JP5168846B2

JP5168846B2 - コンデンサの放電制御装置

Info

Publication number: JP5168846B2
Application number: JP2006217924A
Authority: JP
Inventors: 幸嗣岩下
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-08-10
Filing date: 2006-08-10
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2026-08-10
Also published as: JP2008043160A

Description

本発明は、平滑コンデンサを備えた電源装置に関する。

従来、インバータの入力段に設けられた電圧平滑用コンデンサの突入電流を緩和するために、充電抵抗と電磁開閉器とを利用した予備充電回路を設けてコンデンサを予備充電する電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。コンデンサに充電された電荷は、電源装置が停止されると直ちに放電される。

特開２００５−８０４５６号公報

ところで、例えば、イグニッションオンして直ぐにオフする操作が繰り返し行われた場合には、充電抵抗のエネルギー消費が断続的に繰り返されることになる。従来は、そのような状況に備えて、定格電力の大きな充電抵抗を用いるようにしている。そのため、充電抵抗の体格が大きくなり、充電抵抗のレイアウトスペースが大きくなるという問題が生じるとともに、コストアップの原因にもなっていた。

請求項１の発明は、インバータに設けられ、充電抵抗を介してバッテリにより予備充電される平滑コンデンサのエネルギーの放電を制御する放電制御手段を備え、放電制御手段は、エネルギーを一定の放電電力で放電した後に、残りのエネルギーを急速放電し、一定の放電電力は、充電抵抗の定格電力と、バッテリとインバータとの間に接続されるスイッチのオンオフ制御の追随可能な最短入力間隔時間とに基づいて設定することを特徴とする。

本発明によれば、平滑コンデンサのエネルギーを一定の放電電力で放電した後に、残りのエネルギーを急速放電するので、充電抵抗のエネルギー消費が断続的に繰り返されるような状況において、充電抵抗の平均電力を従来より低く抑えることができる。

以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は、本発明による電源装置の一実施の形態を示す図であり、バッテリで走行用モータを駆動する電気車両に適用した場合の概略構成図である。バッテリ１の直流電圧は、インバータ３で交流電圧に変換されてモータ２０に供給される。モータ２０は、車両の駆動トルクを発生するための駆動モータである。

バッテリ１は、複数のセルから構成される組電池である。メインリレー２，３およびサブリレー４は、制御ユニット６からの制御信号に基づいてオンオフする。車両走行時には、メインリレー２，３がオンに制御されている。サブリレー４には充電抵抗５が直列に接続されており、それらはメインリレー２に対して並列に接続されている。なお、サブリレー４と充電抵抗５は、メインリレー３と並列に配置しても良い。これらのメインリレー２，３，サブリレー４および充電抵抗５は、バッテリ１とインバータ３との間を接続および遮断する安全器として機能する。メインリレー３のラインには電流センサ７が設けられている。

インバータ８は、スイッチング素子としてのＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆ、電圧センサ１２、放電抵抗１０および平滑コンデンサ９を備えている。ＩＧＢＴ１１ａおよび１１ｂはＵ相アームを構成し、ＩＧＢＴ１１ｃおよび１１ｄはＶ相アームを構成し、ＩＧＢＴ１１ｅおよび１１ｆはＷ相アームを構成している。モータコントローラ１３は、ＩＧＢＴ１１ａ〜１１ｆのオンオフを制御する。

制御ユニット６は、リレー２〜４をオンオフ制御するとともに、モータコントローラ１３を制御する。制御ユニット６には、システムの起動・停止を指令するＳＴ信号が入力される。運転者がイグニションスイッチをオン操作するとＳＴ信号はオンとなり、オフ操作するとＳＴ信号はオフとなる。また、制御ユニット６は、システム起動時には充電抵抗５を介してコンデンサ９を予備充電する予備充電制御を行い、システム停止時にはコンデンサ９の放電制御を行う。

なお、図１のシステムではバッテリ１をインバータ８に直接接続したが、図２に示すシステムのように、バッテリ１の電圧を昇圧コンバータにより昇圧してインバータ８に電力を供給する構成であっても良い。昇圧コンバータ１５は、平滑コンデンサ１６，昇圧リアクトル１７，ＦＥＴ１８を備えている。ＦＥＴ１８のオンオフ制御は、コンバータコントローラ１４によって行われる。なお、モータ２０が発電機として機能する回生運転の場合には、逆に、回生発電電圧を降圧させてバッテリ１を充電する。

図２に示すシステムの場合には、ＳＴ信号がオンされると２つの平滑コンデンサ９，１６に対して予備充電が行われ、ＳＴ信号がオフされると平滑コンデンサ９，１６の電荷が放電される点が、図１のシステムと異なる。以下では、図１のシステムを例に説明することにする。

