JP5962051B2 - 電圧変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば車両等に搭載される電圧変換装置の技術分野に関する。

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等）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。

このような車両においては、車両状態によって変動するインバータが利用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電圧変換装置（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、インバータ及びモータの小型化、低コスト化を図ることができる。

コンバータには、各部位を流れる電流の電流値を検出するため電流センサが設けられる。電流センサとしては、例えば特許文献１に記載されているようなシャント抵抗を用いることができる。シャント抵抗で検出された電流値は、例えばコンバータの制御回路に出力され各種制御に用いられる。

他方で、コンバータでは、例えば電流が比較的高い領域においてリアクトルが磁気飽和を起こし、インダクタンスの値が変化することが知られている。リアクトルのインダクタンス値の変化は、コンバータの動作に大きく影響を与える。このため、例えば特許文献２では、リアクトル電流の時間変化及びリアクトル電圧からインダクタンスを求め、時期飽和が発生しているか否かを判断するという技術が提案されている。

特開２０１１−０３８９６４号公報 特開２００８−０９９５１８号公報

コンバータに上述した特許文献１に記載されているようなシャント抵抗を用いる場合、その検出値には、インダクタンス成分と電流の時間変化に応じた誤差が重畳される。このような誤差を低減するためには、例えばフィルタ回路を用いる手法が考えられるが、フィルタの効果がある範囲は限定的であるため、昇圧制御に用いる全領域で正確に電流値を検出することは困難である。

なお、フィルタ回路の適用領域を広げようとする場合、例えばリアクトル電流の時間変化に基づいてフィルタ特性を切替えるようにする手法が考えられるが、上述した特許文献２に記載されているような磁気飽和が発生した際には、リアクトルのインダクタンス値を利用してリアクトル電流の時間変化を算出することが困難となり、適切にフィルタ特性の切替えが行えず、結果的に効果的なフィルタリング処理が行えなくなってしまうおそれがある。

以上のように、シャント抵抗を用いた電流検出には、実践上の様々な技術的問題点が存在している。

本発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであり、シャント抵抗を用いてリアクトル電流を正確に検出することが可能な電圧変換装置を提供することを課題とする。

本発明の電圧変換装置は上記課題を解決するために、リアクトルと、前記リアクトルに夫々直列に接続される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に流れる第１電流を検出する第１シャント抵抗と、前記第２スイッチング素子に流れる第２電流を検出する第２シャント抵抗と、前記第１電流及び前記第２電流の検出値の各々に所定のフィルタ特性でフィルタリング処理を施すフィルタ手段と、前記フィルタリング処理が施された前記第１電流の検出値及び前記第２電流の検出値を合成して合成電流とする電流合成手段と、前記合成電流の電流値を相異なる複数のタイミングで検出することで、前記合成電流の電流値の時間変化を算出する時間変化算出手段と、前記電流値の時間変化が所定閾値以上の場合に、前記フィルタ手段におけるフィルタ特性を第１のフィルタ特性に変更し、前記電流値の時間変化が前記所定閾値未満の場合に、前記フィルタ手段におけるフィルタ特性を前記第１のフィルタ特性とは異なる第２のフィルタ特性に変更するフィルタ特性変更手段とを備える。

本発明に係る電圧変換装置は、例えば車両に搭載されるコンバータであり、リアクトルに夫々直列に接続される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子を備えている。第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子としては、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ、或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。

なお、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の各々には、例えばダイオードが並列に接続されており、それぞれ第１アーム及び第２アームを形成している。即ち、第１スイッチング素子は第１アームを形成しており、そのスイッチング動作によって、第１アームにおける駆動のオンオフを切替えることができる。同様に、第２スイッチング素子は第２アームを形成しており、そのスイッチング動作によって、第２アームにおける駆動のオンオフを切替えることができる。

本発明に係る電圧変換装置の動作時には、例えば第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の各々のオンオフを切替えるスイッチング制御信号が夫々生成される。具体的には、例えば第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のデューティ比率に対応するデューティ指令信号、及び第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のスイッチング周波数に対応するキャリア信号が互いに比較されることでスイッチング制御信号が生成される。生成されたスイッチング制御信号は、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子に供給され、これにより電圧変換装置の第１アーム及び第２アームの駆動が制御されることになる。

