JP2016119770A - 故障検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】リアクトル電流を検出する電流センサの故障を効果的に検出する。【解決手段】制御装置30は、直流電源B1と高電圧出力の電圧との比を予め定められた比に制御する。そして、その状態において電力変換器10−1におけるスイッチング素子S1,S2のスイッチングに応じて生じる電流センサA1で検出したリアクトル電流の変動幅が所定値より小さいことで電流センサA1の故障を検出する。【選択図】図1
Description
本発明は、直流電源のからの電力を電力変換する電力変換器におけるリアクトル電流を検出する電流センサの故障検出に関する。
電気自動車(EV)や、ハイブリッド車(HV)では、車載されたモータジェネレータ(MG)の駆動力を利用して走行する。ここで、高回転数、高出力のモータジェネレータ駆動においては、電源電圧の高い方が効率がよい。そこで、直流電源(バッテリ)の電圧を電力変換器(昇圧コンバータ)で昇圧し、得られた昇圧電圧(高電圧)をインバータを介しモータジェネレータに供給する場合が多い。また、適正な昇圧電圧は、モータジェネレータの出力トルクに応じて異なる。このため、昇圧コンバータは、昇圧電圧が適切なものとなるように昇圧コンバータがフィードバック制御される。この際に、昇圧電圧をより適切に制御するために、昇圧コンバータに含まれるリアクトルに流れるリアクトル電流を計測し、これが目標値になるようにフィードバック制御することが行われている(特許文献1参照)。
リアクトル電流のフィードバック制御が行われる場合には、計測したリアクトル電流が正しいことが要求される。そこで、リアクトル電流を検出する電流センサに故障が生じた場合に、これを確実に検出することが望まれる。
ここで、2つのバッテリを用意し、この2つのバッテリからの電力を昇圧コンバータで昇圧し、インバータに供給する高圧側の電圧を得るシステムが知られている(特許文献2)。このようなシステムでは、2つのバッテリ間での電力の輸送も行うことができ、多様な制御が可能となっている。
そして、このような2つのバッテリを用いるシステムにおいても、リアクトル電流についての電流センサにおける故障を適切に検出したいという要望がある。
なお、特許文献3には、バッテリからの電力をインバータを介しモータに供給する駆動システムにおいて、バッテリ電圧の変化が大きいにもかかわらず、電流センサにおいて検出したバッテリ電流の変動量が所定値未満であることによって、電流センサの検出値が一定値に固着する固着故障を検出することが示されている。
本発明は、リアクトル電流を検出する電流センサの故障をより確実に検出することを目的とする。
本発明は、直流電源と、前記直流電源に接続されるリアクトルと、前記リアクトルに接続されるスイッチング素子とを含み、前記スイッチング素子をスイッチングすることにより、前記直流電源からの低電圧電力を電力変換して高電圧出力として出力する電力変換器と、前記リアクトルに流れるリアクトル電流を検出する電流センサと、前記電流センサにより検出したリアクトル電流値に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングを制御して、前記電力変換器における電力変換を制御する制御装置と、を含み、前記制御装置は、前記直流電源と前記高電圧出力の電圧との比を予め定められた比に制御し、その状態において前記電流センサで検出した前記リアクトル電流の変動幅が所定値より小さいことで前記電流センサの故障を検出する。
さらに、他の直流電源と、この他の直流電源からの電力を電力変換して出力する他の電力変換器と、を有し、前記制御装置は、前記電力変換器および他の電力変換器を制御して、前記直流電源と他の直流電源の間で、電力をやり取りすることで、直流電源と高電圧出力の電圧との比を制御することが好適である。
また、前記制御装置は、前記予め定められた比に比較して、前記直流電源の電圧が大きいときに前記直流電源を放電し、前記直流電源の電圧が小さいときに前記直流電源を充電することで、前記直流電源と前記高電圧出力の電圧との比を予め定められた比に制御することが好適である。
