JP7279413B2 - 故障予知システム - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器の故障予知システムに関する。

故障の予兆を検出する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、半導体スイッチング素子の故障予兆を精度よく検出できる電力変換器が開示されている。特許文献１の電力変換器は、鉄道車両に搭載されており、直流電力を交流電力に変換するインバータである。また、特許文献２には、工作機械の主軸または主軸を駆動するモータの故障予知に機械学習を応用した機械学習装置が開示されている。

特開２０１５－１４６６５８号公報 特開２０１７－１８８０３０号公報

本明細書は、電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器の故障予知システムに関し、従来よりも精度良く故障を予知することのできる故障予知システムを提供する。

本明細書が開示する故障予知システムは、電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器の故障を予知することができる。故障予知システムは、電力変換器に取り付けられているセンサと、センサの計測値に基づいて電力変換器の故障を予知するコントローラと、を備えている。コントローラは、センサの前回の計測値と今回の計測値との差分を計算する。コントローラは、過去の複数の差分を変数変換して中間データを求める。コントローラは、中間データに基づいて電力変換器のダメージレベルを算出する。コントローラは、算出されたダメージレベルが所定のダメージ閾値を超えた場合、故障時期が近づいていることを示す警告信号を出力する。

コントローラが実行する変数変換は、統計処理と機械学習法のいずれか一方を含んでいてよい。

変数変換には、次の処理が含まれていてよい。コントローラは、過去の複数の差分のヒストグラムを作成する。コントローラは、ヒストグラムの各ビンの出現回数に、各ビンに割り当てられている重み係数を乗じる。コントローラは、総てのビンの出現回数と重み係数の積を足し合わせてダメージレベルを得る。

重み係数は、各ビンに割り当てられている基準値をそのビンの代表値で除した数値に基づいて定められていてよい。代表値とは、ビンの幅（上限値と下限値の間の幅）の中央値である。

センサの一例は、電力変換器が備える電力変換用のスイッチング素子の温度を計測する温度センサ、スイッチング素子を冷却する冷却器の冷媒温度を計測する温度センサ、スイッチング素子に流れる電流を計測する電流センサ、スイッチング素子の電圧を計測する電圧センサのいずれかでよい。

故障予知システムは、警告信号を受けて故障時期が近づいていることを表示する表示器をさらに備えていてもよい。

ダメージ閾値は、複数の電力変換器から集めたセンサの計測値から機械学習によって定められていてもよい。

コントローラは、車載のローカルコンピュータと、車外のサーバを含んでいてもよい。

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。

第１実施例の故障予知システムを含む電気自動車のブロック図である。 故障予知の概要を説明する図である。 スイッチング素子の温度変化の一例を示すグラフである。 ヒストグラムの一例を示す表である。 図４の表に対応するグラフである。 故障の予兆を検知する処理のフローチャートである。 変形例の故障予知システムの適用例のブロック図である。 電力変換器に用いられる一例の半導体装置の断面図である。 パワー半導体の平面図である。 別の半導体装置の断面図である。 故障予知の対象となる項目のリストである。 第２実施例の故障予知システムのブロック図である。 変数変換の一例を説明する図である（変数変換前のヒストグラム）。 変数変換の一例を説明する図である（変数変換後のヒストグラム）。 変数変換式の一例である。 変形例の故障予知システムのブロック図である。 故障予知処理のフローチャートである。 予兆検知処理のフローチャートである（１）。 予兆検知処理のフローチャートである（２）。 ダメージレベルの画面表示の一例である。 ダメージレベルがダメージ閾値を超えた後の処理を説明する図である（１）。 ダメージレベルがダメージ閾値を超えた後の処理を説明する図である（２）。 複数の項目でダメージレベルがダメージ閾値を超えた場合の処理を説明する図である。 複数の項目でダメージレベルがダメージ閾値を超えた場合の総ダメージレベルを算出する処理を説明する図である。 総ての項目のダメージレベルを用いる場合の処理を説明する図である。 総ての項目のダメージレベルから総ダメージレベルを算出する処理を説明する図である。 予兆検知に機械学習を用いる場合を説明する図である（１）。 予兆検知に機械学習を用いる場合を説明する図である（２）。 予兆が検知された後の処理の一例を説明する図である。

（第１実施例）図面を参照して第１実施例の故障予知システム１０を説明する。故障予知システム１０は、電気自動車２に搭載されている。図１に、故障予知システム１０を含む電気自動車２のブロック図を示す。

電気自動車２は、電力変換器１１、バッテリ８、走行用のモータ９、冷却器２０、コントローラ１６を備えている。故障予知システム１０の主要部分は、コントローラ１６に実装されているソフトウエアである。

電力変換器１１は、バッテリ８の直流電力を走行用のモータ９の駆動電力に変換するデバイスである。電力変換器１１は、電圧コンバータ回路２８、インバータ回路２９、２個のコンデンサ３、５を備えている。

電圧コンバータ回路２８は、バッテリ８の電圧を昇圧してインバータ回路２９に出力する昇圧機能と、モータ９が発電して得られた回生電力を降圧してバッテリ８に供給する降圧機能を有している。すなわち、電圧コンバータ回路２８は、双方向ＤＣ－ＤＣコンバータである。

電圧コンバータ回路２８は、２個のスイッチング素子６ａ、６ｂ、２個のダイオード、リアクトル４、を備えている。２個のスイッチング素子６ａ、６ｂは、電圧コンバータ回路２８とインバータ回路２９を接続する正極線２７ａと負極線２７ｂの間に直列に接続されている。スイッチング素子６ａ、６ｂのそれぞれにダイオードが逆並列に接続されている。リアクトル４の一端は２個のスイッチング素子６ａ、６ｂの直列接続の中点に接続されており、他端はバッテリ側の正極に接続されている。バッテリ側の正極と負極の間にコンデンサ３が接続されている。リアクトル４と直列に電流センサ１２が接続されている。電流センサ１２は、リアクトル４を流れる電流、すなわち、電圧コンバータ回路２８に流れる電流を計測する。スイッチング素子６ａ、６ｂは、コントローラ１６によって制御される。スイッチング素子６ａが主に降圧動作に関与し、スイッチング素子６ｂが主に昇圧動作に関与する。電圧コンバータ回路２８の構成と動作は良く知られているので詳しい説明は省略する。

