JPWO2010140212A1 - 電圧変換装置の制御装置、それを搭載した車両および電圧変換装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
モータ駆動制御装置における電圧変換装置(12)において、スイッチング動作により電力変換を行なう上アーム(Q1)および下アーム(Q2)について、スイッチング動作におけるデッドタイムによって制限される電圧変換装置(12)の出力可能電圧範囲を拡大するようにスイッチング制御を行なう。これによって、デッドタイムによって発生する、電圧変換装置(12)の出力電圧制限を抑制することができる。
Description
本発明は、電圧変換装置の制御装置、それを搭載した車両および電圧変換装置の制御方法に関し、より特定的には、デッドタイムによって発生する電圧変換装置の出力電圧制限の抑制に関する。
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など)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必要と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器(コンバータ)が備えられる場合がある。また、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、インバータおよびモータの小型化,低コスト化を図ることができる。
特開2006−187186号公報(特許文献1)には、モータ駆動装置の電圧変換装置について、電圧変換装置の電圧指令値が電源電圧に近い領域において、電圧変換装置のスイッチング素子が、デッドタイムの影響を受ける場合に、スイッチング素子のスイッチング制御に用いるキャリア周波数を低下させる技術が開示される。
この技術によれば、電圧変換装置の電圧指令値が電源電圧に近い領域、すなわち電圧変換装置の上アームのオンデューティが1.0に非常に近い領域において、デッドタイムによって本来目標とするオンデューティが確保できないことによって出力電圧の振動が発生する。この技術によれば、電圧変換装置の出力電圧の振動を抑制することができる。
インバータやコンバータなどの電力変換装置においては、装置自体の小型化やスイッチングによって発生する騒音を抑制するために、スイッチング制御におけるキャリア周波数の高周波化が進められている。
スイッチング制御のキャリア周波数が高周波化されると、スイッチング素子のスイッチング周期が短くなる。そうすると、スイッチング素子の動作速度が同じであると、1回あたりのスイッチングにおけるデッドタイムは変わらないために、高周波化しない場合と比較してスイッチング周期におけるデッドタイムの割合が増加することになる。その結果、オンデューティが1.0に非常に近い領域でなくとも、所望のオンデューティを確保できなくなってしまう場合が起こりうるので、電圧変換装置の出力可能な電圧範囲が制限されてしまうという問題がある。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、モータ駆動制御装置における電圧変換装置において、デッドタイムによって発生する電圧変換装置の出力電圧制限を抑制することである。
本発明による電圧変換装置の制御装置は、蓄電装置と負荷装置との間で電圧変換が可能な電圧変換装置の制御装置である。電圧変換装置は、負荷装置の電力線と接地線との間に直列に接続され、スイッチング動作により電圧変換を行なう第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含む。また、スイッチング動作は、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がいずれもオフ状態となる期間であるデッドタイムを含む。制御装置は、スイッチング動作のキャリア周波数を設定する周波数設定部と、電圧変換の電圧指令値およびキャリア周波数に基づいて、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ように構成された駆動制御部とを備える。そして、駆動制御部は、電圧変換装置に入出力される電力に関連する情報に基づいて、デッドタイムにより制限される電圧変換装置の出力可能電圧範囲を拡大するように第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。
好ましくは、電圧変換装置に入出力される電力に関連する情報は、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の目標デューティである。また、駆動制御部は、電圧指令値に基づいて、目標デューティを演算するように構成された目標値演算部と、キャリア周波数およびデッドタイムに基づいて、出力可能電圧範囲を定めるデューティ範囲を演算するように構成された基準値演算部とを含む。そして、駆動制御部は、目標デューティがデューティ範囲を超える場合は、出力可能電圧範囲を拡大するようにスイッチング制御を行なう。
また好ましくは、駆動制御部は、目標デューティがデューティ範囲を超える場合は、キャリア周波数を低下させるように構成された周波数変更部をさらに含む。
あるいは好ましくは、駆動制御部は、目標デューティがデューティ範囲を超える場合は、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のいずれか一方を選択する一方で、目標デューティがデューティ範囲内の場合には第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の両方を選択するように構成された選択部と、選択部によって選択されたスイッチング素子の駆動指令を生成する駆動指令生成部とをさらに含む。
また好ましくは、選択部は、目標デューティがデューティ範囲の上限値より大きいときには、第2のスイッチング素子を選択する。
あるいは好ましくは、選択部は、目標デューティがデューティ範囲の下限値より小さいときには、第1のスイッチング素子を選択する。
好ましくは、周波数設定部は、電圧変換装置に入出力される電力に関連する情報に基づいて、キャリア周波数を可変に設定する。
また好ましくは、電圧変換装置に入出力される電力に関連する情報は、蓄電装置の出力電力、出力電圧および出力電流の少なくとも1つを含む。
あるいは好ましくは、電圧変換装置は、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の接続ノードと、蓄電装置の正極端子とを結ぶ経路に設けられたリアクトルをさらに含む。そして、電圧変換装置に入出力される電力に関連する情報は、リアクトルに流れるリアクトル電流を含む。
あるいは好ましくは、電圧変換装置に入出力される電力に関連する情報は、負荷装置への供給電力を含む。
本発明による車両は、蓄電装置と、回転電機と、インバータと、電圧変換装置と、制御装置とを備える。回転電機は、車両の推進のための駆動力を発生させる。インバータは、回転電機を駆動する。電圧変換装置は、直蓄電装置とインバータとの間で電圧変換が可能に構成される。制御装置は、電圧変換装置を制御する。また、電圧変換装置は、負荷装置の電力線と接地線との間に直列に接続され、スイッチング動作により電圧変換を行なう第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含む。スイッチング動作は、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がいずれもオフ状態となる期間であるデッドタイムを含む。さらに、制御装置は、スイッチング動作のキャリア周波数を設定する周波数設定部と、電圧変換の電圧指令値およびキャリア周波数に基づいて、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ように構成された駆動制御部とを含む。そして、駆動制御部は、電圧変換装置に入出力される電力に関連する情報に基づいて、デッドタイムにより制限される電圧変換装置の出力可能電圧範囲を拡大するように第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子のスイッチング制御を行なう。
