JP2019009894A - 検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】迅速、且つ、簡便に、三相モータとインバータとの接続を開放可能にするスイッチが異常であるか否かを検出することが可能な検出装置を提供する。【解決手段】検出装置１は、第１の電源ライン２と、三相モータＭが有する３つの端子のうちのいずれか１つの端子との間に設けられたスイッチ判定用抵抗器１１と、３つのスイッチ６の夫々が有する端子のうち、インバータ４と接続される端子の電圧を検出する検出部１２と、３つのスイッチ６が開放状態である場合の前記端子の電圧が予め記憶され、当該予め記憶された端子電圧と、３つのスイッチ６が開放状態となるように制御された場合の検出部１２の検出結果とに基づいて３つのスイッチ６のうち、短絡状態となっているスイッチ６を判定する判定部１３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、三相モータと、当該三相モータを駆動し且つ第１の電源ラインと当該第１の電源ラインの電位よりも低い電位に接続される第２の電源ラインとの間で直列に接続されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを有するアーム部を３組備えたインバータとを接続する３つのバスバーの夫々に直列に挿入され、三相モータとインバータとの接続を開放可能にするスイッチが短絡状態となっているか否かを検出する検出装置に関する。

従来、三相モータを駆動する際にインバータが利用されてきた。一方、車両に備えられるシステムにあっては、性質上、システム毎にインバータと三相モータとを２つずつ備えた冗長構成（２系統構成）とすることがある。このようなシステムでは、通常、２系統の双方から要求出力（例えば三相モータの出力トルク等）の５０％ずつを出力するように制御され、２系統のうちの一方に異常が確認された場合には他方（異常でない側の系統）が要求出力の１００％の出力を行うように制御される。

上記のように異常でない側の１系統で要求出力の１００％の出力を行うように制御された際、異常が確認された側の三相モータに電流が流れる経路が存在すると、出力を行っている三相モータにとって想定外の負荷となり、システムの機能を維持する上で余分なエネルギーが必要となる。そこで、このような２系統構成では、三相モータとインバータとの接続を開放可能にするスイッチが、三相モータとインバータとを接続する３つのバスバーの夫々に設けられ、異常が確認された場合には直ちに当該異常が確認された側の三相モータとインバータとの接続を開放状態にして電流経路を遮断する回路構成とされている。

しかしながら、当該スイッチが、開放状態となるように制御されたにも拘らず、短絡状態で故障していると、インバータから三相モータへの電流経路が存在することになり、異常が確認されていない側の三相モータから異常が確認された側の三相モータを電気的に分離できなくなる。このため、当該スイッチの故障を事前（例えば車両の運転開始時等）に診断（検出）することができる装置が望まれる。このようなスイッチの故障を検出できる技術として、例えば下記に出典を示す特許文献１に記載のものがある。

特許文献１には、モータ駆動回路（本願「インバータ」に相当）を備えたモータを制御するモータの制御装置が記載されている。このモータの制御装置は、モータ駆動回路とモータとを接続する３つのバスバーの夫々にリレー（本願「スイッチ」に相当）を備えて構成される。

特開２００９−５５６５７号公報

特許文献１に記載の技術では、リレーが異常であるか否かを検出する際には、３つのリレーを順次駆動し、各相の端子電圧が所定値に達しているか否かに基づき行う必要がある。このため、迅速、且つ、簡便にリレーが異常であるか否かを検出することができない。

そこで、迅速、且つ、簡便に、三相モータとインバータとの接続を開放可能にするスイッチが異常であるか否かを検出することが可能な検出装置が求められる。

本発明に係る検出装置の特徴構成は、三相モータと、前記三相モータを駆動し且つ第１の電源ラインと前記第１の電源ラインの電位よりも低い電位に接続される第２の電源ラインとの間で直列に接続されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを有するアーム部を３組備えたインバータとを接続する３つのバスバーの夫々に直列に挿入され、前記三相モータと前記インバータとの接続を開放可能にするスイッチが短絡状態となっているか否かを検出する検出装置であって、前記第１の電源ラインと、前記三相モータが有する３つの端子のうちの少なくともいずれか１つの端子との間に設けられたスイッチ判定用抵抗器と、３つの前記スイッチの夫々が有する端子のうち、前記インバータと接続される端子の電圧を検出する検出部と、前記３つのスイッチが開放状態である場合の前記端子の電圧が予め記憶され、前記予め記憶された端子電圧と、前記３つのスイッチが開放状態となるように制御された場合の前記検出部の検出結果とに基づいて前記３つのスイッチのうち、短絡状態となっているスイッチを判定する判定部と、を備えている点にある。

