JP7168510B2 - 放電制御装置および方法 - Google Patents

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Description

本開示は、プラズマリアクタに電気エネルギーを供給する電源回路を制御する放電制御装置および方法に関する。
特許文献１には、昇圧回路の二次電圧がパルス的に発生することによりプラズマリアクタに流れる電流を検出し、検出した電流値を積算した積算電流値に基づいて、プラズマリアクタに印加される印加電圧値を推定する印加電圧制御装置が記載されている。
特開２０１７－１６８５８号公報
特許文献１に記載の技術では、二次側の電流を直接検出して、プラズマリアクタの制御に利用している。昇圧回路の二次電圧は数ｋＶの高電圧であるため、例えば、非接触式の電流センサを用い、絶縁を確保した状態で電流検出を行う必要がある。このように、特許文献１に記載の技術では、電流センサの絶縁を確保するための部品または作業が必要となり、製造コストの増加または装置構成の複雑化という問題が生じる可能性がある。
本開示は、製造コストを低減、または、装置構成を簡素化することを目的とする。
本開示の一態様は、フライバック方式の電源回路を制御する放電制御装置である。電源回路は、一次側コイルおよび二次側コイルを有して電圧変換を行うトランスと、一次側コイルへの通電を制御するドライバとを備えて、放電によりプラズマを発生させるプラズマリアクタに電気エネルギーを供給する。
そして、本開示の放電制御装置は、エネルギー算出部と、制御部とを備える。
エネルギー算出部は、一次側コイルに流れる一次電流と、一次側コイルに発生する一次電圧とに基づいて、一次側コイルに供給される供給エネルギーと、供給エネルギーのうちプラズマリアクタの放電に利用されなかった回生エネルギーとを算出するように構成される。
制御部は、エネルギー算出部により算出された供給エネルギーおよび回生エネルギーに基づいて、電源回路を制御するように構成される。
このように構成された本開示の放電制御装置は、一次側コイルに流れる一次電流と、一次側コイルに発生する一次電圧とに基づいて、供給エネルギーと回生エネルギーとを算出して、電源回路を制御する。これにより、本開示の放電制御装置は、二次側コイルに流れる二次電流と、二次側コイルに発生する二次電圧とを用いることなく、電源回路を制御することができる。このため、本開示の放電制御装置は、絶縁を確保するための部品または作業を不要とすることができ、製造コストを低減、または、装置構成を簡素化することができる。
本開示の一態様では、エネルギー算出部は、下式（１）により供給エネルギーを算出し、下式（２）により回生エネルギーを算出するようにしてもよい。供給エネルギーをＥｓｕｐとする。回生エネルギーをＥｒｅｇとする。一次電流の値をＩｐとする。一次電圧の値をＶｐとする。供給エネルギーが発生している期間を時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間とする。回生エネルギーが発生している期間を時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間とする。
Figure 0007168510000001
本開示の別の態様は、フライバック方式の電源回路を制御する放電制御方法である。
そして、本開示の放電制御方法は、エネルギー算出手順と、制御手順とを備える。
エネルギー算出手順は、一次側コイルに流れる一次電流と、一次側コイルに発生する一次電圧とに基づいて、一次側コイルに供給される供給エネルギーと、供給エネルギーのうちプラズマリアクタの放電に利用されなかった回生エネルギーとを算出する。
制御手順は、エネルギー算出手順により算出された供給エネルギーおよび回生エネルギーに基づいて、電源回路を制御する。
本開示の放電制御方法は、本開示の放電制御装置にて実行される方法であり、当該方法を実行することで、本開示の放電制御装置と同様の効果を得ることができる。
浄化システムの概略構成を示すブロック図である。 プラズマリアクタ、トランスおよび放電制御装置の構成を示す回路図である。 放電制御処理を示すフローチャートである。 初期診断処理を示すフローチャートである。 浄化時診断処理を示すフローチャートである。 放電によるエネルギーの流れを示す回路図である。 ＰＷＭ信号、一次電流、一次端子間電圧および二次エネルギーの変化を示すタイミングチャートである。 ＰＷＭ信号、一次電流、一次端子間電圧およびフライバック電圧の変化を示すタイミングチャートである。 プラズマリアクタの等価回路を示す図である。 放電制御装置の動作の具体例を示すタイミングチャートである。
以下に本開示の実施形態を図面とともに説明する。
本実施形態の浄化システム１は、図１に示すように、電子制御装置２、プラズマリアクタ３、トランス４、バッテリ５、放電制御装置６および温度センサ７，８を備える。
電子制御装置２は、浄化システム１を搭載する車両のエンジンを制御する。以下、電子制御装置２をエンジンＥＣＵ２という。ＥＣＵは、Electronic Control Unitの略である。
プラズマリアクタ３は、誘電体バリア放電によってプラズマを発生させる。これにより、プラズマリアクタ３は、車両のエンジンから排出される排気ガス中の粒子状物質および炭化水素などを除去する。
