JP6119647B2 - 電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、電動車両に関する。本明細書における「電動車両」には、走行用にモータを備えるがエンジンは備えない電気自動車、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車、及び、燃料電池車を含む。

電動車両は、バッテリの直流電力を交流電力に変換してモータに供給する電力変換装置を備える。電力変換装置は典型的にはインバータであるが、バッテリの電圧を昇圧してインバータに供給する電圧コンバータを含む場合もある。走行用のモータは出力が大きいため、電力変換装置は発熱量が大きい。それゆえ、電動車両は電力変換装置を冷却する冷却器も備えることが多い。例えば特許文献１には電力変換装置の冷却器を効率よく運転する技術が開示されている。その技術は、電力変換装置が備えるパワー素子の温度を計測する温度センサとパワー素子を冷却する冷媒の温度を計測する別の温度センサを備える。冷却器のコントローラは、パワー素子の温度と冷媒温度とパワー素子の発熱量に基づいてパワー素子から冷媒へ伝達される単位温度差当たりの熱伝達量を算出し、その熱伝達量が所定の閾値よりも大きい場合に冷却器の循環ポンプの駆動力を下げる。なお、パワー素子の発熱量はモータトルクと回転数から算出される。

また、特許文献２と特許文献３には、冷却器の異常を検知する技術が開示されている。特許文献２には、パワー素子の温度を計測する温度センサの異常を検知する技術が開示されている。その技術は次の通りである。コントローラは、パワー素子の所定時間当たりの発熱量を推定する。発熱量は、所定時間に電力変換装置に入力された電流の大きさに基づいて推定される。また、コントローラは、温度センサによって所定時間におけるパワー素子の温度変化量を得る。コントローラは、パワー素子の発熱量を一方の軸としパワー素子の温度変化量を他方の軸とする二次元マップを記憶している。その二次元マップには、温度センサに異常が発生していると推定される領域が定められており、コントローラは、推定された発熱量と計測された温度変化量を上記二次元マップに射影し、その座標値が一定時間継続して上記した領域に含まれる場合に温度センサが異常を生じていると判定する。

特許文献３の技術は次の通りである。特許文献３に開示された電動車両は、冷媒の温度を計測する温度センサ、電圧コンバータの温度を計測する温度センサ、インバータの温度を計測する温度センサを備えており、それら複数の温度センサの計測値から冷媒の流量を推定する。そして、冷媒を循環させるポンプの回転数と推定された流量から、ポンプあるいは冷媒流路に異常が生じていないかを判断する。

特開２０１２−１５１９７５号公報 特開２０１３−１５６０９７号公報 国際公開ＷＯ２０１２／１２０６３０号公報

本明細書も、電動車両において電力変換装置の冷却器が備える温度センサの異常を検知する技術に関する。本明細書は、上記した技術とは異なる手法で温度センサの異常を検知する技術を提供する。

本明細書が開示する電動車両の一実施形態は、走行用のモータに電力を供給する電力変換装置と、電力変換装置を冷却する冷媒の温度を計測する２個の温度センサと、いずれかの温度センサで異常が発生していることを判定するコントローラを備える。一方の温度センサ（第１温度センサ）は、電力変換装置へ供給される冷媒の温度を計測する。他方の温度センサ（第２温度センサ）は、電力変換装置を通過後の冷媒の温度を計測する。コントローラは、第１及び第２温度センサによって計測された温度の差と電力変換装置へ送られた冷媒の流量から冷媒が吸収した熱量を算出する。また、コントローラは、電力変換装置に流れる電流から電力変換装置が発生した熱量を推定する。そしてコントローラは、算出された熱量と推定された熱量の差が予め定められた熱量差閾値を超えた場合に、第１又は第２温度センサで異常が発生していることを通知する信号（異常検知信号）を出力する。異常検知信号は、例えば、車両のインストルメントパネルに備えられている警告灯を点灯させる信号や、ダイアグ用メモリに異常発生を記憶させる信号である。熱量差閾値は、電力変換装置の仕様から予め定められており、コントローラに記憶されている。

上記の電動車両は、電力変換装置が発生する熱量を推定し、その推定値を使って温度センサの異常を判定するので、精度よく温度センサの異常を検知することができる。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。

実施例の電動車両の電力系及び冷却器の模式的ブロック図である。 電動車両の水温センサの異常を検知する処理を示すフローチャート図である。 冷媒流量と冷媒温度の対応関係及びサブバッテリの出力電圧による影響の一例を示すグラフである。

