(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を変換するためのコンバータと、
このコンバータの電圧変換幅を可変制御するためのコンバータ制御部と、
前記コンバータの入力側電圧を検出する入力電圧センサと、
前記コンバータの出力側電圧を検出する出力電圧センサと、
前記コンバータ制御部における電圧変換幅の制御状態と、検出した前記コンバータの入力側電圧値と、検出した前記コンバータの出力側電圧値とに基づいて、前記入力電圧センサまたは前記出力電圧センサの異常の有無を判定する異常判定手段と、
を有する電圧変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の装置において、
前記コンバータの出力側にはインバータが接続され、
前記異常判定手段は、前記インバータから前記コンバータ制御部に供給される入力電圧指令値が可変の場合において、前記電圧変換幅の制御状態と、検出した前記コンバータの入力側電圧値と、検出した前記コンバータの出力側電圧値とに基づいて、前記出力電圧センサの異常の有無を判定する
ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の装置において、
前記コンバータの入力側にはバッテリが接続され、
前記異常判定手段は、前記バッテリの電圧が変化する場合において、前記電圧変換幅の制御状態と、検出した前記コンバータの入力側電圧値と、検出した前記コンバータの出力側電圧値とに基づいて、前記入力電圧センサまたは出力電圧センサの異常の有無を判定する
ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項４】
請求項１記載の装置において、
前記異常判定手段は、前記電圧変換幅の制御状態と、検出した前記コンバータの入力側電圧値と、検出した前記コンバータの出力側電圧値との、前記入力電圧センサ及び前記出力電圧センサが正常であれば満たすべき所定の関係からのずれに基づいて、前記入力電圧センサまたは前記出力電圧センサの異常の有無を判定する
ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の装置において、
前記電圧変換幅の制御状態は、デューティ比であることを特徴とする電圧変換装置。
【請求項６】
請求項１記載の装置において、
前記コンバータの入力側にはバッテリが接続され、
前記異常判定手段は、前記電圧変換幅の制御状態と、検出した前記コンバータの入力側電圧値と、検出した前記コンバータの出力側電圧値との、前記入力電圧センサ及び前記出力電圧センサが正常であれば満たすべき所定の関係からのずれが生じた場合であって、前記入力側電圧が前記バッテリの電圧に略一致しないときには前記入力電圧センサの異常を判定する
ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項７】
請求項１記載の装置において、
前記コンバータの出力側にはインバータが接続され、
前記異常判定手段は、前記電圧変換幅の制御状態と、検出した前記コンバータの入力側電圧値と、検出した前記コンバータの出力側電圧値との、前記入力電圧センサ及び前記出力電圧センサが正常であれば満たすべき所定の関係からのずれが生じた場合であって、前記出力側電圧が前記インバータの動作状態から推定される前記インバータの入力電圧に略一致するときには前記入力電圧センサの異常を判定し、前記出力側電圧が前記インバータの動作状態から推定される前記インバータの入力電圧に略一致しないときには前記出力電圧センサの異常を判定する
ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の装置において、
前記異常判定手段により、前記入力電圧センサの異常を判定した場合には、前記電圧変換幅の制御状態と、前記出力電圧センサで検出した前記コンバータの出力側電圧値とに基づいて、前記コンバータの入力側電圧を推定する
ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項９】
請求項１〜７のいずれかに記載の装置において、
前記異常判定手段により、前記出力電圧センサの異常を判定した場合には、前記電圧変換幅の制御状態と、前記入力電圧センサで検出した前記コンバータの入力側電圧値とに基づいて、前記コンバータの出力側電圧を推定する
ことを特徴とする電圧変換装置。
【請求項１０】
電圧を変換するためのコンバータと、
このコンバータの電圧変換幅を可変制御するためのコンバータ制御部と、
前記コンバータの入力側電圧を検出する入力電圧センサと、
前記コンバータの出力側電圧を検出する出力電圧センサと、
を有し、
前記コンバータの入力側にはバッテリが接続され、
前記コンバータの出力側にはインバータが接続され、
