JP2017055620A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】放電抵抗及びスイッチの電流容量を大容量化せずに大型化を抑制した電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換時に発生するリプルを低減する平滑コンデンサ２０と、平滑コンデンサ２０の両端電圧を測定する電圧モニタ部３０と、平滑コンデンサ２０に蓄えられたエネルギーを放電する放電抵抗で消費されるエネルギーを、平滑コンデンサ２０の両端電圧から求め、求めたエネルギーが閾値を越えた場合に放電抵抗による放電を停止する放電制御部４０とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電動車両に用いる電力変換装置に関するものである。

駆動源としてモータを備えた電動車両は、バッテリーの直流電力を、交流電力に変換する電力変換装置を備える。モータを駆動する電力変換装置は、スイッチングによって発生するリプルを低減するために比較的大きな容量の平滑コンデンサを具備している。

電動車両には、平滑コンデンサの高電圧による感電を防止するための放電装置が備えられている。この放電装置は、リレーの溶着故障などによりバッテリーから電力が継続して供給され続けた場合、その内部の放電抵抗が高温になり破損する可能性がある。

そこでリレーが故障して、バッテリーと放電抵抗が直接接続された場合に、放電抵抗並びに放電装置を保護する目的で、放電抵抗と直列に接続されるスイッチを周期的にオンオフする方法が知られている（特許文献１）。

特開２００６−４２４５９号公報

しかし、特許文献１の方法では、スイッチを周期的にオンオフするので、放電時間を短縮するには放電抵抗を小さくしなければならない。そのため、瞬時に流れる電流値はより大きくなり、放電抵抗とその放電抵抗に直列に接続されるスイッチとの電流容量を大容量化しなければならない課題がある。

本発明は、上記課題に鑑みて成されたものであり、その目的は、放電抵抗及びスイッチの電流容量を大容量化しなくてよい電力変換装置を提供することである。

本発明の一態様に係わる電力変換装置は、電源と、平滑コンデンサと、放電部と、電圧モニタ部と、放電制御部とを具備する。平滑コンデンサは、電源に並列に接続される。放電部は、直列に接続された放電抵抗とスイッチとを備え、平滑コンデンサに並列に接続される。電圧モニタ部は、平滑コンデンサの両端電圧を測定する。放電制御部は、平滑コンデンサのエネルギーを放電する放電抵抗で消費されるエネルギーを、平滑コンデンサの両端電圧から求め、そのエネルギーが閾値を越えた場合に放電抵抗による放電を停止する。

本発明によれば、放電抵抗で消費されるエネルギーが閾値を越えた場合に放電を停止するので、放電抵抗及びスイッチの電流容量を大容量化しなくてよい。

第１実施形態に係わる電力変換装置１の機能構成例を示す図である。 電力変換装置１の放電制御部４０の機能構成例を示す図である。 放電制御部４０の動作フローを示す図である。 第２実施形態に係わる放電制御部２４０の機能構成例を示す図である。 放電制御部２４０の放電部４１と第２電圧モニタ部６０の機能構成例を示す図である。 放電制御部２４０の放電抵抗診断部２４１の動作フローを示す図である。 放電制御部２４０の放電装置診断部２４２の動作フローを示す図である。 放電制御部２４０の動作フローを示す図である。 第３実施形態に係わる放電制御部３４０の機能構成例を示す図である。 放電制御部３４０の動作フローを示す図である。 第４実施形態に係わる放電制御部４４０の機能構成例を示す図である。 放電制御部４４０の動作フローを示す図である。 電力変換装置１の変形例の電力変換装置５の機能構成例を示す図である。 放電制御部４０の変形例を示す図である。 第２電圧モニタ部６０と放電部４１の変形例を示す図である。

図面を参照して、実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

（第１実施形態）
図１に、第１実施形態に係わる電力変換装置１の機能構成例を示す。本実施形態の電力変換装置１は、インバータ１０と、平滑コンデンサ２０と、電圧モニタ部３０と、放電制御部４０と、リレー５０とを具備する。

インバータ１０は、バッテリーの直流電力を交流電力に変換して、例えば三相永久磁石形同期電動機（以降、モータ）を駆動する。バッテリーは、モータを駆動する電源である。なお、バッテリーとモータの図示は省略している。交流電力への変換は、インバータ１０内のスイッチング素子をオンオフすることで行う。その動作は周知である。よって、その動作説明は省略する。

