JP2020112526A

JP2020112526A - 電圧検出装置

Info

Publication number: JP2020112526A
Application number: JP2019005663A
Authority: JP
Inventors: 雅好柏原; Masayoshi Kashiwabara
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2019-01-17
Filing date: 2019-01-17
Publication date: 2020-07-27

Abstract

【課題】分圧器の状態を診断し、信頼性を向上させることである。【解決手段】上記課題を解決するために、本発明に係る電圧検出装置は、検知部の電圧を第１分圧値に分圧するための第１抵抗体と、前記第１分圧値を第２分圧値に分圧するための第２抵抗体とスイッチング素子により構成されるテストパターン挿入回路部と、を備え、前記テストパターン挿入回路部は、前記第１分圧値と同電位の接続点に接続され、前記スイッチング素子が導通していないときの前記第２分圧値に基づき、前記第１抵抗体の状態を検知する。【選択図】図１

Description

本発明は、電圧検出装置に係り、特に直流高電圧を検出する装置に関する。

電力変換装置は、直流電源から供給された直流電力を回転電機などの交流電気負荷に供給するための交流電力に変換する機能、あるいは回転電機により発電された交流電力を直流電源に供給するための直流電力に変換する電力変換機能を備えている。

この電力変換機能を果たすため、電力変換装置はスイッチング素子を有するインバータ回路を有しており、スイッチング素子が導通動作や遮断動作を繰り返すことにより直流電力から交流電力へあるいは交流電力から直流電力への電力変換を行う。

電力変換の電力制御を行うために、直流電源側の電圧値を検出する必要があり、一般に電圧値の計測機能が電力変換装置に内蔵される。なお、電力制御の指令は制御対象となる高電圧系とは絶縁された低電圧系の制御回路が演算する。

従来の直流高電圧検出方法では、直列多段に分圧器を接続して低圧系の制御回路で計測可能な電圧に変換するようにしている。サージによる抵抗器の劣化等によって抵抗値が変化すると、分圧後の電圧も変化してしまい、正確な測定が出来なくなる。正確な直流高電圧検出が出来なくなると、モータ制御が不安定になることやパワーモジュールやコンデンサモジュールの故障の要因となることが懸念されるため、分圧器の異常診断機能を有することが望ましい。

直流高電圧検出回路の異常診断方式としては、電流センサでの電流測定値から直流電圧値の変動予測値を演算し、実際の直流電圧測定値と比較する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。しかしながらこの方式では直流高電圧検出回路のどの部分が故障しているかを判定することが困難であり、故障個所によるバックアップ動作を適切に行うことが困難である。

特開２００５−１１７７５６号公報

本発明が解決しようとする課題は、分圧器の状態を診断し、信頼性を向上させることである。

上記課題を解決するために、本発明に係る電圧検出装置は、検知部の電圧を第１分圧値に分圧するための第１抵抗体と、前記第１分圧値を第２分圧値に分圧するための第２抵抗体とスイッチング素子により構成されるテストパターン挿入回路部と、を備え、前記テストパターン挿入回路部は、前記第１分圧値と同電位の接続点に接続され、前記スイッチング素子が導通していないときの前記第２分圧値に基づき、前記第１抵抗体の状態を検知する。

本発明によれば、分圧器の状態を診断し、信頼性を向上させることができる。

本実施形態に係るテストパターン挿入回路５１０を備えた電圧検知装置の回路ブロック図である。他の実施形態に係るテストパターン挿入回路５１０を備えた電圧検知装置の回路ブロック図である。本実施形態に係るテストパターン挿入回路５１０のうち第１抵抗体５００のケース電位側と直列にテストパターン挿入回路５１０を有する回路ブロック図である。テストパターン挿入回路５１０及び５１１の駆動させた場合の波形図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、本実施形態に係るテストパターン挿入回路５１０を備えた電圧検知装置の回路ブロック図である。

直流電源１０は、電力変換装置の直流側に接続され、電力変換装置が交流電気負荷を駆動する場合には電力を供給し、交流電気負荷が発電する場合には電力変換装置を介して充電される。

