JP7395975B2 - Power converter reuse system - Google Patents
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Description
本明細書が開示する技術は、電気自動車の電力変換装置のリユースシステムに関する。 The technology disclosed in this specification relates to a reuse system for a power conversion device of an electric vehicle.
電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換装置(典型的にはインバータ)は、発熱量が大きく、長期間使用していると劣化が進む。特許文献1に、車両に搭載された電力変換装置の残存寿命を評価しその評価結果に基づいて当該電力変換装置の交換の要否を連絡する技術が開示されている。交換が必要と判断された場合、車両は修理工場などに運ばれ、そこで電力変換装置が交換される。
A power conversion device (typically an inverter) that converts electric power from a power source into driving electric power for a motor for driving generates a large amount of heat, and deteriorates when used for a long period of time.
交換された電力変換装置は、劣化が進んでいるものの、なかには再利用できるものもある。しかしながら、交換された電力変換装置が再利用に適しているかを評価するには、電力変換装置に再度電源やモータなどを接続し、電力変換装置が動作できる状態に戻さなければならず、コストが嵩む。本明細書は、電力変換装置の再利用や延命を低コストで実現する技術を提供する。 Although the replaced power converters are showing signs of deterioration, some of them can be reused. However, in order to evaluate whether the replaced power converter is suitable for reuse, it is necessary to reconnect the power converter to the power supply, motor, etc., and return the power converter to an operational state, which is costly. Bulk. This specification provides a technique for realizing reuse and life extension of a power conversion device at low cost.
本明細書が開示する電力変換装置のリユースシステムは、検査装置と判定装置を含む。検査装置は、電力変換装置に実装された現在の制御プログラムを検査プログラムに入れ替えて、検査プログラムの制御で動作する電力変換装置の動作時データを取得する。そして、判定装置は、電力変換装置の劣化の度合いを動作時データに基づいて判定して劣化の度合いを示すランクを決定する。その後、検査装置が、決定されたランクに応じて、現在の制御プログラムで制御した場合よりも電力変換装置の残存寿命を延ばし得る別の制御プログラムを検査プログラムに代えて電力変換装置に実装する。動作時データは、例えば、電力変換装置が有する電力変換用の半導体デバイス(典型的にはパワートランジスタ)に関するデータである。 The power conversion device reuse system disclosed in this specification includes an inspection device and a determination device. The test device replaces the current control program installed in the power converter with the test program, and acquires data during operation of the power converter that operates under the control of the test program. Then, the determination device determines the degree of deterioration of the power conversion device based on the operating data and determines a rank indicating the degree of deterioration. Thereafter, the inspection device implements, in place of the inspection program, another control program on the power conversion device that can extend the remaining life of the power conversion device more than when controlling with the current control program, according to the determined rank. The operating data is, for example, data related to a power conversion semiconductor device (typically a power transistor) included in the power conversion device.
これにより、電力変換装置は、それまで実装されていた現在の制御プログラムを別の制御プログラムに入れ替えるなど、メンテナンス拠点でも実施可能な作業によって、残存寿命が延び得る。上記の作業は、車両から電力変換装置を取り外すことなく行い得るため、短時間・低コストで行うことができる。したがって、電力変換装置の再利用や延命を低コストで実現することが可能になる。 As a result, the remaining life of the power conversion device can be extended by operations that can be performed at a maintenance site, such as replacing the current control program that was previously installed with another control program. The above-mentioned work can be performed without removing the power converter from the vehicle, so it can be performed in a short time and at low cost. Therefore, it becomes possible to reuse and extend the life of the power conversion device at low cost.
本明細書が開示する技術の詳細、及び、さらなる改良は、発明の実施の形態で説明する。 Details of the technology disclosed herein and further improvements will be explained in the embodiments of the invention.
