JP2011091909A - Bidirectional dc-dc converter device and vehicle control system using the same - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a bidirectional DC-DC converter that achieves cost reduction through a simple configuration. <P>SOLUTION: The DC-DC converter device includes: a switching element in the upper arm connected to the primary side; a diode in the lower arm connected in series with the switching element in the upper arm and the cathode side, a switching element in the upper arm connected to the secondary side; a diode in the lower arm connected in series with the switching element in the upper arm on the secondary side and the cathode side; a coupled reactor that couples together the midpoint between the switching element and the diode on the primary side and the midpoint between the switching element and the diode on the secondary side; a primary voltage detector that acquires voltage information on the high potential side on the primary side; a secondary voltage detector that acquires voltage information on the high potential side on the secondary side; and a control unit that controls power conversion operation by the switching element in the upper arm on the primary side and the switching element in the upper arm on the secondary side based on voltage information acquired by the primary voltage detector and the secondary voltage detector. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、双方向ＤＣＤＣコンバータ装置に関し、特に、電力変換のための回路構成とそのためのスイッチング制御法に関するものである。さらに、本発明は双方向ＤＣＤＣコンバータ装置を用いた車両制御システムに関する。   The present invention relates to a bidirectional DCDC converter device, and more particularly to a circuit configuration for power conversion and a switching control method therefor. Furthermore, the present invention relates to a vehicle control system using a bidirectional DCDC converter device.

従来、ハイブリッド自動車における駆動方式として、走行用モータ／ジェネレータと発電用ジェネレータをそれぞれ搭載した方式が開発され、実用化されている。この方式では、走行用モータ／ジェネレータに電力を供給するインバータの入力側である直流ラインと発電用ジェネレータからの出力を回生するコンバータの出力側である直流ラインは共通化されているため、発電用ジェネレータで回生された電力を、直流ラインを介して直接走行用モータ／ジェネレータに供給できる構成となっていた（例えば構成としては、特許文献１）。また、同文献によると、２つのモータを駆動するために、２つのインバータの直流ラインのＤＣ電圧値を、任意の設定値になるように双方向昇圧コンバータ、および双方向昇降圧コンバータを直流電源であるバッテリと上記直流ラインの間に介挿する構成となっていた。   Conventionally, as a driving system in a hybrid vehicle, a system in which a traveling motor / generator and a power generator are mounted has been developed and put into practical use. In this method, the DC line that is the input side of the inverter that supplies power to the motor / generator for traveling and the DC line that is the output side of the converter that regenerates the output from the generator for power generation are shared. The power regenerated by the generator can be directly supplied to the traveling motor / generator via a DC line (for example, Patent Document 1). According to the document, in order to drive the two motors, the DC voltage value of the DC line of the two inverters is set to an arbitrary set value so that the bidirectional boost converter and the bidirectional buck-boost converter are connected to the DC power source. The battery is configured to be inserted between the battery and the DC line.

特許第３７９７３６１号公報Japanese Patent No. 3797361

特許文献１の技術は、２つのインバータの直流ラインを共通とすることで、ＤＣ電圧値の設定値を、バッテリ電圧を下限とした２つのモータ電圧の最大値に設定する必要がある。その際、低電圧側のモータに流れる電流波形にインバータのスイッチングに起因するリプルが大きく重畳されるため、効率が著しく低下するといった課題があった。さらに、ＤＣ電圧可変システムとして、双方向昇圧コンバータ、および双方向昇降圧コンバータの構成に関しての記載はあるが、回生モードを含めた電力フローに関しての具体的な制御方法についての明確な説明はなく、力行モードと回生モードの連続的な遷移には従来制御方法を用いることが想定できるが、本発明で提案する回路方式において、従来制御は利用できないといった課題があった。   The technique of Patent Document 1 requires that the DC voltage set value is set to the maximum value of the two motor voltages with the battery voltage as the lower limit by sharing the DC line of the two inverters. At that time, the ripple caused by the switching of the inverter is largely superimposed on the waveform of the current flowing through the motor on the low voltage side, so that there is a problem that the efficiency is remarkably lowered. Furthermore, although there is a description about the configuration of the bidirectional boost converter and the bidirectional buck-boost converter as the DC voltage variable system, there is no clear explanation about the specific control method regarding the power flow including the regeneration mode, Although it can be assumed that the conventional control method is used for continuous transition between the power running mode and the regenerative mode, there is a problem that the conventional control cannot be used in the circuit system proposed in the present invention.

上記問題に鑑み、本発明は、主にジェネレータとして用いるコンバータの出力側のＤＣ電圧を常に最適なＤＣ電圧値に設定するために、本発明で提案する双方向ＤＣＤＣコンバータを設けることで、効率の低下を低減でき、さらに、最適なＤＣ電圧値に設定することで、位置センサレスなどの制御性能も向上し、安定性、信頼性の高い双方向ＤＣＤＣコンバータ装置、及びそれを用いた車両制御システムを低コストで提供することを目的とする。   In view of the above problems, the present invention provides a bidirectional DCDC converter proposed in the present invention in order to always set the DC voltage on the output side of a converter mainly used as a generator to an optimal DC voltage value, thereby improving efficiency. By setting the optimal DC voltage value, it is possible to improve the control performance such as position sensorless, and to provide a stable and reliable bidirectional DCDC converter device and a vehicle control system using the same. It aims to provide at low cost.

