特開 2025-2000 電圧変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025002000

(43)【公開日】2025-01-09

(54)【発明の名称】電圧変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/00 20060101AFI20241226BHJP

【ＦＩ】

H02M3/00 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023101857

(22)【出願日】2023-06-21

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000237592

【氏名又は名称】株式会社デンソーテン

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 辰徳

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 考生

(72)【発明者】

【氏名】山中 あかり

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS01

5H730AS05

5H730EE59

5H730FD01

5H730XX03

5H730XX12

5H730XX23

5H730XX32

5H730XX42

5H730XX50

(57)【要約】

【課題】本明細書は、コンバータの出力過多状態を確実に検知することのできる技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する電圧変換装置は、電圧コンバータ、接続端子、リレー、コントローラを備える。電圧コンバータの入力端には電源が接続されている。接続端子には、電圧コンバータから電力供給を受ける負荷が接続される。リレーは、電圧コンバータの出力端と接続端子との間に接続されている。電圧コンバータとリレーはコントローラが制御する。コントローラは、リレーを開き、電圧コンバータの出力端電圧を目標電圧にするように電圧コンバータへ指令を出す。コントローラは、その状態で、出力端電圧が目標電圧よりも高い所定の過電圧判定閾値を超えた場合、電圧コンバータの異常を示す信号を出力する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力端に電源が接続されている電圧コンバータと、
前記電圧コンバータから電力供給を受ける負荷が接続される接続端子と、
前記電圧コンバータの出力端と前記接続端子との間に接続されているリレーと、
前記電圧コンバータと前記リレーを制御するコントローラと、
を備えており、
前記コントローラは、前記リレーを開き、前記電圧コンバータの出力端電圧を目標電圧にするように前記電圧コンバータへ指令を出した状態で前記出力端電圧が前記目標電圧よりも高い所定の過電圧判定閾値を超えた場合に前記電圧コンバータの異常を示す信号を出力する、
電圧変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書が開示する技術は、電圧変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に、電圧変換装置が開示されている。電圧変換装置は、電圧を変換するコンバータと、コンバータを制御するコントローラを備える。コントローラは、コンバータの出力端電圧をモニタしている。コントローラは、出力端電圧が所定の過電圧判定閾値を超えると、コンバータの状態を示す状態情報を上位ＥＣＵに送信する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２２－１８８５１６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示された電圧変換装置のコントローラは、コンバータに負荷（コンバータから電力供給を受けるデバイス）が接続された状態でコンバータの出力電圧をモニタしている。接続されている負荷の消費電流が大きいと、コンバータが出力過多状態であっても出力電流が負荷に流れてしまい、コンバータの出力電圧が過電圧判定閾値を超えないおそれがある。すなわち、コントローラがコンバータの出力過多状態を検知できないおそれがある。本明細書は、コンバータの出力過多状態を確実に検知することのできる技術を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書が開示する電圧変換装置は、電圧コンバータ、接続端子、リレー、コントローラを備える。電圧コンバータの入力端には電源が接続されている。接続端子には、電圧コンバータから電力供給を受ける負荷が接続される。リレーは、電圧コンバータの出力端と接続端子との間に接続されている。電圧コンバータとリレーはコントローラが制御する。コントローラは、リレーを開き、電圧コンバータの出力端電圧を目標電圧にするように電圧コンバータへ指令を出す。コントローラは、その状態で、出力端電圧が目標電圧よりも高い所定の過電圧判定閾値を超えた場合、電圧コンバータの異常を示す信号を出力する。異常を通知する信号の送信先は、例えば上位のコントローラである。本明細書が開示する電圧変換装置は、負荷を電圧コンバータから切り離した状態で電圧コンバータの出力電圧が過電圧判定閾値を超えているか否かをモニタする。別言すれば、本明細書が開示する電圧変換装置は、負荷の影響を受けずに電圧コンバータが過負荷であるか否かをチェックすることができる。

【0006】

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。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】実施例の電圧変換装置を含む電気自動車の電力系のブロック図である。

【図2】コントローラが実行する出力過多状態チェック処理のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図面を参照して実施例の電圧変換装置１０を説明する。電圧変換装置１０は、電気自動車１００に搭載されている。図１に、電気自動車１００の電力系のブロック図を示す。図１の破線矢印線は信号線を表す。

