JP2014036474A

JP2014036474A - 電源装置

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Publication number: JP2014036474A
Application number: JP2012175553A
Authority: JP
Inventors: Yasuyoshi Hori; 保義堀
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2012-08-08
Publication date: 2014-02-24
Anticipated expiration: 2032-08-08
Also published as: JP5930910B2

Abstract

【課題】発電を効率よく実施できると共に、電圧変換手段が異常となった場合でもバイパス回路等の部品を追加することなく電力の供給を継続できる電源装置を提供する。
【解決手段】正極端子側のスイッチング素子１１よりも負極端子側のスイッチング素子１２が先に断線故障するようにスイッチング素子１１，１２の特性を予め設定しておき、コントローラ２２が負極端子側のスイッチング素子１２の断線故障を検出した場合には、このコントローラ２２からの指令でドライバ２１を駆動して正極端子側のスイッチング素子１１を常時導通状態にする。
【選択図】図２

Description

この発明は、発電を効率よく実施できると共に、電圧変換手段が異常となった場合でも電力の供給を継続できる電源装置に関するものである。

従来の車両の電源装置のうち、発電を効率よく実施できる電源装置については、特許文献１に示されるように、発電効率が最高となる動作点で発電機が発電を行うように制御するとともに、発電機の出力電圧の大きさを所定の電圧値に変換する電圧変換手段を有するものが開示されている。

この従来の装置によれば、発電機の出力端子電圧を可変にすることで、発電機の最大出力電力を大きくでき、また、効率が最適となる出力端子電圧で発電を行なうので発電効率も改善される。この場合、電気負荷やバッテリに適した電圧と発電効率が最大となる発電機出力端子電圧とは一般に異なるが、電圧変換手段を用いることで、発電機と電気負荷等とを接続することが可能となる。

特開２００１−１０３７９６号公報

前述の従来の装置の場合、発電機から生成される電力は、電圧変換手段を介して電気負荷へ供給されることになる。この点、一般的な電圧変換手段は、スイッチング素子やそれを制御するコントローラ等、複雑な構成となっているため、故障等により異常な動作となった場合、電力を適切に供給することができなくなる恐れがある。例えば、制御の異常等により不要なスイッチング素子が導通されることで電源が短絡した場合、スイッチング素子を焼損することが考えられる。

このように、電圧変換手段の故障により電力が供給されなくなると、車両走行に必要な機器や内燃機関を作動させるための機器を駆動することができない懸念がある。これを防止するため、電圧変換手段と並列にリレーを設け、電圧変換手段の異常時は、リレーを介して電力を供給することが考えられる。しかしながら、リレーや配線等が必要になるため、重量、サイズの増加やコスト上昇を招く懸念がある。

一方、上記の特許文献１記載のように、スイッチング素子に対してバイパス用のダイオードを設けた構成の場合には、スイッチング素子が断線故障した場合であっても電力供給は可能であり、また、スイッチング素子の作動異常でも短絡することはない。しかしながら、ダイオードでの損失増加により正常時の電圧変換効率が低下するため、好ましい構成とはいえない。

この発明は、前述した従来の装置における課題を解決するためになされたもので、発電を効率よく実施できると共に、電圧変換手段が異常となった際にも、バイパス回路等の部品を追加することなく電力の供給を継続できる電源装置を提供することを目的とする。

第１の発明に係る電源装置は、直流電源と電気負荷との間に接続された電圧変換手段を備え、上記電圧変換手段により上記直流電源の出力電圧を変換して上記電気負荷に電力を供給するものであって、上記電圧変換手段は、上記直流電源の正極端子側に接続された第１スイッチング素子と、上記直流電源および上記電気負荷の負極端子側に接続された第２スイッチング素子と、上記第１及び第２スイッチング素子の接続点に一方の端子が接続され、他方の端子が上記電気負荷の正極端子側に接続されたインダクタとを備え、上記第１及び第２のスイッチング素子を交互に導通／切断させることにより上記直流電源の出力電圧を変換するものであり、上記第１及び第２スイッチング素子が異常により共に導通状態となった場合に、上記第１スイッチング素子よりも上記第２スイッチング素子が先に断線故障するように上記第１及び第２スイッチング素子の特性を設定するとともに、上記第２スイッチング素子が断線故障したか否かを検出する断線故障検出手段と、この断線故障検出手段が上記第２スイッチング素子の断線故障を検出した場合には、これに応じて上記第１スイッチング素子が常時導通状態となるように保持する導通保持手段と、を備えている。

また、第２の発明に係る電源装置は、電気負荷に並列に接続された蓄電装置と、直流電源と上記電気負荷との間に接続された電圧変換手段とを備え、上記電圧変換手段により上記直流電源の出力電圧を変換して上記電気負荷に電力を供給するものであって、上記電圧変換手段は、上記電気負荷の正極端子側に接続された第１スイッチング素子と、上記直流電源および上記電気負荷の負極端子側に接続された第２スイッチング素子と、上記第１及び第２スイッチング素子の接続点に一方の端子が接続され、他方の端子が上記直流電源の正極端子側に接続されたインダクタとを備え、上記第１及び第２スイッチング素子を交互に導通／切断させることにより上記直流電源の出力電圧を変換するものであり、上記第１及び第２スイッチング素子が異常により共に導通状態となった場合に、上記第１スイッチング素子よりも上記第２スイッチング素子が先に断線故障するように上記第１及び第２スイッチング素子の特性を設定するとともに、上記第２スイッチング素子が断線故障したか否かを検出する断線故障検出手段と、この断線故障検出手段が上記第２スイッチング素子の断線故障を検出した場合には、これに応じて上記第１スイッチング素子が常時導通状態となるように保持する導通保持手段と、を備えている。

