JP2012231641A - 電圧変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチ回路の短絡故障が発生した場合にも好適に電圧変換装置を動作させることである。
【解決手段】電圧変換装置１０は、高圧バッテリ８と、高圧バッテリ８の電圧を変圧する変圧器１６と、変圧器１６の１次側コイル１２に直列に設けられた第１スイッチ回路１８と、高圧バッテリ８と１次側コイル１２との間の経路に流れる電流値が遮断用閾値を超えたときに当該経路を遮断するヒューズ２０と、ヒューズ２０が当該経路を遮断したときに第１スイッチ回路１８が短絡故障しているか否かを判断する制御回路３２と、ヒューズ２０に並列に設けられ、制御回路３２によって短絡故障であると判断された場合に、所定のデューティ比で駆動する第２スイッチ回路２２と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電圧変換装置に関する。

近年、様々な電圧変換装置が考案されている。例えば、高圧バッテリの電圧値を変圧して負荷側に出力する電圧変換装置が開発されている。本発明に関連する技術として、例えば、特許文献１には、入力電源の電源電圧を変換するスイッチング電源装置であって、トランスと、入力電源の電源電圧レベルからトランスを経て入力電源のグランドレベルに至る電流路中に設けられた複数のスイッチング素子と、スイッチング電源装置の出力電圧が所定の電圧となるように、複数のスイッチング素子の各々の状態を、オン状態とオフ状態の間で交互に遷移するように制御する制御手段と、スイッチング素子のショートの発生を検出する障害発生検出手段とを有する構成が開示されている。

ここでは、制御手段は、スイッチング素子のショートの発生が検出された場合に、当該ショートの発生したスイッチング素子以外の１または複数のスイッチング素子の状態を、当該状態が少なくとも所定時間長以上オン状態に固定されるように制御することが述べられている。

特開２０１０−０４１８３６号公報

上記のように、特許文献１に開示された構成を用いれば、電圧変換装置において、スイッチング素子等のスイッチ回路の短絡故障が発生した場合に電圧レベルをハイレベルに維持することで、確実にヒューズ等の遮断回路を動作させることができる。しかし、当該遮断回路が動作した後には、当該電圧変換装置は所望の電力を出力することができないため、当該電圧変換装置に接続された負荷等に電力を供給することができない。

本発明の目的は、スイッチ回路の短絡故障が発生した場合にも好適に電圧変換装置を動作させることである。

本発明に係る電圧変換装置は、バッテリの電圧を変圧する変圧器と、前記変圧器の１次側コイルに直列に設けられた第１スイッチ回路と、前記バッテリと前記１次側コイルとの間の経路に流れる第１電流値が遮断用閾値を超えたときに前記経路を遮断する遮断回路と、前記遮断回路が前記経路を遮断したときに前記第１スイッチ回路が短絡故障しているか否かを判断する判断回路と、前記遮断回路に並列に設けられ、前記判断回路によって前記短絡故障であると判断されたときに、所定のデューティ比で駆動する第２スイッチ回路と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電圧変換装置において、前記判断回路は、前記第２スイッチ回路の単発駆動中に前記第２スイッチ回路に流れる第２電流値が第１閾値以上第２閾値以下であるときに、前記短絡故障であると判断することが好ましい。

また、本発明に係る電圧変換装置において、前記判断回路は、前記第２電流値が前記第２閾値以上のときに、前記経路が短絡故障していると判断することが好ましい。

また、本発明に係る電圧変換装置において、前記判断回路は、前記第２電流値が前記第１閾値以下のときに、前記第１スイッチ回路が開放故障していると判断することが好ましい。

上記構成によれば、遮断回路による遮断後において、第１スイッチ回路が短絡故障していると判断された場合に、遮断回路に並列に接続された第２スイッチ回路を駆動する。したがって、第１スイッチ回路の短絡故障が発生した場合に、より好適に電圧変換装置を動作させることができる。

本発明に係る実施の形態において、電圧変換装置の構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態において、第１スイッチ回路の短絡故障した場合に第２スイッチ回路を駆動する手順を示すフローチャートである。 本発明に係る実施の形態において、第１スイッチ回路の短絡故障した場合に第２スイッチ回路を駆動する場合のタイミングチャートである。

以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。

図１は、電圧変換装置１０の構成を示す図である。電圧変換装置１０は、変圧器１６と、第１スイッチ回路１８と、ヒューズ２０と、第２スイッチ回路２２と、第１整流回路２４と、第２整流回路２６と、コイル２８と、コンデンサ３０と、制御回路３２とを備える。また、電圧変換装置１０には、高圧バッテリ８と、低圧バッテリ４０と、負荷５０とが接続されている。

