JP5223367B2 - 駆動装置 - Google Patents

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本発明は、駆動装置およびこれが備えるコンデンサの異常判定方法に関し、詳しくは、電動機と、電動機を駆動するインバータ回路と、インバータ回路に電力を供給する直流電源と直流電源とインバータ回路との接続を遮断する遮断手段とを有する電源回路と、電源回路の出力端子間に接続されたコンデンサと、を備える駆動装置、およびこうした駆動装置が備えるコンデンサの異常を判定する異常判定方法に関する。
従来、この種の駆動装置としては、バッテリからの電力を昇圧コンバータにより電圧を昇圧して走行用モータのインバータに供給する装置において、昇圧コンバータの高圧側に設けられたコンデンサの端子間電圧に基づいてインバータの異常と電圧センサの異常とを判別するものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この装置では、コンデンサの端子間電圧によって異常を検知したときには、インバータおよび昇圧コンバータの運転を停止してバッテリを遮断し、インバータの正極母線と負極母線とに接続された抵抗にコンデンサからの電荷を放電する際のコンデンサの端子間電圧の時間変化に基づいてインバータの異常であるか電圧センサの異常であるかを判別している。
特開2007−252134号公報
上述の駆動装置では、インバータ回路の異常と電圧センサの異常とを判別することはできるが、コンデンサに異常が生じているときにはこれを判別することができない。また、コンデンサに並列接続された抵抗を設ける必要があり、この抵抗により通常時でも若干の電力消費が行なわれ、エネルギ効率の観点からも好ましくない。
本発明の駆動装置およびこれが備えるコンデンサの異常判定方法は、駆動装置が備えるコンデンサの異常をより適正に判定することを主目的とする。
本発明の駆動装置およびこれが備えるコンデンサの異常判定方法は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の駆動装置は、
電動機と、該電動機を駆動するインバータ回路と、該インバータ回路に電力を供給する直流電源と該直流電源と前記インバータ回路との接続を遮断する遮断手段とを有する電源回路と、該電源回路の出力端子間に接続されたコンデンサと、を備える駆動装置であって、
前記コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
前記インバータ回路に異常が生じたとき又は前記電圧検出手段により過電圧が検出されたとき、前記遮断手段により前記直流電源と前記インバータ回路との接続を遮断した状態で所定の電流が前記電動機に流れるよう前記インバータ回路を制御したときの該所定の電流を流すことができた放電継続時間に基づいて前記コンデンサの異常を判定するコンデンサ異常判定手段と、
を備えることを要旨とする。
この本発明の駆動装置では、インバータ回路に異常が生じたときやコンデンサに過電圧が生じたときには、直流電源とインバータ回路との接続を遮断した状態で所定の電流が電動機に流れるようインバータ回路を制御したときの所定の電流を流すことができた放電継続時間に基づいてコンデンサの異常を判定する。これにより、コンデンサの異常をより適正に判定することができる。しかも、コンデンサの異常を判定するための特別な回路や素子を設ける必要がない。
こうした本発明の駆動装置において、前記コンデンサ異常判定手段は、前記所定の電流を前記電動機に流し始めるときに前記電圧検出手段により検出される電圧をVとし、前記コンデンサの容量をCとし、前記所定の電流をIとしたときに、前記放電継続時間がT=CV/Iにより計算されるTに基づく時間未満のときに前記コンデンサが異常であると判定する手段であるものとすることもできる。ここで、「Tに基づく時間」としては、Tそのものの時間やTより若干小さい時間を用いることができる。
さらに、本発明の駆動装置において、前記コンデンサ異常判定手段は、前記所定の電流がd軸電流として前記電動機に流れるよう前記インバータ回路を制御する手段であるものとすることもできる。こうすれば、電動機にトルクを生じさせることなく電力を消費することができる。
さらに、本発明の駆動装置において、前記電動機は複数の電動機であり、前記インバータ回路は前記複数の電動機に対する複数のインバータ回路であり、前記コンデンサ異常判定手段は前記複数のインバータ回路のいずれかに異常が生じているときには前記複数のインバータ回路のうち異常が生じていないインバータ回路を用いて前記所定の電流が該異常が生じていないインバータ回路に対応する電動機に流れるよう該異常が生じていないインバータ回路を制御する手段である、ものとすることもできる。
