JP2015204657A

JP2015204657A - 車両用放電装置

Info

Publication number: JP2015204657A
Application number: JP2014081826A
Authority: JP
Inventors: 勝太郎小林; Katsutaro Kobayashi
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2014-04-11
Publication date: 2015-11-16

Abstract

【課題】異常が生じても車両が走行不能になることを抑制すると共にユーザに異常が生じていることを認識させる。
【解決手段】高圧側コンデンサ４６に並列にスイッチ回路４９を接続し、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の接続点を車両の車体に接続し、スイッチＳＷ２と車体との絶縁状態を判定する絶縁抵抗モニタ５２を設けた。スイッチＳＷ２がオン固定となる異常が生じたときでも、スイッチＳＷ１をオフさせることにより、車両が走行不能になることを抑制することができる。また、絶縁抵抗モニタ５２からの電圧波形に基づいてスイッチＳＷ２と車体との間の絶縁抵抗が低下していると判定されたときに、警告ランプ５６を点灯させることにより、ユーザに異常が生じていることを認識させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両用放電装置に関し、詳しくは、モータからの動力で走行する車両に搭載された電気回路内の平滑コンデンサを放電させるための車両用放電装置に関する。

従来、この種の車両用放電装置としては、車載された高電圧バッテリからの直流電力を平滑する平滑コンデンサと、高電圧バッテリの正極端と平滑コンデンサの一端との間に設けられた第１リレーと、高電圧バッテリの負極端と平滑コンデンサの他端との間に設けられた第２リレーと、電圧駆動型の２つのＩＧＢＴを有する３つのスイッチング回路が搭載され高電圧バッテリからの直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ回路と、を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、イグニッションオフ時には、第１リレーおよび第２リレーをオフし、２つのＩＧＢＴのうちの一方にはフルオンするのに十分な電圧をゲート端子に印加させて電流制限せずにオンさせ、他方にはフルオンする電圧より低く制限された電圧をゲート端子に印加して電流制限をしてオンさせ、その後、電流制限するＩＧＢＴを、それまで電流制限していなかったＩＧＢＴに切り替える。これにより、一方のＩＧＢＴのみに大きい電流が流れてＩＧＢＴが許容範囲を超えて発熱することを抑制しながら平滑コンデンサを放電している。

特開２０１２−６０７６５号公報

ところで、車両に搭載された電気回路内の平滑コンデンサを放電するために、平滑コンデンサに並列にスイッチが接続されてなる車両用放電装置では、スイッチの故障や異常により車両が走行できなくなることは好ましくないため、故障や異常が生じたときでも走行を継続できるようにすることが望まれている。また、ユーザがこうした異常を認識できずにそのまま走行を継続することも好ましくないため、異常が生じていることをユーザが認識できるようにすることが望まれている。

本発明の車両用放電装置は、異常が生じたときに車両が走行不能になることを抑制すると共に異常が生じていることをユーザに認識させることを主目的とする。

本発明の車両用放電装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の車両用放電装置は、
モータからの動力で走行する車両に搭載された電気回路内の平滑コンデンサを放電させるための車両用放電装置であって、
直列接続された２つのスイッチを有し、前記平滑コンデンサに並列に接続されると共に前記２つのスイッチの接続点が前記車両の車体に接続されたスイッチ回路と、
前記２つのスイッチのうちの少なくとも一方と前記車体との間の絶縁抵抗の低下を判定する絶縁状態判定手段と、
前記絶縁状態判定手段により前記２つのスイッチのうちの一方と前記車体との間の絶縁抵抗が低下していると判定されたときに、異常を報知する異常報知手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の車両用放電装置では、直列接続された２つのスイッチを有するスイッチ回路を平滑コンデンサに並列に接続すると共にスイッチ回路の２つのスイッチの接続点を車両の車体に接続する。２つのスイッチが共に正常であるときには、２つのスイッチを共にオフすることで車両を走行させることができ、２つのスイッチを共にオンすることで平滑コンデンサを放電させることができる。また、２つスイッチの一方がオン固定となる異常が生じたときには、他方のスイッチにより、車両が走行不能になることを抑制することができる。そして、２つのスイッチのうちの少なくとも一方と車体との絶縁抵抗の低下を判定する絶縁状態判定手段を設け、絶縁状態判定手段により２つのスイッチのうちの一方と車体との間の絶縁抵抗が低下していると判定されたときに、異常を報知する。これにより、ユーザに異常が生じていることを認識させることができる。この結果、異常が生じたときに車両が走行不能になることを抑制すると共にユーザに異常が生じていることを認識させることができる。