平滑コンデンサ２０は、バッテリーの正極と負極との間に接続され、スイッチング素子をオンオフする際に発生するリプルを低減させる。平滑コンデンサ２０は、リレー５０を介してバッテリーによって充電されており、その両端電圧はバッテリーの電圧と同じである。

電圧モニタ部３０は、平滑コンデンサ２０の両端電圧を測定する。測定結果は放電制御部４０に入力される。

放電制御部４０は、平滑コンデンサ２０に蓄えられたエネルギーを放電する放電抵抗で消費されるエネルギーを、平滑コンデンサ２０の両端電圧から求め、放電抵抗で消費されるエネルギーが閾値を越えた場合に放電抵抗による放電を停止する。放電の停止は、放電抵抗に直列に接続されるスイッチをオフにすることで行う。放電制御部４０の詳しい動作説明は後述する。

また、放電制御部４０は、外部から入力される放電指令によって、平滑コンデンサ２０に蓄えられたエネルギーを放電する。放電は、放電抵抗に直列に接続されるスイッチをオンにすることで行う。この場合、リレー５０は放電指令によって非導通（オフ）となる。放電指令は、例えば、電動車両を保守・サービスする際に、電動車両全体の動作を制御する車両コントローラ等から入力される。

以上説明したように電力変換装置１によれば、放電抵抗で消費されるエネルギーが閾値を越えた場合に、放電抵抗に直列に接続されるスイッチをオフにして放電を停止する。したがって、放電抵抗とスイッチとに、放電可能なエネルギーを越える放電電流が通電されることがないので、それぞれの電流容量を大容量化しなくてよい。

つまり、電力変換装置１によれば、放電抵抗及び放電抵抗に直列に接続されるスイッチを、平滑コンデンサ２０に蓄えられるエネルギーに合わせて設定することができる。したがって、放電抵抗及びスイッチを小型化でき、電力変換装置を小型にすることができる。

（放電制御部）
図２に、より具体的な放電制御部４０の機能構成例を示す。放電制御部４０は、放電部４１、エネルギー算出部４２、抵抗保護部４４、出力部４５、及び状態判定部４６を具備する。

放電部４１は、平滑コンデンサ２０に蓄えられたエネルギーを放電する放電抵抗４１０と、放電抵抗４１０に直列に接続されるスイッチ４１１とを備える。スイッチ４１１を、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）の例で示す。スイッチ４１１は、他の半導体素子であっても良いし、リレー等の機械的な接点を持つスイッチであっても良い。

エネルギー算出部４２は、放電抵抗４１０で消費されるエネルギーを、電圧モニタ部３０で測定した平滑コンデンサ２０の両端電圧から算出する。エネルギー算出部４２は、次式に則って放電抵抗４１０で消費されるエネルギー（消費電力）を算出する。

ここで、Ｐは放電抵抗４１０で消費されるエネルギー（消費電力）、Ｖａは平滑コンデンサ２０の両端電圧、Ｒは放電抵抗４１０の抵抗値である。放電抵抗４１０で消費されるエネルギーＰは、その放電抵抗４１０の特性に影響を及ぼさない範囲の上限値として予め実験等で求めておく。上限値を想定するため、放電抵抗４１０の抵抗値はバラつきの最小値を使用する。

このように、エネルギー算出部４２は、放電抵抗（Ｒ）４１０の抵抗値と平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａとに基づいて積分演算により、放電抵抗４１０で消費されるエネルギーを算出する。なお、抵抗値は既知であるので、Ｖａ/Ｒを計算しなくても例えば両端電圧Ｖａの変化からエネルギーを算出するようにしても良い。エネルギー算出部４２は、平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａから消費されるエネルギーを算出するので、放電抵抗４１０の特性に影響を及ぼさない範囲の上限値を正確に求めることができる。

閾値４３は、放電抵抗４１０で消費されるエネルギーの上限値を表す。つまり、閾値４３は、一回の放電において、放電抵抗４１０で消費されるエネルギーの最大値に相当する値である。閾値４３は、次式の関係が成り立つ値に設定する。

ここで、Ｐ_ｔｈは閾値４３、Ｃは平滑コンデンサ２０の容量、Ｖａは平滑コンデンサ２０の両端電圧である。抵抗保護部４４が誤検出をしないように、平滑コンデンサ２０の容量Ｃはバラつきの最大値、平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａは放電制御部４０が動作する最大電圧とする。

