JP5205356B2

JP5205356B2 - 電源装置とコンタクタ溶着判定方法

Info

Publication number: JP5205356B2
Application number: JP2009234733A
Authority: JP
Inventors: 恒平明円; 広之山井
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2009-10-09
Filing date: 2009-10-09
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2029-10-09
Also published as: US20110084704A1; US8513953B2; JP2011083151A; EP2308714A2; EP2308714A3

Description

本発明は、電源と負荷を接続するコンタクタを備えた電源装置、及びコンタクタの溶着判定方法に関する。

直流電源からの出力をインバータにより交流に変換し、交流モータを駆動するハイブリッド自動車等の電源装置には、直流電源として２次電池が用いられ、２次電池とインバータの正極間および負極間に正極コンタクタおよび負極コンタクタがそれぞれ直列に接続される。また、正極コンタクタには抵抗を介したプリチャージコンタクタが並列に接続される。

インバータ側には直流電圧を平滑化するためのコンデンサが正極と負極間に設けられる。２次電池からインバータへの電力の供給は、はじめにプリチャージコンタクタと負極コンタクタを閉状態にすることによりインバータのコンデンサへの初充電を行い、コンデンサ電圧を２次電池の電圧に近づけた後で正極コンタクタを閉状態にすることで行われる。

このようにコンデンサへの充電を行うことで、正極コンタクタを閉状態にする際の突入電流を低く抑え、コンタクタの接点溶着を防止する技術が広く用いられている。しかし、コンタクタは開閉操作時に発生する接点のアークや経年劣化により接点が溶着する可能性があり、正極と負極のコンタクタが溶着すると２次電池とインバータとを切り離すことができなくなる。このため、コンタクタの溶着を判定する技術と溶着が検出された際にはコンタクタの閉操作を禁止する処理が必要である。

例えば、特許文献１に記載されるようなコンタクタの溶着を判定する技術がある。その技術にあっては、２次電池（以降、直流電源と称する）から負荷への電力供給開始時にはじめにプリチャージコンタクタのみを閉状態にし、その時のコンデンサ電圧より負極コンタクタの溶着を判定する。負極コンタクタが溶着している場合は、プリチャージコンタクタのみを閉状態にしただけで、コンデンサ電圧が上昇することから溶着の判定が可能となる。

続いて、負極コンタクタも閉状態にしてコンデンサを所定の電圧レベルに充電した後に、プリチャージコンタクタを開状態にしたときのコンデンサ電圧より正極コンタクタまたはプリチャージコンタクタの溶着を判定する。正極コンタクタまたはプリチャージコンタクタが溶着している場合は、コンデンサ電圧は下がらないため溶着の判定が可能となる。

しかしながら、上記の従来技術は溶着の判定のためにコンタクタの開閉操作とコンデンサを所定の電圧レベルに充電する必要があり、判定の完了までに時間を要した。また、正極コンタクタとプリチャージコンタクタの溶着を判定するために負極コンタクタを閉状態にしているが、正極コンタクタが溶着している場合は、充電されていないコンデンサ電圧と直流電源電圧の差により負極コンタクタには過大な電流が流れることで、負極コンタクタも溶着する可能性があった。

このために特許文献２では、直流電源から負荷への電力供給開始時に、補機用電源の電圧を昇圧回路により昇圧し、これによりコンデンサ電圧を直流電源電圧程度まで上昇させた状態で、正極コンタクタまたは負極コンタクタを閉状態にし、その時のコンデンサ電圧の変化より負極コンタクタまたは正極コンタクタの溶着を判定している。正極コンタクタまたは負極コンタクタを閉状態にする際には、コンデンサは十分に充電されているため、どちらかのコンタクタが溶着している場合でも、閉状態にしたコンタクタには過大な電流が発生しない。

しかしながらこの方法は、コンデンサ電圧を直流電源電圧程度まで充電するための昇圧回路が必要である。また、コンデンサ電圧を直流電源電圧程度まで充電した後で、コンタクタの閉操作を行い溶着の判定を実施するため、判定の完了までに時間を要した。

