JP5169187B2

JP5169187B2 - インバータの短絡素子判定装置

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Publication number: JP5169187B2
Application number: JP2007315384A
Authority: JP
Inventors: 務松木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: JP2009142053A

Description

本発明は、複数のスイッチング素子を含むインバータにおいて、短絡している素子を判定する短絡素子判定装置に関する。

エンジンとモータによって車両を駆動するハイブリッド車両には、車両に搭載した二次電池の直流電力をモータジェネレータ駆動用の三相交流電力に変換するとともに、モータジェネレータによって発電された三相交流電力を直流電力に変換して二次電池に供給するインバータが備えられている。インバータは、複数の半導体素子のスイッチング動作によって電流の変換を行うものである。

モータジェネレータと接続されているインバータの複数のスイッチング素子の内のいずれかが短絡故障した場合には、他のスイッチング素子がオフ状態であった場合でもインバータを構成している還流ダイオードを通ってモータジェネレータに大きな電流が流れることが知られている。この電流は、モータジェネレータが回転している限り発生し、その電流によってモータジェネレータやインバータの過熱や損傷を招く場合がある。そこでインバータ素子を全てオフにした状態で電流が流れるかどうか検出していずれかのスイッチング素子が短絡故障を起こしているかどうかを判定する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、インバータ素子を順次オンとして、その際にインバータに流入する過電流を検出することによってスイッチング素子の短絡検出を行う方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−１５８１８２号公報特開平７−７１８０５号公報

しかし、特許文献１に記載された従来技術では、複数のスイッチング素子の内のいずれかのスイッチング素子が短絡故障を起こしていることは検出することができるが、複数のスイッチング素子の内のどのインバータ素子が短絡故障を起こしているのかについては判定することができない。

一方、近年、車両の状態を監視し、車両の故障部位の表示或いは故障データの発信などによって迅速に車両の故障に対応することのできる車両状態監視システムが導入されるようになってきている。このような車両状態監視システムでは、予め故障部位を表示或いはデータ発信することができるので、車両の修理或いはメンテナンスを効率的に行うことができる。インバータのスイッチング素子の短絡故障が発生した場合であっても、迅速な修理、メンテナンスを行うために短絡故障の発生しているスイッチング素子の部位を修理の前に予め特定しておくことが望まれている。

特許文献２に記載された従来技術は、どのスイッチング素子が短絡故障を起こしているかを検出することはできるものの、インバータに接続された電動機が回転している場合には回転によって流れる電流のためインバータに流れる過電流の検出ができない場合がある。しかし、ハイブリッド車両においては、モータジェネレータは遊星歯車装置などによってエンジンと接続され、車両が走行中においては、常に回転している場合が多い。このため、特許文献２に記載された従来技術では車両の走行中に車両に搭載されているインバータの短絡素子の判定をすることが困難であるという問題があった。また、インバータ素子を順次オンとしてスイッチング素子の短絡検出を行うことから、検出に時間がかかるという問題があった。

このような要求に応えるためには、例えば、各スイッチング素子に短絡状態を検出することができるようなセンサを取付けることが考えられる。しかし、センサの数を増加させることは装置を複雑にすると共に、検出装置全体の信頼性を低下させてしまうという問題がある。

本発明は、簡便な構成によってモータジェネレータの回転中でもインバータの各スイッチング素子の短絡判定を行うことを目的とする。

本発明のインバータの短絡素子判定装置は、複数のスイッチング素子により直流電力を三相交流電力に変換して三相交流モータジェネレータに供給すると共に三相交流モータジェネレータで発電した三相交流電力を直流電力に変換するインバータの短絡素子判定装置であって、インバータと三相交流モータジェネレータの各相とを接続する各相接続線の内のいずれか２つの相の接続線に取付けられる各電流センサと、各スイッチング素子のオンオフと短絡素子の判定を行う制御部と、を備え、制御部は、全スイッチング素子をオフとするスイッチング素子遮断手段と、三相交流モータジェネレータが回転し、かつ、三相モータジェネレータと二次電池とが電気的に切り離された状態であって、スイッチング素子遮断手段が全スイッチング素子をオフとする指令を出力した場合に、各電流センサによって検出した電流の方向が同一である場合には、各電流センサの設けられていない相のスイッチング素子が短絡し、各電流センサによって検出した電流の方向が異なる場合には、検出した電流値の絶対値の大きい方の相のスイッチング素子が短絡していると判定する短絡素子判定手段と、を有することを特徴とする。

