JP5621633B2 - 電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電源装置に関し、詳しくは、充放電可能なバッテリと、昇圧コンバータと、昇圧コンバータの第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子をスイッチング制御する制御手段と、を備える電源装置に関する。
従来、この種の電源装置としては、インバータの出力側から流入する回生エネルギによりインバータ直流電圧が定常範囲を超えて過上昇するときには、インバータのスイッチング周波数を大きくするものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、インバータのスイッチング周波数を大きくすることによりスイッチング損失を大きくし、このスイッチング損失により回生エネルギを消費することにより、インバータ直流電圧が過上昇するのを防止している。
特開平９−１２１５６１号公報
しかしながら、上述の電源装置では、スイッチング周波数でＰＷＭ割り込み処理を実施しているときには、ソフトウエアの処理時間によってインバータのスイッチング周波数の上限が制約されるため、その上限制約までしかスイッチング周波数を増加することができず、回生エネルギを十分に消費できない場合が生じる。また、インバータから負荷（例えば、モータ）に正弦波ＰＷＭ電圧を用いる正弦波ＰＷＭ制御方式と矩形波電圧を用いる矩形波制御方式とを切り替えて電力を供給する場合、矩形波制御方式のときにはスイッチング周波数の変更は無意味となるため、用いることができない。
本発明の電源装置は、インバータのスイッチング周波数の増加以外の手法により直流電源の電圧が過電圧となるのを抑制することを主目的とする。
本発明の電源装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。
本発明の電源装置は、
充放電可能なバッテリと、前記バッテリからみて電気機器と直列接続された第１のスイッチング素子と前記第１のスイッチング素子に直列に接続されると共に前記バッテリからみて前記電気機器と並列接続された第２のスイッチング素子と前記第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中間点と前記バッテリの正極端子とに接続されたリアクトルとを有する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの前記電気機器側の電圧が目標電圧となるように前記昇圧コンバータの前記第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をスイッチング制御する制御手段と、を備える電源装置において、
前記バッテリの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
前記リアクトルをバイパスするよう配線されたラインに設けられたスイッチと、
を備え、
前記制御手段は、前記電気機器からの電力により前記バッテリを充電する際、前記検出された前記バッテリの端子間電圧が予め定められた第１の閾値電圧未満のときには前記スイッチがオンとなると共に前記第１のスイッチング素子がオンとなるよう制御し、前記検出された前記バッテリの端子間電圧が前記第１の閾値電圧以上のときには前記スイッチがオフとなると共に前記昇圧コンバータの前記電気機器側の電圧が予め定められたシステム最大電圧となるように前記第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をスイッチング制御する手段である、
ことを要旨とする。
この本発明の電源装置では、電気機器からの電力によりバッテリを充電する際、バッテリの端子間電圧が予め定められた第１の閾値電圧未満のときには、リアクトルをバイパスするよう配線されたラインに設けられたスイッチがオンとなると共に昇圧コンバータの第１のスイッチング素子がオンとなるよう制御する。これにより、エネルギ損失を小さくすることができ、より大きな電力をバッテリに充電することができる。一方、バッテリの端子間電圧が第１の閾値電圧以上のときにはスイッチがオフとなると共に昇圧コンバータの電気機器側の電圧が予め定められたシステム最大電圧となるように第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子をスイッチング制御する。これにより、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子による損失を大きくし、バッテリに充電される電力を小さくすることができる。この結果、バッテリの端子間電圧が過電圧となるのを抑制することができる。
こうした本発明の電源装置において、前記制御手段は、前記電気機器からの電力により前記バッテリを充電する際、前記検出された前記バッテリの端子間電圧が前記第１の閾値電圧以上で第２の閾値電圧未満のときには第１のキャリア周波数を用いて前記第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をスイッチング制御し、前記検出された前記バッテリの端子間電圧が前記第２の閾値電圧以上のときには前記第１のキャリア周波数より大きな第２のキャリア周波数を用いて前記第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をスイッチング制御する手段である、ものとすることもできる。こうすれば、バッテリの端子間電圧に応じて第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子による損失を変更することができ、過剰に損失を大きくするのを抑制することができる。
