JP7056730B2 - 昇圧コンバータの制御方法、及び、制御装置 - Google Patents

昇圧コンバータの制御方法、及び、制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、昇圧コンバータの制御方法、及び、制御装置に関する。
JP2009-225634Aでは、電力変換装置(昇圧コンバータ)の目標出力電圧の設定に関連する技術が開示されている。この昇圧コンバータは、負荷側にモータが接続されており、モータの動作領域を昇圧領域と非昇圧領域に区分けした上で、昇圧時と非昇圧時とでモータ駆動に伴う損失がより小さくなる目標出力電圧を選択することにより、モータ駆動時の効率を向上させている。
ここで、昇圧コンバータを介してモータを駆動する場合、モータが力行運転する際は、インバータの定電力制御に伴う負性抵抗特性によって昇圧後の電圧が振動する場合がある。また、モータが回生運転する際は、昇圧後の電圧に対して、インバータに流れ込む電流の応答遅れが発生することによって昇圧後の電圧が振動する場合がある。
しかしながら、JP2009-225634Aに開示された技術では、モータの駆動時(力行運転時)の損失のみを考慮して昇圧コンバータの目標出力電圧を設定しているため、力行運転時と回生運転時とにおいて、それぞれ別個の要因により昇圧コンバータの出力電圧が振動するという課題がある。
本発明は、モータの動作状態(力行運転、回生運転)に関わらず、昇圧コンバータの出力電圧が振動することを抑制する技術を提供することを目的とする。
本発明の一態様における昇圧コンバータの制御方法は、電源から入力される電圧を昇圧して負荷側に供給する昇圧コンバータの制御方法である。この昇圧コンバータの制御方法は、負荷側に接続されたモータに対するトルク指令値と、モータの回転数と、に基づいて、昇圧コンバータに対する要求電力を算出し、この要求電力に基づいて、モータの動作点に応じて要求される出力電力を確保し、且つ、昇圧コンバータの出力電圧振動を抑制する下限電圧値を算出し、昇圧コンバータの目標出力電圧を下限電圧値以上の値に設定し、目標出力電圧に応じた電圧を出力するように前記昇圧コンバータを制御する。
本発明の実施形態については、添付された図面とともに以下に詳細に説明する。
図1は、本発明にかかる昇圧コンバータの制御装置を適用したハイブリッド車両のシステム構成図である。 図2は、図1で示す各構成をより詳細に記述したシステム構成図である。 図3は、昇圧コンバータの回路構成を説明するための回路構成図である。 図4は、目標出力電圧V2*を決定する際に使用されるブロック構成図である。 図5は、モータジェネレータを動作点周りで線形近似することを説明するための図である。 図6は、目標出力電圧V2*の設定処理を示すフローチャートである。 図7は、条件(a)の場合における下限電圧V2Cの設定処理を示すフローチャートである。 図8は、下限電圧補正値Aとモータジェネレータの振動周波数との関係を表した図である。 図9は、下限電圧補正値Bと周波数差との関係を表した図である。 図10は、条件(b)の場合における下限電圧V2Cの設定処理を示すフローチャートである。 図11は、一実施形態における昇圧コンバータの制御方法の効果を説明するための図である。
(一実施形態)
図1は、本発明にかかる昇圧コンバータの制御装置を適用したハイブリッド車両のシステム構成を示すシステム構成図である。図1では、昇圧コンバータの制御装置を二つのモータジェネレータを搭載したハイブリッド車両に適用した構成例を示している。図で示すように、本実施形態のハイブリッド車両は、バッテリ10、昇圧コンバータ20、第1インバータ30、第2インバータ40、第1モータジェネレータ50、第2モータジェネレータ60、エンジン70、回転数検出器51、61、71、出力軸80、及び、制御装置90を備える。
図2は、図1で示す各構成をより詳細に記述したシステム構成図である。図2を参照して、各構成の詳細について説明する。
バッテリ10は、充放電可能な2次電池であって、例えばリチウムイオン2次電池である。
昇圧コンバータ20は、入力された電圧を昇圧して出力する電力変換装置である。本実施形態の昇圧コンバータ20は、一次側(入力側)に電源としてのバッテリ10が接続されるとともに、2次側(出力側、負荷側)に第1インバータ30と第2インバータ40とが並列に接続されている。昇圧コンバータ20の構成の詳細については図3を参照して説明する。
図3は、昇圧コンバータ20の回路構成を説明するための回路構成図である。昇圧コンバータ20は、主に、コンデンサ1、リアクトル(インダクタンス)3、及び、スイッチング素子4a、4bを含んで構成される。昇圧コンバータ20は、バッテリ10から入力される直流の入力電圧V1を昇圧して、昇圧後の出力電圧V2を出力する。
コンデンサ1は、スイッチング素子4a、4bがスイッチングすることに起因して入力電圧V1に発生する脈流(電圧リップル)を吸収することにより入力電圧V1を整流する。
電圧センサ2は、コンデンサ1に付設され、昇圧コンバータ20の入力電圧V1すなわちコンデンサ1の電圧を検出して、検出した電圧値を制御装置90に送信する。
リアクトル3は、スイッチング素子4aがオン、4bがオフのときにバッテリ10からの電気エネルギーを蓄積し、蓄積した電気エネルギーをスイッチング素子4aがオフ、4bがオンのときに放電する。これにより、昇圧コンバータ20は、バッテリ10からの直流電圧を昇圧することができる。昇圧後の電圧値(出力電圧V2の電圧値)は、スイッチング素子4aをオンする時間の割合(デューティー比D)を変更することにより任意に調整することができる。また、リアクトル3は、スイッチング素子4a、4bがスイッチングすることに起因して発生する電流リップルを抑制する機能も有している。
スイッチング素子4a、4bは、例えばIGBTやMOS-FET等のパワー半導体素子で構成される。また、各スイッチング素子4a、4bには、ダイオード5a、5bがそれぞれ並列に接続される。
電流センサ6は、リアクトル3を流れる電流を検出して、検出した電流値を制御装置90に送信する。換言すると、電流センサ6は、昇圧コンバータ20を介してバッテリ10から流れ出る、あるいはバッテリ10へ流れ込む直流電流を検出することができる。
