JP6508024B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力部にコンデンサが設けられた電力変換装置に関する。

従来、インバータ等の電力変換回路を備えた電力変換装置において、電力変換回路の入力部に設けられたコンデンサの温度を推定し、推定されたコンデンサの温度に応じて電力変換回路の出力を制御する技術が知られている。
例えば特許文献１には、ハイブリッド車両のモータジェネレータに電力供給するインバータに設けられるコンデンサの温度を推定するコンデンサ温度推定手段を有するハイブリッド車両用駆動装置が開示されている。

このコンデンサ温度推定手段は、エンジンの冷媒温度と、インバータの冷媒温度と、インバータ出力と、に基づいてコンデンサ温度を推定する。また、エンジンの冷媒温度が取得できない場合、雰囲気温度に、電圧値及び電流値から推定した上昇温度と、車両速度に基づいて推定した下降温度との差を加算することにより、コンデンサの温度を推定する。

特開２０１２−１６６５９３号公報

特許文献１の装置による温度推定では、上昇温度は比較的精度が確保されるのに対し、下降温度は車両速度のみに基づいて推定されるため、精度の確保が難しいと考えられる。仮にコンデンサが過熱状態であるにもかかわらず推定温度が実温度よりも低く、インバータの出力制限をしないと、コンデンサが破損するおそれがある。一方、コンデンサの保護のため推定誤差を安全側で吸収しようとすると、コンデンサ温度が許容範囲にあるときに不要な出力制限をすることとなる。

特にハイブリッド自動車や電気自動車の動力源であるモータジェネレータを駆動するシステムに用いられる電力変換装置では、運転状況による要求出力に応じて大電流の通電が継続する場合がある。したがって、コンデンサの過熱からの保護と、不要な出力制限による車両の商品性低下の防止とを適切に両立することが求められる。
本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、コンデンサ温度を精度良く推定し、過熱から適切に保護する電力変換装置を提供することにある。

本発明の電力変換装置は、電力変換回路（４０）、コンデンサ（３）、ケース（２１）、冷却器（２４）、駆動制御部（５４）、及びコンデンサ温度推定部（５１、５２）を備える。
電力変換回路は、電源から入力される電力を、複数のパワースイッチング素子の動作により変換して出力する。コンデンサは、電力変換回路の入力部に設けられ、入力電圧を平滑化する。ケースは、電力変換回路及びコンデンサを収容する。冷却器は、通電により発熱した複数のパワースイッチング素子を冷媒の循環により冷却する。
駆動制御部は、複数のパワースイッチング素子を操作し、電力変換回路の駆動を制御する。コンデンサ温度推定部は、コンデンサの温度であるコンデンサ温度（Ｔｃ）を所定の演算周期で繰り返し推定する。

コンデンサ温度推定部は、コンデンサ温度を、コンデンサの無通電時の温度に相当する環境温度（Ｔｅ）と、環境温度からの上昇温度（Ｔｄ）との合計として定義する。
コンデンサ温度推定部は、電力変換装置の雰囲気温度（Ｔａ）、及び、冷却器の冷媒温度（Ｔｗ）に基づいて、環境温度の今回値（Ｔｅ＿ｎｅｗ）を推定する。また、環境温度からの上昇温度の前回値（Ｔｄ＿ｏｌｄ）に、電力変換回路の通電による発熱に比例する「発熱項」と、環境温度からの上昇温度の前回値に比例する「放熱項」との差を加算し、環境温度からの上昇温度の今回値（Ｔｄ＿ｎｅｗ）を推定する。環境温度の今回値と環境温度からの上昇温度の今回値とを加算し、コンデンサ温度の今回値（Ｔｃ＿ｎｅｗ）を推定する。

また、駆動制御部は、コンデンサ温度推定部が推定したコンデンサ温度の今回値が保護閾値以上のとき、電力変換回路の出力を制限する。
本発明では、コンデンサ温度の前回値からの変化量を「発熱量」と「放熱量」との差として捉える。発熱量は電力変換回路の通電に基づく。また、環境温度からの上昇温度が、周囲の環境による受熱量、すなわち、「コンデンサから環境への放熱量」として現れる。
従来技術の特許文献１に記載された温度算出式には放熱量の計算項が無い。そのため、「発熱量」と「放熱量」との差が大きくなる高温域で実温度と推定温度との乖離が大きくなり、コンデンサ温度を精度良く推定することができなくなると考えられる。

本発明では、コンデンサ温度の推定演算において、環境温度からの上昇温度を放熱項として設定することで、電力変換回路が高負荷出力を継続し、コンデンサ温度が環境温度から大きく上昇している状況での温度を精度良く推定することができる。また、電力変換回路の出力制限を行う領域での温度推定精度が高いため、必要な出力制限を確実に実行し、且つ、不要な出力制限を避けることができる。よって、コンデンサを過熱から適切に保護しつつ、車両等の商品性向上に貢献することができる。

また、本発明は、電源に対し電力変換回路と並列に分岐回路（８０）が接続された電力システムに適用され、電力変換装置のケースの内部に、過電流が通電されたとき分岐回路を断線させる分岐回路ヒューズ（８１）をさらに備えてもよい。
この構成では、コンデンサ温度推定部は、電力変換装置の雰囲気温度及び冷却器の冷媒温度に加え、電力変換装置の雰囲気温度及び冷却器の冷媒温度に加え、分岐回路ヒューズの発熱の影響による環境温度の上昇量を示す「ヒューズ発熱項（Ａ）」に基づいて、環境温度（Ｔｅ）を推定する。これにより、ヒューズの発熱の影響を考慮しつつ、コンデンサ温度を精度良く推定することができる。