インバータ回路２９は、６個のスイッチング素子６ｃ－６ｈと、６個のダイオードを備えている。６個のスイッチング素子６ｃ－６ｈは、２個ずつ直列に接続されており、３組の直列接続回路が、正極線２７ａと負極線２７ｂの間に並列に接続されている。６個のスイッチング素子６ｃ－６ｈのそれぞれにダイオードが逆並列に接続されている。６個のスイッチング素子６ｃ－６ｈも、コントローラ１６によって制御される。３組の直列接続回路のそれぞれの中点から交流が出力される。インバータ回路２９の交流出力端がモータ９に接続されている。インバータ回路２９の構成と動作もよくしられているので詳しい説明は省略する。

スイッチング素子６ａ－６ｈは、いくつかのパワーモジュールに実装されている。

正極線２７ａと負極線２７ｂの間に、コンデンサ５と電圧センサ１３が接続されている。コンデンサ５は、電圧コンバータ回路２８とインバータ回路２９の間を流れる電流の脈動を抑える。電圧センサ１３は、電圧コンバータ回路２８の出力電圧、すなわち、インバータ回路２９の入力電圧を計測する。

インバータ回路２９には、スイッチング素子６ｃの温度を計測する温度センサ１４ａが備えられている。電流センサ１２、電圧センサ１３、温度センサ１４ａの計測値はコントローラ１６に送られる。

電力変換器１１には、数十アンペアの電流が流れる。それゆえ、スイッチング素子６ａ－６ｈには大電流が流れるので発熱量が大きい。冷却器２０が、電力変換器１１のスイッチング素子６ａ－６ｈを冷却する。冷却器２０は、冷媒流路２１、ポンプ２３、ラジエータ２４、リザーブタンク２２、温度センサ１４ｂを備えている。冷媒流路２１の一部は電力変換器１１の筐体内部を通っている。ポンプ２３が冷媒をリザーブタンク２２から圧送し、冷媒が冷媒流路２１を流れる。

電力変換器１１の内部で冷媒流路２１はスイッチング素子が実装されているパワーモジュールに隣接して通過しており、冷媒流路２１を流れる冷媒がパワーモジュールを冷却する。冷媒は水あるいは不凍液である。電力変換器１１の内部でスイッチング素子６ａ－６ｈから熱を吸収した冷媒は、ラジエータ２４で熱を放出し、リザーブタンク２２へと戻る。

温度センサ１４ｂは、冷媒流路２１に取り付けられており、冷媒の温度を計測する。温度センサ１４ｂの計測値もコントローラ１６へ送られる。ポンプ２３もコントローラ１６が制御する。コントローラ１６は、冷媒温度とスイッチング素子６ｃの温度をモニタしつつ、スイッチング素子６ｃ（６ａ－６ｈ）の温度が適切な温度範囲に保持されるように、ポンプ２３を制御する。

コントローラ１６には、不揮発性メモリ１７と車載の表示器１８が接続されている。コントローラ１６が故障予知システム１０（後述）として機能し、故障の予兆を検知した場合、検知した状態を不揮発性メモリ１７に記憶するとともに、故障の予兆を検知したことを示すメッセージを表示器１８に表示する。

コントローラ１６は、中央演算装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）とメモリと各種のＩ／Ｏを備えているコンピュータである。メモリに様々なプログラムが格納されており、中央演算装置がそれぞれのプログラムを実行することで、コントローラ１６は様々な機能を実現する。スイッチング素子６ａ－６ｈを制御するプログラムやポンプ２３を制御するプログラムもメモリに格納されている。故障予知システムも、中央演算装置がメモリに格納されている別のプログラムを実行することで実現される。メモリの一部は、ランダムアクセスメモリであり、データの一次保存に用いられる。コントローラ１６が備えるランダムアクセスメモリの一部をカウンタメモリ１９と称する。カウンタメモリ１９は、故障を予知する処理で用いられる。カウンタメモリ１９については後述する。

「故障を予知する」とは、故障の予兆を検知することである。故障の予兆を検知する処理について説明する。

先に述べたように、スイッチング素子６ａ－６ｈは発熱量が大きく、長期間にわたって使っていると劣化する。電気自動車２には、スイッチング素子６ａ－６ｈ（すなわち、電力変換器１１）の劣化が進行する結果として故障発生の可能性が高くなることを検知する故障予知システム１０が実装されている。

故障予知システム１０について説明する。故障予知システム１０は、コントローラ１６、不揮発性メモリ１７、表示器１８を備えている。後述するが、故障予知システム１０の機能の一部は、車両外部のサーバによって実現されてもよい。

コントローラ１６は、電力変換器１１が備えている温度センサ１４ａで、スイッチング素子６ｃの温度を計測する。なお、電力変換器１１は、複数のスイッチング素子６ａ－６ｈを備えているが、スイッチング素子６ｃの温度を、複数のスイッチング素子６ａ－６ｈの代表値として扱う。以下、スイッチング素子６ａ－６ｈをスイッチング素子６と総称し、温度センサ１４ａの計測値がスイッチング素子６の温度を表す。コントローラ１６は、温度センサ１４ａの計測値に基づいて、スイッチング素子６（すなわち電力変換器１１）の故障の予兆を検知する。

図２に、故障予知（故障の予兆の検知）のプロセス概要を示す。コントローラ１６は、図２の処理を周期的に繰り返す。コントローラ１６は、温度センサ１４ａの前回の計測値と今回の計測値の差分ｄＴを算出する（ステップＳ１）。コントローラ１６は、図２の処理を実行する毎に最新の差分ｄＴを得る。コントローラ１６は、過去に得られた差分ｄＴを記憶している。差分ｄＴは、図２の処理の周期におけるスイッチング素子６の温度差である。

続いてコントローラ１６は、過去の複数の差分ｄＴでヒストグラムを作る（ステップＳ２）。コントローラ１６は、ヒストグラムで分類された各ビンの出現頻度を変数変換し、中間データを得る。変数変換には、ＳＮ比が用いられる。本明細書におけるＳＮ比とは、ストレス（Ｓ）と、ヒストグラムの各ビンの代表値に基づいて定められる数値（Ｎ）の比である。

