JP6788119B2

JP6788119B2 - 負荷制御装置

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Publication number: JP6788119B2
Application number: JP2019530934A
Authority: JP
Inventors: 光三浦; 明広町田; 睦菊地; 山内　辰美; 辰美山内
Original assignee: Hitachi Automotive Systems Ltd
Current assignee: Hitachi Astemo Ltd
Priority date: 2017-07-19
Filing date: 2018-06-13
Publication date: 2020-11-18
Anticipated expiration: 2038-06-13
Also published as: US11201614B2; JPWO2019017119A1; WO2019017119A1; US20210091763A1

Description

本発明は、誘導性の負荷を制御する負荷制御装置に関する。

コイル等を用いた誘導性の負荷を駆動制御する際に、還流電流が流れる還流経路の状態を監視する技術が知られている。特許文献１には、誘導負荷に並列接続されて還流ラインを構成するフライホイールダイオードと、誘導負荷駆動端子の端子電圧を検知するためのピークホールド機能を備えた駆動端子電圧モニタ回路と、この駆動端子電圧モニタ回路の出力値から還流ラインの開放故障を検知する故障検知回路とを有する誘導負荷駆動回路が開示されている。

特開２０００−２６９０２９号公報

特許文献１に記載された誘導負荷駆動回路では、ピークホールド機能を備えた駆動端子電圧モニタ回路が必要となるため、回路規模が増大する。特に、複数の誘導負荷を駆動制御する場合には、こうした駆動端子電圧モニタ回路が誘導負荷ごとに必要となるため、装置の大型化やコストアップにつながる。

本発明による負荷制御装置は、オンオフ制御されて誘導性の負荷に流れる電流を制御するスイッチング回路と、前記負荷に接続されて前記電流を還流するための還流経路を形成する還流ダイオードと、前記還流ダイオードの出力電圧を測定する第１の電圧測定部と、前記第１の電圧測定部により測定された前記還流ダイオードの出力電圧に基づいて、前記還流経路の断線を検知する制御部と、を備え、複数の前記負荷に対して、前記スイッチング回路および前記還流ダイオードをそれぞれ有しており、複数の前記還流ダイオードの出力は、所定の接続点で互いに電気的に接続されており、前記第１の電圧測定部は、前記接続点の電圧を測定することで複数の前記還流ダイオードの出力電圧を測定する。

本発明によれば、回路規模の増大を抑えつつ、還流電流が流れる還流経路の断線を検知することができる。

本発明の一実施形態に係る負荷制御方法を適用した電池駆動システムの構成を示す図である。負荷制御機能に関する電池監視装置の回路構成例を示す図である。コンタクタ制御シーケンスの一例を示す図である。還流経路の断線発生時における検出電圧および駆動信号の例を示す図である。

以下では図１を用いて本発明の一実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る負荷制御方法を適用した電池駆動システムの構成を示す図である。図１に示す電池駆動システムは、モータ１、インバータ２、電池監視装置３および組電池６を有している。

インバータ２は、組電池６から供給される直流電力を交流電力に変換し、モータ１に出力する。モータ１は、インバータ２から出力される交流電力を用いて回転駆動し、駆動力を発生する。すなわち、モータ１およびインバータ２は、組電池６から供給される電力を用いて動作する動作システムであり、組電池６に対する負荷として作用する。なお、モータ１の回生発電によって得られた交流電力をインバータ２により直流電力に変換し、組電池６に出力して組電池６を充電できるようにしてもよい。

組電池６は、複数の電池モジュール５により構成される。各電池モジュール５は、直列接続された複数の電池セル４によって構成される。組電池６は、メインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８を介してインバータ２に接続されている。

電池監視装置３は、組電池６を構成する各電池セル４の状態を監視すると共に、メインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８の切り替え制御を行う。すなわち、電池監視装置３は、組電池６の監視を行う電池監視機能に加えて、誘導性の負荷であるメインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８の各コイルの制御を行う負荷制御装置としての機能（負荷制御機能）を有している。メインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８には、コンタクタ電源１０に接続されており、コンタクタ電源１０に対する誘導性の負荷として作用するコイルがそれぞれ設けられている。電池監視装置３は、各コイルに流れる電流を制御することで、各コイルが発生する磁界を制御し、メインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８の切替状態をそれぞれ制御することができる。

電池駆動システムにおいて組電池６をインバータ２へ接続する際に、電池監視装置３は、最初にプリチャージリレー８とメインコンタクタ７ｂをオフからオンに切り替えることで、接続時に流れる突入電流をプリチャージ抵抗９によって制限する。その後、所定時間が経過したら、メインコンタクタ７ａをオフからオンに切り替えると共に、プリチャージリレー８をオンからオフに切り替える。これにより、組電池６からインバータ２へ電力を供給する際には、プリチャージ抵抗９によって無駄な電力消費が発生するのを回避する。

