JP6237699B2 - 異常検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、異常検出に関する。
特許文献1は、モータジェネレータを制御するためのインバータの短絡故障を検出する手法を開示している。その手法とは、インバータに含まれるアームを構成するダイオード素子を全てオフに設定した状態(ゲート遮断状態)で、アームとモータジェネレータとの間を流れる電流値が閾値よりも大きければ、短絡故障を検出するという手法である。
特開2009−201194号公報
上記先行技術は、短絡故障が発生していない正常時であれば、ゲート遮断状態に設定することで、インバータ内において電流が流れないことを前提にしている。しかし、モータジェネレータの逆起電圧がシステム電圧を上回ると、正常時であり、且つ、ゲート遮断状態であっても、インバータ内に電流が流れる。このようにして発生した電流に基づき異常を検出すると、誤検出になる。本願発明は、上記先行技術を踏まえ、モータジェネレータの逆起電圧がシステム電圧を上回る場合における誤検出の回避を解決課題とする。
本発明は、上記課題を解決するためのものであり、以下の形態として実現できる。
(1)本発明の一形態によれば、モータジェネレータを制御するためのインバータに含まれるアームと、前記モータジェネレータとの間を流れる電流値に対して所定の処理を施した値が、閾値よりも大きい場合に、前記インバータの異常を検出する異常検出装置が提供される。この異常検出装置において前記閾値は、前記モータジェネレータによる逆起電圧がシステム電圧よりも大きい場合、前記逆起電圧によって発生する分の電流に対して前記所定の処理を施して得られる値よりも大きい。この形態によれば、モータジェネレータによる逆起電圧がシステム電圧よりも大きい場合であっても、逆起電圧による誤検出を回避できる。
(2)上記形態において、前記所定の処理は、前記電流値の絶対値に対してなまし処理を施す処理であり;前記閾値は、前記モータジェネレータによる逆起電圧がシステム電圧よりも小さい場合、前記モータジェネレータによる逆起電圧がシステム電圧よりも大きい場合における前記閾値よりも小さくてもよい。この形態によれば、モータジェネレータによる逆起電圧がシステム電圧よりも小さい場合に、より適切な閾値を使用できる。
(3)上記形態において、前記所定の処理は、前記電流値に対してなまし処理を施して得られる値の絶対値を取得する処理であり;前記閾値は、前記モータジェネレータによる逆起電圧がシステム電圧よりも小さい場合と、前記モータジェネレータによる逆起電圧がシステム電圧よりも大きい場合とで同じでもよい。この形態によれば、モータジェネレータによる逆起電圧がシステム電圧よりも大きいか小さいかで場合分けをする必要がない。
本発明は、上記以外の種々の形態で実現できる。例えば、異常検出方法や、この方法を実現するためのコンピュータプログラム、このコンピュータプログラムを記憶した一時的でない記憶媒体等の形態で実現できる。
電源制御システムを示す回路図。 短絡検出処理を示すフローチャート(実施形態1)。 測定される電流値の時間変化を示すグラフ。 上記の電流値の絶対値を示すグラフ。 電流値の絶対値をなまし処理した結果を示すグラフ。 ゲート遮断状態における短絡電流絶対なまし値と逆起電圧との関係を示すグラフ。 短絡検出処理を示すフローチャート(実施形態2)。 短絡電流なまし値と、短絡電流なまし絶対値とを示すグラフ。 短絡検出処理を示すフローチャート(変形例)。
実施形態1を説明する。図1は、電源制御システム10を示す回路図である。電源制御システム10は、バッテリ105からモータジェネレータ170へ供給される電力を制御する。
電源制御システム10は、パワーコントロールユニット(PCU)100と、バッテリ105と、電源ライン108と、アースライン128と、補機バッテリ164と、モータジェネレータ170と、制御部200とを備える。本実施形態における電源制御システム10は、ハイブリッド車に搭載されている。ハイブリッド車とは、モータジェネレータ170とガソリンエンジン(図示しない)とを動力源として搭載した4輪自動車のことである。
バッテリ105は、電源ライン108とアースライン128との間に接続されている。バッテリ105は、二次電池であり、本実施形態ではリチウムイオン電池である。
