JP7159061B2

JP7159061B2 - 放電制御装置

Info

Publication number: JP7159061B2
Application number: JP2019005150A
Authority: JP
Inventors: 航中村; 慎一郎飛田; 啓次国井
Original assignee: Hitachi Astemo Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2019-01-16
Filing date: 2019-01-16
Publication date: 2022-10-24
Anticipated expiration: 2039-01-16
Also published as: JP2020114147A

Description

本発明は、放電制御装置に関する。

直流電力と交流電力との間で電力を変換する電力変換装置は、インバータ回路を構成する半導体モジュールと電荷を蓄えるコンデンサを備えている。そして、電力変換装置の修理等により高電圧バッテリとインバータ回路とが電気的に切り離された場合はコンデンサに蓄えられた電荷を速やかに放電するための放電抵抗を備えた放電制御装置が設けられている。

特許文献１には、マイコンなどの制御回路は、スイッチを通電にして放電抵抗によりコンデンサの放電を開始した後に、測定されたコンデンサの端子電圧が、予め設定された電圧低下特性を越えた場合に、スイッチを遮断にして放電抵抗によるコンデンサの放電を停止する装置が記載されている。

特開２０１２－１２０４３６号公報

従来の装置では、マイコンが異常になったときに放電が不可能になったり、放電抵抗を故障させる問題があった。

本発明による放電制御装置は、インバータ回路の平滑用のコンデンサと並列に接続され、放電抵抗とスイッチ回路との直列接続よりなる放電回路と、前記コンデンサに印加される電圧を検出する電圧モニタ回路と、前記電圧モニタ回路で検出された前記電圧の負方向の時間変化量が所定値以上である場合に切替信号を出力する微分回路と、放電指令を出力する制御回路と、前記制御回路を監視して前記制御回路の異常を検知して異常信号を出力する監視回路と、前記放電指令もしくは前記異常信号に応答し、前記スイッチ回路を導通させるための放電駆動信号として、前記スイッチ回路を常に導通させる第１の信号と、前記スイッチ回路を間欠的に導通/遮断させる第２の信号とを生成する論理回路とを備え、前記論理回路は、前記微分回路から前記切替信号が出力された場合は前記第１の信号を前記スイッチ回路へ出力し、前記微分回路から前記切替信号が出力されない場合は前記第２の信号を前記スイッチ回路へ出力する。

本発明によれば、マイコンが異常になっても放電が可能であり、放電抵抗を故障させることはない。

放電制御装置の回路構成図である。コンタクタおよびマイコンが正常な場合のタイムチャートを示す図である。コンタクタが正常、マイコンが異常で放電指令がロウ側に固着の場合のタイムチャートを示す図である。コンタクタが正常、マイコンが異常で放電指令がハイ側に固着の場合のタイムチャートを示す図である。コンタクタが異常でマイコンが正常な場合のタイムチャートを示す図である。コンタクタが異常で、マイコンが異常で放電指令がロウ側に固着の場合のタイムチャートを示す図である。コンタクタが異常で、マイコンが異常で放電指令がハイ側に固着の場合のタイムチャートを示す図である。コンタクタが異常で、その後、コンタクタが正常に復帰した場合のタイムチャートを示す図である。コンタクタが正常で、その後、コンタクタが異常になった場合のタイムチャートを示す図である。

図１は放電制御装置１００の回路構成図である。
図１に示すように、バッテリ１０１には、コンタクタ１０２を介して正極側バスバー１０３が設けられている。正極側バスバー１０３と負極側バスバー１０４には図示省略したインバータ回路が接続される。また、正極側バスバー１０３と負極側バスバー１０４との間には、コンデンサ１０５が設けられている。このコンデンサ１０５は、図示省略したインバータ回路の平滑用のコンデンサである。さらに、正極側バスバー１０３と負極側バスバー１０４との間には、コンデンサ１０５を放電するために、コンデンサ１０５と並列に、放電抵抗１０６とスイッチ回路１０７よりなる放電回路を備えている。また、コンデンサ１０５と並列に、正極側と負極側の間の電圧を検出する電圧モニタ回路１０８が設けられている。

