(57)【要約】【課題】インバータ１相オープン故障が検出可能な車両の故障検出装置を提供する。【解決手段】車両１００は、バッテリＢと、バッテリＢの電圧ＶＢを変換する電圧コンバータ１２と、電圧コンバータ１２で変換された電圧ＶＨを受ける第１、第２のインバータ１４，２２と、第１、第２のインバータ１４，２２によってそれぞれ３相電圧が与えられるモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２とを備える。そして、故障検出装置は、電圧コンバータ１２によって変換された電圧ＶＨを検出する電圧センサ１３と、電圧センサ１３によって検出された電圧ＶＨの変動幅ＤＶが一定時間内にしきい値ＤＶＴを超えた回数を計数値として算出し、その計数値に基づいて第２のインバータ１４における故障発生を検出する検出部として動作する制御装置３０とを含む。【選択図】図１
2010166671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の故障検出装置であって、
前記車両は、
蓄電装置と、
前記蓄電装置の電圧を変換する電圧コンバータと、
前記電圧コンバータで変換された電圧を受ける第１、第２のインバータと、
前記第１、第２のインバータによってそれぞれ３相電圧が与えられる第１、第２の回転電機とを備え、
前記故障検出装置は、
前記電圧コンバータによって変換された電圧を検出する電圧センサと、
前記電圧センサによって検出された電圧の変動幅が一定時間内にしきい値を超えた回数を計数値として算出し、前記計数値に基づいて前記第２のインバータにおける故障発生を検出する検出部とを含む、車両の故障検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、車両の故障検出装置に関し、特に、インバータによって駆動される回転電機を搭載した車両の故障検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車やハイブリッド自動車等車両を走行させるために電動モータを使用する車両が増えつつある。このようなモータを駆動するためには、一般に、インバータが用いられる。
【０００３】
特開平７−７９６２号公報（特許文献１）はインバータのスイッチング素子の短絡故障または開放故障の有無を検出するインバータの故障検出装置を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−７９６２号公報
【特許文献２】特開平６−２４５３０１号公報
【特許文献３】特開２００４−４０９２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ハイブリッド自動車や電気自動車の中には、バッテリの高電圧化を避けつつ、モータの動力性能を向上させるために、モータを駆動するインバータにバッテリの電圧を昇圧して供給する構成を採用しているものもある。また、ハイブリッド自動車では、主として発電機として動作する第１の回転電機と、主として車輪を駆動させるモータとして動作する第２の回転電機とを搭載し、動力分割機構によってエンジンの回転速度を効率のよい回転域に動作させながら第１、第２の回転電機の回転速度を制御することにより車速を制御するようなシステムも存在する。
【０００６】
このように複雑な構成を有する車両用のインバータにおいては、２つのインバータのうちの一方のインバータにおいてスイッチング素子の１つにオープン故障が発生した場合（以下、インバータ１相オープン故障と呼ぶ）には検出することが困難であった。したがって、そのようなインバータ１相オープン故障が起きた際に検出できるような故障検出装置は実現が難しかった。
【０００７】
この発明の目的は、インバータ１相オープン故障が検出可能な車両の故障検出装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、要約すると、車両の故障検出装置であって、車両は、蓄電装置と、蓄電装置の電圧を変換する電圧コンバータと、電圧コンバータで変換された電圧を受ける第１、第２のインバータと、第１、第２のインバータによってそれぞれ３相電圧が与えられる第１、第２の回転電機とを備える。故障検出装置は、電圧コンバータによって変換された電圧を検知する電圧センサと、電圧センサによって検出された電圧の変動幅が一定時間内にしきい値を超えた回数を計数値として算出し、計数値に基づいて第２のインバータにおける故障発生を検出する検出部とを含む。
【０００９】
好ましくは、車両は、エンジンと、エンジンおよび第１、第２の回転電機とが結合される動力分割機構とをさらに含む。第１の回転電機は、主として発電機として動作する回転電機であり、第２の回転電機は主として電動機として動作する回転電機である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、従来車両において検出できていなかったインバータ１相オープン故障を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１の車両１００の主たる構成を示す図である。