第１実施形態の電力変換装置が適用される電力システムの全体構成図。 第１実施形態の電力変換装置の模式的な断面図。 第１実施形態のコンデンサ温度推定部のブロック図。 環境温度Ｔｅの演算に用いられる係数αを説明する図。 コンデンサ温度の初期値の設定を説明する図。 第１実施形態のインバータ出力制限処理を示すフローチャート。 第２実施形態の電力変換装置が適用される電力システムの全体構成図。 第２実施形態の電力変換装置の模式的な断面図。 第２実施形態のコンデンサ温度推定部のブロック図。 第２実施形態のインバータ出力制限処理を示すフローチャート。

以下、本発明の電力変換装置の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
各実施形態の電力変換装置は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源であるモータジェネレータを駆動する電力システムに適用される。第１及び第２実施形態を包括して「本実施形態」という。

（第１実施形態）
第１実施形態の電力変換装置について、図１〜図６を参照して説明する。まず図１に、第１実施形態の電力変換装置２０１が適用される電力システム９０１の全体構成を示す。この電力システム９０１は、バッテリ１５の直流電力をインバータ４０で三相交流電力に変換し、モータジェネレータ（以下「ＭＧ」）６０に供給するシステムである。

「電源」としてのバッテリ１５は、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の充放電可能な二次電池である。なお、電池に代えて、電気二重層キャパシタ等を直流電源として用いてもよい。
バッテリ１５の正極とインバータ４０の高電位側とを接続する電力経路を高電位ラインＬｐと記し、バッテリ１５の負極とインバータ４０の低電位側とを接続する電力経路を低電位ラインＬｎと記す。

コンデンサ３は、インバータ４０の入力部において、高電位ラインＬｐと低電位ラインＬｎとの間に接続され、バッテリ１５からの入力電圧Ｖｉｎを平滑化する平滑コンデンサである。大容量の電荷を蓄えることができる平滑コンデンサ３は、一般に発熱しやすい。なお、本実施形態では、フィルタ用コンデンサ等の、平滑コンデンサ以外のコンデンサについて言及しないため、平滑コンデンサを、単に「コンデンサ３」という。

「電力変換回路」としてのインバータ４０は、上下アームの６つのパワースイッチング素子４１〜４６がブリッジ接続されている。
パワースイッチング素子４１、４２、４３は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の上アームのパワースイッチング素子であり、パワースイッチング素子４４、４５、４６は、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相の下アームのパワースイッチング素子である。パワースイッチング素子４１〜４６は、例えばＩＧＢＴで構成され、低電位側から高電位側へ向かう電流を許容する還流ダイオードが並列に接続されている。

インバータ４０は、インバータ制御回路５０からのＰＷＭ制御等による駆動信号ＵＵ、ＵＬ、ＶＵ、ＶＬ、ＷＵ、ＷＬに従ってパワースイッチング素子４１〜４６が動作することで、直流電力を三相交流電力に変換する。そして、インバータ制御回路５０が演算した電圧指令に応じた相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、ＶｗをＭＧ６０の各相巻線６１、６２、６３に印加することで、ＭＧ６０の出力を制御する。
また、インバータ４０のパワースイッチング素子４１〜４６の周囲に冷媒を循環させ、通電による発熱したパワースイッチング素子４１〜４６を冷却する冷却器２４が設けられている。冷媒温度センサ７４は、冷却器２４の冷媒温度Ｔｗを検出する。

ＭＧ６０は、例えば永久磁石式同期型の三相交流モータである。本実施形態では、ＭＧ６０は、エンジン９１を備えたハイブリッド自動車１００に搭載される。ＭＧ６０は、駆動輪９５を駆動するトルクを発生する電動機としての機能、及び、エンジン９１や駆動輪９５から伝達されるトルクを発電によってエネルギー回収する発電機としての機能を兼ね備える。ＭＧ６０は、例えば変速機等のギア９３を介して車軸９４に接続されている。ＭＧ６０が発生したトルクは、ギア９３を介して車軸９４を回転させることにより駆動輪９５を駆動する。
また、エンジン９１を冷却するためのエンジン冷却水路９２が設けられている。冷媒温度センサ７５は、エンジン冷却水路９２の冷媒温度Ｔａを検出する。

ＭＧ６０の三相巻線６１、６２、６３のうち、例えば二相の巻線に接続される電流経路に、相電流を検出する電流センサ７６が設けられる。図１には、Ｖ相電流Ｉｖ及びＷ相電流Ｉｗを検出する構成を例示する。ただし、どの二相の電流を検出し、他の一相の電流をキルヒホッフの法則により算出してもよく、三相の電流を検出してもよい。或いは、一相の電流を検出し他の二相の電流を推定する技術を用いてもよい。

厳密には、電流検出値Ｉｖ、Ｉｗを取得したコンデンサ温度推定部５１又は駆動制御部５４が、電流検出値Ｉｖ、Ｉｗに基づいて実効値を演算したり、ｄｑ変換してフィードバック制御に用いたりする。しかし、便宜上、コンデンサ温度推定部５１又は駆動制御部５４が、「相電流に基づくモータ電流実効値Ｉｍを取得する」ものとして記載する。
また、ＭＧ６０の電気角θは、レゾルバ等の回転角センサ６５によって検出される。

