JP6327141B2 - 電動車両 - Google Patents

Description

本発明は、電動車両に関する。

電動車両は直流電力を交流電力に変換して走行用のモータに供給するインバータを備える。インバータは、複数のスイッチング素子を適宜にオンオフして直流電力を交流電力に変換する。特許文献１に、モータの逆起電力を利用してインバータのスイッチング素子の短絡チェックを行う技術が開示されている。その技術では、インバータの全てのスイッチング素子にオフ信号を供給したのち、逆起電力によってモータが生成する交流電流を電流センサによって計測し、その計測結果に基づいて短絡故障を検知する。具体的には、特許文献１の技術では、計測された交流電流をスムージングした後に絶対値をとった信号と、計測された交流電流の絶対値をとった後にスムージングした信号との差分を求める。そして、その差分と、予め定められている１相短絡、２相短絡、及び、３相短絡の各電流レベルとを比較して短絡故障を判定する。

特開２００９−２７８７９１号公報

電動車両の中には、直流電源の電圧を昇圧してインバータに供給する電圧コンバータを備えるものがある。そのような電動車両では、インバータの入力側に、電圧コンバータの出力する電流の脈動を抑えるコンデンサが接続される。そのようなコンデンサを備える電動車両において上記した短絡チェックを行う際、モータの逆起電力の電圧がコンデンサの両端電圧よりも高くなると、コンデンサを介してインバータの正極線と負極線の間に電流が流れてしまい、短絡チェックができなくなる。例えば、モータが高回転で回転していると逆起電力も高電圧となり、コンデンサの両端電圧を超えてしまう可能性が高まる。本明細書は、入力側にコンデンサが並列に接続されたインバータを有する電動車両において、逆起電力の電圧が高い場合でも短絡チェックを適切に行うことのできる技術を提供する。

本明細書が開示する電動車両は、電圧コンバータ、インバータ、走行用のモータ、コンデンサ、及び、コントローラを備える。電圧コンバータは直流電源の電圧を昇圧してインバータに供給する。インバータは、電圧コンバータによって昇圧された直流電力を交流電力に変換する。インバータは、交流各相の上アームと下アームの夫々にスイッチング素子を備えている。走行用のモータはインバータの交流出力端に接続されている。コンデンサは、電圧コンバータとインバータの間に並列に接続されている。コントローラは、モータの逆起電力を利用してインバータのスイッチング素子の短絡チェックを行う。コントローラは、スイッチング素子の短絡チェックを行う際、コンデンサの両端電圧がモータの逆起電力の電圧よりも高くなるように電圧コンバータを制御する。

上記した構成により、短絡チェックの際にモータの逆起電力による電流がコンデンサを通じてインバータの正極線と負極線の間を流れることが防止される。よって、モータの逆起電力を利用したスイッチング素子の短絡チェックを適切に行うことができる。なお、コントローラは、電圧コンバータの出力電圧が電動車両の力行時の電圧コンバータの出力電圧の上限を規定する制限電圧を超えることを許容する。短絡チェックの具体例など、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。

ハイブリッド車の電力系のブロック図である。 １相短絡の例を示すインバータのブロック図である。 １相短絡が生じているときの３相電流のグラフである。 ２相短絡の例を示すインバータのブロック図である。 ２相短絡が生じているときの３相電流のグラフである。 ３相短絡が生じているときの３相電流のグラフである。 ＶＨ電圧調整処理のフローチャートである。 短絡チェック処理のフローチャートである。

図面を参照して実施例の電動車両を説明する。本実施例の電動車両は、走行用の駆動源としてエンジン６と、２個のモータ８、４８を備えるハイブリッド車２である。図１に、ハイブリッド車２の駆動系のブロック図を示す。モータ８、４８は、３相交流によって駆動される。モータ８、４８の出力トルクとエンジン６の出力トルクは、動力分配機構７で適宜に分配／合成される。動力分配機構７は、例えばプラネタリギアである。動力分配機構７は、エンジン６、モータ８、４８から夫々伝達される動力を、所定比率で合成して出力軸７ａに出力する。動力分配機構７の出力は、デファレンシャルギア１０を介して駆動輪１０ａ、１０ｂに伝達される。動力分配機構７は、また、エンジン６とモータ８から伝達される動力を、所定の比率でモータ４８と出力軸７ａに分配する。このとき、モータ４８は、エンジン６とモータ８の駆動力により発電する。モータ４８は、また、停止しているエンジン６を始動するセルモータとしても機能する。

モータ８、４８を駆動するための電力はメインバッテリ３から供給される。メインバッテリ３の出力電圧は、例えば３００ボルトである。メインバッテリ３は、システムメインリレー４を介してパワーコントロールユニット５に接続されている。パワーコントロールユニット５は、メインバッテリ３の電力を変換してモータ８、４８に供給するパワーデバイスである。以下、説明の簡略化のため、パワーコントロールユニット５をＰＣＵ５と称する。

