JP6024701B2

JP6024701B2 - 電力変換回路

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Publication number: JP6024701B2
Application number: JP2014093027A
Authority: JP
Inventors: 将平大井; 智子大庭
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2016-11-16
Anticipated expiration: 2034-04-28
Also published as: US20150311704A1; CN105048806A; CN105048806B; JP2015211592A; US9660521B2

Description

本発明は、電力変換回路の構造に関する。

ハイブリッド車両や電気自動車等の電動車両では、バッテリの電圧を昇圧してモータジェネレータに供給すると共に、モータジェネレータによって発電した電力を降圧してバッテリを充電する昇降圧コンバータ（電力変換器）が用いられている。

近年は、２つのバッテリと４つのスイッチング素子を組み合わせ、２つのバッテリを直列接続として昇降圧を行ったり、２つのバッテリを並列接続として昇降圧を行ったりすることが可能な電力変換器が用いられるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−７０５１４号公報

ところで、特許文献１に記載されたような電力変換回路で２つのバッテリを並列に接続してモータジェネレータ（負荷）と電力の授受を行う場合、４つのスイッチング素子の内の３つをオン、１つをオフとしてバッテリの電力をモータジェネレータに出力する動作モードがある。この場合、オフとする１つのスイッチング素子がオン状態となる故障（オン故障）していると、全てのスイッチング素子が同時にオンとなり異常状態が検出されてしまう。このような異常状態が検出されると回路保護機能が働き、制御装置は、電力変換回路の全てのスイッチング素子をオフとして電力変換回路を停止する指令を出力するので、負荷への電力供給ができなくなってしまう。

そこで、本発明は、電力変換回路において、スイッチング素子のオン故障が発生した場合でもバッテリと負荷との電力授受を可能とすることを目的とする。

本発明の電力変換回路は、負荷に電力を出力する基準電路と高圧電路と、前記高圧電路から前記基準電路に向って直列に接続される第１，第２、第３、第４のスイッチング素子と、前記各スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される第１、第２、第３、第４のダイオードと、前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子との間の第２接続点と前記基準電路との間を接続する第１電路と、前記第１電路上に直列に接続される第１リアクトルと第１直流電源と、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間の第１接続点と、前記第３のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子との間の第３接続点との間を接続する第２電路と、前記第２電路上に直列に接続される第２リアクトルと第２直流電源と、前記基準電路と前記高圧電路との間の電圧を検出する電圧センサと、各スイッチング素子をオンオフする制御部と、を備える電力変換回路であって、前記制御部は、前記第１ないし第４のスイッチング素子を全てオフとする指令を出力した際に、前記電圧センサで検出した前記基準電路と前記高圧電路との間の電圧が前記第１直流電源の電圧と前記第２直流電源の電圧との合計電圧である場合に、前記第３のスイッチング素子がオン故障であると判断する故障判断手段を備えること、を特徴とする。

本発明の電力変換回路において、前記制御部は、第３のスイッチング素子がオン故障であるとき、前記第１のスイッチング素子をオンとし、前記第２、第４のスイッチング素子をオフとする退避モード動作手段を備えること、としても好適である。