電源ライン108は、バッテリ105の正極に接続されている。アースライン128は、バッテリ105の負極に接続されている。バッテリ105から出力された直流電流は、電源ライン108及びアースライン128を流れる。
PCU100は、バッテリ105と、モータジェネレータ170との間に接続されている。PCU100は、バッテリ105と、モータジェネレータ170との間の電気接続を制御する。PCU100は、電源ライン110と、電源ライン112と、アースライン120と、コンバータ130と、コンデンサ144と、電圧センサ147と、放電抵抗149と、インバータ150と、電流センサ157,159と、DC/DCコンバータ160とを備える。
電源ライン110及び電源ライン112は、バッテリ105の正極に接続されている。アースライン120は、バッテリ105の負極に接続されている。バッテリ105から出力された直流電流は、電源ライン110、電源ライン112及びアースライン120を流れる。
コンバータ130は、電源ライン110と、電源ライン112との間に設けられている。コンバータ130は、バッテリ105から供給された直流電流を、スイッチング制御により電圧を調整してインバータ150に供給する。コンバータ130は、リアクトル132と、コンデンサ134と、スイッチング素子Q1,Q2と、ダイオード素子D1,D2とを有する。
リアクトル132における一方の端部は、電源ライン110に接続されている。リアクトル132における他方の端部は、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2との中間点に接続されている。リアクトル132は、環状のコア部と、コア部の外周に巻き付けられたコイルとによって構成される。リアクトル132は、コンバータ130による電圧の昇降圧に利用される。
コンデンサ134は、電源ライン110とアースライン120との間に接続されている。コンデンサ134は、電源ライン110とアースライン120との間における直流電圧に含まれる脈流を平滑化する。本実施形態におけるコンデンサ134は、フィルムコンデンサである。
スイッチング素子Q1及びスイッチング素子Q2は、電源ライン112とアースライン120との間に直列に接続されている。スイッチング素子Q1は、スイッチング素子Q2から見て電源ライン112側に配置される。
スイッチング素子Q1,Q2は、交互にオンとオフとが切り替わるように制御されている。つまり、スイッチング素子Q1がオンの場合は、スイッチング素子Q2がオフとなり、スイッチング素子Q1がオフの場合は、スイッチング素子Q2がオンとなる。スイッチング素子Q1,Q2におけるオン/オフのデューティ比を調整することによって、コンバータ130は、バッテリ105と、モータジェネレータ170との間における電圧の昇降圧を実現する。
ダイオード素子D1は、エミッタ側からコレクタ側に電流が流れるように、スイッチング素子Q1のコレクタとエミッタとの間に接続されている。ダイオード素子D2は、エミッタ側からコレクタ側に電流が流れるように、スイッチング素子Q2のコレクタとエミッタとの間に接続されている。
コンデンサ144は、コンバータ130とインバータ150との間に配されている。コンデンサ144は、電源ライン112とアースライン120との間における直流電圧に含まれる脈流を平滑化する。本実施形態におけるコンデンサ144は、フィルムコンデンサである。
電圧センサ147は、システム電圧VH(コンデンサ144の両端の電圧であり、「インバータ入力電圧」とも言う)を測定して制御部200に入力する。PCU100は、コンデンサ144の両端の電圧を検出する電圧センサ147を備える。
放電抵抗149は、システム電圧VHが閾値を超えた場合に実施する放電のための抵抗素子である。
インバータ150は、電源ライン112とアースライン120との間に接続されている。インバータ150は、バッテリ105から供給された直流電流を交流電流に変換し、モータジェネレータ170を駆動させる駆動電流として、モータジェネレータ170に供給する。インバータ150は、U相アーム152と、V相アーム154と、W相アーム156とから構成される。U相アーム152、V相アーム154及びW相アーム156は、電源ライン112とアースライン120との間に並列に接続されている。
U相アーム152は、スイッチング素子Q3と、スイッチング素子Q4と、ダイオード素子D3と、ダイオード素子D4とを有する。スイッチング素子Q3及びスイッチング素子Q4は、直列に接続されている。スイッチング素子Q3のコレクタとエミッタとの間には、エミッタ側からコレクタ側に電流が流れるようにダイオード素子D3が接続される。スイッチング素子Q4のコレクタとエミッタとの間には、エミッタ側からコレクタ側に電流が流れるようにダイオード素子D4が接続される。