電池監視装置３には、マイコンやＦＰＧＡ等を用いて構成された制御部１１が設けられている。制御部１１は、組電池６の監視や各コイルの制御を行うために必要な各種の処理や演算を実行する。

次に、電池監視装置３における負荷制御装置としての機能について説明する。図２は、負荷制御機能に関する電池監視装置３の回路構成例を示す図である。図２に示すように、電池監視装置３は、制御部１１に加えて、例えば、モニタ回路１２ａ、１２ｂ、１２ｃおよび１２ｄと、スイッチング回路１３ａ、１３ｂおよび１３ｃと、還流ダイオード１４ａおよび１４ｂと、入力回路１５ａ、１５ｂおよび１５ｃと、クランプ回路１６ａおよび１６ｂと、を有している。

電池監視装置３には、コネクタ端子１７ａ、１７ｂ、１７ｃおよび１７ｄが設けられている。メインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８がそれぞれ有するコイルの一方の端子は、電池監視装置３のコネクタ端子１７ｄに接続されると共に、コンタクタ電源制御リレー１８を介してコンタクタ電源１０に接続されている。コネクタ端子１７ａには、メインコンタクタ７ａのコイルの他方の端子が接続されている。コネクタ端子１７ｂには、メインコンタクタ７ｂのコイルの他方の端子が接続されている。コネクタ端子１７ｃには、プリチャージリレー８のコイルの他方の端子が接続されている。

モニタ回路１２ａは、メインコンタクタ７ａのコイルの端子電圧（コンタクタ電源１０に接続されていない方の端子電圧）を測定するための回路である。制御部１１の入力端子ＡＤＣａには、モニタ回路１２ａを介して、メインコンタクタ７ａのコイルの端子電圧に応じた電圧が入力される。制御部１１は、入力端子ＡＤＣａに入力された電圧をＡＤ変換して取り込み、この電圧値に基づいてメインコンタクタ７ａのコイルの端子電圧を測定する。

モニタ回路１２ｂは、メインコンタクタ７ｂのコイルの端子電圧（コンタクタ電源１０に接続されていない方の端子電圧）を測定するための回路である。制御部１１の入力端子ＡＤＣｂには、モニタ回路１２ｂを介して、メインコンタクタ７ｂのコイルの端子電圧に応じた電圧が入力される。制御部１１は、入力端子ＡＤＣｂに入力された電圧をＡＤ変換して取り込み、この電圧値に基づいてメインコンタクタ７ｂのコイルの端子電圧を測定する。

モニタ回路１２ｃは、プリチャージリレー８のコイルの端子電圧（コンタクタ電源１０に接続されていない方の端子電圧）を測定するための回路である。制御部１１の入力端子ＡＤＣｃには、モニタ回路１２ｃを介して、プリチャージリレー８のコイルの端子電圧に応じた電圧が入力される。制御部１１は、入力端子ＡＤＣｃに入力された電圧をＡＤ変換して取り込み、この電圧値に基づいてプリチャージリレー８のコイルの端子電圧を測定する。

モニタ回路１２ｄは、還流ダイオード１４ａおよび１４ｂの出力電圧（カソード端子電圧）を測定するための回路である。還流ダイオード１４ａおよび１４ｂの出力は、所定の接続点で互いに電気的に接続されている。制御部１１の入力端子ＡＤＣｄには、モニタ回路１２ｄを介してこの接続点が接続されており、還流ダイオード１４ａおよび１４ｂの出力電圧に応じた電圧が入力される。制御部１１は、入力端子ＡＤＣｄに入力された電圧をＡＤ変換して取り込み、この電圧値に基づいて還流ダイオード１４ａおよび１４ｂの出力電圧を測定する。

スイッチング回路１３ａは、制御部１１によりオンオフ制御されることで、メインコンタクタ７ａのコイルに流れる電流を制御する。スイッチング回路１３ａは、たとえばｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いて構成されており、ゲート端子が入力回路１５ａを介して制御部１１の出力端子ＰＷＭａに接続されると共に、ドレイン端子がコネクタ端子１７ａを介してメインコンタクタ７ａのコイルに接続されている。

スイッチング回路１３ｂは、制御部１１によりオンオフ制御されることで、メインコンタクタ７ｂのコイルに流れる電流を制御する。スイッチング回路１３ｂは、たとえばｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いて構成されており、ゲート端子が入力回路１５ｂを介して制御部１１の出力端子ＰＷＭｂに接続されると共に、ドレイン端子がコネクタ端子１７ｂを介してメインコンタクタ７ｂのコイルに接続されている。

スイッチング回路１３ｃは、制御部１１によりオンオフ制御されることで、プリチャージリレー８のコイルに流れる電流を制御する。スイッチング回路１３ｃは、たとえばｎ型ＭＯＳＦＥＴを用いて構成されており、ゲート端子が入力回路１５ｃを介して制御部１１の出力端子ＧＰＩＯに接続されると共に、ドレイン端子がコネクタ端子１７ｃを介してプリチャージリレー８のコイルに接続されている。

