JP6941510B2 - 制御装置および電力変換装置の制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、制御装置および電力変換装置の制御方法に関する。
従来、車両に搭載された電源(例えば鉛バッテリ)の電圧を昇降圧し、インバータへ出力する電圧変換装置を制御する制御装置がある。かかる制御装置では、フィードフォワード演算およびフィードバック演算を用い電圧変換装置を制御する。
特開2015−202018号公報
しかしながら、従来技術では、電圧変換装置の通電経路を切り替える場合に、電圧変換装置の出力する電流が発振し、電圧変換装置の応答性が低下するおそれがあった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、電力変換装置の応答性を向上させることができる制御装置および制御方法を提供することを目的とする。
実施形態に係る制御装置は、切替部と、補正部とを備える。前記切替部は、電力変換装置の出力側のスイッチング素子をオフにして寄生ダイオードを介して電流を出力する第1モードと、前記スイッチング素子をオンにして前記スイッチング素子を介して電流を出力する第2モードとを切り替える。前記補正部は、前記切替部によって一方のモードから他方のモードへ切り替えられる場合に、前記電力変換装置へ入力する駆動信号を補正する。
本発明によれば、電力変換装置の応答性を向上させることができる。
図1は、電源システムのブロック図である。 図2は、コンバータ制御装置のブロック図である。 図3Aは、コンバータの回路図の具体例を示す図である。 図3Bは、昇圧時における第1モードを示す図である。 図3Cは、昇圧時における第2モードを示す図である。 図4は、補正部による補正のタイミングを示すタイミングチャートである。 図5は、補正後の出力電流を示す図である。 図6は、コンバータ制御装置が実行する処理手順を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して、実施形態に係る制御装置および電力変換装置の制御方法について詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
まず、図1を用いて実施形態に係る制御装置を含む電源システムSについて説明する。図1は、実施形態に係る電源システムSのブロック図である。電源システムSは、車両用電源装置1と、鉛バッテリ3と、電気負荷4と、リチウムイオンバッテリ(LIB)5と、発電機6と、スタータ7とを備える。
鉛バッテリ3は、電極に鉛を用いた二次電池である。鉛バッテリ3は、車両に搭載される電気機器の主要な電源となる。電気負荷4は、車両に備わる電気機器である。例えば、電気負荷4としてナビゲーション装置やオーディオ、エアーコンディショナ等が挙げられる。あるいは、例えば、電気負荷4がPCS(Pre-crash Safety System)やAEB(Advanced Emergency Braking System)などの車両制御を行う車両制御装置であってもよい。
LIB5は、電荷を蓄える蓄電池である。LIB5は、鉛バッテリ3の補助電源である。なお、補助電源は、蓄電装置であればよく、LIB5の代わりにキャパシタや他の二次電池であってもよい。
発電機6は、エンジンの回転を動力源として電力を生成する機器である。また、車両の減速時には回生ブレーキによる回生電力を生成する。なお、発電機6は、オルタネータまたはジェネレータと呼ばれる場合もある。
発電機6は、例えば図示しないエンジン制御装置からの指示に応じて電力を生成する。例えば発電した電力を鉛バッテリ3およびLIB5に供給することで、鉛バッテリ3およびLIB5を充電する。
スタータ7は、電気モータを備え、エンジンを始動する始動装置である。なお、ここでは、電源システムSがスタータ7と発電機6とを備えるとしたが、スタータ7および発電機6の代わりにISG(Integrated Starter Generator)を備えていてもよい。
車両用電源装置1は、電源システムSの全体を制御する。また、車両用電源装置1は、第1スイッチ部11と、第2スイッチ部12と、電源制御装置13と、DCDCコンバータ14と、コンバータ制御装置15とを備える。
第1、第2スイッチ部11、12は、回路の短絡と開放を制御する開閉器(リレー)である。第1スイッチ部11は、鉛バッテリ3と発電機6との間および鉛バッテリ3とスタータ7との間に接続される。第2スイッチ部12は、LIB5と発電機6との間およびLIB5とスタータ7との間に接続される。第1スイッチ部11と第2スイッチ部12とは、互いに一端が接続され、後述の電源制御装置13によって開閉(オン/オフ)が制御される。なお、図1に示す第1、第2スイッチ部11、12の個数や配置は一例であり、これに限定されず、例えば車両用電源装置1が3個以上のスイッチ部を有していてもよい。
