CN104145411A - 电源装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

电源装置具有：可进行电力充放电的第1电源(1a)；与第1电源(1a)串联连接的、可进行电力充放电的第2电源(2)；以及绝缘型DCDC变换器(3a)，其一次侧端子上连接了第1电源(1a)，二次侧端子上连接了第2电源(2)，该电源装置使用绝缘型DCDC变换器(3a)控制第2电源(2)的电压。从串联连接的第1电源(1a)以及第2电源(2)输出的直流电压，被输入到第1逆变器(5)，通过第1逆变器(5)变换成交流电压之后，提供给车辆驱动用电动机(6)。

Description

电源装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及对车辆驱动用电动机提供电力的电源装置及其控制方法。
背景技术
以往就提出了例如用于电动汽车(EV)、混合动力电动汽车(HEV)等的车辆的电源装置有效地回收由车辆驱动用电动机再生的电力的技术，(例如，参照专利文献1)。
专利文献1的电源装置具有：开关，其用于切换对逆变器串联连接可进行电力充放电的电池和电容器，还是仅连接电池。并且，在电容器的电压低于规定值的情况下，将电池和电容器串联连接，将再生电力提供给电池以及电容器两者，在电容器的电压高于规定值的情况下，仅连接电池，将再生电力仅提供给电池。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2002-330545号公报
发明内容
但是，在专利文献1中，在车辆持续动力运行的情况下，电容器的电压比电池先用尽，必须仅以电池的电力来驱动车辆驱动用电动机。因此，即使在电池的充电状态较低时，为了保障车辆驱动用电动机的最大输出值，逆变器也必须使用电容量大的半导体元件，因此，存在逆变器大型化这样的课题。
本发明鉴于上述课题而完成，其目的在于，提供通过将输入到逆变器的直流电压维持得较高，能够削减在逆变器内使用的半导体元件的电流容量，从而将逆变器小型化的电源装置及其控制方法。
为了实现上述目的，本发明的第1方式的电源装置具有：可进行电力充放电的第1电源；与第1电源串联连接的、可进行电力充放电的第2电源；绝缘型DCDC变换器，其一次侧端子上连接了第1电源，二次侧端子上连接了第2电源；以及电源控制单元，其使用绝缘型DCDC变换器控制第2电源的电压。从串联连接的第1电源以及第2电源输出的直流电压被输入到第1逆变器，通过第1逆变器变换成交流电压之后，提供给车辆驱动用电动机。
本发明的第2方式的电源装置的控制方法是电源装置的控制方法，该电源装置具有：所述第1电源、所述第2电源、以及所述绝缘型DCDC变换器，在该控制方法中，从串联连接的第1电源以及第2电源输出的直流电压被输入到第1逆变器，通过第1逆变器变换成交流电压之后，提供给车辆驱动用电动机，所述控制方法使用绝缘型DCDC变换器控制第2电源的电压。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式的电源装置的结构、以及连接到电源装置的第1逆变器5以及车辆驱动用电动机6的电路图。
图2是表示图3所示的电源控制单元4的绝缘型DCDC变换器3a的控制步骤中的直流电压Vdc以及第1电源电压Vbat的时间变化的情况的曲线图。
图3是表示一例图1的电源控制单元4的绝缘型DCDC变换器3a的控制步骤的流程图。
图4是表示第2实施方式的绝缘型DCDC变换器3b的结构的电路图。
图5是表示第3实施方式的绝缘型DCDC变换器3c的结构的电路图。
图6是表示第4实施方式的电源装置的结构的电路图。
标号说明
Vbat…第1电源电压
Vcap…第2电源电压
Vdc…直流电压
Vdcmax…上限值
Vdcmin…下限值
1a、1b…第1电源
2…第2电源
3a～3c…绝缘型DCDC变换器