本発明は、電力変換回路において、スイッチング素子のオン故障が発生した場合でもバッテリと負荷との電力授受を可能とすることができるという効果を奏する。

本発明の実施形態における電力変換回路の構成を示す系統図である。本発明の電力変換装置の並列接続モードにおける動作を示す説明図である。本発明の電力変換装置の直列接続モードにおける動作を示す説明図である。本発明の電力変換装置の動作を示すフローチャートである。本発明の電力変換装置において第３のスイッチング素子がオン故障となった場合の電流の流れを示す説明図である。本発明の電力変換装置において第３のスイッチング素子がオン故障となった場合の電流の流れを示す説明図である。本発明の電力変換装置において第３のスイッチング素子がオン故障となった場合の退避モードにおける動作を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１に示すように、本実施形態の電力変換回路１００は、負荷３０に電力を出力する基準電路１１と高圧電路１３と、高圧電路１３の高圧接続点１５と基準電路１１の基準接続点１９との間に直列に接続される第１，第２、第３、第４のスイッチング素子２１，２２，２３，２４と、第２のスイッチング素子２２と第３のスイッチング素子２３との間の第２接続点１７と基準電路１１との間を接続する第１電路１２と、第１のスイッチング素子２１と第２のスイッチング素子２２との間の第１接続点１６と、第３のスイッチング素子２３と第４のスイッチング素子２４との間の第３接続点１８との間を接続する第２電路１４と、を備えている。スイッチング素子２１−２４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタあるいは電力用バイポーラトランジスタ等の電力用半導体スイッチング素子である。また、負荷３０は、例えば、電動車両のモータジェネレータ等のように動力の出力と回生発電とを行うものである。

基準電路１１と高圧電路１３との間には、平滑コンデンサ４０が接続され、各スイッチング素子２１，２２，２３，２４にはそれぞれ第１、第２、第３、第４のダイオード３１，３２，３３，３４が逆並列に接続され、第１電路１２には第１リアクトル２５と第１直流電源であるメインバッテリ１０とが直列に接続され、第２電路１４には第２リアクトル２６と第２直流電源であるサブバッテリ２０とが直列に接続されている。メインバッテリ１０，サブバッテリ２０は、例えば、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池のような二次電池である。

平滑コンデンサ４０には基準電路１１と高圧電路１３との間の高電圧ＶＨを検出する高電圧センサ４６が取り付けられている。また、各バッテリ１０，２０には各バッテリのバッテリ電圧（ＶＢ₁，ＶＢ₂）を検出するバッテリ電圧センサ４１，４３が取り付けられている。高圧電路１３、第１電路１２、第２電路１４には各電路１３，１２，１４を流れる電流を検出する電流センサ４５，４２，４４が取り付けられている。

図１に示すように、制御部５０は、演算処理を行うＣＰＵ５１と、記憶部５２と、機器・センサインターフェース５３とを含み、演算処理を行うＣＰＵ５１と、記憶部５２と、機器・センサインターフェース５３とはデータバス５４で接続されているコンピュータである。記憶部５２の内部には、電力変換回路１００の制御プログラム５５、制御データ５６、及び、後で説明する故障判断手段である故障判断プログラム５７、退避モード動作手段である退避モード動作プログラム５８が格納されている。また、先に説明した、電力変換回路１００の各スイッチング素子２１〜２４は機器・センサインターフェース５３を通して制御部５０に接続され、制御部５０の指令によって動作するよう構成されている。また、各電圧センサ４１，４３，４６、各電流センサ４２，４４，４５の各出力は機器・センサインターフェース５３を通して制御部５０に入力されるよう構成されている。

次に、図２、図３を参照しながら、本実施形態の電力変換回路１００の通常動作について説明する。図２は、メインバッテリ１０とサブバッテリ２０とを並列に接続して負荷３０との電力授受を行う並列接続モード動作を示し、図３は、メインバッテリ１０とサブバッテリ２０とを直列に接続して負荷との電力授受を行う直列接続モード動作を示している。なお、図２，３及び、図５−７では、各スイッチング素子２１−２４は単純なオン・オフスイッチに模式化して表示する。また、図１と同様の部品には同様の符号を付して説明は省略する。

