JP2015211608A - 電力変換ユニットおよび電力変換時のリプル抑制制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電装置に流れ込む電流リプルを抑制するための平滑コンデンサの容量を小型化することができ、電力変換ユニットの小型化を実現する。
【解決手段】蓄電装置の直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータを駆動する主電力変換装置１０２と、蓄電装置の直流電圧を変圧して補機バッテリを充電する補機用電力変換装置１０１と、主電力変換装置および補機用電力変換装置の入力側に並列接続された平滑コンデンサＣ１００と、を備え、車両に搭載される電力変換ユニット１００であって、主電力変換装置は、主電力変換装置への第１の入力電流を検出する電流検出部を有し、補機用電力変換装置は、蓄電装置の直流電圧を変圧する際に、補機用電力変換装置への第２の入力電流を制御する制御回路を有し、制御回路は、電流検出部が検出した第１の入力電流の電流リプルを相殺するように、第２の入力電流を電流リプルと逆相に制御するリプル抑制制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ハイブリッド車に代表される電動車両に搭載される高電圧蓄電装置を用いてモータジェネレータを駆動する電力変換ユニットおよび電力変換時のリプル抑制制御方法に関するものである。

近年、燃費改善に対する要求の高まりやＣＯ２規制の強化に伴い、ハイブリッド車の市場が拡大しつつある。そして、このような、ハイブリッド車の市場拡大に伴い、内燃機関を有する従来車のプラットフォームを、電動車両用として流用するケースが増えている。このため、従来車のプラットフォームに格納できるような、小型化されたモータジェネレータや、それを駆動する電力変換ユニットが強く望まれている。

しかしながら、このような電力変換ユニットでは、モータジェネレータを駆動する主電力変換装置の動作に起因する電圧リプルが、主電力変換装置の入力側の平滑コンデンサに加わる。そして、この平滑コンデンサに加わる電圧リプルに起因する電流リプルが、車両の蓄電装置に流れ込んでしまう。この結果、蓄電装置に流れ込む電流リプルを抑制するために、入力側の平滑コンデンサの容量を十分に確保しなければならず、装置全体が大型化してしまうという課題があった。

そこで、例えば、蓄電池の電流リプルが所定の値を超えた場合には、補機用電力変換装置の入力電流を、蓄電池の電流リプルと同周期で逆位相に制御することにより、蓄電装置の電流リプルを抑制する従来技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特許第５１８９５２１号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１の電力変換ユニットでは、蓄電装置の電流リプルが所定の値を超えた場合に、電流リプルを抑制する動作であるリプル抑制制御を開始する。これにより、電流リプルは、一旦は減少するが、電流リプルが所定の値以下となってリプル抑制制御が停止されると、再び、電流リプルが所定の値を超えるといったハンチングが発生してしまうという課題があった。また、補機バッテリの電圧が高いときにリプル抑制制御を行うと、補機バッテリの出力電圧にリプルが重畳されて、補機バッテリが過充電となってしまうという課題もあった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、容量の小さい平滑コンデンサを用いる場合でも蓄電装置への電流リプルを抑制することができ、小型化が可能な電力変換ユニットおよび電力変換時のリプル抑制制御方法を得ることを目的とする。

本発明に係る電力変換ユニットは、蓄電装置の直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータを駆動する主電力変換装置と、蓄電装置の直流電圧を変圧して補機バッテリを充電する補機用電力変換装置と、主電力変換装置および補機用電力変換装置の入力側に並列接続された平滑コンデンサと、を備え、車両に搭載される電力変換ユニットであって、主電力変換装置は、主電力変換装置への第１の入力電流を検出する電流検出部を有し、補機用電力変換装置は、蓄電装置の直流電圧を変圧する際に、補機用電力変換装置への第２の入力電流を制御する制御回路を有し、制御回路は、電流検出部が検出した第１の入力電流の電流リプルを相殺するように、第２の入力電流を電流リプルと逆相に制御するリプル抑制制御を行うものである。

また、本発明に係る電力変換時のリプル抑制制御方法は、蓄電装置の直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータを駆動する主電力変換装置と、蓄電装置の直流電圧を変圧して補機バッテリを充電する補機用電力変換装置と、主電力変換装置および補機用電力変換装置の入力側に並列接続された平滑コンデンサと、を備え、車両に搭載される電力変換ユニットにおいて用いられる電力変換時のリプル抑制制御方法であって、主電力変換装置において、主電力変換装置への第１の入力電流を検出する電流検出ステップと、補機用電力変換装置において、電流検出ステップで検出した第１の入力電流の電流リプルを相殺するように、補機用電力変換装置への第２の入力電流を電流リプルと逆相に制御するリプル抑制制御ステップとを有するものである。

