JPWO2015093188A1

JPWO2015093188A1 - 電力伝達経路の異常を判定する診断装置

Info

Publication number: JPWO2015093188A1
Application number: JP2015553428A
Authority: JP
Inventors: 門田　圭司; 圭司門田; 山田　博之; 博之山田; 寛之竹本
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2017-03-16
Also published as: WO2015093188A1

Abstract

主電源による運転状態に関わらず、常時電力ケーブルの劣化を監視でき、かつケーブルの揺動のような短時間の現象に伴って現れる劣化の兆候を検出可能な、電力ケーブルの診断装置を提供する。電源から負荷への電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、電源の電圧値を含む第１の情報と、負荷の電圧値を含む第２の情報と、電源又は負荷の電流値を含む第３の情報と、を受信する受信部を備え、第１の情報、第２の情報、第３の情報に基づいて、電力伝達経路の電気抵抗を算出し、電気抵抗と所定のしきい値とを比較し、電力伝達経路の異常を判定する。

Description

本発明は、電力伝達経路の異常を判定する診断装置に関する。

近年、数多く開発されているハイブリッド自動車および電気自動車のモータ駆動システムにおいては、車軸と連結される車両駆動用のモータに必要とされる出力は数１０ｋＷとされ、この高出力を達成するため、電源としてニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの高性能バッテリが使用され、これらバッテリからの直流電力をインバータにて交流電力に変換して交流モータを駆動している。

このような高いエネルギーを蓄積できるバッテリは、充電量や充放電電力の緻密な管理が欠かせないため、バッテリの電圧や入出力電流を計測し、バッテリの状態を監視する監視ユニットを搭載している。インバータにおいても、高いモータ効率を達成するため、電源からインバータに印加される電圧や、モータへの供給電流をモニタしながら制御を行う制御演算装置が付加されている。

そして、このようなモータ駆動システムにおいては、電源のバッテリから負荷であるインバータに供給される直流電流は数百Ａに達する。

そのため、この直流電流の伝達経路は十分に低い抵抗をもつことが望ましく、伝達経路の抵抗が増大し得る異常は、可能な限り早期に検出する必要がある。

特許文献１では、主電源と負荷の間の直流電流の電力ケーブルに、劣化検出用電源と電流計から成る抵抗計を並列に取り付け、電力ケーブルの抵抗値を計測することで劣化検出を行う構成が示されている。

特開昭６２−２８８４８５号公報

特許文献１の方法は、定期的に電力ケーブルの劣化を診断することができるが、常に電力ケーブルの劣化を検出することはできず、特許文献１に示されている通り、タイマーにより駆動される切替スイッチを設けて所定の時間間隔で劣化検出を行う必要がある。さらに、特許文献１には明記されていないが、主電源による運転中は、抵抗計に劣化検出用電源以外からの電流が流れるため、劣化検出ができない可能性がある。

一方で、車両に搭載された電力ケーブルの劣化を早期に検出するためには、電力ケーブルの揺動に対して、電力ケーブルの断線部は接触と非接触を繰り返すため、常時監視を行う必要がある。特に車両に応用する場合、電力ケーブルの揺動は、走行中のみ、すなわち主電源による運転状態にのみ、発生するため、主電源による運転状態で劣化検出ができない場合は、電力ケーブル劣化の発見が遅れる恐れがある。

本発明の目的は、主電源による運転状態に関わらず、常時電力ケーブルの劣化を監視でき、かつケーブルの揺動のような短時間の現象に伴って現れる劣化の兆候を検出可能な、電力ケーブルの診断装置を提供することである。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、電源から負荷への電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、前記電源の電圧値を含む第１の情報と、前記負荷の電圧値を含む第２の情報と、前記電源又は前記負荷の電流値を含む第３の情報と、を受信する受信部を備え、前記第１の情報、前記第２の情報、前記第３の情報に基づいて、前記電力伝達経路の電気抵抗を算出し、前記電気抵抗と所定のしきい値とを比較し、前記電力伝達経路の異常を判定することを特徴とする。