本発明の一実施例としての放電装置を備える駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。衝突センサ５４により車両の衝突が検出されたときの駆動装置２０の様子を説明する説明図である。走行中、すなわち、システムメインリレー４５がオンのときに、スイッチ回路４９のスイッチＳＷ２が何らかの異常でオン固定になったときの様子を示す説明図である。スイッチ回路４９が１個のスイッチＳＷを有する比較例の駆動装置においてスイッチＳＷがオン固定となる異常が生じたときの様子を示す説明図である。変形例の駆動装置１２０の構成の概略を示す構成図である。変形例の駆動装置２２０の構成の概略を示す構成図である。変形例の駆動装置３２０の構成の概略を示す構成図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての車両用放電装置を備える駆動装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の駆動装置２０は、電気自動車やハイブリッド自動車，燃料電池自動車などに搭載され、図示するように、例えば同期発電電動機として構成された走行用のモータ３２と、複数のスイッチング素子（トランジスタ）を有しモータ３２を駆動するためのインバータ３４と、例えばリチウムイオン二次電池として構成されたバッテリ３６と、インバータ３４が接続された電力ライン（以下、高圧側電力ラインという）４２とバッテリ３６が接続された電力ライン（以下、低圧側電力ラインという）４４とに接続されて高圧側電力ライン４２の電圧ＶＨを調節すると共に高圧側電力ライン４２と低圧側電力ライン４４との間で電力のやりとりを行なう昇圧コンバータ４０と、高圧側電力ライン４２に取り付けられてこの電力ラインの電圧を平滑する高圧側コンデンサ４６と、高圧側コンデンサ４６に並列に接続されたスイッチ回路４９と、低圧側電力ライン４４に設けられたシステムメインリレー４５と、低圧側電力ライン４４におけるシステムメインリレー４５より昇圧コンバータ４０側に取り付けられてこの電力ラインの電圧を平滑する低圧側コンデンサ４８と、スイッチ回路４９と車体との絶縁状態を検出する絶縁抵抗モニタ５２と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット５０と、を備える。なお、実施例の車両用放電装置としては、スイッチ回路４９と、絶縁抵抗モニタ５２と、電子制御ユニット５０とが該当する。

昇圧コンバータ４０は、２つのスイッチング素子としてのトランジスタＴ３１，Ｔ３２とトランジスタＴ３１，Ｔ３２に逆方向に並列接続された２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２とリアクトルＬとからなるコンバータとして構成されている。２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２は、高圧側電力ライン４２の正極母線と高圧側電力ライン４２および低圧側電力ライン４４の負極母線との間で直列配置（直列接続）されている。また、リアクトルＬは、トランジスタＴ３１，Ｔ３２の中間点（接続点）と低圧側電力ライン４４の正極母線とに接続されている。したがって、トランジスタＴ３１，Ｔ３２をオンオフ制御することにより、低圧側電力ライン４４の電力を昇圧して高圧側電力ライン４２に供給したり、高圧側電力ライン４２の電力を降圧して低圧側電力ライン４４に供給したりすることができる。

スイッチ回路４９は、直列接続されたスイッチＳＷ１，ＳＷ２を備え、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の接続点は車体に接続されており、スイッチＳＷ１のスイッチＳＷ２と接続されていないほうの一端は高圧側電力ライン４２の正極ラインに接続されており、スイッチＳＷ２のスイッチＳＷ１と接続されていないほうの一端は高圧側電力ライン４２の負極ラインに接続されている。