閾値４３（Ｐ_ｔｈ）は、平滑コンデンサ２０に蓄えられるエネルギー以上で、且つ、一回の放電において放電抵抗４１０で消費することが可能なエネルギーの最大値以下の範囲に設定する。このように閾値４３を設定することで、一度の放電で平滑コンデンサ２０に蓄えられたエネルギーを全て放電できる。よって、従来技術のようにスイッチ４１１をオンオフ制御する必要が無いので、スイッチ４１１の損失を増加させない。

抵抗保護部４４は、放電抵抗４１０で消費されるエネルギーが閾値４３以上となった場合にスイッチ４１１をオフにする遮断信号を出力する。閾値４３は、放電抵抗４１０の特性に影響を及ぼさない範囲の上限値であるので、放電抵抗４１０は、抵抗保護部４４によって保護される。

出力部４５は、放電指令が入力されるとスイッチ４１１をオンにする。また、抵抗保護部４４から遮断信号が入力されるとスイッチ４１１をオフにする。出力部４５は、スイッチ４１１がＩＧＢＴであるので、オンさせる場合は「１」（制御系の正電圧）、オフさせる場合は「０」（制御系の負電圧）を出力する。

閾値４３（Ｐ_ｔｈ）を、式（２）に示すように定義することで、平滑コンデンサ２０に蓄えられたエネルギーと同じエネルギーが、放電抵抗４１０で消費されることになる。したがって、例えばリレー５０が溶着故障してバッテリーから平滑コンデンサ２０に継続的に電力が供給されると、放電抵抗４１０で消費されるエネルギーは閾値４３を超えることになる。

放電抵抗４１０で消費されるエネルギーが閾値４３を超えると、スイッチ４１１がオフになる。よって、放電抵抗４１０において、その特性に影響を及ぼすような過大なエネルギーが消費されることがない。したがって、放電抵抗４１０とスイッチ４１１とが破損しない。

状態判定部４６は、スイッチ４１１のオン電圧が所定値を越えた場合にスイッチ異常信号を出力する。スイッチ４１１がＩＧＢＴの場合のオン電圧は、ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_ＣＥである。また、スイッチ４１１がリレーの場合は、導通している時のリレーの両端に生じる電圧降下のことである。

スイッチ４１１が正常であればそのコレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_ＣＥは十分に小さい（バッテリーの負極電圧に近い電圧）値を示す。ＩＧＢＴが半導通や遮断状態であると、コレクタ−エミッタ間電圧Ｖ_ＣＥは大きな値を示す。

オン電圧の所定値を、ＩＧＢＴのバラつきを考慮した正常なＶ_ＣＥの上限に設定することで、スイッチ４１１の異常を検出することができる。スイッチ４１１が、半導通や遮断状態の故障の場合、状態判定部４６はスイッチ４１１を遮断する第１スイッチ異常信号を出力する。

図３に、放電制御部４０の動作フローを示して更にその動作を説明する。車両コントローラ等から入力される放電指令によって、放電制御部４０は動作を開始する。先ず、エネルギー算出部４２は、電圧モニタ部３０が測定した平滑コンデンサ２０の両端電圧を取得する（ステップＳ１）。次に、エネルギー算出部４２は、平滑コンデンサ２０の両端電圧から放電抵抗４１０で消費されるエネルギーを算出する（ステップＳ２）。

抵抗保護部４４は、エネルギー算出部４２で算出した放電抵抗４１０で消費されるエネルギーが、閾値４３以上か否かを判定する（ステップＳ３）。閾値以上の場合は、異常状態と判定して出力部４５に遮断信号を出力する。遮断信号が入力された出力部４５は、スイッチ４１１をオフにして放電制御部４０を異常停止させる（ステップＳ３の異常）。

放電抵抗４１０で消費されるエネルギーが閾値４３未満の場合、抵抗保護部４４は遮断信号を出力しない。よって、出力部４５の出力は、スイッチ４１１をオンさせる「１」の状態を維持する（ステップＳ３の正常）。

状態判定部４６は、スイッチ４１１のオン電圧が所定値以内であるか否かを判定する（ステップＳ４）。スイッチ４１１のオン電圧が所定値以内でない場合、状態判定部４６はスイッチ４１１を故障と判定して、出力部４５に第１スイッチ異常信号を出力する。第１スイッチ異常信号が入力された出力部４５は、スイッチ４１１をオフにして放電制御部４０を異常停止させる（ステップＳ４の異常）。