本発明によれば、主電源による運転状態に関わらず、常時電力ケーブルの劣化を監視でき、かつケーブルの揺動のような短時間の現象に伴って現れる劣化の兆候を検出可能な、電力ケーブルの診断装置を提供することができる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施形態による電力装置の概略図。本発明の実施形態による電力伝達経路の診断開始から終了までのフローチャート。本発明の実施形態による電力ケーブル劣化検出時のタイミングチャート。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態による電力装置であり、直流電源であるバッテリ１と、負荷であるインバータ２と、インバータ２によって駆動されるモータ４と、バッテリ１からインバータ２へ直流電力を伝達する電力ケーブル３と、インバータ２を制御するインバータ制御ユニット６を備える。

バッテリ１はニッケル水素電池やリチウムイオン電池などの２次電池であり、１００Ｖから３００Ｖ程度の高い電圧を保持しており、バッテリ監視ユニット５によりバッテリ１の電流および電源電圧の検出が、それぞれ電流検出部５２０および電圧検出部５３０で行われる。これら電流および電源電圧は、通信制御部５１０により通信線７に送信される。

インバータ２は、トランジスタ２３０を備え、これらトランジスタがインバータ制御ユニット６から与えられるＰＷＭ信号によりオンオフ制御されることでモータ４が、バッテリ１からの電力の供給を受けて駆動される。

このＰＷＭ信号は、インバータ制御ユニット６の外部から与えられる外部トルク指令がトルク制限部６４０に入力されて目標トルクが電流マップ部６５０に出力され、電流マップ部６５０はモータ回転センサ４１０からの信号を用いて回転検出部６８０により算出されるモータ回転数と目標トルクから、目標電流を電流制御部６６０に出力し、電流制御部６６０は三相電流センサ２４０からの信号を用いて電流検出部６９０にて算出される三相電流と目標電流から、目標電圧をＰＷＭ制御部６７０に出力し、ＰＷＭ制御部６７０が電圧検出部６３０からの負荷電圧と目標電圧を用いて、出力される。

電力ケーブル診断部６２０は、通信線７から通信制御部６１０が受信した電流および電源電圧と、電圧検出部６３０から入力される負過電圧と、トルク制限部６４０から入力される目標トルクとから、電力ケーブルの診断を行う。

以下、電力ケーブルの診断を行うときのシステムの動作を説明する。

インバータ制御ユニット６は、外部トルク指令がトルク制限部６４０に入力されることにより、電流マップ部６５０と、電流制御部６６０と、ＰＷＭ制御部６７０を介してＰＷＭ信号を、インバータ２に出力し、インバータのトランジスタ２３０がオンオフ制御を開始する。これによりバッテリ１の発生する電圧がモータ４に印加されて、バッテリ１から電力ケーブル３とインバータ２を介してモータ４に電流が供給され、モータ４が駆動される。

このとき、電力ケーブル診断部６２０は、診断を開始する条件である、所定値以上の目標トルクがトルク制限部６４０から入力されているか否かと、所定値以上の電流が、通信制御部６１０からローパスフィルタ６１２を介して入力されているか否かを判定する。

診断を開始する条件が成立していれば、電力ケーブル診断部６２０は、通信制御部６１０から、それぞれの信号のローパスフィルタを介して、電源電圧Ｖ１と、電流Ｉと、負過電圧Ｖ２とから、電源電圧センサ１２０と負荷電圧センサ２１０の間の、電力ケーブル３を含む、電力伝達経路の抵抗値Ｒを下式にて演算する。
Ｒ＝｜Ｖ２−Ｖ１｜／｜Ｉ｜

