JP2017069997A - 負荷駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】三相インバータの何れか一相に含まれるスイッチング素子がオープン故障を生じている場合に、該一相のオープン故障を検知可能な負荷駆動装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ６０は、インバータ３０がシャットダウンした後に、インバータ３０の三相全てにおいて上側及び下側のスイッチング素子のうち同側のスイッチング素子にオン信号を出力し、電流センサ５２，５４により何れかの相において半波交流が検知された場合に、半波交流が検知された相においてオン信号が入力されたスイッチング素子のオープン故障が生じていると判定する。
【選択図】図１

Description

この発明は負荷駆動装置に関し、特に、三相インバータを備える負荷駆動装置に関する。

特開２０１０−２３９６８２号公報（特許文献１）は、三相インバータを備える駆動装置を開示する。この駆動装置においては、正弦波制御によりモータが駆動されている最中にモータの各相を流れる電流のいずれかが正弦波１周期内で略値０となったときは、三相インバータに含まれるスイッチング素子の一つがオープン故障している可能性があると判定される。これにより、この駆動装置によれば、三相インバータに含まれるスイッチング素子のオープン故障を検知することができる。

特開２０１０−２３９６８２号公報

三相インバータの何れか一相においてスイッチング素子のオープン故障が生じた場合には、オープン故障が生じているスイッチング素子に本来流れるはずであった電流が他のスイッチング素子に流れる。その結果、該他のスイッチング素子においては本来よりも電流が増大し、過電流が生じ得る。また、三相各々の電流間に不平衡が生じることにより、三相インバータの入力電圧の制御が不安定となり、結果的に三相インバータにおいて過電圧が生じ得る。

三相インバータにおいて過電流や過電圧が検知された場合には、過電流や過電圧を抑制するための措置が採られる。そうすると、過電流や過電圧の原因（たとえば、スイッチング素子のオープン故障）が特定されることなく、過電流や過電圧を抑制するための措置（たとえば、三相インバータのシャットダウン）が採られ得る。したがって、この場合には、スイッチング素子のオープン故障が生じていたとしても、該オープン故障は検知されない。上記特許文献１においては、三相インバータ内で過電流や過電圧が生じた場合に、過電流や過電圧を抑制するための措置が採られる点について検討されていない。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、三相インバータにおいて過電流や過電圧が生じた場合に過電流や過電圧を抑制するための措置（三相インバータのシャットダウン）が採られる負荷駆動装置において、スイッチング素子に生じたオープン故障を検知可能とすることである。

この発明に従う負荷駆動装置は、三相インバータと、電流検知部と、制御装置とを備える。三相インバータは、三相交流モータを駆動する。電流検知部は、三相交流モータの各相に生じる電流を検知する。制御装置は、三相インバータにおいて過電流又は過電圧が生じると、三相インバータがシャットダウンするように三相インバータを制御する。三相インバータの各相アームは、上側及び下側のスイッチング素子を含む。制御装置は、三相インバータがシャットダウンした後に、三相インバータの三相全てにおいて上側及び下側のスイッチング素子のうち同側のスイッチング素子にオン信号を出力し、電流検知部により何れかの相において半波交流が検知された場合に、半波交流が検知された相においてオン信号が入力されたスイッチング素子のオープン故障が生じていると判定する。

この負荷駆動装置においては、三相インバータにおいて過電流又は過電圧が検知されて三相インバータがシャットダウンされた場合に、三相交流モータが回転している状態で、三相インバータの三相全てにおいて上側及び下側のスイッチング素子のうち同側のスイッチング素子がオン状態（以下、「三相オン状態」とも称する。）とされる。この場合に、オン状態とされたスイッチング素子が全て正常であるとすると、回転する三相交流モータが生じる逆起電圧に起因する交流電流が各相において生じる。一方、オン状態とされたスイッチング素子の何れかがオープン故障を生じているとすると、故障を生じているスイッチング素子を含む相においては順方向に電流が流れないために半波交流が生じる。この発明に従う負荷駆動装置においては、三相のうちの何れかの相において半波交流が検知された場合に、半波交流が検知された相においてオープン故障が生じていると判定される。このように、この負荷駆動装置によれば、三相インバータのスイッチング素子のオープン故障を検知することができる。

