JP7181416B2 - 放電制御回路および電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、ハイブリッド自動車、電気自動車等の走行システムに適用される電力変換装置における高電圧キャパシタの急速アクティブ放電制御回路に関し、特に当該放電制御回路の故障箇所の診断方法に関する。

ハイブリッド自動車や電気自動車のように、高電圧バッテリによってモータを駆動するシステムでは、高電圧バッテリからインバータを速やかに切り離したり、インバータ内部の残留電荷に対する急速放電の要求がある。例えば、米国法規ＦＭＶＳＳ３０５（電気自動車の電解液の流出および感電防止）においては、車両が衝突などで停車してから５秒以内に、インバータの出力電圧を所定以下とするため、入力段に接続された平滑コンデンサの残留電荷を所定の値まで速やかに放電する必要がある。

この放電制御は、衝突の発生時にドライバや救急隊員を感電から保護する目的で実行される機能であり、代表的な技術としてアクティブ放電がある。アクティブ放電を実行することで、インバータ回路の平滑コンデンサに蓄積された電荷を、放電抵抗によって消費させ、インバータの出力電圧を急速に下げることができる。

放電制御に関する従来例として、例えば特許文献１がある。放電制御の実行時に過大な電力が放電抵抗で消費されないようにするために、高電圧時は放電制御用のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦをデューティ制御し、低電圧時は放電制御用のスイッチング素子をＯＮ固定にし、放電速度を高めている。

ところで、緊急時にインバータを安全状態へと遷移させる目的で実行される放電制御は、機能安全の観点から、正常に動作することを常時検証することが必要とされる。上記のような放電制御は、インバータを通常制御とは異なる指令によって動作させるため、通常制御時は放電制御の健全性を検証することはできない。そこで、診断機能を実装するのが一般的であり、例えば特許文献２に示すような診断機能が挙げられる。放電制御の実行時に、何らかの原因によってバッテリのコンタクタがクローズ状態であった場合、長時間に渡って放電抵抗に過大な電流が流れ、放電抵抗が発熱によって損傷してしまう恐れがある。これを回避するために、コンデンサの端子電圧が、予め設定された電圧低下特性を超えた場合に、放電制御用のスイッチング素子を遮断して、放電抵抗による放電を停止する。

国際公開第２０１９／０３９０４７号パンフレット 特開２０１１－０４１３６３号公報

上述した診断機能は、コンタクタ・クローズ状態でアクティブ放電を実行したことを検出し、発熱による放電抵抗の損傷を回避することを目的とした診断機能である。しかし、インバータに異常があるのか、周辺機器に異常があるのかを分類できていないため、故障が発生した場合に適切な制御ができないという課題がある。例えば、コンタクタへの指示と実際の動作タイミングの差異によって、コンタクタ・クローズ状態が継続している時にアクティブ放電が実行された場合、インバータに故障はないものの診断機能がアクティブ放電失敗として異常を誤検出してしまう恐れがある。

本発明の目的は、アクティブ放電が失敗した場合に、インバータの故障箇所を詳細に特定し、故障の仕方に応じて適切な制御を実行し、インバータをより確実に安全状態へと移行させることができる電力変換装置及びその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の放電制御回路は、放電抵抗とスイッチング素子とを直列に接続された放電回路と、前記スイッチング素子をオン／オフ制御して前記放電抵抗による放電を制御する制御回路とを、備え、前記制御回路は、前記放電回路の両端電圧に基づき前記スイッチング素子を制御する制御信号を出力する演算回路と、前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する出力回路と、を有し、前記演算回路は、前記放電回路の両端電圧の低下量を検出する検出回路モニタ部と、前記演算回路の出力をモニタする演算回路モニタ部と、前記出力回路の出力をモニタする出力回路モニタ部と、を備える。

さらに、本発明に係る放電制御回路は、前記演算回路が放電を指示する前記制御信号を出力した後、所定の時間内に前記放電回路の両端電圧が所定の閾値を下回らなかった場合に、前記演算回路モニタ部によるモニタ結果である第１信号と、前記出力回路モニタ部によるモニタ結果である第２信号と、に基づいて、前記放電回路と、前記演算回路と、前記出力回路と、のいずれに異常が発生しているかを判定する機能を備える。