本発明の短絡素子判定装置において、インバータは、スイッチング素子を２つずつ直列に接続したアーム部を三相並列に接続して構成され、短絡素子判定手段は、各電流センサによって検出した電流の方向が共に三相交流モータジェネレータからインバータに向かう方向である場合には、電流センサの設けられていない相のスイッチング素子の内、直流電源の正極側にあるスイッチング素子が短絡し、各電流センサによって検出した電流の方向が共にインバータから三相交流モータジェネレータに向かう方向である場合には、電流センサの設けられていない相のスイッチング素子の内、直流電源の負極側にあるスイッチング素子が短絡していると判断し、各電流センサによって検出した電流の方向が異なり、検出した電流値の絶対値の大きい方の電流センサが検出した電流の方向がインバータから三相交流モータジェネレータに向かう方向である場合には、検出した電流値の絶対値の大きいほうの相のスイッチング素子の内、直流電源の正極側にあるスイッチング素子が短絡していると判断し、各電流センサによって検出した電流の方向が異なり、検出した電流値の絶対値の大きい方の電流センサが検出した電流の方向が三相交流モータジェネレータからインバータに向かう方向である場合には、検出した電流値の絶対値の大きいほうの相のスイッチング素子の内、直流電源の負極側にあるスイッチング素子が短絡していると判断すること、としても好適である。

本発明は、簡便な構成によってモータジェネレータの回転中でもインバータの各スイッチング素子の短絡判定を行うことができるという効果を奏する。

以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の短絡素子判定装置が適用されるインバータ１００を含むモータジェネレータ駆動システム１０を示す。インバータ１００は図示しない二次電池の正極に接続されている正極側電源ライン２３と、二次電池の負極に接続されている負極側電源ライン２５と、各電源ライン２３，２５の間に取付けられるコンデンサ２４と、正極側電源ライン２３と負極側電源ライン２５との間に直列に接続されたスイッチング素子１１，１２と各スイッチング素子１１，１２に逆並列接続された還流ダイオード１３，１４を含むＵ相アーム部と、正極側電源ライン２３と負極側電源ライン２５との間に直列に接続されたスイッチング素子１５，１６と各スイッチング素子１５，１６に逆並列接続された還流ダイオード１７，１８を含むＶ相アーム部と、正極側電源ライン２３と負極側電源ライン２５との間に直列に接続されたスイッチング素子１９，２０と各スイッチング素子１９，２０に逆並列接続された還流ダイオード２１，２２を含むＷ相アーム部を備えている。各相のアーム部の内、正極側電源ライン２３に接続されている側は各相の上アーム部、負極側電源ライン２５に接続されている側は各相の下アーム部である。ＵＶＷの各相アーム部の各スイッチング素子の接続点は、ＵＶＷ各相の接続線３５，３６，３７によって三相交流モータジェネレータであるモータジェネレータ３１のＵＶＷ各相のコイル３２，３３，３４に接続されている。各相の接続線３５，３６，３７はインバータ１００の各相の交流電力をモータジェネレータ３１に向かって流すと共に、モータジェネレータ３１によって発電される交流電力をインバータ１００に向かって流すものである。

Ｖ相の接続線３６とＷ相の接続線３７とには、それぞれＶ相電流センサ４１、Ｗ相電流センサ４２が取付けられている。各電流センサ４１，４２は、電流の大きさと方向の測定ができるものであれば、コイル型のクランプセンサなど各接続線３５，３６，３７と非接触のセンサであってもよいし、各接続線３５，３６，３７と接触して電流を検出するセンサであってもよい。

各スイッチング素子１１，１２，１５，１６，１９，２０と各電流センサ４１，４２はそれぞれ制御部５０に接続され、制御部５０の指令によって各スイッチング素子１１，１２，１５，１６，１９，２０のオンオフが制御され、各電流センサ４１，４２の信号が制御部５０に入力されるよう構成されている。制御部５０は内部にＣＰＵと記憶部とを含むコンピュータである。また、制御部５０と各電流センサ４１，４２はインバータ１００の短絡素子の判定を行う短絡素子判定装置６０を構成する。

以上説明したモータジェネレータ駆動システム１０のインバータ１００のスイッチング素子１１，１２，１５，１６，１９，２０のいずれかのスイッチング素子に短絡故障が発生した場合の短絡素子判定装置６０の動作について説明する。

モータジェネレータ駆動システム１０を搭載している車両は走行状態で、モータジェネレータ３１は回転状態にあり、正極側電源ライン２３及び負極側電源ライン２５は図示しない二次電池とは電気的に切り離された状態となっている。図２のステップＳ１０１に示すように、制御部５０は、インバータ１００の全てのスイッチング素子１１，１２，１５，１６，１９，２０をオフとする指令を出力する。そして、図２のステップＳ１０２に示すように、各電流センサ４１，４２から電流信号を取得する。各スイッチング素子１１，１２，１５，１６，１９，２０が全てオフの状態が保たれている場合には、モータジェネレータ３１のコイル３２，３３，３４には電流が流れないことから、各電流センサ４１，４２はいずれも電流を検出しない。一方、いずれか１つのスイッチング素子が短絡故障を起こしている場合には、モータジェネレータ３１の回転によって発生した電流は短絡故障したスイッチング素子と還流ダイオードに流れることから、各電流センサ４１，４２は電流を検出する。