並列接続モードで動作する場合、制御部５０は、図２（ａ）に示すように、第１のスイッチング素子２１をオフとし、第２〜第４のスイッチング素子をオンとして、２つの回路６１，６２形成し、メインバッテリ１０の電力を第１リアクトル２５に蓄積するとともに、サブバッテリ２０の電力を第２リアクトル２６に蓄積する。次に制御部５０は、図２（ｂ）に示すように、第１，第２、第４のスイッチング素子２１，２２，２４をオンとし、第３のスイッチング素子２３をオフとする。すると、第１リアクトル２５に蓄積された電力は、図２（ｂ）に示すように、第１リアクトル２５、第２、第１ダイオード３２、３１、高圧電路１３、負荷３０、基準電路１１、第１電路１２、メインバッテリ１０、第１リアクトル２５を通る回路６３に流れる電流として負荷３０に出力される。また、第２リアクトル２６に蓄積された電力は、図２（ｂ）に示すように、第２リアクトル２６、第１ダイオード３１、高圧電路１３、負荷３０、基準電路１１、第４ダイオード３４、第２電路１４、サブバッテリ２０、第２リアクトル２６を通る回路６４に流れる電流として負荷３０に出力される。制御部５０は、図２（ａ）の状態と図２（ｂ）の状態を交互に切り替えてメインバッテリ１０、サブバッテリ２０の電圧を昇圧して負荷３０に供給する。

また、負荷３０からの回生電力は、図２（ｂ）に示すように、負荷３０、高圧電路１３、第１のスイッチング素子２１、第２のスイッチング素子２２、第１電路１２、第１のリアクトル２５、メインバッテリ１０、基準電路１１、負荷３０を通る回路６５によってメインバッテリ１０に充電されると共に、負荷３０、高圧電路１３、第１のスイッチング素子２１、第２電路１４、第２のリアクトル２６、サブバッテリ２０、第４のスイッチング素子２４、基準電路１１、負荷３０を通る回路６６によってサブバッテリ２０に充電される。

直列接続モードで動作する場合、並列接続モードで動作する場合と同様、制御部５０は、図３（ａ）に示すように、第１のスイッチング素子２１をオフとし、第２〜第４のスイッチング素子をオンとして、２つの回路６１，６２形成し、メインバッテリ１０の電力を第１リアクトル２５に蓄積するとともに、サブバッテリ２０の電力を第２リアクトル２６に蓄積する。次に制御部５０は、図３（ｂ）に示すように、第１，第３のスイッチング素子２１，２３をオンとし、第２、第４のスイッチング素子２２，２４をオフとする。すると、第１リアクトル２５、第２リアクトル２６に蓄積された電力は、図３（ｂ）に示すように、第１リアクトル２５、第３のスイッチング素子２３、第２電路１４、サブバッテリ２０、第２リアクトル２６、第１ダイオード３１、高圧電路１３、負荷３０、基準電路１１、第１電路１２、メインバッテリ１０、第１リアクトル２５を通る回路６７に流れる電流として負荷３０に出力される。制御部５０は、図３（ａ）の状態と図３（ｂ）の状態を交互に切り替えてメインバッテリ１０とサブバッテリ２０を直列に接続した電圧を昇圧して負荷３０に供給する。

また、負荷３０からの回生電力は、図３（ｂ）に示すように、負荷３０、高圧電路１３、第１スイッチング素子２１、第２電路１４、第２リアクトル２６、サブバッテリ２０、第３ダイオード３３、第１電路１２、第１リアクトル２５、メインバッテリ１０、基準電路１１、負荷３０を通る回路６８によってメインバッテリ１０、サブバッテリ２０に充電される。

次に、図４〜７を参照しながら、本発明の実施形態の電力変換回路１００の動作について説明する。制御部５０は、先に図２（ａ）、図２（ｂ）を参照して説明したと同様、図４のステップＳ１０１，Ｓ１０２に示すように、第１のスイッチング素子２１をオフとして第２〜第４のスイッチング素子２２〜２４をオンとした状態と、第１、第２、第４のスイッチング素子２１，２２，２４をオンとして第３のスイッチング素子２３をオフとする動作を繰り返す、並列接続モードで動作している。

図４のステップＳ１０３に示すように、制御部５０は、図１に示す高圧電路１３に取り付けられた電流センサ４５に流れる電流を取得し、電力変換回路１００に過電流が流れていないかを監視する。制御部５０は、図４のステップＳ１０３で電力変換回路１００に過電流が流れていない場合には、ステップＳ１０１に戻り、並列接続モードの動作を継続する。

