特許 7582162 異常判定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-11-05

(45)【発行日】2024-11-13

(54)【発明の名称】異常判定方法

(51)【国際特許分類】

   H02P 29/024 20160101AFI20241106BHJP

【ＦＩ】

H02P29/024

【請求項の数】 1

(21)【出願番号】P 2021187378

(22)【出願日】2021-11-17

(65)【公開番号】P2023074418

(43)【公開日】2023-05-29

【審査請求日】2024-03-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】豊田 大晃

【審査官】若林 治男

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－１５０７３５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－０１３１１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－０８５４５５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｐ ２９／０２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転電機による回生中に電気回路の異常を判定する異常判定方法であって、
回生中に電流センサにより検出した回生電流の電流値と前記回生電流の電流指令値との間に乖離がある場合に、回生量を制限する制限ステップと、
前記制限ステップにより前記回生量を制限した後に、平滑コンデンサの電圧値が所定値を超えた場合に、前記電気回路に異常が生じていると判定する判定ステップと
を含むことを特徴とする異常判定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、異常判定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、電池とインバータとを備えたモータの駆動システムにおいて、電池とインバータとの間に電流遮断器を備え、平滑コンデンサの電圧値の変化の度合いに基づき電流遮断器の動作の有無を判別する方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－０８５４５５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に記載の構成では、平滑コンデンサの電圧を電圧センサにより検出するものの、電圧センサにより取得される電圧値は、実際のコンデンサ電圧に外部からのノイズが重畳したものであり、ノイズとの切り分けが難しい。そのため、平滑コンデンサの電圧変動に基づく異常判定方法では、外部ノイズによる瞬時的な電圧変動を検知した際に異常状態であると誤判定してしまう可能性がある。

【0005】

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、電気回路の異常を判定する際の誤判定を抑制することができる異常判定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、回転電機による回生中に電気回路の異常を判定する異常判定方法であって、回生中に電流センサにより検出した回生電流の電流値と前記回生電流の電流指令値との間に乖離がある場合に、回生量を制限する制限ステップと、前記制限ステップにより前記回生量を制限した後に、平滑コンデンサの電圧値が所定値を超えた場合に、前記電気回路に異常が生じていると判定する判定ステップとを含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0007】

本発明では、回生電流の実測値と回生電流の電流指令値との乖離に応じた１次判定を行い、その１次判定の結果、回生量を制限した状態で平滑コンデンサの電圧に応じた２次判定を行う。１次判定では、瞬時的なノイズによる変化を検出した際に回生量を制限して電圧変化を抑制するに留まり、システム停止には至らない。このように、異常判定を二重構造としたことにより、誤判定を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、第１実施形態の駆動システムの構成を模式的に示す図である。

【図2】図２は、平滑コンデンサの電圧値の時間的な変化を示す図である。

【図3】図３は、第１実施形態の異常判定処理を示すフローチャート図である。

【図4】図４は、第１実施形態のコンデンサ電圧の変化を示すタイムチャート図である。

【図5】図５は、第２実施形態の駆動システムの構成を模式的に示す図である。

【図6】図６は、ＰＮラインの電流値の時間的な変化を示す図である。

【図7】図７は、第２実施形態の異常判定処理を示すフローチャート図である。

【図8】図８は、第２実施形態のコンデンサ電圧の変化を示すタイムチャート図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態における異常判定方法について具体的に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

【0010】

（第１実施形態）
第１実施形態の異常判定方法は、モータを駆動する駆動システムでの異常を検出するための判定方法である。

【0011】

図１は、第１実施形態の駆動システムの構成を模式的に示す図である。第１実施形態の駆動システム１は、電池２、インバータ３、モータ４と、平滑コンデンサ５と、電圧センサ６と、ＳＭＲ（System Main Relay）７と、抵抗８と、コントローラ９と、を備えている。