続いてコントローラ１６は、得られた中間データから、統計処理または機械学習によって、ダメージレベルを算出する（ステップＳ３）。コントローラ１６は、得られたダメージレベルをダメージ閾値と比較する。ダメージレベルがダメージ閾値を超えていた場合、コントローラ１６は、故障の可能性が高くなっていると判断し、故障時期が近づいていることを知らせる警告信号（メッセージ）を出力する（ステップＳ４）。

図３に、温度センサ１４ａの計測値の変化（すなわち、スイッチング素子６の温度変化）の一例を示す。図３のグラフがスイッチング素子６の温度の時系列データに相当する。コントローラ１６は、時刻ｔ（ｎ）に取得した計測値から時刻ｔ（ｎ－１）に取得した計測値を減じて差分ｄＴを得る。コントローラ１６は、得られた差分ｄＴを記憶する。

コントローラ１６は、過去の複数の差分ｄＴでヒストグラムを作成する。そのため、コントローラ１６は、ヒストグラムを格納するための領域を確保している。その領域が前述したカウンタメモリ１９である。ヒストグラムの各ビンは、所定の温度範囲を有している。カウンタメモリ１９の実態は、ヒストグラムの各ビンの出現回数を記憶する領域であり、ビンの数と同数のメモリエリアである。夫々のビンに対応する各メモリエリアには、出願回数をカウントする整数値の変数（カウンタ）が記憶されている。なお、コントローラ１６には、各ビンに対して、基準値が予め記憶されている。基準値は、スイッチング素子６が特定のビンに属する温度差の変化を繰り返し受けると仮定とき、繰り返し数が基準値を超えると性能が著しく低下すると推定される値である。別言すれば、基準値は、その基準値に対応するビンの温度差の変化を繰り返し経験すると仮定したときに、スイッチング素子６が性能を保持できる限界の繰り返し回数として定義される。その意味では、基準値は、スイッチング素子６が性能を保持し得る熱ストレスの指標を与える。基準値は、劣化指標と換言することができる。基準値（劣化指標）は、ビン毎に用意されている。基準値（劣化指標）は、事前に、シミュレーションや実験により特定される。

コントローラ１６は、算出した差分ｄＴ毎に、その温度差に対応するビンの出願回数を１つ増加させる。即ち、算出した複数の差分ｄＴを使って、差分ｄＴの大きさでビンの幅を規定したヒストグラムを作成する。図４にヒストグラムの一例を示す。このヒストグラムは４つのビンで構成される。ビン１は、差分ｄＴの範囲がＡ１≦ｄＴ＜Ａ２の範囲に設定されており、基準値（劣化指標）はＣ１である。ビン２は、差分ｄＴの範囲がＡ２≦ｄＴ＜Ａ３の範囲に設定されており、基準値はＣ２である。ビン３は、差分ｄＴの範囲がＡ３≦ｄＴ＜Ａ４の範囲に設定されており、基準値はＣ３である。ビン４は、差分ｄＴの範囲がＡ４≦ｄＴ＜Ａ５の範囲に設定されており、基準値はＣ４である。図４の例では、ビン１の出現回数がＢ１であり、ビン２の出現回数がＢ２であり、ビン３の出現回数がＢ３であり、ビン４の出現回数がＢ４である。図４はあくまでも一例であり、ビンの数や幅は適宜に定められる。図３は計測値の時系列データの一部を示しているのみであり、時系列データは多数の計測値を含んでいる。

図４の表をグラフ化したのが図５である。破線Ｌ１は、各ビンの基準値Ｃｎ（「ｎ」はビンの番号）を結んだ線である。グラフの横軸はビン、即ち、差分ｄＴであり、右へいくほど差分ｄＴが大きい。図５の破線Ｌ１から理解されるように、差分ｄＴが大きいほど、基準値Ｃｎは小さくなる。これは、スイッチング素子６が経験する一回の差分ｄＴ（温度差）が大きいほど、スイッチング素子６やその周囲の部品で生じる熱膨張（又は収縮）が大きいからである。

差分ｄＴは様々な値を取り得る。図５に示されるように、時系列データから抽出された複数の差分ｄＴは、複数のビンに分散する。ヒストグラムのままでは、スイッチング素子６が受ける熱ストレスを評価し難い。そこで、コントローラ１６は、ヒストグラムが示す情報（熱ストレスの度合いを示す情報）を、一つの指標にまとめる。その指標をダメージレベルＤＬと称する。ダメージレベルＤＬを算出する手順を次に説明する。

コントローラ１６は、各ビンについて、出現回数Ｂｎの基準値Ｃｎに対する比率を求める。その比率をビンｎの個別ダメージ比率Ｄｎと称する。なお、「出現回数Ｂｎ」、「基準値Ｃｎ」、「ビンｎ」、「個別ダメージ比率Ｄｎ」の「ｎ」はビンの番号を表す。以下でも同様である。なお、個別ダメージ比率Ｄｎが、先に述べた中間データの一例に相当する。

ビンｎの個別ダメージ比率Ｄｎは、そのビンの差分（温度変化）だけがスイッチング素子６に生じると仮定したときに、スイッチング素子６が受けているダメージが、許容されるダメージの何割に達しているかを示す値である。個別ダメージ比率Ｒｎは、出現回数Ｂｎ／基準値Ｃｎで求められる。図５の例では、各ビンの個別ダメージ比率Ｄｎは次の通りである。即ち、ビン１の個別ダメージ比率Ｒ１＝Ｂ１／Ｃ１＝３５％であり、ビン２の個別ダメージ比率Ｒ２＝Ｂ２／Ｃ２＝１５％であり、ビン３の個別ダメージ比率Ｒ３＝Ｂ３／Ｃ３＝３０％であり、ビン４の個別ダメージ比率Ｒ４＝Ｂ４／Ｃ４＝１０％である。

