少した場合には、コンバータを冷却する能力が向上し、発電機が出力する電力を上げてバッテリに充電を行うことが可能であるが、冷却水の温度はゆっくりと低下していくため、コンバータ温度Ｔｇが低下して発電機の電力制限が解除されるまでには長い時間が必要となり、十分なバッテリの充電が行われない。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、インバータとコンバータの出力を同じ電力とすることにより、高出力が長時間続いた場合や冷却装置の冷却能力が低下した場合でも、インバータおよびコンバータが過温度になることはないが、インバータの出力は、パワー素子温度ＴｊｍがＴｊｍａｘよりも十分低いにもかかわらず出力が制限されてしまうから、運転者の意図に反して車両の出力が低下する可能性があったり、或いはモータ以外の動力を増大させて動力不足を補うため装置の効率が悪化するという問題があった。
【００１５】一方、バッテリを用いて、コンバータの電力が制限された場合に、バッテリの電力で、制限された分をインバータを介してモータに供給する場合は、出力の低下は免れるが、インバータには過温度を防止する装置が必要になり、コスト高になる問題があった。本発明は、上記従来の問題点を鑑み、低コストで、インバータおよびコンバータが過温度になるのを有効に防止し、信頼性の高い電力変換装置を提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、発電手段と、該発電手段から発電された電力により駆動される駆動手段との間に設けられる電力変換装置において、前記発電手段または駆動手段の温度を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された温度が所定の温度以上である時は、前記発電手段と前記駆動手段の合計発熱量を所定値以下に制限する制限手段とを有するものとした。
【００１７】請求項２記載の発明は、前記発電手段と前記駆動手段の合計発熱量が、前記温度検出手段によって検出された温度に対して、前記発電手段または前記駆動手段のどちらかが単独で発熱しても、その上限温度に達しない発熱量に等しく設定されたものとした。
【００１８】請求項３記載の発明は、前記発電手段は発電機と該発電機から出力される交流電力を直流電力に変換するコンバータを有し、当該コンバータにはバッテリが接続され、前記駆動手段は前記コンバータおよび前記バッテリに接続され、直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータによって駆動されるモータとを有し、前記発電手段と前記駆動手段の合計発熱量が所定値以下に制限された場合は、前記発電手段の出力を初めに制限するものとした。
【００１９】請求項４記載の発明は、前記バッテリの充電量から充電に必要な電力量を演算し、演算された充電電力量を前記発電手段の指令値に重畳するようにしたものとした。
【００２０】請求項５記載の発明は、少なくとも前記コンバータと前記インバータが、共通の冷却手段で冷却されるとともに、前記インバータ、コンバータの順番で冷却するようにしたものとした。
【００２１】
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、発電手段または駆動手段の温度を検出し、所定の温度を超えた場合には発電手段および駆動手段の発熱量の合計値を制限することとしたため、過度の温度上昇により発電手段および駆動手段を破損することがない。
【００２２】請求項２記載の発明によれば、発電手段または駆動手段の発熱量に合わせて、冷却手段の冷却能力を設定すればよい。発電手段と駆動手段の合計最大損失を冷却するより、冷却手段を小型にすることができ、かつ、駆動手段の出力を低減することはない。また、冷却手段の発熱量の平均化を図ることができるため、冷却水温度の変動が小さくなり、装置の信頼性の向上につながる。
【００２３】請求項３記載の発明によれば、インバータまたはコンバータの温度を検出し、所定の温度を超えた場合にはインバータとコンバータの発熱量の合計値を所定の大きさに制限し、最初にコンバータの発熱量から制限することとしたため、コンバータおよびインバータを破損することなく、かつインバータの出力を連続させることができる。例えば電気自動車で用いられた場合は、運転者の意図に反して駆動力が低下してしまうという運転性能の低下が起こりがたい。
【００２４】請求項４記載の発明によれば、バッテリの充電量分を予め発電手段が出力するようにしたので、駆動手段の出力が減少した時点で速やかに発電手段の出力を高めてバッテリを充電することができるため、バッテリの充電量がなくなってしまうことを効果的に防止する。なお、合計発熱量を制限しているため、バッテリの充電のために発電手段の出力を高くしても、装置が過温度になることは無い。
