JP6935739B2 - 昇圧システム - Google Patents

Description

本発明は、昇圧システムに関する。

従来、この種の昇圧システムとしては、上アーム，下アームとしての第１，第２スイッチング素子と第１，第２ダイオードとリアクトルと有すると共にバッテリ側とモータ側との間で電圧変換を伴って電力のやりとりを行なうＤＣ／ＤＣコンバータを備える昇圧システムにおいて、第１，第２スイッチング素子のうちの何れか一方のみをオンオフ駆動する片アーム駆動と、第１，第２スイッチング素子の両方を互いに逆相でオンオフ駆動する両アーム駆動と、を切り替えて実行するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この昇圧システムでは、キャリア信号により定まるタイミングでリアクトルに流れる電流値をサンプリングし、サンプリングした電流値に基づいて片アーム駆動と両アーム駆動とを切り替える。

特開２０１４−１４７２０６号公報

こうした昇圧システムでは、片アーム駆動（片素子制御）から両アーム駆動（両素子制御）に切り替える際に、片アーム駆動でオンオフ駆動する一方のスイッチング素子（例えば、下アーム）をオフにするタイミングと、両アーム駆動で他方のスイッチング素子（例えば、上アーム）をオンにするタイミングとの間隔が短いと、モータ側（電気負荷側）の電力ラインの正極側ラインと負極側ラインとが短絡する可能性がある。

本発明の昇圧システムは、片素子制御から両素子制御に切り替える際に、電気負荷側の電力ラインの正極側ラインと負極側ラインとが短絡するのを抑制することを主目的とする。

本発明の昇圧システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の昇圧システムは、
上アーム，下アームとしての第１，第２スイッチング素子と第１，第２ダイオードとリアクトルとを有し、電源側と電気負荷側との間で電圧変換を伴って電力のやりとりを行なう昇降圧コンバータと、
デューティ指令と昇圧キャリアとの比較結果に基づいて、昇降圧コンバータの制御として、前記第１，第２スイッチング素子のうちの何れか１つだけをスイッチングする片素子制御または前記第１，第２スイッチング素子の両方をスイッチングする両素子制御を実行する制御装置と、
を備える昇圧システムであって、
前記制御装置は、前記片素子制御から前記両素子制御に切り替える際において、前記デューティ指令が閾値以上のときには、前記昇圧キャリアの極小値のタイミングで前記片素子制御から前記両素子制御に切り替え、前記デューティ指令が前記閾値未満のときには、前記昇圧キャリアの極大値のタイミングで前記片素子制御から前記両素子制御に切り替える、
ことを要旨とする。

この本発明の昇圧システムでは、デューティ指令と昇圧キャリアとの比較結果に基づいて、昇降圧コンバータの制御として、第１，第２スイッチング素子のうちの何れか１つだけをスイッチングする片素子制御または第１，第２スイッチング素子の両方をスイッチングする両素子制御を実行する。ここで、デューティ指令は、両素子制御では、デッドタイムを考慮しないときの第１スイッチング素子のオン時間とオフ時間との和に対するオン時間の割合（第２スイッチング素子のオン時間とオフ時間との和に対するオフ時間の割合）に相当し、片素子制御のうち第１スイッチング素子だけをスイッチングする制御では、第１スイッチング素子のオン時間とオフ時間との和に対するオン時間の割合に相当し、片素子制御のうち第２スイッチング素子だけをスイッチングする制御では、第２スイッチング素子のオン時間とオフ時間との和に対するオフ時間の割合に相当する。また、両素子制御では、上下アームの同時オンを回避するためにデッドタイムを設け、片素子制御では、上下アームの同時オンが生じないからデッドタイムを設けない。そして、片素子制御から両素子制御に切り替える際において、デューティ指令が閾値以上のときには、昇圧キャリアの極小値（谷）のタイミングで片素子制御から両素子制御に切り替え、デューティ指令が閾値未満のときには、昇圧キャリアの極大値（山）のタイミングで片素子制御から両素子制御に切り替える。こうした制御により、片素子制御から両素子制御に切り替える際に、片素子制御でスイッチングする一方のスイッチング素子（例えば、下アーム）をオフにするタイミングと、両素子制御で他方のスイッチング素子（例えば、上アーム）をオンにするタイミングと、の間隔が短くなり過ぎるのを抑制し、電気負荷側の電力ラインの正極側ラインと負極側ラインとが短絡するのを抑制することができる。

