JP2011109849A - 電源システムの制御装置およびそれを搭載する車両 - Google Patents
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Abstract
【課題】電源システムの制御装置において、部品追加を行なうことなくコンバータのリアクトルを流れる電流を検出するための電流センサの異常を検出することによって、コンバータの信頼性を向上する。
【解決手段】電源システム20は、蓄電装置28と、蓄電装置28を流れる電流を検出するバッテリ電流センサ11と、リアクトルL1を有するコンバータ12と、リアクトルL1に流れる電流を検出するリアクトル電流センサ18と含む。制御装置30は、フィードバック制御によってリアクトルL1に流れる電流を検出する目標電流に調整する電流制御部220と、電流制御部220の制御出力に基づいてコンバータ12の駆動指令を生成する駆動指令生成部230と、バッテリ電流センサ11により検出された電流検出値と、リアクトル電流センサ18により検出された電流検出値との比較に基づいて、リアクトル電流センサ18の異常を検出するように構成されたセンサ監視部280とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】電源システム20は、蓄電装置28と、蓄電装置28を流れる電流を検出するバッテリ電流センサ11と、リアクトルL1を有するコンバータ12と、リアクトルL1に流れる電流を検出するリアクトル電流センサ18と含む。制御装置30は、フィードバック制御によってリアクトルL1に流れる電流を検出する目標電流に調整する電流制御部220と、電流制御部220の制御出力に基づいてコンバータ12の駆動指令を生成する駆動指令生成部230と、バッテリ電流センサ11により検出された電流検出値と、リアクトル電流センサ18により検出された電流検出値との比較に基づいて、リアクトル電流センサ18の異常を検出するように構成されたセンサ監視部280とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、電源システムの制御装置およびそれを搭載した車両に関し、より特定的には、電源システムに含まれる電流センサの異常検出技術に関する。
近年、環境に配慮した車両として、蓄電装置(たとえば二次電池やキャパシタなど)を搭載し、蓄電装置に蓄えられた電力から生じる駆動力を用いて走行する電動車両が注目されている。この電動車両には、たとえば電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車などが含まれる。
これらの電動車両においては、発進時や加速時に蓄電装置から電力を受けて走行のための駆動力を発生するとともに、制動時に回生制動によって発電を行なって蓄電装置に電気エネルギを蓄えるための回転電機(モータジェネレータ)を備える場合がある。このように、走行状態に応じてモータジェネレータを制御するために、電動車両にはインバータが搭載される。
また、このような電動車両においては、インバータが必要とする電力は車両状態によって変動する。そして、インバータが必要とする電力を安定的に供給するために、蓄電装置とインバータとの間にコンバータが備えられる場合がある。このコンバータにより、インバータの入力電圧を蓄電装置の出力電圧より高くして、モータの高出力化ができるとともに、同一出力時のモータ電流を低減することで、インバータおよびモータの小型化,低コスト化を図ることができる。
特開2007−185043号公報(特許文献1)には、ハイブリッド車両において、モータジェネレータを流れる各相の電流を検出するための電流センサを各相について二重化し、その二重化された電流センサの検出値を互いに比較することによって、電流センサの異常を検出する技術が開示される。
電動車両においては、コンバータを効率よく制御するために、コンバータに含まれるリアクトルを流れる電流を検出するための電流センサが設けられる場合がある。
このコンバータのリアクトルを流れる電流を検出するための電流センサについても、特開2007−185043号公報(特許文献1)と同様にセンサを二重化する技術を適用することが可能である。このようにすることで、誤ったセンサ情報に基づいてコンバータを制御することによって発生する過大な電流や電圧の影響ために、機器の損傷や劣化が発生することを抑制できる。
しかしながら、特開2007−185043号公報(特許文献1)に開示された技術を適用すると、センサが二重化されるため部品点数が増加する。これによって、機器の体格の大型化や、コストアップをもたらすおそれがある。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、部品追加を行なうことなく、コンバータのリアクトルを流れる電流を検出するための電流センサの異常を検出することによって、コンバータの信頼性を向上することができる電源システムの制御装置およびそれを搭載した車両を提供することである。
本発明による電源システムの制御装置は、負荷装置に電源を供給するための電源システムの制御装置であって、電源システムは、充電可能な蓄電装置と、第1および第2の電流センサと、コンバータとを含む。第1の電流センサは、蓄電装置に入出力される電流を検出する。コンバータは、リアクトルを有し、蓄電装置と負荷装置との間で電圧変換が可能に構成される。第2の電流センサは、リアクトルを流れる電流を検出する。また、制御装置は、電圧制御部と、電流制御部と、駆動指令生成部と、センサ監視部とを備える。電圧制御部は、コンバータの負荷装置側の電圧をフィードバックすることによって、コンバータの負荷装置側の電圧を目標電圧に調整する。電流制御部は、電圧制御部の制御出力に基づいて、第2の電流センサの検出値をフィードバックすることによって、リアクトルに流れる電流を目標電流に調整する。駆動指令生成部は、電流制御部の制御出力に基づいて、コンバータの駆動指令を生成する。そして、センサ監視部は、第1の電流センサにより検出された電流検出値と、第2の電流センサにより検出された電流検出値との比較に基づいて、第2の電流センサの異常を検出する。
好ましくは、センサ監視部は、第1の電流センサにより検出された電流検出値と、第2の電流センサにより検出された電流検出値との差の絶対値が所定のしきい値より大きくなったことが検出された場合に、第2の電流センサが異常であると判定する。
好ましくは、センサ監視部は、第1の電流センサにより検出された電流検出値と、第2の電流センサにより検出された電流検出値との差の絶対値がしきい値より大きくなった状態が所定期間継続した場合に、第2の電流センサが異常であると判定する。
好ましくは、制御装置は、第2の電流センサにより検出された電流検出値を時間軸方向に平滑化するように構成された平滑化部をさらに備える。そして、センサ監視部は、平滑化部によって平滑化された第2の電流センサの検出値を、第1の電流センサにより検出された電流検出値と比較する。
好ましくは、制御装置は、第2の電流センサの異常を検出した場合は、第2の電流センサにより検出された電流検出値を用いずにコンバータを制御する。
好ましくは、コンバータは、負荷装置の電力線と接地線との間に直列接続される第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子と、接地線から電力線に向かう方向を順方向として、第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された第1の整流素子および第2の整流素子とをさらに有する。リアクトルは、第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の接続ノードと蓄電装置の正極端子とを結ぶ経路に介挿される。そして、駆動指令生成部は、第2の電流センサの異常が検出された場合は、第1のスイッチング素子をオン状態に固定するとともに、第2のスイッチング素子をオフ状態に固定するように駆動指令を生成する。
好ましくは、駆動指令生成部は、第2の電流センサの異常が検出された場合は、電流制御部の制御出力に替えて、電圧制御部の制御出力に基づいて駆動指令を生成する。
好ましくは、電流制御部は、第2の電流センサの異常が検出された場合は、第2の電流センサの検出値に替えて、第1の電流センサの検出値を用いてフィードバック制御を行なう。
好ましくは、電圧制御部は、第2の電流センサの異常が検出された場合は、フィードバック制御に用いる制御ゲインを低下させる。
好ましくは、電圧制御部は、第2の電流センサの異常が検出された場合は、目標電圧を制限するための上限値を低下させる。
本発明による車両は、充電可能な蓄電装置と、第1および第2の電流センサと、駆動力発生部と、コンバータと、コンバータを制御するための制御装置とを備える。第1の電流センサは、蓄電装置に入出力される電流を検出する。駆動力発生部は、蓄電装置からの電力を用いて駆動力を発生するように構成される。コンバータは、リアクトルを含み、蓄電装置と駆動力発生部との間で電圧変換が可能に構成される。第2の電流センサは、リアクトルを流れる電流を検出する。また、制御装置は、電圧制御部と、電流制御部と、駆動指令生成部と、センサ監視部とを含む。電圧制御部は、コンバータの負荷装置側の電圧をフィードバックすることによって、コンバータの負荷装置側の電圧を目標電圧に調整する。電流制御部は、電圧制御部の制御出力を目標電流として、第2の電流センサの検出値をフィードバックすることによって、リアクトルに流れる電流を目標電流に調整する。駆動指令生成部は、電流制御部の制御出力に基づいて、コンバータの駆動指令を生成する。そして、センサ監視部は、第1の電流センサにより検出された電流検出値と、第2の電流センサにより検出された電流検出値との比較に基づいて、第2の電流センサの異常を検出する。
本発明によれば、電源システムの制御装置およびそれを搭載した車両において、部品追加を行なうことなく、コンバータのリアクトルを流れる電流を検出するための電流センサの異常を検出することができるので、コンバータの信頼性を向上することができる。
