JPWO2016035159A1

JPWO2016035159A1 - 車載型充電装置

Info

Publication number: JPWO2016035159A1
Application number: JP2016546236A
Authority: JP
Inventors: 修武井; 鳥羽　章夫; 章夫鳥羽; 八須　康明; 康明八須; 政和鷁頭; 西田　廣治; 廣治西田
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2014-09-03
Filing date: 2014-09-03
Publication date: 2017-04-27
Also published as: WO2016035159A1

Abstract

交流電源電圧を整流して得た直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧をトランス及び整流回路を介し直流電圧に変換してバッテリに供給する車載型充電装置であって、トランス２０５の１次側電流を検出する変流器２０７及び１次側電流検出手段６０２と、２次側電流を検出するシャント抵抗２０９ａ，２０９ｂ及び２次側電流検出手段６０３と、各検出手段６０２，６０３の出力から異常を検出する異常検出回路６０５と、異常検出回路６０５の出力により所定の保護動作を行う制御回路５００と、を備えた車載型充電装置において、異常検出回路６０５は、トランス２０５の１次側電流と２次側電流との相関値（差や比率など）が所定の閾値を超えたときに、変流器２０７またはシャント抵抗２０９ａ，２０９ｂ等の異常を検出する。

Description

本発明は、電流センサ等の電流検出手段の異常を判定する機能を備えた車載型充電装置に関するものである。

図２は、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載され、電流センサの異常検出機能を備えた電源装置であり、特許文献１に記載されているものである。
図２において、１はバッテリ等の直流電源、２ａ，２ｂはシステムリレー、３は半導体スイッチング素子からなる三相のインバータ、４は永久磁石モータ、５はレゾルバ、６は制御装置、７は直流電源１の電圧を検出する電圧センサ、８ａ，８ｂはインバータ３の各相の出力線に設けられた電流センサである。

この電源装置では、制御装置６が、電流センサ８ａ，８ｂによる電流検出値とレゾルバ５による検出信号（角度検出値）とに基づいてインバータ３をスイッチング動作させることにより、モータ４の速度及びトルクを制御すると共に、モータ４が発電機動作する際にインバータ３を介して回生される電力により直流電源１の電圧が所定値になるように制御を行っている。

ここで、電流センサ８ａ，８ｂはインバータ３の相ごとに二重化されており、これらの電流センサ８ａ，８ｂの出力信号は、制御装置６に設けられた図３の異常検出回路６０にも入力されている。
図３に示す異常検出回路６０では、電流検出部６１が、電流センサ８ａ，８ｂの出力信号から同一相の電流を検出し、これらの電流検出値を異常判定部６２にそれぞれ出力する。異常判定部６２では、電流センサ８ａ，８ｂのうち一方の電流検出値が予め定めた所定範囲内にあり、かつ、二つの電流検出値の差が所定期間以上、閾値を超えている場合に、一方の電流センサに地絡等の異常が発生したと判定する。そして、異常判定時には、リレー駆動部６３を介して図２のシステムリレー２ａ，２ｂをオフし、報知部６４によりアラーム表示等を行うようになっている。

一方、図４は、特許文献２に記載された共振型の充電装置を示している。
この充電装置は、交流電源９の電圧を整流し、昇圧して直流中間電圧を生成する交流−直流変換回路１０と、直流中間電圧を交流電圧に変換し、トランス２０による絶縁後に整流して得た直流電圧を二次電池１２に供給する共振型変換回路としての直流−直流変換回路１１と、各変換回路１０，１１を制御する制御手段１３と、を備えている。
制御手段１３は、第１の電圧検出器１４及び電流検出器１５による入力電圧、入力電流の各検出値と、第２の電圧検出器１６及び電流検出器１７による出力電圧、出力電流の各検出値とを用いて、昇圧用スイッチング素子１８と直流−直流変換回路１１内のインバータのスイッチング素子１９ａ〜１９ｄとを制御しており、入力電流を正弦波状に制御する力率改善制御、直流−直流変換回路１１の定電圧定電流制御等を行っている。

特許第４７０１７６７号公報（段落［００６７］〜［００９４］、図１等）特開２０１２−８５３７８号公報（段落［００１２］〜［００２０］、図１等）

特許文献１に記載された従来技術は、各相の同一線路上に電流センサを二重化してこれらの異常を検出しているため、電流センサの数が多くなり、コスト高になるという問題がある。
一方、特許文献２に示されるように、力率改善機能を備えた充電装置では、直流−直流変換回路１１内のトランス２０の一次側及び二次側に第１，第２の電流検出器１５，１７を備えているが、従来では、これらの電流検出器１５，１７の異常を両者の電流検出値を利用して判定する着想は存在しなかった。

