JP2018529300A - 位相シフトフルブリッジ充電器の制御システムおよび制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
全出力電圧信号、全出力電流信号、充電電流信号およびデューティ比を受け取り、充電器が待機状態、事前充電の状態、ソフト始動の状態または稼動状態で動作しているかどうかを決定し、対応する状態信号を生成し、稼動状態は定電圧稼動状態、全電流制限稼動状態および充電電流制限稼動状態を備える、始動および稼動決定ユニットと、
充電器のソフト始動の状態中に充電器を制御するように構成されるソフト始動制御ユニットと、
充電器の稼動中に充電器を制御し、充電器の稼動状態を決定するように構成される稼動制御ユニットとを備え、
稼動制御ユニットは、
全出力電圧値、全出力電流値および充電電流値を受け取り、充電器がどの稼動状態で動作しているかを決定し、充電器の稼動状態信号を生成するように構成されるモード決定ユニットと、
充電器が定電圧稼動状態で動作する際、充電器を制御するように構成される定電圧制御ユニットと、
充電器が全電流制限稼動状態で動作する際、充電器を制御するように構成される全電流制限制御ユニットと、
充電器が充電電流制限稼動状態で動作する際、充電器を制御するように構成される充電電流制限制御ユニットとを備え、
充電器制御部は更に、モード決定ユニットによってフィードバックされる充電器の稼動状態信号と、始動および稼動決定ユニットによってフィードバックされるソフト始動の状態信号を受け取るように構成される円滑切替え制御ユニットを備え、充電器がソフト始動の状態と稼動状態の間、および異なる稼動状態の間で切り替えられる際、制御システムは、稼動状態に対応する制御ユニットに円滑に切り替えられ、充電器のPSFB回路を制御する。
充電器のソフト始動が終了したかどうかを決定し、終了した場合、充電器は稼動状態に入り、稼動制御ユニットが動作し、円滑切替え制御ユニットは制御が定電圧制御ユニットに切り替えられることを黙認する、ステップと、
モード決定ユニットによって、全出力電圧値、全出力電流値および充電電流値、全出力電流制限値を受け取り、モード決定ユニット用に、充電電流の設定値、全出力電流制限値、充電電流制限値、および全出力電圧の基準値を設定し、上記受け取った値と設定値によって充電器の稼動状態を決定し、充電器の稼動状態用の命令を円滑切替え制御ユニットにフィードバックするステップと、
を備える充電器制御方法が提供され、
定電圧稼動状態では、定電圧制御アルゴリズムが用いられるが、
および
の場合、充電器は全電流制限稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは全電流制限制御ユニットに切替えを制御し、そうではなく、
および
の場合、充電器は充電電流制限稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは充電電流制限制御ユニットに切替えを制御し、そうでなければ、充電器はなお定電圧稼動状態にあり、
充電電流制限稼動状態では、充電電流制限制御アルゴリズムが用いられるが、
および
の場合、充電器は定電圧稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは定電圧制御ユニットに切替えを制御し、そうではなく、
および
の場合、充電器は全電流制限稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは全電流制限制御ユニットに切替えを制御し、そうでなければ、充電器はなお充電電流制限稼動状態で動作し、
全電流制限稼動状態では、全電流制限制御アルゴリズムが用いられるが、
および
の場合、充電器は定電圧稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは定電圧制御ユニットに切替えを制御し、そうではなく、
および
の場合、充電器は充電電流制限稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは充電電流制限制御ユニットに切替えを制御し、そうでなければ、充電器はなお全電流制限稼動状態で動作する。
好ましくは、補助容量はPSFB回路の入力端子に設けられ、充電器のPSFB回路の補助容量上の電圧と、充電器の入力電圧との間の関係を決定することによって事前充電が終了したかどうかを決定する。
