JP6919447B2 - リアクトルの温度の推定方法 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、昇圧コンバータに用いられているリアクトルの温度の推定方法に関する。
直流電源の出力電圧を走行用モータの駆動電圧まで昇圧する昇圧コンバータを備えている電気自動車が知られている。電気自動車の駆動系に用いられる昇圧コンバータの典型は、チョッパタイプであり、リアクトルを備えている。例えば、特許文献１に、そのような昇圧コンバータを備えた電気自動車が開示されている。なお、本明細書における「電気自動車」には、モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車や燃料電池車を含む。
電気自動車は、運転者のアクセル操作に応じてモータの出力が頻繁に大きく変化する。リアクトルに流れる電流も頻繁に大きく変化する。リアクトルは、流れる電流に応じて発熱する。リアクトルは、運転者のアクセル操作で急激に発熱したり、発熱が停止したりする。リアクトルの過熱を防止するには、リアクトルの正確な温度を知る必要がある。
特許文献１の電気自動車は、リアクトルの温度を直接に計測する温度センサの代わりにリアクトルに接続されているバスバの温度を計測する温度センサを備えており、バスバの温度をリアクトルの温度の近似値として用いる。また、特許文献２には、バスバの電流を計測する電流センサの温度依存性を補償するため、温度検出機能付の電流センサが開示されている。特許文献２の技術は、電流センサの温度依存性を補償するだけでなく、計測した温度をセンサ外部のデバイスに出力する。温度検出機能付の電流センサを採用し、バスバの温度をリアクトルの温度の近似値として用いれば、リアクトルに独立した温度センサを取り付けるよりもコストが抑えられる。
特開２０１７−０９３２２１号公報 特許第４６２８９８７号公報
リアクトルに接続されているバスバの温度は、リアクトルの温度とは少し異なる。バスバの温度に基づいて、リアクトルの温度をより正確に推定する技術が望まれている。
本明細書は、昇圧コンバータに用いられているリアクトルの温度の推定方法を開示する。その推定方法では、まず、リアクトルに接続されているバスバの温度とそのバスバに流れている電流を計測する。次に、計測された電流の直流成分の絶対値が所定の閾値電流値を超えている場合は、計測された温度に、直流成分の二乗に依存する第１温度補正値を加えた値をリアクトルの推定温度として出力する。他方、計測された電流の直流成分の絶対値が閾値電流値を下回っている場合は、計測された温度に、計測された電流に依存しない第２温度補正値を加えた値をリアクトルの推定温度として出力する。
リアクトルの温度上昇の要因には、流れる電流の直流成分と交流成分がある。流れる電流の直流成分の絶対値が大きい場合は、直流成分に起因する温度上昇が支配的となる。直流成分による温度上昇は、ジュール損失に起因する。ジュール損失は、流れる電流の直流成分の二乗と正の相関を有することが知られている。そこで、バスバに流れる電流（リアクトルに流れる電流）の直流成分の絶対値が閾値電流値を超えている場合は、バスバの温度（計測された温度）に、直流成分の二乗に依存する第１温度補正値を加えた値をリアクトルの推定温度とする。他方、流れる電流の直流成分が小さい場合は、リアクトルの温度上昇の要因は、電流の交流成分が支配的となる。その場合、発熱量は、交流の振幅よりも、周波数に依存する。そこで、本明細書が開示する温度推定方法では、バスバに流れている電流（計測された電流）の直流成分の絶対値が閾値電流値を下回っている場合は、バスバの温度（計測された温度）に、バスバに流れている電流（計測された電流）に依存しない第２温度補正値を加えた値をリアクトルの推定温度として出力する。本明細書が開示する技術は、バスバの温度に加える補正値を、バスバを流れる電流の直流成分の絶対値に依存して切り換えることで、リアクトルの温度を正確に推定することができる。
第１温度補正値は、典型的には、直流成分の二乗に、バスバにおける電力損失（ＬＢ）に対するリアクトルにおける電力損失（ＬＲ）の比（ＬＲ／ＬＢ）に基づいた定数を乗じた値である。電力損失の比が発熱量の比に相当する。それゆえ、直流成分の二乗に上記した電力損失の比に基づいた定数を乗じた値が第１温度補正値として適切である。