本発明のＤＣＤＣコンバータ装置は、一次側に接続された上アームのスイッチング素子と、前記一次側の上アームのスイッチング素子とカソード側に直列接続される下アームのダイオードと、二次側に接続された上アームのスイッチング素子と、前記二次側の上アームのスイッチング素子とカソード側に直列接続される下アームのダイオードと、一次側のスイッチング素子とダイオードの中点と二次側のスイッチング素子とダイオードの中点とを結合する結合リアクトルと一次側の高電位側の電圧情報を取得する一次側電圧検出器と、二次側の高電位側の電圧情報を取得する二次側電圧検出器と、前記一次側電圧検出器と前記二次側電圧検出器によって取得された電圧情報により、前記一次側の上アームのスイッチング素子及び前記二次側の上アームのスイッチング素子により電力変換動作を制御する制御部と、を有する。   The DCDC converter device of the present invention is connected to the secondary side, the switching element of the upper arm connected to the primary side, the switching element of the upper arm of the primary side and the diode of the lower arm connected in series to the cathode side. A switching element of the upper arm, a switching element of the upper arm of the secondary side and a diode of the lower arm connected in series to the cathode side, a switching element of the primary side, a midpoint of the diode, and a switching element of the secondary side, A coupling reactor that couples the midpoint of the diode, a primary voltage detector that acquires voltage information on the primary high potential side, and a secondary voltage detector that acquires voltage information on the secondary high potential side; The voltage information acquired by the primary side voltage detector and the secondary side voltage detector, the switching element of the upper arm of the primary side and the secondary side And a control unit for controlling the power converting operation by the switching element of the arm.

本発明によれば、安定性、信頼性の高いＤＣＤＣコンバータ装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a DCDC converter device having high stability and reliability.

本発明による第１実施形態の双方向ＤＣＤＣコンバータを含む発電機の制御装置の構成図The block diagram of the control apparatus of the generator containing the bidirectional | two-way DCDC converter of 1st Embodiment by this invention. 本発明による第１実施形態のモード１における双方向ＤＣＤＣコンバータを含む発電機の制御装置の構成図The block diagram of the control apparatus of the generator containing the bidirectional | two-way DCDC converter in the mode 1 of 1st Embodiment by this invention. スイッチング６ａによるＤＣＤＣコンバータ１の電流電圧基本動作波形図Current-voltage basic operation waveform diagram of DCDC converter 1 by switching 6a 本発明による第１実施形態のモード２における双方向ＤＣＤＣコンバータを含む発電機の制御装置の構成図The block diagram of the generator control apparatus containing the bidirectional | two-way DCDC converter in the mode 2 of 1st Embodiment by this invention スイッチング６ｂによるＤＣＤＣコンバータ１の電流電圧基本動作波形図Current-voltage basic operation waveform diagram of DCDC converter 1 by switching 6b 本発明による第１実施形態の力行→回生モードへの切り替え動作を表すＤＣＤＣコンバータの制御フロー図DCDC converter control flow diagram showing the switching operation from power running to regenerative mode according to the first embodiment of the present invention. 本発明による第１実施形態の回生→力行モードへの切り替え動作を表すＤＣＤＣコンバータの制御フロー図DCDC converter control flow diagram showing switching operation from regeneration to power running mode according to the first embodiment of the present invention

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

（第１実施形態）
図１は、本実施形態にかかる双方向ＤＣＤＣコンバータを含む発電機の制御装置の構成図である。図１に示すように、双方向ＤＣＤＣコンバータを含む発電機の制御装置１００は、バッテリ３、２個の電圧センサ４ａ，４ｂ、平滑コンデンサ５ａ，５ｂ、双方向ＤＣＤＣコンバータ１、発電機用コンバータ２、２個の電流センサ１２ａ，１２ｂ、発電機１３、２個のゲートドライバ１４ａ，１４ｂおよび制御部１５を備え、回生時には、発電機用コンバータ２によって発電機１３の動力を電気的に回収した電力を、双方向ＤＣＤＣコンバータ１により降圧制御した後、バッテリ３に充電できる構成となっている。逆に力行時には、バッテリ３から供給される電力を、双方向ＤＣＤＣコンバータ１により降圧制御した後、発電機用コンバータ２により発電機３に給電できる構成となっている。双方向ＤＣＤＣコンバータ１と発電機用コンバータ２では、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のような半導体スイッチング素子を用いた回路でありうる。制御部１５は、ＤＳＰ（Distal Signal Processor）またはマイクロコンピュータにおいて実行される制御アプリケーションによって提供されうる。ＤＳＰまたはマイクロコンピュータは、コア、メモリ、Ａ／Ｄ変換回路および通信ポートのような周辺装置を含んでいてもよい。もちろん、上述した制御部１５の一部が論理回路によって構成されていてもよい。 (First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram of a generator control device including a bidirectional DCDC converter according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, a generator control device 100 including a bidirectional DCDC converter includes a battery 3, two voltage sensors 4 a and 4 b, smoothing capacitors 5 a and 5 b, a bidirectional DCDC converter 1, and a generator converter 2. Two current sensors 12a, 12b, a generator 13, two gate drivers 14a, 14b, and a control unit 15 are provided. Electric power obtained by electrically recovering the power of the generator 13 by the generator converter 2 during regeneration Is configured to be able to charge the battery 3 after being stepped down by the bidirectional DCDC converter 1. Conversely, during power running, the power supplied from the battery 3 is stepped down by the bidirectional DCDC converter 1 and then supplied to the generator 3 by the generator converter 2. The bidirectional DCDC converter 1 and the generator converter 2 may be a circuit using a semiconductor switching element such as a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) or an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). The control unit 15 can be provided by a control application executed in a DSP (Distal Signal Processor) or a microcomputer. The DSP or microcomputer may include peripheral devices such as a core, a memory, an A / D conversion circuit, and a communication port. Of course, a part of the control unit 15 described above may be configured by a logic circuit.

次に、双方向ＤＣＤＣコンバータ１の構成について詳しく説明する。バッテリ３に接続される一次側において、正極側にスイッチング素子６ａのコレクタを接続し、エミッタと負極側に接続されたダイオード８ａのカソードが接続された構成となっている。さらに、スイッチング素子６ａにはエミッタ側からコレクタ側に電流を流す還流ダイオード７ａが配置される。また、発電機用コンバータ２に接続される二次側についても同様の構成であり、直流高圧ラインにスイッチング素子６ｂのコレクタを接続し、エミッタと低圧側に接続されたダイオード８ｂのカソードが接続された構成となっている。さらに、スイッチング素子６ｂにはエミッタ側からコレクタ側に電流を流す還流ダイオード７ｂが配置される。リアクトル９は一次側のスイッチング素子６ａとダイオード８ａの中間点であるノードＮ１と、同様に構成された二次側のスイッチング素子６ｂとダイオード８ｂの中間点であるノードＮ２との間に接続している。   Next, the configuration of the bidirectional DCDC converter 1 will be described in detail. On the primary side connected to the battery 3, the collector of the switching element 6a is connected to the positive electrode side, and the cathode of the diode 8a connected to the emitter and negative electrode side is connected. Further, the switching element 6a is provided with a free-wheeling diode 7a for passing a current from the emitter side to the collector side. Further, the secondary side connected to the generator converter 2 has the same configuration, and the collector of the switching element 6b is connected to the DC high-voltage line, and the emitter and the cathode of the diode 8b connected to the low-voltage side are connected. It becomes the composition. Further, the switching element 6b is provided with a free-wheeling diode 7b for passing a current from the emitter side to the collector side. The reactor 9 is connected between a node N1 that is an intermediate point between the primary side switching element 6a and the diode 8a, and a node N2 that is an intermediate point between the secondary side switching element 6b and the diode 8b that are similarly configured. Yes.

