JP7057439B2 - 電磁開閉制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁開閉制御装置に関し、特に電源と負荷との間に介挿されて導電路を開閉接続する電磁開閉器を開閉制御する電磁開閉制御装置に関する。

特許文献1に示すように、電磁開閉器の操作コイル(誘導性負荷)のインピーダンスを算出し、電磁開閉器の開閉動作時に適切な電流を供給するように制御する操作コイル駆動装置が知られている。

国際公開第２０１７／１５９０７０号公報

複数の電池セルの直並列からなる組電池を電源とする電源供給システムにおいて、組電池とシステム側の負荷に接続する電磁開閉器(誘導性負荷)をパルス制御する場合に、電磁開閉器が閉路（以下、「オン」ともいう）状態で保持するための保持電流を通電する必要がある。

また、電磁開閉器における電気接点（以下、「接点部」又は単に「接点」ともいう）の接触抵抗が増加すると、閉路通電時に発熱劣化する。このように、接点の接触抵抗（以下、「接点抵抗」ともいう）が増加した状態で組電池の充放電電流を通電していた場合、接点部の発熱で電磁開閉器が溶着して故障する恐れがある。

そのような故障を避けるため、安全に継続動作できるように制御する必要がある。また、閉路通電制御時であるにもかかわらず、操作コイル電流が確実に接点を吸着維持させる電磁力を発生させる下限値（以下、「最低保持電流」又は単に「保持電流」ともいう）に満たない不安定な場合に接触圧力が不十分なため、接点にアークが生じて接点を徐々に損傷するとともに接触抵抗を増加させることがある。これを避けるには、操作コイル電流を規定どおりに安定供給することにより、接触圧力を十分に確保する必要がある。

また、電源供給システムの供給能力を超えた過負荷、又は電池の過放電、あるいは、それらの原因が相乗して供給電圧が下落した場合は、電磁開閉器の操作コイル電流が減少して不十分になる。そのことが、接点抵抗を大きくする原因になることは、上述したとおりである。これを回避するには、操作コイル電流の減少を抑止することが必要である。

そのためには、操作コイル電流が制御下限値（以下、「保持電流閾値」又は単に「保持電流」ともいう）以下となることを制御部が事前に検出できるならば、その検出結果に基づいて、操作コイルの保持電流閾値を下回らないように制御することが効果的である。例えば、操作コイル電流Ａが、保持電流以下とならないように、ＰＷＭ制御であるならば、スイッチング素子のオンＤｕｔｙを制御する。換言すると、オン／オフのＤｕｔｙ比を１００％に近づける方向、すなわち、オフ時間に比べてオン時間を長くするように制御する。

しかしながら、特許文献1に記載の技術では、操作コイル電流の近未来値を予測することはできなかった。したがって、操作コイルの保持電流閾値を下回らないように、制御部が事前に検出できるものではなく、操作コイル電流の減少を抑止できないという課題があった。本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、制御部が操作コイル電流の近未来値を事前に予測して保持電流閾値を下回らないよう制御することにより、接触圧力を安定化することができる電磁開閉制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、操作コイルにＰＷＭ制御されたＤｕｔｙ比の電流値を通電し、該電流値に応じた電磁力により、電源と負荷との接続に用いられる電磁開閉器の電気接点を開閉する電磁開閉制御装置であって、前記操作コイルの端子電圧値を用いて近未来の予測電流値を推定する電流値予測部と、前記推定された前記予測電流値が前記操作コイルの電流保持できる範囲から外れているか否かを判定する制御レンジ判定部と、前記制御レンジ判定部の判定結果が範囲外の場合は、前記予測電流値に基づいて前記Ｄｕｔｙ比を変更するように制御するＰＷＭ制御部と、前記操作コイルの端子電圧値を測定する操作コイル電圧測定回路と、前記操作コイルと前記操作コイル電圧測定回路との間に設けられた電圧測定用フィルタ回路と、を備え、前記電流値予測部は、前記操作コイル電圧測定回路により測定された前記操作コイルの端子電圧値と、前記操作コイルのインピーダンスと、前記電圧測定用フィルタ回路の時定数と、を用いて、前記予測電流値を算出するものである。

制御部が操作コイル電流の近未来値を予測して保持電流閾値を下回らないように制御し、接触圧力を安定化できる電磁開閉制御装置を提供する。

本発明の一実施形態に係る電磁開閉制御装置（以下、「本装置」ともいう）を用いた電池式電源供給システムの概略構成を示す回路図である。 図１の本装置におけるＰＷＭ制御を簡単に説明するタイミングチャートであり、（ａ）主開閉器７－１、（ｂ）主開閉器７－２、（ｃ）副開閉器８、それぞれの開閉タイミングを示している。 図１の本装置をより詳細に示す回路図である。 図１及び図３の本装置でＰＷＭ制御による操作コイルの電圧及び電流の変化を説明するタイミングチャートであり、（ａ）供給電圧Ｖｃｃ、（ｂ）操作コイルの端子電圧Ｖ、（ｃ）操作コイルの電流値Ａ、（ｄ）ＰＷＭ制御のＤｕｔｙ比、をそれぞれ示している。 図１及び図３の本装置で操作コイルを制御する際の処理手順を説明するフローチャートであり、図５（ａ）はプルイン処理、図５（ｂ）は電圧・電流測定及びＤｕｔｙ更新処理、図５（ｃ）は抵抗Ｒ値及びインダクタンスＬ値（以下、「ＲＬ」と略す）の取得処理、をそれぞれ示している。

以下、本装置を電池式電源供給システムへの適用例について図面を用いて説明する。図１は、本装置を用いた電池式電源供給システム（以下、「本システム」ともいう）の概略構成を示す回路図である。図１に示すように、本システムは、モータ１と、インバータ２と、本装置３と、組電池６と、メインコンタクタ（以下、「主開閉器」又は「電磁開閉器」ともいう）７－１，７－２（２つまとめて７）と、プリチャージリレー（以下、「副開閉器」又は「電磁開閉器」ともいう）８と、プリチャージ抵抗９と、を備えて構成されている。