温度を計測する温度センサと、電流を計測する電流センサが、同一の基板に取り付けられていると好ましい。両方のセンサを一つに基板に取り付けることで、上記した温度推定方法を実施するために必要なセンサを小さな空間に実装することができる。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。
実施例の温度推定方法が実装されている電力変換装置を含む電気自動車の電力系のブロック図である。 電力変換装置の筐体内の部品レイアウトを示す平面図である（回路基板を除く）。 電力変換装置の筐体内の部品レイアウトを示す底面図である。 電力変換装置の筐体内の部品レイアウトを示す断面図である。 端子ユニットとリアクトルユニットの平面図である。 端子ユニットとリアクトルユニットと制御基板の側面図である。 リアクトルの温度推定処理のフローチャートである。 バスバ温度の取得処理のフローチャートである。 温度推定の結果を例示するグラフである。
本明細書が開示する温度推定方法は、電気自動車に搭載されている電力変換装置に実装されている。まず、電力変換装置を説明する。電力変換装置は、バッテリの電力を走行用のモータの駆動電力に変換するデバイスである。図１に、電力変換装置２を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。電気自動車１００は、２個の走行用のモータ５３ａ、５３ｂを備える。それゆえ、電力変換装置２は、２セットのインバータ回路４３ａ、４３ｂを備える。なお、２個のモータ５３ａ、５３ｂの出力は、ギアセット５５で合成されて車軸５６（即ち駆動輪）へと伝送される。
電力変換装置２は、バッテリ５１と接続されている。電力変換装置２は、バッテリ５１の電圧を昇圧する電圧コンバータ回路４２と、昇圧後の直流電力を交流に変換する２セットのインバータ回路４３ａ、４３ｂを備えている。
電圧コンバータ回路４２は、バッテリ側の端子に印加された電圧を昇圧してインバータ回路側の端子に出力する昇圧動作と、インバータ回路側の端子に印加された電圧を降圧してバッテリ側の端子に出力する降圧動作の双方を行うことが可能な双方向ＤＣ−ＤＣコンバータである。説明の便宜上、以下では、バッテリ側（低電圧側）の端子を入力端４８と称し、インバータ回路側（高電圧側）の端子を出力端４９と称する。また、入力端４８の正極と負極を夫々、入力正極端４８ａと入力負極端４８ｂと称する。出力端４９の正極と負極を夫々、出力正極端４９ａと出力負極端４９ｂと称する。「入力端４８」、「出力端４９」との表記は説明の便宜を図るためのものであり、先に述べたように、電圧コンバータ回路４２は双方向ＤＣ−ＤＣコンバータであるので、出力端４９から入力端４８へ電力が流れる場合がある。
電圧コンバータ回路４２は、２個のスイッチング素子９ａ、９ｂの直列回路、フィルタコンデンサ４４、リアクトル４５、各スイッチング素子に逆並列に接続されているダイオードで構成されている。リアクトル４５は、一端が入力正極端４８ａに接続されており、他端は直列回路の中点に接続されている。フィルタコンデンサ４４は、入力正極端４８ａと入力負極端４８ｂの間に接続されている。入力負極端４８ｂは、出力負極端４９ｂと直接に接続されている。スイッチング素子９ｂが主に昇圧動作に関与し、スイッチング素子９ａが主に降圧動作に関与する。図１の電圧コンバータ回路４２は、チョッパタイプと呼ばれる。図１の電圧コンバータ回路４２はよく知られているので詳細な説明は省略する。
符号１７が示している太線は、リアクトル４５に接続されているバスバ（第２バスバ１７）を示している。第２バスバ１７の近傍に、電流センサ素子５ｇと温度センサ素子６が配置されている。電流センサ素子５ｇと温度センサ素子６と第２バスバ１７については後述する。符号３ｇが示す破線矩形の範囲の回路が、後述する半導体モジュール３ｇに対応する。
インバータ回路４３ａは、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。スイッチング素子９ｃと９ｄ、スイッチング素子９ｅと９ｆ、スイッチング素子９ｇと９ｈがそれぞれ直列回路を構成している。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。３セットの直列回路の高電位側は電圧コンバータ回路４２の出力正極端４９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側は電圧コンバータ回路４２の出力負極端４９ｂに接続されている。３セットの直列回路の夫々の中点から交流（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が出力される。３セットの直列回路の夫々が、後述する半導体モジュール３ａ、３ｂ、３ｃに対応する。