発電機用コンバータ２は、スイッチング素子１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆおよび還流ダイオード１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆが対になった変換回路からなる。発電機１３によって発電された電力は、スイッチング素子１０ａ〜１０ｆと還流ダイオード１１ａ〜１１ｆを介して、双方向ＤＣＤＣコンバータ１の二次側である直流高圧ラインへ回生される。また、発電機３に流れるＵ相、Ｗ相の電流値は電流センサ１２ａ、１２ｂによって検出され、これらの検出値が制御部１５に供給される。   The generator converter 2 includes a conversion circuit in which switching elements 10a, 10b, 10c, 10d, 10e, and 10f and freewheeling diodes 11a, 11b, 11c, 11d, 11e, and 11f are paired. The electric power generated by the generator 13 is regenerated to the DC high-voltage line that is the secondary side of the bidirectional DCDC converter 1 via the switching elements 10a to 10f and the freewheeling diodes 11a to 11f. Further, the current values of the U phase and the W phase flowing through the generator 3 are detected by the current sensors 12 a and 12 b, and these detected values are supplied to the control unit 15.

平滑コンデンサ５ａは、バッテリ３と双方向ＤＣＤＣコンバータ１の一次側と並列に接続され、双方向ＤＣＤＣコンバータ１から発生するスイッチングなどによる電圧変動を抑制するために配置される。さらに、電圧センサ４ａは、平滑コンデンサ５ａの両端に設けられ、バッテリ３と双方向ＤＣＤＣコンバータ１間の正極側の電圧ＶＢを取得することができ、その電圧情報を制御部１５へ出力する。同様に、平滑コンデンサ５ｂは、双方向ＤＣＤＣコンバータ１の二次側と発電機用コンバータ２と並列に接続され、双方向ＤＣＤＣコンバータ１や発電機用コンバータ２から発生するスイッチングなどによる電圧変動を抑制するために配置される。さらに、電圧センサ４ｂは、平滑コンデンサ５ｂの両端に設けられ、双方向ＤＣＤＣコンバータ１と発電機用コンバータ２間の直流高圧ラインの電圧Ｖ２を取得することができ、その電圧情報を制御部１５に供給される。   The smoothing capacitor 5 a is connected in parallel with the primary side of the battery 3 and the bidirectional DCDC converter 1, and is arranged to suppress voltage fluctuation due to switching generated from the bidirectional DCDC converter 1. Further, the voltage sensor 4 a is provided at both ends of the smoothing capacitor 5 a, can acquire the positive voltage VB between the battery 3 and the bidirectional DCDC converter 1, and outputs the voltage information to the control unit 15. Similarly, the smoothing capacitor 5b is connected in parallel with the secondary side of the bidirectional DCDC converter 1 and the generator converter 2, and suppresses voltage fluctuations due to switching generated from the bidirectional DCDC converter 1 and the generator converter 2. Arranged to do. Furthermore, the voltage sensor 4b is provided at both ends of the smoothing capacitor 5b, and can acquire the voltage V2 of the DC high-voltage line between the bidirectional DCDC converter 1 and the generator converter 2, and the voltage information is sent to the control unit 15. Supplied.

制御部１５は、電圧センサ４ａ、４ｂにより得られた電圧情報を、下記に示す、ＤＣＤＣコンバータの制御方法により、スイッチング素子６ａ、６ｂのデューティ比を決定し、スイッチングパターンを作成する。作成されたスイッチングパターン信号は、ゲート駆動回路１４ａによってスイッチング素子６ａ、６ｂを電気的に駆動するためのドライブ信号に変換され、これらのドライブ信号にしたがって各スイッチング素子６ａ、６ｂが動作する。また、電流センサ１２ａ、１２ｂによって得られた電流情報と、電圧センサ４ｂにより得られた電圧情報により、発電機電圧と発電機電流が最適な状態（例えば最高効率運転）になるようにスイッチング素子１０ａ〜１０ｆのデューティ比を決定し、スイッチングパターンを作成する。作成されたスイッチングパターン信号は、ゲート駆動回路１４ｂによってスイッチング素子１０ａ〜１０ｆを電気的に駆動するためのドライブ信号に変換され、これらのドライブ信号にしたがって各スイッチング素子１０ａ〜１０ｆが動作する。   The control unit 15 determines the duty ratio of the switching elements 6a and 6b from the voltage information obtained by the voltage sensors 4a and 4b by the DCDC converter control method shown below, and creates a switching pattern. The created switching pattern signal is converted into a drive signal for electrically driving the switching elements 6a and 6b by the gate drive circuit 14a, and the switching elements 6a and 6b operate according to these drive signals. Further, the switching element 10a is set so that the generator voltage and the generator current are in an optimum state (for example, the highest efficiency operation) based on the current information obtained by the current sensors 12a and 12b and the voltage information obtained by the voltage sensor 4b. A duty ratio of -10 f is determined and a switching pattern is created. The generated switching pattern signal is converted into a drive signal for electrically driving the switching elements 10a to 10f by the gate drive circuit 14b, and the switching elements 10a to 10f operate according to these drive signals.