図面を参照して実施例の電動車両２００を説明する。図１に、電動車両２００の電力系及び冷却器の模式的ブロック図を示す。実施例の電動車両２００は、走行用のモータ５を備えている。モータ５の出力が駆動輪１５に伝達され、電動車両２００が走行する。モータ５は、典型的には三相交流モータである。モータ５には、電力変換装置２を介してメインバッテリ３から電力が供給される。電力変換装置２には、直流電力を交流電力に変換するインバータ回路２ｂと共に、メインバッテリ３の電圧を昇圧するチョッパ型の電圧コンバータ回路２ａが備えられている。メインバッテリ３の電力は電圧コンバータ回路２ａにより昇圧された後にインバータ回路２ｂにより三相交流電力に変換されてモータ５に供給される。また、電動車両２００の制動時には、電力変換装置２はモータ５からの回生電力を直流電力に変換し、変換された電力はメインバッテリ３に蓄電される。この場合、電圧コンバータ回路２ａは、降圧回路として動作する。モータ５からの回生電力がインバータ回路２ｂにより直流電力に変換された後に電圧コンバータ回路２ａにより降圧されメインバッテリ３に蓄電される。なお、電圧コンバータ回路２ａ、インバータ回路２ｂはよく知られた技術であるので、本明細書ではその詳細な説明は省略する。

電動車両２００の走行に用いられるモータ５は、その走行に対応するため出力が大きい。そのため、モータ５に電力を供給する電力変換装置２は発熱量が大きい。特に、電力変換装置２内の電圧コンバータ回路２ａとインバータ回路２ｂに用いられているパワー素子は発熱量が大きい。その発生した熱を吸収するために、電力変換装置２には、冷却器２１が備えられている。この冷却器２１は電力変換装置２に備えられているパワー素子に隣接配置されており、冷却器２１の内部を通過する冷媒がパワー素子から熱を吸収する。電動車両２００には、この冷却器２１に冷媒を供給する冷媒供給管９ａと冷却器２１を通過した冷媒を排出する冷媒排出管９ｂが備えられている。また、電動車両２００には冷媒が吸収した熱を放熱するためのラジエータ４が備えられている。冷媒供給管９ａの上流側の一端はラジエータ４に接続されており、下流側の他端は電力変換装置２の冷却器２１に接続されている。そして、冷媒排出管９ｂの上流側の一端は電力変換装置２の冷却器２１に接続されており、下流側の他端はラジエータ４に接続されている。また、冷媒排出管９ｂには、ポンプ７が備えられている。冷媒は、ポンプ７により圧送され、図１の矢印で示すようにラジエータ４と冷却器２１の間を循環する。冷媒は、冷却器２１を通過することで熱を吸収し、ラジエータ４を通過することで熱を放熱し、放熱によって温度が低下した冷媒は再び冷却器２１に送られる。この冷媒の循環により電力変換装置２が冷却される。なお、冷媒は、液体であり、例えば、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。

また、ポンプ７はサブバッテリ６からの電力により駆動する。サブバッテリ６は降圧コンバータ８を介してメインバッテリ３に接続されている。サブバッテリ６は、サブバッテリ６の充電残量等の状況に応じて降圧コンバータ８により降圧されたメインバッテリ３からの電力により充電される。図中には示していないが、サブバッテリ６には、ポンプ７の他にも、オーディオ、エアコン、後述するコントローラ１２等が接続されている。サブバッテリ６はそれら機器に電力を供給する。サブバッテリ６により電力が供給される機器は、まとめて補機と呼ばれ、サブバッテリ６は補機バッテリと呼ばれることもある。

また、上記の冷媒供給管９ａには、電力変換装置２の冷却器２１へ供給される冷媒の温度を計測する第１水温センサ１３が備えられている。一方、上記の冷媒排出管９ｂにも、電力変換装置２の冷却器２１を通過した後の冷媒の温度を計測する第２水温センサ１４が備えられている。第１、第２水温センサ１３、１４は、例えばサーミスタなどの感温素子により構成される。第１、第２水温センサ１３、１４により測定された測定値は、後述するコントローラ１２に送信される。

電動車両２００には、第１、第２水温センサ１３、１４の異常を検知するコントローラ１２が備えられている。コントローラ１２は、第１、第２水温センサ１３、１４により計測された温度をモニタする。また、電力変換装置２にはモータ５へ流れる電流を計測する電流センサ（不図示）が備えられている。コントローラ１２は、この電流センサにより計測された電流値もモニタする。さらにまた、コントローラ１２は、サブバッテリ８の出力電圧もモニタしている。なお、電動車両２００は、電力変換装置２、降圧コンバータ８、ポンプ７等の機器を総合的に制御するパワーコントローラ１８を別途備えている。車両の走行状況やアクセル開度等に応じて、このパワーコントローラ１８により電動車両２００の走行が制御される。