電源制御装置13は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、入出力ポートなどを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含む。そして、電源制御装置13は、CPUがROMに記憶されたプログラムを、RAMを作業領域として使用して実行することによりスイッチ制御部13aと、駆動信号生成部13bと、車両状態取得部13cと、充電状態取得部13dとして機能する。
スイッチ制御部13aは、鉛バッテリ3およびLIB5の充電状態、電気負荷4の消費電流、および車両の状態等を参照し、第1スイッチ部11および第2スイッチ部12の開閉状態を制御する。
駆動信号生成部13bは、鉛バッテリ3およびLIB5の充電状態、電気負荷4の消費電流および車両の状態等に応じてDCDCコンバータ14の駆動状態を制御する。具体的には、駆動信号生成部13bは、DCDCコンバータ14の目標出力電流に応じた目標駆動信号を生成し、コンバータ制御装置15に出力する。
車両状態取得部13cは、車載センサ(図示せず)から車両の状態を取得する。車両の状態とは、車両の走行状態やエンジンの駆動状態を含む。車両の走行状態とは、車両の走行中や減速中等の状態である。車両状態取得部13cは、車載センサのうち例えば車速センサから出力される信号により車両の走行中や減速中の状態を判別する。
エンジンの駆動状態とは、エンジンの初回の始動時やアイドリングストップからの再始動時(復帰時)等である。エンジンの初回の始動時とは、ドライバが車両に乗り込み、キーやボタンを操作して最初にエンジンを始動する時である。アイドリングストップからの再始動時(復帰時)とは、例えば信号待ち等の間にエンジンを一時的に停止させ(アイドリングストップ)、その後ドライバがアクセルを操作した際にエンジンを再始動する時である。
充電状態取得部13dは、鉛バッテリ3およびLIB5の充電状態を取得する。DCDCコンバータ14は、直流電圧(入力電圧)を別の直流電圧(出力電圧)に変換(降圧または昇圧)する電圧変換装置である。
DCDCコンバータ14は、鉛バッテリ3とLIB5との間および電気負荷4とLIB5との間に接続される。また、DCDCコンバータ14は、一端が第1スイッチ部11と接続され、他端が第2スイッチ部12と接続される。
例えば、LIB5から鉛バッテリ3に電力を供給する場合、DCDCコンバータ14は、LIB5の電圧を昇圧し、鉛バッテリ3へ供給する。また、LIB5から電気負荷4に電力を供給する場合、DCDCコンバータ14はLIB5の電圧を昇圧または降圧し、電気負荷4に供給する。
コンバータ制御装置15は、DCDCコンバータ14を制御する制御装置である。コンバータ制御装置15は、電源制御装置13から入力される駆動信号に基づいてDCDCコンバータ14を制御する。なお、コンバータ制御装置15の詳細については図2を用いて後述する。
次に、図2を用いてコンバータ制御装置15の構成について説明する。図2は、コンバータ制御装置15のブロック図である。コンバータ制御装置15は、生成部15aと、切替部15bと、補正部15cとを備える。
生成部15aは、比例演算部155と、積分演算部154と、積分器156と、加算器157とを備える。
比例演算部155は、目標駆動信号と、DCDCコンバータ14の出力信号との差分に比例した比例操作量を算出する。例えばDCDCコンバータ14が電流制御される場合、比例演算部155は、目標電流である目標駆動信号とDCDCコンバータ14の出力電流との差分に比例した比例操作量を算出する。
積分演算部154は、目標駆動信号とDCDCコンバータ14の出力電流との差分と積分ゲインとに応じた演算値を求め、積分器156に出力する。積分器156は、積分演算部154が算出した演算値を積分し、積分操作量を算出する。
加算器157は、比例演算部155が算出した比例操作量と、積分器156が算出した積分操作量とを加算して制御信号を生成し、DCDCコンバータ14へ出力する。これにより、DCDCコンバータ14は、かかる制御信号に応じた出力電圧を出力する。
切替部15bは、DCDCコンバータ14の出力電流に応じてDCDCコンバータ14の出力モードを切り替える。また、切替部15bは、出力モードを切り替える場合に、スイッチSW1をオンにする。これにより、後述する補正部15cによって生成された補正信号が生成部15aに入力されることとなる。ここで、図3A〜図3Cを用いてDCDCコンバータ14の構成および出力モードの詳細について説明する。
図3Aは、DCDCコンバータ14の構成例を示す図である。図3Aに示すように、DCDCコンバータ14は、いわゆるHブリッジ型コンバータであり、スイッチング素子Q1〜Q4、寄生ダイオードD1〜D4およびインダクタLを備える。