4…电源控制单元
5…第1逆变器
6…车辆驱动用电动机
7…齐纳二极管
8…第2逆变器
9…发电机
具体实施方式
以下参照附图，说明本发明的实施方式。在附图的记载中，对于同一部分附加同一标号。
(第1实施方式)
[电源装置的结构]
参照图1，说明第1实施方式的电源装置的结构、以及连接在电源装置的第1逆变器5以及车辆驱动用电动机6。第1实施方式的电源装置具有：可进行电力充放电的第1电源1a；串联连接在第1电源1a的、可进行电力充放电的第2电源2；其一次侧端子上连接第1电源1a，其二次侧端子上连接了第2电源2的绝缘型DCDC变换器3a；以及使用绝缘型DCDC变换器3a控制第2电源2的电压的电源控制单元4。再有，在本说明书中，所谓“连接”是指电性连接，不是指机械性的连接。
第1电源1a的正极和第2电源2的一个端子连接，第1电源1a的负极和第2电源2的另一端子分别连接到第1逆变器5的一对直流侧端子上。因此，从串联连接的第1电源1a以及第2电源2输出的直流电压Vdc，被输入到第1逆变器5的直流侧端子。第1逆变器5在上下臂分别具有开关元件，通过对开关元件的导通(on)/截止(off)进行PWM控制，将直流电压Vdc变换为3相的交流电压。第1逆变器5的交流侧端子分别连接到车辆驱动用电动机6。由此，从串联连接的第1电源1a以及第2电源2输出的直流电压Vdc，通过第1逆变器5变换成3相交流电压后，被提供给车辆驱动用电动机6。车辆驱动用电动机6利用3相的交流电压进行驱动，能够使车辆行驶。
第1电源1a以及第2电源2可以应用包含锂(Li)离子蓄电池、镍氢蓄电池的电池(二次电池)、包含双电荷层电容器、Li离子电容器、电容器的静电电容元件等可充放电的蓄电元件。在第1实施方式中，说明使用锂(Li)离子蓄电池作为第1电源1a、使用电容器作为第2电源2的情况。
电源装置还具有：直流电压测定单元11，其测定从串联连接的第1电源1a以及第2电源2输出的直流电压Vdc；以及第1电源电压测定单元12，其测定从第1电源1a输出的第1电源电压Vbat。由直流电压测定单元11以及第1电源电压测定单元12测定出的直流电压Vdc以及第1电源电压Vbat的值，分别被传送到电源控制单元4。
绝缘型DCDC变换器3a具有1对一次侧端子以及1对二次侧端子。绝缘型DCDC变换器3a的一次侧端子，分别连接到第1电源1a的正极以及负极，二次侧端子分别连接到第2电源2的两端子。绝缘型DCDC变换器3a还具有：绝缘型变压器31、形成一次侧的全桥电路的开关元件32a～32d、形成二次侧的全桥电路的开关元件34a～34d、以及输入侧的平滑电容器33。绝缘型DCDC变换器的一次侧和二次侧的变压比为X：Y。即，绝缘型变压器31的变压比为一次侧：二次侧＝X：Y。一次侧的全桥电路连接到绝缘型变压器31的一次侧，二次侧的全桥电路连接到绝缘型变压器31的二次侧。
绝缘型DCDC变换器3a还具有：并联连接在形成一次侧以及二次侧的全桥电路的开关元件32a～32d、34a～34d的电容器。由此，绝缘型DCDC变换器3a可进行软切换(soft switching)。
电源装置还具有对于第2电源2并联连接的齐纳二极管7。绝缘型DCDC变换器3a在开路模式下停止的情况下，如果车辆驱动用电动机6进行再生动作，则在因第2电源2的过充电而超过第2电源2的耐压之前，将齐纳二极管7击穿。由此，能够抑制第2电源2的故障。另一方面，如果车辆进行动力运行，则能够使齐纳二极管7作为不通过第2电源2的电流路径进行动作。