V相アーム154は、スイッチング素子Q5と、スイッチング素子Q6と、ダイオード素子D5と、ダイオード素子D6とを有する。スイッチング素子Q5及びスイッチング素子Q6は、直列に接続されている。スイッチング素子Q5のコレクタとエミッタとの間には、エミッタ側からコレクタ側に電流が流れるようにダイオード素子D5が接続される。スイッチング素子Q6のコレクタとエミッタとの間には、エミッタ側からコレクタ側に電流が流れるようにダイオード素子D6が接続される。
W相アーム156は、スイッチング素子Q7と、スイッチング素子Q8と、ダイオード素子D7と、ダイオード素子D8とを有する。スイッチング素子Q7及びスイッチング素子Q8は、直列に接続されている。スイッチング素子Q7のコレクタとエミッタとの間には、エミッタ側からコレクタ側に電流が流れるようにダイオード素子D7が接続される。スイッチング素子Q8のコレクタとエミッタとの間には、エミッタ側からコレクタ側に電流が流れるようにダイオード素子D8が接続される。
本実施形態におけるスイッチング素子Q3〜Q8には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられている。スイッチング素子Q3〜Q8のそれぞれには、オン/オフを切り替えるための駆動回路T3〜T8が接続されている。
スイッチング素子Q3とスイッチング素子Q4との中間点は、モータジェネレータ170のU相コイルの一端に接続される。スイッチング素子Q5とスイッチング素子Q6との中間点は、モータジェネレータ170のV相コイルの一端に接続される。スイッチング素子Q7とスイッチング素子Q8との中間点は、モータジェネレータ170のW相コイルの一端に接続される。U相コイルの他端、V相コイルの他端およびW相コイルの他端は、モータジェネレータ170内の中間点に接続されている。
電流センサ157は、V相アーム154とV相コイルとを結ぶ配線に設けられている。電流センサ159は、W相アーム156とW相コイルとを結ぶ配線に設けられている。電流センサ157及び電流センサ159は、モータジェネレータ170に流れる電流を測定し、制御部200へ出力する。
DC/DCコンバータ160は、電源ライン110とアースライン120との間に接続されている。DC/DCコンバータ160は、補機バッテリ164の充電と、補機(図示しない)への給電とを実行する。
補機バッテリ164は、DC/DCコンバータ160に接続されている。補機バッテリ164は、補機の駆動に用いられる電力を、補機に供給する。本実施形態における補機には、電流センサ157,159、エアコン用コンプレッサ及びパワーステアリング用ポンプ等が含まれる。
モータジェネレータ170は、インバータ150に接続されている。モータジェネレータ170は、インバータ150から交流電流が供給されると、電動機として機能する。モータジェネレータ170は、自動車の減速時(回生制動時)に発電機として機能することによって、運動エネルギーを電気エネルギーとして回生する。
モータジェネレータ170は、レゾルバ172と、温度センサ174とを備える。レゾルバ172は、モータジェネレータ170のロータの回転角度を測定する。温度センサ174は、モータジェネレータ170の温度を測定する。制御部200は、これまで説明した電源制御システム10の構成要素を制御する。
図2は、短絡検出処理を示すフローチャートである。短絡検出処理は、インバータ150の短絡故障を検出するための処理である。短絡検出処理は、制御部200が、インバータ150における短絡故障が疑われる状況を検出したことを契機に開始する。短絡故障が疑われることの検出は、電流センサ157,159によって過電流が測定されたこと、又は駆動回路T3〜T8によって異常が検出されたこと等に基づき実施する。
まず、ゲート遮断を実行する(S310)。ゲート遮断とは、スイッチング素子Q3〜Q8を全てオフに設定するための指令を、駆動回路T3〜T8に送信することである。
次に、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHよりも大きいかを判定する(S320)。逆起電圧Vbeは、次式によって算出する。