本発明によれば、複数の診断機能を組み合わせることで、アクティブ放電が失敗した場合に、故障箇所を詳細に特定し、故障の仕方に応じて適切な制御を実行し、インバータをより確実に安全状態へと移行させることができる。更に、診断結果を故障履歴として残し、故障履歴の解析によってインバータの故障しやすい箇所を把握し、より安全性の高い製品設計に役立てることができる。更に言うと、故障部位を速やかに特定することで、車両メンテナンス性の向上にも寄与できる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の概略的な構成図 本発明の実施形態に係る放電制御回路の機能ブロック図 正常放電時のチャート図 放電時間の診断のフロー図 電圧低下量の診断のフロー図 ＨＶ出力結果の診断のフロー図 ＬＶ出力結果の診断のフロー図 複数の診断結果を組み合わせて故障箇所を特定するためのメトリクス図 放電量の不足時のチャート図 コンタクタ・クローズ時のチャート図 放電抵抗ショート故障により抵抗値が変化した時のチャート図 放電抵抗オープン故障時のチャート図 サブＣＰＵ出力のＯＦＦ固着故障時のチャート図 サブＣＰＵ出力のＯＮ固着故障時のチャート図

以下、図面を参照して、本発明に係る電力変換装置の実施の形態について説明する。なお、各図において同一要素については同一の符号を記し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１０１の概略的な構成図である。電力変換装置１０１は、メイン制御装置（ＣＰＵ）１０２と、メイン制御装置１０２によって制御される第一のスイッチング素子１１０と、サブ制御装置（サブＣＰＵ）１０３と、サブ制御装置１０３によって制御される第二のスイッチング素子１０７と、電荷を蓄えるコンデンサ１０９と、電荷を消費する放電抵抗１０８と、を備える。電力変換装置１０１は、バッテリ１０５から供給される直流電力がコンタクタ１０６を介して入力され、モータ１０４を駆動する交流電力を出力する。

図２は、図１に示す電力変換装置の機能ブロックの構成例であり、特に、第二のスイッチング素子１０７及び放電抵抗１０８とにより構成される放電回路の制御系（放電制御回路）を示している。低電圧（ＬＶ）側には、メイン制御装置１０２及びサブ制御装置１０３と、これらに電力を供給する電源回路と、が配置される。高電圧（ＨＶ）側には、放電指示に基づいて第二のスイッチング素子１０７を駆動し放電抵抗１０８に放電動作を実行させる出力回路２０３と、電圧変動検出回路２０４と、電圧検出回路２０５と、が配置される。ＬＶ側とＨＶ側との間での信号伝達は、フォトカプラ等を介して行われる。

メイン制御装置１０２とサブ制御装置１０３とは、メイン電源２０１からの電力供給を受けて動作する。メイン制御装置１０２から出力された放電指示は、サブ制御装置１０３を経由して、出力回路２０３へと入力され、放電抵抗１０８で電荷を消費させる。サブ制御装置１０３から出力される放電指示は、ＬＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号としてサブ制御装置１０３へ入力され、メイン制御装置１０２へと伝達される。

放電抵抗１０８の端子電圧は、スイッチング素子１０７に直列接続したシャント抵抗によって検出し、ＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号としてメイン制御装置１０２へと入力される。電圧変動の検出回路２０４は、電荷の放出中に電圧が意図通りに低下しているかを検知する。電圧変動検出回路２０４が検出した電圧変動は、サブ制御装置１０３へと入力され、メイン制御装置１０２へと伝達される。ＨＶ電圧の検出回路２０５は、コンデンサ１０９の端子電圧を検出し、メイン制御装置１０２へと入力する。

本実施形態におけるアクティブ放電の診断方法について説明する前に、本実施形態におけるアクティブ放電の制御について説明する。図３は、正常放電時のチャート図である。ＨＶＤＣがＶ＿ｉｎｉの値にある状態から放電制御を実行し、所定の時間内にＶ＿ｌｏ以下まで電圧を下げることが、放電制御の目的である。