【0012】

電池２、直流電源であり、充電および放電が可能な蓄電池である。この電池２はリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池により構成される。また、電池２は、複数の単電池により構成された組電池により構成することが可能である。力行時、電池２は車両の駆動力を発生させるための電力をインバータ３に供給する。回生時、電池２はモータ４によって発電された電力を蓄えることができる。

【0013】

インバータ３は、電池２からの直流電力を交流電力に変換してモータ４に供給する電力変換装置である。このインバータ３はＰＮラインに接続されている。インバータ３は、モータ４の三相コイルに三相の電流を通電できるように複数のスイッチング素子を備えたインバータ回路により構成されている。インバータ回路は相ごと（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）に各スイッチング素子がスイッチング動作することによって直流電力を交流電力に変換する電気回路である。インバータ３は６つのスイッチング素子と６つのダイオードとを有する。スイッチング素子は、ＰＮラインの正極母線と負極母線とに対してソース側とシンク側になるよう２個ずつペアで配置されている。ダイオードは、それぞれに対応するスイッチング素子に逆方向に並列接続されている。さらに、インバータ３では、対となるスイッチング素子同士の接続点の各々にモータ４の三相コイルの各々が接続されている。

【0014】

モータ４は、走行用の動力源であり、電動機および発電機の機能を有する回転電機（モータジェネレータ）である。このモータ４は、永久磁石が埋め込まれたロータと、三相コイル（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）が巻き回されたステータとを有する同期発電電動機により構成されている。モータ４のステータに巻き回された三相のコイルはインバータ３と電気的に接続されている。また、車両は、モータ４から出力された動力を車輪に伝達する動力伝達装置を備え、モータ４から出力された動力によって車輪を駆動する。

【0015】

平滑コンデンサ５は、インバータ３のスイッチング動作に伴う電圧変動を抑制する。電圧センサ６は、平滑コンデンサ５の電圧値に関する情報を取得する。平滑コンデンサ５および電圧センサ６は、ＳＭＲ７よりもインバータ３側の回路（高圧側回路）に配置され、ＰＮラインの正極母線と負極母線とに接続されている。

【0016】

ＳＭＲ７は、電池２とインバータ３との間に電気的に接続された電流遮断器である。このＳＭＲ７は、ＰＮラインの正極母線に設けられたＳＭＲ７Ａと、ＰＮラインの負極母線に設けられたＳＭＲ７Ｂと、抵抗８と直列に接続されたＳＭＲ７Ｃとを含む。ＳＭＲ７Ｃおよび抵抗８はＳＭＲ７Ｂに対して並列に接続されている。なお、ＳＭＲ７ＡとＳＭＲ７ＢとＳＭＲ７Ｃとを特に区別しない場合には、単にＳＭＲ７と記載する。

【0017】

また、ＳＭＲ７はコントローラ９からの制御信号に応じて開放（ＯＦＦ）または閉成（ＯＮ）される。ＳＭＲ７が閉成されると電池２とインバータ３とが導通状態になり、電池２とインバータ３との間で電力の授受が可能になる。ＳＭＲ７が開放されると電池２とインバータ３とが電気的に遮断状態になる。

【0018】

コントローラ９は、駆動システム１を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）である。この電子制御装置は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力インターフェースを備えたマイクロコンピュータを含んで構成されている。コントローラ９はＲＯＭに予め記憶されたプログラムに従って信号処理を行う。また、コントローラ９には各種センサからの信号が入力される。コントローラ９に入力される信号として、車両の車速を検出する車速センサからの車速信号、モータ４の回転角を検出する回転角センサからのレゾルバ信号、電圧センサ６からの電圧値などが挙げられる。そして、コントローラ９は各種センサから入力された信号に基づいて各種の制御を実行する。