インバータ制御回路５０は、コンデンサ温度推定部５１及び駆動制御部５４を含む。
本実施形態のインバータ制御回路（図中「ＩＮＶ制御回路」）５０は、例えばハイブリッド自動車におけるＭＧ−ＥＣＵに相当し、マイコン等により構成される。インバータ制御回路５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、Ｉ／Ｏ、及び、これらを接続するバスライン等を内部に備え、予め記憶されたプログラムをＣＰＵで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理による制御を実行する。
また、本実施形態では、インバータ制御回路５０は、バッテリ１５のＳＯＣ（すなわち充電量）や充放電許容電力等を管理するバッテリＥＣＵ１０等の他のＥＣＵと、ＣＡＮ通信用のバス１８を経由して接続されている。

駆動制御部５４は、複数のパワースイッチング素子４１〜４６を操作し、インバータ４０の駆動を制御する。駆動制御部５４には、モータ電流実効値Ｉｍ、電気角θ等の情報が入力される。詳しくは、駆動制御部５４は、外部から入力されるトルク指令等に基づき、ＭＧ６０に要求トルクを出力させるように、フィードバック制御、ＰＷＭ制御等により、インバータ４０へ出力する駆動信号を演算する。一般的なＭＧ制御に関する構成は周知であるため、詳細な説明や信号入出力の図示を省略する。
特に本実施形態の駆動制御部５４は、コンデンサ温度推定部５１が推定したコンデンサ温度が保護閾値以上であるとき、インバータ４０の出力を制限し、コンデンサ３を過熱から保護する。

コンデンサ温度推定部５１は、駆動制御部５４の動作中に、コンデンサ３の温度（以下「コンデンサ温度Ｔｃ」）を所定の演算周期で繰り返し推定する。
コンデンサ温度Ｔｃは、コンデンサ３の無通電時の温度に相当する「コンデンサ環境温度Ｔｅ」と、「コンデンサ環境温度からの上昇温度Ｔｄ」との合計として、式（１．１）により定義される。各温度記号は、図３に参照される。
Ｔｃ＝Ｔｄ＋Ｔｅ ・・・（１．１）
以下、「コンデンサ環境温度」を略して「環境温度」と記す。「環境温度からの上昇温度Ｔｄ」は、周囲の環境による受熱量、すなわち、「コンデンサから環境への放熱量」を意味する。

コンデンサ温度推定部５１は、環境温度Ｔｅの推定に用いる情報として、インバータ冷却器２４の冷媒温度センサ７４から「冷却器の冷媒温度Ｔｗ」を取得する。また、エンジン冷却水路９２の冷媒温度センサ７５から「エンジン冷却水路の冷媒温度Ｔａ」を取得する。なお、車両の他のＥＣＵが別の目的で取得した「エンジン冷却水路の冷媒温度Ｔａ」を援用し、ＣＡＮ通信で取得してもよい。本実施形態では、「エンジン冷却水路の冷媒温度Ｔａ」を「電力変換装置の雰囲気温度Ｔａ」として扱う。
また、コンデンサ温度推定部５１は、環境温度からの上昇温度Ｔｄの推定に用いる情報として、電流センサ７６からモータ電流実効値Ｉｍを取得する。
こうして取得した各情報に基づく具体的な温度推定方法については後述する。

次に、図２に電力変換装置２０１の模式的な断面図を示す。
電力変換装置２０１は、ケース２１、冷却器２４、コンデンサ３、インバータ４０、インバータ制御回路５０等を備える。ケース２１の内部には、コンデンサ３、インバータ４０、冷却器２４の一部を構成する複数の冷却管２４１、インバータ制御回路５０が搭載された制御回路基板２２等が収容されている。

インバータ４０の各パワースイッチング素子４１〜４６は、チップが樹脂モールド部でパッケージされたパワーモジュール４７の形態で制御回路基板２２に搭載されている。図２には、６個のパワーモジュール４７のうち３個の各相上アームのパワーモジュール４７を図示している。パワーモジュール４７には、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子及び還流ダイオードの他、ゲート信号をオンオフするドライバ回路のＦＥＴが組み込まれてもよい。

パワーモジュール４７の制御端子４７１は制御回路基板２２に接続されている。また、パワーモジュール４７のｐ側の主電極端子４７２は、高電位ラインＬｐを構成するバスバー等のｐ側接続回路２３１に接続されている。なお、ＭＧ６０へ接続されるモータ端子の図示を省略する。図示しない各相下アームのパワーモジュールは、ｎ側の主電極端子が低電位ラインＬｎを構成するｎ側接続回路２３２に接続されている。なお、図２では、便宜上、ｐ側端子とｎ側端子とを並べて図示する。

コンデンサ３は、ケース２１の内部において比較的大きな空間を占有するように設けられている。コンデンサ３の正極端子３１は、ｐ側接続回路２３１を介して高電位ラインＬｐに接続されており、負極端子３２は、ｎ側接続回路２３２を介して低電位ラインＬｎに接続されている。

冷却器２４は、ケース２１の内部で複数のパワーモジュール４７と共に積層された複数の冷却管２４１と、ケース２１の外部で冷却水等の冷媒が循環する冷媒循環路２４２とを含む。冷媒循環路２４２を経由して冷媒が冷却管２４１を流れることにより、通電により発熱した複数のパワーモジュール４７が冷却される。
図１及び図２に示すように、冷却器２４の冷媒温度センサ７４が検出した冷却器の冷媒温度Ｔｗ、及び、エンジン冷却水路９２の冷媒温度センサ７５が検出した電力変換装置の雰囲気温度Ｔａは、インバータ制御回路５０に取得される。