好ましくは、電圧変換装置に入出力される電力に関連する情報は、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の目標デューティである。また、駆動制御部は、電圧指令値に基づいて、目標デューティを演算するように構成された目標値演算部と、キャリア周波数およびデッドタイムに基づいて、出力可能電圧範囲を定めるデューティ範囲を演算するように構成された基準値演算部とを含む。そして、駆動制御部は、前記目標デューティがデューティ範囲を超える場合は、出力可能電圧範囲を拡大するようにスイッチング制御を行なう。
また好ましくは、駆動制御部は、目標デューティがデューティ範囲を超える場合は、キャリア周波数を低下させるように構成された周波数変更部をさらに含む。
あるいは好ましくは、駆動制御部は、目標デューティがデューティ範囲を超える場合には、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のいずれか一方を選択する一方で、目標デューティがデューティ範囲内の場合には第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の両方を選択するように構成された選択部と、選択部によって選択されたスイッチング素子の駆動指令を生成する駆動指令生成部とをさらに含む。
本発明による電圧変換装置の制御方法は、蓄電装置と負荷装置との間で電圧変換が可能な電圧変換装置の制御方法である。電圧変換装置は、負荷装置の電力線と接地線との間に直列に接続され、スイッチング動作により電圧変換を行なう第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含む。また、スイッチング動作は、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がいずれもオフ状態となる期間であるデッドタイムを含む。そして、電圧変換装置の制御方法は、スイッチング動作のキャリア周波数を設定するステップと、電圧変換の電圧指令値およびキャリア周波数に基づいて、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ステップと、電圧変換装置に入出力される電力に関連する情報に基づいて、デッドタイムにより制限される電圧変換装置の出力可能電圧範囲を拡大するように第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子のスイッチング制御を行なうステップとを備える。
本発明によれば、モータ駆動制御装置における電圧変換装置において、デッドタイムによって発生する電圧変換装置の出力電圧制限を抑制することができる。
以下において、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1に従う交流電動機の制御装置が適用されるモータ駆動制御システムを搭載したハイブリッド車両100の全体構成図である。実施の形態1においては、車両100としてエンジンおよびモータジェネレータを搭載したハイブリッド車両を例として説明するが、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であれば適用可能である。車両100としては、ハイブリッド車両以外にたとえば電気自動車や燃料電池自動車などが含まれる。
図1は、実施の形態1に従う交流電動機の制御装置が適用されるモータ駆動制御システムを搭載したハイブリッド車両100の全体構成図である。実施の形態1においては、車両100としてエンジンおよびモータジェネレータを搭載したハイブリッド車両を例として説明するが、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であれば適用可能である。車両100としては、ハイブリッド車両以外にたとえば電気自動車や燃料電池自動車などが含まれる。
また、本実施の形態においては車両についてモータ駆動制御システムを適用した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、本モータ駆動制御システムの適用が可能である。
図1を参照して、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、制御装置(以下、ECU「Electronic Control Unit」とも称する。)30とを備える。
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、代表的には、ニッケル水素また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VBおよび入出力される直流電流IBは、電圧センサ10および電流センサ11によってそれぞれ検出される。そして、電圧センサ10および電流センサ11は、検出した直流電圧VBおよび直流電流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の正極端子および電力線PL1の間に接続され、システムリレーSR2は、蓄電装置28の負極端子および接地線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、リアクトルL1と、スイッチング素子Q1およびダイオードD1を含む上アームと、スイッチング素子Q2およびダイオードD2を含む下アームとを含む。スイッチング素子Q1およびQ2は、電力線PL2および接地線NLの間に直列に接続される。スイッチング素子Q1および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。
本実施の形態において、スイッチング素子としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、電力用MOS(Metal Oxide Semiconductor)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およびQ2の接続ノードV0と電力線PL1の間に接続される。また、平滑コンデンサC2は、電力線PL2および接地線NLの間に接続される。
電流センサ18は、リアクトルL1を流れるリアクトル電流を検出し、その検出値ILをECU30に出力する。なお、本実施の形態においては、リアクトル電流ILは、蓄電装置28から負荷装置45へ向かう方向を正とし、負荷装置45から蓄電装置28へ向かう方向を負とする。
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およ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、実施の形態1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、遊星歯車機構(プラネタリーギヤ)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および接地線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および接地線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を含んで構成され、V相上下アーム16はスイッチング素子Q5,Q6を含んで構成され、W相上下アーム17はスイッチング素子Q7,Q8を含んで構成される。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。
代表的には、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、詳細な説明は繰り返さない。
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、詳細な説明は繰り返さない。
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および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VB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およ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なわれる。
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VB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およ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なわれる。
