CN101790835A - 车辆用升压转换器电路 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种能够防止过大的电流流向电气部件，并且能够迅速地调整升压电压的车辆用升压转换器电路。该车辆用升压转换器电路具备：电池；电感器，其一方的端子连接于电池的一方的端子；第一开关，其连接在电感器的另一方的端子与电池的另一方的端子之间；第二开关，其一方的端子连接于电感器的另一方的端子；电容器，其连接在第二开关的另一方的端子与电池的另一方的端子之间；以及开关控制部，其控制第一开关和第二开关，在通过第一开关和第二开关的控制对电容器充电，输出电容器保持的电压作为输出电压的车辆用升压转换器电路中，开关控制部通过以预定的占空比对第一开关进行通断控制来调整输出电压。

Description

车辆用升压转换器电路

技术领域

本发明涉及对电机驱动车辆用电池的电压进行升压的升压转换器电路。

背景技术

电动汽车、混合动力汽车等电机驱动车辆被广泛地应用。电机驱动车辆的电机，利用从电池供给的电力进行旋转来驱动车轮。电机驱动车辆的加减速控制，通过根据加速、制动等操作调整向电机供给的电力来进行。因此，在电机驱动车辆上搭载有调整从电池向电机供给的电力的升压转换器电路。

升压转换器电路具备用于对电池电压进行升压的电感器。升压转换器电路，通过对从电池流向电感器的电流进行开关控制从而在电感器中产生感应电动势，以对电池电压加上感应电动势得到的电压来对输出电容器充电。并且，将输出电容器的端子间电压作为升压电压输出。通过改变流向电感器的电流的开关定时来调整升压电压。

在升压转换器电路的输出端子上经由将直流电压变换为交流电压的变换器电路连接有电机。根据这样的结构，通过调整升压转换器电路的升压电压，从而能够调整从电池向电机供给的电力。

控制升压转换器电路的控制单元，基于运行操作来决定目标升压电压。并且，以使升压电压接近目标升压电压的方式，调整流向电感器的电流的开关定时。电机按照如此控制的电力进行旋转来驱动车轮。由此，能够进行与运行操作相应的电机驱动车辆的加减速控制。

在日本特开2005-51898号公报中，关于上述那样的升压转换器电路及其控制方法进行了记载。

发明内容

控制单元基于运行操作来求得目标升压电压。并且，以使升压电压接近目标升压电压的方式来控制升压转换器电路。在改变了升压电压的情况下，基于输出电容器的充放电的电流流向升压转换器电路。

然而，由于突然的运行操作使目标升压电压急遽地变化，在与之相应使升压电压发生了急遽变化的情况下，过大电流流向升压转换器电路，恐怕会使电气部件的寿命变短。因此，在以往的升压转换器电路中，有时不能使升压电压跟随目标升压电压的变动。

本发明是应对这样的课题而做成的，其目的在于提供一种能够防止过大的电流流向电气部件，并且能够迅速地调整升压电压的车辆用升压转换器电路。

本发明是一种车辆用升压转换器电路，其特征在于，具备：向车辆驱动用电机供给电力的电池；电感器，其一方的端子连接于电池的一方的端子；第一开关，其连接在电感器的另一方的端子与电池的另一方的端子之间；第二开关，其一方的端子连接于电感器的另一方的端子；电容器，其连接在第二开关的另一方的端子与电池的另一方的端子之间；以及开关控制部，其控制第一开关和第二开关，通过第一开关和第二开关的控制，向电容器施加对电池的端子间电压加上电感器的感应电动势得到的电压，输出电容器保持的电压作为输出电压，在通过与车辆的行驶控制相应的第一开关和第二开关的控制来调整输出电压的车辆用升压转换器电路中，开关控制部，通过以预定的占空比对第一开关进行通断控制来调整输出电压。

此外，优选的是，在本发明的车辆用升压转换器电路中，具备图表存储部，该图表存储部使占空比对应于电池电压与输出电压的差异的占空比图表，开关控制部，在包含于占空比图表的多个占空比之中基于电池电压与输出电压的差异来选择一个占空比，按照选择出的占空比来控制第一开关。

