JP6881280B2

JP6881280B2 - コンバータ装置

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Publication number: JP6881280B2
Application number: JP2017249773A
Authority: JP
Inventors: 隼史山川; 諒上川; 林　和仁; 和仁林; 浩太小倉; 浩司入江
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2021-06-02
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: JP2019118161A

Description

本発明は、コンバータ装置に関し、詳しくは、上アームおよび下アームの２つのスイッチング素子とリアクトルとを有する昇降圧コンバータを備えるコンバータ装置に関する。

従来、この種のコンバータ装置としては、上アームおよび下アームの２つのスイッチング素子とリアクトルとを有する昇降圧コンバータを備えるコンバータ装置において、デューティ比Ｄが０％のときに下アームを構成するスイッチング素子をオン固定するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置では、下アームを構成するスイッチング素子をオン固定することにより、昇圧電流の応答性を良好なものにしている。

特開２０１４−０８２８１４号公報

しかしながら、上述のコンバータ装置では、下アームを構成するスイッチング素子のオン固定を解除するタイミングによっては、過電流が生じる場合がある。昇降圧コンバータのスイッチング素子のスイッチング制御は、一定の周期（制御周期）で行なわれるから、下アームを構成するスイッチング素子のオン固定を解除するタイミングも制御周期のタイミングでしか行なうことができない。従って、昇圧電流が上限電流の達する直前のタイミングで下アームを構成するスイッチング素子のオン固定を解除しようとしても、制御周期のタイミングによっては昇圧電流が上限電流を超えてしまう場合が生じる。

本発明のコンバータ装置は、過電流を生じることなく昇圧電流の応答性を良好なものとすることを主目的とする。

本発明のコンバータ装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明のコンバータ装置は、
上アームおよび下アームの２つのスイッチング素子とリアクトルとを有し、低電圧側電力ラインと高電圧側電力ラインとの間で電圧の変更を伴って電力のやりとりを行なう昇降圧コンバータと、
デューティ指令が閾値未満のときにはデューティ下限制限を行なって前記昇降圧コンバータを制御する制御装置と、
を備えるコンバータ装置であって、
前記制御装置は、前記デューティ指令が前記閾値未満のときに、下アームを構成するスイッチング素子をオン固定した状態で、前記２つのスイッチング素子のスイッチング制御周期における２周期後に推定される昇圧電流値が上限電流値以下のときには、デューティ下限制限を解除し、下アームを構成するスイッチング素子のオン固定を許可する、
ことを特徴とする。

この本発明のコンバータ装置では、デューティ指令が閾値以下のときにはデューティ下限制限を行なって昇降圧コンバータを制御する。デューティ指令が閾値以下のときに、下アームを構成するスイッチング素子をオン固定した状態で、２つのスイッチング素子のスイッチング制御周期における２周期後に推定される昇圧電流値が上限電流値以下のときには、デューティ下限制限を解除し、下アームを構成するスイッチング素子のオン固定を許可する。スイッチング制御周期には、周期の開始からデューティ指令に基づいて２つのスイッチング素子の１周期分のスイッチングパターンを演算する時間を要するから、１周期分のスイッチングパターンは周期の開始から演算時間を経過したタイミングからの１周期分となる。例えば周期の開始から半周期後のタイミングからの１周期分となる。このため、下アームを構成するスイッチング素子のオン固定を行なうと、次のスイッチング制御周期の開始から演算時間を経過したタイミングまでオン固定を解除することができない。従って、下アームを構成するスイッチング素子をオン固定した状態でスイッチング制御周期における１周期後に推定される昇圧電流値が上限電流値以下であっても、昇圧電流値が上限電流値を超えてしまう場合が生じる。本発明では、下アームを構成するスイッチング素子をオン固定した状態でスイッチング制御周期における２周期後に推定される昇圧電流値が上限電流値以下のときに下アームを構成するスイッチング素子のオン固定を許可するから、スイッチング制御周期における２周期後に推定される昇圧電流値が上限電流値を超えるときにオン固定の許可の解除を行なえば、オン固定を許可したスイッチング制御周期の開始から２周期以内にオン固定の許可を解除することができ、昇圧電流値が上限電流値を超えるのを抑止することができる。これらの結果、過電流を生じることなく昇圧電流の応答性を良好なものとすることができる。