また本発明に係る電圧変換装置には、第１スイッチング素子に流れる第１電流を検出する第１シャント抵抗、及び第２スイッチング素子に流れる第２電流を検出する第２シャント抵抗が備えられている。第１シャント抵抗及び第２シャント抵抗は、例えば各スイッチング素子と直列に接続するように設けられる。

第１シャント抵抗で検出された第１電流の電流値及び第２シャント抵抗で検出された第２電流の電流値には、例えばＥＣＵ（Electronic Controlled Unit）等の処理ユニットの一部として構成されるフィルタ手段において、所定のフィルタ特性でフィルタリング処理が施される。なお、ここでの「フィルタリング処理」は、第１電流の検出値及び第２電流の検出値に重畳する誤差（例えば、インダクタンス成分と電流の時間変化に応じた誤差）の影響を低減するための処理であり、例えば特定の周波数帯域のみを通過させるバンドパスフィルタ処理等が挙げられる。また、本発明に係るフィルタ手段は特に、少なくとも２つのフィルタ特性を有しており、後述するフィルタ特性変更手段の指示に応じて、フィルタ特性を変更可能に構成されている。ただし、第１電流の電流値に及び第２電流の電流値に対して、それぞれ別のフィルタ手段を備える場合には、その一方だけがフィルタ特性を変更可能とされればよい。

フィルタリング処理が施された第１電流の電流値及び第２電流の電流値は、例えば上述したＥＣＵ等の処理ユニットの一部として構成される電流合成手段によって合成電流とされる。よって、合成電流は、第１スイッチング素子が設けられる第１アーム側及び第２スイッチング素子が設けられる第２アーム側の電流を合成したものとなる。即ち、合成電流は、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子の各々と直列に接続されているリアクトルを流れる電流に極めて近い電流であると言える（以下では、「合成電流」のことを「リアクトル電流」と称することがある）。

ここで本発明では特に、例えば上述したＥＣＵ等の処理ユニットの一部として構成される時間変化算出手段によって、合成電流の電流値が相異なる複数のタイミングで検出（サンプリング）される。そして、時間変化算出手段では、相異なる複数のタイミングで検出された電流値の差分に基づいて、リアクトル電流の電流値の時間変化（即ち、電流値の時間微分値）が算出される。

なお、リアクトル電流の時間変化を適切に算出するためにも、時間変化算出手段による電流値のサンプリングは比較的短い期間で複数回行われることが好ましい。具体的には、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子のオンオフの切替えタイミングを跨がないように、少なくとも２回の電流値のサンプリングが行われることが好ましい。

リアクトル電流の時間変化が算出されると、フィルタ特性変更手段によって、算出されたリアクトル電流の時間変化に基づくフィルタ特性の変更処理が行われる。例えばフィルタ特性変更手段は、リアクトル電流の時間変化が所定の閾値以下である場合に一のフィルタ特性でフィルタリング処理を行うように、且つリアクトル電流の時間変化が所定の閾値を超えた場合に他のフィルタ特性でフィルタリング処理を行うようにフィルタ手段を制御する。

上述したように、フィルタ手段におけるフィルタ特性をリアクトル電流の時間変化に基づいて変更すれば、一定の領域でしか効果を得られないフィルタリング処理の適用領域を実質的に広げることができるため、コンバータが使用する全ての領域で高精度にリアクトル電流を検出することが可能となる。

なお、第１スイッチング素子を含む第１アーム及び第２スイッチング素子を含む第２アームのうち、第１アームに流れる電流は大きく変動する場合があるが、第２アームに流れる電流はほぼ変動することはない。よって、第１アーム（即ち、第１シャント抵抗で検出される電流値）に対応するフィルタ特性を変更しさえすれば、第２アーム（即ち、第２シャント抵抗で検出される電流値）に対応するフィルタ特性を変更しなくとも、適切なフィルタリング処理が行える。従って、リアクトル電流の時間変化のうち、第１アーム側に流れる電流に対応する部分に基づいて、フィルタ手段における第１電流の検出値に対応するフィルタ特性のみを変更するようにすれば、より効率的にフィルタ特性の変更を行うことができる。