ＰＣＵ５は、電圧コンバータ２０、２個のインバータ３０、４７、及び、パワーコントローラ５０を含む。電圧コンバータ２０は、メインバッテリ３の電圧をモータ８、４８の駆動に適した電圧（例えば６００ボルト）まで昇圧する。インバータ３０、４７は、昇圧された直流電力を３相交流電力に変換する。インバータ３０の交流出力端にモータ８が接続されている。インバータ４７の交流出力端にモータ４８が接続されている。パワーコントローラ５０は、電圧コンバータ２０とインバータ３０、４７を制御する。

ハイブリッド車２は、エンジン６の駆動力を利用してモータ８、４８で発電することもできる。また、ハイブリッド車２は、車両の運動エネルギ（制動時の車両の減速エネルギ）を利用してモータ８、４８で発電することもできる。このような発電は「回生」と呼ばれている。モータ８、４８が発電する場合、インバータ３０、４７が交流を直流に変換し、さらに電圧コンバータ２０がメインバッテリ３よりも僅かに高い電圧まで降圧し、メインバッテリ３へ供給する。即ち、電圧コンバータ２０は、一方向で電圧を昇圧し、逆方向で電圧を降圧することのできる双方向コンバータである。

電圧コンバータ２０は、リアクトル２１とＩＧＢＴ等のスイッチング素子２２、２３とコンデンサ２４を主とする回路である。スイッチング素子２２、２３には、夫々、逆方向の電流をバイパスさせるためのダイオード（ダイオード２８、２９）が逆並列に接続されている。電圧コンバータ２０の高電圧側（即ちインバータ３０の側）には、インバータ３０、４７に入力される電流を平滑化するためのコンデンサ２５が接続されている。図１に示した電圧コンバータ２０の回路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２０に２個のインバータ（インバータ３０とインバータ４７）が並列に接続されている。インバータ３０とインバータ４７は同じ構造を有している。図１では、インバータ４７は内部回路の図示を省略している。以下、インバータ３０について説明し、インバータ４７については説明を省略する。以下の説明では、電圧コンバータ２０、インバータ３０、及び、パワーコントローラ５０の関係についても説明する。その説明において「インバータ３０」は、「インバータ３０とインバータ４７の夫々」と読み替えることができる。また、インバータ４７の交流出力端には電流センサが備えられているが、その電流センサの図示は省略されている。

インバータ３０は、スイッチング動作を行うスイッチング素子３１、３２、３３、３４、３５、３６を備える。以下、符号「３１、３２、３３、３４、３５、３６」を、「３１−３６」と称する場合がある。これらのスイッチング素子３１−３６のそれぞれにも、電流バイパス用のダイオード４１、４２、４３、４４、４５、４６が逆並列に接続されている。６個のスイッチング素子３１−３６は、２個ずつ直列に接続されており、３セットの直列回路が正極線Ｐと負極線Ｎの間に並列に接続されている。正極線Ｐと負極線Ｎは、インバータ３０の直流電力入力端にも相当する。即ち、電圧コンバータ２０の出力電力（直流電力）は、インバータ３０の正極線Ｐと負極線Ｎに印加され、正極線Ｐと負極線Ｎの間に配置された６個のスイッチング素子３１−３６が適宜にオンオフすることで、モータ８を駆動するための３相交流が生成される。スイッチング素子３１と３２の直列接続の中点から第１相の交流が出力される。スイッチング素子３３と３４の直列接続の中点から第２相の交流が出力される。スイッチング素子３５と３６の直列接続の中点から第３相の交流が出力される。３相の交流は互いに位相が１２０度ずれており、それらの和は常に一定となる。３相交流の和が常に一定になるのは、インバータ３０の正極線Ｐと負極線Ｎに入力される直流電力のエネルギが一定だからである。別言すれば、３相交流の電流の和は、入力された直流電力の電流に等しくなる。インバータ３０は、入力される一定の大きさの電気エネルギを、３個のエネルギ正弦波に分割するデバイスである。６個のスイッチング素子３１−３６、及び、電圧コンバータ２０のスイッチング素子２２、２３は、パワーコントローラ５０から供給されるＰＷＭ信号により制御される。

なお、３相交流インバータの場合、３相は夫々、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相と呼ばれることがある。図１でも、スイッチング素子３１と３２の中点とモータ８を結ぶ線に「Ｕ」と表記してある。同様に、スイッチング素子３３と３４の中点とモータ８を結ぶ線に「Ｖ」と表記してあり、スイッチング素子３５と３６の中点とモータ８を結ぶ線に「Ｗ」と表記してある。本実施例では、第１相が「Ｕ相」に対応し、第２相が「Ｖ相」に対応し、第３相が「Ｗ」相に対応する。また、各相において、正極線Ｐからモータ８までの電流経路を「上アーム」と称し、モータ８から負極線Ｎまでの電流経路を「下アーム」と称する。さらに、上アームの電流経路に配置されているスイッチング素子は上アームスイッチング素子と呼ばれ、下アームの電流経路に配置されているスイッチング素子は下アームスイッチング素子と呼ばれる。これらの呼称はインバータの技術分野では一般に知られており、本明細書でも、以下、しばしば用いる。インバータ３０は、３個の上アームスイッチング素子と３個の下アームスイッチング素子を備える。

