JP7010182B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、電源電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換装置に関する。 The technology disclosed herein relates to a power conversion device that converts power supply power into drive power for a traveling motor.
電気自動車は、電源電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換装置を備えている。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、電源として燃料電池を備えている燃料電池車が含まれる。電力変換装置の典型は、直流電力を交流電力に変換するインバータである。電力変換装置は、インバータの前段に、直流電力の電圧を昇圧する昇圧コンバータを含む場合がある。 The electric vehicle is equipped with a power conversion device that converts the power source power into the drive power of the motor for traveling. The electric vehicle in the present specification includes a hybrid vehicle equipped with both a motor and an engine, and a fuel cell vehicle equipped with a fuel cell as a power source. A typical power converter is an inverter that converts DC power into AC power. The power converter may include a boost converter that boosts the voltage of DC power in front of the inverter.
電力変換装置は、電力変換用のスイッチング素子を多く含んでいる。電力変換用のスイッチング素子は、パワースイッチング素子と呼ばれる場合がある。電力変換用のスイッチング素子は、大電力を扱うため、発熱量が大きい。そこで、電力変換装置は、スイッチング素子を冷却する冷却器を伴うことが多い。冷却器の制御には、冷媒の温度を知る必要がある。冷媒の温度を温度センサで直接に計測するかわりに、スイッチング素子の温度、あるいは、スイッチング素子の発熱量から冷媒温度を推定する技術が特許文献１、２に開示されている。
The power conversion device includes many switching elements for power conversion. The switching element for power conversion may be called a power switching element. Since the switching element for power conversion handles a large amount of electric power, the amount of heat generated is large. Therefore, the power conversion device is often accompanied by a cooler for cooling the switching element. To control the cooler, it is necessary to know the temperature of the refrigerant.
特許文献１の技術では、複数のスイッチング素子が共通の冷却器で冷却される。特許文献１の技術では、複数のスイッチング素子の温度センサの計測値から各スイッチング素子の発熱量を推定し、スイッチング素子の温度から発熱量に相当する温度を減じて冷媒の温度を得る。特許文献２の技術では、オフ状態のスイッチング素子の温度に基づいて冷媒の温度を推定する。
In the technique of
推定温度と実際の温度の間には誤差が生じ得る。一方、冷媒の温度は様々な制御に利用される。例えば、冷媒の温度は、スイッチング素子の過熱防止、スイッチング素子の耐圧保護、冷却器のポンプ制御などに用いられる。スイッチング素子をより確実に保護するには、それぞれの制御に応じて、プラス側の誤差（推定温度が実際の温度よりも高い場合）が望ましい場合と、マイナス側の誤差（推定温度が実際の温度よりも低い場合）が望ましい場合がある。すなわち、スイッチング素子を保護するための複数の制御のそれぞれが十分に機能するためには、一つの推定温度では足りない場合がある。複数の推定温度を準備する場合であっても、それぞれの推定温度を速やかに適切な制御に利用できることが望ましい。 There can be an error between the estimated temperature and the actual temperature. On the other hand, the temperature of the refrigerant is used for various controls. For example, the temperature of the refrigerant is used for preventing overheating of the switching element, protecting the withstand voltage of the switching element, controlling the pump of the cooler, and the like. In order to protect the switching element more reliably, depending on the control, a positive error (when the estimated temperature is higher than the actual temperature) is desirable, and a negative error (the estimated temperature is the actual temperature) is desirable. If lower than) may be desirable. That is, one estimated temperature may not be sufficient for each of the plurality of controls for protecting the switching element to function sufficiently. Even when multiple estimated temperatures are prepared, it is desirable that each estimated temperature can be used promptly for appropriate control.
本明細書が開示する電力変換装置は、電気自動車用の電力変換装置であり、電源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。その電力変換装置は、電源電力が流れる複数のスイッチング素子と、スイッチング素子を冷却する冷却器と、スイッチング素子と冷却器を制御するコントローラを備えている。コントローラは、同一の制御周期において、スイッチング素子の発熱量に基づいて冷却器を流れる冷媒の推定温度を算出するとともに、推定温度よりも高い上温度と推定温度よりも低い下温度を設定する。コントローラは、前記スイッチング素子を熱から保護する複数の制御において、推定温度と上温度と下温度を使い分ける。本明細書が開示する電力変換装置は、同一周期に冷媒温度に関する三種類の温度を設定し、スイッチング素子を熱から保護する複数の制御で三種類の温度を使い分ける。それゆえ、複数の制御のそれぞれに適した温度を使うことができるので、それぞれの制御を有効に利用することができる。三種類の温度を同一の制御周期で設定するので、各温度を状況に応じて速やかに適切な制御に利用することが可能となる。 The electric power conversion device disclosed in the present specification is a power conversion device for an electric vehicle, and is a device that converts power supply power into drive power of a traveling motor. The power conversion device includes a plurality of switching elements through which power supply power flows, a cooler for cooling the switching elements, and a controller for controlling the switching elements and the cooler. In the same control cycle, the controller calculates the estimated temperature of the refrigerant flowing through the cooler based on the calorific value of the switching element, and sets the upper temperature higher than the estimated temperature and the lower temperature lower than the estimated temperature. The controller properly uses the estimated temperature, the upper temperature, and the lower temperature in a plurality of controls for protecting the switching element from heat. The power conversion device disclosed in the present specification sets three types of temperatures related to the refrigerant temperature in the same cycle, and uses the three types of temperatures properly by a plurality of controls for protecting the switching element from heat. Therefore, since the temperature suitable for each of the plurality of controls can be used, each control can be effectively used. Since the three types of temperatures are set in the same control cycle, each temperature can be quickly used for appropriate control according to the situation.
