JP4556918B2 - 回生エネルギー消費回路を備える電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、回生エネルギー消費回路を備える電源装置に係わり、特に、回生エネルギー消費回路の故障を検出する技術に係わる。

電源装置にモータが接続される場合、そのモータの減速時等には回生エネルギーが発生し、電源装置にかかる電圧が上昇する。このため、電源装置は、しばしば、回生エネルギーを消費するための回路を備えている。ここで、回生エネルギー消費回路は、一般に、回生エネルギーに起因する電流を流すための抵抗（以下、回生抵抗）を含んで構成される。すなわち、回生エネルギーが発生すると、回生抵抗を介して回生電流が流れ、そこでエネルギーが消費される。

上述のような電源装置において回生抵抗が故障してその抵抗値が変化すると、電源装置に定格以上の電流が流れたり、定格以上の電圧が加わるおそれがある。このため、従来より、回生エネルギー消費回路の状態を診断し、その故障を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
特開平５−３３６７５８号公報 特開２００３−２３０２８３号公報

しかし、従来技術においては、特許文献１、２に記載のように、回生抵抗の故障を検出するためには、故障判定のための専用回路を設ける必要がある。例えば、回生抵抗に流れる電流を検出するために専用の電流検出器を設ける必要がある。このため、電源装置の小型化および低コスト化の妨げとなっている。

また、回生エネルギーを十分に消費するためには、回生抵抗の抵抗値を小さくする必要がある。ところが、一般に、非常に小さい抵抗値（例えば、１オーム程度）を持った抵抗体の耐ラッシュ能力は低く、十分な回生エネルギーの消費能力を得ることできない場合がある。このため、回生抵抗は、しばしば、複数の抵抗体を並列に接続することにより構成される。しかしながら、複数の抵抗体を並列に接続することにより１つの回生抵抗を形成する場合には、それら複数の抵抗体の中の一部の抵抗体のみが故障したときに、それを検出することは容易ではなかった。

本発明の課題は、回生エネルギー消費回路を備える電源装置において、専用回路を設けることなくその回生エネルギー消費回路の故障を検出することである。

本発明の電源装置は、回生抵抗およびその回生抵抗に直列的に接続されたスイッチを供え、１組の出力母線間に設けられる回生エネルギー消費回路と、出力電流を検出する電流検出回路と、所定のタイミングにおいて前記スイッチをオン状態に制御し、前記電流検出回路により検出される電流値に基づいて前記回生抵抗の状態を検出する故障検出回路、を有する。

上記構成の電源装置において、回生エネルギー消費回路は１組の出力母線間に設けられており、回生抵抗およびスイッチは互いに直列的に接続されている。よって、電源装置の出力が無負荷状態であるときにスイッチをオン状態に制御すれば、回生抵抗を介して電流が流れる。そして、出力電流を検出するための電流検出回路を利用して、その回生抵抗を介して流れる電流を検出することができる。したがって、電源装置の出力電圧が既知であるものとすると、上記電流検出回路により検出される電流値に基づいて回生抵抗の抵抗値を知ることができる。

故障検出回路は、電源装置の起動時に回生抵抗の状態を検出するようにしてもよい。この構成においては、回生抵抗が故障している場合には、電源装置の起動時にその故障が検出されるので、回生抵抗が故障した状態で電源装置が動作することが回避される。

また、故障検出回路は、電源装置の起動時であってその電源装置の負荷に電流が流れていないときに回生抵抗の状態を検出するようにしてもよい。この構成によれば、電源投入時から負荷が動作可能状態になるまでの間に回生抵抗の状態を診断できる。

本発明の他の態様の電源装置は、回生抵抗およびその回生抵抗に直列的に接続されたスイッチを供え、１組の出力母線間に設けられる回生エネルギー消費回路と、前記１組の出力母線間に設けられるコンデンサと、出力電流が流れていない状態において前記スイッチをオン状態に制御し、前記コンデンサの両端電圧の変化に基づいて前記回生抵抗の状態を検出する故障検出回路、を有する。この構成においては、前記スイッチをオン状態に制御すると、コンデンサに蓄積されている電荷は回生抵抗を介して放電される。このとき、放電速度は、回生抵抗の抵抗値に依存する。よって、コンデンサの両端電圧の変化をモニタすれば、回生抵抗の状態を検出することができる。