以下において、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、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
[実施の形態1]
図1は、本実施の形態に従う電源システムの制御装置が適用されるモータ駆動制御システムを搭載したハイブリッド車両100の全体ブロック図である。本実施の形態においては、車両100としてエンジンおよびモータジェネレータを搭載したハイブリッド車両を例として説明するが、車両100の構成はこれに限定されるものではなく、蓄電装置からの電力によって走行可能な車両であれば適用可能である。車両100としては、ハイブリッド車両以外にたとえば電気自動車や燃料電池自動車などが含まれる。
図1は、本実施の形態に従う電源システムの制御装置が適用されるモータ駆動制御システムを搭載したハイブリッド車両100の全体ブロック図である。本実施の形態においては、車両100としてエンジンおよびモータジェネレータを搭載したハイブリッド車両を例として説明するが、車両100の構成はこれに限定されるものではなく、蓄電装置からの電力によって走行可能な車両であれば適用可能である。車両100としては、ハイブリッド車両以外にたとえば電気自動車や燃料電池自動車などが含まれる。
図1を参照して、車両100は、電源システム20と、負荷装置45と、平滑コンデンサC2と、制御装置(以下、ECU「Electronic Control Unit」とも称する。)30とを備える。
電源システム20は、蓄電装置28と、システムリレーSR1,SR2と、平滑コンデンサC1と、コンバータ12とを含む。
蓄電装置28は、代表的には、ニッケル水素またはリチウムイオン等の二次電池や電気二重層キャパシタ等の蓄電装置を含んで構成される。また、蓄電装置28が出力する直流電圧VBおよび入出力される直流電流IBは、電圧センサ10および電流センサ11(以下、「バッテリ電流センサ」とも称する。)によってそれぞれ検出される。そして、電圧センサ10および電流センサ11は、検出した直流電圧VBおよび直流電流IBの検出値をECU30に出力する。蓄電装置28の出力電圧は、たとえば200V程度である。
システムリレーSR1は、蓄電装置28の正極端子と電力線PL1とを結ぶ経路に介挿される。また、システムリレーSR2は、蓄電装置28の負極端子と接地線NLとを結ぶ経路に介挿される。システムリレーSR1,SR2は、ECU30からの信号SEにより制御され、蓄電装置28からコンバータ12への電力の供給と遮断とを切替える。
コンバータ12は、リアクトルL1と、スイッチング素子Q1,Q2と、ダイオードD1,D2とを含む。
スイッチング素子Q1およびQ2は、電力線PL2および接地線NLの間に直列に接続される。スイッチング素子Q1およびQ2は、ECU30からのスイッチング制御信号PWCによって制御される。本実施の形態において、スイッチング素子Q1,Q2および後述するスイッチング素子Q3〜Q8としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)トランジスタあるいは、電力用バイポーラトランジスタ等を用いることができる。スイッチング素子Q1,Q2に対しては、逆並列ダイオードD1,D2が配置される。
リアクトルL1は、一方端がスイッチング素子Q1およびQ2の接続ノードに接続され、他方端が電力線PL1に接続される。また、平滑コンデンサC1は、電力線PL1および接地線NLの間に接続され、電力線PL1および接地線NLの間の電圧変動を減少させる。
電流センサ18(以下、「リアクトル電流センサ」とも称する。)は、リアクトルL1を流れるリアクトル電流を検出し、その検出値ILをECU30に出力する。電圧センサ19は、平滑コンデンサC1にかかる電圧を検出し、その検出値VLをECU30に出力する。
また、電源システム20は、低電圧系(補機系)として、空調機50と、DC/DCコンバータ51と、補機負荷52と、補機バッテリ53とをさらに含む。
空調機50は、電力線PL1および接地線NLに接続される。空調機50は、コンバータ12によって降圧された電力または蓄電装置28から供給される電力を用いて駆動され、車両の室内を空調する。
DC/DCコンバータ51は、電力線PL1および接地線NLに接続され、コンバータ12によって降圧された直流電圧または蓄電装置28から供給される直流電圧をさらに降圧して補機負荷52および補機バッテリ53へ供給する。
補機バッテリ53は、代表的には鉛蓄電池によって構成される。補機バッテリ53の出力電圧は、蓄電装置28の出力電圧よりも低く、たとえば12V程度である。
補機負荷52には、たとえばランプ類、ワイパー、ヒータ、オーディオ、ナビゲーションシステムなどが含まれる。
負荷装置45は、インバータ23と、モータジェネレータMG1,MG2と、エンジン40と、動力分割機構41と、駆動輪42とを含む。また、インバータ23は、モータジェネレータMG1を駆動するためのインバータ14と、モータジェネレータMG2を駆動するためのインバータ22とを含む。なお、図1のようにインバータおよびモータジェネレータを2組備えることは必須ではなく、たとえばインバータ14とモータジェネレータMG1、あるいはインバータ22とモータジェネレータMG2のいずれか1組のみを備える構成としてもよい。
モータジェネレータMG1,MG2は、インバータ23から供給される交流電力を受けて車両走行のための回転駆動力を発生する。また、モータジェネレータMG1,MG2は、外部から回転力を受け、ECU30からの回生トルク指令によって交流電力を発電するとともに回生制動力を車両100に発生する。
また、モータジェネレータMG1,MG2は、動力分割機構41を介してエンジン40にも連結される。そして、エンジン40の発生する駆動力とモータジェネレータMG1,MG2の発生する駆動力とが最適な比率となるように制御される。また、モータジェネレータMG1,MG2のいずれか一方を専ら電動機として機能させ、他方のモータジェネレータを専ら発電機として機能させてもよい。なお、本実施の形態においては、モータジェネレータMG1をエンジン40により駆動される発電機として専ら機能させ、モータジェネレータMG2を駆動輪42を駆動する電動機として専ら機能させるものとする。
動力分割機構41には、エンジン40の動力を、駆動輪42とモータジェネレータMG1との両方に振り分けるために、たとえば遊星歯車機構(プラネタリーギヤ)が使用される。
インバータ14は、コンバータ12から昇圧された電圧を受けて、たとえばエンジン40を始動させるためにモータジェネレータMG1を駆動する。また、インバータ14は、エンジン40から伝達される機械的動力によってモータジェネレータMG1で発電された回生電力をコンバータ12に出力する。このときコンバータ12は、降圧回路として動作するようにECU30によって制御される。
インバータ14は、電力線PL2および接地線NLの間に並列に設けられる、U相アーム15と、V相アーム16と、W相アーム17とを含んで構成される。各相アームは、電力線PL2および接地線NLの間に直列接続されたスイッチング素子を含んで構成される。たとえば、U相アーム15は、スイッチング素子Q3,Q4を含み、V相アーム16は、スイッチング素子Q5,Q6を含み、W相アーム17は、スイッチング素子Q7,Q8を含む。また、スイッチング素子Q3〜Q8に対して、逆並列ダイオードD3〜D8がそれぞれ接続される。スイッチング素子Q3〜Q8は、ECU30からのスイッチング制御信号PWI1によって制御される。
代表的には、モータジェネレータMG1は、3相の永久磁石型同期電動機を含んで構成され、U,V,W相の3つのコイルの一端が中性点に共通に接続される。さらに、各相コイルの他端は、各相アーム15〜17におけるスイッチング素子の接続ノードと接続される。
インバータ22は、コンバータ12に対してインバータ14と並列的に接続される。
インバータ22は駆動輪42を駆動するモータジェネレータMG2に対してコンバータ12の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。またインバータ22は、回生制動に伴い、モータジェネレータMG2において発電された回生電力をコンバータ12に出力する。このときコンバータ12は降圧回路として動作するようにECU30によって制御される。インバータ22の内部の構成は、図示しないがインバータ14と同様であり、詳細な説明は繰り返さない。
インバータ22は駆動輪42を駆動するモータジェネレータMG2に対してコンバータ12の出力する直流電圧を三相交流に変換して出力する。またインバータ22は、回生制動に伴い、モータジェネレータMG2において発電された回生電力をコンバータ12に出力する。このときコンバータ12は降圧回路として動作するようにECU30によって制御される。インバータ22の内部の構成は、図示しないがインバータ14と同様であり、詳細な説明は繰り返さない。
コンバータ12は、基本的には、各スイッチング周期内でスイッチング素子Q1およびQ2が相補的かつ交互にオン・オフするように制御される。コンバータ12は、昇圧動作時には、平滑コンデンサC1の両端の直流電圧VLを直流電圧VH(インバータ14への入力電圧に相当するこの直流電圧を、以下「システム電圧」とも称する)に昇圧する。この昇圧動作は、スイッチング素子Q2のオン期間にリアクトルL1に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Q1および逆並列ダイオードD1を介して、電力線PL2へ供給することにより行なわれる。
また、コンバータ12は、降圧動作時には、直流電圧VHを直流電圧VLに降圧する。この降圧動作は、スイッチング素子Q1のオン期間にリアクトルL1に蓄積された電磁エネルギを、スイッチング素子Q2および逆並列ダイオードD2を介して、接地線NLへ供給することにより行なわれる。