また、第３の発明に係る電源装置は、直流電源と電気負荷との間に接続された電圧変換手段を備え、上記電圧変換手段により上記直流電源の出力電圧を変換して上記電気負荷に電力を供給するものであって、上記電圧変換手段は、上記直流電源の正極端子と負極端子の間に順次直列に接続された第１及び第２スイッチング素子と、上記電気負荷の正極端子と負極端子の間に順次直列に接続された第３及び第４スイッチング素子と、上記第１及び第２スイッチング素子の接続点と上記第３及び第４スイッチング素子の接続点との間に接続されたインダクタとを備え、上記第１及び第４スイッチング素子の組み合わせと、上記第２及び第３スイッチング素子の組み合わせとを交互に導通／切断させることにより上記直流電源の出力電圧を変換するものであり、上記第１及び第４スイッチング素子の組み合わせの導通状態が、異常により通常動作状態に比べて長時間となった場合に、上記第１スイッチング素子よりも上記第４スイッチング素子が先に断線故障するように上記第１及び第４スイッチング素子の特性を設定するとともに、上記第４スイッチング素子が断線故障したか否かを検出する断線故障検出手段と、この断線故障検出手段が上記第４スイッチング素子の断線故障を検出した場合には、これに応じて上記第２スイッチング素子を常時切断状態にするとともに、上記第１スイッチング素子および上記第３スイッチング素子を常時導通状態になるように保持する導通保持手段と、を備えることを特徴としている。

第１の発明に係る電源装置によれば、上述の構成を備えているので、電力変換手段により直流電源からの電圧を降圧して電気負荷に供給する場合に、直流電源からの地落電流等に起因して電力変換手段のスイッチング素子に断線故障が生じた際にも、バイパス回路等の部品を追加することなく電力の供給を継続することができる。

また、第２の発明に係る電源装置は、上述の構成を備えているので、電力変換手段によって直流電源からの電圧を昇圧して電気負荷に供給する場合に、電気負荷に並列に接続された蓄電装置からの地落電流等に起因して電力変換手段のスイッチング素子に断線故障が生じた際にも、バイパス回路等の部品を追加することなく電力の供給を継続することができる。

また、第３の発明に係る電源装置は、上述の構成を備えているので、電力変換手段により直流電源からの電圧を昇降圧して電気負荷に供給する場合に、直流電源からの地落電流等に起因して電力変換手段のスイッチング素子に断線故障が生じた際にも、バイパス回路等の部品を追加することなく電力の供給を継続することができる。

この発明の実施の形態１に係る電源装置の全体を示す構成図である。図１に示す電源装置における電圧変換器の回路図である。この発明の実施の形態１に係る電源装置におけるコントロールユニットの電源装置関連処理を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１に係る電源装置におけるコントローラの処理を示すフローチャートである。この発明の実施の形態２に係る電源装置における電圧変換器の回路図である。この発明の実施の形態３に係る電源装置の全体を示す構成図である。図６に示す電源装置における電圧変換器の回路図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電源装置の全体を示す構成図、図２は図１に示す電源装置における電圧変換器の回路図である。

直流電源としての発電機１は、内燃機関（図示せず）にベルト接続され、内燃機関により駆動されて電力を発電する。これ以外の構成として、例えば内燃機関と変速機の間に発電機を挟み込んで接続されたものであってもよく、この場合はベルト接続に比べてより大きな発電トルクで駆動することが可能となる。

この発電機１の構成としては、一般的な車両に用いられるオルタネータと同等のものでよく、回転子に流す界磁電流を制御することで発電電力の調節が可能なものである。ただし、後述のように、発電電圧を高電圧化するため、従来のものに比べて高電圧で発電できるとともに、車載用の電気負荷４の要求電圧で発電できる構成のものとしている。

電圧変換手段である電圧変換器２は、ここでは降圧型の電圧変換器であり、その入力端子ｉｎが発電機１の正極端子側に、その出力端子ｏｕｔが負荷給電母線５に接続される。負荷給電母線５には、蓄電装置である鉛バッテリ３と車載用の電気負荷４の正極端子側が接続されている。電圧変換器２は非絶縁型の電圧変換器であるため、発電機１、電圧変換器２、鉛バッテリ３および電気負荷４の各負極端子側は、共通のグラウンドとして接続される。よって、蓄電装置３は電気負荷４に並列に接続された状態となっている。

コントロールユニット６には、図示しないがマイクロコンピュータ等の演算装置（以下、ＣＰＵと称する）およびメモリ等が含まれ、また発電機１および電圧変換器２についての制御手段も含まれる。