組電池６は、２つの電池モジュール５を直列に接続した全体で所望の電圧が得られるように構成されている。電池モジュール５は、二次電池でなる４つの電池セル４を直列に接続したユニットで所望の半分の電圧が得られるように構成されている。なお、ここで例示する組電池６を構成する電池モジュール５、及び電池セル４は、全て加極性に直列接続された形態であるが、用途に応じて適宜に直列・並列又はそれらを組み合わせて接続されたものでも構わない。

上述のように、全て加極性に直列接続された形態の組電池６を構成する８つの電池セル４には、それぞれの電極端子から９本の電圧測定線１２が引き出されている。これら９本の電圧測定線１２は、マイクロコンピュータ（マイコン）を備えた本装置３に接続されており、充放電の状態や、その他の管理項目について監視できるように構成されている。なお、８つに限らず、電池セル４が適宜に直列又は並列に接続された形態であっても良い。さらに、異なる様々な監視目的及び管理仕様に応じた接続形態の電圧測定線１２が本装置３に接続される場合もあるが、それらについての図示及び説明は省略する。

モータ１はインバータ２の負荷である。そのインバータ２は組電池６の負荷である。その組電池６は、インバータ２との間に２つの主開閉器（電磁開閉器）７、及び副開閉器（電磁開閉器）８で、合計３つの電磁開閉器を介して接続されている。これら、３つの電磁開閉器７，８は、本装置３により導電状態を閉路か開放（オン／オフ）の何れかに制御可能である。

主開閉器７－１は組電池６の正極側の電路に介挿され、そのほとんどの電流について、瞬時に開閉する機能を有する。主開閉器７－２は組電池６の負極側の電路に介挿され、その全電流について、瞬時に開閉する機能を有する。一方、副開閉器８は、主開閉器７－１と同じ正極側の電路に介挿され、ある程度に制限された少ない電流について、開閉する機能を備えている。この副開閉器８は、後述するＧＰＩＯ（General-purpose input/output汎用入出力）により設定された適切なタイミングでオン／オフ制御される。

副開閉器８の電流を少なく制限する程度は、副開閉器８と直列接続されたプリチャージ抵抗９の抵抗値で規定される。プリチャージ抵抗９を直列接続された副開閉器８は、突入電流防止用リレーとして、主開閉器７－１に並列接続された関係である。本装置３は、組電池６を構成する個別の電池セル４について、それぞれの充放電状態を監視する。また、この本装置３は、図２を用いて後述するように、組電池６とインバータ２との間に介挿された主開閉器７、及び副開閉器８を適切なタイミングで開閉制御する。

電磁開閉制御装置（本装置）３は、電磁開閉器７の操作コイル１６，１７にＰＷＭ制御されたＤｕｔｙ比（以下、単に「Ｄｕｔｙ比」ともいう）の電流値Ａを通電し、その電流値Ａに応じた電磁力により、電磁開閉器７の電気接点１３を開閉する制御装置である。本装置３は、電流値予測部１９と、制御レンジ判定部２０と、ＰＷＭ制御部２１と、を備えて構成されている。

電流値予測部１９は、操作コイル１６，１７のそれぞれの端子電圧Ｖ１，Ｖ２（まとめてＶ）を用いて近未来の予測電流値Ｙを推定する。制御レンジ判定部２０は、推定された予測電流値Ｙにおいて、操作コイル１６，１７の電流保持、すなわち、接点１３を吸着状態に維持する電磁力を発揮して維持できる範囲から外れているか否かを判定する。

ＰＷＭ制御部２１は、制御レンジ判定部２０の判定結果が維持できる範囲外の場合は、予測電流値Ｙに基づいてＤｕｔｙ比を変更するように制御する。本装置３は、このように構成されているため、ＰＷＭ制御部２１が操作コイル電流Ａの近未来値Ｘを予測して保持電流閾値Ｗを下回らないよう制御し、接点１３の接触圧力を安定化することができる。

図２は図１の本装置におけるＰＷＭ制御を簡単に説明するタイミングチャートであり、（ａ）主開閉器７－１、（ｂ）主開閉器７－２、（ｃ）副開閉器８、それぞれの開閉タイミングを示している。図２に示すように、本装置３は、組電池６をインバータ２へ接続する際、突入電流を防ぐために、主開閉器７－１よりも先に副開閉器８を接続することで、プリチャージ抵抗９により、突入電流が主開閉器７の許容電流を越えないように制限する。なお、本装置３が操作コイル１６，１７，１８に電磁開閉器電源（コンタクタ電源）１０を通電することにより各接点１３を閉じ（オン）、逆に通電を止めると（オフ）、不図示のバネにより接点が開放される。

より具体的には、例えば、ハイブリッド自動車又は蓄電池自動車において、直流電源と負荷との間で接続と切断（オン／オフ）をサポートする。そのため、図２に示すように、副開閉器８は、閉路時に主開閉器７－１よりも少し早いタイミングで閉路するように、ＧＰＩＯでタイミング制御される。このタイミング制御により、負荷にコンデンサを有する大電流の直流電路が閉路される際の突入電流を緩和するプリチャージによって、主開閉器７の接点を保護する効果が発揮できる。

次に、図３を用いて、本装置３の回路構成について説明する。図３は、図１の本装置３をより詳細に示す回路図である。図３からは、電源である組電池６と、負荷であるモータ及びインバータ２を省略し、本装置３の要部が、主開閉器７、及び副開閉器８を制御するマイコン制御部１１により主要構成されているものとして説明する。なお、コイル電流用コンタクタ（コイル開閉器、電磁開閉器）１５は、全部の操作コイル１６～１８に電磁開閉器電源（コンタクタ電源）１０を同時に通電制御するメインスイッチの機能を有するが、ここでは、常時オン状態であるものとして説明する。