これらの昇圧動作および降圧動作における電圧変換比(VHおよびVLの比)は、上記スイッチング周期におけるスイッチング素子Q1,Q2のオン期間比(デューティ)により制御される。なお、スイッチング素子Q1およびQ2をオンおよびオフにそれぞれ固定すれば、VH=VL(電圧変換比=1.0)とすることもできる。
平滑コンデンサC2は、電力線PL2および接地線NLの間に接続され、コンバータ12からの直流電圧を平滑化し、その平滑化した直流電圧をインバータ23へ供給する。電圧センサ13は、平滑コンデンサC2の両端の電圧、すなわち、システム電圧VHを検出し、その検出値をECU30へ出力する。
インバータ14は、モータジェネレータMG1のトルク指令値が正(TR1>0)の場合には、平滑コンデンサC2から直流電圧が供給されるとECU30からのスイッチング制御信号PWI1に応答したスイッチング素子Q3〜Q8のスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換して正のトルクを出力するようにモータジェネレータMG1を駆動する。また、インバータ14は、モータジェネレータMG1のトルク指令値が零の場合(TR1=0)には、スイッチング制御信号PWI1に応答したスイッチング動作により、直流電圧を交流電圧に変換してトルクが零になるようにモータジェネレータMG1を駆動する。これにより、モータジェネレータMG1は、トルク指令値TR1によって指定された零または正のトルクを発生するように駆動される。
さらに、車両100の回生制動時には、モータジェネレータMG1のトルク指令値TR1は負に設定される(TR1<0)。この場合には、インバータ14は、スイッチング制御信号PWI1に応答したスイッチング動作により、モータジェネレータMG1が発電した交流電圧を直流電圧に変換し、その変換した直流電圧(システム電圧)を平滑コンデンサC2を介してコンバータ12へ供給する。なお、ここで言う回生制動とは、電動車両を運転するドライバーによるフットブレーキ操作があった場合の回生発電を伴う制動や、フットブレーキを操作しないものの、走行中にアクセルペダルをオフすることで回生発電をさせながら車両を減速(または加速の中止)させることを含む。
インバータ22についても同様に、モータジェネレータMG2のトルク指令値に対応したECU30からのスイッチング制御信号PWI2を受け、スイッチング制御信号PWI2に応答したスイッチング動作によって、直流電圧を交流電圧に変換して所定のトルクになるようにモータジェネレータMG2を駆動する。
電流センサ24,25は、モータジェネレータMG1,MG2に流れるモータ電流MCRT1,MCRT2を検出し、その検出したモータ電流をECU30へ出力する。なお、U相,V相,W相の各相の電流の瞬時値の和は零であるので、図1に示すように電流センサ24,25は2相分のモータ電流を検出するように配置すれば足りる。
回転角センサ(レゾルバ)26,27は、モータジェネレータMG1,MG2の回転角θ1,θ2を検出し、その検出した回転角θ1,θ2をECU30へ出力する。ECU30では、回転角θ1,θ2に基づきモータジェネレータMG1,MG2の回転速度MRN1,MRN2および角速度ω1,ω2(rad/s)を算出できる。なお、回転角センサ26,27については、回転角θ1,θ2をECU30にてモータ電圧や電流から直接演算することによって、配置しないようにしてもよい。
ECU30は、いずれも図示しないがCPU(Central Processing Unit)、記憶装置および入出力バッファを含み、車両100の各機器を制御する。なお、これらの制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア(電子回路)で処理することも可能である。
代表的な機能として、ECU30は、入力されたトルク指令値TR1,TR2、電圧センサ19によって検出された直流電圧VL、電流センサ11によって検出された直流電流IB、電圧センサ13によって検出されたシステム電圧VHおよび電流センサ24,25からのモータ電流MCRT1,MCRT2、回転角センサ26,27からの回転角θ1,θ2等に基づいて、モータジェネレータMG1,MG2がトルク指令値TR1,TR2に従ったトルクを出力するように、コンバータ12およびインバータ23の動作を制御する。すなわち、コンバータ12およびインバータ23を上記のように制御するためのスイッチング制御信号PWC,PWI1,PWI2を生成して、コンバータ12およびインバータ23へそれぞれ出力する。
コンバータ12の昇圧動作時には、ECU30は、システム電圧VHをフィードバック制御することにより、システム電圧VHが電圧目標値に一致するようにスイッチング制御信号PWCを生成する。
また、ECU30は、車両100が回生制動モードに入ると、モータジェネレータMG1,MG2で発電された交流電圧を直流電圧に変換するようにスイッチング制御信号PWI1、PWI2を生成してインバータ23へ出力する。これにより、インバータ23は、モータジェネレータMG1,MG2で発電された交流電圧を直流電圧に変換してコンバータ12へ供給する。
さらに、ECU30は、車両100が回生制動モードに入ると、インバータ23から供給された直流電圧を降圧するようにスイッチング制御信号PWCを生成し、コンバータ12へ出力する。これにより、モータジェネレータMG1,MG2が発電した交流電圧は、直流電圧に変換され、さらに降圧されて蓄電装置28に供給される。
上述のようなコンバータ12の構成では、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング状態を切替えるときに、2つのスイッチング素子が同時にオン状態(導通状態)となることを防止するために、両方のスイッチング素子を一時的にオフ状態とするデッドタイムが一般的に設けられる。ところが、このデッドタイムの影響により、リアクトルL1を流れる電流の向きが変化する際に、コンバータ12の出力電圧が変動するという問題がある。
このような問題を解決するために、ECU30において、コンバータ12を流れる電流(すなわち、リアクトルL1を流れる電流IL)をフィードバック制御することにより、コンバータ12の出力電圧の変動を抑制する手法が採用される場合がある。
しかしながら、リアクトルL1を流れる電流ILを検出するために用いられる電流センサ18が、故障等の原因によってその検出値にずれが生じる状態となってしまった場合、誤った電流検出値に基づいてコンバータ12が制御されてしまうので、これに起因して発生する過大な電流や電圧のために機器の損傷や劣化を招くおそれがある。
そこで、本実施の形態においては、電流センサ18によって検出されたリアクトル電流ILを、電流センサ11によって検出された蓄電装置28のバッテリ電流IBと比較することによって、電流センサ18の異常の有無を検出し、この異常の検出結果に基づいてコンバータ12を制御する手法について説明する。これによって、新たに部品を追加することなく電流センサ18の異常検出を行なうとともに、誤った電流検出値に基づいてコンバータ12が制御されてしまうことに起因する機器の損傷や劣化を抑制する。
図2および図3を用いて、リアクトル電流ILとバッテリ電流IBとの違いを説明する。
図2は、リアクトル電流ILおよびバッテリ電流IBの特徴を示した図である。図2を参照して、バッテリ電流IB検出用の電流センサ11は、蓄電装置28の充電状態の監視が主な役割であり、ECU30によるサンプリング周期は、たとえば10ms程度である。それに対して、リアクトル電流IL検出用の電流センサ18は、コンバータ12の電流制御用のフィードバック電流を検出することが主な役割であるので、ECU30によるサンプリング周期は、たとえば100μs程度とバッテリ電流IBのサンプリング周期と比べて短い。
また、図3は、それぞれの電流センサを流れる電流の時間的な変化の一例を示した図であるが、リアクトル電流ILは、スイッチング素子Q1,Q2がスイッチング動作を行なう度に電流の増加と減少とが切替わるので、図3中のW1のようにリプルを含んだものとなる。一方、バッテリ電流IBは、上記リアクトル電流ILのリプル成分が平滑コンデンサC1に吸収されてしまうので、図3中の破線W2のように、ほぼ一定の直流電流となる。
そのため、リアクトル電流ILとバッテリ電流IBとを比較する場合には、リアクトル電流ILのリプル成分を除去するための平滑化処理が必要となる。
また、図1で説明したように、蓄電装置28とコンバータ12とを結ぶ経路には、空調機50、DC/DCコンバータ51、補機負荷52などの補機系が接続されている。そのため、蓄電装置28から出力される電流の一部はこれらの補機系に流れる。したがって、リアクトル電流ILとバッテリ電流IBとを比較する場合には、これら補機系に流れる電流を考慮する必要がある。
図4は、本実施の形態において、ECU30で実行されるセンサ異常検出制御を説明するための機能ブロック図である。図4および後述する図12,14,15,17,19,20で説明される機能ブロック図に記載された各機能ブロックは、ECU30によるハードウェア的あるいはソフトウェア的な処理によって実現される。
図1および図4を参照して、ECU30は、電圧指令生成部200と、電圧制御部210と、電流制御部220と、駆動指令生成部230と、サンプリングホールド部240と、キャリア生成部250と、平滑化部270と、センサ監視部280とを含む。
電圧指令生成部200は、モータジェネレータMG1,MG2への要求トルクTR1,TR2と、モータジェネレータMG1,MG2の回転速度MRN1,MRN2を受ける。そして、電圧指令生成部200は、これらの情報に基づいてコンバータ12の出力電圧(すなわち、インバータ14の入力電圧)の電圧指令VREFを生成する。
電圧制御部210は、減算部211と、電圧制御演算部212とを含む。
減算部211は、電圧指令生成部200から受ける電圧指令VREFと、電圧センサ13により検出されたコンバータ12のシステム電圧のフィードバック値VHとの電圧偏差を演算し、演算結果を電圧制御演算部212に出力する。
減算部211は、電圧指令生成部200から受ける電圧指令VREFと、電圧センサ13により検出されたコンバータ12のシステム電圧のフィードバック値VHとの電圧偏差を演算し、演算結果を電圧制御演算部212に出力する。