また、前記制御装置は、前記直流電源の温度が所定値を超えている場合に、前記電流センサの故障検出を行うことが好適である。
リアクトル電流を検出する電流センサの検出値が一定値(ノイズによる変動はある)になる故障を効果的に検出できる。
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。
図1は、実施形態に係るハイブリッド車の駆動系を示す概略ブロック図である。第1の直流電源であるバッテリB1の直流出力(バッテリ電圧)VL1は、第1の電力変換器である昇圧コンバータ10−1によって昇圧される。また、第2の直流電源であるバッテリB2の直流出力(バッテリ電圧)VL2は、第2の電力変換器である昇圧コンバータ10−2によって昇圧される。
バッテリB1,B2としては、リチウムイオン電池などを採用できるが、コンデンサとしてもよい。コンデンサは高出力型でありこれを主電源として通常のモータジェネレータの駆動に使用し、バッテリを補助電源として利用することも好適である。
そして、昇圧コンバータ10−1,10−2の出力の正極側同士および陰極側同士が接続され、両者の出力がインバータINV1,INV2に供給される。
インバータINV1には発電用の第1モータジェネレータMG1、インバータINV2には駆動用の第2モータジェネレータMG2が接続されている。
なお、第1、第2モータジェネレータMG1およびMG2の出力軸は、遊星歯車機構などからなる動力変換部20に接続されており、この動力変換部20にはエンジンENGの出力軸も接続されている。そして、第2モータジェネレータMG2の出力軸の回転は駆動出力として車輪に伝達されるようになっている。なお、エンジンENGの駆動力も動力変換部20を介し車輪に伝達できる。
通常は、エンジンの出力により第1モータジェネレータMG1が発電し、第2モータジェネレータMG2またはエンジンENGの出力により車両が走行する。
制御部30は、アクセル踏み込み量、車速から決定される目標トルクなどに応じてインバータINV2を制御して第2モータジェネレータMG2の駆動を制御して車両の走行を制御する。また、エンジンENGを駆動して車両の走行を制御する。また、バッテリの充電状態(SOC)に応じて、エンジンENGを駆動すると共にインバータINV1を制御して、発電電力によりバッテリB1,B2の充電を制御する。なお、車両の減速の際には、インバータINV2を制御して、第2モータジェネレータMG2による回生制動を行い、得られた回生電力によりバッテリB1,B2を充電する。また、第1モータジェネレータMG1により回生制動を行ってもよい。
また、上述したようにバッテリB1,B2のいずれかを主電源とし、他方を副電源として利用することができる。例えば、バッテリB1を主電源として利用する場合、昇圧電圧VHが目標値になるように、昇圧コンバータ10−1を制御する。そして、バッテリB1の電圧が所望の値(範囲)になるように、昇圧コンバータ10−2を制御する。これによって、昇圧コンバータ10−2は、間欠的に動作すればよいことになる。また、バッテリB2からの電荷の輸送量は大きく変化しなくてよく、バッテリB2の出力(能力)は比較的小さくてもよくなる。
ここで、バッテリB1,B2には、コンデンサCL1,CL2がそれぞれ並列接続されている。また、このコンデンサCL1,CL2の電圧(バッテリ電圧VL1,VL2)を計測する電圧センサV1,V2が設けられている。
昇圧コンバータ10−1,10−2の共通の出力側にはコンデンサCHが設けられ、このコンデンサCHの電圧(昇圧電圧VH)が、インバータINV1,INV2の入力電圧となっている。また、電圧センサV3が昇圧電圧VHを計測する。
昇圧コンバータ10−1,10−2は、同様の構成を有しており、昇圧コンバータ10−2の符号を()書きとして、以下に説明する。昇圧コンバータ10−1(10−2)は、直列接続された2つのスイッチング素子S1,S2(S3,S4)と、スイッチング素子S1,S2(S3,S4)の中間点に接続された1つのリアクトルL1(L2)から構成されている。各スイッチング素子S1,S2(S3,S4)は、IGBTなどのトランジスタと、このトランジスタの逆方向電流を流すダイオードD1〜D4の並列接続からなっている。
