JP2009213246A - Dc/dcコンバータの故障検出方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】DC/DCコンバータ36への入力電力Winと、DC/DCコンバータ36からの出力電力Wout及びDC/DCコンバータ36で発生する推定損失Lconの和との差Dwを用いて電流センサ62、64の故障を判定する。理想的には、入力電力Winと、出力電力Wout及び推定損失Lconの和とは等しくなるため、差Dwは常にゼロになる。従って、差Dwと電流センサ故障判定閾値THwとの偏差に基づいて、電流センサ62、64の出力異常を常時且つ高精度に判定することができる。その結果、電流センサ62、64の利得変化故障やオフセット変化故障等の故障を容易に検出することができる。
【選択図】図8
Description
以下、この発明に係るDC/DCコンバータの故障検出方法の一実施形態を実施可能な車両用電力システムについて図面を参照して説明する。
(1)全体構成
図1は、この実施形態に係るDC/DCコンバータの故障検出方法を実施可能な車両用電力システム20の回路図である。車両用電力システム20は、燃料電池車両等の車両に搭載可能であり、基本的には、燃料電池22とエネルギストレージである蓄電装置(バッテリという。)24とから構成されるハイブリッド型の電力装置と、このハイブリッド型の電力装置から電流(電力)がインバータ34を通じて供給される走行用のモータ26と、バッテリ24が接続される1次側1Sと、燃料電池22とモータ26(インバータ34)とが接続される2次側2Sとの間で電圧変換を行うDC/DCコンバータ装置{VCU(Voltage Control Unit)という。}23とから構成される。モータ26の回転は、減速機12、シャフト14を通じて車輪16に伝達される。
燃料電池22は、例えば固体高分子電解質膜をアノード電極とカソード電極とで両側から挟み込んで形成されたセルを積層したスタック構造にされている。燃料電池22には、水素タンク28とエアコンプレッサ30が配管により接続されている。水素タンク28内の加圧水素は、燃料電池22のアノードに供給される。また、エアコンプレッサ30により空気が燃料電池22のカソードに供給される。燃料電池22内で反応ガスである水素(燃料ガス)と空気(酸化剤ガス)の電気化学反応により発電電流Ifが生成される。発電電流Ifは、電流センサ32及びダイオード(ディスコネクトダイオードともいう。)33を介して、インバータ34及び(又は)VCU23のDC/DCコンバータ36に供給される。
1次側1Sに接続されるバッテリ24は、例えばリチウムイオン2次電池やニッケル水素2次電池又はキャパシタを利用することができる。この実施形態ではリチウムイオン2次電池を利用している。バッテリ24は、VCU23のDC/DCコンバータ36を通じてインバータ34にモータ電流Imを供給する。
インバータ34は、直流/交流変換を行い、モータ電流Imをモータ26に供給する一方、回生動作に伴う交流/直流変換後のモータ電流Imを2次側2SからDC/DCコンバータ36を通じて1次側1Sに供給する。この場合、回生電圧又は燃料電池22の発電電圧Vfである2次電圧V2がDC/DCコンバータ36により低電圧に変換された1次電圧V1は、バッテリ電流Ibatとしてバッテリ24を充電する。
VCU23は、DC/DCコンバータ36と、これを駆動制御するコンバータ制御部54とから構成される。
1次側1S及び2次側2Sには、それぞれ平滑用のコンデンサ38、39が設けられている。
燃料電池22、水素タンク28及びエアコンプレッサ30を含むシステムはFC制御部50により制御される。インバータ34とモータ26を含むシステムはインバータ駆動部(図示せず)を含むモータ制御部52により制御される。上述の通り、DC/DCコンバータ36を含むシステムはコンバータ制御部54により制御される。
車両状態を検出する各種スイッチ及び各種センサとしては、発電電流Ifを検出する電流センサ32の他、1次電圧V1(基本的にバッテリ電圧Vbatに等しい。)を検出する電圧センサ61、1次電流I1を検出する電流センサ62、2次電圧V2(ディスコネクトダイオード33が導通しているとき、略燃料電池22の発電電圧Vfに等しい。)を検出する電圧センサ63、2次電流I2を検出する電流センサ64、通信線70に接続されるイグニッションスイッチ65、アクセルセンサ66、ブレーキセンサ67、車速センサ68、及び補機(図示せず)の操作部55等がある。電圧センサ61、63及び電流センサ32、62、64の出力は、コンバータ制御部54に入力される。