【0009】

電気自動車１００は、高電圧バッテリ１０１、双方向コンバータ１０２、インバータ１０３、走行用のモータ１０４、上位コントローラ１０６を備えている。高電圧バッテリ１０１の出力電圧は１００ボルト以上であり、例えば４００ボルトである。高電圧バッテリ１０１の出力端は、双方向コンバータ１０２を介してインバータ１０３の直流端に接続されている。インバータ１０３の交流端にモータ１０４が接続されている。モータ１０４の出力軸は不図示の車軸に連結されている。

【0010】

双方向コンバータ１０２は、高電圧バッテリ１０１の出力電圧をモータ１０４の駆動に適した電圧に変換し、電圧変換された電力をインバータ１０３に供給する。インバータ１０３は、供給された直流電力をモータ１０４の駆動に適した交流電力に変換する。モータ１０４は、車両の慣性エネルギを使って発電することもある。モータ１０４の発電により得られる電力（回生電力）は、インバータ１０３で直流電力に変換され、さらに双方向コンバータ１０２で高電圧バッテリ１０１の充電に適した電圧に変換される。高電圧バッテリ１０１は回生電力で充電される。

【0011】

上位コントローラ１０６は、車両のメインスイッチ１０７（イグニッションスイッチ）やアクセル開度センサ１０８、車速（モータ１０４の回転数）を計測するスピードセンサ１０５などから情報を得て、双方向コンバータ１０２とインバータ１０３を制御する。

【0012】

電気自動車１００は、電圧変換装置１０も備えている。電圧変換装置１０は、高電圧バッテリ１０１と低電圧バッテリ１１１の間に接続されている。電圧変換装置１０は、電圧コンバータ１２、過電圧検知器１８、負荷遮断リレー１５を備えている。低電圧バッテリ１１１の出力電圧は１００ボルト未満であり、例えば１２ボルトである。電圧コンバータ１２の入力端１２ａが高電圧バッテリ１０１に接続されており、電圧コンバータ１２の出力端１２ｂが低電圧バッテリ１１１に接続されている。電圧コンバータ１２の負極側の出力端はグランドＧに接続されている。電気自動車１００のボデー全体が低電圧系のグランドＧになっている。

【0013】

電圧コンバータ１２の出力端１２ｂは負荷遮断リレー１５を介して接続端子１３に接続されており、接続端子１３にはアクセサリ電力線１１０が接続されている。アクセサリ電力線１１０は、車内に張り巡らされており、低電圧バッテリ１１１のほか、オーディオ１１２ａやルームランプ１１２ｂなどが接続されている。オーディオ１１２ａやルームランプ１１２ｂなど、低電圧バッテリ１１１の電圧で動作する装置を補機１１２と総称する。アクセサリ電力線１１０には、オーディオ１１２ａやルームランプ１１２ｂのほかにも様々な補機が接続される。

【0014】

電圧コンバータ１２は、高電圧バッテリ１０１の出力電圧を低電圧バッテリ１１１の電圧まで下げる。電圧コンバータ１２は、コントローラ１４によって制御される。コントローラ１４は、低電圧バッテリ１１１の残電力量が少なくなると（低電圧バッテリ１１１の出力電圧が低くなると）、電圧コンバータ１２を駆動し、高電圧バッテリ１０１の電力で低電圧バッテリ１１１を充電する。あるいは、コントローラ１４は、走行中は電圧コンバータ１２から所定の電力が低電圧バッテリ１１１や補機１１２に供給されるように、電圧コンバータ１２を制御する。

【0015】

コントローラ１４が目標電圧を電圧コンバータ１２へ指令すると、電圧コンバータ１２は出力端１２ｂの電圧が目標電圧に一致するように動作する。電圧コンバータ１２は、出力端１２ｂの電圧を知るためのフィードバックループを備えている。出力端１２ｂとグランドＧの間には、２個の分圧抵抗１６ａ、１６ｂが直列に接続されている。２個の分圧抵抗１６ａ、１６ｂの直列接続体の中点１７が電圧コンバータ１２のフィードバック端子１２ｃに接続されている。フィードバック端子１２ｃには、２個の分圧抵抗１６ａ、１６ｂで分圧された出力端１２ｂの電圧が印加される。電圧コンバータ１２は、フィードバック端子１２ｃの電圧から出力端１２ｂの電圧を検知し、出力端１２ｂの電圧が目標電圧に一致するように自己を制御する。

