WO2006104268A1

WO2006104268A1 - 電圧変換装置および車両

Info

Publication number: WO2006104268A1
Application number: PCT/JP2006/307297
Authority: WO
Inventors: Kota Manabe; Masahiro Shige
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2006-03-30
Publication date: 2006-10-05
Also published as: KR20080004537A; KR100927453B1; JPWO2006104268A1; CN100583613C; DE112006000761B8; US7715217B2; JP4557005B2; CN101151788A; US20090051346A1; DE112006000761B4; DE112006000761T5

Abstract

　ＤＣ／ＤＣコンバータ（３０）は、リアクトル（Ｌ）と、ＩＧＢＴ素子（ＴＲ３）と、ＩＧＢＴ素子（ＴＲ４）と、デッドタイム生成部（３７）と、ＤＣ−ＣＰＵ（３１）とを含む。デッドタイム生成部（３７）は、デューティー比の基準信号（ＧＡＴＥＢＡ）に応じて、ＩＧＢＴ素子（ＴＲ３，ＴＲ４）を双方とも非導通状態に維持するデッドタイム分の非活性期間を設けた第１、第２の活性化信号（ＧＵＰ，ＧＵＮ）を出力する。ＤＣ−ＣＰＵ（３１）は、電圧指令値（Ｖｆｃｒ）に基づき算出した仮デューティー比をリアクトル（Ｌ）に流れるリアクトル電流値（ＩＬ）に応じて補正して基準信号（ＧＡＴＥＢＡ）を出力する。好ましくは、ＤＣ−ＣＰＵ（３１）は、リアクトル電流値（ＩＬ）を３状態に対応させ、状態遷移が発生する値にリアクトル電流値が近づくと補正値を徐々に切替える。

Description

明細書電圧変換装置および車両技術分野

この発明は、電圧変換装置および車両に関し、特に 2つの電圧系の間に設置され双方向に電流供給が可能な電圧変換装置およびそれを備える車両に関する。背景技術

特開 2 0 0 4— 1 2 0 8 4, 4号公報には、インバータと組合せて用いられる昇圧コンバータの制御装置が開示されている。この制御装置は、出力電圧検出値と出力電圧指令値との差に応じてコンバータスィッチング素子のデューディ一比を比例積分制御によりフィードバック制御するものである。

そして、この制御装置は、演算回路でインバータ出力電力値を求めこれを比較器で所定値と比較することでコンバータの電流経路を判断し、その結果に応じて補正回路からコンバータ電力電圧の変動を抑制する側のデューディー比補正量を出力している。

. 近年、電気自動車、ハイブリッド自動車および燃料電池自動車等のように、車両推進用の駆動源として交流式モータを採用し、この交流式モータを駆動するィンバータ装置を搭載する自動車が登場している。

このような車両では、車両推進用モータを駆動するための高電圧バッテリと低電圧の捕機用バッテリなどの 2つ以上の異なる電圧のバッテリを搭載するケースがある。

また、燃料電池を搭載する自動車では、稼動開始から安定出力にいたるまで枓電池の出力電圧が変動する。このため駆動用の電力を安定的に確保するには燃料電池と二次電池とを組み合わせ、電圧変換器で接続して使用することが検討されている。

車両状態に応じて燃料電池の出力電圧も二次電池の出力電圧も変動するので、この間に接続される電圧変換器は、車両に必要とされるパワーに応じて、二次電池側から燃料電池側に電流を供給したり、逆に燃料電池側から二次電池に充電したりする動作を行なう。

このため、車両の加速、道路の傾斜等に応じて必要な電圧を速やかに出力できる電圧変換器が要求される。

また、特開 2 0 0 4— 1 2 0 8 4 4号公報に開示された技術では、ィンバータ出力電力に応じてデューディー比補正量を決定しているが、インータ側に燃料電池が接続されるシステムでは、ィンバータ電力出力のみでは正確な最適補正量を得ることができな、場合がある。発明の開示

この発明の目的は、出力電圧の制御性が向上された電圧変換器およびそれを備える車両を提供することである。

この発明は、要約すると、電圧変換装置であって、インバータと組合せて用いられる電圧変換器の制御を行なう制御部を備える。制御部は、電圧変換器の通過電流を検出する検出手段と、電圧変換器のスィチング素子をオン、オフさせるためのデューティー比を検出手段の出力に応じて補正する捕正手段とを含む。好ましくは、ィンバータに接続される第 1の電源ノ一ドと蓄電装置に接続される第 2の電源ノーとの間で電圧変換を行なう。

より好ましくは、第 1の電源ノードには、さらに整流素子を介して燃料電池が接続される。

より好ましくは、電圧変換器は、デューティー比が大きいほど第 2の電禪ノードに対する第 1の電源ノードの電圧を高く.設定する。 .

この発明の他の局面に從うと、電圧変換器であって、インバータと組合せて用いられる電圧変換器の制御を行なう制御部を備える。制御部は、電圧変換器の通過電流を検出する検出部と、電圧変換器のスイッチング素子をオン、オフさせるためのデューティー比を検出手段の出力に応じて補正する捕正部とを含む。好ましくは、電圧変換器は、インパータに接続される第 1の電源ノードと蓄電装置に接続される第 2の電源ノードとの間で電圧変換を行なう。

より好ましくは、電圧変換器は、デューティー比が大きいほど第 ²の電源ノ一ドに対する第 1の電源ノードの電圧を高く設定する。

この発明のさらに他の局面に従うと、電圧変換器であって、リアタトルと、第 1の活性ィ匕信号に応じてリアクトルの一方端を第 1の電源ノードに結合する第 1 のスイッチング素子と、第 2の活性化信号に応じてリアクトルの一方端を接地ノードに結合する第 2のスイッチング素子と、第 1のスィツチング素子と第 2のスィツチング素子を双方とも非導通状態に維持するデッドタイム分の非活性期間を' 設けた第 1、第 2の活性化信号をデューティー比の基準信号に応じて出力する第 1のデッドタイム生成部と、電圧指令値に基づき算出した仮デューティー比をリァクトルに流れるリアクトル電流値に応じて補正して基準信号を出力する制御部とを備える。