トランス４は、プラズマリアクタ３を駆動するための高電圧を出力する。バッテリ５は、エンジンＥＣＵ２、トランス４および放電制御装置６に電源電圧ＶＢを供給する。
放電制御装置６は、トランス４に電流が流れている通電状態と、トランス４に電流が流れていない非通電状態とを交互に切り替えることにより、プラズマリアクタ３による放電を制御する。また放電制御装置６は、通信線を介して、エンジンＥＣＵ２との間でデータ通信を行う。
温度センサ７は、トランス４の温度を検出し、検出結果を示す検出信号を放電制御装置６へ出力する。温度センサ８は、放電制御装置６内に搭載されている後述のドライバ３２の温度を検出し、検出結果を示す検出信号を放電制御装置６へ出力する。なお、ドライバ３２は、図２に示している。
図２に示すように、プラズマリアクタ３は、放電電極１１が埋め込まれた複数の第１電極パネルと、放電電極１２が埋め込まれた複数の第２電極パネルとを備える。複数の第１電極パネルと複数の第２電極パネルとは、排気ガスの流通方向に沿って、所定の間隔を空けて交互に配置される。そしてプラズマリアクタ３は、互いに隣接する第１電極パネルと第２電極パネルとの間で電圧が印加されることにより、プラズマを発生させる。
トランス４は、一次側コイル２１と、二次側コイル２２とを備える。一次側コイル２１は、一端がバッテリ５の正極に接続され、他端が放電制御装置６に接続される。二次側コイル２２は、一端がプラズマリアクタ３の放電電極１１に接続されるとともに他端がプラズマリアクタ３の放電電極１２に接続される。
放電制御装置６がトランス４を上記の通電状態にすることにより、一次側コイル２１に電流が流れてエネルギーが蓄積される。その後、放電制御装置６がトランス４を上記の非通電状態にすると、一次側コイル２１への通電が遮断される。これにより、一次側コイル２１に蓄えらえたエネルギーが二次側コイル２２に伝達され、二次側コイル２２に高電圧が発生する。すなわち、トランス４は、フライバック方式で高電圧を発生させる。
放電制御装置６は、マイクロコンピュータ３１（以下、マイコン３１）、ドライバ３２、ゲートドライバ３３、抵抗３４、電流積分回路３５，３６、電流検出回路３７、回生検出回路３８および電圧検出回路３９，４０を備える。
マイコン３１は、ＣＰＵ５１、ＲＯＭ５２およびＲＡＭ５３を備える。マイクロコンピュータの各種機能は、ＣＰＵ５１が非遷移的実体的記録媒体に格納されたプログラムを実行することにより実現される。この例では、ＲＯＭ５２が、プログラムを格納した非遷移的実体的記録媒体に該当する。また、このプログラムの実行により、プログラムに対応する方法が実行される。なお、ＣＰＵ５１が実行する機能の一部または全部を、一つあるいは複数のＩＣ等によりハードウェア的に構成してもよい。また、放電制御装置６を構成するマイクロコンピュータの数は１つでも複数でもよい。
またマイコン３１は、電圧出力端子５４および電圧入力端子５５，５６，５７，５８，５９を備える。
ドライバ３２は、Ｎチャネル型ＭＯＳＦＥＴである。ドライバ３２のドレインは、トランス４の一次側コイル２１に接続される。ドライバ３２のソースは、抵抗３４を介して接地される。
ゲートドライバ３３は、その入力端子が抵抗４１を介してマイコン３１の電圧出力端子５４に接続される。またゲートドライバ３３は、その出力端子が抵抗４２を介してドライバ３２のゲートに接続される。ゲートドライバ３３は、マイコン３１の電圧出力端子５４から出力されるＰＷＭ信号を入力し、ＰＷＭ信号の電圧レベルに応じて、ドライバ３２のオン状態とオフ状態とを切り替えるためにドライバ３２のゲートに印加されるゲート制御電圧Ｖｇｓを出力する。具体的には、ゲートドライバ３３は、ＰＷＭ信号がハイレベルであるときに、ゲート制御電圧Ｖｇｓをハイレベルにし、ＰＷＭ信号がローレベルであるときに、ゲート制御電圧Ｖｇｓをローレベルにする。ＰＷＭは、Pulse Width Modulationの略である。
ドライバ３２は、ゲートに印加されるゲート制御電圧Ｖｇｓがハイレベルになると、オン状態となる。これにより、ドライバ３２のドレインとソースとの間で電流が流れる。一方、ドライバ３２は、ゲートに印加されるゲート制御電圧Ｖｇｓがローレベルになると、オフ状態となる。これにより、ドライバ３２のドレインとソースとの間で電流が流れなくなる。
抵抗３４は、一端がドライバ３２のソースに接続され、他端が接地される。
電流積分回路３５は、オペアンプ６１、抵抗６２およびコンデンサ６３を備える。オペアンプ６１の非反転入力端子は、抵抗３４の一端に接続される。オペアンプ６１の反転入力端子は、抵抗６２を介して抵抗３４の他端に接続される。オペアンプ６１の出力端子は、電圧入力端子５８に接続される。コンデンサ６３は、一端がオペアンプ６１の出力端子に接続され、他端がオペアンプ６１の反転入力端子に接続される。このように構成された電流積分回路３５は、ドライバ３２側から接地側へ向けて抵抗３４に電流が流れるときに抵抗３４の両端で発生する電圧を時間で積分した供給電流積分電圧Ｖｉｓｉを出力する。
電流積分回路３６は、オペアンプ６６、抵抗６７およびコンデンサ６８を備える。オペアンプ６６の非反転入力端子は、抵抗３４の他端に接続される。オペアンプ６６の反転入力端子は、抵抗６７を介して抵抗３４の一端に接続される。オペアンプ６６の出力端子は、電圧入力端子５９に接続される。コンデンサ６８は、一端がオペアンプ６６の出力端子に接続され、他端がオペアンプ６６の反転入力端子に接続される。このように構成された電流積分回路３６は、接地側からドライバ３２側へ向けて抵抗３４に電流が流れるときに抵抗３４の両端で発生する電圧を時間で積分した回生電流積分電圧Ｖｉｒｉを出力する。
