JP2005354789A - 電気車の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
インバータのコンデンサ充電において、コンデンサ充電の異常を速やかに検知できる電気車の制御装置を提供することにある。
【解決手段】
インバータ２０は、電源Ｂの電力を平滑するコンデンサ２２を有し、電力半導体素子２２により電源の直流電力を交流電力に変換する。制御装置１０は、コンデンサ２２と電源Ｂの間に接続され、電源の電力を断続するリレー１４と、コンデンサ２２に定電流を供給して充電する定電流充電手段１８と、制御手段１２を有する。制御手段１２は、定電流充電手段１８によりコンデンサ２２を充電する際に、充電開始からの充電経過時間に沿ってコンデンサ２２の電圧の推移を逐次検出し、充電経過時間の推移に対するコンデンサの電圧の推移があらかじめ定められている所定の充電特性から逸脱した場合には、コンデンサ２２の充電が異常である判定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気車の制御装置に係り、特に、電気車の制御装置のインバータに内包するコンデンサを充電する際の異常診断に好適な電気車の制御装置に関する。

近年、電気車は、モータで駆動する電気自動車あるいはバッテリフォークリフトなどで、効率や出力の優位性から交流電動機を用いた構成が多くを占めてきており、これらの電気自動車あるいはバッテリフォークリフトにはこの交流電動機を駆動するためのインバータが搭載されている。

インバータは、バッテリなどの電源を平滑コンデンサで平滑して電力半導体素子に供給し駆動を行うが、この平滑コンデンサはインバータ出力によっては数千から数万μＦ程度の容量を持つものがあり、このコンデンサをある程度充電せずにバッテリなどの電源とリレーなどで直結すると、その充電突入電流が大きくなるため、場合によってはリレーの溶着、またコンデンサ劣化を招くことになる。このような観点からインバータによらず大容量のコンデンサを内包する機器の多くは、コンデンサをあらかじめ少ない電流で充電して、十分コンデンサ電圧が上昇し充電突入電流が影響の無いレベルに到達してからリレー等を投入する、「コンデンサ充電」と呼ばれる機能を備えている。

コンデンサ充電には、抵抗を電源とコンデンサの間に挿入して抵抗により電流制限して充電する方法、あるいは、例えば、特開平１０−１６４７０９号公報に記載されているように、定電流制御を行う手段（例えば、定電流充電回路等）を用いて充電するなどの方式が取られる。抵抗による充電の場合は、充電抵抗とコンデンサによりいわゆるＣＲ回路を構成することとなり、その充電電圧の上昇特性はＣＲ回路の時定数で決まる一次遅れ特性を示す。定電流充電の場合はコンデンサ充電レベルによらず一定電流で充電するため、充電電圧の上昇特性は一定の傾きをもつ直線の特性となる。

しかしながら、定電流回路による充電法においては、定電流充電時の過渡的な充電状態を監視し異常検知を行うことについては考慮されていないものである。

一方、 一般的なコンデンサ充電の診断方法としては、例えば、特許第２６５３７４４号公報や特許第２９４１１４９号公報に記載のように、コンデンサ充電電圧があるしきい値からしきい値へ変化する間の経過時間を計測しその長短で異常診断するものが知られている。

特開平１０−１６４７０９号公報 特許第２６５３７４４号公報 特許第２９４１１４９号公報

しかしながら、特許第２６５３７４４号公報や特許第２９４１１４９号公報に記載のコンデンサ充電の診断方法では、所定のコンデンサ電圧に対する経過時間のみを見ているのみであり、コンデンサ充電中の電圧推移については考慮されていないため、コンデンサ電圧が第１のしきい値に達してから次の第２のしきい値電圧に達するまでに異常な充電状態（本来あるべき充電特性に沿わない変化）が生じてもその異常を検知することはできないという問題があった。

本発明の目的は、インバータのコンデンサ充電において、コンデンサ充電の異常を速やかに検知できる電気車の制御装置を提供することにある。

（１）上記目的を達成するために、本発明は、電源の電力を平滑するコンデンサを有するとともに、前記電源の直流電力を交流電力に変換するインバータを制御して、交流モータに交流電力を供給して駆動する電気車の制御装置であって、前記コンデンサと前記電源の間に接続され、前記電源の電力を断続するリレーと、前記コンデンサに定電流を供給して充電する定電流充電手段と、前記定電流充電手段により前記コンデンサを充電する際に、充電開始からの充電経過時間に沿って前記コンデンサの電圧の推移を逐次検出し、前記充電経過時間の推移に対する前記コンデンサの電圧の推移があらかじめ定められている所定の充電特性から逸脱した場合には、前記コンデンサの充電が異常であると判定する制御手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、コンデンサ充電の異常を速やかに検知し得るものとなる。

