JP2008172912A - 電圧変換装置および車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】応答性が改善された電圧変換装置およびそれを搭載する車両を提供する。
【解決手段】DC−DCコンバータ30を制御するDC−CPU31は、電圧指令値に基づき算出した仮デューティー比をリアクトルLに流れるリアクトル電流値に応じて補正して基準信号GATEBAを出力する。DC−CPU31は、リアクトル電流に対応する補正量が定義されたマップを参照して補正を行なうとともに電圧指令値Vfcrと出力電圧値VINVとの偏差に基づくフィードバック制御を用いた更なる補正を実行し、リアクトル電流値が安定しているときに更なる補正がされた補正量を用いてマップを更新する。
【選択図】図2
【解決手段】DC−DCコンバータ30を制御するDC−CPU31は、電圧指令値に基づき算出した仮デューティー比をリアクトルLに流れるリアクトル電流値に応じて補正して基準信号GATEBAを出力する。DC−CPU31は、リアクトル電流に対応する補正量が定義されたマップを参照して補正を行なうとともに電圧指令値Vfcrと出力電圧値VINVとの偏差に基づくフィードバック制御を用いた更なる補正を実行し、リアクトル電流値が安定しているときに更なる補正がされた補正量を用いてマップを更新する。
【選択図】図2
Description
この発明は、電圧変換装置および車両に関し、特に2つの電圧系の間に設置され双方向に電流供給が可能な電圧変換装置およびそれを備える車両に関する。
特開2003−250276号公報(特許文献1)には、出力電流値、出力電圧値などから、リアクトル電流を推定し、推定したリアクトル電流のパターンに基づいてデッドタイムを補正するPWM(パルス幅変調)インバータが開示されている。
特開2003−250276号公報
特開2004−201414号公報
インバータや電圧コンバータでは、電圧指令値(目標電圧)と入力電圧の差に応じて内部素子の制御を行なうフィードフォワード制御と、電圧指令値と出力電圧の差に応じて内部素子の制御を行なうフィードバック制御とを組み合わせて用いる場合がある。フィードバック制御では、PID(比例積分微分)制御などが用いられる場合が多い。
近年、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車等のように、車両推進用の駆動源として交流式モータを採用し、この交流式モータを駆動するインバータ装置を搭載する自動車が登場している。
このような車両では、車両推進用モータを駆動するための高電圧バッテリと低電圧の補機用バッテリなどの2つ以上の異なる電圧のバッテリを搭載するケースがある。
また、燃料電池を搭載する自動車では、稼動開始から安定出力にいたるまで燃料電池の出力電圧が変動する。このため駆動用の電力を安定的に確保するには燃料電池と二次電池とを組み合わせ、電圧変換器で接続して使用することが検討されている。
車両状態に応じて燃料電池の出力電圧も二次電池の出力電圧も変動するので、この間に接続される電圧変換器は、車両に必要とされるパワーに応じて、二次電池側から燃料電池側に電流を供給したり、逆に燃料電池側から二次電池に充電したりする動作を行なう。
このため、車両の加速、道路の傾斜等に応じて必要な電圧を速やかに出力できる応答性の良い電圧変換器が要求される。
しかしながら、リアクトルを含むインバータや電圧コンバータにおいて、リアクトル電流が複数の状態間を遷移するとき、固定ゲインのPID制御では応答性が悪く、電圧指令値が変化する過渡時における電圧誤差が生じてしまう。
さらに、リアクトル電流の状態に対応させて、特開2003−250276号公報に開示されたようなデッドタイム補正を行なったとしても、部品特性のバラツキや経年変化によって、補正値が最適でなくなる場合もありうる。
この発明の目的は、応答性が改善された電圧変換装置およびそれを搭載する車両を提供することである。
この発明は、要約すると、電圧変換装置であって、リアクトルと、リアクトルの一方端と第1の電源ノードとの間に設けられ、第1の活性化信号に応じて導通する第1のスイッチング素子を含む第1の電流通過部と、第1の電源ノードとは電位の異なる第2の電源ノードとリアクトルの一方端との間に設けられ、第2の活性化信号に応じて導通する第2のスイッチング素子を含む第2の電流通過部と、電圧指令値に基づいて第1および第2の活性化信号のデューティー比を決定するスイッチング制御部とを備える。スイッチング制御部は、基準信号に応じて第1、第2のスイッチング素子を双方とも非導通状態に維持するデッドタイム分の非活性期間を設けた第1、第2の活性化信号を出力するデッドタイム生成部と、電圧指令値に基づき算出した仮デューティー比をリアクトルに流れるリアクトル電流値に応じて補正して基準信号を出力する補正制御部とを含む。補正制御部は、リアクトル電流に対応する補正量が定義されたマップを参照して補正を行なうとともに電圧指令値と出力電圧値との偏差に基づくフィードバック制御を用いた更なる補正を実行し、リアクトル電流値が安定しているときに更なる補正がされた補正量を用いてマップを更新する。
好ましくは、補正制御部は、リアクトル電流が所定のしきい値を超えるときに、補正量が定義されたマップを参照して補正を行なう。