メイン制御装置１０２からの放電指示がＡＤ＿ＣＭＤとして出力されている間、放電抵抗への出力回路２０３からＡＤ＿ＯＵＴが出力される。本実施形態では、放電抵抗により電荷を消費する期間であるＡＤ＿ＯＵＴは、ＨＶ電圧が閾値Ｖ＿ｔｈを下回る前と後とでパルスパターンを変えている。具体的には、ＨＶ電圧が閾値Ｖ＿ｔｈ以上である場合（時刻ｔ３０～ｔ３１）は、第二のスイッチング素子１０７のオン・オフを交互に切り替えるパルス状の通電を指示することで、過大な電流が放電抵抗１０８に流れないようにしている。放電が進み、ＨＶ電圧が閾値Ｖ＿ｔｈを下回った場合（時刻ｔ３１～ｔ３２）、常に第二のスイッチング素子１０７をオンに制御し、放電抵抗１０８によりコンデンサ１０９の電荷を急速に放電する。

前述した電圧変動の検出回路２０４により検出した電圧変動が所定値以上である場合には、単位時間当たりの電圧低下量が期待通りであるとして、ＡＤ＿ｄｖｄｔの値として１がセットされる。また、ＨＶ電圧が閾値Ｖ＿ｔｈを下回った場合には、ＡＤ＿Ｖ＿ｔｈの値として１がセットされ、ＨＶ電圧が閾値Ｖ＿ｌｏを下回った場合には、ＡＤ＿Ｖ＿ｌｏの値として１がセットされる。閾値Ｖ＿ｌｏは、放電の目標となる電圧であり、安全状態迄電圧が下がったと判断するための閾値となっている。ここでは、時刻ｔ３２においてＨＶ電圧がＶ＿ｌｏを下回ったことで、ＡＤ＿Ｖ＿ｌｏ＝１となり、この時点で放電動作を終了させている。

なお、後述するように、本実施形態の放電制御回路は、ＬＶ側のｒｅａｄ ｂａｃｋ信号であるＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＬＶと、ＨＶ側のｒｅａｄ ｂａｃｋ信号であるＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＨＶとをＡＤ＿ＯＵＴと比較する。図３においては、これらがすべて一致しており、意図通りの信号が出力されていると判定できるため、アクティブ放電が正常に実行されていることを判定することができる。なお、以降説明する本実施形態において、ＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＨＶのみ、反転した信号となっている。

アクティブ放電の診断は、主にメイン制御装置１０２で実行される。メイン制御装置１０２からの放電指示と、ＬＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号とＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号を比較することで、意図しない出力となっている領域を特定し、異常発生を検出する。さらに、電圧変動と電圧の信号を使い、放電による電圧の挙動を把握することができる。

以下、複数の診断結果を組み合わせることで、アクティブ放電が失敗した場合に、故障箇所を詳細に特定し、故障の仕方に応じて適切に制御を実行する方法について説明する。まず、（１）放電時間の診断、（２）電圧低下量の診断、（３）ＨＶ出力結果の診断、（４）ＬＶ出力結果の診断、のそれぞれの診断手順について、図４～図７に示すフロー図を用いて説明する。

図４は、放電時間の診断（１）のフロー図である。放電時間の診断では、放電開始後の一定時間の経過後におけるＨＶ電圧の値が所定の診断閾値Ｖ＿ｌｏより高い場合に、診断結果としてＮＧであると判定する。一例としては、放電を開始してから５秒以内に６０Ｖ以下まで放電することができた場合にＯＫと判定し、そうでない場合にはＮＧと判定することができる。ここでは、診断ＯＫの場合にはＡＤ＿Ｔｉｍｅ＝０にセットされ、診断ＮＧの場合にはＡＤ＿Ｔｉｍｅ＝１にセットされる。ＨＶ電圧は、ＨＶ電圧の検出回路２０５の検出値を用いる。

