(57)【要約】【課題】予備充電電流を検出するための電流検出回路等を必要としない電源装置の提供。【解決手段】バッテリ１０２と、バッテリ１０２に並列接続される平滑コンデンサ１０９および電圧センサ１１０を有する負荷給電用インバータ１１２とを備えた電源装置において、電圧センサ１１０の検出電圧に基づいて平滑コンデンサ１０９の予備充電電流を算出し、その算出値に基づいて平滑コンデンサ１０９の予備充電を制御するようにした。【選択図】図１
2008011667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バッテリと、前記バッテリに並列接続される平滑コンデンサおよび電圧センサを有する負荷給電用インバータとを備えた電源装置において、
前記電圧センサの検出電圧に基づいて前記平滑コンデンサの予備充電電流を算出し、その算出値に基づいて前記平滑コンデンサの予備充電を制御する予備充電手段を備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置において、
予備充電電流を制御する電流制御素子を備え、
前記予備充電手段は、前記電流制御素子の印加電力が所定電力となるように予備充電電流を制御することを特徴とする電源装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電源装置において、
前記電流制御素子の温度を検出する素子温度検出センサと、
前記所定電力を、前記素子温度検出センサの検出温度に基づいて算出される印加可能電力以下に設定する設定手段とを備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の電源装置において、
前記平滑コンデンサの温度を検出するコンデンサ温度検出センサを備え、
前記予備充電手段は、前記コンデンサ温度検出センサの検出温度と前記平滑コンデンサの静電容量の温度特性とに基づいて予備充電電流を算出することを特徴とする電源装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の電源装置において、
充電中の所定時間間隔における前記平滑コンデンサの電圧上昇が所定量以下であった場合には、前記電流制御素子および平滑コンデンサの少なくとも一方の異常であると判断する判断手段を備えたことを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平滑コンデンサの予備充電回路を備えた電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、インバータの直流電源入力側には、平滑コンデンサが設けられている。インバータ非動作時には、感電防止などの理由から平滑コンデンサの電荷を放電しておき、動作開始時に予備充電回路を用いて平滑コンデンサを直流電源の電圧まで予備充電するようにしている。このような予備充電回路としては、定抵抗充電回路や定電流充電回路がある。定電流充電回路の場合、定抵抗充電回路に用いられているような電流制限抵抗を必要とせず、また、定抵抗充電回路に比べて充電時間を短くできるという利点を有している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−１６４７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の定電流充電回路の場合には、電流検出抵抗やホール素子などの電流検出回路が必要であるため、電流制限抵抗が不要であるというメリットを相殺されてしまうという欠点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、バッテリと、バッテリに並列接続される平滑コンデンサおよび電圧センサを有する負荷給電用インバータとを備えた電源装置に適用され、電圧センサの検出電圧に基づいて前記平滑コンデンサの予備充電電流を算出し、その算出値に基づいて平滑コンデンサの予備充電を制御する予備充電手段を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、負荷給電用インバータに設けられた電圧センサの検出電圧に基づいて平滑コンデンサの予備充電電流を算出するようにしたので、予備充電電流を検出するための電流検出回路等を必要とせず、装置構成の簡素化およびコスト低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
