JP2010104106A

JP2010104106A - 電力供給装置

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Publication number: JP2010104106A
Application number: JP2008271484A
Authority: JP
Inventors: Hideki Sugita; 英樹杉田; Atsutoshi Takada; 淳年高田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-10-22
Filing date: 2008-10-22
Publication date: 2010-05-06
Anticipated expiration: 2028-10-22
Also published as: JP4802232B2

Abstract

【課題】電力変換器に地絡故障または開放故障が発生した場合に低電圧系の電気負荷を保護できる電力供給装置を得る。
【解決手段】発電装置の発電電力量を制御する発電制御装置と、上記発電装置により発電された電力を蓄える第１の蓄電装置と、上記発電装置により発電された電力を変換する電力変換器と、この電力変換器により変換された電力を蓄える負荷と並列に接続された第２の蓄電装置と、上記発電装置及び電力変換器の入力側の間に介装された第１の遮断器と、上記電力変換器の出力側及び第２の蓄電装置の間に介装された第２の遮断器と、上記電力変換器の地絡故障または開放故障を検出する故障検出装置と、この故障検出装置が地絡故障または開放故障を検出したときに上記及び第２の遮断器を遮断動作させる遮断器制御装置を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばハイブリッド車やアイドリングストップ車等の車両用電源などとして好ましく用いることができる電力供給装置に関するものである。

炭酸ガスの排出を抑制する効果があるハイブリッド車やアイドリングストップ車においては、従来のエンジン車と比較して、より多くの電力を蓄えておく必要がある。例えば、高出力化した発電機の発電電力を高電圧で負荷へ供給し、また電力を蓄える蓄電池を用意する一方、低電圧で使用される車両の様々な電気負荷へ給電できるように変換する電力変換器を用意するといった高電圧系と低電圧系を電力変換器で接続してなる構成がある。しかし、このような構成では電力変換器に故障が発生した場合に、低電圧系の電気負荷への給電を継続できなくなるばかりか、低電圧系の電気負荷の破壊を招く恐れもあることから、電力変換器に短絡故障が発生した場合に、発電機の発電を停止ないし発電量を低減することで、低電圧系の負荷側機器を保護するようにした電力供給装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２１８６４６号公報（第１頁、図１）

電力変換器の故障モードとしては、短絡故障と地絡故障、開放故障がある。電力変換器に短絡故障が発生した場合、高出力発電機で発電した電力が、降圧されずに低電圧系へ流入することとなり、車両の負荷側機器ないし蓄電装置への過負荷、ひいては破壊を招く恐れがある。また、電力変換器に地絡故障が発生した場合は、高出力発電機の発電電力を低電圧系の電気負荷ないし電源装置へ給電できなくなるだけでなく、蓄電装置に蓄えられた電力を電気負荷に供給することも困難となる。また、電力変換器が開放故障となった場合も、同じく高出力発電機の発電電力を低電圧系の電気負荷などへ給電することが困難となる。上記特許文献１のような従来技術では、電力変換器に地絡故障や開放故障が発生した場合には、対応が困難であるという課題があった。

本発明は上記のような従来技術の課題を解消するためになされたものであり、電力変換器に地絡故障または開放故障が発生した場合に低電圧系の電気負荷や蓄電装置を保護することのできる電力供給装置を提供することを目的としている。

本発明に係る電力供給装置は、発電装置の発電電力量を制御する発電制御装置と、上記発電装置に接続され該発電装置により発電された電力を蓄える第１の蓄電装置と、上記発電装置により発電された電力を変換する電力変換器と、この電力変換器により変換された電力を蓄える負荷と並列に接続される第２の蓄電装置と、上記発電装置及び上記電力変換器の入力側線路の間に介装された第１の遮断器と、上記電力変換器の出力側線路及び上記第２の蓄電装置の間に介装された第２の遮断器と、上記電力変換器の地絡故障または開放故障を検出する故障検出装置と、この故障検出装置が地絡故障または開放故障を検出したときに上記第１の遮断器及び上記第２の遮断器を遮断動作させる遮断器制御装置を備えるようにしたものである。