スイッチ４１１のオン電圧が所定値以内で有る場合、状態判定部４６はスイッチ４１１が正常であると判定して、スイッチ４１１をオンする状態を維持する（ステップＳ４の正常）。スイッチ４１１をオンにする出力部４５の出力は「１」（制御系の正電圧）である。この状態は、平滑コンデンサ２０の両端電圧が、人体が感電しない例えば50Ｖ以下になるまで維持される（ステップＳ５のNO）。エネルギー算出部４２が、例えば50Ｖ以下の電圧を取得すると、出力部４５はスイッチ４１１をオフにして放電動作を完了する（ステップＳ５のYES）。

以上説明したように電力変換装置１によれば、放電抵抗４１０で消費されるエネルギーが閾値４３を越えた場合に、放電抵抗４１０による放電を停止する。したがって、放電抵抗４１０とスイッチ４１１の電流容量を、その閾値４３よりも大きくすれば、放電によって放電抵抗４１０とスイッチ４１１とが破損することがない。つまり、放電抵抗４１０とスイッチ４１１の電流容量を、平滑コンデンサ２０に蓄えられたエネルギーに合わせて設定することで、それぞれの電流容量を必要以上に大容量化しなくて良い。その結果、電力変換装置の大型化を抑制できる電力変換装置を提供することができる。

また、電力変換装置１によれば、閾値４３を、平滑コンデンサ２０に蓄えられるエネルギー以上で、且つ、一回の放電において放電抵抗４１０で消費することが可能なエネルギーの最大値以下の範囲に設定するので、一度のスイッチ４１１のオン動作によって放電を完了する。そのため、スイッチ４１１をオンオフ制御する際に生じる損失を発生させないので、スイッチ４１１を小型化できる。

（第２実施形態）
図４に、第２実施形態に係わる電力変換装置２の放電制御部２４０の機能構成例を示す。本実施形態の電力変換装置２は、放電制御部４０（図２）の代わりに、図４の放電制御部２４０を具備する点で異なる。なお、電力変換装置２の機能構成例の表記は省略する。

放電制御部２４０は、第２電圧モニタ部６０と、放電抵抗診断部２４１と、放電装置診断部２４２と、出力部２４５とを具備する点で放電制御部４０（図２）と異なる。放電制御部２４０は、放電抵抗４１０とスイッチ４１１の故障を検出できるようにしたものである。

第２電圧モニタ部６０は、バッテリーの電圧（正極-負極間）から放電抵抗４１０の両端電圧を減じた電圧を分圧する分圧回路である。図５に、第２電圧モニタ部６０の具体例を示す。図５に示す例は、４個のラダー抵抗６１，６２，６３，６４と最終分圧抵抗６５とで、バッテリーの電圧（正極-負極間）から放電抵抗４１０の両端電圧を減じた電圧を分圧する。

また、ラダー抵抗６１〜６４と最終分圧抵抗６５とは、同じ構成である。ただし、その抵抗値は両者間で異なっていてもよい。また、最終分圧抵抗６５もラダー抵抗と称してよいものであるが、第２電圧モニタ部６０の出力端子を構成することから最終分圧抵抗６５と称している。

ラダー抵抗６１の一端は、放電抵抗４１０とスイッチ４１１との接続点に接続され、ラダー抵抗６１の他端には、ラダー抵抗６２の一端が接続される。以降、ラダー抵抗６３とラダー抵抗６４とが接続され、ラダー抵抗６４の他端が最終分圧抵抗６５の一端と接続され、最終分圧抵抗６５の他端はバッテリーの負極に接続される。最終分圧抵抗６５の一端が、第２電圧モニタ部６０の出力端子である。

第２電圧モニタ部６０の出力端子は、放電抵抗診断部２４１と放電装置診断部２４２とに接続される。第２電圧モニタ部６０は、スイッチ４１１がオフにされた状態において、平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａを、放電抵抗４１０と第２電圧モニタ部６０とで分圧した第２電圧を出力する。

なお、各ラダー抵抗６１〜６４と最終分圧抵抗６５とは、それぞれが２個の抵抗の並列接続で構成される例を示している。ラダー抵抗６１は、抵抗６１ａと６１ｂとの並列接続である。他のラダー抵抗６２〜６４と最終分圧抵抗６５も同じである。並列接続にする目的は、並列に接続した何れか一方の抵抗が開放故障又は短絡故障したことを検出できるようにするためである。開放故障又は短絡故障の具体例は後述する。

