JP5623994B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）、電気自動車（ＥＶ）等のモータ駆動用電力変換装置は、高電圧バッテリから供給された直流電力を車両駆動モータに供給する交流電力に変換するインバータを備えている。直流電力から交流電力への変換は、インバータを構成するＩＧＢＴなどのスイッチング素子がオンやオフを繰り返すことによって行われる。

このような電力変換装置には、スイッチング素子のオン・オフ動作の際、瞬時に大電流を出力するために平滑コンデンサが備えられている。更に、電力変換装置には電源を切った後に、この平滑コンデンサに残存する電荷を放電するための放電装置が設けられている。この放電装置は放電抵抗とスイッチング素子が直列に接続された放電回路と、この放電回路を制御する制御回路等から構成され、放電回路は平滑コンデンサと並列に接続されている。そして制御回路が上位からの指令に基づいてスイッチング素子をオンとして平滑コンデンサの電荷を放電する（例えば特許文献１参照）。

ＨＥＶ、ＰＨＥＶ、ＥＶ等で使用される電力変換装置では、高電圧バッテリとインバータはコンタクタと呼ばれるリレー装置で接続されており、車両のキーがオンされるとコンタクタがオンされ、高電圧バッテリとインバータの直流電源入力が接続される。またキーがオフされるとコンタクタがオフされ、高電圧バッテリとインバータの直流電源入力が遮断される。
平滑コンデンサの放電回路は車両がキーオフされた場合や、衝突事故が起こった時など放電が必要な場合に使用される。この時、コンタクタをオフしてから制御回路が放電回路のスイッチング素子をオンとして平滑コンデンサを放電する必要がある。なぜならばコンタクタがオンしたままスイッチング素子をオンして放電を行うと、放電抵抗には高電圧バッテリから電流が供給され続け、平滑コンデンサは放電されないからである。さらに、放電抵抗に長時間大電流が流れ続けると放電抵抗が発熱してその定格温度を越え、放電抵抗が焼損してしまう。

特許文献１に開示されている平滑コンデンサの放電回路では、放電する前にコンタクタがオンになっているかオフになっているかの状況を確認するために、平滑コンデンサの短時間の放電が行われ、この短時間の放電は放電制御回路で発生されるチェックパルスによって制御されている。このチェックパルスによる短時間の放電によって平滑コンデンサの電圧が下がれば、コンタクタはオフであると判定され、平滑コンデンサの長時間の放電を行う。また短時間の放電で平滑コンデンサの電圧が下がらなければ、コンタクタはオンであると判定され、平滑コンデンサの放電は行われない。更に、ある一定時間後に再びチェックパルスを発生して平滑コンデンサの短時間放電を行い、コンタクタの状況を確認する。これによってコンタクタがオンになっていると判断される場合は平滑コンデンサの放電をせず、放電抵抗を焼損から保護している。

特開２０１０−２０６９０９号公報 特開２００７−２４４１４２号公報

ＨＥＶ、ＰＨＥＶ、ＥＶ等に搭載されている高電圧バッテリとインバータを接続するコンタクタのオン・オフ状態を確認するために従来行われていた、上述した平滑コンデンサの短時間放電では、平滑コンデンサの端子間電圧が高い状態でこの短時間放電が多数回繰り返し行われると放電抵抗での消費電力は大きくなるので、発熱によって放電抵抗が発熱するという問題があった。

本発明に係る電力変換装置は、ＤＣ電力をＡＣ電力に変換してモータに供給するインバータと、バッテリと前記インバータとの接続をオン・オフして、前記バッテリからのＤＣ電力の前記インバータへの供給をオン・オフするコンタクタと、前記コンタクタを介して前記バッテリと並列に接続された平滑コンデンサと、放電抵抗およびこれに直列に接続されたスイッチング素子からなる、前記平滑コンデンサに並列に接続されて当該平滑コンデンサの電荷を放電する放電回路と、前記平滑コンデンサの端子間電圧を測定する電圧測定回路と、前記平滑コンデンサの端子間電圧を分圧して前記電圧測定回路に入力する分圧回路と、前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記スイッチング素子を第１の所定時間オンして前記平滑コンデンサの端子間電圧が第１の所定の電圧以下になるまで前記平滑コンデンサの電荷を放電する前に、前記第１の所定時間より短い第２の所定時間だけ前記スイッチング素子をオンとして、この第２の所定時間の前後で前記平滑コンデンサの端子間電圧を測定し、この測定された第２の所定時間の前後の前記平滑コンデンサの端子間電圧に基づいて、前記コンタクタのオン・オフ状態を判定する判定部を含む電力変換装置であって、前記判定部は、上位制御装置からの前記平滑コンデンサの放電指令を受けた時に、前記第２の所定時間前記スイッチング素子をオンする前に前記電圧測定回路で測定された前記平滑コンデンサの端子間電圧に基づいて、前記第２の所定時間を決定し、前記第２の所定時間前後の前記平滑コンデンサの端子間電圧の測定値の差が前記第１の所定の電圧より小さい第２の所定の電圧未満であれば、前記コンタクタがオンであると判定する、コンタクタ動作判定を実行することを特徴とする。

ＨＥＶ、ＰＨＥＶ、ＥＶ等に搭載されている高電圧バッテリとインバータを接続するコンタクタのオン・オフ状態を確認するために行う、平滑コンデンサの短時間放電の放電時間を最適化でき、多数回の短時間放電を行っても放電抵抗での大きな発熱を回避できる。
また放電抵抗の消費電力を小さくできるので、定格の小さな放電抵抗が使用でき、インバータ装置の小型化・低コスト化が図れる。