この発明においては、故障検出装置が地絡故障または開放故障を検出したときに遮断器制御装置が第１の遮断器及び第２の遮断器を遮断動作させることで、第２の蓄電装置に蓄えられた電力を電気負荷に継続して供給することができ、電気負荷の作動を継続させることができる。

実施の形態１．
図１〜図３は本発明の実施の形態１に係る電力供給装置を説明する図であり、図１は電力供給装置の全体構成を概念的に示すブロック図、図２及び図３は動作の要部を説明するフロー図である。図において、電力供給装置１は車両の駆動力源であるエンジン２に連結されて電力を発電し、例えば高電圧の直流電力として出力する発電装置３と、発電装置３の出力電圧に基づいて発電装置３の発電電力量を制御する発電制御装置４と、発電装置３から出力された高電圧の直流電力を蓄えるキャパシタからなる第１の蓄電装置５と、発電装置３で出力された直流電力を例えば相対的に低電圧の直流に変換する電力変換器６と、この電力変換器６で変換された電力を蓄えるバッテリからなる第２の蓄電装置７と、電力変換器６の地絡故障を検出する故障検出装置８と、発電装置３及び電力変換器６の入力側線路６ａの間に介装された第１の遮断器９ａと、電力変換器６の出力側線路６ｂ及び第２の蓄電装置７の間に介装された第２の遮断器９ｂと、故障検出装置８が地絡故障を検出したときに第１の遮断器９ａ及び第２の遮断器９ｂを遮断動作させる遮断器制御装置１０を備えている。

そして、第１の蓄電装置５には高電圧の直流で作動する第１の電気負荷１１が接続され、第２の蓄電装置７には電力変換器６で変換された低電圧の直流で作動する第２の負荷１２が接続されている。なお、発電装置３を駆動するエンジン２は、例えばガソリンや軽油などを用いる一般的な内燃機関は好ましく用いることができるが、必ずしもそれらに限定されるものではなく、例えば外燃機関を含む他の熱機関、あるいはその他の動力源としてもよい。また、発電装置３は、例えば発電機、発電電動機などの回転電機の他、燃料電池などであっても良く、その場合にはエンジン２は不要となる。

また、第１の蓄電装置５としてキャパシタを、第２の蓄電装置７としてバッテリをそれぞれ使用するように構成したが、これに限定されるものではなく、例えば第１、第２の蓄電装置５、７を同一方式の蓄電手段とし、あるいはキャパシタ、バッテリ以外の蓄電手段を用いるようにしても差し支えない。さらに、発電装置３側に接続された第１の電気負荷１１は必ずしも必要とするものではない。また、第１の遮断器９ａ及び第２の遮断器９ｂは例えば１つの開閉機構で同時に２回路を開閉するものなどであっても良く、以下区別の必要がない場合等、適宜第１の遮断器９ａ及び第２の遮断器９ｂを包括して遮断器９と呼ぶ。さらに、発電制御装置４は、エンジン２の回転数に応じて発電装置３の発電電力量を調整するものなどであっても差し支えない。

次に上記のように構成された実施の形態１の動作について、図２及び図３のフロー図を参照して説明する。図２は、図１に示された地絡故障を検出する故障検出装置８の処理手順の概略を示している。なお、通常状態では第１、第２の遮断器９ａ、９ｂは閉成されている。そして、車両の走行中にエンジン２の回転に連動して発電装置３が回転駆動されると、図示されていない電機子巻線に発生した例えば３相の交流電圧を整流して出力され、発電制御装置４によって所定の高電圧範囲に制御された直流電力が第１の蓄電装置５に蓄えられると共に、第１の電気負荷１１に供給される。そして、第１の遮断器９ａを経て電力変換器６に入力されＤＣ／ＤＣ変換された上記第１の蓄電装置５に蓄えられる直流電圧よりも低い所定の低電圧の直流電力が第２の蓄電装置７に蓄えられると共に、第２の電気負荷１２に対して供給される。

