JP2021078300A - 電力変換装置のリユースシステム - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の再利用や延命を低コストで実現する技術を提供する。【解決手段】本明細書で開示するＰＣＵのリユースシステムでは、ＩＰＵは、ＰＣＵに実装された現在の制御プログラムを検査プログラムに入れ替え（Ｓ１２）、検査プログラムの制御で動作するＰＣＵのパワーカードの動作時データを取得する（Ｓ１３）。ＰＣＵの劣化の度合いを動作時データに基づいて判定して劣化の度合いを示すランクを決定する（Ｓ１５）。ＩＰＵは、決定されたランクに応じて、現在の制御プログラムで制御した場合よりもＰＣＵの残存寿命を延ばし得る別の制御プログラムを検査プログラムに代えてＰＣＵに実装する（Ｓ１７、Ｓ１８）。このような作業は、ハイブリッド車からＰＣＵを取り外すことなく可能であり、比較的短時間で行うことができる。そのため、ＰＣＵの再利用や延命を低コストで実現することが可能になる。【選択図】図３

Description

本明細書が開示する技術は、電気自動車の電力変換装置のリユースシステムに関する。

電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換装置（典型的にはインバータ）は、発熱量が大きく、長期間使用していると劣化が進む。特許文献１に、車両に搭載された電力変換装置の残存寿命を評価しその評価結果に基づいて当該電力変換装置の交換の要否を連絡する技術が開示されている。交換が必要と判断された場合、車両は修理工場などに運ばれ、そこで電力変換装置が交換される。

特開２００２−１１９０４３号公報

交換された電力変換装置は、劣化が進んでいるものの、なかには再利用できるものもある。しかしながら、交換された電力変換装置が再利用に適しているかを評価するには、電力変換装置に再度電源やモータなどを接続し、電力変換装置が動作できる状態に戻さなければならず、コストが嵩む。本明細書は、電力変換装置の再利用や延命を低コストで実現する技術を提供する。

本明細書が開示する電力変換装置のリユースシステムは、検査装置と判定装置を含む。検査装置は、電力変換装置に実装された現在の制御プログラムを検査プログラムに入れ替えて、検査プログラムの制御で動作する電力変換装置の動作時データを取得する。そして、判定装置は、電力変換装置の劣化の度合いを動作時データに基づいて判定して劣化の度合いを示すランクを決定する。その後、検査装置が、決定されたランクに応じて、現在の制御プログラムで制御した場合よりも電力変換装置の残存寿命を延ばし得る別の制御プログラムを検査プログラムに代えて電力変換装置に実装する。動作時データは、例えば、電力変換装置が有する電力変換用の半導体デバイス（典型的にはパワートランジスタ）に関するデータである。

これにより、電力変換装置は、それまで実装されていた現在の制御プログラムを別の制御プログラムに入れ替えるなど、メンテナンス拠点でも実施可能な作業によって、残存寿命が延び得る。上記の作業は、車両から電力変換装置を取り外すことなく行い得るため、短時間・低コストで行うことができる。したがって、電力変換装置の再利用や延命を低コストで実現することが可能になる。

本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。

電力変換装置のリユースシステムの構成例を表すブロック図である。 電力変換装置の構成例を表すブロック図である。 検査判定装置による検査判定処理の例を表すフローチャートである。 ランク判定マップの例を表す説明図である。

図面を参照して実施例の電力変換装置のリユースシステムを説明する。ハイブリッド車が備える電力変換装置（以下、ＰＣＵと称する）は、当該車両の走行距離や使用年数に応じてその性能の劣化が進む。そのため、本実施例のリユースシステムは、ハイブリッド車２が備えるＰＣＵ１０の再利用の可否や交換の要否を検査して判定する。図１に、ＰＣＵ１０のリユースシステムの構成例を表すブロック図を示す。図２に、ＰＣＵ１０の構成例を表すブロック図を示す。

図２に示すように、ハイブリッド車２は、走行用の駆動源として、エンジン６とモータ７を備えている。エンジン６の出力トルクとモータ７の出力トルクは、動力分配機構８で適宜に分配／合成されてプロペラシャフト９に出力される。動力分配機構８の出力は、プロペラシャフト９に接続される図略の変速機などを介して駆動輪に伝達される。尚、図２では、本明細書の説明に必要な部品だけを表し、説明に関係のない部品は図示を省略していることに留意されたい。

モータ７を駆動するための電力はメインバッテリ３から供給される。メインバッテリ３は、その出力電圧が例えば３００Ｖ（ボルト）であり、システムメインリレー４を介してＰＣＵ１０に接続されている。システムメインリレー４は、メインバッテリ３と車両の駆動系を接続したり切断したりするスイッチであり、図略の上位コントローラにより切り換えられる。