次にコントローラ１６は、全てのビンの個別ダメージ比率Ｄｎを加算する。図５の右側に、全てのビンの個別ダメージ比率Ｄｎの加算を模式的に表した図を示す。加算結果が先に述べたダメージレベルＤＬに相当する。各ビンの個別ダメージ比率Ｄｎは、各ビンに対応する差分ｄＴに起因する熱ダメージの、許容熱ダメージに対する比率である。よって、全てのビンの個別ダメージ比率Ｄｎを加算した結果（ダメージレベルＤＬ）は、スイッチング素子６が受けている熱ダメージの全てのとなる。そして、ダメージレベルＤＬは、スイッチング素子６が許容することのできる熱ダメージに対して、スイッチング素子６がそれまでに受けている熱ダメージの割合を示すことになる。ダメージレベルＤＬが、スイッチング素子６が許容し得る熱ダメージに対してスイッチング素子６が受けた熱ダメージの相対的大きさの推定値である。

ダメージレベルＤＬがダメージ閾値Ｄｔｈを超えると、故障が生じる可能性が高くなる。すなわち、ダメージレベルＤＬがダメージ閾値Ｄｔｈを超えることが、故障の予兆に相当する。コントローラ１６が計算するダメージレベルＤＬがダメージ閾値Ｄｔｈを超えることが、故障の予兆の検知に相当する。コントローラ１６は、ダメージレベルＤＬがダメージ閾値Ｄｔｈを超えた場合、故障が発生する可能性が高いことを示す信号（メッセージ）を出力する。

故障の予兆を検知する処理を図６のフローチャートを参照して再度説明する。コントローラ１６は、一定時間毎に温度センサ１４ａの計測値（すなわちスイッチング素子６の温度）を取得する（ステップＳ１２）。次にコントローラ１６は、今回の計測値から前回の計測値を減じて差分ｄＴを算出する（ステップＳ１３）。

次にコントローラ１６は、算出した差分毎に、その差分に対応するビンのカウンタメモリ１９に記憶された出現回数を１つインクリメントする（ステップＳ１４）。各ビンに対応するカウンタメモリ１９の中の値（即ち現在の出現回数）は、一つずつインクリメントされるので、「カウンタ」と称することができる。それゆえ、図６のステップＳ１４では「カウンタ」との表現を用いている。コントローラ１６は、算出された全ての差分について、カウンタメモリ１９に記憶されたカウンタ（出願回数）をインクリメントしたら、次のステップＳ１５に処理を移す。

次に、コントローラ１６は、各ビンの個別ダメージ比率Ｄｎを計算する。具体的には、コントローラ１６は、各ビンに対して、Ｄｎ＝Ｂｎ／Ｃｎを計算する（ステップＳ１５）。ここで、「Ｂｎ」は、ビンｎの出現回数であり、カウンタメモリ１９に記憶されたカウンタの値である。「Ｃｎ」は、ビンｎに対して予め設定されている基準値である。そして、コントローラ１６は、各ビンの個別ダメージ比率Ｄｎを加算し、ダメージレベルＤＬを求める（Ｓ１６）。個別ダメージ比率Ｄｎ、ダメージレベルＤＬの意味は、前述した通りである。

次にコントローラ１６は、ダメージレベルＤＬをダメージ閾値Ｄｔｈと比較する（ステップＳ１７）。ダメージレベルＤＬがダメージ閾値Ｄｔｈを超えていない場合（ステップＳ１７：ＮＯ）、コントローラ１６は、処理を終了する。ダメージレベルＤＬがダメージ閾値Ｄｔｈを超えていた場合、コントローラ１６は、故障時期が近づいていることを示す警告信号を出力する（ステップＳ１７：ＹＥＳ、Ｓ１８）。先に述べたように、コントローラ１６が計算するダメージレベルＤＬがダメージ閾値Ｄｔｈを超えることが、故障の予兆の検知に相当する。

警告信号は、不揮発性メモリ１７と表示器１８に送られる。不揮発性メモリ１７には、ダメージレベルＤＬがダメージ閾値Ｄｔｈを超えた日時と、ダメージレベルＤＬが記憶される。警告信号を受けた表示器１８は、故障時期が近づいていることを示す警告灯を点灯させる。警告信号を受けた表示器１８には、車両をディーラーへ持ち込むことを促すメッセージが表示されてもよい。

図６の処理は、電気自動車２がユーザの利用に供されたときから開始され、繰り返し実行される。図６の処理が実行されるたび、カウンタメモリ１９が更新され、新たなダメージレベルＤＬが算出される。即ち、定期的にスイッチング素子６の温度差のヒストグラムが更新される。

故障予知システムの変形例と留意点を述べる。

図７に、変形例の故障予知システム１０ａを用いた適用例のブロック図を示す。変形例の故障予知システム１０ａの一部は、電気自動車２に搭載されている。具体的には、故障予知システム１０ａの一部は、電気自動車２の電力変換器１１のコントローラ１６に実装されている。故障予知システム１０ａの残部は、電気自動車２の外にあるモバイル端末１０４、データサーバ１０５、解析端末１０６で構成される。

電力変換器１１のコントローラ１６は、電力変換器１１の温度センサ１４ａの計測値をディーラー１０２と部品サプライヤ１０３に送る（矢印線１１１）。計測値は、ディーラー１０２と部品サプライや１０３にとっては入力データに相当する。

ディーラー１０２と部品サプライヤ１０３は、入力データ（温度センサの計測値）をデータサーバ１０５へ送る（矢印線１１２）。入力データは、データサーバ１０５から解析端末１０６へ送られる（矢印線１１４）。解析端末１０６にて、ヒストグラムの作成、中間データの作成、ダメージレベルの算出が行われる。出力データ１０７（すなわち、ダメージレベル）は、データサーバ１０５に格納される（矢印線１１５、１１６）。

ダメージレベルがダメージ閾値を超えていた場合、警告信号がデータサーバ１０５からディーラー１０２、部品サプライヤ１０３、モバイル端末１０４に通知される（矢印線１１３、１１７）。モバイル端末１０４は、電気自動車２の所有者の持ち物である。電気自動車２の所有者は、モバイル端末１０４を介して、電力変換器１１の故障時期が近いことを知ることができる。

図７の適用例によると、電気自動車２の所有者には次の利点がある。電気自動車２の路上での故障、偶発的な故障、磨耗故障などの故障を未然に防ぐことができる。また、電気自動車２の正確な状態を可視化することができ、メンテナンスの計画が立て易い。