コンデンサ7は、スイッチング素子4a、4bがスイッチングすることに起因して出力電圧V2に発生する脈流(電圧リップル)を吸収することにより出力電圧V2を整流する。
電圧センサ8は、コンデンサ7に付設され、昇圧コンバータ20の出力電圧V2すなわちコンデンサ7の電圧を検出して、検出した電圧値を制御装置90に送信する。以下、図2に戻って説明を続ける。
第1インバータ30、及び、第2インバータ40は、三相交流電力を出力可能な三相インバータである。
第1インバータ30は、昇圧コンバータ20から入力された直流電力(出力電圧V2)を三相の第1交流電力に変換して第1モータジェネレータ50に供給する。また、第1インバータ30は、第1モータジェネレータ50が発電した三相の交流電力を直流電力に変換して、昇圧コンバータ20を介してバッテリ10を充電するか、若しくは、当該直流電力を第2インバータ40に供給する。
第2インバータ40は、昇圧コンバータ20から入力された直流電力を三相の第2交流電力に変換して第2モータジェネレータ60に供給する。また、第2インバータ40は、第2モータジェネレータ60が発電した三相の第2交流電力(回生電力)を直流電力に変換して、昇圧コンバータ20を介してバッテリ10を充電する。
電流センサ9aは、第1インバータ30と第1モータジェネレータ50とを接続する電力線に付設され、当該電力線を流れる電流を検出して、制御装置90に送信する。また、電流センサ9bは、第2インバータ40と第2モータジェネレータ60とを接続する電力線に付設され、当該電力線を流れる電流を検出して、検出した電流値を制御装置90に送信する。本実施形態の電流センサ9a、9bは、インバータからモータジェネレータ側へ流れる電流、すなわち力行運転時の電流を正の値として、モータジェネレータからインバータ側へ流れる電流、すなわち回生運転時の電流を負の値として検出する。
なお、本明細書において、単にインバータという場合は、第1インバータ30と第2インバータ40の少なくともいずれか一方を示すものとする。又、本明細書において単にモータジェネレータ、或いはモータという場合は、第1モータジェネレータ50と第2モータジェネレータ60の少なくともいずれか一方を示すものとする。
本実施形態の第1モータジェネレータ50は、例えば発電機である。第1モータジェネレータ50は、エンジン70からの動力によって回転することにより発電する。また、第1モータジェネレータ50は、エンジン70の始動時には、第1モータジェネレータ50の動力を用いてエンジン70をクランキングさせることや、エンジン70を第1モータジェネレータ50の動力を用いて力行回転させることにより電力を消費するモータリングも行う。
本実施形態の第2モータジェネレータ60は、例えば、車両の駆動源として機能する駆動モータである。第2モータジェネレータ60は、第2インバータ40から供給される交流電力により駆動力を発生し、当該駆動力を出力軸80に伝達する。また、車両の減速時やコースト走行中等、駆動輪に連れ回されて回転するときに、回生駆動力を発生させることで、車両の運動エネルギーを電気エネルギーとして回収する。
すなわち、本実施形態にかかる昇圧コンバータ20の制御装置は、発電用の第1モータジェネレータ50(発電機)と、駆動用の第2モータジェネレータ60(駆動モータ)とを搭載したいわゆるシリーズ方式のハイブリッド車両に適用されるものとする。
エンジン70は、不図示のギヤを介して第1モータジェネレータ50の回転軸と接続されており、第1モータジェネレータ50が発電するための動力を第1モータジェネレータ50へ伝達する。なお、本実施形態の昇圧コンバータ20の制御装置が適用される車両はシリーズ方式である為、本実施形態におけるエンジン70は、原則として第1モータジェネレータ50を回転駆動させるための駆動源としてのみ用いられる。ただし、エンジン70の出力トルクを出力軸80へ伝達することを可能にするために、公知のトルク伝達装置をエンジン70と出力軸80との間に配置してもよい。
回転数検出器51、61、71は、例えばレゾルバである。回転数検出器51、61は、第1モータジェネレータ50、第2モータジェネレータ60にそれぞれ付設され、第1モータジェネレータ50と第2モータジェネレータ60とがそれぞれ備えるロータの回転角度、又は回転数を検出して、制御装置90へ出力する。回転数検出器71は、エンジン70に付設され、エンジン70が備えるクランクシャフトの回転角度、又は回転数を検出して、制御装置90へ出力する。
制御装置90は、昇圧コンバータ20、第1インバータ30、第2インバータ40、第1モータジェネレータ50、第2モータジェネレータ60、及び、エンジン70の駆動を制御する。制御装置90は、1又は複数のコントローラにより構成される。当該コントローラは、例えば、中央演算装置(CPU)、読み出し専用メモリ(ROM)、ランダムアクセスメモリ(RAM)、および、入出力インタフェース(I/Oインタフェース)から構成される。
より詳細には、制御装置90は、第1モータジェネレータ50に対するトルク指令と、第1モータジェネレータ50のモータ回転数(回転数検出器51の検出値)と、入出力電流値(電流センサ9aの検出値)と、入力電圧(電圧センサ8の検出値)とに応じたスイッチングパターンを作成して、当該スイッチングパターンをゲート信号として第1インバータ30に送信する。また、制御装置90は、第2モータジェネレータ60に対するトルク指令と、第2モータジェネレータ60のモータ回転数(回転数検出器61の検出値)と、入出力電流値(電流センサ9bの検出値)と、入力電圧(電圧センサ8の検出値)とに応じたスイッチングパターンを作成して、当該スイッチングパターンをゲート信号として第2インバータ40に送信する。なお、ここでのトルク指令とは、モータに所望のトルク(要求トルク)を出力させるための指令値(トルク要求値)であって、例えばアクセル開度等に基づいて算出される。