条件1:累積デューティ比がデューティ比の設定値より大きい場合、ここで、
であり、dutyはデューティ比の設定値を表し、V1は入力電圧に対するサンプリング値を表し、Nは充電器トランスの変換比率を表し、
条件2:全出力電圧Voutは全出力電圧の設定値Vosより大きく、
条件3:全出力電流Ioutは全出力電流の設定値Iosより大きく、
条件4:充電電流Ibatは充電電流の設定値Ibsより大きい。
好ましくは、Vos=0.98Vref、Ios=0.98Iout−ref、Ibs=0.98Ibat−refである。
であり、ここで、Tはサンプリング周波数を表し、
定電圧制御アルゴリズムについては、
であり、
全電流制限制御アルゴリズムについては、
であり、
充電電流制限制御アルゴリズムにつては、
であり、
ソフト始動が終了すると、現在の累積デューティ比の値DUTYが、定電圧制御ユニット、全電流制限制御ユニットおよび充電電流制限制御ユニットへの入力として用いられ、DUTY=duty(t)+Δdutyである。
(1)本出願は、ソフト始動制御ユニット、充電電流制限制御ユニット、全電流制限制御ユニットおよび定電圧制御ユニットを含む複数の制御ユニットを備えた充電器用の制御システムおよび制御方法を提供する。三つの制御ユニット内では異なる制御パラメータが用いられ、各稼動状態または動作モード内の最適安定効果を実現する。
(2)本出願の制御部は更に円滑切替え制御ユニットを含む。充電器が異なる動作モードまたは稼動状態の間で切り替えられる際、制御ユニット間の制御パラメータ(つまり、制御方法)の円滑な切替えが実現され、少量のオーバシュートおよび高速応答を備えることができる。従って、良好な安定性能および動的性能が実現される。
PSFB充電器の動作原理は次のとおりである。
1.充電器用のPSFB回路において、電圧変換はPSFBゼロ電圧PWM(パルス幅変調)コンバータによって実現され、高DC電圧がPSFB回路によって入力され、安定で調整可能な低DC電圧を出力する。
2.充電器の通常動作過程は次の通りであり、まず、入力DC電圧が検出され、始動条件を満たす場合、入力側の補助容量が事前充電抵抗器によって事前充電される。補助容量の事前充電が終了すると、抵抗器は除去され、ソフト始動が開始する。ソフト始動中、位相シフト角を固定デューティ比だけ増大させ、充電器の出力電圧および電流を増大させる。条件が満たされると、充電器は稼動段階に入る。その上、充電器の動作条件の違いに従って、モード間の切替えおよび稼動モードが異なる制御戦略によって実現される。
1.待機:入力DC電圧が検出され、始動用の最小制限値に到達すると充電器は次の段階に入る。
2.事前充電:所定の期間(事前充電期間)事前充電接触器を閉じ、その後、ソフト始動接触器を閉じ、充電器はソフト始動段階に入る。
3.ソフト始動:固定デューティ比だけ累積を実行し、所定の位相シフト角を有するPWM波が制御部によって出力され、電力モジュールを制御し、出力電圧および電流を次第に増加させ、動作条件を満たすと、充電器は次の段階に入る。
4.稼動状態:定電圧稼動状態、充電電流制限稼動状態および全電流制限稼動状態を備え、充電器の稼動モードが決定され、その後、閉ループ制御用に対応するPI制御部が選択される。
全出力電圧信号、全出力電流信号、充電電流信号およびデューティ比を受け取り、充電器が、待機状態、事前充電の状態、ソフト始動の状態または稼動状態で動作しているかどうかを決定し、対応する状態信号を生成し、稼動状態は定電圧稼動状態、全電流制限稼動状態および充電電流制限稼動状態を備え、充電器をオンにする開始時に、充電器は待機状態で稼動し、始動および稼動決定ユニットは待機状態信号をフィードバックし、その後、充電器は事前充電の状態に入り、始動および稼動決定ユニットは事前充電の状態信号をフィードバックし、事前充電の終了時に、充電器はソフト始動の状態に入り、始動および稼動決定ユニットはソフト始動の状態信号をフィードバックし、その後、充電器は稼動状態に入り、ソフト始動の状態信号は、充電器がなおソフト始動モードで動作しているかどうか、またはソフト始動を完了させたことを示し、充電器の動作状態にかかわらず、始動および稼動決定ユニットが受け取る信号が充電器の故障を示すか、または動作条件が、例えば、過電流、過電圧等、動作要件を満たさないことを示す場合、充電器は待機状態に戻るように構成する、始動および稼動決定ユニットと、