スイッチング素子を熱から保護する複数の制御の一例は、次の通りである。コントローラは、走行用のモータの回転速度が所定の回転速度閾値以下の場合に、上温度が高くなるにつれてモータの出力トルクの上限値を下げる。上限値を下げることで、スイッチング素子の最大負荷が小さくなる。この制御を以下では耐熱保護制御と称する。走行用モータの回転速度が低いときは、車輪がロックした場合、あるいは、急な坂道を登る場合など、モータに高い負荷が要求される可能性が高く、耐熱保護制御は、そのような場合にスイッチング素子の過熱を防ぐ制御である。耐熱保護制御は、スイッチング素子の過熱を防ぐ制御であるため、冷媒の推定温度よりも高い上温度を用いる方が、スイッチング素子の過熱を効果的に防ぐことができる。 An example of a plurality of controls that protect the switching element from heat is as follows. When the rotation speed of the traveling motor is equal to or less than a predetermined rotation speed threshold, the controller lowers the upper limit of the output torque of the motor as the upper temperature increases. By lowering the upper limit value, the maximum load of the switching element becomes smaller. This control is hereinafter referred to as heat resistant protection control. When the rotation speed of the traction motor is low, there is a high possibility that a high load will be required on the motor, such as when the wheels are locked or when climbing a steep slope. This is a control that prevents the switching element from overheating. Since the heat-resistant protection control is a control for preventing the switching element from overheating, it is possible to effectively prevent the switching element from overheating by using an upper temperature higher than the estimated temperature of the refrigerant.
また、コントローラは、下温度が低くなるにつれて出力電圧（電力変換装置の出力電圧）を下げる。出力電圧を下げることでも、スイッチング素子の負荷が下がる。この制御を以下では耐圧保護制御と称する。温度が低いとスイッチング素子の耐圧（ブレークダウン電圧）が低くなる傾向があり、耐圧保護制御は、スイッチング素子の温度が低いときにブレークダウンを回避するための制御である。耐圧保護制御は、スイッチング素子の温度の低さに応じた制御であるので、冷媒の推定温度よりも低い下温度を用いる方が、スイッチング素子のブレークダウンを確実に回避することができる。 Further, the controller lowers the output voltage (output voltage of the power converter) as the lower temperature becomes lower. Reducing the output voltage also reduces the load on the switching element. This control is hereinafter referred to as pressure resistance protection control. When the temperature is low, the withstand voltage (breakdown voltage) of the switching element tends to be low, and the withstand voltage protection control is a control for avoiding breakdown when the temperature of the switching element is low. Since the withstand voltage protection control is controlled according to the low temperature of the switching element, it is possible to reliably avoid the breakdown of the switching element by using a lower temperature lower than the estimated temperature of the refrigerant.
一方、コントローラは、推定温度が所定の目標温度に追従するように冷却器を制御する。この制御を以下では、冷却器制御と称する。冷却器制御は冷媒の温度に応じた制御であるので、冷媒の温度に最も近い推定温度を用いることが有効である。 On the other hand, the controller controls the cooler so that the estimated temperature follows a predetermined target temperature. Hereinafter, this control is referred to as a cooler control. Since the cooler control is controlled according to the temperature of the refrigerant, it is effective to use the estimated temperature closest to the temperature of the refrigerant.
コントローラは、スイッチング温度の発熱量に応じて三種類の温度（推定温度、上温度、下温度）を設定し、スイッチング素子保護のための複数の制御のそれぞれに適した温度で各制御を実行することができる。また、三種類の温度が同一の制御周期で設定されるので、車両の状況に応じて適切な温度を適切な制御ですぐに利用することが可能となる。 The controller sets three types of temperatures (estimated temperature, upper temperature, and lower temperature) according to the calorific value of the switching temperature, and executes each control at a temperature suitable for each of the multiple controls for protecting the switching element. be able to. Further, since the three types of temperatures are set in the same control cycle, it is possible to immediately use an appropriate temperature with appropriate control according to the situation of the vehicle.
