JP2019062582A - 電流センサの診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、インバータと交流モータの間の電流センサの異常を検知する電流センサ診断装置を提供する。【解決手段】本明細書が開示する電流センサ診断装置（コントローラ１０）は、交流電力算出部１３と、直流電力算出部１４と、判定部１５を備えている。交流電力算出部１３は、電流センサ６ａ−６ｃの計測値から、インバータ５が出力する交流電力を算出する。直流電力算出部１４は、インバータ５に電力を供給する高圧バッテリ２が出力する直流電力を算出する。判定部１５は、算出された交流電力と算出された直流電力の差が所定の電力差閾値よりも大きい場合に電流センサの異常を通知する信号を出力する。【選択図】図１

Description

本明細書が開示する技術は、インバータと交流モータの間を流れる電流を計測する電流センサの診断装置に関する。

電気自動車は、直流電源と、インバータと、走行用の交流モータを備えている。インバータは、直流電源の電力（直流電力）を、交流モータを駆動する交流電力に変換する。交流モータの出力を目標出力に追従させるため、インバータと交流モータの間を流れる電流を計測する電流センサが備えられている。三相交流は、位相が互いに１２０度シフトしている。それゆえ、２相の電流値が計測できれば、残りの１相の電流値は推定できる。しかし、正確な電流値を得るため、三相の夫々に電流センサを備える電気自動車が特許文献１に開示されている。特許文献１の電気自動車では、三相の電流の和から、電流センサの異常を検知する。

また、特許文献２には、三相交流の二相に電流センサを備えており、二相の夫々の電流センサの計測値に基づいて電流センサの異常を診断する装置が開示されている。特許文献２の診断装置では、二相の夫々の交流のピーク値を特定する。二相のピーク値の偏差が閾値よりも大きい場合、電流センサで異常が発生していると判断する。

特開２０１５−１９２５８２号公報 特開２０１７−０２８９６６号公報

特許文献２の技術は、三相のうち２相の電流を計測する２個の電流センサの計測値から異常を検知することができる。しかしながら、２相の夫々の交流のピーク値を用いるため、インバータの出力が安定しているときでないと診断することができない。インバータの出力が安定していないときでも電流センサの異常を検知できる技術が望まれている。

本明細書は、インバータと交流モータの間を流れる電流を計測する電流センサの診断装置を開示する。その診断装置は、交流電力算出部と、直流電力算出部と、判定部を備えている。交流電力算出部は、電流センサの計測値から、インバータが出力する交流電力を算出する。直流電力算出部は、インバータに電力を供給する直流電力が出力する直流電力を算出する。判定部は、算出された交流電力と算出された直流電力の差が所定の電力差閾値よりも大きい場合に、電流センサの異常を通知する信号を出力する。この診断装置は、交流電流のピークを必要としないので、インバータの出力が安定していないときでも電流センサの異常を検知することができる。

交流モータの典型は、三相交流モータである。三相交流の場合、２相の電流値が計測できれば、残りの相の電流値は推定できる。しかし、電気自動車では、ロバスト性を確保するため、インバータから交流モータへ三相交流を伝送するパワーケーブルの三相の夫々に電流センサが備えられていることが多い。３個の電流センサのうち１個が故障しても残りの２個で交流モータの制御を継続できる。即ち、３個の電流センサのうち１個が故障しても走行し続けることができる。ただし、２個目の電流センサが故障すると、走行できなくなる。そこで、電流センサ診断装置は、３個の電流センサの全てが正常に動作している間は停止しており、１個の電流センサに異常が発見されたときに起動されるように構成されているとよい。その場合、交流電力算出部は、正常な２個の電流センサの計測値に基づいて前記交流モータが制御されているときに、正常な２個の電流センサの計測値に基づいて交流電力を算出する。３個の電流センサのうち１個が故障した場合に電流センサ診断装置を起動することで、２個目の電流センサの異常を発見することができるようになる。