図５は、電圧低下量の診断（２）のフロー図である。電圧低下量の診断は、ＨＶ電圧の値が十分に高い場合に実行する。ここでは、ＨＶ電圧の値が診断閾値Ｖ＿ｌｏより高い場合に診断を実行する例としている。電圧低下量の診断では、放電中におけるＨＶ電圧の電圧変動の変化量（単位時間当たりの低下量）が所定の閾値ｄＶｔｈより小さい場合に、診断結果としてＮＧであると判定する。ＨＶ電圧の電圧変動は、電圧変動の検出回路２０４の検出値を用いる。単位時間当たりのＨＶ電圧の低下量が所定値ｄＶｔｈ以上である場合は、正常に放電ができているとして診断ＯＫであると判定し、ＡＤ＿ｄｖｄｔ＝１にセットされる。単位時間当たりのＨＶ電圧の低下量が所定値ｄＶｔｈ未満である場合は、期待通りに放電ができていないとして診断ＮＧであると判定し、ＡＤ＿ｄｖｄｔ＝０にセットされる。

また、電圧低下量の診断ＮＧと判定された場合、放電をいったん停止してリトライ状態に移行する。ここでは放電を停止後、所定の時間を待機した後に、再び放電を開始する構成としている。電圧低下量の診断は、主にコンタクタ１０６がクローズ状態になっている場合にＮＧと判定されるが、時間経過により一時的なコンタクタクローズ状態が解消され、オープン状態になっていることを期待し、所定回数のリトライを実行することとしている。リトライの回数は任意に設定することができ、また、リトライしない構成としても良い。

図６は、ＨＶ出力結果の診断（３）のフロー図である。ＨＶ出力結果の診断は、メイン制御装置１０２が放電回路から受け取るＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号であるＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＨＶに基づき、実行される。ＨＶ出力結果の診断は、ＰＷＭチェック診断、ＯＮ固着診断、ＯＦＦ固着診断に分類され、フローに示す場合分けによって異常を検出する診断が異なる。図６においては、ＡＤ＿ＯＵＴ信号とＡＤ＿ＤＩＡＧ＿ＨＶ信号とを直接比較するのではなく、ＡＤ＿ＯＵＴを生成する際に用いる所定の周波数及びデューティとを診断閾値としてメイン制御装置１０２内に記憶させておき、これらの診断閾値を用いてＨＶ出力結果の診断を行う方法について説明する。

ただし、図５の電圧低下量の診断において、電圧変動が無く放電のリトライを継続中の場合、一時的に放電が停止されている状態にあるため、診断ＮＧであると判定しないようにする。そのため、リトライ継続中は、診断ペンディング情報ＡＤ＿ＰＥＮＤを１にセットしている。

ＨＶ出力結果の診断では、まずＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号の周波数とデューティを算出する。これらのそれぞれを診断閾値と比較する。ＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号の周波数と比較される診断閾値は、図３の時刻ｔ３０～ｔ３１におけるＡＤ＿ＯＵＴのＰＷＭ周波数である。また、ＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号のデューティと比較される診断閾値は、図３の時刻ｔ３０～ｔ３１またはｔ３１～ｔ３２においてそれぞれ設定されるＡＤ＿ＯＵＴのデューティである。図３の実施形態において、時刻ｔ３１～ｔ３２におけるＡＤ＿ＯＵＴのデューティは１００％である。

このように、本実施形態においては、ＨＶ電圧がＶ＿ｔｈ以上であるか未満であるかによって、比較対象となるＡＤ＿ＯＵＴのパルスが異なる。そのため、ＨＶ出力結果の診断においても、ＨＶ電圧がＶ＿ｔｈ以上であるか否かによって場合分けをしている。

ＨＶ電圧がＶ＿ｔｈ以上の場合、すなわち図３の時刻ｔ３０～ｔ３１に対応する領域においては、周波数とデューティのいずれも診断閾値との比較を行う。まずステップ６０１において、ＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号の周波数と診断閾値との比較を行う。このとき、周波数が期待値と異なる場合には、ＨＶ側のＰＷＭチェック診断ＮＧであると判定する。つづいてステップ６０２において、デューティの比較を行い、期待値と異なる場合には診断ＮＧであると判定することができる。特に、検出したＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号のデューティが０％であった場合には、ＨＶ側のＯＦＦ固着診断ＮＧであると判定し、デューティが１００％であった場合には、ＨＶ側のＯＮ固着診断ＮＧであると判定する。