電圧制御演算部212は、減算部211によって演算された電圧偏差をPI演算することによって、リアクトルL1に流れるリアクトル電流の指令値ILREFを演算する。
このように、電圧制御部210においては、コンバータ12のシステム電圧VHのフィードバック制御(以下、単に「電圧制御」とも称する。)を行なうことによって、リアクトル電流指令値ILREFを演算する。そして、電圧制御演算部212は、このリアクトル電流指令値ILREFを、電流制御部220へ出力する。
電流制御部220は、減算部221と、電流制御演算部222とを含む。
減算部221は、電圧制御演算部212からのリアクトル電流指令値ILREFと、サンプリングホールド部240によって、サンプリング周期ごとに検出値がホールドされたリアクトル電流ILのフィードバック値との電流偏差を演算し、電流制御演算部222に出力する。
減算部221は、電圧制御演算部212からのリアクトル電流指令値ILREFと、サンプリングホールド部240によって、サンプリング周期ごとに検出値がホールドされたリアクトル電流ILのフィードバック値との電流偏差を演算し、電流制御演算部222に出力する。
電流制御演算部222は、減算部221により演算された電流偏差をPI演算することによって、スイッチング素子Q1,Q2のオン期間比であるデューティDUTYを演算する。電流制御部220によるフィードバック制御を、以下、単に「電流制御」とも称する。
なお、電圧制御部210および電流制御部220は、システム電圧VHを電圧指令VREFに一致させるためのメインループ205を形成する。また、電流制御部220は、リアクトル電流ILを電流指令IREFに一致させるためのマイナーループを形成する。
このように、電圧フィードバック制御に加えて電流フィードバック制御を行なうことで、デッドタイム等によって電流偏差が生じた場合でも、それに応じてデューティDUTYを速やかに変更することができる。その結果、電流偏差に起因するシステム電圧VHの電圧変動を低減することができる。
駆動指令生成部230は、電流制御演算部222からのデューティDUTYと、キャリア生成部250からの搬送波CRとの比較に基づいて、コンバータ12のスイッチング素子Q1,Q2のオン・オフを制御するためのPWM(Pulse Width Modulation)信号であるスイッチング制御信号PWCを生成する。
このスイッチング制御信号PWCによって、モータジェネレータMG1,MG2が力行の場合は、蓄電装置28からの出力電圧を所望のインバータ23の入力電圧まで昇圧する。また、モータジェネレータMG1,MG2が回生の場合は、モータジェネレータMG1,MG2により発電されインバータ23によって変換された直流電力を、蓄電装置28の充電電圧まで降圧する。
キャリア生成部250は、所定のキャリア周波数の搬送波CRを、駆動指令生成部230に出力する。また、キャリア生成部250は、サンプリングホールド部240に、サンプリング信号SMPを出力する。サンプリングホールド部240は、各サンプリング信号SMP入力時に、電流センサ18により検出されたリアクトル電流ILを検出して保持する。そして、サンプリングホールド部240は、その検出した電流値ILSを減算部221および平滑化部270に出力する。
平滑化部270は、サンプリングホールド部240によって検出された電流値ILSを受ける。そして、平滑化部270は、入力された電流値ILSを時間軸方向に平滑化する。平滑化処理については、いくつかの手法が考えられるが、その一例を以下の図5〜図8を用いて説明する。なお、以下の説明においては、理解を容易にするために、モータジェネレータMG1,MG2が加速,減速を行なっていない定常状態におけるリアクトル電流の場合について説明する。
図5は、平滑化部270で行なわれる平滑化処理の一例を説明するための図である。
図5を参照して、電流センサ18で検出されるリアクトル電流ILは、スイッチング素子Q1,Q2がスイッチングする毎に電流の増加と減少とが切替わるので、図5中のW10のようにリプルを含んだものとなる。平滑化部270は、所定期間(たとえば、搬送波CRのN周期;Nは自然数)にわたって、n回のリアクトル電流ILをサンプリングする。そして、平滑化部270は、サンプリングされたn個の電流検出値I1〜Inの平均値を式(1)のように演算し、得られた結果を平滑化後の電流値ILFとしてセンサ監視部280へ出力する。
図5を参照して、電流センサ18で検出されるリアクトル電流ILは、スイッチング素子Q1,Q2がスイッチングする毎に電流の増加と減少とが切替わるので、図5中のW10のようにリプルを含んだものとなる。平滑化部270は、所定期間(たとえば、搬送波CRのN周期;Nは自然数)にわたって、n回のリアクトル電流ILをサンプリングする。そして、平滑化部270は、サンプリングされたn個の電流検出値I1〜Inの平均値を式(1)のように演算し、得られた結果を平滑化後の電流値ILFとしてセンサ監視部280へ出力する。
ILF=(I1+I2+…+In)/n … (1)
また、n個の電流検出値I1〜Inの平均値にかえて、図6に示すように一次遅れフィルタにより平滑化するようにしてもよい。
また、n個の電流検出値I1〜Inの平均値にかえて、図6に示すように一次遅れフィルタにより平滑化するようにしてもよい。
図7は、平滑化部270で行なわれる平滑化処理の他の例を説明するための図である。
図7を参照して、図5同様に、電流センサ18で検出されるリアクトル電流ILは、図7中のW20のようにリプルを含んでいる。このとき、平滑化部270は、電流が増加から減少または減少から増加に切替わるタイミング、すなわちスイッチング素子Q1,Q2のスイッチングが行なわれるタイミングの電流値ILp,ILnをサンプリングし、式(2)のようにサンプリングされた電流値ILp,ILnの中間値を平滑化後の電流値ILF(図7中のW21)としてセンサ監視部280へ出力する。
図7を参照して、図5同様に、電流センサ18で検出されるリアクトル電流ILは、図7中のW20のようにリプルを含んでいる。このとき、平滑化部270は、電流が増加から減少または減少から増加に切替わるタイミング、すなわちスイッチング素子Q1,Q2のスイッチングが行なわれるタイミングの電流値ILp,ILnをサンプリングし、式(2)のようにサンプリングされた電流値ILp,ILnの中間値を平滑化後の電流値ILF(図7中のW21)としてセンサ監視部280へ出力する。
ILF=(ILp+ILn)/2 … (2)
図8は、平滑化部270で行なわれる平滑化処理のさらに他の例を説明するための図である。図8においては、縦軸には搬送波CRとリアクトル電流ILが示される。
図8は、平滑化部270で行なわれる平滑化処理のさらに他の例を説明するための図である。図8においては、縦軸には搬送波CRとリアクトル電流ILが示される。
図8を参照して、所定の周期の搬送波CR(図8中のW32)と、スイッチング素子Q1,Q2のオン期間比であるデューティDUTY(図8中のW33)とが交差する時刻において、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチングが行なわれる。これにより、リアクトル電流ILは、増加から減少または減少から増加に切替わる。そして、平滑化部270は、搬送波CRが山または谷となる時刻、すなわちスイッチング素子Q1,Q2の隣り合うスイッチングタイミングの中間付近の時刻におけるリアクトル電流ILをサンプリングし、このサンプリングした電流値を平滑化後の電流値ILF(図8中のW31)としてセンサ監視部280へ出力する。
再び図4を参照して、センサ監視部280は、電流センサ11からのバッテリ電流IBと、平滑化部270からの平滑化後のリアクトル電流ILFとを受ける。
そして、センサ監視部280は、バッテリ電流IBと平滑化後のリアクトル電流ILFとを比較することによって電流センサ18の異常の有無を判定する。具体的には、バッテリ電流IBと平滑化後のリアクトル電流ILFとの差の絶対値が、所定のしきい値より大きい場合に、電流センサ18に異常が有ると判定する。
そして、センサ監視部280は、電流センサ18の異常フラグFLTを設定して駆動指令生成部230へ出力する。具体的には、電流センサ18に異常が有る場合は異常フラグFLTをオンに設定し、電流センサ18に異常がない場合は異常フラグFLTをオフに設定する。
駆動指令生成部230は、異常フラグFLTがオフの場合(すなわち電流センサ18に異常がない場合)は、上述のように、キャリア生成部250からの搬送波CRと、電流制御演算部222からのデューティDUTYとの比較に基づいてスイッチング制御信号PWCを生成する。
一方、異常フラグFLTがオンの場合(すなわち電流センサ18に異常が有る場合)は、実際とはずれが生じている可能性があるリアクトル電流ILのフィードバック制御によって生成されたスイッチング制御信号PWCによってコンバータ12が制御されると、機器の損傷や劣化を招くおそれがある。そのため、駆動指令生成部230は、デューティDUTYを用いずに制御信号PWCを生成する。たとえば、スイッチング素子Q1をオンに固定し、スイッチング素子Q2をオフに固定するような制御信号PWCが生成される。
なお、上記では、車両が定常状態の場合について説明したが、車両が定常状態でない場合においても上記の平均化の手法が適用できる。実際のコンバータの制御においては、搬送波のキャリア周期はたとえば0.1ms(キャリア周波数では10kHz)程度が採用される。これに対して、車両の走行状態変化に起因するリアクトル電流ILの変化は、たとえば10〜100ms(キャリア周波数では10〜100Hz)程度であるので、搬送波1周期(または数周期)の期間では、車両の走行状態変化に起因するリアクトル電流ILの変化は非常に小さい。そのため、搬送波1周期(または数周期)のような短い期間では、車両の走行状態変化に起因するリアクトル電流ILの変化の影響は小さいので、上述の定常状態の場合とほぼ同様と考えることができる。