加えて、本発明の駆動装置において、前記電源回路は、前記直流電源の電力を昇圧して前記インバータ回路に供給する昇圧回路を有する回路であるものとすることもできる。
本発明のコンデンサの異常判定方法は、
電動機と、該電動機を駆動するインバータ回路と、該インバータ回路に電力を供給する直流電源と該直流電源と前記インバータ回路との接続を遮断する遮断手段とを有する電源回路と、該電源回路の出力端子間に接続されたコンデンサと、を備える駆動装置における前記コンデンサの異常を判定する異常判定方法であって、
前記インバータ回路に異常が生じたとき又は前記コンデンサに過電圧が生じたときに、前記遮断手段により前記直流電源と前記インバータ回路との接続を遮断した状態で所定の電流が前記電動機に流れるよう前記インバータ回路を制御したときの該所定の電流を流すことができた放電継続時間が前記所定の電流を前記電動機に流し始めるときの前記コンデンサの端子間電圧と該コンデンサの容量に基づいて計算される放電計算時間に基づく時間より短いときに前記コンデンサが異常であると判定する、
ことを特徴とする。
本発明のコンデンサの異常判定方法では、インバータ回路に異常が生じたときやコンデンサに過電圧が生じたときに、直流電源とインバータ回路との接続を遮断した状態で所定の電流が電動機に流れるようインバータ回路を制御したときの所定の電流を流すことができた放電継続時間が所定の電流を電動機に流し始めるときのコンデンサの端子間電圧とコンデンサの容量に基づいて計算される放電計算時間に基づく時間より短いときにコンデンサが異常であると判定する。これにより、コンデンサの異常をより適正に判定することができる。しかも、コンデンサの異常を判定するための特別な回路や素子を設ける必要がない。
次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。
図1は、本発明の一実施例としての駆動システム20の構成の概略を示す構成図である。実施例の駆動システム20は、動力を入出力する発電可能なモータMG1,MG2と、モータMG1,MG2の駆動回路としてのインバータ41,42と、インバータ41,42と電力のやり取りを行なうバッテリ50と、バッテリ50をインバータ41,42から切り離すシステムメインリレー56と、駆動システム20全体をコントロールする電子制御ユニット70とを備える。
モータMG1およびモータMG2は、いずれも周知の同期発電電動機として構成されている。インバータ41,42は、6つのトランジスタT11〜T16,T21〜26と、トランジスタT11〜T16,T21〜T26に逆方向に並列接続された6つのダイオードD11〜D16,D21〜D26と、により構成されている。トランジスタT11〜T16,T21〜T26は、それぞれインバータ41,42が電力ライン54として共用する正極母線54aと負極母線54bとに対してソース側とシンク側になるよう2個ずつペアで配置されており、対となるトランジスタ同士の接続点の各々にモータMG1,MG2の三相コイル(U相,V相,W相)の各々が接続されている。したがって、正極母線54aと負極母線54bとの間に電圧が作用している状態で対をなすトランジスタT11〜T16,T21〜T26のオン時間の割合を制御することにより三相コイルに回転磁界を形成でき、モータMG1,MG2を回転駆動することができる。また、正極母線54aと負極母線54bの間には電圧を平滑するコンデンサ57が取り付けられている。
電子制御ユニット70は、CPU72を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPU72の他に処理プログラムを記憶するROM74やデータを一時的に記憶するRAM76、入出力ポートおよび通信ポートを備える。電子制御ユニット70には、モータMG1,MG2の三相コイルの各相に流れる相電流を検出する電流センサ45U,45V,45W,46U,46V,46Wからの相電流,正極母線54aと負極母線54bとに取り付けられた電圧センサ57aからのコンデンサ57の電圧Vなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット70からは、システムメインリレー56への駆動信号やインバータ41,42のトランジスタT11〜T16,T21〜T26へのスイッチング制御信号などが出力ポートを介して出力されている。なお、電子制御ユニット70は、図示しない過電流検出ルーチンを実行して、入力した電流センサ45U,45V,45W,46U,46V,46Wからの相電流に基づいてインバータ41,42のそれぞれに所定の許容電流を超える過電流が流れたことを検出して、それぞれ過電流エラーFinv1,Finv2を出力する。また、電子制御ユニット70は、図示しない過電圧検出ルーチンを実行して、コンデンサ57の電圧Vがインバータ41,42に損傷を与えずに印加可能な電圧の上限値または上限値より若干低い値としての許容電圧Vhi(例えば、インバータ41,42を通常駆動可能な通常駆動電圧Voが650[V]のときには750[V])を超える過電圧状態を検出したときには、過電圧エラーOVを出力する。