本装置３の要部を構成する制御部は、マイコン制御部１１に接続されてオン／オフ動作するスイッチング素子３８～４０のほか、時定数Ｔ１，Ｔ２［秒］を設定する抵抗Ｒ及びコンデンサＣの組み合わせによるＲＣフィルタ回路と、還流ダイオード４１，４２を備えて構成されている。なお、時定数Ｔ［秒］については、その定義等を後述する。

マイコン制御部１１には、電流値予測部１９、制御レンジ判定部２０、ＰＭＷ制御部２１～２３、のほか、ＡＤＣ（Ａ／Ｄコンバータ）２４～３０を備えている。これらのうち、ＰＭＷ制御部２１は、ＰＷＭ制御部２２，２３に分かれて独立した動作を行わせる。なお、これらはマイコン制御部１１に必ずしも内包されている必要はなく、散在した構成でも構わない。

マイコン制御部１１には、信号が出入りする。ＡＤＣ２４～３０には信号が入力されて電圧値や電流値をアナログ信号で入力され、マイクロコンピュータの処理に適するようにＡ／Ｄ変換される。そのため、ＡＤＣ２４，２５，２７，２９は、操作コイル電圧測定回路を形成し、ＡＤＣ２６，２８，３０は、操作コイル電流測定回路を形成する。一方、ＰＭＷ制御部２１～２３は、スイッチング素子３８，３９をオン／オフさせるＨｉｇｈ／Ｌｏｗ信号を出力する。また、マイコン制御部１１のＧＰＩＯは、スイッチング素子４０をオン／オフさせるＨｉｇｈ／Ｌｏｗ信号を出力する。スイッチング素子３８～４０は、主開閉器７、及び副開閉器８、それぞれの操作コイル１６～１８への通電を制御する。

上述のように、本装置３は、直列に接続された複数の二次電池４による組電池６で形成された電池式電源供給システムと、そこから電源の供給を受ける負荷と、それらの電流経路に介挿された電磁開閉器１６～１８と、の組み合わせにおいて、電路を適宜にオン／オフするための制御機能を形成するものである。この本装置３は、例えば、不図示のハイブリッド自動車又は蓄電池自動車に採用された実施形態を例示している。その組電池６には、操作コイル電圧測定回路（「ＡＤＣ」ともいう）２４，２５，２７と、電圧測定用フィルタ回路３１，３２，３３と、をさらに接続している。

ＡＤＣ２４，２５，２７，２９は、操作コイル１６，１７，１８の端子電圧Ｖを測定するものである。また、電圧測定用フィルタ回路３１，３２，３３，３４は、操作コイル１６，１７，１８とＡＤＣ２４，２５，２７，２９との間に設けられたローパスフィルタであり、電圧測定に有害なスパイクノイズ等の高周波成分を除去するものである。これらの構成により、過渡的に変化する予測電流値Ｙは、操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖと、操作コイル１６，１７のインピーダンスＺと、電圧測定用フィルタ用回路３１，３２，３３の時定数Ｔ１と、を用いて算出できる。

また、本装置３は、操作コイル電流測定回路（ＡＤＣ）２６，２８，３０と、電流測定用フィルタ回路３５，３６，３７と、をさらに有する。操作コイル電流測定回路２６，２８，３０は、操作コイル１６，１７に通電される電流を測定するものである。電流測定用フィルタ回路３５，３６，３７は、操作コイル１６，１７，１８と操作コイル電流測定回路２６，２８，３０との間に設けられたローパスフィルタであり、電流測定に有害なスパイクノイズ等の高周波成分を除去するものである。

インピーダンスＺは、端子電圧Ｖと、電圧測定用フィルタ回路３１，３２，３３の時定数Ｔ１と、電流値Ａと、電流測定用フィルタ回路３５，３６の時定数Ｔ２と、を用いて算出される。このインピーダンスＺは、閉路の状態にするためＰＷＭ制御におけるＤｕｔｙ比を１００％とするオン期間中の操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖと、電流値Ａから算出される。なお、インピーダンスＺ＝端子電圧Ｖ／電流値Ａである。なお、操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖ１，Ｖ２及び電流値Ａ１，Ａ２は、それぞれをまとめて端子電圧Ｖ及び電流値Ａと略している。

マイコン制御部１１は、ＧＰＩＯからのＨｉｇｈ又はＬｏｗ何れかの出力信号でスイッチング素子４０をオン／オフすることによって、副開閉器８のオン／オフ状態を切り替える。同様に、マイコン制御部１１は、ＰＷＭ制御部２１～２３から出力するパルス制御信号でスイッチング素子３８，３９をオン／オフすることによって、主開閉器７－１，７－２のオン／オフ状態を切り替える。例えば、スイッチング素子３８～４０がＮＰＮ型トランジスタ等で構成されている場合、マイコン制御部１１の出力信号がＨｉｇｈの期間に、それぞれの操作コイル１６～１８に電流を通電する。

逆に、マイコン制御部１１の出力信号をＨｉｇｈからＬｏｗに切り替えて、主開閉器７，８を確実にオフ状態にするには、それらの操作コイル１６～１８の誘導成分による逆方向の励磁電流を速やかに消滅させる必要がある。その励磁電流については、還流ダイオード４１，４２を経由する還流電流として逃がすことにより、操作コイル１６～１８に流れ続けようとする励磁電流を速やかに消滅できる。

次に、図４及び図５を用いて主開閉器７のオン期間中、すなわち、それぞれの操作コイル１６，１７に通電中の電流Ａに対するＤｕｔｙ制御について説明する。なお、プリチャージリレー（副開閉器）８の操作コイル１８についてはＤｕｔｙ制御する必要はない。

図４は、図１及び図３の本装置でＰＷＭ制御による操作コイルの電圧及び電流の変化を説明するタイミングチャートであり、（ａ）供給電圧Ｖｃｃ、（ｂ）操作コイルの端子電圧Ｖ、（ｃ）操作コイルの電流値Ａ、（ｄ）ＰＷＭ制御のＤｕｔｙ比を、それぞれ示している。

