JP5686146B2 - 温度異常検知機能付き電圧計測装置及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧計測装置とこれを利用した電気自動車用の電力変換装置に関する。

発熱量が大きい素子を含む電子機器では、その素子の温度計測を行い、温度が所定の閾値よりも大きい場合は、アラームを発したり、電子機器に流れる電力を抑えたり、何らかの対処を行うことが良く行われる。以下では、素子の温度が所定の閾値よりも大きいことを検知することを、「温度異常検知」と称する。

発熱量の大きなデバイスの一つに、電気自動車に搭載される電力変換装置がある。電気自動車の電力変換装置は、バッテリの電力を、走行用モータを駆動するための交流電力に変換する。そのような電力変換装置内の素子は大電力を扱うため、発熱量が大きい。特に、電圧コンバータやインバータにおけるスイッチング素子や、バッテリの出力電流あるいは電圧コンバータの出力電流を平滑化するコンデンサは発熱量が大きく、耐熱温度も低い。そこで、コンデンサの温度が所定の閾値を超えた場合（即ち、コンデンサの温度異常が検知された場合）、何らかの対処が行われる。

コンデンサの温度異常検知には、サーミスタが用いられることが多い。サーミスタは、予め定められた温度を超えると抵抗値が大きく変換する抵抗である。即ち、サーミスタの抵抗値でそのサーミスタ周辺の温度異常が検知できる。サーミスタを使った温度異常検知技術が例えば特許文献１、２に開示されている。

特開２００９−１１１３７０号公報 実開平０３−４２７４号公報

サーミスタを使って温度異常を検知する場合、温度異常の検知箇所にサーミスタを取り付け、そのサーミスタから温度異常の検知回路まで２本のケーブルを繋ぐ必要がある。従来は温度異常検知のために専用の２本のケーブルを配索する必要があり、また、専用の温度異常検知回路を備える必要があった。本明細書は、温度異常の検知のためのケーブルを、他の目的のケーブルと共用化して電子機器におけるケーブルの配索を効率化するとともに、温度異常を検知する回路を、他の目的の回路と共用化する技術を提供する。

サーミスタを使った温度異常検知では、サーミスタの電圧を特定の閾値を比較することによって異常を検知する。他方、電子機器では、特定のデバイスの端子間の電圧を計測する場合がある。即ち、電子機器内に電圧計測装置が組み込まれている場合がある。本明細書が開示する技術は、電子機器の中の特定のデバイスの電圧を計測する装置に温度異常の検知機能を盛り込む。即ち、本明細書は、温度異常検知機能付きの電圧計測装置を提供する。その電圧計測装置は、温度異常検知箇所（デバイス、あるいはデバイスに付随する部品）にＰＴＣサーミスタを取り付けるとともに、デバイスの端子の一方にＰＴＣサーミスタを接続する。なお、ＰＴＣサーミスタは、キュリー温度と呼ばれる所定温度以上になると抵抗値が急激に大きくなるサーミスタである。キュリー温度以下における抵抗値は、温度上昇時の最大抵抗値と比較すると極めて小さい。従って、キュリー温度以下では、電圧計測の精度に与える影響は小さい。以下では、ＰＴＣサーミスタを単純に「サーミスタ」と称する場合がある。

通常の電圧計測装置は、デバイスの２個の端子と２本のケーブルで接続される。但し、本明細書が開示する電圧計測装置では、デバイスの一方の端子と電圧計測装置の一方の入力端の間にサーミスタを直列に接続する。そして、そのサーミスタを温度異常検知箇所に取り付ける。この装置は、２本のケーブルでデバイスと接続し、デバイスの端子間電圧の計測と温度異常の検知を行うことができる。即ち、温度異常検知専用の２本のケーブルを配索する必要がなくなる。

デバイスと従来の電圧計測装置の間のケーブルに単純にサーミスタを直列に接続するだけでは、計測した電圧がデバイスの真の出力電圧を示しているのか、それとも温度異常によりサーミスタの抵抗が増大した結果であるのか判別ができない。そこで、本明細書が開示する技術は、特別な計測回路を用いる。その計測回路は、予め定められた基準電位に対するサーミスタを介した一方の端子の電圧と、基準電位に対する他方の端子の電圧を計測する。以下、計測した２つの電圧の値から温度異常を検知するプロセスを、具体例を挙げて説明する。