次に、こうして構成された実施例の駆動システム20の動作、特に、インバータ41,42のいずれか一方に許容電流を超える過電流が流れる異常が生じたとき、または、コンデンサ57の端子間電圧に過電圧が検出されたときにコンデンサ57の異常を判定する動作について説明する。図2は、電子制御ユニット70により実行される異常判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、過電流エラーFinv1,Finv2のいずれか一方が出力されたとき、または、過電圧エラーOVが出力されたときに実行される。
異常判定ルーチンが実行されると、電子制御ユニット70のCPU72は、まず、バッテリ50からインバータ41,42への電力の供給を遮断するためにシステムメインリレー56をオフにする処理を実行し(ステップS100)、電圧センサ57aからのコンデンサ57の電圧Vや過電流エラーFinv1,Finv2など制御に用いるデータを入力する処理を実行し(ステップS110)、システムメインリレー56をオフにしたときにコンデンサ57に蓄えられていた電荷を定電流Iで放電したときに放電が継続する時間の計算値である放電計算時間Tcalを次式(1)に示すようにコンデンサ57の正常時の容量Cと入力した電圧Vとの積を定電流Iで除して計算し、後述の処理でコンデンサ57の異常を判定するために用いる放電時間としての閾値Trefを次式(2)に示すように放電計算時間Tcalから所定時間αを減じて設定する(ステップS120)。ここで、定電流Iは、コンデンサ57に蓄えられた電荷を放電する際の電流値として、モータMG1、MG2の特性やバッテリ50の電圧などにより予め定められるものである。また、閾値Trefは、コンデンサ57を正常と判断できる放電時間の下限値として設定され、コンデンサ57の容量Cが低下して本来の性能が発揮できなくなる異常状態になると、コンデンサ57が正常のときに比べて蓄えられる電荷が減少し放電時間が短くなることを利用して、後述の処理で異常を判定する際に用いられる。なお、放電計算時間Tcalから所定時間αを減じた値を閾値Trefに設定するのは、放電時のロスにより実際の放電時間は放電計算時間Tcalより若干減少することを考慮したり、駆動システム20の動作に支障のない程度のコンデンサ容量の低下までは正常と判定するためである。所定時間αは実験値などを用いて設定することができる。
Tcal=C・V/I (1)
Tref=Tcal-α (2)
こうして閾値Trefを設定すると、インバータ41,42の過電流エラーFinv1,Finv2の出力をチェックし(ステップS130)、過電流エラーFinv1が出力されているときは、定電流Iがd軸電流としてモータMG2の三相コイルに流れるようにインバータ42をスイッチング制御する(ステップS140)。一方、ステップS130で過電流エラーFinv2が出力されているとき、または、いずれの過電流エラーも出力されていないときには、定電流Iがd軸電流としてモータMG1の三相コイルに流れるようにインバータ41をスイッチング制御する(ステップS150)。即ち、ステップS130〜S150の処理は、過電流エラーの生じていないインバータ側に定電流Iをd軸電流としてモータMG1またはモータMG2の三相コイルに流してコンデンサ57に蓄えられた電荷を放電する処理となる。ここで、モータMG1またはモータMG2の三相コイルにd軸電流を流すのは、モータMG1,MG2の回転子を回転させるためのトルクを出力せずに、モータMG1,MG2の三相コイルの銅損により電力を消費するためである。こうした制御により、放電用の抵抗を用いることなく、コンデンサ57に蓄えられた電荷を放電することができる。
こうしてモータMG1またはモータMG2への放電が開始されると、放電が継続する時間(放電継続時間T)の計測を開始し(ステップS160)、電圧センサ57aにより測定されるコンデンサ57の端子間電圧Vが値0となるまで待って(ステップS170,S180)、モータMG1またはモータMG2の三相コイルに定電流Iをd軸電流として流す制御を停止し(ステップS190)、計測した放電継続時間Tと設定した閾値Trefとを比較して(ステップS200)、放電継続時間Tが閾値Tref以上のときにはコンデンサ57は正常と判定し(ステップS210)、放電継続時間Tが閾値Tref未満のときにはコンデンサ57は異常と判定して(ステップS220)、異常判定ルーチンを終了する。ここで、放電継続時間Tが閾値Tref未満であるときは、コンデンサ57の容量Cが正常時に比べて低下して蓄えられる電荷が減少したと考えることができるから、放電継続時間Tを閾値Trefと比較することにより、より適正にコンデンサ57の異常を判定することができる。