放電抵抗４１０が、例えば短絡故障していると仮定すると、第２電圧は大きくなる。また、放電抵抗４１０の抵抗値が無限大（開放故障）であると、第２電圧はバッテリーの負極電圧に（小さく）なる。放電抵抗４１０が正常な状態であれば、第２電圧は所定の範囲の電圧値を示す。放電抵抗診断部２４１は、放電抵抗４１０の抵抗値と第２電圧モニタ部６０との抵抗値に差を持たせることで、開放故障、短絡故障などにおいて放電抵抗４１０が故障しているのか、第２電圧モニタ部６０が故障しているのかを診断することができる。

例えば、放電抵抗４１０の抵抗値を1ｋΩ、ラダー抵抗６１〜６４を構成する各抵抗６１ａ〜６４ｂの抵抗値を5ｋΩ、最終分圧抵抗６５を構成する抵抗６５ａ，６５ｂの抵抗値を0.2ｋΩと仮定する。そして、平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａを500Ｖと仮定する。

その仮定において、放電抵抗４１０が短絡故障した場合の第２電圧は5.0Ｖである。この場合の放電抵抗４１０の抵抗値は0Ω、第２電圧モニタ部６０の抵抗値は10.1ｋΩである。よって、第２電圧は、500÷10.1×0.1≒5.0Ｖである。

また、ラダー抵抗６１〜６４の何れか１個が短絡故障した場合の第２電圧は5.8Ｖである。この場合の放電抵抗４１０の抵抗値は1ｋΩ、第２電圧モニタ部６０の抵抗値は7.6ｋΩである。よって、第２電圧は、500÷8.6×0.1≒5.8Ｖである。

また、最終分圧抵抗６５が短絡故障した場合の第２電圧は0Ｖである。このように故障箇所によって第２電圧の電圧値が異なる。第２電圧の5.0Ｖと5.8Ｖの差（0.8Ｖ）は、放電抵抗４１０と、ラダー抵抗６１〜６４を構成する各抵抗６１ａ〜６４ｂとの抵抗値の差を大きくすると、大きくできる。

また、上記のように、第２電圧モニタ部６０が出力する第２電圧によって、各ラダー抵抗６１〜６４及び最終分圧抵抗６５の故障が、開放故障なのか短絡故障なのかを検出することができる。放電抵抗４１０、ラダー抵抗６１〜６４、及び最終分圧抵抗６５の抵抗値と平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａとは、上記の仮定とする。

その仮定において、ラダー抵抗６１〜６４の何れかの１個の抵抗が開放故障した場合の第２電圧は3.7Ｖであり、上記の短絡故障の場合の5.8Ｖと異なる。また、最終分圧抵抗６５が開放故障した場合の第２電圧は8.9Ｖである。このように、ラダー抵抗６１〜６４及び最終分圧抵抗６５を、抵抗の並列接続で構成することで、抵抗の開放故障と短絡故障とを検出することができる。

〔放電抵抗診断部〕
図６に示す放電抵抗診断部２４１の動作フローを参照してその動作を説明する。放電抵抗診断部２４１は、平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａと第２電圧とを用いて、放電抵抗４１０の正常/異常を診断する。

放電抵抗診断部２４１は、スイッチ４１１がオフ状態（ステップＳ２０のYes）において、平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａ（ステップＳ２１）と第２電圧（ステップＳ２２）とを取得する。そして、放電抵抗診断部２４１は、その２つの電圧の差分を求める。

例えば放電抵抗４１０が短絡故障している場合は、第２電圧の電圧値が大きくなるので、２つの電圧の差分は小さくなる。また、放電抵抗４１０が開放故障している場合は、第２電圧の電圧値が小さくなるので２つの電圧の差分は大きくなる。

放電抵抗診断部２４１は、その差分が所定の範囲を超える場合（ステップＳ２３のNo）に、放電抵抗４１０の異常と判定（ステップＳ２５）し、抵抗異常信号を出力する（ステップＳ２７）。抵抗異常信号は、出力部２４５に入力される。出力部２４５は、抵抗異常信号が入力されるとスイッチ４１１がオンになることを禁止する。

放電抵抗診断部２４１は、平滑コンデンサ２０の両端電圧と第２電圧との差分が、所定の範囲内の場合（ステップＳ２３のYes）に、放電抵抗４１０を正常と判定（ステップＳ２６）し、抵抗異常信号を出力しない（ステップＳ２７）。このように、放電抵抗診断部２４１は、放電抵抗４１０の故障を検出することができる。