還流ダイオード１４ａは、コネクタ端子１７ａおよび１７ｄを介してメインコンタクタ７ａのコイルの両端に接続されており、メインコンタクタ７ａのコイルに流れる電流を還流するための還流経路を形成する。すなわち、スイッチング回路１３ａがオンからオフに切り替えられると、メインコンタクタ７ａのコイルに流れる電流は還流ダイオード１４ａを通して還流される。電池監視装置３において、還流ダイオード１４ａの入力側（アノード端子側）には、スイッチング回路１３ａのドレイン端子、クランプ回路１６ａおよびモニタ回路１２ａが接続されている。また、還流ダイオード１４ａの出力側（カソード端子側）には、モニタ回路１２ｄが接続されている。

還流ダイオード１４ｂは、コネクタ端子１７ｂおよび１７ｄを介してメインコンタクタ７ｂのコイルの両端に接続されており、メインコンタクタ７ｂのコイルに流れる電流を還流するための還流経路を形成する。すなわち、スイッチング回路１３ｂがオンからオフに切り替えられると、メインコンタクタ７ｂのコイルに流れる電流は還流ダイオード１４ｂを通して還流される。電池監視装置３において、還流ダイオード１４ｂの入力側（アノード端子側）には、スイッチング回路１３ｂのドレイン端子、クランプ回路１６ｂおよびモニタ回路１２ｂが接続されている。また、還流ダイオード１４ｂの出力側（カソード端子側）には、モニタ回路１２ｄが接続されている。

クランプ回路１６ａは、ダイオードとツェナーダイオードが直列接続されて構成された回路であり、スイッチング回路１３ａのゲート端子とドレイン端子の間に接続されている。クランプ回路１６ａは、メインコンタクタ７ａのコイルと還流ダイオード１４ａによって形成された還流経路が断線した際に、メインコンタクタ７ａのコイルからスイッチング回路１３ａに印加される電圧を所定のクランプ電圧Ｖｚ以下にクランプする。

クランプ回路１６ｂは、ダイオードとツェナーダイオードが直列接続されて構成された回路であり、スイッチング回路１３ｂのゲート端子とドレイン端子の間に接続されている。クランプ回路１６ｂは、メインコンタクタ７ｂのコイルと還流ダイオード１４ｂによって形成された還流経路が断線した際に、メインコンタクタ７ｂのコイルからスイッチング回路１３ｂに印加される電圧を所定のクランプ電圧Ｖｚ以下にクランプする。

制御部１１は、出力端子ＰＷＭａ、ＰＷＭｂ、ＧＰＩＯから入力回路１５ａ、１５ｂ、１５ｃをそれぞれ介して、スイッチング回路１３ａ、１３ｂ、１３ｃの各ゲート端子に駆動信号を出力する。スイッチング回路１３ａ、１３ｂおよび１３ｃは、制御部１１からそれぞれのゲート端子に入力される駆動信号に基づいてオンオフ状態がそれぞれ制御される。また、制御部１１は、入力端子ＡＤＣｄで測定した還流ダイオード１４ａおよび１４ｂの出力電圧に基づいて、還流経路の断線状態を診断する。なお、具体的な診断方法については後で説明する。

次に、電池監視装置３におけるメインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８の制御手順について説明する。図３は、組電池６をインバータ２へ接続してから切断するまでのコンタクタ制御シーケンスの一例を示す図である。

図３に示すように、電池監視装置３は、時刻ｔ１において起動されると、休止状態を経た後の時刻ｔ２において、最初にメインコンタクタ７ｂをオフからオンに切り替える。このとき電池監視装置３は、制御部１１の出力端子ＰＷＭｂからスイッチング回路１３ｂのゲート端子に対して、所定のデューティによるＰＷＭ駆動信号を出力することで、メインコンタクタ７ｂのコイルに流れる電流を制御する。すなわち、ＰＷＭ駆動信号がＨｉｇｈの期間では、スイッチング回路１３ｂがオンになることで、コンタクタ電源１０からメインコンタクタ７ｂのコイルが通電され、当該コイルに流れる電流が増大する。一方、ＰＷＭ駆動信号がＬｏｗの期間では、スイッチング回路１３ｂがオフになることで、コンタクタ電源１０からメインコンタクタ７ｂのコイルへの通電が遮断される。このとき、当該コイルの誘導成分による励磁電流が、当該コイルと還流ダイオード１４ｂによって形成される還流経路を還流電流として流れることで、当該コイルにはしばらくの間電流が流れ続ける。これを繰り返すことで、メインコンタクタ７ｂをオン状態に維持しつつ、コイル消費電流を低減することができる。