また、リアクトル電流の時間変化は、例えば電圧変換装置における昇圧前及び昇圧後の電圧値、並びにリアクトルのインダクタンスの値等に基づいて推定することも可能である。しかしながら、リアクトルに磁気飽和が発生するとインダクタンス値が大きく変化するため、リアクトル電流の時間変化を正確に推定することが困難となってしまう。

しかるに本発明では上述したように、リアクトル電流の時間変化が、シャント抵抗を用いて検出された電流値から推定される。即ち、リアクトル電流の時間変化が、インダクタンスの値に依存しない値から算出される。よって、磁気飽和の影響を受けることなく、正確にリアクトル電流の時間変化を検出することができる。

以上説明したように、本発明の電圧変換装置によれば、シャント抵抗を用いてリアクトル電流を正確に検出することが可能である。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。

実施形態に係る電圧変換装置が搭載される車両の全体構成を示す概略図である。 ＥＣＵの構成を示すブロック図である。 フィルタ回路の構成を示す回路図である。 実施形態に係る電圧変換装置の動作を示すフローチャートである。 リアクトル電流のサンプリングタイミングを示すタイミングチャートである。 フィルタ特性Ａの一例を示すグラフである。 フィルタ特性Ｂの一例を示すグラフである。 磁気飽和によるインダクタンスの低下を示すグラフである。

以下では、本発明の実施形態について図を参照しつつ説明する。

先ず、本実施形態に係る電圧変換装置が搭載される車両の全体構成について、図１を参照して説明する。ここに図１は、本実施形態に係る電圧変換装置が搭載される車両の全体構成を示す概略図である。

図１において、本実施形態に係る電圧変換装置が搭載される車両１００は、エンジン４０及びモータジェネレータＭＧ１及びＭＧ２を動力源とするハイブリッド車両として構成されている。但し、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（例えば、電気自動車や燃料電池自動車）等にも適用可能である。また、本実施形態では、電圧変換装置が車両１００に搭載される構成について説明するが、車両以外でも交流電動機により駆動される機器であれば適用が可能である。

車両１００は、直流電圧発生部２０と、負荷装置４５と、平滑コンデンサＣ２と、ＥＣＵ３０とを備えて構成されている。

直流電圧発生部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、例えばニッケル水素又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ＶＬ及び入出力される直流電流ＩＢは、電圧センサ１０及び電流センサ１１によってそれぞれ検出される。そして、電圧センサ１０及び電流センサ１１は、検出した直流電圧ＶＬ及び直流電流ＩＢの検出値をＥＣＵ３０に出力する。

システムリレーＳＲ１は、蓄電装置２８の正極端子及び電力線ＰＬ１の間に接続され、システムリレーＳＲ２は、蓄電装置２８の負極端子及び接地線ＮＬの間に接続される。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、本発明の「電圧変換装置」の一例であり、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、シャント抵抗Ｒ１，Ｒ２とを含む。

スイッチング素子Ｑ１及びＱ２は、本発明の「第１スイッチング素子」及び「第２スイッチング素子」の一例であり、電力線ＰＬ２及び接地線ＮＬの間に直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１及び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。

スイッチング素子Ｑ１及びＱ２には、例えばＩＧＢＴ、電力用ＭＯＳ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、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２の接続ノードと電力線ＰＬ１の間に設けられる。また、平滑コンデンサＣ２は、電力線ＰＬ２及び接地線ＮＬの間に接続される。

シャント抵抗Ｒ１，Ｒ２は、本発明の「第１シャント抵抗」及び「第２シャント抵抗」の一例であり、電流を検出するための抵抗素子として、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２に対応するように夫々設けられている。即ち、シャント抵抗Ｒ１は、スイッチング素子Ｑ１側に流れる電流Ｖｒ１を検出可能に構成されている。また、シャント抵抗Ｒ２は、スイッチング素子Ｑ２側に流れる電流Ｖｒ２を検出可能に構成されている。シャント抵抗Ｒ１，Ｒ２において検出された電流Ｖｒ１及びＶｒ２は、夫々ＥＣＵ３０へと出力される。