一方、ＨＶ電圧がＶ＿ｔｈより小さい場合、図３で示すようにＡＤ＿ＯＵＴは常にオン状態であるため、周波数の比較はせず、デューティの比較のみを実行する。ＡＤ＿ＯＵＴのデューティは１００％であるため、ＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号のデューティが１００％以外で合った場合には、診断ＮＧであると判定することができる。特に、デューティが０％の場合には、ＨＶ側のＯＦＦ固着診断ＮＧであると判定し、それ以外の場合には、ＨＶ側のＰＷＭチェック診断ＮＧであると判定する。

図７は、ＬＶ出力結果の診断（４）のフロー図である。ＬＶ出力結果の診断は、メイン制御装置１０２がサブ制御装置１０３から受け取るＬＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号であるＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＬＶに基づき、実行される。図７のフロー図の流れは、ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号の種類が異なる以外は、図６における流れとほぼ同様であるため、詳細な説明はここでは省略する。

図８は、複数の診断結果を組み合わせて故障箇所を特定するためのメトリクス図である。本発明に係る放電制御回路は、図４～図７において上述した（１）放電時間の診断の結果と、（２）電圧低下量の診断結果と、（３）ＨＶ出力の診断結果と、（４）ＬＶ出力の診断結果と、を組み合わせて評価することで、故障箇所を特定することができる。（３）ＨＶ出力の診断結果と（４）ＬＶ出力の診断結果とは、ＯＮ固着診断と、ＯＦＦ固着診断、ＰＷＭチェック診断の３種類に分類した結果を用いる。

以下、各故障モードに対応したタイムチャートを図９～図１４を用いて説明していく。このように、故障箇所を特定することによって、例えば設計段階であれば、設計値の見直しや制御方法の変更に活用することができる。故障しやすい箇所を把握することは、技術の改良・発展に寄与し、次なる製品設計に役立てることができる。または、故障箇所を特定することによって適切に安全な状態へと移行することができる。以下では、図３と重複する説明は省略しながら、特徴となる部分について説明する。

図９は、放電量の不足時のチャート図である。図９では、時刻ｔ９０において放電を開始した後、所定時間経過後の時刻ｔ９２までにＨＶ電圧がＶ＿ｌｏ以下まで下がらず、ＡＤ＿Ｖ＿ｌｏの値は０のままである。そのため、時刻ｔ９２において、放電時間の診断ＡＤ＿Ｔｉｍｅが、診断ＮＧを検出する。放電制御回路は、ＨＶ電圧がＶ＿ｔｈよりも高い状態（時刻ｔ９０～ｔ９１）では、ｄｕｔｙ制御で放電を実行する。このｄｕｔｙが小さい場合や、放電抵抗１０８で消費される電荷が少ない場合に、このような挙動を示す。

この場合、原因は放電の設計値に問題があるため、設計値の見直しによって所定の時間内に閾値Ｖ＿ｌｏまでＨＶ電圧を低下させられるようにする必要がある。なお、図９における電圧低下量は、正常時よりはやや小さいものの、電荷の消費自体は適切に行うことができているため、放電実行中（ＡＤ＿ＣＭＤ＝１の期間）において、ＡＤ＿ｄｖｄｔは正常値である１を出力し続けている。また、ＨＶ側及びＬＶ側のｒｅａｄ ｂａｃｋ信号も正常値を示している。

図１０は、コンタクタ・クローズ時のチャート図である。コンタクタ１０６がクローズ状態の場合、時刻ｔ１００において放電を開始しても、キャパシタ１０９はバッテリ１０５に接続されているため、ＨＶ電圧は低下しない。ＨＶ電圧はＶ＿ｌｏを下回ることがないため、放電時間の診断はＮＧ（ＡＤ＿Ｔｉｍｅ＝１）と判定される。また、単位時間あたりの電圧低下量も閾値を下回るため、電圧低下量の診断がＮＧ（ＡＤ＿ｄｖｄｔ＝０）と判定される。その後、一定時間後のリトライする動作を行う。リトライの待機中は、他の診断ＮＧを検出することを回避するため、診断のペンディング情報ＡＤ＿ＰＥＮがセットされる。