【0019】

例えば、コントローラ９はレゾルバ信号に基づいてモータ４の回転数を演算するなど、モータ制御のための演算処理を行う。演算の結果、インバータ３を制御するための指令信号がコントローラ９からインバータ３に出力される。この指令信号には、インバータ３のスイッチング素子へのスイッチング制御信号が含まれる。このように、コントローラ９はインバータ３を制御することによってモータ４に印加する電圧および電流を制御する。

【0020】

このように構成された駆動システム１では、モータ４による回生中にＳＭＲ７が故障した場合に平滑コンデンサ５への充電により高圧部品が耐圧超過を招く虞がある。これを防止するために、電気回路の異常をコントローラ９で検出するように構成されている。

【0021】

具体的には、回生中にＳＭＲ７が故障を起こしてＳＭＲ７が開放状態となる異常状態を想定する。この場合、モータ４から電池２への回生電力が平滑コンデンサ５に流れ込み、回生量に応じて平滑コンデンサ５の電圧が上昇する。そこで、コントローラ９は電圧センサ６により取得した平滑コンデンサ５の電圧に基づいてＰＮラインの異常を判定する。異常検出のトリガは１次判定と２次判定とを含む二重構造とする。１次判定は、インバータ３がモータ４からの電力を回生中、平滑コンデンサ５の電圧の変化の度合いに基づいて行われる。２次判定は、平滑コンデンサ５の電圧と閾値との比較に基づいて行われる。そして、１次判定の結果に応じて回生量を制限し、２次判定の結果に応じてインバータ３の動作を停止する。

【0022】

図２は、平滑コンデンサの電圧値の時間的な変化を示す図である。ＳＭＲ７が開放状態となるオープン故障が発生すると、回生電力が平滑コンデンサ５に溜まるので、平滑コンデンサ５の電圧値が上昇するとともにコンデンサ電圧の変化量が大きくなる。そこで、この変化量に基づいた１次判定と、コンデンサ電圧に基づいた２次判定とを行う。１次判定では、一定時間内での電圧の上昇代が閾値を超えた場合に異常と判定する。２次判定では、コンデンサ電圧が高圧システムの耐圧以下に設定した閾値を超えた場合に異常と判定する。

【0023】

図３は、第１実施形態の異常判定処理を示すフローチャート図である。駆動システム１では、ＰＮラインでのオープン故障が発生し（ステップＳ１０１）、システム電圧が上昇する（ステップＳ１０２）。ステップＳ１０１では、ＳＭＲ７のオープン故障が発生する。ステップＳ１０２では、ＰＮラインが開放状態となることにより、平滑コンデンサ５の電圧が上昇する。

【0024】

また、コントローラ９は、インバータ３のスイッチング素子を制御して、インバータ３を回生動作させる（ステップＳ１０３）。ステップＳ１０３では、コントローラ９によりモータ４を回生制御するとともに、インバータ３を含むＰＣＵを回生動作させる。

【0025】

そして、コントローラ９は、回生中に平滑コンデンサ５の電圧値の変化が異常を示すものであるか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４では、平滑コンデンサ５の電圧値の変化量が閾値を超えたか否かが判定される。このステップＳ１０４は、二重構造の異常判定のうち、１次判定を行うステップである。

【0026】

１次判定の結果、回生中に平滑コンデンサ５の電圧値の変化が異常を示すものではないと判定された場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、この制御ルーチンはステップＳ１０６に進む。

【0027】

１次判定の結果、回生中に平滑コンデンサ５の電圧値の変化が異常を示すものであると判定された場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、コントローラ９は回生量を制限する（ステップＳ１０５）。ステップＳ１０５では、モータ４による回生量が制限される。コントローラ９は回生量を制限して電圧変化を抑制する制御を実行する。このステップＳ１０５は、回生量を制限する制限ステップである。