この発明によれば、三相インバータにおいて過電流や過電圧が生じた場合に過電流や過電圧を抑制するための措置（三相インバータのシャットダウン）が採られる負荷駆動装置において、三相インバータのスイッチング素子のオープン故障を検知することができる。

ハイブリッド車両の電気的な構成を示す全体構成図である。 オン状態とされたスイッチング素子が全て正常である場合に各相に生じる電流を示す図である。 オン状態とされたスイッチング素子のうち一相（Ｕ相）においてオープン故障が生じている場合に各相に生じる電流を示す図である。 一相オープン故障の具体的検知手順を示すフローチャートである。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

＜ハイブリッド車両の構成＞
図１は、この実施の形態による負荷駆動装置が搭載された電動車両の一例として示されるハイブリッド車両１の電気的な構成を示す全体構成図である。図１を参照して、ハイブリッド車両１は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２、エンジンＥＮＧ、動力分割装置ＰＳＤ、インバータ３０，５０、コンバータ２５、直流電源１０、及びＥＣＵ６０を備える。ハイブリッド車両１においては、直流電源１０から供給される直流電力はコンバータ２５において昇圧され、昇圧された直流電力はインバータ５０において交流電力に変換される。モータジェネレータＭＧ２は、インバータ５０から供給される交流電力により駆動される。これにより、ハイブリッド車両１は走行する。また、ハイブリッド車両１においては、エンジンＥＮＧから動力を得てモータジェネレータＭＧ１が駆動されることにより交流電力が生成される。生成された交流電力はインバータ３０において直流電力に変換され、コンバータ２５において降圧される。降圧された直流電力は直流電源１０に供給される。

エンジンＥＮＧ、及びモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、動力分割装置ＰＳＤに連結される。そして、ハイブリッド車両１は、エンジンＥＮＧ及びモータジェネレータＭＧ２の少なくとも一方からの駆動力によって走行する。

モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、交流回転電機である。たとえば、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２は、ロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機（三相交流モータ）である。

モータジェネレータＭＧ１は、動力分割装置ＰＳＤによって分割されたエンジンＥＮＧの運動エネルギーを用いて逆起電力を発生する（発電）。発電された電力は、直流電源１０に供給される。

モータジェネレータＭＧ２は、直流電源１０に蓄えられた電力及びモータジェネレータＭＧ１により発電された電力の少なくとも一方を用いて駆動力を発生する。この駆動力は、ハイブリッド車両１の走行に用いられる。また、モータジェネレータＭＧ２は、制動エネルギーを電力に変換する回生ブレーキとして作動する。モータジェネレータＭＧ２により発電された電力は、直流電源１０に供給される。

動力分割装置ＰＳＤは、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２、及びエンジンＥＮＧの間で動力を分配する。たとえば、動力分割装置ＰＳＤとしては、サンギヤ、プラネタリキャリア、及びリングギアの３つの回転軸を有する遊星歯車機構を用いることができる。この３つの回転軸がエンジンＥＮＧ及びモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各回転軸にそれぞれ接続される。

直流電源１０は、充放電可能なリチウムイオン電池である。なお、直流電源１０は、リチウムイオン電池に限られず、たとえば、ニッケル水素電池であってもよい。直流電源１０は、コンバータ２５を通じて、インバータ３０，５０へ直流電力を供給する。また、直流電源１０は、インバータ３０，５０から供給される直流電力により充電される。なお、インバータ３０，５０から供給される直流電力は、平滑用コンデンサＣ２において平滑化され、コンバータ２５において降圧された後に直流電源１０に供給される。平滑用コンデンサＣ２は、正極ラインＶＬと負極ラインＳＬとの間に接続される。

インバータ３０，５０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２にそれぞれ接続される。インバータ３０，５０は、三相インバータである。インバータ３０，５０は同一の構成であるため、ここではインバータ３０について説明する。

インバータ３０は、３つのアーム回路を含む。すなわち、インバータ３０は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とを含む。Ｕ相アーム１５、Ｖ相アーム１６、及びＷ相アーム１７は、正極ラインＶＬと負極ラインＳＬとの間に並列に設けられる。