これらの昇圧動作および降圧動作における電圧変換比(VHおよびVB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およびQ2をオンおよびオフにそれぞれ固定すれば、VH=VB(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。
さらに、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に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零であるので、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および角速度ω1,ω2(rad/s)を算出できる。なお、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、回転角センサ26,27については配置しないようにしてもよい。
ECU30は、いずれも図示しないがCPU(Central Processing Unit)、記憶装置およ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、これらの制御については、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VB、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および電流センサ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およびインバータ23の動作を制御する。すなわち、コンバータ12およびインバータ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およびインバータ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。
リアクトルL1を流れるリアクトル電流を時間軸方向に平均したリアクトル平均電流が正の状態は、蓄電装置28からの電力によってモータジェネレータMG1,MG2を駆動する力行状態であり、リアクトル平均電流が負の状態は、モータジェネレータMG1,MG2によって発電された電力を蓄電装置28に充電する回生状態である。なお、車両100の走行状態によっては、モータジェネレータMG1,MG2のそれぞれの状態(力行,回生)が異なる場合がある。たとえば、モータジェネレータMG1を回生状態で発電しながら、モータジェネレータMG2を力行状態として駆動輪42を駆動するような場合である。そのため、以降の説明においては、負荷装置45に対して蓄電装置28から電力が供給される場合を総称して力行状態と呼び、負荷装置45で発電された電力が蓄電装置28に充電される場合を総称して回生状態と呼ぶこととする。
図2は、スイッチング制御におけるデッドタイムの影響を説明するためのタイムチャートである。図2において、横軸には時間が示されており、縦軸にはスイッチング制御における搬送波(キャリア波)と、スイッチング素子Q1,Q2の動作状態と、接続ノードV0の電圧とが示される。なお、図2は負荷装置45が力行状態であり、かつリアクトル電流ILが常に正となる高負荷の場合の例を示す。
図2を参照して、スイッチング素子Q1,Q2の駆動指令は、基本的には、キャリア波と指令デューティとの比較によって生成される。たとえば、図2において、指令デューティがW2であった場合は、時刻t1からt4までのスイッチング周期Tでは、キャリア波W1と指令デューティW2との交点A1から交点A2の間(すなわち、時刻t1からt2)において、スイッチング素子Q1がオン(スイッチング素子Q2はオフ)に制御され、交点A2から交点A3の間(すなわち、時刻t2からt4)において、スイッチング素子Q1がオフ(スイッチング素子Q2はオン)に制御される。
したがって、指令デューティが1.0になると、上アームであるスイッチング素子Q1が常にオンの状態に制御され、スイッチング素子Q2が常にオフの状態に制御される。反対に、指令デューティが0.0になると、上アームであるスイッチング素子Q1が常にオフに制御され、スイッチング素子Q2が常にオンの状態に制御される。
しかしながら、実際の制御においては、スイッチング素子の動作速度を考慮して、スイッチング素子Q1,Q2が同時にオン状態となって電力線PL2と接地線NLとが短絡状態となることを防止するために、一方のスイッチング素子のオフ後、一定時間は他方のスイッチング素子をオンさせない期間(デッドタイム)が設けられる。
また、スイッチング素子自体も、オフからオン、またはオンからオフへ動作する場合に動作時間が必要となるので、スイッチング素子の最小オン時間(または最小オフ時間)が必要である。そのため、このデッドタイムとスイッチング素子の最小オン時間(または最小オフ時間)によって、実際のデューティ(以下、「実デューティ」とも称する。)が制限される場合がある。
図2においては、本来であれば、スイッチング素子Q2のオフ期間は、交点A1から交点A2の間(時刻t1からt2)となるはずであるが、デッドタイムおよびスイッチング素子Q1の最小オン時間によって、時刻t1からt3までの間、スイッチング素子Q2がオフの状態となる。
このとき、デッドタイムの期間中は、図3から図8で詳細に後述するように、負荷の動作状態によって、回路を流れる電流の向きが異なる。
図2においては、上述のようにリアクトル電流ILが常に正の状態であるので、デッドタイム期間中も上アーム側に電流が流れる。
そのため、接続ノードV0の電圧は、時刻t1からt3の間(時間T1)はシステム電圧VHとなる。したがって、デッドタイムとスイッチング素子の最小オン時間によって制限された実デューティは、スイッチング周期Tの間にスイッチング素子Q1,Q2の接続ノードV0の電圧がシステム電圧となる割合、すなわちT1/Tで表わすことができる。
次に、図3から図8を用いて、負荷の動作状態が異なる場合の実デューティの違いについて説明する。
図3は、図2と同様に、負荷装置45が力行状態でかつリアクトル電流ILが常に正となる場合の、実デューティを説明するためのタイムチャートである。図3の横軸には時間が示され、縦軸には、リアクトル電流IL、キャリア波、スイッチング素子Q1,Q2の動作状態および接続ノードV0の電圧が示される。
スイッチング素子Q1,Q2の駆動指令は、キャリア波と指令デューティとの比較によって生成されるが、上述のように、デッドタイムおよびスイッチング素子の最小オン時間によって実際の動作は制約を受ける。
図4は、図3の場合のコンバータ12を流れる電流を説明するための図である。図3および図4を参照して、図3の場合では、スイッチング素子Q2がオンの状態においては、図4中の実線矢印AR1のように、電流は電力線PL1からリアクトルL1およびスイッチング素子Q2を経由して接地線NLに向かう方向に流れる。このときにリアクトルL1に正のエネルギが蓄積される。そして、スイッチング素子Q2がオフになると、次にスイッチング素子Q1がオンされる。しかし、図3の場合では、スイッチング素子Q2がオフとなる期間(すなわちデッドタイム期間およびスイッチング素子Q1がオンの期間)は、リアクトルL1に蓄積された正のエネルギによって、電流はダイオードD1を経由してリアクトルL1から電力線PL2に向かう方向(図4中の実線矢印AR2)に流れる。
これによって、接続ノードV0の電圧は、スイッチング素子Q2がオフしている間は常にシステム電圧VHとなる。そのため、実デューティは、スイッチング周期Tにおける、デッドタイムとスイッチング素子Q1のオン時間とを加えた時間の割合となる。
図5は、力行状態ではあるがリアクトル電流がゼロに近い低負荷時の場合の、実デューティを説明するためのタイムチャートである。図5は、図3と同じ指令デューティであるが、スイッチング周期中に、リアクトル電流ILが正から負、または負から正へ切替わる。
図6は、図5の場合のコンバータ12を流れる電流を説明するための図である。図5および図6を参照して、スイッチング素子Q2がオンからオフに切替わった直後においては、リアクトル電流ILは正であるので、図3の場合と同様に、電流はダイオードD1を経由して図6中の実線矢印AR2の方向に流れる。その後、スイッチング素子Q1がオンされるが、電流が減少してゼロとなると、今度は電力線PL2からスイッチング素子Q1を経由して電力線PL1に向かう方向(図6中の破線矢印AR4)に電流が流れ始める。これにより、リアクトルL1に負のエネルギが蓄積される。