遮断装置１１は、直流電源１０と電力変換装置の間に挿入され、システム停止時や異常時に直流電源１０と電力変換装置を遮断する。

コンデンサモジュール７０は、電力変換装置の直流側に接続され、電力変換装置の動作によって発生する直流電圧変動を平滑化する。

検知対象電位１２は、インバータの直流高電圧部の正極電位である。第１分圧値６１０は、検知対象電位１２を第１抵抗体５００によって分圧された電圧である。図１に示される第１分圧値６１０は、スイッチング素子５３０が導通している状態での電圧を示す。

第２分圧値６２０は、検知対象電位１２を第１抵抗体５００と第２抵抗体５２０によって分圧した電圧である。図１に示される第２分圧値６２０は、スイッチング素子５３０が導通していない状態での電圧を示す。

ケース電位１４は、マイクロコンピュータ等により構成される演算部である制御回路（不図示）の基準となる（シャシー）電位である。第１抵抗体５００は、検知対象電位１２をケース電位１４を基準とする第１分圧値６１０に分圧するための分圧抵抗である。

第２抵抗体５２０は、第１抵抗体５００を診断する場合に第１抵抗体５００と合成分圧抵抗を形成する。また第２抵抗体５２０は、第１抵抗体５００と合成分圧抵抗を形成することによって検知対象電位１２をケース電位１４を基準とする第２分圧値６２０に分圧するための抵抗である。

スイッチング素子５３０は、第１抵抗体５００を診断する場合に導通しないことによって第１抵抗体５００と第２抵抗体５２０を合成させるためのスイッチである。

テストパターン挿入回路５１０は、第２抵抗体５２０とスイッチング素子５３０とから構成される。テストパターン挿入回路５１０は、第１抵抗体５００を診断する場合にスイッチング素子５３０を導通させないことによって第１抵抗体５００と第２抵抗体５２０を合成させる。

またテストパターン挿入回路５１０は、第１抵抗体５００と第２抵抗体５２０を合成させることによって第２分圧値６２０を生成するための回路である。

負極側の検知対象電位１３、第１抵抗体５０１、テストパターン挿入回路５１１、第２抵抗体５２１、スイッチング素子５３１、第１分圧値６１１、第２分圧値６２１に関しても同様である。

バッファ４０は、正極側である第１分圧値６１０あるいは第２分圧値６２０を正極側の分圧電圧６０として、演算回路４２とマイコン４５へ供給するボルテージフォロアである。

バッファ４１は、負極側である第１分圧値６１１あるいは第２分圧値６２１を負極側の分圧電圧６１として、演算回路４２と演算回路４３へ供給するボルテージフォロアである。

演算回路４３は、ケース電位１４に対して負電圧となっている負極側の分圧電圧６１をケース電位１４を基準に反転し、負極電圧反転検知信号６３を出力する。

演算回路４２は、正極側の分圧電圧６０と負極側の分圧電圧６１の差動をとって直流高電圧の正極負極間の分圧電圧６２を演算する。

演算回路４４は、予め設定した過電圧しきい値に対して正極負極間の分圧電圧６２の過電圧判定を実施し、過電圧検知信号６４を出力する。

マイコン４５に対して、直流高電圧正極側の分圧電圧６０を直接Ａ／Ｄ変換ポートに入力したり、演算回路４２の演算結果つまり正極負極間の分圧電圧６２をＡ／Ｄ変換ポートに入力したり、演算回路４３の演算結果つまり負極電圧反転検知信号６３をＡ／Ｄ変換ポートに入力する。

マイコン４５は、入力された各演算結果をもとに、電力変換用の制御信号を生成し、直流高電圧のケースへのリークを検知する。また、マイコン４５に対して演算回路４４の演算結果である過電圧検知信号６４を汎用デジタルポートに入力し、過電圧と判定された場合には電力変換動作を停止するようにマイコン４５が制御信号を調整する。