コンタクタの機械的な動作タイミングによって、一時的にクローズ状態であった場合は、リトライ中に放電が開始され、所定の時間内にＨＶＤＣがＶ＿ｌｏまで下がる。時刻ｔ１００からｔ１０３までの間に、好ましくは複数回のリトライが実行される。ただし、コンタクタ１０６がクローズ故障した場合でも、放電抵抗などのＨＶ回路や、メイン制御装置やサブ制御装置などのＬＶ回路が正常な場合には、キャパシタ１０９の電圧が低下しないだけで、放電抵抗１０８により電荷の消費は正常に実行されるため、ＨＶ出力の診断およびＬＶ出力の診断は、正常（ＯＫ）であると判断される。本実施形態に係る放電制御回路では、ＨＶ側およびＬＶ側のｒｅａｄ ｂａｃｋ信号を監視することにより、ＬＶ側の制御回路やＨＶ側の出力回路は故障せず正常に動作していることが確認できる。

図１１は、放電抵抗ショート故障により抵抗値が変化した時のチャート図である。更に言えば、放電抵抗のショート故障によって抵抗値が低く変化した場合のチャート図である。抵抗値が低下したことで、放電時に消費される電荷が少なくなり、ＨＶ電圧の低下量が期待値よりも少なくなる。所定の時間内にＨＶ電圧がＶ＿ｌｏ以下まで下がらないため、放電時間の診断ＡＤ＿Ｔｉｍｅが、時刻ｔ１１６において診断ＮＧを検出する。図９の場合と似ているが、図１１においては、時刻ｔ１１２にて、単位時間あたりの電圧低下量が期待値を下回り、電圧低下量の診断がＮＧを判定する。その後、一定時間後にリトライする機能が動作を開始する。この場合も、抵抗値の変化により放電量は変化しているが、ＬＶ側とＨＶ側のｒｅａｄ ｂａｃｋ信号は意図通りに動作しており、制御回路や出力回路には問題がないことが特定できる。

図１２は、放電抵抗オープン故障時のチャート図である。オープン故障が発生した場合、放電抵抗１０８による電荷の消費ができないため、ＨＶ電圧の低下は内部回路での電力消費によるパッシブ放電による分のみとなる。結果、所定の時間内にＨＶ電圧をＶ＿ｌｏ以下まで放電することができず、時刻ｔ１２４において、ＡＤ＿ＴｉｍｅはＮＧ診断される。また、パッシブ放電のみで放電量が不足するため、単位時間あたりの電圧低下量が期待値より小さくなる。そのため、電圧低下量の診断がＮＧを検出し、一定時間後にリトライする動作を繰り返す。

ここで、放電抵抗のオープン故障の場合、放電抵抗は常時ＯＦＦの状態を継続することになるため、ＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号（ＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＨＶ）は、ＯＦＦ固着の診断ＮＧが検出される。更に、本来は時刻ｔ１２０からデューティ制御による放電が行われるはずの領域でＯＦＦ固着が継続するため、ＰＷＭパルスチェック診断もＮＧが検出される。その結果、時刻ｔ１２１において、ＡＤ＿ＨＶ＿ＯＦＦおよびＡＤ＿ＨＶ＿ＰＷＭが診断ＮＧとして判定されている。なお、放電抵抗のオープン故障時にあっては、ＬＶ側の制御回路は正常に動作できているため、ＬＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号（ＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＬＶ）は、放電指示ＡＤ＿ＯＵＴと一致する。

図１３は、サブＣＰＵ出力のＯＦＦ固着故障時のチャート図である。この図は、ＬＶ側にあるサブ制御装置（サブＣＰＵ）の出力部や、ＨＶ側にある出力回路、放電のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチング素子を含む経路のいずれかに故障が発生した場合の動作を示す。ここでは便宜上，出力回路やスイッチング素子を含む経路のいずれかに故障が発生した場合も総称して『サブCPUのOFF固着』と呼んでいる。ＯＦＦ固着故障によって第二のスイッチング素子１０７をオンすることができず、放電抵抗１０８での電荷の消費ができないため、ＨＶ電圧の低下は内部回路での電力消費によるパッシブ放電による分のみとなる。結果、所定の時間内にＨＶ電圧をＶ＿ｌｏ以下まで放電することができず、時刻ｔ１３４において、ＡＤ＿ＴｉｍｅはＮＧ診断される。また、パッシブ放電のみで放電量が不足するため、単位時間あたりの電圧低下量が期待値より小さくなる。そのため、電圧低下量の診断がＮＧを検出し、一定時間後にリトライする動作を繰り返す。