好ましくは、フィードバック制御は、積分制御を含む。補正制御部は、積分制御の積分項が蓄積される積分処理部を含む。補正量は、積分項に適用される。
好ましくは、第1の電流通過部は、第1のスイッチング素子と並列にリアクトルの一方端と第1の電源ノードとの間に設けられる第1の整流素子をさらに含む。第2の電流通過部は、第2のスイッチング素子と並列にリアクトルの一方端と第2の電源ノードとの間に設けられる第2の整流素子をさらに含む。
好ましくは、電圧変換装置は、リアクトルの他方端と第3の電源ノードとの間に設けられる第3の電流通過部と、第2の電源ノードとリアクトルの他方端との間に設けられる第4の電流通過部とをさらに備える。電圧変換装置は、第1の電源ノードと第3の電源ノードとの間で電圧変換を行なう。
より好ましくは、第3の電源ノードと第2の電源ノードとの間には、モータ駆動用のインバータが接続され、第1の電源ノードと第2の電源ノードとの間には、蓄電装置が接続される。
さらに好ましくは、第3の電源ノードには、さらに整流素子を介して燃料電池が接続される。
この発明は、他の局面では、上記いずれかに記載の電圧変換装置を搭載する車両である。
本発明によれば、電圧変換装置の応答性が改善される。またこれにより、車両の走行性能が向上する。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
[車両の全体構成]
図1は、本発明の実施の形態に係る電圧変換器を搭載した車両の構成を示す説明図である。一例として、車両が燃料電池自動車である例が示されるが、これに限らず、電気自動車、ハイブリッド自動車にも本発明は適用可能である。
図1は、本発明の実施の形態に係る電圧変換器を搭載した車両の構成を示す説明図である。一例として、車両が燃料電池自動車である例が示されるが、これに限らず、電気自動車、ハイブリッド自動車にも本発明は適用可能である。
図1を参照して、この車両は、車輪63L,63Rに連結された同期モータ61を駆動力源として走行する。同期モータ61の電源は、電源システム1である。電源システム1から出力される直流は、インバータ60で三相交流に変換され同期モータ61に供給される。同期モータ61は、制動時に発電機として機能することもできる。
電源システム1は、燃料電池40、バッテリ20、DC/DCコンバータ30等から構成される。燃料電池40は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する装置である。一例としては、固体高分子型の燃料電池を用いることができる。これに限らず、燃料電池40には、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を適用可能である。発電に利用される水素ガスは、アルコール等の原料を改質して生成される。本実施の形態では、発電を行なうスタック、燃料ガスを生成する改質器等を含めて燃料電池40と称する。なお、改質器に代えて、水素吸蔵合金、水素ボンベなどを利用して水素ガス自体を貯蔵する構成を採ることも可能である。
バッテリ20は、充放電可能な二次電池であり、一例としては、ニッケル水素バッテリを用いることができる。その他、種々のタイプの二次電池を適用可能である。また、バッテリ20に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えば電気二重層コンデンサ等の蓄電容量が大きなものを内蔵するキャパシタを用いても良い。
燃料電池40とバッテリ20とはインバータ60に並列接続されている。燃料電池40からインバータ60への回路には、バッテリ20からの電流または同期モータ61で発電された電流が逆流するのを防止するためのダイオード42が設けられている。並列に接続された電源の電力を適切に使い分けるためには、両者の相対的な電圧差を制御する必要がある。本実施の形態では、この目的から、バッテリ20とインバータ60との間にDC/DCコンバータ30が設けられている。DC/DCコンバータ30は直流電圧同士を変換する電圧変換器である。DC/DCコンバータ30は、バッテリ20から入力されたDC電圧を調整してインバータ60側に出力する機能、燃料電池40またはモータ61から入力されたDC電圧を調整してバッテリ20に出力する機能を奏する。DC/DCコンバータ30の機能により、バッテリ20の充放電が実現される。
バッテリ20とDC/DCコンバータ30との間には、車両補機50およびFC補機51が接続されている。つまり、バッテリ20は、これらの補機の電源となる。車両補機50とは、車両の運転時に使用される種々の電力機器を言い、照明機器、空調機器、油圧ポンプなどが含まれる。FC補機51とは、燃料電池40の運転に使用される種々の電力機器を言い、燃料ガスや改質原料を供給するためのポンプ、改質器の温度を調整するヒータ等が含まれる。
上述した各要素の運転は、制御ユニット10によって制御される。制御ユニット10は、内部にCPU、RAM、ROMを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御ユニット10は、インバータ60のスイッチングを制御して、要求動力に応じた三相交流を同期モータ61に出力する。要求動力に応じた電力が供給されるよう、燃料電池40およびDC/DCコンバータ30の運転を制御する。
