JP6299526B2 - 電圧コンバータ制御装置 - Google Patents
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Description
電圧制御部は、高電位側スイッチング素子のスイッチング周期に対するオン時間比率であるdutyについて、出力電圧に対する目標値である出力電圧指令値(Vsys*)と入力電圧との比に基づいて演算される「フィードフォワード項」、並びに、出力電圧の検出値を出力電圧指令値に一致させるように演算される比例項及び積分項を含む「フィードバック項」を加減算し、電圧変換部へ出力する
異常検出部は、力行時及び回生時において所定の積分期間で算出される積分項の差分値と、力行時及び回生時において電圧変換部のデッドタイム設定値及びキャリア周期に基づいて算出される「デッドタイム相当duty」の絶対値の和とを比較することで、電圧コンバータの異常を検出する
最初に、複数の実施形態に共通の構成について説明する。以下、「本実施形態」という場合、後述の第1、第2実施形態を包括する。本実施形態の電圧コンバータ制御装置は、例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車の動力源であるモータジェネレータを駆動するシステムの電圧コンバータに適用される。
電圧コンバータを含むシステムの全体構成について、図1を参照して説明する。
図1に示すように、電圧コンバータ20は、バッテリ1と、モータジェネレータ8を駆動する「負荷回路」としてのインバータ7との間に設けられ、バッテリ1側の入力電圧Vinと、インバータ7側の出力電圧Vsysとを変換する装置である。特に本実施形態の電圧コンバータ20は、入力電圧Vinを昇圧してインバータ7に出力する昇圧コンバータである。
バッテリ1は、例えばニッケル水素またはリチウムイオン等の充放電可能な蓄電装置によって構成される直流電源である。電気二重層キャパシタ等もバッテリ1の一態様に含むものとする。
モータジェネレータ8は、例えば永久磁石式同期型の三相交流電動機である。モータジェネレータ8は、ハイブリッド自動車や電気自動車に搭載されるモータジェネレータ(図中、「MG」と記す。)であり、力行動作により変速機等を介して駆動輪を駆動するトルクを発生する電動機としての機能、及び、エンジンや駆動輪から伝達されるトルクを発電によってエネルギー回収する発電機としての機能を兼ね備える。
なお、他の実施形態では、車両制御回路40が演算した出力電圧指令値Vsys*を電圧コンバータ制御装置50が取得するのでなく、電圧コンバータ制御装置50の内部で出力電圧指令値Vsys*を演算するようにしてもよい。
リアクトル21は、電流の変化に伴って発生する誘起電圧による電気エネルギーを蓄積及び放出可能である。
本明細書では、「高電位側スイッチング素子23のスイッチング周期に対するオン時間比率を示すオンデューティ指令値」を「duty」と定義する。以下、「duty」と英文字で記載する場合、「高電位側スイッチング素子23のオンデューティ指令値」を意味する。また、dutyは[%]単位でなく、0以上1以下の無次元数として定義する。
力行時及び回生時において、電圧コンバータ制御装置50が演算したdutyに基づいて、スイッチング素子23、24がオンオフすることにより、電圧コンバータ20が変換する電圧が所望の値に制御される。
入力電圧センサ31が検出した入力電圧センサ値Vin、出力電圧センサ32が検出した出力電圧センサ値Vsysは、電圧コンバータ制御装置50に入力される。
次に、電圧コンバータ制御装置50の構成について、図2を参照して説明する。電圧コンバータ制御装置50は、マイコン等により構成され、内部にはいずれも図示しないCPU、ROM、I/O、及び、これらの構成を接続するバスライン等を備えている。電圧コンバータ制御装置50は、予め記憶されたプログラムをCPUで実行することによるソフトウェア処理や、専用の電子回路によるハードウェア処理による制御を実行する。
昇圧制御部55は、フィードバック減算器51、PI制御器52、フィードフォワード演算部53及びduty減算器54を有している。