電圧モニタ回路１０８で検出された電圧ＨＶＤＣは微分回路１０９およびマイコン１１０に入力される。微分回路１０９は電圧の落ち込み度合いを監視する回路であり、電圧の変化量ｄＶ/ｄｔが所定値になった場合に切替回路１１１およびマイコン１１０へ切替信号を出力する。

マイコン１１０は、電圧モニタ回路１０８からの電圧ＨＶＤＣと微分回路１０９からの切替信号に基づいて、電圧モニタ回路１０８と微分回路１０９の動作状態を確認する。

監視回路１１２はマイコン１１０へ電源を供給するとともに、マイコン１１０が異常状態であるか否かを常時監視している。監視回路１１２はウオッチドッグタイマーを内蔵し、マイコン１１０から一定時間ごとに送られて来る信号でウオッチドッグタイマーをリセットする。ウオッチドッグタイマーがリセットされなかった場合に、監視回路１１２はマイコン１１０が異常状態であることを検知してマイコン異常信号をオア回路１１３へ出力する。

マイコン１１０は、例えば、図示省略した上位管理制御ユニットからの情報によりコンタクタ１０２がオープン（遮断）にされた後、上位管理制御ユニットからの指令に応答して放電指令を出力する。この放電指令は、オア回路１１３へ出力される。

オア回路１１３は、マイコン異常信号もしくは放電指令を受けて、スイッチ回路１０７を常に導通させるパターンＡの信号を出力する。パターンＡの信号はタイマー回路１１４および切替回路１１１へ出力される。タイマー回路１１４は、オア回路１１３から受けたパターンＡの信号を間欠パターン（スイッチ回路１０７を間欠的に導通/遮断させる信号）に変換したパターンＢの信号を出力する。切替回路１１１は、微分回路１０９からの切替信号に応じて、パターンＡの信号もしくはパターンＢの信号を放電駆動信号としてスイッチ回路１０７へ出力する。

スイッチ回路１０７は、放電駆動信号を受けて導通し、放電抵抗１０６を介してコンデンサ１０５の電荷を放電する。

オア回路１１３、タイマー回路１１４、切替回路１１１は、ＰＬＤ（プログラマブル・ロジック・デバイス）にて構成される論理回路１２０である。

論理回路１２０は、微分回路１０９による電圧の落ち込みの有無を検出して、電圧の落ち込みが検出された場合には、スイッチ回路１０７を常に導通させるパターンＡの信号（第１の信号）を、微分回路１０９で電圧の落ち込みが検出されなかった場合には、スイッチ回路１０７を間欠的に導通/遮断させるパターンＢの信号（第２の信号）を生成する。

以下に、コンタクタ１０２が正常な場合、コンタクタ１０２が異常な場合、またマイコン１１０が正常な場合、マイコン１１０が異常な場合、それぞれの放電の動作についてタイムチャートを参照して説明する。

（１－１・・コンタクタ１０２およびマイコン１１０が正常な場合）
図２は、この場合の信号のタイムチャートを示す図である。図２（Ａ）は電圧モニタ回路１０８より出力される電圧ＨＶＤＣを、図２（Ｂ）は、微分回路１０９より出力される切替信号を、図２（Ｃ）は、マイコン１１０より出力される放電指令を、図２（Ｄ）は、監視回路１１２より出力されるマイコン異常信号を、図２（Ｅ）はオア回路１１３より出力されるパターンＡの信号を、図２（Ｆ）は、タイマー回路１１４より出力されるパターンＢの信号を、図２（Ｇ）は、切替回路１１１より出力される放電駆動信号を示す。

コンタクタ１０２は正常であるので、図示省略した上位管理制御ユニットからの情報によりコンタクタ１０２はオープン（遮断）にされる。マイコン１１０は、インバータ回路の異常など上位管理制御ユニットからの情報により図２（Ｃ）に示す放電指令を出力する。この放電指令は図２（Ｅ）に示すパターンＡの信号を切替回路１１１へ出力する。タイマー回路１１４は、入力された放電指令を図２（Ｆ）に示すパターンＢの信号に変換して出力する。切替回路１１１は、パターンＡとパターンＢを入力され、微分回路１０９からの切替信号の有無によってどちらのパターンを出力するか切替える。