本発明の一実施例としてのコンバータ装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電子制御ユニット５０により実行される応答性促進処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。昇圧コンバータ４０のデューティ制御におけるキャリアと昇圧コンバータ４０の下アームのスイッチングパターンと昇圧電流ＩＬの時間変化の様子の一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としてのコンバータ装置を搭載する電気自動車２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の電気自動車２０は、図示するように、モータ３２と、インバータ３４と、バッテリ３６と、昇圧コンバータ４０と、高電圧側コンデンサ４６と、低電圧側コンデンサ４８と、システムメインリレーＳＭＲと、電子制御ユニット５０と、を備える。ここで、実施例では、昇圧コンバータ４０と電子制御ユニット５０とが「コンバータ装置」に相当する。

モータ３２は、同期発電電動機として構成されており、永久磁石が埋め込まれた回転子と、三相コイルが巻回された固定子と、を備える。このモータ３２の回転子は、駆動輪２２ａ，２２ｂにデファレンシャルギヤ２４を介して連結された駆動軸２６に接続されている。

インバータ３４は、モータ３２に接続されると共に高電圧側電力ライン４２に接続されている。このインバータ３４は、６つのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６と、６つのダイオードＤ１１〜Ｄ１６と、を有する。トランジスタＴ１１〜Ｔ１６は、それぞれ、高電圧側電力ライン４２の正極母線と負極母線とに対して、ソース側とシンク側になるように、２個ずつペアで配置されている。６つのダイオードＤ１１〜Ｄ１６は、それぞれ、トランジスタＴ１１〜Ｔ１６に逆方向に並列接続されている。トランジスタＴ１１〜Ｔ１６の対となるトランジスタ同士の接続点の各々には、モータ３２の三相コイル（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相）の各々が接続されている。したがって、インバータ３４に電圧が作用しているときに、電子制御ユニット５０によって、対となるトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のオン時間の割合が調節されることにより、三相コイルに回転磁界が形成され、モータ３２が回転駆動される。以下、トランジスタＴ１１〜Ｔ１３を「上アーム」，トランジスタＴ１４〜Ｔ１６を「下アーム」ということがある。

バッテリ３６は、例えばリチウムイオン二次電池やニッケル水素二次電池として構成されており、低電圧側電力ライン４４に接続されている。

昇圧コンバータ４０は、高電圧側電力ライン４２と低電圧側電力ライン４４とに接続されている。この昇圧コンバータ４０は、２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２と、２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２と、リアクトルＬと、を有する。トランジスタＴ３１は、高電圧側電力ライン４２の正極母線に接続されている。トランジスタＴ３２は、トランジスタＴ３１と、高電圧側電力ライン４２および低電圧側電力ライン４４の負極母線と、に接続されている。２つのダイオードＤ３１，Ｄ３２は、それぞれ、トランジスタＴ３１，Ｔ３２に逆方向に並列接続されている。リアクトルＬは、トランジスタＴ３１，Ｔ３２同士の接続点と、低電圧側電力ライン４４の正極母線と、に接続されている。昇圧コンバータ４０は、電子制御ユニット５０によって、デューティ指令によりトランジスタＴ３１，Ｔ３２のオン時間の割合が調節されることにより、低電圧側電力ライン４４の電力を電圧の昇圧を伴って高電圧側電力ライン４２に供給したり、高電圧側電力ライン４２の電力を電圧の降圧を伴って低電圧側電力ライン４４に供給したりする。

高電圧側コンデンサ４６は、高電圧側電力ライン４２の正極母線と負極母線とに接続されている。低電圧側コンデンサ４８は、低電圧側電力ライン４４の正極母線と負極母線とに取り付けられている。システムメインリレーＳＭＲは、低電圧側電力ライン４４における低電圧側コンデンサ４８よりもバッテリ３６側に設けられている。このシステムメインリレーＳＭＲは、電子制御ユニット５０によってオンオフ制御されることにより、バッテリ３６と昇圧コンバータ４０や低電圧側コンデンサ４８との接続および接続の解除を行なう。

電子制御ユニット５０は、ＣＰＵ５２を中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵ５２の他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭ５４やデータを一時的に記憶するＲＡＭ５６，入出力ポートを備える。