电源控制单元4通过单独控制形成一次侧以及二次侧的全桥电路的开关元件32a～32d、34a～34d的开关动作，切换绝缘型DCDC变换器3a的导通状态/截止状态。在绝缘型DCDC变换器3a的导通状态下，电源控制单元4使位于一次侧的全桥电路的对角的开关元件32a～32d以占空比50％交替地导通和截止。具体而言，将开关元件32a以及开关元件32d导通，将开关元件32b以及开关元件32c截止。然后，将开关元件32a以及开关元件32d截止，将开关元件32b以及开关元件32c导通。交替重复该动作。关于二次侧的全桥电路也同样地，使位于对角的开关元件34a～34d以占空比50％交替地导通和截止。再有，在一次侧和二次侧，开关频率相同，对一次侧和二次侧载波相位设置相位差。此时，从一次侧传送到二次侧的电力(传送功率P)由式(1)表示。其中，E1表示第1电源电压Vbat，E2表示第2电源电压Vcap，ω表示绝缘型DCDC变换器3a的开关频率，L表示绝缘型变压器31的漏电感。
[式1]
p = E 1 E 2 ωL φ ( 1 - φ π ) . . . ( 1 )
绝缘型DCDC变换器3a优选是可向一次侧和二次侧之间的双方向传送电力的双向绝缘型DCDC变换器。由此，不仅能够提高第2电源2的电压，还能降低第2电源2的电压。
另一方面，电源控制单元4在绝缘型DCDC变换器3a为截止状态下，一直将一次侧以及二次侧的全桥电路的所有的开关元件32a～32d、34a～34d控制为常时截止。此时，在一次侧的全桥电路中不流过电流，二次侧的全桥电路的输出电压为0。从一次侧向二次侧传送的电力(传送功率P)为0。
再有，电源控制单元4基于由直流电压测定单元11以及第1电源电压测定单元12测定出的电压值，切换绝缘型DCDC变换器3a的导通状态/截止状态。细节参照图2以及图3在后面叙述。再有，电源控制单元4，通过在具有运算处理单元、存储单元、以及通信控制单元的微机等的信息运算装置中安装记述了后面叙述的控制步骤的计算机程序，并使用信息运算装置执行计算机程序来实现。
[电源装置的控制方法]
参照图3，说明一例图1的电源控制单元4的绝缘型DCDC变换器3a的控制步骤。图3的处理是以预定的周期反复实施的。
首先，在步骤S01中，电源控制单元4判断车辆驱动用电动机6在进行再生动作还是在进行动力运行动作。例如，如果由第1电源电压测定单元12测定出的第1电源电压Vbat处于减少倾向，则判断为在进行动力运行动作，如果第1电源电压Vbat处于增加倾向，则判断为在进行再生动作即可。除此以外，还可以基于从第1逆变器5或车辆驱动用电动机6输出的、表示动力运行动作或再生动作的信号来判断。
在判断为在进行动力运行动作的情况下，进入步骤S02，电源控制单元4判断由直流电压测定单元11测定出的直流电压Vdc是否大于对第1逆变器5可输入的下限值Vdcmin。在判断为直流电压Vdc不大于下限值Vdcmin的情况下(在S02中，‘否’)，进入步骤S04，电源控制单元4使用绝缘型DCDC变换器3a控制第2电源2的第2电源电压Vcap，以使直流电压Vdc变得大于下限值Vdcmin。例如，电源控制单元4将绝缘型DCDC变换器3a控制为导通状态，从一次侧连接的第1电源1a对二次侧连接的第2电源2传送电力。由此，第2电源2的第2电源电压Vcap上升，直流电压Vdc也上升，变得大于下限值Vdcmin。
在判断为直流电压Vdc大于下限值Vdcmin的情况下(在S02中，‘是’)，进入步骤S03，电源控制单元4判断第1电源1a的第1电源电压Vbat和第2电源2的第2电源电压Vcap之比是否等于绝缘型DCDC变换器3a的一次侧和二次侧的变压比(＝X：Y)。在判断为Vbat：Vcap等于X：Y的情况下(在S03中，‘是’)，进入步骤S06，电源控制单元4使用绝缘型DCDC变换器3a，控制第2电源电压Vcap。由此，由于能够使绝缘型DCDC变换器3a的开关元件32a～32d、34a～34d进行软切换动作，所以开关损耗降低，动力运行效率提高。再有，第2电源电压Vcap能够通过从直流电压Vdc中减去第1电源电压Vbat来求。
在判断为Vbat：Vcap不等于X：Y的情况下(在S03中，‘否’)，进入步骤S05，电源控制单元4将绝缘型DCDC变换器3a控制为截止状态。
