JP5532995B2 - 電力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリと電力機器との間で電圧を変換する昇降圧コンバータを備えた電力制御装置に関する。

従来、この種の電力制御装置としては、インバータを介して電力機器としてのモータと電力のやり取りが可能な電池と、電池からの電力を目標電圧まで昇圧してインバータに供給する昇圧コンバータとを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電力制御装置では昇圧コンバータの出力電圧が目標電圧を超える過電圧状態が発生したときに、出力電圧を低下させるための昇圧コンバータの降圧制御を実行することにより過電圧状態を解消している。

特開２００９−５５６９９号公報

上述の電力制御装置では、昇圧コンバータ等に何らかの異常が生じて降圧制御が実行できなくなると、上述したように昇圧コンバータの出力電圧を低下させて過電圧状態を解消したり、モータで発電された電力を降圧してバッテリに供給したりすることができなくなってしまう。従って、上述のような電力制御装置では、昇圧コンバータの降圧制御の実行可否を早期かつ確実に検出することが求められる。

本発明の電力制御装置は、バッテリと電力機器との間で電圧を変換する昇降圧コンバータを備えた電力制御装置において、昇降圧コンバータの降圧制御の実行可否をより適正に判定することを主目的とする。

本発明の電力制御装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の電力制御装置は、電力機器と電力のやり取りが可能なバッテリと、該電力機器との間で電圧を変換する昇降圧コンバータと、該昇降圧コンバータの前記電力機器側の電圧である電力機器側電圧を検出する電圧センサと、前記電力機器側電圧が目標電圧となるように前記昇降圧コンバータを制御すると共に前記電力機器側電圧が前記目標電圧よりも高いときには該電力機器側電圧を低下させるための前記昇降圧コンバータの降圧制御を実行する制御手段とを備えた電力制御装置であって、
前記降圧制御の実行後における前記電力機器側電圧が該降圧制御の実行前における前記電力機器側電圧よりも低くなったときには前記昇降圧コンバータは正常であると判定し、前記降圧制御の実行後における前記電力機器側電圧が該降圧制御の実行前における前記電力機器側電圧よりも低くならず且つ該降圧制御の実行中に前記バッテリに電流が流れていたときには前記昇降圧コンバータは正常であって前記電圧センサに異常が発生していると判定し、前記降圧制御の実行後における前記電力機器側電圧が該降圧制御の実行前における前記電力機器側電圧よりも低くならず且つ該降圧制御の実行中に前記バッテリに電流が流れていなかったときには前記昇降圧コンバータに異常が発生していると判定する異常判定手段を備えることを特徴とする。

本発明の電力制御装置では、昇降圧コンバータの電力機器側の電圧である電力機器側電圧が目標電圧よりも高いときには当該電力機器側電圧を低下させるための昇降圧コンバータの降圧制御が実行される。このような降圧制御が実行された場合、昇降圧コンバータが正常であれば、電力機器側からの電力が降圧されてバッテリに供給され、電力機器側の電圧は低下する。従って、降圧制御の実行後における電力機器側電圧が降圧制御の実行前における電力機器側電圧よりも低くなったときには昇降圧コンバータは正常であると判定可能であり、降圧制御の実行後における電力機器側電圧が降圧制御の実行前における電力機器側電圧よりも低くならず且つ降圧制御の実行中にバッテリに電流が流れていたときには昇降圧コンバータは正常であって電圧センサに異常が発生していると判定可能であり、降圧制御の実行後における電力機器側電圧が降圧制御の実行前における電力機器側電圧よりも低くならず且つ降圧制御の実行中にバッテリに電流が流れていなかったときには昇降圧コンバータに異常が発生していると判定可能である。これにより、本発明の電力制御装置では、昇降圧コンバータの降圧制御の実行可否をより適正に判定することができる。

