JP2020005471A - 負荷制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の下流側で発生する地絡を検出でき、この地絡検出に基づくフェイルセーフ処理を実行することができる負荷制御装置を提供する。【解決手段】トランス１３によって１次側電流経路と２次側電流経路とが分離された電力変換回路１１と、この電力変換回路の出力電圧を制御して負荷を作動させるマイクロコンピュータ１２とを備える負荷制御装置１００において、トランスの２次側回路の出力電流を検出する第１電流検出素子２７と、負荷１４の出力電流を検出する第２電流検出素子２８とを設けたことを特徴とする。そして、マイクロコンピュータは、第１、第２電流検出素子を用いて検出した第１、第２電流検出値ｉ１、ｉ２が一致しないときに異常時処理を実行する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換回路の出力電圧を制御して負荷を作動させる負荷制御装置に関する。

特許文献１には、トランスの１次−２次間の電流経路を分離した構成の電力変換装置において、出力電流検出抵抗の接続位置と指令信号の供給点を規定することで、地絡、天絡判定を行う技術が開示されている。そして、２つの出力端子それぞれの地絡あるいは天絡事故のうち一部が発生した場合に、１次側を制御することでフェイルセーフ作動させて保護している。

特開２００７−２９５６４１号公報

ところで、電力変換装置では、出力端子の天絡や地絡だけでなく、負荷側のハーネスでも経年変化や劣化によって天絡や地絡が発生する可能性がある。しかしながら、上記特許文献１の技術では、負荷の下流側のハーネスが地絡した場合には、電流検出抵抗によって検出される電流検出値が正常時の検出範囲内となり、異常を検出できない可能性がある。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、負荷の下流側で発生する地絡を検出でき、この地絡検出に基づくフェイルセーフ処理を実行することができる負荷制御装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る負荷制御装置は、トランスによって１次側電流経路と２次側電流経路とが分離された電力変換回路と、前記電力変換回路の出力電圧を制御して負荷を作動させる制御回路と、を有する負荷制御装置であって、前記２次側電流経路の第１出力端子と前記負荷の正極とを接続する電源電路と、前記２次側電流経路の第２出力端子と前記負荷の負極とを接続する基準電位電路と、前記トランスの２次側回路の出力電流を検出する第１電流検出素子と、前記負荷から流入する電流を検出する第２電流検出素子とを備え、前記制御回路で、前記第１電流検出素子と前記第２電流検出素子によってそれぞれ検出された第１、第２電流検出値が一致しないときに異常時処理を実行する、ことを特徴とする。

本発明によれば、正常時には、２次側回路の出力電流は電源電路から負荷を経由して基準電位（ＧＮＤ）電路を通してトランスに戻ってくるため、第１電流検出素子と第２電流検出素子で検出される電流は基本的に等しくなる。これに対し、負荷の下流側で地絡が発生した場合には、２次側回路の出力電流は負荷を経由後、地絡位置から基準電位電路を通らずに車体などの低電位部位に流れ、第２電流検出素子に流れなくなる。このため、第１電流検出値よりも第２電流検出値が小さくなり差が生じる。よって、第１、第２電流検出値が一致しているか否かで地絡を検出することができる。
従って、負荷の下流側で発生する地絡を検出でき、制御回路に異常時処理を実行させて地絡検出に基づくフェイルセーフ処理を行うことができる。

本発明の実施形態に係る負荷制御装置を示す回路図である。 図１に示した負荷制御装置の動作を示すフローチャートである。 負荷の下流側の基準電位ハーネスが地絡した場合の電流の流れと異常の検出動作について説明するためのブロック図である。 負荷の下流側の基準電位ハーネスが断線した場合の電流の流れと異常の検出動作について説明するためのブロック図である。 本発明の負荷制御装置を車両のショックアブソーバの減衰力を制御する制御装置として適用する場合の概略構成例を示すブロック図である。 図５における負荷制御装置に関係する要部を抽出して示す回路図である。 本発明の負荷制御装置を車両のショックアブソーバの減衰力を制御する制御装置として適用する場合の他の概略構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る負荷制御装置を示している。この負荷制御装置１００は、電力変換回路１１とマイクロコンピュータ１２を備えている。電力変換回路１１は、トランス１３によって１次側電流経路と２次側電流経路とが分離された構成になっている。また、マイクロコンピュータ１２は、制御回路として働くもので、電力変換回路１１の出力電圧を制御することで負荷１４を作動させる。

本例では、トランス１３の２次側回路の出力電圧を、１次側回路の電源電圧に対して１００倍以上にすることが可能な変圧比になっている。この１次側回路に流れる電流を、マイクロコンピュータ１２による制御に基づき、駆動回路２０によりスイッチ素子１９（本例ではＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ）をオン／オフさせることで制御している。