また、コントロールユニット６には、内燃機関等に備えられた図示しないセンサやアクチュエータ等が接続されるとともに、発電機１も接続され、また電圧変換器２の入出力電圧を検出するための電圧検出線７、８が接続されている。さらに、制御信号線９，１０を介して電圧変換器２が接続されている。

コントロールユニット６は、他の機器やアクチュエータ等からの信号や各センサ等から得られる値を検出する。また、電圧検出線７、８による電圧変換器２の入出力電圧についても、例えば分圧した後、Ａ／Ｄコンバ−タによりデジタル値に変換するなど公知の方法で検出を行う。そして、コントロールユニット６は、これらの各センサやアクチュエータ等から得られた検出値に基づいて、発電機１、電圧変換器２、アクチュエータ等の制御を行う。

すなわち、コントロールユニット６は、発電機１に対して、運転状態等に基づいて効率よく発電できる目標電圧を決定し、電圧検出線７を通して検出した発電電圧がその値となるよう界磁電流を制御する。また、電圧変換器２に対して、運転状態のほか、鉛バッテリ３および電気負荷４の状態に応じて、電圧変換器２の出力電圧の目標値を決定し、制御信号線１０を介して電圧変換器２の後述するコントローラ２２に指示値として信号を送る。

さらに、コントロールユニット６は、電圧変換器２の異常検出時の制御も行う。つまり、電圧変換器２から制御信号線１０を介して異常信号が送られてきた場合や、自ら電圧変換器２の異常を検出した場合には、電圧変換器２で電圧変換を正常に行えない状態となっているため、鉛バッテリ３および電気負荷４の状態に応じた目標電圧を決定する。さらに、後述するように、電圧変換器２の異常検出時には、制御信号線９を介してドライバ２１の動作も制御する。

ところで、一般的な車両に用いられる鉛バッテリ３は、開放電圧が１２Ｖ程度、充電電圧が１４Ｖ程度のため、発電機１の発電電圧が鉛バッテリ３の充電電圧より高い場合、入力端子ｉｎから出力端子ｏｕｔの方向で電圧を降圧する必要がある。なお、発電機１の発電電圧の最高電圧については、部品の制約や感電防止の安全面などから、むやみに高電圧にするのは困難であり、発電機の特性も考慮して２８Ｖ程度とすればよい。

したがって、電圧変換器２としては、図２に示すように、ＭＯＳＦＥＴからなる２つの第１及び第２スイッチング素子１１，１２とインダクタ１５等を用いた降圧型のチョッパ回路が適用される。そして、これらの各スイッチング素子１１，１２を駆動制御するためのドライバ２１とコントローラ２２を備えている。

電圧変換器２の具体的な構成としては、第１スイッチング素子１１のドレインが発電機１の正極端子側となる入力端子ｉｎに接続され、ソースは第２スイッチング素子１２のドレインに接続される。第２スイッチング素子１２のソースは、負極端子側となる共通のグラウンド端子ＧＮＤに接続される。また、第１、第２スイッチング素子１１，１２の共通の接続点には、インダクタ１５の一端が接続され、インダクタ１５の他端は出力端子ｏｕｔに接続され、負荷給電母線５を介して鉛バッテリ３と電気負荷４の正極端子側に接続される。さらに、第１、第２スイッチング素子１１，１２のスイッチングによる電圧変動を吸収するため、入力端子ｉｎと出力端子ｏｕｔにはそれぞれ電圧平滑用のコンデンサ１６，１７が設けられている。

電圧変換器２の正常時の電圧変換動作は公知の方法でよく、例えば、目標となる出力電圧になるよう、コントローラ２２からの信号によりドライバ２１を介して第１、第２スイッチング素子１１，１２を交互に導通（ＯＮ）／切断（ＯＦＦ）する。この場合、出力電圧を上げるときには、第１スイッチング素子１１の導通期間を長くし、逆に出力電圧を下げたいときには、第１スイッチング素子１１の導通期間を短くする。ただし、この正常の制御を行う際、両スイッチング素子１１，１２を同時に導通させることはない。

しかし、コントローラ２２の異常等により、両スイッチング素子１１，１２が同時に導通した場合、発電機１の発電電流がこれらのスイッチング素子１１，１２を通して地落することになるため、両スイッチング素子１１，１２には過大な電流が流れることになる。これにより、両スイッチング素子１１，１２が発熱して焼損することが考えられ、両スイッチング素子１１，１２の一方が焼損すると地落電流が遮断されることとなる。この場合、両スイッチング素子１１，１２の特性が同じであれば、どちらのスイッチング素子１１，１２が焼損するかは、個体ばらつきや使用状況によって変化すると考えられる。

例えば、一方の第１スイッチング素子１１が焼損した場合、発電機１の電力を電気負荷４等へ供給することはできなくなる。これに対して、他方の第２スイッチング素子１２が焼損した場合には、当該スイッチング素子１２が切断された状態を保持して第１スイッチング素子１１を導通させることにより、発電機１の電力を電気負荷４等へ継続して供給することができる。ただし、この場合、電圧変換器２は単に導線の機能しかなく、電圧変換機能は喪失している。このため、発電機１の発電電圧を電気負荷４の要求電圧に制御する必要がある。