そして、スイッチング素子Q1がオフとなりスイッチング素子Q2がオンするまでのデッドタイム期間、およびスイッチング素子Q2がオン後においては、リアクトルL1に蓄積された負のエネルギの放出が完了するまでは、接地線NLからダイオードD2を経由してリアクトルL1に向かう方向(図6中の破線矢印AR3)に電流が流れる。
その後、リアクトルL1に蓄積されたエネルギの放出が完了すると、今度は、蓄電装置28からの出力電力によって、電力線PL1からリアクトルL1およびスイッチング素子Q2を経由して接地線NLに向かう方向(図6中の実線矢印AR1)に電流が流れる。これによって、リアクトルL1に正のエネルギが蓄積される。
このように、リアクトル電流ILが正から負、または負から正へ切替わる場合には、リアクトル電流ILが負の状態におけるデッドタイム期間は、接続ノードV0の電圧はゼロとなる。そのため、実デューティは、スイッチング周期Tにおける、スイッチング素子Q1のオン時間とスイッチング素子Q2オフからスイッチング素子Q1オンまでのデッドタイムとを加えた時間の割合となる。
図7は、負荷装置45が回生状態でかつリアクトル電流ILが常に負となる場合の、実デューティを説明するためのタイムチャートである。また、図8は、図7の場合のコンバータ12を流れる電流を説明するための図である。また、図7における指令デューティは、図3および図5の場合と同様である。
図7および図8を参照して、スイッチング素子Q1がオンの状態では、リアクトル電流ILが負であるので、電流は電力線PL2からスイッチング素子Q1を経由してリアクトルL1に向かう方向(図8中の破線矢印AR4)に流れる。
そして、スイッチング素子Q1がオフするが、その後スイッチング素子Q2がオンするまでのデッドタイム期間、スイッチング素子Q2がオンしている期間、およびスイッチング素子Q2がオフしてからスイッチング素子Q1がオンするまでのデッドタイム期間のいずれの期間においても、リアクトル電流ILが負の状態であるので、接地線NLからダイオードD2を経由してリアクトルL1に向かう方向(図8中の破線矢印AR3)に電流が流れる。
このように、図7の場合では、接続ノードV0の電圧がシステム電圧VHとなる期間は、スイッチング素子Q1がオンしている期間のみとなる。そのため、実デューティは、スイッチング周期Tにおける、スイッチング素子Q1のオン時間の割合となる。
このように、負荷の状態によって、デッドタイム期間中に流れる電流の方向が異なってくるため、指令デューティが0または1に近くなるような状態においてデッドタイムによりオンデューティが侵食される場合には、指令デューティが達成できなくなる。
図9は、力行状態における、蓄電装置28の出力電流IBと、出力電力POUTおよび出力電圧VBとの関係を示す図である。図9において、横軸には出力電流IBが示され、縦軸には出力電圧VB(上段)と出力電力POUT(下段)が示される。なお、以降の説明においては、力行状態の場合を例として説明するが、回生状態の場合についても同様である。
図9を参照して、蓄電装置28の出力電圧VBは、蓄電装置28の開放電圧をVB0、内部抵抗をRBとすると、式(1)のように表わすことができる。
VB=VB0−IB・RB …(1)
これを図示すると、図9の上段の直線W10のようになる。
これを図示すると、図9の上段の直線W10のようになる。
また、蓄電装置28の出力電力POUTは、出力電圧VBと出力電圧のIBとの積で表わすことができる。
POUT=VB・IB …(2)
この式(2)に式(1)を代入すると、式(3)のようになる。
この式(2)に式(1)を代入すると、式(3)のようになる。
POUT=(VB0−IB・RB)・IB …(3)
これを変形することにより、式(4)が得られる。
これを変形することにより、式(4)が得られる。
POUT=−RB・{IB−(VB0/2RB)}2+(VB02/4RB2) …(4)
これを図示すると、図9の曲線W20のような放物線になる。
これを図示すると、図9の曲線W20のような放物線になる。
なお、出力電流IBがIB0より大きい場合は、蓄電装置28の内部抵抗で消費される電力が大きくなるため(出力過大範囲)、通常は出力電流が0からIB0の範囲(通常範囲)で使用される。
図9および式(4)より、蓄電装置28から取出すことのできる最大電力Pmaxは、図9中の出力電流IBがIB0(=VB0/2RB)となる場合であり、このときの蓄電装置28の出力電圧はVB0/2となる。
すなわち、コンバータ12を駆動させるためのデューティ(VB/VH)を、VB0/2VHとなるようにすれば蓄電装置28から最大電力を取出すことができることになる。
しかしながら、図3から図8で説明したように、スイッチング素子Q1,Q2のデッドタイムの影響がある場合には、デッドタイムによってオンデューティが侵食されてしまい、指令デューティが達成できなくなる場合が起こりうる。そうなると、蓄電装置28からの電力が十分に引き出せなくなるので、所望のシステム電圧VHが達成できず、動力性能不足となる可能性がある。
図10は、デッドタイムの影響がある場合とない場合においての、力行状態でのデューティを比較したタイムチャートである。図10の上段はキャリア波を示し、中段はデッドタイムの影響がない理想的な場合のスイッチング素子Q1,Q2の動作状態と、接続ノードV0の電圧を示している。また、図10の下段は、デッドタイムを考慮した実際の場合のスイッチング素子Q1,Q2の動作状態と、接続ノードV0の電圧を示している。
図10を参照して、デッドタイムの影響がない場合のデューティは、指令デューティと一致するので、スイッチング周期Tにおけるスイッチング素子Q1のオン時間の割合(T1/T)となる。
デッドタイムの影響がある場合については、図3で説明したように、デッドタイム期間中には、ダイオードD1を経由して電流が流れるので、実デューティとしては、T1A/Tとなる。
ここで、T1<T1Aなので、図10の上段のように、実デューティは指令デューティよりも大きくなってしまい、スイッチング素子Q2がオンしている期間(T2A)がT2と比較して短くなる。
コンバータ12で昇圧を行なう場合、その昇圧比(VH/VB)を大きくするには、スイッチング素子Q2のオン時間を大きくしてリアクトルL1に蓄積するエネルギを大きくすることが必要となるが、上述のようにデッドタイムによって実デューティが制限されてしまうと、リアクトルL1に蓄積されるエネルギが小さくなるので、所望の昇圧比が達成できなくなる場合が発生する。
特に冬季や寒冷地などにおいて、蓄電装置28の温度が低下するような場合では、蓄電装置28の出力電圧VBが低下してしまう。そのため、目標とするシステム電圧VHに対して必要となる昇圧比が大きくなるので、目標デューティが達成できない場合にはモータ駆動に必要な電力が得られずに動力性能の低下を招く可能性がある。
また、近年、コンバータやインバータなどの電力変換装置において、装置自体の小型化やスイッチングによって発生する騒音を抑制するために、スイッチング制御におけるキャリア周波数の高周波化が進められている。そうすると、スイッチング周期中にデッドタイムが占める割合が大きくなるので、所望の昇圧比を達成できなくなる場合が増加する。
そこで、実施の形態1においては、コンバータ12の目標出力電圧が、スイッチング素子Q1,Q2のデッドタイムの影響によって実際に設定可能な電圧範囲を超える場合、すなわち指令デューティがスイッチング素子Q1,Q2のデッドタイムの影響によって設定可能な実デューティの範囲を超える場合には、キャリア周波数を通常の場合よりも低く設定するコンバータ駆動制御を行なう。
このようにすることで、低温時などで出力電圧が制限される場合においては、キャリア周波数を低下させることによってデッドタイムの影響が小さくできるので、目標とする出力電圧を得ることができるようになる。また、目標出力電圧が設定可能電圧範囲内においては、キャリア周波数の高周波化を維持することができる。
図11は、図2で示した力行状態において、実施の形態1のコンバータ駆動制御を適用した場合の実デューティを説明するためのタイムチャートである。
図2および図11を参照して、実施の形態1でのコンバータ駆動制御を適用した場合、コンバータ12の目標出力電圧が、スイッチング素子Q1,Q2のデッドタイムの影響によって実際に設定可能な電圧範囲を超えるときには、図11のようにキャリア周波数が低く設定される。これによって、スイッチング周期はTからT#(T<T#)になる。
ここで、スイッチング素子Q1,Q2の動作速度は変わらないので、1回あたりのデッドタイムの設定は変えなくてよい。そのため、スイッチング周期T#におけるデッドタイムの割合は、実施の形態1を適用しない場合に比べて小さくなる。その結果、実デューティ(T1#/T#)のとりうる範囲が大きくなる。