また、上記の説明では、定常状態におけるリアクトル電流ILが正の場合について説明したが、リアクトル電流ILが負の場合およびリアクトル電流がゼロをまたぐ場合においても適用可能である。
図9は、本実施の形態1において、ECU30で実行されるセンサ異常検出制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図9および後述する図10,13,16,18,21に示されるフローチャート中の各ステップについては、ECU30に予め格納されたプログラムを所定周期で実行することによって実現される。あるいは、一部のステップについては、専用のハードウェア(電子回路)で処理を実現することも可能である。
図1および図9を参照して、ECU30は、ステップ(以下、ステップをSと略す。)300にて、電流センサ11によってバッテリ電流IBを検出する。次に、ECU30は、S310にて、電流センサ18によって検出されたリアクトル電流ILをサンプリングするとともに、S320にて、上記で説明したような平滑化処理を行なって、平滑化後のリアクトル電流値ILFを演算する。
次にECU30は、S330にて、平滑化後のリアクトル電流値ILFとバッテリ電流IBとを比較し、これらの差の絶対値が所定のしきい値ΔIthより大きいか否かを判定する。
ここで、このしきい値ΔIthは、上述した補機系で消費される電流を考慮して設定される。たとえば、補機系の各機器の動作指令や動作状態に応じて、予め定められた各機器の消費電流を加算し、その演算結果にマージンを加えてしきい値ΔIthを逐次設定することもできる。ただし、補機で消費される電流は、車両の走行で消費される電流(すなわち、リアクトル電流)に比べてずっと小さいので、補機系で消費される合計最大電流にマージンを加えた固定値をしきい値ΔIthとする手法を採用すると、ECU30による演算負荷を軽減することもできるので好適である。
平滑化後のリアクトル電流値ILFとバッテリ電流IBの差の絶対値がしきい値ΔIthより大きい場合(S330にてYES)は、処理がS340に進められる。ECU300は、S340にて、電流センサ18に異常があると判定し、異常フラグFLTをオンに設定する。そして、ECU30は、S350にて、スイッチング素子Q1をオンに固定し、かつスイッチング素子Q2をオフに固定するようなスイッチング制御信号PWCを生成して、コンバータ12へ出力する。
一方、平滑化後のリアクトル電流値ILFとバッテリ電流IBの差の絶対値がしきい値ΔIth以下の場合(S330にてNO)は、処理がS345に進められる。ECU300は、S345にて、電流センサ18は正常であると判定し、異常フラグFLTをオフに設定する。そして、ECU30は、S355にて、キャリア生成部250からの搬送波CRと、リアクトル電流ILのフィードバック制御によって得られたデューティDUTYとの比較に基づいてスイッチング制御信号PWCを生成して、コンバータ12へ出力する。
以上のような処理に従って制御を行なうことによって、新たに部品を追加することなく、リアクトル電流ILを検出する電流センサ18の異常の有無を判定することができる。これによって、誤ったリアクトル電流を用いてフィードバック制御がされることに起因して発生する過大な電流,電圧を抑制できるので、機器の損傷や劣化を防止することができる。
[実施の形態1の変形例]
実施の形態1においては、平滑化後のリアクトル電流値ILFとバッテリ電流IBの差の絶対値がしきい値ΔIthより大きい場合には、電流センサ18の異常と判定した。しかし、たとえば車両の駆動輪42がスリップやグリップにより一時的に回転速度が急変した場合や、リアクトル電流ILの検出値に一時的な外部ノイズなどの影響が発生する場合に、このような一過性の変化に対して即座にコンバータ12の制御を変更すると、かえって制御効率やドライバビリティが悪くなるおそれがある。
実施の形態1においては、平滑化後のリアクトル電流値ILFとバッテリ電流IBの差の絶対値がしきい値ΔIthより大きい場合には、電流センサ18の異常と判定した。しかし、たとえば車両の駆動輪42がスリップやグリップにより一時的に回転速度が急変した場合や、リアクトル電流ILの検出値に一時的な外部ノイズなどの影響が発生する場合に、このような一過性の変化に対して即座にコンバータ12の制御を変更すると、かえって制御効率やドライバビリティが悪くなるおそれがある。
そこで、実施の形態1の変形例では、平滑化後のリアクトル電流値ILFとバッテリ電流IBの差の絶対値がしきい値ΔIthより大きい状態が所定期間継続した場合に、電流センサが異常であると判定する。このようにすることで、上述のような一過性の変化による影響を低減することができる。
図10は、本実施の形態1の変形例において、ECU30で実行されるセンサ異常検出制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図10においては、実施の形態1の図9のフローチャートに、ステップS331,S332が追加されたものとなっている。図10において、図9と重複するステップの説明は繰り返さない。
図1および図10を参照して、平滑化後のリアクトル電流値ILFとバッテリ電流IBの差の絶対値がしきい値ΔIthより大きい場合(S330にてYES)は、次に処理がS331に進められる。そして、ECU30は、S331にてタイマをカウントアップする。
次にECU30は、S332にて、タイマカウントが所定のしきい値Tthより大きいか否かを判定することによって、平滑化後のリアクトル電流値ILFとバッテリ電流IBの差の絶対値がしきい値ΔIthより大きい状態が所定期間継続しているか否かを判定する。
タイマカウントが所定のしきい値Tth以下の場合(S332にてNO)は、処理がS345に進められる。この場合、ECU30は、一過性の変化による影響の可能性が高いとして、電流センサ18が正常であると判定するとともに、S355で通常の運転を継続する。
一方、タイマカウントが所定のしきい値Tthより大きい場合(S332にてNO)は、処理がS340に進められ、ECU30は、電流センサ18に異常があると判定する。そして、S350にて、スイッチング素子Q1をオンに固定し、かつスイッチング素子Q2をオフに固定するようなスイッチング制御信号PWCを生成してコンバータ12へ出力する。
以上のような処理に従って制御することにより、一過性の変化による影響を低減しつつ、新たに部品を追加することなく、リアクトル電流ILを検出する電流センサ18の異常の有無を判定することができる。
[電流センサ異常時の対応策のバリエーション]
実施の形態1においては、電流センサ18が異常となった場合に、コンバータ12について上アームのスイッチング素子Q1をオンに固定し、かつ下アームのスイッチング素子Q2をオフに固定する手法について説明した。この場合は、実質的にコンバータ12の昇圧動作を停止させることになるので、システム電圧VHが平滑コンデンサC1の電圧VLまで低下してしまう。そうすると、インバータ23が出力できる最大駆動トルクが低下するなど、車両の走行性能に制約が生じるおそれがある。
実施の形態1においては、電流センサ18が異常となった場合に、コンバータ12について上アームのスイッチング素子Q1をオンに固定し、かつ下アームのスイッチング素子Q2をオフに固定する手法について説明した。この場合は、実質的にコンバータ12の昇圧動作を停止させることになるので、システム電圧VHが平滑コンデンサC1の電圧VLまで低下してしまう。そうすると、インバータ23が出力できる最大駆動トルクが低下するなど、車両の走行性能に制約が生じるおそれがある。
そこで、以降で説明する実施の形態2から実施の形態5においては、電流センサ18が異常の場合であっても、できるだけコンバータ12による昇圧動作を実行させて、車両の走行性能への影響を低減する構成について説明する。
[実施の形態2]
コンバータ12の制御において、リアクトルL1を流れるリアクトル電流ILを検出する電流センサ18を使用する目的は、図4で説明したように、電流フィードバック制御を行なうことによって、電圧フィードバック制御だけでは解消できない、電流偏差に起因するシステム電圧VHの電圧変動を低減させることであった。
コンバータ12の制御において、リアクトルL1を流れるリアクトル電流ILを検出する電流センサ18を使用する目的は、図4で説明したように、電流フィードバック制御を行なうことによって、電圧フィードバック制御だけでは解消できない、電流偏差に起因するシステム電圧VHの電圧変動を低減させることであった。
しかし、電流フィードバック制御を行なわず、電圧フィードバック制御のみを行なうような昇圧動作をする場合であっても、電流偏差に起因するシステム電圧VHの電圧変動は低減できないものの、システム電圧VHを電圧VLよりも高くできるので、上アームのスイッチング素子Q1をオンに固定する場合と比較して、最大駆動トルクの低下などの走行性能への影響を低減することができる。
そこで、実施の形態2においては、電流センサ18の異常を検出した場合に、電流センサ18による電流検出値を用いた電流フィードバック制御を中止するとともに、電圧フィードバック制御によるコンバータ制御に切替える切替制御を行なう。
図11は、コンバータ12の制御の違いによるシステム電圧VHの状態を説明するための図である。図11には、(1)電圧制御のみを行なう場合、(2)電圧制御および電流制御の両方を常に行なう場合、(3)電流センサ異常時に上アームをオン固定する場合(実施の形態1に対応)、および(4)電流センサ異常時に電圧制御に切替える場合(実施の形態2に対応)について、リアクトル電流センサの正常時および異常時のシステム電圧VHの状態の一例が示される。
図11を参照して、電圧制御のみを行なう場合は、電流センサ18の検出値を用いた電流フィードバック制御を行なっていないので、電流センサ18が正常時であっても異常時であっても、システム電圧VHの状態は変化しない。この場合は、昇圧動作が行なわれているので、システム電圧VHは平滑コンデンサC1の電圧VLよりも高いが、電流フィードバック制御が行なわれていないので、電圧変動が発生している。