本発明に係る電力変換ユニットでは、主電力変換装置への入力電流の電流リプルが相殺されるように、補機用電力変換装置への入力電流を電流リプルと逆相に制御するリプル抑制制御を実行できる構成を備えている。この結果、蓄電装置に流れ込む電流リプルを抑制するための平滑コンデンサの容量を小型化することができ、電力変換ユニットの小型化を実現することができる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換ユニットとその周辺部の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る補機用電力変換装置の内部構成の例示図である。 本発明の実施の形態１に係る主電力変換装置の内部構成の例示図である。

以下、この発明における電力変換ユニットおよび電力変換時のリプル抑制制御方法の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換ユニット１００とその周辺部の概略構成を示すブロック図である。まず、図１を用いて、電力変換ユニット１００の構成について説明する。図１に示す電力変換ユニット１００は、補機用電力変換装置１０１、主電力変換装置１０２、および平滑コンデンサＣ１００を備えて構成される。

図１において、補機用電力変換装置１０１は、蓄電装置１０３のＤＣ出力電圧を変圧して、補機バッテリ１０６を充電するとともに、補機負荷群１０４に電力を供給する。また、主電力変換装置１０２は、蓄電装置１０３のＤＣ出力電圧をＡＣ電圧に変換して、車両のモータジェネレータ１０５を駆動する。

外部制御装置１０７は、通信部１０８を介して、補機用電力変換装置１０１および主電力変換装置１０２に対して指令を出力する。また、補機用電力変換装置１０１と主電力変換装置１０２とは、通信部１０９を介して、互いに情報を共有できるようになっている。

図１に示すように、補機用電力変換装置１０１へは、第１の入力電流Ｉ１０１が流れ込み、主電力変換装置１０２へは、第２の入力電流Ｉ１０２が流れ込む。また、補機用電力変換装置１０１および主電力変換装置１０２の入力端子間に並列接続された平滑コンデンサＣ１００には、両端電圧Ｖ１００が印加される。

図２は、本発明の実施の形態１に係る補機用電力変換装置１０１の内部構成の例示図である。次に、図２を用いて、補機用電力変換装置１０１の内部構成について説明する。補機用電力変換装置１０１は、例えば、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、図２に示すように、トランス２０１、リアクトル２０２、制御回路２０３、スイッチング素子Ｑ２０１〜Ｑ２０４、Ｑ２１１〜Ｑ２１２、低電圧側コンデンサＣ２０１、および平滑コンデンサＣ１００の両端電圧検出部２０５を備えて構成される。

また、制御回路２０３は、主電力変換装置１０２への入力電流Ｉ１０２を、主電力変換装置１０２との通信などを用いて検出する機能を有している。また、制御回路２０３は、平滑コンデンサＣ１００の両端電圧検出部２０５を用いて、平滑コンデンサＣ１００の両端電圧Ｖ１００を測定することができる。

補機用電力変換装置１０１の制御回路２０３は、スイッチング素子Ｑ２０１〜Ｑ２０４を制御して、入力した直流電圧を、一旦、交流電圧に変換する。続いて、制御回路２０３は、スイッチング素子Ｑ２１１〜Ｑ２１２を制御して、トランス２０１で変圧された交流電圧を整流する。整流化された交流電圧は、リアクトル２０２、低電圧側コンデンサＣ２０１によって平滑化されて出力される。

このとき、制御回路２０３は、外部制御装置１０７または主電力変換装置１０２からの指令、あるいは、補機用電力変換装置１０１内部の各部の動作状況等に応じて、最適なスイッチング波形を生成するためのスイッチングタイミングを計算してスイッチング素子Ｑ２０１〜Ｑ２０４、Ｑ２１１〜Ｑ２１２をスイッチングすることにより、補機用電力変換装置１０１への入力電流Ｉ１０１を制御する。

図３は、本発明の実施の形態１に係る主電力変換装置１０２の内部構成の例示図である。次に、図３を用いて、主電力変換装置１０２の内部構成について説明する。主電力変換装置１０２は、例えば、インバータであって、図３に示すように、制御回路３００、およびスイッチング素子Ｑ３０１〜Ｑ３０６を備えて構成される。

また、主電力変換装置１０２は、主電力変換装置１０２への入力電流Ｉ１０２を測定し、補機用電力変換装置１０１に対して出力する電流検出部（図示せず）を有している。

主電力変換装置１０２の制御回路３００は、スイッチング素子Ｑ３０１〜Ｑ３０６を制御することにより、入力した直流電圧を交流電圧に変換して、モータジェネレータ１０５を駆動する。