ここで、電力変換回路１００の第３のスイッチング素子２３がオン故障した場合の動作について説明する。この場合も制御部５０は、図４のステップＳ１０１、図５（ａ）に示すように第１のスイッチング素子２１をオフとして第２〜第４のスイッチング素子２２〜２４をオンとする。第３のスイッチング素子２３はオン状態に制御されているので、オン故障状態にあっても何も問題は起こらない。次に、制御部５０が図４のステップＳ１０２で、第１、第２、第４のスイッチング素子２１，２２，２４をオンとして第３のスイッチング素子２３をオフとする指令を出力すると、第３のスイッチング素子２３がオン故障している場合、図５（ｂ）に示すように第１〜第４のスイッチング素子２１〜２４がすべてオン状態となり、高圧電路１３と基準電路１１との間に短絡回路６９が形成され、図５（ｂ）に矢印で示すように、高圧電路１３から基準電路１１に大きな電流が流れる。制御部５０は、図４のステップＳ１０３で高圧電路１３の電流センサ４５によって取得した電流値が所定の閾値を超えている場合には、電力変換回路１００に過電流が発生したと判断し、図４のステップＳ１０４に示すように電力変換回路１００を停止させる。

制御部５０は、図４のステップＳ１０５に示すように、第１〜第４のすべてのスイッチング素子２１〜２４をオフとする指令を出力する。次に、制御部５０は、図４のステップＳ１０６に示すように平滑コンデンサ４０を放電する指令を出力する。第３のスイッチング素子２３がオン故障していなければ、この指令によって、メインバッテリ１０、サブバッテリ２０と平滑コンデンサ４０とは完全に遮断され、高圧電路１３の電圧はゼロまで低下することになる。

ところが、第３のスイッチング素子２３がオン故障している場合には、図６に示すように、メインバッテリ１０とサブバッテリ２０とは、メインバッテリ１０、第１電路１２、第１リアクトル２５、第３のスイッチング素子２３、第２電路１４、サブバッテリ２０、第２リアクトル２６、ダイオード３１、高圧電路１３、負荷３０、基準電路１１、メインバッテリ１０を通る回路７０によって接続されており、平滑コンデンサ４０に取り付けられた高電圧センサ４６が検出する高電圧ＶＨは、バッテリ電圧センサ４１検出するメインバッテリ１０のバッテリ電圧ＶＢ₁と、バッテリ電圧センサ４３で検出するサブバッテリ２０のバッテリ電圧ＶＢ₂との合計電圧となる。すなわち、ＶＨ＝ＶＢ₁+ＶＢ₂、となる。

そこで、制御部５０は、図１に示す故障判断プログラム５７を実行して、図４に示すステップＳ１０６で平滑コンデンサ４０を放電させた後、図４のステップＳ１０７に示すように、各電圧センサ４１，４３，４６により高電圧ＶＨ、各バッテリ電圧ＶＢ₁，ＶＢ₂を検出し、図４のステップＳ１０８に示すように、ＶＨ＝ＶＢ₁+ＶＢ₂、となっているかどうか判断する。そして、高電圧ＶＨが（ＶＢ₁+ＶＢ₂）となっている場合には、制御部５０は、図４のステップＳ１０９に示すように第３のスイッチング素子２３のオン故障を確定させる。

図６に示すように、この状態でも、メインバッテリ１０、サブバッテリ２０が直列接続されて回路７０によって負荷３０に電力を供給することができ、メインバッテリ１０、サブバッテリ２０の残存容量（ＳＯＣ）がゼロとなるまで負荷３０である電動車両のモータジェネレータを駆動して退避走行することは可能である。しかし、ダイオード３１のために電流が回路７０を逆方に流れることができず、負荷３０である電動車両のモータジェネレータの回生電力を各バッテリ１０，２０に充電することができない。このため、十分な退避走行距離を確保することができないという問題がある。