なお、回生抵抗は、複数の抵抗体を並列に接続することにより構成してもよい。この場合、抵抗値が低く且つ耐ラッシュ能力の高い回生抵抗を実現できる。そして、故障検出回路は、電流検出回路により検出される電流値に基づいて、複数の抵抗体の中の一部のみの故障も検出できる。

本発明によれば、回生エネルギー消費回路を備える電源装置において、専用回路を設けることなくその回生エネルギー消費回路の故障を検出することができる。

本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。以下では、電源装置の一例としてＤＣ／ＤＣコンバータを取り上げる。
図１は、実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１の構成を示す図である。図１において、電源２は、バッテリ等の直流電源である。また、負荷３は、回生エネルギーを発生し得る負荷（例えば、モータ）を含んで構成される。

スイッチ回路１１は、ブリッジ状に接続された４個のスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４を備える。また、スイッチ回路１１は、トランスＴ１１の一次側コイルに接続される。ここで、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１４をオン状態に制御し、スイッチング素子Ｑ１２、Ｑ１３をオフ状態に制御すれば、電源２からスイッチング素子Ｑ１１、トランスＴ１１の一次側コイル、スイッチング素子Ｑ１４を介して電源２に戻る電流が生成される。一方、スイッチング素子Ｑ１２、Ｑ１３をオン状態に制御し、スイッチング素子Ｑ１１、Ｑ１４をオフ状態に制御すれば、電源２からスイッチング素子Ｑ１３、トランスＴ１１の一次側コイル、スイッチング素子Ｑ１２を介して電源２に戻る電流が生成される。したがって、上記２つの状態を交互に繰り返せば、交流が生成される。

電流検出回路１２は、トランスＴ１１の一次側コイルを介して流れる電流を検出する。ここで、トランスＴ１１の一次側コイルを介して電流が流れると、その巻線比に応じて決まる電流が二次側コイルを介して流れる。そして、トランスＴ１１の二次側コイルを介して流れる電流は、整流されて負荷３に供給される。したがって、電流検出回路１２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力電流を検出することができる。そして、電流検出回路１２により得られる電流値は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の通常動作時は、過電流の発生を検出するため、および／またはスイッチ回路１１を制御するために利用される。なお、電流検出回路１２は、図１に示す例ではカレントトランスを利用して電流を検出しているが、これに限定されるものではない。

トランスＴ１１の二次側コイルの中点には、コイルＬ１１を介して一方の出力母線に接続されている。また、トランスＴ１１の二次側コイルの両端は、ダイオードＤ１１、Ｄ１２を介して他方の出力母線に接続されている。そして、コンデンサＣ１１は、１組の出力母線の間に設けられ、出力電圧を平滑化する。抵抗Ｒ１１は、出力電圧を検出するために設けられている。

回生エネルギー消費回路１３は、１組の出力母線の間に設けられ、負荷３において発生する回生エネルギーを消費する。回生エネルギー消費回路１３は、回生抵抗Ｒ（Ｒ１〜Ｒ３）およびその回生抵抗Ｒに直列的に接続されるスイッチング素子Ｑｒから構成されている。なお、抵抗Ｒ１〜Ｒ３は、互いに並列に接続されている。

負荷３は、特に限定されるものではないが、例えば、インバータ回路および三相交流モータである。この場合、インバータ回路は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の直流出力を交流に変換して三相交流モータに供給する。また、三相交流モータの減速時には、回生エネルギーが発生する。そして、この回生エネルギーは、回生エネルギー消費回路１３において消費される。すなわち、回生エネルギーによってＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧が所定の閾値を超えると、スイッチング素子Ｑｒがオフ状態からオン状態に変化し、回生抵抗Ｒを介して電流が流れて回生エネルギーが消費される。

図２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作を制御する制御回路２１について説明する図である。制御回路２１は、特に限定されるものではないが、例えば、マイコンにより実現される。なお、制御回路２１は、ハードウェア回路で実現してもよいし、ハードウェア回路とマイコンの組合せにより実現してもよい。