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及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推進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、例えば遊星歯車機構（プラネタリギヤ）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及び接地線ＮＬの間に並列に設けられ、Ｕ相上下アーム１５と、Ｖ相上下アーム１６と、Ｗ相上下アーム１７を含んで構成される。各相上下アームは、電力線ＰＬ２及び接地線ＮＬの間に直列接続されたスイッチング素子から構成される。たとえば、Ｕ相上下アーム１５は、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４から成り、Ｖ相上下アーム１６は、スイッチング素子Ｑ５，Ｑ６から成り、Ｗ相上下アーム１７は、スイッチング素子Ｑ７，Ｑ８から成る。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ＰＷＩによって制御される。

例えばモータジェネレータＭＧ１は、３相の永久磁石型同期電動機であり、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中性点に共通接続される。さらに、各相コイルの他端は、各相上下アーム１５〜１７の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、詳細な説明については省略する。

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及び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、蓄電装置２８から供給された直流電圧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及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及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われる。

これらの昇圧動作及び降圧動作における電圧変換比（ＶＨ及び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（デューティ比）により制御される。なお、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２をオン及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、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。

更に、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ゼロであるので、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へ送出する。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及び角速度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、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置及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、ＥＣＵ３０の行う制御については、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）で構築して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１０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及び電流センサ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及びインバータ２３の動作を制御する。すなわち、コンバータ１２及びインバータ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及びインバータ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し、システム電圧ＶＨが電圧指令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。

ここで、上述したＥＣＵの具体的な構成について、図２を参照して説明する。ここに図２は、ＥＣＵの構成を示すブロック図である。なお、図２では、説明の便宜上、ＥＣＵ３０に備えられる各部位のうち本実施形態に関連の深いもののみを示し、その他の詳細な部位については適宜図示を省略している。

図２において、ＥＣＵ３０は、第１フィルタ回路３１０と、第２フィルタ回路３２０と、電流合成部３３０と、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）３４０と、時間変化算出部３５０と、フィルタ特性変更部３６０と、制御器３７０と、キャリア信号生成部３８０と、スイッチング信号生成部３９０とを備えて構成されている。

第１フィルタ回路３１０及び第２フィルタ回路３２０は、本発明の「フィルタ手段」の一例であり、夫々シャント抵抗Ｒ１，Ｒ２（図１参照）において検出された電流Ｖｒ１及びＶｒ２に対してフィルタリング処理を施す。フィルタリング処理は、例えばバンドパスフィルタ処理であり、所定のフィルタ特性を用いて行われる。

なお、本実施形態では特に、第１フィルタ回路３１０（即ち、シャント抵抗Ｒ１で検出された電流値Ｖｒ１が入力される方のフィルタ回路）は、フィルタ特性切替え機能を有している。即ち、第１フィルタ回路３１０は、相異なる複数のフィルタ特性でフィルタリング処理を施すことが可能に構成されている。一方で、第２フィルタ回路３２０（即ち、シャント抵抗Ｒ２で検出された電流値Ｖｒ２が入力される方のフィルタ回路）は、フィルタ特性切替え機能を有していない。

ここで、第１フィルタ回路３１０のより具体的な構成について、図３を参照して説明する。ここに図３は、フィルタ回路の構成を示す回路図である。

図３において、第１フィルタ回路３１０は、抵抗素子Ｒｆ１及びＲｆ２、切替えスイッチＳｆ１及びＳｆ２、及びコンデンサＣｆを備えて構成される。

第１フィルタ回路３１０は、フィルタ特性変更部３６０から供給される切替信号に応じて、切替えスイッチＳｆ１及びＳｆ２が切替わる構成となっている。切替えスイッチＳｆ１及びＳｆ２が切替わることで、抵抗素子Ｒｆ１及びＲｆ２に対する接続位置が変化するため抵抗値も変化する。この結果として、第１フィルタ回路３１０におけるフィルタ特性が切り替わることになる。

図２に戻り、電流合成部３３０は、本発明の「電流合成手段」の一例であり、第１フィルタ回路３１０でフィルタリング処理が施された電流値Ｖｒ１ｆ（即ち、フィルタリング処理されたＶｒ１）及び第２フィルタ回路３２０でフィルタリング処理が施された電流値Ｖｒ２ｆ（即ち、フィルタリング処理されたＶｒ２）を互いに合成して合成電流とする。なお、合成電流は、リアクトルＬ１を流れる電流ＩＬと等しくなる。