図面を参照して実施例の電力変換装置のリユースシステムを説明する。ハイブリッド車が備える電力変換装置(以下、PCUと称する)は、当該車両の走行距離や使用年数に応じてその性能の劣化が進む。そのため、本実施例のリユースシステムは、ハイブリッド車2が備えるPCU10の再利用の可否や交換の要否を検査して判定する。図1に、PCU10のリユースシステムの構成例を表すブロック図を示す。図2に、PCU10の構成例を表すブロック図を示す。
A power converter reuse system according to an embodiment will be described with reference to the drawings. The performance of a power conversion device (hereinafter referred to as PCU) included in a hybrid vehicle progresses depending on the distance traveled and the number of years of use of the vehicle. Therefore, the reuse system of this embodiment inspects and determines whether or not the PCU 10 included in the
図2に示すように、ハイブリッド車2は、走行用の駆動源として、エンジン6とモータ7を備えている。エンジン6の出力トルクとモータ7の出力トルクは、動力分配機構8で適宜に分配/合成されてプロペラシャフト9に出力される。動力分配機構8の出力は、プロペラシャフト9に接続される図略の変速機などを介して駆動輪に伝達される。尚、図2では、本明細書の説明に必要な部品だけを表し、説明に関係のない部品は図示を省略していることに留意されたい。
As shown in FIG. 2, the
モータ7を駆動するための電力はメインバッテリ3から供給される。メインバッテリ3は、その出力電圧が例えば300V(ボルト)であり、システムメインリレー4を介してPCU10に接続されている。システムメインリレー4は、メインバッテリ3と車両の駆動系を接続したり切断したりするスイッチであり、図略の上位コントローラにより切り換えられる。
Electric power for driving the
PCU10は、メインバッテリ3とモータ7の間に介在する電力変換装置である。PCU10は、メインバッテリ3の電圧をモータ7の駆動に適した電圧(例えば600V(ボルト))まで昇圧する電圧コンバータ12と、昇圧後の直流電力を交流に変換するインバータ14と、電圧コンバータ12及びインバータ14を制御するコントローラ19と、を含んで構成されている。インバータ14の出力がモータ7への供給電力に相当する。
PCU 10 is a power conversion device interposed between
PCU10では、図略の冷却システムにより、電圧コンバータ12やインバータ14を構成する電気部品(特に、パワーカード13、15、16、17)などが常時冷却されている。ハイブリッド車2は、エンジンの駆動力、あるいは車両の減速エネルギを利用、即ち制動の際、車両の運動エネルギを使ってモータ7で発電することもできる。このような発電は回生と称される。モータ7が発電する場合には、インバータ14が交流を直流に変換し、さらに電圧コンバータ12がメインバッテリ3よりも僅かに高い電圧まで降圧し、メインバッテリ3へ供給する。
In the
電圧コンバータ12は、リアクトル、IGBT(又はパワーMOSFET)などのスイッチング素子(電力変換用の半導体デバイス)、および、コンデンサを主とする回路である。図2には、このうちのスイッチング素子を有するパワーカード13が図示されている。パワーカード13は、直列に接続された2つのスイッチング素子と、夫々のスイッチング素子に逆並列に接続される2つの還流ダイオードと、これらの半導体デバイスの温度を検知する温度センサなどを有しており、パワーモジュールとして板形状にパッケージ化されている。パワーカード13は、インテリジェントパワーモジュール(IPM)と称されることもある。
The
インバータ14は、モータ7のU、V、Wの各相に対応してスイッチング動作を行う2つのIGBT(又はパワーMOSFET)などのスイッチング素子などを有する3つのパワーカード15、16、17を主要部品として構成される回路である。これらのスイッチング素子にも、夫々還流ダイオードが逆並列に接続されている。また、これらのパワーカード15、16、17は、半導体デバイスの温度を検知する温度センサなども備えている。本実施例では、これらのスイッチング素子やその周辺回路も、電圧コンバータ12のスイッチング素子と同様に、パワーモジュールとして板形状にパッケージ化されている。
The
コントローラ19は、マイクロコンピュータ、メモリや入出力インタフェースなどの電子部品で構成される情報処理装置である。このコントローラ19には、電圧コンバータ12、インバータ14や上位コントローラ(不図示)が接続されている。本実施例では、コントローラ19には、電圧コンバータ12やインバータ14を構成するパワーカード13、15-17の制御端子が接続されており、これらはコントローラ19により制御される。また、コントローラ19には、パワーカード13などに内蔵された各センサの出力端子も接続されている。これにより、コントローラ19は、パワーカード13、15-17が有するスイッチング素子(半導体デバイス)に関するデータ(例えば、温度データ、電圧データや電流データなど)を得ることが可能になる。
The