電力差閾値は、直流電源から電力供給を受ける特定機器の消費電力よりも大きい値に設定されているとよい。電気自動車では、直流電源は、インバータの他のデバイスにも電力を供給する場合がある。その場合は、直流電源の出力電力から他のデバイスが消費する電力を減じた値と交流電力を比較するとよい。他のデバイスの消費電力が電流センサの診断に与える影響を除去することができる。

判定部は、交流電力と直流電力の差が、所定時間以上継続して電力差閾値よりも大きい場合に、電流センサの異常を通知する信号を出力するように構成されていることも好適である。何等かの原因で一時的に電流センサに不具合が生じたが直ちに正常に復帰した場合、異常検知の誤検出を防止することができる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の診断装置を含む電気自動車の電力系のブロック図である。 診断処理のフローチャートである。 第１変形例の診断処理のフローチャートである。 第２変形例の診断処理のフローチャートである。

図面を参照して実施例の電流センサ診断装置を説明する。実施例の電流センサ診断装置は、電気自動車に搭載されている。図１に、電流センサ診断装置を含む電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。以下では、説明の便宜上、「電流センサ診断装置」を単純に「診断装置」と称する。

まず、電気自動車１００の電力系を説明する。図１に、電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。実施例の電気自動車１００は、高圧バッテリ２、インバータ５、走行用のモータ７、コントローラ１０を備えている。インバータ５が、高圧バッテリ２の直流電力を交流電力に変換してモータ７に供給する。モータ７は、三相交流モータである。インバータ５は、複数の電力変換用のスイッチング素子を備えており、コントローラ１０が、上位コントローラ２７からの指令を受け、インバータ５のスイッチング素子を駆動する。上位コントローラ２７は、車速とアクセル開度からモータ７の目標出力を算出し、コントローラ１０へ指令する。

インバータ５からモータ７へ三相交流を伝送するパワーケーブル９の夫々には、電流センサ６ａ、６ｂ、６ｃが備えられている。電流センサ６ａ−６ｃの計測データはコントローラ１０へ送られる。また、高圧バッテリ２の両端に電圧センサ３が備えられているとともに、高圧バッテリ２とインバータ５の間には電流センサ４が備えられている。電圧センサ３と電流センサ４の計測データもコントローラ１０へ送られる。コントローラ１０は、それらセンサの計測データに基づいて、上位コントローラ２７からの指令（モータ７の目標出力）が実現するようにインバータ５を制御する。コントローラ１０は、また、それらセンサの計測データに基づいて、電流センサ６ａ−６ｃで異常が発生しているか否かを診断する。診断の結果、電流センサ６ａ−６ｃのいずれかで異常が発生していると判定した場合、コントローラ１０は、インストルメントパネル２６に、異常発生を知らせるメッセージを出力させる。電流センサの診断については後述する。

高圧バッテリ２には、降圧コンバータ２２も接続されている。降圧コンバータ２２は、高圧バッテリ２の出力電圧を降圧して補機電源線２５へ供給する。なお、降圧コンバータ２２の出力の負極端は、車両ボディのグランドＧに接続されている。補機電源線２５は、車両ボディに張り巡らされており、様々な補機が接続されている。補機の例は、カーナビゲーション装置２３やエアコン２４などである。補機電源線２５には、補機バッテリ２１も接続されている。補機バッテリ２１は、降圧コンバータ２２が動作していないときに、補機に電力を供給するために備えられている。高圧バッテリ２の出力電圧は１００ボルトを超えるのに対して、補機バッテリ２１の出力電圧は５０ボルトを下回る。補機バッテリ２１の出力電圧は、典型的には、１２ボルト、あるいは、２４ボルトである。補機バッテリ２１は、降圧コンバータ２２が出力する電力で充電される。補機バッテリ２１、カーナビゲーション装置２３、エアコン２４の負極も、グランドＧに接続されている。