(1)VCU23における基本的な電圧制御
図2には、コンバータ制御部54により駆動制御されるDC/DCコンバータ36の基本動作のフローチャートが示されている。
次に、VCU23による燃料電池22の出力制御について説明する。
上述の通り、VCU23では、V2制御モード(目標2次電圧V2tarと、電圧センサ63で検出される2次電圧Vとを一致させるようにDC/DCコンバータ36を制御する動作モード)が基本的に用いられる。このV2制御モードに加え、以下のようなモードも用いられる。
例えば、1次側1Sに過電流が発生した場合、すなわち、電流センサ62で検出された1次電流I1が、過電流の発生を示す閾値(過電流閾値THoc[A])を超えている場合、1次電流I1を過電流閾値THoc以下になるようにDC/DCコンバータ36を制御することが可能である。このように、1次電流I1の目標値(目標1次電流I1tar)を設定し、電流センサ62で検出される1次電流I1を目標1次電流I1tar以下に制限するようにDC/DCコンバータ36を制御する動作モードを「I1制御モード」と称する。
例えば、バッテリ24から供給するバッテリ電流Ibatの制御等を目的として、2次電圧V2を1次電圧V1と等しくなるようにDC/DCコンバータ36を制御することが可能である。このように、1次電圧V1の目標値(目標1次電圧V1tar)を設定し、電圧センサ61で検出される1次電圧V1を目標1次電圧V1tarと一致させるようにDC/DCコンバータ36を制御する動作モードを「V1制御モード」と称する。
(a)概要
本実施形態におけるDC/DCコンバータ36のスイッチング制御としては、(i)各スイッチング周期Tsw[μs]の一部において上アーム素子81を駆動する降圧チョッパ制御と、(ii)各スイッチング周期Tswの一部において下アーム素子82を駆動する昇圧チョッパ制御と、(iii)降圧チョッパ処理及び昇圧チョッパ処理のいずれも行わずにDC/DCコンバータ36に電流を流す直結制御と、(iv)DC/DCコンバータ36に電流を流さない停止制御とがある。
図4及び図5に示すように、降圧チョッパ制御と昇圧チョッパ制御は、各スイッチング周期Tswにおいて組み合わせて用いられる。すなわち、各スイッチング周期Tswでは、上アーム素子81の駆動時間(以下、「上アーム素子駆動時間T1」とも称する。)と、下アーム素子82の駆動時間(以下、「下アーム素子駆動時間T2」とも称する。)の両方が現れ、上アーム素子81と下アーム素子82とを交互に駆動する。このように、スイッチング周期Tsw毎に上アーム素子81と下アーム素子82とを交互に駆動する処理を同期スイッチング処理と称する。本実施形態の同期スイッチング処理は、例えば、国際公開第02/093730号パンフレットに記載されているのと同様の処理を用いることができる。
図6には、DC/DCコンバータ36(電圧センサ61、63及び電流センサ62、64)の故障判定を行うフローチャートが示されている。
図10には、図7のフローチャート(電圧センサ61、63の故障検出)を実現するための回路構成の一例が示されている。除算器72において、電圧センサ63で検出された2次電圧V2を、電圧センサ61で検出された1次電圧V1により除算し、比の値Rv(=V1/V2)を算出する(図7のS112)。
図11には、図8のフローチャート(電流センサ62、64の故障検出)を実現するための回路構成の一例が示されている。第2乗算器86において、出力電圧Voutと、出力電流Ioutとが乗算され、出力電力Wout(=Vout×Iout)が算出される(図8のS142)。この出力電力Woutは、加算器88に入力される。
以上のように、本実施形態では、入力電力Winと、出力電力Wout及び推定損失Lconとの差Dwを用いて電流センサ62、64の故障を判定する。理想的には、入力電力Winと、出力電力Wout及び推定損失Lconの和とは等しくなるため、差Dwは常にゼロになる。従って、差Dwと電流センサ故障判定閾値THwとの偏差に基づいて、電流センサ62、64の出力異常を常時且つ高精度に判定することができる。その結果、電流センサ62、64の利得変化故障やオフセット変化故障等の故障を容易に検出することができる。