前記コンバータは、スイッチング素子を備え該スイッチング素子を開閉制御することで前記バッテリの電圧を変換して前記インバータに供給し、
前記コンバータ制御部は、前記スイッチング素子のデューティ比を変化させることで前記電圧変換幅を可変制御し、
前記コンバータ制御部におけるデューティ比と、検出した前記コンバータの入力側電圧値と、検出した前記コンバータの出力側電圧値とに基づいて、前記入力電圧センサまたは前記出力電圧センサの異常の有無を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする電圧変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンバータにより電圧変換を行う電圧変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、永久磁石モータなどの交流モータの駆動には、インバータが利用される。すなわち、バッテリからの直流電力をインバータにより任意の交流電力に変換し、これをモータに印加してモータを駆動する。特に、電気自動車やハイブリッド自動車などでは、モータの出力をきめ細かく制御する必要があり、このようなインバータを用いたシステムが好適である。
【０００３】
ここで、モータの駆動において、インバータの入力側電圧が低いと、モータの出力を高くするために大電流を流す必要が生じ好ましくない。そこで、インバータの入力電圧は十分に高くしたいという要求がある。一方、バッテリは、出力電圧１Ｖ程度のバッテリセルを基本構成としており、高電圧出力を得るには、それだけバッテリセルを直列接続しなければならない。そこで、バッテリ電圧はなるべく低くしたいという要求がある。
【０００４】
そこで、バッテリ電圧を昇圧コンバータによって昇圧し、これをインバータの入力とすることが提案されている。これによって、バッテリ電圧が低電圧でも、インバータ入力電圧を高電圧に設定することができる。
【０００５】
図６は、従来のコンバータ付きのモータ駆動回路の一例を示す図である。バッテリ１０の正極は、コンバータ１２に接続されている。このコンバータ１２は、バッテリ１０の正極に一端が接続されるコイルＬと、エミッタがこのコイルＬの他端に接続され、コレクタが正側出力（インバータの正極母線）に接続される上側のトランジスタＱ２と、このコイルＬの他端およびトランジスタＱ１のエミッタにコレクタが接続され、エミッタがバッテリ１０の負極（インバータの負極母線に接続される負側出力）に接続されるトランジスタＱ２と、から構成されている。また、トランジスタＱ１、Ｑ２のコレクタエミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードＤ１、Ｄ２がそれぞれ接続されている。
【０００６】
そこで、トランジスタＱ１、Ｑ２を交互にオンオフし、両者のオン時間の比率を変更することで、コンバータ１２の出力に所望の高電圧を得ることができる。
【０００７】
コンバータ１２の正側出力と、負側出力との間には平滑用のコンデンサＣが配置され、コンバータ１２の出力を平滑する。
【０００８】
コンデンサＣで平滑されたコンバータ１２の正側および負側出力は、そのままインバータ１４の正極母線および負極母線にそれぞれ接続される。インバータ１４は、６つのトランジスタＱ３〜Ｑ８を有する３相の構成となっている。すなわち、正極母線と負極母線の間にトランジスタＱ３、Ｑ４の直列接続と、トランジスタＱ５、Ｑ６の直列接続と、トランジスタＱ７、Ｑ８の直列接続の３つの直列接続（各相アーム）が配置されている。そして、各相アームの上側トランジスタと下側トランジスタの接続点が、インバータ１４の各相出力になっている。なお、インバータＱ３〜Ｑ８のコレクタエミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側に電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ８がそれぞれ接続されている。
【０００９】
そして、インバータ１４の３相の出力が３相交流モータ１６の各相コイル端に接続されている。
【００１０】
従って、インバータ１４のトランジスタＱ３〜Ｑ８を上側トランジスタと下側トランジスタが一緒にオンにならないようにオンにして、モータ１６の各相に１２０度位相が異なる電流を供給することで、モータ１６を駆動することができる。
【００１１】
ここで、この例では、バッテリ１０の電圧（バッテリ電圧：コンバータ入力電圧）を検出する部材として電圧センサ２０ａ、２０ｂが設けられ、コンデンサＣの電圧（コンバータ出力電圧：インバータ入力電圧）を検出する部材として電圧センサ２２ａ、２２ｂが設けられ、モータ１６の各相電流を検出する部材として、電流センサ２４ａ、２４ｂ、２４ｃが設けられている。これらセンサの検出値は、制御装置２６に供給される。この制御装置２６には、モータ出力についての指令値も供給されている。そこで、この制御装置２６が、コンバータ１２出力が所定電圧になるようにコンバータ１２の上側および下側トランジスタＱ１、Ｑ２のスイッチングを制御するとともに、モータ１６の出力がモータ出力についての指令値に一致するように、インバータ１４内のトランジスタＱ３〜Ｑ８のスイッチングを制御する。