ＡＤＣ３４０は、フィルタ特性切替え処理用に、合成電流であるＩＬの値を相異なる複数のタイミングでサンプリングして、時間変化算出部３５０へと出力する。またＡＤＣ３４０は、コンバータ１２の制御用に、合成電流であるＩＬの値をサンプリングして、制御器３７０へと出力する。

時間変化算出部３５０は、ＡＤＣ３４０においてフィルタ特性切替え処理用にサンプリングされた複数の検出値を用いて、合成電流（即ち、リアクトル電流ＩＬ）の時間変化（ｄｉ／ｄｔ）を算出する。即ち、ここでの時間変化算出部３８０は、上述したＡＤＣ３４０と共に、本発明の「時間変化算出手段」の一例として機能する。

フィルタ特性変更部３６０は、本発明の「フィルタ特性変更手段」の一例であり、時間変化算出部３５０において算出されたｄｉ／ｄｔの値に基づいて、第１フィルタ回路３１０におけるフィルタ特性を切り替え可能に構成されている。フィルタ特性変更部３６０には、例えばｄｉ／ｄｔの値に対する閾値を予め記憶されており、算出されたｄｉ／ｄｔの値と閾値との大小に応じて第１フィルタ回路３１０におけるフィルタ特性を切り替える。

制御器３７０は、ＡＤＣ３４０において検出された電流値のうち、制御用の電流値に基づいてデューティ信号ＤＵＴＹを生成する。なお、デューティ信号ＤＵＴＹは、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２のオンオフの期間比を示す信号である。

キャリア信号生成部３８０は、スイッチング制御信号ＰＷＣを生成するために所定周期のキャリア信号を生成する。キャリア信号は、スイッチング信号生成部３９０に出力される。

スイッチング信号生成部３９０は、キャリア信号及びデューティ信号ＤＵＴＹを互いに比較することで、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２のオンオフを切替えるスイッチング制御信号ＰＷＣ（言い換えれば、ゲート信号）を生成する。生成されたスイッチング制御信号ＰＷＣは、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２の各々に供給される。

以上説明したＥＣＵ３０は、上述した各部位を含んで構成された一体の電子制御ユニットであり、上記各部位に係る動作は、全てＥＣＵ３０によって実行されるように構成されている。但し、本発明に係る上記部位の物理的、機械的及び電気的な構成はこれに限定されるものではなく、例えばこれら各手段は、複数のＥＣＵ、各種処理ユニット、各種コントローラ或いはマイコン装置等各種コンピュータシステム等として構成されていてもよい。

次に、電圧変換装置であるコンバータ１２の動作について、図４を参照して説明する。ここに図４は、本実施形態に係る電圧変換装置の動作を示すフローチャートである。なお、以下では、コンバータ１２の動作のうち、本実施形態に特有の動作について詳細に説明し、他の一般的な動作については適宜説明を省略するものとする。

図４において、本実施形態に係るコンバータ１２の動作時には、先ずシャント抵抗Ｒ１，Ｒ２の各々において電流Ｖｒ１及びＶｒ２が検出される（ステップＳ１０１）。検出された電流Ｖｒ１及びＶｒ２は、ＥＣＵ３０へと出力される。

検出された電流Ｖｒ１及びＶｒ２には、ＥＣＵ３０における第１フィルタ回路３１０及び第２フィルタ回路３２０の各々によってフィルタリング処理が施される（ステップＳ１０２）。これにより、例えばインダクタンス成分と電流の時間変化に応じて発生する誤差の影響を低減することができる。なお、第１フィルタ回路３１０は、条件に応じて相異なるフィルタ特性を用いてフィルタリング処理を行うが、フィルタ特性の変更処理については後に詳述する。

フィルタリング処理が施された電流Ｖｒ１ｆ及びＶｒ２ｆは、ＥＣＵ３０における電流合成部３１０において合成され、これによりリアクトル電流ＩＬが推定される（ステップＳ１０３）。