電流検出回路３７は、オペアンプ７１および抵抗７２，７３，７４，７５を備える。オペアンプ７１の出力端子は、電圧入力端子５７に接続される。抵抗７２は、抵抗３４の一端とオペアンプ７１の非反転入力端子との間に接続される。抵抗７３の一端は電圧Ｖ１（本実施形態では、例えば２．５Ｖ）が印加され、抵抗７３の他端はオペアンプ７１の非反転入力端子に接続される。抵抗７４は、抵抗３４の他端とオペアンプ７１の反転入力端子との間に接続される。抵抗７５は、オペアンプ７１の反転入力端子と出力端子との間に、帰還抵抗として接続される。すなわち、オペアンプ７１と抵抗７２，７３，７４，７５とにより、差動増幅回路が形成されている。このため、オペアンプ７１は、抵抗３４の両端で発生する電圧を増幅した電圧Ｖｉｐを出力する。
回生検出回路３８は、オペアンプ８１、抵抗８２，８３およびコンデンサ８４を備える。オペアンプ８１の反転入力端子は、抵抗７５と抵抗７４とを介して抵抗３４の他端に接続される。オペアンプ８１の出力端子は、抵抗４３とダイオード４４とを介して、オペアンプ６１の反転入力端子に接続される。さらに、オペアンプ８１の出力端子は、抵抗２３を介してゲートドライバ３３の入力端子に接続される。このため、ゲートドライバ３３は、回生検出回路３８の出力信号がハイレベルであるときに、ゲート制御電圧Ｖｇｓをハイレベルにし、回生検出回路３８の出力信号がローレベルであるときに、ゲート制御電圧Ｖｇｓをローレベルにする。
抵抗８２は、一端がオペアンプ８１の非反転入力端子に接続され、他端が接地される。抵抗８３の一端は電圧Ｖ２（本実施形態では、例えば５Ｖ）が印加され、抵抗８３の他端はオペアンプ８１の非反転入力端子に接続される。コンデンサ８４は、一端がオペアンプ８１の出力端子に接続され、他端がオペアンプ８１の反転入力端子に接続される。
電圧検出回路３９は、抵抗９１，９２を備える。抵抗９１は、一端がバッテリ５の正極に接続され、他端が電圧入力端子５５に接続される。抵抗９２は、一端が電圧入力端子５５に接続され、他端が接地される。
電圧検出回路４０は、抵抗９６，９７を備える。抵抗９６は、一端が一次側コイル２１の他端に接続され、他端が電圧入力端子５６に接続される。抵抗９７は、一端が電圧入力端子５６に接続され、他端が接地される。
また電圧出力端子５４は、抵抗４５とダイオード４６とを介して、オペアンプ６６の反転入力端子に接続される。
次に、放電制御装置６のＣＰＵ５１が実行する放電制御処理の手順を説明する。放電制御処理は、車両のアクセサリ電源がオフ状態からオン状態に切り替わることにより放電制御装置６に電源が供給されてマイコン３１が起動した直後に開始される処理である。
放電制御処理が実行されると、ＣＰＵ５１は、図３に示すように、まずＳ２０にて、初期診断処理を実行する。
ここで、初期診断処理の手順を説明する。
初期診断処理が実行されると、ＣＰＵ５１は、図４に示すように、まずＳ１１０にて、トランス４の内部温度の異常を診断する。具体的には、ＣＰＵ５１は、温度センサ７からの検出信号が示す温度（以下、電源回路内部温度）が、予め設定された使用温度範囲（本実施形態では、例えば－４０℃～＋８５℃）内であるか否かを判断する。ここで、電源回路内部温度が使用温度範囲内である場合には、ＣＰＵ５１は、ＲＡＭ５３に設けられた初期温度異常フラグをクリアする。一方、電源回路内部温度が使用温度範囲外である場合には、ＣＰＵ５１は、初期温度異常フラグをセットする。
次にＳ１２０にて、ＣＰＵ５１は、バッテリ５の電圧の異常を診断する。具体的には、ＣＰＵ５１は、電圧検出回路３９から電圧入力端子５５に入力した電圧に基づいて、バッテリ５の電圧（以下、電源電圧）が、予め設定された動作電圧範囲（本実施形態では、例えば１０Ｖ～１６Ｖ）内であるか否かを判断する。ここで、電源電圧が動作電圧範囲内である場合には、ＣＰＵ５１は、ＲＡＭ５３に設けられた初期電圧異常フラグをクリアする。一方、電源電圧が動作電圧範囲外である場合には、ＣＰＵ５１は、初期電圧異常フラグをセットする。
次にＳ１３０にて、ＣＰＵ５１は、トランス４の内部故障を診断する。具体的には、ＣＰＵ５１は、まず、予め設定された初期診断用デューティのＰＷＭ信号を電圧出力端子５４から出力する。これにより、プラズマリアクタ３は、後述するＳ５０で実行される放電よりも低いエネルギーで放電し、プラズマを発生させる。そしてＣＰＵ５１は、ドライバ３２がオン状態であるときに、電流検出回路３７から電圧入力端子５７に入力した電圧Ｖｉｐに基づいて、一次側コイル２１に流れた電流の大きさ（以下、一次側コイル電流値）が、予め設定されたトランス断線判定値未満であるか否かを判断する。ここで、一次側コイル電流値がトランス断線判定値未満である場合には、ＣＰＵ５１は、ＲＡＭ５３に設けられた初期断線異常フラグをセットする。一方、一次側コイル電流値がトランス断線判定値以上である場合には、ＣＰＵ５１は、初期断線異常フラグをクリアする。
次にＳ１４０にて、ＣＰＵ５１は、プラズマリアクタ３のリーク異常を診断する。
まず、プラズマリアクタ３のショートを検出する方法を説明する。