【００１２】
なお、コンバータ１２、インバータ１４ともに、ＰＷＭ制御によって、動作を制御している。すなわち、コンバータ１２においては、所定の三角波キャリアに対し、電圧指令値を所望の値に設定し、トランジスタＱ１、Ｑ２のそれぞれのデューティー比を制御することで、電圧変換（昇圧比または降圧比）を制御する。
【００１３】
一方、インバータ１４においては、各相の電圧指令値と三角波キャリアの比較により、トランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチングを制御して、各相出力が電圧指令値に一致するように制御を行い、モータ１６の出力制御を行っている。
【００１４】
ここで、バッテリ１０の電圧検出のために２つの電圧センサ２０ａ、２０ｂを有しており、またコンデンサＣの電圧検出のために２つの電圧センサ２２ａ，２２ｂを有している。これは、コンバータ１２の動作を制御するためには、その入出力電圧を知る必要があり、またインバータ１４の動作を制御するためには、その入力電圧を知る必要があり、故障が発生した際にもこれら電圧を確実に検出するためである。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このようにフェールセーフのために電圧センサを二重に設けると、一方の電圧センサが故障した場合にも、これを検出することができる。しかし、このためには合計４つ必要になり、システム全体がコスト高になってしまうという問題がある。また、バッテリ１０の電圧センサ２０ａ、２０ｂの両方が故障した場合には、コンバータ１２の制御が不能になってしまい、またコンデンサＣの電圧センサ２２ａ、２２ｂが故障した場合には、コンバータ１２およびインバータ１４の制御が不能になってしまうという問題もある。
【００１６】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、電圧センサの数を少なくしてかつ故障の場合に対処できる電圧変換装置および電圧変換方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電圧を変換するためのコンバータと、このコンバータの電圧変換幅を可変制御するためのコンバータ制御部と、前記コンバータの入力側電圧を検出する入力電圧センサと、前記コンバータの出力側電圧を検出する出力電圧センサと、前記コンバータ制御部における電圧変換幅の制御状態と、検出した前記コンバータの入力側電圧値と、検出した前記コンバータの出力側電圧値とに基づいて、前記入力電圧センサまたは前記出力電圧センサの異常の有無を判定する異常判定手段と、を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明において、前記コンバータの出力側にはインバータが接続され、前記異常判定手段は、前記インバータから前記コンバータ制御部に供給される入力電圧指令値が可変の場合において、前記電圧変換幅の制御状態と、検出した前記コンバータの入力側電圧値と、検出した前記コンバータの出力側電圧値とに基づいて、前記出力電圧センサの異常の有無を判定してもよい。
【００１９】
本発明において、前記異常判定手段は、前記電圧変換幅の制御状態と、検出した前記コンバータの入力側電圧値と、検出した前記コンバータの出力側電圧値との、前記入力電圧センサ及び前記出力電圧センサが正常であれば満たすべき所定の関係からのずれに基づいて、前記入力電圧センサまたは前記出力電圧センサの異常の有無を判定してもよい。
【００２０】
本発明において、前記電圧変換幅の制御状態は、デューティ比とすることができる。
【００２１】
また、本発明は、電圧を変換するためのコンバータと、このコンバータの電圧変換幅を可変制御するためのコンバータ制御部と、前記コンバータの入力側電圧を検出する入力電圧センサと、前記コンバータの出力側電圧を検出する出力電圧センサとを有し、前記コンバータの入力側にはバッテリが接続され、前記コンバータの出力側にはインバータが接続され、前記コンバータは、スイッチング素子を備え該スイッチング素子を開閉制御することで前記バッテリの電圧を変換して前記インバータに供給し、前記コンバータ制御部は、前記スイッチング素子のデューティ比を変化させることで前記電圧変換幅を可変制御し、前記コンバータ制御部におけるデューティ比と、検出した前記コンバータの入力側電圧値と、検出した前記コンバータの出力側電圧値とに基づいて、前記入力電圧センサまたは前記出力電圧センサの異常の有無を判定する異常判定手段と、を備えることを特徴とする。