充電器のソフト始動中に充電器を制御するように構成し、具体的には、ソフト始動制御ユニットは始動および稼動決定ユニットから信号を受け取り、充電器がソフト始動の状態で動作しているかどうかを決定し、ソフト始動の終了時に、充電器は稼動状態に入る、ソフト始動制御ユニットと、
充電器の稼動状態で充電器を制御し、充電器の異なる稼動モードを決定するように構成する稼動制御ユニットとを備え、
具体的には、稼動制御ユニットは、
全出力電圧値(全出力電圧信号)、全出力電流値(全出力電流信号)および充電電流値(充電電流信号)を受け取り、PSFB充電器が内部でどの稼動状態で動作しているかを決定し、充電器の稼動状態信号を生成するように構成する、モード決定ユニットと、
充電器が定電圧稼動状態で動作する際、充電器を制御するように構成する定電圧制御ユニットと、
充電器が全電流制限稼動状態で動作する際、充電器を制御するように構成する全電流制限制御ユニットと、
充電器が充電電流制限稼動状態で動作する際、充電器を制御するように構成する充電電流制限制御ユニットとを備える。
PSFB回路の先行ブリッジアームと遅行ブリッジアームは、デューティ比50%を有するPWM波によって制御される。ソフト始動中、遅行ブリッジアームのPWM波は、(1−DUTY)周期だけ先行ブリッジアームから遅らせ、稼動処理中、遅行ブリッジアームのPWM波は(1−DUTY)周期だけ先行ブリッジアームから遅らせる。
ここで、Rは事前充電抵抗を表し、Cは補助容量を表し、V1はサンプリングによって取得可能な入力DC電圧を表し、V0は補助容量上の初期電圧(一般に0)を表し、Vtは事前充電が終了したときの補助容量C上の電圧(一般に0.9*V1)を表す。
条件1:サンプリングされるデューティ比が始動および稼動決定ユニットによって累積され、累積デューティ比DUTYがデューティ比の設定値より大きい場合、ここで、
であり、dutyはデューティ比の設定値を表し、V1は入力電圧のサンプリング値を表し、Nは充電器トランスの変換比率を表し、Vrefは全出力電圧の基準値を表し、DUTY=duty(t)+Δdutyであり、
条件2:全出力電圧Voutは出力電圧の設定値Vosより大きく、全出力電圧の設定値Vosは経験に従って選択された値であり、
条件3:全出力電流Ioutは全出力電流の設定値Iosより大きく、全出力電流の設定値Iosは経験に従って選択された値であり、
条件4:充電電流Ibatは充電電流の設定値Iosより大きく、充電電流の設定値Ibsは経験に従って設定された値であり、
ここで、Vos、IosおよびIbsは次の値、Vos=0.98Vref、Ios=0.98Iout−ref、Ibs=0.98Ibat−refであってもよい。上の値は経験値である。実際には、Vos、IosおよびIbsの値は上の値には限定されない。
および
の場合、充電器は全電流制限稼働状態に入り、円滑切替え制御ユニットは全電流制限制御ユニットに切替えを制御し、全電流制限制御アルゴリズムに切り替えるように動作し、そうではなく、
および
の場合、充電器は充電電流制限稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは充電電流制限制御ユニットに切替えを制御し、充電電流制限制御アルゴリズムに切り替えるように動作し、そうでなければ、充電器はなお定電圧稼動状態にある。
および
の場合、充電器は定電圧稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは定電圧制御ユニットに切替えを制御し、定電圧制御アルゴリズムに切り替えるように動作し、そうではなく、
および
の場合、充電器は全電流制限稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは全電流制限制御ユニットに切替えを制御し、全電流制限制御アルゴリズムに切り替えるように動作し、そうでなければ、充電器はなお充電電流制限稼動状態で動作する。
および
の場合、充電器は定電圧制御稼動状態に入り、円滑切替え制御ユニットは定電圧制御ユニットに切替えを制御し、定電圧制御アルゴリズムに切り替えるように動作し、そうではなく、
および
の場合、充電器は充電電流制限稼動状態に入り、充電電流制限制御ユニットが動作し、円滑切替え制御ユニットは充電電流制限制御ユニットに切替えを制御し、充電電流制限制御アルゴリズムに切り替え、そうでなければ、充電器はなお全電流制限稼動状態で動作する。
PI制御部のsドメインの伝達関数は、