なお、以下では、電圧変換装置１０は、ハイブリッド車両に搭載されるものとして説明するが、もちろん、その他のシステム等に搭載されてもよい。

高圧バッテリ８は、負荷５０等に電力を供給するためのバッテリである。また、高圧バッテリ８は、充放電可能な直流電源であって、例えば、炭素物質で構成された負極と、リチウムイオンが移動するための電解液と、リチウムイオンを可逆的に出し入れできる正極活物質とを有するリチウムイオン二次電池を用いることができる。

変圧器１６は、高圧バッテリ８の出力電圧Ｖ_Bを変圧して負荷５０側に出力する機能を有する。また、変圧器１６は、１次側コイル１２と２次側コイル１４とを備える。１次側コイル１２と２次側コイル１４との巻き数比は、Ｎ：１である。したがって、変圧器１６は、Ｖ_B×１／Ｎの電圧を出力することが可能である。なお、Ｎは整数であり、Ｎ＞１の関係である。

第１スイッチ回路１８は、変圧器１６の１次側コイル１２と直列に接続される。具体的には、第１スイッチ回路１８の一方側端子が１次側コイル１２の他方側端子と接続され、第１スイッチ回路１８の他方側端子が高圧バッテリ８の負極側端子に接続される。なお、第１スイッチ回路１８は、制御回路３２によってスイッチング制御がなされる。

ヒューズ２０は、高圧バッテリ８と変圧器１６との間の電流経路を接続／遮断する機能を有する。具体的には、ヒューズ２０の一方側端子が高圧バッテリ８の正極側端子に接続され、ヒューズ２０の他方側端子が１次側コイル１２の一方側端子と接続される。ヒューズ２０は、当該電流経路に流れる電流値Ｉ_SW1が所定の閾値である遮断用閾値よりも小さいときに、当該電流経路を接続した状態とするが、当該遮断用閾値をよりも大きくなると当該電流経路を溶断（遮断）する。

第２スイッチ回路２２は、ヒューズ２０に並列に接続される。具体的には、第２スイッチ回路２２の一方側端子がヒューズ２０の一方側端子に接続され、第２スイッチ回路２２の他方側端子がヒューズ２０の他方側端子に接続される。なお、第２スイッチ回路２２は、制御回路３２によってスイッチング制御がなされる。

第１整流回路２４は、アノード端子が変圧器１６の２次側コイル１４の一方側端子に接続され、カソード端子がコイル２８の一方側端子及び第２整流回路２６のカソード端子に接続されるダイオードである。

第２整流回路２６は、アノード端子が２次側コイル１４の他方側端子及びコンデンサ３０の他方側端子に接続され、カソード端子が第１整流回路２４のカソード端子とコイル２８の一方側端子とに接続されるダイオードである。

コイル２８は、一方側端子が第１整流回路２４のカソード端子及び第２整流回路２６のカソード端子に接続され、他方側端子がコンデンサ３０の一方側端子に接続される。

コンデンサ３０は、一方側端子がコイル２８の他方側端子に接続され、他方側端子が２次側コイル１４の他方側端子及び第２整流回路２６のアノード端子に接続される。

制御回路３２は、第１スイッチ回路１８と第２スイッチ回路２２のスイッチング制御を行う。制御回路３２は、高圧バッテリ８の出力電圧Ｖ_Bを降圧し、当該降圧された電圧が低圧バッテリ４０の充電電圧となるように、第１スイッチ回路１８をオンオフ制御する。

また、制御回路３２は、ヒューズ２０に関する接続／遮断情報取得手段（不図示）よって取得した情報に基づいて、ヒューズ２０が接続状態であると判断したときは第２スイッチ回路２２をオフ制御する。そして、制御回路３２は、ヒューズ２０が遮断状態であると判断し、さらに、第１スイッチ回路１８が短絡故障をしていると判断したときに、第２スイッチ回路２２を所定のデューティ比（以下、Ｄｕｔｙ_backupという）でオンオフ制御する。ここで、Ｄｕｔｙ_backupは、負荷５０の要求電力のうち、必要最小限の電力が出力可能な比率であればよい。例えば、負荷５０がハイブリッド車両を走行させるために必要な制御回路等であれば、当該車両が走る・曲がる・止まるといった基本的動作を行える程度の電力が出力できる比率であればよい。