ＰＣＵ５は、インバータ３０が出力する３相各相の電流を計測する３個の電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃを備えている。なお、３個の電流センサ９ａ、９ｂ、９ｃを包括的に示す場合には「電流センサ９」と表記する。電流センサ９の計測電流は、パワーコントローラ５０に送られる。

パワーコントローラ５０は、ＣＰＵ、メモリ、及び、入出力インタフェース等の電子部品で構成される情報処理装置である。パワーコントローラ５０が電圧コンバータ２０とインバータ３０のスイッチング素子２２、２３、３１−３６を制御する。パワーコントローラ５０によって生成されるＰＷＭ信号に応じて電圧コンバータ２０のスイッチング素子２２、２３と、インバータ３０のスイッチング素子３１−３６がスイッチング動作を行い、入力された電力を変換する。パワーコントローラ５０には、また、ＨＶコントローラ６０が接続されている。ＨＶコントローラ６０には、運転者による操作情報として、例えば、アクセル開度情報やブレーキ踏力情報が入力される。パワーコントローラ５０は、アクセル開度情報、ブレーキ踏力情報、及び、メインバッテリ３の電圧などに基づいて、モータ８と４８の目標出力と目標回転数を決定する。パワーコントローラ５０は、モータ８の目標出力から、電圧コンバータ２０の目標出力電圧を定める。パワーコントローラ５０は、目標出力電圧が実現されるように、電圧コンバータ２０のスイッチング素子２２、２３を駆動するためのＰＷＭ信号を生成してそれらのスイッチング素子に供給する。また、パワーコントローラ５０は、モータ８の目標出力と目標回転数から、インバータ３０の３相交流の目標電流を決める。目標電流は、目標回転数から導出された周波数と、目標出力から導出された振幅を有する。パワーコントローラ５０は、インバータ３０の各出力電流が目標電流に追従するように、電流センサ９を用いてインバータ３０をフィードバック制御する。パワーコントローラ５０は、目標電流を実現させるＰＷＭ信号を生成し、スイッチング素子３１−３６に供給する。

以下、パワーコントローラ５０によるインバータ３０の短絡故障チェックについて説明する。パワーコントローラ５０は、電流センサ９によって、インバータ３０の３相交流出力をモニタしており、３相交流の出力が正常範囲を超えたときに異常が生じていると判断する。パワーコントローラ５０は、異常の種類を特定し、もし特定できた場合には、予め定められたプログラムに従って、その異常に対する対策を講じる。異常の一つにスイッチング素子の短絡故障がある。これは、インバータ３０の６個のスイッチング素子３１−３６のうち、１個あるいは複数のスイッチング素子がオンに固定されてしまい、オフに切り替えられなくなる故障である。

短絡故障を起こすと、もはやインバータは正常な直流−交流変換をできないので、パワーコントローラは、インバータ３０の全てのスイッチング素子３１−３６にオフ信号を供給する。「オフ信号」とは、スイッチング素子のソース−ドレイン間（あるいはコレクタ−エミッタ間）を遮断させる信号である。なお、「オン信号」とは、スイッチング素子のソース−ドレイン間（あるいはコレクタ−エミッタ間）を導通させる信号である。

一方、ハイブリッド車２は、モータ８を使わずともエンジン６とモータ４８で走行を続けることができる。また、ハイブリッド車２では、駆動輪１０ａ、１０ｂとモータ８が常時連結されている。それゆえ、インバータ３０を停止し、エンジン６とモータ４８を使って走行している間、モータ８は回転し続け、逆起電力を発生し続ける。インバータ３０のスイッチング素子が短絡故障を起こしたままだと、短絡故障を生じたスイッチング素子を含む相に、逆起電力による電流が集中して流れ続ける。そのまま放置すると、短絡相（短絡したスイッチング素子を含む相）のバスバ（電流経路）や短絡したスイッチング素子に熱負荷が集中することになる。そこで、パワーコントローラ５０は、短絡故障を起こしたスイッチング素子を特定する。そしてパワーコントローラ５０は、上アームのいずれかのスイッチング素子が短絡故障を生じていれば上アームの他のスイッチング素子にオン信号を供給し、下アームのいずれかのスイッチング素子が短絡故障を生じていれば下アームの他のスイッチング素子にオン信号を供給する。上アームの全てのスイッチング素子がオンすると、あるいは、下アームの全てのスイッチング素子がオンすると、逆起電力による電流は３相に分散して流れる。それゆえ、短絡相の熱負荷を抑制することができる。