また、コントローラ１２は、第１、第２水温センサ１３、１４の異常を検知すると異常通知信号を出力する（詳細は後述）。出力された異常通知信号は、電動車両２００に備えられているインストルメントパネル１６やダイアグ用メモリ１７に送信される。インストルメントパネル１６では、出力された異常通知信号に応じて警告灯が点灯する。この警告灯により、ドライバが水温センサの異常を知ることができる。また、ダイアグ用メモリ１７では、出力された異常通知信号が記憶される。電動車両２００の点検時にダイアグ用メモリ１７の記憶情報を読み出すことで、点検作業者が水温センサの異常を診断することができる。

図２のフローチャートを参照して、コントローラ１２が水温センサの異常を検知する処理について説明する。図２に示す一連の処理は、電動車両２００の走行開始と共に一定の間隔で繰り返し実行される。先ず、コントローラ１２は、第２水温センサ１４の測定値と第１水温センサ１３の測定値との差である温度差ｄＴを計算する（Ｓ１）。第１水温センサ１３の測定値は、電力変換装置２の冷却器２１を通過する前の冷媒の温度であり、第２水温センサ１４の測定値は、電力変換装置２の冷却器２１を通過した後の冷媒の温度である。したがって、温度差ｄＴは、電力変換装置２からの熱を吸収して上昇した冷媒の温度となる。

次に、コントローラ１２は、冷媒供給管９ａ及び冷媒排出管９ｂを流れる冷媒の流量を算出する（Ｓ２）。冷媒流量は上記のパワーコントローラ１８の指令により駆動するポンプ７の出力に応じて決まる。パワーコントローラ１８がポンプ７の出力を上げる指令を出すと冷媒流量も増える。一方、パワーコントローラ１８は、第２水温センサ１４（冷却器２１通過後の温度を計測する水温センサ）をモニタしている。パワーコントローラ１８は、第２水温センサ１４の測定温度が上昇すると、冷却器２１の冷却効率を高めるためにポンプ７の出力を上げる。つまり、図３に示すように冷媒流量と冷媒温度（冷却器２１通過後の冷媒温度）は、冷媒温度が上がると冷媒流量が増えるように一定の対応関係を持ってパワーコントローラ１８により制御されている。ここで、ポンプ７はサブバッテリ６からの電力により駆動される。一般に、電動車両のバッテリの出力電圧は常に変化する。サブバッテリ６の出力電圧が変化すると、ポンプ７の出力も変化することになる。つまり、パワーコントローラ１８からポンプ７への出力指令値が同じ場合でも、サブバッテリ６の出力電圧が下がれば、実際のポンプ７の出力も下がることになる。よって、例えば、図３のグラフに示すように、同じ冷媒温度でも、サブバッテリ６の出力電圧が１２Ｖの場合よりも１１．５Ｖの場合の方が、実際の冷媒流量は下がることになる。コントローラ１２には、冷媒流量と冷媒温度の対応関係に加え、サブバッテリ６の出力電圧のばらつきに応じた冷媒流量を算出するための対応関係が予め記憶されている。これにより、コントローラ１２は、サブバッテリ６の出力電圧と冷媒温度（第２水温センサ１４の測定温度）に基づいて、冷媒流量Ｆを推定することができる。なお、図３に示す冷媒流量と冷媒温度の対応関係は、模式的に直線で表現しており正確ではないことに留意されたい。

次に、コントローラ１２は、冷媒が冷却器２１を通過する間に吸収した熱量（以下、受熱量Ｑｗ１）を算出する（Ｓ３）。冷媒の単位時間当たりに吸収した熱量（受熱量Ｑｗ１）はその吸収した熱量により上昇した冷媒の温度から次の式を用いて求めることができる。
（受熱量Ｑｗ１）＝（冷媒流量Ｆ）×（冷媒の比熱Ｈｃ）×（冷媒の密度Ｄ）×（冷媒の上昇温度ｄＴ）
ここで、冷媒流量Ｆは、ステップＳ２で算出される。また、冷媒の上昇温度ｄＴは、ステップＳ１で第１水温センサ１３の測定値と第２水温センサ１４の測定値の差として算出される。コントローラ１２には、予め冷媒の比熱Ｈｃと冷媒の密度Ｄの値が記憶されている。よって、冷媒の受熱量Ｑｗ１は、上記の式を用いて算出することができる。