以下では、当該第２スイッチ回路２２に関するオンオフ制御について詳細に説明する。

制御回路３２は、ヒューズ２０が遮断状態であると判断したときに、第２スイッチ回路２２を単発駆動する。そして、当該単発駆動のオン期間中に第２スイッチ回路２２に流れる電流Ｉ_SW2が第１閾値（Ｉ_th-low）以上第２閾値（Ｉ_th-high）以下であるときに、第１スイッチ回路１８が短絡故障していると判断できるため、第２スイッチ回路２２をＤｕｔｙ_backupでオンオフ制御する。このように判断できるのは、第１スイッチ回路１８が短絡故障した場合には、１次側コイル１２を介した電流経路が形成される。すなわち、１次側コイル１２が抵抗として機能するため、大電流が流れることはなく、第１閾値（Ｉ_th-low）以上第２閾値（Ｉ_th-high）以下の範囲で電流値が落ち着くと考えられるからである。

また、当該単発駆動のオン期間中に第２スイッチ回路２２に流れる電流Ｉ_SW2が第２閾値（Ｉ_th-high）以上であるときは、第１スイッチ回路１８の短絡故障でなく、ヒューズ２０と１次側コイル１２の間の経路において短絡故障が発生していると判断できるため、第２スイッチ回路２２をオフ制御したままの状態とする。このように判断できるのは、上記の場合とは異なり、ヒューズ２０と１次側コイル１２の間の経路、例えば、図１に示されるＡ点において短絡故障が発生している場合には、抵抗を介さない電流経路が形成される。すなわち、当該電流経路には、大電流が流れるため、電流Ｉ_SW2が第２閾値（Ｉ_th-high）以上になると考えられるからである。

そして、当該単発駆動のオン期間中に第２スイッチ回路２２に流れる電流Ｉ_SW2が第１閾値（Ｉ_th-low）以下であるときは、第１スイッチ回路１８の短絡故障でなく、第１スイッチ回路１８の開放故障であると判断できるため、第２スイッチ回路２２をオフ制御したままの状態とする。このように判断できるのは、第１スイッチ回路１８が開放故障している場合には、電流経路が途中で遮断されているため、当該電流経路には電流が流れない。すなわち、電流Ｉ_SW2が第１閾値（Ｉ_th-low）以下になると考えられるからである。

低圧バッテリ４０は、高圧バッテリ８の出力電圧Ｖ_Bよりも低い電圧を出力することが可能な補機バッテリであり、電圧変換装置１０によって降圧された電圧によって充電される。低圧バッテリ４０は、コンデンサ３０に並列に接続される。

負荷５０は、ハイブリッド車両に関連する要素、例えば、ハイブリッド車両が走行するために必要な制御回路である。負荷５０は、低圧バッテリ４０に並列に接続される。

上記構成の電圧変換装置１０の作用について説明する。第１スイッチ回路１８に短絡故障が発生していない通常時には、電圧変換装置１０において、高圧バッテリ８の出力電圧Ｖ_Bが降圧されて低圧バッテリ４０の充電電圧となるように第１スイッチ回路１８をオンオフ制御している。具体的には、第１スイッチ回路１８がオン制御されているときは、変圧器１６におけるトランスの原理により、起電力Ｖ_B×１／Ｎが発生して、第１整流回路２４を介して負荷５０側に向かって電流が流れる。このとき、コイル２８にはエネルギが蓄積される。

そして、第１スイッチ回路１８がオフ制御されると、電流変化を妨げるようにコイル２８に起電力が発生し、蓄積されたエネルギが放出されて、第２整流回路２６を介して負荷５０側に向かって電流が流れる。このように、電圧変換装置１０において、第１スイッチ回路１８をオンオフ制御することで、高圧バッテリ８の出力電圧Ｖ_Bが降圧されて低圧バッテリ４０に対する充電電圧として出力されるとともに、負荷５０に対しても当該降圧された電圧が出力される。以下、図２に示されるフローチャートを用いて、電圧変換装置１０において、第１スイッチ回路１８が短絡故障した場合に、そのバックアップとして、第２スイッチ回路２２を駆動する手順について説明する。なお、第２スイッチ回路２２は、初期設定として、制御回路３２によって、オフ制御されている。

まず、最初に、ヒューズ２０が溶断しているか否かを判断する（Ｓ２）。具体的には、制御回路３２において、ヒューズ２０の接続／遮断情報取得手段（不図示）よって取得した情報に基づいて判断する。ヒューズ２０が溶断していないと判断すれば、再びＳ２へと戻る。

Ｓ２において、ヒューズ２０が溶断していると判断すれば、ヒューズ２０と１次側コイル１２との間の経路のＡ点における電位であるＡ電位が０Ｖに近いか否かを判断する（Ｓ４）。Ｓ４において、Ａ電位が０Ｖに近い値でないと判断すれば、ＥＮＤ処理へと進む。