また、放電抵抗診断部２４１は、他の電圧情報が入手可能な場合、その電圧情報と、平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａと、第２電圧とを比較することで、電圧モニタ部３０と第２電圧モニタ部６０のどちらが故障しているのかを判定することもできる。ここで他の電圧情報とは、他ユニットの電圧センサ等で検出した電圧情報のことである。

〔放電装置診断部〕
図７に示す放電装置診断部２４２の動作フローを参照してその動作を説明する。放電装置診断部２４２は、スイッチ４１１がオン状態における第２電圧の値が所定値以上の場合に第２スイッチ異常信号を出力する。

放電装置診断部２４２は、動作を開始すると、平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａ（ステップＳ２８）と第２電圧（ステップＳ２９）とを取得する。そして、第２電圧の値が、平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａよりも十分に小さいか否かを判定する。十分に小さくない場合（ステップＳ３０のNo）、放電装置診断部２４２はスイッチ４１１が故障と判定して第２スイッチ異常信号を出力する（ステップＳ３１）。第２スイッチ異常信号は、出力部２４５に入力される。出力部２４５は、第２スイッチ異常信号が入力されると、スイッチ４１１がオンになることを禁止する。

放電装置診断部２４２は、第２電圧の値が、平滑コンデンサ２０の両端電圧よりも十分に小さい場合（ステップＳ３０のYes）に、スイッチ４１１を正常と判定して第２スイッチ異常信号を出力しない（ステップＳ３２）。このように放電装置診断部２４２によって、スイッチ４１１の異常の有無を判定することができる。

なお、放電抵抗診断部２４１と放電装置診断部２４２の動作の順番は、どちらが先に動作しても構わない。放電抵抗診断部２４１と放電装置診断部２４２とによって放電制御部２４０の故障を診断することができる。放電抵抗４１０とスイッチ４１１の何れか一方に異常があることが検出された場合、放電制御部２４０は動作を停止する。

図８に、放電制御部２４０の動作フローを示す。放電制御部２４０は、平滑コンデンサ２０に蓄えられたエネルギーを放電する前に上記のステップＳ２０〜Ｓ３２の処理を行うことで、放電抵抗４１０とスイッチ４１１の故障を診断することができる。

ステップＳ２０〜Ｓ３２の故障診断で異常が検出されなかった場合（ステップＳ２０〜Ｓ３２の正常）、放電制御部２４０は、平滑コンデンサ２０に蓄えられたエネルギーを放電する動作を行う。その動作は、説明済みの上記の図３と同じである。同じステップ番号を表記することで、その説明は省略する。

以上説明したように電力変換装置２によれば、電力変換装置の大型化を抑制する効果に加えて、放電抵抗４１０及びスイッチ４１１の故障を検出することができる。抵抗異常信号、第２スイッチ異常信号、及び第２電圧の電圧値で示される故障情報は、電動車両のフェールセーフ設計に利用することができる。

（第３実施形態）
図９に、第３実施形態に係わる電力変換装置３の放電制御部３４０の機能構成例を示す。本実施形態の電力変換装置３は、電力変換装置２に対して、放電制御部３４０を具備する点で異なる。なお、電力変換装置３の機能構成例の表記は省略する。

放電制御部３４０は、閾値生成部３４３を具備する点で放電制御部２４０（図４）と異なる。放電制御部２４０は、閾値４３を生成するようにしたものである。

閾値生成部３４３は、スイッチ４１１がオフ状態における平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａが低い場合は閾値４３を小さく、その両端電圧Ｖａが高い場合は閾値４３を大きくするものである。閾値は、平滑コンデンサ２０に蓄えられたエネルギーを消費する必要から上記の式（２）に示す関係が成り立つ必要がある。

ここで、式（２）のＣは、平滑コンデンサ２０のバラツキを考慮した最大容量とする。そしてＶａは、スイッチ４１１がオフ状態の放電動作開始時の平滑コンデンサ２０の両端電圧である。

図１０に、放電制御部３４０の動作フローを示す。放電制御部３４０は、平滑コンデンサ２０の両端電圧を取得した後に、閾値生成部３４３が閾値４３を生成する点で、放電制御部２４０と異なる。閾値生成部３４３は、式（２）に基づいて放電指令が入力される度に閾値４３を生成する（ステップＳ３３）。その他の動作は、放電制御部２４０と同じである。同じステップ番号を表記することで、その説明は省略する。