図12は、実施の形態1における、ECU30で実行されるコンバータ駆動制御を説明するための機能ブロック図である。図12および以降の図15,図17,図22で説明される機能ブロック図に記載された各機能ブロックは、ECU30によるハードウェア的あるいはソフトウェア的な処理によって実現される。
図1および図12を参照して、ECU30は、周波数設定部300と、電圧指令設定部310と、駆動制御部320とを含む。また、駆動制御部320は、目標値演算部330と、基準値演算部340と、選択部350と、周波数変更部360と、発振部370と、駆動指令生成部380とを含む。
周波数設定部300は、予め設定されたキャリア周波数FCを設定する。実施の形態1においては、このキャリア周波数FCは固定値である。そして、周波数設定部300は、設定したキャリア周波数FCを、基準値演算部340と、周波数変更部360に出力する。
基準値演算部340は、周波数設定部300からのキャリア周波数FCと、予め設定されたスイッチング素子Q1,Q2のデッドタイムおよび最小オン時間とに基づいて、デッドタイムを考慮した設定可能な実デューティの範囲の上限値ULおよび下限値LLを演算する。そして、基準値演算部340は、その演算結果を選択部350に出力する。
電圧指令設定部310は、モータジェネレータMG1,MG2のトルク指令値TR1,TR2と、モータジェネレータMG1,MG2の回転速度MRN1,MRN2の入力を受ける。そして、電圧指令設定部310は、これらの情報に基づいて、インバータ23の入力電圧(システム電圧)VHの電圧指令値VHREFを演算して、目標値演算部330に出力する。
目標値演算部330は、電圧指令設定部310から電圧指令値VHREFの入力を受ける。また、目標値演算部330は、電圧センサ10,13によってそれぞれ検出された、蓄電装置28の出力電圧VBおよびシステム電圧VHの入力を受ける。
目標値演算部330は、これらの情報に基づいて、指令デューティDUTYを演算する。そして、目標値演算部330は、演算結果を選択部350および駆動指令生成部380に出力する。
選択部350は、基準値演算部340からの設定可能デューティ範囲の上限値ULおよび下限値LLと、目標値演算部330からの指令デューティDUTYとの入力を受ける。そして、選択部350は、指令デューティDUTYが設定可能デューティ範囲内であるか否かの判定を行なう。そして、選択部350は、指令デューティDUTYが設定可能デューティ範囲内である場合は、変更フラグFLGをオフに設定し、指令デューティDUTYが、設定可能デューティ範囲を超えている場合は、変更フラグFLGをオンに設定する。そして、選択部350は、変更フラグFLGを周波数変更部360へ出力する。
周波数変更部360は、周波数設定部300からのキャリア周波数FCと、選択部350からの変更フラグFLGとの入力を受ける。そして、周波数変更部360は、変更フラグFLGがオフの場合は、周波数設定部300から受けたキャリア周波数FCを、発振部370で使用するためのキャリア周波数FC*に設定する。一方、変更フラグがオンの場合は、周波数変更部360は、発振部370で使用するためのキャリア周波数FC*として、キャリア周波数FCよりも低い周波数に設定する。そして、周波数変更部360は、設定したキャリア周波数FC*を、発振部370へ出力する。
なお、周波数変更部360における周波数の変更については、予め設定された固定周波数に変更するようにしてもよいし、指令デューティと上述の上限値ULもしくは下限値LLとの差に応じて、可変に変更するようにしてもよい。
発振部370は、周波数変更部360から入力を受けたキャリア周波数FC*に従ったキャリア波CARを発生し、駆動指令生成部380に出力する。
駆動指令生成部380は、発振部370からのキャリア波CAR、および目標値演算部330からの指令デューティDUTYの入力を受ける。そして、駆動指令生成部380は、キャリア波CARと指令デューティDUTYとの比較に基づいて、スイッチング素子Q1,Q2を駆動するためのスイッチング制御指令PWCを生成し、コンバータ12へ出力する。
図13は、実施の形態1における、ECU30で実行されるコンバータ駆動制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図13および以降の図16,図21,図23のフローチャート中の各ステップについては、ECU30に予め格納されたプログラムを所定周期で実行することによって実現される。あるいは、一部のステップについては、専用のハードウェア(電子回路)を構築して処理を実現することも可能である。
図12および図13を参照して、ECU30は、ステップ(以下、ステップをSと略す。)400にて、キャリア周波数FCを周波数設定部300で所定の初期値(FC0)に設定する。
次にECU30は、S410にて、モータジェネレータMG1,MG2のトルク指令値TR1,TR2等に基づいて演算されたコンバータ12の出力電圧の電圧指令値VHREFおよび蓄電装置28の出力電圧VBに基づいて、スイッチング素子Q1,Q2の指令デューティDUTYを目標値演算部330で演算する。
また、ECU30は、S420にて、キャリア周波数FCおよびスイッチング素子Q1,Q2のデッドタイムの設定値に基づいて、デッドタイムを考慮した実際に設定可能なデューティの範囲の上限値ULおよび下限値LLを基準値演算部340で演算する。
そして、ECU30は、S430にて、指令デューティDUTYが、設定可能範囲内か否か、すなわちLL<DUTY<ULであるか否かを選択部350で判定する。
指令デューティDUTYが設定可能範囲内の場合(S430にてYES)は、ECU30は、S470に処理を進め、キャリア周波数FCをS400で設定した初期値(FC0)としてキャリア波CARを発生するとともに、このキャリア波CARと指令デューティDUTYとを比較することによって、スイッチング素子Q1,Q2の制御指令PWCを生成してコンバータ12に出力する。
一方、指令デューティDUTYが設定可能範囲を超えている場合、すなわちDUTY≦LLもしくはDUTY≧ULの場合(S430にてNO)は、次にS440に処理が進められ、ECU30は、キャリア周波数FCを低下させるように変更する。
そして、ECU30は、S450にて低下させたキャリア周波数が、予め設定されたキャリア周波数の基準値(下限値)よりも大きいか否かを判定する。このキャリア周波数の基準値(下限値)については、ECU30の制御周期や制御の安定性等を考慮して設定される。
S450にて低下させたキャリア周波数が、予め設定されたキャリア周波数の基準値(下限値)よりも大きい場合(S450にてYES)は、S470に処理が進められ、ECU30は、変更後のキャリア周波数FC*に従ったキャリア波CARを発生するとともに、スイッチング素子Q1,Q2の制御指令PWCを生成してコンバータ12に出力する。
一方、S450にて低下させたキャリア周波数が、予め設定されたキャリア周波数の基準値(下限値)以下の場合(S450にてNO)は、ECU30は、S460にて、変更後のキャリア周波数FC*をキャリア周波数の下限値に設定する。そして、ECU30は、S470で制御指令PWCを生成してコンバータ12に出力する。
以上のような処理に従って制御を行なうことによって、目標出力電圧VHREFが設定可能電圧範囲内においてはキャリア周波数を高周波のまま維持できるので、コンバータ12の小型化やスイッチングによって発生する騒音を抑制するという、高周波化のメリットを享受できる。それとともに、低温時などで出力電圧が制約される場合には、キャリア周波数を低く設定することによって出力電圧制限を抑制して、目標とする出力電圧を得ることができる。また、目標出力電圧VHREFが設定可能電圧範囲を超える場合は、コンバータ12には大電流が流れるため、キャリア周波数を低下させることによって、スイッチング素子Q1,Q2の発熱を抑制することができる。これによって、スイッチング素子Q1,Q2の耐熱仕様を緩和したり、冷却設備(図示しない)の仕様を緩和したりすることができるので、さらにコスト低減を図ることができる。
[実施の形態2]
実施の形態1においては、目標出力電圧VHREFが設定可能電圧範囲を超える場合に、キャリア周波数を低下させることによって、設定可能電圧範囲を拡大する構成について説明した。
実施の形態1においては、目標出力電圧VHREFが設定可能電圧範囲を超える場合に、キャリア周波数を低下させることによって、設定可能電圧範囲を拡大する構成について説明した。