以上説明した実施例の駆動システム20によれば、インバータ41,42のいずれかに過電流が流れたとき、または、コンデンサ57の端子間電圧に過電圧が生じたとき、コンデンサ57に蓄えられた電荷を定電流IでモータMG1またはモータMG2に放電して、その放電継続時間Tを閾値Trefと比較することで、コンデンサ57の異常をより適正に判定することができる。しかも、定電流Iをd軸電流として流すからモータMG1,MG2にトルクを発生させることなく電力を消費して、コンデンサ57の異常を判定することができる。さらに、コンデンサ57に蓄えられた電荷をモータMG1またはモータMG2に放電して電力を消費するから、放電用の抵抗を用いることなくコンデンサ57の異常を判定することができる。
実施例の駆動システム20では、コンデンサ57の異常を判定するために用いる放電時間としての閾値Trefを放電計算時間Tcalから所定時間αを減じて設定するものとしたが、所定時間αを値0に設定するもの、即ち、閾値Trefとして放電計算時間Tcalを用いるものとしてもよい。
実施例の駆動システム20では、モータMG1またはモータMG2の3相コイルにd軸電流が流れるようにしてコンデンサ57に蓄えられた電荷を消費するものとしたが、d軸電流に限定するものではなく、一定の電流が流れるものであればよい。
実施例の駆動システム20では、インバータ41,42を介して2つのモータMG1、MG2を備えるものとしたが、一つのモータを備えるものとしてもよく、三つ以上のモータを備えるものとしてもよい。
実施例の駆動システム20では、バッテリ50の電力をシステムメインリレー56を介してインバータ41,42に供給するものとしたが、図3の変形例の駆動システム120に例示するように、インバータ41,42の正極母線54aと負極母線54bに平滑コンデンサ57と並列するよう直列に配置された二つのトランジスタT31,T32と各トランジスタに対して並列に電圧を保持するよう取り付けられた二つのダイオードD31,D32と二つのトランジスタT31,T32の中間とバッテリ50の正極側にシステムメインリレー56を介して取り付けられたリアクトルLとにより構成された昇圧回路80と、昇圧回路80のシステムメインリレー56側にリアクトルLと負極母線54bとに接続された平滑用のコンデンサ58と、コンデンサ58の電圧を検出する電圧センサ58aと、を備えるものとしてもよい。この場合、図2の異常判定ルーチンのステップS120の処理で放電計算時間Tcalは、コンデンサ57,58の容量C1,C2と電圧センサ57a,58aにより検出した電圧V1,V2と定電流Iとに基づいて次式(3)により計算されたものを用いることができる。これにより、コンデンサ57,58の少なくとも一方が異常であることを判定することができる。
Tcal=(C1・V1+C2・V2)/I (3)
実施例では、駆動システム20として説明したが、こうした駆動システムが備えるコンデンサの異常判定方法の形態としてもよい。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、モータMG1、MG2が「電動機」に相当し、インバータ41,42が「インバータ回路」に相当し、バッテリ50とシステムメインリレー56とが「電源回路」に相当し、コンデンサ57が「コンデンサ」に相当し、電圧センサ57aが「電圧検出手段」に相当し、過電流エラーFinv1,Finv2のいずれか一方、または、過電圧エラーOVを出力したときに、システムメインリレー56をオフにして、コンデンサ57の容量Cとシステムメインリレー56をオフにしたときの電圧Vと定電流Iとに基づいて閾値Trefを設定し、過電流エラーの無いインバータ側のモータに定電流Iがd軸電流として流れるようにインバータ41またはインバータ42を電圧Vが値0となるまでスイッチング制御し、電圧Vが値0となるまでの時間と設定した閾値Trefとを比較してコンデンサ57の異常を判定する図2の異常判定ルーチンのステップS100〜220の処理を実行する電子制御ユニット70が「コンデンサ異常判定手段」に相当する。ここで、「電動機」としては、周知の同期発電電動機として構成されたモータMG1,MG2に限定されるものではなく、誘導電動機など、如何なるタイプの電動機であっても構わない。「インバータ回路」としては、インバータ41,42に限定されるものではなく、電動機を駆動するものであれば如何なるものとしても構わない。「電源回路」としては、バッテリ50とシステムメインリレー56とを備えるものに限定されるものではなく、インバータ回路に電力を供給する直流電源および直流電源とインバータ回路との接続を遮断する遮断手段とを有するものであれば如何なるものとしても構わない。「コンデンサ」としては、正極母線54aと負極母線54bの間に接続され電圧を平滑するコンデンサ57に限定されるものではなく、電源回路の出力端子間に接続されたコンデンサであれば如何なるものとしても構わない。