次に図３を参照し、コンデンサ温度推定部５１の詳細な演算構成について、複数の演算ブロックに分けて説明する。各演算ブロックの符号は、第１、第２実施形態共通に、最初の２桁を「５３」とする３桁の数字で表す。また、以下の演算式に用いられる各物理量について、自明のものを除き、初出の記載において物理量の次元を［ ］で示す。

上記式（１．１）の各温度Ｔｃ、Ｔｄ、Ｔｅは、時々刻々変化する。本実施形態では、演算周期Δｔ毎に、「環境温度からの上昇温度Ｔｄ」及び「環境温度Ｔｅ」の各前回値に演算周期Δｔでの温度変化分を加算して今回値を演算する。すなわち、漸化式の考え方を用いて、最新の値を繰り返し演算する。式（１．１）の各温度の前回値に「＿ｏｌｄ」、今回値に「＿ｎｅｗ」の添え字を付して示すと、式（１．２）で表される。
Ｔｃ＿ｎｅｗ＝Ｔｄ＿ｎｅｗ＋Ｔｅ＿ｎｅｗ ・・・（１．２）
そこで、コンデンサ温度推定部５１は、大きく分けて、環境温度からの上昇温度の今回値Ｔｄ＿ｎｅｗを推定する演算ブロック群５３１、５３２、５３３と、環境温度の今回値Ｔｅ＿ｎｅｗを推定する演算ブロック群５３４、５３７とを有する。

まず、環境温度からの上昇温度の今回値Ｔｄ＿ｎｅｗを推定する演算ブロック群５３１、５３２、５３３について説明する。
ブロック５３１では、モータ電流実効値Ｉｍ［Ａｒｍｓ］の二乗に、損失演算係数Ｋｃ［Ｗ／Ａｒｍｓ²］、及び、熱抵抗Ｒｃ［℃／Ｗ］の積を乗算する。
ブロック５３２では、ブロック５３１で算出した発熱項から、環境温度からの上昇温度の前回値Ｔｄ＿ｏｌｄを減算する。

ブロック５３３では、ブロック５３２の演算結果に、熱時定数τｄ［ｓｅｃ］に対する演算周期Δｔ［ｓｅｃ］の比、すなわち（Δｔ／τｄ）を乗じる。さらに、環境温度からの上昇温度の前回値Ｔｄ＿ｏｌｄを加算すると、環境温度からの上昇温度の今回値Ｔｄ＿ｎｅｗが得られる。今回値Ｔｄ＿ｎｅｗは、最終演算ブロック５３８に送られると共に、遅延素子Ｚ^-1を通して、前回値Ｔｄ＿ｏｌｄとして次回の演算に用いられる。
ここで、環境温度からの上昇温度Ｔｄに係るコンデンサ３の熱時定数τｄは数百〜数千ｓｅｃであるため、演算周期Δｔは、通常のモータ制御の演算周期とは異なり、数ｓｅｃ以上のオーダーで十分である。

ブロック５３１、５３２、５３３を総合すると、環境温度からの上昇温度の今回値Ｔｄ＿ｎｅｗは、式（２）で表される。

式（２）における「Ｉｍ²×（Ｋｃ×Ｒｃ）×（Δｔ／τｄ）」の部分が発熱項に相当し、「Ｔｄ＿ｏｌｄ×（Δｔ／τｄ）」の部分が放熱項に相当する。

次に、環境温度の今回値Ｔｅ＿ｎｅｗを推定する演算ブロック群５３４、５３７について説明する。
ブロック５３４では、電力変換装置の雰囲気温度Ｔａから冷却器の冷媒温度Ｔｗを差し引いた温度差に係数αを乗じた値に、冷却器の冷媒温度Ｔｗを加算する。
係数αは、コンデンサ温度Ｔｃの飽和温度と、冷却器の冷媒温度Ｔｗ及び電力変換装置の雰囲気温度Ｔａとの関係を示す指標であり、冷却器２４の冷却特性等によって決まる。

図４に、「α≒０．５」の例での各温度の関係を示す。冷却器の冷媒温度Ｔｗは、一定の目標値を維持している。初期に冷媒温度Ｔｗよりも低温であったコンデンサ温度Ｔｃが徐々に上昇し、冷媒温度Ｔｗを上回った後、冷媒温度Ｔｗと雰囲気温度Ｔａとの間の温度Ｔｃ＿ｓａｔで飽和する。このときの、「冷媒温度Ｔｗと雰囲気温度Ｔａとの温度差」に対する「冷媒温度Ｔｗとコンデンサ温度の飽和温度Ｔｃ＿ｓａｔとの温度差」の比が係数αに相当する。

したがって、コンデンサ温度の飽和温度Ｔｃ＿ｓａｔは、式（３）で表される。
Ｔｃ＿ｓａｔ＝α（Ｔａ−Ｔｗ）＋Ｔｗ ・・・（３）
冷却特性が高いほどαは低くなり、コンデンサ温度の飽和温度Ｔｃ＿ｓａｔは、冷却器の冷媒温度Ｔｗに近づく。積極的に冷却を実施した場合、α≒０．１〜０．２となることが見込まれる。