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の(1)〜(4)の構成を採用することができる。
上記実施形態では、DC/DCコンバータ36を燃料電池車両に搭載したが、これに限られない。例えば、バッテリ駆動車両(電気自動車)に搭載することもできる。もちろん、エンジンとバッテリとモータを搭載した、いわゆるパラレル方式又はシリーズパラレル方式のハイブリッド自動車にも適用することもできる。さらに、その他のシステムに用いることもできる。
上記実施形態では、内部損失マップ59を用いて、すなわち、1次電流I1、1次電圧V1及び2次電圧V2に基づいて推定損失Lconを決定したが、これに限られない。例えば、2次電流I2、1次電圧V1及び2次電圧V2に基づいて推定損失Lconを決定してもよい。また、1次電流I1のみ、1次電圧V1及び2次電圧V2のみ等により推定損失Lconを選択することもできる。さらに、推定損失Lconを固定値とすることも可能である。
上記実施形態では、2次電圧V2と1次電圧V1との比の値Rvと、デューティ比DUTとの差Drを用いて、電圧センサ61、63の故障を検出したが、これに限られない。代わりに、比の値Rvとデューティ比DUTとの比の値Rv2(Rv2は、Rv/DUT又はその逆数)を用いて、電圧センサ61、63の故障を検出することもできる。この場合、比の値Rv2は、理想的には常に1となるから、比の値Rv2が1から偏差している程度に応じて(比の値Rv2と所定の閾値との偏差に基づいて)電圧センサ61、63が故障しているかどうかを判定可能である。
上記実施形態では、電圧センサ61、63の故障判定と、電流センサ62、64の故障判定の両方を行ったが、片方のみを行うこともできる。
23…DC/DCコンバータ装置(VCU)
24…バッテリ(第1電力装置) 26…モータ(第2電力装置)
34…インバータ 36…DC/DCコンバータ
54…コンバータ制御部 59…内部損失マップ
61、63…電圧センサ 62、64…電流センサ
81…上アーム素子 82…下アーム素子
83、84…ダイオード 90…リアクトル
Dr…入力電圧と出力電圧の比の値とデューティ比との差
DUT…デューティ比 DUT2…第2デューティ比
Dw…入力電力と、出力電力及び推定損失の和との差
Iin…入力電流 Iout…出力電流
Lcon…推定損失 Rv…入力電圧と出力電圧の比の値
THr…電圧センサ故障判定閾値 THw…電流センサ故障判定閾値
UA…相アーム UH、UL…駆動信号
Vin…入力電圧 Vout…出力電圧
Win…入力電力 Wout…出力電力
Claims (4)
- DC/DCコンバータへの入力電流と入力電圧の積から入力電力を計算し、
前記DC/DCコンバータからの出力電流と出力電圧の積から出力電力を計算し、
前記DC/DCコンバータで発生する推定損失を設定し、
前記入力電力と、前記出力電力及び前記推定損失の和との差又は比を計算し、
この差又は比と、予め記憶した所定の閾値とを比較し、
前記差又は比と前記所定の閾値との偏差に基づいて、前記入力電流又は前記出力電流を測定する前記DC/DCコンバータの電流センサが故障しているかどうかを判定する
ことを特徴とするDC/DCコンバータの故障検出方法。 - 請求項1記載のDC/DCコンバータの故障検出方法において、
現在のデューティ比を検知し、
前記入力電圧と前記出力電圧との比を計算し、
前記比と前記デューティ比との差又は比を計算し、
この差又は比と、予め記憶した所定の第2閾値とを比較し、
前記差又は比と前記第2閾値との偏差に基づいて、前記入力電圧又は前記出力電圧を測定する前記DC/DCコンバータの電圧センサが故障しているかどうかを判定する
ことを特徴とするDC/DCコンバータの故障検出方法。 - 請求項1又は2記載のDC/DCコンバータの故障検出方法において、
前記電流センサが故障していると判定した場合、該電流センサの測定値を用いて前記入力電流又は前記出力電流を制御する動作モードを禁止する
ことを特徴とするDC/DCコンバータの故障検出方法。 - 請求項1〜3のいずれか1項に記載のDC/DCコンバータの故障検出方法において、
前記入力電流又は前記出力電流と、前記入力電圧と、前記出力電圧とに基づいて前記推定損失を設定する
ことを特徴とするDC/DCコンバータの故障検出方法。
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