なお、図3Aでは、各スイッチング素子Q1〜Q4が、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である場合について示しているが、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの他の電荷効果トランジスタであってもよい。また、各スイッチング素子Q1〜Q4のソース・ドレイン間には、寄生ダイオードD1〜D4がそれぞれ接続される。
上述の生成部15aによって生成される制御信号は、各スイッチング素子Q1〜Q4のオン/オフを制御するゲート電圧のパルス幅(Duty比)に対応する。また、DCDCコンバータ14は、双方向に昇圧または降圧することが可能であるが、以下では、図中左側(スイッチング素子Q1側)から入力される入力電圧を昇圧して出力電圧を図中右側(スイッチング素子Q3側)から出力する場合について説明する。
図3Bは、昇圧時における第1モードを示す図である。図3Bに示すように、コンバータ制御装置15は、第1モードにおいて、DCDCコンバータ14のスイッチング素子Q1をオン、スイッチング素子Q2およびスイッチング素子Q3をオフにした状態で、スイッチング素子Q4のオン/オフを切り替える。
これにより、電磁誘導によりインダクタLにエネルギを蓄積し、入力電圧を所望の出力電圧まで昇圧することができる。また、第1モードにおいて昇圧された出力電圧は、寄生ダイオードD3を介して出力される。このように、第1モードは、出力側の寄生ダイオードD3を介してDCDCコンバータ14から電流が出力されるモードである。
第1モードでは、スイッチング素子Q3をオフにしておくため、スイッチング素子Q3側からスイッチング素子Q1側への電流の逆流を防止することができる。つまり、昇圧した電圧が出力側(スイッチング素子Q3側)の電圧よりも低い場合に、出力側から入力側への電流の逆流を抑制することができる。
しかしながら、スイッチング素子Q3をオフにしたままにしておくと、出力電流が大きくなった場合に、寄生ダイオードD3に大きな電流が流れる。これにより、寄生ダイオードD3が発熱し、焼損するおそれがある。
そのため、切替部15bは、DCDCコンバータ14の出力電流が切替点Tpを超えた場合に、DCDCコンバータ14の出力モードを第1モードから第2モードへ切り替える。
ここで、切替点Tpは、例えば、寄生ダイオードD3の許容電流に対応する。これにより、寄生ダイオードD3には、切替点Tpを超える電流が流れないので、寄生ダイオードD3の発熱による焼損を防ぐとともに、寄生ダイオードD3の長寿命化を図ることが可能となる。
図3Cは、昇圧時における第2モードを示す図である。図3Cに示すように、第2モードは、入力側のスイッチング素子Q1がオン、スイッチング素子Q2がオフである状態において、スイッチング素子Q3およびスイッチング素子Q4のオン/オフが交互に切り替えられるモードである。具体的には、第2モードは、スイッチング素子Q3がオンである場合に、スイッチング素子Q4がオフであり、スイッチング素子Q3がオフである場合に、スイッチング素子Q4がオンであるモードである。
すなわち、第1モードでは、寄生ダイオードD3を介した電流経路(以下、第1経路とも記載する)で電流を出力していたのに対して、第2モードでは、スイッチング素子Q3を介した電流経路(以下、第2経路とも記載する)で電流を出力する。このように、第2モードにおいては、寄生ダイオードD3の発熱を抑えることが可能となり、寄生ダイオードD3の焼損を抑制することができる。
ところで、第1経路では、寄生ダイオードD3を介して電流が流れるため、寄生ダイオードD3が有する抵抗の分だけ第2経路に比べて通電損失が大きくなる。つまり、第1モードと第2モードとでは、異なる通電損失を有する。
そのため、第1モードと第2モードとの間で出力モードを切り替えると、通電経路の切り替わるタイミングでDCDCコンバータ14の出力電流が変動する。具体的には、第1モードにおいて13Vまで昇圧し、寄生ダイオードD3による通電損失により、12Vまで降圧されていた場合を想定する。
かかる場合に、第1モードから第2モードに切り替えると、13Vの電圧がそのまま出力されることとなる(ここでは、スイッチング素子Q3による通電損失(抵抗)をゼロと仮定する)。
このような電圧の変動により、DCDCコンバータ14の出力電流が発振し、DCDCコンバータ14の応答性が低下する。また、かかる電圧の変動により、出力電流のオーバーシュートやアンダーシュートが発生する場合もある。
このため、実施形態に係るコンバータ制御装置15では、出力モードが切り替わるタイミングで制御信号を補正することとしている。これによりDCDCコンバータ14の出力電流の発振を抑制し、DCDCコンバータ14の応答性を向上させることが可能となる。