ブロック５３７では、ブロック５３４の演算結果に、熱時定数τｅ［ｓｅｃ］に対する演算周期Δｔ［ｓｅｃ］の比、すなわち（Δｔ／τｅ）を乗じる。さらに、環境温度の前回値Ｔｅ＿ｏｌｄを加算すると、環境温度の今回値Ｔｅ＿ｎｅｗが得られる。今回値Ｔｅ＿ｎｅｗは、最終演算ブロック５３８に送られると共に、遅延素子Ｚ^-1を通して、前回値Ｔｅ＿ｏｌｄとして次回の演算に用いられる。
環境温度Ｔｅに係るコンデンサ３の熱時定数τｅも数百〜数千ｓｅｃであり、環境温度からの上昇温度Ｔｄに係る熱時定数τｄよりも長い。すなわち、「Ｔｅ＞Ｔｄ」の関係にある。

ブロック５３４、５３７を総合すると、環境温度の今回値Ｔｅ＿ｎｅｗは、式（４）で表される。

そして、最終演算ブロック５３８では、式（１．２）により、環境温度からの上昇温度の今回値Ｔｄ＿ｎｅｗと環境温度の今回値Ｔｅ＿ｎｅｗとを加算して、コンデンサ温度の今回値Ｔｃ＿ｎｅｗを演算する。
このように、本実施形態では、各温度の前回値に演算周期Δｔでの温度変化分を加算して今回値を演算するという「漸化式」の思想に基づいて、コンデンサ温度の今回値Ｔｃ＿ｎｅｗを推定する。そこで次に、漸化式演算を開始するとき必要となる初期値の設定について説明する。

例えば、高電圧バッテリ１５の電源投入前に低圧電源すなわち補機バッテリとの接続がある場合には、電源投入までの温度上昇を推定できる可能性がある。しかし、低圧電源がオフ、すなわち補機バッテリとの接続がなく、低圧電力が供給されない状態では、電源投入までの温度推定演算は不可能であるため、コンデンサ初期温度を推定することが困難である。そのため、何らかの値を初期温度として設定する必要がある。

上昇温度Ｔｄの初期値は０であるため、コンデンサ温度の初期値Ｔｃ＿ｓｔａｒｔは、環境温度の初期値Ｔｅ＿ｓｔａｒｔに等しい。また、環境温度の初期値Ｔｅ＿ｓｔａｒｔは、式（５）で表される。

式（５）のＴａ＿ｓｔａｒｔは、電力変換装置の雰囲気初期温度である。また、Ｔｗ＿ｓｔａｒｔは、冷却器の冷媒初期温度である。本実施形態では、コンデンサ３の保護を最優先し、コンデンサ３の過熱に関して最悪の状況を想定して初期値を設定する。
具体的には、コンデンサ温度Ｔｃが最も上昇する状況として、山岳登坂路等を最大負荷で走行後に数分間停車した状況、いわゆるデッドソークを想定する。このとき、冷却系統が停止することで、エンジンコンパートメント内が高温になる。そこで、この状況における電力変換装置の雰囲気初期温度Ｔａ＿ｓｔａｒｔ、及び、冷却器の冷媒初期温度Ｔｗ＿ｓｔａｒｔの最高温度に基づいて、コンデンサ温度の初期値Ｔｃ＿ｓｔａｒｔを式（５）により設定する。

ここで、コンデンサの初期温度Ｔｃ＿ｓｔａｒｔを想定し得る最高温度で見込むことの是非について図５を参照する。図５で、Ｔｃ＿ａｃｔは実温度、Ｔｃ＿ｅｓｔは推定温度を示す。図５（ａ）、（ｂ）は初期値の設定のみが異なり、それ以後の温度推定の方法は、いずれも上述の漸化式によるものである。
図５（ａ）は、実温度の初期値を直接検出、又は推定することが可能な状況を仮定し、推定温度の初期値Ｔｃ＿ｓｔａｒｔ＿ｅｓｔを実温度の初期値Ｔｃ＿ｓｔａｒｔ＿ａｃｔに合わせて設定した場合のコンデンサ通電に伴う温度変化を示す。この場合、推定温度Ｔｃ＿ｅｓｔと実温度Ｔｃ＿ａｃｔとは、通常開始時からずっと一致したまま上昇する。

一方、図５（ｂ）は、推定温度の初期値Ｔｃ＿ｓｔａｒｔ＿ｅｓｔを、想定し得る最高温度で見込んだ場合のコンデンサ通電に伴う温度変化を示す。
ただし、現実の走行シーンでは、車両電源投入直後からコンデンサ熱時定数τｅに到達するまでの間に、加減速を繰り返す等の高負荷運転を継続することは、ほぼ考えにくい。しかし、全く可能性が無いわけではないため、安全側で設定する。

この場合、通電開始時において、推定温度の初期値Ｔｃ＿ｓｔａｒｔ＿ｅｓｔと実温度の初期値Ｔｃ＿ｓｔａｒｔ＿ａｃｔとは乖離している。しかし、コンデンサ熱時定数τｅが経過した時点以後、コンデンサ推定温度Ｔｃ＿ｅｓｔが飽和し、保護閾値Ｔｃ＿ｔｈとの比較により出力制限の要否が判断される領域では、推定温度Ｔｃ＿ｅｓｔと実温度Ｔｃ＿ａｃｔとは精度良く一致する。
要するに、想定し得る最高温度に基づいてコンデンサ温度の初期値Ｔｃ＿ｓｔａｒｔを設定することにより、いかなる状況においてもコンデンサ３を過熱から適切に保護することができる。その上で、出力制限の要否が判断される領域でのコンデンサ温度Ｔｃを精度良く推定することができるため、不要な出力制限を回避することができる。