【図２】本実施の形態で検出するインバータ１相オープン故障について説明するための図である。
【図３】インバータ１相オープン故障が発生した場合の電圧の変化を説明するための波形図である。
【図４】図１の制御装置３０が実行する異常検出処理の詳細を示したフローチャートである。
【図５】実施の形態１において異常検出が行なわれる場合の動作を説明するための動作波形図である。
【図６】電圧変動幅ＤＶと変動幅しきい値ＤＶＴの比較について説明するための波形図である。
【図７】実施の形態２において制御装置３０が実行する故障検出の動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
【００１３】
［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１の車両１００の主たる構成を示す図である。なお車両１００はモータで車輪を駆動する電気自動車、燃料電池自動車、ハイブリッド自動車等である。
【００１４】
図１を参照して、車両１００は、バッテリＢと、接続部４０と、電圧コンバータ１２と、平滑用コンデンサＣ１，Ｃ２と、放電抵抗Ｒ２と、電圧センサ１３と、インバータ１４，２２と、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と、制御装置３０とを含む。
【００１５】
車両１００は、さらに、電源ラインＰＬ１，ＰＬ２と、接地ラインＳＬとを含む。バッテリＢとしては、たとえば、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、リチウムイオン電池等の二次電池を用いることができる。
【００１６】
接続部４０は、バッテリＢの正極と電源ラインＰＬ１とを接続するシステムメインリレーＳＭＲＢと、バッテリＢの負極と接地ラインＳＬとを接続するシステムメインリレーＳＭＲＧと、システムメインリレーＳＭＲＧに並列に設けられ、直列に接続されたシステムメインリレーＳＭＲＰおよび制限抵抗Ｒ１とを含む。
【００１７】
コンデンサＣ１は、システムメインリレーＳＭＲＰ，ＳＭＲＢ，ＳＭＲＧオン時において、バッテリＢの端子間電圧ＶＢを平滑化する。コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１と接地ラインＳＬ間に接続される。
【００１８】
電圧コンバータ１２は、コンデンサＣ１の端子間電圧を昇圧する。コンデンサＣ２は、電圧コンバータ１２によって昇圧された電圧を平滑化する。電圧センサ１３は、平滑用コンデンサＣ２の端子間電圧ＶＨを検出して制御装置３０に出力する。
【００１９】
電圧コンバータ１２は、一方端が電源ラインＰＬ１に接続されるリアクトルＬ１と、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列に接続されるＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２と、ＩＧＢＴ素子Ｑ１，Ｑ２にそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。
【００２０】
リアクトルＬ１の他方端はＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタおよびＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタに接続される。ダイオードＤ１のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のコレクタと接続され、ダイオードＤ１のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ１のエミッタと接続される。ダイオードＤ２のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のコレクタと接続され、ダイオードＤ２のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ２のエミッタと接続される。
【００２１】
放電抵抗Ｒ２は、システムメインリレーＳＭＲＰ，ＳＭＲＢ，ＳＭＲＧがオフされた状態において、コンデンサＣ２に蓄えられた電荷を放電する。
【００２２】
インバータ１４は、電圧コンバータ１２から与えられる直流電圧を３相交流に変換してモータジェネレータＭＧ２を駆動する。また、インバータ１４は、モータジェネレータＭＧ２で発電された電力を電圧コンバータ１２に戻す。このとき電圧コンバータ１２は、降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。