このような特徴構成とすれば、三相モータとインバータとの接続を開放可能にするスイッチを開放状態にした際に、予め記憶された端子電圧と検出部の検出結果との差異が所定の範囲内におさまっているか否かによりスイッチの短絡故障を検出することが可能となる。したがって、本特徴構成によれば、迅速、且つ、簡便に、スイッチが異常であるか否かを検出することができる。

また、前記第１の電源ラインと、前記３つのスイッチの夫々が有する端子のうち、前記インバータと接続される端子の夫々との間にインバータ判定用抵抗器を更に備えると好適である。

このような構成とすれば、インバータが備える全てのハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子を開放状態にした際に、予め記憶された端子電圧と検出部の検出結果との差異が所定の範囲内におさまっているか否かによりハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子の短絡故障を検出することが可能となる。

また、前記予め記憶された前記端子電圧が、三相の各相毎に互いに異なる電圧値に設定されていると好適である。

このような構成とすれば、スイッチを短絡状態に制御した際の検出部の検出結果に基づき、三相モータとバスバーとの接続が適切に行われているか否かや、三相モータ内で断線しているか否かを容易に検出することが可能となる。

第１の実施形態に係る検出装置の構成を示す回路図である。 第２の実施形態に係る検出装置の構成を示す回路図である。

１．第１の実施形態
本発明に係る検出装置は、三相モータとインバータとを接続する３つのバスバーの夫々に直列に挿入され、三相モータとインバータとの接続を開放可能にするスイッチが短絡状態となっているか否かを検出する機能を備えている。

図１は本実施形態に係る検出装置１の構成を示す回路図である。図１に示されるように、本実施形態の検出装置１は、スイッチ判定用抵抗器１１、検出部１２、判定部１３を備えて構成される。検出装置１は、三相モータＭとインバータ４とを接続する３つのバスバー５の夫々に直列に挿入され、三相モータＭとインバータ４との接続を開放可能にするスイッチ６が短絡状態となっているか否かを検出する。本実施形態では、図１においてスター結線の三相モータＭを示しているが、これは単なる例示であり、デルタ結線の三相モータＭであっても良い。

インバータ４は、三相モータＭを駆動し且つ第１の電源ライン２と当該第１の電源ライン２の電位よりも低い電位に接続される第２の電源ライン３との間で直列に接続されたハイサイドスイッチング素子ＱＨとローサイドスイッチング素子ＱＬとを有するアーム部Ａを３組備えている。第１の電源ライン２とは電源Ｖに接続されるケーブルである。第１の電源ライン２の電位よりも低い電位に接続される第２の電源ライン３とは、電源Ｖの出力電圧よりも低い電位が印加されたケーブルであり、本実施形態では接地されたケーブルが相当する。

インバータ４は、３組のアーム部Ａを備え、各アーム部Ａには、ハイサイドスイッチング素子ＱＨとローサイドスイッチング素子ＱＬとが１つずつ直列に接続して設けられる。本実施形態では、ハイサイドスイッチング素子ＱＨとローサイドスイッチング素子ＱＬは、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）が用いられる。各アーム部Ａのハイサイドスイッチング素子ＱＨのドレーン端子は第１の電源ライン２に接続され、ハイサイドスイッチング素子ＱＨのソース端子とローサイドスイッチング素子ＱＬのドレーン端子とが接続される。また、各アーム部Ａのローサイドスイッチング素子ＱＬのソース端子は第２の電源ライン３に接続される。ハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬの夫々のゲート端子は、ドライバ８に接続される。