本発明の一実施例に係る電力制御装置を搭載した電気自動車１０の概略構成図である。 デューティ比設定用マップの一例を示す説明図である。 降圧制御の実行中におけるデューティ比Ｄｕｔｙとモータ側電圧ＶＨとバッテリ電流Ｉｂとの時間変化の一例を示す説明図である。 実施例の電子制御ユニット４０により実行される降圧制御可否判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る電力制御装置を搭載した電気自動車１０の概略構成図である。同図に示すように、実施例の電気自動車１０は、例えば同期発電電動機として構成されて駆動輪１８ａ，１８ｂにデファレンシャルギヤ１６を介して回転子が接続されたモータ１１と、モータ１１と電力のやり取りが可能な例えばリチウムイオン二次電池あるいはニッケル水素二次電池であるバッテリ１２と、モータ１１とバッテリ１２との間に介設されると共にモータ１１を駆動するインバータ２２と、バッテリ１２からの電力を昇圧してインバータ２２に供給可能であると共にインバータ２２からの電力を降圧してバッテリ１２に供給可能な昇降圧コンバータ２３と、インバータ２２や昇降圧コンバータ２３を駆動制御すると共に車両全体をコントロールする電子制御ユニット４０等とを備える。

インバータ２２は、複数のスイッチング素子のスイッチングによりモータ１１の三相コイルに回転磁界を形成するための相電流を供給してモータ１１を回転駆動させることが可能な周知のインバータとして構成されている。昇降圧コンバータ２３は、２つのトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２とトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２に逆方向に並列接続された２つのダイオードＤ１，Ｄ２とリアクトルＬとから構成された周知の昇降圧コンバータであり、バッテリ１２に接続されると共にインバータ２２に接続される。これにより、所定のデューティ比を用いてトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をオン／オフ制御することで昇降圧コンバータ２３によりバッテリ１２側からの電力を昇圧してインバータ２２に供給したり、インバータ２２側からの電力を降圧してバッテリ１２に供給したりすることが可能となる。また、昇降圧コンバータ２３とバッテリ１２との間には、電圧を平滑化する平滑コンデンサ３１が配置されており、昇降圧コンバータ２３とインバータ２２との間には、電圧を平滑化する平滑コンデンサ３２および平滑コンデンサ３２に蓄積された電荷を放電可能な抵抗素子３３が配置されている。

電子制御ユニット４０は、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ、データを一時的に記憶するＲＡＭ、計時指令に応じて計時処理を実行するタイマ、入出力ポートおよび通信ポート等（何れも図示せず）を備える。電子制御ユニット４０には、イグニッションスイッチ（スタートスイッチ）５１からのイグニッション信号、アクセルペダル５４の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ５５からのアクセル開度、車速センサ５８からの車速，バッテリ１２の端子間に接続された電力ラインに取り付けられた図示しない電流センサにより検出されるバッテリ１２を流れる電流であるバッテリ電流Ｉｂ，平滑コンデンサ３１の端子間に設置された電圧センサ３４により検出される昇降圧コンバータ２３のバッテリ１２側の電圧であるバッテリ側電圧ＶＬ，平滑コンデンサ３２の端子間に設置された電圧センサ３５により検出される昇降圧コンバータ２３のモータ１１側の電圧であるモータ側電圧ＶＨ（電力機器側電圧）等が入力ポートを介して入力される。電子制御ユニット４０からは、インバータ２２へのスイッチング制御信号や昇降圧コンバータ２３へのスイッチング制御信号等が出力ポートを介して出力される。また、電子制御ユニット４０は、モータ１１の回転子の回転位置を検出する図示しない回転位置検出センサからの信号に基づくモータ１１の回転数といったモータ１１に関するデータを計算する。

実施例の電気自動車１０の走行に際して、電子制御ユニット４０は、アクセルペダルポジションセンサ５５からのアクセル開度と車速センサ５８からの車速とに応じて走行のためにモータ１１に要求される要求トルクを設定する。そして、設定した要求トルクとモータ１１の回転数とに基づいて要求トルクやモータ１１の回転数が大きいほど大きくなる傾向にインバータ２２に作用させるべき目標電圧ＶＨ＊を設定し、モータ側電圧ＶＨが目標電圧ＶＨ＊となるように昇降圧コンバータ２３のトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２をスイッチング制御すると共に、モータ１１から要求トルクに応じたトルクが出力されるようインバータ２２をスイッチング制御する。