電子制御ユニット５０には、各種センサからの信号が入力ポートを介して入力されている。電子制御ユニット５０に入力される信号としては、例えば、モータ３２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサ（例えばレゾルバ）３２ａからの回転位置θｍ，モータ３２の各相に流れる電流を検出する電流センサ３２ｕ，３２ｖからの相電流Ｉｕ，Ｉｖを挙げることができる。また、バッテリ３６の端子間に取り付けられた電圧センサ３６ａからの電圧ＶＢ，バッテリ３６の出力端子に取り付けられた電流センサ３６ｂからの電流ＩＢも挙げることができる。さらに、高電圧側コンデンサ４６の端子間に取り付けられた電圧センサ４６ａからの高電圧側コンデンサ４６（高電圧側電力ライン４２）の電圧ＶＨ，低電圧側コンデンサ４８の端子間に取り付けられた電圧センサ４８ａからの低電圧側コンデンサ４８（低電圧側電力ライン４４）の電圧ＶＬ，昇圧コンバータ４０のリアクトルＬに取り付けられた電流センサ４０ａからのリアクトル電流ＩＬも挙げることができる。また、イグニッションスイッチ６０からのイグニッション信号，シフトレバー６１の操作位置を検出するシフトポジションセンサ６２からのシフトポジションＳＰ，アクセルペダル６３の踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサ６４からのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダル６５の踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサ６６からのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサ６８からの車速ＶＳも挙げることができる。

電子制御ユニット５０からは、各種制御信号が出力ポートを介して出力されている。電子制御ユニット５０から出力される信号としては、例えば、インバータ３４のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６へのスイッチング制御信号，昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２へのスイッチング制御信号を挙げることができる。

電子制御ユニット５０は、回転位置検出センサ３２ａからのモータ３２の回転子の回転位置θｍに基づいてモータ３２の電気角θｅや角速度ωｍ，回転数Ｎｍを演算している。また、電子制御ユニット５０は、電流センサ３６ｂからのバッテリ３６の電流ＩＢの積算値に基づいてバッテリ３６の蓄電割合ＳＯＣを演算している。ここで、蓄電割合ＳＯＣは、バッテリ３６の全容量に対するバッテリ３６から放電可能な電力の容量の割合である。

こうして構成された実施例の電気自動車２０では、電子制御ユニット５０は、以下の走行制御を行なう。走行制御では、アクセル開度Ａｃｃと車速ＶＳとに基づいて駆動軸２６に要求される要求トルクＴｄ＊を設定し、設定した要求トルクＴｄ＊をモータ３２のトルク指令Ｔｍ＊に設定し、モータ３２がトルク指令Ｔｍ＊で駆動されるようにインバータ３４のトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のスイッチング制御を行なう。また、モータ３２をトルク指令Ｔｍ＊で駆動できるように高電圧側電力ライン４２の目標電圧ＶＨ＊を設定し、高電圧側電力ライン４２の電圧ＶＨが目標電圧ＶＨ＊となるように昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２のスイッチングに対してデューティ制御を行なう。

次に、こうして構成された実施例の電気自動車２０の動作、特に、昇圧コンバータ４０のリアクトルＬに流れる電流（昇圧電流）ＩＬの目標電流ＩＬ＊への応答性を良好にする際の動作について説明する。図２は、実施例の電子制御ユニット５０により実行される応答性促進処理ルーチンの一例を示すフローチャートである。このルーチンは昇圧コンバータ４０のトランジスタＴ３１，Ｔ３２のスイッチング制御の制御周期毎に繰り返し実行される。

応答性促進処理ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０は、まず、デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１００）。ここで、閾値Ｄｒｅｆは、例えばデッドタイム分に相当するデューティ比を用いることができる。デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ未満ではないと判定したときには、通常のデューティ下限制限を行なうデューティ制御を実行して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。