好ましくは、制御部は、リアタトル電流値を 3状態に対応させ、状態遷移が発生する値にリアクトル電流値が近づくと補芷値を徐々に切替える。

好ましくは、制御部は、電圧指令値と出力電圧値の偏差に基づいて比例積分微分制御を行っており、リアクトルの電流値に応じて積分項を.補正することによつて仮デューティー比の補正を行なう。

好ましくは、電圧変換器は、基準信号に応じて第 2の活性化信号、第 1の活性化信号とそれぞれ同期して活性化される第 3の活性化信号、第 4の活性化信号を出力する第 2のデッドタイム生成部と、第 3の活性化信号に応じてリアタトルの他方端を第 2の電源ノ一ドに結合する第 3のスィツチング素子と、第 4の活性化信号に応じてリアクトルの他方端を接地ノードに結合する第 4のスィツチング素子とをさらに備える。

より好ましくは、第 1の電源ノードは、モータ駆動用のインパータに接続され、第 2の電源ノードは、蓄電装置に接続される。

さらに好ましくは、第 1の電源ノードには、さらに整流素子を介して燃料電池が接続される。

この発明のさらに他の局面に従うと、電圧変換装置を備える車両であって、電圧変換装置は、リアクトノレと、第 1の活性化信号に応じてリアタトルの一方端を第 1の電源ノードに結合する第 1のスィツチング素子と、第 2の活性化信号に応じてリアクトルの一方端を接地ノードに結合する第 2のスイッチング素子と、第 1のスィツチング素子と第 2のスィツチング素子を双方とも非導通状態に維持するデッドタイム分の非活性期間を設けた第 1、第 2の活性化信号をデューティー比の基準信号に応じて出力する第 1のデッドタイム生成部と、電圧指令値に基づき算出した仮デューティー比をリアクトルに流れるリアクトル電流値に応じて補正して基準信号を出力する制御部とを含む。

好ましくは、制御部は、リアクトル電流値を 3状態に対応させ、状態遷移が発生する値にリアクトル電流値がづくと補正値を徐々に切替える。

好ましくは、制御部は、電圧指令値と出力電圧値の偏差に基づいて比例積分微分制御を行っており、リアクトルの電流値に応じて積分項を補正することによつて仮デューチイ一比の補正を行なう。

好ましくは、電圧変換^は、基準信号に応じて第 2の活性化信号、第 1の活性化信号とそれぞれ同期して活性化される第 3の活性化信号、第 4の活性化信号を出力する第 2のデッドタイム生成部と、第 3の活性化信号に応じてリアタトルの他方端を第 2の電源ノードに結食する第 3のスィツチング素子と、第 4の活性化信号に応じてリアクトルの他方端を接地ノードに結合する第 4のスィツチング素子とをさらに含む。

好ましくは、車両は、車輪を駆動するモータと、第 1の電¾1ノードに接続され、モータを駆動するインバータと、第 2の電源ノードに接続される蓄電装置とをさらに備える。

より好ましくは、車両は、燃料電池と、第 1の電源ノードと燃料電池との間に接続される整流素子とをさらに備える。

本発明によれば、出力電圧の精度が向上し、かつリアクトル電流の状態変化が起こった場合でも早期に出力電圧を目標値に収束させることができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の実施の形態に係る電圧変換器を搭載した車両の構成を示す説明図である。 ' 図 2は、図 1の D C/D Cコンバータ 30について詳細な構成を示した回路図である。

図 3は、スィツチング素子のデューディ一比が 50%より小さい場合のリアクトルに流れる電流の変化を説明するための図である。

図 4は、スイッチング素子のデューディー比が 50%より大きい場合のリアクトルに流れる電流の変化を説明するための図である。

図 5ほ、リアクトル電流が 3状態に分類されることを説明するための波形図である。

図 6は、図 5の状態 Aにおける基準信号 GATEB Aとリアクト /レ電流の変化との関係を示した動作波形図である。

図 7は、図 5の状態 Cにおける基準信号 GATE B Aとリアクトノレ電流の変化との関係を示した動作波形図である。

図 8は、図 5の状態 Bにおける基準信号 GATEB Aとリアクトノレ電流の変化との関係を示した動作波形図である。

図 9は、図 2における DC— CPU31の構成を示したブロック図である。

Wi 10は、 DC— CPU3 1で行なわれる処理構造を示したフローチャートである。

図 1 1は、リアクトル電流が負の場合のデ'ッドタイム捕正値とリァクトル電流の関係を示した図である。

図 12は、リアタトル電流が正の場合のデッドタイム捕正値とリアタトル電流の関係を示した図である。

図 13は、実施の形態 2において図 2における DC— C PU 31に代えて用いられる DC— CPU 31 Aの構成を示したブロック図である。

図 14は、 DC— CPU31 Aで行なわれる処理構造を示しフローチヤ一トである。

図 15は、積分項ゲインの切り替え例を示した図である。発明を実施するための最良の形態

以下、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、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さなレ、。

[車両の全体構成]

図 1は、本発明め実施の形態に係る電圧変換器を搭載した車両の構成を示す説明図である。一例として、車両が燃料電池自動車である例が示されるが、これに限らず、電気自動車、ハイブリッド自動車にも本発明は適用可能である。

図 1を参照して、この車両は、車輪 6 3 L , 6 3 Rに連結された同期モータ 6 1を駆動力源として走行する。同期モータ 6 1の電源は、電源システム 1である。電源システム 1から出力される直流は、インバータ 6 0で三相交流に変換され同期モータ 6 1に供給される。同期モータ 6 1は、制動時に発電機として機能することもできる。

電源システム 1は、燃料電池 4 0、バッテリ 2 0、 D C/D Cコンバータ 3 0 等から構成される。燃料電池 4 0は、水素と酸素の電気化学反応によって発電する装置である。一例としては、固体高分子型の燃料電池を用いることができる。これに限らず、燃料電池 4 0には、燐酸型、溶融炭酸塩型など種々のタイプの燃料電池を適用可能である。発電に利用される水素ガスは、アルコール等の原料を改質して生成される。本実施の形態では、発電を行なうスタック、燃料ガスを生成する改質器等を含めて燃料電池 4 0と称する。なお、改質器に代えて、水素吸蔵合金、水素ボンベなどを利用して水素ガス自体を貯蔵する構成を採ることも可能である。

バッテリ 2 0は、充放電可能な二次電池であり、一例としては、二ッケル水素バッテリを用いることができる。その他、種々のタイプの二次電池を適用可能である。また、バッテリ 2 0に代えて、二次電池以外の充放電可能な蓄電器、例えばキャパシタを用いても良い。 ■ .