本発明による、電力変換装置を備えたインバータを含む電動駆動装置の実施例の概略図である。 図１に示すバッファの電気回路構成の実施例を示す図である。 図１に示すコレクタ電圧検知回路の電気回路構成の実施例を示す図である。 図１に示す、本発明による電力変換装置の平滑コンデンサの放電回路の正常時の動作を説明するタイミングチャートである。 図１に示すコンタクタが故障してオンとなったままの場合の、本発明による電力変換装置の平滑コンデンサの放電回路の動作のタイミングチャートである。 図１に示す放電回路を用いて、コンタクタのオン・オフ状態を検出するために平滑コンデンサ（１２６）の短時間放電を行う、放電スイッチ（ＩＧＢＴ、１２５）の制御パルス（チェックパルス）のパルス幅の設定方法を説明する図 チェックパルスのパルス幅をテーブル化して保持し、これを用いて平滑コンデンサ（１２６）の短時間放電の制御を行う場合のマイコンの構成概略図である。 上記で説明した本発明による電力変換装置の動作でのマイコン１２０による制御フローの一例である。

以下、図１〜図５を参照して本発明による電力変換装置の実施形態について説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明による電力変換装置の構成概略図である。電力変換装置１０１は、コンタクタ１０４を介して高電圧バッテリ１２９に接続されている。コンタクタ１０４は、バッテリコントローラ１０３からの信号１０６によって制御される。バッテリコントローラ１０３は、さらに上位のコントローラ１０２によって制御される。なお、上位のコントローラ１０２は、電力変換装置１０１も制御する。

電力変換装置１０１は、モータ１２８を駆動するインバータ１２７、平滑コンデンサ１２６、放電制御回路１００、放電抵抗１２４、放電用のスイッチング素子１２５を有している。平滑コンデンサ１２６は、コンタクタ１０４を介して高電圧バッテリ１２９と並列に接続され、高電圧バッテリから供給されるＤＣ電力に含まれるノイズを除去する。放電抵抗Ｒ１２４とスイッチング素子ＩＧＢＴ１２５は、直列に接続されて放電回路を構成し、この放電回路は平滑コンデンサ１２６と並列に接続されている。放電制御回路１００は、マイコン１１９、マイコン用電源１１８、フォトカプラ１１３及び１１５、分圧回路１１７、バッファ１２３、コレクタ電圧検知回路１２２から構成される。

マイコン用電源１１８は、インバータの電源からマイコンの電源電圧５Ｖを生成する。マイコン用電源１１８は、マイコン１１９から送信されるＰＲＵＮ信号１２０を受信する。ＰＲＵＮ信号１２０は、マイコン１１９が正常動作している事を示す信号である。マイコン用電源１１８がＰＲＵＮ信号１２０により、マイコン１１９が正常動作しなくなったことを検知した場合は、ＲＥＳＥＴ信号１２１をマイコン１１９に送信し、マイコン１１９をリセットする。

フォトカプラ１１３は、モータコントローラ１１２からの放電指令信号１１４をマイコン１１９に伝達する。コンタクタ１０４の動作も含む放電動作に異常がある場合は、マイコン１１９からのエラー信号１１６が、フォトカプラ１１５を介してモータコントローラ１１２に伝達される。

分圧回路１１７は、高電圧な平滑コンデンサ１２６の端子間電圧、すなわち高電圧バッテリ１２９の正極端子と負極端子の間の電圧である端子間電圧をマイコン１１９の電圧測定回路（ＡＤ変換回路）で測定できる電圧範囲に変換している。この電圧測定回路では、分圧回路から入力される電圧のノイズを除去するフィルターが組み込まれており、ノイズが所定値以下に低減された後ＡＤ変換して電圧値として検出する回路を用いることができる。またはノイズに強い積分型のＡＤ変換回路を用いてもよい。また、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧を複数回測定し、これら測定間での電圧変化を確実に測定する場合は、ＡＤ変換回路に入力される可能性のあるノイズの大きさより大きい電圧の変化が検出された場合に電圧変化があったと判断すればよい。

バッファ１２３はマイコン１１９から出力される放電制御信号１２８（５Ｖレベル）をスイッチング素子１２５のゲート動作レベル信号（１５Ｖレベル）に増幅して、スイッチング素子１２５のゲートに与える。バッファ１２３の回路例は後で説明する。

コレクタ電圧検知回路１２２は、スイッチング素子１２５のコレクタ電圧が高電圧か低電圧か検知してマイコン１１９に伝達する。ここでコレクタ電圧が高電圧、すなわち上記の平滑コンデンサ１２６の端子間電圧であれば、スイッチング素子１２５はオフ状態であり、またコレクタ電圧が低電圧であれば、スイッチング素子１２５はオン状態である。コレクタ検知回路１２２の回路例は後で説明する。

マイコン１１９は、モータコントローラ１１２からフォトカプラ１１３を介して放電指令信号１１４を受信し、スイッチング素子１２５を制御する放電制御信号１２８を出力する。またマイコン１１９は、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧を分圧回路１１７を介して測定し、平滑コンデンサ１２６の電圧が放電の最終目標電圧まで下がったら放電を終了する。またマイコン１１９は、コレクタ電圧検知回路１２２によりスイッチング素子１２５がオン状態かオフ状態か感知する事で、このスイッチング素子が正常に動作しているか判定され、誤動作していると判定された場合はエラー信号１１６をモータコントローラ１１２に出力する。
なお、エラー信号は放電動作中に検出された種々の異常が発生した際に出力される。従って、どのような状況（放電動作、回路）で異常が発生したかも一緒に出力され、上位コントローラで処理される。