ＰＣＵ１０は、メインバッテリ３とモータ７の間に介在する電力変換装置である。ＰＣＵ１０は、メインバッテリ３の電圧をモータ７の駆動に適した電圧（例えば６００Ｖ（ボルト））まで昇圧する電圧コンバータ１２と、昇圧後の直流電力を交流に変換するインバータ１４と、電圧コンバータ１２及びインバータ１４を制御するコントローラ１９と、を含んで構成されている。インバータ１４の出力がモータ７への供給電力に相当する。

ＰＣＵ１０では、図略の冷却システムにより、電圧コンバータ１２やインバータ１４を構成する電気部品（特に、パワーカード１３、１５、１６、１７）などが常時冷却されている。ハイブリッド車２は、エンジンの駆動力、あるいは車両の減速エネルギを利用、即ち制動の際、車両の運動エネルギを使ってモータ７で発電することもできる。このような発電は回生と称される。モータ７が発電する場合には、インバータ１４が交流を直流に変換し、さらに電圧コンバータ１２がメインバッテリ３よりも僅かに高い電圧まで降圧し、メインバッテリ３へ供給する。

電圧コンバータ１２は、リアクトル、ＩＧＢＴ（又はパワーＭＯＳＦＥＴ）などのスイッチング素子（電力変換用の半導体デバイス）、および、コンデンサを主とする回路である。図２には、このうちのスイッチング素子を有するパワーカード１３が図示されている。パワーカード１３は、直列に接続された２つのスイッチング素子と、夫々のスイッチング素子に逆並列に接続される２つの還流ダイオードと、これらの半導体デバイスの温度を検知する温度センサなどを有しており、パワーモジュールとして板形状にパッケージ化されている。パワーカード１３は、インテリジェントパワーモジュール（ＩＰＭ）と称されることもある。

インバータ１４は、モータ７のＵ、Ｖ、Ｗの各相に対応してスイッチング動作を行う２つのＩＧＢＴ（又はパワーＭＯＳＦＥＴ）などのスイッチング素子などを有する３つのパワーカード１５、１６、１７を主要部品として構成される回路である。これらのスイッチング素子にも、夫々還流ダイオードが逆並列に接続されている。また、これらのパワーカード１５、１６、１７は、半導体デバイスの温度を検知する温度センサなども備えている。本実施例では、これらのスイッチング素子やその周辺回路も、電圧コンバータ１２のスイッチング素子と同様に、パワーモジュールとして板形状にパッケージ化されている。

コントローラ１９は、マイクロコンピュータ、メモリや入出力インタフェースなどの電子部品で構成される情報処理装置である。このコントローラ１９には、電圧コンバータ１２、インバータ１４や上位コントローラ（不図示）が接続されている。本実施例では、コントローラ１９には、電圧コンバータ１２やインバータ１４を構成するパワーカード１３、１５−１７の制御端子が接続されており、これらはコントローラ１９により制御される。また、コントローラ１９には、パワーカード１３などに内蔵された各センサの出力端子も接続されている。これにより、コントローラ１９は、パワーカード１３、１５−１７が有するスイッチング素子（半導体デバイス）に関するデータ（例えば、温度データ、電圧データや電流データなど）を得ることが可能になる。

電圧コンバータ１２やインバータ１４は、コントローラ１９により生成されて供給されるＰＷＭ信号によって、昇圧したり、交流に変換したりするためのスイッチング動作を行う。コントローラ１９に接続される上位コントローラには、運転者による操作情報として、例えば、アクセル開度情報やブレーキ踏力情報が入力される。そのため、各パワーカード１３、１５−１７のスイッチング素子の動作は、上位コントローラから入力されるアクセル開度などに応じた制御情報に従って行われる。

このようにスイッチング素子の動作が制御される電圧コンバータ１２やインバータ１４のパワーカード１３、１５−１７は発熱量が大きい。そのため、これらのパワーカード１３、１５−１７は、例えば、図略のＰＣＵクーラにより、冷媒が流れる板形状の冷却器に交互に挟まれて随時冷却されるものの、パワーカード１３、１５−１７のスイッチング素子は発熱量が大きく、常に適切な温度範囲で動作するとは限らない。それゆえ、パワーカード１３、１５−１７のスイッチング素子は、発熱量の大きさや累積使用時間の長さに応じて性能劣化が進み得る。つまり、ハイブリッド車２のＰＣＵ１０は、当該車両の走行距離や使用年数に応じてその性能の劣化が進む。