燃料電池 4 0とバッテリ 2 0とはィンバータ 6 0に並列接続されている。燃料電池 4 0からインバータ 6 0への回路には、バッテリ 2 0からの電流または同期モータ 6 1で発電された電流が逆流するのを防止するためのダイオード 4 2が設けられている。並列に接続された電源の電力を適切に使い分けるためには、両者の相対的な電圧差を制御する必要がある。本実施の形態では、この目的から、バッテリ 2 0とインバータ 6 0との間に D C/D Cコンバータ 3 0が設けられている。 DC/DCコンバータ 30は直流の電圧変換器である。 DC /DCコンバータ 30は、バッテリ 20から入力された DC電圧を調整してインバータ 60側に出力する機能、燃料電池 40またはモータ 61から入力された DC電圧を調整してバッテリ 20に出力する櫸能を奏する。 DCZDCコンバータ 30の機能により、バッテリ 20の充放電が実現される。

ノッテリ 2ひと DCZDCコンバータ 30との間には、車両補機 50および F C補機 51が接続されている。つまり、バッテリ 20は、これらのネ甫機の電源となる。車两補機 50とは、車両の運転時に使用される種々の電力機器を言い、照明機器、空調機器、油圧ポンプなどが含まれる。 FC補機 51とは、燃料電池 4 0の運転に使用される種々の電力機器を言い、燃料ガスゃ改質原料を供給するためのポンプ、改質器の温度を調整するヒータ等が含まれる。

上述した各要素の運転は、制御ュニット 10によって制御される。制御ュニット 10は、内部に CPU、 RAM、 ROMを備えたマイクロコンピュータとして構成されている。制御ュニット 10は、インパータ 60のスィツチングを制御して、要求動力に応じた三相交流を同期モータ 61に出力する。要求動力に応じた電力が供給されるよう、燃料電池 40および DCZDCコンバータ 30の運転を制御する。

これらの制御を実現するために、制御ュ-ット 10には、種々のセンサ信号が入力される。これらのセンサには、例えば、アクセルペダルセンサ 1 1、バッテリ 20の充電状態 SOC (State Of Charge) を検出する SO Cセンサ 21、燃料電池 40のガス流量を検出する流量センサ 41、車速を検出する車速センサ 6 2が含まれる。図示しないが、制御ユニット 10には、その他種々のセンサが接続されている。

図 2は、図 1の D CZD Cコンバータ 30について詳細な構成を示した回路図である。なお、動作の理解の容易のために、図 2には DC/DCコンバータ 30 の周辺部についても一部構成が示されている。

図 2を参照して、この車両には、バッテリ 20と、パッテリ 20の端子間に接続される平滑用コンデンサ 3と、インバータ 60と、インパータ 60によって駆動されるモータ 61と、インバータに直流電圧を供給する直列に接続されるダイオード 42および燃料電池 40と、インバータの電源端子間に接続される平滑用コンデンサ 14とが設けられる。ダイオード 42は、燃料電池 40に電流が流入するのを防止するための保護素子である。

この車両には、さらに、バッテリ 20の電圧 VBを検出する電圧センサ 22と、バッテリ 20に流れる電流 I Bを検出する電流センサ 23と、インバータ'電圧 V

1 NVを検出する電圧センサ 44と、インバータ側に流れる電流 I I NVを検出する電流センサ 43と、バッテリの電圧 VBとインバータの電圧 V I NVとの間で相互に電圧変換を行なう D C/D Cコンバータ 30とが搭載されている。

DC/DCコンバータ 30は、バッテリ 20の端子間に接続される第 1のァームと、インバータ 60の電源端子間に接続される第 2のアームと、第 1、第 2のアーム間に接続されるリアクトル Lとを含む。

第 1のアームは、バッテリ 20の正極と負極との間に直列に接続される I GB T素子 TR 1， TR2と、 I GBT素子 TR 1と並列に接続されるダイオード D 1と、' I GBT素子 TR 2と並列に接続されるダイオード D 2とを含む。

I GBT素子 TR 1のコレクタはバッテリ 20の正極に接続され、ェミッタはノード N1に接続される。ダイオード D 1はノー KN1からバッテリ 20の正極に向かう向きを順方向として接続される。

I GBT素子 TR 2のコレクタはノード N 1に接続され、エミッタはバッテリ

20の負極に接続される。ダイオード D 2はバッテリ 20の負極からノード N1 に向かう向きを順;^向として接続される。

第 2のアームは、インバータの正負電源端子間に直列に接続される I GBT素子 TR3, TR4と、 I GBT素子 TR 3と並列に接続されるダイオード D 3と、 I GBT素子 TR 4と並列に接続されるダイオード D 4とを含む。

I GBT素子 TR 3のコレクタはインバータ' 60の正電源端子に接続され、ェミッタはノード N2に接続される。ダイオード D3はノード N2からインバータ 60の正電源端子に向かう向きを順方向として接続される。

I GBT素子 TR4のコレクタはノード N2に接続され、ェミッタはインバータ 60の負電源竭子に接続される。ダイォード D 4はィンバータ 60の負電源端子からノード N 2に向かう向きを順方向として接続される。リアクトル Lは、ノード N 1とノード N 2との間に接続される。

バッテリ 20の電圧 VBと燃料電池 40の出力電圧とは、取り得る範囲が一部重なっている。たとえばバッテリはニッケル水素バッテリなどが使用され、その電源電圧はたとえば 200V〜300 Vの範囲で変動するとする。一方、燃料電池 40の出力電圧はたとえば 240 V〜400Vの範囲で変動するとする。したがってパッテリ 20の電圧が燃料電池 40の出力電圧よりも高い場合と低い場合とがあるので、 DC/DCコンバータ 30は先に説明したように第 1、第 2のァームを有するような構成となっている。この構成により、バッテリ 20側からィンバータ 60側に昇圧おょぴ降圧が可能となり、かつインパータ 60卿からバッテリ 20側に昇圧および降圧が可能となる。