特開２０００−１３４７０７号公報特開２００７−２９５６９９号公報

本発明の課題は簡単な回路構成により短時間に正極コンタクタ及び負極コンタクタの溶着を判定することである。

本発明は上記課題を解決するために、負荷に電力を供給する電源と、前記電源と前記負荷との間に接続され、かつ前記電源の正極端子側に接続される第１のコンタクタと、前記電源と前記負荷との間に接続され、かつ前記電源の負極端子側に接続される第２のコンタクタと、前記第１のコンタクタの前記負荷側と前記第２のコンタクタの前記電源側間の第１の電圧または前記第１のコンタクタの前記電源側と前記第２のコンタクタの前記負荷側間の第２の電圧の、どちらか一方を検出する電圧検出回路と、前記第１のコンタクタ及び前記第２のコンタクタを開状態及び閉状態にする制御部と、を備え、前記電源からの電力が前記負荷に供給されていない状態で、前記負荷側の正極と負極の間に０より高く前記電源電圧より低い電圧が印加され、前記制御部は、前記第１のコンタクタ及び前記第２のコンタクタを開状態に制御した上で、前記電圧検出回路の検出結果に基づいて、前記第１のコンタクタ及び前記第２のコンタクタが溶着であるか否かを判定する。

さらに好ましくは、本発明は、前記制御部は、前記電圧検出回路が前記第１の電圧を検出する構成においては、前記第１の電圧が第１の閾値以上の場合に前記第１のコンタクタが溶着であると判定し、前記第１の電圧が０より高く且つ第１の閾値より低い第２の閾値以下の場合に前記第２のコンタクタが溶着であると判定し、前記電圧検出回路が前記第２の電圧を検出する構成においては、前記第２の電圧が第１の閾値以上の場合に前記第２のコンタクタが溶着であると判定し、前記第２の電圧が０より高く且つ第１の閾値より低い第２の閾値以下の場合に前記第１のコンタクタが溶着であると判定する。

さらに好ましくは、本発明は、前記電源装置において、前記第１のコンタクタには、抵抗が直列に接続された第３のコンタクタが並列に接続され、負荷側の正極と負極の間には容量素子が接続されていてもよい。

さらに好ましくは、本発明は、前記電源装置において、前記電源からの電力供給前に前記負荷側に電圧を印加する手段は、その電圧が０より高く前記電源電圧より低ければその手段は限定されるものではない。

本発明によれば、簡単な回路構成により短時間に正極及び負極コンタクタの溶着を判定することができる。また、溶着の判定のために正極及び負極コンタクタを閉状態にする必要はないため、コンデンサ電圧を直流電源電圧まで上昇させる昇圧回路がなくても、判定時にコンタクタに過大な電流が発生することはない。

本実施形態における実施の形態にかかる電源装置、およびこれを搭載した車両システムの概略構成図である。図１に記載のコンデンサ７に、インバータ８のＤＣＤＣ電源の出力電圧を印加する回路構成図である。図１に記載の制御装置６の起動から停止までのフローチャートである。図３に記載の溶着判定処理を示すフローチャートである。図１に記載の電圧検出回路５の回路概略図である。図１に記載の電圧検出回路５の接続を変更した実施の形態である。図６に記載の制御装置６の溶着判定処理を示すフローチャートである。図１に記載のコンデンサ７に、制御装置６のＤＣＤＣ電源の出力電圧を印加する回路構成図である。図８に記載のＤＣＤＣ電源に出力電圧を追加した回路図である。

以下、本発明を実施するための形態を実施例に基づいて説明する。

図１は、この発明の実施の形態による電源装置とモータを含む車両システムの概要を説明する図である。車両システムは、主２次電池１と、正極コンタクタ２と、負極コンタクタ３と、プリチャージコンタクタ４と、電圧検出回路５と、制御装置６と、コンデンサ７と、インバータ８と、交流モータ９と、補機用２次電池１０と、イグニションスイッチ１１を備える。

この車両システムとはハイブリッド自動車など、交流モータ９が車両の車軸に接続され動力源となるものであり、交流モータ９は発電機としても機能する。

主２次電池１は充放電可能な直流電源であり、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池などである。