図６に示すように、ドライバ３２がオフ状態からオン状態に切り替わると、一次側コイル２１に一次電流Ｉｐが流れ、一次側コイル２１の端子間電圧Ｖｐ（以下、一次端子間電圧Ｖｐ）が発生することにより、一次側コイル２１に供給エネルギーＥｓｕｐが蓄積される。その後、ドライバ３２がオン状態からオフ状態に切り替わると、一次側コイル２１に蓄積された供給エネルギーＥｓｕｐが二次側コイル２２に伝達され、二次側コイル２２に高電圧が発生し、プラズマリアクタ３で放電が発生する。このときに、ドライバ３２のドレインとソースとの間にフライバック電圧Ｖｆｌｙが発生する。
ここで、二次側コイル２２の端子間電圧を二次端子間電圧Ｖｓという。また、プラズマリアクタ３の放電で消費されるエネルギーを放電エネルギーＥｄｉｓという。プラズマリアクタ３は静電容量性負荷であるため、放電で消費されなかったエネルギーは一次側へ回生される。このエネルギーを回生エネルギーＥｒｅｇという。
したがって、放電エネルギーＥｄｉｓと、放電エネルギーＥｄｉｓおよび回生エネルギーＥｒｅｇとの間で、式（３）に示す関係が成立する。そして、放電エネルギーＥｄｉｓが低い場合には、供給エネルギーＥｓｕｐと回生エネルギーＥｒｅｇとは互いに略等しくなる。すなわち、供給エネルギーＥｓｕｐと回生エネルギーＥｒｅｇとの間で、式（４）に示す関係が成立する。そして、プラズマリアクタ３においてリーク電流が発生している場合には、プラズマリアクタ３においてリーク電流が流れることにより消費されるエネルギーをリークエネルギーＥｌｅａｋとして、式（５）に示す関係が成立する。
このため、放電エネルギーＥｄｉｓが低い場合において、プラズマリアクタ３においてリーク電流が発生すると、式（６）に示す関係が成立する。
Figure 0007168510000002
図７に示すように、時刻ｔ１において、ＰＷＭ信号がローレベルからハイレベルに切り替わると、一次電流Ｉｐが徐々に増加するとともに、一次端子間電圧Ｖｐが電源電圧ＶＢになる。そして、時刻ｔ２において、ＰＷＭ信号がハイレベルからローレベルに切り替わると、一次電流Ｉｐが急激に減少して０［Ａ］になるとともに、一次端子間電圧Ｖｐが電源電圧ＶＢから負側まで急激に低下して、プラズマリアクタ３において放電が発生する。放電が発生している期間は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間である。放電終了後、一次電流Ｉｐが負側で振動しながら減衰し、時刻ｔ４で０［Ａ］になる。一次端子間電圧Ｖｐは、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間に電源電圧ＶＢとなり、時刻ｔ４で０［Ｖ］となる。そして、次にＰＷＭ信号がローレベルからハイレベルに切り替わる時刻ｔ５になるまで、一次電流Ｉｐは０［Ａ］を維持し、一次端子間電圧Ｖｐは０［Ｖ］を維持する。
すなわち、時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間は、エネルギー供給期間Ｔｓｕｐである。時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間は、放電期間Ｔｄｉｓである。時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間は、回生期間Ｔｒｅｇである。
図８に示すように、破線で示す曲線Ｌ１は、プラズマリアクタ３においてリーク電流が流れるときの一次電流Ｉｐを示す。また、破線で示す曲線Ｌ２と、破線で示す屈曲線Ｌ３は、プラズマリアクタ３においてリーク電流が流れるときの一次端子間電圧Ｖｐを示す。実線で示す曲線Ｌ４は、プラズマリアクタ３においてリーク電流が流れていないときの一次電流Ｉｐを示す。曲線Ｌ１および曲線Ｌ４で示すように、プラズマリアクタ３においてリーク電流が流れると、回生期間Ｔｒｅｇにおける一次電流Ｉｐの絶対値が小さくなる。これにより、プラズマリアクタ３においてリーク電流が流れると、回生エネルギーＥｒｅｇが小さくなる。
したがって、ＣＰＵ５１は、Ｓ１４０にて、まず、予め設定された初期診断用デューティのＰＷＭ信号を電圧出力端子５４から出力する。初期診断用デューティは、プラズマリアクタ３で放電が発生していない未放電状態、または、プラズマリアクタ３における放電エネルギーが少ない低放電状態となるように設定される。なお、「放電エネルギーが少ない」とは、プラズマリアクタ３の最大放電容量値に対して例えば１０％以下の放電容量であることをいう。
そしてＣＰＵ５１は、電圧入力端子５８に入力される供給電流積分電圧Ｖｉｓｉに基づいて、式（７）により供給エネルギーＥｓｕｐを算出する。またＣＰＵ５１は、電圧入力端子５９に入力される回生電流積分電圧Ｖｉｒｉに基づいて、式（８）により回生エネルギーＥｒｅｇを算出する。
なお、式（７），（８）中のＲｓｈは、抵抗３４の抵抗値である。式（７）中のＲｇｓは、抵抗６２の抵抗値である。式（７）中のＣｇｓは、コンデンサ６３の静電容量である。式（８）中のＲｇｒは、抵抗６７の抵抗値である。式（８）中のＣｇｒは、コンデンサ６８の静電容量である。
また、式（７）により算出される供給エネルギーＥｓｕｐは、式（９）により算出される供給エネルギーＥｓｕｐに相当する。式（８）により算出される回生エネルギーＥｒｅｇは、式（１０）により算出される回生エネルギーＥｒｅｇに相当する。式（９）のｔ１は、図７の時刻ｔ１に対応する。式（９）のｔ２は、図７の時刻ｔ２に対応する。式（１０）のｔ３は、図７の時刻ｔ３に対応する。式（１０）のｔ５は、図７の時刻ｔ５に対応する。