また、制御装置90は、第1モータジェネレータ50に対するトルク指令と第1モータジェネレータ50のモータ回転数とに応じて、第1モータジェネレータ50に必要な入力電圧を演算する。また、制御装置90は、第2モータジェネレータ60に対するトルク指令と第2モータジェネレータ60のモータ回転数とに応じて、第2モータジェネレータ60に必要な入力電圧を演算する。そして、制御装置90は、演算した各入力電圧に基づいて決定される電圧値を昇圧コンバータ20の目標出力電圧V2*として設定する。そして、制御装置90は、目標出力電圧V2*を出力するためのスイッチングパターン(デューティー比D)を作成し、当該デューティー比Dをゲート信号として昇圧コンバータ20に送信する。
続いて、本実施形態における目標出力電圧V2*の設定方法について、図4を参照して説明する。
図4は、制御装置90が目標出力電圧V2*を決定する際のブロック構成図である。本実施形態の制御装置90は、効率最適電圧演算器401、402と、乗算器403、404と、振動回避電圧演算器405と、選択器406とを用いて目標出力電圧V2*を決定する。
効率最適電圧演算器401は、第1モータジェネレータ50に対するトルク指令と第1モータジェネレータ50のモータ回転数とから求められる効率最適電圧を、第1モータジェネレータ50に対する第1効率最適電圧V2_m1として選択器406に出力する。なお、ここでの効率最適電圧は、第1モータジェネレータ50の動作点に応じて要求される出力電力を確保し、且つ、第1モータジェネレータ50に所望のトルクを最も効率よく出力させるために第1インバータ30に入力される電圧であって、第1モータジェネレータ50に対するトルク指令等に基づいて、公知の方法により求められる。
効率最適電圧演算器402は、第2モータジェネレータ60に対するトルク指令と第2モータジェネレータ60のモータ回転数とから求められる効率最適電圧を、第2モータジェネレータ60に対する第2効率最適電圧V2_m2として選択器406に出力する。なお、ここでの効率最適電圧は、第2モータジェネレータ60の動作点に応じて要求される出力電力を確保し、且つ、第2モータジェネレータ60に所望のトルクを最も効率よく出力させるために第2インバータ40に入力される電圧であって、第2モータジェネレータ60に対するトルク指令等に基づいて、公知の方法により求められる。
乗算器403は、第1モータジェネレータ50に対するトルク指令と第1モータジェネレータ50のモータ回転数とを乗算することにより第1モータジェネレータ50への要求出力(要求電力P1)を算出して、振動回避電圧演算器405に出力する。なお、要求電力P1は、第1モータジェネレータ50が力行運転時は正の値(P1>0)となり、第1モータジェネレータ50が回生運転時は負の値(P1<0)となる。
乗算器404は、第2モータジェネレータ60に対するトルク指令と第2モータジェネレータ60のモータ回転数とを乗算することにより第2モータジェネレータ60への要求出力(要求電力P2)を算出して、振動回避電圧演算器405に出力する。なお、要求電力P2は、第2モータジェネレータ60が力行運転時は正の値(P2>0)となり、第2モータジェネレータ60が回生運転時は負の値(P2<0)となる。
振動回避電圧演算器405は、第1モータジェネレータ50への要求電力P1、及び、第2モータジェネレータ60への要求電力P2を入力とする。そして、振動回避電圧演算器405は、要求電力P1、P2に基づいて、これ以上の値であれば出力電圧V2が振動することを回避できる下限値としての下限電圧V2cを算出する。換言すれば、振動回避電圧演算器405は、要求電力P1、P2に基づいて、昇圧コンバータ20の出力電圧V2が振動しないような、出力電圧V2の下限電圧V2cを算出する。算出された下限電圧V2cは、選択器406に出力される。下限電圧V2cの算出方法の詳細については後述する。
選択器406は、入力された3つの電圧値から最も大きい値を選択して(セレクトハイ)、出力する。すなわち、選択器406は、第1効率最適電圧V2_m1、第2効率最適電圧V2_m2、及び、下限電圧V2cの中からもっとも高い電圧を選択することにより、最終的な昇圧コンバータ20の目標出力電圧V2*を決定する。そして、制御装置90は、不図示の制御ブロックにおいて、昇圧コンバータ20が目標出力電圧V2*に相当する電圧を出力するためのデューティー比Dをゲート信号として昇圧コンバータ20に送信する。なお、モータジェネレータの効率を考慮しないのであれば、効率最適電圧演算器401、402、及び選択器406を要さずに、振動回避電圧演算器405において算出された下限電圧V2cを目標出力電圧V2*に設定してもよい。
ここで、昇圧コンバータ20の出力電圧V2が振動する原理について説明する。
昇圧コンバータ20が受け持つ電力は、原則として要求電力P1と要求電力P2とを足し合わせた値となる(当該値を以下「要求電力P1+P2」と称する)。要求電力P1+P2が正のときは、主に、第1、第2インバータ30、40の少なくとも一方の定電力制御に伴う負性抵抗特性に起因して出力電圧V2が振動する。一方、要求電力P1+P2が負のときは、主に、第1、第2モータジェネレータ50、60の少なくとも一方に電流が流れる際の応答遅れに起因して出力電圧V2が振動する。すなわち、出力電圧V2が振動する主要因は、昇圧コンバータ20に要求される電力の正負によって異なっている。なお、以下で単に「インバータ」と称する場合は、第1、第2インバータ30、40の少なくとも一方を示し、単に「モータジェネレータ」と称する場合は、第1、第2モータジェネレータ50、60の少なくとも一方を示すものとする。
まず、要求電力P1+P2が正の場合、すなわち、昇圧コンバータ20から電力が取り出される場合(力行運転が実施される場合)において、出力電圧V2を振動させずに安定供給するための条件について説明する。
昇圧コンバータ20の出力電力V2と、昇圧コンバータ20の出力電流(I1+I2)との関係は以下式(1)で表される。ただし、式中のV20は昇圧コンバータ20の出力電圧V2の値を示し、I10は第1インバータ30に流れる電流I1の値を示し、I20は第2インバータ40に流れる電流I2の値を示すものとする。また、式中のR0は、昇圧コンバータ20の出力電圧V2が電圧V20の際に第1、第2インバータ30、40が第1、第2モータジェネレータ50、60を一定電力(要求電力P1+P2)に制御しようとするときのモータジェネレータのインピーダンスを示している。Iofsについては、図5を参照して後述する。