電気自動車２が、移動サービス提供会社の所有だった場合、その移動サービス提供会社には、次の利点がある。移動サービス提供会社は、所有する自動車の正確な状態が把握できるため、メンテナンス計画を最適化することができる。

また、電気自動車２のディーラー１０２や部品サプライヤ１０３にとっては、次の利点がある。市場実態の可視化が可能である。市場実態の可視化は、部品設計の強化や、新たな価値の付加に役立つ。開発リードタイムが短縮できる。開発リードタイムの短縮は、コスト低減に貢献する。車両（中古車）の正確な価格が算定できる。また、中古車のユニットをシェアライド事業やインフラストラクチャで再利用することが可能となる。

図８に、電力変換器１１で用いられる一例の半導体装置４０の断面図を示す。半導体装置４０は、図１で示したスイッチング素子６と、冷却器２０の冷媒流路２１の一部が合体したデバイスである。

半導体装置４０は、パワーカード４１と、２個の冷却器５０を備えている。２個の冷却器５０は、パワーカード４１を挟み込んでいる。冷却器５０の内部は冷媒が通過する流路になっている。２個の冷却器５０が図１の冷媒流路２１の一部に相当する。冷却器５０とパワーカード４１との間にはグリス５１が挟まれている。

パワーカード４１は、パワー半導体４３が樹脂製のパッケージ４２に封止されたデバイスである。パワー半導体４３の平面図を図９に示す。パワー半導体４３の本体４３ａの内部に、図１のスイッチング素子６とダイオードが組み込まれている。本体４３ａの内部でダイオードはスイッチング素子６に逆並列に接続されている。本体４３ａは扁平であり、一方の面に正電極４３ｂと複数の制御パッド４３ｃ－４３ｇが露出している。他方の面に負電極が露出している。正電極４３ｂは、スイッチング素子６の正極側の電極（ｎ型トランジスタの場合はコレクタあるいはドレイン）に相当する。負電極は、スイッチング素子６の負極側の電極（ｎ型トランジスタの場合はエミッタあるいはソース）に相当する。制御パッド４３ｃ－４３ｇは、スイッチング素子６のゲート電極やセンスエミッタに導通している。

図８の説明に戻る。パワー半導体４３の負電極はハンダ層４５ａを介して放熱板４６ａに接合されている。パワー半導体４３の正電極は、ハンダ層４５ｂを介して銅ブロック４４に接合されている。銅ブロック４４の反対側は、ハンダ層４５ｃを介して放熱板４６ｂに接合されている。放熱板４６ａ、４６ｂは、一方の面を露出させつつ、パッケージ４２に埋設されている。パワー半導体４３の制御パッド４３ｃ－４３ｇ（図９参照）は、ボンディングワイヤ４７で、制御端子４８に接続されている。制御端子４８は、パッケージ４２の中から外へと延びている。

図１０に、別の半導体装置６０の断面図を示す。半導体装置６０は、ケース６２の中に、パワー半導体４３と絶縁基板６４とリードフレーム６６が収容されたデバイスである。パワー半導体４３は、図８の半導体装置４０が備えているパワー半導体と同じものである。

パワー半導体４３の一方の幅広面に露出している負電極は、ハンダ層６５ｂを介して絶縁基板６４に接合されている。絶縁基板６４は、絶縁板の両面に銅層が形成された複合板である。絶縁基板６４の他方の面は、ハンダ層６５ａを介してケース６２の底面に接合されている。パワー半導体４３の他方の幅広面に露出している正電極は、ハンダ層６５ｃを介してリードフレーム６６に接合されている。パワー半導体４３の制御パッド４３ｃ－４３ｇ（図９参照）は、ボンディングワイヤ６７で、制御端子６８に接続されている。制御端子６８は、ケース６２の中から外へと延びている。ケース６２の内部には樹脂６１が充填されており、パワー半導体４３、絶縁基板６４、リードフレーム６６は、樹脂６１に埋設されている。ケース６２の下面には冷却器６９が取り付けられている。

実施例では、スイッチング素子６の温度に基づいてスイッチング素子６の熱的なダメージレベルを算出した。本明細書が開示する技術は、様々な故障の予知に適用することができる。図１１に、故障予知の対象となる項目のリストを示す。故障予知の対象となる部位は、電力変換器に組み込まれているパワー半導体、パワーカード、放熱材、冷却器などである。パワー半導体の予兆検知項目には、素子変形、素子電極の破損、素子特性（Diode特性）の変化が挙げられる。パワーカードの予兆検知項目には、ワイヤボンドの破損、接合材の磨耗、メッキなどの電気マイグレーションが挙げられる。放熱材の予兆検知項目には、放熱材の劣化・変質、欠陥発生などが挙げられる。冷却器の予兆検知項目には、冷却性能の低下（ポンプ故障）、冷却系の目詰り（冷媒の流量低下）が挙げられる。これらは一例であり、図１１に挙げた以外の予兆検知項目があってもよい。

（第２実施例）図１２に、第２実施例の故障予知システム２００のブロック図を示す。故障予知システム２００は、コントローラ２０１とセンサ２１６、２１７を備えている。コントローラ２０１は、中央演算装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）２０２、と、読み出し専用メモリ２０３、ランダムアクセスメモリ２０４、不揮発性メモリ２０５、ＡＤコンバータ２０７、通信インタフェイス２０８、無線通信モジュール２０９を備えている。それらは、バス２０６で相互に通信可能に接続されている。

センサ２１６は、電力変換器に取り付けられている。センサ２１６は、例えば、図１の電流センサ１２、電圧センサ１３、温度センサ１４ａなどである。センサ２１６の計測値２１０は、ＡＤコンバータ２０７を介して中央演算装置２０２に入力される。

センサ２１６で計測すべき物理量が計測できない場合、別のセンサ２１７の計測値２１８からセンサ２１６で計測すべき物理量の推定値２１１を得てもよい。推定値２１１も、ＡＤコンバータ２０７で取得される。推定値２１１も、ＡＤコンバータ２０７を介して中央演算装置２０２に入力される。