であり、ここでKPは比例係数を表し、KIは積分係数を表す。
PI制御部のzドメインの伝達関数は、
である。
その後、PI制御部の実行可能な差分方程式が更に得られる。
上の二つの式内のTは出力サンプリング周波数を表す。
定電圧制御アルゴリズムについては、
であり、ここで、Vout(k)は充電器の全出力電圧の現在のサンプリング値を表す。
全電流制限制御アルゴリズムについては、
であり、ここで、Iout(k)は充電器の全出力電流の現在のサンプリング値を表す。
充電電流制限制御アルゴリズムについては、
であり、ここで、Ibat(k)は充電電流の現在のサンプリング値を表す。
DUTY=duty(t)+Δduty
である。充電器のソフト始動に対する制御は開ループ制御である。
ここで、duty(t)はtの瞬間におけるデューティ比の実時間値を表し、Δdutyはデューティ比の変動値を表す。
1.充電器の入力電圧:充電器の入力電圧取得装置からの実時間サンプリング値が用いられる。
2.充電器の全出力電圧:全出力電圧取得装置からの実時間サンプリング値が用いられる。
3.充電器の全出力電流:全出力電流取得装置からの実時間サンプリング値が用いられる。
4.蓄電池の充電電流:サンプリング値Ibat(k)がIbat−refより大きい場合、実時間サンプリング値が用いられ、そうでない場合、サンプリングした充電電流上で一次の低域通過フィルタ処理が実行される。
ここで、x(k)は充電電流の現在のサンプリング値を表し、y(k)はフィルタ処理した充電電流を表す。
Claims (6)
- サンプリングシステムと充電器制御部を備える位相シフトフルブリッジ型の充電器のための制御システムであって、
前記サンプリングシステムは、入力電圧を取得するために前記充電器の入力端子に取り付けた入力電圧取得装置と、全出力電圧および全出力電流を各々取得するために前記充電器の出力端子に取り付けた全出力電圧取得装置および全出力電流取得装置と、充電電流を取得するために蓄電池の入力端子に取り付けた充電電流取得装置を備え、
前記充電器制御部は、
全出力電圧信号、全出力電流信号、充電電流信号およびデューティ比を受け取り、前記充電器が待機状態、事前充電の状態、ソフト始動の状態または稼動状態で動作しているかどうかを決定し、対応する状態信号を生成するように構成され、前記稼動状態は定電圧稼動状態、全電流制限稼動状態および充電電流制限稼動状態を備える、始動および稼動決定ユニットと、
前記充電器の前記ソフト始動の状態中に前記充電器を制御するように構成されるソフト始動制御ユニットと、
前記充電器の稼動中に前記充電器を制御し、前記充電器の稼動状態を決定するように構成される稼動制御ユニットを備え、
前記稼動制御ユニットは、
全出力電圧値、全出力電流値および充電電流値を受け取り、前記充電器がどの稼動状態で動作しているかを決定し、前記充電器の稼動状態信号を生成するように構成されるモード決定ユニットと、
前記充電器が前記定電圧稼動状態で動作する際、前記充電器を制御するように構成される定電圧制御ユニットと、
前記充電器が前記全電流制限稼動状態で動作する際、前記充電器を制御するように構成される全電流制限制御ユニットと、
前記充電器が前記充電電流制限稼動状態で動作する際、前記充電器を制御するように構成される充電電流制限制御ユニットを備え、
前記充電器制御部は更に、前記モード決定ユニットによってフィードバックされる前記充電器の稼動状態信号と、前記始動および稼動決定ユニットによってフィードバックされるソフト始動の状態信号を受け取るように構成される円滑切替え制御ユニットを備え、前記充電器が前記ソフト始動の状態と前記稼動状態の間、および異なる稼動状態の間で切り替えられる際、前記制御システムは、前記稼動状態に対応する制御ユニットに円滑に切り替えられ、前記対応する制御ユニットに切り替えられ、前記充電器のPSFB回路接続を制御する、制御システム。 - 前記充電器の前記事前充電が終了したかどうかを決定し、終了した場合、前記充電器は前記ソフト始動の状態に入り、前記充電器の動作は前記ソフト始動制御ユニットによって制御される、ステップと、
前記充電器の前記ソフト始動が終了したかどうかを決定し、終了した場合、前記充電器は前記稼動状態に入り、前記稼動制御ユニットが動作し、前記円滑切替え制御ユニットは制御が前記定電圧制御ユニットに切り替えられることに従う、ステップと、