ドライバ８は、後述する通電制御部１６とインバータ４との間に設けられ、通電制御部１６により生成されたＰＷＭ信号が入力される。ドライバ８は、入力されたＰＷＭ信号のドライブ能力を向上し、インバータ４に出力する。通電制御部１６は、ＰＷＭ信号を生成し、インバータ４をＰＷＭ制御する。ＰＷＭ信号によるＰＷＭ制御は、公知であるので説明は省略する。

各アーム部Ａにおける夫々のハイサイドスイッチング素子ＱＨのソース端子は、三相モータＭが有する３つのコイルＬの夫々と、バスバー５により接続される。本実施形態では三相モータＭであるので、３つのバスバー５が設けられる。夫々のバスバー５には、直列にスイッチ６が設けられる。本実施形態ではスイッチ６はｎ型ＭＯＳＦＥＴが用いられる。夫々のスイッチ６は、ソース端子がインバータ４に接続され、ドレーン端子が三相モータＭに接続される。ゲート端子はスイッチ６の開閉を制御するスイッチ制御部７に接続される。スイッチ制御部７が、スイッチ６の開閉を制御することにより、３つのバスバー５の夫々を開放状態及び短絡状態の一方の状態にすることが可能となる。

スイッチ６は、システム毎にインバータ４と三相モータＭとを２つずつ備えた２系統構成において、一方の系統に異常が確認された場合に三相モータＭとインバータ４との接続を開放状態にして、他方（異常が確認された側）の電流経路を遮断するために設けられるものである。このため、検出装置１は、このスイッチ６が適切に開閉されているか否か、より具体的には開放状態となるように制御されたにも拘らず、短絡状態（以下「短絡故障」とする）となっているか否かを検出できるように構成されている。以下にこの構成について説明する。なお、理解を容易にするために、３つのスイッチ６を夫々区別する場合には、Ｕ相のバスバー５に設けられるスイッチ６をスイッチ６Ｕとし、Ｖ相のバスバー５に設けられるスイッチ６をスイッチ６Ｖとし、Ｗ相のバスバー５に設けられるスイッチ６をスイッチ６Ｗとして説明する。

スイッチ判定用抵抗器１１は、第１の電源ライン２と、三相モータＭが有する３つの端子のうちの少なくともいずれか１つの端子との間に設けられる。第１の電源ライン２とは、電源Ｖに接続されるケーブルである。三相モータＭが有する３つの端子のうちの少なくともいずれか１つの端子とは、スター結線の三相モータＭの場合には中性点を除いた、３つのコイルＬのうちの少なくともいずれか１つのコイルＬの端子にあたる。理解を容易にするために、図１における３つのバスバー５を紙面上からＵ相、Ｖ相、Ｗ相とすると、本実施形態ではＵ相のコイルＬの端子が相当する。したがって、本実施形態では、スイッチ判定用抵抗器１１は、電源ＶとＵ相のコイルＬとを電気的に接続するように設けられる。すなわち、スイッチ判定用抵抗器１１は、スイッチ６Ｕのドレーン端子を電源Ｖの出力電圧にプルアップすることになる。

なお、スイッチ判定用抵抗器１１は、開放状態となるように制御されたスイッチ６が短絡状態となっているか否かを検出するためのものであるので、定常動作時の効率の悪化を抑制すべく大きな抵抗値（例えば数ｋオーム〜数百ｋオーム）のものを用いると好適である。

検出部１２は、３つのスイッチ６の夫々が有する端子のうち、インバータ４と接続される端子の電圧を検出する。３つのスイッチ６の夫々が有する端子のうち、インバータ４と接続される端子の電圧とは、３つのバスバー５の夫々のうち、インバータ４とスイッチ６との間のバスバー５の電圧、すなわちスイッチ６のソース端子の電圧が相当する。したがって、検出部１２は各スイッチ６のソース端子の電圧を検出する。なお、図１の例では、各スイッチ６のソース端子の電圧は、抵抗器群１５で分圧した値（具体的には夫々２つの抵抗器で分圧した値）を検出するように構成されているが、検出部１２の仕様によっては各スイッチ６のソース端子の電圧を分圧しないで検出する構成とすることも可能である。