このとき、制御回路３００は、外部制御装置１０７からの指令、あるいは、主電力変換装置１０２内部の各部、またはモータジェネレータ１０５の動作状況等に応じて、最適なスイッチング波形を生成するためのスイッチングタイミングを計算して、スイッチング素子Ｑ３０１〜Ｑ３０６をスイッチングすることにより、モータジェネレータ１０５に流れる電流を制御する。

しかしながら、このような、主電力変換装置１０２またはモータジェネレータ１０５の動作によって、主電力変換装置１０２の入力電流Ｉ１０２に電流リプルが発生すると、前述のように、平滑コンデンサＣ１００が充放電されて、平滑コンデンサＣ１００の両端電圧Ｖ１００に電圧リプルが発生してしまう。

そこで、補機用電力変換装置１０１の制御回路２０３は、主電力変換装置１０２の電流検出部（図示せず）が検知した主電力変換装置１０２の入力電流Ｉ１０２の電流リプルが相殺されるように、補機用電力変換装置１０１への入力電流Ｉ１０１に対して逆位相の電流リプルを重畳させるように、スイッチングタイミングを制御している。

具体的には、主電力変換装置１０２の入力電流Ｉ１０２が上昇した場合には、制御回路２０３は、補機用電力変換装置１０１の入力電流Ｉ１０１を減少させるように、スイッチングタイミングを制御する。一方、主電力変換装置１０２の入力電流Ｉ１０２が減少した場合には、制御回路２０３は、補機用電力変換装置１０１の入力電流Ｉ１０１を増加させるように、スイッチングタイミングを制御する。

このように、制御回路２０３は、主電力変換装置１０２の電流リプルを検出し、その電流リプルと同周波数で逆位相となるように補機用電力変換装置１０１の入力電流Ｉ１０１を変動させるリプル抑制制御を行う。このようなリプル抑制制御を行うことにより、平滑コンデンサＣ１００に流れ込む電流値を小さくすることができ、平滑コンデンサＣ１００の電圧リプルを抑制できる。この結果、平滑コンデンサＣ１００を小型化することができ、電力変換ユニット１００の小型化を実現できる。

以上のように、実施の形態１では、主電力変換装置への入力電流の電流リプルが相殺されるように、補機用電力変換装置への入力電流を電流リプルと逆相に制御するリプル抑制制御を実行できる構成を備えている。この結果、蓄電装置に流れ込む電流リプルを抑制するための平滑コンデンサの容量を小型化することができ、電力変換ユニットの小型化を実現することができる。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、補機用電力変換装置１０１への入力電流Ｉ１０１が、蓄電装置１０３から補機バッテリ１０６の方向に流れる場合（すなわち、電流方向が一方向の場合）について説明した。これに対して、本実施の形態２では、蓄電装置１０３と補機バッテリ１０６との間で双方向に電流を流すことができる場合について説明する。

本実施の形態２では、補機用電力変換装置１０１として、入力電流Ｉ１０１を図１〜３に示す矢印の正負の両方向に流せる双方向電力変換装置を用いている。すなわち、本実施の形態２の補機用電力変換装置１０１では、スイッチング素子Ｑ２０１〜Ｑ２０４、Ｑ２１１〜Ｑ２１２を制御することにより、補機用電力変換装置１０１への入力電流Ｉ１０１の大きさだけでなく、入力電流Ｉ１０１の方向も制御できる双方向の構成となっている。

また、本実施の形態２の補機用電力変換装置１０１は、補機バッテリ１０６の電圧を検出することができる電圧検出部（図示せず）を有している。

このような構成により、本実施の形態２の制御回路２０３は、検出した主電力変換装置１０２の入力電流Ｉ１０２の電流リプルに合わせて、補機用電力変換装置１０１の入力電流Ｉ１０１の大きさだけでなく、方向についても制御することができる。

具体的には、制御回路２０３は、主電力変換装置１０２の入力電流Ｉ１０２が上昇した場合には、補機用電力変換装置１０１の入力電流Ｉ１０１を減少させるように、スイッチングタイミングを制御する。そして、入力電流Ｉ１０１が更に減少してゼロとなった場合は、入力電流Ｉ１０１を逆流させるように、スイッチングタイミングを制御する。