電圧コンバータ12やインバータ14は、コントローラ19により生成されて供給されるPWM信号によって、昇圧したり、交流に変換したりするためのスイッチング動作を行う。コントローラ19に接続される上位コントローラには、運転者による操作情報として、例えば、アクセル開度情報やブレーキ踏力情報が入力される。そのため、各パワーカード13、15-17のスイッチング素子の動作は、上位コントローラから入力されるアクセル開度などに応じた制御情報に従って行われる。
The
このようにスイッチング素子の動作が制御される電圧コンバータ12やインバータ14のパワーカード13、15-17は発熱量が大きい。そのため、これらのパワーカード13、15-17は、例えば、図略のPCUクーラにより、冷媒が流れる板形状の冷却器に交互に挟まれて随時冷却されるものの、パワーカード13、15-17のスイッチング素子は発熱量が大きく、常に適切な温度範囲で動作するとは限らない。それゆえ、パワーカード13、15-17のスイッチング素子は、発熱量の大きさや累積使用時間の長さに応じて性能劣化が進み得る。つまり、ハイブリッド車2のPCU10は、当該車両の走行距離や使用年数に応じてその性能の劣化が進む。
The
そこで、図1に示すように、本実施例では検査判定装置(以下、IPUと称する)20を用いて、ハイブリッド車2にPCU10を搭載したままの状態で当該PCU10の再利用の可否や交換の要否を検査して判定する。ここからは、図3及び図4も参照しながら説明する。図3に、IPU20の検査判定処理の例を表すフローチャートを示す。図4に、ランク判定の例を表す説明図を示す。
Therefore, as shown in FIG. 1, in this embodiment, an inspection/judgment device (hereinafter referred to as IPU) 20 is used to determine whether or not the PCU 10 can be reused or not, while the PCU 10 is still installed in the
IPU20は、マイクロコンピュータを中心にRAMやROMあるいはEEPROMなどの半導体メモリ、さらには入出力インタフェースを備えた制御装置である。本実施例では、IPU20は、検査判定処理の進捗状況を表示する液晶ディスプレイも備えている。後述する検査判定処理を可能にするプログラム(検査判定プログラム)は、例えば、ROMに予め格納されている。また、後述する検査プログラムや新たな制御プログラムは、例えば、EEPROMに予め格納されている。IPU20は、例えば、CANやLINなどの車載LANを介してPCU10と接続されたり、また車両内に設けられているサービスコネクタ5を介して他のコントローラ(ECU)と接続されたりする。
The
本実施例では、IPU20は、パワーカード13などのスイッチング素子に関するデータとして、温度データ、電圧データや電流データなどをPCU10から取得可能に構成されており、またPCU10の冷却水温、ハイブリッド車2の走行距離数、使用年数(累積使用時間)や自己診断情報などの車両状態データ(車両状態情報)を他のコントローラから取得可能に構成されている。
In this embodiment, the
このように構成されるIPU20は、ハイブリッド車2に搭載されているPCU10やサービスコネクタ5に接続された後、検査判定処理を実行することによって、PCU10の再利用の可否や交換の要否を検査して判定する。
After the
図3に示すように、IPU20による検査判定処理では、まずステップS11により、PCU10のコントローラ19に現在実装されている制御プログラム(現制御プログラム)をコントローラ19のメモリ(例えばEEPROM)から吸い上げて(アップロード)して保存(セーブ)する処理が行われる。後述するランク判定の結果次第では、現制御プログラムをコントローラ19に再実装(再インストール)する可能性があるからである。
As shown in FIG. 3, in the inspection determination process by the
次のステップS12では、PCU10を検査するプログラムをコントローラ19に実装(インストール)する処理が行われる。この検査プログラムは、例えば、パワーカード13、15-17を構成する夫々のスイッチング素子の熱抵抗を求めるために必要な電圧データ、電流データや温度データを取得し得るように、複数のスイッチング素子を個別で、又は所定の組み合わせでオンオフ動作を行わせる。つまり、検査プログラムでは、通常のPWM制御とは異なるオンオフ制御をパワーカード13、15-17のスイッチング素子に対して行う。
In the next step S12, a process of installing (installing) a program for inspecting the
続くステップS13では、このような検査プログラムにより動作するPCU10から、所定のデータを取得する処理が行われる。所定のデータは、例えば、パワーカード13、15-17のデバイス情報である。デバイス情報は、主に、パワーカード13、15-17が有する夫々のスイッチング素子の劣化の度合い(例えば、熱抵抗やオン抵抗)を求めるために必要な電圧データ、電流データや温度データである。検査プログラムがPCU10から取得するデータは、パワーカード13などが有する他の半導体デバイス(例えば、還流ダイオード)の劣化の度合いを求めるために必要なデータ(例えば、温度データ、電圧データや電流データなど)であってもよい。