バッテリB1(B2)の正極にリアクトルL1(L2)の一端が接続され、リアクトルL1(L2)の他端がスイッチング素子S1,S2(S3,S4)の中間点に接続されている。スイッチング素子S1(S3)は、トランジスタのコレクタが第1および第2インバータINV1,INV2の正極母線に接続され、エミッタがスイッチング素子S2(S4)のトランジスタのコレクタに接続されている。スイッチング素子S2(S4)のトランジスタのエミッタは、バッテリB1(B2)の負極および第1および第2インバータINV1,INV2の負極母線に接続されている。
また、リアクトルL1(L2)に流れるリアクトル電流IL1(IL2)を計測する電流センサA1(A2)が設けられている。そこで、昇圧前電圧センサV1,V2、電圧センサV3、電流センサA1(A2)で検出したバッテリ電圧VL1(VL2)、昇圧電圧VH、リアクトル電流IL1(IL2)が制御部30に供給される。
さらに、バッテリB1の温度TB1を検出する温度センサT1、バッテリB2の温度TB2を検出する温度センサT2が設けられており、バッテリ温度TB1,TB2が制御部30に供給される。
このように、バッテリB1、昇圧コンバータ10−1からなる電源回路と、バッテリB2、昇圧コンバータ10−2からなる電源回路は、基本的に同様の構成であり、並列した回路構成となっている。
なお、主電源となるバッテリ(バッテリB1,B2の一方)によってのみ昇圧電圧VHを出力し、副電源となるバッテリ(バッテリB1,B2の他方)は、主電源と電荷のやり取りを行うだけとしてもよい。
制御部30は、基本的な機能として、目標トルクが駆動出力として出力され、また必要な発電電力が得られるように第1および第2インバータINV1,INV2およびエンジンENGを制御する。
そして、制御部30は、昇圧コンバータ10−1,10−2のスイッチング素子S1〜S4のスイッチングを制御して、昇圧電圧VHが目標値になるように制御する。この制御は、基本的に電圧センサV3で検出した昇圧電圧VHが目標値に一致するようにフィードバック制御することで行われる。一方、昇圧電圧VHは、第1および第2インバータINV1,INV2に流れる電流量と、上述したリアクトル電流IL1,IL2から決定できる。そこで、制御部30は、昇圧電圧VHを目標値にする際に、そのために必要なリアクトル電流IL1,IL2を計算し、このリアクトル電流IL1,IL2が目標値になるように制御する。
ここで、電流センサA1,A2が故障(検出値が一定になってしまう固着故障)すると、この出力は、ノイズなどの影響で若干振動するがほぼ一定値になる。このような固着故障が発生すると、リアクトル電流IL1,IL2による誤ったフィードバック制御によって、昇圧電圧VHが振動することになる。さらに、誤った制御により、リアクトル電流IL1,IL2も変動し、バッテリB1,B2の電流も大きく変動する。従って、バッテリB1,B2が発熱し、バッテリB1,B2の劣化が進む。
本実施形態では、この電流センサA1,A2の固着故障を効果的に検知する構成を有している。すなわち、リアクトル電流IL1,IL2の変動を大きな状態に制御し、この状態での電流センサA1,A2の出力(検出値)の変動が所定より小さいことで電流センサA1,A2の固着故障を検出する。
<リアクトル電流の検出>
本実施形態では、図1に示すように、バッテリB1,B2を有しており、これらの間で、電力のやり取り(電荷の輸送)が可能である。例えば、昇圧コンバータ10−1を昇圧モードとし高圧側に電荷を輸送し、昇圧コンバータ10−2を降圧モードとすれば、バッテリB1からの電荷をバッテリB2へ輸送することができる。また、昇圧コンバータ10−1を降圧モード、昇圧コンバータ10−2を昇圧モードにすれば、バッテリB2からバッテリB1へ電荷を輸送することができる。