絶縁抵抗モニタ５２は、スイッチＳＷ２と高圧側電力ライン４２の負極ラインとの接続点Ｃｎに接続され、一定周波数のパルス（例えば、矩形波や正弦波，三角波など）を発生する発振器と、発振器に接続された検出抵抗と、スイッチＳＷ２と高圧側電力ライン４２の負極ラインとの接続点Ｃｎと検出抵抗とに接続されたコンデンサと、検出抵抗とコンデンサとの接続点に接続され高周波成分を除去するローパスフィルタとを備え、車体と接続点Ｃｎとの間の絶縁抵抗の抵抗値と検出抵抗の抵抗値との割合に応じた電圧波形を電子制御ユニット５０に出力する。

電子制御ユニット５０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭやデータを一時的に記憶するＲＡＭ，入出力ポートを備える。電子制御ユニット５０には、モータ３２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ３２ａからのモータ３２の回転子の回転位置θｍ，モータ３２とインバータ３４との接続ライン（電力ライン）に取り付けられた電流センサからの相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ，バッテリ３６の端子間に取り付けられた電圧センサからの端子間電圧Ｖｂ，バッテリ３６の出力端子に取り付けられた電流センサからの充放電電流Ｉｂ，バッテリ３６に取り付けられた温度センサからの電池温度Ｔｂ，高圧側コンデンサ４６の端子間に取り付けられた電圧センサ４６ａからの高圧側コンデンサ４６の電圧（高圧側電力ライン４２の電圧）ＶＨ，低圧側コンデンサ４８の端子間に取り付けられた電圧センサ４８ａからの低圧側コンデンサ４８の電圧（低圧側電力ライン４４の電圧）ＶＬ，車両の衝突を検出する衝突センサ５４からの信号，その他、車両の駆動制御に必要な信号、例えば、イグニッションスイッチ（スタートスイッチ）からのイグニッション信号，シフトレバーの操作位置を検出するシフトポジションセンサからのシフトポジション，アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサからのアクセル開度，ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサからのブレーキペダルポジション，車速センサからの車速などが入力ポートを介して入力されている。なお、衝突センサ５４は、車両の加速度が衝突判定用の閾値を超えたときなどに車両の衝突を判定する。電子制御ユニット５０からは、インバータ３４のスイッチング素子（トランジスタ）へのスイッチング制御信号や昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２へのスイッチング制御信号，システムメインリレー４５へのオンオフ信号，スイッチＳＷ１，ＳＷ２へのオンオフ信号，メーター内の警告ランプ５６を点灯するための点灯指示信号などが出力ポートを介して出力されている。なお、電子制御ユニット５０は、回転位置検出センサ３２ａにより検出されたモータ３２の回転子の回転位置θｍに基づいてモータ３２の回転子の電気角θｅや回転数Ｎｍを演算したり、電流センサにより検出されたバッテリ３６の充放電電流Ｉｂに基づいてそのときのバッテリ３６から放電可能な電力量の全容量に対する割合である蓄電割合ＳＯＣを演算したり、演算した蓄電割合ＳＯＣと温度センサからの電池温度Ｔｂとに基づいてバッテリ３６を充放電してもよい最大許容電力である入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔを演算したりしている。

こうして構成された実施例の駆動装置２０では、電子制御ユニット５０は、通常時は、システムメインリレー４５をオンとすると共にスイッチ回路４９のスイッチＳＷ１，ＳＷ２をオフした状態で、バッテリ３６の入出力制限Ｗｉｎ，Ｗｏｕｔの範囲内でモータ３２から出力すべきトルクとしてのトルク指令Ｔｍ＊を設定すると共に設定したトルク指令Ｔｍ＊でモータ３２が駆動されるようインバータ３４のスイッチング素子（トランジスタ）をスイッチング制御すると共に、高圧側電力ライン４２の電圧ＶＨがモータ３２のトルク指令Ｔｍ＊と回転数Ｎｍとに応じた目標電圧ＶＨｔａｇとなるよう昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２をスイッチング制御する。