次に、コントローラ１２は、電力変換装置２の発熱量Ｑｗ２を算出する（Ｓ４）。電力変換装置２は電気エネルギーの損失により発熱する。電力変換装置２のエネルギー損失は、所定時間に電力変換装置２を流れる電流及び電圧コンバータ回路２ａとインバータ回路２ｂのキャリア周波数等により推定することができる。上記のように、電力変換装置２を流れる電流は電流センサによりコントローラ１２によりモニタされている。よって、推測された電力変換装置２の損失から単位時間当たりの損失が計算され、その値に基づき電力変換装置２の発熱量Ｑｗ２が推定される。電力変換装置２の発熱量Ｑｗ２を推定するための計算式は、予めコントローラ１２に記憶されている。

次に、コントローラ１２は、冷媒の受熱量Ｑｗ１と電力変換装置２の発熱量Ｑｗ２の差から第１、第２水温センサ１３、１４に異常が発生していないか判断する（Ｓ５）。理論的には、冷媒の受熱量Ｑｗ１と電力変換装置２の発熱量Ｑｗ２は等しくなる。ここで、冷媒の受熱量Ｑｗ１と電力変換装置２の発熱量Ｑｗ２の間に測定誤差等を考慮した値以上の差が有れば、受熱量Ｑｗ１算出の基になった第１水温センサ１３、あるいは第２水温センサ１４の測定値に異常があると推測することができる。具体的には、受熱量Ｑｗ１と発熱量Ｑｗ２の差が予め定められた熱量差閾値よりも大きい場合、冷媒の受熱量Ｑｗ１の算出の基となった第１水温センサ１３、あるいは、第２水温センサ１４に異常があると判断し、ステップＳ６に進む。一方、受熱量Ｑｗ１と発熱量Ｑｗ２の差が熱量差閾値以下の場合、第１、第２水温センサ１３、１４に異常は無いと判断し（Ｓ７）、一連の処理を終了する。なお、熱量差閾値は、電力変換装置２の仕様により決まり、コントローラ１２に記憶されている。

第１水温センサ、あるいは、第２水温センサ１４に異常があると判断すると、コントローラ１２は異常通知信号を出力する（Ｓ６）。異常通知信号は、図１に示すインストルメントパネル１６及びダイアグ用メモリ１７に送られる。異常通知信号を受信すると、インストルメントパネル１６の警告灯が点灯する。また、異常通知信号はダイアグ用メモリ１７に記憶される。そして、一連の処理が終了する。

なお、「第１水温センサ」が「第１温度センサ」の一例であり、「第２水温センサ」が「第２温度センサ」の一例である。

以下、実施例で示した技術に関する留意点を述べる。実施例では、冷媒流量は冷媒温度とサブバッテリの出力電圧から推定されていたが、冷媒供給管若しくは冷媒排出管の内部に流量センサを配置して直接計測しても良い。

実施例の電力変換装置２は、電圧コンバータ回路２ａとインバータ回路２ｂを備える。夫々の回路の発熱量を個別に推定し、それらを合計して電力変換装置２の発熱量Ｑｗ２を求めるようにしてもよい。複数の発熱源の発熱量を個別に推定することで、電力変換装置の発熱量をより正確に推定できるようになり、その結果、温度センサの異常検知の精度も向上する。

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。

２：電力変換装置
２ａ：電圧コンバータ回路
２ｂ：インバータ回路
３：メインバッテリ
４：ラジエータ
５：モータ
６：サブバッテリ
７：ポンプ
８：降圧コンバータ
９ａ：冷媒供給管
９ｂ：冷媒排出管
１２：コントローラ
１３：第１水温センサ
１４：第２水温センサ
１５：駆動輪
１６：インストルメントパネル
１７：ダイアグ用メモリ
２１：冷却器

Claims (1)

1. 走行用のモータに電力を供給する電力変換装置と、
   前記電力変換装置へ供給される冷媒の温度を計測する第１温度センサと、
   前記電力変換装置を通過後の冷媒の温度を計測する第２温度センサと、
   前記第１又は第２温度センサの異常を検知するコントローラと、
   を備えており、前記コントローラは、
   第１及び第２温度センサによって計測された温度の差と電力変換装置へ送られた冷媒の流量から冷媒が吸収した熱量を算出し、
   電力変換装置に流れる電流から電力変換装置が発生した熱量を推定し、
   算出された熱量と推定された熱量の差が予め定められた熱量差閾値を超えた場合に、第１又は第２温度センサで異常が発生していることを通知する信号を出力する、
   ことを特徴とする電動車両。

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