負荷制御装置１００の電源端子１５とグランド端子１６には、バッテリ（直流電源）１７から電源電圧が印加され、１次側回路、すなわちバッテリ１７の正極から電源端子１５、リレー回路１８、トランス１３の１次コイル１３ａ、スイッチ素子１９、及びグランド端子１６をそれぞれ介してバッテリ１７の負極に至る電流経路が形成されている。
トランス１３の２次側出力端子（第１、第２出力端子）２１，２２には、電源ハーネス（電源電路）２３及び基準電位ハーネス（基準電位電路）２４をそれぞれ介して負荷１４の正極側端子及び負極側端子が接続される。負荷１４は、並列接続された抵抗器Ｒ_ＬとコンデンサＣ_Ｌで等価的に表している。

トランス１３の２次コイル１３ｂの一端と出力端子２１との間は、正極側配線２５で接続されている。この正極側配線２５には、ダイオードＤのアノード、カソードが介挿されている。また、トランス１３の２次コイル１３ｂの他端と出力端子２２との間は、負極側配線２６で接続されている。この負極側配線２６には、第１電流検出素子２７と第２電流検出素子２８が介挿されている。第１電流検出素子２７は、トランス１３の２次側回路の出力電流を検出するものであり、第２電流検出素子２８は、負荷１４から流入する電流を検出するものである。これら第１、第２電流検出素子２７，２８は、電流を電圧に変換する素子、本例では抵抗器で形成され、これら抵抗器の接続点（第１、第２電流検出素子２７，２８の共通接続点Ｎ１）には、グランド端子１６を介してバッテリ１７の負極が接続される。

また、第１電流検出素子２７に流れる電流を計測する第１電流モニタ回路２９と、第２電流検出素子２８に流れる電流を計測する第２電流モニタ回路３０が設けられ、これら第１、第２電流モニタ回路２９，３０によってそれぞれ検出された第１、第２電流検出値ｉ１，ｉ２がマイクロコンピュータ１２に供給されるようになっている。
更に、抵抗器３１の一端が正極側配線２５（第１出力端子２１）に接続され、他端はスイッチ素子３２（本例ではＮチャネル型ＭＯＳＦＥＴ）の電流通路の一端に接続される。このスイッチ素子３２の電流通路の他端は負極側配線２６（第１、第２電流検出素子２７，２８の共通接続点Ｎ１）に接続される。そして、マイクロコンピュータ１２による制御に基づき、駆動回路３３でスイッチ素子３２をオン／オフ制御するようになっている。

そして、マイクロコンピュータ１２は、第１、第２電流モニタ回路２９，３０によってそれぞれ検出された第１、第２電流検出値ｉ１，ｉ２が不一致のときに、異常時処理（フェイルセーフ処理）を実行する。あるいは、第２電流モニタ回路３０で検出した第２電流検出値ｉ２が、第１電流モニタ回路２９で検出した第１電流検出値ｉ１に対して、所定値よりも低下したときに異常処理を実行する。

上記抵抗器３１とスイッチ素子３２は、バイパス回路を形成しており、負荷１４への２次側出力を低下させるときに、駆動回路３３によってスイッチ素子３２をオンさせる。これによって、負荷１４に蓄積された電荷をバイパス回路を介して抜くことができるので、２次側出力の低下指示に対して負荷１４の応答性を向上できる。
一方、診断時にバイパス回路に電流が流れると、回路が正常であっても電流モニタ回路３０の電流検出値ｉ２が低下するため、診断時にはバイパス回路を遮断（スイッチ素子３２をオフ）させることで、第１、第２電流検出値ｉ１，ｉ２の不一致により誤判定が生じるのを防止できる。

次に、上記のような構成において、図２のフローチャートにより動作を説明する。まず、マイクロコンピュータ１２で、第１電流モニタ回路２９で検出した第１電流検出値ｉ１を取得し（ステップＳ１）、続いて第２電流モニタ回路３０で検出した第２電流検出値ｉ２を取得する（ステップＳ２）。次に、両電流モニタ回路２９，３０の電流検出値ｉ１，ｉ２が同じか否か判定する（ステップＳ３）。２次側出力電流は、ダイオードＤ、正極側配線２５、第１出力端子２１、電源ハーネス２３、負荷１４、基準電位ハーネス２４、第２出力端子２２、第２電流検出素子２８、負極側配線２６及び第１電流検出素子２７をそれぞれ経由してトランス１３に戻るため、第１電流検出素子２７と第２電流検出素子２８で検出される電流検出値ｉ１，ｉ２は基本的に等しくなる。よって、電流検出値ｉ１，ｉ２が同じであれば正常と判断し、通常処理を行う（ステップＳ４）。
一方、電流検出値ｉ１，ｉ２が異なっている場合には、マイクロコンピュータ１２により異常時処理を実行する（ステップＳ５）。異常時処理は、トランス１３を駆動する駆動回路２０の停止、ＣＡＮ通信による異常検知の送信、及びリレー回路（電源リレー）１８の遮断などである。