また、電子制御ユニット５０では、絶縁抵抗モニタ５２の発振器からの電圧波形のピーク値と絶縁抵抗モニタ５２からの電圧波形のピーク値とを比較することにより接続点Ｃｎに対して印加する電圧と作用した電圧との電圧差（以下、接続点電圧差という）を計算し、接続点電圧差が所定の正常範囲内のときには電気系絶縁抵抗が正常であり低下していないと判定すると共に接続点電圧差が所定の正常範囲外のときには絶縁抵抗が異常であり低下していると判定する。

次に、こうして構成された実施例の駆動装置２０の動作、特に、衝突センサ５４により車両の衝突が検出されたときの動作と、スイッチ回路４９のスイッチＳＷ２に異常が生じたときの動作とについて説明する。最初に衝突センサ５４により車両の衝突が検出されたときの動作を説明する。

衝突センサ５４により車両の衝突が検出されると、電子制御ユニット５０は、システムメインリレー４５をオフとすると共にスイッチ回路４９のスイッチＳＷ１，ＳＷ２をオンし、昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２およびインバータ３４の各スイッチング素子（トランジスタ）をゲート遮断する（ゲートをオフ固定にする）処理を実行する。こうした処理により、図２の太線矢印に示すように、高圧側コンデンサ４６の両端がスイッチ回路４９により短絡して、高圧側コンデンサ４６が放電する。こうした放電により高圧側コンデンサ４６の電圧，つまり、高圧側電力ライン４２の電圧を比較的迅速に低下させることができる。

次に、スイッチ回路４９のスイッチＳＷ２に異常が生じたときの動作について説明する。図３は、走行中、すなわち、システムメインリレー４５がオンのときに、スイッチ回路４９のスイッチＳＷ２が何らかの異常でオン固定になったときの様子を示す説明図であり、図４は、スイッチ回路４９が１個のスイッチＳＷを有する比較例の駆動装置においてスイッチＳＷがオン固定となる異常が生じたときの様子を示す説明図である。なお、実施例では、スイッチ回路４９のスイッチＳＷ１は正常に機能し、走行中はオフされているものとする。比較例では、スイッチＳＷがオン固定になると高圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとが短絡してしまい、モータ３２を駆動できなくなり車両の走行を継続することが困難になる。実施例では、走行中にスイッチ回路４９のスイッチＳＷ２がオン固定になっても、スイッチＳＷ１が正常でオフしているから高圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとが短絡することがなく、モータ３２の駆動を継続して車両の走行を継続することができる。

また、スイッチＳＷ２がオン固定する異常が発生すると、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の接続点が車体に接続されているから、絶縁抵抗モニタ５２からの電圧波形のピーク値が変化して接続点電圧差が所定の正常範囲外となる。接続点電圧差が所定の正常範囲外となると、電子制御ユニット５０は、絶縁抵抗が低下していると判定し、警告ランプ５６に点灯指示信号を出力して、警告ランプ５６を点灯させる。これにより、ユーザにスイッチ回路４９に異常が生じたことを報知することができ、ユーザに何らかの対処、例えば、修理などを促すことができる。

以上説明した実施例の駆動装置２０によれば、スイッチ回路４９が高圧側コンデンサ４６に並列に接続されると共にスイッチＳＷ１，ＳＷ２の接続点が車両の車体に接続されているから、スイッチＳＷ２がオン固定となる異常が生じたときでも、車両が走行不能になることを抑制することができる。また、スイッチＳＷ２と車体との絶縁状態を判定する絶縁抵抗モニタ５２を設け、スイッチＳＷ２と車体との間の絶縁抵抗が低下していると判定されたときに、警告ランプ５６を点灯させることにより、ユーザに異常が生じていることを認識させることができる。