一方、故障検出装置８は、電力変換器６の出力側線路６ｂの電圧値をモニタしており、図２に示すように検知された電圧値が所定の電圧値Ｖ_ｔｈ１未満である場合、即ち、
電圧値＜Ｖ_ｔｈ１
がＹｅｓの場合、電力変換器６に地絡故障が発生している「地絡故障検出状態」と判断し、地絡故障検出状態に対応した信号を出力する。一方、検知された電圧値が、所定値Ｖ_ｔｈ１以上である場合、即ち、
電圧値＜Ｖ_ｔｈ１
がＮｏの場合、電力変換器６に地絡故障が発生していない「地絡故障未検出状態」、即ち正常と判断し、それに対応した信号を出力する。なお、この実施の形態１においては、電力変換器６の出力端である出力側線路６ｂの電圧値から電力変換器６の地絡故障を検出する方式を用いているが、地絡故障の検知手段はこれに限定されるものではなく、他の方式や手段を用いても差し支えない。

次に遮断器制御装置１０の動作について説明する。図３は図１に示された遮断器制御装置１０の処理手順の概略を示している。上記故障検出装置６の出力信号が地絡故障検出状態の場合、即ち図３の判定ステップの結果がＹｅｓの場合、遮断器制御装置１０は遮断器９を遮断状態に制御する。一方、故障検出装置６の出力信号が地絡故障未検出状態の場合、即ち図３の判定ステップの結果がＮｏの場合は、遮断器９を接続状態に制御する。上記のように、故障検出装置８が電力変換器６の地絡故障を検出したときには、電力変換器６を、電源装置３と第１、第２の蓄電装置５、７及び第１及び第２の電気負荷１１、１２を接続する回路から電気的に遮断することで、第１の蓄電装置５に蓄えられた電力が第１の電気負荷１１に継続して供給され、第２の蓄電装置７に蓄えられた電力が第２の電気負荷１２に継続して供給される。なお、図１の構成の場合、第２の電気負荷１２への電力の供給は第２の蓄電装置７に蓄えられた電気量によって供給できる時間に制限があるので、例えば適当なアラームなどの注意を喚起する手段を設けるようにしても良い。

上記のように、実施の形態１によれば、故障検出装置８が電力変換器６の地絡故障を検出したときに、遮断器制御装置１０が遮断器９を遮断して、電力変換器６を第１の電気負荷１１及び第２の電気負荷１２から切り離すようにしたことにより、第２の蓄電装置１２に蓄えられた電力を第２の電気負荷１２に継続して供給することができ、電気負荷の作動を継続させることができるという効果が得られる。また、電気負荷ないし電源装置への過負荷、ひいては破壊を招く恐れがなくなるので、安全性が向上し、環境保全性も高められる。また、破壊故障が防止されることで当該装置の寿命が延びるので、省エネルギーにも貢献できる。

実施の形態２．
図４、図５は本発明の実施の形態２に係る電力供給装置を説明する図であり、図４は電力供給装置の全体構成を概念的に示すブロック図、図５は図４に示された経路切替手段制御装置の処理手順の概略を示すフロー図である。なお、各図、各実施の形態を通じて同一または相当部分には同一符号を付している。図において、電力供給装置１Ａは、発電装置３の出力を電力変換器６を介して第２の蓄電装置７に接続する第１の経路Ａ、または発電装置３の出力をバイパス路１３を介して第２の蓄電装置７に接続する第２の経路Ｂに切替える切替スイッチ９０ａ、９０ｂからなる経路切替手段９０と、電力変換器６の地絡故障を検出する故障検出装置８と、常時は第１の経路Ａ側に保持し、故障検出装置８が地絡故障を検出したときに第２の経路Ｂ側に切り換えるように経路切替手段９０を制御する経路切替手段制御装置１０Ａを備えている。そして、発電制御装置４は、故障検出装置８が地絡故障を検出したときに、発電装置３の出力を低減させる制御を行うように構成されている。その他の構成は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

