WO2020246415A1 - 車載電源システム - Google Patents

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WO2020246415A1
WO2020246415A1 PCT/JP2020/021550 JP2020021550W WO2020246415A1 WO 2020246415 A1 WO2020246415 A1 WO 2020246415A1 JP 2020021550 W JP2020021550 W JP 2020021550W WO 2020246415 A1 WO2020246415 A1 WO 2020246415A1
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voltage
switch
control unit
conversion circuit
low
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Inventor
田中　秀樹
毅 中屋敷
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H02M3/1582—Buck-boost converters

Definitions

  • the present invention relates to an in-vehicle power supply system used in various vehicles.
  • FIG. 3 is a circuit block diagram of a conventional vehicle-mounted power supply device 1.
  • the vehicle-mounted power supply device 1 has a converter 2, an input unit 3 of the vehicle-mounted power supply device 1 is connected to a battery 4, and an output unit 5 is connected to a battery 6. It is connected.
  • the control unit 7 is provided in the vehicle-mounted power supply device 1, and the control unit 7 detects the current and voltage of the input unit 3 and the output unit 5 and controls the operation of the converter 2 according to these detected values.
  • the control unit 7 determines that a failure has occurred in the in-vehicle power supply device 1, and is provided between the output unit 5 and the battery 6.
  • the switch 8 is shut off, and a warning signal is issued to the outside of the vehicle-mounted power supply device 1.
  • Patent Document 1 A conventional in-vehicle power supply device similar to the in-vehicle power supply device 1 is disclosed in, for example, Patent Document 1.
  • the in-vehicle power supply device includes a high-voltage DC power supply, a low-voltage storage battery, a DCDC converter, and a control unit.
  • the DCDC converter includes a conversion circuit having a high voltage end and a low voltage end, an input switch connected between the high voltage end and the high voltage DC power supply, and an output switch connected between the low voltage end and the low voltage storage battery.
  • the control unit detects that the current flowing through the conversion circuit exceeds the predetermined current threshold value or the charging voltage of the low voltage storage battery exceeds the predetermined voltage threshold value, the control unit stops the power conversion operation of the conversion circuit and turns on the input switch.
  • the control unit executes the failure determination of the DCDC converter in the cutoff state and after instructing the output switch to be in the cutoff state.
  • the control unit executes the first determination operation of performing the output short-circuit failure determination, the output open failure determination, and the input short-circuit failure determination.
  • the control unit executes a second determination operation for determining whether or not the conversion circuit has failed.
  • the control unit executes a third determination operation of performing an input open failure determination for determining whether or not the input switch has failed.
  • This in-vehicle power supply device can easily determine the location of failure.
  • FIG. 1 is a circuit block diagram of an in-vehicle power supply system according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a circuit block diagram of an in-vehicle power supply system according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a circuit block diagram of a conventional in-vehicle power supply device.
  • FIG. 1 is a circuit block diagram of the vehicle-mounted power supply system 11 according to the embodiment.
  • the in-vehicle power supply system 11 includes a high-voltage DC power supply 12, a low-voltage storage battery 13, a DCDC converter 14, and a control unit 15.
  • the DCDC converter 14 is connected to the high voltage DC power supply 12 and the low voltage storage battery 13 between the high voltage DC power supply 12 and the low voltage storage battery 13.
  • the DCDC converter 14 includes an input switch 16 connected in series from a high-voltage DC power supply 12 to a low-voltage storage battery 13, a conversion circuit 17 capable of bidirectional operation, and an output switch 18, and further includes a current detector. Includes 19.
  • the high-voltage end 17A of the conversion circuit 17 is connected to the input switch 16, and the low-voltage end 17B of the conversion circuit 17 is connected to the output switch 18.
  • the input switch 16 has one end connected to the high-voltage DC power supply 12 and the other end, and has a connection state for connecting between one end and the other end and a cutoff state for cutting off between one end and the other end. It is configured to be selective with and.
  • the conversion circuit 17 has a high voltage end 17A and a low voltage end 17B connected to the other end of the input switch 16, and has a boosting operation of boosting the voltage of the low voltage end 17B to obtain the voltage of the high voltage end 17A and a high voltage. Bidirectional operation is possible in which the voltage at the end 17A is stepped down to obtain the voltage at the low voltage end 17B.
  • the output switch 18 has one end connected to the low voltage end 17B of the conversion circuit 17 and the other end connected to the low voltage storage battery 13, and has a connection state connecting one end and the other end and one end. It is configured to be selectively in a cutoff state that cuts off the gap with the other end.
  • the control unit 15 monitors the current flowing through the conversion circuit 17 in the DCDC converter 14 detected by the current detector 19 and the charging voltage in the low-voltage storage battery 13. The control unit 15 further controls the operation of the DCDC converter 14 based on the values of the current flowing through the conversion circuit 17 and the charging voltage in the low-voltage storage battery 13.
  • control unit 15 When the control unit 15 detects that the current flowing through the conversion circuit 17 exceeds the predetermined current threshold value or the charging voltage of the low voltage storage battery 13 exceeds the predetermined voltage threshold value, the control unit 15 performs the power conversion operation of the conversion circuit 17. It is instructed to stop and to shut off the input switch 16 and the output switch 18. After that, the control unit 15 executes a failure determination of the DCDC converter 14.
  • the failure determination operation includes the first determination operation, the second determination operation, and the third determination operation described below.
  • the control unit 15 detects the low voltage value VL1 at the low voltage end 17B of the conversion circuit 17 while the control unit 15 instructs the output switch 18 to be in the cutoff state. Based on the low voltage value VL1, the control unit 15 determines whether the output switch 18 continues to be short-circuited and fails due to a short circuit, or whether it is in a normal state where it can be cut off. ..
  • control unit 15 instructs the output switch 18 to be connected. After that, the control unit 15 detects the low voltage value VL2 at the low voltage end 17B of the conversion circuit 17. Based on the low voltage value VL2, the control unit 15 determines whether the output switch 18 keeps shutting off, that is, keeps opening and fails due to opening, or whether it is in a normal state where it can be connected. I do.
  • control unit 15 detects the high voltage value VH1 at the high voltage end 17A of the conversion circuit 17 in a state in which the input switch 16 is instructed to be in the cutoff state.
  • the high voltage value VH1 can be obtained by detecting the voltage on the high potential side of the input capacitor 20. Based on the high voltage value VH1, the control unit 15 determines whether the input switch 16 is continuously short-circuited and is in a short-circuited failure state, or is in a normal state in which it can be cut off.
  • the control unit 15 determines that the input switch 16 has failed due to a short circuit, and the high voltage value VH1 is high. If it is lower than the voltage threshold VTH1, the control unit 15 determines that the input switch 16 is normal and has not failed.
  • the high voltage threshold VTH1 is set in the range of about 1/10 to 1/2 of the reference voltage value of the high voltage DC power supply 12, and the contact resistance of the input switch 16 when the input switch 16 fails due to a short circuit. It is set as a value that can correctly detect a failure even if a voltage drop occurs.
  • the voltage of the high-voltage end 17A by the control unit 15 is such that the control unit 15 detects the voltage of the input capacitor 20 connected to the connection point between the conversion circuit 17 and the input switch 16 and the ground GND. You may get it at.
  • an input short-circuit failure determination for determining a failure due to a short circuit of the input switch 16 is performed, and then an output short-circuit failure determination for determining a failure due to a short circuit of the output switch 18 is performed. After that, it is preferable that an output open failure determination for determining a failure due to the opening of the output switch 18 is performed. Alternatively, even if the failure determination is first performed by short-circuiting the output switch 18, then the failure determination is performed by short-circuiting the input switch 16, and then the failure determination is performed by opening the output switch 18. Good.
  • the control unit 15 instructs the switch to be connected to the failure detection operation in the subsequent failure determination operation, so that the overcurrent is energized to the switch. It can be prevented in advance. As a result, the occurrence of secondary failures associated with the failure determination is suppressed.
  • the second determination operation is performed.
  • the second determination operation is normal because the output switch 18 did not fail due to a short circuit, the open did not fail, and the input switch 16 did not fail due to a short circuit in the first determination operation performed earlier.
  • the control unit 15 determines that the control unit 15 is in a controllable state, the first determination operation is continued.
  • the control unit 15 first instructs the output switch 18 to be in the connected state.
  • the control unit 15 controls the conversion circuit 17 so as to boost the voltage at the low voltage end 17B of the conversion circuit 17. In that state, the control unit 15 detects the high voltage value VH2 at the high voltage end 17A of the conversion circuit 17.
  • the control unit 15 determines whether or not the conversion circuit 17 can normally execute the boosting operation based on the high voltage value VH2 and the conversion circuit 17 is out of order.
  • the third judgment operation is performed.