In the subsequent step S13, a process is performed to acquire predetermined data from the
また、ステップS13では、所定のデータとして、ハイブリッド車2のサービスコネクタ5を介して得られる車両状態情報(PCU10の冷却水温、ハイブリッド車2の走行距離数、使用年数や自己診断情報など)も他のコントローラ(ECU)から取得する。これにより、後述するように、パワーカード13等のスイッチング素子の劣化の度合いを経年劣化のパラメータを含めて判定することが可能になる。
In addition, in step S13, vehicle status information obtained via the
ステップS14では、ステップS13により得られた所定のデータ(デバイス情報と車両状態情報)に基づいて、PCU10の劣化の度合いを算出する処理が行われる。PCU10の劣化の度合いは、本実施例では、例えば、パワーカード13、15-17が有するスイッチング素子の性能の劣化度合いである。より具体的には、パワーカード13、15-17が有する夫々のスイッチング素子の熱抵抗やオン抵抗等の大きさである。また、これらのスイッチング素子のオン動作時の電流値や発熱温度の上昇率でもよい。
In step S14, a process is performed to calculate the degree of deterioration of the
また、PCU10の劣化の度合いを示す数値は、PCU10の入力電力と出力電力の比から算出可能な変換効率や電圧電流特性などでもよい。さらにPCUクーラ(不図示)を流れる冷却水温や冷却水量に基づくPCUクーラ内の流路狭窄や冷却水漏れに起因した故障の発生率でもよい。
Further, the numerical value indicating the degree of deterioration of the
ステップS15ではランク判定処理が行われる。この処理は、ステップS14により算出されたPCU10の劣化の度合いと、ハイブリッド車2の走行距離数又は使用年数(累積使用時間)とに基づいて、当該PCU10の性能劣化の状態を判定してランク分けをする。すなわち、ランクは、PCU10の劣化の度合いを示す指標である。本実施例では、例えば、図4に示すランク判定マップに基づいてA-Cの3つのランクに分けられる。例えば、熱抵抗値と走行距離数(又は使用年数)との関係に基づいて、プロットされた領域からランクを決定する。
In step S15, rank determination processing is performed. This process determines the state of performance deterioration of the
例えば、走行距離数(又は使用年数)が比較的少なくても、パワーカード13、15-17が有するいずれかのスイッチング素子の熱抵抗値が大きい場合には、Cランクに判定される(図4に示す×印)。これに対して、パワーカード13、15-17が有するいずれかのスイッチング素子の熱抵抗値が比較的大きくても、走行距離数(又は使用年数)が多い場合には、AランクやBランクに判定される(図4に示す◎印や○印)。
For example, even if the number of miles traveled (or the number of years of use) is relatively small, if the thermal resistance value of any switching element included in the
また例えば、スイッチング素子のオン抵抗、オン動作時の電流値や発熱温度の上昇率や、PCU10の入力電力と出力電力の比から算出可能な変換効率や電圧電流特性などの場合も、熱抵抗の場合と同様に、走行距離数(又は使用年数)との関係に基づいて、プロットされた領域からランクを決定することが可能である。
In addition, for example, the on-resistance of a switching element, the current value during on-operation, the rate of increase in heat generation temperature, the conversion efficiency and voltage-current characteristics that can be calculated from the ratio of input power and output power of the
このようなランク判定処理により、当該PCU10の性能劣化の状態がAランクに判定された場合には(S15;Aランク)、当該PCU10は、性能劣化の進みが少なく検査前に実装されていた現制御プログラムでパワーカード13、15-17のスイッチング制御を行ったとしても残存寿命が長いものと予想される。そのため、再インストールする制御プログラムとして、ステップS16により現制御プログラムを選択した後、続くステップS18により現制御プログラムをコントローラ19に再実装(再インストール)する。
If the performance deterioration state of the
一方、ランク判定処理により、当該PCU10の性能劣化の状態がBランクに判定された場合には(S15;Bランク)、当該PCU10は、性能劣化が相当程度は進んでいるものの、PCU10の出力を制限し得るスイッチング制御を行うことにより残存寿命がまだあるものと予想される。そのため、インストールする制御プログラムとして、ステップS17によりPCU10の出力制限付きの新たな制御プログラム(新制御プログラム)を選択した後、続くステップS18により当該新制御プログラムをコントローラ19に実装(インストール)する。