DC/DCコンバータ 30は、さらに、 DC-CPU 3 1と、バッファ 32と、反転バッファ 34， 35， 36, 38, 39と、デッドタイム生成部 33， 37 と、リアクトル Lの電流値 I Lを検知する電流センサ SEとを含む。

DC— CPU 3 1は、電圧指令値 V f c rおよび電流値 I Lに応じてコンバー' タのスィツチングデューティー比の基準となる信号 GATEBAを出力する。信号 GATEBAは、バッファ 32によってデッドタイム生成部 33に伝達される。デッドタイム生成部 33は、出力信号の立ち上がりを遅延させて相補な 2つの出力信号の活性期間の間に 2つの出力信号が双方とも不活' 14となるデッドタイムを設ける。

デッドタイム生成部 33の相補な出力信号は、それぞれ反転バッファ 34， 3 5に与えられる。反転バッファ 34は I 0：8丁素子丁1 1に対してゲート信号 M UPを出力する。反転バッファ 35は I 08丁素子丁1 1に対してゲート信号 M DNを出力する。

また、信号 GATEBAは、反転バッファ 36によってデッドタイム生成部 3 7に伝達される。デッドタイム生成部 37は、入力信号の立ち上がり又は立下りを遅延させて相補な 2つの出力信号の活性期間の間に 2つの出力信号が双方とも不活性となるデッドタイムを設ける。

デッドタイム生成部 37の相補な出力信号は、それぞれ反転バッファ 38， 3 9に与えられる。反転バッファ 38は I GBT素子 TR 3に対してゲート信号 G UPを出力する。反転バッファ 39は I 8丁素子丁1 4に対してゲート信号 G UNを出力する。

図 4は、スィツチング素子のデューディー比が 50%より大きい場合のリアクトルに流れる電流の変化を説明するための図である。

ここで、デューディー比とは、スィツチング素子のオン時間を T o n、オフ時間を T o f f とすると To nZ (To n + To f f ) で表される。

またリアクトル電流の傾きは Δ Ι/Δ t=V/Lで決まるが、理解の容易のためコンバータの入口側と出口側の電圧が等しい場合について図 3、図 4はリアクトル電流 I Lを示している。

図 3に示すように I L基準パルスのデューディー比 D< 50%の場合には、次第にリアタトル電流 I Lが減少していく。逆に図 4に示すように I L基準パルスのデュ"ディー比 D> 50%の場合には、次第にリアクトル電流 I Lが増加していく。

図 2のバッテリ 20からの放電時には、 I GBT素子 TR 1, TR4がオン状態に制御されることによってリアクトル Lにエネルギが蓄積される。続いて I G BT素子 TR 1， TR 4がともにオフ状態に制御されるとリアクトノレ Lに蓄積されたエネルギがダイォード D 2—リアクトル L→ダイォード D 3の電流経路で放出される。

これによりバッテリ 20から供給される電力によってインバータ 60が駆動されモータ 6 1が回転する。このときに同期して、ダイオード D 2、 D 3における損失を減らすために、 108丁素子丁1 2， TR 3を導通させて抵抗を減らしている。ただし、 I GBT素子はスイッチング時にターンオフ遅れが生ずるので、ゲート制御信号にデッドタイムが設けられている。

図 2の DC— CPU31が P WM制御して発生する基準信号 G AT E B Aに対して、 I GBT素子のゲートを駆動するドライブ信号を作成する際に、素子のォン指令を遅らせるなどの構成を追加することで上下アームの短絡の危険性を回避しており、この短絡防止のために設ける上下アームの I GBT素子の両方がオフとなる期間をデッドタイムと呼んでいる。

図示しないが、モータ 6 1には車輪が減速機を介して接続されている。このようなバッテリ 2 0からの放電は、燃料電池 4 0力、らの電力だけでは必要なパヮ一に満たないような高パワー領域でモータ 6 1を運転させる場合や、停車時や低負荷走行時など燃料電池 4 0の効率が低い領域での運転を行なう場合に行なわれる。図 2のバッテリ 2 0への充電時には、 1 0 8丁素子丁尺2， T R 3がオン状態に制御されることによってリアクトル Lにエネルギが蓄積される。続いて I G B T素子 T R 2， T R 3がともにオフ状態に制 f卸されるとリアクトル Lに蓄積されたエネルギがダイォード D 4→リアクトル L→ダイォード D 1の電流経路で放出される。

このようにバッテリ 2 0に対して充電が行なわれるのは、バッテリ 2 0の充電状態（S O C ) が低下している場合で燃料電池 4 0の出力に余裕がある場合である。または、走行時に車両を制動させた場合においてモータ 6 1が回生運転を行なうことにより電気工ネルギを回収してバッテリ 2 0に蓄積する場合である。この動作により、燃料電池 4 0で発電された直流電力が供給され、または回生運転によりモータ 6 1で発電された交流電力がィンバータ 6 0で直流電力に変換されて供給されてバッテリ 2 0に対する充電が行なわれる。

バッテリ 2 0への充電時にも、上下アームの短絡を防止するためにデッドタイムが設けられている。

図 5は、リアクトル電流が 3状態に分類されることを説明するための波形図でめ _D

図 5を参照して、状態 Aは、スイッチングの 1サイクルにおいてリアク小ル電流 I Lが常に負である状態である。このときリアタトル電流の'向きは、図 2においてリアクトル電流 I Lの矢印で示した向きを正とする。つまり、状態 Aは、バッテリ 2 0に燃料電池 4 0またはインバータ 6 0から充電が行なわれている状態である。

状態 Cは、スイッチングの 1サイクルにおいてリアクトノレ電流 I Lが常に正である状態である。つまり、状態 Cは、バッテリ 2 0からインバータ 6 0に放電が行なわれている状態である。状態 Bは、スイッチングの 1サイクルにおいてリアクトル電流 I Lの最大値 I ma xが正で、最小値 I m i nが負である状態である。つまり状態 Bは、バッテリ 20に充電される電流とバッテリ 20から放電される電流とがほぼ拮抗している状態である。