本発明の一実施例としての昇圧システム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。 デューティ指令Ｄ＊、昇圧キャリア、スイッチング指令、両素子制御や下側片素子制御での上下アームの状態の様子の一例を示す説明図である。 デューティ指令Ｄ＊、昇圧キャリア、スイッチング指令、両素子制御や上側片素子制御での上下アームの状態の様子の一例を示す説明図である。 電子制御ユニット５０により実行される制御切替ルーチンの一例を示すフローチャートである。 デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ未満のときに下側片素子制御から両素子制御に切り替える際の様子の一例を示す説明図である。 デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ以上のときに上側片素子制御から両素子制御に切り替える際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昇圧システム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、電源としてのバッテリ３６と、昇降圧コンバータ４０と、電子制御ユニット５０と、を備える。実施例の「昇圧システム」としては、主として、昇降圧コンバータ４０および電子制御ユニット５０が該当する。

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の駆動に用いられる。このインバータ３４は、高電圧側電力ライン４２を介して昇降圧コンバータ４０に接続されており、６つのスイッチング素子としてのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６と、６つのトランジスタＴ１１〜Ｔ１６のそれぞれに並列に接続された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の正極側ラインと負極側ライン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。また、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相のコイル）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。高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとには、平滑用のコンデンサ４６が取り付けられている。

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を介して昇降圧コンバータ４０に接続されている。低電圧側電力ライン４４の正極側ラインと負極側ラインとには、平滑用のコンデンサ４８が取り付けられている。

昇降圧コンバータ４０は、高電圧側電力ライン４２と低電圧側電力ライン４４とに接続されており、２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２と、２つのトランジスタＴ３１，Ｔ３２のそれぞれに並列に接続された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の正極側ラインに接続されている。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の負極側ラインと、に接続されている。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の正極側ラインと、に接続されている。昇降圧コンバータ４０は、電子制御ユニット５０によって、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の電力を昇圧し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の電力を降圧して低電圧側電力ライン４４に供給したりする。以下、トランジスタＴ３１，Ｔ３２をそれぞれ「上アーム」，「下アーム」ということがある。

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に加えて、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や、モータ３２の各相の相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や、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、リアクトルＬに直列に取り付けられた電流センサ４０ａからの電流ＩＬや、コンデンサ４６の端子間に取り付けられた電圧センサ４６ａからのコンデンサ４６（高電圧側電力ライン４２）の電圧ＶＨ、コンデンサ４８の端子間に取り付けられた電圧センサ４８ａからのコンデンサ４８（低電圧側電力ライン４４）の電圧ＶＬも挙げることができる。加えて、イグニッションスイッチ６０からのイグニッション信号や、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も挙げることができる。また、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や、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Ｖ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や、昇降圧コンバータ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の蓄電量（放電可能な電力量）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、アクセル開度Ａｃｃと車速Ｖ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、電子制御ユニット５０は、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と目標電圧ＶＨ＊との差分が打ち消されるようにデューティ指令Ｄ＊を設定し、設定したデューティ指令Ｄ＊と昇圧キャリアとの比較結果に基づいて、昇降圧コンバータ４０の制御として、両素子制御または片素子制御（上側片素子制御または下側片素子制御）を実行する。

ここで、両素子制御は、上下アーム（トランジスタＴ３１，Ｔ３２）の両方をスイッチングする制御であり、片素子制御は、上下アームのうちの１つだけをスイッチングする制御である。上側片素子制御は、上下アームのうち上アームだけをスイッチングする制御であり、下側片素子制御は、上下アームのうち下アームだけをスイッチングする制御である。