また、電子制御ユニット４０は、モータ側電圧ＶＨが目標電圧ＶＨ＊よりも高くなる過電圧状態が発生したときには、モータ電圧ＶＨが低下するように昇降圧コンバータ２３のトランジスタＴｒ２（下アーム）をオフとすると共にトランジスタＴｒ１（上アーム）を所定のデューティ比Ｄｕｔｙを用いてオンオフ制御する降圧制御を実行する。実施例では、降圧制御に用いるデューティ比Ｄｕｔｙと降圧制御の開始からの経過時間ｔとの関係が予め定められてデューティ比設定用マップとして電子制御ユニット４０の図示しないＲＯＭに記憶されており、降圧制御の実行に際して、経過時間ｔに対応したデューティ比Ｄｕｔｙが当該マップから導出される。図２はデューティ比設定用マップの一例を示す説明図であり、図３は、降圧制御の実行中におけるデューティ比Ｄｕｔｙとモータ側電圧ＶＨとバッテリ電流Ｉｂとの時間変化の一例を示す説明図である。図２に示すように、デューティ比Ｄｕｔｙは、降圧制御の実行開始から時間経過に伴って徐々に増加すると共に、所定時間ｔ１（例えば、３〜５秒程度）が経過したときに１００％（トランジスタＴｒ１が常時オン）となるように定められる。このように定められたデューティ比Ｄｕｔｙを用いて降圧制御を実行することにより、昇降圧コンバータ２３のトランジスタＴｒ１やバッテリ１２等に過大な電流が流れることを抑制しつつ、モータ側電圧ＶＨをバッテリ側電圧ＶＬまで一旦降圧させて過電圧状態を解消することができる。また、降圧制御の実行中、昇降圧コンバータ２３のインバータ２２側からの電力はバッテリ１２へと供給されるため、バッテリ１２に充電電流が流れる。このような降圧制御の実行後、電子制御ユニット４０は、さらに昇降圧コンバータ２３の降圧制御の実行可否を判定するための異常判定処理を実行し、昇降圧コンバータ２３の降圧制御が実行可能であると判定したときには昇降圧コンバータ２３を通常制御状態へと復帰させると共に、昇降圧コンバータ２３の降圧制御が実行不能であると判定したときには所定の退避走行が実行されるようにインバータ２２等を制御する。

次に、昇降圧コンバータ２３の降圧制御の実行可否を判定するための異常判定処理について説明する。図４は、実施例の電子制御ユニット４０により実行される降圧制御可否判定ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、上述の降圧制御の実行完了後に電子制御ユニット４０により実行される。

降圧制御可否判定ルーチンが実行されると、電子制御ユニット４０は、降圧制御の実行前におけるモータ電圧ＶＨｂや、電圧センサ３５からの現在（降圧制御の実行後）のモータ電圧ＶＨａ，バッテリ充電フラグＦｂ，フラグＦ１といった昇降圧コンバータ２３の異常判定に必要なデータを入力する（ステップＳ１００）。ここで、降圧制御の実行前におけるモータ電圧ＶＨｂは、降圧制御が実行される前に電圧センサ３５によって検出されて電子制御ユニット４０の図示しないＲＡＭに記憶されたものである。また、バッテリ充電フラグＦｂは、降圧制御の実行中にバッテリ１２に所定値（例えば、６Ａ程度）以上の充電電流が流れたときに値１に設定されると共に、降圧制御の実行中にバッテリ１２に所定値以上の充電電流が流れなかったときには値０に設定されるフラグであり、フラグＦ１は、走行開始時に初期値として値０に設定されるフラグである。ステップＳ１００にてデータを入力したならば、モータ側電圧ＶＨａが降圧制御の実行前におけるモータ側電圧ＶＨｂよりも低いか否かを判定する（ステップＳ１１０）。ここで、昇降圧コンバータ２３が正常であれば、降圧制御の実行後におけるモータ側電圧ＶＨａは、降圧制御の実行前におけるモータ側電圧ＶＨｂよりも低くなる。そのため、ステップＳ１１０にて降圧制御の実行後におけるモータ側電圧ＶＨａが降圧制御の実行前におけるモータ側電圧ＶＨｂよりも低いと判定されたときには、フラグＦ１が値０であるか否かを判定し（ステップＳ１２０）、フラグＦ１が値０であると判定されたときには、降圧制御を実行不能とする昇降圧コンバータ２３のトランジスタＴｒ１のオフ故障や電圧センサ３５の異常が発生しておらず降圧制御の実行が可能であると判定すると共にフラグＦ１を値１に設定して（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。この場合、昇降圧コンバータ２３等は正常であることから、電子制御ユニット４０は、昇降圧コンバータ２３を通常制御状態へと復帰させる。なお、ステップＳ１２０の処理は、降圧制御の実行後におけるモータ側電圧ＶＨａと降圧制御の実行後におけるバッテリ側電圧ＶＬが概ね同程度の値となったか否かを判定するものであってもよい。