次に動作について、実施の形態１との相違点を中心に説明する。なお、故障検出装置８は、実施の形態１と同様に、図４における電力変換器６の出力側線路６ｂの電圧値をモニタしており、検知された電圧値が所定値を上回っているときは、「地絡故障未検出状態」、即ち正常と判断し、正常状態に対応する信号を出力する。一方、検知された電圧値が所定値を下回ったときには、電力変換器６に地絡故障が発生している「地絡故障検出状態」と判断し、地絡故障に対応した信号を出力する。ここで、上記故障検出装置８の出力が地絡故障未検出状態のときは、経路切替手段制御装置１０Ａは、図５に示す地絡故障検出状態の判定結果がＮｏとなり、経路切替手段９０を実線で示す電力変換器通過経路の第１の経路Ａ側に制御し、第２の蓄電装置７及び第２の電気負荷１２に対して電力変換器６によって変換された所定電圧の電力を供給する。

一方、故障検出装置８の出力信号が地絡故障検出状態の場合、経路切替手段制御装置１０Ａにおける、図５の地絡故障検出状態の判定ステップの結果がＹｅｓとなり、経路切替手段９０を一点鎖線で示す電力変換器回避経路である第２の経路Ｂ側に制御する。さらに、経路切替手段９０が第２の経路Ｂ側に切り替えられた場合は、発電制御装置４は故障検出装置８の出力信号を受けて、発電装置３の発電量を第２の蓄電装置７に見合った値に低減させ、第２の蓄電装置７及び第２の電気負荷１２に対して第２の経路Ｂを介して所定の低電圧値に制御された必要な電力を継続して給電する。

上記のように実施の形態２によれば、電力変換器６を通る第１の経路Ａ、電力変換器６をバイパスする第２の経路Ｂ、これら第１及び第２の経路Ａ、Ｂを切り換える経路切替手段９０、及び経路切替手段制御装置１０Ａを備え、故障検出装置８が電力変換器６の地絡故障を検出したときに、電力変換器６を電気的に遮断し、電力変換器６を介さないバイパス経路である第２の経路Ｂに接続すると共に、発電装置３の出力を低減するようにしたので、発電装置３の発電電力を第２の電気負荷１２及び第２の蓄電装置７へ継続して給電することができ、かつ第２の蓄電装置７に蓄えられた電力を第２の電気負荷１２に供給することができる。

実施の形態３．
図６〜図８は本発明の実施の形態３に係る電力供給装置を説明する図であり、図６は電力供給装置の全体構成を概念的に示すブロック図、図７は図６に示された故障検出装置の処理手順の概略を示すフロー図、図８は図６に示された遮断器制御装置の処理手順の概略を示すフロー図である。図における、この実施の形態３の電力供給装置１Ｂは、上記実施の形態１における電力変換器６の地絡故障を検出する故障検出装置８を、電力変換器６の開放故障を検出する故障検出装置８０に置き換えたものに相当する。なお、遮断器制御装置１０は、故障検出装置８０が開放故障を検出したときに遮断器９を遮断するように構成されている。その他の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

次に動作について図７、図８のフロー図を参照して説明する。故障検出装置８０は電力変換器６の出力端となる出力側線路６ｂの電圧値をモニタしており、図７に示すように検出された電圧値が所定の電圧値Ｖ_ｔｈ２未満である場合、即ち、
電圧値＜Ｖ_ｔｈ２
がＹｅｓの場合、電力変換器６に開放故障が発生していると判断し、開放故障に対応した信号を出力する。また、上記検出された電圧値が、所定値Ｖ_ｔｈ２以上である場合、即ち、
電圧値＜Ｖ_ｔｈ２
がＮｏの場合は、電力変換器６に開放故障が発生していない状態（正常）と判断し、正常状態に対応した信号を出力する。なお、この実施の形態３においては、電力変換器６の出力端である出力側線路６ｂの電圧値から電力変換器６の開放故障を検出する方式を用いているが、開放故障の検知手段はこれに限定されず、他の手段を用いても良い。