実施の形態2では、目標出力電圧VHREFが設定可能電圧範囲を超える場合に、スイッチング素子Q1,Q2のうちの一方のスイッチング素子のみを駆動(以下、「片アーム駆動」とも称する。)させるようにスイッチング制御を行なうことによって、デッドタイムの期間を減少させて設定可能電圧範囲を拡大する構成について説明する。
図14は、図2の力行状態において実施の形態2のコンバータ駆動制御を適用した場合の、実デューティを説明するためのタイムチャートである。
リアクトル電流ILが常に正となる場合においては、スイッチング素子Q2がオフの状態のときは、スイッチング素子Q1の動作状態にかかわらず、ダイオードD1を経由して電流が流れる。したがって、このような状態においては、スイッチング素子Q1の駆動を停止しても、スイッチング素子Q1,Q2の両アーム駆動の場合と同様の電流状態となる。
ここで、スイッチング素子Q1の駆動を停止したままの状態とするので、スイッチング素子Q1,Q2が同時にオン状態となって、電力線PL2と接地線NLが短絡してしまう状態は発生しない。したがって、基本的にはデッドタイムを考慮する必要がなくなる。また、スイッチング素子Q1の最小オン時間についても考慮する必要がなくなる。
その結果、図14中のT1の時間が、スイッチング素子Q2の最小オフ時間と等しくなる状態まで指令デューティを設定できるので、設定可能電圧範囲を拡大することができる。なお、負荷の状態によっては、力行から回生(または回生から力行)に急に変化したり、片アーム駆動から両アーム駆動に変化したりする場合がある。その場合には、駆動されるスイッチング素子が切替わるため、片アーム駆動の場合でも、図14のように駆動されるスイッチング素子がオンされる前にデッドタイムが設けられる場合がある。
図15は、実施の形態2における、ECU30で実行されるコンバータ駆動制御を説明するための機能ブロック図である。図15は、実施の形態1の図12で説明した機能ブロック図において、駆動制御部320が駆動制御部320Aに置き換わったものとなっている。図15において、図12と重複する機能ブロックの説明は繰り返さない。
図15を参照して、駆動制御部320Aは、目標値演算部330と、基準値演算部340と、選択部350Aと、発振部370と、駆動指令生成部380Aとを含む。
目標値演算部330は、電圧指令設定部310から電圧指令値VHREFの入力を受ける。また、目標値演算部330は、電圧センサ10,13によってそれぞれ検出された、蓄電装置28の出力電圧VBおよびシステム電圧VHの入力を受ける。
目標値演算部330は、これらの情報に基づいて、指令デューティDUTYを演算する。そして、目標値演算部330は、演算結果を選択部350Aおよび駆動指令生成部380Aに出力する。
基準値演算部340は、周波数設定部300からのキャリア周波数FCと、スイッチング素子Q1,Q2のデッドタイムおよび最小オン時間とに基づいて、デッドタイムを考慮した実際に設定可能なデューティの範囲の上限値ULおよび下限値LLを演算する。そしてその演算結果を、選択部350Aに出力する。
選択部350Aは、基準値演算部340からの設定可能デューティ範囲の上限値ULおよび下限値LLと、目標値演算部330からの指令デューティDUTYとの入力を受ける。そして、選択部350Aは、指令デューティDUTYが設定可能デューティ範囲内であるか否かによって、両アーム駆動モードおよびスイッチング素子Q1,Q2のいずれかのスイッチング素子のみを駆動する片アーム駆動モードのいずれかのモードを選択する。具体的には、選択部350Aは、指令デューティDUTYが設定可能デューティ範囲内の場合には、両アーム駆動モードを選択する。また、選択部350Aは、指令デューティが上限値UL以上の場合には、下アーム(スイッチング素子Q2)のみを駆動する片アーム駆動モードを選択する。さらに、選択部350Aは、指令デューティが下限値LL以下の場合には、上アーム(スイッチング素子Q1)のみを駆動する片アーム駆動モードを選択する。
そして、選択部350Aは、選択した駆動モードの選択信号SELを駆動指令生成部380Aに出力する。
発振部370は、周波数設定部300で設定されたキャリア周波数FCに従ったキャリア波CARを発生させ、駆動指令生成部380Aに出力する。
駆動指令生成部380Aは、目標値演算部330からの指令デューティDUTYと、選択部350Aからの選択信号SELと、発振部370からのキャリア波CARの入力を受ける。
そして、駆動指令生成部380Aは、選択信号SELで選択された駆動アームを指令デューティDUTYで駆動するように、指令デューティDUTYとキャリア波CARとを比較し、スイッチング制御指令PWCを生成してコンバータ12に出力する。
図16は、実施の形態2における、ECU30で実行されるコンバータ駆動制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図16は、実施の形態1の図13で説明したフローチャートにおいて、S430からS470のステップに代えて、S435、S436、S445、S446、S447およびS470Aが追加されたものとなっている。図16において、図13と重複するステップの説明は繰り返さない。
図15および図16を参照して、ECU30は、S420でキャリア周波数とスイッチング素子Q1,Q2のデッドタイムの設定値等に基づいて、指令デューティDUTYの上限値ULおよび下限値LLを演算すると、次に処理をS435に進めて、指令デューティDUTYが下限値LL以下であるか否かを判定する。
指令デューティDUTYが下限値LL以下の場合(S435にてYES)は、ECU30は、S445にて、下アーム(スイッチング素子Q2)のみを駆動する片アーム駆動モードを選択する。
一方、指令デューティDUTYが下限値LLより大きい場合(S435にてNO)は、S436に処理が進められ、ECU30は、指令デューティDUTYが上限値UL以上か否かを判定する。
指令デューティDUTYが上限値UL以上の場合(S436にてYES)は、S446に処理が進められ、ECU30は、S446にて、上アーム(スイッチング素子Q1)のみを駆動する片アーム駆動モードを選択する。
一方、指令デューティDUTYが上限値ULより小さい場合、すなわち指令デューティが設定可能範囲内である場合(S436にてNO)は、ECU30は、S447にて、両アーム駆動モードを選択する。
そして、ECU30は、S470Aにて、キャリア周波数FCをS400で設定した初期値(FC0)としてキャリア波CARを発生するとともに、このキャリア波CARと指令デューティDUTYとを比較し、S445、S446もしくはS447で選択された駆動モードでスイッチング素子Q1,Q2を制御するように、制御指令PWCを生成してコンバータ12に出力する。
このような処理に従って制御することによって、常に高キャリア周波数で駆動できるので、コンバータ12の小型化やスイッチングによって発生する騒音を抑制するという、高周波化のメリットを享受できる。
[実施の形態3]
実施の形態1および実施の形態2においては、周波数設定部300で設定されたキャリア周波数FCの初期値(固定値)とデッドタイムの設定時間に基づいて指令デューティDUTYの設定可能範囲を設定し、指令デューティDUTYがその設定可能範囲を超える場合に、キャリア周波数の変更もしくは駆動アーム選択の変更を行なう構成について説明した。
実施の形態1および実施の形態2においては、周波数設定部300で設定されたキャリア周波数FCの初期値(固定値)とデッドタイムの設定時間に基づいて指令デューティDUTYの設定可能範囲を設定し、指令デューティDUTYがその設定可能範囲を超える場合に、キャリア周波数の変更もしくは駆動アーム選択の変更を行なう構成について説明した。
実施の形態3においては、キャリア周波数FCを設定する際に、デッドタイムの影響がある場合には、予めキャリア周波数を低下させるように設定する構成について説明する。
このような構成とすることで、実施の形態1または実施の形態2のように、指令デューティDUTYの設定可能範囲の演算機能や、設定可能範囲と指令デューティとの比較による判定機能などが不要となり、制御処理をシンプルにすることができる。
図17は、実施の形態3における、ECU30で実行されるコンバータ駆動制御を説明するための機能ブロック図である。
図1および図17を参照して、ECU30は、周波数設定部300Aと、電圧指令設定部310と、駆動制御部320Bとを含む。また、駆動制御部320Bは、目標値演算部330と、発振部370と、駆動指令生成部380とを含む。