インバータ回路４３ｂの構成はインバータ回路４３ａと同じであるため、図１では具体的な回路の図示を省略している。インバータ回路４３ｂもインバータ回路４３ａと同様に、２個のスイッチング素子の直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。３セットの直列回路の高電位側が電圧コンバータ回路４２の出力正極端４９ａに接続されており、３セットの直列回路の低電位側が電圧コンバータ回路４２の出力負極端４９ｂに接続されている。３セットの直列回路の中点から三相交流が出力される。各直列回路に対応するハードウエアを半導体モジュール３ｄ、３ｅ、３ｆと称する。
インバータ回路４３ａ、４３ｂは、それぞれ、三相交流を出力する。インバータ回路４３ａの三相の出力線の夫々に、電流センサ素子５ａ、５ｂ、５ｃが配置されており、インバータ回路４３ｂの三相の出力線の夫々に、電流センサ素子５ｄ、５ｅ、５ｆが配置されている。電流センサ素子５ａ−５ｆについては後述する。電流センサ素子５ａ−５ｆは、コントローラ４１と信号線で接続されているがその信号線は図示を省略している。
インバータ回路４３ａ、４３ｂの入力端に平滑コンデンサ４６が並列に接続されている。平滑コンデンサ４６は、別言すれば、電圧コンバータ回路４２の出力端４９に並列に接続されている。平滑コンデンサ４６は、電圧コンバータ回路４２の出力電流の脈動を除去する。
スイッチング素子９ａ−９ｈは、電力変換用のトランジスタであり、典型的にはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、他のトランジスタ、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）であってもよい。電力変換用のトランジスタはパワー半導体素子と呼ばれることもある。
スイッチング素子９ａ−９ｈは、コントローラ４１によって制御される。コントローラ４１は不図示の上位コントローラからの出力目標指令に基づいて、各スイッチング素子９ａ−９ｈのデューティ比を決定する。コントローラ４１は、決定したデューティ比を有するＰＷＭ信号を夫々のスイッチング素子９ａ−９ｇへ送信する。上位コントローラは、車両の速度、アクセル開度の大きさなどから、モータ５３ａ、５３ｂの出力目標を決定する。自動車は、運転者が頻繁にアクセル開度を変化させるので、モータ５３ａ、５３ｂの出力目標も頻繁に変換する。モータ５３ａ、５３ｂの出力目標が大きくなると、スイッチング素子９ａ−９ｈやリアクトル４５に流れる電流が大きくなり、それらのデバイスの温度が上昇する。リアクトル４５は特に発熱量が大きい。先に述べたように、リアクトル４５に接続されている第２バスバ１７の近傍に電流センサ素子５ｇと温度センサ素子６が取り付けられている。コントローラ４１は、電流センサ素子５ｇと温度センサ素子６の計測結果から、リアクトル４５の温度を推定し、推定温度が高くなると、リアクトル４５に流れる電流を制限し、リアクトル４５の過熱を防止する。リアクトル４５の温度推定については後述する。
図２−図６を参照して電力変換装置２のハードウエア構成を説明する。図２は、電力変換装置２の筐体３０の内部の部品レイアウトを示す平面図である。説明の便宜上、図中の座標系のＺ軸正方向を「上」と定義する。なお、後述するように筐体３０内の最上位には制御基板１９が配置されているが、図２では制御基板１９の図示を省略している。また、後述する筐体中仕切り３０ａも、図２では図示を省略している。筐体３０は上方と下方が開口しており、上下それぞれから部品を収容することができる。図３は、筐体３０を下方からみた底面図である。図４は筐体３０を図中の座標系におけるＹＺ平面でカットした断面図である。図４では、後述する第１バスバ４と半導体モジュール３ａ−３ｆと端子ユニット２０の位置関係が理解できるようにいくつかの部品（半導体モジュール３ｇなど）の図示を省略している。