本実施形態では、図1に示すように、バッテリB1,B2を有しており、これらの間で、電力のやり取り(電荷の輸送)が可能である。例えば、昇圧コンバータ10−1を昇圧モードとし高圧側に電荷を輸送し、昇圧コンバータ10−2を降圧モードとすれば、バッテリB1からの電荷をバッテリB2へ輸送することができる。また、昇圧コンバータ10−1を降圧モード、昇圧コンバータ10−2を昇圧モードにすれば、バッテリB2からバッテリB1へ電荷を輸送することができる。
なお、上述したように、2つの直流電源が存在し、これらの間で電荷の輸送が可能であれば、一方の主電源のみを利用して、昇圧電圧VHを得る構成とし、リアクトル電流によるフィードバック制御は、この主電源のみについて行ってもよい。この場合、リアクトル電流の検出する電流センサも1つであり、その電流センサの故障を検出すればよい。
ここで、図2には、昇圧コンバータ10−1,10−2におけるリアクトル電流IL1,IL2の変化状態を示す。図においては、リアクトル電流IL1,IL2についてIL、リアクトル電流のIL1,IL2の変動幅をΔIL(ΔIL1,ΔIL2)、バッテリ電圧VL1,VL2をVLで示している。
まず、昇圧コンバータ10−1を主電源として利用して、昇圧電圧VHを得ている状態で、電流センサA1の故障を検出する場合について説明する。スイッチング素子S1,S2をPWM制御し昇圧動作を制御する。スイッチング素子S1,S2を交互にオンし、昇圧する場合を考える。ここで、上側のスイッチング素子S1(S3)がオンの割合(デューティー比)を「duty」とする。なお、ここでは、リアクトルL1のリアクタンスをL、リアクトル電流をIL、バッテリB1の電圧をVLと表記する。
電流センサA1によって検出されるリアクトル電流は図2に示すとおりであり、下側スイッチング素子S2がオンの場合には、リアクトル電流ILは、傾きVL/Lで上昇する。一方、リアクトル電流ILは、傾き(VL−VH)/Lで下降する。すなわち、PWMのキャリア周期をTとすれば、T×(1−duty)の期間がスイッチング素子S2(S4)がオンの期間であり、T×dutyの期間がスイッチング素子S1(S3)がオンの期間である。
従って、リアクトル電流ILの変動幅(リプル幅)ΔILは、次のように表される。
ΔIL=VL/L×T×(1−duty)
ΔIL=VL/L×T×(1−duty)
これを変形すると、次のようになる。
ΔIL=VL/L×T×(1−VL/VH)
=−(T/(L*VH))*(VL−(VH/2))2+(T*VH)/4L
ΔIL=VL/L×T×(1−VL/VH)
=−(T/(L*VH))*(VL−(VH/2))2+(T*VH)/4L
上記式に従えば、右辺第1項はマイナスの値であり、従ってこれが0になる、VL=(VH/2)の場合に、ΔILが最大になる。
そこで、本実施形態では、バッテリB1,B2の内の検査対象とする方のバッテリ電圧VLを昇圧電圧VHの1/2の電圧VL=(VH/2)に設定する。
車両は走行しており、昇圧電圧VHは、目標値に制御されている。その状態で、昇圧コンバータ10−1,10−2を制御して、バッテリB1,B2間で電荷を輸送し、検査対象となるバッテリBの電圧VLをVH/2に制御する。
そして、スイッチング素子S1,S2のスイッチングタイミングに合わせ、図2における丸印で示す、リアクトル電流ILの上端および下端において、電流センサA1の検出値をサンプリングし、リプル幅ΔILを検出する。
電流センサA1が正常であれば、図2のようなリアクトル電流ILの変化が電流センサA1において得られ、これに応じたリプル幅ΔILが得られる。
一方、検査対象となる電流センサA1が固着故障した場合には、電流センサA1の出力は基本的に一定値であり、ノイズにより変動するだけである。従って、この場合の電流センサA1の出力(リアクトル電流IL)は図において細線で示したように、ノイズによる上下だけであり、リプル幅ΔILが小さくなる。
実際のリアクトル電流ILのリプル幅ΔILが小さいと、ノイズの影響によるリプル幅との差が小さく検出が不可能になる場合もある。しかし、本実施形態では、電圧VLを昇圧電圧VHの1/2に設定することで、リプル幅ΔILを最大にしている。そこで、予想されるリアクトル電流のノイズによるリプル幅ΔIL以上、好ましくはこれに対し数10%の余裕をみた値を閾値とし、電流センサA1の出力から得たリプル幅ΔILが閾値以下であることで電流センサA1の固着故障を効果的に検出することが可能となる。