放電開始時は微分回路１０９からの図２（Ｂ）に示す切替信号が無いのでパターンＢを出力する。スイッチ回路１０７は、切替回路１１１から出力される放電駆動信号に応じて放電抵抗１０６とバッテリ１０１の負極側との接続を導通する。電圧モニタ回路１０８は、バッテリの正極側と負極側の電位差を監視し、マイコン１１０と微分回路１０９に電圧情報を入力する。微分回路１０９は、電圧情報をもとに高電圧が落ち込むか否かをdV/dt(変化量)によって判定し、変化量を検出するとマイコン１１０と切替回路１１１に切替信号を出力する。

切替回路１１１は、微分回路１０９からの切替信号を入力すると、放電駆動信号をパターンＢから図２（Ｅ）に示すパターンＡに切替える。この切替えによって、急速放電が可能となる。ここで、dV/dtの検知速度t1とパターンＢのオン時間t2を比較したときに、(dV/dtの検知速度t1)<(パターンBのオン時間t2)という関係が成立する時間をパターンＢのオン時間とする。また、電圧が小さくなるほど微分回路のdV/dtは小さくなるので、放電目標電圧に到達するまでdV/dtを検出可能となるように微分回路の抵抗、コンデンサの定数を選定する。

これにより、コンタクタ１０２およびマイコン１１０が正常な場合に放電する局面では、マイコン１１０からの放電指令をもとにスイッチ回路１０７を駆動させることで正常に急速放電を行うことが可能である。

（１－２・・コンタクタ１０２が正常、マイコン１１０が異常で放電指令がロウ側に固着の場合）
図３は、この場合の信号のタイムチャートを示す図である。図３（Ａ）は電圧モニタ回路１０８より出力される電圧ＨＶＤＣを、図３（Ｂ）は、微分回路１０９より出力される切替信号を、図３（Ｃ）は、マイコン１１０より出力される放電指令を、図３（Ｄ）は、監視回路１１２より出力されるマイコン異常信号を、図３（Ｅ）はオア回路１１３より出力されるパターンＡの信号を、図３（Ｆ）は、タイマー回路１１４より出力されるパターンＢの信号を、図３（Ｇ）は、切替回路１１１より出力される放電駆動信号を示す。

コンタクタ１０２は正常であるので、図示省略した上位管理制御ユニットからの情報によりコンタクタ１０２はオープン（遮断）にされる。監視回路１１２は、マイコン１１０の監視機能を持ち、マイコン１１０が異常であることを検知すると図３（Ｄ）に示すようにマイコン異常信号をオア回路１１３へ出力する。一方、マイコン１１０はロウ側に固着の故障となっているので、図３（Ｃ）に示すようにマイコン１１０から放電指令は出力されていない。このため、切替回路１１１とタイマー回路１１４にはパターンＡが入力される。以下のシーケンスはマイコン正常時かつコンタクタ正常時と同じである。すなわち、マイコン正常時かつコンタクタ正常時の放電指令に替えて、マイコン異常信号が入力される。

これにより、コンタクタ正常時かつマイコンロウ側に固着の異常時には、監視回路１１２からのマイコン異常信号をもとにスイッチ回路１０７を駆動させることで急速放電を正常に行うことを可能になる。

（１－３・・コンタクタ１０２が正常、マイコン１１０が異常で放電指令がハイ側に固着の場合）
図４は、この場合の信号のタイムチャートを示す図である。図４（Ａ）は電圧モニタ回路１０８より出力される電圧ＨＶＤＣを、図４（Ｂ）は、微分回路１０９より出力される切替信号を、図４（Ｃ）は、マイコン１１０より出力される放電指令を、図４（Ｄ）は、監視回路１１２より出力されるマイコン異常信号を、図４（Ｅ）はオア回路１１３より出力されるパターンＡの信号を、図４（Ｆ）は、タイマー回路１１４より出力されるパターンＢの信号を、図４（Ｇ）は、切替回路１１１より出力される放電駆動信号を示す。

コンタクタ１０２は正常であるので、図示省略した上位管理制御ユニットからの情報によりコンタクタ１０２はオープン（遮断）にされる。監視回路１１２は、マイコン１１０の監視機能を持ち、マイコン１１０の異常を検知すると図４（Ｄ）に示すようにマイコン異常信号を出力する。一方、マイコン１１０は放電指令がハイ側に固着した故障となっているので、マイコン１１０からも図４（Ｃ）に示すように放電指令が出力される。以下のシーケンスはマイコン正常時かつコンタクタ正常時と同じである。すなわち、マイコン正常時かつコンタクタ正常時の放電指令とともに、マイコン異常信号も入力される。