なお、抵抗値Ｒには、電力ケーブル３の抵抗値と、電力ケーブル３とバッテリ１との接続部の抵抗値と、電力ケーブル３とインバータ２の接続部の抵抗値と、を含み、いずれの箇所の抵抗値に異常があっても抵抗値Ｒの異常として現れる。

次に、電力ケーブル診断部６２０は、抵抗値Ｒと、第１の異常検出値Ｒ１との比較を行い、抵抗値Ｒが第１の異常検出値Ｒ１より大きければ、電力ケーブル診断部６２０は、抵抗値Ｒは正常な範囲を逸脱していると判断し、診断結果として、第１の異常状態であることを、通信制御部６１０に出力する。通信制御部６１０は、通信線７を介して警告装置８の通信制御部８３０に診断結果を送信し、通信制御部８３０は警告灯制御装置８２０に診断結果を入力し、警告灯制御装置８２０は、第１の異常状態であることを受けて警告灯８１０を点灯する。

さらに、電力ケーブル診断部６２０は、抵抗値Ｒと、第２の異常検出値Ｒ２との比較を行い、抵抗値Ｒが第２の異常検出値Ｒ２より大きければ、電力ケーブル診断部６２０は、運転出力の制限が必要と判断し、診断結果として、トルク制限部６４０に、第２の異常状態であることを出力し、トルク制限部６４０は、所定の、第２の異常状態における制限トルク以下に、目標トルクの、電流マップ部６５０への出力を制限し、外部トルク指令が前記所定の制限トルクより大きい場合は、目標トルクは前記所定の制限トルクとし、外部トルク指令が前記所定の制限トルク以下である場合は、外部トルク指令の値を目標トルクの値として電流マップ部６５０に出力する。

また最後に、電力ケーブル診断部６２０は、抵抗値Ｒと、第３の異常検出値Ｒ３との比較を行い、抵抗値Ｒが第３の異常検出値Ｒ３より大きければ、電力ケーブル診断部６２０は、運転停止が必要と判断し、診断結果として、ＰＷＭ制御部６７０に、第３の異常状態であることを出力し、ＰＷＭ制御部６７０は、インバータ２へのＰＷＭ信号出力を停止する。

図２に、電力ケーブルの診断を行うときの、電力装置の動作について、診断サイクル１回分、すなわち診断開始から診断終了までをフローチャートにて示す。

まず、Ｓ１にて電力装置が動作を開始しているか否かを、目標トルクが所定値以上か否か、および電流が所定値以上か否かを判断する。条件が成立していなければ再度Ｓ１を実行し、成立していればＳ２に進む。Ｓ２では抵抗Ｒを負過電圧Ｖ２と電源電圧Ｖ１と電流Ｉから演算し、代入する。その後Ｓ３に進み、抵抗値Ｒが第１の異常検出値Ｒ１より大きいか否かの判定を行い、大きくなければ診断終了、大きければＳ４に進み、警告灯を点灯する。Ｓ５では、抵抗値Ｒが第２の異常検出値Ｒ２より大きいか否かの判定を行い、大きくなければ診断終了、大きければＳ６に進み、目標トルクを所定値以下に制限する。次にＳ７に進み、抵抗値Ｒが第３の異常検出値Ｒ３より大きいか否かの判定を行い、大きくなければ診断終了、大きければＳ８に進み、ＰＷＭ信号出力を停止する。次は診断終了となり、１回の診断サイクルが終了する。

図３に、電力装置が動作を開始し、電力ケーブルの診断装置が、電力ケーブルの異常を検出したときの動作をタイムチャートにて示す。

Ｔ１にて、外部トルク指令が０Ｎｍから１００Ｎｍまで上昇し、それを受けて目標トルクが０Ｎｍから１００Ｎｍに上昇、同時に電流も０Ａから２００Ａに上昇する。

電力ケーブル診断部６２０が診断を開始するための、目標トルクと電流に対する所定のしきい値が、例えば、目標トルクが１０Ｎｍ以上、電流が１０Ａ以上とすると、電力ケーブルの診断装置はＴ１に診断を開始する。そのときＴ１では、電力ケーブル診断部６２０が算出した抵抗Ｒは、例えば３ｍΩとなる。