コントローラは、異常の有無によって利用する温度を変えることも好ましい。例えば、コントローラは、電力変換装置が搭載されている電気自動車で異常が検知されていない場合には、次のように温度を用いた制御を実行する。（１Ａ）コントローラは、モータの回転速度が所定の回転速度閾値以下の場合には、推定温度が高くなるにつれてモータの出力トルクの上限値を下げる（耐熱保護制御）。（２Ａ）コントローラは、推定温度が低くなるにつれて出力電圧を下げる（耐圧保護制御）。（３Ａ）コントローラは、推定温度が所定の目標温度に追従するように冷却器を制御する（冷却器制御）。すなわち、異常が検知されていない場合は、耐熱保護制御、耐圧保護制御、冷却器制御にいずれについても、推定温度を利用する。 It is also preferable that the controller changes the temperature to be used depending on the presence or absence of abnormality. For example, when an abnormality is not detected in an electric vehicle equipped with a power conversion device, the controller executes control using temperature as follows. (1A) When the rotation speed of the motor is equal to or less than a predetermined rotation speed threshold, the controller lowers the upper limit of the output torque of the motor as the estimated temperature increases (heat resistance protection control). (2A) The controller lowers the output voltage as the estimated temperature becomes lower (withstand voltage protection control). (3A) The controller controls the cooler so that the estimated temperature follows a predetermined target temperature (cooler control). That is, when an abnormality is not detected, the estimated temperature is used for heat resistance protection control, pressure resistance protection control, and cooler control.
一方、コントローラは、電力変換器が搭載されている電気自動車で異常が検知された場合に、次のように温度を用いた制御を実行する。（１Ｂ）コントローラは、モータの回転速度が回転速度閾値以下の場合には、上温度が高くなるにつれてモータの出力トルクの上限値を下げる（耐熱保護制御）。（２Ｂ）コントローラは、下温度が低くなるにつれて電力変換装置の出力電圧を下げる（耐圧保護制御）。（３Ｂ）コントローラは、上温度が所定の目標温度に追従するように冷却器を制御する（冷却器制御）。すなわち、コントローラは、異常が検知された場合は、それぞれの制御の効果がより安全側へシフトするように、利用する温度を変更する。そのように制御することで、異常が検知された場合にはスイッチング素子の保護が強く働くようになる。 On the other hand, when an abnormality is detected in an electric vehicle equipped with a power converter, the controller executes control using temperature as follows. (1B) When the rotation speed of the motor is equal to or less than the rotation speed threshold value, the controller lowers the upper limit of the output torque of the motor as the upper temperature rises (heat resistance protection control). (2B) The controller lowers the output voltage of the power converter as the lower temperature becomes lower (withstand voltage protection control). (3B) The controller controls the cooler so that the upper temperature follows a predetermined target temperature (cooler control). That is, when an abnormality is detected, the controller changes the temperature to be used so that the effect of each control shifts to the safer side. By controlling in this way, the protection of the switching element becomes stronger when an abnormality is detected.
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。 Details and further improvements to the techniques disclosed herein will be described in the "Modes for Carrying Out the Invention" section below.