これらの制御を実現するために、制御ユニット10には、種々のセンサ信号が入力される。これらのセンサには、例えば、アクセルペダルセンサ11、バッテリ20の充電状態SOC(State Of Charge)を検出するSOCセンサ21、燃料電池40のガス流量を検出する流量センサ41、車速を検出する車速センサ62が含まれる。図示しないが、制御ユニット10には、その他種々のセンサが接続されている。
図2は、図1のDC/DCコンバータ30について詳細な構成を示した回路図である。なお、動作理解の容易のために、図2にはDC/DCコンバータ30の周辺部についても一部構成が示されている。
図2を参照して、この車両には、バッテリ20と、バッテリ20の端子間に接続される平滑用コンデンサ6と、インバータ60と、インバータ60によって駆動されるモータ61と、インバータに直流電圧を供給する直列に接続されるダイオード42および燃料電池40と、インバータの電源端子間に接続される平滑用コンデンサ14とが設けられる。ダイオード42は、燃料電池40に電流が流入するのを防止するための保護素子である。
この車両には、さらに、バッテリ20の電圧VBを検出する電圧センサ22と、バッテリ20に流れる電流IBを検出する電流センサ23と、インバータの電圧VINVを検出する電圧センサ44と、インバータ側に流れる電流IINVを検出する電流センサ43と、バッテリの電圧VBとインバータの電圧VINVとの間で相互に電圧変換を行なうDC/DCコンバータ30とが搭載されている。
DC/DCコンバータ30は、バッテリ20の端子間に接続される第1のアームと、インバータ60の電源端子間に接続される第2のアームと、第1、第2のアーム間に接続されるリアクトルLとを含む。
第1のアームは、バッテリ20の正極と負極との間に直列に接続されるIGBT素子TR1,TR2と、IGBT素子TR1と並列に接続されるダイオードD1と、IGBT素子TR2と並列に接続されるダイオードD2とを含む。
IGBT素子TR1のコレクタはバッテリ20の正極に接続され、エミッタはノードN1に接続される。ダイオードD1はノードN1からバッテリ20の正極に向かう向きを順方向として接続される。
IGBT素子TR2のコレクタはノードN1に接続され、エミッタはバッテリ20の負極に接続される。ダイオードD2はバッテリ20の負極からノードN1に向かう向きを順方向として接続される。
第2のアームは、インバータの正負電源端子間に直列に接続されるIGBT素子TR3,TR4と、IGBT素子TR3と並列に接続されるダイオードD3と、IGBT素子TR4と並列に接続されるダイオードD4とを含む。
IGBT素子TR3のコレクタはインバータ60の正電源端子に接続され、エミッタはノードN2に接続される。ダイオードD3はノードN2からインバータ60の正電源端子に向かう向きを順方向として接続される。
IGBT素子TR4のコレクタはノードN2に接続され、エミッタはインバータ60の負電源端子に接続される。ダイオードD4はインバータ60の負電源端子からノードN2に向かう向きを順方向として接続される。
リアクトルLは、ノードN1とノードN2との間に接続される。
バッテリ20の電圧VBと燃料電池40の出力電圧とは、取り得る範囲が一部重なっている。たとえばバッテリはニッケル水素バッテリなどが使用され、その電源電圧はたとえば200V〜300Vの範囲で変動するとする。一方、燃料電池40の出力電圧はたとえば240V〜400Vの範囲で変動するとする。したがってバッテリ20の電圧が燃料電池40の出力電圧よりも高い場合と低い場合とがあるので、DC/DCコンバータ30は先に説明したように第1、第2のアームを有するような構成となっている。この構成により、バッテリ20側からインバータ60側に昇圧および降圧が可能となり、かつインバータ60側からバッテリ20側に昇圧および降圧が可能となる。
バッテリ20の電圧VBと燃料電池40の出力電圧とは、取り得る範囲が一部重なっている。たとえばバッテリはニッケル水素バッテリなどが使用され、その電源電圧はたとえば200V〜300Vの範囲で変動するとする。一方、燃料電池40の出力電圧はたとえば240V〜400Vの範囲で変動するとする。したがってバッテリ20の電圧が燃料電池40の出力電圧よりも高い場合と低い場合とがあるので、DC/DCコンバータ30は先に説明したように第1、第2のアームを有するような構成となっている。この構成により、バッテリ20側からインバータ60側に昇圧および降圧が可能となり、かつインバータ60側からバッテリ20側に昇圧および降圧が可能となる。
DC/DCコンバータ30は、さらに、DC−CPU31と、バッファ32と、反転バッファ34,35,36,38,39と、デッドタイム生成部33,37と、リアクトルLの電流値ILを検知する電流センサSEとを含む。
DC−CPU31は、電圧指令値Vfcrおよび電流値ILに応じてコンバータのスイッチングデューティー比の基準となる信号GATEBAを出力する。信号GATEBAは、バッファ32によってデッドタイム生成部33に伝達される。デッドタイム生成部33は、出力信号の立ち上がりを遅延させて、相補な2つの出力信号の活性期間の間に2つの出力信号が双方とも不活性となるデッドタイムを設ける。