Vbe[V]=Kbe[V/rpm]×Nm[rpm]・・・(1)
上記Kbeは、逆起電圧定数であり、制御部200に予め記憶されている固定値である。Nmは、モータジェネレータ170の回転数である。
逆起電圧Vbeがシステム電圧VH以下の場合(S320,NO)、短絡電流絶対なまし値(算出方法は後述)が異常判定閾値TH1よりも大きいかを判定する(S330)。
逆起電圧Vbeがシステム電圧VH以下の場合に、スイッチング素子Q3〜Q8の何れにも短絡故障が発生しておらず正常であれば、電流センサ157,159には、電流が殆ど流れない。この結果、短絡電流絶対なまし値も殆どゼロで維持されるので、短絡電流絶対なまし値は異常判定閾値TH1以下と判定される(S330,NO)。
短絡電流絶対なまし値が異常判定閾値TH1以下の場合(S330,NO)、モータジェネレータ170の温度が基準温度よりも高いかを判定する(S340)。モータジェネレータ170の温度が基準温度以下の場合(S340,NO)、タイムアウトしたかを判定する(S350)。具体的には、短絡検出処理を開始してから所定時間が経過したかを判定する。
タイムアウトしていない場合(S350,NO)、S320に戻る。このようにして上記の処理を繰り返し、タイムアウトした場合(S350,YES)、短絡故障を検出せず、ゲート遮断を解除し(S360)、短絡検出処理を終える。ゲート遮断を解除すると、通常走行モードに戻る。
一方、モータジェネレータ170の温度が基準温度に達した場合(S340,YES)、車両の制御状態をREADY−OFFに設定して(S370)、短絡検出処理を終える。READY−OFFとは、車両の駆動力を停止することである。
一方、短絡電流絶対なまし値が異常判定閾値TH1よりも大きい場合(S330,YES)、短絡故障を検出する(S380)。続いてインバータ三相ON制御を実行し(S390)、短絡検出処理を終える。
インバータ三相ON制御とは、スイッチング素子Q3〜Q8を全てオン状態に設定することである。インバータ三相ON制御によって、短絡故障が発生した部位に流れる電流の絶対値を小さくできる。
ここで、短絡電流絶対なまし値について説明する。図3は、電流センサ157,159の何れかによって測定される電流値の時間変化を示すグラフである。図3は、スイッチング素子Q3〜Q8の何れかに短絡故障が発生している場合と、正常時であり、且つ、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHを上回っている場合とを示す。これらの場合、ゲート遮断を実施していても、図3に示すように電流が流れる。
図4は、上記の電流値の絶対値を示すグラフである。図5は、電流値の絶対値をなまし処理した結果を示すグラフである。ここで言うなまし処理とは、交流成分を除去し、直流成分を積分するための処理である。このグラフの曲線によって示されるのが、上記「短絡電流絶対なまし値」である。
図5に示すように、短絡故障時の場合、短絡電流絶対なまし値は、時間t1を過ぎると異常判定閾値TH1よりも大きくなる。これに対して、正常時の場合であり、且つ、逆起電圧Vbeがシステム電圧VH以下の場合(図5には図示しない)、先述したように、測定される電流値が殆どゼロで維持されるので、短絡電流絶対なまし値も殆どゼロで維持される。よって、異常判定閾値TH1を用いることで、正常であるか、短絡故障が発生しているかを判定できる。
一方、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHよりも大きい場合(S320,YES)、短絡電流絶対なまし値が異常判定閾値TH2よりも大きいかを判定する(S335)。異常判定閾値TH2は、図5,図6(後述)に示すように、異常判定閾値TH1よりも大きい。
上記のように、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHよりも大きい場合(S320,YES)、図3に示すように、ゲート遮断状態において、正常時であっても電流が流れ、交流成分が発生する。これは、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHを超えると、ダイオード素子D3〜D8の順方向に電流が流れるからである。なお、このようにして流れる電流値は、モータジェネレータ170のインダクタンスに影響される。