判定部１３は、３つのスイッチ６が開放状態である場合の端子の電圧が予め記憶され、当該予め記憶された端子電圧と、３つのスイッチ６が開放状態となるように制御された場合の検出部１２の検出結果とに基づいて３つのスイッチ６のうち、短絡状態となっているスイッチ６を判定する。３つのスイッチ６が開放状態である場合の端子の電圧とは、スイッチ６が短絡故障をしていない場合において開放状態とされた際の各スイッチ６のソース端子の電圧にあたる。インバータ４の全てのハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬが動作していない場合（開放状態である場合）には、上述した各スイッチ６のソース端子の電圧は０ボルトになる。したがって、本実施形態では判定部１３は、３つのスイッチ６が開放状態である場合の端子の電圧として０ボルトが予め記憶されている。

スイッチ制御部７により３つのスイッチ６が開放状態となるように制御された場合、３つのスイッチ６が短絡故障していない時には、各スイッチ６のソース端子の電圧は０ボルトになる。これは、検出部１２により検出される。したがって、判定部１３は、上述した予め記憶された電圧と、検出部１２の検出結果とに差異がないため、３つのスイッチ６が短絡故障をしていないと判定する。なお、検出部１２が検出する際に例えばノイズ等の重畳により検出結果に誤差が含まれることがある。そこで、判定部１３は予め記憶された電圧と、検出部１２の検出結果との差異が、検出誤差を考慮して設定された所定の値以下であれば短絡故障をしていないと判定するように構成することも可能である。

一方、スイッチ制御部７により３つのスイッチ６が開放状態となるように制御されたにも拘らず、スイッチ６Ｕが短絡故障している時にはスイッチ判定用抵抗器１１を介してＸ点（スイッチ６Ｕのソース端子）の電位が０ボルトよりも大きくなる。したがって、判定部１３は予め記憶された電圧と、検出部１２の検出結果との差異が、上記所定の値よりも大きくなるのでスイッチ６Ｕが短絡故障をしていると判定する。

また、スイッチ制御部７により３つのスイッチ６が開放状態となるように制御されたにも拘らず、スイッチ６Ｖが短絡故障している時にはスイッチ判定用抵抗器１１及び三相モータＭのコイルＬを介してＹ点（スイッチ６Ｖのソース端子）の電位が０ボルトよりも大きくなる。したがって、判定部１３は予め記憶された電圧と、検出部１２の検出結果との差異が、上記所定の値よりも大きくなるのでスイッチ６Ｖが短絡故障をしていると判定する。

更に、スイッチ制御部７により３つのスイッチ６が開放状態となるように制御されたにも拘らず、スイッチ６Ｗが短絡故障している時にはスイッチ判定用抵抗器１１及び三相モータＭのコイルＬを介してＺ点（スイッチ６Ｗのソース端子）の電位が０ボルトよりも大きくなる。したがって、判定部１３は予め記憶された電圧と、検出部１２の検出結果との差異が、上記所定の値よりも大きくなるのでスイッチ６Ｗが短絡故障をしていると判定する。

このように、検出装置１は、３つのスイッチ６を短絡状態になるように制御することなく、短絡故障しているスイッチ６を検出（特定）することが可能である。

２．第２の実施形態
次に検出装置１の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態に係る検出装置１は、三相モータＭとインバータ４とを接続する３つのバスバー５の夫々に直列に挿入され、三相モータＭとインバータ４との接続を開放可能にするスイッチ６が短絡状態となっているか否かを検出する機能を備えていたが、第２の実施形態に係る検出装置１は、当該スイッチ６に加え、インバータ４が有するスイッチング素子（ハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬ）が短絡状態となっているか否かを検出する機能も備えている。

図２は、第２の実施形態の検出装置１を示した図である。第２の実施形態の検出装置１は、第１の実施形態の検出装置１に対してインバータ判定用抵抗器１４を備えている点で、第１の実施形態の検出装置１と異なる。その他の点については、第１の実施形態と同様であるので、以下では異なる点を中心に説明する。