バッテリ３は、直流電源であり、電力を充放電することができる二次電池である。一例としては、ニッケル水素やリチウムイオン等が考えられる。また、バッテリ３は、二次電池に限定するものではなく、充放電が可能な蓄電装置であってもよく、一例としては、大容量キャパシタであってもよい。   The battery 3 is a DC power source and is a secondary battery that can charge and discharge power. As an example, nickel hydride, lithium ion, or the like can be considered. The battery 3 is not limited to a secondary battery, and may be a power storage device that can be charged / discharged. For example, the battery 3 may be a large-capacity capacitor.

発電機１３は、例えば、永久磁石同期発電機である。本実施形態では、特に、埋込磁石同期発電機（ＩＰＭＳＧ：Interior Permanent Magnet Synchronous Generator）を想定している。埋込磁石同期モータは、ｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑとが相違する突極性（一般には、Ｌｑ＞Ｌｄの逆突極性）を有し、マグネットトルクに加えてリラクタンストルクも利用できるので、極めて高い発電効率を達成できる。   The generator 13 is, for example, a permanent magnet synchronous generator. In this embodiment, in particular, an interior permanent magnet synchronous generator (IPMSG) is assumed. Since the embedded magnet synchronous motor has a saliency in which the d-axis inductance Ld and the q-axis inductance Lq are different (generally, a reverse saliency such that Lq> Ld), a reluctance torque can be used in addition to the magnet torque. Extremely high power generation efficiency can be achieved.

ここで、本発明において重要な双方向ＤＣＤＣコンバータ１におけるパワーフローと制御方法について詳しく説明する。図１に示したような双方向ＤＣＤＣコンバータ１を用いた制御装置では、４つの制御モードを用いることを特徴とするため、これらの制御方法を分けて説明する。   Here, the power flow and control method in the bidirectional DCDC converter 1 important in the present invention will be described in detail. Since the control apparatus using the bidirectional DCDC converter 1 as shown in FIG. 1 is characterized by using four control modes, these control methods will be described separately.

（モード１：力行降圧モード：ＶＢ＞Ｖ２、０＜α１＜１）
図２に本モードにおける電流の流れを矢印で表す。バッテリ３が接続された一次側から発電機用コンバータ２が接続された二次側に電力を供給し、発電機１３を電動機として動作させる。このとき、出力側である直流高圧ラインに供給する電圧Ｖ２はバッテリ電圧ＶＢよりも低くなるように制御する。スイッチング素子６ａを図３のように所定のスイッチング周期Ｔにおいて所定のデューティファクタα１でオンオフを繰り返すとき、二次側の出力電圧Ｖ２は以下の式により得ることができる。 (Mode 1: Powering step-down mode: VB> V2, 0 <α1 <1)
FIG. 2 shows the current flow in this mode by arrows. Electric power is supplied from the primary side to which the battery 3 is connected to the secondary side to which the generator converter 2 is connected, and the generator 13 is operated as an electric motor. At this time, the voltage V2 supplied to the DC high-voltage line on the output side is controlled to be lower than the battery voltage VB. When the switching element 6a is repeatedly turned on and off at a predetermined duty factor α1 in a predetermined switching period T as shown in FIG. 3, the secondary output voltage V2 can be obtained by the following equation.

Ｖ２＝α１×ＶＢ
ここで、α１＝ｔｏｎ／Ｔ （ｔｏｎ＜Ｔ）
スイッチング素子６ａがオン期間では、リアクトル９は電圧を吸収し、バッテリ３からスイッチング素子６ａ、リアクトル９、還流ダイオード７ｂの順に電流が流れ、ｉ３＝ｉ１となる。スイッチング素子６ａがオフ期間では、リアクトル９はスイッチオン期間で吸収した電圧を、ダイオード８ａ、リアクトル９、還流ダイオード７ｂの順に循環電流を流すために放出し、ｉ３＝ｉ２となる。 V2 = α1 × VB
Here, α1 = ton / T (ton <T)
When switching element 6a is on, reactor 9 absorbs voltage, and current flows from battery 3 in the order of switching element 6a, reactor 9, and freewheeling diode 7b, and i3 = i1. When the switching element 6a is in the off period, the reactor 9 releases the voltage absorbed in the switch on period in order to pass the circulating current in the order of the diode 8a, the reactor 9, and the freewheeling diode 7b, and i3 = i2.

したがって、上記に記載した動作を繰り返すことで、バッテリ電圧ＶＢより小さい（降圧された）電圧範囲に直流高圧ラインの電圧Ｖ２を得ることができる。   Therefore, by repeating the operation described above, it is possible to obtain the voltage V2 of the DC high-voltage line in a voltage range smaller (bucked down) than the battery voltage VB.

また、本モードでは、スイッチング素子６ｂにＩＧＢＴを用いているため、オン信号は与えず、デューティはゼロとしている。つまり、二次側の電流はすべて還流ダイオード７ｂを通過することで二次側に電力が供給されている。しかし、スイッチング素子６ｂに双方向に対応した半導体スイッチング素子を用い、還流ダイオード７ｂで発生する損失より半導体スイッチング素子で発生する損失が少なくなる場合、スイッチング素子６ｂに電流が流れるようにオン信号を与えてもよい。   In this mode, since the IGBT is used for the switching element 6b, no ON signal is given and the duty is zero. That is, all of the secondary current passes through the freewheeling diode 7b, so that power is supplied to the secondary side. However, when a bidirectional semiconductor switching element is used as the switching element 6b and the loss generated in the semiconductor switching element is smaller than the loss generated in the freewheeling diode 7b, an ON signal is given so that a current flows through the switching element 6b. May be.

（モード２：回生降圧モード：ＶＢ＜Ｖ２、０＜α２＜１）
図４に本モードにおける電流の流れを矢印で表す。発電機用コンバータ２が接続された二次側からバッテリ３が接続された一次側に電力を供給し、発電機３を発電機として動作させる。このとき、出力側であるバッテリ電圧ＶＢは直流高圧ラインに供給される電圧Ｖ２よりも低くなる。スイッチング素子６ｂを図５のように所定のスイッチング周期Ｔにおいて所定のデューティファクタα２でオンオフを繰り返すとき、二次側の出力電圧ＶＢは以下の式により得ることができる。 (Mode 2: Regenerative step-down mode: VB <V2, 0 <α2 <1)
FIG. 4 shows the current flow in this mode by arrows. Electric power is supplied from the secondary side to which the generator converter 2 is connected to the primary side to which the battery 3 is connected, and the generator 3 is operated as a generator. At this time, the battery voltage VB on the output side is lower than the voltage V2 supplied to the DC high voltage line. When the switching element 6b is repeatedly turned on and off with a predetermined duty factor α2 in a predetermined switching period T as shown in FIG. 5, the output voltage VB on the secondary side can be obtained by the following equation.