これにより、コンタクタ１０２が正常、マイコン１１０が異常で放電指令がハイ側に固着の場合は、マイコン１１０からの放電指令及び監視回路１１２からのマイコン異常信号をもとにスイッチ回路１０７を駆動させることで急速放電を正常に行うことが可能である。

（２－１・・コンタクタ１０２が異常でマイコン１１０が正常な場合）
図５は、この場合の信号のタイムチャートを示す図である。図５（Ａ）は電圧モニタ回路１０８より出力される電圧ＨＶＤＣを、図５（Ｂ）は、微分回路１０９より出力される切替信号を、図５（Ｃ）は、マイコン１１０より出力される放電指令を、図５（Ｄ）は、監視回路１１２より出力されるマイコン異常信号を、図５（Ｅ）はオア回路１１３より出力されるパターンＡの信号を、図５（Ｆ）は、タイマー回路１１４より出力されるパターンＢの信号を、図５（Ｇ）は、切替回路１１１より出力される放電駆動信号を示す。

コンタクタ１０２は異常であり、上位管理制御ユニットからの情報に係わらずコンタクタ１０２はクローズ（導通）にされる。マイコン１１０は、インバータ回路の異常などの上位管理制御ユニットからの情報により図５（Ｃ）に示すように放電指令を出力する。この放電指令は図５（Ｅ）に示すパターンＡの信号を切替回路１１１へ出力する。タイマー回路１１４は、入力された放電指令を図５（Ｆ）に示すパターンＢの信号に変換して出力する。切替回路１１１には、パターンＡとパターンＢを入力され、微分回路１０９からの切替信号の有無によってどちらのパターンを出力するか切替える。

放電開始時は微分回路１０９からの図２（Ｂ）に示す切替信号が無いのでパターンＢを出力する。パターンＢの信号により、スイッチ回路１０７が駆動され、放電が開始される。しかし、微分回路１０９は、コンタクタ１０２の異常により変化量dV/dtを検出しないため、切替信号を出力しない。切替回路１１１は、切替信号が入力されないので切替をせずにパターンＢの信号を続けて出力する。パターンＢの信号を出力することにより、放電抵抗１０６が故障しない放電が可能となる。

これにより、コンタクタ１０２が異常でマイコン１１０が正常な場合は、マイコン１１０からの放電指令をもとに放電を開始するが、コンタクタ１０２が異常であるので、安全な放電に移行する。

（２－２・・コンタクタ１０２が異常で、マイコン１１０が異常で放電指令がロウ側に固着の場合）
図６は、この場合の信号のタイムチャートを示す図である。図６（Ａ）は電圧モニタ回路１０８より出力される電圧ＨＶＤＣを、図６（Ｂ）は、微分回路１０９より出力される切替信号を、図６（Ｃ）は、マイコン１１０より出力される放電指令を、図６（Ｄ）は、監視回路１１２より出力されるマイコン異常信号を、図６（Ｅ）はオア回路１１３より出力されるパターンＡの信号を、図６（Ｆ）は、タイマー回路１１４より出力されるパターンＢの信号を、図６（Ｇ）は、切替回路１１１より出力される放電駆動信号を示す。

コンタクタ１０２は異常であり、上位管理制御ユニットからの情報に係わらずコンタクタ１０２はクローズ（導通）にされる。監視回路１１２は、マイコン１１０の監視機能を持ち、マイコン１１０の異常を検知するとマイコン異常信号を出力する。一方、マイコン１１０は放電指令がロウ側に固着の故障になっているので、マイコン１１０から放電指令を出力することはできない。図６（Ｄ）に示すマイコン異常信号はパターンＡの信号を切替回路１１１へ出力する。タイマー回路１１４は、入力されたマイコン異常信号を図６（Ｆ）に示すパターンＢの信号に変換して出力する。切替回路１１１には、パターンＡとパターンＢを入力され、微分回路１０９からの切替信号の有無によってどちらのパターンを出力するか切替える。