図２は、図１に示す本発明による電力変換装置の１実施形態におけるバッファ１２３の回路図である。バッファ１２３の回路は、ＮＭＯＳインバータゲート回路２０１、ＰＭＯＳインバータゲート２０２とプルダウン抵抗２０３から構成される。入力端子２０６は、ＮＭＯＳインバータゲート回路２０１の入力に接続されている。またＮＭＯＳインバータゲート回路２０１の出力は、ＰＭＯＳインバータゲート回路２０２の入力に接続されている。ＰＭＯＳインバータゲート回路２０２の出力は、出力端子２０７に接続されている。両方のインバータゲート回路の電源はともに、１５Ｖ電源（Ｖｃｃ１５）２０８に接続されている。ここでＮＭＯＳインバータゲート回路２０１のＮＭＯＳのゲート電圧閾値ＶＧＳ（ｔｈ）は、２．５Ｖ程度となっている。
このように本回路は、インバータゲート回路が２段接続されているので、入力と出力の論理は同じになるが、ＮＭＯＳインバータゲート回路２０１の論理閾値は２．５Ｖ程度となっており、５Ｖレベルの信号を１５Ｖレベルの信号に変換することができる。
またプルダウン抵抗２０３は、ＮＭＯＳインバータゲート回路２０１の入力とＧＮＤ２０９の間に接続されており、入力端子２０６がハイインピーダンスになっても、ＮＭＯＳインバータゲート回路２０１の入力を‘Ｌ’レベルにする。これにより、バッファ１２３は、前段すなわちマイコン１１９の出力が故障してバッファ１２３の入力がハイインピーダンスになった場合も、‘Ｌ’レベルを出力し、放電状態にならない。

図３は、図１に示す本発明による電力変換装置の第１の実施形態におけるコレクタ電圧検知回路１２２の回路図である。コレクタ電圧検知回路１２２の回路は、高耐圧ダイオード３０１、プルアップ抵抗３０２、バッファ３０３から構成される。スイッチング素子１２５のコレクタは、入力端子３０４に接続される。高耐圧ダイオード３０１のカソードは入力端子３０４に、アノードはバッファ３０３の入力端子に接続されている。また高耐圧ダイオード３０１のアノードは、プルアップ抵抗３０２を介して５Ｖ電源（Ｖｃｃ５）３０６に接続されている。バッファ３０３の出力は、出力端子３０５に接続されている。またバッファ３０３の電源は、Ｖｃｃ５ ３０６に接続されている。

スイッチング素子１２５のコレクタは、放電抵抗１２４を介して平滑コンデンサ１２６の正極に接続されており、スイッチング素子１２５がオフ時には通常３００Ｖ以上の高電圧となる。このとき高耐圧ダイオード３０１のカソード電位は３００Ｖ以上に、またアノード電位はＶｃｃ５と同じ５Ｖとなるので、ダイオード３０１は逆バイアスになりオフになる。するとバッファ３０３の入力は、５Ｖ＝‘Ｈ’レベルになり、出力端子３０５には‘Ｈ’レベルが出力される。一方、スイッチング素子１２５がオン時には、スイッチング素子１２５のコレクタは０〜１Ｖ程度になる。このとき高耐圧ダイオード３０１のカソード電位は０〜１Ｖに、またアノード電位はＶｃｃ５と同じ５Ｖとなるので、ダイオード３０１は順バイアスになりオンになる。するとバッファ３０３の入力は‘Ｌ’レベルになり、出力端子３０５には‘Ｌ’レベルが出力される。

図４は、平滑コンデンサ１２６の正常な放電、すなわちコンタクタ１０４がオフとなっている場合に平滑コンデンサ１２６の放電が行われた場合の放電回路の動作を示すタイミングチャートである。
平滑コンデンサ１２６を放電する時は、まず上位コントローラ１０２がバッテリコントローラ１０３を介してコンタクタ１０４に「オフ」を指令する（時刻ｔ０）。これによりコンタクタは「オン」から「オフ」になる。またほぼ同時に上位コントローラ１０２はモータコントローラ１１２に放電指令を出す。

上位コントローラ１０２から放電指令を受信すると、モータコントローラ１１２は、放電制御回路１００へ放電指令信号１１４を送信する。すると放電制御回路１００のマイコン１１９は、コンタクタ１０４がオフとなっているかどうかを確認するための、平滑コンデンサ１２６の短時間放電を行う。

平滑コンデンサ１２６の短時間放電の準備として、マイコン１１９は、まず、分圧回路１１７からの入力電圧から平滑コンデンサ１２６の初期端子間電圧Ｖｃ０を測定し、この端子間電圧に基づいて平滑コンデンサ１２６の短時間放電を行うための、放電制御信号１２８のパルス幅Ｔｃｈｅｃｋを決定する。この短時間放電の準備が完了後（時間ｔｐ経過）、時刻ｔ１でマイコン１１９は、放電制御信号１２８を‘Ｌ’レベルから‘Ｈ’レベルにする（４０２）。これにより、ＩＧＢＴ１２５はオンになり、平滑コンデンサ１２６から放電が開始され、平滑コンデンサ１２６の電圧が低下し始める。そしてパルス幅Ｔｃｈｅｃｋの時間（４０３）経過後の時刻ｔ２に、マイコン１１９が放電制御信号１２８を‘Ｈ’レベルから‘Ｌ’レベルにして（４０４）、短時間放電を停止する。ここで放電制御信号１２８で時間幅Ｔｃｈｅｃｋ（４０３）を持つパルスをチェックパルスと呼んでいる。チェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋ（４０３）は平滑コンデンサ電圧Ｖｃ０に依存して決定されるが、この決定方法については後述する。