デバイスの典型例の一つは、バッテリの出力電圧を変換する電圧コンバータであって、正極の出力端を前記基準電位よりも高い電位に保持し、負極の出力端を基準電位よりも低い電位に保持する電圧コンバータである。そのような電圧コンバータは、バッテリの出力電力を走行用モータ駆動用の交流電力に変換する電気自動車用電力変換装置に組み込まれている。走行用モータは基準電位をゼロ電位とし正負に所定の電圧幅で変化する交流電力で動作する。それゆえ、インバータの前段に挿入される電圧コンバータにて、バッテリの電力を、基準電位をゼロとする正負の電位を有する電圧に変換する。この基準電位は、一般にグランド電位とも呼ばれている。電気自動車の場合、この基準電位は、ボディーアースの電位に相当する。

上記した電気自動車用の電圧コンバータは、正極出力端を、目標電圧（目標出力電圧）の半値分だけ基準電位よりも高い電位に保持し、負極出力端を、目標電圧の残りの半値分だけ基準電位よりも低い電位に保持する。そうして、電圧コンバータが出力する電圧（即ち、正極出力端の電位と負極出力端の電位との差分）が目標電圧となる。従って、電圧コンバータは、基準電位に対する正極出力端の電圧の絶対値が、基準電位に対する負極出力端の電圧の絶対値と等しいという関係を有する。仮に電圧コンバータの出力電圧が目標電圧に到達していない場合でも、上記の関係は維持される。従って、その関係が成立しない場合は、サーミスタの抵抗が増加した場合であるから、温度異常が発生していると判断できる。その場合には、温度異常発生を示す信号を出力する。逆に、前述の関係が成立しているときは、サーミスタの抵抗が小さく、即ち、温度異常が発生していないと推定されるから、計測した２つの電圧の差を、デバイスの出力端子間の電圧（即ち電圧コンバータの出力電圧）として出力する。こうして、通常の出力端間の電圧計測が行えるとともに、サーミスタが設置された箇所の温度異常を検知することができる。なお、計測温度には所定のばらつきがあるため、電圧コンバータは、実用上は、基準電位に対する正極の電圧の絶対値と、基準電位に対する負極の電圧の絶対値との差がばらつきに相当する所定範囲を超えた場合に、温度異常発生を示す信号を出力する。また、温度異常が検知された場合には、そもそも電圧コンバータ自体が正常であっても温度異常を起こしているデバイスに対して何らかの対処を施す必要があるので、電圧コンバータの真の出力電圧が計測できずともよい。

なお、基準電位に対する正極出力端の電圧の絶対値が、基準電位に対する負極出力端の電圧の絶対値と等しいという関係は、正極出力端あるいは負極出力端がグランドと短絡した場合でも不成立となる。ただし、電気自動車には、通常は、短絡検知器が備えられているので、短絡によって上記の関係が成立しない場合は、短絡検知器で検知できる。電気自動車のコントローラは、上記の関係が成立せず、短絡検知器が短絡を検知していない場合に、サーミスタの抵抗が増加した（即ち温度異常が発生した）と判定する。

デバイスの別の典型例は、電気自動車の走行用モータに交流電力を供給するインバータである。そして、電力計測装置は、そのインバータの直流入力端に接続されており、その電圧を計測する。その場合、インバータの直流入力端の一方の端子が基準電位よりも高い電位に保持され、直流入力端の他方の端子が基準電位よりも低い電位に保持されている。従って、インバータの入力端子は、上記した関係、即ち、基準電位に対するインバータの一方の入力端の電圧の絶対値が、基準電位に対する他方の入力端の電圧の絶対値と等しいという関係を有する。ゆえに、上記したサーミスタの抵抗増加の検知が実現できる。

温度異常の検知対象は、典型的にはデバイス（電圧コンバータあるいはインバータ）の端子間に接続されているコンデンサである。また、本明細書が開示する温度異常検知機能つき電圧計測装置は、典型的には、バッテリの出力電力を走行用モータ駆動用の交流電力に変換する電気自動車用の電力変換装置に組み込まれている。そして、電気自動車用の電力変換装置特有の構成（インバータの入力端、あるいは、インバータの前段に挿入される電圧コンバータの出力端が、基準電位をゼロとする正負の電位に保持されている、という構成）を利用して、温度異常検知専用のケーブルを不要とする。また、電圧計測回路が、温度異常を検知する回路としても機能する。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

電気自動車の電力系のブロック図である。 電圧計測装置の回路図である。 電圧計測装置の温度異常／コンバータ異常検知処理のフローチャートである。 正常／コンバータ異常／温度異常の夫々の場合における電圧計測値の一例を示す表である。 サーミスタ取り付けの一例を示す図である。

図面を参照して実施例の電圧計測装置を説明する。実施例の電圧計測装置は、電気自動車の電力変換装置に組み込まれている。まず、図１を参照して電気自動車の電気系（駆動系）を説明する。