【００２３】
インバータ１４は、Ｕ相アーム１５と、Ｖ相アーム１６と、Ｗ相アーム１７とを含む。Ｕ相アーム１５，Ｖ相アーム１６，およびＷ相アーム１７は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に並列に接続される。
【００２４】
Ｕ相アーム１５は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４と、ＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ３，Ｄ４とを含む。ダイオードＤ３のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のコレクタと接続され、ダイオードＤ３のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ３のエミッタと接続される。ダイオードＤ４のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のコレクタと接続され、ダイオードＤ４のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ４のエミッタと接続される。
【００２５】
Ｖ相アーム１６は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６と、ＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ５，Ｄ６とを含む。ダイオードＤ５のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のコレクタと接続され、ダイオードＤ５のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ５のエミッタと接続される。ダイオードＤ６のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のコレクタと接続され、ダイオードＤ６のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ６のエミッタと接続される。
【００２６】
Ｗ相アーム１７は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬとの間に直列接続されたＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８と、ＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８とそれぞれ並列に接続されるダイオードＤ７，Ｄ８とを含む。ダイオードＤ７のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ７のコレクタと接続され、ダイオードＤ７のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ７のエミッタと接続される。ダイオードＤ８のカソードはＩＧＢＴ素子Ｑ８のコレクタと接続され、ダイオードＤ８のアノードはＩＧＢＴ素子Ｑ８のエミッタと接続される。
【００２７】
各相のアームの中間点は、モータジェネレータＭＧ２の各相のコイルの一端に接続されている。すなわち、モータジェネレータＭＧ２は、３相の永久磁石同期モータであり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルは各々一方端が中点に共に接続されている。そして、Ｕ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ３，Ｑ４の接続ノードに接続される。またＶ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ５，Ｑ６の接続ノードに接続される。またＷ相コイルの他方端がＩＧＢＴ素子Ｑ７，Ｑ８の接続ノードに接続される。
【００２８】
なお、以上のＩＧＢＴ素子Ｑ１〜Ｑ８に代えてパワーＭＯＳＦＥＴ等の他の電力スイッチング素子を用いても良い。
【００２９】
インバータ２２は、電源ラインＰＬ２と接地ラインＳＬに接続されている。インバータ２２は、モータジェネレータＭＧ１に対して電圧コンバータ１２の出力する直流電圧を３相交流に変換して出力する。またインバータ２２は、モータジェネレータＭＧ１において発電された電力を電圧コンバータ１２に戻す。このとき電圧コンバータ１２は、降圧回路として動作するように制御装置３０によって制御される。なお、インバータ２２の内部の構成はインバータ１４と同様であり、詳細な説明は繰返さない。
【００３０】
制御装置３０は、モータジェネレータＭＧ１の回転速度ＭＲＮ１をレゾルバ（図示しない）から取得し、電圧ＶＨを電圧センサ１３から取得し、電圧目標値＊ＶＨとデューティ比ＤＵＴＹを電圧コンバータ１２に出力する。