另一方面，在判断为车辆驱动用电动机6在进行再生动作的情况下，进入步骤S07，电源控制单元4判断由直流电压测定单元11测定出的直流电压Vdc是否小于对第1逆变器5可输入的上限值Vdcmax。在判断为直流电压Vdc不小于上限值Vdcmax的情况下(在S07中，‘否’)，进入步骤S11，电源控制单元4使用绝缘型DCDC变换器3a控制第2电源电压Vcap，以使直流电压Vdc变得小于上限值Vdcmax。例如，电源控制单元4将绝缘型DCDC变换器3a控制为导通状态，从二次侧连接的第2电源2对一次侧连接的第1电源1a传送电力。由此，第2电源电压Vcap减少，直流电压Vdc也减少，变得小于上限值Vdcmax。
在判断为直流电压Vdc小于上限值Vdcmax的情况下(在S07中，‘是’)，进入步骤S08，电源控制单元4实施与上述的步骤S03相同的处理。在判断为Vbat：Vcap等于X：Y的情况下(在S08中，‘是’)，进入步骤S09，电源控制单元4实施与上述的步骤S06相同的处理。由此，由于能够使绝缘型DCDC变换器3a的开关元件32a～32d、34a～34d进行软切换动作，因此，开关损耗降低，再生效率提高。
在判断为Vbat：Vcap不等于X：Y的情况下(在S08中，‘否’)，进入步骤S10，电源控制单元4将绝缘型DCDC变换器3a控制为截止状态。
在步骤S04～S06、S09～S11之后，再次返回步骤S01。
参照图2，说明图3所示的电源控制单元4进行的绝缘型DCDC变换器3a的控制步骤中的直流电压Vdc以及第1电源电压Dbat的时间变化的情况。
首先，在动力运行状态中，从串联连接的第1电源1a以及第2电源2输出的直流电压Vdc、以及从第1电源1a输出的第1电源电压Vbat随着时间的经过而减少。在直流电压Vdc大于下限值Vdcmin的情况下，绝缘型DCDC变换器3a被控制为截止状态。即，电源控制单元4不进行使用绝缘型DCDC变换器3a对第2电源电压Vcap的控制(图3的S05)。再有，图2中的S04～S06、S09～S11的标记与图3的流程图中的处理内容相对应。
在动力运行状态中，在Vbat：Vcap变得等于X：Y时，电源控制单元4通过将绝缘型DCDC变换器3a切换为导通状态，开始使用了绝缘型DCDC变换器3a的第2电源电压Vcap的控制(图3的S06)。
在直流电压Vdc逐渐接近下限值Vdcmin时，电源控制单元4使用绝缘型DCDC变换器3a控制第2电源电压Vcap，使得直流电压Vdc不成为下限值Vdcmin以下(图3的S04)。
接着，在从动力运行状态转移到再生状态时，所再生的电力分别对串联连接的第1电源1a以及第2电源2充电，因此，直流电压Vdc以及第1电源电压Vbat随着时间的经过而上升。在直流电压Vdc小于上限值Vdcmax的情况下，绝缘型DCDC变换器3a被控制为截止状态。即，电源控制单元4不进行使用绝缘型DCDC变换器3a对第2电源电压Vcap的控制(图3的S10)。
在再生状态中，在Vbat：Vcap变得等于X：Y时，电源控制单元4通过将绝缘型DCDC变换器3a切换为导通状态，开始使用了绝缘型DCDC变换器3a的第2电源电压Vcap的控制(图3的S09)。
在直流电压Vdc逐渐接近上限值Vdcmax时，电源控制单元4使用绝缘型DCDC变换器3a控制第2电源电压Vcap，使得直流电压Vdc不会成为上限值Vdcmax以上(图3的S11)。具体而言，从二次侧连接的第2电源2对一次侧连接的第1电源1a传送电力。由此，第2电源电压Vcap减少，直流电压Vdc也减少，变得小于上限值Vdcmax。
再次从再生状态转移到动力运行状态时，反复执行上述的处理。
如以上说明那样，根据本发明的第1实施方式，能够得到以下的作用效果。