図４（ａ）の供給電圧Ｖｃｃ、及び図４（ｂ）の操作コイルの端子電圧Ｖは、各図の左半分に示すように、常時一定に保持されていることが理想的である。しかし、電池式電源供給システム（本システム）のように、電池を用いた電源供給体制において、供給能力に比較して大きな負荷があれば、定電圧保障手段があったとしても、ある程度の電圧変動（特に下落）を想定しておく必要がある。

図４（ａ）で横方向の中央付近に示すように、供給電圧Ｖｃｃが下落すると、図４（ｂ）で横方向の中央付近に示すように、ＡＤＣ２４，２５，２７による測定値Ｖの変化方向に基づいて、近未来値を予測する。一方、図４（ｄ）で、左から右へと時間の経過順に示すように、ＰＷＭ制御のＤｕｔｙ比は、マイコン制御部１１が内部の演算処理によって０～１００％の制御を適切に行う。

図４（ｃ）に示す、操作コイルの電流値Ａは、ＰＷＭ制御のＤｕｔｙ比に追随するように、０～１００％の制御が行われる。ただし、時間遅れもあるが、後述するように、Ｄｕｔｙ比は、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に示す端子電圧Ｖ、及び操作コイル１６，１７の電流値Ａ１，Ａ２（まとめてＡ）の変化を、マイコン制御部１１が監視しながら、内部の演算処理によって０～１００％の制御を過不足のないように行っている。

より具体的には、図４の左から右へと経過順の期間別に、次の３種類＜１＞～＜３＞の動作モードが実行される。
＜１＞プルインモードであって、接点１３を吸着した直後のプルイン期間に、その吸着状態を確実に維持するため、Ｄｕｔｙ比１００％出力にするモード（図５（ａ）参照）。
＜２＞保持電流維持モードであって、接点１３の吸着状態を維持する通常動作期間に、操作コイル１６，１７の電流値ＡをＰＷＭ制御によって低減するが、必要最低限度を下回らない保持電流Ｗにより維持するモード（図５（ｂ）参照）。
＜３＞ＲＬ更新期間モードであって、電磁開閉器７における操作コイル１６，１７のインピーダンスＺがドリフトした分を補正するためのＲＬ更新期間は、ＰＷＭ制御Ｄｕｔｙをプルイン期間と同様に１００％とするモード（図５（ｃ）参照）。

上記モード＜１＞において、主開閉器７をオフからオンにするとき、まず、Ｄｕｔｙ比を１００％にすることにより、電流値Ａを１００％へと急峻に立ち上げる。その結果、図示せぬバネの弾性力で開かれていた主開閉器７の接点１３を吸着（プルイン）してオフからオンにする。また、上記モード＜２＞において、オンの維持には、Ｄｕｔｙ比、及び電流値Ａの両方とも、１００％から閉路保持電流下限値（保持下限値）Ｗの近くまで緩和できる。

ところが、このモード＜２＞において、主開閉器７のオンの維持中に、何らかの原因で供給電圧Ｖｃｃ、及び端子電圧Ｖが下落した場合、上述したオン維持に必要な電流値Ａが保持下限値Ｗを下回ることにより、主開閉器７が意に反してオフとなることが予想される。そのように予想された不具合を避けるため、上記モード＜２＞において、電流値Ａが保持下限値Ｗを大きく上回るようにＰＷＭ制御する。

このような下落予想に対抗するＰＷＭ制御の後、上記モード＜３＞において、電磁開閉器７における操作コイル１６，１７の抵抗値Ｒ及びインダクタンスＬ値（「ＲＬ」と略す）を更新する期間を設け、その期間中に限って再びＤｕｔｙ比を１００％にし、電流値Ａも１００％に持ち上げる。このＲＬ更新期間については、図５を用いて後述する。

なお、図４（ｄ）の左から右へと時間の経過順に示すＤｕｔｙ比０～１００％の制御は、図３に示すマイコン制御部１１の内部に形成されたＰＭＷ制御部２１，２２，２３が演算処理して行う。その結果、ＰＭＷ制御部２１～２３から、所望のＤｕｔｙ比で、しかも適切にタイミング設定されたＨｉｇｈ／Ｌｏｗでなるオン／オフのＰＷＭ出力信号が出力される。

図５は、図１及び図３の本装置で操作コイルを制御する際の処理手順を説明するフローチャートであり、図５（ａ）はプルイン処理、図５（ｂ）は電圧・電流測定及びＤｕｔｙ更新処理、図５（ｃ）はＲＬ取得処理、をそれぞれ示している。

図５（ａ）に示すように、プルイン処理では、ＰＷＭ出力信号をＤｕｔｙ１００％にする処理Ｓ１と、電圧・電流を測定する処理Ｓ２と、過渡応答が終了したか否かを判定する処理Ｓ３と、コイルＲＬ計算処理Ｓ４と、プルイン時間が経過したか否かを判定する処理Ｓ５と、を有している。

主開閉器７をオンした直後は、主開閉器７を確実に閉路するためのプルイン電流を確保するために、制御部１１はＰＷＭ出力信号をＤｕｔｙ１００％出力とする（Ｓ１）プルイン期間が設定されている。

次に、主開閉器７の閉路保持電流Ｗを下回らないように、操作コイル１６，１７の平均電流Ａを測定（Ｓ２）しながら、過渡応答が終了したか否かを判定する（Ｓ３）。Ｓ３でＮｏなら、そのまま電圧・電流測定処理Ｓ２を継続する。Ｓ３がＹｅｓならコイルＲＬ計算処理Ｓ４を行う。次に、Ｓ５でプルイン時間が経過したか否かを判定した結果がＮｏなら、そのまま、コイルＲＬ計算処理Ｓ４を継続する。Ｓ５がＹｅｓならプルイン処理を終了する。