制御回路２１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作を制御するとともに、回生エネルギー消費回路１３の状態を診断する故障検出回路として動作する。すなわち、制御回路２１には、電流信号、電圧信号、ＤＣ／ＤＣ起動信号が与えられる。電流信号は、電流検出回路１２により検出される電流値を表す。電圧信号は、検出される出力電圧を表す。ＤＣ／ＤＣ起動信号は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の起動信号を表す。また、制御回路２１は、これらの入力信号に基づいて、駆動信号、スイッチ信号、診断結果を生成して出力する。駆動信号は、スイッチ回路１１のスイッチング素子Ｑ１１〜Ｑ１４を駆動する。スイッチ信号は、回生エネルギー消費回路１３のスイッチング素子Ｑｒを制御する。診断結果は、回生エネルギー消費回路１３の回生抵抗Ｒ（Ｒ１〜Ｒ３）の抵抗値が正常であるか否かを表す。

次に、回生エネルギー消費回路１３の状態を診断する手順を説明する。なお、以下の実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１に接続する負荷３は、自動車の電動式パワーステアリングシステムのためのモータであるものとする。また、ＤＣ／ＤＣコンバータ１を搭載する自動車の動作を制御するシステムにおいては、システム電源投入時に走行の安全性を確保するための初期チェックが実行され、その初期チェックが正常に終了した場合に限り走行が許可されるものとする。

コンバータからのＤＣ／ＤＣ正常信号を受信するまでの間、初期チェックを実行している期間は、負荷３は動作しない。ここで、負荷はコンバータからのＤＣ／ＤＣ正常信号を受信するまで動作しないので、初期チェックを実行している期間は、実質的に無負荷状態となっている。そして、図３に示すように初期チェックが正常に終了すると、ＤＣ／ＤＣコンバータ１から負荷３へＤＣ／ＤＣ正常信号を出力する。以降、ステアリングの操舵に応じてＤＣ／ＤＣコンバータ１からモータに必要な電流が供給される。このように、電源投入時から所定時間が経過するまで（この実施例では、初期チェックが正常終了して許可信号がオンになるまで）の期間は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力は、実質的に無負荷状態となっている。

図４は、回生エネルギー消費回路１３の状態を診断する手順を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、電源が投入されたときに実行される。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、電源が投入されると、その出力電圧を予め決められている所定値に保持する動作を開始する。また、電源が投入された直後は、上述したように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力は実質的に無負荷状態であり、回生エネルギーも発生していない。

ステップＳ１およびＳ２では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧が電源投入時から所定時間内に正常値に保持されたか否かをチェックする。このとき、出力電圧が所定時間内に正常値に保持されなければ、ＤＣ／ＤＣコンバータ１が故障しているものと判断し、ステップＳ６においてエラー処理を実行する。なお、「所定時間」とは、上述の実施例においては、システムの初期チェックに要する時間に相当する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧が所定時間内に正常値に保持されていれば、ステップＳ３において、所定のタイミングでスイッチング素子Ｑｒをオン状態に制御する。そして、スイッチング素子Ｑｒがオン状態になると、トランスＴ１１の二次側において、回生抵抗Ｒを介して電流が流れる。すなわち、回生抵抗Ｒは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１に対して「負荷」として作用する。なお、「所定のタイミング」は、この実施例では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の起動時であって上述の所定時間が経過する前の任意のタイミングを意味する。

ステップＳ４では、電流検出回路１２により検出される電流値を取得する。このとき、トランスＴ１１の二次側では、回生抵抗Ｒ（Ｒ１〜Ｒ３）を介して電流が流れるが、負荷３は実質的に接続されていない状態である。よって、電流検出回路１２により検出される電流値は、回生抵抗Ｒを介して流れる電流を表す。