コントローラ１０について詳しく説明する。コントローラ１０は、中央演算装置（ＣＰＵ）とメモリと各種のＩＯポートを備えており、メモリに記憶されているプログラムに従って動作する。プログラムによって実現されるソフトウエアモジュールとして、スイッチング素子駆動部１２、交流電力算出部１３、直流電力算出部１４、判定部１５がある。スイッチング素子駆動部１２が、上位コントローラ２７からの指令と各種センサの計測データに基づいて、インバータ５のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成する。コントローラ１０は、また、インバータ５とモータ７の間を流れる三相交流を計測する電流センサ６ａ−６ｃで異常が発生しているか否かを診断する。先に述べた、交流電力算出部１３、直流電力算出部１４、判定部１５が、診断処理を実行する。交流電力算出部１３、直流電力算出部１４、判定部１５を実行しているときのコントローラ１０が、診断装置に相当する。

コントローラ１０が実行する診断処理について説明する。診断処理とは、先に述べたように、電流センサ６ａ−６ｃで異常が発生しているか否かの判定を行う処理である。図２に診断処理のフローチャートを示す。コントローラ１０は、図２の処理を定期的に実行する。コントローラ１０は、例えば、１分毎に、図２の処理を実行する。

まず、コントローラ１０は、先に述べた各種センサの計測データを取得する（ステップＳ２）。なお、図示を省略しているが、インバータ５の内部には、出力交流の線間電圧あるいは相電圧を計測する電圧センサが備えられており、その電圧センサの計測データもコントローラ１０に送られる。診断処理では、特に、電圧センサ３と電流センサ４によって得られる高圧バッテリ２の出力電圧と出力電流、及び、電流センサ６ａ−６ｃから得られる三相交流の各相の電流、及び、上述した線間電圧あるいは相電圧を用いる。

コントローラ１０は、交流電力算出部１３を実行し、電流センサ６ａ−６ｃの計測データから、インバータ５が出力する交流電力を算出する（ステップＳ３）。交流電力の算出方法はいくつかある。一つの算出方法では、交流電力算出部１３は、三相各相の電流値を合計し、合計した電流値にインバータ５の出力電圧を乗じて交流電力を算出する。本実施例では、インバータ５の入力端には高圧バッテリ２の出力電圧が印加される。インバータ５の出力電圧の実効値は、高圧バッテリ２の出力電圧から求められる。あるいは、先に述べたように、インバータ５の内部に電圧センサが備えられており、インバータ５の出力電圧は、インバータ５の内部の電圧センサから得てもよい。

別の算出方法では、交流電力算出部１３は、三相交流のいずれかの相の相電流と相電圧から交流電力を算出する。さらに別の算出方法では、交流電力算出部１３は、三相交流のいずれかの相の線間電流と線間電圧から交流電力を算出する。いずれの算出方法を採用してもよい。

次に、コントローラ１０の直流電力算出部１４が、高圧バッテリ２からインバータ５へ供給される直流電力を算出する（ステップＳ４）。直流電力は、単純に、電圧センサ３の計測値（高圧バッテリ２の出力電圧）に電流センサ４の計測値（高圧バッテリ２の出力電流）を乗じれば得られる。

次に、コントローラ１０の判定部１５が、算出された交流電力と算出された直流電力の差の絶対値を所定の電力差閾値と比較する（ステップＳ５）。以下、説明の便宜上、算出された交流電力と算出された直流電力の差の絶対値を、単純に、電力差と称する。電力差が電力差閾値よりも小さい場合（ステップＳ５：ＮＯ）、インバータ５への入力電力と出力電力がほぼ等しいので、電流センサ６ａ−６ｃは正常であると判定できる。この場合、コントローラ１０は、処理を終了する。なお、電力差閾値は、インバータ５が正常に動作しているときの入力電力（直流電力）と出力電力（交流電力）の差の誤差と同じ程度に設定される。あるいは、電力差誤差は、インバータ５の変換損失よりも大きい値に設定されているとよい。さらには、後述するように、電力差閾値は、補機の消費電力を考慮して決定されてもよい。電力差閾値は、インバータ５の変換損失と補機の消費電力の和よりも大きい値に設定されていてもよい。