そこで、図１に示すように、本実施例では検査判定装置（以下、ＩＰＵと称する）２０を用いて、ハイブリッド車２にＰＣＵ１０を搭載したままの状態で当該ＰＣＵ１０の再利用の可否や交換の要否を検査して判定する。ここからは、図３及び図４も参照しながら説明する。図３に、ＩＰＵ２０の検査判定処理の例を表すフローチャートを示す。図４に、ランク判定の例を表す説明図を示す。

ＩＰＵ２０は、マイクロコンピュータを中心にＲＡＭやＲＯＭあるいはＥＥＰＲＯＭなどの半導体メモリ、さらには入出力インタフェースを備えた制御装置である。本実施例では、ＩＰＵ２０は、検査判定処理の進捗状況を表示する液晶ディスプレイも備えている。後述する検査判定処理を可能にするプログラム（検査判定プログラム）は、例えば、ＲＯＭに予め格納されている。また、後述する検査プログラムや新たな制御プログラムは、例えば、ＥＥＰＲＯＭに予め格納されている。ＩＰＵ２０は、例えば、ＣＡＮやＬＩＮなどの車載ＬＡＮを介してＰＣＵ１０と接続されたり、また車両内に設けられているサービスコネクタ５を介して他のコントローラ（ＥＣＵ）と接続されたりする。

本実施例では、ＩＰＵ２０は、パワーカード１３などのスイッチング素子に関するデータとして、温度データ、電圧データや電流データなどをＰＣＵ１０から取得可能に構成されており、またＰＣＵ１０の冷却水温、ハイブリッド車２の走行距離数、使用年数（累積使用時間）や自己診断情報などの車両状態データ（車両状態情報）を他のコントローラから取得可能に構成されている。

このように構成されるＩＰＵ２０は、ハイブリッド車２に搭載されているＰＣＵ１０やサービスコネクタ５に接続された後、検査判定処理を実行することによって、ＰＣＵ１０の再利用の可否や交換の要否を検査して判定する。

図３に示すように、ＩＰＵ２０による検査判定処理では、まずステップＳ１１により、ＰＣＵ１０のコントローラ１９に現在実装されている制御プログラム（現制御プログラム）をコントローラ１９のメモリ（例えばＥＥＰＲＯＭ）から吸い上げて（アップロード）して保存（セーブ）する処理が行われる。後述するランク判定の結果次第では、現制御プログラムをコントローラ１９に再実装（再インストール）する可能性があるからである。

次のステップＳ１２では、ＰＣＵ１０を検査するプログラムをコントローラ１９に実装（インストール）する処理が行われる。この検査プログラムは、例えば、パワーカード１３、１５−１７を構成する夫々のスイッチング素子の熱抵抗を求めるために必要な電圧データ、電流データや温度データを取得し得るように、複数のスイッチング素子を個別で、又は所定の組み合わせでオンオフ動作を行わせる。つまり、検査プログラムでは、通常のＰＷＭ制御とは異なるオンオフ制御をパワーカード１３、１５−１７のスイッチング素子に対して行う。

続くステップＳ１３では、このような検査プログラムにより動作するＰＣＵ１０から、所定のデータを取得する処理が行われる。所定のデータは、例えば、パワーカード１３、１５−１７のデバイス情報である。デバイス情報は、主に、パワーカード１３、１５−１７が有する夫々のスイッチング素子の劣化の度合い（例えば、熱抵抗やオン抵抗）を求めるために必要な電圧データ、電流データや温度データである。検査プログラムがＰＣＵ１０から取得するデータは、パワーカード１３などが有する他の半導体デバイス（例えば、還流ダイオード）の劣化の度合いを求めるために必要なデータ（例えば、温度データ、電圧データや電流データなど）であってもよい。

また、ステップＳ１３では、所定のデータとして、ハイブリッド車２のサービスコネクタ５を介して得られる車両状態情報（ＰＣＵ１０の冷却水温、ハイブリッド車２の走行距離数、使用年数や自己診断情報など）も他のコントローラ（ＥＣＵ）から取得する。これにより、後述するように、パワーカード１３等のスイッチング素子の劣化の度合いを経年劣化のパラメータを含めて判定することが可能になる。

ステップＳ１４では、ステップＳ１３により得られた所定のデータ（デバイス情報と車両状態情報）に基づいて、ＰＣＵ１０の劣化の度合いを算出する処理が行われる。ＰＣＵ１０の劣化の度合いは、本実施例では、例えば、パワーカード１３、１５−１７が有するスイッチング素子の性能の劣化度合いである。より具体的には、パワーカード１３、１５−１７が有する夫々のスイッチング素子の熱抵抗やオン抵抗等の大きさである。また、これらのスイッチング素子のオン動作時の電流値や発熱温度の上昇率でもよい。