本発明の一実施例である電源装置２０を搭載した電気自動車１０の構成の概略を示す構成図である。 実施例の電子制御ユニット５０により実行される回生時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。 変形例の回生時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施例である電源装置２０を搭載した電気自動車１０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電源装置２０は、図示するように、発電機として駆動することができると共に電動機として駆動できる周知の同期発電電動機として構成されて駆動輪１２ａ，１２ｂを駆動する走行用のモータＭＧにインバータ１１を介して電力を供給するよう接続されており、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの充放電可能な二次電池として構成された直流電源としてのバッテリ２２と、バッテリ２２の電圧を昇圧してインバータ１１に供給したりインバータ１１の電圧を降圧してバッテリ２２に供給したりする昇圧コンバータ３０と、昇圧コンバータ３０からみてインバータ１１に並列に接続され昇圧後の電圧を平滑する平滑コンデンサ４２と、昇圧コンバータ３０のリアクトル３２をバイパスするラインに設けられたスイッチ３４と、装置全体をコントロールする電子制御ユニット５０と、を備える。
昇圧コンバータ３０は、インバータ１１の正極母線と負極母線に平滑コンデンサ４２と並列するよう直列に配置された二つのゲート式のスイッチング素子（例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）Ｔｒ１，Ｔｒ２と、各スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２に対して並列に電圧を保持するよう取り付けられた二つのダイオードＤ１，Ｄ２と、二つのスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２の中間とバッテリ２２の正極側に取り付けられたリアクトル３２とにより構成された周知の昇圧コンバータとして構成されている。
電子制御ユニット５０は、ＣＰＵ５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ５２の他に処理プログラムを記憶するＲＯＭ５４と、データを一時的に記憶するＲＡＭ５６と、図示しない入出力ポートおよび通信ポートとを備える。電子制御ユニット５０には、バッテリ２２の端子間に取り付けられた電圧センサ４４からのバッテリ電圧Ｖｂや平滑コンデンサ４２の端子間に取り付けられた電圧センサ４８からの昇圧後電圧ＶＨなどが入力ポートを介して入力されている。また、電子制御ユニット５０からは、昇圧コンデンサ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２へのスイッチング信号などが出力ポートから出力されている。電子制御ユニット５０は、走行用のモータＭＧの駆動制御ユニットとしても機能する。このため、電子制御ユニット５０にはモータＭＧに取り付けられた図示しない回転位置センサからのロータの回転位置やインバータ１１に取り付けられた図示しない電流センサからのモータＭＧに印加される相電流などが入力ポートを介して入力されており、電子制御ユニット５０からはインバータ１１へのスイッチング信号などが出力ポートを介して出力されている。
こうして構成された電源装置２０では、基本的には、バッテリ２２とモータＭＧとの間で電力のやりとりを円滑に行なうためにモータＭＧに要求される動力に基づいて電圧指令ＶＨ＊を設定し、昇圧後電圧ＶＨが電圧指令ＶＨ＊となるよう電子制御ユニット５０により予め定められたキャリア周波数（スイッチング周波数）を用いて昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２をスイッチング制御する。なお、インバータ１１は６つのゲート式のスイッチング素子（例えば、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）のスイッチングによりモータＭＧの三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）に回転磁界を形成するための相電流を供給してモータＭＧを回転駆動させることが可能な周知のインバータとして構成されており、電子制御ユニット５０により、アクセルペダルの踏み込み量や車速に基づいて設定されたトルク指令Ｔ＊がモータＭＧから出力されるように予め定められたキャリア周波数（スイッチング周波数）を用いて６つのゲート式のスイッチング素子のスイッチングが制御される。