Ｕ相アーム１５は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を含む。Ｖ相アーム１６は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を含む。Ｗ相アーム１７は、直列接続されたスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６を含む。すなわち、各相アームは、上側のスイッチング素子（Ｑ１、Ｑ３、又はＱ５）と、下側のスイッチング素子（Ｑ２、Ｑ４、又はＱ６）とを有する。また、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６には、ダイオードＤ１〜Ｄ６が逆並列にそれぞれ接続されている。スイッチング素子としては、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が適用される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、ＥＣＵ６０から入力されるスイッチング制御信号ＰＷＭＩ１に応答してオン・オフ制御（スイッチング制御）される。

モータジェネレータＭＧ１のＵ相コイルの端部は、導電線１８を介してスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の中間点に接続されている。Ｖ相コイルの端部は、導電線１９を介してスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の中間点に接続されている。Ｗ相コイルの端部は、導電線２０を介してスイッチング素子Ｑ５，Ｑ６の中間点に接続されている。

電流センサ５２，５４は、それぞれモータジェネレータＭＧ１のＵ相、Ｖ相に生じる電流を検知する。検知された各相の電流は、ＥＣＵ６０に出力される。Ｗ相に生じる電流は、電流センサ５２，５４の検知結果からＥＣＵ６０により算出される。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各々には、駆動回路４０が接続されている。駆動回路４０は、スイッチング制御信号ＰＷＭＩ１に従って、対応するスイッチング素子にオン信号を出力する。駆動回路４０からオン信号が入力されることにより、スイッチング素子は電気的に導通する。また、駆動回路４０は、対応するスイッチング素子に生じる電流を検知する。駆動回路４０は、対応するスイッチング素子に過電流が生じた場合に、過電流を検知することができる。

インバータ３０に異常が生じると、フェール信号ＦＩＮＶが生成される。フェール信号ＦＩＮＶは、ＥＣＵ６０に出力される。たとえば、駆動回路４０により過電流が検知された場合に、インバータ３０は、フェール信号ＦＩＮＶをＥＣＵ６０に出力する。

コンバータ２５は、直流電源１０とインバータ３０，５０との間に接続される。コンバータ２５は、インバータ３０，５０の入力電圧を直流電源１０の出力電圧以上に昇圧する。

ＥＣＵ６０は、スイッチング制御信号ＰＷＭＩ１，ＰＷＭＩ２をインバータ３０，５０にそれぞれ出力することで、インバータ３０，５０を制御する。また、ＥＣＵ６０は、インバータ３０からフェール信号ＦＩＮＶの入力を受けると、シャットダウン信号ＳＤをインバータ３０に出力し、インバータ３０をシャットダウンする。これにより、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６はオフ状態とされる。この場合には、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各々は電気的に非導通状態となる。インバータ３０のシャットダウンにより、インバータ３０に生じた過電流による部品の故障を抑制することができる。

＜一相オープン故障の検知＞
以上のような構成において、インバータ３０の何れかの相においてスイッチング素子のオープン故障が生じた場合には、オープン故障が生じているスイッチング素子に本来流れるはずであった電流が他のスイッチング素子に流れる。その結果、該他のスイッチング素子においては本来よりも電流が増大し過電流が生じ得る。なお、オープン故障とは、配線の断線等により、スイッチング素子にオン信号が入力されたとしても電流が生じなくなる故障のことをいう。

インバータ３０において過電流が検知されると、インバータ３０は、フェール信号ＦＩＮＶをＥＣＵ６０に出力する。ＥＣＵ６０がフェール信号ＦＩＮＶの入力を受けると、ＥＣＵ６０はシャットダウン信号ＳＤをインバータ３０に出力し、インバータ３０はシャットダウンする。この場合にこれ以上の対応が採られないとすると、インバータ３０に生じた過電流の原因がスイッチング素子のオープン故障にあったとしてもその原因を特定することができない。