図面を参照して実施例の電力変換装置２を説明する。電力変換装置２は、電気自動車１００に搭載されている。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、車輪を駆動するための２個のモータ２２ａ、２２ｂを有している。
The
電気自動車１００は、２個のモータ２２ａ、２２ｂのほか、直流電源２１と、電力変換装置２と、上位コントローラ２５を備えている。直流電源２１は、リチウムイオンバッテリである。電力変換装置２は、直流電源２１の出力電力を、モータ２２ａ、２２ｂの駆動電力に変換する。モータ２２ａ、２２ｂは三相交流モータである。電力変換装置２は、直流電源２１の出力電圧を昇圧した後に三相交流に変換する。
The
電力変換装置２は、電圧コンバータ３、インバータ４、冷却器１０、コントローラ７を備えている。電圧コンバータ３は、チョッパ型の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータであり、直流電源２１の電圧を昇圧してインバータ４へ供給する。電圧コンバータ３は、モータ２２ａ、２２ｂが発電した回生電力を（インバータ４が直流電力に変換した後に）、直流電源２１の電圧まで降圧することもできる。
The
チョッパ型の電圧コンバータ３は、複数のスイッチング素子３１と、リアクトルとコンデンサを備えている。チョッパ型の双方向ＤＣ－ＤＣコンバータの回路構成はよく知られているので、具体的な回路構成は図示を省略した。ただし、スイッチング素子３１のみ、模式化して図示した。スイッチング素子３１は、電圧コンバータ３に含まれている複数のスイッチング素子を代表している。電圧コンバータ３には、スイッチング素子３１の温度を計測する温度センサ３２と、スイッチング素子３１に流れる電流を計測する電流センサ３３を備えている。図中の矢印破線は信号の流れを示している。温度センサ３２と電流センサ３３の計測データはコントローラ７に送られる。スイッチング素子３１は、コントローラ７からの指令により動作する。電圧コンバータ３の出力側には電圧センサ８が備えられている。電圧センサ８は、電圧コンバータ３の出力電圧（昇圧後の電圧）を計測する。電圧センサ８の計測値は、コントローラ７に送られる。
The chopper
インバータ４は、２セットのインバータ回路を含んでおり、それぞれのインバータ回路が、電圧コンバータ３によって昇圧された直流電力を、モータ２２ａ、２２ｂを駆動する交流電力に変換する。インバータ回路の構成もよく知られているので図１では具体的な回路構成は図示を省略した。ただし、スイッチング素子４１のみ、模式化して図示した。スイッチング素子４１は、インバータ４に含まれている複数のスイッチング素子を代表している。インバータ４には、スイッチング素子４１の温度を計測する温度センサ４２が備えられている。温度センサ４２の計測データはコントローラ７に送られる。スイッチング素子４１は、コントローラ７からの指令により動作する。
The
インバータ４がモータ２２ａ（２２ｂ）に供給する交流は、電流センサ５ａ（５ｂ）によって計測される。電流センサ５ａ、５ｂの計測値もコントローラ７へ送られる。モータ２２ａ、２２ｂのそれぞれには回転速度センサ２３ａ、２３ｂが備えられている。回転速度センサ２３ａ、２３ｂの計測値もコントローラ７へ送られる。
The alternating current supplied by the
コントローラ７は、上位コントローラ２５から、モータ２２ａ、２２ｂの目標出力指令を受ける。コントローラ７は、受信した目標出力指令が実現されるように、各種センサの計測値に基づいて、スイッチング素子３１、４１をフィードバック制御する。上位コントローラ２５は、アクセル開度、車速、直流電源２１の残量などから、モータ２２ａ、２２ｂの目標出力を決定し、その指令（目標出力指令）をコントローラ７へ送信する。
The
電力変換装置２は、スイッチング素子３１、４１、その他、電圧コンバータ３のリアクトルなどを冷却する冷却器１０も備えている。冷却器１０は、冷媒が流れる循環路１２と、ラジエータ１４と、ポンプ１３を備えている。循環路１２は、電圧コンバータ３、インバータ４、ラジエータ１４を通っている。ポンプ１３は、冷媒をラジエータ１４から電圧コンバータ３へ向けて圧送する。冷媒は水あるいは不凍液である。ポンプ１３は、コントローラ７によって制御される。コントローラ７は、ポンプ１３を適切に制御し（即ち、冷媒の流量を制御し）、スイッチング素子３１、４１の過熱を防止する。
The
車輪を駆動するモータ２２ａ、２２ｂの最高出力は数十キロワットに達する。スイッチング素子３１、４１には、数十キロワットの電力が流れ得るため、発熱量が大きい。コントローラ７は、スイッチング素子３１、４１を熱から保護すべく、いくつかの保護制御を実行する。その一つが、冷却器１０のポンプ１３の制御（冷却器制御）である。コントローラ７は、冷媒温度が所定の目標温度に追従するように、ポンプ１３の出力を調整する。
The maximum output of the
そのほかの保護制御として、コントローラ７は、耐熱保護制御と、耐圧保護制御を実行する。耐熱保護制御は、スイッチング素子３１、４１の温度が耐熱上限温度を超えないように、モータ２２ａ、２２ｂの出力を制限する制御である。より具体的には、コントローラ７は、モータ２２ａ、２２ｂの回転速度が所定の回転速度閾値以下の場合、冷媒温度が高くなるにつれてモータ２２ａ、２２ｂの出力トルクの上限値が下がるように、スイッチング素子３１、４１を制御する。回転速度閾値は、例えば、１００［ｒｐｍ］に設定されている。そのような低い回転速度が実現されているときは、車輪が障害物に乗り上げてロックしている状態であったり、急勾配の登り坂を登坂中の場合がある。そのような場合には、比較的に長時間にわたってモータ２２ａ、２２ｂに高負荷が要求される場合がある。耐熱保護制御は、そのような場合にスイッチング素子３１、４１の最大負荷を下げる制御である。
As other protection controls, the
図２に、耐熱保護制御の一例を示す。冷媒温度がＴ１、Ｔ２、Ｔ３と上がるにつれて、トルク上限値（モータの出力トルクの上限値）が下がっている。 FIG. 2 shows an example of heat resistance protection control. As the refrigerant temperature rises to T1, T2, and T3, the torque upper limit value (upper limit value of the output torque of the motor) decreases.