（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、充電異常と判定した際には、前記コンデンサ充電を中断するようにしたものである。

（３）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段が充電異常と判定した際に、充電異常を使用者に通知する通知手段を備えるようにしたものである。

（４）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、前記コンデンサの充電開始前に前記コンデンサの残留電圧を検出し、前記充電特性から前記コンデンサの前記残留電圧に対応した充電オフセット時間を求め、前記充電経過時間を前記充電オフセット時間だけオフセットして前記充電特性の判定を行うようにしたものである。

本発明によれば、インバータのコンデンサ充電において、コンデンサ充電の異常を速やかに検知できるものとなる。

以下、図１〜図７を用いて、本発明の一実施形態による電気車の制御装置の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による電気車の制御装置の構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置の構成を示すブロック回路図である。

電気車は、バッテリなどの直流電源Ｂと、制御装置１０と、インバータ２０と、交流モータＭと、通知手段３０とを備えている。制御装置１０は、制御手段１２を備えている。電源Ｂの電力は、インバータ２０の内部のコンデンサ２２により平滑されて、電力半導体素子２４に供給される。半導体素子２４は、１相分の上下アームにそれぞれ１個づつ、３相分で６個備えられている。半導体素子２４は、制御手段１２によってオンオフ制御され、電源Ｂの直流電力を３相の交流電力に変換し、交流モータＭに供給する。交流モータＭは、この３相電力により駆動される。

電源Ｂとコンデンサ２２の間にはリレー１４が設置されており、制御手段１２によってコイル１４Ｂを励磁することによって接点１４Ａが閉成され、電源Ｂの電力がインバータ２０に供給される。制御手段１２は、キーＳＷ１６が投入されてシステムが起動された場合直ぐにリレー１４を投入せず、リレー１４の両端に接続されている充電手段１８によってコンデンサ２２を充電する。充電手段１８は、コンデンサ２２に充電突入電流を流さないように電流を制限するようになっており、電源Ｂの電圧によらず一定の定電流通電制御を行うようにしてコンデンサ２２を充電する。制御手段１２が起動すると、制御手段１２はコンデンサ２２のコンデンサ２２の両端電圧Ｖｃを検出し、コンデンサ電圧の充電レベルを判定する。コンデンサ２２が電源Ｂの電圧に近い電圧、例えばコンデンサ２２の電圧が電源Ｂの電圧の６０％程度以上ある場合は、充電手段１８を駆動せず直ちにコイル１４Ｂを励磁してリレー１４を投入する。これはコンデンサ２２の電圧がある程度高い場合はコンデンサ２２を充電しなくても突入電流が少ないためである。

電源Ｂの電圧の６０％程度よりコンデンサ２２の電圧が低い場合はリレー１４を閉成せず、充電信号Ｓｃにより充電手段１８を駆動してコンデンサ２２の充電を行う。この動作によりコンデンサ２２に一定電流による充電が行われる。この充電信号Ｓｃを発生している間、制御手段１２は継続的にコンデンサ電圧Ｖｃを検出監視する。このコンデンサ電圧Ｖｃが電源Ｂの電圧に対し例えば６０％程度になった時点でコイル１４Ｂを励磁しリレー１４を閉成、さらに充電信号Ｓｃを遮断することで充電手段１８の動作を停止するように動作する。この動作において、充電信号Ｓｃを出力している間にコンデンサ２２の充電に異常があると検知された場合には、リレー１４を閉成せずに充電信号Ｓｃを遮断し、通知手段３０に通知信号１２を伝達して異常発生を使用者に報知するように動作する。異常検知方法の具体例については、図２以降を用いて後述する。通知手段３０は、例えばディスプレイであり、エラーコードでエラー状況を表示したり、「充電異常」等の表示を行い、故障診断器等使用者にビジュアルに状態を明示する。また、通知手段３０にはブザーのような音出力手段を備えて、充電異常時には音によって警報を発することもできる。

次に、図２を用いて、本実施形態による電気車の制御装置で用いる充電手段１８の定電流充電特性について説明する。
図２は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置で用いる充電手段１８の充電特性の説明図である。