此外，优选的是，在本发明的车辆用升压转换器电路中，具备图表存储部，该图表存储部存储使占空比对应于从控制开始起经过的时间的占空比时间变化图表，开关控制部，在包含于占空比时间变化图表的多个占空比之中基于从控制开始起经过的时间来选择一个占空比，按照选择出的占空比来控制第一开关。

此外，优选的是，在本发明的车辆用升压转换器电路中，第一开关和第二开关分别具备晶体管，开关控制部控制第一开关和第二开关分别具备的晶体管的基极-发射极间电压。

能够提供一种能够防止过大的电流流向电气部件，并且能够迅速地调整升压电压的车辆用升压转换器电路。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的电机驱动车辆的结构的图。

图2是表示本发明的实施方式的升压转换器电路的结构的图。

图3是降低输出电压的控制的流程图。

图4是对占空比图表的一例以坐标图示出了其内容的图。

图5是对占空比时间变化图表的例子以坐标图示出了其内容的图。

图6是表示根据从控制开始时起经过的时间来决定占空比的控制的仿真结果的图。

具体实施方式

(1)电机驱动车辆的结构及行驶控制

图1中示出本发明的实施方式的电机驱动车辆的结构。电机驱动车辆，基于从电池10供给的电力使电机16旋转，利用电机16的驱动力来行驶。电机驱动车辆的加减速控制，通过调整从电池10向电机16供给的电力来进行。因此，在电机驱动车辆中使用对电池电压进行升压并调整升压电压的升压转换器电路12，此外，为了使用利用交流电压进行旋转的电机16，使用将升压转换器电路12的输出电压变换为交流电压的变换器电路14。

升压转换器电路12，基于控制单元18的控制对电池电压进行升压，向变换器电路14输出。变换器电路14，将升压转换器电路12的输出电压变换为交流电压，向电机16输出。变换器电路14，若升压转换器电路12的输出电压越大，则输出越大的交流电压。此外，若升压转换器电路12的输出电压越小，则输出越小的交流电压。因此，通过调整升压转换器电路12的输出电压，能够调整变换器电路14的输出交流电压。

当电机16以与变换器电路14的输出交流电压相应的速度进行旋转时，在电池10与电机16之间不进行电力的授受，电机16以恒定的速度进行旋转。若在该状态下提高升压转换器电路12的输出电压，则变换器电路14的输出交流电压变大，从电池10经由升压转换器电路12和变换器电路14向电机16供给电力。由此，电机16产生加速转矩来使电机驱动车辆加速。此外，若降低升压转换器电路12的输出电压，则变换器电路14的输出交流电压变小，从电机16经由升压转换器电路12和变换器电路14在电池10中回收电力。由此，电机16产生制动转矩，使电机驱动车辆减速。电机驱动车辆的减速，除了电机16的制动转矩以外，还能够利用另行设置的制动机构来进行。

操作部22包括加速踏板、制动踏板等，向控制单元18输出与运行操作相应的控制指令。控制单元18，基于控制指令来决定升压转换器电路12的目标输出电压。并且，控制升压转换器电路12使得升压转换器电路12的输出电压与目标输出电压的差异变小。

如此，在电机驱动车辆中，根据运行操作来决定升压转换器电路的目标输出电压，进行与目标输出电压相应的升压转换器电路的控制。但是，在以往的电机驱动车辆中，由于突然的运行操作使目标升压电压急遽地变化，在与之相应使升压转换器电路的输出电压发生了急遽变化的情况下，有时过大电流流向升压转换器电路内，恐怕会使电气部件的寿命变短。

于是，在本发明的实施方式的电机驱动汽车中，进行升压转换器电路12的控制，使得能够防止过大的电流流向电气部件，并且能够迅速地调整输出电压。

(2)升压转换器电路12的结构及输出电压控制

对升压转换器电路12的结构和升压转换器电路12的控制进行说明。图2中示出本发明的实施方式的升压转换器电路12的结构。控制单元18，控制升压转换器电路12使得基于运行操作决定的目标输出电压与输出电压的差异变小。