ここで、VL=200V,VH=400V等という値は、一般的な値であり、昇圧率を2倍とすることはそれほど問題とはならない。そこで、昇圧コンバータ10−1,10−2のいずれかにより検査対象とする電流センサA1,A2に対応するバッテリB1,B2のいずれかについて、高圧側との電力のやり取り(昇圧または降圧)を行い、VL/VH=1/2に設定することも可能である。しかしながら、実際の走行においては、昇圧電圧VHは、走行状態に合わせて設定される。そこで、本実施形態では、バッテリB1,B2間で電力を輸送することで、対象となるバッテリ電圧VLを所定値に制御する。
図3には、昇圧コンバータ10−1を動作させている状態で、電流センサA1の固着故障を検出する場合のフローチャートが示されている。なお、電流センサA2の固着故障を検出する場合にも、同様の処理を行えばよい。
まず、検出タイミングか否かを判定する(ST11)。この検出タイミングは、任意であるが、例えば車両の始動時、走行終了時、その後走行時において、数分、数時間おきなど、所定のタイミングとすることができる。
ST11において、YESの場合には、電圧VL1=VH/2であるかを判定する(ST12)。この判定でNOであれば、VL1>VH/2であるかを判定する(ST13)。
ST13において、YESであれば、VL1が高すぎる。そこで、バッテリB1を放電する必要があり、バッテリB1の電荷をバッテリB2に輸送する(ST14)。これは、昇圧コンバータ10−1,10−2による電荷の移動によって行う。
一方、ST13においてNOであれば、VL1が低すぎる。そこで、バッテリB1を充電する必要があり、バッテリB2の電荷をバッテリB1に輸送する(ST15)。これも、昇圧コンバータ10−1,10−2による電荷の移動によって行う。
ST14,S15の処理後、ST12に戻る。そして、ST12において、YESであればST16に移行する。なお、ST12における判定は、VL1がVH/2と見なしうる範囲にあればよく、完全な同一を意味しているわけではない。すなわち、ほぼ一致していればよく、10%や、5%程度の範囲は許容する。
ST12においてYESの場合には、検査対象となる電流センサA1の出力であるリアクトル電流IL1を取得する(ST16)。そして、取得したリアクトル電流のリプル幅ΔIL1が閾値以下かを判定する(ST17)。この閾値は上述したように、ノイズの大きさに応じて設定する。
ST17の判定において、NOの場合には、電流センサA1の検出値には問題がないため、正常と判定し(ST18)処理を終了する。
一方、ST17の判定において、YESの場合には、電流センサA1の検出値には問題がある。このため、電流センサA1について固着故障と判定する(ST19)。
電流センサA2についても同様に検出が行え、本実施形態によれば、電流センサA1,A2について、固着故障を検出する際に、バッテリ電圧VLと昇圧電圧VHの比を所定値(VL=VH/2)に制御する。従って、リアクトル電流のリプル幅を大きくした状態で、電流センサA1,A2のリプル幅を評価することでき、従って正しい固着故障(異常)判定が行える。
<他の実施例>
図4には、他の実施形態のフローチャートが示されている。この例では、検出タイミングの判定(ST11)の代わりにバッテリBの温度についての判定(ST21,ST22)を採用している。
図4には、他の実施形態のフローチャートが示されている。この例では、検出タイミングの判定(ST11)の代わりにバッテリBの温度についての判定(ST21,ST22)を採用している。
すなわち、検査対象となる電流センサA(この例では電流センサA1)に対応するバッテリB1についての検出温度TBについて所定の閾値1と比較する(ST21)。この閾値は、対象とするバッテリB1の温度がこれ以下が望ましい温度であり、例えば、40°C程度に設定することができる。
なお、バッテリB1,B2の両方のバッテリ温度TB1,TB2を閾値1と比較し、バッテリ温度が閾値1を超えているバッテリB1,B2に接続されている電流センサA1,A2を検査対象として決定することも好適である。