電力変換装置２の筐体３０には、積層ユニット１０、コンデンサユニット１３、リアクトルユニット１４、端子ユニット２０、及び、制御基板１９が収容されている。なお、先に述べたように図２では制御基板１９の図示を省略しており、制御基板１９は図４にのみ描かれている。積層ユニット１０は、複数の半導体モジュール３ａ−３ｇと複数の冷却器１２を積層したデバイスである。図２と図３では、積層ユニット１０の両端の冷却器に符号１２を付し、他の冷却器には符号を省略した。複数の冷却器１２は平行に配置されており、隣り合う冷却器１２の間に半導体モジュールが挟まれている。各半導体モジュールは扁平であり、複数の半導体モジュール３ａ−３ｇは、その幅広面が対向するように積層ユニット１０の中で互いに平行に配置されている。半導体モジュール３ａ−３ｇの夫々には２個のトランジスタと２個のダイオードが収容されており、内部で２個のトランジスタが直列に接続されている。各ダイオードは各トランジスタに逆並列に接続されている。先に述べたように、半導体モジュール３ａ−３ｃはインバータ回路４３ａに用いられ、半導体モジュール３ｄ−３ｆはインバータ回路４３ｂに用いられる。半導体モジュール３ｇは電圧コンバータ回路４２に用いられる。以下、半導体モジュール３ａ−３ｇのいずれか一つを区別なく示すときには半導体モジュール３と称する。
積層ユニット１０は、筐体３０に設けられた内壁３１と支柱３２の間に、板バネ３３とともに挟まれている。なお、内壁３１と支柱３２は、図２と図３では図示を省略している筐体中仕切り３０ａから延びている。板バネ３３は、積層ユニット１０を複数の半導体モジュール３の積層方向に加圧する。図中の座標系のＸ方向が積層方向に相当する。冷媒供給パイプ３４と冷媒排出パイプ３５が複数の冷却器１２を貫いている。冷媒供給パイプ３４を通じて供給される冷媒は、複数の冷却器１２に分配される。冷媒は、各冷却器１２を通過する間に隣接している半導体モジュール３から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は冷媒排出パイプ３５を通じて積層ユニット１０から排出される。
各半導体モジュール３の上面から複数の制御端子３０４が延びている。図２では、左端の一つの半導体モジュール３の制御端子にのみ符号３０４を付し、他の半導体モジュール３の制御端子には符号を省略した。制御端子３０４は、半導体モジュール３に収容されているトランジスタのゲート端子に接続している制御端子や、半導体モジュール３に内蔵されている温度センサの制御端子などを含む。図４に示されているように、制御端子３０４は、制御基板１９に接続されている。制御基板１９は、半導体モジュール３に収容されているトランジスタを駆動する駆動回路が実装されている。すなわち、図１にて説明したコントローラ４１が、制御基板１９に実装されている。
図３に示すように、各半導体モジュール３の下面から３本のパワー端子（正極端子３０１、負極端子３０２、中点端子３０３）が延びている。図３では、右端の一つの半導体モジュール３のパワー端子にのみ符号３０１、３０２、３０３を付し、他の半導体モジュール３のパワー端子には符号を省略した。正極端子３０１、負極端子３０２、中点端子３０３は、それぞれ、半導体モジュール３の内部で、２個のトランジスタの直列接続の高電位側、低電位側、及び、中点に接続している。複数の半導体モジュール３の正極端子３０１は正極バスバ３６でコンデンサユニット１３に接続しており、負極端子３０２は負極バスバ３７でコンデンサユニット１３に接続している。コンデンサユニット１３は、図１に示したフィルタコンデンサ４４に相当するコンデンサ素子と、平滑コンデンサ４６に相当するコンデンサ素子を封止している。正極バスバ３６と負極バスバ３７を介して、全ての半導体モジュール３の正極端子３０１と負極端子３０２が、平滑コンデンサ４６に相当するコンデンサ素子と接続している。なお、図２−図４では、図１のフィルタコンデンサ４４、入力端４８、出力端４９に関する接続構造については図示を省略している。
図１のインバータ回路４３ａ、４３ｂを構成する半導体モジュール３ａ−３ｆの夫々の中点端子３０３に第１バスバ４が接続している。複数の第１バスバ４は端子ユニット２０につながっている。端子ユニット２０は、モータにつながるパワーケーブルを接続するための部品である。複数の第１バスバ４は、端子ユニット２０の樹脂製の本体２２を通過しており、その先端は、パワーケーブルを接続するための接続端子４０１になっている。
リアクトルユニット１４の内部には、図１に示したリアクトル４５に相当するリアクトル素子１５が収容されている。リアクトル素子１５の実態はコイルであり、その一端１５ａには第２バスバ１７が接続している。リアクトル素子１５（図１のリアクトル４５）の他端は、図示を省略している。第２バスバ１７も、端子ユニット２０に支持されている。第２バスバ１７は、端子ユニット２０の本体２２の内部で、半導体モジュール３ｇの中点端子から延びている第３バスバ１８と接続している。なお、先に述べたように、半導体モジュール３ｇは、電圧コンバータ回路４２（図１参照）に用いられるモジュールである。