電力変換装置２は、バッテリ９１の出力電圧を昇圧した後、交流に変換する。それゆえ、電力変換装置２は、電圧コンバータ６とインバータ７を備える。電圧コンバータ６は、２個のトランジスタ、２個のダイオード、及び、リアクトルが図１に示す回路を構成する。図１に示す電圧コンバータ６の回路構成は良く知られているので、詳しい説明は省略する。

電圧コンバータ６の入力側には、バッテリ９１の出力電流を平滑化するためのコンデンサ３が接続されており、電圧コンバータ６の出力側、即ち、インバータ７の入力側には、電圧コンバータ６の出力電流を平滑化するためのコンデンサ４が接続されている。電力変換装置２は、走行用のモータを駆動するため、大電流を扱う。それゆえ、コンデンサ３、４にも大電流が流れるため、それらのコンデンサは発熱量が大きい。

インバータ７の出力はモータ９３に供給される。モータ９３の出力トルクはデファレンシャルギアを介して駆動輪９４へ伝達される。モータ９３の出力（電力出力）は電力変換装置２の出力に相当し、車速やアクセル開度に依存する。電力変換装置２の上位コントローラ９２が、車速やアクセル開度からモータ９３の目標出力を決定する。モータ９３の目標出力は、電力変換装置２の内部の制御回路８に送られる。制御回路８は、モータ９３の目標出力を達成するために必要なバッテリ電圧の昇圧比やインバータの出力周波数を決定し、それに応じたスイッチング素子制御信号、すなわちＰＷＭ信号を生成する。生成されたＰＷＭ信号は、電圧コンバータ６やインバータ７に供給される。なお、図１（及び図２）に示す矢印付きの破線は信号の流れを示している。

ここで、電圧コンバータ６の出力電圧について説明する。走行用モータ９３は、よく知られているように、基準電位（グランド電位）をゼロ電位とし正負に所定の電圧幅で変化する交流電力で動作する。即ち、インバータ７の出力は、基準電位をゼロ電位として正負に所定の電圧幅で変換する交流である。それゆえ、インバータ７の直流入力の段階で、高電位側の電源ラインと、低電位側の電源ラインの中間の電位が基準電位に設定される。具体的には、インバータ７の前段で、電源線の高電位と低電位の中間の電位を有する端子が車両のボディ（即ちグランド）に接続される。

実施例の電力変換装置２では、インバータ７の入力端、及び、電圧コンバータ６の入力端と出力端が、基準電位をゼロとして正負の電位を有する。即ち、モータ９３の目標出力に応じて決定される電圧コンバータ６の目標電圧に対して、電圧コンバータ６（インバータ７の入力端）は、目標電圧の半値分だけ基準電位よりも高い電位に正極出力端を保持し、目標電圧の残りの半値分だけ基準電位よりも低い電位に負極出力端を保持する。目標電圧が変化すれば、基準電位に対する正極出力端と負極出力端の電位が夫々変化する。別言すれば、基準電位に対する正極出力端の電圧の絶対値は、基準電位に対する負極出力端の電圧の絶対値に等しい。バッテリの残量（ＳＯＣ：State Of Charge）が少ない場合など、目標電圧が達成できない状況であっても、基準電位に対する正極出力端の電圧の絶対値と基準電位に対する負極出力端の電圧の絶対値は等しい。なお、電圧変動に伴う誤差や、回路素子のばらつき等に起因する誤差の範囲では、基準電位に対する正極出力端の電圧の絶対値と基準電位に対する負極出力端の電圧の絶対値は異なる場合があることに留意されたい。従って、所定のばらつきを許容する範囲で、基準電位に対する正極出力端の電圧の絶対値と基準電位に対する負極出力端の電圧の絶対値は等しい。

電力変換装置２の説明に戻る。電圧計測装置１０は、電圧コンバータ６の出力電圧を計測するとともに、コンデンサ４の温度異常を検知する。即ち、電圧計測装置１０は、コンデンサ４の温度が所定の閾値温度よりも大きい場合に、温度異常を示す信号を出力する。電圧計測装置１０は、計測回路１２とサーミスタ５で構成される。サーミスタ５は、所定温度以上で抵抗値が急激に大きくなるＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient）タイプである。サーミスタ５は、コンデンサ４の素子側面など、最も高温になると予測される位置に取り付けられる。より具体的には、後に図５を参照して説明するように、コンデンサ３と４は、一つのモジュールにパッケージ化されており、サーミスタ５は、そのパッケージ内で温度が高くなり易い位置に取り付けられている。サーミスタ５には、コンデンサ４の正常温度範囲の上限温度に略等しいキュリー温度を有するものが選定される。キュリー温度は、その温度を超えると抵抗値が急激に大きくなる温度である。電圧計測装置１０は、コンデンサ４の温度がキュリー温度を超えてその抵抗値が増大したときに、コンデンサの温度異常の発生を示す信号を出力する。