そこで、本発明の解決課題は、同一線路上に電流センサを二重化する無駄をなくし、装置の動作を制御するために元々備えている複数の電流センサによる電流検出値の相関関係に基づいて電流検出手段の異常を判定可能とした車載型充電装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、交流電源電圧を整流して得た直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧をトランス及び整流回路を介し直流電圧に変換してバッテリに供給する車載型充電装置であって、トランスの１次側電流を検出する電流センサ等の第１の電流検出手段と、トランスの２次側電流を検出する第２の電流検出手段と、第１または第２の電流検出手段の出力から異常を検出する異常検出手段と、その異常検出出力により所定の保護動作を行う制御手段と、を備えた車載型充電装置に関するものである。
そして、本発明の特徴は、前記異常検出手段が、トランスの１次側電流と２次側電流との相関値が所定の閾値を超えたときに第１の電流検出手段または第２の電流検出手段の異常を検出することにある。

前記相関値としては、請求項２に記載するようにトランスの１次側電流と２次側電流との差、または、請求項３に記載するようにトランスの１次側電流と２次側電流との比率を用いることができる。勿論、相関値はこれらの差または比率に何ら限定されるものではない。

なお、請求項４に記載するように、第１の電流検出手段は、トランスの１次側電流を検出する変流器等の絶縁型電流センサを含み、請求項５に記載するように、第２の電流検出手段は、トランスの２次側電流を検出するシャント抵抗等の非絶縁型電流センサを含むものである。

本発明によれば、電流センサを冗長化せずに、電流センサや電流検出回路等の電流検出手段の異常を高精度に判定することが可能である。

本発明の実施形態に係る車載型充電装置の回路構成図である。特許文献１に記載された充電装置の構成図である。特許文献１における異常検出回路の構成図である。特許文献２に記載された共振型充電装置の構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る車載型充電装置の回路構成図である。図１において、１００は力率改善回路、３００はその制御回路、２００は直流−直流変換回路、５００はその制御回路である。

力率改善回路１００は、交流電源１０１に接続された雷サージ対策回路１０２と、入力フィルタ回路１０３と、突入電流防止用のリレー１０４と、リアクトル１０５と、ダイオード１０６，１０８と、半導体スイッチング素子１１０，１１１（１０７，１０９は還流ダイオードを示す）と、シャント抵抗１１２，１１３と、コンデンサ１１４と、抵抗１１５及び半導体スイッチング素子１１６の直列回路と、から構成されている。
抵抗１１５と半導体スイッチング素子１１６との直列回路には直流中間コンデンサ１１７が並列に接続され、このコンデンサ１１７の両端には、以下に述べる直流−直流変換回路２００が接続されている。

すなわち、直流−直流変換回路２００は、コンデンサ１１７の両端に接続された半導体スイッチング素子２０１〜２０４からなるフルブリッジ回路と、その交流端子間に直列接続されたトランス２０５の１次巻線２０５ａ及び共振コンデンサ２０６と、トランス２０５の２次巻線２０５ｂの両端に接続されたダイオード整流回路２０８と、その出力端子間に直列に接続されたコンデンサ２１０及びシャント抵抗（非絶縁型電流検出器）２０９ａと、コンデンサ２１０の両端に接続された抵抗２１１と半導体スイッチング素子２１２とシャント抵抗（非絶縁型電流検出器）２０９ｂとの直列回路と、抵抗２１１と半導体スイッチング素子２１２との直列回路の両端に接続されたリアクトル２１３，２１５及びコンデンサ２１４，２１６からなる直流フィルタと、を備えており、コンデンサ２１６の両端に接続された一対の出力端子２１７が、バッテリ（図示せず）に接続されるようになっている。
ここで、トランス２０５は、１次側の電圧を昇圧して２次側に供給するように機能している。

力率改善回路１００側には、入力電圧検出手段４０１、入力電流検出手段４０２、バルク電圧検出手段４０３、過電流検出手段４０４、過電圧検出手段４０５が設けられ、これらの検出手段による検出信号が制御回路３００に入力されている。なお、各検出手段４０１〜４０５はハードウェアまたはソフトウェアによって構成されている。
制御回路３００にはリレー駆動回路４０６、ゲート駆動回路４０７、放電制御回路４０８が接続され、これらの回路から出力される駆動信号または制御信号によって、リレー１０４及びスイッチング素子１１０，１１１，１１６がそれぞれ動作するようになっている。