端子ユニット２０はセンサ基板２１を備えており、そのセンサ基板２１に複数の電流センサ素子５ａ−５ｇと温度センサ素子６が取り付けられている。なお、図２と図５では、一つの電流センサ素子にのみ符号５を付している。以下では、複数の電流センサ素子５ａ−５ｇを、単純に複数の電流センサ素子５と総称する場合がある。
複数の電流センサ素子５と温度センサ素子６は、端子ユニット２０の本体２２に覆われている。本体２２は樹脂で作られている。複数の電流センサ素子５の夫々は、複数の第１バスバ４と第２バスバ１７の各バスバに個別に対向するように配置されており、対向するバスバの電流を計測する。電流センサ素子５は、ホール素子であり、集磁コア７を伴っている。集磁コア７は、Ｃ字形状をした磁性体である。集磁コア７は、第１バスバ４を囲んでおり、Ｃ字の切れ目に電流センサ素子５が位置する。集磁コア７は、バスバを流れる電流に起因して生じる磁束を集める。電流センサ素子５は、集磁コア７が集めた磁束を計測する。バスバを流れる電流とその電流に起因して生じる磁束の間には一意の関係があり、電流センサ素子５（磁電変換素子）が計測した磁束の強さから、対応するバスバを流れる電流の大きさが特定される。
図４に加えて図５と図６を用いて端子ユニット２０の構造、及び、端子ユニット２０を通るバスバとリアクトルユニット１４の関係をさらに説明する。図５は、端子ユニット２０とリアクトルユニット１４の平面図である。図６は、端子ユニット２０とリアクトルユニット１４と制御基板１９の側面図である。端子ユニット内部の構造を理解し易いように、図５では端子ユニット２０のセンサ基板２１と本体２２を仮想線で示し、図６では本体２２を仮想線で示してある。また、以下では、半導体モジュール３ａ−３ｆの夫々に対応する第１バスバを符号４ａ−４ｆで表す。第１バスバ４ａ−４ｃは、第１インバータ回路４３ａが出力する三相交流を伝達し、第１バスバ４ｄ−４ｆは第２インバータ回路４３ｂが出力する三相交流を伝達する。第１バスバ４ａ−４ｆのいずれか１つを区別なく表すときには「第１バスバ４」と称する。
先に述べたように、複数の電流センサ素子５と温度センサ素子６は、センサ基板２１に取り付けられている。各電流センサ素子５はスペーサを介してセンサ基板２１に取り付けられている。電流センサ素子５ａ−５ｆの夫々は、第１バスバ４ａ−４ｆの夫々の電流、即ち、図１のインバータ回路４３ａ、４３ｂの出力電流を計測する。電流センサ素子５ｇは、第２バスバ１７を流れる電流、即ち、リアクトル素子１５（図１のリアクトル４５）を流れる電流を計測する。温度センサ素子６は、第２バスバ１７の温度を計測する。第２バスバ１７はリアクトル素子１５の一端１５ａに接続しており、リアクトル素子１５の温度をよく伝える。温度センサ素子６の計測温度は、リアクトル素子１５の温度推定に用いられる。リアクトル素子１５の温度推定については後述する。温度センサ素子６は、具体的には、例えば、赤外線サーモパイルセンサ素子である。樹脂製の本体２２において、温度センサ素子６と第２バスバ１７の間には樹脂が充填されておらず、第２バスバ１７が発する赤外線を温度センサ素子６が受光できるようになっている。
図５によく示されているように、複数の第１バスバ４と第２バスバ１７は、端子ユニット２０の内部で平行に並んでいる。そして、複数の電流センサ素子５は、バスバの並び方向（図中の座標系のＸ方向）に沿って２列に並んでいる。第１バスバ４と第２バスバ１７の並びの端から偶数番目のバスバの電流を計測する電流センサ素子５ｂ、５ｄ、５ｆが、一方の列（図５における上側の列）並んでおり、残りの電流センサ素子５ａ、５ｃ、５ｅ、５ｇが、他方の列（図５における下側の列）に並んでいる。そして、温度センサ素子６は、第２バスバ１７の電流を計測する電流センサ素子５ｇが属していない列（図５における上側の列）に並んでいる。温度センサ素子６は、電流センサ素子５の並びの隙間に位置している。複数の電流センサ素子５の夫々は、比較的体格の大きい集磁コア７を伴っており、複数の電流センサ素子５の上記した２列の並びによって、複数の集磁コアを空間効率よく並べることができる。また、上記した配置によると、特定のバスバに対応する電流センサ素子５は、隣接するバスバの集磁コア７から漏れる磁界（ノイズ磁界）の影響を受け難い。
さらにまた、上記した配置は、温度センサ素子６も空間効率よく配置している。即ち、上記した複数の電流センサ素子５、複数の集磁コア７、温度センサ素子６の配置は、端子ユニットにおける部品実装密度が高い。