以上説明したように電力変換装置３によれば、放電開始時の平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａに基づいて閾値４３を生成するので、放電によって放電抵抗４１０の特性を変化させない正確な閾値４３に基づいて放電抵抗４１０を保護することができる。

（第４実施形態）
図１１に、第４実施形態に係わる電力変換装置４の放電制御部４４０の機能構成例を示す。本実施形態の電力変換装置４は、電力変換装置３に対して、放電制御部４４０を具備する点で異なる。なお、電力変換装置３の機能構成例の表記は省略する。

放電制御部４４０は、温度検出部４００と、閾値生成部４０１とを具備する点で放電制御部３４０（図９）と異なる。放電制御部４４０は、放電抵抗４１０の温度に基づいて閾値４３を変化させるようにしたものである。

温度検出部４００は、放電抵抗４１０の温度を検出する。温度は、例えばサーミスタ等を用いた周知の方法で検出する。

閾値生成部４０１は、放電開始時の放電抵抗４１０の温度を取得して、その温度情報に基づいて閾値を生成するものである。閾値生成部４０１は、放電抵抗４１０の温度が低い時には閾値を大きく、温度が高い時には閾値を小さくする。閾値は、温度情報に対応させて放電抵抗４１０の特性に影響を及ぼさない値を、予め実験等でマップとして求めておく。

温度情報に対応する閾値を求める際の放電抵抗４１０の放熱条件は、実際の放熱条件と等しくする。又は、全く放熱しない最悪の放熱条件下で閾値を求めてもよい。

図１２に、放電制御部４４０の動作フローを示す。放電制御部４４０は、放電指令が入力されると、温度検出部４００が検出した温度情報を取得する（ステップＳ３４）。そして、取得した温度情報に対応する閾値をマップから求める（ステップＳ３５）。

温度情報にもとづいて閾値を生成した後の動作は、上記の実施例と同じである。同じステップ番号を表記することで、その説明は省略する。

以上説明したように電力変換装置４によれば、放電抵抗４１０の温度が低い時には閾値を大きく、その温度が高い時には閾値を小さくする。したがって、放電抵抗４１０の特性に影響を及ぼさない範囲で、平滑コンデンサ２０に蓄えられたエネルギーを放電することができ、放電抵抗４１０を確実に保護することができる。

以上説明したように、実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。

第１実施形態の電力変換装置１（図１）によれば、放電抵抗４１０とスイッチ４１１の電流容量を、平滑コンデンサ２０に蓄えられたエネルギーに合わせて設定できる。よって、放電抵抗４１０及びスイッチ４１１の電流容量を大容量化しなくて良いので、電力変換装置の大型化を抑制できる電力変換装置を提供することができる。

また、電力変換装置１は、一度のスイッチ４１１のオン動作によって放電を完了するので、スイッチ４１１をオンオフ制御する際に生じる損失を発生させない。よって、損失定格の小さな素子（スイッチ４１１）を使用できる効果も奏する。

第２実施形態の電力変換装置２（図４）によれば、放電抵抗４１０とスイッチ４１１の故障を検出することができる。その故障情報を、ドライバーや修理担当者に告知することで、平滑コンデンサ２０に充電された高電圧に感電する危険性を排除することができる。

第３実施形態の電力変換装置３（図９）によれば、閾値生成部３４３が、放電開始時に平滑コンデンサ２０の両端電圧Ｖａに基づいて閾値を設定するので、正確な閾値に基づいて放電抵抗４１０とスイッチ４１１とを確実に保護することができる。

第４実施形態の電力変換装置４（図１１）によれば、放電開始時の放電抵抗４１０の温度を検出し、その温度情報に基づいて閾値を設定する。よって、放電開始時の温度が低い時には大きなエネルギーを放電できる。また、温度が高い時は放電抵抗４１０の特性に影響を及ぼさない範囲の上限で放電できる。つまり、放電抵抗４１０とスイッチ４１１とを確実に保護することができる。

以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

例えば、第１実施形態の電力変換装置１の変形例として、図１３に示すようにＤＣ/ＤＣコンバータ７０を具備する電力変換装置５に対して、上記の実施例を適用することも可能である。このように本発明が適用できる電力変換はインバータに限られない。

また、図１４に示すように、放電抵抗６４１をバッテリーの負極側に、スイッチ６４２をバッテリーの正極側に配置してもよい。同様に第２電圧も、図１５に示すように、図５と逆の関係にしてバッテリーの負極側から見て電圧値が大きくなるようにしてもよい。また、放電抵抗４１０についても、第２電圧モニタ部６０のラダー抵抗６１〜６４と同様に抵抗の並列接続の構成にしてもよい。また、その並列接続の抵抗の数は、２個に限られない。