Figure 0007168510000003
そしてＣＰＵ５１は、算出された供給エネルギーＥｓｕｐおよび回生エネルギーＥｒｅｇが、式（６）に示す関係を満たしているか否かを判断する。すなわち、ＣＰＵ５１は、供給エネルギーＥｓｕｐが回生エネルギーＥｒｅｇより大きいか否かを判断する。ここで、供給エネルギーＥｓｕｐが回生エネルギーＥｒｅｇより大きい場合には、ＣＰＵ５１は、ＲＡＭ５３に設けられた初期リークフラグをセットする。一方、供給エネルギーＥｓｕｐが回生エネルギーＥｒｅｇ以下である場合には、ＣＰＵ５１は、初期リークフラグをクリアする。
Ｓ１４０の処理が終了すると、ＣＰＵ５１は、図４に示すように、Ｓ１５０にて、プラズマリアクタ３のオープン異常を診断する。プラズマリアクタ３のオープン異常とは、プラズマリアクタ３が割れたり、プラズマリアクタ３で断線が発生したりすることである。
まず、プラズマリアクタ３のオープンを検出する方法を説明する。
図９に示すように、プラズマリアクタ３の等価回路は、コンデンサ１６と、このコンデンサ１６と直列に接続されるコンデンサ１７とによって表される。
プラズマリアクタ３の静電容量をＣｃ、コンデンサ１６の静電容量をＣｇ、コンデンサ１７の静電容量をＣｄと表記すると、プラズマリアクタ３の静電容量は、式（１１）で表される。なお、Ｃｄ＞Ｃｇである。
そして、供給エネルギーＥｓｕｐは、式（１２）で表される。式（１２）より、二次端子間電圧Ｖｓは、式（１３）で表される。
Figure 0007168510000004
また、一次側コイル２１の巻数をｎ、二次側コイル２２の巻数をｍと表記すると、フライバック電圧Ｖｆｌｙは、式（１４）で表される。このため、式（１３）および式（１４）より、フライバック電圧Ｖｆｌｙは、式（１５）で表される。
プラズマリアクタ３において割れ又は断線が発生すると、コンデンサ１７の静電容量Ｃｄが低下する。プラズマリアクタ３において割れ又は断線が発生したときのコンデンサ１７の静電容量をＣｄｏと表記すると、式（１６）に示す関係が成立する。
さらに、割れ又は断線が発生したときにおけるプラズマリアクタ３の静電容量をＣｏｐｅｎと表記すると、式（１７）に示す関係が成立する。
Figure 0007168510000005
したがって、割れ又は断線が発生したときにおけるフライバック電圧Ｖｆｌｙは、割れ又は断線が発生していないときにおけるフライバック電圧Ｖｆｌｙより大きくなる。
図８に示すように、放電期間Ｔｄｉｓ中にフライバック電圧Ｖｆｌｙが発生する。実線で示す曲線Ｌ５は、プラズマリアクタ３が正常であるときのフライバック電圧Ｖｆｌｙである。実線で示す曲線Ｌ６は、プラズマリアクタ３で割れ又は断線が発生しているときのフライバック電圧Ｖｆｌｙである。
したがって、ＣＰＵ５１は、Ｓ１５０にて、まず、初期診断用デューティのＰＷＭ信号を電圧出力端子５４から出力し、電圧検出回路４０から電圧入力端子５６に入力した電圧に基づいて、フライバック電圧Ｖｆｌｙを算出する。そしてＣＰＵ５１は、算出したフライバック電圧Ｖｆｌｙが予め設定されたオープン判定電圧を超えているか否かを判断する。ここで、フライバック電圧Ｖｆｌｙがオープン判定電圧を超えている場合には、ＣＰＵ５１は、ＲＡＭ５３に設けられた初期オープンフラグをセットする。一方、フライバック電圧Ｖｆｌｙがオープン判定電圧以下である場合には、ＣＰＵ５１は、初期オープンフラグをクリアする。
Ｓ１５０の処理が終了すると、ＣＰＵ５１は、図４に示すように、Ｓ１６０にて、プラズマリアクタ３の劣化異常を診断する。プラズマリアクタ３の劣化異常とは、例えば、放電電極１１と放電電極１２との間に煤が詰まることである。
まず、プラズマリアクタ３の劣化を検出する方法を説明する。
放電電極１１と放電電極１２との間に煤が詰まると、コンデンサ１６の静電容量Ｃｇが増加する。プラズマリアクタ３において煤の詰まりが発生したときの静電容量ＣｇをＣｇｃと表記すると、式（１８）に示す関係が成立する。
さらに、煤の詰まりが発生したときにおけるプラズマリアクタ３の静電容量をＣｃｌｏｇと表記すると、式（１９）に示す関係が成立する。
Figure 0007168510000006
したがって、煤の詰まりが発生したときにおけるフライバック電圧Ｖｆｌｙは、煤の詰まりが発生していないときにおけるフライバック電圧Ｖｆｌｙより小さくなる。
図８に示すように、放電期間Ｔｄｉｓ中にフライバック電圧Ｖｆｌｙが発生する。実線で示す曲線Ｌ５は、プラズマリアクタ３が正常であるときのフライバック電圧Ｖｆｌｙである。実線で示す曲線Ｌ７は、プラズマリアクタ３で煤の詰まりが発生しているときのフライバック電圧Ｖｆｌｙである。
したがって、ＣＰＵ５１は、Ｓ１６０にて、まず、初期診断用デューティのＰＷＭ信号を電圧出力端子５４から出力し、電圧検出回路４０から電圧入力端子５６に入力した電圧に基づいて、フライバック電圧Ｖｆｌｙを算出する。そしてＣＰＵ５１は、算出したフライバック電圧Ｖｆｌｙが予め設定された劣化判定電圧未満であるか否かを判断する。ここで、フライバック電圧Ｖｆｌｙが劣化判定電圧未満である場合には、ＣＰＵ５１は、ＲＡＭ５３に設けられた初期劣化フラグをセットする。一方、フライバック電圧Ｖｆｌｙが劣化判定電圧以上である場合には、ＣＰＵ５１は、初期劣化フラグをクリアする。