さらに、マイコン４５は汎用デジタル出力ポート（非図示）からスイッチング素子５３０とスイッチング素子５３１の導通状態を切り替える指令を出す。

図３は、本実施形態に係るテストパターン挿入回路５１０のうち第１抵抗体５００のケース電位側と直列にテストパターン挿入回路５１０を有する回路ブロック図である。

第１抵抗体５００は、検知対象電位１２を基準電位１４を基準とする第１分圧値６１０に分圧するための分圧抵抗である。第１分圧値６１０は、モータを制御するマイコン４５に内蔵されたＡ／Ｄ変換器に入力され、モータを制御するための制御定数として使用される。

テストパターン挿入回路５１０は、第２抵抗体５２０とスイッチング素子５３０から構成され、スイッチング素子５３０を導通させないことによって第１抵抗体５００と第２抵抗体５２０を合成させ、第２分圧値６２０を生成する。

スイッチング素子５３０を導通している場合は第１抵抗体５００だけが検知対象電位１２を分圧する抵抗となり、分圧電圧は第１分圧値６１０となる。以後、スイッチング素子５３０が導通していない状態を診断状態、スイッチング素子５３０が導通している状態を非診断状態とする。

本実施形態によると、第１抵抗体５００の抵抗値と第２抵抗体５２０の抵抗値から正常状態における第１分圧値６１０と第２分圧値６２０の比率を一意に計算することができる。第１抵抗体５００の抵抗値に異常が発生した場合の第１分圧値６１０と第２分圧値６２０の比率は、正常状態における第１分圧値６１０と第２分圧値６２０の比率とは異なった値となる（数１及び数２参照）。
（数１）スイッチング素子５３０（５３１）導通時：Ｒ２Ｐ／（Ｒ１Ｐ＋Ｒ２Ｐ＋Ｒ１Ｎ＋Ｒ２Ｎ）
（数２）スイッチング素子５３０（５３１）非導通時：Ｒ２Ｐ／（Ｒ１Ｐ＋Ｒ２Ｐ＋Ｒ３Ｐ＋Ｒ１Ｎ＋Ｒ２Ｎ＋Ｒ３Ｎ）
第１分圧値６１０と第２分圧値６２０をマイコンのＡ／Ｄ変換器に入力し、比率を演算する。この比率が第１抵抗体５００の抵抗値と第２抵抗体５２０の抵抗値で決まる比率と異なる場合、第１抵抗体５００を異常と診断することが出来る。あるいは、第１分圧値６１０を元に第２分圧値６２０を推定しておき、測定した第２分圧値６２０と比較しても良い。

第１分圧値６１０と第２分圧値６２０との比率Ｋ０は数３で表せる。
（数３）Ｋ０＝１＋（Ｒ３Ｐ＋Ｒ３Ｎ）／（Ｒ１Ｐ＋Ｒ２Ｐ＋Ｒ１Ｎ＋Ｒ２Ｎ）
ここで、（Ｒ１Ｐ＋Ｒ２Ｐ＋Ｒ１Ｎ＋Ｒ２Ｎ）＞＞（Ｒ３Ｐ＋Ｒ３Ｎ）であるとき、第１抵抗体５００の抵抗値異常があっても、Ｋ０の変化が小さいため、検出が困難である。

そのため、第１抵抗体５００の抵抗値と第２抵抗体５２０の抵抗値の比率は、分圧器、ならびに、マイコン４５に内蔵されたＡ／Ｄ変換器による測定誤差を加味しても検出可能となるように設定する。

これにより、第１抵抗体５００の抵抗値異常を診断することが可能となり、電圧検知装置の測定信頼性が向上する。

なお、図１に示されるバッファ回路部４０は、第１抵抗体５００と第２抵抗体５２０からなる分圧回路と後段の演算回路４０やマイコン４５を分離するための回路である。バッファ回路部４０の入力インピーダンスが分圧回路の抵抗値に比べて無視できるくらい大きいと仮定すると、バッファ回路部４０後段の回路に関係なく、バッファ回路部４０前段の回路定数のみで分圧値を計算できる。テストパターン挿入回路５１０をバッファ回路部４０の前段に配置することにより、第１抵抗体５００と第２抵抗体５２０の合成抵抗が形成され、前記の手法により第１抵抗体５００の抵抗値異常を診断することが可能となる。