一方、遮断器制御装置１０は、故障検出装置８０が開放故障を検出したとき、即ち、図８に示す開放故障検出状態の判定がＹｅｓのときは、遮断器９を遮断状態に制御する。また、故障検出装置８０の出力が、開放故障検出状態以外の場合は図８に示す開放故障検出状態の判定がＮｏとなり、遮断器９を接続状態に制御する。このように、電力変換器６の開放故障が検出された場合には電力変換器６を電気的に遮断することから、実施の形態１と同様に、第１の蓄電装置５に蓄えられた電力が第１の電気負荷１１に継続して供給され、第２の蓄電装置７に蓄えられた電力が第２の電気負荷１２に継続して供給される。

上記のように、実施の形態３によれば、故障検出装置８０が電力変換器６の開放故障を検出したときに、遮断器制御装置１０が遮断器９を遮断して、電力変換器６を第１の電気負荷１１及び第２の電気負荷１２から切り離すようにしたことにより、第２の蓄電装置１２に蓄えられた電力を第２の電気負荷１２に継続して供給することができ、電気負荷の作動を継続させることができるという効果が得られる。

実施の形態４．
図９、図１０は本発明の実施の形態４に係る電力供給装置を説明する図であり、図９は電力供給装置の全体構成を概念的に示すブロック図、図１０は図９に示された経路切替手段制御装置の処理手順の概略を示すフロー図である。図において、この実施の形態４の電力供給装置１Ｃは、上記実施の形態２における電力変換器６の地絡故障を検出する故障検出装置８を、電力変換器６の開放故障を検出する故障検出装置８０に置き換えたものに相当する。なお、その他の構成は実施の形態２と同様であるので説明を省略する。

次に動作について説明する。故障検出装置８０が電力変換器６の開放故障を検出した場合には、その出力信号が開放故障検出状態に対応したものとなる。経路切替手段制御装置１０Ａは、故障検出装置８０の出力信号が開放故障検出状態の場合、図１０における開放故障検出状態の判定ステップがＹｅｓとなり、経路切替手段９０を電力変換器６を経由する第１の経路Ａから、電力変換器６の回避経路であるバイパス側の第２の経路Ｂ側に切り替えるように制御する。そして、経路切替手段９０が第２の経路Ｂ側に切り換えられたときは、発電制御装置４は、発電装置３の発電量を第２の蓄電装置７に見合った値に低減させ、第２の蓄電装置７及び第２の電気負荷１２に対して第２の経路Ｂを通じて所定の低電圧値に制御された必要な電力が継続して給電される。一方、故障検出装置８０の出力信号が開放故障未検出状態の場合は、図１０における開放故障検出状態の判定ステップがＮｏとなり、経路切替手段制御装置１０Ａは、経路切替手段９０を電力変換器６を通過する経路である第１の経路Ａ側に制御する。

上記のように、実施の形態４によれば、電力変換器６を通る第１の経路Ａ、電力変換器６をバイパスする第２の経路Ｂ、これら第１及び第２の経路Ａ、Ｂを切り換える経路切替手段９０、及び経路切替手段制御装置１０Ａを備え、故障検出装置８０が電力変換器６の開放故障を検出したときに、電力変換器６を電気的に遮断し、電力変換器６を介さないバイパス経路である第２の経路Ｂに切り替えると共に、発電装置３の発電量を低減するようにしたので、発電装置３の発電電力を第２の電気負荷１２及び第２の蓄電装置７へ継続して給電することができ、かつ第２の蓄電装置７に蓄えられた電力を第２の電気負荷１２に供給することができる。