そこで、両スイッチング素子１１，１２に地落電流が流れた際に、第２スイッチング素子１２が先に焼損して断線故障するようにしておき、その断線故障が検出された際に第１スイッチング素子１１のみを常時導通状態にする。これにより、発電機１の電力を電気負荷４等に継続して供給することができる。

地落電流が流れた際に、一方の第１スイッチング素子１１よりも他方の第２スイッチング素子１２が先に焼損して断線故障するようにするためには、例えば第２スイッチング素子１２の電流耐量を第１スイッチング素子１１のそれよりも小さくしておくなど、異なったＭＯＳＦＥＴ特性を設定すればよい。こうすることで、バイパス回路等の部品を追加することなく、異常が生じた後にも引き続いて発電機１の電力を電気負荷４等へ供給することができる。

両スイッチング素子１１，１２に地落電流が流れた際の第２スイッチング素子１２の断線故障の検出方法については、コントローラ２２が第１、第２スイッチング素子１１，１２の導通／切断期間の割合と、電圧変換器２の入出力電圧比との関係から断線を検出する。すなわち、両スイッチング素子１１，１２が正常に動作していれば、それぞれの導通／切断期間の割合に応じて、電圧変換器２の入出力電圧比の関係が一義に決まるので、この関係から外れた場合に断線故障が生じたものとして検出する。当然ながら、第２スイッチング素子１２のソース〜ドレイン間の電位差等を直接に計測してもよい。

また、断線故障が検出された際、コントローラ２２は、コントロールユニット６に対して制御信号線１０を介して異常状態を示す信号を送出する。これにより、コントロールユニット６が直接に電圧変換器２の異常検出を行う場合よりも早く異常検出に対応することができる。

第２スイッチング素子１２の断線故障が検出された際の第１スイッチング素子１１に対する常時通電方法については、コントローラ２２からドライバ２１に対して、第１スイッチング素子１１のみが常時通電状態となる信号を送り、これに応じてドライバ２１が第１スイッチング素子１１に駆動信号を出力して常時導通状態にする。

このとき、第２スイッチング素子１２は、断線故障状態になっているが、一時的なものであれば再導通する恐れがある。そこで、この第２スイッチング素子１２が再導通するのを防いで切断状態が維持されるように、第２スイッチング素子１２の断線故障が検出された際、コントローラ２２はドライバ２１に対して当該スイッチング素子１２が常時切断状態を維持するための信号を継続的に送るようにしておく。

また、コントローラ２２自体に故障等の異常が生じた場合、コントローラ２２による電圧制御が実施できなくなるため、コントロールユニット６にもドライバ２１に対して異常検出時の制御を行えるようにしておくことが好ましい。

そのためには、例えば、ドライバ２１は、コントローラ２２からの常時通電指示の信号を受け取るだけでなく、コントロールユニット６から制御信号線９を介して与えられる常時通電指示の信号も受け取れるようにしておき、どちらかの常時通電指示に対しても動作できるようにしておく。これにより、コントローラ２２自体に異常を生じた場合でも、コントロールユニット６によって第１スイッチング素子１１に対する常時通電状態の保持動作を継続して行うことが可能となる。

さらに、コントロールユニット６において、電圧変換器２の異常検出も行えるようにしておくことが装置の信頼性を高める上で一層好ましい。そのためには、例えば、電圧変換器２に対する出力電圧の指示値と、電圧検出線８を通して検出した実際の出力電圧とを比較して、両電圧差が予め設定した所定の基準値以上乖離した場合には電圧変換器２に異常が生じたものと判断することができる。

そして、上記のドライバ２１が特許請求の範囲における導通保持手段に対応し、また、上記のコントローラ２２が特許請求の範囲における断線故障検出手段に、上記のコントロールユニット６が特許請求の範囲における外部機器としての断線故障検出手段にそれぞれ対応している。

次に、この発明の実施の形態１による電源装置の動作について説明する。
図３は、電源装置のコントロールユニット６において、一定周期（例えば０．０１秒）で実行される当該電源装置に関連する処理を示すフローチャートである。

図３において、コントロールユニット６は、まず、ステップＳ１０１において、電圧変換器２に対する異常検出処理を行う。すなわち、コントローラ２２が正常であれば、スイッチング素子１１，１２等が故障等した場合、コントローラ２２から電圧変換器２の異常信号が得られるが、コントローラ２２自体が異常な場合には外部で異常を検出する必要がある。そのための検出方法としては、先に述べたように、コントロールユニット６において、電圧変換器２に対する出力電圧の指示値と、電圧検出線８を通して検出した実際の出力電圧とを比較して、所定値以上乖離した場合に異常と検出する。

次に、ステップＳ１０２で、電圧変換器２が異常か否かを判定する。ステップＳ１０１の電圧変換器２に対する異常検出処理を行った結果、電圧変換器２が正常（異常でない）であると判定されれば、ステップＳ１０３で電圧変換器指示処理として、制御信号線１０を介して電圧変換器２に出力電圧の目標値を指示値として信号を送る。そして、ステップＳ１０４で、最適発電電圧演算処理として、効率よく発電できる目標電圧を決定し、発電機１の界磁電流を制御して図３の処理を終了する。