デッドタイム生成部33の相補な出力信号は、それぞれ反転バッファ34,35に与えられる。反転バッファ34はIGBT素子TR1に対してゲート信号MUPを出力する。反転バッファ35はIGBT素子TR1に対してゲート信号MDNを出力する。
また、信号GATEBAは、反転バッファ36によってデッドタイム生成部37に伝達される。デッドタイム生成部37は、入力信号の立ち上がり又は立下りを遅延させて、相補な2つの出力信号の活性期間の間に、2つの出力信号が双方とも不活性となるデッドタイムを設ける。
デッドタイム生成部37の相補な出力信号は、それぞれ反転バッファ38,39に与えられる。反転バッファ38はIGBT素子TR3に対してゲート信号GUPを出力する。反転バッファ39はIGBT素子TR4に対してゲート信号GUNを出力する。
図3は、スイッチング素子のデューティー比が50%より小さい場合のリアクトルに流れる電流の変化を説明するための図である。
図4は、スイッチング素子のデューティー比が50%より大きい場合のリアクトルに流れる電流の変化を説明するための図である。
ここで、デューティー比とは、スイッチング素子のオン時間をTon、オフ時間をToffとするとD=Ton/(Ton+Toff)で表される。
また、リアクトル電流の傾きはΔI/Δt=V/Lで決まるが、図3、図4では理解の容易のためコンバータの入口側と出口側の電圧が等しい場合について、リアクトル電流ILを示している。
図3に示すようにIL基準パルスのデューティー比D<50%の場合には、次第にリアクトル電流ILが減少していく。逆に図4に示すようにIL基準パルスのデューティー比D>50%の場合には、次第にリアクトル電流ILが増加していく。
図2のバッテリ20からの放電時には、IGBT素子TR1,TR4がオン状態に制御されることによってリアクトルLにエネルギが蓄積される。続いてIGBT素子TR1,TR4がともにオフ状態に制御されるとリアクトルLに蓄積されたエネルギがダイオードD2→リアクトルL→ダイオードD3の電流経路で放出される。
これによりバッテリ20から供給される電力によってインバータ60が駆動されモータ61が回転する。このときに同期して、ダイオードD2、D3における損失を減らすために、IGBT素子TR2,TR3を導通させて抵抗を減らしている。ただし、IGBT素子はスイッチング時にターンオフ遅れが生ずるので、ゲート制御信号にデッドタイムが設けられている。
図2のDC−CPU31がPWM制御して発生する基準信号GATEBAに対して、IGBT素子のゲートを駆動するドライブ信号を作成する際に、素子のオン指令を遅らせるなどの構成を追加することで上下アームの短絡の危険性を回避している。この短絡防止のために設ける、上下アームのIGBT素子の両方がオフとなる期間をデッドタイムと呼んでいる。
図示しないが、モータ61には車輪が減速機を介して接続されている。このようなバッテリ20からの放電は、燃料電池40からの電力だけでは必要なパワーに満たないような高パワー領域でモータ61を運転させる場合や、停車時や低負荷走行時など燃料電池40の効率が低い領域での運転を行なう場合に行なわれる。
図2のバッテリ20への充電時には、IGBT素子TR2,TR3がオン状態に制御されることによってリアクトルLにエネルギが蓄積される。続いてIGBT素子TR2,TR3がともにオフ状態に制御されるとリアクトルLに蓄積されたエネルギがダイオードD4→リアクトルL→ダイオードD1の電流経路で放出される。
このようにバッテリ20に対して充電が行なわれるのは、バッテリ20の充電状態(SOC)が低下している場合で燃料電池40の出力に余裕がある場合である。または、走行時に車両を制動させた場合においてモータ61が回生運転を行なうことにより電気エネルギを回収してバッテリ20に蓄積する場合である。
この動作により、燃料電池40で発電された直流電力が供給され、または回生運転によりモータ61で発電された交流電力がインバータ60で直流電力に変換されて供給されてバッテリ20に対する充電が行なわれる。
バッテリ20への充電時にも、上下アームの短絡を防止するためにデッドタイムが設けられている。
図5は、リアクトル電流が3状態に分類されることを説明するための波形図である。
図5を参照して、状態Aは、スイッチングの1サイクルにおいてリアクトル電流ILが常に負(マイナス)である状態である。このときリアクトル電流の向きは、図2においてリアクトル電流ILの矢印で示した向きを正とする。つまり、状態Aは、バッテリ20に燃料電池40またはインバータ60から充電が行なわれている状態である。
図5を参照して、状態Aは、スイッチングの1サイクルにおいてリアクトル電流ILが常に負(マイナス)である状態である。このときリアクトル電流の向きは、図2においてリアクトル電流ILの矢印で示した向きを正とする。つまり、状態Aは、バッテリ20に燃料電池40またはインバータ60から充電が行なわれている状態である。
状態Cは、スイッチングの1サイクルにおいてリアクトル電流ILが常に正(プラス)である状態である。つまり、状態Cは、バッテリ20からインバータ60に放電が行なわれている状態である。
状態Bは、スイッチングの1サイクルにおいてリアクトル電流ILの最大値Imaxが正で、最小値Iminが負である状態であり、リアクトル電流がゼロを横切って変化する(ゼロクロス)状態である。つまり状態Bは、バッテリ20に充電される電流とバッテリ20から放電される電流とがほぼ拮抗している状態である。