図 6は、図 5の状態 Aにおける基準信号 GATE B Aとリアクトル電流の変化との関係を示した動作波形図である。 - 図 2、図 6を参照して、 DC— CPU3 1から出力された基準信号 GATEB. Aは、デッドタイム生成部 33, 37によってデッドタイムが付加された結果、 I GBT素子 TR 1〜TR4を図 6の波形図に示すように ON · OFFさせる。すなわち、時刻 t 1の基準信号 GATEB Aの立下りに応じて I GBT素子 T R 1, TR4がオン状態からオフ状態に非活性化され、デッドタイム Td t lが経過した後の時刻 t 3において I GBT素子 TR 2， TR 3がオフ状態からオン状態に活性化される。

続いて、時刻 t 4の基準信号 GATEB Aの立上りに応じて I 081：素子丁1 2, TR 3がオン状態からオフ状態に非活性化され、デッドタイム T d t 2が経過した後の時刻 t 6において I &8丁素子丁1 1, TR 4がオフ状態からオン状態に活性化される。 ·

ここで、 I GBT素子 TR 1〜TR4には、それぞれダイオード D 1〜D 4が並列接続されている。したがって、デッドタイムにおいて.もダイオードの I頃方向には電流が流れうる。

状態 Aにおいては、リアクトル電流 I Lが負すなわち図 2のノード N 2からノード N 1に向けて流れている。したがって I 08丁素子丁1 1〜丁1^4がすべてオフ状態であるデッドタイム時には、ダイオード D l、 D4が導通する。

つまり時刻 t 6〜t 7の I 08丁素子丁1 1， TR 4が導通している時間にデッドタイム Td t l, T d t 2を加えた時間、つまり時刻 t 4〜 t 9の間は 1サイタルにおいてリアクトル電流 I L力 S増力 fjし、 1サイクル中リアクトル電流が減少する時間は時刻 t 3〜 t 4の I GBT素子 TR 2， TR 3が導通している時間のみとなる。

したがって、仮に、基準信号 GATEBAのデューディ^"比が 50%であるとすると、状態 Aでは、次第にリアクトノレ電流 I Lが増加していく傾向となる。図 7は、図 5の状態 Cにおける基準信号 GATEB Aとリアクトノレ電流の変化との関係を示した動作波形図である。

図 7の基準信号 GATABAと I GBT素子 TR 1 ~T R 4のオン/オフ状態については、図 6の場合と同様であるので説明は繰返さない。

図 2、図 7を参照して、状態 Cにおいては、リアタトル電流 I Lが正すなわち図 2のノード Ν 1からノード Ν 2に向けて流れている。したがって I GBT素子

TR 1〜TR4がすべてオフ状態であるデッドタイム時には、ダイオード D2、

D 3が導通する。 '

つまり時刻 t 3〜t 4の I GBT素子 TR2, T R 3が導通している時間にデッドタイム T d t l, T d t 2を加えた時間、つまり時刻 t 1〜 t 6の間は 1サイタルにおいてリアク'トル電流 I Lが減少し、 1サイクル中リアクトル電流が増加する時間は時刻 t 6〜 t 7の I GBT素子 TR 1， TR 4が導通している時間のみとなる。

したがって、仮に、基準信号 GATEBAのデューディー比が 50%であるとすると、状態。では、次第にリアタトル電流 I.Lが減少していく傾向となる。図 8は、図 5の状態 Bにおける基準信号 GATEB Aとリアクトル電流の変化との関係を示した動作波形図である。

図 8の基準信号 GATABAと I GBT素子 TR 1 ~T R 4のオンノオフ状態については、図 6の場合と同様であるので説明は繰返さない。

図 2、図 8を参照して、状態 Βにおいては、リアタトル電流 I Lが正すなわち図 2のノード N1かもノード Ν2に向けて流れている期間と、リアクトル電流 I Lが負すなわち図 2のノード Ν2からノード N1に向けて流れている期間とが繰返される。

この場合は、'時刻 t 3〜t 4の I GBT素子 TR2， TR3が導通している時間にデッドタイム T d t 1を加えた時間、つまり時刻 t 1〜 t 4の間は 1サイクルにおいてリアタトル電流 I Lが減少し、時刻 t 6〜 t 7の I GBT素子 TR 1 TR 4が導通している時間にデッドタイム T d t 2を加えた時間、つまり時刻 t 4〜t 7の間は 1サイクルにおいてリアクトル電流 I Lが増加する。したがって、仮に、基準信号 GATEBAのデューディー比が 50%であるとすると、デッドタイム Td t 1 , T d t 2が等しければ、状態 Bでは、リアタトル電流 I Lは現状を維持する傾向となる。

以上図 6〜図 8で説明したように、基準信号 GATEBAのデューディー比と実際にリアクトルで電流の増加減少が行なわれるデューディーとはリアクトルの電流状態で異なる。

したがって、精度よく制御を行なうためにはリアクトルの電流状態に応じて、基準信号 GATEBAのデューディー比を補正してやる必要がある。

つまり、状態 Aでは目標よりも基準信号 GATEBAのデューディー比を小さく補正する必要があり、状態 Cでは目標よりも基準信号 GATEBAのデューティ一比を大きく補正する必要がある。

[実施の形態 1 ]

図 9は、図 2 おける DC— C PU 3 1の構成を示したブロック図である。図 9を参照して、 DC— CPU3 1は、指令電圧値 V f c rとインバータ電圧値 V I NVとの偏差 AVf cを演算する演算部 72と、偏差 Δνί cの微分処理を行なう処理部 74と、処理部 74の出力に微分項ゲイン K d Vを掛ける演算部 76と、偏差 AV f cの積分処理を行なう処理部 80と、処理部 80の出力に積分項ゲイン K i Vを掛ける演算部 82.と、偏差 AV f cに比例項 KpVを掛ける演算部 78と、演算部 76， 82， 84の出力の和を演算する演算部 84とを含む。演算部 84は和信号 V f cを出力する。