Figure 0007056730000001
図5は、上記式(1)を導き出すために、第1、第2インバータ30、40が第1、第2モータジェネレータ50、60を一定電力に制御する際の動作点周りで線形近似することを説明するための図である。横軸は昇圧コンバータ20の出力電圧V2を、縦軸は昇圧コンバータ20の出力電流(I1+I2)を示す。また、図中の太線で示す曲線は、第1、第2インバータ30、40が第1、第2モータジェネレータ50、60を一定電力に制御する際の定電力線を示す。第1、第2モータジェネレータ50、60の動作点は、当該定電力線上であって、横軸がV20、縦軸がI10+I20の位置に設定される。
図示するように、動作点(V20、I10+I20)周りで線形近似することにより、上記式(1)が導出される(図中の点線参照)。また、図中の点線が示すように、式(1)中のIofsは、動作点(V20、I10+I20)において線形近似した際の直線の切片で表される。また、モータジェネレータのインピーダンスを示すR0は、要求電力P1+P2が正のときは正の値、要求電力P1+P2が負のときは負の値となるように設定される。図示する状態において、昇圧コンバータ20の入力電圧V1から出力電圧V2までの伝達特性は以下式(2)で表される。
Figure 0007056730000002
ただし、式(2)中のLは、リアクトル3のインダクタンス[H]を示し、Cは、コンデンサ7の容量[F]を示し、Rは、スイッチング素子4bがオンのときの昇圧コンバータ20の回路抵抗[Ω]を示している。
上記したように、昇圧コンバータ20が受け持つ電力(要求電力P1+P2)が正のときはR0>0に設定される。従って、昇圧コンバータ20の出力電圧V2を安定供給するためのR0の条件は、昇圧コンバータ20を実際に設計する際のR、L、Cの値を考慮して、下記式(3)で表される。そして、下記式(3)を、下記式(4)を用いて、昇圧コンバータ20の出力電圧V2と要求電力P1+P2とで整理すると、下記式(5)で示す条件を得ることができる。
Figure 0007056730000003
Figure 0007056730000004
Figure 0007056730000005
式(5)は、昇圧コンバータ20の出力電圧V2を安定供給するための条件を規定する。式(5)から、昇圧コンバータ20への要求電力P1+P2が正のときに昇圧コンバータ20の出力電圧V2が振動しないためには、要求電力P1+P2が大きくなるほど、出力電圧V2を大きくしなければならないことが分かる。本実施形態では、昇圧コンバータ20の出力電圧V2の下限電圧V2Cが、昇圧コンバータ20の出力電圧V2が振動しないために、式(5)を満たすように設定される。
なお、実際には、昇圧コンバータ20の出力電圧V2を第1、第2インバータ30、40の入力部(直流部)に印加する際に第1、第2モータジェネレータ50、60に流れる電流の応答特性を考慮した上で、入力電圧V1から出力電圧V2までの伝達特性を求めて、下限電圧V2cを算出してもよい。より具体的には、昇圧コンバータ20の出力電圧V2が第1モータジェネレータ50に印加された場合において、第1モータジェネレータ50に要求電力P1に応じて電流I1が流れるときの電流の応答特性、及び、昇圧コンバータ20の出力電圧V2が第2モータジェネレータ60に印加された場合において、第2モータジェネレータ60に要求電力P2に応じて電流I2が流れるときの電流の応答特性の少なくとも一方を考慮して、下限電圧V2Cを算出してもよい。これにより、出力電圧V2が振動しない下限電圧V2cをより的確に算出することができる。
ただし、式(5)の右辺で示す下限電圧V2Cの値は、上述した電流の応答特性を考慮せずに算出されているので、実質的には最も厳しい条件で算出された値である。そのため、式(5)の右辺で示す下限電圧V2Cの値は、電流の応答特性を考慮して算出する場合よりも大きい値となる。従って、振動抑制を主目的とする場合は、下限電圧V2Cを算出する際に上述の電流の応答特性を考慮する必要は必ずしもない。式(5)を満たすように下限電圧V2Cが設定されることにより、昇圧コンバータ20の出力電圧V2が振動することを確実に抑制することができる。
次に、要求電力P1+P2が負の場合、すなわち、昇圧コンバータ20に電力が供給される回生運転が実施される場合において、出力電圧V2を振動させずに安定供給するための条件について説明する。
以下では、一例として、昇圧コンバータ20が停止している状況下で、第2モータジェネレータ60が回生運転している場合について説明する。この場合における昇圧コンバータ20の入力電圧V1から出力電圧V2までの伝達特性を算出すると、下記式(7)で表される。下記式(7)では、昇圧コンバータ20の出力電圧V2が第2インバータ40の入力部(直流部)に印加された場合において、第2モータジェネレータ60に要求電力P2に応じて電流I2が流れるときの電流の応答特性が考慮されている。この電流応答特性は、下記式(6)の2次遅れ系で表される。式(6)中のζ2は2次遅れ系の減衰係数を示す。ω2は2次遅れ系の固有振動周波数をf2としたときの固有振動数を示し、第2モータジェネレータ60の動作点で決まる値である。また、要求電力P1+P2は負なので、P0<0に設定される。
Figure 0007056730000006
Figure 0007056730000007
そして、式(7)に基づいて、昇圧コンバータ20の入力電圧V1から出力電圧V2までの伝達特性が安定的となるようなR0の条件を求める。具体的には、式(7)の分母多項式の特性方程式=0の解の実部が負となるようなR0の条件を求める。求めたR0に関する条件を、上記式(4)を用いて昇圧コンバータの出力電圧V2と要求電力P1+P2で整理することにより出力電圧V2に関する条件が算出される。そして、当該条件を満たすように、昇圧コンバータ20の出力電圧V2を下限電圧V2C以上に設定することにより、出力電圧V2が振動することを抑制することができる。