そこで、制御部５０は図１に示す退避モード動作プログラム５８を実行し、図４のステップＳ１０９で第３のスイッチング素子２３のオン故障を確定したら、図４のステップＳ１１０に示すように第１のスイッチング素子２１をオンとして、図４のステップＳ１１１に示すように、退避モード動作に移行する。これによって、図７に示すように、第１スイッチング素子２１、第３ダイオード３３を通り回路７０と逆方向に電流を流すことができる回路７１が形成される。従って、負荷３０で発生した電力は、回路７１を通って各バッテリ１０，２０に充電される。このように、本実施形態の電力変換回路１００では、第３のスイッチング素子２３がオン故障した場合でも、負荷３０に電力を供給するとともに、負荷３０の回生電力を各バッテリ１０，２０に充電できる、つまり、各バッテリ１０，２０と負荷３０との間の電力の授受を行うことができるので、退避走行距離を長くすることができるとともに、回生ブレーキを使用可能とすることができるので、電圧変換回路１００に故障が発生した場合でもより好適な退避走行を行うことができる。

なお、制御部５０は、図４のステップＳ１０８で高電圧ＶＨが（ＶＢ₁+ＶＢ₂）となっていないと判断した場合には、第３のスイッチング素子２３以外のスイッチング素子がオン故障していると判断し、図４のステップＳ１１２に示すように電力変換回路１００の停止状態を維持する。

本発明は以上説明した各実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲により規定されている本発明の技術的範囲ないし本質から逸脱することのない全ての変更及び修正を包含するものである。例えば、図１〜図７を参照して説明した本実施形態では、メインバッテリ１０，サブバッテリ２０は、リチウムイオン二次電池やニッケル水素電池のような二次電池であるとして説明したが、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタ等であってもよい。

１０メインバッテリ、１１基準電路、１２第１電路、１３高圧電路、１４第２電路、１５高圧接続点、１６第１接続点、１７第２接続点、１８第３接続点、１９基準接続点、２０サブバッテリ、２１，２２，２３，２４第１〜第４のスイッチング素子、２５第１リアクトル、２６第２リアクトル、３０負荷、３１，３２，３３，３４第１〜第４ダイオード、４０平滑コンデンサ、４１，４３バッテリ電圧センサ、４２，４４，４５電流センサ、４６高電圧センサ、５０制御部、５１ＣＰＵ、５２記憶部、５３機器・センサインターフェース、５４データバス、５５制御プログラム、５６制御データ、５７故障判断プログラム、５８退避モード動作プログラム、６０〜７１回路、１００電力変換回路。

Claims

負荷に電力を出力する基準電路と高圧電路と、
前記高圧電路から前記基準電路に向って直列に接続される第１，第２、第３、第４のスイッチング素子と、
前記各スイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される第１、第２、第３、第４のダイオードと、
前記第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子との間の第２接続点と前記基準電路との間を接続する第１電路と、
前記第１電路上に直列に接続される第１リアクトルと第１直流電源と、
前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との間の第１接続点と、前記第３のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子との間の第３接続点との間を接続する第２電路と、
前記第２電路上に直列に接続される第２リアクトルと第２直流電源と、
前記基準電路と前記高圧電路との間の電圧を検出する電圧センサと、
各スイッチング素子をオンオフする制御部と、を備える電力変換回路であって、
前記制御部は、前記第１ないし第４のスイッチング素子を全てオフとする指令を出力した際に、前記電圧センサで検出した前記基準電路と前記高圧電路との間の電圧が前記第１直流電源の電圧と前記第２直流電源の電圧との合計電圧である場合に、前記第３のスイッチング素子がオン故障であると判断する故障判断手段を備えること、
を特徴とする電力変換回路。
請求項1に記載の電力変換回路であって、
前記制御部は、第３のスイッチング素子がオン故障であるとき、前記第１のスイッチング素子をオンとし、前記第２、第４のスイッチング素子をオフとする退避モード動作手段を備えること、
を特徴とする電力変換回路。