次に電池監視装置３は、時刻ｔ３において、プリチャージリレー８をオフからオンに切り替えることで、プリチャージ動作状態へと遷移する。このとき電池監視装置３は、制御部１１の出力端子ＧＰＩＯからスイッチング回路１３ｃのゲート端子に対して出力する駆動信号をＬｏｗからＨｉｇｈに変化することで、コンタクタ電源１０からプリチャージリレー８のコイルに通電して当該コイルに電流が流れるようにする。

プリチャージ動作状態が所定期間経過してプリチャージが完了すると、続いて電池監視装置３は、時刻ｔ４において、メインコンタクタ７ａをオフからオンに切り替える。このとき電池監視装置３は、メインコンタクタ７ｂの場合と同様に、制御部１１の出力端子ＰＷＭａからスイッチング回路１３ａのゲート端子に対して、所定のデューティによるＰＷＭ駆動信号を出力することで、メインコンタクタ７ａのコイルに流れる電流を制御する。すなわち、ＰＷＭ駆動信号がＨｉｇｈの期間では、スイッチング回路１３ａがオンになることで、コンタクタ電源１０からメインコンタクタ７ａのコイルが通電され、当該コイルに流れる電流が増大する。一方、ＰＷＭ駆動信号がＬｏｗの期間では、スイッチング回路１３ａがオフになることで、コンタクタ電源１０からメインコンタクタ７ａのコイルへの通電が遮断される。このとき、当該コイルの誘導成分による励磁電流が、当該コイルと還流ダイオード１４ａによって形成される還流経路を還流電流として流れることで、当該コイルにはしばらくの間電流が流れ続ける。これを繰り返すことで、メインコンタクタ７ａをオン状態に維持しつつ、コイル消費電流を低減することができる。

メインコンタクタ７ａをオンに切り替えたら、電池監視装置３は、時刻ｔ５において、プリチャージリレー８をオンからオフに切り替えることで、組電池６とインバータ２の接続が完了してインバータ２の動作を開始できる通常動作状態へと遷移する。このとき電池監視装置３は、制御部１１の出力端子ＧＰＩＯからスイッチング回路１３ｃのゲート端子に対して出力する駆動信号をＨｉｇｈからＬｏｗに変化することで、プリチャージリレー８のコイルへの通電を遮断する。

組電池６とインバータ２の接続を遮断する場合には、電池監視装置３は、時刻ｔ６、ｔ７において、メインコンタクタ７ａ、７ｂをそれぞれオンからオフに切り替えることで、休止状態へと遷移する。このとき電池監視装置３は、制御部１１の出力端子ＰＷＭａ、ＰＷＭｂからスイッチング回路１３ａ、１３ｂのゲート端子に対するＰＷＭ駆動信号の出力をそれぞれ停止することで、メインコンタクタ７ａ、７ｂのコイルへの通電をそれぞれ遮断する。

なお、上記のプリチャージ動作状態および通常動作状態の期間において、電池監視装置３は、制御部１１の入力端子ＡＤＣｄで検出されるコンタクタ電源１０の電圧Ｖｃが、メインコンタクタ７ａ、７ｂやプリチャージリレー８を正常に動作させるのに必要な所定の動作下限電圧以上であるか否かを判断する。その結果、コンタクタ電源１０の電圧Ｖｃが動作下限電圧未満である状態が継続した場合には、制御部１１の出力端子ＰＷＭａ、ＰＷＭｂおよびＧＰＩＯからスイッチング回路１３ａ、１３ｂおよび１３ｃに対してそれぞれ出力される駆動信号を全てＬｏｗとする。これにより、組電池６とインバータ２の接続を強制的に遮断し、安全性を確保する。

次に、メインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８の断線状態の診断方法について説明する。

図２に示す回路構成において、コンタクタ電源制御リレー１８がオンになると、制御部１１の入力端子ＡＤＣｄには、電池監視装置３のコネクタ端子１７ｄおよびモニタ回路１２ｄを介して、コンタクタ電源１０の電圧Ｖｃが入力される。したがって、このとき制御部１１の入力端子ＡＤＣｄにおいて検出される還流ダイオード１４ａおよび１４ｂの出力電圧は、コンタクタ電源１０の電圧Ｖｃに等しい。

ここで、スイッチング回路１３ａ、１３ｂが制御部１１からＰＷＭ駆動信号を受けてそれぞれＰＷＭ制御されている通常動作状態のときに、電池監視装置３のコネクタ端子１７ｄが開放故障したとする。この場合、メインコンタクタ７ａのコイルと還流ダイオード１４ａによる還流経路、およびメインコンタクタ７ｂのコイルと還流ダイオード１４ｂによる還流経路が、コネクタ端子１７ｄにおいて断線され、開回路となる。この状態で、スイッチング回路１３ａおよび１３ｂの少なくとも一方がオンからオフに切り替えられると、メインコンタクタ７ａおよび７ｂのうち当該スイッチング回路に対応するコンタクタのコイルが発生する誘導起電力により、当該スイッチング回路のドレイン端子に対して、通常時よりも高電圧が印加される。すると、当該スイッチング回路と、クランプ回路１６ａおよび１６ｂのうち当該スイッチング回路に接続されているクランプ回路とにより、当該スイッチング回路のドレイン端子の電圧がクランプ電圧Ｖｚ以下にクランプされる。