また、ＰＣＵ１０の劣化の度合いを示す数値は、ＰＣＵ１０の入力電力と出力電力の比から算出可能な変換効率や電圧電流特性などでもよい。さらにＰＣＵクーラ（不図示）を流れる冷却水温や冷却水量に基づくＰＣＵクーラ内の流路狭窄や冷却水漏れに起因した故障の発生率でもよい。

ステップＳ１５ではランク判定処理が行われる。この処理は、ステップＳ１４により算出されたＰＣＵ１０の劣化の度合いと、ハイブリッド車２の走行距離数又は使用年数（累積使用時間）とに基づいて、当該ＰＣＵ１０の性能劣化の状態を判定してランク分けをする。すなわち、ランクは、ＰＣＵ１０の劣化の度合いを示す指標である。本実施例では、例えば、図４に示すランク判定マップに基づいてＡ−Ｃの３つのランクに分けられる。例えば、熱抵抗値と走行距離数（又は使用年数）との関係に基づいて、プロットされた領域からランクを決定する。

例えば、走行距離数（又は使用年数）が比較的少なくても、パワーカード１３、１５−１７が有するいずれかのスイッチング素子の熱抵抗値が大きい場合には、Ｃランクに判定される（図４に示す×印）。これに対して、パワーカード１３、１５−１７が有するいずれかのスイッチング素子の熱抵抗値が比較的大きくても、走行距離数（又は使用年数）が多い場合には、ＡランクやＢランクに判定される（図４に示す◎印や○印）。

また例えば、スイッチング素子のオン抵抗、オン動作時の電流値や発熱温度の上昇率や、ＰＣＵ１０の入力電力と出力電力の比から算出可能な変換効率や電圧電流特性などの場合も、熱抵抗の場合と同様に、走行距離数（又は使用年数）との関係に基づいて、プロットされた領域からランクを決定することが可能である。

このようなランク判定処理により、当該ＰＣＵ１０の性能劣化の状態がＡランクに判定された場合には（Ｓ１５；Ａランク）、当該ＰＣＵ１０は、性能劣化の進みが少なく検査前に実装されていた現制御プログラムでパワーカード１３、１５−１７のスイッチング制御を行ったとしても残存寿命が長いものと予想される。そのため、再インストールする制御プログラムとして、ステップＳ１６により現制御プログラムを選択した後、続くステップＳ１８により現制御プログラムをコントローラ１９に再実装（再インストール）する。

一方、ランク判定処理により、当該ＰＣＵ１０の性能劣化の状態がＢランクに判定された場合には（Ｓ１５；Ｂランク）、当該ＰＣＵ１０は、性能劣化が相当程度は進んでいるものの、ＰＣＵ１０の出力を制限し得るスイッチング制御を行うことにより残存寿命がまだあるものと予想される。そのため、インストールする制御プログラムとして、ステップＳ１７によりＰＣＵ１０の出力制限付きの新たな制御プログラム（新制御プログラム）を選択した後、続くステップＳ１８により当該新制御プログラムをコントローラ１９に実装（インストール）する。

ステップＳ１８により現制御プログラムや新制御プログラムをコントローラ１９に実装した場合には、例えば、当該ＰＣＵ１０が再使用可能である旨を作業者に知らせ得る「リユース可能です」などのメッセージを液晶ディスプレイ（不図示）に表示する処理が行われる。これにより、作業者に対して、ＰＣＵ１０の再利用が可能であり、当該ＰＣＵ１０の交換は不要である旨を告知する。

他方、これらに対して、ランク判定処理により、当該ＰＣＵ１０の性能劣化の状態がＣランクに判定された場合には（Ｓ１５；Ｃランク）、当該ＰＣＵ１０は、今後使用することができない程度に性能劣化が進んでおり、仮にＰＣＵ１０の出力を制限し得るスイッチング制御を行ったとしても残存寿命がほとんどないものと予想される。

このような場合には、ステップＳ２０により、例えば、当該ＰＣＵ１０の再使用は不可能である旨を作業者に知らせ得る「リユースはできません」などのメッセージを目立つ文字色で液晶ディスプレイ（不図示）に表示する処理が行われる。併せて警告音を出力してもよい。これにより、作業者に対して、ＰＣＵ１０の再利用は不可能であり、当該ＰＣＵ１０の交換が必要である旨を告知する。