−第１の実施の形態−
図１は本発明による電源装置の一実施の形態を示す図であり、電源装置を電気自動車のシステムに適用した場合を示す。図１に示した車両駆動システムには、走行用のモータジェネレータ１１３、バッテリ１０２、バッテリ１０２の電力をモータジェネレータ１１３に供給して駆動するインバータ１１２、リレーボックス１０４、バッテリ１０２の管理するバッテリコントローラ１０３、モータ制御回路１１４、車両コントローラ１０１、車両コントローラ１０１にイグニッションオン・オフ信号を入力するイグニッションスイッチ１１５を備えている。
【０００８】
インバータ１１２には、平滑コンデンサ１０９、電圧センサ１１０および温度センサ１１１が設けられている。モータジェネレータ１１３への電力供給時にバッテリ１０２側に生じるリップル電圧は、平滑コンデンサ１０９によって平滑される。電圧センサ１１０は、システム起動時および停止時における平滑コンデンサ１０９充放電の際の電圧モニタに用いられたり、モータ制御回路１１４による電流制御に用いられたりする。温度センサ１１１は平滑コンデンサ１０９の温度を検出し、その検出データをモータ制御回路１１４へと出力する。
【０００９】
バッテリ１０２とインバータ１１２との間に設けられたリレーボックス１０４は、システム起動時および停止時に、車両コントローラ１０１からの指令に基づいてバッテリ１０２とインバータ１１２との間を接続または遮断する。リレーボックス１０４には、リレー１０５，１０６、リレー１０６と並列接続された電流制御素子１０８、電流制御素子１０８の温度を検出する温度センサ１０７を備えている。電流制御素子１０８には、例えばトランジスタ等が用いられる。なお、図１では、電流制御素子１０８をマイナス側のリレー１０６と並列配置しているが、プラス側のリレー１０５と並列配置するようにしても良い。
【００１０】
バッテリコントローラ１０３は、バッテリ１０２の総電圧や充放電状態をモニタし、車両コントローラ１０１やモータ制御回路１１４と通信する。車両コントローラ１０１は、車速、アクセル、ブレーキ等の情報に基づいて駆動力制御およびエネルギーマネジメントを行い、モータ制御回路１１４へトルク指令などの各種指令を出力する。イグニッションオン時には、モータ制御回路１１４やリレーボックス１０４にシステムを起動させるための指令を出力する。
【００１１】
モータ制御回路１１４は、車両コントローラ１０１からのトルク指令に基づいて、車両駆動のための電力をインバータ１１２を介してモータジェネレータ１１３に供給し、駆動力を発生させる。また、システム起動時には、インバータ１１２内の電圧センサ１１０の温度検出値に基づいて電流制御素子１０８を制御する。
【００１２】
［電流検出方法の説明］
次に、平滑コンデンサ１０９を充電する際の充電電流の検出方法について説明する。リレー１０５がオンされ、電流制御素子１０８がオフ状態からオン状態になると、バッテリ１０２、平滑コンデンサ１０９および電流制御素子１０８の閉回路が形成される。電流制御素子１０８がオンになった後に平滑コンデンサ１０９に流れ込む電流icは、次式（１）のように表される。ここで、Ｃは平滑コンデンサ１０９の静電容量、vcは平滑コンデンサ１０９の電圧である。
ic＝Ｃ・（dvc／dt）      …（１）
【００１３】
式（１）から分かるように、右辺の電圧vcの時間変化率を検出すれば、電流icを求めることができる。すなわち、インバータ１１２内に設けられている電圧センサ１１０でコンデンサ充電時の電圧vcを検出し、検出された電圧vcを用いてその時間変化率を算出することにより、間接的に充電電流値を求めることができる。そのため、従来の定電流充電回路のように、新たに電流検出回路を設ける必要がない。
【００１４】
［定電流充電の説明］