コンデンサ４は、電圧コンバータ６の正極出力端Ｐ１と負極出力端Ｐ２の間に接続されている。電圧コンバータ６の正極出力端Ｐ１は、計測回路１２の正極入力端Ｐ３に接続している。電圧コンバータ６の負極出力端Ｐ２は、サーミスタ５の一端に接続している。サーミスタ５の他端は計測回路１２の負極入力端Ｐ４に接続している。別言すれば、サーミスタ５は、電圧コンバータ６の負極出力端Ｐ２と計測回路１２の負極入力端Ｐ４の間に接続されている。電力変換装置２では、電圧コンバータ６と、その出力電圧を計測するとともにコンデンサの温度異常を検知する電圧計測装置１０（計測回路１２）との間は２本のケーブル１８だけで接続される。次に、計測回路１２の回路構成について説明する。

図２に、計測回路１２の回路ブロック図を示す。正極入力端Ｐ３には、抵抗Ｒ１とＲ２が直列に接続され、Ｒ２の一端はグランド（基準電位）に接続している。抵抗Ｒ１とＲ２の直列接続回路は、正極入力端Ｐ３に印加される電圧を分圧して低電圧に変換する回路である。抵抗Ｒ１には、例えば９．９５Ｍオームのものが採用され、抵抗Ｒ２には、例えば０．０５Ｍオームのものが採用される。そうすると、Ｒ１とＲ２の直列接続の中点Ｐａの電圧は、正極入力端Ｐ３に印加される電圧をＲ２／（Ｒ１＋Ｒ２）倍（＝０．００５倍）した値となる。例えば正極入力端Ｐ３に１００ボルトが印加されたとき、中点Ｐａの電圧は０．５ボルトとなる。負極入力端Ｐ４も同様であり、抵抗Ｒ１とＲ２が直列に接続されている。抵抗Ｒ２の他端はグランドに接続されている。抵抗Ｒ１とＲ２の中点Ｐｂには、負極入力端に印加される電圧の分圧が現れる。

中点ＰａとＰｂの電圧は、夫々、電圧コンバータ６の正負の出力端の電圧と比例関係にある。そして、図２に示されているように、中点ＰａとＰｂの電圧は、電圧コンバータ６の出力端のグランド（基準電位）に対する電圧を表している。計測回路１２は、グランド（基準電位）に対する、電圧コンバータ６の正負の出力端の電圧を計測する。

中点Ｐａは、電圧安定化回路１３を介してマイコンチップ１６の第１Ａ／Ｄ入力端１５ａに接続されている。即ち、中点Ｐａに現れる電圧コンバータ６の正極出力端Ｐ１の電圧は、マイコンチップ１６の第１Ａ／Ｄ入力端１５ａに入力される。電圧安定化回路１３は、抵抗Ｒ４、Ｒ５、コンデンサＣ２、Ｃ３、及び、ダイオードＤ１、Ｄ２を含んでおり、図２に示す構成を有する。電圧安定化回路１３についてはよく知られているので詳しい説明は省略する。なお、図中の符号ＶＥは、計測回路１２の電源ラインを示しており、その電圧は例えば５ボルトである。

同様に、中点Ｐｂは、電圧安定化回路１３を介してマイコンチップ１６の第３Ａ／Ｄ入力端１５ｃに接続されている。即ち、中点Ｐｂに現れる電圧コンバータ６の負極出力端Ｐ２の電圧は、マイコンチップ１６の第３Ａ／Ｄ入力端１５ａに入力される。ただし、マイコンチップ１６の第３Ａ／Ｄ入力端１５ｃに入力される電圧は、サーミスタ５を介した負極出力端Ｐ２の電圧であることに留意されたい。

また、中点ＰａとＰｂは、作動増幅器１４の２つの入力端Ｐｃ、Ｐｄに接続されている。作動増幅器１４は、中点Ｐａの電圧とＰｂの電圧の差を増幅して出力する。即ち。作動増幅器１４の出力は、電圧コンバータ６の正極出力端と負極出力端の間の電圧の計測値に相当する。作動増幅器１４の出力は、電圧安定化回路１３を介してマイコンチップ１６の第２Ａ／Ｄ入力端１５ｂに入力される。なお、図中の符号ＶＦは、作動増幅器１４の駆動電圧源を示しており、その値は例えば１５ボルトである。