なお、上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子を導通させるとインバータ３０の正極線Ｐと負極線Ｎが短絡する。そうすると、メインバッテリ３の出力端が短絡することになり、その場合、インバータ３０と並列に接続されているインバータ４７を動作させることができなくなる。インバータ３０は、短絡故障したスイッチング素子と同じ側（上アーム側あるいは下アーム側）の他のスイッチング素子をオンさせ、他方の側のスイッチング素子をオフに保持することで、正極線Ｐと負極線Ｎの短絡を避けつつ、モータ８の逆起電力による電流を３相に分散させる。

スイッチング素子の短絡故障の可能性がある場合、パワーコントローラ５０は、モータ８の逆起電力を利用して、どのスイッチング素子で短絡故障が生じているのかを特定する。短絡故障しているスイッチング素子を特定する処理が、短絡チェックである。短絡チェックの原理を説明する。なお、ここで想定している短絡故障のモードは、１相の上アームと下アームのいずれか一方が短絡している故障モード、２相の上アームのスイッチング素子、あるいは、２相の下アームのスイッチング素子が短絡している故障モード、３相の上アームの全てのスイッチング素子が短絡している故障モード、３相の下アームの全てのスイッチング素子が短絡している故障モードである。その他の故障モードは、本実施例の技術が着目するモードではないので、他の技術によって特定されればよい。

図２に、インバータ３０の回路図を示す。図２の回路図は、図１におけるインバータ３０の回路図と同じである。図２では、例として、第２相（Ｖ相）の上アームスイッチング素子（スイッチング素子３３）が短絡故障を生じていると仮定する。図２では、スイッチング素子３３を破線で描き、短絡故障を表現している。以下では、図２に合わせて、第１相、第２相、第３相との表現に代えて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相との表現を用いる。また、短絡故障を生じているスイッチング素子を含む相を「短絡相」と称し、短絡相以外の相を非短絡相と称する。図２では、電圧コンバータ２０とインバータ４７の図示は省略している。

先に述べたように、パワーコントローラ５０は、短絡チェックに先立って、全てのスイッチング素子にオフ信号を供給する。そうすると、短絡しているスイッチング素子を除き、電流は、ダイオード４１−４６が許容する一方向だけに流れることができる。短絡故障しているＶ相の上アームだけは、電流は双方向に流れることができる。このとき、インバータ３０とモータ８で電流が流れることができるのは、図２の矢印線Ａ１−Ａ３が示すループだけである。このループは、モータ８のＵ相コイルとＷ相コイル、Ｕ相とＷ相の上アームのダイオード４１、４５、短絡故障したＶ相上アームのスイッチング素子３３、Ｖ相コイルの順に流れる。ダイオード４１、４５により、電流は一方向にしか流れないこと、逆起電力の３相交流の和は常にゼロになることから、このとき、電流センサ９の計測電流は、図３に示すようになる。グラフＧ１がＵ相の電流を示し、グラフＧ２がＶ相の電流を示しており、Ｇ３がＷ相の電流を示している。縦軸は、電流であり、インバータ３０からモータ８への向きが、グラフ上の正方向に対応する。図５と図６にも同様の電流グラフを示すが、それらのグラフにおける符号は図３のグラフと同じである。

Ｕ相とＷ相は、モータ８からインバータ３０に受けて電流が流れる（図２の矢印線Ａ１参照）。Ｖ相では、インバータ３０からモータ８へ向けて電流が流れる（図２の矢印線Ａ３参照）。モータ８で発生する逆起電力は交流であるが、電流が流れることができる方向は、図２の矢印線Ａ１−Ａ３の一方向だけであるので、逆起電力の電流は正負が反転しないように直流成分を有するようになる。即ち、電流はＵ相とＷ相では常に負値の正弦波となり、Ｖ相では常に正値の正弦波となる。モータ８の逆起電力は、そのエネルギにより、Ｕ相とＷ相の電流の平均値とＶ相の電流の平均値の間に電位差（直流成分）を生じさせ、インバータ３０とモータ８で作る電流経路の閉ループに交流を流すことになる。

Ｖ相（短絡相）の電流は、Ｕ相の電流とＷ相の電流を加えて正負の符号を逆転させたものに相当する。以上の理由により、図３に示すように、逆起電力に起因して３相を流れる電流はいずれの相でもゼロクロスしない。ゼロクロスとは、電流波形が電流値ゼロの線を横切ることである。「ゼロクロスしない」とは、別言すれば、電流の符号が逆転しないことである。