ステップＳ１００でデューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ未満であると判定したときには、下アームを構成するトランジスタＴ３２をオン固定した状態で２制御周期後の昇圧電流ＩＬｅｓｔを予測する（ステップＳ１１０）。この予測は、そのときの昇圧電流ＩＬに下アームを構成するトランジスタＴ３２をオン固定した状態で２制御周期の間に電流値が上昇する電流上昇分を加えることにより行なうことができる。電流上昇分は、例えば実験などにより予め求めることができる。そして、予測した２制御周期後の昇圧電流ＩＬｅｓｔと上限電流値Ｉｌｉｍと比較し（ステップＳ１２０）、２制御周期後の昇圧電流ＩＬｅｓｔが上限電流値Ｉｌｉｍ以下であると判定したときには、デューティ下限制限を解除し（ステップＳ１３０）、下アームを構成するトランジスタＴ３２をオン固定するのを許可し（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。一方、２制御周期後の昇圧電流ＩＬｅｓｔが上限電流値Ｉｌｉｍより大きいと判定したときには、通常のデューティ下限制限を行なうデューティ制御を実行して（ステップＳ１５０）、本ルーチンを終了する。

図３は、キャリアと下アームを構成するトランジスタＴ３２のスイッチパターンと昇圧電流ＩＬの時間変化の一例を示す説明図である。図中、キャリアにおける一点鎖線はデューティ下限制限を示す。昇圧電流ＩＬにおける一点鎖線は下アームを構成するトランジスタＴ３２をオン固定したときの推定昇圧電流ＩＬを示す。また、昇圧電流ＩＬにおける破線はデューティ下限制限を行なったときの昇圧電流を示す。図３では、説明の容易のため、スイッチング制御の制御周期はデューティ制御における三角波としてのキャリアの１周期であり、制御周期の演算の開始タイミングはキャリアの谷のタイミングであり、デューティ指令Ｄ＊に基づいて２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２の１周期分のスイッチングパターンを演算するのに時間は１／２周期未満であり、演算したスイッチングパターンによる実行開始タイミングは制御周期の演算の開始タイミングから１／２周期経過したキャリアの山のタイミングとする。

制御周期の開始時であるキャリアの谷のタイミングの時間Ｔ１でデューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ未満であると判定し、下アームを構成するトランジスタＴ３２をオン固定した状態で２制御周期後（時間Ｔ５）の昇圧電流ＩＬｅｓｔを予測する。予測した昇圧電流ＩＬｅｓｔは電流上限値Ｉｌｉｍ以下であるから、デューティ下限制限を解除し、下アームを構成するトランジスタＴ３２をオン固定を許可し、この許可に伴って１／２周期後のキャリアの山のタイミングの時間Ｔ２に下アームを構成するトランジスタＴ３２をオン固定する。制御周期の開始時であるキャリアの谷のタイミングの時間Ｔ３，Ｔ５でも同様に２制御周期後（時間Ｔ７，Ｔ９）の昇圧電流ＩＬｅｓｔを予測する。予測した昇圧電流ＩＬｅｓｔは電流上限値Ｉｌｉｍ以下であるから、下アームを構成するトランジスタＴ３２をオン固定を継続する。制御周期の開始時であるキャリアの谷のタイミングの時間Ｔ７でも同様に２制御周期後（時間Ｔ１１）の昇圧電流ＩＬｅｓｔを予測する。予測した昇圧電流ＩＬｅｓｔは電流上限値Ｉｌｉｍより大きくなる。このため、通常のデューティ下限制限を伴うデューティ制御とし、１／２周期後の時間Ｔ８から通常制御を行なう。このため、時間Ｔ９ではデューティ下限制限が適用され、下アームを構成するデューティ下限制限に応じた時間だけトランジスタＴ３２はオフとなる。

比較例として、１制御周期後の昇圧電流ＩＬｅｓｔを予測して下アームを構成するトランジスタＴ３２のオン固定を許可する場合を考える。時間Ｔ９で１制御周期後（時間Ｔ１１）の昇圧電流ＩＬｅｓｔを予測し、予測した昇圧電流ＩＬｅｓｔは電流上限値Ｉｌｉｍより大きいことから、１／２周期後の時間Ｔ１０で通常のデューティ下限制限を伴うデューティ制御を行なうことになる。この場合、時間Ｔ１１に至る前に昇圧電流ＩＬが上限電流値Ｉｌｉｍを超える場合が生じる。実施例では、２制御周期後の昇圧電流ＩＬｅｓｔを予測して下アームを構成するトランジスタＴ３２のオン固定を許可することにより、昇圧電流ＩＬが上限電流値Ｉｌｉｍを超えるのを抑止することができる。