また、上記以外にも出力電圧V2が振動しやすくなる条件が存在する。例えば、昇圧コンバータ20への要求電力P1+P2の正負に関わらず、昇圧コンバータ20の共振周波数とモータジェネレータ(第1モータジェネレータ50及び第2モータジェネレータ60の少なくともいずれか一方)の振動周波数が近い場合には、両者の干渉によって昇圧コンバータ20の出力電圧V2が振動しやすくなる。そこで、本実施形態では、昇圧コンバータ20の共振周波数とモータジェネレータの振動周波数とが近いほど、出力電圧V2の下限電圧V2Cを高く設定する。これにより、昇圧コンバータ20の出力電圧が大きくなり、安定性を向上させることができるので、出力電圧V2の振動をより抑制することができる。
次に、本実施形態における昇圧コンバータ20の目標出力電圧V2*の設定方法について、図6から図10を参照して説明する。
図6は、本実施形態の制御装置90が実行する昇圧コンバータ20の目標出力電圧V2*の設定処理を示すフローチャートである。以下に説明するフローは、制御装置90に、車両システムが起動している間、一定の間隔で常時実行するようにプログラムされている。
ステップS1では、制御装置90は、第1モータジェネレータ50および第2モータジェネレータ60のそれぞれに対するトルク指令と、第1モータジェネレータ50および第2モータジェネレータ60のそれぞれの回転数とを取得する。
ステップS2では、制御装置90は、第1モータジェネレータ50および第2モータジェネレータ60の電流応答特性パラメータ値を取得する。電流応答特性パラメータ値は、モータジェネレータの電流応答特性を示す指標であって、モータジェネレータの振動周波数に関する情報を含む。本実施形態における電流応答特性パラメータ値は、ステップS1で取得したトルク指令値等から定まるモータジェネレータの動作点に応じて、当該動作点と電流応答特性との関係が記憶されているマップを参照して取得される。
ステップS3では、制御装置90は、昇圧コンバータ20の出力電圧V2を振動させずに安定供給するための下限電圧V2Cを設定する。本実施形態における下限電圧V2Cの設定方法は、以下の二つの条件に応じて異なっている。二つの条件とは、(a)インバータに流れ込む電流の応答特性に未知のパラメータが含まれる場合、および、(b)インバータに流れ込む電流の応答特性が既知の場合である。なお、本実施形態において電流の応答特性が未知の場合とは、当該応答特性を上記式(6)では記述できない場合であり、電流の応答特性が既知の場合とは、当該応答特性を上記式(6)で記述できる場合である。
まず、上記(a)の場合、すなわち、インバータに流れ込む電流の応答特性に未知のパラメータが含まれており、当該応答特性を上記式(6)では記述できない場合における下限電圧V2Cの設定方法について説明する。図7は、条件(a)の場合にステップS3で実行される下限電圧V2Cの設定処理を示すフローチャートである。
ステップS301では、制御装置90は、上記式(5)の右辺に基づいて下限電圧V2C0を算出する。これにより、インバータに流れ込む電流の応答特性を考慮せずに、出力電圧V2が振動しないための下限電圧V2Cが算出される。このとき、式(5)が示すとおり、昇圧コンバータ20への要求出力P1+P2が大きいほど、下限電圧V2C0は大きくなる。原則として、モータジェネレータの出力が大きくなるほど、昇圧コンバータ20の出力電圧は振動しやすくなる。従って、モータジェネレータの出力、すなわち、要求出力P1+P2が大きくなるほど、出力電圧V2を大きく設定することにより、出力電圧V2に対して振動が大きくなることを抑制することができる。
ステップS302では、制御装置90は、モータジェネレータの電流応答遅れを考慮して下限電圧V2C0の値を変更する。モータジェネレータの電流応答遅れは、昇圧コンバータ20とモータジェネレータとインバータとから構成される昇圧コンバータシステムの安定性に影響を及ぼす。従って、モータジェネレータの電流応答遅れに応じて下限電圧V2の値を変更することによって昇圧コンバータシステムの安定性と効率とを両立させることができる。
下限電圧V2をどのように変更するかは、要求電力P1+P2の正負によって異なる。具体的には、制御装置90は、要求電力P1+P2が正の場合、すなわち、昇圧コンバータ20から負荷側(第1、第2インバータ30、40)に電力が供給される場合(昇圧コンバータ20から電力が取り出される場合)には、下限電圧V2C0に対して電流の応答遅れが小さいほど大きい値となる下限電圧V2C1を算出する。要求電力P1+P2が正の場合は、主にインバータの定電力制御による負性抵抗特性の影響で昇圧コンバータシステムの安定性が低下する。負性抵抗特性の影響はモータジェネレータの電流応答遅れが小さいほど強く表れるため、当該電流応答遅れが小さいほど下限電圧V2を大きく設定することにより、出力電圧V2が振動することを抑制することができる。
他方、要求電力P1+P2が負の場合、すなわち、負荷側(第1、第2インバータ30、40)から昇圧コンバータ20に電力が供給される場合には、下限電圧V2C0に対して電流の応答遅れが大きいほど大きい値となる下限電圧V2C1を算出する。要求電力P1+P2が負の場合は、モータジェネレータの電流応答遅れが大きいほど、昇圧コンバータシステムの安定性が低下する。従って、当該電流応答遅れが大きいほど下限電圧V2を大きく設定することにより、出力電圧V2が振動することを抑制することができる。ただし、以下の説明においては、要求電力P1+P2が正であることを前提とする。下限電圧V2C1は、ステップS301で算出した下限電圧V2C0に、例えば図8に示すような下限電圧補正値Aを加算することにより算出される。
図8は、要求電力P1+P2が正である場合における下限電圧補正値Aとモータジェネレータの振動周波数との関係を表した図である。図示するとおり、下限電圧補正値Aは負の値であって、モータジェネレータの振動周波数が小さいほどマイナスに大きい値となる。電流の応答遅れは、モータジェネレータの振動周波数が小さいほど大きくなる。すなわち、要求電力P1+P2が正である場合における下限電圧V2C1は、電流の応答遅れが大きいほど、下限電圧V2C0に対してより小さい値に設定される。