例えば、図３に示すように、Ｕ相の上アーム部にあるスイッチング素子１１が短絡故障した場合には、モータジェネレータ３１の回転によって発生した電流は、モータジェネレータ３１のＶ相、Ｗ相の各コイル３３，３４からそれぞれＶ相、Ｗ相の接続線３６，３７をインバータ１００の方向に向かって流れ、Ｖ相、Ｗ相の上アーム部の各還流ダイオード１７，２１を通って正極側電源ライン２３に流れ、正極側電源ライン２３からＵ相の上アーム部のスイッチング素子１１を通って接続線３５からモータジェネレータ３１のＵ相のコイル３２に流れる。そして、Ｕ相のコイル３２に流れた電流はＶ相とＷ相の各コイル３３，３４に流れる。このように、モータジェネレータ３１の回転によって発生した電流は短絡故障したＵ相の上アーム部のスイッチング素子１１と、Ｖ相、Ｗ相の各還流ダイオード１７，２１を通ってモータジェネレータ３１の各コイル３２，３３，３４に流れる。他のスイッチング素子が短絡した場合であっても短絡故障したスイッチング素子と還流ダイオードを通って電流が流れることから、各電流センサ４１，４２は何らかの電流を検出する。

図２のステップＳ１０３に示すように、制御部５０は各電流センサ４１，４２によって電流の検出がされた場合には、図２のステップＳ１０４に示す短絡素子判定ステップを行う。制御部５０は各電流センサ４１，４２からモータジェネレータ３１の１回転又は、３６０度回転する際の電流の大きさと方向の信号を持つ電流データを取得し、取得した電流データに基づいてどのスイッチング素子が短絡故障を起こしているかを判定する。以下、短絡故障を起こしたスイッチング素子と各電流センサ４１，４２によって取得される電流データについて説明する。

図３に示すようにＵ相の上アーム部のスイッチング素子１１に短絡故障が発生した場合、先にも説明したように、モータジェネレータ３１の回転によって発生した各相の電流は、モータジェネレータ３１のＶ相、Ｗ相の各コイル３３，３４からそれぞれＶ相、Ｗ相の接続線３６，３７をインバータ１００の方向に向かって流れ、Ｖ相、Ｗ相の上アーム部の各還流ダイオード１７，２１を通って正極側電源ライン２３に流れ、正極側電源ライン２３からＵ相の上アーム部のスイッチング素子１１を通って接続線３５からモータジェネレータ３１のＵ相のコイル３２に流れる。そして、Ｕ相のコイル３２に流れた電流はＶ相とＷ相のコイル３３，３４に流れる。このように、モータジェネレータ３１の回転によって発生した電流は短絡故障したＵ相の上アーム部のスイッチング素子１１と、Ｖ相、Ｗ相の上アーム部の各還流ダイオード１７，２１を通ってモータジェネレータ３１の各コイル３２，３３，３４に流れる。図３に示すように、短絡故障を起こしたＵ相の上アーム部のスイッチング素子１１には、Ｕ相の電流にＶ相、Ｗ相に流れる電流を合わせた電流が流れる。

一方、三相交流のＵＶＷの各相の電流はそれぞれ１２０度ずつ位相がずれた正弦波となっているが、Ｖ相、Ｗ相の上アーム部の各還流ダイオード１７，２１は接続線３６，３７から正極側電源ライン２３に向かう方向、すなわち、モータジェネレータ３１の側からインバータ１００の側に向かう方向にしか電流が流れない。ここで、モータジェネレータ３１からインバータ１００に向かう方向に流れる電流をプラス、逆にインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向に流れる電流をマイナスとすると、図３に示すようにＶ相、Ｗ相の各接続線３６，３７に流れる電流は、モータジェネレータ３１からインバータ１００に向かって流れ、電流の符号はいずれもプラスで、その波形は図９の符号ｖ，ｗに示すように、半波整流された正弦波となる。逆に、Ｕ相の接続線３５の電流の向きはインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向となるので、電流の符号はマイナスとなる。また、図９の符号ｕに示すように、その絶対値はＶ相とＷ相からの流入電流及びＵ相の発生電流の合計となることからＶ相、Ｗ相の電流値よりも大きなものとなる。