上記のような状態のときに、制御部１１では、当該コイルの自己誘導起電力による印加電圧がクランプ電圧Ｖｚ以下となるまでの間、入力端子ＡＤＣｄにおいて、クランプ電圧Ｖｚから還流ダイオード１４ａまたは１４ｂの電圧降下分を差し引いた電圧が検出される。したがって、ＰＷＭ制御によりスイッチング回路１３ａおよび１３ｂのオンオフの切り替えが繰り返されると、入力端子ＡＤＣｄにおいて検出される還流ダイオード１４ａおよび１４ｂの出力電圧は、略一定のクランプ電圧Ｖｚ付近に維持される。この際に、スイッチング回路１３ａおよび１３ｂと、クランプ回路１６ａおよび１６ｂとは、還流ダイオード１４ａおよび１４ｂの出力電圧に対するサンプルホールド回路として動作する。

以上説明したように、スイッチング回路１３ａ、１３ｂがＰＷＭ制御されているときに還流経路が断線した場合には、制御部１１の入力端子ＡＤＣｄにおいてクランプ電圧Ｖｚに応じた電圧が検出される。したがって、非断線時に測定される還流ダイオード１４ａおよび１４ｂの出力電圧、すなわちコンタクタ電源１０の電圧Ｖｃと比べて、クランプ電圧Ｖｚを十分高い電圧に設定しておけば、制御部１１は、入力端子ＡＤＣｄで検出される電圧を監視することで、還流経路の断線を検知することができる。

なお、上記ではスイッチング回路１３ａ、１３ｂがそれぞれＰＷＭ制御されている通常動作状態の場合を説明したが、スイッチング回路１３ａおよび１３ｂの少なくとも一方がＰＷＭ制御されていれば、同様の方法で還流経路の断線検知が可能である。すなわち、メインコンタクタ７ｂのコイルに接続されているスイッチング回路７ｂのみがＰＷＭ制御されているプリチャージ期間や、スイッチング回路１３ａまたは１３ｂの一方が常時オン（デューティ１００％）または常時オフ（デューティ０％）である場合なども、同様の方法により、電池監視装置３のコネクタ端子１７ｄが開放故障した際に還流経路の断線検知を行うことができる。

以上説明した還流経路の断線検知について、図４を参照してさらに詳細な説明を行う。図４は、還流経路の断線発生時における制御部１１の検出電圧および駆動信号の例を示す図である。

メインコンタクタ７ａのコイルと還流ダイオード１４ａによる還流経路、およびメインコンタクタ７ｂのコイルと還流ダイオード１４ｂによる還流経路のいずれにおいても断線が発生していない場合に、コンタクタ電源制御リレー１８がオンされると、制御部１１の入力端子ＡＤＣｄでは、コンタクタ電源１０の電圧Ｖｃが検出される。続いて制御部１１は、メインコンタクタ７ａ、７ｂの制御信号として、スイッチング回路１３ａ、１３ｂに対してＰＷＭ駆動信号をそれぞれ出力する。これにより、スイッチング回路１３ａ、１３ｂをＰＷＭ制御する。この状態でも、制御部１１の入力端子ＡＤＣｄでは、コンタクタ電源１０の電圧Ｖｃが検出される。

ここで、時刻ｔ１１において、電池監視装置３のコネクタ端子１７ｄが開放故障し、メインコンタクタ７ａのコイルと還流ダイオード１４ａによる還流経路、およびメインコンタクタ７ｂのコイルと還流ダイオード１４ｂによる還流経路において、断線が生じたとする。このとき制御部１１の入力端子ＡＤＣｄで検出される電圧は、図４に示すように、コンタクタ電源１０の電圧Ｖｃよりも高いクランプ電圧Ｖｚに上昇する。その理由は、既に説明したように、メインコンタクタ７ａ、７ｂの各コイルが発生した誘導起電力により、高電圧がスイッチング回路１３ａ、１３ｂのドレイン端子にそれぞれ印加されることで、各ドレイン端子の電圧がクランプ電圧Ｖｚにクランプされ、還流ダイオード１４ａ、１４ｂを介して検出されるためである。

制御部１１は、上記のような入力端子ＡＤＣｄでの検出電圧の上昇を検知することで、還流経路の断線を検知する。還流経路の断線を検知したら、制御部１１は時刻ｔ１２において、出力端子ＰＷＭａ、ＰＷＭｂからスイッチング回路１３ａ、１３ｂに対してそれぞれ出力するＰＷＭ駆動信号のデューティを、通常動作状態でのＰＷＭ制御用の値である１００％未満の値から、１００％に変化させる。すなわち、スイッチング回路１３ａおよび１３ｂの切り替え状態を、ＰＷＭ制御からデューティ１００％の常時オンへと切り替える。これにより、還流経路が断線してメインコンタクタ７ａ、７ｂの各コイルに還流電流が流れなくなった場合においても、各コイルに流れる電流の時間平均レベルが通常時よりも低下するのを防ぎ、各コンタクタの切り替え状態を正常なオン状態に保持することができる。その結果、還流経路の断線に起因する各コンタクタの接触力低下による溶着を防ぐことが可能となる。