耐圧保護制御は、スイッチング素子のブレークダウンを回避する制御である。スイッチング素子のブレークダウン電圧は、スイッチング素子の温度が下がるほど低くなる特性を有している。従って、コントローラ７は、スイッチング素子の温度（冷媒温度）が低くなるにつれて、電力変換装置２の出力電圧が下がるように、スイッチング素子３１を制御する。なお、電力変換装置２の出力電圧は、電圧コンバータ３の出力電圧で定まる。電圧コンバータ３の出力電圧は、電圧センサ８によって計測される。コントローラ７は、電圧センサ８の計測値をモニタしつつ、電圧コンバータ３の出力電圧が、所定の電圧目標値となるように、スイッチング素子３１を制御する。
The withstand voltage protection control is a control that avoids the breakdown of the switching element. The breakdown voltage of the switching element has a characteristic that it becomes lower as the temperature of the switching element decreases. Therefore, the
図３に、耐圧保護制御の一例を示す。図３の例では、冷媒温度が温度Ｔ３を下回ると、昇圧目標電圧は電圧Ｖ３から電圧Ｖ２に下がる。冷媒温度がＴ１を下回ると、昇圧目標電圧は電圧Ｖ２から電圧Ｖ１に下がる。なお、昇圧目標電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ２に上昇するのは、冷媒温度が温度Ｔ１ではなく温度Ｔ２を超えたときである。昇圧目標電圧が電圧Ｖ２から電圧Ｖ３に上昇するのは、冷媒温度が温度Ｔ３ではなく温度Ｔ４を超えたときである。このように冷媒温度が低い側から高い側へ移るときの閾値温度が、冷媒温度が高い側から低い側へ移るときの閾値温度よりも高いのは、ハンチング防止のためのヒステリシスを設けているためである。 FIG. 3 shows an example of withstand voltage protection control. In the example of FIG. 3, when the refrigerant temperature is lower than the temperature T3, the boost target voltage drops from the voltage V3 to the voltage V2. When the refrigerant temperature falls below T1, the boost target voltage drops from voltage V2 to voltage V1. The boost target voltage rises from the voltage V1 to the voltage V2 when the refrigerant temperature exceeds the temperature T2 instead of the temperature T1. The boost target voltage rises from the voltage V2 to the voltage V3 when the refrigerant temperature exceeds the temperature T4 instead of the temperature T3. The reason why the threshold temperature when the refrigerant temperature moves from the low side to the high side is higher than the threshold temperature when the refrigerant temperature moves from the high side to the low side is because the hysteresis for preventing hunting is provided. Is.
また、図３において、冷媒温度が温度Ｔ６を上回ると昇圧目標電圧は電圧Ｖ３から電圧Ｖ１に下がる。これは、電圧コンバータ３の他の部品（リアクトルやコンデンサ）を過熱から保護するためである。昇圧目標電圧が電圧Ｖ１から電圧Ｖ３に高くなるのが温度Ｔ６ではなくそれよりも低い温度Ｔ５であるのも、ハンチング防止のためのヒステリシスを設けているためである。温度Ｔ５、Ｔ６における昇圧目標電圧の変更は、スイッチング素子３１の耐熱保護制御でなはなく、他の部品の耐熱保護制御であることに留意されたい。スイッチング素子３１の耐熱保護制御では、冷媒温度が下がるにつれて電力変換装置２の出力電圧が下がる。
Further, in FIG. 3, when the refrigerant temperature exceeds the temperature T6, the boost target voltage drops from the voltage V3 to the voltage V1. This is to protect other components (reactors and capacitors) of the
上記のとおり、コントローラ７は、スイッチング素子３１、４１を熱から保護するため、冷却器制御、耐熱保護制御、耐圧保護制御を実施する。上記の説明では、いずれの制御も、冷媒温度に基づいて制御対象（ポンプあるいはスイッチング素子）を制御するとした。図１を参照して説明したように、本実施例の電力変換装置２は、冷媒の温度を計測する温度センサを備えていない。コントローラ７は、スイッチング素子の温度を計測する温度センサ３２、４２や、インバータ４の出力電流を計測する電流センサ５ａ、５ｂなどのセンサデータから、冷媒温度を推定する。
As described above, the
冷媒の実際の温度と推定温度との間には誤差が生じ得る。推定温度は、実際の冷媒温度よりも低くなったり、高くなったりする。一方、スイッチング素子の発熱を抑制する耐熱保護制御では、制御に用いる推定温度が実際の冷媒温度よりも低いと制御の効果が低下する。他方、低温時のブレークダウンを防止する耐圧保護制御では、制御に用いる推定温度が実際の冷媒温度よりも高いと制御の効果が低下する。そこで、コントローラ７は、冷媒の推定温度を算出した後、耐熱保護制御用に、推定温度よりも高い温度（その温度を上温度と称する）を設定するとともに、耐圧保護制御用に、推定温度よりも低い温度（その温度を下温度と称する）を設定する。このように、それぞれの保護制御の特性に応じた温度を設定することで、それぞれの保護制御を有効に機能させることができる。