升压转换器电路12的控制，通过对上臂晶体管26和下臂晶体管28进行开关控制来进行。上臂晶体管26和下臂晶体管28，通过使基极端子B与发射极端子E之间的电压变化，能够控制为导通或者截止。上臂晶体管26和下臂晶体管28，在导通时电流从集电极端子C流向发射极端子E。

(i)输出电压的上升/维持控制

控制单元18，在从输出电压计34读入的测定输出电压为目标输出电压以下时，进行输出电压的上升/维持控制。该控制将上臂晶体管26维持为截止，并对下臂晶体管28进行导通截止控制。

在电池10的正极端子上连接有电感器24的一端。此外，电感器24的另一端被连接于下臂晶体管28的集电极端子C，下臂晶体管28的发射极端子E被连接于电池10的负极端子。因此，当使下臂晶体管28从截止变为导通时，电流从电池10经由电感器24流向下臂晶体管28的集电极端子C。

然后，当使下臂晶体管28截止时，流向电感器24的电流被切断，在电感器24中产生以下臂晶体管28侧为正的感应电动势。

电感器24的一端被连接于电池的正极端子，另一端被连接于二极管30的阳极端子A。此外，在二极管30的阴极端子K与电池10的负极端子之间连接有电容器32。因此，在对电池电压加上电感器感应电动势得到的电压比电容器32的端子间电压大的情况下，二极管30通过被提供顺向电压而导通。由此，以对电池电压加上电感器感应电动势得到的电压对电容器32充电，能够提高输出电压。

在电感器24中产生的感应电动势，依存于在电流即将被切断之前流向电感器24的电流的大小。并且，流向电感器24的电流，在下臂晶体管28被设为导通以后，随着时间的经过而增加。因此，通过以使对电池电压加上电感器感应电动势得到的电压变为目标输出电压的方式来决定下臂晶体管28的导通时间，从而能够以与目标输出电压相同值的电压对电容器32充电，使输出电压接近目标输出电压。

于是，控制单元18，在进行上升/维持控制的情况下，从电池电压计36读入测定电池电压。并且，为了使电感器24的感应电动势变为从目标输出电压减去测定电池电压得到的值，求出下臂晶体管28的导通时间。

控制单元18，对下臂晶体管28的反复导通截止进行控制，使得下臂晶体管28仅在求出的导通时间内变为导通。由此，在下臂晶体管28截止时，对电容器32施加与目标输出电压相同的值的电压，对电容器32进行充电。

在下臂晶体管28为导通时，电容器32的充电电压相对于二极管30变为逆向电压。二极管30变为切断状态。由此，避免电容器32经由二极管30放电。

根据这样的控制，通过使下臂晶体管28反复导通截止来反复进行电容器32的充电。由此，能够使电容器32充电至目标输出电压来使输出电压提高至目标电压。此外，在输出电压达到了目标输出电压后能够维持该电压。

(ii)降低输出电压的控制

控制单元18，在从输出电压计34读入的测定输出电压超过了目标输出电压时，进行降低输出电压的控制。该控制将下臂晶体管28维持为截止，对上臂晶体管26进行导通截止控制。

电容器32被连接在上臂晶体管26的集电极端子C与电池10的负极端子之间。此外，上臂晶体管26的发射极端子E被连接于电感器24的一端和下臂晶体管28的集电极端子C。并且，电感器24的另一端被连接于电池10的正极端子，下臂晶体管28的发射极端子E被连接于电池10的负极端子。

因此，在向电容器32充电了比电池电压高的电压的状态下，当使上臂晶体管26导通，使下臂晶体管28截止时，放电电流从电容器32经由上臂晶体管26流向电感器24。由此，能够降低电容器32的端子间电压，降低输出电压。放电电流，由包含于电感器24的电阻成分产生焦耳热，并且流入电池10对电池10充电。