【００２５】請求項５記載の発明よれば、冷却手段が、インバータ、コンバータの順に冷却する構成としたため、冷却水温度の上昇を効果的に抑止でき、また、冷却水温が高くなる下流側のコンバータの加熱を防止できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】次に、発明の実施の形態を電気自動車の駆動に用いられた実施例により説明する。図１は、実施例の構成を示す図である。エンジン１の出力軸に発電機２が接続されている。発電機２はコンバータ３と電気的に接続され、またコンバータ３とバッテリ４とが電気的に接続される。コンバータ３およびバッテリ４はさらにインバータ５と電気的に接続されている。インバータ５はモータ６と電気的に接続されている。エンジン１の駆動により発電機２が発電し、発電された電力は、コンバータ３、インバータ５を介してモータ６を駆動するとともに、バッテリ４に対して充電可能になっている。
【００２７】モータ制御ユニット（ＭＣＵ）７が、発電機２が出力する交流電流値およびバッテリ電圧、モータ回転数などセンサが検出した情報を入力し、コンバータ３およびインバータ５を制御することによりモータ６を制御する。制御を行うためにはコンバータ３、インバータ５からフィードバック情報Ｔがモータ制御ユニット７に、モータ制御ユニット７からはスイッチング信号ＳＷが出力されている。
【００２８】エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）８がモータ制御ユニット７と信号のやり取りを行うように電気的に接続され、エンジン１の制御を行うようになっている。バッテリ４は充電量ＳＯＣを検出する機能をもち、その情報がモータ制御ユニット７に出力され、モータ制御ユニット７では、充電が必要と判断した場合は、充電量を算出し、コンバータ３の出力電力量に充電量分を加算するように指令信号をエンジン制御ユニット８に出力する。コンバータ３とインバータ５を、共通の冷却装置１０で冷却し、インバータを上流側に、コンバータを下流側に冷却水が循環するようにし、冷却水の上流側には、温度センサ９を設けて、冷却する直前の冷却水温Ｔｗを検出するようになっている。
【００２９】次に、実施例の動作について説明する。モータ制御ユニット７は、温度センサ９により冷却水温度Ｔｗを読み取り、これが所定の温度Ｔｗ１を超えた場合、コンバータ３とインバータ５の合計電力量Ｐｍ＋Ｐｇを制限する。
【００３０】図２は、電力量の制限値と冷却水温度Ｔｗとの関係を示す制限マップである。冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ１より低い場合には、コンバータ３とインバータ５は合計で最大電力量Ｐｍａｘで動作することができる。冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ１を超えるが、所定値Ｔｗ２未満の場合には、冷却水温度Ｔｗに応じてコンバータ３とインバータ５の合計電力が制限されるようになっている。冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ２に達したときには、コンバータ３とインバータ５の合計出力がゼロになる。
【００３１】モータ制御ユニット７では、温度センサ９から冷却水温度Ｔｗを読み取り、冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ１以下と判断した場合には、コンバータ３とインバータ５が最大電力で動作することを可能とし、車両側からの運転指令でモータ６に所定のトルクを発生するようにコンバータ３とインバータ５を制御する。
【００３２】冷却水温度Ｔｗが、所定値Ｔｗ１を超えるが、所定値Ｔｗ２未満と判断すると、図２の制限マップにしたがって、コンバータ３とインバータ５の合計電力を制限するように制御する。この際、まず、コンバータ３から電力制限を行い、コンバータ３の出力がゼロになっても、制限値を超えている場合には、インバータ５の電力を制限する。
【００３３】冷却装置１０は、インバータ５の最大発熱を冷却可能になるように設計される。これにより、コンバータ３の電力がゼロの時点で本来これ以上の水温上昇は起こらない。しかしながら、冷却装置１０の性能低下や故障が生じたような場合には、冷却水の温度が更に上昇する可能性があるので、モータ制御ユニット７は、冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ２に達したと判断すれば、コンバータ３とインバータ５の電力をともにゼロにすることによって、コンバータ３とインバータ５の温度上昇を抑える。
【００３４】図３は、冷却水温度Ｔｗとコンバータおよびインバータの温度上昇の関係を示す図である。（ａ）では、冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ１以下のため、コンバータ３とインバータ５は、最大電力を出力することができ、電力が最大に達したとき、インバータ５のパワー素子温度Ｔｊｍ、コンバータ３のパワー素子温度Ｔｊｇが最大になる。この場合は、動作制限温度Ｔｊｍａｘに達することはないから、安定してモータ６を駆動し車両を駆動することができる。