電力差が電力差閾値よりも大きい場合は（ステップＳ５：ＹＥＳ）、判定部１５は、電流センサ６ａ−６ｃの少なくとも１個で異常が発生していると判定する。このとき、コントローラ１０の判定部１５は、電流センサ６ａ−６ｃで異常が発生していることを通知する信号（異常検知信号）を出力する（ステップＳ６）。異常検知信号は、例えば、インストルメントパネル２６（図１参照）へ出力される。異常検知信号を受信したインストルメントパネル２６は、電流センサの異常を知らせるメッセージを表示する。あるいは、異常検知信号は、車両のダイアグメモリ（不図示）へ出力される。ダイアグメモリは、異常検知信号に対応したメッセージを記憶する。ダイアグメモリは、車両のサービススタッフに車両の状態を通知するためのメモリである。

上記の電流センサ診断処理では、インバータ５の交流出力のピーク値を用いない。それゆえ、コントローラ１０（診断装置）は、インバータ５の出力が安定していないときでも正確に診断することができる。

（第１変形例）図３に、第１変形例の診断処理のフローチャートを示す。第１変形例の診断処理は、図２のフローチャートに、いくつかの改良を加えたものである。第１変形例では、コントローラ１０は、診断処理に先立ってスリップ制御が実行中であるか否かをチェックする。コントローラ１０は、スリップ制御が実行されていたら、診断処理を中止する（ステップＳ１２：ＹＥＳ）。スリップ制御中は、モータ７の出力（即ち、インバータ５の出力）が微妙に変化するので、電流センサの異常診断の精度が低下する。それゆえ、第１変形例では、スリップ制御中は診断処理を行わない。

図３のステップＳ１３、Ｓ１４、Ｓ１５の処理は、図２のステップＳ２、Ｓ３、Ｓ４の処理と同じである。即ち、コントローラ１０（診断装置）は、各種センサの計測データを取得する（ステップＳ１３）。次に、コントローラ１０の交流電力算出部１３が、インバータ５が出力する交流電力を算出する（ステップＳ１４）。次に、コントローラ１０の直流電力算出部１４が、高圧バッテリ２からインバータ５へ供給される直流電力を算出する（ステップＳ１５）。

次に、コントローラ１０の判定部１５は、車載のエアコン２４の消費電力を算出する（ステップＳ１６）。次に、判定部１５は、電力差（直流電力と交流電力の差の絶対値）を電力差閾値と比較する（ステップＳ１７）。ここでの電力差閾値は、エアコン２４の消費電力よりも大きい値に設定されている。これは、次の理由による。エアコン２４の電力は、降圧コンバータ２２を介して高圧バッテリ２から供給される。それゆえ、高圧バッテリ２の出力電力（直流電力）とインバータの出力電力（交流電力）の間には、少なくとも、エアコン２４の消費電力の差が生じる。電流センサ６ａ−６ｃの診断からエアコン２４の消費電力の影響を除去するため、ステップＳ１７の電力差閾値は、エアコン２４の消費電力よりも大きい値に設定される。

なお、ステップＳ１７における電力差閾値は、稼働中の特定の補機の消費電力に応じて変更されるものであってよい。特定の補機には、エアコン２４以外の補機が含まれていてもよい。