【００２３】
本発明において、前記インバータには、交流電気負荷が接続されていてもよい。コンバータによって、インバータ入力電圧を高くすることができる。従って、バッテリ電圧を低くしても、交流負荷（モータ）駆動電圧を高くすることができ、効率の良い駆動を行うことができる。
【００２４】
また、前記インバータ回路に接続されている交流電気負荷は、車両駆動用モータであることが好適である。車両駆動用モータは高出力であり、インバータ入力電圧が高いことで効率的な車両の駆動が可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００２６】
図１は、実施形態の構成を示す図である。このように、バッテリ１０の正極は、コンバータ１２に接続され、コンバータ１２の正側および負側出力には、コンデンサＣが接続されるとともに、インバータ１４の正極母線および負極母線が接続されている。そして、インバータ１４の各相出力端にモータ１６の各相コイル端が接続されている。また、コンバータ１２は、コイルＬ、トランジスタＱ１、Ｑ２、ダイオードＤ１、Ｄ２からなっており、インバータ１４はトランジスタＱ３〜Ｑ８、ダイオードＤ３〜Ｄ８からなっている。また、モータの各相電流を計測するために電流センサ２４ａ、２４ｂ、２４ｃが設けられるとともに、バッテリ１０の電圧（バッテリ電圧：コンバータ入力電圧）を計測するために単一の電圧センサ（入力電圧センサ）２０、コンデンサＣの電圧（コンバータ出力電圧：インバータ入力電圧）を計測されるために単一の電圧センサ（出力電圧センサ）２２が設けられている。そして、制御装置２６は、電圧センサ２０、２２、電流センサ２４ａ〜２４ｃおよび入力されてくるモータ出力についての指令値が入力され、これらに基づいて、コンバータ１２およびインバータ１４のスイッチングを制御する。
【００２７】
この制御装置２６は、図２のような構成を有している。すなわち、モータ出力トルクについての指令値は、モータ制御用相電圧演算部３０に入力される。このモータ制御用相電圧演算部３０には、電流センサ２４ａ〜２４ｃからのモータ１６の各相電流値および電圧センサ２２で検出したインバータ入力電圧も供給される。モータ制御用相電圧演算部３０は、これら情報より、モータ制御用相電圧を演算算出する。すなわち、モータ１６の出力トルクが指令値に応じた値になるように、モータ１６の各相コイル端の電圧指令が決定される。
【００２８】
モータ制御用相電圧演算部３０で演算された電圧指令値は、インバータ用ＰＷＭ信号変換部３２に供給される。このインバータ用ＰＷＭ信号変換部３２には、ＰＷＭ制御信号を作成するためのキャリア信号である三角波が供給されており、この三角波と各相電圧指令値とを比較することによって、インバータ１４における各トランジスタのオンオフを制御するＰＷＭ信号が形成され、これがインバータ１４の各トランジスタのベースに供給され、モータ１６の各相電流が制御される。なお、キャリア信号としては、三角波以外にも公知の波形（サイン波他）が種々適用できることはいうまでもない。
【００２９】
また、電圧センサ２０において検出したバッテリ電圧および電圧センサ２２で検出したインバータ入力電圧は、コンバータ用デューティー比演算部３４に入力される。このコンバータ用デューティー比演算部３４には、インバータ入力電圧指令値も入力される。インバータ入力電圧指令値は、一般的には、一定値であるが、モータ出力トルクが大きいときに高くなるように変更することも好適である。そして、コンバータ用デューティー比演算部３４は、コンバータ出力がインバータ入力電圧指令値になるようにコンバータ１２のトランジスタＱ１、Ｑ２の接続点における電圧指令値を決定する。コンバータ用ＰＷＭ信号変換部３６は、供給される電圧指令値と、三角波を比較して、コンバータ１２のトランジスタＱ１、Ｑ２のオンデューティーを決定し、各トランジスタのＰＷＭ制御信号を出力する。そして、コンバータ１２がＰＷＭ制御信号によってオンオフされ、目標とする昇圧が行われる。
【００３０】
このようにして、制御装置２６により、インバータ入力電圧が常に目標値に制御されるとともに、モータ１６の出力トルクが指令値通りに制御される。
【００３１】
そして、本実施形態においては、制御装置２６が、２つの電圧センサ２０、２２の故障検出および故障の際に、故障した電圧センサが検出すべき電圧の推定を行う。これについて、以下に説明する。
【００３２】
まず、電圧センサの故障検出についての動作を図３に基づいて説明する。まず、電圧センサ２０の出力であるバッテリ電圧Ｖ１を取り込む（Ｓ１１）。次に、電圧センサ２２の出力であるインバータ入力電圧を取り込む（Ｓ１２）。また、制御装置２６において決定したコンバータ１２における上側トランジスタＱ１のオンデューティーである変数ｄｕｔｙの値を取り込む（Ｓ１３）。そして、ΔＶ＝Ｖ１−Ｖ２×ｄｕｔｙを計算する（Ｓ１４）。すなわち、Ｖ２×ｄｕｔｙは、トランジスタＱ１、Ｑ２の接続点の平均電圧になっているはずであり、バッテリ１０の電圧Ｖ１に対応する。従って、これらの差であるΔＶは、基本的に小さな値である。