一方、ステップＳ１０１の電圧変換器２に対する異常検出処理を行った結果、ステップＳ１０２で、電圧変換器２が異常と判定された場合には、ステップＳ１０５で、コントロールユニット６は、制御信号線９を介してドライバ２１に常時通電指示の信号を送る。そして、ステップＳ１０６で、導通保持時発電電圧演算処理を実施して図３の処理を終了する。この処理では、電圧変換器２における電圧変換機能が喪失しているため、コントロールユニット６は、鉛バッテリ３および電気負荷４の状態に応じた目標電圧を決定し、発電機１の界磁電流を制御する。

次に、電源装置のコントローラ２２の動作について説明する。
図４は、電源装置のコントローラ２２において一定周期（例えば０．０１秒）で実行される電源装置に関連する処理を示すフローチャートである。

図４において、コントローラ２２は、まず、ステップＳ２０１で、前述の通り、第１及び第２スイッチング素子１１，１２の導通／切断期間の割合と、電圧変換器２の入出力電圧比との関係から断線故障の有無を検出する。この場合の電圧変換器２の入出力電圧は、コントロールユニット６の場合と同様、電圧検出線２３、２４から得た電圧を分圧した後、コントローラ２２のＡ／Ｄコンバ−タによりデジタル値に変換することにより検出する。

次に、コントローラ２２は、ステップＳ２０２で、第２スイッチング素子１２が断線故障しているか否かを判定する。第２スイッチング素子１２が正常（断線していない）であれば、ステップＳ２０３で電圧変換制御処理を実施して図４の処理を終了する。この処理では、電圧変換器２の出力電圧がコントロールユニット６からの指示値となるように両スイッチング素子１１，１２の導通／切断期間を制御する。両スイッチング素子１１，１２の導通／切断周期は、電圧変動、インダクタ等の部品特性、損失等により決定され、数１０ｋＨｚ程度とすればよい。

一方、ステップＳ２０２で、第２スイッチング素子１２が断線故障と判定された場合、コントローラ２２は、ステップＳ２０４で、導通保持制御処理として、ドライバ２１に常時通電指示の信号を送り、図４の処理を終了する。コントローラ２２自体が故障等を起こして異常な場合には、当処理は実施されないこととなるが、前述のとおり（図３）、コントロールユニット６でも導通保持制御処理を実施するため、何ら問題が生じることなく電力供給を継続することができる。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２に係る電源装置における電圧変換器の回路図であり、図２に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態２の電源装置は、鉛バッテリ３の充電電圧よりも発電機１の発電電圧が低い場合である。その場合、電圧変換器２は、入力端子ｉｎから出力端子ｏｕｔの方向で電圧を昇圧する必要がある。よって、電圧変換器２として、例えばＭＯＳＦＥＴからなる２つの第３、第４スイッチング素子１３，１４とインダクタ１５等を用いた昇圧型のチョッパ回路が適用される。

すなわち、この電圧変換器２は、第３スイッチング素子１３のドレインが負荷給電母線５を介して鉛バッテリ３と電気負荷４が接続された正極端子側の出力端子ｏｕｔに接続され、ソースは第４スイッチング素子１４のドレインに接続される。第４スイッチング素子１４のソースは、負極端子側の共通のグラウンド端子ＧＮＤに接続される。また、第３及び第４スイッチング素子１３，１４の共通の接続点にはインダクタ１５の一端が接続され、インダクタ１５の他端は正極端子側の入力端子ｉｎに接続される。さらに、第３及び第４スイッチング素子１３，１４のスイッチングによる電圧変動を吸収するため、入力端子ｉｎと出力端子ｏｕｔにはそれぞれ電圧平滑用のコンデンサ１６，１７が設けられている。

そして、この実施の形態２の構成において、上記の第３及び第４スイッチング素子１３，１４が、それぞれ特許請求の範囲（請求項２）における第１及び第２スイッチング素子に対応している。その他の構成は実施の形態１と同様である。

図５に示す構成の電圧変換器２の正常時の電圧変換動作は、実施の形態１同様、公知の方法でよく、目標となる出力電圧になるよう、コントローラ２２によりドライバ２１を介して第３及び第４スイッチング素子１３，１４を交互に導通（ＯＮ）／切断（ＯＦＦ）する。この場合、出力電圧を上げたい場合には、第３スイッチング素子１３の導通期間を短くし、逆に出力電圧を下げたい場合には、第３スイッチング素子１３の導通期間を長くする。ただし、両スイッチング素子１３，１４を同時に導通させることはない。

しかし、コントローラ２２の異常等により、両スイッチング素子１３及び１４が同時に導通した場合、出力端子ｏｕｔ側に接続された蓄電装置である鉛バッテリ３の放電電流がこれらの両スイッチング素子１３，１４を通して地落することになるため、両スイッチング素子１３，１４には過大な電流が流れることになる。これにより、実施の形態１同様、両スイッチング素子１３，１４が発熱して焼損することが考えられる。

そこで、この実施の形態２においても、実施の形態１同様、両スイッチング素子１３，１４に地落電流が流れた際に、第３スイッチング素子１３よりも第４スイッチング素子１４が先に焼損して断線故障するようにしておき、その断線故障が検出された際に第３スイッチング素子１３のみを常時導通状態にする。これにより、バイパス回路等の部品を追加することなく、異常が生じた後にも引き続き発電機１の電力を電気負荷４等へ供給することができる。