次に、判定部１５は、タイマが動作中であるか否かをチェックする（ステップＳ１８）。タイマは、電力差が電力差閾値を超えている時間を計時するために設けられている。タイマは、コントローラ１０が実行するプログラム上で設定される。タイマが動作中でない場合（ステップＳ１８：ＮＯ）、電力差が電力差閾値を超えて初めてのステップＳ１８の処理であるので、判定部１５はタイマをスタートさせる（ステップＳ２３）。タイマが動作中の場合（ステップＳ１８：ＹＥＳ）、前回までの図３の処理で既にタイマがスタートされていることを意味する。この場合は、判定部１５は、タイマがスタートしてから所定の時間が経過しているか否かを確認する（ステップＳ２０）。判定部１５は、電力差が電力差閾値を超えている時間が所定時間経過したら、電流センサの異常発生を知らせる信号（異常検知信号）を出力する（ステップＳ２０：ＹＥＳ、Ｓ２１）。判定部１５は、電力差が電力差閾値を超えている時間が所定時間経過するまで待つ（ステップＳ２０：ＮＯ）。電力差が電力差閾値を超えている時間が所定時間継続するまで異常検知信号を出力しないのは、ノイズなどによる誤判定を防止するためである。所定時間は、例えば３０秒に設定される。

なお、ステップＳ１７の判定において、電力差が電力差閾値を超えていない場合（ステップＳ１７：ＮＯ）、判定部１５の処理はステップＳ２２に移り、タイマをリセットして（ステップＳ２２）、処理を終了する。

（第２変形例）図４に、第２変形例の診断処理のフローチャートを示す。第２変形例では、診断処置に先立って、別の異常検知処理が実行される。別の異常検知処理では、３個の電流センサ６ａ−６ｃのいずれかで異常が発生しているか否かをチェックする。別の異常検知処理のアルゴリズムは、どのようなものであってもよい。例えば、３個の電流センサ６ａ−６ｃのうち、２個の電流センサの計測値から残りの電流センサの計測値を推定し、推定値と実測値を比較して電流センサの異常を発見するアルゴリズムであってよい。

３個の電流センサ６ａ−６ｃのうち、１個の電流センサで異常が検知されると（ステップＳ３１：ＹＥＳ）、上位コントローラ２７（図１参照）は、走行モードを退避走行モードに変更する（ステップＳ３２）。退避走行モードとは、上位コントローラ２７が、車両システムに何等かの異常を検知したが継続して走行できると判定した場合に、モータ出力を抑制するなどして、ダメージを拡大させずに走行を継続するモードである。退避走行モードに移行したら、電流センサの診断装置（コントローラ１０）は、図２あるいは図３の診断処理を定期的に実行する（ステップＳ３３）。なお、３個の電流センサ６ａ−６ｃが全て正常の場合は（ステップＳ３１：ＮＯ）、診断処理は起動されない。

第２変形例の診断処理は、まとめると次の通りである。電気自動車１００の走行用のモータ７は、三相交流モータである。インバータ５とモータ７を接続する三相のパワーケーブル９の夫々に電流センサ６ａ−６ｃが備えられている。診断装置（コントローラ１０）は、３個の電流センサ６ａ−６ｃの全てが正常に動作している間は停止している。診断装置（コントローラ１０）は、電流センサ６ａ−６ｃのうちの１個に異常が発見されたときに起動される。交流電力算出部１３は、正常な２個の電流センサの計測値に基づいてモータ７が制御されているときに、正常な２個の電流センサの計測値に基づいてインバータ５が出力する交流電力を算出する。このとき、交流電力算出部１３は、正常な２個の電流センサの計測データから、残りの相の電流値を推定する。交流電力算出部１３は、推定値を含む各相の電流値に基づいて、インバータ５が出力する交流電力を算出する。

直流電力算出部１４は、電圧センサ３と電流センサ４の計測データに基づいて、インバータ５に電力を供給する高圧バッテリ２が出力する直流電力を算出する。判定部１５は、算出された交流電力と算出された直流電力の差が所定の電力差閾値よりも大きい場合に、電流センサ６ａ−６ｃのうちの正常だった２個の一方で異常が発生したことを通知する信号を出力する。ここでの電力差閾値には、エアコンなど稼働中の補機の消費電力の値よりも大きい値が設定されていてよい。電力差閾値には、稼働中の補機の消費電力にインバータ５の変換損失を加えた値よりも大きい値に設定されていてもよい。