《平滑コンデンサの放電制御》
図３，４は本実施の形態における平滑コンデンサ９の放電制御を説明する図であり、図３は充放電の制御フローを示すフローチャートである。一方、図４はタイムチャートを示す図であって、（ａ）はＳＴ信号のオン／オフ状態、（ｂ）はサブリレー４の接点のオン／オフ状態、（ｃ）は平滑コンデンサ９に蓄えられる静電エネルギーの変化を示したものである。運転者のイグニッションキーオン操作により制御ユニット６にＳＴ信号オンが入力されると、図３に示すフローチャートがスタートする。

ステップＳ１では、平滑コンデンサ９の予備充電処理が実行される。すなわち、ＳＴ信号オンの入力により、制御ユニット６は、メインリレー３とサブリレー４に対して、それぞれの接点をオンするための電源供給を行う。リレー３，４の接点がオンすると、充電抵抗５を介して平滑コンデンサ９に電流が流れ込み、平滑コンデンサ９の充電が開始される。平滑コンデンサ９にエネルギーが蓄えられて所定の電圧に達したならば、メインリレー２の接点をオンし、その後、サブリレー４をオフする。このような動作により、平滑コンデンサ９の予備充電が終了する。図４（ｂ）において、Taはサブリレー４がオンとなっている時間であり、Txは次にサブリレー４がオンとなるまでの時間である。

ステップＳ２では、ＳＴ信号オフされたか否かを判定し、オフされたならばステップＳ３へ進む。ステップＳ３では、平滑コンデンサ９の静電エネルギーをインバータ８を介してモータ２０に強制放電するとともに、放電時間計測のタイマをスタートする。

ところで、従来は、図５に示すように平滑コンデンサ９のエネルギーがゼロとなるように速やかに放電しているが、本実施の形態では、（ａ）所定の時間T0で所定エネルギーE0だけ放電する制限放電と、（ｂ）残りのエネルギーを速やかに放電する急速放電との２段階に分けて放電を行う。１段目の制限放電では、時間当たりの放電エネルギーが一定となるようにＩＧＢＴ１１をスイッチング制御して、モータ２０に放電する。放電エネルギーE0および所定時間T0については後述する。

その結果、平滑コンデンサ９の静電エネルギーは、図４（ｃ）に示すように徐々に減少することになる。ステップＳ４では、放電を開始してから所定時間T0が経過してタイムアップしたか否かを判定する。ステップＳ４において所定時間T0が経過していないと判定されると、すなわち、図４（ａ）に示すように次のＳＴ信号Ｂが入力された場合には、ステップＳ５へ進む。

ステップＳ５ではＳＴ信号がオンになったか否かを判定し、オンになったならばステップＳ６へ進み、ステップＳ３の放電開始からそれまでに放電されたエネルギー分だけ、ステップＳ１と同様の通常の起動シーケンスで再充電する。ステップＳ６の処理が終了したならば、ステップＳ２へ戻る。一方、ステップＳ４において、所定時間T0が経過したと判定されるとステップＳ７へ進み、平滑コンデンサ９に残っているエネルギーをモータ２０に速やかに全放電する。

図４の例では、放電を開始してから時間Tint1が経過したＢ点においてＳＴ信号がオンとなり、再充電が開始されているので、それまでの放電エネルギーΔE（＝E0×Tint1／T0）に相当する分だけ再充電される。一方、ステップＳ４からステップＳ７に進んだ場合には、破線で示すように所定時間T0まで制限放電を行うので、制限放電によりE0だけエネルギーが放電され、ステップＳ７において残りのエネルギーが従来のように急速に放電される。

次に、所定時間T0および所定放電エネルギーE0の設定方法の一例を示す。ここでは、充電抵抗５の定格電力が１０Ｗで、平滑コンデンサ９が帯電荷ゼロの状態から予備充電を行った場合に充電抵抗５で消費されるエネルギーが９０Ｊであるとして考える。また、システムが追従可能なＳＴ信号の最短入力間隔時間、すなわち、ＳＴ信号がオンとなってから再度ＳＴ信号がオンとなるまでの最短間隔時間は、３秒であるとする。

図４（ｃ）に示す例では、最初のＳＴ信号オンによる充電抵抗５のエネルギー消費量は９０Ｊとなる。そして、次のＳＴ信号オンまでに平滑コンデンサ９の電荷が完全に放電された場合、次のＳＴ信号オンにおいても充電抵抗５のエネルギー消費量は９０Ｊとなる。そのため、所定時間T0を９秒（＝９０Ｊ／１０Ｗ）以上に設定すれば、平均の電力消費を定格電力１０Ｗより小さくすることができる。