Ｖ相電流センサ４１はＶ相の接続線３６に接続されており、Ｗ相電流センサ４２はＷ相の接続線３７に接続されていることから、上記のようにＵ相の上アーム部のスイッチング素子１１が短絡故障すると、各電流センサ４１，４２は共に符号がプラス、すなわち、モータジェネレータ３１からインバータ１００に向かう方向の電流を検出する。

図４に示すようにＶ相の上アーム部のスイッチング素子１５に短絡故障が発生した場合、モータジェネレータ３１の回転によって発生した各相の電流は、モータジェネレータ３１のＵ相、Ｗ相の各コイル３２，３４からそれぞれＵ相、Ｗ相の接続線３５，３７をインバータ１００の方向に向かって流れ、Ｕ相、Ｗ相の上アーム部の各還流ダイオード１３，２１を通って正極側電源ライン２３に流れ、正極側電源ライン２３からＶ相の上アーム部のスイッチング素子１５を通って接続線３６からモータジェネレータ３１のＶ相のコイル３３に流れる。そして、Ｖ相のコイル３３に流れた電流はＵ相とＷ相のコイル３２，３４に流れる。このように、モータジェネレータ３１の回転によって発生した電流は短絡故障したＶ相の上アーム部のスイッチング素子１５と、Ｕ相、Ｗ相の各還流ダイオード１３，２１を通ってモータジェネレータ３１の各コイル３２，３３，３４に流れる。図４に示すように、短絡故障を起こしたＶ相の上アーム部のスイッチング素子１５には、Ｖ相の電流にＵ相、Ｗ相に流れる電流を合わせた電流が流れる。

一方、Ｕ相、Ｗ相の上アーム部の還流ダイオード１３，２１は接続線３５，３７から正極側電源ライン２３に向かう方向、すなわち、モータジェネレータ３１の側からインバータ１００の側に向かう方向にしか電流が流れない。先に図３を参照して説明したのと同様、モータジェネレータ３１からインバータ１００に向かう方向に流れる電流をプラス、逆にインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向に流れる電流をマイナスとすると、図４に示すように、Ｕ相、Ｗ相の各接続線３５，３７に流れる電流はモータジェネレータ３１からインバータ１００に向かって流れることから電流の符号はいずれもプラスとなり、その電流の波形は図１０の符号ｕ，ｗに示すように、半波整流された正弦波となる。逆に、Ｖ相の接続線３６の電流の向きはインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向となるので、電流の符号はマイナスとなる。また、図１０の符号ｖに示すように、その絶対値はＵ相とＷ相からの流入電流及びＶ相の発生電流の合計となることからＵ相、Ｗ相の電流値よりも大きなものとなる。

このため、Ｖ相の上アーム部のスイッチング素子１５が短絡故障すると、Ｖ相電流センサ４１は符号がマイナス、すなわちインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向の電流を検出し、Ｗ相電流センサ４２は逆に符号がプラス、すなわち、モータジェネレータ３１からインバータ１００に向かう方向の電流を検出する。そして、Ｖ相電流センサ４１の検出する電流の絶対値はＷ相電流センサ４２の検出する電流の絶対値よりも大きな値となる。つまり、Ｖ相の上アーム部のスイッチング素子１５が短絡故障した場合には、各電流センサ４１，４２の検出する電流の符号が異なり、短絡故障を起こしているＶ相の接続線３６に接続されたＶ相電流センサ４１の検出する電流の絶対値がＷ相の接続線３７に接続されたＷ相電流センサ４２の検出する電流値の絶対値よりも大きくなる。

図５に示すようにＷ相の上アーム部のスイッチング素子１９に短絡故障が発生した場合、モータジェネレータ３１の回転によって発生した各相の電流は、モータジェネレータ３１のＵ相、Ｖ相の各コイル３２，３３からそれぞれＵ相、Ｖ相の接続線３５，３６をインバータ１００の方向に向かって流れ、Ｕ相、Ｖ相の上アーム部の各還流ダイオード１３，１７を通って正極側電源ライン２３に流れ、正極側電源ライン２３からＷ相の上アーム部のスイッチング素子１９を通って接続線３７からモータジェネレータ３１のＷ相のコイル３４に流れる。そして、Ｗ相のコイル３４に流れた電流はＵ相とＶ相のコイル３２，３３に流れる。このように、モータジェネレータ３１の回転によって発生した電流は短絡故障したＷ相の上アーム部のスイッチング素子１９と、Ｕ相、Ｖ相の各還流ダイオード１３，１７を通ってモータジェネレータ３１の各コイル３２，３３，３４に流れる。図５に示すように、短絡故障を起こしたＷ相の上アーム部のスイッチング素子１９には、Ｗ相の電流にＵ相、Ｖ相に流れる電流を合わせた電流が流れる。