次に、電圧制御および電流制御の両方を常に行なう場合は、電流センサ18が正常のときには、電流フィードバック制御によって電圧変動が低減されるので、システム電圧VHは目標電圧付近で安定している。しかしながら、電流センサ18が異常のときには、電流フィードバック制御ができないので、コンバータ12の制御が不可能となる。
実施の形態1で説明した電流センサ18の異常時に上アームをオン固定する場合は、電流センサ18が正常のときには、電流フィードバック制御によって電圧変動が低減されるが、電流センサ18が異常のときには、コンバータ12による昇圧動作が停止されるので、システム電圧VHが電圧VL付近まで低下する。
実施の形態2の切替制御を適用する場合は、電流センサ18が正常のときには、電流フィードバック制御によって電圧変動が低減され、電流センサ18が異常のときには、電圧変動は発生するが、システム電圧VHは電圧VLより高い状態が維持される。したがって、電流センサ18が異常のときであっても、昇圧動作が行なわれているので、車両の走行性能をある程度維持することができる。
図12は、実施の形態2において、ECU30で実行される切替制御を説明するための機能ブロック図である。図12は、実施の形態1の図4の機能ブロック図に、切替部260が追加されたものとなっている。図12において、図4と重複する機能ブロックについての説明は繰り返さない。
図12を参照して、ECU30は切替部260をさらに含む。
切替部260は、電圧制御部210の制御出力と、電流制御部220の制御出力と、センサ監視部280からの電流センサ18の異常フラグFLTとを受ける。
切替部260は、電圧制御部210の制御出力と、電流制御部220の制御出力と、センサ監視部280からの電流センサ18の異常フラグFLTとを受ける。
切替部260は、センサ監視部280からの電流センサ18の異常フラグFLTに基づいて、電流センサ18が正常の場合(すなわち異常フラグFLTがオフの場合)は、電流制御部220からの制御出力を選択するように切替えて、その結果を駆動指令生成部230にデューティDUTYとして出力する。
一方、電流センサ18が異常の場合(すなわち異常フラグFLTがオンの場合)は、切替部260は、電圧制御部210からの制御出力を選択するように切替えて、その結果を駆動指令生成部230にデューティDUTYとして出力する。
駆動指令生成部230は、切替部260から受けるデューティDUTYと、キャリア生成部250からの搬送波CRとの比較に基づいて、コンバータ12を制御するための制御信号PWCを生成して、コンバータ12へ制御信号PWCを出力する。
図13は、実施の形態2において、ECU30で実行される切替制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図13は、実施の形態1の図9のフローチャートの、ステップS350がS350Aに置き換わったされたものとなっている。図13において、図9と重複するステップについての説明は繰り返さない。
図13を参照して、平滑化後のリアクトル電流ILFとバッテリ電流IBとの差の絶対値が所定のしきい値ΔIth以下の場合(S330にてNO)は、ECU30は、電流センサ18が正常と判定し(S345)、電流センサ18で検出されたリアクトル電流検出値を用いた電流フィードバック制御によりコンバータ12を制御する(S355)。
一方、平滑化後のリアクトル電流ILFとバッテリ電流IBとの差の絶対値が所定のしきい値ΔIthより大きい場合(S330にてYES)は、ECU30は、電流センサ18が異常であると判定し(S340)、処理がS350Aに進められる。
ECU30は、S350Aにて、図12の切替部260において電圧制御部210からの制御出力を選択することによって、電流フィードバック制御を中止して電圧フィードバック制御によりコンバータ12を制御する。
以上のような処理に従って制御することによって、リアクトル電流センサが異常となった場合でも、コンバータ12による昇圧動作ができるので、車両の走行性能への影響を低減することができる。
[実施の形態2の変形例]
実施の形態2では、電流センサ18が異常の場合は、電圧制御部210の電圧制御演算部212の制御出力をデューティDUTYする構成について説明した。
実施の形態2では、電流センサ18が異常の場合は、電圧制御部210の電圧制御演算部212の制御出力をデューティDUTYする構成について説明した。
しかしながら、電圧制御演算部212における制御ゲイン等の内部変数は、もともと電流フィードバック制御を行なうことを前提として調整されている。そのため、電圧制御演算部212の制御出力をそのままデューティDUTYとして駆動指令生成部230で使用すると、システム電圧VHが発振して制御外れに至るなどのように、コンバータ12の制御が不安定となってしまう可能性がある。
そのため、実施の形態2の変形例においては、電圧制御部210とは別個の、もう1つの電圧制御部をさらに備える構成について説明する。
図14は、実施の形態2の変形例において、ECU30で実行される切替制御を説明するための機能ブロック図である。図14は、実施の形態2の図12の機能ブロック図に、電圧制御部210Aが追加されたものとなっている。図14において、図4および図12と重複する機能ブロックについての説明は繰り返さない。
図14を参照して、ECU30は、電圧制御部210Aをさらに含む。
電圧制御部210Aは、減算部211Aと、電圧制御演算部212Aとを含む。電圧制御部210Aは、電圧制御部210と同じ構成となっている。すなわち、減算部211Aにおいて、電圧指令VREFとシステム電圧のフィードバック値VHとの電圧偏差を演算し、電圧制御演算部212Aにおいて、減算部211Aによって演算された電圧偏差をPI演算することによって、スイッチング素子Q1,Q2のデューティDUTY2を演算する。
電圧制御部210Aは、減算部211Aと、電圧制御演算部212Aとを含む。電圧制御部210Aは、電圧制御部210と同じ構成となっている。すなわち、減算部211Aにおいて、電圧指令VREFとシステム電圧のフィードバック値VHとの電圧偏差を演算し、電圧制御演算部212Aにおいて、減算部211Aによって演算された電圧偏差をPI演算することによって、スイッチング素子Q1,Q2のデューティDUTY2を演算する。
切替部260は、センサ監視部280からの異常フラグFLTに基づいて、電流制御部220から受けるデューティDUTY1と、電圧制御部210Aから受けるデューティDUTY2とを切替える。具体的には、切替部260は、異常フラグFLTがオフ(すなわち、電流センサ18の異常がない)場合はデューティDUTY1を選択するように切替え、異常フラグFLTがオン(すなわち、電流センサ18に異常がある)場合はデューティDUTY2を選択するように切替える。そして、その選択結果を駆動指令生成部230にデューティDUTYとして出力する。
このような構成とすることで、電圧フィードバック制御のみを行なう場合に、電圧制御部の制御ゲイン等を、電圧フィードバック制御のみを行なう場合に適した値に予め調整しておくことが可能となる。そのため、電流センサ18の異常時に電圧制御のみに切替えた場合であっても、コンバータ12を安定的に制御することができる。
[実施の形態3]
実施の形態2の変形例においては、電流センサ18が異常の場合に、もう1つの電圧制御部に切替えることによって、電圧制御のみを行なう場合に適した制御ゲイン等の設定が可能な構成について説明した。
実施の形態2の変形例においては、電流センサ18が異常の場合に、もう1つの電圧制御部に切替えることによって、電圧制御のみを行なう場合に適した制御ゲイン等の設定が可能な構成について説明した。
実施の形態3においては、実施の形態2と同様に1つの電圧制御部を備え、かつ電流制御と電圧制御との切替制御を行なう構成において、電流センサ18が異常の場合に、電圧制御演算部212の制御出力をデューティDUTYとして設定するように切替えることに加えて、電圧制御演算部212の制御ゲイン等を電圧制御に適した値に変更する構成について説明する。このような構成とすることで、実施の形態2の変形例のような別個の電圧制御部210Aを設けることなく、電圧制御のみを実行する場合であってもコンバータ12を安定的に制御することができる。
図15は、実施の形態3において、ECU30で実行されるゲイン変更制御を説明するための機能ブロック図である。図15は、実施の形態2の図12の機能ブロック図において、センサ監視部280からの異常フラグFLTが、切替部260に加えて電圧制御演算部212にも出力されるようになっている。図15において、図4および図12と重複する機能ブロックについての説明は繰り返さない。
図15を参照して、電圧制御演算部212は、減算部211により演算された電圧指令VREFとシステム電圧のフィードバック値VHとの電圧偏差と、センサ監視部280からの電流センサ18の異常フラグFLTを受ける。
電圧制御演算部212は、電圧制御および電流制御の両方を行なう場合と、電圧制御のみを行なう場合とで、それぞれの制御に適した制御変数(たとえば、制御ゲイン)を有している。そして、電圧制御演算部212は、電流センサ18の異常フラグFLTに応じてこの制御変数を設定するとともに、設定された制御変数を用いて減算部211からの電圧偏差をPI演算して、電流制御部220および切替部260へ出力する。
図16は、実施の形態3において、ECU30で実行されるゲイン変更制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図16は、実施の形態2の図13のフローチャートにステップS341およびS346が追加されたものとなっている。図16において、図9および図13と重複するステップについての説明は繰り返さない。
図16を参照して平滑化後のリアクトル電流ILFとバッテリ電流IBとの差の絶対値が所定のしきい値ΔIth以下の場合(S330にてNO)は、ECU30は、電流センサ18が正常と判定し(S345)、S346に処理を進める。