図５（ｂ）に示すように、電圧・電流測定及びＤｕｔｙ更新処理では、電圧・電流測定処理Ｓ６と、電源（端子）電圧近未来値計算処理Ｓ７と、コイル電流近未来値計算処理Ｓ８と、制御レンジ判定処理Ｓ９と、ＰＭＷ制御Ｄｕｔｙ再計算処理Ｓ１０と、ＰＭＷ制御出力Ｄｕｔｙ変更処理Ｓ１１と、を有している。

電圧・電流測定処理Ｓ６では、操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖ及び電流値Ａを測定する。電源電圧近未来値計算（電圧予測）処理Ｓ７では、端子電圧Ｖが直近過去に変化した状況に基づいて、近未来電圧値Ｘを算出する。

コイル電流近未来値計算（電流予測）処理Ｓ８では、近未来電圧値Ｘに基づいて、操作コイル１６，１７に流れる近未来の予測電流値Ｙを推定する。制御レンジ判定処理Ｓ９では、推定された予測電流値Ｙが、閾値Ｗを下回っているか否かを判定する。

Ｓ９において、予測電流値Ｙが閾値Ｗを下回る場合（Ｓ９でＹｅｓ）、操作コイル１６，１７の電流保持できる範囲から外れると判定される。すなわち、接点１３の吸着状態を安定維持するために必要最低限のコイル電流値Ｗを下回ると判定される。Ｓ９でＮｏなら、Ｓ６へ戻る。

Ｓ９でＹｅｓなら、ＰＭＷ制御Ｄｕｔｙ再計算処理Ｓ１０へ進む。Ｓ１０では、予測電流値Ｙに基づいて、最適なＤｕｔｙ比を再計算して求める。次に、ＰＭＷ制御Ｄｕｔｙ変更処理Ｓ１１へ進み、Ｓ１０で求められ最適Ｄｕｔｙ比で出力する。

図５（Ｃ）に示すように、ＲＬ取得処理では、ＰＷＭ制御Ｄｕｔｙ１００％出力処理Ｓ１２と、電圧・電流測定処理Ｓ１３と、過渡応答終了か否かの判定処理Ｓ１４と、コイルＲＬ計算処理Ｓ１５と、を有している。図５（Ｃ）のＳ１２～Ｓ１５は、図５（Ａ）のＳ１～Ｓ４と同等であるので説明を省略する。

なお、図５（Ｃ）では、コイルＲＬ計算処理Ｓ１５が終わると一連の処理を終了する。これに対し、図５（Ａ）では、電磁開閉器７が閉路状態に移行するためのプルイン時間が経過したことによって状態が遷移する。つまり、電磁開閉器７が開路から閉路状態へと移行してから処理を終了する。

電磁開閉器７の供給電圧Ｖｃｃが変動した場合、従来技術による一般的なＰＷＭ制御では、応答遅れ（「一次遅れ」とも呼ばれる）が避けられず、変動に対抗できない不具合が生じることがある。この一次遅れの原因は、直流の電源電圧Ｅに対する、抵抗Ｒ、コンデンサＣ、又はコイルＬが作用する時定数（以下、「ＲＣ時定数」、「ＲＬ時定数」又は単に「時定数」ともいう）Ｔで規定される過渡現象によるものである。

このような過渡現象について、図示を省略して簡単に理論説明する。なお、理論説明では、直流の供給電圧Ｖｃｃに代えて電源電圧Ｅと簡略化している。また、電源電圧Ｅ、抵抗Ｒ、コンデンサＣ、コイルＬ、これらに通電して徐々に変化する電流Ｉやそれぞれの端子電圧等は、周知の微分方程式や自然関数を用いて数値計算できる。ただし、ここでは説明を簡略化し、以下にいう時定数Ｔの簡単な定義だけでも、ある程度の見通しをつけられることを示しておく。

時定数Ｔで規定される過渡現象とは、ある定常状態から次の定常状態に移行する過程で起こる現象をいう。より具体的には、抵抗Ｒを介在してコンデンサＣ又はコイルＬを有する直列回路に直流電源Ｅを接続し、スイッチを入れたり切ったりしたとき、回路の各部電圧や電流Ｉは徐々に変化しながら次の状態に落ち着く。

ここで、一例として、直流電源Ｅのオフからオンへの変化に伴う電圧の最大変化幅Ｅに対し、次の定常状態に移行した定常電流値Ｉｓ＝Ｅ／Ｒである。このように落ち着いた電流値Ｉｓを定常値Ｉｓとする。また、落ち着くまでの変化の速さを表す目安が時定数Ｔである。この時定数Ｔが小さいほど変化は急激で、時定数Ｔが大きいほど変化は緩やかになる。

なお、本装置３において、インピーダンスＺは、操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖと、操作コイル１６，１７に流れる電流値Ａと、より得られる過渡的な変数であるが、直近過去から現在までの所定期間にわたって近似される定数とみなすことができる。すなわち、時定数Ｔを考慮した上で、インピーダンスＺ≒Ｒ＝Ｅ／Ｉとして近似される定数とみなせる。

さらに、この時定数Ｔは、オフからオンの方向では定常値Ｉｓの約０．６３倍になるまでの時間と定義されている。逆に、オンからオフの方向では定常値Ｉの０．３７倍になるまでの時間と時定数Ｔが定義される。

なお、ＲＣ直列回路の時定数Ｔ＝Ｃ・Ｒ［秒］、ＲＬ直列回路の時定数Ｔ＝Ｌ／Ｒ［秒］である。また、電源電圧Ｅ、抵抗Ｒ、コンデンサＣ、コイルＬについては、計測器又はマイコン制御部１１との組み合わせによってリアルタイムに数値計測できるだけでなく、既知の定数と考えても良い。ただし、これらの定数は温度特性を有するので、例えば、ハイブリッド自動車又は蓄電池自動車等で実施する場合には、温度特性を考慮して設計される。