ステップS303では、制御装置90は、昇圧コンバータ20の共振周波数fcを演算する。共振周波数fcは、以下式(8)を用いて算出される。
Figure 0007056730000008
ただし、式(8)中のLはリアクトル3のインダクタンス[H]、Cは、コンデンサ7の容量[F]、Dは、スイッチング素子4aをオンにするデューティー比である。なお、Dの逆数は、昇圧コンバータ20の昇圧比となる。
ステップS304では、制御装置90は、ステップS303で求めた昇圧コンバータ20の共振周波数fcと、図6のステップS2で取得したモータジェネレータの振動周波数とを比較して、その差分の絶対値(以下「周波数差」と称する)が所定値Aより小さいか否かを判定する。所定値Aは、当該所定値Aとの比較結果に基づいて算出される下限電圧V2Cによって出力電圧V2の振動を実質的に抑制できるか否かの観点から、実験等により予め定められる。本実施形態における所定値Aは、例えば50Hzに設定される。周波数差の絶対値が所定値Aより小さければ、続くステップ305の処理が実行される。周波数差が所定値A以上であれば、ステップS302で算出した下限電圧V2C1を下限電圧V2Cとして設定することによりステップS3の処理を終了し、続くステップS4の処理が実行される(図6参照)。
ステップS305では、ステップS304で取得した周波数差に基づいて、下限電圧V2C1の値を大きくする。具体的には、制御装置90は、下限電圧V2C1に対して周波数差が小さいほど大きい値となる下限電圧V2Cを算出する。本ステップで算出される下限電圧V2Cは、ステップS302で算出した下限電圧V2C1に、例えば図9で示すような下限電圧補正値Bを加算することによって算出される。換言すると、本ステップでは、下限電圧V2が周波数差に基づいて算出された下限電圧補正値Bによって補正される。
図9は、下限電圧補正値Bと周波数差との関係を表した図である。図示する通り、下限電圧補正値Bは、周波数差の所定値Aより小さい領域において正の値を示し、周波数差が0に向かって小さくなるほど大きい値になる。すなわち、本ステップでは、ステップS302で算出された下限電圧V2C1に、周波数差が小さいほどより大きい値となる下限電圧補正値Bが加算されることによって、下限電圧V2Cが算出される。
ここで、ステップS305で電圧を加算した結果、周波数差が小さくなり、さらに電圧を加算する必要が生じる場合がある。より具体的には、下限電圧補正値Bが加算されることにより下限電圧V2Cがより大きい値になるのに応じて、出力電圧V2を大きくするためにデューティー比Dをより小さい値にすると、それに応じて、共振周波数fcとモータジェネレータの振動周波数との周波数差がさらに小さくなる場合がある。この場合は、更に小さくなった周波数差に応じた下限電圧補正値Bを加算して(図9参照)、下限電圧V2Cをさらに大きい値に再設定する必要が生じる。
そこで、本実施形態では、ステップS305での処理を以下のように実施してもよい。すなわち、ステップS304で取得した周波数差に基づいて算出された下限電圧補正値B(図9参照)が加算された後の周波数差が加算前より小さくなる場合は、以下の二つの条件に応じた処理を実施してもよい。二つの条件とは、(c)周波数差が小さくなり、且つ、昇圧コンバータ20の共振周波数fcがモータジェネレータの振動周波数よりも大きい場合(共振周波数fc>振動周波数)、及び、(d)周波数差が小さくなり、且つ、昇圧コンバータ20の共振周波数fcがモータジェネレータの振動周波数よりも小さい場合(共振周波数fc<振動周波数)である。
上記(c)の場合は、制御装置90は、ステップS302で算出された下限電圧V2C1に、周波数差がゼロの場合の下限電圧補正値B(図9参照)を加算する。上記(d)の場合は、制御装置90は、ステップS302で算出された下限電圧V2C1に、下限電圧補正値Bを加算する前の周波数差に基づく下限電圧補正値Bに代えて、当該下限電圧補正値Bを加算した後の周波数差に基づく下限電圧補正値B加算する。このように処理することによって、出力電圧V2が振動しない下限電圧V2Cを即時に設定することができるので、下限電圧V2Cの演算時間を短縮することができる。
以上が、図6のステップS3における条件(a)の場合、すなわち、インバータに流れ込む電流の応答特性に未知のパラメータが含まれる場合における下限電圧V2Cの設定方法の詳細である。以下では、図10を参照して、図6のステップ3における条件(b)の場合、すなわち、インバータに流れ込む電流の応答特性が既知の場合における下限電圧V2Cの設定方法について説明する。
図10は、条件(b)の場合にステップS3で実行される下限電圧V2Cの設定処理を示すフローチャートである。なお、図7で示すフローチャートと同様の処理には、同じステップ番号を付して説明は省略する。
ステップS311では、制御装置90は、上記式(6)及び(7)に基づいて下限電圧V2C0を算出する。具体的には、昇圧コンバータ20の出力電圧V2がインバータに印加された際に当該インバータに流れ込む電流の応答特性が式(6)で記述できる場合に、入力電圧V1から出力電圧V2までの伝達特性(式(7))が安定するような出力電圧V2の下限電圧V2Cを算出する。なお、式(6)で示す減衰係数ζ2、固有振動周波数f2、昇圧コンバータ20の入力電圧V1、及び、昇圧コンバータ20への要求電力P1+P2と、出力電圧V2が安定となる下限電圧V2Cとが関連付けられたマップを予め取得しておき、モータジェネレータの動作点に応じて当該マップを参照することにより、下限電圧V2Cを算出してもよい。
続くステップS304からS305では、制御装置90は、図6において同じステップ番号を付してある処理と同様の処理を実行し、下限電圧V2Cを設定する。このように、電流応答特性が既知の場合には、電流の応答特性が考慮された下限電圧V2Cを即時に算出することができる。