実施例の駆動装置２０では、絶縁抵抗モニタ５２をスイッチＳＷ２と高圧側電力ライン４２の負極ラインとの接続点Ｃｎに接続するものとしたが、絶縁抵抗モニタ５２をスイッチＳＷ１と高圧側電力ライン４２の正極ラインとの接続点に接続するものとしてもよい。こうすれば、スイッチＳＷ１と車体との間の絶縁抵抗の低下の有無を判定することができる。また、２つの絶縁抵抗モニタを用意し、スイッチＳＷ２と高圧側電力ライン４２の負極ラインとの接続点ＣｎおよびスイッチＳＷ１と高圧側電力ライン４２の正極ラインとの接続点の２カ所にそれぞれの絶縁抵抗モニタを接続するものとしてもよい。こうすれば、スイッチＳＷ１，ＳＷ２の双方と車体との間の絶縁抵抗の低下の有無を判定することができる。

実施例の駆動装置２０では、スイッチ回路４９を直列接続された２つのスイッチＳＷ１，ＳＷ２を備えているものとしたが、図５の変形例の駆動装置１２０に例示するように、スイッチＳＷ１と高圧側電力ライン４２の正極ラインとの間に抵抗Ｒ１００が接続されているものとしたり、図６の変形例の駆動装置２２０に例示するようにスイッチＳＷ２と高圧側電力ライン４２の負極ラインとの間に抵抗Ｒ２００が接続されているものとしたり、図７の変形例の駆動装置３２０に例示するように、スイッチＳＷ１，ＳＷ２との間に抵抗Ｒ３００が接続されているものとしてもよい。こうすれば、衝突時にスイッチＳＷ１，ＳＷ２がオンされたときでも、抵抗Ｒ１００，Ｒ２００，Ｒ３００により、スイッチＳＷ１，ＳＷ２や高圧側コンデンサ４６に流れる電流（短絡電流）をより低くすることができ、スイッチＳＷ１，ＳＷ２や高圧側コンデンサ４６の保護を図ることができる。

実施例では、昇圧コンバータ４０を備えるタイプの駆動装置に適用する場合を例示したが、昇圧コンバータ４０と低圧側コンデンサ４８とを備えずにバッテリからの電力を昇圧せずにインバータに供給してモータを駆動するタイプの駆動装置に適用するものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、高圧側コンデンサ４６が「平滑コンデンサ」に相当し、スイッチ回路４９が「スイッチ回路」に相当し、絶縁抵抗モニタ５２と電子制御ユニット５０とを組み合わせたものが「絶縁状態判定手段」に相当し、電子制御ユニット５０と警告ランプ５６とを組み合わせたものが「異常報知手段」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、車両用放電装置の製造産業などに利用可能である。

２０，１２０，２２０，３２０駆動装置、３２モータ、３２ａ回転位置検出センサ、３４インバータ、３６バッテリ、４０昇圧コンバータ、４２高圧側電力ライン、４４低圧側電力ライン、４５システムメインリレー、４６高圧側コンデンサ、４６ａ，４８ａ電圧センサ、４８低圧側コンデンサ、４９スイッチ回路、５０電子制御ユニット、５２絶縁抵抗モニタ、５４衝突センサ、５６警告ランプ、Ｄ３１，Ｄ３２ダイオード、Ｌリアクトル、Ｒ１００，Ｒ２００，Ｒ３００抵抗、ＳＷ，ＳＷ１，ＳＷ２スイッチ、Ｔ３１，Ｔ３２トランジスタ。

Claims

モータからの動力で走行する車両に搭載された電気回路内の平滑コンデンサを放電させるための車両用放電装置であって、
直列接続された２つのスイッチを有し、前記平滑コンデンサに並列に接続されると共に前記２つのスイッチの接続点が前記車両の車体に接続されたスイッチ回路と、
前記２つのスイッチのうちの少なくとも一方と前記車体との間の絶縁抵抗の低下を判定する絶縁状態判定手段と、
前記絶縁状態判定手段により前記２つのスイッチのうちの一方と前記車体との間の絶縁抵抗が低下していると判定されたときに、異常を報知する異常報知手段と、
を備える車両用放電装置。