  • the third determination operation is continuously performed in the second determination operation when the control unit 15 determines that the conversion circuit 17 can execute the boosting operation and has not failed in the second determination operation previously executed.
  • the control unit 15 first controls the conversion circuit 17 so as not to boost the voltage. In that state, the control unit 15 instructs the input switch 16 to be connected. Further, the control unit 15 detects the high voltage value VH3 of the high voltage end 17A of the conversion circuit 17. Based on the high voltage value VH3, the control unit 15 determines whether the input switch 16 is in a state of failure due to opening or a normal state in which it can be connected.
  • the part causing the failure in the DCDC converter 14 can be easily and accurately identified.
  • the in-vehicle power supply system 11 it is desirable to perform a short-circuit failure determination, then perform a failure determination of the input switch 16 on the high voltage side, and then sequentially perform a failure determination on the low voltage side.
  • the second determination operation may be performed during the first determination operation.
  • FIG. 2 is a circuit block diagram of the vehicle-mounted power supply system 11 according to the embodiment.
  • the in-vehicle power supply system 11 is mounted on the vehicle body 22 of the vehicle 21.
  • the high-voltage DC power supply 12 may be composed of only a storage battery 12A such as a lithium-ion battery having a DC voltage of 48V, or may be composed of a storage battery 12A and a power generation system 23 connected in parallel to the storage battery 12A.
  • the power generation system 23 is composed of, for example, an alternator and a rectifier circuit.
  • the low-voltage storage battery 13 is a lead-acid battery having a DC voltage of, for example, 12 V, which is lower than the voltage of the high-voltage DC power supply 12, and the low-voltage storage battery 13 is driven by the power of the high-voltage DC power supply 12 during normal driving of the vehicle 21. It will be charged.
  • the DCDC converter 14 is connected between the high voltage DC power supply 12 and the low voltage storage battery 13.
  • the DCDC converter 14 includes an input switch 16 connected in series from a high-voltage DC power supply 12 to a low-voltage storage battery 13, a conversion circuit 17 capable of bidirectional operation, an output switch 18, and a current detector 19. ..
  • the input switch 16 and the output switch 18 may be semiconductor switches such as FETs (field effect transistors) and IGBTs (insulated gate bipolar transistors), or relay switches having mechanical contacts.
  • the conversion circuit 17 has a step-down operation for stepping down the high voltage of the high-voltage DC power supply 12 to the low voltage of the low-voltage storage battery 13 and a step-up operation for stepping up the low voltage of the low-voltage storage battery 13 to the high voltage of the high-voltage DC power supply 12. It is a bidirectional converter capable of both operation and operation.
  • the conversion circuit 17 has a high-side switch 24, a choke coil 25, a low-side switch 26, and a smoothing capacitor 27.
  • the high side switch 24 and the choke coil 25 are connected in series from the high voltage end 17A of the conversion circuit 17 to the low voltage end 17B in this order.
  • the low side switch 26 is connected to the connection point 17P between the high side switch 24 and the choke coil 25 and the ground GND.
  • the smoothing capacitor 27 is connected to the low voltage end 17B and the ground GND.
  • the high side switch 24 has one end connected to the other end of the input switch 16 and the other end.
  • the choke coil 25 has one end connected to the other end of the output switch 18, and the other end connected to the other end of the high side switch 24 at the connection point 17P.
  • the low side switch 26 has one end connected to the connection point 17P and the other end connected to the ground GND.
  • the high-side switch 24 and the low-side switch 26 are controlled by the control unit 15 to perform a synchronous rectification operation, so that a step-up operation and a step-down operation can be performed.
  • the resistor 28 having a high resistance value is connected to the low voltage end 17B of the conversion circuit 17 and the ground GND. That is, the resistor 28 has one end connected to the low voltage end 17B of the conversion circuit 17 and the other end connected to the ground GND.
  • the resistor 28 is mainly used for detecting the voltage at the low voltage end 17B.
  • the current detector 19 detects the current flowing through the conversion circuit 17.
  • the control unit 15 monitors the current detected by the current detector 19 and the charging voltage that is the voltage across the low-voltage storage battery 13 and charges the low-voltage storage battery 13.
  • the control unit 15 further controls the DCDC converter 14 based on the current flowing through the conversion circuit 17 and the charging voltage in the low-voltage storage battery 13. This operation of the control unit 15 is an operation when the vehicle 21 is driven, such as during normal traveling.
  • the current detector 19 is arranged at the input switch 16 of the high side switch 24 and detects the current flowing through the high side switch 24, but may be arranged so as to detect the current flowing through the low side switch 26. .. Alternatively, the current flowing through the choke coil 25 may be detected by being arranged at one end or the other end of the choke coil 25. Further, the current detectors 19 may be arranged at the plurality of locations in order to detect the plurality of currents. Here, the current detector 19 detects the current in the DCDC converter 14, but may detect the current flowing through the low-voltage storage battery 13.
  • control unit 15 When the control unit 15 detects that the current flowing through the conversion circuit 17 or the charging voltage in the low-voltage storage battery 13 exceeds a predetermined threshold value, the control unit 15 switches the input switch 16, the output switch 18, the high-side switch 24, and the low-side switch 26. Instruct to keep shutting off. As a result, at least measures are taken to ensure safety from abnormalities due to short-circuit current. After that, the control unit 15 executes a failure determination operation for determining a failure of the DCDC converter 14. The failure determination operation may be performed while the vehicle 21 is running, or immediately after the vehicle 21 is activated by the start switch.
  • the control unit 15 detects the low voltage value VL1 at the low voltage end 17B of the conversion circuit 17. Based on the low voltage value VL1, the control unit 15 determines whether the output switch 18 is in a short-circuit failure state in which the output switch 18 continues to be short-circuited and fails due to a short circuit, or whether it is in a normal state in which it can be cut off. ..
  • the control unit 15 determines that the output switch 18 is normal.
  • the low voltage threshold VTL1 is set in the range of about one tenth to one half of the reference voltage value of the low voltage storage battery 13, and when the output switch 18 is short-circuited, the voltage drop is caused by the contact resistance of the output switch 18. Set the value so that the failure can be detected correctly even if it occurs.
  • the control unit 15 detects the voltage across the output switch 18, and if the potential difference between the ends of the output switch 18 is smaller than the threshold value, the control unit 15 determines that the output switch 18 has failed due to a short circuit. If the potential difference is larger than the threshold value, the control unit 15 may determine that the output switch 18 is normal and has not failed. For example, if the output switch 18 fails due to a short circuit, the resistance between both ends of the output switch 18 is almost zero, so that the potential difference is substantially zero. If the output switch 18 is normally shut off in response to the above-mentioned instruction of the control unit 15, a potential difference occurs between the low-voltage storage battery 13 and the grounded resistor 28 at both ends of the output switch 18. Therefore, the threshold value here can be set in the range of about 0.1 V to 1.0 V.
  • the control unit 15 further instructs the output switch 18 to be in the connected state.
  • the control unit 15 detects the low voltage value VL2 at the low voltage end 17B of the conversion circuit 17. Based on the low voltage value VL2, the control unit 15 determines whether the output switch 18 is in a cutoff state, that is, whether the output switch 18 is continuously opened and fails due to opening, or whether it can be connected normally.
  • the control unit 15 determines that the output switch 18 is open and has failed, and the low voltage value.
  • VL2 is higher than the low voltage threshold voltage VTL2
  • the control unit 15 determines that the output switch 18 is normal and has not failed.
  • the low voltage threshold VTL2 is the lower limit of the normal fluctuation range of the low voltage storage battery 13, such as a value about 1 V lower than the reference value of the low voltage storage battery 13 or a value about 10% lower than the reference value of the low voltage storage battery 13.
  • the value may be set as a guide.
  • the control unit 15 detects the voltage across the output switch 18, and if the potential difference between both ends of the output switch 18 is larger than the threshold value, the control unit 15 determines that the output switch 18 is open and has failed. When the potential difference is smaller than the threshold value, the control unit 15 may determine that the output switch 18 is normal and has not failed. For example, when the output switch 18 is open and malfunctions, a potential difference is generated between the low voltage storage battery 13 and the grounded resistor 28 at both ends of the output switch 18. On the other hand, if the output switch 18 can be normally connected, the resistance between both ends of the output switch 18 is almost zero, so that no potential difference occurs and the output switch 18 is substantially zero. Therefore, the threshold value here can be set in the range of about 0.5V to 1.0V.