以上説明したように、図7及び図10で示すフローによって算出された下限電圧V2Cは、以下のような値となる。すなわち、下限電圧V2Cは、昇圧コンバータ20への要求電力P1+P2が大きいほど、大きい値となる。また、下限電圧V2Cは、要求電力P1+P2が正のときは、インバータに流れ込む電流の応答遅れが大きいほど、小さい値となる。また、下限電圧V2Cは、要求電力P1+P2が負のときは、インバータに流れ込む電流の応答遅れが大きいほど、大きい値となる。また、下限電圧V2Cは、昇圧コンバータ20の共振周波数fcとモータジェネレータの振動周波数との差(周波数差)が小さいほど、大きい値となる。なお、演算に伴う算出値や検出値のばらつき等を考慮して、下限電圧V2Cに例えば10%のマージンを加えた値を最終的な下限電圧V2Cとして設定してもよい。下限電圧V2Cが設定されると、制御装置90は、続いて図6で示すステップS4の処理を実行する。以下、図6に戻って説明を続ける。
ステップS4では、制御装置90は、第1効率最適電圧V2_m1と第2効率最適電圧V2_m2とを算出する。より詳細には、制御装置90は、第1モータジェネレータ50に対するトルク指令と第1モータジェネレータ50のモータ回転数とから、第1モータジェネレータ50に対する第1効率最適電圧V2_m1を算出するとともに、第2モータジェネレータ60に対するトルク指令と第2モータジェネレータ60のモータ回転数とから第2モータジェネレータ60に対する第2効率最適電圧V2_m2を算出する。
ステップS5では、制御装置90は、ステップS3で求めた下限電圧V2C、ステップS4で求めた第1効率最適電圧V2_m1、及び、第2効率最適電圧V2_m2の3つの電圧値から最も大きい電圧値を選択して、選択した電圧値を目標出力電圧V2*(目標出力電圧指令値V2*)に設定する。これにより、要求電力P1+P2を満足し、且つ、振動が抑制された出力電圧V2を昇圧コンバータ20に出力させることができる。
図11を参照して、本実施形態の昇圧コンバータ20の制御方法を適用した場合の効果について説明する。
図11は、本実施形態の昇圧コンバータ20の制御方法を適用した場合における出力電圧V2の挙動を説明するタイムチャートである。図11(a)は、昇圧コンバータ20の出力電圧を示し、図11(b)は、昇圧コンバータ20への要求電力P1+P2を示している。両図とも、横軸は時間を表す。
図示するとおり、要求電力P1+P2は正の値の一定値を示しており、車両は力行運転中である。このとき、昇圧コンバータ20への目標出力電圧を要求電力P1+P2に応じて算出する場合に、従来のように効率のみを考慮すると、図11(a)中に一点鎖線で示される目標出力電圧が算出される。その結果、効率のみを考慮した目標出力電圧に応じて出力される実出力電圧は、図の点線で示すように、振動的になってしまう。
これに対して、本実施形態の昇圧コンバータ20の制御装置によれば、従来と同様に効率のみを考慮した目標出力電圧(第1効率最適電圧V2_m1、第2効率最適電圧V2_m2)を算出するとともに、実出力電圧が振動しないような下限電圧V2Cを算出する。そして、これらの電圧値のセレクトハイにより、最も高い電圧値が目標出力電圧V2*として設定される。図示のとおり、本実施形態にかかる昇圧コンバータ20の制御方法により算出された下限電圧V2Cは、従来のように効率のみを考慮して算出された目標出力電圧よりも大きい。したがって、本実施形態によれば、セレクトハイにより下限電圧V2Cが選択され、下限電圧V2Cが目標出力電圧V2*として設定される。その結果、昇圧コンバータ20の実出力電圧が振動的になることを従来よりも大幅に抑制することができる。
以上、一実施形態の昇圧コンバータ20の制御方法は、電源から入力される電圧を昇圧して負荷側に供給する昇圧コンバータ20の制御方法であって、負荷側に接続されたモータ(第1、第2モータジェネレータ50、60)の動作点に応じて要求される出力電力(要求電力P1+P2)を確保し、且つ、昇圧コンバータ20の出力電圧V2が振動しない下限電圧値(下限電圧V2c)を算出し、昇圧コンバータ20の目標出力電圧V2*を下限電圧V2c以上の値に設定し、目標出力電圧に応じた電圧を出力するように前記昇圧コンバータを制御する。これにより、昇圧コンバータ20の出力電圧V2が振動的になることを抑制することができる。その結果、出力電圧V2が振動することに起因して、過電圧、過電流、及び、モータジェネレータのトルク振動が発生することを防止することができる。
また、一実施形態の昇圧コンバータ20の制御方法によれば、下限電圧V2cは、モータジェネレータの出力電力(要求出力P1+P2)が大きいほど大きい値に設定される。これにより、出力P1+P2が大きくなるほど、出力電圧V2がより大きく設定されるので、出力電圧V2に対して振動が大きくなることを抑制することができる。その結果、出力電圧V2が振動することに起因して、過電圧、過電流、及び、モータジェネレータのトルク振動が発生することを防止することができる。
また、一実施形態の昇圧コンバータ20の制御方法によれば、下限電圧V2cは、モータジェネレータの電流応答遅れの大きさに応じて変更される。これにより、昇圧コンバータシステムの安定性と効率との両立を図ることができる。
また、一実施形態の昇圧コンバータ20の制御方法によれば、昇圧コンバータ20から負荷側(第1、第2インバータ30、40)に電力が供給される場合には、下限電圧V2cは、モータジェネレータの電流応答遅れが小さいほど大きい値に設定される。これにより、インバータの定電力制御による負性抵抗特性の影響を低減することができるので、出力電圧V2が振動することを抑制することができる。
また、一実施形態の昇圧コンバータ20の制御方法によれば、昇圧コンバータ20に負荷側(第1、第2インバータ30、40)から電力が供給される場合には、下限電圧V2は、モータジェネレータの電流応答遅れが大きいほど大きい値に設定される。これにより、出力電圧V2が振動することを抑制することができる。
また、一実施形態の昇圧コンバータ20の制御方法によれば、下限電圧V2は、昇圧コンバータ20の共振周波数とモータジェネレータの振動周波数との周波数差が小さいほど大きくなるように算出される補正値(下限電圧補正値B)が加算されることによりを補正される。これにより、昇圧コンバータ20の出力電圧が大きくなり、安定性を向上させることができるので、出力電圧V2の振動をより抑制することができる。