一方、ステップＳ１２０にてフラグＦ１が値１であると判定されたときには、初期値として値０が設定されるフラグＦ２を値１に設定して（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。すなわち、フラグＦ１が値１であると判定されたときには、ステップＳ１１０にて降圧制御の実行後におけるモータ側電圧ＶＨａが降圧制御の実行前におけるモータ側電圧ＶＨｂよりも低くなったと判定されているため、昇降圧コンバータ２３のトランジスタＴｒ１のオフ故障等が発生している可能性は低いものの、１回のトリップ中に過電圧状態が２回発生していることから、システムに何らかの異常が発生している可能性がある。そのため、電子制御ユニット４０は、ステップＳ１４０にてフラグＦ２が値１に設定されると、再度の過電圧状態の発生や他のトラブルの発生を未然に防止するために、昇降圧コンバータ２３のトランジスタＴｒ１を常時オンとすると共に、トランジスタＴｒ２を常時オフとして、バッテリ１２からの電力を昇降圧コンバータ２３による昇圧を伴わずにインバータ２２側に供給して走行する退避走行を実行する。

また、ステップＳ１１０にて降圧制御の実行後におけるモータ側電圧ＶＨａの値が降圧制御の実行前におけるモータ側電圧ＶＨｂよりも低くなっていないと判定されたときには、ステップＳ１００にて入力したバッテリ充電フラグＦｂが値１であるか否かを判定し（ステップＳ１５０）、バッテリ充電フラグＦｂが値１であると判定されたときには、降圧制御の実行中にバッテリ１２に充電電流が流れていたことになるため、昇降圧コンバータ２３は正常であって降圧制御が正常に実行されていたと判断すると共に、電圧センサ３５に異常が発生していると判定して（ステップＳ１６０）、本ルーチンを終了する。この場合、モータ側電圧ＶＨの値を正確に検出することが不可能であり、昇降圧コンバータによるバッテリ側電圧ＶＬの昇圧を適正に実行することができないことから、電子制御ユニット４０は、昇降圧コンバータ２３のトランジスタＴｒ１を常時オンとすると共に、トランジスタＴｒ２を常時オフとして、バッテリ１２からの電力を昇降圧コンバータ２３による昇圧を伴わずにインバータ２２側に供給して走行する退避走行を実行する。

これに対して、ステップＳ１５０にてバッテリ充電フラグＦｂが値０であると判定されたときには、降圧制御の実行中にバッテリ１２に充電電流が流れていなかったことになるため、降圧制御が正常に実行にされていなかったと判断し、昇降圧コンバータ２３のトランジスタＴｒ１のオフ故障が発生していると判定して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了する。この場合、電子制御ユニット４０は、昇降圧コンバータ２３をシャットダウンして（トランジスタＴｒ１およびＴｒ２を共にオフとして）、インバータ２２側からの電力を昇降圧コンバータ２３で降圧してバッテリ１２へ供給することを禁止すると共に、バッテリ１２からの電力を昇降圧コンバータ２３による昇圧を伴わずにインバータ２２側に供給して走行する退避走行を実行する。