複数の信号ピン２３が、センサ基板２１から制御基板１９へ平行に延びている。複数の信号ピン２３には、複数の電流センサ素子５の計測データ及び温度センサ素子６の計測データを伝送する複数の信号線２３ａと、複数の電流センサ素子５と温度センサ素子６に電力を供給する共通の電力線２３ｂ（電力正極線とグランド線）が含まれる。すなわち、複数の信号線２３ａとともに、複数の電流センサ素子５と温度センサ素子６に共通の電力正極線とグランド線（電力線２３ｂ）が、センサ基板２１から制御基板１９へ平行に延びている。制御基板１９には図１のコントローラ４１が実装されており、そのコントローラ４１が、複数の電流センサ素子５の計測データと温度センサ素子６の計測データに基づいて、各半導体モジュール３のトランジスタに与える制御信号（ゲート信号）を生成する。
コントローラ４１は、各電流センサ素子５の計測データに基づいて、図１のインバータ回路４３ａ、４３ｂにおける各直列接続の中点から出力される電流が目標値に追従するように、各半導体モジュール３のトランジスタを駆動する制御信号を生成する。先に述べたように、コントローラ４１は、温度センサ素子６によって計測される第２バスバ１７の温度からリアクトル素子１５（図１におけるリアクトル４５）の温度を推定する。コントローラ４１は、リアクトル素子１５（リアクトル４５）の推定温度が高い場合には、図１のリアクトル４５を流れる電流が小さくなるように、各半導体モジュール３のトランジスタを駆動する制御信号を生成する。
リアクトル素子１５（リアクトル４５）の温度推定方法について説明する。制御基板１９に実装されているコントローラ４１は、温度センサ素子６によって計測される第２バスバ１７の温度と、電流センサ素子５ｇによって計測される第２バスバ１７を流れる電流から、リアクトル素子１５（図１のリアクトル４５）の温度を推定する。リアクトル素子１５に接続されている第２バスバ１７は銅製であり、伝熱性にも優れている。それゆえ、第２バスバ１７の温度を使ってリアクトル素子１５の温度を推定することで、正確な推定値が得られる。また、コントローラ４１は、第２バスバ１７の温度と電流（即ち、リアクトル素子１５を流れる電流）の値を使ってリアクトル素子１５の温度を推定する。バスバ（リアクトル）を流れる電流の損失が温度上昇と正の相関を有しているので、電流値に基づくことでも、正確な推定値が得られる。
図７に、温度推定処理のフローチャートを示す。コントローラ４１は、温度センサ素子６と電流センサ素子５ｇから第２バスバ１７の温度ＴＬと電流ＩＬを取得する（ステップＳ２）。なお、リアクトル素子１５（リアクトル４５）を流れる電流には、直流成分ＩＬｄｃと交流成分ＩＬａｃが存在する。それゆえ、第２バスバ１７を流れる電流ＩＬは、直流成分ＩＬｄｃと交流成分ＩＬａｃの和として表される。交流成分ＩＬａｃは、電圧コンバータ回路４２のスイッチング素子９ａ、９ｂのスイッチングに伴う電流脈動に起因し、高周波である。電流ＩＬにローパスフィルタを施すことで、直流成分ＩＬｄｃが得られる。
次に、コントローラ４１は、直流成分の絶対値｜ＩＬｄｃ｜を所定の閾値電流値Ｉｔｈと比較する（ステップＳ３）。直流成分の絶対値｜ＩＬｄｃ｜が閾値電流値Ｉｔｈを超えている場合は（ステップＳ３：ＹＥＳ）、コントローラ４１は、計測されたバスバの温度ＴＬに、バスバの電流ＩＬの直流成分ＩＬｄｃの二乗に所定の定数Ｃａを乗じた値を加え、その結果をリアクトル素子１５（リアクトル４５）の推定温度ＴＲとする（ステップＳ４）。数式で表すと次の通りである。
リアクトルの推定温度ＴＲ＝バスバ温度ＴＬ＋Ｃａ×直流成分ＩＬｄｃ２ （数式１）
上式の記号Ｃａは所定の比例定数である。比例定数Ｃａについて後述する。
一方、直流成分の絶対値｜ＩＬｄｃ｜が閾値電流値Ｉｔｈを下回っている場合は（ステップＳ３：ＮＯ）、コントローラ４１は、計測されたバスバの温度ＴＬに、所定の定数Ｃｂを加えた値をリアクトル素子１５（リアクトル４５）の推定温度とする（ステップＳ５）。数式で表すと次の通りである。
リアクトルの推定温度ＴＲ＝バスバ温度ＴＬ＋Ｃｂ（Ｃｂは定数） （数式２）
次にコントローラ４１は、ステップＳ４またはＳ５で得られた推定温度ＴＲにローパスフィルタを施し（ステップＳ６）、出力する（ステップＳ７）。ローパスフィルタは、例えば、推定温度ＴＲの過去１０回の値の移動平均でよい。