周波数設定部300Aは、電圧センサ10によって検出される蓄電装置28の出力電圧VB、電流センサ11によって検出される蓄電装置28の出力電流IB、電流センサ18によって検出されるリアクトルL1を流れる電流ILおよび負荷装置45の負荷電力PRの入力を受ける。そして、周波数設定部300Aは、これらの情報に基づいて、予め設定されたマップを参照することによって、キャリア周波数FCを設定する。
図18から図20は、キャリア周波数FCを設定するためのマップの一例である。図18は、キャリア周波数FCを設定するためのマップの第1の例であり、蓄電装置28の出力電力POUT(=VB×IB)に基づいてキャリア周波数FCが設定される。なお、蓄電装置28の出力電圧VBもしくは出力電流IBに基づいてキャリア周波数FCが設定されるようにしてもよい。
図19は、キャリア周波数FCを設定するためのマップの第2の例であり、リアクトルL1を流れるリアクトル電流ILに基づいてキャリア周波数FCが設定される。また、図20は、キャリア周波数FCを設定するためのマップの第3の例であり、負荷装置45の負荷電力PRに基づいてキャリア周波数FCが設定される。
再び図1および図17を参照して、電圧指令設定部310は、モータジェネレータMG1,MG2のトルク指令値TR1,TR2と、モータジェネレータMG1,MG2の回転速度MRN1,MRN2の入力を受ける。そして、電圧指令設定部310は、これらの情報に基づいて、インバータ23の入力電圧(システム電圧)VHの電圧指令値VHREFを演算して、目標値演算部330に出力する。
目標値演算部330は、電圧指令設定部310から電圧指令値VHREFの入力を受ける。また、目標値演算部330は、電圧センサ10,13によってそれぞれ検出された、蓄電装置28の出力電圧VBおよびシステム電圧VHの入力を受ける。
目標値演算部330は、これらの情報に基づいて、指令デューティDUTYを演算する。そして、目標値演算部330は、演算結果を駆動指令生成部380に出力する。
発振部370は、周波数設定部300Aから入力を受けたキャリア周波数FCに従ったキャリア波CARを発生し、駆動指令生成部380に出力する。
駆動指令生成部380は、発振部370からのキャリア波CAR、および目標値演算部330からの指令デューティDUTYの入力を受ける。そして、駆動指令生成部380は、キャリア波CARと指令デューティDUTYとの比較に基づいて、スイッチング素子Q1,Q2を駆動するためのスイッチング制御指令PWCを生成し、コンバータ12へ出力する。
図21は、実施の形態3における、ECU30で実行されるコンバータ駆動制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。
図17および図21を参照して、ECU30は、S405にて、蓄電装置28の出力電圧VBおよび出力電流IB、リアクトル電流ILなどの情報に基づいて、キャリア周波数FCを図18から図20に示すようなマップを参照することによって設定する。
次にECU30は、S410にて、モータジェネレータMG1,MG2のトルク指令値TR1,TR2等に基づいて演算されたコンバータ12の出力電圧の電圧指令値VHREFおよび蓄電装置28の出力電圧VBに基づいて、スイッチング素子Q1,Q2の指令デューティDUTYを目標値演算部330で演算する。
そして、ECU30は、S470にて、S405で設定したキャリア周波数FCに従ったキャリア波CARを発生するとともに、このキャリア波CARと指令デューティDUTYとを比較することによって、スイッチング素子Q1,Q2の制御指令PWCを生成してコンバータ12に出力する。
以上のような処理に従って制御を行なうことによって、デッドタイムの影響を受ける範囲でのキャリア周波数を予め低下するように設定できる。これによって、デッドタイムの影響のない範囲においては、高キャリア周波数でスイッチング制御できるので、コンバータ12の小型化やスイッチングによって発生する騒音を抑制するという、高周波化のメリットを享受できる。それとともに、低温時などで出力電圧が制限される場合には、キャリア周波数を低く設定することによって出力電圧制限を抑制して、目標とする出力電圧を得ることができる。
[実施の形態3の変形例]
上述した実施の形態3においては、デッドタイムの影響を考慮したキャリア周波数FCを予め設定する構成としたが、実際に演算された指令デューティDUTYによっては、指令デューティの設定可能範囲を超えてしまう可能性がある。
上述した実施の形態3においては、デッドタイムの影響を考慮したキャリア周波数FCを予め設定する構成としたが、実際に演算された指令デューティDUTYによっては、指令デューティの設定可能範囲を超えてしまう可能性がある。
そのため、変形例では、実施の形態3と実施の形態1もしくは実施の形態2とを組み合わせた構成について説明する。
図22は、実施の形態1と実施の形態3を組み合わせた場合の、ECU30で実行されるコンバータ駆動制御を説明するための機能ブロック図である。図22は、実施の形態1において図12で説明した機能ブロック図の周波数設定部300が、実施の形態3の周波数設定部300Aに置き換わったものとなっている。各機能ブロックについては、図12および図17で説明したものと同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。
図23は、実施の形態1と実施の形態3を組み合わせた場合の、ECU30で実行されるコンバータ駆動制御処理の詳細を説明するためのフローチャートである。図23は、実施の形態1で説明した図18のフローチャートのステップS400が、実施の形態3で説明した図21のステップ405に置き換わったものとなっている。そのため、各ステップの詳細な説明は繰り返さない。
また、図示しないが、実施の形態2と実施の形態3とを組み合わせた構成とすることも可能である。この場合は、図15の機能ブロック図における周波数設定部300を、図17の機能ブロック図の周波数設定部300Aに置き換えたものとし、図16のフローチャートにおけるステップS400を、図21のフローチャートのステップS405に置き換えたものとすることで実現できる。各機能ブロックおよび各ステップの説明については繰り返さない。
このように、実施の形態1または実施の形態2に対して、さらに実施の形態3を適用することによって、コンバータ12において、デッドタイムによって発生する出力電圧制限を抑制することができる。
なお、本実施の形態におけるコンバータ12は、本発明の「電圧変換装置」の一例である。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10,13 電圧センサ、11,18,24,25 電流センサ、12 コンバータ、14,22,23 インバータ、15 U相上下アーム、16 V相上下アーム、17 W相上下アーム、20 直流電圧発生部、26,27 回転角センサ、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 ハイブリッド車両、300,300A 周波数設定部、310 電圧指令設定部、320,320A,320B 駆動制御部、330 目標値演算部、340 基準値演算部、350,350A 選択部、360 周波数変更部、370 発振部、380,380A 駆動指令生成部、C1,C2 平滑コンデンサ、D1〜D8 ダイオード、L1 リアクトル、MG1,MG2 モータジェネレータ、NL 接地線、PL1,PL2 電力線、Q1〜Q8 スイッチング素子、SR1,SR2 システムリレー、V0 接続ノード。
Claims (15)
- 蓄電装置(28)と負荷装置(45)との間で電圧変換が可能な電圧変換装置(12)の制御装置(30)であって、
前記電圧変換装置(12)は、
前記負荷装置(45)の電力線(PL2)と接地線(NL)との間に直列に接続され、スイッチング動作により前記電圧変換を行なう第1のスイッチング素子(Q1)および第2のスイッチング素子(Q2)を含み、
前記スイッチング動作は、
前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)がいずれもオフ状態となる期間であるデッドタイムを含み、
前記制御装置(30)は、
前記スイッチング動作のキャリア周波数を設定する周波数設定部(300,300A)と、
前記電圧変換の電圧指令値および前記キャリア周波数に基づいて、前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)をスイッチング制御するように構成された駆動制御部(320,320A,320B)とを備え、