図２，３は定電流充電を説明する図であり、図１の平滑コンデンサ１０９を流れる電流を一定に保つように制御した場合の、各部の波形を示したものである。図２の（ａ）は電流制御素子１０８を流れる電流を、（ｂ）は平滑コンデンサ１０９の電圧を示しており、図３の（ａ）は電流制御素子１０８の両端電圧を、（ｂ）は電流制御素子１０８に印加される電力を、（ｃ）は電流制御素子１０８のジャンクション温度をそれぞれ示している。いずれも、横軸は時間を表している。
【００１５】
図２（ａ）に示すように一定の電流で平滑コンデンサ１０９を充電すると、式（１）からも分かるように、平滑コンデンサ１０９の電圧は図２（ｂ）のように直線的に上昇する。一方、電流制御素子１０８の両端にかかる電圧は、バッテリ１０２の電圧と平滑コンデンサ１０９の電圧との電圧差であるので、両端電圧は図３（ａ）に示すように直線的に低下することになる。
【００１６】
また、電流icと図３（ａ）の両端電圧との積が電流制御素子１０８の印加電力であるので、印加電力は図３（ｂ）に示すように時間の経過とともに直線的に低下する。電流制御素子１０８のジャンクション温度は印加電力により決まるため、図３（ｃ）に示すようにジャンクション温度の最高値は充電開始直後に現れ、その後、時間の経過とともに温度は低下する。通常、電流制御素子１０８のジャンクション温度に対しては使用可能な限界温度が設定されているので、図３（ｃ）に現れる最高温度が素子の限界温度を越えないように充電電流値は設定される。
【００１７】
−第２の実施の形態−
上述した第１の実施の形態では、定電流充電で平滑コンデンサ１０９の充電を行った。図４は、図３（ｃ）に示したジャンクション温度の変化を、時間軸を対数表示に変えて示したものである。ジャンクション温度は、電流制御素子１０８の持つ過渡熱抵抗の影響で徐々に限界温度付近まで上昇し、時間ｔmaxを過ぎるとジャンクション温度は減少し、充電電流が小さくなる充電末期には大幅に低下する。そのため、定電流充電では、充電後期から末期にかけては、電流制御素子１０８は限界温度に対して余裕を持った使われ方をしていることが分かる。
【００１８】
そこで、第２の実施の形態では、電流制御素子１０８の印加電力が一定となるように制御する定電力充電で平滑コンデンサ１０９の充電を行うことにより、電流制御素子１０８のジャンクション温度を限界温度よりも低い温度に抑えつつ、充電時間の短縮を図るようにした。図５，６は定電力充電の場合の各部の波形を示したものである。図５は定電流充電の場合の図２に対応する図であり、（ａ）は電流制御素子１０８を流れる電流を、（ｂ）は平滑コンデンサ１０９の電圧を示している。なお、図５（ａ）では、縦軸を対数表示とした。また、図６は図３，４に対応する図であり、（ａ）は電流制御素子１０８の両端電圧を、（ｂ）は電流制御素子１０８に印加される電力を、（ｃ）は電流制御素子１０８のジャンクション温度を示しており、（ｄ）は時間軸を対数表示とした場合のジャンクション温度を示す。
【００１９】
定電力充電の場合、図６（ｂ）に示すように電流制御素子１０８に印加される電力が一定となるように制御される。この場合も、定電流充電の場合と同じように、時間の経過とともに電流制御素子１０８の両端電圧が低下する。しかし、定電流充電では、電流制御素子１０８の両端電圧で低下して素子印加電力が減少しても電流値を変えないが、定電力充電の場合には、電流値を増やすことで印加電力を一定に保つように電流が増加される。そのため、電流制御素子１０８の両端電圧が低下する充電末期に近付くほど電流値の増加が著しくなる。その結果、定電流充電よりも短時間で、平滑コンデンサ１０９の予備充電を完了することができる。
【００２０】
電流制御素子１０８の印加電力は一定に保たれるので、ジャンクション温度は図６（ｃ）に示すように一定になる。ここでは、ジャンクション温度がほぼ限界温度となるように印加電力が設定されている。すなわち、電流制御素子１０８は通電可能な電力の最大値で使用されることになり、能力がフルに活用されている。
【００２１】
図７は、定電力充電制御のフローチャートである。システム停止状態では、インバータ１１２内の平滑コンデンサ１０９は完全に放電された状態になっており、リレーボックス１０４内のリレー１０５，１０６と電流制御素子１０８はオフになっている。ステップＳ１において、運転者がイグニッションキーを操作することでイグニッションスイッチ１１５をオンとすると、車両コントローラ１０１からシステム起動のための指令がリレーボックス１０４とモータ制御回路１１４とに出力される。