充電手段１８による一定電流制御でコンデンサ２２を充電する場合、その充電の経過時間ｔに対するコンデンサ電圧Ｖｃｏの特性は、図示のごとく一定の傾きを持った直線特性となる。一定の傾きを持った充電特性であるため、最終的な電源Ｂの電圧が高い場合には１００％の充電に至るまでの充電時間も変化する。例えば、満充電電圧がＶｃｏ１であった場合の充電時間はｔ１となり、満充電電圧がＶｃｏ２である場合には充電時間はｔ２となる。

このように定電流充電においては充電電圧が高くなると充電時間が延びる特性を示す。そのため、ＣＲ回路による充電の場合のように、任意の第１の電圧しきい値から第２の電圧しきい値に到達するまでの充電経過時間などによって充電状態の監視判定を行うような方法では、目標電圧の相違によって異常診断のしきい値（充電経過時間）が異なってくるため適用できないものである。そこで、本実施形態の定電流充電では、充電開始時点からのコンデンサ電圧を逐次監視するようにしている。

次に、図３を用いて、本実施形態による電気車の制御装置における第１の異常診断方法について説明する。この例では、コンデンサの充電異常時の診断特性について説明する。
図３は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置における第１の異常診断方法の説明図である。

一定電流によるコンデンサ充電を行うと、そのコンデンサ電圧特性は、図２で説明したように一定の傾きを持つ直線特性となるが、実際に異常診断を行う場合にはこの充電の経過時間ｔに対するコンデンサ充電電圧Ｖｃｏは当然ながら誤差を含むことになる。この誤差要因は、コンデンサ容量のばらつき（但し明らかな性能劣化でない状態）、定電流充電回路の電流値ばらつき、コンデンサ電圧Ｖｃｏの検出精度などが含まれる。

そこで、制御手段１２は、このばらつきを全て考慮した上で、経過時間ｔに対する充電電圧Ｖｃｏの理想特性に対し、上限特性Ａと下限特性Ｂの検出バンドを予め設定している。コンデンサ充電が正常に行われた場合は、経過時間ｔと充電電圧Ｖｃｏの特性はこの上限特性Ａと下限特性Ｂの間に入るようにこの検出バンドを設定する。制御手段１２は、充電開始から経過時間ｔに沿って逐次充電電圧Ｖｃｏすなわちコンデンサ電圧Ｖｃを監視し、コンデンサ電圧Ｖｃがこの上限特性Ａと下限特性Ｂの間から外れた場合にはコンデンサ充電が異常であると判定する。例えば、実線で示す理想特性に対して、コンデンサ２２の異常により充電電圧Ｖｃｏが一点鎖線で示す特性となった場合、制御手段１２は、経過時間ｔｘ０後に充電電圧がＶｃｏ−ｂとなったとき、設定された検出バンドから外れたことを検出して、異常判定を行う。異常判定が行われると、制御手段１２は、通知手段３０に信号を出力し、異常表示を行う。

以上のように、コンデンサ充電の経過時間ｔに対するコンデンサ電圧Ｖｃの状態をコンデンサ充電中に常時監視することによって、コンデンサ充電の異常を検出することができる。

また、このコンデンサ充電時間特性は電源Ｂの電圧によらず一定の傾きであるので、電源Ｂの電圧が診断毎、あるいは診断中に変化したとしてもこの上限特性Ａと下限特性Ｂの検出バンドの中にあるかを判断するのみで良く、診断において検出時間設定等の特別の措置を必要とせず診断を実施することができる。

次に、図４を用いて、本実施形態による電気車の制御装置における第２の異常診断方法について説明する。この例では、コンデンサ電圧残留時の充電異常時の診断特性について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置における第２の異常診断方法の説明図である。

電気車の制御装置では、システム起動時にいつもコンデンサ電圧がゼロであるとは限らず、例えば制御手段１２が起動しコンデンサ２２の充電を開始した直後にキーＳＷ１６が遮断された場合は、コンデンサ充電が完了しないまま電源遮断となるため、コンデンサ２２にはキーＳＷ１６が遮断されるまでの経過時間で充電されたコンデンサ電圧が充電されている。この状態から直ちにキーＳＷ１６が再投入された場合、コンデンサ２２には充電途中の残留電圧が残っている状態からコンデンサ充電が再開されることになる。