Ｓ１６０の処理が終了すると、ＣＰＵ５１は、図４に示すように、初期診断処理を終了する。
そして、初期診断処理を終了すると、ＣＰＵ５１は、図３に示すように、Ｓ３０にて、エンジンＥＣＵ２から定期的に受信するエンジン駆動情報に基づいて、車両のエンジンが始動したか否かを判断する。エンジン駆動情報は、エンジンの駆動状態（例えば、エンジン回転数）を示す情報である。
ここで、エンジンが始動していない場合には、ＣＰＵ５１は、Ｓ３０の処理を繰り返すことにより、エンジンが始動するまで待機する。そして、エンジンが始動すると、ＣＰＵ５１は、Ｓ４０にて、初期制御を実行する。具体的には、ＣＰＵ５１は、まず、予め設定された最大デューティ（本実施形態では、例えば４５％）のＰＷＭ信号を電圧出力端子５４から出力し、プラズマリアクタ３にプラズマを発生させる。
そしてＣＰＵ５１は、最大デューティでプラズマリアクタ３が駆動している間（以下、初期駆動期間）に、消費エネルギー、排気ガス温度、煤濃度および気圧のデータを取得する。
消費エネルギーは、初期駆動期間中にプラズマリアクタ３の放電で消費されたエネルギーである。ＣＰＵ５１は、初期駆動期間中に、供給エネルギーＥｓｕｐおよび回生エネルギーＥｒｅｇを繰り返し算出する。またＣＰＵ５１は、初期駆動期間中に、供給エネルギーＥｓｕｐから回生エネルギーＥｒｅｇを減算した減算値を繰り返し算出する。またＣＰＵ５１は、初期駆動期間中に算出した減算値を積算し、この積算値を消費エネルギーとする。そしてＣＰＵ５１は、算出した消費エネルギーの値を、消費エネルギーのデータとして取得する。
またＣＰＵ５１は、エンジンＥＣＵ２から定期的に送信される排気ガス温度情報を初期駆動期間中に受信し、受信した排気ガス温度情報が示す排気ガス温度の値を、排気ガス温度のデータとして取得する。ＣＰＵ５１は、エンジンＥＣＵ２から定期的に送信される煤濃度情報を初期駆動期間中に受信し、受信した煤濃度情報が示す煤濃度の値を、煤濃度のデータとして取得する。ＣＰＵ５１は、エンジンＥＣＵ２から定期的に送信される気圧情報を初期駆動期間中に受信し、受信した気圧情報が示す気圧の値を、気圧のデータとして取得する。
さらにＣＰＵ５１は、初期駆動期間中に取得した煤濃度のデータに基づいて、初期駆動期間中に浄化された煤の量（以下、初期浄化煤量）を算出する。そしてＣＰＵ５１は、消費エネルギー、初期浄化煤量、排気ガス温度および気圧をパラメータとして補正係数が予め設定された補正係数算出マップを参照して、補正係数を決定する。この補正係数は、Ｓ５４の処理で用いられる。
次にＣＰＵ５１は、Ｓ５０にて、予め設定された実行周期（本実施形態では、例えば１秒）が経過したか否かを判断する。具体的には、ＣＰＵ５１は、ＲＡＭ５３に設けられた実行タイマの値が実行周期に相当する値以上であるか否かを判断する。実行タイマは、例えば１ｍｓ毎にインクリメント（すなわち、１加算）するタイマであり、起動されると、その値が０からインクリメントする。
ここで、実行周期が経過していない場合には、ＣＰＵ５１は、Ｓ５０の処理を繰り返すことにより、実行周期が経過するまで待機する。そして、実行周期が経過すると、ＣＰＵ５１は、Ｓ５２にて、実行タイマを起動する。
次にＣＰＵ５１は、Ｓ５４にて、取得した最新の排気ガス温度、煤濃度および気圧のデータに基づき、排気ガス温度、煤濃度および気圧をパラメータとして目標消費エネルギーが予め設定された目標算出マップを参照して、目標消費エネルギーを決定する。さらにＣＰＵ５１は、決定した目標消費エネルギーに、Ｓ４０で決定した補正係数を乗じた乗算値を、補正目標エネルギーとして算出する。
またＣＰＵ５１は、Ｓ５６にて、入力された最新の供給電流積分電圧Ｖｉｓｉに基づいて、式（７）により供給エネルギーＥｓｕｐを算出する。またＣＰＵ５１は、入力された最新の回生電流積分電圧Ｖｉｒｉに基づいて、式（８）により回生エネルギーＥｒｅｇを算出する。さらにＣＰＵ５１は、算出された供給エネルギーＥｓｕｐから回生エネルギーＥｒｅｇを減じた減算値を、制御エネルギーとして算出する。
そしてＣＰＵ５１は、Ｓ５８にて、例えば比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインを用いたフィードバック制御（すなわち、ＰＩＤ制御）により、算出された補正目標エネルギーと、算出された制御エネルギーとの偏差が０になるように、ＰＷＭ信号のデューティを算出する。そしてＣＰＵ５１は、算出したデューティに設定されたＰＷＭ信号を電圧出力端子５４から出力する。
次に、ＣＰＵ５１は、Ｓ６０にて、浄化時診断処理を実行する。
ここで、浄化時診断処理の手順を説明する。浄化時診断処理が実行されると、ＣＰＵ５１は、図５に示すように、まずＳ２１０にて、ドライバ３２の過熱保護を実行する。具体的には、ＣＰＵ５１は、まず、温度センサ８からの検出信号が示す温度（以下、ドライバ温度）が、予め設定された故障判定温度以上であるか否かを判断する。ここで、ドライバ温度が故障判定温度以上である場合には、ＣＰＵ５１は、ＲＡＭ５３に設けられたドライバ過熱フラグをセットし、電圧出力端子５４からのＰＷＭ信号の出力を禁止する。一方、ドライバ温度が故障判定温度未満である場合には、ＣＰＵ５１は、ドライバ過熱フラグをクリアする。