一方、Ｕ相、Ｖ相の上アーム部の還流ダイオード１３，１７は接続線３５，３６から正極側電源ライン２３に向かう方向、すなわち、モータジェネレータ３１の側からインバータ１００の側に向かう方向にしか電流が流れない。先に図３を参照して説明したのと同様、モータジェネレータ３１からインバータ１００に向かう方向に流れる電流をプラス、逆にインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向に流れる電流をマイナスとすると、図５に示すように、Ｕ相、Ｖ相の各接続線３５，３６に流れる電流はモータジェネレータ３１からインバータ１００に向かって流れることから電流の符号はいずれもプラスとなり、その電流の波形は図１１の符号ｕ，ｖに示すように、半波整流された正弦波となる。逆に、Ｗ相の接続線３７にはインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向の電流が流れ、その電流の符号はマイナスとなる。また、図１１の符号ｗに示すように、その絶対値はＵ相とＶ相からの流入電流及びＷ相の発生電流の合計となることからＵ相、Ｖ相の電流値よりも大きなものとなる。

このため、Ｗ相の上アーム部のスイッチング素子１９が短絡故障すると、Ｖ相電流センサ４１は符号がプラス、すなわちモータジェネレータ３１からインバータ１００に向かう方向の電流を検出し、Ｗ相電流センサ４２は逆に符号がマイナス、すなわち、インバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向の電流を検出する。そして、Ｗ相電流センサ４２の検出する電流の絶対値はＶ相電流センサ４１の検出する電流の絶対値よりも大きな値となる。つまり、Ｗ相の上アーム部のスイッチング素子１９が短絡故障した場合には、各電流センサ４１，４２の検出する電流の符号が異なり、短絡故障を起こしているＷ相の接続線３７に接続されたＷ相電流センサ４２の検出する電流の絶対値がＶ相の接続線３６に接続されたＶ相電流センサ４１の検出する電流値の絶対値よりも大きくなる。

図６に示すようにＵ相の下アーム部のスイッチング素子１２に短絡故障が発生した場合、モータジェネレータ３１の回転によって発生した各相の電流は、モータジェネレータ３１のＵ相のコイル３２からＵ相の接続線３５をインバータ１００の方向に向かって流れ、短絡故障したスイッチング素子１２を通って負極側電源ライン２５に流れ、負極側電源ライン２５からＶ相、Ｗ相の各下アーム部の還流ダイオード１８，２２を通って各接続線３６，３７に流れ、各接続線３６，３７からモータジェネレータ３１のＶ相、Ｗ相の各コイル３３，３４に流れる。そして、Ｖ相、Ｗ相の各コイル３３，３４に流れた電流はＵ相のコイル３２に流れる。このように、モータジェネレータ３１の回転によって発生した電流は短絡故障したＵ相の下アーム部のスイッチング素子１２と、Ｖ相、Ｗ相の下アーム部の各還流ダイオード１８，２２を通ってモータジェネレータ３１の各コイル３２，３３，３４に流れる。図６に示すように、短絡故障を起こしたＵ相の下アーム部のスイッチング素子１２には、Ｕ相の電流にＶ相、Ｗ相に流れる電流を合わせた電流が流れる。

一方、Ｖ相、Ｗ相の下アーム部の還流ダイオード１８，２２は負極側電源ライン２５から接続線３６，３７に向かう方向、すなわち、インバータ１００の側からモータジェネレータ３１の側に向かう方向にしか電流が流れない。ここで、先に説明した場合と同様に、モータジェネレータ３１からインバータ１００に向かう方向に流れる電流をプラス、逆にインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向に流れる電流をマイナスとすると、図６に示すように、Ｖ相、Ｗ相の各接続線３６，３７に流れる電流はインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かって流れることから電流の符号はいずれもマイナスとなり、その波形は図１２の符号ｖ，ｗに示すように、半波整流された正弦波となる。逆に、Ｕ相の接続線３５はモータジェネレータ３１からインバータ１００に向かって電流が流れ、その電流の符号はプラスとなる。また、図１２の符号ｕに示すように、その絶対値はＶ相とＷ相からの流入電流及びＵ相の発生電流の合計となることからＶ相、Ｗ相の電流値よりも大きなものとなる。

Ｖ相電流センサ４１はＶ相の接続線３６に接続されており、Ｗ相電流センサ４２はＷ相の接続線３７に接続されていることから、下記のようにＵ相の下アーム部のスイッチング素子１２が短絡故障すると、各電流センサ４１，４２は共に符号がマイナス、すなわち、インバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向の電流を検出する。