以上説明した実施例の電力制御装置を備えた電気自動車１０では、昇降圧コンバータ２３のモータ１１側の電圧であるモータ側電圧ＶＨ（電力機器側電圧）が目標電圧ＶＨ＊よりも高いときには当該モータ側電圧ＶＨを低下させるための昇降圧コンバータ２３の降圧制御が実行される。このような降圧制御が実行された場合、昇降圧コンバータ２３が正常であれば、インバータ２２側からの電力が降圧されてバッテリ１２に供給され、モータ側電圧ＶＨは低下する。従って、降圧制御の実行後におけるモータ側電圧ＶＨａが降圧制御の実行前におけるモータ側電圧ＶＨｂよりも低くなったときには昇降圧コンバータ２３は正常であると判定可能であり（ステップＳ１１０〜Ｓ１３０）、降圧制御の実行後におけるモータ側電圧ＶＨａが降圧制御の実行前におけるモータ側電圧ＶＨｂよりも低くならず且つ降圧制御の実行中にバッテリ１２に電流が流れていたときには昇降圧コンバータ２３は正常であって電圧センサ３５に異常が発生していると判定可能であり（ステップＳ１１０，Ｓ１５０およびＳ１６０）、降圧制御の実行後におけるモータ側電圧ＶＨａが降圧制御の実行前におけるモータ側電圧ＶＨｂよりも低くならず且つ降圧制御の実行中にバッテリに電流が流れていなかったときには昇降圧コンバータ２３のトランジスタＴｒ１にオフ故障が発生していると判定可能である（ステップＳ１１０，Ｓ１５０およびＳ１７０）。これにより、昇降圧コンバータ２３の降圧制御の実行可否をより適正に判定することができる。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、電力機器としてのモータ１１と電力のやり取りが可能なバッテリ１２と、当該モータ１１との間で電圧を変換する昇降圧コンバータ２３が「昇降圧コンバータ」に相当し、昇降圧コンバータ２３のモータ１１側の電圧であるモータ側電圧ＶＨを検出する電圧センサ３５が「電圧センサ」に相当し、モータ側電圧ＶＨが目標電圧ＶＨ＊となるように昇降圧コンバータ２３を制御すると共にモータ側電圧ＶＨが目標電圧ＶＨ＊よりも高いときには当該モータ側電圧ＶＨを低下させるための昇降圧コンバータ２３の降圧制御を実行する電子制御ユニット４０が「制御手段」に相当し、図４降圧制御可否判定ルーチンを実行する電子制御ユニット４０が「異常判定手段」に相当する。なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等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内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、バッテリと電力機器との間で電圧を変換する昇降圧コンバータを備えた電力制御装置の製造産業において利用可能である。

１０ 電気自動車、１１ モータ、１２ バッテリ、１６ デファレンシャルギヤ、１８ａ，１８ｂ 駆動輪、２２ インバータ、２３ 昇降圧コンバータ、３１，３２ 平滑コンデンサ、３３ 抵抗素子、３４，３５ 電圧センサ、４０ 電子制御ユニット、５４ アクセルペダル、５５ アクセルペダルポジションセンサ、５８ 車速センサ、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード、Ｔｒ１，Ｔｒ２ トランジスタ。

Claims (1)

1. 電力機器と電力のやり取りが可能なバッテリと、該バッテリと該電力機器との間で電圧を変換する昇降圧コンバータと、該昇降圧コンバータの前記電力機器側の電圧である電力機器側電圧を検出する電圧センサと、前記電力機器側電圧が目標電圧となるように前記昇降圧コンバータを制御すると共に前記電力機器側電圧が前記目標電圧よりも高いときには該電力機器側電圧を低下させるための前記昇降圧コンバータの降圧制御を実行する制御手段とを備えた電力制御装置であって、
   前記降圧制御の実行後における前記電力機器側電圧が該降圧制御の実行前における前記電力機器側電圧よりも低くなったときには前記昇降圧コンバータは正常であると判定し、前記降圧制御の実行後における前記電力機器側電圧が該降圧制御の実行前における前記電力機器側電圧よりも低くならず且つ該降圧制御の実行中に前記バッテリに充電電流が流れていたときには前記昇降圧コンバータは正常であって前記電圧センサに異常が発生していると判定し、前記降圧制御の実行後における前記電力機器側電圧が該降圧制御の実行前における前記電力機器側電圧よりも低くならず且つ該降圧制御の実行中に前記バッテリに充電電流が流れていなかったときには前記昇降圧コンバータに異常が発生していると判定する異常判定手段を備えることを特徴とする電力制御装置。