次にＳ２２０にて、ＣＰＵ５１は、バッテリ５の電圧の異常を診断する。具体的には、ＣＰＵ５１は、Ｓ１２０と同様にして、電源電圧が動作電圧範囲内であるか否かを判断する。ここで、電源電圧が動作電圧範囲内である場合には、ＣＰＵ５１は、ＲＡＭ５３に設けられた浄化時電圧異常フラグをクリアする。一方、電源電圧が動作電圧範囲外である場合には、ＣＰＵ５１は、浄化時電圧異常フラグをセットする。
次にＳ２３０にて、ＣＰＵ５１は、ドライバ３２の過電圧保護を実行する。具体的には、ＣＰＵ５１は、まず、電圧検出回路４０から電圧入力端子５６に入力した電圧に基づいて、フライバック電圧Ｖｆｌｙを算出する。そしてＣＰＵ５１は、算出したフライバック電圧Ｖｆｌｙが予め設定された故障判定電圧以上であるか否かを判断する。ここで、フライバック電圧Ｖｆｌｙが故障判定電圧以上である場合には、ＣＰＵ５１は、ＲＡＭ５３に設けられたドライバ過電圧フラグをセットし、電圧出力端子５４からのＰＷＭ信号の出力を禁止する。一方、フライバック電圧Ｖｆｌｙが故障判定電圧未満である場合には、ＣＰＵ５１は、ドライバ過電圧フラグをクリアする。
次にＳ２４０にて、ＣＰＵ５１は、トランス４の内部故障を診断する。具体的には、ＣＰＵ５１は、Ｓ１３０と同様にして、ドライバ３２がオン状態であるときに、電流検出回路３７から電圧入力端子５７に入力した電圧Ｖｉｐに基づいて、一次側コイル電流値がトランス断線判定値未満であるか否かを判断する。ここで、一次側コイル電流値がトランス断線判定値未満である場合には、ＣＰＵ５１は、ＲＡＭ５３に設けられた浄化時断線異常フラグをセットする。一方、一次側コイル電流値がトランス断線判定値以上である場合には、ＣＰＵ５１は、浄化時断線異常フラグをクリアする。
次にＳ２５０にて、ＣＰＵ５１は、プラズマリアクタ３のオープン異常を診断する。具体的には、ＣＰＵ５１は、まず、Ｓ１５０と同様にして、電圧検出回路４０から電圧入力端子５６に入力した電圧に基づいて、フライバック電圧Ｖｆｌｙを算出する。そしてＣＰＵ５１は、算出したフライバック電圧Ｖｆｌｙがオープン判定電圧を超えているか否かを判断する。ここで、フライバック電圧Ｖｆｌｙがオープン判定電圧を超えている場合には、ＣＰＵ５１は、ＲＡＭ５３に設けられた浄化時オープンフラグをセットする。一方、フライバック電圧Ｖｆｌｙがオープン判定電圧以下である場合には、ＣＰＵ５１は、浄化時オープンフラグをクリアする。
そして、Ｓ２５０の処理が終了すると、ＣＰＵ５１は、浄化時診断処理を終了する。
浄化時診断処理が終了すると、ＣＰＵ５１は、図３に示すように、Ｓ７０にて、エンジンＥＣＵ２から定期的に受信するエンジン駆動情報に基づいて、車両のエンジンが停止したか否かを判断する。ここで、エンジンが停止していない場合には、ＣＰＵ５１は、Ｓ５０に移行する。一方、エンジンが停止した場合には、ＣＰＵ５１は、放電制御処理を終了する。
次に、放電制御装置６の動作の具体例を説明する。
図１０に示すように、時刻ｔ１において、ＰＷＭ信号がローレベルからハイレベルに切り替わると、ゲート制御電圧Ｖｇｓがローレベルからハイレベルに切り替わる。これにより、一次電流Ｉｐが徐々に増加するとともに、一次端子間電圧Ｖｐが電源電圧ＶＢになる。また、一次電流Ｉｐの増加に伴って、供給電流積分電圧Ｖｉｓｉが徐々に上昇する。
そして、時刻ｔ２において、ＰＷＭ信号がハイレベルからローレベルに切り替わると、ゲート制御電圧Ｖｇｓがハイレベルからローレベルに切り替わる。これにより、一次電流Ｉｐが急激に減少して０［Ａ］になる。また、一次端子間電圧Ｖｐが負側まで急激に低下するとともに二次端子間電圧Ｖｓが急激に上昇して、プラズマリアクタ３において放電が発生する。また、フライバック電圧Ｖｆｌｙが急激に上昇する。
放電が発生している期間は、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの間である。放電終了後、一次電流Ｉｐは、負側で振動しながら減衰し、時刻ｔ４で０［Ａ］になる。時刻ｔ３から時刻ｔ４までに流れる一次電流Ｉｐは、回生電流である。一次端子間電圧Ｖｐは、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間で電源電圧ＶＢとなり、時刻ｔ４で０［Ｖ］となる。また、二次端子間電圧Ｖｓは、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間に、正側と負側との間で振動しながら減衰する。
また、時刻ｔ３から時刻ｔ４までに流れる一次電流Ｉｐによって、回生電流積分電圧Ｖｉｒｉが徐々に上昇する。また、回生検出回路３８の出力電圧Ｖｉｓｒは、時刻ｔ３にローレベルからハイレベルに切り替わり、時刻ｔ４にハイレベルからローレベルに切り替わる。そして、出力電圧Ｖｉｓｒがローレベルからハイレベルに切り替わったときに、供給電流積分電圧Ｖｉｓｉがリセットされて０［Ｖ］になる。なお、回生検出回路３８の出力電圧Ｖｉｓｒに応じて、ゲート制御電圧Ｖｇｓは、時刻ｔ３にローレベルからハイレベルに切り替わり、時刻ｔ４にハイレベルからローレベルに切り替わる。
そして、ゲート制御電圧Ｖｇｓがローレベルからハイレベルに切り替わる時刻ｔ５において、電圧出力端子５４の電圧Ｖｉｒｒがローレベルからハイレベルに切り替わると、回生電流積分電圧Ｖｉｒｉがリセットされて０［Ｖ］になる。