そこで、この実施の形態に従うハイブリッド車両１において、ＥＣＵ６０は、インバータ３０，５０がシャットダウンした後に、三相全てにおいて上側及び下側のスイッチング素子のうち同側のスイッチング素子にオン信号を出力する。その後、ＥＣＵ６０は、電流センサ５２，５４の出力結果に基づいて何れかの相に半波交流が生じていることが検知された場合に、半波交流が検知された相においてオン信号が入力されたスイッチング素子のオープン故障が生じていると判定する。

インバータ３０において過電流が検知され、インバータ３０がシャットダウンされた場合に、モータジェネレータＭＧ１が回転している状態で、たとえば、インバータ３０の各相において下側のスイッチング素子がオン状態にされるものとする。この場合に、オン状態とされたスイッチング素子が全て正常であるとすると、回転するモータジェネレータＭＧ１が生じる逆起電力に起因する交流電流が各相において生じる。

図２は、下アームにおいて三相オン状態とされた場合に、オン状態とされたスイッチング素子が全て正常であるときの各相電流波形を示す図である。図２を参照して、横軸は角度を示し、縦軸は電流を示す。この場合には、モータジェネレータＭＧ１の各相に生じる電流（電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷ）は交流電流である。

一方、オン状態とされたスイッチング素子の何れかがオープン故障を生じているとすると、故障が生じたスイッチング素子においては電流が生じず、故障が生じたスイッチング素子に対応するダイオードにのみ電流が生じるため半波交流が生じる。

図３は、下アームにおいて三相オン状態とされた場合に、オン状態とされたスイッチング素子のうちＵ相においてオープン故障が生じているときの各電流波形を示す図である。図３を参照して、横軸は角度を示し、縦軸は電流を示す。モータジェネレータＭＧ１のＶ相、Ｗ相にそれぞれ生じる電流ＩＶ，ＩＷの各々は交流電流である。一方、Ｕ相に生じる電流は半波交流である。これは、スイッチング素子Ｑ２（Ｕ相）にオープン故障が生じている場合には、ダイオードＤ２を経由する方向には電流が流れるが、スイッチング素子Ｑ２を経由する方向には電流が流れないためである。

したがって、三相オン状態において、インバータ３０の何れかの相に半波交流が生じているか否かを検知することにより、インバータ３０に含まれるスイッチング素子にオープン故障が生じているか否かを判定することができる。そこで、この実施の形態に従うハイブリッド車両１において、ＥＣＵ６０は、三相オン状態において、電流センサ５２，５４の検知結果から三相の何れかにおいて半波交流が検知された場合に、半波交流が検知された相においてスイッチング素子のオープン故障が生じていると判定する。これにより、このハイブリッド車両１によれば、三相の何れかの相におけるオープン故障（以下、「一相オープン故障」とも称する。）を検知することができる。次に、一相オープン故障の具体的検知手順について説明する。

＜一相オープン故障の検知手順の説明＞
図４は、一相オープン故障の具体的検知手順を示すフローチャートである。図４を参照して、ＥＣＵ６０は、インバータ３０において過電流が生じたこと等によりインバータ３０からフェール信号ＦＩＮＶが出力されたかを判定する（ステップＳ１００）。フェール信号が出力されていないと判定されると（ステップＳ１００においてＮＯ）、処理はステップＳ１８０に移行する。

一方、フェール信号ＦＩＮＶが出力されたと判定されると（ステップＳ１００においてＹＥＳ）、過電流を抑制する必要があるため、ＥＣＵ６０は、シャットダウン信号ＳＤをインバータ３０に出力し、インバータ３０をシャットダウンする（ステップＳ１１０）。その後、ＥＣＵ６０は、上アーム（スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３，Ｑ５）にオープン故障が生じているか否かを判定するために、インバータ３０の各相において上アームにオン信号を出力するようにインバータ３０を制御する（三相オン制御）（ステップＳ１２０）。

上アームの三相オン状態において、ＥＣＵ６０は、電流センサ５２，５４の出力から何れかの相で半波交流が生じているかを判定する（ステップＳ１３０）。何れの相においても半波交流が生じていないと判定されると（ステップＳ１３０においてＮＯ）、ＥＣＵ６０は、下アーム（スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４，Ｑ６）にオープン故障が生じているか否かを判定するために、インバータ３０の各相において下アームにオン信号を出力するようにインバータ３０を制御する（ステップＳ１４０）。