Ａ／Ｄ入力端１５ａ、１５ｂ、及び、１５ｃは、印加されるアナログ電圧をデジタイズしてデジタルコントローラであるマイコンチップ１６に取り込む入力端に相当する。

まとめると、マイコンチップ１６の３つの入力端Ｐｅ、Ｐｆ、Ｐｇにはそれぞれ、グランド（基準電位）に対する電圧コンバータ６の正極出力端の電圧、電圧コンバータ６の正極出力端と負極出力端の間の電圧差、グランドに対する電圧コンバータ６の負極出力端の電圧が入力される。なお、入力端Ｐｅの電圧は、厳密には、「グランドに対する電圧コンバータ６の正極出力端の電圧」に対応する電圧であるが、実質的には、入力端Ｐｅの電圧は、「グランドに対する電圧コンバータ６の正極出力端の電圧」であるとみなしてよいことは明らかである。以下では、グランドに対する電圧コンバータ６の正極出力端Ｐ１の電圧の計測値を正極計測電圧と称し、電圧コンバータ６の正極出力端Ｐ１と負極出力端Ｐ２の間の電圧差の計測値をコンバータ出力計測電圧と称し、グランドに対する電圧コンバータ６の負極出力端Ｐ２の電圧の計測値を負極計測電圧と称する。コンバータ出力計測電圧と負極計測電圧にはサーミスタ５の影響が含まれるが、温度異常が発生していないときには、サーミスタ５の抵抗は小さく、コンバータ出力計測電圧は、電圧コンバータ６の真の出力電圧とみなしてよい。

次に、マイコンチップ１６で行われる処理について説明する。マイコンチップ１６は、電圧コンバータ６とインバータ７を制御する制御回路８と連携し、電圧コンバータ６の出力が目標電圧に略等しいか否か、及び、コンデンサ４の温度が正常温度範囲を超えていないか、を監視する。なお、コンデンサ４の温度が正常温度範囲を超えている場合が、温度異常に相当する。また、電圧コンバータ６の出力が目標電圧に等しくない場合を、システム電圧異常（システム電圧エラー）と称する。

マイコンチップ１６の処理を説明する前に、電圧コンバータ６の出力端の電位について再度説明する。前述したように、制御回路８が決定した電圧コンバータ６の目標電圧に対して、グランド（基準電位）に対する正極出力端Ｐ１の電位（電圧）は［＋目標電圧／２］であり、グランドに対する負極出力端Ｐ２の電位（電圧）は［−目標電圧／２］である。別言すれば、電圧コンバータ６は、正常であれば、正極出力端Ｐ１をグランドよりも目標電圧の半分だけ高い電位に保持し、負極出力端Ｐ２をグランドよりも目標電圧の半分だけ低い電位に保持する。なお、仮に、電圧コンバータ６の出力が目標電圧に達しない場合であっても、グランドに対する正極出力端Ｐ１の電位（電圧）の絶対値は、グランドに対する負極出力端Ｐ２の電位（電圧）の絶対値に略等しい。例えば、グランドに対する正極出力端Ｐ１の電位が＋Ａのときはグランドに対する負極出力端Ｐ２の電位は−Ａとなる。

図３を参照してマイコンチップ１６（計測回路１２）が実行する処理を説明する。図３のフローチャートの処理は、制御周期毎に実行される。マイコンチップ１６は、まず、第１〜第３Ａ／Ｄ入力端１５ａ〜１５ｃにて取得される電圧、即ち、正極計測電圧、コンバータ出力計測電圧、負極計測電圧を取得する（Ｓ２）。次にマイコンチップ１６は、正極計測電圧の絶対値が目標電圧に等しいか否かを判断する（Ｓ３）。なお、マイコンチップ１６は、電圧コンバータ６やインバータ７を制御する制御回路８と通信しており、制御回路８から目標電圧を取得している。

正極計測電圧の絶対値が目標電圧に等しい場合（Ｓ３：ＹＥＳ）、次にマイコンチップ１６は、負極計測電圧の絶対値が目標電圧に等しいか否かを判断する（Ｓ４）。負極計測電圧の絶対値も目標電圧に等しい場合、電圧コンバータ６は目標電圧を出力しており、コンデンサ４の温度異常も発生していないとして、マイコンチップ１６は異常なしを示す信号を制御回路８へ出力する（Ｓ６）。なお、以下では、「正極計測電圧の絶対値」を単純に「正極計測電圧」と称し、「負極計測電圧の絶対値」を単純に「負極計測電圧」と称することがある。図３のフローチャート図では、絶対値を表す記号が付してあることに留意されたい。