电容器32的端子间电压与电池电压的差异越大则放电电流越大。因此，在差异电压大的情况下，恐怕过大电流会流向上臂晶体管26、电感器24、以及电池10。于是，控制单元18，以根据输出电压与电池电压的差异而决定的占空比来对上臂晶体管26进行导通截止控制。

在对上臂晶体管26进行了导通截止控制的情况下，放电电流在每次上臂晶体管26变为截止时被切断。放电电流一旦被切断，则在上臂晶体管26再次被设为导通时从电流值0开始增加。由此，能够避免放电电流持续增加，防止过大的电流流向上臂晶体管26和电感器24。

占空比越大，则由导通截止控制产生的放电电流值的振幅越大，但随着电容器32的继续放电而变小。于是，控制单元18进行通过放电降低电容器32的端子间电压并且增加占空比的控制。由此，能够以不变为过大电流且尽可能大的电流使电容器32放电，能够迅速地降低输出电压。

控制单元18，基于这样的原理来进行图3的流程图所示的控制。控制单元18将下臂晶体管28设为截止(S101)。然后，从电池电压计36读入测定电池电压，从输出电压计34读入测定输出电压(S102)。控制单元18，求出从测定输出电压减去测定电池电压得到的输入输出差异电压(S103)。然后，参照存储于存储部20的占空比图表，取得与输入输出差异电压对应的占空比(S104)。

在此，占空比图表用来确定与输入输出差异电压对应的占空比。图4对占空比图表的一例以坐标图示出了其内容。图4的占空比图表显示：在输入输出差异电压小于Vth时将占空比设为1，在输入输出差异电压为阈值电压Vth以上时输入输出差异电压越大则占空比被设得越小。

控制单元18，按照在步骤S104中取得的占空比和预定的导通截止周期，如下那样进行上臂晶体管26的导通截止控制(S105)。

控制单元18将上臂晶体管26设为导通。然后，在步骤S104中取得的占空比乘以导通截止周期得到的时间使下臂晶体管28导通后，将上臂晶体管26设为截止。

控制单元18，在使上臂晶体管26截止1个导通截止周期的剩余的时间后，再次将上臂晶体管26设为导通，以后同样地，进行下臂晶体管28的导通截止控制。

控制单元18，从输出电压计34读入测定输出电压(S106)，比较测定输出电压与目标输出电压(S107)。然后，在测定输出电压超过目标输出电压的情况下返回到步骤S102，继续基于与输入输出差异电压对应的占空比的导通截止控制。另一方面，在测定输出电压变为目标输出电压以下的情况下，结束降低输出电压的控制，进行输出电压的上升/维持控制。

通过这样的控制，控制单元18，以基于占空比图表的占空比进行上臂晶体管26的导通截止控制。占空比图表，在输入输出差异电压为阈值电压Vth以上的情况下，输入输出差异电压越小则显示越大的占空比。因此，在输入输出差异电压为阈值电压Vth以上的情况下，由于放电电容器32的端子间电压降低，能够进行输入输出差异电压变小并且使占空比增加的控制。由此，能够防止过大电流并且能够迅速地降低输出电压。

此外，占空比图表，在输入输出差异电压小于阈值电压Vth的情况下，作为占空比显示为1。因此，在输入输出差异电压小于阈值电压Vth的情况下，上臂晶体管26被维持为导通，变为能够最迅速地使电容器32放电的状态。由此，能够迅速地降低输出电压。

占空比图表，能够基于相对于电池10、电感器24、上臂晶体管26等而规定的容许电流，通过评测实验、仿真等来作成。

图5对从控制开始时起经过的时间和占空比相对应的占空比时间变化图表的例子以坐标图示出了其内容。图5的占空比时间变化图表显示：在从控制开始到时间τ的期间使占空比从0到1增加，在时间τ以后将占空比设为恒定值1。

控制单元18，参照占空比时间变化图表，基于从控制开始时起经过的时间来取得占空比。然后，将下臂晶体管28设为截止，基于取得的占空比对上臂晶体管26进行导通截止控制。