正極コンタクタ２は主２次電池１の正極とコンデンサ７の正極との間に直列に接続される。負極コンタクタ３は主２次電池１の負極とコンデンサ７の負極との間に直列に接続される。プリチャージコンタクタ４は、抵抗を介して正極コンタクタ２に並列に接続される。

主２次電池１から負荷への電力の供給開始にあたっては、はじめに負極コンタクタ３とプリチャージコンタクタ４を閉状態にすることでコンデンサ７に充電を行う。コンデンサ７に十分に充電が行われると正極コンタクタ２を閉状態とし、プリチャージコンタクタ４を開状態にする。負荷への電力供給停止にあたっては、正極コンタクタ２と負極コンタクタ３を開状態にする。

コンタクタ２，３，４は制御装置６からの開信号および閉信号にしたがってそれぞれ開状態および閉状態に制御される。

電圧検出回路５は正極コンタクタ２のコンデンサ７側と負極コンタクタ３の主２次電池１側との間の電圧Ｖ１を検出し、その結果を制御装置６へ出力する。負荷への電力供給のために、はじめに負極コンタクタ３を閉状態にするとＶ１はコンデンサ７の端子電圧となるため、プリチャージコンタクタ４を閉状態にした後のコンデンサ７の充電状態を監視するための電圧検出回路を新たに設ける必要はない。

インバータ８は、３相の上アームと下アームで構成されたＩＧＢＴのスイッチングを制御することで、主２次電池１の直流電力を３相交流に変換し交流モータ９を駆動する。

補機用２次電池１０は、通常車両に搭載されているものでその電圧はおよそ１２Ｖである。補機への電力供給開始時にはイグニッションスイッチ１１が閉状態になる。

図２は、各コンタクタが開状態においてもコンデンサ７に電圧を印加する回路構成を示している。通常インバータ８に搭載されるＩＧＢＴのドライブ回路用のＤＣＤＣ電源の出力電圧を、抵抗とダイオードを介してＩＧＢＴのコレクタとエミッタ間に接続することで、高価な追加部品を使用せずに、安定した電圧をコンデンサ７に印加できる。

ＤＣＤＣ電源の出力電圧はおよそ１５Ｖであり、ＩＧＢＴの上アームと下アームにおいてそれぞれ上述のように電圧をかけることで、０より十分に高いコンデンサ７電圧（１５Ｖ×２＝３０Ｖ）を得ることができる。ここではドライブ回路とＤＣＤＣ電源は１相分しか示されていないが、実際には３相分存在するため、３相分すべてのＤＣＤＣ電源の出力電圧を抵抗とダイオードを介してＩＧＢＴのコレクタとエミッタ間に接続してもよいが、１相分のみでも十分である。ＤＣＤＣ電源の出力電圧は補機用２次電池１０より生成されるため、イグニッションスイッチ１１が閉状態の場合のみコンデンサ７へ電圧が印加される。

制御装置６はマイクロコンピュータを用いて構成されており、電圧検出回路５が検出するＶ１により各コンタクタの溶着判定を行う処理を備える。図３に制御装置６の起動から停止までのフローチャートを示す。

図３において、制御装置６はスタートからステップＳ１においてインバータ８への電力供給開始のための起動要求を確認すると、ステップＳ２において溶着判定処理を実施する。溶着判定処理の詳細は図４により後述する。続いて制御装置６は、ステップＳ３において異常がない場合、ステップＳ４において電力供給開始のために上述した順序で各コンタクタを制御することで、ステップＳ５の電力供給可能状態になる。ステップＳ３において異常が確認された場合、制御装置６は処理を停止し各コンタクタの閉状態への制御は行わない。

制御装置６はステップＳ６において停止要求を確認するとステップＳ７において各コンタクタを開状態にした後で、ステップＳ８において溶着判定処理を行う。このように停止時にも各コンタクタの溶着判定の実施が可能であり、溶着と判定された場合は異常通知を行うことで、停止後の装置補修の際などの安全性を向上させることができる。

図４は溶着判定処理の詳細であり、制御装置６は始めにステップＳ２０において電圧Ｖ１を取得する。次にステップＳ２１においてＶ１が閾値１以上の場合には、正極コンタクタ２またはプリチャージコンタクタ４が溶着していると判定し、ステップＳ２３において異常通知を行い処理を終了する。そうでない場合、ステップＳ２２においてＶ１が０より高く閾値２以下の場合には、負極コンタクタ３が溶着していると判定し、ステップＳ２４において異常通知を行い処理を終了する。そうでない場合は処理を終了する。