図３は、負荷１４の下流側の基準電位ハーネス２４で地絡が発生した場合の電流の流れを示している。２次側出力電流は負荷１４を経由後、破線の矢印で示すように、地絡部位４０から出力端子２２を通らずに車体などの低電位部位４１に流れる。この電流は、グランド端子１６から負極側配線２６、第１電流検出素子２７、トランス１３の２次コイル１３ｂ、ダイオードＤ、正極側配線２５、出力端子２１及び電源ハーネス２３をそれぞれ介して負荷１４に流れ、第２電流検出素子２８に流れなくなる。このため、第１電流検出値ｉ１よりも第２電流検出値ｉ２が小さくなる。

すなわち、正常時は第１、第２電流検出値ｉ１，ｉ２は、基本的に同一値（抵抗値のばらつきなどを考慮に入れると所定範囲内）であり、負荷１４の下流側の基準電位ハーネス２４で地絡が発生すると、第２電流検出値ｉ２が低下するので、第１、第２電流検出値ｉ１，ｉ２が異なることで異常と判断できる。異常検知は、第１、第２電流検出値ｉ１，ｉ２の差が発生したときに異常と判定しても良いし、あるいは第１、第２電流検出値ｉ１，ｉ２の差が所定値以上であることをもって異常と判断してもよい。
そして、異常時処理では、マイクロコンピュータ１２により、異常フラグ、異常情報データの記憶を行うとともに、車両の警告表示や警告音を発生して運転者に報知する。

このように、基準電位ハーネス２４と負極側配線２６との間に、電流モニタ用の電流検出素子２８と電流モニタ回路３０を設けたことで、負荷１４の下流側の基準電位ハーネス２４が地絡した場合に、電流検出素子２８に電流が流れなくなる。このように、第１、第２電流検出値ｉ１，ｉ２を比較することで、負荷１４の下流側の地絡を検出することができる。

図４は、負荷１４の下流側で断線が発生した場合の電流の流れを示している。×印（断線部位４２）で示すように、基準電位ハーネス２４が断線すると（あるいは出力端子２２のコネクタが外れると）、２次側電流経路に電流が流れないので、マイクロコンピュータ１２により駆動回路３３を制御してスイッチ素子３２をオンさせる。これによって、破線の矢印で示すように、トランス１３の２次コイル１３ｂからダイオードＤ、正極側配線２５、抵抗器３１、スイッチ素子３２及び負極側配線２６を介する電流経路が形成され、第１電流検出素子２７に電流が流れる。この電流を電流モニタ回路２９で検出し（第１電流検出値ｉ１）、第２電流検出値ｉ２と比較することで、負荷１４の下流側の断線を検知できる。

なお、出力端子２１が地絡した場合には、第１電流検出素子２７に大きな電流が流れる。よって、この電流を電流モニタ回路２９で検出し、例えばマイクロコンピュータ１２で所定の閾値よりも大きいか否か判定することで、出力端子２１が地絡したことを検知できる。また、出力端子２１が天絡した場合には、出力端子２１の電圧が電源電圧に固定されるので、マイクロコンピュータ１２で第１電流検出素子２７に流れる電流を電流モニタ回路２９で検出することによって判定することができる。

図５は、上述した本発明の負荷制御装置を、車両のサスペンションの減衰力を制御する制御装置として適用する場合の概略構成例を示している。負荷は、ショックアブソーバのダンパ部５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄにそれぞれ設けられたプラス電極とマイナス電極との間に介在される流体であり、流体としてＥＲＦ（電気粘性流体）が用いられている。ＥＲＦは高電圧を印加することで流体粘性を変化させることが可能であることから、電圧制御することでショックアブソーバの減衰力を可変制御できる。
電気粘性流体の応答性は高く、車両の発進、加減速、旋回などの走行状態に応じて減衰力を可変にできるほか、車両の加重変化や路面から伝達される振動に対しても減衰力を可変にすることも検討されている。