その後Ｔ２にて、電力ケーブル３の抵抗が増加し、抵抗Ｒが１０ｍΩまで上昇すると、例えば第１の異常検出値Ｒ１が５ｍΩとすると、電力ケーブル診断部６２０は、警告灯制御部８２０に診断結果を送信することにより、警告灯８１０を点灯する。

その後Ｔ３に、電力ケーブル３の抵抗の増加が進行し、抵抗Ｒが１００ｍΩまで上昇すると、例えば第２の異常検出値Ｒ２が５０ｍΩとした場合、電力ケーブル診断部６２０は、トルク制御部に診断結果を送信することにより、目標トルクを所定値以下に制限する。

その後Ｔ４に、電力ケーブル３の抵抗の増加がさらに進行し、抵抗Ｒが１０００ｍΩまで上昇すると、例えば第３の異常検出値Ｒ３が５００ｍΩとした場合、電力ケーブル診断部６２０は、ＰＷＭ制御部に診断結果を送信することにより、ＰＷＭ信号を停止する。

本発明は、一般的な電源及び、バッテリ監視ユニット５のような電源監視装置と、負荷及び、インバータ制御ユニット６のような負荷制御装置及び、それらを接続する電力ケーブルから成る電力装置であって、互いに通信を行う機能を備えていれば、負荷制御装置に電力ケーブル診断部を追加することで実現でき、また電力ケーブル診断部は制御プログラムの変更により実現可能なため、部品追加によるコストの増加はない。

なお、電力ケーブル診断部は、負荷制御装置に限らず、電源監視装置や、通信で接続されている他の装置に設けても良い。

以上説明は、電源としてバッテリを、負荷としてインバータおよびモータを使用する電力装置に本実施形態を適用した場合について述べたが、他の種類の電源、および他の電気的負荷にも適用が可能であり、本実施形態はこれに限定されるものではない。

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本実施形態の技術的範囲は特許請求の範囲によって規定され、そこに記載された構成と均等の範囲内のすべての変更も本実施形態の技術的範囲に含まれる。

１バッテリ
２インバータ
３電力ケーブル
４モータ
５バッテリ監視ユニット
６インバータ制御ユニット
７通信線
８警告装置
１１０電流センサ
１２０電源電圧センサ
２１０負荷電圧センサ
２２０平滑コンデンサ
２３０トランジスタ
２４０３相電流センサ
４１０モータ回転センサ
５１０通信制御部
５２０電流検出部
５３０電圧検出部
６１０通信制御部
６２０電力ケーブル診断部
６３０電圧検出部
６４０トルク制限部
６５０電流マップ部
６６０電流制御部
６７０ＰＷＭ制御部
６８０回転検出部
６９０電流検出部
６１１，６１２，６１３ローパスフィルタ
８１０警告灯
８２０警告灯制御部
８３０通信制御部