  • the control unit 15 further detects the high voltage value VH1 at the high voltage end 17A of the conversion circuit 17. Based on the high voltage value VH1, the control unit 15 determines whether the input switch 16 is in a connected state, that is, whether the input switch 16 continues to be short-circuited and fails due to a short circuit, or whether it is in a normal state where it can be cut off. At this time, since the conversion circuit 17 is stopped, power is not supplied to the input switch 16 from the conversion circuit 17. If the input switch 16 is normally shut off in response to the above-mentioned instruction of the control unit 15, the voltage from the high voltage DC power supply 12 through the input switch 16 is not applied to the high voltage end 17A.
  • the input short-circuit failure determination of the input switch 16 is first performed, and then the input short-circuit failure determination is performed. It is desirable that the output short-circuit failure determination of the output switch 18 is performed, and then the output open failure determination of the output switch 18 is performed. Alternatively, the output short-circuit failure determination of the output switch 18 may be first performed, then the input short-circuit failure determination of the input switch 16 may be performed, and then the output open failure determination of the output switch 18 may be performed.
  • the control unit 15 instructs the switch to be connected to the switch that detects the failure in the subsequent failure determination operation. It is possible to prevent an overcurrent from flowing. As a result, the occurrence of secondary failures associated with the failure determination is suppressed. The secondary failure is more effectively suppressed, in particular, when the input short-circuit failure determination of the input switch 16 is executed first before the output short-circuit failure determination of the output switch 18.
  • the control unit 15 In the first determination operation, the above-mentioned input short-circuit failure determination, output short-circuit failure determination, and output release failure determination are performed by the control unit 15, and the input switch 16 is used in the input short-circuit failure determination, output short-circuit failure determination, and output open failure determination.
  • the control unit 15 executes the second determination operation described later. Further, when it is determined that either the input switch 16 or the output switch 18 is out of order in these determinations, it is determined that the DCDC converter 14 is out of order, and the failed switch is identified. The control unit 15 keeps the DCDC converter 14 stopped. Further, the control unit 15 transmits a warning signal notifying the failure to the vehicle control unit arranged on the vehicle body 22.
  • the control unit 15 is instructed to shut off the low side switch 26. Then, in the limited short period PT1, the output switch 18 determined to be normal in the first determination operation is put into the connected state, and is put into the cutoff state after the elapse of the period PT1.
  • the low-side switch 26 can be normally cut off in response to the instruction from the control unit 15, the voltage charged to the smoothing capacitor 27 in the period PT1 is further cut off by the output switch 18 after the period PT1 ends. It is continuously maintained even after the period PT2 has elapsed.
  • the low-side switch 26 cannot be normally shut off in response to the instruction from the control unit 15 and fails due to a short circuit, the period after the period PT1 is completed and the low-side switch 26 is further instructed to be shut off. After PT2 has elapsed, the voltage charged to the smoothing capacitor 27 during the period PT1 becomes almost zero because it is discharged to the ground GND through the short-circuited low-side switch 26.
  • the control unit 15 shuts off the output switch 18.
  • the control unit 15 detects the state of charge of the smoothing capacitor 27 after the period PT2 has elapsed from the interruption of the output switch 18 by the voltage across the resistor 28. If this voltage is lower than the predetermined voltage, the control unit 15 determines that the low-side switch 26 has failed due to a short circuit, and if this voltage is equal to or higher than the predetermined voltage, it controls that the low-side switch 26 has not failed due to a short circuit. Unit 15 can determine.
  • the second judgment operation is performed after the first judgment operation.
  • the control unit 15 determines that the output switch 18 has not failed even if it is short-circuited or opened, and the control unit 15 can normally control the output switch 18, and the input switch.
  • the control unit 15 executes the second determination operation following the first determination operation.
  • the control unit 15 first instructs the output switch 18 to be connected. Further, the control unit 15 instructs a conversion circuit 17 that performs a boosting operation that boosts the voltage at the low voltage end 17B of the conversion circuit 17 and outputs the voltage to the high voltage end 17A. Then, the control unit 15 detects the high voltage value VH2 that appears at the high voltage end 17A of the conversion circuit 17 and is obtained by the boosting operation. The high voltage value VH2 can be obtained by detecting the voltage on the high potential side of the input capacitor 20. The control unit 15 determines whether or not the conversion circuit 17 can normally perform the boosting operation based on the high voltage value VH2 and the conversion circuit 17 is out of order.
  • the high voltage threshold value VTH2 is set to a value about 1 V higher than the reference value of the high voltage DC power supply 12 or a value about 10% higher than the reference value of the high voltage DC power supply 12.
  • the control unit 15 executes the determination operation described later.
  • the control unit 15 determines that the DCDC converter 14 is defective, and the failed portion is identified as the conversion circuit 17. Further, the control unit 15 transmits a warning signal regarding the failure to the vehicle control unit arranged on the vehicle body 22.
  • the control unit 15 is in the connected state of the output switch 18.
  • the high-side switch 24 of the conversion circuit 17 is a MOSFET having a parasitic diode capable of constantly energizing from the output switch 18 to the input switch 16, or from the output switch 18 in parallel with the high-side switch 24.
  • the high side diode 24A that can always be energized in the direction of the input switch 16 is provided, when the output switch 18 is connected, a large current flows from the low voltage storage battery 13 to the input capacitor 20 in a short time.
  • control unit 15 before the control unit 15 continuously connects the output switch 18 in the second determination operation, the control unit 15 operates the output switch 18 as a switching element of the step-down switching converter to obtain the voltage of the input capacitor 20.
  • the input capacitor 20 may be charged so that is a predetermined value.
  • the high-side switch 24 connected to the input switch 16 is connected in series with the choke coil 25 connected to the output switch 18.
  • the low side switch 26 is connected to the connection point 17P between the high side switch 24 and the choke coil 25 and the ground.
  • a high-side diode 24A having a cathode connected to the input switch 16 is connected in parallel to the high-side switch 24.
  • the cathode of the converter diode 29 is connected to the low voltage end 17B of the conversion circuit 17, and the anode is connected to the ground GND.
  • the input capacitor 20 is connected to the high voltage end 17A of the conversion circuit 17 and the ground GND.
  • the control unit 15 executes the second determination operation.
  • the control unit 15 drives the output switch 18 with a PWM signal or the like to periodically turn it on and off to perform switching control, thereby converting the choke coil 25, the converter diode 29, and the output switch 18 into a buck converter. Operate as. By this converter operation, a voltage lower than the voltage of the low voltage end 17B is generated at the connection point 17P, and the control unit 15 charges the input capacitor 20 via the high side diode 24A until the voltage across the input capacitor 20 reaches a predetermined value. To do. After that, the control unit 15 ends the converter operation and ends the charging of the input capacitor 20.
  • control unit 15 instructs the output switch 18 to be continuously connected, and further, the control unit 15 instructs the conversion circuit 17 to perform a boosting operation to boost the voltage at the low voltage end 17B.
  • the high voltage value VH2 at the high voltage end 17A of the conversion circuit 17 is detected, and it is determined whether or not the conversion circuit 17 has failed based on the high voltage value VH2.
  • the determination of the failure of the conversion circuit 17 based on the high voltage value VH2 is the same as the second determination operation, and the description thereof will be omitted.
  • the output switch 18 uses a semiconductor switch such as an FET (field effect transistor) or an IGBT (insulated gate bipolar transistor), so that the control unit 15 controls the switching operation.
  • the control unit 15 performs the third determination operation after the second determination operation.
  • the control unit 15 determines that the conversion circuit 17 is capable of boosting operation and has not failed, the control unit 15 continues to the second determination operation.
  • the third determination operation is executed.
  • control unit 15 first instructs not to boost the conversion circuit 17.
  • control unit 15 instructs the input switch 16 which has been instructed to be in the cutoff state to be connected. After that, the control unit 15 detects the high voltage value VH3 at the high voltage end 17A of the conversion circuit 17.
  • the high voltage value VH3 can be obtained by detecting the voltage on the high potential side of the input capacitor 20. Based on the high voltage value VH3, the control unit 15 determines whether the input switch 16 continues to be open and fails due to opening, or whether the input switch 16 is in a state where it can be connected normally.
  • the conversion circuit 17 is stopped, and power is not supplied to the input switch 16 from the conversion circuit 17. Then, if the input switch 16 can be normally connected according to the instruction of the control unit 15, the voltage from the high voltage DC power supply 12 through the input switch 16 is applied to the high voltage end 17A in the connected state. Will be done. Therefore, when the high voltage value VH3 of the high voltage end 17A of the conversion circuit 17 is lower than the high voltage threshold value VTH3, the control unit 15 determines that the output switch 18 is open and has failed, and the high voltage value VH3 is the high voltage threshold value. If it is higher than VTH3, the control unit 15 determines that the input switch 16 is normal and has not failed.
  • the high voltage threshold value VTH3 is set using the lower limit of the normal fluctuation range of the high voltage DC power supply 12, such as a value about 10% lower than the reference voltage value of the high voltage DC power supply 12, as a guide.