DC— CPU3 i、さらに、指令電圧値 V i c rとバッテリ電圧値 VBとを受けて V f c r / (VB + V f c r ) を演算してこれを電圧値 V ί c r e qとして出力するフィードフォワード処理部 86と、図 2の電流センサ SEからリアクトル電流値 I Lを受けて、図 5の状態 A、 B, Cのいずれの状態であるかを判断し、その状態に対応するデッドタイム分のデューティー比の補正値を選択するデッドタイム補正部 90と、デッドタイム補正部 90の出力と電圧値 V f cと電圧値 V f e r e qとを加算して電圧値 V 1.を出力する加算処理部 88と、電圧値 V 1を受けて基準信号 G AT ABAを出力する PWM処理部 92とを含む。

デッドタイム捕正部 90の処理は、たとえば、状態 Aでは一 36 V、状態 Bでは 5. 4V、状態 Cでは 42. 8 Vという電圧値を補正値として出力する。

PWM処理部 92は、加算処理部 88で加算された結果の電圧値 V 1に対応するスィツチング基準タイミングを示す信号 GATE B Aを図 2のバッファ 32および反転バッファ 36に出力する。

図 10は、 DC— CPU 31で行なわれる処理構造を示したフローチャートである。この処理は、制御のメインルーチンから所定時間毎または所定の条件が成立するごとに呼び出されて実行される。

図 10を参照して、まず処理が開始されると、ステップ S 1において DC— C PU3 1は、図 2の電流センサ SEの出力するリアタトル電流値 I Lを取得して現在のリアクトル電流状態が、図 5の状態 A, B, Cのいずれであるかを検知する。

具体的には、電流値 I Lの 1サイクル分の増減のピーク値を観測して I m a X < 0であれば状態 A、 I m i n > 0であれば状態 C、 l m i n<0く Ima xであれば状態 Bであると判断する。

続いて、ステップ S 2においてデッドタイム補正値を算出する。たとえば、状態 Aでは一 36 V、状態 Bでは 5. 4V、状態 Cでは 42. 8Vとレヽぅ電圧値を補正値とする。これは、図 9の PWM処理部 92に入力される前は、基準信号 G ATEBAのデューディ一比は対応する電圧値で演算されているためである。時間基準にして表現すると、 T d t 1 =T d t 2=T d tとするとき、図 6より状態 Aでは + T d t、図 8より状態 Bでは 0、図 7より状態 Cでは— T d tが基準信号 GATEBAのデューディー比の補正値（デッドタイム補正値）である。そして処理はステップ S 3に進む。

ステップ S 3では、まずフィードフォワード項（FF項）とフィードバック項 (FB項).が演算される。 FF項は、 V f c r/ (VB+V f c r) を演算して求められる。 FB項は、電圧指令値 V f c rとインバータ電圧値 V I NVとの偏差厶 V f cに対して P I D処理を行なうことで求められる。そして、 F F;>S+F B項 +デッドタイム補正値が演算されて図 9の電圧値 V 1が求められ、この電圧値 V 1に対するデューディ一比の基準信号 G AT E B Aが得られる。

ステップ S 3の処理が終了すると、制御はメインルーチンに戻される。このような処理を行なうことにより出力電圧の精度が向上し、かつリアクトル電流の状態変化が起こった場合でも早期に出力電圧を目標値に収束させることができる。

[実施の形態 1の変形例]

実施の形態 1では、デッドタイム補正値をリアクトル電流 3状態に対応して選択して決めていた。しかし、リアタトル電流の状態変化の過渡時においては、さらに電圧制御性の改善の余地がある。

すなわち、たとえば図 5のようにリアクトル電流が状態 A→B→Cの順に変化するとき、状態 Aから状態 Bに切り替わった瞬間にデットタイム補正値を急に切替えるのでは、出力電圧が安定するまでに時間がかかる場合がある。

図 11は、リアクトル電流が負の場合のデッドタイム補正値とリアクトル電流の関係を示した図である。

図 12は、リアクトル電流が正の場合のデッドタイム補正値とリァ'クトル電流の関示した図である。

リアクトル電流の 1サイクル中の最大ィ直 I ma x<0の場合は、図 11に示すように Im.a xく一 I 1となる領域ではデッドタイム補正値 Δ TTを一 T d tに固定する。そして、一 I 1く I ma x< 0となる領域では、デッドタイム補正値厶 Tを一 T d tから 0まで次第に変化させる。

逆に、リアクトル電流の 1サイクル中の最小値 I m i n > 0の場合は、図 12 に示すように I m i n > I 2となる領域ではデッドタイム補正 Tを + T d t に固定する。そして、 0く I m i nく I 2となる領域では、デッドタイム補正値 ΔΤを 0から + T d tまで次第に変化させる。

つまり、図 2において、 DCZDCコンバータ 30は、リアクトノレ Lと、第 1 の活性化信号 GU Pに応じてリアクトル Lの一方端をィンバータの第 1の電源ノードに結合する I 0BT素子 TR3'と、第 2の活性化信号 GUNに応じてリアクトル Lの一方端を接地ノードに結合する I GBT素子 TR4と、デッドタイム生成部 37と、 DC— CPU31とを含む。

デッドタイム生成部 37は、デューティー比の基準信号 GATE B Aに応じて、 I G B T素子 T R 3, TR4を双方とも非導通状態に維持するデッドタイム分の非活性期間を設けた第 1、第 2の活性化信号 GUP, GUNを出力する。 DC— CPU3 1は、電圧指令値 Vi c rに基づき算出した仮デューティー比をリアクトル Lに流れるリアクトル電流値 I Lに応じて補正して基準信号 GATE B Aを出力する。そして、 DC— CPU31は、リアクトル電流値 I Lを 3状態に対応させ、状態遷移が発生する値にリアクトル電流値が近づくと図 1 1、図 12に示されたマップに基づいて補正値を徐々に切替える。，

このように基準信号 GATE B Aのデュ一ディー比をデッドタイム裨正値で補正することによって、リアクトル電流の状態変化の過渡時においてもスムーズで安定した電圧制御が行なえる。