可进行电力充放电的第1电源1a和第2电源2串联连接，在绝缘型DCDC变换器3a的一次侧端子上连接第1电源1a，在绝缘型DCDC变换器3a的二次侧端子上连接第2电源2，电源控制单元4使用绝缘型DCDC变换器3a来控制第2电源2的电压(第2电源电压Vcap)。从串联连接的第1电源1a以及第2电源2输出的直流电压Vdc被输入到第1逆变器5，通过第1逆变器5变换成交流电压之后，提供给车辆驱动用电动机6。即使是第1电源1a的充电状态较低时，通过使用绝缘型DCDC变换器3a控制第2电源电压Vcap，也能够将直流电压Vdc维持得高。由此，能够削减在第1逆变器5内使用的半导体元件的电流容量，将第1逆变器5小型化。
在车辆利用车辆驱动用电动机6进行动力运行的情况下，如果直流电压Vdc大于对第1逆变器5可输入的下限值Vdcmin，则电源控制单元4不进行使用绝缘型DCDC变换器3a对第2电源电压Vcap的控制。在动力运行状态下，如果直流电压Vdc大于下限值Vdcmin，则绝缘型DCDC变换器3a不动作，因此动力运行效率提高。
在车辆使用车辆驱动用电动机6进行动力运行的情况下，电源控制单元4控制第2电源电压Vcap，使得直流电压Vdc不低于下限值Vdcmin。保障直流电压Vdc的下限值Vdcmin，动力运行效率提高。
在车辆驱动用电动机6再生电力的情况下，如果直流电压Vdc小于对第1逆变器5可输入的上限值Vdcmax，则电源控制单元4不进行使用绝缘型DCDC变换器3a对第2电源电压Vcap的控制。在再生状态下，如果直流电压Vdc小于上限值Vdcmax，则绝缘型DCDC变换器3a不进行动作，因此，再生效率提高。
在车辆驱动用电动机6再生电力的情况下，电源控制单元4控制第2电源电压Vcap，使得直流电压Vdc不超过上限值Vdcmax。抑制第1逆变器5具备的半导体元件的损坏，动作安全性提高。
绝缘型DCDC变换器3a是能够对一次侧和二次侧之间的双方向传送电力的双向绝缘型DCDC变换器。双方向绝缘型DCDC变换器的电力的变换效率高，因此，抑制绝缘型DCDC变换器3a产生的多余的功耗，第2电源电压Vcap的控制效率提高。
在将绝缘型DCDC变换器3a的一次侧和二次侧的变压比设为X：Y的情况下，在第1电源电压Vbat和第2电源电压Vcap的比变为X：Y时，电源控制单元4开始使用了绝缘型DCDC变换器3a的第2电源电压Vcap的控制。由于能够以软切换方式使绝缘型DCDC变换器3a动作，因此，抑制绝缘型DCDC变换器3a产生的多余的功耗，第2电源电压Vcap的控制效率提高。
第2电源2是静电电容元件，电源装置还具有对于该静电电容元件并联连接的齐纳二极管7。当绝缘型DCDC变换器3a在开路模式下发生了故障时，抑制对静电电容元件施加过电压，能够使安全性提高。
(第2实施方式)
参照图4，说明第2实施方式的绝缘型DCDC变换器3b的结构。在第1实施方式中，如图1所示，例示了使用了MOS型场效应晶体管作为开关元件32a～32d、34a～34d的绝缘型DCDC变换器3a。但是，开关元件32a～32d、34a～34d不限于MOS型场效应晶体管，例如，也可以使用双极晶体管。如图4所示，第2实施方式的电源装置具有：使用了双极晶体管作为开关元件42a～42d、44a～44d的绝缘型DCDC变换器3b。进一步地，绝缘型DCDC变换器3b与绝缘型DCDC变换器3a相比，还在具有二次侧的平滑电容器45这一点有所不同。除此之外，有关一次侧以及二次侧的全桥电路的结构、绝缘型变压器41的变压比，与第1实施方式相同，省略说明。
(第3实施方式)
如图5所示，第3实施方式的绝缘型DCDC变换器3c具有在绝缘型变压器41的一次侧连接了谐振电容器46的结构。可进行一次侧的开关元件42a～42d的软切换动作，并可减轻开关损耗。其他方面与图4相同，省略说明。
(第4实施方式)
参照图6，说明第4实施方式的电源装置的结构。第4实施方式的电源装置，与图1所示的电源装置相比，在还具有直流侧端子连接在第1电源1b上的第2逆变器8、以及连接了第2逆变器8的交流侧端子的发电机9这一点有所不同。除此以外的结构相同，省略说明。