  • the control unit 15 detects the voltage of the high-voltage end 17A of the conversion circuit 17 by the control unit 15 and the voltage of the input capacitor 20 connected to the high-voltage end 17A of the conversion circuit 17 and the ground GND. You may get it by doing.
  • the control unit 15 determines whether or not the input switch 16 is open and malfunctioning. If it is determined that the input switch 16 is normal without failure, all determinations are terminated. Further, when it is determined that the input switch 16 is open and failed, the control unit 15 determines that the DCDC converter 14 is failed, causes the DCDC converter 14 to continue in the stopped state, and inputs the failed part. Identify as switch 16. Further, the control unit 15 transmits a warning signal regarding the failure to the vehicle control unit arranged on the vehicle body 22.
  • the failure is determined from the input switch 16 on the high voltage side, and the determination is sequentially advanced to the low voltage side.
  • the voltage is transferred to the conversion circuit 17 and the output switch 18. Not applied.
  • the conversion circuit 17 and the input switch 16 are determined to be normal before that.
  • the voltage can be appropriately set for the conversion circuit 17 and the output switch 18 especially during the failure determination operation for the output switch 18, so that it is possible to prevent the induction of a secondary failure.
  • the withstand voltage of the output switch 18 does not need to be increased in consideration of failure determination.
  • the input switch 16 when the input switch 16 is composed of a semiconductor switch, it is desirable that the input switch 16 has two semiconductor switches connected in series so that the parasitic diodes are in opposite directions.
  • In-vehicle power supply system 12 High-voltage DC power supply 12A Storage battery 13 Low-voltage storage battery 14 DCDC converter 15 Control unit 16 Input switch 17 Conversion circuit 17A High-voltage end 17B Low-voltage end 18 Output switch 19 Current detector 20 Input capacitor 21 Vehicle 22 Body 23 Power generation system 24 High-side switch 24A High-side diode 25 Chalk coil 26 Low-side switch 27 Smoothing capacitor 28 Resistance 29 Converter diode

Abstract

車載電源装置は、高電圧直流電源と低電圧蓄電池とＤＣＤＣコンバータと制御部とを備える。ＤＣＤＣコンバータは、変換回路と入力スイッチと出力スイッチとを有する。制御部は、変換回路を流れる電流が所定電流閾値を超えた又は低電圧蓄電池の充電電圧が所定電圧閾値を超えたと検知した場合、変換回路の電力変換動作を停止させ、入力スイッチ、出力スイッチを遮断状態とするよう指示した後でＤＣＤＣコンバータの故障判定を実行する。制御部は、出力短絡故障判定と出力開放故障判定と入力短絡故障判定とを行う第１判定動作を実行し、第１判定動作で出力スイッチが故障していないと判定された場合、変換回路が故障しているか否かを判定する第２判定動作を実行し、第２判定動作で変換回路が故障していないと判定された場合、入力スイッチが故障しているか否かを判定する第３判定動作を実行する。この車載電源装置は故障個所を容易に判定することができる。

Description

車載電源システム
　本発明は、各種車両に使用される車載電源システムに関する。
　図３は従来の車載電源装置１の回路ブロック図であり、車載電源装置１はコンバータ２を有し、車載電源装置１の入力部３はバッテリー４に接続され、また出力部５はバッテリー６に接続されている。制御部７が車載電源装置１に設けられ、制御部７は入力部３や出力部５の電流や電圧を検出し、これらの検出した値に応じてコンバータ２の動作を制御する。
　制御部７は、入力部３や出力部５で電流や電圧の異常値を検出すると車載電源装置１に故障が発生したことを判定して、出力部５とバッテリー６との間に設けられたスイッチ８を遮断し、車載電源装置１の外部へ警告信号を発する。
　車載電源装置１に類似する従来の車載電源装置は、例えば特許文献１に開示されている。
特開２００７－２０２２９０号公報
　車載電源装置は、高電圧直流電源と低電圧蓄電池とＤＣＤＣコンバータと制御部とを備える。ＤＣＤＣコンバータは、高圧端と低圧端とを有する変換回路と、高圧端と高電圧直流電源との間に接続された入力スイッチと、低圧端と低電圧蓄電池との間に接続された出力スイッチとを有する。制御部は、変換回路を流れる電流が所定電流閾値を超えたもしくは低電圧蓄電池の充電電圧が所定電圧閾値を超えたと検知した場合に、変換回路の電力変換動作を停止させ、かつ、入力スイッチを遮断状態として、かつ出力スイッチを遮断状態とするよう指示した後でＤＣＤＣコンバータの故障判定を実行するように構成されている。制御部は、故障判定において、出力短絡故障判定と出力開放故障判定と入力短絡故障判定とを行う第１判定動作を実行する。制御部は、第１判定動作において出力スイッチが故障していないと判定された場合に、変換回路が故障しているか否かを判定する第２判定動作を実行する。制御部は、第２判定動作において変換回路が故障していないと判定された場合に、入力スイッチが故障しているか否かを判定する入力開放故障判定を行う第３判定動作を実行する。
　この車載電源装置は故障個所を容易に判定することができる。
図１は実施の形態における車載電源システムの回路ブロック図である。 図２は実施の形態における車載電源システムの回路ブロック図である。 図３は従来の車載電源装置の回路ブロック図である。
　図１は実施の形態における車載電源システム１１の回路ブロック図である。車載電源システム１１は、高電圧直流電源１２と、低電圧蓄電池１３と、ＤＣＤＣコンバータ１４と、制御部１５と、を含む。
　ＤＣＤＣコンバータ１４は、高電圧直流電源１２と低電圧蓄電池１３との間に高電圧直流電源１２と低電圧蓄電池１３に接続されている。ＤＣＤＣコンバータ１４は、高電圧直流電源１２から低電圧蓄電池１３へと順に直列で接続された入力スイッチ１６と、双方向動作が可能な変換回路１７と、出力スイッチ１８とを含み、さらに電流検出器１９を含む。変換回路１７の高圧端１７Ａは入力スイッチ１６に接続されており、変換回路１７の低圧端１７Ｂは出力スイッチ１８に接続されている。