[実施の形態 2]

実施の形態 2では、 DC— CPU 31に代えて DC— CPU 31 Aを含む。図 13は、実施の形態 2において図 2における DC— CPU31に代えて用いられる DC— C PU 3 1 Aの構成を示したブロック図である。

図 13を参照して、 DC— CPU31Aは、指令電圧値 V ί rとィンバータ電圧値 V I NVとの偏差 f cを演算する演算部 72と、偏差 ΔΥ f cの微分処理を行なう処理部 74と、処理部 74の出力に微分項ゲイン K d Vを掛ける演算部 76と、偏差 Δ V ί cの積分処理を行なう処理部 80と.、処理部 80の出力に積分項ゲイン K i Vを掛ける演算部 82 Αと、偏差 ΔΥ ί cに比例項 KpVを掛ける演算部 78と、演算部 76， 82, 84の出力の和を演算する演算部 84 とを含む。演算部 84は和信号 Vf cを出力する。演算部 82 Aは、図 2の電流センサ SEからリアタトル電流値 I Lを受けて、図 5の状態 A、 B， Cのいずれの状態であるかを判断し、その状態に対応するように積分項ゲインを増減させる。

DC— CPU 3 1 Aは、さらに、指令電圧値 V f c rとバッテリ電圧値 VBとを受けて V f c r / (VB + V f c r ) を演算してこれを電圧値 V ί c r e qとして出力するフイードフォヮ一ド処理部 86と、電圧値 V f cと電圧値 V f c r e qとを加算して電圧値 VI Aを出力する加算処理部 88 Aと、電圧値 VI Aを受けて基準信号 GATAB Aを出力する PWM処理部 92とを含む。

PWM処理部 92は、加算処理部 88で加算された結果の電圧値 V 1に対応するスィツチング基準タイミングを示す信号 GATEB Aを図 2のバッファ 32および反転バッファ 36に出力する。図 14は、 DC— CPU3 1 Aで行なわれる処理構造を示したフローチヤ一トである。この処理は、制御のメインルーチンから所定時間毎または所定の条件が成立するごとに呼び出されて実行される。

図 14を参照して、まず処理が開始されると、ステップ S 1 1において DC— CPU 3 1 Aは、図 2の電流センサ S Eの出力するリアクトノレ電流ィ直 I Lを取得して現在のリアタトル電流状態が、図 5の状態 A, B, Cのいずれであるかを検知する。

具体的には、電流値 I Lの 1サイクル分の増減のピーク値を観測して I m a _X く 0であれば状態 A、 I m i n > 0であれば状態 C、 l m i n<0< lma xであれば状態 Bであると判断する。

続いて、ステップ S 12において前回サンプリング時から、リアクトル電流 I Lの状態が変化したか否かを判断する。つまり、図 5の状態 A， B, Cの状態のうち A→B、 B→Cまたは C→B、 B→Aの状態遷移が生じたか否かを検出する。ステップ S 12でリアクトル電流状態に変化が生じた場合にはステップ S 1 3 に処理が進み、一定時間だけ積分項ゲインを増減させる。これは、 P I D制御を行つた場合にはデッドタイム分.のデューディ一比補正が行なわれるのは積分項ゲィンであるので、予め変化検知時に直ちに積分項ゲインをリアクトル電流状態の変化に合わせるものである。

図 15は、積分項ゲインの切り替え例を示した図である。

図 15を参照して、横軸はリアクトル電流状態に対応するバッテリ電流である。また、縦軸は、補正された積分項を示している。積分項は、バッテリ電流が.負のときつまりバッテリ充電時には一 60Vとなっており、バッテリ電流が正のときつまりバッテリ放電時には + 30Vとなっており、バッテリ電流が 0付近では一 10Vとなっている。

なお、バッテリ電流が正のときは図 5から状態 Cに対応し、バッテリ電流が負のときは図 5から状態 Aに対応し、ノッテリ電流が 0付近のときは状態 Bに対応する。したがって、リアタトル Lに電流センサ SEを設けない場合でも、バッ.テリ電流 I Bを観測しておけばおおよその制御は可能である。

再び図 14を参照して、ステップ S 1 3の処理が終了すると、処理はステップ S 14に進む。またステップ S 12でリアクトル電流の状態変化が検出されなかつた場合にも処理はステップ S 14に進む。

ステップ S 14では、まずフィードフォワード項（FF項）とフィードバック項（FB項）が演算される。 FF項は、 Vf c rZ (VB + Vf c r ) を演算して求められる。 FB項は、電圧指令値 V f c rとインバータ電圧値 V I NVとの偏差 AV f cに対して、積分項ゲインが必要に応じて増減された P I D処理を行なうことで求められる。そして、 FF項 +FB項が演算されて図 1 3の電圧値 V 1 Aが求められ、この電圧値 V 1 Aに対するデューディー比の基準信号 GATE BAが得られる。

ステップ S 14の処理が終了すると、ステップ S 1 5に処理が進み、制御はメインルーチンに戻される。このような処理を行なうことによりリアクトル電流の状態変化が起こった場合でも早期に出力電圧を目標値に収束させることができる。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ぴ範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims

請求の範囲

1. インバータ（60) と組合せて用いられる電圧変換器の制御を行なう制御部を備え、

前記制御部は、

前記電圧変換器の通過電流を検出する検出手段（SE) と、

前記電圧変換器のスィツチング素子をオン、オフさせるためのデューティー比を前記検出手段（SE) の出力に応じて補正する補正手段（31〜39) とを含む、電圧変換装置。

2. 前記電圧変換器は、前記インバータ（60) に接続される第 1の電源ノードと蓄電装置（20) に接続される第 2の電源ノードとの間で電圧変換を行なう、請求の範囲 1に記載の電圧変換装置。

3. 前記第 1の電源ノードには、さらに整流素子（42) を介して燃料電池（4 0) が接続される、請求の範囲 2に記載の電圧変換装置。

•4.'前記電圧変換器は、前記デューティー比が大きいほど前記第 2の電源ノードに対する前記第 1の電 ¾§ノ一ドの電圧をく設定する、請求の範囲 2に記載の電圧変換装置。