図７に示すようにＶ相の下アーム部のスイッチング素子１６に短絡故障が発生した場合、モータジェネレータ３１の回転によって発生した各相の電流は、モータジェネレータ３１のＶ相のコイル３３からＶ相の接続線３６をインバータ１００の方向に向かって流れ、短絡故障したスイッチング素子１６を通って負極側電源ライン２５に流れ、負極側電源ライン２５からＵ相、Ｗ相の各下アーム部の還流ダイオード１４，２２を通って各接続線３５，３７に流れ、各接続線３５，３７からモータジェネレータ３１のＵ相、Ｗ相の各コイル３２，３４に流れる。そして、Ｕ相、Ｗ相の各コイル３２，３４に流れた電流はＶ相のコイル３３に流れる。このように、モータジェネレータ３１の回転によって発生した電流は短絡故障したＶ相の下アーム部のスイッチング素子１６と、Ｕ相、Ｗ相の下アーム部の各還流ダイオード１４，２２を通ってモータジェネレータ３１の各コイル３２，３３，３４に流れる。図７に示すように、短絡故障を起こしたＶ相の下アーム部のスイッチング素子１６には、Ｖ相の電流にＵ相、Ｗ相に流れる電流を合わせた電流が流れる。

一方、Ｕ相、Ｗ相の下アーム部の還流ダイオード１４，２２は負極側電源ライン２５から接続線３５，３７に向かう方向、すなわち、インバータ１００の側からモータジェネレータ３１の側に向かう方向にしか電流が流れない。ここで、先に説明した場合と同様に、モータジェネレータ３１からインバータ１００に向かう方向に流れる電流をプラス、逆にインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向に流れる電流をマイナスとすると、Ｕ相、Ｗ相の各接続線３５，３７に流れる電流は図７に示すように、インバータ１００からモータジェネレータ３１に向かって流れることから電流の符号はいずれもマイナスとなり、図１３の符号ｕ，ｗに示すように、半波整流された正弦波となる。逆に、Ｖ相の接続線３６にはモータジェネレータ３１からインバータ１００に向かって電流が流れ、その電流の符号はプラスとなる。また、図１３の符号ｖに示すように、その絶対値はＵ相とＷ相からの流入電流及びＶ相の発生電流の合計となることからＵ相、Ｗ相の電流値よりも大きなものとなる。

このため、Ｖ相の下アーム部のスイッチング素子１６が短絡故障すると、Ｖ相電流センサ４１は符号がプラス、すなわちモータジェネレータ３１からインバータ１００に向かう方向の電流を検出し、Ｗ相電流センサ４２は逆に符号がマイナス、すなわち、インバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向の電流を検出する。そして、Ｖ相電流センサ４１の検出する電流の絶対値はＷ相電流センサ４２の検出する電流の絶対値よりも大きな値となる。つまり、Ｖ相の下アーム部のスイッチング素子１６が短絡故障した場合には、各電流センサ４１，４２の検出する電流の符号が異なり、短絡故障を起こしているＶ相の接続線３６に接続されたＶ相電流センサ４１の検出する電流の絶対値がＷ相の接続線３７に接続されたＷ相電流センサ４２の検出する電流値の絶対値よりも大きくなる。

図８に示すようにＷ相の下アーム部のスイッチング素子２０に短絡故障が発生した場合、モータジェネレータ３１の回転によって発生した各相の電流は、モータジェネレータ３１のＷ相のコイル３４からＷ相の接続線３７をインバータ１００の方向に向かって流れ、短絡故障したスイッチング素子２０を通って負極側電源ライン２５に流れ、負極側電源ライン２５からＵ相、Ｖ相の各下アーム部の還流ダイオード１４，１８を通って各接続線３５，３６に流れ、各接続線３５，３６からモータジェネレータ３１のＵ相、Ｖ相の各コイル３２，３３に流れる。そして、Ｕ相、Ｖ相の各コイル３２，３３に流れた電流はＷ相のコイル３４に流れる。このように、モータジェネレータ３１の回転によって発生した電流は短絡故障したＷ相の下アーム部のスイッチング素子２０と、Ｕ相、Ｖ相の下アーム部の各還流ダイオード１４，１８を通ってモータジェネレータ３１の各コイル３２，３３，３４に流れる。図８に示すように、短絡故障を起こしたＷ相の下アーム部のスイッチング素子２０には、Ｗ相の電流にＵ相、Ｖ相に流れる電流を合わせた電流が流れる。