時刻ｔ２（Ｔｃｈｅｃｋ経過後）には、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧はＶｃ０からＶｃ１に低下している。マイコン１１９は、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧を時刻ｔ２以降で再度測定し、平滑コンデンサの端子間電圧の低下の大きさＶｃ０−Ｖｃ１が所定の判定基準ΔＶｔｈ（後述）より大きければ、コンタクタ１０４は正常にオフとなっていると判断する。
マイコン１１９によるコンタクタのオン・オフ状態の判定で、コンタクタ１０４は正常にオフとなっている場合は、時刻ｔ３において、マイコン１１９は放電制御信号１２８を時間ｔｄの間 ‘Ｈ’レベルにして（４０５）、連続放電を行う。そして平滑コンデンサの連続放電が始まり、端子間電圧が放電目標電圧ＶｃＴ以下まで下がったとき（時刻ｔ４）、マイコン１１９が放電制御信号１２８を‘Ｈ’レベルから‘Ｌ’レベルにして（４０６）、放電を完了する。なお、時刻ｔ４までに平滑コンデンサの端子間電圧は適宜測定されるが、図示はされていない。

図５は、コンタクタが何らかの原因でオフとならず、オンになったまま平滑コンデンサ１２６の放電が行われた場合の放電回路の動作を示すタイミングチャートである。
放電に先立ち、上位コントローラ１０２がバッテリコントローラ１０３を介してコンタクタに「オフ」を指令するが、何らかの不具合によりコンタクタは「オン」のままである。正常時と同様に時刻ｔ１０において上位コントローラ１０２がモータコントローラ１１２に放電指令を出すとモータコントローラ１１２は放電制御回路１００への放電指令信号１１４を出す。するとマイコン１１９が放電制御信号にチェックパルスを出力して短時間放電を行うため、放電制御信号１２８を‘Ｌ’レベルから‘Ｈ’レベルにする（４０２）。しかしコンタクタ１０４がオンとなっているため、高圧バッテリー１２９から放電抵抗に電流が供給され、平滑コンデンサ１２６の電荷は放電されず、平滑コンデンサの端子間電圧はほとんど低下しない。そしてチェックパルスのパルス時間幅Ｔｃｈｅｃｋ（４０３）経過後の時刻ｔ２に、マイコン１１９が放電制御信号１２８を‘Ｈ’レベルから‘Ｌ’レベルにして（４０４）、チェックパルスによる短時間放電を停止する。ここでチェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋ（５０３）は、前述のように平滑コンデンサの端子間電圧Ｖｃ０に依存して制御されるが、その決定方法については後述する。

時刻ｔ１から時刻ｔ２の間の短時間放電の間は、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧は、放電抵抗１２６の抵抗Ｒによる電位降下のため、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧は、初期電圧Ｖｃ０から僅かに低下する。しかし時刻ｔ２以降、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧は初期値のＶｃ０とほぼ同程度となる。これはコンタクタ１０４が閉じている（オン）ために、高電圧バッテリー１２９から電流が供給され続けるためである。

時刻ｔ２以降に、マイコン１１９は、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧Ｖｃ１を分圧回路１１７を介して測定し、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧の低下の大きさＶｃ０−Ｖｃ１が所定の判定基準ΔＶｔｈより小さいことを確認し、コンタクタ１０４がオンであると判定する。

コンタクタ１０４がオンであると判定されると、時刻ｔ３以降、マイコン１１９は上位から平滑コンデンサ１２６の電荷の放電指令を受けていても、時刻ｔ１から時間Ｔｉｎｖ（４０７）だけ経過するまで放電を再開しないで待機する。ここで待機時間Ｔｉｎｖ（４０７）はシステムで決められた一定の時間である。システムの中では様々の制御プロセスが繰り返し実行されている。このような状態で、平滑コンデンサの端子間電圧ができるだけ正確に測定できるように、ノイズ発生の少ない状態となるまでの一定の時間をＴｉｎｖとして選択している。したがって、Ｔｉｎｖは時間幅Ｔｃｈｅｃｋより長い、システム全体の動作サイクルの中でノイズ発生の少ない状態となるよう適宜決定される。

そして待機時間Ｔｉｎｖ（４０７）が経過した時刻ｔ０’に、再び、平滑コンデンサの端子間電圧Ｖｃ０’を測定し、短時間放電のパルス幅Ｔｃｈｅｃｋ（４０３）を決定する。このパルス幅Ｔｃｈｅｃｋのチェックパルスによる短時間放電を行ったのち、すなわち時刻ｔ２’以降に、平滑コンデンサの端子間電圧Ｖｃ１’を測定し、Ｖｃ０’−Ｖｃ１’が所定の判定基準ΔＶｔｈより小さいかどうかを再度確認し、コンタクタ１０４のオン・オフ状態の判定を行う。この時点でコンタクタ１０４がオフとなっていたら連続放電を開始するが、図５に示す場合では、コンタクタ１０４はオンのままであり、更に待機時間Ｔｉｎｖ経過するまで放電を待機する。以下これを繰り返す。もちろん上位から放電指令が取り下げられれば、この繰り返しは行わず、平滑コンデンサ１２６の放電のための制御動作は停止される。あるいは、短時間放電を所定の回数繰り返しても、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧が低下しない場合は、異常状態であるとして、これを上位制御装置に送信するとともに、放電動作を停止する。

以上のようにマイコン１１９は、スイッチング素子１２５をオン・オフを制御する制御回路として機能するとともに、コンタクタ１０４のオン・オフ状態を判定する判定部としても機能する。