このように構成された放電制御装置６は、フライバック方式の電源回路を制御する。電源回路は、一次側コイル２１および二次側コイル２２を有して電圧変換を行うトランス４と、一次側コイル２１への通電を制御するドライバ３２とを備えて、放電によりプラズマを発生させるプラズマリアクタ３に電気エネルギーを供給する。
放電制御装置６は、一次側コイル２１に流れる一次電流Ｉｐと、一次側コイル２１に発生する端子間電圧Ｖｐとに基づいて、一次側コイル２１に供給される供給エネルギーＥｓｕｐと、供給エネルギーＥｓｕｐのうちプラズマリアクタ３の放電に利用されなかった回生エネルギーＥｒｅｇとを算出する。
放電制御装置６は、算出された供給エネルギーＥｓｕｐおよび回生エネルギーＥｒｅｇに基づいて、電源回路を制御する。
このように放電制御装置６は、一次側コイル２１に流れる一次電流Ｉｐと、一次側コイル２１に発生する端子間電圧Ｖｐとに基づいて、供給エネルギーＥｓｕｐと回生エネルギーＥｒｅｇとを算出して、電源回路を制御する。これにより、放電制御装置６は、二次側コイル２２に流れる二次電流と、二次側コイル２２に発生する二次電圧とを用いることなく、電源回路を制御することができる。このため、放電制御装置６は、絶縁を確保するための部品または作業を不要とすることができ、製造コストを低減、または、装置構成を簡素化することができる。
以上説明した実施形態において、トランス４およびドライバ３２は電源回路に相当し、端子間電圧Ｖｐは一次電圧に相当する。
また、Ｓ５６はエネルギー算出部およびエネルギー算出手順としての処理に相当し、Ｓ５８は制御部および制御手順としての処理に相当する。
以上、本開示の一実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、種々変形して実施することができる。
例えば上記実施形態では、式（７），（８）を用いて供給エネルギーＥｓｕｐおよび回生エネルギーＥｒｅｇを算出する形態を示したが、式（９），（１０）を用いて供給エネルギーＥｓｕｐおよび回生エネルギーＥｒｅｇを算出するようにしてもよい。
また、上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素に分担させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に発揮させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加、置換等してもよい。
上述した放電制御装置６の他、当該放電制御装置６を構成要素とするシステム、当該放電制御装置６としてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、放電制御方法など、種々の形態で本開示を実現することもできる。
３…プラズマリアクタ、４…トランス、６…放電制御装置、２１…一次側コイル、２２…二次側コイル、３２…ドライバ

Claims (3)

  1. 一次側コイルおよび二次側コイルを有して電圧変換を行うトランスと、前記一次側コイルへの通電を制御するドライバとを備えて、放電によりプラズマを発生させるプラズマリアクタに電気エネルギーを供給するフライバック方式の電源回路を制御する放電制御装置であって、
    前記一次側コイルに流れる一次電流と、前記一次側コイルに発生する一次電圧とに基づいて、前記一次側コイルに供給される供給エネルギーと、前記供給エネルギーのうち前記プラズマリアクタの放電に利用されなかった回生エネルギーとを算出するように構成されたエネルギー算出部と、
    前記エネルギー算出部により算出された前記供給エネルギーおよび前記回生エネルギーに基づいて、前記電源回路を制御するように構成された制御部と
    を備える放電制御装置。
  2. 請求項１に記載の放電制御装置であって、
    前記エネルギー算出部は、前記供給エネルギーをＥｓｕｐとし、前記回生エネルギーをＥｒｅｇとし、前記一次電流の値をＩｐとし、前記一次電圧の値をＶｐとし、前記供給エネルギーが発生している期間を時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間とし、前記回生エネルギーが発生している期間を時刻ｔ３から時刻ｔ５までの期間として、下式（１）により前記供給エネルギーを算出し、下式（２）により前記回生エネルギーを算出する放電制御装置。
    Figure 0007168510000007
  3. 一次側コイルおよび二次側コイルを有して電圧変換を行うトランスと、前記一次側コイルへの通電を制御するドライバとを備えて、放電によりプラズマを発生させるプラズマリアクタに電気エネルギーを供給するフライバック方式の電源回路を制御する放電制御方法であって、
    前記一次側コイルに流れる一次電流と、前記一次側コイルに発生する一次電圧とに基づいて、前記一次側コイルに供給される供給エネルギーと、前記供給エネルギーのうち前記プラズマリアクタの放電に利用されなかった回生エネルギーとを算出するエネルギー算出手順と、
    前記エネルギー算出手順により算出された前記供給エネルギーおよび前記回生エネルギーに基づいて、前記電源回路を制御する制御手順と
    を備える放電制御方法。
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