なお、導通保持手段としてのドライバ２１や、断線故障検出手段としてのコントローラ２２およびコントロールユニット６等の各処理動作については、実施の形態１と同様のものでよいので、ここでは詳しい説明は省略する。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３に係る電源装置の全体を示す構成図、図７は図６の電源装置における電圧変換器の回路図であり、図１および図２に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態３における電源装置は、発電機１と電圧変換器２の間に、スイッチ３２を介して電気二重層キャパシタ３１が設けられている。この場合のスイッチ３２は、コントロールユニット６に接続されて導通／切断を制御することができる。

電気二重層キャパシタ３１は、鉛バッテリに比べて大電力の授受が可能なため、このような構成にすることで、例えば減速時の回生発電による発電電力をより多く蓄えることが可能となる。ただし、電気二重層キャパシタ３１の特性として、蓄電電力量に応じて端子電圧が変化するため、使用できる蓄電電力量を増加させるためには、電気二重層キャパシタ３１の端子電圧の変化幅を大きくとる必要があるとともに、昇降圧用の電圧変換器２を用いて、必要な電圧に変換する必要がある。一般的な電気二重層キャパシタ３１は１セル当たり最高３Ｖ程度で使用できるため、１０個の直列構成とすれば、最高３０Ｖまで使用できる。下限電圧は、むやみに低電圧まで使用すると必要電力に対する電流が大きくなるため、１０Ｖ程度とする。

電圧変換器２は、電気二重層キャパシタ３１を設けている関係上、入力端子ｉｎから出力端子ｏｕｔの方向で電圧を昇圧および降圧する必要があるので、図７に示すように、例えばＭＯＳＦＥＴからなる４つの第１〜第４スイッチング素子１１〜１４とインダクタ１５等を用いた昇降圧型のチョッパ回路が適用される。

すなわち、この電圧変換器２は、第１スイッチング素子１１のドレインが発電機１および電気二重層キャパシタ３１の正極端子側となる入力端子ｉｎに接続され、ソースは第２スイッチング素子１２のドレインに接続される。第２スイッチング素子１２のソースは、負極端子側となる共通のグラウンド端子ＧＮＤに接続される。

一方、第３スイッチング素子１３のドレインは負荷給電母線５を介して鉛バッテリ３と電気負荷４の正極端子側となる出力端子ｏｕｔに接続され、ソースは第４スイッチング素子１４のドレインに接続される。第４スイッチング素子１４のソースは、負極端子側となる共通のグラウンド端子ＧＮＤに接続される。

また、第１、第２スイッチング素子１１，１２の共通の接続点と、第３、第４スイッチング素子１３，１４の共通の接続点との間には、インダクタ１５の両端が接続される。さらに、第１〜第４スイッチング素子１１〜１４のスイッチングによる電圧変動を吸収するため、入力端子ｉｎと出力端子ｏｕｔにはそれぞれ電圧平滑用のコンデンサ１６，１７が設けられている。その他の構成は実施の形態１と同様である。

この電圧変換器２の正常時の電圧変換動作は、以下に示すように３通りある。
まず、第１動作として、入力端子ｉｎから出力端子ｏｕｔの方向で電圧を降圧する場合である。すなわち、電気二重層キャパシタ３１の端子電圧が、電気負荷４等の要求電圧よりも高い場合に使用するものである。この動作は、第３スイッチング素子１３を常時通電、第４スイッチング素子１４を常時切断として、第１及び第２スイッチング素子１１，１２のみスイッチング動作させる。この場合、電圧変換器２は図２に示した構成と実質的に同じものとなり、したがって、実施の形態１と同様の動作が行われる。

次に、第２動作として、入力端子ｉｎから出力端子ｏｕｔの方向で電圧を昇圧する場合である。すなわち、電気二重層キャパシタ３１の端子電圧が、電気負荷４等の要求電圧よりも低い場合に使用するものである。この動作は、第１スイッチング素子１１を常時通電、第２スイッチング素子１２を常時切断として、第３及び第４スイッチング素子１３，１４のみスイッチング動作させるものである。この場合、電圧変換器２は図５に示した構成と実質的に同じものとなり、したがって、実施の形態２と同様の動作が行われる。

最後に、第３動作として、入力端子ｉｎから出力端子ｏｕｔの方向で電圧を昇降圧する場合である。電気二重層キャパシタ３１の端子電圧と電気負荷４等の要求電圧とが近似した値である場合に、連続的に電圧変換ができる。この動作は、第１及び第４スイッチング素子１１，１４の組み合わせと、第２及び第３スイッチング素子１２，１３の組み合わせを、交互に導通／切断するものである。

ここで、第１及び第４スイッチング素子１１，１４が共に導通した時は発電機１がインダクタ１５を介してグラウンド端子ＧＮＤに接続され、また、第２及び第３スイッチング素子１２，１３が共に導通した時は鉛バッテリ３がインダクタ１５を介してグラウンド端子ＧＮＤに接続される状態となるが、正常状態ではいずれも短期間であるので、インダクタ１５により大電流が流れることはない。