具体的には、コンバータ制御装置15は、制御信号を補正する補正部15cを備える。ここで、図2の説明に戻り、補正部15cについて説明する。補正部15cは、図2に示すように、補正信号生成部153と、スイッチSW1とを備える。補正信号生成部153は、駆動信号に応じて補正信号を生成し、スイッチSW1を介して生成部15aへ出力することで、制御信号を補正する。
かかる補正信号は、積分演算部154が出力する演算値に加算もしくは減算され、積分器156に入力される。具体的には、第1モードから第2モードに切り替わる場合、補正信号が演算値から減算され、第2モードから第1モードへ切り替わる場合、補正信号が演算値に加算される。
つまり、第1モードから第2モードへ切り替わる場合、上述のように通電経路の通電損失が小さくなるため、第1経路と第2経路とにおける通電損失の差分を演算値から減算する。一方、第2モードから第1モードへ切り替わる場合、通電損失が大きくなるため、第1経路と第2経路とにおける通電損失の差分を演算値に加算する。
つまり、補正部15cは、出力モードの切り替わりにおける通電損失の差分を排除もしくは補填する。これにより、出力モードの切り替わりにおける出力電流の変動を抑えることができる。
したがって、出力モードが切り替わる際に、DCDCコンバータ14の出力電流の発振を抑制することができるので、DCDCコンバータ14の応答性を向上させることが可能となる。
また、補正信号は演算値に加算もしくは減算された後に、補正後の演算値が積分器156によって積分される。これにより、1度の補正信号の入力によって、その後の補正の効果を維持することができる。つまり、補正部15cが、積分演算部154に対して補正信号を入力することで、演算値の補正回数を最小限に抑えることが可能となる。
スイッチSW1は、例えば、切替部15bによってオン/オフが制御される。また、スイッチSW1は、一端が補正信号生成部153に接続され、他端が生成部15aに接続される。
スイッチSW1は、例えば、切替部15bが出力モードを切り替える場合、切替部15bの制御によりオンになり、その後、一定期間経過後にオフになる。つまり、スイッチSW1は、第1モードから第2モードおよび第2モードから第1モードへ出力モードが切り替わる一定期間のみオンになる。
かかる一定期間は、生成部15aによって行われるフィードバック制御の1周期である。これにより、上述したように、出力モードが切り替わるタイミングのみ、補正信号が積分器156に入力されることとなる。
次に、図4を用いて補正部15cの補正のタイミングについて説明する。図4は、補正部15cによる補正のタイミングを示すタイミングチャートである。
図4のAに示すように、切替部15bは、DCDCコンバータ14の出力電流が切替点Tpを超える時刻t1において図4のBに示すように出力モードを第1モードから第2モードへ切り替える。
このとき、図4のCに示すように、切替部15bは、時刻t1から時刻t2までの所定期間だけスイッチSW1をオンにする。これにより、同図のDに示すように、補正信号生成部153によって生成された補正信号が制御信号から減算される。
その後、同図のAに示すように、出力電流が切替点Tpを下回る時刻t3において、切替部15bは、同図のBに示すように、出力モードを第2モードから第1モードへ切り替える。
このとき、同図のCに示すように、時刻t3から時刻t4までの所定期間、スイッチSW1をオンにする。これにより、補正信号が制御信号に加算されることとなる。
このように、コンバータ制御装置15では、出力モードの切り替わりにおいて、補正信号を加算もしくは減算する。これにより、図4のEに示すように、DCDCコンバータ14へ入力される第1モードの制御信号を第2モードの制御信号よりも大きくすることができる。
つまり、出力モードの切り替わりにおいて生じる第1経路と第2経路との通電損失の差分を埋めることができる。これにより、出力モードの切り替わりにおける出力電流の変動に基づく発振を抑制することができる。
図5は、補正後の出力電流を示す図である。上述したように切替部15bは、DCDCコンバータ14の出力電流が切替点Tpを超えた場合、もしくは、出力電流が切替点Tpより低下した場合に、DCDCコンバータ14の出力モードを切り替える。
そして、補正部15cは、かかる出力モードの切り替わるタイミングにあわせて制御信号を補正する。これにより、コンバータ制御装置15は、図1に示した電源制御装置13より入力される駆動信号に対するDCDCコンバータ14の応答性を向上させることが可能となる。
次に、図6を用いて実施形態に係るコンバータ制御装置15が実行する処理手順について説明する。図6は、コンバータ制御装置15が実行する処理手順を示すフローチャートである。なお、かかる処理手順は、コンバータ制御装置15によって繰り返し実行される。