次にチェックパルス幅時間Ｔｃｈｅｃｋの決定方法について説明する。
図６は、平滑コンデンサ１２６の電圧Ｖに対してチェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋの許容範囲を示すグラフである。チェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋは、グラフ上の２つの曲線６０１および６０２で囲まれた領域に入るように制御される。つまり曲線６０１がＴｃｈｅｃｋのパルス幅上限であり、曲線６０２がＴｃｈｅｃｋのパルス幅下限である。ここで曲線６０１は、次の式（１）で示す関数であり、平滑コンデンサの電圧と放電抵抗が定格温度になるチェックパルス幅の関係を示している。
Ｔｗ＝Ｐ_０（Ｒ／Ｖ^２）／ｆ ．．．（１）
ここでＴｗは、パルス幅、Ｐ_０は放電抵抗が定格温度になる消費電力、Ｒは放電抵抗の抵抗値、ｆはチェックパルスの繰り返し周波数であり、ｆ＝１／（Ｔｃｈｅｃｋ＋Ｔｉｎｖ）とも書ける。

なお、式（１）は、コンタクタ１０４が開かなくなり、チェックパルスによる短時間放電が放電間隔時間毎に繰り返し行われている場合に、放電抵抗の消費電力と放電抵抗が定格温度となる消費電力とが等しくなる条件から導かれる。つまり１回のチェックパルスによる短時間放電での放電抵抗Ｒの消費電力、すなわち抵抗Ｒが電圧Ｖを与えられた時の消費電力Ｖ^２／Ｒでパルス幅時間Ｔｗで消費される損失（Ｖ^２／Ｒ）・Ｔｗが周波数ｆで繰り返される時の消費電力と、放電抵抗Ｒが定格温度となる時の消費電力が等しいことから表わされる以下の式（２）をＴｗについて解いたものである。
Ｐ_０＝（Ｖ^２／Ｒ）・Ｔｗ・ｆ ．．．（２）
すなわち、式（１）に基づく図６の曲線６０１は放電抵抗Ｒによって消費される平均電力がこの放電抵抗の定格消費電力（放電抵抗が定格温度になる消費電力）となる条件となっている。

また、曲線６０２は、以下の式（２）に示す関数であり、電圧Ｖを平滑コンデンサ１２６の電圧Ｖｃとして、パルス幅Ｔｗのチェックパルスとによって平滑コンデンサ１２６が短時間放電される時の平滑コンデンサの電圧降下が識別できる場合の、ＶｃとＴｗの関係を示している。
Ｔｗ＝−ＲＣ・ｌｎ（１−ΔＶｃ／Ｖｃ） ．．．（３）
ここでＴｗは、パルス幅、Ｒは放電抵抗１２４の抵抗値、Ｃは平滑コンデンサ１２６の容量(放電すべき容量)、ΔＶｃは、上記で説明したようにマイコン１１９の電圧測定回路での分解能と、測定される平滑コンデンサ１２６の端子間電圧のノイズを考慮して、システムが放電によって平滑コンデンサ電圧が降下したと正しく識別できる電圧降下の最小限界値として定められる。

式（３）は、パルス幅時間Ｔｗにおける平滑コンデンサ電圧の電圧降下が上記ΔＶに等しいことから表わされる式（４）をＴｗについて解いたものである。
ΔＶｃ＝Ｖｃ−Ｖｃ・ｅｘｐ（−Ｔｗ／（ＲＣ）） ．．．（４）
従って、これら曲線６０１と６０２で挟まれる領域のチェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋは放電抵抗１２４が定格温度にならずにチェックパルスによる短時間放電での電圧降下を識別できるものとなる。
すなわち、上記式（３）で表わされるＴｗをチェックパルスのパルス幅Ｔｗの最少値Ｔｗｍｉｎとし、上記式（１）で表わされるＴｗをチェックパルスのパルス幅の最大値Ｔｗｍａｘとして、チェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋが、ＴｗｍｉｎとＴｗｍａｘの間になるように、Ｔｃｈｅｃｋを適宜設定すればよい（図６参照）。

このように、６０１と６０２との間のパルス幅で具体的にＴｃｈｅｃｋを決定する例を次に説明する。
＜第１の例＞
図６記載の条件の場合、例えば次の式（５）ようなＴｃｈｅｃｋの決定方法が考えられる。これは図中の６０３の曲線となる。
Ｔｃｈｅｃｋ＝ｍｉｎ（２００ｍｓ，Ｋｍ・Ｐ_０・（Ｒ／Ｖ^２）・ｆ） ．．．（５）
ここでＫｍは１以下の係数であり、Ｔｃｈｅｃｋが曲線６０２のＴｗを下回らないような大きさに設定する。図６の例では、Ｋｍ＝２／３となっている。これはチェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋが曲線６０１に対し余裕を設けるために、このチェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋを一定の比率に短くしたものである。また、２００ｍｓは、これがあまりに大きいと車両の動作に影響があるが、例えば車両の始動時や停止時に行えるように適宜定めるものである。
以上により、チェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋは曲線６０１と６０２で挟まれる領域で定めることができ、平滑コンデンサ１２６の電圧が高い場合にチェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋを小さくし、放電抵抗Ｒの発熱を抑え、定格温度を越えないようにできる。