【0028】

そして、コントローラ９は、システム電圧がＯＶＨ閾値よりも大きいか否かを判定する（ステップＳ１０６）。ステップＳ１０６では、ＳＭＲ７が開放したオープン故障状態において回生電力により上昇したコンデンサ電圧がＯＶＨ閾値を超えたか否かが判定される。ＯＶＨ閾値は、高圧システムの耐圧以下に設定された閾値である。このステップＳ１０６は、二重構造の異常判定のうち、２次判定を行うステップ、すなわち異常判定を行う判定ステップである。

【0029】

２次判定の結果、システム電圧がＯＶＨ閾値以下である場合（ステップＳ１０６：Ｎｏ）、この制御ルーチンはステップＳ１０３にリターンする。

【0030】

２次判定の結果、システム電圧がＯＶＨ閾値よりも大きい場合（ステップＳ１０６：Ｙｅｓ）、コントローラ９は、異常が発生していると判断し、インバータ３の全スイッチング素子をオフにする（ステップＳ１０７）。ステップＳ１０７では、駆動システム１の異常が発生していることが検出されたことにより、インバータ３の全スイッチング素子をオフするための信号がコントローラ９からインバータ３に出力され、コントローラ９の制御によりインバータ３がシャットダウンされる。

【0031】

ステップＳ１０７の処理が実施されると、コントローラ９は車両を停止させて走行不可にする（ステップＳ１０８）。ステップＳ１０８の処理を実施すると、この制御ルーチンは終了する。

【0032】

図４は、第１実施形態のコンデンサ電圧の変化を示すタイムチャート図である。駆動システム１において、回生中にＳＭＲ７のオープン故障が発生する（時刻ｔ１）。故障発生後、回生電力が平滑コンデンサ５に蓄えられるため、システム電圧が上昇するとともに、平滑コンデンサ５の電圧の変化量が閾値を超える。そして、コントローラ９は電圧センサ６からの検出値に基づいてコンデンサ電圧の変化量が閾値を超えたことを検出する（時刻ｔ２）。１次判定の結果、コントローラ９は回生量を制限してコンデンサ電圧の変化を抑制する。その後、コントローラ９は平滑コンデンサ５の電圧がＯＶＨ閾値を超えたことを検出する（時刻ｔ３）。２次判定の結果、コントローラ９はインバータ３の全スイッチング素子をオフにする。

【0033】

以上説明した通り、第１実施形態によれば、コンデンサ電圧に応じた異常判定の際に、二重構造の判定処理を行うため、１次判定の結果、回生量を制限して２次判定までの時間を確保することができる。つまり、２次判定で異常を検出したことによりシステム停止を実行するまでは電圧が上昇するものの、１次判定に応じて先に回生量を制限しているため、その分の電圧上昇を抑制することができる。そのため、外部ノイズによる電圧変化を検出した場合であっても、１次判定では回生量を制限して電圧変化を抑制するため、システム停止までは至らない。このように異常判定を二重構造としたことにより、外部ノイズが生じた場合であっても、誤判定を抑制することができる。

【0034】

（第２実施形態）
第２実施形態における異常判定方法では、二重構造の異常判定のうち、１次判定において駆動システム１での電流の変化の度合いに応じた判定を行う。なお、第２実施形態の説明では、第１実施形態と同様の構成については説明を省略し参照符号を引用する。

【0035】

図５は、第２実施形態の駆動システムの構成を模式的に示す図である。第２実施形態の駆動システム１は、電池２、インバータ３、モータ４と、平滑コンデンサ５と、電圧センサ６と、ＳＭＲ（System Main Relay）７と、抵抗８と、コントローラ９と、電流センサ１０と、を備えている。

【0036】

電流センサ１０は、ＰＮラインを流れる電流を検出する。この電流センサ１０はＰＮラインの正極母線に接続され、電池２とＳＭＲ７Ａとの間に設けられている。つまり、電流センサ１０はＳＭＲ７Ａよりも電池２側の回路（低圧側回路）に配置されている。そして、電流センサ１０により検出した電流値がコントローラ９に出力される。