根据这样的控制，从降低输出电压的控制开始时起随着时间经过占空比增加。此外，电容器32的端子间电压随着继续放电而降低。因此，能够进行随着电容器32的端子间电压降低使占空比增加的控制。由此，能够通过不变为过大电流的尽可能大的电流使电容器32放电，能够迅速地降低输出电压。

此外，在该控制中，不需要读入测定输出电压和测定电池电压。因此，能够使控制单元18的控制程序简单，能够降低设计成本。

占空比时间变化图表，能够基于对电池10、电感器24、上臂晶体管26等而规定的容许电流、电容器32的放电特性仿真结果等来作成。

在升压转换器电路12中，由于降低输出电压时的控制程序的故障、控制单元18的内部电路的故障等，有时变为输出电压超过规定值的过电压状态。这里说明的降低输出电压的控制，也可以为了消除这样的过电压状态而进行。

在已变为过电压状态的情况下，在以往的电机驱动车辆中，为了避免过大电流流向升压转换器电路，很难迅速地降低输出电压。此外，当在过电压状态下使电机旋转时，过大电流流向电气部件，恐怕会使电气部件的寿命变短。因此，在以往的电机驱动车辆中，在已变为过电压状态的情况下强制地进行停车控制。

根据本发明的实施方式的电机驱动车辆，能够迅速地消除过电压状态。因此，能够避免缩短电气部件的寿命，避免强制停止车辆。

(iii)仿真结果

图6中示出根据从控制开始时起经过的时间来决定占空比的控制的仿真结果。图6的下侧的坐标图表示上臂晶体管26的占空比时间变化图表，上侧的坐标图表示输出电压。在仿真中，假设在升压转换器电路12的输出端子上没有连接负载的状态。此外，将电感器24的感应系数值设为0.2mH，将电阻成分设为0.2Ω，将电容器32的静电容量设为1000μF，将电池电压设为200V。仿真的结果，确认为以下：当以0.9秒使占空比从0直线地增加至1时，能够以0.4秒使输出电压从1400V降低至电池电压的200V。此外，此时确认为流向上臂晶体管26和电感器24的电流的大小的最大值为20A。

Claims (4)

1.一种车辆用升压转换器电路，其特征在于，具备：

向车辆驱动用电机供给电力的电池；

电感器，其一方的端子连接于电池的一方的端子；

第一开关，其连接在电感器的另一方的端子与电池的另一方的端子之间；

第二开关，其一方的端子连接于电感器的另一方的端子；

电容器，其连接在第二开关的另一方的端子与电池的另一方的端子之间；以及

开关控制部，其控制第一开关和第二开关，

通过第一开关和第二开关的控制，向电容器施加对电池的端子间电压加上电感器的感应电动势得到的电压，输出电容器保持的电压作为输出电压，

在通过与车辆的行驶控制相应的第一开关和第二开关的控制来调整输出电压的车辆用升压转换器电路中，

开关控制部，通过以预定的占空比对第一开关进行通断控制来调整输出电压。

2.根据权利要求1所述的车辆用升压转换器电路，其特征在于，

所述车辆用升压转换器电路具备图表存储部，该图表存储部存储使占空比对应于电池电压与输出电压的差异的占空比图表，

开关控制部，在包含于占空比图表的多个占空比之中基于电池电压与输出电压的差异来选择一个占空比，按照选择出的占空比来控制第一开关。

3.根据权利要求1所述的车辆用升压转换器电路，其特征在于，

所述车辆用升压转换器电路具备图表存储部，该图表存储部存储使占空比对应于从控制开始起经过的时间的占空比时间变化图表，

开关控制部，在包含于占空比时间变化图表的多个占空比之中基于从控制开始起经过的时间来选择一个占空比，按照选择出的占空比来控制第一开关。

4.根据权利要求1所述的车辆用升压转换器电路，其特征在于，

第一开关和第二开关分别具备晶体管，

开关控制部控制第一开关和第二开关分别具备的晶体管的基极-发射极间电压。

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