　入力スイッチ１６は、高電圧直流電源１２に接続された一端と、他端とを有し、一端と他端との間を接続する接続状態と、一端と他端との間を遮断する遮断状態とに選択的になるよう構成されている。変換回路１７は、入力スイッチ１６の上記他端に接続された高圧端１７Ａと、低圧端１７Ｂとを有し、低圧端１７Ｂの電圧を昇圧して高圧端１７Ａの電圧を得る昇圧動作と、高圧端１７Ａの電圧を降圧して低圧端１７Ｂの電圧を得る降圧動作とを行う双方向動作が可能である。出力スイッチ１８は、変換回路１７の低圧端１７Ｂに接続された一端と、低電圧蓄電池１３に接続された他端とを有し、一端と他端との間を接続する接続状態と、一端と他端との間を遮断する遮断状態とに選択的になるよう構成されている。
　制御部１５は、電流検出器１９で検出されるＤＣＤＣコンバータ１４における変換回路１７を流れる電流と、低電圧蓄電池１３における充電電圧とを監視する。制御部１５はさらに、変換回路１７を流れる電流と低電圧蓄電池１３における充電電圧との値に基づいてＤＣＤＣコンバータ１４の動作を制御する。
　変換回路１７を流れる電流が所定電流閾値を超えた、もしくは低電圧蓄電池１３の充電電圧が所定電圧閾値を超えたと制御部１５が検知した場合に、制御部１５は変換回路１７の電力変換動作を停止させ、かつ、入力スイッチ１６と出力スイッチ１８とを遮断状態とするよう指示する。その後、制御部１５はＤＣＤＣコンバータ１４の故障判定を実行する。
　故障判定の動作は、以下で説明する第１判定動作と第２判定動作と第３判定動作とを含む。
　最初に第１判定動作が実行される。第１判定動作では、制御部１５は出力スイッチ１８が遮断状態となるよう制御部１５が指示している状態で、変換回路１７の低圧端１７Ｂの低電圧値ＶＬ１を検出する。制御部１５は、低電圧値ＶＬ１に基づいて、出力スイッチ１８が短絡し続けて短絡で故障しているか、遮断可能である正常な状態となっているか否かを判定する出力短絡故障判定を行う。
　さらに制御部１５は、出力スイッチ１８を接続状態にするように指示する。そのあとで、制御部１５は変換回路１７の低圧端１７Ｂの低電圧値ＶＬ２を検出する。制御部１５は低電圧値ＶＬ２に基づいて、出力スイッチ１８が遮断し続けすなわち開放し続けて開放で故障しているのか、あるいは接続可能な正常な状態となっているかを判定する出力開放故障判定を行う。
　さらに制御部１５は入力スイッチ１６が遮断状態となるよう指示した状態で、変換回路１７の高圧端１７Ａの高電圧値ＶＨ１を検出する。高電圧値ＶＨ１は、入力コンデンサ２０の高電位側の電圧を検出して得ることができる。制御部１５は高電圧値ＶＨ１に基づいて入力スイッチ１６が短絡し続けて短絡で故障状態であるか、あるいは遮断可能な正常な状態となっているかの短絡故障判定を行う。
　このとき、変換回路１７は停止状態であるので、変換回路１７の高圧端１７Ａには変換回路１７から電力は供給されない。入力スイッチ１６を正常に遮断することが可能な状態であれば、遮断時に変換回路１７の高圧端１７Ａには高電圧直流電源１２から入力スイッチ１６を通じての電圧は印加されない。したがって、変換回路１７の高圧端１７Ａに生じる高電圧値ＶＨ１が、高電圧閾値ＶＴＨ１よりも高い場合は入力スイッチ１６が短絡で故障していると制御部１５は判定し、高電圧値ＶＨ１が高電圧閾値ＶＴＨ１よりも低い場合は入力スイッチ１６が故障しておらず正常であると制御部１５は判定する。例えば、高電圧閾値ＶＴＨ１は高電圧直流電源１２の基準電圧値の１０分の１から２分の１程度まで範囲で設定し、入力スイッチ１６が短絡で故障している時に入力スイッチ１６の接触抵抗によって電圧降下が生じても正しく故障を検出可能な値として設定される。先に述べたように、制御部１５による高圧端１７Ａの電圧は、変換回路１７と入力スイッチ１６との接続点とグランドＧＮＤとに接続された入力コンデンサ２０の電圧を制御部１５が検出することで得てもよい。
　第１判定動作においては、最初に入力スイッチ１６の短絡での故障を判定する入力短絡故障判定が実施されて、その後、出力スイッチ１８の短絡での故障を判定する出力短絡故障判定が実施されて、その後、出力スイッチ１８の開放での故障を判定する出力開放故障判定が実施されることが好ましい。もしくは、最初に出力スイッチ１８の短絡での故障判定が実施されて、その後、入力スイッチ１６の短絡での故障判定が実施されて、その後、出力スイッチ１８の開放での故障判定が実施されてもよい。
　短絡での故障判定が開放での故障判定より前に実施されることによって、以後の故障判定動作において制御部１５が故障検出するスイッチに接続を指示することによるそのスイッチへの過電流の通電が未然に防止できる。これにより故障判定に伴う二次的な故障の発生は抑制される。
　次に、第２判定動作が行われる。第２判定動作は、先に実施した第１判定動作において出力スイッチ１８が短絡で故障しておらず、開放で故障しておらず、かつ、入力スイッチ１６が短絡で故障しておらず、正常に制御部１５による制御が可能な状態であると制御部１５が判定した場合に、第１判定動作に継続して行われる。第２判定動作では、まず制御部１５が出力スイッチ１８を接続状態にするよう指示する。さらに制御部１５は、変換回路１７の低圧端１７Ｂの電圧を昇圧させるように変換回路１７を制御する。その状態で、制御部１５は変換回路１７の高圧端１７Ａの高電圧値ＶＨ２を検出する。制御部１５は高電圧値ＶＨ２に基づいて変換回路１７が正常に昇圧動作を実行可能で変換回路１７が故障しているか否かを判定する。
　次に第３判定動作が行われる。第３判定動作は、先に実施した第２判定動作において変換回路１７が昇圧動作を実行可能で故障していないと制御部１５が判定した場合に、第２判定動作に継続して行われる。第３判定動作では、まず制御部１５が変換回路１７を昇圧動作させない状態に制御する。その状態で制御部１５は、入力スイッチ１６を接続状態にするように指示する。さらに、制御部１５は変換回路１７の高圧端１７Ａの高電圧値ＶＨ３を検出する。制御部１５は高電圧値ＶＨ３に基づいて、入力スイッチ１６が開放で故障している状態であるか、あるいは接続可能な正常な状態であるかの入力開放故障判定を行う。
　以上の構成および動作により、ＤＣＤＣコンバータ１４において故障の原因となっている部分を容易にかつ正確に特定できる。
　図３に示す従来の車載電源装置１では、車載電源装置１に故障が発生したことを判定できるものの、コンバータ２内部で故障が発生している部分を特定できない。
　また、車載電源システム１１では、短絡故障判定を行ったうえで、高電圧側である入力スイッチ１６の故障判定を行い、その後低電圧側へと故障判定を順次行うことが望ましい。言い換えると第１判定動作の途中に第２判定動作を実施しても構わない。これにより、変換回路１７で短絡故障が生じていても高電圧側から低電圧側へと進められる故障判定の際に変換回路１７や出力スイッチ１８へ電圧は印加されない。いいかえると、低電圧側の開放故障判定が行われる場合には、その前に変換回路１７が短絡で故障していないことと入力スイッチ１６が正常であり故障していないと判定されている。これにより、特に出力スイッチ１８の故障の判定の際には、変換回路１７や入力スイッチ１６から電力が供給されないようにすることが可能である。このため二次的な故障を誘発することを防止することができる。したがって、出力スイッチ１８の耐電圧は故障判定を考慮して高くする必要はない。
　以下で、車載電源システム１１の構成および動作についての詳細の説明を行う。図２は実施の形態における車載電源システム１１の回路ブロック図である。車載電源システム１１は車両２１の車体２２に搭載されている。
　高電圧直流電源１２は例えば４８Ｖの直流電圧のリチウムイオン電池などの蓄電池１２Ａのみで構成されていても、蓄電池１２Ａと蓄電池１２Ａに並列に接続された発電システム２３とによって構成されていてもよい。発電システム２３は、例えば交流発電機と整流回路とによって構成されている。低電圧蓄電池１３は、高電圧直流電源１２の電圧より低い例えば１２Ｖの直流電圧の鉛蓄電池であり、車両２１の通常走行時などの駆動時には、高電圧直流電源１２の電力によって低電圧蓄電池１３が充電される。
　先にも述べたように、ＤＣＤＣコンバータ１４は、高電圧直流電源１２と低電圧蓄電池１３との間に接続されている。
　ＤＣＤＣコンバータ１４は、高電圧直流電源１２から低電圧蓄電池１３へと順に直列で接続された入力スイッチ１６と双方向動作が可能な変換回路１７と出力スイッチ１８と、さらに電流検出器１９とを含む。
　入力スイッチ１６および出力スイッチ１８はＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの半導体スイッチであっても機械的接点を有したリレー式スイッチであってもよい。また、変換回路１７は、高電圧直流電源１２の高電圧を低電圧蓄電池１３の低電圧に降圧する降圧動作と、低電圧蓄電池１３の低電圧を高電圧直流電源１２の高電圧に昇圧する昇圧動作との双方の動作が可能な双方向コンバータである。