なお、時刻ｔ１２でスイッチング回路１３ａおよび１３ｂが常時オン状態に切り替えられると、制御部１１の入力端子ＡＤＣｄで検出される電圧は、図４に示すように、クランプ電圧Ｖｚから０Ｖ（Ｌｏｗ）に向かって次第に低下する。その理由は、スイッチング回路１３ａおよび１３ｂが常時オン状態となることで、スイッチング回路１３ａ、１３ｂのドレイン端子の電圧は、接地されたソース端子の電位とそれぞれ等しくなるためである。したがって、制御部１１は、スイッチング回路１３ａおよび１３ｂが常時オン状態のときには、入力端子ＡＤＣｄにおける検出電圧が０Ｖに変化した場合に、還流経路の断線を検知することが可能である。

その後、制御部１１は時刻ｔ１３において、組電池６とインバータ２の接続を遮断するために、出力端子ＰＷＭａ、ＰＷＭｂからスイッチング回路１３ａ、１３ｂに対する駆動信号の出力を停止する。すると図４に示すように、制御部１１の入力端子ＡＤＣｄで検出される電圧は、コンタクタ電源１０の電圧Ｖｃから還流ダイオード１４ａ、１４ｂでの電圧降下量Ｖｆだけ低い電圧となる。その理由は、スイッチング回路１３ａおよび１３ｂが常時オフ状態となることで、スイッチング回路１３ａ、１３ｂのドレイン端子の電圧は、メインコンタクタ７ａ、７ｂの各コイルを介して接続されたコンタクタ電源１０の電圧Ｖｃと等しくなるためである。したがって、制御部１１は、スイッチング回路１３ａおよび１３ｂが常時オフ状態のときには、入力端子ＡＤＣｄにおける検出電圧がコンタクタ電源１０の電圧Ｖｃよりも電圧降下量Ｖｆだけ低い電圧に変化した場合に、還流経路の断線を検知することが可能である。

なお、上記の場合において、スイッチング回路１３ａ、１３ｂのドレイン端子電圧に対する入力端子ＡＤＣｄでの電圧降下量を増加させることにより、スイッチング回路１３ａおよび１３ｂが常時オフ状態であるときの検出電圧の変化を検知しやすくしてもよい。たとえば、複数のダイオードの直列接続により還流ダイオード１４ａ、１４ｂをそれぞれ構成してもよいし、還流ダイオード１４ａ、１４ｂに対してそれぞれ直列に抵抗やツェナーダイオードを挿入してもよい。これにより、モニタ回路１２ｄの素子特性のばらつき等を考慮して、より確実な還流経路の断線検知を実現することが可能となる。

また、上記では還流経路の断線を検知した場合に、制御部１１の出力端子ＰＷＭａ、ＰＷＭｂからスイッチング回路１３ａ、１３ｂに対してそれぞれ出力するＰＷＭ駆動信号のデューティを１００％に変化させることとしたが、変化後のＰＷＭ駆動信号のデューティは必ずしも１００％に限らない。各コンタクタの切り替え状態を正常なオン状態に保持して溶着を防ぐことができれば、変化後のＰＷＭ駆動信号のデューティは任意の値とすることが可能である。

さらに、還流経路が断線した場合には、制御部１１の入力端子ＡＤＣａ、ＡＤＣｂ、ＡＤＣｃでそれぞれ検出されるメインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８の各コイルの端子電圧に基づいて、コンタクタ電源１０の電圧Ｖｃを計測してもよい。すなわち、電池監視装置３のコネクタ端子１７ｄが開放故障して還流経路が断線すると、制御部１１の入力端子ＡＤＣｄにおいてコンタクタ電源１０の電圧Ｖｃを検出できなくなる。そこで、このような場合には、入力端子ＡＤＣｄの代わりに入力端子ＡＤＣａ、ＡＤＣｂ、ＡＤＣｃのいずれかを用いて、スイッチング回路１３ａ、１３ｂおよび１３ｃのうちでオフ状態になっているスイッチング回路と接続されているコイルの端子電圧を計測する。これにより、当該コイルを介して接続されたコンタクタ電源１０の電圧Ｖｃを計測することが好ましい。