パワーコントローラ５０は、逆起電力に起因して生じる各相の電流がゼロクロスするか否かで短絡相を特定する。また、短絡相における電流の向きで、上アームのスイッチング素子が短絡故障しているのか、あるいは、下アームのスイッチング素子が短絡故障しているのかを識別する。図３から理解される通り、Ｖ相のスイッチング素子３３が短絡故障している場合、いずれの相の電流もゼロクロスしない。また、Ｖ相の上アームスイッチング素子３３が短絡故障しているので、Ｖ相の電流はインバータ３０からモータ８へと流れる。すなわち、Ｖ相の電流の大きさは正値となる。１相が短絡故障を生じている場合、その短絡相の電流が正値の場合（インバータ３０からモータ８に向けて電流が流れる場合）、上アームのスイッチング素子が短絡していると特定することができる。逆に、その短絡相の電流が負値の場合（モータ８からインバータ３０に向けて電流が流れる場合）、下アームのスイッチング素子が短絡していると判定することができる。別のスイッチング素子が短絡故障を生じている場合も、上記と同様のアルゴリズムで短絡故障のスイッチング素子を特定することができる。

図２における矢印破線Ｃ１は、逆起電力による電圧がコンデンサ２５の両端電圧ＶＨを超えている場合の電流の流れを示している。矢印破線Ｃ１のように電流が流れてしまうと上記した短絡チェックのアルゴリズムは機能しない。なぜならば、逆起電力による電流が、コンデンサ２５を介してインバータ３０の正極線Ｐと負極線Ｎの間で流れてしまうからである。パワーコントローラ５０は、逆起電力の電圧がコンデンサ２５の両端電圧ＶＨを超える場合は、電圧コンバータ２０を駆動して両端電圧ＶＨを高める。コンデンサ２５の両端電圧調整については後に説明する。

次に、図４に、Ｕ相とＶ相の下アームのスイッチング素子３２、３４が短絡故障した場合の電流の流れを示す。図４において、スイッチング素子３２、３４を破線で描き、短絡故障を表現している。この場合、逆起電力に起因する電流が流れる経路は次の２つである。一つは、短絡故障したＵ相下アームのスイッチング素子３２を通り、次いでＶ相下アームのダイオード４４とＷ相下アームのダイオード４６を通ってモータ８に戻る経路である（矢印線Ｂ１参照）。別の一つは、短絡故障したＶ相下アームのスイッチング素子３４を通り、次いでＵ相下アームのダイオード４２とＷ相下アームのダイオード４６を通ってモータ８に戻る経路である（矢印線Ｂ２参照）。この場合は、矢印線Ｂ３が示すように、短絡相であるＵ相とＶ相には電流が双方向に流れ得る。一方、非短絡相であるＷ相は、インバータ３０からモータ８へ、即ち正方向の一方向にしか流れることができない。図５に、スイッチング素子３２、３４が短絡故障した場合の逆起電力に起因する電流のグラフを示す。図５に示すように、モータ８が発生する逆起電力は、そのエネルギにより、一方向にしか電流が流れることのできないＷ相の電流平均値とＵ相とＶ相の電流平均値との間に電位差を生じさせ、Ｗ相にも交流が流れるようにする。

図５に示すように、Ｕ相とＶ相の下アームスイッチング素子３２、３４が短絡故障している場合、Ｕ相とＶ相の電流はゼロクロスするが、非短絡相であるＷ相はゼロクロスしない。また、非短絡相であるＷ相の電流は正値（インバータからモータへ電流が流れる）となり、短絡相であるＵ相とＶ相は、双方向に電流が流れる。２相短絡の場合、非短絡相の電流が正値の場合（インバータ３０からモータ８に向けて電流が流れる場合）、短絡相の下アームのスイッチング素子が短絡していると判定することができる。逆に、非短絡相の電流が負値の場合（モータ８からインバータ３０に向けて電流が流れる場合）、短絡相の上アームのスイッチング素子が短絡していると判定することができる。他の組み合わせの２相で短絡故障が生じている場合も、上記と同じアルゴリズムで短絡したスイッチング素子を特定することができる。

図６に、上アームの全てのスイッチング素子３１、３３、３５が短絡故障した場合の電流グラフを示す。３相が短絡故障していると、いずれの相でも双方向に電流が流れることができる。それゆえ、３相各相の電流グラフは平均値ゼロの正弦波となる。このとき、３相全ての電流がゼロクロスすることになる。下アームの全てのスイッチング素子３２、３４、３６が短絡故障した場合の電流グラフも図６と同じになる。