＜第２の例＞
さらに次のようなチェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋの決定方法も考えられる。これは図６中の折れ線６０４となる。
Ｔｃｈｅｃｋ＝２００ｍｓ（Ｖ≦１５０Ｖ）
Ｔｃｈｅｃｋ＝１００ｍｓ（１５０Ｖ＜Ｖ≦２５０Ｖ）
Ｔｃｈｅｃｋ＝ ４０ｍｓ（２５０Ｖ＜Ｖ＜４５０Ｖ）
これは電圧範囲を区分けし、その電圧範囲内ではチェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋを切りの良い固定値とするものである。これにより、平滑コンデンサ１２６の電圧が高い場合にチェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋを小さくし、放電抵抗１２４の発熱を抑え、定格温度を越えないようにできるのに加え、チェックパルス幅Ｔｃｈｅｃｋの計算が必要ないので、点検時や動作検証時の波形測定が判りやすくなる。

図７は、上記の第１あるいは第２の例で説明したようにして、チェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋを予め算出しておき、このＴｃｈｅｃｋのデータをマイコン１２０のチェックパルス幅データ記憶部１３１に格納しておく場合のマイコン１２０の構成の一部を示す概略図である。
分圧回路１１７で分圧された平滑コンデンサ１２６の端子間電圧は、平滑コンデンサ端子間電圧入力ポート１３３に入力され、電圧測定部１３２で測定され、分圧回路１１７の分圧比に基づいて平滑コンデンサ端子間電圧Ｖｃが求められる。
次にチェックパルス幅データ記憶部に格納された、平滑コンデンサ端子間電圧Ｖｃに対応したチェックパルス幅Ｔｃｈｅｃｋ（Ｖｃ）を読出し、Ｔｃｈｅｃｋ（Ｖｃ）のパルス幅の時間だけ放電制御信号１２８をｈｉｇｈにする。バッファ１２３は、前述のようにＩＧＢＴ１２５をオンとするゲート信号を出力する。

なお、上述したように、予めチェックパルス幅Ｔｃｈｅｃｋをチェックパルス幅データ記憶部１３１に格納せず、上記第１あるいは第２の例に基づいて、毎回チェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋを算出することも可能である。この場合は、マイコン１２０のＣＰＵ１３０が上記第１あるいは第２の例に基づく計算を行って、チェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋを算出する。

図８は、上記で説明した本発明による電力変換装置の動作をマイコン１２０による制御フローの一例としてまとめたものである。
ステップＳ１で上位コントローラ１０２で放電指令が発生されると、この放電指令はバッテリコントローラ１０３とモータコントローラ１１２に送信される。バッテリコントローラ１０３は、ステップＳ２でコンタクタ１０４をオフとする制御を行う。

マイコン１２０は、モータコントローラ１１２を介して上位コントローラ１０２から放電指令を受信すると、Ｓ３以降のステップを実行する。まずチェックパルスによる平滑コンデンサ１２６の短時間放電の回数をカウントするためのカウンタをｉ＝０に初期化する。

ステップＳ４で、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧Ｖｃの初期値Ｖｃ０を分圧回路１１７からの出力電圧を用いて測定する。なお、初期値Ｖｃ０の測定がバッテリコントローラ１０３によるコンタクタのオフが行われてから行われるように、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧Ｖｃの初期値の測定時刻ｔ０は、コンタクタ１０４がオフとなった時刻から適宜遅れて実行される。以下の一連の処理では、この時刻ｔ０を一連の処理の開始時刻として説明する。またこれらの一連の処理で繰り返し行われる処理によって、ステップＳ４から再度処理が開始される場合は、その都度ステップＳ４の実行時刻を一連の処理の開始時刻であるとして説明する。ただし、カウンタの加算だけは放電指令を受信してから通算して加算するものとする。

続いてステップＳ５で、ステップＳ４で測定された平滑コンデンサの端子間電圧の初期値Ｖｃ０に基づいて、前述の第１あるいは第２の例で説明した方法により、チェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋを決定する。ステップＳ６では放電制御信号１２８にパルス幅Ｔｃｈｅｃｋのチェックパルスを出力し、このパルス幅Ｔｃｈｅｃｋの時間だけＩＧＢＴ１２５がオンとなり、平滑コンデンサの短時間放電が実行される（図４、図５で時刻ｔ１〜ｔ２）。なお、時刻ｔ１は、ステップＳ５が終了するまでの処理時間ｔｐ（適宜）が経過した時刻であり、時刻ｔ２はステップＳ６が終了するまでの処理時間ｔｐ（適宜）が経過した時刻である。

次に、時刻ｔ２以降にステップＳ７で、再度平滑コンデンサ１２６の端子間電圧Ｖｃ１を測定し、ステップＳ７で平滑コンデンサ１２６の端子間電圧の変化Ｖｃ０−Ｖｃ１が所定値ΔＶｔｈ以上か否かを判定する。（図４、図５で時刻ｔ２〜ｔ３）。なお、時刻ｔ３は、時刻ｔ２からステップＳ７が終了するまでの処理時間ｔｐ（適宜）が経過した時刻である。

この所定値ΔＶｔｈは、前述の式（４）で、Ｖｃ＝Ｖｃ０、Ｔｗ＝Ｔｃｈｅｃｋとした場合の値である。コンタクタ１０４が正常に動作しており、上位コントローラ１０２からの放電指令に基づいて、コンタクタ１０４がオフとなっていれば、平滑コンデンサ１２６は、この平滑コンデンサの容量Ｃと放電抵抗１２４の抵抗値Ｒによって定まる時定数で放電され、その端子間電圧はΔＶｔｈだけ低下する。時間Ｔｃｈｅｃｋの間放電された後の平滑コンデンサの端子間電圧Ｖｃ１が初期値Ｖｃ０よりΔＶｔｈだけ低下していれば、コンタクタ１０４は正常にオフになっていると判断できる。なお、実際のΔＶｔｈは、電圧測定の分解能および測定でのノイズの影響も考慮し、式（４）で定まる値よりも僅かに小さい値に設定されている。