リアクトル電流ＩＬが推定されると、ＡＤＣ３２０では、相異なる複数のタイミングでリアクトル電流ＩＬの値がサンプリングされる（ステップＳ１０４）。以下では、リアクトル電流ＩＬのサンプリングについて、図５を参照して詳細に説明する。ここに図５は、リアクトル電流のサンプリングタイミングを示すタイミングチャートである。

図５に示すように、ＡＤＣ３２０は、スイッチング素子Ｑ１及びＱ２のオンオフによって上下するリアクトル電流ＩＬの値を、サンプリングタイミングｔａ及びｔｂでサンプリングする。なお、サンプリングタイミングｔａ及びｔｂは、リアクトル電流ＩＬの時間変化を算出するために適切なタイミングとして予め設定されている。サンプリングタイミングｔａ及びｔｂは、図に示すようにスイッチング素子Ｑ１及びＱ２のオンオフの切替えタイミングを跨がないように設定されることが好ましい。

サンプリングタイミングｔａで検出された電流値Ｉａ及びサンプリングタイミングｔｂで検出されたＩｂは、夫々時間変化算出部３５０へと出力される。

図４に戻り、リアクトル電流ＩＬの値がサンプリングされると、時間変化算出部３５０によって、リアクトル電流ＩＬの時間変化（ｄｉ／ｄｔ）が算出される（ステップＳ１０５）。ｄｉ／ｄｔは、例えば以下に示す数式（１）を用いて算出することができる。

ｄｉ／ｄｔ＝（Ｉｂ−Ｉａ）／（ｔｂ−ｔａ） ・・・（１）
時間変化算出部３５０によって算出されたｄｉ／ｄｔの値は、フィルタ特性変更部３６０へと出力される。

ｄｉ／ｄｔが算出されると、フィルタ特性変更部３６０では、ｄｉ／ｄｔの値が閾値α未満であるか否かが判定される（ステップＳ１０６）。なお、閾値αは、第１フィルタ回路３１０におけるフィルタ特性を変更するために用いる閾値（即ち、どのフィルタ特性を用いてフィルタリング処理を行うかを決定するための閾値）であり、装置特性等に基づいて予め設定されている。

ｄｉ／ｄｔの値が閾値α未満である場合（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）、フィルタ特性変更部３６０は、第１フィルタ回路３１０に対してフィルタ特性Ａを用いるように指示を出す（ステップＳ１０７）。一方で、ｄｉ／ｄｔの値が閾値α以上である場合（ステップＳ１０６：ＮＯ）、フィルタ特性変更部３６０は、第１フィルタ回路３１０に対してフィルタ特性Ｂを用いるように指示を出す（ステップＳ１０８）。

以下では、フィルタ特性Ａ及びＢについて、図６及び図７を参照して具体的に説明する。ここに図６は、フィルタ特性Ａの一例を示すグラフである。また図７は、フィルタ特性Ｂの一例を示すグラフである。

図６において、フィルタ特性Ａは、ｄｉ／ｄｔの値が閾値αを超えてＸ１に達するまでゲインが“１”となっており、その後ゆるやかに下降するような特性を示している。フィルタ特性Ａによれば、ｄｉ／ｄｔの値が閾値αより小さい場合には、ゲインが常に“１”であるため適切なフィルタリング処理を施すことができる。ただし、ｄｉ／ｄｔの値が閾値αを大きく超える場合（即ち、Ｘ１を超える場合）には、ゲインが“１”より小さくなるため適切なフィルタリング処理を施すことができない。

図７において、フィルタ特性Ｂは、ｄｉ／ｄｔの値がＸ２に近づくにつれてゲインが大きくなり、ｄｉ／ｄｔの値がＸ２からＸ３までの間は“１”で一定であり、その後ゆるやかに下降するような特性を示している。なお、図を見ても分かるように、Ｘ３はＸ１より大きい値である。フィルタ特性Ｂによれば、ｄｉ／ｄｔの値が閾値αより小さい場合（正確には、Ｘ２より小さい場合）には、ゲインが“１”より小さくなるため適切なフィルタリング処理を施すことができない。しかし、ｄｉ／ｄｔの値が閾値αを大きく超える場合であっても（正確には、Ｘ３より小さい場合であれば）、ゲインが“１”であるため適切なフィルタリング処理を施すことができる。