具体的には、図３の時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間、および時刻ｔ７以降の期間では、電池監視装置３が休止状態であり、スイッチング回路１３ａ、１３ｂ、１３ｃはいずれもオフ状態である。そのため、これらの期間では、制御部１１の入力端子ＡＤＣａ、ＡＤＣｂ、ＡＤＣｃのうち任意の入力端子での測定結果を用いて、コンタクタ電源１０の電圧Ｖｃを計測することができる。一方、図３の時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間では、電池監視装置３がプリチャージ状態であり、メインコンタクタ７ａに対応するスイッチング回路１３ａのみがオフ状態となっている。そのため、この期間では、制御部１１の入力端子ＡＤＣａでの測定結果を用いて、コンタクタ電源１０の電圧Ｖｃを計測することができる。また、図３の時刻ｔ５から時刻ｔ６までの期間では、電池監視装置３が通常動作状態であり、プリチャージリレー８に対応するスイッチング回路１３ｃのみがオフ状態となっている。そのため、この期間では、制御部１１の入力端子ＡＤＣｃでの測定結果を用いて、コンタクタ電源１０の電圧Ｖｃを計測することができる。

以上説明したように、還流経路が断線した場合でも、制御部１１においてコンタクタ電源１０の電圧Ｖｃを測定することが可能である。その結果、得られたコンタクタ電源１０の電圧Ｖｃが動作下限電圧未満である状態が継続した場合には、前述した断線が発生していない場合と同様に、制御部１１の出力端子ＰＷＭａ、ＰＷＭｂおよびＧＰＩＯからスイッチング回路１３ａ、１３ｂおよび１３ｃに対してそれぞれ出力される駆動信号を全てＬｏｗとする。これにより、組電池６とインバータ２の接続を強制的に遮断し、安全性を確保する。

以上説明した本発明の一実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。

（１）電池駆動システムにおける電池監視装置３は、誘導性の負荷であるメインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８の各コイルを制御する負荷制御装置として機能する。この電池監視装置３は、オンオフ制御されてコイルに流れる電流を制御するスイッチング回路１３ａ、１３ｂと、コイルに接続されて電流を還流するための還流経路を形成する還流ダイオード１４ａ、１４ｂと、制御部１１とを備える。制御部１１は、還流ダイオード１４ａ、１４ｂの出力電圧を入力端子ＡＤＣｄにおいて測定する第１の電圧測定部として機能すると共に、測定された還流ダイオード１４ａ、１４ｂの出力電圧に基づいて、還流経路の断線を検知する。このようにしたので、コイルの端子電圧を測定するためにピークホールド機能を備えたモニタ回路を設けなくても、還流経路の断線検知を実現できる。したがって、回路規模の増大を抑えつつ、還流電流が流れる還流経路の断線を検知することができる。

（２）電池監視装置３は、メインコンタクタ７ａ、７ｂの各コイルに対して、スイッチング回路（スイッチング回路１３ａ、１３ｂ）および還流ダイオード（還流ダイオード１４ａ、１４ｂ）をそれぞれ有している。還流ダイオード１４ａおよび１４ｂの出力は、所定の接続点で互いに電気的に接続されている。制御部１１は、この接続点の電圧を測定することで還流ダイオード１４ａおよび１４ｂの出力電圧を測定する。このようにしたので、誘導性の負荷として複数のコイルが接続されていても、一つの接続点の電圧を測定することで還流経路の断線を検知することができる。したがって、さらなる回路規模の抑制が可能である。

（３）電池監視装置３は、コイルからスイッチング回路１３ａ、１３ｂにそれぞれ印加される電圧を所定のクランプ電圧Ｖｚ以下にクランプするクランプ回路１６ａ、１６ｂをさらに備える。クランプ回路１６ａ、１６ｂは、還流ダイオード１４ａ、１４ｂの入力側にそれぞれ接続されており、クランプ電圧Ｖｚは、還流経路が断線していないときに制御部１１により測定される還流ダイオードの出力電圧よりも高い電圧である。このようにしたので、還流経路に断線が発生した際に、コイルからスイッチング回路１３ａ、１３ｂに印加される過大な電圧を緩和すると共に、制御部１１において測定される還流ダイオード１４ａおよび１４ｂの出力電圧を略一定に維持することができる。

（４）スイッチング回路１３ａ、１３ｂは、該スイッチング回路をオンオフ制御するための駆動信号が入力されるゲート端子と、コイルおよび還流ダイオード１４ａ、１４ｂが接続されるドレイン端子とをそれぞれ備える。クランプ回路１６ａ、１６ｂは、スイッチング回路１３ａ、１３ｂのゲート端子とドレイン端子との間にそれぞれ接続されている。このようにしたので、還流経路に断線が発生してコイルからスイッチング回路１３ａ、１３ｂのドレイン端子に過大な電圧が印加された場合に、スイッチング回路１３ａ、１３ｂを自動的にオフからオンに切り替えてドレイン端子を保護することができる。

（５）電池監視装置３において、制御部１１は、メインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８の各コイルの端子電圧を入力端子ＡＤＣａ、ＡＤＣｂ、ＡＤＣｃにおいてそれぞれ測定する第２の電圧測定部としてさらに機能する。このようにしたので、還流経路が断線した場合でも、制御部１１においてコンタクタ電源１０の電圧Ｖｃを測定することができる。