前述したＲＬ値の算出方法はマイコン制御部１１の内部にあらかじめマップ（テーブル）として事前に記録した構成で、制御Ｄｕｔｙを算出しても良い。

上記＜２＞では、電磁開閉器７の接点１３を接続した後、消費電力低減の為、ある一定の電流値Ａを操作コイル１６，１７に流すようＤｕｔｙ制御を行う。上記＜２＞において、急激な端子電圧Ｖの変動があった場合、操作コイル１６，１７は時定数Ｔを有しているため、コイル電流Ａの電流波形は、端子電圧Ｖの波形に対して遅れが生じる。

このように遅れた電流Ａに基づいてＰＭＷ制御によるＤｕｔｙ調整する場合、制御に遅延が発生することを見込む必要があるため、従来技術においては、閾値Ｗに対して不必要に余裕を持たせて高い電流レベルに制御していた。その結果、電磁開閉器７をオンするための電力消費が増加するという欠点があった。本発明はこの欠点を解消するものである。

本装置３及び本方法によれば、接点１３をオフからオンに移行したときの過渡応答波形より、操作コイル１６，１７の抵抗値Ｒ及びインダクタンス値Ｌ（ＲＬ値）を算出する。算出するための理論は、上述した「時定数Ｔは、オフからオンの方向では定常値Ｉｓの約０．６３倍になるまでの時間と定義」され、「ＲＬ直列回路の時定数Ｔ＝Ｌ／Ｒ［秒］」であることを利用する。

上述した過渡現象の理論に基づいて、接点１３をオフからオンに移行したときの過渡応答波形より、操作コイル１６，１７の抵抗値Ｒ及びインダクタンス値Ｌ（ＲＬ値）を算出することができる。この算出されたＲＬ値に基づいて、端子電圧Ｖの電圧波形から電流変動を予測することにより、急激な端子電圧Ｖの変動があった場合にも、遅延なくＤｕｔｙ制御にフィードバックできる。

その結果、閾値Ｗに対するマージンを従来よりも小さくすることができるので、電磁開閉器７をオンするための消費電力を低減できる。また、このＲＬ値は温度によって変化するため、例えば、電磁開閉器７がハイブリッド自動車又は蓄電池自動車に採用されている場合、その車両走行中、温度変化を考慮して、定期的にＲＬ値を算出することにより、一層精密な制御が可能となる。

［変形例］
次に、より現実対応した変形例について簡単に説明する。この変形例においても、以下に示す基本動作については、上述した本装置３及び本方法と同様である。すなわち、操作コイル１６～１８の端子電圧Ｖは、電圧測定用フィルタ回路３１～３４を介し、マイコン制御部１１の操作コイル電圧測定回路（ＡＤＣ）２４，２５，２７，２９で計測される。

マイコン制御部１１は取得した端子電圧Ｖから操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖの近未来値Ｘを算出する。その近未来電圧値Ｘ、及びインピーダンスＺに基づいて、現在のＤｕｔｙ値に応じた電流Ａの近未来値Ｙを予測する。予測された近未来値Ｙが所定の制御電流レンジ外となった場合には、ＰＷＭ制御部２１～２３でＤｕｔｙを再計算し、スイッチング素子３８，３９のオン／オフ時間比、すなわちＤｕｔｙ比を切り替える。この処理までは、変形例も上述した本装置３及び本方法と同様である。

これに対し、変形例の特徴は、以下のとおりである。まず、操作コイル１６，１７に流れる電流値Ａが低下した場合、操作コイル１６，１７の還流電流経路、例えば還流ダイオード４１，４２の断線異常が原因であるか否かを判定する処理と、端子電圧Ｖの低下が原因であるか否かを判定する処理と、を実行する。

これらの判定処理の結果、電流値Ａが低下した原因は、還流電流経路の断線異常であるか、又は、端子電圧Ｖの低下である、と判定されたならば、操作コイル電流Ａを保持電流以上に持ち上げるために制御Ｄｕｔｙを増加する処理を実行する。このような制御Ｄｕｔｙを増加するように処理した結果、操作コイル１６，１７の電流保持ができたか否かの判定する処理を行う。

判定した結果、操作コイル１６，１７の電流保持ができないと予想されたとき、マイコン制御部１１は電磁開閉器７の供給電圧Ｖｃｃが著しく低下したことに対応するため、Ｄｕｔｙ値を１００％に切り替える。Ｄｕｔｙ１００％にしても、電磁開閉器７の閉路保持電流下限値Ｗを維持できないと判断した場合、電磁開閉器１７，１８の何れに対してもオンさせる信号の出力を停止する。すなわち閾値Ｗより下回るか、又は下回ると予想された場合は、電磁開閉器７の接点１３が接触力低下により溶着する重大な故障を未然に防ぐために、供給電圧低下異常と診断し、オン信号の出力を停止する。

このとき、マイコン制御部１１は、直ちにＰＭＷ制御を止めて電磁開閉器７，８をオンからオフへと切り替えるように制御する。この変形例が、ハイブリッド自動車又は蓄電池自動車に採用されている場合、その車両において、力行又は回生の動作を停止することにより、電磁開閉器７，８の損傷を阻止することができる。なお、電磁開閉器８を保護対象から除外する場合もある。

なお、そのときは、駆動用の主電源Ｖｃｃを供給するバッテリーの過放電等、真の原因を究明すべきである。もし、蓄電池自動車において、バッテリーの過放電が原因であれば、故障ではなく、ガソリン車等でいう単なる燃料切れに過ぎない。その場合、電磁開閉器７が接触力低下により溶着する重大な故障を未然に防ぐことを優先する制御が実現する。このような効果から、本発明は、組電池を電源とする電源供給システムにおける畜電池の充放電状態に対する監視を目的とする用途に好適である。