【００２２】
ステップＳ２では、車両コントローラ１０１からの指令に従って、リレーボックス１０４はリレー１０５をオン状態にする。また、モータ制御回路１１４は、インバータ１１２内の温度センサ１１１の値を読み込み、平滑コンデンサ１０９の静電容量Ｃの温度特性から、読み込んだ温度における静電容量Ｃを推定する。なお、静電容量Ｃの温度特性は、モータ制御回路１１４に予め記憶されている。さらに、モータ制御回路１１４は、リレーボックス１０４内の温度センサ１０７の検出値から、電流制御素子１０８に印加可能な電力Pmaxを算出する。
【００２３】
ステップＳ３では、モータ制御回路１１４は、バッテリコントローラ１０３から送信されるバッテリ総電圧Vbatと、ステップＳ２で算出された印加可能電力Pmaxとに基づいて電流目標値Ｉ（＝Pmax／Vbat）を算出する。そして、電流制御素子１０８を流れる電流が目標値Ｉとなるように電流制御素子１０８の動作状態を制御する。
【００２４】
モータ制御回路１１４は、読み取り周期Δｔ毎に電圧センサ１１０の値Vnを読み取っており、ステップＳ４では、読み取った値Vnが充電完了電圧以上であるか否かを判定する。そして、値Vnが充電完了電圧以上と判定されるとステップＳ１０へ進み、値Vnが充電完了電圧に達していないと判定されるとステップＳ５へ進む。ステップＳ１０へ進んだ場合、車両コントローラ１０１からの指令により、リレーボックス１０４のリレー１０６をオンに切り替える。また、モータ制御回路１１４は、電流制御素子１０８をオフに切り替える。
【００２５】
ステップＳ５では、モータ制御回路１１４は、今回読み取った値Vnと前回の読み取り値Vn-1との差分ΔVc（＝Vn−Vn-1）と、ステップＳ２で算出した静電容量Ｃと、読み取り周期Δｔと、式（１）とから電流制御素子１０８を流れる電流icを算出し、算出された電流icと電流目標値Ｉとの差ΔＩが、予め設定されている閾値以下となったか否かを判定する。そして、ステップＳ５で閾値以下と判定されるとステップＳ６へ進み、現在の電圧センサ１１０の値Vnと印加可能電力Pmaxとに基づいて新たな電流目標値Ｉ（＝Pmax／Vn）を算出し、ステップＳ４へ戻る。すなわち、ステップＳ４〜ステップＳ６までの処理が繰り返されるたびに、電流制御素子１０８の印加電力が印加可能電力Pmaxとなるように目標電流値Ｉが増加される。
【００２６】
一方、ステップＳ５で電流icと電流目標値Ｉとの差ΔＩが閾値よりも大きいと判定されると、ステップＳ７へ進む。ステップＳ７では、閾値よりも大きい状態が所定時間継続したか否かを判定する。ステップＳ７で所定時間継続していないと判定されるとステップＳ８に進み、電流icと電流目標値Ｉとの差ΔＩが閾値以下となるように電流制御素子１０８の制御状態を補正し、ステップＳ４へ戻る。
【００２７】
一方、ステップＳ７で所定時間継続したと判定されるとステップＳ９へ進み、電流制御素子１０８や平滑コンデンサ１０９等に異常が生じて正常な予備充制御が行われていないと判断し、電流制御素子１０８の制御を停止する。また、モータ制御回路１１４は異常発生を知らせる信号を車両コントローラ１０１へと送信する。車両コントローラ１０１は、この異常信号を受信すると、リレーボックス１０４内のリレー１０５をオフする等のフェイルセーフ処理を行い、その後のシステム起動動作を停止する。
【００２８】
以上説明した実施の形態では、次のような作用効果を奏する。
（１）バッテリ１０２に並列接続される平滑コンデンサ１０９および電圧センサ１１０を有する負荷給電用インバータ１１２を備える電源装置において、電圧センサ１１０の検出電圧に基づいて平滑コンデンサ１０９の予備充電電流を算出するようにしたので、従来の定電流充電回路のように電流検出回路を設ける必要がなく、装置の簡素化およびコスト低減を図ることができる。
（２）電流制御素子１０８の印加電力が所定電力（例えば、電流制御素子１０８の印加可能電力）となるように予備充電電流を制御するようにしたので、従来の定電流充電に比べて充電完了時間を短縮することができる。