フィードバック減算器51は、出力電圧指令値Vsys*と出力電圧Vsysとの偏差ΔVsysを算出する。PI制御器52は、出力電圧の偏差ΔVsysを0に収束させるように、比例積分演算により、dutyのフィードバック項duty_fbを演算する。
本実施形態では、運転状態の急変等に伴う比例項duty_Pについては考慮せず、主に、電圧コンバータ20の異常による出力電圧偏差ΔVsysの累積値が反映される積分項duty_Iに注目する。また、力行時の積分項(「積分項_力行」)と回生時の積分項(「積分項_回生」)との両方を制御に用いることを特徴とする。
duty減算器54は、フィードフォワード項duty_ff及びフィードバック項duty_fbを加減算し、「duty」として昇圧部22へ出力する。本実施形態では、フィードフォワード項duty_ffからフィードバック項duty_fbを減算した値をdutyとする。そのため、減算するフィードバック項duty_fbの値が大きいほど、出力されるdutyは小さくなる。なお、各項の正負の定義や、それによる加算又は減算の区別は、適宜、実施形態に応じて決定してよい。
デッドタイム換算部61は、素子の耐圧や温度特性のばらつき等によって設定されるデッドタイム設定値T_dead、及び、キャリア周期Tcが入力され、デッドタイム設定値T_deadを時間単位[μs]からduty単位[−]に換算する。
力行時のデッドタイム相当duty「α」はそのまま切替部64に入力される。一方、回生時のデッドタイム相当duty「β」は、反転部62で符号が反転された「−β」が切替部64に入力される。
図3及び図5は、力行時及び回生時に電圧コンバータに流れる電流を示す。なお、バッテリ電流「IB」の記号の添え字「B」は、図中では下付き文字で表し、明細書の文中では通常文字で記載する。
図4、図6の上段には、指令dutyに対応する「基本キャリアCo」を実線で示し、デッドタイムを生成するための「デッドタイム用キャリアCd」を破線で示す。
デッドタイム用キャリアは、上下アーム23、24のオンタイミングに適用される。上アーム23は、dutyが基本キャリアCoを下回ったときオフし、デッドタイム用キャリアCdを上回ったときオンする。下アーム24は、dutyがデッドタイム用キャリアCdを下回ったときオンし、基本キャリアCoを上回ったときオフする。
デッドタイムを生成するとは、上アーム23のオフから下アーム24のオンまでの間、及び、下アーム24のオフから上アーム23のオンまでの間に、上下アーム23、24が同時にオフする期間を設けることをいう。
例えば、理想dutyを0.5(=50%)とすると、理想dutyにデッドタイムを生成することにより、力行時(図4)には、実dutyは0.5より大きくなり、回生時(図6)には、実dutyは0.5より小さくなる。
力行時(図4)には、理想duty(0.5)に対して実dutyが大きくなるため、0.5からデッドタイム相当duty「α」を減算した値を指令dutyとすることで、デッドタイム生成後の実dutyが0.5となるようにする。
回生時(図6)には、理想duty(0.5)に対して実dutyが小さくなるため、0.5にデッドタイム相当duty「β」を加算した値を指令dutyとすることで、デッドタイム生成後の実dutyが0.5となるようにする。
図3に示す力行時には、電流IB(>0)は、バッテリ1側からインバータ7側に流れる。実線で示すように、上下アームの中間点Nから高電位ラインLpへの電流は、上アーム23がオンのときだけでなく、上アーム23がオフのときにも還流ダイオード25を通って流れる。一方、破線で示すように、中間点Nから低電位ラインLgへの電流は、下アーム24がオンのときのみに流れる。そのため、下アーム24がオフ固着する故障が発生した場合には、力行動作に異常が発生する。一方、仮に上アーム23がオフ固着しても、還流ダイオード25の抵抗による損失等を除き、力行動作への顕著な影響は無い。また、図4に示すように、実dutyは、下アーム24のオフ期間に相当する。