ＶＢ＝α２×Ｖ２
ここで、α２＝ｔｏｎ／Ｔ （ｔｏｎ＜Ｔ）
スイッチング素子６ｂがオン期間では、リアクトル９は電圧を吸収し、直流高圧ラインからスイッチング素子６ｂ、リアクトル９、還流ダイオード７ａ、バッテリ３の順に電流が流れ、ｉ１＝ｉ３となる。スイッチング素子６ｂがオフ期間では、リアクトル９はスイッチオン期間で吸収した電圧を、ダイオード８ｂ、リアクトル９、還流ダイオード７ａの順に循環電流を流すために放出し、ｉ１＝ｉ４となる。 VB = α2 × V2
Here, α2 = ton / T (ton <T)
When the switching element 6b is on, the reactor 9 absorbs voltage, and current flows from the DC high-voltage line to the switching element 6b, the reactor 9, the freewheeling diode 7a, and the battery 3 in this order, i1 = i3. When the switching element 6b is in the off period, the reactor 9 releases the voltage absorbed in the switch on period in order to pass the circulating current in the order of the diode 8b, the reactor 9, and the freewheeling diode 7a, and i1 = i4.

したがって、上記に記載した動作を繰り返すことで、直流高圧ラインＶ２より小さい（降圧された）電圧範囲にバッテリ電圧ＶＢを得ることができる。   Therefore, the battery voltage VB can be obtained in a voltage range smaller (stepped down) than the DC high voltage line V2 by repeating the operation described above.

また、本モードでは、スイッチング素子６ａにＩＧＢＴを用いているため、オン信号は与えず、デューティはゼロとしている。つまり、二次側の電流はすべて還流ダイオード７ａを通過することで一次側に電力が供給されている。しかし、スイッチング素子６ａに双方向に対応した半導体スイッチング素子を用い、還流ダイオード７ａで発生する損失より半導体スイッチング素子で発生する損失が少なくなる場合、スイッチング素子６ａに電流が流れるようにオン信号を与えてもよい。   In this mode, since the IGBT is used for the switching element 6a, the ON signal is not given and the duty is zero. That is, all of the secondary current passes through the freewheeling diode 7a, so that power is supplied to the primary side. However, when a bidirectional semiconductor switching element is used as the switching element 6a and the loss generated in the semiconductor switching element is smaller than the loss generated in the freewheeling diode 7a, an ON signal is given so that a current flows through the switching element 6a. May be.

次に、本発明で最も重要であるモード１⇔モード２の切り替え方法についてここでは、モード１⇒モード２に切り替わる際の詳細な説明を行う。前述したように、モード１は一次側から二次側への力行動作とし、モード２は二次側から一次側への回生動作としているため、モードの切り替えは電力フローの向きの切り替えと同義である。   Next, the mode 1 / mode 2 switching method which is most important in the present invention will be described in detail here when switching from mode 1 to mode 2. As described above, since mode 1 is a power running operation from the primary side to the secondary side and mode 2 is a regenerative operation from the secondary side to the primary side, switching the mode is synonymous with switching the direction of the power flow. is there.

（モード３：モード１→３への切り替え方法）
力行降圧動作であるモード１から回生降圧動作であるモード２に切り替える場合、スイッチング素子６ａのデューティα１、スイッチング素子６ｂのデューティα２を１に設定する。 (Mode 3: Mode 1 → 3 switching method)
When switching from mode 1 which is a power running step-down operation to mode 2 which is a regenerative step-down operation, the duty α1 of the switching element 6a and the duty α2 of the switching element 6b are set to 1.

まず、発電機１３が電動動作を行う場合、双方向ＤＣＤＣコンバータ１は力行動作として動作する。その際、電流は一次側から二次側へ流れるため、スイッチング素子６ａの電圧降下ＶＣＥ１と還流ダイオード７ｂの電圧降下Ｖｄ２により、平均的に以下の関係が成り立つ。   First, when the generator 13 performs an electric operation, the bidirectional DCDC converter 1 operates as a power running operation. At that time, since the current flows from the primary side to the secondary side, the following relationship is established on average by the voltage drop VCE1 of the switching element 6a and the voltage drop Vd2 of the freewheeling diode 7b.

ＶＢ＝Ｖ２＋ΔＶ１
ここで、ΔＶ１＝ＶＣＥ１＋Ｖｄ２
つまり、力行動作を行う場合、バッテリ電圧ＶＢは直流高圧ラインの電圧Ｖ２よりも大きく以下の関係となる。 VB = V2 + ΔV1
Here, ΔV1 = VCE1 + Vd2
That is, when performing the power running operation, the battery voltage VB is larger than the voltage V2 of the DC high voltage line and has the following relationship.

ＶＢ＞Ｖ２
本モードはモード３として分類しているが、モード１においてＶ２の指令値Ｖ２＊が以下のように設定された場合と、同義である。 VB> V2
Although this mode is classified as mode 3, it is synonymous with the case where the command value V2 * of V2 is set as follows in mode 1.

Ｖ２＊≧ＶＢ―ΔＶ１
ただし、スイッチング素子６ｂのデューティは１のみに設定する必要がある。 V2 * ≧ VB−ΔV1
However, the duty of the switching element 6b needs to be set to only 1.