一方、Ｕ相、Ｖ相の下アーム部の還流ダイオード１４，１８は負極側電源ライン２５から接続線３５，３６に向かう方向、すなわち、インバータ１００の側からモータジェネレータ３１の側に向かう方向にしか電流が流れない。ここで、先に説明した場合と同様に、モータジェネレータ３１からインバータ１００に向かう方向に流れる電流をプラス、逆にインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向に流れる電流をマイナスとすると、図８に示すように、Ｕ相、Ｖ相の各接続線３５，３６に流れる電流はインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かって流れることから電流の符号はいずれもマイナスとなり、その電流の波形は図１４の符号ｕ，ｖに示すように、半波整流された正弦波となる。逆に、Ｗ相の接続線３７にはモータジェネレータ３１からインバータ１００に向かって電流が流れる。そして、その電流の符号はプラスとなる。また、図１４の符号ｗに示すようにその絶対値はＵ相とＶ相からの流入電流及びＷ相の発生電流の合計となることからＵ相、Ｖ相の電流値よりも大きなものとなる。

このため、Ｗ相の下アーム部のスイッチング素子２０が短絡故障すると、Ｖ相電流センサ４１は符号がマイナス、すなわちインバータ１００からモータジェネレータ３１に向かう方向の電流を検出し、Ｗ相電流センサ４２は逆に符号がプラス、すなわち、モータジェネレータ３１からインバータ１００に向かう方向の電流を検出する。そして、Ｗ相電流センサ４２の検出する電流の絶対値はＶ相電流センサ４１の検出する電流の絶対値よりも大きな値となる。つまり、Ｗ相の下アーム部のスイッチング素子２０が短絡故障した場合には、各電流センサ４１，４２の検出する電流の符号が異なり、短絡故障を起こしているＷ相の接続線３７に接続されたＷ相電流センサ４２の検出する電流の絶対値がＶ相の接続線３６に接続されたＶ相電流センサ４１の検出する電流値の絶対値よりも大きくなる。

以上説明したように、インバータ１００の上下アーム部の各ＵＶＷ相の全部で６個のスイッチング素子１１，１２，１５，１６，１９，２０の内いずれか１つが短絡故障している場合は、Ｖ相、Ｗ相の各接続線３６，３７に接続されているＶ相電流センサ４１、Ｗ相電流センサ４２の検出する電流の方向とその絶対値の組み合わせは全て異なっている。

すなわち、各電流センサ４１，４２によって検出した電流の方向が共にプラスの場合には上アーム部のＵ相のスイッチング素子１１が短絡故障を起こしている場合であり、各電流センサ４１，４２によって検出した電流の方向が共にマイナスの場合には下アーム部のＵ相のスイッチング素子１２が短絡故障を起こしている場合である。

また、Ｖ相電流センサ４１によって検出した電流の方向がマイナスでＷ相電流センサ４２によって検出した電流の方向がプラスの場合、Ｖ相電流センサ４１によって検出した電流の絶対値がＷ相電流センサ４２によって検出した電流の絶対値よりも大きい場合には、上アーム部のＶ相のスイッチング素子１５が短絡故障を起こしている場合で、Ｗ相電流センサ４２によって検出した電流の絶対値がＶ相電流センサ４１によって検出した電流の絶対値よりも大きい場合には、下アーム部のＷ相のスイッチング素子２０が短絡故障している場合である。

また、Ｖ相電流センサ４１によって検出した電流の方向がプラスでＷ相電流センサ４２によって検出した電流の方向がマイナスの場合、Ｗ相電流センサ４２によって検出した電流の絶対値がＶ相電流センサ４１によって検出した電流の絶対値よりも大きい場合には、上アーム部のＷ相のスイッチング素子１９が短絡故障を起こしている場合で、Ｖ相電流センサ４１によって検出した電流の絶対値がＷ相電流センサ４２によって検出した電流の絶対値よりも大きい場合には、下アーム部のＶ相のスイッチング素子１６が短絡故障している場合である。

以上説明したように本実施形態の短絡素子判定装置６０は、Ｖ相、Ｗ相の２つの相の接続線３６，３７に流れる電流の大きさと方向とを検出することによって、モータジェネレータ３１の回転中でもインバータ１００の各スイッチング素子１１，１２，１５，１６，１９，２０の内のいずれのスイッチング素子が短絡故障を起こしているかの判定を行うことができるという効果を奏する。また、本実施形態では、２つの電流センサからの電流データによって短絡しているスイッチング素子の判定をすることができるので、短時間に短絡故障を起こしているスイッチング素子を特定することができるという効果を奏する。また、本実施形態は車両の走行中に短絡故障を起こしたスイッチング素子を短時間で特定することができるので、車両状態監視システムに予め故障部位を表示或いはデータ発信することでき、車両の修理或いはメンテナンスを効率的に行うことができるという効果を奏する。

以上説明した本実施形態では、各電流センサ４１，４２はそれぞれＶ相の接続線３６、Ｗ相の接続線３７に取付けられるものとして説明したが、電流センサはＵＶＷの３本の接続線３５，３６，３７の内のいずれか２つに設けられていれば本実施形態と同様、各電流センサによって検出される電流の大きさと方向によっていずれのスイッチング素子が短絡故障を起こしているかの判定をすることができる。