しかし、コントローラ２２の異常等により、長時間にわたって上記の第１及び第４スイッチング素子１１，１４、または第２及び第３スイッチング素子１２，１３の組み合わせの導通が継続すると、過大な地落電流が流れることとなり、いずれかのスイッチング素子１１〜１４が発熱して焼損することがある。

そこで、上記の第１及び第２の動作の場合と同様、第１及び第４スイッチング素子１１，１４、または第２及び第３スイッチング素子１２，１３に地落電流が流れた際に、第１及び第３スイッチング素子１１，１３よりも第２及び第４スイッチング素子１２，１４が先に焼損して断線故障するようにしておく。そして、その断線故障が検出された際には、第２及び第４スイッチング素子１２，１４を共に常時切断状態にするとともに、第１及び第３スイッチング素子１１，１３を常時導通状態にする。これにより、バイパス回路等の部品を追加することなく、異常が生じた後にも引き続き発電機１の電力を電気負荷４等へ供給することができる。

この場合、発電機１の発電電圧を電気負荷４の要求電圧にする必要があるが、電気二重層キャパシタ３１の端子電圧とは異なる場合があるため、その影響を受けないようにスイッチ３２を切断状態として電気二重層キャパシタ３１を切り離す。

導通保持手段としてのドライバ２１、断線故障検出手段としてコントローラ２２やコントロールユニット６の各処理については、以下に述べる点を除いては、実施の形態１、２と同様の処理内容でよい。

ドライバ２１による実施の形態１との相違点は、断線故障検出時に第１スイッチング素子１１だけではなく、第３スイッチング素子１３も常時導通状態とし、かつ、第２スイッチング素子１２および第４スイッチング素子１４を常時切断状態にする点である。

すなわち、断線故障を起こすのは、第２スイッチング素子１２または第４スイッチング素子１４であるが、実施の形態１、２と同様、断線故障状態が一時的なものであれば、第２スイッチング素子１２または第４スイッチング素子１４が再通電する恐れがある。そこで、第２スイッチング素子１２または第４スイッチング素子１４が再導通するのを防いで両スイッチング素子１２，１４が共に切断状態が維持されるように、コントローラ２２からドライバ２１に対して常時切断状態を保持するための信号を継続して送るようにする。このようにすれば、断線故障検出をしたスイッチング素子についても常時切断状態が保持されるので、故障箇所に応じて常時切断状態にするスイッチング素子を切り換える必要がなくなるため、構成上も有利である。

コントローラ２２における断線検出方法については、実施の形態１、２と同様、第２及び第４スイッチング素子１２，１４の組み合わせの導通／切断期間の割合と、電圧変換器２の入出力電圧比との関係から断線故障の有無を検出する。この場合、第２スイッチング素子１２と第４スイッチング素子１４のいずれが断線故障したかは、スイッチング素子の組み合わせに応じて判定することとなるが、そのように断線故障したスイッチング素子を特定しなくても、第２及び第４スイッチング素子１２，１４のいずれかの断線故障を検出した際、これに応じてコントローラ２２が第２及び第４スイッチング素子１２，１４を共に常時切断状態に、第１及び第３スイッチング素子１１，１３を共に常時導通状態になるようにドライバ２１を制御するようにすれば、電力供給が維持されるため何ら問題は生じない。

コントロールユニット６の処理における実施の形態１（図３）との相違点は、ステップＳ１０６の導通保持時の発電機１の発電電圧演算処理において、さらにスイッチ３２を切断状態にする点である。

また、コントローラ２２の処理における実施の形態１（図４）との相違点は、ステップＳ２０２の断線故障判定において、第２スイッチング素子１２に加えて、第４スイッチング素子１４の断線故障を判定する点である。この判定については、前述のとおり、第２スイッチング素子１２と第４スイッチング素子１４のいずれかの断線故障の判定ができれば第２及び第４スイッチング素子１２，１４を共に常時切断状態に、第１及び第３スイッチング素子１１，１３が常時導通状態になるようにドライバ２１を制御することで、電力供給を維持することができる。

この発明は、上記の実施の形態１〜３の構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で、実施の形態１〜３を適宜組み合わせたり、各実施の形態１、〜３の構成を適宜変形したり、省略したりすることが可能である。

例えば、この実施の形態１〜３では、蓄電装置として鉛バッテリ３や電気二重層キャパシタ３１を使用しているが、これに限るものではなく、リチウムイオンバッテリでもよい。また、各スイッチング素子１１〜１４としてＭＯＳＦＥＴを使用しているが、これに限られたものではなく、ＩＧＢＴなど、他のスイッチング素子を使用してもよい。さらに、使用する電圧範囲は、鉛バッテリ３に対応しているため、１２〜３０Ｖ程度としているが、例えばハイブリッド車両のような大電力が必要な電源装置では電圧を高くすると有利となるため、さらに高電圧化してもよい。

１発電機、２電圧変換器、３鉛バッテリ（蓄電装置）、４電気負荷、
５負荷給電母線、６コントロールユニット（外部機器としての断線故障検出手段）、７，８電圧計測線、９，１０制御信号線、１１〜１４スイッチング素子、
１５インダクタ、１６，１７コンデンサ、２１ドライバ（導通保持手段）、
２２コントローラ（断線故障検出手段）、２３，２４電圧計測線、
３１電気二重層キャパシタ、３２スイッチ。