図6は、図5の状態Aにおける基準信号GATEBAとリアクトル電流の変化との関係を示した動作波形図である。
図2、図6を参照して、DC−CPU31から出力された基準信号GATEBAは、デッドタイム生成部33,37によってデッドタイムが付加された結果、IGBT素子TR1〜TR4を図6の波形図に示すようにON・OFFさせる。
すなわち、時刻t1の基準信号GATEBAの立下りに応じてIGBT素子TR1,TR4がオン状態からオフ状態に非活性化され、デッドタイムTdt1が経過した後の時刻t3においてIGBT素子TR2,TR3がオフ状態からオン状態に活性化される。
続いて、時刻t4の基準信号GATEBAの立上りに応じてIGBT素子TR2,TR3がオン状態からオフ状態に非活性化され、デッドタイムTdt2が経過した後の時刻t6においてIGBT素子TR1,TR4がオフ状態からオン状態に活性化される。
ここで、IGBT素子TR1〜TR4には、それぞれダイオードD1〜D4が並列接続されている。したがって、デッドタイムにおいてもダイオードの順方向には電流が流れうる。
状態Aにおいては、リアクトル電流ILが負すなわち図2のノードN2からノードN1に向けて流れている。したがってIGBT素子TR1〜TR4がすべてオフ状態であるデッドタイム時には、ダイオードD1、D4が導通する。
つまり時刻t6〜t7のIGBT素子TR1,TR4が導通している時間にデッドタイムTdt1,Tdt2を加えた時間、つまり時刻t4〜t9の間は1サイクルにおいてリアクトル電流ILが増加し、1サイクル中リアクトル電流が減少する時間は時刻t3〜t4のIGBT素子TR2,TR3が導通している時間のみとなる。
したがって、仮に、基準信号GATEBAのデューティー比が50%であるとすると、状態Aでは、次第にリアクトル電流ILが増加していく傾向となる。
図7は、図5の状態Cにおける基準信号GATEBAとリアクトル電流の変化との関係を示した動作波形図である。
図7の基準信号GATABAとIGBT素子TR1〜TR4のオン/オフ状態については、図6の場合と同様であるので説明は繰返さない。
図2、図7を参照して、状態Cにおいては、リアクトル電流ILが正すなわち図2のノードN1からノードN2に向けて流れている。したがってIGBT素子TR1〜TR4がすべてオフ状態であるデッドタイム時には、ダイオードD2、D3が導通する。
つまり時刻t3〜t4のIGBT素子TR2,TR3が導通している時間にデッドタイムTdt1,Tdt2を加えた時間、つまり時刻t1〜t6の間は1サイクルにおいてリアクトル電流ILが減少し、1サイクル中リアクトル電流が増加する時間は時刻t6〜t7のIGBT素子TR1,TR4が導通している時間のみとなる。
したがって、仮に、基準信号GATEBAのデューティー比が50%であるとすると、状態Cでは、次第にリアクトル電流ILが減少していく傾向となる。
図8は、図5の状態Bにおける基準信号GATEBAとリアクトル電流の変化との関係を示した動作波形図である。
図8の基準信号GATABAとIGBT素子TR1〜TR4のオン/オフ状態については、図6の場合と同様であるので説明は繰返さない。
図2、図8を参照して、状態Bにおいては、リアクトル電流ILが正すなわち図2のノードN1からノードN2に向けて流れている期間と、リアクトル電流ILが負すなわち図2のノードN2からノードN1に向けて流れている期間とが繰返される。
この場合は、時刻t3〜t4のIGBT素子TR2,TR3が導通している時間にデッドタイムTdt1を加えた時間、つまり時刻t1〜t4の間は1サイクルにおいてリアクトル電流ILが減少し、時刻t6〜t7のIGBT素子TR1,TR4が導通している時間にデッドタイムTdt2を加えた時間、つまり時刻t4〜t7の間は1サイクルにおいてリアクトル電流ILが増加する。
したがって、仮に、基準信号GATEBAのデューティー比が50%であるとすると、デッドタイムTdt1,Tdt2が等しければ、状態Bでは、リアクトル電流ILは現状を維持する傾向となる。
以上図6〜図8で説明したように、基準信号GATEBAのデューティー比と実際にリアクトルで電流の増加減少が行なわれるデューティーとは、リアクトルの電流状態で異なる。
したがって、精度よく制御を行なうためにはリアクトルの電流状態に応じて、基準信号GATEBAのデューティー比を補正してやる必要がある。
つまり、状態Aでは目標よりも基準信号GATEBAのデューティー比を小さく補正する必要があり、状態Cでは目標よりも基準信号GATEBAのデューティー比を大きく補正する必要がある。
[デューティー比の補正処理]
図9は、実施の形態において、図2に示したDC−CPU31の構成を示したブロック図である。
図9は、実施の形態において、図2に示したDC−CPU31の構成を示したブロック図である。
図9を参照して、DC−CPU31は、指令電圧値Vfcrとインバータ電圧値VINVとの偏差ΔVfcを演算する演算部72と、偏差ΔVfcの微分処理を行なう処理部74と、処理部74の出力に微分項ゲインKdVを掛ける演算部76と、偏差ΔVfcの積分処理を行なう処理部80と、処理部80の出力に積分項ゲインKiVを掛ける演算部82と、偏差ΔVfcに比例項KpVを掛ける演算部78と、演算部76,78,82の出力の和を演算する演算部84とを含む。演算部84は和信号Vfcを出力する。