図２に示されるように、本実施形態の検出装置１は、第１の電源ライン２と、３つのスイッチ６の夫々が有する端子のうち、インバータ４と接続される端子の夫々との間にインバータ判定用抵抗器１４を備えている。第１の電源ライン２とは、上記第１の実施形態で説明したように電源Ｖに接続されるケーブルである。３つのスイッチ６の夫々が有する端子のうち、インバータ４と接続される端子とは、スイッチ６の夫々のソース端子である。本実施形態でもスイッチ６は三相モータＭとインバータ４とを接続する３つのバスバー５に夫々設けられる。このため、インバータ判定用抵抗器１４は３つ設けられる。具体的には、インバータ判定用抵抗器１４は、第１の電源ライン２とスイッチ６Ｕのソース端子とを接続する第１のインバータ判定用抵抗器１４Ａ、第１の電源ライン２とスイッチ６Ｖのソース端子とを接続する第２のインバータ判定用抵抗器１４Ｂ、第１の電源ライン２とスイッチ６Ｗのソース端子とを接続する第３のインバータ判定用抵抗器１４Ｃで構成される。

この場合、インバータ４の全てのハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬが開放状態とされ、且つ、スイッチ６が開放状態とされた場合であって、ハイサイドスイッチング素子ＱＨ、ローサイドスイッチング素子ＱＬ、及びスイッチ６の全てが短絡故障していない場合には、各スイッチ６のソース端子の電圧は電源Ｖの出力電圧をインバータ判定用抵抗器１４が有する抵抗器と、抵抗器群１５が有する抵抗器とで分圧された値となる。したがって、本実施形態では判定部１３は、３つのスイッチ６が開放状態である場合の端子の電圧として当該分圧された値が予め記憶されている。

スイッチ制御部７により３つのスイッチ６が開放状態となるように制御されたにも拘らず、３つのスイッチ６のうちのいずれかが短絡故障している時には、インバータ判定用抵抗器１４とスイッチ判定用抵抗器１１とが並列接続された状態となるので、検出部１２により検出される部位の電圧が予め記憶された分圧した値よりも大きくなる。したがって、判定部１３は予め記憶された電圧と、検出部１２の検出結果との差異が、予め設定された値（「第１値」とする）よりも大きくなった場合にはスイッチ６が短絡故障をしていると判定することが可能である。

また、インバータ４のハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬが開放状態となるように制御されたにも拘らず、ハイサイドスイッチング素子ＱＨが短絡故障している時には、検出部１２により検出される部位の電圧が予め記憶された分圧した値よりも大きくなり、ローサイドスイッチング素子ＱＬが短絡故障している時には、検出部１２により検出される部位の電圧が予め記憶された分圧した値よりも小さくなる（０ボルトになる）。したがって、判定部１３は予め記憶された電圧と、検出部１２の検出結果との差異が、上記第１値より大きい値（「第２値」とする）よりも大きくなった場合にはハイサイドスイッチング素子ＱＨが短絡故障をしていると判定することが可能である。また、判定部１３は検出部１２の検出結果が０ボルトになった場合にはローサイドスイッチング素子ＱＬが短絡故障していると判定することが可能となる。

なお、検出装置１を第２の実施形態のように構成する場合には、インバータ判定用抵抗器１４の抵抗値と、スイッチ判定用抵抗器１１とインバータ判定用抵抗器１４との合成抵抗値との差異を大きくするために、例えばスイッチ判定用抵抗器１１の抵抗値をインバータ判定用抵抗器１４の抵抗値よりもある程度小さくする（例えば半分くらいの値に設定する）と好適である。