リプル抑制制御を行うことで補機バッテリ１０６の電圧にもリプルが重畳する。ここで、補機バッテリ１０６の電圧が高く、補機バッテリ１０６の電圧をこれ以上高くできない場合においても、入力電流Ｉ１０１を逆方向に流すことで、リプル抑制制御による入力電流Ｉ１０１の変動量を大きくすることができる。この結果、補機バッテリ１０６の電圧が高いときにリプル抑制制御を行った場合にも、補機バッテリ１０６が過充電となってしまうという前述の課題を解決することができる。

すなわち、制御回路２０３は、補機バッテリ１０６の電圧が、予め定めた電圧値以上である場合には、入力電流Ｉ１０１を、図１〜３に示す矢印とは反対の方向に流すようにする。このようにして、補機バッテリ１０６の電圧をこれ以上高くできない場合には、リプル抑制制御における入力電流Ｉ１０１を逆流させることで、入力電流Ｉ１０１の変動量を大きくでき、主電力変換装置１０２への入力電流Ｉ１０２の電流リプルを相殺することができる。この結果、双方向に電流を流せる構成を備えることで、補機バッテリ１０６の電圧が高いときにリプル抑制制御を行う場合でも、補機バッテリ１０６が過充電となってしまうことを防止した上で、主電力変換装置１０２への入力電流Ｉ１０２の電流リプルを相殺することができる。

以上のように、実施の形態２によれば、補機用電力変換装置を双方向とすることにより、補機バッテリの出力電圧が高い場合においても、補機バッテリを過充電することなく、平滑コンデンサに発生する電圧リプルを低減することが可能である。

実施の形態３．
本実施の形態３では、リプル抑制制御を行う期間を、車両や主電力変換装置１０２の状態に応じて制限することにより、リプル抑制制御の結果発生する電流リプルによる補機バッテリ１０６に対する影響を抑制する方法について説明する。

本実施の形態３における制御回路２０３は、車両や主電力変換装置１０２の状態を、外部制御装置１０７または主電力変換装置１０２等からの情報によって検出することができるようになっている。

この結果、本実施の形態３の制御回路２０３は、検出した車両や主電力変換装置１０２の状態に基づいて、リプル抑制制御の要否を判断することができる。例えば、制御回路２０３は、車両や主電力変換装置１０２が、以下に示す条件のいずれかを満たす場合に、リプル抑制制御を行う。
条件１：モータジェネレータ１０５が必要とするトルクが、予め定めた基準トルク値以上である場合
条件２：主電力変換装置１０２のキャリア周波数が、予め定めた基準周波数値よりも低い場合
条件３：平滑コンデンサＣ１００の平均電圧が、予め定めた基準電圧値よりも低い場合
条件４：モータジェネレータ１０５が車両の内燃機関を始動している場合

このように、リプル抑制制御を限定して行うことにより、補機バッテリ１０６に加わる電流変動の時間を限定することができる。その結果、補機バッテリ１０６に発生する電流リプルを抑制でき、補機バッテリ１０６の劣化を低減することができる。

以上のように、実施の形態３によれば、車両や主電力変換装置の状態によってリプル抑制制御の要否を判断することで、リプル抑制制御を行う時間を限定し、補機バッテリに加わる電流変動の時間を限定できるため、補機バッテリへの劣化を低減できる。

なお、先の実施の形態１〜３においては、補機用電力変換装置１０１をフルブリッジ、同期整流の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとしたが、これに限定されるものではない。例えば、非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いる場合でも同様の効果が得られる。

また、先の実施の形態１〜３においては、主電力変換装置１０２をインバータとしたが、これに限定されるものではない。例えば、昇圧チョッパ回路とインバータの組み合わせ等を用いる場合でも同様の効果が得られる。

１００ 電力変換ユニット、１０１ 補機用電力変換装置、１０２ 主電力変換装置、１０３ 蓄電装置、１０４ 補機負荷群、１０５ モータジェネレータ、１０６ 補機バッテリ、１０７ 外部制御装置、１０８、１０９ 通信部、Ｉ１０１、Ｉ１０２ 入力電流、Ｃ１００ 平滑コンデンサ、Ｖ１００ 両端電圧、Ｑ２０１〜Ｑ２０４、Ｑ２１１〜Ｑ２１２、Ｑ３０１〜Ｑ３０６ スイッチング素子、２０１ トランス、２０２ リアクトル、２０３、３００ 制御回路、２０５ 両端電圧検出部、Ｃ２０１ 低電圧側コンデンサ。