また、比較例として、下アームを構成するトランジスタＴ３２のオン固定を行なわない場合を考える。図３の破線に示すように、昇圧電流ＩＬの上昇の程度は下アームを構成するトランジスタＴ３２をオン固定する実施例の場合に比して遅くなる。従って、実施例では、比較例に比して昇圧電流ＩＬの目標電流ＩＬ＊への応答性を良好なものとすることができる。

以上説明した実施例の電気自動車２０が搭載するコンバータ装置では、デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ未満であるときに、下アームを構成するトランジスタＴ３２をオン固定した状態で２制御周期後の昇圧電流ＩＬｅｓｔを予測し、予測した昇圧電流ＩＬｅｓｔが電流上限値Ｉｌｉｍ以下のときにデューティ下限制限を解除すると共に下アームを構成するトランジスタＴ３２をオン固定を許可する。これにより、過電流を生じることなく昇圧電流ＩＬの応答性を良好なものにすることができる。

実施例では、スイッチング制御の制御周期はデューティ制御における三角波としてのキャリアの１周期であり、制御周期の演算の開始タイミングはキャリアの谷のタイミングであり、デューティ指令Ｄ＊に基づいて２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２の１周期分のスイッチングパターンを演算するのに時間は１／２周期未満であり、演算したスイッチングパターンによる実行開始タイミングは制御周期の演算の開始タイミングから１／２周期経過したキャリアの山のタイミングとした。しかし、スイッチング制御の制御周期はデューティ制御における三角波としてのキャリアの２周期などとしてもいし、制御周期の演算の開始タイミングはキャリアの山のタイミングなどとしてもよいし、演算したスイッチングパターンによる実行開始タイミングは制御周期の演算の開始タイミングから１周期経過したタイミングなどとしてもよい。

実施例では、コンバータ装置は電気自動車２０に搭載されるものとしたが、ハイブリッド自動車に搭載されるものとしてもよいし、自動車以外の車両などの移動体に搭載されるものとしてもよいし、建設設備などの設備に組み込まれるものとしてもよい。

実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、トランジスタＴ３１およびトランジスタＴ３２が「上アームおよび下アームの２つのスイッチング素子」に相当し、リアクトルＬが「リアクトル」に相当し、昇圧コンバータ４０が「昇降圧コンバータ」に相当し、電子制御ユニット５０が「制御装置」に相当する。

なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、コンバータ装置の製造産業などに利用可能である。

２０電気自動車、２２ａ，２２ｂ駆動輪、２４デファレンシャルギヤ、２６駆動軸、３２モータ、３２ａ回転位置検出センサ、３２ｕ，３２ｖ，３６ｂ電流センサ、３４インバータ、３６バッテリ、３６ａ，４６ａ，４８ａ電圧センサ、４０昇圧コンバータ、４０ａ電流センサ、４２高電圧側電力ライン、４４低電圧側電力ライン、４６高電圧側コンデンサ、４８低電圧側コンデンサ、５０電子制御ユニット、５２ＣＰＵ、５４ＲＯＭ、５６ＲＡＭ、６０イグニッションスイッチ、６１シフトレバー、６２シフトポジションセンサ、６３アクセルペダル、６４アクセルペダルポジションセンサ、６５ブレーキペダル、６６ブレーキペダルポジションセンサ、６８車速センサ、６９加速度センサ、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ３１，Ｄ３２ダイオード、Ｌリアクトル、ＳＭＲシステムメインリレー、Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ３１，Ｔ３２トランジスタ。

Claims

上アームおよび下アームの２つのスイッチング素子とリアクトルとを有し、低電圧側電力ラインと高電圧側電力ラインとの間で電圧の変更を伴って電力のやりとりを行なう昇降圧コンバータと、
デューティ指令が閾値未満のときにはデューティ下限制限を行なって前記昇降圧コンバータを制御する制御装置と、
を備えるコンバータ装置であって、
前記制御装置は、前記デューティ指令が前記閾値未満のときに、下アームを構成するスイッチング素子をオン固定した状態で、前記２つのスイッチング素子のスイッチング制御周期における２周期後に推定される昇圧電流値が上限電流値以下のときには、下アームを構成するスイッチング素子のオン固定を許可する、
ことを特徴とするコンバータ装置。