上記の閾値１は主２次電池１の電圧によって決定される。閾値２は図２で示されるＤＣＤＣ電源の出力電圧を用いてコンデンサ７に印加される電圧から決定され、閾値２は０より高く閾値１より小さい。

図５は本実施の形態における電圧検出回路５の回路図概要であり、電圧検出回路は差動増幅器により構成される。すべてのコンタクタが溶着しておらず開状態の場合、差動増幅器へ入力される電圧に差は生じないため、電圧検出回路５の検出電圧Ｖ１は０となる。一方、コンタクタ２，３，４のどれかが溶着している場合には、主２次電池１の電圧またはコンデンサ７に印加された電圧により、差動増幅器へ入力される電圧に差が生じるため、電圧検出回路５の検出電圧Ｖ１は０より高くなり、上述した溶着の判定が可能となる。

以上のように本実施形態によれば、溶着の判定に必要なコンデンサ７の電圧は主２次電池１の電圧より十分に低いものでよく、検出する電圧はＶ１の１箇所でよいため、判定処理は簡単な構成となり短時間に判定を完了することが可能である。また、正極コンタクタ２及び負極コンタクタ３を閉状態にする必要はないため、判定時に各コンタクタに過大な電流が発生することはない。

また、本実施の形態の電圧検出回路５は、図６のように正極コンタクタ２の主２次電池１側と負極コンタクタ３のコンデンサ７側との間の電圧をＶ１として検出し、その結果を制御装置６へ出力する構成としてもよく、この場合の溶着判定処理の詳細を図７に示す。

図７では、制御装置６は始めにステップＳ３０において電圧Ｖ１を取得する。次にステップＳ３１においてＶ１が閾値１以上の場合には、負極コンタクタ３が溶着していると判定し、ステップＳ３３において異常通知を行い処理を終了する。そうでない場合、ステップＳ３２においてＶ１が０より高く閾値２以下の場合には、正極コンタクタ２またはプリチャージコンタクタ４が溶着していると判定し、ステップＳ３４において異常通知を行い処理を終了する。そうでない場合は処理を終了する。閾値１と閾値２の決定方法は上述した通りでよい。

また、本実施の形態における各コンタクタが開状態においてもコンデンサ７に電圧を印加する方法は、１相のＩＧＢＴの上アームまたは下アームのどちらか一方にＤＣＤＣ電源の出力電圧を印加してもよい。この場合、コンデンサ７にはＤＣＤＣ電源の出力電圧である１５Ｖ程度の電圧が印加され、溶着の判定も上述のように実施できる上、回路構成がより簡単になりコスト上昇も抑えることができる。

また、本実施形態にかかる各コンタクタが開状態においてもコンデンサ７に電圧を印加する方法は、図８に示されるように、制御装置６の制御回路を駆動するために制御装置６に通常搭載されているＤＣＤＣ電源を使用することができる。このＤＣＤＣ電源に出力電圧を追加し、この出力電圧を抵抗とダイオードを介してコンデンサ７と接続すればコンデンサ７への電圧印加は可能であり、回路構成は複雑にならず高価な追加部品も不要である。回路構成の例を図９に示す。この場合、イグニッションスイッチ１１が閉状態の場合のみコンデンサ７へ電圧が印加される。この方法は、図２で示されているドライブ回路用のＤＣＤＣ電源への入力電圧に補機用２次電池１０の電圧ではなく、コンタクタを閉状態にした後で主２次電池１の電圧を使用する回路構成において有効である。

また、本実施形態はコンデンサの初充電のためにプリチャージコンタクタではなく、補機用２次電池の電圧を昇圧する回路を用いる装置にも適用可能である。この場合は、コンタクタの閉操作なしで溶着の判定が可能となる特有の効果をもたらすことができる。

上記説明は、ハイブリッド自動車などのモータが搭載される車両システムに本実施形態を適用した場合について述べたが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、電源と負荷およびコンタクタを備えた電源装置に適用が可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本実施形態の技術的範囲は特許請求の範囲によって規定され、そこに記載された構成と均等の範囲内のすべての変更も本実施形態の技術的範囲に含まれる。