図5に示す回生時には、電流IB(<0)は、インバータ7側からバッテリ1側に流れる。破線で示すように、低電位ラインLgから上下アームの中間点Nへの電流は、下アーム24がオンのときだけでなく、下アーム24がオフのときにも還流ダイオード26を通って流れる。一方、実線で示すように、高電位ラインLpから中間点Nへの電流は、上アーム23がオンのときのみに流れる。そのため、上アーム23がオフ固着する故障が発生した場合には、回生動作に異常が発生する。一方、仮に下アーム24がオフ固着しても、還流ダイオード26の抵抗による損失等を除き、回生動作への顕著な影響は無い。また、図6に示すように、実dutyは、上アーム23のオン期間に相当する。
しかし、仮に、上アーム23又は下アーム24、或いは、還流ダイオード25、26や電圧センサ31、32等に異常が発生すると、実dutyと指令dutyとのずれが、想定したデッドタイム相当duty「α」、「β」に相当する量よりも大きくなる。
図7の横軸は電流であり、正のとき力行時を示し、負のとき回生時を示す。図7の縦軸は、所定の積分期間で算出された積分項duty_I(以下、「duty_I」の記載を適宜省略する。)であり、duty算出部54(図2参照)にてフィードフォワード項duty_ffから減算される方向を正と定義する。
力行時には、積分項_力行の値(>0)が0からαまでの領域が正常であり、積分項_力行の値がαより大きい領域が異常である。回生時には、積分項_回生の値(<0)が0から(−β)までの領域が正常であり、積分項_回生の値が(−β)より小さい領域が異常である。
フィードフォワード項duty_ffは、出力電圧指令値Vsys*と入力電圧Vinとによって決まる「指令duty」に相当すると考えられる。一方、フィードフォワード項duty_ffから積分項duty_Iを減算したdutyは、電圧コンバータ20の実際挙動が積分項duty_Iに反映された「実duty」に相当すると考えられる。また、基準線Sは、「積分項duty_I=0」のときを示す線である。
力行時・・・y=kpx−α0(kp:傾き、−α0:切片)
回生時・・・y=krx+β0(kr:傾き、β0:切片)
回生時には、フィードフォワード項duty_ffから負の積分項_回生が減算されるため、dutyは基準線Sより上側にシフトする(duty>duty_ff)。減算される負の積分項_回生の絶対値がβ以下ならば正常、βを超えると異常である。
ところで、電圧コンバータ20の異常検出に関し、例えば特許文献1の従来技術では、入力電圧センサ及び出力電圧センサの検出値と、電圧コンバータのdutyとから算出した差電圧に基づいて、電圧センサの故障を検出している。この従来技術では、二つの電圧センサの誤差やばらつきを考慮しようとすると、異常判定値の設定が困難になる場合があり、その結果、誤検出や検出漏れが発生するおそれがある。
すると、力行時の点Qpは、本来、正常領域にあるにもかかわらず異常領域にあると誤って判断されることになる。一方、回生時の点Qrは、本来、異常領域にあるにもかかわらず正常領域にあると誤って判断されることになる。したがって、力行時又は回生時のいずれか一方の積分項の値に基づいて異常検出しようとすると、電圧センサ32の誤差やばらつきによっては、誤検出や検出漏れが発生するおそれがある。
(第1実施形態)
第1実施形態の異常検出処理について、図9のフローチャートを参照して説明する。以下のフローチャートの説明で、記号「S」はステップを意味する。このルーチンは、例えば制御周期毎に実行される。
力行時(S11:YES)には「積分項_力行(>0)」を記憶し(S12)、回生時(S11:NO)には「積分項_回生(<0)」を記憶する(S13)。
S14では、力行時の積分項と回生時の積分項との差分値「Δ積分項(=積分項_力行−積分項_回生)」を算出する。
なお、デッドタイム相当dutyα、βの符号の定義によっては、積分項差分値と比較される閾値を「デッドタイム相当dutyの絶対値の和」と定義することが有効である。
次に、本発明の第2実施形態について、図10のフローチャートを参照して説明する。