本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータを含むモータジェネレータ駆動システムを示す構成図である。本発明の実施形態の短絡素子判定装置の動作を示すフローチャートである。本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータの上アーム部のＵ相のスイッチング素子が短絡故障を起こした場合の電流の流れを示す図である。本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータの上アーム部のＶ相のスイッチング素子が短絡故障を起こした場合の電流の流れを示す図である。本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータの上アーム部のＷ相のスイッチング素子が短絡故障を起こした場合の電流の流れを示す図である。本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータの下アーム部のＵ相のスイッチング素子が短絡故障を起こした場合の電流の流れを示す図である。本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータの下アーム部のＶ相のスイッチング素子が短絡故障を起こした場合の電流の流れを示す図である。本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータの下アーム部のＷ相のスイッチング素子が短絡故障を起こした場合の電流の流れを示す図である。本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータの上アーム部のＵ相のスイッチング素子が短絡故障を起こした場合の各接続線の電流の波形を示す図である。本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータの上アーム部のＶ相のスイッチング素子が短絡故障を起こした場合の各接続線の電流の波形を示す図である。本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータの上アーム部のＷ相のスイッチング素子が短絡故障を起こした場合の各接続線の電流の波形を示す図である。本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータの下アーム部のＵ相のスイッチング素子が短絡故障を起こした場合の各接続線の電流の波形を示す図である。本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータの下アーム部のＶ相のスイッチング素子が短絡故障を起こした場合の各接続線の電流の波形を示す図である。本発明の実施形態の短絡素子判定装置が適用されるインバータの下アーム部のＷ相のスイッチング素子が短絡故障を起こした場合の各接続線の電流の波形を示す図である。

符号の説明

１０モータジェネレータ駆動システム、１１，１２，１５，１６，１９，２０スイッチング素子、１３，１４，１７，１８，２１，２２還流ダイオード、２３正極側電源ライン、２４コンデンサ、２５負極側電源ライン、３１モータジェネレータ、３２，３３，３４コイル、３５，３６，３７接続線、４１Ｖ相電流センサ、４２Ｗ相電流センサ、５０制御部、６０短絡素子判定装置、１００インバータ。

Claims

複数のスイッチング素子により直流電力を三相交流電力に変換して三相交流モータジェネレータに供給すると共に三相交流モータジェネレータで発電した三相交流電力を直流電力に変換するインバータの短絡素子判定装置であって、
インバータと三相交流モータジェネレータの各相とを接続する各相接続線の内のいずれか２つの相の接続線に取付けられる各電流センサと、
各スイッチング素子のオンオフと短絡素子の判定を行う制御部と、を備え、
制御部は、
全スイッチング素子をオフとするスイッチング素子遮断手段と、
三相交流モータジェネレータが回転し、かつ、三相モータジェネレータと二次電池とが電気的に切り離された状態であって、スイッチング素子遮断手段が全スイッチング素子をオフとする指令を出力した場合に、各電流センサによって検出した電流の方向が同一である場合には、各電流センサの設けられていない相のスイッチング素子が短絡し、各電流センサによって検出した電流の方向が異なる場合には、検出した電流値の絶対値の大きい方の相のスイッチング素子が短絡していると判定する短絡素子判定手段と、
を有することを特徴とする短絡素子判定装置。
請求項1に記載の短絡素子判定装置であって、
インバータは、スイッチング素子を２つずつ直列に接続したアーム部を三相並列に接続して構成され、
短絡素子判定手段は、
各電流センサによって検出した電流の方向が共に三相交流モータジェネレータからインバータに向かう方向である場合には、電流センサの設けられていない相のスイッチング素子の内、直流電源の正極側にあるスイッチング素子が短絡し、各電流センサによって検出した電流の方向が共にインバータから三相交流モータジェネレータに向かう方向である場合には、電流センサの設けられていない相のスイッチング素子の内、直流電源の負極側にあるスイッチング素子が短絡していると判断し、
各電流センサによって検出した電流の方向が異なり、検出した電流値の絶対値の大きい方の電流センサが検出した電流の方向がインバータから三相交流モータジェネレータに向かう方向である場合には、検出した電流値の絶対値の大きいほうの相のスイッチング素子の内、直流電源の正極側にあるスイッチング素子が短絡していると判断し、
各電流センサによって検出した電流の方向が異なり、検出した電流値の絶対値の大きい方の電流センサが検出した電流の方向が三相交流モータジェネレータからインバータに向かう方向である場合には、検出した電流値の絶対値の大きいほうの相のスイッチング素子の内、直流電源の負極側にあるスイッチング素子が短絡していると判断すること、
を特徴とする短絡素子判定装置。