マイクロコンピュータなどの演算処理機能と、ＥＲＦの粘度を変更するために出力電圧を制御する制御機能とを１つのハウジングに搭載した一体型ＥＣＵ２００が図３の負荷制御装置１００に相当し、車高等の各種走行情報、走行モードなどに基づいて減衰力を変更する。この一体型ＥＣＵ２００は、電源ＩＣ５２、マイクロコンピュータ（マイコン）５３などの演算処理装置、Ｖ−ＣＡＮ５４、図３のトランス１３に対応する昇圧回路５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ等が集約されており、ＥＲＦの粘度を変更するためにトランスの出力電圧を制御する制御機能を備える。
この一体型ＥＣＵ２００には、バッテリ５６から電源が供給される。バッテリ電圧は、１２Ｖ〜４８Ｖがベースとなり、昇圧回路５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄの２次側出力電圧は最大約５ＫＶになる。また、車高センサ５７から車高データが入力されるとともに、車両全体を統括的に制御するＥＣＵの車両ＣＡＮ５８とＶ−ＣＡＮ５４との間でＣＡＮ通信を行うようになっている。

昇圧回路５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄは、車輪毎に設けられており、４輪を独立して制御可能になっている。これら昇圧回路５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄの２次側出力は、一体型ＥＣＵ２００のコネクタ５９ａ，５９ｂ，５９ｃ，５９ｄからハーネス６０ａ，６０ｂ，６０ｃ，６０ｄをそれぞれ介して、各車輪のショックアブソーバのダンパ部５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄに供給される。この昇圧回路５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄからダンパ部５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄへの印加電圧（昇圧回路の２次側出力）は、高いほどＥＲＦの粘度が上昇して減衰力が高まる（乗り心地は固くなる傾向）。

図６は、図５における負荷制御装置に関係する部分を抽出して示している。図示するように、負荷としてのダンパ部５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄに、昇圧回路５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ（図１に示した負荷制御装置）が設けられている。基本的な回路構成は、図１と同様であるので、その詳細な説明は省略する。
なお、ここでは、４つの昇圧回路５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄを１つのマイクロコンピュータ５３で制御する例を示しているが、昇圧回路毎にマイクロコンピュータを設けても良いのは勿論である。

上記のように、負荷制御装置１００を車両のサスペンションの減衰力を制御する制御装置として適用し、負荷（ダンパ部５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄ）の下流側で地絡を検出した場合には、ショックアブソーバの制御を停止し、所定の減衰力へ固定する。制御の停止によりＥＲＦへの通電を停止すると、ダンパ部５１ａ，５１ｂ，５１ｃ，５１ｄは、デフォルトの減衰力（一番ソフト状態）となる。あるいは、通電状態を固定し、比較的ソフト側の中間減衰力へ固定しても良い。

また、ショックアブソーバの制御を停止するのではなく、減衰力を制限するように制御しても良い。具体的には、正常時よりもハード側の減衰力を制限する。異常時側の状態に応じて正常側を制限するようにすることもできる。あるいは、異常側制限範囲を正常側制限範囲よりも小さくする。従動輪ないし副駆動輪（ＡＷＤ車）と主駆動輪で異常側、正常側をグループ化して制御することもできる。更には、旋回中のイン側、アウト側でグループ化しても良い。

図７は、本発明の負荷制御装置を、車両のサスペンションの減衰力を制御する制御装置として適用する場合の他の概略構成例を示している。本例の負荷制御装置では、セントラルＥＣＵ３００とＨＶ−ＢＯＸ（High Voltage-Box）７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄに分割したものである。セントラルＥＣＵ３００は制御機能とし、昇圧回路５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄをそれぞれＨＶ−ＢＯＸ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄ側に搭載している。

セントラルＥＣＵ３００には、電源ＩＣ５２、マイクロコンピュータ（マイコン）５３、Ｖ−ＣＡＮ５４、Ｌ−ＣＡＮ（ＦＲ／ＦＬ用）７１ｆ及びＬ−ＣＡＮ（ＲＲ／ＲＬ用）７１ｒ等を備えている。また、ＨＶ−ＢＯＸ（ＦＲ）７０ａ、ＨＶ−ＢＯＸ（ＦＬ）７０ｂ、ＨＶ−ＢＯＸ（ＲＲ）７０ｃ及びＨＶ−ＢＯＸ（ＲＬ）７０ｄにはそれぞれ、電源ＩＣ７２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄ、マイクロコンピュータ（マイコン）７３ａ，７３ｂ，７３ｃ，７３ｄ、Ｌ−ＣＡＮ７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ及び昇圧回路（負荷制御装置）５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄが含まれている。