（モード４：モード３→４への切り替え方法）
次に、発電機１３が電動動作から発電動作を始めると、双方向ＤＣＤＣコンバータ１は力行動作から回生動作に切り替わる。その際、電流は二次側から一次側へ流れるため、スイッチング素子６ｂの電圧降下ＶＣＥ２と還流ダイオード７ａの電圧降下Ｖｄ１により、平均的に以下の関係が成り立つ。 (Mode 4: switching from mode 3 to 4)
Next, when the generator 13 starts the power generation operation from the electric operation, the bidirectional DCDC converter 1 is switched from the power running operation to the regenerative operation. At this time, since the current flows from the secondary side to the primary side, the following relationship is established on average by the voltage drop VCE2 of the switching element 6b and the voltage drop Vd1 of the freewheeling diode 7a.

Ｖ２＝ＶＢ＋ΔＶ２
ただし、ΔＶ２＝ＶＣＥ２＋Ｖｄ１
つまり、スイッチング素子６ａのデューティα１、スイッチング素子６ｂのデューティα２を１に設定し、回生動作を行う場合、直流高圧ラインの電圧Ｖ２はバッテリ電圧ＶＢよりも大きく以下の関係となる。 V2 = VB + ΔV2
However, ΔV2 = VCE2 + Vd1
That is, when the duty α1 of the switching element 6a and the duty α2 of the switching element 6b are set to 1 and the regenerative operation is performed, the voltage V2 of the DC high-voltage line is larger than the battery voltage VB and has the following relationship.

Ｖ２＞ＶＢ
本モードはモード４として分類しているが、モード２においてＶ２の指令値Ｖ２＊が以下のように設定された場合と、同義である。 V2> VB
Although this mode is classified as mode 4, it is synonymous with the case where the command value V2 * of V2 is set as follows in mode 2.

Ｖ２＊≧ＶＢ―ΔＶ１
ただし、スイッチング素子６ａのデューティは１のみに設定する必要がある。 V2 * ≧ VB−ΔV1
However, the duty of the switching element 6a needs to be set to only 1.

つまり、モード切替え時に、バッテリ電圧ＶＢと直流高圧ラインの電圧Ｖ２を検出することで、電流の向きを推定することができるため、力行と回生の切り替えタイミングが容易に検出できる。   That is, since the direction of the current can be estimated by detecting the battery voltage VB and the voltage V2 of the DC high voltage line at the time of mode switching, the switching timing between power running and regeneration can be easily detected.

上述した検出方法はモード３からモード４への切り替え方法であるが、モード４からモード３への切り替え方法も同様にバッテリ電圧ＶＢと直流高圧ラインの電圧Ｖ２を比較することで判定するため、説明は省略する。   Although the detection method described above is a switching method from mode 3 to mode 4, the switching method from mode 4 to mode 3 is similarly determined by comparing the battery voltage VB with the voltage V2 of the DC high voltage line. Is omitted.

本発明は力行と回生の切り替え時にスイッチング素子６ａのデューティα１、スイッチング素子６ｂのデューティα２を１に設定することが特徴であり、電流の向きを検出する方法は上記方法だけとは限らなく、電流センサなどを用いてもよい。   The present invention is characterized in that the duty α1 of the switching element 6a and the duty α2 of the switching element 6b are set to 1 at the time of switching between power running and regeneration, and the method for detecting the direction of the current is not limited to the above method. A sensor or the like may be used.

次に、ＤＣＤＣコンバータ１の動作について説明する。図６は、発電制御システム１００の直流高圧ラインの電圧Ｖ２を求めるためのアプリケーションとしてのＤＣＤＣコンバータ１が行う処理の流れを示すフローチャートである。まず、力行動作から回生動作への起動シーケンスについて説明する。   Next, the operation of the DCDC converter 1 will be described. FIG. 6 is a flowchart showing a flow of processing performed by the DCDC converter 1 as an application for obtaining the voltage V2 of the DC high-voltage line of the power generation control system 100. First, a startup sequence from a power running operation to a regenerative operation will be described.

図６に示す処理を開始すると、発電機３は規定の回転数以下で駆動しているため、電動機として力行動作を行い（モード１）、ＤＣＤＣコンバータ１において、スイッチング素子６ｂのデューティα２を変化させることで、直流高圧ラインの電圧Ｖ２を任意の電圧に制御する（Ｓ１０１）。ここでは、発電機３の回転数に依存するように直流高圧ラインの電圧Ｖ２の指令値Ｖ２＊を与える。   When the processing shown in FIG. 6 is started, since the generator 3 is driven at a specified rotational speed or less, it performs a power running operation as an electric motor (mode 1), and changes the duty α2 of the switching element 6b in the DCDC converter 1. Thus, the voltage V2 of the DC high-voltage line is controlled to an arbitrary voltage (S101). Here, the command value V2 * of the voltage V2 of the DC high-voltage line is given so as to depend on the rotation speed of the generator 3.

発電機３が力行動作のまま徐々に回転数を上げ、規定の回転数に到達するとＤＣＤＣコンバータはモード３として動作し、スイッチング素子６ａのデューティα１、スイッチング素子６ｂのデューティα２を１に設定する。このとき、電圧センサＶ４ａにより検出されたバッテリ電圧ＶＢ、Ｖ４ｂにより検出された直流高圧ラインの電圧Ｖ２を比較するとＶＢ＞Ｖ２の関係が成立する（Ｓ１０２）。   The generator 3 gradually increases the rotational speed while the power running operation is performed, and when the predetermined rotational speed is reached, the DCDC converter operates as mode 3, and the duty α1 of the switching element 6a and the duty α2 of the switching element 6b are set to 1. At this time, when the battery voltage VB detected by the voltage sensor V4a and the voltage V2 of the DC high-voltage line detected by V4b are compared, the relationship VB> V2 is established (S102).

その状態において、発電機３に直結された負荷に負のトルクを発生させることで力行動作から発電動作に移行する。前ステップと同様に、スイッチング素子６ａのデューティα１、スイッチング素子６ｂのデューティα２を１に設定し、バッテリ電圧ＶＢと直流高圧ラインの電圧Ｖ２を比較すると、Ｖ２＞ＶＢの関係が成立しモード４として動作する（Ｓ１０３）ため、モード３からモード４へ移行したと認識する。   In this state, a negative torque is generated in the load directly connected to the generator 3 to shift from the power running operation to the power generation operation. Similarly to the previous step, when the duty α1 of the switching element 6a and the duty α2 of the switching element 6b are set to 1, and the battery voltage VB is compared with the voltage V2 of the DC high voltage line, the relationship of V2> VB is established and mode 4 is established. Since it operates (S103), it is recognized that the mode 3 has shifted to the mode 4.