ＨＶ電圧やその電圧低下量のみに着目した場合、図１２と図１３とは同じように見える。しかし、図１２における放電抵抗のオープン故障時とは異なり、サブＣＰＵのＯＦＦ固着故障が発生した場合は、ＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号（ＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＨＶ）だけでなく、ＬＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号（ＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＬＶ）も、ＡＤ＿ＯＵＴとは異なる挙動を示す。結果的には、ＨＶ出力の診断およびＬＶ出力の診断の両方において、ＯＦＦ固着診断ＮＧとＰＷＭチェック診断ＮＧが検出される。このように、ＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号（ＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＨＶ）及びＬＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号（ＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＬＶ）を監視することにより、故障箇所の切り分けが可能となる。

図１４は、サブＣＰＵ出力のＯＮ固着故障時のチャート図である。このチャート図は、ＬＶ側にあるサブＣＰＵの出力部や、ＨＶ側にある出力回路、放電のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチング素子を含む経路のいずれかに故障が発生した場合の動作を示す。図１４では特に、放電開始を指示した瞬間にＯＮ固着故障が発生した場合の動作を示しており、故障発生のタイミングによっては、必ずしもこのチャート図と同じ動作をするわけではない。サブＣＰＵ出力のＯＮ固着故障が発生した場合、放電抵抗にて電荷を消費することはできるが、デューティ制御による放電は実行できず、常時ＯＮで放電が行われる。そのため、正常時より早い速度で放電が行われる。所定時間内にＨＶ電圧はＶ＿ｌｏを下回ることができ、かつ電圧低下量も所定の閾値を上回る速度で放電されるため、放電時間の診断および電圧低下量の診断では、ＯＫと検出される。しかし、ＬＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号（ＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＬＶ）もＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号（ＡＤ＿Ｄｉａｇ＿ＨＶ）も常時ＯＮを継続するため、ＬＶ側とＨＶ側のＯＮ固着診断がＮＧを検出する。更に、デューティ制御による放電を行うはずの領域で常時ＯＮを継続するため、ＬＶ側とＨＶ側のＰＷＭチェック診断ＮＧが検出される。

以上述べた本発明の実施形態についてまとめると、本発明に係る放電制御回路は、放電抵抗１０８とスイッチング素子１０７とを直列に接続された放電回路と、スイッチング素子１０７をオン／オフ制御して放電抵抗１０８による放電を制御する制御回路とを、備える。前記制御回路は、スイッチング素子１０７のオン／オフを駆動する駆動信号を出力する出力回路２０３と、前記放電回路の両端電圧に基づく放電指示を出力回路２０３に出力するメイン制御回路１０２及び／又はサブ制御回路１０３（演算回路）と、を有する。前記演算回路は、放電回路の両端電圧の低下量を検出する検出回路２０４、２０５を備えるとともに、演算回路の出力をＬＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号としてモニタし、かつ、出力回路２０３の出力をＨＶ ｒｅａｄ ｂａｃｋ信号としてモニタする。このように、ＨＶ側およびＬＶ側のｒｅａｄ ｂａｃｋ信号を監視することで、放電制御回路における故障箇所を特定することが可能となる。

このような放電制御回路によれば、複数の診断機能を組み合わせることで、アクティブ放電が失敗した場合に、故障箇所を詳細に特定し、故障の仕方に応じて適切な制御を実行し、インバータをより確実に安全状態へと移行させることができる。また、故障部位を速やかに特定することで、車両メンテナンス性の向上にも寄与できる。

例えば、放電量が不足していると判定された場合、放電量の設計値の見直しに活用することができる。または、車種による周辺機器のキャパシタ容量が異なり、電圧が十分に下がりきらない場合には、パッシブ放電で放電を継続するようにしてもよい。

コンタクタクローズ状態であると判定された場合には、放電のリトライに移行する。初回の放電時には、機械的な遅れによりクローズ状態で放電できなかったものの一定時間後なら放電が可能になる可能性があるためである。ただし、放電のリトライ機能は必須ではなく、任意の上限回数を設けることとしてもよい。