Ｓ４において、Ａ電位が０Ｖに近い値であると判断すれば、第２スイッチ回路２２を単発駆動する（Ｓ６）。ここで、Ｓ６の工程において、第２スイッチ回路２２を単発駆動した際に、第２スイッチ回路２２に流れる電流Ｉ_SW2が第１閾値（Ｉ_th-low）以上第２閾値（Ｉ_th-high）以下であるか否かを判断する（Ｓ８）。Ｓ８において、Ｉ_SW2が第１閾値（Ｉ_th-low）以上第２閾値（Ｉ_th-high）以下でないと判断されれば、ＥＮＤ処理へと進む。

Ｓ８において、Ｉ_SW2が第１閾値（Ｉ_th-low）以上第２閾値（Ｉ_th-high）以下であると判断されれば、一旦、第２スイッチ回路２２を停止する（Ｓ１０）。そして、再び、Ａ電位が０Ｖに近いか否かを判断する（Ｓ１２）。Ｓ１２において、Ａ電位が０Ｖに近い値でないと判断すれば、ＥＮＤ処理へと進む。

Ｓ１２において、Ａ電位が０Ｖに近い値であると判断すれば、第２スイッチ回路２２をＤｕｔｙ_backupで駆動する（Ｓ１４）。Ｓ１４の後は、ＥＮＤ処理へと進む。

一般的に、電圧変換装置１０において、第１スイッチ回路１８が短絡故障した場合には、高圧バッテリ８と１次側コイル１２との間の経路に流れる電流Ｉ_SW1が遮断用閾値を超えてしまうため、ヒューズ２０が溶断する。すなわち、ヒューズ２０が当該経路を遮断する。この状態では、電圧変換装置１０からは低圧バッテリ４０への充電電圧が供給されない。したがって、負荷５０に対する電力は低圧バッテリ４０からの電力のみとなるため、低圧バッテリ４０からの残電力が無くなれば、負荷５０への電力供給ができない状態となる。

しかしながら、本発明の実施形態である電圧変換装置１０では、図３に示されるように、ヒューズ２０が経路を遮断した後に、ヒューズ２０に並列に接続される第２スイッチ回路２２がＤｕｔｙ_backupでオンオフ制御されるため、継続して高圧バッテリ８の出力電圧Ｖ_Bを降圧して低圧バッテリ４０の充電電圧とすることができる。すなわち、第１スイッチ回路１８が短絡故障した場合のバックアップ用として第２スイッチ回路２２を駆動することで、高圧バッテリ８の電力を負荷５０側に電力供給を行うことができる。また、電圧変換装置１０では、図３に示されるように、第２スイッチ回路２２をＤｕｔｙ_backupでオンオフ制御するのは、ヒューズ２０が溶断していると判断し、さらに、第１スイッチ回路１８が短絡故障していると判断した場合に限られる。このように、第１スイッチ回路１８が短絡故障していることを確認した上で、バックアップ用として第２スイッチ回路２２を駆動しているため、バックアップ用の電力をより安全に供給することができる。

８ 高圧バッテリ、１０ 電圧変換装置、１２ １次側コイル、１４ ２次側コイル、１６ 変圧器、１８ 第１スイッチ回路、２０ ヒューズ、２２ 第２スイッチ回路、２４ 第１整流回路、２６ 第２整流回路、２８ コイル、３０ コンデンサ、３２ 制御回路、４０ 低圧バッテリ、５０ 負荷。

Claims (4)

1. バッテリの電圧を変圧する変圧器と、
   前記変圧器の１次側コイルに直列に設けられた第１スイッチ回路と、
   前記バッテリと前記１次側コイルとの間の経路に流れる第１電流値が遮断用閾値を超えたときに前記経路を遮断する遮断回路と、
   前記遮断回路が前記経路を遮断したときに前記第１スイッチ回路が短絡故障しているか否かを判断する判断回路と、
   前記遮断回路に並列に設けられ、前記判断回路によって前記短絡故障であると判断されたときに、所定のデューティ比で駆動する第２スイッチ回路と、
   を備えることを特徴とする電圧変換装置。
2. 請求項１に記載の電圧変換装置において、
   前記判断回路は、
   前記第２スイッチ回路の単発駆動中に前記第２スイッチ回路に流れる第２電流値が第１閾値以上第２閾値以下であるときに、前記短絡故障であると判断することを特徴とする電圧変換装置。
3. 請求項２に記載の電圧変換装置において、
   前記判断回路は、
   前記第２電流値が前記第２閾値以上のときに、前記経路が短絡故障していると判断することを特徴とする電圧変換装置。
4. 請求項２に記載の電圧変換装置において、
   前記判断回路は、
   前記第２電流値が前記第１閾値以下のときに、前記第１スイッチ回路が開放故障していると判断することを特徴とする電圧変換装置。

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