通信インタフェイス２０８は、外部接続装置２１２と表示装置２１３と通信可能に接続されている。外部接続装置２１２は、外部サーバ２１４と通信することができる。外部サーバ２１４は、メンテナンスシステム２１５と接続されている。図１２の故障予知システム２００は、例えば図６で示した処理（故障の予兆を検知する処理）を実行する。

（その他の留意点）図２を参照して説明したように、本明細書が開示する故障予知システムは、過去の複数の差分でヒストグラムを作り、ヒストグラムの各ビンの出現頻度を変数変換する（図２、ステップＳ２）。変数変換の一例を図１３－図１５を参照して説明する。

図１３は、過去の複数の差分のヒストグラム３００を示している。ヒストグラム３００は、６個のビンに分割されており、それぞれのビンの代表値が差分ｄＴ１～ｄＴ６である。ビンの代表値は、各ビンが示す差分の最小値と最大値の中央値である。

図１３に描かれている直線３０２は、ＳＮ比を示している。先に述べたように、本明細書におけるＳＮ比は、ストレス（Ｓ）と、ヒストグラムの各ビンの代表値（中間値）に基づいて定められる数値（Ｎ）の比である。

図１４は、ヒストグラム３００の各ビンの出現回数を変数変換した中間データのヒストグラムである。変数変換は、図１５の式で与えられる。変数変換後の中間データＪｉは、変数変換前の各ビンの出現回数Ｎｉに所定の重み係数を乗じて得られる。ここで、［ｉ］は、図１３、図１４のビンの番号を示している。重み係数は、基準温度をビンの代表値で除した値を、ＳＮ比でべき乗したものである。図１４に示されているように、変数変換することによって、差分の大きいビン（図中のヒストグラムの右側のビン）の出現頻度が高くなる。このことは、変数変換後の各ビンの出現回数から算出されるダメージレベルにおいて、差分の大きいビンの出願回数が大きく影響することを意味する。

変数変換の別の例としては、差分が大きくなるほど大きくなる定数を各ビンの出現回数に乗じる変換であってもよい。

（変形例）図１２の故障予知システム２００の変形例を説明する。変形例の故障予知システム４００のブロック図を図１６に示す。変形例の故障予知システム４００は、外部サーバ２１４とメンテナンスシステム２１５の間に統計処理端末４０１が配置されている点が故障予知システム２００と相違する。故障予知システム４００のその他の構造は、故障予知システム２００と同じである。統計処理端末４０１に代えて機械学習端末が外部サーバ２１４とメンテナンスシステム２１５の間に接続されてもよい。あるいは、統計処理端末と機械学習端末の両方が外部サーバ２１４とメンテナンスシステム２１５の間に接続されてもよい。

（コントローラが実行する処理）図１７－図１９に、コントローラが実行する故障予知処理のフローチャートを示す。フローチャートに沿って故障予知処理を説明する。

まず、コントローラは、センサの計測値を取得する（ステップＳ２２）。次にコントローラは、測定値が許容範囲内であるか否かをチェックする（ステップＳ２３）。測定値が許容範囲内である場合（ステップＳ２３：ＹＥＳ）、コントローラは、予兆検知処理の実行に移る（ステップＳ３０）。予兆検知処理については後述する。

測定値が許容範囲内でなかった場合（ステップＳ２３：ＮＯ）、センサが故障している可能性が高い。コントローラは、センサ異常履歴を確認する（ステップＳ２４）。次いでコントローラは、センサ異常を出力する（ステップＳ２５）。コントローラは、無線送信条件が成立するまで待機する（ステップＳ２６：ＮＯ）。無線送信条件が成立すると、コントローラは、センサ故障情報を無線送信する（ステップＳ２７）。最後にコントローラは、サーバ登録処理を実行する（ステップＳ２８）。

図１８、図１９に、予兆検知処理のフローチャートを示す。予兆検知処理では、コントローラは、ステップＳ２２（図１７）で取得した計測値（今回の計測値）と前回の計測値に基づいてヒストグラムを作成する（ステップＳ３１）。次にコントローラは、ヒストグラムからデータを抜粋するか否かを判断する（ステップＳ３２）。データを抜粋する場合（ステップＳ３２：ＹＥＳ）、コントローラは、データ削除処理を実行し（ステップＳ３３）、ステップＳ３４の処理に移行する。

ヒストグラムからデータを抜粋しない場合はステップＳ３３をスキップしてステップＳ３４の処理に移行する（ステップＳ３２：ＮＯ、Ｓ３４）。ステップＳ３４では、コントローラは、ヒストグラムの各ビンの出現回数を中間データに変数変換する。次いでコントローラは、機械学習を実行するか否かを判断する（ステップＳ３６）。ステップＳ３６の判断がＹＥＳの場合、コントローラは、機械学習を実行し（ステップＳ３７）、ステップＳ３８の処理に移行する。ステップＳ３６の判断がＮＯの場合、コントローラは、ステップＳ３７をスキップしてステップＳ３８の処理に移行する。

ステップＳ３８では、コントローラは、中間データに基づいてダメージレベルを算出する。次にコントローラは、ダメージレベルをダメージ閾値と比較する（図１９、ステップＳ４１）。ダメージレベルがダメージ閾値を超えていない場合（ステップＳ４１：ＮＯ）、コントローラは処理を終了する。ダメージレベルがダメージ閾値を超えている場合（ステップＳ４１：ＹＥＳ）、コントローラは、故障の予兆が現われていると判断する。すなわち、コントローラは、故障の予兆を検知する。ダメージレベルがダメージ閾値を超えている場合（ステップＳ４１：ＹＥＳ）、コントローラは無線送信条件が成立するまで待機する（ステップＳ４２：ＮＯ）。無線送信条件が成立したら（ステップＳ４２：ＹＥＳ）、コントローラは、故障の予兆がある旨の情報を無線送信する（ステップＳ４３）。最後にコントローラは、サーバ登録処理を実行する（ステップＳ４４）。

なお、ステップＳ３１までの処理は、車載のコンピュータで実行し、ステップＳ３２移行は車外のコンピュータで実行されるように構成されてもよい。すなわち、故障予知処理の一部は車載のコンピュータによって実現され、故障予知処理の残部は、車外のコンピュータ（サーバ）によって実現されてもよい。別言すれば、故障予知システムのコントローラは、車載のコンピュータと車外のコンピュータ（サーバ）で構成されてもよい。