１主２次電池
２正極コンタクタ
３負極コンタクタ
４プリチャージコンタクタ
５電圧検出回路
６制御装置
７コンデンサ
８インバータ
９交流モータ
１０補機用２次電池
１１イグニッションスイッチ

Claims

負荷に電力を供給する電源と、
前記電源と前記負荷との間に接続され、かつ前記電源の正極端子側に接続される第１のコンタクタと、
前記電源と前記負荷との間に接続され、かつ前記電源の負極端子側に接続される第２のコンタクタと、
前記第１のコンタクタの前記負荷側と前記第２のコンタクタの前記電源側間の第１の電圧または前記第１のコンタクタの前記電源側と前記第２のコンタクタの前記負荷側間の第２の電圧の、どちらか一方を検出する電圧検出回路と、
前記第１のコンタクタ及び前記第２のコンタクタを開状態及び閉状態にする制御部と、
を備え
前記電源からの電力が前記負荷に供給されていない状態で、前記負荷側の正極と負極の間に０より高く前記電源電圧より低い電圧が印加され、
前記制御部は、前記第１のコンタクタ及び前記第２のコンタクタを開状態に制御した上で、前記電圧検出回路の検出結果に基づいて、前記第１のコンタクタ及び前記第２のコンタクタが溶着であるか否かを判定する電源装置。
前記制御部は、
前記電圧検出回路が前記第１の電圧を検出する構成においては、前記第１の電圧が第１の閾値以上の場合に前記第１のコンタクタが溶着であると判定し、前記第１の電圧が０より高く且つ第１の閾値より低い第２の閾値以下の場合に前記第２のコンタクタが溶着であると判定し、
前記電圧検出回路が前記第２の電圧を検出する構成においては、前記第２の電圧が第１の閾値以上の場合に前記第２のコンタクタが溶着であると判定し、前記第２の電圧が０より高く且つ第１の閾値より低い第２の閾値以下の場合に前記第１のコンタクタが溶着であると判定する請求項１に記載の電源装置。
前記第１のコンタクタには、抵抗が直列に接続された第３のコンタクタが並列に接続され、負荷側の正極と負極の間には容量素子が接続されている請求項１または請求項２に記載の電源装置。
負荷に電力を供給する電源装置のコンタクタ溶着判定方法であって、
負荷に電力を供給する電源と、
前記電源と前記負荷との間に接続され、かつ前記電源の正極端子側に接続される第１のコンタクタと、
前記電源と前記負荷との間に接続され、かつ前記電源の負極端子側に接続される第２のコンタクタと、
前記第１のコンタクタの前記負荷側と前記第２のコンタクタの前記電源側間の第１の電圧または前記第１のコンタクタの前記電源側と前記第２のコンタクタの前記負荷側間の第２の電圧のどちらか一方を検出する電圧検出回路と、
前記第１のコンタクタ及び前記第２のコンタクタを開状態及び閉状態にする制御部と、
を備え
前記電源からの電力が前記負荷に供給されていない状態で、前記負荷側の正極と負極の間に０より高く前記電源電圧より低い電圧が印加され、
溶着判定方法は、前記すべてのコンタクタを開状態に制御する手段と、前記電圧検出回路の検出結果に基づいて、前記第１のコンタクタ及び前記第２のコンタクタが溶着であるか否かを判定する手段を含む、溶着判定方法。
前記電圧検出回路が前記第１の電圧を検出する構成においては、前記第１の電圧が第１の閾値以上の場合に前記第１のコンタクタが溶着であると判定し、前記第１の電圧が０より高く且つ第１の閾値より低い第２の閾値以下の場合に前記第２のコンタクタが溶着であるとし、
前記電圧検出回路が前記第２の電圧を検出する構成においては、前記第２の電圧が第１の閾値以上の場合に前記第２のコンタクタが溶着であると判定し、前記第２の電圧が０より高く且つ第１の閾値より低い第２の閾値以下の場合に前記第１のコンタクタが溶着であるとする、請求項４に記載の溶着判定方法。