放電開始時は微分回路１０９からの図６（Ｂ）に示す切替信号が無いのでパターンＢを出力する。パターンＢの信号により、スイッチ回路１０７が駆動され、放電が開始される。しかし、微分回路１０９は、コンタクタ１０２の異常により変化量dV/dtを検出しないため、切替信号を出力しない。切替回路１１１は、切替信号が入力されないので切替をせずにパターンＢの信号を続けて出力する。パターンＢの信号を出力することにより、放電抵抗１０６が故障しない放電が可能となる。

これにより、コンタクタ１０２が異常で、マイコン１１０が異常で放電指令がロウ側に固着の場合は、監視回路１１２からのマイコン異常信号をもとに放電を開始するが、コンタクタ１０２が異常であるので、安全な放電に移行する。

（２－３・・コンタクタ１０２が異常で、マイコン１１０が異常で放電指令がハイ側に固着の場合）
図７は、この場合の信号のタイムチャートを示す図である。図７（Ａ）は電圧モニタ回路１０８より出力される電圧ＨＶＤＣを、図７（Ｂ）は、微分回路１０９より出力される切替信号を、図７（Ｃ）は、マイコン１１０より出力される放電指令を、図７（Ｄ）は、監視回路１１２より出力されるマイコン異常信号を、図７（Ｅ）はオア回路１１３より出力されるパターンＡの信号を、図７（Ｆ）は、タイマー回路１１４より出力されるパターンＢの信号を、図７（Ｇ）は、切替回路１１１より出力される放電駆動信号を示す。

コンタクタ１０２は異常であり、上位管理制御ユニットからの情報に係わらずコンタクタ１０２はクローズ（導通）にされる。監視回路１１２は、マイコン１１０の監視機能を持ち、マイコン１１０の異常を検知すると図７（Ｄ）に示すようにマイコン異常信号を出力する。一方、マイコン１１０は放電指令がハイ側に固着する故障となっているので、マイコン１１０からも放電指令が出力される。以下のシーケンスはコンタクタ１０２が異常でマイコン１１０が正常な場合と同様である。

コンタクタ１０２が異常で、マイコン１１０が異常で放電指令がハイ側に固着の場合では、マイコン１１０からの放電指令及び監視回路１１２からのマイコン異常信号をもとに放電指令をもとに放電を開始するが、コンタクタ１０２が異常であるので、安全な放電に移行する。

（３－１・・コンタクタ１０２が異常で、その後、コンタクタ１０２が正常に復帰した場合）
図８は、この場合の信号のタイムチャートを示す図である。図８（Ａ）は電圧モニタ回路１０８より出力される電圧ＨＶＤＣを、図８（Ｂ）は、微分回路１０９より出力される切替信号を、図８（Ｃ）は、マイコン１１０より出力される放電指令、または監視回路１１２より出力されるマイコン異常信号を、図８（Ｄ）はオア回路１１３より出力されるパターンＡの信号を、図８（Ｅ）は、タイマー回路１１４より出力されるパターンＢの信号を、図８（Ｆ）は、切替回路１１１より出力される放電駆動信号を示す。

コンタクタ１０２が異常でコンタクタ１０２は異常であり、上位管理制御ユニットからの情報に係わらずコンタクタ１０２はクローズ（導通）にされる。図８（Ｃ）に示すように、マイコン１１０より放電指令が、または監視回路１１２よりマイコン異常信号が出力され、微分回路１０９より切替信号は出力されないので、図８（Ｆ）に示すように、切替回路１１１はパターンＢの放電駆動指令を出力する。その後、コンタクタ１０２が正常に復帰して、コンタクタ１０２はオープン（遮断）にされる。この時、微分回路１０９より切替信号が出力され、図８（Ｆ）に示すように、切替回路１１１はパターンＡの放電駆動信号を出力する。