第1电源1b，不是锂(Li)离子蓄电池等的电池，而是由双电荷层电容器、Li离子电容器、电容器等的静电电容元件构成。电源控制单元4从第1电源电压Vbat监视第1电源1b的充电状态。在第1电源1b的充电状态降低了的情况下，使发电机9动作，并将产生的交流电力通过第2逆变器8变换成直流电电力，对第1电源1b充电。这样，通过将发电机9发电的电力经由第2逆变器8提供给第1电源1b，抑制第1电源1b的充电状态的降低，并能够将输入到第1逆变器5的直流电压Vdc维持得高。
日本特愿2012-037636号(申请日：2012年2月23日)的全部内容援引于此。
以上，按照实施例说明了本发明的内容，但是本发明是不限于这些记载，本领域技术人员应该明白，可进行各种变形以及改良。
工业上的可利用性
根据本实施方式的电源装置，能够将输入到第1逆变器5的直流电压维持得高，因此，能够削减在第1逆变器5中使用的半导体元件的电流容量，并能够将第1逆变器5小型化。因此，本发明具有工业上的可利用性。

Claims (10)

1.一种电源装置，其特征在于，具有：
可进行电力充放电的第1电源；
与所述第1电源串联连接的、可进行电力充放电的第2电源；
绝缘型DCDC变换器，其一次侧端子上连接了所述第1电源，二次侧端子上连接了所述第2电源；以及
电源控制单元，其使用所述绝缘型DCDC变换器控制所述第2电源的电压，
从串联连接的所述第1电源以及所述第2电源输出的直流电压，被输入到第1逆变器，通过所述第1逆变器变换成交流电压后，提供给车辆驱动用电动机。
2.如权利要求1所述的电源装置，其特征在于，
在车辆利用所述车辆驱动用电动机进行动力运行的情况下，如果所述直流电压大于对所述第1逆变器可输入的下限值，则所述电源控制单元不进行使用所述绝缘型DCDC变换器对所述第2电源的电压的控制。
3.如权利要求2所述的电源装置，其特征在于，
在车辆利用所述车辆驱动用电动机进行动力运行的情况下，所述电源控制单元控制所述第2电源的电压，以使所述直流电压不低于所述下限值。
4.如权利要求1～3中任一项所述的电源装置，其特征在于，在所述车辆驱动用电动机再生电力的情况下，如果所述直流电压小于对所述第1逆变器可输入的上限值，则所述电源控制单元不进行使用所述绝缘型DCDC变换器对所述第2电源的电压的控制。
5.如权利要求4所述的电源装置，其特征在于，
在所述车辆驱动用电动机再生电力的情况下，所述电源控制单元控制所述第2电源的电压，以使所述直流电压不超过所述上限值。
6.如权利要求1～5中任一项所述的电源装置，其特征在于，
所述绝缘型DCDC变换器，是能够对一次侧和二次侧之间的双方向传送电力的双向绝缘型DCDC变换器。
7.如权利要求1～6中任一项所述的电源装置，其特征在于，
在将所述绝缘型DCDC变换器的一次侧和二次侧的变压比设为X：Y的情况下，在所述第1电源的电压和所述第2电源的电压的比变为X：Y时，所述电源控制单元开始使用所述绝缘型DCDC变换器的所述第2电源的电压的控制。
8.如权利要求1～7中任一项所述的电源装置，其特征在于，
所述第2电源是静电电容元件，
所述电源装置还具有对于该静电电容元件并联连接的齐纳二极管。
9.如权利要求1～8中任一项所述的电源装置，其特征在于，还具有：
直流侧端子连接到所述第1电源的第2逆变器；以及
连接了所述第2逆变器的交流侧端子的发电机。
10.一种电源装置的控制方法，其特征在于，该电源装置具有：可进行电力充放电的第1电源；与所述第1电源串联连接的、可进行电力充放电的第2电源；以及绝缘型DCDC变换器，其一次侧端子上连接了所述第1电源，二次侧端子上连接了所述第2电源，在所述控制方法中，从串联连接的所述第1电源以及所述第2电源输出的直流电压被输入到第1逆变器，通过所述第1逆变器变换成交流电压之后，提供给车辆驱动用电动机，
该控制方法使用所述绝缘型DCDC变换器控制所述第2电源的电压。
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