ST21の判定でNOの場合には、バッテリ温度が十分に低いため、検出不要と判断し、処理を終了する。
ST21の判定でYESの場合には、次に、バッテリ温度TBを、閾値1よりもより高温である閾値2と比較する(ST22)。閾値2は、例えば50°C程度に設定される。
そして、ST22の判定において、YESの場合にはST12に移行し、VL1=VH/2となるように、バッテリB1,B2間で電荷を輸送する(ST13〜ST15)。そして、その状態で、ΔILの大きさに基づき電流センサA1の固着故障判定を行う(ST16〜ST19)。
一方、ST22の判定において、NOの場合には電荷の輸送は行わず、そのままΔILの大きさに基づき電流センサA1の固着故障判定を行う(ST16〜ST19)。これによって、簡易な処理により、電流センサA1の固着故障判定が行える。
<実施形態の効果>
本実施形態によれば、2つのバッテリB1,B2間で電荷の輸送を行い、バッテリ電圧VL1,VL2の一方(検査対象の電流センサに対応するバッテリ)を調整するので、電流リプルが大きい状態での異常(固着故障)検出を行うことができる。従って、電流センサについて、精度の高い異常検出が行える。
本実施形態によれば、2つのバッテリB1,B2間で電荷の輸送を行い、バッテリ電圧VL1,VL2の一方(検査対象の電流センサに対応するバッテリ)を調整するので、電流リプルが大きい状態での異常(固着故障)検出を行うことができる。従って、電流センサについて、精度の高い異常検出が行える。
また、バッテリ温度が所定以上の場合に、異常検出を行うことで必要なタイミングで電流センサの異常検出が行える。
10 昇圧コンバータ、20 動力変換部、30 制御部、V1,V2,V3 電圧センサ、A1,A2 電流センサ、B1,B2 バッテリ、CL1,CL2,CH コンデンサ、ENG エンジン、INV1,INV2 インバータ、L1,L2 リアクトル、MG1,MG2 モータジェネレータ、S1〜S4 スイッチング素子。
Claims (4)
- 直流電源と、
前記直流電源に接続されるリアクトルと、前記リアクトルに接続されるスイッチング素子とを含み、 前記スイッチング素子をスイッチングすることにより、前記直流電源からの低電圧電力を電力変換して高電圧出力として出力する電力変換器と、
前記リアクトルに流れるリアクトル電流を検出する電流センサと、
前記電流センサにより検出したリアクトル電流値に基づいて、前記スイッチング素子のスイッチングを制御して、前記電力変換器における電力変換を制御する制御装置と、
を含み、
前記制御装置は、
前記直流電源と前記高電圧出力の電圧との比を予め定められた比に制御し、
その状態において 前記電流センサで検出した前記リアクトル電流の変動幅が所定値より小さいことで前記電流センサの故障を検出する、
故障検出装置。 - 請求項1に記載の故障検出装置において、
さらに、
他の直流電源と、
この他の直流電源からの電力を電力変換して出力する他の電力変換器と、
を有し、
前記制御装置は、
前記電力変換器および他の電力変換器を制御して、前記直流電源と他の直流電源の間で、電力をやり取りすることで、直流電源と高電圧出力の電圧との比を制御する、
故障検出装置。 - 請求項2に記載の故障検出装置において、
前記制御装置は、
前記予め定められた比に比較して、前記直流電源の電圧が大きいときに前記直流電源を放電し、前記直流電源の電圧が小さいときに前記直流電源を充電することで、前記直流電源と前記高電圧出力の電圧との比を予め定められた比に制御する、
故障検出装置。 - 請求項1〜3のいずれか1つに記載の故障検出装置において、
前記制御装置は、
前記直流電源の温度が所定値を超えている場合に、前記電流センサの故障検出を行う、
故障検出装置。
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- 2014-12-19 JP JP2014257808A patent/JP2016119770A/ja active Pending
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