　変換回路１７は、ハイサイドスイッチ２４とチョークコイル２５とローサイドスイッチ２６と平滑コンデンサ２７とを有する。変換回路１７の高圧端１７Ａから低圧端１７Ｂへとハイサイドスイッチ２４とチョークコイル２５とがこの順で直列に接続されている。また、ローサイドスイッチ２６は、ハイサイドスイッチ２４とチョークコイル２５との接続点１７ＰとグランドＧＮＤとに接続されている。さらに、平滑コンデンサ２７は低圧端１７ＢとグランドＧＮＤとに接続されている。
　このように、ハイサイドスイッチ２４は、入力スイッチ１６の上記他端に接続された一端と、他端とを有する。チョークコイル２５は、出力スイッチ１８の上記他端に接続された一端と、ハイサイドスイッチ２４の上記他端と接続点１７Ｐで接続された他端とを有する。ローサイドスイッチ２６は、接続点１７Ｐに接続された一端と、グランドＧＮＤに接続された他端とを有する。
　ハイサイドスイッチ２４とローサイドスイッチ２６は制御部１５によって同期整流動作を行うように制御されることによって、昇圧動作と降圧動作とを行うことができる。
　高い抵抗値を有する抵抗２８は変換回路１７の低圧端１７ＢとグランドＧＮＤとに接続されている。すなわち、抵抗２８は、変換回路１７の低圧端１７Ｂに接続された一端と、グランドＧＮＤとに接続された他端とを有する。抵抗２８は、低圧端１７Ｂの電圧の検出に主に用いられる。
　電流検出器１９は変換回路１７を流れる電流を検出する。制御部１５は、電流検出器１９で検出された電流と、低電圧蓄電池１３の両端の電圧であり低電圧蓄電池１３を充電する充電電圧とを監視する。制御部１５はさらに、変換回路１７を流れる電流と低電圧蓄電池１３における充電電圧とに基づいてＤＣＤＣコンバータ１４を制御する。制御部１５のこの動作は、車両２１の通常走行時などの駆動時における動作である。
　図１において電流検出器１９は、ハイサイドスイッチ２４の入力スイッチ１６に配置されておりハイサイドスイッチ２４に流れる電流を検出するが、ローサイドスイッチ２６に流れる電流を検出するように配置されてもよい。あるいは、チョークコイル２５の一端または他端に配置されてチョークコイル２５に流れる電流を検出してもよい。さらに、電流検出器１９は、上記の複数の電流を検出するために上記の複数の箇所に配置されていてもよい。ここで電流検出器１９は、ＤＣＤＣコンバータ１４における電流を検出するが、低電圧蓄電池１３に流れる電流を検出してよい。
　変換回路１７を流れる電流もしくは低電圧蓄電池１３における充電電圧が所定閾値を超えたと制御部１５が検知した場合、制御部１５は入力スイッチ１６と出力スイッチ１８とハイサイドスイッチ２４とローサイドスイッチ２６とを遮断し続けるように指示する。これにより、少なくとも短絡電流による異常からの安全性の確保への対応が実施される。その後、制御部１５は、ＤＣＤＣコンバータ１４の故障を判定する故障判定動作を実行する。故障判定動作は車両２１の走行中であっても、あるいは車両２１が起動スイッチによって起動された直後に実施されてもよい。
　故障判定において最初に行われる第１判定動作では、以下に述べる、出力スイッチ１８の短絡故障判定と、出力スイッチ１８の開放故障判定と、入力スイッチ１６の短絡故障判定との３つの判定が実施される。制御部１５は変換回路１７の低圧端１７Ｂの低電圧値ＶＬ１を検出する。制御部１５は低電圧値ＶＬ１に基づいて出力スイッチ１８が短絡し続けて短絡で故障している短絡故障状態であるか、あるいは遮断可能な正常な状態となっているかの出力短絡故障判定を行う。
　このとき、ハイサイドスイッチ２４とローサイドスイッチ２６とは遮断し続けて変換回路１７は停止しているので、出力スイッチ１８には変換回路１７からの電力は供給されない。そして、制御部１５の先述の指示に応じて出力スイッチ１８が正常に遮断されていれば、抵抗２８には低電圧蓄電池１３から出力スイッチ１８を通じて電圧は印加されない。したがって、抵抗２８あるいは平滑コンデンサ２７の高電位側に生じる低電圧値ＶＬ１が、低電圧閾値ＶＴＬ１よりも高い場合は出力スイッチ１８が短絡し続けて短絡で故障している短絡故障状態であると制御部１５は判定する。低電圧値ＶＬ１が低電圧閾値ＶＴＬ１よりも低い場合は出力スイッチ１８が正常であると制御部１５は判定する。例えば、低電圧閾値ＶＴＬ１は低電圧蓄電池１３の基準電圧値の１０分の１から２分の１程度までの範囲に設定し、出力スイッチ１８の短絡故障時に出力スイッチ１８の接触抵抗によって電圧降下が生じても正しく故障を検出可能な値に設定する。
　あるいは、出力スイッチ１８の両端の電圧を制御部１５が検出し、出力スイッチ１８の両端における電位差が閾値よりも小さい場合は出力スイッチ１８が短絡で故障していると制御部１５は判定して、その電位差が閾値よりも大きい場合は出力スイッチ１８が故障しておらず正常であると制御部１５は判定してもよい。例えば、出力スイッチ１８が短絡で故障していると出力スイッチ１８の両端間の抵抗はほとんどゼロであるので電位差は概ねゼロである。制御部１５の先述の指示に応じて出力スイッチ１８が正常に遮断されていれば出力スイッチ１８の両端で、低電圧蓄電池１３と接地された抵抗２８との間で電位差が生じる。したがってここでの閾値は０．１Ｖから１．０Ｖ程度の範囲に設定することができる。
　第１判定動作ではさらに制御部１５は、出力スイッチ１８を接続状態にするように指示する。この状態で、制御部１５は変換回路１７の低圧端１７Ｂの低電圧値ＶＬ２を検出する。制御部１５は低電圧値ＶＬ２に基づいて、出力スイッチ１８が遮断状態すなわち開放され続けて開放で故障しているか、あるいは正常に接続可能なかの出力開放故障判定を行う。
　このとき、変換回路１７は停止しているので、出力スイッチ１８には変換回路１７からの電力は供給されない。制御部１５の指示に応じて出力スイッチ１８が正常に接続可能な状態であれば、出力スイッチ１８が接続状態となり抵抗２８には低電圧蓄電池１３から出力スイッチ１８を通じて電圧が印加される。したがって、抵抗２８もしくは平滑コンデンサ２７の高電位側に生じる低電圧値ＶＬ２が、低電圧閾値ＶＴＬ２よりも低い場合は出力スイッチ１８が開放で故障していると制御部１５は判定し、低電圧値ＶＬ２が低電圧閾値ＶＴＬ２よりも高い場合は出力スイッチ１８が故障しておらず正常であると制御部１５は判定する。出力スイッチ１８が正常に接続状態になれば出力スイッチ１８による電圧降下は非常に小さな値となる。よって、例えば低電圧閾値ＶＴＬ２は、低電圧蓄電池１３の基準値よりも１Ｖ程度低い値や低電圧蓄電池１３の基準値よりも１０％程度低い値などの低電圧蓄電池１３の通常の変動範囲の下限値を目安として設定すればよい。
　あるいは、出力スイッチ１８の両端の電圧を制御部１５が検出し、出力スイッチ１８の両端における電位差が閾値よりも大きい場合は出力スイッチ１８が開放で故障していると制御部１５は判定し、その電位差がその閾値よりも小さい場合は出力スイッチ１８が故障しておらず正常であると制御部１５は判定してもよい。例えば、出力スイッチ１８が開放で故障している場合は出力スイッチ１８の両端で、低電圧蓄電池１３と接地された抵抗２８との間で電位差が生じる。この一方で、出力スイッチ１８が正常に接続可能な状態であれば出力スイッチ１８の両端間の抵抗はほとんどゼロであるので電位差は生じず概ねゼロである。よって、ここでの閾値は０．５Ｖから１．０Ｖ程度の範囲に設定することができる。
　第１判定動作ではさらに制御部１５は、変換回路１７の高圧端１７Ａの高電圧値ＶＨ１を検出する。制御部１５は高電圧値ＶＨ１に基づいて入力スイッチ１６が接続状態すなわち短絡し続けて短絡で故障しているか、あるいは遮断可能な正常な状態となっているかの入力短絡故障判定を行う。このとき、変換回路１７は停止しているので、入力スイッチ１６には変換回路１７から電力は供給されない。制御部１５の先述の指示に応じて入力スイッチ１６が正常に遮断されている状態であれば、高圧端１７Ａには高電圧直流電源１２から入力スイッチ１６を通じての電圧は印加されない。
　第１判定動作において、出力スイッチ１８の出力短絡故障判定と出力開放故障判定と、入力スイッチ１６の入力短絡故障判定とのうち、最初に入力スイッチ１６の入力短絡故障判定が実施されて、その後、出力スイッチ１８の出力短絡故障判定が実施されて、その後、出力スイッチ１８の出力開放故障判定が実施されることが望ましい。もしくは、最初に出力スイッチ１８の出力短絡故障判定が実施されて、その後、入力スイッチ１６の入力短絡故障判定が実施されて、その後、出力スイッチ１８の出力開放故障判定が実施されてもよい。
　短絡での故障の判定が開放での故障の判定より前に実施されることによって、以後の故障判定動作において制御部１５が故障を検出するスイッチに接続状態になるよう指示することによってそのスイッチに過電流が流れることを未然に防止できる。これにより故障判定に伴う二次的な故障の発生は抑制される。二次故障は、特に入力スイッチ１６の入力短絡故障判定が出力スイッチ１８の出力短絡故障判定の前に最初に実行されることでさらに有効的に抑制される。