（６）制御部１１は、スイッチング回路１３ａ、１３ｂをオンオフ制御するための駆動信号をスイッチング回路１３ａ、１３ｂにそれぞれ出力すると共に、還流経路の断線を検知した場合にはこの駆動信号を変化させる。具体的には、制御部１１は、スイッチング回路１３ａ、１３ｂをＰＷＭ制御するためのＰＷＭ信号を駆動信号としてそれぞれ出力する。そして、還流経路の断線を検知した場合に、制御部１１は、ＰＷＭ信号のデューティを変化させる。このようにしたので、還流経路が断線してメインコンタクタ７ａ、７ｂの各コイルに還流電流が流れなくなった場合においても、各コイルに流れる電流の時間平均レベルが通常時よりも低下するのを防ぐことができる。その結果、各コンタクタの切り替え状態を正常なオン状態に保持することができる。

（７）制御部１１は、メインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８の各コイルの制御を行う負荷制御機能に加えて、モータ１およびインバータ２により構成される動作システムに電力を供給する組電池６の監視を行うための電池監視機能を有する。このようにしたので、一つの装置で負荷制御機能と電池監視機能の両方を実現可能であり、システム全体の小型化や低コスト化を図ることができる。

なお、以上説明した実施形態では、誘導性の負荷としてメインコンタクタ７ａ、７ｂおよびプリチャージリレー８の各コイルを制御する例を説明したが、本発明はこれに限らず、他の種類の負荷についても適用可能である。還流経路が形成された誘導性の負荷を制御すると共に、その還流経路の断線を検知するものであれば、以上説明した実施形態と同様の手法により、本発明を適用可能である。

以上説明した実施形態や各種変形例はあくまで一例であり、発明の特徴が損なわれない限り、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。また、上記では種々の実施形態や変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。

１：モータ
２：インバータ
３：電池監視装置
４：電池セル
５：電池モジュール
６：組電池
７ａ，７ｂ：メインコンタクタ
８：プリチャージリレー
９：プリチャージ抵抗
１０：コンタクタ電源
１１：制御部
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ：モニタ回路
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ：スイッチング回路
１４ａ，１４ｂ：還流ダイオード
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ：入力回路
１６ａ，１６ｂ：クランプ回路
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ：コネクタ端子
１８：コンタクタ電源制御リレー

Claims

オンオフ制御されて誘導性の負荷に流れる電流を制御するスイッチング回路と、
前記負荷に接続されて前記電流を還流するための還流経路を形成する還流ダイオードと、
前記還流ダイオードの出力電圧を測定する第１の電圧測定部と、
前記第１の電圧測定部により測定された前記還流ダイオードの出力電圧に基づいて、前記還流経路の断線を検知する制御部と、を備え、
複数の前記負荷に対して、前記スイッチング回路および前記還流ダイオードをそれぞれ有しており、
複数の前記還流ダイオードの出力は、所定の接続点で互いに電気的に接続されており、
前記第１の電圧測定部は、前記接続点の電圧を測定することで複数の前記還流ダイオードの出力電圧を測定する負荷制御装置。
請求項１に記載の負荷制御装置において、
前記負荷から前記スイッチング回路に印加される電圧を所定のクランプ電圧以下にクランプするクランプ回路をさらに備え、
前記クランプ回路は、前記還流ダイオードの入力側に接続されており、
前記クランプ電圧は、前記還流経路が断線していないときに前記第１の電圧測定部により測定される前記還流ダイオードの出力電圧よりも高い電圧である負荷制御装置。
請求項２に記載の負荷制御装置において、
前記スイッチング回路は、該スイッチング回路をオンオフ制御するための駆動信号が入力される第１の端子と、前記負荷および前記還流ダイオードが接続される第２の端子とを備え、
前記クランプ回路は、前記第１の端子と前記第２の端子との間に接続されている負荷制御装置。
請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の負荷制御装置において、
前記負荷の端子電圧を測定する第２の電圧測定部をさらに備える負荷制御装置。
請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の負荷制御装置において、
前記制御部は、前記スイッチング回路をオンオフ制御するための駆動信号を前記スイッチング回路に出力し、
前記還流経路の断線を検知した場合に、前記制御部は、前記駆動信号を変化させる負荷制御装置。
請求項５に記載の負荷制御装置において、
前記制御部は、前記スイッチング回路をＰＷＭ制御するためのＰＷＭ信号を前記駆動信号として出力し、
前記還流経路の断線を検知した場合に、前記制御部は、前記ＰＷＭ信号のデューティを変化させる負荷制御装置。
請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の負荷制御装置において、
前記負荷は、電池から供給される電力を用いて動作する動作システムに前記電池を接続するためのコンタクタの切替状態を変化させるコイルであり、
前記制御部は、前記電池の監視を行うための電池監視機能を有する負荷制御装置。