次に、発電機３の回転数を上昇させるのと同時に、回転数に依存するようにスイッチング素子６ｂのデューティを変化させることで、直流高圧ラインの電圧Ｖ２を任意の電圧に制御することができる（Ｓ１０４）。つまり、ＤＣＤＣコンバータ１はモード２として動作させる。当ステップによって、発電機３は定格運転ポイントで駆動することができ、高速領域において発電機電圧が不足する場合においても、良好に駆動できる。   Next, the voltage V2 of the DC high-voltage line can be controlled to an arbitrary voltage by increasing the rotational speed of the generator 3 and changing the duty of the switching element 6b so as to depend on the rotational speed. (S104). That is, the DCDC converter 1 is operated as mode 2. By this step, the generator 3 can be driven at the rated operation point, and can be driven well even when the generator voltage is insufficient in the high speed region.

発電動作から電動動作への停止シーケンスについては、図６に示したように上記フローと逆の動作をすればよい（図７）。   As for the stop sequence from the power generation operation to the electric operation, as shown in FIG. 6, an operation opposite to the above-described flow may be performed (FIG. 7).

以上、本実施形態についての詳細な説明から明らかなように、本発明は次の効果を奏する。本発明によれば、ＤＣＤＣコンバータ１のスイッチング素子６ａのデューティα１、スイッチング素子６ｂのデューティα２を１に設定することによって、力行／回生の切り替えが可能となり、発電機３を駆動する発電機用コンバータ２において位置センサレスなどの制御性能も向上し、安定性、信頼性が高く低コストなシステムを構築することが可能である。   As is apparent from the detailed description of the present embodiment, the present invention has the following effects. According to the present invention, by setting the duty α1 of the switching element 6a and the duty α2 of the switching element 6b of the DCDC converter 1 to 1, switching between power running / regeneration is possible and the converter for the generator that drives the generator 3 is achieved. 2 can improve control performance such as position sensorless, and it is possible to construct a low-cost system with high stability and reliability.

本発明は、力行回生動作をおこなう双方向ＤＣＤＣコンバータ装置にも採用しうる。また、本発明の適用対象は特に限定されないが、ハイブリッド車両制御システムに本発明が有用である。   The present invention can also be adopted in a bidirectional DCDC converter device that performs a power running regeneration operation. Moreover, although the application object of this invention is not specifically limited, this invention is useful for a hybrid vehicle control system.

１ 双方向ＤＣＤＣコンバータ
２ 発電機用コンバータ
３ バッテリ
４ａ，４ｂ 電圧センサ
５ａ，５ｂ 平滑コンデンサ
６ａ，６ｂ スイッチング素子
７ａ，７ｂ 還流ダイオード
８ａ，８ｂ ダイオード
９ リアクトル
１０ａ〜１０ｆ スイッチング素子
１１ａ〜１１ｆ 還流ダイオード
１２ａ，１２ｂ 電流センサ
１３ 永久磁石同期発電機
１４ａ，１４ｂ ゲートトライバ
１５ 制御部
２１ 走行モータ用電力変換器
１００ 発電制御システム DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Bidirectional DCDC converter 2 Generator converter 3 Battery 4a, 4b Voltage sensor 5a, 5b Smoothing capacitor 6a, 6b Switching element 7a, 7b Free-wheeling diode 8a, 8b Diode 9 Reactor 10a-10f Switching element 11a-11f Free-wheeling diode 12a, 12b Current sensor 13 Permanent magnet synchronous generator 14a, 14b Gate triber 15 Control unit 21 Power converter for travel motor 100 Power generation control system

Claims (8)