　第１判定動作では上記の入力短絡故障判定と出力短絡故障判定と出力放故障判定とが制御部１５によって実施され、入力短絡故障判定と出力短絡故障判定と出力開放故障判定とにおいて入力スイッチ１６と出力スイッチ１８とのいずれもが正常であり故障していない判定された場合には、制御部１５は後述の第２判定動作を実行する。また、これら判定において入力スイッチ１６と出力スイッチ１８との何れかの故障している判定されると、ＤＣＤＣコンバータ１４は故障していると判定され、故障しているスイッチが特定される。制御部１５はＤＣＤＣコンバータ１４の停止を継続させる。さらに、制御部１５は故障を通知する警告信号を車体２２に配置された車両制御ユニットへ発信する。
　さらに第１判定動作において、出力スイッチ１８が正常に接続状態になりかつ遮断状態できて故障していない判定された後に、予備判定動作として、ローサイドスイッチ２６が故障しているか否かを判定してもよい。ここでは先ず、制御部１５がローサイドスイッチ２６を遮断させるように指示する。そして、限定された短い長さの期間ＰＴ１において、第１判定動作で正常と判定された出力スイッチ１８を接続状態にして、期間ＰＴ１の経過後に遮断状態にする。
　ここで制御部１５からの指示に対応してローサイドスイッチ２６が正常に遮断可能な状態であれば、平滑コンデンサ２７へ期間ＰＴ１に充電された電圧は、期間ＰＴ１が終了後さらに出力スイッチ１８が遮断されてから期間ＰＴ２が経過した後においても継続して維持される。一方で、ローサイドスイッチ２６が制御部１５からの指示に対応して正常に遮断できずに短絡で故障している場合では、期間ＰＴ１が終了後さらにローサイドスイッチ２６を遮断するよう指示してから期間ＰＴ２が経過した後は、期間ＰＴ１で平滑コンデンサ２７へ充電された電圧は、短絡しているローサイドスイッチ２６を通じてグランドＧＮＤへ放電されるので概ねゼロとなる。
　いいかえると、出力スイッチ１８の接続による期間ＰＴ１での平滑コンデンサ２７の充電の後、制御部１５は出力スイッチ１８を遮断させる。出力スイッチ１８の遮断から期間ＰＴ２の経過後での平滑コンデンサ２７の充電の状態を抵抗２８の両端の電圧によって制御部１５は検出する。この電圧が所定電圧よりも低い場合はローサイドスイッチ２６が短絡で故障していると制御部１５は判定し、この電圧が所定電圧以上である場合はローサイドスイッチ２６が短絡で故障していないと制御部１５は判定することができる。
　第１判定動作の次に第２判定動作が行われる。先に実施した第１判定動作において出力スイッチ１８が短絡でも開放でも故障しておらず、正常に制御部１５が出力スイッチ１８を制御できる状態であると制御部１５によって判断され、かつ、入力スイッチ１６が短絡で故障していないことを制御部１５で判定されたときに、制御部１５は第１判定動作に継続して第２判定動作を実行する。
　第２判定動作では、まず制御部１５が出力スイッチ１８を接続状態にするよう指示する。さらに制御部１５は、変換回路１７の低圧端１７Ｂの電圧を昇圧して高圧端１７Ａに出力する昇圧動作を行う変換回路１７を指示する。そして、制御部１５は変換回路１７の高圧端１７Ａに現れる、昇圧操作により得られる高電圧値ＶＨ２を検出する。高電圧値ＶＨ２は、入力コンデンサ２０の高電位側の電圧を検出して得ることができる。制御部１５は高電圧値ＶＨ２に基づいて変換回路１７が正常に昇圧動作を行うことができ変換回路１７が故障しているか否かを判定する。
　したがって、入力コンデンサ２０の高電位側の電圧を検出して得られる高電圧値ＶＨ２が変換回路１７によって高電圧閾値ＶＴＨ２よりも高くすることが可能な場合に、変換回路１７は正常に昇圧動作を実家凹可能であり故障していないと判定される。高電圧閾値ＶＴＨ２は、高電圧直流電源１２の基準値よりも１Ｖ程度高い値や、高電圧直流電源１２の基準値よりも１０％程度高い値に設定する。
　第２判定動作で変換回路１７が故障していないと判定した場合には制御部１５は、後述の判定動作を実行する。第２判定動作で故障が判定されると、ＤＣＤＣコンバータ１４は故障していると制御部１５は判定し、故障している部分が変換回路１７と特定される。また、制御部１５は故障に関する警告信号を車体２２に配置された車両制御ユニットへ発信する。
　上記で説明した第２判定動作の冒頭では、制御部１５が出力スイッチ１８を接続状態にしている。ここで、変換回路１７のハイサイドスイッチ２４が、出力スイッチ１８から入力スイッチ１６の方向へと常時通電可能な寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴである場合や、あるいはハイサイドスイッチ２４と並列に出力スイッチ１８から入力スイッチ１６の方向へと常時通電可能なハイサイドダイオード２４Ａが設けられている場合、出力スイッチ１８が接続状態となると、低電圧蓄電池１３から入力コンデンサ２０へと短時間に大きな電流が流れる。したがって、第２判定動作で制御部１５が出力スイッチ１８を継続して接続状態とする前に、制御部１５は出力スイッチ１８を降圧スイッチングコンバータのスイッチング素子として動作させることによって、入力コンデンサ２０の電圧が所定値となるように入力コンデンサ２０を充電してもよい。
　入力コンデンサ２０の充電の動作を詳細に説明する。変換回路１７では入力スイッチ１６に接続されたハイサイドスイッチ２４が、出力スイッチ１８に接続されたチョークコイル２５と直列に接続されている。ローサイドスイッチ２６がハイサイドスイッチ２４とチョークコイル２５との接続点１７Ｐとグランドとに接続されている。入力スイッチ１６に接続されたカソードを有するハイサイドダイオード２４Ａがハイサイドスイッチ２４に並列に接続されている。コンバータダイオード２９のカソードは変換回路１７の低圧端１７Ｂに接続され、アノードはグランドＧＮＤに接続されている。入力コンデンサ２０は変換回路１７の高圧端１７ＡとグランドＧＮＤとに接続されている。
　先述の第１判定動作において出力スイッチ１８が故障していないと判定した場合に制御部１５は第２判定動作を実行する。第２判定動作では、まず、制御部１５は、出力スイッチ１８をＰＷＭ信号等で駆動して周期的にオンオフしてスイッチング制御することによってチョークコイル２５とコンバータダイオード２９と出力スイッチ１８とを降圧コンバータとして動作させる。このコンバータ動作によって接続点１７Ｐに低圧端１７Ｂの電圧より低い電圧を発生させて、制御部１５はハイサイドダイオード２４Ａを介して入力コンデンサ２０の両端の電圧が所定値になるまで入力コンデンサ２０を充電する。その後、制御部１５は、このコンバータ動作を終了して入力コンデンサ２０の充電を終了する。
　その後、制御部１５が出力スイッチ１８を継続して接続状態にするよう指示してさらに、制御部１５は変換回路１７に低圧端１７Ｂの電圧を昇圧すう昇圧動作を行うよう指示する。その後、変換回路１７の高圧端１７Ａの高電圧値ＶＨ２を検出し、高電圧値ＶＨ２に基づいて変換回路１７故障しているか否かを判定する。
　高電圧値ＶＨ２に基づく変換回路１７の故障の判定は、第２判定動作と同様であり説明は省略する。また、出力スイッチ１８にはＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの半導体スイッチが用いられることで、制御部１５によってスイッチング動作に対する制御が行われる。
　制御部１５は第２判定動作の後に第３判定動作を行う。先に実施した第２判定動作において変換回路１７が正常であり、変換回路１７は昇圧動作可能で故障していないと制御部１５が判定した場合に、制御部１５は第２判定動作に継続して第３判定動作を実行する。
　第３判定動作では、まず制御部１５が変換回路１７を昇圧動作させないように指示する。
　さらに制御部１５は、これまで遮断状態になるよう指示されていた入力スイッチ１６を接続状態にするように指示する。その後、制御部１５は変換回路１７の高圧端１７Ａの高電圧値ＶＨ３を検出する。高電圧値ＶＨ３は、入力コンデンサ２０の高電位側の電圧を検出して得ることができる。制御部１５は高電圧値ＶＨ３に基づいて、入力スイッチ１６が開放し続けて開放で故障しているか、あるいは正常に接続可能な状態となっているかの入力開放故障判定を行う。
　このとき、変換回路１７は停止しており、入力スイッチ１６には変換回路１７から電力は供給されない。そして、制御部１５の指示に応じて入力スイッチ１６が正常に接続状態になることが可能な状態であれば、接続状態において高電圧直流電源１２から入力スイッチ１６を通じての電圧が高圧端１７Ａに印加される。したがって、変換回路１７の高圧端１７Ａの高電圧値ＶＨ３が高電圧閾値ＶＴＨ３よりも低い場合は出力スイッチ１８が開放で故障していると制御部１５は判定し、高電圧値ＶＨ３が高電圧閾値ＶＴＨ３よりも高い場合は入力スイッチ１６が故障しておらず正常であると制御部１５は判定する。例えば、高電圧閾値ＶＴＨ３は高電圧直流電源１２の基準電圧値よりも１０％程度低い値などの高電圧直流電源１２の通常の変動範囲の下限値を目安として設定する。ここでも短絡故障判定と同様に、制御部１５による変換回路１７の高圧端１７Ａの電圧は、変換回路１７の高圧端１７ＡとグランドＧＮＤとに接続された入力コンデンサ２０の電圧を制御部１５が検出することで得てもよい。