また、所定エネルギー放電量としては、最短入力間隔時間３秒に対応して３０Ｊ（＝１０Ｗ×３ｓ）とする。すなわち、制限放電の継続時間は９秒であって、その９秒間で３０Ｊだけ放電を行い、９秒経過後に残り電荷の全てを急速放電する。このように設定すると、充電抵抗５のエネルギー消費が断続的に繰り返されるような状況であっても、定格電力１０Ｗを越えるような過負荷での使用を避けることができる。

例えば、所定時間T0経過する前に次のＳＴ信号オンがあった場合、平滑コンデンサ９を充電するのに必要なエネルギーは、ＳＴ信号オン時点までに制限放電されたエネルギー分であって、その値は３０Ｊ以下である。つまり、次の充電において充電抵抗５で消費されるエネルギーは最大でも３０Ｊである。一方、いかにＳＴ信号のオンオフ入力操作が速くても、制御システムが追従可能なＳＴ信号の最短入力間隔時間は３秒である。そのため、仮に今回のＳＴ信号入力と前回のＳＴ信号入力の最短間隔時間が３秒であって、充電すべきエネルギーが３０Ｊであったとしても、充電抵抗５で消費されるエネルギーの平均電力換算値は、１０Ｗ（＝３０Ｗ÷３ｓ）となる。よって、定格電力１０Ｗの充電抵抗５の負荷率１００％で電力消費することになり、過負荷での使用を防止することができる。

一方の従来の方法では、ＳＴ信号がオフされる度に平滑コンデンサ９の全電荷を速やかに放電するようにしていたので、次のＳＴ信号オン時における充電抵抗５の消費エネルギーは９０Ｊとなる。そのため、充電抵抗５は少なくとも３０Ｗ（＝９０Ｊ÷３ｓ）の定格電力が必要であった。すなわち、本実施の形態のように放電を行うことにより、充電抵抗５の定格電力を１０Ｗに低減することができる。

［変形例］
上述した実施の形態では、ＳＴ信号がオフされて平滑コンデンサ９に蓄えられたエネルギーをモータ２０に放電する際に、所定時間経過するまでの第１段階は放電量が一定となるように放電を制限し、第２段階においてモータ２０へ短時間で残りの全てを放電するようにした。しかし、以下に説明する変形例では、第１段階において、平滑コンデンサ９に蓄えられているエネルギーを放電抵抗１０を使って放電させるようにする。すなわち、放電抵抗１０と平滑コンデンサ９とからなるＣＲ回路において、抵抗値と静電容量との積で決まる時定数の過渡放電を行わせる。

図６は変形例における制御フローを示すフローチャートである。また、図７は、変形例におけるタイムチャートであり、図４の場合と同様に、（ａ）はＳＴ信号のオンオフ状態、（ｂ）はサブリレー４の接点のオンオフ状態、（ｃ）は平滑コンデンサ９に蓄えられる静電エネルギーの変化を示したものである。図７（ａ）において、ＳＴ信号ＢはＳＴ信号Ａオフ後の所定時間以内に再びイグニッションがオンされた場合を示し、ＳＴ信号ＣはＳＴ信号Ａオフ後の所定時間経過後にイグニッションオンされた場合を示している。ＳＴ信号Ｂ入力時にサブリレー４がオンとなっている時間であり、Tyは次にサブリレー４がオンとなるまでの時間である。Ton1，Ton2は、各ＳＴ信号Ａ，Ｂのオンからオフまでの時間である。

図６のフローチャートでは、図３のフローチャートと同一処理には同一の符合を付した。すなわち、ステップＳ１３の処理のみが図３の場合と異なる。すなわち、ステップＳ２においてＳＴ信号オフと判定されてステップＳ１３へ進んだ場合には、ステップＳ１３において放電抵抗１０による自然放電（過渡放電）を開始する。

例えば、前述した例と同様に、平滑コンデンサ９をゼロの状態から予備充電した際に充電抵抗５で消費されるエネルギーを９０Ｊ、充電抵抗５の定格電力を１０Ｗとした場合について考える。この場合にも、所定時間を９秒（＝９０Ｊ÷１０Ｗ）とする。すなわち、ＳＴ信号オフ後、所定時間９秒の間は自然放電を行う。

図７（ａ）のＳＴ信号Ｂのように所定時間以内に次の信号入力があった場合、平滑コンデンサ９を充電するのに必要なエネルギーは、ＳＴ信号入力時点までに自然放電したエネルギー分であり、次式（１）で算出される。ただし、式（１）において、Ｖはバッテリ１の総電圧、Ｃは平滑コンデンサ９の静電容量、R1は放電抵抗１０の抵抗値である。また、Tint1は自然放電している時間であり、ＳＴ信号オフから次のＳＴ信号オンまでの時間である。
Ｃ・Ｖ２（１−exp（−２Tint1／Ｃ・R1））／２（１）