【００３５】冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ１を超えた（ｂ）では、コンバータ３の電力が制限されるから、冷却水温度の上昇を抑えることができる。コンバータ３の出力が制限された分、バッテリ４から電力が出力され、インバータ５は、最大電力を維持することができる。
【００３６】（ｃ）のように、コンバータ３の電力がゼロに制限されても、温度が上昇した場合には、高出力が長時間持続し、または冷却能力が低下することになるから、インバータ５の電力が制限される。これによって、インバータ５の発熱による冷却水温の上昇が抑えられる。コンバータ３とインバータ５の電力の合計が制限された状況で、モータ６の駆動電力の要求が減少してインバータ５の出力が低下した場合、図４に示すように、インバータ５の電力が減少した分、コンバータ３に電力を発生する余裕が生じるため、（ｄ）のように、モータ制御ユニット７は速やかにコンバータ３の出力を増加する指令をエンジン制御ユニット８に出力し、コンバータ３の電力を増加することができる。
【００３７】例えば、バッテリ４の充電量が減少してきた場合は、ＳＯＣ情報から充電に必要な電力量を算出し、モータ制御ユニット７に指令して発電機２に要求される電力量に加算して発電させる。このようにすると、モータ６側の電力量が低減した際に発電機２側の電力量をその分増加して発電することが可能で、そのときの発熱量は冷却装置１０の冷却能力を超えないように制限されるから、装置が過熱することはない。
【００３８】そして、冷却装置１０の故障などにより、冷却水温度Ｔｗが所定値Ｔｗ２になったときには、図３の（ｅ）のようにコンバータ３およびインバータ５の出力がゼロに制限される。
【００３９】本実施例は以上のように構成され、冷却装置１０はインバータ５またはコンバータ３が単独で最大発熱を行ってもパワー素子が動作温度上限に達しない冷却能力で設計すれば十分である。このため、インバータ５とコンバータ３の両方の発熱量の合計の最大値を冷却するものに比べて冷却装置１０の冷却能力を小さく設定でき、大幅にその放熱器などを小型化することが可能である。
【００４０】また、冷却水温度がＴｗ１に到達した以降はコンバータ３とインバータ５の給電力量が制限されるため、冷却水温度の上昇が抑制され、また、インバータ５の駆動電力が低減できる時は、変わりにコンバータ３の電力をその分増加させるため、冷却水温度の変動が小さくなり、冷却装置１０の信頼性の向上につながる。
【００４１】さらに、インバータ５を先に冷却してコンバータ３を後で冷却する順番としたため、電力が制限される期間にインバータ５の出力が増加した時はこれに連動してコンバータ３の出力を低減するため、インバータ５によって温度の上がった冷却水がたどり着く前にコンバータ３の発熱を減らすことができるため、水温の上昇を効果的に抑制できる。また、下流ほど冷却水温度が高くなるが、下流側のコンバータ３の出力制限をするため、素子温度の上昇を抑止できて破損の危険性を低減できる。
【００４２】インバータ５単独で最大発熱した時に冷却可能な性能の冷却装置を設けているため、コンバータ３出力がゼロになった状況ではインバータ５が最大発熱をしても破損することはないのであるが、冷却装置に異常が発生し、冷却性能が著しく低下した場合などでも、コンバータ３とインバータ５の出力が自動的に制限されるため、装置の破損という致命的な状況を回避できる。
【００４３】また、インバータ５の出力まで制限する指令値をモータ制御ユニット７が出力する場合は、冷却装置１０に異常が発生している可能性があり、または、過度の高負荷運転がなされている可能性があるため、コンバータ３出力のゼロ指令を出す時点で、運転者に注意表示などをすれば、インバータ５の電力を低減する前に運転者の注意を喚起することもできる。
【００４４】なお、上記説明以外にもインバータ５とコンバータ３とモータ６と発電機２を同一の冷却装置で冷却しても良いし、温度センサ９の検出部位はコンバータ３の直後の水温でも良いし、インバータ５とコンバータ３の間の水温でも良いし、インバータ５のパワー素子の温度でも良いし、コンバータ３のパワー素子の温度でも良いし、モータ６の発熱部の温度でも良い。
【００４５】また、簡単のために、電力の制限マップを用いて合計電力が制御される説明をしたが、効率マップなどによりコンバータ３とインバータ５の電力と損失の関係が予めわかっている場合には、検出温度対損失マップを用いて合計電力の制御を行うこともできる。また、電力の制限マップの所定値Ｔｗ１以上での変化は図２に示した直線に限定されるものではなく、折れ線であったり曲線であっても良いことはいうまでもない。

【出願人】	【識別番号】０００００３９９７【氏名又は名称】日産自動車株式会社【住所又は居所】神奈川県横浜市神奈川区宝町２番地
【出願日】	平成１４年３月１５日（２００２．３．１５）
【代理人】	【識別番号】１０００８６４５０【弁理士】【氏名又は名称】菊谷公男（外２名）
【公開番号】	特開２００３－２７４５０９（Ｐ２００３－２７４５０９Ａ）
【公開日】	平成１５年９月２６日（２００３．９．２６）
【出願番号】	特願２００２－７２４０３（Ｐ２００２－７２４０３）