力率改善回路１００は、入力電圧検出手段４０１及び入力電流検出手段４０２による検出値に基づいて入力力率が１になるように制御回路３００がゲート駆動回路４０７を介してスイッチング素子１１０，１１１を制御するものであるが、その構成及び動作は本発明の要旨ではないため、詳細な説明を省略する。

一方、直流−直流変換回路２００側には、ゲート駆動回路６０１、１次側電流検出手段６０２、２次側電流検出手段６０３、出力電圧検出手段６０４が設けられている。これらの検出手段６０２〜６０４も、ハードウェアまたはソフトウェアによって構成されている。
各検出手段６０２，６０３の出力信号及びダイオード整流回路２０８の出力電圧は、制御回路５００の出力信号（ＰＷＭパルス）と共に異常検出回路６０５に入力され、異常検出回路６０５の出力信号は、出力電圧検出手段６０４による検出信号と共に制御回路５００に入力されている。また、制御回路５００にはスイッチング素子２１２を制御するための放電制御回路６０６が接続されていると共に、力率改善回路１００側の制御回路３００から起動回路６０７を介して送られる起動信号が入力されている。

更に、１次側電流検出手段６０２には、トランス２０５の１次巻線２０５ａに設けられた変流器（絶縁型電流センサ）２０７の出力信号が入力され、２次側電流検出手段６０３には、ダイオード整流回路２０８の負側線路に設けられたシャント抵抗（非絶縁型電流センサ）２０９ａ，２０９ｂの出力信号が入力されている。
ここで、変流器２０７及び１次側電流検出手段６０２は、請求項における第１の電流検出手段を構成し、シャント抵抗２０９ａ，２０９ｂ及び２次側電流検出手段６０３は、請求項における第２の電流検出手段を構成している。

なお、変流器２０７は、本来的にトランス２０５の１次側電流が所定範囲内であるか否かを判定するために設けられており、また、シャント抵抗２０９ａは、トランス２０５の２次側電流（負荷電流）が指令値に一致するか否かを判定するために設けられている。更に、シャント抵抗２０９ｂは、一定電圧に充電されたコンデンサ２１０をスイッチング素子２１２のオンにより放電させた時の放電電流を検出し、主としてコンデンサ２１０の異常を検出するために設けられている。

いま、直流−直流変換回路２００の入力電圧（コンデンサ１１７の電圧）が一定の状態でスイッチング素子２０１〜２０４を所定の周波数でスイッチングし、出力端子２１７を流れる負荷電流が一定である場合（この状態を定常状態とする）、トランス２０５の１次巻線２０５ａを流れる電流と、トランス２０５の２次巻線２０５ｂを介してダイオード整流回路２０８の負側線路に流れる電流との間には、トランス２０５の巻数比に応じた一定の相関関係がある。なお、このとき、スイッチング素子２１２はオフ状態にある。

上記定常状態において、１次側電流検出手段６０２による電流検出値と２次側電流検出手段６０３による電流検出値との間の相関値（例えば、二つの電流検出値の差や比率）は一定になるはずであるから、異常検出回路６０５は、各検出手段６０２，６０３による電流検出値に基づいて演算した相関値が所定の閾値を超える場合には、第１の電流検出手段（変流器２０７、１次側電流検出手段６０２）、または、第２の電流検出手段（シャント抵抗２０９ａまたは２０９ｂ、２次側電流検出手段６０３）に異常があると判定することができる。

このように、異常検出回路６０５が第１または第２の電流検出手段の異常を検出した場合には、制御回路５００によってアラームを出力し、あるいは、制御回路５００，３００及びリレー駆動回路４０６を介してリレー１０４を開放することにより、装置の保護動作を行えば良い。または、制御回路５００によりゲート駆動回路６０１を制御して、スイッチング素子２０１〜２０４を全てオフしても良い。

なお、ダイオード整流回路２０８の負側線路に互いに直列接続されたシャント抵抗２０９ａ，２０９ｂは、前述した図２（特許文献１）における電流センサ８ａ，８ｂのように、両者の電流検出値に基づいて何れか一方の異常を検出するために二重化されているものではない。
前述したように、図１のシャント抵抗２０９ｂは主としてコンデンサ２１０の異常をその放電電流から検出するために設けられている。つまり、コンデンサ２１０の充電電圧が既知であれば、スイッチング素子２１２のオンによって抵抗２１１とシャント抵抗２０９ｂとの直列回路を流れる電流は予め演算可能であるから、その演算値と、スイッチング素子２１２のオン時（コンデンサ２１０の放電時）におけるシャント抵抗２０９ｂの実際の電流検出値とを比較することで、異常検出回路６０５がコンデンサ２１０の正常、異常を判定することができる。