一次側に接続された上アームのスイッチング素子と、
前記一次側の上アームのスイッチング素子とカソード側に直列接続される下アームのダイオードと、
二次側に接続された上アームのスイッチング素子と、
前記二次側の上アームのスイッチング素子とカソード側に直列接続される下アームのダイオードと、
一次側のスイッチング素子とダイオードの中点と二次側のスイッチング素子とダイオードの中点とを結合する結合リアクトルと
一次側の高電位側の電圧情報を取得する一次側電圧検出器と、
二次側の高電位側の電圧情報を取得する二次側電圧検出器と、
前記一次側電圧検出器と前記二次側電圧検出器によって取得された電圧情報により、前記一次側の上アームのスイッチング素子及び前記二次側の上アームのスイッチング素子により電力変換動作を制御する制御部と、
を有する双方向ＤＣＤＣコンバータ装置。 A switching element of the upper arm connected to the primary side;
A switching element of the upper arm on the primary side and a diode of the lower arm connected in series to the cathode side;
A switching element of the upper arm connected to the secondary side;
A switching element of the upper arm of the secondary side and a diode of the lower arm connected in series to the cathode side;
A coupling reactor that couples the switching point on the primary side and the midpoint of the diode, the switching element on the secondary side and the midpoint of the diode, and a primary side voltage detector that acquires voltage information on the high potential side of the primary side;
A secondary side voltage detector for acquiring voltage information on the secondary side high potential side;
Control for controlling power conversion operation by the switching element of the upper arm of the primary side and the switching element of the upper arm of the secondary side according to voltage information acquired by the primary side voltage detector and the secondary side voltage detector And
A bi-directional DCDC converter device. 前記制御部は、一次側から二次側へ流れる直流電力または電流が、二次側から一次側へと方向が変化する一定の期間において、前記一次側の上アームのスイッチング素子と前記二次側の上アームのスイッチング素子を常時オン状態とする、請求項１に記載の双方向ＤＣＤＣコンバータ装置。 The control unit is configured such that the DC power or current flowing from the primary side to the secondary side changes the direction from the secondary side to the primary side, the switching element of the upper arm of the primary side and the secondary side The bidirectional DCDC converter apparatus according to claim 1, wherein a switching element of the upper arm is always turned on. 前記制御部は、二次側から一次側へ流れる直流電力または電流が、一次側から二次側へと方向が変化する一定の期間において、前記一次側の上アームのスイッチング素子と前記二次側の上アームのスイッチング素子を常時オン状態とする、請求項１または２のいずれかに記載の双方向ＤＣＤＣコンバータ装置。 The control unit is configured such that the DC power or current flowing from the secondary side to the primary side changes the direction from the primary side to the secondary side, and the switching element of the upper arm of the primary side and the secondary side The bidirectional DCDC converter apparatus according to claim 1, wherein the switching element of the upper arm is always turned on. 前記制御部は、前記一次側電圧検出器により得られた電圧情報と、前記二次側電圧検出器により得られた電圧情報により、直流電力または電流の流れる方向を判別する、請求項２または３のいずれかに記載の双方向ＤＣＤＣコンバータ装置。 The said control part discriminate | determines the direction through which direct-current power or an electric current flows with the voltage information obtained by the said primary side voltage detector, and the voltage information obtained by the said secondary side voltage detector. The bidirectional DCDC converter device according to any one of the above. 前記制御部は、直流電力または電流方向判別を、前記一次側電圧検出器により得られた電圧情報と、前記二次側電圧検出器により得られた電圧情報を比較し、
一次側電圧値より二次側電圧値が任意の設定値以上大きい場合、一次側から二次側に直流電力または電流が流れると判別し、
二次側電圧値より一次側電圧値が任意の設定値以上大きい場合、二次側から一次側に直流電力または電流が流れると判別する、請求項４に記載の双方向ＤＣＤＣコンバータ装置。 The control unit compares the voltage information obtained by the primary side voltage detector with the voltage information obtained by the secondary side voltage detector to determine DC power or current direction,
When the secondary side voltage value is larger than the primary side voltage value by more than the set value, it is determined that DC power or current flows from the primary side to the secondary side,
The bidirectional DCDC converter apparatus according to claim 4, wherein when the primary side voltage value is larger than the secondary side voltage value by an arbitrary set value or more, it is determined that DC power or current flows from the secondary side to the primary side. 前記制御部は、直流電力が一次側から二次側へ流れる力行降圧モードにおいて、一次側電圧に対する二次側電圧が任意に設定した閾値以下では、二次側スイッチング素子をオンまたはオフ状態とし、閾値以上となると、二次側スイッチング素子をオン状態とする、請求項１から５のいずれか1項に記載の双方向ＤＣＤＣコンバータ装置。 In the powering step-down mode in which DC power flows from the primary side to the secondary side, the control unit turns the secondary side switching element on or off when the secondary side voltage with respect to the primary side voltage is not more than a set threshold value, The bidirectional DCDC converter device according to any one of claims 1 to 5, wherein when the threshold value is exceeded, the secondary side switching element is turned on. 前記制御部は、直流電力が二次から側一次側へ流れる回生降圧モードにおいて、二次側電圧に対する一次側電圧が任意に設定した閾値以下では、一次側スイッチング素子をオンまたはオフ状態とし、閾値以上となると、一次側スイッチング素子をオン状態とする、請求項１から５のいずれか1項に記載の双方向ＤＣＤＣコンバータ装置。 In the regenerative step-down mode in which DC power flows from the secondary to the side primary side, the control unit turns the primary side switching element on or off when the primary side voltage with respect to the secondary side voltage is equal to or less than a set threshold value. The bidirectional DCDC converter apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the primary-side switching element is turned on when the above is reached. 車両走行用モータと、
前記車両走行用モータに電力を供給する電動機駆動用インバータと、
前記駆動用インバータに接続され電力を充放電することができる電力貯蔵システムと、
前記電力貯蔵システムを一次側として接続され直流電圧を変換する双方向ＤＣＤＣコンバータ装置と、
タービンの出力軸に直結または結合された電動発電機と、
前記双方向ＤＣＤＣコンバータ装置の二次側と前記電動発電機の間に介挿され発電機電力を回生する発電機駆動用コンバータと、を備え、
前記双方向ＤＣＤＣコンバータ装置は、
一次側に接続された上アームのスイッチング素子と、
前記一次側の上アームのスイッチング素子とカソード側に直列接続される下アームのダイオードと、
二次側に接続された上アームのスイッチング素子と、
前記二次側の上アームのスイッチング素子とカソード側に直列接続される下アームのダイオードと、
一次側のスイッチング素子とダイオードの中点と二次側のスイッチング素子とダイオードの中点とを結合する結合リアクトルと
一次側の高電位側の電圧情報を取得する一次側電圧検出器と、
二次側の高電位側の電圧情報を取得する二次側電圧検出器と、
前記一次側電圧検出器と前記二次側電圧検出器によって取得された電圧情報により、前記一次側の上アームのスイッチング素子及び前記二次側の上アームのスイッチング素子により電力変換動作を制御する制御部と、
を有する双方向ＤＣＤＣコンバータ装置。 A vehicle driving motor;
An electric motor drive inverter for supplying electric power to the vehicle driving motor;
A power storage system connected to the drive inverter and capable of charging and discharging power;
A bi-directional DCDC converter device that is connected to the power storage system as a primary side and converts a DC voltage;
A motor generator directly or coupled to the output shaft of the turbine;
A generator driving converter interposed between the secondary side of the bidirectional DCDC converter device and the motor generator to regenerate generator power,
The bidirectional DC / DC converter device comprises:
A switching element of the upper arm connected to the primary side;
A switching element of the upper arm on the primary side and a diode of the lower arm connected in series to the cathode side;
A switching element of the upper arm connected to the secondary side;
A switching element of the upper arm of the secondary side and a diode of the lower arm connected in series to the cathode side;
A coupling reactor that couples the switching point on the primary side and the midpoint of the diode, the switching element on the secondary side and the midpoint of the diode, and a primary side voltage detector that acquires voltage information on the high potential side of the primary side;
A secondary side voltage detector for acquiring voltage information on the secondary side high potential side;
Control for controlling power conversion operation by the switching element of the upper arm of the primary side and the switching element of the upper arm of the secondary side according to voltage information acquired by the primary side voltage detector and the secondary side voltage detector And
A bi-directional DCDC converter device.

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