On the other hand, if the state of performance deterioration of the
ステップS18により現制御プログラムや新制御プログラムをコントローラ19に実装した場合には、例えば、当該PCU10が再使用可能である旨を作業者に知らせ得る「リユース可能です」などのメッセージを液晶ディスプレイ(不図示)に表示する処理が行われる。これにより、作業者に対して、PCU10の再利用が可能であり、当該PCU10の交換は不要である旨を告知する。
When the current control program or the new control program is installed in the
他方、これらに対して、ランク判定処理により、当該PCU10の性能劣化の状態がCランクに判定された場合には(S15;Cランク)、当該PCU10は、今後使用することができない程度に性能劣化が進んでおり、仮にPCU10の出力を制限し得るスイッチング制御を行ったとしても残存寿命がほとんどないものと予想される。
On the other hand, if the rank determination process determines that the state of performance deterioration of the
このような場合には、ステップS20により、例えば、当該PCU10の再使用は不可能である旨を作業者に知らせ得る「リユースはできません」などのメッセージを目立つ文字色で液晶ディスプレイ(不図示)に表示する処理が行われる。併せて警告音を出力してもよい。これにより、作業者に対して、PCU10の再利用は不可能であり、当該PCU10の交換が必要である旨を告知する。
In such a case, in step S20, for example, a message such as "Reuse is not allowed" that can inform the operator that reuse of the
上述した一連の処理が完了すると、IPU20は、PCU10の電源を切断して本検査判定処理を終了する。このように本実施例のIPU20では、PCU10をハイブリッド車2に搭載した状態で当該PCU10の再利用や交換の要否を判定することが可能にするので、PCU10の再利用や延命を低コストで実現することができる。
When the series of processes described above are completed, the
以上のとおり、本実施例のPCU10のリユースシステムでは、IPU20は、PCU10に実装された現在の制御プログラムを検査プログラムに入れ替えて(S12)、検査プログラムの制御で動作するPCU10のパワーカード13、15-17の動作時データを取得する(S13)。そして、PCU10の劣化の度合いを動作時データに基づいて判定して劣化の度合いを示すランクを決定する(S15)。IPU20は、決定されたランクに応じて、現在の制御プログラムで制御した場合よりもPCU10の残存寿命を延ばし得る別の制御プログラムを検査プログラムに代えてPCU10に実装する(S17、S18)。
As described above, in the
これにより、PCU10は、それまで実装されていた現在の制御プログラムを別の制御プログラムに入れ替えるなど、メンテナンス拠点でも実施可能な作業によって、残存寿命が延び得る。そのため、例えば、PCU10の寿命に関わり易いパワーカード13、15-17を交換することなく、PCU10の使用可能時間を長くすることが可能になる。またこのような作業は、ハイブリッド車2からPCU10を取り外すことなく行い得るため、比較的短時間で行うことができる。したがって、PCU10の再利用や延命を低コストで実現することが可能になる。
As a result, the remaining life of the
尚、本実施例では、検査装置及び判定装置の両方の機能をIPU20により実現する例を挙げて説明したが、これらを別個のハードウェアにより構成してもよい。例えば、検査装置の機能をPCU10のコントローラ19に担わせ、汎用のパーソナルコンピュータ(以下、単にパソコンと称する)に判定ソフトウェアをインストールして判定装置を構成してもよい。この場合には、PCU10は、例えば、検査装置の機能を実現するプログラムを、電圧コンバータ12やインバータ14を制御する制御プログラムとは、予め別に備えている。また、例えば、PCU10の残存寿命を延ばす別の制御プログラムは、パソコンが有しており、当該パソコンからコントローラ19にインストールされる。
In this embodiment, an example has been described in which the functions of both the inspection device and the determination device are realized by the
また例えば、CPU、メモリ、DSPなどを有する専用ボードにより検査装置を構成するとともに、判定ソフトウェアがインストールされたパソコンにこの専用ボードを実装して、IPU20相当を構成してもよい。さらに例えば、パソコンに検査ソフトウェアをインストールして検査装置を構成し、そのパソコンから判定装置の機能を有する判定サーバに動作時データを送り得るように構成してもよい。当該パソコンと判定サーバは、例えば、有線LANや無線LAN又はISPを介してインターネットなどに接続されている。