このセントラルＥＣＵ３００、ＨＶ−ＢＯＸ（ＦＲ）７０ａ、ＨＶ−ＢＯＸ（ＦＬ）７０ｂ、ＨＶ−ＢＯＸ（ＲＲ）７０ｃ及びＨＶ−ＢＯＸ（ＲＬ）７０ｄにはそれぞれ、バッテリ５６から電源が供給される。また、車高センサ５７から車高データが入力されるとともに、車両全体を統括的に制御するＥＣＵの車両ＣＡＮ５８とＶ−ＣＡＮ５４との間でＣＡＮ通信を行うようになっている。
Ｌ−ＣＡＮ７１ｆは、ＨＶ−ＢＯＸ７０ａのＬ−ＣＡＮ７４ａ及びＨＶ−ＢＯＸ７０ｂのＬ−ＣＡＮ７４ｂと通信を行って昇圧回路５５ａ，５５ｂの出力電圧を制御する。また、Ｌ−ＣＡＮ７１ｒは、ＨＶ−ＢＯＸ７０ｃのＬ−ＣＡＮ７４ｃ及びＨＶ−ＢＯＸ７０ｄのＬ−ＣＡＮ７４ｄと通信を行って昇圧回路５５ｃ，５５ｄの出力電圧を制御する。

このように、図５における一体型ＥＣＵ２００を、セントラルＥＣＵ３００とＨＶ−ＢＯＸ７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７０ｄに分割しても、基本的には一体型と同様であり、実質的に同様な動作を行うことができ、同じ作用効果が得られる。また、図５と同様な変形も可能である。

１１…電力変換回路、１２…マイクロコンピュータ（制御回路）、１３…トランス、１３ａ…１次コイル、１３ｂ…２次コイル、１４…負荷、１５…電源端子、１６…グランド端子、１７…バッテリ、１８…リレー回路、１９…スイッチ素子、２０…駆動回路、２１，２２…第１、第２出力端子、２３…電源ハーネス（電源電路）、２４…基準電位ハーネス（基準電位電路）、２５…正極側配線、２６…負極側配線、２７，２８…第１、第２電流検出素子、２９，３０…第１、第２電流モニタ回路、３１…抵抗器、３２…スイッチ素子、３３…駆動回路、４０…地絡部位、４１…低電位部位、４２…断線部位、１００…負荷制御装置、ｉ１，ｉ２…第１、第２電流検出値

Claims (6)

1. トランスによって１次側電流経路と２次側電流経路とが分離された電力変換回路と、前記電力変換回路の出力電圧を制御して負荷を作動させる制御回路と、を有する負荷制御装置であって、
   前記２次側電流経路の第１出力端子と前記負荷の正極とを接続する電源電路と、
   前記２次側電流経路の第２出力端子と前記負荷の負極とを接続する基準電位電路と、
   前記トランスの２次側回路の出力電流を検出する第１電流検出素子と、
   前記負荷から流入する電流を検出する第２電流検出素子とを備え、
   前記制御回路で、前記第１電流検出素子と前記第２電流検出素子によってそれぞれ検出された第１、第２電流検出値が一致しないときに異常時処理を実行する、ことを特徴とする負荷制御装置。
2. 前記第１出力端子と前記第１、第２電流検出素子の共通接続点間に設けられ、前記制御回路の制御によりバイパス電流経路を生成するバイパス回路を更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載の負荷制御装置。
3. 前記第１電流検出素子が第１抵抗体、前記第２電流検出素子が第２抵抗体であり、前記第１抵抗体は前記トランスの二次コイルと負極側配線との間に接続され、前記第２抵抗体は前記負極側配線と前記第２出力端子との間に接続され、前記第１、第２抵抗体に流れる電流がそれぞれ第１、第２電流モニタ回路で検出されて前記制御回路に入力される、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の負荷制御装置。
4. 前記制御回路は、前記第２電流検出素子で検出した第２電流検出値が、前記第１電流検出素子で検出した第１電流検出値に対して、所定値よりも低下したときに異常処理を実行する、ことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１つの項に記載の負荷制御装置。
5. 前記負荷が、電気粘性流体が封入された車両用ショックアブソーバであって、前記異常時処理が、正常よりも前記電力変換回路の出力電圧を低下させて、前記ショックアブソーバの減衰力のハード側への調整範囲を正常時よりも制限する、または減衰力を正常時の要求減衰力よりもソフト側に固定するものである、ことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１つの項に記載の負荷制御装置。
6. 前記第１電流検出値と前記第２電流検出値との差が所定値以上となる状態であるときに前記異常時処理を実行する、ことを特徴とする請求項１乃至５いずれか１つの項に記載の負荷制御装置。