【００３１】
図２は、本実施の形態で検出するインバータ１相オープン故障について説明するための図である。
【００３２】
図２を参照して、モータジェネレータＭＧ２を駆動するインバータ１４においてスイッチング素子である６つのＩＧＢＴ素子Ｑ３〜Ｑ８のうちのいずれか１つが壊れてオープン状態に固定されてしまうような故障をインバータ１相オープン故障という。図２では、ＩＧＢＴ素子Ｑ３が壊れた場合を例示している。他に、ドライブＩＣの故障や、フォトカプラの故障、結線の断線などによりインバータの６相のうち１相が動かなくなる場合がある。
【００３３】
図３は、インバータ１相オープン故障が発生した場合の電圧の変化を説明するための波形図である。
【００３４】
図２、図３を参照して、時刻ｔ１においてＵ相にオープン故障が発生している。点ＰＡは、インバータ１相オープン故障により電圧ＭＧ２＿Ｕが＋の方向に振れなくなった様子が示されている。すると時刻ｔ２の点ＰＢに示すように電圧ＶＨの振幅が増加し、点ＰＣに示すようにバッテリ電流ＩＢの振幅も増加する。すなわち１相オープン故障が発生すると、モータジェネレータの電流および電圧の１相が半波になってしまう。これにより電圧ＶＨが発振しＶＨの振幅が増加する。
【００３５】
図４は、図１の制御装置３０が実行する異常検出処理の詳細を示したフローチャートである。
【００３６】
まず処理が開始されると、ステップＳ１において、制御装置３０は、昇圧後電圧ＶＨを電圧センサ１３から取得する。
【００３７】
そして、ステップＳ２において、制御装置３０は、電圧ＶＨの変動幅ＤＶを計算する。そして、ステップＳ３において、変動幅ＤＶとしきい値ＤＶＴとの比較が行なわれる。この比較によって求められた偏差がしきい値以上でなければ、ステップＳ４からステップＳ３に処理が戻り再び変動幅ＤＶとしきい値ＤＶＴの比較が実行される。
【００３８】
ステップＳ４において偏差がしきい値以上であった場合には、制御装置３０は、ステップＳ５においてこの偏差がしきい値以上となった回数を計数するカウンタの値を上昇させる。そして、ステップＳ６においてカウンタ値が一定時間内にしきい値以上に到達した場合には、ステップＳ７において異常が確定し、所定の警告表示や診断結果の保存が行なわれる。そして、ステップＳ８において処理は終了する。なお、ステップＳ６においてカウンタ値がしきい値以上になっていない場合には、再びステップＳ５のカウンタ上昇が許可される。
【００３９】
図５は、実施の形態１において異常検出が行なわれる場合の動作を説明するための動作波形図である。
【００４０】
図５を参照して、時刻ｔ１０〜ｔ１１の間は正常な動作が実行されている。時刻ｔ１１において図２で説明したようなインバータ１相オープン故障が発生している。これに応じて電圧ＶＨの変動幅ＤＶが増加している。
【００４１】
図６は、電圧変動幅ＤＶと変動幅しきい値ＤＶＴの比較について説明するための波形図である。
【００４２】
図６に示すように、電圧ＶＨの変動の１周期における最小値と最大値の差を変動幅ＤＶとする。このＤＶが、変動幅しきい値ＤＶＴ（たとえば６０Ｖ）を超えると１回カウンタ値が増加する。そしてこのカウンタ値が所定のしきい値以上となった場合に異常を確定させる。このようにカウンタで計数を行なってから確定させることによりノイズなどによる誤検知が防止される。
【００４３】
すなわち、実施の形態１においてはモータ用インバータ１４のＩＧＢＴ素子６個のうち１個が故障すると、電圧コンバータ１２で昇圧された電圧ＶＨがハンチングを起こす。そこで電圧センサ１３にて電圧ＶＨのハンチングの変動幅ＤＶを計測し、制御装置３０で変動幅ＤＶとしきい値ＤＶＴとの比較を行なう。さらに、制御装置３０でしきい値を超えた場合にカウンタのカウンタ値を上昇させる。そして、制御装置３０でカウンタの値がしきい値を超えた場合に異常を確定させる。
【００４４】
このようにすることにより、電圧ＶＨの変動を検出することによってインバータ１相オープン故障を発見することが可能となる。また、インバータ１相オープン故障を早期に検出することにより、モータへの影響（永久磁石の減磁など）を最小限に抑えることができる。
【００４５】
［実施の形態２］
実施の形態２では、実施の形態１で判定した条件にさらに条件を追加してさらに検出の精度を高めるものである。
【００４６】
図７は、実施の形態２において制御装置３０が実行する故障検出の動作を説明するためのフローチャートである。
【００４７】
図７において、ステップＳ１１〜ステップＳ１６の処理は、図４で既に説明したステップＳ１〜ステップＳ６の処理にそれぞれ対応するものであり説明は繰返さない。
【００４８】
図７に示した処理では、ステップＳ１６においてカウンタ値がしきい値以上となった場合に、さらにステップＳ１７〜ステップＳ２３の条件が満たされた場合にステップＳ２４において異常を確定させるものである。
【００４９】