また、放電が正常に実行できなかった場合には、異常の発生を運転者等に通知する機能を設けることができる。また、放電異常の診断結果に応じて、通知の方法や電力変換装置の制御の方法を変更させても良い。例えば、放電抵抗のショート故障が検知された場合、抵抗値（すなわち放電量）が変化した状態でアクティブ放電を行い、アクティブ放電後の残留電荷は、パッシブ放電で放出するようにしてもよい。

また、診断結果を故障履歴として残すようにすることで、故障履歴の解析によってインバータの故障しやすい箇所を把握し、より安全性の高い製品設計に役立てることができる。この場合、故障履歴を記録するための不揮発性メモリを更に設けるようにしてもよい。

例えば、放電抵抗のオープン故障が検知された場合、発熱により放電抵抗が破損した可能性があるので、放電パターンの設計を見直す。サブＣＰＵのＯＦＦ固着またはＯＮ固着が検知された場合、過電流による回路損傷の観点でハードウェアを調査し、耐久性を高める検討を行う。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態にも限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

例えば、メイン制御装置１０２で実行している診断の一部を、サブ制御装置１０３で実行することで、メイン制御装置１０２の演算負荷を軽減させることができる。また、上記実施例ではＨＶ電圧がＶ＿ｔｈを下回るまでは、固定のデューティでＡＤ＿ＯＵＴを出力していたが、多段階のデューティを持たせるようにしても良い。

１０１…電力変換装置１０２…メイン制御装置１０３…サブ制御装置１０４…モータ１０５…バッテリ１０６…コンタクタ１０７…第二のスイッチング素子１０８…電荷を消費する放電抵抗１０９…電荷を蓄えるコンデンサ１１０…第一のスイッチング素子２０１…メイン電源２０２…サブ電源２０３…出力回路２０４…電圧変動の検出回路２０５…ＨＶ電圧の検出回路

Claims (7)

1. 放電抵抗とスイッチング素子とを直列に接続された放電回路と、
   前記スイッチング素子をオン／オフ制御して前記放電抵抗による放電を制御する制御回路とを、備えた放電制御回路であって、
   前記制御回路は、前記放電回路の両端電圧に基づき前記スイッチング素子を制御する制御信号を出力する演算回路と、前記制御信号に基づいて前記スイッチング素子を駆動する駆動信号を出力する出力回路と、を有し、
   前記演算回路は、前記放電回路の両端電圧の低下量を検出する検出回路モニタ部と、前記演算回路の出力をモニタする演算回路モニタ部と、前記出力回路の出力をモニタする出力回路モニタ部と、を備える放電制御回路。
2. 請求項１に記載の放電制御回路において、
   前記演算回路が放電を指示する前記制御信号を出力した後、所定の時間内に前記放電回路の両端電圧が所定の閾値を下回らなかった場合に、前記演算回路は、前記演算回路モニタ部によるモニタ結果である第１信号と、前記出力回路モニタ部によるモニタ結果である第２信号と、に基づいて、前記放電回路と、前記演算回路と、前記出力回路と、のいずれに異常が発生しているかを判定する放電制御回路。
3. 請求項２に記載の放電制御回路において、
   前記第１信号の周波数またはデューティに基づいて、前記演算回路に異常が発生しているか否かを判定する放電制御回路。
4. 請求項３に記載の放電制御回路において、
   前記第２信号の周波数またはデューティに基づいて、前記出力回路又は前記放電回路に異常が発生しているか否かを判定する放電制御回路。
5. 請求項４に記載の放電制御回路において、
   前記制御信号は、前記スイッチング素子を所定の周波数で交互にオン／オフ制御するように出力され、
   前記制御信号と前記第１信号との比較及び前記制御信号と前記第２信号との比較に基づき、故障が発生している回路を判定する放電制御回路。
6. 請求項２乃至５に記載の放電制御回路において、
   前記演算回路が検出した故障発生の情報を故障履歴として記録する不揮発性メモリを備える放電制御回路。
7. 請求項１乃至６に記載の放電制御回路と、
   前記放電回路と並列に接続された平滑コンデンサ及びインバータ回路と、を備えた電力変換装置。

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