Claims

電源から負荷への電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記電源の電圧値を含む第１の情報と、
前記負荷の電圧値を含む第２の情報と、
前記電源又は前記負荷の電流値を含む第３の情報と、を受信する受信部を備え、
前記第１の情報、前記第２の情報、前記第３の情報に基づいて、
前記電力伝達経路の電気抵抗を算出し、
前記電気抵抗と所定のしきい値とを比較し、
前記電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１に記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記電流値は、前記負荷の電流値とする、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１または２に記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記電流値は、前記負荷に印加される電圧、
および前記負荷の運転状態から推定した値とする、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１から３のいずれかに記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記異常の判定は、
前記電流値が所定の値より大きいときのみ行う、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１から４のいずれかに記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記異常の判定は、
前記電流値の時間変化率が所定の値より小さいときのみ行う、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
電源から負荷への電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記電源の電圧値を含む第１の情報と、
前記負荷の電圧値を含む第２の情報と、
前記負荷の運転状態を含む第３の情報と、を受信する受信部を備え、
前記第１の情報、前記第２の情報、前記第３の情報に基づいて、
前記第１の情報と前記第２の情報の差と、前記第３の情報を比較し、
前記電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
電源から負荷への電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記電源の電圧値を含む第１の情報と、
前記負荷の電圧値を含む第２の情報と、を受信する受信部を備え、
前記第１の情報、前記第２の情報に基づいて、
前記第１の情報と前記第２の情報の差と所定のしきい値とを比較し、
前記電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項７に記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
異常の判定は、前記負荷の運転状態が、所定の出力以上のときに行う、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１から８のいずれかに記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
異常の判定は、前記負荷の運転状態が、所定の出力以上のときに行う、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１から９のいずれかに記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
異常の判定は、前記負荷の運転状態が、所定の出力変化率以下のときに行う、
ことを特徴とする、
前記電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１から１０のいずれかに記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記第１の情報、または前記第２の情報、または前記第３の情報、
またはこれらに基づいて算出された電力伝達経路の電気抵抗、のうち、
少なくとも１つに、所定の時定数をもつローパスフィルタによるフィルタ処理を施す、ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１１に記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記所定の時定数は、前記負荷の駆動周波数、および、前記電源と前記負荷と前記電力伝達経路により構成される閉回路の電気的共振周波数、のうち少なくとも一方を用いて決定する、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１から１２のいずれかに記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記異常の判定を１秒間に行う回数は、電力伝達経路の機械的揺動の共振周波数以上とする、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１から１３のいずれかに記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
さらに、前記電源または前記負荷の運転者に、光、または音、または負荷の通常とは異なる動作、のいずれかにて異常を知らせる警告装置を用い、
前記電力伝達経路が異常と判定された後は、前記警告装置にて前記運転者に異常を知らせる、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１から１４のいずれかに記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
さらに、過去の診断の結果を記憶する、記憶装置を用い、
前記電力伝達経路が異常と判定された後は、記憶装置の記憶消去が行われるまで、前記電力伝達経路の抵抗値の算出結果にかかわらず、前記電力伝達経路は異常とみなす、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１から１５のいずれかに記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
さらに、過去の電気抵抗の算出結果を記憶する、記憶装置を用い、
前記電気抵抗と、前記予め定めたしきい値との比較は、前記電気抵抗を算出した後に、予め記憶装置に記憶した過去の電気抵抗と、前記電気抵抗との比較を行い、前記過去の電気抵抗のほうが大きい場合は、前記過去の電気抵抗と、前記予め定めたしきい値の比較を行う、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１から１６のいずれかに記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記、予め定めたしきい値は、正常状態における電力伝達経路の抵抗値の、製造ばらつき上限値とする、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１７に記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
さらに、前記電源または前記負荷の運転者に異常を知らせる、警告灯を用い、
前記電力伝達経路が異常と判定された後は、前記警告灯にて前記運転者に異常を知らせる、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１から１８のいずれかに記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記予め定めたしきい値は、前記負荷を、前記電力伝達経路に最大の電流が流れるように運転した場合、前記電力伝達経路が正常な温度範囲を逸脱し得る抵抗値とする、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１９に記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記電力伝達経路が異常と判定された後は、前記負荷の出力を、予め定めた出力に制限する、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項１から２０のいずれかに記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記予め定めたしきい値より大きい別のしきい値を設け、
前記負荷を、前記予め定めた出力に制限して運転した場合に、前記電力伝達経路が正常な温度範囲を逸脱し得る抵抗値とする、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。
請求項２１に記載の電力伝達経路の異常を判定する診断装置において、
前記電力伝達経路が異常と判定された後は、前記負荷の出力を停止する、
ことを特徴とする、電力伝達経路の異常を判定する診断装置。