以上の例から、逆起電力に起因して流れる電流の状態と短絡相との間には、次の関係があることがわかる。（１）モータ８の逆起電力によって発生する３相交流電流の全てがゼロクロスする場合、３相の全ての上アームスイッチング素子、又は、３相の全ての下アームスイッチング素子が短絡故障を生じている。（２）３相交流電流のうち、２相がゼロクロスする場合は、３相のうちのいずれか２相の上アームスイッチング素子又は２相の下アームスイッチング素子が短絡故障を生じている。このとき、ゼロクロスしている相で短絡故障が生じている。（３）３相交流電流の全てがゼロクロスしない場合は、３相のうちの１相の上アームスイッチング素子と下アームスイッチング素子の一方が短絡故障を生じている。このとき、いずれか２相の電流は常に正値あるいは負値であり、残りの１相の電流は、先の２相の電流とは逆の符号を有する。他の２相と電流の向きが異なる相で短絡故障が生じている。

さらに、短絡相が判明すれば、電流の向きによって、上アームのスイッチング素子が短絡しているのか、下アームのスイッチング素子が短絡しているのか、次の通り判明する。（４）１相短絡の場合、短絡相の電流がインバータ３０からモータ８へ向けて流れているのであれば上アームのスイッチング素子が短絡故障を生じており、短絡相の電流がモータ８からインバータ３０へ向けて流れているのであれば下アームのスイッチング素子が短絡故障を生じている。（５）２相短絡の場合、非短絡相の電流がインバータ３０からモータ８へ向けて流れているのであれば下アームのスイッチング素子が短絡故障を生じており、非短絡相の電流がモータ８からインバータ３０へ向けて流れているのであれば上アームのスイッチング素子が短絡故障を生じている。

以上説明したように、逆起電力に起因する電流が流れる向きによって、上アームのスイッチング素子が短絡故障しているのか、下アームのスイッチング素子が短絡しているのかを判別することができる。なお、上アームの全てのスイッチング素子が短絡している場合、あるいは、下アームの全てのスイッチング素子が短絡している場合は、上アームと下アームのどちらが短絡故障しているかを判別する必要がない。逆起電力に起因する電流は３相に分散して流れるのでそのまま放置してよいからである。また、上アームのいずれかのスイッチング素子と下アームのいずれかのスイッチング素子が短絡している場合は、メインバッテリ３の出力端子が短絡してしまうので、システムメインリレー４を開くしかない。本実施例で想定しているのは、メインバッテリ３を接続したままで、モータ８の逆起電力に起因する電流を、上アームまたは下アームの３相に分散させることである。上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子が短絡している態様は、本実施例の対象外であり、別の技術を使って対策すればよい。インバータ４７についても同様の短絡チェックを行うことができる。

逆起電力を利用した短絡チェックの処理を、図７と図８のフローチャートを参照して改めて説明する。図７は、短絡チェック前にパワーコントローラ５０がコンデンサ２５の両端電圧を調整する処理である。なお、厳密には、図７のフローチャートにおけるステップＳ１２からＳ１６までの処理が、両端電圧の調整処理である。ステップＳ１７は短絡チェック処理であり、ステップＳ１８は、上アームと下アームのいずれかの３相のスイッチング素子をオンさせて逆起電力による電流を３相に分散させる処理である。

先に述べたように、短絡チェックは、各相に流れる逆起電力の電流の大きさで短絡相を特定する処理である。逆起電力の電圧がコンデンサ２５の両端電圧ＶＨよりも高いと、コンデンサ２５を通じて正極線Ｐと負極線Ｎの間に電流が流れてしまい、上記した短絡チェックが適切に行われない。それゆえ、パワーコントローラ５０は、短絡チェックを実行するのに先立って、両端電圧ＶＨが逆起電力の電圧を上回るように電圧コンバータ２０を制御する。その処理のフローチャートが図７である。

図７の処理は、パワーコントローラ５０がインバータ３０で短絡故障が生じていることを検知したときに開始される。パワーコントローラ５０は、例えば、インバータ３０の３相交流出力が所定の異常を生じているときに短絡故障が生じていると判断する。本実施例では、短絡しているアームを特定する処理に着目しているので、短絡故障の検知のアルゴリズムの例については説明を割愛する。

パワーコントローラ５０は、短絡故障を検知すると、まず、インバータ３０の全スイッチング素子にオフ信号を供給する（Ｓ１２）。次にパワーコントローラ５０は、逆起電力の電圧を算出する（Ｓ１３）。逆起電力の電圧は、モータ８の回転数に既知の定数（逆起定数）を乗じた値である。次にパワーコントローラ５０は、算出された逆電力の電圧とコンデンサ２５の両端電圧ＶＨを比較する（Ｓ１４）。ＰＣＵ５はコンデンサ２５の両端電圧ＶＨを計測する電圧センサを備えており、パワーコントローラ５０は、その電圧センサから両端電圧ＶＨを得る。