一般に直流高電圧の正極負極間の分圧電圧６２が交流電気負荷を駆動するパラメータとして使用され、直流高電圧正極側の分圧電圧６０と負極電圧反転検知信号６３は直流高電圧のケースへのリーク検知などの診断目的で使用される。

図２は、他の実施形態に係るテストパターン挿入回路５１０を備えた電圧検知装置の回路ブロック図である。図１と同じ図面番号を付した構成は、同様な機能を有するので、説明を省略する。

フィルタ回路４６は、正極側の分圧電圧６０からテストパターン挿入回路５１０によって発生する高周波成分を除去してマイコン４５へ供給する。

フィルタ回路４７は、正極側の分圧電圧６０からテストパターン挿入回路５１０による変動を透過し、それより高周波となる成分は除去してマイコン４５へ供給する。

フィルタ回路４８は、負極電圧反転検知信号６３からテストパターン挿入回路６１０によって発生する高周波成分を除去してマイコン４５へ供給する。

フィルタ回路４９は、負極電圧反転検知信号６３からテストパターン挿入回路６１０による変動を透過し、それより高周波となる成分は除去してマイコン４５へ供給する。

図４は、テストパターン挿入回路５１０及び５１１の駆動させた場合の波形図である。

フィルタ回路４６は、テストパターン挿入回路５１０より挿入されるパルスが後段のマイコン４５（あるいは演算回路４２ないし４４）で検出されない状態に減衰するフィルタ定数を設定したフィルタ回路である。

フィルタ回路４７は、テストパターン挿入回路５１０より挿入されるパルスを後段のマイコン（あるいは演算回路）で検出できる状態で透過するフィルタ定数を設定したフィルタ回路である。

これにより、テストパターンを挿入した際に、挿入しない場合と変化ない値と挿入することによって変化した値を同時に測定することができる。

１０…直流電源、１１…遮断装置、１２…検知対象電位、１３…検知対象電位、１４…ケース電位、４０…バッファ回路、４１…バッファ回路、４２…演算回路、４３…演算回路、４４…演算回路、４５…マイコン、４６…フィルタ回路、４７…フィルタ回路、４８…フィルタ回路、４９…フィルタ回路、６０…正極側の分圧電圧、６１…負極側の分圧電圧、６２…正極負極間の分圧電圧、６３…負極電圧反転検知信号、６４…過電圧検知信号、７０…コンデンサモジュール、５００…第１抵抗体、５０１…第１抵抗体、５１０…テストパターン挿入回路、５１１…テストパターン挿入回路、５２０…第２抵抗体、５２１…第２抵抗体、５３０…スイッチング素子、５３１…スイッチング素子、６１０…第１分圧値、６１１…第１分圧値、６２０…第２分圧値、６２１…第２分圧値

Claims

検知部の電圧を第１分圧値に分圧するための第１抵抗体と、
前記第１分圧値を第２分圧値に分圧するための第２抵抗体とスイッチング素子により構成されるテストパターン挿入回路部と、を備え、
前記テストパターン挿入回路部は、前記第１分圧値と同電位の接続点に接続され、
前記スイッチング素子が導通していないときの前記第２分圧値に基づき、前記第１抵抗体の状態を検知する電圧検知装置。
請求項１に記載の電圧検知装置であって、
前記第２抵抗体は、前記スイッチング素子と電気的に並列に接続される電圧検知装置。
請求項１または２に記載の電圧検知装置であって、
前記テストパターン回路部による前記第１抵抗体の状態に関する情報を含む検知信号を変換するバッファ回路部と、
前記バッファ回路部からの信号に基づき演算する演算回路部と、を備え、
前記テストパターン回路部は、前記バッファ回路部に対して前記検知部に近い側に電気的に接続される電圧検知装置。
請求項３に記載の電圧検知装置であって、
前記バッファ回路部と前記演算回路部とを繋ぐ第１フィルタ回路及び第２フィルタ回路を備え、
前記第１フィルタ回路は、前記テストパターン回路部の信号を抑制するように設けられ、
前記第２フィルタ回路は、前記テストパターン回路部の信号を前記演算回路部に伝達させるように構成される電圧検知装置。