【００３３】
そこで、この差電圧ΔＶが予め定められた異常判定しきい値αより大きいかを判定する（Ｓ１５）。そして、このＳ１５の判定でＮＯであれば、電圧センサ正常と判定し（Ｓ１６）、ＹＥＳであった場合に電圧センサ故障と判定する（Ｓ１７）。
【００３４】
このように、本実施形態によれば、電圧センサ２０、２２の検出値がコンバータ１２の電圧変換動作に対応しているか否かを判定する。従って、電圧センサ２０、２２の異常を効果的に判定することができる。
【００３５】
ここで、この判定では、電圧センサのいずれが故障したかが判定できないが、バッテリ１０の電圧は、基本的にあまり変わらないため、この値から大きく異なれば、バッテリ電圧検出用の電圧センサ２０の異常と判定できる。さらに、電流センサ２４ａ〜２４ｃの検出値とインバータの動作状態とから、インバータ入力電圧値を推定することもできる。従って、このようなその他の情報から、バッテリ電圧およびインバータ入力電圧を推定し、いずれの電圧センサが故障したかを判定するとよい。また、これら情報を総合すれば、コンバータ１２の異常、インバータ１４の異常も検出することができる。
【００３６】
次に、バッテリ側電圧センサ２０の故障時の処理について図４に基づいて説明する。まず、インバータ入力電圧Ｖ２を取り込む（Ｓ２１）。次にコンバータ１２のデューティー比ｄｕｔｙを取り込む（Ｓ２２）。そして、バッテリ電圧推定値Ｖ１’を、Ｖ１’＝Ｖ２×ｄｕｔｙによって、算出する（Ｓ２３）。そして、この算出した推定値Ｖ１’を用いて、コンバータ１２のスイッチング制御を行う。これによって、インバータ入力電圧Ｖ２を所定値に維持することができる。
【００３７】
次に、インバータ側電圧センサ２２の故障時の処理について図５に基づいて説明する。まず、バッテリ電圧Ｖ１を取り込む（Ｓ３１）。次にコンバータ１２のデューティー比ｄｕｔｙを取り込む（Ｓ３２）。そして、インバータ入力電圧推定値Ｖ２’を、Ｖ２’＝Ｖ１×ｄｕｔｙによって、算出する（Ｓ３３）。そして、この算出した推定値Ｖ２’を用いて、コンバータ１２およびインバータ１４のスイッチング制御を行う。これによって、インバータ入力電圧Ｖ２を所定値に維持することができるとともに、モータ駆動を所望のものに維持することができる。
【００３８】
以上のように、本実施形態によれば、コンバータのスイッチング状態（デューティ比）を用いて、電圧センサ２０、２２の故障を検出する。従って、電圧センサを二重系としなくても、故障を検出することができる。さらに、電圧センサの一方が故障した場合には、コンバータのデューティー比を利用して、他の電圧センサの検出する電圧を推定する。そこで、コンバータ１２の入出力側電圧の一方が検出できなくても、その電圧を推定して、制御を継続することができる。
【００３９】
なお、このような電圧変換装置は、電気自動車やハイブリッド自動車の駆動用のモータに最適であるが、パワーステアリング用モータなどの大出力のモータにも好適に適用できる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コンバータの変換幅制御状態、例えばコンバータを構成するスイッチング素子のスイッチング状態（デューティ比）を用いて、入出力電圧センサの故障を検出する。従って、電圧センサを二重系としなくても、故障を検出することができる。
【００４１】
また、入出力電圧センサの一方が故障した場合には、コンバータの電圧幅制御状態（デューティー比）を利用して、他の電圧センサの検出する電圧を推定する。そこで、コンバータの入出力側電圧の一方が検出できなくても、その電圧を推定して、制御を継続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態の全体構成を示す図である。
【図２】制御装置の内部構成を示す図である。
【図３】電圧センサの異常検出の処理を示すフローチャートである。
【図４】バッテリ側電圧センサ故障時の処理を示すフローチャートである。
【図５】インバータ側電圧センサ故障時の処理を示すフローチャートである。
【図６】従来例の全体構成を示す図である。
【符号の説明】
１０  バッテリ、１２  コンバータ、１４  インバータ、１６  モータ、２０，２２  電圧センサ、２４ａ〜２４ｃ  電流センサ、２６  制御装置。
【図１】
0003632657.tif 000002
【図２】
0003632657.tif 000003
【図３】
0003632657.tif 000004
【図４】
0003632657.tif 000005
【図５】
0003632657.tif 000006
【図６】
0003632657.tif 000007