パワーコントローラ５０は、両端電圧ＶＨが逆起電力の電圧よりも低い場合（Ｓ１４：ＹＥＳ）、電圧制限を解除し（Ｓ１５）、電圧コンバータ２０を作動させる（Ｓ１６）。ここで、制限電圧とは、力行時の電圧コンバータ２０の出力電圧の上限値である。力行時は電圧コンバータ２０とインバータ３０のスイッチング素子に大電流が流れ続けるので、それらのスイッチング素子が過負荷とならないように、電圧コンバータ２０に制限電圧が設けられている。短絡チェックの場合は短時間で済むので、仮に逆起電力の電圧がその制限電圧よりも高い場合には、その制限電圧を解除しても、スイッチング素子に加わる熱負荷は許容される。パワーコントローラ５０は、両端電圧ＶＨが逆起電力の電圧よりも高くなるように、電圧コンバータ２０を制御する。このとき、パワーコントローラ５０は、電圧コンバータ２０の出力電圧が、ハイブリッド車２の力行時の電圧コンバータ２０の出力電圧の上限を規定する制限電圧を超えることを許容する。その後、パワーコントローラ５０は短絡チェックを開始する（Ｓ１７）。一方、ステップＳ１４において、両端電圧ＶＨが逆起電力の電圧よりも高い場合には、パワーコントローラ５０は、ステップＳ１５、Ｓ１６をスキップし、短絡チェックを開始する（Ｓ１４：ＮＯ、Ｓ１７）。

次に、図８を参照して、短絡チェックの処理を説明する。パワーコントローラ５０は、インバータ３０の３相各相の電流値を電流センサ９から取得する（Ｓ２２）。パワーコントローラ５０は、所定時間の間、電流センサ９の計測値を蓄積し、電流の時系列データを得る。そして、パワーコントローラ５０は、得られた３相各相の電流の時系列データから、ゼロクロスする相の数を判定する（Ｓ２３）。パワーコントローラ５０は、ゼロクロスする相が無い場合には１相短絡状態であると判定する（Ｓ２４）。パワーコントローラ５０は、２相の電流がゼロクロスする場合、いずれか２相で短絡故障が生じていると判定する（Ｓ２５）。パワーコントローラ５０は、３相の全ての電流がゼロクロスしている場合は、３相の全てで短絡故障が生じていると判定する（Ｓ２６）。

１相短絡の場合（Ｓ２４）、パワーコントローラ５０は、他の２相と電流の向きが異なる相が短絡相であると判定する。パワーコントローラ５０は、その短絡相の電流の大きさが正値であれば、上アームのスイッチング素子が短絡していると判定し（Ｓ２７、Ｓ２９）、電流の大きさが負値であれば、下アームのスイッチング素子が短絡していると判定する（Ｓ２７、Ｓ３０）。

２相短絡の場合（Ｓ２５）、パワーコントローラ５０は、ゼロクロスしている２相が短絡相であると判定する。パワーコントローラ５０は、非短絡相（ゼロクロスしていない相）の電流の大きさが負値であれば、上アームのスイッチング素子が短絡していると判定し（Ｓ２８、Ｓ２９）、電流の大きさが正値であれば、下アームのスイッチング素子が短絡していると判定する（Ｓ２８、Ｓ３０）。

こうして、パワーコントローラ５０は、短絡相と、その短絡相が上アームで短絡が生じているのか、あるいは、下アームで短絡が生じているのかを特定する。即ち、パワーコントローラ５０は、短絡しているスイッチング素子を特定する。３相短絡の場合（Ｓ２６）は、パワーコントローラ５０は、何もせずに短絡チェックを終える。

図７のフローチャートに戻る。パワーコントローラ５０は、短絡チェック（Ｓ１７）を終えると、電圧コンバータ２０を停止する（Ｓ１８）。そしてパワーコントローラ５０は、次に３相オン制御に移行する（Ｓ１９）。１相短絡あるいは２相短絡の場合、パワーコントローラ５０は、短絡故障のスイッチング素子が上アームのスイッチング素子であれば、非短絡相の上アームのスイッチング素子をオンさせる。また、短絡故障のスイッチング素子が下アームのスイッチング素子であれば、パワーコントローラ５０は、非短絡相の下アームのスイッチング素子をオンさせる。３相短絡の場合、パワーコントローラ５０は、何もせず３相オン制御（Ｓ１８）を通過する。

ステップＳ１９の結果、インバータ３０は、上アームと下アームのいずれか一方が３相オンの状態となり、他方が３相オフの状態となる。モータ８の逆起電力に起因する電流は、３相オンのアームを流れる。このとき、電流は３相に分散される。その結果、特定の相に熱負荷が集中することが回避される。また、上アームと下アームのいずれか一方が全てオフであるので、インバータ３０の正極線Ｐと負極線Ｎが短絡しない。それゆえ、システムメインリレー４（図１参照）を閉じたままとすることができ、他方のインバータ（インバータ４７）を利用し続けることができる。即ち、ハイブリッド車２は、インバータ３０で短絡故障が生じた場合、モータ８の逆起電力による電流を分散させつつ、メインバッテリ３とインバータ４７を使ってモータ４８を駆動することができる。