上述したように、ｄｉ／ｄｔの値が閾値αより小さい場合には、フィルタ特性Ａを用いることで適切にフィルタリング処理が行える。また、ｄｉ／ｄｔの値が閾値α以上（且つ、Ｘ３未満）の場合には、フィルタ特性Ｂを用いることで適切にフィルタリング処理が行える。よって、算出されたｄｉ／ｄｔの値と閾値αとを比較してフィルタ特性を選択するようにすれば、ｄｉ／ｄｔの値によらず適切なフィルタリング処理を行うことができる。

なお、コンバータ１２の使用電流領域がＸ３（即ち、フィルタ特性Ｂで適切にフィルタリング処理を行える上限値）を超えるような場合には、ｄｉ／ｄｔの値がＸ３を超える場合にもゲインが“１”となるようなフィルタ特性Ｃを用いればよい。即ち、切替え可能なフィルタ特性の種類は３つ以上設定されていてもよい。このようにすれば、ｄｉ／ｄｔの値がどのような値となる場合であっても、常に適切なフィルタリング処理を行なうことができる。

上述したフィルタ特性の切替え処理は、例えばリアクトルＬ１において磁気飽和が発生した場合であっても適切に行える。以下では、磁気飽和に起因して発生する問題点について、図８を参照して説明する。ここに図８は、磁気飽和によるインダクタンスの低下を示すグラフである。

図８において、リアクトル電流が極めて大きい領域では、磁気飽和が発生し、それまで一定であったリアクトルＬ１のインダクタンス値が大きく変化する。このため、例えばｄｉ／ｄｔをリアクトルＬ１のインダクタンスの値に基づいて算出するような構成では、正確な値を算出することが困難となってしまう。

しかるに本実施形態では上述したように、ｄｉ／ｄｔがシャント抵抗Ｒ１及びＲ２を用いて検出された電流値Ｖｒ１及びＶｒ２から推定される。即ち、ｄｉ／ｄｔが、リアクトルＬのインダクタンスの値に依存しない値から算出される。よって、磁気飽和の影響を受けることなく、正確にリアクトル電流の時間変化を検出することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る電圧変換装置によれば、ｄｉ／ｄｔの値を利用してフィルタ特性を適切なものへと変更することができる。従って、シャント抵抗を用いてリアクトル電流を正確に検出することが可能である。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電圧変換装置もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１２…コンバータ、２０…直流電圧発生部、２２，２３…インバータ、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、１００…車両、３１０…第１フィルタ回路、３２０…第２フィルタ回路、３３０…電流合成部、３４０…ＡＤＣ、３５０…時間変化算出部、３６０…フィルタ特性変更部、３７０…制御器、３８０…キャリア信号生成部、３９０…スイッチング信号生成部、Ｃ２…平滑コンデンサ、Ｄ１，Ｄ２…ダイオード、ＩＬ…リアクトル電流、Ｌ１…リアクトル、ＭＧ１，ＭＧ２…モータジェネレータ、ＰＷＣ…スイッチング制御信号、Ｑ１，Ｑ２…スイッチング素子、ＳＲ１，ＳＲ２…システムリレー。

Claims (1)

1. リアクトルと、
   前記リアクトルに夫々直列に接続される第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子に流れる第１電流を検出する第１シャント抵抗と、
   前記第２スイッチング素子に流れる第２電流を検出する第２シャント抵抗と、
   前記第１電流及び前記第２電流の検出値の各々に所定のフィルタ特性でフィルタリング処理を施すフィルタ手段と、
   前記フィルタリング処理が施された前記第１電流の検出値及び前記第２電流の検出値を合成して合成電流とする電流合成手段と、
   前記合成電流の電流値を相異なる複数のタイミングで検出することで、前記合成電流の電流値の時間変化を算出する時間変化算出手段と、
   前記電流値の時間変化が所定閾値以上の場合に、前記フィルタ手段におけるフィルタ特性を第１のフィルタ特性に変更し、前記電流値の時間変化が前記所定閾値未満の場合に、前記フィルタ手段におけるフィルタ特性を前記第１のフィルタ特性とは異なる第２のフィルタ特性に変更するフィルタ特性変更手段と
   を備えることを特徴とする電圧変換装置。

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