【0016】

出力端１２ｂには、出力端１２ｂの電圧が所定の過電圧判定閾値を超えたか否かを判定する過電圧検知器１８が接続されている。過電圧検知器１８は、典型的には電圧センサを含む。過電圧検知器１８は、出力端１２ｂの電圧が過電圧判定閾値を超えると、そのことをコントローラ１４へ通知する。

【0017】

電圧変換装置１０は、電圧コンバータ１２が出力過多状態であるか否かをモニタする機能（出力過多状態チェック機能）を備えている。図２に、出力過多状態チェック処理のフローチャートを示す。出力過多状態チェック処理は、例えば、メインスイッチ１０７が入れられたとき（あるいはメインスイッチ１０７が切られたとき）に起動される。メインスイッチ１０７が入れられたこと（あるいはメインスイッチ１０７が切られたこと）は、上位コントローラ１０６から、コントローラ１４へ通知される。なお、これらは一例であり、出力過多状態チェック処理は他のイベントによって起動されてもよい。

【0018】

出力過多状態チェック処理を開始すると、コントローラ１４はまず、電圧コンバータ１２を停止する（Ｓ１２）。ステップＳ１２を処理する際に電圧コンバータ１２が停止している場合には、コントローラ１４はステップＳ１２では何もしない。次いでコントローラ１４は、負荷遮断リレー１５を開く（Ｓ１３）。負荷遮断リレー１５を開くと、電圧コンバータ１２の出力端１２ｂが、低電圧バッテリ１１１や補機１１２などの負荷から遮断される。電圧コンバータ１２の出力端１２ｂは、何も接続されていないオープン状態となる。負荷遮断リレー１５は、通常は閉じており、出力過多状態チェック処理の中で開かれる。電圧コンバータ１２が出力過多状態でない場合には、ステップＳ１９で負荷遮断リレー１５は閉じられる。この点については後述する。

【0019】

続いてコントローラ１４は、タイマをスタートさせる（ステップＳ１４）。次にコントローラ１４は、電圧コンバータ１２に目標電圧を指令し、電圧コンバータ１２を駆動する。目標電圧は、後述する過電圧判定閾値よりも低い値に設定されている。典型的には、目標電圧は、低電圧バッテリ１１１を充電するのに十分な電圧に設定される。過電圧判定閾値は、目標電圧よりも高い値、例えば、「目標電圧＋１０ボルト」に設定される。

【0020】

タイマとは、出力過多状態チェック処理のプログラム内で定義されている変数であり、目標電圧を指令して電圧コンバータ１２を駆動し始めてからの経過時間を測るための変数である。

【0021】

目標電圧を指令して電圧コンバータ１２を駆動してから所定の待ち時間の間、コントローラ１４は、出力端１２ｂの電圧が過電圧判定閾値を超えるか否かをモニタする（ステップＳ１６、Ｓ１７：ＮＯ）。先に述べたように、出力端１２ｂには過電圧検知器１８が接続されており、出力端１２ｂの電圧が過電圧判定閾値を超えたことを過電圧検知器１８が検知すると、過電圧検知器１８からコントローラ１４へ信号が通知される。

【0022】

待ち時間が経過するまでの間に出力端１２ｂの電圧が過電圧判定閾値を超えなければ、コントローラ１４は、電圧コンバータ１２を停止し、負荷遮断リレー１５を閉じ、処理を終了する（ステップＳ１７：ＹＥＳ、Ｓ１８、Ｓ１９）。待ち時間が経過するまでの間に出力端１２ｂの電圧が過電圧判定閾値を超えなければ、電圧コンバータ１２は出力過多状態ではないことが判明する。この場合、図２において図示を省略しているが、コントローラ１４は、異常なしを示す信号を上位コントローラ１０６へ送る。異常なしを示す信号を受けた上位コントローラ１０６は、次の処理（例えば、車両を走行可能状態にする処理）に移る。