（数式１）と（数式２）について説明する。リアクトル素子１５（リアクトル４５）の温度上昇の要因には、流れる電流ＩＬの直流成分ＩＬｄｃと交流成分ＩＬａｃがある。直流成分ＩＬｄｃの絶対値が大きい場合は、直流成分ＩＬｄｃに起因する温度上昇が支配的となる。直流成分ＩＬｄｃによる温度上昇は、ジュール損失に起因する。ジュール損失は、電流の直流成分ＩＬｄｃの二乗と正の相関を有することが知られている。そこで、第２バスバ１７（リアクトル素子１５）に流れる電流の直流成分ＩＬｄｃの絶対値が閾値電流値Ｉｔｈを超えている場合は、バスバの温度ＴＬ（計測された温度ＴＬ）に、直流成分ＩＬｄｃの二乗に依存する第１温度補正値を加えた値をリアクトルの推定温度ＴＲとする。（数式１）の右辺第２項（Ｃａ×直流成分ＩＬｄｃ２）が第１温度補正値に相当する。記号Ｃａは、所定の比例定数である。比例定数Ｃａは、以下のように求められる。
電流の直流成分に起因する発熱は、バスバやリアクトルが発生するジュール熱に起因する。ジュール熱は、直流成分の二乗に内部抵抗を乗じた値に等しい。第２バスバ１７のジュール熱Ｊａは、Ｊａ＝Ｒａ×直流成分ＩＬｄｃ２で表される。ここで、記号Ｒａは、第２バスバ１７の内部抵抗である。一方、リアクトル素子１５のジュール熱Ｊｂは、Ｊｂ＝Ｒｂ×直流成分ＩＬｄｃ２で表される。ここで、記号Ｒｂは、リアクトル素子１５の内部抵抗である。ジュール熱の比Ｊｂ／Ｊａが、第２バスバ１７の発熱量とリアクトル素子１５の発熱量の比に相当する。それゆえ、（数式１）の右辺第２項の定数Ｃａは、Ｃａ＝Ｒｂ／Ｒａとなる。ジュール熱の比Ｊｂ／Ｊａは、第２バスバ１７の損失に対するリアクトル素子１５の損失の比に相当する。
他方、電流の直流成分ＩＬｄｃが小さい場合は、リアクトル素子１５の温度上昇の要因は、電流の交流成分ＩＬａｃが支配的となる。その場合、発熱量は、交流の振幅よりも、周波数に依存する。そこで、直流成分ＩＬｄｃの絶対値が閾値電流値Ｉｔｈを下回っている場合は、バスバの温度ＴＬ（計測された温度ＴＬ）に、バスバに流れている電流ＩＬ（計測された電流ＩＬ）に依存しない第２温度補正値を加えた値をリアクトルの推定温度ＴＲとする。（数式２）の右辺第２項の定数Ｃｂが、第２温度補正値に相当する。定数Ｃｂは、スイッチング周波数に依存して変化するものであってもよい。
上記のとおり、第２バスバ１７を流れる電流ＩＬの直流成分ＩＬｄｃの大きさに基づいてリアクトル素子１５（リアクトル４５）の推定温度を求める式を切り換えることで、リアクトル素子１５の正確な推定温度が得られる。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の電流センサ素子５ｇが、リアクトル素子１５に接続されている第２バスバ１７を流れる電流を計測する電流センサの一例に相当する。電流センサ素子５ｇの典型はホール素子である。温度センサ素子６が、第２バスバ１７の温度を計測する温度センサの一例に相当する。温度センサは、電流センサに内蔵されているものであってもよい。例えば、電流センサ素子がホール素子であり、ホール素子に内蔵された温度センサからバスバの温度を求めてもよい。ホール素子に内蔵された温度センサの計測値から第２バスバ１７の温度ＴＬを求める処理の一例を図８に示す。
温度センサ素子６の出力はアナログ値であり、例えば、温度に対応して変化する電圧値として出力される。コントローラ４１は、ステップＳ１２にて、温度センサ素子６が出力したアナログ値をデジタル値に変換する（Ａ／Ｄ変換する）。次に、コントローラ４１は、デジタル変換後の計測値（電圧）を、物理値であるホール素子温度ＴＨに変換する（ステップＳ１３）。次に、コントローラ４１は、ホール素子温度ＴＨの微分値ｄＴＨを算出する（ステップＳ１４）。微分値は、今回計測されたホール素子温度ＴＨと前回計測されたホール素子温度ＴＨとの差を、計測サンプリング時間で除して得られる。
次にコントローラ４１は、得られた微分値ｄＴＨに対してリミット処理を行う（ステップＳ１５）。リミット処理とは、微分値ｄＴＨが上限値を超えていたら微分値ｄＴＨを上限値で置き換え、下限値を下回っていたら微分値ｄＴＨを下限値で置き換える処理である。リミット処理により、微分値が極端な値となることが避けられる。
次にコントローラ４１は、微分値ｄＴＨにローパスフィルタを施す（ステップＳ１６）。ローパスフィルタの典型は、微分値ｄＴＨの時系列データの移動平均である。次にコントローラ４１は、温度補正値Ｃｖを算出する（ステップＳ１７）。温度補正値Ｃｖは、Ｃｖ＝ｄＴＨ×Ｇａ（Ｇａは所定のゲイン）の式で得られる。コントローラ４１は、温度補正値Ｃｖに対しても、ローパスフィルタを施す（ステップＳ１８）。最後にコントローラ４１は、バスバ温度ＴＬ＝ホール素子温度ＴＨ＋温度補正値Ｃｖの式によって、バスバ温度ＴＬを得る（ステップＳ１９）。