従って、もし、Ｖｃ０−Ｖｃ１≧ΔＶｔｈであれば、上記で図４を参照して説明したように、放電指令によってコンタクタ１０４が正常にオフとなっている場合であると判断され、続いてＳ９のステップが実行される。また、Ｖｃ０−Ｖｃ１＜ΔＶｔｈであれば、ステップＳ１３が実行される。

（コンタクタ１０４が正常動作している場合）
ステップＳ９では、ステップＳ８での平滑コンデンサ１２６の端子間電圧の低下が上記の所定の閾値ΔＶｔｈ以上であることに基づいて、コンタクタ１０４がオフであると判定し、平滑コンデンサ１２６の連続放電を開始する。すなわち、マイコン１２０は、放電制御信号１２８に時間ｔｄだけ平滑コンデンサ１２６を放電するように、放電制御信号１２８を‘Ｈ’レベルにし（図４）、スイッチング素子（ＩＧＢＴ）１２５のゲートにはバッファ１２３を介してＩＧＢＴ１２５をオンにする信号が供給され、このＩＧＢＴ１２５と放電抵抗１２４の直列回路により平滑コンデンサ１２６の放電が行われる。

ステップＳ１０では、時間ｔｄだけ平滑コンデンサ１２６が放電された時刻ｔ４以降に、平滑コンデンサ１２６の端子間電圧Ｖｃ２が測定される。続いてステップＳ１１で、この端子間電圧Ｖｃ２が所定の目標電圧値ＶｃＴ以下であれば、平滑コンデンサ１２６の放電が充分行われたとして放電を終了する（ステップＳ１２）。
もし、平滑コンデンサの端子間電圧Ｖｃ２が目標電圧値ＶｃＴより高ければ、ステップＳ１６に進み、放電動作を停止するとともに、エラー信号１１６をモータコントローラ１１２に送信する。

なお、図４に示す平滑コンデンサの連続放電時間ｔｄは、端子間電圧の測定におけるノイズの影響も考慮し、以下の式（５）を解いて得られるｔｄより適宜長めに設定される。
ＶｃＴ＝Ｖｃ２・ｅｘｐ（−ｔｄ／（ＲＣ）） ．．．（５）

（コンタクタ１０４が異常動作している場合）
ステップＳ８でＶｃ０−Ｖｃ１＜ΔＶｔｈとなっていれば、ステップＳ１３が実行される。
ステップＳ１３ではチェックパルスの出力回数のカウンタの数値ｉが所定の最大値ｉｍａｘ以上かどうか判定する。
もし、ｉ＜ｉｍａｘであれば、再度チェックパルスによる短時間放電を行うのでステップＳ１４に進む。もし、ｉ≧ｉｍａｘであれば、ステップＳ１６でコンタクタ１０４がオン状態となる異常が発生していると判定し、ステップＳ１７で放電動作を停止するとともに、モータコントローラ１１２にエラー信号１１６を送信する。

ステップＳ１４では、所定の待機時間Ｔｉｎｖだけ待機する。また、チェックパルスによる短時間放電を再度実行するので、ステップＳ１５でカウンタの数値ｉをインクレメントする。続いてステップＳ４に戻り、ステップＳ４以下の動作を再実行する。図４、図５ではこの再実行の開始時刻をｔ０’としているが、図８ではこのｔ０’を再度ｔ０として放電動作を実行することに対応している。

なお、図８では省略されているが、前述のようにスイッチング素子（ＩＧＢＴ）１２５のコレクタ電圧は常にモニターされている。ＩＧＢＴ１２５が正常に動作している場合は、ステップＳ４、Ｓ７、Ｓ１０などの平滑コンデンサの放電の際は、ＩＧＢＴ１２５はオンとなっているので、ＩＧＢＴ１２５のコレクタ電圧は‘Ｌ’レベルとなっており、またステップＳ６、Ｓ９などの平滑コンデンサの端子間電圧の測定の際には、ＩＧＢＴ１２５はオフであり、そのコレクタ電圧は‘Ｈ’レベルとなっている。
もし、ＩＧＢＴ１２５のコレクタ電圧がこのような正常な電圧となっていない場合は、図８のステップＳ１７に示す異常処理が行われ、モータコントローラ１１２にエラー信号が送信される。図８の動作フローは、分かり易いように連続した動作で記載されているが、実際のマイコンでの動作（プログラミング）はイベントベースで実行されているので、放電動作中に異常が発生した場合は適宜異常処理が実行される。

以上に述べたように本発明の実施形態によれば、平滑コンデンサ１２６の電圧が高い場合に、チェックパルスによる短時間放電による平滑コンデンサ１２６の電圧降下が識別できる範囲で、チェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋを短くするので、チェックパルスによる短時間放電における損失を小さくでき、チェックパルスによる短時間放電の繰り返し時における消費電力を小さくできる。これによってチェックパルスによる短時間放電の間隔の短縮が可能になる。
また放電抵抗１２４での発熱を小さくできるので、この放電抵抗１２４の小型化、低コスト化ができ、電力変換装置１０１の小型化・低コスト化が図れる。

以上の説明は本発明の実施形態の例であり、本発明はこれらの実施形態に限定されない。当業者であれば、本発明の特徴を損なわずに様々な変形実施が可能である。とりわけ、接続された電池セルの個数に対応して様々な実施形態が可能である。