このとき、ＳＴ信号オンからＳＴ信号オフまでの時間をTon2とし、ＳＴ信号Ｂ入力時に充電抵抗５で消費するエネルギー量を平均電力値に換算すると、平均電力値は次式（２）のようになる。
Ｃ・Ｖ２（１−exp（−２Tint1／Ｃ・R1））／２÷（Tint1＋Ton2）（２）

Ｃ、R1等に具体的な値を代入して平均電力値の値を算出してみると、図８に示すような結果となる。ここでは、Ｃ＝０．００５Ｆ、Ｖ＝４００Ｖ、R1＝２００００Ωとし、Ton2はシステムとして可能な最短値＝１ｓであるとする。図８では、所定時間９秒までの値を示したが、いずれも１０Ｗを下回っている。すなわち、このような回路構成の場合には、定格電力１０Ｗの充電抵抗５を使用することが可能となる。なお、ここでは所定時間を９秒と設定したが、Ｃ、R1等の値に応じて、平均電力値が定格電力を下回るように適宜設定される。

また、ＳＴ信号Ｃのように、所定時間（９秒）経過後に次のＳＴ信号の入力があった場合、平滑コンデンサ９を最初から予備充電することになる。しかし、前回のＳＴ信号入力から今回のＳＴ信号入力までの間隔はすでに９秒以上経過しているので、充電抵抗５で消費されるエネルギー９０Ｊの平均電力換算値は１０Ｗ（＝９０Ｊ÷９ｓ）を下回ることになる。すなわち、定格電力１０Ｗの充電抵抗５を使用した場合でも、過負荷での使用を防止することができる。

上述したように、本実施の形態では、電源オフ後の所定時間T0の間は、平滑コンデンサ９に蓄えられたエネルギーを一定の放電電力でモータ２０に放電したり、放電抵抗１０の抵抗値と平滑コンデンサ９の静電容量との積で決まる時定数の過渡放電により放電したりするようにしたので、充電抵抗５のエネルギー消費が断続的に繰り返されるような状況において、充電抵抗５の平均電力を従来より低く抑えることができる。その結果、充電抵抗５の定格電力を従来より小さくすることができ、充電抵抗５のコスト低減や、充電抵抗５のサイズが小さくなることによるレイアウトスペースの抑制などを図ることができる。

以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、制御ユニット６は放電制御手段を構成する。なお、以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。

本発明による電源装置の一実施の形態を示す図である。バッテリ１の電圧を昇圧コンバータにより昇圧してインバータ８に電力を供給するシステム構成を示す図である。充放電の制御フローを示すフローチャートである。タイムチャートを示す図であり、（ａ）はＳＴ信号のオン／オフ状態を、（ｂ）はサブリレー４の接点のオン／オフ状態を、（ｃ）は平滑コンデンサ９に蓄えられる静電エネルギーの変化をそれぞれ示す。従来の充放電のタイムチャートを示す図である。変形例の制御フローを示すフローチャートである。変形例におけるタイムチャートを示す図であり、（ａ）はＳＴ信号のオン／オフ状態を、（ｂ）はサブリレー４の接点のオン／オフ状態を、（ｃ）は平滑コンデンサ９に蓄えられる静電エネルギーの変化をそれぞれ示す。自然放電の継続時間と、消費エネルギーおよび平均電力値との関係を示す図である。

符号の説明

１：バッテリ、２，３：メインリレー、４：サブリレー、５：充電抵抗、６：制御ユニット、９：平滑コンデンサ、１０：放電抵抗、２０：モータ

Claims

インバータに設けられ、充電抵抗を介してバッテリにより予備充電される平滑コンデンサのエネルギーの放電を制御する放電制御手段を備え、
前記放電制御手段は、前記エネルギーを一定の放電電力で放電した後に、残りのエネルギーを急速放電し、
前記一定の放電電力は、前記充電抵抗の定格電力と、前記バッテリと前記インバータとの間に接続されるスイッチのオンオフ制御の追随可能な最短入力間隔時間とに基づいて設定することを特徴とするコンデンサの放電制御装置。
請求項１に記載のコンデンサの放電制御装置において、
前記一定の放電電力は、前記定格電力に前記最短入力間隔時間を乗算することで算出されるエネルギー量以下に設定されている
ことを特徴とする請求項１記載のコンデンサの放電制御装置。