DC−CPU31は、さらに、リアクトル電流状態が遷移するときに、判定されたリアクトル電流状態に対応する偏差積分項に処理部80の蓄積している偏差積分項を補正する積分項補正部81を含む。積分項補正部81は、リアクトル電流状態に対応する偏差積分項をマップとして保持しており、リアクトル電流値ILの状態を判定し、対応する偏差積分項をマップから得て処理部80に設定する。また、リアクトル電流値ILが所定期間安定しておりかつ処理部80の偏差積分項も所定期間安定しているときに、処理部80から偏差積分項を読み出して、マップに登録されている偏差積分項を更新する。
DC−CPU31は、さらに、指令電圧値Vfcrとバッテリ電圧値VBとを受けてVfcr/(VB+Vfcr)を演算してこれを電圧値Vfcreqとして出力するフィードフォワード処理部86と、電圧値Vfcと電圧値Vfcreqとを加算して電圧値V1を出力する加算処理部88と、電圧値V1を受けて基準信号GATABAを出力するPWM処理部92とを含む。
PWM処理部92は、加算処理部88で加算された結果の電圧値V1に対応するスイッチング基準タイミングを示す信号GATEBAを図2のバッファ32および反転バッファ36に出力する。
図10は、DC−CPU31の積分項補正部81で行なわれる処理を示したフローチャートである。この処理は、制御のメインルーチンから所定時間毎または所定の条件が成立する毎に呼び出されて実行される。
図10を参照して、処理が開始されると、まずステップS1において積分項補正部81は、図2の電流センサSEの出力するリアクトル電流値ILを取得して、現在のリアクトル電流状態が、図5の状態A,B,Cのいずれであるかを検知する。
積分項補正部81は、リアクトル電流ILの平均値の変化を観測し、その平均値を用いてリアクトル電流状態を判定する。リアクトル電流ILの平均値は、図5のようにスイッチング周期で増減を繰返すリアクトル電流ILの上側ピークと下側ピークの中間的な値であり、たとえばフィルタを介して電流センサの出力を観測することによって得られる。
その平均値が所定の正のしきい値Ith1よりも大きければ(プラスであれば)図5の状態Cであると判定される。その平均値が所定の負のしきい値Ith2よりも小さければ(マイナスであれば)図5の状態Aであると判定される。また、その平均値が所定の正のしきい値Ith3と所定の負のしきい値の間にあれば図5の状態Bであると判定される。この場合、しきい値の大きさの順は、Ith1≧Ith3>0>Ith4≧Ith2である。平均値が、Ith1とIth3の間、およびIth4とIth2の間にあるときは、過渡状態であると判断される。
そして、ステップS2において、積分項補正部81は、リアクトル電流状態が前回判定したリアクトル電流状態とは異なっているものであるか否かを判断する。たとえば、積分項補正部81は、リアクトル電流の時間当たりの変化量が所定のしきい値を超えるときに、リアクトル電流状態が異なる状態に変化したと判断する。
ステップS2の条件が成立した場合には、ステップS3に処理が進み、条件が成立しない場合には、ステップS5に処理が進む。
ステップS3では、リアクトル電流の状態が変動中でない、つまり過渡状態でないことが判断される。ステップS3の条件が成立した場合は、ステップS4に処理が進む。
ステップS4では、積分項補正部81は、後に図12で説明するマップから現在のリアクトル電流状態に対応する偏差積分項の値を取得して、処理部80の内容を補正する。すなわち、偏差積分項が安定値に落ち着くためには時間がかかるので、リアクトル状態が変化した場合に、安定値に相当する値を偏差積分項として処理部80にセットする。
一方、ステップS2において、条件が成立せずにステップS5に処理が進んだ場合には、リアクトル電流が所定時間以上安定しているか否かが判断される。ステップS5において、リアクトル電流が所定時間以上安定していると判断された場合、さらにステップS6において、処理部80の蓄積している偏差積分項の値が所定時間以上安定しているか否かが判断される。そして、ステップS6において偏差積分項が安定していると判断されると、ステップS7においてそのときのリアクトル電流値に対して処理部80で蓄積されていた偏差積分項の値を、マップに反映させてマップを更新する。
ステップS4もしくはS7の処理が終了した場合、またはステップS3,S5,S6において条件が成立しなかった場合には、ステップS8に処理が進み、制御はメインルーチンに移される。
図11は、図10のステップS5〜S7で実行されるマップの更新について説明するための動作波形図である。
図11には、車両が走行しているときの時刻t1〜t6のリアクトル電流ILの平均値の変化と図9の処理部80に蓄積された偏差積分項の変化とが示されている。リアクトル電流ILの平均値は、図5のようにスイッチング周期で増減を繰返すリアクトル電流ILの上側ピークと下側ピークの中間的な値であり、たとえばフィルタを介して電流センサの出力を観測することによって得られる。また、偏差積分項は、図9の構成において、PID制御を実行したときに、デッドタイムのような定常的な偏差があるときに指令デューティー比を補正するためのパラメータの1つである。