この結果、短絡電流絶対なまし値は、図4に示すように、正常時であってもゼロに維持されなくなり、図5に示すように、時間t1aにおいて、異常判定閾値TH1に達する。よって、異常判定閾値TH1を用いると誤検出になる。
そこで、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHを超えた場合は、異常判定閾値TH1よりも大きい異常判定閾値TH2を用いて、短絡故障を検出する。異常判定閾値TH2は、正常時に発生し得る短絡電流絶対なまし値よりも大きく、且つ、短絡故障発生時における短絡電流絶対なまし値よりも小さく設定されている。正常時に発生し得る短絡電流絶対なまし値よりも大きいということは、逆起電圧Vbeによって発生する分の電流の絶対なまし値よりも大きい。
図6は、ゲート遮断状態における短絡電流絶対なまし値と逆起電圧Vbeとの関係を示すグラフである。図6は、異常検出処理の開始から所定時間経過後における値を示す。なお、短絡故障発生時は、インバータ三相ON制御を実施していない場合の値である。
逆起電圧Vbeがシステム電圧VHを超える場合、図6に示すように、逆起電圧が大きくなるに連れ、短絡電流絶対なまし値も大きくなる。なお、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHを超える場合は、モータジェネレータ170の回転数が所定値を超える場合と捉えることもできる。
S335でYESと判定した後の処理は、S330でYESと判定した後の処理と同じであり、S335でNOと判定した後の処理は、S330でNOと判定した後の処理と同じなので、説明を省略する。
実施形態1によれば、逆起電圧Vbeがシステム電圧VH以下の場合には、短絡故障を短時間(上記の例では時間t1)で検出でき、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHを超える場合には、誤検出を回避できる。
実施形態2を説明する。実施形態2においても、図1に示した回路を用いる。図7は、実施形態2の短絡検出処理を示すフローチャートである。実施形態1の短絡検出処理と同じ番号のステップは、内容についても実施形態1と同じであるので、詳しい説明を省略する。
実施形態2においては、ゲート遮断(S310)の実行後、逆起電圧Vbeとシステム電圧VHとの比較(S320)は実行せずに、S331を実行する。S331では、短絡電流なまし絶対値が異常判定閾値TH3よりも大きいかを判定する。
図8は、図3に示した電流値を元に取得した短絡電流なまし絶対値を示す。短絡電流なまし絶対値は、実施形態1の短絡電流絶対なまし値と異なり、なまし処理の後に、絶対値を取ることで得られる値である。
図3に示すように、正常時の場合であり、且つ、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHを上回った場合、ほぼ理想的な正弦波としての交流電流が測定される。理想的な正弦波になまし処理を施した値は、ほぼゼロで維持される。この値の絶対値についても、ほぼゼロで維持される。
異常判定閾値TH3は、図8に示すように、正の値であり、逆起電圧Vbeによって発生する分の電流のなまし絶対値よりも大きい。よって、短絡故障が発生していない場合に、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHを上回ったとき、S331ではNOと判定することになる。この結果、実施形態1のS335でNOと判定した場合と同じように処理が進行していく。
上記と同様、正常時に、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHを上回っていない場合、電流センサ157,159によって測定される値がほぼゼロで維持されるので、短絡電流なまし絶対値もほぼゼロで維持される。よって、このときでも、S331でNOと判定することになる。つまり、実施形態1のS330でNOと判定した場合と同じように処理が進行していく。
これに対して短絡故障時は、図3に示すように、正弦波に直流成分が重畳している。この直流成分は、スイッチング素子Q3〜Q8の何れかに短絡故障が発生することによって発生する。
この場合、図8に示すように、なまし処理後の電流値は、上記の直流成分によって、時間と共に上昇する。この値の絶対値、つまり、なまし絶対値は、時間と共に上昇し、時間t2において、異常判定閾値TH3に達する。この結果、S331でYESと判定することになる。この結果、実施形態1のS335でYESと判定した場合と同じように処理が進行していく。