（ダメージレベルの可視化のイメージ）図２０に、故障予知システムの表示器の画面の一例を示す。図２０は、図１１で示した予兆検知項目に対応している。

図２０の画面例は、メンテナンスをするディーラーのサービス端末、自動車メーカーやサプライヤの情報管理システム、ユーザのパソコンやスマートデバイスで確認できる。

ダメージレベルの表示の例として、次の表示タイプがある。（１）正常／異常の表記でダメージレベルを表す。（２）１から１０までのレベルでダメージレベルを表す。（３）大／中／小でダメージレベルを表す。（４）ＯＫ／ＮＧの表記でダメージレベルを表す。（５）赤／黄／青などの色でダメージレベルを表す。

ダメージレベルがダメージ閾値を超えたら、予兆検知を実施する。図２０の実線Ｌ２がダメージ閾値を表している。ダメージ閾値は、故障タイミングから一定時間、走行可能距離、自動車の稼動時間に基づいて設定される。

図２０の破線Ｌ１は、事前管理線を表している。事前管理線（破線Ｌ１）は、予兆検知の前段階で設定する予防保全用のクライテリアである。

図２０に挙げた項目以外にも、冷却器の水温や環境温度の異常などを含んでもよい。

図２０の項目に対して、例えば次の処理を実行することで、各予兆項目だけでなく、ユニットとしてもダメージ定量化を行うことができる。また、そのような考え方は、特定のユニットに限らず、他のユニットや車両全体のダメージ定量化に対しても適用可能である。ダメージ定量化により、車両やユニットの価格に対して正確な価値算定が行えるようになる。

（ダメージレベルがダメージ閾値を越えた後の処理について）図２１と図２２を参照して、ダメージレベルがダメージ閾値を超えた後の処理について説明する。図２１は、図２０の画面例と同じである。図２１の例では、放熱材の劣化・変質、欠陥発生について、ダメージレベルがダメージ閾値（直線Ｌ２）を超えている。この場合、予兆検知フラグ（フラグ（Ａ））にオンが設定される。予兆検知フラグの確認処理を図２２に示す。予兆検知フラグがオンでない場合、状態監視が継続される（ステップＳ５１：ＮＯ、Ｓ５２）。予兆検知フラグがオンの場合、ユニットの交換あるいは修理がなされる。あるいは、予兆検知フラグがオンの場合、ダメージレベルが中古価格に反映される（ステップＳ５３）。

次に、複数の予兆検知項目でダメージレベルがダメージ閾値を超えた場合の処理の一例を説明する。図２３は、図２０の画面例において、複数の予兆検知項目でダメージレベルがダメージ閾値を超えている場合の表示例である。図２３の例では、４個の項目（素子変形、素子特性の変化、接合材の磨耗、放熱材の劣化・変質）でダメージレベルがダメージ閾値を超えている。ダメージレベルがダメージ閾値を超えているそれぞれの項目に対して予兆検知フラグがオンに切り替えられる。図２３の例では、素子変形の項目に対応するフラグがフラグ（Ａ）であり、素子特性の変化に対応するフラグがフラグ（Ｂ）である。接合材の磨耗に対応するフラグがフラグ（Ｃ）であり、放熱材の劣化・変質に対応するフラグがフラグ（Ｄ）である。

図２３の例の場合、図２４に示すように、それぞれのフラグに対応する重み係数を乗じる。フラグ（Ａ）に重み係数ａを乗じた結果がスコアＡａである。同様に、フラグ（Ｂ）重み係数ｂを乗じた結果がスコアＢｂである。フラグ（Ｃ）重み係数ｃを乗じた結果がスコアＣｃである。フラグ（Ｄ）重み係数ｄを乗じた結果がスコアＤｄである。この場合、コントローラは、総てのスコアを加算し、総ダメージレベルを算出する。総ダメージレベルが所定の閾値を越えていない場合、コントローラは、状態監視を継続する。総ダメージレベルが所定の閾値を超えた場合、ユニットの交換あるいは修理がなされる。あるいは、総ダメージレベルが所定の閾値を超えた場合、総ダメージレベルが中古価格に反映される
。総ダメージレベルと価格の関係は任意である。

なお、重み係数は、故障への影響度、部品の入手し難さ、メンテナンスのし難さ、などを考慮して任意に変更可能である。図２４の例では、フラグに重み係数を乗じているが、スコア算出方法は任意に変更可能である。

（総ての予兆検知項目のダメージレベルを用いる場合）図２５と図２６を参照して、総ての予兆検知項目のダメージレベルを用いる場合について説明する。図２５は、図２３の画面例と同じである。図２５と図２６の例では、ダメージレベルがダメージ閾値（直線Ｌ２）を超えているか否かに関わらず、総てのダメージレベルを使って総ダメージレベルを算出する。図２５では、それぞれの予兆検知項目もダメージレベルを区別するため、それぞれのダメージレベルをレベル（Ａ）～レベル（Ｉ）と表記する。

図２６に示すように、それぞれのレベルに対応する重み係数を乗じる。レベル（Ａ）に重み係数ａを乗じた結果がスコアＡａである。同様に、レベル（Ｂ）～レベル（Ｉ）について同様に重み係数を乗じ、スコアＢｂ～スコアＩｉを得る。コントローラは、総てのスコアを加算し、総ダメージレベルを算出する。総ダメージレベルが所定の閾値を越えていない場合、コントローラは、状態監視を継続する。総ダメージレベルが所定の閾値を超えた場合、ユニットの交換あるいは修理がなされる。あるいは、総ダメージレベルが所定の閾値を超えた場合、総ダメージレベルが中古価格に反映される。

（予兆検知に機械学習を用いる場合）次に、予兆検知に機械学習を用いる場合の例を説明する。図２７は、ダメージレベル判定に機械学習を用いた場合の表示例である。図２７の例の場合、２個の項目（素子変形と放熱材の劣化・変質）でダメージレベルがダメージ閾値を超えており、フラグ（Ａ）とフラグ（Ｂ）がオンに切り替えられている。フラグ（Ａ）、（Ｂ）をオフからオンに切り替えるルールとして、図２８に例示するように、機械学習（例えば、One class SVM、PCAなど）を用いることも可能である。