（３）電流制御素子１０８に印加される所定電力を、温度センサ１０７の検出温度に基づいて算出される印加可能電力以下に設定するようにしたので、過大な印加電力による電流制御素子１０８の過熱を防止することができる。
【００２９】
なお、上述した実施の形態では、ステップＳ２の印加可能電力Pmax算出時に電流制御素子１０８の温度を考慮しているが、ステップＳ６の電流目標値Ｉを求める際の印加可能電力Pmaxの算出においても、電流制御素子１０８の温度を考慮することで、電流制御素子１０８の過熱を確実に防止できる。例えば、印加電力が図６（ｂ）のように一定であっても、素子周囲温度が高くなるとジャンクション温度は上昇するが、電流目標値Ｉ算出時に素子温度を考慮することで、ジャンクション温度の上昇を防止することができる。
【００３０】
（４）平滑コンデンサ１０９の温度に基づく静電容量を用いて予備充電電流を算出するようにしたので、温度により平滑コンデンサ１０９の静電容量が変化した場合でも、電流制御素子１０８に過大な電力が印加されるのを防止することができる。
（５）また、ステップＳ７，Ｓ９の処理のように、電流icと電流目標値Ｉとの差ΔＩが閾値よりも大きい状態が一定時間継続した場合、すなわち、充電中の所定時間間隔における平滑コンデンサ１０９の電圧上昇が所定量以下であった場合には、電流制御素子１０８および平滑コンデンサ１０９の少なくとも一方の異常であると判断するようにしているので、その判断結果を用いて速やかにフェイルセーフ処理を行うことができる。
【００３１】
以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、電流制御素子１０８およびモータ制御回路１１４は予備充電手段を、モータ制御回路１１４は設定手段および判断手段を、温度センサ１０７は素子温度検出センサを、温度センサ１１１はコンデンサ温度検出センサをそれぞれ構成する。以上の説明はあくまでも一例であり、発明を解釈する際、上記実施の形態の記載事項と特許請求の範囲の記載事項の対応関係に何ら限定も拘束もされない。なお、上述した実施の形態では電気自動車の電源装置を例に説明したが、本発明は電気自動車の電源装置に限らず種々の電源装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明による電源装置の一実施の形態を示す図であり、電源装置を電気自動車のシステムに適用した場合を示す。
【図２】定電流充電時における各部の波形を示す図であり、（ａ）は電流制御素子１０８を流れる電流を、（ｂ）は平滑コンデンサ１０９の電圧を示す。
【図３】定電流充電時における各部の波形を示す図であり、（ａ）は電流制御素子１０８の両端電圧を、（ｂ）は電流制御素子１０８に印加される電力を、（ｃ）は電流制御素子１０８のジャンクション温度をそれぞれ示す。
【図４】時間軸を対数表示にした場合のジャンクション温度の変化を示す図である。
【図５】定電力充電時における各部の波形を示す図であり、（ａ）は電流制御素子１０８を流れる電流を、（ｂ）は平滑コンデンサ１０９の電圧を示す。
【図６】定電力充電時における各部の波形を示す図であり、（ａ）は電流制御素子１０８の両端電圧を、（ｂ）は電流制御素子１０８に印加される電力を、（ｃ）は電流制御素子１０８のジャンクション温度を、（ｄ）は時間軸を対数表示にした場合のジャンクション温度を示す。
【図７】定電力充電制御のフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
１０１：車両コントローラ、１０２：バッテリ、１０３：バッテリコントローラ、１０４：リレーボックス、１０５，１０６：リレー、１０７，１１１：温度センサ、１０８：電流制御素子、１０９：平滑コンデンサ、１１０：電圧センサ、１１２：インバータ、１１３：モータジェネレータ、１１４：モータ制御回路
【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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