また、一実施形態の昇圧コンバータ20の制御方法によれば、上記の補正値(下限電圧補正値B)は、補正後において、周波数差が補正前より小さくなり、且つ、昇圧コンバータ20の共振周波数fcがモータジェネレータの振動周波数より大きい場合には、周波数差が0の場合に算出される値とする。これにより、演算時間を短縮して、出力電圧が振動しない目標出力電圧V2*をより速く算出することができる。
また、一実施形態の昇圧コンバータ20の制御方法によれば、上記の補正値(下限電圧補正値B)は、補正後において、周波数差が補正前より小さくなり、且つ、昇圧コンバータ20の共振周波数fcがモータジェネレータの振動周波数より小さい場合には、補正前の周波数差に基づいて算出される補正値(下限電圧補正値B)に代えて、補正後の周波数差に基づいて算出される補正値(下限電圧補正値B)とする。これにより、演算時間を短縮して、出力電圧が振動しない目標出力電圧V2*をより速く算出することができる。
また、一実施形態の昇圧コンバータ20の制御方法によれば、モータジェネレータの動作点に応じて要求される出力電力(要求電力P1、P2)を確保し、且つ、モータジェネレータを最も効率よく駆動させる最適効率電圧値(第1、第2効率最適電圧V2_m1、V2_m2)を算出し、下限電圧V2cおよび最適効率電圧値の大きい方の電圧値を目標出力電圧V2*に設定する。これにより、特に最適効率電圧値が下限電圧V2cより大きい場合には、振動を抑制し、且つ、モータジェネレータを最も効率よく駆動可能な出力電圧V2を昇圧コンバータ20に出力させることができる。
本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、様々な変形や応用が可能である。
例えば、本実施形態の昇圧コンバータ20の制御方法が適用される車両はシリーズ方式のハイブリッド車両である旨説明したが、必ずしもこれに限定されない。本発明にかかる昇圧コンバータ20の制御方法は、昇圧コンバータ20の負荷側に少なくとも一組のインバータとモータとが接続された昇圧コンバータシステムに対して適宜適用可能である。

Claims (10)

  1. 電源から入力される電圧を昇圧して負荷側に供給する昇圧コンバータの制御方法において、
    前記負荷側に接続されたモータに対するトルク指令値と、前記モータの回転数と、に基づいて、前記昇圧コンバータに対する要求電力を算出し、
    前記要求電力に基づいて、前記モータの動作点に応じて要求される出力電力を確保し、且つ、前記昇圧コンバータの出力電圧振動を抑制する下限電圧値を算出し、
    前記昇圧コンバータの目標出力電圧を前記下限電圧値以上の値に設定し、
    前記目標出力電圧に応じた電圧を出力するように前記昇圧コンバータを制御する、
    昇圧コンバータの制御方法。
  2. 請求項1に記載の昇圧コンバータの制御方法において、
    前記下限電圧値は、前記モータの出力電力が大きいほど大きい値に設定される、
    昇圧コンバータの制御方法。
  3. 請求項1に記載の昇圧コンバータの制御方法において、
    前記下限電圧値は、前記モータの電流応答遅れの大きさに応じて変更される、
    昇圧コンバータの制御方法。
  4. 請求項3に記載の昇圧コンバータの制御方法において、
    前記昇圧コンバータから前記負荷側に電力が供給される場合には、前記下限電圧値は、前記モータの電流応答遅れが小さいほど大きい値に設定される、
    昇圧コンバータの制御方法。
  5. 請求項3に記載の昇圧コンバータの制御方法において、
    前記昇圧コンバータに負荷側から電力が供給される場合には、前記下限電圧値は、前記モータの電流応答遅れが大きいほど大きい値に設定される、
    昇圧コンバータの制御方法。
  6. 請求項1に記載の昇圧コンバータの制御方法において、
    前記下限電圧値は、前記昇圧コンバータの共振周波数と前記モータの振動周波数との周波数差が小さいほど大きくなるように算出される補正値が加算されることにより補正される、
    昇圧コンバータの制御方法。
  7. 請求項6に記載の昇圧コンバータの制御方法において、
    前記補正値は、補正後において、前記周波数差が前記補正前より小さくなり、且つ、前記昇圧コンバータの共振周波数が前記モータの振動周波数より大きい場合には、前記周波数差が0の場合に算出される値とする、
    昇圧コンバータの制御方法。
  8. 請求項6に記載の昇圧コンバータの制御方法において、
    前記補正値は、補正後において、前記周波数差が補正前より小さくなり、且つ、前記昇圧コンバータの共振周波数が前記モータの振動周波数より小さい場合には、補正前の前記周波数差に基づいて算出される前記補正値に代えて、補正後の前記周波数差に基づいて算出される前記補正値とする、
    昇圧コンバータの制御方法。
  9. 請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の昇圧コンバータの制御方法において、
    前記モータの動作点に応じて要求される出力電力を確保し、且つ、前記モータを最も効率よく駆動させる最適効率電圧値を算出し、
    前記下限電圧値および前記最適効率電圧値の大きい方の電圧値を前記目標出力電圧に設定する、
    昇圧コンバータの制御方法。
  10. 電源から入力される電圧を昇圧して負荷側に供給する昇圧コンバータと、当該昇圧コンバータを制御するコントローラとを備える昇圧コンバータの制御装置において、
    前記コントローラは、
    前記負荷側に接続されたモータに対するトルク指令値と、前記モータの回転数と、に基づいて、前記昇圧コンバータに対する要求電力を算出し、
    前記要求電力に基づいて、前記モータの動作点に応じて要求される出力電力を確保し、且つ、前記昇圧コンバータの出力電圧振動を抑制する下限電圧値を算出し、
    前記昇圧コンバータの目標出力電圧を前記下限電圧値以上の値に設定し、
    前記目標出力電圧を出力するように前記昇圧コンバータを制御する、
    昇圧コンバータの制御装置。
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