Furthermore, for example, the inspection device may be configured with a dedicated board having a CPU, memory, DSP, etc., and this dedicated board may be installed in a personal computer in which determination software is installed to configure an
実施例技術に関する留意点を述べる。PCU10が電力変換装置の一例に相当する。IPU20が検査装置及び判定装置の一例に相当する。パワーカード13、15-17(それらが有するスイッチング素子)が電力変換用の半導体デバイスの一例に相当する。ハイブリッド車2が車両の一例に相当する。
Points to note regarding the example technology will be described. The
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書又は図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書又は図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 Although specific examples of the present invention have been described in detail above, these are merely illustrative and do not limit the scope of the claims. The techniques described in the claims include various modifications and changes to the specific examples illustrated above. Further, the technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness singly or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims as filed. Further, the techniques illustrated in this specification or the drawings simultaneously achieve multiple objectives, and achieving one of the objectives has technical utility in itself.
2:ハイブリッド車 3:メインバッテリ 5:サービスコネクタ 6:エンジン 7:モータ 10:PCU 12:電圧コンバータ 13、15-17:パワーカード 14:インバータ 19:コントローラ 20:IPU
2: Hybrid vehicle 3: Main battery 5: Service connector 6: Engine 7: Motor 10: PCU 12:
Claims (2)
前記電力変換装置の劣化の度合いを前記動作時データに基づいて判定し劣化の度合いを示すランクを前記検査装置に出力する判定装置と、を含み、
前記検査装置は、前記ランクに応じて、前記現在の制御プログラムで制御した場合に比べて前記電力変換装置の残存寿命を延ばす別の制御プログラムを前記検査プログラムに代えて前記電力変換装置に実装する、
ことを特徴とする電力変換装置のリユースシステム。 an inspection device that replaces a current control program installed in the power conversion device with an inspection program and acquires data during operation of the power conversion device that operates under the control of the inspection program;
a determination device that determines the degree of deterioration of the power conversion device based on the operating data and outputs a rank indicating the degree of deterioration to the inspection device;
The inspection device implements, in place of the inspection program, another control program on the power conversion device that extends the remaining life of the power conversion device compared to the case where the power conversion device is controlled using the current control program, depending on the rank. ,
A power converter reuse system characterized by the following.
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