次に、第１実施形態のインバータ出力制限処理について、図６のフローチャートを参照して説明する。以下のフローチャートの説明で、記号「Ｓ」はステップを意味する。この処理ルーチンは、駆動制御部５４の動作中、演算周期Δｔで繰り返し実行される。
コンデンサ温度推定部５１は、Ｓ１で、モータ電流実効値Ｉｍ、電力変換装置の雰囲気温度Ｔａ及び冷却器の冷媒温度Ｔｗを取得し、Ｓ３で、それらの情報に基づいてコンデンサ温度Ｔｃを推定する。そして、Ｓ４で、コンデンサ温度Ｔｃが保護閾値Ｔｃ＿ｔｈ以上であるか否か判断する。Ｓ４でＹＥＳのとき、コンデンサ温度推定部５１は、駆動制御部５４に対し、要保護信号を送信する。

Ｓ４でＹＥＳのとき、コンデンサ温度推定部５１からの要保護信号を受信した駆動制御部５４は、Ｓ５で、インバータ出力制限を実施し、コンデンサ３を過熱から保護する。
一方、Ｓ４でＮＯであり、要保護信号を受信しないとき、駆動制御部５４は、Ｓ６で、通常制御を実施する。通常制御では、例えば電流フィードバック制御によりＰＩ演算された電圧指令をそのまま用いてインバータ４０を駆動する。

（効果）
以上のように、第１実施形態では、コンデンサ温度Ｔｃの推定演算において、環境温度からの上昇温度を放熱項として設定することで、インバータ４０が高負荷出力を継続し、コンデンサ温度Ｔｃが環境温度Ｔｅから大きく上昇している状況での温度を精度良く推定することができる。また、インバータ４０の出力制限を行う領域での温度推定精度が高いため、必要な出力制限を確実に実行し、且つ、不要な出力制限を避けることができる。よって、コンデンサ３を過熱から適切に保護しつつ、車両等の商品性向上に貢献することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態の電力変換装置について、図７〜図１０を参照して説明する。図７、図８、図９、図１０は、それぞれ、第１実施形態の図１、図２、図３、図６に対応する。第２実施形態において第１実施形態と実質的に同一の構成、又は、フローチャートの実質的に同一のステップには、同一の符号又はステップ番号を付して説明を省略する。

図７に示すように、第２実施形態の電力変換装置２０２が適用される電力システム９０２では、バッテリ１５に対し、インバータ４０と並列に分岐回路８０が接続されている。分岐回路８０は、車両のエアコン用コンプレッサや空調用ＰＴＣヒータ等の外部機器８８へバッテリ１５の高圧電力を直接供給する回路である。また、分岐回路８０は、高圧電力を低圧電力に変換し各種低圧補機に出力するＤＣＤＣコンバータに接続されてもよい。
電力システム９０２において、バッテリ１５からインバータ４０への電力経路を、分岐回路に対し「主回路」という。

主回路の高電位ラインＬｐと外部機器８８との間には、過電流が通電されたとき分岐回路８０を断線させる分岐回路ヒューズ８１が設けられている。適宜、分岐回路ヒューズを単に「ヒューズ」という。また、ヒューズ８１を経由して分岐回路８０に流れる直流電流を分岐回路電流Ｉｆｕｓｅ［Ａｄｃ］と記す。ここで、第２実施形態では、分岐回路電流Ｉｆｕｓｅを直接検出する電流センサは設けられていないものとする。

コンデンサ温度推定部５２は、第１実施形態で取得するモータ電流実効値Ｉｍ、雰囲気温度Ｔａ及び冷却器の冷媒温度Ｔｗの情報に加え、入力電圧Ｖｉｎ、バッテリ１５からの入力電力Ｐｉｎ［Ｗ］及びインバータ出力電力Ｐｏｕｔ［Ｗ］を取得する。ここで、「取得する」とは、外部から最終的な値を取得する場合に限らず、外部から取得した基礎情報に基づいて、コンデンサ温度推定部５２内部で最終的な値を算出する場合を含む。

インバータ４０及び分岐回路８０に共通に印加される入力電圧Ｖｉｎ［Ｖ］は、例えばインバータ４０の入力部に設けられた電圧センサ７３から取得される。
バッテリ１５からの入力電力Ｐｉｎは、例えばバッテリＥＣＵ１０からＣＡＮバス１８を経由して取得される。ＣＡＮ通信での情報取得であるため、数ｍｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃでの情報更新となる。ただし、コンデンサ３の熱時定数τｄ、τｅが数百〜数千ｓｅｃと十分に長いため、ＣＡＮ通信の時間は演算精度に影響を与えない。

インバータ出力電力Ｐｏｕｔは、例えばトルクと回転数との積により算出される。そのため、コンデンサ温度推定部５２は、回転角センサ６５から取得した電気角θを微分し、電気角速度ω［ｒａｄ／ｓ］を算出する。本明細書では、電気角速度ωを換算した回転数［１／ｓ］を略して「回転数ω」と記す。

また、コンデンサ温度推定部５２は、三相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗをｄｑ変換したｄｑ軸電流Ｉｄ、Ｉｑに基づき、式（６）によりトルク推定値ｔｒｑ＿ｅｓｔを推定する。
ｔｒｑ＿ｅｓｔ＝ｐｍ×｛Ｉｑ×φ＋（Ｌｄ−Ｌｑ）×Ｉｄ×Ｉｑ｝ ・・・（６）
ただし、
ｐｍ：ＭＧの極対数
φ ：逆起電圧定数
Ｌｄ、Ｌｑ：ｄ軸インダクタンス、ｑ軸インダクタンス