ステップＳ５では、ステップＳ４で検出した電流値に基づいて、回生抵抗Ｒ（Ｒ１〜Ｒ３）の状態を診断する。ここで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧（すなわち、回生抵抗Ｒにかかる電圧）は予め決められた値に保持されている。よって、電流検出回路１２により検出される電流値から回生抵抗Ｒの抵抗値（抵抗Ｒ１〜抵抗Ｒ３の合成抵抗）を算出することができる。すなわち、回生抵抗Ｒを構成する抵抗Ｒ１〜Ｒ３のすべてが正規の抵抗値を有しているのか、いずれか１つがオープン状態（すなわち、抵抗値が無限大の状態）であるのか、いずれか２つがオープン状態であるのか、３つともオープン状態であるのかを判断できる。なお、抵抗Ｒ１〜Ｒ３のいずれか１つ以上がショート状態となる故障は、出力電圧の低下によって検出される。そして、回生抵抗Ｒ（Ｒ１〜Ｒ３）の故障が検出された場合には、その旨を表す診断結果信号を出力する。

このように、実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１においては、通常動作において使用する電流検出回路１２を利用して回生抵抗Ｒの状態が診断される。すなわち、回生抵抗Ｒの状態を診断するための専用の回路を設ける必要はない。よって、実施形態の構成は、コンバータの小型化および低コスト化に寄与する。

なお、スイッチング素子Ｑｒは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の出力電圧が過電圧状態となったときに自動的にオン状態に制御される。この構成により、負荷３において発生した回生エネルギーが消費される。また、スイッチング素子Ｑｒは、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の停止時にオン状態に制御されるようにしてもよい。この構成により、負荷３に残存する電荷を放出させることができる。すなわち、回生エネルギー消費回路１３は、回生エネルギーを消費するだけでなく、他の用途にも利用することができる。

また、本発明は、図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータに限定されるものではなく、回生抵抗およびその回生抵抗に直列的に接続されたスイッチを備える電源装置であって、そのスイッチがオン状態であるときの電流を検出する構成に広く適用可能である。すなわち、図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、トランスの二次側で電流を検出してもよい。また、非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ（昇圧型および降圧型を含む）、インバータに本発明を適用することも可能である。

さらに、回生抵抗の状態を診断する他の方法として、コンデンサＣ１１の電圧の変化を利用することもできる。この場合、図４に示すフローチャートの手順において、ステップＳ３の前にＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作をいったん停止する。そして、スイッチング素子Ｑｒをオン状態に制御し、回生抵抗Ｒを介してコンデンサＣ１１に蓄積されている電荷を放出する。このとき、コンデンサＣ１１の両端電圧の変化速度は、回生抵抗Ｒの合成抵抗値に依存する。したがって、コンデンサＣ１１の電圧の変化を監視することにより、回生抵抗Ｒの状態を診断することができる。

実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御回路について説明する図である。 負荷の状態を説明する図である。 回生エネルギー消費回路の状態を診断する手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１ スイッチ回路
１２ 電流検出回路
１３ 回生エネルギー消費回路
２１ 制御回路

Claims (6)

1. 回生抵抗およびその回生抵抗に直列的に接続されたスイッチを供え、１組の出力母線間に設けられる回生エネルギー消費回路と、
   出力電流を検出する電流検出回路と、
   所定のタイミングにおいて前記スイッチをオン状態に制御し、前記電流検出回路により検出される電流値に基づいて前記回生抵抗の状態を検出する故障検出回路、
   を有することを特徴とする電源装置。
2. 前記故障検出回路は、当該電源装置の起動時に前記回生抵抗の状態を検出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記故障検出回路は、当該電源装置の負荷に電流が流れていないときに前記回生抵抗の状態を検出する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電源装置。
4. 回生抵抗およびその回生抵抗に直列的に接続されたスイッチを供え、１組の出力母線間に設けられる回生エネルギー消費回路と、
   前記１組の出力母線間に設けられるコンデンサと、
   出力電流が流れていない状態において前記スイッチをオン状態に制御し、前記コンデンサの両端電圧の変化に基づいて前記回生抵抗の状態を検出する故障検出回路、
   を有することを特徴とする電源装置。
5. 前記回生抵抗は、複数の抵抗体を並列に接続することにより構成されている
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか1項に記載の電源装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電源装置を備えるモータ駆動装置。

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