図11を参照して、時刻t1からしばらくリアクトル電流ILの平均値と偏差積分項が安定した状態が続く。この状態が所定時間T経過した時刻t2において、偏差積分項PAとそのときのリアクトル電流値ILAとをマップに反映させてマップを更新する。
その後しばらくリアクトル電流と偏差積分項が変動する期間を挟んで、時刻t3からしばらくリアクトル電流ILの平均値と偏差積分項が安定した状態が続く。この状態が所定時間T経過した時刻t4において、偏差積分項PBとそのときのリアクトル電流値ILBとをマップに反映させてマップを更新する。
その後しばらくリアクトル電流と偏差積分項が変動する期間を挟んで、時刻t5からしばらくリアクトル電流ILの平均値と偏差積分項が安定した状態が続く。この状態が所定時間T経過した時刻t6において、偏差積分項PCとそのときのリアクトル電流値ILCとをマップに反映させてマップを更新する。
図12は、補正されたマップを示す図である。
図11、図12を参照して、初期のマップMAP0は、図11の時刻t2,t4,t6で発生したようなマップの更新が繰返されることにより、状態Aの偏差積分項がPAに補正され、状態Bの偏差積分項がPBに補正され、状態Cの偏差積分項がPCに補正されたマップMAP1に落ち着く。
図11、図12を参照して、初期のマップMAP0は、図11の時刻t2,t4,t6で発生したようなマップの更新が繰返されることにより、状態Aの偏差積分項がPAに補正され、状態Bの偏差積分項がPBに補正され、状態Cの偏差積分項がPCに補正されたマップMAP1に落ち着く。
このマップは不揮発メモリなどに記憶され、次回の走行時には不揮発メモリから更新されたマップを読み出して使用しても良い。また、マップを不揮発に記憶しない場合であっても、走行の都度初期マップから補正されたマップを得ることで、走行開始からしばらくすればDC/DCコンバータの応答性を良くすることができる。
マップの更新は、図5の状態A,B,Cにそれぞれ対応する偏差積分項の3つの値を随時更新するのでもよく、また、リアクトル電流と偏差積分項との関係をもっと細かく対応付けてマップ化し、偏差積分項の3つより多くの値や、リアクトル電流の状態A,B,Cを判定するしきい値自体を更新するのでも良い。
以上の説明を踏まえて、最後に、主として図2を参照して本実施の形態について総括的に再度説明をする。本実施の形態において、電圧変換装置(30)は、リアクトルLと、リアクトルLの一方端(N1)と第1の電源ノードとの間に設けられ、第1の活性化信号(MUP)に応じて導通する第1のスイッチング素子(TR1)を含む第1の電流通過部と、第1の電源ノードとは電位の異なる第2の電源ノードとリアクトルLの一方端(N1)との間に設けられ、第2の活性化信号(MUN)に応じて導通する第2のスイッチング素子(TR2)を含む第2の電流通過部と、電圧指令値(Vfcr)に基づいて第1および第2の活性化信号のデューティー比を決定するスイッチング制御部とを備える。スイッチング制御部は、基準信号(GATEBA)に応じて第1、第2のスイッチング素子(TR1,TR2)を双方とも非導通状態に維持するデッドタイム分の非活性期間を設けた第1、第2の活性化信号を出力するデッドタイム生成部33と、電圧指令値に基づき算出した仮デューティー比をリアクトルLに流れるリアクトル電流値に応じて補正して基準信号(GATEBA)を出力する補正制御部(31)とを含む。補正制御部(31)は、リアクトル電流に対応する補正量が定義されたマップを参照して補正を行なうとともに電圧指令値(Vfcr)と出力電圧値(VINV)との偏差に基づくフィードバック制御を用いた更なる補正を実行し、リアクトル電流値が安定しているときに更なる補正がされた補正量を用いて図12に示すようにマップを更新する。
すなわち、補正マップを実際の安定値に合わせて補正するので、部品特性のばらつきや経年変化に適切に対応した精度の良い制御が可能となる。
好ましくは、補正制御部(31)は、図10のステップS2で説明したように、リアクトル電流の時間当たりの変化量が所定のしきい値を超えるときに、ステップS4で説明したように、補正量が定義されたマップを参照して補正を行なう。
これにより、リアクトル電流の状態変化が起こったときの電圧変換装置の応答性が向上する。
好ましくは、フィードバック制御は、積分制御を含む。補正制御部(31)は、図9で説明したように、積分制御の積分項が蓄積される積分処理部(80)を含む。そして補正量は、積分処理部(80)が保持する積分項に適用される。
好ましくは、第1の電流通過部は、第1のスイッチング素子(TR1)と並列にリアクトルLの一方端と第1の電源ノードとの間に設けられる第1の整流素子(D1)をさらに含む。第2の電流通過部は、第2のスイッチング素子(TR2)と並列にリアクトルLの一方端と第2の電源ノードとの間に設けられる第2の整流素子(D2)をさらに含む。
より好ましくは、電圧変換装置は、リアクトルLの他方端と第3の電源ノードとの間に設けられる第3の電流通過部(TR3およびD3)と、第2の電源ノードとリアクトルLの他方端との間に設けられる第4の電流通過部(TR4およびD4)とをさらに備える。電圧変換装置(30)は、バッテリ20が接続される第1の電源ノードとインバータ60が接続される第3の電源ノードとの間で電圧変換を行なう。