前記モード決定ユニットによって、前記全出力電圧値、前記全出力電流値および前記充電電流値、全出力電流制限値を受け取り、前記モード決定ユニット用に、前記充電電流の設定値、全出力電流制限値、充電電流制限値、および前記全出力電圧の基準値を設定し、上記受け取った値と設定値によって前記充電器の前記稼動状態を決定し、前記充電器の前記稼動状態用の命令を前記円滑切替え制御ユニットにフィードバックするステップとを備え、
前記定電圧稼動状態では、定電圧制御アルゴリズムが用いられるが、
および
の場合、前記充電器は前記全電流制限稼動状態に入り、前記円滑切替え制御ユニットは前記全電流制限制御ユニットに前記切替えを制御し、
そうではなく、
および
の場合、前記充電器は前記充電電流制限稼動状態に入り、前記円滑切替え制御ユニットは前記充電電流制限制御ユニットに前記切替えを制御し、そうでなければ、前記充電器はなお前記定電圧稼動状態にあり、
前記充電電流制限稼動状態では、充電電流制限制御アルゴリズムが用いられるが、
および
の場合、前記充電器は前記定電圧稼動状態に入り、前記円滑切替え制御ユニットは前記定電圧制御ユニットに前記切替えを制御し、
そうではなく、
および
の場合、前記充電器は前記全電流制限稼動状態に入り、前記円滑切替え制御ユニットは前記全電流制限制御ユニットに前記切替えを制御し、そうでなければ、前記充電器はなお前記充電電流制限稼動状態で動作し、
前記全電流制限稼動状態では、全電流制限制御アルゴリズムが用いられるが、
および
の場合、前記充電器は前記定電圧稼動状態に入り、前記円滑切替え制御ユニットは前記定電圧制御ユニットに前記切替えを制御し、
そうではなく、
および
の場合、前記充電器は前記充電電流制限稼動状態に入り、前記円滑切替え制御ユニットは前記充電電流制限ユニットに前記切替えを制御し、そうでなければ、前記充電器はなお前記全電流制限稼動状態で動作し、
上の式において、Voutは前記全出力電圧値を表し、Ioutは前記全出力電流値を表し、Iout−refは前記全出力電流制限値を表し、Ibatは前記充電電流値を表し、Ibat−refは前記充電電流制限値を表し、Vrefは前記全出力電圧の基準値を表す、
請求項1に記載の制御システムを用いる充電器制御方法。 - 前記PSFB回路の入力端子に補助容量を設け、前記充電器のPSFB回路内の前記補助容量上の電圧と、前記充電器の入力電圧との間の関係を決定することによって、前記事前充電が終了したかどうかを決定する、請求項2に記載の充電器制御方法。
- 前記充電器のソフト始動が終了したかどうかを決定する方法は次のとおりであり、条件1または条件2または条件3または条件4が満たされる場合、前記充電器の前記ソフト始動が終了したことが決定され、ここで、
条件1:累積デューティ比がデューティ比の設定値より大きい場合、
であり、ここで、dutyは前記デューティ比の前記設定値を表し、V1は前記入力電圧のサンプリング値を表し、Nは充電器トランスの変換比率を表し、
条件2:前記全出力電圧Voutは前記出力電圧の設定値Vosより大きく、
条件3:前記全出力電流Ioutは全出力電流の設定値Iosより大きく、
条件4:前記充電電流Ibatは前記充電電流の設定値Ibsより大きい、請求項2または3に記載の充電器制御方法。 - Vos=0.98Vref、Ios=0.98Iout−ref、Ibs=0.98Ibat−refである、請求項4に記載の充電器制御方法。
- 前記定電圧制御アルゴリズム、前記全電流制限制御アルゴリズムおよび前記充電電流制限制御アルゴリズムは、全てPI制御アルゴリズムであり、三つの異なるグループのPIパラメータが用いられ、
であり、
ここで、Tはサンプリング周波数を表し、
前記定電圧制御アルゴリズムについては、
であり、ここで、Vout(k)は前記充電器の前記全出力電圧の現在のサンプリング値を表し、
前記全電流制限制御アルゴリズムについては、
であり、ここで、Iout(k)は前記充電器の前記全出力電流の現在のサンプリング値を表し、
前記充電電流制限制御アルゴリズムにつては、
であり、ここで、Ibat(k)は前記充電電流の現在のサンプリング値を表し、
前記ソフト始動が終了すると、現在の累積デューティ比の値DUTYが、前記定電圧制御ユニット、前記全電流制限制御ユニットおよび前記充電電流制限制御ユニットへの入力として用いられ、
DUTY=duty(t)+Δduty
である、請求項2に記載の充電器制御方法。
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