３．その他の実施形態
上記実施形態では、検出装置１は３つのスイッチ６が開放状態となるように制御された場合の検出部１２の検出結果に基づいて３つのスイッチ６のいずれかが短絡故障しているか否かを検出することが可能であるとして説明したが、３つのスイッチ６が短絡状態となるように制御された場合の検出部１２の検出結果に基づいて、三相モータＭとバスバー５とが適切に接続されているか否かを検出することも可能である。具体的には、例えばインバータ４の全てのハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬが開放状態となるように制御し、３つのスイッチ６を短絡状態になるように制御した場合のＸ点、Ｙ点、Ｚ点の電圧（３つのスイッチ６の夫々のソース端子の端子電圧）を予め記憶しておき、実際に全てのインバータ４のハイサイドスイッチング素子ＱＨ及びローサイドスイッチング素子ＱＬが開放状態となるように制御すると共に、３つのスイッチ６を短絡状態になるように制御した場合に、検出部１２の検出結果が予め記憶された電圧よりも所定値以上小さくなれば、三相モータＭとバスバー５との接続が不適切である（例えば、接続不良やコイルＬの断線等）と判定することが可能である。なお、この時、予め記憶された端子電圧が、三相の各相毎に互いに異なる電圧値に設定されていると好適である。

上記実施形態では、スイッチ判定用抵抗器１１は、スイッチ６Ｕのドレーン端子の電位を電源Ｖの出力電圧にプルアップするように設けられるとして説明したが、スイッチ判定用抵抗器１１は、第１の電源ライン２と、三相モータＭが有する３つの端子のうちの少なくともいずれか１つの端子との間に設けると良い。すなわち、スイッチ判定用抵抗器１１は、スイッチ６Ｖのドレーン端子の電位を電源Ｖの出力電圧にプルアップするように設けても良いし、スイッチ６Ｗのドレーン端子の電位を電源Ｖの出力電圧にプルアップするように設けても良い。更には、スイッチ判定用抵抗器１１は、全ての相におけるスイッチ６のドレーン端子の電位を電源Ｖの出力電圧にプルアップするように設けても良いし、スイッチ６Ｕのドレーン端子の電位、スイッチ６Ｖのドレーン端子の電位、及びスイッチ６Ｗのドレーン端子の電位のうちのいずれか２つの電位を電源Ｖの出力電圧にプルアップするように設けても良い。

本発明は、三相モータと、当該三相モータを駆動し且つ第１の電源ラインと当該第１の電源ラインの電位よりも低い電位に接続される第２の電源ラインとの間で直列に接続されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを有するアーム部を３組備えたインバータとを接続する３つのバスバーの夫々に直列に挿入され、三相モータとインバータとの接続を開放可能にするスイッチが短絡状態となっているか否かを検出する検出装置に用いることが可能である。

１：検出装置
２：第１の電源ライン
３：第２の電源ライン
４：インバータ
５：バスバー
６：スイッチ
１１：スイッチ判定用抵抗器
１２：検出部
１３：判定部
１４：インバータ判定用抵抗器
Ａ：アーム部
Ｍ：三相モータ
ＱＨ：ハイサイドスイッチング素子
ＱＬ：ローサイドスイッチング素子

Claims (3)

1. 三相モータと、前記三相モータを駆動し且つ第１の電源ラインと前記第１の電源ラインの電位よりも低い電位に接続される第２の電源ラインとの間で直列に接続されたハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを有するアーム部を３組備えたインバータとを接続する３つのバスバーの夫々に直列に挿入され、前記三相モータと前記インバータとの接続を開放可能にするスイッチが短絡状態となっているか否かを検出する検出装置であって、
   前記第１の電源ラインと、前記三相モータが有する３つの端子のうちの少なくともいずれか１つの端子との間に設けられたスイッチ判定用抵抗器と、
   ３つの前記スイッチの夫々が有する端子のうち、前記インバータと接続される端子の電圧を検出する検出部と、
   前記３つのスイッチが開放状態である場合の前記端子の電圧が予め記憶され、前記予め記憶された端子電圧と、前記３つのスイッチが開放状態となるように制御された場合の前記検出部の検出結果とに基づいて前記３つのスイッチのうち、短絡状態となっているスイッチを判定する判定部と、
   を備えた検出装置。
2. 前記第１の電源ラインと、前記３つのスイッチの夫々が有する端子のうち、前記インバータと接続される端子の夫々との間にインバータ判定用抵抗器を更に備える請求項１に記載の検出装置。
3. 前記予め記憶された前記端子電圧が、三相の各相毎に互いに異なる電圧値に設定されている請求項２に記載の検出装置。

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