次に、本発明の要点を、特許請求の範囲に沿って説明する。
［１］電磁開閉制御装置（本装置）３は、操作コイル１６，１７にＰＷＭ制御されたＤｕｔｙ比の電流値Ａを通電し、その電流値Ａに応じた電磁力により、電磁開閉器７の接点１３を開閉する制御装置である。本装置３は、電流値予測部１９と、制御レンジ判定部２０と、ＰＷＭ制御部２１～２３と、を備えて構成されている。

電流値予測部１９は、操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖを用いて近未来の予測電流値Ｙを推定する。制御レンジ判定部２０は、推定された予測電流値Ｙが、操作コイル１６，１７の電流保持、すなわち、接点１３を吸着状態に維持する電磁力を発揮して維持できる範囲から外れているか否かを判定する。

ＰＷＭ制御部２１は、制御レンジ判定部２０の予測電流値Ｙに基づく判定結果が維持できる範囲外の場合は、予測電流値Ｙに基づいてＤｕｔｙ比を変更するように制御する。本装置３は、このように構成されているため、ＰＷＭ制御部２１が操作コイル電流Ａの近未来値Ｙを予測して保持電流閾値Ｗを下回らないよう制御し、接点１３の接触圧力を安定化することができる。

［２］本装置３において、予測電流値Ｙは、操作コイル１６，１７のインピーダンスＺを用いて推定することが好ましい。すなわち、マイコン制御部１１は取得した端子電圧Ｖから操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖの近未来値Ｘを算出する。その近未来電圧値Ｘ、及びインピーダンスＺに基づいて、現在のＤｕｔｙ値に応じた電流Ａの近未来値Ｙを予測する。

［３］本装置３において、インピーダンスＺは、操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖと、操作コイル１６，１７に流れる電流値Ａと、より得られる過渡的な変数に対し、直近過去から現在までの所定期間にわたって近似される定数とみなすことができる。より詳しくは、時定数Ｔを考慮した上で、インピーダンスＺ≒Ｒ＝Ｅ／Ｉとして近似される定数とみなせる。

この時定数Ｔは、オフからオンの方向では定常値Ｉｓの約０．６３倍になるまでの時間と定義されている。逆に、オンからオフの方向では定常値Ｉの０．３７倍になるまでの時間と時定数Ｔが定義される。このような、過渡現象の理論に基づいて、過渡的な変数として算出されるインピーダンスＺであっても、直近過去から現在までの所定期間に区切れば、定数と近似できる。したがって、予測電流値Ｙは、操作コイル１６，１７のインピーダンスＺを用いて推定することができる。

［４］インピーダンスＺを近似する定数は、現在から近未来の予測電流値Ｙを推定するために所定期間毎に更新されることが好ましい。このインピーダンスＺを形成するコイルＬ、抵抗Ｒ、又はコンデンサＣについては、計測器又はマイコン制御部１１との組み合わせによってリアルタイムに数値計測できるだけでなく、既知の定数と考えても良い。ただし、これらの定数は温度特性を有するので、例えば、ハイブリッド自動車又は蓄電池自動車等で実施する場合には、温度特性を考慮して設計される。つまり、一定ではないインピーダンスＺから近似された定数は、所定期間毎に更新されることが好ましい。

［５］本装置３は、直列又は並列に接続された複数の二次電池４による組電池６で形成された電池式電源供給システムと、そこから電源の供給を受ける負荷と、それらの電流経路に介挿された電磁開閉器１６～１８と、の組み合わせにおいて、電路を適宜にオン／オフするための制御機能を形成することが好ましい。その組電池６には、ＡＤＣ２４，２５，２７、及び電圧測定用フィルタ回路３１，３２，３３に類する電圧計測機能をさらに接続している。

ＡＤＣ２４，２５，２７は、操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖを測定するものである。また、電圧測定用フィルタ回路３１，３２，３３は、操作コイル１６，１７と操作コイル電圧測定回路（ＡＤＣ）２４，２５，２７との間に設けられている。予測電流値Ｙは、操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖと、操作コイル１６，１７のインピーダンスＺと、電圧測定用フィルタ用回路３１，３２，３３の時定数Ｔ１と、を用いて算出することが好ましい。

［６］組電池６は、操作コイル電流測定回路（ＡＤＣ）２６，２８と、電流測定用フィルタ回路３５，３６と、にさらに接続されていることが好ましい。操作コイル電流測定回路２６，２８は、操作コイル１６，１７に通電される電流を測定するものである。電流測定用フィルタ回路３５，３６は、操作コイル１６，１７と操作コイル電流測定回路２６，２８との間に設けられている。

また、インピーダンスＺは、端子電圧Ｖと、電圧測定用フィルタ回路３１，３２，３３の時定数Ｔ１と、電流値Ａと、電流測定用フィルタ回路２１～２３の時定数Ｔ２と、を用いて算出されることが好ましい。

［７］インピーダンスＺは、電気接点１３を閉路の状態にするためＰＷＭ制御におけるＤｕｔｙ比を１００％とするオン期間中の操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖと、電流値Ａから算出されることが好ましい。これについて、上記＜３＞ＲＬ更新期間モードにおいて、電磁開閉器７における操作コイル１６，１７のインピーダンスＺがドリフトした分を補正するためのＲＬ更新期間は、ＰＷＭ制御Ｄｕｔｙをプルイン期間と同様に１００％とするモード（図５（ｃ）参照）について説明したとおりである。

［８］電磁開閉制御方法（本方法）は、電磁開閉器７の操作コイル１６，１７に流れる電流値ＡをＰＷＭ制御部２１～２３がＰＷＭ制御し、ＰＷＭ制御されたＤｕｔｙ比の通電に応じた電磁力により電気接点１３を開閉する制御方法である。この方法は、電圧・電流測定処理Ｓ６と、電流予測処理Ｓ８と、ＰＷＭ制御処理Ｓ９～Ｓ１１と、を有する。電圧・電流測定処理Ｓ６では、操作コイル１６，１７の端子電圧Ｖ及び電流値Ａを測定する。