Claims

直流電源と電気負荷との間に接続された電圧変換手段を備え、上記電圧変換手段により上記直流電源の出力電圧を変換して上記電気負荷に電力を供給する電源装置において、
上記電圧変換手段は、上記直流電源の正極端子側に接続された第１スイッチング素子と、上記直流電源および上記電気負荷の負極端子側に接続された第２スイッチング素子と、上記第１、第２スイッチング素子の接続点に一方の端子が接続され、他方の端子が上記電気負荷の正極端子側に接続されたインダクタとを備え、上記第１及び第２のスイッチング素子を交互に導通／切断させることにより上記直流電源の出力電圧を変換するものであり、
上記第１及び第２スイッチング素子が異常により共に導通状態となった場合に、上記第１スイッチング素子よりも上記第２スイッチング素子が先に断線故障するように上記第１及び第２スイッチング素子の特性を設定するとともに、
上記第２スイッチング素子が断線故障したか否かを検出する断線故障検出手段と、
上記断線故障検出手段が上記第２スイッチング素子の断線故障を検出した場合には、これに応じて上記第１スイッチング素子が常時導通状態となるように保持する導通保持手段と、を備える電源装置。
電気負荷に並列に接続された蓄電装置と、直流電源と上記電気負荷との間に接続された電圧変換手段とを備え、上記電圧変換手段により上記直流電源の出力電圧を変換して上記電気負荷に電力を供給する電源装置において、
上記電圧変換手段は、上記電気負荷の正極端子側に接続された第１スイッチング素子と、上記直流電源および上記電気負荷の負極端子側に接続された第２スイッチング素子と、上記第１及び第２スイッチング素子の接続点に一方の端子が接続され、他方の端子が上記直流電源の正極端子側に接続されたインダクタとを備え、上記第１及び第２スイッチング素子を交互に導通／切断させることにより上記直流電源の出力電圧を変換するものであり、
上記第１、第２スイッチング素子が異常により共に導通状態となった場合に、上記第１スイッチング素子よりも上記第２スイッチング素子が先に断線故障するように上記第１及び第２スイッチング素子の特性を設定するとともに、
上記第２スイッチング素子が断線故障したか否かを検出する断線故障検出手段と、
上記断線故障検出手段が上記第２スイッチング素子の断線故障を検出した場合には、これに応じて上記第１スイッチング素子が常時導通状態となるように保持する導通保持手段と、を備える電源装置。
直流電源と電気負荷との間に接続された電圧変換手段を備え、上記電圧変換手段により上記直流電源の出力電圧を変換して上記電気負荷に電力を供給する電源装置において、
上記電圧変換手段は、上記直流電源の正極端子と負極端子の間に順次直列に接続された第１及び第２スイッチング素子と、上記電気負荷の正極端子と負極端子の間に順次直列に接続された第３及び第４スイッチング素子と、上記第１及び第２スイッチング素子の接続点と上記第３及び第４スイッチング素子の接続点との間に接続されたインダクタとを備え、上記第１及び第４スイッチング素子の組み合わせと、上記第２及び第３スイッチング素子の組み合わせとを交互に導通／切断させることにより上記直流電源の出力電圧を変換するものであり、
上記第１及び第４スイッチング素子の組み合わせの導通状態が、異常により通常動作状態に比べて長時間となった場合に、上記第１スイッチング素子よりも上記第４スイッチング素子が先に断線故障するように上記第１及び第４スイッチング素子の特性を設定するとともに、
上記第４スイッチング素子が断線故障したか否かを検出する断線故障検出手段と、
上記断線故障検出手段が上記第４スイッチング素子の断線故障を検出した場合には、これに応じて上記第２スイッチング素子を常時切断状態にするとともに、上記第１スイッチング素子および上記第３スイッチング素子を常時導通状態になるように保持する導通保持手段と、を備える電源装置。
上記電気負荷に並列に接続された蓄電装置を備え、
かつ、上記第２及び第３スイッチング素子の組み合わせの導通状態が、異常により通常動作状態に比べて長時間となった場合に、上記第３スイッチング素子よりも上記第２スイッチング素子が先に断線故障するように上記第２及び第３スイッチング素子の特性を設定するとともに、
上記断線故障検出手段は、上記第４スイッチング素子とともに、上記第２スイッチング素子が断線故障したか否かを検出するものであり、
上記導通保持手段は、上記断線故障検出手段が上記第２スイッチング素子の断線故障を検出した場合には、これに応じて上記第４スイッチング素子を常時切断状態にするとともに、上記第１スイッチング素子および上記第３スイッチング素子を常時導通状態になるように保持するものである請求項３に記載の電源装置。
上記断線故障検出手段は、上記電圧変換手段の外部から上記スイッチング素子が断線故障したか否かを検出する外部機器を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の電源装置。
上記直流電源は、車両に搭載される発電機であり、この発電機は、発電電圧を変化させることが可能であるとともに、上記電気負荷の要求電圧で発電が可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の電源装置。