There can be an error between the actual temperature of the refrigerant and the estimated temperature. The estimated temperature may be lower or higher than the actual refrigerant temperature. On the other hand, in the heat-resistant protection control that suppresses heat generation of the switching element, the effect of the control is lowered when the estimated temperature used for the control is lower than the actual refrigerant temperature. On the other hand, in the pressure resistance protection control for preventing breakdown at low temperature, the effect of the control is lowered when the estimated temperature used for the control is higher than the actual refrigerant temperature. Therefore, after calculating the estimated temperature of the refrigerant, the
コントローラ７が実施する保護制御のフローチャートを図４に示す。図４の処理は、所定の制御周期毎に実行される。コントローラ７は、まず、電流センサ５ａ、５ｂ、３３、温度センサ３２、４２などの各種センサの情報を取得する（ステップＳ２）。次にコントローラ７は、各種センサの計測値に基づいてスイッチング素子３１、４１の発熱量ｄＴを特定する（ステップＳ３）。各種センサの計測値と発熱量の関係は、算出式あるいはマップの形式で予めコントローラ７に格納されている。コントローラ７は、格納されている算出式あるいはマップを使って、各種センサの計測値からスイッチング素子３１、４１の発熱量ｄＴを特定する。発熱量ｄＴは、温度の単位で表される。
FIG. 4 shows a flowchart of the protection control executed by the
次にコントローラ７は、上発熱量ｄＴmaxと下発熱量ｄＴminを特定する（ステップＳ４）。後のステップＳ５で説明するが、スイッチング素子の温度から発熱量ｄＴを減じた値が冷媒の推定温度Ｔtypとなる。上発熱量ｄＴmax（下発熱量ｄＴmin）は、上温度Ｔmax（下温度Ｔmin）を特定するために導入する変数である。上発熱量ｄＴmaxは、上温度Ｔmaxが推定温度Ｔtypに対して、ある程度高くなるように、発熱量ｄＴに対して１より小さい係数（上発熱量係数）を乗じて求められる。ここで、上発熱量係数は、典型的には、スイッチング素子の損失のばらつきの係数の最小値と、冷却系のばらつきの係数の最小値と、センサの計測値のばらつきの係数の最小値を乗じた値で定まる。
Next, the
下発熱量ｄＴminは、下温度Ｔminが推定温度Ｔtypに対して、ある程度低くなるように、発熱量ｄＴに対して１より大きい係数（下発熱量係数）を乗じて求められる。ここで、下発熱量係数は、典型的には、スイッチング素子の損失のばらつきの係数の最大値と、冷却系のばらつきの係数の最大値と、センサの計測値のばらつきの係数の最大値を乗じた値で定まる。 The lower calorific value dTmin is obtained by multiplying the calorific value dT by a coefficient larger than 1 (lower calorific value coefficient) so that the lower temperature Tmin is lower than the estimated temperature Ttyp to some extent. Here, the lower calorific value coefficient is typically the maximum value of the variation coefficient of the loss of the switching element, the maximum value of the variation coefficient of the cooling system, and the maximum value of the variation coefficient of the measured value of the sensor. Determined by the value multiplied.
次いで、コントローラ７は、温度センサ３２、４２から得られるスイッチング素子の温度から発熱量ｄＴを減じて冷媒の推定温度Ｔtypを求める。スイッチング素子の温度は、例えば、温度センサ３２、４２の平均値で求められる。同時に、コントローラ７は、スイッチング素子の温度から上発熱量ｄＴmaxを減じて上温度Ｔmaxを求め、スイッチング素子の温度から下発熱量ｄＴminを減じて下温度Ｔminを求める（ステップＳ５）。
Next, the
上発熱量ｄＴmaxは発熱量ｄＴのばらつきの最小値に相当し、下発熱量ｄＴminは発熱量ｄＴのばらつきの最大値に相当する。それゆえ、上温度Ｔmaxと下温度Ｔminは、冷媒の推定温度Ｔtypのばらつきの範囲の最大値と最小値に対応する。 The upper calorific value dTmax corresponds to the minimum value of the variation in the calorific value dT, and the lower calorific value dTmin corresponds to the maximum value of the variation in the calorific value dT. Therefore, the upper temperature Tmax and the lower temperature Tmin correspond to the maximum value and the minimum value in the range of the variation of the estimated temperature Ttyp of the refrigerant.