次に、こうして構成された実施例の電源装置２０の動作、特に、モータＭＧが回生制御されたときの動作について説明する。図２は、実施例の電子制御ユニット５０により実行される回生時処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは、モータＭＧが回生制御されている最中に所定時間（例えば、数ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。
回生時処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０のＣＰＵ５２は、まず、電圧センサ４４からのバッテリ電圧Ｖｂを入力し（ステップＳ１００）、入力したバッテリ電圧Ｖｂを閾値Ｖｒｅｆ１と比較する（ステップＳ１１０）。ここで、閾値Ｖｒｅｆ１は、バッテリ２２が過電圧となるのを防止するためにバッテリ２２が取り得る電圧範囲のうち比較的高めの値を用いることができる。
バッテリ電圧Ｖｂが閾値Ｖｒｅｆ１未満のときには、スイッチ３４をオンとして昇圧コンバータ３０のリアクトル３２をバイパスする回路を有効なものとすると共に(ステップＳ１２０）、昇圧コンバータ３０の上アームを構成するスイッチング素子Ｔｒ１をオンとして（ステップＳ１３０）、本ルーチンを終了する。このように、スイッチ３４をオンとすると共に上アームをオンとすることにより、昇圧コンバータ３０による損失を最小とし、回生エネルギを効率よくバッテリ２２に充電することができる。
一方、バッテリ電圧Ｖｂが閾値Ｖｒｅｆ１以上のときには、昇圧コンバータ３０のバッテリ２２側の電圧が過電圧になる可能性があると判断し、スイッチ３４をオフとして昇圧コンバータ３０のリアクトル３２をバイパスする回路を無効とすると共に(ステップＳ１４０）、システムとして電圧指令ＶＨ＊の取り得る範囲の最大値（システム最大電圧）を電圧指令ＶＨ＊に設定して昇圧後電圧ＶＨがシステム最大電圧となるよう昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２をスイッチング制御して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。このように制御することにより、昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２によるスイッチング損失を大きくし、回生エネルギのうちバッテリ２２に充電されるエネルギを小さくするのである。これにより、昇圧コンバータ３０のバッテリ２２側の電圧が過電圧となるのを抑制することができる。
以上説明した実施例の電源装置２０によれば、モータＭＧが回生制御されている最中にバッテリ電圧Ｖｂが閾値Ｖｒｅｆ１以上となるときには、スイッチ３４をオフとして昇圧コンバータ３０のリアクトル３２をバイパスする回路を無効とすると共にシステム最大電圧を電圧指令ＶＨ＊に設定して昇圧後電圧ＶＨがシステム最大電圧となるよう昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２をスイッチング制御することにより、昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２によるスイッチング損失を大きくし、回生エネルギのうちバッテリ２２に充電されるエネルギを小さくすることができる。これにより、昇圧コンバータ３０のバッテリ２２側の電圧が過電圧となるのを抑制することができる。もとより、モータＭＧが回生制御されている最中にバッテリ電圧Ｖｂが閾値Ｖｒｅｆ１未満となるときには、スイッチ３４をオンとして昇圧コンバータ３０のリアクトル３２をバイパスする回路を有効なものとすると共に昇圧コンバータ３０の上アームを構成するスイッチング素子Ｔｒ１をオンすることにより、昇圧コンバータ３０による損失を最小とし、回生エネルギを効率よくバッテリ２２に充電することができる。
実施例の電源装置２０では、モータＭＧが回生制御されている最中にバッテリ電圧Ｖｂが閾値Ｖｒｅｆ１以上となるときには、スイッチ３４をオフとすると共にシステム最大電圧を電圧指令ＶＨ＊に設定して昇圧後電圧ＶＨがシステム最大電圧となるよう昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２をスイッチング制御するものとしたが、これに加えてバッテリ電圧Ｖｂに応じて昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２のキャリア周波数（スイッチング周波数）を変更するものとしてもよい。この場合、図２の回生時処理ルーチンに代えて図３の回生時処理ルーチンを実行すればよい。このルーチンでは、システム最大電圧を電圧指令ＶＨ＊に設定して昇圧後電圧ＶＨがシステム最大電圧となるよう昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２をスイッチング制御する際にバッテリ電圧Ｖｂを閾値Ｖｒｅｆ１より大きな閾値Ｖｒｅｆ２と比較し（ステップＳ１６０）、バッテリ電圧Ｖｂが閾値Ｖｒｅｆ２未満のときには、キャリア周波数として周波数Ｄを設定して（ステップＳ１７０）、本ルーチンを終了し、バッテリ電圧Ｖｂが閾値Ｖｒｅｆ２以上のときには、キャリア周波数として周波数Ｄより大きな周波数Ｃを設定して（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了する。即ち、バッテリ電圧Ｖｂが高いほどキャリア周波数を大きくするのである。このように、昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２のキャリア周波数を設定して用いることにより、昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２による損失をバッテリ電圧Ｖｂに応じたものとすることができ、昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２による損失を過剰に大きくするのを抑制することができる。