これにより、コンタクタ１０２が放電途中で正常に復帰した場合でも、放電パターンを切替えて適切な放電を行うことが可能である。

（３－２・・コンタクタ１０２が正常で、その後、コンタクタ１０２が異常になった場合）
図９は、この場合の信号のタイムチャートを示す図である。図９（Ａ）は電圧モニタ回路１０８より出力される電圧ＨＶＤＣを、図９（Ｂ）は、微分回路１０９より出力される切替信号を、図９（Ｃ）は、マイコン１１０より出力される放電指令、または監視回路１１２より出力されるマイコン異常信号を、図９（Ｄ）はオア回路１１３より出力されるパターンＡの信号を、図９（Ｅ）は、タイマー回路１１４より出力されるパターンＢの信号を、図９（Ｆ）は、切替回路１１１より出力される放電駆動信号を示す。

コンタクタ１０２が正常の場合は、コンタクタ１０２はオープン（遮断）にされる。図９（Ｃ）に示すように、マイコン１１０より放電指令が、または監視回路１１２よりマイコン異常信号が出力される。そして、微分回路１０９より切替信号が出力され、図９（Ｆ）に示すように、切替回路１１１はパターンＡの放電駆動信号を出力する。

その後、コンタクタ１０２が異常になった場合は、コンタクタ１０２はクローズ（導通）にされる。図９（Ｂ）に示すように、微分回路１０９は切替信号を出力しなくなるので、図９（Ｆ）に示すように、切替回路１１１はパターンＢの放電駆動信号を出力する。なお、ノイズにより微分回路１０９がdV/dt(変化量)を誤検知して切替信号を出力しなくなった場合も同様である。

これにより、コンタクタ１０２が放電途中で異常になった場合でも、放電パターンを切替えて適切な放電を行うことが可能である。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）放電制御装置１００は、インバータ回路の平滑用のコンデンサ１０５と並列に接続され、放電抵抗１０６とスイッチ回路１０７との直列接続よりなる放電回路と、コンデンサ１０５に印加される電圧を検出する電圧モニタ回路１０８と、電圧モニタ回路１０８で検出された電圧の落ち込み度合いを検出する微分回路１０９と、放電指令を出力するマイコン１１０と、マイコン１１０を監視してマイコン１１０の異常を検知して異常信号を出力する監視回路１１２と、放電指令もしくは異常信号に応答し、スイッチ回路１０７を導通させるための放電駆動信号を生成する論理回路１２０とを備え、論理回路１２０は、微分回路１０９で検出された電圧の落ち込み度合いに応じて、異なる放電駆動信号を生成する。これにより、マイコン１１０が異常になっても放電が可能であり、放電抵抗を故障させることはない。

本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限り、本発明の技術思想の範囲内で考えられるその他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。

１００放電制御装置
１０１バッテリ
１０２コンタクタ
１０３正極側バスバー
１０４負極側バスバー
１０５コンデンサ
１０６放電抵抗
１０７スイッチ回路
１０８電圧モニタ回路
１０９微分回路
１１０マイコン
１１１切替回路
１１２監視回路
１１３オア回路
１２０論理回路

Claims

インバータ回路の平滑用のコンデンサと並列に接続され、放電抵抗とスイッチ回路との直列接続よりなる放電回路と、
前記コンデンサに印加される電圧を検出する電圧モニタ回路と、
前記電圧モニタ回路で検出された前記電圧の負方向の時間変化量が所定値以上である場合に切替信号を出力する微分回路と、
放電指令を出力する制御回路と、
前記制御回路を監視して前記制御回路の異常を検知して異常信号を出力する監視回路と、
前記放電指令もしくは前記異常信号に応答し、前記スイッチ回路を導通させるための放電駆動信号として、前記スイッチ回路を常に導通させる第１の信号と、前記スイッチ回路を間欠的に導通/遮断させる第２の信号とを生成する論理回路とを備え、
前記論理回路は、前記微分回路から前記切替信号が出力された場合は前記第１の信号を前記スイッチ回路へ出力し、前記微分回路から前記切替信号が出力されない場合は前記第２の信号を前記スイッチ回路へ出力する放電制御装置。
請求項１に記載の放電制御装置において、
前記論理回路は、前記放電指令または前記異常信号が入力されると前記第１の信号を出力するオア回路と、前記オア回路からの前記第１の信号を基に前記第２の信号を生成するタイマー回路と、前記微分回路から前記切替信号が出力された場合は前記第１の信号を出力し、前記微分回路から前記切替信号が出力されない場合は前記第２の信号を出力する切替回路とを備える放電制御装置。