実施例で説明した技術の留意点を述べる。実施例の技術は、次の故障モードを区別する。（１）インバータのいずれか１相のスイッチング素子が短絡している場合、（２）上アームのいずれか２相のスイッチング素子が短絡している場合、（３）下アームのいずれか２相のスイッチング素子が短絡している場合、（４）上アームと下アームのいずれか一方で３相全てのスイッチング素子が短絡している場合。他の故障モードは、本明細書が開示する技術とは別の技術で判定すればよい。

実施例の技術の一つの適用先が、上記実施例で説明したように、モータを含む２個以上の走行用駆動源を有する電動車両である。実施例の電動車両はハイブリッド車であり、２個の駆動源としてエンジンとモータを備える。２個の駆動源は２個のモータであってもよい。実施例のハイブリッド車は、車輪とモータが常時連結している構造を有する。２個の駆動源を有する電動車両の場合、１個のモータのインバータが短絡故障を生じても残りの駆動源で走行を継続することができる。その場合、モータは逆駆動状態となり逆起電力を発生する。逆起電力による電流が短絡故障した相に集中して流れると熱負荷が増大する。逆起電力による電流はインバータの３相に分散させることが望ましい。実施例の技術は、そのような電動車両において、インバータが短絡故障を生じた場合に、メインバッテリを切り離すことなく、モータの逆起電力による電流を故障したインバータの３相に分散させることができる。即ち、故障したインバータに接続されたモータの逆起電力による電流を分散させつつ、他の駆動源で走行を継続することができる。

実施例の技術は、駆動源として１個のモータを有する電動車両に対しても適用することができる。例えば、実施例の技術は、インバータが故障して電動車両がけん引される際、逆起電力による電流をインバータ内で分散させることができる。

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：ハイブリッド車
３：メインバッテリ
５：インバータ
６：エンジン
７：動力分配機構
８：走行用モータ
９、９ａ、９ｂ、９ｃ：電流センサ
２０：電圧コンバータ回路
２２、２３：スイッチング素子
３０：インバータ主回路
３１−３６：スイッチング素子
５０：パワーコントローラ
５１：目標値生成回路
５２：差分器
５３：信号生成部
５４：異常検知部
６０：ＨＶコントローラ

Claims (4)

1. 直流電源の電圧を昇圧する電圧コンバータと、
   各相の上アームと下アームの夫々にスイッチング素子を備えており、前記電圧コンバータによって昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータの交流出力端に接続されている走行用のモータと、
   前記電圧コンバータと前記インバータの間に並列に接続されているコンデンサと、
   前記モータの逆起電力を利用して前記スイッチング素子の短絡チェックを行うコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、前記スイッチング素子の短絡チェックを行う際、前記コンデンサの両端電圧が前記逆起電力の電圧よりも高くなるように前記電圧コンバータを制御するとともに、前記電圧コンバータの出力電圧が電動車両の力行時の前記電圧コンバータの出力電圧の上限を規定する制限電圧を超えることを許容する、
   ことを特徴とする電動車両。
2. 前記コントローラは、前記短絡チェックとして、
   全てのスイッチング素子にオフ信号を供給し、
   前記モータの逆起電力によって発生する３相交流電流の全てがゼロクロスする場合には、３相の全ての上アームのスイッチング素子、又は、３相の全ての下アームのスイッチング素子が短絡故障を生じていると判定し、
   前記３相交流電流のうち、２相がゼロクロスする場合は、３相のうちのいずれか２相の上アーム又は下アームのスイッチング素子が短絡故障を生じていると判定し、
   前記３相交流電流の全てがゼロクロスしない場合は、３相のうちの１相の上アームのスイッチング素子と下アームのスイッチング素子の一方が短絡故障を生じていると判定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電動車両。
3. 前記コントローラは、
   ３相のうち２相のスイッチング素子が短絡故障を生じていると判定した場合、
   非短絡相の電流が前記インバータから前記モータへ向けて流れている場合には下アームのスイッチング素子が短絡故障を生じていると判定し、
   非短絡相の電流が前記モータから前記インバータへ向けて流れている場合には上アームのスイッチング素子が短絡故障を生じていると判定し、
   ３相のうち１相のスイッチング素子が短絡故障を生じていると判定した場合、
   短絡相の電流が前記インバータから前記モータへ向けて流れている場合には上アームのスイッチング素子が短絡故障を生じていると判定し、
   短絡相の電流が前記モータから前記インバータへ向けて流れている場合には下アームのスイッチング素子が短絡故障を生じていると判定する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電動車両。
4. 前記コントローラは、前記短絡チェックを実行した後、
   前記電圧コンバータを停止し、
   短絡故障を生じている側のアームの非短絡相のスイッチング素子にオン信号を供給する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の電動車両。

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