また、短絡故障が発生している場合に、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHを上回っていないときでも、電流センサ157,159によって測定される値に直流成分が含まれる。よって、S331でYESと判定することになる。つまり、実施形態1のS330でYESと判定した場合と同じように処理が進行していく。
実施形態2によれば、逆起電圧Vbeとシステム電圧VHとの大小関係について場合分けをしなくても、誤検出を回避できる。
本発明は、本明細書の実施形態や実施例、変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現できる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、実施例、変形例中の技術的特徴は、先述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、先述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことができる。その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除できる。例えば、以下のものが例示される。
図9は、変形例としての短絡検出処理を示すフローチャートである。実施形態1における短絡検出処理との相違点を説明する。変形例においては、S320でYESと判定した場合、S340を実行する。つまり、逆起電圧Vbeがシステム電圧VHよりも高い場合は、短絡電流絶対なまし値と異常判定閾値TH1との比較(S330)を実行しない。S330を実行しなければ、異常検出をすることがない。よって、誤検出を回避できる。
電源制御システムは、電気自動車や燃料電池車に搭載されてもよいし、他の輸送用機器(二輪車、電車など)に搭載されていてもよい。
バッテリは、ニッケル水素電池であってもよいし、鉛蓄電池であってもよい。
コンデンサは、電解コンデンサであってもよい。
PCUは、コンデンサの両端の電圧を測定するセンサを、電圧センサ147の他に備えてもよい。
スイッチング素子には、パワートランジスタが用いられてもよいし、サイリスタが用いられてもよい。
U相アームとU相コイルとを結ぶ配線、V相アームとV相コイルとを結ぶ配線およびW相アームとW相コイルとを結ぶ配線のうち、3つの配線において、電流センサが設けられていてもよいし、U相アームとU相コイルとを結ぶ配線を含む2つの配線において、電流センサが設けられていてもよい。
逆起電圧Vbeは、上記の計算の他、回転数Nmと逆起電圧Vbeとの特性マップを参照して求めてもよい。
10…電源制御システム
105…バッテリ
108…電源ライン
110…電源ライン
112…電源ライン
120…アースライン
128…アースライン
130…コンバータ
132…リアクトル
134…コンデンサ
144…コンデンサ
147…電圧センサ
149…放電抵抗
150…インバータ
152…U相アーム
154…V相アーム
156…W相アーム
157…電流センサ
159…電流センサ
160…DC/DCコンバータ
164…補機バッテリ
170…モータジェネレータ
172…レゾルバ
174…温度センサ
200…制御部
D1〜D8…ダイオード素子
Q1〜Q8…スイッチング素子
T3〜T8…駆動回路

Claims (2)

  1. モータジェネレータを制御するためのインバータに含まれるアームと、前記モータジェネレータとの間を流れる電流値に対して所定の処理を施した値が、閾値よりも大きい場合に、前記インバータの異常を検出する異常検出装置であって、
    前記閾値は、前記モータジェネレータによる逆起電圧がシステム電圧よりも大きい場合、前記逆起電圧によって発生する分の電流に対して前記所定の処理を施して得られる値よりも大きい
    異常検出装置。
  2. 前記所定の処理は、前記電流値の絶対値に対してなまし処理を施す処理であり、
    前記閾値は、前記モータジェネレータによる逆起電圧がシステム電圧よりも小さい場合、前記モータジェネレータによる逆起電圧がシステム電圧よりも大きい場合における前記閾値よりも小さい
    請求項1に記載の異常検出装置。
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