第1実施形態の図9のフローチャートにおいて電圧コンバータ20の異常が検出されたとき(S16)、いずれかの部位が故障していることはわかるが、どの部位が故障しているかはわからない。そこで第2実施形態では、さらに異常部位を特定する処理を行う。
その思想としては、「力行時における積分項の値と力行時におけるデッドタイム相当dutyとの比較」、及び、「回生時における積分項の値と回生時におけるデッドタイム相当dutyとの比較」を個別に実行し、その結果に基づいて判定する。
S21でNOの場合、S22では、積分項_力行がαより大きく、且つ、積分項_回生が(−β)以上であれば(S22:YES)、力行が異常と判定する(S25)。力行が異常のとき、例えば下アーム24のオフ固着(断線)故障の可能性が疑われる。
S22でNOの場合、S23では、積分項_力行がα以下であり、且つ、積分項_回生が(−β)より小さければ(S23:YES)、回生が異常と判定する(S26)。回生が異常のとき、例えば上アーム23のオフ固着(断線)故障の可能性が疑われる。
(ア)本発明の制御装置が適用される「電圧コンバータ」は、入力電圧を昇圧する昇圧コンバータに限らず、入力電圧を降圧する降圧コンバータであってもよい。それに対応して、「電圧制御部」及び「電圧変換部」は、昇圧制御部55、昇圧部22ではなく、降圧制御部、降圧部であってもよい。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
20・・・電圧コンバータ、
21・・・リアクトル、
22・・・昇圧部(電圧変換部)、
23・・・高電位側スイッチング素子(上アーム)、
24・・・低電位側スイッチング素子(下アーム)、
50・・・電圧コンバータ制御装置、
55・・・昇圧制御部(電圧制御部)、
60・・・異常検出部、
7 ・・・インバータ(負荷回路)。
Claims (3)
- バッテリ(1)と負荷回路(7)との間に設けられ、電気エネルギーを蓄積及び放出可能なリアクトル(21)、並びに、交互にオンオフすることで前記リアクトルにおける電気エネルギーの蓄積及び放出を繰り返す高電位側スイッチング素子(23)及び低電位側スイッチング素子(24)を含む電圧変換部(22)を備え、前記バッテリ側の入力電圧(Vin)と前記負荷回路側の出力電圧(Vsys)とを力行方向及び回生方向に変換する電圧コンバータ(20)に適用される電圧コンバータ制御装置(50)であって、
前記高電位側スイッチング素子のスイッチング周期に対するオン時間比率であるdutyについて、前記出力電圧に対する目標値である出力電圧指令値(Vsys*)と前記入力電圧との比に基づいて演算されるフィードフォワード項、並びに、前記出力電圧の検出値を前記出力電圧指令値に一致させるように演算される比例項及び積分項を含むフィードバック項を加減算し、前記電圧変換部へ出力する電圧制御部(55)と、
力行時及び回生時において所定の積分期間で算出される前記積分項の差分値と、力行時及び回生時において前記電圧変換部のデッドタイム設定値及びキャリア周期に基づいて算出されるデッドタイム相当dutyの絶対値の和とを比較することで、前記電圧コンバータの異常を検出する異常検出部(60)と、
を備えることを特徴とする電圧コンバータ制御装置。 - 前記異常検出部は、
前記電圧コンバータの異常を検出したとき、さらに、力行時における前記積分項の値と力行時における前記デッドタイム相当dutyとの比較、又は、回生時における前記積分項の値と回生時における前記デッドタイム相当dutyとの比較の少なくとも一方を実行することを特徴とする請求項1に記載の電圧コンバータ制御装置。 - 前記異常検出部は、
前記電圧コンバータの異常を検出したとき、さらに、力行時における前記積分項の値と力行時における前記デッドタイム相当dutyとの比較、及び、回生時における前記積分項の値と回生時における前記デッドタイム相当dutyとの比較をいずれも実行することを特徴とする請求項2に記載の電圧コンバータ制御装置。
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