残留電圧が残っている状態で再度キーＳＷ１６を投入した場合、そのまま充電の経過時間ｔがゼロの時点からの充電特性に従って診断を行うと、誤診断することになる。すなわち、図４に示す例で、充電開始時点での経過時間ｔ＝０の時点のコンデンサ電圧がＶｃｏ−ａとすると、これは充電診断の検出バンドの上限特性Ａと下限特性Ｂから外れており、異常であると誤診断することにとなる。

そこで、本例では、制御手段１２は、起動時点でのコンデンサ電圧Ｖｃｏ−ａを検出し、その電圧に応じて理想特性を元に経過時間ｔの初期値をｔ＝ｔofstと充電の経過時間をそのコンデンサの残留電圧分だけ時間を進めるようにオフセットさせてから診断を開始する。この処置により、充電開始時点の経過時間ｔ（＝ｔofstである）と充電電圧Ｖｃｏの関係は上限特性Ａと下限特性Ｂの範囲内になり、この経過時間ｔから診断を開始するようになる。

以上のようにして、コンデンサ２２に残留電圧がある場合においても、誤検出することなく異常診断を行えるようにすることができる。

次に、図５を用いて、本実施形態による電気車の制御装置における第３の異常診断方法について説明する。この例では、充電手段による充電特性異常時の充電異常時の診断特性について説明する。
図５は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置における第３の異常診断方法の説明図である。

図５において、経過時間ｔ＝０においてコンデンサの充電を開始する。コンデンサ充電に異常がない場合は経過時間ｔに対する充電電圧Ｖｃｏの関係は上限特性Ａと下限特性Ｂの検出バンドの範囲内で推移していくことになる。ここで時刻ｔｘ１の時点で充電手段１８による充電特性に異常が生じた場合、例えば充電手段１８に異常が生じ充電電流が高くなった場合などにおいては、図示のごとく経過時間ｔに対するコンデンサ電圧の上昇度合いが大きくなり、やがて時刻ｔｘ２の時点で経過時間ｔと充電電圧Ｖｃｏの関係が上限特性Ａと下限特性Ｂの検出バンドの領域から逸脱する。このような状態が生じた場合は、制御手段１２は、コンデンサ自体もしくは充電手段１８に異常が生じたと判断できるため、充電処理を中断し、通知手段３０により異常を使用者に報知する。

このような場合では、異常発生個所はコンデンサ２２の異常もしくは充電手段１８のいずれかに異常が生じている可能性が想定されるため、その両方の部位についての異常を報知し、使用者に点検を促すようにしてもよいものである。

次に、図６を用いて、本実施形態による電気車の制御装置における第４の異常診断方法について説明する。この例では、コンデンサ容量低下時または充電手段ショート時の充電異常時の診断特性について説明する。
図６は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置における第４の異常診断方法の説明図である。

経過時間ｔ＝０においてコンデンサの充電を開始した際に、コンデンサが劣化により容量が大幅に低下している場合、もしくは充電手段１８の内部がショートしているなどの場合には、充電開始直後から経過時間ｔに対する充電電圧Ｖｃｏは急勾配の特性で上昇する。これはコンデンサ容量低下の場合には一定電流充電に対して早くコンデンサ電圧が上昇するためであり、また充電手段１８がショートしている場合は充電電流が適切に制御されないため結果的に電源Ｂと直結になっている状態と同じになるためである。

このような場合では、充電開始からの経過時間ｔがｔｘ３の時点で経過時間ｔと充電電圧Ｖｃｏの関係が上限特性Ａと下限特性Ｂの検出バンドの領域を逸脱することになり、制御手段１２は、この状態を検出することでコンデンサ充電異常であると判定することができる。これも同様に充電作業を中断し、通知手段３０を用いて、異常を使用者に報知する。このような場合においてもコンデンサ２２の異常もしくは充電手段１８のいずれかに異常が生じていることが想定されるため、その両方についての異常を報知し使用者に点検を促すようにしてもよいものである。

次に、図７を用いて、本実施形態による電気車の制御装置における第５の異常診断方法について説明する。この例では、コンデンサオープン時または充電手段オープン時の充電異常時の診断特性について説明する。
図７は、本発明の一実施形態による電気車の制御装置における第５の異常診断方法の説明図である。

経過時間ｔ＝０においてコンデンサの充電を開始した際に、コンデンサが何らかの要因（例えばコンデンサ自体の破損、あるいは接続線の断線）によりオープン故障となった場合、または充電手段１８の内部回路がオープン故障となってしまっている場合には、経過時間ｔに対するコンデンサの充電電圧Ｖｃｏは上昇しない状態となる。このような場合には充電開始から経過時間ｔがｔｘ４となった時点で経過時間ｔと充電電圧Ｖｃｏの関係が上限特性Ａと下限特性Ｂの検出バンドの領域から逸脱するため、制御手段１２は、この状態を異常であると検出することができる。