図6に示すように、コンバータ制御装置15は、DCDCコンバータ14の出力モードが第1モードか否かを判定する(ステップS101)。ここで、出力モードが第1モードであれば(ステップS101,Yes)、DCDCコンバータ14の出力電流が切替点Tpよりも小さいか否かを判定する(ステップS102)。
出力電流が切替点Tpよりも小さい場合(ステップS102,Yes)、ステップS102の判定処理を継続して行う。一方、出力電流が切替点Tp以上である場合(ステップS102,No)、出力モードを第1モードから第2モードへ切り替える(ステップS103)。続いて、補正部15cは、演算値から補正信号を減算し(ステップS104)、生成部15aは、補正後の制御信号を出力して(ステップS105)、処理を終了する。
一方、出力モードが第1モードでない場合(ステップS101,No)、切替部15bは、出力電流が切替点Tpよりも大きいか否かを判定する(ステップS106)。
ここで、出力電流が切替点Tpよりも大きい場合(ステップS106,Yes)、ステップS106の判定処理を継続して行う。出力電流が切替点Tp以下の場合(ステップS106,No)、DCDCコンバータ14の出力モードを第1モードへ切り替える(ステップS107)。
そして、補正部15cは、演算値に対して補正信号を加算して(ステップS108)、生成部15aは、補正後の制御信号を出力して(ステップS105)、処理を終了する。
上述したように、実施形態に係る制御装置(コンバータ制御装置15)は、切替部15bと、補正部15cとを備える。切替部15bは、電力変換装置(DCDCコンバータ14)の出力側のスイッチング素子Qをオフにして寄生ダイオードDを介して電流を出力する第1モードと、スイッチング素子Qをオンにしてスイッチング素子Qを介して電流を出力する第2モードとを切り替える。
補正部15cは、切替部15bによって一方のモードから他方のモードへ切り替えられる場合に、電力変換装置へ入力する制御信号を補正する。したがって、実施形態に係る制御装置によれば、電力変換装置の応答性を向上させることができる。
ところで、上述した実施形態では、コンバータ制御装置15が、車両用の電源システムSに用いられるDCDCコンバータ14を制御する場合について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、コンバータ制御装置15は、種々のDCDCコンバータの制御装置として適用することが可能である。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
14 DCDCコンバータ
15 コンバータ制御装置
15a 生成部
15b 切替部
15c 補正部
Q スイッチング素子
D 寄生ダイオード
Tp 切替点

Claims (4)

  1. 電力変換装置の出力側のスイッチング素子をオフにして寄生ダイオードを介して電流を出力する第1モードと、前記スイッチング素子をオンにして前記スイッチング素子を介して電流を出力する第2モードとを切り替える切替部と、
    前記切替部によって一方のモードから他方のモードへ切り替えられる場合に、前記電力変換装置を制御する制御信号を補正する補正部と
    比例制御および積分制御に基づいて前記制御信号を生成する生成部と
    を備え
    前記補正部は、
    前記積分制御に対して補正信号を入力し、前記制御信号を補正すること
    を特徴とする制御装置。
  2. 前記補正部は、
    前記第1モードと前記第2モードとの通電損失の差分に応じた前記補正信号を入力すること
    を特徴とする請求項に記載の制御装置。
  3. 前記補正部は、
    前記第1モードから前記第2モードへ切り替わる場合、前記補正信号を減算し、前記第2モードから前記第1モードへ切り替わる場合に、前記補正信号を加算すること
    を特徴とする請求項またはに記載の制御装置。
  4. 電力変換装置の出力側のスイッチング素子をオフにして寄生ダイオードを介して電流を出力する第1モードと、前記スイッチング素子をオンにして前記スイッチング素子を介して電流を出力する第2モードとを切り替える切替工程と、
    前記切替工程によって一方のモードから他方のモードへ切り替えられる場合に、前記電力変換装置へ入力する制御信号を補正する補正工程と
    比例制御および積分制御に基づいて前記制御信号を生成する生成工程と
    を含み、
    前記補正工程は、
    前記積分制御に対して補正信号を入力し、前記制御信号を補正すること
    を特徴とする電力変換装置の制御方法。
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