まずステップＳ１７において、制御装置３０が電圧コンバータ１２に対して与えている昇圧デューティ比ＤＵＴＹの取得が行なわれる。そして、ステップＳ１８において昇圧デューティ比がしきい値（たとえば２０％）以下であるか否かが判断される。昇圧デューティ比がしきい値以下でなかった場合には、ステップＳ１７に処理が戻り再び昇圧デューティ比の取得が行なわれる。一方、ステップＳ１８において昇圧デューティ比がしきい値以下であった場合には、ステップＳ１９に処理が進む。
【００５０】
ステップＳ１９では、電圧目標値＊ＶＨの取得が行なわれる。そして、ステップＳ２０において電圧目標値＊ＶＨが図５に示すしきい値ＶＴよりも減少した回数のカウントが実行される。
【００５１】
さらに、ステップＳ２１において電圧目標値＊ＶＨの減少した回数のカウント回数が設定値以上であるか否かが判断される。ステップＳ２１においてカウント回数が設定値以上でなかった場合には、再びステップＳ２０の減少回数のカウントが継続される。
【００５２】
ステップＳ２１においてカウント回数が設定値以上であった場合には、ステップＳ２２に処理が進む。ステップＳ２２では、発電機回転速度すなわちモータジェネレータＭＧ１の回転速度ＭＲＮ１の取得が行なわれる。そして、ステップ２３では回転速度ＭＲＮ１が規定値を超えているか否かが判断される。回転速度ＭＲＮ１が規定値を超えていない場合には、ステップＳ２３からステップＳ２２に処理が戻る。一方、ステップＳ２３において回転速度ＭＲＮ１が規定値を超えている場合には、ステップＳ２４に処理が進み、インバータ１相オープン故障の異常が確定しステップＳ２５において処理は終了する。
【００５３】
このように、実施の形態２においては、さらに条件を追加して異常検出の精度を高めている。
【００５４】
再び図５を参照して、１相オープン故障では、モータジェネレータＭＧ２のパワー変動が大きくなり電圧コンバータ１２の昇圧制御の追従ができなくなり、時刻ｔ１１に示すように電圧ＶＨに電圧変動が発生する。
【００５５】
そして昇圧制御においては、偏差がしきい値を超えた場合にはシステム要求電圧（＊ＶＨ）を実際の電圧ＶＨから算出するようにしているため、この昇圧制御の影響により図５の時刻ｔ１３に示されるように昇圧デューティ比が低下し、たとえば２０％以下になる。
【００５６】
そして、図５のｔ１４において、目標電圧＊ＶＨのしきい値より減少する回数が所定回数を超えることを条件に追加している。これは、昇圧制御を正常な制御に戻そうとするが、１相オープン故障が発生しているので正常な制御に戻すことはできないため、目標電圧が瞬間的に減少する状態が何回も繰返される。
【００５７】
そして図５の時刻ｔ１５に示すように、昇圧後の電圧ＶＨが低くなるので、モータジェネレータＭＧ１の出力が低下しモータジェネレータＭＧ１の回転速度が規定値以上となってしまう。これらを検出することによりより正確なインバータ１相オープン故障の異常判定が行なえる。
【００５８】
最後に、再び図１などを参照して本実施の形態について総括する。本実施の形態の車両の故障検出装置が適用される車両は、バッテリＢと、バッテリＢの電圧ＶＢを変換する電圧コンバータ１２と、電圧コンバータ１２で変換された電圧ＶＨを受ける第１、第２のインバータ１４，２２と、第１、第２のインバータ１４，２２によってそれぞれ３相電圧が与えられるモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２とを備える。
【００５９】
故障検出装置は、電圧コンバータ１２によって変換された電圧ＶＨを検出する電圧センサ１３と、電圧センサ１３によって検出された電圧ＶＨの変動幅ＤＶが一定時間内にしきい値ＤＶＴを超えた回数を計数値として算出し、その計数値に基づいて第２のインバータ１４における故障発生を検出する検出部として動作する制御装置３０とを含む。
【００６０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００６１】
１２  電圧コンバータ、１３  電圧センサ、１４，２２  インバータ、１５  Ｕ相アーム、１６  Ｖ相アーム、１７  Ｗ相アーム、３０  制御装置、４０  接続部、１００  車両、Ｂ  バッテリ、Ｃ１，Ｃ２  平滑用コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８  ダイオード、Ｌ１  リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２  モータジェネレータ、ＰＬ１，ＰＬ２  電源ライン、Ｒ１  制限抵抗、Ｒ２  放電抵抗、ＳＬ  接地ライン、ＳＭＲＰ，ＳＭＲＢ，ＳＭＲＧ  システムメインリレー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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