実施例の電源装置２０や変形例は、電気自動車１０に搭載されるものとしたが、電気自動車１０に限定されるものではなく、ハイブリッド自動車に搭載されるものとしてもよい。
実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、バッテリ２２が「バッテリ」に相当し、スイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２とダイオードＤ１，Ｄ２とリアクトル３２とからなる昇圧コンバータ３０が「昇圧コンバータ」に相当し、電圧センサ４４が「電圧検出手段」に相当し、スイッチ３４が「スイッチ」に相当し、モータＭＧが回生制御されている最中にバッテリ電圧Ｖｂが閾値Ｖｒｅｆ１未満となるときには、スイッチ３４をオンとして昇圧コンバータ３０のリアクトル３２をバイパスする回路を有効なものとすると共に昇圧コンバータ３０の上アームを構成するスイッチング素子Ｔｒ１をオンとし、モータＭＧが回生制御されている最中にバッテリ電圧Ｖｂが閾値Ｖｒｅｆ１以上となるときには、スイッチ３４をオフとして昇圧コンバータ３０のリアクトル３２をバイパスする回路を無効とすると共にシステム最大電圧を電圧指令ＶＨ＊に設定して昇圧後電圧ＶＨがシステム最大電圧となるよう昇圧コンバータ３０のスイッチング素子Ｔｒ１，Ｔｒ２をスイッチング制御する図２の回生時処理ルーチンを実行する電子制御ユニット５０が「制御手段」に相当する。
なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
本発明は、電源装置の製造産業などに利用可能である。
１０ 電気自動車、１１ インバータ、１２ａ，１２ｂ 駆動輪、２０ 電源装置、２２ バッテリ、３０ 昇圧コンバータ、３２ リアクトル、３４、スイッチ、４２ 平滑コンデンサ、４４，４８ 電圧センサ、５０ 電子制御ユニット、５２ ＣＰＵ、５４ ＲＯＭ、５６ ＲＡＭ、ＭＧ モータ、Ｔｒ１，Ｔｒ２ スイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード。

Claims (2)

  1. 充放電可能なバッテリと、前記バッテリからみて電気機器と直列接続された第１のスイッチング素子と前記第１のスイッチング素子に直列に接続されると共に前記バッテリからみて前記電気機器と並列接続された第２のスイッチング素子と前記第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中間点と前記バッテリの正極端子とに接続されたリアクトルとを有する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの前記電気機器側の電圧が目標電圧となるように前記昇圧コンバータの前記第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をスイッチング制御する制御手段と、を備える電源装置において、
    前記バッテリの端子間電圧を検出する電圧検出手段と、
    前記リアクトルをバイパスするよう配線されたラインに設けられたスイッチと、
    を備え、
    前記制御手段は、前記電気機器からの電力により前記バッテリを充電する際、前記検出された前記バッテリの端子間電圧が予め定められた第１の閾値電圧未満のときには前記スイッチがオンとなると共に前記第１のスイッチング素子がオンとなるよう制御し、前記検出された前記バッテリの端子間電圧が前記第１の閾値電圧以上のときには前記スイッチがオフとなると共に前記昇圧コンバータの前記電気機器側の電圧が予め定められたシステム最大電圧となるように前記第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をスイッチング制御する手段である、
    電源装置。
  2. 請求項１記載の電源装置であって、
    前記制御手段は、前記電気機器からの電力により前記バッテリを充電する際、前記検出された前記バッテリの端子間電圧が前記第１の閾値電圧以上で第２の閾値電圧未満のときには第１のキャリア周波数を用いて前記第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をスイッチング制御し、前記検出された前記バッテリの端子間電圧が前記第２の閾値電圧以上のときには前記第１のキャリア周波数より大きな第２のキャリア周波数を用いて前記第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をスイッチング制御する手段である、
    電源装置。
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