コントローラ７は、推定温度Ｔtypに替えて上温度Ｔmaxを用いて耐熱保護制御を実施し、推定温度Ｔtypに替えて下温度Ｔminを用いて耐圧保護制御を実行する。また、コントローラ７は、推定温度Ｔtypを用いて冷却器制御を実行する（ステップＳ６）。
The
先に述べたように、スイッチング素子の発熱を抑制する耐熱保護制御では、制御に用いる推定温度が実際の冷媒温度よりも低いと制御の効果が低下する。そこで、実施例の電力変換装置２では、推定温度Ｔtypのばらつきの範囲の最大値に相当する上温度Ｔmaxを用いて耐熱保護制御を実施する。冷媒の実際の温度は上温度Ｔmaxを超える可能性は極めて小さい。それゆえ、耐熱保護制御に上温度Ｔmaxを利用することで、耐熱保護制御はスイッチング素子の保護を強化する方向で実施される。
As described above, in the heat-resistant protection control that suppresses the heat generation of the switching element, the effect of the control is lowered when the estimated temperature used for the control is lower than the actual refrigerant temperature. Therefore, in the
同様に、低温度によるブレークダウンを防止する耐圧保護制御では、制御に用いる推定温度が実際の冷媒温度よりも高いと制御の効果が低下する。電力変換装置２では、推定温度Ｔtypのばらつきの範囲の最小値に相当する下温度Ｔminを用いて耐圧保護制御を実施する。冷媒の実際の温度は下温度Ｔminを下回る可能性は極めて小さい。それゆえ、耐圧保護制御に下温度Ｔminを利用することで、耐圧保護制御も、スイッチング素子の保護を強化する方向で実施される。
Similarly, in the pressure resistance protection control that prevents breakdown due to a low temperature, the effect of the control is reduced when the estimated temperature used for the control is higher than the actual refrigerant temperature. In the
冷却器制御では、利用する推定温度は実際の温度よりも高い場合であっても低い場合であっても、実際の温度に近い方がよい。そこで、コントローラ７は、冷却器制御では、上温度Ｔmaxや下温度Ｔminではなく、推定温度Ｔtypが目標温度に追従するように、ポンプ１３を制御する。
In chiller control, the estimated temperature used should be close to the actual temperature, whether it is higher or lower than the actual temperature. Therefore, in the cooler control, the
以上のとおり、実施例の電力変換装置２では、スイッチング素子を熱から保護する複数の制御を実行するにあたって、それぞれの制御に適するように冷媒の推定温度を調整する。そうすることで、推定温度が冷媒の実際の温度と相違したとしても、スイッチング素子の保護が不十分とならないようにすることができる。
As described above, in the
三種類の温度（推定温度Ｔtyp、上温度Ｔmax、下温度Ｔminは、同一の制御周期に設定される。三種類の温度が同一の制御周期で設定されるので、車両の状況に応じて適切な温度を適切な制御ですぐに利用することが可能となる。 The three types of temperatures (estimated temperature Ttyp, upper temperature Tmax, and lower temperature Tmin are set in the same control cycle. Since the three types of temperatures are set in the same control cycle, they are appropriate according to the vehicle conditions. The temperature can be used immediately with appropriate control.
（変形例）コントローラ７が実行する保護制御の変形例を説明する。変形例の保護制御のフローチャートを図５示す。変形例の保護制御では、図４のフローチャートのステップＳ１からＳ５までは同一であり、図４のステップＳ６に替えてステップＳ７が実行される点が相違する。ステップＳ７では、コントローラ７は、電気自動車１００で何等かの異常が検知された場合とそうでない場合で、各保護制御で採用する温度を変える。
(Modification Example) A modification of the protection control executed by the
コントローラ７は、電力変換装置２が搭載されている電気自動車１００で何の異常も検知されていない場合には、次のように温度を用いた制御を実行する。（１Ａ）コントローラ７は、モータ２２ａ、２２ｂの回転速度が所定の回転速度閾値以下の場合には、推定温度Ｔtypが高くなるにつれてモータ２２ａ、２２ｂの出力トルクの上限値を下げる（耐熱保護制御）。（２Ａ）コントローラ７は、推定温度Ｔtypが低くなるにつれて出力電圧を下げる（耐圧保護制御）。（３Ａ）コントローラ７は、推定温度Ｔtypが所定の目標温度に追従するように冷却器１０のポンプ１３を制御する（冷却器制御）。すなわち、異常が検知されていない場合は、コントローラ７は、耐熱保護制御、耐圧保護制御、冷却器制御にいずれについても、推定温度Ｔtypを利用する。
When no abnormality is detected in the
一方、コントローラ７は、電力変換装置２が搭載されている電気自動車１００で何らかの異常が検知された場合に、次のように温度を用いた制御を実行する。（１Ｂ）コントローラ７は、モータ２２ａ、２２ｂの回転速度が回転速度閾値以下の場合には、上温度Ｔmaxが高くなるにつれてモータ２２ａ、２２ｂの出力トルクの上限値を下げる（耐熱保護制御）。（２Ｂ）コントローラ７は、下温度Ｔminが低くなるにつれて電力変換装置２の出力電圧を下げる（耐圧保護制御）。（３Ｂ）コントローラ７は、上温度Ｔmaxが所定の目標温度に追従するように冷却器を制御する（冷却器制御）。すなわち、コントローラ７は、異常が検知された場合は、それぞれの制御の効果がより安全側へシフトするように、利用する温度を変更する。そのように制御することで、異常が検知された場合にはスイッチング素子の保護が強く働くようになる。
On the other hand, when an abnormality is detected in the
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。スイッチング素子や他の電気部品を熱から保護する制御には、耐熱保護制御、耐圧保護制御、冷却器制御のほか、キャリア周波数を変更する制御がある。キャリア周波数が低いほど、リプル電流が大きくなり、コンデンサの負荷が大きくなる。そこで、冷媒の温度が高くなるほど、キャリア周波数を高くする制御が考えられる。そのようなキャリア周波数を変更する保護制御においても、推定温度Ｔtyp、上温度Ｔmax、下温度Ｔminの中から適切な温度を選択して用いればよい。 The points to be noted regarding the technique described in the examples will be described. Controls that protect switching elements and other electrical components from heat include heat resistance protection control, withstand voltage protection control, cooler control, and control that changes the carrier frequency. The lower the carrier frequency, the larger the ripple current and the greater the load on the capacitor. Therefore, it is conceivable to control the carrier frequency to be higher as the temperature of the refrigerant is higher. Even in the protection control for changing the carrier frequency, an appropriate temperature may be selected and used from the estimated temperature Ttyp, the upper temperature Tmax, and the lower temperature Tmin.