下アームの三相オン状態において、ＥＣＵ６０は、電流センサ５２，５４の出力から何れかの相で半波交流が生じているかを判定する（ステップＳ１５０）。何れの相においても半波交流が生じていないと判定されると（ステップＳ１５０においてＮＯ）、ＥＣＵ６０は、インバータ３０に含まれるスイッチング素子はオープン故障を生じていないと判定する（ステップＳ１６０）。すなわち、この場合は、スイッチング素子のオープン故障以外の理由でフェール信号ＦＩＮＶが発生したこととなる。その後、処理はステップＳ１８０に移行する。

ステップＳ１３０又はＳ１５０において何れかの相で半波交流が生じていると判定されると（ステップＳ１３０又はＳ１５０においてＹＥＳ）、ＥＣＵ６０は、半波交流が検知された相に含まれるオン状態のスイッチング素子がオープン故障を生じていると判定する（ステップＳ１７０）。その後、処理はステップＳ１８０に移行する。

このように、この実施の形態に係るハイブリッド車両１においては、三相オン状態において、電流センサ５２，５４の出力から何れかの相で半波交流が生じていると検知された場合に、半波交流が生じていると検知された相においてスイッチング素子のオープン故障が生じていると判定される。これにより、このハイブリッド車両１によれば、一相オープン故障を検知することができる。

なお、上述の実施の形態においては、インバータ３０に含まれるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の何れかに過電流が生じた場合にフェール信号ＦＩＮＶが生じる。しかしながら、フェール信号ＦＩＮＶの発生要因は必ずしもこのような例に限られない。たとえば、インバータ３０において過電圧が検知された場合にフェール信号ＦＩＮＶが生じてもよい。そして、インバータ３０内の過電圧により生じたフェール信号ＦＩＮＶに基づいて、図４のステップＳ１１０〜Ｓ１８０の処理を実行するようにしてもよい。

また、上述の実施の形態においては、インバータ３０において過電流が生じた場合について説明したが、インバータ５０において過電流又は過電圧が生じた場合についても同様の制御を行うことができる。

また、上述の実施の形態においては、インバータ３０において過電流が生じた場合にフェール信号ＦＩＮＶが生じる場合について説明したが、コンバータ２５において過電流が生じた場合にフェール信号ＦＣＶが生じ、このフェール信号ＦＣＶに基づいてインバータ３０をシャットダウンする場合に、図４のステップＳ１１０〜１８０の処理を実行するようにしてもよい。

今回開示された実施の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と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ ハイブリッド車両、１０ 直流電源、１５ Ｕ相アーム、１６ Ｖ相アーム、１７ Ｗ相アーム、１８〜２０ 導電線、２５ コンバータ、３０，５０ インバータ、４０ 駆動回路、５２，５４ 電流センサ、６０ ＥＣＵ、Ｃ２ 平滑用コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ６ ダイオード、ＥＮＧ エンジン、ＭＧ１，ＭＧ２ モータジェネレータ、ＰＳＤ 動力分割装置、Ｑ１〜Ｑ６ スイッチング素子、ＳＬ 負極ライン、ＶＬ 正極ライン。

Claims (1)

1. 三相交流モータを駆動する三相インバータと、
   前記三相交流モータの各相に生じる電流を検知する電流検知部と、
   前記三相インバータにおいて過電流又は過電圧が生じると、前記三相インバータがシャットダウンするように前記三相インバータを制御する制御装置とを備え、
   前記三相インバータの各相アームは、上側及び下側のスイッチング素子を含み、
   前記制御装置は、前記三相インバータがシャットダウンした後に、前記三相インバータの三相全てにおいて前記上側及び下側のスイッチング素子のうち同側のスイッチング素子にオン信号を出力し、前記電流検知部により何れかの相において半波交流が検知された場合に、前記半波交流が検知された相において前記オン信号が入力されたスイッチング素子のオープン故障が生じていると判定する、負荷駆動装置。

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