上述した一連の処理が完了すると、ＩＰＵ２０は、ＰＣＵ１０の電源を切断して本検査判定処理を終了する。このように本実施例のＩＰＵ２０では、ＰＣＵ１０をハイブリッド車２に搭載した状態で当該ＰＣＵ１０の再利用や交換の要否を判定することが可能にするので、ＰＣＵ１０の再利用や延命を低コストで実現することができる。

以上のとおり、本実施例のＰＣＵ１０のリユースシステムでは、ＩＰＵ２０は、ＰＣＵ１０に実装された現在の制御プログラムを検査プログラムに入れ替えて（Ｓ１２）、検査プログラムの制御で動作するＰＣＵ１０のパワーカード１３、１５−１７の動作時データを取得する（Ｓ１３）。そして、ＰＣＵ１０の劣化の度合いを動作時データに基づいて判定して劣化の度合いを示すランクを決定する（Ｓ１５）。ＩＰＵ２０は、決定されたランクに応じて、現在の制御プログラムで制御した場合よりもＰＣＵ１０の残存寿命を延ばし得る別の制御プログラムを検査プログラムに代えてＰＣＵ１０に実装する（Ｓ１７、Ｓ１８）。

これにより、ＰＣＵ１０は、それまで実装されていた現在の制御プログラムを別の制御プログラムに入れ替えるなど、メンテナンス拠点でも実施可能な作業によって、残存寿命が延び得る。そのため、例えば、ＰＣＵ１０の寿命に関わり易いパワーカード１３、１５−１７を交換することなく、ＰＣＵ１０の使用可能時間を長くすることが可能になる。またこのような作業は、ハイブリッド車２からＰＣＵ１０を取り外すことなく行い得るため、比較的短時間で行うことができる。したがって、ＰＣＵ１０の再利用や延命を低コストで実現することが可能になる。

尚、本実施例では、検査装置及び判定装置の両方の機能をＩＰＵ２０により実現する例を挙げて説明したが、これらを別個のハードウェアにより構成してもよい。例えば、検査装置の機能をＰＣＵ１０のコントローラ１９に担わせ、汎用のパーソナルコンピュータ（以下、単にパソコンと称する）に判定ソフトウェアをインストールして判定装置を構成してもよい。この場合には、ＰＣＵ１０は、例えば、検査装置の機能を実現するプログラムを、電圧コンバータ１２やインバータ１４を制御する制御プログラムとは、予め別に備えている。また、例えば、ＰＣＵ１０の残存寿命を延ばす別の制御プログラムは、パソコンが有しており、当該パソコンからコントローラ１９にインストールされる。

また例えば、ＣＰＵ、メモリ、ＤＳＰなどを有する専用ボードにより検査装置を構成するとともに、判定ソフトウェアがインストールされたパソコンにこの専用ボードを実装して、ＩＰＵ２０相当を構成してもよい。さらに例えば、パソコンに検査ソフトウェアをインストールして検査装置を構成し、そのパソコンから判定装置の機能を有する判定サーバに動作時データを送り得るように構成してもよい。当該パソコンと判定サーバは、例えば、有線ＬＡＮや無線ＬＡＮ又はＩＳＰを介してインターネットなどに接続されている。

実施例技術に関する留意点を述べる。ＰＣＵ１０が電力変換装置の一例に相当する。ＩＰＵ２０が検査装置及び判定装置の一例に相当する。パワーカード１３、１５−１７（それらが有するスイッチング素子）が電力変換用の半導体デバイスの一例に相当する。ハイブリッド車２が車両の一例に相当する。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。また、本明細書又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、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、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：ハイブリッド車 ３：メインバッテリ ５：サービスコネクタ ６：エンジン ７：モータ １０：ＰＣＵ １２：電圧コンバータ １３、１５−１７：パワーカード １４：インバータ １９：コントローラ ２０：ＩＰＵ

Claims (2)

1. 電力変換装置に実装された現在の制御プログラムを検査プログラムに入れ替えて前記検査プログラムの制御で動作する前記電力変換装置の動作時データを取得する検査装置と、
   前記電力変換装置の劣化の度合いを前記動作時データに基づいて判定し劣化の度合いを示すランクを前記検査装置に出力する判定装置と、を含み、
   前記検査装置は、前記ランクに応じて、前記現在の制御プログラムで制御した場合に比べて前記電力変換装置の残存寿命を延ばす別の制御プログラムを前記検査プログラムに代えて前記電力変換装置に実装する、
   ことを特徴とする電力変換装置のリユースシステム。
2. 前記動作時データは、前記電力変換装置が有する電力変換用の半導体デバイスに関するデータであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置のリユースシステム。

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