【0023】

待ち時間が経過するまでの間に出力端１２ｂの電圧が過電圧判定閾値を超えたら（ステップＳ１６：ＹＥＳ）、コントローラ１４は、電圧コンバータ１２で異常が発生していることを示す信号（異常通知信号）を出力する（ステップＳ２１）。最後にコントローラ１４は、電圧コンバータ１２を停止して処理を終了する。

【0024】

異常通知信号は、上位コントローラ１０６へ送られる。異常通知信号を受信した上位コントローラ１０６は、インストルメントパネルの警告灯を点灯させるなど、電圧コンバータ１２（電圧変換装置１０）で異常が生じていることをユーザに提示する。

【0025】

例えば分圧抵抗１６ａが断線すると、電圧コンバータ１２のフィードバック端子１２ｃの電圧はグランドＧの電圧に等しくなる。電圧コンバータ１２は出力端１２ｂの電圧のフィードバックができなくなり、オープン状態の出力端１２ｂの電圧を可能な限り高めるように動作し、出力過多状態となる。出力端１２ｂの電圧が過電圧判定閾値を超えると過電圧検知器１８がコントローラ１４へ信号を送る。信号を受信したコントローラ１４は、電圧コンバータ１２が出力過多状態であることを知り、電圧コンバータ１２を停止し、上位コントローラ１０６へ異常通知信号を送る。

【0026】

このように、電圧変換装置１０は、過負荷チェック処理を開始する条件が成立すると、コントローラ１４は負荷遮断リレー１５を開き、電圧コンバータ１２の出力端１２ｂを負荷（低電圧バッテリ１１１や補機１１２）から遮断する。この処理により、出力端１２ｂはオープン状態となる。電圧変換装置１０は、出力端１２ｂをオープン状態にしてから電圧コンバータ１２を動作させ、出力端１２ｂの電圧が過電圧判定閾値を超えるか否かをモニタする。出力端１２ｂをオープン状態にしておくことで、過負荷チェックの際に出力端１２ｂが負荷から影響を受けることを防止する。

【0027】

仮に出力端１２ｂが負荷と接続されており、接続されている負荷の消費電流が大きい場合、電圧コンバータ１２が出力過多状態であっても出力端１２ｂから負荷へ電力が流れ、出力端１２ｂの電圧が過電圧判定閾値を超えないことが起こり得る。その場合、コントローラ１４は電圧コンバータ１２の出力過多状態を検知できないおそれがある。電圧変換装置１０は、電圧コンバータ１２の出力端１２ｂをオープン状態にしてから出力端１２ｂの電圧をモニタする。そのような処理により、電圧変換装置１０は、電圧コンバータ１２の出力過多状態を確実に検知することができる。

【0028】

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の電圧変換装置１０は、電気自動車１００に搭載されている。電圧変換装置１０は、電気自動車以外の装置に利用されてもよい。電圧コンバータ１２は、入力端１２ａに印加された電圧を昇圧あるいは降圧して出力端１２ｂから出力できる回路であればよい。電圧コンバータ１２は、トランスを用いた絶縁型のコンバータであってもよいし、スイッチング素子を用いた非絶縁型のコンバータであってもよい。

【0029】

電圧コンバータ１２が出力過多状態であるとき、コントローラ１４は、電圧コントローラ１２の異常を示す信号として、警告灯を点灯させる指令信号をインストルメントパネルへ出力するようにしてもよい。

【0030】

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。

【符号の説明】

【0031】

１０：電圧変換装置 １２：電圧コンバータ １２ａ：入力端 １２ｂ：出力端 １２ｃ：フィードバック端子 １３：接続端 １４：コントローラ １５：負荷遮断リレー １６ａ、１６ｂ：分圧抵抗 １７：中点 １８：過電圧検知器 １００：電気自動車 １０１：高電圧バッテリ １０２：双方向コンバータ １０３：インバータ １０４：モータ １０５：スピードセンサ １０６：上位コントローラ １０７：メインスイッチ １０８：アクセル開度センサ １１０：アクセサリ電力線 １１１：低電圧バッテリ １１２ａ：オーディオ（補機） １１２ｂ：ルームランプ（補機）

【図1】

【図2】