複数の機械学習法のそれぞれで正常と異常の判定を行うとよい。図２８の例の場合、４個の手法（One class SVM, Isolation Forest, Local Outlier Factor, Elliptic Envelope）が採用されている。

また、更なる精度向上のため、各手法の結果をアンサンブル学習にかけることで総合判定を行うように構成してもよい。機械学習によって、故障の予兆が現われているいか否かの閾値（すなわち、ダメージ閾値）が特定されてもよい。また、機械学習によって、過去の複数の計測値の中からダメージレベルの算出に用いる範囲と用いない範囲を特定してもよい。

（故障の予兆が検知された後の処理）故障の予兆が検知された場合、その車両が市場（エリア別、国別など、市場の選定は任意である）の全体に占める割合を算出する。割合が一定以上になったユニットや部品に関しては、補給パーツのリードタイム短縮のため、部品生産を部品工場に依頼する。また、物流部門や物流会社に対して配送手配を自動実施するとよい。

図２９に、予兆が検知された後の処理の一例を示す。まず市場全体を選択するか、あるいは、市場エリアを指定する（ステップＳ６１）。次に、指定された市場エリアでの占有率を算出する（ステップＳ６２）。次に、算出された占有率を占有率閾値と比較する（ステップＳ６３）。算出された占有率が占有率閾値を超えていない場合（ステップＳ６３：ＮＯ）、ステップＳ６１に戻って別の市場エリアを指定する。

算出された占有率が占有率閾値を超えている場合（ステップＳ６３：ＹＥＳ）、潜在的に故障の発生頻度が増加すると判断する（ステップＳ６４）。その場合には、対応（１）から対応（４）のいくつかを実施する（ステップＳ６５～Ｓ６８）。対応（１）では、ディーラーや事業主に連絡し、点検、メンテナンスを依頼する。対応（２）では、インフラストラクチャや工場設備での二次利用対象に選定する。対応（３）では、生産工場の生産計画に反映する。なお、通常の生産に加えて、サービス対象品を追加で生産するようにしてもよい。対応（４）では、物流計画に反映する。

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：電気自動車
３、５：コンデンサ
４：リアクトル
６、６ａ－６ｈ：スイッチング素子
８：バッテリ
９：モータ
１０、１０ａ、２００、４００：故障予知システム
１１：電力変換器
１２：電流センサ
１３：電圧センサ
１４ａ、１４ｂ：温度センサ
１６：コントローラ
１７：不揮発性メモリ
１８：表示器
１９：カウンタメモリ
２０：冷却器
４０：半導体装置
１０４：モバイル端末
１０５：データサーバ
１０６：解析端末
１０７：出力データ
２０１：コントローラ
２０２：中央演算装置
２０３：読み出し専用メモリ
２０４：ランダムアクセスメモリ
２０５：不揮発性メモリ
２０６：バス
２０７：ＡＤコンバータ
２０８：通信インタフェイス
２０９：無線通信モジュール

Claims (7)

1. 電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器の故障予知システムであって、
   前記電力変換器に取り付けられているセンサと、
   前記センサの計測値に基づいて前記電力変換器の故障を予知するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記センサの前回の計測値と今回の計測値との差分を計算し、
   過去の複数の前記差分を変数変換して中間データを求め、
   前記中間データに基づいて前記電力変換器のダメージレベルを算出し、
   前記ダメージレベルが所定のダメージ閾値を超えた場合、故障時期が近づいていることを示す警告信号を出力し、
   前記変数変換は、
   過去の複数の前記差分のヒストグラムを作成し、
   前記ヒストグラムの各ビンの出現回数に、各ビンに割り当てられている重み係数を乗じ、
   総ての前記ビンの前記出現回数と前記重み係数の積を足し合わせて前記ダメージレベルを得る、
   ことを含んでいる、故障予知システム。
2. 前記変数変換は、統計処理と機械学習法のいずれか一方を含んでいる、請求項１に記載の故障予知システム。
3. 前記重み係数は、前記各ビンに割り当てられている基準値を当該ビンの代表値で除した数値に基づいている、請求項１または２に記載の故障予知システム。
4. 前記センサは、前記電力変換器が備えている電力変換用のスイッチング素子の温度を計測する温度センサ、前記スイッチング素子を冷却する冷却器の冷媒温度を計測する温度センサ、前記スイッチング素子に流れる電流を計測する電流センサ、前記スイッチング素子の電圧を計測する電圧センサのいずれかである、請求項１から３のいずれか１項に記載の故障予知システム。
5. 前記警告信号を受けて故障時期が近づいていることを表示する表示器をさらに備えている、請求項１から４のいずれか１項に記載の故障予知システム。
6. 電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器の故障予知システムであって、
   前記電力変換器に取り付けられているセンサと、
   前記センサの計測値に基づいて前記電力変換器の故障を予知するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記センサの前回の計測値と今回の計測値との差分を計算し、
   過去の複数の前記差分を変数変換して中間データを求め、
   前記中間データに基づいて前記電力変換器のダメージレベルを算出し、
   前記ダメージレベルが所定のダメージ閾値を超えた場合、故障時期が近づいていることを示す警告信号を出力し、
   前記ダメージ閾値は、複数の前記電力変換器から集めた前記センサの計測値から機械学習によって定められている、故障予知システム。
7. 電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器の故障予知システムであって、
   前記電力変換器に取り付けられているセンサと、
   前記センサの計測値に基づいて前記電力変換器の故障を予知するコントローラと、
   を備えており、
   前記コントローラは、
   前記センサの前回の計測値と今回の計測値との差分を計算し、
   過去の複数の前記差分を変数変換して中間データを求め、
   前記中間データに基づいて前記電力変換器のダメージレベルを算出し、
   前記ダメージレベルが所定のダメージ閾値を超えた場合、故障時期が近づいていることを示す警告信号を出力し、
   前記コントローラは、車載のローカルコンピュータと、車外のサーバを含んでいる、故障予知システム。

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