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。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely examples and do not limit the scope of claims. The techniques described in the claims include various modifications and modifications of the specific examples exemplified above. The technical elements described herein or in the drawings exhibit their technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the techniques exemplified in the present specification or the drawings can achieve a plurality of purposes at the same time, and achieving one of the purposes itself has technical usefulness.
２：電力変換装置
３：電圧コンバータ
４：インバータ
５ａ、５ｂ、３３：電流センサ
７：コントローラ
８：電圧センサ
１０：冷却器
１２：循環路
１３：ポンプ
１４：ラジエータ
２１：直流電源
２２ａ、２２ｂ：モータ
２３ａ、２３ｂ：回転速度センサ
２５：上位コントローラ
３１、４１：スイッチング素子
３２、４２：温度センサ
１００：電気自動車
2: Power converter 3: Voltage converter 4:
Claims (2)
前記電源電力が流れる複数のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子を冷却する冷却器と、
前記スイッチング素子と前記冷却器を制御するコントローラと、
を備えており、
前記コントローラは、
同一の制御周期において、前記前記スイッチング素子の発熱量に基づいて前記冷却器を流れる冷媒の推定温度を算出するとともに、前記推定温度よりも高い上温度と前記推定温度よりも低い下温度を設定し、
前記モータの回転速度が所定の回転速度閾値以下の場合に、前記上温度が高くなるにつれて前記モータの出力トルクの上限値を下げ、
前記下温度が低くなるにつれて前記電力変換装置の出力電圧を下げ、
前記推定温度が所定の目標温度に追従するように前記冷却器を制御する、
電気自動車用の電力変換装置。 It is a power conversion device that converts power supply power into drive power for driving motors.
With the plurality of switching elements through which the power supply power flows,
A cooler that cools the switching element and
The switching element, the controller that controls the cooler, and
Equipped with
The controller
In the same control cycle, the estimated temperature of the refrigerant flowing through the cooler is calculated based on the calorific value of the switching element, and the upper temperature higher than the estimated temperature and the lower temperature lower than the estimated temperature are set. ,
When the rotation speed of the motor is equal to or less than a predetermined rotation speed threshold, the upper limit of the output torque of the motor is lowered as the upper temperature increases.
As the lower temperature becomes lower, the output voltage of the power converter is lowered.
The cooler is controlled so that the estimated temperature follows a predetermined target temperature.
Power converter for electric vehicles.
前記電源電力が流れる複数のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子を冷却する冷却器と、
前記スイッチング素子と前記冷却器を制御するコントローラと、
を備えており、
前記コントローラは、
同一の制御周期において、前記前記スイッチング素子の発熱量に基づいて前記冷却器を流れる冷媒の推定温度を算出するとともに、前記推定温度よりも高い上温度と前記推定温度よりも低い下温度を設定し、
前記電気自動車で異常が検知された場合に、
前記モータの回転速度が所定の回転速度閾値以下の場合に、前記上温度が高くなるにつれて前記モータの出力トルクの上限値を下げ、
前記下温度が低くなるにつれて前記電力変換装置の出力電圧を下げ、
前記上温度が所定の目標温度に追従するように前記冷却器を制御し、
前記電気自動車で異常が検知されていない場合は、
前記回転速度が前記回転速度閾値以下の場合に、前記推定温度が高くなるにつれて前記出力トルクの上限値を下げ、
前記推定温度が低くなるにつれて前記出力電圧を下げ、
前記推定温度が所定の目標温度に追従するように前記冷却器を制御する、
電力変換装置。 It is a power conversion device for electric vehicles and is a power conversion device that converts power supply power into drive power for driving motors.
With the plurality of switching elements through which the power supply power flows,
A cooler that cools the switching element and
The switching element, the controller that controls the cooler, and
Equipped with
The controller
In the same control cycle, the estimated temperature of the refrigerant flowing through the cooler is calculated based on the calorific value of the switching element, and the upper temperature higher than the estimated temperature and the lower temperature lower than the estimated temperature are set. ,
When an abnormality is detected in the electric vehicle,
When the rotation speed of the motor is equal to or less than a predetermined rotation speed threshold, the upper limit of the output torque of the motor is lowered as the upper temperature increases.
As the lower temperature becomes lower, the output voltage of the power converter is lowered.
The cooler is controlled so that the upper temperature follows a predetermined target temperature.
If no abnormality is detected in the electric vehicle,
When the rotation speed is equal to or less than the rotation speed threshold value, the upper limit of the output torque is lowered as the estimated temperature increases.
As the estimated temperature becomes lower, the output voltage is lowered.
The cooler is controlled so that the estimated temperature follows a predetermined target temperature.
Power converter.
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