【0037】

コントローラ９は、電流センサ１０から取得したＰＮラインの電流の情報に基づいて１次判定を行う。この１次判定では、回生中にＰＮラインを流れる電流（回生電流）について、指令された回生電流値（電流指令値）と実電流値とに乖離がある場合に異常と判定する。

【0038】

図６は、ＰＮラインの電流値の時間的な変化を示す図である。ＳＭＲ７が開放状態となるオープン故障が発生すると、回生電流がＳＭＲ７と電池２との間のＰＮラインを流れなくなるため、電流指令値に対して実電流値が低下するように乖離が生じる。そこで、第２実施形態では、この乖離量に基づいた１次判定とコンデンサ電圧に基づいた２次判定とを行う。

【0039】

図７は、第２実施形態の異常判定処理を示すフローチャート図である。なお、図７に示すステップＳ２０１，Ｓ２０３，Ｓ２０５～Ｓ２０８の処理は、図３に示すステップＳ１０１，Ｓ１０３，Ｓ１０５～Ｓ１０８の処理と同様であるため説明を省略する。

【0040】

図７に示すように、ステップＳ２０１においてＰＮラインのオープン故障が発生すると、ＰＮラインの電流が遮断される（ステップＳ２０２）。ステップＳ２０２の処理を実施すると、この制御ルーチンはステップＳ２０３に進む。

【0041】

ステップＳ２０３の処理が実施されると、コントローラ９は、回生中にＰＮラインを流れる電流に応じた情報が異常を示すものであるか否かを判定する（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０４では、回生電流の電流指令値と回生電流の実測値との乖離量が閾値以上であるか否かが判定される。このステップＳ２０４は二重構造の異常判定のうち、１次判定を行うステップである。

【0042】

１次判定の結果、回生中にＰＮラインを流れる電流に応じた情報が異常を示すものである場合（ステップＳ２０４：Ｙｅｓ）、この制御ルーチンはステップＳ２０５に進む。

【0043】

１次判定の結果、回生中にＰＮラインを流れる電流に応じた情報が異常を示すものではない場合（ステップＳ２０４：Ｎｏ）、この制御ルーチンはステップＳ２０６に進む。

【0044】

図８は、第２実施形態のコンデンサ電圧の変化を示すタイムチャート図である。駆動システム１において、回生中にＳＭＲ７のオープン故障が発生する（時刻ｔ１１）。故障発生後、回生電力が平滑コンデンサ５に蓄えられるため、システム電圧が上昇するとともに、回生電流の乖離量が閾値を超える。そして、コントローラ９は電流センサ１０からの検出値に基づいて回生電流の実測値と回生電流の電流指令値との乖離量が閾値を超えたことを検出する（時刻ｔ１２）。１次判定の結果、コントローラ９は回生量を制限してコンデンサ電圧の変化を抑制する。その後、コントローラ９は平滑コンデンサ５の電圧がＯＶＨ閾値を超えたことを検出する（時刻ｔ１３）。２次判定の結果、コントローラ９はインバータ３の全スイッチング素子をオフにする。

【0045】

以上説明した通り、第２実施形態によれば、二重構造の異常判定を行う際、１次判定として、回生電流の実測値と回生電流の電流指令値との乖離量に応じた異常判定を行うことができる。これにより、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。そのため、外部ノイズが生じた場合であっても、誤判定を抑制することができる。

【0046】

また、第１実施形態および第２実施形態の変形例として、ＳＭＲ７にオンとオフの駆動信号を出力するとともに、ＳＭＲ７の開放状態もしくは短絡状態を示す信号をコントローラ９に出力する励磁回路を備えてもよい。この場合、コントローラ９は励磁回路からの信号に応じて１次判定を行い、回生量を制限することができる。

【符号の説明】

【0047】

１ 駆動システム
２ 電池
３ インバータ
４ モータ
５ 平滑コンデンサ
６ 電圧センサ
７ ＳＭＲ
９ コントローラ
１０ 電流センサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】