前記駆動制御部(320,320A,320B)は、前記電圧変換装置(12)に入出力される電力に関連する情報に基づいて、前記デッドタイムにより制限される前記電圧変換装置(12)の出力可能電圧範囲を拡大するように前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)のスイッチング制御を行なう、電圧変換装置の制御装置。 - 前記電圧変換装置(12)に入出力される電力に関連する情報は、前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)の目標デューティであり、
前記駆動制御部(320,320A)は、
前記電圧指令値に基づいて、前記目標デューティを演算するように構成された目標値演算部(330)と、
前記キャリア周波数および前記デッドタイムに基づいて、前記出力可能電圧範囲を定めるデューティ範囲を演算するように構成された基準値演算部(340)とを含み、
前記駆動制御部(320,320A)は、前記目標デューティが前記デューティ範囲を超える場合は、前記出力可能電圧範囲を拡大するように前記スイッチング制御を行なう、請求の範囲第1項に記載の電圧変換装置の制御装置。 - 前記駆動制御部(320)は、
前記目標デューティが前記デューティ範囲を超える場合は、前記キャリア周波数を低下させるように構成された周波数変更部(360)をさらに含む、請求の範囲第2項に記載の電圧変換装置の制御装置。 - 前記駆動制御部(320A)は、
前記目標デューティが前記デューティ範囲を超える場合は、前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)のいずれか一方を選択する一方で、前記目標デューティが前記デューティ範囲内の場合には前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)の両方を選択するように構成された選択部(350A)と、
前記選択部(350A)によって選択されたスイッチング素子の駆動指令を生成する駆動指令生成部(380A)とをさらに含む、請求の範囲第2項に記載の電圧変換装置の制御装置。 - 前記選択部(350A)は、前記目標デューティが前記デューティ範囲の上限値より大きいときには、前記第2のスイッチング素子(Q2)を選択する、請求の範囲第4項に記載の電圧変換装置の制御装置。
- 前記選択部(350A)は、前記目標デューティが前記デューティ範囲の下限値より小さいときには、前記第1のスイッチング素子(Q1)を選択する、請求の範囲第4項に記載の電圧変換装置の制御装置。
- 前記周波数設定部(300A)は、前記電圧変換装置(12)に入出力される電力に関連する情報に基づいて、前記キャリア周波数を可変に設定する、請求の範囲第1項に記載の電圧変換装置の制御装置。
- 前記電圧変換装置(12)に入出力される電力に関連する情報は、前記蓄電装置(28)の出力電力、出力電圧および出力電流の少なくとも1つを含む、請求の範囲第7項に記載の電圧変換装置の制御装置。
- 前記電圧変換装置(12)は、
前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)の接続ノードと、前記蓄電装置(28)の正極端子とを結ぶ経路に設けられたリアクトル(L1)をさらに含み、
前記電圧変換装置(12)に入出力される電力に関連する情報は、前記リアクトル(L1)に流れるリアクトル電流を含む、請求の範囲第7項に記載の電圧変換装置の制御装置。 - 前記電圧変換装置(12)に入出力される電力に関連する情報は、前記負荷装置(45)への供給電力を含む、請求の範囲第7項に記載の電圧変換装置の制御装置。
- 車両(100)であって、
蓄電装置(28)と、
前記車両(100)の推進のための駆動力を発生させるための回転電機(MG1,MG2)と、
前記回転電機(MG1,MG2)を駆動するためのインバータ(23)と、
前記直蓄電装置(28)と前記インバータ(23)との間で電圧変換が可能に構成された電圧変換装置(12)と、
前記電圧変換装置(12)を制御するための制御装置(30)とを備え、
前記電圧変換装置(12)は、
前記負荷装置(45)の電力線(PL2)と接地線(NL)との間に直列に接続され、スイッチング動作により前記電圧変換を行なう第1のスイッチング素子(Q1)および第2のスイッチング素子(Q2)を含み、
前記スイッチング動作は、
前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)がいずれもオフ状態となる期間であるデッドタイムを含み、
前記制御装置(30)は、
前記スイッチング動作のキャリア周波数を設定する周波数設定部(300,300A)と、
前記電圧変換の電圧指令値および前記キャリア周波数に基づいて、前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)をスイッチング制御するように構成された駆動制御部(320,320A,320B)とを含み、
前記駆動制御部(320,320A,320B)は、前記電圧変換装置(12)に入出力される電力に関連する情報に基づいて、前記デッドタイムにより制限される前記電圧変換装置(12)の出力可能電圧範囲を拡大するように前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)のスイッチング制御を行なう、車両。 - 前記電圧変換装置(12)に入出力される電力に関連する情報は、前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)の目標デューティであり、
前記駆動制御部(320,320A)は、
前記電圧指令値に基づいて、前記目標デューティを演算するように構成された目標値演算部(330)と、
前記キャリア周波数および前記デッドタイムに基づいて、前記出力可能電圧範囲を定めるデューティ範囲を演算するように構成された基準値演算部(340)とを含み、
前記駆動制御部(320,320A)は、前記目標デューティが前記デューティ範囲を超える場合は、前記出力可能電圧範囲を拡大するように前記スイッチング制御を行なう、請求の範囲第11項に記載の車両。 - 前記駆動制御部(320)は、
前記目標デューティが前記デューティ範囲を超える場合は、前記キャリア周波数を低下させるように構成された周波数変更部(360)をさらに含む、請求の範囲第12項に記載の車両。 - 前記駆動制御部(320A)は、
前記目標デューティが前記デューティ範囲を超える場合には、前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)のいずれか一方を選択する一方で、前記目標デューティが前記デューティ範囲内の場合には前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)の両方を選択するように構成された選択部(350A)と、
前記選択部(350A)によって選択されたスイッチング素子の駆動指令を生成する駆動指令生成部(380A)とをさらに含む、請求の範囲第12項に記載の車両。 - 蓄電装置(28)と負荷装置(45)との間で電圧変換が可能な電圧変換装置(12)の制御方法であって、
前記電圧変換装置(12)は、
前記負荷装置(45)の電力線(PL2)と接地線(NL)との間に直列に接続され、スイッチング動作により前記電圧変換を行なう第1のスイッチング素子(Q1)および第2のスイッチング素子(Q2)を含み、
前記スイッチング動作は、
前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)がいずれもオフ状態となる期間であるデッドタイムを含み、
前記制御方法は、
前記スイッチング動作のキャリア周波数を設定するステップと、
前記電圧変換の電圧指令値および前記キャリア周波数に基づいて、前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)をスイッチング制御するステップと、
前記電圧変換装置(12)に入出力される電力に関連する情報に基づいて、前記デッドタイムにより制限される前記電圧変換装置(12)の出力可能電圧範囲を拡大するように前記第1のスイッチング素子(Q1)および前記第2のスイッチング素子(Q2)のスイッチング制御を行なうステップとを備える、電圧変換装置の制御方法。
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