一方、正極計測電圧が目標電圧／２に等しく（Ｓ３：ＹＥＳ）、しかし、負極計測電圧が目標電圧／２に等しくない場合（Ｓ４：Ｎｏ）は、正極出力端Ｐ１又は負極出力端Ｐ２が短絡しているか、あるいは、ＰＴＣサーミスタ５の抵抗値が大きいことを意味する。電気自動車は通常、短絡を検知する回路を搭載しており、ステップＳ４がＮＯの場合、まず、システムが短絡しているか否かを確認する（Ｓ１４）。短絡が検知されていない場合は（Ｓ１４：ＮＯ）、ＰＴＣサーミスタ５の温度、即ち、コンデンサ４の温度が所定の閾値（ＰＴＣサーミスタ５のキュリー温度）を超えていることを意味する。その場合、マイコンチップ１６は、コンデンサ４にて温度異常が発生していることを示す信号（温度エラー信号）を制御回路８へ出力する（Ｓ７）。なお、ステップＳ１４で短絡が検知されていた場合は、図３の温度異常の検知ルーチンから、短絡時の処理ルーチン（Ｓ１６）へ制御が移行する。短絡時の処理ルーチンについては説明を省略する。

他方、ステップＳ２において、正極計測電圧が目標電圧／２に等しくない場合（Ｓ３：ＮＯ）、マイコンチップ１６は、短絡が検知されているか否かをチェックした後（Ｓ１２）、正極計測電圧（の絶対値）と負極計測電圧（の絶対値）が等しいか否かをチェックする（ステップＳ５）。そして、両者の絶対値が等しくない場合（ステップＳ５：ＮＯ）、その原因はＰＴＣサーミスタ５の抵抗値が大きいことであるとして、温度異常が発生していることを示す信号（温度エラー信号）を制御回路８へ出力する（ステップＳ７）。他方、ステップＳ５において、両者の絶対値が等しい場合は、温度異常は発生していないが電圧コンバータ６の出力電圧が目標電圧に達していないことを示しているため、電圧コンバータ６で何らかの異常が発生していることを示す信号（システム電圧エラー信号）を制御回路８へ送信する。この場合は、例えば、バッテリの残量が少ないために、電圧コンバータ６の出力電圧が目標電圧に達しないなどの原因が想定される。あるいは、その場合は、モータの過回転等により急激に電圧が変動するなど、システムエラーも想定され得る。

温度エラー信号は制御回路８から上位コントローラ９２（図１参照）に送信される。温度エラー信号を受信した上位コントローラ９２は、例えば、その旨を示す警告表示を車両のインパネに表示したり、モータ９３の目標出力に制限を加えたりする。また、コンバータ異常などが発生した場合、システム電圧エラー信号が制御回路８から上位コントローラ９２に送信される。システム電圧エラー信号を受信した上位コントローラ９２は、例えば、その旨を示す警告表示を車両のインパネに表示するなど、予めプログラムされている対応処理を実行する。

電圧コンバータで温度異常が発生しているケース、コンバータ異常が発生しているケース、及び、いずれの異常も発生していないケースの具体例を、数値を挙げて説明する。図４に数値例を示す。この事例では、目標電圧＝５００ボルトとし、また、図２の抵抗Ｒ１とＲ２はそれぞれ、９．９５Ｍオーム、０．０５Ｍオームであるとする。

電圧コンバータ６が正常であり（即ちその出力が目標電圧に等しい場合）、温度異常も発生していない場合（ケース１）、電圧コンバータ６の正極出力端Ｐ１と負極出力端Ｐ２のグランドに対する電位はそれぞれ、＋２５０ボルト、−２５０ボルトである。このとき、計測回路の計測電圧は、それぞれ、＋１．２５ボルト、−１．２５ボルトである。即ち、正極計測電圧の絶対値と負極計測電圧の絶対値は、共に目標電圧の半値に等しい。この場合は、図３のフローチャートにおけるステップＳ３、Ｓ４、Ｓ６の処理が行われる。

また、温度異常は発生していないが電圧コンバータ６で何らかの異常が発生してその出力電圧が目標電圧（５００ボルト）に届かず、出力電圧が３００ボルトである場合、正極出力端Ｐ１と負極出力端Ｐ２のグランドに対する電位はそれぞれ、＋１５０ボルト、−１５０ボルトである。このとき、計測回路の計測電圧は、それぞれ、＋０．７５ボルト、−０．７５ボルトである。即ち、正極計測電圧の絶対値と負極計測電圧の絶対値は等しいが、目標電圧の半値には等しくない。この場合は、図３のフローチャートにおけるステップＳ３、Ｓ５、Ｓ８の処理が行われる。

また、電圧コンバータは正常であるが温度異常が発生している場合、正極出力端Ｐ１と負極出力端Ｐ２のグランドに対する電位（電圧）はそれぞれ、＋２５０ボルト、−２５０ボルトであるが、計測回路の計測電圧は、それぞれ、＋１．２５ボルト、−０．０１ボルトである。即ち、正極計測電圧の絶対値は、目標電圧の半値に等しいが、正極計測電圧の絶対値と負極計測電圧の絶対値は等しくない。この場合は、図３のフローチャートにおけるステップＳ３、Ｓ４、Ｓ７の処理が行われる。