なお、上記実施の形態１〜４では、故障検出装置８が地絡故障を検出し、あるいは故障検出装置８０が開放故障を検出するように、検出対象が個別に構成された場合について説明したが、もとよりこれに限定されるものではない。例えば実施の形態１〜４を適宜組み合わせ、１つの故障検出装置で地絡故障と開放故障の何れでも検出できるように構成し、あるいは、地絡故障、開放故障、短絡故障の何れの故障も検出できるように構成しても良い。また、この発明を車両用電源として用いた場合について説明したが、この発明の用途は特に車両に限定されないことは言うまでもない。

本発明の実施の形態１に係る電力供給装置の全体構成を概念的に示すブロック図。図１に示された故障検出装置の処理手順の概略を示すフロー図。図１に示された遮断器制御装置の処理手順の概略を示すフロー図。本発明の実施の形態２に係る電力供給装置の全体構成を概念的に示すブロック図。図４に示された経路切替手段制御装置の処理手順の概略を示すフロー図。本発明の実施の形態３に係る電力供給装置の全体構成を概念的に示すブロック図。図６に示された故障検出装置の処理手順の概略を示すフロー図。図６に示された遮断器制御装置の処理手順の概略を示すフロー図。本発明の実施の形態４に係る電力供給装置の全体構成を概念的に示すブロック図。図９に示された経路切替手段制御装置の処理手順の概略を示すフロー図。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ電力供給装置、２エンジン、３発電装置、４発電制御装置、５第１の蓄電装置、６電力変換器、６ａ入力側線路、６ｂ出力側線路、７第２の蓄電装置、８（地絡）故障検出装置、９遮断器、９ａ第１の遮断器、９ｂ第２の遮断器、１０遮断器制御装置、１１第１の電気負荷、１２第２の負荷、１３バイパス路、８０（開放）故障検出装置、９０経路切替手段、９０ａ、９０ｂ切替スイッチ、１０Ａ経路切替手段制御装置、Ａ第１の経路、Ｂ第２の経路。

Claims

発電装置の発電電力量を制御する発電制御装置と、上記発電装置に接続され該発電装置により発電された電力を蓄える第１の蓄電装置と、上記発電装置により発電された電力を変換する電力変換器と、この電力変換器により変換された電力を蓄える、負荷と並列に接続される第２の蓄電装置と、上記発電装置及び上記電力変換器の入力側線路の間に介装された第１の遮断器と、上記電力変換器の出力側線路及び上記第２の蓄電装置の間に介装された第２の遮断器と、上記電力変換器の地絡故障または開放故障を検出する故障検出装置と、この故障検出装置が地絡故障または開放故障を検出したときに上記第１の遮断器及び上記第２の遮断器を遮断動作させる遮断器制御装置を備えたことを特徴とする電力供給装置。
発電装置の発電電力量を制御する発電制御装置と、上記発電装置に接続され該発電装置により発電された電力を蓄える第１の蓄電装置と、上記発電装置により発電された電力を変換する電力変換器と、この電力変換器をバイパスするバイパス路と、上記電力変換器により変換された電力を蓄える、負荷と並列に接続される第２の蓄電装置と、上記発電装置の出力を上記電力変換器を介して上記第２の蓄電装置に接続する第１の経路または上記発電装置の出力を上記バイパス路を介して上記第２の蓄電装置に接続する第２の経路に切替える経路切替手段と、上記電力変換器の地絡故障または開放故障を検出する故障検出装置と、常時は上記第１の経路に保持し、上記故障検出装置が地絡故障または開放故障を検出したときに上記第２の経路に切り換えるように上記経路切替手段を制御する経路切替手段制御装置とを備え、上記発電制御装置は、上記故障検出装置が地絡故障または開放故障を検出したときに、上記発電装置の出力を低減させることを特徴とする電力供給装置。
上記発電装置は、内燃機関によって駆動される回転電機からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力供給装置。
上記電力変換器は、電圧を降下させるＤＣ／ＤＣコンバータからなることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の電力供給装置。