このとき、コンデンサ２１０が正常であると判定されれば、シャント抵抗２０９ｂも正常であると判定することが可能である。その場合、異常検出回路６０５が、１次側電流検出手段６０２による電流検出値と、スイッチング素子２１２をオフした時の２次側電流検出手段６０３によるシャント抵抗２０９ｂの電流検出値との相関値を演算し、その相関値が所定の閾値を超えている場合には、第１の電流検出手段（変流器２０７、１次側電流検出回路６０２）の異常、または、第２の電流検出手段のうち２次側電流検出手段６０３の異常と判定することもできる。

以上のように、この実施形態によれば、充電装置を制御するためにトランスの１次側，２次側に元々設けられている電流センサとしての変流器２０７やシャント抵抗２０９ａを用いて、これらの電流センサを含む電流検出手段の異常を判定することが可能であり、電流センサを冗長化することなく低コストにて装置の信頼性を確認することができる。

１００：力率改善回路
１０１：交流電源
１０２：雷サージ対策回路
１０３：入力フィルタ回路
１０４：リレー
１０５：リアクトル
１０６，１０８：ダイオード
１０７，１０９：還流ダイオード
１１０，１１１，１１６：半導体スイッチング素子
１１２，１１３：シャント抵抗
１１４，１１７：コンデンサ
１１５：抵抗
２００：直流−直流変換回路
２０１，２０２，２０３，２０４，２１２：半導体スイッチング素子
２０５：トランス
２０５ａ：１次巻線
２０５ｂ：２次巻線
２０６：コンデンサ
２０７：変流器
２０８：ダイオード整流器
２０９ａ，２０９ｂ：シャント抵抗
２１０：コンデンサ
２１１：抵抗
２１３，２１５：リアクトル
２１４，２１６：コンデンサ
２１７：出力端子
３００，５００：制御回路
４０１：入力電圧検出手段
４０２：入力電流検出手段
４０３：バルク電圧検出手段
４０４：過電流検出手段
４０５：過電圧検出手段
４０６：リレー駆動回路
４０７：ゲート駆動回路
４０８：放電制御回路
６０１：ゲート駆動回路
６０２：１次側電流検出手段
６０３：２次側電流検出手段
６０４：出力電圧検出手段
６０５：異常検出回路
６０６：放電制御回路
６０７：起動回路

このとき、コンデンサ２１０が正常であると判定されれば、シャント抵抗２０９ｂも正常であると判定することが可能である。その場合、異常検出回路６０５が、１次側電流検出手段６０２による電流検出値と、スイッチング素子２１２をオフした時の２次側電流検出手段６０３によるシャント抵抗２０９ｂの電流検出値との相関値を演算し、その相関値が所定の閾値を超えている場合には、第１の電流検出手段（変流器２０７、１次側電流検出手段６０２）の異常、または、第２の電流検出手段のうち２次側電流検出手段６０３の異常と判定することもできる。

Claims

交流電源電圧を整流して得た直流電圧を交流電圧に変換し、この交流電圧をトランス及び整流回路を介し直流電圧に変換してバッテリに供給する車載型充電装置であって、
前記トランスの１次側電流を検出する第１の電流検出手段と、
前記トランスの２次側電流を検出する第２の電流検出手段と、
前記第１の電流検出手段または前記第２の電流検出手段の出力から異常を検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段の出力により所定の保護動作を行う制御手段と、
を備えた車載型充電装置において、
前記異常検出手段は、
前記１次側電流と前記２次側電流との相関値が所定の閾値を超えたときに前記第１の電流検出手段または前記第２の電流検出手段の異常を検出することを特徴とする車載型充電装置。
請求項１に記載した車載型充電装置において、
前記相関値が、前記１次側電流と前記２次側電流との差であることを特徴とする車載型充電装置。
請求項１に記載した車載型充電装置において、
前記相関値が、前記１次側電流と前記２次側電流との比率であることを特徴とする車載型充電装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載した車載型充電装置において、
前記第１の電流検出手段が、前記１次側電流を検出する絶縁型電流センサを含むことを特徴とする車載型充電装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載した車載型充電装置において、
前記第２の電流検出手段が、前記２次側電流を検出する非絶縁型電流センサを含むことを特徴とする車載型充電装置。