さらに好ましくは、第3の電源ノードと第2の電源ノードとの間には、モータ61駆動用のインバータ60が接続され、第1の電源ノードと第2の電源ノードとの間には、蓄電装置(20)が接続される。
さらに好ましくは、第3の電源ノードには、さらに整流素子(42)を介して燃料電池40が接続される。
本実施の形態によれば、電圧変換装置の応答性を向上させるとともに、補正マップを実際の安定値に合わせて補正するので、部品特性のばらつきや経年変化に適切に対応した精度の良い制御が可能となり、燃料電池自動車等において車両の制御性が向上する。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 電源システム、6,14 平滑用コンデンサ、10 制御ユニット、11 アクセルペダルセンサ、20 バッテリ、21 SOCセンサ、22,44 電圧センサ、23,43 電流センサ、30 DC/DCコンバータ、32 バッファ、33,37 デッドタイム生成部、34,35,36,38,39 反転バッファ、40 燃料電池、41 流量センサ、42,D1〜D4 ダイオード、50 車両補機、51 FC補機、60 インバータ、61 モータ、62 車速センサ、63L,63R 車輪、72,76,78,82,84 演算部、74,80,92 処理部、81 積分項補正部、86 フィードフォワード処理部、88 加算処理部、L リアクトル、MAP0,MAP1 マップ、N1,N2 ノード、TR1〜TR4 IGBT素子。
Claims (8)
- リアクトルと、
前記リアクトルの一方端と第1の電源ノードとの間に設けられ、第1の活性化信号に応じて導通する第1のスイッチング素子を含む第1の電流通過部と、
前記第1の電源ノードとは電位の異なる第2の電源ノードと前記リアクトルの前記一方端との間に設けられ、第2の活性化信号に応じて導通する第2のスイッチング素子を含む第2の電流通過部と、
電圧指令値に基づいて前記第1および第2の活性化信号のデューティー比を決定するスイッチング制御部とを備え、
前記スイッチング制御部は、
基準信号に応じて前記第1、第2のスイッチング素子を双方とも非導通状態に維持するデッドタイム分の非活性期間を設けた前記第1、第2の活性化信号を出力するデッドタイム生成部と、
前記電圧指令値に基づき算出した仮デューティー比を前記リアクトルに流れるリアクトル電流値に応じて補正して前記基準信号を出力する補正制御部とを含み、
前記補正制御部は、前記リアクトル電流に対応する補正量が定義されたマップを参照して前記補正を行なうとともに前記電圧指令値と出力電圧値との偏差に基づくフィードバック制御を用いた更なる補正を実行し、前記リアクトル電流値が安定しているときに更なる補正がされた前記補正量を用いて前記マップを更新する、電圧変換装置。 - 前記補正制御部は、前記リアクトル電流の時間当たりの変化量が所定のしきい値を超えるときに、前記補正量が定義された前記マップを参照して前記補正を行なう、請求項1に記載の電圧変換装置。
- 前記フィードバック制御は、積分制御を含み、
前記補正制御部は、
前記積分制御の積分項が蓄積される積分処理部を含み、
前記補正量は、前記積分項に適用される、請求項1に記載の電圧変換装置。 - 前記第1の電流通過部は、
前記第1のスイッチング素子と並列に前記リアクトルの前記一方端と前記第1の電源ノードとの間に設けられる第1の整流素子をさらに含み、
前記第2の電流通過部は、
前記第2のスイッチング素子と並列に前記リアクトルの前記一方端と前記第2の電源ノードとの間に設けられる第2の整流素子をさらに含む、請求項1に記載の電圧変換装置。 - 前記リアクトルの他方端と第3の電源ノードとの間に設けられる第3の電流通過部と、
前記第2の電源ノードと前記リアクトルの前記他方端との間に設けられる第4の電流通過部とをさらに備え、
前記電圧変換装置は、前記第1の電源ノードと前記第3の電源ノードとの間で電圧変換を行なう、請求項1に記載の電圧変換装置。 - 前記第3の電源ノードと前記第2の電源ノードとの間には、モータ駆動用のインバータが接続され、
前記第1の電源ノードと前記第2の電源ノードとの間には、蓄電装置が接続される、請求項5に記載の電圧変換装置。 - 前記第3の電源ノードには、さらに整流素子を介して燃料電池が接続される、請求項6に記載の電圧変換装置。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の電圧変換装置を搭載する車両。
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---|---|---|---|---|
JP2010057284A (ja) * | 2008-08-28 | 2010-03-11 | Nissan Motor Co Ltd | 車両用電源装置 |
JP2013172612A (ja) * | 2012-02-22 | 2013-09-02 | Nippon Soken Inc | 電力変換装置 |
JP2019047620A (ja) * | 2017-09-01 | 2019-03-22 | 株式会社デンソーテン | 制御装置および電力変換装置の制御方法 |
-
2007
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