ECU30は、S346にて、電圧制御に用いる制御ゲインを、電圧制御および電流制御の両方を行なう場合に適した値に設定する。そして、ECU30は、電流センサ18で検出されたリアクトル電流検出値を用いた電流フィードバック制御によりコンバータ12を制御する(S355)。
一方、平滑化後のリアクトル電流ILFとバッテリ電流IBとの差の絶対値が所定のしきい値ΔIthより大きい場合(S330にてYES)は、ECU30は、電流センサ18が異常であると判定し(S340)、処理をS341に進める。
ECU30は、S341にて、電圧制御に用いる制御ゲインを電圧制御のみを行なう場合に適した値に設定する。具体的には、制御ゲインを、電圧制御および電流制御の両方を行なう場合よりも低い値に設定する。なお、制御ゲインには、PI演算における比例ゲインおよび積分ゲインが含まれる。
そして、ECU30は、S350Aにて、図15の電圧制御演算部212からの制御出力をデューティDUTYとするように切替えて、電流フィードバック制御を中止して電圧フィードバック制御によりコンバータ12を制御する。
以上のような処理に従って制御することによって、リアクトル電流センサが異常となった場合でも、別個の電圧制御部を追加で設けることなく、電圧制御のみによってコンバータ12を安定的に制御することができる。
[実施の形態4]
実施の形態2および実施の形態3においては、電流制御と電圧制御とを切替える構成について説明したが、図11で説明したように電圧制御のみを実行する場合には、システム電圧VHの電圧変動が発生する。特に、実施の形態3や実施の形態2の変形例のように、コンバータ12の制御安定性を確保するために、電流制御を行なう場合よりも低い制御ゲインを設定する場合には、電圧変動の変動幅が増加する可能性がある。
実施の形態2および実施の形態3においては、電流制御と電圧制御とを切替える構成について説明したが、図11で説明したように電圧制御のみを実行する場合には、システム電圧VHの電圧変動が発生する。特に、実施の形態3や実施の形態2の変形例のように、コンバータ12の制御安定性を確保するために、電流制御を行なう場合よりも低い制御ゲインを設定する場合には、電圧変動の変動幅が増加する可能性がある。
また、電圧制御および電流制御の両方を行なう場合には、システム電圧VHの電圧変動が低減できるので、部品コストの低減を図るために、回路内のコンデンサ容量や各部品の耐電圧の低減などが併せて行なわれる場合がある。
そうすると、電流センサの故障時に電圧制御のみを行なうことによって、システム電圧VHの電圧変動が大きくなると、各部品の耐電圧の許容値を超過してしまうことが考えられる。
そこで、実施の形態4においては、電流センサの異常時に電圧制御のみを行なうように切替制御を行なう場合に、電圧指令VREFの可変範囲の上限値を低下させるような電圧指令の変更制御を行なうことによって、電圧制御のみを行なう場合に発生するシステム電圧VHの電圧変動幅が、各部品の耐電圧の許容値を超過することを防止する。
図17は、実施の形態4において、ECU30で実行される電圧指令の変更制御を説明するための機能ブロック図である。図17は、実施の形態2の図12の機能ブロック図において、電圧制御部210が、指令制限部213が追加された電圧制御部210Bに置き換わったものとなっている。この場合、電圧制御部210Bおよび電流制御部220によって、メインループ205Bが形成される。図17において、図4および図12と重複する機能ブロックについての説明は繰り返さない。
図17を参照して、指令制限部213は、電圧指令生成部200によって生成された電圧指令VREFと、センサ監視部280からの電流センサ18の異常フラグFLTを受ける。指令制限部213においては、電圧指令VREFの可変範囲の上限値が設定される。指令制限部213は、電圧指令VREFがその上限値を超過する場合には、その上限値を電圧フィードバック制御に用いる電圧指令として設定して、減算部211に出力する。
また、指令制限部213は、センサ監視部280からの異常フラグFLTに応じて、この電圧指令VREFの上限値の設定を変更する。具体的には、電流センサ18の異常が検出されて異常フラグFLTがオンに設定されている場合には、指令制限部213は、電流センサ18が正常の場合よりも電圧指令VREFの上限値を低下するように設定する。
このような構成とすることで、電流センサ18の異常が検出されて電圧制御のみが行なわれる場合であっても、システム電圧VHの電圧変動幅を低減することができるので、システム電圧VHが各部品の耐電圧許容値を超過することを防止できる。
図18は、実施の形態4において、ECU30で実行される電圧指令の変更制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図18は、実施の形態2の図13の機能ブロック図において、ステップS342およびS347が追加されたものとなっている。図18において、図9および図13と重複する機能ブロックについての説明は繰り返さない。
図18を参照して、ECU30は、電流センサ18が正常と判定すると(S345)、処理をS347に進めて、電圧指令VREFの可変範囲の上限値を、電圧制御および電流制御の両方を行なう場合に適した値(通常値)に設定する。そして、ECU30は、電流センサ18で検出されたリアクトル電流検出値を用いた電流フィードバック制御によりコンバータ12を制御する(S355)。
一方、ECU30は、電流センサ18が異常と判定すると(S340)、処理をS342に進めて、電圧指令VREFの可変範囲の上限値を、上記の通常値よりも低い値に設定する。
そして、ECU30は、S350Aにて、図17の電圧制御演算部212からの制御出力をデューティDUTYとするように切替えて、電流フィードバック制御を中止して電圧フィードバック制御によりコンバータ12を制御する。
以上のような処理に従って制御することによって、リアクトル電流センサ18が異常となった場合でも、電圧制御のみによってコンバータ12を安定的に制御しつつ、システム電圧VHが各部品の耐電圧許容値を超過することを防止できる。
なお、実施の形態3のゲイン変更制御を行なう場合にも、実施の形態4を併せて適用することができる。図19は、実施の形態3に実施の形態4を適用した場合の機能ブロック図である。図19においては、実施の形態3の図15の機能ブロック図において、電圧制御部210が、指令制限部213が追加された電圧制御部210Bに置き換わったものとなっている。各機能ブロックの説明は繰り返さないが、このような構成とすることで、電流センサ18が異常となった場合に、電圧制御演算部212において制御ゲインの設定を低下できるとともに、指令制限部213において電圧指令VREFの上限値を低下できる。その結果、リアクトル電流センサが異常となった場合でも、電圧制御のみによってコンバータ12を安定的に制御しつつ、システム電圧VHが各部品の耐電圧許容値を超過することを防止できる。
[実施の形態5]
実施の形態2においては、リアクトル電流センサ18が異常となった場合に、電流制御を中止するとともに電圧制御のみを行なう構成について説明した。しかし、上述のように、システム電圧VHの電圧変動を低減するためには、できるだけ電流制御を行なうことが望ましい。
実施の形態2においては、リアクトル電流センサ18が異常となった場合に、電流制御を中止するとともに電圧制御のみを行なう構成について説明した。しかし、上述のように、システム電圧VHの電圧変動を低減するためには、できるだけ電流制御を行なうことが望ましい。
そこで、実施の形態5においては、リアクトル電流センサ18が異常となった場合に、リアクトル電流ILに替えて、バッテリ電流センサ11によって検出されたバッテリ電流IBを用いてフィードバック制御を行なうセンサ選択制御について説明する
リアクトル電流センサ18で検出される電流の平均値は、基本的には蓄電装置28に入出力される電流から補機系で消費される電流を差し引いたものとなるので、リアクトル電流ILとバッテリ電流IBとは必ずしも一致はしない。ただし、上述したように、補機系で消費される電流は、車両の走行で消費される電流よりもずっと小さいので、リアクトル電流ILに替えてバッテリ電流IBを用いてフィードバック制御を行なっても、システム電圧VHの電圧変動の抑制が期待できる。なお、フィードバック制御に用いるバッテリ電流については、たとえばバッテリ電流センサ11で検出された検出値から、補機系で消費される電流を考慮した固定値を差し引いたものを用いるようにしてもよい。
リアクトル電流センサ18で検出される電流の平均値は、基本的には蓄電装置28に入出力される電流から補機系で消費される電流を差し引いたものとなるので、リアクトル電流ILとバッテリ電流IBとは必ずしも一致はしない。ただし、上述したように、補機系で消費される電流は、車両の走行で消費される電流よりもずっと小さいので、リアクトル電流ILに替えてバッテリ電流IBを用いてフィードバック制御を行なっても、システム電圧VHの電圧変動の抑制が期待できる。なお、フィードバック制御に用いるバッテリ電流については、たとえばバッテリ電流センサ11で検出された検出値から、補機系で消費される電流を考慮した固定値を差し引いたものを用いるようにしてもよい。
図20は、実施の形態5において、ECU30で実行されるセンサ選択制御を説明するための機能ブロック図である。図20は、実施の形態1の図4の機能ブロック図において、センサ選択部245が追加されたものとなっている。図20において、図4と重複する機能ブロックについての説明は繰り返さない。
図20を参照して、センサ選択部245は、リアクトル電流センサ18で検出されたリアクトル電流ILの検出値、バッテリ電流センサ11で検出されたバッテリ電流IBの検出値、およびセンサ監視部280からの異常フラグFLTを受ける。
センサ選択部245は、リアクトル電流ILおよびバッテリ電流IBのいずれかを選択できるように構成されており、センサ監視部280からの異常フラグFLTに応じて、リアクトル電流ILおよびバッテリ電流IBの選択を切替える。具体的には、センサ選択部245は、異常フラグFLTがオフ(すなわち、リアクトル電流センサ18が正常)の場合はリアクトル電流ILを選択する一方で、異常フラグFLTがオン(すなわち、リアクトル電流センサ18が異常)の場合はバッテリ電流IBを選択する。