「電圧検出手段」としては、正極母線54aと負極母線54bとに取り付けられた電圧センサ57aに限定されるものではなく、コンデンサの端子間電圧を検出するものであれば如何なるものとしても構わない。「コンデンサ異常判定手段」としては、電子制御ユニット70が過電流エラーFinv1,Finv2のいずれか一方、または、過電圧エラーOVを出力したときに、システムメインリレー56をオフにして、コンデンサ57の容量Cとシステムメインリレー56をオフにしたときの電圧Vと定電流Iとに基づいて閾値Trefを設定し、過電流エラーの無いインバータ側のモータに定電流Iがd軸電流として流れるようにインバータ41またはインバータ42を電圧Vが値0となるまでスイッチング制御し、電圧Vが値0となるまでの時間と設定した閾値Trefとを比較してコンデンサ57の異常を判定する図2の異常判定ルーチンのステップS100〜220の処理を実行する電子制御ユニット70に限定されるものではなく、インバータ回路に異常が生じたとき又は電圧検出手段により過電圧が検出されたとき、遮断手段により直流電源とインバータ回路との接続を遮断した状態で所定の電流が電動機に流れるようインバータ回路を制御したときの所定の電流を流すことができた放電継続時間に基づいてコンデンサの異常を判定するものであれば如何なるものとしても構わない。なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための最良の形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、駆動装置の製造産業などに利用可能である。
本発明の一実施例としての駆動システム20の構成の概略を示す構成図である。 駆動システム20の電子制御ユニット70により実行される異常判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。 変形例の駆動システム120の構成の概略を示す構成図である。
符号の説明
20,120 駆動システム、41,42 インバータ、45U,45V,45W,46U,46V,46W 電流センサ、50 バッテリ、54 電力ライン、54a 正極母線、54b 負極母線、56 システムメインリレー、57,58 コンデンサ、57a,58a 電圧センサ、70 電子制御ユニット、72 CPU、74 ROM、76 RAM、80 昇圧回路、MG1,MG2 モータ、D11〜D16,D21〜D26,D31,D32 ダイオード、T11〜T16,T21〜T26,T31,T32 トランジスタ、L リアクトル。

Claims (4)

  1. 複数の電動機と、該複数の電動機を駆動する複数のインバータ回路と、該複数のインバータ回路に電力を供給する直流電源と該直流電源と前記複数のインバータ回路との接続を遮断する遮断手段とを有する電源回路と、該電源回路の出力端子間に接続されたコンデンサと、を備える駆動装置であって、
    前記コンデンサの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
    記電圧検出手段により過電圧が検出されたとき、前記遮断手段により前記直流電源と前記複数のインバータ回路との接続を遮断した状態で所定の電流が前記複数の電動機に流れるよう前記複数のインバータ回路を制御したときの該所定の電流を流すことができた放電継続時間に基づいて前記コンデンサの異常を判定し、前記複数のインバータ回路のいずれかに異常が生じているとき、前記遮断手段により前記直流電源と前記複数のインバータ回路との接続を遮断した状態で前記複数のインバータ回路のうち異常が生じていないインバータ回路を用いて前記所定の電流が該異常が生じていないインバータ回路に対応する電動機に流れるよう該異常が生じていないインバータ回路を制御したときの該所定の電流を流すことができた放電継続時間に基づいて前記コンデンサの異常を判定するコンデンサ異常判定手段と、
    を備える駆動装置。
  2. 前記コンデンサ異常判定手段は、前記所定の電流を前記電動機に流し始めるときに前記電圧検出手段により検出される電圧をVとし、前記コンデンサの容量をCとし、前記所定の電流をIとしたときに、前記放電継続時間がT=CV/Iにより計算されるTに基づく時間未満のときに前記コンデンサが異常であると判定する手段である請求項1記載の駆動装置。
  3. 前記コンデンサ異常判定手段は、前記所定の電流がd軸電流として前記電動機に流れるよう前記複数のインバータ回路を制御する手段である請求項1または2記載の駆動装置。
  4. 前記電源回路は、前記直流電源の電力を昇圧して前記複数のインバータ回路に供給する昇圧回路を有する回路である請求項1ないしいずれか1つの請求項に記載の駆動装置。
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