また、デューティ指令Ｄ＊は、両素子制御では、デッドタイムを考慮しないときの上アーム（トランジスタＴ３１）のオン時間とオフ時間との和に対するオン時間の割合（下アーム（トランジスタＴ３２）のオン時間とオフ時間との和に対するオフ時間の割合）に相当し、デューティ指令Ｄ＊は、上側片素子制御では、上アームのオン時間とオフ時間との和に対するオン時間の割合に相当し、下側片素子制御では、下アームのオン時間とオフ時間との和に対するオフ時間の割合に相当する。また、両素子制御では、上下アームの同時オン（高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとの短絡）を回避するために、デッドタイムＤＴを設け、上側片素子制御や下側片素子制御では、上下アームの同時オンが生じないから、デッドタイムＤＴを設けないものとした。

さらに、実施例では、昇降圧コンバータ４０のリアクトルＬの電流ＩＬの絶対値が閾値ＩＬｒｅｆ以下のときには、両素子制御を実行し、リアクトルＬの電流ＩＬの絶対値が閾値ＩＬｒｅｆよりも大きく且つリアクトルＬの電流ＩＬが正のときには、片素子制御のうちトランジスタＴ３２だけをスイッチングする下側片素子制御を実行し、リアクトルＬの電流ＩＬの絶対値が閾値ＩＬｒｅｆよりも大きく且つリアクトルＬの電流ＩＬが負のときには、片素子制御のうちトランジスタＴ３１だけをスイッチングする上側片素子制御を実行するものとした。

図２は、デューティ指令Ｄ＊、昇圧キャリア、スイッチング指令、両素子制御や下側片素子制御での上下アーム（トランジスタＴ３１，Ｔ３２）の状態の様子の一例を示す説明図である。図３は、デューティ指令Ｄ＊、昇圧キャリア、スイッチング指令、両素子制御や上側片素子制御での上下アームの状態の様子の一例を示す説明図である。図２および図３のスイッチング指令は、デューティ指令Ｄ＊が昇圧キャリア以上のときにオンになると共にデューティ指令Ｄ＊が昇圧キャリア未満のときにオフになる指令であり、上側片素子制御における上アームの状態（図３参照）がこのスイッチング指令と同一になる。上述したと共に図２や図３に示すように、両素子制御では、デッドタイムＤＴが設けられ、上側片素子制御や下側片素子制御では、デッドタイムＤＴが設けられない。

次に、こうして構成された実施例の電気自動車２０に搭載される昇圧システムの動作、特に、片素子制御（上側片素子制御または下側片素子制御）から両素子制御に切り替える際の動作について説明する。図４は、電子制御ユニット５０により実行される制御切替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、片素子制御から両素子制御への切替要求が行なわれたとき（リアクトルＬの電流ＩＬの絶対値が閾値ＩＬｒｅｆ以下になったとき）に実行される。

図４の制御切替ルーチンが実行されると、電子制御ユニット５０は、デューティ指令Ｄ＊を入力し（ステップＳ１００）、入力したデューティ指令Ｄ＊を閾値Ｄｒｅｆと比較する（ステップＳ１１０）。ここで、閾値Ｄｒｅｆとしては、０．５付近の値、例えば、０．４や０．５、０．６などが用いられる。

デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ以上のときには、切替タイミングに昇圧キャリアの谷（極小値）のタイミングを設定し（ステップＳ１２０）、デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ未満のときには、切替タイミングに昇圧キャリアの山（極大値）のタイミングを設定する（ステップＳ１３０）。そして、切替タイミングに至ったときに、片素子制御から両素子制御に切り替えて（ステップＳ１４０）、本ルーチンを終了する。

図５は、デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ未満のときに下側片素子制御から両素子制御に切り替える際の様子の一例を示す説明図である。変形例では、図５の中段に示すように、昇圧キャリアの谷（極小値）のタイミングで下側片素子制御から両素子制御に切り替えることにより、下アームをオフにするタイミングと上アームをオンにするタイミングとの間隔ΔＴが上述のデッドタイムＤＴよりも短くなっている。この間隔が短くなると、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとが短絡する可能性がある。これに対して、実施例では、図５の下段に示すように、昇圧キャリアの山（極大値）のタイミングで下側片素子制御から両素子制御に切り替えることにより、下アームをオフにするタイミングと上アームをオンにするタイミングとをデッドタイムＤＴだけずらすことができ、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとが短絡するのを抑制することができる。なお、デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ未満のときに上側片素子制御から両素子制御に切り替える際には、昇圧キャリアの谷で切り替えると、切替前後で上アームのオンが継続することになり、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとが短絡する可能性は十分に低いことから、昇圧キャリアの谷および山の何れで切り替えてもよいと考えられる。