5. インバータ（60) と組合せて用いられる電圧変換器の制御を行なう制御部を備え、

前記制御部は、

前記電圧変換器の通過電流を検出する検出部（SE) と、

前記電圧変換器のスイッチング素子をオン、オフさせるためのデューティー比を前記検出手段（SE) の出力に応じて補正する補正部（31〜39) とを含む、電圧変換装置。

6. 前記電圧変換器は、前記インバータ（60) に接続される第 1の電源ノードと蓄電装置（20) に接続される第 2の電源ノードとの間で電圧変換を行なう、請求の範囲 5に記載の電圧変換装置。

7. 前記第 1の電源ノードには、さらに整流素子（42) を介して燃料電池（4 0) が接続される、請求の範囲 6に記載の電圧変換装置。

8. 前記電圧変換器は、前記デューティー比が大きいほど前記第 2の電源ノードに対する前記第 1の電源ノ一ドの電圧を高く設定する、請求の範囲 6に記載の電圧変換装置。

9. リアクトル (L) と、

第 1の活性化信号（GUP) に応じて前記リアタトル（L) の一方端を第 1の電源ノードに結合する第 1のスイッチング素子（TR 3)- と、

第 2の活性化信号（GUN) に応じて前記リアクトル（L) の前記一方端を接地ノードに結合する第 2のスイッチング素子 (TR4) と、

前記第 1のスイッチング素子（TR3) と前記第 2のスイッチング素子（TR 4) を双方とも非導通状態に維持するデッドタイム分の非活性期間を設けた前記第 1、第 2の活性化信号（GUP， GUN) をデューティー比の基準信号（GA TEBA) に応じて出力する第 1のデッドタイム生成部 (37) と、

電圧指令値に基づき算出した仮デューティー比を前記リアタトル（L) に流れるリアタトル電流値（I L) に応じて補正して前記基準信号を出力する制御部 (31) とを備える、電圧変換装置。

10. 前記制御部（3 1) は、前記リアクトル電流値を 3状態に対応させ、状態遷移が発生する値に前記リアクトル電流値が近づくと補正値を徐々に切替える、請求の範囲 9に記載の電圧変換装置。

1 1. 前記制御部（3 1) は、電圧指令値と出力電圧値の偏差に基づいて比例積分微分制御を行っており、前記リアクトルの電流値に応じて積分項を補正することによって前記仮デューティー比の補正を行なう、請求の範囲 9に記載の電圧変換装置。

12. 前記基準信号に応じて前記第 2の活性化信号（GUN) 、前記第 1の活性化信号（GUP) とそれぞれ同期して活性化される第 3の活性化信号（MU P) 、第 4の活性化信号（MUN) を出力する第 2のデッドタイム生成部（3 3) と、

前記第 3の活性化信号（MUP) に応じて前記リアタトル（L) の他方端を第 2の電源ノードに結合する第 3のスイッチング素子（TR 1) と、

前記第 4の活性化信号（MUN) に応じて前記リアクトル（L) の前記他方端を接地ノードに結合する第 4のスイッチング素子（TR 2) とをさらに備える、請求の範囲 9に記載の電圧変換装置。

1 3. 前記第 1の電源ノードは、モータ駆動用のインバータ（60) に接続され、前記第 2の電源ノードは、蓄電装置（20) に接続される、請求の範囲 1 2に記載の電圧変換装置。

14. 前記第 1の電源ノードには、さらに整流素子（42) を介して燃料電池 (40) が接続される、請求の範囲 1 3に記載の電圧変換装置。

15. 電圧変換装置を備える車両であって、

前記電圧変換装置は、

リアクトル（L) と、

第 1の活性化信号（GUP) に応じて前記リアタトル（L) の一方端を第 1の電源ノードに結合する第 1のスツチング素子（TR3) と、

第 2の活性化信号（GUN) に応じて前記リアクトノレ（L) の前記一方端を接地ノードに結合する第 2のスィッチング素子 -（ T R 4 ) と、

前記第 1のスイッチング素子（TR3) と前記第 2のスイッチング素子（TR

4) を双方とも非導通状態に維持するデッドタイム分の非活性期間を設けた前記第 1、第 2の活性化信号（GUP， GUN) をデューティー比の基準信号（GA TEBA) に応じて出力する第 1のデッドタイム生成部（37) と、

電圧指令値に基づき算出した仮デューティー比を前記リアタトル（L) に流れるリアタトル電流値（I L) に応じて補正して前記基準信号を出力する制御部 (31) とを含む、車両。

16ノ前記制御部（3 1) は、前記リアクトル電流値を 3状態に対応させ、状態遷移が発生する値に前記リアクトル電流値が近づくと補正値を徐々に切替える、請求の範囲 15に記載の車両。

17. 前記制御部（3 1) は、電圧指令値と出力電圧値の偏差に基づいて比例積分微分制御を行っており、前記リアクトルの電流値に応じて積分項を補正することによって前記仮デューティー比の補正を行なう、請求の範囲 1 5に記載の車両。 18. 前記電圧変換装置は、

前記基準信号に応じて前記第 2の活性化信号（GUN) 、前記第 1の活性化信号（GUP) とそれぞれ同期して活性化される第 3の活性化信号（MUP) 、第 4の活性化信号（MUN) を出力する第 2のデッドタイム生成部（33) と、前記第 3の活性化信号（MUP) に応じて前記リアクトル（L) の他方端を第 2の電源ノードに結合する第 3のスイッチング素子（TR 1) と、

前記第 4の活性化信号（MUN) に応じて前記リアクトル（L) の前記他方端を接地ノードに結合する第 4のスイッチング素子（TR 2) とをさらに含む、請求の範囲 15に記載の車両。

19. 車輪を駆動するモータ（61) と、

前記第 1の電源ノードに接続され、.前記モータを駆動するインパータ（60) と、

前記第 2の電源ノードに接続される蓄電装置（20) とをさらに備える、請求の翁囲 18に記載の車両。

20. 燃料電池（40) と、

前記第 1の電源ノードと前記燃料電池（40) との間に接続される整流素子（4 2) とをさらに備える、請求の範囲 19に記載の車両。