　第３判定動作では入力スイッチ１６が開放で故障しているか否かが制御部１５によって判定される。入力スイッチ１６が故障しておらず正常であると判定された場合には全ての判定を終了する。また、入力スイッチ１６が開放で故障していると判定すると、制御部１５はＤＣＤＣコンバータ１４が故障していると判定し、ＤＣＤＣコンバータ１４に停止状態を継続させ、そして故障している部分が入力スイッチ１６であると特定する。また、制御部１５は故障に関する警告信号を車体２２に配置された車両制御ユニットへ発信する。
　以上の構成および動作により、ＤＣＤＣコンバータ１４で故障が発生した場合に故障の原因となっている部分を容易にかつ正確に特定できる。
　さらに、先に述べたように、車載電源システム１１では高電圧側である入力スイッチ１６から故障を判定し始め、低電圧側へと判定を順次進める。これにより、変換回路１７でスイッチが短絡で故障していても、その後の判定は行われないので、高電圧側から低電圧側へと故障判定の際に変換回路１７や出力スイッチ１８へ電圧は印加されない。いいかえると、低電圧側の判定が行われる場合には、その前に変換回路１７や入力スイッチ１６は正常であると判定されている。これにより、特に出力スイッチ１８に対する故障判定動作の際には、変換回路１７や出力スイッチ１８に対して適切に電圧が設定できるので、二次的な故障を誘発することを防止することができる。さらに、出力スイッチ１８の耐電圧は、故障判定を考慮して高くする必要はない。
　以上で説明した車載電源システム１１は、特にＤＣＤＣコンバータ１４および制御部１５が単一の筐体などに収容されていても、あるいはＤＣＤＣコンバータ１４および制御部１５が車体２２に分散配置されていてもよい。
　特に入力スイッチ１６が半導体スイッチで構成される場合、入力スイッチ１６は寄生ダイオードが逆方向となる形で二つの半導体スイッチが直列に接続されることが望ましい。
１１　　車載電源システム
１２　　高電圧直流電源
１２Ａ　　蓄電池
１３　　低電圧蓄電池
１４　　ＤＣＤＣコンバータ
１５　　制御部
１６　　入力スイッチ
１７　　変換回路
１７Ａ　　高圧端
１７Ｂ　　低圧端
１８　　出力スイッチ
１９　　電流検出器
２０　　入力コンデンサ
２１　　車両
２２　　車体
２３　　発電システム
２４　　ハイサイドスイッチ
２４Ａ　　ハイサイドダイオード
２５　　チョークコイル
２６　　ローサイドスイッチ
２７　　平滑コンデンサ
２８　　抵抗
２９　　コンバータダイオード

Claims (6)

  1. 高電圧直流電源と、
    低電圧蓄電池と、
    　　　前記高電圧直流電源に接続された一端と、他端とを有し、前記一端と前記他端との間を接続する接続状態と、前記一端と前記他端との間を遮断する遮断状態とに選択的になるよう構成された入力スイッチと、
    　　　前記入力スイッチの前記他端に接続された高圧端と、低圧端とを有し、前記低圧端の電圧を昇圧して前記高圧端の電圧を得る昇圧動作と、前記高圧端の電圧を降圧して前記低圧端の電圧を得る降圧動作とを行う双方向動作が可能な変換回路と、
    　　　前記変換回路の前記低圧端に接続された一端と、前記低電圧蓄電池に接続された他端とを有し、前記一端と前記他端との間を接続する接続状態と、前記一端と前記他端との間を遮断する遮断状態とに選択的になるよう構成された出力スイッチと、
    を有するＤＣＤＣコンバータと、
    前記ＤＣＤＣコンバータを制御する制御部と、
    を備え、
    前記制御部は、前記変換回路を流れる電流が所定電流閾値を超えたもしくは前記低電圧蓄電池の充電電圧が所定電圧閾値を超えたと検知した場合に、前記変換回路の電力変換動作を停止させ、かつ、前記入力スイッチを前記遮断状態として、かつ前記出力スイッチを前記遮断状態とするよう指示した後で前記ＤＣＤＣコンバータの故障判定を実行するように構成されており、
    前記制御部は前記故障判定において、
    　　　（１）前記低圧端の第１低電圧値を検出し、前記第１低電圧値に基づいて前記出力スイッチが短絡で故障しているか否かを判定する出力短絡故障判定と、（２）前記出力スイッチを前記接続状態にするよう制御した状態で前記低圧端の第２低電圧値を検出し、前記第２低電圧値に基づいて前記出力スイッチが故障しているか否かを判定する出力開放故障判定と、（３）前記高圧端の第１高電圧値を検出し、前記第１高電圧値に基づいて前記入力スイッチが短絡で故障しているか否かを判定する入力短絡故障判定とを行う第１判定動作を実行し、
    　　　前記第１判定動作において前記出力スイッチが故障していないと判定された場合に、前記出力スイッチを前記接続状態にするよう指示してさらに、前記変換回路に前記昇圧動作を行うよう指示した状態で前記高圧端の第２高電圧値を検出し、前記第２高電圧値に基づいて前記変換回路が故障しているか否かを判定する第２判定動作を実行し、
    　　　前記第２判定動作において前記変換回路が故障していないと判定された場合に、前記変換回路に前記昇圧動作を行わせないよう指示した状態でかつ前記入力スイッチを前記接続状態にするよう指示した状態で前記高圧端の第３高電圧値を検出し、前記第３高電圧値に基づいて前記入力スイッチが故障しているか否かを判定する入力開放故障判定を行う第３判定動作を実行する、
    ように構成されている、車載電源システム。
  2. 前記変換回路は、
    　　　前記入力スイッチの前記他端に接続された一端と、他端とを有するハイサイドスイッチと、
    　　　前記出力スイッチの前記他端接続された一端と、前記ハイサイドスイッチの前記他端と接続点で接続された他端とを有するチョークコイルと、
    　　　前記接続点に接続された一端と、グランドに接続された他端とを有するローサイドスイッチと、
    を有し、
    前記制御部は、前記第１判定動作を実行した後で、
    　　　前記ローサイドスイッチを遮断させるよう制御した状態での前記変換回路の前記低圧端の電圧値に基づいて前記ローサイドスイッチが短絡で故障しているか否かを判定する予備判定動作を実行し、
    　　　前記予備判定動作において前記ローサイドスイッチが故障していないと判定した場合に前記第２判定動作を実行する、
    ように構成されている、請求項１に記載の車載電源システム。
  3. 前記制御部は、前記予備判定動作において前記ローサイドスイッチが故障していないと判定しない場合に前記第２判定動作を実行しない、請求項２に記載の車載電源システム。
  4. 前記出力スイッチの前記他端に接続されたカソードと、グランドに接続されたアノードとを有するコンバータダイオードと、
    　　　前記入力スイッチの前記他端に接続された一端と、グランドに接続された他端とを有する入力コンデンサと、
    をさらに備え、
    前記変換回路は、
    　　　前記入力スイッチの前記他端に接続された一端と、他端とを有するハイサイドスイッチと、
    　　　前記出力スイッチの前記他端に接続された一端と、前記ハイサイドスイッチの前記他端と接続点で接続された他端とを有するチョークコイルと、
    　　　前記接続点に接続された一端と、グランドに接続された他端とを有するローサイドスイッチと、
    　　　前記入力スイッチに接続されたカソードと、前記接続点に接続されたカソードとを有するハイサイドダイオードと、
    を有し、
    前記制御部は、前記第２判定動作において、
    　　　前記第１判定動作において前記出力スイッチが故障していないと判定された場合に、前記出力スイッチを周期的にスイッチングすることにより前記チョークコイルと前記コンバータダイオードと前記出力スイッチとを降圧コンバータとして動作させて前記入力コンデンサの電圧が所定値になるように前記入力コンデンサを充電させ、
    　　　その後、前記出力スイッチを前記接続状態にするよう指示している状態で前記変換回路に前記低圧端の電圧を昇圧させるよう制御した状態で前記高圧端の第４高電圧値を検出し、前記第４高電圧値に基づいて前記変換回路が故障しているか否かを判定する、
    ように構成されている、請求項１に記載の車載電源システム。
  5. 前記制御部は前記第１判定動作において、前記出力短絡故障判定と前記入力短絡故障判定とを行った後で前記出力開放故障判定を行うように構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の車載電源システム。
  6. 前記制御部は前記第１判定動作において、前記入力短絡故障判定を行った後で前記出力開放故障判定を行うように構成されている、請求項５に記載の車載電源システム。
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