電流予測処理Ｓ８では、操作コイル１６，１７に流れる近未来の予測電流値Ｙを推定する。ＰＷＭ制御処理Ｓ９～Ｓ１１では、推定された予測電流値Ｙでは操作コイル１６，１７の電流保持できる範囲から外れていると判定された場合に、予測電流値Ｙに基づいてＤｕｔｙ比を変更するように制御する。

本方法は、このような手順で電磁開閉器７の操作コイル１６，１７に流れる電流値Ａを制御するため、電流予測処理Ｓ８により、ＰＷＭ制御部２１が操作コイル電流Ａの近未来値Ｙを予測し、ＰＷＭ制御処理Ｓ９～Ｓ１１により、推定された予測電流値Ｙが保持電流閾値Ｗを下回らないよう制御するので、接点１３の接触圧力を安定化することができる。また、操作コイル電流Ａを必要最小限に低減するとともに、制御が精密になった分だけ制御周期の低速化を実現することが可能となる。

なお、本発明は、組電池を電源とする電源供給システムにおける電池監視の用途に限定されるものではない。それ以外にも、本発明は、電源と負荷との接続を開閉制御する用途であれば適用可能である。

１ モータ
２ インバータ
３ 電磁開閉制御装置（本装置）
４ 電池セル
５ 電池モジュール
６ 組電池
７ メインコンタクタ（主開閉器、電磁開閉器）
８ プリチャージリレー（副開閉器）
９ プリチャージ抵抗
１０ 電磁開閉器電源（コンタクタ電源）
１１ マイコン制御部
１２ 電圧測定線
１３ 接点
１４ スイッチング素子
１５ コイル電流用コンタクタ（コイル開閉器、電磁開閉器）
１６，１７，１８ 操作コイル
１９ 電流値予測部
２０ 制御レンジ判定部
２１ ＰＭＷ制御
２４，２５，２７，２９ 操作コイル電圧測定回路（ＡＤＣ）
２６，２８，３０ 操作コイル電流測定回路
３１，３２，３３，３４ 電圧測定用フィルタ回路（ＡＤＣ）
３５，３６，３７ 電流測定用フィルタ回路
４１，４２ 還流ダイオード
Ａ 端子電圧値
Ｔ１ （電圧測定用フィルタ回路３１，３２，３３の）時定数
Ｔ２ （電流測定用フィルタ回路３５，３６の）時定数
Ｗ 保持電流（下限値）閾値
Ｘ 近未来予測電圧値
Ｙ 近未来予測電流値
Ｚ インピーダンス

Claims (6)

1. 操作コイルにＰＷＭ制御されたＤｕｔｙ比の電流値を通電し、該電流値に応じた電磁力により、電源と負荷との接続に用いられる電磁開閉器の電気接点を開閉する電磁開閉制御装置であって、
   前記操作コイルの端子電圧値を用いて近未来の予測電流値を推定する電流値予測部と、
   前記推定された前記予測電流値が前記操作コイルの電流保持できる範囲から外れているか否かを判定する制御レンジ判定部と、
   前記制御レンジ判定部の判定結果が範囲外の場合は、前記予測電流値に基づいて前記Ｄｕｔｙ比を変更するように制御するＰＷＭ制御部と、
   前記操作コイルの端子電圧値を測定する操作コイル電圧測定回路と、
   前記操作コイルと前記操作コイル電圧測定回路との間に設けられた電圧測定用フィルタ回路と、
   を備え、
   前記電流値予測部は、前記操作コイル電圧測定回路により測定された前記操作コイルの端子電圧値と、前記操作コイルのインピーダンスと、前記電圧測定用フィルタ回路の時定数と、を用いて、前記予測電流値を算出する電磁開閉制御装置。
2. 前記インピーダンスは、前記操作コイルの端子電圧値と、前記操作コイルに流れる電流値と、より得られる過渡的な変数に対し、直近過去から現在までの所定期間にわたって近似される定数とする請求項１に記載の電磁開閉制御装置。
3. 前記インピーダンスを近似する前記定数は、現在から近未来の前記予測電流値を推定するために前記所定期間毎に更新される請求項２に記載の電磁開閉制御装置。
4. 前記操作コイルの電流を測定する操作コイル電流測定回路と、
   前記操作コイルと前記操作コイル電流測定回路との間に設けられた電流測定用フィルタ回路と、
   を備え、
   前記インピーダンスは、前記操作コイルの端子電圧値と、前記電圧測定用フィルタ回路の時定数と、前記操作コイル電流測定回路により測定された前記操作コイルの電流値と、前記電流測定用フィルタ回路の時定数と、を用いて算出される請求項１に記載の電磁開閉制御装置。
5. 前記インピーダンスは、前記電気接点を閉路の状態にするため前記ＰＷＭ制御におけるＤｕｔｙ比を１００％とするオン期間中に、前記操作コイル電圧測定回路及び前記操作コイル電流測定回路によりそれぞれ測定された前記操作コイルの端子電圧値及び電流値から算出される請求項４に記載の電磁開閉制御装置。
6. 電源と負荷との接続に用いられる電磁開閉器の操作コイルに流れる電流値をＰＷＭ制御し、該ＰＷＭ制御されたＤｕｔｙ比の通電に応じた電磁力により、前記電磁開閉器の電気接点を開閉する電磁開閉制御方法であって、
   前記操作コイルの端子電圧値及び電流値を、電圧測定用フィルタ回路及び電流測定用フィルタ回路を介してそれぞれ測定する電圧・電流測定処理と、
   前記電圧・電流測定処理で測定された前記操作コイルの端子電圧値と、前記操作コイルのインピーダンスと、前記電圧測定用フィルタ回路の時定数と、を用いて、前記操作コイルに流れる近未来の予測電流値を推定する電流予測処理と、
   前記推定された前記予測電流値では前記操作コイルの電流保持できる範囲から外れていると判定された場合は、該予測電流値に基づいて前記Ｄｕｔｙ比を変更するように制御するＰＷＭ制御処理と、
   を有する電磁開閉制御方法。

Images