そして、式（７．１）により、トルク推定値ｔｒｑ＿ｅｓｔと回転数ωとの積にインバータ損失Ｐｌｏｓｓを加算してインバータ出力電力Ｐｏｕｔを算出する。
Ｐｏｕｔ＝ｔｒｑ＿ｅｓｔ×ω＋Ｐｌｏｓｓ ・・・（７．１）
或いは、インバータ出力電力Ｐｏｕｔは、式（７．２）により、各相の電圧と電流との積に基づいて算出されてもよい。
Ｐｏｕｔ＝Ｖｕ×Ｉｕ＋Ｖｖ×Ｉｖ＋Ｖｗ＋Ｉｗ＋Ｐｌｏｓｓ ・・・（７．２）

図８に示すように、電力変換装置２０２のケース２１の外壁に、コンプレッサ等の外部機器８８へのケーブルが接続される分岐コネクタ８６が設けられている。また、電力変換装置２０２のケース２１の内部において底壁部２１８側に設置された配線板８３に、分岐回路ヒューズ８１が実装されている。詳しくは、ヒューズ８１の一対の端子８２１、８２２は、それぞれ、配線板８３のヒューズクリップ８３１、８３２に取り付けられている。

配線板８３のヒューズクリップ８３１側のランド８４１は、ワイヤーハーネス８５１を介してコンデンサ３の正極端子３１に電気的に接続されている。ヒューズクリップ８３２側のランド８４２は、ワイヤーハーネス８５２を介して分岐コネクタ８６の一方の端子に電気的に接続されている。分岐コネクタ８６の他方の端子は、ワイヤーハーネス８５３を介してコンデンサ３の負極端子３２に電気的に接続されている。
例えば、高電圧バッテリ１５の体格が大きく、エンジンコンパートメント内に搭載することができない場合、分岐回路８０への分岐専用の部品を設けるよりも、この構成のように電力変換装置２０２内で電力経路を分岐させる方が、体格及びコスト面で有利となる。

このように、コンデンサ３が収容されたケース２１の内部にヒューズ８１が設けられているため、分岐回路電流Ｉｆｕｓｅが流れヒューズ８１が発熱すると、その発熱の影響が環境温度Ｔｅに及ぶ。このヒューズ８１の発熱影響による環境温度Ｔｅの上昇量を「ヒューズ発熱項Ａ［℃］」という。言い換えれば、環境温度Ｔｅは、ヒューズ発熱項Ａに相当する量の熱を受熱する。そこで第２実施形態では、第１実施形態に対し、さらにヒューズ発熱項Ａを考慮してコンデンサ温度Ｔｃを推定する。

図９に示すように、コンデンサ温度推定部５２は、図３に示す第１実施形態の演算ブロックに加え、ヒューズ発熱項Ａを演算するブロック５３５、及び、環境温度Ｔｅの演算においてヒューズ発熱項Ａを加算するブロック５３６を有する。
なお、分岐回路８０に電流センサを備えたシステムでは分岐回路電流Ｉｆｕｓｅを直接検出し、「抵抗×電流²」の式により、発熱を算出してもよい。ただし、現実には分岐回路８０に電流センサを備えない構成が通常であるため、ここでは、分岐回路８０の電力と電圧とから電流を算出する例について説明する。

まず、ブロック５３５では、式（８．１）により、入力電力Ｐｉｎからインバータ出力電力Ｐｏｕｔを差し引いて、分岐回路８０への出力電力Ｐａｕｘが算出される。
Ｐａｕｘ＝Ｐｉｎ−Ｐｏｕｔ ・・・（８．１）
次に式（８．２）により、分岐回路８０への出力電力Ｐａｕｘを入力電圧Ｖｉｎで除して、分岐回路ヒューズ８１に流れる分岐回路電流Ｉｆｕｓｅが算出される。
Ｉｆｕｓｅ＝Ｐａｕｘ／Ｖｉｎ ・・・（８．２）

続いて式（８．３）により、分岐回路電流Ｉｆｕｓｅの二乗に係数β［℃／Ａｄｃ²］を乗じて、ヒューズ発熱項Ａが算出される。
Ａ＝β×Ｉｆｕｓｅ² ・・・（８．３）
ここで、係数βは、ヒューズ８１の発熱が環境温度Ｔｅに及ぼす影響の程度を示す指標であり、ヒューズ８１とコンデンサ３との距離や配置方向、それらの間に介在する部材の位置、大きさ、熱的物性等に応じて決まる。現実的には、実験やシミュレーションによって係数βの値を求める。

ブロック５３６では、ブロック５３４の演算結果にヒューズ発熱項Ａを加算する。
ブロック５３４、５３６、５３７を総合すると、第２実施形態では、環境温度の今回値Ｔｅ＿ｎｅｗは式（９）で表される。すなわち、第１実施形態の式（４）に対しヒューズ発熱項Ａを一つ追加するだけでよい。

図１０のフローチャートに、第２実施形態のインバータ出力制限処理を示す。第２実施形態の処理は、図６に示す第１実施形態の処理に対し、入力電圧Ｖｉｎ、バッテリ１５からの入力電力Ｐｉｎ、及びインバータ出力電力Ｐｏｕｔを取得するＳ２が追加され、それ以外のステップは同様である。