ホール素子温度ＴＨの微分値ｄＴＨは、ホール素子温度ＴＨの温度上昇率に相当する。図８のフローチャートの処理は、ホール素子温度ＴＨに温度上昇率で補正を加えてバスバの温度ＴＬを得ることを意味する。温度上昇率を考慮することで、正確なバスバ温度ＴＬを得ることができる。
図９に、図７と図８の処理の結果の一例を示す。グラフＧ１はバスバ（リアクトル）を流れる電流を示しており、右側の縦軸が電流を示している。グラフＧ２は、ホール素子に内蔵された温度センサの計測値を示している。即ち、グラフＧ２は、ホール素子温度ＴＨを示している。左側の縦軸が温度を示している。グラフＧ３は、ホール素子温度ＴＨに基づいて得られたバスバ温度ＴＬを示している。グラフＧ３は、図８のフローチャートの処理に基づいてグラフＧ２（ホール素子温度ＴＨ）から得られる。グラフＧ４は、図７の処理に基づいて得られたリアクトルの推定温度ＴＲを示している。
バスバ（リアクトル）を流れる電流（グラフＧ１）の一部拡大図を左下に示してある。バスバ（リアクトル）を流れる電流は、直流成分ＩＬｄｃと交流成分ＩＬａｃの和になっている。
破線Ａが示す範囲の拡大図を右下に示してある。リアクトルに流れる電流の直流成分ＩＬｄｃが大きい範囲では、バスバ温度ＴＬ（グラフＧ３）とリアクトル推定温度ＴＲ（グラフＧ４）の差は、「Ｃａ×ＩＬｄｃ２」となっている。直流成分ＩＬｄｃが小さい範囲では、バスバ温度ＴＬ（グラフＧ３）とリアクトル推定温度ＴＲ（グラフＧ４）の差は、「Ｃｂ（定数）」となっている。
図２のステップＳ３−Ｓ５に示されているように、直流成分ＩＬｄｃが大きい範囲と小さい範囲では、リアクトルの推定温度ＴＲの算出式が異なるが、ステップＳ６で推定温度ＴＲにローパスフィルタを施すので、直流成分ＩＬｄｃが大きい範囲と小さい範囲の境界においても推定温度ＴＲは連続的に変化する。
実施例で説明した技術に関する他の留意点を述べる。リアクトル素子１５の温度推定処理は、制御基板１９に実装されているコントローラ４１が実行してもよいし、センサ素子が実装されているセンサ基板２１にマイクロチップを搭載し、そのマイクロチップが実行してもよい。
実施例では、リアクトルの温度推定処理は、昇圧コンバータ回路とインバータ回路を備える電力変換装置２に実装されている。本明細書が開示する温度推定処理は、リアクトルを含む様々な昇圧コンバータに適用することができる。
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
３ａ−３ｇ：半導体モジュール
４ａ−４ｆ：第１バスバ
５、５ａ−５ｇ：電流センサ素子
６：温度センサ素子
７：集磁コア
９ａ−９ｇ：スイッチング素子
１０：積層ユニット
１２：冷却器
１３：コンデンサユニット
１４：リアクトルユニット
１５：リアクトル素子
１７：第２バスバ
１８：第３バスバ
１９：制御基板
２０：端子ユニット
２１：センサ基板
２２：本体
３０：筐体
３６：正極バスバ
３７：負極バスバ
４１：コントローラ
４２：電圧コンバータ回路
４３ａ、４３ｂ：インバータ回路
４４：フィルタコンデンサ
４５：リアクトル
４６：平滑コンデンサ
５１：バッテリ
５３ａ、５３ｂ：モータ
５５：ギアセット
５６：車軸
１００：電気自動車

Claims (3)

  1. 昇圧コンバータに用いられているリアクトルの温度の推定方法であり、
    前記リアクトルに接続されているバスバの温度と当該バスバに流れている電流を計測し、
    計測された前記電流の直流成分の絶対値が所定の閾値電流値を超えている場合は、計測された前記温度に、前記直流成分の二乗に依存する第１温度補正値を加えた値を前記リアクトルの推定温度として出力し、
    前記絶対値が前記閾値電流値を下回っている場合は、計測された前記温度に、計測された前記電流に依存しない第２温度補正値を加えた値を前記リアクトルの推定温度として出力する、リアクトルの温度推定方法。
  2. 前記第１温度補正値は、前記直流成分の二乗に、前記バスバにおける電力損失に対する前記リアクトルにおける電力損失の比に基づいた定数を乗じた値である、請求項１に記載の温度推定方法。
  3. 前記温度を計測する温度センサと、前記電流を計測する電流センサが、同一の基板に取り付けられている、請求項１または２に記載の温度推定方法。
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