以上説明した本発明の実施例は、放電抵抗を備えた電力変換装置に広く適用することが可能である。

１，２，３，４，５ 電力変換装置
１０ インバータ
２０ 平滑コンデンサ
３０ 電圧モニタ部
４０，２４０，３４０，４４０ 放電制御部
４１ 放電部
４２ エネルギー算出部
４３ 閾値
４４ 抵抗保護部
４５，２４５ 出力部
４６ 状態判定部
５０ リレー
６０ 第２電圧モニタ部
６１，６２，６３，６４ ラダー抵抗
７０ ＤＣ/ＤＣコンバータ
２４１ 放電抵抗診断部
２４２ 放電装置診断部
３４３ 閾値生成部
４００ 温度検出部
４１０ 放電抵抗
４１１ スイッチ

Claims (10)

1. 電源に並列に接続される平滑コンデンサと、
   前記平滑コンデンサに並列に接続される放電部であって、直列に接続された放電抵抗とスイッチとを備えるものと、
   前記平滑コンデンサの両端電圧を測定する電圧モニタ部と、
   前記平滑コンデンサに蓄えられたエネルギーを放電する前記放電抵抗で消費されるエネルギーを、前記両端電圧から求め、前記消費されるエネルギーが閾値を越えた場合に前記スイッチをオフにして前記放電抵抗による放電を停止する放電制御部と
   を具備することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記閾値は、
   前記平滑コンデンサに蓄えられるエネルギー以上で、且つ、一回の放電において前記放電抵抗で消費することが可能なエネルギーの最大値以下の範囲に設定されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記放電制御部は、
   前記放電抵抗で消費されるエネルギーを前記平滑コンデンサの両端電圧から算出するエネルギー算出部と、
   前記放電抵抗で消費されるエネルギーが前記閾値を越えた場合に前記スイッチをオフにする遮断信号を出力する抵抗保護部と、
   前記遮断信号が入力されると前記スイッチをオフにする出力部と
   を具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記エネルギー算出部は、前記放電抵抗の抵抗値と前記両端電圧とに基づいて積分演算により前記放電抵抗で消費されるエネルギーを求めるものであることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記放電制御部は、
   前記スイッチのオン電圧が所定値を越えた場合に第１スイッチ異常信号を出力する状態判定部を具備し、
   前記出力部は、前記第１スイッチ異常信号及び前記遮断信号の何れかが入力されると前記スイッチをオフにすることを特徴とする請求項３又は４に記載の電力変換装置。
6. 前記放電制御部は、
   前記放電抵抗に接続され、前記電源の電圧から前記放電抵抗の両端電圧を減じた電圧を、分圧した第２電圧を出力する第２電圧モニタ部と、
   前記スイッチがオフ状態における前記平滑コンデンサの両端電圧と前記第２電圧との差分を求め、該差分が所定の範囲を超える場合に抵抗異常信号を出力する放電抵抗診断部と
   を具備し、
   前記出力部は、前記抵抗異常信号が入力されると前記スイッチがオンになることを禁止することを特徴とする請求項３乃至５の何れかに記載の電力変換装置。
7. 前記放電制御部は、
   前記スイッチがオン状態における前記第２電圧の値が所定値以上の場合に、前記スイッチの異常を表す第２スイッチ異常信号を出力する放電装置診断部を具備し、
   前記出力部は、前記第２スイッチ異常信号が入力されると前記スイッチがオンになることを禁止することを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記第２電圧を生成する前記第２電圧モニタ部のラダー抵抗は、抵抗の並列接続で構成されることを特徴とする請求項６又は７に記載の電力変換装置。
9. 前記放電制御部は、前記閾値を生成する閾値生成部を具備し、
   前記閾値生成部は、前記スイッチがオフ状態における前記平滑コンデンサの両端電圧が低いほど前記閾値を小さくすることを特徴とする請求項３乃至８の何れかに記載の電力変換装置。
10. 前記放電制御部は、前記閾値を生成する閾値生成部と、前記放電抵抗の温度を検出する温度検出部とを具備し、
    前記閾値生成部は、放電開始時の前記放電抵抗の温度が低いほど前記閾値を大きくすることを特徴とする請求項３乃至９の何れかに記載の電力変換装置。

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