以上のように、第２実施形態では、インバータ４０と並列に分岐回路８０が接続された電力システム９０２に適用される電力変換装置２０２において、分岐回路ヒューズ８１の発熱の影響を考慮しつつ、コンデンサ温度Ｔｃを精度良く推定することができる。
よって、第１実施形態と同様にコンデンサ３を過熱から適切に保護することができる。また、不要な出力制限を回避し、車両等の商品性向上に貢献することができる。

（その他の実施形態）
（１）図１、図７には一つのＭＧを備えたシステム構成を例示しているが、本発明は、二つ以上のＭＧを備えたシステムにも同様に適用可能である。具体的には、主に発電機として機能するＭＧ１、及び、主に電動機として機能するＭＧ２を備えたシリーズパラレル方式のハイブリッド自動車等に適用することができる。その場合、ＭＧ１、ＭＧ２をそれぞれ駆動する二つのインバータが並列に設けられており、入力電圧Ｖｉｎは、二つのインバータに共通に入力される。また、本発明は、バッテリとインバータとの間に昇圧コンバータを備えるシステムに適用されてもよい。

（２）複数のパワースイッチング素子の動作により電力を変換して出力する電力変換回路は、直流電力を交流電力に変換するインバータに限らず、直流電力を直流電力に変換するＤＣＤＣコンバータであってもよい。また、インバータは、三相インバータに限らず、四相以上の多相インバータでもよい。

（３）電力変換回路が電力を出力する負荷は、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源として用いられるモータジェネレータに限らず、電車、昇降機、一般機械等に用いられる回転機であってもよい。また、回転機以外の装置を負荷としてもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。

１５・・・バッテリ（電源）、
２０１、２０２・・・電力変換装置、
２１・・・ケース、 ２４・・・冷却器、
３ ・・・コンデンサ、
４０・・・インバータ（電力変換回路）、
４１〜４６・・・パワースイッチング素子、
５１、５２・・・コンデンサ温度推定部、
５４・・・駆動制御部、
８０・・・分岐回路、 ８１・・・ヒューズ、分岐回路ヒューズ。

Claims (5)

1. 電源（１５）から入力される電力を、複数のパワースイッチング素子（４１〜４６）の動作により変換して出力する電力変換回路（４０）と、
   前記電力変換回路の入力部に設けられ、入力電圧を平滑化するコンデンサ（３）と、
   前記電力変換回路及び前記コンデンサを収容するケース（２１）と、
   通電により発熱した前記複数のパワースイッチング素子を冷媒の循環により冷却する冷却器（２３）と、
   前記複数のパワースイッチング素子を操作し、前記電力変換回路の駆動を制御する駆動制御部（５４）と、
   前記コンデンサの温度であるコンデンサ温度（Ｔｃ）を所定の演算周期（Δｔ）で繰り返し推定するコンデンサ温度推定部（５１、５２）と、
   を備え、
   前記コンデンサ温度推定部は、
   前記コンデンサ温度を、前記コンデンサの無通電時の温度に相当する環境温度（Ｔｅ）と、前記環境温度からの上昇温度（Ｔｄ）との合計として定義し、
   前記電力変換装置の雰囲気温度（Ｔａ）、及び、前記冷却器の冷媒温度（Ｔｗ）に基づいて、前記環境温度の今回値（Ｔｅ＿ｎｅｗ）を推定し、
   前記環境温度からの上昇温度の前回値（Ｔｄ＿ｏｌｄ）に、前記電力変換回路の通電による発熱に比例する発熱項と、前記環境温度からの上昇温度の前回値に比例する放熱項との差を加算し、前記環境温度からの上昇温度の今回値（Ｔｄ＿ｎｅｗ）を推定し、
   前記環境温度の今回値と前記環境温度からの上昇温度の今回値とを加算し、コンデンサ温度の今回値（Ｔｃ＿ｎｅｗ）を推定し、
   前記駆動制御部は、
   前記コンデンサ温度推定部が推定したコンデンサ温度の今回値が保護閾値（Ｔｃ＿ｔｈ）以上のとき、前記電力変換回路の出力を制限する電力変換装置。
   
2. 前記コンデンサ温度推定部は、
   前記電力変換装置の雰囲気温度及び前記冷却器の冷媒温度の最高温度に基づいて、コンデンサ温度の初期値（Ｔｃ＿ｓｔａｒｔ）を設定する請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電源に対し前記電力変換回路と並列に分岐回路（８０）が接続された電力システムに適用され、
   前記ケースの内部に、過電流が通電されたとき前記分岐回路を断線させる分岐回路ヒューズ（８１）をさらに備え、
   前記コンデンサ温度推定部（５２）は、
   前記電力変換装置の雰囲気温度及び前記冷却器の冷媒温度に加え、前記分岐回路ヒューズの発熱の影響による前記環境温度の上昇量を示すヒューズ発熱項（Ａ）に基づいて、前記環境温度を推定する請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記コンデンサ温度推定部は、
   前記電源からの入力電力（Ｐｉｎ）と前記電力変換回路の出力電力（Ｐｏｕｔ）との差分を入力電圧（Ｖｉｎ）で除して算出される分岐回路電流（Ｉｆｕｓｅ）に基づいて、前記ヒューズ発熱項を算出する請求項３に記載の電力変換装置。
5. エンジン（９１）とモータジェネレータ（６０）とを備えるハイブリッド自動車（１００）に搭載され、
   前記コンデンサ温度推定部は、前記電力変換装置の雰囲気温度として、エンジン冷却水路の冷媒温度を取得する請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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