そして、センサ選択部245は、選択した電流の検出値を、サンプリングホールド部240へ出力する。これによって、リアクトル電流センサ18が異常の場合には、バッテリ電流IBを用いて電流フィードバック制御が行なわれる。
図21は、実施の形態5において、ECU30で実行されるセンサ選択制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図21は、実施の形態1の図9の機能ブロック図において、ステップS350がS350Bに置き換わったものとなっている。図21において、図9と重複する機能ブロックについての説明は繰り返さない。
図21を参照して、ECU30は、リアクトル電流センサ18が正常と判定すると(S345)、リアクトル電流センサ18で検出されたリアクトル電流検出値ILを用いた電流フィードバック制御によりコンバータ12を制御する(S355)。
一方、ECU30は、リアクトル電流センサ18が異常と判定すると(S340)、処理をS350Bに進める。
そして、ECU30は、S350Bにて、図20のセンサ選択部245によって電流フィードバック制御に用いる電流検出値をバッテリ電流IBに変更する。そして、ECU30は、バッテリ電流IBを用いた電流フィードバック制御によりコンバータ12を制御する。
以上のような処理に従って制御することによって、リアクトル電流センサ18が異常となった場合は、バッテリ電流センサ11により検出されたバッテリ電流IBを用いて電流制御を行なうことができる。これによって、リアクトル電流センサ18が異常となった場合でも、システム電圧VHの電圧変動を抑制することができるとともに、車両の走行性能への影響を低減することができる。
なお、実施の形態5においても、実施の形態3で説明したゲイン変更制御および実施の形態4で説明した電圧指令の変更制御を適用することができる。これによって、リアクトル電流ILの検出値とバッテリ電流IBの検出値との差によって発生し得るシステム電圧VHの変動をさらに低減することができる。
また、実施の形態2から実施の形態5およびそれらの変形例においても、実施の形態1の変形例が適用できる。すなわち、平均化処理後のリアクトル電流検出値ILFとバッテリIBとの差の絶対値が所定のしきい値ΔIthよりも大きい状態が所定期間継続した場合に、電流センサ18が異常であることを判定するようにしてもよい。
なお、本実施の形態におけるスイッチング素子Q1およびQ2は、それぞれ本発明の「第1のスイッチング素子」および「第2のスイッチング素子」の一例である。また、本実施の形態における電流センサ11および電流センサ18は、それぞれ本発明の「第1の電流センサ」および「第2の電流センサ」の一例である。
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。
10,13,19 電圧センサ、11,18,24,25 電流センサ、12 コンバータ、14,22,23 インバータ、15 U相アーム、16 V相アーム、17 W相アーム、20 電源システム、26,27 回転角センサ、28 蓄電装置、30 ECU、40 エンジン、41 動力分割機構、42 駆動輪、45 負荷装置、50 空調機、51 DC/DCコンバータ、52 補機負荷、53 補機バッテリ、100 車両、200 電圧指令生成部、205,205B メインループ、210,210A,210B 電圧制御部、211,211A,221 減算部、212,212A 電圧制御演算部、213 指令制限部、220 電流制御部、222 電流制御演算部、230 駆動指令生成部、240 サンプリングホールド部、245 センサ選択部、250 キャリア生成部、260 切替部、270 平滑化部、280 センサ監視部、C1,C2 平滑コンデンサ、D1〜D8 ダイオード、L1 リアクトル、MG1,MG2 モータジェネレータ、NL 接地線、PL1,PL2 電力線、Q1〜Q8 スイッチング素子、SR1,SR2 システムリレー。
Claims (11)
- 負荷装置に電源を供給するための電源システムの制御装置であって、
前記電源システムは、
充電可能な蓄電装置と、
前記蓄電装置に入出力される電流を検出するための第1の電流センサと、
前記蓄電装置と前記負荷装置との間で電圧変換が可能に構成され、リアクトルを有するコンバータと、
前記リアクトルを流れる電流を検出するための第2の電流センサとを含み、
前記制御装置は、
前記コンバータの前記負荷装置側の電圧をフィードバックすることによって、前記コンバータの前記負荷装置側の電圧を目標電圧に調整するように構成された電圧制御部と、
前記電圧制御部の制御出力に基づいて、前記第2の電流センサの検出値をフィードバックすることによって、前記リアクトルに流れる電流を目標電流に調整するように構成された電流制御部と、
前記電流制御部の制御出力に基づいて、前記コンバータの駆動指令を生成するように構成された駆動指令生成部と、
前記第1の電流センサにより検出された電流検出値と、前記第2の電流センサにより検出された電流検出値との比較に基づいて、前記第2の電流センサの異常を検出するように構成されたセンサ監視部とを備える、電源システムの制御装置。 - 前記センサ監視部は、前記第1の電流センサにより検出された電流検出値と、前記第2の電流センサにより検出された電流検出値との差の絶対値が所定のしきい値より大きくなったことが検出された場合に、前記第2の電流センサが異常であると判定する、請求項1に記載の電源システムの制御装置。
- 前記センサ監視部は、前記第1の電流センサにより検出された電流検出値と、前記第2の電流センサにより検出された電流検出値との差の絶対値が前記しきい値より大きくなった状態が所定期間継続した場合に、前記第2の電流センサが異常であると判定する、請求項2に記載の電源システムの制御装置。
- 前記第2の電流センサにより検出された電流検出値を時間軸方向に平滑化するように構成された平滑化部をさらに備え、
前記センサ監視部は、前記平滑化部によって平滑化された前記第2の電流センサの検出値を、前記第1の電流センサにより検出された電流検出値と比較する、請求項1に記載の電源システムの制御装置。 - 前記制御装置は、前記第2の電流センサの異常を検出した場合は、前記第2の電流センサにより検出された電流検出値を用いずに前記コンバータを制御する、請求項1に記載の電源システムの制御装置。
- 前記コンバータは、
前記負荷装置の電力線と接地線との間に直列接続される第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子と、
前記接地線から前記電力線に向かう方向を順方向として、前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された第1の整流素子および第2の整流素子とをさらに有し、
前記リアクトルは、前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の接続ノードと前記蓄電装置の正極端子とを結ぶ経路に介挿され、
前記駆動指令生成部は、前記第2の電流センサの異常が検出された場合は、前記第1のスイッチング素子をオン状態に固定するとともに、前記第2のスイッチング素子をオフ状態に固定するように前記駆動指令を生成する、請求項5に記載の電源システムの制御装置。 - 前記駆動指令生成部は、前記第2の電流センサの異常が検出された場合は、前記電流制御部の制御出力に替えて、前記電圧制御部の制御出力に基づいて前記駆動指令を生成する、請求項5に記載の電源システムの制御装置。
- 前記電流制御部は、前記第2の電流センサの異常が検出された場合は、前記第2の電流センサの検出値に替えて、前記第1の電流センサの検出値を用いてフィードバック制御を行なう、請求項5に記載の電源システムの制御装置。
- 前記電圧制御部は、前記第2の電流センサの異常が検出された場合は、フィードバック制御に用いる制御ゲインを低下させる、請求項7または8に記載の電源システムの制御装置。
- 前記電圧制御部は、前記第2の電流センサの異常が検出された場合は、前記目標電圧を制限するための上限値を低下させる、請求項7または8に記載の電源システムの制御装置。
- 充電可能な蓄電装置と、
前記蓄電装置に入出力される電流を検出するための第1の電流センサと、
前記蓄電装置からの電力を用いて駆動力を発生するように構成された駆動力発生部と、
前記蓄電装置と前記駆動力発生部との間で電圧変換が可能に構成され、リアクトルを含むコンバータと、
前記リアクトルを流れる電流を検出するための第2の電流センサと、
前記コンバータを制御するための制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記コンバータの前記駆動力発生部側の電圧をフィードバックすることによって、前記コンバータの前記駆動力発生部側の電圧を目標電圧に調整するように構成された電圧制御部と、
前記電圧制御部の制御出力に基づいて、前記第2の電流センサの検出値をフィードバックすることによって、前記リアクトルに流れる電流を目標電流に調整するように構成された電流制御部と、
前記電流制御部の制御出力に基づいて、前記コンバータの駆動指令を生成するように構成された駆動指令生成部と、
前記第1の電流センサにより検出された電流検出値と、前記第2の電流センサにより検出された電流検出値との比較に基づいて、前記第2の電流センサの異常を検出するように構成されたセンサ監視部とを含む、車両。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A300 | Application deemed to be withdrawn because no request for examination was validly filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20130205 |