上記したように、実施例の電圧計測装置１０は、電圧コンバータ６と接続している２本のケーブル１８だけで、出力端間の電圧を計測することと、温度異常を検知することを実行できる。この装置は、温度異常検知のための専用ケーブルを備える必要がない、という利点を有する。また、図２で示したように、温度異常は、電圧コンバータ６の出力電圧を計測する計測回路１２が検知する。即ち、実施例の電圧計測装置１０は、電圧計測のための回路が温度異常も検知することができるので、温度異常を検知する専用の回路を設ける必要がない、という利点も有する。

次に、サーミスタ５の取り付け例を説明する。図５に、コンデンサモジュール３０の分解斜視図を示す。図１、図２に示した回路図上のコンデンサ４の実体は、複数のコンデンサ素子３１を並列に接続したものである。複数のコンデンサ素子３１を並列に接続することで、大容量化を図っている。複数のコンデンサ素子３１は、平行に並べられ、全ての負極の端子３１ａに接触するようにバスバ３３が取り付けられている。なお、図５では見えないが、コンデンサ素子３１の下面には正極端子が露出しており、全ての正極端子と接触するようにバスバ３２が取り付けられている。バスバ３２は、コンデンサ素子３１（図１、図２のコンデンサ４）の正極の端子と電圧コンバータ６の正極出力端を接続する導電部材であり、バスバ３３は、コンデンサ素子３１（図１、図２のコンデンサ４）の負極の端子と電圧コンバータ６の負極出力端を接続する導電部材である。バスバ３２と３３は、電圧コンバータ６の正極出力端と負極出力端にも相当する。

負極用のバスバ３３の一部が一つのコンデンサ素子３１の側面に伸びており、その端部にサーミスタ５がネジで取り付けられている。この取り付け位置に対応するコンデンサの表面領域ＨＳが、複数のコンデンサ素子３１の集合の中で最も温度が高くなると予想されている領域である。サーミスタ５はネジで負極用のバスバ３３に固定されているとともに導通している。サーミスタ５の端部からは、電圧計測装置１０の計測回路１２へと繋がるケーブルが伸びている。正極用のバスバ３２にも、計測回路１２へと繋がるケーブルが伸びている。図５に示す２本のケーブル１８が、電圧コンバータ６の正極出力端及び負極出力端と、電圧計測装置１０の計測回路１２とを接続するケーブルである。この２本のケーブル１８の夫々に現れる電圧の値から、電圧計測装置１０は、電圧の計測とコンデンサの温度異常の検知の２つの機能を実行することができる。

一列に束ねられた複数のコンデンサ素子３１は、インナーケース３５に収容される。また、そのインナーケース３５は、アウターケース３６に収容される。なお、図５に示すサーミスタ取り付け位置は、一つの例である。サーミスタ５は、最も温度が高くなると予想される箇所に取り付けられる。また、広い面積の温度異常を検知したい場合には、対象の面積を熱伝導率の高いシートで覆い、そのシートにサーミスタを取り付けることも好適である。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の電圧計測装置１０は、電力変換装置２に組み込まれており、電圧コンバータ６の出力端の間の電圧を計測するとともに、その出力端に並列に接続されたコンデンサ４の温度異常を監視する。図１、図２から明らかな通り、電圧コンバータ６の出力端は、インバータ７の入力端にも相当する。従って、実施例の電圧計測装置１０は、次の通り表現することもできる。即ち、電圧計測装置１０は、インバータ７の直流入力端Ｐ１、Ｐ２の間の電圧を計測するとともに、直流入力端に並列に接続されているコンデンサ４の異常を検知する。

本明細書が開示する電圧計測装置１０は、バッテリ９１の出力端の間の電圧を計測するとともに、その出力端に並列に接続されているコンデンサ３の異常を検知する装置として活用することもできる。そのような装置として用いる場合、電圧計測装置１０を、コンデンサ３の両端に接続すればよい。