図６は、デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ以上のときに上側片素子制御から両素子制御に切り替える際の様子の一例を示す説明図である。変形例では、図６の中段に示すように、昇圧キャリアの山（極大値）のタイミングで上側片素子制御から両素子制御に切り替えることにより、上アームをオフにするタイミングと下アームをオンにするタイミングとの間隔ΔＴ２が上述のデッドタイムＤＴよりも短くなっている。この間隔が短くなると、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとが短絡する可能性がある。これに対して、実施例では、図６の下段に示すように、昇圧キャリアの谷（極小値）のタイミングで上側片素子制御から両素子制御に切り替えることにより、上アームをオフにするタイミングと下アームをオンにするタイミングとをデッドタイムＤＴだけずらすことができ、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとが短絡するのを抑制することができる。なお、デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ以上のときに下側片素子制御から両素子制御に切り替える際には、昇圧キャリアの山で切り替えると、切替前後で下アームのオンが継続することになり、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとが短絡する可能性は十分に低いことから、昇圧キャリアの山および谷の何れで切り替えてもよいと考えられる。

以上説明した実施例の電気自動車２０に搭載される昇圧システムでは、片素子制御（上側片素子制御または下側片素子制御）から両素子制御に切り替える際において、デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ以上のときには、昇圧キャリアの谷（極小値）のタイミングで片素子制御から両素子制御に切り替え、デューティ指令Ｄ＊が閾値Ｄｒｅｆ未満のときには、昇圧キャリアの山（極大値）のタイミングで片素子制御から両素子制御に切り替える。これにより、下側片素子制御から両素子制御に切り替える際における下アームをオフにするタイミングと上アームをオンにするタイミングとの間隔や、上側片素子制御から両素子制御に切り替える際における上アームをオフにするタイミングと下アームをオンにするタイミングとの間隔がデッドタイムＤＴよりも短くなるのを抑制することができる。この結果、高電圧側電力ライン４２の正極側ラインと負極側ラインとが短絡するのを抑制することができる。

実施例では、モータ３２を備える電気自動車２０に搭載される駆動装置の形態とした。しかし、モータ３２に加えてエンジンも備えるハイブリッド自動車に搭載される駆動装置の形態としてもよいし、自動車以外の車両や船舶、航空機などの移動体に搭載される駆動装置の形態としてもよいし、建設設備などの移動しない設備に搭載される駆動装置の形態としてもよい。

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、昇降圧コンバータ４０が「昇圧コンバータ」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、昇圧システム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 電流センサ、３４ インバータ、３６ バッテリ、３６ａ 電圧センサ、３６ｂ 電流センサ、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、４６，４８ コンデンサ、４６ａ，４８ａ 電圧センサ、５０ 電子制御ユニット、５２ ＣＰＵ、５４ ＲＯＭ、５６ ＲＡＭ、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、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ３１，Ｄ３２ ダイオード、Ｌ リアクトル、Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ３１，Ｔ３２ トランジスタ。

Claims (1)

1. 上アーム，下アームとしての第１，第２スイッチング素子と第１，第２ダイオードとリアクトルとを有し、電源側と電気負荷側との間で電圧変換を伴って電力のやりとりを行なう昇降圧コンバータと、
   デューティ指令と昇圧キャリアとの比較結果に基づいて、昇降圧コンバータの制御として、前記第１，第２スイッチング素子のうちの何れか１つだけをスイッチングする片素子制御または前記第１，第２スイッチング素子の両方をスイッチングする両素子制御を実行する制御装置と、
   を備える昇圧システムであって、
   前記制御装置は、前記片素子制御から前記両素子制御に切り替える際において、前記デューティ指令が閾値以上のときには、前記昇圧キャリアの極小値のタイミングで前記片素子制御から前記両素子制御に切り替え、前記デューティ指令が前記閾値未満のときには、前記昇圧キャリアの極大値のタイミングで前記片素子制御から前記両素子制御に切り替える、
   昇圧システム。

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