第２変形例の診断処理は、３個の電流センサ６ａ−６ｃのうち１個が故障した場合に診断装置（コントローラ１０）を起動することで、２個目の電流センサの異常を発見することができるようになる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。診断処理が実行される前に、３個の電流センサ６ａ−６ｃが正常である場合、診断装置（コントローラ１０）は、電流センサの異常を検知したら異常検知信号を上位コントローラ２７へ出力してもよい。上位コントローラ２７は、先に述べた退避走行モードに移行するとともに、故障した電流センサを用いず残りの２個の電流センサを使ってモータ７を制御してもよい。第２変形例のように、診断装置（コントローラ１０）が２個目の電流センサの異常を検知したら、上位コントローラ２７は、直ちに車両の駆動系を停止する。１個のみの電流センサでは、モータ７を正常に制御できないからである。

交流電力算出部１３と直流電力算出部１４と判定部１５を実行しているときのコントローラ１０が、電流センサ診断装置の一例に相当する。高圧バッテリ２が、直流電源の一例に相当する。

実施例のモータ７は三相交流モータであるが、本明細書が開示する技術は、三相以外の交流モータとインバータの間の電流センサの診断装置に適用することができる。また、本明細書が開示する技術は、ハイブリッド車や燃料電池車において、走行用モータとインバータの間の電流センサに適用することも好適である。燃料電池車の場合、直流電源は燃料電池であってよい。

代表的な電流センサは、ホール素子を用いたセンサであるが、本明細書が開示する技術は、電流センサのタイプを問わない。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：高圧バッテリ
３：電圧センサ
４：電流センサ
５：インバータ
６ａ−６ｃ：電流センサ
７：モータ
９：パワーケーブル
１０：コントローラ
１２：スイッチング素子駆動部
１３：交流電力算出部
１４：直流電力算出部
１５：判定部
２１：補機バッテリ
２２：降圧コンバータ
２３：カーナビゲーション装置
２４：エアコン
２５：補機電源線
２６：インストルメントパネル
２７：上位コントローラ
１００：電気自動車

Claims (4)

1. インバータと交流モータの間を流れる電流を計測する電流センサの診断装置であり、
   前記電流センサの計測値から、前記インバータが出力する交流電力を算出する交流電力算出部と、
   前記インバータに電力を供給する直流電源が出力する直流電力を算出する直流電力算出部と、
   算出された前記交流電力と算出された前記直流電力の差が所定の電力差閾値よりも大きい場合に前記電流センサの異常を通知する信号を出力する判定部と、
   を備えている電流センサ診断装置。
2. 前記交流モータは三相交流モータであり、
   前記インバータから前記交流モータへ三相交流を伝送するパワーケーブルの三相の夫々に前記電流センサが備えられており、
   前記電流センサ診断装置は、３個の前記電流センサの全てが正常に動作している間は停止しており、１個の前記電流センサに異常が発見されたときに起動され、
   前記交流電力算出部は、正常な２個の前記電流センサの計測値に基づいて前記交流モータが制御されているときに、正常な２個の前記電流センサの計測値に基づいて前記交流電力を算出する、請求項１に記載の電流センサ診断装置。
3. 前記電力差閾値は、前記直流電源から電力供給を受ける特定機器の消費電力よりも大きい値に設定されている、請求項１又は２に記載の電流センサ診断装置。
4. 前記判定部は、前記交流電力と前記直流電力の差が、所定時間以上継続して前記電力差閾値よりも大きい場合に、前記電流センサの異常を通知する信号を出力する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電流センサ診断装置。

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