このような場合においても充電処理を中断し、異常を使用者に報知するように処置を行う。このような場合ではコンデンサ２２の異常もしくは充電手段１８のいずれかに異常が生じたことが想定されるため、その両方についての異常を報知し使用者に点検を促すようにしてもよいものである。

なお、コンデンサオープン時または充電手段オープン時には、充電異常と判断しても、その時点で強制的にリレー１４を動作させるようにしてもよいものである。充電を中断すると、リレー１４も不動作の方式では、その後モータＭを駆動することができないため、電気車を稼働できなくなるが、とりあえず、異常の通知のみを行って、電気車を稼働できるようにすることにより、修理工場などまで電気車を移動するエマージェンシーランを行うことができる。

次に、図１を用いて、本実施形態による電気車の制御装置における第６の異常診断方法について説明する。この例では、インバータ異常時の充電異常時の診断特性について説明する。
図１に示したように、本実施形態の電気車の制御装置おいては、半導体素子２４を内包したインバータ２０がリレー１４を介して電源Ｂに接続されているが、このインバータ２０の半導体素子２４の内、例えば素子ＴｒＵとＴｒＬがショート、いわゆる上下アームショートである場合には、充電手段１８及びコンデンサ２２が正常であっても充電手段１８の充電電流はコンデンサ２２に充電されず、破線で示す経路Ｌに示すような経路で半導体素子ＴｒＵ，ＴｒＬを介して流れてるため、コンデンサが充電されないことになる。

このような場合おいても、制御手段１２は、同様に経過時間ｔに対する充電電圧Ｖｃｏを監視することによってコンデンサ電圧が上昇しないことを検知できるので、異常を診断することが可能となる。

この場合にはコンデンサ２２の異常もしくは充電手段１８もしくはインバータ２０に異常が生じたことが想定されるため、その各々についての異常を全て報知し使用者に点検を促すようにしてもよいものである。

なお、本発明は、電気車の制御装置に限らず、大容量のコンデンサを内包し電源と接続動作を行う機器のコンデンサ充電に関する異常診断全般に適用できるものである。

本発明の一実施形態による電気車の制御装置の構成を示すブロック回路図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置で用いる充電手段１８の充電特性の説明図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置における第１の異常診断方法の説明図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置における第２の異常診断方法の説明図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置における第３の異常診断方法の説明図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置における第４の異常診断方法の説明図である。 本発明の一実施形態による電気車の制御装置における第５の異常診断方法の説明図である。

符号の説明

１０…制御装置
１２…制御手段
１４…リレー
１６…キーＳＷ
１８…充電手段
２０…インバータ
２２…コンデンサ
３０…通知手段
Ｂ…電源
Ｍ…モータ

Claims (4)

1. 電源の電力を平滑するコンデンサを有するとともに、前記電源の直流電力を交流電力に変換するインバータを制御して、交流モータに交流電力を供給して駆動する電気車の制御装置であって、
   前記コンデンサと前記電源の間に接続され、前記電源の電力を断続するリレーと、
   前記コンデンサに定電流を供給して充電する定電流充電手段と、
   前記定電流充電手段により前記コンデンサを充電する際に、充電開始からの充電経過時間に沿って前記コンデンサの電圧の推移を逐次検出し、前記充電経過時間の推移に対する前記コンデンサの電圧の推移があらかじめ定められている所定の充電特性から逸脱した場合には、前記コンデンサの充電が異常であると判定する制御手段を備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
2. 請求項１記載の電気車の制御装置において、
   前記制御手段は、充電異常と判定した際には、前記コンデンサ充電を中断することを特徴とする電気車の制御装置。
3. 請求項１記載の電気車の制御装置において、
   前記制御手段が充電異常と判定した際に、充電異常を使用者に通知する通知手段を備えたことを特徴とする電気車の制御装置。
4. 請求項１記載の電気車の制御装置において、
   前記制御手段は、前記コンデンサの充電開始前に前記コンデンサの残留電圧を検出し、前記充電特性から前記コンデンサの前記残留電圧に対応した充電オフセット時間を求め、前記充電経過時間を前記充電オフセット時間だけオフセットして前記充電特性の判定を行うことを特徴とする電気車の制御装置。
   

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