温度異常を検知する対象は、コンデンサに限られない。例えば、温度異常を検知する対象は、電圧コンバータやインバータのスイッチング素子であってもよい。なお、実施例は、本明細書が開示する技術を電気自動車の電力変換装置２に適用したものである。実施例は、具体的には、電力変換装置内の電圧コンバータの出力端の電圧を計測するとともに、出力端に接続される電流平滑用コンデンサの温度異常を検知する装置である。その電力変換装置の構成は、以下の通りにまとめることができる。電力変換装置２は、バッテリ９１の電力を昇圧した後に走行用モータ（モータ９３）駆動用の交流電力に変換するデバイスである。その電力変換装置２は、バッテリ９１の出力電圧を昇圧する電圧コンバータ６と、コンデンサ４と、ＰＴＣサーミスタ５と、制御回路８を備える。電圧コンバータは、正極出力端Ｐ１を、基準電位より高い電位に保持し、負極出力端Ｐ２を、基準電位よりも低い電位に保持する。なお、前述したように、基準電位は、モータへ供給する交流電力のゼロ電位に対応する。コンデンサ４は、電圧コンバータ６の出力端間（正極出力端Ｐ１と負極出力端Ｐ２の間）に接続されている。ＰＴＣサーミスタ５は、コンデンサ４に取り付けられているとともに、電圧コンバータ６の一方の出力端（例えば負極出力端Ｐ２）に接続されている。計測回路１２は、基準電位に対するＰＴＣサーミスタを介した一方の出力端（負極出力端Ｐ２）の電圧と、基準電位に対する他方の出力端（例えば正極出力端）の電圧を計測する。そして、計測回路１２は、ＰＴＣサーミスタを介した一方の出力端（負極出力端Ｐ２）の電圧の絶対値と、他方の出力端（正極出力端Ｐ１）の電圧の絶対値が異なる場合に、温度異常検知を示す信号を出力する。なお、上記の表現において、正極出力端Ｐ１と負極出力端Ｐ２は逆でもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電力変換装置
３、４：コンデンサ
５：サーミスタ
６：電圧コンバータ
７：インバータ
８：制御回路
１０：電圧計測装置
１２：計測回路
１３：電圧安定化回路
１４：作動増幅器
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ：Ａ／Ｄ入力端
１６：マイコンチップ
１８：ケーブル
３０：コンデンサモジュール
３１：コンデンサ素子
３２、３３：バスバ
３５：インナーケース
３６：アウターケース
９１：バッテリ
９２：上位コントローラ
９３：モータ
Ｐ１：正極出力端
Ｐ２：負極出力端

Claims (8)

1. デバイスの正極と負極の端子間の電圧を計測するとともに、デバイスあるいはそのデバイスに付随する部品の温度異常を検知する電圧計測装置であり、
   温度異常検知箇所に取り付けられているとともに、デバイスの一方の端子に接続されているＰＴＣサーミスタと、
   予め定められた基準電位に対するＰＴＣサーミスタを介した前記一方の端子の電圧と、前記基準電位に対する他方の端子の電圧を計測する計測回路と、
   を備えることを特徴とする温度異常検知機能付き電圧計測装置。
2. 計測回路は、ＰＴＣサーミスタを介した前記一方の端子の電圧の絶対値と、前記他方の端子の電圧の絶対値が異なる場合に、温度異常検知を示す信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の電圧計測装置。
3. 前記デバイスは、正極の端子を前記基準電位よりも高い電位に保持し、負極の端子を前記基準電位よりも低い電位に保持する電圧コンバータであることを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧計測装置。
4. 前記デバイスは、電気自動車の走行用モータに電力を供給するインバータであり、前記電圧計測装置は、インバータの直流入力端に接続されており、
   インバータの直流入力端の正極の電位が前記基準電位よりも高い電位に保持され、直流入力端の負極の電位が前記基準電位よりも低い電位に保持されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電圧計測装置。
5. ＰＴＣサーミスタは、デバイスの端子間に接続されているコンデンサに取り付けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電圧計測装置。
6. バッテリの出力電力を走行用モータ駆動用の交流電力に変換する電気自動車用電力変換装置に組み込まれていることを特徴とする請求項５に記載の電圧計測装置。
7. バッテリの電力を昇圧した後に走行用モータ駆動用の交流電力に変換する電力変換装置であり、
   バッテリの出力電圧を昇圧する電圧コンバータであって、正極出力端を前記交流電力のゼロ電位に対応する基準電位より高い電位に保持し負極出力端を前記基準電位よりも低い電位に保持する電圧コンバータと、
   電圧コンバータの出力端間に接続されているコンデンサと、
   コンデンサに取り付けられているとともに、電圧コンバータの一方の出力端に接続されているＰＴＣサーミスタと、
   前記基準電位に対するＰＴＣサーミスタを介した前記一方の出力端の電圧と、前記基準電位に対する他方の出力端の電圧を計測する計測回路と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
8. 計測回路は、ＰＴＣサーミスタを介した前記一方の出力端の電圧の絶対値と、前記他方の出力端の電圧の絶対値が異なる場合に、温度異常検知を示す信号を出力することを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。

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