１００…放電制御回路
１０１…電力変換装置
１０２…上位コントローラ
１０３…バッテリコントローラ
１０４…コンタクタ
１０５…モータ
１１１…モータコントローラの電源
１１２…モータコントローラ
１１３…フォトカプラ
１１４…放電指令信号
１１５…フォトカプラ
１１６…エラー信号
１１７…分圧回路
１１８…マイコン電源
１１９…マイコン
１２０…ＰＲＵＮ
１２１…ＲＥＳＥＴ
１２２…コレクタ電圧検知回路
１２３…バッファ
１２４…放電抵抗Ｒ
１２５…ＩＧＢＴ（スイッチ）
１２６…平滑コンデンサＣ
１２７…インバータ
１２８…放電制御信号
１２９…高電圧バッテリ
２０１…ＮＭＯＳインバータゲート回路
２０２…ＰＭＯＳインバータゲート
２０３…プルダウン抵抗
２０６…入力端子
２０７…出力端子
２０８…１５Ｖ電源（Ｖｃｃ１５）
２０９…ＧＮＤ
３０１…高耐圧ダイオード
３０２…プルアップ抵抗
３０３…バッファ
３０４…入力端子
３０５…出力端子
３０６…５Ｖ電源（Ｖｃｃ５）
４０２…放電制御信号１２８のｔ１での立ち上がり
４０３…チェックパルスのパルス幅Ｔｃｈｅｃｋ
４０４…放電制御信号１２８のｔ２での立ち下がり
４０５…放電制御信号１２８のｔ３での立ち上がり
４０６…放電制御信号１２８のｔ４での立ち下がり
４０７…Ｔｉｎｖ（放電待機時間）

Claims (6)

1. ＤＣ電力をＡＣ電力に変換してモータに供給するインバータと、
   バッテリと前記インバータとの接続をオン・オフして、前記バッテリからのＤＣ電力の前記インバータへの供給をオン・オフするコンタクタと、
   前記コンタクタを介して前記バッテリと並列に接続された平滑コンデンサと、
   放電抵抗およびこれに直列に接続されたスイッチング素子からなる、前記平滑コンデンサに並列に接続されて当該平滑コンデンサの電荷を放電する放電回路と、
   前記平滑コンデンサの端子間電圧を測定する電圧測定回路と、
   前記平滑コンデンサの端子間電圧を分圧して前記電圧測定回路に入力する分圧回路と、
   前記スイッチング素子のオン・オフを制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、前記スイッチング素子を第１の所定時間オンして前記平滑コンデンサの端子間電圧が第１の所定の電圧以下になるまで前記平滑コンデンサの電荷を放電する前に、前記第１の所定時間より短い第２の所定時間だけ前記スイッチング素子をオンとして、この第２の所定時間の前後で前記平滑コンデンサの端子間電圧を測定し、この測定された第２の所定時間の前後の前記平滑コンデンサの端子間電圧に基づいて、前記コンタクタのオン・オフ状態を判定する判定部を含む電力変換装置であって、
   前記判定部は、上位制御装置からの前記平滑コンデンサの放電指令を受けた時に、前記第２の所定時間前記スイッチング素子をオンする前に前記電圧測定回路で測定された前記平滑コンデンサの端子間電圧に基づいて、前記第２の所定時間を決定し、前記第２の所定時間前後の前記平滑コンデンサの端子間電圧の測定値の差が前記第１の所定の電圧より小さい第２の所定の電圧未満であれば、前記コンタクタがオンであると判定する、コンタクタ動作判定を実行することを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記第２の所定時間の上限Ｔｗｍａｘは、前記放電抵抗が定格温度になる消費電力Ｐ_０、前記放電抵抗の抵抗値Ｒ、前記平滑コンデンサの端子間電圧Ｖ、前記第２の所定時間前記スイッチング素子をオンする動作の繰り返し周波数ｆ、に対して、Ｔｗｍａｘ＝Ｐ_０・（Ｒ／Ｖ^２）／ｆの関係で定められ、
   前記第２の所定時間の下限Ｔｗｍｉｎは、前記放電抵抗の抵抗値Ｒ、前記平滑コンデンサの容量Ｃ、前記電圧測定回路が確実に識別できる最小電圧値ΔＶ、前記平滑コンデンサの電圧Ｖに対して、Ｔｗｍｉｎ＝−ＲＣ・ｌｎ（１−ΔＶ／Ｖ）の関係で定められることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記最小電圧値ΔＶは、前記平滑コンデンサの端子間電圧のノイズと前記電圧測定回路の電圧検出の分解能に基づいて設定されることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記制御回路は、前記平滑コンデンサの複数の異なる端子間電圧と、この前記平滑コンデンサの複数の異なる端子間電圧の各々に対応した、複数の前記第２の所定時間の値を格納するデータ記憶部を備えることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記コンタクタがオンであると判定された場合、前記平滑コンデンサの電荷を前記第２の所定時間放電した後、さらに前記第２の所定時間より長い第３の所定時間が経過した後に、前記コンタクタ動作判定を繰り返し実行し、このコンタクタ動作判定を所定の回数繰り返した場合、前記コンタクタが故障であると判定して、前記平滑コンデンサの放電を中止することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１または５に記載の電力変換装置において、
   前記第２の所定時間前後の前記平滑コンデンサの端子間電圧の測定値の差が前記第２の所定の電圧以上であれば、前記コンタクタがオフであると判定して、前記平滑コンデンサの電圧が前記第１の所定の電圧以下になるまで、前記制御回路は、前記スイッチング素子を前記第１の所定時間オンとして前記平滑コンデンサの電荷を放電することを特徴とする電力変換装置。

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