本発明に係る電力変換ユニットは、蓄電装置の直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータを駆動する主電力変換装置と、蓄電装置の直流電圧を変圧して補機バッテリを充電する補機用電力変換装置と、主電力変換装置および補機用電力変換装置の入力側に並列接続された平滑コンデンサと、を備え、車両に搭載される電力変換ユニットであって、主電力変換装置は、主電力変換装置へ流れ込む第２の入力電流を検出する電流検出部を有し、補機用電力変換装置は、蓄電装置の直流電圧を変圧する際に、補機用電力変換装置へ流れ込む第１の入力電流を制御する制御回路を有し、制御回路は、電流検出部が検出した第２の入力電流の電流リプルを相殺するように、第１の入力電流を電流リプルと逆相に制御するリプル抑制制御を行うものである。

また、本発明に係る電力変換時のリプル抑制制御方法は、蓄電装置の直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータを駆動する主電力変換装置と、蓄電装置の直流電圧を変圧して補機バッテリを充電する補機用電力変換装置と、主電力変換装置および補機用電力変換装置の入力側に並列接続された平滑コンデンサと、を備え、車両に搭載される電力変換ユニットにおいて用いられる電力変換時のリプル抑制制御方法であって、主電力変換装置において、主電力変換装置へ流れ込む第２の入力電流を検出する電流検出ステップと、補機用電力変換装置において、電流検出ステップで検出した第２の入力電流の電流リプルを相殺するように、補機用電力変換装置へ流れ込む第１の入力電流を電流リプルと逆相に制御するリプル抑制制御ステップとを有するものである。

Claims (8)

1. 蓄電装置の直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータを駆動する主電力変換装置と、
   前記蓄電装置の直流電圧を変圧して補機バッテリを充電する補機用電力変換装置と、
   前記主電力変換装置および前記補機用電力変換装置の入力側に並列接続された平滑コンデンサと、
   を備え、車両に搭載される電力変換ユニットであって、
   前記主電力変換装置は、前記主電力変換装置への第１の入力電流を検出する電流検出部を有し、
   前記補機用電力変換装置は、前記蓄電装置の直流電圧を変圧する際に、前記補機用電力変換装置への第２の入力電流を制御する制御回路を有し、
   前記制御回路は、前記電流検出部が検出した前記第１の入力電流の電流リプルを相殺するように、前記第２の入力電流を前記電流リプルと逆相に制御するリプル抑制制御を行う
   電力変換ユニット。
2. 前記補機用電力変換装置は、前記蓄電装置と前記補機バッテリとの間で前記第２の入力電流を正負両方向に流すように制御できる双方向電力変換装置であって、前記補機バッテリの電圧を検出する電圧検出部を有し、
   前記制御回路は、前記電圧検出部が検出した前記補機バッテリの電圧が予め定めた電圧値以上である場合には、前記補機バッテリから前記蓄電装置に向かう方向に前記第２の入力電流を流すように前記リプル抑制制御を実施する
   請求項１に記載の電力変換ユニット。
3. 前記制御回路は、
   前記電力変換ユニットの状態または前記車両の状態に応じて、前記リプル抑制制御を実施する期間を限定する
   請求項１または２に記載の電力変換ユニット。
4. 前記制御回路は、
   前記モータジェネレータが必要とするトルクが、予め定めた基準トルク値以上である場合に、前記リプル抑制制御を実施する
   請求項３に記載の電力変換ユニット。
5. 前記制御回路は、
   前記主電力変換装置のキャリア周波数が、予め定めた基準周波数値よりも低い場合に、前記リプル抑制制御を実施する
   請求項３に記載の電力変換ユニット。
6. 前記制御回路は、
   前記平滑コンデンサの平均電圧が、予め定めた基準電圧値よりも低い場合に、前記リプル抑制制御を実施する
   請求項３に記載の電力変換ユニット。
7. 前記制御回路は、
   前記モータジェネレータが前記車両の内燃機関を始動する際に、前記リプル抑制制御を実施する
   請求項３に記載の電力変換ユニット。
8. 蓄電装置の直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータを駆動する主電力変換装置と、
   前記蓄電装置の直流電圧を変圧して補機バッテリを充電する補機用電力変換装置と、
   前記主電力変換装置および前記補機用電力変換装置の入力側に並列接続された平滑コンデンサと、
   を備え、車両に搭載される電力変換ユニットにおいて用いられる電力変換時のリプル抑制制御方法であって、
   前記主電力変換装置において、前記主電力変換装置への第１の入力電流を検出する電流検出ステップと、
   前記補機用電力変換装置において、前記電流検出ステップで検出した前記第１の入力電流の電流リプルを相殺するように、前記補機用電力変換装置への第２の入力電流を前記電流リプルと逆相に制御するリプル抑制制御ステップと
   を有する電力変換時のリプル抑制制御方法。

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